破冰船動力系統及主推進器發展現狀

桂 陽， 何炎平*， 陳 哲

(上海交通大學 a.海洋工程國家重點實驗室；b.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心；c.船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

0 引 言

推進系統作為破冰船的核心系統之一，隨著推進裝置的發展和能源供給技術的進步，發生巨大的變革[1]。目前，我國極地科考破冰船僅擁有極地級(Polar Class，PC)冰級為PC6級的雪龍號和PC3級的雪龍2號，極地破冰船的自主設計經驗尚不豐富，針對破冰船推進系統的自主研制能力還有所欠缺，尤其是重型破冰船，我國尚無自主設計的經驗。

1 世界主要破冰船發展規模

世界范圍內的破冰船主要分布在俄羅斯、加拿大、芬蘭、瑞典、美國、丹麥、挪威等21個國家?，F搜集破冰船137艘(部分已退役)，環北極國家(加拿大、丹麥、芬蘭、挪威、瑞典、俄羅斯、美國)共擁有破冰船124艘，占比為90.5%，其他國家占比僅為9.5%。按照注冊冰級將搜集的破冰船劃分為重型、中型及輕型。各船級社破冰船冰級對比[1]如表1所示。

表1 各船級社破冰船冰級對比

俄羅斯擁有破冰船數量最多，共計74艘，占比為54.0%，其中：重型破冰船11艘(含核動力破冰船9艘，已退役6艘)。美國擁有北極級常規動力重型破冰船2艘(北極海號停運)。加拿大、丹麥、芬蘭、瑞典合計擁有破冰船39艘，占比為28.5%，均為輕、中型破冰船。

2 破冰船動力系統發展現狀

2.1 柴油機動力系統

柴油機動力系統在破冰船中應用較為廣泛，根據推進方式分為機械推進系統和電力推進系統。

2.1.1 柴油機機械推進系統

柴油機機械推進系統如圖1所示，由柴油機作為原動機直接或通過齒輪箱變速驅動推進器，動力轉換階段少，損耗低，復雜性較低，購買成本相對較低[2]。但機械推進系統軸系較多、可靠性低、空間占用大，柴油機固有的外特性使螺旋槳在變工況環境下無法有效利用主機動力，因此采用機械推進系統的破冰船常搭載調距槳以提高船舶機動性[3]。

圖1 柴油機機械推進系統

在搜集的破冰船中，23艘采用柴油機機械推進系統，如我國的雪龍號、德國的極星號和瑞典的奧登號[4]。

2.1.2 柴油機電力推進系統

柴油機電力推進系統如圖2所示，由柴油發電機組直接或通過固態整流器和變頻器為電機供電，再由推進電機直接或通過齒輪箱驅動推進器，具有經濟性好、操縱性優良、節省空間、噪聲低和節能環保等優勢，但能量轉換階段增多，動力損失變大，采用電氣設備增加航行過程中的安全隱患，需要配備種類繁多的配件，并對操作人員具有較高的技能要求。根據推進裝置可分為傳統的軸槳推進、全回轉推進和吊艙推進[5]。

圖2 柴油機電力推進系統

電力推進的優勢在于推進電機扭矩特性通常設計為低速高扭矩，即使螺旋槳被冰塊卡住，轉速降至零，電機的堵轉特性也可保障機組安全，短時間內不會發生事故。適用于高冰級破冰船的推進電機通常還具備過扭矩特性(見圖3)，在破冰工況下，螺旋槳轉速沿額定功率線下降，在轉速低至系柱工況轉速以下時，電機在過扭矩區間仍以額定功率運行，若此時冰載荷增大，則轉速持續下降，電機輸出扭矩繼續增加直至最大[6]。

圖3 電機扭矩特性曲線

電力推進系統在破冰船上的應用經歷一系列發展，從最初直流發電機組向直流電機供電，到后來船用電網順利應用促使交流發電機組通過電網向直流電機供電，再到現在交流發電機組向交流電機供電[7]。進入21世紀，柴油機電力推進技術依然發展迅猛。2011年5月，ABB集團公司推出直流電網概念，取消傳統的交流主配電板和換流變壓器，發電機組電能直接或通過整流器輸入直流電網并將電能進行合理分配，特別適用于冰級船舶，通過在系統中增加“插入式能量存儲”，提高破冰操作響應時間，螺旋槳可在幾秒鐘內實現反轉，并可吸收突然的負載變化，減少冰對主柴油機造成的負荷變化，從而節省燃油，減少機械維護[8]。

由液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)驅動的芬蘭破冰船北極星號問世，使破冰船電力推進雙燃料技術成為熱點。國際海事組織(IMO)《國際防止船舶造成污染公約》(《MARPOL公約》)附則Ⅵ中Tier Ⅲ標準的生效和硫排放控制區的擴大，意味著對柴油機氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx)排放控制更加嚴格，LNG和低硫柴油大幅減少船只的污染排放。隨著環保要求的增加，電力推進雙燃料技術成為未來發展的主要方向[9]。

在搜集的破冰船中，101艘船采用柴油機電力推進系統，如俄羅斯的葉爾馬克號，搭載30.4 MW的柴油發電機組，為3臺電動機供電，驅動3個四葉定距槳，可提供軸功率24.5 MW。

2.2 聯合動力系統

應用于破冰船的聯合動力系統只有柴油機-燃氣輪機聯合動力系統，如圖4所示。美國的重型破冰船北極星號和北極海號采用柴燃交替動力方式(Combined Diesel or Gas，CODOG)，智利的奧斯卡·維爾·托羅海軍少將號采用柴燃聯合動力方式(Combined Diesel and Gas，CODAG)[10]。

圖4 柴油機-燃氣輪機聯合動力系統

對于重型破冰船，該類系統分為2種工作模式，在自航時柴油機電力推進系統工作，在破冰時由燃氣輪機增壓裝置為船舶提供動力，2個獨立的系統通過共同的軸系連接調距槳，有效改善船體的整體運行狀況。該類系統具有起動快、備航時間短、機動性好等優點，同時，CODOG搭載大功率主機無須考慮功率儲備，雙線工作模式具備較高的靈活性和可操作性，充分發揮柴油機經濟性好和燃氣輪機功率大、尺寸小、重量輕、由初速至高速轉換快等優點。但該類系統重量大，整體占據船體空間大，并在單一工況下部分主機只能閑置，對動力系統運行效率有一定的影響[11-13]。

美國北極級破冰船均搭配6臺柴油機和3臺燃氣輪機，分別為3臺直流電動機供電，推進器采用3個直徑為4.9 m的四葉可調螺距螺旋槳，推進軸功率達44.8 MW。

2.3 核能動力系統

核能動力系統(見圖5)具備超強的續航力，適用于長時間深入極地工作的破冰船。相較于常規動力，核動力系統能發出較大功率，使破冰船具有更強勁的破冰能力，且核動力裝置運行特性更為穩定并易于控制，負荷跟隨特性更好，但核動力裝置的重量尺寸較大，占用船內空間多，對自由航行航速具有一定影響，采用核動力電力推進系統的破冰船操作管理系統較為復雜，對核裂變反應放出的大量放射性物質應專門設置相關設備進行處理[14-15]。

圖5 檢測結果錄入

圖5 核能動力系統

現有的核動力破冰船均采用壓力水型的反應堆，以原子核裂變反應所產生的巨大熱能通過工質(蒸汽或燃氣)推動汽輪機發電機組或燃氣輪機發電機組為直流電動機供電，采用電力軸槳推進方式，搭載3個四葉定距槳。俄羅斯自20世紀50年代開始建造核動力破冰船，是世界上唯一擁有核動力破冰船的國家，總計10艘(北方海路號在俄羅斯船級社被定義為集裝箱船，同時具備破冰能力)。目前在役核動力破冰船4艘，包括北極級2艘和泰梅爾級2艘。初代核動力破冰船列寧號采用3座OK-150型(后換為2座K-900型)反應堆，軸功率達32.8 MW；在第二代核動力破冰船中，北極級選用2座OK-900A型反應堆，泰梅爾級選用2座KLT-40M型反應堆，軸功率分別達52.8 MW和36.0 MW；目前，俄羅斯核動力破冰船發展至第三代，LK-60系列破冰船搭載2座RITM-200型反應堆，軸功率達60.0 MW[16]；第四代領袖級破冰船于2020年7月開始建造。

2.4 小 結

在世界主要破冰船中，應用柴油機動力系統的破冰船占比超過90.0%，主要為輕、中型破冰船。采用機械推進系統的破冰船多為輕型破冰船，占比為19.0%，其中：約65.0%為20世紀八九十年代建造，近十年內的新造船舶不足25.0%。采用電力推進系統的破冰船主要為中型，占比為81.0%，其中：采用傳統軸槳推進的破冰船占比為65.0%，采用吊艙推進的破冰船占比為18.0%，采用全回轉推進的破冰船占比為17.0%。由此可看出：在電力推進技術日趨成熟的情況下，隨著破冰船破冰能力要求的提高，柴油機機械推進系統將逐步被取代。在世界主要破冰船中，采用聯合動力系統的破冰船只有美國的北極級和智利的奧斯卡·維爾·托羅海軍少將號，占比不足3.0%，進入21世紀，沒有新造的破冰船搭載該類動力系統，其很難在破冰船上大范圍應用。針對重型破冰船，3類動力系統均被應用，其中：采用核能動力系統的破冰船占比高達70.0%，在擁有強大破冰能力的同時，續航性能較常規船舶更為優秀。核能動力系統可作為重型破冰船動力系統首選。

3 破冰船主推進器發展現狀

3.1 定距槳

應用于破冰船的定距槳通常為可拆卸葉片式四葉定距槳，其結構簡單、造價低廉、使用方便、效率較高，且單槳具備較大功率[17]。但定距槳的設計載荷固定，在采用柴油機直接驅動時，若需要螺旋槳在破冰工況下產生較大推力，則在自由航行工況下推進效率會降低，且不能充分吸收柴油機功率。定距槳無法在2種工況下同時達到最佳推進效率，且在復雜工況下機動性較差[18]。

在世界主要破冰船中，72艘船采用定距槳為主推進器，覆蓋輕型、中型、重型各級，應用非常廣泛。在采用定距槳的破冰船中，除愛沙尼亞的塔爾莫號采用柴油機直接驅動外，其余破冰船均采用電力推進方式。

3.2 調距槳

調距槳可利用槳轂中的操縱機構根據需要調節槳葉螺距，在不同航行狀態時，主機均可充分發揮功率和轉速，有效提高推進系統效率。但其機構較為復雜，在破冰工況下較易受損，且造價和維修費用較高[19]。

在世界主要破冰船中，30艘船采用調距槳為主推進器，其中：21艘船采用機械推進形式，且大部分建造于20世紀中葉。機械推進搭載調距槳，可使船舶在不進行主機反轉的情況下完成倒車，在需要頻繁倒車的冰區航行條件下可提高倒車性能，延長主機的使用壽命。與定距槳相比，調距槳可兼具自由航行時的高效率和低速破冰時的大推力[20]。電力推進搭載調距槳也被應用，如南非的阿古拉斯2號搭載2個調距槳，軸功率達9.0 MW。還有采用導管調距槳的港口破冰船，如丹麥的布拉吉·維京號采用雙導管調距槳作為主推進器，并在船首搭載2個全回轉推進器用以輔助推進。

3.3 常規全回轉推進器

普通全回轉推進器的推進電機安置在船體內，通過較短的傳動軸系和傘齒組連接螺旋槳，支持在360°范圍內提供最佳推力，具有良好的操作性和機動性，并可更好地利用船舶空間，提升電力效率，同時擁有較低的維護成本[21]。

由于傳統的螺旋槳加舵操縱方式在低航速下舵效較低，在極地航行時難以在較厚的冰層中控制船舶航向，因此全回轉推進器取消傳統的舵葉設計，有效改善推進器水下動力環境，憑借其良好的操縱性可在低航速下保證船舶順利轉向和倒車，并可有效減少船體與海冰間的碰撞，提高冰區船舶的航行安全性。

但全回轉推進器受限于功率大小，主要適用于輕、中型破冰船。在世界主要破冰船中，17艘船采用普通全回轉推進器，其中：約90.0%的船舶建造于21世紀，如俄羅斯國家航運公司薩哈林號搭載2個全回轉推進器，推進功率達13.0 MW。進入21世紀，俄羅斯新造采用全回轉推進器的破冰船14艘，均為中型破冰船。

3.4 吊艙推進器

冰區吊艙推進器出現于20世紀90年代，由交流電機直接驅動定距槳，與普通全回轉推進器的明顯區別在于其推進電機安置在吊艙內部，由變頻器控制，不僅可節省船內空間，而且可方便地冷卻電動機。作為一個獨立的推進模塊，吊艙推進器集推進裝置與操舵裝置于一體，結構更為緊湊，可在360°范圍內任意旋轉，并產生任意方向推力。配備吊艙推進器的破冰船具有較好的機動性能，可滿足操作靈活、扭矩范圍大等要求[22]。

搭載吊艙推進器可改變破冰船傳統的破冰方式，實現雙向破冰。目前具備雙向破冰能力的破冰船，搭載3個冰級吊艙推進器，2個在船尾，1個在船首，改變原有螺旋槳的布置形式，使船舶在各類工況下均具有充分的轉向能力，并可在各方向上利用螺旋槳破冰，巨大的定距槳在提供推力的同時可輔助破冰，并可將船尾碎冰沖走，從而將冰阻力降低50.0%。冰阻力降低使破冰動力要求降低，所需要的燃料消耗減少，排放減少[23]。這不僅大幅提高船舶破冰能力，而且更符合環保標準。但冰級吊艙推進器造價昂貴、維護費用高，是目前尚未全面普及的原因。

在搜集的破冰船中，所采用的吊艙推進器均由ABB集團公司提供，型號系列為Azipod VI和Azipod ICE，功率為2.0～17.0 MW，共計18艘，超過70.0%的該類破冰船新建于2010年后，涵蓋輕型、中型、重型各級。例如：我國的雙向破冰船雪龍2號，搭載2臺吊艙推進器，推進功率達15.0 MW；芬蘭的LNG破冰船北極星號搭載2個吊艙推進器，推進功率達12.5 MW。

3.5 小 結

在20世紀五六十年代，破冰船主要采用直接推進搭載定距槳推進方式；自20世紀70年代開始，為盡可能適應破冰船多工況需求，更多地將調距槳應用在破冰船上。進入21世紀，調距槳的優勢逐漸被日趨成熟的電力推進技術替代，傳統軸槳推進方式逐漸被全回轉和吊艙推進方式替代。在近十年新造的破冰船中，采用吊艙推進器的破冰船超過采用全回轉推進器的破冰船。由此可見：在吊艙推進器大力發展的今天，普通全回轉推進器優勢不再明顯；破冰船推進系統逐步向集成化、一體化的方向邁進，冰級吊艙推進器將是未來全面應用的方向。

4 結 論

按照船舶注冊冰級對搜集的137艘破冰船進行分級，并根據動力系統及主推進器類型進行分析和總結，得出如下結論：

(1)在世界主要破冰船中，重型破冰船占比僅為9.5%。為開發極地資源，俄羅斯、美國、加拿大等國均在計劃新一代的破冰船。雪龍2號問世標志著我國具備自主研發中型破冰船的能力，但整體實力較發達國家仍存在一定的差距，為滿足我國極地戰略需求，應盡早深入研發重型破冰船。

(2)目前世界主要破冰船動力系統采用柴油機動力系統、柴油機-燃氣輪機聯合動力系統和核能動力系統，其中：采用柴油機動力系統的破冰船約90.0%，涵蓋輕型、中型、重型各級。柴油機動力系統仍是輕中型破冰船的主要選擇，柴油機電力推進系統是目前迭代更新最快的技術，是未來大力發展應用的方向。

(3)破冰船采用的主推進器包括定距槳、調距槳、全回轉推進器和吊艙推進器。常見的推進方式主要為電力推進搭載定距槳、全回轉推進器和吊艙推進器，機械直推搭載調距槳。進入21世紀，在新造破冰船中，電力推進搭載全回轉推進器和吊艙推進器的應用程度高于傳統軸槳推進方式，破冰船推進系統正逐漸向集成化、一體化發展。

(4)對于重型破冰船，3類動力系統均被采用，主要分為核能電力槳軸推進、柴電推進搭載吊艙推進器、聯合動力系統搭載調距槳等3種推進形式，其中：采用核能動力系統的破冰船占比為70.0%。我國若自主研發重型破冰船推進系統，可將核能動力系統搭載吊艙推進器方案作為首選。