装配螺旋桨和喷水推进装置的高速船的停船操纵性外文翻译资料

 2022-07-28 15:53:56

装配螺旋桨和喷水推进装置的高速船的停船操纵性

由于高速船舶交通发展的迫切步伐，催生了安全性的指导纲要，为了调整和提高高速船舶的操纵性能。从中速的集装箱船到高速的高性能船舶，这些船只的停车性能都已被估算过。假定一条直的行驶轨迹，船舶的停车距离已被作为国际海事组织检测船舶停船性能的标准。

摘要

由于高速船舶的速度优势，传统的客船逐渐被高速船舶代替。高速船舶持续增长的体型和速度，已使其设计、结构和操纵具有了挑战性。有一个值得关注的、关于高速运输船舶的研究，研究者正被促使设计同时具有快速性和安全性混合型船体结构。这些高速船舶需要具备较好的稳定性、耐波性，并能够较容易停泊抛锚。一艘高速船舶的操纵性能对于其安全性和营运效率是相当重要的。然而，对于一艘船舶的在试验中得出性能预估是一个复杂的过程。用好的设计来降低出现碰撞的风险（假定船舶的驾驶方式是安全的）。由于高速船舶交通发展的迫切步伐，催生了安全性的指导纲要，为了调整和提高高速船舶的操纵性能。
海上柴油机（迪塞尔内燃机）经常不以全马力运行以确保足够的动力驱动传统定距螺旋桨能发挥其速度范围内的所有速度值。宋和里斯曾发表过一项数值研究去估算使用迪赛尔内燃机、并装配定距螺旋桨的船舶的停车性能。并与海上试验的测量值比较。矢吹丈曾基于他们的试验和仿真研究，发表了一篇研究装备有调距桨在停车操纵时更不稳定，特别是在有风的条件。对于一些大型、高速的运输船使用喷水推进使设计者能最大化发挥在大功率输出时的船舶性能，不需要为了更低速度和排放控制而妥协。高速船舶在阻力曲线上会显示出一段类似驼峰的峰值，特别是它们以滑行或半滑行模式运行。当船舶将要从排水型模式加速到滑行/半滑行模式时，传统的螺旋桨推进系统不会对这样的情况有足够的反馈。这些问题不会出现在使用喷水推进装置的船舶上。

使用喷水推进的船舶比使用螺旋桨推进的船舶完成操纵、停车、逆向和进坞时更加有效率。而且由于喷水推进装置在浅水情况下有更好的适用性，其在高速船舶上应用也越来越广泛。其他的优势在于安全性（没有外露的旋转叶片），降低了对漂浮碎片损害的敏感性，较好的回收性，激发较少的湍流，最小化附体阻力和空泡效应，并能降低船体内部噪音。

自航、自由航行模式测试时一种高效的方式来评定一艘船舶的操纵性能。但是高速船舶的高速度和较轻的排水量，再装配着喷水推进使传统的舱室操纵设备不能满足于自航试验。在傅氏数为0.25~0.3的船舶中，操纵特性很大程度上依据船舶航行速度。在船模试验中，低航速到高航速的范围内，操纵特性的外插法并不可靠。预测船舶操纵性的传统方法将改进为一种建立船舶在操纵仿真得到的水动力学因数的数据库的分析方法。这种方法是耗时且有较为昂贵的。

装备螺旋桨推进系统船舶的停车操纵性

在一次船舶停车操纵中，船舶的轨迹是一条普遍的曲线（如图一），这条曲线的长度被叫做轨迹追踪。这条曲线侧向偏差和线首达到的文职分别代表从最初的进入相位后侧向和纵向的船舶排水量。这条轨迹是曲线是因为当船舶进行停车操纵时，附加阻力和其他外在因素对船舶的影响。当船进行停车操纵的时候，船舶的航行状态是复杂的。适当的简化可以使数学方程在不违背船舶停车操纵规的前提下更加简单。更加简单的方法是假定航行轨迹为一条直线，是数学建模较为简单，而且这样的轨迹虽然少考虑了阻力因素，但却能得到船舶停车操纵时可能达到的最长的轨迹。这是对于船舶停车距离更加安全的一种预估。

一艘排水量为、速度为U的船在停车操纵中的运动方程可以用以下公式表示：

（1a）

是纵向附加质量因数，T是螺旋桨推力（决定于螺旋桨转数n，船舶航速U和时间t），R是船舶阻力决定于航速U。则船舶的排水量以加速度的形式给出，重力加速度是g，水的密度是r，垂线间长为L，船宽B，吃水T，该船方形系数如下：

（1b）

推力从（船艏回转初速的推力）到（船尾推力）伴随时间直线增长，指导达到最大值恒定不变的逆向推力值，就像在图一里所显示的，这个变化持续直到船停下来。方程（1a）能被分解成如下，直到时间到了即逆反力达到恒定不变的值，另一个则是时间大于。

t （2a）

t （2b）

这是船舶沿着轨迹航行的距离，是船舶速度达到时的阻力。Drsquo;Archangelo通过联立方程（2a）和（2b）解出了轨迹达到的方程 如下：

（3）

by L, (S=/L), as IMO

公式3可以被写成无量纲化的形式，通过除以L的方法。

（4a）

当

（4b）

（4c）

（4d）

排水量由公式1b提供，当速度达到时的阻力由以下公式给出：

（5）

是当船达到临界相位时的总阻力因数，是船舶的湿表面积。

还有另一种形式，

（6a）

其中

（6b）

方程（1b）和（6）导入（4b）得出以下方程：

（7）

螺旋桨倒车工作状态下推力值由以下公式提供

（8）

其中n是螺旋桨转速，D是螺旋桨直径，是螺旋桨的进速系数。当螺旋桨处在倒车的工作状态下，则其转矩系数是：

（9）

船舶的每个轴系的倒车功率是（N是总计有多少轴）

（10）

从公式（9）和（10）我们可以得到：

（11）

公式（11）可以换一种形式

（12）

将公式（12）替换公式（8）中的，则倒车运动时的总推力如下：

（13）

将公式（4c）代入公式（13），且=/，其中是临界相位的有效功率，则因数B能用一下表述：

（14a）

利用公式（6a）和关系式=可以转换为一下形式，其中是准推进系数，是轴系功率。

（14b）

这里B可以被重新整理为

（14c）

因数B可以被预估，只要知道船舶阻力因数，螺旋桨直径，倒车功率和前进功率的比值，螺旋桨的准推进系数和因数。

重新整理公式（4d），因数C可以被写成

（15）

因数C决定于船舶尺度、速度和获得逆向推力的时间。

装备喷水推进装置的船舶的停船操纵性

装备喷水推进装置的船舶推进的操纵一般是通过推进装置的偏转完成的，而装置偏转则是通过旋转转向套筒完成的。转向套筒包含一个宽度比推进装置更宽，两到三倍推进装置直径的长度的导管，具体尺寸决定于推进装置的型号。套筒可能具有一个喇叭形入口确保当其旋转至最大角度时，全部的喷推水流都可以进入其内。套筒的旋转操纵角度范围一般是30度。而有些喷水推进装置会使用一种喷嘴而不使用套筒。如不考虑用于偏转推进装置的方法上的细节，则其操纵效率是喷水推进装置总推力和其偏转角度的函数。

在较低航速时，因为倒车叶片可能被设置在一个只有部分推进水流被阻截和逆向的中间位置，喷水推进装置提供了较好的操纵性。前进推力和逆推力，包括中性位置，具有一个较大的、可以仅仅调整倒车叶片的位置就能调节发动机提供的速度的范围。除此之外，舵机允许推力在船舶前进和倒车操纵时定向。一艘由喷水推进装置操纵的船舶可以在进坞和出坞操纵时依靠经验丰富的舵手依靠操纵喷水推进装置而使船舶横向移动。

对于一艘装备喷水推进装置的船舶，舵和推进装置体现在运动方程中的激振力的效果被喷水推进装置在偏转位置的运动替代。由佩尔东发表的对喷水推进装置推力变化和操纵力的理论构想在这里被用以考虑螺旋桨和舵对激振成分的贡献。

喷水推进装置全部的推力变化可以被写成：

是船舶直线航行时达到回转速度的推力。 是（16）方程考虑了套桶偏差的损失，则是考虑了漂移速度对喷水推进装置的进口附近进入水流的影响。

由于套桶偏向导致的控制力通过估算的阻力值表达的公式如下：

(17a)

(17b)

（17c）

是发动机套筒距离船体重心的距离。套筒的偏转角度应考虑为2倍，因为套筒并不是理想的导向装置，其最大的横向力是呈45度角而不是90度角。

当船具有一定的速度时，具有反向装置的喷水推进装置有能力为其提供巨大的停车动力。这是因为有效反向推力包括总推力（较少的损失）和拖拽阻力动量的总和。实际情况并不是将发动机逆转180度，所以就船而言，发动机尽量向下和向前偏转。在一些设计中，发动机被分为两部分，分别向下和向侧面偏转就像向前偏转一样。为了最大的效果，逆向的发动机水流应该尽可能清除船体外壳，这一点是相对满意的。水流冲击船尾结构将会为船舶提供一个向前的推力，这个推力在船舶操纵制动、停车和倒车时是不需要的。发动机向下偏转会产生一个很大的垂直力进而导致船舶的艏下垂，这可能会增加一些船体设计的埋艏的危险性。
则获得的制动力，组成部分含有向前的速度，如下给出：

（18）

是拖曳动量，用水流的质量流率m和船舶航速表示，如下：

（19）

由公式（18）得出的制动力比推进器提供全额逆向推力时的净向前推力要大很多，船体的阻力加大了两者差距。但是，全额逆向推力不是经常出现在操纵中，除非在有必要进行紧急的全负荷倒车的情况。

从推进装置的角度看，以额定功率运转，在船舶在较高的向前的航速产生全额逆向推力是没有问题的。不论当水流离开喷嘴发动机发生了什么情况，或者不论船舶以什么速度向前，对于发动机和水泵，是没有区别的。只要提供足够高的逆向推力以避免抽水泵和入口汽蚀。全负荷倒车的情况下，在船舶最初的减速之后，主机功率必须充分下降，否则形成汽蚀的概率较高，尤其是当船趋近于停船状态。

停船操纵性的标准

国际海事组织有责任制定相关的海上作业安全规范标准，也有责任预防和控制海上作业污染。由国际海事组织提出的对船舶操纵性的临时标准，操纵特性是对船舶性能、品质和操纵能力的测量。这些能在设计阶段就被预报，也能较容易在模型试验和船舶试航时被测试得到。

评估船舶操纵特性的标准是由国际海事组织航运安全委员会提出的，这是一个关于船舶设计和装备的小组委员会，与船舶停船性能相关的评估如下：

“停船能力：是通过测量“停船迹程”和“停船时间”，这些都是由在船舶达到稳定的全额试航速度后停止发动机/全速后退操纵试验得来。横向偏差也值得人们关注，但横向偏差对初始条件和风的干扰很敏感。”

上述的船舶性能和品质是在初始设计阶段通过理论/数值方法或运用已确定的经验公式估算得来。对这些性能和质量更好的理解是通过进行模型试验，模型试验得出的结果是唯一可能运用于最终设计阶段的。

上述特性在真实环境的实际数值则是通过主导全面的航行试验而获得的。在营运新建造船舶之前，对新建造的船舶精细航行试验是强制性的。

国际海事组织临时规范

国际海事组织临时规范详细说明了几种操纵品质和新建造船舶应该与它们的相关特定规定一致。新建造船舶会通过在无限制深水、平静海域和达到稳定的试航速度的条件下得到评估。这些关于操纵性的特定标准是对于满载、平浮（首尾等吃水）状态的船舶而言的。对于其他条件下进行航行试验而获得的数据应该被修正为特定条件。特定标准解释如下：

停船性能是当船以全额试航速度航行时在特定距离内全速倒车的停船能力。停船迹程应该不超过船长的15倍，除了一些特大型船舶，这一点管理部门可以根据不同船舶的特定规定而自行确定。

航行试验条件

上述航行试验要在特定的条件下进行，如下：

无限制深水条件：遮蔽自由航区，深度至少四倍于船舶吃水

平静海域条件：风力不超过蒲氏5级，海浪不超过四级浪，仅为均匀海流，若条件满足，则：

满载和平浮：要求的测试条件是满载状态，并且没有纵倾，但5%的纵倾变化是允许的。另一种做法是，在压载状态下进行航行试验，以保证最小的纵倾状态和足够的螺旋桨沉深。

试验航速：回转初速至少为90%的船舶航速，相当于85%的最大主机功率输出。

如果上述条件不能满足，则试验结果需要修正。

日韩方面的建议

国际海事组织规定停船迹程不应该超过船长的15倍。韩国的参考规范则建议停船迹程应该增加到不超过船长的20倍，因为许多大型船舶的停船性能无法达到国际海事组织的要求。日本则及建议停船迹程应该按照如下要求来确定：

①15 vessel lengths if

如果则按照停船迹程不超过15倍船长的要求。

②，if

是船舶的排水量，单位是吨；MCR是船舶主机最大持续功率，单位是马力；是船舶在MCR状态下的航速。

数值实例

上述方程适用于采用螺旋桨的船。不同类型的船舶需要考虑不同的停船距离估算值，这些估算值需要输入Clarke and Hear的数据。这些船舶的停船距离在不同的操纵条件下，例如不同的逆向时间与后退与前进功率比被估算出来。表格1给出了船舶的详细数据和它们的推进特征，并用于分析。这些船舶包括了一艘油轮、一艘气体运载船、一艘杂货船、一艘客轮和两艘高速船。

油轮估算的停船距离在图2a和2b中。气体运载船、杂货船和客船在表1里以更高航速航行并和油轮对比

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