船舶设计原理__方案构思与主尺选择

1、会计学1船舶设计原理船舶设计原理_方案构思与主尺选择方案构思与主尺选择散货船船型特征:散货船以运输大宗货物为主，主要有：煤、谷物、矿砂等，也可以装运木材、钢材、纸浆、重货等。设计时一般以其中的一、二种货物为主来考虑。散货船的载重量一般都在万吨以上，大型散货船为13万吨17.5万吨（好望角型），68万吨级为巴拿马型（型宽限制约为32.2m），45万吨级的称为灵便型。散货船一般都是低速船，所以船体都比较丰满，大多为单桨推进，宽浅吃水型船也有采用双桨。现代散货船一般都设置具有整流作用，并能兼顾压载航行工况的球首。 散货船图片：75000t散货船总布置图：第七货舱口第六货舱口第五货舱口第三货舱口第四货

2、舱口第二货舱口第一货舱口主 要 要 素总 长垂线间长型 深型 宽结构吃水设计吃水A 甲板至 B 甲板上甲板至 A 甲板上甲板至首楼甲板甲板层高载重量C 甲板至驾驶甲板B 甲板至 C 甲板驾驶甲板至罗经甲板主机型号最大持续功率常用功率船员人数航 速1:20003.303.303.3第五货舱第四货舱第三货舱第一货舱第二货舱机 舱淡水舱舱底水舱蒸馏水舱NO.4燃油舱（左）75000DWT OBC (PANAMAX)75000DWT 优选型 散货船Date日期Reviewed审核Approved审定Rew.Sh.No修改单号DesignedCheckedStan.RevQty数量Mark校对设计标检标

3、记Sign签字Sheets渤海船舶重工有限责任公司BOHAI SHIPBUILDINGHEAVY INDUSTRY CO.LTD第 1 页PRELIMINARY DESIGN初步（扩大）设计共 2 页Total sheets重 量WeightScale比 例总 布 置 图顾敏童裘泳铭顾敏童首尖舱帆缆间木工间油漆间锚链舱第六货舱第七货舱第四顶压载舱（左、右）第三顶压载舱（左、右）第二顶压载舱（左、右）第一顶压载舱（左、右）第四双层底压载舱（左、右）第三双层底压载舱（左、右）第二双层底压载舱（左、右）第一双层底压载舱（左、右）第七侧移式货舱盖第六侧移式货舱盖第四侧移式货舱盖第五侧移式货舱盖第一侧移

4、式货舱盖第二侧移式货舱盖第三侧移式货舱盖上 甲 板货 舱A 甲板B 甲板C 甲板D 甲板驾驶甲板罗经甲板应急消防泵室尾尖舱冷却水舱散货船总布置特征:现代散货船都采用尾机型，这样中部方整的部位都可以用于货舱，有利于货舱口的布置和提高舱容利用率，也有利于结构的连续性，提高总纵强度。机舱的长度在机舱布置许可的情况下应尽量缩短。首尖舱的长度约0.050.07LPP，尾尖舱的长度约0.0350.045LPP。散货船的货舱通常设有顶边水舱和底边水舱。这种货舱形状的好处是：减少了卸货时的清舱工作量；可以将散货装满，减少平舱工作量；顶边舱和底边舱用于装载压载水，增加了压载量，提高了压载重心，可增加压载航行的首

5、尾吃水和改善压载状态的横摇性能。运输矿砂的散货船因矿砂密度大，所需舱容小，所以双层底高度和边舱尺寸都很大，这样可避免货物重心过低，初稳性过高，横摇周期过短。 散货船一般都为单甲板（仅有一层连续露天甲板）。大型散货船大多仅设甲板室，无首楼和尾楼，也有些仅设首楼，无尾楼；中小型船一般都设有首楼，并根据需要也有设置尾楼。驾驶室以及船员生活舱室等都设置在船尾。甲板室的层数和高度根据所需的布置地位以及驾驶盲区的要求确定。 集装箱船船型特征:集装箱船的大小通常以20ft标准集装箱（TEU）数量来表示。一般来说载箱数超过2500TEU为大型船，载箱数在500TEU以下的为小型船。巴拿马型集装箱船的载箱数在2

6、500TEU4400TEU，超巴拿马型的集装箱船都在4000TEU以上。国内正在建造的比较典型的巴拿马型集装箱船为4250TEU，超巴拿马型的为8530TEU。集装箱船布置特征: 集装箱船的机舱部位，对于中小型船大多采用尾机型，大型船也有采用中尾机型（即机舱后面还设一个货舱）。由于集装箱船航速较高，方形系数较小，所以船尾部比较削瘦，采用尾机型机舱需要较大的长度，而中尾机型船的机舱长度相对可减小。 集装箱船的货舱形状由于大开口的要求，绝大多数采用双壳体结构。为了提高甲板大开口船的抗弯、抗扭强度，双壳体的上部都设有平台，形成箱形抗扭结构。由于货舱盖上要堆装多层集装箱（一般在4层以上），所以舱盖要有

7、足够的强度。吊装式舱口盖因每块盖板的重量要控制在起货设备的起吊能力范围内，所以舱盖的大小、布置和支撑形式与货舱的设计也有密切关系。 集装箱船布置特征: 集装箱船的上层建筑具有长度短，层数多的特点。长度短是为了节省甲板面积；层数多是驾驶室高度的需要，目的是为了解决驾驶盲区的问题。IMO规定集装箱船驾驶盲区不应大于2倍船长，过巴拿马运河时盲区另有规定。 大中型集装箱船通常不设起货设备。小型集装箱船为适应小型港口的需要，常设置甲板起重机。为了减少设置起重机对集装箱布置的影响，有些船将起重机布置在舷侧。 集装箱船由于重心很高，为解决稳性问题，满载情况也常需要用压载水来降低重心高度，所以双层底舱几乎全部

8、用作压载水舱。此外，首尾尖舱、两舷双壳体内一般也用作压载水舱。为了平衡装卸集装箱时的横倾，两舷边舱中的左右一对压载水舱通常各装50压载水，用作调整横倾。集装箱船在装卸舱内集装箱时横倾不能超过5，以免集装箱被导轨卡住。 4250TEU集装箱船总布置图:5.1.2 主尺度的初步考虑方案构思时，对主尺度的选择首先考虑一个尺度选取范围。这个范围可以用绝对尺度的形式表示，也可以用主尺度比的形式给出，如L/B、B/d、L/D等。确定一个主尺度取值范围可以减少主尺度选择中的盲目性。船舶主尺度是描述船舶几何特征的最基本的参数。主尺度对船舶的运载能力、航海性能、操作使用和船舶的经济性等都有重要影响。合理地选择和

9、确定主尺度是船舶总体设计中最基本最重要的工作之一，也是开展各项具体设计工作的基础。因此，在新船设计初始阶段的总体设计方案构思中，主尺度的选择是首先要考虑的问题。考虑主尺度选择范围的方法主要有母型法、统计方法和经验公式。需要强调的是：尺度比参数比绝对尺度更能发映与船舶性能、强度之间的规律性关系。实践表明，主尺度在适宜的尺度比范围内选择，可以有效地控制船舶的一些基本性能。5.1.3 主要技术性能的分析主要技术性能有：浮性、快速性、完整稳性、分舱与破舱稳性、耐波性、操纵性、以及船体的强度和振动等。船舶的技术性能关系到使用、安全和经济性。技术性能的指标必须与船舶的经济性联系起来考虑，它们之间存在的各种

10、矛盾，需要设计者去权衡。考虑船舶的技术性能，必须清楚：哪些性能是要必须保证的，哪些是要力求提高的，哪些是要兼顾的。在总体设计方案构思中，必须清楚性能与船舶要素之间的联系规律。本节针对船舶的快速性、稳性、耐波性和操纵性作一分析与讨论。（一） 快速性船舶快速性包括阻力性能和推进性能两部分。研究快速性的问题是在有关约束条件下，希望能以较低的推进功率达到给定的航速要求；或者在给定的推进功率下，尽可能地提高航速。减小阻力，提高推进效率始终是船舶设计所追求的目标。 从阻力方面看，船舶的总阻力 R 取决于排水量、航速、棱形系数（或者方形系数）、尺度比（L/B、L/d、 L / ）、船体型线等因素。 从推进效

11、率方面看，对于螺旋桨推进方式，螺旋桨的负荷是主要因素，这涉及到螺旋桨的收到功率、转速、直径和航速。一般来说，单桨功率越大、转速越高、桨的直径越小、航速越低，螺旋桨效率也就越低。 从设计的角度来说，解决快速性的问题主要是选择合适的主尺度，优化船体的型线，控制好螺旋桨的设计参数，必要时采用一些改善快速性的特殊技术措施。 影响快速性的因素:5.1.3 主要技术性能的分析船舶的阻力性能船舶阻力水阻力空气阻力静水阻力汹涛阻力裸体阻力附体阻力附加阻力静水总阻力RT水压阻力RP摩擦阻力RF兴波阻力RW粘压阻力RPV粘性阻力RVTWVRRR 船舶阻力的组成： 船舶阻力的分类：VPVFRRR因此：因此：其中：其

12、中：5.1.3 主要技术性能的分析船舶的阻力性能SNvFgLSNv LR 傅汝德数定义：vs速度（m/s); g重力加速度（m/s )； Lm（船长）（船速Vs通常用节表示：kn，1节0.5144m/s） 雷诺数定义：vs速度（m/s);水的运动粘性系数（m /s )，与水的温度有关，温度越高，越小； Lm（船长）5.1.3 主要技术性能的分析船舶的阻力性能62cosWmLRABv兴波阻力特性（1） 根据兴波阻力理论分析，可得：根据兴波阻力理论分析，可得：422cos12WWRmLvCCDgLv S或或式中：式中：A、B、C、D是常数；是常数；是波长；是波长； m是系数，是系数，mL称为兴波长

13、度；称为兴波长度；S是船的湿表面积。是船的湿表面积。上式表明，兴波阻力上式表明，兴波阻力RW是由两部分组成，其中第一项为首尾兴波产生的是由两部分组成，其中第一项为首尾兴波产生的“自然兴波阻力自然兴波阻力”；第二项是首尾波（横波）遭受干扰产生的兴波阻力。；第二项是首尾波（横波）遭受干扰产生的兴波阻力。5.1.3 主要技术性能的分析船舶的阻力性能（兴波阻力特性）0.5,1.5,2.5mL2cosmL（2） 兴波阻力曲线兴波阻力曲线由于由于是在是在+1.0-1.0之间变动，因此之间变动，因此CW曲线存在凸起和凹陷的现象，也称曲线存在凸起和凹陷的现象，也称为兴波阻力的为兴波阻力的“峰峰”和和“谷谷”。

14、当当时出现时出现“凸起凸起”，即此时首尾横波，即此时首尾横波产生了不利的干扰。产生了不利的干扰。当当1,2,3mL时出现时出现“凹陷凹陷”，即此时首尾横波，即此时首尾横波产生了有利的干扰。产生了有利的干扰。Cwv兴波阻力系数曲线gLFN=gLv （ ）45.1.3 主要技术性能的分析船舶的阻力性能（兴波阻力特性）（3）兴波干扰兴波阻力随航速成六次方的关系变化，因此兴波阻力占船舶总阻力的比兴波阻力随航速成六次方的关系变化，因此兴波阻力占船舶总阻力的比例随航速的增加而迅速增大，对中高速船，约为例随航速的增加而迅速增大，对中高速船，约为3050。对中、高速。对中、高速船减少船舶阻力的努力方向是降低兴

15、波阻力，特别是高速船。船减少船舶阻力的努力方向是降低兴波阻力，特别是高速船。兴波阻力中干扰产生的兴波阻力是人们十分感兴趣的研究对象。该部分兴波阻力中干扰产生的兴波阻力是人们十分感兴趣的研究对象。该部分阻力的大小取决于兴波长度阻力的大小取决于兴波长度mL，而，而 mL= f ( L,，Cp )。因此，干扰作用主。因此，干扰作用主要与船长和棱形系数有关。船舶设计中对应一定的设计航速，合理选择船要与船长和棱形系数有关。船舶设计中对应一定的设计航速，合理选择船长和棱形系数对降低兴波阻力有重要的关系。长和棱形系数对降低兴波阻力有重要的关系。艾亚根据船模和实船试验结果，分析得到的不同艾亚根据船模和实船试验

16、结果，分析得到的不同FN与波阻与波阻“峰峰”及及“谷谷”的关系见下表，除此以外还有一些估算的公式。的关系见下表，除此以外还有一些估算的公式。F FN N0.2000.2000.2140.2140.2320.2320.2560.2560.2830.2830.3420.342峰、谷峰、谷峰点峰点谷点谷点峰点峰点谷点谷点峰点峰点谷点谷点5.1.3 主要技术性能的分析船舶的阻力性能摩擦阻力：vy流体的摩擦阻力就是在边界层内发生的。流体的摩擦阻力就是在边界层内发生的。边界层是指粘性流体以速度边界层是指粘性流体以速度v 流经平板时，在平板表面的速度为零，在距流经平板时，在平板表面的速度为零，在距离平板一定

17、范围后，流体速度为离平板一定范围后，流体速度为v 。此范围称为边界层，边界层的厚薄还与流。此范围称为边界层，边界层的厚薄还与流经平板的长度有关，当流过平板一定长度后，边界层的厚薄不再变化。经平板的长度有关，当流过平板一定长度后，边界层的厚薄不再变化。对于粘性较小的流体（如水）流过平板时，粘性对流动的影响仅发生在很对于粘性较小的流体（如水）流过平板时，粘性对流动的影响仅发生在很薄的一层流体内，即边界层厚度极小，但速度变化率很大。薄的一层流体内，即边界层厚度极小，但速度变化率很大。FSRds摩擦阻力为：摩擦阻力为：根据摩擦定理：根据摩擦定理：5.1.3 主要技术性能的分析船舶的阻力性能 (摩擦阻力

18、)212FFRCv S()FNCf R摩擦阻力的计算:摩擦阻力为：摩擦阻力为：式中：式中：对于光板的层流摩擦阻力系数可得到精确的理论计算公式，即对于光板的层流摩擦阻力系数可得到精确的理论计算公式，即对应的雷诺数对应的雷诺数RN 范围为范围为（3.55.0）10 。但一般船舶的雷诺。但一般船舶的雷诺数在数在410 RN 310 ，其对应的流动状态是紊流边界层。，其对应的流动状态是紊流边界层。569船舶摩擦阻力系数计算公式是根据平板试验结果导出的经验公式。船舶摩擦阻力系数计算公式是根据平板试验结果导出的经验公式。目前一般用于船模与实船换算的摩擦阻力系数是目前一般用于船模与实船换算的摩擦阻力系数是1

19、957 ITTC公式公式（1957年国际船模试验池会议公式）：年国际船模试验池会议公式）：20.075(lg2)FNCR5.1.3 主要技术性能的分析船舶的阻力性能 (摩擦阻力)摩擦阻力的计算:对于摩擦阻力计算中采用对于摩擦阻力计算中采用“相当平板相当平板”的假定，忽略了实际船体的弯的假定，忽略了实际船体的弯曲和粗糙，会有误差。但研究结果表面，船体弯曲度对摩擦阻力的影响并曲和粗糙，会有误差。但研究结果表面，船体弯曲度对摩擦阻力的影响并不显著，试图通过改变船体型线的办法来减小摩擦阻力其效果是不大的。不显著，试图通过改变船体型线的办法来减小摩擦阻力其效果是不大的。同时，至今尚无公认的对形状效应的修

20、正办法，因此一般不作修正。对于同时，至今尚无公认的对形状效应的修正办法，因此一般不作修正。对于实际船体表面的粗糙度问题，有过一些研究和经验公式，但应用并不广泛。实际船体表面的粗糙度问题，有过一些研究和经验公式，但应用并不广泛。实际计算中对此的考虑，是在光滑平板摩擦阻力系数实际计算中对此的考虑，是在光滑平板摩擦阻力系数CF上加上一个与雷诺上加上一个与雷诺数无关粗糙度补贴系数数无关粗糙度补贴系数CF，即，即21()2FFFRCCv S我国一般取我国一般取CF0.0004，但对大船通常取更小的值。，但对大船通常取更小的值。5.1.3 主要技术性能的分析船舶的阻力性能 (摩擦阻力)减小摩擦阻力一些措施

21、:在一定的航速下，摩擦阻力与船的湿表面积，水的运动粘性在一定的航速下，摩擦阻力与船的湿表面积，水的运动粘性系数和船体表面的粗糙度有关。虽然，对于一定排水量的船，系数和船体表面的粗糙度有关。虽然，对于一定排水量的船，较小的较小的 L/B 和和 B/d 值可减小湿表面积，但这些尺度比的选择通常值可减小湿表面积，但这些尺度比的选择通常还有更重要的因素要考虑，因此，一般来说，减小湿表面积的还有更重要的因素要考虑，因此，一般来说，减小湿表面积的措施是不大可行的。措施是不大可行的。一种大胆的措施是改变运动粘性系数，例如在船体表面喷注一种大胆的措施是改变运动粘性系数，例如在船体表面喷注稀释的聚合物溶液、设置

22、空气薄膜装置等。稀释的聚合物溶液、设置空气薄膜装置等。5.1.3 主要技术性能的分析船舶的阻力性能粘压阻力：在理想流体中不存在粘压在理想流体中不存在粘压阻力。在有粘性的流体中，由阻力。在有粘性的流体中，由于粘性和压力差影响到边界层于粘性和压力差影响到边界层内的水质点运动，从能量观点内的水质点运动，从能量观点看，船尾形成的漩涡消耗了能看，船尾形成的漩涡消耗了能量。因此粘压阻力与船的形状量。因此粘压阻力与船的形状有关。有关。粘压阻力主要发生在船体水粘压阻力主要发生在船体水下形状发生突变的地方。对于下形状发生突变的地方。对于丰满度较小的船，主要发生在丰满度较小的船，主要发生在船尾；对丰满度较大的船，

23、船船尾；对丰满度较大的船，船首肩部（型线发生突变处）也首肩部（型线发生突变处）也会产生严重的舭涡，因此型线会产生严重的舭涡，因此型线设计中对此应加以仔细考虑。设计中对此应加以仔细考虑。5.1.3 主要技术性能的分析船舶的阻力性能（粘压阻力）(1)TFPVWFWRRRRRkRPVFCkC1VFCkC在船模试验换算实船阻力中，为考虑粘压阻力，较多采用的是在船模试验换算实船阻力中，为考虑粘压阻力，较多采用的是“三因次换算法三因次换算法”。它假定粘压阻力与摩擦阻力之比为一常数。它假定粘压阻力与摩擦阻力之比为一常数k，即：，即：(1)TmFmWmCCkC或或船模的总阻力系数表达为：船模的总阻力系数表达为

24、：实船的总阻表达为：实船的总阻表达为：数值（数值（1+k）称为形状因子）称为形状因子形状因子（形状因子（1+k）数值的确定是通过试验方法测得，有一定的难度。）数值的确定是通过试验方法测得，有一定的难度。5.1.3 主要技术性能的分析船舶的阻力性能破波阻力：破波阻力的发现是在破波阻力的发现是在60年代末。对船首丰满，年代末。对船首丰满，B/d 较大，航速又较高的较大，航速又较高的船破波阻力是不可忽视的船破波阻力是不可忽视的阻力成分，对于型线瘦削阻力成分，对于型线瘦削的船型则可忽略不计。的船型则可忽略不计。破波阻力可通过船模破波阻力可通过船模试验测量得到。试验测量得到。5.1.3 主要技术性能的分

25、析船舶的阻力性能求解船舶阻力的方法： 船模试验方法：用小尺度的船模，在拖曳水池中试验，应用相似定律将阻力换算到实船。 经验估算方法：根据经验公式和统计公式或母型船的试验资料进行估算。 理论计算方法：根据流体力学理论直接计算，例如Shipflow 软件。目前，理论方法对兴波阻力的计算已有一些接近成功的算例。对于粘性阻力的计算尚在研究中。5.1.3 主要技术性能的分析船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法： 海军系数法海军系数法 母型船数据粗估方法母型船数据粗估方法2/33EVCP式中：排水量（t）； V航速（kn）； PE有效功率（kw）。 在推进效率相当的情况下，海军系数法也可以用于主机功在推进效率

26、相当的情况下，海军系数法也可以用于主机功率率PD 的估算。的估算。 5.1.3 主要技术性能的分析船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法：母型船数据粗估方法母型船数据粗估方法 按排水量的引伸比较法按排水量的引伸比较法 当两船水下形状相近时，可用母型船有效功率曲线（PEoVo曲线）上相应速度处的PEo按排水量换算新船的有效功率PE，如假定推进效率也相当，则可用母型船的推进效率换算得新船的主机功率。具体方法是：首先根据新船的航速按排水量关系计算对应母型船的船速点： 6/1)/(OOVV根据根据VO在母型船的在母型船的PEOVO曲线上查得曲线上查得PEO后，则新船的有效功率后，则新船的有效功率PE为：为：

27、 6/7)/(OEOEPP如假定两船推进效率相等（PEO / PO= PE /P），则 )/(EOOEPPPP 5.1.3 主要技术性能的分析船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法：母型船数据粗估方法母型船数据粗估方法 统计公式统计公式 例如：适用于中小型船舶的回归多项式估算公式01033. 0205. 041631. 006644. 022589. 017273. 0)736. 0/(42. 2NPCdBLVBpp式中：P螺旋桨收到功率（kW）； N螺旋桨转速（r/min） 5.1.3 主要技术性能的分析船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法：比较详细的估算方法 比较详细的估算方法，常用的是采用相近的船

28、模试验资料来估算新船的阻力。相近的船模试验资料主要有两种，一种是相近的母型船船模试验资料，另一种是相近的系列船模试验资料。5.1.3 主要技术性能的分析船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法：比较详细的估算方法 应用系列船模试验资料估算阻力 85. 06 . 0/LV系列名称系列名称适用范围适用范围计算结果计算结果扩展的泰勒系列扩展的泰勒系列Cp=0.50.8适用于双桨高速瘦削船型适用于双桨高速瘦削船型裸船体有效功率，计算的阻力一裸船体有效功率，计算的阻力一般偏低般偏低60系列系列CB=0.60.8适用于尺度较大，航速较高的适用于尺度较大，航速较高的单桨商船，首、尾横剖面呈单桨商船，首、尾横剖面呈U

29、型型裸船体有效功率，计算的阻力值裸船体有效功率，计算的阻力值略低略低BSRA系列系列CB=0.550.85适用于适用于 的中速的中速单桨海船，尾横剖面呈单桨海船，尾横剖面呈U型型裸船体有效功率，计算的数值略裸船体有效功率，计算的数值略低于实船低于实船SSPA系列系列CB=0.5250.75适用于中、高速单桨中小型运适用于中、高速单桨中小型运输船，首横剖面呈输船，首横剖面呈V形，低速形，低速船呈船呈U形形裸船体有效功率，对船长大于裸船体有效功率，对船长大于150m的船，其数值略高的船，其数值略高日本肥大型船系列日本肥大型船系列（CB=0.780.84）适用于低速肥大型船，横剖面适用于低速肥大型船

30、，横剖面呈呈U形形裸船体有效功率，数值比裸船体有效功率，数值比60系列系列略高略高浅吃水肥大型船系列浅吃水肥大型船系列（CB=0.790.85）适用于低速单桨浅吃水运输船，适用于低速单桨浅吃水运输船，有球首和球尾，含不同装载情有球首和球尾，含不同装载情况况裸船体有效功率裸船体有效功率5.1.3 主要技术性能的分析船舶的阻力性能方案构思中对减少船舶阻力的一些考虑：（1）在选择船长时，注意避免兴波阻力位于）在选择船长时，注意避免兴波阻力位于“峰峰”的区域。的区域。在无法避免时，适当取较小的棱形系数，船型系数中棱形系数对在无法避免时，适当取较小的棱形系数，船型系数中棱形系数对兴波阻力影响重大。兴波阻

31、力影响重大。（2）选择较大的）选择较大的 L/B 和和 L/ ，较小的，较小的 B/d 对降低兴波阻力和对降低兴波阻力和粘压阻力有利。但尺度比选择的考虑因素还很多，必须统筹兼顾，粘压阻力有利。但尺度比选择的考虑因素还很多，必须统筹兼顾，特别是不同速度范围的船其设计考虑的侧重点是不同的。特别是不同速度范围的船其设计考虑的侧重点是不同的。1/3（3）在一定的主尺度和船型系数下，船体型线设计是否优秀，）在一定的主尺度和船型系数下，船体型线设计是否优秀，对阻力性能仍有较大的影响，必须仔细优化。例如：浮心纵向位置对阻力性能仍有较大的影响，必须仔细优化。例如：浮心纵向位置适当后移，削瘦首部型线，以便减小兴

32、波阻力；设置减阻的球首等。适当后移，削瘦首部型线，以便减小兴波阻力；设置减阻的球首等。5.1.3 主要技术性能的分析船舶的推进性能船舶推进的几种方式船舶推进的几种方式： 螺旋桨推进，包括：螺旋桨推进，包括：普通螺旋桨普通螺旋桨导管螺旋桨导管螺旋桨可调距螺旋桨可调距螺旋桨对转螺旋桨对转螺旋桨串列螺旋桨等串列螺旋桨等 风帆风帆 明轮明轮 直叶推进器直叶推进器 喷水推进器喷水推进器5.1.3 主要技术性能的分析船舶的推进性能螺旋桨的参数螺旋桨的参数：(1) 螺旋桨直径螺旋桨直径D、叶数、叶数Z(2) 盘面比（伸张面或展开面与盘面积比）：盘面比（伸张面或展开面与盘面积比）：AE/A0(3) 螺距比：螺

33、距比：P/D(4) 叶切面形状特征叶切面形状特征直径D梢圆旋向导边随边叶根叶根侧投影轮廓叶厚分布线桨毂毂帽d5.1.3 主要技术性能的分析船舶的推进性能DSSPPEDDPPEDDSDSPPP CPP船舶螺旋桨总的推进效率由以下各部分效率组成：船舶螺旋桨总的推进效率由以下各部分效率组成：（1）传递效率）传递效率s 它是指主机发出的功率它是指主机发出的功率 PS 与螺旋桨收到的功率与螺旋桨收到的功率 PD 之比。这中间包括之比。这中间包括轴系中的轴承效率、尾轴填料函、减速齿轮箱效率等。一般轴系效率约为轴系中的轴承效率、尾轴填料函、减速齿轮箱效率等。一般轴系效率约为0.98，齿轮箱效率约为，齿轮箱效

34、率约为0.960.98。（2）推进效率）推进效率D （也称为准推进效率或拟是推进效率（也称为准推进效率或拟是推进效率QPC） 它是指螺旋桨收到功率它是指螺旋桨收到功率 PD 与有效功率与有效功率 PE 之比。之比。有效功率有效功率 PE 与主机发出功率之比称为推进系数：与主机发出功率之比称为推进系数： 5.1.3 主要技术性能的分析船舶的推进性能02TQKJK025QQKn D（3）螺旋桨敞水效率）螺旋桨敞水效率 螺旋桨敞水螺旋桨敞水 效率效率 是指单独螺旋桨在水中工作的效率。螺旋桨吸收转矩是指单独螺旋桨在水中工作的效率。螺旋桨吸收转矩Q，发出推力，发出推力T。转矩的无因次系数（转矩系数）。转

35、矩的无因次系数（转矩系数）KQ 和推力的无因次系数和推力的无因次系数KT 分别为分别为 ： 24TTKn DAVJnD式中：式中： D螺旋桨直径；螺旋桨直径； n转速；转速； 水的质量密度。水的质量密度。螺旋桨敞水效率螺旋桨敞水效率: 式中式中J 为进速系数：为进速系数：VA螺旋桨进速。螺旋桨进速。5.1.3 主要技术性能的分析船舶的推进性能vwVR（4）船身效率）船身效率 和相对旋转效率和相对旋转效率 在船尾工作的螺旋桨和在敞水情况下工作的螺旋桨不同，首先，船尾处由于在船尾工作的螺旋桨和在敞水情况下工作的螺旋桨不同，首先，船尾处由于伴流的影响的，水流速度不同于船速伴流的影响的，水流速度不同于

36、船速V，而且伴流是不均匀的；其次，由于螺旋，而且伴流是不均匀的；其次，由于螺旋桨工作时的抽吸作用，导致船尾压力下降，使得船体阻力增加。这些称之为螺旋桨工作时的抽吸作用，导致船尾压力下降，使得船体阻力增加。这些称之为螺旋桨与船体间的相互作用。桨与船体间的相互作用。AVVv产生伴流的原因有形势伴流、摩擦伴流和波浪伴流。在螺旋桨盘面各点的产生伴流的原因有形势伴流、摩擦伴流和波浪伴流。在螺旋桨盘面各点的伴流速度大小和方向各不相同。取盘面处伴流的平均轴向速度为伴流速度大小和方向各不相同。取盘面处伴流的平均轴向速度为 v （也称为平（也称为平均实效伴流速度）均实效伴流速度），则螺旋桨与该处水流的相当速度（

37、则螺旋桨与该处水流的相当速度（ VA ）为：）为：定义伴流分数定义伴流分数w ：若已知伴流分数，则螺旋桨的进速为：若已知伴流分数，则螺旋桨的进速为：h(1)AVw V5.1.3 主要技术性能的分析船舶的推进性能TTR螺旋桨对船体阻力的影响螺旋桨对船体阻力的影响推力减额分数推力减额分数由于螺旋桨工作导致阻力的增加为由于螺旋桨工作导致阻力的增加为R，则相对的螺旋桨发出的推力，则相对的螺旋桨发出的推力也要由也要由T再增加一个再增加一个T，称，称 T 为推力减额，即：为推力减额，即：TTRtTT定义推力减额分数：定义推力减额分数：由此得船体阻力由此得船体阻力 R 与螺旋桨推力与螺旋桨推力T 之间得关系

38、有之间得关系有 ：推力减额与伴流之间有密切的关系。螺旋桨在一般工作情况下，推力减推力减额与伴流之间有密切的关系。螺旋桨在一般工作情况下，推力减额分数额分数 t 伴流分数伴流分数 w 。(1)RTt5.1.3 主要技术性能的分析船舶的推进性能h船身效率船身效率船的有效功率船的有效功率 PE 螺旋桨推进功率螺旋桨推进功率 PT 之比称为船身效率：之比称为船身效率：11EhTAPRVtPTVw船模在桨盘处的各点水流速度可以测量，从而可得到桨盘各半船模在桨盘处的各点水流速度可以测量，从而可得到桨盘各半径处的伴流情况，包括伴流的不均匀程度以及平均伴流分数。径处的伴流情况，包括伴流的不均匀程度以及平均伴流

39、分数。伴流分数和推力减额的估算公式（详见教材）伴流分数和推力减额的估算公式（详见教材）5.1.3 主要技术性能的分析R船舶的推进性能伴流不均匀性的影响（相对旋转效率伴流不均匀性的影响（相对旋转效率 ）由于在船尾工作的螺旋桨盘面上各点速度不等，即伴流不均匀，使船由于在船尾工作的螺旋桨盘面上各点速度不等，即伴流不均匀，使船后桨和敞水桨在同一进速下的推力和扭矩也不同。考虑到目前使用的是等后桨和敞水桨在同一进速下的推力和扭矩也不同。考虑到目前使用的是等推力测量法，因此用相当旋转效率推力测量法，因此用相当旋转效率 来表示船后桨与敞水桨在扭矩上的来表示船后桨与敞水桨在扭矩上的差异。差异。相当旋转效率可通过

40、试验获得。对普通单桨船的相对旋转效率约在相当旋转效率可通过试验获得。对普通单桨船的相对旋转效率约在 0.981.05 之间，双桨船在之间，双桨船在0.971.0 之间。螺旋桨设计中，在缺少资料时，之间。螺旋桨设计中，在缺少资料时，一般可取：一般可取：1.0R相对旋转效率也可作写作螺旋桨敞水收到功率相对旋转效率也可作写作螺旋桨敞水收到功率 PD0 与船后桨收到功率与船后桨收到功率 PDB 之比：之比：0DRDBPPR5.1.3 主要技术性能的分析船舶的推进性能主机功率Ps船后螺旋桨PS收到功率DBD0收到功率RP螺旋桨敞水螺旋桨推进P0功率TE功率hP船舶有效D (QPC)综上所述，螺旋桨各项推

41、进效率为：综上所述，螺旋桨各项推进效率为：0hRSP C 推进系数推进系数P.C为：为：对于采用普通螺旋桨推进方式，提供推进效率的措施主要是设法提高船身对于采用普通螺旋桨推进方式，提供推进效率的措施主要是设法提高船身效率效率 和螺旋桨敞水效率和螺旋桨敞水效率0h5.1.3 主要技术性能的分析船舶的推进性能简单判别螺旋桨敞水效率简单判别螺旋桨敞水效率 可以从螺旋桨功率系数考虑：可以从螺旋桨功率系数考虑：00.52.5DPANPBV功率系数（负荷系数）：功率系数（负荷系数）：式中：式中：N螺旋桨转速；螺旋桨转速； PD螺旋桨敞水收到功率；螺旋桨敞水收到功率； VA螺旋桨进速；螺旋桨进速；螺旋桨功率

42、系数越大，敞水效率也越低。螺旋桨功率系数越大，敞水效率也越低。5.1.3 主要技术性能的分析船舶的推进性能考虑螺旋桨的性能还有空泡和激振问题，总体设计中，特别对螺考虑螺旋桨的性能还有空泡和激振问题，总体设计中，特别对螺旋桨的激振必须加以足够的重视。旋桨的激振必须加以足够的重视。螺旋桨激振力是引起船舶振动的主要因素之一，现代船舶的吨位、螺旋桨激振力是引起船舶振动的主要因素之一，现代船舶的吨位、尺度、航速、主机功率和螺旋桨负荷也越来越大，因次螺旋桨的激振尺度、航速、主机功率和螺旋桨负荷也越来越大，因次螺旋桨的激振力问题也引起人们越来越严重的关切。力问题也引起人们越来越严重的关切。船舶的振动问题除了

43、设计中仔细把握全船总振动问题以外，局部振船舶的振动问题除了设计中仔细把握全船总振动问题以外，局部振动也必须加以重视。为减少螺旋桨激振力对船体的影响，增大桨叶与动也必须加以重视。为减少螺旋桨激振力对船体的影响，增大桨叶与船体的间隙是有利的。但是，此要求常常与有限的船尾框尺寸发生矛船体的间隙是有利的。但是，此要求常常与有限的船尾框尺寸发生矛盾，设计中必须对螺旋桨的大小和型线设计中船尾框的尺寸加以仔细盾，设计中必须对螺旋桨的大小和型线设计中船尾框的尺寸加以仔细的把握。的把握。5.1.3 主要技术性能的分析船舶的推进性能螺旋桨设计中的若干考虑螺旋桨设计中的若干考虑（1）螺旋桨的数目）螺旋桨的数目考虑的

44、因素：考虑的因素：推进性能推进性能操纵性操纵性船舶的主尺度和尺度比船舶的主尺度和尺度比主机的选型主机的选型振动振动（2）螺旋桨叶数的选择）螺旋桨叶数的选择考虑的因素：考虑的因素：效率效率空泡性能空泡性能振动振动5.1.3 主要技术性能的分析船舶的推进性能螺旋桨设计中的若干考虑螺旋桨设计中的若干考虑（3）螺旋桨直径和转速）螺旋桨直径和转速 转速与直径的关系转速与直径的关系考虑的因素：考虑的因素： 直径的限制条件直径的限制条件主机选型和减速比主机选型和减速比（4）螺旋桨与型线的配合）螺旋桨与型线的配合考虑的因素：考虑的因素： 船身效率船身效率特殊尾型的考虑特殊尾型的考虑5.1.3 主要技术性能的分

45、析（5）特殊螺旋桨）特殊螺旋桨船舶的推进性能螺旋桨设计中的若干考虑螺旋桨设计中的若干考虑船、机、桨的配合：船、机、桨的配合：螺旋桨设计中，通常以设计吃水、新船情况的静水有效功率曲线为螺旋桨设计中，通常以设计吃水、新船情况的静水有效功率曲线为对象。但是，船舶实际营运中，不同装载情况下排水量不同；实际海对象。但是，船舶实际营运中，不同装载情况下排水量不同；实际海况中有风浪作用，船体会产生况中有风浪作用，船体会产生“污底污底”，都会使阻力增加；主机使用，都会使阻力增加；主机使用旧了，发出的功率会有所减小，等等。因此航速、螺旋桨工况都会发旧了，发出的功率会有所减小，等等。因此航速、螺旋桨工况都会发生变

46、化。生变化。因此，螺旋桨设计中，一方面对设计桨要进行不同有效功率曲线下因此，螺旋桨设计中，一方面对设计桨要进行不同有效功率曲线下检验螺旋桨在不同转速时的推进特性，这种检验就是计算绘制航行特检验螺旋桨在不同转速时的推进特性，这种检验就是计算绘制航行特性曲线。另一方面，在螺旋桨设计时要仔细斟酌主机的功率点和转速性曲线。另一方面，在螺旋桨设计时要仔细斟酌主机的功率点和转速点。点。5.1.3 主要技术性能的分析船舶的推进性能螺旋桨设计中的若干考虑螺旋桨设计中的若干考虑主机功率的折扣和有效功率的风浪储备主机功率的折扣和有效功率的风浪储备:主机在额定转速下，在规定的正常维修周期内按标准环境条件连续运转的最

47、大功率称为连续最大功率MCO，或称连续功率或额定功率。在主机的特性曲线图上，连续最大功率和额定转速的交点代表主机的连续最大运转工况MCR（Maximum continuous rating）。在使用中考虑主机的经济性和维修保养，常对主机功率扣除一个运转裕度OM（Operational margin），对于运输船舶，其范围为015，常取10。扣除裕度后的主机功率为常用功率。在常用功率和MCR转速下的运转工况称为连续运转工况CSR（Continuous service rating）。推进器设计工况通常还要考虑航海裕度SM（Sea margin），即风浪和污底的影响所引起的阻力增加或推进性能的下降

48、。SM一般在025，国际航行的运输船通常取1015。 5.1.3 主要技术性能的分析（二） 稳性5.1.3 主要技术性能的分析 船舶的完整稳性包括初稳性和大倾角稳性。 与初稳性相关的因素主要有：重心高度、型宽以及水线面系数。 与大倾角稳性有关的因素除了重心高度、型宽因素以外，还与干舷、上层建筑（符合计入稳性条件的部分）、进水口位置以及受风面积和形心高度有关。 从保证稳性考虑，降低重心无论对初稳性还是大倾角稳性都是很重要的，但是设计中受各种因素的限制，控制重心高度的努力和效果总是有限的。水线面系数对稳性有一定的影响，但在型线设计中对水线面系数的选择同样受其他因素的限制。与大倾角稳性有关的因素中，

49、受风面积、进水口位置以及上层建筑大小是由总布置设计确定的，它们受船舶使用要求的限制。所以在方案构思时对稳性的考虑主要还是应从型宽和型深的选择上来控制。（二） 稳性5.1.3 主要技术性能的分析船舶适宜的初稳性高必须从上限和下限两方面来考虑。初稳性下限是从保证安全和使用要求来考虑，其最低限度必须满足法规要求。初稳性过低的船在不大的横倾力矩作用下就会发生较大的横倾而且回复缓慢，有不安全感。此外船在随浪中航行时稳性会下降。从使用要求看，也需要保证一定的初稳性高。所以，设计中初稳性下限的考虑除了要满足法规对稳性的要求以外，还需考虑实际使用要求。初稳性上限是从横摇缓和性方面来考虑。初稳性高越大，船的横摇

50、周期就越短，横摇加速度也越大，这对船舶的安全性也不利，并使船上作业困难，设备易出故障，货物受损，更使人员易晕船或感到不舒服。因此，设计中对初稳性高的控制是要求在保证初稳性下限的条件下力求使横摇周期长一些，横摇运动缓和些。（三） 耐波性5.1.3 主要技术性能的分析船舶耐波性是研究船舶在波浪中的运动，船的运动有六个自由度：横摇、纵摇、首摇、垂荡（升沉）、横荡、纵荡。其中人们主要关心的是横摇、纵摇和升沉，此外，船在波浪中的失速也是耐波性研究中的重要内容。船舶耐波性也有称为“适航性”。 船舶设计中对耐波性的考虑是关系到提高船舶在一定的海洋环境条件下航行或作业的能力。船舶在波浪中的运动和加速度引起船体

51、砰击、甲板淹湿、阻力增加和螺旋桨飞车，会导致船体结构损伤、设备仪器损坏、航行失速以及人员疲劳和工作效率低下，甚至伤及人员。因此，耐波性是船舶的一项重要性能。 对于一般货船，根据船的大小对耐波性考虑的程度有所区别。小型船舶由于耐波性问题比较严重，因此在主尺度决定、型线设计等方面对耐波性问题应多加注意。大型船舶一般来说耐波性的矛盾并不突出，所以设计中对此的考虑相对次要些。 （三） 耐波性 1. 横摇5.1.3 主要技术性能的分析横摇是指船舶绕纵轴所作周期性的角位移运动。由于横摇复原力矩较小，船在风浪中最容易发生横摇，且摇幅较大，因此对船舶的航行性能影响也较大。在一定的海洋环境条件下，改善横摇的问题

52、主要是提高船舶固有横摇周期和减少横摇幅值。周期和幅值也决定了横摇运动的加速度。 横摇周期的计算公式：横摇周期的计算公式：gGMAITxx2gGMIx 2xxxAII式中： Ix和Ax分别为船体和附连水质量惯性矩为排水量（t）GM为初稳性高（m）由于Ix和Ax都不易计算，习惯上将两者合二为一，即 5.1.3 主要技术性能的分析横摇周期估算公式横摇周期估算公式2C BTGM30.3730.0230.4310WLmBCLdIMO近似公式：近似公式：国内法规近似公式：国内法规近似公式：2240.58gBZTfGM式中：式中：)5 . 2/(07. 01dBfB/d 2.5时，f 取1.0 （三） 耐波

53、性 1. 横摇5.1.3 主要技术性能的分析为了缓和船舶的横摇，通常希望船舶的横摇固有周期（T）超过航区较常见的大的波浪周期（TW），以避免发生谐振横摇，一般希望T 1.3TW 。根据我国沿海和近海的波浪情况，大的波长约为60m80m，则对应的横摇周期T 应不小于89秒，远海（或无限航区）的船舶，如果按波长140m计算，则T 以大于12秒为宜。船舶的横摇固有周期TB / 。由于小船的初稳性高一般并不比大船小，所以大船一般具有较大的T值，横摇缓和性较好。对于小型船舶也要求很大的横摇固有周期是不切实际的。宽浅吃水船（通常是船的吨位大，但吃水受限制，船宽取得很大）的初稳性很高，横摇周期往往很小，这也

54、是宽浅吃水船性能上很重要的一项缺陷。 GM（三） 耐波性 1. 横摇（三） 耐波性（横摇）5.1.3 主要技术性能的分析改善横摇的措施设计中对横摇周期的考虑主要通过选择合适的主尺度与尺度比，特别是B/d。对于减小横摇幅值，主要是从增加横摇阻尼方面来考虑。改善船舶横摇幅值的措施，从设备方面考虑，可以选用合适的减摇装置。目前船舶的减摇装置主要有：舭龙骨、减摇鳍、被动式减摇水舱、可控式减摇水舱等 。（三） 耐波性（横摇）5.1.3 主要技术性能的分析改善横摇的措施舭龙骨是最简便又有效的减摇装置，几乎被所有的海船所采用。舭龙骨的减摇作用是增加横摇阻尼，在船低速时也有效果，对其他性能和使用几乎没有影响。

55、 （1）舭龙骨舭龙骨是安装在舭部距横摇中心最远的部位，通常位于中剖面舭部的方框线之内，纵向沿流线布置。舭龙骨的面积约为LPPB的24。其有效长度随CB增大而增加，在CB=0.60.7时，一般不超过0.4LPP，CB0.8时，可达0.6LPP 。船首、尾端的舭龙骨因距中心线很近，几乎没有作用。 （三） 耐波性（横摇）5.1.3 主要技术性能的分析改善横摇的措施（2）减摇水舱 重力式减摇水舱，如U型、平面槽型减摇水舱等。被动式减摇水舱的效果是有争议的，实践中常不受欢迎。可控式减摇水舱的效果在3560，且在低速时也有效，但造价也较大。减摇水舱要占据一定的容积，其增加的重量约为排水量的14，对稳性也略

56、有影响。（3）减摇鳍减摇鳍是各种减摇装置中效果最显著的，减摇效果可达80以上，但在低速时效果迅速下降。减摇鳍有收放型和非收放型两种。小型船舶因地位所限，可采用非收放型。减摇鳍的造价较高，一般使用在横摇性能比较重要的船舶 。 （三） 耐波性 2. 纵摇与升沉5.1.3 主要技术性能的分析船舶在迎浪或斜浪中航行会产生纵摇与升沉运动，其不利影响主要是产生船体砰击、螺旋桨出水、阻力增加以及甲板淹湿等。此外，纵摇与升沉运动产生的垂向加速度超过0.15g时，对船上人员的生活和工作就有较大的影响。因此减缓纵摇与升沉运动无论对船舶的使用和人员的舒适性都有重要意义 （三） 耐波性 （ 纵摇与升沉）5.1.3 主

57、要技术性能的分析 船舶的纵摇与升沉运动一般难以通过减摇装置来改善，主要从主尺度的选择以及型线设计方面来考虑。改善纵摇与升沉的措施就主尺度而言，船长 L 大对改善纵摇与升沉运动有利，即 L / 越大，船在各种海况中维持中等程度的纵摇及甲板干燥的航速范围也就越大。 为了使船舶在纵摇与升沉运动下能达到较高的航速，纵摇与垂荡的固有周期（T及TZ）应具有较小的值，为此取较大的 L/d，较小的 CB 和较大的 CW 是有利的。但吃水 d 太小会增大螺旋桨出水的频率，因此有人建议 d/L 应不小于 0.045。 3/1（三） 耐波性 （ 纵摇与升沉）5.1.3 主要技术性能的分析改善纵摇与升沉的措施保证船舶

58、空载或压载航行时一定的首尾吃水是减少船首砰击和螺旋桨飞车的重要措施。船型系数中水线面系数 CW 对耐波性的影响是比较显著的，研究结果表明 CW（尤其是前半体的 CWF）取大的值对改善耐波性总是有益的。减少甲板淹湿的一个重要措施是船舶应具有足够的船首高度。 （三） 耐波性 （ 纵摇与升沉）5.1.3 主要技术性能的分析风浪中的失速 船在风浪中航行产生失速的原因，在一般海况下是阻力增加和推进效率降低，这种情况通常称为自然失速；在恶劣海况时，船舶运动超过了所能忍受的程度，为避免严重的甲板上浪、船底砰击或螺旋桨飞车，而被迫大幅降低航速或适当改变航向，这种情况通常称为被迫降速。船的主尺度和船型系数对波浪

59、中水阻力增加的规律大体上是：大的 CB 总是不利的，尤其是在波长与船长之比（/L）大于 0.75以后，CB 的影响更为显著；船宽B 增大是不利的；在/L= 0.91.25 范围内，增大 L/ 可能是有利的：浮心位置后移一般是有利的。3/1（四） 操作性5.1.3 主要技术性能的分析操纵性良好的船舶应具备： 足够的航向稳定性； 中小舵角时良好的应舵性能； 符合要求的大舵角回转性能 适中的主机仃车和倒车时的停船性能。解决操纵性的主要技术措施： 选择有效合理的操纵装置； 控制好主尺度及尺度比；（四） 操作性5.1.3 主要技术性能的分析舵是实现船舶操纵的主要设备。操舵能使船舶改变航向，把舵置于零舵角

60、位置则具有稳定航向的作用。操纵装置 舵船舶主尺度对航向稳定性和回转性的影响规律通常是矛盾的，例如 L/B 增大、B/d 和 CB 减小都可改善航向稳定性，但回转性都会下降。在选择主尺度时应避免出现对航向稳定性或回转性产生极端不利的情况，要兼顾操纵性中航向稳定性和回转性的利弊得失。船体水下侧面积（A）和形状对航向稳定性有很大的影响。当侧面积系数（A/LBPd）较小，面积形心位于中前时，航向稳定性就差，当侧面积形心一定时，侧面积系数大，航向稳定性也会改善。 船型参数对操纵性的影响（四） 操作性5.1.3 主要技术性能的分析船舶设计中应避免出现操纵性异常情况。所谓操纵性异常情况是指回转阻尼过小，回转