船舶操纵性能

第一章 船舶操纵性能

第一节 船舶变速运动性能

船舶出于避碰、狭水道及港内航行或驶往泊地的需要而改变螺旋桨的转速和方向，进行启动、变速、停车、倒车操纵。转速和方向改变后直至达到新的定常运动状态之前，存在着一段加速或减速运动的过程，该段过程称为变速运动过程，也称船舶惯性。衡量船舶变速运动特性有两个重要指标，一是船舶完成变速运动所航进的路程，称为冲程；另一是完成变速运动所需的时间，称为冲时。

一、船舶启动性能

船舶在静止状态中开进车，直至达到与主机输出功率相应的稳定船速前的变速运动，称为船舶起动变速运动。

在起动变速过程中，螺旋桨推力T与船舶阻力R之差，是船舶产生加速运动的动因。由于启动后推力增加较快，而船速增加则较为缓慢，因此要注意合理用车。即分段逐级加车，待达到相应转速的船速时，再提高用车的级别，以免主机超负荷工作。

完成启动变速运动所需的时间t和航进的路径s可用下列关系式估算。

W·V0

t ≈ 0.004 ————

R0

W·V0

s ≈ 0.101 ————

R0

式中，V0为最终定常速度，单位为kn；W为船舶实际排水量，单位为t；R0为达到最终定常速度V0时的船舶阻力；计算出的t单位为min；计算出的S单位为m。

根据经验，从静止状态逐级动车，直至达到海上速度，满载船舶约需航进20L左右的距离，轻载时约为满载的1/2~2/3。

二、船舶减速性能

船舶以一定常速度（全速或半速）行驶中采取停车措施后，直至降到某一余速（2kn~4kn）前的变速运动称为船舶停车变速运动。

主机停车后，推力急剧下降到零。开始时，船速较高，阻力也大，速降很快；但当速度减小后，阻力也随之减小，速降越来越慢，船很难完全停止下来，且在水中亦很难判断。所以，通常以船速降至维持舵效的最小速度作为计算所需时间和船舶航进路程的标准。

主机停车后的时间、速度及航进路程存在如下关系。

达到速度V时所需的时间：

W·V02 1 1

t = 0.00105 —————（—— - ——）

R0 V V0

达到速度V时所航进的路程：

W·V02 V0

2

s = 0.075 ————— ?n （——）

R0 V

式中：R0为速度V0时船舶所受阻力，单位为t；W为船舶实际排水量，单位为t； t的单位为min； S为m；速度单位为kn。

计算停车冲程还可采用Topley船长提出的经验估算式

S = 0.024 C·V0

式中：C为船速减半时间常数，单位为min；V0为船舶停车时初速，单位为kn。C值随船舶排水量不同而不同。

一般船舶在以常速航进中，从主机停车到降至余速2kn时，其停车冲程约为8~20L；而VLCC满载时，在以海上常速航进中停车至余速降至3kn，则停车冲程约为23L，冲时近30min。当然，正常的进出港或接近泊地仍以逐级降速为妥，以利于主机的养护。

三、倒车制动性能

船舶在全速前进中开后退三，从发令开始至船舶对水停止移动所需的时间和航进的路程，以及相应的偏航量和偏航角，统称为倒车制动性能。倒车冲程又称为紧急停船距离（crash stopping distance）或最短停船距离（shortest stopping distance）。

全速前进的船舶在进行紧急制动时，为不致造成主机转动部件出现应力过大的情况，在关闭主机油门后，通常要等航速降至全速的60%~70%，转速降至额定转速的25%~35%时，方可将压缩空气持续充入汽缸使主机停转，然后进行反向起动。

1.

紧急停车距离（C、S、D）和停船时间的估算 1) Lovett式估算法

W·V0 t ≈ 0.00089 —————

R0

W·V02

s ≈ 0.0121 —————

R0

式中：s——最短停船距离（m）； t——所需时间（min）；

W——船舶实际排水量（t）；

R0——船速为V0时的船舶阻力（t）； V0——倒车前的船舶速度（kn） 。 2) 紧急停船距离经验估算法

从主机倒车后的船速随时间变化关系看，可近似认为是一个匀减速过程，如图1--14所示。紧急停船距离的大小就是速度曲线与时间轴围成的面积。即

ts

S = ∫ vdt = CVk·ts 0

式中： Vk——倒车时船速（kn）； ts——倒车使用时间（s）；

C——紧急停船距离系数，一般货船取0.25~0.27，大型油轮取0.27~0.29； S——紧急停船距离（m） 。

大型油轮如时间按分（min）计算，也可按下式求取紧急停船距离 S = 16 Vk·tm

使用上述两公式时，可不考虑船舶主机种类和吃水状态。

图1--14

3) 低速航进时倒车冲程及冲时的估算

1 w kx

S = —— —————— V02

2 g Tp

w kx

ts = —————— V0

g Tp

式中： S——倒车冲程（m）； ts——所需时间（s）；

g——重力加速度（9.8m/s2）；

W——船舶排水量（t）；

kx——船舶前进方向虚质量系数，可经实验取得，象VLCC或肥大型船舶可取1.07。

Tp——螺旋桨倒车拉力（t），估算时可用Tp =0.01N拉（后退倒车功率）来估算； V0——船舶倒车时船速（m/s） 。

当船舶驶向泊地并要求船舶能在一倍船长的距离内用倒车把船停住，则船舶所用余速为

2g·L·TP

V0 = ————————

W·kX

4) 经验数据

根据统计，一般情况下各类船舶的紧急停船距离大致为（如表1－5所示）：

表1－5

载 重 量 1万t 1万t 5万t

船 种 普通货船 高速货船 集装箱船 滚 装 船 油 轮 主机种类 内燃机 内燃机 内燃机 紧急停船距离 6 ~ 8 L 7 ~ 8 L 8 ~ 11 L 5万t 10万t 15~20万t

货 船 油 轮 油 轮 内燃机 汽轮机 汽轮机 8 ~ 10 L 10 ~ 13 L 13 ~ 16 L 2. 船舶停船性能

船舶的停船性能是指在标准状态下以海上船速行驶的船舶，经自力制动操纵后，可在允许偏航范围内（偏航量和偏航角）迅速停船的性能。

由于沉深横向力和排出流横向力的作用，倒车制动时，船舶在减速的同时船首将发生剧烈的偏转运动，其运动轨迹是一条曲线，如图1—15所示。

图1—15

在图中曲线的长度即最短停船距离，也称之为制动行程RT（track reach）。船舶重心沿原航向方向移动的距离称为制动纵距RH（head reach），它是用车紧急停船能让开前方物标的最短距离。倒车制动时，船首向偏离原航向的角度，称为偏航角。而船舶重心偏离原航向的横向距离，称为偏航量DL。压载时，停船距离短，偏航角和偏航量较小；满载时，停船时间长，偏航角和偏航量大，有时竟高达200°左右。

具有良好停船性能的船舶应满足，在开阔水域具有相应其船长的最小停船距离，而在水深、航道宽度受限制的水域不仅要具有最小停船距离，而且要具有较小的偏航量和偏航角。 3. 影响紧急停船距离的主要因素 1) 主机倒车功率、换向时间

主机倒车功率越小，紧急停船距离越大。此外，单位排水量功率（MCR/DWT）越小，紧急停船距离越大，这就是大型船倒车功率较小型船舶大，但紧急停船距离一般较大的原因所在。

主机换向时间越短，紧急停船距离越小。主机换向时间因主机类型不同而不同，一般从前进三到后退三换向所需时间蒸汽机船约需60~90s；内燃机船约需90~120s；汽轮机船约需120~180s。另外，内燃机倒车功率占常用功率的比例也较气轮机为高。

2) 推进器种类

与定距桨相比，调距桨只需改变桨叶方向便可达到换向目的。操作时间短，在调整螺距的同时即可产生较大乃至最大的倒车拉力，故紧急停船距离较短。若其他条件相同，一般CPP船的紧急停船距离约为FPP船的60%~80%。

3) 排水量和船型

在船速和倒车拉力相同时，排水量越大，紧急停船距离越长。通常压载时的停船冲程约为满载时的80%，而倒车冲程约为满载时的40%~50%左右。此外，Cb大的肥大型船舶的附加质量大，故其停船距离较瘦型船舶为长。

4) 船速