破冰船壓載水調駁輔助破冰技術

王平團，房玉吉，呂　君

(1.中船重工集團軍工部，北京 100085； 2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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破冰船壓載水調駁輔助破冰技術

王平團1，房玉吉2，呂君2

(1.中船重工集團軍工部，北京 100085； 2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

摘要：針對目前破冰船的主要破冰方法，介紹幾種主要的壓載水調駁技術，包括設備組成、原理及控制策略，對比分析其優缺點，為破冰船壓載水系統設計提供參考。

關鍵詞：破冰船；破冰方法；壓載水調駁

人類活動范圍不斷擴大，對南北極的考察正在不斷加強。相應地，對可在極地航行的船舶尤其是破冰船的研制投入也在不斷加強。參與對極地的科學研究及開發對我國的可持續發展至關重要，有必要加強對破冰船的研制。

1破冰船破冰方法

當冰層不超過1.5 m厚時，多采用“連續式”破冰法[1-2]。在螺旋槳強大的推力下，利用破冰船船頭的結構連續破冰前進。如果冰層厚度超過1.5 m，破冰船便很難連續前進，此時應采用“沖撞式”破冰法。在該方法中，破冰船首先要后退至離冰面2～3個船身長度的距離處，然后加速前進，靠船身的慣性及船頭的特殊輪廓結構沖上冰面，此時冰面的厚度不足以支撐破冰船船頭的重量而破碎；此后，破冰船又重新回到水中，然后再后退，再加速沖到冰面上，再次將一部分冰面壓碎，如此周而復始，慢慢前進。

為使船頭能行駛到冰面上，將破冰船船頭設計成特殊形狀，并且通過向設置在艉部的壓載水艙內注入一定的壓載水，以調整破冰船的縱傾，使船頭略向上翹起。

當冰層較厚，僅靠船頭的重量不足以將其壓碎時，則向破冰船艏部專門設置的破冰水艙中注水，增加艏部的重量，當船艏的重力超過下方冰面的支撐力時，冰面便被壓碎。為了防止船體被夾住或凍住，現代破冰船使用了傾側技術和氣泡減阻系統[3]。傾側技術主要由2種方法實現。一種方法是在船體兩側設置一定容量的破冰水艙，通過壓載水泵不斷改變兩側破冰船艙內壓載水的裝載量來使船體不停地左右往復擺動，以擺脫困境，另一種方法是在破冰船的船體兩側加裝專用的螺旋槳。氣泡減阻系統主要是通過空壓機將壓縮空氣由船體艏部和舯部的噴嘴噴出，高壓空氣在快速上浮的過程中會在船體外板處形成一股股海水與壓縮空氣的激流，將船體外板與冰面隔離開，起到潤滑的作用 。為此，在極地破冰船的船頭、船艉設置有破冰水艙，中部沿著兩舷設置搖擺水艙，而且所有水艙容積都較大[4]。為了實現壓載水在各水艙間的快速調駁，破冰船需要采用相應的壓載水調駁技術。

2幾種典型的壓載水調駁技術

2.1重力式

指海水在重力的作用下自動灌注到船體內部，該方式最早應用于潛艇的壓載。重力浸水技術日趨成熟, 在大容量壓載水系統中應用越來越多。其優點是管路簡單、管徑小、注入快捷，缺點是該方式必須是在船內壓載艙水位低于船外海水水位的情況下才能實現。因此壓載艙一般應布置在船舶設計水線以下[5], 且最好是船內壓載艙水位明顯低于船外海水水位,見圖1。

2.2水泵驅動式

2.2.1單向水泵形式

單向水泵形式主要分為2種。

1)第一種形式由單向調駁泵和三位四通閥組成。其優點是設備組成及控制都比較簡單，閥體中左右2個相位對應的水量方向剛好相反，通過控制活塞位置便可實現對壓載艙內壓載水的注排(見圖2)或兩個壓載艙之間(見圖3)的壓載水調駁，可靠性較高，反應較迅速。但一般的三位四通閥體積和重量較大，布置和安裝比較困難。

圖2　利用三位四通閥實現壓載水注排示意

圖3　利用三位四通閥實現壓載水調駁示意

2)第二種形式由單向調駁泵和4個遙控閥組成，見圖4?？刂葡到y應對泵和4個閥組按照邏輯關系進行連鎖控制。如將閥組a、d打開，c、b關閉，則可實現壓載水由右平衡艙向左平衡艙調駁。這種閥組較三位四通閥結構簡單，重量和體積都小很多，布置方便。缺點是：該形式中的泵和4個閥組必須按照一定的邏輯關系進行連鎖控制，當其中一個出現故障，整個系統就無法工作；為避免造成沖擊和破壞，需要在閥組到達一定的開度時才能啟動泵，導致該系統從開始啟動到正常運行需要較長一段時間。且由于泵啟停頻繁、流量大、電功率大，容易造成對電網的沖擊[7]。將其中一個平衡艙改為通海閥箱時即可實現對單一平衡艙的壓載水注排。

圖4　利用4個遙控閥實現壓載水調駁示意[6]

2.2.2可逆水泵形式

可逆水泵是可逆水泵形式中的關鍵設備。通過控制泵的正反轉來控制壓載水的流向，見圖5。該形式的優點是組成比較簡單，成本低。缺點是由于壓載水的調駁速度受制于水泵的排量，隨著對調駁速度要求的不斷提高，水泵重量和體積也會相應增大。且當改變調駁方向時，需要先停泵，等泵停穩后再換向啟動，整個過程時間較長。

圖5　利用可逆水泵實現壓載水調駁示意

2.3氣動式

主要由鼓風機和氣動閥等組成，見圖6。

圖6　氣動式壓載水調駁示意

該形式運用“連通器”的原理，通過鼓風機左壓載水艙的上方鼓入壓縮空氣，通過在水艙上方產生的壓力差將左壓載水艙中的水壓至右壓載水艙，實現由左壓載水艙向右壓載水艙的調駁，反之亦然。有2種工作模式，即“運行”模式和“待機”模式。當破冰船進行壓載水調駁時，首先將系統置于“運行”模式，此時鼓風機啟動，氣動閥01P、01S、02P、02S、04和05都處于打開狀態，03P和03S處于關閉狀態，左右壓載艙內的壓載水可以自由流通，鼓風機產生的壓縮空氣經氣動閥01P、01S、02P、02S和04排至大氣。當需要將左側壓載艙內的水調駁至右側壓載艙時，氣動閥01P、03P、02S、03S、04和05打開，01S和02P關閉，壓縮空氣經氣動閥01P和03P流向左壓載艙，右壓載艙的氣體經氣動閥03S、02S和04排至大氣中，左壓載艙內的水在空氣壓差的作用下由左壓載艙流到右壓載艙，反之亦然。

氣動式具有反應靈敏，調駁效率高，動力元件連續工作，不會因頻繁起停產生水流沖擊，元器件不與水接觸，系統可靠性高等優點[8]。缺點是系統結構復雜，造價昂貴，故障難于檢修[9]。氣動式還常與其他方式聯合使用，如當壓載艙需要注水，壓載艙液面在水線以下時，采用重力注水的方式，讓海水涌入壓載艙，當壓載艙的液面在水線以上時，通過調節壓載艙上面的空氣壓強，使海水涌入壓載艙或者通過壓載水泵向壓載艙內注水，以完成調載過程。這種方式既保證了快速性，也保證了經濟性[10]。幾種壓載水調駁技術對比見表1。

表1　壓載水調駁技術對比

重力式雖然優點較多，但由于使用條件有限，基本無法單獨使用。

3結束語

壓載水調駁技術較多，各有優缺點，并且經常聯合使用，在設計時需要綜合考慮，根據實際需求選擇一種或幾種的聯合才能使壓載水調駁功效達到最優。

參考文獻

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[7] 徐鵬.船舶氣動式抗橫傾裝置自動控制系統控制策略的研究[D].大連：大連海事大學,2010.

[8] 李帥.船舶氣動式抗橫傾裝置控制系統的設計[D].大連：大連海事大學,2009.

[9] 呂川.船舶氣動式抗橫傾裝置的研究[D].大連：大連海事大學,2008.

[10] 李樹敏.大型海洋起重平臺工作狀態下壓載水調配的實驗研究[D].大連：大連海事大學,2013.

On the Auxiliary Ice-breaking Technology by Barging Ballast Water for the Icebreaker

WANG Ping-tuan1, FANG Yu-ji2, LV Jun2

(1 The Military Department of China Shipbuilding Industry Corp., Beijing 100085, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The main methods of ice-breaking for icebreaker are described, as well as several main ballast water barging technologies, including equipment composition, principle and control strategy. The advantages and disadvantages of the above motioned technologies are compared and analyzed, so as to provide some references for the design of ships ballast water system.

Key words:icebreaker; methods of breaking ice; ballast water barge

中圖分類號：U674.4

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)02-0034-03

第一作者簡介：王平團(1980-)，男，碩士，高級工程師E-mail:lfivlf@163.com

基金項目：國家部委基金資助項目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.010

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶總體設計