飞行原理（第二版） 课件 第3章 螺旋桨的空气动力

螺旋桨的空气动力第3

章0204目录CONTENTS3.1螺旋桨的拉力和旋转阻力3.3

螺旋桨的有效功率和效率3.4

螺旋桨的副作用3.2

螺旋桨拉力在飞行中的变化03013.1螺旋桨的拉力和旋转阻力入3.1.1流体模型化螺旋桨简介现代的螺旋桨主要由桨叶、桨毂及桨叶变距机构等组成。螺旋桨各部分名称3.1.1流体模型化螺旋桨简介桨叶的平面形状很多，现代使用较多的有椭圆形、矩形和马刀形等。桨叶平面形状添加内容3.1.1流体模型化螺旋桨简介螺旋桨旋转时，桨尖所画圆的直径，称为螺旋桨的直径（D）。该圆的半径，称为螺旋桨的半径（R）。螺旋桨旋转轴线至某一剖面的距离，称为该剖面的半径（r），比值

r/R称为相对半径（r

）。桨叶旋转时桨尖所划过的平面叫做旋转面，它与桨轴垂直。螺旋桨的直径、半径、相对半径和旋转面3.1.1流体模型化螺旋桨简介螺旋桨的桨叶剖面和桨叶角桨叶剖面前缘与后缘的连线，称为桨弦（b）或桨叶宽度。桨弦与旋转面之间的夹角称为桨叶（M）。和机翼类似，桨叶的截面形状称为桨叶剖面，相当于机翼的翼型；前、后桨面分别相当于机翼的上、下表面。3.1.2

螺旋桨的运动桨叶剖面某一点的运动飞行中，螺旋桨的运动是一面旋转、一面前进。因此，桨叶各剖面都具有两种速度：一是前进速度（v），即飞机的飞行速度；二是因旋转而产生的圆周速度，或叫切向速度（u），其大小取决于螺旋桨的转速和各剖面的半径。螺旋桨桨叶上任意一点的运动轨迹就是一条螺旋线。3.1.2

螺旋桨的运动桨叶迎角随飞行速度的变化桨叶迎角随桨叶角、飞行速度和转速的改变而变化。当飞行速度和转速一定时，桨叶迎角随桨叶角的增大而增大，随桨叶角的减小而减小。当桨叶角和转速一定时，桨叶迎角随飞行速度增大而减小，飞行速度增大到一定程度时，桨叶迎角可能减小到零甚至变为负值。3.1.2

螺旋桨的运动桨叶迎角随切向速度的变化当桨叶角和飞行速度一定时，桨叶迎角随转速增大而增大，随转速减小而减小。3.1.2

螺旋桨的运动各桨叶剖面的合速度和桨叶迎角此外，如果桨叶无几何扭转，即各桨叶剖面的桨叶角都相同，但由于桨叶各剖面的半径不同，导致各剖面的切向速度都不相等，合速度的方向也就不相同，所以桨叶迎角也不一样。在飞行速度和桨叶角保持一定的情况下，桨尖处的切向速度最大，因而其桨叶迎角也最大。3.1.2

螺旋桨的运动桨叶的扭转为了使桨叶各剖面的迎角基本相等，常把桨叶设计成负扭转，即从桨根到桨尖，桨叶角是逐渐减小的，以保持各剖面的桨叶迎角基本相等。3.1.3

螺旋桨拉力和旋转阻力的产生叶素的空气动力根据

dR

对桨叶运动所起的作用，可把叶素的空气动力分解为两个分力：一个与桨轴平⾏，拉螺旋桨前进的拉力dP；另一个与桨轴垂直，阻碍螺旋桨旋转运动的旋转阻力dq。3.1.3

螺旋桨拉力和旋转阻力的产生桨叶的空气动力及其分布空气动力

dR

分解为垂直于合速度方向和平行于合速度方向的两个分力dY

和

dX，其大小按下式计算：3.1.3

螺旋桨拉力和旋转阻力的产生拉力公式可写成为：叶素上的旋转阻力为：各叶素上旋转阻力矩的总和就形成了螺旋桨的旋转阻力矩（

M

阻

）。3.2螺旋桨拉力在飞行中的变化3.2.1

定距螺旋桨和变距螺旋桨2. 变距螺旋桨现代飞机大都采用变距螺旋桨，在飞行中随着飞行条件的变化而改变桨叶角，以期获得任何飞行状态下的最佳效率。1. 定距螺旋桨定距螺旋桨的桨叶角是制造厂商选定的，在整个飞行过程中不能改变。对于定距螺旋桨，只有在一定的飞行速度和转速下才能获得最佳效率。3.2.1

定距螺旋桨和变距螺旋桨螺旋桨的空气动力力矩和配重惯性离心力矩功率小的活塞式轻型飞机，一般没有专门的变距机构，主要靠桨叶的空气动力和配重的惯性离心力来改变桨叶角。功率较大的活塞式发动机飞机，设有专门的变距机构——调速器。它靠液压式电动力来改变桨叶角。3.2.2

螺旋桨的拉力随飞行速度的变化在油门位置和飞行高度以及大气温度不变的情况下，不管是涡轮螺旋桨飞机，还是活塞式飞机，随着飞行速度的增大，螺旋桨拉力都要逐渐减小。一是拉力直接决定着飞行速度的大小，例如增大飞行速度，通常都要增大拉力；二是飞行速度改变以后，会引起拉力的大小发生变化。拉力随飞行速度的变化拉力随速度的变化曲线3.2.3

螺旋桨拉力随油门位置的变化在飞行速度和高度不变的条件下，无论哪种发动机，加大油门，螺旋桨拉力都将增大。对于活塞式定距螺旋桨来说，加大油门，发动机有效功率提高，输出的扭矩增大，使螺旋桨转速增大，桨叶迎角增大，拉力增大。而对于活塞式恒速螺旋桨来说，加大油门，发动机有效功率提高，输出的扭矩增大，使螺旋桨转速增大，为了保持转速不变，调速器迫使桨叶变大距，使桨叶迎角增大，进而增大旋转阻力以维持转速不变，同时拉力增大；反之，收油门，则拉力减小。拉力随油门位置的变化某飞机不同油门位置下的拉力曲线3.2.4

螺旋桨拉力随飞行高度的变化某吸气式活塞发动机在不同高度的拉力曲线在飞行速度和油门位置不变的情况下，飞行高度改变，将影响空气密度的大小，使得发动机有效功率发生变化，拉力也发生变化。对于吸气式活塞发动机来说，随着飞行高度的增加，空气密度减小，发动机有效功率一直降低，所以螺旋桨的拉力也一直减小。对于增压式活塞发动机来说，在额定高度以下，随着高度增加，拉力增大；额定高度以上，随着高度增加，拉力减小；额定高度处，拉力最大。3.2.5

螺旋桨拉力随气温的变化拉力随温度变化的曲线在飞行速度、油门和飞行高度不变的情况下，气温改变，也将影响空气密度的大小，从而使发动机有效功率发生变化，拉力也发生变化。无论是吸气式活塞发动机还是增压式活塞发动机，气温升高，空气密度减小，发动机有效功率减小，拉力也随之减小；反之，气温降低，空气密度增大，发动机有效功率增大，拉力也随之增大。3.2.6

螺旋桨的负拉力行速度增大时负拉力的产生1

. 飞行速度过大，油门比较小时，负拉力的产生在油门、转速和飞行高度不变的情况下，当飞行速度增大时，桨叶虽能自动变大距调整桨叶角，以保持旋转阻力和转速不变，但由于桨叶迎角减小，总空气动力减小，且更偏向旋转面，故拉力减小。反之，飞行速度减小，拉力增大。3.2.6

螺旋桨的负拉力行中收油门过多时负拉力的产生2. 飞行速度不太大而油门过小时，负拉力的产生在油门、转速和飞行高度不变的情况下，当飞行速度增大时，桨叶虽能自动变大距调整桨叶角，以保持旋转阻力和转速不变，但由于桨叶迎角减小，总空气动力减小，且更偏向旋转面，故拉力减小。反之，飞行速度减小，拉力增大。3.2.6

螺旋桨的负拉力3.

发动机空中停车时负拉力的产生发动机一旦空中停车，功率很快消失，螺旋桨转速就要减小，为保持转速不变，调速器就促使螺旋桨变低距，桨叶角和桨叶迎角迅速减小，形成较大的负迎角。桨叶总空气动力（R）指向旋转面后下方，其中一个分力（Q）与螺旋桨的旋转方向相同，不再是阻碍螺旋桨转动的阻力，而成为推动螺旋桨转动的动力，带动螺旋桨和发动机按原方向继续旋转；另一个分力（P）与拉力方向相反，即为负拉力。3.2.6

螺旋桨的负拉力螺旋桨的顺桨为了避免发动机停车后的自转状态，现代活塞式螺旋桨飞机和涡轮螺旋桨飞机的发动机上

一般都装有顺桨机构。发动机一旦空中停车，可自动或人工顺桨。所谓顺桨就是把桨叶角变到

90°左右。飞行中收油门过多时负拉力的产生3.3螺旋桨的有效功率和效率3.3.1

螺旋桨的有效功率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（可用功率），用

N桨表示，其大小可用下式计算：3.3.1

螺旋桨的有效功率1. 螺旋桨有效功率随飞行速度的变化螺旋桨有效功率随飞行速度的变化规律是：在小于某一飞行速度的范围内，螺旋桨的有效功率随飞行速度的增大而增大；在大于某一飞行速度的范围内，螺旋桨有效功率随飞行速度的增大而减小螺旋桨有效功率随飞行速度的变化3.3.1

螺旋桨的有效功率2. 螺旋桨有效功率随油门位置的变化当飞行速度、发动机转速和飞行高度一定时，不同油门位置的螺旋桨有效功率曲线

。油门位置越大，发动机有效功率和螺旋桨拉力越大，所以螺旋桨有效功率也越大。不同油门位置螺旋桨的有效功率曲线3.3.1

螺旋桨的有效功率3.

螺旋桨的有效功率随发动机转速的变化当在油门、高度和飞行速度一定的情况下，在一定的转速范围内，增大转速，由于发动机有效功率增大，故螺旋桨有效功率增大；超过某一转速后，再增大转速，由于发动机有效功率减小，故螺旋桨有效功率减小。3.3.1

螺旋桨的有效功率，4. 螺旋桨的有效功率随飞行高度的变化对于吸气式发动机的飞机来说，随高度的升高，拉力总是减小的，故螺旋桨有效功率也是减小的。对于装有增压式发动机的飞机来说在额定高度以下，高度增加，因拉力增大，故螺旋桨有效功率也增大；超过额定高度之后，若高度增加，因拉力减小，故螺旋桨有效功率也随着降低。不同高度上的螺旋桨有效功率曲线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。即η

=

N桨

/

N有效螺旋桨效率是衡量螺旋桨性能好坏的重要标志，螺旋桨效率高，表明发动机有效功率损失少，螺旋桨的性能好。现代螺旋桨，效率最高可达

90%。螺旋桨的效率还可以表示为：3.3.2

螺旋桨的效率1. 螺旋桨效率与相对进距的关系在桨叶角一定的条件下，螺旋桨效率随相对进距的变化而变化。相对进距过大或过小，螺旋桨效率都很低，只有在某一相对进距，才能获得最高的螺旋桨效率，这个相对进距称为有利相对进距。螺旋桨效率曲线3.3.2

螺旋桨的效率2. 螺旋桨效率与桨叶角的关系因为桨叶角过小，桨叶迎角也过小，螺旋桨的拉力和有效功率很小，所以螺旋桨效率很低；反之，桨叶角过大，桨叶迎角很大，性质角大，旋转阻力增大，螺旋桨效率也很低。相对进距越大，对应较高效率的桨叶角（即有利桨叶角）也越大。不同桨叶角的螺旋桨效率曲线3.4螺旋桨的副作用3.4.1

螺旋桨的进动飞行中高速旋转的螺旋桨，当受到改变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，而是还要绕着另一个轴偏转，这种现象叫螺旋桨的进动。螺旋桨的进动3.4.1

螺旋桨的进动飞行中螺旋桨的进动作用会改变飞机的姿态，给飞行带来影响。螺旋桨产生进动的原因3.4.1

螺旋桨的进动飞行中，螺旋桨的进动会迫使飞机偏转，偏转的快慢取决于进动角速度的大小。进动角速度的大小，可用下式计算，即3.4.2

螺旋桨的反作用力矩螺旋桨在转动中，不断地搅动空气，迫使空气沿螺旋桨转动方向旋转。与此同时，空气势必也给螺旋桨和机身一个反方向的力矩，该力矩称为螺旋桨的反作用力矩。在空中飞行时，螺旋桨把这个反作用力矩传给发动机和飞机，迫使飞机向螺旋桨转动的反方向倾斜。螺旋桨反作用力矩3.4.2

螺旋桨的反作用力矩在地面滑跑时，螺旋桨的反作用力矩还会造成机头方向偏转。飞行中螺旋桨反作用力矩的大小主要随油门位置变化而变化。矩螺旋桨反作用力矩对起飞滑跑的影响3.4.3

螺旋桨滑流扭转作用螺旋桨转动时，桨叶搅动空气，一方面使之向后加速流动，另一方面又使之顺着螺旋桨旋转方向流动。这种受螺旋桨作用向后加速和扭转的气流叫螺旋桨滑流。螺旋桨的滑流3.4.3

螺旋桨滑流扭转作用一般情况下，机身尾部和垂直尾翼都受到滑流上层部分的影响，即滑流的上层部分从左方作用于机身尾部和垂直尾翼，产生向右的空气动力，对飞机重心形成偏转力矩，使机头向左偏转。右转螺旋桨的滑流所引起的偏转力矩3.4.3

螺旋桨滑流扭转作用飞机加油门后，滑流速度增大，在飞机上产生上仰力矩，使机头上仰，所以应稍向前推杆修正。反之，收油门，应稍向后拉杆修正。加油门，螺旋桨滑流对俯仰