四、影響旋回性的因素

1、上節(jié)要點(diǎn)回顧,旋回運(yùn)動(dòng)過程。過程：轉(zhuǎn)舵階段、過渡階段、定常旋回階段。各階段加速度、速度、旋回角加速度、旋回角速度以及橫傾角等量的變化情況。旋回要素幾何要素：旋回進(jìn)距、旋回橫距、旋回初徑、旋回直徑、旋回反移量、旋回漂角、旋回轉(zhuǎn)心、旋回時(shí)間、旋回速降、旋回橫傾等。 運(yùn)動(dòng)要素：漂角、轉(zhuǎn)心、橫傾、旋回降速,本節(jié)主要內(nèi)容,第一節(jié) 旋回性影響旋回性的因素旋回要素的應(yīng)用第二節(jié)

2、 航向穩(wěn)定性航向穩(wěn)定性操縱性指數(shù)舵效保向性,四、影響旋回性的因素,旋回圈的大小與船型、舵面積、所操舵角、操舵時(shí)間、載態(tài)、水深、船速、船舶的縱傾和橫傾、螺旋槳轉(zhuǎn)速等密切相關(guān)。另外，受風(fēng)、流的影響，旋回圈的大小也有很大變化。,1．方形系數(shù)Cb,規(guī)律：方形系數(shù)越大，船舶的旋回性越好，旋回圈越小。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：方形系數(shù)較低的瘦形高速船（Cb≈0.6）較方形系數(shù)較高的肥形船（Cb≈0.8）的旋回性能差得多。,2．長寬比（L/B）,規(guī)律：

3、L/B系數(shù)較大的瘦形高速船較L/B系數(shù)較小的肥形船的旋回性能差得多。主要原因：是L/B系數(shù)較大的船舶旋回阻尼較大。,3．船體水線下側(cè)面形狀,規(guī)律：就整體而言，船首部分分布面積較大如有球鼻首者，或船尾比較瘦削的船舶，旋回中的阻尼力矩小，旋回性較好，旋回圈較小，但航向穩(wěn)定性較差；船尾部分分布面積較大者如船尾有鈍材，或船首比較削進(jìn)（cut up）的船舶，旋回中的阻尼力矩比較大，旋回性較差，旋回圈較大，但航向穩(wěn)定性較好。,4．舵面積比

4、,定義（rudder area ratio）舵面積比是指舵面積與船體浸水側(cè)面積的比AR/（LPP×d）。 規(guī)律：增加舵面積將會(huì)使舵的轉(zhuǎn)船力矩增大，因而旋回性變好。增加舵面積的同時(shí)又增加了旋回阻尼力矩，當(dāng)舵面積超過一定值后，旋回性就不能提高。就一定船型的船舶而言，舵面積比的大小在降低旋回初徑方面存在一個(gè)最佳值。大小：拖輪為1/20～1/25，漁船為1/30～1/40；高速貨船為1/35～1/40；大型油輪一般僅為1

5、/65～1/75；一般貨船為1/45～1/60。,5．推進(jìn)器及舵類型,裝配雙車雙舵的船舶能夠獲得更大的舵力及舵里轉(zhuǎn)船力矩，旋回性能優(yōu)于單車舵船舶；某些船舶可能裝備特殊的推進(jìn)器及舵裝置，性能各異，如裝備ZP的拖輪可原地掉頭。,6．舵角,規(guī)律：在極限舵角的范圍之內(nèi)，操不同舵角時(shí)的旋回初徑變化情況，總的趨勢是，隨著舵角的減小，旋回初徑將會(huì)急劇增加，當(dāng)然旋回時(shí)間也將增加。對于不同的船舶，隨著舵角的減小，旋回初徑的增加率是不一樣的，其中舵的

6、高寬比小的船舶，其旋回初徑的增加率較大。,7．操舵時(shí)間,操舵時(shí)間主要對船舶的進(jìn)距影響較大，進(jìn)距隨操舵時(shí)間的增加而增加；操舵時(shí)間對橫距和旋回初徑的影響不大，旋回直徑則不受其影響。,8．船速,船速對船舶旋回時(shí)間影響顯著；船速對旋回初徑大小的影響呈現(xiàn)較為復(fù)雜的情況：急低速狀態(tài)旋回性明顯變差；停車進(jìn)行旋回即減速旋回時(shí)，旋回圈將大大擴(kuò)大；從船速極低狀態(tài)開始，進(jìn)行加速旋回時(shí)，旋回圈將因而受到壓縮，旋回圈中心也將落在旋回前的船舶正橫之后。,

7、9．吃水與縱傾,吃水影響：舵面積比隨吃水增加而降低；隨著吃水的增加，船舶通過重心G點(diǎn)豎軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加；隨著吃水的增加，初始旋回大大減慢。若縱傾狀態(tài)相同，吃水增加時(shí)，旋回進(jìn)距增大，橫距和旋回初徑也將有所增加。吃水差影響：較大程度地改變了船舶水線下船體側(cè)面積的分布狀態(tài)，因而對船舶旋回性能帶來明顯的影影響。尾傾增大，旋向圈也將增大；對于Cb=0.8的船舶，若尾傾增大量為船長的1%，旋回初徑將可增加10%左右；對于Cb=0.6的

8、船舶，若尾傾增大量為船長的1%，旋回初徑將可增加3%左右。,10．橫傾,船體存在橫傾時(shí)，左右浸水面積不同，兩側(cè)所受的水動(dòng)壓力也不相同，改變了左右舷各種作用力的對稱性。低速時(shí)，推力－阻力轉(zhuǎn)矩起主要作用，推首向低舷側(cè)偏轉(zhuǎn)；高速時(shí)，首波峰壓力轉(zhuǎn)矩起主要作用，推船首向高舷側(cè)偏轉(zhuǎn)?？偟膩碇v，橫傾對旋回圈的影響并不大。,11． 淺水影響,規(guī)律：由于淺水中橫向阻力明顯增大，漂角β明顯下降，同時(shí)淺水中的舵力有所下降，舵力轉(zhuǎn)船力矩下降，再加上淺水

9、中的阻尼力矩明顯增大，船舶的旋回性下降，因此，在淺水中的旋回圈明顯增大。當(dāng)水深吃水比小于2時(shí)，旋回圈有所增大（特別是對高速船而言）；當(dāng)水深吃水比小于1.5時(shí)，旋回圈明顯增大；當(dāng)水深吃水比小于1.2時(shí)，旋回圈急劇增大,11． 淺水影響,12． 旋回方向,由于受螺旋槳橫向力的影響，船舶向左或向右旋回時(shí)的旋回圈的大小將有所不同。對于右旋固定螺距螺旋槳單車船而言，在其它條件相同的情況下，向左旋回時(shí)的旋回初徑要比向右旋回時(shí)的旋回初徑要小一些。但

10、對于超大型船舶而言，這一差別很小。,13． 其他因素,船體的污底、風(fēng)、流的作用都將對船舶旋回圈的大小產(chǎn)生影響。例如頂風(fēng)、頂流使旋回圈進(jìn)距減小，順風(fēng)、順流使旋回圈進(jìn)距增大等等。,五、旋回要素應(yīng)用,旋回初徑：用來估算船舶用舵旋回掉頭所需的水域；橫距用來估算轉(zhuǎn)首后，船舶與岸或其它船舶是否有足夠的間距；滯距用來推算兩船對遇時(shí)無法旋回避讓的距離，即兩船對遇時(shí)的距離小于兩船的滯距之和，則用舵無法避讓；進(jìn)距兩船的進(jìn)距之和可用來

11、推算對遇時(shí)的最晚施舵點(diǎn)。,五、旋回要素應(yīng)用,反移量(Kick)的應(yīng)用本船航行中發(fā)現(xiàn)有人落水時(shí)，應(yīng)立即向落水者一舷操舵，使船尾迅速擺離落水者，以免使之卷進(jìn)船尾螺旋槳流之內(nèi)。在船首較近的前方發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)，為緊急避開，應(yīng)立即操滿舵盡量使船首讓開，當(dāng)估計(jì)船首已可避開時(shí)，再操相反一舷滿舵以便讓開船尾。當(dāng)船舶前部已離出碼頭，擬進(jìn)車離泊時(shí)，如操大舵角急欲轉(zhuǎn)出，則由于尾外擺而將觸碰碼頭。為避免發(fā)生事故應(yīng)適當(dāng)減速，待駛出一段距離后再使用小舵角慢慢轉(zhuǎn)

12、出。,第二節(jié) 航向穩(wěn)定性,主要內(nèi)容航向穩(wěn)定性操縱性指數(shù)舵效保向性,一、航向穩(wěn)定性,穩(wěn)定性定義：指物體在受外界干擾，使其偏離原定常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)干擾消失后，物體是否具有回復(fù)到原定常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力判別：不能回復(fù)，不具有穩(wěn)定性能回復(fù)，具有穩(wěn)定性恢復(fù)較快，穩(wěn)定性好,一、航向穩(wěn)定性,穩(wěn)定直航船舶受到瞬間干擾后，不用操舵，船舶運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分類,,,,,一、航向穩(wěn)定性,穩(wěn)定直航船舶受到瞬間干擾后，不用操舵，船舶運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分類,,,,,,

13、,,一、航向穩(wěn)定性,穩(wěn)定直航船舶受到瞬間干擾后，不用操舵，船舶運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分類,,,,,,,,,一、航向穩(wěn)定性,穩(wěn)定直航船舶受到瞬間干擾后，不用操舵，船舶運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分類直線運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定或動(dòng)航向穩(wěn)定：其重心軌跡最終回復(fù)為一直線，航向發(fā)生變化方向穩(wěn)定或靜航向穩(wěn)定：其重心軌跡最終回復(fù)為與原航線平行的另一直線位置穩(wěn)定：其重心軌跡最終回復(fù)為與原航線的延長線上,一、航向穩(wěn)定性,航向穩(wěn)定性含義船舶固有的航向穩(wěn)定性直線運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定或動(dòng)航向穩(wěn)定一

14、般船舶都不可能具有方向穩(wěn)定性和位置穩(wěn)定性要達(dá)到方向穩(wěn)定，需要操舵要達(dá)到位置穩(wěn)定，需要操舵和定位,一、航向穩(wěn)定性,影響航向穩(wěn)定性的因素與旋回性相矛盾船型因素：方形系數(shù)、長寬比、水下側(cè)面積分布，舭龍骨操船因素：吃水、縱傾、水深以及風(fēng)流條件舵面積因素比較特殊,一、航向穩(wěn)定性,船舶不具有直線運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的后果：在小舵情況下，可能出現(xiàn)反操現(xiàn)象；保向比較困難；在海上航行時(shí)，可能自動(dòng)舵打不上；操舵者較難以掌握操舵技術(shù)；操舵者勞動(dòng)強(qiáng)

15、度增加，并且要求注意力要高度集中；可能出現(xiàn)失誤。,二、船舶操縱運(yùn)動(dòng)方程,為了研究船舶的操縱運(yùn)動(dòng)，建立如下圖所示坐標(biāo)系，若取船舶的重心G為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，則船舶的平面運(yùn)動(dòng)方程可表達(dá)為：,二、船舶操縱運(yùn)動(dòng)方程,坐標(biāo)變換,二、船舶操縱運(yùn)動(dòng)方程,可以將固定坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)換成動(dòng)坐標(biāo)系中船舶運(yùn)動(dòng)方程,二、船舶操縱運(yùn)動(dòng)方程,假設(shè)一物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩I為，當(dāng)它以角速度r回轉(zhuǎn)時(shí)，所遭受的粘性阻尼為N r， N是阻尼系數(shù)。此外當(dāng)其尾部轉(zhuǎn)過一角度?后，會(huì)產(chǎn)

16、生一個(gè)作用在物體上的力矩M ? ，M表示單位角度產(chǎn)生的力矩，則該物體的運(yùn)動(dòng)方程為,三、操縱性指數(shù),船舶的旋回性指數(shù)K （turning ability index），單位為1/秒；K=M/N=單位舵角旋回力矩/單位角速度旋回阻尼；K表示旋回性優(yōu)劣，K大，旋回性好。船舶的追隨性指數(shù)T （turning lag index），單位為秒；T=I/N=船舶轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/單位角速度旋回阻尼；T表示追隨性優(yōu)劣，T小，追隨性好，應(yīng)舵較快；

17、T如果為負(fù)值，船舶航向不穩(wěn)定。,三、操縱性指數(shù),區(qū)分船舶操縱性不同種類、結(jié)構(gòu)和大小的船舶，其操縱性會(huì)有很大的不同。按照K、T指數(shù)比較船舶的旋回軌跡，可將船舶操縱性概略地區(qū)分為四類,三、操縱性指數(shù),定常旋回直徑D的估算根據(jù)定常旋回運(yùn)動(dòng)中旋回角速度r0＝Kδ的結(jié)論，可以得到船舶定常旋回直徑的估算式：D=2R=2V/r=2V/(Kδ),三、操縱性指數(shù),推定新航向距離DNCDNC=Re+Rtg(φ/2),,三、操縱性指數(shù),轉(zhuǎn)頭慣性角的

18、估算船舶在航行中改向操舵后，船舶的轉(zhuǎn)頭角速度r0到達(dá)某一定值后操正舵，船首繼續(xù)轉(zhuǎn)頭慣性角?為： ?=r0T,四、舵效,舵效的概念操舵后，會(huì)引起船首回轉(zhuǎn)、橫向移動(dòng)、船速下降、船體橫傾等現(xiàn)象，廣義上，舵效即為船體對舵的響應(yīng)。狹義上，舵效，操一舵角后船舶在一定時(shí)間、一定水域內(nèi)船首轉(zhuǎn)過的角度大小。舵效的判斷如能在較短的時(shí)間、較小的水域內(nèi)轉(zhuǎn)過較大的角度，認(rèn)為舵效好，否為差。舵效的好壞與船舶旋回性、追隨性密切相關(guān)。當(dāng)初始操舵時(shí)，回轉(zhuǎn)

19、角加速度將主要取決于K/T值的大?。ǘ娼且欢ǎ?， K/T反映了單位舵角所能產(chǎn)生的角加速度大小，通常稱為舵效指數(shù)，即K大T小，舵效好。,四、舵效,影響舵效的因素舵角舵面積比舵速舵速Ⅴr等于： Ⅴs-Wr+ΔⅤrx(Ⅴs－船速 Wr－舵葉處的伴流速度 ΔⅤrx－ 排出流流速的軸向分量) ，在船速低時(shí)通過提高主機(jī)轉(zhuǎn)速方法來提高舵速度。吃水縱傾與橫傾舵機(jī)特性其他因素,五、船舶保向性,概念保向性是指船舶在外力作用下（如風(fēng)、流、

20、浪等），由舵工（或自動(dòng)舵）通過羅經(jīng)識(shí)別船舶首搖情況，通過操舵抑制或糾正首搖并使船舶駛于預(yù)定航向上的能力。,五、船舶保向性,影響因素船舶保向性的好壞不但與船舶航向穩(wěn)定性的好壞有關(guān)，同時(shí)還與操舵人員的技能及熟練程度、自動(dòng)舵、舵機(jī)的性能有關(guān)，具體因素主要有：船型方形系數(shù)、長寬比、水下側(cè)面積、干舷及上層建筑、舵面積載況吃水、船舶縱傾與橫傾舵角與船速外界因素水深、風(fēng)流條件,1. 船型,水下船型是決定船舶轉(zhuǎn)頭阻尼力矩和慣性的重要因

21、素，水上船型是決定船舶所受風(fēng)力及風(fēng)力轉(zhuǎn)船力矩大小的重要因素。方形系數(shù)較低、長寬比較高的瘦削型船舶，其保向性較優(yōu)；淺吃水的寬體船保向性較差。船體側(cè)面積在尾部分布較多者，如船尾有鈍材，其保向性較好；船首水下側(cè)面積分布較多者，如船首有球鼻首將降低保向性。較高的干舷將降低船舶在風(fēng)中航行時(shí)的保向性。舵面積比越大，船尾附近水線下側(cè)面積增加，航向穩(wěn)定性和保向性提高。,2.載況,載況的改變將導(dǎo)致水下和水上船型的改變，因而也影響到船舶保向性。對于

22、同一艘船一般的傾向是：輕載較滿載時(shí)保向性好（受風(fēng)時(shí)另當(dāng)別論）；首傾時(shí)首部水線下側(cè)面積增加，航向穩(wěn)定性和保向性下降，尾傾時(shí)提高；船舶橫傾時(shí)比沒有橫傾時(shí)保向性。,3. 舵角與船速,增大所操的舵角，能明顯地改善船舶的保向性。超大型油輪小舵角狀態(tài)下有航向不穩(wěn)定趨勢，需用較大舵角才能保向。對于同一艘船而言，由于船速的提高船舶保向性將變好。,4.外界因素,保向性將因水深變淺而提高；船舶順風(fēng)浪或順流航行中保向性反而降低。,本節(jié)要點(diǎn),影響旋回