《螺旋桨的空气动力》PPT课件

飞行原理/CAFUC,螺旋桨的空气动力,第三章,第三章第页,2,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，介绍螺旋桨的功率、效率及负拉力、副作用等问题。,第三章第页,3,本章主要内容,3.1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3.3螺旋桨的有效功率和效率3.4螺旋桨的副作用,飞行原理/CAFUC,飞行原理/CAFUC,3.1螺旋桨的拉力和旋转阻力,第三章第页,5,3.1.1螺旋桨简介,桨叶,桨毂,变距机构,桨尖,桨根,后缘,前缘,螺旋桨的组成,第三章第页,6,桨叶平面形状,桨叶的平面形状很多，使用较多的有三种：,第三章第页,7,螺旋桨直径D,桨叶基本参数,螺旋桨半径R,剖面半径r,相对半径r/R,桨弦b,第三章第页,8,桨叶角：桨弦和旋转面之间的夹角,桨叶迎角：桨弦和入流（即相对气流）之间的夹角,入流角：入流和旋转面之间的夹角,桨叶基本参数,第三章第页,9,定距螺旋桨与变距螺旋桨,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。,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。桨叶角能够改变的螺旋桨叫变距螺旋桨。,第三章第页,10,TB200螺旋桨外观,第三章第页,11,Seminole螺旋桨外观,第三章第页,12,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v,一个是圆周速度（切向速度）u。,3.1.2螺旋桨的运动,右图为桨叶切面上某一点的运动轨迹,第三章第页,13,相对进距,第三章第页,14,桨叶迎角随桨叶角的变化,第三章第页,15,桨叶迎角随飞行速度v的变化,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，桨叶迎角可能减小到零，甚至变为负值。,第三章第页,16,桨叶迎角随切向速度u的变化,在桨叶角和飞行速度不变的情况下，桨叶迎角随转速增大而增大，随转速减小而减小。,第三章第页,17,螺旋桨的几何扭转,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。,第三章第页,18,螺旋桨的几何扭转示意图,第三章第页,19,螺旋桨的几何扭转的效果,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，以保证各切面迎角大致相等。,桨尖,桨根,第三章第页,20,TB200螺旋桨的几何扭转,第三章第页,21,3.1.3螺旋桨拉力和旋转阻力的产生,叶素的空气动力,CR叶素的空气动力系数,ds叶素的面积,第三章第页,22,桨叶的空气动力及其分布,第三章第页,23,旋转阻力矩,螺旋桨各桨叶旋转阻力的作用点离桨轴有一段距离，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M阻。,旋转阻力矩M阻通常由发动机输出的旋转力矩M扭来平衡。,M阻M扭，螺旋桨转速将会降低M扭M扭，螺旋桨转速将会增加M扭=M扭，螺旋桨转速不变,第三章第页,24,飞行中螺旋桨所受力分析,离心力,拉力,第三章第页,25,本章主要内容,3.1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3.3螺旋桨的有效功率和效率3.4螺旋桨的副作用,飞行原理/CAFUC,飞行原理/CAFUC,3.2螺旋桨拉力在飞行中的变化,第三章第页,27,3.2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，拉力的大小不仅取决于总空气动力的大小，还取决于总空气动力的方向。,总空气动力大小,总空气动力方向,桨叶迎角,桨叶切面合速度w,合速度的方向,性质角,拉力大小,第三章第页,28,变距机构的分类人工变距机构，以变距杆为代表自动变距机构，以调速器为代表,3.2.1螺旋桨的变距,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，保持转速恒定不变。,第三章第页,29,变距机构,第三章第页,30,不同工况下的操作,油门杆变距杆混合比杆,第三章第页,31,3.2.2螺旋桨拉力随飞行速度的变化,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R的方向也更加偏离桨轴。,第三章第页,32,螺旋桨飞机拉力随速度变化曲线,螺旋桨拉力随速度的增大而逐步减小。,第三章第页,33,3.2.3螺旋桨拉力随油门位置的变化,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R增大。,第三章第页,34,螺旋桨飞机不同油门位置下的拉力曲线,螺旋桨的拉力随油门的增大而逐步减小。,第三章第页,35,3.2.4螺旋桨拉力随飞行高度的变化,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。,第三章第页,36,螺旋桨的拉力随温度的增加而减小。,3.2.5螺旋桨拉力随气温的变化,第三章第页,37,产生负拉力的几种情况：飞行速度过大，产生负拉力。油门过小，产生负拉力。发动机空中停车,产生负拉力。,3.2.6螺旋桨的负拉力,第三章第页,38,飞行速度过大时负拉力的产生,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，桨叶总空气动力R逐渐向旋转面靠拢。,第三章第页,39,油门过小时负拉力的产生,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，桨叶迎角逐渐减小，甚至成为负迎角。,第三章第页,40,发动机空中停车时负拉力的产生,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，形成较大的负迎角，桨叶总空气动力R指向斜后方。,第三章第页,41,空中停车后螺旋桨的自转（风车状态）,相对气流,飞行阻力,总空气动力,旋转力,第三章第页,42,顺桨的目的是将桨叶角增大到90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，消除负拉力，减小阻力。,顺桨机构,第三章第页,43,顺桨的过程,第三章第页,44,顺桨完成,第三章第页,45,不同桨叶角下螺旋桨阻力,风车状态下螺旋桨阻力很大。,第三章第页,46,本章主要内容,3.1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3.3螺旋桨的有效功率和效率3.4螺旋桨的副作用,飞行原理/CAFUC,飞行原理/CAFUC,3.3螺旋桨的有效功率和效率,第三章第页,48,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。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、以及如何获得好的螺旋桨有效功率和效率应该有所了解。,第三章第页,49,3.3.1螺旋桨的有效功率,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效功率。,P螺旋桨拉力，单位：牛顿v飞行速度，单位：米/秒,第三章第页,50,螺旋桨的有效功率随飞行速度的变化,小于某一飞行速度时，螺旋桨有效功率随速度增大而增大。,大于某一飞行速度时，螺旋桨有效功率随速度增大而减小。,第三章第页,51,螺旋桨的有效功率随不同油门位置的变化,飞行高度和转速均不变的情况下，油门位置越大，发动机有效功率越大，螺旋桨有效功率随之增大。,第三章第页,52,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。,螺旋桨的有效功率随不同高度的变化,低于额定高度，随着高度增加，发动机有效功率增大，螺旋桨有效功率也增大。,超过额定高度，随着高度增加，发动机有效功率减小，螺旋桨有效功率也减小。,第三章第页,53,获得螺旋桨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。,第三章第页,54,3.3.2螺旋桨的效率,螺旋桨的有效功率与发动机的有效功率之比，定义为螺旋桨的效率,第三章第页,55,螺旋桨的效率与相对进距的关系,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。,第三章第页,56,螺旋桨的效率与桨叶角的关系,相对进矩越大，对应较高效率的桨叶角也越大。,第三章第页,57,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。,获得螺旋桨最大效率的方法,在飞行速度减小时，收小油门、减小进气压力、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、前推变距杆增大转速，以保持螺旋桨效率。,第三章第页,58,本章主要内容,3.1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3.3螺旋桨的有效功率和效率3.4螺旋桨的副作用,飞行原理/CAFUC,飞行原理/CAFUC,3.4螺旋桨的副作用,第三章第页,60,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。,进动反作用力矩滑流扭转作用,第三章第页,61,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转动，还要绕另一个轴偏转，这种现象叫做进动。,3.4.1螺旋桨的进动,第三章第页,62,进动的产生机理,第三章第页,63,螺旋桨进动的产生,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程中，该加速度的影响仍然存在。,第三章第页,64,进动方向的判断方法,通过绘图判断右转螺旋桨的方向,通过右手判断右转螺旋桨的方向,方法一：,方法二：,第三章第页,65,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。,进动的影响,举例：,第三章第页,66,进动的影响,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。,第三章第页,67,3.4.2螺旋桨的反作用力矩,右转螺旋桨飞机，在反作用力矩作用下，会向左倾斜。,第三章第页,68,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。减油门，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,第三章第页,69,反作用力矩对地面滑跑的影响,在地面滑跑时，反作用力矩的作用使左右两侧机轮对地面的压力不均，受到的摩擦阻力不同，使得机头向一侧偏转。,第三章第页,70,受螺旋桨作用，