极地破冰船螺旋桨设计探讨

丁 举 王建强 刘正浩 周 旻 孔为平

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011；2.喷水推进技术国防科技重点实验室 上海 200011）

0 引言

随着北极航道逐步商业化，极地科考和管理事务越来越多，在我国“大洋存在、两极拓展”的战略背景下，需要研制多型极地破冰船以满足需求[1]。螺旋桨是破冰船的核心部件，螺旋桨性能直接影响到全船的快速性能、破冰性能、振动噪声性能和冰区安全性能。国内建造的“雪龙2”号破冰科考船、极地凝析油轮和极地甲板运输船等船舶，其所用推进器均是国外设计和制造，故我国急需突破高冰级螺旋桨设计技术，实现破冰船推进器的国产化研制。

作为高冰级的重型破冰船，除在敞水域航行外，持续破冰是常态，故螺旋桨设计要能匹配多工况推进需求，无论敞水域工况还是破冰工况，均要与船体和主机匹配良好。螺旋桨裸露在船体外，直接受到海冰冲撞作用，故冰级螺旋桨需特别加厚设计，应能承受冰块所引起的冲击载荷和交变应力。此外，螺旋桨若过分加厚，会明显降低水动力性能,也会因为“金字塔强度”原则而导致轴段过分加粗、轴系过分加强，从而影响轴系系统设计的先进性，重型破冰船大尺寸轴桨制造的难度也会陡增。所谓桨轴强度设计“金字塔强度”原则，就是螺旋桨叶片需要设计得相对弱些，保证螺旋桨叶片损坏在先，而桨轴、轴系附件损坏在后。

对冰级螺旋桨设计研究较多的单位有俄罗斯克雷洛夫研究院（Krylov state research centre，KSRC）、德国汉堡水池（Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt GmbH，HSVA）、芬兰阿克北极公司（Aker Arctic）、ABB 公司以及加拿大国家研究委员会海洋技术研究所（national research council Canada/institute for ocean technology，NRC/IOT）等。俄罗斯的PUSTOSHNY 等[2]指出适用于常规螺旋桨的空泡优化措施往往不适用于高冰级桨，高冰级桨的减振设计非常有挑战性，船东需要提出合适的高冰级运输船快速性和空泡指标要求。SEARLE 等[3]在加拿大海洋技术研究所冰水池，用人工冷冻模型冰进行模型试验，测量桨的推力和转矩变化。STEPHEN 等[4]对“USCGC Healy”号破冰船开展了模型试验及破冰航速预报研究。ABB 公司的冰级吊舱推进器在破冰船上运用广泛，我国的“雪龙2”号破冰科考船采用了7.5 MW PC3 冰级吊舱推进器。

国内，孙文林等[5]针对冰区航行条件下船舶推进系统所需要面临的问题及其导致的冰区推进系统的特殊性进行了整理和分析。朱成华等[6-7]对俄罗斯核动力破冰船的船体参数、船型特征以及螺旋桨设计特点作了分析，并对比分析不同螺旋桨配置对重型破冰船推力的影响，分别计算不同螺旋桨直径、桨叶、螺距、布置以及功率分配下的正车系柱推力。中国船舶及海洋工程设计研究院先后对PC3冰级极地科考船、PC5 冰级极地多用途箱船、PC6冰级极地十八缆物探船、PC2 冰级极地重型破冰船和PC6 冰级破冰调查船开展推进器设计研究，积累了一定的冰级螺旋桨设计经验，现正在开展PC2至PC1 高冰级螺旋桨国产化研制工作。

针对冰级螺旋桨强度校核计算所关心的冰载荷预报问题，国内多家研究单位开展了模型试验预报和数值计算预报研究，但预报结果距离工程精度需求尚有差距，目前在校核螺旋桨强度时所用冰载荷还是依据船级社给出的经验公式[8-9]。

在冰块阻塞、碰撞和铣削作用下，螺旋桨的推力、扭矩、空泡和脉动压力性能会发生明显变化，在减压满足空泡数相似条件下的试验结果更接近实桨性能。英国纽卡斯尔大学的爱默生空泡水筒（ECT）实验室采用聚苯乙烯泡沫塑料模型冰开展了一系列的冰桨作用试验，观测桨铣削冰块时的空化现象和水动力变化[10]。国内主要开展了空泡水筒中冰块阻塞状态的螺旋桨水动力测量、空泡观察和脉动压力测量[11-15]。

本文以一型PC2 级重型破冰船螺旋桨设计为例，探讨冰级螺旋桨特点及其设计技术。

1 冰级螺旋桨设计

1.1 设计输入

破冰船既要航行于敞开水域，又需航行于冰区，故对冰级螺旋桨的设计指标要多于常规螺旋桨，这就要求既要验证敞水域航行的快速性能和振动噪声性能，又要验证冰区航行的快速性能和螺旋桨强度性能。相比于机械传动，破冰船适宜采用电力推进，这是因为在较厚层冰等冰情严重区域运行时，螺旋桨击打厚冰块导致转速降低的情况经常发生，电力推进的主要优点是当螺旋桨转速降低时，可迅速增加转矩和维持功率的能力。若是柴油机直接驱动螺旋桨的情况，转矩和功率都随着螺旋桨转速的下降而明显降低，柴油机扭矩限制导致螺旋桨推力大大降低。以某PC2 级重型破冰船为例（以下简称目标船），中间桨为推进电机配定距轴桨推进，MCR 功率为17 MW；双边桨为吊舱推进器推进，双机MCR 功率为20 MW。

在目标船方案设计阶段，经过充分论证，确定了桨盘面的空间位置、螺旋桨的限制直径及推进电机额定转速。中间桨直径不超过6 m，边桨直径不超过4.8 m，图1 是船模尾部照片。这样的三桨布置既保证了桨叶与船体有足够的间隙，使得吊舱推进器360o回转有足够空间，又避免了三桨运行时产生不利的水动力干扰。

图1 船尾三桨模布置照片

根据拖曳水池船模伴流试验，得到中桨和边桨的伴流场数据，根据船模阻力试验和库存桨自航试验，得到不同航速下的船体阻力数据以及中桨和边桨的自航因子。这些数据均是螺旋桨适伴流设计的输入依据。

1.2 冰级螺旋桨的特点和设计流程

与常规螺旋桨有所不同，冰级螺旋桨设计主要关注以下3 点：

（1）应特别关注系柱拖力的设计和预报。因为低速破冰航行时，螺旋桨的运行工况接近系柱工况。系柱工况有空泡但不会产生严重推力下降问题，以此衡量螺旋桨盘面比和直径是否够大。冰级螺旋桨盘面比一般不超过0.75，以便冰块能从桨叶间通过。根据经验，冰级螺旋桨的盘面比在0.6～ 0.75是合适的。

（2）高冰级螺旋桨会频繁受到冰块撞击，螺旋桨要加强，但又不能过度加强，需要兼顾轴系的加强设计需求。冰区航行对操纵性要求高，螺旋桨除了正转外，常常要倒转，故桨叶侧斜很小，桨叶随边要加厚。NACA16、NACA66 等翼型随缘太薄，不能满足抗冰强度要求，需要采用适用于中高冰级螺旋桨的加厚叶剖面。根据俄罗斯船级社规范（RMRS）[16],在距离导边或随边5%弦长位置处的桨叶厚度不得小于叶梢厚度的一半，这使冰级桨比常规桨看起来更钝些。由于侧斜限制、纵斜限制和叶剖面厚度限制等因素，对于高冰级螺旋桨而言，空泡性能优化的空间较小，导致脉动压力和辐射噪声性能会低于常规螺旋桨。

（3）为提高冰级螺旋桨的可维修性和可靠性，通常采用可拆桨叶定距桨型式。桨叶与冰块频繁碰撞容易导致桨叶边缘变形受损，为方便维修或拆换，单片桨叶一般为可拆式。下页图2 为可拆式定距桨装置，主要有桨叶（含叶根法兰）、桨毂、叶根螺栓和桨帽等组成，通过若干叶根螺栓把叶根法兰紧固在桨毂上，从而实现单片桨叶的装拆。高冰级调距桨倒车时不必反转，但由于系统零部件多且可靠性差，所以实船应用很少，加之现在破冰船一般采用电机作为动力，低转速时扭矩裕度大，使用调距桨的必要性进一步降低。

图2 可拆式定距桨装置

此外，冰级螺旋桨通常采用不锈钢材料。相比常规螺旋桨采用的铜合金材料，不锈钢的屈服强度和抗拉强度均明显提高，见表1 和表2[17]。例如0Cr16Ni5Mo 的屈服强度不小于540 MPa，比铜合金Cu3 提高120%；抗拉强度不小于760 MPa，比铜合金Cu3 提高29%。高冰级螺旋桨若仍然采用铜合金材料，则桨叶会加厚到难以接受的程度。

表1 中国船级社《材料与焊接规范》螺旋桨铜合金的力学性能

表2 中国船级社《材料与焊接规范》螺旋桨铸钢件的力学性能

因国内高冰级螺旋桨设计尚无实船应用经验，具体设计方法不成熟，下页图3 给出参考的冰级螺旋桨设计流程（ice propeller design process，IPDP）。为了验证螺旋桨水动力性能满足敞水域和破冰工况推进要求，在设计阶段需要开展模型试验，包括水池敞水试验、自航试验、全功率拖航试验、系柱拖力试验、冰池破冰性能试验、空泡和脉动压力试验等。

图3 冰级螺旋桨设计流程IPDP

1.3 冰级螺旋桨设计结果

目标船中间螺旋桨主要设计结果见表3，桨模照片见图4。

图4 中间桨模型照片

表3 中间螺旋桨主要参数

利用CFD 手段对螺旋桨敞水性能、空泡性能和自航性能开展预报。图5 是敞水域19 kn 航速工况桨叶空泡形态数值预报结果，下页图6 是船体表面和推进器表面压力分布预报结果。

图5 桨叶空泡形态数值预报

图6 三桨自航船体和推进器表面压力分布数值预报

1.4 螺旋桨强度校核

冰级螺旋桨需要按照船级社规范校核冰载荷作用下螺旋桨强度能否满足要求。国际船级社协会（international association of classification societies，IACS）于2006 年制定了极地船舶的设备要求[18]，给出了螺旋桨设计冰载荷的计算公式及 加载方法。中国船级社《CCS 钢质海船入级规范2021 版》[19]在第8 篇第13 章《极地级船舶的补充规定》中，给出了同样的螺旋桨设计冰载荷的计算公式及加载方法。DNVGL 2019 年前的版本[20]与IACS 和CCS规定一致，但在2019 年《RULES FOR CLASSIFICATION》的 第5 篇-第10 章“Vessels for special operations”[21]中，特别对ICEBREAKER 级自破冰船舶螺旋桨设计冰载荷的计算公式作出修正说明，随后在2021 年版本[22]中，对叶片最大向后受力Fb的计算公式又有明显调整，以目标船中间桨为例介绍如下。

式中：n为螺旋桨名义转速，定距桨取额定转速的85%；D为螺旋桨直径，m；EAR为螺旋桨盘面比；Z为螺旋桨桨叶数；Hice为用于强度设计的冰厚，根据PC 冰级查表4 得到，m；Sice为确定冰块作用力的冰强度系数，根据PC 冰级查表4 得到。带入数据得出，Fb=3 252 kN。

表4 冰级系数

2019 年，对于ICEBREAKER 级开敞桨Fb计算系数明显提高，Fb计算结果增加了56.5%：

对于PC1 至PC3 冰级，特别规定Sice=1.2。带入数据得出，Fb=5 090 kN。

2021 年，对于ICEBREAKER 级开敞桨Fb计算系数作了降低调整，Fb较2019 年版计算结果降低了30%：

对于PC1 至PC3 冰级，Sice采用表4 数据。带入数据得出，Fb=3 577 kN。从最近几年Fb的计算公式不断调整可以看出，螺旋桨冰载荷的计算方法并不成熟。

螺旋桨材料为马氏体不锈钢0Cr16Ni5Mo。采用有限元计算，按照DNVGL 规范校核5 种冰载荷工况下的螺旋桨静强度，结果见下页表5。安全因子均≥1.5，满足静强度要求。载荷工况1 桨叶应力云图见下页图7，最大应力值为319.8 MPa，出现位置为0.45R附近位置近导边处。

表5 DNVGL 规范螺旋桨有限元计算结果

图7 载荷工况1 桨叶应力云图

参考DNVGL 指导性规范CLASS GUIDELINEDNVGL-CG-0041[23]校核螺旋桨冰区疲劳强度，结果见图8。图中红色曲线为螺旋桨不锈钢材料的S-N曲线，其下的蓝色柱状条即为冰区载荷按Weibull分布在不同周期下的应力幅值，各周期下的应力幅值均在S-N 曲线下方，表明疲劳强度满足要求。

根据螺旋桨强度设计结果，按照船级社规范方法校核最小轴径需求，确保轴径设计值在合适 范围内。

2 冰级螺旋桨模型试验验证

2.1 水池试验

在俄罗斯KSRC 减压水池开展螺旋桨系柱拖力试验，不同转速空泡数系柱拖力试验结果见图9，该结果直接关系到螺旋桨在冰区的推进性能。

在转速空泡数bσ＜2 以后，推力系数tK产生明显下降；bσ＜5 以后，扭矩系数QK明显上升。中间桨系柱工况对应σb=2.3，Kt不会下降，但KQ增大约8%，对应扭矩增加不超过推进电机扭矩限制线，螺旋桨冰区推力不会下降。根据参考文献[24]，俄罗斯北极级核动力破冰船Arktika 在冰脊中运行时螺旋桨出现吸气现象，此时螺旋桨处于系柱状态空泡应该非常严重。

在俄罗斯KSRC 拖曳水池开展敞水试验和自航试验，预报敞水域快速性能，验证敞水效率和航速满足指标情况。

2.2 冰池破冰性能试验

在俄罗斯KSRC 冰池开展航行试验，预报破冰航速和船机桨匹配性能，验证破冰航速满足指标情况，试验见图10。

图10 俄罗斯KSRC 冰池试验照片

2.3 空泡和脉压试验

在上海船舶运输科学研究所空泡水筒用网格模拟伴流场，开展了中间桨模的空泡形态观察和脉动压力测量，测量的工况为破冰航速2 kn，敞水域航速11 kn 和19.2 kn。

各航速工况下桨模有叶背片空泡、榖涡空泡和梢涡空泡发生，2 kn 破冰工况下还有连体附着涡空泡产生，见图11 至下页图13。

图11 桨叶位于0°位置空泡形态图（破冰航速2 kn）

图12 桨叶位于0°位置空泡形态图（航速11 kn）

图13 桨叶位于0°位置伴流形态图（航速19.2 kn）

实桨诱导船底表面脉动压力幅值见图14～ 16。破冰航速2 kn 时，脉动压力最大值为8.8 kPa；航速11 kn 时，脉动压力最大值为1.8 kPa；航速19.2 kn 时，脉动压力最大值为6.5 kPa。2 kn 破冰工况螺旋桨负荷重，最大脉动压力值比敞水域高航速工况大35%。

图14 实桨诱导船底表面脉动压力幅值（破冰航速2 kn）

图15 实桨诱导船底表面脉动压力幅值（航速11 kn）

图16 实桨诱导船底表面脉动压力幅值（航速19.2 kn）

3 结论

破冰船螺旋桨性能的优劣直接关系到全船的快速性能、破冰性能、振动噪声性能和安全航行性能，故冰级螺旋桨设计是破冰船设计过程中的关键环节。本文在对冰级螺旋桨特点分析基础上，初步建立了冰级螺旋桨设计流程。以一型PC2 级重型破冰船螺旋桨设计为例，给出了设计结果和部分模型试验验证结果，并得出如下主要结论：

（1）冰级螺旋桨设计首先关注的是冰区加强设计，桨叶加强要适度，要兼顾轴系强度设计需求。

（2）冰级螺旋桨通常采用不锈钢材料以提高抗冰强度，采用桨叶可拆式定距桨型式以方便单片桨叶的维修更换。

（3）冰级螺旋桨既要通过拖曳水池敞水试验和自航试验验证敞水域航行的快速性能，又要通过冰池航行试验验证冰区航行的快速性能；需要关注螺旋桨系柱工况不能产生推力下降问题，从而保证冰区推力满足要求。

（4）在开展空泡和脉动压力模型试验时，既要有敞水域设计航速工况和其他作业工况，又要有破冰航速工况；破冰工况螺旋桨负荷重，设计桨在2 kn 破冰工况时产生连体附着涡空泡，最大脉动压力值比敞水域高航速工况大35%。

（5）国内冰级螺旋桨设计技术尚不成熟，无高冰级螺旋桨实船应用经验；可靠的冰级螺旋桨设计和性能预报技术正在形成中。