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大家好

我是岳奎志

本次课程为螺旋桨空气动力特性

在喷气式飞机大量应用的年代

以螺旋桨为动力的飞机还有一定的市场空间

虽然带螺旋桨的飞机飞行速度有点慢

但是螺旋桨的效率高

致使在相同载油量情况下

飞机留空时间长

所以带螺旋桨的飞机

在军用飞机市场上还有一定的应用空间

例如美国的E-2C和E-2D预警机

就是以螺旋桨为动力的舰载预警机

本次课主要以舰载预警机为背景

介绍螺旋桨空气动力特性

为此

在上本次课之初

先明确一下学习目标

一共有两条

分别是

1 介绍螺旋桨相关术语

2 分析螺旋桨拉力产生及变化规律

当您明确本次课的学习目标之后

接下来要学什么内容

您就清楚了吧

在讲本次课主要内容之前

先出一个小问题

考察一下您对螺旋桨空气动力特性的认知储备情况

这个问题就是

1 螺旋桨拉力随飞行速度

油门位置和飞行高度的变化规律是什么

如果您不清楚

没关系

通过本次课

这个问题将得以解决

通过本次课

刚才制定的学习目标

也将得以实现

以螺旋桨为动力的舰载预警机在空中飞行时

螺旋桨在发动机的带动下旋转

产生拉力

拉着飞机向前飞

螺旋桨旋转在产生拉力的同时

还产生旋转阻力

旋转阻力由发动机来克服

螺旋桨的拉力和旋转阻力

就是螺旋桨的空气动力

美国海军的E-2D舰载预警机

在机翼下安装2部涡轮螺旋桨发动机

发动机前边有带8个桨叶的螺旋桨

螺旋桨由桨叶 桨毂和变距机构组成

桨叶有桨尖 桨根 前缘和后缘等部位

桨叶按平面形状可分为椭圆形

矩形和马刀形桨叶

E-2D舰载预警机的桨叶形状就是马刀形

从空中飞行的E-2D舰载预警机的后视图动画中

可以看到机翼下2部8桨叶螺旋桨

同时以顺时针方向旋转

螺旋桨旋转产生拉力

拉着飞机向前飞

为了方便研究螺旋桨的几何参数

把舰载预警机螺旋桨的8个桨叶

简化成2个桨叶

螺旋桨旋转时

桨尖所画圆的直径

称为螺旋桨直径

用符号D表示

桨尖到桨轴之间的距离

为螺旋桨半径

用符号R表示

螺旋桨半径是螺旋桨直径的一半

用剪子在桨叶上

沿着螺旋桨半径的垂直面上剪一刀

得到的剖面

就是桨叶剖面

桨叶剖面到桨轴的距离

称为剖面半径

用符号r表示

剖面半径与螺旋桨半径之比

就是相对半径

桨叶剖面与机翼的翼型很像

每种桨叶都有不同的桨叶剖面

但是它们都有相同的几何参数名称

桨叶剖面前缘与后缘的连线

称为桨弦

用符号b表示

桨弦与螺旋桨直径的比值

称为桨叶相对宽度

用符号“b一杠”表示

桨叶的最大厚度

称为桨叶厚度

用符号c表示

桨叶厚度与桨弦的比值

称为桨叶后弦比

用符号“c一杠”表示

螺旋桨旋转时所在的轴线称为桨轴

桨叶的迎风面称为前桨面

桨叶的背风面称为后桨面

桨叶剖面前缘与后缘的连线称为桨弦

桨叶旋转时所画的平面叫做旋转面

它与桨轴垂直

桨弦或者说是桨弦的延长线

与旋转面之间的夹角

称为桨叶角

用符号“Φ”来表示

改变桨叶角称为变距

桨叶角不能改变的螺旋桨

称为定距螺旋桨

例如航模飞机的螺旋桨

基本上都是定距螺旋桨

桨叶角能够改变的螺旋桨

称为变距螺旋桨

例如现代有人驾驶的带螺旋桨的飞机

其螺旋桨基本上都是变距螺旋桨

桨叶角增大称为变大距

桨叶角减小称为变小距

现代飞机基本上使用自动变距恒速螺旋桨

在介绍完螺旋桨的几何参数之后

下面介绍螺旋桨的运动参数

在螺旋桨旋转一周时

飞机前进的距离

与螺旋桨直径的比值

称为螺旋桨的前进比

前进比用符号λ表示

λ=VT/D=V/nD

其中V是前进速度

T是螺旋桨的周期

D是螺旋桨直径

n是螺旋桨转速

以右转螺旋桨为例

其中一个桨叶剖面的切向速度

U=2πrn

其中2πr就是桨叶旋转时

其某一桨叶剖面所画圆的周长

周长除以周期T

就是速度U

周期T的倒数

就是转数n

所以切向速度U=2πrn

螺旋桨的前进速度V

和飞机的飞行速度大小相等

桨叶剖面的合速度W

是切向速度U与前进速度V的矢量和

作用在桨叶剖面上的相对气流速度

与合速度大小相等

方向相反

合速度与旋转面之间的夹角

用γ来表示

tanγ等于前进速度V

除以切向速度U

进而等于V/（2πrn）

下面介绍一个重要概念

就是桨叶迎角

桨弦与桨叶剖面相对气流之间的夹角

就是桨叶迎角

用符号α表示

桨叶迎角表达式子如下所示

桨叶迎角α

等于桨叶角Φ减去γ

进而等于Φ减去arctan(v/2πrn)

由此式子可知

桨叶迎角随桨叶角飞行速度和转速的变化规律

1 飞行速度V一定

螺旋桨转速n一定

此时

当桨叶角Φ增大时

桨叶迎角α随之增大

2 桨叶角Φ一定

螺旋桨转速n一定

此时 当飞行速度V增大时

桨叶迎角α随之减小

3 飞行速度V一定

桨叶角Φ一定

此时

当螺旋桨转速n增大时

桨叶迎角α随之增大

由桨叶迎角表达式子可知

随着剖面半径的增大

桨叶迎角变大

为了使桨叶各剖面迎角基本相等

将桨叶进行扭转

从桨根到桨尖

桨叶角逐渐减小

如图所示

定距右转螺旋桨

从桨根到桨尖

桨叶角就逐渐减小

这样螺旋桨产生的空气动力受力均匀

效率就会提高

以螺旋桨为动力的飞机在空中飞行时

旋转的螺旋桨产生拉力

拉着飞机向前飞

螺旋桨的拉力是怎样产生的呢

下面介绍一下螺旋桨拉力的产生及其变化规律

与机翼的翼型相似

相对气流在桨叶剖面的前桨面

后桨面形成的压力差

这就是桨叶剖面的空气动力dR

然后沿着螺旋桨半径方向

将这种桨叶剖面的压力差进行积分

就得到1个桨叶的总空气动力R

将其再乘以桨叶个数

就等于整个螺旋桨的总空气动力

为了分析方便

以桨叶剖面为基础

研究桨叶的总空气动力

桨叶剖面的空气动力dR

可以矢量分解成两部分

1 平行于旋转面的旋转阻力dQ

2 沿着桨轴方向的拉力dP

沿着螺旋桨半径方向

将桨叶剖面空气动力进行积分

就得到桨叶总空气动力

桨叶总空气动力

同样可适量分解成两部分

1 沿着桨轴方向的拉力P

拉力P可以拉着飞机

或推着飞机向前飞

2 平行于旋转面的旋转阻力Q

旋转阻力Q由飞机发动机来克服

将桨叶的拉力P

再乘以桨叶个数

就得到螺旋桨的拉力

这就是螺旋桨拉力产生的缘由

为了方便进行科学研究

学者将螺旋桨的拉力公式归纳如下所示

P=cpρn2D4

其中Cp为拉力系数

ρ为空气密度

n为螺旋桨转速

D为螺旋桨直径

在工程研究中

可以近似认为拉力方向

同飞行速度方向平行

在介绍完螺旋桨拉力的产生之后

下面再介绍一下螺旋桨拉力在飞行中的变化规律

首先介绍一下

拉力随飞行速度的变化规律

拉力直接决定飞行速度的大小

欲增大飞机的飞行速度

就要增大螺旋桨的拉力

飞机飞行速度改变后

反过来又引起拉力大小发生变化

在其他条件不变时

随着飞行速度的增大

拉力却逐渐减小

下面解释一下这种现象的原因

在油门位置和飞行高度不变时

如果螺旋桨的桨叶角Φ不变

飞机的飞行速度V增大

则桨叶迎角α势必减小

螺旋桨的旋转阻力Q就减小

致使螺旋桨转速n增大

现代飞机都是恒速螺旋桨

即螺旋桨转速n不变

为了保持螺旋桨转数n不变

调速器迫使桨叶角Φ增大

当桨叶角Φ增大到使旋转阻力Q

恢复到原来大小时

螺旋桨转数n也就恢复到原来大小

桨叶角Φ停止增大

在新的条件下

因为桨叶的合速度W2方向更加偏离旋转面

致使桨叶的总空气动力R2进一步偏离桨轴

由于旋转阻力Q不变

所以螺旋桨拉力P2减小了

由此可知

欲增大飞机的飞行速度

就要增大螺旋桨的拉力

在其他条件不变时

随着飞行速度的增大

拉力却逐渐减小

下面再介绍一下

螺旋桨拉力在飞行中的变化规律之二

拉力随油门位置的变化规律

在飞机飞行速度V和飞行高度H不变时

飞行员加油门

螺旋桨拉力将增大

飞行员加油门时

发动机有效功率提高

力图使螺旋桨的转数增大

为了保持转速不变

调速器迫使桨叶角变大距

使得桨叶角增大

进而桨叶迎角增大

螺旋桨的拉力也就增大了

结论就是

加油门 螺旋桨的拉力变大

减油门 螺旋桨的拉力变小

下面再介绍一下

螺旋桨拉力在飞行中的变化规律之三

拉力随飞行高度的变化规律

针对不同的发动机

分三种情况介绍

一 对于涡轮螺旋桨发动机

拉力随飞行高度的变化规律如下

在功率限制高度以下

因发动机的总功率基本不变

故拉力随高度增加而减小的不明显

即基本不变

在功率限制高度以上

发动机当量功率随高度增加而减小

所以拉力显著下降

在当代

以螺旋桨为动力的运输机 预警机 客机等

由于采用涡轮螺旋桨发动机

所以基本上都属于这种情况

例如美国的E-2D舰载预警机

就属于这种情况

二 对于吸气式活塞发动机

拉力随飞行高度的变化规律如下

在飞机飞行速度和油门位置不变条件下

随着飞机飞行高度的升高

空气密度减小

发动机有效功率降低

螺旋桨拉力减小

例如

带有吸气式活塞发动机的初级教练机

就属于这种情况

三 对于增压式活塞发动机

拉力随飞行高度的变化规律如下

在额定高度以下时

高度升高 有效功率增大

拉力进而增大

在额定高度以上

高度升高 有效功率减小

拉力减小

在额定高度上

拉力最大

例如

带增压式活塞发动机的无人机

就属于这种情况

讲到这里

本次课程即将结束

下面进行一下小结

本次课程

介绍了螺旋桨的相关术语

有桨叶 桨毂 变距机构

桨尖 桨根 前缘 后缘

螺旋桨直径 螺旋桨半径 桨叶剖面

剖面半径 相对半径

桨弦 桨叶相对宽度 桨叶厚度

桨叶厚弦比

前桨面 后桨面 桨轴 旋转面

桨叶角 变距 前进比

桨叶迎角 切向速度 前进速度 合速度等等

重点记住两个概念

桨叶角 桨叶迎角

本次课程

还分析了螺旋桨的拉力产生原因

介绍了螺旋桨拉力随飞行速度

油门 飞行高度的变化规律

本次课程到此结束

谢谢