船舶操纵性能

第一章船舶操纵性能第一节船舶变速运动性能船舶出于避碰、狭水道及港内航行或驶往泊地的需要而改变螺旋桨的转速和方向，进行启动、变速、停车、倒车操纵。转速和方向改变后直至达到新的定常运动状态之前，存在着一段加速或减速运动的过程，该段过程称为变速运动过程，也称船舶惯性。衡量船舶变速运动特性有两个重要指标，一是船舶完成变速运动所航进的路程，称为冲程；另一是完成变速运动所需的时间，称为冲时。一、船舶启动性能船舶在静止状态中开进车，直至达到与主机输出功率相应的稳定船速前的变速运动，称为船舶起动变速运动。在起动变速过程中，螺旋桨推力T与船舶阻力R之差，是船舶产生加速运动的动因。由于启动后推力增加较快，而船速增加则较为缓慢，因此要注意合理用车。即分段逐级加车，待达到相应转速的船速时，再提高用车的级别，以免主机超负荷工作。完成启动变速运动所需的时间t和航进的路径s可用下列关系式估算。W·V0t≈0.004————R0W·V02s≈0.101————R0式中，V0为最终定常速度，单位为kn；W为船舶实际排水量，单位为t；R0为达到最终定常速度V0时的船舶阻力；计算出的t单位为min；计算出的S单位为m。根据经验，从静止状态逐级动车，直至达到海上速度，满载船舶约需航进20L左右的距离，轻载时约为满载的1/2~2/3。二、船舶减速性能船舶以一定常速度（全速或半速）行驶中采取停车措施后，直至降到某一余速（2kn~4kn）前的变速运动称为船舶停车变速运动。主机停车后，推力急剧下降到零。开始时，船速较高，阻力也大，速降很快；但当速度减小后，阻力也随之减小，速降越来越慢，船很难完全停止下来，且在水中亦很难判断。所以，通常以船速降至维持舵效的最小速度作为计算所需时间和船舶航进路程的标准。主机停车后的时间、速度及航进路程存在如下关系。达到速度V时所需的时间：W·V0211t=0.00105—————（——-——）R0VV0达到速度V时所航进的路程：W·V02V0s=0.075—————ℓn（——）R0V式中：R0为速度V0时船舶所受阻力，单位为t；W为船舶实际排水量，单位为t；t的单位为min；S为m；速度单位为kn。计算停车冲程还可采用Topley船长提出的经验估算式S=0.024C·V0式中：C为船速减半时间常数，单位为min；V0为船舶停车时初速，单位为kn。C值随船舶排水量不同而不同。一般船舶在以常速航进中，从主机停车到降至余速2kn时，其停车冲程约为8~20L；而VLCC满载时，在以海上常速航进中停车至余速降至3kn，则停车冲程约为23L，冲时近30min。当然，正常的进出港或接近泊地仍以逐级降速为妥，以利于主机的养护。三、倒车制动性能船舶在全速前进中开后退三，从发令开始至船舶对水停止移动所需的时间和航进的路程，以及相应的偏航量和偏航角，统称为倒车制动性能。倒车冲程又称为紧急停船距离（crashstoppingdistance）或最短停船距离（shorteststoppingdistance）。全速前进的船舶在进行紧急制动时，为不致造成主机转动部件出现应力过大的情况，在关闭主机油门后，通常要等航速降至全速的60%~70%，转速降至额定转速的25%~35%时，方可将压缩空气持续充入汽缸使主机停转，然后进行反向起动。1.紧急停车距离（C、S、D）和停船时间的估算1)Lovett式估算法W·V0t≈0.00089—————R0W·V02s≈0.0121—————R0式中：s——最短停船距离（m）；t——所需时间（min）；W——船舶实际排水量（t）；R0——船速为V0时的船舶阻力（t）；V0——倒车前的船舶速度（kn）。2)紧急停船距离经验估算法从主机倒车后的船速随时间变化关系看，可近似认为是一个匀减速过程，如图1--14所示。紧急停船距离的大小就是速度曲线与时间轴围成的面积。即tsS=∫vdt=CVk·ts0式中：Vk——倒车时船速（kn）；ts——倒车使用时间（s）；C——紧急停船距离系数，一般货船取0.25~0.27，大型油轮取0.27~0.29；S——紧急停船距离（m）。大型油轮如时间按分（min）计算，也可按下式求取紧急停船距离S=16Vk·tm使用上述两公式时，可不考虑船舶主机种类和吃水状态。图1--143)低速航进时倒车冲程及冲时的估算1wkxS=————————V022gTpwkxts=——————V0gTp式中：S——倒车冲程（m）；ts——所需时间（s）；g——重力加速度（9.8m/s2）；W——船舶排水量（t）；kx——船舶前进方向虚质量系数，可经实验取得，象VLCC或肥大型船舶可取1.07。Tp——螺旋桨倒车拉力（t），估算时可用Tp=0.01N拉（后退倒车功率）来估算；V0——船舶倒车时船速（m/s）。当船舶驶向泊地并要求船舶能在一倍船长的距离内用倒车把船停住，则船舶所用余速为2g·L·TPV0=————————W·kX4)经验数据根据统计，一般情况下各类船舶的紧急停船距离大致为（如表1－5所示）：表1－5载重量船种主机种类紧急停船距离1万t普通货船内燃机6~8L1万t高速货船集装箱船滚装船内燃机7~8L5万t油轮内燃机8~11L5万t货船内燃机8~10L10万t油轮汽轮机10~13L15~20万t油轮汽轮机13~16L2.船舶停船性能船舶的停船性能是指在标准状态下以海上船速行驶的船舶，经自力制动操纵后，可在允许偏航范围内（偏航量和偏航角）迅速停船的性能。由于沉深横向力和排出流横向力的作用，倒车制动时，船舶在减速的同时船首将发生剧烈的偏转运动，其运动轨迹是一条曲线，如图1—15所示。图1—15在图中曲线的长度即最短停船距离，也称之为制动行程RT（trackreach）。船舶重心沿原航向方向移动的距离称为制动纵距RH（headreach），它是用车紧急停船能让开前方物标的最短距离。倒车制动时，船首向偏离原航向的角度，称为偏航角。而船舶重心偏离原航向的横向距离，称为偏航量DL。压载时，停船距离短，偏航角和偏航量较小；满载时，停船时间长，偏航角和偏航量大，有时竟高达200°左右。具有良好停船性能的船舶应满足，在开阔水域具有相应其船长的最小停船距离，而在水深、航道宽度受限制的水域不仅要具有最小停船距离，而且要具有较小的偏航量和偏航角。3.影响紧急停船距离的主要因素1)主机倒车功率、换向时间主机倒车功率越小，紧急停船距离越大。此外，单位排水量功率（MCR/DWT）越小，紧急停船距离越大，这就是大型船倒车功率较小型船舶大，但紧急停船距离一般较大的原因所在。主机换向时间越短，紧急停船距离越小。主机换向时间因主机类型不同而不同，一般从前进三到后退三换向所需时间蒸汽机船约需60~90s；内燃机船约需90~120s；汽轮机船约需120~180s。另外，内燃机倒车功率占常用功率的比例也较气轮机为高。2)推进器种类与定距桨相比，调距桨只需改变桨叶方向便可达到换向目的。操作时间短，在调整螺距的同时即可产生较大乃至最大的倒车拉力，故紧急停船距离较短。若其他条件相同，一般CPP船的紧急停船距离约为FPP船的60%~80%。3)排水量和船型在船速和倒车拉力相同时，排水量越大，紧急停船距离越长。通常压载时的停船冲程约为满载时的80%，而倒车冲程约为满载时的40%~50%左右。此外，Cb大的肥大型船舶的附加质量大，故其停船距离较瘦型船舶为长。4)船速若其他条件相同，船速越大，冲程越大。5)外界条件顺风流时冲程增大；反之则减小。浅水中船舶阻力增加，冲程略有减小。6)船体污底船体污底严重，则阻力增加，船舶紧急停船距离将相应减小。4.各种制动方法及其运用1)倒车制动法通过螺旋桨倒转或改变螺距，使之产生强大拉力进行制动的方法称为倒车制动。该法因其制动拉力大，操纵方便而被各类船舶广泛采用。但因存在控向困难，不利于船舶保位的缺陷，因而大型船舶在港内应谨慎使用。2)蛇航制动法（Zigzagstopmanoeuvre）这是英国造船研究协会（BSRA）提出的紧急停船制动方法。该法通过船舶自身操舵、换车，不仅可利用主机倒车拉力、船舶斜航阻力和舵阻力使船舶快速停住，而且能保证船舶偏航方向明确、较少的偏航距离。此外，由于采用分阶段逐级平稳降速，避免了主机超负荷工作等情况的出现。该法适用较开阔水域，对于大型船舶、方型系数Cb较大的船舶，深水域中初速度较高时尤为有效。其缺点是在较窄水域或航道内不宜使用，操纵较复杂。3)满舵旋回制动法船舶满舵旋回一周，当航向复原时，可使船速减为原来速度的70%左右，大型油轮甚至降至原船速的50%左右。该法操作简便，无需机舱动车，大型船舶抵港前常用此法减速。4)拖锚制动法该法仅适用于万吨及万吨以下船舶，而且抛锚时的船舶对地速度仅限于2~3kn以下。大型船舶由于其锚机的刹车力不足，拖锚制动将会损坏锚设备或使制动失败，故不宜采用此法。5)拖轮制动法当本船船速低于6~7kn时，根据当时的吃水情况使用相应数量的拖轮，利用拖轮的推力作用，有效地控制本船航速。该法多用于大型船舶在港内航道中的制动。6)辅助装置制动法该法是通过在船体上增设一些辅助装置，在需要时予以启动，以增加船舶运动阻力，消耗船舶动能，使船舶尽快减速。该法在船速较高时制动效果明显。5.停船冲程的测定1)测定条件测定应选择在无风、流影响的水域进行，水深一般应不小于3√Bd（B为船宽，d为吃水），船舶保持正舵。2)测定内容通常是在空船和满载时，分别测定主机处于主机转速为前进一、前进二、前进三时使用停车和倒车的冲程和所需时间，至少应测定船舶前进三至停车，前进二至停车的停车冲程和前进三至后退三及前进二至后退三的倒车冲程。3)测定方法①抛板法采用此方法比较简便且实用，停船距离可由下式求得：停船距离=（n-1）L+最后一块木板移动的距离式中：n为抛出木板总数；L为首尾观测组的距离（m）。②定位法多采用无线电定位法和GPS定位法，通过连续测定船位求得冲程。大型船舶多用此法。第二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，从而使旋回角加速度不断降低，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