船舶操精品课件

国家级精品课程《船舶操纵》 第一章第一章 船舶操纵性能船舶操纵性能上海海事职业技术学院 王 忠第一章 船舶操纵性能 第一节 船速与主机功率 一、阻力和推力 （一）船舶阻力 船舶阻力按其形成的性质可分为空气阻力和水阻力， 按 其特征又可分为基本阻力R0和附加阻力△R两部分， 即R=R0+△R 基本阻力由摩擦阻力Rf、涡流阻力Re和兴波阻力Rw 组 成，后两者通常也称为剩余阻力Rr也即压差阻力 1、摩擦阻力Rf ：船体对水运动时，由于水的粘性， 在 船体周围水和船体湿表面之间产生的阻力它的大小 取 决于船体的湿水面积、船体的粗糙度和船速，与船体 湿 表面面积成正比，与航速的1.825次方成正比总阻力 的 70%～80%左右 第一章 船舶操纵性能 2、兴波阻力RW ：沿船体首尾方向由于兴波而构成压 力 差所产生的阻力称为兴波阻力 兴波阻力RW约与航速的4～6次方成正比随着船速的提高，兴波阻力所占比重将增大 3、涡流阻力Re ：船体表面形状急剧变化处产生涡流 ， 这种涡流形成的阻力称为涡流阻力 该阻力与船体的形状和对水流的位置有关，所以又称 为形状阻力它的大小与航速的平方成正比。

涡流阻力 一般不足总阻力的10%，船型优良的船可控制在5%以 下 低速船 中速船 高速船Rf 70％ 50％ 35％Re 20％15％ 10％Rw 10％35％ 55％第一章 船舶操纵性能 4、附加阻力由污底阻力Rs、附体阻力RA、空气阻力 Ax和汹涛阻力Rh组成 (1)污底阻力Rs ：水下船体生锈及海洋生物附着其上 而增加的阻力称污底阻力出坞3个月内该阻力不考虑 ，3个月后每月递增3%, 6个月后每月递增6% (2)附体阻力RA ：指由于舵、舭龙骨及轴包架等附体 对水运动而增加的一部分阻力与附体大小有关 (3)空气阻力Ax ：指空气作用于水面上的船体及上层 建而产生的阻力与相对风速有关，占总阻力的2％～ 4％ (4)汹涛阻力Rh ：船舶在风浪中航行，由于风、浪的 作用及船身的剧烈摇摆运动而产生的阻力与波高有关 第一章 船舶操纵性能 （二）推力1、推进器 FPP（fixed pitch propeller） 螺旋桨 CPP（controllable pitch propeller ） 推进器 平旋桨 VSP（cycloidal propeller） 明轮（paddle wheel） 喷水器（jet propulsion） 单桨船的螺旋桨按其旋转方向又可分为右旋式和左旋 式 两种,大多数商船均采用右旋式 。

双桨船的螺旋桨按其旋转方向可分为外旋式和内旋式 两 种 ，一般FPP双桨船多采用外旋式，而CPP双桨船则 多 采用内旋式第一章 船舶操纵性能 2、螺旋桨的推力和转矩 推力:水对螺旋桨的反作用力在船首方向的分量就是推 船前进的推力T 吸吸 入入 流流排排 出出 流流螺旋桨流螺旋桨流螺旋桨流螺旋桨流吸入流－范围较宽、流速较慢、流线平行排出流－范围较窄、流速较快、流线螺旋第一章 船舶操纵性能 螺旋桨产生推力和转矩的基本原理Vp2nrURdTdQdLdDdPakT=T=g·g· w w · · KT ·KT · n²·Dn²·D4 4 (N) (N)MQ=MQ=g·g· w·KQw·KQ ·n²·D ·n²·D5 5(Nm) (Nm)第一章 船舶操纵性能 3、滑失和滑失比 (1)滑失S：螺距P与进程hp之差，称滑失S，即S=P-hp ，螺旋桨理论上应能前进的速度nP与螺旋桨实际对水速度Vp之差，称为滑失速度，也可称为真滑失S， 即：S=nP-Vp (2)滑失比Sr: 滑失与螺距之比，称为滑失比Sr或定 义为滑失速度与理论上可以前进的速度nP之比。

即:Sr=P-hp/P=1-hp/P 或 Sr=np-Vp/np=1-Vp/nP若不考虑螺旋桨盘面处的伴流速度，而以船速Vs代替上述各式中的VP，则分别称为虚滑失S’和虚滑 失比Sr’即：S’=np-Vs Sr’=np-Vs/np=1-Vs/nP第一章 船舶操纵性能 4、滑失与推力的关系 (1)转速一定时，滑失越大，滑失比越高，推力越大 (2)转速一定时，船速越低，滑失比越大，推力越大 (3)船速不变时，提高转速，滑失比增大，推力也将 增 大 (4)Sr1 船舶前进，螺旋桨反转，或船舶后退，螺旋 桨 正转 (6)Sr>>1船舶前进（或后退）速度较高，螺旋桨反转 （或正转）速度越高 (7)Sr=1 船舶速度、伴流速度与桨的进速为零 当Vp=nP时,Sr=0,则在该转速n时螺旋桨产生推力趋于 零；而当Sr越高，螺旋桨产生的推力就越大第一章 船舶操纵性能 二、主机功率 （一）最大持续输出功率 主机在平台试验时由测功器在飞轮端测得的最大有效 功 率，又称铭牌功率或额定功率用MCR表示 （二）约定最大持续输出功率 船上实际使用的最大持续功率，该功率和转速均低于 额 定功率，一般用SMCR或CMCR表示。

SMCR是90% MCR ；CMCR是85% MCR，通常称为 服务 功率 （三）过载输出功率 指可供短时间使用的超过约定最大持续功率的输出功 率，约为105%-110%MCR （四）倒车输出功率 指倒车时的最大输出功率,约为40%-60%MCR第一章 船舶操纵性能三、推进的功率名称和推进效率 （一）推进功率名称 1、机器功率MHP 柴油机用BHP，汽轮机用SHP，蒸汽机则用IHP表示 主机指示功率IHP ： 是主机在气缸内产生的功率 轴功率SHP或制动功率BHP：轴功率是指由曲轴输出 端测 得的功率，也就是主机有效功率MHP由于轴上的负 荷 有使主机制动的趋势，故轴功率又称制动功率 2.推进器收到功率DHP：是指主机传递至主轴尾端， 通过 船尾轴管提供给螺旋桨的功率 3.推力功率THP：是指推进器获得收到功率后，产生 推船 行进的功率它等于推进器发出的推力T和推进器的 进速 VP的乘积，即T H P=T·VP 第一章 船舶操纵性能4.船舶有效功率EHP 船舶有效功率是指船舶克服阻力R而保持一定船速VS 所 消耗的功率，它等于船舶阻力与船速的积，即E H P=R·VS （二）推进效率 1.传递效率ηC：DHP╱MHP，称为传送功率。

该值通 常 为0.95～0.98中机型船该值约为0.95～0.97；尾机型 船 该值约为0.97～0.98 2.推进系数Ct：EHP╱MHP，称为推进系数, 也称推进 效 率该值一般为0.50～0.70也就是说，主机发出的 功率 变为船舶推进有效功率后损失将近一半 3.推进器效率ηP：EHP╱DHP，称为推进器效率，该值 约为0.60～0.75第一章 船舶操纵性能四、船速 （一）船速的分类 1.额定船速：在额定功率和额定转速的条件下，船舶所 能达 到的静水中航速，即为该船的额定船速 2.海上船速 ：主机的海上常用功率通常为额定功率的 85%～ 90%；相应的海上常用转速则为额定转速的93%～97%主 机 在海上常用输出功率和海上常用转速运转时，在深水中 航行 所得到的静水船速即为海上船速 3.港内船速：主机以港内功率和转速在深水中航行的静 水船 速即为港内船速转速最高约为海上常用转速的70%～ 80% 4.经济船速：以节约燃料消耗、降低营运成本、提高营 运效 率为目的，根据航线条件等特点而采用的船速称为经济 船 速 第一章 船舶操纵性能（二）测速 1.测定条件 1)测速时的主机输出功率分别定为额定功率的2/4、3/4 4/4、11/10（过载）；海面状况良好时可追加1/4额定功 率 的条件。

2)船舶吃水以满载状态最为理想通常油轮应为满载状 态， 不能以满载状态试验的货船应为压载状态，螺旋桨的桨 毂所 处的水深应超过0.45倍的螺旋桨直径 3)测试水域应足够广阔、平静、风流影响甚小，来往船 舶较 少水深以不影响船舶阻力为准，例如VLCC应在4d以上 的水 深中进行，而高速货船则应需在10d以上的水深中进行测 速 （d为船舶实际吃水）第一章 船舶操纵性能2.测速方法 1)叠标法： 利用专用测速水域中设置的具有一定距离S（1～3n mile ） 的两组平行叠标，测定船舶以垂直于叠标方位的航向驶 过两 组叠标线所用的时间才来求出船速的方法，即叠标法 2)抛板法：该测试方法简单，且不受潮流影响，但当有 风时 会受到表层流的影响 3)定位法： 通过无线电波定位或GPS（包括DGPS）定位，利用所得到 的 精确船位来求取船速 中型以下船舶可采用叠标法和抛板法测试船速，而超大 型船 舶则多在外海沿岸的深水域中采用定位法来测定 第一章 船舶操纵性能 第二节 舵的性能 一、舵力及舵力转船力矩 （一）舵力PN=576.2 AR·VR2·sinδXP=（0.195+0.305 sinδ）·b PPLPDPNPTO第一章 船舶操纵性能（二）舵力转船力矩1.航行中 船舶操某一舵角后，舵叶上将产生正压力PN，其支点为 船 舶重心G，所以PN产生的转船力矩为M=PN·ℓ ℓ=L/2cosδ M=kARVR2 sinδ·L/2cosδ=1/4kLARVR2sin2δPNL/2lG第一章 船舶操纵性能2.系泊时船速为零，但一旦螺旋桨正转，其排出流作用在舵叶上 ， 同样会产生正压力PN ，只是支点要视具体情况而言。

若 采用甩尾离泊时，则支点在船首，舵力转船力矩为：M = PN·L·cos δ （Ia= L·cos δ） la G第一章 船舶操纵性能二、影响舵力大小的因素 （一）船尾舵的舵力 1.舵与船体间的相互干扰 舵与船体之间的相互干扰，将使船尾舵的舵力比单独舵 的 舵力提高约20%～30%船尾的钝材越大，舵与船尾越近 ， 间隙越小，增加越明显 2.伴流的影响 单车单舵船因伴流影响，其舵力将降至单独舵舵力的一 半 以下，即伴流大约可使舵力下降60%左右对于双车船 ，舵 力也将下降50％左右 3.螺旋桨排出流的影响 对单车单舵船而言，有利影响可以抵消伴流的不利影响 第一章 船舶操纵性能（二）使舵力减小的流体现象 1.失速现象 流经舵背面的水流从舵的后缘之前严重地与舵的背面剥 离，从而出现强涡时，舵升力系数C CL L骤然下降，这种现 象 称作失速现象 出现失速现象时的舵角δS称为失速舵角或临界舵角在 敞 水单独舵的情况下，失速角一般为20o左右 S S C CL LOO第一章 船舶操纵性能2.空泡现象 当使用大舵角或舵的前进速度相当大时，特别是舵的剖 面 形状之前端的曲率较大时，当舵的背流面压力下降至或 接 近于该温度下的汽化压力时，在舵的背流面将产生空泡 现 象（cavitation），使该处的舵表面与水的接触发生阻 断，流体的连续性遭到破坏，从而使升力减小。

但空泡 现 象不像失速现象那样显著 3.空气吸入现象 在舵叶表面吸入空气、产生涡流，使舵力下降的现象， 称 为空气吸入现象（aeration）在舵接近水面或部分露出 水 面且船速较高的情况下，容易发生此现象第一章 船舶操纵性能（三）舵的尺度、形状等因素对舵力的影响 1.舵叶展弦比的影响（=h/b; =h²/AR）展弦比越大，小舵角时的升力越大，有利于运用小舵角 操 船否则相反一般船舶配舵的展弦比为1.4~1.9范围内 2.舵的外形及剖面形状的影响 流线型舵阻力比平板舵阻力小20％3.舵面积的影响 舵压力与舵面积成正比 （舵面积系数=AR/L·d ×100%) 一般万吨海船（单桨单舵） 在1.6-1.9之间，拖船在 3.0- 6.0之间第一章 船舶操纵性能 第三节 螺旋桨的致偏作用。