第三章船舶性能

1、船舶与海洋工程概论第三章第三章 船舶性能船舶性能1 浮性浮性:船舶在一定装载情况下浮于一定水面的能力船舶在一定装载情况下浮于一定水面的能力 船舶本身应具备一些特定的性能，才能在汹涌的海船舶本身应具备一些特定的性能，才能在汹涌的海洋或湍急的江河中航行，这些性能我们称之为船舶洋或湍急的江河中航行，这些性能我们称之为船舶航行性能。航行性能。2 稳性稳性:在外力作用下在外力作用下,船舶发生倾斜而不致覆的能力船舶发生倾斜而不致覆的能力, 当外当外力消失后力消失后,能回到原来的平衡位置能回到原来的平衡位置3 抗沉性抗沉性:当船体破损进水当船体破损进水,船舶仍能保持浮性和稳性而不船舶仍能保持浮性和稳性而不

2、致沉没的能力致沉没的能力4 快速性：快速性：在给定主机马力下，在水中航行的快慢在给定主机马力下，在水中航行的快慢6 耐波性：耐波性：船舶在风浪海况下能保持一定的航速安全航行船舶在风浪海况下能保持一定的航速安全航行的性能的性能 。5 操纵性：操纵性：是指船舶能够根据驾驶者得意图保持或改变航是指船舶能够根据驾驶者得意图保持或改变航速、航向和位置的性能。速、航向和位置的性能。 31 浮性浮性 船舶浮性主要研究的是船舶浮性主要研究的是 船舶重力、重心和浮力、浮心之间的相互关船舶重力、重心和浮力、浮心之间的相互关系。系。 浮性平衡条件浮性平衡条件1、重力与浮力大小相等方向相反、重力与浮力大小相等方向相反

3、;2、重心、重心G和浮心和浮心B必须在同一垂线上必须在同一垂线上;正浮：吃水正浮：吃水T横倾：吃水横倾：吃水T ，横摇角，横摇角 纵倾：平均吃水，纵倾角纵倾：平均吃水，纵倾角任意状态：平均吃水，纵倾角，横摇角任意状态：平均吃水，纵倾角，横摇角浮性平衡方程式浮性平衡方程式 船舶浮态船舶浮态重力与重心计算用理论力学知识可以解决（用理论力学知识可以解决（Xg, Yg, Zg)。重量和重心的计算重量和重心的计算 直接关系到船舶技术性能直接关系到船舶技术性能 （影响浮态，稳性，横摇性能等（影响浮态，稳性，横摇性能等) 计算不准满足不了设计要求计算不准满足不了设计要求l设计阶段（分项估算）设计阶段（分项估

4、算）l建成以后（进行倾斜试验，求得空船重量和建成以后（进行倾斜试验，求得空船重量和重心）重心）浮力和浮心计算排水体积与浮心位置计算排水体积与浮心位置计算正浮时设计状态浮力和浮心计算正浮时设计状态浮力和浮心计算 （利用型线图，进行积分计算）（利用型线图，进行积分计算）不同吃水时浮力和浮心计算不同吃水时浮力和浮心计算 （利用型线图，进行变上限积分计算）（利用型线图，进行变上限积分计算）纵倾时在波浪中的浮力和浮心计算纵倾时在波浪中的浮力和浮心计算 （邦金曲线，费尔索夫曲线）（邦金曲线，费尔索夫曲线）浮性曲线及其特性浮性曲线：浮性曲线： 排水体积曲线排水体积曲线 浮心纵向坐标曲线浮心纵向坐标曲线 浮心

5、垂向坐标曲线浮心垂向坐标曲线 水线面面积曲线水线面面积曲线 漂心纵向坐标曲线漂心纵向坐标曲线1 ： 50主 甲 板 边 线尾 升 高 甲 板 边 线主 甲 板 边 线首 升 高 甲 板 边 线首 舷 墙 顶 线3.3mT结4.5mD0.8390.9940.8442.666mXbCpCmCb(Lpp)主 甲 板 边 线升 高 甲 板 边 线舷 墙 顶 线主 甲 板 边 线4000纵2000纵6000纵轴 底 线6000纵4000纵纵轴 底 线主 甲 板边 线升 高 甲 板 边 线舷 墙 顶 线半 宽 值 （ mm)主 甲 板边 线升 高 甲 板 边 线舷 墙 顶 线高 度 值 （ mm)站号尾纵

6、纵型 值 表尾 升 高 甲 板 边 线肋 位 号肋 位 号0.2m肋 距梁 拱0.6m主 甲 板 边 线升 高 甲 板 边 线舷 墙 顶 线6000纵 剖 线4000纵 剖 线2000纵 剖 线LoaLwlLppBT设94.9m92.8m90.0m15.8m3.1m主 要 尺 度升 高 甲 板 边 线 主 甲 板 边 线3100 WL3600 WL2600 WL1950 WL1300 WL650 WLB L3100 WL650 WL1300 WL1950 WL2600 WLB L3600 WL600040002000200040006000尾浮心纵向坐标 Xb 1cm=1m横稳心高 Zm 1c

7、m=1m每厘米纵倾力矩 MTC 1cm=10t.m浮心距基线高 Zb 1cm=0.5m水线面面积 Aw 1cm=100m纵稳心高 Zml 1cm=20m水线面漂心纵向坐标 Xf 1cm=1m每厘米吃水吨数 TPC 1cm=1t型排水体积 V 1cm=10m方形系数 Cb 1cm=0.1水线面系数 Cw 1cm=0.1舯剖面系数 Cm 1cm=0.1棱形系数 Cp 1cm=0.1垂向棱形系数Cvp 1cm=0.1吃水 T(m)吃水 T(m)舵 机 舱调 节 水 舱机 舱泵 舱首 尖 压 载 舱隔离舱左调节水舱右调节水舱淡 水 舱尾压载水舱尾压载水舱燃油舱泵舱N o . 3 液 货 舱 ( 右 )

8、N o . 2 液 货 舱 ( 右 )N o . 1 液 货 舱 ( 右 )N o . 2 液 货 舱 ( 左 )N o . 1 液 货 舱 ( 左 )N o . 3 液 货 舱 ( 左 )机 舱首 尖 压 载 舱首 尖 压 载 舱隔离空舱N o . 4 液 货 舱 ( 右 )N o . 4 液 货 舱 ( 左 )燃油舱燃油舱舵机舱生 活 污 水 仓污 水 处 理 器泵舱（ 左 ）（ 右 ）污 液 仓尾 压 载 水 舱N o . 4 底 货 舱N o . 3 底 货 舱N o . 2 底 货 舱N o . 1 底 货 舱（ 左 ）（ 右 ）（ 左 ）（ 右 ）日 期审 定日 期修 改 单 号设

9、 计标 检审 核校 对数 量标 记绘 制绘 校签 名H U S T J B 5 0 6-103-011 : 2 0 0比 例第 1 页江 北 造 船 厂川 维 2500T 危 险 品 运 输 船舱 容 图技 术 设 计共 1 页华 中 科 技 大 学 船 海 系图 样 标 记重 量 kg侧 视 图舱 底N o . 1 液 货 舱 （ 左 ）首 尖 压 载 舱 （ 左 ）首 尖 压 载 舱 （ 右 ）序 号舱 名型 容 积 VN o . 1 液 货 舱 （ 右 ）N o . 2 液 货 舱 （ 左 ）N o . 2 液 货 舱 （ 右 ）N o . 3 液 货 舱 （ 左 ）N o . 3 液

10、货 舱 （ 右 ）N o . 4 液 货 舱 （ 左 ）N o . 4 液 货 舱 （ 右 ）肋 位 号( m ) 净 容 积 V( m )液 体 比 重( t / m )w （ t ）载 重 量Z g （ t ）重 心 距 基重 心 距 肿X g （ t ）1 0 9 1 3 31 3 6 首1 3 6 首1 0 9 1 3 38 5 1 0 98 5 1 0 96 1 1 0 96 1 8 54 1 6 14 1 6 1燃 油 舱 （ 左 ）污 液 柜 （ 左 ）污 液 柜 （ 右 ）燃 油 舱 （ 右 ）调 节 水 舱 （ 左 ）调 节 水 舱 （ 右 ）清 水 舱 （ 右 舷 ）尾 压

11、 载 水 舱 （ 左 ）尾 压 载 水 舱 （ 右 ）机 舱1 0 1 33 9 4 13 9 4 11 0 1 3 4 1 0 4 1 0 4 8尾 - 2尾 - 21 3 3 6生 活 污 水 舱 （ 左 ）泵 舱 （ 右 ）泵 舱 （ 左 ）3 6 4 13 6 4 1- 2 4序 号舱 名型 容 积 V肋 位 号( m ) 净 容 积 V( m )液 体 比 重( t / m )w （ t ）载 重 量Z g （ t ）重 心 距 肿X g （ t ）主 尺 度垂 线 间 长型 宽型 深结 构 吃 水设 计 吃 水说 明1. 本 船 所 有 液 货 舱 及 油 舱 载 重 量 均 未扣

12、 除 膨 胀 系 数 ；2 .货 泵 舱 及 机 舱 舱 容 只 算 到 主 甲 板 。l储备浮力储备浮力船舶在水面的漂浮能力是由储备浮力来保证的。船舶在水面的漂浮能力是由储备浮力来保证的。储备浮力是指水线以上船舶主体的水密容积。储备浮力是指水线以上船舶主体的水密容积。储备浮力通常是以满载排水量的百分比来表示。储备浮力通常是以满载排水量的百分比来表示。内河船约为其满载排水量的内河船约为其满载排水量的10%15%海船约为为其满载排水量的海船约为为其满载排水量的20%50%军船约为为其满载排水量的军船约为为其满载排水量的100%储备浮力与载重线标志l载重线标志载重线标志是船舶在不同季节在不同航区的

13、最大吃水标志。它是保证船舶载重线标志是船舶在不同季节在不同航区的最大吃水标志。它是保证船舶水上航行安全情况下所规定的船舶安全装载极限。即船舶航行时的实际吃水上航行安全情况下所规定的船舶安全装载极限。即船舶航行时的实际吃水不能超过规定的载重线，以此保证船舶安全航行所需的最小储备浮力。水不能超过规定的载重线，以此保证船舶安全航行所需的最小储备浮力。储备浮力与载重线标志3004502525253005402523025230船首船首最小夏季干舷RRQQXDBDDRQ(TF)为热带淡水载重线为热带淡水载重线Q(F)为淡水区载重线为淡水区载重线R(T)为热带载重线为热带载重线X(S)为夏季载重线为夏季载

14、重线D(W)为冬季载重线为冬季载重线BDD(WNA)为北大西洋载重线为北大西洋载重线 3-2 3-2 稳性稳性受到外力作用偏离其平衡位置而倾斜，受到外力作用偏离其平衡位置而倾斜，当外力消失后仍能回到原来平衡位置的能力。当外力消失后仍能回到原来平衡位置的能力。稳性也是决定船舶横摇快慢的一个重要特征数。稳性也是决定船舶横摇快慢的一个重要特征数。外力外力: :回复能力产生的原因回复能力产生的原因船舶平衡状态船舶平衡状态l稳定平衡稳定平衡l不稳定平衡不稳定平衡l中性平衡中性平衡sinGMMR稳性分类稳性分类l横稳性横稳性l纵稳性纵稳性l静稳性：角速度可忽略不计静稳性：角速度可忽略不计l动稳性动稳性:有

15、明显的角速度变化有明显的角速度变化初稳性：倾斜角度小于初稳性：倾斜角度小于10-15度，或上甲板度，或上甲板边缘开始入水边缘开始入水大倾角稳性：倾斜角度大于大倾角稳性：倾斜角度大于10-15度，或上度，或上甲板边缘入水后甲板边缘入水后l完整稳性完整稳性浮态和初稳性影响原因浮态和初稳性影响原因l重量移动对船舶浮态和初稳性影响重量移动对船舶浮态和初稳性影响l装载小量和大量货物对船舶浮态和初稳性影响装载小量和大量货物对船舶浮态和初稳性影响l自由液面对初稳性影响自由液面对初稳性影响l悬挂重物对初稳性影响悬挂重物对初稳性影响l船舶进坞和搁浅时的浮态和稳性船舶进坞和搁浅时的浮态和稳性影响稳性的因素影响稳性

16、的因素l船舶在各种装载状态下的初稳性和浮性计算船舶在各种装载状态下的初稳性和浮性计算l大倾角稳性计算大倾角稳性计算l船舶倾斜试验船舶倾斜试验 抗沉性是指船舶在一舱或数舱破损进水后仍能抗沉性是指船舶在一舱或数舱破损进水后仍能保持一定的浮性和稳性的能力保持一定的浮性和稳性的能力.我国船级社规定：船舶破损后的水线不得超过水密我国船级社规定：船舶破损后的水线不得超过水密甲板边线下甲板边线下76mm且且 GM 不小于不小于0.05m这条与水密这条与水密甲板线相距甲板线相距76mm的平行线叫安全限界线。的平行线叫安全限界线。 抗沉性抗沉性抗沉性主要研究两个问题：抗沉性主要研究两个问题： 1 船舶进水后浮态

17、和稳性的计算船舶进水后浮态和稳性的计算 主要是计算出船舶进水后船舶的初稳性值和浮主要是计算出船舶进水后船舶的初稳性值和浮态态 （横倾、纵倾值）（横倾、纵倾值） 2 可浸长度即分舱的极限计算可浸长度即分舱的极限计算 主要是计算可浸长度并根据各舱室的渗透率绘成主要是计算可浸长度并根据各舱室的渗透率绘成可浸长度曲线可浸长度曲线. 快速性快速性船舶快速性包括船舶快速性包括船舶阻力船舶阻力和和船舶推进船舶推进两部分。两部分。研究内容研究内容:l1.减小船舶阻力，选择优良船型；减小船舶阻力，选择优良船型；l2.增大推力，选择效率较高的螺旋桨；增大推力，选择效率较高的螺旋桨；l3.选择合适的主机；选择合适的

18、主机；l4.推进器，与船体和主机之间的配合推进器，与船体和主机之间的配合RTmaRTFl船在水中航行阻力主要由三部分组成：船在水中航行阻力主要由三部分组成：摩擦阻力、兴波阻力和漩涡阻力摩擦阻力、兴波阻力和漩涡阻力（1）摩擦阻力）摩擦阻力水为具有黏性的液体。船体与水接触，就会有一部分水黏水为具有黏性的液体。船体与水接触，就会有一部分水黏附在船体上。当船舶航行时，船体表面与水摩擦形成摩擦附在船体上。当船舶航行时，船体表面与水摩擦形成摩擦阻力。阻力。摩擦阻力的大小除与水的黏性有关外，还与船体水下湿表摩擦阻力的大小除与水的黏性有关外，还与船体水下湿表面积的大小、表面的光滑程度以及航速有关。面积的大小、

19、表面的光滑程度以及航速有关。对于低速船，摩擦阻力占总阻力的比例较大。对于低速船，摩擦阻力占总阻力的比例较大。一、船在水中航行时的阻力一、船在水中航行时的阻力（2）兴波阻力）兴波阻力水波阻力的形成可以理解为，由于船舶的运动产生波浪，水波阻力的形成可以理解为，由于船舶的运动产生波浪，使周围水对船体的压力发生了变化，这些压力在船长方面使周围水对船体的压力发生了变化，这些压力在船长方面的分力的合力就是兴波阻力。兴波阻力与速度的平方成正的分力的合力就是兴波阻力。兴波阻力与速度的平方成正比比一、船在水中航行时的阻力一、船在水中航行时的阻力首散波首散波尾散波尾散波大型海船采用球鼻首来降低兴波阻力，目的是为了

20、制造有大型海船采用球鼻首来降低兴波阻力，目的是为了制造有利干扰。减少首部兴波高度，降低兴波阻力。利干扰。减少首部兴波高度，降低兴波阻力。合成兴波合成兴波船首波船首波球首兴波球首兴波（3）漩涡阻力）漩涡阻力漩涡阻力是由于水的黏性引起的。黏性流体流经船体表面漩涡阻力是由于水的黏性引起的。黏性流体流经船体表面时，由于船体曲面的变化而使得流体速度降低，至尾部时时，由于船体曲面的变化而使得流体速度降低，至尾部时边界层出现分离现象，形成漩涡，漩涡产生后使尾部压力边界层出现分离现象，形成漩涡，漩涡产生后使尾部压力下降，形成首尾压力差，称为漩涡阻力。一般瘦长的船体下降，形成首尾压力差，称为漩涡阻力。一般瘦长的

21、船体水流能较为顺利地流至船尾，不致产生漩涡，或漩涡较水流能较为顺利地流至船尾，不致产生漩涡，或漩涡较小，因而漩涡阻力较小。对于丰满船型，船体曲度骤变小，因而漩涡阻力较小。对于丰满船型，船体曲度骤变处，过早发生分离现象，产生漩涡，漩涡阻力较大。设计时处，过早发生分离现象，产生漩涡，漩涡阻力较大。设计时应注意。应注意。一、船在水中航行时的阻力一、船在水中航行时的阻力（4）船舶总水阻力）船舶总水阻力船舶在静水中航行的总水阻力为摩擦阻力、船舶在静水中航行的总水阻力为摩擦阻力、兴波阻力和漩兴波阻力和漩涡阻力涡阻力之和。之和。一、船在水中航行时的阻力一、船在水中航行时的阻力rfWaterRRR兴波阻力和漩

22、涡阻力兴波阻力和漩涡阻力水下部分阻力水下部分阻力裸船体阻力裸船体阻力汹涛RRRRRAttachedAirWaterall空气阻力空气阻力附体阻力附体阻力附加阻力附加阻力l阻力近似估算方法阻力近似估算方法l阻力研究方法阻力研究方法l 理论分析理论分析l 试验方法试验方法 船模试验船模试验 实船实验实船实验l 数值模拟数值模拟l对于低速船：对于低速船： 兴波阻力小，兴波阻力小， 摩擦阻力占摩擦阻力占70%-80% 粘压阻力占粘压阻力占10%l对于高速船：兴波阻力对于高速船：兴波阻力40-50%， 摩擦阻力占摩擦阻力占50% 粘压阻力占粘压阻力占5%低速船低速船 Fr0.2中速船中速船 0.2Fr0

23、.3 船舶推进船舶推进 螺旋桨推进螺旋桨推进 l 螺旋桨俗称螺旋桨俗称“车叶车叶”，它的结构可分为两部分：，它的结构可分为两部分：一是位于四周几片形状和大小都一样的桨叶；一是位于四周几片形状和大小都一样的桨叶；二是位于当中的圆锥形壳体，称为桨毂。二是位于当中的圆锥形壳体，称为桨毂。船体有效马力船体有效马力PE主机发出功率主机发出功率PB螺旋桨收到功率螺旋桨收到功率PD推进系数推进系数推进效率推进效率l推进效率推进效率(似是推进系数似是推进系数)l 所谓推进效率就是推进器发出的有用功率与吸所谓推进效率就是推进器发出的有用功率与吸收功率之比。收功率之比。 DPE/PD = ohr PE 船体有效马

24、力。船体有效马力。 PD 螺旋桨收到马力。螺旋桨收到马力。l 推进系数推进系数 PC P D S l PB 主机功率主机功率 l2 特种推进器特种推进器l 1）导管螺旋桨）导管螺旋桨 l 特点：导管产生附特点：导管产生附加推力减小效率损失，加推力减小效率损失，转动导管能兼舵的作用，转动导管能兼舵的作用，增加回转力矩。增加回转力矩。2） 可调螺距螺旋桨可调螺距螺旋桨 特点：在不同区域主机都可以发挥其功率，但机特点：在不同区域主机都可以发挥其功率，但机械复杂，造价和修理费较高。械复杂，造价和修理费较高。 3）对转螺旋桨）对转螺旋桨 特点：特点： 减小尾流旋转的损失，提高推进器本身的减小尾流旋转的损

25、失，提高推进器本身的效率，但机构复杂。效率，但机构复杂。 4） 串列螺旋桨串列螺旋桨 特点：特点： 解决了主机功率大但吃水小的矛盾，可解决了主机功率大但吃水小的矛盾，可提高螺旋桨的推进效率。提高螺旋桨的推进效率。l 5）360回转式螺旋桨回转式螺旋桨 这种推进器因其能在水平这种推进器因其能在水平360 内任意位置上发出内任意位置上发出推力，故使船舶能获得良好的操纵性，推力，故使船舶能获得良好的操纵性，-尤其突出尤其突出的是它能使船舶后推的推力基本上和使船前进的推的是它能使船舶后推的推力基本上和使船前进的推力相同力相同 特点特点 ：推进器可绕垂直轴作：推进器可绕垂直轴作360的旋转。的旋转。l6

26、 6）直翼推进器）直翼推进器 直翼推进器也称竖轴推进器或平旋推进器，由若干垂直的直翼推进器也称竖轴推进器或平旋推进器，由若干垂直的叶片（叶片（4 48 8片）组成。叶片在圆盘上等距布置，圆盘与船体片）组成。叶片在圆盘上等距布置，圆盘与船体底部齐平。底部齐平。 特点：特点： 能发出向前，后，左，右任何方向的推力。具有能发出向前，后，左，右任何方向的推力。具有良好的操纵性，推进效率也较高。但结构复杂，造价昂贵，良好的操纵性，推进效率也较高。但结构复杂，造价昂贵，叶片的保护性较差。叶片的保护性较差。l7） 喷水推进器喷水推进器l 它也是一种依靠水的反作用力推船前进的推进器。由布置在船体内的它也是一种

27、依靠水的反作用力推船前进的推进器。由布置在船体内的水泵装置和吸水、喷射管组成。水泵装置和吸水、喷射管组成。l 特点：较好的操纵性，结构简单，工作可靠，震动小，但船舶有特点：较好的操纵性，结构简单，工作可靠，震动小，但船舶有效载荷小，推进效率低。效载荷小，推进效率低。l8） 现代风帆现代风帆 l 它是利用机翼原理配以计算机自动调整风帆迎风的最佳角度，以获取最它是利用机翼原理配以计算机自动调整风帆迎风的最佳角度，以获取最大的推力。现代风帆在海洋船舶上作为一种辅助推进装置使用，据报道可节大的推力。现代风帆在海洋船舶上作为一种辅助推进装置使用，据报道可节省主机功率省主机功率1020。这种船称作风帆助航

28、节能船。这种船称作风帆助航节能船。操纵性 船舶的操纵性包括：船舶的操纵性包括：航向稳定性，回转性和转首性航向稳定性，回转性和转首性。 航向稳定性：表示船舶在水平面内的运动受扰动而偏离平航向稳定性：表示船舶在水平面内的运动受扰动而偏离平衡状态，当外界扰动消除后保持其原有平衡的性能。衡状态，当外界扰动消除后保持其原有平衡的性能。 回转性：表示船舶在一定舵角下，能迅速改变航向并作回回转性：表示船舶在一定舵角下，能迅速改变航向并作回转运动的性能。转运动的性能。 转首性：转首性： 表示船舶应舵转首的性能。表示船舶应舵转首的性能。 图示为舵的转船力矩和图示为舵的转船力矩和 对船的回转作用。对船的回转作用。

29、 船舶回转时的受力分析船舶回转时的受力分析操纵性主要参数 回转直径回转直径 D/L 操纵指数操纵指数 K T操纵性与经济性操纵性与经济性,安全性密切相关安全性密切相关对于短程航行船舶对于短程航行船舶:对于长期航行船舶对于长期航行船舶: 耐波性耐波性l 耐波性是指船舶在波浪上克服摇摆等运动的性能耐波性是指船舶在波浪上克服摇摆等运动的性能摇摆的运动方式：横摇，纵摇，深沉。摇摆的运动方式：横摇，纵摇，深沉。剧烈摇摆产生的后果剧烈摇摆产生的后果1.1.过分倾斜而倾过分倾斜而倾覆覆2 2。由于纵摇和深沉而导致船体折断。由于纵摇和深沉而导致船体折断3 3。由于船舷或首尾淹没在波面下致使甲板浸水。由于船舷或首尾淹没在波面下致使甲板浸水4 4。由于纵摇深沉，使阻力增加，推进效率降低，导致船。由于纵摇深沉，使阻力增加，推进效率降低，导致船 舶失速舶失速5 5。乘客晕船，工作条件恶劣。乘客晕船，工作条件恶劣6