浅析旋回圈要素在实际操船中应用
浅析旋回圈要素在实际操船中应用专业:航海技术
学生姓名:吴健
指导教师:杨学辉
重庆交通大学航海学院
前言
1选题目的的理论价值和现实意义
旋回圈几何要素是表示船舶旋回性能的重要指标，是判断船舶旋回性能优劣的直接判断依据，在船舶操纵时有重要的参考价值。船舶在定速直航状态下，操某一舵角(一般为满舵)，船舶将作纵向和横向相结合的复合运动，称为旋回运动。。通过了解本船在各种装载条件下的旋回性能及停倒车冲程数据和掌握本船实际装载情况和风浪流数据，估算当时情况下的旋回性能及停倒车冲程。熟练掌握当时情况下的本船操纵要素和了解其它类型船舶操纵要素的一般特点，就能对当时局面和碰撞危险作出充分的估计，在船舶操纵中更好地发挥良好的船艺避免紧急危险。
2本课题在国内外的研究状况及发展趋势
随着经济的不断发展，世界各地贸易逐年增加，航运业也随着急速的发展，船上的设备也随着科技的发展而更新，船舶的操纵性能也随之提高，船员也把船舶的各种性能也运用到船舶操纵中，特别是利用船舶的各种旋回要素:在足够的宽敞水域，利用旋回初径来估算船舶用舵旋回掉头所需的水域;利用横距来估算操舵转首后，船舶与岸或其他船舶是否有足够的间距;利用滞距来推算两船对遇时无法旋回避让的距离，即两船对遇时的距离小于两船的滞距之和，则用舵无法避让;利用两船的进距之和来推算对遇时的最晚施舵点。
3研究重点和主要内容
本课题的研究的主要内容是:旋回圈要素在实际操船中的应用，研究重点是:旋
回要素中反移量在实际操船中应用。
1.在航行中如果遇到有人落水，为了防止人被卷入船尾螺旋浆，应立即向落水
者一侧转舵，使船尾摆开，以免被卷进船尾螺旋桨内，保证落水者的安全。
2.在船首极近距离内发现小船或障碍物，需要紧急避让时，应立即用满舵使船
首让开，当估计船首已经能避过时，再立即用相反的满舵使船尾摆开，以避免碰撞。
3.在船舶驶离码头或者并靠船时，船首刚刚摆出泊位，如果操大舵角进车，则
会产生较大反移量而容易导致尾部触碰码头或他船，因此应慢车、小舵角以减少反移量，必要时应操反舵，将船尾甩开
4.在两船近距离相遇时，由于距离太近，船舶操纵来不及把两船安全避让时，
当船头向外转过一定角度后，在向内操舵，利用船尾产生的反移量让两船安全
让
开，或者使两船斜碰，减少两船的损失。
目录
中文摘要 ............................................................
I 英文摘要 ...........................................................
II 第1章船舶旋回运动过程及旋回圈要素 .................................
1 1.1 船舶旋回运动过程 (1)
1.1.1 第一阶段——转舵阶段 (1)
1.1.2第二阶段——过渡阶段 (1)
1.1.3第三阶段——定常旋回阶段 (2)
2.2旋回圈及其要素的定义 (3)
2.2.1旋回圈的定义 (3)
2.2.2旋回圈要素的定义 (3)
第2章旋回圈要素在实际操船中的应用 (5)
2.1 反移量在实际操船中的应用 (5)
2.1.1 利用反移量避开落水人员 (5)
2.1.2 利用反移量避开前方近距离障碍物 (6)
2.1.3 利用反移量安全离泊 (6)
2.1.4 利用反移量使近距离对遇两船安全避让 (7)
2.2 其他旋回圈要素在实际操船中的应用 ..............................
8
3.3案例 (9)
结束语 ......................................................... 11 致谢 ............................................................. 12 参考文献 .. (13)
2010届航海技术专业毕业论文
摘要
随着经济和技术的不断发展，船上所使用的设备也随着科技的进步而不断的跟新，船舶的操纵也越来越变的灵活。因此，在船舶操纵过程中，船舶旋回运动中各个阶段的特点也越来越受到船员的关注，把这些运动特点运用到实际操船中去。
本论文主要分析了船舶旋回运动中各个阶段的特点，和这些特点在船舶操纵中的应用。本文第一章主要介绍了旋回运动的特点和旋回圈要素的定义。例如:进距、横距、旋回初径、旋回直径、反移量、滞距。本文第二章主要介绍了这些旋回圈要素在实际操船中的应用。特别是重点介绍了反移量的应用。例如:在航行中如果遇到有人落水，为了防止人被卷入船尾螺旋浆，应立即向落水者一侧转舵，使船尾摆开，以免被卷进船尾螺旋桨内，保证落水者的安全。在船首极近距离内发现小
船或障碍物，需要紧急避让时，应立即用满舵使船首让开，当估计船首已经能避过时，再立即用相反的满舵使船尾摆开，以避免碰撞。在船舶驶离码头或者并靠船时，船首刚刚摆出泊位，如果操大舵角进车，则会产生较大反移量而容易导致尾部触碰码头或他船，因此应慢车、小舵角以减少反移量，必要时应操反舵，将船尾甩开在两船近距离相遇时，由于距离太近，船舶操纵来不及把两船安全避让时，当船头向外转过一定角度后，在向内操舵，利用船尾产生的反移量让两船安全让开，或者使两船斜碰，减少两船的损失。
关键词:船舶操纵旋回圈要素反移量
I
吴健:浅析旋回圈要素在实际操船中的应用
ABSTRACT
With the continuous economic and technological development of
devices used on board with the constant advances in technology and with new ships become more and more flexible control. Therefore, the process of ship maneuvering, ship cycle characteristics of the various stages of the movement more and more attention by the crew to use these movements to the actual operating characteristics of ship and going. This thesis analyzes the movement of ships in various stages of cycle characteristics, and manipulation of these characteristics of the ship. The first chapter introduces the characteristics of cyclic movement and elements of the definition of ring cycles. For example: into the distance, horizontal distance, the early cycle tracks, cycle diameter, anti-shift, Lag. This chapter introduces the elements of these cycles in the actual operating cycle of ships. In particular, focuses on the
application of anti-shift. For example: If you experience the voyage was involved, and to prevent people were involved in the stern propellers, should immediately rescued from the river side of the steering, and laid them out to the stern, so as not to get involved in the stern propeller, ensure the safety of those who fell into the water. Found very close in the boats bow or obstacles in need of emergency avoidance should be made immediately with full rudder bow to open bow when estimates have been able to avoid the time, and then immediately opposite the full rudder to the stern and laid them out in order to avoid collision . And the ship left the port or by boat, the bow berth just assumed that if the rudder angle onto the big parade, it will produce a large volume of anti-shift easily lead to the tail touching the pier or another vessel, it should
be slow, small rudder angle to reduce the anti-shift, when necessary, speaking against the rudder, will throw off the stern close encounters
in the two ships, due to proximity of the two ships safe ship handling too late to avoid, when the bow turned out some angle, the steering in the inward, using the stern anti-shift to produce safe to open two ships, or to two ships oblique collision, reducing the loss of two ships.
Keywords: Ship maneuvering ， Character of turning， Anti-shift
II
2010届航海技术专业毕业论文
第1章船舶旋回运动过程及旋回圈要素
1.1 船舶旋回运动过程
1.1.1 第一阶段——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)，称为转舵阶段或初始旋回阶段。这一阶段的受力特点是，船舶操舵后，由舵角引起横向力和力矩，使船产生横向加速度和回转角加速度(见图1.1)。由于船体本省的惯性很大，还来不及产生明显的横向速度和回转角速度，船舶重心G基本上沿原航向滑进并有向操舵相反一舷的小量横移，而船尾出现明显的向操舵相反一舷的横移，这一
[1]阶段也称为横移内倾阶段，运动特点是:
(1)船速下降
(2)船舶重心向操舵反向横移
(3)船首朝操舵一侧偏转(进车)
(4)船舶内倾
(图1.1)
1.1.2第二阶段——过渡阶段
操舵后，随着船舶横移速度与漂角的增大，船舶的运动速度矢量将逐渐
1
吴健:浅析旋回圈要素在实际操船中的应用
偏离首尾而向外转动，越来越明显的斜航运动将使船舶的旋回运动进入加速旋回阶段(见图1.2).在这一阶段，由于船舶斜航运动产生的漂角水动力矩与舵力力
矩相辅相成，使船舶产生较大的角加速度，但在初始阶段，船舶转动的角速度还比较小，随着角速度的不断提高，船舶旋回的阻尼力矩不断增大，角加速度逐渐降低，从而使角速度的增加受到限制。另一方面，由于斜航阻力增加、螺旋桨推进效力降低的方面的原因，船舶降速明显。另外，随着船舶旋回角速度的增大，
[1]船舶由于受到旋回离心惯力的作用，船舶的横倾有内倾转变为外倾。该阶段的运动特点是:
(1)船速继续下降
(2)船舶加快向朝舵一侧偏转
(3)船舶重心开始正向横移
(4)船体开始外倾
(图1.2)
1.1.3第三阶段——定常旋回阶段
随着旋回阻尼力矩的增大，当船舶所受到的转舵力矩、漂角水动转船力矩和阻尼力矩相平衡时，船舶的旋回角加速度变为零，船舶的旋回角速度达到最大值并稳定于该值，船舶将进入稳定旋回阶段，因此该阶段也称为定常旋回阶段(见
[1]图1.3)。这一阶段的特点是:
(1)船体所受合力矩、旋回角加速度、横移加速度为零
(2)转头角速度达到最大并稳定于该值
(3)船舶降速达到最大值
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(4)外倾角、横移速度也趋于稳定
(图1.3)
2.2旋回圈及其要素的定义
2.2.1旋回圈的定义
定速直航的船舶操一定舵角后，船舶将作旋回运动，其重心所描绘的轨迹称[1]旋回圈。
2.2.2旋回圈要素的定义
1)进距(纵距)Ad
(1)定义:指开始操舵时的重心至航向转过90?时重心之间的纵向距离。
如再转过相当于漂角的度数，则称为最大进距Ad max。
(2)大小:Ad ? (0.6,1.2)DT
2)横距Tr
(1)定义:指开始操舵时的重心至航向转过90?时重心之间的横向距离。 (2)大小:Tr ? 0.5 DT
3)旋回初径DT
(1)定义:指开始操舵时的重心至航向转过180?时重心之间的横向距离。
如再转过相当于漂角的度数，则称为最大横距DTmax
(2)大小:DT ?(3,6)L
4)旋回直径D
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吴健:浅析旋回圈要素在实际操船中的应用
(1)定义:是指船舶作定常旋回运动时，重心轨迹圆的直径，亦称旋回终径。
(2)大小:D?(0.9,1.2) DT
5)滞距Re
1)定义:是指从操舵开始时的重心位置至定常旋回曲率中心的纵向距离，(
又称心距。它表示操舵后至船舶进入旋回的“滞后距离”，也是衡量舵效的标准之一。
(2)大小:Re ? (1 , 2)L
6)反移量kick
(1)定义:是指操舵后，船舶重心在旋回初始阶段从原航向向操舵相反一
[1]侧横移的距离，又称偏距。
(2)大小:满舵旋回时，当船舶回转达到一个罗经点时，反移量达到最大值，约为1%L。
(图1.4)
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第2章旋回圈要素在实际操船中的应用
2.1 反移量在实际操船中的应用
2.1.1 利用反移量避开落水人员
在船舶航行中，船上有时会发生人员落入水中，为了防止落水人员撞上船体或被卷入船尾螺旋浆，我们需要良好的操纵船舶，保证落水人员的安全和准确的
[1]找到落水者。在发现又人员落水后，我们有许多的方法来寻找落水人员:例如使用威廉逊旋回法(见图2.1):1.首先立即向落水人员一舷操满舵。2.当船首转过60度后，改操另一舷满舵。3.至距反航向差20度时正舵，把定反航向。这种方法能够准确地把船舶带到落水者的位置，是夜间或能见度不良时是有效的接近落水者的操船方法。但该操纵方法所需时间较长，适用于在发现落水人较早。
原因分析:当发现落水人员立即向落水者一舷操满舵时，根据船舶的旋回特
性，船尾将产生一个较大的反移量，在船舶前进过程中，船体和船尾迅速离开落水人员，从而避免了落水人员因船舶吸力而撞上船体，或者因螺旋桨吸力被卷入船尾螺旋桨内。当采取2和3步骤时，使船舶尽可能的掉头到原来计划航线上去，按原航向的相反航向驶回，准确的寻找到落水人员。
(图2.1)
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2.1.2 利用反移量避开前方近距离障碍物
在航道或狭水道中航行时遇到(见图2.2)所示的情况:小渔船停泊在航道弯道处的水域中央，船头朝右，而弯道左边是浅水区，小渔船与浅水区之间的可用水域十分狭窄。此时我们应如何既安全让清小渔船又不至于冲人浅滩或船尾甩向航道外呢!首先要选择从小渔船的船尾处绕航，但要注意是否撒有渔网;其次要提前降速，甚至停车淌航，当船头驶过小渔船，并过 1/3L位置时。立即施以一定的向右的舵角并用慢车右转，以确保安全绕航。如果船舶把定直航至船尾驶过小渔船再向右转，
就可能发生船舶因前冲而来不及右转就驶入前方浅水处导致搁浅。另一方面，如果船首1/ 3 L过小渔船时就施以大舵角及用快车。船尾将可能甩出航道外导致搁浅。
原因分析:在本例中转心处于距船首约 1/3 L处，因此当船舶过小渔船 1/3 L 位置就应立即向右转，根据船舶旋回运动，船尾将产生一个向左的较大的反移量，船尾将向左甩，不至于触碰小渔船，而大船将绕着小渔船航行。又不至于冲人前方浅滩。因此，在距船艏1/3 L处就右转向的避让效果比船尾驶过小渔船之后再向右转更安全。同时，由于前进时船舶转心前移，船尾向左甩出的距离将远超过船首右转的距离，所谓“首动一尺，尾动一丈”( 因此右转时应施以小舵角及慢车方可保证船尾的安全。对于超大型船舶，由于其船长较长，船尾向外甩开的距离比一般尺度的船舶大得多。因此在航道及狭水道航行时应特别引起注意。
(图2.2)
2.1.3 利用反移量安全离泊
在船舶驶离码头，码头区域内流速较大时，其离开码头的操纵步骤为(见图
2.3):1.船舶应当慢车前进，向左慢慢用小舵角转出船头，使船首离开码头。2.
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当船首离开码头一定距离并与码头形成一定角度后，船舶继续用慢车前进，向右操一个较大舵角，慢慢把船尾甩离码头，使整个船尾都完全离开码头。3.当船体完全离开码头后，在操左舵，把船舶驶向航道中去，完成船舶离开码头。
原因分析:当船舶慢车，小舵角慢慢把船头转出时，由于水流的作用，船舶向前进的距离不会太远，，不会影响到其他靠泊的船舶，当小舵角慢慢转出时，由于舵角较小，船尾横移量较小。船尾不会受力过大，碰撞到码头上而损坏船舶，加上水流作用和船舶推进力的作用下，会使船舶慢慢向外横移、当船舶向右操较大舵角时，船尾会产生一个向左的较大的反移量，使船尾迅速的向外远离码头。当船舶离开码头后，提高车速，操一定舵角，把船驶到航道中去，完成离泊任务。
(图2.3)
2.1.4 利用反移量使近距离对遇两船安全避让
当船舶在雾中航行时，由于雾的影响，瞭望距离减小，守听到的雾号不能正确的辨认方位和距离，经常会造成船舶近距离对遇的情况，形成紧迫局面。从而需要采取有效而迅速的避让行动。在水域足够宽敞的情况下，可以采取以下步骤来进行避让(见图2.4):1.按照《国际避碰公约规则》的规定，发出一短声，满舵向右转向，使两船尽量避开，避免形成船头对船头的碰撞。2.两船大幅度避让能使两船安全通过时，则继续进行右转避让。当两船大幅度右转仍不能安全通过时，船舶转过
一定角度和前进一定距离后，向左操一个较大舵角，使两船的船尾甩开。3.操舵调整两船之间的横距，避免两船靠得太近，发生碰撞。
原因分析:当船舶向右大幅度转向时，是进行船舶避让的基本行动，让两船
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吴健:浅析旋回圈要素在实际操船中的应用
不至于发生正面碰撞。当大舵角向左转时，此时两船的船头已经相距较远，但船尾没有让开，根据船舶旋回运动规律，大幅度左转后，船尾将产生一个较大的反移量，可以迅速的将船尾甩开，避免发生碰撞。就算不能完全把船尾让开，也会使船舶发生斜碰，增大接触面积，减少碰撞带来的损失。当船舶再次操舵增加两船的横距时，可以减少两船之间的船吸作用，避免两船靠得太近产生较大的船吸作用，使两船发生碰撞。
(图2.4)
2.2 其他旋回圈要素在实际操船中的应用
(1)进距和旋回直径的应用
船舶旋回全要素种的进距和旋回直径确定了船舶摆舵旋回的安全边界，在狭窄水域可由此来确定转向点和判断该水域能否进行安全转向。转向点离危险物的距离必须在进距之外。横向范围必须大于旋回直径，即应在旋回圈的前方和两侧留有适
当的安全距离(见图2.5)。因此，在狭水道换危险水域进行旋回掉头时，我们必须首先查阅船舶旋回运动的资料，把船舶的旋回直径和进距与海图资料上该水道的可航水域的宽度的船舶距离危险物标的距离进行比较，如果水域宽度和距危险物标的距离大于船舶旋回直径和进距，船舶在该水域才能安全掉头。
(2)船舶滞距的应用
自船舶施舵位置到重心移至定常旋回曲率线上的距离叫做滞距。滞距既可通过查阅试航资料获取，也可通过公式:滞距=旋回初始速度x (船舶追随性指数+所操舵角所需的时间/2 ) 求得。船舶在此距离内，基本以原航向在原航线上惯性滑行，即使用大舵角，滞距减小也不明显。所以，在穿越锚泊船或障碍物的上
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风流侧时，或在被追越船或对遇船的正横位置操舵避让时，若避让距离处在滞距之内(船舶会不听使唤地接近避让目标，加上风流压差，船吸效应和船舶反移量的影响，更使船舶加速接近被避让目标。因此，在船舶操纵和避让中，应充分估计该因素对船舶操纵的制约，及早采取留有安全余量的行动和拟定应急预案。
安全距离
叫舵点安全距离进距
(图2.5)
3.3案例
1987年5月3日“ziemia Bialosfocra”轮(以下简称Z B轮)在美国某港外航道Sideney1allier大桥的碰撞事故。航道情况如图所示(见图2.6)。当时高潮平流，风速约1 m,s，航道水深约11,l2 m。Z B轮全长185m，宽22。总吨
15643t，当时载货10112t，吃水首为4.95m，尾为吃水9.17m，为减小过大尾倾，出港时船舶正压载中。2300引水登船，该引水曾将该船引航进港。0100在调头区调头后，微速前进，然后与大挢联系，请求升起大桥0102 (位8 )时前进一，0103(位9 )时前进二，船首Beacon26浮，为使船进入East River航道宽阔区，以便于调头，令右舵20?，此时船速约5,6 k n，至图中位11 时令左舵20?，此时船速约7kn。由于感到左转过慢，遂令左满舵，并0108时令前进三(如图中位l 2、1 3)。0109时船至航道右侧，引水认为由于船首束转过来，有可能与大桥发生碰撞，于是令全速倒车，估计此时航速约8 k n。该轮从全速前进至全速后退约30s，0110时ZB轮船首与大桥约183m，引水令抛左锚，锚很快抛下，但此时已无法控制船舶前冲，0112时Z B轮以1,2 k n余速与大桥的西南桥墩发生碰撞。碰撞时船首吃水5.51m，尾吃水8.86 m。碰撞结果，Z B轮右船首部轻微破损，估计修理费损失约7.5万美元，大桥修理费140万美元，因车辆绕路损失约790万美元。
原因分析:1)引水对该轮操纵性能不了解。该港引水习惯上在船位Spit Beaon 左转，Spit Beacon至Turtile River航道约305m，所以引水引领ZB轮时也在该位置令左舵20?，前进二。但Z B轮的旋回性资料显示，该轮深水中
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吴健:浅析旋回圈要素在实际操船中的应用
半速满舵向左旋回60?约366m，旋回90?时约427m，显然距离不够。如果引水员在了解该船操纵性能的基础上早用舵或及时用大舵角则可以使 Z B轮安全左转。
(2)0108(位l2) 时ZB轮距大桥约549m，车速为前进二，实际航速为7kn，
对应船速为8,9kn)开快倒车，即使不用锚停根据该轮的停船性能，从前进一( 船，距离也只有229 -244 m，时间约2min。而引水在此时对船舶因船首未足够左转而感到不能安全通过大桥的情况下，既未借助锚的作用也未将船及时停住，而是采用加车以期加快旋回，0109时船速为8 k n，距大桥约244m，约30s后开出倒车并抛锚，但为时已晚。若引水0108时即采用倒车并抛锚，即使船冲出航道而搁浅，引起船舶破损的损失也是有限的。因此，引水对船舶停船性能不熟悉，关键时刻紧急操船措施不当。这是原因之二。
(3)从引水员的证词中可以看出，引水员没有正确掌握操纵理论知识。当时引水认为，船舶尾倾较大会使旋回圈减小，而且认为当时航道水深与船舶吃水之比为1:4时，对旋回无影响。而实际上，船舶尾倾越大，旋回直径越大。与性能测试时船舶状态相比，尾倾增加1,L，旋回直径增大10,。而且根据美国海岸警卫队的规定，水深与吃水之比( H,d )小于2时即规定为浅水域，在浅水域中旋回圈将增大50,1 0 0,。
(图2.6)
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结束语
在船舶操纵实践中还可以发现许多蕴藏着船舶旋回的各种旋回要素的重要运用。船舶驾驶员掌握好船舶旋回运动中各个阶段的运动特点和影响因素，合理分析旋回运动的各个特点，及时用车、舵给予配合，对船舶的航行安全具有十分重要的意义。船舶驾驶员在船舶靠、离泊，旋回掉头、避让和营救落水人员的过程中巧妙的运用船舶旋回运动中各种运动的特点，能使船舶操纵变的更便捷，航行更安全。在这篇论文中，只是初略的介绍了船舶旋回运动的特点和简要的介绍了各种旋回要素在实际操船中的应用。但是这些旋回运动的特点还有许许多多的应用需要我们进一步的了解和发现。
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吴健:浅析旋回圈要素在实际操船中的应用
致谢
本论文的写作过程，始终得到杨学辉老师的悉心关怀和精心指导，并在百忙之中给论文的写作提供了不少宝贵意见，杨老师严谨细致的治学态度，一丝不苟的工作及高尚师德，给我留下了深刻的印象，在我论文完成之际，谨向杨老师表示最衷心的感谢和崇高的敬意!
同时我还要感谢在四年的学习中给予我孜孜不倦的教诲和精心指导的重庆交通大学的老师以及航海学院航海技术专业毕业答辩组老师们的宝贵意见，衷心地向老师们道一声:谢谢!
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参考文献
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