第1章船舶操纵基础
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势伴流:由于船体运动,船体周围压力场的变化产生的伴流;
伴流的分布特点 沿X轴方向:船首小,船尾大。即螺旋桨附近伴流大;
沿Y轴方向:左右对称,离船越远越小;
沿Z轴方向:上大下小。
三、螺旋桨的致偏效应及其运用
2、伴流横向力
(2)伴流横向力的产生机理 由图可见:
Vp=Vs-ωp
则,叶因素的攻角α为:
=-arctg
动时,由于船速和nP不等,因此,就产生一个差值。
定义:螺旋桨的理论进速nP与实际进速Vp之差称为滑失S, 既: S=nP-Vp 其中Vp=Vs-ωp
二、滑失和船速
(2)滑失比
定义:螺旋桨的滑失S与理论进速nP之比称为滑失比Sr, 既:
S r= nP V p nP
滑失与滑失比中的螺旋桨进速Vp若用船速Vs代替,得出 的结果分别称为虚滑失或虚滑失比。
一、船舶阻力与推力
船舶大多装有一只螺旋桨,称为单桨船。 当螺旋桨正车旋转时,从船尾往船首看,螺 旋桨作顺时针旋转,倒车时作逆时针旋转, 则该螺旋桨称为右旋式桨;反之,称为左旋 式桨。多数商船采用右旋式桨。 有些船舶装有两只螺旋桨,左右各一,称 为双桨船。按螺旋桨旋转方向划分,双桨船 可分为外旋式和内旋式两种。所谓外旋式, 是指迚车时,左舷螺旋桨左转,右舷螺旋桨 右转;反之,称为内旋式。一般双桨船大多 采用外旋式,而CPP双桨船则多采用内旋式。
一、船舶阻力与推力
基本阻力与船速之间的关系 对于给定的船型,基本阻力的大小与吃水、船速有关,即:R=ƒ(d,v)
由图可见:
当d一定时,船速V增加,R0也增大; 当V一定时,吃水d增加,R0也增大;
由图还可以看出:低速时,R0随船速V呈线性变化;高速时,R0随船速V
呈非线性变化,且需要的推力越大。
攻角相同,则,不产生横向力,伴流横向力的产生条件为有 伴流存在。
(4)伴流横向力的方向
对于右旋螺旋桨,进车时,首向右;倒车时,首向左。 对于左旋螺旋桨,进车时,首向左;倒车时,首向右。
三、螺旋桨的致偏效应及其运用
3、排出流横向力
螺旋桨进车时,排出流作用在舵上;
螺旋桨倒车时,排出流作用在船体上; (1)排出流横向力的产生机理
一、船舶阻力与推力
目前使用的螺旋桨(Screw propeller)大多是固定螺距螺 旋桨 FPP(Fixed Pitch Propeller)。现在有些船舶也采用 可调节螺距螺旋桨(Controllable pitch propeller),即 CPP。 CPP是通过调节桨叶的螺距角来迚行停车、正车或倒车操 纵,以适应船舶的各种航行状态。CPP不需要改变螺旋桨 的旋转方向和转速就可达到换向或改变推力大小的目的。 因此,其停船性能良好。但该螺旋桨结构较复杂,维修 保养较为困难。
一、船舶阻力与推力
2、船舶推力 船舶推力是指螺旋桨通过主机驱动,推水向后,水对螺 旋桨的反作用力在船舶首尾方向的分量。倒车时,船舶首 尾方向的分量称为拉力。 螺旋桨的推力 在主机驱动下,螺旋桨正车旋转推水向后,而被推的水 给桨叶一个反作用力,这个反作用力在船首方向的分量就 是推船前迚的推力T(Thrust)。倒车时,则水对桨叶产生 一个指向船尾的反作用力,该反作用力在船首尾方向的分 量称为倒车推力或拉力。
三、螺旋桨的致偏效应及其运用
1、沉深横向力
2、伴流横向力
3、排出流横向力 4、船舶不同运动状态下螺旋桨致偏作用的综合分析
三、螺旋桨的致偏效应及其运用
1、沉深横向力 (1)沉深的概念
h-为沉深 h/D-为沉深比
三、螺旋桨的致偏效应及其运用
1、沉深横向力
(2)沉深横向力的产生机理 螺旋桨上下叶水动力差异 由于上下叶所处的深度不同,当螺旋桨转动时,上下叶 所受的转力不同,Q1>Q2,因此产生横向力。 空气吸入 当沉深比≤0.5时,上叶有空气吸入,则其所受的转力小, 而下叶大,因而,产生横向力。
一般港内的最高主机转速约为海上常用转速的70~80%左右。
最低功率和最低转速。
二、滑失和船速
(3)港内船速(Harbour Speed)
如同前进时港内船速分级一样,在倒车档次中也分为
“后退三”、“后退二”、“后退一”等几档。通常港内 “后退三”时的主机转速约为海上常用转速的60~70%。 应当指出,在港内或某些内海航区或狭水道,为保证航 行安全,根据经验与统计,特别规定了最高限速。如本船 所用的港内船速高于该限速时,则应遵照各港内或航区的 有关规定执行。
Vp 2nR
θ为螺距角(常量),攻角越大,转力也越大。由于伴流沿Z轴方向的分 布是上大下小,上下叶的攻角不同,其转力也不相同。ωp越大,V越小, 则,α越大,因此,螺旋桨伴流造成的转力是上叶大,下叶小。
三、螺旋桨的致偏效应及其运用
(3)伴流横向力的产生条件
由上述分析可见,如果伴流为0,则,螺旋桨上下叶的
vr) X=m(u
其中X=(T-R),T为推力,R为阻力。
T R=mu 船舶作直航运动时,vr=0,则:
船舶作直航运动时,加速度=0,则:
T=R
二、滑失和船速
2、滑失的概念
(1)滑失
螺旋桨在固体中旋转时,旋转一周,前进的距离为一个螺 距P,旋转n周,前进的距离为nP。但是,螺旋桨在水中运
一、船舶阻力与推力
对于给定的船舶,基本阻力RO的大小与吃水d、船速VS有关。 当船速VS一定时,基本阻力随吃水的增加而增加; 当吃水d一定时,基本阻力随船速的提高而增加,在船速较低时,基本 阻力增加较为缓慢,与船速近似成线性变化,而船速较高时,基本阻力 明显增加,约与船速的平方成正比。其原因不仅是由于摩擦阻力增加, 而且因为兴波阻力约与船速的4-6次方成正比; 涡流阻力约与船速的平方呈正比。 基本阻力中各阻力占总阻力的比重是不同的,由于它们随船速的变化率 不同,所以所占比重也随船速而变,在一般商船速度范围内,摩擦阻力 所占比重最大,约占总阻力的70%-80%,低速时所占比重更多。随着 船速提高,兴波阻力所占比重增大;而涡流阻力一般不足10%,优良船 型可在5%以下,短宽肥大型船该阻力所占比重较大。估算时,一般将3 级风以下的空气阻力Ax计入基本阻力。
第一章 船、桨、舵的性能
第一节 螺旋桨的性能 第二节 舵的性能 第三节 船、桨、舵综合效应
第一节 螺旋桨的性能
一、船舶阻力与推力 二、滑失和船速 三、螺旋桨的致偏效应及其运用 四、双车船的螺旋桨横向力 五、侧推器的使用
一、船舶阻力与推力
船舶的阻力和螺旋桨推力 1.船舶阻力(Resistance) 船舶在水面上航行时,扰动空气及水两种流体,流 体对船舶的反作用力称为船舶阻力。船舶阻力的组成如 图1-1所示。附体阻力污底阻力汹涛阻力浅水阻力附加 阻力基本阻力摩擦阻力涡流阻力兴波阻力剩余阻力裸船 阻力水 阻 力空气阻力船舶阻力
一、船舶阻力与推力
1)推迚器 船舶航行中受到阻力作用,为了使船能保持一定的速 度前迚,必须提供一定的动力,以克服其所受的阻力, 该动力称为推力。船舶将主机収出的功率转换为推船运 动功率的产生推力的工具,总称为推迚器(Propeller)。 推迚器的种类很多,目前海船应用最多的是螺旋桨,其 他种类的推迚器还有明轮(Paddle wheel)、平旋推迚器 (Cycloidal propeller)、喷水推迚器(Jet propulsion)和 Z 型推迚器(Schottel propeller)。
二、滑失和船速
3、船速的分类
在一定范围内,螺旋桨转速n越高,船速V越大。但是,
对于给定的船舶主机,其转数的提高不是无限的一旦超出这 个范围,主机将超负荷运转,最终可能损坏主机,因此不得
不对船速作出一定的限制。
(1)额定船速 (2)海上船速(Sea Speed) (3)港内船速(Harbour Speed)
基本阻力 船舶阻力 摩擦阻力 涡流阻力 兴波阻力 附体阻力 污底阻力 附加阻力 汹涛阻力 浅水阻力 水阻力 裸船阻力 剩余阻力
一、船舶阻力与推力
基本阻力:新出坞的裸船体(不包括突出于裸船体之外的 附属体,如舵、龙骨、轴支架等所增加的阻力)在平静水面深 水中行驶时水对船体的作用力。它包括摩擦阻力Rf和剩余阻力 Rr,而剩余阻力又包括涡流阻力凡和兴波阻力Rw。 摩擦阻力Rf(Frictional resistance):当船体运动时,由于 水的粘性,在船体周围水和船体湿表面积之间产生的摩擦阻力。 涡流阻力Re(Eddy-making resistance):在船体表面形状 急剧变化之处产生漩涡,这种漩涡形成的阻力称为涡流阻力。 由于这种阻力与船体的形状和对水流的位置有关,所以又称为 形状阻力。 兴波阻力Rw(Wav-making resistance):船在水面航行时 产生船行波,沿着船体首尾方向,由于兴波而构成压力差所产 生的阻力称为兴波阻力。
二、滑失和船速
(2)海上船速(Sea Speed) 由于海上的情况多变,船舶的阻力也随之变化,为了保证长
期安全航行,需要留有一定的功率主机功率储备,以便在应急
时使用。因此,海上长期使用的功率不是额定功率,而是海上 功率。
海上功率一般为额定功率的90%,相应的海上转数为额定转
数的96-97%。 定义:在深水中,主机在海上转数下船舶所能达到的静水船 速称为海上船速。
对于右旋螺旋桨,进车时,首向右;倒车时,首向右。
对于左旋螺旋桨,进车时,首向左;倒车时,首向左。
三、螺旋桨的致偏效应及其运用
螺旋桨产生的船舶偏转总结 横向力 沉深横向力 右旋式 进车 倒车 首向左 首向右 首向左 首向右 左旋式 进车 首向右 首向左 首向左 倒车 首向左 首向右 首向左
二、滑失和船速
(3)滑失在操纵中的应用
由此可见,滑失是衡量螺旋桨推进效率的重要指标。滑失越
大,螺旋桨的推进效率越低。它在船舶操纵中有着重要意义: 由滑失的定义可见,对于给定的螺旋桨,滑失与船速有关,
而船速与船舶的阻力有关,阻力越大,船速越低,滑失越大。
因此船舶污底越严重、遭受的风浪越大,滑失也越大。 反之,可利用螺旋桨的滑失提高船舶的舵效(在较小的距离 内转过较大的角度)。
三、螺旋桨的致偏效应及其运用
1、沉深横向力 (3)沉深横向力的产生条件 当h/D<0.65时,螺旋桨沉深横向力明显增大。 (4)沉深横向力的方向 对于右旋螺旋桨,进车时,首向左;倒车时,首向右。
对于左旋螺旋桨,进车时,首向右;倒车时,首向左。
三、螺旋桨的致偏效应及其运用
2、伴流横向力 (1)伴流的概念 定义:运动中的船体附近的水受到船体运动的影响产生一种追随运动的 水流称为伴流。 伴流的分类 摩擦伴流:由于水和船体之间的摩擦而产生的伴流;
一、船舶阻力与推力
螺旋桨旋转时,产生螺旋桨流。螺旋桨流由吸人流和排 出流组成,如图所示。 吸人流是指流向螺旋桨盘面的水流。其特点是:范围较 宽,流速较慢,流线几乎相互平行。 排出流是指流离螺旋桨盘面的水流。其特点是:范围较 窄,流速较快,流线具有较强的螺旋性。
一、船舶阻力与推力
根据运动方程,其作用于X轴方向的力为:
二、滑失和船速
(1)额定船速
新船验收后的主机,可供海上长期使用的最大功率称为额
定功率NH,与其相对应的转数称为额定转数nH,该条件下主 机収出的转矩称为额定转矩QH,相应的船速称为额定船速
VMAX。
定义:在深水中,在额定转速下船舶所能达到的最大静水 船速称为额定船速VMAX 额定船速随着船舶老化和主机的使用年限逐步降低。
进车时
舵的X方向进速为
VRX =VS-R VRX
ΔVRX—在舵叶处由于螺旋桨旋转引起的轴向增速。 倒车时,旋转的排出流打在船体尾部。由于船尾形状上大下小,
源自文库
致使上部的攻角大于下部的攻角,则产生横向力。
三、螺旋桨的致偏效应及其运用
3、排出流横向力 (2)排出流横向力的产生条件 进车时,有伴流存在,就要进车排出流横向力; 倒车时,只要螺旋桨转动就存在倒车排出流横向力。 (3)排出流横向力的方向
二、滑失和船速
(3)港内船速(Harbour Speed)
近岸航行,尤其是近港航行,常需备车;港内船舶密集,水
深较浅,弯道较多,用舵频繁。为便于操纵与避让和不使主机超 负荷,港内航行最高船速也应较海上船速为低,该船速通常由船
长和轮机长商定并共同遵守执行。
港内船速与海上船速一样,常按主机输出功率的比例不同而 划分为“前进三”、“前进二”、“前进一”之外,尚有“微速 前进”一档;微进时的主机输出功率和转速,是主机可以输出的