破冰船设计特点分析摘要：作为北极航道开辟、自然资源开采的必要装备，破冰船是各国推进极地战略的重要抓手，研究破冰船设计特点具备极其重大意义。本文梳理了破冰船的不同分类标准，并收集整理了各类破冰船参数，着重分析了各类破冰船的主参数特征、船型特征以及螺旋桨特征，对比了破冰船不同动力型式、不同推进装置的应用特征，阐述了破冰船喷水融冰、快速侧倾以及气泡辅助破冰方法，为我国极地破冰船的设计提供借鉴。关键词：破冰船；船型特征；动力装置；推进装置；辅助破冰中图分类号：文献标志码：文章编号：AnalysisofDesignfeaturesoficebreakerZouJiahongLiuHuiXuHangAbstract：AsthenecessaryequipmentforthedevelopmentoftheArcticwaterwayandtheexploitationofnaturalresources,icebreakersareanimportantstartingpointforcountriestopromotethepolarstrategy.Itisofgreatsignificancetostudythedesignfeaturesoficebreakers.Thispapersortsoutthedifferentclassificationcriteriaoficebreakers,andcollectstheparametersofvariousicebreakers,focusingontheanalysisofthemainparametercharacteristics,shiptypecharacteristicsandpropellercharacteristicsofvariousicebreakers,comparingtheapplicationcharacteristicsofdifferentpowertypes,variouspropulsiondevicesoficebreakersandicebreakingmethodsconsistofwaterjetmelting,rapidrollandbubble-assisted.ThepaperareprovidedforthedesignofpolaricebreakersinChina.Keywords：icebreaker;shipfeatures;powerplant;propulsionuintauxiliaryicebreaking1.概述［收稿日期：作者简介：邹佳宏（1990-），男，助理工程师，主要是做各类船舶、海工产品建造工艺。通讯地址：上海市崇明区长兴岛江南大道988号,qs307490906@163；］极地地区拥有极为丰富的自然资源，随着北极海冰的迅速融化、两极大陆架油气资源的高度预期以及冰区海洋生物资源商业捕捞可能性的增加，两极海洋作为极地战略目标区域的主体地位日益凸显。技术装备是认知、利用和保护极地的基础，其中极地船舶是深海远洋考察、冰区勘探、海域石油与天然气钻采、可再次生产的能源开发、冰区运输、极地应急和后勤保障等极地技术装备的核心要素，是我国致力于维护和平、安全、稳定的北极秩序的重要基石。作为北极航道开辟、自然资源开采的必要装备，极地破冰船是各国推进极地战略的重要抓手，具备极其重大的战略地位［1］。本文总结了破冰船的不同分类标准并依据使用用途对各类破冰船参数进行了统计，着重分析了各类破冰船的主参数特征、船型特征以及螺旋桨特征，对比了破冰船不同动力型式、不同推进装置的应用特征，阐述了破冰船喷水融冰、快速侧倾以及气泡辅助破冰方法。2.破冰船的分类破冰船种类很多，并有不同的分类方法。根据用途破冰船可分为以下几类［2］：（1）领航破冰船：领导船队的超大功率破冰船；（2）航道破冰船：保障工作船组和商船队的运输航行；（3）科考破冰船：用于极地科学考察和极地科考站的物资运输；（4）多用途破冰船：用于以下两种或两种以上用途的破冰船［3］。a.保障船队在冰冻港口和浅水区域的航行，通常与航道破冰船联合使用；b.负责港口区域安全，辅助船只停靠岸等；c.用于冰区的救援工作及基本海域非冰冻时期漂浮设备的拖曳工作；d.用于极地补给和服务于海上石油钻井平台，以及看守和处理各种冰况下的海上系泊问题。根据破冰船主机功率可分为15000ph—30000ph的普通破冰船、30000ph—75000ph的大功率破冰船、75000ph以上的超大功率破冰船。超大功率破冰船通常用作北极海域的领航破冰船，它可常年在任意的东北航线上领航，不受季节和区域限制，主要是俄罗斯的核动力破冰船。根据能源设备类型，破冰船分为常规动力和核动力，其中常规动力破冰船又分为燃气动力、柴油动力、柴油-LNG混合动力、LNG动力。以下根据破冰船的用途对各类破冰船的主要参数进行统计分析。2.1.领航类破冰船目前全世界内，仅俄罗斯有领航类超大功率破冰船，而且都为核动力破冰船。根据文献资料整理俄罗斯现役和计划建造的领航破冰船数据如表1所示［3-4］。2.2.航道类破冰船根据文献资料整理俄罗斯现役和退役的航道破冰船数据如表2所示［4］。2.3.科考类破冰船根据文献整理全球现役和即将服役的科考破冰船数据如表3所示［5］。从以下数据能够准确的看出目前全世界内，科考破冰船均采用柴油机或燃气动力；螺旋桨多为调距桨和吊舱推进器，这主要是为满足科考作业高精度定位和操作灵活性的要求。2.4.多用途破冰船根据文献资料整理世界各国多用途破冰船参数如表4所示。其中除Sevmorput级和PUGNAX分别是集装箱运输船和LNG模块运输船，其他破冰船一般在冰冻港口和浅水区域的航行，辅助船只停泊靠岸，并用于极地补给和服务于海上石油钻井平台，以及看守和处理各种冰况下的海上系泊问题。3.船体特征3.1.主参数特征针对以上各类破冰船主参数进行了对比分析，具体结果详见表5。其中领航类超大功率核动力破冰船总长＞148m，水线t以上，均为三桨定距桨，常规电力推进，设计敞水航速约21kn~24kn，2kn航速破冰能力均大于2.25m，最大破冰能力为计划建造的LK- 110YA， 可破冰厚度为3.5m，轴功率约49MW ~110MW。领航类破冰船长宽比约 4.53~4.85， 方形系数 0.52~0.56，比功率为 1.82~2.04，另外推进功率约占动力装 置总功率的 83%~89%。 航道类破冰船总长约 120m~150m，水线t ，多为三桨定距桨，常规电力推进，设计敞水航速约 18.2kn~20.2kn，2kn 航速破冰能力均大于1.05m~1.95m，轴功率约 16.1MW~32MW， 长宽比约 4.59~5.00，方形系数 0.51~0.59，比功率为 1.44~1.91， 另外柴油动力破冰 船，推进功率约占动力装置总功率的84.3%~87.2%。 科考类破冰船的长宽比约 4.09~5.54，其中考虑雪龙〃号由极地航行货船改装 而来，长宽比为6.92，不计入统计范围；方形系数0.51~0.69；比功率为 0.73~1.64 ； 另外早期科考破冰船，如美国极地海〃号、德国极星〃号、加拿大亨 利•拉森〃 号，推进功率约占动力装置总功率的 84.3%~87.2%，后期建造的科考类破 冰船推进 功率占动力装置总功率的56%~77%。 多用途破冰船总长约 90m~174m，水线t，定距桨、调距桨都有，设计敞水航速约13.5kn~19kn，2kn 航速 破冰能力均大于0.6m~1.3m，轴功率约6.6MW~16.2MW不等。多用途破冰船 长宽比 约3.93~7.10，方形系数0.49~0.71，另外柴油动力破冰船，推进功率约占 动力装置总 功率的69%~94%。 3.2. 船型特征 破冰船船型设计特征大多分布在在首部和尾部，首部线型的选择对极地船舶 （特别是高等级冰况）的安全性、经济性至关重要，首部基本设计特征包括：首 柱 倾角a、首部B/4 处设计水线倾角Y （简称水线倾角）、首柱水面处肋骨外倾 角8 （简 称肋骨外倾角）等。 首柱倾角 a 决定了破冰船首施加给海冰的作用力在水平方向和竖直方向的分 力 大小，对海冰在斜面作用下发生断裂的方式也有决定性影响。首柱倾角a 为30° 时， 其水平冰力与竖直冰力的比值最小，考虑到破冰作业中艏前端形成的堆积冰 将造成 a 的实际值增大，所以a 在设计时取值通常为20°〜25°[7-8]。 水线倾角 Y 对破冰能力的影响主要在于清除破冰船水线以下在艏前端及其两 侧 形成的堆积冰。减小艏部进流角 Y，增大船首来流速度，有利于清除艏前端及 其两 侧的水下堆积冰，但是对于清除冰上堆积冰没有帮助，水线 对增强破冰效果和清除堆积冰都有较大影响。肋骨外倾角8 大， 则有利于堆积冰被水流冲向船底以清除，肋骨外倾角8 呈现从水线下向水线上逐 渐 变小，从艏向后逐渐变小的趋势，一般变化区间为40°〜65°[7-8]。 3.3. 螺旋桨特征 对于正常的破冰船船体线型而言，可能的配置是单桨、双桨和三桨布置。单 桨 的优点是螺旋桨在某些特定的程度上受到船体的保护，并能通过各种手段进行保 护。 使用双桨推进可以使螺旋桨直径更小而且更容易做到螺旋桨端部浸没，但保 护条件 可能不如单桨布置的情况好。从保护的角度来看，对于常规船体尺度和线 型而言，双桨推进或三桨推进的布置上都无显著优势［9］。 早期建造的破冰船多采用三叶调距可拆螺旋桨，采用可拆螺旋桨的初衷是允 许 在不拆卸轮毂的情况下可以更换桨叶，并将螺旋桨制造所需的铸件尺寸减至最 小。 实际上，由于修理后必须对螺旋桨进行静平衡测试，因此不拆卸轮毂是无法 更换桨 叶的。 现代建造的破冰船多采用四叶桨定距桨，因为四叶桨结合合理的桨毂尺寸可 以 船舶低速下获得最大化推力。 俄罗斯核动力破冰船均采用四叶定距可拆桨、三桨布置，三个桨功率分布为 1:2:1，中心螺旋桨的位置相对较好，能够获得充分的保护；但两侧螺旋桨要比同 等 功率双桨推进的螺旋桨暴露程度稍高。 4. 动力装置 破冰船的动力装置型式多样，包括核动力、燃气动力、柴电动力、柴油机推 进、 LNG 动力等多种动力型式。 核动力破冰船允许配置更大的动力以提高破冰能力，同时也将延长破冰船的 运 营航行时间。此外，如果核动力破冰船冬季被滞留在极地冰区海域，将不会有 燃料 短缺的问题，也不必降低供暖和其他辅助功能的能力，一旦冰情允许，该船 便可以 立即投入到正常的使用中。部分核动力破冰船可常年在极地区域航行，但在水温较高 的海域航 行时，会存在核反应堆的冷却问题，另外，核动力破冰船存在很明显的技 术壁垒，且 部分港口禁止核动力船舶停靠，在某些特定的程度上制约了该型动力系统的 应用［9］。 燃气动力破冰船的动力装置体积小、功率密度大、启动速度快、噪声低，但 成 本较高。燃气动力破冰船较少，目前仅有美国极地海〃和北极星〃号是采用燃 气 和柴油联合动力装置，柴油机用于巡航和破薄冰，燃气轮机用于破厚冰［10］。 柴电动力破冰船利用柴油机发电，采用电力推进，便于实现能量管理，可以 提