船舶操纵知识

Tr Lk
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• 大小：
– 一般约为3~6L，回 转性较差船舶可达 7~8L。 DT值越小， 则回转性越好。
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4.旋回初径
船舶种类
• 应用：
– 在航海实践中，旋 回圈的大小常常用 其旋回初径DT表示。 – 采用其旋回初径与 其船长L（一般为 两柱间长）的比值 DT／L来表示，称 为相对旋回初径。
4. 横倾（list）
4. 横倾（list）
• 影响因素：
– 船舶旋回横倾大小与船速、所操的舵角、船舶的 旋回性能和船舶的初稳性高度GM等有关。
• 注意事项：
– 操船过程中应特别注意回转突倾，避免用急舵特 别是急回舵。 – 1999年10月17日盛鲁轮在避让渔船时因操舵造成 横倾过大，引起汽车碰撞起火，最后沉没。
2.进距（Advance）
DT
• 定义：
– 进距也称纵距，是指从 从转舵开始时刻船舶重 心Ｇ点所在的位置，至 船首转向900时船舶纵 中剖面的距离。
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• 大小：
– 约为3~4L，约为旋回初 径DT的0.6～1.2倍， Ad 表示船舶对操舵反映得 快慢，即应舵速度。
3.横距（Transfer）
DT／L
5~6.5
4~5 2.5~7.5 7.5~8.0
大型货船
中小型货船 油轮 大型远洋客船
中小型海上客船
大型客货船 中小型客货船
4~5
5~7 4~5
拖轮
巡洋舰 驱逐舰 潜艇
1.5~3
3~5 5~10 3~5
5.旋回直径
DT
• 定义：
– Final diameter 旋回直径是指船舶作定 常旋回时重心轨迹圆的 直径，亦称旋回终径或 定常旋回直径。
第二阶段 （过渡阶段）
• 过渡阶段：转舵结束起到船舶进入定 常回转运动为止的动态过程 • 受力情况：随船舶横移、漂角增大， 作用于船体的流体力和力矩增大； • 运动特点 ： 斜航运动； 旋回加速； 纵向速度下降； 内倾渐渐向外倾变化。
第三阶段(定常阶段)
• 定常阶段（steady turning） : 受力与运动处于稳定状态 • 受力情况：作用于船体的力和 力矩将最后达到平衡。 • 运动特点 ： 船舶以一定的横向速度和回转 速度绕固定点作定常回转运动。 船舶的横向运动为外倾
• 降速幅度：
– 与旋回初径DT有密切的关系，DT/L值越小，旋回性越好， 降速越显著。 – 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轮最大可达到原 航速的65%。
4. 横倾（list）

横倾变化
– – –
–
船舶操舵不久，将因舵力横倾力矩而出现少量内倾； 接着由于船舶旋回惯性离心力矩的作用，内倾将变为外倾； 因横向摇摆惯性的存在将产生最大的外倾角 θmax，最大外 倾角一般为定常外倾角的 1.2～1.5倍，θmax的大小与操舵 时间有关，操舵时间越短，θmax越大； 达到最大外倾角后，船舶经过 1 ～ 2 次摇摆，最后稳定于 某一定常外倾角θ上。
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三、船舶旋回运动要素
• 表征船舶旋回运动状态的运动要素：
漂角； 转心； 旋回中的降速； 旋回中的横倾等，
• 运动要素与船舶的旋回性能有着密切的关 系。
1. 漂角（Drift angle）
• 定义：
– 船舶首尾线上某一点的线速 度与船舶首尾面的交角叫作 漂角，用β表示之。
• 大小：
• 位置：
– 转心的位置大约在离船首柱后 1/3 ～ 1/5 船长处，也可能出于船首前某一 点。旋回性能越好、旋回中漂角 β 越 大的船舶，旋回时转心越靠近船首。
3. 旋回中的降速
• 降速原因：
– 舵阻力增加； – 船体的斜航阻力增加与旋回初径DT有密切的关系，DT/L 值越小，旋回性越好，降速越显著。 – 主机特性，推进效率降低
DT
• 定义：
– 横距为船舶从操舵 开始转首90°时， 重心Ｇ距原航线的 距离，以Tr表示。
Lk
Tr
V
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• 大小：
– Tr大约为旋回初径 DT的一半。 Tr值 越小，则回转4.旋回初径
DT
• 旋回初径定义： Tactical diameter
– 从船舶原来航线至船 首转向180°时，船 纵中剖面所在位置之 间的距离。

主要原因：

3．船体水线下侧面形状

规律：


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，旋回中的阻尼力矩小，旋回 性较好，旋回圈较小，但航向稳定性较差； 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。
吃水影响：
– – – – 舵面积比随吃水增加而降低； 随着吃水的增加，船舶通过重心G点竖轴的转动惯量增加； 随着吃水的增加，初始旋回大大减慢。 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。
吃水差影响：
– 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影响。 – 尾倾增大，旋向圈也将增大；对于Cb=0.8的船舶，若尾倾增大量为 船长的1%，旋回初径将可增加10%左右；对于Cb=0.6的船舶，若尾 倾增大量为船长的1%，旋回初径将可增加3%左右。
– 一般船舶重心漂角大约在615°之间，超大型船舶最大 可达到25°左右。漂角越大 的船舶，其旋回性越好，旋 回直径也越小。
2.转心（pivoting point）
• 定义：
– 旋回运动可视为以一定的速度前进的 同时绕通过某一点的竖轴而，这一点 就是转心，通常以P代表之。 – 从几何学上讲，转心P的位置是旋回 圈的曲率中心O作船舶首尾面的垂线 的垂足。
8．船速
船速对船舶旋回时间影响显著； 船速对旋回初径大小的影响呈 现较为复杂的情况：
– 急低速状态旋回性明显变差； – 停车进行旋回即减速旋回时，旋 回圈将大大扩大； – 从船速极低状态开始，进行加速 旋回时，旋回圈将因而受到压缩， 旋回圈中心也将落在旋回前的船 舶正横之后。
9．吃水与纵倾
5. 旋回时间
• 旋回时间是指船舶旋回360°所需的时间。 它与船舶的排水量有密切关系，排水量大， 旋回时间增加。万吨级船舶快速满舵旋回 一周约需6min，而超大型船舶的旋回时间 则几乎要增加一倍。
四、影响旋回圈的因素
• 旋回圈的大小与船型、舵面积、所操舵角、 操舵时间、载态、水深、船速、船舶的纵 倾和横倾、螺旋桨转速等密切相关。另外， 受风、流的影响，旋回圈的大小也有很大 变化。
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1.反移量（Kick）
• 大小：
– 通常，反移量值较小，其最大量在满载旋回时仅为船长 的1/2~1B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1／10～1／5，约出现在操舵后船舶的 转头角达一个罗经点左右的时刻。
• 影响因素：
– 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。
船舶操纵知识
主讲人：蔡壮标
第一章 船舶操纵性能
• • • • 第一节 第二节 第三节 第四节 船舶旋回性能 船舶航向稳定性 船舶变速运动性能 外界因素的影响
第一节 船舶旋回性能
• 旋回性：船舶匀速直航时，转舵使船舶作圆弧运 动的性能,称为船舶回转性。
• 主要内容
船舶旋回运动过程分析 旋回圈（turning circle）及旋回圈要素 旋回运动的运动要素 影响旋回圈大小的因素 旋回圈要素在实际操船中的应用
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二、旋回圈及旋回圈要素
DT Tr V
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• 旋回圈要素：
表征旋回圈大小的 几何要素 .
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• 包括：
反移量、进距、横 距、 旋 回 初 径 、 旋回直径、滞距等
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1.反移量（Kick）
DT
• 定义：
– 亦称偏距，是指船 舶重心在旋回初始 阶段向操舵相反一 舷横移的最大距离。
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一 、 船舶旋回运动过程
• 船舶以一定航速直进当中操某一舵角并保持之， 船舶将进入旋回过程。根据船舶在旋回运动过程 中所受外力特点之变化，以及运动状态之不同， 可将船舶旋回过程划分为三个阶段： – 转舵阶段 – 过渡阶段 – 定常阶段
一 、 船舶旋回运动过程
转舵阶段
过度阶段
定常阶段
一 、 船舶旋回运动过程
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转舵阶段
过度阶段
定常阶段
第一阶段（转舵阶段）
• 转舵阶段: 从转舵开始到舵转至规定角度 为止，时间很短(约15s) • 受力情况：由舵角引起横向力和力矩， 使船产生横向加速度和回转角加速度。 • 运动特点 ： 由于船体本身的惯性很大，还来不及产生 明显的横向速度和回转角速度； 船舶重心G操舵相反一舷的小量横移； 船舶横向向操舵一舷倾斜（内倾）；
6．舵角
规律：
– 在极限舵角的范围之内，操不同舵角时的旋回初径变 化情况，总的趋势是，随着舵角的减小，旋回初径将 会急剧增加，当然旋回时间也将增加。 – 对于不同的船舶，随着舵角的减小，旋回初径的增加 率是不一样的，其中舵的高宽比小的船舶，其旋回初 径的增加率较大。
7．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； 操舵时间对横距和旋回初径的影响不大，旋回直 径则不受其影响。
由于浅水中横向阻力明显增大，漂角β明显下降， 同时浅水中的舵力有所下降，舵力转船力矩下降， 再加上浅水中的阻尼力矩明显增大，船舶的旋回 性下降，因此，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
10．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。
低速时，推力－阻力转矩起主要作用，推首向低舷侧偏 转； 高速时，首波峰压力转矩起主要作用，推船首向高舷侧 偏转。 总的来讲，横倾对旋回圈的影响并不大。
11． 浅水影响
规律：
大小：
– 拖轮为1/20～1/25，渔船为1/30～1/40；高速货船为1/35～1/40； 大型油轮一般仅为1/65～1/75；一般货船为1/45～1/60。
5．推进器及舵类型
装配双车双舵的船舶能够获得更大的舵力及舵里 转船力矩，旋回性能优于单车舵船舶； 某些船舶可能装备特殊的推进器及舵装置，性能 各异，如装备ZP的拖轮可原地掉头。
运动变量历时曲线

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过渡阶段 转舵阶段 定常阶段
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二、旋回圈及旋回圈要素
DT Tr V
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• 旋回圈 (turning circle) ：
– 定速直航（一般为全 速）时，操一定的舵 A 角（一般为满舵）后， 其重心 G 的运动轨迹 叫做旋回圈。
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• 大小：
– D0大约为旋回初径DT的 0.9～1.2倍。
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6. 滞距（Reach）
DT
• 定义：
– 亦称心距。从发令位 置起，船舶重心至定 常旋回曲率中心的纵 向距离。
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• 大小：
– Re大约为1～2L，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。
1．方形系数Cb

规律：
–
–
方形系数越大，船舶的 旋回性越好，旋回圈越 小。 实验结果：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。
2．长宽比（L/B）

规律：

L/B系数较大的瘦形高速船较L/B系数较小的肥形船的 旋回性能差得多。 是L/B系数较大的船舶旋回阻尼较大。
4．舵面积比
定义
– （rudder area ratio）舵面积比是指舵面积与船体浸水侧面积的 比AR/（LPP×d）。
规律：
– 增加舵面积将会使舵的转船力矩增大，因而旋回性变好。 – 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。 – 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。