船舶操纵第二章操纵性能好

1、第二章第二章 船舶操纵性能船舶操纵性能第一节 船舶操纵性能概述一一 船舶操纵性船舶操纵性船舶操纵性船舶操纵性(ship manoeuvrability or ship manoeuvring characteristics)是指船体、螺旋桨和舵在水中作相对运动所产生是指船体、螺旋桨和舵在水中作相对运动所产生的水动力，使船舶保持和改变其运动状态的性能。或者说船舶对的水动力，使船舶保持和改变其运动状态的性能。或者说船舶对驾驶人员实施操纵的响应能力。船舶操纵性是一门新兴的年青学驾驶人员实施操纵的响应能力。船舶操纵性是一门新兴的年青学科。科。 船舶操纵性可分为船舶操纵性可分为固有操纵性固有操纵性和和控

2、制操纵性控制操纵性两种概念。固有操两种概念。固有操纵性是指船舶不考虑外界环境条件、操舵装置性能、驾驶入员的纵性是指船舶不考虑外界环境条件、操舵装置性能、驾驶入员的技术水平而自身固有的操纵特性，而控制操纵性则是考虑上述因技术水平而自身固有的操纵特性，而控制操纵性则是考虑上述因素基础上船舶所表现出来的操纵性能。素基础上船舶所表现出来的操纵性能。 船舶固有操纵性包括船舶船舶固有操纵性包括船舶变向性能和船舶变速性能变向性能和船舶变速性能两大方面。两大方面。 船舶变向性能，又称船舶方向性，它包含船舶船舶变向性能，又称船舶方向性，它包含船舶定常回转性定常回转性、船船舶追随性舶追随性和和船舶航向稳定性船舶航

3、向稳定性三个性能，这是一般所指的船舶操纵三个性能，这是一般所指的船舶操纵性，实际上是一个狭义上的概念。广义研究船舶操纵性则必须将性，实际上是一个狭义上的概念。广义研究船舶操纵性则必须将船舶变速性能包括进去。船舶变速性能包括进去。 第一节 船舶操纵性能概述(一）变向性的三要素一）变向性的三要素 驾驶人员操纵时要求船舶具有良好的操纵性，则必须要求施舵后所表驾驶人员操纵时要求船舶具有良好的操纵性，则必须要求施舵后所表现出的舵效反应特性好以及正舵时几乎能直线航行的航向稳定性良好。前现出的舵效反应特性好以及正舵时几乎能直线航行的航向稳定性良好。前者是避让来船的重要性能，后者则是船舶直航时的必要性能。变向

4、性可用者是避让来船的重要性能，后者则是船舶直航时的必要性能。变向性可用三个要素来评价。三个要素来评价。 l. 船舶追随性船舶追随性(yaw quick responsibility) 船舶追随性是指当船舶施舵后，船首是否能很快转头；以及回至正舵船舶追随性是指当船舶施舵后，船首是否能很快转头；以及回至正舵时是否很快转入直进状态的性能。它表示船舶追随操舵而进行转头的容易时是否很快转入直进状态的性能。它表示船舶追随操舵而进行转头的容易程度。程度。 2. 船舶定常回转性船舶定常回转性(steadyturning ability) 船舶定常回转性是指当船舶向左船舶定常回转性是指当船舶向左(右右)操舵后，

5、船舶进入定常旋回时是否操舵后，船舶进入定常旋回时是否具有较小的旋回圈、是否较快地进行旋回的性能。它表示船舶在一定舵角具有较小的旋回圈、是否较快地进行旋回的性能。它表示船舶在一定舵角下旋回力的强度。下旋回力的强度。 3. 船舶航向稳定性船舶航向稳定性(course st汕汕ility) 航向稳定性是指在较短时间内不操舵，而船舶仍可保持直航的性能。航向稳定性是指在较短时间内不操舵，而船舶仍可保持直航的性能。航向稳定性亦称方向稳定性，追随性好的船其方向稳定性也好。航向稳定性亦称方向稳定性，追随性好的船其方向稳定性也好。 ),()(倒车制动停船停车加减速启制动能力航向稳定性机动性追随性定常旋回性船舶操

6、纵灵活性方向性船舶固有操纵性第一节 船舶操纵性能概述 由于这三个因素随着船舶水线下形状，以及作用于船体的水动力及回由于这三个因素随着船舶水线下形状，以及作用于船体的水动力及回转力矩的变化而变化的。所以，船舶旋回性能与追随性和方向稳定性转力矩的变化而变化的。所以，船舶旋回性能与追随性和方向稳定性不是不是一致的一致的，应综合实际需要加以选择。，应综合实际需要加以选择。总的说来，方形系数总的说来，方形系数cb小的船，如集装箱船等，其追随性和航向稳定性小的船，如集装箱船等，其追随性和航向稳定性较优，而旋回性较差；较优，而旋回性较差；cb大的船，如油轮尤其是超大型油轮等，其旋回大的船，如油轮尤其是超大型

7、油轮等，其旋回性较好，但追随性和航向稳定性则较差。性较好，但追随性和航向稳定性则较差。（二）影响操纵性优劣的因素：（二）影响操纵性优劣的因素：a船体对称与否（关于中纵剖面的船体线型、螺旋桨推力轴线、舵的数船体对称与否（关于中纵剖面的船体线型、螺旋桨推力轴线、舵的数目及安）；目及安）；b螺旋桨的推力、拉力，螺旋桨数目、旋转方向；螺旋桨的推力、拉力，螺旋桨数目、旋转方向；c舵面积系数：；舵面积系数：；d船体长宽比（）：；船体长宽比（）：；e船舶排水量、货物配载、浮态；船舶排水量、货物配载、浮态；f船舶水线上侧面积、水线下侧面积。船舶水线上侧面积、水线下侧面积。 第一节 船舶操纵性能概述控制操纵性能

8、控制操纵性能 在不同外界环境条件下，根据实际操船需要，船舶应具有以下在不同外界环境条件下，根据实际操船需要，船舶应具有以下的良好控向性能。即控制变向操纵性，它与上述固有操纵性密切的良好控向性能。即控制变向操纵性，它与上述固有操纵性密切相关，但又不是完全相同的概念。相关，但又不是完全相同的概念。l. 船舶改向性船舶改向性(course changingability)：表示船舶改向灵活的程：表示船舶改向灵活的程度。通常由船舶改向试验所表现的由原航向改驶新航向时到新航度。通常由船舶改向试验所表现的由原航向改驶新航向时到新航向的距离来表示改向性的优劣。向的距离来表示改向性的优劣。2. 船舶旋回性船舶

9、旋回性(turning ability)：与前面所述的定常旋回性不同，：与前面所述的定常旋回性不同，它不仅包括定常旋回，也包括了定常旋回前的加速旋回的过程。它不仅包括定常旋回，也包括了定常旋回前的加速旋回的过程。3船舶保向性船舶保向性(course keepingability)：不仅决定于航向稳定性，：不仅决定于航向稳定性，也受舵工技术水平、操舵装置功能的优劣所影响。虽然保向性与也受舵工技术水平、操舵装置功能的优劣所影响。虽然保向性与航向稳定性并非同义词，但由于一般舵工技术、操舵装置性能无航向稳定性并非同义词，但由于一般舵工技术、操舵装置性能无甚差异，因此方向稳定性直接决定着保向性的好坏。甚

10、差异，因此方向稳定性直接决定着保向性的好坏。航向稳定性和回转性是相互矛盾的：航向稳定性和回转性是相互矛盾的：远洋远洋航向稳定性；内河、狭水道航向稳定性；内河、狭水道安全性。安全性。所以：保持所以：保持稳定性稳定性经济性经济性 改变改变避开避开安全性安全性 第一节 船舶操纵性能概述二、船舶变速性能二、船舶变速性能 船舶在自身车、船体条件下，所具有的变速性能包括：船舶在自身车、船体条件下，所具有的变速性能包括：加速性能、减速性能、停车性能和倒车性能称之为加速性能、减速性能、停车性能和倒车性能称之为固有操固有操纵性的变速性能纵性的变速性能。而船舶在不同外界条件下如风流、航道，包括船舶在操舵而船舶在不

11、同外界条件下如风流、航道，包括船舶在操舵控制下，所表现出的变速性能，即控制下，所表现出的变速性能，即控制变速性能控制变速性能。其中停车性能和倒车性能统称为停船性能，是变速性能中其中停车性能和倒车性能统称为停船性能，是变速性能中最为重要的性能。最为重要的性能。 第一节第一节 船舶操纵性能概述船舶操纵性能概述 三、船舶操纵性能标准三、船舶操纵性能标准 1987年年11月月imo大会通过了大会通过了a601（15）决议，要求船舶配备的操）决议，要求船舶配备的操纵资料包括有纵资料包括有引航卡引航卡(pilotcard)、驾驶台张贴的有关本船操纵性、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能的

12、试验结果和模拟结果的驾驶台操纵性图驾驶台操纵性图(wheelhouse poster)和和船舶操纵手册船舶操纵手册(manoeuvring booket)三种。三种。 引航卡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资料,每航次由船长填写，内容包括船舶主尺度、操纵装置性能、每航次由船长填写，内容包括船舶主尺度、操纵装置性能、船舶在不同载况时主机不同转速下的航速以及船舶特殊操纵装置船舶在不同载况时主机不同转速下的航速以及船舶特殊操纵装置（侧推器）等信息，（侧推器）等信息，驾驶台操纵性图驾驶台操纵性图也是一种较详尽的性能资料，使驾驶人

13、员能充分也是一种较详尽的性能资料，使驾驶人员能充分了解本船操纵性能的资料，其内容包括深水和浅水，满载和压载了解本船操纵性能的资料，其内容包括深水和浅水，满载和压载情况下船舶的旋回圈轨迹图及制动性（停船试验）资料，情况下船舶的旋回圈轨迹图及制动性（停船试验）资料，船舶操纵手册则是最详尽地记入本船操纵性能。船舶操纵手册则是最详尽地记入本船操纵性能。 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。境，船舶满载平吃水，稳定的初始试验速度。 第一节第一节 船舶操纵性能概述船舶操纵性能概述 imo1993

14、年年11月月4日第日第18届大会通过的届大会通过的“船舶操纵性临时船舶操纵性临时标准标准”确定了船舶操纵性的标准，这个标准适用于确定了船舶操纵性的标准，这个标准适用于1994年年7月月1日或之后建造的舵桨推进方式、日或之后建造的舵桨推进方式、l100m的船舶。化学品的船舶。化学品油轮及液化气船不限长度。油轮及液化气船不限长度。imo一方面建议各国政府鼓励那一方面建议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，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，整理并报告另一方面要求各国收集应用后的数据，整理并报告imo，以，以便海上安

15、全委员会在此基础上对标准作出评估，必要时作出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。修改。 imo船舶操纵性能标准：船舶操纵性能标准：旋回性旋回性:用用35 或最大舵角以试航速度回转时，或最大舵角以试航速度回转时， 进距进距4.5l，回转初径，回转初径5l。初始回转性初始回转性:操左操左/右右10 舵角时，船首方位转过舵角时，船首方位转过10 以上角度时，航以上角度时，航 进距离进距离2.5l。抑制偏摆性抑制偏摆性:用第一惯性转头角衡量用第一惯性转头角衡量保向性保向性:用第二惯性转头角衡量用第二惯性转头角衡量停船性能停船性能:倒车冲程倒车冲程15l（大型船舶可修正）（大型船舶

16、可修正）(见见p17)第二节第二节 船舶运动方程和船舶运动方程和k/t指数指数一、操纵运动一般方程一、操纵运动一般方程船舶在水面运动的特点：复合运动船舶在水面运动的特点：复合运动复合坐标系复合坐标系称为操纵运动一阶称为操纵运动一阶kt方程方程，也称野本谦作（，也称野本谦作（nomoto）方程。）方程。它既能抓住其响应特性本质，又能比二阶方程更为简化。它既能抓住其响应特性本质，又能比二阶方程更为简化。其中：其中：k，t操纵性指数。操纵性指数。 kdtdt回转运动横移运动纵向运动运动坐标系固定坐标系第二节第二节 船舶运动方程和船舶运动方程和kt指数指数二二k、t指数的物理意义指数的物理意义 野本谦

17、作类比：假设一物体（船舶）的的转动惯性矩为，当它野本谦作类比：假设一物体（船舶）的的转动惯性矩为，当它以角速度回转时，所遭受的粘性阻矩为（其中以角速度回转时，所遭受的粘性阻矩为（其中系数，每单位系数，每单位回转角速度的粘性阻矩），此外船尾的舵转过一舵角后，会产生回转角速度的粘性阻矩），此外船尾的舵转过一舵角后，会产生一个作用于其上的力矩（其中一个作用于其上的力矩（其中系数，每单位舵角的回转力系数，每单位舵角的回转力矩），则该物体的运动方程可写作：矩），则该物体的运动方程可写作：移项，两边同除以，可得：移项，两边同除以，可得：将上式与一阶操纵方程将上式与一阶操纵方程 对比，有：对比，有： 性阻矩

18、每单位回转角速度的粘每单位舵角的转船力矩船舶回转阻矩系数船舶转船力矩系数nmk性阻矩每单位回转角速度的粘船舶惯性矩船舶回转阻矩系数船舶惯性矩nitnminmni kt 第二节第二节 船舶运动方程和船舶运动方程和kt指数指数2、值作为操纵性指数的意义、值作为操纵性指数的意义为进一步对船舶操纵性指数为进一步对船舶操纵性指数k、t进行了解，对一阶方程进行求解：进行了解，对一阶方程进行求解：设设 时，时， ，所操舵角，所操舵角 ，由一阶方程解得：，由一阶方程解得：所以角加速度和转向角度通过上式的微分积分可以求得：所以角加速度和转向角度通过上式的微分积分可以求得：0t00)1 (0ttekttetk0)

19、(0ttetttk由由 、 、 在阶跃操舵条件下随时间而在于变化的曲线图在阶跃操舵条件下随时间而在于变化的曲线图a、b、c可知：可知：（1）当）当 ， 时：时： ； （图（图b），（图），（图a），而），而 （图（图c） 达到最大值。达到最大值。（2）当）当 时：时： （图（图b），）， （图（图a），而），而 （图（图c） 。（3）当）当 时：时： （图（图b），）， （图（图a），而），而 （图（图c）。）。因为：因为：k、t值的大小决定船舶操舵后任意时刻所具有的值的大小决定船舶操舵后任意时刻所具有的 、 、的值，因此可用的值，因此可用k、t来表示船舶操纵性，故称来表示船舶操纵性，故称k、

20、t为操纵性指数。为操纵性指数。0t0t0000tktt 037. 0k063. 0k037. 0tkt0k0k 、t的意义：k旋回性指数（又称增益常数），定常旋回时， ，所以实质上是定常旋回中的船舶每单位舵角所能给出的转首角速度值，是表示操舵后船舶回转角速度大小的要素。 ，k大，表示转船力矩系数大而阻矩系数小，可使船舶获得较大的 。船舶定常回转时 ，则 。t追随性指数，表明船舶操舵后对舵角响应时间滞后的一种指数，表示从操舵开始达到相应舵角所对应的稳定旋回角速度时止所需时间长短。 ，t小，表示船舶惯性小而阻矩系数大，因为： ，所以：t小，则 衰减快，船舶稳定在某一 上就快，所以：船舶达到稳定旋回

21、角速度的快慢，要用t确定。 ;t航向稳定性指数; 0knmk 0k船舶旋回性knit ttetk0追随性t航向稳定快小超越角小)(0ttov航向稳定慢大超越角大)(0ttov四四k，t值的应用值的应用1评价操纵性的优劣评价操纵性的优劣1）k，t值对船舶的操纵性能有全面的描述2）k，t值的无因次化，：消去了船长和船速的影响，比较不同船舶的回转性和追随性。满载货船： ， ，满载油船： ， ，3）影响 ， 的因素 svlkklvttsmml1601000 . 25 . 1k5 . 25 . 1tmml2501200 . 37 . 1k0 . 60 . 3tkt（1）舵角：当）舵角：当 ，（2）舵面积

22、：）舵面积：（3）吃水：）吃水：（4）水线下侧面形状：尾鳍大，首鳍小）水线下侧面形状：尾鳍大，首鳍小 纵倾：纵倾：（5）水深变浅：）水深变浅：（6）船型系数：）船型系数：（7）船速：）船速： tk,tkar,tkd,t，k，t，k首纵倾平吃水尾纵倾tkdh,2tkblcb,tkvs,0102估算船舶定常旋回直径估算船舶定常旋回直径(或半径或半径)因为因为 ，又因为，又因为 ，所以，所以 ，式，式中取弧度，中取弧度， 取取m/s3估算船舶纵距估算船舶纵距因为因为所以所以rvs0k0kvrs0svda)2(1ttvrse0kvrs)12()2(0101kttvkvttvasssd4计算新航向距离计

23、算新航向距离:新航向距离：原航向线上的转舵点至转向点的距离。)2(1ttvrgbse2tan2tan0ckvcrbcs)2tan12(2tan)2(0101ckttvckvttvdsssnc2)2tan3 .57(10tvcktls船舶旋回性能：定速直航的船舶操某一大舵角后进入定常旋回的运船舶旋回性能：定速直航的船舶操某一大舵角后进入定常旋回的运动性能。动性能。一船舶旋回的运动过程一船舶旋回的运动过程(三个阶段的划分三个阶段的划分)1转舵阶段转舵阶段(内倾阶段）：开始转舵内倾阶段）：开始转舵船首开始转动船首开始转动(一般约为一般约为8-15s)运动参数：运动参数： ， （1）船速下降，）船速下

24、降， （2）反向横移，即船舶重心有向操舵相反一侧横移的趋势。）反向横移，即船舶重心有向操舵相反一侧横移的趋势。（3）船首有朝操舵一侧偏转的趋势，即回转角加速度为正。）船首有朝操舵一侧偏转的趋势，即回转角加速度为正。（4）船舶朝操舵一侧横倾（内倾），）船舶朝操舵一侧横倾（内倾），舵力位置较船舶重心位置舵力位置较船舶重心位置低。低。第三节第三节 船舶定常旋回性船舶定常旋回性0,0,0,0,0cfbrrrrr0第三节第三节 船舶定常旋回性船舶定常旋回性2过渡阶段过渡阶段：回转运动时起定常旋回时止（1）船速继续下降，仍为负加速度。（2）船舶加快向操舵一侧偏转，即回转角加速度仍为一正值且比转舵阶段要大。

25、水动力转船力矩仍大于回转阻矩。（3）船舶重心由反向横移变为正向横移。（4）船体由内倾变为外倾。3稳定阶段稳定阶段（定常旋回阶段）（定常旋回阶段）：船舶作圆周运动时起 运动参数： ， ， ； ， ， ，运动特征：运动特征：（1）船舶以一定的漂角作匀速圆周运动；）船舶以一定的漂角作匀速圆周运动；（2）船舶处于相对稳定的外倾状态。）船舶处于相对稳定的外倾状态。0dtd0dtdv0dtdntcosntvcosntcosntrcos 第三节第三节 船舶定常旋回性船舶定常旋回性二旋回圈（二旋回圈（turning circle）及其要素）及其要素船舶旋回圈船舶旋回圈船舶全速、满舵作回转运动时，船舶全速、满舵

26、作回转运动时，船舶重心的运动轨迹。船舶重心的运动轨迹。旋回圈几何特征：旋回圈几何特征：转舵阶段转舵阶段最初重心除继续前移外，同时反向横移；最初重心除继续前移外，同时反向横移；过渡阶段过渡阶段随后变成瞬时曲率半径逐渐减小的螺旋线；随后变成瞬时曲率半径逐渐减小的螺旋线；定常旋回阶段定常旋回阶段当航向改变量之后，进入定常回转运动，当航向改变量之后，进入定常回转运动， 曲率半径为定值。曲率半径为定值。1纵距（进距）纵距（进距）advance ad：指船舶自操舵起，指船舶自操舵起， 至航向改变某一角度时止重心所移动的纵向距离。通常，旋回资料中的至航向改变某一角度时止重心所移动的纵向距离。通常，旋回资料中

27、的纵距，特指当航向改变纵距，特指当航向改变90 时重心沿原航向的纵向移动距离。时重心沿原航向的纵向移动距离。 纵距的大小可以用来表征船舶回转性和追随性，纵距的大小可以用来表征船舶回转性和追随性， ，即回转性好；，即回转性好；船舶在操舵后进入新的稳定运动状态快，即追随性好。船舶在操舵后进入新的稳定运动状态快，即追随性好。(0.85-1)dt操纵应用：两船的纵距之和可以用来推算对遇时的最晚施舵点。操纵应用：两船的纵距之和可以用来推算对遇时的最晚施舵点。小小dad第三节第三节 船舶定常旋回性船舶定常旋回性2横距横距transfer tr：指船舶自操舵起，至航向改变某一角度时止重心所移动：指船舶自操舵

28、起，至航向改变某一角度时止重心所移动的横向距离。通常，旋回资料中的横距，特指当航向改变的横向距离。通常，旋回资料中的横距，特指当航向改变90 时重心横向移动时重心横向移动距离。距离。0.55dt3反移量（偏距）反移量（偏距）kicklk（亦记作）：船舶重心在操舵后向操舵相反方向横（亦记作）：船舶重心在操舵后向操舵相反方向横移的最大距离。移的最大距离。当满舵操纵后船首偏转一个罗经点左右的时刻：重心处，约为当满舵操纵后船首偏转一个罗经点左右的时刻：重心处，约为1%l；船尾；船尾sternkick，约为，约为1/10-1/5l。反移量在操纵中的应用反移量在操纵中的应用：（1）航行中有人落水，立即在落

29、水处操同侧舵，船尾由于）航行中有人落水，立即在落水处操同侧舵，船尾由于kick作用，向外侧摆作用，向外侧摆出，使螺旋桨不致伤害落水人员。出，使螺旋桨不致伤害落水人员。（2）在航行中发现前方近距离内有障碍物（如小船），先采用小角度避航（或）在航行中发现前方近距离内有障碍物（如小船），先采用小角度避航（或采用大舵角避航），当估计船首已能让过时，立即用大舵角取反舵，从而使船尾采用大舵角避航），当估计船首已能让过时，立即用大舵角取反舵，从而使船尾受受kick影响，向外侧摆出，即可安全避开障碍物。影响，向外侧摆出，即可安全避开障碍物。（3）在两船相遇中，由于两船距离很近，若两船同时操舵避让，两船可能突然

30、）在两船相遇中，由于两船距离很近，若两船同时操舵避让，两船可能突然靠拢而发生碰撞，这正是两船同时产生反横距的结果。（另外还有船吸用）靠拢而发生碰撞，这正是两船同时产生反横距的结果。（另外还有船吸用）（4）在横移驶靠码头（或他船）时，在靠离泊作业及避碰时，应充分利用）在横移驶靠码头（或他船）时，在靠离泊作业及避碰时，应充分利用kick。（5）内河船在狭窄航道中回转时，反横距也是一个重要参数。）内河船在狭窄航道中回转时，反横距也是一个重要参数。第三节第三节 船舶定常旋回性船舶定常旋回性4旋回初径（旋回初径（tactical diameter）亦称战术直径，是军舰回转性的重要指标。是指从操舵开始到船

31、舶航向亦称战术直径，是军舰回转性的重要指标。是指从操舵开始到船舶航向转过转过180 时重心所移动的横向距离。时重心所移动的横向距离。dt=3-4l5（定常）旋回直径（定常）旋回直径（final diameter）：）：是指船舶作定常旋回时重心轨迹圆的直径。满舵条件的定常回转直径称是指船舶作定常旋回时重心轨迹圆的直径。满舵条件的定常回转直径称为最小回转直径。为最小回转直径。d/dt=0.9不同用途的船对的要求不同：不同用途的船对的要求不同：海船海船为保持航向舵角经常在小角度内变化，因此希望小舵角时具有为保持航向舵角经常在小角度内变化，因此希望小舵角时具有较小的旋回直径。较小的旋回直径。内河船、港

32、作船内河船、港作船希望在大舵角时具有较小的旋回直径。希望在大舵角时具有较小的旋回直径。判断回转性的好坏，可以依据：民用船较好，驱逐舰较差判断回转性的好坏，可以依据：民用船较好，驱逐舰较差。6滞距（滞距（reach）：）：亦称进程，是船舶重心至定常旋回中心的纵向距离。亦称进程，是船舶重心至定常旋回中心的纵向距离。滞距表示操舵后到船舶进入旋回的滞后距离，是衡量船舶舵效的标准之滞距表示操舵后到船舶进入旋回的滞后距离，是衡量船舶舵效的标准之一。一。第三节第三节 船舶定常旋回性船舶定常旋回性三描述船舶旋回运动状态的运动要素三描述船舶旋回运动状态的运动要素1漂角（漂角（drift angle）船舶首尾线上

33、某一点的线速度与船舶首尾线的交角，通常指重心处船舶首尾线上某一点的线速度与船舶首尾线的交角，通常指重心处的线速度与船舶首尾线的交角。的线速度与船舶首尾线的交角。漂角与船舶旋回性能的关系：漂角与船舶旋回性能的关系：经验值：经验值：一般海船，一般海船， ；内河船舶内河船舶: 。超大型船舶，超大型船舶， ；旋回直径旋回性漂角001530max180max20第三节第三节 船舶定常旋回性船舶定常旋回性2转心（转心（pivoting point）船舶绕瞬时曲率中心（或旋回圈中心）作回转运动同时，船舶还绕船舶绕瞬时曲率中心（或旋回圈中心）作回转运动同时，船舶还绕自身瞬时回转枢心作回转运动，点称为转心。即船

34、舶的旋回运动自身瞬时回转枢心作回转运动，点称为转心。即船舶的旋回运动是两个回转运动的叠加。是两个回转运动的叠加。转心位置的几何确定：各切线速度作垂线，垂足即为回转中心，从转心位置的几何确定：各切线速度作垂线，垂足即为回转中心，从点作船舶首尾线的垂线，垂足即为转心。点作船舶首尾线的垂线，垂足即为转心。因为转心在重心之前，靠近船首，所以船首处横向分速小，船尾处因为转心在重心之前，靠近船首，所以船首处横向分速小，船尾处横向分速大，从而出现横向分速大，从而出现“首动一尺，尾动一丈首动一尺，尾动一丈”的现象。的现象。船舶后退中回转时，转心在重心之后；船舶后退中回转时，转心在重心之后；内河中船舶上水（下水

35、）时：船首顺流转向，转心位置后移甚至于内河中船舶上水（下水）时：船首顺流转向，转心位置后移甚至于在重心之后；船首逆流转向，转心位置前移甚至于在首柱之前。在重心之后；船首逆流转向，转心位置前移甚至于在首柱之前。 ppggpp第三节第三节 船舶定常旋回性船舶定常旋回性拖轮协助调头或转向时：若拖轮在船中前顶推或拖拉助转，则转心位拖轮协助调头或转向时：若拖轮在船中前顶推或拖拉助转，则转心位置后移；置后移；若拖轮在船中后顶推或拖拉助转，则转心位置前移。若拖轮在船中后顶推或拖拉助转，则转心位置前移。3旋回中的降速旋回中的降速降速原因：降速原因：降速过程：从操舵开始降速过程：从操舵开始船首转过船首转过90

36、左右船舶进入定常旋回，之后左右船舶进入定常旋回，之后速度不再下降。速度不再下降。4回转中的横倾（回转中的横倾（list）（1）内倾：内倾角较小，持续时间较短。）内倾：内倾角较小，持续时间较短。（2）外倾：船体由向操舵一侧倾斜转向操舵相反一侧倾斜即为外倾。）外倾：船体由向操舵一侧倾斜转向操舵相反一侧倾斜即为外倾。船速下降推进效率降低斜流螺旋桨工况变化桨推力的分力大大消耗了螺旋特别是离心力前进方向舵阻力增加时阻力增大角存在船体斜航, ,)(第三节第三节 船舶定常旋回船舶定常旋回性性当船舶以较大舵角并保持相当大的外倾角当船舶以较大舵角并保持相当大的外倾角作回转时，若急回舵（或操与回转方向相反作回转时

37、，若急回舵（或操与回转方向相反一侧的舵），舵产生的减小横倾力矩为零，一侧的舵），舵产生的减小横倾力矩为零，以致横倾角急剧增大，甚至导致船舶倾覆。以致横倾角急剧增大，甚至导致船舶倾覆。尤其当存在自由液面影响、货物与旅客移动的影响、风动力与波浪尤其当存在自由液面影响、货物与旅客移动的影响、风动力与波浪横倾力矩的影响等叠加在一起时，更为危险。横倾力矩的影响等叠加在一起时，更为危险。为防止转舵时产生过大的横倾角，可采取以下措施：为防止转舵时产生过大的横倾角，可采取以下措施：a. 降低船速，缓缓操舵，小舵角回转，尽量增大回转直径；降低船速，缓缓操舵，小舵角回转，尽量增大回转直径；b. 防止重货装在高处，

38、力求合理的值，注意自由液面和货物移动的影响；防止重货装在高处，力求合理的值，注意自由液面和货物移动的影响；c. 正确选择操舵时机，避免风浪等外力产生的横倾力矩与舵产生的最大横正确选择操舵时机，避免风浪等外力产生的横倾力矩与舵产生的最大横倾力矩相互叠加。倾力矩相互叠加。5旋回时间：旋回时间：船舶旋回船舶旋回360 所需的时间。所需的时间。影响因素：排水量影响因素：排水量经验数据：万吨级船舶，快速满舵旋回一周，约需要经验数据：万吨级船舶，快速满舵旋回一周，约需要6 min，大型船舶约需，大型船舶约需12 min。第三节第三节 船舶定常旋回船舶定常旋回性性三三影响旋回圈大小的因素影响旋回圈大小的因素

39、1方型系数（方型系数（block coefficient）2船体水线下侧面积形状及分布船体水线下侧面积形状及分布水线下船首侧面积较大（有球鼻首或船尾比较瘦削）旋回中的阻尼水线下船首侧面积较大（有球鼻首或船尾比较瘦削）旋回中的阻尼力矩较小旋回性好，旋回圈小，但航向稳定性差；力矩较小旋回性好，旋回圈小，但航向稳定性差；水线下船尾部面积较大（船尾有钝材或船首比较削进水线下船尾部面积较大（船尾有钝材或船首比较削进cut up）旋回）旋回中的阻尼力矩较大旋回性差，旋回圈大，但航向稳定性好中的阻尼力矩较大旋回性差，旋回圈大，但航向稳定性好3舵角：舵角： 4操舵时间：船舶在最大吃水和最大营运船速前进时，将舵

40、自一舷操舵时间：船舶在最大吃水和最大营运船速前进时，将舵自一舷35 另一舷另一舷35 ，并且自任何一舷，并且自任何一舷35 转至另一舷转至另一舷30 的时间的时间应不超过应不超过28s。5舵面积系数舵面积系数6船速船速第三节第三节 船舶定常旋回性船舶定常旋回性7吃水：吃水增加，纵距、横距和旋回初径均增大；吃水：吃水增加，纵距、横距和旋回初径均增大；8吃水差：尾倾时旋回圈变大，尾倾增加吃水差：尾倾时旋回圈变大，尾倾增加1%，dt增加增加10%；9横倾：横倾：a低速时：低速时：所以，低速时，操舵向低舷侧旋回，则较小；所以，低速时，操舵向低舷侧旋回，则较小；b高速时：高速时：所以，高速时，操舵向高舷

41、侧旋回，则较小；所以，高速时，操舵向高舷侧旋回，则较小；10浅水影响浅水影响11螺旋桨转动方向：在船舶前进中，向左的旋回圈略小于向右的。螺旋桨转动方向：在船舶前进中，向左的旋回圈略小于向右的。12其它因素其它因素船首向低舷侧偏转起主要作用推力转矩阻力在同一条线上与螺旋桨推力作用线不侧横移水动力作用中心向低舷两侧所受水动力不等左右浸水面积不等船体横倾)(,船首向高舷侧偏转起主要作用首波峰压力转矩即舷侧的横向力转矩两舷压力差产生指向高侧低舷船首兴波大于高舷舷侧丰满低舷侧的浸水面积较高),(第四节 船舶改向性 船舶改向性通常采取船舶改向性通常采取初始回转性能初始回转性能和和偏转抑制能力偏转抑制能力两

42、个特征量来衡量两个特征量来衡量.一一.初始回转性能初始回转性能初始回转性能是指船舶对操舵改变航向的快速响应性能初始回转性能是指船舶对操舵改变航向的快速响应性能.该性能在该性能在imo操纵性临时标准中有规定操纵性临时标准中有规定.诺宾指数船舶操舵后，任意时刻的转向角诺宾指数船舶操舵后，任意时刻的转向角 ：转舵初始，船速下降不大：转舵初始，船速下降不大： （旋回前船速），则特性时间（旋回前船速），则特性时间所以：所以： 设，设， 进行无因次化：进行无因次化： 则：则：p操舵后船舶移动一个船长时，每单位舵角引起船首的变化值，称操舵后船舶移动一个船长时，每单位舵角引起船首的变化值，称诺宾指数诺宾指数，

43、又称转首指数。反应了船舶初始回转性。，又称转首指数。反应了船舶初始回转性。)(ttetttk0vvs0vlt )(00tvlettvlkp)1 (ttettkp 第四节 船舶改向性二二.偏转抑制性能偏转抑制性能偏转抑制性能偏转抑制性能(yaw-checking ability)是指船舶偏转中操是指船舶偏转中操正舵、压舵尽快使船舶停止偏转保持直线航行的性能正舵、压舵尽快使船舶停止偏转保持直线航行的性能.该性能可通过该性能可通过z形试验中第一惯性超越角和第二惯性超越形试验中第一惯性超越角和第二惯性超越角来判断角来判断. imo操纵性临时标准中有规定操纵性临时标准中有规定.船舶偏转抑制性能可用追随性

44、指数船舶偏转抑制性能可用追随性指数t来衡量来衡量.tdtedtttov0000第五节 船舶保向性一一.船舶航向稳定性船舶航向稳定性航行中的船舶航行中的船舶,如受到风浪流等外力的瞬时干扰作用如受到风浪流等外力的瞬时干扰作用,船首船首发生偏转发生偏转,当干扰消失后在船舶保持正舵的条件下当干扰消失后在船舶保持正舵的条件下,船舶船舶转头运动将如何变化的性质称为航向稳定性转头运动将如何变化的性质称为航向稳定性.船舶受外力作用，当外力消失后最终平衡状态分类船舶受外力作用，当外力消失后最终平衡状态分类1直线稳定性（动航向稳定性）直线稳定性（动航向稳定性）2方向稳定性方向稳定性3位置稳定性（静航向稳定性）位置

45、稳定性（静航向稳定性）4不稳定（旋回）不稳定（旋回）第五节 船舶保向性位置稳定性方向稳定性控制稳定性本节讨论内容直线稳定性船舶固有稳定性自动稳定性航向稳定性)()(第五节 船舶保向性二航向稳定性的判别二航向稳定性的判别1、根据操纵性指数、根据操纵性指数t一阶近似操纵方程一阶近似操纵方程 ，操正舵：操正舵：设干扰消失时的回转角速度为，设干扰消失时的回转角速度为，则解得任意时刻船舶偏离航向的角速度则解得任意时刻船舶偏离航向的角速度转向角为：转向角为：当当 且且t值较小时，衰减很快，很快趋向于值较小时，衰减很快，很快趋向于0，船舶很快稳定在，船舶很快稳定在新航向上，航向稳定性好；新航向上，航向稳定性

46、好；当当 且且t值较大时，衰减较慢，较长时间趋向于值较大时，衰减较慢，较长时间趋向于0，船舶较慢地，船舶较慢地稳定在新航向上，航向稳定性差；稳定在新航向上，航向稳定性差； 当当 时，将递增，时，将递增， ，船舶不具备航向稳定性；，船舶不具备航向稳定性； kt 00t0tte0)1 (0ttet0t0t0tt第五节 船舶保向性 2根据船舶线型系数判别根据船舶线型系数判别船舶瘦长，航向稳定性好；船舶瘦长，航向稳定性好；a曲线表明：与成正比，曲线表明：与成正比，回转阻矩始终起降低角速度的作用。回转阻矩始终起降低角速度的作用。船舶肥短，航向稳定性差；船舶肥短，航向稳定性差；b曲线表明：该类船舶在角速度

47、较低的小舵角范围内，回转阻曲线表明：该类船舶在角速度较低的小舵角范围内，回转阻矩起协助转首作用。矩起协助转首作用。3根据航向稳定性试验判别根据航向稳定性试验判别（1）直航延时试验）直航延时试验试验目的：求得置舵于零位时，首向偏航达试验目的：求得置舵于零位时，首向偏航达5 的延续时间。的延续时间。第五节 船舶保向性（2）直航操舵试验）直航操舵试验试验目的：求得航向稳定后，试验目的：求得航向稳定后，5min内维持直航所操的平均舵角和操舵内维持直航所操的平均舵角和操舵次数。次数。（3）回舵操纵试验（回直试验、脱开试验）回舵操纵试验（回直试验、脱开试验）试验目的：测定航向不稳定回线环高度。试验目的：测

48、定航向不稳定回线环高度。（4）螺旋（线）试验（）螺旋（线）试验（direct spiral test）：）：由法国由法国dieudonne 提出提出试验目的：判定航向稳定性的好坏，试验目的：判定航向稳定性的好坏，求取船舶操某一舵角时船舶所能够达到的定常旋回角速度。求取船舶操某一舵角时船舶所能够达到的定常旋回角速度。（5）逆螺旋（线试验（）逆螺旋（线试验（reverse spiral test）：由）：由m. beck提提出出试验目的：判定航向稳定性的好坏，求取为使船舶达到某一旋回角速试验目的：判定航向稳定性的好坏，求取为使船舶达到某一旋回角速度而需操的平均舵角。度而需操的平均舵角。 三航向保向

49、性与航向稳定性的区别三航向保向性与航向稳定性的区别 航向稳定性：非控制稳定性，是指具有一定初始回转角速度的船舶，航向稳定性：非控制稳定性，是指具有一定初始回转角速度的船舶，因船体在回转时受到回转阻矩作用下逐渐稳定于新航向的能力。因船体在回转时受到回转阻矩作用下逐渐稳定于新航向的能力。 保向性：控制稳定性，是指船舶在操舵等控制情况下保持在规定航向保向性：控制稳定性，是指船舶在操舵等控制情况下保持在规定航向上的能力。其衡量指标为：在正常气象条件下，为维持直航所操的平上的能力。其衡量指标为：在正常气象条件下，为维持直航所操的平均舵角应不超过均舵角应不超过5 ，平均操舵次数每分钟不多于，平均操舵次数每

50、分钟不多于6次。次。 航向稳定性好，则保向性好；航向稳定性差，采用大舵角并频繁操舵，航向稳定性好，则保向性好；航向稳定性差，采用大舵角并频繁操舵，亦可保向。亦可保向。四影响船舶保向性的主要因素四影响船舶保向性的主要因素 1船型船型（1）船型系数）船型系数 小，船舶瘦长小，船舶瘦长 航向稳定性好，保向性好。航向稳定性好，保向性好。（2）尾鳍大）尾鳍大 航向稳定性好，保向性好。航向稳定性好，保向性好。（3）水上受风面积大）水上受风面积大 保向性差。保向性差。2浮态浮态（1）吃水小船舶保向性）吃水小船舶保向性 吃水大船舶吃水大船舶（2）尾纵倾船舶保向性）尾纵倾船舶保向性 首纵倾首纵倾3舵角舵角 船舶

51、航向稳定性好，则用小舵角即可保向；船舶航向稳定性好，则用小舵角即可保向； 船舶航向稳定性差，则用大舵角才可保向；船舶航向稳定性差，则用大舵角才可保向；4船速船速 保向性保向性5其它因素其它因素（1）水深保向性（）水深保向性（2）污底严重保向性（）污底严重保向性（3）顺风浪、顺流保向性）顺风浪、顺流保向性blcb 舵效的概念舵效的概念(两种舵效两种舵效)广义上的舵效（广义上的舵效（rudder effection）用舵设备操纵船舶所表现出来的综）用舵设备操纵船舶所表现出来的综合效果。这些效果为：合效果。这些效果为：转头转头、横倾横倾、横移横移和和增减速增减速。舵效（舵效（steerage）：是一

52、综合概念，不能以或单独来表示。舵效指运动）：是一综合概念，不能以或单独来表示。舵效指运动中的船舶在操一定舵角后，在一定时间、一定水域内，所取得的船舶转中的船舶在操一定舵角后，在一定时间、一定水域内，所取得的船舶转首角的大小。（控向效应）首角的大小。（控向效应）船舶在较短时间内、较小水域内转过较大角度，则舵效好。否则舵效较船舶在较短时间内、较小水域内转过较大角度，则舵效好。否则舵效较差。差。 2舵效的判别舵效的判别第六节舵 效第六节 舵 效（1）舵效指数舵效指数（应舵指数）（应舵指数）衡量舵效：若衡量舵效：若 ，设开始操舵时：设开始操舵时： ，则由一阶近似操纵方程，则由一阶近似操纵方程解得：解得

53、：由上式可得：由上式可得： 取决于取决于 及及 ； 角加速度系数，在数量上表征了每改变角加速度系数，在数量上表征了每改变1度舵角度舵角所能给出的角加速度。所能给出的角加速度。若，若， 则：则： ；为了比较不同船舶不同船速时的舵效，将进行无因次化：为了比较不同船舶不同船速时的舵效，将进行无因次化：tk0舵效0kttktktk0舵效tk舵效tk22sssvltklvtvlktk第六节 舵 效（2）诺宾指数诺宾指数：(在第四节已经介绍过在第四节已经介绍过)3影响舵效的因素影响舵效的因素（1）舵角：当）舵角：当 时，时，（2）舵面积系数：）舵面积系数：（3）船舶排水量与吃水：大型船舶港内操船：早用舵，

54、早回舵，大舵角）船舶排水量与吃水：大型船舶港内操船：早用舵，早回舵，大舵角（4）舵速：）舵速： 。（5）舵机性能：操舵时间越短舵效越好）舵机性能：操舵时间越短舵效越好电动液压舵性能优于蒸汽舵及电动舵。电动液压舵性能优于蒸汽舵及电动舵。电动液压舵：舵来得快，回得也快；蒸汽舵：舵来得慢，回得快，易稳舵电动液压舵：舵来得快，回得也快；蒸汽舵：舵来得慢，回得快，易稳舵（易把定）；电动舵：来得快，回得慢，不易稳舵（不易把定）。（易把定）；电动舵：来得快，回得慢，不易稳舵（不易把定）。操舵时间（自）：操舵时间（自）：（6）船舶纵倾：首纵倾舵效差；尾纵倾舵效好。）船舶纵倾：首纵倾舵效差；尾纵倾舵效好。tkp

55、21)1 (ttettkp 舵效,%100dlapprs舵效,22nspvltktktk舵效rv第六节 舵 效（7）船舶横倾：船速较低时，向低舷侧转向舵效好；船速较高时，向高舷）船舶横倾：船速较低时，向低舷侧转向舵效好；船速较高时，向高舷侧转向舵效好。侧转向舵效好。（8）风、流、污底、浅水：）风、流、污底、浅水： a风的影响：风的影响：风致船首迎风偏转时，风致船首迎风偏转时， 风致船首顺风偏转时，风致船首顺风偏转时， 风中航行，满载舵效风中航行，满载舵效 优于优于 轻载舵效；轻载舵效； b流的影响：顶流舵效好；顺流舵效差流的影响：顶流舵效好；顺流舵效差 (提问：顺流和逆流哪个舵力提问：顺流和逆

56、流哪个舵力大？大？) c污底严重舵效变差；污底严重舵效变差； d浅水：浅水中航行浅水：浅水中航行（9）螺旋桨工作状态：螺旋桨正转船舶前进时）螺旋桨工作状态：螺旋桨正转船舶前进时舵效好；舵效好； 螺旋桨反转船舶后退时螺旋桨反转船舶后退时舵效差；舵效差；舵效差舵效好船舶顺风转向船舶迎风转向舵效差舵效好船舶迎风转向船舶顺风转向舵效旋回阻矩船体下沉,第七节第七节 船船 舶舶 控控 速速 性性一船舶启动性能一船舶启动性能船舶启动性能：船舶由静止状态开动主机，使船舶达到与主机功率相应的船舶启动性能：船舶由静止状态开动主机，使船舶达到与主机功率相应的速度所需的时间和航行距离的性能。速度所需的时间和航行距离的

57、性能。启动过程应合理用车，即将螺旋桨转速启动过程应合理用车，即将螺旋桨转速逐级提高：微进、进一、进二、进三。逐级提高：微进、进一、进二、进三。船速达到相应转速的船速时，再提高用车的级别，船速达到相应转速的船速时，再提高用车的级别，跳级用车对养护主机不利。跳级用车对养护主机不利。船舶启动后若按常规增速，则推力、阻力随船速变化的运动方程为：船舶启动后若按常规增速，则推力、阻力随船速变化的运动方程为：rtdtdvmmx)()ln(200000vvvvrvmmtx)ln(2220200200vvvrvmmsx第七节第七节 船船 舶舶 控控 速速 性性 经验估算式：经验估算式：经验数据：从静止状态进车，

58、直至达到海上船速，满载船经验数据：从静止状态进车，直至达到海上船速，满载船 ；轻载船为满载时的；轻载船为满载时的 ，即，即 。 二船舶制动性能二船舶制动性能船舶制动性能：船舶在某船速下，主机停车或倒车后，船舶对主机工况的船舶制动性能：船舶在某船速下，主机停车或倒车后，船舶对主机工况的反应能力，一般用船舶冲程和冲时来表示。反应能力，一般用船舶冲程和冲时来表示。(强调从发令时起强调从发令时起)1停车冲程、冲时停车冲程、冲时停车冲程、冲时：船舶在直航中停止主机至船舶对水停止移动的滑行距离，停车冲程、冲时：船舶在直航中停止主机至船舶对水停止移动的滑行距离，滑行过程所需的时间为停车冲时。测定船舶停车冲程

59、时，一般滑行过程所需的时间为停车冲时。测定船舶停车冲程时，一般以船舶对水以船舶对水速度降到能保持舵效的最小速度时的船舶惯性距离作为停车冲程速度降到能保持舵效的最小速度时的船舶惯性距离作为停车冲程。万吨级。万吨级船可取船可取2kn，超大型船舶可取，超大型船舶可取3.2kn.000004. 0rvt0200101. 0rvsls2003221ls13100第七节第七节 船船 舶舶 控控 速速 性性船舶停车后，推力为船舶停车后，推力为0，所以运动方程变为：，所以运动方程变为：经验估算式：经验估算式：经验数据：船舶以常速前进，一般货船：主机停车达到余速经验数据：船舶以常速前进，一般货船：主机停车达到余

60、速2kn时，时， ；巨型油轮（；巨型油轮（vlcc）：主机停车达到余）：主机停车达到余速速3kn时，时， ， 。2倒车冲程、冲时（紧急停船距离倒车冲程、冲时（紧急停船距离crash stopping distance /最短停船距离最短停船距离shortest stopping distance）倒车冲程、冲时：船舶在前进三中开后退三，从倒车冲程、冲时：船舶在前进三中开后退三，从发令发令开始到开始到船对水停止移动所需的时间及航进的距离。船对水停止移动所需的时间及航进的距离。倒车冲程倒车冲程;倒车冲时估算式；倒车冲时估算式；rdtdvmmx)()11(00105. 00020vvrvtsvvrv