螺旋桨原理

螺旋桨的空气动力特性2/72介绍螺旋桨性能分析数据和螺旋桨的空气动力特性螺旋桨的性能分析数据螺旋桨的空气动力特性§5—1螺旋桨的几何特性和运动特性•现代的螺旋桨主要由桨叶、桨毂及桨叶变距机构等组成，如图3—5—1所示•桨毂是联结桨叶和发动机转轴的装置，有的变距螺旋桨桨毂还用来产生液压变距力矩。•桨叶是用来产生拉力的部分。现代飞机的螺旋桨一般有2—4个桨叶。•桨叶平面形状有的如同鸟的翅膀(参见图3—5—2(a)。为了增大拉力和提高螺旋桨效率，桨叶的平面形状逐渐改善。现在使用较多的螺旋桨，其桨叶平形状，是中间宽、两头窄(如图3—5—2b)。高速旋转的螺旋桨，其桨叶有矩形或马刀形(见图3—5—2c,d)。一.螺旋桨的主要部分和几何形状•桨叶的切面形状与翼型相似，前桨面的弯曲度较大，后桨面的弯曲度较小，相当于机翼的上表面和下表面，桨叶的切面形状又称叶型。•桨叶切面的前缘与后缘的连线，叫做桨弦(b)，或叫桨叶宽度：如图3—5—3所示。•桨弦与螺旋桨直径之比(b／D)，叫桨叶相对宽度。WWUV=+WWUV=+二.螺旋桨的运动•飞行中，螺旋桨一面旋转，一面前进。其运动特点与拧螺丝钉的情形相象。桨叶每一点的运动轨迹，都是一条螺旋线，见图3—5—4。•（一）桨叶切面的合速度•既然螺旋桨是一面旋转，一面前进，所以桨叶各切面都具有两种速度。一是前进速度（C），即飞机的飞行速度；一是因旋转而产生的圆周，或称切向速度（U）其大小取决于螺旋桨的转速（n）和各切面离桨轴的距离（r）。转速越大，同一切面的切向速度也越大。转速相同时，桨叶切面离桨轴越远，切向速度也越大，桨叶切面的切向速度，可用下式计算，即•U=2πrn•切向速度与前进速度所合成的速度，称为桨叶切面的合速度，以表示，我们知道，()，如图3—5—5所示。桨叶切面的相对气流速度，与此合速度的大小相等，方向相反。CUWW•(二)前进比•桨叶切面合速度的方向；可用前进比(λ)来表示。前进比是飞行速度同螺旋桨的转速与直径的两者乘积之比。可用下式表示。•λ=C∕nD•式中C—飞行速度[米／秒]•n一螺旋桨转速[转／秒]；•D一螺旋桨直径[米]•为什么桨叶切面的合速度方向可用前进比来表示呢?参见图3—5—5，若合速度与旋转面之间的夹角以表示，则•①••式中，桨叶切面的切向速度(U)可用下式表示：••②•将②代入①式,得tgγ=•由（3-5-3）式中可见，前进比（λ）越大，角也越大，说明合速度的方向越偏离旋转面。反之，前进比越小，说明合速度的方向越接近旋转面。2DUCtgnDDU2三、桨叶迎角的变化•桨叶切面的相对气流方向与桨弦方向之间的夹角，称为桨叶角，也以表示。桨叶迎角也就是桨叶切面合速度与桨弦方向之间的夹角，如图3—5—6所示。桨叶迎角是随桨叶角、飞行速度和切向速度的改变而变化的。•(一)桨叶迎角随桨叶角的变化；•如图3—5—6所示，当切向速度和飞行速度都一定时，桨叶角增大，桨叶迎角也随之增大；桨叶角减小，桨叶迎角也随之减小。•（二）桨叶迎角随飞行速度的变化•如图3—5—7所示，在桨叶角和切向速度均不变的•情况下，飞行速度增大。因前进比()随之增大，•即合速度方向越偏离旋转面，故桨叶迎角减小。当飞行速度增大到某一个数值时，桨叶迎角减小到零(如图3—5—7c)；若飞行速度继续增大，例如飞机在俯冲时，nDC•桨叶迎角随之增大；当飞行速度为零，如飞机在地面试车时，桨叶迎角就增大到等于桨叶角(如图3-5-7a)。•(三)桨叶迎角随切向速度的变化•在桨叶角和飞行速度不变的情况下，如果转速增加，则切向速度(U=)增大，前进比减小；即合速度的方向靠近旋转面，故桨叶迎角增大，参见图3-5-8。同理，转速减小，则桨叶迎角也随之减小。•(四)桨叶的扭转•如果桨叶无几何扭转，即各桨叶剖面的桨叶角都相同，那么，由于桨叶各剖面离桨轴的距离远近不同，各切向速度都不相等，合速度的方向也就不会相同，所以各桨叶迎角也不一样。例如，靠近桨根的桨叶切面，其切向速度较小，桨叶迎角也较小，如图3-5-9所示。rn2•为了使桨叶各切面的迎角相差不致过大，通常都把桨叶做成扭转的。即从桨根到桨尖，桨叶角逐渐减小，如图3—5—10所示。•对于扭转的桨叶，是以某一桨叶切面的桨叶角代表整个桨叶的桨叶角。通常选取位于螺旋桨半径75％或离桨轴1米处桨叶切面桨叶角来代表整个桨叶角。例如安一25飞机螺旋桨桨叶角，规定为半径1米处桨叶切面的桨叶角。通常在此处画有黄色的线条作标记。§5—2螺旋桨的拉力和旋转阻力力矩一、螺旋桨拉力和旋转阻力力矩的产生如图3—5—11a、b所示，螺旋桨在旋转中，桨叶与空气发生相对运动，空气流过桨叶的前桨面，就象流过机翼上表面一样，流管变细，流速加快，压强降低；空气流过桨叶的后桨面，就象流过机翼下表面一样，流管变粗，压强升高。流进桨叶前缘，气流受到阻挡，流速减慢，压强提高；流进桨叶后缘，气流分离，形成涡流区，压强下降。这样，在桨叶的前后表面和前后缘均形成压强差。这种压强和气流作用于桨叶上的摩擦力综合在一起，就构成了桨叶的空气动力（R）•桨叶的空气动力对螺旋桨的运动起着两个作用：一是拉着螺旋桨和飞机前进；二是阻碍螺旋桨旋转。因此，可将桨叶的空气动力（R）分解为两个分力（见图3-5-11中c）一是与桨轴平行，拉着螺旋桨和飞机前进的拉力（P）；二是与桨轴垂直，阻碍螺旋桨旋转的旋转阻力（Q）•如图3—5—12所示：由于螺旋桨叶的拉力(和)，其方向都相同，所以可将各个桨叶的拉力合成一个总的力，就是整个螺旋桨的拉力。至于各桨叶的旋转阻力(和)，由于它们与桨轴都有一段距离，其方向又都与该桨叶的切向速度的方向相反，所以形成阻碍螺旋桨旋转的力矩，此力矩称为旋转阻力力矩。这个力矩是由发动机转轴发出的旋转力矩来平衡。若发动机转轴发出的力矩大于旋转阻力力矩，螺旋桨的转速就会增大；反之，发动机转轴发出的力矩小于旋转阻力力矩，则螺旋桨的转速就会降低。只有在两力矩相等时，螺旋桨的转速才能保持不变。1P2P1Q2Q二、螺旋桨拉力公式和旋转阻力公式•在桨叶半径r处取一宽度为dr的微元桨叶，该微元桨叶叫叶素，其面积为b×dr,b是半径为r处的桨弦。该叶素的运动速度和所产生的空气动力，如图3—5—13所示。•经过推导，螺旋桨拉力和旋转阻力的大小可用下列公式表示：P=•Q=•式中P一螺旋桨拉力[牛顿]；•42DnCP42DnCQ•——螺旋桨拉力系数，表示桨叶数目、桨叶形状、桨叶迎角、桨叶合速度方向和表面质量等因素对拉力的影响；•——空气密度[千克／米]；•n——螺旋桨转速[转／秒];•D——螺旋桨直径[米]；•Q——螺旋桨旋转阻力[牛顿];•——螺旋桨旋转阻力系数，表示桨叶数目、桨叶形状、桨叶迎角、桨叶合速度方向和表面质量等因素对螺旋桨旋转阻力的影响。PCQC三、影响螺旋桨拉力和旋转阻力力矩的因素•从拉力公式和旋转阻力公式可以看出，影响拉力和旋转阻力(也就是影响旋转阻力力矩)的因素有空气密度、螺旋桨转速、螺旋桨直径、拉力系数和旋转阻力系数等。则拉力系数和旋转阻力系数又取决于螺旋桨的桨叶数目、桨叶的切面形状、平面形状、表面质量、桨叶迎角和桨叶合速度的方向等因素。•(一)空气密度的影响•空气密度对拉力和旋转阻力力矩的影响，与空气密度对机翼升力和阻力的影响相似。空气密度减小，桨叶的空气动力减小，拉力和旋转阻力力矩都随之减小；反之，空气密度增加，拉力和旋转阻力力矩都要增大。(二)螺旋桨直径的影响•螺旋桨直径增大，一方面相当于增加了桨叶面积；另一方面还使桨尖的切向速度增大，合速度随之增大。因此，桨叶的空气动力增大，拉力和旋转阻力力矩都迅速增大。•但是，螺旋桨直径的增大是有限度的。如螺旋桨力矩急剧增大，而拉力甚至还可能减小。此外，螺旋桨直径太大时，起落架必须做得很高，以保证飞机能在地面停放或试车，这样就增加了构造上的困难。因此，螺旋桨直径也受到构造上的限制。•(三)桨叶迎角的影响•桨叶迎角对拉力和旋转阻力力矩的影响，与机翼迎角对升力和阻力的影响相似，桨叶迎角增加，桨叶的空气动力也增大，拉力和旋转阻力力矩都相应增大。•但是，桨叶迎角不能过大。因为桨叶迎角超过某一数值(相当于机冀的临界迎角)后前桨面会出现严重的气流分离现象。•这样，前、后桨面的压强差就会降低；而桨叶前、后缘的压强差就会升高。于是，桨叶空气动力的方向将靠近旋转面，使螺旋桨的拉力减小，而旋转阻力力矩增大。•(四)桨叶切面合速度的影响•同飞行速度对机翼的升、阻力的影响一样，桨叶切面的合速度增大，桨叶的空气动力也会变大，故螺旋桨的拉力和旋转阻力力矩也都增加。反之，合速度减小，则拉力和旋转阻力力矩都减小。•在飞行中，飞行员主要是通过改变螺旋桨转速的办法，来改变合速度的大小。在其他因素不变的条件下，增大转速，切向速度变大，合速度增大，因此螺旋桨拉力和旋转阻力力矩也随之增大。反之，转速减小，合速度减小，拉力和旋转阻力力矩也随之减小。•如果合速度的大小和桨叶迎角都保持不变，当合速度的方向改变时，由于桨叶空气动力的方向随之改变。螺旋桨的力和旋转阻力力矩也会变化。从图3—5—14可以看出，合速度的方向越是偏离旋转面，则桨叶空气动力的方向越偏离桨轴，从而•引起旋转阻力增大和拉力减小。整个螺旋桨的旋转阻力力矩也就随之增大，拉力也就随之减小。•合速度的方向改变时，桨叶空气动力的方向随之改变的道理可以这样解释：由于桨叶在气流中的工作情况和机翼相似，其空气动力(R)，也可以分解为垂于相对气流方向的分力()和平行于相对气流方向的分力()，如图3—5—15所示。R与之间的夹角以θ表示，它相当于机翼的性质角。θ角的大小随桨叶迎角而变。若桨叶迎角不变，则θ角也保持不变，于是桨叶空气动力(R)与合速度(W)之间的夹角()也保持不变。因此，在桨叶迎角不变的条件下,若合速度偏离旋转面的角度越大则桨叶空气动力偏离桨轴的夹角也越大。•(五)桨叶数目的影响•桨叶数目增多，桨叶的总面积加大，拉力系数和旋转阻力系数都会变大。但桨叶数目不能过多，否则，由于相邻桨叶之间的干扰，会使旋转阻力力矩增加的倍数大于拉力增加的倍数，螺旋桨的效率降低，反而不利。yRxRxR90•(六)桨叶切面形状和平面形状的影响•在一定范围内，桨叶切面的厚弦比(桨叶切面的最大厚度与桨弦的比值)和中弧曲度(桨叶切面的最大弧高与桨弦的比值)增大，拉力和旋转阻力力矩都增大。其道理同翼型对机翼升力和阻力的影响一样。•(七)维护质量对螺旋桨拉力和旋转阻力力矩的影响•由以上分析可以看出，螺旋桨的拉力和旋转阻力力矩与螺旋桨的外形有密切关系。特别是因为桨叶的相对气流速度很大，桨叶稍有变形或伤痕，旋转阻力力矩就会迅速增大，螺旋桨的空气动力性能就会显著降低。因此，机务维护人员在使用和维护螺旋桨时，要特别注意保持螺旋桨表面形状和光洁度。在开车前，应把螺旋桨附近的地面打扫干净，并要仔细检查场地，以免在飞机开车或滑行时，吸起砂石，打坏桨面，破坏其空气动力性能。•现代飞机都安装有恒速螺旋桨。恒速螺旋桨是这样一种变距螺旋桨，即如果变距杆不动，尽管油门位置、飞行速度或高度改变，转速始终保持不变。恒速螺旋桨的拉力主要随飞行速度、油门位置和飞行高度而变化。•(一)拉力随飞行速度的变化•在油门位置保持不变的条件下，飞行速度增大，合速度的方向更加偏离旋转面。此时，若按照合速度方向变化的程度，相应地改变桨叶角，保持桨叶迎角不变。而合速度大小的变化不多，则桨叶空气动力的大小基本不变。但空气动力的方向更加偏离桨轴，而使旋转阻力增加和拉力减小，如图3—5—16(a)、(b)所示。旋转阻力增大，还会迫使转速减小下来。对恒速螺旋桨(例如安—26等飞机的螺旋桨)来说，在飞行速度增大的过程中，桨叶角增加得慢一些，而合速度的方向变得快一些，因而桨叶迎角会逐渐减小。这样，桨叶的空气动力也随之减小，它的一个分力，即旋转阻力就可以保持四、螺旋桨拉力在飞行中的变化•不变，转速也就可以保持不变。但是。桨叶的空气动力减小了，拉力自然随之减小。如图3—5—16(c)所示。拉力随飞行速度变化规律见图3—