螺旋槳的拉力和旋轉(zhuǎn)阻力

螺旋槳的拉力和旋轉(zhuǎn)阻力第1頁/共76頁第三章第頁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)的動力。螺旋槳運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2頁/共76頁第三章第頁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第3頁/共76頁3.1

螺旋槳的拉力和旋轉(zhuǎn)阻力第4頁/共76頁第三章第頁53.1.1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5頁/共76頁第三章第頁6槳葉平面形狀

槳葉的平面形狀很多，使用較多的有三種：第6頁/共76頁第三章第頁7Rr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7頁/共76頁第三章第頁8αγφ槳弦相對氣流旋轉(zhuǎn)面槳葉角φ：槳弦和旋轉(zhuǎn)面之間的夾角槳葉迎角α：槳弦和入流（即相對氣流）之間的夾角入流角γ：入流和旋轉(zhuǎn)面之間的夾角槳葉基本參數(shù)第8頁/共76頁第三章第頁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?，F(xiàn)代飛機(jī)普遍使用自動變距螺旋槳。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9頁/共76頁第三章第頁10TB200螺旋槳外觀第10頁/共76頁第三章第頁11Seminole螺旋槳外觀第11頁/共76頁第三章第頁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速度：一個是前進(jìn)速度v,一個是圓周速度（切向速度）u。3.1.2螺旋槳的運動

右圖為槳葉切面上某一點的運動軌跡第12頁/共76頁第三章第頁13相對進(jìn)距λ第13頁/共76頁第三章第頁14槳葉迎角α隨槳葉角φ的變化為常數(shù)時為常數(shù)時第14頁/共76頁第三章第頁15槳葉迎角α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15頁/共76頁第三章第頁16槳葉迎角α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16頁/共76頁第三章第頁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)的螺旋槳工作時的情況。第17頁/共76頁第三章第頁18螺旋槳的幾何扭轉(zhuǎn)示意圖第18頁/共76頁第三章第頁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19頁/共76頁第三章第頁20TB200螺旋槳的幾何扭轉(zhuǎn)第20頁/共76頁第三章第頁213.1.3

螺旋槳拉力和旋轉(zhuǎn)阻力的產(chǎn)生葉素的空氣動力CR葉素的空氣動力系數(shù)ds葉素的面積第21頁/共76頁第三章第頁22槳葉的空氣動力及其分布第22頁/共76頁第三章第頁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)速將會降低M扭<M扭，螺旋槳轉(zhuǎn)速將會增加M扭=M扭，螺旋槳轉(zhuǎn)速不變第23頁/共76頁第三章第頁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24頁/共76頁第三章第頁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第25頁/共76頁3.2螺旋槳拉力在飛行中的變化第26頁/共76頁第三章第頁273.2螺旋槳拉力在飛行中的變化

螺旋槳的拉力是總空氣動力的一個分力，拉力的大小不僅取決于總空氣動力的大小，還取決于總空氣動力的方向。總空氣動力大小總空氣動力方向槳葉迎角α槳葉切面合速度w合速度的方向性質(zhì)角θ拉力大小第27頁/共76頁第三章第頁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。自動變距，通過調(diào)速器自動調(diào)整槳葉角的大小，保持轉(zhuǎn)速恒定不變。第28頁/共76頁第三章第頁29變距機(jī)構(gòu)第29頁/共76頁第三章第頁30不同工況下的操作油門桿變距桿混合比桿第30頁/共76頁第三章第頁313.2.2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，因此槳葉總空氣動力R的方向也更加偏離槳軸。第31頁/共76頁第三章第頁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32頁/共76頁第三章第頁333.2.3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，自動增大槳葉角。因此槳葉總空氣動力R增大。第33頁/共76頁第三章第頁34螺旋槳飛機(jī)不同油門位置下的拉力曲線螺旋槳的拉力隨油門的增大而逐步減小。第34頁/共76頁第三章第頁353.2.4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)動機(jī)的螺旋槳的拉力隨高度的增大而減小。第35頁/共76頁第三章第頁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36頁/共76頁第三章第頁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37頁/共76頁第三章第頁38飛行速度過大時負(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，會自動增大槳葉角。但由于入流角也在增大，所以槳葉迎角仍在減小，槳葉總空氣動力R逐漸向旋轉(zhuǎn)面靠攏。第38頁/共76頁第三章第頁39油門過小時負(fù)拉力的產(chǎn)生

油門減小，調(diào)速器為保持轉(zhuǎn)速不變，會自動減小槳葉角。但由于入流角短時間內(nèi)保持不變，槳葉迎角逐漸減小，甚至成為負(fù)迎角。第39頁/共76頁第三章第頁40發(fā)動機(jī)空中停車時負(fù)拉力的產(chǎn)生

發(fā)動機(jī)空中停車，調(diào)速器為保持轉(zhuǎn)速不變，會自動減小槳葉角。由于槳葉角和槳葉迎角均迅速減小，形成較大的負(fù)迎角，槳葉總空氣動力R指向斜后方。第40頁/共76頁第三章第頁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力旋轉(zhuǎn)力第41頁/共76頁第三章第頁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)相對氣流槳弦第42頁/共76頁第三章第頁43順槳的過程第43頁/共76頁第三章第頁44順槳完成第44頁/共76頁第三章第頁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45頁/共76頁第三章第頁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第46頁/共76頁3.3螺旋槳的有效功率和效率第47頁/共76頁第三章第頁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48頁/共76頁第三章第頁493.3.1螺旋槳的有效功率

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49頁/共76頁第三章第頁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，螺旋槳有效功率隨速度增大而增大。大于某一飛行速度時，螺旋槳有效功率隨速度增大而減小。第50頁/共76頁第三章第頁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)動機(jī)有效功率越大，螺旋槳有效功率隨之增大。第51頁/共76頁第三章第頁52注：吸氣式發(fā)動機(jī)與增壓式發(fā)動機(jī)的工作原理不同，受高度變化的影響也有不同。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)動機(jī)有效功率減小，螺旋槳有效功率也減小。第52頁/共76頁第三章第頁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，在加油門的同時應(yīng)當(dāng)前推變距桿增大轉(zhuǎn)速。第53頁/共76頁第三章第頁543.3.2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η第54頁/共76頁第三章第頁55螺旋槳的效率η與相對進(jìn)距λ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)到最大。第55頁/共76頁第三章第頁56螺旋槳的效率η與槳葉角φ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56頁/共76頁第三章第頁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，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，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，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57頁/共76頁第三章第頁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第58頁/共76頁3.4螺旋槳的副作用第59頁/共76頁第三章第頁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)動力；另一方面還會產(chǎn)生一些對飛行不利的副作用。進(jìn)動反作用力矩滑流扭轉(zhuǎn)作用第60頁/共76頁第三章第頁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，螺旋槳并不完全繞與操縱力矩方向平行的軸轉(zhuǎn)動，還要繞另一個軸偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象叫做進(jìn)動。3.4.1螺旋槳的進(jìn)動縱軸豎軸橫軸機(jī)頭上仰向右進(jìn)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向反作用力矩方向第61頁/共76頁第三章第頁62進(jìn)動的產(chǎn)生機(jī)理第62頁/共76頁第三章第頁63螺旋槳進(jìn)動的產(chǎn)生

當(dāng)機(jī)頭上仰時，轉(zhuǎn)動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)動的過程中，該加速度的影響仍然存在。第63頁/共76頁第三章第頁64進(jìn)動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)動方向進(jìn)動方向第64頁/共76頁第三章第頁65

后三點式螺旋槳飛機(jī)，在起飛滑跑抬尾輪時，受進(jìn)動的影響較為明顯。進(jìn)動的影響舉例：第65頁/共76頁第三章第頁66進(jìn)動的影響

后三點式螺旋槳飛機(jī)，在起飛滑跑階段，受進(jìn)動的影響較為明顯。第66頁/共76頁第三章第頁673.4.2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，會向左傾斜。第67頁/共76頁第三章第頁68在空中飛行時，反作用力矩有使飛機(jī)帶坡度的趨勢。加油門，槳葉空氣動力增大，反