船舶操纵的基本原理

第一章船舶操纵的基本原理第一节船舶操纵性的基本概念船舶操纵性是指船体、螺旋桨和舵在水中作相对运动，产生水动力，使船舶保持或改变其水平运动状态的性能。或者说是船舶对驾驶员操纵的反应能力。它包括船舶方向性和启、制能力。一、船舶的方向性船舶的方向性包括操纵灵活性和航向稳定性。操纵灵活性又包括旋回性和航向机动性(追随性)。船舶旋回性是指在船体、螺旋桨和舵(以下简称船、桨、舵)效应横向力作用下，船舶的旋回运动的性能。船舶旋回性能可用旋回性指数K值来衡量。K值越大，船舶回转角速度越大，旋回圈直径越小，旋回性能越好；K值越小，船舶回转角速度越小，旋回圈直径越大，旋回性能越差。船舶追随性是指在船、桨、舵效应横向力作用下，船舶改变航行方向的快慢能力。或者船舶受外力作用偏离了原航向，用舵操纵船舶使它恢复原航向航行的快、慢能力(或船舶追随航向或舵角的快、慢能力)。追随性的优劣可用追随性指数T值来衡量。T值越小，操舵时船舶对舵角响应所需的时间越少，追随性能越好；T值越大，操舵时船舶对舵角响应所需的时间越多，追随性能越差。船舶航向稳定性是指船舶保持指定船向航行的能力。它可用为了保持船舶按指定的航向航行所需的操舵次数和所用舵角的大小来衡量。航向机动性(追随性)好的船舶，其航向稳定性也较好；但航向稳定性好的船舶，其追随性不一定好。二、船舶的启动和制动能力船舶启动能力是指开动主机后，船舶是否能即刻起动运行的性能。它可用船舶达到与主机功率相应的船速所需的时间和航行距离来衡量。船舶制动能力是指船舶在某一船速下，主机停车或倒车以后，船舶对主机工况的反应能力。它可用主机停车或倒车后船舶对岸相对静止所需的时间和船舶滑行距离的长短来衡量。第二节旋回圈要素与船舶操纵性的关系船舶在定速直航状态下，操某一舵角(一般为满舵)，船舶将作纵向和横向相结合的复合运动，称为旋回运动。船舶作旋回运动时重心运动的轨迹，称为旋回圈。旋回圈几何特征是：最初重心除继续前移外，同时向操舵相反一侧横移，随后变成瞬时曲率半径r1逐渐插入图1-1(船舶操纵75页)。减小的螺旋线；当航向改变量θ≈900～1200之后，进入定常旋回运动，此时，曲率半径r值称为定常旋回圈半径。旋回圈及其诸要素如图1-1所示。1、旋回圈要素1）进距LA进距是指船舶开始操舵到航向转过某一角度时，船舶重心向前移动的直线距离。进距又称纵距，通常所说的进距是指航向转过90°时的进距。其中沿原航向前进的最大距离，称为最大纵距，用LAmax表示。2）横距LT横距是指船舶开始操舵到航向转过某一角度时，船舶重心向操舵一侧偏横向移动的距离。通常所说的横距是指当航向转过90°时的横距。其中向操舵一侧偏移的最大距离称最大横距，用LTmax表示。3）反移量（偏距）LK反移量是指转舵后，船舶重心从原航向向操舵相反一侧横移的距离。又称偏距。在满舵旋回时，当船舶回转达到一个罗经点时，反移量达到最大值，约为船长的1%左右，而船尾反移量的最大值可达船长的1/10～1/5。4）旋回圈初径DT旋回圈初径是指开始操舵到航向转过180°时重心所移动的横向距离。在内河，对船舶选择旋回掉头的位置是很重要的参考。5）旋回圈直径D旋回圈直径是指船舶进入定常旋回运动时的旋回圈直径（D=2r）。船舶旋回圈各要素是船舶操纵的重要依据，特别是航向改变量为30°～40°时的纵距、横距、反移量及对应的时间极为重要，驾驶员应熟练掌握，以便准确操纵船舶。2、影响旋回圈大小的因素1）舵角在极限舵角的范围内，随着舵角的减小，旋回初径将会急剧增大。舵角越小，旋回圈的增大率就越大，同时旋回时间也将明显地增大。一般15°舵角旋回时与操满舵相比，旋回初径可能将增加到130﹪～170﹪，而掉头时间则可能增加到140﹪左右。2）操舵时间据1974年SOLAS公约规定，船舶主操舵装置应具备在船舶最大航海吃水和以最大营运船速航行时，将舵从一舷的350转至另一舷的350，或且从任何一舷的350转至另一舷的300的时间应不超过28s；一般情况下，由正舵至一舷350为止的时间约15s左右。内河船舶装备机动舵机，当L﹥30m时其主操舵装置由一舷350至另一舷的300的时间要求不大于20s；在急流航段，要求不大于12s；操舵时间越短，即转舵速度越快，进距越小，舵效越好。3）舵面积系数（μ）舵面积系数μ越大，旋回圈直径就越小。但舵面积系数不宜太大，否则在转船力矩增大的同时，回转阻力矩也增大，旋回圈直径反而会增大。因此，不同的船舶有它不同的最佳舵面积系数。4）方型系数方形系数又称为船型系数。方形系数较小的瘦形高速船（Cb≈0.6）比方型系数较大的肥大型船(Cb≈0.8)旋回性差得多。因此，方形系数越大，旋回性越好，旋回圈直径也越小。5）船体水线下侧面积水线下船首侧面积较大的船舶，旋回圈直径较小；船尾侧面积较大的船舶，旋回圈直径较大。6）船速船速对船舶旋回所需时间的长短具有明显的影响，船速越快，旋回时间大大缩短。在0.18＜Fr＜0.3(Fr为傅汝德系数)范围内,船速对旋回初径的影响很小；但当船速增加到Fr＞0.3时，旋回初径将随船速的增高而增大。实际操船中，可以通过控制增减船速来调整旋回圈的大小。7）吃水对同一艘船而言，吃水大、满载时的纵距较大。8）吃水差尾倾船的旋回圈直径将增大，若尾倾增大量为船长的1%，旋回圈初径可增加10%左右。直径将减小，若首倾增大量为船长的1%，旋回初径可减少10%左右。9）横倾船体横倾时，由于左右浸水体积不等，低速时，受阻力推力转船力矩作用，操舵向低舷侧回转的旋回圈直径较小；高速时，受首波峰压力转船力矩的作用，向高舷侧回转的旋回圈直径较小。10）对右旋单桨船，慢速航行时，由SWT的作用，向左回转的旋回圈在直径较小，但对V型船尾高速航行掉头时，由于伴流效应横向力、尾流螺旋性效应横向力均使船首右偏，且大多能克服水面效应横向力的作用，因此向右回转时，其旋回圈直径小于向左回旋的旋回圈直径。同理，左旋单桨船航进中旋回的情况正好相反。11）外界因素（1）浅水（2）污底（3）逆风回转时的旋回圈直径小于顺风回转时的旋回圈直径；（4）流速分布的均匀程度，掉头方向的选择对旋回圈直径有效明显的影响。在操纵中必须注意和运用。例如：（1）航行中有人落水时，为了防止落水被卷入船尾螺旋桨，应立即向落水者一侧转舵，使船尾摆开，以保落水者的安全。2）避让本船前方较近距离的小船时，应立即用满舵使船首让开，当估计船首已能让过时，再立即用相反的满舵使船尾摆开以避免碰撞。3）在采用横移驶靠码头或横移驶靠他船的停泊操纵中，及离泊出港或近距离驶过系泊船时，应充分利用反移量来进行靠离作业和避碰。