破冰船压载水调驳辅助破冰技术

王平团，房玉吉，吕　君

(1.中船重工集团军工部，北京 100085； 2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)



破冰船压载水调驳辅助破冰技术

王平团1，房玉吉2，吕君2

(1.中船重工集团军工部，北京 100085； 2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

摘要：针对目前破冰船的主要破冰方法，介绍几种主要的压载水调驳技术，包括设备组成、原理及控制策略，对比分析其优缺点，为破冰船压载水系统设计提供参考。

关键词：破冰船；破冰方法；压载水调驳

人类活动范围不断扩大，对南北极的考察正在不断加强。相应地，对可在极地航行的船舶尤其是破冰船的研制投入也在不断加强。参与对极地的科学研究及开发对我国的可持续发展至关重要，有必要加强对破冰船的研制。

1破冰船破冰方法

当冰层不超过1.5 m厚时，多采用“连续式”破冰法[1-2]。在螺旋桨强大的推力下，利用破冰船船头的结构连续破冰前进。如果冰层厚度超过1.5 m，破冰船便很难连续前进，此时应采用“冲撞式”破冰法。在该方法中，破冰船首先要后退至离冰面2～3个船身长度的距离处，然后加速前进，靠船身的惯性及船头的特殊轮廓结构冲上冰面，此时冰面的厚度不足以支撑破冰船船头的重量而破碎；此后，破冰船又重新回到水中，然后再后退，再加速冲到冰面上，再次将一部分冰面压碎，如此周而复始，慢慢前进。

为使船头能行驶到冰面上，将破冰船船头设计成特殊形状，并且通过向设置在艉部的压载水舱内注入一定的压载水，以调整破冰船的纵倾，使船头略向上翘起。

当冰层较厚，仅靠船头的重量不足以将其压碎时，则向破冰船艏部专门设置的破冰水舱中注水，增加艏部的重量，当船艏的重力超过下方冰面的支撑力时，冰面便被压碎。为了防止船体被夹住或冻住，现代破冰船使用了倾侧技术和气泡减阻系统[3]。倾侧技术主要由2种方法实现。一种方法是在船体两侧设置一定容量的破冰水舱，通过压载水泵不断改变两侧破冰船舱内压载水的装载量来使船体不停地左右往复摆动，以摆脱困境，另一种方法是在破冰船的船体两侧加装专用的螺旋桨。气泡减阻系统主要是通过空压机将压缩空气由船体艏部和舯部的喷嘴喷出，高压空气在快速上浮的过程中会在船体外板处形成一股股海水与压缩空气的激流，将船体外板与冰面隔离开，起到润滑的作用 。为此，在极地破冰船的船头、船艉设置有破冰水舱，中部沿着两舷设置摇摆水舱，而且所有水舱容积都较大[4]。为了实现压载水在各水舱间的快速调驳，破冰船需要采用相应的压载水调驳技术。

2几种典型的压载水调驳技术

2.1重力式

指海水在重力的作用下自动灌注到船体内部，该方式最早应用于潜艇的压载。重力浸水技术日趋成熟, 在大容量压载水系统中应用越来越多。其优点是管路简单、管径小、注入快捷，缺点是该方式必须是在船内压载舱水位低于船外海水水位的情况下才能实现。因此压载舱一般应布置在船舶设计水线以下[5], 且最好是船内压载舱水位明显低于船外海水水位,见图1。

2.2水泵驱动式

2.2.1单向水泵形式

单向水泵形式主要分为2种。

1)第一种形式由单向调驳泵和三位四通阀组成。其优点是设备组成及控制都比较简单，阀体中左右2个相位对应的水量方向刚好相反，通过控制活塞位置便可实现对压载舱内压载水的注排(见图2)或两个压载舱之间(见图3)的压载水调驳，可靠性较高，反应较迅速。但一般的三位四通阀体积和重量较大，布置和安装比较困难。

图2　利用三位四通阀实现压载水注排示意

图3　利用三位四通阀实现压载水调驳示意

2)第二种形式由单向调驳泵和4个遥控阀组成，见图4。控制系统应对泵和4个阀组按照逻辑关系进行连锁控制。如将阀组a、d打开，c、b关闭，则可实现压载水由右平衡舱向左平衡舱调驳。这种阀组较三位四通阀结构简单，重量和体积都小很多，布置方便。缺点是：该形式中的泵和4个阀组必须按照一定的逻辑关系进行连锁控制，当其中一个出现故障，整个系统就无法工作；为避免造成冲击和破坏，需要在阀组到达一定的开度时才能启动泵，导致该系统从开始启动到正常运行需要较长一段时间。且由于泵启停频繁、流量大、电功率大，容易造成对电网的冲击[7]。将其中一个平衡舱改为通海阀箱时即可实现对单一平衡舱的压载水注排。

图4　利用4个遥控阀实现压载水调驳示意[6]

2.2.2可逆水泵形式

可逆水泵是可逆水泵形式中的关键设备。通过控制泵的正反转来控制压载水的流向，见图5。该形式的优点是组成比较简单，成本低。缺点是由于压载水的调驳速度受制于水泵的排量，随着对调驳速度要求的不断提高，水泵重量和体积也会相应增大。且当改变调驳方向时，需要先停泵，等泵停稳后再换向启动，整个过程时间较长。

图5　利用可逆水泵实现压载水调驳示意

2.3气动式

主要由鼓风机和气动阀等组成，见图6。

图6　气动式压载水调驳示意

该形式运用“连通器”的原理，通过鼓风机左压载水舱的上方鼓入压缩空气，通过在水舱上方产生的压力差将左压载水舱中的水压至右压载水舱，实现由左压载水舱向右压载水舱的调驳，反之亦然。有2种工作模式，即“运行”模式和“待机”模式。当破冰船进行压载水调驳时，首先将系统置于“运行”模式，此时鼓风机启动，气动阀01P、01S、02P、02S、04和05都处于打开状态，03P和03S处于关闭状态，左右压载舱内的压载水可以自由流通，鼓风机产生的压缩空气经气动阀01P、01S、02P、02S和04排至大气。当需要将左侧压载舱内的水调驳至右侧压载舱时，气动阀01P、03P、02S、03S、04和05打开，01S和02P关闭，压缩空气经气动阀01P和03P流向左压载舱，右压载舱的气体经气动阀03S、02S和04排至大气中，左压载舱内的水在空气压差的作用下由左压载舱流到右压载舱，反之亦然。

气动式具有反应灵敏，调驳效率高，动力元件连续工作，不会因频繁起停产生水流冲击，元器件不与水接触，系统可靠性高等优点[8]。缺点是系统结构复杂，造价昂贵，故障难于检修[9]。气动式还常与其他方式联合使用，如当压载舱需要注水，压载舱液面在水线以下时，采用重力注水的方式，让海水涌入压载舱，当压载舱的液面在水线以上时，通过调节压载舱上面的空气压强，使海水涌入压载舱或者通过压载水泵向压载舱内注水，以完成调载过程。这种方式既保证了快速性，也保证了经济性[10]。几种压载水调驳技术对比见表1。

表1　压载水调驳技术对比

重力式虽然优点较多，但由于使用条件有限，基本无法单独使用。

3结束语

压载水调驳技术较多，各有优缺点，并且经常联合使用，在设计时需要综合考虑，根据实际需求选择一种或几种的联合才能使压载水调驳功效达到最优。

参考文献

[1] 石磊.现代破冰船和破冰技术[J].知识就是力量,2003(10)：52.

[2] 胡兴军.走近破冰船[J].交通与运输,2004(6)：26.

[3] 朱思凯.内河破冰船破冰方式及推进性能研究论证[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2008.

[4] 徐俊峰，邱金荣，宋飞飞.核动力破冰船概念设计研究[J].中国核科学技术进展报告,2009(11)：518.

[5] 钟涛，王西丁.重力浸水在压载水系统中的典型应用[J].船舶轮机,2004(3)：47.

[6] 张富民.船舶横倾平衡系统及设备开发[J].机电设备,2002(5)：20.

[7] 徐鹏.船舶气动式抗横倾装置自动控制系统控制策略的研究[D].大连：大连海事大学,2010.

[8] 李帅.船舶气动式抗横倾装置控制系统的设计[D].大连：大连海事大学,2009.

[9] 吕川.船舶气动式抗横倾装置的研究[D].大连：大连海事大学,2008.

[10] 李树敏.大型海洋起重平台工作状态下压载水调配的实验研究[D].大连：大连海事大学,2013.

On the Auxiliary Ice-breaking Technology by Barging Ballast Water for the Icebreaker

WANG Ping-tuan1, FANG Yu-ji2, LV Jun2

(1 The Military Department of China Shipbuilding Industry Corp., Beijing 100085, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The main methods of ice-breaking for icebreaker are described, as well as several main ballast water barging technologies, including equipment composition, principle and control strategy. The advantages and disadvantages of the above motioned technologies are compared and analyzed, so as to provide some references for the design of ships ballast water system.

Key words:icebreaker; methods of breaking ice; ballast water barge

中图分类号：U674.4

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)02-0034-03

第一作者简介：王平团(1980-)，男，硕士，高级工程师E-mail:lfivlf@163.com

基金项目：国家部委基金资助项目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.010

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶总体设计