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  • 螺旋槳的工作原理(關于螺旋槳你想知道的都在這里)

    對螺旋槳你了解多少?

    螺旋槳的工作原理

    螺旋槳的截面和機翼的截面是相似的。根據伯努利原理,流速大的壓強小,流速小的壓強大??梢园崖菪龢闯墒且粋€一面旋轉一面前進的機翼進行討論。流經槳葉各剖面的氣流由沿旋轉軸方向的前進速度和旋轉產生的切線速度合成。在螺旋槳半徑r1和r2(r1<r2)兩處各取極小一段,討論槳葉上的氣流情況。V—軸向速度;n—螺旋槳轉速;φ—氣流角,即氣流與螺旋槳旋轉平面夾角;α—槳葉剖面迎角;β—槳葉角,即槳葉剖面弦線與旋轉平面夾角。顯而易見α+β=φ??諝饬鬟^槳葉各小段時產生氣動力,阻力ΔD和升力ΔL,合成后總空氣動力為ΔR。ΔR沿飛行方向的分力為拉力ΔT,與旋螺槳旋轉方向相反的力ΔP 阻止螺旋槳轉動。將整個槳葉上各小段的拉力和阻止旋轉的力相加,形成該螺旋槳的拉力和阻止螺旋槳轉動的力矩。

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    螺旋槳結構圖示

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    螺旋槳升力原理圖

    正槳和反槳

    熟悉無人機、熟悉四旋翼的人可能知道,螺旋槳有正槳和反槳之分。一般螺旋槳正面光滑,同時刻有相應的螺旋槳參數值。當該面朝前時,逆時針旋轉產生拉力的為正槳,順時針旋轉產生拉力的為反槳。對于普通的電動航模,一般通過改變電機的轉向來改變前拉或者后推。但是不建議正槳反用,因為這樣效率較低。

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    常見航模馬刀槳(正槳)

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    一對航模用碳纖維正反槳

    對于發動機功率輸出方向一定的活塞發動機,當前拉時,需要用到正槳,一般在輕型運動固定翼飛機上常見;當后推時,需要用到反槳,一般在捕食者、翼龍一類的攻擊型無人機,兩棲類腰推式固定翼飛機上常見。

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    前拉式輕型運動固定翼飛機

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    腰推式螺旋槳固定翼飛機

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    后推三葉槳捕食者B型無人機

    塑料螺旋槳一般用于普通的航模,對于汽油、甲醇一類的大型航模、無人機用活塞發動機,螺旋槳材料一般為碳纖維、木頭或鋁合金。正反槳一般同時應用在雙發、四發等四旋翼、無人機,甚至大型渦輪螺旋槳發動機飛機上。正槳逆時針旋轉、反槳順時針旋轉,同時抵消因旋轉產生的扭矩。還有一種是共軸反轉,正槳和反槳安裝于同一根軸上,按照相反的方向旋轉,抵消扭矩,常用于直升機、大型渦輪螺旋槳運輸機上。

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    四旋翼飛行器

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    四旋翼結構形式

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    大型四發螺旋槳運輸機

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    大型雙發螺旋槳運輸機

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    共軸反轉直升機

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    大型四發共軸反轉螺旋槳運輸機

    螺旋槳的分類

    上文中說道,螺旋槳有正槳和反槳之分。其實螺旋槳分類有多種,按照槳距可分為定槳距和變槳距兩種。

    1 定距螺旋槳

    定距槳不能改變槳距。這種螺旋槳,只有在一定的空速和轉速組合下才能獲得最好的效率。另外,還可以把定距槳分為兩種類型,爬升螺旋槳和巡航螺旋槳。飛機是安裝爬升螺旋槳還是巡航螺旋槳,依賴于它的預期用途。

    (1)爬升螺旋槳有小的槳距,因此旋轉阻力更少。阻力較低導致轉速更高,和具有更多的功率能力,在起飛和爬升時這增加了性能,但是在巡航飛行時降低了性能。

    (2)巡航螺旋槳有高槳距,因此旋轉阻力更多。更多阻力導致較低轉速,和較低的功率能力,它降低了起飛和爬升性能,但是增為了高速巡航飛行效率。

    螺旋槳通常安裝在軸上,這個軸可能是發動機曲軸的延伸。在這種情況下,螺旋槳轉速就和曲軸的轉速相同了。某些其他發動機,螺旋槳是安裝在和發動機曲軸經齒輪傳動的軸上。這時,曲軸的轉速就和螺旋槳的轉速不同了。

    輕型、微型無人機常用定距螺旋槳,尺寸通常用X×Y來表示,其中X代表螺旋槳直徑,單位為英寸(in),Y代表螺距,即螺旋槳在空氣中旋轉一圈槳平面經過的距離,單位為英寸(in)。例如,22× 10的螺旋槳尺寸為槳徑22in,約為55.88cm,螺距10in,約為25.4cm。

    輕型、微型無人機一般使用2葉槳,少數使用3葉槳或4葉槳等。根據無人機行業習慣,通常定義右旋前進的螺旋槳為正槳,左旋前進的螺旋槳為反槳。槳徑20in以下的螺旋槳有木材、工程塑料或碳纖維等材質,需要根據實際需要選用。部分螺旋槳槳葉設計成馬刀形狀,槳尖后掠,這樣可以在一定程度上提高效率。

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    螺旋槳工作原理

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    木質定距螺旋槳

    2 變距螺旋槳

    一些較舊的可調槳距螺旋槳只能在地面調節,大多數現代可調槳距螺旋槳被設計成可以在飛行中調節螺旋槳的槳距。第一代可調槳距螺旋槳只提供兩個槳距設定——低槳距設定和高槳距設定。然而,今天,幾乎所有可調槳距螺旋槳系統都可以在一個范圍內調節槳距。恒速螺旋槳是最常見的可調槳距螺旋槳類型。恒速螺旋槳的主要優點是它在大的空速和轉速組合范圍內把發過機功率的大部分轉換成推進馬力。恒速螺旋槳比其他螺旋槳更有效率是因為它能夠在特定條件下選擇最有效率的發動機轉速。

    裝配恒速螺旋槳的無人機有兩項控制,油門控制和螺旋槳控制,油門控制功率輸出,螺旋槳控制調節發動機轉速。

    一旦選擇了一個特定的轉速,一個調節器會自動地調節必要的螺旋槳槳葉角。以保持選擇的轉速。例如,巡航飛行期間設定了需要的轉速之后,空速的增加或者螺旋槳載荷的降低將會導致螺旋槳為維持選擇的轉速而增加槳葉角??账俳档突蛘呗菪龢d荷增加會導致螺旋槳槳葉角降低。

    恒速螺旋槳的槳葉角范圍由螺旋槳的恒速范圍和高低槳距止位來確定。只要螺旋槳槳葉角位于恒速范圍內,而不超出任何一個槳距止位,發動機轉速就能維持恒定。然而,一旦螺旋槳槳葉到達止位,發動機轉速將隨空速和螺旋槳載荷的變化而適當地增加或者降低。例如,選擇了一個特定的轉速,飛機速度降低到足夠使螺旋槳槳葉旋轉直到到達低槳距止位,如果需要空速再次降低,必須減小發動機轉速,就像安裝了固定槳距螺旋槳一樣。當恒速螺旋槳的飛機加速到較快的速度時還會發生相同的情況。隨著飛機加速,螺旋槳槳葉角增加,以維持選定的轉速直到到達高槳距止位。一旦達到止位,槳葉角就不能再增加,如果需要再加速,發動機必須增加轉速。

    在裝配恒速螺旋槳的飛機上,功率輸出由油門控制,用進氣壓力表指示。這個儀表測量進氣道歧管中油氣混合氣的絕對壓力,更準確的說法是測量歧管絕對壓力(MAP)。在恒定轉速和高度條件下,產生功率的大小直接和流到燃燒室的油氣混合流有關。當你增加油門設定時,流到發動機的油氣就會增多,因此,歧管絕對壓力增加。當發動機不運行時,歧管壓力表指示周圍空氣壓力。當發動機氣動后,歧管壓力指示將會降低到一個低于周圍空氣壓力的值。

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    螺旋槳變距示意圖

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    可調的三葉槳

    螺旋槳有幾個槳葉合適

    不管是看螺旋槳運輸機,還是看無人機,甚至是最典型的直升機,我們看到,有的有兩葉槳,有的是三葉槳,有的是四葉槳,甚至更多。那么螺旋槳到底有幾葉合適呢?

    其實螺旋槳的葉數并不是隨便指定的。用什么螺旋槳,用幾葉槳,還要考慮發動機的功率,飛行時的阻力等因素。最早由于發動機馬力不大,螺旋槳的研究和加工也是出于初期,造成了一戰和二戰期間,飛機大量使用兩葉槳或者三葉槳。隨著加工水平的提高,螺旋槳開始使用金屬材料,再加上流體力學和風洞的試驗,使得三葉槳開始流行。后來,隨著發動機馬力的增大,4葉槳、6葉槳成為可能。但同時螺旋槳葉數的增加葉加大了空氣阻力。

    同時如果通過增加螺旋槳的長度和迎風面積來增加效率是有限的,甚至會發生螺旋槳觸地的后果。因此通過增加螺旋槳葉數量也是一個可行的辦法。

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    三葉槳風洞試驗

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    8葉槳的美軍預警機

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