船舶操纵(第一,二章)

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1、船舶操纵概论船舶操纵性能第一章 船舶操纵性能第一节 船舶的旋回性能 第一章 船舶操纵性能 操纵性能主要包括船舶的旋回性、船舶的航向稳 定性、改向性及保向性以及船舶的变速运动性能 等。 第一节 船舶的旋回性能 分为小舵角的保向操纵，一般舵角的转向操纵及 大舵角的旋回操纵三种。 一、船舶旋回的运动过程 1第一阶段(初始、内倾阶段） G：原航向；尾：外移；r=0； (max)；=0； 阻力=0；内倾;V不变 2第二阶段(过渡） ；r ； ；外倾; V ；N（r) 3第三阶段 （定常旋回阶段） =0;r定常； (线性） N（）+N（）+N（r ）=0 二、旋回圈的大小及其要素 定速直航(一般为全速)的

2、船舶操一定舵角(一般为 满舵)后，其重心所描绘的轨迹叫做旋回圈 (turningcircle)。 1表征旋回圈大小的几何要素 1)进距 进距也称纵距，是指从操舵开始到船舶的航向转 过任一角度时重心所移动的纵向距离。通常，旋 回资料中所说的纵距，特指当航向转过900时的 进距，并以Ad表示之，它大约为旋回初径的0 612倍。 2)横距(transfer) 横距是指从操舵开始到船舶的航向转过任一角 度时船舶重心所移动的横向距离。通常，旋回资 料中所说的横距，特指当航向转过900时的横距 ，并以了，表示之，它大约为旋回初径的一半。 3)旋回初径(tacticaldiameter) 旋回初径是指从操舵

3、开始到船舶的航向转过 1800时重心所移动的横向距离，并以Dr表示之。 它大约为36倍的船长。 4)旋回直径(finaldiameter) 旋回直径是指船舶作定常旋回时重心轨迹圆的 直径，亦称旋回终径，并以D表示之，它大约为 旋回初径的0.91.2倍。 5）滞距 亦称心距。正常旋回时，船舶旋回直径的中心O 总较操舵时船舶重心位置更偏于前方。滞 距是 该中心O的纵距，并以R代表之，大约为12 倍船长，它表示操舵后到船舶进入旋回的“滞后 距离”，也是衡量船舶舵效的标准之一。 6)反移量(kick) 反移量亦称偏距，是指船舶重心在旋回初始阶 段向操舵相反一舷横移的距离。通常，该值 极 小，其最大量在

4、满载旋回时仅为船长的1左右 。但操船中应注意的是，船尾的反移量却不容忽 视，其最大量约为船长的15110，约出现 在操舵后船舶的转头角达一个罗经点左右的时刻 。反 移量的大小与船速、舵角、操舵速度、排水状态 及船型等因素有关，船速、舵角越大，反 移量 越大。 2描述船舶旋回运动状态的运动要素 主要有漂角、转心及其位置、旋回中的降速和旋 回中的横倾等。 1)漂角 船舶首尾线上某一点的线速度与船舶首尾面的交 角叫做漂角。 通常所说 的漂角是指船舶重心处的线速度u(与船 舶首尾面的交角，也就是船首向与重心C点处旋 回圈切线方向的夹角，用夕表示之。一般船舶的 漂角大约在30150之间。 漂角越大的船舶

5、，其旋回性越好，旋回直径也越 小。超大型船舶较一般货船的方形系数值较高， 长宽比较低，有着较好的旋回性，它在定常旋回 中的漂角也较大，最大可达到200左右。 2)转心及其位置 转心P的位置是旋回圈的曲率中心O作船舶首尾 面的垂线的垂足。在转心处，横移速度及漂角均 为零。 在旋回的初始阶段，转心约在重心稍前处，以后 随船舶旋回不断加快，转心随着旋回中的漂角的 增大而逐渐向船首方向移动；当船舶进入定常旋 回阶段即船舶旋回中的漂角保持不变时，转心P 逐渐稳定于某一点，对于不同船舶，该点的位置 大约在离船首柱后1315船长处；船处于后 退中，转心位置则在船尾附近。 对于不同船舶而言，旋回性能越好、旋回

6、中漂 角越大的船舶，其旋回时的转心越靠近船首。 3)旋回中的降速 首转过900左右船舶进入定常旋回后，速度不再下 降。减速的幅度与旋回初径Dr与船长L的比值有 密切的关系，DrL值越小，旋回性越好，减速 越显著。 一般船舶降速幅度大约为2550，超大型油船 降速幅度最大可达到原航速的65。 4)旋回中船舶出现的横倾(1ist) 内倾将变为外倾，并且因横向摇摆惯性的存在将 产生最大的外倾角max。，最大外倾角一般为定 常外倾角的1215倍， max的大小与操舵 时间有关，操舵时间越短， max越大。 船舶旋回中定常外倾角的大小与船速、所操的 舵角、船舶的旋回性能和船舶的初稳性高度GM 等有关，船

7、速越高，船舶的旋回直径越小，船舶 的初稳性高度越低，定常外倾角越大。 船速大于30kn的高速船，定常外倾角可达120 140。 当船舶在旋回中一旦产生较大的外倾角时，切忌 急速回舵或操相反舷舵 . 5)旋回时间 它与船舶的排水量有密切关系，排水量大，旋回 时间增加。万吨级船舶快速满舵旋回一周约需 6min，而超大型船舶的旋回时间则几乎要增加一 倍。 三、影响旋回圈大小的因素 旋回圈的大小与船型、舵面积、所操舵角、操舵 时间、载态、水深、船速、船舶的纵倾和横倾、 螺旋桨转速等密切相关。另外，受风、流的影响 ，旋回圈的大小也有很大变化。 1 方形系数Cb 船舶的方形系数越大，船舶的旋回性越好，旋回

8、 圈越小。 2船体水线下侧面积形状及分布 船首部分分布面积较大者或船尾比较瘦削的船舶 ，旋回性较好，旋回圈较小，但航向稳定性较差 ；而船尾部分分布面积较大者，旋回性较差，旋 回圈较大，但航向稳定性较好。 3舵角 对于不同的船舶，随着舵角的减小，旋回初径的 增加率是不一样的，其中舵的高宽比小的船舶， 其旋回初径的增力n率较大。 4操舵时间 操舵时间主要对船舶的进距影响较大，进距随操 舵时间的增加而增加，而对横距和旋回初径的影 响不大，旋回直径则不受其影响。 5舵面积比 拖船为l20125，渔船为130140，高 速货船为135140；大型油船一般仅为1 65175，一般货船为l45160。 6船

9、速 船舶在旋回中所受到的舵力转船力矩、旋回阻矩 等，均略与船速的平方成正比，所以船速对旋回 初径表现不出什么影响。然而，当船速低至某一 程度，船舶旋回初径将有逐渐增大的趋势。 7吃水 纵倾状态相同，吃水增加时，旋回进距增大，横 距和旋回初径也将有增加。 8吃水差 尾倾增大，旋回圈也将增大。对于Cb二08的船 舶，若尾倾增大量为船长的1，旋回初径将可 增加10左右，对于Cb=o6的船舶，若尾倾增 大量为船长的1，旋回初径将可增加3左右。 这也说明方形系数越大的船舶，当尾倾增加时， 旋回初径增加得越多。 总的看来，空载与满载时的旋回初径及横距相差 无几，只是满载时旋回的进距较轻载时大一些。 9横倾

10、 1）低速时，推力一阻力转矩首波峰压力转矩 ，推首向低舷侧偏转。 2）高速时，首波峰压力转矩推力一阻力转矩， 推船首向高舷侧偏转。 10 浅水影响 横向阻力明显增大，漂角明显下降 ，在浅水中 的旋回圈明显增大。当水深吃水比小于2时，旋 回圈有所增大(特别是对高速船而盲)；当水深吃 水比小于15时，旋回圈明显增大；当水深吃水 比小于12时，旋回圈急剧增大。 11螺旋桨的转动方向 向左旋回时的旋回初径要比向右旋回时的旋回初 径要小一些。但对于超大型船舶而言，这一差别 很小。 四、旋回圈要素在实际操船中的应用 1旋回初径、进距、横距、滞距和在实际操船 中的应用 。 旋回初径可以用来估算船舶用舵旋回掉

11、头所需的 水域；横距可以用来估算操舵转首后，船舶与岸 或其他船舶是否有足够的间距；滞距可以用来推 算两船对遇时无法旋回避让的距离，即两船对遇 时的距离小于两船的滞距之和，则用舵无法避让 ；而两船的进距之和则可以用来推算对遇时的最 晚施舵点。 2反移量在实际操船中的应用 第二节 船舶操纵运动方程 及船舶操纵性指数一、船舶操纵运动方程I=N（）-N(r) I =a* -b*r Ib +r=ab Ib=T ;ab=K 二、船舶操纵性指数及其意义 r=K 0(1-e-tT) =KT 0 e-tT = K 0(t-T+t*e-tT) 1K表示船舶旋回性的优劣 K又称旋回性指数(增益常数）。 K值实质上是

12、定常旋回中的船舶每单位舵角所能 给出的转头角速度值，又称增益常数。该增益越 大，则船舶的旋回性能越好。 2T表示船舶追随性的优劣 T又称追随性指数。 T表示转向角加速度向零衰减、转向角速度向定 常角速度趋近的周期，而且每经过了的时间均趋 近037倍，所以了又称时间常数。该时间越短 ，则追随性越好。 三、K、r指数无因次化数值范围及影响K、T指 数的因素 1K、T指数的无因次化数值范围 K=K*L/Vs T=T*Vs/L 可直接用来比较不同船舶或同一船舶在不同条件 下的操纵性优劣及其变化趋势；反过来说，当两 船的K、了指数相等时，要使其操纵性能也相同 ，其船长和船速也应相同。(K,T相等,比较

13、K,T;K,T相等,比较K,T) 2影响K，T值的因素 船舶的操纵性指数K、T，值是同时减小或同时 增大的，即提高船舶旋回性的结果将使其追随性 受到某种程度的降低，而追随性的改善又将导致 船舶旋回性的某些降低。值得注意的是，当舵角 增加时，K、T，值同时减小，但T值减小的幅 度要比K值减小的幅度大，因此船舶的舵效反而 变好。 四、船舶操纵性指数K、T的具体运用 1按K、T指数区分船舶操纵性 2 推定新航向距离DNc 滞距应按下式计算 Re=Vs(T+t1/2) 船舶的新航向距离为 3改向中转头惯性角的估算 =r0*T 1)满载船舶适当地早用舵、早回舵，所操舵角也 比较大。 2)为提高在浅窄水域

14、中操船的安全度，降低船速 是完全必要的。 3)尺度较大的船舶，一般说来也具有转头惯性角 较大的特点 . 4)为提高压舵有效性或较为明显地降低转头惯性 角，操纵人员应随时注意观察转头趋势，并要牢 记，只有采用较大的压舵角，才能有效地降低T. 5)压舵角一般可取转向时所操舵角的12 。 4船舶定常旋回直径D的估算 D=2Vt/K* 0第三节 船舶的航向稳定性与保 向性当干扰过去后，偏离原来直航 运动的船舶能否自行恢复到原来 航线上去(位置稳定)，能否自行 恢复到原来的航向上去(方向稳 定)，能否较快地稳定在新的航 向上，具有新的直线运动(直线 稳定) 一、航向稳定性 所谓航向稳定性，指的是船舶在受

15、外界干扰取 得转头速度r。后，当干扰结束之后在船舶保持 正舵的条件下，船舶受的转头阻矩对船体转头运 动有何影响，因而船舶转头运动将如何变化的性 质。 1静航向稳定性 静航向稳定性，指的是船舶受外力作用而稍微 偏离原航向，但重心仍在原航向上斜航前进，有 关该斜航漂角将如何变化的性能。 常常是静航向不稳定的。船舶越是首倾，船体侧 面积在船首分布越多，其静航向稳定性就越差。 2动航向稳定性 当外界干扰过去之后，船舶的转头运动在不用舵 纠正的情况下，能尽快稳定于新航向的性质谓之 船舶动航向稳定性. 稳定得较慢、惯性转头角较大的船舶,其动航向 稳定性较差；稳定得较快、惯性转头角较小的船 ，其动航向稳定性较好；一直转头不停而偏转下 去