螺旋桨飞机空气动力（总）课件讲解

螺旋桨飞机空气动力特性空气动力学基础与飞行原理xxx广州民航职业技术学院什么是螺旋桨飞机空气动力学基础与飞行原理主要指活塞式或涡轮螺旋桨发动机提供动力的飞机螺旋桨飞机的基本空气动力性能和普通飞机的低速空气动力性能相近，但螺旋桨会产生如下现象拉力与飞行速度存在较大的关系，会随着速度的增加而减小螺旋桨拉力又会给飞机的稳定性和操纵性带来副作用目录CONTENTS空气动力学基础与飞行原理螺旋桨飞机概述一螺旋桨运动规律二螺旋桨的拉力及旋转阻力三螺旋桨的有效功率及效率四螺旋桨的副作用五目录CONTENTS空气动力学基础与飞行原理螺旋桨飞机概述一螺旋桨运动规律二螺旋桨的拉力及旋转阻力三螺旋桨的有效功率及效率四螺旋桨的副作用五什么是螺旋桨飞机空气动力学基础与飞行原理螺旋桨飞机是使用空气螺旋桨为飞机提供前进驱动力的飞机从第一架飞机诞生，直至第二次世界大战开始，几乎所有的飞机是螺旋桨飞机尽管二战后喷气式飞机得到了较好的运用，但螺旋桨飞机在大型运输机、支线航空及通用航空中仍占主要地位螺旋桨飞机的优势与喷气式飞机相比，螺旋桨飞机飞行速度小、飞行高度较低，但也有其自身的优势空气动力学基础与飞行原理更为经济：螺旋桨发动机比喷气式发动机构造简单，易于制造及维护；使用方面，在500-600公里的航线上，螺旋桨飞机每座运营成本比喷气式飞机低35%，500公里以内的航线上，螺旋桨飞机每座运营成本比喷气式飞机低40%以上适应性强：螺旋桨飞机按低速飞机标准设计，机翼面积大，起降性能好，对机场要求低，场地适应性好更环保：耗油率低，飞行中产生的排放物比同座级的喷气式飞机少目录CONTENTS空气动力学基础与飞行原理螺旋桨飞机概述一螺旋桨运动规律二螺旋桨的拉力及旋转阻力三螺旋桨的有效功率及效率四螺旋桨的副作用五螺旋桨空气动力概述空气动力学基础与飞行原理螺旋桨飞机空气动力的核心是螺旋桨的空气动力，首先要研究螺旋桨的运动规律，其中又要分析螺旋桨和桨叶迎角的变化规律螺旋桨的构造空气动力学基础与飞行原理螺旋桨主要由桨叶、桨毂、变距机构等部分构成桨毂桨叶变距机构桨叶：数量级平面形状空气动力学基础与飞行原理螺旋桨由两片或以上桨叶组成，通过桨毂与发动机转轴相连，桨叶用于产生拉力桨叶的平面形状有椭圆形、矩形、马刀形等等桨叶：剖面形状空气动力学基础与飞行原理桨叶的剖面由前桨面和后桨面组成前桨面的弯曲程度较大，后桨面弯曲程度较小，与平凸型翼型相似，前后桨面分别相当于机翼的上下表面前桨面后桨面螺旋桨旋转时经过的平面叫做旋转面，它与桨轴垂直桨叶剖面前缘与后缘的连线，称为桨弦或桨叶宽度桨叶弦与旋转平面之间的夹角，称为桨叶角////////空气动力学基础与飞行原理桨叶：平面参数桨轴旋转平面螺旋桨旋转时经过的平面称为旋转面螺旋桨旋转时，桨尖所画圆的直径，称为螺旋桨直径这个圆的半径，称为螺旋桨的半径螺旋桨某个剖面到桨轴之间的距离，称为剖面半径剖面半径与桨盘半径的比值为相对半径空气动力学基础与飞行原理变距螺旋桨桨叶角不能改变的螺旋桨称为定距螺旋桨降低制造和使用成本，没有专门的变距机构，如塞斯纳172飞机桨叶角能改变的螺旋桨称为变距螺旋桨大功率螺旋桨飞机设置有专门的变距机构依靠液压或电动来调节桨叶角桨叶角增大，称为变高距或变大距；桨叶角减小，称为变低距或变小距；可以是人工变距，也可以是自动变距变低距变高距空气动力学基础与飞行原理桨距调节的操纵飞机驾驶舱内有专门的变距杆变距杆向前推，桨叶角降低，桨叶迎角减小，旋转阻力减小，适用于起降状态变距杆后拉，桨叶角提高，桨叶迎角增大，旋转阻力增大涡轮螺旋桨发动机通常恒速旋转，没有人工变距，它们使用自动变距空气动力学基础与飞行原理螺旋桨的前进速度及切向速度飞行中螺旋桨一面绕转轴旋转，一边随飞机前进桨叶上每一个点的运动轨迹，都是螺旋线，桨叶各剖面均有前进速度和圆周速度前进速度取决于飞机向前飞行的速度圆周速度取决于螺旋桨转速及具体剖面的半径空气动力学基础与飞行原理入流角、桨叶迎角及桨叶角前进速度和切向速度(桨叶剖面相对于飞机的线速度)的合速度，称为桨叶相对气流的速度桨叶相对于气流的速度(合速度)与旋转平面之间的夹角称为入流角桨叶相对于气流的速度(合速度)与桨叶弦线的夹角，称为桨叶迎角桨叶迎角的大小与桨叶角、飞行速度、螺旋桨转速有关桨叶迎角随着桨叶角的增加而增大随着飞行速度的增大而减小随着剖面靠近转轴而减小空气动力学基础与飞行原理桨叶迎角随飞行状态变化的改变随着桨叶角的增加而增大桨叶迎角减小转速减小或靠近转轴，桨叶线速度降低桨叶线速度随着飞行速度的增大而减小空气动力学基础与飞行原理桨叶的几何扭转螺旋桨以某一速度旋转时，不同剖面到桨轴距离不同，切向速度不等靠近桨轴的部分切向速度小，桨叶迎角较小；远离桨轴的部分切向速度大，桨叶迎角大桨叶的各部分角速度相同，只有将桨叶的迎角从根部到梢部逐渐减小，才能保证桨尖不承受过大的载荷把桨叶做几何扭转，使桨叶角从桨根到桨尖逐渐减小，通常取75%半径的剖面作为整个桨叶气动特性的代表目录CONTENTS空气动力学基础与飞行原理螺旋桨飞机概述一螺旋桨运动规律二螺旋桨的拉力及旋转阻力三螺旋桨的有效功率及效率四螺旋桨的副作用五空气动力学基础与飞行原理螺旋桨的拉力和旋转阻力螺旋桨桨叶上空气动力的产生原理与机翼产生空气动力的原理相同流经桨叶的气流在桨叶前缘分为两股，分别沿前桨面和后桨面流动，在桨叶后缘汇合，产生类似升力的压力差，构成气动合力气动合力在桨轴上的分量构成了拉力分量，也即驱动飞机前进的动力；垂直于桨轴的分量则构成螺旋桨旋转的阻力桨叶的拉力取决于桨叶迎角、螺旋桨转速、翼型形状，通常可用积分的方法计算得到空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力在桨叶半径处，取微元，这个微元上产生的空气动力为，其中空气动力系数桨叶相对气流的速v度桨叶微元的弦长及展长这个又可分解为拉力分量和阻力分量空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力螺旋桨上所有积分微元产生的总拉力为桨叶数桨尖半径桨毂半径经过简化分析，可得整个螺旋桨的拉力和阻力分别为单个螺旋桨的拉力系数单个螺旋桨的阻力系数与螺旋桨转速的平方成正比与螺旋桨转速的平方成正比与桨盘直径的4次方成正比与桨盘直径的4次方成正比空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理螺旋桨旋转阻力各桨叶的旋转阻力与桨轴有一定距离，方向与旋转方向相反，形成阻力矩桨叶数桨尖半径桨毂半径单个螺旋桨的阻力矩系数与螺旋桨转速的平方成正比与桨盘直径的5次方成正比螺旋桨旋转的阻力矩由发动机输出的扭矩来平衡转速不变转速降低转速提高空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理影响螺旋桨拉力和旋转阻力的因素影响螺旋桨拉力和旋转阻力(矩)的因素与影响机翼升力和阻力的因素相似，主要包括桨叶剖面气流合速度桨叶迎角空气密度及桨叶剖面形状螺旋桨直径螺旋桨数目空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理合速度对拉力及阻力的影响合速度越大，则螺旋桨拉力和阻力都会增加；反之则减小改变发动机功率，可改变螺旋桨转速，从而改变气流合速度的大小在一定的转速范围，转速增大，拉力增大，阻力及阻力矩也增大超过一定转速，由于空气压缩性的影响，桨尖会首先出现激波，使旋转阻力急剧增大空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理桨叶迎角对拉力及阻力的影响迎角增大，则桨叶拉力和阻力也随之增大但是，桨叶迎角与机翼迎角一样，同样存在临界值，迎角超过一定数值，前桨面会出现严重气流分离，拉力下降、阻力增加空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理空气密度及桨叶翼型的影响空气密度和桨叶剖面形状(密度)对螺旋桨拉力和旋转阻力都构成影响高温、高海拔飞行，大气密度变小，螺旋桨拉力下降高速涡桨飞机与低速活塞飞机之间，螺旋桨剖面形状有所区别，高速螺旋桨相对厚度更小，以延缓激波的产生空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理螺旋桨直径的影响螺旋桨直径增大相当于桨盘面积增大，另一方面桨叶切向速度增大，气流合速度增大，螺旋桨拉力和阻力增大桨尖速度过大会产生激波，造成极大的阻力及噪声，也不利于桨叶的完整性但是螺旋桨的直径不能过大桨直径受到离地限制、距离机身距离等几何限制空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理螺旋桨桨叶数目的影响桨叶数目增加桨叶的总面积会增加，螺旋桨的拉力及阻力也会增大相邻的桨叶之间也可能存在干扰，后桨叶可能受前桨叶气流影响，气动性能可能会降低空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理螺旋桨拉力随飞行条件的变化油门、飞行速度、飞行高度、外界大气温度等的变化都会使拉力产生变化拉力随飞行速度的变化在油门、飞行高度和气温不变的前提下，螺旋桨拉力随着飞行速度的增加而减小T可用成因，桨叶迎角随着速度的增加而减小空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理螺旋桨拉力随发动机工作状态的变化增大油门推油门TT可用ΔTmax发动机扭矩增大，使螺旋桨转速增大，为保持转速不变，变距机构调整桨叶变高距，桨叶迎角增大，则拉力增大空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理螺旋桨拉力随高度和气温的变化飞行速度和油门不变的情况下，高度及气温的变化也会引起拉力的变化气温升高，空气密度减小，发动机有效功率降低，拉力随之减小；气温降低，则拉力增大自然吸气式发动机的功率随高度增加而下降，螺旋桨拉力减小增压式发动机在额定高度之下具有最大的功率，也即功率随高度增加先增后减；拉力也呈现先增后减的趋势P-47战斗机及其涡轮增压器空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理低桨距及负拉力下降及着陆时可通过反桨来获得负拉力，实现减速并缩短滑跑距离速度过大而油门过小，会产生负拉力飞机前进速度过大，桨叶相对飞机的线速度减小，使桨叶迎角减小，甚至变为负值随着飞行速度的增大，桨叶迎角减小发动机停车也会产生负拉力，螺旋桨处于风车状态。为减小阻力，应当顺桨人工调节桨叶角至低桨距状态，亦可产生负拉力目录CONTENTS空气动力学基础与飞行原理螺旋桨飞机概述一螺旋桨运动规律二螺旋桨的拉力及旋转阻力三螺旋桨的有效功率及效率四螺旋桨的副作用五空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理螺旋桨有效功率及其速度特性单个螺旋桨的推进功率单个螺旋桨的拉力飞机飞行速度单位时间内螺旋桨对飞机所做的功称为螺旋桨的有效功率螺旋桨的有效功率取决于拉力及飞行速度其他条件不变，飞行速度增加，螺旋桨的桨叶迎角逐渐减小，有效功率在一定速度范围内逐渐增大，但超过该范围后又逐渐减小P可用PΔP此曲线称为有效功率曲线空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理有效功率的高度特性螺旋桨有效功率的高度特性无增压式(自然吸气)螺旋桨发动机的有效功率随着高度增加单调下降增压式发动机在额定高度有效功率最高，超过额定高度之后，有效功率随着高度增加而下降PVh=2000m海平面h=4000mh=8000m空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理有效功率的转速特性在一定转速范围，螺旋桨有效功率较大；超过一定转速，再增大转速，发动机有效功率减小，螺旋桨有效功率又减小转速适中，螺旋桨有效功率增大转速低，螺旋桨的工况不佳转速高，螺旋桨有效功率再度减小空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理螺旋桨的效率特性螺旋桨的作用是将发动机传给桨轴的功率转化为驱动飞机前进的功率(螺旋桨有效功率)迎角临界迎角最小阻力迎角有利迎角由于螺旋桨需要克服空气阻力维持旋转，需要消耗一部分发动机的功率，因此螺旋桨有效功率总是小于发动机的有效功率要提高螺旋桨的效率，应尽量减小螺旋桨的各种阻力，现代螺旋桨效率最高时可达90%螺旋桨的效率主要随迎角发生变化，与机翼升阻比的变化规律类似，螺旋桨拉力与旋转阻力的比值最大时，螺旋桨处于桨叶有利迎角空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理螺旋桨效率与前进比的关系桨叶迎角取决于前进比和桨叶角前进比是飞行速度与螺旋桨转速和直径乘积之比，易见，前进比越大，入流角越大，桨叶迎角越小，只有在有利前进比下，螺旋桨效率才达到最高空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理螺旋桨效率与速度、前进比的关系转速恒定，飞行速度小，前进比过小，如起飞滑跑阶段螺旋桨拉力虽然很大，但前进速度小，螺旋桨有效功率低，效率低转速恒定时，速度很大，前进比过大桨叶空气动力方向接近旋转面，螺旋桨拉力和有效功率都很小，螺旋桨效率依然很低螺旋桨效率最高时的前进比称为有利前进比此时桨叶迎角为有利迎角空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理螺旋桨效率与桨叶角φ的关系前进比一定，桨叶角过大或过小，螺旋桨效率都会过低只有在有利桨叶角下，螺旋桨效率才会较高桨叶角过大，桨叶迎角过大，发动机克服螺旋桨阻力的功率较大；反之，桨叶迎角则可能过小，桨盘产生的推力不足，输出功率不足桨叶角过大桨叶角过小阻力较大阻力小，但升力也小空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理螺旋桨效率与变距螺旋桨桨叶角固定，只在很小的前进比范围内有较高的效率如果想要在较大的前进比范围均有较高的螺旋桨效率，应当采用改变桨叶角，使用变距螺旋桨可以解决这个问题目录CONTENTS空气动力学基础与飞行原理螺旋桨飞机概述一螺旋桨运动规律二螺旋桨的拉力及旋转阻力三螺旋桨的有效功率及效率四螺旋桨的副作用五空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理螺旋桨的副作用螺旋桨旋转时，会给飞机正常飞行带来如下不利影响反扭矩进动性P-因子滑流效应空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理螺旋桨进动假定飞机螺旋桨右旋(顺航向看，顺时针旋转)飞机抬头，则飞机会右偏航飞机低头，则飞机会左偏航若螺旋桨左旋，则俯仰时带来的偏航力矩相反进动是一种物理现象，在螺旋桨飞机上的表现是：在飞机俯仰运动中，螺旋桨的自转还会引起飞机的偏航运动空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理螺旋桨进动的详细解释假定飞机螺旋桨右旋(顺航向看，顺时针旋转)1231.抬轮,

抬头2.螺旋桨右旋(顺航向看)3.桨叶转到12点方向时有向后的加速度，转到6点钟则有向前的加速度44.桨叶经过12点方向后，继续向右弦运动;桨叶经过6点方向后，继续向左弦运动5.第3步提到的加速度使飞机向右偏航空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理螺旋桨进动的详细解释飞机偏航的快慢与进动角速度的大小有关螺旋桨的进动角速度螺旋桨受到的外力矩螺旋桨的转动惯量螺旋桨的自转角速度螺旋桨转速一定，转动惯量一定，则驾驶员推拉杆或左右蹬舵过猛，都会引起较大的进动角速度驾驶员应当往进动的反方向蹬舵或推杆操纵杆，防止飞机偏离预定的飞行方向空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理螺旋桨反扭矩发动机通过曲轴和减速箱将扭矩传递给螺旋桨，螺旋桨又搅动空气并施加作用力，于是空气也对螺旋桨产生反作用力(矩)这个力矩会通过发动机作用于机身上，使飞机往螺旋桨转动的反方向滚转螺旋桨反扭矩的大小随油门变化：加大油门，发动机有效功率增加，反扭矩增加；收小油门，发动机功率下降，反扭矩减小为了克服反扭矩的影响，驾驶员应当往反方向压盘或调配平，克服滚转力矩空气动力学基础与飞行原理叶素法计算螺旋桨空气动力空气动力学基础与飞行原理克服反扭矩的一些设计反向旋转式螺旋桨(CounterRotatingPropellers)共轴反向式螺旋桨(ContraRotati