艏摇
浸于水中的物体绕船体垂直轴的旋转振荡运动
艏摇(yaw)或称垂摇,是指浸于水中的物体绕船体垂直轴的旋转振荡运动。通常,可以把这种船舶的艏摇运动视为除了操舵不良外,还由下列三个因素引起的结果:(1)船体上的静压力不平衡;(2)海浪中水的轨圆运动;(3)陀螺作用。
基本概念
艏摇应用于笛卡尔直角坐标系,是一个船业、数学的名词。
船舶的艏-艉(前后)方向称纵向,用X来表示。左-右舷(左右)方向称横向,用Y来表示。船的上甲板-船舱底(上下)方向称垂直方向,用Z来表示。前后方向的晃动(窜动、荡)称为纵荡,左右方向的晃动(窜动、荡)称为横荡,上下方向的晃动(窜动、荡)称为垂荡。左右方向摇摆叫横摇,前后方向摇摆叫纵摇,船艏左右摇摆叫艏摇。晃动(荡)是平移,船的各个位置移动距离是一样的。摇摆(摇)是绕着一个看不见的轴在转。船的各个位置摇摆的角度是一样的,但位移距离不同。船在水里,实际荡和摇是同时发生的,只是人为地把他分为不同情况的组合。所谓六个自由度,就是在笛卡尔直角坐标系内,沿三个轴移动和绕三个轴转动六种运动形式,称为六个自由度。
产生原因
艏摇是对于通过舰船重心的垂直轴的角运动。通常,可以把这种运动视为除了操舵不良外,还由下列三个因素引起的结果:
(1)船体上的静压力不平衡;
(2)海浪中水的轨圆运动;
(3)陀螺作用。
通常在海浪上,舰船左右两舷的波形并不相同,因此,舰船水下部分一舷的压力中心纵向和垂直位置,与另一舷的压力中心纵向和垂直位置并不重合。这就产生对于垂直轴的旋转力偶或艏摇趋势,以及横倾力矩。由于波形是随航行海区而变的,因此,这种艏摇力偶大小和方向也在不断变化,从而产生振荡。这种振荡是在波浪通过舰船的表观周期内发生的。最好通过预测运动和采用补偿舵效的办法来修正。
除了上述引起艏摇的静力外,波浪中水的轨圆旋转也产生动艏摇作用。我们记得,波峰处的水质点,是在轨圆顶点处向着波浪前进方向移动的,而在波谷处它们是在轨圆底点处,向着波浪前进的相反方向移动。因此,舰船在艉斜浪海上,或与船舶夹成一定角度的海浪上运动时,就会受到艏摇力偶(见图1)。
当波浪通过舰船时,艏部从波峰变成波谷,艉部从波谷变成波峰,这个艏摇力偶就改变方向。最终结果是,艏摇振荡周期与波浪遭遇周期相同。
在由这种水动力和轨圆运动引起的艏摇情况下,舵效补偿是比较困难的。这是因为舵附近的每个半波长水流,运动方向就与船相同,而且由舵所产生的回转力偶急剧减小。如果舵不是在螺旋桨尾流中,这种操纵能力的损失则是特别危险的。如果海浪太大,而且这种动艏摇发展到严重程度,在多螺旋桨舰船上,最好的解决办法就是降低螺旋桨转速。在某些情况下,艉倾加载还可能有所帮助。
当舰船在海浪上纵摇并受到横摇作用时,就对于因纵摇引起的动轴产生横摇运动。这种同时发生在两个平面内的角运动,就使陀螺作用产生在第三个平面内,即艏摇运动。
幸而,陀螺力偶所产生的这种艏摇运动,通常是不大的,因为控制这种运动所需的速度和舵角,都比控制其它原因所引起的艏摇运动要小。
减摇装置
近几世纪来,克服舰船在海浪上的激烈运动,并试图设计以减小横摇和纵摇为主的减摇装置,一直是舰船设计师进展不大顺意的一个领域。减小纵横摇和艏摇运动,一直是大量研究和许多零星发明的目标。在过去许多减摇装置中,例如十九世纪初叶英吉利海峡渡船上悬挂在平衡环上的旅客餐室,由于种种原因仅取得部分成功。近年来才有几项值得注意的成就,成功地把剧烈的横摇减小到几乎可以忽略的程度,且在经济上证明是合算的。但是,机械问题尚未完全解决,实际上,还没有出现更有效的简单减摇装置。
为了减少船舶的摇荡,除了在装载和操纵方面采取措施以外,在船舶设计与建造中,都装设必要的减摇装置。采用的减摇装置有下列几种。
舭龙骨
舭龙骨板是装设在舭部外侧、沿着水流方向的一块长条板,如图2中(a)所示。舭龙骨的作用是减小船舶横摇和艏摇。由于减摇效果较好,制造简单,几乎所有的船舶均装设有舭龙骨。
舭龙骨板的长度为船长的1/4~1/3,宽度为200~600 mm(大型船更大些),近似垂直于舭部列板,其外缘不超出船的半宽线与船底基线所围的范围,以免受到码头和海底等碰损。在结构形式上,舭龙骨有连续式的和间断式的两种结构。连续式结构简单,适用于航速不很高的船。间断式结构适用于高速船,其优点是对船舶的航行阻力较小,而对横摇阻力较大。为了防止舭龙骨损坏时使船体外板受损,舭龙骨一般不直接焊接在舭部外板上,而是用一块覆板将两者连接起来。
舭龙骨虽然装设在船中部很长的一段范围内,但在结构上它不参与船舶的总纵弯曲,仅承受船舶横摇时的水动压力。
图2中(b)是一艘船装设舭龙骨和无舭龙骨时的横摇角θ曲线,由图2中(b)可明显看出舭龙骨的减摇效果,而且船在航行时舭龙骨的减摇效果更好一些。
减摇鳍
减摇鳍,一般是一个长约为3.0 m、宽为1.5 m的长方体,剖面为机翼型,安装在船中央附近两舷的舭部。在船内设置操纵机构,根据需要可将减摇鳍收进船内或伸出舷外。并且可调整机翼剖面相对于水流的攻角,使两舷的减摇鳍所产生的升力形成一个阻碍船舶横摇的力偶矩,如图3中(a)所示,并使力偶矩方向的改变与船舶横摇同步,这样可有效地减小船舶横摇。因减摇鳍需配备有自动操纵系统,造价高。只有在大型豪华客船上或军舰上才设置。
减摇水舱
如图3中(b)所示,在船内横向设置“U”形水舱,当船在横摇时,使水舱的水位移动与船的横摇之间有一个相位差。这样,水的重力所形成的力矩可减小船舶的横摇和艏摇。
上述U形减摇水舱内的水与舷外水不连通时,则称闭式减摇水舱。若减摇水舱内的水与舷外水相通时,称开式减摇水舱。如水舱内的水左右舷流动是可以控制的,称为主动式减摇水舱;而不能控制水的流动的,称为被动式减摇水舱。
参考资料
最新修订时间:2022-08-25 14:25
目录
概述
基本概念
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