影响船舶航向稳定性的因素及对策*

董 蕾 钟 伟

(海军驻温州地区军事代表室 舟山 316000)

1 引言

船舶的航向稳定性是船舶操纵性的基本内容之一,航向稳定性的高低,直接影响到船舶保向性的好坏,事关船舶航行的经济与安全,分析研究影响船舶航向稳定性的因素,具有重要的现实意义。

2 航向稳定性的内涵

船舶的航向稳定性是指:船舶作直线航行时受外界扰动,当扰动去除后能否回到原航向的性能。对于水面船舶而言,根据运动参数的不同,船舶的航向稳定性分为直线运动稳定性、方向稳定性和位置稳定性三种[1]。

2.1 直线运动稳定性

如图1(a)所示,当受扰后,最后运动平衡状态仍为匀速直线运动,但其运动方向异于初始运动方向,只是从一种直线运动回复到另一种直线运动,故称为“直线运动稳定性”。

2.2 方向稳定性

如图1(b)所示,最后运动平衡状态不仅为匀速直线运动,且运动方向与初始运动方向相同,仅与初始运动轨迹间存在一横向偏离,称为“方向稳定性”。

2.3 位置稳定性

如图1(c)所示,最后运动平衡状态与初始运动方向相同,且运动轨迹间为无偏离的匀速直线运动,称之为“位置稳定性”。

当然也可能船舶受扰后,在各非线性因素作用下,最终将进入一个回转运动,对这种情况,我们称原直线匀速运动是没有稳定性的。

图1 稳定性示意图

由以上三种情况可见:具有位置稳定性的船舶一定同时具有直线稳定性和方向稳定性;具有方向稳定性的船舶一定同时具有直线运动稳定性。在船舶航向稳定性研究中,也按是否操舵(即是否有控制),将稳定性分为自动稳定性(或船舶固有稳定性)和控制稳定性。前者主要取决于船体几何形状,是固有的,而后者由于存在舵的控制作用,所以应取决于整个闭合回路的特性,包括船体固有特性、人和机构的特性。显然,固有稳定性越好的船,控制稳定性也越好。

3 航向稳定性与保向性的关系

航向稳定性并非船舶保向性,两者既有区别又有联系。船舶保向性是指船舶在受到外力干扰影响时,在舵、车等工具的控制下保持定向航行的能力。当航向稳定性差时,驾驶人员将会感觉到运用舵、车控制船舶定向航行很费劲,即保向很困难;当航向稳定性好时,保向很省事,因此航向稳定性好则保向性好。此外影响保向性的因素还有:舵角、舵机和罗经性能、舵工操舵技能。一艘航向稳定性好的船舶保向性也好,直线航行中即使很少操舵也能较好地保向,而操舵改向时又能较快地应舵,转向中正舵也能较快地把航向稳定下来。航向稳定性能力差的船舶在风、浪、流的干扰下,不仅极易偏向且偏向幅度较大、进而引起大幅度偏位,偏离计划船位和航线,出现搁浅、触礁和碰撞危险,而且必须通过频繁操舵来保向,从而使航迹呈蛇形弯曲,这既增加了操舵阻力又增加了航程,从而导致营运不经济[2]。

4 影响船舶航向稳定性的因素

式中:L为船长,m;v为船速,m/s。T′由于综合考虑了船长与船速的影响,故可直接用来比较不同船舶航向稳定性的优劣;反过来说,当两船的 T相等时,要使其航向稳定性也相同,就必须使其船长和船速也相同。对同一艘船而言,在船长L、船速V一定的前提下,影响T的因素即是影响T′的因素,且 T与 T′同升同降,影响 T、T′的因素即是影响航向稳定能力的因素。依据式(1),T是船舶转动惯量与船舶转头阻矩系数之比,也即T的大小完全取决于I与b[4]。

4.1 船型

船型可用方形系数Cb表示。Cb是决定船舶水中转头阻矩大小的重要因素,Cb大,即水线以下船体肥大,船舶转动时带动的水多,附加惯量 Δ I大、I大,由式(1)可知 T大。所以浅吃水的宽体船、油船等Cb≈0.8的肥大型船舶,航向稳定性较差,在小舵角保向航行中,船首的偏摆角度往往较大,并给人以稳不住的感觉;而长宽比大、瘦削的Cb小的船,则具有较好的航向稳定性。

4.2 船体浸水侧面积分布情况

浸水侧面积在尾部分布较多者,如船尾有钝材的船、首部削进的船和尾倾船,重心偏后,于是I较小,由式(1)可知T较小,航向稳定性较好;浸水侧面积在首部分布较多者,如船首有球鼻首的船、首倾船,航向稳定性较差。

4.3 排水量D与吃水d

轻载船重量小,故I较小,由式(1)可知T较小,航向稳定性较好;满载船重量大,于是I较大,由式(1)可知 T较大,航向稳定性较差(受风时另当别论)。

4.4 水深H

在浅区(H小),I增加,然而转头阻矩系数b增加得更多,结果使得T=I/b变小,所以航向稳定性因水深变浅反而得到提高;从实践角度说,在浅区由于水动力较大,船在外力干扰下航向偏离的幅度有限。

4.5 船速

对于同一艘船而言,随着船速的提高,定向直航的惯性增大从而抵御外力干扰的能力增强,航向稳定性变好。从理论上分析,由于定向直航的惯性增大使得偏向上的惯性减弱(即 I减小),由式(1)可知T较小,航向稳定性变好。

5 弥补航向稳定性不足的措施

5.1 造船方面

1)增大舵叶面积。一方面当舵放中间(正舵)时,相当于加长了船尾、减小了方型系数,从而使 T变小、航向稳定性变好;另一方面当操舵时因舵力矩系数a增大,转首性变好,再旋回性指数增大,旋回性变好。通常 T、K不能同时变好,但适当增大舵叶面积恰能使T、K 同时变好,因此在造船时,适当增大舵叶面积是改善船舶操纵能力包括航向稳定能力的绝佳措施[5]。

2)适当把后部做肥些以增大后部浸水面积,从而使航向稳定性变好。营运中若需要弥补旋回性的不足,就在前部多装些货在后部少装些货。

3)根据船舶的不同用途打造不同的船型。若船舶被用作长时间定向航行,应考虑打造成瘦长型;若船舶经常在狭水道频繁改向机动航行,应考虑打造成粗短型。

4)消除或减小操舵罗经的误差、提高其准确度。选用舵效来得快、回得也快的电动液压舵机并注意改善舵机的性能。

5.2 航运方面

1)Cb大、浸水侧面积在首部分布较多、排水量D或吃水d大的船,航向稳定性“先天不足”,因此在装载时宜留有适当的尾纵倾,使吃水差(t=dF-dA)处于-0.2m～-0.6m的范围,并要密切注意船体两侧的对称性。

2)舵工要不断提高操舵技能,一要及早发现船舶偏航并及时用舵、车保向;二要预测外力干扰的大小和方向,以提前压舵抵消之;船舶驶经水底有坡度的浅区时会出现航向不灵的“症状”,故宜慢速行驶以减轻症状和储备舵力,必要时运用主机突进助舵以纠正首偏;与他船对驶相遇时,为避免船间效应产生的偏向作用,尽量使船间距不低于两船船长之和,并采取低速;为避免岸推船首岸吸船尾的效应,船在近岸航行时应保持岸距、慢速行驶[7]。

3)空船压载航行时,尾纵倾较大且吃水较浅,故航向稳定性和舵效很好,但满载船航行时,尾纵倾大幅度减小且吃水较深,故航向稳定性和舵效大大下降。对此,航行中宜适当保持较高的速度,纠偏时使用较大的舵角。

航行中驾驶人员应密切关注、经常查核本船的航向稳定性,如发现本船的航向稳定性不足,应尽快查找原因并采取弥补对策。

[1]赵月林.船舶操纵[M].大连:大连海事大学出版社,2000

[2]刘元丰,范晓飚.船舶操纵[M].大连:大连海事大学出版社,2006

[3]刘雪梅.船舶原理[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2007

[4]陈进涛.船舶航向稳定能力研究,2009

[5]蔡厚平.船舶设计基础[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2007

[6]盛振邦.船舶静力学[M].上海:上海交通大学出版社,1991

[7]王国强.船舶推进[M].北京:国防工业出版社,1985

[8]张乐文.船舶操纵与摇摆[M].武汉:武汉水运工程学院,1985

[9]邵世明.船舶阻力[M].北京:国防工业出版社,1995