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,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。
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。
空气桨
概述
靠桨叶在空气中旋转将发动机转动功率转化为推进力或升力的装置,简称螺旋桨。
它由多个桨叶和中央的桨毂组成,桨叶好像一扭转的细长机翼安装在桨毂上,发动机轴与桨毂相连接并带动它旋转。
中国明代(1368~1644年)民间的玩具“竹蜻蜓”实际上是一种原始的螺旋桨。
喷气发动机出现以前,所有带动力的航空器无不以螺旋桨作为产生推动力的装置。
螺旋桨仍用于装活塞式和涡轮螺旋桨发动机的亚音速飞机。
直升机旋翼和尾桨也是一种螺旋桨。
原理
螺旋桨旋转时,桨叶不断把大量空气(推进介质)向后推去,在桨叶上产生一向前的力,即推进力。
一般情况下,螺旋桨除旋转外还有前进速度。
如截取一小段桨叶来看,恰像一小段机翼,其相对气流速度由前进速度和旋转速度合成(图1)。
桨叶上的气动力在前进方向的分力构成拉力。
在旋转面内的分量形成阻止螺旋桨旋转的力矩,由发动机的力矩来平衡。
桨叶剖面弦(相当于翼弦)与旋转平面夹角称桨叶安装角。
螺旋桨旋转一圈,以桨叶安装角为导引向前推进的距离称为桨距。
实际上桨叶上每一剖面的前进速度都是相同的,但圆周速度则与该剖面距转轴的距离(半径)成正比,所以各剖面相对气流与旋转平面的夹角随着离转轴的距离增大而逐步减小,为了使桨叶每个剖面与相对气流都保持在有利的迎角范围内,各剖面的安装角也随着与转轴的距离增大而减小。
这就是每个桨叶都有扭转的原因。
螺旋桨效率以螺旋桨的输出功率与输入功率之比表示。
输出功率为螺旋桨的拉力与飞行速度的乘积。
输入功率为发动机带动螺旋桨旋转的功率。
在飞机起飞滑跑前,由于前进速度为零,所以螺旋桨效率也是零,发动机的功率全部用于增加空气的动能。
随着前进速度的增加,螺旋桨效率不断增大,速度在200~700公里/时范围内效率较高,飞行速度再增大,由于压缩效应桨尖出现波阻,效率急剧下降。
螺旋桨在飞行中的最高效率可达85%~90%。
螺旋桨的直径比喷气发动机的大得多,作为推进介质的空气流量较大,在发动机功率相同时,螺旋桨后面的空气速度低,产生的推力较大,这对起飞(需要大推力)非常有利。
构造特点
螺旋桨有2、3或4个桨叶,一般桨叶数目越多吸收功率越大。
有时在大功率涡轮螺旋桨飞机上还采用一种套轴式螺旋桨,它实际上是两个反向旋转的螺旋桨,可以抵消反作用扭矩。
在发动机功率低于100千瓦的轻型飞机上,常用双叶木制螺旋桨。
它是用一根拼接的木材两边修成扭转的桨叶,中间开孔与发动机轴相连接。
螺旋桨要承受高速旋转时桨叶自身的离心惯性力和气动载荷。
大功率螺旋桨在桨叶根部受到的离心力可达200千牛(20吨力)。
此外还有发动机和气动力引起的振动。
大功率发动机一般采用3叶和4叶螺旋桨,并多用铝合金和钢来制造桨叶。
铝和钢制桨叶因材料坚固可以做得薄一些,有利于提高螺旋桨在高速时的效率。
70年代以后还用复合材料制造桨叶以减轻重量。
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。
5分类
螺旋桨分为定(桨)距和变距螺旋桨两大类。
①定距螺旋桨
木制螺旋桨一般都是定距的。
它的桨距(或桨叶安装角)是固定的。
适合低速的桨叶安装角在高速飞行时就显得过小;同样,适合高速飞行的安装角在低速时又嫌大。
所以定距螺旋桨只在选定的速度范围内效率较高,在其他状态下效率较低。
定距螺旋桨构造简单,重量轻,在功率很小的轻型飞机和超轻型飞机上得到广泛应用。
②变距螺旋桨
为了解决定距螺旋桨高、低速性能的矛盾,遂出现了飞行中可变桨距的螺旋桨。
螺旋桨变距机构(图2a)由液压或电力驱动(图2b)。
最初使用的是双距螺旋桨。
高速时用高距,低速(如起飞、爬升状态)时用低距,以后又逐步增加桨距的数目,以适应更多的飞行状态。
最完善的变距螺旋桨是带有转速调节器的恒速螺旋桨。
转速调节器实际上是一个能自动调节桨距、保持恒定转速的装置。
驾驶员可以通过控制调节器和油门的方法改变发动机和螺旋桨的转速,一方面调节螺旋桨的拉力,同时使螺旋桨处于最佳工作状态。
在多发动机飞机上,当一台发动机发生故障停车时,螺旋桨在迎面气流作用下像风车一样转动,一方面增加飞行阻力,造成很大的不平衡力矩,另外也可能进一步损坏发动机。
为此变距螺旋桨还可自动顺桨,
即桨叶转到基本顺气流方向而使螺旋桨静止不动,以减小阻力。
变距螺旋桨还能减小桨距,产生负拉力,以增加阻力,缩短着陆滑跑距离。
这个状态称为反桨。
为了提高亚音速民用机的经济性和降低飞机的油耗,70年代后期美国开始研究一种多桨叶螺旋桨,称为风扇螺旋桨(图3)。
它有8~10片弯刀状桨叶,叶片薄,直径小。
弯刀形状能起相当于后掠翼(见后掠翼飞机)的作用,薄叶片有利于提高螺旋桨的转速。
它适用于更高的飞行马赫数(M=0.8)。
由于叶片较多,螺旋桨单位推进面积吸收的功率可提高到300千瓦/米2(一般螺旋桨为80~120千瓦/米2)。
拉力变化
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。
随速度的变化
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。
,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。
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。
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。
7有效功率
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
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