船舶旋回性解析课件

船舶操纵

薛满福

船舶操纵

薛满福

第一章船舶操纵性能第一节船舶旋回性第二节航向稳定性和保向性第三节船舶的变速运动性能第四节船舶操纵性试验第一章船舶操纵性能第一节船舶旋回性变向性能概述船舶旋回运动过程分析旋回圈的大小及其要素影响旋回圈大小的因素旋回圈要素在实际操船中的应用第一节船舶旋回性

变向性能概述第一节船舶旋回性一、变向性能概述

1.旋回性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称为船舶的旋回性能，它是衡量船舶回转运动所占最小水域范围大小的性能指标。2.初始回转性初始回转性是指操中等舵角时船舶航行单位距离内航向角变化大小的性能，或在给定航向角变化量时船舶所航行的距离长短的性能。单位距离内航向角变化大或给定航向角变化量时船舶所航行的距离短，称初始回转性好，反之则初始回转性差。一、变向性能概述旋回性与初始回转性的区别两者都是船舶的操纵性能之一，但评价船舶运动性能的目的不同，旋回性评价船舶运动所占用的最小水域，而初始回转性是评价船舶改变航向的效率，即船舶航向对操舵的反应能力。两者实质上都是船舶改变航向的性能，只是所用舵角不同，旋回性比初始回转性的变向效果更好，但在船舶正常航行过程中，除非紧急情况，很少用满舵(或大舵角)进行变向操纵旋回性与初始回转性的区别3.首摇抑制性首摇抑制性能是指船舶进入旋回状态，角速度达到一定时向旋回相反方向操舵，船首向对舵的反应能力的性能，即指操反舵后船首向对舵的响应迅速程度的性能。如果船首向很快就能响应舵的转动，我们称其首摇抑制性好，反之，首摇抑制性差。例如，在标准Z形操纵试验中的“超越角”越小，首摇抑制性能越好，反之，首摇抑制性差。3.首摇抑制性二、船舶旋回的运动过程

船舶以一定航速直进当中操某一舵角并保持之，船舶将进入旋回过程。1.第一阶段转舵阶段指从转舵开始到舵转至规定角度为止，时间很短，通常船舶不超过15s。二、船舶旋回的运动过程1）受力特点船舶操舵后，由舵角引起横向力和力矩，使船产生横向加速度和回转角加速度。1）受力特点2）运动特点（1）船舶产生一定的漂角斜航；（2）船尾出现明显外移；（3）转心P在船首附近，也可能在首尾线延长线上；（4）降速不明显；（5）船舶还将因舵力位置较船舶重心位置低而出现少量的向操舵一舷的横倾（内倾）。内倾角大小与船舶初稳性GM值、所操舵角及船速有关2）运动特点2.第二阶段操舵后，随着船舶横移速度与漂角的增大，船舶的运动速度矢量将逐渐偏离首尾面而向外转动，越来越明显的斜航运动将使船舶的旋回运动进入加速旋回阶段。1）受力特点水动力力矩N(β)与舵力转船力矩Nδ相辅相成，使船舶产生较大的角加速度，但在初始阶段，船舶的转动角速度还比较小；2.第二阶段随着角速度的不断提高，船舶旋回的阻尼力矩N(r)不断增大，角加速度逐渐降低，从而使角速度的增加受到限制。由于船舶斜航阻力增加、螺旋桨推进效率降低等方面的原因，船舶降速明显。随着船舶旋回角速度的增大，船舶由于受旋回离心惯性力（矩）的作用，船舶的横倾由内倾转变为外倾。随着角速度的不断提高，船舶旋回的阻尼力矩N(r)不断增大，角2）运动特点（1）随漂角的增大，船舶旋回不断加快;（2）转心由船首方向逐渐后移；（3）角加速度渐次降低，并逐渐向定常旋回阶段过渡；（4）斜航中船舶降速加剧；2）运动特点（5）由于作用在船体的横向水动力超过舵力，内倾消失，并且因横向摇摆惯性的存在将产生最大的外倾角，最大外倾角一般为定常外倾角的1.2～1.5倍。旋回中船舶出现的横倾是一个应予注意的不安全因素，尤其是航速较高的船舶。当船舶在旋回中一旦产生较大的外倾角时，切忌急速回舵或操相反舷舵，否则会进一步增大外倾角，威胁船舶的安全。（5）由于作用在船体的横向水动力超过舵力，内倾消失，并且因横3.第三阶段随着旋回阻尼力矩的增大，当船舶所受的舵力转船力矩Nδ、漂角水动力转船力矩N(β)和阻尼力矩N(r)相平衡时，船舶的旋回角加速度变为零，船舶的旋回角速度达到最大值并稳定于该值，船舶将进入稳定旋回阶段，因此该阶段也称为定常旋回阶段。3.第三阶段1）受力特点船舶所受各力之合力为零；作用于船舶的各力矩之和为零。2）运动特点（1）船舶的旋回角加速度为零，旋回角速度恒定不变；1）受力特点（2）船舶旋回中漂角趋于稳定并保持定值，一般船舶的旋回运动中重心处的漂角大约在3º～15º之间。漂角越大的船舶，其旋回性越好，超大型船舶较一般货船的方形系数值较高，长宽比较低，有着较好的旋回性，它在定常旋回中的漂角也较大，最大可达到20º左右。（3）转心P逐渐稳定，对于不同船舶而言，该点的位置大约在离船首柱后1/3～1/5船长处。船处于后退中，转心位置则在船尾附近。对于不同船舶而言，旋回性能越好、旋回中漂角β越大的船舶，其稳定旋回时的转心P越远离船中。（2）船舶旋回中漂角趋于稳定并保持定值，一般船舶的旋回运动中（4）由于船舶旋回惯性离心力矩的作用，横倾达到最大外倾角后，船舶经过1～2次摇摆，最后稳定于某一定常外倾角θ上。船舶旋回中定常外倾角θ的大小与船速、所操的舵角、船舶的旋回性能和船舶的初稳性高度GM等有关，船速越高、船舶的旋回直径越小、船舶的初稳性高度越低，定常外倾角θ越大。（4）由于船舶旋回惯性离心力矩的作用，横倾达到最大外倾角后，（5）船舶的横移速度、线速度固定不变。一般从操舵开始到船首转过90º左右船舶进入定常旋回后，速度不再下降。减速的幅度与旋回性的关系是，旋回性越好，减速越显著。一般船舶旋回中的降速幅度大约为旋回操舵前船舶速度的25%～50%，而旋回性能很好的超大型油轮在旋回中的降速幅度最大可达到原航速的65%。（5）船舶的横移速度、线速度固定不变。一般从操舵开始到船首转船舶旋回过程中运动参数变化

船舶旋回过程中运动参数变化三、旋回要素旋回圈是定速直航（一般为全速）的船舶操一定舵角（一般为满舵）后，其重心所描绘的轨迹。三、旋回要素1.旋回初径DT旋回初径是旋回运动的船舶航向角变化180º时船舶重心的横向移动距离。旋回初径是判断旋回过程中船舶横向占用水域范围的依据。旋回初径越小，船舶旋回性越好，反之，船舶旋回性越差。一般运输船舶的相对旋回初径(DT/L)为3～6，为保证良好的航向机动性，通常应保证DT/L在2.8～4.2之间，最大不应超过5.0，否则旋回性能较差。1.旋回初径DT2.旋回直径D旋回直径是指船舶进入定常旋回时的旋回圈直径。它是判断船舶定常旋回过程中占用水域范围的依据。对于运输船舶来说通常D≈0.9-1.2DT。2.旋回直径D3.进距Ad进距也称纵距，是指从操舵开始到船舶的航向转过任一角度时重心所移动的纵向距离，通常将航向角变化90º时船舶重心的纵向移动距离称为进距。它是判断旋回过程中船舶纵向占用水域范围的依据。3.进距Ad进距越小，表示船舶对操舵的反应越迅速，即船舶初始回转性能越好。反之，进距越大，表示船舶对操舵的反应越迟钝，即初始回转性能越差。据统计，进距大约为旋回初径的0.6～1.2倍，一般运输船舶的相对进距(Ad/L)在2.8～4.0之间，最大不应超过4.5。进距越小，表示船舶对操舵的反应越迅速，即船舶初始回转性能越好4.横距Tr横距是指从操舵开始到船舶的航向转过任一角度时船舶重心所移动的横向距离，通常，将航向角变化90º时船舶重心的横向移动距离称为横距。横距大约为旋回初径的一半。4.横距Tr5.滞距Re亦称心距。正常旋回时，船舶旋回轨迹曲率中心O总较操舵时船舶重心位置更偏于前方。滞距是该中心O的纵距。滞距大约为1～2倍船长，它表示操舵后到船舶进入旋回的“滞后距离”，也是衡量船舶舵效的标准之一。5.滞距Re6.反移量Lk在旋回转舵阶段，在舵产生的横向力的作用下，使船舶重心产生向转舵相反方向的横移量，其称为反移量。一般情况下，满舵旋回反移量约为船长的1/100左右。6.反移量Lk但操船中应注意的是，船尾的反移量却不容忽视，其最大量约为船长的1／5～1／10，约出现在操舵后船舶的转头角达一个罗经点左右的时刻。反移量的大小与船速、舵角、操舵速度、排水状态及船型等因素有关；船速、舵角越大，反移量越大。但操船中应注意的是，船尾的反移量却不容忽视，其最大量约为船长四、影响旋回圈大小的因素1.船型因素1）方形系数Cb一般说来，方形系数较低、长宽比较高的船舶旋回性较差。类似超级油轮之类的肥大型船舶，方形系数一般在0.8左右，其旋回性较好。四、影响旋回圈大小的因素2）长宽比L/B长宽比较大的船舶，其船体外形比较瘦长，钝度较小，纵向移动阻力较小，因此其快速性较好；但由于其船体瘦长，旋回阻尼较大，故这类船舶的旋回性较差。反之长宽比较小的船舶，其船体外形比较肥短，钝度较大，旋回阻尼较小，故这类船舶的旋回性较好，如港作拖船。2）长宽比L/B3）船体水线下侧面积形状及分布船首部分分布面积较大如有球鼻首者，或船尾比较瘦削的船舶，水线下侧面积几何形心靠前，水动力作用中心靠近船首，旋回性较好，旋回圈较小。而船尾部分分布面积较大者如船尾有钝材，或船首比较削进的船舶，水动力作用中心靠近船尾，航向稳定性较好而旋回性较差，旋回圈较大。3）船体水线下侧面积形状及分布4）舵面积比舵面积比是指舵面积与船体浸水侧面积（LPP×d）的比值。舵面积与船长吃水比越大，表示舵面积所占船体水下侧面积的比例越大，舵力和舵力转船力矩越大因而提高船舶的旋回性，旋回圈变小。大型油轮由于具有易于旋回的肥胖船型，用不着很大的舵面积比。而对于大型集装箱船，一般靠增大舵面积来弥补由于长宽比较大而造成的旋回性差的缺点。因此，大型集装箱船较大型油船的舵力和舵力和舵力转船力矩要大，舵效要好。4）舵面积比2.装载状态1）吃水一般船舶均有舵面积比随吃水增加而降低的趋势。因此，若纵倾状态相同，吃水增加时，旋回进距增大，横距和旋回初径也将有所增加。2.装载状态2）吃水差吃水差在较大程度上改变了船舶水线下船体侧面积的分布状态，因而对船舶旋回性能带来明显的影影响。尾倾增大，旋向圈也将增大。对于Cb=0.8的船舶，若尾倾增大量为船长的1%，旋回初径将可增加10%左右；对于Cb=0.6的船舶，若尾倾增大量为船长的1%，旋回初径将可增加3%左右。空载与满载时的旋回初径及横距相差无几，只是满载时旋回的进距较轻载时大一些。2）吃水差3）横倾低速时，推力－阻力转矩起主要作用，推首向低舷侧偏转。此时，若操舵向低舷侧旋回则其旋回圈较小，反之如操舵向高舷侧旋回则其旋回圈较大。高速时，首波峰压力转矩起主要作用，推船首向高舷侧偏转。此时，如操舵向低舷侧旋回其旋回圈较大，反之如操舵向高舷侧旋回则其旋回圈较小。但总的来讲，横倾对旋回圈的影响并不大。3）横倾3.操船因素1）船速一般说来，船速对船舶旋回所需时间的长短具有明显的影响，但对旋回初径大小的影响却呈现较为复杂的情况。3.操船因素2）操舵时间操舵时间主要对船舶的进距影响较大，进距随操舵时间的增加而增加，而对横距和旋回初径的影响不大，旋回直径则不受其影响。3）旋回方向由于受螺旋桨横向力的影响，船舶向左或向右旋回时的旋回圈的大小将有所不同。对于右旋固定螺距螺旋桨单车船而言，在其它条件相同的情况下，向左旋回时的旋回初径要比向右旋回时的旋回初径小一些。对于超大型船舶而言，这一差别很小。2）操舵时间4.环境因素在浅水中的旋回圈明显增大。当水深吃水比小于2时，旋回圈有所增大（特别是对高速船而言）；当水深吃水比小于1.5时，旋回圈明显增大；当水深吃水比小于1.2时，旋回圈急剧增大。风、流的作用都将对船舶旋回性产生影响，但并不是简单地使旋回性变好或变差的问题。在不同的情况下，风、流的作用不仅对旋回圈的大小发生变化，而且会同时改变旋回圈几何形状。4.环境因素五、旋回圈要素在实际操船中的应用1.旋回初径可以用来估算船舶用舵旋回掉头所需的水域；2.横距可以用来估算操舵转首后，船舶与岸或其它船舶是否有足够的间距；3.滞距可以用来推算两船对遇时无法旋回避让的距离，即两船对遇时的距离小于两船的滞距之和，则用舵无法避让；4