极地航行船舶最小功率计算研究

夏讨饭，曹 凯，唐桂斌，李连亮

（中远船务工程集团有限公司，辽宁大连 116600）

极地航行船舶最小功率计算研究

夏讨饭，曹 凯，唐桂斌，李连亮

（中远船务工程集团有限公司，辽宁大连 116600）

针对芬兰—瑞典冰级规则对冰区加强船舶最小功率的要求，通过实船案例对1A冰区加强船舶进行计算，从规范计算公式分析影响船舶最小功率的关键因素，对不同船型和不同冰区加强等级船舶的最小功率进行计算比较，得出规范要求的最小功率计算适用性和特点总结。同时结合即将正式生效的极地规则，对PC6和PC7等级的极地航行船舶的最小功率计算具有指导意义。

1A冰区加强；极地航行；最小主机功率

0 引言

两极地区被称为地球上最后一个资源富集区，未开发的油气资源占全球总量的 1/5，是未来重要的能源基地。随着世界经济和船舶技术的发展，相关国家对北极油气资源的开发将进入实质性实施阶段，其开采规模和设备数量也将迅速增加。北极航道是指穿过北冰洋，连接大西洋和太平洋的海上航道。与传统航线相比，北极航道可以缩短8天～15天航程，一旦开通，将成为连通欧、亚、北美三大洲的最短航线，前景广阔、商机无限。目前冰区船的设计建造技术基本上掌握在芬兰、俄罗斯、韩国、日本手上，由于我国以前对冰区及极地船起步较晚，没有技术储备，因此掌握冰区船舶设计建造关键技术已是我国开发北极航道的重要技术基础。

本文通过规范计算公式研究，对公式中的每个变量因素，结合多种实船船型和不同冰区加强等级的计算结果进行分析，对冰区航行和极地航行船舶最小功率的计算方法和准确性进行判断，为后续该类型船舶设计提供参考依据。

1 极地航行船舶最小功率计算

1.1 规范计算要求

根据冰区航行船舶规范要求，船舶在满足常规水域快速性能要求功率的前提下，还需要考虑一部分功率储备用于在冰区航行时使用。对于常规商船配备中低速主机的船舶，此功率要求往往会大幅度高于日常使用所要求的经济值，进而影响整船的设计方案。所以，在设计初期需要重点考虑，掌握影响冰区最小功率的关键因素，尽量减小冰区最小功率的要求值显得尤为重要。最新的极地规则主要是对船舶在极地航行操作、环保和安全等方面的要求，对于功率尚未明确规定，可参考冰区加强规范对于极地冰区等级的等效性，如表1所示。

表1 极地冰区等级表

然后，将重点从大部分冰区加强船舶参考芬兰—瑞典冰级规则进行研究，规则对最小功率计算公式定义见式(1)。

式中，P为最小功率要求值，kW。

1）Ke为推进系数，根据螺旋桨个数和螺旋桨类型不同进行选取，选择表2所示。

表2 推进系数选择表

2）RCH为船舶航行在具有浮冰的航道中的阻力，计算公式如下：

式中，式中的参数变量参考图1进行确定。HM和HF分别为船中和船首冰厚度，根据冰区等级不同进行选择计算。C1和C2仅用于1A SUPER冰级需要进行计算，对于1A、1B、1C值为0；L为垂线间长，m；LPAR为冰区吃水对应平行中体长度，m；LBOW为船首长度，m；B为船宽，m；T为冰区吃水，m；Awf为首部水线面面积，m2；α为船首 1/4船宽水线入水角，(°)；φ1为中纵剖面首柱倾斜角度，(°)；φ2为 1/4船宽剖面线倾斜角度，(°)；Cμ= 0.15cosφ2+ sinφ1sinα，不小于 0.45；Cψ=0.047ψ-2.115，如果ψ≤45°，ψ=0；ψ=acrtan(tanφ1/sinα)，(°)。

对研究所得数据利用SPSS 18.0软件进行处理,计数资料n/%表示,用χ2检验,P值小于0.05,则提示经比较两组数据间差异存在统计学意义。

图1 阻力计算参数变量示意图

3）Dp为船舶螺旋桨直径。

由最小功率计算公式，可以发现在冰区航行时，会受到浮冰的影响而产生额外的附加阻力，为了克服该阻力，船舶需要具有更大的推进功率。从图 1可知，一艘船舶最小功率计算的因素主要是船宽和首部水线面及纵剖面的形状，每个可变参数对于计算结果的影响不同，具体影响结果将根据下述实船案例计算进行详细描述。

表3 可变参数影响表

1.2 1A冰区加强船舶的最小功率计算

1.2.1 极地甲板运输船计算

极地甲板运输船是中远船务工程集团公司自主研发的经济型甲板模块运输船，具有1A冰区加强，适合北极航行的最新一代甲板运输船。根据规范要求和设计型线，对最小功率进行计算，在最大冰区航行吃水条件下，计算参数和结果如表4所示。

表4 极地甲板运输船计算结果

实船在设计中，按照该船的技术要求，优化船型阻力，在设计航速状态下，所需的主机功率约为4 700 kW，而最小功率计算要求值约为16 000 kW，远远大于船舶航行要求的功率值。对于冰区加强船舶，由于其绝大部分航行均在非结冰水域，采用计算结果进行设计会非常不合理。对本船相关参数进行分析，虽然按照表5对比，本船各个参数均符合规范公式要求的范围值，但是由于该船为宽浅型船舶，螺旋桨直径较小，航速要求较低，所以规范计算对于本船不适用，该船型只能通过冰池试验来确定最小功率值。

本船未进行冰水池试验，但是参考相似船型的冰水池试验结果，以及根据冰水池模拟计算，最小功率计算结果约为7 950 kW，仅为规范计算的一半。

表5 冰水池模拟计算结果

1.2.2 集装箱船计算

根据规范计算结果，最小功率要求是10 800 kW，而实船设计时，考虑19 kn的设计吃水，船舶所需主机功率为11 600 kW，设计所选取主机已满足最小功率要求，规范最小功率计算适合支线集装箱船设计。

1.2.3 阿芙拉油船计算

本船是一艘1A冰区加强型，船宽为42 m，油船具有较大的方形系数，且浮心位置一般趋向船舶首部，所以船首会相对肥胖些，对于按规范计算最小功率将不利。所选实船计算结果如表7所示。

油船计算所需的最小功率为18 399 kW，而根据航速计算所需功率为9 670 kW，实际所需功率仅为最小功率要求的一半。由于阿芙拉型油船船宽大于40 m，不适用与规范公式计算要求，所以该船型如有冰区加强要求，需要采用冰水池试验进行最小功率核算。

表6 支线集装箱船计算结果

表7 阿芙拉油船计算结果

1.3 同船型不同参数对设计的影响

对于同一船舶，为了降低最小功率的要求，除了螺旋桨数量、形式和直径的影响外，还需要在设计型线时，考虑对最小功率的几个影响因素进行优化设计。

1）α为1/4B处水线角，该角度的大小对于船舶在浮冰水域的阻力具有较大影响，角度越小，浮冰越容易通过船舶两侧而被排开，阻力就越小。不同角度对于RCH值影响如表8所示。

表8 不同角度对于功率的影响

2）φ1中线处首柱前倾角，该角度主要是船舶首柱形状对于浮冰区域航行阻力的影响，最大值为90°：直首或者具有球鼻艏船舶。而对于1A以下冰区加强船舶，φ1对应的计算参数C1和C2为0，所以该角度对于低冰区加强船舶最小功率计算没有直接影响。

3）φ2为1/4B纵剖线水平夹角，该角度与α角相似，角度越小，则阻力越小。如该船舶设置有大球鼻艏，则该角度最大可以是90°。

4）LBOW和LPAR水线面处平行中体前至船首长度和平行中体长度，LBOW将影响Awf的大小，所以LBOW增加，将加大船舶阻力值，LPAR值在满足布置要求情况下，对阻力计算应尽快减少该数值，有利于降低最小功率要求。

1.4 不同冰区加强等级最小功率影响

不同冰区加强等级船舶最小功率的要求具有较大差异，采用上述三个船型的计算分析，同一船型不同冰级加强最小功率比较如表9所示。

表9 船舶最小功率比较表

根据表格对比结果 ，冰区加强等级1A与1AS最小功率增加约为40%，1B与1A增加约44%。所以在设计过程中，根据船东使用要求，提前对冰区加强等级对船舶设计和成本的影响，是非常必要的。如将等级提高，主机功率储备要求增加40%以上，将导致在常规水域航行过程中，主机负荷率很低，影响主机性能的发挥等不利影响。

2 结论

通过对规范要求最小功率计算公式的描述，阐述了规范公式的适用范围和各个参数对最小功率计算的影响。同时针对不同船型和冰区加强等级船舶的最小功率计算比较，得到以下结论供大家参考。

1）冰区加强船舶在计算最小功率时，如采用规范计算公式，首先需要判断其尺度和参数是否满足公式适用范围的要求；

2）对于宽度型深较大的船型不适用于规范公式计算，只能根据冰池试验结果计算设计；

3）冰区加强船舶对于型线设计需要特殊考虑，包括首部进流角、首柱形状和螺旋桨等因素；

4）不同冰区等级最小功率差别较大，所以在选择冰区加强等级需要根据船舶使用要求，选择合适的等级。

极地规则将在2017年正式生效，对于越来越多的北极航运需求，将会有更多的船东选择建造满足极地规则航行的船舶，而极地规则对于最小功率计算并未有明确要求。本文虽然主要针对1A冰区加强船舶进行论述，对于极地航行PC6和PC7等级船舶也具有指导意义。

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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

夏讨饭（1984—），男，工程师，研究方向：船舶总体设计。