螺旋槳原理及其應(yīng)用

1、論文題目:直升飛機(jī)螺旋槳原理及其應(yīng)用北京四中高一吳士荀北京四中咼一一唐明昊北京四中咼一一楊宗翰北京四中高一趙鉑琛指導(dǎo)教師：北京四中魏華2014年5月摘要螺旋槳的出現(xiàn)加快了世界前進(jìn)的腳步，給我們帶來了各種方便與 快捷。我和組員就是三個不折不扣的航空迷。在生活中，各種媒體里， 我們看到了螺旋槳的神奇效用，一個簡單的扇葉竟能夠使一架幾噸重 的龐然大物在空中輕盈飛翔。身為中學(xué)生的我們能否通過自己的聰明 才智研究其中的奧妙呢？于是我們運(yùn)用了資料查詢法、小組討論法 等方法進(jìn)行了研究。經(jīng)過了一學(xué)年的研究，我們初步探究了直升飛機(jī) 螺旋槳的原理及其應(yīng)用。目錄:問題的提出二、研究目的三、直升飛機(jī)及螺旋槳概述四、感

2、想體會五、參考資料及鳴謝一、問題的提出背景：從我們身邊的遙控在當(dāng)今社會中，螺旋槳扮演著越來越重要的角色。飛機(jī)，到翱翔在空中的各種飛行器 無一不歸功于螺旋槳的發(fā)明。然而, 看似簡單的扇葉是如何實現(xiàn)了多年來人類飛行的夢想呢？本組本著 對科學(xué)的好奇以及對知識的渴望， 進(jìn)行了本課題的研究，意在探究螺 旋槳的原理及其應(yīng)用以及它潛在的發(fā)展空間以及存在問題，為羅湘江的進(jìn)一步發(fā)展提出可行化建議。二、研究目的1. 目的與意義：研究螺旋槳原理及其應(yīng)用，明確其發(fā)展方向 以及現(xiàn)存的問題。2. 必要性：螺旋槳的應(yīng)用將在人們的生活中日益普遍，在不 久的將來，螺旋槳也將存在于我們的身邊，因此有必要了解 它的原理及其應(yīng)用，并

3、研究它的現(xiàn)存問題。3. 可行性：從中學(xué)生所掌握的知識出發(fā)，并向大學(xué)知識拓展，運(yùn)用各類知識學(xué)習(xí)螺旋槳的原理及其應(yīng)用，探究其發(fā)展方向，分析現(xiàn)存問題。三、直升飛機(jī)及螺旋槳概述（一）直升飛機(jī)1. 簡介直升機(jī)：直升機(jī)的最大時速可達(dá) 300km/h以上，俯沖極限速度近 400km/h,實用升限可達(dá)6000米（世界紀(jì)錄為12450m），般航程可 達(dá)600800km左右。攜帶機(jī)內(nèi)、外副油箱轉(zhuǎn)場航程可達(dá)2000km以上。 根據(jù)不同的需要直升機(jī)有不同的起飛重量。 當(dāng)前世界上投入使用的重 型直升機(jī)最大的是俄羅斯的米-26 （最大起飛重量達(dá)56t，有效載荷 20t）。當(dāng)前實際應(yīng)用的是機(jī)械驅(qū)動式的單旋翼直升機(jī)及雙旋翼直

4、升 機(jī)，其中又以單旋翼直升機(jī)數(shù)量最多。直升機(jī)本質(zhì)上是不同于飛機(jī)的另一種飛行器，其推力，升力和操縱的實現(xiàn)均和飛機(jī)有比較大的差距，因此，直升飛機(jī)是一種錯誤的叫法。2優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)直升機(jī)的突出特點(diǎn)是可以做低空（離地面數(shù)米）、低速（從懸停開始） 和機(jī)頭方向不變的機(jī)動飛行，特別是可在小面積場地垂直起降。 由于 這些特點(diǎn)使其具有廣闊的用途及發(fā)展前景。在軍用方面已廣泛應(yīng)用于 對地攻擊、機(jī)降登陸、武器運(yùn)送、后勤支援、戰(zhàn)場救護(hù)、偵察巡邏、 指揮控制、通信聯(lián)絡(luò)、反潛掃雷、電子對抗等。在民用方面應(yīng)用于短 途運(yùn)輸、醫(yī)療救護(hù)、救災(zāi)救生、緊急營救、吊裝設(shè)備、地質(zhì)勘探、護(hù) 林滅火、空中攝影等。海上油井與基地間的人員及物資運(yùn)輸是

5、民用的 一個重要方面。2缺點(diǎn) 當(dāng)前直升機(jī)相對飛機(jī)而言，振動和噪聲較高、維護(hù)檢修工作量較大、 使用成本較高，速度較低，航程較短。直升機(jī)今后的發(fā)展方向就是在 這些方面加以改進(jìn)。23. 工作原理單旋翼式直升機(jī)發(fā)動機(jī)驅(qū)動旋翼提供升力，把直升機(jī)舉托在空中，單旋翼直升 機(jī)的主發(fā)動機(jī)同時也輸出動力至尾部的小螺旋槳， 機(jī)載陀螺儀能偵測 直升機(jī)回轉(zhuǎn)角度并反饋至尾槳，通過調(diào)整小螺旋槳的螺距可以抵消大 螺旋槳產(chǎn)生的不同轉(zhuǎn)速下的反作用力。 雙旋翼直升機(jī)通常采用旋翼相 對反轉(zhuǎn)的方式來抵消旋翼產(chǎn)生的不平衡升力。首先直升機(jī)要先起飛才能向前后左右移動， 所以要使圖中的傾斜盤整 體向上移動，兩個槳夾就有了一定角度那么順時針旋轉(zhuǎn)

6、就有了向下的 力，飛機(jī)就起飛了，但這時左右旋翼產(chǎn)生的生力相同，所以直升機(jī)只 能向上運(yùn)動，如果把傾斜盤看成表盤，如果它前傾，傾斜盤上半部分 是轉(zhuǎn)動的，那么兩個連桿只有在12點(diǎn)和6點(diǎn)方向差別最大（一個在 上，一個在下）6點(diǎn)的拉桿把槳夾向上推那么增大了原來旋翼的角度 所以產(chǎn)生的向下的力變大了， 12點(diǎn)的向下拉，減小了旋翼角度那么 向下的力減小，這時兩個旋翼受力不再平衡，右邊力大。左邊力小那 么直升機(jī)應(yīng)該向左飛，但是旋轉(zhuǎn)的旋翼遵循陀螺效應(yīng)， 要順時針轉(zhuǎn)過 90度產(chǎn)生效果，所以旋翼變成6點(diǎn)方向的力大于12點(diǎn)方向，所以直升機(jī)向前飛。其他方向同理雙旋翼式雙旋翼直升機(jī)有兩種，一種是共軸雙旋翼，即兩個旋翼同一個

7、軸心， 如俄國生產(chǎn)的卡-27直升機(jī)等；另一種是分軸雙旋翼，即兩個旋翼分 開比較遠(yuǎn)，各有各自的軸，典型代表是美國的支奴干直升機(jī)。雙旋翼 直升機(jī)還可以根據(jù)兩根旋翼軸的相對位置分為縱列雙旋翼直升機(jī)和 并列雙旋翼直升機(jī)。通過稱為“傾斜盤”的機(jī)構(gòu)可以改變直升機(jī)的旋翼的槳葉角，從而實現(xiàn)旋翼周期變距，以此改變旋翼旋轉(zhuǎn)平面不同位置的升力來實現(xiàn)改變 直升機(jī)的飛行姿態(tài)，再以升力方向變化改變飛行方向。同時，直升機(jī) 升空后發(fā)動機(jī)是保持在一個相對穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下，控制直升機(jī)的上升和 下降是通過調(diào)整旋翼的總距來得到不同的總升力的，因此直升機(jī)實現(xiàn)了垂直起飛及降落。14. 操作系統(tǒng)直升機(jī)的操縱系統(tǒng)有別于固定翼航空器，通常由以下部

8、分組成：3總距操縱桿簡稱總距桿，用來控制旋翼槳葉總距變化?？偩嗖倏v桿一般布置在駕 駛員座位的左側(cè)，繞支座軸線上、下轉(zhuǎn)動。駕駛員左手上提桿時，使 自動傾斜器整體上升而增大旋翼槳葉總距 （即所有槳葉的槳距同時增大相同角度）使旋翼拉力增大，反之拉力減小，由此來控制直升機(jī)的 升降運(yùn)動。通常在總距操縱桿的手柄上設(shè)置旋轉(zhuǎn)式油門操縱機(jī)構(gòu)，用來調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)油門的大小，以便使發(fā)動機(jī)輸出功率與旋翼槳葉總距變 化后的旋翼需用功率相適應(yīng)。因此，該操縱桿又被稱為總距油門桿。3周期變距操縱桿（駕駛桿）簡稱駕駛桿。與固定翼航空器的駕駛桿作用相似， 通過操縱線系與自 動傾斜器相連接。一般位于駕駛員座椅的中央前方。 駕駛員沿橫向

9、和 縱向操縱周期變距操縱桿時，自動傾斜器會出現(xiàn)相應(yīng)方向的傾斜， 從 而導(dǎo)致旋翼拉力方向也發(fā)生相應(yīng)方向的傾斜， 由此得到需要的推進(jìn)力 以及橫向和縱向操縱力，進(jìn)而改變直升機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)和自身姿態(tài)。3 腳蹬與固定翼航空器的方向舵腳蹬作用相似， 都是控制航向工具。由于直 升機(jī)的類型比較多，腳蹬起作用的方式也各不相同。對于單旋翼帶尾 槳直升機(jī)，腳蹬經(jīng)操縱線系與尾槳的槳距控制裝置相連， 通過控制尾 槳槳距的大小來調(diào)節(jié)尾槳產(chǎn)生的側(cè)向力， 達(dá)到控制航向的目的。對于 單旋翼無尾槳直升機(jī)，則是通過腳蹬控制機(jī)身尾部出氣量的大小來調(diào) 節(jié)側(cè)向力。對于雙旋翼直升機(jī)，腳蹬控制的則是兩旋翼總槳距的差動， 即一個增大一個減小，使

10、得兩旋翼反扭矩不能平衡，從而使機(jī)身發(fā)生 航向偏轉(zhuǎn)。35. 發(fā)展前景直升機(jī)作為20世紀(jì)航空技術(shù)極具特色的創(chuàng)造之一，極大地拓展了飛 行器的應(yīng)用范圍。直升機(jī)是典型的軍民兩用產(chǎn)品，可以廣泛的應(yīng)用在 運(yùn)輸、巡邏、旅游、救護(hù)等多個領(lǐng)域。直升機(jī)在人類的生產(chǎn)和生活中得到越來越多的應(yīng)用，全球市場表現(xiàn)出對于直升機(jī)的持續(xù)需求。尤其是新興市場，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對于直 升機(jī)有著大數(shù)量、高增長的需求。世界上43%勺直升機(jī)服役年齡在25 年以上，更新?lián)Q代的需要進(jìn)一步增加了對于直升機(jī)生產(chǎn)的訴求。據(jù)智研數(shù)據(jù)研究中心統(tǒng)計對2011到2020年的全球直升機(jī)市場做出預(yù)測， 10年間將需要交付至少16970架直升機(jī)，總價值1400億美

11、元。其中 民用直升機(jī)10900架，價值340億美元，軍用直升機(jī)6070架，價值 1060億美元。我國直升機(jī)裝備情況與國外相比差距很大，軍用直升機(jī)每萬名軍人的直升機(jī)保有量僅為2.1架，不到發(fā)達(dá)國家水平的十分之一；而民用直 升機(jī)的百萬人口保有量僅為 0.06架，更是遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家水平，中 國直升機(jī)產(chǎn)業(yè)市場潛力巨大。（二）螺旋槳1.概述：螺旋槳是指靠槳葉在空氣或水中旋轉(zhuǎn)，將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動功率轉(zhuǎn)化為推進(jìn) 力的裝置，可有兩個或較多的葉與轂相連，葉的向后一面為螺旋面或 近似于螺旋面的一種船用推進(jìn)器。螺旋槳分為很多種，應(yīng)用也十分廣 泛，如飛機(jī)、輪船的推進(jìn)器等。2. 空氣槳概述靠槳葉在空氣中旋轉(zhuǎn)將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動功率轉(zhuǎn)

12、化為推進(jìn)力或升力的裝置， 簡稱螺旋槳。它由多個槳葉和中央的槳轂組成， 槳葉好像一扭轉(zhuǎn)的細(xì) 長機(jī)翼安裝在槳轂上，發(fā)動機(jī)軸與槳轂相連接并帶動它旋轉(zhuǎn)。中國明 代（13681644年）民間的玩具“竹蜻蜓”實際上是一種原始的螺 旋槳。噴氣發(fā)動機(jī)出現(xiàn)以前，所有帶動力的航空器無不以螺旋槳作為 產(chǎn)生推動力的裝置。螺旋槳仍用于裝活塞式和渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)的亞 音速飛機(jī)。直升機(jī)旋翼和尾槳也是一種螺旋槳。原理螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，槳葉不斷把大量空氣（推進(jìn)介質(zhì)）向后推去，在槳葉 上產(chǎn)生一向前的力，即推進(jìn)力。一般情況下，螺旋槳除旋轉(zhuǎn)外還有前 進(jìn)速度。如截取一小段槳葉來看，恰像一小段機(jī)翼，其相對氣流速度 由前進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)速度合成（

13、圖 1 ）。槳葉上的氣動力在前進(jìn)方向 的分力構(gòu)成拉力。在旋轉(zhuǎn)面內(nèi)的分量形成阻止螺旋槳旋轉(zhuǎn)的力矩，由發(fā)動機(jī)的力矩來平衡。槳葉剖面弦（相當(dāng)于翼弦）與旋轉(zhuǎn)平面夾角稱槳 葉安裝角。螺旋槳旋轉(zhuǎn)一圈，以槳葉安裝角為導(dǎo)引向前推進(jìn)的距離稱為槳距。實際上槳葉上每一剖面的前進(jìn)速度都是相同的，但圓周速度則與該剖面距轉(zhuǎn)軸的距離（半徑）成正比，所以各剖面相對氣流與旋 轉(zhuǎn)平面的夾角隨著離轉(zhuǎn)軸的距離增大而逐步減小， 為了使槳葉每個剖 面與相對氣流都保持在有利的迎角范圍內(nèi)， 各剖面的安裝角也隨著與 轉(zhuǎn)軸的距離增大而減小。這就是每個槳葉都有扭轉(zhuǎn)的原因。螺旋槳效率 以螺旋槳的輸出功率與輸入功率之比表示。輸出功率為 螺旋槳的拉力與

14、飛行速度的乘積。輸入功率為發(fā)動機(jī)帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn) 的功率。在飛機(jī)起飛滑跑前，由于前進(jìn)速度為零，所以螺旋槳效率也 是零，發(fā)動機(jī)的功率全部用于增加空氣的動能。隨著前進(jìn)速度的增加， 螺旋槳效率不斷增大，速度在 200700公里/時范圍內(nèi)效率較高，飛 行速度再增大，由于壓縮效應(yīng)槳尖出現(xiàn)波阻，效率急劇下降。螺旋槳 在飛行中的最高效率可達(dá) 85%-90%螺旋槳的直徑比噴氣發(fā)動機(jī)的 大得多，作為推進(jìn)介質(zhì)的空氣流量較大，在發(fā)動機(jī)功率相同時，螺旋 槳后面的空氣速度低，產(chǎn)生的推力較大，這對起飛（需要大推力）非 常有利。構(gòu)造特點(diǎn)螺旋槳有2、3或4個槳葉，一般槳葉數(shù)目越多吸收功率越大。 有時在 大功率渦輪螺旋槳飛機(jī)上還

15、采用一種套軸式螺旋槳，它實際上是兩個 反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，可以抵消反作用扭矩。在發(fā)動機(jī)功率低于100千 瓦的輕型飛機(jī)上，常用雙葉木制螺旋槳。它是用一根拼接的木材兩邊 修成扭轉(zhuǎn)的槳葉，中間開孔與發(fā)動機(jī)軸相連接。螺旋槳要承受高速旋 轉(zhuǎn)時槳葉自身的離心慣性力和氣動載荷。 大功率螺旋槳在槳葉根部受到的離心力可達(dá)200千牛（20噸力）。此外還有發(fā)動機(jī)和氣動力引起 的振動。大功率發(fā)動機(jī)一般采用3葉和4葉螺旋槳，并多用鋁合金和 鋼來制造槳葉。鋁和鋼制槳葉因材料堅固可以做得薄一些，有利于提高螺旋槳在高速時的效率。70年代以后還用復(fù)合材料制造槳葉以減 輕重量。自轉(zhuǎn)當(dāng)發(fā)動機(jī)空中停車后，螺旋槳會象風(fēng)車一樣繼續(xù)沿著原來

16、的方向旋轉(zhuǎn)， 這種現(xiàn)象，叫螺旋槳自轉(zhuǎn)。 螺旋槳自轉(zhuǎn)，不是發(fā)動機(jī)帶動的，而是 被槳葉的迎面氣流“推著”轉(zhuǎn)的。它不但不能產(chǎn)生拉力，反而增加了飛機(jī)的阻力。 從圖1 1 24中看出，螺旋槳發(fā)生自轉(zhuǎn)時，由于形 成了較大的負(fù)迎角。槳葉的總空氣動力方向及作用發(fā)生了質(zhì)的變化。 它的一個分力（Q）與切向速度（U）的方向相同，成為 推動槳葉自動旋 轉(zhuǎn)的動力，迫使槳葉沿原來方向續(xù)繼旋轉(zhuǎn)：另一個分力（-P）與速度方 向 相反，對飛行起著阻力作用。 一些超輕型飛機(jī)的發(fā)動機(jī)空中停車 后由于飛行速度較小，產(chǎn)生自旋力矩不能克服螺旋槳的阻旋力矩時螺旋槳不會出現(xiàn)自轉(zhuǎn)。此時，槳葉阻力較大，飛機(jī)的升阻比（或稱滑 翔 比）將大大降低。

17、3. 螺旋槳拉力變化隨轉(zhuǎn)速的變化 在飛行速度不變的情況下，轉(zhuǎn)速增加，則切向速度 （U）增大，進(jìn)距比 減小槳葉迎角增大，螺旋槳拉力系數(shù)增大又由于拉力與轉(zhuǎn)速平方成正 比，所以增大油門時，可增大拉力。隨速度的變化在轉(zhuǎn)速不變的情況下，飛行速度增大，進(jìn)距比加大，槳葉迎角減小， 螺旋槳拉力系數(shù)減小。，拉力隨之降低。當(dāng)飛行速度等于零時，切向速度就是合速度，槳葉迎角等于槳葉角。飛機(jī)在地面試車時，飛行速度（V）等于零，槳葉迎角最大，一些剖面由于迎角過大超過失速 迎角氣動 性能變壞，因而螺旋槳產(chǎn)生的拉力不一定最大。拉力曲線根據(jù)螺旋槳拉力隨飛行速度增大而減小的規(guī)律， 可繪出螺旋槳可用拉 力曲線。綜合情況在飛行中，加

18、大油門后固定。螺旋槳的拉力隨轉(zhuǎn)速和飛行速度的變化 過程如下：由于發(fā)動機(jī)輸出功率增大，使螺旋槳轉(zhuǎn)速（切向速度）迅 速增加到一定值，螺旋槳拉 力增加。飛行速度增加，由于飛行速度 增大，致使槳葉迎角又開始逐漸減小，拉力也隨之逐漸降低，飛機(jī)阻力逐漸增大，從而速度的增加趨勢也逐漸減慢。當(dāng)拉力降低到一定 程度（即拉力等于阻力）后，飛機(jī)的速度則不再增加。此時，飛行速度、轉(zhuǎn)速、槳葉迎角 及螺旋槳拉力都不變，飛機(jī)即保持在一個新的速度 上飛行。4. 有效功率定義螺旋槳產(chǎn)生拉力，拉著飛機(jī)前進(jìn)，對飛機(jī)作功。螺旋槳單位時間所作功，即為螺旋槳的有效功率。公式：N槳=PV式中：N槳一螺旋槳的有效功率；P螺旋槳的拉力；V飛行

19、速度變化(1)地面試車時，飛機(jī)沒有前進(jìn)速度(V=0)，拉力沒有對飛機(jī)作功，故螺旋槳的有效功率為“零”。(2)飛行速度增大時，從實際測得的螺旋槳有效功率曲線：在0A速度范圍內(nèi)，螺旋槳的效功率隨飛行速度的增大而增大；在大于該速度范圍后螺旋槳有效功率 則隨飛行速度的增大而減小。在 0A速度范圍內(nèi)，當(dāng)飛行速度增大 時，拉力減小較慢，隨速度的增大，螺旋槳有效功率逐漸提高。當(dāng)飛行速度增大到A時，螺旋槳的有效功率最大。當(dāng)飛行速度再 增大時，由于拉力迅速減小，因此隨著飛行速度的增加而螺旋槳 有效功率反會降低。 螺旋槳是發(fā)動機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)的，螺旋槳的作用 是把發(fā)動機(jī)的功率轉(zhuǎn)變?yōu)槔w機(jī)前進(jìn)的有效功率。螺旋槳有效功率與發(fā)動機(jī)輸出功率之比，叫螺旋槳效率。四、感想體會光陰似箭，歲月如梭。轉(zhuǎn)眼間，我們的對課題的研究也到了 尾聲。回想這一年間，我們經(jīng)歷了迷茫，經(jīng)歷了挫折，同時也經(jīng) 歷了收獲。這段經(jīng)歷一定會在我心中永存。一年前，我迷茫在無數(shù)的課題中，但是憑借著對科學(xué)的熱愛, 我選擇了她。那時，我對這個課題無從下手，正是和同學(xué)們的的 激烈討論，我才真正領(lǐng)會到了她的真諦。在之后的研