第2章 操纵手段的作用及其运用

1、第二章 操纵设备的作用及其运用操纵设备包括车、舵、锚、缆、拖轮等。熟悉车、舵、锚、缆、拖船的作用及其运用的知识。第一节 螺旋桨的作用一、 船舶阻力与推力根据运动方程，其作用于X轴方向的力为：其中X（TR），T为推力，R为阻力。船舶作直航运动时，vr=0，则：船舶作直航运动时，加速度0，则： TR1. 船舶阻力R船舶阻力由两部分组成： RR0R其中：R0为基本阻力，R为附加阻力。1） 基本阻力R0基本阻力由下列几部分组成： R0RfReRw其中：Rf为摩擦阻力：由船体与水之间的摩擦引起的阻力。Re为粘性阻力：由船体前后压力差引起的阻力。Rw为兴波阻力：由船兴波引起的阻力。2） 附加阻力 RR1R

2、2R3R4其中：R1为污底阻力：由船体湿水部分上的海生物引起的阻力。R2为附体阻力：由螺旋桨、舵等船体上的附体引起的阻力。R3为空气阻力：船体水上部分受到的空气作用引起的阻力。R4为波浪阻力：船体水下部分受到波浪作用引起的阻力。基本阻力与船速之间的关系对于给定的船型，基本阻力的大小与吃水、船速有关，即：R(d,v)表11给出了某轮d=8.2米和d=9.2米时的基本阻力值表11 速度kn，基本阻力KN，吃水m04812168.2056.88122.58215.75387.369.2063.74137.2245.17426.58其曲线图见下页。由图可见： 当d一定时，船速V增加，R0也增大； 当V

3、一定时，吃水d增加，R0也增大； 由图还可以看出：低速时，R0随船速V呈线性变化；高速时，R0随船速V呈非线性变化，且需要的推力越大。2. 船舶推力船舶推力是指螺旋桨通过主机驱动，推水向后，水对螺旋桨的反作用力在船舶首尾方向的分量。倒车时，船舶首尾方向的分量称为拉力。1） 推力的大小对于给定的螺旋桨，其推力的大小为：T(n,v)其中tp为推力减额系数,wp 为桨处伴流系数,Dp为螺旋桨的直径,n为主机转速,为桨的进程角,CT,CQ为试验系数,以下式给出:式中A(k)、B(k)、C(k)、D(k)分别为桨叶数、螺距比、盘面比的函数。2） 推力与船速、主机转速之间的关系表12 速度kn，推力KN，

4、转速r/min048121680612.91554.08441.30304.01147.10100951.25862.99735.45573.69392.27其曲线图见下页。表12给出了某轮螺旋桨产生的正车推力与转速n和V之间的关系。由图可见：当n一定时，船速V增加，T减小；当V一定时，转速增加，T也增大；当V0时，推力T最大，称为系柱推力。二、 滑失和船速1 吸入流与排出流1） 吸入流流向螺旋桨的流称为吸入流。其特点是：范围大；流速慢；流线平行。2） 排出流离开螺旋桨的流称为排出流。其特点是：范围小；流速快；流线旋转3） 排出流在操纵中的应用可利用排出流的特点增加舵效。2 滑失的概念1） 滑

5、失螺旋桨在固体中旋转时，旋转一周，前进的距离为一个螺距P，旋转n周，前进的距离为nP。 但是，螺旋桨在水中运动时，由于船速和nP不等，因此，就产生一个差值。定义：螺旋桨的理论进速nP与实际进速Vp之差称为滑失S，既： SnPVp其中VpVs-p2） 滑失比定义：螺旋桨的滑失S与理论进速nP之比称为滑失比Sr，既： 滑失与滑失比中的螺旋桨进速Vp若用船速Vs代替，得出的结果分别称为虚滑失或虚滑失比。3） 滑失在操纵中的应用由此可见，滑失是衡量螺旋桨推进效率的重要指标。滑失越大，螺旋桨的推进效率越低。它在船舶操纵中有着重要意义： 由滑失的定义可见，对于给定的螺旋桨，滑失与船速有关，而船速与船舶的阻

6、力有关，阻力越大，船速越低，滑失越大。因此船舶污底越严重、遭受的风浪越大，滑失也越大。 反之，可利用螺旋桨的滑失提高船舶的舵效（在较小的距离内转过较大的角度）。3 船速的分类 在一定范围内，螺旋桨转速n越高，船速V越大。但是，对于给定的船舶主机，其转数的提高不是无限的一旦超出这个范围，主机将超负荷运转，最终可能损坏主机，因此不得不对船速作出一定的限制。1） 额定船速新船验收后的主机，可供海上长期使用的最大功率称为额定功率NH，与其相对应的转数称为额定转数nH，该条件下主机发出的转矩称为额定转矩QH，相应的船速称为额定船速VMAX。定义：在深水中，在额定转速下船舶所能达到的最大静水船速称为额定船

7、速VMAX额定船速随着船舶老化和主机的使用年限逐步降低。2） 海上船速（Sea Speed）由于海上的情况多变，船舶的阻力也随之变化，为了保证长期安全航行，需要留有一定的功率主机功率储备，以便在应急时使用。因此，海上长期使用的功率不是额定功率，而是海上功率。海上功率一般为额定功率的90，相应的海上转数为额定转数的9697。定义：在深水中，主机在海上转数下船舶所能达到的静水船速称为海上船速。3） 港内船速（Harbour Speed）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，该船速通常由船

8、长和轮机长商定并共同遵守执行。一般港内的最高主机转速约为海上常用转速的7080%左右。港内船速与海上船速一样，常按主机输出功率的比例不同而划分为“前进三”、“前进二”、“前进一”之外，尚有“微速前进”一档；微进时的主机输出功率和转速，是主机可以输出的最低功率和最低转速。如同前进时港内船速分级一样，在倒车档次中也分为“后退三”、“后退二”、“后退一”等几档。通常港内“后退三”时的主机转速约为海上常用转速的6070%。应当指出，在港内或某些内海航区或狭水道，为保证航行安全，根据经验与统计，特别规定了最高限速。如本船所用的港内船速高于该限速时，则应遵照各港内或航区的有关规定执行。4 船速的测定三、

9、螺旋桨的致偏效应及其运用1 沉深横向力1） 沉深的概念h为沉深h/D为沉深比2） 沉深横向力的产生机理（1） 螺旋桨上下叶水动力差异 由于上下叶所处的深度不同，当螺旋桨转动时，上下叶所受的转力不同，Q1>Q2,因此产生横向力。（2） 空气吸入 当沉深比0.5时，上叶有空气吸入，则其所受的转力小，而下叶大，因而，产生横向力。3） 沉深横向力的产生条件当h/D<0.65时，螺旋桨沉深横向力明显增大。4） 沉深横向力的方向对于右旋螺旋桨，进车时，首向左；倒车时，首向右。对于左旋螺旋桨，进车时，首向右；倒车时，首向左。2 伴流横向力1） 伴流的概念（1） 定义 运动中的船体附近的水受到船体

10、运动的影响产生一种追随运动的水流称为伴流。（2） 伴流的分类 摩擦伴流：由于水和船体之间的摩擦而产生的伴流； 势伴流：由于船体运动，船体周围压力场的变化产生的伴流；（3） 伴流的分布特点沿X轴方向：船首小，船尾大。即螺旋桨附近伴流大；沿Y轴方向：左右对称，离船越远越小；沿Z轴方向：上大下小。2） 伴流横向力的产生机理由图可见：VpVsp则，叶因素的攻角为：为螺距角（常量），攻角越大，转力也越大。由于伴流沿Z轴方向的分布是上大下小，上下叶的攻角不同，其转力也不相同。p越大，V越小，则，越大，因此，螺旋桨伴流造成的转力是上叶大，下叶小。3） 伴流横向力的产生条件由上述分析可见，如果伴流为0，则，螺

11、旋桨上下叶的攻角相同，则，不产生横向力，则，伴流横向力的产生条件为有伴流存在。4） 伴流横向力的方向对于右旋螺旋桨，进车时，首向右；倒车时，首向左。对于左旋螺旋桨，进车时，首向左；倒车时，首向右。3 排出流横向力螺旋桨进车时，排出流作用在舵上；螺旋桨倒车时，排出流作用在船体上；1） 排出流横向力的产生机理（1） 进车时 舵的X方向进速为 VRX在舵叶处由于螺旋桨旋转引起的轴向增速。（2） 倒车时倒车时，旋转的排出流打在船体尾部。由于船尾形状上大下小，致使上部的攻角大于下部的攻角，则产生横向力。2） 排出流横向力的产生条件进车时，有伴流存在，就要进车排出流横向力；倒车时，只要螺旋桨转动就存在倒车

12、排出流横向力。3） 排出流横向力的方向对于右旋螺旋桨，进车时，首向右；倒车时，首向右。对于左旋螺旋桨，进车时，首向左；倒车时，首向左。螺旋桨产生的船舶偏转总结右旋式左旋式进车倒车进车倒车沉深横向力首向左首向右首向右首向左伴流横向力首向右首向左首向左首向右排出流横向力首向右首向右首向左首向左4 船舶不同运动状态下螺旋桨致偏作用的综合分析以下讨论仅限于右旋单车船1 静止中进车（1） 空载 低速时，由于h/D较小，沉深横向力使首左偏；开始是静止，伴流不存在或较小，则伴流横向力和排出流横向力可忽略。则，综合作用是沉深横向力使船首左偏。 高速时，随着伴流的增大，伴流横向力和排出流横向力逐渐加大，则，综合

13、作用是伴流横向力和排出流横向力克服沉深横向力使船首右偏。 （2） 满载 低速时，由于h/D较大，沉深横向力较小；开始是静止，伴流不存在或较小，则伴流横向力和排出流横向力可忽略。则，综合作用是船舶几乎不偏转。 高速时，随着伴流的增大，伴流横向力和排出流横向力逐渐加大，则，综合作用是伴流横向力和排出流横向力使船首右偏。 由于是进车，舵效较好，则，无论怎样偏转，都可用舵克服。2 静止中倒车（！）空载由于h/D较小，沉深横向力使首右偏；开始是静止，伴流不存在或较小，则伴流横向力可忽略；排出流横向力使船首右偏。则，综合作用是沉深横向力和排出流横向力使船首右偏。（2）满载 由于h/D较大，沉深横向力可忽略

14、；开始是静止，伴流不存在或较小，则伴流横向力可忽略；排出流横向力使船首右偏。则，综合作用是排出流横向力使船首右偏。 由于是倒车，舵效较差，则，无论怎样偏转，都不可用舵克服。3 前进中倒车（！）空载 高速时，由于h/D较小，沉深横向力使首右偏；伴流较大，伴流横向力使船首向左；倒车排出流横向力使首右偏，则，综合作用是沉深横向力和排出流横向力克服伴流横向力使船首右偏。低速时，伴流逐渐减小，则伴流横向力可忽略；沉深横向力和排出流横向力使首右偏。则，综合作用是沉深横向力和排出流横向力使船首右偏。(2)满载 由于h/D较大，沉深横向力可忽略。 高速时，伴流较大，伴流横向力使船首向左；倒车排出流横向力使首右

15、偏，则，综合作用是伴流横向力和排出流横向力使船首偏转不定。 低速时，伴流逐渐减小，则伴流横向力可忽略；排出流横向力使首右偏。则，综合作用是排出流横向力使船首右偏。 由于是倒车，舵效较差，则，无论怎样偏转，都不可用舵克服。四、 双车船的螺旋桨横向力双车船可分为外旋式和内旋式两种。1 当双车转向相反时，螺旋桨横向力合力为0；2 当双车转向相同时，螺旋桨横向力合力不为0；3 在双车船一进一退进行旋回时，螺旋桨横向力影响见下表。外旋式内旋式向右旋回向左旋回向右旋回向左旋回右车左车右车左车右车左车右车左车沉深横向力向右向右向左向左向左向左向右向右伴流横向力向左向左向右向右向右向右向左向左排出流横向力向右

16、向左向右向左向左向右向左向右注：表中指船首的偏转方向。1） 对于外旋式：在伴流较小时，沉深横向力有助于旋回；2） 对于内旋式：在伴流较小时，沉深横向力阻碍旋回。五、 侧推器的使用1 侧推器的工作原理侧推器安装在船首（首侧推）或船尾（尾侧推），由电动机带动螺旋桨产生横向力，进而产生转船力矩。其速度一般为23档，在驾驶台用手柄控制。2 侧推器在操纵中的应用侧推器的作用与船舶速度有关，船速越小，其作用越大，随着船速的增加，其作用逐渐降低。 例如： 船速 3节 8节转船力矩（与舵）/单独舵转船力矩 3.5 1.28第二节 舵的作用一、 舵压力及舵压力转船力矩1、 舵力的概念由机翼理论可知舵的水动力特征

17、。RFDLA水流以角冲向舵时，产生升力L和阻力D，其合力R分为法向力F和切向力A。我们称法向力F为舵力。舵力F的大小可用下式求得： 其中：AR为舵面积； VR为舵速C为舵力系数，其大小可用经验公式计算：其中，为舵的展舷比。2. 舵力转船力矩GxR舵力作用于船体的力和力矩可表示为：其中NR为舵力转船力矩，其大小与舵力、舵角等因素有关。二、 船、桨、舵之间的综合影响1. 船体舵力的影响1） 有效进速船后伴流降低了舵与水的相对速度。虽然伴流有三个分量，但一般只有X方向分量对舵影响较大。舵处的来流速度可表示为： VRVSR 其中R为舵处的伴流速度，其大小比螺旋桨处伴流的还要大。2） 有效攻角 船舶曲线

18、运动时，船尾舵处的几何漂角为：则船舶作定常旋回时舵处的舵的攻角为：为拉直效应系数。由此可见，由于船体的影响，使舵的攻角减小，从而使舵力减小。2. 螺旋桨对舵力的影响舵处于螺旋桨之后，桨后排出流的轴向部分增加了舵的进速，横向部分还增大了舵的攻角。三、 舵效及舵效指数的概念及其影响因素1 舵效的概念操单位舵角后，船舶航行一个船长距离时，取得转向角的大小的效能称为舵效。2 舵效指数其物理意义：操单位舵角后，船舶航行一个船长距离时，按一阶模拟得到的转向角的变化值。3 影响舵效的因素1） 舵角的影响一般舵力越大，舵效越好。舵力大小与舵角有关，舵角越大，舵效越好。2） 舵速影响一般舵力越大，舵效越好。舵力

19、大小与舵速有关，舵速越大，舵效越好。3） 排水量影响 舵效与船舶转动惯量有关，惯量大(排水量)越大，其T值越大(T=1/N)，P值越小，舵效越差。换言之，转动惯量越大，船舶不易控制。4） 纵倾、横倾的影响 首倾比尾倾舵效差；横倾时，向低舷转向比向高舷转向舵效差。5） 转舵速率的影响转舵越快，舵效越好，反之，越差。6） 外界因素的影响（风、流、浅水等）顺风、顺流舵效比顶风、顶流舵效差；浅水中，由于船舶旋回阻尼力矩比深水中大，因此，浅水中舵效比深水中差。第三节 锚的运用一、 锚的用途1 操纵中用锚1） 制动用锚2） 拖锚调头3） 拖锚倒航4） 抛开锚5） 脱浅用锚6） 应急用锚2锚泊用锚二、 锚抓

20、力及其影响因素锚的抓力实质上就是锚与海底的摩擦力。锚在海底运动时产生的摩擦力称为动摩擦力或动抓力；锚在海底静止时产生的摩擦力称为静摩擦力或静抓力。1 操纵用锚的抓力操纵中用锚时，锚多数是运动的，因此，其抓力是动摩擦力或动抓力。动抓力的大小可通过拖锚试验获得。1） 影响锚的抓力的因素试验表明，锚的抓力Pa可表示为：Pa(AS，Wa，h，La，FB)其中：AS锚型 Wa锚重 h水深 La出链长度 FB底质2） 操纵用锚的抓力系数由试验获得的抓力可用动抓力系数来表示：上式中的锚重Wa为水中锚重，Wa（水中）0.87Wa（空气中）由于锚的抓力与很多因素有关，因此，很难给出通用的结果。一般情况下，当地质

21、为泥沙时，一般锚的动抓力系数如下：La/h1.52.02.53.03.50.761.161.602.002.403） 操纵用锚的抓力计算4） 拖锚淌航距离的估算船舶在低速情况下，用锚的动抓力停船是操纵中常用的方法。拖锚停船距离通常是通过试验获得，在试验条件有限的情况下，也可以用近似公式进行估算。船舶拖锚过程中，船舶由船速V0降为V1时，根据动能定理得拖锚淌航距离ST的计算公式： 静水中，在余速为3节以下时，假定拖锚过程中，假定锚的抓力为常量；忽略船舶阻力R和船舶的附加质量mx，将m用排水量代替，则，船舶由船速V降为0时，上式简化为：式中，为船舶质量（t）；V0为抛锚时船舶的余速（kn）；Pa为

22、拖锚时锚的抓力（t）；S为拖锚淌航距离（m）。例：某轮排水量13500吨，船长135m，锚重5t，静水中靠泊余速3kn，抛单锚拖锚淌航45m后，又抛出另一锚制速，若双锚均出链一节入水，两锚的抓力均以水中锚重的2倍计算，试求全部拖锚淌航距离。解：.将质量m=13500吨，船速v=3×0.514m/s，拖锚时锚的抓力Pa=5×9.81×0.87kN分别代入，可解得全部拖锚淌航距离S为116.6m。5)操纵用锚注意事项(1)拖锚制动仅仅适用于万吨级及以下的中小型船舶，且船舶对地的速度也仅限于23kn以下。大型船舶则很少采用，而多采用拖轮制动。(2)及时备锚，做到抛得出，

23、刹得住。进入狭水道或进港前，要及早备锚，先用锚机将锚放至接近水面处，刹紧刹车，松掉离合器。备锚要双锚都做好抛出的准备，当接到船长的抛锚命令后，只要松开刹车就能立即将要抛的锚抛出。出短链拖锚制动时，所需的链长应一次抛出，立即刹牢。否则，边刹边松，不易刹住，并将影响整个操纵计划的实施。(3)锚链已经吃力时，松链要十分注意，一次不要松的太多，否则由于抓力突增较多，不容易刹住。(4)在港内或狭水道，应注意有关禁锚区的规定，以防损坏海底电缆、管道等设施。(5)当发现拖单锚不能有效地刹减船速时，切忌盲目加大出链长度，否则容易造成丢锚断链的事故。必要时可以抛下另一锚以刹减船速。(6)抛锚后，不应使用过大的车

24、速。 2 单锚泊用锚的抓力1） 单锚泊用锚的抓力的组成slyT0船舶在锚泊中，出链长度S分为两个部分：SsL其中s是悬链链长；L为卧底链长外力T0作用于锚链上的力由锚和卧底链长部分与海底的摩擦力来抵抗。因此，单锚泊时，总的摩擦力为：其中，Pa为锚抓力； Pc为锚链抓力； a为锚的抓力系数，它是锚抓力与锚在空气中重量的比值； Wa为空气中锚重； c为锚链的抓力系数，它是锚链的抓力与锚链在空气中重量的比值； Wc为空气中每米锚链的重量； l为卧底链长，它等于出链长度Lc减去悬链部分的长度S；2） 单锚泊用锚的抓力的抓力系数锚泊用锚的抓力为静抓力，因此，不能采用动抓力系数。对于一般情况，通常a取35

25、；c取0.751.5。锚的抓力系数a主要取决于锚型、海底底质、锚的抓底姿势和锚链的出链长度等因素。锚型不同，锚的抓力系数也不同。表25是1987年6月中国船舶工业总公司第108研究所在铁板细砂中拖曳试验的结果。表25 锚抓力系数试验结果锚的种类霍尔锚斯贝克锚波尔锚ZY5型AC14型锚抓力系数44671187113） 单锚泊锚链悬链长度及其作用根据数学分析中的悬链线计算公式，得悬链部分长度公式： 其作用为：缓冲由于偏荡引起作用于锚链和锚上的冲击力。4） 单锚泊安全出链长度所谓安全锚泊就是防止锚的移动。从力学角度分析，安全锚泊的条件为： 即抓力大于外力，则有：总出链长度S0为：5） 单锚泊用锚的安

26、全出链长度的经验公式当风速为20m/s时当风速为30m/s时正常情况下锚泊船的出链长度一般不应低于表27所列的值。长江口急流地区（水深约20米），出链长度一般不低于表28所列的值。表27 正常天气条件下的出链长度的值水深20米以下2030米30米以上出链长度/水深463422.5表28 长江口急流地区出链长度的值流速（kn）345出链长度（节）456第四节 缆的运用一、 靠泊用缆1 倒缆的作用顶流、顶风靠泊时先带前倒缆，其作用避免船舶前冲2 头缆的作用顺流、顺风靠泊时先带前倒缆，其作用避免船舶后退VcVwYLXLTLXCVcVwYLXLTLXC二、 系泊用缆1 倒缆的作用顺流，顺风离泊时，单绑

27、后流前倒缆和尾缆，其作用避免船舶在风、流的作用下前冲。2 头缆的作用顶流、顶风离泊时，单绑后留头缆和尾倒缆，其作用避免船舶在风、流的作用下后退。VcVwYLXLTLXCVcVwXCYLXLTLTL第五节 拖船的运用一般在自力操纵发生困难时，运用拖轮来协助操纵。拖轮的种类：1） 远洋拖轮远洋拖轮一般用于远洋拖带和海难救助，其特点是抗风、抗浪性能好，续航能力强。2） 沿海拖轮沿海拖轮一般用于沿海拖带和沿海海难救助，其特点是马力大，续航能力强。3） 港作拖轮 港内拖轮一般用于港内拖带和港内作业，其特点是体积小，操纵性能好，但续航能力较差。港作拖轮在操纵中的作用：（1） 在水域受限时，协助大船转向；（

28、2） 大船或恶劣天气情况下，协助大船系、离泊；（3） 航道中航行时，协助大船控制航向。一、 拖船的种类及其特点1港作拖轮的种类1） 可变螺距推进器拖轮（CPP）它是靠改变螺旋桨的螺距角的大小来改变螺旋桨推力（或拉力）的大小，船舶变向由舵来控制。2） 平旋推进器拖轮（VSP）它是靠改变直翼的角度来改变推力的大小和方向，船舶变向由推力的方向来控制。3） Z型传动推进器拖轮（Z型）它是靠改变螺旋桨的转数来改变推力的大小，靠电机带动竖轴来改变推力的方向，船舶变向由推力的方向来控制。4） 定距螺旋桨推进器拖轮（FPP）它与普通螺旋桨船基本相同。2港作拖轮的特点：1） 船型尺度船长较小，一般在30米左右；

29、B/L较大，一般为0.220.312） 稳性GM较大，以抵抗缆的作用产生的横倾力矩。3） 拖力三种拖轮的系柱推力的比较，见表4） 操纵性能由于港内水域受限，操纵频繁，因此，要求具有良好的操纵性能。拖轮对航向稳定性要求较低，主要考虑其旋回性能，因此，其K值较大。5) 港作拖轮的特性各种港作拖轮的主要特性如拖轮的主机操作、启动停止性能、旋回性能、横移性能、耐波性能、标准拖力等比较如表2-9所示。表29 各中拖轮特性的比较性能/种类FPP拖轮CPP拖轮VSP拖轮ZP拖轮主机种类低速柴油机低速柴油机中速柴油机中高速柴油机主机操作仅可控制推力的大小仅可控制推力的大小可控制推力的大小及其方向可控制推力的大小及其方向启动停止特性差良优优旋回性能差（旋回直径大，为34倍船长）差（旋回直径较大，为1.52.0倍船长）优（可原地掉头，旋回直径为11.5倍船长）优（可原地掉头，旋回直径为11.5倍船长）横