3操纵设备及其效应(10学时)

§3-1螺旋桨及其效应§3-2舵及其效应§3-3侧推器及其效应§3-4特种推进器及其效应§3-5港作拖轮及其效应§3-1螺旋桨及其效应推进器（propeller）：推动船舶运动的工具推进器的种类：螺旋桨（screwpropeller）Z型推进器（schottelpropeller）明轮（paddlepropeller）平旋式推进器（cycloidalpropeller）喷水式推进器（jetpropeller）螺旋桨螺旋桨一、螺旋桨及其工作原理螺旋桨又称螺旋推进器特点：构造简单、重量轻、效率高。1、螺旋桨的主要参数直径（D）：直径越大，效率越高。螺距（P）：螺旋桨旋转一周所前进的距离，指理论螺距，一般以螺旋桨半径的0.7倍处的螺距作为整个螺旋桨的螺距。螺距比（P/D）：一般在0.6~1.5之间。高速浅吃水船选取的值较大，低速深吃水船选取的值较小。盘面比：桨叶投影面积与直径为D的圆面积之比。桨叶数目：3～62、螺旋桨种类固定螺距桨FPP（fixedpitchpropeller）可变螺距桨CPP（capablepitchpropeller）可变螺距桨CPP可变螺距桨CPP3、螺旋桨工作原理螺旋桨前后流场特点吸入流（suctioncurrent）：直径较大，流线基本平行，流速较低。排出流（dischargecurrent）：直径较小，流线旋转，流速较高。二、螺旋桨推力与转矩机翼升力条件：来流速度V来流的冲角VaLDF1、单独螺旋桨（敞水桨）推力与转矩敞水桨推力（thrust）示意nPVpSrrnp2dTdQdLbf1、单独螺旋桨（敞水桨）推力与转矩敞水桨推力（thrust）T=n2D4KT敞水桨转矩（torque）MQ=n2D5KQKT为推力系数，KQ为转矩系数,由水池试验求得。它们都是进速系数的函数。进速系数：J=Vp/nD螺旋桨的推力和转矩随进速Vp的增大而减小，但螺旋桨效率随Vp增大而增大。当Vp为0时，其推力和转矩最大，称为系柱推力和最大转矩，这时螺旋桨效率也最低。1、单独螺旋桨（敞水桨）推力与转矩J=Vp/nD进速系数KT00.20.40.60.81.01.20.20.40.60.810KQKTKQJ2、船体对推力的影响（伴流的影响）伴流分布：沿船体前后方向，船首最小、船尾最大，离船体越远，伴流越小；船尾处沿螺旋桨的径向，上大下小，左右对称螺旋桨进速伴流对提高螺旋桨推力是个有利因素)1()1(PPPVVVVVVVV3、螺旋桨对船体的影响（推力减额）船尾螺旋桨工作时，其产生的水流柱，引起船体尾部流速加快，压强降低，从而使船体阻力产生增值，这部分增加的阻力称为阻力增额。计算时常处理为推力减额式中：ΔT——推力减额t——推力减额系数。)1()1(tTTTTTTTe三、滑失比及其影响1、滑失比的概念滑失（Slip）是指桨理论上应能前进的速度与对水的实际速度Vp之差，即：其中：n——螺旋桨的转速；P——螺旋桨的螺距；ωp为螺旋桨处的伴流系数，约为0.2～0.4。)1(PPVnPVnPS1、滑失比的概念有的文献中，也将滑失S定义为：螺旋桨旋转一周在轴向所前进的实际距离hp＝Vp/n（即进程）与螺旋桨螺距P的差值。1、滑失比的概念滑失与螺旋桨在理论上应能前进的速度的比值称之为滑失比Sr（slipratio），即：滑失与滑失比中的螺旋桨进速Vp若用船速V代替，得出的结果分别称为虚滑失或虚滑失比。虚滑失比是表征不同航行状态下作用于螺旋桨负荷的参数，船舶在海上航行时，船上经常用虚滑失比来计算船速，一般以百分数表示滑失比。nPVnPVnPnPSSPPr11、滑失比的概念影响滑失的因素滑失与船速有关，而船速与船舶的阻力有关，阻力越大，船速越低，滑失越大。因此船舶污底越严重、遭受的风浪越大，滑失也越大。2、滑失的作用滑失能够提高螺旋桨推力，回收一部分（伴流）能量滑失越大，螺旋桨的推进效率越低。3、滑失在操纵中的应用可利用螺旋桨的滑失提高船舶的舵效。注意避免使主机超负荷工作而损坏主机。四、主机功率与船速1、主机功率分类机器功率（MachineryHorsePower）MHP指示功率（IndicatedHorsePower）IHP蒸汽机制动功率（BrakeHorsePower）BHP内燃机轴功率（ShaftHorsePower）SHP汽轮机收到功率（DeliveredHorsePower）DHP推力功率（ThrustHorsePower）THP=T•Vp有效功率（EffectiveHorsePower）EHP=R•V四、主机功率与船速2、主机功率关系螺旋桨收到功率DHP与机器功率MHP的比值称为传递效率，其值通常为0.95~0.98。有效功率EHP与收到功率DHP之比称为推进器效率，该值约为0.60～0.75。有效功率EHP与主机机器功率MHP之比称为推进系数，该值约为0.5～0.7。这就是说，主机发出功率变为船舶推进有效功率后己损失了将近一半。3、船速分类额定船速（maximumspeed）主机以额定功率和转速在深水中航行的静水船速；是船舶在深水中可以使用的最高船速。海上船速（seaspeed）主机以海上常用功率和转速在深水中航行的静水船速；为了留有一定的储备，主机的海上功率通常定为额定功率的90%，主机的海上转数通常定为额定转数的96~97%。经济航速（economicspeed）以节约燃油、降低成本为目的，根据航线条件等特点而采用的速度。有最低耗油率船速，最低营运费用船速和最大盈利船速三种。3、船速分类港内船速（harbourspeed）主机以港内功率和转速在深水中航行的静水船速；也称为备车速度或操纵速度在港内航行，“微速前进”的功率与转速是主机能发出的最低功率，最低转速；一般港内船速要比海上船速低，其主要原因：港内航行阻力增大，为了减小主机扭矩而降低船速；港内机动航行时频繁用车，为了保护主机而降低转速；一般港内最高主机转速为海上常用转速的70~80%，港内倒车最高主机转速为海上常用转速的60~70%。五、螺旋桨横向力螺旋桨转动时，不但产生控制船舶前后运动的推力或拉力，由于螺旋桨本身的特性和船体的影响，还会产生使船舶发生横移和偏转的横向力，称为螺旋桨横向力YP。螺旋桨横向力对船舶产生的效应，称为螺旋桨效应（简称车效应）。螺旋桨横向力的方向取决于螺旋桨的转动方向，其大小取决于螺旋桨转速、船舶载况、船体现状等因素，其中与螺旋桨的转动方向的关系最为密切。螺旋桨横向力的成因：沉深横向力、伴流横向力排出流横向力、推力中心偏位产生的横向力1、沉深横向力沉深（h）螺旋桨盘面中心距水面的垂直距离称为螺旋桨的沉深h。沉深比（h/D）沉深h与螺旋桨直径D之比h/D，称为沉深比。hsDP1、沉深横向力transverseforceofpropellersubmergence与螺旋桨旋转方向相同1、沉深横向力成因：螺旋桨上叶和下叶的沉深不同，转力也不同；条件：h/D＜0.65～0.75时；浅水中可能搅动海底泥沙，横向力更加明显。作用方向：与桨旋转方向相同；右旋固定螺距螺旋桨船，进车时，指向右舷，倒车时，指向左舷；在沉深比较小和浅水中是较大的量。2、伴流横向力transverseforceofwakeeffect伴流横向力方向：与螺旋桨旋转方向相反8.0P7.06.05.04.03.02.01.02、伴流横向力成因：受纵向伴流影响，螺旋桨上部桨叶相对于水的进速比下半部桨叶要低，水流的攻角相对较大，所受到的转力比下部桨叶大大小：随船速的提高而增大，随船速的降低而减小。在船舶静止或后退中，船尾伴流可以忽略，伴流横向力也可以忽略。方向：与螺旋桨旋转方向相反不论是进车还是倒车，伴流横向力均是一个较小的量。3、排出流横向力transverseforceofdischargecurrent3、排出流横向力成因：进车受伴流的影响，上半部排出流轴向速度较小，因此作用在舵上的冲角较大，使舵叶右侧的水动力大于左侧，造成推尾向左的横向力；倒车排出流打在船尾右舷尾外板上冲角较大，面积较为宽广，所以形成较强的冲击力；条件：进车伴流存在；倒车排出流作用在船尾。方向：就右旋FPP而言，正倒车均使船首向右偏转；总体而言，倒车排出流横向力是较大的量4、推力中心偏位成因：船尾上升斜流推力中心将稍稍偏于旋转方向推力中心偏位的方向与螺旋桨旋转的方向一致。船速越高、桨转速越高，推力中心偏位越明显。推力中心偏位引起的横向力较小。螺旋桨的致偏作用（右旋FPP单桨船）种类产生条件量级影响因素方向致偏作用沉深横向力h/D＜0.65～0.75或水深较小较大h/D越小，水深越浅、船速越低、转速越高，横向力越大；空载时作用明显与螺旋桨旋转方向相同进车首偏左倒车首偏右伴流横向力船有进速，伴流存在小船速越高、转速越高，该力越大与螺旋桨旋转方向相反进车首偏右倒车首偏左排出流横向力进车时伴流存在；倒车时排出流能够作用于船体尾部进车较小倒车时大排出流速度越大、尾吃水越浅，该力越大向左首偏右尾偏左推力中心偏位前进中小船速越高、转速越高，推力中心偏位越明显推力偏右，拉力偏左首偏左尾偏右六、螺旋桨效应右旋固定螺距螺旋桨（FPP）单桨船的偏转趋势静止中进车前进中倒车静止中倒车1、静止中进车开始船速较低伴流、进车排出流以及推力中心偏位的影响均较小；船舶在沉深横向力的作用下使船首左偏。空船或轻载时，h/D较小，沉深横向力较大，船首左偏较明显；重载船沉深横向力较小，则几乎不出现偏转。船速的提高沉深横向力减小，伴流横向力、排出流横向力推尾向左的影响增强，将逐渐削弱甚至克服沉深横向力的作用。不论出现左偏或右偏，均可用2～3°舵角加以克服保证船舶直航。2、前进中倒车开始船速较高伴流横向力的影响使船首左偏；倒车排出流横向力使船首右偏的影响则较弱；沉深横向力的影响使首右偏；总体而言，偏转方向不定，此时用舵就能克服偏转。船速降低倒车排出流横向力的影响逐渐增强，而伴流横向力逐渐减弱，船首将出现明显的向右偏转。舵效极差，因此即使操舵也无效果。为控制船首右偏，只有在倒车前先操左舵，使船先具备左转趋势。3、静止中倒车开始时伴流尚未发生倒车排出流横向力及螺旋桨沉深横向力的影响；船首向右偏转。此时，吸入流产生的舵力极低，操舵无法克服偏转。退速的提高沉深横向力的影响相对减弱排出流横向力的影响也将因船体左侧所受水动力的影响而作用减弱。此时，船首右转减缓，偏转速度逐渐稳定，进行船尾向左后方的大直径旋回。螺旋桨致偏效应的运用***右旋固定螺距螺旋桨（FPP）单桨船，螺旋桨横向力最明显的致偏效应是：静止中、低速前进中或后退中倒车时均出现船首右偏现象，且用舵难以克服。实践运用：向右就地掉头自力靠码头操纵系靠单浮或单点系泊螺旋桨致偏效应的运用***向右就地掉头螺旋桨致偏效应的运用***自力靠泊操纵螺旋桨致偏效应的运用***系靠单浮或单点系泊§3-2舵及其效应舵是船舶控制航向的重要操纵设备舵的作用：小舵角，使船舶保持其航向中舵角，改变其航向大舵角，进行紧急避让（或旋回）内容：舵的种类及几何要素舵的水动力特征舵效及舵效指数影响舵效的因素提高舵效的措施一、舵的种类及几何要素1、舵的种类按照舵面积对转动轴的位置分布进行分类：普通舵平衡舵半平衡舵古老的舵1、舵的种类普通舵舵的全部面积分布在舵轴的后方；水动力作用中心距离舵轴较远，故转舵力矩较大，所需舵机功率较大。舵轴上的支撑点较多，故强度较大。1、舵的种类平衡舵舵宽的一部分分布在舵轴前方；水动力作用中心距离舵轴较近，故转舵力矩较小；舵轴上的支撑点较少，故强度较小。1、舵的种类