假设螺旋桨在刚性介质中旋转一圈,它所前进的距离叫螺距,又叫几何螺距,以“H”表示。而舰船螺旋桨实际是在柔性介质(水)中旋转的,水是流体,在螺旋桨的压力下,水被推向后移动,而螺旋桨也会随着被其推向后面之水向后滑动(滑失现象),因此螺旋桨对水而言要比假设在刚性介质中运动前进的距离要小。螺旋桨在水中旋转一圈推动船舶前进的距离称为实际螺距,其大小为V/N,V为单位时间的舰船航速,N为螺旋桨单位时间的转速。
因为实际螺距小于几何螺距,它们之间的差数称为滑脱,以SH表示。SH值与几何螺距的比为滑脱比,以S表示。通常S值在0.1~0.2之间。S值小,表示螺旋桨推进效率高。
几何螺距H与直径D的比为螺距比,以P表示:
P=H/D
通常负荷大、速度慢的船舶P值较小,负荷小、速度快的船舶P值较大,一般可在0.8~1.5之间。
3.螺旋桨的选择
舰船模型要选择一个比较理想的螺旋桨,必须综合考虑多方面的因素。一方面参照现有的比较成功的船模螺旋桨;另一方面要根据模型的主要尺度、排水量、设计船速、主机功率及转速等来确定螺旋桨的数据,如螺旋桨桨数、桨叶数、螺旋桨直径、螺距、叶面积等。
一般根据主机功率和转速选取较大的盘面比,以获得较高的推进效率。
在主机功率允许的情况下,增大螺旋桨的直径来提高推进效率,是很有效的,但有限。因为螺旋桨的直径受尾吃水的限制,不可能增加很多。
螺距比是影响螺旋桨性能的因素之一。负荷大、速度慢的船模P值小些;负荷小、速度快的船模P值大些。一般P值在0.8~1.5之间。计算螺距时,可根据设计要求达到的船速Vp和主机的转速N,按公式Vp/N求出船模螺旋桨的实际螺距,再把滑脱考虑进去,按下列公式求出几何螺距:
H=Vp(1+S)/N
S值一般在0.1~0.2之间选取。
4.其他形式的推进装置
舰船推进器除了螺旋桨推进器之外,还有其他一些特殊形式:
(1)导管螺旋桨。导管螺旋桨是在普通螺旋桨的外圈加装一个圆锥形套管,叫做导管或导流管。加装导流管的作用是能增大推力,提高推进效率,它要比普通螺旋桨的推力大20%~30%。它特别适于低速船舶,如拖轮和拖网渔轮。
(2)平旋推进器(直叶推进器)。平旋推进器一般垂直地安装在舰底部,是一个可旋转的圆盘,上面装有4~8片叶片,形状似剑形。叶片除随圆盘一起转动外,还可自转。只要调节叶片的角度就可获得随意方向的推力。它的最大优点是转向操纵灵活,而不用舵。因此,特别适合对操纵性要求较高的港口作业船。
(3)喷水推进器。喷水推进器是依靠喷出的水流的反作用力来产生推力的推进方式。它由安装在船体内的水泵及吸水、喷水管系所组成。水泵从船外吸水并使其加速,然后从船后的喷口喷出,以获推力使船前进。它适合于受到吃水限制的航区、航道的船舶,如浅水内河船舶,也适于大马力、高速度的快艇。
八、舰船模型发动机的安装
发动机是模型的动力源,如果安装不当,不仅会影响模型的正常航行,有时还会使模型受到严重损坏。在模型船体制作前就要考虑发动机的安装,尤其是以内燃机为动力的模型。
设计时,可在船模图纸中的侧视图和半宽图上,根据推进器轴线(即轴的中心线)的位置、发动机体积大小及船壳内的宽度,初步确定发动机的位置、机座(或机台)的尺寸和机座台面的倾斜度等。推进器轴线往往在图纸上就已标出,应尽量使机轴与推进器轴在一条直线上。如果两轴之间有某些连接部件,也允许有一定的夹角。发动机太靠前,会增加推进轴的长度,影响船内其他设备的安装,同时还会使模型的重心靠前;发动机太靠后,因为船尾比较窄小会影响它的安装。
以内燃机为动力的各种竞速艇模型,对发动机的安装位置要求十分严格,因为这会直接引起模型艇体重心的改变,进而影响模型的航行性能。所以,对这种模型,其安装位置是经过多次航行试验后才确定的。如果是制作已经实践证明性能良好的模型,发动机的位置最好不要轻易改动。
固定发动机的方法很多。一般,为了便于固定都要制作一个木制或金属的机座(或机台)。机座应与模型的肋板或船底板固定。对木制或玻璃钢制的模型,木座可用树脂胶黏接,同时再用木螺丝钉加固。对金属制的模型,金属座可以焊接。一般的电动机可采取紧固的办法固定。内燃机多采用预先埋设螺杆的方法固定。常见的发动机固定的方法如图1-1-60所示。
图1-1-60常见的发动机固定的方法九、舰船模型的传动装置发动机装好后,还要有一套传动装置,将其发出的动力传递到船体外面,以带动螺旋桨,使船模在水中前进。
一般传动装置包括传动轴(在模型上一般即为桨轴)、发动机轴(简称机轴)与传动轴之间的连接部件、传动轴套管(简称轴套管)和船体外的轴支架等。有的模型为了使发动机减速、增加动力输出的轴数或改变推进轴的旋转方向而使用的齿轮箱,也是传动装置的一部分,如图1-1-61所示。
图1-1-61模型的传动装置1.传动轴
传动轴要有一定的强度并非常平直。较小模型可用不同型号的自行车车轮辐条代替。如使用的发动机功率较大,可根据其功率大小和强度要求,分别选择直径为3~6毫米的钢筋作轴。也可以选用合适焊条芯、废擦枪通条等做轴,效果也不错。
2.轴套管
为了使传动轴顺利地伸出船壳外,需要在船壳伸出轴的地方固定一段水密的轴套管。简易或初级的模型,可以用一段内径略比传动轴粗一点的金属管,也可用废圆珠笔芯的空塑料管代替。
为了不使水通过轴套管进入船内,可选用较长的(或设法加长)轴套管,使它伸到吃水线以上,或者也可在轴套管里注入一些黄油。一般模型的轴套管,可选择一段内径为轴直径3~4倍的金属管,也可用金属片自行焊制。管的前部要垂直焊上一段较韧的金属注油管,并和轴套管相通。轴套管两端可分别嵌入用铜丝弯制的“轴瓦”,有条件的可用铜料进行车制。“轴瓦”要与轴套管焊牢。待轴套管与船壳黏牢后,待传动轴从套管内穿过,再由注油管向轴套管内挤入黄油。还有一些其他的方法,如图1-1-62所示。
图1-1-62各种轴套管示意图3.连接部件
轴与轴之间的连接部件,将发动机轴的动能传递给动力轴,或通过齿轮箱再传递给动力轴。因为这种动能是靠转动的扭力来传递的,有时又由于安装上的某种需要,所以发动机轴与传动轴的中心线往往不在一条直线上。这就要求轴的连接部件必须有一定的强度,并具有可稍微改变传导方向的特点。
最常见的是弹簧传动连接。这种方法简单易行,很适合在较小的模型上使用。制作时可选择一段有一定强度的、内径与机轴和传动轴直径相近的弹簧(最好是弹簧刚好套入轴的端部)。弹簧两端要用锉刀或细砂纸处理干净,再分别与发动机轴和传动轴焊牢。由于焊接处在传动时受力很大,容易开焊,要合理增加焊接面积。
模型商店出售的成套船模材料或零件中,往往使用工厂加工的可拆卸的弹簧传动部件,更换和维修十分方便。功率较大的发动机,可使用各种万向接头作为连接部件。有些需要采取机床加工的方法制作,有些可使用简单的钳工工具做出,效果都比较理想,如图1-1-63所示。
图1-1-63各种轴的连接件示意图4.支架
支架也称人字架,是支撑传动铀正常运转的船外部件。简单的可用铁片折制,或用金属管与金属片焊制。比较正规的,可用车床车制和焊制。装配时,可参考图1-1-61进行。5.齿轮箱有的电动机转速很高,如果直接带动螺旋桨旋转,会使电动机很快发热,却不会使螺旋桨获得较大扭力,采用减速齿轮箱可以较好地解决这个问题。1台电动机带动2个或2个以上的传动轴,可使用减速增轴齿轮箱,如图1-1-64所示。
图1-1-64减速增轴齿轮箱制作齿轮箱时,箱板宜用铜质材料。钻制轴孔时,可先将两块同样大小的箱板焊接(或用手虎钳固定)在一起,使钻出的轴孔位置一致。小的齿轮箱,可直接用轴孔代替轴瓦;较大的齿轮箱,最好能单独车制铜轴瓦,或车制齿轮轴的轴承套,然后再嵌入轴承。齿轮箱制好后,当用手扭动一个齿轮轴时,其他几个齿轮也应随着轻快地转动。如某些地方出现“死点”或严重卡住,须进行必要的调整,齿轮箱最好能做成封闭的,里面注进一些齿轮油以润滑齿轮。
安装齿轮箱时,不仅要注意轴与轴之间的安装角度,更要注意齿轮箱与船体间安装的牢固性。齿轮的组合形式可参考图1-1-65。
图1-1-65齿轮的组合形式示意图十、舰船模型的操纵装置舰船的操纵性是重要的航行性能之一。为了保证船舶具有良好的操纵性能,除了设计合理的船体线型外,一般都装有舵设备。舵是一块平板或具有流线型截面的板,称为舵叶。装在船尾中纵剖面或对称于中纵剖面的位置上。它垂直地浸没在水中,并能绕舵轴转动。在实际的船舶中,舵设备由舵、转舵机构、舵机和操纵机构等组成。
1.舵的作用
舰船航行时,如舵叶的平面与中央纵剖面重合或平行,这时又无风浪潮流等外力影响,则船舶作直线航行。当舵叶的平面转动,与中央纵剖面成一角度α时,由于水流的作用,使舵叶两面水的压力不等而产生一个水压力差Fn,如图1-1-66所示,它垂直作用在舵面上。Fn的纵向分力Fp,对船起阻力作用,使船减速;横向分力FL,与船的重心G形成一个转动船舶的力矩M,促使船舶回转并横移,M=FL·L1。
图1-1-66舵的作用如果将舵固定在一个舵角α,船便沿着一个圆形轨迹运动。当舵角α为最大(35度)时,此圆形轨迹的直径称为船舶的回转直径。船舶的回转直径越小,表示船舶的敏转性能越好。舰船模型对回转性的要求是不一样的。自航模型要求航向稳定性要好;无线电操纵模型要求敏转性要好。增大船模的转动力矩,可用增加舵面积或舵的数量来获得。此外,舵角的大小也有影响,通常在35度舵角时,转动船舶的效果最好。
2.舵的种类
在实际的船舶中,舵的种类是很多的,不同的分类标准能得到不同的种类。
(1)按舵的支承情况来分,如图1-1-67所示。
图1-1-67常见的几种舵①多支承舵:船体尾柱连有3个以上的舵钮。
②悬式舵:下支承的位置在舵的半高处。
③悬式舵:挂在舵杆上的。
④双支承舵:除了上支承还有一个安在舵根的下支承。
(2)按舵杆轴线位置来分,如图1-1-67所示。
①普通舵:舵叶位于舵杆轴线之后。
②半平衡舵:一般就是半悬式舵。
③平衡舵:舵杆轴线位于舵叶前缘后一定的距离,一般在舵叶前缘后的1/3处。
(3)按舵剖面形状来分,如图1-1-68所示。
图1-1-68舵的截面①平板舵:舵的剖面是直线型的。
②改良平板舵:在平板舵上附以木块,其外形与流线型相似。
③流线型舵:舵的剖面是流线型的。
④整流舵(反应舵):舵的剖面是对称的流线型。
在舰船模型中,商船模型多采用双支承流线型普通舵;在自航军舰和遥控模型上,多采用悬式流线型平衡舵;简易船模上一般使用平板舵。