大连海事大学船舶操纵课件

螺旋试验
• 试验方法：
– 从右满舵开始逐步减小舵角直至正舵、左舵、 左满舵，最后再从左满舵向右满舵一步步过渡， 依次求出各舵角所对应的定常角速度 。
• 缺点：
– 费时
螺旋试验
• 结果：
– 把定常旋回角速度作为舵角的函数，得到如下 图形 ：
c
a
b
d
图1 具有航向稳定性的船舶
图2 航向不稳定的船舶
螺旋试验
各种变速操纵性能
• 减速性能
– 减速性能就是减速操纵后船速递减过程中的运动性能。 – 船舶停车后，船速开始下降较快，随船速降低，阻力 减小，船速下降趋缓； – 以某一速度航行的船舶，从发出主机停止车令起到船 舶对水停止移动时止所需的时间和滑行的距离，称为 停车冲时和停车冲程。 – 实船试验时，船舶对水停止移动一般以船舶维持舵效 最小速度为标准计算，万吨级船取2kn，超大船取3kn 左右；
– 深水（大于4、 5倍吃水）、宽度不受限制、遮蔽条件 较好； – 满载平 – 平静的水域：
• 风力不超过蒲氏5 级； • 海浪不超过4 级；即有义波高不超过1.9m、最大波周期不超过 8.8s； • 流场比较均匀4. 试验船速
– 最小船速的规定：海上速度的85%，主机功率90%。
船舶操纵性试验
• 观测与记录
• 初始回转性(Initial turning ability)
– 船舶操左10º舵角或右10º舵角后，船首向角从原航向改 变10º时，船舶在原航向上的纵向行进距应不超过2.5倍 船长。
船舶操纵性衡准
• 偏转抑制性能和保向性(Yaw-checking and course -keeping ability)
– 10º／10ºZ形操纵试验测得的第二超越角应不超过：
– 20º／20ºZ形操纵试验测得的第一超越角应不超过25º。
船舶操纵性衡准
• 停船性能(Stopping ability)
– 船舶全速倒车停船试验中的航迹进距(Crash Stopping Distance)不超过15倍船长。 – 但是，对于超大型船舶，主管机关认为该标准 不能满足时，可进行修订，但任何情况下不应 超过20倍船长。
船型参数对操纵性的影响
• 影响操纵性的船型参数
– 排水量 – 长宽比(L／B) – 水下侧面形状 – 舵面积与船舶水下侧面积之比 – 方形系数 – 主机功率等
船型参数对操纵性的影响
• 排水量
– 随着船舶排水量的增大，旋回性变化不大(相对 旋回直径变化不大)，但航向稳定性会变得越来 越差；
• 长宽比
– 试验观测手段
• 差分GPS(DGPS) • 罗经或姿态测量仪 • 可以进行自动处理。
– 记录内容：实验条件、观测数据：
• 船舶数据 • 环境条件 • 试验数据
船舶操纵性试验
• 主要试验种类
– 旋回试验 – Z形试验 – 螺旋试验与逆螺旋试验 – 停船试验
旋回试验
• 目的：
– 求取船舶的旋回要素，评价船舶旋回的迅速程 度和所需水域的大小，从而判定船舶的旋回性 能。
– 长宽比大的船舶，旋回性较差，航向稳定性好。
船型参数对操纵性的影响
• 船体水线下侧面形状
– 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（dead wood)，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.
船型参数对操纵性的影响
• 舵面积比
– （rudder area ratio）：AR/（LPP×d）。 – 增加舵面积，转船力矩增大，因而旋回性变好。 – 增加舵面积，又增加了旋回阻尼力矩，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。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。
大舵角旋回制动
• 优点：
– 操作方便，无需机舱操作，而且降速时间也相 对较短，可以降速达25-50％；
• 缺点：
– 所需的水域比较宽 – 仍残留部分余速
蛇航制动
• 优点：
– 在倒车未开出之前的2～3min的时间之内已充 分地利用斜航阻力使船舶相应减速； – 主机由进车换为倒车的过程可以分阶段、逐级 平稳进行，避免了主机超负荷工作等情况的出 现。
船舶变速运动性能各种变速操纵性能
• • • • 加速性能 减速性能 停船性能 倒航性能
船舶变速性能及其判别
• 变速性能是指船舶对变速操纵的反应能力，是度 量船舶运动(平动)惯性的技术指标。 • 质量越大，惯性越大。 • 船舶质量较大，船舶减速过程中，在惯性力的作 用下，需要一定时间和距离，才能达到所要求的 运动状态，称为惯性时间和惯性距离。 • 阻力和推力都随船速的改变而变化，故计算比较 复杂。 • 一般采用估算公式或实船试验结果来判断变速性 能。
各种变速操纵性能
• 冲程对比
各种变速操纵性能
• 停船性能
– 停船性能是指船舶在任意前进速度时使用倒车 使船舶停止的性能； – 实际为两种情况
• 全速前进操全速后退，称为紧急停船性能(crash stopping ability)，相应的航行距离称为“最短停船 距离”； • 从港内速度操半速或慢速倒车，属于正常停船操纵。
各种变速操纵性能
• 加速性能
– 为了保护主机，由静止状态开进车时，转速应视船速 成的逐步提高而逐步增加，用车时先开低转速，在船 速达到与转速相应的船速时再逐级加大转速。 – 从静止状态逐级动车，直至达到定常速度V所航行的距 离与排水量成正比、航速V的平方成正比、航速V时的 阻力成反比； – 根据经验，从静止状态逐级动车，直至达到定常速度， 满载船舶约需航经20倍船长左右的距离，轻载时约为 满载时的1/2～2/3。
倒车制动法
• 优点：
– 该方法不受水域、船速等条件的限制，即不论 在港内或港外水域，也不论船速的高与低，该 方法均可适用； – 在紧急避让中一旦发生碰撞，碰撞的损失也比 较小；
• 缺点：
– 历时较长，对于FPP船需要进行主机换向操作； – 单桨船在倒车过程中总伴有一定的偏航量和偏 航角，且倒车时间越长，偏航量越大
– 实际操船很少进行全速倒车操纵； – 标准操纵性试验，估计停船性能。
最短停船距离
• 船舶在前进三中开后退三，从发令开始到船对水 停止移动所需的时间及航进的距离，称为倒车冲 时和倒车冲程，又称紧急停船距离（crash stopping distance）或最短停船距离（shortest stopping distance）。 distance • 从前进三到后退三所需时间的长短因主机类型而 异：
– 10º／10º Z形操纵试验测得的第一超越角应不超过：
• • • • • • 10º 当L/V＜10s时； 20º 当L/V ＞30s时； (5＋1/2 (5 1/2 (L/V))º 当10s ＜L/V ＜30s时。 10s L/V 30s 25º 当L/V ＜10s时； 40º 当L/V ＞30s时； (17.5＋0.75())º 当10s ＜L/V ＜30s时。
船型参数对操纵性的影响
• 方形系数
– 方形系数越大，船舶的旋回性越好，旋回圈越 小，但航向稳定性越差。
• 主机功率
– 船舶单位排水量所分配的主机功率(BHP/△) 越 大，船速越高，倒车功率也相应较大，其停船 性能也较好。
船型参数对操纵性的影响
• 超大型船舶的操纵特点
– 质量大，惯性大，单位排水量主机功率远 较一般船为低，进行机动操纵异常呆笨； – 线型尺度大，浅水效应和岸壁效应均较突 出； – 由于水线上下面积的加大，受风、流影响 较大； – 航向稳定性差； – 淌航中丧失舵效的时间出现得较早。
• B：倒车前船舶阻力与船舶倒车拉力之比；
最短停船距离
• C：倒车时间与初始速度的乘积；
最短停船距离
• 影响紧急停船距离的因素
– 船舶排水量 – 初始船速 – 主机倒车功率、转速和换向时间 – 推进器种类 – 船体的污底程度 – 外界条件
• 浅水、风、流等
几种制动方法
• • • • • • 倒车制动 大舵角旋回制动 蛇航制动 拖锚制动 拖轮制动 辅助装置制动
– 内燃机船约需90～120秒； – 汽轮机船约需120～180秒； – 蒸汽机船约需60～90秒。
最短停船距离
• 倒车冲程统计数据：
– 中型至万吨级货船 – 5万吨左右 – 10万吨 – 15～20万吨级 6～8倍船长； 8～10船长； 10～13倍船长； 13～16倍船长。
最短停船距离
• 最短停船距离的估算
• 缺点：
– 在较窄的水域或航道内不宜使用； – 操纵复杂 。
拖锚制动
• 通过拖锚利用拖锚阻力，即拖锚时锚的抓 力来刹减船舶余速的方法称为拖锚制动法。 • 该法仅用于万吨级及其以下的船舶； 该法仅用于万吨级及其以下的船舶； • 抛锚时船舶对地的速度也仅限于2～3kn以 抛锚时船舶对地的速度也仅限于2 3kn以 下。
• 测定旋回轨迹的方法
– 经纬仪 – 测定航向、航速 – 雷达定位 – GPS
Z形试验
• 目的：
– 利用测定的数据，求取船舶的操纵性指数K，T， 全面 评判船舶的旋回性、追随性和航向稳定性等性能； – 最早是Kempf提出，又称标准操纵性试验。
螺旋和逆螺旋试验
• 螺旋试验（direct spiral test） • 逆螺旋试验（reverse spiral test） • 二者目的均是判定船舶航向稳定性
– 优点：
• 省时 • 结果更准确
– 缺点：
• 需要角速度仪
逆螺旋试验
• 结果
– 航向稳定：
• 与螺旋试验结果 相似；
– 航向不稳定：
• 逆螺旋试验结果 舵角与角速度曲 线出现多值对应 S形曲线。
停船试验
• (Stopping test) • 目的：
– 评价船舶停止惯性
横向偏移量 对水停止位置
• 方法：
– 通常采用抛板法
纵 向 进 距
• 结果
发令位置
船舶操纵性衡准
1993年国际海事组织(1MO)对100m及以上海船的 操纵性标准提出了要求，之后，又进行了修订， 具体规定如下。 • 旋回性(Turning ability)
– 旋回圈的进距应不超过4.5倍船长(垂线间长，下同)， – 相应的旋回初径应不超过5.0倍船长。
– 假设：
• 船体所受阻力的大小与船速的平方成正比； • 倒车拉力在整个停船操纵过程中是一个常量，等于 船舶最终在水中停止时螺旋桨所产生的倒车拉力； • 螺旋桨开始倒转的时间和倒车命令给出的时间相同， 即不考虑主机由正转变为倒转所用的时间。
最短停船距离
• A：船舶质量与船舶阻力之比；
最短停船距离
• r 与δ具有单值关系，则船舶具有航向稳定性；r 与δ关系构成一个滞后环，船舶不具有航向稳定性。
c
a
b
d
图1 具有航向稳定性的船舶
图2 航向不稳定的船舶
逆螺旋试验
• 试验方法：
• 从右满舵开始逐步减小舵角直至正舵、左舵、左满 舵，最后再从左满舵向右满舵一步步过渡，依次求 出各角速度所对应的舵角。
要点回顾
• 变向性能概述 • 旋回性
– 旋回运动过程：
• 转舵阶段、过渡阶段、定常旋回阶段 • 各阶段加速度、速度、旋回角加速度、旋回角速度以及横倾角 等量的变化情况。
• 旋回要素
• • • • 几何要素 运动要素：漂角、转心、横倾、旋回降速 影响旋回性的因素 旋回要素的应用
船舶操纵性基础
• • • • • • 船舶操纵性概述 航向稳定性与保向性 船舶变向性能 船舶变速性能 船舶操纵性试验 船型参数对操纵性的影响
拖轮制动法
• 通过拖轮协助，或仅靠拖轮提供的推力使 船制动的方法叫作拖轮制动法。 • 多用于超大型船舶在港内低速状态时的制 动。
辅助装置制动
• 在船舶上设置一些如阻力鳍等辅助装置而 使船舶减速制动的方法称为辅助装置制动。 • 该方法仅在船舶航速较高时使用，才会有 明显的效果。
船舶操纵性试验
• 实船试验条件
各种变速操纵性能
• 停车冲程
– 船舶在常速航行中停车，降速到能维持其舵效 的速度时，一般货船的停车冲程为船长的8～ 20倍，超大型船舶则超过20倍的船长。船越大， 停车惯性越大。 – 某大型集装箱船满载海上全速、港内全速、港 内半速和港内慢速时的停车冲程分别约为24、 16、14 和9 倍船长。 – VLCC 满载时分别约为37、32、29 和25 倍船 长。