过去25年间，破冰船技术的重大进展集中在“通用极地破冰船”上。这一概念采用包括推进系统在内的完全成熟的船舶系统技术，远远超出了传统设计所能达到的范畴。

新一代17MW Azipod®推进系统汲取了破冰船吊舱推进和冰载荷测量方面的深厚经验，可以驱动最高PC（冰级）船舶穿过冰区。

基于此，Aker Arctic与ABB船舶与港口事业部携手打造的一种全新概念——通用极地破冰船，搭载了2x17MW Azipod®推进系统，能够在连续厚度为2.4米的首年冰层区航行并穿过厚厚的北冰洋冰脊。船舶机动性也优于所有的现有和拟建的极地破冰船。

图表1：通用的重型极地破冰船概念

因此，通用极地破冰船是一个激动人心的创举，但重要的是，该概念背后的系统和结构设计已得到验证，并为船舶规范提供精确的范例。总的来说包括：

• 吊舱推进系统本身 - 无齿轮全回转推进系统，将驱动电机安装在船体外的水下吊舱中，由船上柴油发电机提供动力。与传统的传动轴系统相比，ABB的Azipod®推进系统可实现高达20%的节油性能、优越的机动性、更大的设计灵活性、更低的维护和更小的船载占地面积。
• 双向航行DAS™)原理（– 结合吊舱推进系统，DAS允许船舶在没有破冰船协助的情况下在具有挑战性的冰区独立作业。提供比传统设计更好的性能高，需要的设备更少，建造成本更低，使船舶更轻、更省油。船体为开阔水域（船艏向前）和破冰（船艏向前或船艉向前）而优化，在两种环境下都能提供更好的性能，功率减少高达50%。
• 船载电力系统 – 配电系统的运行频率可变，使柴油机能够以最佳水平运行（即，运行的机组更少，但保持峰值性能），以提高燃油效率并减少排放。
• 先进的运营和维护 – 通过远程（陆上）监控和基于状态的维护降低O&M（操作和维护）成本并增加正常运营时间。

通用极地破冰船视为两用船舶，其特点是船艉Azipod®动力可以作为船艏Azipod®动力。这一组合在所有关键领域都表现出了比传统替代方案更好的性能。

破冰能力

航速为3节时，典型的双向航行破冰船在船艏前进时可以破碎6英尺（91.44cm）厚的冰，同样的功率以船艉前进时可以破碎8英尺（2.44m）厚的冰。配备Azipod®推进系统的冰区航行船舶在船艉前进破冰航行时，螺旋桨劈开冰脊水下部分，从而切出一条通道。

图2：不同概念船舶的破冰能力

图2摘自《北海航线和破冰技术》（Dick和Laframboise，CRREL 1994）一书，其将不同概念船舶的破冰性能换算为所需无量纲的推进功率的函数。每种船舶都根据能够破碎的冰层厚度（x-轴）和所需功率（y-轴）进行绘制。紫色线条显示现代两用船体的潜力，其破冰性能显然比任何传统设计都好。

机动性

与传统三桨单舵破冰船相比，采用Azipod®吊舱推进系统的船舶在冰区的转弯能力显著提高。图3描述了各种船舶在给定冰层厚度时的回转曲线。清楚表明吊舱破冰船的回转半径比传统船只小的多。

图3：不同冰层厚度下的船舶回转半径

油耗

DAS™与吊舱推进的组合设计在燃油经济性方面具有明显优势，不仅在破冰作业中，在开阔水域中也是如此。船体设计减少了摩擦，而电机的卓越效率意味着更多的燃油能量转化为了推力。

图4为配备Azipod®推进系统的船舶与传统轴系船舶在一系列指标上的性能比较。几乎在所有指标上，DAS™和吊舱推进系统的组合设计都具有更好的性能。

成本

在成本方面，配备Azipod®吊舱推进系统的DAS™船舶具有很多优势。首先，与传统设计相比，吊舱系统更紧凑，使用的设备更少（图5）。吊舱系统无需轴、主机、发电机、舵和辅助机械，还降低了建造和设备成本。此外，系统紧凑，节省空间，为客户提供了更灵活的船舶设计和任务安排。船东可以利用船上的额外空间储存更多的燃料，从而提高续航能力和任务执行能力。也可以减少船舶的总尺寸，节省材料。

图5：Azipod®吊舱推进系统设计vs传统推进系统设计

其次，配备吊舱推进系统的DAS™船舶具有更高的燃油效率，因为船体和系统的优化降低了所需功率，在某些情况下，与传统的传动轴船舶相比，效率可以提高50%，从而降低了燃油成本并提高了续航力。

吊舱推进系统所用动态AC或DAC动力系统专门设计用于变频工况，允许推进系统以不同转速运行，以响应不断变化的需求。这有两个好处。与传统配电系统相比，它可以节省高达6%的燃料，并使发动机实现最佳的燃油经济性和长期耐用性，同时仍然提供出色的性能。针对破冰船面临的持续变化工况，这一点尤为重要。

吊舱推进的第三个成本优势在于，船舶建造的最后阶段才需要Azipod®推进系统和操舵模块等资金密集型设备，因此在生产计划中延后了这两项成本。

产品风险

尽管许多新的船舶技术令人兴奋，但必须在工业生产环境中切实可行。在设计和采购周期的早期，特别是在设备面临独特需求的情况下，考虑产品属性至关重要，破冰船也是如此。

实践证明，像Azipod®这样的吊舱推进系统易于安装：只需一次吊装，缩短了坞期，并降低船厂的进度风险。需要安排的供应商和安装协调更少，从而降低了项目风险。此外，吊舱系统无需齿轮箱、推力轴承、轴系、尾轴管和密封、润滑系统，舵和舵机、艉推进器和内部电机，同时可以简化船舶的整个钢结构，减少工程和定制工作量。

技术风险

Azipod®吊舱推进技术也是一项成熟的技术，在破冰船上的应用已经超过25年。事实上，自1990年以来，三分之二的新建破冰船都采用了吊舱推进系统。Azipod®系统的无冰损运行时间已经超过了300万小时。配备Azipod®系统的船舶已经在北海航线和斯瓦尔巴特群岛航行了20多年，不断遇到多年冰层，但没有任何问题报告。

图6：通过斜向航行扩大航道以及推进器朝向

ABB在交付完整推进系统方面有着骄人的履历，包括从发电机到螺旋桨的传动系统，以及船舶自动化、驾驶室控制和船舶效率管理。ABB自己设计、策划、制造和安装所有这些部件。对Azipod®系统整个周期的控制可以最大程度减小进度、设计和建造风险，同时减少客户与供应商之间的接口数量。

可持续性

对于破冰船来说，“可持续性”意味着船舶使用寿命期间的可靠性、可维护性和可支持性。由于破冰船需要服役数十年，与持续运行和维护相关的成本很高。因此，设计下一代极地破冰船不单单是选择合适的组件。配备了ABB的Azipod®推进系统的船舶自推出以来，一直享有卓越的可靠性。截至2018年，配备Azipod®的船舶的可用性超过99.8%。

图7：原地转向和推进器朝向

为确保最佳性能，现代船舶应使用与岸上工业环境中相同的监测、服务和维护方法。掌握船上传感器数据的专家可以为远距离的船舶提供必要的支持。

无论是海上海上岸上，ABB在提供上述数据驱动智能服务方面都有着悠久的历史，最近在其赫尔辛基建立了一个24*7的监测中心。该公司已经对全球700多艘船舶进行了监测，预计到2020年将增至3000艘。赫尔辛基的设施与2018年在美国开放的类似设施一样，使运营商能够尽早发现和解决潜在问题，减少停机时间和进度风险。

“Polaris（北极星号）”是第一艘从全尺寸、船艏安装的Azipod®推进系统中受益的破冰船，2017年1月开始第一次航行。作为DAS™船舶，北极星有三套Azipod®推进系统——两套在船艉，一套在船艏。

总的来说，在经过一定的操作改进后，Polaris（北极星号）的破冰性能已经达到甚至超过了预期。

在对冰区管理能力进行初步试验后，“Polaris（北极星号）”的船艉螺旋桨在以不同的转向角度和动力运行，并利用船艏螺旋桨推力保持在预定位置。虽然螺旋桨有效地清理了船舶后方的区域，但是操作并不节能。通过保持船舶运动，用船体破碎冰层，然后用螺旋桨创造无冰区域，可以实现更好的能源和时间效率。

另一个改进是在斜航试验后。“Polaris（北极星号）”使用的方法是以大约40度的角度转向，以13mW的总功率切割出宽航道。在这种情况下，测试的成功依赖于经验丰富的船长通过手动控制所有三个推进器使船舶保持正常航向。开辟宽敞、干净航道的一个更实际可行的方法是，船艉螺旋桨向内旋转，这样，螺旋桨就能将冰吹向航道的两侧。协助船舶在冰区航行时经常使用这种方法。

在冰脊区域航行一段时间后会进行一些调整。已经证明，10-15节的高航速是这次冰区试航的最高载荷情况船艏推进器的载荷最高，但明显低于推进器的最大设计载荷。

图8：测量载荷与设计载荷的对比

这艘芬兰破冰船“Polaris（北极星号）”现在已经在波罗的海北部航行过两个冬天，每年的破冰作业时间约为1500小时。大多数情况下，作业只需要不到一半的船舶最大推进功率。经过两年的运行实践，测得的最大荷载约为设计荷载的40%，见图8。可以得出的结论是，安装在船艏和船艉的推进器所承受的最大载荷是相同量级的。

ABB已经测量了船艏和一套船艉Azipod®推进系统的冰载荷，并断定“Polaris（北极星号）”可以像其它波罗的海破冰船一样无限制航行。利用船艏安装的Azipod®推进系统提供的独特能力时，船舶性能超过了同时期的其它船舶。

通用极地破冰船

因此，17MW Azipod®推进系统作为通用极地破冰船概念的一部分，作为能够用于最高极地级破冰船的解决方案，可被视作前所未有的高光时刻。

总的来说，这些强大的推进系统具有我们熟悉的优势：Azipod®推进系统位置具有流体力学优势，可以对船体形状进行优化以降低阻力；优越的前后可操纵性；基于动态交流电的发电，可以在变频工况下确保燃料和性能效率。

这项概念研究证实，配备两套这种大功率吊舱推进系统的极地破冰船，将能够跻身有史以来建造的最强大极地破冰船设计之列，可以在连续厚度为2.4米的第一年冰中航行，并穿透厚厚的北极海冰脊。更重要的是，这种Azipod®推进解决方案在困难冰况下的船舶可操纵性优于所有现有和拟建的极地破冰船。

为进一步强化通用极地破冰船概念，ABB和ABS船级社已经达成一致，ABS将对推进系统进行原则工艺流程审批。ABB将根据AIP工艺流程的结果改进和完善设计，以满足ABS规定的要求。如果Azipod®推进系统被选中用于特定项目，这会加速其交付进度。

总之，基于多年的经验，通用极地破冰船概念为行业带来了激动人心的机会，可以利用各种技术和系统优势来获得经济、运营和环境利益。由此建造的最先进船舶将配备在未来具有卓越性能的设备。

Polaris（北极星号）：最先进的破冰船

芬兰政府委托Aker Arctic Technology设计并由Arctech船厂建造了一艘新的破冰船，其采用了本文讨论的几种技术。Polaris（北极星号）采用双燃料推进，由柴油或液化天然气发电机驱动三套Azipod®推进系统。它还拥有远程诊断系统，允许岸上专家为故障排除和定期维护提供支持。该船已于2016年秋季交付。

“我们已经辅助了30艘商船，但只有一艘需要拖行，因为Azipod®[推进系统]非常高效……螺旋桨破冰时水流产生冲洗效果能使大部分冰块远离被辅助船舶的球鼻艏。我们已经收到了很多客户对这一功能的积极反馈。”

Pasi Järvelin船长（来源：Arctic Passion News）