1第一章船、槳、舵的工作原理1.1船艇運動時的水作用力1.1.1水動力合力船艇運動時，將受到各運動方向上水的作用力。將這些力合成得到水動力合力R0。通常R0為空間矢量，如圖1—1所示，其作用點O稱為水動力合力作用點，簡稱水動力作用根據(jù)力平移原理，在船艇重心G處引入與R0平行、等值且方向相反的一對力R0'和R0''。將R0''投影到船艇附近的坐標(biāo)系中，則得到Rx、Ry、Rz。水動力合力R0對船艇狀態(tài)的影響如下：1.力偶R0、R0'對x軸的力矩使船艇繞x軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)與橫傾復(fù)原力矩平衡時，船艇便保持固定的橫傾。RORORGRZRGRZOGRXOGO圖1—1船艇運動時作用于艇體的水動力2.力偶R0、R0'對y軸的力矩使船艇繞y軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)與縱傾復(fù)原力矩平衡時，船艇便保持固定的縱傾。3.力偶R0、R0'對z軸的力矩使船艇繞z軸轉(zhuǎn)動，船艇偏離原航向。4.分力Rx與運動方向相反，當(dāng)艦艇作勻速直線運動時，Rx為阻力；當(dāng)船艇作變速直線運動時，Rx由水阻力和慣性力組成。5.分力Ry使船艇產(chǎn)生橫移運動。6.分力Rz與運動方向垂直，稱為動浮力，它與靜浮力之和等于船艇的重量。由于船艇操縱運動主要是考慮平面運動情況，一般不考慮Rz，把空間矢量R0視為平面矢量RG。因此，通常水動力合力是指RG力。RG1.1.2船艇勻速運動時水的作用力船艇作勻速直線運動時，使附近的水質(zhì)點獲得加速度，而在艇體微濕面積dS上受到微水動力ΔRG，ΔRG可分解為法向壓力ΔRP和切向應(yīng)力ΔRτ(如圖1—2)，作用在整個艇體濕表面由Rx和Ry合成，當(dāng)船艇沒有橫移運動時，dsGPdsPG圖1—2作用于微面積上水動力的分解2積上的切向應(yīng)力的合力稱為摩擦阻力Rf，法向壓力的合力稱為壓差阻力Rr(又稱剩余阻一、摩擦阻力船艇運動時，由于水的粘度，產(chǎn)生緊貼艇體運動、具有一定厚度的摩擦伴流，其速度由緊貼艇體為零逐漸向外增大，直到邊界層與來流速度一致，則邊界層內(nèi)形成速度梯度。由于速度梯度的存在，船艇受到作用力中沿運動方向的分力，這就是摩擦阻力。影響摩擦阻力的因素有：航速、艇體濕表面積、艇體表面的光潔程度、流體密度和粘性。表面光潔艇體的摩擦阻力Rf可按下式估算：式中：式中：ρw---水的密度，kg/m；Cf---摩擦阻力系數(shù)，CfS---艇體濕表面積，m2,St---水溫，℃;L---船長，m；V---船速，m/s；▽---排水量，m3。在低速時，摩擦阻力占總阻力的70%～80%，是總阻力的主要成份。二、渦流阻力由于水流具有粘性，造成艇體曲度驟變處(如艇尾部)常產(chǎn)生渦流；而渦流處的水壓力下降，改變了沿艇體表面的壓力分布情況，導(dǎo)致船艇首尾形成壓力差而產(chǎn)生的阻力，稱為渦流阻力Re可用下式表示：式中：Ce為渦流阻力系數(shù)。渦流阻力大小與流體水質(zhì)點在船后部的速度變化，即速度梯度有很大關(guān)系。船艇中橫剖面之后尾部急劇收縮，渦流阻力大。對于航速、濕表面積相同的船艇來說，粘壓阻力的大小取決于艇型。長寬比大、艇體后半部分狹長的船艇，邊界層較薄，渦流區(qū)不大，粘壓阻力小。公邊船艇水下部分呈流線型，因此，渦流阻力在總阻力中所占百分比較小。三、興波阻力船艇在水中運動，艇體周圍的水形成興波。由于興波產(chǎn)生，改變了艇體周圍的壓力分布情況，出現(xiàn)艇首高波峰，壓力增加；船中波谷、艇尾低波峰壓力降低，形成了首尾壓力差，如圖1—3所示。由興波引起的壓力分布改變所產(chǎn)?Ol圖1—3興波改變艇體壓力分布3生的阻力稱為興波阻力。興波阻力Rw可用下式表述：由此可見，Rw與船速的6次方成正比。因此，隨著船速的增高，Rw將急劇增大。四、總阻力分析上面分析了艇體阻力，即基本阻力。另外，還有附加阻力ΔR，它包括污底阻力ΔRf，附體阻力ΔRa，空氣阻力AX，洶濤阻力ΔRr，淺水附加阻力ΔRs。因此，船艇總阻力組成如摩擦阻力渦流阻力摩擦阻力、渦流阻力、興波阻力都隨航速增大而增大，但增長的快慢是各異的，摩擦阻力渦流阻力壓差阻力{興波阻力裸艇體阻力靜水阻力船艇阻力附體阻力水阻力污底阻力附加阻力基本阻力壓差阻力{興波阻力裸艇體阻力靜水阻力船艇阻力附體阻力水阻力污底阻力附加阻力基本阻力洶濤阻力空氣阻力在不同的航速下各力在總阻力中所占的比例也不同，如表1—1所示。表1—1船艇阻力中各種阻力所占比例<0.20.2～0.40.4～0.6各種阻力百分比RfReRw船艇作勻速直線運動受到水作用力主要是裸艇體阻力。船艇設(shè)計主要考慮的是前進(jìn)狀態(tài)，因此，船艇用相同速度前進(jìn)或后退，后退時的阻力大于前進(jìn)時的阻力。41.1.3*船艇變速運動時水的作用力船艇變速運動包括加速運動和減速運動。我們以加速運動為例來說明船艇變速運動時的水的作用力。船艇變速運動時，除水阻力RX之外，還受到慣性力作用。后者的產(chǎn)生是由于船艇在水中作加速運動時，除克服艇體慣性外，還帶動其周圍一部分水作加速運動，這一部分可視為艇體增加了部分質(zhì)量。船艇在水中加速運動受到的慣性力為：式中：m為艇體質(zhì)量，m則為艇體質(zhì)量慣性力；m'為附加質(zhì)量，m為慣性水動力。慣性水動力具有方向性，艇體橫向運動的附加質(zhì)量就比縱向運動的附加質(zhì)量大得多。由于艇體開始回轉(zhuǎn)運動時存在角加速度，因此船艇會受到慣性力矩MJ的作用：J---艇體回轉(zhuǎn)慣量；ΔJ--附加水回轉(zhuǎn)慣量。如果不考慮外界因素，艦艇所受的慣性水動力、慣性水動力矩的大小，主要取決于艦艇排水量、艇體線型、浮態(tài)和船艇運動狀態(tài)。1.2螺旋槳的工作原理推進(jìn)器是指把主機(jī)發(fā)出的功率轉(zhuǎn)換為推船運動功率的專用裝置或系統(tǒng)。推進(jìn)器種類很多，有明輪、平旋推進(jìn)器、Z型推進(jìn)器、噴水推進(jìn)器、超導(dǎo)推進(jìn)系統(tǒng)和螺旋槳等。目前船艇應(yīng)用最為廣泛的推進(jìn)器是螺旋槳。1.2.1螺旋槳概述一、螺旋槳的結(jié)構(gòu)螺旋槳安裝在艇尾水下部分，通過尾軸與1.葉背：船艇前進(jìn)時產(chǎn)生吸力的面，通常為朝艇首方面的一面。2.葉面：船艇前進(jìn)時產(chǎn)生壓力的面，通常為朝艇尾方面的一面。3.葉梢：距軸線最遠(yuǎn)的槳葉端部。4.螺旋槳半徑：葉梢至螺旋槳軸線間的垂55.螺旋槳盤面：以螺旋槳中點為圓心，螺旋槳半徑所構(gòu)成的圓面。6.螺距：螺旋槳繞軸旋轉(zhuǎn)一圈，沿軸向前進(jìn)的幾何距離。7.螺距P與螺旋槳直徑D之比稱螺距比。一般負(fù)荷大、速度慢的船，螺距比??；負(fù)荷小、速度快的船螺距比大。二、螺旋槳的配置螺旋槳根據(jù)其工作時旋轉(zhuǎn)方向的不同，可分為左旋螺旋槳和右旋螺旋槳兩種。由艇尾向前看，螺旋槳推艇前進(jìn)時，其槳葉為順時針旋向的稱為右旋螺旋槳；反時針旋向的稱為左旋螺旋槳。若將螺旋槳置于地面，右旋槳的葉片向右上方傾斜；左旋槳的葉片向左上方船艇的類型、性能和主機(jī)數(shù)量不同，螺旋槳安裝的數(shù)量也不一樣。不同數(shù)量螺旋槳船圖1—5螺旋槳和舵的配置1.單車船艇。只有一個螺旋槳，安裝在艇尾水下部分龍骨線上，多數(shù)采用右旋螺旋槳。2.雙車船艇。有兩個螺旋槳，對稱地安裝在艇尾水下部分中央龍骨兩側(cè)。雙槳船的螺旋槳按其旋轉(zhuǎn)方向，可分為外旋式和內(nèi)旋式兩種，如圖1—6所示。外旋式兩槳正轉(zhuǎn)時，左舷螺旋槳左轉(zhuǎn)，右舷螺旋槳右轉(zhuǎn)；反之為內(nèi)旋式。一般固定螺距的雙車船采用外旋式，可調(diào)螺距的雙槳船采用內(nèi)旋式。圖1—6外旋式和內(nèi)旋式螺旋槳3.三車船艇。有三個螺旋槳，中間的螺旋槳與單車船艇安裝位置相同，兩舷兩個安裝在龍骨兩側(cè)，其位置較中間螺旋槳稍前一些。4.四車船艇。海警部隊裝備的218、318型艇有四個螺旋槳，其配置方法與雙車船艇基本相同，內(nèi)側(cè)兩個螺旋槳較外側(cè)兩個的位置稍靠后一些。三、螺旋槳工作時產(chǎn)生的水流船艇運動、螺旋槳工作時產(chǎn)生的水流如圖1—7所示。1.頂流——是由于船艇運動而產(chǎn)生的，與船艇作相對運動的水流。前進(jìn)時頂流流向艇6尾方向，擺舵時它作用于舵葉的前面(朝艇首的一面)；船艇后退時頂流流向艇首方向，擺舵時作用于舵葉的背面(朝艇尾的一面)。頂流的大小與航速有關(guān)，航速大，頂流大，航速小，頂流小。圖1—7螺旋槳工作時的水流2.排出流——螺旋槳轉(zhuǎn)動時所排出的螺旋狀水流。其特點是：范圍較窄，流速較快，流線具有螺旋性，且旋轉(zhuǎn)激烈。螺旋槳進(jìn)車轉(zhuǎn)動時，排出流向艇尾方向，如果擺舵，它便作用于舵葉的背面；倒車時，排出流被排向艇首方向，打不到舵葉上。排出流的大小隨輪轉(zhuǎn)速而變。轉(zhuǎn)速越高排出流越大，螺旋槳停止轉(zhuǎn)動時，便沒有排出流。圖1—7螺旋槳工作時的水流3.吸入流——螺旋槳排水時，在槳葉的另一面產(chǎn)生空隙，從周圍流來填補(bǔ)空隙的水流，稱為吸入流。其特點是：范圍較寬，流速較慢，流線幾乎相互平行。螺旋槳進(jìn)車轉(zhuǎn)動時，吸入流在螺旋槳之前，方向是從艇首流向艇尾，和排出流一起作用到舵葉上；倒車時它位于螺旋槳之后，從艇尾流向艇首，當(dāng)擺舵時，便作用于舵葉的背面。吸入流的大小與輪轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，轉(zhuǎn)速高，吸入流大；轉(zhuǎn)速低，吸入流??；轉(zhuǎn)速為零時無吸入流。4.伴流——船艇前進(jìn)時，艇體周圍有一股水流也隨船艇前進(jìn)，這股水流即稱為伴流。伴流主要由摩擦伴流和勢伴流組成。在船艇前進(jìn)時，其大小與厚度從艇首到艇尾逐漸擴(kuò)大，艇首處為零，最大值位于艇尾附近；船艇后退時，則艇尾處為零，最大值位于艇首附近。1.2.2螺旋槳的工作原理一、螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩在主機(jī)的驅(qū)動處，螺旋槳正車旋轉(zhuǎn)時推水向后，而被推動的水給槳葉一個反作用力，這個反作用力在艇首方向的分量就是推船前進(jìn)的推力；倒車時則水對槳葉產(chǎn)生一個指向艇尾的反作用力，稱為倒車推力或拉力。下面通過分析螺旋槳工作時一個槳葉切面的受力情況來說明產(chǎn)生螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩的基本原理。圖1—8所示為一距離螺旋槳軸心半徑為r處的葉切面。在船艇航行時，葉切面一方面跟隨船艇作前進(jìn)運動，另一方面又作旋轉(zhuǎn)運動。若螺旋槳進(jìn)速為VP，轉(zhuǎn)速為n，則葉切面相對于水的運動速度ur就是進(jìn)速VP與旋轉(zhuǎn)切線速度2πnr的矢量合成。uurdP圖1—8螺旋槳的工作原理7根據(jù)流體力學(xué)知識，當(dāng)葉切面以速度ur、沖角α與水流作相對運動時，將會產(chǎn)生與水流相對運動方向垂直的微升力dL和平行于水流相對運動方向的微阻力dD。dL和dD的大小與u成正比；此外，還與沖角α有關(guān)。在一定范圍內(nèi)，沖角α越大，dL和dD值越dL和dD的矢量和為葉切面的微水動力dP。將dP分解為沿螺旋槳軸向上的微推力dT和垂直于軸向的微旋轉(zhuǎn)阻力dQ(相應(yīng)的微阻矩dMQ=dQ.r)。對dT和dQ沿螺旋槳半徑r積分，得到一個槳葉的推力和旋轉(zhuǎn)阻力。綜合每個槳葉的影響，即得到整個螺旋槳的推力T和旋轉(zhuǎn)阻力Q(相應(yīng)的螺旋槳旋轉(zhuǎn)阻力矩MQ)。對于整個螺旋槳工作情況而言，由于安裝在轂上各槳葉的推力方向相同，各槳葉推力合力就是整個螺旋槳的推力。但每個槳葉上的阻力大小和方向是不同的，其水平分力的合力是造成螺旋槳側(cè)力的因素之一，使船艇產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。由于旋轉(zhuǎn)阻力產(chǎn)生相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)阻力矩，因此，欲使螺旋槳產(chǎn)生推力，必須消耗主機(jī)功率以克服旋轉(zhuǎn)阻力矩。顯然，T和Q的大小決定于水流的速度及沖角的大小。通常螺旋槳轉(zhuǎn)速越高、航速越低，T和Q越大。所以，船艇在靜止中如以較高轉(zhuǎn)速進(jìn)車，由于沖角很大，雖然可以產(chǎn)生較大的推力，但旋轉(zhuǎn)阻力矩也隨之急增，對主機(jī)工作不利。二、滑失和滑失比如果螺旋槳不是在水中運動，而是像螺桿在螺母中運動一樣，那么旋轉(zhuǎn)一周后，它在軸線方向上移動的距離hP等于它的螺距P。但因為螺旋槳是在水中工作的，所以常會發(fā)生滑失現(xiàn)象，即螺旋槳旋轉(zhuǎn)一周后前進(jìn)的距離hP較螺距P小。同樣，當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速為n，則其前進(jìn)速度VP比理論上應(yīng)能前進(jìn)的速度nP小。螺旋槳旋轉(zhuǎn)一周在軸向所前進(jìn)的實際距離hP稱為進(jìn)程，hP。螺距P與進(jìn)程hP之差稱為滑失S，S=P?hP。滑失S與螺距P之比為滑失比Sr，Sr。如果用船速VS代替VP，則成為虛滑失S'和虛滑失比S，S滑失比Sr值與船艇運動狀態(tài)、槳的轉(zhuǎn)速與方向有密切關(guān)系。如果船艇前進(jìn)時，螺旋槳正轉(zhuǎn)，或船艇后退時，螺旋槳反轉(zhuǎn)，Sr＜1；如果船艇進(jìn)(退)速度越低，而螺旋槳正(反)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速又很高，使VP/nP值很小，則Sr→1；如果船艇前進(jìn)，螺旋槳反轉(zhuǎn)，或船艇后退，螺旋槳正轉(zhuǎn)，Sr＞1；如果船艇進(jìn)(退)速度越高，而螺旋槳反(正)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速越高，則Sr1。當(dāng)船艇速度、伴流速度與槳的進(jìn)速為零時，Sr=1。力取決于螺旋槳的滑失比Sr。當(dāng)VP=nP時，Sr=0，則在該轉(zhuǎn)速n時螺旋槳產(chǎn)生推力趨于零。而當(dāng)Sr越高，螺旋槳產(chǎn)生的推VwVnPVSnPVS8勻速前進(jìn)船艇具有VP=VS?VW的關(guān)系，則Sr>S；但船艇后退中或船速極低時，螺旋槳正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，由于VW≈0(艇尾處)，則Sr≈S。1.2.3單螺旋槳船艇的致偏效應(yīng)螺旋槳工作時，主要為船艇提供推力或拉力，但螺旋槳轉(zhuǎn)動時，即使操正舵，艇首也會出現(xiàn)向左或向右的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這就是螺旋槳的致偏作用。這是由于槳葉所受的作用力、螺旋槳流對艇體以及舵葉的作用力左右不對稱等原因而產(chǎn)生橫向力的結(jié)果。下面以右旋螺旋槳為例，分析螺旋槳的致偏作用。一、沉深橫向力沉深橫向力又稱側(cè)壓力、側(cè)推力或水面效應(yīng)橫向力。螺旋槳盤面中心距水面的垂直距離為螺旋槳的沉深h，它與螺旋槳直徑之比h/D稱為沉深比。實驗表明，即使槳葉不露出水面，當(dāng)h/D<0.65～0.75時，由于螺旋槳在其旋轉(zhuǎn)過程中會出現(xiàn)空氣吸入和產(chǎn)生空泡現(xiàn)象，將使其推力和轉(zhuǎn)距下降，并出現(xiàn)上部槳葉所受的阻力較下部槳葉為小的現(xiàn)象，如圖1—10所示。上下螺旋槳阻力的差值，構(gòu)成了沉深橫向力。右旋單車船進(jìn)車時，該作用力推尾向右，使艇首向左偏轉(zhuǎn)；倒車時使艇首向沉深橫向力隨著沉深比的減小明顯增大。此外，沉深橫向力在船艇起動或低速過程中加速時影響明二、伴流橫向力船艇前進(jìn)時，艇尾螺旋槳盤面處的伴流速度分布具有左右對稱、上大下小的特點，如圖1—11所示。因此，螺旋槳工作時，受伴流的影響，上部槳葉比下部槳葉進(jìn)速較低，沖角較大，旋轉(zhuǎn)阻力則增大。這種因伴流的影響而出現(xiàn)的上下槳葉的旋轉(zhuǎn)阻力之差而構(gòu)成的橫向力稱為伴流橫向力。右旋單車船，前進(jìn)中進(jìn)車，伴流橫向力推尾向圖1—10螺旋槳的沉深橫向力0.6WL0.70.6WL·i'"-'、-"'、-"一i,0.2i.'r0.1圖1—11進(jìn)車伴流橫向力左，使艇首向右偏轉(zhuǎn)。但總體而言，這種偏轉(zhuǎn)不明顯。船艇靜止和后退時，艇尾處不存在伴流，所以沒有該橫向力。三、排出流橫向力船艇正車前進(jìn)時，如圖1—12a所示，舵葉左上部與右下部分別受到排出流的有力沖擊。如無伴流影響，則舵葉左右兩側(cè)所受排出流水動力相等，不存在排出流橫向力。但若存在伴流時，由于伴流上大下小并與排出流反向，致使右下部排出流的沖角明顯大于左上部，使右側(cè)的水動力高于左側(cè)，因此，舵葉兩側(cè)水動力產(chǎn)生差異，構(gòu)成排出流橫向力。9右旋單車船艇前進(jìn)中進(jìn)車，該力推尾向左，使艇首右偏，而且船速越高，伴流越大，該力越大。船艇后退中進(jìn)車，舵葉處伴流極弱，該力可忽略不計。船艇進(jìn)速較低或靜止中或后退中倒車，如為艇尾線型上肥下瘦，所以打在艇尾右上方的排出流對艇體的沖角和作用面積均大于艇尾左下部，因此使艇首向右偏轉(zhuǎn)。正舵艇尾外殼板a進(jìn)車排出流橫向力b倒車排出流橫向力圖1—12右旋式螺旋槳的排出流橫向力倒車后退中，沉深橫向力和排出流橫向力方向一致，使艇首出現(xiàn)明顯向右偏轉(zhuǎn)，有時用舵也難以克服。表1—2右旋式單螺旋槳船的致偏影響運動狀態(tài)影響效應(yīng)靜止中進(jìn)車前進(jìn)中進(jìn)車靜止中倒車后退中倒車沉深橫向力艇首左偏艇首左偏艇首右偏排出流橫向力艇首右偏艇首右偏艇首右偏伴流橫向力——艇首右偏——綜合影響艇首微左偏(或艇尾微右偏)艇首右偏艇首劇烈右偏(或尾劇烈左偏)1.2.4雙車船艇的運動特點一、雙車船艇的致偏作用為了充分發(fā)揮螺旋槳橫向力在操縱中的效用，有助于船艇旋回，雙車船艇通常采用外旋式配置。下面以外旋式配置為例說明雙車船艇螺旋槳的致偏作用。1.當(dāng)雙車船艇的兩車以同樣轉(zhuǎn)速同時進(jìn)車或倒車時，左、右兩舷的螺旋槳所產(chǎn)生的橫向力互相抵消，船艇基本不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。2.當(dāng)雙車船艇兩車的轉(zhuǎn)速或旋轉(zhuǎn)方向不同時(稱為分車)，一方面由于兩車推力大小、方向不同，形成轉(zhuǎn)船力矩MT，如圖1—13所示。MT=ΔT.ΔdΔT——兩螺旋槳推力的代數(shù)和，轉(zhuǎn)動方向MT圖1—13分車操縱時的力矩排出流橫向力排出流橫向力一致時相減，轉(zhuǎn)動方向相反時相加；Δd——螺旋槳軸線與船艇首尾線的距離。另一方面，兩個螺旋槳的綜合致偏作用方向也與上述轉(zhuǎn)船力矩方向一致，有助于操縱。如當(dāng)船艇右轉(zhuǎn)時，采用左進(jìn)右退，一方面，進(jìn)車與倒車產(chǎn)生的推力和拉力構(gòu)成轉(zhuǎn)船力矩使艇首右轉(zhuǎn)；另一方面，兩螺旋槳的沉深橫向力、左車吸入流的減壓作用、右車排出流的增壓作用(相當(dāng)于倒車排出流橫向力)三者共同作用使艇首右轉(zhuǎn)，如圖1—14所示。幾乎可以使船艇在原地掉頭。邊防船艇由于排水量小，錯車操縱(即一舷正車、一舷倒車且推力相等)時對艇體及裝備有一定影響，所以旋回時一般不采用錯車。推力拉力推力吸入流減壓排出流橫向力吸入流減壓沉深橫向力圖1—14雙車船艇的致偏作用二、雙螺旋槳船艇的操縱特點1.由于左右舷螺旋槳的旋向相反，兩個螺旋槳所產(chǎn)生的偏向力互相抵消，因此正車前進(jìn)和倒車后退都不發(fā)生偏向。2.兩個螺旋槳中損壞一個仍可繼續(xù)航行，并且能保持2/3的航速。3.舵損壞甚至被卡住(舵角不大)時，調(diào)節(jié)左右主機(jī)的轉(zhuǎn)速仍可能保持預(yù)定航向和轉(zhuǎn)向。4.旋回性能好。用舵旋回時，左右旋回直徑相等；而調(diào)整左右車的轉(zhuǎn)速，可以改變回轉(zhuǎn)力矩，調(diào)整旋回直徑。1.3舵的工作原理舵是用來承受水作用力以產(chǎn)生船艇轉(zhuǎn)動力矩的裝置，它是操縱船艇的重要設(shè)備。船艇航行中保持或改變航向，主要通過舵來實現(xiàn)的。在船艇各種運動狀態(tài)、主機(jī)不同工況的情況下，舵設(shè)備應(yīng)具備輕便、靈活、準(zhǔn)確和可靠的性能。1.3.1舵力產(chǎn)生船艇正舵航行時，舵葉兩側(cè)的流速對稱相等，不產(chǎn)生舵壓力。當(dāng)擺過一個舵角后，如圖1—15，在舵葉周圍，除有平行流外，還存在附加環(huán)流。在舵葉迎流面，平行流和附加環(huán)流兩者間的流向相反，使流速下降，壓力增大，圖中用(＋)表示；而在舵葉背流面，兩者流向相同，使流速提高，壓力減小，圖中用(－)表示，而且舵葉背流面的壓力下降比舵葉迎流面壓力升高的絕對值大。這樣，在舵葉兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，形成一個垂直于水流方向的舵升力PL和一個平行于水流方向的舵阻力PD，這兩個力的合力為舵的水動力，即舵力P。舵力P可分解為垂直于舵葉剖面弦線的分力PN和平行于舵葉剖面弦線的分力PT。分力PN為舵壓力，分力為PT舵葉表面的摩擦力。若不考慮水粘性的影響，舵力P與舵壓力PN舵壓力PN的大小受舵的面積、形狀、展弦比、剖面形狀、舵角和舵葉對水相對速度(舵速)的影響，可用下式進(jìn)行估算：ρw——水的密度，kgm3；CN——舵壓力系數(shù)，由舵角δ和舵葉形狀決定；AR——浸水舵葉面積，m2；vR——舵速，m/s。二、舵壓力轉(zhuǎn)船力矩1.航行時舵壓力轉(zhuǎn)船力矩航行中的船艇操舵后，舵葉將產(chǎn)生舵壓力PN，其支點是船艇重心G，如圖1—16所示。由PN產(chǎn)生的轉(zhuǎn)船力矩稱為舵壓力轉(zhuǎn)船力矩，用MP表示。L——船長，m；δ——舵角。ll圖1—16舵的轉(zhuǎn)船力矩圖/lG/l/lG/lN系泊時舵壓力轉(zhuǎn)船力矩2.系泊時舵壓力轉(zhuǎn)船力矩船艇系泊時，船速為零，但對螺旋槳后的舵，當(dāng)螺旋槳正轉(zhuǎn)時產(chǎn)生尾流作用在舵葉上，將產(chǎn)生舵壓力PN。而系泊時舵壓力轉(zhuǎn)船力矩MP的計算則要根據(jù)具體情況確定支點。如果船艇利用首倒纜進(jìn)車甩尾離泊，如圖1—17所示，則支點位于艇首，此時MP為：MP=PN.L.cosδ三、影響舵力、轉(zhuǎn)船力矩的因素1.與舵角的大小成正比在一定范圍內(nèi)，舵力隨著舵角的增大而增大。但在前面我們講過攻角存在臨界攻角，當(dāng)攻角超過臨界攻角時，在舵葉背面的水流流線被破壞形成渦流，使背面壓力驟降，阻力急增，使有效舵力和轉(zhuǎn)船力矩下降。因此，我們把臨界攻角時對應(yīng)的舵角稱為極限舵角。2.與舵面積的大小成正比舵的面積越大，舵力也就越大，舵的轉(zhuǎn)船力矩也就越大。為提高舵效，可適當(dāng)增大舵面積。但是，舵面積越大，要求轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的功率也越大。為解決這一矛盾，可采用多舵配3.與作用在舵面上的水流流速平方成正比作用在舵面上的水流流速是由航速、伴流流速和螺旋槳排出流流速三部分組成的。作用在舵面上的水流流速越大，舵力也越大。因此，快車前進(jìn)中，舵效較好，慢車前進(jìn)中，舵效較差，慢車停車后，舵效更差。1.3.2船艇不同運動狀態(tài)下舵的作用要正確用舵，必須掌握船艇不同運動狀態(tài)下擺舵后流經(jīng)舵葉的水流情況。為了便于分析，對流經(jīng)舵葉的水流按其形成原因進(jìn)行分解，把船艇不同運動狀態(tài)下擺舵后舵葉受力，看成是螺旋槳排出流、吸入流、艇體運動所產(chǎn)生的頂流的不同組合的結(jié)果。至于伴流，它和頂流同時產(chǎn)生，其作用僅相當(dāng)于削弱頂流，所以就不專門討論了。一、正車前進(jìn)時如圖1—18所示，船艇在正車前進(jìn)運動中擺舵，流經(jīng)舵葉的水流有：螺旋槳正車的排出流，由船艇前進(jìn)運動產(chǎn)生的頂流。兩者方向一致，都是由前向后。因此，舵葉上水PVTVM頂流排出流M圖1—18正車前進(jìn)擺舵后艇首轉(zhuǎn)動方向使艇首向擺舵舷轉(zhuǎn)動。螺旋槳的排出流流速很高。一般說來，螺旋槳轉(zhuǎn)速越高，排出流流速越大。前進(jìn)中擺舵，由于排出流速度和頂流速度都較高，所以舵力大，舵效好。二、倒車后退時流經(jīng)舵葉的水流有：船艇后退引起的頂流，螺旋槳倒車的吸入流。倒車時螺旋槳的排出流流向艇體，對舵不起作用。由于頂流和吸入流都是從艇尾流向艇首方向，因此舵力從后向前作用于舵葉，使艇尾向擺舵舷轉(zhuǎn)動。TV吸入流頂流TV圖1—19倒車后退時擺舵艇尾轉(zhuǎn)動方向與前進(jìn)的舵效比較，在同樣舵角、輪轉(zhuǎn)速條件下，后退的舵效要低得多。三、換車過程中舵的作用船艇由正車(倒車)中停車改為倒車(正車)稱為換車。換車后船艇仍沿慣性前進(jìn)(后退)，直至倒(正)車推力克服慣性，艇才靜止，繼之才后退(前進(jìn))。我們把從下令停車至船艇停止前進(jìn)(后退)的過程，稱為換車過程。1.前進(jìn)中換車在正車前進(jìn)中換車，如果擺舵，舵上受到的水流作用如下：船艇沿前進(jìn)慣性引起的頂流，螺旋槳倒車產(chǎn)生的吸入流。頂流的方向與吸入流的方向相反，在剛倒車時船艇慣性大，頂流流速大于吸入流流速，因此，舵力從前向后作用于舵葉，艇首向擺舵舷轉(zhuǎn)動。隨著慣性逐漸減弱，頂流流速逐漸降低，船艇轉(zhuǎn)動逐漸變緩，當(dāng)船艇后退時，吸入流和頂流均從后向前作用于舵葉后面，艇首緩慢向擺舵相反一舷回轉(zhuǎn)，如圖1—20所示。一般說來，在前進(jìn)換車的過程中，作用在舵上的頂流大于吸入流，且方向相反，因此互相抵消一部分，所以舵效差。2.后退中換車船艇后退中停車，并立即開進(jìn)車和擺舵，在船艇仍按慣性后退過程中，流經(jīng)舵上的水流有：螺旋槳進(jìn)車產(chǎn)生的排出流，船艇慣性后退中產(chǎn)生的頂流。一般情況下，排出流流速比后退頂流流速要大得多，因此，舵力從前向后作用于舵葉，艇首向擺舵舷轉(zhuǎn)動。這時排出流雖然被削弱一部分，但由于后退慣性一般不大，而排出流又很強(qiáng)，因此舵效高。當(dāng)船艇開始前進(jìn)時，排出流和頂流方向相同，故從前向后作用于舵葉，艇首加速向擺舵舷轉(zhuǎn)動。頂流吸入流\y吸入流\\、P頂流\、P頂流吸入流22圖1—20前進(jìn)中換車舵的作用P2排出流1頂流P排出流排出流1P排出流P頂流3圖1—21后退中換車舵的作用一、舵效概念船艇在各種不同的運動狀態(tài)下，用舵設(shè)備操縱船艇所表現(xiàn)的綜合效果稱為舵效，包括正舵的穩(wěn)向性、小舵角的保向性、一般舵角的改向性和大舵角的旋回性等。無論哪個方面，都反映了舵對船艇航向即艇首向的控制能力。通常，對改向性來說，舵效是指當(dāng)操一舵角后，船艇因之回轉(zhuǎn)某一角度所需的時間和縱、橫距。船艇操舵后能在較短的時間和縱、橫距內(nèi)完成較大的改向角，則認(rèn)為該船的舵效好；反之則較差。二、影響舵效的因素1.舵角。在極限舵角范圍內(nèi)，舵角越大，舵壓力就越大，因而舵效也應(yīng)越好。2.舵面積系數(shù)。舵面積系數(shù)大，舵效好；舵面積系數(shù)小，舵效差。3.舵速。舵壓力與舵速平方成正比。由螺旋槳先停轉(zhuǎn)或慢轉(zhuǎn)，然后加大轉(zhuǎn)速，能增大螺旋槳尾流中的軸向誘導(dǎo)速度，使舵速增加，提高舵效。4.舵性。舵性是指操舵設(shè)備操縱船艇時，舵設(shè)備的輕便、靈活、準(zhǔn)確、可靠的性能。操舵所需時間越短，舵效越好。從實際使用來看，電動液壓舵機(jī)性能好，舵來得快，回得也快；而電動舵機(jī)來得快，回得慢，不易穩(wěn)舵。5.艇體水下側(cè)面積。艇首水下側(cè)面積分布多或首傾，舵效就差；而艇尾水下側(cè)面積分布多，或適量尾傾，舵效變好。6.吃水。船艇滿載時的舵效較輕載時差。7.橫傾。船艇低速時，向低舷側(cè)轉(zhuǎn)向舵效好；高速航行時，向高舷側(cè)轉(zhuǎn)船舵效好。8.風(fēng)、流、污底及淺水。風(fēng)中航行，滿載舵效比輕載好；流中航行，逆流舵效比順流好，常流舵效比亂流好；船艇污底嚴(yán)重舵效變差；淺水中航行，舵效較深水中差。9.舵效與螺旋槳正轉(zhuǎn)進(jìn)航、反轉(zhuǎn)倒航有關(guān)。螺旋槳正轉(zhuǎn)且船艇進(jìn)航時舵效好；螺旋槳反轉(zhuǎn)且船艇倒航時舵效差。1.船艇運動時的總阻力主要包括哪些？其大小各與哪些因素有關(guān)？2.根據(jù)工作時旋轉(zhuǎn)方向，螺旋槳可分為幾種？如何進(jìn)行辨別？3.簡述螺旋槳產(chǎn)生推力和阻力的原理。推力和阻力的大小與哪些因素有關(guān)？4.船艇在碼頭試車時為什么只能用低速？用螺旋槳的工作原理加以說明。5.簡要分析右(左)旋式螺旋槳的單車船艇的致偏效應(yīng)。6.雙(四)車船艇的操縱特點有哪些？7.影響舵力大小的因素有哪些？8.簡要分析船艇在正車前進(jìn)、倒車后退和換車過程中舵的作用，并畫圖示例。9.什么叫舵效？其影響因素有哪些？第二章船艇操縱性能船艇操縱性是指船、槳、舵等在水中運動所產(chǎn)生的水動力，使船艇保持或改變其運動狀態(tài)(船速、航向和位置)的性能，或者說船艇對駕駛?cè)藛T實施操縱的響應(yīng)能力。船艇操縱性能可分為固有操縱性和控制操縱性兩種。固有操縱性是指船艇不考慮外界環(huán)境條件、操舵裝置性能、駕駛?cè)藛T的技術(shù)水平等的差異所表現(xiàn)的自身固有的操縱性?？刂撇倏v性則是考慮了上述因素的船艇，在具體操船環(huán)境下實操時所表現(xiàn)的操縱性。一般所指的船艇操縱性是狹義的固有操縱性，包括船艇追隨性、定?；剞D(zhuǎn)性和航向穩(wěn)定性。廣義的船艇固有操縱性能則包括船艇控速性能，2.1船艇啟動、制動性能2.1.1船艇啟動性能船艇在靜止?fàn)顟B(tài)中開動主機(jī)，使船艇達(dá)到與主機(jī)功率相應(yīng)的速度所需的時間和航行距離的性能稱為啟動性能，如圖2—1所示。圖2—1船艇的啟動性能船艇從靜止?fàn)顟B(tài)開正車時，推力的增加較快，在短時間內(nèi)就能達(dá)到規(guī)定的定值T0，而船速增加較為緩慢，必須經(jīng)過一段時間t0才能增加到適應(yīng)推力的速度V0。由于作用艇體的阻力隨速度一起增加，所以，當(dāng)經(jīng)過時間艇的航行距離也隨速度一起增大，當(dāng)達(dá)到t0時，船艇航行距離為S0，并以V0作勻速運動。圖2—1船艇的啟動性能2.1.2船艇制動性能船艇的制動性能是指船艇在某船速下，主機(jī)停車或倒車后，船艇對主機(jī)工況反應(yīng)的能力。一般用船艇沖程和沖時來衡量。一、停車沖程、沖時船艇在各種速度情況下，停車至船艇速度為零所需滑行的距離Ss為停車沖程，滑行過程所需的時間ts為停車沖時。二、倒車沖程、沖時為了緊急避開前方障礙物，避免船艇觸礁或與他船碰撞，單靠停車是不夠的，積極的措施是用倒車給予相反的推力，使船艇盡快停住。這種用倒車使船停下來的慣性稱為倒車慣性。在各種速度下倒車至船艇完全停住所需滑行的距離為倒車沖程，又稱緊急停船距離或最短停船距離；滑行全過程所需時間為倒車沖時，又稱緊急停船時間。船艇緊急停船中，使船艇作減速運動的是船艇阻力和螺旋槳產(chǎn)生拉力，此時，航速和時間的關(guān)系曲線接近直線，如圖2—2所示。三、影響船艇沖程的因素船艇的慣性沖程包括停車沖程和倒車沖程，它們一般受下列因素影響：1.排水量。在船速一定時，排水量越大，沖程就越大。通常沖程約與排水量的立方根成正比，壓載時的沖程約為滿載時3.主機(jī)倒車功率及類型。主機(jī)倒車功圖2—2減速運動中航速與時間的關(guān)系率大，倒車沖程就小。4.推進(jìn)器類型。調(diào)距螺旋槳與定距螺旋槳相比，換向操作時間短，它在調(diào)整螺距的同時，即可發(fā)出較大的倒車?yán)?。因此，調(diào)距槳船的最短停船距離較短，大約為定距槳船的5.艇型系數(shù)。艇型系數(shù)與船艇阻力有密切關(guān)系，其中方型系數(shù)影響較大。越大，最短停船距離就越大。6.外界因素。順風(fēng)流時沖程增大，反之減??；淺水域中船艇沖程較深水中??；艇體污底嚴(yán)重，船艇阻力增加，沖程相應(yīng)減小。2.1.3停船性能上述在討論船艇制動性能時，沒有考慮船艇因制動而產(chǎn)生的偏航因素。船艇停船性能是指在額定艇速下，經(jīng)制動操縱后，可在允許偏航范圍內(nèi)迅速停船的性能。衡量停船性能的指標(biāo)除艇用沖程外，還有制動縱距、制動橫距和制動偏航角等。如圖2—3所示。一、制動縱距FL在全速前進(jìn)時發(fā)出全速倒車令至船艇對水停止移動時，船艇重心位置在原航向上的縱二、制動橫距FT在全速前進(jìn)時發(fā)出全速倒車令至船艇對水停止移動時，船艇重心位置沿垂直于原航向上橫向移動FT三、制動偏航角FT全速前進(jìn)中發(fā)出全速倒車令至船艇對水停止移動時，艇首向一舷偏轉(zhuǎn)的角度。壓載時，停船需時FLFL航角大。排水量越大，制動偏航角就越大。倒車制圖2—3船艇的停船性能動時，右旋單槳船艇首向右轉(zhuǎn)；雙螺旋槳倒車時，則無偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。緊急制動效果的好壞直接關(guān)系到船艇安全，不同環(huán)境、不同條件下應(yīng)采用不同的制動方法，方能取得好的效果。表2—1各種制動方法的適用范圍制動方法制動類型有效速度域可使用的操縱環(huán)境倒車制動提高拉力型任意速度全部水域大舵角回轉(zhuǎn)制動增加阻力型較寬水域，減速快拖錨制動港內(nèi)操縱之字形航行制動混合型緊急停船，減速快(較寬水域)2.2航向穩(wěn)定性與保向性2.2.1航向穩(wěn)定性所謂航向穩(wěn)定性，指的是船艇在受外界干擾取得轉(zhuǎn)頭角速度r0后，當(dāng)干擾結(jié)束之后在船艇保持正舵的條件下，船艇所受的轉(zhuǎn)頭阻矩對艇體轉(zhuǎn)頭運動有何影響，因而船艇轉(zhuǎn)頭運動將如何變化的性質(zhì)。一艘航向穩(wěn)定性較好的船艇，直進(jìn)航行中即使很少操舵也能較好地保向；而當(dāng)操舵改向時，又能較快地應(yīng)舵；轉(zhuǎn)向中回正舵，還能較快地把航向穩(wěn)定下來。其特點是對舵的響應(yīng)運動來得快，耗時短，因而舵效比較好。根據(jù)外界干擾消除后船艇運動狀態(tài)的不同可分為以下幾種情況，如圖2—4所示。圖2—4船艇外界干擾消除后的運動狀態(tài)正舵直進(jìn)中的船艇，在受到風(fēng)、浪、流或其他因素干擾后，船艇將偏離原來的運動狀態(tài)。當(dāng)干擾消失后，在保持正舵條件下，若船艇能恢復(fù)到原來的運動狀態(tài)，則具有位置穩(wěn)定性；若能恢復(fù)到原來的航向，則具有方向穩(wěn)定性；若能在偏離原運動狀態(tài)后，迅速衰減這種偏離，而較快地穩(wěn)定到新的航向上，進(jìn)行新的直線運動，則具有直線穩(wěn)定性。當(dāng)然，也可能在干擾消除后，船艇最終將進(jìn)入一個回轉(zhuǎn)運動，這類船艇則不具備航向穩(wěn)定性。一、靜航向穩(wěn)定性靜航向穩(wěn)定性，是指當(dāng)船艇因外力作用稍微偏離原航向，而重心仍沿原航線運動時，船艇斜航漂角將如何變化的性能。也就是說，外力干擾消失后，若船艇不僅最終航向與初始航向相同，而且位置也在原航向延伸線上，則稱船艇具有靜航向穩(wěn)定性(位置穩(wěn)定性)。一般船艇均不具備靜航向穩(wěn)定性，因為一旦發(fā)生斜航，其漂角的出現(xiàn)將產(chǎn)生使漂角繼續(xù)增大的轉(zhuǎn)頭力矩，如圖2—5所示，往往不能自行回復(fù)到原航線上，故常常表現(xiàn)為靜航向不穩(wěn)定。船艇越是首傾，艇體側(cè)面積在艇首分布越多，其靜航向穩(wěn)定性就越差。原航原航0.04N(+)0.02GββCNv22wCNv22w.L.d.vCNN,G084圖2—5船艇的靜航向穩(wěn)定性二、動航向穩(wěn)定性動航向穩(wěn)定性指的是當(dāng)外界干擾過去之后，船艇在不用舵糾正的情況下，能盡快穩(wěn)定于新航向的性能，即船艇直線穩(wěn)定性。穩(wěn)定于新航向較慢、慣性轉(zhuǎn)頭角較大的船艇，其動航向穩(wěn)定性較差；穩(wěn)定得較快、慣性轉(zhuǎn)頭角較小的船，其動航向穩(wěn)定性較好；一直轉(zhuǎn)頭不停而偏轉(zhuǎn)下去的船，則不具備動航向穩(wěn)定性。一般所說的船艇航向穩(wěn)定性指的就是動航向穩(wěn)定性，即船艇直線運動穩(wěn)定性。大多數(shù)船艇都具有直線穩(wěn)定性。當(dāng)然，航向穩(wěn)定性差的船艇，甚至航向不穩(wěn)定的船艇，為了保持航向，就需頻繁操舵，且所用舵角也偏大。2.2.2船艇保向性一、船艇保向性與航向穩(wěn)定性之不同船艇保向性與航向穩(wěn)定性并不是同—概念。航向穩(wěn)定性是具有一定初始轉(zhuǎn)頭角速度的船艇，僅在艇體因轉(zhuǎn)頭而受到的旋回阻矩作用下逐漸穩(wěn)定于新航向的能力，是船艇本身固有的性能。保向性則是指船艇在外力作用下(如風(fēng)、流、浪等)，由操舵水兵(或自動舵)通過羅經(jīng)識別船艇首搖情況，并通過操舵抑制或糾正首搖并使船艇駛于預(yù)定航向的能力，如船艇保向性的好壞不僅與航向穩(wěn)定性的好壞有關(guān)，同時取決于操舵人員的技能及熟練程度、自動舵的控制能力、舵機(jī)的響應(yīng)能力，以及舵的控向能力。顯然，航向穩(wěn)定性越好的船艇，保向性也越好。圖2—6船艇的保向性二、影響保向性的主要因素方形系數(shù)Cb較小、長寬比L/B較高的瘦削型船艇，回轉(zhuǎn)時阻矩較大，航向穩(wěn)定性較好，保向性較好；肥胖型船則較差。淺吃水的寬體船保向性較差。2.水線下艇體側(cè)面積形狀水線下側(cè)面積在艇尾分布較多的船艇，如艇首較為削進(jìn)、艇尾具有較大鈍材的船艇，其航向穩(wěn)定性較好，保向性也好；而裝有球鼻首的船將使航向穩(wěn)定性降低，從而也降低了3.載態(tài)載態(tài)的改變將導(dǎo)致水下和水上船型的改變，因而也影響到船艇保向性。對于同一艘船而言，通常輕載較滿載時的航向穩(wěn)定性好，保向性也好；尾傾較首傾時的保向性好。但在受強(qiáng)風(fēng)影響時，船艇空載時的受風(fēng)面積大，故保向性會下降。4.船速對于同一艘船而言，隨著船速的提高，船艇的保向性將變好5.舵角隨著舵角的增加，船艇的保向性將有明顯改善。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。6.舵面積比舵面積比越大，航向穩(wěn)定性越好，保向性越好。7.其他因素水深變淺、污底增加，將使航向穩(wěn)定性變好，保向性提高；順風(fēng)、順流航行將使航向穩(wěn)定性變差，保向性降低。2.3船艇旋回性能2.3.1船艇旋回運動特征船艇以一定航速直線航行中，擺一定舵角后，船艇將作旋回運動。根據(jù)船艇在旋回過程中的受力特點及運動狀態(tài)的不同，可將船艇旋回運動分為三個階段。一、第一階段——轉(zhuǎn)舵階段船艇開始轉(zhuǎn)舵起至舵轉(zhuǎn)到預(yù)定舵角，航向開始有明顯變化之前為止，稱為轉(zhuǎn)舵階段或初始旋回階段。在該階段，由于時間較短，船艇因運動慣性的仍保持直線前進(jìn)，水動力R以及螺旋槳推力作用于首尾線上，艇體受力情況如圖2—7所示。XMPPPYPYYGPTPPTPδ圖2—7轉(zhuǎn)舵階段舵的作用圖慣性力慣性力2—8轉(zhuǎn)舵階段艇體的橫傾這一階段船艇旋回運動有以下特征：1.船速下降。因為受舵力P的分量Px的影響，打破了原來水動力R和螺旋槳推力T之間的平衡，在船艇首尾運動方向上產(chǎn)生了負(fù)加速度。2.船艇重心有向操舵相反一側(cè)橫移的趨勢。這是由于受舵力P的分量Py的作用。3.艇首有朝操舵一側(cè)偏轉(zhuǎn)的趨勢。P、P'形成的力偶矩使船艇向擺舵一舷轉(zhuǎn)動。4.船艇朝操舵一側(cè)橫傾(內(nèi)傾)。由于慣性力與Py不在一個水平面上，而產(chǎn)生內(nèi)傾力矩Mt1，如圖2—8所示。二、第二階段——過渡階段操舵后，由于船艇出現(xiàn)向操舵相反一側(cè)橫移而使其運動方向發(fā)生改變，形成了漂角β。越來越明顯的斜航運動將使船艇進(jìn)入加速旋回階段，同時伴有明顯的降速。如圖2—9所示，該階段中，船艇的旋回角速度、橫移速度和漂角均逐步增大，水動力的作用方向由第一階段來自正前方逐漸改變?yōu)閬碜酝淄庀戏较?。由于水動力作用點較重心更靠近艇首，因而產(chǎn)生水動力轉(zhuǎn)船力矩，方向與舵力轉(zhuǎn)船力矩一致，使船艇加速旋回；與此同時，圖2—9過渡階段受力分析隨著旋回角加速度的不斷提高，又會產(chǎn)生不斷增大的船艇旋回阻矩，從而使旋回角速度不斷降低，角速度的增加受到限制。這一階段船艇旋回運動有以下特征：1.艇速繼續(xù)下降。其首要因素是船艇斜航時水動力的縱向分力增加；其次是舵力的縱向分力、旋回運動產(chǎn)生的離心力的縱向分力以及旋回中推進(jìn)效率的下降。2.船艇重心由反向橫移變成向操舵一舷正向橫移。船艇在旋回中，隨著漂角β的增大，水動力R不斷增大，而舵力P卻有所下降，以致R的橫向分力大于P的橫向分力。3.船艇出現(xiàn)外傾并逐漸增大。其原因是舵力橫向分力Py、水動力的橫向分力Ry，以及旋回中產(chǎn)生的離心力的橫向分力Qy作用于船艇垂直方向的不同位置，構(gòu)成力矩，從而使船用由初始階段的內(nèi)傾變?yōu)橥鈨A。4.船艇加速向操舵一舷旋回。因為MP、MR方向一致，且大于回轉(zhuǎn)阻矩，回轉(zhuǎn)角加速度仍為正值。三、第三階段——穩(wěn)定階段船艇作勻速圓周運動時即進(jìn)入定?；剞D(zhuǎn)運動階段，這一階段稱為穩(wěn)定階段，又稱圓航隨著旋回運動的不斷發(fā)展，一方面，舵力的下降使舵力轉(zhuǎn)船力矩減小，水動力的作用點隨著漂角的增大不斷后移，水動力轉(zhuǎn)船力矩減??；另一方面，隨著船艇旋回角速度的增加，由阻止船艇回轉(zhuǎn)的阻力所構(gòu)成的水阻力轉(zhuǎn)船力矩也同時增大。如圖所示，當(dāng)漂角增加到一定值時，作用于艇體的諸力及其力矩達(dá)到平衡，即船艇進(jìn)入定常旋回。該階段中，艇體所受合力矩為零，角加速度為零，轉(zhuǎn)頭角速度達(dá)到最大并穩(wěn)定于該值，船艇降速達(dá)到最大值，外傾角、橫移速度也趨于穩(wěn)定。這一階段船艇旋回運動有以下特征：1.船艇以一定的漂角作勻速圓周運動。原航原航向開始操舵2.3.2旋回要素及其應(yīng)用旋回圈是指船艇以固定的舵角、航速進(jìn)行360°旋回時重心運動的軌跡，其形狀如圖2—10所示。一、旋回圈要素1.縱距Ad縱距是指開始操舵到航向轉(zhuǎn)過任一角度時重心所移動的縱向距離。通常所說的縱距是指航向轉(zhuǎn)過90°2.橫距Tr橫距是指開始操舵到航向轉(zhuǎn)過任一角度時船艇重心向操舵一側(cè)移動的橫向距離。通常所說的橫距是當(dāng)戰(zhàn)術(shù)直徑是指開始操舵到航向轉(zhuǎn)過180°時，重心所移動的橫向距離。在此基礎(chǔ)上，如再轉(zhuǎn)過相當(dāng)于漂角的度數(shù)，則將出現(xiàn)最大橫距Trmax。4.旋回直徑D旋回直徑是指船艇作定常旋回運動時，重心軌跡圓的直徑。5.反移量(偏距)Lf反移量指操舵后，船艇重心從原航向向操舵相反一側(cè)橫移的距離，又稱偏距。在滿舵旋回時，當(dāng)船艇回轉(zhuǎn)達(dá)到一個羅經(jīng)點時，反移量達(dá)到最大值，約為船長的1%左右，而艇尾反移量的最大值可達(dá)船長的1/10～1/5。6.滯距Re/AF滯距是指操舵開始時的重心位置至定常旋回曲率中βG/AFGAG心的縱向距離，又稱心距。PβFGAG7.漂角β船艇旋回時，船艇首尾線與首尾線上任一點的旋回切線速度方向之間的夾角，稱為該點的漂角，如圖2—βAβF11所示。一般所說的漂角是指船艇重心處的漂角。船艇首尾線上不同點處的漂角不相等，艇尾處漂角O最大。8.轉(zhuǎn)心P由船艇旋回曲率中心O作船艇首尾線的垂線，垂足P即為轉(zhuǎn)心。如圖2—11所示，P點處的線速度方向與首尾線一致，故該點的漂角為零；同時由于船艇繞該點的豎軸自轉(zhuǎn)，故該點的橫移速度為零。一般船艇在定常旋回中，轉(zhuǎn)心約在艇首柱后1/3～1/5船長處。漂角越大的船，轉(zhuǎn)心距艇首柱越近。而后退中旋回的船艇，其轉(zhuǎn)心位于重心之后，約與前進(jìn)旋回時的轉(zhuǎn)心位置對9.旋回時間t旋回360°所需的時間。它與旋回初始船速、船艇排水量有密切關(guān)系。船速越低、排水量越大，旋回所需時間越長。此外，不同船型、不同舵角旋回時間也不相同。10.旋回中的橫傾角θ操舵后，船艇開始出現(xiàn)少量內(nèi)傾，隨后船艇由內(nèi)傾變?yōu)橥鈨A。在此期間由于橫向搖擺慣性的原因，船艇會出現(xiàn)最大的外傾角θm，這是旋回的第二階段尤其應(yīng)注意的危險現(xiàn)象，在實際操縱中，應(yīng)避免高速大舵角轉(zhuǎn)向。進(jìn)入定常旋回階段后，將穩(wěn)定在一定常外傾角θc。二、旋回要素在操縱中的應(yīng)用(一)反移量的應(yīng)用反移量，尤其是艇尾反移量，在操舵后的初始階段達(dá)到最大值。在船艇操縱中必須注1.本船航行中發(fā)現(xiàn)有人落水，時，應(yīng)立即向落水者一舷操滿舵，使艇尾迅速擺離落水者，以免使之卷入螺旋槳。2.在距艇首較近的前方發(fā)現(xiàn)障礙物時，應(yīng)立即操滿舵使艇首讓開；當(dāng)估計艇首已可避開時，再操相反一舷的滿舵以便讓開艇尾。3.當(dāng)艇首已擺出碼頭擬進(jìn)車離泊時，如很快操大舵角進(jìn)車離泊，則會因為艇尾外擺較大而觸碰碼頭，所以應(yīng)當(dāng)避免打外舷大舵角，而用小舵角慢慢離開。4.船艇過彎道時，如船速快，大舵角轉(zhuǎn)向，則會產(chǎn)生較大的艇尾反移量，因此應(yīng)保持足夠的船岸間距。(二)其它要素的應(yīng)用安全距離圖2—12船艇旋回的安全邊界戰(zhàn)術(shù)直徑和進(jìn)距可用來估算用舵旋回掉頭所需水域的大小。值得注意的是，操縱人員在估算所需旋回水域大小時，需將艇尾偏出旋回圈外的長度考慮進(jìn)去，這就要在最大縱距、最大橫距的基礎(chǔ)上，再增加約L/5的長度，否則會影響船艇的安全旋回，如圖2—12安全距離圖2—12船艇旋回的安全邊界兩船對遇時，兩船進(jìn)距之和可用來估算最晚施舵點，即兩船距離大于或等于兩船進(jìn)距之和。若用舵緊急避讓，則在理論上不管用右滿舵還是左滿舵，都能讓開。然而，在實際操縱中，還應(yīng)考慮操舵延遲、風(fēng)流漂移、尾反移量以及安全余量等因素。2.3.3影響旋回圈大小的因素旋回圈大小主要受水下船型、船艇吃水狀態(tài)、操船、外界環(huán)境等方面因素的影響。一、水線下的船型因素1.艇型系數(shù)。方形系數(shù)小的高速船(Cb≈0.6)的旋回性較肥大型(Cb≈0.8)的船差。在相同舵角情況下，前者旋回初徑與船長之比幾乎為后者的2倍左右。因此，Cb越大，旋回直徑相對越小。2.艇體水線下側(cè)面積形狀。水線下艇首側(cè)分布面積較大的船艇，旋回圈較??；艇尾分布面積較大的船艇，旋回圈較大。3.舵面積系數(shù)。舵面積系數(shù)越大，旋回圈就越小。但舵面積系數(shù)不宜太大，否則，在增加MP的同時，回轉(zhuǎn)阻矩也增大，旋回圈反而不能減小。因此，不同的船艇有它各自的最佳舵面積系數(shù)。二、船艇吃水狀態(tài)1.吃水。對同一艘船艇而言，吃水大、滿載時的縱距有較大增加。2.縱傾。尾傾增大，旋回圈直徑增大；首傾時，旋回圈直徑將變小。3.橫傾。艇體橫傾時，由于左右浸水體積不等，低速時，受阻即推力矩作用，操舵向低舷側(cè)旋回的旋回圈較??；而當(dāng)高速時，受首波峰壓力轉(zhuǎn)船力矩的作用，向高舷側(cè)旋回的旋回圈較小。三、操艇方面的影響1.舵角。在極限舵角的范圍內(nèi)，舵角增加，回轉(zhuǎn)圈減小，15°舵角的旋回圈直徑比滿舵角時的旋回直徑增加130%～170%；且舵角小于15°時，舵角增加引起旋回圈直徑的減小值比舵角大于15°時旋回直徑的減小值大得多。2.操舵時間。操舵時間越短，即操舵速度越快，縱距越小。根據(jù)1974年SOLAS公約規(guī)定，船艇主操舵裝置應(yīng)具備在船艇最大吃水和以最大營運船速前進(jìn)時，將舵自一舷的35°轉(zhuǎn)至另一舷的并且自任何一舷的35°轉(zhuǎn)至另一舷的35°的時間應(yīng)不超過28秒；一般情況下，由正舵至一舷35°為止的時3.艇速。船速除對旋回所需時間有明顯影響外，對戰(zhàn)術(shù)直徑也有一定影響。0.18＜Fr＜0.3范圍內(nèi)的艇速對戰(zhàn)術(shù)直徑影響很小。當(dāng)船速低于一定程度后(Fr<0.18)，戰(zhàn)術(shù)直徑將隨艇速的降低而逐漸增大；當(dāng)船速增加到Fr＞0.3時，旋回初徑將增大。實際操縱中，可以通過控制增減速的時間來調(diào)整旋回圈的大小，如圖2—減速回轉(zhuǎn)減速回轉(zhuǎn)（進(jìn)三→停船）正常回轉(zhuǎn)（進(jìn)三）Tr加速回轉(zhuǎn)Ad（停船→進(jìn)三）圖2—13艇速與旋回的關(guān)系四、螺旋槳轉(zhuǎn)動方向?qū)τ倚絾螛?，由于前進(jìn)中伴流效應(yīng)橫向力、排出流效應(yīng)橫向力均使艇首右偏，且大多能克服淺水效應(yīng)橫向力的作用，因此向右旋回時其旋回圈略小而向左略大。同理，左旋單槳船航行中的旋回情況正好相反。五、外界環(huán)境的影響1.淺水。旋回圈在其他條件相同時，隨著水深的變淺而逐漸增大。當(dāng)水深與吃水之比小于2時，旋回圈將明顯增大。2.污底。艇體污底越多，摩擦阻力增加，旋回圈變大，但影響較小。3.風(fēng)流。頂風(fēng)頂流將使縱距減小，順風(fēng)順流將使縱距增大。1.船艇的運動性能有哪些？各是如何定義的？2.船艇的旋回過程分為哪幾個階段？各有什么特點？3.船艇的旋回要素有哪些？主要有哪些應(yīng)用？第三章影響操縱性能的因素3.1浮態(tài)對船艇操縱的影響船艇浮態(tài)對操縱性能的影響，是指船艇以各種不同浮態(tài)航行時，引起作用于艇體上各種力的變化和出現(xiàn)新的力，使船艇的操縱性能發(fā)生變化。3.1.1船艇吃水變化對操縱性能的影響船艇吃水減小時，螺旋槳距水面近，淺浸效應(yīng)明顯。對于右旋單螺旋槳船艇，在這樣的情況下常須壓右舵才能保持船艇穩(wěn)定航行，且向右旋回運動時的旋回圈直徑常比向左旋回時大。雙車或四車船艇航行時，由于螺旋槳對稱分布，且旋向相反，產(chǎn)生的橫向力互相抵消，船艇吃水變化僅引起螺旋槳推力的變化。3.1.2橫傾對操縱性能的影響當(dāng)船艇存在橫傾時，其入水體積形狀的左右對稱性被破壞，因而改變了左右舷各種作用力的對稱性，使船艇偏轉(zhuǎn)。一、阻力——推力轉(zhuǎn)船力矩當(dāng)船艇正浮時，船艇的水線面左右對稱，所以船艇航行的水阻力與螺旋槳的推力大小相等方向相反且作用在同一條直線上，船艇作、勻速直線運動。當(dāng)裝載貨物重心橫移，使船艇發(fā)生橫傾，船艇啟動時，推力和慣性力轉(zhuǎn)船力矩使艇首向橫傾一舷偏轉(zhuǎn)。當(dāng)船艇以某一航速航行時，由于橫傾一側(cè)的入水面積增加，故水阻力向橫傾一側(cè)橫移，于是，阻力與推力構(gòu)成一力偶矩，使艇首向低舷一側(cè)偏轉(zhuǎn)，如圖3—1所示。MRR圖3—1橫傾對船艇產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)3—2興波對船艇產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)對于雙螺旋槳船來說，這一轉(zhuǎn)船力矩比單槳船要小一些。這是由于低舷一側(cè)的螺旋槳因浸沉深度的增加，推力也增大；高舷一側(cè)的螺旋槳因浸沉深度的減小，推力則降低。兩螺旋槳的推力合力作用線也略偏于低舷一側(cè)，故推力作用線與水阻力作用線的間距較小，阻力——推力轉(zhuǎn)船力矩有所降低。二、艇首波峰壓力轉(zhuǎn)船力矩當(dāng)船艇以橫傾狀態(tài)高速航行時，興波增大。因低舷一側(cè)的浸水形狀較高舷一側(cè)的豐滿，因此低舷一側(cè)的艇首波峰較高，高舷一側(cè)的艇首波峰較低。由于兩舷的總壓力差額產(chǎn)生向高舷方向的轉(zhuǎn)船力矩，使艇首向高舷一側(cè)偏轉(zhuǎn)。船速越高，這一轉(zhuǎn)船力矩越顯著，如圖3—2所示。雙槳船的這種情況比單槳船顯著。由于上述兩主要轉(zhuǎn)船力矩的作用，橫傾狀態(tài)的船艇啟動時，推力——慣性力或推力——阻力轉(zhuǎn)船力矩起主要作用，船艇首先向低舷一側(cè)偏轉(zhuǎn)；隨著船速增大，由于艇首波峰壓力轉(zhuǎn)船力矩的形成，而且艇首波峰壓力差的作用點至船用重心間的垂距較大，轉(zhuǎn)矩也較大，使艇首向高舷一側(cè)偏轉(zhuǎn)。另外，船艇橫傾時，舷壓力產(chǎn)生垂向分力，舵效也受影響。最后應(yīng)注意，橫傾會減小橫傾一舷的干舷高度，增加船艇向高舷一側(cè)掉頭時傾覆的危3.1.3縱傾對操縱性能的影響縱傾與船艇的重心位置有關(guān)。重心在艇體前部產(chǎn)生首縱傾，重心在艇體后部產(chǎn)生尾縱傾。而船艇重心的位置在前或在后必然影響舵壓力的轉(zhuǎn)船力矩。首縱傾時，力臂大，轉(zhuǎn)船力矩大；尾縱傾時，力臂短，轉(zhuǎn)船力矩小，如圖3—3所示。船艇的縱傾與艇體水線下側(cè)面積的形狀有關(guān)。尾傾時，可使旋回時的阻尼力矩增大，航向穩(wěn)定性提高，旋回性能變差。從上述兩方面可見，尾縱傾的船，舵壓力轉(zhuǎn)船力矩必然小些。尾部入水側(cè)面積增加則旋回阻尼增大，航向穩(wěn)定性好，旋回性差。但由于尾縱傾使舵的入水面積增加，螺旋槳浸沉深度增加等產(chǎn)生新的影響，對轉(zhuǎn)船力矩起補(bǔ)償作用，其結(jié)果反會使操縱性好些。因此，一般船艇航行時，常略尾傾。首縱傾的船，舵壓力轉(zhuǎn)船力矩大，艇尾入水側(cè)面積則較小，阻尼力矩小。航行于川江的船艇，要求有較好的旋回性，因此常使船艇首縱傾。側(cè)面積增加側(cè)面積增加側(cè)面積減少圖3—3縱傾對操縱性能的影響3.2風(fēng)對船艇操縱的影響3.2.1風(fēng)動力及其轉(zhuǎn)船力矩如圖3—4所示，在相對風(fēng)速Va作用下，船艇水線以上面積受風(fēng)產(chǎn)生風(fēng)動力Fa，N點為風(fēng)動力的作用點，θ為風(fēng)舷角，α為風(fēng)動力角，a為艇首至風(fēng)動力作用點N的距離，lG為艇首至重心的垂直距離，L為船長。船艇所受風(fēng)動力的大小、方向、作用點與風(fēng)速的大小、風(fēng)舷角、受風(fēng)面積的大小和形狀(空載、滿載、吃水差及上層建筑的布置情況)等因素有關(guān)。風(fēng)動力Fa可近似地用下式估ρa(bǔ)——空氣密度，其標(biāo)準(zhǔn)值0.123kg/m3；Ca——風(fēng)動力系數(shù)；Va——相對風(fēng)速，m/s；g——重力加速度，9.8m/s2；Aa——水線上艇體正面投影面積，m2；Ba——水線上艇體側(cè)面投影面積，m2。ααlGLMaFaNGL__lI圖3—4風(fēng)動力及其轉(zhuǎn)船力矩圖3—5風(fēng)動力Fa作用下船艇的運動根據(jù)船艇的風(fēng)洞試驗，風(fēng)動力系數(shù)Ca、風(fēng)動力角α和風(fēng)動力作用點N隨風(fēng)舷角θ的變化具有如下特點：1.風(fēng)動力系數(shù)Ca在艇首尾受風(fēng)時最小；在θ=30°~40°及140°~160°附近具有極大值；在正橫受風(fēng)時Ca值低。由此可見，風(fēng)動力系數(shù)Ca是隨著風(fēng)舷角θ的增大，由小到大，繼而由大到一般，再由一般到大，最后由大到小變化。2.艇首至風(fēng)動力作用點的距離a隨風(fēng)舷角θ的增大而增大，風(fēng)動力作用點N自艇首逐漸移向尾部。3.風(fēng)動力角α隨風(fēng)舷角θ增大而增大，θ自40°~140°區(qū)間內(nèi)時，α約在80°~100°之間，變化不明顯。為了說明在風(fēng)動力Fa作用下船艇的運動情況，如圖3—5所示，在船艇重心G點上加上一對與Fa大小相等且方向相反的力Fa'和F，F(xiàn)a、F構(gòu)成轉(zhuǎn)船力矩Ma，使艇首偏轉(zhuǎn)，而Fa'使船艇向下風(fēng)漂移，同時還使船艇速度發(fā)生變化。轉(zhuǎn)船力矩Ma可用下式近似估算：式中：Cna——風(fēng)動力轉(zhuǎn)船力矩系數(shù)，它隨船艇類型、載況和受風(fēng)面積的大小與分布3.2.2風(fēng)對船艇操縱的影響船艇在風(fēng)動力作用下，向下風(fēng)漂移產(chǎn)生水動力，由于兩力作用點在高度上不一致，構(gòu)成橫傾力矩，使船艇出現(xiàn)橫傾，影響穩(wěn)性；由于兩力作用點沿首尾方向上不一致，構(gòu)成轉(zhuǎn)船力矩，使船偏轉(zhuǎn)。風(fēng)動力作用點N、船艇重心G和艇體水線下水動力作用點W三者間關(guān)系，決定船艇偏轉(zhuǎn)方向。船艇重心約在船艇的中部稍前。風(fēng)動力作用點在風(fēng)舷角較小時靠近艇首，隨風(fēng)舷角的增大則向后移動。一般來說，風(fēng)自正橫前吹來，風(fēng)動力作用點N在重心G之前；受橫風(fēng)作用時，N在重心G點附近；正橫后來風(fēng)，則在重心G之后，水動力作用點W，決定于相對水流的來向。船艇在前進(jìn)中，其水動力作用點W后退時，在重心G之后，如圖3—6所示。Fa1Fa2Fa3Fa4Fa5Rw1Rw2Rw3Rw4Rw5圖3—6風(fēng)壓中心水壓中心的分布規(guī)律了解了風(fēng)壓中心、水壓中心的變化規(guī)律，就可以進(jìn)而討論船艇在風(fēng)中的偏轉(zhuǎn)。一、停車漂泊受風(fēng)如圖3—7a所示，風(fēng)從正橫前吹來，船艇向后漂移，風(fēng)動力作用點在重心之前，水動力作用點在重心之后。此時，風(fēng)、水動力轉(zhuǎn)船力矩使艇首順風(fēng)偏轉(zhuǎn)，直至風(fēng)從正橫附近吹來時，風(fēng)、水動力作用點都接近重心點，船艇的偏轉(zhuǎn)力矩消失。如圖3—7b所示，風(fēng)從正橫后吹來時，風(fēng)、水動力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)船力矩使艇首迎風(fēng)偏轉(zhuǎn)，直至正橫受風(fēng)為止。因此，船艇停車漂泊時，艇首將保持在風(fēng)自正橫附近吹來的方向上(即正橫受風(fēng))，同時向下風(fēng)漂移。GR水●MRWGR水●MRWR水GN,WR風(fēng)R水\aMR▲R風(fēng)WGN,WR水R風(fēng)MaMR▲R風(fēng)WGN,WR水R風(fēng)Ma●●G./Nb圖3—7船艇在風(fēng)中漂浮時的偏轉(zhuǎn)二、前進(jìn)中受風(fēng)如風(fēng)從正橫前吹來，則風(fēng)、水動力作用點均在重心之前，如圖3—8a所示，這時艇首偏轉(zhuǎn)方向要看風(fēng)、水動力轉(zhuǎn)船力矩哪一個大而定。有的船艇MR＞Ma，艇首迎風(fēng)偏轉(zhuǎn)；有的船艇(一些上層建筑集中在前部的船艇)，MR＜Ma，艇首順風(fēng)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)船艇受后側(cè)風(fēng)航行時，風(fēng)壓中心移至重心之后，風(fēng)動力轉(zhuǎn)船力矩與水動力轉(zhuǎn)船力矩的方向一致，如圖3—8b所示，均使艇首迎風(fēng)偏轉(zhuǎn)。三、后退中受風(fēng)船艇在側(cè)風(fēng)中后退，水動力作用點在重心之后，MR總是使艇首偏向上風(fēng)。當(dāng)船艇在前側(cè)風(fēng)和橫風(fēng)中后退時，風(fēng)動力轉(zhuǎn)船力矩與水動力轉(zhuǎn)船力矩方向一致，如圖3—9a所示，艇首急劇偏向上風(fēng)；當(dāng)船艇在后側(cè)風(fēng)中后退時，雖然風(fēng)動力轉(zhuǎn)船力矩與水動力轉(zhuǎn)船力矩方向相反，如圖3—9b所示，但在一般情況下MR＞Ma，所以艇尾仍向上風(fēng)偏轉(zhuǎn)。由于后退舵效很低，往往用舵也克服不了這種偏轉(zhuǎn)，操縱時應(yīng)注意這一點。圖3—8船艇在風(fēng)中前進(jìn)的偏轉(zhuǎn)a圖3—9船艇在風(fēng)中后退的偏轉(zhuǎn)3.3流對船艇操縱的影響船艇航行時，還受到海流、潮流等水流的影響。水流有均勻水流和非均勻水流之分。在均勻性水流水域中，船艇的航速等于船速與流速的矢量和，同時船艇受流影響易偏離計劃航向，需作流壓差修正。在非均勻性水流水域中，船艇會產(chǎn)生較大橫移和(或)首搖。3.3.1均勻性水流對船艇操縱性影響一、航速和沖程的影響順流航行時，船艇對岸速度(航速)約等于船速加流速；逆流航行時，航速約等于船速逆流時，沖程減小，流速越大，沖程減少越多；順流時則相反，停車后減速非常緩慢，往往最后還需借助于倒車或拋錨，才能制止船艇對岸運動。二、水流對船艇漂移的影響如圖3—10所示，當(dāng)船艇受到流速為VW、流舷角為β的水流所產(chǎn)生的水動力作用時，船艇就要以VOW向下流側(cè)方向運動，故船艇將沿Vs與V的矢量和VOK方向運動。VOK與船艇首尾線的交角γ,稱為流壓角。VOK在x軸和y軸上的分量V和VT'為有流影響時的航速和橫漂速度。在正橫前受流時，流速越快，流舷角越大，船速越慢，橫漂速度就越大。操縱中應(yīng)特別警惕橫流的影響，尤其在通過急灣、淺灘及架橋等航段時，應(yīng)特別注意流舷角的調(diào)整。圖3—10水流對船艇漂移的影響三、水流對舵效的影響船艇在均勻流中航行，無論逆流還是順流，當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速不變時，船艇對水運動速度約等于船速。就同一船艇而言，舵速基本一致，故舵壓力和舵壓力轉(zhuǎn)船力矩不變，所以逆流或順流航行，操相同舵角在相同時間，船艇旋回相同的角度，但逆流船的縱距小于順流船，因此，逆流船的舵效較順流時好。四、水流對旋回的影響由于水流的影響，使船艇的旋回圈變成近似橢圓，如圖3—11所示。船艇順流旋回360°,旋回圈長軸垂直于流向；逆流旋回360°,旋回圈長軸平行于流向。順流旋回圈的縱距比靜水中要大，逆流則相反。由于上述現(xiàn)象，船艇在有流水域內(nèi)旋回或轉(zhuǎn)向時，應(yīng)注意：圖3—11水流對旋回的影響1.流旋回掉頭，圖3—11水流對旋回的影響漂移距離可由以下經(jīng)驗公式求得：w×t)×80%D——順流掉頭漂移距離，m；Vw——流速，m/s；t——旋回180°所需時間，s。順流掉頭所需縱距為漂移距離加船最大縱距和安全富余距離。2.有流時掌握轉(zhuǎn)向時機(jī)與靜水時不同，靜水中可在物標(biāo)接近正橫前轉(zhuǎn)向，而順流時應(yīng)提前轉(zhuǎn)向，在逆流時應(yīng)延遲轉(zhuǎn)向。3.由于船艇在水流中航行，對水速度基本不變，因此在舵角相同條件下，無論順流、逆流航行，其舵壓力基本相等。但因順流時船艇的旋回縱距大，所以，對岸而言，使用相同的舵角在車速一致的條件下轉(zhuǎn)過一個相等的航向角，順流船所需水域比逆流船要大。若同一船在對岸速度相等的條件下，逆流船舵的對水速度大于順流船，故舵壓力大，舵效好。3.3.2非均勻性水流對船艇操縱性影響非均勻性水流的種類很多，有回流、橫流、泡水、漩水等。這此水流對船艇的作用與均勻水流不同。船在均勻性水流中，在隨水向下漂移時，對水速度的變化很小，甚至為零；但在非均勻性水流中，由于流速、流向的局部改變或突變，這些改變或突變作用在船艇上時，艇體因慣性作用，船的運動跟不上這種變化，或者水流只作用于艇體的局部，對艇體產(chǎn)生水動力作用，它可以增加或減小船的前進(jìn)阻力，可以使螺旋槳的推力變大或變小，可以使舵壓力增加或減少。如果非均勻性水流從船艇橫向或成交角沖擊，可使船艇迅速橫移和因艇體前后部分受力不同而產(chǎn)生轉(zhuǎn)船力矩，使船突然偏轉(zhuǎn)而離開航線；有時甚至超過車、舵控制能力而失控導(dǎo)致事故。目前，對非均勻性水流的作用力大小難以做定量的估算。因為，它與水流的速度分布不均勻程度及船艇本身的運動狀態(tài)都有關(guān)系，特別是運動的艇體反過來也會影響水流速度的重新分布。但是，非均勻性水流的沖擊強(qiáng)度由流速、流舷角、艇體有效迎流面積等因素而定，其作用結(jié)果還因這類水流對艇體的具體沖擊部位的不同而不同：沖擊船艇中前部可使艇首急劇順流偏轉(zhuǎn)，必須操迎流舵防偏，如圖3—12(左)所示；沖擊船中后部中使艇首迎流偏轉(zhuǎn)，必須操順流舵防偏，如圖3—12(右)所示；沖擊船中部附近，則使船艇順流橫圖3—12非均勻水流對船艇操縱的影響1.船艇浮態(tài)對操縱的影響有哪些？2.風(fēng)壓中心和水壓中心的變化規(guī)律是怎樣的？3.船艇在正車前進(jìn)、倒車后退和停車漂浮時，風(fēng)對船艇的影響如何？4.流對船艇操縱有哪些影響？第四章保持航線與轉(zhuǎn)向操縱船艇長操縱船艇，實施系泊、海上航行、編隊運動及執(zhí)勤機(jī)動，都是一系列操縱行動的組合。然而，各種操縱都離不開轉(zhuǎn)向、掉頭和保持航線操縱。實踐證明：在操縱船艇過程中，能否將船艇穩(wěn)定地保持在計劃航線上航行、準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)入新航向和在受限水域中進(jìn)行安全轉(zhuǎn)向，是操縱成敗與船艇安全的關(guān)鍵。因此，保持航線與轉(zhuǎn)向操縱是各種復(fù)雜條件下船艇操縱的基礎(chǔ)。4.1舵令與車鐘令為了正確操縱船艇，首先必須熟悉邊防船艇使用的舵令、車鐘令及執(zhí)行程序。船艇長在下達(dá)車舵口令時，必須口語清晰，態(tài)度沉著，即使在危急情況下也應(yīng)有條不紊。指揮口令必須標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，按照《船艇條令》規(guī)定的口令下達(dá)。4.1.1車舵口令的執(zhí)行程序通常，車舵口令的執(zhí)行程序為：下達(dá)→復(fù)誦→執(zhí)行→報告。即當(dāng)操車兵或操舵兵聽到船艇長的車舵口令后，應(yīng)立即準(zhǔn)確、清晰地高聲復(fù)誦，使船艇長知道命令已被正確理解；復(fù)誦車舵口令后，立即按命令執(zhí)行；執(zhí)行完畢后向船艇長報告，船艇長應(yīng)回答“好”，并經(jīng)常檢查口令的執(zhí)行情況。上述執(zhí)行程序應(yīng)認(rèn)真、嚴(yán)格、一絲不茍，以保證船艇長的命令準(zhǔn)確無誤地得到執(zhí)行。例如，當(dāng)船艇長下令“左滿舵”時，操舵兵要復(fù)誦“左滿舵”，然后執(zhí)行，當(dāng)把舵轉(zhuǎn)到左滿舵位置后，報告“滿舵左”，這時，船艇長應(yīng)回答“好”。如未聽清船艇長口令但又認(rèn)為應(yīng)該使用車舵時，應(yīng)大聲報告當(dāng)時的車舵情況，以引起船艇長注意，切勿自作主張，擅自動用車舵。4.1.2舵令舵令是船艇長下達(dá)給操舵兵的操舵命令。邊防船艇使用的舵令有以下幾種：一、按舵角操舵口令：左(右)舵×、左(右)滿舵、回舵、正舵、壓舵、回到×等。二、按羅經(jīng)操舵口令：航向×××、向左(右)×度、把定、不要偏左(右)、航向復(fù)原三、按目標(biāo)操舵口令：跟前船(艇)走、對正××(目標(biāo))走、對正××疊標(biāo)走等。四、詢問口令：航向多少(羅經(jīng)航向)、什么舵、舵偏多少、舵靈嗎等。邊防船艇使用的舵令，它們的含義以及復(fù)誦詞和報告詞如表4—1所示。操舵兵復(fù)誦操舵兵報告“左(右)舵五”“左(右)舵五”將舵轉(zhuǎn)到指定的度數(shù)上“五度左(右)”“左(右)舵十”“左(右)舵十”將舵轉(zhuǎn)到指定的度數(shù)上“十度左(右)”“左(右)舵十五”“左(右)舵十五”將舵轉(zhuǎn)到指定的度數(shù)上“十五度左(右)”“左(右)舵二十”“左(右)舵二十”將舵轉(zhuǎn)到指定的度數(shù)上“二十度左(右)”“左(右)滿舵”“左(右)滿舵”將舵轉(zhuǎn)到規(guī)定的滿舵度數(shù)上“滿舵左(右)”“正舵”“正舵”迅速將舵轉(zhuǎn)到零度“舵正”“回舵”“回舵”逐漸將舵轉(zhuǎn)到零度“舵正”“回到×”“回到×”逐漸將舵回到指定度數(shù)上“×度左(右)”“把定”“把定”將船艇穩(wěn)定在下命令時的航向上“航向×××”“航向×××”“航向×××”將船艇操縱到該航向上“航向×××到”“向左(右)×度”“向左(右)×度”操縱船艇，使航向按原航向向左(右)邊×度(羅經(jīng)度數(shù))“航向×××到”“不要偏左(右)”“不要偏左(右)”保持航向，不要偏向所指的一邊“航向復(fù)原”“航向復(fù)原”將船艇操縱到原航向上“航向×××到”“完舵”“完舵”用舵完畢，舵不用了“穩(wěn)舵”“穩(wěn)舵”操縱船艇，不要偏離航向“什么舵?”將當(dāng)時舵角指示器所指的度數(shù)報告給船艇長“×度左(右)”“舵靈嗎?”“不靈”“航向多少?”“航向×××”“壓舵”“壓舵”將舵轉(zhuǎn)到另一舷，以迅速穩(wěn)定航向“××度左(右)”“跟前船(艇)走”“跟前船(艇)走”由舵手自行操縱船艇，跟前行船(艇)保持縱隊航行“對正××走”“對正××走”自行操縱船艇，對正××目標(biāo)航行，并記下當(dāng)時的羅經(jīng)航向“××對正”“舵偏多少?”將保持航向所需的偏航度數(shù)報告給船艇長“×度左(右)”4.1.3車鐘令一、速級劃分船艇航速通常分為以下幾個速級：(一)全速：主機(jī)可以長時間工作的最大功率(即額定功率)所對應(yīng)的航速。(二)常速：通常規(guī)定為等于全速3/4的航速。(三)慢速：通常規(guī)定為等于全速1/2的航速。(四)微速：通常規(guī)定為可以正常操縱船艇的最小航速。(五)強(qiáng)速：比全速大2～6節(jié)的航速，一般只能短時間使用。公邊船艇有時直接用主機(jī)的轉(zhuǎn)速來劃分速級。以218A型為例，通常上述速級的轉(zhuǎn)速分別為2000、1600、1200、800、2350轉(zhuǎn)/每分鐘。編隊航行時，編隊全速一般由編隊首長決定。如果參加編隊的是同型船艇，則編隊全速可采用單艇航行時的全速；如不是同型船艇，則以其中速度最低的船艇的全速作為編隊全速。對于不宜按上述規(guī)定劃分速級的編隊，編隊首長可根據(jù)實際情況規(guī)定全速以外的各個速級，即慢速可以不等于全速的1/2，常速可以不等于全速的3/4。二、車鐘令車鐘令是船艇長下達(dá)的用車命令，簡稱車令。一般由操車兵通過車鐘向機(jī)艙傳送，或直接控制主機(jī)工況。目前邊防船艇已大多裝備了遙控車鐘，可以在駕駛室通過操縱車鐘直接控制主機(jī)的工況。為了方便，邊防船艇習(xí)慣以數(shù)字或主機(jī)轉(zhuǎn)速作為劃分速級的發(fā)令詞，每一速級對應(yīng)一定的主機(jī)轉(zhuǎn)速。以218A型為例，三者之間的關(guān)系為：全速——前進(jìn)四(2000轉(zhuǎn)/每分鐘)常速——前進(jìn)三(1600轉(zhuǎn)/每分鐘)慢速——前進(jìn)二(1200轉(zhuǎn)/每分鐘)、后退二微速——前進(jìn)一(800轉(zhuǎn)/每分鐘)、后退一強(qiáng)速——前進(jìn)五(2350轉(zhuǎn)/每分鐘)通常，船艇對高速倒車的使用都作了限制性的規(guī)定，主要原因有：一是高速倒車時船艇的總阻力顯著增加，從而增加了主機(jī)負(fù)荷；二是由于高速柴油機(jī)倒車時離合器摩擦片數(shù)量少，承受力增大，容易損壞；三是高速倒車時，螺旋槳產(chǎn)生的水流汽泡進(jìn)入柴油機(jī)冷卻系列型艇艇體設(shè)備與使用保養(yǎng)條例》中明確規(guī)定，MTU12V183TE92型主機(jī)倒車轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)／分～1100轉(zhuǎn)／分；《218型艇艇體設(shè)備與使用保養(yǎng)條例》中明確規(guī)定，輕12V180型主機(jī)倒車轉(zhuǎn)速為750轉(zhuǎn)／分。所以，邊防船艇正常情況下采用后退一，如遇情況緊迫時，可由于通過駕駛臺上的轉(zhuǎn)速表，可以清楚地知道主機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。因此，車鐘令有時也邊防船艇常用的車鐘令，它們的含義以及復(fù)誦詞和報告詞如表4—2所示。表4—2車鐘令操車兵復(fù)誦操車兵報告左(右)進(jìn)一(二)左(右)進(jìn)一(二)將左(右)車鐘手柄扳到指定的速級位置左(右)車進(jìn)一(二)兩進(jìn)一(二、三、四)兩進(jìn)一(二、三、四)將兩個車鐘手柄同時扳到指定的速級位置四進(jìn)一(二、三、四)將四個車鐘手柄扳到指定的速級位置兩(四)車800(1200，扳動兩(四)個車鐘，使主機(jī)轉(zhuǎn)速表指針指示到指定轉(zhuǎn)速的位置兩(四)車800(1200，左(右)退一(二)左(右)退一(二)將左(右)車鐘手柄扳到指定的速級位置左(右)車退一(二)兩退一(二)兩退一(二)將兩個車鐘手柄同時扳到指定的速級位置兩車退一(二)左(右)停車左(右)停車將左(右)車鐘手柄扳到停車位置左(右)車停兩(四)停車兩(四)停車將兩(四)個車鐘手柄扳