螺旋槳的空氣動力第3

章0204目錄CONTENTS3.1螺旋槳的拉力和旋轉(zhuǎn)阻力3.3

螺旋槳的有效功率和效率3.4

螺旋槳的副作用3.2

螺旋槳拉力在飛行中的變化03013.1螺旋槳的拉力和旋轉(zhuǎn)阻力入3.1.1流體模型化螺旋槳簡介現(xiàn)代的螺旋槳主要由槳葉、槳轂及槳葉變距機(jī)構(gòu)等組成。螺旋槳各部分名稱3.1.1流體模型化螺旋槳簡介槳葉的平面形狀很多，現(xiàn)代使用較多的有橢圓形、矩形和馬刀形等。槳葉平面形狀添加內(nèi)容3.1.1流體模型化螺旋槳簡介螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，槳尖所畫圓的直徑，稱為螺旋槳的直徑（D）。該圓的半徑，稱為螺旋槳的半徑（R）。螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸線至某一剖面的距離，稱為該剖面的半徑（r），比值

r/R稱為相對半徑（r

）。槳葉旋轉(zhuǎn)時槳尖所劃過的平面叫做旋轉(zhuǎn)面，它與槳軸垂直。螺旋槳的直徑、半徑、相對半徑和旋轉(zhuǎn)面3.1.1流體模型化螺旋槳簡介螺旋槳的槳葉剖面和槳葉角槳葉剖面前緣與后緣的連線，稱為槳弦（b）或槳葉寬度。槳弦與旋轉(zhuǎn)面之間的夾角稱為槳葉（M）。和機(jī)翼類似，槳葉的截面形狀稱為槳葉剖面，相當(dāng)于機(jī)翼的翼型；前、后槳面分別相當(dāng)于機(jī)翼的上、下表面。3.1.2

螺旋槳的運(yùn)動槳葉剖面某一點(diǎn)的運(yùn)動飛行中，螺旋槳的運(yùn)動是一面旋轉(zhuǎn)、一面前進(jìn)。因此，槳葉各剖面都具有兩種速度：一是前進(jìn)速度（v），即飛機(jī)的飛行速度；二是因旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的圓周速度，或叫切向速度（u），其大小取決于螺旋槳的轉(zhuǎn)速和各剖面的半徑。螺旋槳槳葉上任意一點(diǎn)的運(yùn)動軌跡就是一條螺旋線。3.1.2

螺旋槳的運(yùn)動槳葉迎角隨飛行速度的變化槳葉迎角隨槳葉角、飛行速度和轉(zhuǎn)速的改變而變化。當(dāng)飛行速度和轉(zhuǎn)速一定時，槳葉迎角隨槳葉角的增大而增大，隨槳葉角的減小而減小。當(dāng)槳葉角和轉(zhuǎn)速一定時，槳葉迎角隨飛行速度增大而減小，飛行速度增大到一定程度時，槳葉迎角可能減小到零甚至變?yōu)樨?fù)值。3.1.2

螺旋槳的運(yùn)動槳葉迎角隨切向速度的變化當(dāng)槳葉角和飛行速度一定時，槳葉迎角隨轉(zhuǎn)速增大而增大，隨轉(zhuǎn)速減小而減小。3.1.2

螺旋槳的運(yùn)動各槳葉剖面的合速度和槳葉迎角此外，如果槳葉無幾何扭轉(zhuǎn)，即各槳葉剖面的槳葉角都相同，但由于槳葉各剖面的半徑不同，導(dǎo)致各剖面的切向速度都不相等，合速度的方向也就不相同，所以槳葉迎角也不一樣。在飛行速度和槳葉角保持一定的情況下，槳尖處的切向速度最大，因而其槳葉迎角也最大。3.1.2

螺旋槳的運(yùn)動槳葉的扭轉(zhuǎn)為了使槳葉各剖面的迎角基本相等，常把槳葉設(shè)計成負(fù)扭轉(zhuǎn)，即從槳根到槳尖，槳葉角是逐漸減小的，以保持各剖面的槳葉迎角基本相等。3.1.3

螺旋槳拉力和旋轉(zhuǎn)阻力的產(chǎn)生葉素的空氣動力根據(jù)

dR

對槳葉運(yùn)動所起的作用，可把葉素的空氣動力分解為兩個分力：一個與槳軸平?，拉螺旋槳前進(jìn)的拉力dP；另一個與槳軸垂直，阻礙螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)阻力dq。3.1.3

螺旋槳拉力和旋轉(zhuǎn)阻力的產(chǎn)生槳葉的空氣動力及其分布空氣動力

dR

分解為垂直于合速度方向和平行于合速度方向的兩個分力dY

和

dX，其大小按下式計算：3.1.3

螺旋槳拉力和旋轉(zhuǎn)阻力的產(chǎn)生拉力公式可寫成為：葉素上的旋轉(zhuǎn)阻力為：各葉素上旋轉(zhuǎn)阻力矩的總和就形成了螺旋槳的旋轉(zhuǎn)阻力矩（

M

阻

）。3.2螺旋槳拉力在飛行中的變化3.2.1

定距螺旋槳和變距螺旋槳2. 變距螺旋槳現(xiàn)代飛機(jī)大都采用變距螺旋槳，在飛行中隨著飛行條件的變化而改變槳葉角，以期獲得任何飛行狀態(tài)下的最佳效率。1. 定距螺旋槳定距螺旋槳的槳葉角是制造廠商選定的，在整個飛行過程中不能改變。對于定距螺旋槳，只有在一定的飛行速度和轉(zhuǎn)速下才能獲得最佳效率。3.2.1

定距螺旋槳和變距螺旋槳螺旋槳的空氣動力力矩和配重慣性離心力矩功率小的活塞式輕型飛機(jī)，一般沒有專門的變距機(jī)構(gòu)，主要靠槳葉的空氣動力和配重的慣性離心力來改變槳葉角。功率較大的活塞式發(fā)動機(jī)飛機(jī)，設(shè)有專門的變距機(jī)構(gòu)——調(diào)速器。它靠液壓式電動力來改變槳葉角。3.2.2

螺旋槳的拉力隨飛行速度的變化在油門位置和飛行高度以及大氣溫度不變的情況下，不管是渦輪螺旋槳飛機(jī)，還是活塞式飛機(jī)，隨著飛行速度的增大，螺旋槳拉力都要逐漸減小。一是拉力直接決定著飛行速度的大小，例如增大飛行速度，通常都要增大拉力；二是飛行速度改變以后，會引起拉力的大小發(fā)生變化。拉力隨飛行速度的變化拉力隨速度的變化曲線3.2.3

螺旋槳拉力隨油門位置的變化在飛行速度和高度不變的條件下，無論哪種發(fā)動機(jī)，加大油門，螺旋槳拉力都將增大。對于活塞式定距螺旋槳來說，加大油門，發(fā)動機(jī)有效功率提高，輸出的扭矩增大，使螺旋槳轉(zhuǎn)速增大，槳葉迎角增大，拉力增大。而對于活塞式恒速螺旋槳來說，加大油門，發(fā)動機(jī)有效功率提高，輸出的扭矩增大，使螺旋槳轉(zhuǎn)速增大，為了保持轉(zhuǎn)速不變，調(diào)速器迫使槳葉變大距，使槳葉迎角增大，進(jìn)而增大旋轉(zhuǎn)阻力以維持轉(zhuǎn)速不變，同時拉力增大；反之，收油門，則拉力減小。拉力隨油門位置的變化某飛機(jī)不同油門位置下的拉力曲線3.2.4

螺旋槳拉力隨飛行高度的變化某吸氣式活塞發(fā)動機(jī)在不同高度的拉力曲線在飛行速度和油門位置不變的情況下，飛行高度改變，將影響空氣密度的大小，使得發(fā)動機(jī)有效功率發(fā)生變化，拉力也發(fā)生變化。對于吸氣式活塞發(fā)動機(jī)來說，隨著飛行高度的增加，空氣密度減小，發(fā)動機(jī)有效功率一直降低，所以螺旋槳的拉力也一直減小。對于增壓式活塞發(fā)動機(jī)來說，在額定高度以下，隨著高度增加，拉力增大；額定高度以上，隨著高度增加，拉力減??；額定高度處，拉力最大。3.2.5

螺旋槳拉力隨氣溫的變化拉力隨溫度變化的曲線在飛行速度、油門和飛行高度不變的情況下，氣溫改變，也將影響空氣密度的大小，從而使發(fā)動機(jī)有效功率發(fā)生變化，拉力也發(fā)生變化。無論是吸氣式活塞發(fā)動機(jī)還是增壓式活塞發(fā)動機(jī)，氣溫升高，空氣密度減小，發(fā)動機(jī)有效功率減小，拉力也隨之減小；反之，氣溫降低，空氣密度增大，發(fā)動機(jī)有效功率增大，拉力也隨之增大。3.2.6

螺旋槳的負(fù)拉力行速度增大時負(fù)拉力的產(chǎn)生1

. 飛行速度過大，油門比較小時，負(fù)拉力的產(chǎn)生在油門、轉(zhuǎn)速和飛行高度不變的情況下，當(dāng)飛行速度增大時，槳葉雖能自動變大距調(diào)整槳葉角，以保持旋轉(zhuǎn)阻力和轉(zhuǎn)速不變，但由于槳葉迎角減小，總空氣動力減小，且更偏向旋轉(zhuǎn)面，故拉力減小。反之，飛行速度減小，拉力增大。3.2.6

螺旋槳的負(fù)拉力行中收油門過多時負(fù)拉力的產(chǎn)生2. 飛行速度不太大而油門過小時，負(fù)拉力的產(chǎn)生在油門、轉(zhuǎn)速和飛行高度不變的情況下，當(dāng)飛行速度增大時，槳葉雖能自動變大距調(diào)整槳葉角，以保持旋轉(zhuǎn)阻力和轉(zhuǎn)速不變，但由于槳葉迎角減小，總空氣動力減小，且更偏向旋轉(zhuǎn)面，故拉力減小。反之，飛行速度減小，拉力增大。3.2.6

螺旋槳的負(fù)拉力3.

發(fā)動機(jī)空中停車時負(fù)拉力的產(chǎn)生發(fā)動機(jī)一旦空中停車，功率很快消失，螺旋槳轉(zhuǎn)速就要減小，為保持轉(zhuǎn)速不變，調(diào)速器就促使螺旋槳變低距，槳葉角和槳葉迎角迅速減小，形成較大的負(fù)迎角。槳葉總空氣動力（R）指向旋轉(zhuǎn)面后下方，其中一個分力（Q）與螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向相同，不再是阻礙螺旋槳轉(zhuǎn)動的阻力，而成為推動螺旋槳轉(zhuǎn)動的動力，帶動螺旋槳和發(fā)動機(jī)按原方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)；另一個分力（P）與拉力方向相反，即為負(fù)拉力。3.2.6

螺旋槳的負(fù)拉力螺旋槳的順槳為了避免發(fā)動機(jī)停車后的自轉(zhuǎn)狀態(tài)，現(xiàn)代活塞式螺旋槳飛機(jī)和渦輪螺旋槳飛機(jī)的發(fā)動機(jī)上

一般都裝有順槳機(jī)構(gòu)。發(fā)動機(jī)一旦空中停車，可自動或人工順槳。所謂順槳就是把槳葉角變到

90°左右。飛行中收油門過多時負(fù)拉力的產(chǎn)生3.3螺旋槳的有效功率和效率3.3.1

螺旋槳的有效功率每秒鐘內(nèi)螺旋槳對飛機(jī)所做的功的多少就是螺旋槳的有效功率（可用功率），用

N槳表示，其大小可用下式計算：3.3.1

螺旋槳的有效功率1. 螺旋槳有效功率隨飛行速度的變化螺旋槳有效功率隨飛行速度的變化規(guī)律是：在小于某一飛行速度的范圍內(nèi)，螺旋槳的有效功率隨飛行速度的增大而增大；在大于某一飛行速度的范圍內(nèi)，螺旋槳有效功率隨飛行速度的增大而減小螺旋槳有效功率隨飛行速度的變化3.3.1

螺旋槳的有效功率2. 螺旋槳有效功率隨油門位置的變化當(dāng)飛行速度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和飛行高度一定時，不同油門位置的螺旋槳有效功率曲線

。油門位置越大，發(fā)動機(jī)有效功率和螺旋槳拉力越大，所以螺旋槳有效功率也越大。不同油門位置螺旋槳的有效功率曲線3.3.1

螺旋槳的有效功率3.

螺旋槳的有效功率隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化當(dāng)在油門、高度和飛行速度一定的情況下，在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，增大轉(zhuǎn)速，由于發(fā)動機(jī)有效功率增大，故螺旋槳有效功率增大；超過某一轉(zhuǎn)速后，再增大轉(zhuǎn)速，由于發(fā)動機(jī)有效功率減小，故螺旋槳有效功率減小。3.3.1

螺旋槳的有效功率，4. 螺旋槳的有效功率隨飛行高度的變化對于吸氣式發(fā)動機(jī)的飛機(jī)來說，隨高度的升高，拉力總是減小的，故螺旋槳有效功率也是減小的。對于裝有增壓式發(fā)動機(jī)的飛機(jī)來說在額定高度以下，高度增加，因拉力增大，故螺旋槳有效功率也增大；超過額定高度之后，若高度增加，因拉力減小，故螺旋槳有效功率也隨著降低。不同高度上的螺旋槳有效功率曲線3.3.2

螺旋槳的效率螺旋槳的有效功率與發(fā)動機(jī)的有效功率之比，定義為螺旋槳的效率。即η

=

N槳

/

N有效螺旋槳效率是衡量螺旋槳性能好壞的重要標(biāo)志，螺旋槳效率高，表明發(fā)動機(jī)有效功率損失少，螺旋槳的性能好。現(xiàn)代螺旋槳，效率最高可達(dá)

90%。螺旋槳的效率還可以表示為：3.3.2

螺旋槳的效率1. 螺旋槳效率與相對進(jìn)距的關(guān)系在槳葉角一定的條件下，螺旋槳效率隨相對進(jìn)距的變化而變化。相對進(jìn)距過大或過小，螺旋槳效率都很低，只有在某一相對進(jìn)距，才能獲得最高的螺旋槳效率，這個相對進(jìn)距稱為有利相對進(jìn)距。螺旋槳效率曲線3.3.2

螺旋槳的效率2. 螺旋槳效率與槳葉角的關(guān)系因?yàn)闃~角過小，槳葉迎角也過小，螺旋槳的拉力和有效功率很小，所以螺旋槳效率很低；反之，槳葉角過大，槳葉迎角很大，性質(zhì)角大，旋轉(zhuǎn)阻力增大，螺旋槳效率也很低。相對進(jìn)距越大，對應(yīng)較高效率的槳葉角（即有利槳葉角）也越大。不同槳葉角的螺旋槳效率曲線3.4螺旋槳的副作用3.4.1

螺旋槳的進(jìn)動飛行中高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，當(dāng)受到改變槳軸方向的操縱力矩作用時，螺旋槳并不完全繞與操縱力矩方向平行的軸轉(zhuǎn)動，而是還要繞著另一個軸偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象叫螺旋槳的進(jìn)動。螺旋槳的進(jìn)動3.4.1

螺旋槳的進(jìn)動飛行中螺旋槳的進(jìn)動作用會改變飛機(jī)的姿態(tài)，給飛行帶來影響。螺旋槳產(chǎn)生進(jìn)動的原因3.4.1

螺旋槳的進(jìn)動飛行中，螺旋槳的進(jìn)動會迫使飛機(jī)偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的快慢取決于進(jìn)動角速度的大小。進(jìn)動角速度的大小，可用下式計算，即3.4.2

螺旋槳的反作用力矩螺旋槳在轉(zhuǎn)動中，不斷地攪動空氣，迫使空氣沿螺旋槳轉(zhuǎn)動方向旋轉(zhuǎn)。與此同時，空氣勢必也給螺旋槳和機(jī)身一個反方向的力矩，該力矩稱為螺旋槳的反作用力矩。在空中飛行時，螺旋槳把這個反作用力矩傳給發(fā)動機(jī)和飛機(jī)，迫使飛機(jī)向螺旋槳轉(zhuǎn)動的反方向傾斜。螺旋槳反作用力矩3.4.2

螺旋槳的反作用力矩在地面滑跑時，螺旋槳的反作用力矩還會造成機(jī)頭方向偏轉(zhuǎn)。飛行中螺旋槳反作用力矩的大小主要隨油門位置變化而變化。矩螺旋槳反作用力矩對起飛滑跑的影響3.4.3

螺旋槳滑流扭轉(zhuǎn)作用螺旋槳轉(zhuǎn)動時，槳葉攪動空氣，一方面使之向后加速流動，另一方面又使之順著螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向流動。這種受螺旋槳作用向后加速和扭轉(zhuǎn)的氣流叫螺旋槳滑流。螺旋槳的滑流3.4.3

螺旋槳滑流扭轉(zhuǎn)作用一般情況下，機(jī)身尾部和垂直尾翼都受到滑流上層部分的影響，即滑流的上層部分從左方作用于機(jī)身尾部和垂直尾翼，產(chǎn)生向右的空氣動力，對飛機(jī)重心形成偏轉(zhuǎn)力矩，使機(jī)頭向左偏轉(zhuǎn)。右轉(zhuǎn)螺旋槳的滑流所引起的偏轉(zhuǎn)力矩3.4.3

螺旋槳滑流扭轉(zhuǎn)作用飛機(jī)加油門后，滑流速度增大，在飛機(jī)上產(chǎn)生上仰力矩，使機(jī)頭上仰，所以應(yīng)稍向前推桿修正。反之，收油門，應(yīng)稍向后拉桿修正。加油門，螺旋槳滑流對俯仰