极地冰区船舶的船型及法规要求分析

极地冰区船舶的船型及法规要求分析

聂鑫

摘要

国际上对海洋冰区的研究早已展开，冰区船舶的设计和建造技术也基本成熟而目前我国对于冰区船舶的研宄无论是从理论还是从工程上

都尚处于起步阶段。随着北极航线的开辟，极地航行油轮的需求增大，但是极地航行油轮的设计面临着诸多的挑战，极地航行油轮既要满足自身功能的要求同时由于北极特殊的地理环境，极地航行油轮需要满足相关的国际公约，通过开展极地航行环境分析，对极地航行油船的主尺度的确定、总布置设计、结构强度设计、以及推进系统和动力匹配、耐低温系统等设计技术进行了研究和分析。通过对相关极地区域的规范和国际公约进行研究，同时结合极地特殊的环境特点以及海峡的特殊情况，分析了极地航行船舶的主尺度以及船型特点。

冰区资源价值及冰区船舶的研究意义

极地资源的开发和航道的利用如今己经成为人们对极地冰区研宄的热门话题。由于极地冰雪覆盖，所以无论是资源开发、科学考察还是航道利用，都离不开适于在冰区航行的船舶。不仅是极地冰区，非极地冰区的资源开发及航道利用同样对于中国这样的中高祎度国家有着重要意义。鉴于冰区重要的战略与经济价值，我国虽不属于极地国家，但基于科学考察、油气开采、渔业捕搜、航道利用等需要，对冰载荷以及冰区船舶设计的研宄依然卓有价值。

一、船型参数对极地船舶阻力性能影响分析

船型主尺度及船型参数对船舶性能影响极大，极地船舶的船宽、首柱倾角，首部外飘角等参数对冰区航行性能影响巨大，对静水阻力性能的影响尚不清楚。本文选取船宽、首柱倾角，首部外飘角三个关键船型参数为研究对象，采用ＣＦＤ方法计算并分析不同船型参数值对静水阻力性能的影响，同时结合极地船舶的冰阻力经验公式和冰区性能要求对船型参数的合理取值给出建议。

3 ．1 船宽

自破冰型极地船舶船宽直接关系到破冰后的碎冰道宽度，同时会影响到船舶所需要的主机功率。选取本文前面提及的某极地船舶为研究对象，变换其宽度值分别至4 2 ｍ、4 0 ｍ、3 8 ｍ、3 6 ｍ方案，并计算各方案在相同吃水（1 5 ｍ）、相同航速下（Ｆｎ＝0 ．1 5 ）的模型静水阻力，结果见如表3 。由表3 可以看出，极地船舶船宽越小船舶模型静水阻力值越小。

3 2 首柱倾角

自破冰型极地船舶首柱前倾主要是为了方便极地船舶骑爬至冰层上面并为极地船舶提供垂直向下的载荷使冰层弯曲破裂达到破冰目的，同时可将碎冰向船舷两侧排开，合适的首柱倾角能够最大化船舶的破冰能力［6］。为了分析首柱倾角对静水阻力的影响，分别设置 1 5。、2 5。、3 5。三个首柱倾角，计算它们在相同吃水（1 5ｍ）、相同航速下（Ｆｎ＝0 ．1 5 ）的模型静水阻力，结果见如表

4 。由表4 可以看出，随着首柱倾角的增大模型静水阻力略微变大，对静水阻力性能的影响较小。

3 ．3首部外飘角

自破冰型极地船舶的首部外飘角直接影响极地船舶的破冰效率和排冰能力，设计中需要关注该角度的变化对船舶性能的影响。为了研究外飘角对静水阻力性能的影响，分别设置设计吃水处的外飘角为40°、5 0°、6 5°，并计算它们在相同吃水（1 5 ｍ）、相同航速下（Ｆｎ＝0 ．1 5 ）的模型静水阻力，结果见如表5。由表 5 可以看出，随着首部外飘角的增大模型静水阻力增加。

主机型号

在冰区航行时，船上各系统如动力及推进系统包括主机、减速齿轮装置、起动装置、轴系、螺旋桨及冷却水系统等设备均需满足冰区航行

的要求。特别是轮机等设备应能在ＰＣ４、ＰＣ５、ＰＣ６的冰级下安全运行，并应特别考虑低温下液压系统的功能、水管和海底门的防冻措施以及应急柴油机低温起动性能等。

需要通过对极地航行油船船体艉部、推进器、冰三者相互作用分析，确定不同推进类型和推进器的布局方案。基于推进器推进性能，船体水阻力以及冰阻力增值和船桨相互作用进行冰区条件下的船舶快速性能预报。考虑数值和规范结合的方式开展推进器抗冰性能的研宄，提出合理的推进器配置方案，建立动力匹配技术。舵型及螺旋桨型式选取方面，需要针对极地航行油轮的工作环境与工况，建立舵桨水动力数值预报模型，进行多工况高效航、桨的优化设计研宄。并采用数值模拟手段，分析冰桨相互作用对螺旋桨性能、强度、疲劳的影响，建立冰桨相互作用模型，计算极端载荷下螺旋桨应力分布研究防治桨叶强度屈服实效的设计措施。研究冰桨舵作用下的航的强度应力分布，分析降低最大应力的技术措施；同时需要分析冰桨流体相互作用下的动态载荷，提出计算螺旋桨疲劳载荷的等效模型，计算螺旋桨疲劳寿命周期，研究延长疲劳寿命的技术措施，具体螺旋桨型式、桨叶结构设计以及蛇奖相对位置等。

总布置图的绘制

极地航行船型设计在考虑冰区航行的破冰能力的同时，要兼顾考虑在敞水区域航行安全性、经济性、适航性以及破冰航行时碎冰沿船体流动所产生的对推进器的干扰和碰撞。极地船舶在无冰水域航行水动力性能、破冰航行水动力性能及排冰性能对首尾部型线不同要求等问

题，我们以极地游船的总布置图为例

船舶极地航行面临的诸多考验

北极海冰具有相当明显的季节变化，又具有相对稳定性海冰面积最大在2 月，最小在8月而冬季( 12 月～4 月)海冰面积相对稳定夏季的8 月和9 月，冰面积月度变化也不大，而在冰融化的春季及初夏( 5 ～7 月)和冰凝结的秋季及初冬( 10 月～1 月)，月际差值相应较大随着全球气温的变暖，在夏季，鄂霍次克海戴维斯海峡拉布拉多海白令海以及白令海峡地区己经基本无冰，船舶可以自由通行因此，北冰洋的贸易航线主要活动在 6 ～10 月浮冰的消融期北极航道的选择主要受海冰分布影响，没有确定不变的航道.

在北极和南极地区航行的船舶面临着许多极地地区特有的风险.北极地区平均风速为4 －6米/秒在一年中,大风情况经常伴随着风暴而来，通常没有任何暗示，但即使是大风，风速也很少超过25 米/秒北极地区中的北大西洋海域巴芬湾白令海和楚科奇海因为气旋活动常见而风力最强北冰洋航路上的海流，作为浅水大陆架沿岸流，受地形要素的影响，整体上自西向东流岛屿之间的狭窄海峡中潮流显著，水流强劲如扬斯克海峡，当遇到东北气流时，洋流最高时速可以达到6．9 节，维利基茨基海峡附近可达 5 节，新西伯利亚诸岛南部的拉普杰夫海峡在强风时也能达到 3 至 4 节这时小船逆流无法进入海峡，等到潮流变化后方可航行

极区的海上交通量少水文气象条件复杂多变，极区的海图信息远没达到其他海域的覆盖范围和精度北极地区除了主要港口鲜有灯塔航标外，由于受冰的影响，航道几乎没有灯浮或浮筒无线电定位因极区缺