船舶的旋回性能-船舶操縱

第一節(jié)船舶的旋回性概述：旋回性是指定速直航的船舶操某一大的舵角后進(jìn)入定常旋回的運(yùn)動(dòng)性能。

旋回性是船舶操縱性當(dāng)中極其重要的一種性能！1整理課件2整理課件一、船舶旋回的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

1、第一階段（轉(zhuǎn)舵階段）

船舶向一舷操舵后，保持或近乎保持其直進(jìn)速度，同時(shí)開(kāi)始進(jìn)入基本沿原航向前進(jìn)而船尾外移同時(shí)少量的向操舵一舷橫傾的初始旋回階段—反移內(nèi)傾。N(δ)----舵力轉(zhuǎn)船力矩F(w)-----水動(dòng)力β-------漂角G-------重心V-------船速βPdGOMt1GP/2PNcosF---慣心力d/2Mt2PNcosGwV2/RcosRyPP’F=ma=mv2/RR無(wú)窮大時(shí)F=03整理課件1．第一階段——轉(zhuǎn)舵階段出現(xiàn)降速和漂角但量都很??；旋回角速度不大，但旋回角加速度最大。重心向操舵相反方向少量橫移，同時(shí)因舵力位置比重心位置低而出現(xiàn)少量?jī)?nèi)傾。特征：船速下降船舶重心反向橫移船首朝操舵一側(cè)偏轉(zhuǎn)船舶內(nèi)傾4整理課件2、第二階段（過(guò)渡階段）

操舵后隨著船舶橫移速度的和漂角的增大，船舶的運(yùn)動(dòng)逐漸偏離首尾面而向外轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入內(nèi)傾消失，外傾出現(xiàn)并逐漸增大的加速旋回階段

—正移外傾。F(w)-----水動(dòng)力不在首尾線上,產(chǎn)生漂角β增大;N(β)---水動(dòng)力轉(zhuǎn)船力矩;5整理課件2．第二階段——過(guò)渡階段船舶的旋回角速度、橫移速度和漂角均逐步增大。降速明顯（斜航阻力增加）；由反向橫移變成向操舵一側(cè)正向橫移；船舶由內(nèi)傾變?yōu)橥鈨A逐漸增大；船舶加速旋回特征：船速繼續(xù)下降船舶加快向朝舵一側(cè)偏轉(zhuǎn)船舶重心開(kāi)始正向橫移船體開(kāi)始外傾6整理課件

3、第三階段（定常旋回）

隨著旋回阻尼力矩的增大，當(dāng)船舶所受的舵力轉(zhuǎn)船力矩N(a)、漂角水動(dòng)力轉(zhuǎn)船力矩N(B)和阻尼力矩N(r)相平衡時(shí)，船舶的旋回角加速度變?yōu)榱?，船舶的旋回角速度達(dá)到最大值并穩(wěn)定于該值，船舶將進(jìn)入穩(wěn)定旋回階段。

—定常旋回。RaRfRf、Ra---水阻力N(r)---水阻尼力矩7整理課件3．第三階段——定常旋回階段當(dāng)漂角增加到一定值時(shí)，作用于船體所受合力矩為零，進(jìn)入定常旋回運(yùn)動(dòng)?？沾s在轉(zhuǎn)首60°左右，滿載約在100°~120°左右進(jìn)入定常旋回階段。特征：船舶以固定漂角作勻速圓周運(yùn)動(dòng)船舶處于相對(duì)穩(wěn)定的外傾8整理課件二、旋回圈的大小及其要素

概念：定速直航(一般為全速)的船舶操一定舵角(一般為滿舵)后，其重心所描繪的軌跡叫做旋回圈(turningcircle)。1．表征旋回圈大小的幾何要素

1)進(jìn)距(advance)

進(jìn)距也稱縱距，是指從操舵開(kāi)始到船舶的航向轉(zhuǎn)過(guò)任一角度時(shí)重心所移動(dòng)的縱向距離。通常，旋回資料中所說(shuō)的縱距，特指當(dāng)航向轉(zhuǎn)過(guò)90°時(shí)的進(jìn)距，并以Ad表示之，它大約為旋回初徑的0．6～1．2倍。9整理課件AdmaxTrAdDTTrmaxreachDSternkickGGGGGGGβ10整理課件2)橫距(transfer)

橫距是指從操舵開(kāi)始到船舶的航向轉(zhuǎn)過(guò)任一角度時(shí)船舶重心所移動(dòng)的橫向距離。通常，旋回資料中所說(shuō)的橫距，特指當(dāng)航向轉(zhuǎn)過(guò)90°時(shí)的橫距，并以Tr表示之，它大約為旋回初徑的一半。

3)旋回初徑(tacticaldiameter)

旋回初徑是指從操舵開(kāi)始到船舶的航向轉(zhuǎn)過(guò)180°時(shí)重心所移動(dòng)的橫向距離，并以DT表示之。它大約為3～6倍的船長(zhǎng)。11整理課件4)旋回直徑(finaldiameter)

旋回直徑是指船舶作定常旋回時(shí)重心軌跡圓的直徑，亦稱旋回終徑，并以D表示之，它大約為旋回初徑的0．9～1．2倍。5)滯距(reach)

亦稱心距。正常旋回時(shí)，船舶旋回直徑的中心O總較操舵時(shí)船舶重心位置更偏于前方。滯距是該中心O的縱距，并以Re代表之，大約為1～2倍船長(zhǎng)，它表示操舵后到船舶進(jìn)入旋回的“滯后距離”，也是衡量船舶舵效的標(biāo)準(zhǔn)之一。12整理課件6)反移量(kick)

反移量亦稱偏距，是指船舶重心在旋回初始階段向操舵相反一舷橫移的距離。通常，該值極小，其最大量在滿載旋回時(shí)僅為船長(zhǎng)的1％左右。但操船中應(yīng)注意的是，船尾的反移量卻不容忽視，其最大量約為船長(zhǎng)的1／5～1／10，約出現(xiàn)在操舵后船舶的轉(zhuǎn)頭角達(dá)一個(gè)羅經(jīng)點(diǎn)左右的時(shí)刻。反移量的大小與船速、舵角、操舵速度、排水狀態(tài)及船型等因素有關(guān)，船速、舵角越大，反移量越大。13整理課件2、描述船舶旋回運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)要素1)漂角(driftangle)

船舶首尾線上某一點(diǎn)的線速度與船舶首尾面的交角叫做漂角，如左圖所示。船舶在首尾線上不同點(diǎn)的漂角是不同的，在船尾處，由于其橫移速度最大，因此漂角也最大。但通常所說(shuō)的漂角是指船舶重心處的線速度Vt與船舶首尾面的交角，也就是船首向與重心G點(diǎn)處旋回圈切線方向的夾角，用B表示之。一般船舶的漂角大約在3°～15°之間。14整理課件2)轉(zhuǎn)心(pivotingpoint)及其位置

旋回中的船舶可視為一方面船舶以一定的速度前進(jìn)，同時(shí)繞通過(guò)某一點(diǎn)的豎軸而旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)的疊加，這一點(diǎn)就是轉(zhuǎn)心，通常以P代表之。船舶操舵旋回時(shí)，在旋回的初始階段，轉(zhuǎn)心約在重心稍前處，以后隨船舶旋回不斷加快，轉(zhuǎn)心隨著旋回中的漂角的增大而逐漸向船首方向移動(dòng)；當(dāng)船舶進(jìn)入定常旋回階段即船舶旋回中的漂角保持不變時(shí)，轉(zhuǎn)心P逐漸穩(wěn)定于某一點(diǎn)，對(duì)于不同船舶，該點(diǎn)的位置大約在離船首柱后1／3～1／5船長(zhǎng)處；船處于后退中，轉(zhuǎn)心位置則在船尾附近。

對(duì)于不同船舶而言，旋回性能越好、旋回中漂角B越大的船舶，其旋回時(shí)的轉(zhuǎn)心越靠近船首。

15整理課件3)旋回中的降速

船舶在旋回中，主要由于船體斜航(存在漂角)時(shí)阻力增加，以及舵阻力增加和推進(jìn)效率降低等原因，將會(huì)出現(xiàn)降速現(xiàn)象。一般船舶旋回中的降速幅度大約為旋回操舵前船舶速度的25％～50％，而旋回性能很好的超大型油船在旋回中的降速幅度最大可達(dá)到原航速的65％。4)旋回中船舶出現(xiàn)的橫傾(List)

旋回中船舶出現(xiàn)的橫傾是一個(gè)應(yīng)予注意的不安全因素。船舶在大風(fēng)浪中大角度轉(zhuǎn)向或掉頭時(shí)，如船舶在波浪中橫搖的相位與旋回中外傾角的相位一致，則船舶將有傾覆的危險(xiǎn)，這是操船中應(yīng)予避免的一個(gè)重要問(wèn)題。另外值得注意的是，由于舵力所產(chǎn)生的內(nèi)傾力矩有利于抑制船舶的外傾角，因此當(dāng)船舶在旋回中一旦產(chǎn)生較大的外傾角時(shí)，切忌急速回舵或操相反舷舵，否則會(huì)進(jìn)一步增大外傾角，威脅船舶的安全。

16整理課件

三、影響旋回圈大小的因素1．方形系數(shù)Cb(blockcoefficient)

方形系數(shù)較低的瘦形高速船(Cb≈0．6)較方形系數(shù)較高的肥形船(Cb≈0．8)的旋回性能差得多，即船舶的方形系數(shù)越大，船舶的旋回性越好，旋回圈越小。

2．船體水線下側(cè)面積形狀及分布

就整體而言，船首部分分布面積較大如有球鼻首者或船尾比較瘦削的船舶，旋回中的阻尼力短小，旋回性較好，旋回圈較小，但航向穩(wěn)定性較差；而船尾部分分布面積較大者如船尾有鈍材或船首比較削進(jìn)(cutup)的船舶，旋回中的阻尼力矩比較大，旋回性較差，旋回圈較大，但航向穩(wěn)定性較好

17整理課件4．操舵時(shí)間

操舵時(shí)間主要對(duì)船舶的進(jìn)距影響較大，進(jìn)距隨操舵時(shí)間的增加而增加，而對(duì)橫距和旋回初徑的影響不大，旋回直徑則不受其影響。

5．舵面積比

舵面積比(rudderarearatio)是指舵面積與船體浸水側(cè)面積(Lpp×d)的比值。增加舵面積將會(huì)使舵的轉(zhuǎn)船力矩增大，因而提高船舶的旋回性，旋回圈變小。但增加舵面積的同時(shí)又增加了旋回阻尼力矩，當(dāng)舵面積超過(guò)一定值后，旋回性就不能提高。也就是說(shuō)，就一定船型的船舶而言，舵面積比的大小在降低旋回初徑方面存在一個(gè)最佳值。18整理課件

6．船速

一般說(shuō)來(lái)，船速對(duì)船舶旋回所需時(shí)間的長(zhǎng)短具有明顯的影響，但對(duì)旋回初徑大小的影響卻呈現(xiàn)較為復(fù)雜的情況。

如圖減速旋回與加速旋回

19整理課件7．吃水

若縱傾狀態(tài)相同，吃水增加時(shí)，旋回進(jìn)距增大，橫距和旋回初徑也將有所增加。

8．吃水差

有吃水差和平吃水相比較，相當(dāng)于較大程度地改變了船舶水線下船體側(cè)面積的分布狀態(tài)，因而對(duì)船舶旋回性能帶來(lái)明顯的影響。尾傾增大，旋回圈也將增大。

9．橫傾

船體存在橫傾時(shí)，左右浸水面積不同，兩側(cè)所受的水動(dòng)壓力也不相同，改變了左右舷各種作用力的對(duì)稱性。(低低小;高高小)但總的來(lái)講，橫傾對(duì)旋回圈的影響并不大。20整理課件10.淺水影響

在淺水中的旋回圈明顯增大。當(dāng)水深吃水比小于2時(shí)，旋回圈有所增大(特別是對(duì)高速船而言)；當(dāng)水深吃水比小于1.5時(shí)，旋回圈明顯增大；當(dāng)水深吃水比小于1.2時(shí)，旋回圈急劇增大。11．螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)方向

由于受螺旋槳橫向力的影響，船舶向左或向右旋回時(shí)的旋回圈的大小將有所不同。對(duì)于右旋固定螺距螺旋槳單車船而言，在其他條件相同的情況下，向左旋回時(shí)的旋回初徑要比向右旋回時(shí)的旋回初徑要小一些。但對(duì)于超大型船舶而言，這一差別很小。

另外，船體的污底、風(fēng)、流的作用都將對(duì)船舶旋回圈的大小產(chǎn)生影響。例如頂風(fēng)、頂流使旋回圈進(jìn)距減小，順風(fēng)、順流使旋回圈進(jìn)距增大等等。21整理課件四、旋回圈要素在實(shí)際操船中的應(yīng)用

由旋回試驗(yàn)測(cè)定的旋回圈資料是船舶操縱性能的重要內(nèi)容之一，它不僅用來(lái)評(píng)價(jià)船舶的旋回性能，同時(shí)還可以直接用于實(shí)際操船。1．旋回初徑、進(jìn)距、橫距、滯距和在實(shí)際操船中的應(yīng)用在水深足夠的寬敞水域，旋回初徑可以用來(lái)估算船舶用舵旋回掉頭所需的水域；橫距可以用來(lái)估算操舵轉(zhuǎn)首后，船舶與岸或其他船舶是否有足夠的間距；滯距可以用來(lái)推算兩船對(duì)遇時(shí)無(wú)法旋回避讓的距離，即兩船對(duì)遇時(shí)的距離小于兩船的滯距之和，則用舵無(wú)法避讓；而兩船的進(jìn)距之和則可以用來(lái)推算對(duì)遇時(shí)的最晚施舵點(diǎn)。22整理課件

2．反移量在實(shí)際操船中的應(yīng)用

反移量在實(shí)際操船中的應(yīng)用很多

例如，本船航行中發(fā)現(xiàn)有人落水時(shí)，應(yīng)立即向落水者一舷操舵，使船尾迅速擺離落水者，以免使之卷進(jìn)船尾螺旋槳流之內(nèi)。

又如，在船首較近的前方發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)，為緊急避開(kāi)，應(yīng)立即操滿舵盡量使船首讓開(kāi)；當(dāng)估計(jì)船首已可避開(kāi)時(shí)，再操相反一舷滿舵以便讓開(kāi)船尾。

再如，當(dāng)船舶前部已離出碼頭擬進(jìn)車離泊時(shí)，如操大舵角急欲轉(zhuǎn)出，則由于尾外擺而將觸碰碼頭。為避免發(fā)生事故應(yīng)適當(dāng)減速，待駛出一段距離后再使用小舵角慢慢轉(zhuǎn)出。23整理課件

第二節(jié)船舶操縱運(yùn)動(dòng)方程及船舶操縱性指數(shù)

一、船舶操縱運(yùn)動(dòng)方程

T?+r＝Kδ

該方程最早是由日本學(xué)者野本謙作提出的，因此也稱為野本方程。該式中，T稱之為船舶的追隨性指數(shù)(turninglagindex)，單位為s；K稱之為船舶的旋回性指數(shù)(turningabilityindex)，單位為1／s。24整理課件

二、船舶操縱性指數(shù)及其意義

1．K表示船舶旋回性的優(yōu)劣

又稱旋回性指數(shù)。K值大，則操舵后的轉(zhuǎn)向角加速度初始值、定常轉(zhuǎn)向角速度值均較高，易于有較大的轉(zhuǎn)向角。船舶進(jìn)入定常旋回后，因?yàn)镵可用定常旋回角速度ro與所操舵角δ0之比來(lái)表示，所以K值實(shí)質(zhì)上是定常旋回中的船舶每單位舵角所能給出的轉(zhuǎn)頭角速度值，又稱增益常數(shù)。該增益越大，則船舶的旋回性能越好。

25整理課件

2．T表示船舶追隨性的優(yōu)劣

又稱追隨性指數(shù)。T值小，則操舵后的轉(zhuǎn)向角加速度初始值較高，向定常角速度趨近較快，易于有較大的轉(zhuǎn)向角。船舶操舵后，因?yàn)門表示轉(zhuǎn)向角加速度向零衰減、轉(zhuǎn)向角速度向定常角速度趨近的周期，而且每經(jīng)過(guò)T的時(shí)間均趨近0.37倍，所以T又稱時(shí)間常數(shù)。該時(shí)間越短，則追隨性越好。

26整理課件

三、K、T、指數(shù)無(wú)因次化數(shù)值范圍及影響K、T指數(shù)的因素

1．K、T指數(shù)的無(wú)因次化數(shù)值范圍

為了便于比較不同船舶之間的操縱性，常將操縱性指數(shù)K、T作無(wú)因次化處理，即消去其量綱的處理，即：

K’＝K(1/s)·L(m)/Vs(m/s)T’＝T(s)·Vs(m/s)/L(m)

式中：L為船長(zhǎng)，單位為m；Vs為船速，單位為m／s。27整理課件無(wú)因次化后的船舶操縱性指數(shù)K’、T’由于已經(jīng)除去了船舶尺度與船速的影響，故可直接用來(lái)比較不同船舶或同一船舶在不同條件下的操縱性優(yōu)劣及其變化趨勢(shì)；反過(guò)來(lái)說(shuō)，當(dāng)兩船的K、T指數(shù)相等時(shí)，要使其操縱性能也相同，其船長(zhǎng)和船速也應(yīng)相同。

對(duì)于具備一般的操縱性能的船舶在滿載狀態(tài)下的K’、T’應(yīng)處于下列數(shù)值范圍之內(nèi)：

滿載貨船(L＝100～150m)：K’＝1.5～2.0；T’＝1.5～2.5

滿載油船(L＝150～250m)：K’＝1.7～3.0；T’＝3.0～6.0

操縱性指數(shù)K’、T’值是通過(guò)實(shí)船Z形試驗(yàn)所測(cè)定的。28整理課件

2．影響K’、T’值的因素

船舶操縱性能指數(shù)K’、T’值，將隨舵角、吃水、吃水差、水深與吃水之比、船體水下線型等因素的變化而變化，且其規(guī)律較為復(fù)雜，但總體來(lái)講，趨勢(shì)如表所列：影響因素舵角增加

吃水增加

尾傾增加

水深變淺

船型越肥

K’、T’變化同時(shí)減小

同時(shí)增大

同時(shí)減小

同時(shí)減小

同時(shí)增大

29整理課件從表中可以看出，船舶的操縱性指數(shù)K’、T’值是同時(shí)減小或同時(shí)增大的，即提高船舶旋回性的結(jié)果將使其追隨性受到某種程度的降低，而追隨性的改善又將導(dǎo)致船舶旋回性的某些降低。值得注意的是，當(dāng)舵角增加時(shí)，K’、T’值同時(shí)減小，但T’值減小的幅度要比K’值減小的幅度大，因此船舶的舵效反而變好。30整理課件

四、船舶操縱性指數(shù)K、T、的具體運(yùn)用

實(shí)船Z形試驗(yàn)測(cè)算得出的K、T指數(shù)，對(duì)判別船舶的操縱性能和預(yù)測(cè)船舶的操縱運(yùn)動(dòng)具有重要價(jià)值。其具體運(yùn)用內(nèi)容有：

1．按K、T指數(shù)區(qū)分船舶操縱性

不同種類、結(jié)構(gòu)和大小的船舶，其操縱性會(huì)有很大的不同。按照K、T指數(shù)比較船舶的旋回軌跡，可將船舶操縱性概略地區(qū)分為四類。31整理課件

A類：是旋回性、追隨性都好的船，具有K值大、T值小的特點(diǎn)。船舶操舵后，應(yīng)舵快，旋回進(jìn)距小，旋回初徑也較小。舵面積比較高的船舶，如拖船具有這樣的操縱性能。

B類：是旋回性差、追隨性好的船，具有K值小、T值小的特點(diǎn)。該類船舶操舵后，盡管應(yīng)舵較快，旋回進(jìn)距小，但旋回初徑卻比較大。

C類：是旋回性好、追隨性差的船，具有K值大、T、值也大的特點(diǎn)。該類船舶操舵后，應(yīng)舵慢，旋回進(jìn)距大，但旋回初徑卻比較小，如滿載的超大型船舶。D類：是旋回性、追隨性都差的船，具有K值小、T值大的特點(diǎn)。該類船舶操舵后，應(yīng)舵慢，旋回進(jìn)距大，旋回初徑也比較大。32整理課件

2．推定新航向距離DNc(distancetonewcourse)

直航中的船舶改向時(shí)如果在新航向的始點(diǎn)才開(kāi)始操舵，由于船舶操舵以及船舶對(duì)舵的響應(yīng)均需要一定的時(shí)間的緣故，則根本不可能達(dá)到駛上新航線的目的。因此，要求駕引人員在施舵轉(zhuǎn)向之前，充分準(zhǔn)確地推定施舵點(diǎn)至轉(zhuǎn)向點(diǎn)的距離，才能真正駛到新的航線上去。所謂新航向距離指的就是原航線上應(yīng)提前操舵的施舵點(diǎn)至轉(zhuǎn)向點(diǎn)的距離，如圖所示。

33整理課件

3．改向中轉(zhuǎn)頭慣性角的估算

船舶在航行中改向操舵后，船舶的轉(zhuǎn)頭角速度r0到達(dá)某一定值后操正舵，船首繼續(xù)轉(zhuǎn)頭慣性角為：

＝r0·T由該式可知，實(shí)際操船當(dāng)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1)滿載船舶較空載船舶一般說(shuō)來(lái)具有起轉(zhuǎn)較慢、停轉(zhuǎn)不易、操縱呆笨的特點(diǎn)，要求操縱者根據(jù)改向角的大小，適當(dāng)?shù)卦缬枚?、早回舵，所操舵角也比較大。

2)為提高在淺窄水域中操船的安全度，降低船速是完全必要的。但降低船速后，由于提高了轉(zhuǎn)頭慣性角，更應(yīng)注意適時(shí)用大舵角壓舵，必要時(shí)須果斷提高轉(zhuǎn)速以有效地抑制之。

34整理課件

3)尺度較大的船舶，一般說(shuō)來(lái)也具有轉(zhuǎn)頭慣性角較大的特點(diǎn)，處于滿載時(shí)則更甚，尤應(yīng)注意在起轉(zhuǎn)之后，適時(shí)根據(jù)具體條件和轉(zhuǎn)頭角速度的快慢采用抑制措施。

4)為提高壓舵有效性或較為明顯地降低轉(zhuǎn)頭慣性角，操縱人員應(yīng)隨時(shí)注意觀察轉(zhuǎn)頭趨勢(shì)，并要牢記，只有采用較大的壓舵角，才能有效地降低T，使船舶轉(zhuǎn)頭速度迅速得以降低，從而有效地控制慣性轉(zhuǎn)頭角不致過(guò)大。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在舵效較好的一般貨船上，壓舵角一般可取轉(zhuǎn)向時(shí)所操舵角的1／2；在舵效較慢的大型油船上，尤其是超大型油船在它們滿載時(shí)應(yīng)按照轉(zhuǎn)頭慣性的強(qiáng)弱，多取與轉(zhuǎn)向時(shí)所操舵角等大的壓舵角。

35整理課件

4．船舶定常旋回直徑D的估算

根據(jù)定常旋回運(yùn)動(dòng)中旋回角速度r0＝K0的結(jié)論，可以得到船舶定常旋回直徑的估算式：

D＝2Vt/K0

式中：Vt——船舶定常旋回時(shí)的線速度；

K——有量納的船舶的旋回性指數(shù)；

0——所操的舵角，應(yīng)采用弧度作單位。在使用該式估算旋回直徑D時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)乜紤]到旋回中船舶降速問(wèn)題，尤其是超大型船舶的降速問(wèn)題更為明顯。36整理課件

第三節(jié)船舶的航向穩(wěn)定性與保向性

正舵直航中的船舶，當(dāng)受到風(fēng)、浪或其他因素的瞬時(shí)性干擾后，船舶將不可避免地偏離原來(lái)的直航運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但當(dāng)干擾過(guò)去后，偏離原來(lái)直航運(yùn)動(dòng)的船舶能否自行恢復(fù)到原來(lái)航線上去(位置穩(wěn)定)，能否自行恢復(fù)到原來(lái)的航向上去(方向穩(wěn)定)，能否較快地穩(wěn)，定在新的航向上，具有新的直線運(yùn)動(dòng)(直線穩(wěn)定)，這就是船舶運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性所討論的問(wèn)題。它是船舶操縱性研究的一個(gè)重要方面。

37整理課件38整理課件

一、航向穩(wěn)定性

所謂航向穩(wěn)定性，指的是船舶在受外界干擾取得轉(zhuǎn)頭速度r0后，當(dāng)干擾結(jié)束之后在船舶保持正舵的條件下，船舶受的轉(zhuǎn)頭阻矩對(duì)船體轉(zhuǎn)頭運(yùn)動(dòng)有何影響，因而船舶轉(zhuǎn)頭運(yùn)動(dòng)將如何變化的性質(zhì)。一艘航向穩(wěn)定性較好的船舶，直航中即使很少操舵也能較好地保向；而當(dāng)操舵改向時(shí)，又能較快地應(yīng)舵；轉(zhuǎn)向中回正舵，又能較快地把航向穩(wěn)定下來(lái)。其特點(diǎn)是對(duì)舵的響應(yīng)運(yùn)動(dòng)來(lái)得快，耗時(shí)短，因而舵效比較好。39整理課件1．靜航向穩(wěn)定性

靜航向穩(wěn)定性(staticalcoursestability)，指的是船舶受外力作用而稍微偏離原航向，但重心仍在原航向上斜航前進(jìn)，有關(guān)該斜航漂角將如何變化的性能。

通常的船舶在斜航中，因?yàn)槠堑某霈F(xiàn)將產(chǎn)生使漂角繼續(xù)增大的轉(zhuǎn)頭力矩，所以常常是靜航向不穩(wěn)定的。船舶越是首傾，船體側(cè)面積在船首分布越多，其靜航向穩(wěn)定性就越差。

40整理課件

2．動(dòng)航向穩(wěn)定性

當(dāng)外界干擾過(guò)去之后，船舶的轉(zhuǎn)頭運(yùn)動(dòng)在不用舵糾正的情況下，能盡快穩(wěn)定于新航向的性質(zhì)謂之船舶動(dòng)航向穩(wěn)定性(dynamicalcoursestability)。穩(wěn)定得較慢、慣性轉(zhuǎn)頭角較大的船舶，其動(dòng)航向穩(wěn)定性較差；穩(wěn)定得較快、慣性轉(zhuǎn)頭角較小的船，其動(dòng)航向穩(wěn)定性較好；一直轉(zhuǎn)頭不停而偏轉(zhuǎn)下去的船，則不具備動(dòng)航向穩(wěn)定性。一般所說(shuō)的船舶航向穩(wěn)定性指的就是動(dòng)航向穩(wěn)定性，即船舶直線運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。當(dāng)然，航向穩(wěn)定性差的船舶，甚至航向不穩(wěn)定的船舶，為了保持航向，就需頻繁操舵，而且所用舵角也偏大。41整理課件二、船舶航向穩(wěn)定性的判別

1.根據(jù)航向穩(wěn)定性指數(shù)判別

船舶航向穩(wěn)定性指數(shù)T＞0，說(shuō)明船舶具有航向穩(wěn)定性，且T值為越小的正數(shù)，船舶的航向穩(wěn)定性越好。航向穩(wěn)定性指數(shù)T＜0，則說(shuō)明船舶不具有航向穩(wěn)定性。船舶追隨性好的船舶可以同時(shí)判斷為航向穩(wěn)定性好的船舶。2．根據(jù)船舶的線型系數(shù)判別一般說(shuō)來(lái)，方形系數(shù)較低、長(zhǎng)寬比較高的船舶具有較好的航向穩(wěn)定性。類似超級(jí)油船之類的肥大型船舶，方形系數(shù)一般在0.8左右，其航向穩(wěn)定性在小舵角范圍內(nèi)總帶有不穩(wěn)定性。42整理課件三、船舶保向性

1．船舶保向性的概念保向性是指船舶在外力作用下(如風(fēng)、流、浪等)，由舵工(或自動(dòng)舵)通過(guò)，羅經(jīng)識(shí)別船舶首搖情況，通過(guò)操舵抑制或糾正首搖并使船舶駛于預(yù)定航向上的能力。船舶保向性的好壞不但與船舶航向穩(wěn)定性的好壞有關(guān)，而且還與操，舵人員的技能及熟練程度、自動(dòng)舵、舵機(jī)的性能有關(guān)。

43整理課件2．影響船舶保向性的主要因素

船型——水下船型是決定船舶轉(zhuǎn)頭阻矩和慣性的重要因素，水上船型是決定船舶所受風(fēng)力及風(fēng)力轉(zhuǎn)船力矩大小的重要因素。它們對(duì)保向性均有很大影響。

(1)方形系數(shù)較低、長(zhǎng)寬比較高的瘦削型船舶，其保向性較優(yōu)；淺吃水的寬體船保向性較差。(2)船體側(cè)面積在尾部分布較多者，如船尾有鈍材，其保向性較好；船首水下側(cè)面積分布較多者，如船首有球鼻首將降低保向性。(3)較高的干舷將降低船舶在風(fēng)中航行時(shí)的保向性。44整理課件2)載態(tài)

載態(tài)的改變將導(dǎo)致水下和水上船型的改變，因而也影響到船舶保向性。對(duì)于同一艘船:(1)輕載較滿載時(shí)保向性好(受風(fēng)時(shí)另當(dāng)別論)；(2)尾傾較首傾時(shí)的保向性好。3)舵角增大所操的舵角，能明顯地改善船舶的保向性。超大型油船小舵角狀態(tài)下有航向不穩(wěn)定趨勢(shì)，需用較大舵角才能保向。4)船速對(duì)于同一艘船而言，由于船速的提高，船舶保向性將變好。

5)其他因素保向性將因水深變淺而提高；船舶順風(fēng)浪或順流航行中保向性反而降低。45整理課件

第四節(jié)船舶變速運(yùn)動(dòng)性能

驅(qū)動(dòng)靜止中的船舶運(yùn)動(dòng)，或運(yùn)動(dòng)中的船舶停止下來(lái)，或改變船舶的運(yùn)動(dòng)速度，它們均有維持其原運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的過(guò)渡，才能達(dá)到所要求的狀態(tài)。這種趨勢(shì)就是船舶慣性(inertiaeffect)。標(biāo)志慣性過(guò)程長(zhǎng)短的數(shù)據(jù)可有兩種表示方式：一種是衡量完成變速運(yùn)動(dòng)所需路程的叫沖程(慣性沖程)；另一種是衡量完成變速運(yùn)動(dòng)所需時(shí)間的叫沖時(shí)(慣性沖時(shí))。

46整理課件

一、船舶的啟動(dòng)性能

定義：船舶在靜止?fàn)顟B(tài)中開(kāi)進(jìn)車，使船舶達(dá)到與主機(jī)功率相應(yīng)的穩(wěn)定船速所需的時(shí)間和航進(jìn)的距離，稱為船舶的啟動(dòng)性能

船舶從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)進(jìn)車，主機(jī)的轉(zhuǎn)速需視船速的逐步提高而逐漸增加，因而存在一個(gè)逐步加速過(guò)程。一味求快，甚至立即把主機(jī)的轉(zhuǎn)速增加很多，則會(huì)使主機(jī)轉(zhuǎn)矩突然增大，使主機(jī)超負(fù)荷工作，在實(shí)際操船中應(yīng)予以防止。

船速達(dá)到定常速度V0時(shí)所需的時(shí)間t和航進(jìn)的距離S的估算公式為：

t=0.004×Δ?V0/R0S=0.101×Δ?V02/R0

Δ——船舶排水量，單位為t；

R0——船速為V0時(shí)的船舶阻力，單位為9.81kN；

V0——船舶的定常速度，單位為kn；t

——時(shí)間，單位為min；

S——啟動(dòng)慣性距離，單位為m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，從靜止?fàn)顟B(tài)逐級(jí)動(dòng)車，直至達(dá)到定常速度，滿載船舶約需航經(jīng)20倍船長(zhǎng)左右的距離，輕載時(shí)約為滿載時(shí)的1／2～2／3。

47整理課件二、停車性能

定義：船舶在全速或半速前進(jìn)中停止主機(jī)，至船對(duì)水停止移動(dòng)時(shí)所需的時(shí)間和滑行的距離，稱為停車沖時(shí)和停車沖程。

主機(jī)停車后，推力急劇下降到零；開(kāi)始船速下降迅速；但隨著船速的下降，船舶阻力減小，船速下降逐漸緩慢；當(dāng)船速很低時(shí)，阻力很小，船速的下降極為緩慢，船舶很難完全停止下來(lái)。因此，通常以船速降低至能維持船舶舵效的速度(對(duì)于萬(wàn)噸級(jí)船舶為2kn左右)為界限來(lái)計(jì)算船舶的停車沖程和沖時(shí)。

48整理課件主機(jī)停車后至船速降低到能維持舵效的速度時(shí)所需的時(shí)間t和滑行距離S的估算公式為：

t=0.00105×Δ?V02/

R0（1/V–1/V0）S=0.075×Δ?V02/

R0log（V0/V）

Δ——船舶排水量，單位為t；

R0——船速為V0時(shí)的船舶阻力，單位為9.81kN；

V——船舶停止時(shí)刻的速度，一般以能維持其舵效的速度計(jì)算，單位為kn；

V0——船舶的定常速度，單位為kn；t

——時(shí)間，單位為min；

S——啟動(dòng)慣性距離，單位為m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，船舶在常速航進(jìn)中停車，降速到能維持其舵效的速度時(shí)，一般貨船的停車沖程為船長(zhǎng)的8～20倍，超大型船舶則超過(guò)20倍的船長(zhǎng)，船越大，停車慣性越大。.高速前進(jìn)中的船舶，突然下令停車，主機(jī)轉(zhuǎn)速下降至完全停止要有一個(gè)過(guò)程。除特殊情況外，從有利保護(hù)主機(jī)的角度出發(fā)，一般仍應(yīng)采取逐級(jí)降速至停車。49整理課件三、倒車停船性能及影響緊急停船距離的因素

1．倒車停船性能船舶在前進(jìn)三中開(kāi)后退三，從發(fā)令開(kāi)始到船對(duì)水停止移動(dòng)所需的時(shí)間及航進(jìn)的距離，稱為倒車沖時(shí)和倒車沖程，其距離又稱緊急停船距離(crashstoppingdistance)或最短停船距離(shorteststoppingdistance)。

前進(jìn)中的船舶由進(jìn)車改為倒車，通稱主機(jī)換向。

一般情況下:蒸汽機(jī)船約需60～90s。內(nèi)燃機(jī)船約需90～120s；汽輪機(jī)船約需120～180s；50整理課件倒車沖時(shí)和倒車沖程可用下列公式估算：

t=0.0089×Δ?V0/R0S=0.0121×Δ?V02/R0Δ——船舶排水量，單位為t；

R0——船速為V0時(shí)的船舶阻力，單位為9.81kN；

V0——船舶的定常速度，單位為kn；t

——時(shí)間，單位為min；

S——啟動(dòng)慣性距離，單位為m。根據(jù)統(tǒng)計(jì):一般中型至萬(wàn)噸級(jí)貨船的緊急停船距離可達(dá)6～8倍船長(zhǎng)；載重量50000t左右的船舶達(dá)8～10倍船長(zhǎng)；載重量10萬(wàn)t的船舶可達(dá)10～13倍船長(zhǎng)；載重量15～20萬(wàn)t的船舶可達(dá)13～16倍船長(zhǎng)。51整理課件2．影響緊急停船距離的因素(1)船舶排水量:在其他條件相同的情況下，排水量越大，緊急停船距離越大。

(2)船速:若其他因素一定時(shí)，船速越高，緊急停船距離越大。(3)主機(jī)倒車功率、轉(zhuǎn)速和換向時(shí)間:若其他條件相同，主機(jī)倒車轉(zhuǎn)速越高，主機(jī)倒車功率越大，緊急停船距離越??；主機(jī)換向時(shí)間越短，緊急停船距離也越小。

(4)推進(jìn)器種類:可變螺距螺旋槳(CPP)船與固定螺距螺旋槳(FPP)船相比較，由于CPP船的換向操作只需改變螺旋槳的螺距角，而無(wú)需停止主機(jī)，因此其換向時(shí)間短，其緊急停船距離也就較小。若其他條件相同，則CPP船的緊急停船距離約為FPP船的60％～80％。(5)船體的污底程度:船體污底越嚴(yán)重，船體阻力越大，緊急停船距離越小。

(6)外界條件:順風(fēng)、順流時(shí)緊急停船距離增大；頂風(fēng)、頂流時(shí)緊急停船距離減小。在淺水中由于船舶阻力增加，其緊急停船距離較深水中小。52整理課件

第五節(jié)船舶操縱性試驗(yàn)

掌握船舶的操縱性是駕引人員安全操船的必備條件。為掌握實(shí)船的操縱性，必須進(jìn)行實(shí)船的操縱性試驗(yàn)(manoeuvringtest)，主要包括:一、旋回試驗(yàn)船舶旋回試驗(yàn)是迄今為止仍普遍進(jìn)行的試驗(yàn)。其目的是求取船舶的旋回要素，其中包括進(jìn)距、橫距、旋回初徑、旋回直徑、滯距、旋回時(shí)間等，以便評(píng)價(jià)船舶旋回的迅速程度和所需水域的大小，從而判定船舶的旋回性能。二、Z形試驗(yàn)

Z形試驗(yàn)最早是Kempf提出的一種判定船舶操縱性能的方法，又稱標(biāo)準(zhǔn)操縱性試驗(yàn)。1957年日本學(xué)者野本又發(fā)展了對(duì)Z形試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論分析的新方法——K，T指數(shù)分析方法。53整理課件三、螺旋試驗(yàn)

螺旋試驗(yàn)包括正螺旋試驗(yàn)(directspiraltest)和逆螺旋試驗(yàn)(reversespiraltest)兩種，前者由法國(guó)的Dieudonne提出，后者由Beck提出。螺旋試驗(yàn)的目的是判定船舶航向穩(wěn)定性的好壞。

四、停船試驗(yàn)

停船性能是船舶操縱性能中極為重要的性能之一，在實(shí)船試驗(yàn)中應(yīng)分別測(cè)定船舶在滿載和空載時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速為前進(jìn)一、二、三時(shí)，采用停車、倒車措施的沖程和沖時(shí)。

測(cè)定方法，通常采用拋板法（或稱投木法）:

用拋扳法測(cè)定沖程時(shí)，其沖程大小表示船舶對(duì)水的移動(dòng)距離54整理課件

第二章車、舵、錨、纜、拖船在操船中的運(yùn)用

第一節(jié)螺旋槳的作用

把主機(jī)發(fā)出的功率轉(zhuǎn)換成推動(dòng)船舶前進(jìn)的功率的裝置或機(jī)構(gòu)，統(tǒng)稱推進(jìn)器（車）。

推進(jìn)器的種類主要有螺旋槳、平旋推進(jìn)器、明輪、噴水推進(jìn)器等等。目前機(jī)動(dòng)船上普遍使用的是螺旋槳。螺旋槳的種類主要可分為固定螺距螺旋槳(FPP)和可變螺距螺旋槳(CPP)

55整理課件

一、船舶阻力R與螺旋槳的推力T

舶以一定航速行駛于水面，必須克服船舶本身所受的各種阻力。船舶依靠主機(jī)發(fā)出的功率，驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器產(chǎn)生推力；當(dāng)推力與阻力平衡時(shí)，船舶將作勻速運(yùn)動(dòng)，否則將作變速運(yùn)動(dòng)。

1．船舶阻力航行中的船舶所受的阻力(resistance)包括基本阻力R0與附加阻力△R兩個(gè)部分：

R＝R0十△R

基本阻力R0是指新出塢的裸體船(不包括附屬體，如舵、螺旋槳等)在平靜水面行駛時(shí)水對(duì)船體產(chǎn)生的阻力?；咀枇τ赡Σ磷枇?frictionalresistance)、渦流阻力(eddy—makingresistance)和興波阻力(wave—resistance)構(gòu)成；后二者統(tǒng)稱壓差阻力，通常也稱為剩余阻力(resid—Ualresistance)。56整理課件

基本阻力與船速的關(guān)系近似于線性變化，但當(dāng)船速較高時(shí)，則基本阻力隨船速的增加急劇增加，且船速越高增加的幅度越大?；咀枇﹄S船速而出現(xiàn)上述變化的原因在于，船速較低時(shí)，摩擦阻力占基本阻力的比例較高；而船速較高時(shí)，則剩余阻力，尤其是興波阻力所占比例將越來(lái)越大；單就興波阻力而言，則約與船速的4～6次方成正比。當(dāng)船速一定時(shí)，吃水越大，基本阻力越大。

附加阻力由污底阻力(foulingresistance)、附體阻力(appendageresistance)、空氣阻力(airresistance)和洶濤阻力(roughwaterresistance．)組成：

R0=RF十RA十Rx十RR

顯然，船舶的附加阻力與船體的污底程度、附體的多少及結(jié)構(gòu)、風(fēng)浪的大小、航道的淺窄等因素有關(guān)。對(duì)于商船而言，因其速度不高，空氣阻力僅占總阻力的2％～4％。57整理課件2．螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩

在主機(jī)驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋槳推水向后運(yùn)動(dòng)，水對(duì)螺旋槳的反作用力在船首方向的分量就是推船前進(jìn)的推力(thrust)；倒車時(shí)則產(chǎn)生指向船尾的拉力。流向螺旋槳盤(pán)面的流稱為吸入流(suctioncurrentcurrent)；離開(kāi)螺旋槳盤(pán)面的流稱為排出流(dischargecurrent)。吸入流的特點(diǎn)是流速較侵，范圍較寬，流線幾乎相互平行；排出流的特點(diǎn)是流速較快，范圍較小，水流旋轉(zhuǎn)激烈，如圖

式中：KT——螺旋槳的推力系數(shù)；

KQ——螺旋槳的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；ρ——海水密度；

n——螺旋槳轉(zhuǎn)速；

D——螺旋槳直徑。

由船舶原理可知，當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的推力(trust)和需要通過(guò)主機(jī)帶動(dòng)克服的轉(zhuǎn)矩(torque)為:

T＝KTρn2D4

Q＝KQρn2D558整理課件二、主機(jī)功率和船速

1．主機(jī)功率1)機(jī)器功率(MachineryHorsePower)MHP(1)指示功率(IndicatedHorsePower)IHP(2)制動(dòng)功率(BrakeHorsePower)BHP(3)軸功率(ShaftHorsePower)SHP2)(螺旋槳)收到功率(DeliveredHorsePower)DHP3)推力功率(ThrustHorsePower)THP

有效功率(EffectiveHorseFower)EHP

各功率之間的關(guān)系螺旋槳收到功率DHP與機(jī)器功率MHP的比值稱為傳遞效率，其值通常為0.95～0.98。有效功率EHP與收到功率DHP之比稱為推進(jìn)器效率，該值約為0.60～0.75。有效功率EHP與主機(jī)機(jī)器功率MHP之比稱為推進(jìn)系數(shù)，該值約為0.5～O.7。這就是說(shuō)，主機(jī)發(fā)出功率變?yōu)榇巴七M(jìn)有效功率后已損失了將近一半。59整理課件3．船速分類1)額定船速

在額定功率、額定轉(zhuǎn)速條件下，船舶在平靜的深水域中取得的船速稱為額定船速

2)海上船速

海上由于氣候多變，為確保長(zhǎng)期安全航行，需留有適當(dāng)?shù)闹鳈C(jī)功串儲(chǔ)備，因而主機(jī)的海上常用功率要較其額定功率為低，通常為額定功率的90％；相應(yīng)的海上常用主機(jī)轉(zhuǎn)速n0則為額定轉(zhuǎn)速的96％～97％。

3)港內(nèi)船速

近岸航行，尤其是近港航行，常需備車；港內(nèi)船舶密集，水深較淺，彎道較多，用舵頻繁。為便于操縱與避讓和不使主機(jī)超負(fù)荷，港內(nèi)航行最高船速也應(yīng)較海上船速為低。一般港內(nèi)的最高主機(jī)轉(zhuǎn)速約為海上常用轉(zhuǎn)速的70％～80％左右。60整理課件三、螺旋槳的致偏作用

1．螺旋槳橫向力1)螺旋槳沉深橫向力螺旋槳盤(pán)面中心距水面的垂直距離稱為螺旋槳的沉深h。它與螺旋槳直徑D之比h／D稱為沉深比。螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，除推水產(chǎn)生推力或拉力外，還推水旋轉(zhuǎn)。從而產(chǎn)生即轉(zhuǎn)力Q。當(dāng)h／D＜0.5時(shí)，螺旋槳槳葉部分露出水面，這就導(dǎo)致螺旋槳部分在空氣中工作，因空氣的密度要比水的密度小，導(dǎo)致螺旋槳上部的轉(zhuǎn)力Q2小于下部