大连海事大学船舶操纵课件.ppt

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船舶变速运动性能•主要内容–船舶变速性能及其判别–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•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。

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；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 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–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）•从前进三到后退三所需时间的长短因主机类型而异：–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 6～8倍船长；–5万吨左右 8～10船长；–10万吨 10～13倍船长；–15～20万吨级 13～16倍船长最短停船距离•最短停船距离的估算–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•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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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。

•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；•抛锚时船舶对地的速度也仅限于2～3kn以下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–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–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。

•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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 ：图图1 1 具有航向稳定性的船舶具有航向稳定性的船舶图图2 2 航向不稳定的船舶航向不稳定的船舶abcd螺旋试验•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图图1 1 具有航向稳定性的船舶具有航向稳定性的船舶图图2 2 航向不稳定的船舶航向不稳定的船舶abcd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。

–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•方法：–通常采用抛板法•结果横向偏移量纵向进距对水停止位置发令位置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•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／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 (L/V))º 当10s ＜L/V ＜30s时。

–10º／10ºZ形操纵试验测得的第二超越角应不超过：• 25º 当L/V ＜10s时；• 40º 当L/V ＞30s时；• (17.5＋0.75())º 当10s ＜L/V ＜30s时 –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–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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本节要点•船舶变速性能–启动、停车、倒车惯性–影响冲程的因素•船舶操纵性试验–旋回试验、Z形试验、螺旋与逆螺旋试验、停船试验•船型参数对操纵性的影响本章作业：•简述影响船舶旋回直径大小的因素，其中与船型有关的因素是什么，与船型无关的因素是什么？•船舶运动的稳定性有哪几种，船舶的航向稳定性指的是什么？如何判别？•何谓保向性？ 简述影响船舶保向性的因素。

•简述超大型船舶的操纵性特点•简述倒车停船冲程与停车停船冲程的定义，影响给定船舶倒车停船冲程的因素是什么。