極地航行船舶最小功率計算研究

夏討飯，曹 凱，唐桂斌，李連亮

（中遠船務工程集團有限公司，遼寧大連 116600）

極地航行船舶最小功率計算研究

夏討飯，曹 凱，唐桂斌，李連亮

（中遠船務工程集團有限公司，遼寧大連 116600）

針對芬蘭—瑞典冰級規則對冰區加強船舶最小功率的要求，通過實船案例對1A冰區加強船舶進行計算，從規范計算公式分析影響船舶最小功率的關鍵因素，對不同船型和不同冰區加強等級船舶的最小功率進行計算比較，得出規范要求的最小功率計算適用性和特點總結。同時結合即將正式生效的極地規則，對PC6和PC7等級的極地航行船舶的最小功率計算具有指導意義。

1A冰區加強；極地航行；最小主機功率

0 引言

兩極地區被稱為地球上最后一個資源富集區，未開發的油氣資源占全球總量的 1/5，是未來重要的能源基地。隨著世界經濟和船舶技術的發展，相關國家對北極油氣資源的開發將進入實質性實施階段，其開采規模和設備數量也將迅速增加。北極航道是指穿過北冰洋，連接大西洋和太平洋的海上航道。與傳統航線相比，北極航道可以縮短8天～15天航程，一旦開通，將成為連通歐、亞、北美三大洲的最短航線，前景廣闊、商機無限。目前冰區船的設計建造技術基本上掌握在芬蘭、俄羅斯、韓國、日本手上，由于我國以前對冰區及極地船起步較晚，沒有技術儲備，因此掌握冰區船舶設計建造關鍵技術已是我國開發北極航道的重要技術基礎。

本文通過規范計算公式研究，對公式中的每個變量因素，結合多種實船船型和不同冰區加強等級的計算結果進行分析，對冰區航行和極地航行船舶最小功率的計算方法和準確性進行判斷，為后續該類型船舶設計提供參考依據。

1 極地航行船舶最小功率計算

1.1 規范計算要求

根據冰區航行船舶規范要求，船舶在滿足常規水域快速性能要求功率的前提下，還需要考慮一部分功率儲備用于在冰區航行時使用。對于常規商船配備中低速主機的船舶，此功率要求往往會大幅度高于日常使用所要求的經濟值，進而影響整船的設計方案。所以，在設計初期需要重點考慮，掌握影響冰區最小功率的關鍵因素，盡量減小冰區最小功率的要求值顯得尤為重要。最新的極地規則主要是對船舶在極地航行操作、環保和安全等方面的要求，對于功率尚未明確規定，可參考冰區加強規范對于極地冰區等級的等效性，如表1所示。

表1 極地冰區等級表

然后，將重點從大部分冰區加強船舶參考芬蘭—瑞典冰級規則進行研究，規則對最小功率計算公式定義見式(1)。

式中，P為最小功率要求值，kW。

1）Ke為推進系數，根據螺旋槳個數和螺旋槳類型不同進行選取，選擇表2所示。

表2 推進系數選擇表

2）RCH為船舶航行在具有浮冰的航道中的阻力，計算公式如下：

式中，式中的參數變量參考圖1進行確定。HM和HF分別為船中和船首冰厚度，根據冰區等級不同進行選擇計算。C1和C2僅用于1A SUPER冰級需要進行計算，對于1A、1B、1C值為0；L為垂線間長，m；LPAR為冰區吃水對應平行中體長度，m；LBOW為船首長度，m；B為船寬，m；T為冰區吃水，m；Awf為首部水線面面積，m2；α為船首 1/4船寬水線入水角，(°)；φ1為中縱剖面首柱傾斜角度，(°)；φ2為 1/4船寬剖面線傾斜角度，(°)；Cμ= 0.15cosφ2+ sinφ1sinα，不小于 0.45；Cψ=0.047ψ-2.115，如果ψ≤45°，ψ=0；ψ=acrtan(tanφ1/sinα)，(°)。

對研究所得數據利用SPSS 18.0軟件進行處理,計數資料n/%表示,用χ2檢驗,P值小于0.05,則提示經比較兩組數據間差異存在統計學意義。

圖1 阻力計算參數變量示意圖

3）Dp為船舶螺旋槳直徑。

由最小功率計算公式，可以發現在冰區航行時，會受到浮冰的影響而產生額外的附加阻力，為了克服該阻力，船舶需要具有更大的推進功率。從圖 1可知，一艘船舶最小功率計算的因素主要是船寬和首部水線面及縱剖面的形狀，每個可變參數對于計算結果的影響不同，具體影響結果將根據下述實船案例計算進行詳細描述。

表3 可變參數影響表

1.2 1A冰區加強船舶的最小功率計算

1.2.1 極地甲板運輸船計算

極地甲板運輸船是中遠船務工程集團公司自主研發的經濟型甲板模塊運輸船，具有1A冰區加強，適合北極航行的最新一代甲板運輸船。根據規范要求和設計型線，對最小功率進行計算，在最大冰區航行吃水條件下，計算參數和結果如表4所示。

表4 極地甲板運輸船計算結果

實船在設計中，按照該船的技術要求，優化船型阻力，在設計航速狀態下，所需的主機功率約為4 700 kW，而最小功率計算要求值約為16 000 kW，遠遠大于船舶航行要求的功率值。對于冰區加強船舶，由于其絕大部分航行均在非結冰水域，采用計算結果進行設計會非常不合理。對本船相關參數進行分析，雖然按照表5對比，本船各個參數均符合規范公式要求的范圍值，但是由于該船為寬淺型船舶，螺旋槳直徑較小，航速要求較低，所以規范計算對于本船不適用，該船型只能通過冰池試驗來確定最小功率值。

本船未進行冰水池試驗，但是參考相似船型的冰水池試驗結果，以及根據冰水池模擬計算，最小功率計算結果約為7 950 kW，僅為規范計算的一半。

表5 冰水池模擬計算結果

1.2.2 集裝箱船計算

根據規范計算結果，最小功率要求是10 800 kW，而實船設計時，考慮19 kn的設計吃水，船舶所需主機功率為11 600 kW，設計所選取主機已滿足最小功率要求，規范最小功率計算適合支線集裝箱船設計。

1.2.3 阿芙拉油船計算

本船是一艘1A冰區加強型，船寬為42 m，油船具有較大的方形系數，且浮心位置一般趨向船舶首部，所以船首會相對肥胖些，對于按規范計算最小功率將不利。所選實船計算結果如表7所示。

油船計算所需的最小功率為18 399 kW，而根據航速計算所需功率為9 670 kW，實際所需功率僅為最小功率要求的一半。由于阿芙拉型油船船寬大于40 m，不適用與規范公式計算要求，所以該船型如有冰區加強要求，需要采用冰水池試驗進行最小功率核算。

表6 支線集裝箱船計算結果

表7 阿芙拉油船計算結果

1.3 同船型不同參數對設計的影響

對于同一船舶，為了降低最小功率的要求，除了螺旋槳數量、形式和直徑的影響外，還需要在設計型線時，考慮對最小功率的幾個影響因素進行優化設計。

1）α為1/4B處水線角，該角度的大小對于船舶在浮冰水域的阻力具有較大影響，角度越小，浮冰越容易通過船舶兩側而被排開，阻力就越小。不同角度對于RCH值影響如表8所示。

表8 不同角度對于功率的影響

2）φ1中線處首柱前傾角，該角度主要是船舶首柱形狀對于浮冰區域航行阻力的影響，最大值為90°：直首或者具有球鼻艏船舶。而對于1A以下冰區加強船舶，φ1對應的計算參數C1和C2為0，所以該角度對于低冰區加強船舶最小功率計算沒有直接影響。

3）φ2為1/4B縱剖線水平夾角，該角度與α角相似，角度越小，則阻力越小。如該船舶設置有大球鼻艏，則該角度最大可以是90°。

4）LBOW和LPAR水線面處平行中體前至船首長度和平行中體長度，LBOW將影響Awf的大小，所以LBOW增加，將加大船舶阻力值，LPAR值在滿足布置要求情況下，對阻力計算應盡快減少該數值，有利于降低最小功率要求。

1.4 不同冰區加強等級最小功率影響

不同冰區加強等級船舶最小功率的要求具有較大差異，采用上述三個船型的計算分析，同一船型不同冰級加強最小功率比較如表9所示。

表9 船舶最小功率比較表

根據表格對比結果 ，冰區加強等級1A與1AS最小功率增加約為40%，1B與1A增加約44%。所以在設計過程中，根據船東使用要求，提前對冰區加強等級對船舶設計和成本的影響，是非常必要的。如將等級提高，主機功率儲備要求增加40%以上，將導致在常規水域航行過程中，主機負荷率很低，影響主機性能的發揮等不利影響。

2 結論

通過對規范要求最小功率計算公式的描述，闡述了規范公式的適用范圍和各個參數對最小功率計算的影響。同時針對不同船型和冰區加強等級船舶的最小功率計算比較，得到以下結論供大家參考。

1）冰區加強船舶在計算最小功率時，如采用規范計算公式，首先需要判斷其尺度和參數是否滿足公式適用范圍的要求；

2）對于寬度型深較大的船型不適用于規范公式計算，只能根據冰池試驗結果計算設計；

3）冰區加強船舶對于型線設計需要特殊考慮，包括首部進流角、首柱形狀和螺旋槳等因素；

4）不同冰區等級最小功率差別較大，所以在選擇冰區加強等級需要根據船舶使用要求，選擇合適的等級。

極地規則將在2017年正式生效，對于越來越多的北極航運需求，將會有更多的船東選擇建造滿足極地規則航行的船舶，而極地規則對于最小功率計算并未有明確要求。本文雖然主要針對1A冰區加強船舶進行論述，對于極地航行PC6和PC7等級船舶也具有指導意義。

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Research on Calculation of Minimum Power of Polar Ship

XIA Taofan,CAO Kai,TANG Guibin,LI Lianliang
(COSCO Shipyard Group Co.,Ltd.,Liaoning Dalian 116600,China)

According to the minimum power requirement of ice strengthening vessels in Finnish-Swedish ice rules,through calculating the actual vessel of ice strengthening,the key factors influencing the minimum power by calculation formula of rules requirement are analyzed.Comparing the calculation of the minimum power of different ship type and different class of ice strengthening ships,the applicability and characteristic summary for the rules requirements minimum power calculation are worked out.At the same time,the polar code will be coming into force.the minimum power calculation for PC6 and PC7 class ships is also instructive.

1A ice strengthening; polar navigation; minimum power

U661.31

A

10.14141/j.31-1981.2017.05.009

夏討飯（1984—），男，工程師，研究方向：船舶總體設計。