集美大学船舶操纵教案第二章

第二章车、舵、锚、缆、拖轮在操船中的运用第一节螺旋桨的性能第二节舵的作用第三节锚的运用第四节缆的运用第五节拖轮的运用,第一节螺旋桨的性能,一、船舶阻力二、螺旋桨的推力与转矩三、主机功率和船速四、螺旋桨的致偏作用五、侧推器的使用,一、船舶阻力（Resistance）,1.船舶阻力的基本构成航行中的船舶所受的阻力包括基本阻力R0与附加阻力R两个部分，即RR0R（1）2.基本阻力的构成基本阻力可分流体粘性引起的摩擦阻力Rf和剩余阻力RrR0=RfRr=Rf+Re+Rw上式中,Re为涡流阻力,Rw兴波阻力,3.基本阻力的计算R0=1/2SCtV2(2)S为船体水线下湿水面积,Ct为总阻力系数,Ct=Cf+Cr4.附加阻力的构成由下式R=Ra+RF+RA+RRRa为空气阻力RF为船体的污底阻力RA为船体的附体阻力RR为汹涛阻力,二、螺旋桨的推力和转矩,1.推进器的种类螺旋桨,Z型推进器,明轮,平旋式推进器,喷水式推进器螺旋桨固定螺距桨FPP可变螺距桨CPP,2.螺旋桨前后流场特点吸入流的特点是流速较慢，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，如下图所示。,3.螺旋桨推力与转矩,机翼产生示意图,可见，产生升力的两个主要因素：来流速度V，来流的冲角,推力产生示意图,推力与转矩定义式推力转矩其中，推力与转矩的计算式T=n2D4KTMQ=n2D5KQKT为推力系数，KQ为转矩系数,由水池试验求得，它们的具体变化见下图,J为进速系数，J=Vp/nD,4.螺旋桨的滑失S(slip)滑失S是指桨理论上应能前进的速度与对水的实际速度Vp之差（有的文献中，也将滑失定义为螺旋桨旋转一周在轴向所前进的实际距离hpVp/n即进程与螺旋桨螺距P的差值），即：SnPVpnPVs(1p)其中，n为螺旋桨的转速；P为螺旋桨的螺距；Vp为螺旋桨对水的实际速度；Vs为船对水的速度；p为螺旋桨处的伴流系数，其值大约在0.20.4之间。滑失与螺旋桨在理论上应能前进的速度的比值称之为滑失比Sr（slipratio），即：SrS/nP（nP-Vp）/nP1Vp/nP,5.船舶阻力与推力之间的关系,三、主机功率和船速,1主机功率1）机器功率(MachineryHorsePower)MHP（1）指示功率（IndicatedHorsePower）IHP用来表示往复式发动机汽缸内活塞所做的功。实船可通过汽缸内平均有效压力计算。汽轮机船的主机功率用此表示。（2）制动功率（BrakeHorsePower）BHP指实际输出主机之外可加以利用的功率。柴油机船的主机功率常用此表示。,（3）轴功率（ShaftHorsePower）SHP根据中间轴上的转矩表来测定的功率大小。对于汽轮机一类机器，因为无法测定其输出端的功率而采用轴功率来表示。2）（螺旋桨）收到功率DeliveredHorsePower）DHP主机功率传递至主轴尾端，通过船尾轴管提供给螺旋桨的功率。,3）推力功率（ThrustHorsePower）THP推进器在获收到功率后，产生推船行进的功率称为推力功率。THP=TVpT为推力（kN),Vp推进器处对水的速度（m/s),THP(kW)4）有效功率（EffectiveHorsePower）EHP船舶克服阻力R以一定船速Vs行进所必须的功率。EHP=RVs,2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0.50.7。这就是说，主机发出功率变为船舶推进有效功率后己损失了将近一半。通常船舶阻力与船速的平方成正比，则主机功率与船速的3次方约成正比，MHPV3,3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）海上船速主机按海上常用输出功率、常用转速运转时，在平静深水域中取得的船速即为海上船速。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）港内船速一般港内的最高主机转速约为海上常用转速的7080%左右。,4船速与主机燃油消耗的关系航经一定的航程D所消耗的燃油的总量CD:,当船舶排水量不变时，则航行一定航程D所消耗的燃油的总量与船速的平方和航行的航程D成正比。当船舶的排水量为定值时，从该式可以推论出：（1）当所要求航行的航程一定时，整个航程中主机燃油消耗的总量与船速的平方成正比，船速越高，所消耗的燃油越多；（2）若消耗的燃油相同，则这些燃油所能航行的航程与船速的平方成反比，船速越高，所能航行的航程越短。,四、螺旋桨的致偏作用,1螺旋桨横向力1）螺旋桨沉深横向力2）伴流横向力3）排出流横向力4）推力中心偏位产生的横向力5）螺旋桨横向力的致偏作用,1).螺旋桨深沉横向力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h/D称为沉深比。,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。,正车,倒车,当沉深比h/D0.650.75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h/D的逐步减小该力将明显增大；此外，该力的大小还随船速的降低、转速的提高而增大；受螺旋桨工况影响极为明显而与操舵无关。,2).伴流横向力I)何为伴流船舶以某一速度向前航行时，附近的水受到船体的影响而产生运动，其表现为船体周围将存在一股水流以某一速度随船前进，这股水流称为伴流或迹流。伴流的存在使得船后螺旋桨附近流场中水流对桨的相对速度和船速不同，从而使螺旋桨产生的推力与敞水桨也不同。它主要由摩擦伴流、势伴流和兴波伴流组成，通常所说的伴流速度是指相应位置处伴流沿首尾方向的分量。,II)伴流横向力分布特点是左右对称、上大下小。,对于右旋单桨船而言，前进中进车时，推尾向左，船首右偏；前进中倒车时，则相反，伴流横向力推尾向右，船首左偏。,3).排出流横向力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。总体而言，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。,伴流的影响，使上面的流速小，下面的流速大,4).推力中心偏位产生的横向力推进器发生的推力作用中心，与推进器的中心线不一致的，一般是向回转方向的一舷偏位，即，当推进器为右回转时，其推力中心将稍稍偏于推进轴的右边，其原因主要是由于流的非均匀分布所引起的。对于单车船，由于其作用，产生使船首向左的转头，要求用压右舵。其量级较小。对于双车船，左右桨回转方向相反，其作用相互抵消。,5）螺旋桨横向力的致偏作用右旋固定螺距螺旋桨（FPP）单桨船的偏转趋势1）静止中的船舶正舵进车时的偏转2）前进中倒车时的偏转趋势3）静止中正舵倒车时的偏转特性4）左、右满舵全速旋回的比较,1）静止中的船舶正舵进车时的偏转开始动车时，船速仍较低，伴流横向力、进车排出流横向力以及推力中心偏位的影响均较小；船舶在沉深横向力的作用下使船首左偏。空船或轻载时，螺旋桨的沉深比h/D比较小，沉深横向力较大，船首左偏比较明显；重载船沉深横向力较小，则几乎不出现偏转。,随着船速的提高，沉深横向力减小，伴流横向力、排出流横向力推尾向左的影响增强，将逐渐削弱甚至克服沉深横向力的作用。船舶在静止中进车，不论出现左偏或右偏，均可用230舵角加以克服保证船舶直航。结论：进车初始，首偏左，船速提高首偏右,2）前进中倒车时的偏转趋势开始倒车时，船速仍较高，伴流仍很强，伴流横向力的影响使船首左偏；因船前进的速度较高，倒车排出流横向力使船首右偏的影响则较弱；尾吃水较浅的船，沉深横向力的影响使首右偏；因此总体而言船舶的偏转方向不定，此时用舵就能克服偏转。随着船速降低，倒车排出流横向力的影响逐渐增强，而伴流横向力逐渐减弱，船首将出现明显的向右偏转。此时，船虽仍在前进中，但倒车排出流却大大降低了舵处的来流速度，舵效极差，因此即使操舵也无效果。结论：倒车起始，首偏左，船速降低，首偏右,3）静止中正舵倒车时的偏转特性静止中的船舶正舵倒车时，伴流尚未发生，只有倒车排出流横向力及尾吃水较小时的螺旋桨沉深横向力的影响使船首向右偏转。随着船舶退速的提高，沉深横向力的影响相对减弱，排出流横向力的影响也将因船体左侧所受水动力的影响而作用减弱。,4）左、右满舵全速旋回的比较无风流条件下，一般说来右旋定距桨单桨船，其左旋回直径较右旋回直径为小。其原因是：（1）吸入流造成的推力中心偏位有利于船舶左转。（2）向左旋回时左侧车叶由下而上旋转因伴流、吸入流的影响，不易失速，空气吸入空泡现象不易发生，因而较右转时有较强的舵力。,螺旋桨横向力的致偏作用（右旋FPP单桨船）,2致偏作用的运用实例（右旋固定螺距螺旋桨单桨船）1）向右就地掉头2）自力靠码头操纵中的应用3）系靠单浮或单点系泊中的应用,为了在狭小的水域完成掉头1800的操纵，右旋单桨船（FPP）多采取向右掉转的方法。操纵得当应能在2L左右或更小的圆水域内实现掉转。,1）向右就地掉头,2）自力靠码头操纵中的应用,3）系靠单浮或单点系泊中的应用,在系靠单浮或单点系泊时的自力操船中，通常以右舷浮筒横距为11.5倍船宽入泊。在接近浮筒前倒车，这样既可以刹减船首，又可以使船首向右偏转，从而使船首缓慢接近浮筒。,四、侧推器的使用,为了提高船舶在港内的操纵性能，在船首或船尾较低处装置了横向推进器，分别称之为首侧推器和尾侧推器，统称侧推器。经验表明，首推器发挥作用的航速应控制在4节以下,一、商船配置侧推器情况1.一般客船较多装有首尾侧推器，配备的功率为：船体侧面积LD1m21kW1.5kWD为船体型深2.一般货船配备侧推器情况船体水线下侧面积Ld1m20.3kW1.0kWPCC（汽车运送船）取大值，因为其上层建筑受风面积大。,二、侧推器推力的估算T1.5t/100kWT1.0t/100PS具有船速时，有效推力的估算T=T0e-kVT0无船速时的推力，k=0.28从上述公式可见，船速达到2.5kn左右时，有效推力为T0的一半，达至5kn时，有效推力达到最小。,第二节舵的作用,舵是一种重要船舶操纵设备，是船舶控制方向的主要手段；操纵船舶的过程中，船舶驾引人员用舵进行的操纵主要包括用小舵角使船舶保持其航向、用中舵角改变其航向和用大舵角进行旋回。本节将主要讨论舵力及舵力转船力矩，船体、螺旋桨、舵的综合效应以及舵效。,一、舵力及舵力转船力矩（单独舵）,舵力及舵力转船力矩示意,几种舵力表示之间的关系：,由量纲分析可得：,一般船舶配舵的高宽比多在1.41.9之间，厚宽比b/l多在0.120.18之间。,当冲角不大时，正压力系数可表示为舵的正压力为,舵的正压力和舵力转船力矩的计算对于平板舵（亦称单板舵）的正压力PN和压力中心位置，常采用Beaufoy式来计算：PN9.858.8ARVR2sinXp/b0.195+0.305sin式中：PN平板舵正压力（N）；AR舵面积（m2）；VR舵的前进速度或水相对于舵的流速（m/s）；水对舵的冲角或舵角（0）；b平板舵的宽度（m）；Xp从平板舵前缘到舵正压力中心之间的距离（m）。,Jossel公式日本的MMG公式,二、使舵力减小的流体现象,1.失速现象（Stall）一般说来，随着舵角的增大，舵的升力系数CL和阻力系数CD均具有增大的趋势，可是当舵角达到某一舵角时，由于流经舵背面的水流从舵的后缘之前严重地与舵的背面剥离，从而出现强涡时，舵升力系数CL则将骤然下降，这种现象叫作失速现象。,2.空泡现象（aviation）当使用大舵角或舵的前进速度相当大时，特别是舵的前缘横截面曲率较大时，舵的背面压力出现剧烈下降，当下降至或接近于该温度下的汽化压力时，在舵的背面将产生空泡现象。,3.空气吸入现象（aeration）在舵的背面吸入空气、产生涡流，使舵力下降的现象，称为空气吸入现象。空气吸入现象多发生在舵的上缘与水面接近或高出水面且速度较大的情况下，这也是一种降低舵力的有害现象。,三、船尾舵的性能,1舵与船体之间的相互干扰2.伴流与排出流的影响3船舶旋回中的舵力降低,1舵与船体之间的相互干扰船舶操舵后，舵周围出现的压力变化，即左右两侧的压力差将波及到尾部船体两侧，使船体也产生了左右的压力差，这相当于增加了船尾舵的舵力。据Gawn的研究，这种船体和舵之间的相互干扰的结果将使船尾舵的舵力比单独舵的舵力提高约2030%，而且船尾的钝材越大，舵与船尾的间隙越小，这种效果越显著。,2.伴流及其影响伴流是船体周围的水部分地随船舶运动而形成的水流，伴流方向与船舶运动方向相同者称为正伴流；反之，则称为负伴流。按其形成的原因可以分为摩擦伴流、势伴流和兴波伴流。船模试验结果给出了下列估算式：0.50Cb0.05（单螺旋桨船）0.55Cb0.20（双螺旋桨船）因此考虑伴流影响后的舵的正压力为：PN9.858.8AR(1)2Vs2sin,排出流的影响排出流的影响与伴流的影响相反，螺旋桨排出流增加了舵处的来流速度，从而提高了舵力。由排出流，使舵上流速的增加比例平方为Sr为螺旋桨的滑失比,k为系数.,冈田（Okada）和藤井（Fuji）等人经过大量的研究，给出考虑了各种综合影响后的船尾舵正压力的表达式：,伴流、排出流的综合影响,表22单车单舵船的伴流、排出流对舵力的影响（船尾舵舵力/单独舵舵力）,表23双车单舵船的伴流、排出流对舵力的影响（船尾舵舵力/单独舵舵力）,3船舶旋回中的舵力降低船舶在旋回中，舵力下降的原因：1）由于旋回中的降速，舵处的来流速度下降，导致舵力下降；2）由于船舶在旋回中舵处的有效冲角减小（即有效舵角减小）导致舵力下降。见下图说明,旋回中，打在舵上的流向角较舵角小，以满舵进入定常旋回时，其有效舵角可减少近100,第三节锚的运用,一、锚的用途二、操纵用锚的抓力三、单锚泊时的锚泊力及保证锚泊安全所必要的出链长度四、拖锚淌航距离的计算,一、锚的用途大致可以分为锚泊用锚、港内操纵用锚和应急操纵用锚三类。1.锚泊用锚候潮、候泊、检疫、等引航员等等，常需的锚地抛锚停船，还有在港口锚地装卸货时也需抛锚停船。常见的锚泊方式：单锚泊和双锚泊双锚泊又有八字锚、一字锚、一点锚(抗台）,2港内操纵用锚1）抑制船速(拖锚制动)和首偏在靠泊和紧急避碰时，抛短链拖锚制动，抑制船舶惯性滑行距离和首偏。2）拖锚靠泊(阻滞船身横移速度)船舶顶流和吹拢风拖锚掉头靠泊时，抛出外档锚，可利用锚链松出的快慢，即可调整及控制船首贴靠码头的速度，又可控制船速和阻滞船身横的速度，以利靠安全。,3）顺流进港，抛锚掉头4）拖锚倒行5）抛开锚，以便离泊操纵,3应急操纵用锚1）避免碰撞、触礁、搁浅2）保证狭水道航行安全3）用于海上漂滞4）用于系泊时缓和船体摇荡5）搁浅后固定船体或协助脱浅,二、操纵用锚的抓力1操纵用锚的抓力表24操纵用锚的抓力与链长、水深的关系一般来说出链的长度应控制在水深的2.5倍左右，如水深为10米，可采用出链一节落水或一节甲板。,2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，且船舶对地的速度低于23kn。2及时备锚，做到抛得出，刹得住3.锚链已经吃力时，松链一次不要松的太多，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6.抛锚后，不应使用过大的车速。,三、单锚泊时的锚泊力及保证锚泊安全所必要的出链长度,1单锚泊时的锚泊力其中，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；,单锚泊时的锚泊力,2锚的抓力系数a,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。表25锚抓力系数试验结果,锚的抓力特性曲线,锚杆仰角对抓力系数的影响,3锚链的抓力系数c,锚链的抓力系数同样取决于链的类型、底质等因素。一般锚链在不同底质中的抓力系数可取0.751.50。,4悬链长度,悬链指锚链孔至海底之间的链长。式中，S为悬链长度（m）；T0为船舶所受的水平外力（t）；y为锚链孔至海底的垂直距离，即水深与锚链孔在水面上高度之和（m）；Wc/为每米锚链在水中的重量，约为0.87倍每米锚链在空气中的重量（t/m）；,5保证锚泊安全所必要的出链长度,出链长度为:出链长度除了可以根据外力按上式进行计算外，也可按实践经验数据作大致估算。强风中：当风速为20m/s时，Lc3H90（m）(H为水深）当风速为30m/s时，Lc4H145（m）(H为水深）,四、拖锚淌航距离的计算,静水中，拖锚淌航余速较低，船体阻力较小，不考虑。则由动能原理，系统的动能=系统受力所作的功估算式式中：为船舶排水量（t）；VK为抛锚时船舶的余速（kn）；Pa为拖锚时锚的抓力（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：根据动能定理，有将质量m=13500吨，船速V=30.514m/s，拖锚时锚的抓力Pa=59.810.87kN分别代入，可解得全部拖锚淌航距离S为116.6m。,第四节缆的运用,（1）首缆或头缆（headline）：其作用是防止船舶后移和船首向外偏转。（2）首横缆或前横缆（forebreast）：其作用是防止船首向外移动。（3）首倒缆或前倒缆（forespring）：其作用是防止船舶前移和船首向外偏转。（4）尾缆（sternline）：其作用是防止船舶前移和船尾向外偏转。（5）尾横缆或后横缆（aftbreast）：其作用是防止船尾向外移动。(6)首倒缆或前倒缆（aftspring）：其作用是防止船舶后移和船尾向外偏转。,一、靠泊时带缆的先后顺序,1.一般情况下带缆的顺序2.吹开风或吹拢风较强时的带缆顺序3.尾部出缆先后顺序,1.一般情况下带缆的顺序流水港，顶流靠，静水港，顶风靠，都是以先带首缆，阻止船身后移。拖锚驶靠，由于锚链的作用，使船后移，也以先带首缆。总之，靠泊时一般应先船首带缆，后船尾带缆，船首先首缆，后系前倒缆，再带横缆。,2.吹开风或吹拢风较强时的带缆顺序吹拢风或吹开风较强时，一般应先带前横缆。无法实现时，可将首缆和前倒缆同时带上，尽快绞紧。原因：吹拢风较强时，使船首先贴近码头，可防止船尾被风压拢过快，而损坏码头。吹开风较强时，为防止船首被吹开，而靠不上泊位。,3.尾部出缆先后顺序船首带上首缆和首倒缆将船稳住后，由驾驶台通知带船尾的缆。具体的顺序：1).重载、顶流时，先带后倒缆，后带尾缆和后横缆;2).当流较弱，而风从尾来，且风力影响大于流的影响时，先带尾缆，后带后倒缆、后横缆;3).船空载，吹开风强时，宜先带后横缆，后带尾缆和后横缆.,二、离泊用缆,1.做好离泊前的准备工作2.备车完毕后的离泊单绑（singleup）3.离泊时倒缆的运用4.溜缆,1.做好离泊前的准备工作应在试车前检查并调整和收紧各缆，使之受力基本均匀，以防试车时由于船身移动，缆绳受力不均而造成断缆。,2.备车完毕后的离泊单绑（singleup）单绑，一般船首应留首缆和前倒缆，船尾，顶流时留后倒缆，顺流时，留后尾缆。离浮筒单绑时，根据实际情况，适时解掉前、后单头缆和锚链，只留前、后回头缆各一根。,3.离泊时倒缆的运用利用倒缆，用进车使倒缆受力，产生一个转船力矩使船尾先摆出一定角度，再倒车退离码头。注意：中小型船舶可采用，离泊时，要使倒缆缓缓受力。,4.溜缆离泊时，船首或船尾的最后一根缆，有时为了阻滞船首或船尾的偏转，或控制船体的前冲后缩，作一时溜出、一时挽牢操作，这根缆称为溜缆.,三、绞缆移泊注意：1）尽量平行移船，以船尾离码头太近，而损坏车舵；2）通过控制首缆和尾缆来控制船舶前移和后退速度；3）绞缆的同时，注意松出后向作用的缆；4）绞缆时要在驾驶台指挥下，前后配合、协调，不要硬绞；5）适时挽桩，绞妥后调整并带好各系缆；6）外力影响太大时，可用车舵或请拖轮协助移泊为妥。,四、系泊用缆的注意事项1.停泊中系缆的配置原则2.停泊中，减小缆绳的摩损3.停泊中，出缆角度要合适4.缆绳挽桩时应注意，挽桩的道数要足够，且要收紧挽牢；靠泊时挽桩时，须待第二根缆绞紧后，方可将其中之一上桩；5.操纵中要防止缆绳受顿力；6.系离浮筒时的系解缆问题。,第五节拖轮的运用,一、拖轮的种类及其特性二、几种常见的使用拖轮情况三、拖轮的使用方式及带缆四、使用拖轮时被拖船的运动规律五、港内操船中需要拖轮的功率和数量六、利用拖轮停船距离的估算七、使用拖轮的注意事项,一、拖轮的种类及其特性,二、几种常见的使用拖轮情况1.协助慢航大船提高舵效2.协助大船掉头3.吹开风较大时协助大船靠拢码头4.吹拢风时协助大船离泊5.吹拢风靠泊时用拖轮提尾以阻滞过快地向码头轧拢6.协助大船过急弯7.拖无动力船,三、拖轮的使用方式及带缆1.吊拖（leadingahead）2.顶推（pushing）3.傍拖（towingalongside）4.作舵船用5.组合拖曳表210根据操纵任务确定拖带方式和拖轮种类,