螺旋桨工作原理。。。。

可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼进行讨论。流经桨叶各剖面的气

流由沿旋

转轴方向的前进速度和旋转产生的切线速度合成。在螺旋桨半径r1和r2(r1＜r2)两处各取极小一段，讨论桨叶上的气流情况。v—轴向速度；n—螺旋桨转速；φ—气流角，即气流与螺旋桨旋转平面夹角；α—桨叶剖面迎角；β—桨叶角，即桨叶剖面弦线与旋转平面夹角。显而易见β＝α+φ。

空气流过桨叶各小段时产生气动力，阻力δd和升力δl，合成后

总空气动力为δr。δr沿飞行方向的分力为拉力δt，与旋螺桨旋转方向相反的力δp

阻止螺旋桨转动。将整个桨叶上各小段的拉力和阻止旋转的力相加，形成该螺旋桨的拉力和阻止螺旋桨转动的力矩。

从以上两图还可以看到。必须使螺旋桨各剖面在升阻比较大的迎角工作，才能获得较大的拉力，较小的阻力矩，也就是效率较高。螺旋桨工作时。轴向速度不随半径变化，而切线速度随半径变化。因此在接近桨尖，半径较大处气流角较小，对应桨叶角也应较小。而在接近桨根，半径较小处气流角较大，对应桨叶角也应较大。螺旋桨的桨叶角从桨尖到桨根应按一定规律逐渐加大。所以说螺旋桨是一个扭转了的机翼更为确切。

从图中还可以看到，气流角实际上反映前进速度和切线速度的比值。对某个螺旋桨的某个剖面，剖面迎角随该比值变化而变化。迎角变化，拉力和阻力矩也随之变化。用进矩比“j”反映桨尖处气流角，j＝v／nd。式中d—螺旋桨直径。理论和

试验证明：螺旋桨的拉力(t)，克服螺旋桨阻力矩所需的功率(p)和效率(η)可用下列公式

计算：

t=ctρn2d4

p=cpρn3d5

η=j·ct/cp

式中：ct—拉力系数；cp—功率系数；ρ—空气密度；n—螺旋桨转速；d—螺旋桨直径。其

中ct和cp取决于螺旋桨的几何参数，对每个螺旋桨其值随j变化。图1—1—21称为螺

旋桨的特性曲线，它可通过理论计算或试验获得。特性曲线给出该螺旋桨拉力系数、功

率系数和效率随前进比变化关系。是设计选择螺旋桨和计算飞机性能的主要依据之一。

从图形和计算公式都可以看到，当前进比较小时，螺旋桨效率很低。对飞行速度较

低而发动机转速较高的轻型飞机极为不利。例如：飞行速度为72千米／小时，发动转

速为6500转／分时，η≈32％。因此超轻型飞机必须使用减速器，降低螺旋桨的转

速，提高进距比，提高螺旋桨的效率。

[编辑本段]螺旋桨飞机的基本认识

螺旋桨飞机（propeller airplane），是指用空气螺旋桨将发动机的功率转化为推进力的飞机。

从第一架飞机诞生直到第二次世界大战结束，几乎所有的飞机都是螺旋桨飞机。在现代飞机中除超音速飞机和高亚音速干线客机外，螺旋桨飞机仍占有重要地位。支线客机和大部分通用航空中使用的飞机的共同特点是飞机重量和尺寸不大、飞行速度较小和高度较低，要求有良好的低速和起降性能。螺旋桨飞机能够较好地适应这些要求。

[编辑本段]螺旋桨飞机的基本分类

螺旋桨飞机按发动机类型不同分为活塞式螺旋桨飞机和涡轮螺旋桨飞机。人力飞机和太阳能飞机通常都用螺旋桨推进， 也属于螺旋桨飞机的范围。涡轮螺旋桨发动机的功率重量比，比活塞式发动机大2～3倍，在相同的重量下可提供更大的功率，燃油消耗率在速度较高时比活塞式发动机小，且可使用价格较低的煤油，故在600～800千米／时速度范围内的旅客机、运输机等大多为螺旋桨飞机。

按螺旋桨与发动机相对位置的不同，又分为拉进式螺旋桨飞机和推进式螺旋桨飞机。前者的螺旋桨装在发动机前面，“拉”着发动机前进；后者螺旋桨装在发动机之后，“推”着发动机前进。早期的飞机中曾有不少是推进式的，这种型式的缺点较多，螺旋桨效率不如拉进式高，因拉进式螺旋桨前没有发动机短舱的阻挡。此外在推进式螺旋桨飞机上难于找到发动机和螺旋桨的恰当位置，特别是装在机身上更困难。相反,在拉进式螺旋桨飞机上,发动机无论是装在机身头部或是装在机翼短舱前面都很方便。当装在机翼上时，螺旋桨后面的高速气流还可用来增加机翼升力，改善飞机起飞性能，因此拉进式飞机遂占据了统治地位。在少数大型飞机和水上飞机上，发动机多至8～12台以上，将发动机前后串置在短舱上,形成拉进和推进的混合型式。

[编辑本段]螺旋桨飞机的结构特点

螺旋桨飞机的结构比较复杂。为了降低转速和提高螺旋桨效率，绝大多数发动机装有减速器。这类飞机的发动机装有滑油散热器。液冷活塞式发动机还装有冷却液散热器。桨毂和发动机均有流线型外罩，以减小阻力。机身前部的发动机和螺旋桨往往影响飞行员的视线，个别飞机将发动机安排在座舱下方，用一长轴与机头的螺旋桨相连，如美国的P-39战斗机。有的飞机将座舱偏置在机翼一侧来改进前方视线，成为特殊的不对称飞机，如德国的BV-141飞机。头部装有机枪的拉进式战斗机需要采用协调机构，以保证子弹从旋转着的螺旋桨桨叶中间发射出去。有的飞机将机炮炮管装在螺旋桨轴内，炮弹由桨轴内的炮管射出。螺旋桨旋转时产生一个反作用扭矩，大功率发动机的飞机常用较大的垂直尾翼或偏置垂直尾翼产生的力矩来加以平衡，也可以采用反向旋转的同轴螺旋桨来抵消反作用扭矩，如苏联的安22飞机。

现代的螺旋桨飞机多采用桨叶角可调的变距螺旋桨，这种螺旋桨可根据飞行需要调整桨叶角，提高螺旋桨的工作效率。由于螺旋桨在旋转时，桨根和桨尖的圆周速度不同，为了保持桨叶各部分都处于最佳气动力状态，所以把桨根的桨叶角设计成最大，依次递减，桨尖的桨叶角最小工作状态的桨叶是一根悬壁梁受力态势，为了增加桨根的强度，桨根的截面积设计为最大。

一架飞机上桨叶数目根据发动机的功率而定，有2叶、3叶和4叶的，也有5叶、6叶的。装于飞机头部的螺旋桨为拉力式螺旋桨，装于飞机后部的螺旋桨为推力式螺旋桨，还有既装有拉力式螺旋桨又装有推力式螺旋桨的飞机。

[编辑本段]螺旋桨飞机的发展演化

早期飞机大多使用桨叶角固定不变的螺旋桨，它的结构简单，但不能适应飞行速度变化。飞行速度大于200公里/时则需要用变桨距螺旋桨，才能提高螺旋桨的效率。但这种螺旋桨构造复杂，成本较高，只用于一些速度较高、功率较大的飞机。

第二次世界大战以前的飞机，基本上是使用活塞式发动机作动力装置驱动螺旋桨。近代在涡轮喷气发动机的基础上研制出了涡轮螺旋桨发动机和涡轮桨扇发动机。用这两种发动机驱动螺旋桨使螺旋桨的工作效率大大提高，同时也提高了飞机的性能。

在第二次世界大战中，为了进一步提高飞机的高空性能，有些飞机上还装有废气涡轮增压器,利用废气来增加进气的压力,如美国的B-24、P-47等飞机。70年代后期，一些通用航空的飞机也采用废气涡轮增压器来提高飞行性能。

[编辑本段]螺旋桨飞机的工作原理

飞机螺旋桨在发动机驱动下高速旋转，从而产生拉力，牵拉飞机向前飞行。这是人们的常识。可是，有人认为螺旋桨的拉力是由于螺旋桨旋转时桨叶把前面的空气吸入并向后排，用气流的反作用力拉动飞机向前飞行的，这种认识是不对的。

那么，飞机的螺旋桨是怎样产生拉力的呢？如果大家仔细观察，会看到飞机的螺旋桨结构很特殊，如图所示，单支桨叶为细长而又带有扭角的翼形叶片，桨叶的扭角（桨叶角）相当于飞机机翼的迎角，但桨叶角为桨尖与旋转平面呈平行逐步向桨根变化的扭角。

桨叶的剖面形状与机翼的剖面形状很相似，前桨面相当于机翼的上翼面，曲率较大，后桨面则相当于下翼面，曲率近乎平直，每支桨叶的前缘与发动机输出轴旋转方向一致，所以，飞机螺旋桨相当于一对竖直安装的机翼。

桨叶在高速旋转时，同时产生两个力，一个是牵拉桨叶向前的空气动力，一个是由桨叶扭角向后推动空气产生的反作用力。

从桨叶剖面图中可以看出桨叶的空气动力是如何产生的，由于前桨面与后桨面的曲率不一样，在桨叶旋转时，气流对曲率大的前桨面压力小，而对曲线近于平直的后桨面压力大，因此形成了前后桨面的压力差，从而产生一个向前拉桨叶的空气动力，这个力就是牵拉飞机向前飞行的动力。

另一个牵拉飞机的力，是由桨叶扭角向后推空气时产生的反作用力而得来的。桨叶与发动机轴呈直角安装，并有扭角，在桨叶旋转时靠桨叶扭角把前方的空气吸入，并给吸入的空气加一个向后推的力。与此同时，气流也给桨叶一个反作用力，这个反作用力也是牵拉飞机向前飞行的动力。

由桨叶异型曲面产生的空气动力与桨叶扭角向后推空气产生的反作用力是同时发生的，这两个力的合力就是牵拉飞机向前飞行的总空气动力。

[编辑本段]螺旋桨飞机的三个效应

进动、滑流扭转、螺旋桨反作用。若是多发螺旋桨飞机，还可能出现有拉力不对称。

固定翼飞机平衡在地面主要是受螺旋桨的滑流扭转作用，飞行中,当螺旋桨的扭转气流打在飞机垂直尾翼的一侧时,则会引起飞机的方向偏转。

如果螺旋桨是向右旋转的,则扭转气流上层自左向右侧扭转,从左方向作用于垂直尾翼,使尾翼产生向右的空气动力,对飞机重心形成左偏力矩,即机头向左偏转。螺旋桨的转速越大,扭转气流对飞机的方向偏转影响越明显。故地面起飞时抵右舵修正方向。空中由于飞机自身速度增大，滑流作用减弱，使用方向舵配平即可。

[编辑本段]涡轮螺旋桨飞机

在速度低于700公里/时的情况下，空气螺旋桨推进效率较高。速度继续增大，推进效率急剧下降。同时，飞机所需的功率随速度的三次方成正比增加，活塞式发动机由于技术上的限制，无法提供体积小、重量轻和功率大的发动机。涡轮螺旋桨发动机的功率重量比比活塞式发动机大2～3倍，在相同的重量下可提供更大的功率，而且发动机截面积较小，燃油消耗率在速度较高时比活塞式发动机小，使用价格较低的煤油，故在 600～800公里/时速度范围内的旅客机、运输机、海岸巡逻机和反潜机大多为涡轮螺旋桨飞机。为了进一步增大速度，降低燃油消耗率，美国于70年代提出一种先进的涡轮螺旋桨系统,采用8～10片具有后掠的薄剖面桨叶，从空气动力学角度对桨毂和发动机短舱进行一体化设计，使阻力和噪声达到最小。这种推进装置可使飞机速度达到马赫数为0.8,比一般装有涡轮风扇发动机的飞机省油30％～40％。高速螺旋桨飞机比涡轮喷气飞机省燃料，正处在研究试验阶段。

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。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。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。

螺旋空气桨原理：

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。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。

螺旋空气桨构造特点：

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。

螺旋空气桨自转：

当发动机空中停车后，螺旋桨会象风车一样继续沿着原来的方向旋转，这种现象，叫螺旋桨自转。螺旋桨自转，不是发动机带动的，而是被桨叶的迎面气流“推着”转的。它不但不能产生拉力，反而增加了飞机的阻力。螺旋桨发生自转时，由于形成了较大的负迎角。桨叶的总空气动力方向及作用发生了质的变化。它的一个分力(Q)与切向速度(U)的方向相同，成为推动桨叶自动旋转的动力，迫使桨叶沿原来方向续继旋转：另一个分力(-P)与速度方向相反，对飞行起着阻力作用。一些超轻型飞机的发动机空中停车后由于飞行速度较小，产生自旋力矩不能克服螺旋桨的阻旋力矩时螺旋桨不会出现自转。此时，桨叶阻力较大，飞机的升阻比(或称滑翔比)将大大降低。

其实螺旋桨只是船舶推进器的一种，此外还有喷水推进器。