第一章---船舶操纵性能要点

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・V°tR0.004R0W•V02sR0.101R0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。、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•V02t=0.00105R0达到速度V时所航进的路程：W•V0211(—)HYPERLINK\l"bookmark226"\o"CurrentDocument"VV0s=0.075R0式中：R0为速度V0时船舶所受阻力，速度单位为kn。(V0)()V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；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）o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。紧急停车距离（C、S、D）和停船时间的估算1）Lovett式估算法w・v°tR0.00089R0W•V02sR0.0121R0式中：s——最短停船距离（m）；t所需时间（min）；W一船舶实际排水量（t）；R0——船速为V0时的船舶阻力（t）；V0一倒车前的船舶速度（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S=JtVdt=CVk・ts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，可不考虑船船舶主机种类和吃水状态。/,(sec)图1--143）低速航进时倒车冲程及冲时的估算wkxgTpTOC\o"1-5"\h\zS=Vo2—wkxts=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一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。T——螺旋桨倒车拉力（t）,估算时可用t=0.01N拉（后退倒车功率）来估算；V：——船舶倒车时船速（m/s）。p乂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・Tp4）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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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13〜16L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。倒车开始倒车开始图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）o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。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。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。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项（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）。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。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M°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。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3。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^w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M5，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。n"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，随着漂稀的增大，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。可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，但旋回加速度逐渐减小。第三阶段一一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Ms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Mp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8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（一般可降速1/4—1/2），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。Pn图1—1图1—3XQx(a)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。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）。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。旋回初径。丁（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）。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。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/L7；高速货船之类的瘦削型船，Dt/Lm4。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：TAd/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。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10%---20%。漂角0（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。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不同，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。转心（pivotingpoint）由船舶旋回曲率中心0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。在没有进入定常旋回时，转心P的位置不固定，再开始操舵时转心处于中心G点稍前位置，随着船舶旋回不断加快，转心P的位置不断前移，直到定常旋回阶段才趋于稳定。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。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）有密切关系如图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，一般万吨货船可降速40%--50%，肥大型船舶甚至可降速60%。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—6旋回中的横倾在船舶操舵后，由于船舶的舵力横向分力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:从而使船舶开始出现少量内倾，随后船舶由内倾变为外倾。再由内倾向外倾过渡的过程中，由于船舶横向摇摆惯性的原因，会出现最大外倾角，这是旋回的过渡阶段尤其应注意的危险现象。进入定常旋回阶段，船舶将稳定在一定常外倾角。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3。〜5。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：BM荀-1)Vt•r•GBtg0~cg•GM式中：V—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）。所以，定常旋回外倾角的大小与船舶定常旋回切线速度，角速度，重心浮心间距成正比，与船舶初稳性高度，重力加速度成反比。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。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/LppXd）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。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，旋回圈小；高速时，首波峰压力转矩起主要作用，推首向高舷侧偏转，若向高舷一侧旋回，旋回圈小。操船方面的影响1）舵角在极限舵角范围内，随着舵角的减小，旋回初径将会急剧增大，舵角越小，方形系数越小，舵的高宽比越小，旋回圈的增大率就越大，同时旋回时间也将明显地增长。一般操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）操舵时间我国船舶检验局《钢质海船入级与建造 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 》关于操舵装置部分规定，主操舵装置应具有足够能力，并足以在船舶处于最深航海吃水并以最大营运航速前进时进行操纵，将舵自任何一舷的35°转至另一舷的30°的时间应不超过28s。因此，在实际操船中一般认为从正舵位置操舵至最大舵角35°需要15s。如果操舵时间超过15s，则所需时间越长，旋回圈变大，进距将直接受其影响而变大，横距所受影响较小，而旋回直径几乎不受影响。3）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，然而，在商船速度范围内，船速对旋回初径的影响却很小，这是因为船舶在旋回中所受到的舵力转船力矩、旋回阻矩等均大致与船速的平方成正比。然而，当船速低于某一值（傅汝德系数Fr<0.18）时，旋回圈将会逐渐增大，这是由于低速时舵力转船力矩明显减小，旋回性明显变差所致。反之，当F>0：3,即船速增快时，由于兴波增加，尾倾加剧，使航向稳定性得以r提高，与此同时旋回性也将恶化，旋回圈将增大。值得注意的是，主机的使用方式对船舶旋回圈的大小有明显的影响，如图1—7所示。船舶在航进中减速旋回时，旋回圈将增大；相反，船舶在静止中或低速中加车进行旋回，旋回圈将减小，同时旋回圈中心也将落在施舵旋回时船舶重心位置的后方。减速旋回（停船f进三）图1—7外界环境的影响1）浅水旋回圈在其他条件相同时随着水深的变浅而逐渐增大。当水深与吃水之比小于2时，旋回圈将明显增大。2）污底和风流船体污底越多，摩擦阻力增加，旋回圈变大，但影响很小。顶风顶流将使纵距减小，顺风顺流将使纵距增大。四、旋回圈要素在实际操船中的应用反移量的应用反移量，尤其是船尾反移量，在操舵后初始阶段出现最大值。现举例说明其利用与防止的有关问题。1）本船航行中发现有人落水时，应立即向落水者一舷满舵，使船尾迅速摆离落水者，以免使之卷入螺旋桨。2）在距船首较近的前方发现障碍物时，应立即操满舵使船首让开，当估计船首已可避开时，再操相反一舷满舵以便让开船尾。3）当船首已摆出码头，拟进车离泊时，如很快操大舵角进车离泊，则会因为船尾外摆较大而触碰码头。所以应适当减速，用小舵角慢慢驶离。4）船舶过弯道时，如船速快，大舵角转向，则会产生较大的船尾反移量，因此应保持足够的船岸间距。其他要素的应用两船对遇时，两船进距之和可用来估算最晚施舵点。即两船距离大于或等于两船进距之和，若用舵紧急避让，则在理论上不管用右满舵还是左满舵都能让开。然而在实际操纵中，还应考虑操舵延迟，风流漂移、尾反移量以及安全余量等因素。滞距可用来估算两船对遇时用舵无法让开的距离。即两船对遇时的距离小于两船滞距之和，则不论如何操作，用舵都无法让开。如对遇时两船距离滞距之和而小于纵距之和，则理论上可通过两船间的协调行动以避免碰撞。但这在实际操作中极为困难。旋回初径和进距可用来估算用舵旋回掉头所需水域的大小。值得注意的是，驾引人员在估计船舶所需旋回水域大小时，需将船尾偏出旋回圈外的长度考虑进去，这就要在最大纵距、最大横距的基础上再增加约L/5的长度，否则会影响船舶的顺利旋回。第三节船舶的航向稳定性与保向性一、航向稳定性的概念所谓航向稳定性，指的是船舶在受外界干扰取得转头速度r0后，当干扰消除后，在保持正舵的条件下，船舶所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。一艘航向稳定性好的船舶，直进航行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，因而舵效较好。根据外界干扰消除后船舶运动状态的不同可分为以下几种情况，如图1-12所示。实际航迹图1—12正舵直进中的船舶，在受到风、浪、流或其他因素干扰作用后，船舶将偏离原来的运动状态。当干扰消失后，在保持正舵条件下，若船舶能恢复到原来的运动状态，则具有位置稳定性；若能恢复到原来的航向，则具有方向稳定性；若能在偏离原运动状态后，迅速衰减这种偏离，而较快地稳定在新的航向上，进行新的直线运动，则具有直线稳定性；当然，也可能在干扰消除后，船舶最终将进入一个回转运动，这类船舶则不具备航向稳定性。静航向稳定性静航向稳定性指的是船舶受外力作用稍微偏离原航向，而重心仍沿原航线运动时，船舶斜航漂角将如何变化的性能。也就是说，外力干扰消失后，若船舶不仅最终航向与初始航向相同，而且位置也在原航向延伸线上，则称船舶具有静航向稳定性（位置稳定性）。一般船舶均不具备静航向稳定性，因为一旦发生斜航，其漂角的出现将产生使漂角继续增大的转头力矩，往往不能自行回复到原航线上，故船舶常常表现为静航向不稳定。船首越首倾，船体侧面积在船首分布越多，静航向稳定性就越差。动航向稳定性动航向稳定性指的是当外界干扰消除后，船舶在不用舵纠正的情况下，能尽快地稳定于新航向的性能。也即船舶直线稳定性。稳定于新航向较慢、惯性转头角较大的船，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。大多数船舶都具有动航向稳定性。当然，航向稳定性差甚至航向不稳定的船舶，为了保持航向，就需频繁操舵，且所用舵角也偏大。二、船舶航向稳定性的判别在保持正舵条件下，一阶操纵运动方程可写为：—•„Tr+r=0求解上式，可得外界干扰消失后，初始转头角速度为r0的任意时刻t的转头角速度r的表达式r=re-t/t（1-20）由式（1-20）可知，，当T>0时，T值越小，则e-t/T就很快地衰减趋于零，转头角速度也就衰减得较快，即航向很快稳定。若T为大的正值，则转头角速度r衰减得慢，航向稳定性就较差。相反，若T<0，船舶不具备航向稳定性。如图1—13所示。如将式（1-20）对时间t积分，则可得到船舶因外界干扰具有转头角速度r0，而当干扰消除之后，船舶惯性转头角度得表达式°中=伯rdt=伯第"dt=事（1-21）00由上式可知，船舶受干扰后偏离原航向的角度大小由干扰造成的初始转头角速度r0和航向稳定性指数T来决定。在同样的干扰情况下，T为小的正值，则偏航角度（惯性转头角）较小；T为大的正值，则偏航角度就大。若T为负值，则船舶将一直偏转下去。由此可见，船舶的航向稳定性可以用航向稳定性指数T来衡量。/TVO（航向不稳定）I7>0（航向稳定）ro0,-—t图1—13三、船舶保向性及其影响因素船舶保向性船舶保向性与航向稳定性并不是同一概念。航向稳定性是具有一定初始转头角速度的船舶，仅在船体因转头而受到的旋回阻矩作用下逐渐稳定于新航向的能力。是船舶本身固有的性能。保向性则是指船舶在风、浪、流等外力作用下，由操舵水手（或自动舵）通过罗经识别船舶首摇情况，并通过操舵抑制或纠正首摇使船舶驶于预定航向的能力。船舶保向性的好坏不仅与航向稳定性的好坏有关，同时取决于操舵人员的技能及熟练程度、自动舵的控制能力、舵机的响应能力以及舵的控向能力。显然，航向稳定性越好的船舶，保向性也越好。影响保向性的因素1）船型方型系Cb较小，长宽比L/B较高的瘦削型船舶，回转时阻矩较大，航向稳定性较好，保向性较好；肥胖型船则较差。2）水线下船体侧面积形状水线下侧面积在船尾分布较多的船舶，如船首较为削进、船尾有较大钝材的船舶，其航向稳定性较好，保向性也较好；而装有球鼻首的船将使其航向稳定性降低。3）载态轻载较满载时的航向稳定性好，保向性也好；尾倾较首倾时保向性好。但在受强风影响时，船舶空载或轻载时的受风面积大，故保向性会下降。4）船速对同一艘船舶而言，船速越高，保向性越好。5）舵角随着舵角的增加，船舶的保向性将得到明显改善。尤其对于超大型油轮常需使用大舵角才能保向。6）舵面积比舵面积越大，航向稳定性越好，保向性越好。7）其他因素水深变浅、污底增加，将使航向稳定性变好，保向性提高；顺风、顺流航行将使航向稳定性变差，保向性下降。第四节船舶操纵运动方程及操纵性指数一、船舶操纵运动方程船舶操纵运动方程的由来如果把船舶近似看成刚体，并假定船舶在旋回时只受到转船力矩和水的阻矩的作用，根据力学中有关定律，则可得出：^a•6，Mw^b•r，则(1-11)】g・；=Ma-Mw式中L为船舶绕重心G竖轴的惯性矩，r为回转角加速度。由于MaG%•r=a6-br式中a为转船力矩系数，b为阻尼力矩系数。将上式（1-11）稍加整理，可得(1-12)令：】g——=Tba—=Kb则式（1-12）可转化为:(1-13)式中：K——旋回性指数（s-1）；T——追随性指数（s）；r旋回角速度（1/s）；r旋回角加速度（1/s2）；6——舵角（°）式（1-13）就是野本谦作的一阶近似操纵运动方程式。显然，T指数是船舶绕其重心竖轴的惯性矩与船舶旋回阻矩系数之比所决定的常数；K指数是操舵后转船力矩系数与船舶旋回阻矩系数之比所决定的常数。船舶K、T值的大小将决定船舶在操舵后任意时刻所具有的转头角加速、角速度、转向角度的值，K、T指数可用来表示船舶操纵性的优劣。因此，称之为船舶操纵性指数。K、T指数与船舶操纵性的关系船舶直航中操舵，设初始条件t=0时，r=0，则求解一阶操纵运动方程可得船舶转头角速度的表达式：r=K60（1-5（1-14）r随时间的变化情况如图1—8所示，当T>0时，e-t/T将随时间的延长而衰减下去，转头角速度最终逐渐稳定于定值K60，即定常旋回时，船舶以r0=K60的角速度作旋回，而船舶定常旋回时的切线速度Vt与r0的关系是：Vt=r0R，故R=Vt/r0=Vt/K60。因此，K值越大，则定常旋回角速度越大，旋回半径也就越小，船舶的旋回性越好;反之，K值越小，船舶旋回性越差。所以称K为船舶旋回性指数。图1—8在式（1-14）中，设t=T则有r=K60（1-e-〃T）=K60（1-0.368）^0.63K60这说明，T值是表示操舵后，船舶对舵角响应的时间滞后的一种指数。在数值上等于操舵后船舶回转角速度达到0.63K60（即63%定常旋回角速度）所需的时间。若T为正值，则T值越小，e-皿趋于零的速度就越快，船舶进入定常旋回也就越快，即船舶追随性越好；反之，T值越大，追随性就差。所以称T为船舶追随性指数。此外，T值小，船舶惯性转头角就小，能较快地稳定在新航向上，即航向稳定性较好；T值大，则惯性转头角较大，航向稳定得较慢，即航向稳定性差。若T<0,则船舶不具备航向稳定性。可见，T指数还可反映船舶航向稳定性的好坏，所以又称其为航向稳定性指数。、K、T指数的无因次化与数值范围VsT‘=T——L一般说来，较大的船舶都具有应舵较慢、旋回直径较大的特点（绝对数值），这给比较大小不同的各类船舶的操纵性带来不便。例如具有相同K、T值的两船，以船长L大，航速Vs低者，操纵性好。为了便于比较不同种类船舶或同一船舶不同状态下的操纵性，通常将K、T指数作无因次化处理，即消去其量纲。其处理方式按以下公式进行：LK=KVs式中：Vs回转时初速度（m/s）；L船长（m）；K一旋回性指数（1/s）；T——追随性指数（s）；K、T值多从Z形试验中求得，下表给出了一些实船的K’、T’实测数据。表1—3从上表可知，同一船舶条件不同，K'、T值均不相同。在其他条件相同的情况下，同一船舶的K'、T'，随Z型试验时所用舵角的增大而同时减小；随吃水的增大而同时增大；随水深的变浅而同时减小；随尾倾增加而同时减小。此外，K'、T'还随船型系数Cb/（L/B）的增大而同时增大，也就是说，丰满而短粗的船舶K'、T'值较高，操舵后应舵慢，旋回圈较小，航向稳定性较差；然瘦削而修长的船舶K'、T'值较低，操舵后应舵快，旋回圈较大，航向稳定性较好。通常认为，实船Z形试验（10°/10°）所测得的K'、T'值处于下列数值范围内，即可认为该船具有一般的操纵性能。满载货船（L=100~150m）：K'=1.5〜2.0，T'=1.5〜2.5；满载油船（L=150~250m）：K'=1.7〜3.0，T'=3.0〜6.0；T指数在实际操船中的应用三、K、旋回圈部分要素的求算1）定常旋回半径R=Vt/r=Vs/K60=L/K’O（1-15）2）定常旋回直径「S°D=2R=2Vs/K60=2L/K’O（1-16）3）心距：S°Re=Vs（T+t1/2）（1-17）4）进距：6SAd=Re+R=Vs（T+t1/2）+Vs/K6（1-18）上述式中：K——旋回性指数（1/s）；S°T——追随性指数（s）;Vs旋回时初速（m/s）；——所操舵角，单位为弧度；0t1——操舵时舵角由正舵至0°所需的时间（s）。计算出Re、R后，即可近似地画出类似'图1—9所示的旋回圈轨迹。/T\图1—9推算新航向距离如图1—10所示，原航线上应提前操舵的施舵点A至转向点C之间的距离，称为到新航向距离。中0TOC\o"1-5"\h\zHYPERLINK\l"bookmark259"\o"CurrentDocument"D=AB+BC=R+R•tg——e2tVs中=V（T+——）+tg——（1-19）HYPERLINK\l"bookmark265"\o"CurrentDocument"s2K002计算时应注意式中各量的单位统一。旋回时初速Vs单位为m/s；K指数单位为1/s；T指数单位为s；操舵时间t1单位为s；所操舵角0。单位为弧度（1°=1/57.3弧度）；转向角甲0单位为度（°）；新航向距离Dnc单位为m。图1—10利用K、T指数对船舶操纵性进行分类不同种类、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，可将船舶操纵性大致分为四类，如图1--11所示。A型：T小K大，该类船舶旋回性、追随性均好。操舵后，应舵快，旋回圈也小。舵面积比较高的船即属此类船舶，其Re、Ad短，Tr、Dt和D也短。B型：T小K小，该类船舶旋回性差、追随性好。操舵后，应舵虽快，但旋回圈较大。浅吃水或空载状态的船属此类船舶，其Re、Ad短，但Tr、Dt和D却长。C型：T大K大，该类船舶旋回性好、追随性差。操舵后，应舵慢，但旋回圈较小。深吃水或满载状态的船舶常具有此种特点。满载的超大型油轮，虽然舵面积比很小，但也具有这种特点。其®Ad长，但Tr、Dt和D却短。D型：T大K大，该类船舶旋回性、追随性均差。操舵后，应舵慢且旋回圈较大。舵面积比较小的船舶、瘦型船均属此类。其Re、Ad长，Tr、Dt和D也长。图1—11第五节实船操纵性试验操纵性试验的目的是为了求得船舶操纵性衡准及各运动要素，从而评价船舶操纵性的优劣。实船操纵性试验通常包括：旋回试验(turningtest)、Z形试验(Zig-zagmanoeuvretest)、螺旋试验(spiraltest)和逆螺旋试验(reversespiraltest)、改向试验(coursechangetest)、停船试验(stoppingtest)五项试验。试验水域的状态应符合水面宽敞、具备不受浅水影响的水深、流微弱但流向需稳定、无风浪涌等要求；船舶的状态应尽可能取满载状态，无条件者应按适当的压载状态来要求；桨叶中心处水深即沉深应大于0.45倍的螺旋桨直径。、旋回试验试验目的：测定船舶旋回圈，从而求得船舶的旋回诸要素，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。试验要求：通常是在试验速度条件下，直进中分别向左、右两舷操满舵进行旋回，转头角达到360°(有风流轻微影响时应为540°)时，测定其旋回圈。也可根据实际工作需要，测定不同载况(满载、半载、压载)、不同船速(全速、半速、低速)、不同舵角(10°、15°、20°、35°)情况下向左和向右的旋回资料。旋回试验过程测试人员就位后，在预定的航线上保持船舶直航并稳定航速。在开始回转前约一个船长的航程范围内，测量船舶的初始参数，如航速V0、初始航向角甲、初始舵角00以及螺旋桨的初始转速n0等。°发出操舵口令，，以尽可能快的转舵速度操舵至规定舵角°°。从转舵开始，首向角变化了1°、5°、15°、30°、60°°、90°以及以后每隔30°分别记下对应的时间、航速、船位、转头角、横倾角及螺旋桨转速。当转头角变化达到360°(或540°)以后，正舵并改为直进状态。根据上述观测数据，并对风流引起的漂移进行修正，然后在大比例尺海图上连续绘出各个船位点，并把它们圆滑地连结为曲线，便可量出旋回圈各要素。从航速和角速度测量中可求得回转速降vt/v0，及定常旋回角速度r0。从横倾角的测量中可得到定常外倾角能和最大突倾角emax。"°测定旋回圈轨迹的方法使用GPS定位测旋回圈。使用航向、航速计算求旋回圈。使用浮标方位测旋回圈。使用无线电定位测旋回圈。不论采取何种方法，均应注意将测得的船位换算为重心G处的船位，并进行漂移修正，以提高测量数据的准确性。二、Z形试验试验目的：求船舶的操纵性指数K、T，借以全面评价船舶的旋回性、追随性和航向稳定性等重要操纵性能。试验要求：通常在海上速度情况下，采用10°/10°(分子表示舵角，分母表示操反舵时的船首向改变量)试验。根据需要也可进行20°/20°、15°/15°、5°/5°等Z形试验，它们分别表示较强和较弱机动下的操纵情况。试验方法(如图1—32所示)以规定航速保持匀速直航，操右舵10°并保持之；当船首向右转头的角度达到10°时，即与所操舵角相等的瞬间，立即回舵，改操左舵10°并保持之；待船首最终左转，越过原航向并向左偏离原航向达10°时，即再一次出现与所操舵角相等的瞬间，立即回舵，再操右舵10°。如此反复，既可按右一左一右、也可按左一右一左的顺序，连续进行三次蛇航运动(最好五次)即可。对一些航向稳定性差的船，如船型肥大的大型船，试验中会出现所操相反舵角抑制不住船舶转头运动的情况，往往难于完成Z形试验，为此，常采用降低转头角度的办法，即转头角度较所操舵角小1°-5°(或更多)的变Z形试验。试验中应准确地记录各舵角到位时间、特征转头角的时间及转头超越角的大小。将这些数据描绘成曲线°一t、W—t(如图1—16所示)，并据以计算操纵性指数K、T。max图1—16三、螺旋试验和逆螺旋试验试验目的：用于评价船舶航向稳定性的好坏。螺旋试验：首先从右满舵开始求出其对应的定常旋回角速r，而后逐步少量减小其右舵角再求其各对应的定常旋回角速度；然后顺次求出正舵、左舵、直至左满舵旋回时的定常旋回角速度；最后再从左满舵向右满舵一步步过渡，分别求出全部的定常旋回角速度r与相应舵角0的对应关系，并顺次绘出r—6曲线，如图1—17所示。任何船舶，其r—6曲线不外乎两种基本类型。如属于aoa’oa类型的，因r—6具有单值对应关系，则说明船舶具有航向稳定性；如r—6曲线呈ABCDA’DEBA类型，带有BCDE环形范围的，因r—6在环形范围内具有多值对应关系，则说明该类船舶在环形范围内不具备航向稳定性。该曲线的环形范围越宽、面积越大，则船舶的航向稳定性越差。这种船舶在大舵角旋回中即使改操小舵角时仍将保持相当高的转头角速度，甚至在操反向小舵角时，只要该舵角处于临界舵角范围之内，则船舶仍将维持原转头方向不变。如果环宽大于20°，则操纵船舶就会变得很困难了。图1—17此试验的旋回圈逐渐由小到大或由大到小，就其整个旋回过程而言，其运动轨迹极似一条螺旋线，故称螺旋试验。逆螺旋试验：螺旋试验需进行多次小舵角回转运动，要求试验水域面积大，且进入定常旋回十分缓慢，整个试验费时很长，此外，对海面环境的要求也很苛刻，一般要求选择2~3级海况以下。为弥补上述缺点，Bech提出了逆螺旋试验的方法。该法与螺旋试验相反，它是预先选定几个不稳定环内的可能有的角速度r，再通过做舵使船舶保持各角速度值定常回转，然后求取对应于各角速度所需操舵的舵角平均值，从而求得如图1-18所示的r-6曲线。该法采用主动操舵而保持r值，故对海面环境要求不高，且大大缩短了试验时间，一般仅需30min。图1—18经逆螺旋试验得到的r—6曲线中，成单值对应，航向稳定性好的船舶，其r—0曲线仍近于直线，而航向不稳定度极强的肥大型船，其r—6曲线多呈S型，在临界舵角范围内r与6成多值对应关系。中间曲线段的宽度越大，则航向不稳定度越强，这与螺旋试验的不稳定环宽的含义是完全一致的。第六节IMO船舶操纵性衡准的基本内容1978年IMO作出了有关提供和显示船舶操纵资料的建议，其内容包括引航卡(Pilotcard)、驾驶台张贴的有关本船操纵性能的试验结果和模拟结果的明细图表(Wherehorseposter)及操船小手册(MznoeuvringBooklet)三种。引航卡应记入引航员登船后可立即掌握的最低限度的重要性能资料，驾驶台张贴的性能明细表也是一种较详尽的性能资料，而操船小手册则应详尽地记入本船操纵性能，使驾驶人员能充分了解本船操纵性能的资料。在IMO1993年11月4日第18届大会上通过的“船舶操纵性临时标准”确定了船舶操纵性的标准，该标准适用于1994年7月1日或之后建造的舵桨推进方式，LN100m的船舶。化学品油轮及液化气船不限长度。IMO一方面要求各国政府鼓励那些承担设计、建造、修理及操纵船舶的人员去应用这个标准，另一方面要求各国收集应用后的数据，整理并 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 IMO，以便海上安全委员会在此基础上对标准作出评估，必要时作出修改。操纵性试验测定条件考虑为深水宽敞水域、无风、流的外界环境，船舶满载平吃水，稳定的初始试验速度。操纵性临时标准的指标及允许界限值有如下几方面：旋回性：在用35°或最大的允许舵角向左(右)操舵并以试验速度旋回时，进距不应大于4倍船长，旋回初径不应大于5倍船长。初始性旋回：向左(右)操10°舵角，在船首向自初始航向改变10°的时间内船舶前进的距离不应大于2.5倍船长。抑制偏摆性：在10°/10°Z形试验中出现的第一个惯性转头角不得超过舵角的120%，第二到第四个惯性转头角不得超过舵角的150%〜200%，在20°/20°Z形试验中出现的第一个惯性转头角不得超过舵角的100%〜125%，即20°〜25°。保向性：保向性应能维持令人满意的航向，操舵人员为适应保向需要的压舵角度不得超过30°。停船性能：全速倒车停船试验中的制动行程不应超过15倍船长，大排水量船，可进行修正。对于具体某一船舶，应在试航时或以其它方式尽可能取得详尽的船舶操纵性资料，这对操船大有帮助。据Landsburg对引航员进行的问卷调查，引航员所重视的船舶操纵性按其重要程度排列如下：1.2.3.4.低速时的操纵性能；采用适当的倒车可直接保向的停船性能；船舶对操舵、用车响应时间的快慢；操舵或压舵可给出的适当转头作用或控制作用。