《船舶操纵》课件.ppt

船舶操纵 绪论 所谓船舶操纵（ship handling) 是指船舶的驾引人员利用船舶的操纵设备即 车、舵、锚、缆以及拖船等来抵御 外界环境条件包括风、流、浪、浅窄 水、岸壁等的影响，以保持或改变船舶 的运动状态所进行的操纵，包括分析、判断 、指挥和实施等。 学习目的： 1、全面掌握船舶的操纵性能、船舶操纵性指数 的含义及其在操船中的应用 2、全面了解船舶所配备的操纵设备的基本性能 ，熟悉他们在操船中的具体作用 3、掌握外界环境条件对操船的影响，在实际操 船中趋利避害加以运用或控制 4、掌握在各种环境条件下的操船方法 第一章 船舶操纵性能 概念：船舶操纵性能是指船舶对驾引人 员实施操纵的响应能力 分类：船舶操纵性能可分为固有操纵 性和控制操纵性 1.固有操纵性：包括追随性、定长旋回 性、航向稳定性 2.控制操纵性：包括改向性、旋回性、 保向性 第一节 船舶的旋回性 概述：旋回 性是指定速直航的船 舶操某一大的舵角后 进入定常旋回的运动 性能。 旋回性 是船舶操纵性 当中极其重要 的一种性能！ 一、船舶旋回的运动过程 1、第一阶段（转 舵阶段） 船舶向一舷 操舵后，保持或近乎保持 其直进速度，同时开始进 入基本沿原航向前进而船 尾外移同时少量的向操舵 一舷横倾的初始旋回阶段 反移内 倾。 2、第二阶段 （过渡 阶段） 操舵后随 着船舶横移速度的和漂 角的增大，船舶的运动 逐渐偏离首尾面而向外 转动，进入内倾消失， 外倾出现并逐渐增大的 加速旋回阶段 正移外 倾。 3、第三阶段 （定长 旋回） 随着旋回阻 尼力矩的增大，当船舶所 受的舵力转船力矩n(a) 、漂角水动力转船力矩 n(b)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。 定常旋 回 。 二、旋回圈的大小及其要素 概念： 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叫做旋回圈(turning circle)。 1表征旋回圈大小的几何要素 1) 进距(advance) 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，旋回资 料中所说的纵距，特指当航向转过90时的进距，并以ad 表示之，它大约为旋回初径的0612倍。 2) 横距(transfer) 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，旋回资料中所说 的横距，特指当航向转过90时的横距，并以tr表示之，它 大约为旋回初径的一半。 3) 旋回初径(tactical diameter) 旋回初径是指从操舵开始到船舶的航向转过 180时重心所移动的横向距离，并以dt表示之。它大约为 36倍的船长。 4) 旋回直径(final diameter) 旋回直径是指船舶作定常旋回时重心轨迹圆的 直径，亦称旋回终径，并以d表示之，它大约为旋回初径的0 912倍。 5) 滞距(reach) 亦称心距。正常旋回时，船舶旋回直径的中心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，并以re代表之，大约为12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 。 6) 反移量(kick) 反移量亦称偏距，是指船舶重心在旋 回初始阶段向操舵相反一舷横移的距离。通常， 该值极小，其最大量在满载旋回时仅为船长的1 左右。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15110， 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。 2、描述船舶旋回运动状态的运动要素 1) 漂角(drift angle) 船舶首尾线上 某一点的线速度与船舶首尾 面的交角叫做漂角，如左图 所示。船舶在首尾线上不同 点的漂角是不同的，在船尾 处，由于其横移速度最大， 因此漂角也最大。但通常所 说的漂角是指船舶重心处的 线速度vt与船舶首尾面的交 角，也就是船首向与重心g 点处旋回圈切线方向的夹角 ，用b表示之。一般船舶的 漂角大约在315之间。 2) 转心(pivoting point)及其位置 旋回中的船舶可视为一方面船舶以一定的速度 前进，同时绕通过某一点的竖轴而旋转的运动的叠加，这一 点就是转心，通常以p代表之。船舶操舵旋回时，在旋回的 初始阶段，转心约在重心稍前处，以后随船舶旋回不断加快 ，转心随着旋回中的漂角的增大而逐渐向船首方向移动；当 船舶进入定常旋回阶段即船舶旋回中的漂角保持不变时，转 心p逐渐稳定于某一点，对于不同船舶，该点的位置大约在 离船首柱后1315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b越大的船舶，其旋回时的转心越靠近船首。 3) 旋回中的降速 船舶在旋回中，主要由于船体斜航(存在漂角)时阻力 增加，以及舵阻力增加和推进效率降低等原因，将会出现降速现象 。 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2550，而旋回性能很好的超大型油船在旋回中的降速幅 度最大可达到原航速的65。 旋回中船舶出现的横倾(list) 旋回中船舶出现的横倾是一个应予注意的不安全因素 。船舶在大风浪中大角度转向或掉头时，如船舶在波浪中横摇的相 位与旋回中外倾角的相位一致，则船舶将有倾覆的危险，这是操船 中应予避免的一个重要问题。另外值得注意的是，由于舵力所产生 的内倾力矩有利于抑制船舶的外倾角，因此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。 三、影响旋回圈大小的因素 1方形系数cb(block coefficient) 方形系数较低的瘦形高速船(cb06)较方形系数 较高的肥形船(cb 08)的旋回性能差得多，即船舶的方形系数 越大，船舶的旋回性越好，旋回圈越小。 2船体水线下侧面积形状及分布 就整体而言，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，旋回中的阻尼力短小，旋回性较 好，旋回圈较小，但航向稳定性较差；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 (cut up)的船舶，旋 回中的阻尼力矩比较大，旋回性较差，旋回圈较大，但航向 稳定性较好 4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。 5舵面积比 舵面积比(rudder area ratio)是指舵面积 与船体浸水侧面积(lppd)的比值。增加舵面积将会使舵的 转船力矩增大，因而提高船舶的旋回性，旋回圈变小。但增 加舵面积的同时又增加了旋回阻尼力矩，当舵面积超过一定 值后，旋回性就不能提高。也就是说，就一定船型的船舶而 言，舵面积比的大小在降低旋回初径方面存在一个最佳值。 6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 。 如图 减速旋回与加速旋回 7吃水 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。 8吃水差 有吃水差和平吃水相比较，相当于较大程度地 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 性能带来明显的影响。尾倾增大，旋回圈也将增大。 9横倾 船体存在横倾时，左右浸水面积不同，两侧所受 的水动压力也不相同，改变了左右舷各种作用力的对称性。 但总的来讲，横倾对旋回圈的影响并不大。 10. 浅水影响 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 。 11螺旋桨的转动方向 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，在其他条件相同的情况下，向左旋回时的旋回初径 要比向右旋回时的旋回初径要小一些。但对于超大型船舶而 言，这一差别很小。 另外，船体的污底、风、流的作用都将对船舶 旋回圈的大小产生影响。例如顶风、顶流使旋回圈进距减小 ，顺风、顺流使旋回圈进距增大等等。 四、旋回圈要素在实际操船中的应用 由旋回试验测定的旋回圈资料是船舶操纵性能 的重要内容之一，它不仅用来评价船舶的旋回性能，同时 还可以直接用于实际操船。 1旋回初径、进距、横距、滞距和在实际操船 中的应 用 在水深足够的宽敞水域，旋回初径可以用来估算 船舶用舵旋回掉头所需的水域；横距可以用来估算操舵转首后， 船舶与岸或其他船舶是否有足够的间距；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；而两船的进距之和则可以用来推算对 遇时的最晚施舵点。 2反移量在实际操船中的应用 反移量在实际操船中的应用很多 例如，本船航行中发现有人落水时，应立即 向落水者一舷操舵，使船尾迅速摆离落水者，以免使之卷进 船尾螺旋桨流之内。 又如，在船首较近的前方发现障碍物时，为紧 急避开，应立即操满舵尽量使船首让开；当估计船首已可避 开时，再操相反一舷满舵以便让开船尾。 再如，当船舶前部已离出码头拟进车离泊时 ，如操大舵角急欲转出，则由于尾外摆而将触碰码头。为避 免发生事故应适当减速，待驶出一段距离后再使用小舵角慢 慢转出。 二节 船舶操纵方程及船舶操纵性指数 一、船舶操纵运动方程 t+rk 式中：k 旋回性指数(s-1); t 追随性指数(s); r 旋回角速度(1/s); 旋回角加速度(1/s2); 舵角()。 该方程最早是由日本学者野本谦作提出的，因 此也称为野本方程。该式中，t称之为船舶的追随性指数 (turning lag index)，单位为s；k称之为船舶的旋回性指 数(turning ability index)。 一、操纵性指数k、t 船舶直航中操舵，设初始条件t=0时，r=0 ，则求解一阶操纵运动方程式可得转头角速度表达式： r t t 0.63k k t小，k小 t小，k大 t小，k小 t大，k大 纵距 横距 二、船舶操纵性指数及其意义 1k表示船舶旋回性的优劣 又称旋回性指数。k值大，则操舵后的转向 角加速度初始值、定常转向角速度值均较高，易于有较大 的转向角。 船舶进入定常旋回后，因为k可用定常旋回角 速度r与所操舵角0之比来表示，所以k值实质上是定常旋 回中的船舶每单位舵角所能给出的转头角速度值，又称增 益常数。k值越大，则船舶的旋回性能越好。 2t表示船舶追随性的优劣 又称追随性指数。t值小，则操舵后的转向角加 速度初始值较高，向定常角速度趋近较快，易于有较大的转 向角。船舶操舵后，因为t表示转向角加速度向零衰减、转 向角速度向定常角速度趋近的周期，而且每经过t的时间均 趋近0.37倍，所以t又称时间常数。该时间越短，则追随性 越好。 三、k、t、指数无因次化数值范围及影响k、t指数的因素 1k、t指数的无因次化数值范围 k、t指数通常由实船z型实验测得，为了便于 比较不同船舶之间的操纵性，常将操纵性指数k、t作无因次化 处理，即消去其量纲的处理，即： k k l / vs t t vs / l 式中：l为船长，单 位为m； vs为船速，单 位为ms 。 无因次化后的船舶操纵性指数k、t 由于已经除去了船舶尺度与船速的影响，故可直 接用来比较不同船舶或同一船舶在不同条件下的 操纵性优劣及其变化趋势；反过来说，当两船的 k、t指数相等时，要使其操纵性能也相同，其船 长和船速也应相同。 对于具备一般的操纵性能的船舶在满载状态 下的k、t应处于下列数值范围之内： 满载货船(l100150 m)：k1.52.o； t1.5 2.5 满载油船(l150250 m)：k1.73.0； t3.0 6.0 操纵性指数k、t值是通过实船z形 试验所测定的。 2影响k、t值的因素 船舶操纵性能指数k、t值，将随舵角、吃 水、吃水差、水深与吃水之比、船体水下线型等因素的变化 而变化，且其规律较为复杂，但总体来讲，趋势如表所列： 影响 因素 舵角 增加 吃水 增加 尾倾 增加 水深 变浅 船型 越肥 k、 t变 化 同时 减小 同时 增大 同时 减小 同时 减小 同时 增大 从表中可以看出，船舶的操纵性 指数k、t值是同时减小或同时增大的，即 提高船舶旋回性的结果将使其追随性受到某 种程度的降低，而追随性的改善又将导致船 舶旋回性的某些降低。值得注意的是，当舵 角增加时，k、t值同时减小，但t值减小 的幅度要比k值减小的幅度大，因此船舶的 舵效反而变好。 四、船舶操纵性指数k、t、的具体运用 实船z形试验测算得出的k、t指数， 对判别船舶的操纵性能和预测船舶的操纵运动具有 重要价值。其具体运用内容有： 1按k、t指数区分船舶操纵性 不同种类、结构和大小的船舶，其操纵性会 有很大的不同。按照k、t指数比较船舶的旋回轨迹，可将船舶 操纵性概略地区分为四类。 a类：是旋回性、追随性都好的船，具有k值大、t值小的 特点。船舶操舵后，应舵快，旋回进距小，旋回初径也较 小。舵面积比较高的船舶，如拖船具有这样的操纵性能。 b类：是旋回性差、追随性好的船，具有k值小、t值小的 特点。该类船舶操舵后，尽管应舵较快，旋回进距小，但 旋回初径却比较大。 c类：是旋回性好、追随性差的船，具有k值大、t、值也 大的特点。该类船舶操舵后，应舵慢，旋回进距大，但旋 回初径却比较小，如满载的超大型船舶。 d类：是旋回性、追随性都差的船，具有k值小、t值大的 特点。该类船舶操舵后，应舵慢，旋回进距大，旋回初径 也比较大。 t小，k小 t小，k大 t小，k小 t大，k大 纵距 横距 2 推定新航向距离dnc(distance to new course) o 直航中的船舶改向时 如果在新航向的始点才开 始操舵，由于船舶操舵以 及船舶对舵的响应均需要 一定的时间的缘故，则根 本不可能达到驶上新航线 的目的。因此，要求驾引 人员在施舵转向之前，充 分准确地推定施舵点至转 向点的距离，才能真正驶 到新的航线上去。所谓新 航向距离指的就是原航线 上应提前操舵的施舵点至 转向点的距离，如图所示 。 g 轨迹 近似 o r 3改向中转头惯性角的估算 船舶在航行中改向操舵后，船舶的转头角速度 r0到达某一定值后操正舵，船首继续转头惯性角为： r0t 由该式可知，实际操船当中应注意以下几点： 1) 满载船舶较空载船舶一般说来具有起转较慢、停 转不易、操纵呆笨的特点，要求操纵者根据改向角的大小， 适当地早用舵、早回舵，所操舵角也比较大。 2) 为提高在浅窄水域中操船的安全度，降低船速是完 全必要的。但降低船速后，由于提高了转头惯性角，更应注 意适时用大舵角压舵，必要时须果断提高转速以有效地抑制 之。 3) 尺度较大的船舶，一般说来也具有转头惯性角较大 的特点，处于满载时则更甚，尤应注意在起转之后，适时根 据具体条件和转头角速度的快慢采用抑制措施。 4) 为提高压舵有效性或较为明显地降低转头惯性角， 操纵人员应随时注意观察转头趋势，并要牢记，只有采用较 大的压舵角，才能有效地降低t，使船舶转头速度迅速得以 降低，从而有效地控制惯性转头角不致过大。 根据实际经验 ，在舵效较好的一般货船上，压舵 角一般可取转向时所操舵角的12；在舵效较慢的大型油船 上，尤其是超大型油船在它们满载时应 按照转头惯 性的强 弱，多取与转向时所操舵角等大的压舵角。 4船舶定常旋回直径d的估算 根据定常旋回运动中旋回角速度r0 k0的结论，可以得到船舶定常旋回直径的估算式 ： d2vt/ k0 式中：vt船舶定常旋回时的线速度； k有量纳的船舶的旋回性指数； 0所操的舵角，应采用弧度作单位。 在使用该式估算旋回直径d时，应适当地 考虑到旋回中船舶降速问题，尤其是超大型船舶的 降速问题更为明显。 第三节 船舶的航向稳定性与保向性 正舵直航中的船舶，当受到风、浪或其他因素的 瞬时性干扰后，船舶将不可避免地偏离原来的直航运动状态 。但当干扰过去后，偏离原来直航运动的船舶能否自行恢复 到原来航线上去 (位置稳定)，能否自行恢复到原来的航向 上去(方向稳定)，能否较快地稳，定在新的航向上，具有新 的直线运动(直线稳定)，这就是船舶运动稳定性所讨论的问 题。它是船舶操纵性研究的一个重要方面。 一、航向稳定性 所谓航向稳定性，指的是船舶在受外界干扰取得 转头速度r0后，当干扰结束之后在船舶保持正舵的条件下， 船舶受的转头阻矩对船体转头运动有何影响，因而船舶转头 运动将如何变化的性质。一艘航向稳定性较好的船舶，直航 中即使很少操舵也能较好地保向；而当操舵改向时，又能较 快地应舵；转向中回正舵，又能较快地把航向稳定下来。其 特点是对舵的响应运动来得快，耗时短，因而舵效比较好。 1静航向稳定性 静航向稳定性(statical course stability)，指的是船舶受外 力作用而稍微偏离原航向，但重心仍在原航向上斜航前进，有关该 斜航漂角将如何变化的性能。 通常的船舶在斜航中，因为漂角的出现将产生使漂角继续增大的 转头力矩，所以常常是静航向不稳定的。船舶越是首倾，船体侧面 积在船首分布越多，其静航向稳定性就越差。 2动航向稳定性 当外界干扰过去之后，船舶的转头运动在不 用舵纠正的情况下，能尽快稳定于新航向的性质谓之船舶动 航向稳定性(dynamical course stability)。稳定得较慢、 惯性转头角较大的船舶，其动航向稳定性较差；稳定得较快 、惯性转头角较小的船，其动航向稳定性较好；一直转头不 停 而偏转下去的船，则不具备动航向稳定性。一般所说的 船舶航向稳定性指的就是动航向稳定性，即船舶直线运动稳 定性。当然，航向稳定性差的船舶，甚至航向不稳定的船舶 ，为了保持航向，就需频繁操舵，而且所用舵角也偏大。 二、船舶航向稳定性的判别 1. 根据航向稳定性指数判别 船舶航向稳定性指数t0，说明船舶具有航向稳 定性，且t值为越小的正数，船舶的航向稳定性越好。航向稳 定性指数t0，则说明船舶不具有航向稳定性。船舶追随性好 的船舶可以同时判断为航向稳定性好的船舶。 2根据船舶的线型系数判别 一般说来，方形系数较低、长宽比较高的船舶具有 较好的航向稳定性。类似超级油船之类的肥大型船舶，方形系 数一般在0.8左右，其航向稳定性在小舵角范围内总带有不稳 定性。 三、船舶保向性 1船舶保向性的概念 保向性是指船舶在外力作用下(如风、流 、浪等)，由舵工(或自动舵)通过，罗经识别船舶 首摇情况，通过操舵抑制或纠正首摇并使船舶驶于 预定航向上的能力。船舶保向性的好坏不但与船舶 航向稳定性的好坏有关，而且还与操，舵人员的技 能及熟练程度、自动舵、舵机的性能有关。 2影响船舶保向性的主要因素 船型水下船型是决定船舶转头阻矩和惯性的重要因素，水 上船型是决定船舶所受风力及风力转船力矩大小的重要因素。它们对 保向性均有很大影响。 (1) 方形系数较低、长宽比较高的瘦削型船舶，其保向性 较优；浅吃水的宽体船保向性较差。 (2) 船体侧面积在尾部分布较多者，如船尾有钝材，其保 向性较好；船首水下侧面积分布较多者，如船首有球鼻首将降 低保向性。 (3) 较高的干舷将降低船舶在风中航行时的保向性。 2)载态 载态的改变将导致水下和水上船型的改变， 因而也影响到船舶保向性。对于同一艘船 : (1) 轻载较满载时保向性好(受风时另当别论)； (2) 尾倾较首倾时的保向性好。 3)舵角 增大所操的舵角，能明显地改善船舶的保向性 。超大型油船小舵角状态下有航向不稳定趋势，需用较大舵 角才能保向。 4)船速 对于同一艘船而言，由于船速的提高，船舶保向 性将变好。 5)其他因素 保向性将因水深变浅而提高；船舶顺风浪或 顺流航行中保向性反而降低。 第四节 船舶变速运动性能 驱动静止中的船舶运动，或运动中 的船舶停止下来，或改变船舶的运动速度， 它们均有维持其原运动状态的趋势，经过一 定时间的过渡，才能达到所要求的状态。这 种趋势就是船舶惯性(inertia effect)。标 志惯性过程长短的数据可有两种表示方式： 一种是衡量完成变速运动所需路程的叫冲程 (惯性冲程)；另一种是衡量完成变速运动所 需时间的叫冲时(惯性冲时)。 一、船舶的启动性能 定义：船舶在静止状态中开进车，使船舶达到与主机功率 相应的稳定船速所需的时间和航进的距离，称为船舶的启动性 能 船舶从静止状态开进车，主机的转速需视船速的逐步提高而逐渐 增加，因而存在一个逐步加速过程。一味求快，甚至立即把主机的转速增加 很多，则会使主机转矩突然增大，使主机超负荷工作，在实际操船中应予以 防止。 船速达到定常速度v0时所需的时间t和航进的距离s的估算公式为 ： t = 0.004 v0 / r0 s = 0.101 v0/ r0 船舶排水量，单位为t； r0船速为v0时的船舶阻力，单位为9.81kn； v0船舶的定常速度，单位为kn； t 时间，单位为min； s启动惯性距离，单位为m。 根据经验，从静止状态逐级动车，直至达到定常速度 ，满载船舶约需航经20倍船长左右的距离，轻载时约为满 载时的1223。 二、停车性能 定义： 船舶在全速或半速前进中停止主机， 至船对水停止移动时所需的时间和滑行的距离， 称为停车冲时和停车冲程。 主机停车后，推力急剧下降到零； 开始船速下降迅速；但随着船速的下降，船舶阻 力减小，船速下降逐渐缓慢；当船速很低时，阻 力很小，船速的下降极为缓慢，船舶很难完全停 止下来。因此，通常以船速降低至能维持船舶舵 效的速度(对于万吨级船舶为2kn左右)为界限来 计算船舶的停车冲程和冲时。 主机停车后至船速降低到能维持舵效的速度时所需的时间t和滑 行距离s的估算公式为： t = 0.00105 v0/ r0（1/v 1 / v0） s = 0.075 v0 / r0 log （ v0 / v ） 船舶排水量，单位为t； r0船速为v0时的船舶阻力，单位为9.81kn； v 船舶停止时刻的速度，一般以能维持其舵效的速度计算，单位为kn； v0船舶的定常速度，单位为kn； t 时间，单位为min； s启动惯性距离，单位为m。 根据经验，船舶在常速航进中停车，降速到能维持其舵效的 速度时，一般货船的停车冲程为船长的820倍，超大型船舶则 超过20倍的船长，船越大，停车惯性越大。 .高速前进中的船舶，突然下令停车，主机转速下降至完 全停止要有一个过程。除特殊情况外，从有利保护主机的角度出 发，一般仍应采取逐级降速至停车。 三、倒车停船性能及影响紧急停船距离的因素 1倒车停船性能 船舶在前进三中开后退三，从发令开始到船对水停 止移动所需的时间及航进的距离，称为倒车冲时和倒车冲程 ，其距离又称紧急停船距离(crash stopping distance)或 最短停船距离 (shortest stopping distance)。 前进中的船舶由进车改为倒车，通称主机换向。 一般情况下: 蒸汽机船约需 6090 s。 内燃机船约需 90120s； 汽轮机船约需 120180s； 倒车冲时和倒车冲程可用下列公式估算： t = 0.0089 v0 / r0 s = 0.0121 v0/ r0 船舶排水量，单位为t； r0船速为v0时的船舶阻力，单位为9.81kn； v0船舶的定常速度，单位为kn； t 时间，单位为min； s启动惯性距离，单位为m。 根据统计: 一般中型至万吨级货船的紧急停船距离可达68倍船长 ； 载重量50000 t左右的船舶达810倍船长； 载重量10万t的船舶可达1013倍船长； 载重量1520万t的船舶可达1316倍船长。 2影响紧急停船距离的因素 (1) 船舶排水量: 在其他条件相同的情况下，排水量越大，紧急停船距 离越 大。 (2) 船速: 若其他因素一定时，船速越高，紧急停船距离越大。 (3) 主机倒车功率、转速和换向时间: 若其他条件相同，主机倒车转速 越高，主机倒车功率越大，紧急停船距离越小；主机换向时间越短，紧急停 船距离也越小。 (4) 推进器种类: 可变螺距螺旋桨(cpp)船与固定螺距螺旋桨(fpp)船 相比较，由于cpp船的换向操作只需改变螺旋桨的螺距角，而无需停止主机 ，因此其换向时间短，其紧急停船距离也就较小。若其他条件相同，则cpp 船的紧急停船距离约为fpp船的6080。 (5) 船体的污底程度: 船体污底越严重，船体阻力越大，紧急停船距离 越小。 (6) 外界条件: 顺风、顺流时紧急停船距离增大；顶风、顶流时紧急停 船距离减小。在浅水中由于船舶阻力增加，其紧急停船距离较深水中小。 第五节 船舶操纵性试验 掌握船舶的操纵性是驾引人员安全操船的必备条件 。为掌握实船的操纵性，必须进行实船的操纵性试验(manoeuvring test)，主要包括: 一、旋回试验 船舶旋回试验是迄今为止仍普遍进行的试验。其 目的是求取船舶的旋回要素，其中包括进距、横距、旋回初径、旋 回直径、滞距、旋回时间等，以便评价船舶旋回的迅速程度和所需 水域的大小，从而判定船舶的旋回性能。 二、z形试验 z形试验最早是kempf提出的一种判定船舶操纵性能 的方法，又称标准操纵性试验。1957年日本学者野本又发展了对z 形试验结果进行理论分析的新方法k，t指数分析方法。 三、螺旋试验 螺旋试验包括正螺旋试验(direct spiral test)和 逆螺旋试验(reverse spiral test)两种，前者由法国的 dieudonne提出，后者由beck提出。螺旋试验的目的是判定船舶 航向稳定性的好坏。 四、停船试验 停船性能是船舶操纵性能中极为重要的性能之一 ，在实船试验中应分别测定船舶在满载和空载时，主机转速为前进 一、二、三时，采用停车、倒车措施的冲程和冲时。 测定方法，通常采用抛板法（或称投木法）: 用抛扳法测定冲程时，其冲程大小表示船舶对水的移动距离 第二章 车、舵、锚、缆、拖船 在操船中的运用 o 第一节 螺旋桨的作用 o 把主机发出的功率转换成推动船舶前进的功率的装置或 机构，统称推进器（车）。 o 推进器的种类主要有螺旋桨、平旋推进器、明轮、喷水推 进器等等。目前机动船上普遍使用的是螺旋桨。螺旋桨的种类主 要可分为固定螺距螺旋桨(fpp)和可变螺距螺旋桨(cpp) 一、船舶阻力与螺旋桨的推力 舶以一定航速行驶于水面，必须克服船舶本身所受的 各种阻力。船舶依靠主机发出的功率，驱动推进器产生推力；当推 力与阻力平衡时，船舶将作匀速运动，否则将作变速运动。 1船舶阻力 航行中的船舶所受的阻力(resistance)包括基本阻 力r0与附加阻力r两个部分： rr0十r 基本阻力r0是指新出坞的裸体船(不包括附属体， 如舵、螺旋桨等)在平静水面行驶时水对船体产生的阻力。基本阻 力由摩擦阻力(frictional resistance)、涡流阻力(eddy making resistance)和兴波阻力(waveresistance)构成；后二 者统称压差阻力，通常也称为剩余阻力(residual resistance) 。 基本阻力与船速的关系近似于线性变化，但当船 速较高时，则基本阻力随船速的增加急剧增加，且船速越高 增加的幅度越大。基本阻力随船速而出现上述变化的原因在于， 船速较低时，摩擦阻力占基本阻力的比例较高；而船速较高时，则 剩余阻力，尤其是兴波阻力所占比例将越来越大；单就兴波阻力而 言，则约与船速的46次方成正比。当船速一定时，吃水越大 ，基本阻力越大。 附加阻力由污底阻力(fouling resistance)、附体阻 力(appendage resistance)、空气阻力(air resistance)和汹涛 阻力(rough water resistance)组成： r0=rf十ra十rx十rr 显然，船舶的附加阻力与船体的污底程度、附体的多少 及结构、风浪的大小、航道的浅窄等因素有关。对于商船而言，因 其速度不高，空气阻力仅占总阻力的24。 2螺旋桨的推力和转矩 在主机驱动下，转动的螺旋桨推水向后运动，水对螺旋 桨的反作用力在船首方向的分量就是推船前进的推力(thrust)；倒 车时则产生指向船尾的拉力。流向螺旋桨盘面的流称为吸入流 (suction current current)；离开螺旋桨盘面的流称为排出流 (discharge current)。吸入流的特点是流速较侵，范围较宽，流 线几乎相互平行；排出流的特点是流速较快，范围较小，水流旋转 激烈，如图 由船舶原理可知，当 螺旋桨转动时产生的推力 (trust)和需要通过主机带动 克服的转矩(torque)为: tktn2d4 qkqn2d5 二、主机功率和船速 1主机功率 1) 机器功率(machinery horse power)mhp (1) 指示功率(indicated horse power)ihp (2) 制动功率(brake horse power)bhp (3) 轴功率(shaft horse power)shp 2) (螺旋桨)收到功率(delivered horse power)dhp 3) 推力功率(thrust horse power)thp 有效功率(effective horse fower)ehp 各功率之间的关系 螺旋桨收到功率dhp与机器 功率mhp的比值称为传递效率 ，其值通常为0.950.98。 有效功率ehp与收到功率dhp 之比称为推进器效率，该值约 为0.600.75。 有效功率ehp与主机机器功率 mhp之比称为推进系数，该值 约为0.5o.7。这就是说，主机 发出功率变为船舶推进有效功 率后已损失了将近一半。 3船速分类 1)额定船速 在额定功率、额定转速条件下，船舶在平静的深水域中 取得的船速称为额定船速 2)海上船速 海上由于气候多变，为确保长期安全航行，需留有适当 的主机功串储备，因而主机的海上常用功率要较其额定功率为低， 通常为额定功率的90；相应的海上常用主机转速n0则为额定转速 的9697。 3)港内船速 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。一般港内的最 高主机转速约为海上常用转速的7080左右。 三、螺旋桨的致偏作用 1螺旋桨横向力 1) 螺旋桨沉深横向力 螺旋桨转动时，除推 水产生推力或拉力外，还推水旋 转。从而产生即转力q。当hd 0.5时，螺旋桨桨叶部分露出 水面，这就导致螺旋桨部分在空 气中工作，因空气的密度要比水 的密度小，导致螺旋桨上部的转 力q2小于下部的转力q1，q1和q2的 差值形成的横向力，称为螺旋桨 沉深横向力。 注：因为桨页在接近 水面工作时，会出现空气吸入现 象，上下叶片的阻力差仍然交大 ，因此在船舶轻载或压载时此现 象仍然明显 螺旋桨盘面中心距 水面的垂直距离称为螺 旋桨的沉深h。它与螺旋 桨直径d之比hd称为沉 深比。 螺旋桨露出水面 p螺旋桨沉深横向力的大小与船舶浮态密切相关，当沉深比hd 0.650.75时，螺旋桨桨叶距水面较深，空气就不易吸入，沉 深横向力很小，随hd的逐步减小该力将明显增大。 o对于右旋固定螺距螺旋桨而言，进车时，该力推尾向右， 船首左偏；倒车时相反，推尾向左、船首右偏。 o此外,沉深横向力在船舶启动或低速过程中加速时影响明 显。 o 泰国林茶班港的引水员的特点是“神速”，我出入一次后完全了解了他们的特点。当我 第一次到这个港口时，我差一点吃了当地引水员配合不善而使船舶处于“紧迫局面”的危急境地的 亏。事情的经过现在想起来我就脊背飕飕冷汗直冒，在当时我却出奇地镇静。一艘出口船还没有 完全拎直港内航道的航向，泰国引水员就迫不及待地下船了。另外一名泰国引水员在高频电话中 穷催我快速接近进口中央浮，尽管我十分谨慎地接近，在我转向进入港内航道时引水员还没有上 船，对面船舶却很快接近了，我连忙用舵向右避让，可是两船态势把航道门关死了。面对这样紧 迫局面，我采取了紧急倒车，一面回正舵，利用强大螺旋桨倒车沉深横向力的作用，既减慢了船 速，又快速向右偏转，终于在150米开外避免了和他船碰撞的后果。两船在安全距离内通过了， 刚上船的引水员看了只能直发呆。 伴流在螺旋桨 处的分布是不均匀的， 如右图所示，其分布特 点是左右对称、上大下 小。 对于右旋固定螺距螺旋桨单桨船而言，当船舶在前进中 进车时，伴流横向力推尾向左，船首右偏；船舶在 前进中倒车时，伴流横向力推尾向右，船首左偏。上 述的船首偏转方向正好与螺旋桨的沉深横向力相反。船舶在后 退中，因为舵叶形成的伴流极小，所以不论是进车或倒车其影 响均可忽略不计。 因伴流只存在于航行的船舶，故对水静止的船舶 无伴流影响 2)伴流横向力 艉桨舵的关系 船舶在前进中操正 舵时，如图右所示，舵叶左上 部与右下部将分别受到排出流 的有力冲击。相比较而言，因 为右下部排出流的冲角明显大 于左上部，使右侧的水动力高 于左侧，造成推尾向左，船首 向右偏转。当船舶在轻吃水状 态下舵叶部分露出水面时，这 种偏转趋势将更加明显。 对于右旋固定螺 距螺旋桨单桨船而言，排出流 均使船首向右偏转。 3) 排出流横向力 倒车排出流的作用部位 o值得注意的是： 1、排出流横向力当船速较低时在螺旋桨 横向力中是一个比较大的量，尤其是船舶在轻载状 态下。 2、因在正车时，排出流横向受伴流的影 响而产生，在船舶对水静止时因无伴流产生，而舵 页上下侧面积相差不大，故排出流横向力作用不明 显。在倒车时，随无伴流作用，但船尾上下部侧面 积明显不一样，所以即使对水静止，倒车排出流横 向力的作用影响仍然很明显。 4) 推力中心偏位(吸入流引起的上升斜流的作用) 推力中心偏位是由于吸入流造成的。船舶前进中 ，吸入流沿水下船尾型线由船底向上呈斜上方向汇集于螺旋桨的盘 面内。进车时右半圆的桨叶呈顶流、左半圆的桨叶呈顺流状态，使 右侧桨叶的推力大于左侧桨叶的推力，整个螺旋桨的推力中心偏向 于螺旋桨中心的右侧，使船首左偏；船舶前进中倒车时，左侧的桨 叶呈顶流、右侧的桨叶呈顺流状态，使左侧桨叶的拉力大于右侧桨 叶的拉力，整个螺旋桨的拉力中心偏向于螺旋桨中心的左侧，使船 首左偏。总而言之，螺旋桨推力中心偏位的方向与螺旋桨旋转的方 向一致，且船速越高、螺旋桨转速越高，则推力中心偏位越明显。 船舶在后退中，如操正舵，则吸入流并无致偏作用；如 操某舷舵角，则吸入流冲在舵叶的背面，使船首向操舵另一舷偏转 ，即操左舵时船首向右偏转，操右舵时船首向左偏转。 螺旋桨横向力的致偏作用(右旋fpp单桨船) 横 向 力 致偏作用 产生条件 量 值 沉深横向力 进车时 船首左偏 倒车时 船首右偏 hd0.650.75 视hd值 的大小 伴流横向力 进车时 船首右偏 倒车时 船首左偏 船舶必须有前进的 速度 较小的量 排出流横向力 不论进车 或倒车 ，船首均右偏 排出流能够作用于 舵上或船体尾部 较大的量 推力中心偏位 不论进车 或倒车 ，船首均左偏 船舶在前进中 较小的量 右舷单车船横向力综合效应 o1.静止状态 a.静止中正车伴流、排出流横向力和推力中心偏位的影 响非常弱，主要在沉深横向力的影响下，船首左偏。 b.静止中倒车无伴流和推力中心偏位，沉深横向力和排 出流横向力均推尾向左，船首右偏。用舵难以克服 p1.前进中的状态 a.正车前进航行伴流、排出流横向力和推力中心偏位基 本抵消，一般商船主要受沉深横向力的影响。空载或船尾吃水小的船舶 易发生左偏，压载或增加吃水差可缓解此影响。重载船受沉深横向力影 响不大，偏转不明显。即使存在影响，用小舵角压舵即可纠正。 b.前进中开倒车开始时车速逐渐减小时，排出流横向力 不明显，沉深横向力和伴流横向力使船首偏转不定。螺旋桨倒转后，伴 流横向力减小，排出流横向力增强，并与沉深横向力共同推首向右。注 ：此时舵效极差，难以克服右偏。 o3.后退状态 后退的状态进车沉深横向力使原来的右偏趋势得以 缓解，且排出流的作用使舵效迅速恢复，可用舵克服。 fpp船至偏作用的实际运用 1、倒车前提前左舵抑制右偏； 2、倒车前船速越快倒车时间就越长船首倒头就越厉害，特别是重 载大型船舶发生倒头后不容易克服，所以在倒车前应尽量控制好船速 ，避免长时间使用倒车； 3、车舵配合缩小掉头水域； 4、自力靠泊 第二节 舵的作用 一、舵力及舵力转船力矩(单独舵) 1舵的正压力和舵力转船力 矩 作用在舵页上的力分为 垂直于舵页纵剖面的的正压力pn 和平行于舵页纵剖面的的摩擦立 pt pn576.2arvr2sin ar舵叶浸水面积（m2） vr舵叶对水速度（m/s） 舵角（） pl 升力 pd 阻力 pl/ pd 称为升阻比，该值越 大，舵力越大 一般船舶多取35为极限舵角；而 超大 型船舶则往往取40作为极 限舵角。 （+） （-） pl pr pn pd pt o2、流线型舵(又称复板舵)：海船广泛采用。 o特点：舵叶剖面呈流线型，强度高； o因内部空心和水密，从而产生一定浮力，减少了舵承上的压力； o水动力性能好，舵的升力系数大，阻力小，舵效高(舵力大)； o舵的构造比较复杂。 o三、几何与有效舵角 o1.影响舵力大小的因素：舵角、舵叶面积、舵的前进速度(舵速)和 舵的断面形状。普通舵舵力的常用估算公式为乔塞尔公式。 o2.几何舵角： 3538。 o3.最大有效舵角：舵的进速增大，舵力也就明显增大；当舵速一定 时，转船力矩随舵角而变，一般船舶的最大有效舵角为3235左右 ，舵角3235又称为使用极限舵角。 二、舵效及舵效指数的概念 船舶舵效(steerage)是一个综合概念，它不能以k 或t单独地来表示。操船中的舵效是指运动中的船舶在操一定 舵角之后，使船舶在一定的时间、一定的水域内，所取得的船 舶转头角的大小。船舶能在较短时间内、较小的水域 内，转过较大的角度，则船舶的舵效较好；反之则 认为舵效较差。 根据船舶一阶操纵运动方程，设开始操舵时，旋回角速度为零，则可得到 ： rk/t 60e-t/t kt是角加速度系数，它表征了每度舵角所 能够给 出的角加速度的值，该值 越大，说明船舶操舵后的角 加速度越大，船舶能在较短的时间 内达到定常旋回角速度。 因此，kt表征了船舶舵效的好坏，该值 越大，船舶的舵效 越好；反之则舵效越差。我们将kt称为为舵效指数。 越大越好 o1、伴流和排出流的影响 因船尾舵页叶处伴流方向与船舶前进方向一致，从而 降低了舵叶对水速度vr，使舵力下降。单车单舵船在伴流的影响 下，舵力可下降至单独舵力的一半以下，为40%左右。尤其是肥大 型船舶（b/d3的船）； 另一方面，排出流的作用提高了舵叶对水速度，使舵 力增大。 三影响舵效的因素 o2、从实际操船来看，影响船舶舵效的主要因素以及为提高舵效 应采取的措施如下： 1)舵角 2)舵速 舵叶与水流的相对速度，在首尾线上的分量 舵速由船速、伴流和螺旋桨排出流三部分组成。 3)船舶的排水量 在港内操纵满载大型船舶时要特别注意，一般宜用早 舵、早回舵，而且所用的舵角也比较大。 4)船舶纵倾 首倾时舵效较差，适当尾倾时舵效比较好。 5)船舶横倾 船舶横倾高速航进中，如向低舷一侧转向，由于低舷 侧水阻力较大，舵效较差；如向高舷侧转向，则舵效较好。 6)舵机性能 （ 钢质海船人级与建造规)根据国际海上人命安全公约 (solas公约)的规定，对舵机提出了明确的要求） 7)风、流、浅水等外界因素 第二节 锚的运用 锚的用途， 大致可以分为:锚泊用 锚、港内助操用锚 和应急操纵用锚三类 。港内操纵用锚主要有 拖锚制动、拖锚靠泊、 拖锚掉头、拖锚倒行等 。应急操纵用锚主要有 脱浅用锚、固定船体用 锚、海上漂滞用锚等。 p1.单锚泊时的锚抓力 单锚泊时的锚抓力由锚的抓力和链与海底的摩擦力两部分组 成: p=pa+pc=awa+ cwcl 可见抓力大小与锚和链的重量以及卧底锚链的长度有直接关系 。 p 2.影响抓力系数的因素 1） 锚锚型 2） 底质质锚地底质多为砂、泥和黏土以及混合物。实验 证明泥底的抓力系数不一定比砂底大（尤其是软泥等）。锚地底质以砂 、泥混合物为好。 3） 锚锚杆的仰角船舶在稳定锚泊后，锚杆的仰角为0，此 时抓力最大。外力增大时（如急流），且出链长度不足，则可能导致卧 底链缩短，甚至无卧底，此时锚杆被逐渐抬起。随着锚杆仰角的增大， 抓力系数逐渐减小，此时容易引起走锚。 一.锚抓力 p1.锚泊用锚 船舶因候潮、候泊、检疫、避风、等候引水员、等候 过船闸和运河等，常需抛锚停泊。常见有单锚泊和抛双锚两种 。 p2港内操纵用锚 1) 拖锚制动 港内航行，使用短链拖锚，以控制船速，减少 冲程。为了充分发挥拖锚的效果，又不至于断链，万吨以下重载 船拖锚出链长度应在水深的2.5倍以内。如水深10m，可出链至一 节甲板或一节入水。切船速应控制在2节以下。 2) 拖锚靠泊 拖锚靠泊中，拖锚也有制动以减少冲程的意义。此 外，在外界条件影响下或动车用舵中尚有控制船首、船尾旋转快 慢之用。(如果遇到港内疏浚、施工，港口会明确规定港内禁止拖 锚） 二锚的用途 3)顺流进港，拖锚掉头 当船舶顺流进港，进靠涨水头泊位时，可抛短链锚（出链长度一般 为水深的2.5倍），利用车舵掉头后，再起锚顶流靠泊。 4)拖锚倒行 船舶在后退中要稳定船首是十分困难的，这时，可将锚抛下利用拖 锚来稳定船首。 5)抛开锚（外档锚） 顶流、吹拢风靠泊时，出外档锚，利用锚链松出的快慢调整船头贴靠 码头的速度。也可为离泊创造方便条件，离泊时可借助绞链使船首外摆 ，同时船身横向移离码头。 p3应急操纵用锚 1)避免碰撞、触礁等 全速倒车或操满舵时仍不能避开前方船只、暗礁或浅滩时，则 应在水深允许的情况下同时抛锚（短链）制动 2)保证狭水道航行安全 3)海上漂滞用锚 船舶在大风浪中由于主机故障漂滞时，将锚及锚链送入水中， 可以起到一定的稳定船首的作用，避免船舶横向受浪。 3)搁浅后固定船体或协助脱浅 搁浅后，为了防止船体受风浪和潮流的作用而造成墩底、向岸漂 移或打横，可以用锚来固定船体。当脱浅时，也可利用绞锚协助船 体脱浅。 第四节 缆的运用 缆是船舶操纵中的 重要操纵设备，尤其是在靠 离泊操纵中