船舶的旋回性能-船舶操纵.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一节 船舶的旋回性,概述：,旋回性,是指定速直航的船舶操某一大的舵角后进入定常旋回的运动性能。,旋回性是船舶操纵性当中极其重要的一种性能！,一、船舶旋回的运动过程,1、,第一阶段（转舵阶段）,船舶向一舷操舵后，保持或近乎保持其直进速度，同时开始进入基本沿原航向前进而船尾外移同时少量的向操舵一舷横倾的初始旋回阶段,反移内倾,。,N(,)-,舵力转船,力矩,F(w)-,水动力,-,漂角,G-,重心,V-,船速,P,d,G,O,M,t1,GP/2,P,N,cos,F-,惯心力,d/2,Mt2,P,N,cos,G,wV,/Rcos,Ry,P,P,F=ma=mv,2,/R,R,无穷大时,F=0,2、第二阶段（过渡阶段）,操舵后随着船舶横移速度的和漂角的增大，船舶的运动逐渐偏离首尾面而向外转动，进入内倾消失，外倾出现并逐渐增大的加速旋回阶段,正移外倾,。,F(w)-,水动力不在首尾线上,产生漂角,增大,;,N(,)-,水动力转船力矩,;,2第二阶段过渡阶段,船舶的旋回角速度、横移速度和漂角均逐步增大。,降速明显,（斜航阻力增加）；由反向横移变成向操舵一侧,正向横移,；船舶由,内倾变为外倾,逐渐增大；船舶,加速旋回,特征：,船速继续下降,船舶加快向朝舵一侧偏转,船舶重心开始正向横移,船体开始外倾,3、第三阶段（定常旋回）,随着旋回阻尼力矩的增大，当船舶所受的舵力转船力矩,N(a)、,漂角水动力转船力矩,N(B),和阻尼力矩,N(r),相平衡时，船舶的旋回角加速度变为零，船舶的旋回角速度达到最大值并稳定于该值，船舶将进入稳定旋回阶段。,定常旋回,。,Ra,Rf,Rf,、,Ra-,水阻力,N(r)-,水阻尼力矩,3第三阶段定常旋回阶段,当漂角增加到一定值时，作用于船体所受合力矩为零，进入定常旋回运动。空船约在转首60左右，满载约在100 120 左右进入定常旋回阶段。,特征：,船舶以固定漂角,作匀速圆周运动,船舶处于相对稳定的外倾,A,dmax,T,r,A,d,D,T,T,rmax,reach,D,Stern kick,G,G,G,G,G,G,G,4),旋回直径,(,final diameter),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，并以,D,表示之，它大约为旋回初径的0912倍。,5),滞距,(,reach),亦称心距。正常旋回时，船舶旋回直径的中心,O,总较操舵时船舶重心位置更偏于前方。滞距是该中心,O,的纵距，并以,Re,代表之，大约为,12倍,船长，它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,。,2、描述船舶旋回运动状态的运动要素,1),漂角,(,drift angle),船舶首尾线上某一点的线速度与船舶首尾面的交角叫做漂角，如左图所示。船舶在首尾线上不同点的漂角是不同的，在船尾处，由于其横移速度最大，因此漂角也最大。但通常所说的漂角是指船舶重心处的线速度,Vt,与船舶首尾面的交角，也就是船首向与重心,G,点处旋回圈切线方向的夹角，用,B,表示之。一般船舶的漂角大约在,315,之间,。,2),转心,(,pivoting point),及其位置,旋回中的船舶可视为一方面船舶以一定的速度前进，同时绕通过某一点的竖轴而旋转的运动的叠加，这一点就是转心，通常以,P,代表之。船舶操舵旋回时，在旋回的初始阶段，转心约在重心稍前处，以后随船舶旋回不断加快，转心随着旋回中的漂角的增大而逐渐向船首方向移动；当船舶进入定常旋回阶段即船舶旋回中的漂角保持不变时，转心,P,逐渐稳定于某一点，对于不同船舶，该点的位置大约在离船首柱后,1315,船长处；船处于后退中，转心位置则在船尾附近。,对于不同船舶而言，旋回性能越好、旋回中漂角,B,越大的船舶，其旋回时的转心越靠近船首。,3)旋回中的降速,船舶在旋回中，主要由于,船体斜航(存在漂角)时阻力增加，以及舵阻力增加和推进效率降低等原因,，将会出现降速现象。,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2550，而旋回性能很好的超大型油船在旋回中的降速幅度最大可达到原航速的65,。,4),旋回中船舶出现的横倾(,List),旋回中船舶出现的横倾是一个应予注意的不安全因素,。船舶在大风浪中大角度转向或掉头时，如船舶在波浪中横摇的相位与旋回中外倾角的相位一致，则船舶将有倾覆的危险，这是操船中应予避免的一个重要问题。另外值得注意的是，由于舵力所产生的内倾力矩有利于抑制船舶的外倾角，因此当船舶在旋回中一旦产生较大的外倾角时，切忌急速回舵或操相反舷舵，否则会进一步增大外倾角，威胁船舶的安全。,三、影响旋回圈大小的因素,1方形系数,Cb(block coefficient),方形系数较低的瘦形高速船(,Cb06),较方形系数较高的肥形船(,Cb 08),的旋回性能差得多，即船舶的方形系数越大，船舶的旋回性越好，旋回圈越小。,2船体水线下侧面积形状及分布,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，旋回中的阻尼力短小，旋回性较好，旋回圈较小，但航向稳定性较差；而船尾部分分布面积较大者如船尾有钝材或船首比较削进(,cut up),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，而对横距和旋回初径的影响不大，旋回直径则不受其影响。,5舵面积比,舵面积比(,rudder area ratio),是指舵面积与船体浸水侧面积(,Lppd),的比值。增加舵面积将会使舵的转船力矩增大，因而提高船舶的旋回性，旋回圈变小。但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。也就是说，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。,7吃水,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。,8吃水差,有吃水差和平吃水相比较，相当于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响。,尾倾增大，旋回圈也将增大,。,9,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。,(,低低小,;,高高小,),但总的来讲，横倾对旋回圈的影响并不大。,10.浅水影响,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螺旋桨的转动方向,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，在其他条件相同的情况下，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。,另外，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。,2反移量在实际操船中的应用,反移量在实际操船中的应用很多,例如，,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。,又如，在船首较近的前方发现障碍物时，为紧急避开，应立即操满舵尽量使船首让开；当估计船首已可避开时，再操相反一舷满舵以便让开船尾。,再如，当船舶前部已离出码头拟进车离泊时，如操大舵角急欲转出，则由于尾外摆而将触碰码头。为避免发生事故应适当减速，待驶出一段距离后再使用小舵角慢慢转出。,第二节 船舶操纵运动方程及船舶操纵性指数,一、船舶操纵运动方程,T,+,rK,该方程最早是由日本学者野本谦作提出的，因此也称为野本方程。该式中，,T,称之为船舶的追随性指数(,turning lag index)，,单位为,s；,K,称之为船舶的旋回性指数(,turning ability index)，,单位为1,s。,2,T,表示船舶追随性的优劣,又称追随性指数。,T,值小，则操舵后的转向角加速度初始值较高，向定常角速度趋近较快，易于有较大的转向角。船舶操舵后，因为,T,表示转向角加速度向零衰减、转向角速度向定常角速度趋近的周期，而且每经过,T,的时间均趋近0.37倍，所以,T,又称时间常数。该时间越短，则追随性越好。,三、,K、T、,指数无因次化数值范围及影响,K、T,指数的因素,1,K、T,指数的无因次化数值范围,为了便于比较不同船舶之间的操纵性，常将操纵性指数,K、T,作无因次化处理，即消去其量纲的处理，即：,K K(1/s),L(m)/V,s,(m/s),T T(s),V,s,(m/s)/L(m),式中：,L,为船长，单,位为,m；,V,s,为船速，单,位为,ms。,无因次化后的船舶操纵性指数,K、T,由于已经除去了船舶尺度与船速的影响，故可直接用来比较不同船舶或同一船舶在不同条件下的操纵性优劣及其变化趋势；反过来说，当两船的,K、T,指数相等时，要使其操纵性能也相同，其船长和船速也应相同。,对于具备一般的操纵性能的船舶在满载状态下的,K、T,应处于下列数值范围之内：,满载货船(,L100150 m)：K1.52.0；T1.52.5,满载油船(,L150250 m)：K1.73.0；T3.06.0,操纵性指数,K、T,值是通过实船,Z,形试验所测定的。,从表中可以看出，,船舶的操纵性指数,K、T,值是同时减小或同时增大的，,即提高船舶旋回性的结果将使其追随性受到某种程度的降低，而追随性的改善又将导致船舶旋回性的某些降低。,值得注意的是，当舵角增加时，,K、T,值同时减小，但,T,值减小的幅度要比,K,值减小的幅度大，因此船舶的舵效反而变好。,四、船舶操纵性指数,K、T、,的具体运用,实船,Z,形试验测算得出的,K、T,指数，对判别船舶的操纵性能和预测船舶的操纵运动具有重要价值。其具体运用内容有：,1按,K、T,指数区分船舶操纵性,不同种类、结构和大小的船舶，其操纵性会有很大的不同。按照,K、T,指数比较船舶的旋回轨迹，可将船舶操纵性概略地区分为四类,。,A,类：是旋回性、追随性都好的船，具有,K,值大、,T,值小的特点。船舶操舵后，应舵快，旋回进距小，旋回初径也较小。舵面积比较高的船舶，如拖船具有这样的操纵性能,。,B,类：是旋回性差、追随性好的船，具有,K,值小、,T,值小的特点。该类船舶操舵后，尽管应舵较快，旋回进距小，但旋回初径却比较大。,C,类：是旋回性好、追随性差的船，具有,K,值大、,T、,值也大的特点。该类船舶操舵后，应舵慢，旋回进距大，但旋回初径却比较小，如满载的超大型船舶。,D,类：是旋回性、追随性都差的船，具有,K,值小、,T,值大的特点。该类船舶操舵后，应舵慢，旋回进距大，旋回初径也比较大。,2 推定新航向距离,DNc(distance to new course),直航中的船舶改向时如果在新航向的始点才开始操舵，由于船舶操舵以及船舶对舵的响应均需要一定的时间的缘故，则根本不可能达到驶上新航线的目的。因此，要求驾引人员在施舵转向之前，充分准确地推定施舵点至转向点的距离，才能真正驶到新的航线上去。所谓新航向距离指的就是原航线上应提前操舵的施舵点至转向点的距离，如图所示。,3改向中转头惯性角的估算,船舶在航行中改向操舵后，船舶的转头角速度,r0,到达某一定值后操正舵，船首继续转头惯性角,为：,r,0,T,由该式可知，实际操船当中应注意以下几点：,1)满载船舶较空载船舶一般说来具有起转较慢、停转不易、操纵呆笨的特点，要求操纵者根据改向角的大小，适当地早用舵、早回舵，所操舵角也比较大。,2)为提高在浅窄水域中操船的安全度，降低船速是完全必要的。但降低船速后，由于提高了转头惯性角，更应注意适时用大舵角压舵，必要时须果断提高转速以有效地抑制之。,3)尺度较大的船舶，一般说来也具有转头惯性角较大的特点，处于满载时则更甚，尤应注意在起转之后，适时根据具体条件和转头角速度的快慢采用抑制措施。,4)为提高压舵有效性或较为明显地降低转头惯性角，操纵人员应随时注意观察转头趋势，并要牢记，只有采用较大的压舵角，才能有效地降低,T，,使船舶转头速度迅速得以降低，从而有效地控制惯性转头角不致过大。,根据实际经验，在舵效较好的一般货船上，压舵角一般可取转向时所操舵角的12；在舵效较慢的大型油船上，尤其是超大型油船在它们满载时应按照转头惯性的强弱，多取与转向时所操舵角等大的压舵角。,4船舶定常旋回直径,D,的估算,根据定常旋回运动中旋回角速度,r0K,0,的结论，可以得到船舶定常旋回直径的估算式：,D2Vt/K,0,式中：,Vt,船舶定常旋回时的线速度；,K,有量纳的船舶的旋回性指数；,0,所操的舵角，应采用弧度作单位,。,在使用该式估算旋回直径,D,时，应适当地考虑到旋回中船舶降速问题，尤其是超大型船舶的降速问题更为明显。,第三节 船舶的航向稳定性与保向性,正舵直航中的船舶，当受到风、浪或其他因素的瞬时性干扰后，船舶将不可避免地偏离原来的直航运动状态。但当干扰过去后，偏离原来直航运动的船舶能否自行恢复到原来航线上去(位置稳定)，能否自行恢复到原来的航向上去(方向稳定)，能否较快地稳，定在新的航向上，具有新的直线运动(直线稳定)，这就是船舶运动稳定性所讨论的问题。它是船舶操纵性研究的一个重要方面。,一、航向稳定性,所谓航向稳定性，指的是船舶在受外界干扰取得转头速度,r,0,后，当干扰结束之后在船舶保持正舵的条件下，船舶受的转头阻矩对船体转头运动有何影响，因而船舶转头运动将如何变化的性质。,一艘航向稳定性较好的船舶，直航中即使很少操舵也能较好地保向；而当操舵改向时，又能较快地应舵；转向中回正舵，又能较快地把航向稳定下来。其特点是对舵的响应运动来得快，耗时短，因而舵效比较好。,1静航向稳定性,静航向稳定性(,statical course stability)，,指的是船舶受外力作用而稍微偏离原航向，但重心仍在原航向上斜航前进，有关该斜航漂角将如何变化的性能。,通常的船舶在斜航中，因为漂角的出现将产生使漂角继续增大的转头力矩，所以常常是静航向不稳定的。船舶越是首倾，船体侧面积在船首分布越多，其静航向稳定性就越差。,2动航向稳定性,当外界干扰过去之后，船舶的转头运动在不用舵纠正的情况下，能尽快稳定于新航向的性质谓之船舶动航向稳定性(,dynamical course stability)。,稳定得较慢、惯性转头角较大的船舶，其动航向稳定性较差；稳定得较快、惯性转头角较小的船，其动航向稳定性较好；一直转头不停 而偏转下去的船，则不具备动航向稳定性。一般所说的船舶航向稳定性指的就是动航向稳定性，即船舶直线运动稳定性。当然，航向稳定性差的船舶，甚至航向不稳定的船舶，为了保持航向，就需频繁操舵，而且所用舵角也偏大。,二、船舶航向稳定性的判别,1.根据航向稳定性指数判别,船舶航向稳定性指数,T0，,说明船舶具有航向稳定性，且,T,值为越小的正数，船舶的航向稳定性越好。航向稳定性指数,T0，,则说明船舶不具有航向稳定性。船舶追随性好的船舶可以同时判断为航向稳定性好的船舶。,2根据船舶的线型系数判别,一般说来，方形系数较低、长宽比较高的船舶具有较好的航向稳定性。类似超级油船之类的肥大型船舶，方形系数一般在0.8左右，其航向稳定性在小舵角范围内总带有不稳定性。,三、船舶保向性,1船舶保向性的概念,保向性是指船舶在外力作用下(如风、流、浪等)，由舵工(或自动舵)通过，罗经识别船舶首摇情况，通过操舵抑制或纠正首摇并使船舶驶于预定航向上的能力。船舶保向性的好坏不但与船舶航向稳定性的好坏有关，而且还与操，舵人员的技能及熟练程度、自动舵、舵机的性能有关。,2影响船舶保向性的主要因素,船型,水下船型是决定船舶转头阻矩和惯性的重要因素，水上船型是决定船舶所受风力及风力转船力矩大小的重要因素。它们对保向性均有很大影响。,(1)方形系数较低、长宽比较高的瘦削型船舶，其保向性较优；浅吃水的宽体船保向性较差。,(2)船体侧面积在尾部分布较多者，如船尾有钝材，其保向性较好；船首水下侧面积分布较多者，如船首有球鼻首将降低保向性。,(3)较高的干舷将降低船舶在风中航行时的保向性。,2)载态,载态的改变将导致水下和水上船型的改变，因而也影响到船舶保向性。对于同一艘船:,(1)轻载较满载时保向性好(受风时另当别论)；,(2)尾倾较首倾时的保向性好。,3)舵角,增大所操的舵角，能明显地改善船舶的保向性。超大型油船小舵角状态下有航向不稳定趋势，需用较大舵角才能保向。,4)船速,对于同一艘船而言，由于船速的提高，船舶保向性将变好。,5)其他因素,保向性将因水深变浅而提高；船舶顺风浪或顺流航行中保向性反而降低。,第四节 船舶变速运动性能,驱动静止中的船舶运动，或运动中的船舶停止下来，或改变船舶的运动速度，它们均有维持其原运动状态的趋势，经过一定时间的过渡，才能达到所要求的状态。这种趋势就是船舶惯性(,inertia effect)。,标志惯性过程长短的数据可有两种表示方式：一种是衡量完成变速运动所需路程的叫冲程(惯性冲程)；另一种是衡量完成变速运动所需时间的叫冲时(惯性冲时)。,一、船舶的启动性能,定义：船舶在静止状态中开进车，使船舶达到与主机功率相应的稳定船速所需的时间和航进的距离，称为船舶的启动性能,船舶从静止状态开进车，主机的转速需视船速的逐步提高而逐渐增加，因而存在一个逐步加速过程。一味求快，甚至立即把主机的转速增加很多，则会使主机转矩突然增大，使主机超负荷工作，在实际操船中应予以防止。,船速达到定常速度,V0,时所需的时间,t,和航进的距离,S,的估算公式为：,t,=0.004,V,0,/R,0,S,=0.101,V,0,/,R,0,船舶排水量，单位为,t；,R,0,船速为,V,0,时的船舶阻力，单位为9.81,kN；,V,0,船舶的定常速度，单位为,kn；,t,时间，单位为,min；,S,启动惯性距离，单位为,m。,根据经验，从静止状态逐级动车，直至达到定常速度，满载船舶约需航经20倍船长左右的距离，轻载时约为满载时的1223。,二、停车性能,定义：,船舶在全速或半速前进中停止主机，至船对水停止移动时所需的时间和滑行的距离，称为停车冲时和停车冲程,。,主机停车后，推力急剧下降到零；开始船速下降迅速；但随着船速的下降，船舶阻力减小，船速下降逐渐缓慢；当船速很低时，阻力很小，船速的下降极为缓慢，船舶很难完全停止下来。因此，通常以船速降低至能维持船舶舵效的速度(对于万吨级船舶为,2,kn,左右)为界限来计算船舶的停车冲程和冲时。,主机停车后至船速降低到能维持舵效的速度时所需的时间,t,和滑行距离,S,的估算公式为：,t,=0.00105,V,0,/,R,0,（,1,/,V,1,/,V,0,）,S,=0.075,V,0,/,R,0,log,（,V,0,/,V,）,船舶排水量，单位为,t；,R,0,船速为,V,0,时的船舶阻力，单位为9.81,kN；,V,船舶停止时刻的速度，一般以能维持其舵效的速度计算，单位为,kn；,V,0,船舶的定常速度，单位为,kn；,t,时间，单位为,min；,S,启动惯性距离，单位为,m。,根据经验，船舶在常速航进中停车，降速到能维持其舵效的速度时，一般货船的停车冲程为船长的820倍，超大型船舶则超过20倍的船长，船越大，停车惯性越大。,.高速前进中的船舶，突然下令停车，主机转速下降至完全停止要有一个过程。除特殊情况外，从有利保护主机的角度出发，一般仍应采取逐级降速至停车。,三、倒车停船性能及影响紧急停船距离的因素,1倒车停船性能,船舶在前进三中开后退三，从发令开始到船对水停止移动所需的时间及航进的距离，称为倒车冲时和倒车冲程，其距离又称紧急停船距离(,crash stopping distance),或最短停船距离(,shortest stopping distance)。,前进中的船舶由进车改为倒车，通称主机换向。,一般情况下:,蒸汽机船约需 6090,s。,内燃机船约需 90120,s；,汽轮机船约需 120180,s；,倒车冲时和倒车冲程可用下列公式估算,：,t,=0.0089,V,0,/R,0,S,=0.0121,V,0,/,R,0,船舶排水量，单位为,t；,R,0,船速为,V,0,时的船舶阻力，单位为9.81,kN；,V,0,船舶的定常速度，单位为,kn；,t,时间，单位为,min；,S,启动惯性距离，单位为,m。,根据统计:,一般中型至万吨级货船的紧急停船距离可达68倍船长；,载重量50000,t,左右的船舶达810倍船长；,载重量10万,t,的船舶可达1013倍船长；,载重量1520万,t,的船舶可达1316倍船长。,2影响紧急停船距离的因素,(1)船舶排水量:在其他条件相同的情况下，排水量越大，紧急停船距离越 大。,(2)船速:若其他因素一定时，船速越高，紧急停船距离越大。,(3)主机倒车功率、转速和换向时间:若其他条件相同，主机倒车转速越高，主机倒车功率越大，紧急停船距离越小；主机换向时间越短，紧急停船距离也越小。,(4)推进器种类:,可变螺距螺旋桨(,CPP),船与,固定螺距螺旋桨(,FPP),船相比较，由于,CPP,船的换向操作只需改变螺旋桨的螺距角，而无需停止主机，因此其换向时间短，其紧急停船距离也就较小。若其他条件相同，则,CPP,船的紧急停船距离约为,FPP,船的6080。,(5)船体的污底程度:船体污底越严重，船体阻力越大，紧急停船距离越小。,(6)外界条件:顺风、顺流时紧急停船距离增大；顶风、顶流时紧急停船距离减小。在浅水中由于船舶阻力增加，其紧急停船距离较深水中小。,第五节 船舶操纵性试验,掌握船舶的操纵性是驾引人员安全操船的必备条件。,为掌握实船的操纵性，必须进行实船的操纵性试验(,manoeuvring test)，,主要包括:,一、旋回试验,船舶旋回试验是迄今为止仍普遍进行的试验,。,其目的是求取船舶的旋回要素，其中包括进距、横距、旋回初径、旋回直径、滞距、旋回时间等，以便评价船舶旋回的迅速程度和所需水域的大小，,从而,判定船舶的旋回性能,。,二、,Z,形试验,Z,形试验最早是,Kempf,提出的一种判定船舶操纵性能的方法，又称标准操纵性试验。1957年日本学者野本又发展了对,Z,形试验结果进行理论分析的新方法,K，T,指数分析方法,。,三、螺旋试验,螺旋试验包括,正螺旋试验(,direct spiral test),和,逆螺旋试验(,reverse spiral test),两种，前者由法国的,Dieudonne,提出，后者由,Beck,提出。,螺旋试验的目的是判定船舶航向稳定性的好坏。,四、停船试验,停船性能是船舶操纵性能中极为重要的性能之一，,在实船试验中应分别测定船舶在满载和空载时，主机转速为前进一、二、三时，采用停车、倒车措施的冲程和冲时。,测定方法，通常采用,抛板法（或称投木法）,:,用抛扳法测定冲程时，其冲程大小表示船舶,对水的移动距离,第二章 车、舵、锚、缆、拖船在操船中的运用,第一节 螺旋桨的作用,把主机发出的功率转换成推动船舶前进的功率的装置或机构，统称推进器（车）。,推进器的种类主要有螺旋桨、平旋推进器、明轮、喷水推进器等等。目前机动船上普遍使用的是螺旋桨。,螺旋桨的种类主要可分为固定螺距螺旋桨(,FPP),和可变螺距螺旋桨(,CPP),一、船舶阻力,R,与螺旋桨的推力,T,舶以一定航速行驶于水面，必须克服船舶本身所受的各种阻力。船舶依靠主机发出的功率，驱动推进器产生推力；当推力与阻力平衡时，船舶将作匀速运动，否则将作变速运动。,1船舶阻力,航行中的船舶所受的阻力(,resistance),包括,基本阻力,R,0,与,附加阻力,R,两个部分：,RR,0,十,R,基本阻力,R,0,是指新出坞的裸体船(不包括附属体，如舵、螺旋桨等)在平静水面行驶时水对船体产生的阻力。基本阻力由摩擦阻力(,frictional resistance)、,涡流阻力(,eddymaking resistance),和兴波阻力(,waveresistance),构成；后二者统称压差阻力，通常也称为剩余阻力(,residUal resistance)。,基本阻力与船速的关系近似于线性变化，但当船速较高时，则基本阻力随船速的增加急剧增加，且船速越高增加的幅度越大,。,基本阻力随船速而出现上述变化的原因在于，船速较低时，摩擦阻力占基本阻力的比例较高；而船速较高时，则剩余阻力，尤其是兴波阻力所占比例将越来越大；单就兴波阻力而言，则约与船速的46次方成正比。,当船速一定时，吃水越大，基本阻力越大,。,附加阻力由,污底阻力,(,fouling resistance)、,附体阻力,(,appendage resistance)、,空气阻力,(,air resistance),和,汹涛阻力,(,rough water resistance),组成：,R,0,=R,F,十,R,A,十,R,x,十,R,R,显然，船舶的附加阻力与船体的污底程度、附体的多少及结构、风浪的大小、航道的浅窄等因素有关。对于商船而言，因其速度不高，空气阻力仅占总阻力的24。,2螺旋桨的推力和转矩,在主机驱动下，转动的螺旋桨推水向后运动，水对螺旋桨的反作用力在船首方向的分量就是推船前进的推力(,thrust)；,倒车时则产生指向船尾的拉力。流向螺旋桨盘面的流称为,吸入流,(,suction current current)；,离开螺旋桨盘面的流称为,排出流,(,discharge current)。,吸入流的特点是流速较侵，范围较宽，流线几乎相互平行；排出流的特点是流速较快，范围较小，水流旋转激烈，如图,式中：,K,T,螺旋桨的推力系数；,K,Q,螺旋桨的转矩系数；,海水密度；,n,螺旋桨转速；,D,螺旋桨直径。,由船舶原理可知，当螺旋桨转动时产生的推力(,trust),和需要通过主机带动克服的转矩(,torque),为:,TK,T,n,2,D,4,QKQn,2,D,5,二、主机功率和船速,1主机功率,1)机器功率(,Machinery Horse Power)MHP,(1)指示功率(,Indicated Horse Power)IHP,(2)制动功率(,Brake Horse Power)BHP,(3)轴功率(,Shaft Horse Power)SHP,2)(螺旋桨)收到功率(,Delivered Horse Power)DHP,3)推力功率(,Thrust Horse Power)THP,有效功率(,Effective Horse,Fower)EHP,各功率之间的关系,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0.950.98。,有效功率,EHP,与收到功率,DHP,之比称为推进器效率，该值约为0.600.75。,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,O.7。,这就是说，主机发出功率变为船舶推进有效功率后已损失了将近一半。,3船速分类,1)额定船速,在额定功率、额定转速条件下，船舶在平静的深水域中取得的船速称为额定船速,2)海上船速,海上由于气候多变，为确保长期安全航行，需留有适当的主机功串储备，因而主机的海上常用功率要较其额定功率为低，通常为额定功率的90；相应的海上常用主机转速,n,0,则为额定转速的,9697,。,3)港内船速,近岸航行，尤其是近港航行，常需备车；港内船舶密集，水深较浅，弯道较多，用舵频繁。为便于操纵与避让和不使主机超负荷，港内航行最高船速也应较海上船速为低。一般港内的最高主机转速约为海上常用转速的,7080,左右。,三、螺旋桨的致偏作用,1螺旋桨横向力,1)螺旋桨沉深横向力,螺旋桨盘面中心距水面的垂直距离称为螺旋桨的沉深,h。,它与螺旋桨直径,D,之比,hD,称为沉深比。,螺旋桨转动时，除推水产生推力或拉力外，还推水旋转。从而产生即转力,Q。,当,hD0.5,时，螺旋桨桨叶部分露出水面，这就导致螺旋桨部分在空气中工作，因空气的密度要比水的密度小，导致螺旋桨上部的转力,Q,2,小于下部的转力,Q,1,，Q,1,和,Q,2,的差值形成的横向力，称为螺旋桨沉深横向力。,对于右旋固定螺距螺旋桨而言，进车时，该力推尾向右，船首左偏；倒车时相反，推尾向左、船首右偏。,螺旋桨沉深横向力的大小与船舶浮态密切相关，,当沉深比,hD0.650.75,时，螺旋桨桨叶距水面较深，空气就不易吸入，沉深横向力很小，随,hD,的逐步减小该力将明显增大。,2)伴流横向力,伴流是伴随船体运动而产生的追随性水流，也称追迹流。它主要由摩擦伴流、势伴流和兴波伴流组成，其大小和在船舶周围各处并不相同，通常所说的伴流速度是指相应位置处伴流沿首尾方向的分量。,伴流在螺旋桨处的分布是不均匀的，如右图所示，其分布特点是,左右对称、上大下小,。,对于右旋固定螺距螺旋桨单桨船而言，,当船舶在前进中进车时，伴流横向力推尾向左，船首右偏；船舶在前进中倒车时，伴流横向力推尾向右，船首左偏,。上述的船首偏转方向正好与螺旋桨的沉深横向力相反。船舶在后退中，因为舵叶形成的伴流极小，所以不论是进车或倒车其影响均可忽略不计。,3)排出流横向力,船舶在前进中操正舵时，如图右所示，舵叶左上部与右下部将分别受到排出流的有力冲击。相比较而言，因为右下部排出流的冲角明显大于左上部，使右侧的水动力高于左侧，造成推尾向左，船首向右偏转。当船舶在轻吃水状态下舵叶部分露出水面时，这种偏转趋势将更加明显。,对于右旋固定螺距螺旋桨单桨船而言，排出流均使船首向右偏转。,总体而言，排出流横向力当船速较低时在螺旋桨横向力中是一个比较大的量，尤其是船舶在轻载状态下。,4)推力中心偏位,推力中心偏位是由于吸入流造成的。,船舶前进中，吸入流沿水下船尾型线由船底向上呈斜上方向汇集于螺旋桨的盘面内。进车时右半圆的桨叶呈顶流、左半圆的桨叶呈顺流状态，使右侧桨叶的推力大于左侧桨叶的推力，整个螺旋桨的推力中心偏向于螺旋桨中心的右侧，使船首左偏；船舶前进中倒车时，左侧的桨叶呈顶流、右侧的桨叶呈顺流状态，使左侧桨叶的拉力大于右侧桨叶的拉力，整个螺旋桨的拉力中心偏向于螺旋桨中心的左侧，使船首左偏。总而言之，螺旋桨推力中心偏位的方向与螺旋桨旋转的方向一致，且船速越高、螺旋桨转速越高，则推力中心偏位越明显。,船舶在后退中，如操正舵，则吸入流并无致偏作用；如操某舷舵角，则吸入流冲在舵叶的背面，使船首向操舵另一舷偏转，即操左舵时船首向右偏转，操右舵时船首向左偏转。,螺旋桨横向力的致偏作用(右旋,FPP,单桨船),横 向 力,致偏作用,产生条件,量 值,沉深横向力,进车时船首左偏,倒车时船首右偏,hD,0.650.75,视,hD,值,的大小,伴流横向力,进车时船首右偏,倒车时船首左偏,船舶必,须有前进的速度,较小的量,排出流横向力,不论进车或倒车，船首均右偏,排出流能够作用于,舵上或船体尾部,较大的量,推力中心偏位,不论进车或倒车，船首均左偏,船舶在前进中,较小的量,第二节 舵的作用,一、舵力及舵力转船力矩(单独舵),1,舵的正压力和舵力转船力矩,对于平板舵(亦称单板舵)的正压力,P,N,和压力中心位置,x，,常采用,Beaufoy,式来计算：,P,N,576.2A,R,v,R,2,sin,xb0.195,十0.305,sin,P,N,平板舵正压力(,N)；,A,R,舵面积(,m2)；,v,R,舵的前进速度或水相对于舵 的流速(,ms)；,水对舵的冲角或舵角()；,b,平板舵的宽度(,m)；,x,从平板舵前缘到舵正压力中心之间的距离(,m)。,一般船舶多取,35,为极限舵角；而超大型船舶则往往取40作为极限舵角。,