船舶操纵和耐波性课件

影响船舶操纵性能的因素

船舶操纵所需的信息

1.船舶实际运动信息：

包括船舶位置、航向、航速、转速及其他变化趋势，还应包括各种操纵机器的使用状态以及船舶的其他情况·

2.操船环境信息：

1.自然环境信息；包括风、流、浪涌的方向和强弱程度，特别是他们对船舶运动

造成之影响·

2.航道环境信息；包括航道水深及可航宽度，暗礁险滩等碍航物及助航设施·

3.交通信息；包括航行水域内的其他船只种类，大小、数量、动态及所载货物等·3.船舶操纵性能信息：

包括船舶操纵性能的所有数据·

4.船员信息

5.法规信息

一、影响航向稳定性之因素主要有哪些？

1.水深，浅水区，航向稳定性佳，富裕水深UKC（under keel clearance,船底间隙）小，

航向稳定性好．

2.船长LOA，LOA大，航向稳定性好．

舵效恶化程度与LOA平方成正比，LOA愈大，舵效愈差，但保向性好．

3.纵倾Trim，Trim大，航向稳定性好．

Trim对航向稳定性影响很大，其改变船舶水下侧面积之分布，Trim by Stern航向稳定性佳．满载Even Keel或Trim by Head 航向稳定性差．

4.方形系数Cb，Cb大，航向稳定性变小，瘦长型船舶航向稳定性好．

5.枢心点PP(Pivot Point)，PP前移，航向稳定性变小．

6.船速SP，SP大，保向性佳，SP变大，T值变小．

7.舵角，舵角大，T小，航性稳定性好，增大舵面积，航向稳定性变大．

8.水流，顺流，保向性变差．

9.船艏尖削Cut Up者，船艉有钝材Dead Wood、Skeg者，航向稳定性好．

钝材Dead Wood为船艉设计为Transom Stern型，位于龙骨与艉柱间之材料．

Skeg桨叶下方之结构，可保护桨叶及舵．

二、影响回转性能的因素主要有哪些？

1.水线下之船型因素

1.方形系数，方形系数较低(长宽比较高之瘦型船)较方形系数较高(长宽比较低

之肥型船)，回转性能差．

2.水中侧面积形状，整体而言，船艏部分分布面积较大者，将有利于减小回转

圈，船艉部分面积较大者，有利于增加航向稳定性，而不利于减小回转圈．

球型艏在降低航向稳定性，提高船舶回转性能上有不小之作用，而在低速时

又有减小初始回转力矩的作用．

船艉有钝材或船艏较为Cut Up的船舶，其回转直径较大．

3.舵面积，增加舵面积将会使舵之转船力矩增大，因而提高船舶的回转性能指

数，但增加舵面积之同时，亦增加了回转阻矩，提高了船舶航向稳定性，使

回转性能指数的增加受到限制，就一定船型之船舶而言，舵面积的大小，在

降低回转直径方面，存在一最佳值．

2.船舶吃水状态

1.吃水，一般船舶均有舵面积比随着吃水增加而降低的趋势，这将导致相应于

舵力的回转阻矩增大，使转船力矩减少，另外，随着吃水加深，因货物满载

而增加了船舶之惯性，以致于初始回转大大的减慢，因此满载时之纵距将有

较大增长．

2.纵倾，吃水差改变了船舶水线下船体侧面积分布状态，因而对船舶之回转性

能有明显影响，尾倾Trim by Stern回转圈将增大，首倾Trim by Head则相反．

3.横倾影响不大，船舶横倾改变了左右两舷吃水状态，船舶向左倾斜，右舷吃

水相对减少，船舶向右回转，因偏流角产生之水压力所受阻力相对减少，回

转性能增加，回转直径减少，反之右倾时易于向左回转．

3.操船方面之影响

1.舵角，舵角之改变，不仅影响回转直径之变化，相对的随着回转直径之改变，

回转调头所需之时间亦有所不同．

2.操舵时间（舵角到位时间），舵自一舷的35度转至另一舷30度的时间应不超

过28秒，因此在实际操船中，一般认为从正舵位置至最大舵角35度须时15

秒，如在实际操船中，所需时间超过15秒以上时，纵距将受其影响而变大，

横距所受影响较小，最终直径则不受影响．

3.船速，船速对船舶回转所需时间的长短具有明显的影响，但对回转直径之影

响则较为复杂，在一般商船速度范围内，约为18节，船速对回转直径表现不

出什么影响，然而当船速低至某一程度，船舶之回转直径将有逐渐加大之趋

势，这是由于低速下之舵力转船力矩明显减小，回转性能变差，反之当船速

增快时，则由于兴波增强，船艉倾斜加剧，航向稳定性提高，回转性能减低，

船舶回转直径亦增大．

4.外界环境影响

1.水深，船舶在浅水区域内回转时，因回转阻矩增大，回转性能差，航向稳定

性变好，回转圈大，

2.风、浪、流、涌之影响．

三、影响舵效的因素主要有哪些？

1.舵角，在临界舵角范围内，与舵角大小成正比．

2.舵面积，舵力大小与浸没在水线下舵面积成正比．

3.作用于舵面上水流速度平方成正比．

4.船艉形状，指水线下船艉．

尖艉，水流畅快，舵面受力大，舵灵活．

圆艉，水流不畅，舵面受力小，且船移动时，艉部形成空隙，两旁之水涌入，造成

极大的追迹流，影响舵的灵活性．

5.舵与船艉间隙，船舶操舵后，舵之周围产生压力变化，左右两侧之压力差将波及至船

艉两侧，相对的增加了舵的舵力，舵与船艉之间隙愈小，增加量就愈大．

6.舵的形状，双板舵的舵效较单板舵佳，舵的高宽比愈大，舵的升力曲线斜率越陡，即

以较小的舵角能得到较大的转向力．

7.船舶的惯性，重载船应舵较缓，吃水深的船，因受水下阻力较大，船舶的回转亦较慢．

8.外力影響，風ヽ浪ヽ流ヽ淺水等因素．

9.舵机之性能．

五、影响K、T值之因素主要有哪些？

1.操舵舵角影响

一般船舶，在所操舵角为小舵角时，K、T值并无明显变化，但大型船或VLCC，

则由于舵面积比相对较小，小舵角时其K、T值往往为负值，而K、T值随所操

舵角的加大，明显降低．

2.吃水影响

K、T值随吃水之增加而增加，即满载时船舶追随性变差，回转性变好．

3.吃水差影响

Trim by Stern每增加1%船长，回转直径就增加10%，Trim by Stern增加，K、T

值相对减小．

4.水深吃水比影响

船舶驶入水深不足吃水之2倍之浅水区域，回转性变差，追随性变好，K、T值

相对变小．

5.船型影响

1.方形系数影响

方形系数较高，长宽比较低肥型船，具有K、T值较高特性，应舵慢，TC

小，航向稳定性差．

2.水线下首尾侧面积分布之影响

船艉具有较多侧面积之船舶，有利于提升船舶之追随性或航向稳定性，即

K、T值都较低．

影响回转圈大小的因素有哪些？

影响回转圈大小的因素有方形系数、船体水下侧面积分布、舵角、操舵时间、舵面积比、船速、吃水、吃水差、横倾、螺旋桨的转动方向、浅水影响、风浪流以及污底的影响等。

·方形系数小的船（C b≈0.6）较方形系数大的船（C b≈0.8）回转性能差得多。

·船体水线下侧面积形状及分布：船首面积较大，水线下侧几何中心靠前，船舶旋转力臂增大，从而力矩增大，回转性较好，回转圈较小，但航向稳定性较差；而船尾面积较大者反之。

·舵角：施小舵角，战术直径增加，回转时间也将增加，反之亦然。并且影响相当明显。

·操舵时间：对船舶的纵距影响较大，纵距随操舵时间的增加而增加，而对横距和战术直径的影响不大，回转直径则不受其影响。

·舵面积比：是指舵面积与船体水下纵中剖面侧面积（L PP×d）的比值。比值大，转船力矩大，回转圈小。

·船速：船速越高，回转时间越短。

·吃水：一般船舶，若纵倾状态相同，吃水增加时回转纵距增大，横距和战术直径也将有所增加。主要是舵面积比随吃水增加而降低引起的。

·纵倾（吃水差）：原理与结果同“船体水线下侧面积形状及分布”对于C b=0.8的船舶，若尾倾增大量为船长的1%，战术直径将增加10%左右；对于C b=0.6的船舶，若尾倾增大量为船长的1%，战术直径将增加3%左右。说明方形系数越大的船舶，吃水差对战术直径的影响更大。

·横倾：船体存在横倾时，左右浸水面积不同，两侧所受的水动压力也不相同，改变了左右舷各种作用力的对称性。

·螺旋桨旋转方向：右旋固定螺距螺旋桨单车船，向左回转时的战术直径要比向右回转时的战术直径要小一些。而超大型船舶这一差别不明显。

·浅水影响：浅水中横向阻力明显增大，漂角β明显下降。浅水中舵力也有所下降，转船力矩下降，浅水中阻尼力矩明显增大，船舶的回转性下降。因此，在浅水中的回转圈明显增大。

·风、流、浪、污底的影响：顶风、顶流、污底严重使回转圈纵距减小，反之亦然。

回转过程三阶段及运动特点分析

第一阶段亦称转舵阶段，船舶从开始转舵起至转至规定舵角止一般约8-15s，横移加速度v 和回转角加速度r 均较大，回转角加速度在此阶段可达最大值。由于船舶运动惯性的原因，船舶重心G基本上沿原航向滑进，横移速度v和转向角速度r变化绝对值不大。

在舵力转船力矩Mδ的作用下，船首有向操舵一侧回转的趋势，重心则有向

操舵相反方向的微量横移，与此同时，船舶因舵力位置比重心位置低而出现少量内倾。因此，该阶段也称为横移内倾阶段。

第二阶段亦称过渡阶段，诸指标均为变量。该阶段中，船舶的回转角速度、横移速度和漂角均逐步增大，水动力F w的作用方向由第一阶段来自正前方，逐渐改变为来自船首外舷方向。由于水动力F W作用点较重心更靠近船首，因而产生水动力转船力矩M H，方向与舵力转船力矩Mδ一致，使船舶加速回转；与此同时，随着回转角速度的不断提高，又会产生不断增大的船舶回转阻矩，从而使回转角速度不断降低，角速度的增加受到限制。

过渡阶段中船舶的运动特点是：

1）船舶降速明显。其首要因素是船舶斜航时水动力F w的纵向分力F wx的增加，其次是舵力P n的纵向分力P nx，回转运动产生的离心力Q的纵向分力Q x以及回转中推进效率的下降。

2）由反向横移变成向操舵一侧正向

横移。原因是船舶在回转中，随着漂

角β的增大，水动力F w不断增大，而

舵力却有所下降，以致F W的横向分

力大于P n的横向分力。

3）船舶出现外倾并逐渐增大。其原因是舵力横向分力P ny、水动力横向分力F wy 以及回转中产生的离心力的横向分力Q y作用于船舶垂直方向的不同位置，构成了力矩，从而使船舶由初始阶段的内倾变为外倾。如图（b）所示。

第三阶段亦称定常回转阶段，随着回转运动的不断发展，一方面，舵力的下降使舵力转船力矩Mδ减小，水动力F w的作用点W随着漂角的增大不断后移，水动力转船力矩Mβ减小。另一方面，随着船舶回转角速度的增加，由阻止船舶回转的阻力R f 、R a所构成的水阻力转船力矩M f 、M a也同时增大(如图所示)，当漂角β增加到一定值时，作用于船体的诸力及其力矩达到平衡，即船舶进入定常回转。该阶段中，船体所受合力矩为零，船舶回转角加速度为零，转头角速度达到最大并稳定于该值，船舶降速达到最大值，外倾角、横移速度也趋于稳定。船舶以稳定的线速度、角速度作回转运动，故又称第三阶段为稳定回转运动阶段。不同载况的船舶进入定常回转状态的时间也各不相同。空载船大约在转首60o左右，满载船大约在转首100o~120o左右进入定常回转阶段。第三阶段诸指标中加速度均为0。

回转中船舶出现的横倾是一个应予注意的不安全因素。一般货船满舵回转时的外倾在静水中可达3o-5o左右。超大型油轮因复原力矩很大，所以满载满舵回转时几乎不发生横倾。然而复原力矩较小的船舶高速航进中操大舵角时，将会产生较大横倾，若再加上船内自由液面影响或出现货物移动以及强横风或横浪的影响，则船舶将有倾覆的危险。

船舶在回转中出现的稳定（定常）横倾角与船速的平方成正比、与重心浮心距离成正比。

与回转半径成反比、与船舶初稳性高度成反比

IMO船舶操纵性衡准

·回转性：回转圈的纵距应不超过4.5倍船长，相应的战术直径应不超过5.0倍船长。

·初始回转性：船舶操左10°舵角或右10°舵角后，船首向角从原航向改变10°时，船舶在原航向上的纵向行纵距应不超过2.5倍船长。

·转首抑制性能和保向性：

① 10°/10° Z形操纵试验测得的第一超越角应不超过：

10°，当L/V＜10s时；

20°，当L/V＞30s时；

（5＋1/2（L/V））°，当10s＜L/V＜30s时。

② 10°/10° Z形操纵试验测得的第二超越角应不超过：

25°，当L/V＜10s时；

40°，当L/V＞30s时；

（17.5＋0.75（L/V））°，当10s＜L/V＜30s时。

③ 20°/20° Z形操纵试验测得的第一超越角应不超过25°。

·停船性能：船舶全速倒车停船试验中的航迹纵距（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。