破冰船动力系统及主推进器发展现状

桂 阳， 何炎平*， 陈 哲

(上海交通大学 a.海洋工程国家重点实验室；b.高新船舶与深海开发装备协同创新中心；c.船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

0 引 言

推进系统作为破冰船的核心系统之一，随着推进装置的发展和能源供给技术的进步，发生巨大的变革[1]。目前，我国极地科考破冰船仅拥有极地级(Polar Class，PC)冰级为PC6级的雪龙号和PC3级的雪龙2号，极地破冰船的自主设计经验尚不丰富，针对破冰船推进系统的自主研制能力还有所欠缺，尤其是重型破冰船，我国尚无自主设计的经验。

1 世界主要破冰船发展规模

世界范围内的破冰船主要分布在俄罗斯、加拿大、芬兰、瑞典、美国、丹麦、挪威等21个国家。现搜集破冰船137艘(部分已退役)，环北极国家(加拿大、丹麦、芬兰、挪威、瑞典、俄罗斯、美国)共拥有破冰船124艘，占比为90.5%，其他国家占比仅为9.5%。按照注册冰级将搜集的破冰船划分为重型、中型及轻型。各船级社破冰船冰级对比[1]如表1所示。

表1 各船级社破冰船冰级对比

俄罗斯拥有破冰船数量最多，共计74艘，占比为54.0%，其中：重型破冰船11艘(含核动力破冰船9艘，已退役6艘)。美国拥有北极级常规动力重型破冰船2艘(北极海号停运)。加拿大、丹麦、芬兰、瑞典合计拥有破冰船39艘，占比为28.5%，均为轻、中型破冰船。

2 破冰船动力系统发展现状

2.1 柴油机动力系统

柴油机动力系统在破冰船中应用较为广泛，根据推进方式分为机械推进系统和电力推进系统。

2.1.1 柴油机机械推进系统

柴油机机械推进系统如图1所示，由柴油机作为原动机直接或通过齿轮箱变速驱动推进器，动力转换阶段少，损耗低，复杂性较低，购买成本相对较低[2]。但机械推进系统轴系较多、可靠性低、空间占用大，柴油机固有的外特性使螺旋桨在变工况环境下无法有效利用主机动力，因此采用机械推进系统的破冰船常搭载调距桨以提高船舶机动性[3]。

图1 柴油机机械推进系统

在搜集的破冰船中，23艘采用柴油机机械推进系统，如我国的雪龙号、德国的极星号和瑞典的奥登号[4]。

2.1.2 柴油机电力推进系统

柴油机电力推进系统如图2所示，由柴油发电机组直接或通过固态整流器和变频器为电机供电，再由推进电机直接或通过齿轮箱驱动推进器，具有经济性好、操纵性优良、节省空间、噪声低和节能环保等优势，但能量转换阶段增多，动力损失变大，采用电气设备增加航行过程中的安全隐患，需要配备种类繁多的配件，并对操作人员具有较高的技能要求。根据推进装置可分为传统的轴桨推进、全回转推进和吊舱推进[5]。

图2 柴油机电力推进系统

电力推进的优势在于推进电机扭矩特性通常设计为低速高扭矩，即使螺旋桨被冰块卡住，转速降至零，电机的堵转特性也可保障机组安全，短时间内不会发生事故。适用于高冰级破冰船的推进电机通常还具备过扭矩特性(见图3)，在破冰工况下，螺旋桨转速沿额定功率线下降，在转速低至系柱工况转速以下时，电机在过扭矩区间仍以额定功率运行，若此时冰载荷增大，则转速持续下降，电机输出扭矩继续增加直至最大[6]。

图3 电机扭矩特性曲线

电力推进系统在破冰船上的应用经历一系列发展，从最初直流发电机组向直流电机供电，到后来船用电网顺利应用促使交流发电机组通过电网向直流电机供电，再到现在交流发电机组向交流电机供电[7]。进入21世纪，柴油机电力推进技术依然发展迅猛。2011年5月，ABB集团公司推出直流电网概念，取消传统的交流主配电板和换流变压器，发电机组电能直接或通过整流器输入直流电网并将电能进行合理分配，特别适用于冰级船舶，通过在系统中增加“插入式能量存储”，提高破冰操作响应时间，螺旋桨可在几秒钟内实现反转，并可吸收突然的负载变化，减少冰对主柴油机造成的负荷变化，从而节省燃油，减少机械维护[8]。

由液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)驱动的芬兰破冰船北极星号问世，使破冰船电力推进双燃料技术成为热点。国际海事组织(IMO)《国际防止船舶造成污染公约》(《MARPOL公约》)附则Ⅵ中Tier Ⅲ标准的生效和硫排放控制区的扩大，意味着对柴油机氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx)排放控制更加严格，LNG和低硫柴油大幅减少船只的污染排放。随着环保要求的增加，电力推进双燃料技术成为未来发展的主要方向[9]。

在搜集的破冰船中，101艘船采用柴油机电力推进系统，如俄罗斯的叶尔马克号，搭载30.4 MW的柴油发电机组，为3台电动机供电，驱动3个四叶定距桨，可提供轴功率24.5 MW。

2.2 联合动力系统

应用于破冰船的联合动力系统只有柴油机-燃气轮机联合动力系统，如图4所示。美国的重型破冰船北极星号和北极海号采用柴燃交替动力方式(Combined Diesel or Gas，CODOG)，智利的奥斯卡·维尔·托罗海军少将号采用柴燃联合动力方式(Combined Diesel and Gas，CODAG)[10]。

图4 柴油机-燃气轮机联合动力系统

对于重型破冰船，该类系统分为2种工作模式，在自航时柴油机电力推进系统工作，在破冰时由燃气轮机增压装置为船舶提供动力，2个独立的系统通过共同的轴系连接调距桨，有效改善船体的整体运行状况。该类系统具有起动快、备航时间短、机动性好等优点，同时，CODOG搭载大功率主机无须考虑功率储备，双线工作模式具备较高的灵活性和可操作性，充分发挥柴油机经济性好和燃气轮机功率大、尺寸小、重量轻、由初速至高速转换快等优点。但该类系统重量大，整体占据船体空间大，并在单一工况下部分主机只能闲置，对动力系统运行效率有一定的影响[11-13]。

美国北极级破冰船均搭配6台柴油机和3台燃气轮机，分别为3台直流电动机供电，推进器采用3个直径为4.9 m的四叶可调螺距螺旋桨，推进轴功率达44.8 MW。

2.3 核能动力系统

核能动力系统(见图5)具备超强的续航力，适用于长时间深入极地工作的破冰船。相较于常规动力，核动力系统能发出较大功率，使破冰船具有更强劲的破冰能力，且核动力装置运行特性更为稳定并易于控制，负荷跟随特性更好，但核动力装置的重量尺寸较大，占用船内空间多，对自由航行航速具有一定影响，采用核动力电力推进系统的破冰船操作管理系统较为复杂，对核裂变反应放出的大量放射性物质应专门设置相关设备进行处理[14-15]。

图5 检测结果录入

图5 核能动力系统

现有的核动力破冰船均采用压力水型的反应堆，以原子核裂变反应所产生的巨大热能通过工质(蒸汽或燃气)推动汽轮机发电机组或燃气轮机发电机组为直流电动机供电，采用电力轴桨推进方式，搭载3个四叶定距桨。俄罗斯自20世纪50年代开始建造核动力破冰船，是世界上唯一拥有核动力破冰船的国家，总计10艘(北方海路号在俄罗斯船级社被定义为集装箱船，同时具备破冰能力)。目前在役核动力破冰船4艘，包括北极级2艘和泰梅尔级2艘。初代核动力破冰船列宁号采用3座OK-150型(后换为2座K-900型)反应堆，轴功率达32.8 MW；在第二代核动力破冰船中，北极级选用2座OK-900A型反应堆，泰梅尔级选用2座KLT-40M型反应堆，轴功率分别达52.8 MW和36.0 MW；目前，俄罗斯核动力破冰船发展至第三代，LK-60系列破冰船搭载2座RITM-200型反应堆，轴功率达60.0 MW[16]；第四代领袖级破冰船于2020年7月开始建造。

2.4 小 结

在世界主要破冰船中，应用柴油机动力系统的破冰船占比超过90.0%，主要为轻、中型破冰船。采用机械推进系统的破冰船多为轻型破冰船，占比为19.0%，其中：约65.0%为20世纪八九十年代建造，近十年内的新造船舶不足25.0%。采用电力推进系统的破冰船主要为中型，占比为81.0%，其中：采用传统轴桨推进的破冰船占比为65.0%，采用吊舱推进的破冰船占比为18.0%，采用全回转推进的破冰船占比为17.0%。由此可看出：在电力推进技术日趋成熟的情况下，随着破冰船破冰能力要求的提高，柴油机机械推进系统将逐步被取代。在世界主要破冰船中，采用联合动力系统的破冰船只有美国的北极级和智利的奥斯卡·维尔·托罗海军少将号，占比不足3.0%，进入21世纪，没有新造的破冰船搭载该类动力系统，其很难在破冰船上大范围应用。针对重型破冰船，3类动力系统均被应用，其中：采用核能动力系统的破冰船占比高达70.0%，在拥有强大破冰能力的同时，续航性能较常规船舶更为优秀。核能动力系统可作为重型破冰船动力系统首选。

3 破冰船主推进器发展现状

3.1 定距桨

应用于破冰船的定距桨通常为可拆卸叶片式四叶定距桨，其结构简单、造价低廉、使用方便、效率较高，且单桨具备较大功率[17]。但定距桨的设计载荷固定，在采用柴油机直接驱动时，若需要螺旋桨在破冰工况下产生较大推力，则在自由航行工况下推进效率会降低，且不能充分吸收柴油机功率。定距桨无法在2种工况下同时达到最佳推进效率，且在复杂工况下机动性较差[18]。

在世界主要破冰船中，72艘船采用定距桨为主推进器，覆盖轻型、中型、重型各级，应用非常广泛。在采用定距桨的破冰船中，除爱沙尼亚的塔尔莫号采用柴油机直接驱动外，其余破冰船均采用电力推进方式。

3.2 调距桨

调距桨可利用桨毂中的操纵机构根据需要调节桨叶螺距，在不同航行状态时，主机均可充分发挥功率和转速，有效提高推进系统效率。但其机构较为复杂，在破冰工况下较易受损，且造价和维修费用较高[19]。

在世界主要破冰船中，30艘船采用调距桨为主推进器，其中：21艘船采用机械推进形式，且大部分建造于20世纪中叶。机械推进搭载调距桨，可使船舶在不进行主机反转的情况下完成倒车，在需要频繁倒车的冰区航行条件下可提高倒车性能，延长主机的使用寿命。与定距桨相比，调距桨可兼具自由航行时的高效率和低速破冰时的大推力[20]。电力推进搭载调距桨也被应用，如南非的阿古拉斯2号搭载2个调距桨，轴功率达9.0 MW。还有采用导管调距桨的港口破冰船，如丹麦的布拉吉·维京号采用双导管调距桨作为主推进器，并在船首搭载2个全回转推进器用以辅助推进。

3.3 常规全回转推进器

普通全回转推进器的推进电机安置在船体内，通过较短的传动轴系和伞齿组连接螺旋桨，支持在360°范围内提供最佳推力，具有良好的操作性和机动性，并可更好地利用船舶空间，提升电力效率，同时拥有较低的维护成本[21]。

由于传统的螺旋桨加舵操纵方式在低航速下舵效较低，在极地航行时难以在较厚的冰层中控制船舶航向，因此全回转推进器取消传统的舵叶设计，有效改善推进器水下动力环境，凭借其良好的操纵性可在低航速下保证船舶顺利转向和倒车，并可有效减少船体与海冰间的碰撞，提高冰区船舶的航行安全性。

但全回转推进器受限于功率大小，主要适用于轻、中型破冰船。在世界主要破冰船中，17艘船采用普通全回转推进器，其中：约90.0%的船舶建造于21世纪，如俄罗斯国家航运公司萨哈林号搭载2个全回转推进器，推进功率达13.0 MW。进入21世纪，俄罗斯新造采用全回转推进器的破冰船14艘，均为中型破冰船。

3.4 吊舱推进器

冰区吊舱推进器出现于20世纪90年代，由交流电机直接驱动定距桨，与普通全回转推进器的明显区别在于其推进电机安置在吊舱内部，由变频器控制，不仅可节省船内空间，而且可方便地冷却电动机。作为一个独立的推进模块，吊舱推进器集推进装置与操舵装置于一体，结构更为紧凑，可在360°范围内任意旋转，并产生任意方向推力。配备吊舱推进器的破冰船具有较好的机动性能，可满足操作灵活、扭矩范围大等要求[22]。

搭载吊舱推进器可改变破冰船传统的破冰方式，实现双向破冰。目前具备双向破冰能力的破冰船，搭载3个冰级吊舱推进器，2个在船尾，1个在船首，改变原有螺旋桨的布置形式，使船舶在各类工况下均具有充分的转向能力，并可在各方向上利用螺旋桨破冰，巨大的定距桨在提供推力的同时可辅助破冰，并可将船尾碎冰冲走，从而将冰阻力降低50.0%。冰阻力降低使破冰动力要求降低，所需要的燃料消耗减少，排放减少[23]。这不仅大幅提高船舶破冰能力，而且更符合环保标准。但冰级吊舱推进器造价昂贵、维护费用高，是目前尚未全面普及的原因。

在搜集的破冰船中，所采用的吊舱推进器均由ABB集团公司提供，型号系列为Azipod VI和Azipod ICE，功率为2.0～17.0 MW，共计18艘，超过70.0%的该类破冰船新建于2010年后，涵盖轻型、中型、重型各级。例如：我国的双向破冰船雪龙2号，搭载2台吊舱推进器，推进功率达15.0 MW；芬兰的LNG破冰船北极星号搭载2个吊舱推进器，推进功率达12.5 MW。

3.5 小 结

在20世纪五六十年代，破冰船主要采用直接推进搭载定距桨推进方式；自20世纪70年代开始，为尽可能适应破冰船多工况需求，更多地将调距桨应用在破冰船上。进入21世纪，调距桨的优势逐渐被日趋成熟的电力推进技术替代，传统轴桨推进方式逐渐被全回转和吊舱推进方式替代。在近十年新造的破冰船中，采用吊舱推进器的破冰船超过采用全回转推进器的破冰船。由此可见：在吊舱推进器大力发展的今天，普通全回转推进器优势不再明显；破冰船推进系统逐步向集成化、一体化的方向迈进，冰级吊舱推进器将是未来全面应用的方向。

4 结 论

按照船舶注册冰级对搜集的137艘破冰船进行分级，并根据动力系统及主推进器类型进行分析和总结，得出如下结论：

(1)在世界主要破冰船中，重型破冰船占比仅为9.5%。为开发极地资源，俄罗斯、美国、加拿大等国均在计划新一代的破冰船。雪龙2号问世标志着我国具备自主研发中型破冰船的能力，但整体实力较发达国家仍存在一定的差距，为满足我国极地战略需求，应尽早深入研发重型破冰船。

(2)目前世界主要破冰船动力系统采用柴油机动力系统、柴油机-燃气轮机联合动力系统和核能动力系统，其中：采用柴油机动力系统的破冰船约90.0%，涵盖轻型、中型、重型各级。柴油机动力系统仍是轻中型破冰船的主要选择，柴油机电力推进系统是目前迭代更新最快的技术，是未来大力发展应用的方向。

(3)破冰船采用的主推进器包括定距桨、调距桨、全回转推进器和吊舱推进器。常见的推进方式主要为电力推进搭载定距桨、全回转推进器和吊舱推进器，机械直推搭载调距桨。进入21世纪，在新造破冰船中，电力推进搭载全回转推进器和吊舱推进器的应用程度高于传统轴桨推进方式，破冰船推进系统正逐渐向集成化、一体化发展。

(4)对于重型破冰船，3类动力系统均被采用，主要分为核能电力桨轴推进、柴电推进搭载吊舱推进器、联合动力系统搭载调距桨等3种推进形式，其中：采用核能动力系统的破冰船占比为70.0%。我国若自主研发重型破冰船推进系统，可将核能动力系统搭载吊舱推进器方案作为首选。