飛機(jī)動(dòng)力裝置：第四章 螺旋槳

第四章螺旋槳

早期設(shè)計(jì)的飛機(jī)都使用螺旋槳產(chǎn)生拉力。隨著氣動(dòng)科學(xué)的進(jìn)展，螺旋槳的設(shè)計(jì)從只推空氣向后的平板發(fā)展到產(chǎn)生升力拉飛機(jī)向前的翼型。螺旋槳設(shè)計(jì)的發(fā)展應(yīng)用新材料產(chǎn)生較薄翼型截面和較大的強(qiáng)度。現(xiàn)代飛機(jī)的螺旋槳鋁合金是占優(yōu)勢(shì)的結(jié)構(gòu)材料，然而也能見(jiàn)到木制結(jié)構(gòu)的螺旋槳。螺旋槳設(shè)計(jì)通過(guò)使用新的葉型、復(fù)合材料、多槳葉結(jié)構(gòu)繼續(xù)得到改進(jìn)。

第四章螺旋槳

4．1

螺旋槳原理4．1．1名詞術(shù)語(yǔ)所有現(xiàn)代螺旋槳至少包括2個(gè)槳葉連接到中心槳轂上。最接近槳轂的槳葉部分稱為葉柄，而離槳轂最遠(yuǎn)的部分稱為葉尖。槳轂組件的轂孔允許螺旋槳安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸或減速器組件上。第四章螺旋槳

每個(gè)槳葉作為轉(zhuǎn)動(dòng)的翼產(chǎn)生升力拉飛機(jī)向前。所有螺旋槳槳葉有前緣，后緣和弦線。槳葉突起的一面稱為葉背，平坦的一面稱為葉面（見(jiàn)圖）。槳葉角是螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面和槳葉弦線構(gòu)成的夾角第四章螺旋槳

允許改變螺旋槳槳葉角的螺旋槳由一組夾環(huán)固定到槳轂組件，每個(gè)葉根有安裝粗端或凸肩，同槳轂組件的槽配合。在某些情況，葉柄可能延長(zhǎng)超過(guò)槳轂組件進(jìn)入氣流，在這種情況下，可安裝根套（bladecuff）改善葉柄周?chē)諝獾牧鲃?dòng)（見(jiàn)圖）。

第四章螺旋槳

為幫助沿螺旋槳槳葉長(zhǎng)度方向識(shí)別特定的點(diǎn)，大多數(shù)螺旋槳有幾個(gè)規(guī)定的槳葉站位，作為離槳轂中心的指定距離的參考位置（見(jiàn)圖）。

第四章螺旋槳

軸功率（SHP）是指輸送到螺旋槳的功率。當(dāng)量軸功率（ESHP）是在計(jì)算總的功率輸出時(shí)，軸功率加上噴氣推力的影響。由于渦軸和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸輸出功率，在試車(chē)臺(tái)上依據(jù)軸的轉(zhuǎn)速和扭矩測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率（馬力）。在靜態(tài)條件下，輸送到螺旋槳上1軸馬力假定產(chǎn)生2.5磅推力。所以：ESHP靜態(tài)

=SHP螺旋槳

+Fn(噴氣)/2.5

第四章螺旋槳

4．1．2螺旋槳理論當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)通過(guò)空氣時(shí)，在槳葉的前面產(chǎn)生低壓區(qū)。這個(gè)低壓區(qū)同槳葉后面恒定區(qū)或高壓區(qū)使螺旋槳產(chǎn)生拉力。產(chǎn)生拉力的大小取決于幾個(gè)因素：槳葉攻角，螺旋槳轉(zhuǎn)速和翼型的形狀。槳葉攻角（又稱迎角）是槳葉弦線和相對(duì)風(fēng)的夾角。相對(duì)風(fēng)的方向是由飛機(jī)通過(guò)空氣運(yùn)動(dòng)的速度和螺旋槳的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)決定例如:當(dāng)螺旋槳在靜止的飛機(jī)上旋轉(zhuǎn)，相對(duì)風(fēng)的方向精確的對(duì)著螺旋槳的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，槳葉攻角和槳葉角是一樣的（見(jiàn)圖）。

飛機(jī)靜止時(shí)相對(duì)風(fēng)向第四章螺旋槳

當(dāng)飛機(jī)開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)風(fēng)改變方向。理由是除旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外，螺旋槳也向前運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)和向前運(yùn)動(dòng)的組合產(chǎn)生的相對(duì)風(fēng)不直接對(duì)著螺旋槳槳葉運(yùn)動(dòng)。在這種情況，攻角總是低于槳葉角（見(jiàn)圖）。

飛機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)相對(duì)風(fēng)向第四章螺旋槳

對(duì)于一定的螺旋槳轉(zhuǎn)速，飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的越快，螺旋槳槳葉上的攻角就越小。然而，如果螺旋槳轉(zhuǎn)速增加，槳葉攻角增加。螺旋槳最有效的攻角是在2度到4度之間。攻角超過(guò)15度，由于槳葉失速的可能是低效的。

第四章螺旋槳

螺旋槳和以同一速率通過(guò)空氣的飛機(jī)機(jī)翼不一樣，接近槳葉葉尖部分比靠近槳轂部分旋轉(zhuǎn)的速度大（見(jiàn)圖）。例如，決定在離槳轂18英寸的點(diǎn)以1800轉(zhuǎn)/分鐘旋轉(zhuǎn)的葉片速度為：

v=2πr×rpm=2×π×18×1800=203575即，葉片速度為每分鐘203575英寸，相當(dāng)于每小時(shí)192.7英里。

螺旋槳轉(zhuǎn)速一定時(shí)槳葉不同位置的速度第四章螺旋槳

為補(bǔ)償沿螺旋槳槳葉的速度差，槳葉每小段給定不同的角度。槳葉角從槳轂到葉尖逐漸減小稱為槳距分配，這給出一個(gè)螺旋槳槳葉扭轉(zhuǎn)的樣子。槳葉的扭轉(zhuǎn)沿槳葉長(zhǎng)度的大部分提供剛好不變的攻角。除葉片扭轉(zhuǎn)外，大多數(shù)螺旋槳接近槳轂用較厚的低速翼型，接近翼尖用較薄的高速翼型。這樣，同葉片扭轉(zhuǎn)組合，允許螺旋槳沿著槳葉整個(gè)長(zhǎng)度產(chǎn)生相對(duì)不變的拉力。螺旋槳的推進(jìn)功率是拉力和速度的乘積。螺旋槳的推進(jìn)功率和提供給螺旋槳的軸功率之比稱為螺旋槳的效率。螺旋槳在原地工作時(shí)，速度為零，螺旋槳的效率等于零。

第四章螺旋槳

4．1．4螺旋槳槳距螺旋槳槳距是螺旋槳轉(zhuǎn)一圈縱向前進(jìn)的理論距離。槳距和槳葉角描述兩個(gè)不同的概念，然而它們是密切相關(guān)的。如說(shuō)一個(gè)螺旋槳有固定的槳距，實(shí)際上意味螺旋槳槳葉給定在固定的槳葉角上。槳距和槳葉角存在下述關(guān)系，即H=2πRtgφ式中H——槳距；

R——螺旋槳特征截面半徑；

φ——槳葉角。

第四章螺旋槳

幾何槳距定義為螺旋槳通過(guò)不可壓縮介質(zhì)轉(zhuǎn)一圈前進(jìn)的距離，沒(méi)有任何效率損失。槳葉角大，則幾何槳距大。幾何槳距是從距離槳轂槳葉長(zhǎng)度75%點(diǎn)測(cè)量的。有效槳距是螺旋槳轉(zhuǎn)一圈實(shí)際前進(jìn)的距離。有效槳距從飛機(jī)在地面靜止時(shí)的零到最有效的飛行狀態(tài)幾何槳距的90%變化。幾何槳距和有效槳距之間的差稱為滑流（滑距）（見(jiàn)圖）。螺旋槳滑流代表由于低效引起的總損失。滑流的大小影響拉力的大小。飛行速度的大小則取決于螺旋槳的有效槳距和轉(zhuǎn)速。

幾何槳距和有效槳距第四章螺旋槳

4．2螺旋槳分類與結(jié)構(gòu)

4．2．1分類方法

按照螺旋槳在飛機(jī)上的安裝位置分類，可分為牽引式和推進(jìn)式。牽引式螺旋槳裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的前面，拉著飛機(jī)前進(jìn)。推進(jìn)式螺旋槳裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的后端，推動(dòng)飛機(jī)通過(guò)空氣前進(jìn)。按照槳距確定的方法分類包括固定槳距螺旋槳、地面可調(diào)槳距螺旋槳、可控槳距螺旋槳、恒速螺旋槳、可反槳及可順槳的螺旋槳。

第四章螺旋槳

固定槳距螺旋槳。最簡(jiǎn)單的螺旋槳是固定槳距螺旋槳。有低槳葉角的固定槳距螺旋槳稱為爬升螺旋槳，為起飛和爬升提供最好的性能；有高槳葉角的固定槳距螺旋槳常常稱為巡航螺旋槳，更適宜高速巡航和高空飛行。用這種類型螺旋槳，最佳轉(zhuǎn)速或空速的任何改變會(huì)減少螺旋槳的效率。可調(diào)槳距螺旋槳地面可調(diào)槳距螺旋槳在飛行中槳葉角不能改變，在地面槳葉角可以改變。可控槳距螺旋槳在螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)槳葉角可被改變。這使槳葉角為特定的飛行狀態(tài)提供最好的性能。槳距位置的數(shù)目可被限制，如雙位可控螺旋槳，或槳距在最小和最大給定之間任何角度調(diào)節(jié)。

第四章螺旋槳

恒速螺旋槳恒速螺旋槳有時(shí)稱為自動(dòng)螺旋槳，一旦駕駛員選擇工作轉(zhuǎn)速后，螺旋槳自動(dòng)調(diào)節(jié)槳葉角以保持選擇的轉(zhuǎn)速。用這種螺旋槳，槳距改變是由螺旋槳調(diào)速器控制的。典型的調(diào)速器利用滑油壓力控制槳距。恒速螺旋槳提供最大的效率。

第四章螺旋槳

可反槳的螺旋槳在裝有可反槳螺旋槳的飛機(jī)上，螺旋槳的槳葉角能夠轉(zhuǎn)到負(fù)值，產(chǎn)生負(fù)拉力（見(jiàn)圖）。這可減短著陸滑跑距離和改善地面機(jī)動(dòng)能力。

負(fù)槳葉角第四章螺旋槳

可順槳的螺旋槳裝有可順槳的螺旋槳是指恒速螺旋槳有順槳能力。如果發(fā)動(dòng)機(jī)故障，駕駛員選擇順槳位置。每個(gè)槳葉前緣直著對(duì)向風(fēng)，槳葉角接近90度，順槳位置可消除風(fēng)轉(zhuǎn)螺旋槳時(shí)伴隨產(chǎn)生的大部分阻力（見(jiàn)圖）。

第四章螺旋槳

4．2．2螺旋槳結(jié)構(gòu)幾乎所有螺旋槳是由木料、鋼材、鋁材或某些復(fù)合材料制造的。很多年來(lái)，木料是制造螺旋槳的最可靠的材料。木制結(jié)構(gòu)能吸收發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和不支持共振。除非木制材料有保護(hù)層，否則地面工作期間它們對(duì)沙石和碎屑敏感?，F(xiàn)在大多數(shù)螺旋槳使用鋁合金結(jié)構(gòu)。它可以做成更薄、更有效的葉型而沒(méi)有犧牲結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。鋁合金螺旋槳上翼型截面延長(zhǎng)接近槳轂這樣能提供較好的空氣流動(dòng)，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻。鋁合金螺旋槳比木制螺旋槳更易于維護(hù)，而且使用成本較低。鋼制螺旋槳在老一代運(yùn)輸飛機(jī)上使用過(guò)。由于鋼材重，所以將鋼制槳葉做成空心的。復(fù)合材料螺旋槳近來(lái)較為流行，其特點(diǎn)是重量輕、耐用，還能吸收振動(dòng)，防腐蝕。

第四章螺旋槳

4．3．2螺旋槳槳距調(diào)節(jié)

1．雙位螺旋槳

雙位螺旋槳利用控制活門(mén)引導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油進(jìn)入螺旋槳減少槳葉角；泄放滑油返回發(fā)動(dòng)機(jī)，使槳葉進(jìn)入高槳葉角。兩種力用于引起槳葉角改變：在螺旋槳油缸里的滑油壓力和作用在配重上的離心力。當(dāng)螺旋槳控制桿向前移時(shí)減小槳葉角，選擇活門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)引導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油進(jìn)入螺旋槳油缸，滑油壓力克服配重的離心力，槳葉角轉(zhuǎn)到低槳葉角（見(jiàn)圖）。

槳葉角減小第四章螺旋槳

為增大槳葉角，駕駛艙控制桿后移，選擇活門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)從螺旋槳釋放滑油，現(xiàn)在配重的離心力大于螺旋槳油缸中滑油產(chǎn)生的力?；土鞒鲇透追祷匕l(fā)動(dòng)機(jī)集油槽，螺旋槳由配重的離心力保持在高槳葉角（見(jiàn)圖）。

槳葉角增大第四章螺旋槳

2．螺旋槳調(diào)速器恒速螺旋槳系統(tǒng)中螺旋槳槳葉角由調(diào)速器作用改變而保持螺旋槳轉(zhuǎn)速不變。幾乎所有現(xiàn)代中、高性能飛機(jī)都使用恒速螺旋槳。螺旋槳調(diào)速器是一個(gè)轉(zhuǎn)速敏感部件，響應(yīng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的變化通過(guò)引導(dǎo)滑油進(jìn)出螺旋槳改變槳葉角，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速回到初始值。調(diào)速器分成3部分：頭部、本體和基座。調(diào)速器頭部包含飛重，轉(zhuǎn)速計(jì)彈簧，控制滑輪，轉(zhuǎn)速計(jì)架等。調(diào)速器本體包含螺旋槳滑油流動(dòng)控制機(jī)構(gòu)：分油活門(mén)、滑油油路、釋壓活門(mén)?；鰤罕?，在發(fā)動(dòng)機(jī)上的安裝面，引導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油到泵和滑油從螺旋槳返回發(fā)動(dòng)機(jī)集油槽的油路（見(jiàn)圖）。

第四章螺旋槳

分油活門(mén)的位置由連到傳動(dòng)軸端部的飛重作用決定。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，飛重向外張開(kāi)，分油活門(mén)抬高；當(dāng)轉(zhuǎn)速減少時(shí)，飛重向內(nèi)收，分油活門(mén)降低；分油活門(mén)的移動(dòng)響應(yīng)轉(zhuǎn)速的改變，引導(dǎo)滑油流動(dòng)調(diào)節(jié)槳葉角保持選擇的轉(zhuǎn)速。飛重的作用力由位于飛重上面的轉(zhuǎn)速計(jì)彈簧力克服。彈簧力由駕駛員通過(guò)控制機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)。當(dāng)希望高轉(zhuǎn)速時(shí)，駕駛艙控制桿向前移壓縮轉(zhuǎn)速計(jì)彈簧。增加的彈簧力使飛重向內(nèi)收，分油活門(mén)降低。這引起槳葉角減小，轉(zhuǎn)速增加，直到飛重離心力克服轉(zhuǎn)速計(jì)彈簧力分油活門(mén)回到中立位置。

第四章螺旋槳

3．變距螺旋槳調(diào)速器變距又可分為雙向變距、正向變距和反向變距三種形式。槳葉角增大叫變大距，槳葉角減小叫變小距。螺旋槳變大距和變小距都是靠液體壓力進(jìn)行的，這種螺旋槳調(diào)速器稱為雙向液壓式調(diào)速器（見(jiàn)圖）。

雙向變距第四章螺旋槳

駕駛艙內(nèi)的變距桿固定在某一位置，即調(diào)速器彈簧力一定時(shí)，調(diào)速器自動(dòng)保持某一相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。離心力與彈簧力平衡，分油活門(mén)處于中立位置，螺旋槳槳葉角不發(fā)生變化。如果由于某種原因引起發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大，則離心飛重抬起分油活門(mén)的力量增大，分油活門(mén)上移。從滑油泵來(lái)的滑油進(jìn)入大距油路，流入變距活塞左邊的A室，變距活塞右移，螺旋槳變大距。同時(shí)，變距活塞右邊B室的滑油順著小距油路回油。隨著螺旋槳槳葉角的增大，螺旋槳的阻力力矩增加，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速減小。隨著轉(zhuǎn)速的減小，離心飛重抬起分油活門(mén)的力量也隨之減小，分油活門(mén)又向下移，直到轉(zhuǎn)速減小到原來(lái)的數(shù)值，分油活門(mén)回到中立位置，堵住變距油路，螺旋槳槳葉角不再變大，轉(zhuǎn)速不再減小，調(diào)速器保持原來(lái)的轉(zhuǎn)速不變（見(jiàn)圖）。轉(zhuǎn)速增大時(shí)變大距工作情形第四章螺旋槳

轉(zhuǎn)速減小時(shí)調(diào)速器的工作與轉(zhuǎn)速增大時(shí)的相反（見(jiàn)圖）。

轉(zhuǎn)