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空气螺旋桨

[拼音]:kongqi luoxuanjiang

[外文]:air propeller

靠桨叶在空气中旋转将发动机转动功率转化为推进力或升力的装置,简称螺旋桨。它由多个桨叶和中央的桨毂组成,桨叶好像一扭转的细长机翼安装在桨毂上,发动机轴与桨毂相连接并带动它旋转。中国明代(1368~1644年)民间的玩具“竹蜻蜓”实际上是一种原始的螺旋桨。喷气发动机出现以前,所有带动力的航空器无不以螺旋桨作为产生推动力的装置。目前螺旋桨仍用于装活塞式和涡轮螺旋桨发动机的亚音速飞机。直升机旋翼和尾桨也是一种螺旋桨。

原理

螺旋桨旋转时,桨叶不断把大量空气(推进介质)向后推去,在桨叶上产生一向前的力,即推进力。一般情况下,螺旋桨除旋转外还有前进速度。如截取一小段桨叶来看,恰像一小段机翼,其相对气流速度由前进速度和旋转速度合成(图1 )。桨叶上的气动力在前进方向的分力构成拉力。在旋转面内的分量形成阻止螺旋桨旋转的力矩,由发动机的力矩来平衡。桨叶剖面弦(相当于翼弦)与旋转平面夹角称桨叶安装角。螺旋桨旋转一圈,以桨叶安装角为导引向前推进的距离称为桨距。实际上桨叶上每一剖面的前进速度都是相同的,但圆周速度则与该剖面距转轴的距离(半径)成正比,所以各剖面相对气流与旋转平面的夹角随着离转轴的距离增大而逐步减小,为了使桨叶每个剖面与相对气流都保持在有利的迎角范围内,各剖面的安装角也随着与转轴的距离增大而减小。这就是每个桨叶都有扭转的原因。

螺旋桨效率

以螺旋桨的输出功率与输入功率之比表示。输出功率为螺旋桨的拉力与飞行速度的乘积。输入功率为发动机带动螺旋桨旋转的功率。在飞机起飞滑跑前,由于前进速度为零,所以螺旋桨效率也是零,发动机的功率全部用于增加空气的动能。随着前进速度的增加,螺旋桨效率不断增大,速度在200~700公里/时范围内效率较高,飞行速度再增大,由于压缩效应桨尖出现波阻,效率急剧下降。螺旋桨在飞行中的最高效率可达85%~90%。螺旋桨的直径比喷气发动机的大得多,作为推进介质的空气流量较大,在发动机功率相同时,螺旋桨后面的空气速度低,产生的推力较大,这对起飞(需要大推力)非常有利。

构造特点

螺旋桨有2、3或4个桨叶,一般桨叶数目越多吸收功率越大。有时在大功率涡轮螺旋桨飞机上还采用一种套轴式螺旋桨,它实际上是两个反向旋转的螺旋桨,可以抵消反作用扭矩。在发动机功率低于100千瓦的轻型飞机上,常用双叶木制螺旋桨。它是用一根拼接的木材两边修成扭转的桨叶,中间开孔与发动机轴相连接。螺旋桨要承受高速旋转时桨叶自身的离心惯性力和气动载荷。大功率螺旋桨在桨叶根部受到的离心力可达200千牛( 20吨力)。此外还有发动机和气动力引起的振动。大功率发动机一般采用3叶和4叶螺旋桨,并多用铝合金和钢来制造桨叶。铝和钢制桨叶因材料坚固可以做得薄一些,有利于提高螺旋桨在高速时的效率。70年代以后还用复合材料制造桨叶以减轻重量。

分类

螺旋桨分为定(桨)距和变距螺旋桨两大类。

(1)定距螺旋桨:木制螺旋桨一般都是定距的。它的桨距(或桨叶安装角)是固定的。适合低速的桨叶安装角在高速飞行时就显得过小;同样,适合高速飞行的安装角在低速时又嫌大。所以定距螺旋桨只在选定的速度范围内效率较高,在其他状态下效率较低。定距螺旋桨构造简单,重量轻,在功率很小的轻型飞机和超轻型飞机上得到广泛应用。

(2)变距螺旋桨:为了解决定距螺旋桨高、低速性能的矛盾,遂出现了飞行中可变桨距的螺旋桨。螺旋桨变距机构(图2a)由液压或电力驱动(图2b)。最初使用的是双距螺旋桨。高速时用高距,低速(如起飞、爬升状态)时用低距,以后又逐步增加桨距的数目,以适应更多的飞行状态。最完善的变距螺旋桨是带有转速调节器的恒速螺旋桨。转速调节器实际上是一个能自动调节桨距、保持恒定转速的装置。驾驶员可以通过控制调节器和油门的方法改变发动机和螺旋桨的转速,一方面调节螺旋桨的拉力,同时使螺旋桨处于最佳工作状态。在多发动机飞机上,当一台发动机发生故障停车时,螺旋桨在迎面气流作用下像风车一样转动,一方面增加飞行阻力,造成很大的不平衡力矩,另外也可能进一步损坏发动机。为此变距螺旋桨还可自动顺桨,即桨叶转到基本顺气流方向而使螺旋桨静止不动,以减小阻力。变距螺旋桨还能减小桨距,产生负拉力,以增加阻力,缩短着陆滑跑距离。这个状态称为反桨。

为了提高亚音速民用机的经济性和降低飞机的油耗,70年代后期美国开始研究一种多桨叶螺旋桨,称为风扇螺旋桨(图3)。它有8~10片弯刀状桨叶,叶片薄,直径小。弯刀形状能起相当于后掠翼(见后掠翼飞机)的作用,薄叶片有利于提高螺旋桨的转速。它适用于更高的飞行马赫数(M=0.8)。由于叶片较多,螺旋桨单位推进面积吸收的功率可提高到300千瓦/米2(一般螺旋桨为80~120千瓦/米2)。

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文章名称:《空气螺旋桨》
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