船舶旋回性解析課件

船舶操縱

薛滿福

船舶操縱

薛滿福

第一章船舶操縱性能第一節(jié)船舶旋回性第二節(jié)航向穩(wěn)定性和保向性第三節(jié)船舶的變速運動性能第四節(jié)船舶操縱性試驗第一章船舶操縱性能第一節(jié)船舶旋回性變向性能概述船舶旋回運動過程分析旋回圈的大小及其要素影響旋回圈大小的因素旋回圈要素在實際操船中的應(yīng)用第一節(jié)船舶旋回性

變向性能概述第一節(jié)船舶旋回性一、變向性能概述

1.旋回性定速直航的船舶操某一大舵角后進入定常旋回的運動性能稱為船舶的旋回性能，它是衡量船舶回轉(zhuǎn)運動所占最小水域范圍大小的性能指標(biāo)。2.初始回轉(zhuǎn)性初始回轉(zhuǎn)性是指操中等舵角時船舶航行單位距離內(nèi)航向角變化大小的性能，或在給定航向角變化量時船舶所航行的距離長短的性能。單位距離內(nèi)航向角變化大或給定航向角變化量時船舶所航行的距離短，稱初始回轉(zhuǎn)性好，反之則初始回轉(zhuǎn)性差。一、變向性能概述旋回性與初始回轉(zhuǎn)性的區(qū)別兩者都是船舶的操縱性能之一，但評價船舶運動性能的目的不同，旋回性評價船舶運動所占用的最小水域，而初始回轉(zhuǎn)性是評價船舶改變航向的效率，即船舶航向?qū)Σ俣娴姆磻?yīng)能力。兩者實質(zhì)上都是船舶改變航向的性能，只是所用舵角不同，旋回性比初始回轉(zhuǎn)性的變向效果更好，但在船舶正常航行過程中，除非緊急情況，很少用滿舵(或大舵角)進行變向操縱旋回性與初始回轉(zhuǎn)性的區(qū)別3.首搖抑制性首搖抑制性能是指船舶進入旋回狀態(tài)，角速度達到一定時向旋回相反方向操舵，船首向?qū)Χ娴姆磻?yīng)能力的性能，即指操反舵后船首向?qū)Χ娴捻憫?yīng)迅速程度的性能。如果船首向很快就能響應(yīng)舵的轉(zhuǎn)動，我們稱其首搖抑制性好，反之，首搖抑制性差。例如，在標(biāo)準(zhǔn)Z形操縱試驗中的“超越角”越小，首搖抑制性能越好，反之，首搖抑制性差。3.首搖抑制性二、船舶旋回的運動過程

船舶以一定航速直進當(dāng)中操某一舵角并保持之，船舶將進入旋回過程。1.第一階段轉(zhuǎn)舵階段指從轉(zhuǎn)舵開始到舵轉(zhuǎn)至規(guī)定角度為止，時間很短，通常船舶不超過15s。二、船舶旋回的運動過程1）受力特點船舶操舵后，由舵角引起橫向力和力矩，使船產(chǎn)生橫向加速度和回轉(zhuǎn)角加速度。1）受力特點2）運動特點（1）船舶產(chǎn)生一定的漂角斜航；（2）船尾出現(xiàn)明顯外移；（3）轉(zhuǎn)心P在船首附近，也可能在首尾線延長線上；（4）降速不明顯；（5）船舶還將因舵力位置較船舶重心位置低而出現(xiàn)少量的向操舵一舷的橫傾（內(nèi)傾）。內(nèi)傾角大小與船舶初穩(wěn)性GM值、所操舵角及船速有關(guān)2）運動特點2.第二階段操舵后，隨著船舶橫移速度與漂角的增大，船舶的運動速度矢量將逐漸偏離首尾面而向外轉(zhuǎn)動，越來越明顯的斜航運動將使船舶的旋回運動進入加速旋回階段。1）受力特點水動力力矩N(β)與舵力轉(zhuǎn)船力矩Nδ相輔相成，使船舶產(chǎn)生較大的角加速度，但在初始階段，船舶的轉(zhuǎn)動角速度還比較?。?.第二階段隨著角速度的不斷提高，船舶旋回的阻尼力矩N(r)不斷增大，角加速度逐漸降低，從而使角速度的增加受到限制。由于船舶斜航阻力增加、螺旋槳推進效率降低等方面的原因，船舶降速明顯。隨著船舶旋回角速度的增大，船舶由于受旋回離心慣性力（矩）的作用，船舶的橫傾由內(nèi)傾轉(zhuǎn)變?yōu)橥鈨A。隨著角速度的不斷提高，船舶旋回的阻尼力矩N(r)不斷增大，角2）運動特點（1）隨漂角的增大，船舶旋回不斷加快;（2）轉(zhuǎn)心由船首方向逐漸后移；（3）角加速度漸次降低，并逐漸向定常旋回階段過渡；（4）斜航中船舶降速加??；2）運動特點（5）由于作用在船體的橫向水動力超過舵力，內(nèi)傾消失，并且因橫向搖擺慣性的存在將產(chǎn)生最大的外傾角，最大外傾角一般為定常外傾角的1.2～1.5倍。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，尤其是航速較高的船舶。當(dāng)船舶在旋回中一旦產(chǎn)生較大的外傾角時，切忌急速回舵或操相反舷舵，否則會進一步增大外傾角，威脅船舶的安全。（5）由于作用在船體的橫向水動力超過舵力，內(nèi)傾消失，并且因橫3.第三階段隨著旋回阻尼力矩的增大，當(dāng)船舶所受的舵力轉(zhuǎn)船力矩Nδ、漂角水動力轉(zhuǎn)船力矩N(β)和阻尼力矩N(r)相平衡時，船舶的旋回角加速度變?yōu)榱悖暗男亟撬俣冗_到最大值并穩(wěn)定于該值，船舶將進入穩(wěn)定旋回階段，因此該階段也稱為定常旋回階段。3.第三階段1）受力特點船舶所受各力之合力為零；作用于船舶的各力矩之和為零。2）運動特點（1）船舶的旋回角加速度為零，旋回角速度恒定不變；1）受力特點（2）船舶旋回中漂角趨于穩(wěn)定并保持定值，一般船舶的旋回運動中重心處的漂角大約在3o～15o之間。漂角越大的船舶，其旋回性越好，超大型船舶較一般貨船的方形系數(shù)值較高，長寬比較低，有著較好的旋回性，它在定常旋回中的漂角也較大，最大可達到20o左右。（3）轉(zhuǎn)心P逐漸穩(wěn)定，對于不同船舶而言，該點的位置大約在離船首柱后1/3～1/5船長處。船處于后退中，轉(zhuǎn)心位置則在船尾附近。對于不同船舶而言，旋回性能越好、旋回中漂角β越大的船舶，其穩(wěn)定旋回時的轉(zhuǎn)心P越遠離船中。（2）船舶旋回中漂角趨于穩(wěn)定并保持定值，一般船舶的旋回運動中（4）由于船舶旋回慣性離心力矩的作用，橫傾達到最大外傾角后，船舶經(jīng)過1～2次搖擺，最后穩(wěn)定于某一定常外傾角θ上。船舶旋回中定常外傾角θ的大小與船速、所操的舵角、船舶的旋回性能和船舶的初穩(wěn)性高度GM等有關(guān)，船速越高、船舶的旋回直徑越小、船舶的初穩(wěn)性高度越低，定常外傾角θ越大。（4）由于船舶旋回慣性離心力矩的作用，橫傾達到最大外傾角后，（5）船舶的橫移速度、線速度固定不變。一般從操舵開始到船首轉(zhuǎn)過90o左右船舶進入定常旋回后，速度不再下降。減速的幅度與旋回性的關(guān)系是，旋回性越好，減速越顯著。一般船舶旋回中的降速幅度大約為旋回操舵前船舶速度的25%～50%，而旋回性能很好的超大型油輪在旋回中的降速幅度最大可達到原航速的65%。（5）船舶的橫移速度、線速度固定不變。一般從操舵開始到船首轉(zhuǎn)船舶旋回過程中運動參數(shù)變化

船舶旋回過程中運動參數(shù)變化三、旋回要素旋回圈是定速直航（一般為全速）的船舶操一定舵角（一般為滿舵）后，其重心所描繪的軌跡。三、旋回要素1.旋回初徑DT旋回初徑是旋回運動的船舶航向角變化180o時船舶重心的橫向移動距離。旋回初徑是判斷旋回過程中船舶橫向占用水域范圍的依據(jù)。旋回初徑越小，船舶旋回性越好，反之，船舶旋回性越差。一般運輸船舶的相對旋回初徑(DT/L)為3～6，為保證良好的航向機動性，通常應(yīng)保證DT/L在2.8～4.2之間，最大不應(yīng)超過5.0，否則旋回性能較差。1.旋回初徑DT2.旋回直徑D旋回直徑是指船舶進入定常旋回時的旋回圈直徑。它是判斷船舶定常旋回過程中占用水域范圍的依據(jù)。對于運輸船舶來說通常D≈0.9-1.2DT。2.旋回直徑D3.進距Ad進距也稱縱距，是指從操舵開始到船舶的航向轉(zhuǎn)過任一角度時重心所移動的縱向距離，通常將航向角變化90o時船舶重心的縱向移動距離稱為進距。它是判斷旋回過程中船舶縱向占用水域范圍的依據(jù)。3.進距Ad進距越小，表示船舶對操舵的反應(yīng)越迅速，即船舶初始回轉(zhuǎn)性能越好。反之，進距越大，表示船舶對操舵的反應(yīng)越遲鈍，即初始回轉(zhuǎn)性能越差。據(jù)統(tǒng)計，進距大約為旋回初徑的0.6～1.2倍，一般運輸船舶的相對進距(Ad/L)在2.8～4.0之間，最大不應(yīng)超過4.5。進距越小，表示船舶對操舵的反應(yīng)越迅速，即船舶初始回轉(zhuǎn)性能越好4.橫距Tr橫距是指從操舵開始到船舶的航向轉(zhuǎn)過任一角度時船舶重心所移動的橫向距離，通常，將航向角變化90o時船舶重心的橫向移動距離稱為橫距。橫距大約為旋回初徑的一半。4.橫距Tr5.滯距Re亦稱心距。正常旋回時，船舶旋回軌跡曲率中心O總較操舵時船舶重心位置更偏于前方。滯距是該中心O的縱距。滯距大約為1～2倍船長，它表示操舵后到船舶進入旋回的“滯后距離”，也是衡量船舶舵效的標(biāo)準(zhǔn)之一。5.滯距Re6.反移量Lk在旋回轉(zhuǎn)舵階段，在舵產(chǎn)生的橫向力的作用下，使船舶重心產(chǎn)生向轉(zhuǎn)舵相反方向的橫移量，其稱為反移量。一般情況下，滿舵旋回反移量約為船長的1/100左右。6.反移量Lk但操船中應(yīng)注意的是，船尾的反移量卻不容忽視，其最大量約為船長的1／5～1／10，約出現(xiàn)在操舵后船舶的轉(zhuǎn)頭角達一個羅經(jīng)點左右的時刻。反移量的大小與船速、舵角、操舵速度、排水狀態(tài)及船型等因素有關(guān)；船速、舵角越大，反移量越大。但操船中應(yīng)注意的是，船尾的反移量卻不容忽視，其最大量約為船長四、影響旋回圈大小的因素1.船型因素1）方形系數(shù)Cb一般說來，方形系數(shù)較低、長寬比較高的船舶旋回性較差。類似超級油輪之類的肥大型船舶，方形系數(shù)一般在0.8左右，其旋回性較好。四、影響旋回圈大小的因素2）長寬比L/B長寬比較大的船舶，其船體外形比較瘦長，鈍度較小，縱向移動阻力較小，因此其快速性較好；但由于其船體瘦長，旋回阻尼較大，故這類船舶的旋回性較差。反之長寬比較小的船舶，其船體外形比較肥短，鈍度較大，旋回阻尼較小，故這類船舶的旋回性較好，如港作拖船。2）長寬比L/B3）船體水線下側(cè)面積形狀及分布船首部分分布面積較大如有球鼻首者，或船尾比較瘦削的船舶，水線下側(cè)面積幾何形心靠前，水動力作用中心靠近船首，旋回性較好，旋回圈較小。而船尾部分分布面積較大者如船尾有鈍材，或船首比較削進的船舶，水動力作用中心靠近船尾，航向穩(wěn)定性較好而旋回性較差，旋回圈較大。3）船體水線下側(cè)面積形狀及分布4）舵面積比舵面積比是指舵面積與船體浸水側(cè)面積（LPP×d）的比值。舵面積與船長吃水比越大，表示舵面積所占船體水下側(cè)面積的比例越大，舵力和舵力轉(zhuǎn)船力矩越大因而提高船舶的旋回性，旋回圈變小。大型油輪由于具有易于旋回的肥胖船型，用不著很大的舵面積比。而對于大型集裝箱船，一般靠增大舵面積來彌補由于長寬比較大而造成的旋回性差的缺點。因此，大型集裝箱船較大型油船的舵力和舵力和舵力轉(zhuǎn)船力矩要大，舵效要好。4）舵面積比2.裝載狀態(tài)1）吃水一般船舶均有舵面積比隨吃水增加而降低的趨勢。因此，若縱傾狀態(tài)相同，吃水增加時，旋回進距增大，橫距和旋回初徑也將有所增加。2.裝載狀態(tài)2）吃水差吃水差在較大程度上改變了船舶水線下船體側(cè)面積的分布狀態(tài)，因而對船舶旋回性能帶來明顯的影影響。尾傾增大，旋向圈也將增大。對于Cb=0.8的船舶，若尾傾增大量為船長的1%，旋回初徑將可增加10%左右；對于Cb=0.6的船舶，若尾傾增大量為船長的1%，旋回初徑將可增加3%左右?？蛰d與滿載時的旋回初徑及橫距相差無幾，只是滿載時旋回的進距較輕載時大一些。2）吃水差3）橫傾低速時，推力－阻力轉(zhuǎn)矩起主要作用，推首向低舷側(cè)偏轉(zhuǎn)。此時，若操舵向低舷側(cè)旋回則其旋回圈較小，反之如操舵向高舷側(cè)旋回則其旋回圈較大。高速時，首波峰壓力轉(zhuǎn)矩起主要作用，推船首向高舷側(cè)偏轉(zhuǎn)。此時，如操舵向低舷側(cè)旋回其旋回圈較大，反之如操舵向高舷側(cè)旋回則其旋回圈較小。但總的來講，橫傾對旋回圈的影響并不大。3）橫傾3.操船因素1）船速一般說來，船速對船舶旋回所需時間的長短具有明顯的影響，但對旋回初徑大小的影響卻呈現(xiàn)較為復(fù)雜的情況。3.操船因素2）操舵時間操舵時間主要對船舶的進距影響較大，進距隨操舵時間的增加而增加，而對橫距和旋回初徑的影響不大，旋回直徑則不受其影響。3）旋回方向由于受螺旋槳橫向力的影響，船舶向左或向右旋回時的旋回圈的大小將有所不同。對于右旋固定螺距螺旋槳單車船而言，在其它條件相同的情況下，向左旋回時的旋回初徑要比向右旋回時的旋回初徑小一些。對于超大型船舶而言，這一差別很小。2）操舵時間4.環(huán)境因素在淺水中的旋回圈明顯增大。當(dāng)水深吃水比小于2時，旋回圈有所增大（特別是對高速船而言）；當(dāng)水深吃水比小于1.5時，旋回圈明顯增大；當(dāng)水深吃水比小于1.2時，旋回圈急劇增大。風(fēng)、流的作用都將對船舶旋回性產(chǎn)生影響，但并不是簡單地使旋回性變好或變差的問題。在不同的情況下，風(fēng)、流的作用不僅對旋回圈的大小發(fā)生變化，而且會同時改變旋回圈幾何形狀。4.環(huán)境因素五、旋回圈要素在實際操船中的應(yīng)用1.旋回初徑可以用來估算船舶用舵旋回掉頭所需的水域；2.橫距可以用來估算操舵轉(zhuǎn)首后，船舶與岸或其它船舶是否有足夠的間距；3.滯距可以用來推算兩船對遇時無法旋回避讓的距離，即兩船對遇時的距離小于兩船的滯距之和，則用舵無法避讓；4