1.4-船舶的航行性能解析

第三节船舶的航行性能为了保证船舶在各种情况下的安全航行，要求船舶必须具有一定的航行性能，主要包括浮性、稳性、抗沉性、快速性、摇摆性和操纵性等。一、浮性（1）浮性是指船舶在各种载重情况下，保持一定浮态的性能。船舶在水中受到重力和浮力的共同作用。如图1－3－l所示。重力是指船舶所受的地球引力，也就是船舶的重量。它包括货物重量、空船重量、消耗品及储备品重量等。重力的作用点称为重心G，其方向垂直向下。浮力是指水对船舶表面压力的合力。根据阿基米德定律，其值等于船舶所排开的同体积水的重量。浮力的作用点称为浮心B，即排水体积的几何中心，其方向垂直向上。一、浮性（2）当船舶所受到的重力与浮力的大小相等，方向相反，并且作用于同一垂直线上时，船舶就处于平衡状态，能够漂浮于水面一定位置，既不下沉也不上浮；当船内载重增加，即重力大于浮力时，则船舶必然下沉，使船舶的排水体积增加，浮力也随之增大，待浮力增大到与重力重新相等时，则达到新的平衡，当船内载重减少，即重力小于浮力时，则船舶必然上浮，以减少浮力，直至达到新的平衡状态。二、稳性稳性是指船舶受外力作用离开平衡位置而倾斜，当外力消除后能够自行恢复到平衡位置的性能。稳性按倾斜方向的不同可分为横稳性和纵稳性；按倾斜角度大小的不同可分为小倾角稳性（初稳性）和大倾角稳性；按作用力性质的不同可分为静稳性和动稳住。小倾角稳性（初稳性）（1）下面我们以小角度横倾为例来讨论船舶的稳性。根据对“浮性”的讨论可知：船舶在未受外力作用时，一般是平浮于水面，其重力与浮力大小相等，方向相反，并且作用在同一垂直线上。如图1－3－2所示。但是，当船舶受到风浪等外力作用时就会发生横倾现象，如图1-3-3所示。此时，重心G位置不变，但浮心却因水线下排水体积的形状发生变化，而自B点移至B1点，但其作用方向仍然是垂直向上。这样，由于重力与浮力不作用在同一垂直线上而形成了一个力偶矩。小倾角稳性（初稳性）（2）当外力消失后，若船舶在该力偶矩的作用下能够恢复到初始平衡位置，则该船具有稳性，该力偶矩称为稳性力矩（也称为扶正力矩）。若该力偶矩使船舶沿着倾斜方向继续倾斜，则该船没有稳性，该力偶矩称为倾覆力矩。小倾角稳性（初稳性）（3）从图l－3－3中可以看出：船舶倾斜前后的浮力作用线相交于M点，我们把M点称为横稳心，GM称为初稳性高度。它是衡量船舶初稳性大小的基本标志。当G点位于M点之下时，GM取正值，船舶具有稳性力矩；当G点位于M点之上时，GM取负值，船舶具有倾覆力矩；当G点与M点重合时，GM为零，船舶处于随遇平衡状态。小倾角稳性（初稳性）（4）由此可见，降低船舶的重心位置，对于提高船舶的稳性是极为有利的。但是并不是GM值越大越好。因为GM值过大，船舶的稳性力矩过强，则船舶稍有倾斜就会很快复原，使船舶发生剧烈的摇摆，这对于船舶设备、船员的工作条件以及旅客的生活条件等都是不利的。同样，船舶的稳性也不能太小，否则，船舶极易失去稳性而倾覆或沉没。小倾角稳性（初稳性）（5）因此，船舶必须具有适度的稳性，并应符合“海船稳性规范”的规定。船舶在装货时，应注意控制船舶重心位置的高低和活动货物的绑扎。在风浪中航行时，应注意正确操纵，防止船舶产生过大的横倾角和货物移动，保证船舶的航行安全。三、抗沉住（1）抗沉性是指船舶在一舱或数舱进水后仍然保持一定的浮态和稳住而不致沉没或倾覆的性能。为了保证船舶的抗沉性，要求船舶具有一定的储备浮力，即设计水线以上船体水密空间的体积所提供的浮力，以补偿因破舱进水而损失的浮力。储备浮力是根据船舶的用途、结构和航行区域等因素确定的，其大小可以用干舷衡量。干舷越大，储备浮力也越大，船舶航行就较安全。三、抗沉住（2）为此，船舶检验部门为了保证船舶航行安全和发生海损时仍能保持一定的航行性能，并使船舶具有尽可能大的装载能力，规定在船舶舷侧勘划载重线标志，以限定船舶的最大吃水，即规定船舶的最小干舷。船舶在任何情况下都不得使干舷小于规定的船舶最小干舷。此外，为了保证抗沉性，还要求船舶按照“海船抗沉性规范”的规定，进行合理地分舱，即沿船长方向设置足够的水密横舱壁，将整个船体分隔成若干水密舱室，以阻止进水向其他舱室漫延。四、快速性（1）快速性是指船舶在给定主机功率的条件下，尽量提高船速的性能。它包括推进器推力和船舶阻力两个方面。为了提高船舶的快速性，一方面应尽可能提高推进器的推力，另一方面则应尽可能降低船舶阻力。四、快速性（2）在船舶设计、建造时，为了降低船舶阻力，首先应选择适当的船型，尤其是水线下船型和浸水体积以及船体表面的粗糙程度。其次是考虑推进器、舵等附加设备的外形、性能及安装。为了提高推进器的推力，应选择性能良好、效率较高的推进器。现代船舶普遍采用螺旋桨（俗称车叶）推进器。螺旋桨运转时，因形状和螺距的影响，可能掀起波浪或产生表面空泡，导致推力下降。因此，正确地选择螺旋桨的几何形状和螺距有利于推力的提高。当然，也应考虑主机功率四、快速性（3）增加主机功率可以提高快速性。但是，当船速达到一定限度时，主机功率增加很多，而船速增加却很少。因此，应根据推进器、航速以及航行条件等因素选择适当功率的主机。四、快速性（4）对于营运船舶，为了降低船舶阻力，应定期进坞以清除船体的锈蚀和附着物。航行时，应避开海上狂风恶浪区，以减少船舶阻力。为了提高推进器推力，应合理装载，保持良好的稳性和适宜的吃水差，避免螺旋桨的桨叶部分露出水面造成飞车或螺旋桨沉深过大，影响推力。总之，只有确实做到降低船舶阻力和提高推进器推力，才能使船舶的快速性得到充分发挥，提高船舶营运的经济效益。五、摇摆性（1）摇摆性是指船舶作周期性的摇摆和偏荡运动的性能。其形式有横摇、纵摇和垂荡运动三种。在一般情况下，船舶在海上的运动是这三种运动形式的复合运动。在三种摇摆形式中，横摇是最主要的摇摆形式。剧烈的横摇从外部条件来讲，是与风浪的大小有关。但从船舶本身条件来看，又与稳性的大小有关。稳性过大，会造成剧烈的横摇，如同不倒翁一样，其横摇周期较短；而稳性过小。则横摇缓和，但船舶极易失去稳性而倾覆或沉没。五、摇摆性（2）因此，驾驶员应根据实际情况注意积累经验，以期在配载时能保证船舶具有适当的稳性。另外，当船舶的横摇周期与波浪周期接近时，还会发生谐摇运动。此时，船舶摇摆最剧烈，横摇角越摇越大，将会导致船舶倾覆。因此，必须采取改变航向，或在改变航向的基础上适时改变航速的措施。五、摇摆性（3）总之，船舶摇摆是一种有害的性能。剧烈的摇摆会降低船速、造成货损、损坏船舶结构和设备、造成旅客晕船、影响船员工作以及造成货物移动和甲板上浪等，尤其是不适当的摇摆还会在波浪中谐摇，危及船舶安全。为了改善船舶的摇摆性，可以在船上设置各种减摇装置。例如：在舭部沿着流线安装舭龙骨或可操纵的减摇鳍；在左右舷设置连通的减摇水舱；或安装根据陀螺仪原理设计的回转仪减摇装置等。六、操纵性（1）操纵性是指船舶能够保持或改变航向、航速和位置的性能。操纵性一般包括旋回性和航向稳定性。旋回性是指船舶在各种横向力的作用下，能迅速改变航向并作旋回运动的性能，其好坏用旋回圈诸要素衡量。航向稳定性是指船舶保持既定航向沿直线航行的能力，亦即要求船舶在直线航行中，不易出现偏离航向的现象。并且，当受到外界因素影响而偏离航向时，在不用舵纠正的情况下，能够尽快地稳定于新的航向。航向稳定性差的船舶，为了保持航向，就需频繁操舵，所用舵角也比较大。六、操纵性（2）显然，旋回性和航向稳定性是相互制约的。旋回性要求船舶旋回反应敏锐，而航向稳定性却要求船舶旋回反应迟钝。换句话说，在相同条件下，提高旋回性将意味着降低航向稳定性；反之亦然。因此，船舶的操纵性应根据船舶的用途以及航行区域对操纵性的要求而定。对于远洋运输船舶，其特点是长时间进行远程航行，而进出港的时间较短，因此，应保证其具有良好的航向稳定性。对于在狭水道或港内航行的船舶，则应着重保证其具有良好的旋回性。六、操纵性（3）船舶操纵的主要工具是螺旋桨和舵，此外还有锚和缆。在掌握风和流对船舶作用规律的前提下，可以将风和流作为船舶操纵的借助因素。现代船舶的系泊作业则主要依靠拖轮。海上航行的船舶，由于风、流和浪等外界因素的影响，以及螺旋桨工作时产生的横向力，经常使船舶偏离航向，若要保持或改变航向则需不断地操舵。六、操纵性（4）船舶避让他船时，要了解本船和他船的旋回圈和冲程，以便据此采取恰当的避