第一章---船舶操縱性能

1、第一章 船舶操縱性能第一節(jié) 船舶變速運動性能船舶出于避碰、狹水道及港內(nèi)航行或駛往泊地的需要而改變螺旋槳的轉(zhuǎn)速和方向，進行啟動、變速、停車、倒車操縱。轉(zhuǎn)速和方向改變后直至達到新的定常運動狀態(tài)之前，存在著一段加速或減速運動的過程，該段過程稱為變速運動過程，也稱船舶慣性。衡量船舶變速運動特性有兩個重要指標，一是船舶完成變速運動所航進的路程，稱為沖程；另一是完成變速運動所需的時間，稱為沖時。一、 船舶啟動性能船舶在靜止狀態(tài)中開進車，直至達到與主機輸出功率相應(yīng)的穩(wěn)定船速前的變速運動，稱為船舶起動變速運動。在起動變速過程中，螺旋槳推力T與船舶阻力R之差，是船舶產(chǎn)生加速運動的動因。由于啟動后推力增加較快，而

2、船速增加則較為緩慢，因此要注意合理用車。即分段逐級加車，待達到相應(yīng)轉(zhuǎn)速的船速時，再提高用車的級別，以免主機超負荷工作。完成啟動變速運動所需的時間t和航進的路徑s可用下列關(guān)系式估算。W·V0 t 0.004 R0W·V02 s 0.101 R0式中，V0為最終定常速度，單位為kn；W為船舶實際排水量，單位為t；R0為達到最終定常速度V0時的船舶阻力；計算出的t單位為min；計算出的S單位為m。根據(jù)經(jīng)驗，從靜止狀態(tài)逐級動車，直至達到海上速度，滿載船舶約需航進20L左右的距離，輕載時約為滿載的1/22/3。二、 船舶減速性能船舶以一定常速度（全速或半速）行駛中采取停車措施后，直至

3、降到某一余速（2kn4kn）前的變速運動稱為船舶停車變速運動。主機停車后，推力急劇下降到零。開始時，船速較高，阻力也大，速降很快；但當(dāng)速度減小后，阻力也隨之減小，速降越來越慢，船很難完全停止下來，且在水中亦很難判斷。所以，通常以船速降至維持舵效的最小速度作為計算所需時間和船舶航進路程的標準。主機停車后的時間、速度及航進路程存在如下關(guān)系。達到速度V時所需的時間：W·V02 1 1 t = 0.00105 （ - ）R0 V V0達到速度V時所航進的路程：W·V02 V0 s = 0.075 n （）R0 V式中：R0為速度V0時船舶所受阻力，單位為t；W為船舶實際排水量，單位

4、為t； t的單位為min； S為m；速度單位為kn。計算停車沖程還可采用Topley船長提出的經(jīng)驗估算式S = 0.024 C·V0式中：C為船速減半時間常數(shù)，單位為min；V0為船舶停車時初速，單位為kn。C值隨船舶排水量不同而不同。一般船舶在以常速航進中，從主機停車到降至余速2kn時，其停車沖程約為820L；而VLCC滿載時，在以海上常速航進中停車至余速降至3kn，則停車沖程約為23L，沖時近30min。當(dāng)然，正常的進出港或接近泊地仍以逐級降速為妥，以利于主機的養(yǎng)護。三、 倒車制動性能船舶在全速前進中開后退三，從發(fā)令開始至船舶對水停止移動所需的時間和航進的路程，以及相應(yīng)的偏航量和

5、偏航角，統(tǒng)稱為倒車制動性能。倒車沖程又稱為緊急停船距離（crash stopping distance）或最短停船距離（shortest stopping distance）。全速前進的船舶在進行緊急制動時，為不致造成主機轉(zhuǎn)動部件出現(xiàn)應(yīng)力過大的情況，在關(guān)閉主機油門后，通常要等航速降至全速的60%70%，轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速的25%35%時，方可將壓縮空氣持續(xù)充入汽缸使主機停轉(zhuǎn)，然后進行反向起動。1. 緊急停車距離（C、S、D）和停船時間的估算1) Lovett式估算法W·V0 t 0.00089 R0W·V02 s 0.0121 R0式中：s最短停船距離（m）； t所需時間（m

6、in）； W船舶實際排水量（t）； R0船速為V0時的船舶阻力（t）； V0倒車前的船舶速度（kn） 。2) 緊急停船距離經(jīng)驗估算法從主機倒車后的船速隨時間變化關(guān)系看，可近似認為是一個勻減速過程，如圖1-14所示。緊急停船距離的大小就是速度曲線與時間軸圍成的面積。即 ts S = vdt = CVk·ts 0式中： Vk倒車時船速（kn）； ts倒車使用時間（s）； C緊急停船距離系數(shù)，一般貨船取0.250.27，大型油輪取0.270.29； S緊急停船距離（m） 。大型油輪如時間按分（min）計算，也可按下式求取緊急停船距離 S = 16 Vk·tm使用上述兩公式時，可不

7、考慮船舶主機種類和吃水狀態(tài)。圖1-143) 低速航進時倒車沖程及沖時的估算 1 w kx S = V02 2 g Tp w kx ts = V0 g Tp 式中： S倒車沖程（m）； ts所需時間（s）； g重力加速度（9.8m/s2）； W船舶排水量（t）； kx船舶前進方向虛質(zhì)量系數(shù)，可經(jīng)實驗取得，象VLCC或肥大型船舶可取1.07。 Tp螺旋槳倒車拉力（t），估算時可用Tp =0.01N拉（后退倒車功率）來估算； V0船舶倒車時船速（m/s） 。當(dāng)船舶駛向泊地并要求船舶能在一倍船長的距離內(nèi)用倒車把船停住，則船舶所用余速為 2g·L·TP V0 = W·kX4

8、) 經(jīng)驗數(shù)據(jù)根據(jù)統(tǒng)計，一般情況下各類船舶的緊急停船距離大致為（如表15所示）：表15載 重 量船 種主機種類緊急停船距離1萬t普通貨船內(nèi)燃機6 8 L1萬t高速貨船集裝箱船滾 裝 船內(nèi)燃機7 8 L5萬t油 輪內(nèi)燃機8 11 L5萬t貨 船內(nèi)燃機8 10 L10萬t油 輪汽輪機10 13 L1520萬t油 輪汽輪機13 16 L2. 船舶停船性能船舶的停船性能是指在標準狀態(tài)下以海上船速行駛的船舶，經(jīng)自力制動操縱后，可在允許偏航范圍內(nèi)（偏航量和偏航角）迅速停船的性能。由于沉深橫向力和排出流橫向力的作用，倒車制動時，船舶在減速的同時船首將發(fā)生劇烈的偏轉(zhuǎn)運動，其運動軌跡是一條曲線，如圖115所示。圖

9、115在圖中曲線的長度即最短停船距離，也稱之為制動行程RT（track reach）。船舶重心沿原航向方向移動的距離稱為制動縱距RH（head reach），它是用車緊急停船能讓開前方物標的最短距離。倒車制動時，船首向偏離原航向的角度，稱為偏航角。而船舶重心偏離原航向的橫向距離，稱為偏航量DL。壓載時，停船距離短，偏航角和偏航量較??；滿載時，停船時間長，偏航角和偏航量大，有時竟高達200°左右。具有良好停船性能的船舶應(yīng)滿足，在開闊水域具有相應(yīng)其船長的最小停船距離，而在水深、航道寬度受限制的水域不僅要具有最小停船距離，而且要具有較小的偏航量和偏航角。3. 影響緊急停船距離的主要因素1)

10、 主機倒車功率、換向時間主機倒車功率越小，緊急停船距離越大。此外，單位排水量功率（MCR/DWT）越小，緊急停船距離越大，這就是大型船倒車功率較小型船舶大，但緊急停船距離一般較大的原因所在。主機換向時間越短，緊急停船距離越小。主機換向時間因主機類型不同而不同，一般從前進三到后退三換向所需時間蒸汽機船約需6090s；內(nèi)燃機船約需90120s；汽輪機船約需120180s。另外，內(nèi)燃機倒車功率占常用功率的比例也較氣輪機為高。2) 推進器種類與定距槳相比，調(diào)距槳只需改變槳葉方向便可達到換向目的。操作時間短，在調(diào)整螺距的同時即可產(chǎn)生較大乃至最大的倒車拉力，故緊急停船距離較短。若其他條件相同，一般CPP船

11、的緊急停船距離約為FPP船的60%80%。3) 排水量和船型在船速和倒車拉力相同時，排水量越大，緊急停船距離越長。通常壓載時的停船沖程約為滿載時的80%，而倒車沖程約為滿載時的40%50%左右。此外，Cb大的肥大型船舶的附加質(zhì)量大，故其停船距離較瘦型船舶為長。4) 船速若其他條件相同，船速越大，沖程越大。5) 外界條件順風(fēng)流時沖程增大；反之則減小。淺水中船舶阻力增加，沖程略有減小。6) 船體污底船體污底嚴重，則阻力增加，船舶緊急停船距離將相應(yīng)減小。4. 各種制動方法及其運用1) 倒車制動法通過螺旋槳倒轉(zhuǎn)或改變螺距，使之產(chǎn)生強大拉力進行制動的方法稱為倒車制動。該法因其制動拉力大，操縱方便而被各類

12、船舶廣泛采用。但因存在控向困難，不利于船舶保位的缺陷，因而大型船舶在港內(nèi)應(yīng)謹慎使用。2) 蛇航制動法（Zig zag stop manoeuvre）這是英國造船研究協(xié)會（BSRA）提出的緊急停船制動方法。該法通過船舶自身操舵、換車，不僅可利用主機倒車拉力、船舶斜航阻力和舵阻力使船舶快速停住，而且能保證船舶偏航方向明確、較少的偏航距離。此外，由于采用分階段逐級平穩(wěn)降速，避免了主機超負荷工作等情況的出現(xiàn)。該法適用較開闊水域，對于大型船舶、方型系數(shù)Cb較大的船舶，深水域中初速度較高時尤為有效。其缺點是在較窄水域或航道內(nèi)不宜使用，操縱較復(fù)雜。3) 滿舵旋回制動法船舶滿舵旋回一周，當(dāng)航向復(fù)原時，可使船速

13、減為原來速度的70%左右，大型油輪甚至降至原船速的50%左右。該法操作簡便，無需機艙動車，大型船舶抵港前常用此法減速。4) 拖錨制動法該法僅適用于萬噸及萬噸以下船舶，而且拋錨時的船舶對地速度僅限于23kn以下。大型船舶由于其錨機的剎車力不足，拖錨制動將會損壞錨設(shè)備或使制動失敗，故不宜采用此法。5) 拖輪制動法當(dāng)本船船速低于67kn時，根據(jù)當(dāng)時的吃水情況使用相應(yīng)數(shù)量的拖輪，利用拖輪的推力作用，有效地控制本船航速。該法多用于大型船舶在港內(nèi)航道中的制動。6) 輔助裝置制動法該法是通過在船體上增設(shè)一些輔助裝置，在需要時予以啟動，以增加船舶運動阻力，消耗船舶動能，使船舶盡快減速。該法在船速較高時制動效果

14、明顯。5. 停船沖程的測定1) 測定條件測定應(yīng)選擇在無風(fēng)、流影響的水域進行，水深一般應(yīng)不小于3Bd （B為船寬，d為吃水），船舶保持正舵。2) 測定內(nèi)容通常是在空船和滿載時，分別測定主機處于主機轉(zhuǎn)速為前進一、前進二、前進三時使用停車和倒車的沖程和所需時間，至少應(yīng)測定船舶前進三至停車，前進二至停車的停車沖程和前進三至后退三及前進二至后退三的倒車沖程。3) 測定方法拋板法采用此方法比較簡便且實用，停船距離可由下式求得： 停船距離=（n - 1）L + 最后一塊木板移動的距離式中： n為拋出木板總數(shù)； L為首尾觀測組的距離（m） 。定位法多采用無線電定位法和GPS定位法，通過連續(xù)測定船位求得沖程。大

15、型船舶多用此法。 第二節(jié) 船舶旋回性能在船舶操縱中，就舵的使用而言，大致可分為小舵角的保向操縱、一般舵角的轉(zhuǎn)向操縱及大舵角的旋回操縱三種，船舶旋回性是船舶操縱中極為重要的一種性能。一、 船舶旋回運動的過程船舶以一定航速直線航行中，操某一舵角并保持之，船舶將作旋回運動。根據(jù)船舶在旋回運動過程中的受力特點及運動狀態(tài)的不同，可將船舶的旋回運動分為三個階段，如圖11所示。1. 第一階段轉(zhuǎn)舵階段船舶從開始轉(zhuǎn)舵起至轉(zhuǎn)至規(guī)定舵角止（一般約815s），稱為轉(zhuǎn)舵階段或初始旋回階段。如圖11所示，該階段中，船速開始下降但幅度甚微；漂角也已出現(xiàn)但量較??；旋回角速度不大，但旋回角加速度最大。由于船舶運動慣性的原因，船

16、舶重心G基本上沿原航向滑進，在舵力轉(zhuǎn)船力矩M的作用下，船首有向操舵一側(cè)回轉(zhuǎn)的趨勢，重心則有向操舵相反方向的微量橫移，與此同時，船舶因舵力位置比重心位置低而出現(xiàn)少量內(nèi)傾。因此，該階段也稱為橫移內(nèi)傾階段。2. 第二階段過渡階段操舵后，由于船舶出現(xiàn)向操舵相反一側(cè)橫移而使其運動方向發(fā)生改變，形成了漂角。越來越明顯的斜航運動將使船舶進入加速旋回階段，同時伴有明顯的降速。如圖12（a）所示，該階段中，船舶的旋回角速度、橫移速度和漂角均逐步增大，水動力Fw的作用方向由第一階段來自正前方，逐漸改變?yōu)閬碜源淄庀戏较?。由于水動力FW作用點較重心更靠近船首，因而產(chǎn)生水動力轉(zhuǎn)船力矩M，方向與舵力轉(zhuǎn)船力矩MJ一致，使

17、船舶加速旋回；與此同時，隨著旋回角速度的不斷提高，又會產(chǎn)生不斷增大的船舶旋回阻矩，從而使旋回角加速度不斷降低，角速度的增加受到限制。該階段中船舶的運動特點是：1）船舶降速明顯。其首要因素是船舶斜航時水動力Fw的縱向分力Fwx的增加，其次是舵力Pn的縱向分力Pnx，旋回運動產(chǎn)生的離心力Q的縱向分力Qx以及旋回中推進效率的下降。2）由反向橫移變成向操舵一側(cè)正向橫移。原因是船舶在旋回中，隨著漂角的增大，水動力Fw不斷增大，而舵力卻有所下降，以致FW的橫向分力大于Pn的橫向分力。3）船舶出現(xiàn)外傾并逐漸增大。其原因是舵力橫向分力Pny、水動力橫向分力Fwy以及旋回中產(chǎn)生的離心力的橫向分力Qy作用于船舶垂

18、直方向的不同位置，構(gòu)成了力矩，從而使船舶由初始階段的內(nèi)傾變?yōu)橥鈨A。如圖12（b）所示。4）船舶加速旋回，但旋回加速度逐漸減小。3. 第三階段定常旋回階段隨著旋回運動的不斷發(fā)展，一方面，舵力的下降使舵力轉(zhuǎn)船力矩M減小，水動力Fw的作用點W隨著漂角的增大不斷后移，水動力轉(zhuǎn)船力矩M減小。另一方面，隨著船舶旋回角速度的增加，由阻止船舶回轉(zhuǎn)的阻力Rf 、Ra所構(gòu)成的水阻，力轉(zhuǎn)船力矩Mf 、Ma也同時增大。如圖13所示，當(dāng)漂角增加到一定值時，作用于船體的諸力及其力矩達到平衡，即船舶進入定常旋回。該階段中，船體所受合力矩為零，船舶旋回角加速度為零，轉(zhuǎn)頭角速度達到最大并穩(wěn)定于該值，船舶降速達到最大值（一般可降

19、速1/41/2），外傾角、橫移速度也趨于穩(wěn)定。船舶以穩(wěn)定的線速度、角速度作旋回運動，故又稱第三階段為穩(wěn)定旋回運動階段。不同載況的船舶進入定常旋回狀態(tài)的時間也各不相同?？蛰d船大約在轉(zhuǎn)首60o左右，滿載船大約在轉(zhuǎn)首100 o 120 o左右進入定常旋回階段。圖11 圖13 圖12二、 旋回圈及其要素定速直航（一般為全速）的船舶操一定舵角（一般為滿舵）后，船舶將作旋回運動，其重心所描繪的軌跡叫做旋回圈。在“船舶操縱性臨時標準”中，將旋回圈定義中的試驗速度規(guī)定為至少達到主機最大輸出功率85%時所對應(yīng)的速度的90%。旋回圈及其要素如圖120所示。1. 進距Ad（advance）進距是指開始操舵到航向轉(zhuǎn)過

20、任一角度時重心所移動的縱向距離。進距又稱縱距，通常所說的進距是指航向轉(zhuǎn)過90o時的進距。在此基礎(chǔ)上，如再轉(zhuǎn)過相當(dāng)于漂角的度數(shù)，則船舶在原航向上將達到最大縱移距離，稱為最大進距（Max advance）。2. 橫距Tr（transfer）橫距是指開始操舵到航向轉(zhuǎn)過任一角度時船舶重心向操舵一側(cè)移動的橫向距離。通常所說的橫距是指當(dāng)航向轉(zhuǎn)過90 o時的橫距。3. 旋回初徑DT（tactical diameter）旋回初徑是指開始操舵到航向轉(zhuǎn)過180 o時重心所移動的橫向距離。在此基礎(chǔ)上，如再轉(zhuǎn)過相當(dāng)于漂角的度數(shù)，則將出現(xiàn)船舶重心偏離原航向線達到最大的橫移距離，稱為最大橫距（Max transfer）。

21、4. 旋回直徑D（final diameter）旋回直徑是指船舶作定常旋回運動時，重心軌跡圓的直徑。5. 滯距Re（reach）滯距是指從操舵開始時的重心位置至定常旋回曲率中心的縱向距離。又稱心距。 圖14上述五個尺度從不同的角度規(guī)定了旋回圈的形狀和大小，因而被稱為船舶旋回圈要素。旋回圈的大小一般用旋回初徑DT或旋回初徑與其船長之比DT/L（即相對旋回初徑）表示。根據(jù)IMC提出的操縱性臨時標準規(guī)定，DT必須滿足不應(yīng)大于5L。實船在深水中滿舵旋回時，象油輪之類的肥大型船舶，DT/L »3；高速貨船之類的瘦削型船，DT/L»4。在上述比值為34的范圍內(nèi)，進距、橫距與旋回初徑之比

22、，旋回直徑與旋回初徑的比值一般為：Ad / DT = 0.85 1.0; Tr / Dr = 0.55; D / DT = 0.9為了更完整地表述旋回運動的特性，通常還應(yīng)考慮以下幾個參數(shù)。1. 反移量（kick）指操舵后，船舶重心從原航向向操舵相反一側(cè)橫移的距離。又稱偏距。在滿舵旋回時，當(dāng)船舶回轉(zhuǎn)達到一個羅經(jīng)點時，反移量達到最大值，約為船長的1%左右，而船尾反移量的最大值可達船長的10%-20%。2. 漂角（drift angle）船舶旋回時，船舶首尾線與首尾線上某一點的旋回圈的切線速度方向之間的夾角，稱為該點的漂角。一般所說的漂角是指重心處的漂角，如圖15所示。 圖15船舶首尾線不同點處的漂

23、角值各不相等，船尾處的漂角最大。隨著回轉(zhuǎn)的加劇，重心處的漂角由小到大，最后在定常旋回階段趨于穩(wěn)定。旋回中船舶所具有的漂角與舵角有關(guān)，一般船舶不同舵角時重心處的漂角不同，在定常旋回階段約在3o15 o之間。如果把船體視為一個大面積的舵的話，則漂角越大，流向船體的水對船體產(chǎn)生的升力就越大，即水動力Fw越大，水動力轉(zhuǎn)船力矩越大，使船舶加速旋回。因此，漂角越大，其旋回性越好，旋回直徑也越小。大型油輪較一般貨船的回轉(zhuǎn)性好，因此它在定常旋回中的漂角也較大。淺水中船舶的回轉(zhuǎn)性較深水中差，故漂角也較深水中小。3. 轉(zhuǎn)心（pivoting point）由船舶旋回曲率中心O點作船舶首尾線的垂線，垂足點P即為轉(zhuǎn)心。

24、如圖121所示，P點處的線速度方向與首尾線一致，故該點的漂角為零；同時由于船舶繞該點的豎軸作自轉(zhuǎn)，故該點的橫移速度為零。在沒有進入定常旋回時，轉(zhuǎn)心P的位置不固定，再開始操舵時轉(zhuǎn)心處于中心G點稍前位置，隨著船舶旋回不斷加快，轉(zhuǎn)心P的位置不斷前移，直到定常旋回階段才趨于穩(wěn)定。一般商船在定常旋回時，轉(zhuǎn)心P約在船首柱后1/31/5船長處，漂角越大的船，轉(zhuǎn)心距首柱越近。而后退中旋回的船舶，其轉(zhuǎn)心位于重心之后，約與前進旋回時的轉(zhuǎn)心位置幾乎對稱。4. 旋回中的降速船舶旋回中，由于斜航而使阻力增加，此外，舵力的縱向分力，慣性離心力的縱向分力引起的阻力增加以及推進器效率降低等原因都將引起船速下降。進入定常旋回后

25、，船速穩(wěn)定在一個定值上。定常旋回時的船速Vt與操舵前的船速V0的比值Vt/V0（速降系數(shù)）與DT/L（相對旋回初徑）有密切關(guān)系如圖16所示。DT/L越小，Vt/V0越小，即速降劇烈。也就是說，旋回性越好，速降越明顯。肥大型船的DT/L較瘦削型小得多，故旋回中的速度下降便要明顯得多，一般萬噸貨船可降速40%-50%，肥大型船舶甚至可降速60%。同樣，由于船舶在淺水中得旋回性變差，所以淺水中的旋回速降就小一些。 圖165. 旋回中的橫傾在船舶操舵后，由于船舶的舵力橫向分力Pny、水動力橫向分力Fwy以及旋回中產(chǎn)生的離心力的橫向分力Qy作用于船舶垂直方向的不同位置，構(gòu)成了力矩，從而使船舶開始出現(xiàn)少量

26、內(nèi)傾，隨后船舶由內(nèi)傾變?yōu)橥鈨A。再由內(nèi)傾向外傾過渡的過程中，由于船舶橫向搖擺慣性的原因，會出現(xiàn)最大外傾角，這是旋回的過渡階段尤其應(yīng)注意的危險現(xiàn)象。進入定常旋回階段，船舶將穩(wěn)定在一定常外傾角。旋回中船舶出現(xiàn)的橫傾是一個應(yīng)予注意的不安全因素。一般貨船滿舵旋回時的外傾在靜水中可達3o5o左右。超大型油輪因恢復(fù)力矩很大，所以滿載滿舵旋回時幾乎不發(fā)生橫傾。然而恢復(fù)力矩較小的船舶高速航進中操大舵角時，將會產(chǎn)生較大橫傾，若再加上船內(nèi)自由液面影響或出現(xiàn)貨物移動以及強橫風(fēng)或橫浪的影響，則船舶將有傾覆的危險。為防止這種危險，可采取如下措施：1) 在適當(dāng)增大初穩(wěn)性高度的同時，采取措施減小自由液面影響，防止貨物移動；2

27、) 降低船速，緩慢操舵，用較小舵角進行旋回，以增大旋回半徑；3) 選擇使風(fēng)浪作用力矩與回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的最大外傾力矩錯開的時機操舵；4) 旋回中若已出現(xiàn)較大外傾角而危及船舶安全時，切忌急速回舵或急操反舵，而應(yīng)逐漸降速，同時逐漸減小所用舵角。船舶以一定航速旋回中的外傾角大小可用下式估算： Vt2 BM Vt·r·GBtgc ·（ -1） 或 tgc g·R GM g·GM式中：Vt定常旋回切線速度（m/s）； R定常旋回半徑（m）； g重力加速度（m/s2）； BM浮心至穩(wěn)心的高度（m）； GM初穩(wěn)性高度（m）； GB重心浮心間距（m）。所以，定常旋回外

28、傾角的大小與船舶定常旋回切線速度，角速度，重心浮心間距成正比，與船舶初穩(wěn)性高度，重力加速度成反比。三、 影響旋回圈大小的因素船舶旋回圈的大小主要受水下船型、船舶吃水狀態(tài)、操船、外界環(huán)境（水深、風(fēng)流）等方面因素的影響。1. 水線下的船型因素1) 方型系數(shù)Cb方型系數(shù)較小的瘦形高速船（Cb »0.6）較方型系數(shù)較大的肥大型船（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) 水線下側(cè)面積船首水線下側(cè)面積分布較多者有利于減小旋回圈，船尾水線下側(cè)面積分布較多者有利于提高航向穩(wěn)定性，而不利于減小旋回圈。例如船首有球鼻首或船尾比較削尖得船，旋回時阻矩較小，旋回

29、圈較小，但航向穩(wěn)定性變差。3) 舵面積比（AR/Lpp×d）增加舵面積將會使舵的轉(zhuǎn)船力矩增大，使旋回性變好，旋回圈減小。但同時也增加了旋回阻矩，超過了一定值后，旋回圈不能減小。因而一定類型的船舶都有一個最佳的舵面積比值。各類船舶因其實際使用目的不同，對其應(yīng)具備的旋回性在要求上也各不相同，同時還需綜合考慮舵機功率、船舶阻力、與船尾形狀的配合、便于安全操船等多方面條件的制約。比如大型油輪由于具有易于旋回的肥胖船型，不用很大的舵面積比；而旋回困難但又要求具有較高的機動性的高速貨船則需要配備較大面積的舵；由于拖船和漁船需要優(yōu)良的操縱性，所以舵面積比也較大。2. 船舶吃水狀態(tài)1) 吃水在船舶其

30、他條件（吃水差、主機轉(zhuǎn)速和船速）不變的情況下，一般船舶均有舵面積比隨吃水變深而降低的趨勢，舵力轉(zhuǎn)船力矩減小，而且隨著吃水的增加，船舶繞重心G的垂直軸的轉(zhuǎn)動慣量也將增加，所以船舶初始旋回緩慢。因此，若其他條件相同，吃水大的滿載船的進距將有較大增長。此外，由于隨著吃水的增大，斜航時轉(zhuǎn)船力矩較旋回阻矩增加得明顯，從而導(dǎo)致旋回初徑和橫距某種程度的降低。2) 縱傾船舶的縱傾變化，相當(dāng)于較大程度地改變了船舶水線下船體側(cè)面積的形狀分布，尾傾增大，重心后移，水動力作用點后移，使轉(zhuǎn)船力矩減小，旋回圈增大；相反首傾增大時則回轉(zhuǎn)加快，旋回圈減小。首傾每增加1%船長，旋回初徑便可減小10%左右；尾傾量每增加1%船長，

31、旋回初徑則增加10%左右。通常，滿載時尾傾不大，但吃水增加了，舵面積比減小了；而空載時尾傾相當(dāng)大，但吃水減小了，舵面積比增加了。所以總的看來，空船與滿載時的旋回圈大小相差不多。3) 橫傾總的來說，橫傾對旋回圈影響不大。船舶在前進時如存在橫傾，船首受其影響會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。低速時，推力阻力轉(zhuǎn)矩起主要作用，推首向低舷側(cè)偏轉(zhuǎn)，若向低舷側(cè)旋回，旋回圈?。桓咚贂r，首波峰壓力轉(zhuǎn)矩起主要作用，推首向高舷側(cè)偏轉(zhuǎn)，若向高舷一側(cè)旋回，旋回圈小。3. 操船方面的影響1) 舵角在極限舵角范圍內(nèi)，隨著舵角的減小，旋回初徑將會急劇增大，舵角越小，方形系數(shù)越小，舵的高寬比越小，旋回圈的增大率就越大，同時旋回時間也將明顯地增長。一

32、般操15°舵角旋回時與操滿舵相比，旋回初徑可能將增加到130%170%，而掉頭時間則可能增加到140%左右。2) 操舵時間我國船舶檢驗局鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范關(guān)于操舵裝置部分規(guī)定，主操舵裝置應(yīng)具有足夠能力，并足以在船舶處于最深航海吃水并以最大營運航速前進時進行操縱，將舵自任何一舷的35°轉(zhuǎn)至另一舷的30°的時間應(yīng)不超過28S。因此，在實際操船中一般認為從正舵位置操舵至最大舵角35°需要15S。如果操舵時間超過15S，則所需時間越長，旋回圈變大，進距將直接受其影響而變大，橫距所受影響較小，而旋回直徑幾乎不受影響。3) 船速船速對船舶旋回所需時間的長短具有明

33、顯的影響，船速越快，旋回時間大大縮短，然而，在商船速度范圍內(nèi)，船速對旋回初徑的影響卻很小，這是因為船舶在旋回中所受到的舵力轉(zhuǎn)船力矩、旋回阻矩等均大致與船速的平方成正比。然而，當(dāng)船速低于某一值（傅汝德系數(shù)Fr<0.18）時，旋回圈將會逐漸增大，這是由于低速時舵力轉(zhuǎn)船力矩明顯減小，旋回性明顯變差所致。反之，當(dāng)Fr>0.3，即船速增快時，由于興波增加，尾傾加劇，使航向穩(wěn)定性得以提高，與此同時旋回性也將惡化，旋回圈將增大。值得注意的是，主機的使用方式對船舶旋回圈的大小有明顯的影響，如圖17所示。船舶在航進中減速旋回時，旋回圈將增大；相反，船舶在靜止中或低速中加車進行旋回，旋回圈將減小，同時

34、旋回圈中心也將落在施舵旋回時船舶重心位置的后方。圖174. 外界環(huán)境的影響1) 淺水旋回圈在其他條件相同時隨著水深的變淺而逐漸增大。當(dāng)水深與吃水之比小于2時，旋回圈將明顯增大。2) 污底和風(fēng)流船體污底越多，摩擦阻力增加，旋回圈變大，但影響很小。頂風(fēng)頂流將使縱距減小，順風(fēng)順流將使縱距增大。四、 旋回圈要素在實際操船中的應(yīng)用1. 反移量的應(yīng)用反移量，尤其是船尾反移量，在操舵后初始階段出現(xiàn)最大值?，F(xiàn)舉例說明其利用與防止的有關(guān)問題。1) 本船航行中發(fā)現(xiàn)有人落水時，應(yīng)立即向落水者一舷滿舵，使船尾迅速擺離落水者，以免使之卷入螺旋槳。2) 在距船首較近的前方發(fā)現(xiàn)障礙物時，應(yīng)立即操滿舵使船首讓開，當(dāng)估計船首已

35、可避開時，再操相反一舷滿舵以便讓開船尾。3) 當(dāng)船首已擺出碼頭，擬進車離泊時，如很快操大舵角進車離泊，則會因為船尾外擺較大而觸碰碼頭。所以應(yīng)適當(dāng)減速，用小舵角慢慢駛離。4) 船舶過彎道時，如船速快，大舵角轉(zhuǎn)向，則會產(chǎn)生較大的船尾反移量，因此應(yīng)保持足夠的船岸間距。2. 其他要素的應(yīng)用兩船對遇時，兩船進距之和可用來估算最晚施舵點。即兩船距離大于或等于兩船進距之和，若用舵緊急避讓，則在理論上不管用右滿舵還是左滿舵都能讓開。然而在實際操縱中，還應(yīng)考慮操舵延遲，風(fēng)流漂移、尾反移量以及安全余量等因素。滯距可用來估算兩船對遇時用舵無法讓開的距離。即兩船對遇時的距離小于兩船滯距之和，則不論如何操作，用舵都無法

36、讓開。如對遇時兩船距離滯距之和而小于縱距之和，則理論上可通過兩船間的協(xié)調(diào)行動以避免碰撞。但這在實際操作中極為困難。旋回初徑和進距可用來估算用舵旋回掉頭所需水域的大小。值得注意的是，駕引人員在估計船舶所需旋回水域大小時，需將船尾偏出旋回圈外的長度考慮進去，這就要在最大縱距、最大橫距的基礎(chǔ)上再增加約L/5的長度，否則會影響船舶的順利旋回。第三節(jié) 船舶的航向穩(wěn)定性與保向性一、 航向穩(wěn)定性的概念所謂航向穩(wěn)定性，指的是船舶在受外界干擾取得轉(zhuǎn)頭速度r0后，當(dāng)干擾消除后，在保持正舵的條件下，船舶所受的轉(zhuǎn)頭阻矩對船體轉(zhuǎn)頭運動有何影響，因而船舶轉(zhuǎn)頭運動將如何變化的性質(zhì)。一艘航向穩(wěn)定性好的船舶，直進航行中即使很少

37、操舵也能較好地保向；而當(dāng)操舵改向時，又能較快地應(yīng)舵；轉(zhuǎn)向中回正舵，又能較快地把航向穩(wěn)定下來。其特點是對舵的響應(yīng)運動來得快，耗時短，因而舵效較好。根據(jù)外界干擾消除后船舶運動狀態(tài)的不同可分為以下幾種情況，如圖112所示。圖112正舵直進中的船舶，在受到風(fēng)、浪、流或其他因素干擾作用后，船舶將偏離原來的運動狀態(tài)。當(dāng)干擾消失后，在保持正舵條件下，若船舶能恢復(fù)到原來的運動狀態(tài)，則具有位置穩(wěn)定性；若能恢復(fù)到原來的航向，則具有方向穩(wěn)定性；若能在偏離原運動狀態(tài)后，迅速衰減這種偏離，而較快地穩(wěn)定在新的航向上，進行新的直線運動，則具有直線穩(wěn)定性；當(dāng)然，也可能在干擾消除后，船舶最終將進入一個回轉(zhuǎn)運動，這類船舶則不具備

38、航向穩(wěn)定性。1. 靜航向穩(wěn)定性靜航向穩(wěn)定性指的是船舶受外力作用稍微偏離原航向，而重心仍沿原航線運動時，船舶斜航漂角將如何變化的性能。也就是說，外力干擾消失后，若船舶不僅最終航向與初始航向相同，而且位置也在原航向延伸線上，則稱船舶具有靜航向穩(wěn)定性（位置穩(wěn)定性）。一般船舶均不具備靜航向穩(wěn)定性，因為一旦發(fā)生斜航，其漂角的出現(xiàn)將產(chǎn)生使漂角繼續(xù)增大的轉(zhuǎn)頭力矩，往往不能自行回復(fù)到原航線上，故船舶常常表現(xiàn)為靜航向不穩(wěn)定。船首越首傾，船體側(cè)面積在船首分布越多，靜航向穩(wěn)定性就越差。2. 動航向穩(wěn)定性動航向穩(wěn)定性指的是當(dāng)外界干擾消除后，船舶在不用舵糾正的情況下，能盡快地穩(wěn)定于新航向的性能。也即船舶直線穩(wěn)定性。穩(wěn)定

39、于新航向較慢、慣性轉(zhuǎn)頭角較大的船，其動航向穩(wěn)定性較差；穩(wěn)定得較快、慣性轉(zhuǎn)頭角較小的船，其動航向穩(wěn)定性較好；一直轉(zhuǎn)頭不停而偏轉(zhuǎn)下去的船，則不具備動航向穩(wěn)定性。一般所說的船舶航向穩(wěn)定性指的就是動航向穩(wěn)定性。大多數(shù)船舶都具有動航向穩(wěn)定性。當(dāng)然，航向穩(wěn)定性差甚至航向不穩(wěn)定的船舶，為了保持航向，就需頻繁操舵，且所用舵角也偏大。二、 船舶航向穩(wěn)定性的判別在保持正舵條件下，一階操縱運動方程可寫為： · T r + r = 0求解上式，可得外界干擾消失后，初始轉(zhuǎn)頭角速度為r0的任意時刻t的轉(zhuǎn)頭角速度r的表達式 r = r0 e t / T （1-20）由式（1-20）可知，當(dāng)T>0時，T值越小

40、，則e t/T就很快地衰減趨于零，轉(zhuǎn)頭角速度也就衰減得較快，即航向很快穩(wěn)定。若T為大的正值，則轉(zhuǎn)頭角速度r衰減得慢，航向穩(wěn)定性就較差。相反，若T<0，船舶不具備航向穩(wěn)定性。如圖113所示。如將式（1-20）對時間t積分，則可得到船舶因外界干擾具有轉(zhuǎn)頭角速度r0，而當(dāng)干擾消除之后，船舶慣性轉(zhuǎn)頭角度得表達式 = rdt = r0e-t/T dt = r0T （1-21） 0 0由上式可知，船舶受干擾后偏離原航向的角度大小由干擾造成的初始轉(zhuǎn)頭角速度r0和航向穩(wěn)定性指數(shù)T來決定。在同樣的干擾情況下，T為小的正值，則偏航角度（慣性轉(zhuǎn)頭角）較?。籘為大的正值，則偏航角度就大。若T為負值，則船舶將一直

41、偏轉(zhuǎn)下去。由此可見，船舶的航向穩(wěn)定性可以用航向穩(wěn)定性指數(shù)T來衡量。圖113三、 船舶保向性及其影響因素1. 船舶保向性船舶保向性與航向穩(wěn)定性并不是同一概念。航向穩(wěn)定性是具有一定初始轉(zhuǎn)頭角速度的船舶，僅在船體因轉(zhuǎn)頭而受到的旋回阻矩作用下逐漸穩(wěn)定于新航向的能力。是船舶本身固有的性能。保向性則是指船舶在風(fēng)、浪、流等外力作用下，由操舵水手（或自動舵）通過羅經(jīng)識別船舶首搖情況，并通過操舵抑制或糾正首搖使船舶駛于預(yù)定航向的能力。船舶保向性的好壞不僅與航向穩(wěn)定性的好壞有關(guān)，同時取決于操舵人員的技能及熟練程度、自動舵的控制能力、舵機的響應(yīng)能力以及舵的控向能力。顯然，航向穩(wěn)定性越好的船舶，保向性也越好。2. 影

42、響保向性的因素1) 船型方型系Cb較小，長寬比L/B較高的瘦削型船舶，回轉(zhuǎn)時阻矩較大，航向穩(wěn)定性較好，保向性較好；肥胖型船則較差。2) 水線下船體側(cè)面積形狀水線下側(cè)面積在船尾分布較多的船舶，如船首較為削進、船尾有較大鈍材的船舶，其航向穩(wěn)定性較好，保向性也較好；而裝有球鼻首的船將使其航向穩(wěn)定性降低。3) 載態(tài)輕載較滿載時的航向穩(wěn)定性好，保向性也好；尾傾較首傾時保向性好。但在受強風(fēng)影響時，船舶空載或輕載時的受風(fēng)面積大，故保向性會下降。4) 船速對同一艘船舶而言，船速越高，保向性越好。5) 舵角隨著舵角的增加，船舶的保向性將得到明顯改善。尤其對于超大型油輪常需使用大舵角才能保向。6) 舵面積比舵面積

43、越大，航向穩(wěn)定性越好，保向性越好。7) 其他因素水深變淺、污底增加，將使航向穩(wěn)定性變好，保向性提高；順風(fēng)、順流航行將使航向穩(wěn)定性變差，保向性下降。第四節(jié) 船舶操縱運動方程及操縱性指數(shù)一、 船舶操縱運動方程1. 船舶操縱運動方程的由來如果把船舶近似看成剛體，并假定船舶在旋回時只受到轉(zhuǎn)船力矩和水的阻矩的作用，根據(jù)力學(xué)中有關(guān)定律，則可得出： · IG·r =M MW ·式中IG為船舶繞重心G豎軸的慣性矩，r為回轉(zhuǎn)角加速度。由于Ma·，MWb·r，則· IG · r = abr （1-11）式中a為轉(zhuǎn)船力矩系數(shù)，b為阻尼力矩系數(shù)。將

44、上式（1-11）稍加整理，可得 IG · a r + r = （1-12） b b IG a令： =T ， =K ，則式（1-12）可轉(zhuǎn)化為： b b · T·r + r = K· （1-13）式中：K旋回性指數(shù)（s-1）；T追隨性指數(shù)（s）；r旋回角速度（1/s）；·r旋回角加速度（1/s2）；舵角（°）式（1-13）就是野本謙作的一階近似操縱運動方程式。顯然，T指數(shù)是船舶繞其重心豎軸的慣性矩與船舶旋回阻矩系數(shù)之比所決定的常數(shù)；K指數(shù)是操舵后轉(zhuǎn)船力矩系數(shù)與船舶旋回阻矩系數(shù)之比所決定的常數(shù)。船舶K、T值的大小將決定船舶在操舵后任意時刻

45、所具有的轉(zhuǎn)頭角加速、角速度、轉(zhuǎn)向角度的值，K、T指數(shù)可用來表示船舶操縱性的優(yōu)劣。因此，稱之為船舶操縱性指數(shù)。2. K、T指數(shù)與船舶操縱性的關(guān)系船舶直航中操舵，設(shè)初始條件t=0時，r=0，則求解一階操縱運動方程可得船舶轉(zhuǎn)頭角速度的表達式： r = K0（1-et/T） （1-14）r隨時間的變化情況如圖18所示，當(dāng)T>0時，et/T將隨時間的延長而衰減下去，轉(zhuǎn)頭角速度最終逐漸穩(wěn)定于定值K0，即定常旋回時，船舶以r0=K0的角速度作旋回，而船舶定常旋回時的切線速度Vt與r0的關(guān)系是：Vt = r0 R，故R = Vt / r0= Vt / K0 。因此，K值越大，則定常旋回角速度越大，旋回半

46、徑也就越小，船舶的旋回性越好；反之，K值越小，船舶旋回性越差。所以稱K為船舶旋回性指數(shù)。圖18在式（1-14）中，設(shè)t =T 則有r = K0（1-et/T）= K0（1-0.368） 0.63 K0這說明，T值是表示操舵后，船舶對舵角響應(yīng)的時間滯后的一種指數(shù)。在數(shù)值上等于操舵后船舶回轉(zhuǎn)角速度達到0.63 K0（即63%定常旋回角速度）所需的時間。若T為正值，則T值越小，et/T趨于零的速度就越快，船舶進入定常旋回也就越快，即船舶追隨性越好；反之，T值越大，追隨性就差。所以稱T為船舶追隨性指數(shù)。此外，T值小，船舶慣性轉(zhuǎn)頭角就小，能較快地穩(wěn)定在新航向上，即航向穩(wěn)定性較好；T值大，則慣性轉(zhuǎn)頭角較大

47、，航向穩(wěn)定得較慢，即航向穩(wěn)定性差。若T<0，則船舶不具備航向穩(wěn)定性?？梢?，T指數(shù)還可反映船舶航向穩(wěn)定性的好壞，所以又稱其為航向穩(wěn)定性指數(shù)。二、 K、T指數(shù)的無因次化與數(shù)值范圍一般說來，較大的船舶都具有應(yīng)舵較慢、旋回直徑較大的特點（絕對數(shù)值），這給比較大小不同的各類船舶的操縱性帶來不便。例如具有相同K、T值的兩船，以船長L大，航速Vs低者，操縱性好。為了便于比較不同種類船舶或同一船舶不同狀態(tài)下的操縱性，通常將K、T指數(shù)作無因次化處理，即消去其量綱。其處理方式按以下公式進行： L Vs K= K T= T Vs L式中： Vs回轉(zhuǎn)時初速度（m/s）； L船長（m）； K旋回性指數(shù)（1/s）；

48、 T追隨性指數(shù)（s）；K、T值多從Z形試驗中求得，下表給出了一些實船的K、T實測數(shù)據(jù)。表13從上表可知，同一船舶條件不同，K、T值均不相同。在其他條件相同的情況下，同一船舶的K、T，隨Z型試驗時所用舵角的增大而同時減小；隨吃水的增大而同時增大；隨水深的變淺而同時減?。浑S尾傾增加而同時減小。此外，K、T還隨船型系數(shù)Cb/（L/B）的增大而同時增大，也就是說，豐滿而短粗的船舶K、T值較高，操舵后應(yīng)舵慢，旋回圈較小，航向穩(wěn)定性較差；然瘦削而修長的船舶K、T值較低，操舵后應(yīng)舵快，旋回圈較大，航向穩(wěn)定性較好。通常認為，實船Z形試驗（10°/10°）所測得的K、T值處于下列數(shù)值范圍內(nèi)，

49、即可認為該船具有一般的操縱性能。滿載貨船（L = 100150 m）： K= 1.52.0 ， T= 1.52.5 ；滿載油船（L = 150250 m）： K= 1.73.0 ， T= 3.06.0 ；三、 K、T指數(shù)在實際操船中的應(yīng)用1. 旋回圈部分要素的求算1) 定常旋回半徑 R = Vt/r = Vs/K0 = L/K0 （1-15）2) 定常旋回直徑 D = 2R = 2 Vs / K0= 2 L / K0 （1-16）3) 心距： Re = Vs （T + t1 / 2） （1-17）4) 進距： Ad = Re + R = Vs （T + t1 / 2）+ Vs / K0 （1-

50、18）上述式中： K旋回性指數(shù)（1/s）； T追隨性指數(shù)（s）; Vs旋回時初速（m/s）； 0所操舵角，單位為弧度； t1操舵時舵角由正舵至0所需的時間（s） 。計算出Re、R后，即可近似地畫出類似圖19所示的旋回圈軌跡。圖192. 推算新航向距離如圖110所示，原航線上應(yīng)提前操舵的施舵點A至轉(zhuǎn)向點C之間的距離，稱為到新航向距離。 0 DNC = AB + BC = Re +R·tg 2 t1 Vs 0 = Vs （T + ）+ tg （1-19）2 K0 2計算時應(yīng)注意式中各量的單位統(tǒng)一。旋回時初速Vs單位為m/s；K指數(shù)單位為1/s；T指數(shù)單位為s；操舵時間t1單位為s；所操舵

51、角0單位為弧度（1°= 157.3弧度）；轉(zhuǎn)向角0單位為度（°）；新航向距離DNC單位為m。圖1103. 利用K、T指數(shù)對船舶操縱性進行分類不同種類、結(jié)構(gòu)和大小的船舶，其操縱性會有很大的不同。按照K、T指數(shù)比較船舶的旋回軌跡，可將船舶操縱性大致分為四類，如圖1-11所示。A型：T小K大，該類船舶旋回性、追隨性均好。操舵后，應(yīng)舵快，旋回圈也小。舵面積比較高的船即屬此類船舶，其Re、Ad短，Tr、DT和D也短。B型：T小K小，該類船舶旋回性差、追隨性好。操舵后，應(yīng)舵雖快，但旋回圈較大。淺吃水或空載狀態(tài)的船屬此類船舶，其Re、Ad短，但Tr、DT和D卻長。C型：T大K大，該類船舶

52、旋回性好、追隨性差。操舵后，應(yīng)舵慢，但旋回圈較小。深吃水或滿載狀態(tài)的船舶常具有此種特點。滿載的超大型油輪，雖然舵面積比很小，但也具有這種特點。其Re、Ad長，但Tr、DT和D卻短。D型：T大K大，該類船舶旋回性、追隨性均差。操舵后，應(yīng)舵慢且旋回圈較大。舵面積比較小的船舶、瘦型船均屬此類。其Re、Ad長，Tr、DT和D也長。 圖111第五節(jié) 實船操縱性試驗操縱性試驗的目的是為了求得船舶操縱性衡準及各運動要素，從而評價船舶操縱性的優(yōu)劣。實船操縱性試驗通常包括：旋回試驗（turning test）、Z形試驗（Zig - zag manoeuvre test）、螺旋試驗（spiral test）和逆螺旋試驗（reverse spiral test）、改向試驗（course change test）、停船試驗（stopping test）五項試驗。試驗水域的狀態(tài)應(yīng)符合水面寬敞、具備不受淺