螺旋桨的空气动力特性讲解

桨叶迎角对拉力和旋转阻力力矩的影响，与机翼迎
角对升力和阻力的影响相似，桨叶迎角增加，桨叶的空
气动力也增大，拉力和旋转阻力力矩都相应增大。
•
但是，桨叶迎角不能过大。因为桨叶迎角超过某一
数值(相当于机冀的临界迎角)后前桨面会出现严重的气
流分离现象。
• 这样，前、后桨面的压强差就会降低；而桨叶前、后缘的压强 差就会升高。于是，桨叶空气动力的方向将靠近旋转面，使螺
变化的程度，相应地改变桨叶角，保持桨叶迎角不变。
而合速度大小的变化不多，则桨叶空气动力的大小基本
不变。但空气动力的方向更加偏离桨轴，而使旋转阻力 增加和拉力减小，如图3—5—16(a)、(b)所示。旋转阻 力增大，还会迫使转速减小下来。对恒速螺旋桨(例如 安—26等飞机的螺旋桨)来说，在飞行速度增大的过程
•
桨叶是用来产生拉力的部分。现代飞机的螺旋
桨一般有2—4个桨叶。
• 桨叶平面形状有的如同鸟的翅膀(参见图3—5—2(a)。
为了增大拉力和提高螺旋桨效率，桨叶的平面形状
逐渐改善。现在使用较多的螺旋桨，其桨叶平形状， 是中间宽、两头窄(如图3—5—2b)。高速旋转的螺 旋桨，其桨叶有矩形或马刀形(见图3—5—2c,d)。
•
桨叶的空气动力对螺旋桨的运动起着两个作用：
一是拉着螺旋桨和飞机前进；二是阻碍螺旋桨旋转。
因此，可将桨叶的空气动力（R）分解为两个分力 （见图3-5-11中c）一是与桨轴平行，拉着螺旋桨和飞 机前进的拉力（P）；二是与桨轴垂直，阻碍螺旋桨 旋转的旋转阻力（Q）
•
如图3—5—12所示：由于螺旋桨叶的拉力
合速度与桨弦方向之间的夹角，如图3—5—6所示。桨
叶迎角是随桨叶角、飞行速度和切向速度的改变而变化
的。
•
(一)桨叶迎角随桨叶角的变化；
•
如图3—5—6所示，当切向速度和飞行速度都一定
时，桨叶角增大，桨叶迎角也随之增大；桨叶角减小，
桨叶迎角也随之减小。
• （二）桨叶迎角随飞行速度的变化
• 如图3—5—7所示，在桨叶角和切向速度均不变的
• (三)桨叶迎角随切向速度的变化
• 在桨叶角和飞行速度不变的情况下，如果转速增加，
则切向速度(U= 2) r增n大，前进比减小；即合速度
的方向靠近旋转面，故桨叶迎角增大，参见图3-5-8。 同理，转速减小，则桨叶迎角也随之减小。
• (四)桨叶的扭转
• 如果桨叶无几何扭转，即各桨叶剖面的桨叶角都相同， 那么，由于桨叶各剖面离桨轴的距离远近不同，各切向 速度都不相等，合速度的方向也就不会相同，所以各桨 叶迎角也不一样。例如，靠近桨根的桨叶切面，其切向 速度较小，桨叶迎角也较小，如图3-5-9所示。
叶迎角不变，则θ角也保持不变，于是桨叶空气动力(R)
与合速度(W)之间的夹角(
)也90保 持 不变。因此，
在桨叶迎角不变的条件下,若合速度偏离旋转面的角度
越大则桨叶空气动力偏离桨轴的夹角也越大。
•
(五)桨叶数目的影响
•
桨叶数目增多，桨叶的总面积加大，拉力系数和旋
转阻力系数都会变大。但桨叶数目不能过多，否则，由
旋桨的拉力减小，而旋转阻力力矩增大。
•
(四)桨叶切面合速度的影响
•
同飞行速度对机翼的升、阻力的影响一样，桨叶切面的合
速度增大，桨叶的空气动力也会变大，故螺旋桨的拉力和旋转
阻力力矩也都增加。反之，合速度减小，则拉力和旋转阻力力
矩都减小。
•
在飞行中，飞行员主要是通过改变螺旋桨转速的办法，来
改变合速度的大小。在其他因素不变的条件下，增大转速，切
•
λ=C∕nD
• 式中 C—飞行速度[米／秒]
•
n一螺旋桨转速[转／秒]；
•
D一螺旋桨直径[米]
•wk.baidu.com为什么桨叶切面的合速度方向可用前进比来表示呢?参见图3—
5—5，若合速度与旋转面之间的夹角以 表示，则
• • •
tg C
①
式中，桨叶切U面的切向速度(U)可用下式表示：
•
U 2 nD
• 情况下，飞行速度增大。因前进比( C ) 随之增大，
nD
• 即合速度方向越偏离旋转面，故桨叶迎角减小。当飞行 速度增大到某一个数值时，桨叶迎角减小到零(如图3— 5—7c)；若飞行速度继续增大，例如飞机在俯冲时，
• 桨叶迎角随之增大；当飞行速度为零，如飞机在地面试 车时，桨叶迎角就增大到等于桨叶角(如图3-5-7a)。
于相邻桨叶之间的干扰，会使旋转阻力力矩增加的倍数
大于拉力增加的倍数，螺旋桨的效率降低，反而不利。
• (六)桨叶切面形状和平面形状的影响
• 在一定范围内，桨叶切面的厚弦比(桨叶切面的最 大厚度与桨弦的比值)和中弧曲度 (桨叶切面的最大弧 高与桨弦的比值)增大，拉力和旋转阻力力矩都增大。 其道理同翼型对机翼升力和阻力的影响一样。
§5—2 螺旋桨的拉力和旋转阻力力矩
一、螺旋桨拉力和旋转阻力力矩的产生
如图3—5—11a、b所示，螺旋桨在旋转中，桨 叶与空气发生相对运动，空气流过桨叶的前桨面，就 象流过机翼上表面一样，流管变细，流速加快，压强 降低；空气流过桨叶的后桨面，就象流过机翼下表面 一样，流管变粗，压强升高。流进桨叶前缘，气流受 到阻挡，流速减慢，压强提高；流进桨叶后缘，气流 分离，形成涡流区，压强下降。这样，在桨叶的前后 表面和前后缘均形成压强差。这种压强和气流作用于 桨叶上的摩擦力综合在一起，就构成了桨叶的空气动 力（R）
四、螺旋桨拉力在飞行中的变化
•
现代飞机都安装有恒速螺旋桨。恒速螺旋桨是这样
一种变距螺旋桨，即如果变距杆不动，尽管油门位置、
飞行速度或高度改变，转速始终保持不变。恒速螺旋桨
的拉力主要随飞行速度、油门位置和飞行高度而变化。
•
(一)拉力随飞行速度的变化
•
在油门位置保持不变的条件下，飞行速度增大，合
速度的方向更加偏离旋转面。此时，若按照合速度方向
• (一)空气密度的影响
• 空气密度对拉力和旋转阻力力矩的影响，与空气 密度对机翼升力和阻力的影响相似。空气密度减小， 桨叶的空气动力减小，拉力和旋转阻力力矩都随之减 小；反之，空气密度增加，拉力和旋转阻力力矩都要 增大。
(二)螺旋桨直径的影响
•
螺旋桨直径增大，一方面相当于增加了桨叶面积；
另一方面还使桨尖的切向速度增大，合速度随之增大。
• 为了使桨叶各切面的迎角相差不致过大，通常都把 桨叶做成扭转的。即从桨根到桨尖，桨叶角逐渐减小， 如图3—5—10所示。
• 对于扭转的桨叶，是以某一桨叶切面的桨叶角代表 整个桨叶的桨叶角。通常选取位于螺旋桨半径75％或离 桨轴1米处桨叶切面桨叶角来代表整个桨叶角。例如安 一25飞机螺旋桨桨叶角，规定为半径1米处桨叶切面的 桨叶角。通常在此处画有黄色的线条作标记。
• •
面的切合向速速度度，U与以=前2Wπ进r表n速示度，所我合们成知的道速，度(，W称为U桨叶C切)，
如图 3—5—5所示。桨叶切面的相对气流速度，与此
• (二)前进比 • 桨叶切面合速度的方向；可用前进比( λ)来表示。前进比是飞
行速度同螺旋桨的转速与直径的两者乘积之比。可用下式表示。
点与拧螺丝钉的情形相象。桨叶每一点的运动轨迹， 都是一条螺旋线，见图3—5—4。
• （一）桨叶切面的合速度
• 既然螺旋桨是一面旋转，一面前进，所以桨叶各 切面都具有两种速度。一是前进速度（C），即飞机 的飞行速度；一是因旋转而产生的圆周，或称切向速 度（U）其大小取决于螺旋桨的转速（n）和各切面 离桨轴的距离（r）。转速越大，同一切面的切向速 度也越大。转速相同时，桨叶切面离桨轴越远，切向 速度也越大，桨叶切面的切向速度，可用下式计算， 即
(合P成1 和一P个2 )总，的其力方，向就都是相整同个，螺所旋以桨可的将拉各力个。桨至叶于的各拉桨力
叶的旋转阻力( Q1和 Q2 )，由于它们与桨轴都有一段距 离，其方向又都与该桨叶的切向速度的方向相反，所
以形成阻碍螺旋桨旋转的力矩，此力矩称为旋转阻力
力矩。这个力矩是由发动机转轴发出的旋转力矩来平
• 引起旋转阻力增大和拉力减小。整个螺旋桨的旋转阻力 力矩也就随之增大，拉力也就随之减小。
•
合速度的方向改变时，桨叶空气动力的方向随之改
变的道理可以这样解释：由于桨叶在气流中的工作情况
和机翼相似，其空气动力(R)，也可以分解为垂于相对
气如当Rx流图于方机3—向翼5的的—分性15力质所角(示R。y。)和θR角平与的行大于之小相间随R对的x桨气夹叶流角迎方以角向θ而表的变示分。，力若它( 桨相)，
向速度变大，合速度增大，因此螺旋桨拉力和旋转阻力力矩也
随之增大。反之，转速减小，合速度减小，拉力和旋转阻力力
矩也随之减小。
• 如果合速度的大小和桨叶迎角都保持不变，当合速度的方
向改变时，由于桨叶空气动力的方向随之改变。螺旋桨的力和 旋转阻力力矩也会变化。从图3—5—14可以看出，合速度的方 向越是偏离旋转面，则桨叶空气动力的方向越偏离桨轴，从而
因此，桨叶的空气动力增大，拉力和旋转阻力力矩都迅
速增大。
•
但是，螺旋桨直径的增大是有限度的。如螺旋桨力
矩急剧增大，而拉力甚至还可能减小。此外，螺旋桨直
径太大时，起落架必须做得很高，以保证飞机能在地面 停放或试车，这样就增加了构造上的困难。因此，螺旋 桨直径也受到构造上的限制。
•
(三)桨叶迎角的影响
•
桨叶形状、桨叶迎角、桨叶合速度方向和表面质量等 因素对螺旋桨旋转阻力的影响。
三、影响螺旋桨拉力和旋转阻力力矩的因素
• 从拉力公式和旋转阻力公式可以看出，影响拉力 和旋转阻力(也就是影响旋转阻力力矩)的因素有空气 密度、螺旋桨转速、螺旋桨直径、拉力系数和旋转阻 力系数等。则拉力系数和旋转阻力系数又取决于螺旋 桨的桨叶数目、桨叶的切面形状、平面形状、表面质 量、桨叶迎角和桨叶合速度的方向等因素。
• •
D
将②代入①式,得 tgγ=
D 2
②
• 由（3-5-3）式中可见，前进比（λ ）越大， 角也越大，说明合
速度的方向越偏离旋转面。反之，前进比越小，说明合速度的方 向越接近旋转面。
三、桨叶迎角的变化
•
桨叶切面的相对气流方向与桨弦方向之间的夹角，
称为桨叶角，也以 表示。桨叶迎角也就是桨叶切面
螺旋桨的空气动力特性
介绍螺旋桨性能分析数据 和螺旋桨的空气动力特性
螺旋桨的性能分析数据 螺旋桨的空气动力特性
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§5—1 螺旋桨的几何特性和运动特性
一.螺旋桨的主要部分和几何形状
•
现代的螺旋桨主要由桨叶、桨毂及桨叶变距机
构等组成，如图3—5—1所示
•
桨毂是联结桨叶和发动机转轴的装置，有的变
距螺旋桨桨毂还用来产生液压变距力矩。
衡。若发动机转轴发出的力矩大于旋转阻力力矩，螺
旋桨的转速就会增大；反之，发动机转轴发出的力矩
小于旋转阻力力矩，则螺旋桨的转速就会降低。只有
在两力矩相等时，螺旋桨的转速才能保持不变。
二、螺旋桨拉力公式和旋转阻力公式
• 在桨叶半径r处取一宽度为dr的微元桨叶， 该微元桨叶叫叶素，其面积为b×dr,b是半径 为r处的桨弦。该叶素的运动速度和所产生的 空气动力，如图3—5—13所示。
• 桨叶的切面形状与翼型相似，前桨面的 弯曲度较大，后桨面的弯曲度较小，相当 于机翼的上表面和下表面，桨叶的切面形 状又称叶型。
• 桨叶切面的前缘与后缘的连线，叫做桨 弦(b)，或叫桨叶宽度：如图3—5—3所示。
• 桨弦与螺旋桨直径之比(b／D)，叫桨叶 相对宽度。
二.螺旋桨的运动 • 飞行中，螺旋桨一面旋转，一面前进。其运动特
• 经过推导，螺旋桨拉力和旋转阻力的大小可用 下列公式表示：
P= CP n 2 D 4
•
Q= CQ n2 D4
• 式中 P一螺旋桨拉力[牛顿]；
•
• 叶形C状P、桨—叶—迎螺角旋、桨桨拉叶力合系速数度，方表向示和桨表叶面数质目量、等桨因
素对拉力的影响；
• ——空气密度[千克／米]；
• n——螺旋桨转速[转／秒]; • D——螺旋桨直径[米]； • Q——螺旋桨旋转阻力[牛顿]; • CQ ——螺旋桨旋转阻力系数，表示桨叶数目、
• (七)维护质量对螺旋桨拉力和旋转阻力力矩的影响
• 由以上分析可以看出，螺旋桨的拉力和旋转阻力 力矩与螺旋桨的外形有密切关系。特别是因为桨叶的 相对气流速度很大，桨叶稍有变形或伤痕，旋转阻力 力矩就会迅速增大，螺旋桨的空气动力性能就会显著 降低。因此，机务维护人员在使用和维护螺旋桨时， 要特别注意保持螺旋桨表面形状和光洁度。在开车前， 应把螺旋桨附近的地面打扫干净，并要仔细检查场地， 以免在飞机开车或滑行时，吸起砂石，打坏桨面，破 坏其空气动力性能。