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螺旋桨原理及其应用


论文题目: 直升飞机螺旋桨原理及其应用
北京四中 高一 吴士荀 北京四中 高一 唐明昊 北京四中 高一 杨宗翰 北京四中 高一 赵铂琛 指导教师: 北京四中 魏华

2014 年 5 月

摘要
螺旋桨的出现加快了世界前进的脚步, 给我们带来了各种方便与 快捷。 我和组员就是三个不折不扣的航空迷。 在生活中, 各种媒体

里, 我们看到了螺旋桨的神奇效用, 一个简单的扇叶竟能够使一架几吨重 的庞然大物在空中轻盈飞翔。 身为中学生的我们能否通过自己的聪明 才智研究其中的奥妙呢?于是我们运用了资料查询法、小组讨论法 等方法进行了研究。经过了一学年的研究,我们初步探究了直升飞机 螺旋桨的原理及其应用。

目录:

一、问题的提出

二、研究目的

三、直升飞机及螺旋桨概述

四、感想体会

五、参考资料及鸣谢 一、问题的提出
背景: 在当今社会中, 螺旋桨扮演着越来越重要的角色。 从我们身边的遥控

飞机, 到翱翔在空中的各种飞行器无一不归功于螺旋桨的发明。 然而, 看似简单的扇叶是如何实现了多年来人类飞行的梦想呢?本组本着 对科学的好奇以及对知识的渴望, 进行了本课题的研究, 意在探究螺 旋桨的原理及其应用以及它潜在的发展空间以及存在问题, 为罗湘江 的进一步发展提出可行化建议。

二、研究目的
1.目的与意义:研究螺旋桨原理及其应用,明确其发展方向 以及现存的问题。 2.必要性:螺旋桨的应用将在人们的生活中日益普遍,在不 久的将来,螺旋桨也将存在于我们的身边,因此有必要了解 它的原理及其应用,并研究它的现存问题。 3.可行性: 从中学生所掌握的知识出发, 并向大学知识拓展, 运用各类知识学习螺旋桨的原理及其应用,探究其发展方向, 分析现存问题。

三、直升飞机及螺旋桨概述
(一)直升飞机 1.简介
直升机:直升机的最大时速可达 300km/h 以上,俯冲极限速度近 400km/h,实用升限可达 6000 米(世界纪录为 12450m),一般航程可

达 600~800km 左右。 携带机内、 外副油箱转场航程可达 2000km 以上。 根据不同的需要直升机有不同的起飞重量。 当前世界上投入使用的重 型直升机最大的是俄罗斯的米-26(最大起飞重量达 56t,有效载荷 20t)。当前实际应用的是机械驱动式的单旋翼直升机及双旋翼直升 机,其中又以单旋翼直升机数量最多。[1] 直升机本质上是不同于飞机的另一种飞行器,其推力,升力和操纵的 实现均和飞机有比较大的差距,因此,直升飞机是一种错误的叫法。

2.优缺点
优点
直升机的突出特点是可以做低空 (离地面数米) 、 低速 (从悬停开始) 和机头方向不变的机动飞行,特别是可在小面积场地垂直起降。由于 这些特点使其具有广阔的用途及发展前景。 在军用方面已广泛应用于 对地攻击、机降登陆、武器运送、后勤支援、战场救护、侦察巡逻、 指挥控制、通信联络、反潜扫雷、电子对抗等。在民用方面应用于短 途运输、医疗救护、救灾救生、紧急营救、吊装设备、地质勘探、护 林灭火、空中摄影等。海上油井与基地间的人员及物资运输是民用的 一个重要方面。[2]

缺点

当前直升机相对飞机而言,振动和噪声较高、维护检修工作量较大、 使用成本较高,速度较低,航程较短。直升机今后的发展方向就是在 这些方面加以改进。[2]

3.工作原理
单旋翼式
直升机发动机驱动旋翼提供升力,把直升机举托在空中,单旋翼直升 机的主发动机同时也输出动力至尾部的小螺旋桨, 机载陀螺仪能侦测 直升机回转角度并反馈至尾桨, 通过调整小螺旋桨的螺距可以抵消大 螺旋桨产生的不同转速下的反作用力。 双旋翼直升机通常采用旋翼相 对反转的方式来抵消旋翼产生的不平衡升力。 首先直升机要先起飞才能向前后左右移动, 所以要使图中的倾斜盘整 体向上移动, 两个桨夹就有了一定角度那么顺时针旋转就有了向下的 力,飞机就起飞了,但这时左右旋翼产生的生力相同,所以直升机只 能向上运动,如果把倾斜盘看成表盘,如果它前倾,倾斜盘上半部分 是转动的,那么两个连杆只有在 12 点和 6 点方向差别最大(一个在 上,一个在下)6 点的拉杆把桨夹向上推那么增大了原来旋翼的角度 所以产生的向下的力变大了,12 点的向下拉,减小了旋翼角度那么 向下的力减小,这时两个旋翼受力不再平衡,右边力大。左边力小那 么直升机应该向左飞,但是旋转的旋翼遵循陀螺效应,要顺时针转过 90 度产生效果,所以旋翼变成 6 点方向的力大于 12 点方向,所以直

升机向前飞。其他方向同理

双旋翼式
双旋翼直升机有两种,一种是共轴双旋翼,即两个旋翼同一个轴心, 如俄国生产的卡-27 直升机等;另一种是分轴双旋翼,即两个旋翼分 开比较远,各有各自的轴,典型代表是美国的支奴干直升机。双旋翼 直升机还可以根据两根旋翼轴的相对位置分为纵列双旋翼直升机和 并列双旋翼直升机。 通过称为“倾斜盘”的机构可以改变直升机的旋翼的桨叶角, 从而实 现旋翼周期变距, 以此改变旋翼旋转平面不同位置的升力来实现改变 直升机的飞行姿态,再以升力方向变化改变飞行方向。同时,直升机 升空后发动机是保持在一个相对稳定的转速下, 控制直升机的上升和 下降是通过调整旋翼的总距来得到不同的总升力的, 因此直升机实现 了垂直起飞及降落。[1]

4.操作系统
直升机的操纵系统有别于固定翼航空器,通常由以下部分组成:[3]

总距操纵杆
简称总距杆,用来控制旋翼桨叶总距变化。总距操纵杆一般布置在驾 驶员座位的左侧,绕支座轴线上、下转动。驾驶员左手上提杆时,使 自动倾斜器整体上升而增大旋翼桨叶总距(即所有桨叶的桨距同时增

大相同角度)使旋翼拉力增大,反之拉力减小,由此来控制直升机的 升降运动。通常在总距操纵杆的手柄上设置旋转式油门操纵机构,用 来调节发动机油门的大小, 以便使发动机输出功率与旋翼桨叶总距变 化后的旋翼需用功率相适应。因此,该操纵杆又被称为总距油门杆。 [3]

周期变距操纵杆(驾驶杆)
简称驾驶杆。与固定翼航空器的驾驶杆作用相似,通过操纵线系与自 动倾斜器相连接。一般位于驾驶员座椅的中央前方。驾驶员沿横向和 纵向操纵周期变距操纵杆时,自动倾斜器会出现相应方向的倾斜,从 而导致旋翼拉力方向也发生相应方向的倾斜, 由此得到需要的推进力 以及横向和纵向操纵力, 进而改变直升机的运动状态和自身姿态。 [3] 脚蹬 与固定翼航空器的方向舵脚蹬作用相似,都是控制航向工具。由于直 升机的类型比较多,脚蹬起作用的方式也各不相同。对于单旋翼带尾 桨直升机,脚蹬经操纵线系与尾桨的桨距控制装置相连,通过控制尾 桨桨距的大小来调节尾桨产生的侧向力,达到控制航向的目的。对于 单旋翼无尾桨直升机, 则是通过脚蹬控制机身尾部出气量的大小来调 节侧向力。 对于双旋翼直升机, 脚蹬控制的则是两旋翼总桨距的差动, 即一个增大一个减小,使得两旋翼反扭矩不能平衡,从而使机身发生 航向偏转。[3]

5.发展前景
直升机作为 20 世纪航空技术极具特色的创造之一,极大地拓展了飞 行器的应用范围。直升机是典型的军民两用产品,可以广泛的应用在 运输、巡逻、旅游、救护等多个领域。 直升机在人类的生产和生活中得到越来越多的应用, 全球市场表现出 对于直升机的持续需求。尤其是新兴市场,随着经济的发展,对于直 升机有着大数量、高增长的需求。世界上 43%的直升机服役年龄在 25 年以上,更新换代的需要进一步增加了对于直升机生产的诉求。据智 研数据研究中心统计对 2011 到 2020 年的全球直升机市场做出预测, 10 年间将需要交付至少 16970 架直升机,总价值 1400 亿美元。其中 民用直升机 10900 架,价值 340 亿美元,军用直升机 6070 架,价值 1060 亿美元。 我国直升机装备情况与国外相比差距很大, 军用直升机每万名军人的 直升机保有量仅为 2.1 架,不到发达国家水平的十分之一;而民用直 升机的百万人口保有量仅为 0.06 架,更是远低于发达国家水平,中 国直升机产业市场潜力巨大。

(二)螺旋桨 1.概述:
螺旋桨是指靠桨叶在空气或水中旋转, 将发动机转动功率转化为推进 力的装置,可有两个或较多的叶与毂相连,叶的向后一面为螺旋面或

近似于螺旋面的一种船用推进器。螺旋桨分为很多种,应用也十分广 泛,如飞机、轮船的推进器等。

2.空气桨
概述
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。 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。

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。 从图 1—1—24 中看出,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。

3.螺旋桨拉力变化
随转速的变化

在飞行速度不变的情况下,转速增加,则切向速度(U)增大,进距比 减小桨叶迎角增大, 螺旋桨拉力系数增大又由于拉力与转速平方成正 比,所以增大油门时,可增大拉力。

随速度的变化
在转速不变的情况下,飞行速度增大,进距比加大,桨叶迎角减小, 螺旋桨拉力系数减小。,拉力随之降低。 当飞行速度等于零时,切 向速度就是合速度,桨叶迎角等于桨叶角。飞机在地面试 车时,飞 行速度(V)等于零,桨叶迎角最大,一些剖面由于迎角过大超过失速 迎角气动 性能变坏,因而螺旋桨产生的拉力不一定最大。

拉力曲线
根据螺旋桨拉力随飞行速度增大而减小的规律, 可绘出螺旋桨可用拉 力曲线。

综合情况
在飞行中,加大油门后固定。螺旋桨的拉力随转速和飞行速度的变化 过程如下: 由于发动机输出功率增大,使螺旋桨转速(切向速度)迅 速增加到一定值,螺旋桨拉 力增加。飞行速度增加,由于飞行速度 增大,致使桨叶迎角又开始逐渐减小,拉力也随 之逐渐降低,飞机 阻力逐渐增大,从而速度的增加趋势也逐渐减慢。当拉力降低到一定 程度(即拉力等于阻力)后, 飞机的速度则不再增加。 此时, 飞行速度、

转速、桨叶迎角 及螺旋桨拉力都不变,飞机即保持在一个新的速度 上飞行。

4.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: 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

变化
(1) 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”。 (2)飞行速度增大时,从实际测 得的螺旋桨有效功率曲线: 在 OA 速度范围内,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。在 OA 速度范围内,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。 当飞行速度增大到 A 时,螺旋桨的有效功率最大。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 功率与发动机输出功率之比,叫螺旋桨效率。

四、感想体会
光阴似箭,岁月如梭。转眼间,我们的对课题的研究也到了 尾声。回想这一年间,我们经历了迷茫,经历了挫折,同时也经 历了收获。这段经历一定会在我心中永存。 一年前, 我迷茫在无数的课题中, 但是凭借着对科学的热爱, 我选择了她。那时,我对这个课题无从下手,正是和同学们的的 激烈讨论,我才真正领会到了她的真谛。在之后的研究过程中, 我不但学会了各种研究方法,比如问卷调查法、专家咨询法,我 还学会了各种待人接物的道理。在制作调查问卷时,我学会如何 才能用言简意赅的文字表达出自己的意思,让填写问卷的人能够

准确地回答问题。在下发问卷的过程中,我还学会了如何与人沟 通、交流,才能够事半功倍。在研究过程中,组员之间也不免出 现一些小摩擦、小矛盾,这时我懂得了团结的作用。身为组长, 我更加懂得了协调组员之间关系的重要,更加懂得了责任的意义。 在得出结论的过程中,我面对着一组组枯燥乏味的数据无从下手。 结果一拖再拖,恰好与期中考试撞车了。然而上交结论的期限就 在眼前,该如何是好呢?于是我果断与组员分配了任务,开会讨 论问题,结果 2 天就解决了问题,得出了比较全面的的结论。如 此高的工作效率虽然建立在了错误之上,但反映的问题却十分重 要。工作效率是建立在大家团结一心,合理分工,一起使劲的基 础上的。当然以后不能得过且过了,做事还是要前紧后松,因为 计划赶不上变化呀! 这次的研学经历,让我懂得了很多:有专业知识的扩展,有 与人交流的艺术,有身为领导的责任,更重要的是我懂得了在日 常生活中,我要珍视每一个念头与想法,从小事做起,凭借着自 己的好奇心以及坚持不懈的努力进行研究,这样才不会辜负我们 自己的想法,迎来收获的季节!

五、鸣谢及参考资料

感谢北京四中物理教研组组长魏华老师的大力支持

参考资料: 百度文库及百科 《力学》 舒幼生著 北京大学出版社出版

《力学》

赵凯华著

高等教育出版社出版

《空气动力学基础》

John .D. Anderson




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