飞机动力装置：第四章 螺旋桨

第四章螺旋桨

早期设计的飞机都使用螺旋桨产生拉力。随着气动科学的进展，螺旋桨的设计从只推空气向后的平板发展到产生升力拉飞机向前的翼型。螺旋桨设计的发展应用新材料产生较薄翼型截面和较大的强度。现代飞机的螺旋桨铝合金是占优势的结构材料，然而也能见到木制结构的螺旋桨。螺旋桨设计通过使用新的叶型、复合材料、多桨叶结构继续得到改进。

第四章螺旋桨

4．1

螺旋桨原理4．1．1名词术语所有现代螺旋桨至少包括2个桨叶连接到中心桨毂上。最接近桨毂的桨叶部分称为叶柄，而离桨毂最远的部分称为叶尖。桨毂组件的毂孔允许螺旋桨安装在发动机曲轴或减速器组件上。第四章螺旋桨

每个桨叶作为转动的翼产生升力拉飞机向前。所有螺旋桨桨叶有前缘，后缘和弦线。桨叶突起的一面称为叶背，平坦的一面称为叶面（见图）。桨叶角是螺旋桨旋转平面和桨叶弦线构成的夹角第四章螺旋桨

允许改变螺旋桨桨叶角的螺旋桨由一组夹环固定到桨毂组件，每个叶根有安装粗端或凸肩，同桨毂组件的槽配合。在某些情况，叶柄可能延长超过桨毂组件进入气流，在这种情况下，可安装根套（bladecuff）改善叶柄周围空气的流动（见图）。

第四章螺旋桨

为帮助沿螺旋桨桨叶长度方向识别特定的点，大多数螺旋桨有几个规定的桨叶站位，作为离桨毂中心的指定距离的参考位置（见图）。

第四章螺旋桨

轴功率（SHP）是指输送到螺旋桨的功率。当量轴功率（ESHP）是在计算总的功率输出时，轴功率加上喷气推力的影响。由于涡轴和涡桨发动机通过旋转轴输出功率，在试车台上依据轴的转速和扭矩测量发动机产生的功率（马力）。在静态条件下，输送到螺旋桨上1轴马力假定产生2.5磅推力。所以：ESHP静态

=SHP螺旋桨

+Fn(喷气)/2.5

第四章螺旋桨

4．1．2螺旋桨理论当螺旋桨旋转通过空气时，在桨叶的前面产生低压区。这个低压区同桨叶后面恒定区或高压区使螺旋桨产生拉力。产生拉力的大小取决于几个因素：桨叶攻角，螺旋桨转速和翼型的形状。桨叶攻角（又称迎角）是桨叶弦线和相对风的夹角。相对风的方向是由飞机通过空气运动的速度和螺旋桨的旋转运动决定例如:当螺旋桨在静止的飞机上旋转，相对风的方向精确的对着螺旋桨的旋转运动，桨叶攻角和桨叶角是一样的（见图）。

飞机静止时相对风向第四章螺旋桨

当飞机开始向前运动时，相对风改变方向。理由是除旋转运动外，螺旋桨也向前运动。旋转和向前运动的组合产生的相对风不直接对着螺旋桨桨叶运动。在这种情况，攻角总是低于桨叶角（见图）。

飞机运动时相对风向第四章螺旋桨

对于一定的螺旋桨转速，飞机运动的越快，螺旋桨桨叶上的攻角就越小。然而，如果螺旋桨转速增加，桨叶攻角增加。螺旋桨最有效的攻角是在2度到4度之间。攻角超过15度，由于桨叶失速的可能是低效的。

第四章螺旋桨

螺旋桨和以同一速率通过空气的飞机机翼不一样，接近桨叶叶尖部分比靠近桨毂部分旋转的速度大（见图）。例如，决定在离桨毂18英寸的点以1800转/分钟旋转的叶片速度为：

v=2πr×rpm=2×π×18×1800=203575即，叶片速度为每分钟203575英寸，相当于每小时192.7英里。

螺旋桨转速一定时桨叶不同位置的速度第四章螺旋桨

为补偿沿螺旋桨桨叶的速度差，桨叶每小段给定不同的角度。桨叶角从桨毂到叶尖逐渐减小称为桨距分配，这给出一个螺旋桨桨叶扭转的样子。桨叶的扭转沿桨叶长度的大部分提供刚好不变的攻角。除叶片扭转外，大多数螺旋桨接近桨毂用较厚的低速翼型，接近翼尖用较薄的高速翼型。这样，同叶片扭转组合，允许螺旋桨沿着桨叶整个长度产生相对不变的拉力。螺旋桨的推进功率是拉力和速度的乘积。螺旋桨的推进功率和提供给螺旋桨的轴功率之比称为螺旋桨的效率。螺旋桨在原地工作时，速度为零，螺旋桨的效率等于零。

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4．1．4螺旋桨桨距螺旋桨桨距是螺旋桨转一圈纵向前进的理论距离。桨距和桨叶角描述两个不同的概念，然而它们是密切相关的。如说一个螺旋桨有固定的桨距，实际上意味螺旋桨桨叶给定在固定的桨叶角上。桨距和桨叶角存在下述关系，即H=2πRtgφ式中H——桨距；

R——螺旋桨特征截面半径；

φ——桨叶角。

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几何桨距定义为螺旋桨通过不可压缩介质转一圈前进的距离，没有任何效率损失。桨叶角大，则几何桨距大。几何桨距是从距离桨毂桨叶长度75%点测量的。有效桨距是螺旋桨转一圈实际前进的距离。有效桨距从飞机在地面静止时的零到最有效的飞行状态几何桨距的90%变化。几何桨距和有效桨距之间的差称为滑流（滑距）（见图）。螺旋桨滑流代表由于低效引起的总损失。滑流的大小影响拉力的大小。飞行速度的大小则取决于螺旋桨的有效桨距和转速。

几何桨距和有效桨距第四章螺旋桨

4．2螺旋桨分类与结构

4．2．1分类方法

按照螺旋桨在飞机上的安装位置分类，可分为牵引式和推进式。牵引式螺旋桨装在发动机的前面，拉着飞机前进。推进式螺旋桨装在发动机的后端，推动飞机通过空气前进。按照桨距确定的方法分类包括固定桨距螺旋桨、地面可调桨距螺旋桨、可控桨距螺旋桨、恒速螺旋桨、可反桨及可顺桨的螺旋桨。

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固定桨距螺旋桨。最简单的螺旋桨是固定桨距螺旋桨。有低桨叶角的固定桨距螺旋桨称为爬升螺旋桨，为起飞和爬升提供最好的性能；有高桨叶角的固定桨距螺旋桨常常称为巡航螺旋桨，更适宜高速巡航和高空飞行。用这种类型螺旋桨，最佳转速或空速的任何改变会减少螺旋桨的效率。可调桨距螺旋桨地面可调桨距螺旋桨在飞行中桨叶角不能改变，在地面桨叶角可以改变。可控桨距螺旋桨在螺旋桨旋转时桨叶角可被改变。这使桨叶角为特定的飞行状态提供最好的性能。桨距位置的数目可被限制，如双位可控螺旋桨，或桨距在最小和最大给定之间任何角度调节。

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恒速螺旋桨恒速螺旋桨有时称为自动螺旋桨，一旦驾驶员选择工作转速后，螺旋桨自动调节桨叶角以保持选择的转速。用这种螺旋桨，桨距改变是由螺旋桨调速器控制的。典型的调速器利用滑油压力控制桨距。恒速螺旋桨提供最大的效率。

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可反桨的螺旋桨在装有可反桨螺旋桨的飞机上，螺旋桨的桨叶角能够转到负值，产生负拉力（见图）。这可减短着陆滑跑距离和改善地面机动能力。

负桨叶角第四章螺旋桨

可顺桨的螺旋桨装有可顺桨的螺旋桨是指恒速螺旋桨有顺桨能力。如果发动机故障，驾驶员选择顺桨位置。每个桨叶前缘直着对向风，桨叶角接近90度，顺桨位置可消除风转螺旋桨时伴随产生的大部分阻力（见图）。

第四章螺旋桨

4．2．2螺旋桨结构几乎所有螺旋桨是由木料、钢材、铝材或某些复合材料制造的。很多年来，木料是制造螺旋桨的最可靠的材料。木制结构能吸收发动机振动和不支持共振。除非木制材料有保护层，否则地面工作期间它们对沙石和碎屑敏感。现在大多数螺旋桨使用铝合金结构。它可以做成更薄、更有效的叶型而没有牺牲结构强度。铝合金螺旋桨上翼型截面延长接近桨毂这样能提供较好的空气流动，有利于发动机冷却。铝合金螺旋桨比木制螺旋桨更易于维护，而且使用成本较低。钢制螺旋桨在老一代运输飞机上使用过。由于钢材重，所以将钢制桨叶做成空心的。复合材料螺旋桨近来较为流行，其特点是重量轻、耐用，还能吸收振动，防腐蚀。

第四章螺旋桨

4．3．2螺旋桨桨距调节

1．双位螺旋桨

双位螺旋桨利用控制活门引导发动机滑油进入螺旋桨减少桨叶角；泄放滑油返回发动机，使桨叶进入高桨叶角。两种力用于引起桨叶角改变：在螺旋桨油缸里的滑油压力和作用在配重上的离心力。当螺旋桨控制杆向前移时减小桨叶角，选择活门转动引导发动机滑油进入螺旋桨油缸，滑油压力克服配重的离心力，桨叶角转到低桨叶角（见图）。

桨叶角减小第四章螺旋桨

为增大桨叶角，驾驶舱控制杆后移，选择活门转动从螺旋桨释放滑油，现在配重的离心力大于螺旋桨油缸中滑油产生的力。滑油流出油缸返回发动机集油槽，螺旋桨由配重的离心力保持在高桨叶角（见图）。

桨叶角增大第四章螺旋桨

2．螺旋桨调速器恒速螺旋桨系统中螺旋桨桨叶角由调速器作用改变而保持螺旋桨转速不变。几乎所有现代中、高性能飞机都使用恒速螺旋桨。螺旋桨调速器是一个转速敏感部件，响应系统转速的变化通过引导滑油进出螺旋桨改变桨叶角，使系统转速回到初始值。调速器分成3部分：头部、本体和基座。调速器头部包含飞重，转速计弹簧，控制滑轮，转速计架等。调速器本体包含螺旋桨滑油流动控制机构：分油活门、滑油油路、释压活门。基座包含增压泵，在发动机上的安装面，引导发动机滑油到泵和滑油从螺旋桨返回发动机集油槽的油路（见图）。

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分油活门的位置由连到传动轴端部的飞重作用决定。当转速增加时，飞重向外张开，分油活门抬高；当转速减少时，飞重向内收，分油活门降低；分油活门的移动响应转速的改变，引导滑油流动调节桨叶角保持选择的转速。飞重的作用力由位于飞重上面的转速计弹簧力克服。弹簧力由驾驶员通过控制机构调节。当希望高转速时，驾驶舱控制杆向前移压缩转速计弹簧。增加的弹簧力使飞重向内收，分油活门降低。这引起桨叶角减小，转速增加，直到飞重离心力克服转速计弹簧力分油活门回到中立位置。

第四章螺旋桨

3．变距螺旋桨调速器变距又可分为双向变距、正向变距和反向变距三种形式。桨叶角增大叫变大距，桨叶角减小叫变小距。螺旋桨变大距和变小距都是靠液体压力进行的，这种螺旋桨调速器称为双向液压式调速器（见图）。

双向变距第四章螺旋桨

驾驶舱内的变距杆固定在某一位置，即调速器弹簧力一定时，调速器自动保持某一相应的发动机转速。离心力与弹簧力平衡，分油活门处于中立位置，螺旋桨桨叶角不发生变化。如果由于某种原因引起发动机转速增大，则离心飞重抬起分油活门的力量增大，分油活门上移。从滑油泵来的滑油进入大距油路，流入变距活塞左边的A室，变距活塞右移，螺旋桨变大距。同时，变距活塞右边B室的滑油顺着小距油路回油。随着螺旋桨桨叶角的增大，螺旋桨的阻力力矩增加，发动机转速减小。随着转速的减小，离心飞重抬起分油活门的力量也随之减小，分油活门又向下移，直到转速减小到原来的数值，分油活门回到中立位置，堵住变距油路，螺旋桨桨叶角不再变大，转速不再减小，调速器保持原来的转速不变（见图）。转速增大时变大距工作情形第四章螺旋桨

转速减小时调速器的工作与转速增大时的相反（见图）。

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