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螺旋桨
一、工作原理
可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼进行讨论。流经桨叶各剖面的气 流由沿旋转轴方向的前进速度和旋转产生的切线速度合成。在螺旋桨半径r1和r2(r1＜r2)两处各取极小一段，讨论桨叶上的气流情况。V—轴向速度；n—螺旋桨转速；φ—气流角，即气流与螺旋桨旋转平面夹角；α—桨叶剖面迎角；β—桨叶角，即桨叶剖面弦线与旋转平面夹角。显而易见β＝α+φ。
空气流过桨叶各小段时产生气动力，阻力ΔD和升力ΔL，见图1—1—19，合成后 总空气动力为ΔR。ΔR沿飞行方向的分力为拉力ΔT，与旋螺桨旋转方向相反的力ΔP 阻止螺旋桨转动。将整个桨叶上各小段的拉力和阻止旋转的力相加，形成该螺旋桨的拉 力和阻止螺旋桨转动的力矩。
从以上两图还可以看到。必须使螺旋桨各剖面在升阻比较大的迎角工作，才能获得较大的拉力，较小的阻力矩，也就是效率较高。螺旋桨工作时。轴向速度不随半径变化，而切线速度随半径变化。因此在接近桨尖，半径较大处气流角较小，对应桨叶角也应较小。而在接近桨根，半径较小处气流角较大，对应桨叶角也应较大。螺旋桨的桨叶角从桨尖到桨根应按一定规律逐渐加大。所以说螺旋桨是一个扭转了的机翼更为确切。
从图中还可以看到，气流角实际上反映前进速度和切线速度的比值。对某个螺旋桨的某个剖面，剖面迎角随该比值变化而变化。迎角变化，拉力和阻力矩也随之变化。用进矩比“J”反映桨尖处气流角，J＝V／nD。式中D—螺旋桨直径。理论和 试验证明：螺旋桨的拉力(T)，克服螺旋桨阻力矩所需的功率(P)和效率(η)可用下列公式 计算：
T=Ctρn2D4
P=Cpρn3D5
η=J·Ct/Cp
式中：Ct—拉力系数；Cp—功率系数；ρ—空气密度；n—螺旋桨转速；D—螺旋桨直径。其 中Ct和Cp取决于螺旋桨的几何参数，对每个螺旋桨其值随J变化。图1—1—21称为螺 旋桨的特性曲线，它可通过理论计算或试验获得。特性曲线给出该螺旋桨拉力系数、功 率系数和效率随前进比变化关系。是设计选择螺旋桨和计算飞机性能的主要依据之一。
从图形和计算公式都可以看到，当前进比较小时，螺旋桨效率很低。对飞行速度较 低而发动机转速较高的轻型飞机极为不利。例如：飞行速度为72千米／小时，发动转 速为6500转／分时，η≈32％。因此超轻型飞机必须使用减速器，降低螺旋桨的转 速，提高进距比，提高螺旋桨的效率。
二、几何参数
直径(D)：影响螺旋桨性能重要参数之一。一般情况下，直径增大拉力随之增大， 效率随之提高。所以在结构允许的情况下尽量选直径较大的螺旋桨。此外还要考虑螺旋 桨桨尖气流速度不应过大(＜0.7音速)，否则可能出现激波，导致效率降低。
桨叶数目(B)：可以认为螺旋桨的拉力系数和功率系数与桨叶数目成正比。超轻型飞 机一般采用结构简单的双叶桨。只是在螺旋桨直径受到限制时，采用增加桨叶数目的方 法使螺旋桨与发动机获得良好的配合。
实度(σ)：桨叶面积与螺旋桨旋转面积(πR2)的比值。它的影响与桨叶数目的影响相 似。随实度增加拉力系数和功率系数增大。
桨叶角(β)：桨叶角随半径变化，其变化规律是影响桨工作性能最主要的因素。习惯 上以70％直径处桨叶角值为该桨桨叶角的名称值。
螺距：它是桨叶角的另一种表示方法。图1—1—22是各种意义的螺矩与桨叶角的关 系。
几何螺距(H)：桨叶剖面迎角为零时，桨叶旋转一周所前进的距离。它反映了桨叶 角的大小，更直接指出螺旋桨的工作特性。桨叶各剖面的几何螺矩可能是不相等的。习 惯上以70％直径处的几何螺矩做名称值。国外可按照直径和螺距订购螺旋桨。如 64／34，表示该桨直径为60英寸，几何螺矩为34英寸。
实际螺距(Hg)：桨叶旋转一周飞机所前进的距离。可用Hg＝v/n计算螺旋桨的实际螺矩值。可按H＝1.1～1.3Hg粗略估计该机所用螺旋桨几何螺矩的数值。
理论螺矩(HT)：设计螺旋桨时必须考虑空气流过螺旋桨时速度增加，流过螺旋桨旋转平面的气流速度大于飞行速度。因而螺旋桨相对空气而言所前进的距离一理论螺矩将大于实际螺矩。
三、螺旋桨拉力在飞行中的变化
1．桨叶迎角随转速的变化
在飞行速度不变的情况下，转速增加，则切向速度(U)增大，进距比减小桨叶迎角增大，螺旋桨拉力系数增大(图1—1—20所示)。又由于拉力与转速平方成正比，所以增大油门时，可增大拉力。
2．桨叶迎角随飞行速度的变化：
在转速不变的情况下，飞行速度增大，进距比加大，桨叶迎角减小，螺旋桨拉力系数减小。如图1—1—20所示，拉力随之降低。
当飞行速度等于零时，切向速度就是合速度，桨叶迎角等于桨叶角。飞机在地面试 车时，飞行速度(V)等于零，桨叶迎角最大，一些剖面由于迎角过大超过失速迎角气动 性能变坏，因而螺旋桨产生的拉力不一定最大。
3．螺旋桨拉力曲线：
根据螺旋桨拉力随飞行速度增大而减小的规律，可绘出螺旋桨可用拉力曲线。
4．螺旋桨拉力随转速、飞行速度变化的综合情况：
在飞行中，加大油门后固定。螺旋桨的拉力随转速和飞行速度的变化过程如下：
由于发动机输出功率增大，使螺旋桨转速(切向速度)迅速增加到一定值，螺旋桨拉 力增加。飞行速度增加，由于飞行速度增大，致使桨叶迎角又开始逐渐减小，拉力也随 之逐渐降低，飞机阻力逐渐增大，从而速度的增加趋势也逐渐减慢。当拉力降低到一定 程度(即拉力等于阻力)后，飞机的速度则不再增加。此时，飞行速度、转速、桨叶迎角 及螺旋桨拉力都不变，飞机即保持在一个新的速度上飞行。
四、螺旋桨的自转：
当发动机空中停车后，螺旋桨会象风车一样继续沿着原来的方向旋转，这种现象， 叫螺旋桨自转。
螺旋桨自转，不是发动机带动的，而是被桨叶的迎面气流“推着”转的。它不但不能 产生拉力，反而增加了飞机的阻力。
从图1—1—24中看出，螺旋桨发生自转时，由于形成了较大的负迎角。桨叶的总空 气动力方向及作用发生了质的变化。它的一个分力(Q)与切向速度(U)的方向相同，成为 推动桨叶自动旋转的动力，迫使桨叶沿原来方向续继旋转：另一个分力(-P)与速度方向 相反，对飞行起着阻力作用。
一些超轻型飞机的发动机空中停车后由于飞行速度较小，产生自旋力矩不能克服螺 旋桨的阻旋力矩时螺旋桨不会出现自转。此时，桨叶阻力较大，飞机的升阻比(或称滑 翔比)将大大降低。
五、螺旋桨的有效功率：
1．定义：螺旋桨产生拉力，拉着飞机前进，对飞机作功。螺旋桨单位时间所作功， 即为螺旋桨的有效功率。
公式： N桨＝PV
式中： N桨—螺旋桨的有效功率；P—螺旋桨的拉力；V—飞行速度
2．螺旋桨有效功率随飞行速度的变化：
(1)地面试车时，飞机没有前进速度(V＝0)，拉力没有对飞机作功，故螺旋桨的有效功率为“零”。
(2)飞行速度增大时，从实际测得的螺旋桨有效功率曲线：
在OA速度范围内，螺旋桨的效功率随飞行速度的增大而增大；在大于该速度范围后螺旋桨有效功率则随飞行速度的增大而减小。在OA速度范围内，当飞行速度增大时，拉力减小较慢，随速度的增大，螺旋桨有效功率逐渐提高。当飞行速度增大到A时，螺旋桨的有效功率最大。当飞行速度再增大时，由于拉力迅速减小，因此随着飞行速度的增加而螺旋桨有效功率反会降低。
螺旋桨是发动机带动旋转的，螺旋桨的作用是把发动机的功率转变为拉着飞机前进的有效功率。
螺旋桨有效功率与发动机输出功率之比，叫螺旋桨效率。
η=N桨/N有效
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发表于 2006-12-14 23:08
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