丁 舉 王建強(qiáng) 劉正浩 周 旻 孔為平

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011；2.噴水推進(jìn)技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200011）

0 引言

隨著北極航道逐步商業(yè)化，極地科考和管理事務(wù)越來越多，在我國“大洋存在、兩極拓展”的戰(zhàn)略背景下，需要研制多型極地破冰船以滿足需求[1]。螺旋槳是破冰船的核心部件，螺旋槳性能直接影響到全船的快速性能、破冰性能、振動(dòng)噪聲性能和冰區(qū)安全性能。國內(nèi)建造的“雪龍2”號(hào)破冰科考船、極地凝析油輪和極地甲板運(yùn)輸船等船舶，其所用推進(jìn)器均是國外設(shè)計(jì)和制造，故我國急需突破高冰級(jí)螺旋槳設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)破冰船推進(jìn)器的國產(chǎn)化研制。

作為高冰級(jí)的重型破冰船，除在敞水域航行外，持續(xù)破冰是常態(tài)，故螺旋槳設(shè)計(jì)要能匹配多工況推進(jìn)需求，無論敞水域工況還是破冰工況，均要與船體和主機(jī)匹配良好。螺旋槳裸露在船體外，直接受到海冰沖撞作用，故冰級(jí)螺旋槳需特別加厚設(shè)計(jì)，應(yīng)能承受冰塊所引起的沖擊載荷和交變應(yīng)力。此外，螺旋槳若過分加厚，會(huì)明顯降低水動(dòng)力性能,也會(huì)因?yàn)椤敖鹱炙?qiáng)度”原則而導(dǎo)致軸段過分加粗、軸系過分加強(qiáng)，從而影響軸系系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先進(jìn)性，重型破冰船大尺寸軸槳制造的難度也會(huì)陡增。所謂槳軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)“金字塔強(qiáng)度”原則，就是螺旋槳葉片需要設(shè)計(jì)得相對(duì)弱些，保證螺旋槳葉片損壞在先，而槳軸、軸系附件損壞在后。

對(duì)冰級(jí)螺旋槳設(shè)計(jì)研究較多的單位有俄羅斯克雷洛夫研究院（Krylov state research centre，KSRC）、德國漢堡水池（Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt GmbH，HSVA）、芬蘭阿克北極公司（Aker Arctic）、ABB 公司以及加拿大國家研究委員會(huì)海洋技術(shù)研究所（national research council Canada/institute for ocean technology，NRC/IOT）等。俄羅斯的PUSTOSHNY 等[2]指出適用于常規(guī)螺旋槳的空泡優(yōu)化措施往往不適用于高冰級(jí)槳，高冰級(jí)槳的減振設(shè)計(jì)非常有挑戰(zhàn)性，船東需要提出合適的高冰級(jí)運(yùn)輸船快速性和空泡指標(biāo)要求。SEARLE 等[3]在加拿大海洋技術(shù)研究所冰水池，用人工冷凍模型冰進(jìn)行模型試驗(yàn)，測量槳的推力和轉(zhuǎn)矩變化。STEPHEN 等[4]對(duì)“USCGC Healy”號(hào)破冰船開展了模型試驗(yàn)及破冰航速預(yù)報(bào)研究。ABB 公司的冰級(jí)吊艙推進(jìn)器在破冰船上運(yùn)用廣泛，我國的“雪龍2”號(hào)破冰科考船采用了7.5 MW PC3 冰級(jí)吊艙推進(jìn)器。

國內(nèi)，孫文林等[5]針對(duì)冰區(qū)航行條件下船舶推進(jìn)系統(tǒng)所需要面臨的問題及其導(dǎo)致的冰區(qū)推進(jìn)系統(tǒng)的特殊性進(jìn)行了整理和分析。朱成華等[6-7]對(duì)俄羅斯核動(dòng)力破冰船的船體參數(shù)、船型特征以及螺旋槳設(shè)計(jì)特點(diǎn)作了分析，并對(duì)比分析不同螺旋槳配置對(duì)重型破冰船推力的影響，分別計(jì)算不同螺旋槳直徑、槳葉、螺距、布置以及功率分配下的正車系柱推力。中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院先后對(duì)PC3冰級(jí)極地科考船、PC5 冰級(jí)極地多用途箱船、PC6冰級(jí)極地十八纜物探船、PC2 冰級(jí)極地重型破冰船和PC6 冰級(jí)破冰調(diào)查船開展推進(jìn)器設(shè)計(jì)研究，積累了一定的冰級(jí)螺旋槳設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)正在開展PC2至PC1 高冰級(jí)螺旋槳國產(chǎn)化研制工作。

針對(duì)冰級(jí)螺旋槳強(qiáng)度校核計(jì)算所關(guān)心的冰載荷預(yù)報(bào)問題，國內(nèi)多家研究單位開展了模型試驗(yàn)預(yù)報(bào)和數(shù)值計(jì)算預(yù)報(bào)研究，但預(yù)報(bào)結(jié)果距離工程精度需求尚有差距，目前在校核螺旋槳強(qiáng)度時(shí)所用冰載荷還是依據(jù)船級(jí)社給出的經(jīng)驗(yàn)公式[8-9]。

在冰塊阻塞、碰撞和銑削作用下，螺旋槳的推力、扭矩、空泡和脈動(dòng)壓力性能會(huì)發(fā)生明顯變化，在減壓滿足空泡數(shù)相似條件下的試驗(yàn)結(jié)果更接近實(shí)槳性能。英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的愛默生空泡水筒（ECT）實(shí)驗(yàn)室采用聚苯乙烯泡沫塑料模型冰開展了一系列的冰槳作用試驗(yàn)，觀測槳銑削冰塊時(shí)的空化現(xiàn)象和水動(dòng)力變化[10]。國內(nèi)主要開展了空泡水筒中冰塊阻塞狀態(tài)的螺旋槳水動(dòng)力測量、空泡觀察和脈動(dòng)壓力測量[11-15]。

本文以一型PC2 級(jí)重型破冰船螺旋槳設(shè)計(jì)為例，探討冰級(jí)螺旋槳特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)技術(shù)。

1 冰級(jí)螺旋槳設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)輸入

破冰船既要航行于敞開水域，又需航行于冰區(qū)，故對(duì)冰級(jí)螺旋槳的設(shè)計(jì)指標(biāo)要多于常規(guī)螺旋槳，這就要求既要驗(yàn)證敞水域航行的快速性能和振動(dòng)噪聲性能，又要驗(yàn)證冰區(qū)航行的快速性能和螺旋槳強(qiáng)度性能。相比于機(jī)械傳動(dòng)，破冰船適宜采用電力推進(jìn)，這是因?yàn)樵谳^厚層冰等冰情嚴(yán)重區(qū)域運(yùn)行時(shí)，螺旋槳擊打厚冰塊導(dǎo)致轉(zhuǎn)速降低的情況經(jīng)常發(fā)生，電力推進(jìn)的主要優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速降低時(shí)，可迅速增加轉(zhuǎn)矩和維持功率的能力。若是柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳的情況，轉(zhuǎn)矩和功率都隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的下降而明顯降低，柴油機(jī)扭矩限制導(dǎo)致螺旋槳推力大大降低。以某PC2 級(jí)重型破冰船為例（以下簡稱目標(biāo)船），中間槳為推進(jìn)電機(jī)配定距軸槳推進(jìn)，MCR 功率為17 MW；雙邊槳為吊艙推進(jìn)器推進(jìn)，雙機(jī)MCR 功率為20 MW。

在目標(biāo)船方案設(shè)計(jì)階段，經(jīng)過充分論證，確定了槳盤面的空間位置、螺旋槳的限制直徑及推進(jìn)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。中間槳直徑不超過6 m，邊槳直徑不超過4.8 m，圖1 是船模尾部照片。這樣的三槳布置既保證了槳葉與船體有足夠的間隙，使得吊艙推進(jìn)器360o回轉(zhuǎn)有足夠空間，又避免了三槳運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生不利的水動(dòng)力干擾。

圖1 船尾三槳模布置照片

根據(jù)拖曳水池船模伴流試驗(yàn)，得到中槳和邊槳的伴流場數(shù)據(jù)，根據(jù)船模阻力試驗(yàn)和庫存槳自航試驗(yàn)，得到不同航速下的船體阻力數(shù)據(jù)以及中槳和邊槳的自航因子。這些數(shù)據(jù)均是螺旋槳適伴流設(shè)計(jì)的輸入依據(jù)。

1.2 冰級(jí)螺旋槳的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)流程

與常規(guī)螺旋槳有所不同，冰級(jí)螺旋槳設(shè)計(jì)主要關(guān)注以下3 點(diǎn)：

（1）應(yīng)特別關(guān)注系柱拖力的設(shè)計(jì)和預(yù)報(bào)。因?yàn)榈退倨票叫袝r(shí)，螺旋槳的運(yùn)行工況接近系柱工況。系柱工況有空泡但不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重推力下降問題，以此衡量螺旋槳盤面比和直徑是否夠大。冰級(jí)螺旋槳盤面比一般不超過0.75，以便冰塊能從槳葉間通過。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，冰級(jí)螺旋槳的盤面比在0.6～ 0.75是合適的。

（2）高冰級(jí)螺旋槳會(huì)頻繁受到冰塊撞擊，螺旋槳要加強(qiáng)，但又不能過度加強(qiáng)，需要兼顧軸系的加強(qiáng)設(shè)計(jì)需求。冰區(qū)航行對(duì)操縱性要求高，螺旋槳除了正轉(zhuǎn)外，常常要倒轉(zhuǎn)，故槳葉側(cè)斜很小，槳葉隨邊要加厚。NACA16、NACA66 等翼型隨緣太薄，不能滿足抗冰強(qiáng)度要求，需要采用適用于中高冰級(jí)螺旋槳的加厚葉剖面。根據(jù)俄羅斯船級(jí)社規(guī)范（RMRS）[16],在距離導(dǎo)邊或隨邊5%弦長位置處的槳葉厚度不得小于葉梢厚度的一半，這使冰級(jí)槳比常規(guī)槳看起來更鈍些。由于側(cè)斜限制、縱斜限制和葉剖面厚度限制等因素，對(duì)于高冰級(jí)螺旋槳而言，空泡性能優(yōu)化的空間較小，導(dǎo)致脈動(dòng)壓力和輻射噪聲性能會(huì)低于常規(guī)螺旋槳。

（3）為提高冰級(jí)螺旋槳的可維修性和可靠性，通常采用可拆槳葉定距槳型式。槳葉與冰塊頻繁碰撞容易導(dǎo)致槳葉邊緣變形受損，為方便維修或拆換，單片槳葉一般為可拆式。下頁圖2 為可拆式定距槳裝置，主要有槳葉（含葉根法蘭）、槳轂、葉根螺栓和槳帽等組成，通過若干葉根螺栓把葉根法蘭緊固在槳轂上，從而實(shí)現(xiàn)單片槳葉的裝拆。高冰級(jí)調(diào)距槳倒車時(shí)不必反轉(zhuǎn)，但由于系統(tǒng)零部件多且可靠性差，所以實(shí)船應(yīng)用很少，加之現(xiàn)在破冰船一般采用電機(jī)作為動(dòng)力，低轉(zhuǎn)速時(shí)扭矩裕度大，使用調(diào)距槳的必要性進(jìn)一步降低。

圖2 可拆式定距槳裝置

此外，冰級(jí)螺旋槳通常采用不銹鋼材料。相比常規(guī)螺旋槳采用的銅合金材料，不銹鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均明顯提高，見表1 和表2[17]。例如0Cr16Ni5Mo 的屈服強(qiáng)度不小于540 MPa，比銅合金Cu3 提高120%；抗拉強(qiáng)度不小于760 MPa，比銅合金Cu3 提高29%。高冰級(jí)螺旋槳若仍然采用銅合金材料，則槳葉會(huì)加厚到難以接受的程度。

表1 中國船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》螺旋槳銅合金的力學(xué)性能

表2 中國船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》螺旋槳鑄鋼件的力學(xué)性能

因國內(nèi)高冰級(jí)螺旋槳設(shè)計(jì)尚無實(shí)船應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，具體設(shè)計(jì)方法不成熟，下頁圖3 給出參考的冰級(jí)螺旋槳設(shè)計(jì)流程（ice propeller design process，IPDP）。為了驗(yàn)證螺旋槳水動(dòng)力性能滿足敞水域和破冰工況推進(jìn)要求，在設(shè)計(jì)階段需要開展模型試驗(yàn)，包括水池敞水試驗(yàn)、自航試驗(yàn)、全功率拖航試驗(yàn)、系柱拖力試驗(yàn)、冰池破冰性能試驗(yàn)、空泡和脈動(dòng)壓力試驗(yàn)等。

圖3 冰級(jí)螺旋槳設(shè)計(jì)流程IPDP

1.3 冰級(jí)螺旋槳設(shè)計(jì)結(jié)果

目標(biāo)船中間螺旋槳主要設(shè)計(jì)結(jié)果見表3，槳模照片見圖4。

圖4 中間槳模型照片

表3 中間螺旋槳主要參數(shù)

利用CFD 手段對(duì)螺旋槳敞水性能、空泡性能和自航性能開展預(yù)報(bào)。圖5 是敞水域19 kn 航速工況槳葉空泡形態(tài)數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果，下頁圖6 是船體表面和推進(jìn)器表面壓力分布預(yù)報(bào)結(jié)果。

圖5 槳葉空泡形態(tài)數(shù)值預(yù)報(bào)

圖6 三槳自航船體和推進(jìn)器表面壓力分布數(shù)值預(yù)報(bào)

1.4 螺旋槳強(qiáng)度校核

冰級(jí)螺旋槳需要按照船級(jí)社規(guī)范校核冰載荷作用下螺旋槳強(qiáng)度能否滿足要求。國際船級(jí)社協(xié)會(huì)（international association of classification societies，IACS）于2006 年制定了極地船舶的設(shè)備要求[18]，給出了螺旋槳設(shè)計(jì)冰載荷的計(jì)算公式及 加載方法。中國船級(jí)社《CCS 鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2021 版》[19]在第8 篇第13 章《極地級(jí)船舶的補(bǔ)充規(guī)定》中，給出了同樣的螺旋槳設(shè)計(jì)冰載荷的計(jì)算公式及加載方法。DNVGL 2019 年前的版本[20]與IACS 和CCS規(guī)定一致，但在2019 年《RULES FOR CLASSIFICATION》的 第5 篇-第10 章“Vessels for special operations”[21]中，特別對(duì)ICEBREAKER 級(jí)自破冰船舶螺旋槳設(shè)計(jì)冰載荷的計(jì)算公式作出修正說明，隨后在2021 年版本[22]中，對(duì)葉片最大向后受力Fb的計(jì)算公式又有明顯調(diào)整，以目標(biāo)船中間槳為例介紹如下。

式中：n為螺旋槳名義轉(zhuǎn)速，定距槳取額定轉(zhuǎn)速的85%；D為螺旋槳直徑，m；EAR為螺旋槳盤面比；Z為螺旋槳槳葉數(shù)；Hice為用于強(qiáng)度設(shè)計(jì)的冰厚，根據(jù)PC 冰級(jí)查表4 得到，m；Sice為確定冰塊作用力的冰強(qiáng)度系數(shù)，根據(jù)PC 冰級(jí)查表4 得到。帶入數(shù)據(jù)得出，F(xiàn)b=3 252 kN。

表4 冰級(jí)系數(shù)

2019 年，對(duì)于ICEBREAKER 級(jí)開敞槳Fb計(jì)算系數(shù)明顯提高，F(xiàn)b計(jì)算結(jié)果增加了56.5%：

對(duì)于PC1 至PC3 冰級(jí)，特別規(guī)定Sice=1.2。帶入數(shù)據(jù)得出，F(xiàn)b=5 090 kN。

2021 年，對(duì)于ICEBREAKER 級(jí)開敞槳Fb計(jì)算系數(shù)作了降低調(diào)整，F(xiàn)b較2019 年版計(jì)算結(jié)果降低了30%：

對(duì)于PC1 至PC3 冰級(jí)，Sice采用表4 數(shù)據(jù)。帶入數(shù)據(jù)得出，F(xiàn)b=3 577 kN。從最近幾年Fb的計(jì)算公式不斷調(diào)整可以看出，螺旋槳冰載荷的計(jì)算方法并不成熟。

螺旋槳材料為馬氏體不銹鋼0Cr16Ni5Mo。采用有限元計(jì)算，按照DNVGL 規(guī)范校核5 種冰載荷工況下的螺旋槳靜強(qiáng)度，結(jié)果見下頁表5。安全因子均≥1.5，滿足靜強(qiáng)度要求。載荷工況1 槳葉應(yīng)力云圖見下頁圖7，最大應(yīng)力值為319.8 MPa，出現(xiàn)位置為0.45R附近位置近導(dǎo)邊處。

表5 DNVGL 規(guī)范螺旋槳有限元計(jì)算結(jié)果

圖7 載荷工況1 槳葉應(yīng)力云圖

參考DNVGL 指導(dǎo)性規(guī)范CLASS GUIDELINEDNVGL-CG-0041[23]校核螺旋槳冰區(qū)疲勞強(qiáng)度，結(jié)果見圖8。圖中紅色曲線為螺旋槳不銹鋼材料的S-N曲線，其下的藍(lán)色柱狀條即為冰區(qū)載荷按Weibull分布在不同周期下的應(yīng)力幅值，各周期下的應(yīng)力幅值均在S-N 曲線下方，表明疲勞強(qiáng)度滿足要求。

根據(jù)螺旋槳強(qiáng)度設(shè)計(jì)結(jié)果，按照船級(jí)社規(guī)范方法校核最小軸徑需求，確保軸徑設(shè)計(jì)值在合適 范圍內(nèi)。

2 冰級(jí)螺旋槳模型試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 水池試驗(yàn)

在俄羅斯KSRC 減壓水池開展螺旋槳系柱拖力試驗(yàn)，不同轉(zhuǎn)速空泡數(shù)系柱拖力試驗(yàn)結(jié)果見圖9，該結(jié)果直接關(guān)系到螺旋槳在冰區(qū)的推進(jìn)性能。

在轉(zhuǎn)速空泡數(shù)bσ＜2 以后，推力系數(shù)tK產(chǎn)生明顯下降；bσ＜5 以后，扭矩系數(shù)QK明顯上升。中間槳系柱工況對(duì)應(yīng)σb=2.3，Kt不會(huì)下降，但KQ增大約8%，對(duì)應(yīng)扭矩增加不超過推進(jìn)電機(jī)扭矩限制線，螺旋槳冰區(qū)推力不會(huì)下降。根據(jù)參考文獻(xiàn)[24]，俄羅斯北極級(jí)核動(dòng)力破冰船Arktika 在冰脊中運(yùn)行時(shí)螺旋槳出現(xiàn)吸氣現(xiàn)象，此時(shí)螺旋槳處于系柱狀態(tài)空泡應(yīng)該非常嚴(yán)重。

在俄羅斯KSRC 拖曳水池開展敞水試驗(yàn)和自航試驗(yàn)，預(yù)報(bào)敞水域快速性能，驗(yàn)證敞水效率和航速滿足指標(biāo)情況。

2.2 冰池破冰性能試驗(yàn)

在俄羅斯KSRC 冰池開展航行試驗(yàn)，預(yù)報(bào)破冰航速和船機(jī)槳匹配性能，驗(yàn)證破冰航速滿足指標(biāo)情況，試驗(yàn)見圖10。

圖10 俄羅斯KSRC 冰池試驗(yàn)照片

2.3 空泡和脈壓試驗(yàn)

在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所空泡水筒用網(wǎng)格模擬伴流場，開展了中間槳模的空泡形態(tài)觀察和脈動(dòng)壓力測量，測量的工況為破冰航速2 kn，敞水域航速11 kn 和19.2 kn。

各航速工況下槳模有葉背片空泡、榖渦空泡和梢渦空泡發(fā)生，2 kn 破冰工況下還有連體附著渦空泡產(chǎn)生，見圖11 至下頁圖13。

圖11 槳葉位于0°位置空泡形態(tài)圖（破冰航速2 kn）

圖12 槳葉位于0°位置空泡形態(tài)圖（航速11 kn）

圖13 槳葉位于0°位置伴流形態(tài)圖（航速19.2 kn）

實(shí)槳誘導(dǎo)船底表面脈動(dòng)壓力幅值見圖14～ 16。破冰航速2 kn 時(shí)，脈動(dòng)壓力最大值為8.8 kPa；航速11 kn 時(shí)，脈動(dòng)壓力最大值為1.8 kPa；航速19.2 kn 時(shí)，脈動(dòng)壓力最大值為6.5 kPa。2 kn 破冰工況螺旋槳負(fù)荷重，最大脈動(dòng)壓力值比敞水域高航速工況大35%。

圖14 實(shí)槳誘導(dǎo)船底表面脈動(dòng)壓力幅值（破冰航速2 kn）

圖15 實(shí)槳誘導(dǎo)船底表面脈動(dòng)壓力幅值（航速11 kn）

圖16 實(shí)槳誘導(dǎo)船底表面脈動(dòng)壓力幅值（航速19.2 kn）

3 結(jié)論

破冰船螺旋槳性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到全船的快速性能、破冰性能、振動(dòng)噪聲性能和安全航行性能，故冰級(jí)螺旋槳設(shè)計(jì)是破冰船設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文在對(duì)冰級(jí)螺旋槳特點(diǎn)分析基礎(chǔ)上，初步建立了冰級(jí)螺旋槳設(shè)計(jì)流程。以一型PC2 級(jí)重型破冰船螺旋槳設(shè)計(jì)為例，給出了設(shè)計(jì)結(jié)果和部分模型試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，并得出如下主要結(jié)論：

（1）冰級(jí)螺旋槳設(shè)計(jì)首先關(guān)注的是冰區(qū)加強(qiáng)設(shè)計(jì)，槳葉加強(qiáng)要適度，要兼顧軸系強(qiáng)度設(shè)計(jì)需求。

（2）冰級(jí)螺旋槳通常采用不銹鋼材料以提高抗冰強(qiáng)度，采用槳葉可拆式定距槳型式以方便單片槳葉的維修更換。

（3）冰級(jí)螺旋槳既要通過拖曳水池敞水試驗(yàn)和自航試驗(yàn)驗(yàn)證敞水域航行的快速性能，又要通過冰池航行試驗(yàn)驗(yàn)證冰區(qū)航行的快速性能；需要關(guān)注螺旋槳系柱工況不能產(chǎn)生推力下降問題，從而保證冰區(qū)推力滿足要求。

（4）在開展空泡和脈動(dòng)壓力模型試驗(yàn)時(shí)，既要有敞水域設(shè)計(jì)航速工況和其他作業(yè)工況，又要有破冰航速工況；破冰工況螺旋槳負(fù)荷重，設(shè)計(jì)槳在2 kn 破冰工況時(shí)產(chǎn)生連體附著渦空泡，最大脈動(dòng)壓力值比敞水域高航速工況大35%。

（5）國內(nèi)冰級(jí)螺旋槳設(shè)計(jì)技術(shù)尚不成熟，無高冰級(jí)螺旋槳實(shí)船應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)；可靠的冰級(jí)螺旋槳設(shè)計(jì)和性能預(yù)報(bào)技術(shù)正在形成中。