船舶工程导论教学PPT船舶性能1.ppt

第第 4 讲讲 船舶性能船舶性能(1)(1)船舶航行性能船舶航行性能 水能载舟，亦能覆舟船在水上航行，在有足够的浮力的前提下，应该能够抵抗风浪的作用在风浪的作用下，船应该不倾翻、不破损断裂，尽可能不摇晃，阻力要小，以提高航速，操纵灵活这些就是船舶的航行性能，可以概括为六个方面Ø 浮性浮性——额定装载下，以额定装载下，以正常浮态正常浮态漂浮的能力漂浮的能力Ø 稳性稳性——外力外力作用下发生倾斜，去掉外力后作用下发生倾斜，去掉外力后恢复正浮恢复正浮而不倾覆的能力而不倾覆的能力Ø 抗沉性抗沉性——局部破损局部破损浸水后，仍保持浸水后，仍保持一定浮态和稳性一定浮态和稳性而不沉没的能力而不沉没的能力Ø 快速性快速性——以较小主机功率获得以较小主机功率获得较高航速较高航速的能力的能力Ø 耐波性耐波性——在风浪中在风浪中抵抗摇晃抵抗摇晃，保持稳性和航速的能力，保持稳性和航速的能力Ø 操纵性操纵性——在航行中在航行中保持和改变航向保持和改变航向，控制船舶运动的能力，控制船舶运动的能力 所谓船舶航行性能就是船舶本身应具备的海上安全航行的能力，与船舶的尺度、形状和全船的重量分布有关。

船上和航行有关的各类设备、装备对航行性能也有很大的影响 为何一张钢板会沉入水底，而钢板制成的船能够漂浮于水面？为何一张钢板会沉入水底，而钢板制成的船能够漂浮于水面？一、浮性一、浮性1 1、、 船舶的静平衡条件船舶的静平衡条件 船船漂漂浮浮在在水水面面上上，，受受到到两两个个力力的的作作用用一一个个是是重重力力，，垂垂直直向向下下，，作作用用点在点在重心重心；另一个是；另一个是浮力浮力，竖直向上，作用点在，竖直向上，作用点在浮心浮心 船船在在水水中中，，水水面面以以下下的的船船体体部部分分会会受受到到水水压压力力的的作作用用，，任任何何一一点点处处的的压压力力都都垂垂直直于于船船体体表表面面压压力力在在水水平平方方向向的的总总合合力力为为零零，，在在垂垂直直方方向向的的合合力就是力就是浮力浮力，方向向上方向向上 根根据据阿阿基基米米德德原原理理，，船船舶舶受受到到的的浮浮力力等等于于船船体体排排开开水水的的重重量量，，即即排排水水量量船船体体排排开开水水的的体体积积的的几几何何中中心心即即是是浮心浮心 船船漂漂于于水水面面，，处处于于力力平平衡衡状状态态，，即即重重力力等等于于浮浮力力，，重重力力垂垂直直向向下下，，浮浮力垂直向上，并且在力垂直向上，并且在同一直线同一直线上。

上2 2、、 重力和浮力变化时的船体平衡重力和浮力变化时的船体平衡 船船舶舶的的重重量量是是不不断断变变化化，，例例如如货货物物的的装装卸卸、、物物资资的的消消耗耗船船舶舶的的重重量变化时，量变化时，吃水吃水随之变化，以保持随之变化，以保持重力和浮力的平衡重力和浮力的平衡 船船舶舶局局部部重重量量变变化化时时，，重重心心位位置置也也会会改改变变，，此此时时船船就就会会发发生生倾倾斜斜，，水水面面以以下下的的体体积积形形状状发发生生改改变变，，浮浮心心位位置置随随之之改改变变，，以以满满足足浮浮心心和和重重心心在同一垂线上在同一垂线上 船船舶舶在在波波浪浪中中航航行行，，水水面面以以下下的的体体积积和和形形状状不不断断变变化化，，浮浮力力和和重重力力处处于一种于一种动态平衡动态平衡中3 3、、 储备浮力储备浮力 为为了了保保证证航航行行安安全全，，设设计计水水线线以以上上还还应应该该保保留留一一定定的的水水密密体体积积，，以以保保证证吃吃水水增增加加和和摇摇晃晃时时有有足足够够的的补补充充浮浮力力使使船船保保持持漂漂浮浮状状态态。

这这部部分分水水密体积提供的浮力称为密体积提供的浮力称为储备浮力储备浮力 干干舷舷是是指指在在船船长长中中点点处处，，沿沿舷舷侧侧自自夏夏季季载载重重线线量量至至上上层层连连续续甲甲板板(干干舷甲板舷甲板)边线的边线的垂直距离垂直距离 储储备备浮浮力力用用干干舷舷表表示示，，干干舷舷大大储储备备浮浮力力大大船船舶舶必必须须具具备备最最低低限限度度的干舷值的干舷值以确保航行安全以确保航行安全 对对此此，，《《国国际际载载重重线线公公约约(1966)》》和和我我国国的的相相关关规规范范中中都都作作出出了了明明确规定，并要求将表示确规定，并要求将表示最小干舷值最小干舷值的的载重线标志载重线标志勘划在船舶中部的两舷勘划在船舶中部的两舷 世世界界上上各各海海区区的的风风浪浪大大小小不不同同，，危危险险程程度度不不同同，，储储备备浮浮力力可可以以有有所所不不同海水和淡水的密度不同海水和淡水的密度不同，船舶重量不变时，吃水会有很大差别船舶重量不变时，吃水会有很大差别 为为此此，，《《国国际际载载重重线线公公约约》》根根据据风风浪浪的的大大小小不不同同，，将将世世界界的的海海区区划划分分为为若若干干个个“季季节节区区”：：夏夏季季区区S，，热热带带区区T，，淡淡水水区区F，，热热带带淡淡水水区区TF，，冬季区冬季区W，，北大西洋冬季区北大西洋冬季区WNA。

不不同同的的季季节节区区，，设设计计吃吃水水线线不不同同，，即即最最小小干干舷舷不不同同下下图图是是国国际际航航行行船舶的载重线标志船舶的载重线标志 图图中中的的圆圆环环称称为为载载重重线线圈圈环环，，圆圆中中水水平平线线的的上上缘缘通通过过圆圆心心，，并并与与夏夏季载重线平齐圆环上方的横线表示季载重线平齐圆环上方的横线表示水密甲板线水密甲板线的实际位置的实际位置 中国船级社中国船级社（（CCS）规定的国际航行船舶的载重线标志如图规定的国际航行船舶的载重线标志如图 在狂风巨浪中，船怎样才能保证在狂风巨浪中，船怎样才能保证不会倾覆翻沉不会倾覆翻沉？这就是？这就是稳性稳性问题二、稳性二、稳性 在在物物理理学学中中我我们们知知道道，，物物体体的的平平衡衡有有三三种种状状态态：：稳稳定定平平衡衡、、不不稳稳平平衡衡和和中中性性平平衡衡只只有有稳稳定定平平衡衡状状态态下下物物体体才才有有偏偏离离后后自自动动回回复复平平衡衡位位置置的的能力船在静水中的平衡能力船在静水中的平衡必须是稳定平衡必须是稳定平衡 船的稳性可以用图示船的船的稳性可以用图示船的重心、浮心的几何关系重心、浮心的几何关系分析。

分析 船船在在静静水水中中，，重重力力、、浮浮力力在在同同一一垂垂线线上上，，大大小小相相等等方方向向相相反反船船发发生生倾斜，倾斜，重心横移重心横移，同时水面以下船体形状变化，，同时水面以下船体形状变化，浮心随之变化浮心随之变化 若若新新的的重重心心和和和和浮浮心心不不在在同同一一垂垂线线上上，，则则产产生生一一个个力力矩矩，，如如果果这这个个力力矩能矩能抵抗外力矩，使船恢复正浮状态抵抗外力矩，使船恢复正浮状态，则船是，则船是稳定平衡稳定平衡，安全；，安全；1 1、、 船舶在水中的稳性船舶在水中的稳性 相相反反，，如如果果这这个个力力矩矩顺顺着着倾倾斜斜方方向向，，使使船船继继续续倾倾斜斜直直至至倾倾覆覆，，则则船船是是不不稳稳定定平平衡衡，，危危险险；；如如新新的的重重心心和和浮浮心心始始终终在在同同一一垂垂线线上上，，则则船船倾倾斜斜到什么位置都能平衡，到什么位置都能平衡，不能恢复到正浮状态不能恢复到正浮状态，也是危险的也是危险的 将将船船舶舶倾倾斜斜前前后后两两浮浮力力作作用用线线的的交交点点称称为为稳稳心心M（（横横稳稳心心）），，稳稳心心与与重心之间的距离称为重心之间的距离称为初稳性高初稳性高。

该值是该值是船舶稳性船舶稳性的衡量标准的衡量标准 则根据上面的分析，船舶倾斜后可能出现以下则根据上面的分析，船舶倾斜后可能出现以下三种情况三种情况：：Ø 稳心稳心M在重心在重心G之上，之上，回复力矩为回复力矩为正直正直，船舶倾斜后自动扶正，船舶倾斜后自动扶正Ø 稳心在重心之下，稳心在重心之下，回复力矩为回复力矩为负负，倾斜加剧直至倾覆，倾斜加剧直至倾覆Ø 稳性与重心重合，稳性与重心重合，回复力矩为回复力矩为零零，船会在外力下倾翻，船会在外力下倾翻 实实际际的的船船舶舶都都是是稳稳定定平平衡衡的的，，即即回回复复力力矩矩为为正正，，但但初初稳稳性性太太高高会会影影响响耐波性，使船摇摆不定耐波性，使船摇摆不定2 2、、 保证船舶稳性的措施保证船舶稳性的措施Ø 降低船舶重心降低船舶重心Ø 提高横稳心提高横稳心 航航速速是是直直接接影影响响军军舰舰战战斗斗效效能能和和民民用用船船舶舶运运营营效效率率的的重重要要因因素素，，是是各各类船舶重要的航行性能类船舶重要的航行性能 三、快速性三、快速性 提提高高航航速速可可从从两两方方面面入入手手，，一一是是提提高高主主机机功功率率，，增增大大推推进进力力；；二二是是减减小小阻阻力力。

单单纯纯提提高高主主机机功功率率来来增增加加航航速速的的效效果果是是有有限限的的，，所所以以快快速速性性所所要要研研究究的的是是，，在在主主机机功功率率一一定定的的情情况况下下，，寻寻求求减减小小航航行行阻阻力力和和提提高高推推进进效率效率的有效方法，从而有效地提高航速的有效方法，从而有效地提高航速1 1、、航行阻力航行阻力船舶总阻力船舶总阻力水阻力水阻力空气阻力空气阻力裸体阻力裸体阻力附体阻力附体阻力摩擦阻力摩擦阻力形状阻力形状阻力兴波阻力兴波阻力粘性阻力粘性阻力剩余阻力剩余阻力 粘性阻力包括粘性阻力包括摩擦阻力摩擦阻力和和形状阻力形状阻力Ø 粘性阻力粘性阻力 水水是是有有粘粘性性的的由由于于水水分分子子的的粘粘性性，，船船舶舶航航行行时时，，船船体体表表面面就就附附有有薄薄薄薄的的一一层层水水，，随随船船体体一一起起运运动动，，我我们们称称之之为为边边界界层层边边界界层层以以外外远远离离船船体体表表面面的的水水静静止止，，于于是是从从船船体体表表面面到到一一定定距距离离外外形形成成一一个个速速度度梯梯度度，，即即水水层层之之间间有有相相对对运运动动，，从从而而产产生生摩摩擦擦阻阻力力（（牛牛顿顿内内摩摩擦擦力力））。

船船体体整整个个表面的摩擦力在船长方向分力的表面的摩擦力在船长方向分力的总合力总合力，就是航行中的总，就是航行中的总摩擦阻力摩擦阻力 船船体体表表面面的的边边界界层层，，在在船船首首附附近近水水流流比比较较规规则则，，称称为为层层流流；；在在船船艉艉附附近近比比较较混混乱乱，，称称为为紊紊流流紊紊流流区区的的后后部部会会产产生生水水流流分分离离现现象象，，从从而而产产生生漩漩涡涡，，旋旋涡涡区区的的压压力力降降低低，，与与船船艏艏的的水水压压产产生生一一个个压压力力差差，，形形成成一一个个与与航航向向相相反反的的阻阻力力，，这这就就是是形形状状阻阻力力形形状状阻阻力力大大小小与与物物体体的的形形状状密密切切相相关，船体水线以下船体应尽可能设计成流线型，以减少形状阻力关，船体水线以下船体应尽可能设计成流线型，以减少形状阻力 船船在在水水面面航航行行，，使使周周围围的的水水压压发发生生变变化化，，水水面面忽忽高高忽忽地地，，原原本本平平坦坦的水面在重力和惯性力作用下的水面在重力和惯性力作用下形成波浪形成波浪，并向四周扩散称为，并向四周扩散称为船行波船行波Ø 兴波阻力兴波阻力 平平静静的的水水面面形形成成波波浪浪，，证证明明水水从从外外界界获获得得了了能能量量，，这这些些能能量量就就来来自自于于船船。

也也就就是是船船对对海海水水做做功功，，相相当当于于增增加加了了阻阻力力，，这这就就是是兴兴波波阻阻力力航航速越高，兴波阻力越大，速越高，兴波阻力越大，兴波阻力是限制最高航速的主要因素兴波阻力是限制最高航速的主要因素Ø 降低阻力的措施降低阻力的措施 船船的的航航速速不不同同，，阻阻力力的的主主要要成成分分不不同同对对于于低低速速船船，，阻阻力力的的主主因因是是摩擦阻力和形状阻力摩擦阻力和形状阻力；而；而高速船高速船，阻力的主因是，阻力的主因是兴波阻力兴波阻力u 低速船低速船 主要措施就是主要措施就是降低摩擦阻力降低摩擦阻力，途径有：，途径有： ——减少水下湿表面积减少水下湿表面积 ——减少船体表面的粗糙度减少船体表面的粗糙度 ——改改善善船船用用水水下下漆漆的的性性能能，，防防止止海海洋洋生生物物的的生生长长附附着着，，减减轻轻钢钢板板的腐蚀，保持表面光滑的腐蚀，保持表面光滑 所以，所以，低速船都比较短而宽低速船都比较短而宽，长宽比，长宽比L/B较小 减小兴波阻力的途径有：减小兴波阻力的途径有：u 高速船高速船 ——进进行行系系列列船船模模试试验验，，研研究究主主尺尺度度、、尺尺度度比比、、船船型型系系数数对对兴兴波波阻阻力的影响，得到阻力图谱，根据图谱力的影响，得到阻力图谱，根据图谱得到性能优良的船型得到性能优良的船型。

——在在主主船船体体上上增增设设附附体体，，如如消消波波翼翼，，附附体体产产生生一一个个与与船船行行波波相相位位相反的波，然后相互叠加抵消相反的波，然后相互叠加抵消 目目前前最最为为普普遍遍的的就就是是方方法法是是设设球球鼻鼻艏艏但但球球鼻鼻艏艏会会对对起起抛抛锚锚产产生生不不利影响 潜艇潜艇下潜下潜3倍艇体直径深时，兴波阻力不复存在总阻力减小倍艇体直径深时，兴波阻力不复存在总阻力减小 对对于于排排水水型型船船，，航航速速增增加加时时，，兴兴波波阻阻力力急急剧剧增增加加，，通通过过提提高高主主机机功功率率等等一一般般措措施施无无法法再再增增大大航航速速，，所所以以就就出出现现了了水水翼翼船船、、气气垫垫船船等等高高性性能能船舶2 2、船舶推进、船舶推进 船船舶舶依依靠靠动动力力装装置置产产生生的的推推力力，，克克服服阻阻力力并并以以一一定定的的速速度度航航行行现现代船舶都装备提供动力的代船舶都装备提供动力的主机主机和产生推力的和产生推力的推进器推进器 螺螺旋旋桨桨一一般般有有2～～6片片表表面面为为螺螺旋旋面面的的桨桨叶叶固固定定在在桨桨毂毂上上构构成成。

传传动动轴轴带带动动螺螺旋旋桨桨旋旋转转，，桨桨叶叶向向后后推推水水，，水水给给桨桨叶叶一一个个反反作作用用力力，，这这个个力力就就是是推力推力 螺螺旋旋桨桨向向后后推推水水的的同同时时，，水水流流还还有有周周向向和和切切向向的的运运动动，，这这会会消消耗耗主主机功率，所以螺旋桨在转换动力时，是存在机功率，所以螺旋桨在转换动力时，是存在效率问题效率问题的 凡凡是是能能够够将将主主机机的的动动力力转转换换为为推推力力推推进进船船舶舶前前进进的的装装置置，，都都称称为为推推进器普通螺旋桨普通螺旋桨是应用最为普遍的推进器是应用最为普遍的推进器Ø 普通螺旋桨普通螺旋桨 螺螺旋旋桨桨的的效效率率与与其其直直径径、、螺螺距距、、盘盘面面比比、、叶叶片片的的切切面面形形状状以以及及附附属属装置装置有关 螺旋桨的敞水螺旋桨的敞水推力推力和和阻力矩阻力矩：： 螺螺旋旋桨桨一一般般装装在在船船尾尾，，数数目目决决定定于于主主机机功功率率、、吃吃水水、、航航速速和和设设备备生生命命力力等等因因素素一一般般民民船船为为单单桨桨，，大大型型客客船船、、滚滚装装船船为为双双桨桨，，军军舰舰装装有有两两个以上个以上的螺旋桨。

的螺旋桨Ø 导管螺旋桨导管螺旋桨 普普通通螺螺旋旋桨桨的的外外围围加加装装一一个个圆圆形形套套筒筒，，其其纵纵剖剖面面是是翼翼形形或或类类似似机机翼翼剖面的折角线形剖面的折角线形导管螺旋桨导管螺旋桨可以可以提高重负荷螺旋桨的推进效率提高重负荷螺旋桨的推进效率 导导管管螺螺旋旋桨桨，，除除了了固固定定式式导导管管外外，，还还有有转转动动导导管管式式，，导导管管绕绕垂垂直直轴轴可可以以转转动动一一定定角角度度，，兼兼起起舵舵的的作作用用导导管管螺螺旋旋桨桨主主要要用用于于拖拖船船、、推推船船和和拖网渔船拖网渔船 即即360O旋旋转转导导管管螺螺旋旋桨桨，，可可在在水水平平面面内内任任何何方方向向发发出出推推力力，，船船在在水水中中运运动动灵灵活活其其优优点点是是前前进进和和倒倒退退的的推推力力相相等等，，适适用用于于拖拖船船和和港港口口工工作船，它将作船，它将推进和操纵功能合二为一推进和操纵功能合二为一Ø 回转式螺旋桨回转式螺旋桨 定定距距螺螺旋旋桨桨只只有有在在设设计计转转速速时时，，才才能能发发挥挥最最高高效效率率，，也也就就是是说说，，桨桨叶的叶的不同螺距角不同螺距角，对应的，对应的最佳转速最佳转速不同。

不同Ø 可调距桨可调距桨 调调距距桨桨是是指指桨桨叶叶的的螺螺距距角角可可调调的的螺螺旋旋桨桨螺螺旋旋桨桨的的转转速速改改变变时时，，桨桨叶调整到叶调整到最佳的螺距角最佳的螺距角，使螺旋桨始终都能，使螺旋桨始终都能发挥出较高的效率发挥出较高的效率 广广泛泛采采用用调调距距桨桨的的船船型型有有：：拖拖船船、、渔渔船船、、工工程程船船（（布布缆缆船船、、挖挖泥泥船船等），调查船、科学考察船、油船、渡船、滚装船、破冰船等等），调查船、科学考察船、油船、渡船、滚装船、破冰船等 可可调调螺螺距距螺螺旋旋桨桨的的桨桨叶叶不不固固定定在在桨桨毂毂上上，，围围绕绕垂垂直直于于桨桨轴轴的的轴轴线线转转动动利利用用桨桨毂毂内内的的操操纵纵机机构构转转动动桨桨叶叶，，改改变变螺螺距距角角，，从从而而改改变变推推力力的的大大小小和和方方向向，，以以适适应应舰舰艇艇前前进进、、后后退退、、停停止止和和变变速速等等要要求求可可调调螺螺距距螺螺旋旋桨桨可可在在不不同同航航行行工工况况下下充充分分利利用用主主机机的的功功率率和和转转速速，，但但构构造造复复杂杂，，造造价价高高，，维修难度大。

维修难度大 同同一一轴轴上上安安装装两两个个等等速速或或不不等等速速的的螺螺旋旋桨桨，，反反向向旋旋转转可可以以提提高高推推进效率Ø 对转螺旋桨对转螺旋桨 在在对对转转螺螺旋旋桨桨推推进进系系统统中中，，前前螺螺旋旋桨桨产产生生的的未未被被有有效效利利用用的的涡涡动动能能量量在后一螺旋桨上得到了利用，转化为有效的推进动力在后一螺旋桨上得到了利用，转化为有效的推进动力 装装在在同同一一轴轴上上、、同同速速、、同同向向旋旋转转的的螺螺旋旋桨桨推推进进器器主主要要用用在在主主机机功功率大、率大、螺旋桨直径受吃水限制螺旋桨直径受吃水限制的船上Ø 串联螺旋桨串联螺旋桨 亦称亦称竖轴推进器竖轴推进器或或平旋推进器平旋推进器 直直翼翼推推进进器器构构造造特特别别，，在在一一个个特特制制的的平平圆圆盘盘上上，，安安装装几几片片像像剑剑样样的的叶叶片片，，叶叶片片不不仅仅能能随随平平圆圆盘盘转转动动，，还还能能通通过过操操纵纵机机构构自自身身转转动动叶叶片片作作用用如如机机翼翼，，水水流流流流经经其其表表面面，，产产生生水水动动力力，，并并转转化化为为船船舶舶推推动动力力。

这这样样，，通过操纵机构可控制推力大小、方向通过操纵机构可控制推力大小、方向　　通常直翼推进器　　通常直翼推进器有有4-8片叶片，在圆盘上等距离布置，角度可调片叶片，在圆盘上等距离布置，角度可调　　　　优优点点是是能能在在各各种种航航行行条条件件、、各各种种速速度度下下，，保保持持较较高高推推进进效效率率，，其其缺缺点点是是机机构构复复杂杂，，造造价价高高，，容容易易损损坏坏它它适适应应于于拖拖轮轮、、渡渡轮轮、、扫扫雷雷舰舰等等载载荷变化大、机动性要求高的舰船荷变化大、机动性要求高的舰船. Ø 直翼推进器直翼推进器 又称又称泵喷推进泵喷推进，他依靠，他依靠向后喷水向后喷水产生的反作用力推船前进产生的反作用力推船前进Ø 喷水推进器喷水推进器 喷喷水水推推进进装装置置由由水水泵泵、、吸吸水水口口和和喷喷射射管管组组成成，，喷喷口口有有水水上上、、水水下下和和半半水水下下几几种种型型式式，，它它可可使使动动力力转转速速不不变变时时，，通通过过改改变变水水泵泵和和喷喷管管出出口口面面积积的变化进行速度控制的变化进行速度控制，通过改变喷水方向进行回转和倒航，通过改变喷水方向进行回转和倒航 喷喷水水推推进进器器的的优优点点：：结结构构简简单单，，工作可靠，船尾振动小。

工作可靠，船尾振动小 喷喷水水推推进进器器的的缺缺点点：：管管中中水水力力损损耗大，推进效率低耗大，推进效率低中国船舶及海洋工程设计研究院设计的中国船舶及海洋工程设计研究院设计的喷水推进组合体喷水推进组合体 全浮式全浮式气垫船气垫船都采用空气螺旋桨，与飞机螺旋桨类似都采用空气螺旋桨，与飞机螺旋桨类似Ø 空气螺旋桨空气螺旋桨 作为辅助推进装置，用于风帆节能助航船作为辅助推进装置，用于风帆节能助航船Ø 现代风帆现代风帆思考题思考题 1. 船舶的航行性能包括那几个方面？（熟悉掌握各性能的定义） 2. 什么是储备浮力？什么是干舷？ 3. 《国际载重线公约》将世界的海区划分为哪几个“季节区”？ 4. 什么浮心？ 5. 什么是横稳心？什么是初稳性高？ 6. 船舶的航行阻力包括哪些部分？ 7. 什么是粘性阻力？什么是兴波阻力？ 8. 球鼻首有何作用？ 9. 除了普通螺旋桨外，还有哪些形式的推进器？。