螺旋槳的空氣動(dòng)力

1、螺旋槳的空氣動(dòng)力 第三章 第三章 第 頁2 螺旋槳的拉力是活塞式飛機(jī)和渦輪螺旋槳飛機(jī)前進(jìn)的動(dòng)力。螺旋槳運(yùn)作好 壞直接影響拉力大小，而拉力大小又關(guān)系到飛機(jī)的飛行性能。 本章著重分析螺旋槳空氣動(dòng)力的產(chǎn)生及其變化規(guī)律，介紹螺旋槳的功率、 效率及負(fù)拉力、副作用等問題。 第三章 第 頁3 本章主要內(nèi)容 3.1 螺旋槳的拉力和旋轉(zhuǎn)阻力 3.2 螺旋槳拉力在飛行中的變化 3.3 螺旋槳的有效功率和效率 3.4 螺旋槳的副作用 飛行原理/CAFUC 3.1 螺旋槳的拉力和旋轉(zhuǎn)阻力 第三章 第 頁5 3.1.1 螺旋槳簡介 槳葉 槳轂 變距機(jī)構(gòu) 槳尖 槳根 后緣 前緣 螺旋槳的組成 第三章 第 頁6 槳葉平面形

2、狀 槳葉的平面形狀很多，使用較多 的有三種： 第三章 第 頁7 R r 螺旋槳直徑 D 槳葉基本參數(shù) 螺旋槳半徑 R 剖面半徑 r 相對半徑 r/R 槳弦 b 第三章 第 頁8 槳弦 相對氣流 旋轉(zhuǎn)面 槳葉角 ：槳弦和旋轉(zhuǎn)面之間的夾角 槳葉迎角 ：槳弦和入流（即相對氣流）之間的夾角 入流角 ：入流和旋轉(zhuǎn)面之間的夾角 槳葉基本參數(shù) 第三章 第 頁9 定距螺旋槳與變距螺旋槳 槳葉角增大叫變高距或變大距。 槳葉角減小叫變低距或變小距。 現(xiàn)代飛機(jī)普遍使用自動(dòng)變距螺旋槳。 槳葉角不能改變的螺旋槳叫定距螺旋槳。 槳葉角能夠改變的螺旋槳叫變距螺旋槳。 第三章 第 頁10 TB200螺旋槳外觀 第三章 第 頁

3、11 Seminole 螺旋槳外觀 第三章 第 頁12 飛行中，螺旋槳是一面旋轉(zhuǎn)一面前進(jìn)的。螺旋槳剖面具有兩個(gè) 速度：一個(gè)是前進(jìn)速度v,一個(gè)是圓周速度（切向速度）u。 3.1.2 螺旋槳的運(yùn)動(dòng) 右圖為槳葉切面上某 一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡 第三章 第 頁13 相對進(jìn)距 ( ) 2 2 v tg u v r n D r v nD u v 第三章 第 頁14 u v 槳葉迎角隨槳葉角的變化 為常數(shù)時(shí) 為常數(shù)時(shí) 第三章 第 頁15 槳葉迎角隨飛行速度v的變化 在槳葉角和轉(zhuǎn)速不變的情況下，槳葉迎角隨飛行速度增大而減小，當(dāng)飛 行速度增大到一定程度，槳葉迎角可能減小到零，甚至變?yōu)樨?fù)值。 第三章 第 頁16 槳葉迎角

4、隨切向速度u的變化 在槳葉角和飛行速度不變的情況下， 槳葉迎角隨轉(zhuǎn)速增大而增大，隨轉(zhuǎn)速減 小而減小。 第三章 第 頁17 螺旋槳的幾何扭轉(zhuǎn) 螺旋槳幾何扭轉(zhuǎn)的目的，是為了保持螺旋槳槳葉各剖面的槳葉迎角基 本相等。 下圖為沒有進(jìn)行幾何扭轉(zhuǎn)的螺旋槳工作時(shí)的情況。 第三章 第 頁18 螺旋槳的幾何扭轉(zhuǎn)示意圖 第三章 第 頁19 螺旋槳的幾何扭轉(zhuǎn)的效果 下圖為進(jìn)行了幾何扭轉(zhuǎn)的螺旋槳，可以看到從槳根到槳尖，槳 葉角逐漸減小，以保證各切面迎角大致相等。 槳尖 槳根 第三章 第 頁20 TB200螺旋槳的幾何扭轉(zhuǎn) 第三章 第 頁21 3.1.3 螺旋槳拉力和旋轉(zhuǎn)阻力的產(chǎn)生 葉素的空氣動(dòng)力 2 1 2 R dR

5、Cwds CR葉素的空氣動(dòng)力系數(shù) ds葉素的面積 第三章 第 頁22 2 1 2 Y dYCwds 2 1 2 X dXCwds 槳葉的空氣動(dòng)力及其分布 第三章 第 頁23 旋轉(zhuǎn)阻力矩 螺旋槳各槳葉旋轉(zhuǎn)阻力的作用點(diǎn)離槳軸有一段距離，其方向與槳葉的 旋轉(zhuǎn)方向相反，故形成阻礙螺旋槳旋轉(zhuǎn)的力矩M阻。 旋轉(zhuǎn)阻力矩M阻通常由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)力矩M扭來平衡。 M阻M扭，螺旋槳轉(zhuǎn)速將會(huì)降低 M扭M扭，螺旋槳轉(zhuǎn)速將會(huì)增加 M扭=M扭，螺旋槳轉(zhuǎn)速不變 第三章 第 頁24 飛行中螺旋槳所受力分析 離心力 阻力矩致彎曲力 拉力 第三章 第 頁25 本章主要內(nèi)容 3.1 螺旋槳的拉力和旋轉(zhuǎn)阻力 3.2 螺旋槳拉力在飛

6、行中的變化 3.3 螺旋槳的有效功率和效率 3.4 螺旋槳的副作用 飛行原理/CAFUC 3.2 螺旋槳拉力在飛行中的變化 第三章 第 頁27 3.2 螺旋槳拉力在飛行中的變化 螺旋槳的拉力是總空氣動(dòng)力的一個(gè)分力，拉力的大小不僅取決于總 空氣動(dòng)力的大小，還取決于總空氣動(dòng)力的方向。 總空氣動(dòng)力大小 總空氣動(dòng)力方向 槳葉迎角 槳葉切面合速度w 合速度的方向 性質(zhì)角 拉力大小 第三章 第 頁28 變距機(jī)構(gòu)的分類 人工變距機(jī)構(gòu)，以變距桿為代表 自動(dòng)變距機(jī)構(gòu)，以調(diào)速器為代表 3.2.1 螺旋槳的變距 變距的目的 人工變距，通過前推或后拉變距桿，改變槳葉角、槳葉迎角、旋轉(zhuǎn)阻力 的大小，從而調(diào)整轉(zhuǎn)速快慢。

7、自動(dòng)變距，通過調(diào)速器自動(dòng)調(diào)整槳葉角的大小，保持轉(zhuǎn)速恒定不變。 第三章 第 頁29 變距機(jī)構(gòu) 第三章 第 頁30 不同工況下的操作 油門桿 變距桿 混合比桿 第三章 第 頁31 3.2.2 螺旋槳拉力隨飛行速度的變化 飛行速度增大，使得相對氣流方向越發(fā)偏離旋轉(zhuǎn)面，因此槳葉總空氣 動(dòng)力R的方向也更加偏離槳軸。 第三章 第 頁32 螺旋槳飛機(jī)拉力隨速度變化曲線 螺旋槳拉力隨速度的增大而逐步減小。 第三章 第 頁33 3.2.3 螺旋槳拉力隨油門位置的變化 油門增加，螺旋槳轉(zhuǎn)速增大。調(diào)速器為了保持轉(zhuǎn)速，自動(dòng)增大槳葉 角。因此槳葉總空氣動(dòng)力R增大。 第三章 第 頁34 螺旋槳飛機(jī)不同油門位置下的拉力曲線

8、 螺旋槳的拉力隨油門的增大而逐步減小。 第三章 第 頁35 3.2.4 螺旋槳拉力隨飛行高度的變化 對于安裝自然吸氣式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的螺旋槳的拉力隨高度的增大而減小。 第三章 第 頁36 螺旋槳的拉力隨溫度的增加而減小。 3.2.5 螺旋槳拉力隨氣溫的變化 第三章 第 頁37 產(chǎn)生負(fù)拉力的幾種情況： 飛行速度過大，產(chǎn)生負(fù)拉力。 油門過小，產(chǎn)生負(fù)拉力。 發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車,產(chǎn)生負(fù)拉力。 3.2.6 螺旋槳的負(fù)拉力 第三章 第 頁38 飛行速度過大時(shí)負(fù)拉力的產(chǎn)生 飛行速度增大，調(diào)速器為保持轉(zhuǎn)速不變，會(huì)自動(dòng)增大槳葉角。但由于入流 角也在增大，所以槳葉迎角仍在減小，槳葉總空氣動(dòng)力R逐漸向旋轉(zhuǎn)面靠攏。 第三章

9、第 頁39 油門過小時(shí)負(fù)拉力的產(chǎn)生 油門減小，調(diào)速器為保持轉(zhuǎn)速不變，會(huì)自動(dòng)減小槳葉角。但由于入流角 短時(shí)間內(nèi)保持不變，槳葉迎角逐漸減小，甚至成為負(fù)迎角。 第三章 第 頁40 發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車時(shí)負(fù)拉力的產(chǎn)生 發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車，調(diào)速器為保持轉(zhuǎn)速不變，會(huì)自動(dòng)減小槳葉角。由于 槳葉角和槳葉迎角均迅速減小，形成較大的負(fù)迎角，槳葉總空氣動(dòng)力R 指向斜后方。 第三章 第 頁41 空中停車后螺旋槳的自轉(zhuǎn)（風(fēng)車狀態(tài)） 相對氣流 飛行阻力 總空氣動(dòng)力 旋轉(zhuǎn)力 第三章 第 頁42 順槳的目的是將槳葉角增大到90度左右，槳葉幾乎與飛行速度方向相 平行，從而避免發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損，消除負(fù)拉力，減小阻力。 順槳機(jī)構(gòu) 相對氣流 槳弦

10、 第三章 第 頁43 順槳的過程 第三章 第 頁44 順槳完成 第三章 第 頁45 不同槳葉角下螺旋槳阻力 風(fēng)車狀態(tài)下螺旋槳阻力很大。 第三章 第 頁46 本章主要內(nèi)容 3.1 螺旋槳的拉力和旋轉(zhuǎn)阻力 3.2 螺旋槳拉力在飛行中的變化 3.3 螺旋槳的有效功率和效率 3.4 螺旋槳的副作用 飛行原理/CAFUC 3.3 螺旋槳的有效功率和效率 第三章 第 頁48 螺旋槳有效功率是影響螺旋槳飛機(jī)飛行性能好壞的因 素之一。 螺旋槳效率則是衡量螺旋槳性能好壞的重要標(biāo)志。 因此，飛行員對什么是螺旋槳有效功率和效率、以及 如何獲得好的螺旋槳有效功率和效率應(yīng)該有所了解。 第三章 第 頁49 3.3.1 螺

11、旋槳的有效功率 75 P v N 槳 螺旋槳產(chǎn)生拉力，拉著飛機(jī)前進(jìn)，對飛機(jī)做功。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。 P 螺旋槳拉力，單位：牛頓 v 飛行速度，單位：米/秒 第三章 第 頁50 螺旋槳的有效功率隨飛行速度的變化 小于某一飛行速度時(shí)，螺旋槳有效功率隨速度增大而增大。 大于某一飛行速度時(shí)，螺旋槳有效功率隨速度增大而減小。 第三章 第 頁51 螺旋槳的有效功率隨不同油門位置的變化 飛行高度和轉(zhuǎn)速均不變的 情況下，油門位置越大，發(fā)動(dòng) 機(jī)有效功率越大，螺旋槳有效 功率隨之增大。 第三章 第 頁52 注：吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理不同，受高度變化的影響 也有

12、不同。 螺旋槳的有效功率隨不同高度的變化 低于額定高度，隨著高度增 加，發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率增大，螺 旋槳有效功率也增大。 超過額定高度，隨著高度增 加，發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率減小，螺 旋槳有效功率也減小。 第三章 第 頁53 獲得螺旋槳最大有效功率的方法 對于活塞式螺旋槳飛機(jī)，當(dāng)高度和飛行速度一定的情況下，要想使螺旋 槳有效功率盡可能大，在加油門的同時(shí)應(yīng)當(dāng)前推變距桿增大轉(zhuǎn)速。 第三章 第 頁54 3.3.2 螺旋槳的效率 螺旋槳的有效功率與發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率之比，定義為螺旋槳的效率 N N 槳 發(fā)動(dòng)機(jī) 第三章 第 頁55 螺旋槳的效率與相對進(jìn)距的關(guān)系 在固定槳葉角的情況下，螺旋槳的效率在某一固定相對進(jìn)距下達(dá)

13、到最 大。 第三章 第 頁56 螺旋槳的效率與槳葉角的關(guān)系 相對進(jìn)矩越大，對應(yīng)較高效率的槳葉角也越大。 第三章 第 頁57 活塞式變距螺旋槳飛機(jī)，在使用額定轉(zhuǎn)速和額定油門做大速度平飛 時(shí)，螺旋槳效率最高。 獲得螺旋槳最大效率的方法 在飛行速度減小時(shí)，收小油門、減小進(jìn)氣壓力、后拉變距桿減小轉(zhuǎn) 速，以保持螺旋槳效率。 在飛行速度增大時(shí)，加大油門、增大進(jìn)氣壓力、前推變距桿增大轉(zhuǎn) 速，以保持螺旋槳效率。 第三章 第 頁58 本章主要內(nèi)容 3.1 螺旋槳的拉力和旋轉(zhuǎn)阻力 3.2 螺旋槳拉力在飛行中的變化 3.3 螺旋槳的有效功率和效率 3.4 螺旋槳的副作用 飛行原理/CAFUC 3.4 螺旋槳的副作用

14、 第三章 第 頁60 螺旋槳在工作中，一方面產(chǎn)生拉力，提供飛機(jī)的前進(jìn) 動(dòng)力；另一方面還會(huì)產(chǎn)生一些對飛行不利的副作用。 進(jìn)動(dòng) 反作用力矩 滑流扭轉(zhuǎn)作用 第三章 第 頁61 飛行中高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，當(dāng)受到槳軸方向的操縱力矩作用時(shí)，螺旋槳 并不完全繞與操縱力矩方向平行的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，還要繞另一個(gè)軸偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn) 象叫做進(jìn)動(dòng)。 3.4.1 螺旋槳的進(jìn)動(dòng) 縱軸 豎軸 橫軸 機(jī)頭 上仰 向右 進(jìn)動(dòng) 螺旋槳旋 轉(zhuǎn)方向 反作用力 矩方向 第三章 第 頁62 進(jìn)動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理 第三章 第 頁63 螺旋槳進(jìn)動(dòng)的產(chǎn)生 當(dāng)機(jī)頭上仰時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)到上方的槳葉受到向后的作用力，產(chǎn)生向后的 加速度。在槳葉繼續(xù)向右轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，該加速度的影

15、響仍然存在。 第三章 第 頁64 進(jìn)動(dòng)方向的判斷方法 通過繪圖判斷右轉(zhuǎn)螺旋槳 的方向 通過右手判斷右轉(zhuǎn)螺旋槳 的方向 方法一：方法二： 機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)方向 進(jìn)動(dòng)方向 第三章 第 頁65 后三點(diǎn)式螺旋槳飛機(jī)，在起飛滑跑抬尾輪時(shí)，受進(jìn)動(dòng)的影響較為明顯。 進(jìn)動(dòng)的影響 舉例： 第三章 第 頁66 進(jìn)動(dòng)的影響 后三點(diǎn)式螺旋槳飛機(jī)，在起飛滑跑階段，受進(jìn)動(dòng) 的影響較為明顯。 第三章 第 頁67 3.4.2 螺旋槳的反作用力矩 右轉(zhuǎn)螺旋槳飛機(jī)，在反作用力矩作用下，會(huì)向左傾斜。 第三章 第 頁68 在空中飛行時(shí)，反作用力矩有使飛機(jī)帶坡度的趨勢。 加油門，槳葉空氣動(dòng)力增大，反作用力矩隨之增大。 減油門，槳葉空氣動(dòng)力減小

16、，反作用力矩隨之減小。 反作用力矩對空中飛行的影響 螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)方向 反作用力矩方向 第三章 第 頁69 反作用力矩對地面滑跑的影響 在地面滑跑時(shí)，反作用力矩的作用使左右兩側(cè)機(jī)輪對地面的壓力不均，受到的 摩擦阻力不同，使得機(jī)頭向一側(cè)偏轉(zhuǎn)。 反作用力矩 N左 N右 偏轉(zhuǎn)力矩 F左 F右 第三章 第 頁70 受螺旋槳作用，向后加速和扭轉(zhuǎn)的氣流叫螺旋槳滑流。 3.4.3 螺旋槳的滑流扭轉(zhuǎn)作用 第三章 第 頁71 螺旋槳滑流對飛機(jī)的扭轉(zhuǎn)作用 對于右轉(zhuǎn)螺旋槳飛機(jī)，滑流的影響主要從左方作用于機(jī)體和垂直尾翼， 使得飛機(jī)機(jī)頭向左側(cè)偏轉(zhuǎn)。 飛行速度越大， 舵面效應(yīng)越強(qiáng)，偏 轉(zhuǎn)力矩越大。 第三章 第 頁72 加油門

17、時(shí)滑流對俯仰平衡的影響 油門增加 滑流速度增加偏轉(zhuǎn)力矩增加 附加空氣動(dòng)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 頁73 收油門時(shí)飛機(jī)會(huì)下俯 第三章 第 頁74 C130的螺旋槳滑流 第三章 第 頁75 本章小結(jié) 飛行原理/CAFUC n拉力的變化規(guī)律 n螺旋槳副作用 第三章 第 頁76 槳葉迎角隨切向速度u的變化 在槳葉角和飛行速度不變的情況下， 槳葉迎角隨轉(zhuǎn)速增大而增大，隨轉(zhuǎn)速減 小而減小。 第三章 第 頁77 螺旋槳的幾何扭轉(zhuǎn) 螺旋槳幾何扭轉(zhuǎn)的目的，是為了保持螺旋槳槳葉各剖面的槳葉迎角基 本相等。 下圖為沒有進(jìn)行幾何扭轉(zhuǎn)的螺旋槳工作時(shí)的情況。 第三章 第 頁78 空中停車后螺旋槳的自轉(zhuǎn)（風(fēng)車狀態(tài)） 相對氣流 飛行阻力 總空氣動(dòng)力 旋轉(zhuǎn)力 第三章 第 頁79 螺旋槳的有效功率隨不同油門位置的變化 飛行高度和轉(zhuǎn)速均不變的 情況下，油門位置越大，發(fā)動(dòng) 機(jī)有效功率越大，螺旋槳有效 功率隨之增大。