船舶操纵性能

1第一章船舶操纵性能说课笔记知识与技能掌握要点：通过学习，掌握船舶的旋回性能。重点对三副岗位值班与船舶操纵知识及能力要求相联系，做到技能在航运船舶工作中能实际运用；对操纵运动方程与K、T指数能进行定性分析。对于船员职务晋升多项考试具有重要指导作用。并做到工学结合，使船舶操纵知识及能力要求与岗位紧密相联。对航向稳定性与保向性、变速运动性能能准确理解。通过旋回试验等实训操作，对中、大型商船操纵有感性认识，为下一步深入学习打下基础。掌握Z形试验与螺旋试验方法。使学生明确用途，以及在新船试航及修船试航中三副的操作要点。工学结合：三副值班时，船舶操纵知识及能力要求与本次课的关联；岗位与船舶操纵知识及能力要求实际应用；测试冲程选外高桥叠标场仿真场景，突出训练三副角色。课程教学特色：理论性较强，注意三校生与普高生的认知能力差别；充分运用企业提供生产案例和影视资料，使内容贴近航运岗位；KT指数讲解插入本校教师几十年前的理论贡献，增强学生荣誉感；在重点训练外高桥测速场冲程实验后，运用仿真模拟设备让学生领略世界主要狭水道场景。对学生职业兴趣的培养有意义。第一节船舶旋回性能在船舶操纵中，就舵的使用而言，大致可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，船舶旋回性是船舶操纵中极为重要的一种性能。一、船舶旋回运动的过程船舶以一定航速直线航行中，操某一舵角并保持之，船舶将作旋回运动。根据船舶在旋回运动过程中的受力特点及运动状态的不同，可将船舶的旋回运动分为三个阶段，如图1—1所示。1.第一阶段——转舵阶段船舶从开始转舵起至转至规定舵角止（一般约8~15s），称为转舵阶段或初始旋回阶段。如图1—1所示，该阶段中，船速开始下降但幅度甚微；漂角也已出现但量较小；旋回角速度不大，但旋回角加速度最大。由于船舶运动惯性的原因，船舶重心G基本上沿原航向滑进，在舵力转船力矩Mδ的作用下，船首有向操舵一侧回转的趋势，重心则有向操舵相2反方向的微量横移，与此同时，船舶因舵力位置比重心位置低而出现少量内倾。因此，该阶段也称为横移内倾阶段。2.第二阶段——过渡阶段操舵后，由于船舶出现向操舵相反一侧横移而使其运动方向发生改变，形成了漂角β。越来越明显的斜航运动将使船舶进入加速旋回阶段，同时伴有明显的降速。如图1—2（a）所示，该阶段中，船舶的旋回角速度、横移速度和漂角均逐步增大，水动力Fw的作用方向由第一阶段来自正前方，逐渐改变为来自船首外舷方向。由于水动力FW作用点较重心更靠近船首，因而产生水动力转船力矩Mδ，方向与舵力转船力矩MJ一致，使船舶加速旋回；与此同时，随着旋回角速度的不断提高，又会产生不断增大的船舶旋回阻矩，从而使旋回角速度不断降低，角速度的增加受到限制。该阶段中船舶的运动特点是：1）船舶降速明显。其首要因素是船舶斜航时水动力Fw的纵向分力Fwx的增加，其次是舵力Pn的纵向分力Pnx，旋回运动产生的离心力Q的纵向分力Qx以及旋回中推进效率的下降。2）由反向横移变成向操舵一侧正向横移。原因是船舶在旋回中，随着漂角β的增大，水动力Fw不断增大，而舵力却有所下降，以致FW的横向分力大于Pn的横向分力。3）船舶出现外倾并逐渐增大。其原因是舵力横向分力Pny、水动力横向分力Fwy以及旋回中产生的离心力的横向分力Qy作用于船舶垂直方向的不同位置，构成了力矩，从而使船舶由初始阶段的内倾变为外倾。如图1—2（b）所示。4）船舶加速旋回。3.第三阶段——定常旋回阶段随着旋回运动的不断发展，一方面，舵力的下降使舵力转船力矩Mδ减小，水动力Fw的作用点W随着漂角的增大不断后移，水动力转船力矩Mβ减小。另一方面，随着船舶旋回角速度的增加，由阻止船舶回转的阻力Rf、Ra所构成的水阻力转船力矩Mf、Ma也同时增大。如图1—3所示，当漂角β增加到一定值时，作用于船体的诸力及其力矩达到平衡，即船舶进入定常旋回。该阶段中，船体所受合力矩为零，船舶旋回角加速度为零，转头角速度达到最大并稳定于该值，船舶降速达到最大值，外倾角、横移速度也趋于稳定。船舶以稳定的线速度、角速度作旋回运动，故又称第三阶段为稳定旋回运动阶段。不同载况的船舶进入定常旋回状态的时间也各不相同。空载船大约在转首60o左右，满载船大约在转首100o~120o左右进入定常旋回阶段。3图1—1图1—3图1—2二、旋回圈及其要素定速直航（一般为全速）的船舶操一定舵角（一般为满舵）后，船舶将作旋回运动，其重心所描绘的轨迹叫做旋回圈。在“船舶操纵性临时标准”中，将旋回圈定义中的试验速度规定为至少达到主机最大输出功率85%时所对应的速度的90%。旋回圈及其要素如图1—20所示。1.进距Ad（advance）进距是指开始操舵到航向转过任一角度时重心所移动的纵向距离。进距又称纵距，通常所说的进距是指航向转过90o时的进距。在此基础上，如再转过相当于漂角的度数，则船舶在原航向上将达到最大纵移距离，称为最大进距（Maxadvance）。2.横距Tr（transfer）横距是指开始操舵到航向转过任一角度时船舶重心向操舵一侧移动的横向距离。通常所说的横距是指当航向转过90o时的横距。43.旋回初径DT（tacticaldiameter）旋回初径是指开始操舵到航向转过180o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的度数，则将出现船舶重心偏离原航向线达到最大的横移距离，称为最大横距（Maxtransfer）。4.旋回直径D（finaldiameter）旋回直径是指船舶作定常旋回运动时，重心轨迹圆的直径。5.滞距Re（reach）滞距是指从操舵开始时的重心位置至定常旋回曲率中心的纵向距离。又称心距。图1—4上述五个尺度从不同的角度规定了旋回圈的形状和大小，因而被称为船舶旋回圈要素。旋回圈的大小一般用旋回初径DT或旋回初径与其船长之比DT/L（即相对旋回初径）表示。根据IMC提出的操纵性临时标准规定，DT必须满足不应大于5L。实船在深水中满舵旋回时，象油轮之类的肥大型船舶，DT/L3；高速货船之类的瘦削型船，DT/L4。在上述比值为3～4的范围内，进距、横距与旋回初径之比，旋回直径与旋回初径的比值一般为：Ad/DT=0.85~1.0;Tr/Dr=0.55;D/DT=0.9为了更完整地表述旋回运动的特性，通常还应考虑以下几个参数。1.反移量（kick）指操舵后，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。2.漂角β（driftangle）船舶旋回时，船舶首尾线与首尾线上某一点的旋回圈的切线速度方向之间的夹角，称为该点的漂角。一般所说的漂角是指重心处的漂角，如图1—5所示。5图1—5船舶首尾线不同点处的漂角值各不相等，船尾处的漂角最大。随着回转的加剧，重心处的漂角由小到大，最后在定常旋回阶段趋于稳定。旋回中船舶所具有的漂角与舵角有关，一般船舶不同舵角时重心处的漂角在定常旋回阶段约在3o~15o之间。如果把船体视为一个大面积的舵的话，则漂角越大，流向船体的水对船体产生的升力就越大，即水动力Fw越大，水动力转船力矩越大，使船舶加速旋回。因此，漂角越大，其旋回性越好，旋回直径也越小。大型油轮较一般货船的回转性好，因此它在定常旋回中的漂角也较大。浅水中船舶的回转性较深水中差，故漂角也较深水中小。3.转心（pivotingpoint）由船舶旋回曲率中心O点作船舶首尾线的垂线，垂足点P即为转心。如图1—21所示，P点处的线速度方向与首尾线一致，故该点的漂角为零；同时由于船舶绕该点的竖轴作自转，故该点的横移速度为零。一般商船在定常旋回时，转心P约在船首柱后1/3~1/5船长处，漂角越大的船，转心距首柱越近。而后退中旋回的船舶，其转心位于重心之后，约与前进旋回时的转心位置几乎对称。4.旋回中的降速船舶旋回中，由于斜航而使阻力增加，此外，舵力的纵向分力，惯性离心力的纵向分力引起的阻力增加以及推进器效率降低等原因都将引起船速下降。进入定常旋回后，船速稳定在一个定值上。定常旋回时的船速Vt与操舵前的船速V0的比值Vt/V0（速降系数）与DT/L（相对旋回初径）的关系如图1—6所示。DT/L越小，Vt/V0越小，即速降剧烈。也就是说，旋回性越好，速降越明显。肥大型船的DT/L较瘦削型小得多，故旋回中的速度下降便要明显得多。同样，由于船舶在浅水中得旋回性变差，所以浅水中的旋回速降就小一些。图1—665.旋回中的横倾旋回中船舶出现的横倾是一个应予注意的不安全因素。一般货船满舵旋回时的外倾在静水中可达3o~5o左右。超大型油轮因恢复力矩很大，所以满载满舵旋回时几乎不发生横倾。然而恢复力矩较小的船舶高速航进中操大舵角时，将会产生较大横倾，若再加上船内自由液面影响或出现货物移动以及强横风或横浪的影响，则船舶将有倾覆的危险。为防止这种危险，可采取如下措施：1)在适当增大初稳性高度的同时，采取措施减小自由液面影响，防止货物移动；2)降低船速，缓慢操舵，用较小舵角进行旋回，以增大旋回半径；3)选择使风浪作用力矩与回转产生的最大外倾力矩错开的时机操舵；4)旋回中若已出现较大外倾角而危及船舶安全时，切忌急速回舵或急操反舵，而应逐渐降速，同时逐渐减小所用舵角。船舶以一定航速旋回中的外倾角大小可用下式估算：Vt2BMVt·r·GBtgθc≈———·（——-1）或tgθc≈——————g·RGMg·GM式中：Vt——定常旋回切线速度（m/s）；R——定常旋回半径（m）；g——重力加速度（m/s2）；BM——浮心至稳心的高度（m）；GM——初稳性高度（m）；GB——重心浮心间距（m）。三、影响旋回圈大小的因素船舶旋回圈的大小主要受水下船型、船舶吃水状态、操船、外界环境（水深、风流）等方面因素的影响。1.水线下的船型因素1)方型系数Cb方型系数较小的瘦形高速船（Cb0.6）较方型系数较大的肥大型船（Cb0.8）旋回性差得多。即Cb越大，旋回性越好，旋回圈也越小。2)水线下侧面积船首水线下侧面积分布较多者有利于减小旋回圈，船尾水线下侧面积分布较多者有利于提高航向稳定性，而不利于减小旋回圈。例如船首有球鼻首或船尾比较削尖得船，旋回时阻矩较小，旋回圈较小，但航向稳定性变差。3)舵面积比（AR/Lpp×d）增加舵面积将会使舵的转船力矩增大，使旋回性变好，旋回圈减小。但同时也增加了旋回阻矩，超过了一定值后，旋回圈不能减小。因而一定类型的船舶都有一个最佳的舵面积比值。各类船舶因其实际使用目的不同，对其应具备的旋回性在要求上也各不相同，同时还需综合考虑舵机功率、船舶阻力、与船尾形状的配合、便于安全操船等多方面条件的制约。比如大型油轮由于具有易于旋回的肥胖船型，不用很大的舵面积比；而旋回困难但又要求具有较高的机动性的高速货船则需要配备较大面积的舵；由于拖船和渔船需要优良的操纵性，所以舵面积比也较大。2.船舶吃水状态1)吃水在船舶其他条件（吃水差、主机转速和船速）不变的情况下，一般船舶均有舵面积比随7吃水变深而降低的趋势，舵力转船力矩减小，而且随着吃水的增加，船舶绕重心G的垂直轴的转动惯量也将增加，所以船舶初始旋回缓慢。因此，若其他条件相同，吃水大的满载船的进距将有较大增长。此外，由于随着吃水的增大，斜航时转船力矩较旋回阻矩增加得明显，从而导致旋回初径和横距某种程度的降低。2)纵倾船舶的纵倾变化，相当于较大程度地改变了船舶水线下船体侧面积的形状分布，尾倾增大，重心后移，水动力作用点后移，使转船力矩减小，旋回圈增大；相反首倾增大时则回转加快，旋回圈减小。首倾每增加1%船长，旋回初径便可减小10%左右；尾倾量每增加1%船长，旋回初径则增加10%左右。通常，满载时尾倾不大，但吃水增加了，舵面积比减小了；而空载时尾倾相当大，但吃水减小了，舵面积比增加了。所以总的看来，空船与满载时的旋回圈大小相差不多。3)横倾总的来说，横倾对旋回圈影响不大。船舶在前进时如存在横倾，船首受其影响会发生偏转。低速时，推力—阻力转矩起主要作用，推首向低舷侧偏转，若向低舷侧旋回，旋