船舶转心在操船实践中的运用

船舶转心在操船实践中的运用

惠州港引航站陈国平张曾华

0引言

船舶转心是指船舶作旋回运动时，船舶的回转中心。转心的位置是旋回中某瞬时的旋回中心，因此转心又称为“瞬时转动中心”。可以把船舶运动看作成一个保向斜航运动和绕转心的旋回运动的合运动。船舶转心是一个动态的点，在船舶无左右横倾时，对水运动速度V及船舶方型系数C将直接影响转心在船舶首尾线上的位置。当船舶对水前行时，船舶转心移至重心之前，速度V越大则转心前移得越多，反之亦然。对于船长和吃水相同的船舶，方型系数CB越小其转心前移越多；由于军舰的方型系数较小，因而其转心的位置越靠前移，不利于船舶旋转，因此需要安装多部推进器，加以克服。当在离转心越远处对船舶施加外力，则船舶越容易旋转；而在转心附近处对船舶施加外力，则船舶旋转效应差，越接近转心处，旋转效果越差。

在船舶掉头、侧推使用、船舶避让、拖轮协助等多方面都涉及船舶的转心。把握好船舶的转心，利用好转心的作用，能给船舶操纵带来许多方便；但是，如果对转心利用不好，则会给船舶驾驶带来麻烦。

1船舶转心的变化规律

船舶运动的同时推开其周围的流体，而周围的流体又来填充之前被船舶所占据的空间。当船舶相对于水向前运动时，紧贴船艏处的水在瞬时被加速(即水压力很大)，当该水流速度达到与船速相同时，可把水看作是一个与船舶融合在一起的一个整体，即无形中增加了船舶的虚拟质量或称附加质量。而船尾处由于水流(伴流)速度已经被提起来了，即加速度很小，其水压力也就很小，因此其产生的附加质量就小得多。船舶在静止的情况下，船舶转心随船舶重心变化而作同向变化；当船舶相对于水向前运动时，相当于船艏处增加了重量，重心前移，船舶转心也就自然向前移动。至此，我们可以得出以下转心变化规律的解释：船舶对水运动速度越快，其顶流的一面船舶受到的水压力越大，产生的附加质量也就越大，重心朝顶流面移动，船舶转心也就朝顶流面移动。所以，当船舶对水向前运动，则船舶转心移至重心之前，相对速度越快，转心前移越多；船舶对水朝后运动时，船舶转心移至重心之后，且对水运动速度越快，船舶转心后移也越多。在研究船舶转心时，通常不考虑风压力的影响。其实风压力对船舶转心的变化也是有一定影响的，由于空气密度远小于水密度，其所能产生的附加质量要小得多，因此研究转心变化规律时，对于船舶就只需要考虑水压力的影响即可。2转心的运用实例

2.1拖轮协助船舶旋回掉头时转心的运用

见图1所示:①至④为拖轮的四个作用点，既可拖也可顶，当船

舶对水朝前运动时，即SPD >0，当利用拖轮来控制船舶朝有转右时，

我们来比较①至④四个作用点的旋回效果(朝右转向则图示中①和④

为顶推点，②和③为拖拉点)。由于船舶朝前运动，转心前移至

接近船艏位置，③和④的作用力臂远大于①和②的作用力臂，因此③

和④的作用效果远大于①和②的作用效果。而一般施加的拖力其效果

仅为顶推力的70%左右。因此，我们很容易得出以上四点受力的旋回

效果的大小顺序为:④>③>①>②。图1拖轮作用位置图

在引言中我们提到船舶运动的轨迹是一个保向斜航运动与旋转运动的合运动轨迹。①和②的顶拖作用力的作用点越接近转心点其作用效果越接近于船舶静止时在重心处的顶推效果，即无旋转效果，容易导致整个船舶只保留斜航运动朝右前方移动。根据笔者的经验，30万吨级满载油轮(VLCC)，当SPD < 1 kn，其转心几乎与重心重合，即类似于静止状态。而当速度达到一定值，在图1中，在③和④处施力会大大增加其旋转效果，易导致整个船舶朝左前方移动。因此当我们发现左前方水域受限或右舷受风流压影响时，应采取在①或②处施顶拖力；而当发现右正横附近水域受限或左舷受风流压影响时，应采取在③或④处施力而避免在

①和②处施力。

2.2侧推及拖轮作用时对船速控制的要求

在首侧推器操纵仪盘面上，常标有“SPD< kn”字样，意思是要使侧推器能有效发挥其侧推效果必须将船速控制在3 kn以下。其道理很简单，我们在上一节提到当船速朝前时，转心位置前移，速度越快则转心距首侧推距离越近，相当于静止时在重心附近施加一推力，其侧推作用效果自然就差。同时，由于存在前进速度，侧推器横向排出流在船舶纵向伴流的冲击下减小其流压效果，此时侧推力也远不及静止时的侧推力大。

拖轮在船艏带缆协助转向，一般来说，应尽可能将大船船速SPD降至6kn以下，其原因有二：一是，拖轮的作用点在船艏，船速越快，转心向船首移动越多，转心点就越接近拖轮作用点因此拖轮的作用效果就越差；二是，拖轮为保持正横方向的顶推而须随大船一起运动，这样也大大削减了其顶推力。从上面分析可以得出以下结论：

船速越慢拖轮的顶推效果就越好。因此，为发挥拖轮的最大效

应，应对本船船速有所控制。

2.3对“尾找风”和“首迎流”的原理解析

船舶后退时，当船尾来风则船尾将朝来风的方向偏转，直

至船尾稳定在正对来风的方向上。

假定船舶左船尾受风，船舶首尾受力均匀，其风力F可

分解成船首、船尾两个同方向的力F1、F2(如图2所示)。由

于船舶后退，船舶转心后移至船尾约1/3L(L为船长)处，因此图2 “尾找风”示意图

F1的作用力臂远大于F2的作用力臂，从而F1的旋转力矩也远

大于F2的旋转力矩，因此船首向右旋转，即出现船尾迎风偏

转，也就是所谓的“尾找风”。

“首迎流”与“尾找风”的原理一样。当船舶向前航行时，

发现船首将迎向来流方向偏转，即“首迎流”。如图3所示：

将流压力F分解成船舶首尾两个同方向的分力F1和F2，当船

舶向前航行时，转心位于船首约1/3L处，F2的作用力臂远大

于F1的作用力臂，从而F2的旋转力矩远大于F1的旋转力矩，

因此出现船首迎流偏转现象。图3 “首迎流”示意图“首迎流”与“尾找风”在实践中，既要注意到又可以加

以利用，现以实例来说明。

如图4所示：船舶在内档泊位离泊，由于受左船尾的来风，

最初船舶后退速度较慢时，整个船舶将被吹向岸壁A区。由于

船舶后退速度越快则“尾找风”越明显，因此此时如果加速后

退，则船舶受“尾找风”影响，船尾将向左转向，逐步退出港

池而不至于退向岸壁B区。在这个实例中我们利用了“尾找

风”的作用而安全的退出港池，但运用时必须要加速后退才能

让“尾找风”充分发挥其作用，否则有可能退至岸壁A和B 图4尾找风的避免与利用