船舶操纵知识

船舶操纵知识主讲人：蔡壮标第一章船舶操纵性能•第一节船舶旋回性能•第二节船舶航向稳定性•第三节船舶变速运动性能•第四节外界因素的影响第一节船舶旋回性能•旋回性：船舶匀速直航时，转舵使船舶作圆弧运动的性能,称为船舶回转性。•主要内容船舶旋回运动过程分析旋回圈（turningcircle）及旋回圈要素旋回运动的运动要素影响旋回圈大小的因素旋回圈要素在实际操船中的应用一、船舶旋回运动过程•船舶以一定航速直进当中操某一舵角并保持之，船舶将进入旋回过程。根据船舶在旋回运动过程中所受外力特点之变化，以及运动状态之不同，可将船舶旋回过程划分为三个阶段：–转舵阶段–过渡阶段–定常阶段一、船舶旋回运动过程转舵阶段过度阶段定常阶段一、船舶旋回运动过程CYrmurmxvmG0rYvYrvrYvYrvGKYrmxvmGrYvYrvGKCYrmu0rYvYrvGK转舵阶段过度阶段定常阶段第一阶段（转舵阶段）•转舵阶段:从转舵开始到舵转至规定角度为止，时间很短(约15s)•受力情况：由舵角引起横向力和力矩，使船产生横向加速度和回转角加速度。•运动特点：由于船体本身的惯性很大，还来不及产生明显的横向速度和回转角速度；船舶重心G操舵相反一舷的小量横移；船舶横向向操舵一舷倾斜（内倾）；第二阶段（过渡阶段）•过渡阶段：转舵结束起到船舶进入定常回转运动为止的动态过程•受力情况：随船舶横移、漂角增大，作用于船体的流体力和力矩增大；•运动特点：斜航运动；旋回加速；纵向速度下降；内倾渐渐向外倾变化。第三阶段(定常阶段)•定常阶段（steadyturning）:受力与运动处于稳定状态•受力情况：作用于船体的力和力矩将最后达到平衡。•运动特点：船舶以一定的横向速度和回转速度绕固定点作定常回转运动。船舶的横向运动为外倾运动变量历时曲线转舵阶段过渡阶段定常阶段vvrrrvrvt二、旋回圈及旋回圈要素•旋回圈(turningcircle)：–定速直航（一般为全速）时，操一定的舵角（一般为满舵）后，其重心G的运动轨迹叫做旋回圈。DTD0TrLkAdVVbbRe二、旋回圈及旋回圈要素•旋回圈要素：表征旋回圈大小的几何要素.•包括：反移量、进距、横距、旋回初径、旋回直径、滞距等DTD0TrLkAdVVbbRe1.反移量（Kick）•定义：–亦称偏距，是指船舶重心在旋回初始阶段向操舵相反一舷横移的最大距离。DTD0TrLkAdVVbbRe1.反移量（Kick）•大小：–通常，反移量值较小，其最大量在满载旋回时仅为船长的1/2~1B左右。–但操船中应注意的是，船尾的反移量却不容忽视，其最大量约为船长的1／10～1／5，约出现在操舵后船舶的转头角达一个罗经点左右的时刻。•影响因素：–反移量的大小与船速、舵角、操舵速度、排水状态及船型等因素有关；船速、舵角越大，反移量越大。2.进距（Advance）•定义：–进距也称纵距，是指从从转舵开始时刻船舶重心Ｇ点所在的位置，至船首转向900时船舶纵中剖面的距离。•大小：–约为3~4L，约为旋回初径DT的0.6～1.2倍，Ad表示船舶对操舵反映得快慢，即应舵速度。DTD0TrLkAdVVbbRe3.横距（Transfer）•定义：–横距为船舶从操舵开始转首90°时，重心Ｇ距原航线的距离，以Tr表示。•大小：–Tr大约为旋回初径DT的一半。Tr值越小，则回转性就越好。DTD0TrLkAdVVbbRe4.旋回初径•旋回初径定义：Tacticaldiameter–从船舶原来航线至船首转向180°时，船纵中剖面所在位置之间的距离。•大小：–一般约为3~6L，回转性较差船舶可达7~8L。DT值越小，则回转性越好。DTD0TrLkAdVVbbRe4.旋回初径•应用：–在航海实践中，旋回圈的大小常常用其旋回初径DT表示。–采用其旋回初径与其船长L（一般为两柱间长）的比值DT／L来表示，称为相对旋回初径。船舶种类DT／L大型货船5~6.5中小型货船4~5油轮2.5~7.5大型远洋客船7.5~8.0中小型海上客船4~5大型客货船5~7中小型客货船4~5拖轮1.5~3巡洋舰3~5驱逐舰5~10潜艇3~55.旋回直径•定义：–Finaldiameter旋回直径是指船舶作定常旋回时重心轨迹圆的直径，亦称旋回终径或定常旋回直径。•大小：–D0大约为旋回初径DT的0.9～1.2倍。DTD0TrLkAdVVbbRe6.滞距（Reach）•定义：–亦称心距。从发令位置起，船舶重心至定常旋回曲率中心的纵向距离。•大小：–Re大约为1～2L，表示操舵后到船舶进入旋回的“滞后距离”，也是衡量船舶舵效的标准之一。DTD0TrLkAdVVbbRe三、船舶旋回运动要素•表征船舶旋回运动状态的运动要素：漂角；转心；旋回中的降速；旋回中的横倾等，•运动要素与船舶的旋回性能有着密切的关系。1.漂角（Driftangle）•定义：–船舶首尾线上某一点的线速度与船舶首尾面的交角叫作漂角，用β表示之。•大小：–一般船舶重心漂角大约在6-15°之间，超大型船舶最大可达到25°左右。漂角越大的船舶，其旋回性越好，旋回直径也越小。2.转心（pivotingpoint）•定义：–旋回运动可视为以一定的速度前进的同时绕通过某一点的竖轴而，这一点就是转心，通常以P代表之。–从几何学上讲，转心P的位置是旋回圈的曲率中心O作船舶首尾面的垂线的垂足。•位置：–转心的位置大约在离船首柱后1/3～1/5船长处，也可能出于船首前某一点。旋回性能越好、旋回中漂角β越大的船舶，旋回时转心越靠近船首。3.旋回中的降速•降速原因：–舵阻力增加；–船体的斜航阻力增加与旋回初径DT有密切的关系，DT/L值越小，旋回性越好，降速越显著。–主机特性，推进效率降低•降速幅度：–与旋回初径DT有密切的关系，DT/L值越小，旋回性越好，降速越显著。–一般船舶旋回中的降速幅度大约为旋回操舵前船舶速度的25%～50%，而旋回性能很好的超大型油轮最大可达到原航速的65%。4.横倾（list）横倾变化–船舶操舵不久，将因舵力横倾力矩而出现少量内倾；–接着由于船舶旋回惯性离心力矩的作用，内倾将变为外倾；–因横向摇摆惯性的存在将产生最大的外倾角θmax，最大外倾角一般为定常外倾角的1.2～1.5倍，θmax的大小与操舵时间有关，操舵时间越短，θmax越大；–达到最大外倾角后，船舶经过1～2次摇摆，最后稳定于某一定常外倾角θ上。4.横倾（list）4.横倾（list）•影响因素：–船舶旋回横倾大小与船速、所操的舵角、船舶的旋回性能和船舶的初稳性高度GM等有关。•注意事项：–操船过程中应特别注意回转突倾，避免用急舵特别是急回舵。–1999年10月17日盛鲁轮在避让渔船时因操舵造成横倾过大，引起汽车碰撞起火，最后沉没。5.旋回时间•旋回时间是指船舶旋回360°所需的时间。它与船舶的排水量有密切关系，排水量大，旋回时间增加。万吨级船舶快速满舵旋回一周约需6min，而超大型船舶的旋回时间则几乎要增加一倍。四、影响旋回圈的因素•旋回圈的大小与船型、舵面积、所操舵角、操舵时间、载态、水深、船速、船舶的纵倾和横倾、螺旋桨转速等密切相关。另外，受风、流的影响，旋回圈的大小也有很大变化。1．方形系数Cb规律：–方形系数越大，船舶的旋回性越好，旋回圈越小。–实验结果：方形系数较低的瘦形高速船（Cb≈0.6）较方形系数较高的肥形船（Cb≈0.8）的旋回性能差得多。2．长宽比（L/B）规律：L/B系数较大的瘦形高速船较L/B系数较小的肥形船的旋回性能差得多。主要原因：是L/B系数较大的船舶旋回阻尼较大。3．船体水线下侧面形状规律：就整体而言，船首部分分布面积较大如有球鼻首者，或船尾比较瘦削的船舶，旋回中的阻尼力矩小，旋回性较好，旋回圈较小，但航向稳定性较差；船尾部分分布面积较大者如船尾有钝材，或船首比较削进（cutup）的船舶，旋回中的阻尼力矩比较大，旋回性较差，旋回圈较大，但航向稳定性较好。4．舵面积比定义–（rudderarearatio）舵面积比是指舵面积与船体浸水侧面积的比AR/（LPP×d）。规律：–增加舵面积将会使舵的转船力矩增大，因而旋回性变好。–增加舵面积的同时又增加了旋回阻尼力矩，当舵面积超过一定值后，旋回性就不能提高。–就一定船型的船舶而言，舵面积比的大小在降低旋回初径方面存在一个最佳值。大小：–拖轮为1/20～1/25，渔船为1/30～1/40；高速货船为1/35～1/40；大型油轮一般仅为1/65～1/75；一般货船为1/45～1/60。5．推进器及舵类型装配双车双舵的船舶能够获得更大的舵力及舵里转船力矩，旋回性能优于单车舵船舶；某些船舶可能装备特殊的推进器及舵装置，性能各异，如装备ZP的拖轮可原地掉头。6．舵角规律：–在极限舵角的范围之内，操不同舵角时的旋回初径变化情况，总的趋势是，随着舵角的减小，旋回初径将会急剧增加，当然旋回时间也将增加。–对于不同的船舶，随着舵角的减小，旋回初径的增加率是不一样的，其中舵的高宽比小的船舶，其旋回初径的增加率较大。7．操舵时间操舵时间主要对船舶的进距影响较大，进距随操舵时间的增加而增加；操舵时间对横距和旋回初径的影响不大，旋回直径则不受其影响。8．船速船速对船舶旋回时间影响显著；船速对旋回初径大小的影响呈现较为复杂的情况：–急低速状态旋回性明显变差；–停车进行旋回即减速旋回时，旋回圈将大大扩大；–从船速极低状态开始，进行加速旋回时，旋回圈将因而受到压缩，旋回圈中心也将落在旋回前的船舶正横之后。9．吃水与纵倾吃水影响：–舵面积比随吃水增加而降低；–随着吃水的增加，船舶通过重心G点竖轴的转动惯量增加；–随着吃水的增加，初始旋回大大减慢。–若纵倾状态相同，吃水增加时，旋回进距增大，横距和旋回初径也将有所增加。吃水差影响：–较大程度地改变了船舶水线下船体侧面积的分布状态，因而对船舶旋回性能带来明显的影影响。–尾倾增大，旋向圈也将增大；对于Cb=0.8的船舶，若尾倾增大量为船长的1%，旋回初径将可增加10%左右；对于Cb=0.6的船舶，若尾倾增大量为船长的1%，旋回初径将可增加3%左右。10．横倾船体存在横倾时，左右浸水面积不同，两侧所受的水动压力也不相同，改变了左右舷各种作用力的对称性。低速时，推力－阻力转矩起主要作用，推首向低舷侧偏转；高速时，首波峰压力转矩起主要作用，推船首向高舷侧偏转。总的来讲，横倾对旋回圈的影响并不大。11．浅水影响规律：由于浅水中横向阻力明显增大，漂角β明显下降，同时浅水中的舵力有所下降，舵力转船力矩下降，再加上浅水中的阻尼力矩明显增大，船舶的旋回性下降，因此，在浅水中的旋回圈明显增大。当水深吃水比小于2时，旋回圈有所增大（特别是对高速船而言）；当水深吃水比小于1.5时，旋回圈明显增大；当水深吃水比小于1.2时，旋回圈急剧增大11．浅水影响424-2-4231-1o35=h/d=?1.51.2模型试验实船试验x0/Ly0/L012．旋回方向由于受螺旋桨横向力的影响，船舶向左或向右旋回时的旋回圈的大小将有所不同。对于右旋固定螺距螺旋桨单车船而言，在其它条件相同的情况下，向左旋回时的旋回初径要比向右旋回时的旋回初径要小一些。但对于超大型船舶而言，这一差别很小。13．其他因素船体的污底、风、流的作用都将对船舶旋回圈的大小产生影响。例如顶风、顶流使旋回圈进距减小，顺风、顺流使旋回圈进距增大等等。五、旋回圈要素应用旋回初径：用来估算船舶用舵旋回掉头所需的水域；横距用来估算转首后，船舶与岸或其它船舶是否有足够的间距；滞距用来推算两船对遇时无法旋回避让的距离，即两船对遇时的距离小于两船的滞距之和，则用舵无法避让；进距两船的进距之和可用来推算对遇时的最晚施舵点。五、旋回圈要素应用反移量(Kick)的应用本船航行中发现有人落水时，应立即向落水者一舷操舵，使船尾迅速摆离落水者，以免使之卷进船尾螺旋桨流之内。在船首较近的前方发现障碍物时，为紧急避开，应立即操