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1、船 舶 操 纵,第一章 船舶操纵性能 第一节 船速与冲程 一、船速与阻力、推力的关系 1.船舶阻力 R =R。+R R。=Rf+Rr=Rf+Re+Rw R =RF+RA+Ax+RR 摩擦阻力决定于船体的湿表面积S，表面粗糙度和船速，在一般商船速度范围内约占全部阻力的7080;剩余阻力决定于船体形状和船速，约与船速23次方成正比。从海船角度看，对于给定的船舶，其基本阻力R。的大小与船舶吃水、航速有关。 其变化规律为：基本阻力R。随船舶吃水d的增加而增加；随船速的提高而增加，在船速较低时基本阻力R。增加得较缓慢，在船速较高时，基本阻力则增加得较快。,2.船舶推力 船舶推力是指转动的螺旋桨 推水向后
2、，水对螺旋桨的反作 用力在船首方向的分量。倒车 时，则产生指向船尾的拉力。 流向螺旋桨盘面的流称为吸入 流，离开螺旋桨盘面的流称为排出流。吸入流的特点是流速较慢、范围较大，流线几乎相互平行；排出流的特点是流速较快，范围较小。水流旋转激烈。 对于给定的螺旋桨，它所产生推力T和转矩MQ的大小与其转速n、船速Vs，以及螺旋桨轴在水下的沉深有关。船速Vs一定时，推力T与转速n2成正比，转矩MQ也与n2成正比；当转速n一定时，则相应方向的船速Vs越低，螺旋桨推力T越大，转矩MQ也越大。,3.滑失和滑失比 推进器理论上应能前进的速度nP与螺旋桨进速Vp之差称为滑失S。其表达式为： S=nP-Vp 滑失s与
3、nP之比称为滑失比Sr，其表达式为： Sr =(nP-Vp) =1-Vp/nP 如用船速Vs代替Vp，则分别称为虚滑失和虚滑失比。根据滑失定义可知，船体污损越重，海面状况越坏，同样转速下船速越低，滑失则越大；发出的推力，乃至主机所受负载也就越大。在操纵中可借助提高滑失以增加舵效。,二、主机功率 1.主机输出功率的名称及比例 主机输出功率通常有： 1)最大持续输出功率 主机能安全持续运转的最大输出功率，是主机标称输出功率，可作为船舶主机强度计算的基础。 2)常用输出功率 为取得海上船速而经常使用的主机输出功率即常用功率。 3)过载输出功率 指可供短时间使用的超过最大持续输出功率的输出功率。 4)
4、倒车输出功率 指船舶倒车时的最大输出功率。,上述输出功率的相互比例，将因主机的种类和新旧程度不同而不同，一般情况下如下表所示。 进港航行或雾航时往往需要备车，此时的输出功率也称备车输出功率，通常约为最大持续输出功率的5060。,2.功率种类和效率 1)功率种类 (1)指示功率(IHP) 指示功率是指在主机的气缸内产生的功率，主要用于蒸汽机。 (2)制动功率(BHP） 制动功率是指输出于主机之外可实际加以利用的功率，主要用于柴油机。 (3)轴功率(SHP) 轴功率是指传递到与螺旋桨尾轴相接的中间轴上的功率，主要用于汽轮机。 (4)收到功率(DHP) 收到功率是指通过船尾轴管后向螺旋桨提供的功率。
5、,(5)推力功率(THP) 推力功率是指螺旋桨发出的推进功率，它等于螺旋桨发出的推力T与螺旋桨进速Vp的积。即： THP=TVp (6)有效功率(EHP) 有效功是指克服船舶阻力R而保持一定船速Vs所需要的功率，它等于船舶阻力与船速的积，即： EHP=RVs,2)各功率之间的关系 (1)传送效率c 传送效率是螺旋桨收到功率与主机功率(MHP)之比：c=DHP/MHP （该值通常为O.95O.98） (2)推进器效率p 推进器效率是有效功率与收到功率之比： p=EHPDHP （该值约为O.60O.75） (3)推进效率 推进效率是有效功率与主机机器功率之比。该值约为O.50.7。这就是说，主机发
6、出功率变为船舶推进有效功率后已损失了将近一半。 3)主机输出功率与船速的关系 主机输出功率P约与船速Vs的立方成正比，即： P Vs3 或 Vs P,三、船速分类 1.额定船速 在额定功率转速条件下，船舶在平静的深水域中取得的船速称为额定船速。 2.海上船速 在海上常用输出功率转速条件下，船舶在平均的深水域中取得的船速称为海上船速。 3.经济船速 海上航行中，以节约燃料消耗和提高营运效益为目的，根据航线条件等特点所确定的船速。一般情况下，经济船速应较海上船速为低。 4.港内船速 港内船速是将主机输出功率降为常用功率一半左右所得到的船速。此时最高转速可定为海上常用转速的80。,四、测速 1.测速
7、条件 1)测速时的主机输出功率定为额定功率的2/4、3/4、4/4、11/10(过载)；海面状况良好可追加1/4额定 功率的条件。 2)船舶吃水以满载状态最为理想。 3)测试水域应足够广阔、平静、风流影响甚小，来往船舶较少。具备的水深以不影响船舶阻力为准，例如VLCC之类的船舶应在4d以上的深水域测速，而高速货船则需要10d以上的深水域测速(d为船舶实际吃水)。 2.测速方法 1)叠标法； 2)抛板法； 3)定位法。,3使用叠标法测速时的计算方法 1)求单次观测的速度值Vt(kn) Vt= St3600/ti 式中：St两对测间距(n mile)； ti经过两测标方位线所用的时间(s)。 2)
8、无风流影响时，测两次(一个往返)求平均值 Vs=(V1 V2)/2 3)有均匀流影响时，测三次求平均值 Vs=(V1 2V2V3)/4 4)有不均流影响时，测四次求平均值 Vs=(V1 3V23V3V4)/8 式中：V1、V2、V3、V4分别为各单次观测按次序算出的速度。,五、船舶变速和冲程 1.启动 根据理论推导，船舶由静止状态开进车达到定常速度V。时所需时间t。和航进距离S。为： t。0.004V。/R。 S。0.101V。2/R。 式中：t。时间(min)； S。距离(m)； 排水量(t)； V。最终速度(kn)； R。阻力(t)。 另外，根据经验，船舶从静止状态起动主机，逐级用车，直至
9、达到海上船速，满载船舶约需20倍的船长，轻载时约为满载时的1/22/3。,2.减速 一般来说，从速度V。减至V1时，各瞬时的速度变化与速度差(V。-V1)成指数函数关系，减速后，经过时间t，船舶冲程进距离近似为： 式中：C减速常数，单位为min。C值随船舶排水量的增大而增大。,3.停车 船舶停止后船速的降低情况是当主机刚刚停下时，由于船速较高，所受阻力较大，因此，速度下降率很高，而后当速度变低时，阻力也将大幅度降低，速度下降率逐渐变缓，甚至一时难以停住。 船舶停车后冲程的变化情况是：冲程在开始阶段增加很快，而后急剧变慢，最后将以极慢的速度向某一值趋近。该值的极限，即为最后的停车冲程。,4.倒车
10、 紧急停船时，单靠停车措施很难短时间内停住，因而需要使用倒车。前进中的船舶由进车改为倒车，通称主机换向。一般情况下，主机从前进三到后退三所需换向时间，蒸汽机约6090s，内燃机约90120s，汽轮机约120180s。 倒车冲程系称最短停船距离。据统计，一般中型至万吨级货船倒车冲程约为68倍船长，载重量5万吨的船约为810倍船长，10万吨的船约为1013倍船长，1520万吨的船约1316倍船长。,六、冲程测定 船舶冲程测定时应选无风、流影响，水深不低于3Bd(B为船宽，d为吃水)条件下进行。应分别测定船舶在空载和满载时，主机转速为前进一、二、三时使用停车和倒车后的冲程以及所用时间。 应注意的是，
11、当测定倒车冲程时，所测冲程虽确系船舶在下令倒车后航经的距离，但由于种种原因，却并非船舶沿原航向直进的距离，因而测定值较沿原航向直进距离为大。,七、影响冲程的因素 1.排水量越大，冲程越大； 2.排水量一定，船速越大，冲程越大； 3.主机倒车功率越小，换向时间越长，冲程越大； 4.浅水中冲程将减小； 5.船体污底严重，冲程减小； 6.顺风流时冲程增大，反之则减少。,第二节 船舶航向稳定性与旋回性 一、航向稳定性与舵效 船舶航向稳定性是指船舶在受外界干扰取得转头速度ro后，当干扰结束之后在船舶保持正舵的条件下，船舶所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
12、稳定性 静航向稳定性是指当船舶因外力作用稍微偏离原航向而重心仍沿原航线运动时，船舶斜航漂角将如何变化的性能。 2.动航向稳定性 动航向稳定性是指当干扰过去之后，在不用舵纠正的情况下，能尽快地稳定于新航向的性质。,3.判断航向稳定性的方法 1)航向稳定性指数判断法 船舶航向稳定性指数TO且为较小正数时，其具有良好的航向稳定性。随着T值的增大。虽然仍具有航向稳定性，但是其航向稳定性将变差。当TO，则船舶不具有航向稳定性。 T值为负的航向不稳定船舶，其T值绝对值，即T越小的越不稳定。 2)船舶线型系数判断法 据统计，船速Vs和船舶长度均较接近的船舶，其航向稳定性指数T与该船的方形系数Cb和长宽比有密
13、切关系。方形系数Cb较低、长宽比较高的船，一般说来，具有较高的航向稳定性,4.舵效 1)舵效的含义 舵效是指运动中的船舶，操一定舵角后，使船在较短时间内，较小的水域上得到的转头角，即改向角的大小。 若转头角大，则认为舵效好，否则，舵效就差。 2)影响舵效的主要因素以及提高舵效的措施 (1)舵角： 因为舵角的大小直接影响转船力矩和转头角的大小，所以加大舵角是提高舵效的有效措施。 (2)舵速： 舵速是由船速、伴流和螺旋桨排出流流速三部分组成。船舶在低速航行中，当需要大角度转向时，则可加大螺旋桨转速，提高滑失比，增大排出流流速以提高舵效。,(3)船舶转动惯量、排水量： 满载大船、舵效比较差，其表现是
14、起转迟钝，停转不易。一般情况下，操纵此类船舶应早用舵，早回舵，并使用大舵角。 (4)船舶纵、横倾： 首倾时，舵效较差，适量尾倾舵效好。横倾时，转向低舷侧水阻力较大，舵效差；反之，则舵效好。 (5)舵机性能： 电动液压舵机性能较好。 (6)风、流、浅水等外界因素： 船首来风，迎风转向较顺风转向效果差，空船、低速时尤甚；顺流时舵效比顶流时差；浅水中舵效比深水中差。,二、旋回性及旋回圈 1.船舶旋回的运动过程 根据船舶在旋回运动过程中所受外力特点的变化，以及运动状态的不同，可将船舶旋回过程划分为三个阶段,2.旋回圈及其参数 旋回圈是指 船舶在作定 速直线运动 时，转一舵 角后，其重 心所描绘的 轨迹
15、。,1)偏移或反移量Lk： 是船舶重心在旋回初始阶段向操舵相反一舷横移的距离。满载时其最大值约为船长的1左右，但船尾的反移量较大，其最大值约为船长的1lOl5，并且该值约出现在转头角达一个罗经点左右时。 2)进距Ad： 是开始操舵到航向转过任何一角度时，重心所移动的纵向距离。旋回资料中提供的纵距，通常特指航向转过90时的进距。在此基础上，如再转过相当于漂角度数的位置处，将出现船舶在原航向上的最大纵移距离，称为最大进距，其值约为旋回初径的O.851.O倍。,3)横距Tr： 是开始操舵到航向转过任一角度时，重心所移动的横向距离。旋回资料中提供的横距，通常特指航向转过90时的横距，其值约为旋回初径的
16、O.55倍。 4)旋回初径DT： 是开始操舵到航向转过180时，重心所移动的横向距离。在此基础上，如再转过相当于漂角度数的位置处，将出现距原航向线最远的横距，称为最大横距，其值约为36倍船长。 5)旋回直径D： 是船舶作定常旋回时，重心轨迹圆的直径，其值约为旋回初径的0.91.2倍。 6)滞距Re： 又称心距。正常旋回时，船舶旋回直径的中心O点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。,7)漂角： 船舶重心处的线速度与船舶首尾面的交角，其值约为315。 8)转心p： 是旋回圈的曲率中心O至船舶首尾线所作垂线的垂足。该点处的漂角和横移速度为零。转心p约位于船首柱后1513船长处，漂角越大
