2.螺旋桨及其副作用

编号

南京航空航天大学

毕业论文题目 2.螺旋桨及其副作用

学生姓名顾军

学号070750526

学院民航（飞行）学院

专业飞行技术

班级0707505

指导教师蔡中长实验师

二〇一二年九月

南京航空航天大学

本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：2.螺旋桨及其副作用）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

作者签名：年月日

（学号）：070750526

螺旋桨及其副作用

摘要

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。飞行学员的飞行生涯也都是从螺旋桨飞机开始的，螺旋桨是为飞机提供动力的主要组成部分，但其在提供动力的同时也给飞行带来一些副作用。在飞行过程中，飞行员应该根据各种飞行需要，克服螺旋桨所带来的副作用，保证飞机的正常飞行。本文先简单的介绍了螺旋桨的结构和工作原理，然后是螺旋桨的主要四种副作用：反作用力矩、滑流效应、进动效应和不对称载荷，从根本上讲述了各个副作用的形成原因以及作用结果，最后谈论了改正措施和个人DA42双发螺旋桨飞机的训练经验。希望本篇文章会为以后飞行学员训练提供很大的帮助。

关键词：螺旋桨，工作原理，副作用

Propeller and the Side Effect

Abstract

From the birth of the first aircraft until the end of World War II, almost all of the aircraft are propeller aircraft. All the pilot students start by propeller aircraft. Propeller is the main component to provide power to the flight, but at the same time it brings some side effects. In flight, the pilot should overcome the side effects caused by the propeller basing on a variety of operational needs, in order to ensure the aircraft has normal flight. In this paper, firstly there is a brief introducing the propeller structure and principle of work. Then I talk about four kinds of side effects of the propeller mainly. They are reaction torque, slipstream effect, the precession effect and asymmetric loads. This article explains the causes and the results of the side effects fundamentally. Finally some corrective measures and training experience of DA42 propeller aircraft are shared. I hope this will be helpful for the pilot students.

Key Words: Propeller; Principles of work; Side effect

目录

摘要 (i)

Abstract (ii)

第一章引言 (1)

第二章螺旋桨的组成结构及工作原理 (3)

2.1 螺旋桨结构简介 (3)

2.2 螺旋桨的工作原理 (3)

2.3 螺旋桨的有效功率 (5)

第三章螺旋桨副作用 (7)

3.1 反作用力矩 (7)

3.2 滑流扭转作用 (7)

3.3 进动效应 (7)

3.4 不对称载荷 (8)

第四章修正措施和Diamond 42训练经验 (11)

4.1 修正措施 (11)

4.2 Diamond 42 训练经验 (11)

第五章结论 (13)

参考文献 (13)

致谢 (14)

第一章引言

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。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。同时现在培训飞行学员训练所用的全部为螺旋桨飞机。

对飞行学员来说如何的学好飞行技术，扎实的理论是必要的，同时在训练飞行中遇到飞机本身的设计问题，这种问题是不可避免的，例如螺旋桨的副作用问题，如何熟练的修正副作用，是飞行学员在训练期间所应该掌握的。现在国内外通常使用的飞行训练机为单引擎和双引擎的螺旋桨飞机，因此熟练掌握螺旋桨的特点及飞行中其副作用的影响对每一个飞行学员至关重要。通过查阅相关文献资料及总结飞行经历，得出螺旋桨运转时产生的副作用主要有：来自发动机或者螺旋桨的反作用力矩、气流的滑流效应、进动效应、非对称负载。学员在飞行训练期间应能充分理解上述副作用及危害，熟练掌握相应的修正策略，并在飞行过程中正确使用，以有效促进飞行技术的快速提高。

本文主要分为四大部分，分别是螺旋桨的组成结构、工作原理、螺旋桨副作用、DA42训练经验，图1.1和1.2为DA42飞机。

图1.1 DA42 机型a

图 1.2 DA42机型 b

第二章螺旋桨的组成结构及工作原理

2.1 螺旋桨结构简介

螺旋桨一般分为定距螺旋桨和变距螺旋桨。早期飞机大多使用桨叶角固定不变的螺旋桨，即定距螺旋桨，其结构简单，但不能适应飞行速度变化。飞行速度大于200公里/时则需用变桨距螺旋桨，可有效提高螺旋桨的效率。但变距螺旋桨构造复杂，成本较高，适用于一些速度较高、功率较大的飞机。

螺旋桨主要由桨叶和桨毂组成，桨叶是产生拉力的构件，桨毂用于安装桨叶，并将螺旋桨固定在发动机轴上，如图2.1。桨叶包括叶根、叶尖、前缘和后缘几个部分。早期的螺旋桨多为两个桨叶，随着大功率发动机的出现和发展，先后出现了三叶、四叶和五叶等多叶螺旋桨[1]。

图2.1 螺旋桨的组成

2.2 螺旋桨的工作原理

对于定距螺旋桨，只有一个前进速度和转速比，即只有在某一攻角时，螺旋桨效率最高，此攻角叫做最有利攻角。设计者根据飞机的主要用途选用最有利攻角。

当飞机在地面静止而发动机工作时，或者在起飞开始阶段缓慢的移动时，螺旋桨效率是较低，因为螺旋桨受阻力不能全速前进以达到它的最大效率。这时，每一个螺旋桨

叶以一定的迎角在空气中旋转，相对于旋转它所需要的功率大小来说产生的推力较小。

为理解螺旋桨的运动，首先考虑它的运动，它是既旋转又向前。因此，螺旋桨叶的每一部分向下和向前运动。空气冲击螺旋桨叶的角度就是迎角。这个角度导致了在螺旋桨发动机侧的气动压力比大气压力大，所以产生了拉力。

叶剖面工作原理与飞机机翼的翼型产生升力的道理相似。当螺旋桨旋转时，气流流过凸起的叶背，根据伯努利原理，流速增大，静压力减小，产生结果产生向前进方向的升力，亦即飞机向前飞行的拉力。空气密度越大，螺旋桨扇后方向的空气质量越大，螺旋桨产生的拉力越大；相反，空气密度越小，螺旋桨产生的拉力越小。因此，在高空或高温大气中飞行时，螺旋桨产生的拉力要比在低空或低温大气中飞行时的小。

考虑拉力的另外一个方法是螺旋桨所处理的空气质量问题。这方面，推力等于它的空气质量，螺旋桨引起的滑流速度越大，飞机速度就越小。产生推力的功率取决于空气团的运动速度。一般来说，推力大约是扭矩的80%，其它20%消耗在摩擦阻力和滑流上。对于任何旋转速度，螺旋桨吸收的马力与发动机输出的马力平衡。对螺旋桨的任意一周，螺旋桨处理的空气总量依赖于桨叶角，其确定了螺旋桨推动空气的质量。所以，桨叶角是一个很好的控制发动机转速调整螺旋桨负荷的方法。

为了使螺旋桨旋转一周和前进速度的效率最好而设计了定距和变距螺旋桨。这些螺旋桨设计用于特定的飞机和发动机配合。这样可以在飞机起飞、爬升和巡航或高速巡航时提供最大螺旋桨效率。变距螺旋桨会在飞行中遇到的大多数情况下自动调节它的桨叶角保持在最大效率。在起飞时，此时要求最大的功率和推力，恒速螺旋桨处于小桨叶角或小桨距。小桨叶角时迎角相对较小，以保持良好的空气动力特性。同时，它使得螺旋桨旋转一周推动的空气质量更小。这样的轻载荷让发动机转速更高，能够在一定时间内把大量的燃油转化成热能。高转速也产生了最大的推力，因为，尽管每旋转一周推动的空气质量变小，但是每分钟的旋转次数大大增加，推动的气流运动速度增加，飞机低速时，所产生的拉力最大。

升空后，随着飞机速度的增加，恒速螺旋桨自动改变到大桨叶角。桨叶角变大会使得迎角变小，以保证良好的空气动力特性。大桨叶角增加了每周旋转推动的空气质量，降低了发动机的转速，减少了燃油消耗和发动机磨损，并能够保持最大推力。

在巡航高度，当飞机处于水平飞行时，所需功率低于起飞和爬升状态，飞行员应通

过减小进气压力、降低发动机功率和增加桨叶角来降低转速。然而，这就对扭矩的要求必须与发动机功率的降低相匹配。因为，尽管螺旋桨每转处理的空气质量增加，更多的是通过降低气流速度和增加空速来弥补[2]。

2.3 螺旋桨的有效功率

定义：螺旋桨产生拉力，拉着飞机前进，对飞机作功，螺旋桨单位时间所作功，即为螺旋桨的有效功率。公式为：

N桨＝PV

式中：N桨—螺旋桨的有效功率，P—螺旋桨的拉力，V—飞行速度螺旋桨有效功率随飞行速度的变化：

A.地面试车时，飞机没有前进速度(V＝0)，拉力没有对飞机作功，故螺旋桨的有

效功率为“零”。

B.飞行速度增大时，从实际测得的螺旋桨有效功率曲线：图2.2。

图2.2螺旋桨有效功率曲线

1)0-V N范围内，螺旋桨的效功率随飞行速度的增大而增大；在大于该速度范围

后螺旋桨有效功率则随飞行速度的增大而减小。

2)0-V N范围内，当飞行速度增大时，拉力减小较慢，随速度的增大，螺旋桨有

效功率逐渐提高。

3)当飞行速度增大到V N时，螺旋桨的有效功率最大。

4)当飞行速度再增大时，由于拉力迅速减小，因此随着飞行速度的增加而螺旋

桨有效功率反会降低。

螺旋桨是发动机带动旋转的，螺旋桨的作用是把发动机的功率转变为拉着飞机前进的有效功率。

螺旋桨有效功率(N桨)与发动机有效输出功率(N有效)之比，叫螺旋桨效率(η)。

η=N

桨/N

有效

第三章螺旋桨副作用

螺旋桨在其工作过程中，一方面产生拉力，拉着飞机前进；另一方面还会产生一些副作用，给正常飞行带来不利的影响，这些副作用包括螺旋桨的反作用力矩、滑流扭转作用、进动效应、非对称负载等。本章节将分析它们产生的原因和对飞行的影响。

3.1 反作用力矩

大多数的飞机发动机推动螺旋桨旋转从飞行员座位上看是顺时针的。内部的发动机部件或者螺旋桨朝一个方向旋转，那么另一个方向相反的大小相等的反作用力矩试图把飞机朝相反方向旋转。当飞机在空中飞行时，这个力绕飞机纵轴作用，产生力矩，有让飞机旋转的趋势,如图3.1。为了补偿这个力矩，现代飞机设计时通常用发动机偏移来抵消扭矩的效应。

图3.1 螺旋桨的反作用力矩

一般的为了补偿这个力矩是永久设定好的，在巡航速度上补偿这个力矩，因为大多数飞机的工作升力就是在这个速度上。但是，副翼配平片可以在其他速度上进一步调节。

起飞旋转期间飞机的轮子在地面上，扭矩反作用力矩引起一个额外的绕飞机垂直轴的旋转运动。当飞机的左侧因为扭矩反作用力矩而被强制向下时，左侧的主起落架承受更多的重量。这导致左侧轮胎的地面摩擦力或者阻力比右侧更多，这样就一步导致了左转弯运动。这个运动的强度依赖于很多变量。一部分变量是：

1)发动机尺寸和马力

2)螺旋桨尺寸和转速

3)飞机大小（长度，高度，宽度）

4)地面条件

在起飞阶段，飞行员必须正确地使用方向舵或者方向舵配平，从而进行修正，以避免出现冲出跑道等危险事故的发生[3]。

3.2 滑流扭转作用

飞机螺旋桨的高速旋转是螺旋桨引起的气流做螺旋状旋转。在螺旋桨高速转动和低速前进时（如起飞和进近），这个螺旋桨的气流非常强劲，在飞机的垂直尾翼上施加一个强的侧面力，如图3.2。

图3.2 螺旋状气流效应

当这个螺旋状气流冲击垂直翼面的左侧时，它导致飞机绕垂直轴的左转弯运动。螺旋气流越强，这个理就越明显。然而，随前进速度的增加，螺旋气流变长，效应变弱。

螺旋桨引起的螺旋状气流也会导致绕纵轴的滚转运动。注意到这个由于螺旋气流引起的滚转运动是向右的，而扭转反作用力引起的旋转是向左的，效果上说是互相抵消的。

但是这些力变化非常大，此时应由飞行员随时使用飞行控制来适当纠正。

3.3 进动效应

陀螺仪的所有实际应用都基于陀螺效应的两个基本属性：在空间和进动上的刚度。

这里要讨论的就是进动。进动是一个自旋转子受到作用于轮缘的扰动力的合成作用，或者扰动。当作用一个力之后，合成力在旋转方向前面90度位置生效，对于这个力而产生影响。

飞机旋转地螺旋桨是一个很好的陀螺装置，这样它也有类似属性。任何时刻施加一

个扰动螺旋桨旋转面的力，合成力位于旋转方向的前面90度位置，方向和施加的力是一样的，将导致一个俯仰运动或者偏航运动，或者两种运动的合成，具体依赖于力的作用点。

进动效应的在后三点式飞机上表现较为显著，在尾轮抬起后的飞机起飞摇摆过程中最常发生，受力分析见图3.3。

图3.3 飞机进动效应

俯仰角的变化和在螺旋桨飞机的旋转顶部施加一个力有相同的效应。合成力在垂直轴的90度位置发生作用，导致飞机向左偏航运动。这个运动的程度取决于很多变量，其中之一是尾轮抬升后的急转。然而，当一个力作用到转动的螺旋桨的边缘的任何一点，进动或者陀螺效应总会发生；合成力将依然是在旋转方向上偏离作用点90度的位置。根据力的作用位置，会导致飞机左偏航或者右偏航，上仰或者俯冲，或者俯仰和偏航的结合。

进动效应的结果可以这样说，任何绕垂直轴的偏航导致俯仰运动，任何绕横轴的俯仰导致偏航运动，简单来讲，机头向上时会附带右偏的趋势（如果螺旋桨是顺时针的），机头向右转时会附带向下的趋势。为纠正进动效应的影响，飞行员有必要适当的使用升降舵和方向舵来防止不必要的俯仰和偏航运动[4]。

3.4 不对称载荷

当飞机以大迎角飞行时，向下运动的桨叶受力比向上运动的桨叶大；这样推力中心就移动到了螺旋桨旋转面的右侧，导致绕垂直轴的向左偏航运动。然而，要证明这种现象，必须考虑每一个桨叶上的有效风量问题，再考虑飞机迎角和每个桨叶的迎角双重因素。

这个不对称载荷是由合成速度引起的，合成速度是螺旋桨叶在它的旋转面内的速度和空气水平的通过旋转面的通过速度合成得来的。飞机以正迎角飞行时，从后面看右侧或者下降运动的桨叶通过区域的合成速度比左侧向上运动的桨叶合成速度大。由于螺旋桨叶是一种翼面，增加的速度意味着升力增加。因此，向下运动的桨叶有更多的“升力”（相当于机翼的升力，这里对于螺旋桨就是螺旋桨产生的推力）趋向于把飞机头向左拉[5]。

图3.4 不对称载荷

简而言之，当飞机以大迎角飞行时，向下运动的桨叶产生了更多的推力。如图3.4所示。如果螺旋桨轴是垂直于地面安装的话（就像直升机）这会更容易看到。

如果根本就没有空气运动，除由螺旋桨本身产生的风之外，每一个桨叶的相同部分应该有相同部分的速度。但是，当空气水平通过这个垂直安装的螺旋桨时，朝气流前进的桨叶会比背离气流运动的桨叶有更大的空速（桨叶相对空气的速度）。这样，朝水平气流旋转地桨叶将产生更多的升力，或者推力，把推力中心朝那些桨叶方向移动。设想旋转垂直安装轴的螺旋桨来使降低相对气流的角度（就像在飞机上）。这个不平衡的推力然后成比例的变小，直到达零，这是螺旋桨轴恰好相对移动的空气是水平的。

第四章修正措施和Diamond 42 训练经验

4.1 修正措施

上述四个副作用中的每一个数值都随飞行状态变化而变化。在飞行的一个阶段，这些作用中的一个可能比其他的更突出；反之，在另一个阶段可能另外的作用更为主要，这些值之间的关系会随不同飞机而变化，依赖于机身，发动机和螺旋桨组合以及其它涉及特征。

为在所有飞行条件下保持飞机的正确控制，飞行员必须应用必要的飞行控制来补偿这些变化的值，参照表3.1[6]。

表3.1 螺旋桨副作用的修正

螺旋桨副作用修正策略

反作用力矩操作操纵杆向发动机旋转反方向转动

滑流效应依靠方向舵去控制两边的气流作用面

进动效应向进动的反方向协调和操纵驾驶盘和方向舵

不对称载荷依靠方向舵控制飞行轨迹

从上一章可归纳出，传统螺旋桨的副作用包括反作用力矩、滑流扭转作用、进动效应以及不对称载荷等。这些副作用在飞行过程中常常会影响到正常的飞行操作和飞行安全，飞行员应该予以极高的重视。

4.2 Diamond 42 训练经验

在法国sefa航校训练中，半年时间是用DA42在飞行训练，用这机型考了商照和仪表照，个人觉得这飞机操作性能和仪表都很好，唯一缺点就是发动机动力不足。

一开始接触这飞机时是用目视飞行规则飞的，第一次在跑道上起飞时，个人觉得螺旋桨的翻左营效应相对单发的飞机小一点，上了天后，因为这飞机比单发的DA40重，所以操纵相对稳一点。第三次飞这飞机时，教官带我们体验了一下空中一个发动机失效，图4.1,。机头偏的很大，这时需要我们用方向舵改回航向，并配平，踩舵时工作发动机一

边的脚用力。DA42的发动机螺旋桨也是顺时针转的，所以当左边发动机失效时，机头偏转是最大，这时踩舵相对右发失效要多一点，所以左发也叫临界发动机，值得飞行学员注意。

图4.1 单发失效

之后的训练中，基本上每次都有单发失效，不过是教官模拟的，教官会将油门拉倒10%左右，因为10%的油门推力正好克服了螺旋桨低速转产生的阻力。DA42的发动机是由engine master 控制的，就一个油门杆，桨叶的攻角是由engine master 控制，因此，当单发失效时，首先做的事是断自动驾驶仪，油门推到最大，然后就得收襟翼、起落架，关闭engine mater，这样发动机的桨叶就会feather，大大减小螺旋桨的阻力，不工作发动机油门打到零，最后是踩舵回原来航向并配平。从个人经验上来看，rudder trim(方向舵配平)先转个一般，然后逐渐增大到脚上感觉不需用力为止。

在这里得声明下，因为sefa航校的规定，单发失效后飞机需保持水平，所以我们的单发失效训练的修正都是踩舵，而不用倾斜飞机。

在单发失效的训练中，有两个是关键，分别是临界发动机和最小控制速度Vmc 。所谓Vmc即是由制造商决定当在双发飞机中临界发动机失效时，能够保持飞机的航向，其范围不能超过20度，并且保持直线飞行在不超过5度倾斜角的最小速度。

第五章结论

本文阐述了训练飞机螺旋桨的组成结构及工作原理，对螺旋桨的有效功率等问题进行了简单的介绍，然后对后文螺旋桨副作用的分析进行，并提出了一些修正措施。飞行员在职业生涯中充满了学习和挑战，但一切成功都要靠飞行员对飞机基础知识的了解来做基础。全面深入地了解飞机特性，是任何飞行员都应该具备的基本素质。

文章还分析飞行过程中产生的各种副作用，以及如何消除一些不利的影响，旨在提高帮助飞行学员认清各种状况下螺旋桨所带来的不利因素。即使现代的飞行训练机已经比较先进，但飞行学员在飞行训练的时候一定不能麻痹大意，时刻注意飞机的状态和安全，小错误往往是在疏忽中发生的，而飞行中是不允许一点小错误的，作为一名飞行员，时刻保持谨慎态度是责任更是义务，熟练掌握飞行知识，在各个方面保证飞行的安全。

参考文献

[1] 李汝辉，吴一黄.活塞式航空动力装置[M].北京航空航天大学出版社，2007，(10) . 86~95

[2] Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge [M].FAA 2009，(09) .102~112

[3] 倪章松，贺德馨.等效动压洞壁干扰修正方法的研究与应用[J].空气动力学学报，2000，(01). 12~16

[4] 王钟强.让轻型飞机自由飞翔──美国“小飞机运输系统”(SATS)计划[J].国际航空，2001，(09). 51~58

[5] 周杨.微小型发动机涡轮气动设计研究[J].四川兵工学报，2010，(01). 35~41

[6] 高明泉.飞机与噪声[J].航空知识，1996，(04). 96~110

致谢

这次毕业论文得以圆满地完成，首先我要特别感谢我的论文导师蔡中长老师。这篇论文从开题、修改到最终定稿，蔡中长老师都对我提出了很多建设性意见，让我能够比较顺利地完成本篇文章。谨此对蔡老师致以衷心地感谢！同时，也感谢南京航空航天大学和法国sefa 航校所有帮助我的老师和教官，从他们身上我学到了很多。而他们教给我的知识将会给我未来的飞行事业带来很大的帮助。