船舶的旋回性能船舶操纵

螺旋桨横向力的致偏作用右旋fpp单桨船致偏作用致偏作用产生条件产生条件量量沉深横向力沉深横向力进车时船首左偏进车时船首左偏倒车时船首右偏倒车时船首右偏hhdd065065075075视视hhd的大小的大小伴流横向力伴流横向力倒车时船首左偏倒车时船首左偏船舶必船舶必须有前进的须有前进的速度速度较小的量较小的量排出流横向力排出流横向力不论进车或倒车不论进车或倒车船首均右偏船首均右偏排出流能够作用于排出流能够作用于舵上或船体尾部舵上或船体尾部较大的量较大的量推力中心偏位推力中心偏位不论进车或倒车不论进车或倒车船首均左偏船首均左偏船舶在前进中船舶在前进中较小的量较小的量第二节舵的作用一舵力及舵力转船力矩单独舵1
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0．9～1．2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
在3°～15°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1／3～1／5船长处；船处于后退中，转心位置则在船尾 附近。
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。
位为m／s 。
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：
—正移外倾。
2．第二阶段——过渡阶段
船舶的旋回角速度、横移速度和 漂角均逐步增大。降速明显（斜航阻力 增加）；由反向横移变成向操舵一侧正 向横移；船舶由内倾变为外倾逐渐增大； 船舶加速旋回
• 特征： • 船速继续下降 • 船舶加快向朝舵一侧偏转 • 船舶重心开始正向横移 • 船体开始外倾
Rf Ra
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。
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
β
N(δ)----舵力转船
力矩
F(w)-----水动力
β -------漂角
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
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。
第二节 船舶操纵运动方程及船 舶操纵性指数
一、船舶操纵运动方程
Tŕ+r＝Kδ
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
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
航速的65％。
4) 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。
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
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。(低低小;高高小) 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。
满载货船(L＝100～150 m)：K’＝1.5～2.0； T’＝1.5～2.5 满载油船(L＝150～250 m)：K’＝1.7～3.0； T’＝3.0～6.0
• 特征： ➢船速下降 ➢船舶重心反向横移 ➢船首朝操舵一侧偏转 ➢船舶内倾
F(w)-----水动力 不在首尾线上, 产生漂角β增大;
N(β)---水动力转 船力矩;
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
三、K、T、指数无因次化数值范围及影响K、T指 数的因素
1．K、T指数的无因次化数值范围
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(1/s) · L(m式) /中V：s(Lm为/s船)长，单 T’＝ T(s) · Vs (m/s)/ L(位mVs为)为m船；速，单
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。
—反移内倾。
G-------重心
V-------船速
Mt1
F---惯心力
wV²/Rcos
GP/2
G
Ry
d/2 O
d
P F=ma=mv2/R
PNcos
PNcos
R无穷大时F=0
Mt2
G P’ P
1．第一阶段——转舵阶段
出现降速和漂角但量都很小；旋回 角速度不大，但旋回角加速度最大。重心 向操舵相反方向少量横移，同时因舵力位 置比重心位置低而出现少量内倾。
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25％～50 ％，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
3．第三阶段——定常旋回阶段
当漂角增加到一定值时，作用于 船体所受合力矩为零，进入定常旋回运 动。空船约在转首60°左右，满载约在 100 ° ~ 120 °左右进入定常旋回阶段。
• 特征：
• 船舶以固定漂角作匀速圆周运动
• 船舶处于相对稳定的外倾
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)。
G
G
reach
β
G
Trmax
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3～6倍的船长。
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)，单位为1／s。
二、船舶操纵性指数及其意义
1．K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。
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(Cb≈0．6)较方形系数较高的 肥形船(Cb ≈0．8)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
船舶进入定常旋回后，因为K可用定常旋回角速 度ro与所操舵角δ0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。该增益越大，则船舶的旋回性能越好。
2．T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。
Rf、Ra---水 3、第三阶段 （定常旋回）
阻力
N(r)---水阻 尼力矩
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 。
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(Lpp×d)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。
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0．6～1．2倍。
Tr
G
G
DT

G
Admax
Ad
G Stern kick
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。