0 引　言

作为近北极国家，我国经过北极航线的船舶必须经历冰区海域和敞水海域，我国破冰船的设计需要兼顾破冰工况和敞水工况2种性能，既追求敞水区域的快速性、稳性，又必须考虑冰区航行的破冰性能、冰区操纵性^[1]。

破冰船的设计应以破冰工况为主，兼顾敞水航行。目前针对破冰船2种工况下的推进性能研究较少，主要有程红蓉等^[2]建立了以破冰航行效率、EEDI和相对回转直径为目标函数的综合性能多目标优化，用于极地船舶的主尺度确定和船型优化；刁峰等^[3]开展极地船舶关键船型参数对无冰水域静水阻力和冰阻力的影响分析。但针对如何考虑破冰工况和敞水工况下螺旋桨设计的均衡性问题研究较少，而且常规船舶中类似破冰船有2种典型任务工况的多桨推进螺旋桨设计研究也较少。王新平等^[4]针对三桨推进船舶的功率分配和螺旋桨设计工况选取问题进行了研究；周国平等^[5]针对不同主尺度、不同吃水、不同纵倾浮态、双桨推进和三桨推进等不同船型方案的船模快速性进行了试验研究。

另外，针对具有多种工况的常规船舶，多采用调距桨，通过转速和螺距的同时调节，使各螺旋桨推进效率合理和综合推进效率最佳，适应不同的推进需求。但考虑调距桨结构复杂、成本昂贵且维修困难，同时随着推进电机调速、反转等控制性能的逐步提升，越来越多的破冰船选择定距螺旋桨^[6]。

本文以破冰工况为设计基准，针对1∶1∶1和1∶2∶1两种功率分配的三桨推进开展定距螺旋桨设计，并考虑干扰因子对破冰工况下设计的螺旋桨进行优化，得出综合性能最优的螺旋桨设计参数。

1 破冰工况螺旋桨设计 1.1 破冰船总体参数

以LK-60破冰船总体参数、三桨推进为基础开展破冰工况下螺旋桨的设计，其主尺度和推进轴功率如表1所示。

1.2 系柱推力估算

表2总结了已建或计划建造的三桨破冰船螺旋桨直径之和（b）占船宽（B）的比例，三桨情况下b/B平均值和极值分别为0.557，0.590。

根据三桨情况下的b/B平均值与最大值的限制，考虑桨叶浸没深度、尾部线型以及船体空间对轴心距中纵剖面距离等因素限制，针对功率分配为1∶1∶1和1∶2∶1时在平均值与最大值之间选取了3种不同螺旋桨直径方案，如表3所示。

为了使3个螺旋桨的工作负荷都处于较经济合理的状态，提高综合推进效率，既要使三桨轴功率合理分配，又要螺旋桨桨叶、螺距、盘面比以及转速相匹配，使推进效率最佳。

本研究选取常规4叶和5叶不同盘面比的螺旋桨（MAU4-55，MAU4-70，AU5-65，AU5-80）^[7]，分别对轴功率1∶1∶1，1∶2∶1两种分配方式，估算不同转速下系柱推力。

计算过程如下^[8]：

计算不同轴功率分配、不同螺旋桨直径和转速下的K_Q，计算公式为

$ {K_Q} = \frac{Q}{{\rho {n^2}{D^5}}} = \frac{1}{{\rho {n^2}{D^5}}} \times \frac{{9550{P_D}}}{N} = \frac{{9550{P_D}}}{{\rho {n^2}{D^5}N}} \text{；}$

(1)

读取不同螺旋桨图谱上进速系数J为0时的K_Q对应的螺距比P/D和推力系数K_T；

利用以下公式计算不同转速的系柱推力T为

$ T = \rho {n^2}{D^4}{K_T} \text{。}$

(2)

根据以上计算过程得出1∶1∶1，1∶2∶1两种轴功率分配下4叶和5叶桨在不同盘面比、直径以及转速下的系柱推力如图1～图3所示。

1.3 破冰工况下的螺旋桨设计参数

选择最大系柱推力的螺旋桨参数作为本研究破冰船工况螺旋桨设计参数，如表4所示。

由于破冰船螺旋桨负荷重、尾部流场因碎冰扰动不均匀，因此为确定破冰船螺旋桨可以实现预计推力，需对空泡现象进行校核。假设进速V_A为3 kn，利用柏利尔限界线^[7]对表4各螺旋桨进行空泡校核，其中1∶1∶1功率分配下的螺旋桨和1∶2∶1功率分配下的中心桨不满足空泡校核。

为避免空泡产生，并尽量减少系柱推力的降低，通过调节螺旋桨盘面比获得破冰工况下的螺旋桨设计参数，如表5所示。

2 敞水推进螺旋桨优化 2.1 阻力性能预报

敞水阻力性能预报采用CFD软件STAR-CCM+，利用1∶40缩尺比模型进行计算（见图4）。图5为模型阻力航速曲线。

总阻力系数R_ts和有效功率P_E可分别写为：

$ {R_{ts}} = {C_{ts}}\frac{1}{2}{\rho _s}SV_s^2 \text{，}$

(3)

$ {P_E} = {R_{ts}} \times {V_s} \text{。}$

(4)

根据船模阻力数据，利用三因次换算法得到实船阻力曲线和有效功率预报曲线，如图6所示。

2.2 敞水推进螺旋桨参数优化

现有破冰船敞水设计航速为18～22 kn，结合实船有效功率预报，可知18～22 kn所需推进功率约为20～40 MW。因此，仅用中心桨或仅用双个舷侧桨即可满足敞水推进需求。

尽管敞水航行时中心桨和舷侧桨不同时运转，但螺旋桨桨面处的流场会受到舷侧桨或中心桨的流场干扰，根据关于多桨推进干扰因子的研究，假定三桨推进中心桨和舷侧桨的推进因子如表6所示。

敞水进速

$ {V_A} = (1 - b)(1 - w)V \text{，}$

(5)

船身效率

$ {\eta _H} = \frac{{2{K_{T1}}\left( {1 - {t_1}} \right) + {K_{T2}}(1 - {t_2})}}{{2{K_{T1}}\left( {1 - {w_1}} \right)(1 - {b_1}) + {K_{T2}}\left( {1 - {w_2}} \right)(1 - {b_2})}}\text{。} $

(6)

其中下角标1代表舷侧桨，下角标2代表中心桨，仅用中心桨推进时 $ {\eta _H} $ 取0.9846，仅用2个舷侧桨推进时 $ {\eta _H} $ 取0.9871。

考虑破冰工况选取的螺旋桨在18～22 kn航速下的进速系数与其螺距相互匹配，选取不同的转速针对不同功率分配计算中心桨或舷侧桨推进在不同转速下有效推力，如图7所示。

由图7(a)和图7(b)可知，中心桨推进应选取1∶2∶1功率分配，螺旋桨转速为200 r/min，敞水航速为20.22 kn，螺旋桨效率为0.65；舷侧桨推进应选取1∶1∶1功率分配，螺旋桨转速为320 r/min，敞水航速为20.62 kn，螺旋桨效率为0.55。

根据柏利尔限界线^[7]对以上螺旋桨进行空泡校核，均满足要求。

另外针对1∶1∶1功率分配方案，考虑牺牲部分破冰性能，选取P/D为0.7的MAU4-70的螺旋桨，转速112.5时系柱推力为2290 kN，重新计算该方案下中心桨在不同转速下敞水推进的有效推进功率曲线，如图7(c)所示。

对比图7(a)和图7(c)，即使牺牲部分破冰性能，1∶1∶1功率分配下中心桨敞水推进性能改善也不明显。

3 综合推进性能对比分析

总结以上螺旋桨设计参数如表7所示，可知：

1）通过改变螺旋桨转速，1∶2∶1三桨配置下系柱推力更大，但差距较小。

2）敞水工况中心桨推进下，1∶2∶1三桨配置下航速更高，效率更高。这可能是由于1∶2∶1三桨配置中心桨直径大、螺距比大。

3）敞水工况舷侧桨推进下，1∶1∶1三桨配置下航速更高，但1∶2∶1三桨配置效率更高。

4）敞水工况下，1∶1∶1舷侧桨推进与1∶2∶1中心桨推进航速相近，但1∶2∶1中心桨推进效率更高。

5）1∶1∶1三桨配置下，在牺牲部分破冰性能后，虽然航速增加不明显，但效率有较大提高，主要是螺距比变大，此方案可以仅修改中心桨螺距比，进一步降低破冰性能的牺牲，T_total =7070 kN。

4 结论与展望

1）综合系柱推力和敞水推进效率及航速，螺旋桨功率分配1∶2∶1推进效率更优，敞水推进选择中心桨。

2）中心螺旋桨设计参数：AU5-65，D=8.3 m，P/D=0.8；舷侧桨设计参数：MAU4-55，D=5.9 m，P/D=0.6，N=141 r/min；中心桨破冰推进和敞水推进的转速分别为82.4 r/min，N=200 r/min。

本文采用的常规桨、电力轴桨推进系统简单分析了破冰船三桨推进的螺旋桨设计参数，其中忽略了船舶线型、冰区螺旋桨特殊性、破冰工况下螺旋桨的相互干扰等因素，是否符合工程实际需要进一步研究，接下来还需要对冰区桨、破冰工况下螺旋桨的相互干扰等问题进一步研究。