螺旋桨的拉力和旋转阻力-课件

螺旋桨的拉力和旋转阻力螺旋桨的拉力和旋转阻力 螺旋桨的拉力是活塞式飞机和涡轮螺旋桨飞机前进的螺旋桨的拉力是活塞式飞机和涡轮螺旋桨飞机前进的动力。螺旋桨运作好坏直接影响拉力大小，而拉力大小又动力。螺旋桨运作好坏直接影响拉力大小，而拉力大小又关系到飞机的飞行性能。关系到飞机的飞行性能。本章着重分析螺旋桨空气动力的产生及其变化规律，本章着重分析螺旋桨空气动力的产生及其变化规律，介绍螺旋桨的功率、效率及负拉力、副作用等问题。介绍螺旋桨的功率、效率及负拉力、副作用等问题。2本章主要内容本章主要内容3.1 螺旋桨的拉力和旋转阻力螺旋桨的拉力和旋转阻力3.2 螺旋桨拉力在飞行中的变化螺旋桨拉力在飞行中的变化3.3 螺旋桨的有效功率和效率螺旋桨的有效功率和效率3.4 螺旋桨的副作用螺旋桨的副作用飞行原理飞行原理/CAFUC33.1 螺旋桨的拉力和旋转阻力螺旋桨的拉力和旋转阻力3.1.1 螺旋螺旋桨简介介桨叶桨叶桨毂桨毂变距机构变距机构桨尖桨尖桨根桨根后缘后缘前缘前缘螺旋桨的组成螺旋桨的组成5桨叶平面形状叶平面形状 桨叶的平面形状很多，桨叶的平面形状很多，使用较多的有三种：使用较多的有三种：6Rr螺旋桨直径螺旋桨直径 D桨叶基本参数叶基本参数螺旋桨半径螺旋桨半径 R剖面半径剖面半径 r相对半径相对半径 r/R桨弦桨弦 b7桨弦桨弦相对气相对气流流旋转面旋转面桨叶角桨叶角 ：桨弦和旋转面之间的夹角：桨弦和旋转面之间的夹角桨叶迎角桨叶迎角 ：桨弦和入流（即相对气流）之间的夹角：桨弦和入流（即相对气流）之间的夹角入流角入流角 ：入流和旋转面之间的夹角：入流和旋转面之间的夹角桨叶基本参数桨叶基本参数8大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点9定距螺旋定距螺旋桨与与变距螺旋距螺旋桨桨叶角增大叫变高距或变大距。桨叶角增大叫变高距或变大距。桨叶角减小叫变低距或变小距。桨叶角减小叫变低距或变小距。现代飞机普遍使用自动变距螺旋桨。现代飞机普遍使用自动变距螺旋桨。桨叶角不能改变的螺旋桨叫定距螺旋桨。桨叶角不能改变的螺旋桨叫定距螺旋桨。桨叶角能够改变的螺旋桨叫变距螺旋桨。桨叶角能够改变的螺旋桨叫变距螺旋桨。10TB200螺旋桨外观螺旋桨外观11Seminole 螺旋螺旋桨外外观12 飞行中，螺旋桨是一面旋转一面前进的。螺飞行中，螺旋桨是一面旋转一面前进的。螺旋桨剖面具有两个速度：一个是前进速度旋桨剖面具有两个速度：一个是前进速度v,v,一个一个是圆周速度（切向速度）是圆周速度（切向速度）u u。3.1.2 螺旋螺旋桨的运的运动 右图为桨叶切右图为桨叶切面上某一点的运动面上某一点的运动轨迹轨迹13相相对进距距14桨叶迎角叶迎角随随桨叶角叶角的的变化化为常数时为常数时为常数时为常数时15桨叶迎角叶迎角随随飞行速度行速度v的的变化化 在桨叶角和转速不变的情况下，桨叶迎角随飞行速度在桨叶角和转速不变的情况下，桨叶迎角随飞行速度增大而减小，当飞行速度增大到一定程度，桨叶迎角可增大而减小，当飞行速度增大到一定程度，桨叶迎角可能减小到零，甚至变为负值。能减小到零，甚至变为负值。16桨叶迎角叶迎角随切向速度随切向速度u的的变化化 在桨叶角和飞行速度不变在桨叶角和飞行速度不变的情况下，桨叶迎角随转速增的情况下，桨叶迎角随转速增大而增大，随转速减小而减小。大而增大，随转速减小而减小。17螺旋螺旋桨的几何扭的几何扭转 螺旋桨几何扭转的目的，是为了保持螺旋桨桨叶各螺旋桨几何扭转的目的，是为了保持螺旋桨桨叶各剖面的桨叶迎角基本相等。剖面的桨叶迎角基本相等。下图为没有进行几何扭转的螺旋桨工作时的情况。下图为没有进行几何扭转的螺旋桨工作时的情况。18螺旋桨的几何扭转示意图螺旋桨的几何扭转示意图19螺旋螺旋桨的几何扭的几何扭转的效果的效果 下图为进行了几何扭转的螺旋桨，可以看到从下图为进行了几何扭转的螺旋桨，可以看到从桨根到桨尖，桨叶角逐渐减小，以保证各切面迎桨根到桨尖，桨叶角逐渐减小，以保证各切面迎角大致相等。角大致相等。桨尖桨尖桨根桨根20TB200螺旋螺旋桨的几何扭的几何扭转213.1.3 螺旋螺旋桨拉力和旋拉力和旋转阻力的阻力的产生生叶素的空气动力叶素的空气动力CR叶素的空气动力系数叶素的空气动力系数ds叶素的面积叶素的面积22桨叶的空气动力及其分布桨叶的空气动力及其分布23旋旋转阻力矩阻力矩 螺旋桨各桨叶旋转阻力的作用点离桨轴有一段距离螺旋桨各桨叶旋转阻力的作用点离桨轴有一段距离，其方向与桨叶的旋转方向相反，故形成阻碍螺旋桨，其方向与桨叶的旋转方向相反，故形成阻碍螺旋桨旋转的力矩旋转的力矩M阻阻。旋转阻力矩旋转阻力矩M阻阻通常由发动机输出的旋转力矩通常由发动机输出的旋转力矩M扭扭来平衡。来平衡。M阻阻M扭扭，螺旋桨转速将会降低，螺旋桨转速将会降低M扭扭M扭扭，螺旋桨转速将会增加，螺旋桨转速将会增加M扭扭=M扭扭，螺旋桨转速不变螺旋桨转速不变24飞行中螺旋桨所受力分析飞行中螺旋桨所受力分析离心力离心力阻力矩致弯曲力阻力矩致弯曲力拉力拉力25本章主要内容本章主要内容3.1 螺旋桨的拉力和旋转阻力螺旋桨的拉力和旋转阻力3.2 螺旋桨拉力在飞行中的变化螺旋桨拉力在飞行中的变化3.3 螺旋桨的有效功率和效率螺旋桨的有效功率和效率3.4 螺旋桨的副作用螺旋桨的副作用飞行原理飞行原理/CAFUC263.2 螺旋桨拉力在飞行中的变化螺旋桨拉力在飞行中的变化3.2 螺旋桨拉力在飞行中的变化螺旋桨拉力在飞行中的变化 螺旋桨的拉力是总空气动力的一个分力，拉力的螺旋桨的拉力是总空气动力的一个分力，拉力的大小不仅取决于大小不仅取决于总空气动力的大小，还取决于总空总空气动力的大小，还取决于总空气动力的方向。气动力的方向。总空气动力大小总空气动力大小总空气动力方向总空气动力方向桨叶迎角桨叶迎角桨叶切面合速度桨叶切面合速度w合速度的方向合速度的方向性质角性质角拉力大小拉力大小28变距机构的分类变距机构的分类 人工变距机构，以变距杆为代表人工变距机构，以变距杆为代表 自动变距机构，以调速器为代表自动变距机构，以调速器为代表3.2.1 螺旋螺旋桨的的变距距变距的目的变距的目的 人工变距，通过前推或后拉变距杆，改变桨叶角、桨人工变距，通过前推或后拉变距杆，改变桨叶角、桨叶迎角、旋转阻力的大小，从而调整转速快慢。叶迎角、旋转阻力的大小，从而调整转速快慢。自动变距，通过调速器自动调整桨叶角的大小，保持自动变距，通过调速器自动调整桨叶角的大小，保持转速恒定不变。转速恒定不变。29变距机构变距机构30不同工况下的操作不同工况下的操作油门杆油门杆变距杆变距杆混合比杆混合比杆313.2.2 螺旋螺旋桨拉力随拉力随飞行速度的行速度的变化化 飞行速度增大，使得相对气流方向越发偏离旋转面，飞行速度增大，使得相对气流方向越发偏离旋转面，因此桨叶总空气动力因此桨叶总空气动力R的方向也更加偏离桨轴。的方向也更加偏离桨轴。32螺旋螺旋桨飞机拉力随速度机拉力随速度变化曲化曲线螺旋桨拉力随速度的增大而逐步减小。螺旋桨拉力随速度的增大而逐步减小。333.2.3 螺旋螺旋桨拉力随油拉力随油门位置的位置的变化化 油门增加，螺旋桨转速增大。调速器为了保持转油门增加，螺旋桨转速增大。调速器为了保持转速，自动增大桨叶角。因此桨叶总空气动力速，自动增大桨叶角。因此桨叶总空气动力R增大。增大。34螺旋螺旋桨飞机不同油机不同油门位置下的拉力曲位置下的拉力曲线螺旋桨的拉力随油门的增大而逐步减小。螺旋桨的拉力随油门的增大而逐步减小。353.2.4 螺旋螺旋桨拉力随拉力随飞行高度的行高度的变化化 对于安装自然吸气式活塞发动机的螺旋桨的拉力随高对于安装自然吸气式活塞发动机的螺旋桨的拉力随高度的增大而减小。度的增大而减小。36螺旋桨的拉力随温度的增加而减小。螺旋桨的拉力随温度的增加而减小。3.2.5 螺旋螺旋桨拉力随气温的拉力随气温的变化化37产生负拉力的几种情况：产生负拉力的几种情况：飞行速度过大，产生负拉力。飞行速度过大，产生负拉力。油门过小，产生负拉力。油门过小，产生负拉力。发动机空中停车发动机空中停车,产生负拉力。产生负拉力。3.2.6 螺旋螺旋桨的的负拉力拉力38飞行速度行速度过大大时负拉力的拉力的产生生 飞行速度增大，调速器为保持转速不变，会自动增大桨飞行速度增大，调速器为保持转速不变，会自动增大桨叶角。但由于入流角也在增大，所以桨叶迎角仍在减小，叶角。但由于入流角也在增大，所以桨叶迎角仍在减小，桨叶总空气动力桨叶总空气动力R逐渐向旋转面靠拢。逐渐向旋转面靠拢。39油油门过小小时负拉力的拉力的产生生 油门减小，调速器为保持转速不变，会自动减小桨叶油门减小，调速器为保持转速不变，会自动减小桨叶角。但由于入流角短时间内保持不变，桨叶迎角逐渐减角。但由于入流角短时间内保持不变，桨叶迎角逐渐减小，甚至成为负迎角。小，甚至成为负迎角。40发动机空中停机空中停车时负拉力的拉力的产生生 发动机空中停车，调速器为保持转速不变，会自动发动机空中停车，调速器为保持转速不变，会自动减小桨叶角。由于桨叶角和桨叶迎角均迅速减小，形减小桨叶角。由于桨叶角和桨叶迎角均迅速减小，形成较大的负迎角，桨叶总空气动力成较大的负迎角，桨叶总空气动力R指向斜后方。指向斜后方。41空中停空中停车后螺旋后螺旋桨的自的自转（风车状状态）相对气流相对气流飞行阻力飞行阻力总空气动力总空气动力旋转力旋转力42 顺桨的目的是将桨叶角增大到顺桨的目的是将桨叶角增大到9090度左右，桨叶几乎度左右，桨叶几乎与飞行速度方向相平行，从而避免发动机的磨损，消与飞行速度方向相平行，从而避免发动机的磨损，消除负拉力，减小阻力。除负拉力，减小阻力。顺桨机构机构相对气流相对气流桨弦桨弦43顺桨的过程顺桨的过程44顺桨完成顺桨完成45不同桨叶角下螺旋桨阻力不同桨叶角下螺旋桨阻力风车状态下螺旋桨阻力很大。风车状态下螺旋桨阻力很大。46本章主要内容本章主要内容3.1 螺旋桨的拉力和旋转阻力螺旋桨的拉力和旋转阻力3.2 螺旋桨拉力在飞行中的变化螺旋桨拉力在飞行中的变化3.3 螺旋桨的有效功率和效率螺旋桨的有效功率和效率3.4 螺旋桨的副作用螺旋桨的副作用飞行原理飞行原理/CAFUC473.3 螺旋桨的有效功率和效率螺旋桨的有效功率和效率螺旋桨有效功率是影响螺旋桨飞机飞行性能好坏的因螺旋桨有效功率是影响螺旋桨飞机飞行性能好坏的因素之一。素之一。螺旋桨效率则是衡量螺旋桨性能好坏的重要标志。螺旋桨效率则是衡量螺旋桨性能好坏的重要标志。因此，飞行员对什么是螺旋桨有效功率和效率、以及因此，飞行员对什么是螺旋桨有效功率和效率、以及如何获得好的螺旋桨有效功率和效率应该有所了解。如何获得好的螺旋桨有效功率和效率应该有所了解。493.3.1 螺旋螺旋桨的有效功率的有效功率 螺旋桨产生拉力，拉着飞机前进，对飞机做功。每螺旋桨产生拉力，拉着飞机前进，对飞机做功。每秒钟内螺旋桨对飞机所做的功的多少就是螺旋桨的有秒钟内螺旋桨对飞机所做的功的多少就是螺旋桨的有效功率。效功率。P P 螺旋桨拉力，单位：牛顿螺旋桨拉力，单位：牛顿v v 飞行速度，单位：米飞行速度，单位：米/秒秒50螺旋螺旋桨的有效功率随的有效功率随飞行速度的行速度的变化化小于某一飞行速度时，螺旋桨有效功率随速度增大而增大。小于某一飞行速度时，螺旋桨有效功率随速度增大而增大。大于某一飞行速度时，螺旋桨有效功率随速度增大而减小。大于某一飞行速度时，螺旋桨有效功率随速度增大而减小。51螺旋螺旋桨的有效功率随不同油的有效功率随不同油门位置的位置的变化化 飞行高度和转速均飞行高度和转速均不变的情况下，油门不变的情况下，油门位置越大，发动机有位置越大，发动机有效功率越大，螺旋桨效功率越大，螺旋桨有效功率随之增大。有效功率随之增大。52注：吸气式发动机与增压式发动机的工作原理不同，注：吸气式发动机与增压式发动机的工作原理不同，受高度变化的影响也有不同。受高度变化的影响也有不同。螺旋螺旋桨的有效功率随不同高度的的有效功率随不同高度的变化化 低于额定高度，随低于额定高度，随着高度增加，发动机有着高度增加，发动机有效功率增大，螺旋桨有效功率增大，螺旋桨有效功率也增大。效功率也增大。超过额定高度，随超过额定高度，随着高度增加，发动机有着高度增加，发动机有效功率减小，螺旋桨有效功率减小，螺旋桨有效功率也减小。效功率也减小。53获得螺旋得螺旋桨最大有效功率的方法最大有效功率的方法 对于活塞式螺旋桨飞机，当高度和飞行速度一定的情对于活塞式螺旋桨飞机，当高度和飞行速度一定的情况下，要想使螺旋桨有效功率尽可能大，在加油门的同况下，要想使螺旋桨有效功率尽可能大，在加油门的同时应当前推变距杆增大转速。时应当前推变距杆增大转速。543.3.2 螺旋螺旋桨的效率的效率 螺旋桨的有效功率与发动机的有效功率之比，定义为螺螺旋桨的有效功率与发动机的有效功率之比，定义为螺旋桨的效率旋桨的效率55螺旋螺旋桨的效率的效率与相与相对进距距的关系的关系 在固定桨叶角的情况下，螺旋桨的效率在某一固定在固定桨叶角的情况下，螺旋桨的效率在某一固定相对进距下达到最大。相对进距下达到最大。56螺旋螺旋桨的效率的效率与与桨叶角叶角的关系的关系相对进矩越大，对应较高效率的桨叶角也越大。相对进矩越大，对应较高效率的桨叶角也越大。57 活塞式变距螺旋桨飞机，在使用额定转速和额定活塞式变距螺旋桨飞机，在使用额定转速和额定油门做大速度平飞时，螺旋桨效率最高。油门做大速度平飞时，螺旋桨效率最高。获得螺旋得螺旋桨最大效率的方法最大效率的方法 在飞行速度减小时，收小油门、减小进气压力、在飞行速度减小时，收小油门、减小进气压力、后拉变距杆减小转速，以保持螺旋桨效率。后拉变距杆减小转速，以保持螺旋桨效率。在飞行速度增大时，加大油门、增大进气压力、在飞行速度增大时，加大油门、增大进气压力、前推变距杆增大转速，以保持螺旋桨效率。前推变距杆增大转速，以保持螺旋桨效率。58本章主要内容本章主要内容3.1 螺旋桨的拉力和旋转阻力螺旋桨的拉力和旋转阻力3.2 螺旋桨拉力在飞行中的变化螺旋桨拉力在飞行中的变化3.3 螺旋桨的有效功率和效率螺旋桨的有效功率和效率3.4 螺旋桨的副作用螺旋桨的副作用飞行原理飞行原理/CAFUC593.4 螺旋桨的副作用螺旋桨的副作用螺旋桨在工作中，一方面产生拉力，提供飞机的前进螺旋桨在工作中，一方面产生拉力，提供飞机的前进动力；另一方面还会产生一些对飞行不利的副作用。动力；另一方面还会产生一些对飞行不利的副作用。进动进动反作用力矩反作用力矩滑流扭转作用滑流扭转作用61 飞行中高速旋转的螺旋桨，当受到桨轴方向的操纵力飞行中高速旋转的螺旋桨，当受到桨轴方向的操纵力矩作用时，螺旋桨并不完全绕与操纵力矩方向平行的轴矩作用时，螺旋桨并不完全绕与操纵力矩方向平行的轴转动，还要绕另一个轴偏转，这种现象叫做进动。转动，还要绕另一个轴偏转，这种现象叫做进动。3.4.1 螺旋螺旋桨的的进动纵轴纵轴竖轴竖轴横轴横轴机头机头上仰上仰向右向右进动进动螺旋桨旋螺旋桨旋转方向转方向反作用力反作用力矩方向矩方向62进动的产生机理进动的产生机理63螺旋螺旋桨进动的的产生生 当机头上仰时，转动到上方的桨叶受到向后的作当机头上仰时，转动到上方的桨叶受到向后的作用力，产生向后的加速度。在桨叶继续向右转动的过用力，产生向后的加速度。在桨叶继续向右转动的过程中，该加速度的影响仍然存在。程中，该加速度的影响仍然存在。64进动方向的判断方法方向的判断方法通过绘图判断右转通过绘图判断右转螺旋桨的方向螺旋桨的方向通过右手判断右转通过右手判断右转螺旋桨的方向螺旋桨的方向方法一：方法一：方法二：方法二：机头转动方向机头转动方向进动方向进动方向65 后三点式螺旋桨飞机，在起飞滑跑抬尾轮时，受进后三点式螺旋桨飞机，在起飞滑跑抬尾轮时，受进动的影响较为明显。动的影响较为明显。进动的影响进动的影响举例：举例：66进动的影响的影响 后三点式螺旋桨飞机，在起飞滑跑阶段，受进动后三点式螺旋桨飞机，在起飞滑跑阶段，受进动的影响较为明显。的影响较为明显。673.4.2 螺旋螺旋桨的反作用力矩的反作用力矩 右转螺旋桨飞机，在反作用力矩作用下，会向左倾斜。右转螺旋桨飞机，在反作用力矩作用下，会向左倾斜。68在空中飞行时，反作用力矩有使飞机带坡度的趋势。在空中飞行时，反作用力矩有使飞机带坡度的趋势。加油门，桨叶空气动力增大，反作用力矩随之增大。加油门，桨叶空气动力增大，反作用力矩随之增大。减油门，减油门，桨叶空气动力减小，反作用力矩随之减小。桨叶空气动力减小，反作用力矩随之减小。反作用力矩对空中飞行的影响反作用力矩对空中飞行的影响螺旋桨转动方向螺旋桨转动方向反作用力矩方向反作用力矩方向69反作用力矩反作用力矩对地面滑跑的影响地面滑跑的影响 在地面滑跑时，反作用力矩的作用使左右两侧机轮对地面在地面滑跑时，反作用力矩的作用使左右两侧机轮对地面的压力不均，受到的摩擦阻力不同，使得机头向一侧偏转。的压力不均，受到的摩擦阻力不同，使得机头向一侧偏转。反作用力矩反作用力矩N左左N右右偏转力矩偏转力矩F左左F右右70受螺旋桨作用，向后加速和扭转的气流叫螺旋桨滑流。受螺旋桨作用，向后加速和扭转的气流叫螺旋桨滑流。3.4.3 螺旋螺旋桨的滑流扭的滑流扭转作用作用71螺旋桨滑流对飞机的扭转作用螺旋桨滑流对飞机的扭转作用 对于右转螺旋桨飞机，滑流的影响主要从左方作用对于右转螺旋桨飞机，滑流的影响主要从左方作用于机体和垂直尾翼，使得飞机机头向左侧偏转。于机体和垂直尾翼，使得飞机机头向左侧偏转。飞行速度越飞行速度越大，舵面效应大，舵面效应越强，偏转力越强，偏转力矩越大。矩越大。72加油加油门时滑流滑流对俯仰平衡的影响俯仰平衡的影响油门增加油门增加滑流速度增加滑流速度增加偏转力矩增加偏转力矩增加附加空气动力增加附加空气动力增加上仰力矩增加上仰力矩增加V上仰力矩上仰力矩滑流速度增大滑流速度增大 RY尾尾73收油门时飞机会下俯收油门时飞机会下俯74C130的螺旋的螺旋桨滑流滑流75