飞行原理-03-V3.0

飞行原理/CAFUC螺旋桨的空气动力第三章第三章第页21903年，莱特兄弟所制飞机以一对木质螺旋桨来产生拉力。第三章第页3螺旋桨的拉力是活塞式飞机和涡轮螺旋桨飞机前进的动力。螺旋桨运作好坏直接影响拉力大小，而拉力大小又关系到飞机的飞行性能。本章着重分析螺旋桨空气动力的产生及其变化规律，介绍螺旋桨的功率、效率及负拉力、副作用等问题。第三章第页4本章主要内容3.1螺旋桨的拉力和旋转阻力3.2螺旋桨拉力在飞行中的变化3.3螺旋桨的有效功率和效率3.4螺旋桨的副作用飞行原理/CAFUC飞行原理/CAFUC3.1螺旋桨的拉力和旋转阻力第三章第页63.1.1螺旋桨简介桨叶桨毂变距机构桨尖桨根后缘前缘①螺旋桨的组成第三章第页7②桨叶平面形状桨叶的平面形状很多，使用较多的有三种：第三章第页8Rr③桨叶基本参数螺旋桨直径D螺旋桨半径R剖面半径r相对半径r/R桨弦bDb第三章第页9●桨盘/旋转面桨盘就是螺旋桨旋转面，即螺旋桨旋转所划的平面。第三章第页10桨叶角φ：桨弦和旋转面之间的夹角③桨叶基本参数uv第三章第页11④定距螺旋桨与变距螺旋桨桨叶角增大叫变高距或变大距。桨叶角减小叫变低距或变小距。现代飞机普遍使用自动变距螺旋桨。桨叶角不能改变的螺旋桨叫定距螺旋桨。桨叶角能够改变的螺旋桨叫变距螺旋桨。第三章第页12●TB200螺旋桨外观第三章第页13●Cessna172螺旋桨外观第三章第页14●Seminole螺旋桨外观第三章第页15●夏延螺旋桨外观第三章第页16飞行中，螺旋桨是一面旋转一面前进的。螺旋桨剖面具有两个速度：一个是前进速度v,一个是圆周速度（切向速度）u。3.1.2螺旋桨的运动右图为桨叶切面上某一点的运动轨迹。nru2第三章第页17①相对进距λ()22vtguvrnDrvnD相对进距越大，合速度的方向偏离旋转面越多。vuwuv气流合速度,其方向可用λ表示w第三章第页18αγφ桨弦相对气流旋转面桨叶角φ：桨弦和旋转面之间的夹角桨叶迎角α：桨弦和入流（即相对气流）之间的夹角入流角γ：入流和旋转面之间的夹角③桨叶基本参数第三章第页19为常数时为常数时uv②桨叶迎角α随桨叶角φ的变化第三章第页20③桨叶迎角α随飞行速度v的变化在桨叶角和转速不变的情况下，桨叶迎角随飞行速度增大而减小，当飞行速度增大到一定程度，桨叶迎角可能减小到零，甚至变为负值。第三章第页21④桨叶迎角α随切向速度u的变化在桨叶角和飞行速度不变的情况下，桨叶迎角随转速增大而增大，随转速减小而减小。第三章第页22⑤螺旋桨的几何扭转螺旋桨几何扭转的目的，是为了保持螺旋桨桨叶各剖面的桨叶迎角基本相等。下图为没有进行几何扭转的螺旋桨工作时的情况。第三章第页23●螺旋桨的几何扭转示意图第三章第页24●螺旋桨的几何扭转的效果下图为进行了几何扭转的螺旋桨，可以看到从桨根到桨尖，桨叶角逐渐减小，以保证各切面迎角大致相等。桨尖桨根第三章第页25●TB200螺旋桨的几何扭转第三章第页263.1.3螺旋桨拉力和旋转阻力的产生①叶素的空气动力212RdRCwdsCR：叶素的空气动力系数ds：叶素的面积第三章第页27②桨叶的空气动力及其分布dPdQ)(CosRP)(SinRQ第三章第页28●旋转阻力矩螺旋桨各桨叶旋转阻力的作用点离桨轴有一段距离，其方向与桨叶的旋转方向相反，故形成阻碍螺旋桨旋转的力矩M阻。旋转阻力矩M阻通常由发动机输出的旋转力矩M扭来平衡。M阻M扭，螺旋桨转速将会降低M阻M扭，螺旋桨转速将会增加M阻=M扭，螺旋桨转速不变阻力矩第三章第页29●飞行中螺旋桨所受力分析离心力阻力矩致弯曲力拉力第三章第页30本章主要内容3.1螺旋桨的拉力和旋转阻力3.2螺旋桨拉力在飞行中的变化3.3螺旋桨的有效功率和效率3.4螺旋桨的副作用飞行原理/CAFUC飞行原理/CAFUC3.2螺旋桨拉力在飞行中的变化第三章第页323.2螺旋桨拉力在飞行中的变化螺旋桨的拉力是总空气动力的一个分力，拉力的大小不仅取决于总空气动力的大小，还取决于总空气动力的方向。总空气动力大小总空气动力方向桨叶迎角α桨叶切面合速度w合速度的方向性质角θ拉力大小第三章第页33●变距机构的分类3.2.1螺旋桨的变距●变距的目的人工变距，通过前推或后拉变距杆，改变桨叶角、桨叶迎角、旋转阻力的大小，从而调整转速快慢。自动变距，通过调速器自动调整桨叶角的大小，保持转速恒定不变。人工变距机构，以变距杆为代表自动变距机构，以调速器为代表第三章第页34●变距机构第三章第页35●Seminole发动机控制第三章第页36●不同工况下的操作油门杆变距杆混合比杆第三章第页373.2.2螺旋桨拉力随飞行速度的变化飞行速度增大，使得相对气流方向越发偏离旋转面，因此桨叶总空气动力R的方向也更加偏离桨轴。第三章第页38●螺旋桨飞机拉力随速度变化曲线螺旋桨拉力随速度的增大而逐步减小。第三章第页393.2.3螺旋桨拉力随油门位置的变化油门增加，螺旋桨转速增大。调速器为了保持转速，自动增大桨叶角。因此桨叶总空气动力R增大。第三章第页40●螺旋桨飞机不同油门位置下的拉力曲线螺旋桨的拉力随油门的增大而逐步增加。第三章第页41●综合分析开始加油门加油门结束油门增加，转速不变，桨叶角增加，拉力增大。速度还没有变化速度增大，转速不变，桨叶角增加，拉力减小，飞机阻力增加，升力也同时增加，需顶杆保持升力不变。飞机处于稳定直线飞行的平衡状态，拉力等于阻力，升力等于重力。拉力等于阻力时，飞机处于新的平衡状态，保持稳定直线等速飞行。P1V1P2V2P3V3P3P1V1V3螺旋桨拉力随油门、速度的变化在实际中的情况。P1P2V1=V2P2P3V2V3第三章第页423.2.4螺旋桨拉力随飞行高度的变化对于安装自然吸气式活塞发动机的螺旋桨的拉力随高度的增大而减小。第三章第页43螺旋桨的拉力随温度的增加而减小。3.2.5螺旋桨拉力随气温的变化第三章第页443.2.6螺旋桨的负拉力产生负拉力的几种情况：①飞行速度过大，产生负拉力。②油门过小，产生负拉力。③发动机空中停车,产生负拉力。第三章第页45①飞行速度过大时负拉力的产生飞行速度增大，调速器为保持转速不变，会自动增大桨叶角。但由于入流角也在增大，所以桨叶迎角仍在减小，桨叶总空气动力R逐渐向旋转面靠拢。第三章第页46②油门过小时负拉力的产生油门减小，调速器为保持转速不变，会自动减小桨叶角。但由于入流角短时间内保持不变，桨叶迎角逐渐减小，甚至成为负迎角。第三章第页47③发动机空中停车时负拉力的产生发动机空中停车，调速器为保持转速不变，会自动减小桨叶角。由于桨叶角和桨叶迎角均迅速减小，形成较大的负迎角，桨叶总空气动力R指向斜后方。第三章第页48●空中停车后螺旋桨的自转（风车状态）相对气流飞行阻力总空气动力旋转力第三章第页49顺桨的目的是将桨叶角增大到90度左右，桨叶几乎与飞行速度方向相平行，从而避免发动机的磨损，消除负拉力，减小阻力。●顺桨机构相对气流桨弦第三章第页50●顺桨的过程第三章第页51●顺桨完成第三章第页52●不同桨叶角下螺旋桨阻力风车状态下螺旋桨阻力很大。第三章第页53本章主要内容3.1螺旋桨的拉力和旋转阻力3.2螺旋桨拉力在飞行中的变化3.3螺旋桨的有效功率和效率3.4螺旋桨的副作用飞行原理/CAFUC飞行原理/CAFUC3.3螺旋桨的有效功率和效率第三章第页55螺旋桨有效功率是影响螺旋桨飞机飞行性能好坏的因素之一。螺旋桨效率则是衡量螺旋桨性能好坏的重要标志。因此，飞行员对什么是螺旋桨有效功率和效率、以及如何获得好的螺旋桨有效功率和效率应该有所了解。第三章第页563.3.1螺旋桨的有效功率75PvN桨螺旋桨产生拉力，拉着飞机前进，对飞机做功。每秒钟内螺旋桨对飞机所做的功的多少就是螺旋桨的有效功率。P——螺旋桨拉力，单位：牛顿v——飞行速度，单位：米/秒第三章第页57①螺旋桨的有效功率随飞行速度的变化小于某一飞行速度时，螺旋桨有效功率随速度增大而增大。大于某一飞行速度时，螺旋桨有效功率随速度增大而减小。第三章第页58②螺旋桨的有效功率随不同油门位置的变化飞行高度和转速均不变的情况下，油门位置越大，发动机有效功率越大，螺旋桨有效功率随之增大。第三章第页59●涡轮增压式活塞发动机额定高度：能够获得需要进气压力的最高高度。第三章第页60注：吸气式发动机与增压式发动机的工作原理不同，受高度变化的影响也有不同。③螺旋桨的有效功率随不同高度的变化低于额定高度，随着高度增加，发动机有效功率增大，螺旋桨有效功率也增大。超过额定高度，随着高度增加，发动机有效功率减小，螺旋桨有效功率也减小。第三章第页61④获得螺旋桨最大有效功率的方法对于活塞式螺旋桨飞机，当高度和飞行速度一定的情况下，要想使螺旋桨有效功率尽可能大，在加油门的同时应当前推变距杆增大转速。第三章第页623.3.2螺旋桨的效率螺旋桨的有效功率与发动机的有效功率之比，定义为螺旋桨的效率ηNN桨发动机第三章第页63①螺旋桨的效率η与相对进距λ的关系在固定桨叶角的情况下，螺旋桨的效率在某一固定相对进距下达到最大。第三章第页64②螺旋桨的效率η与桨叶角φ的关系相对进矩越大，对应较高效率的桨叶角也越大。第三章第页65活塞式变距螺旋桨飞机，在使用额定转速和额定油门做大速度平飞时，螺旋桨效率最高。③获得螺旋桨最大效率的方法在飞行速度减小时，收小油门、减小进气压力、后拉变距杆减小转速，以保持螺旋桨效率。在飞行速度增大时，加大油门、增大进气压力、前推变距杆增大转速，以保持螺旋桨效率。第三章第页66本章主要内容3.1螺旋桨的拉力和旋转阻力3.2螺旋桨拉力在飞行中的变化3.3螺旋桨的有效功率和效率3.4螺旋桨的副作用飞行原理/CAFUC飞行原理/CAFUC3.4螺旋桨的副作用第三章第页68螺旋桨在工作中，一方面产生拉力，提供飞机的前进动力；另一方面还会产生一些对飞行不利的副作用。①进动②反作用力矩③滑流扭转作用④P-factor第三章第页69纵轴竖轴横轴螺旋桨旋转方向反作用力矩方向飞行中高速旋转的螺旋桨，当受到桨轴方向的操纵力矩作用时，螺旋桨并不完全绕与操纵力矩方向平行的轴转动，还要绕另一个轴偏转，这种现象叫做进动。3.4.1螺旋桨的进动机头上仰向右进动第三章第页70●进动的产生机理第三章第页71●螺旋桨进动的产生当机头上仰时，转动到上方的桨叶受到向后的作用力，产生向后的加速度。在桨叶继续向右转动的过程中，该加速度的影响仍然存在。第三章第页72●进动方向的判断方法通过绘图判断右转螺旋桨的方向通过右手判断右转螺旋桨的方向方法一：方法二：机头转动方向进动方向第三章第页73后三点式螺旋桨飞机，在起飞滑跑抬尾轮时，受进动的影响较为明显。●进动的影响举例：第三章第页74●进动对后三点飞机抬尾轮的影响第三章第页753.4.2螺旋桨的反作用力矩右转螺旋桨飞机，在反作用力矩作用下，会向左倾斜。第三章第页76在空中飞行时，反作用力矩有使飞机带坡度的趋势。加油门，桨叶空气动力增大，反作用力矩随之增大。减油门，桨叶空气动力减小，反作用力矩随之减小。①反作用力矩对空中飞行的影响螺旋桨转动方向反作用力矩方向第三章第页77②反作用力矩对地面滑跑的影响在地面滑跑时，反作用力矩的作用使左右两侧机轮对地面的压力不均，受到的摩擦阻力不同，使得机头向一侧偏转。反作用力矩N左N右偏转力矩F左F右第三章第页78受螺旋桨作用，向后加速和扭转的气流叫螺旋桨滑流。3.4.3螺旋桨的滑流扭转作用第三章第页79●C130的螺旋桨滑流第三章第页80●螺旋桨滑流对飞机的扭转作用对于右转螺旋桨飞机，滑流的影响主要从左方作用于机体和垂直尾翼，使得飞机机头向左侧偏转。飞行速度越大，舵面效应越强，偏转力矩越大。第三章第页81●加油门时滑流对俯仰平衡的影响油门增加滑流速度增加偏转力矩增加附加空气动力增加上仰力矩增加V上仰力矩滑流速度增大△RY尾第三章第页82●收油门时飞机会下俯第三章第页83大迎角时，