空氣螺旋槳（靠槳葉旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生推進(jìn)力的裝置）
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空氣螺旋槳
靠槳葉旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生推進(jìn)力的裝置
空氣螺旋槳又稱“螺旋槳”，“螺槳”。是指靠槳葉在空氣中旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生推進(jìn)力的裝置。由若干槳葉和中央槳轂組成。當(dāng)螺旋槳被發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，槳葉的斜面把空氣往后推去，從而槳葉得到反作用力，即推進(jìn)力。驅(qū)動(dòng)螺旋槳的動(dòng)力裝置有航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)兩大類。按槳葉數(shù)目分為雙葉、三葉、四葉以及更多葉的槳；按能否改變槳葉角分為定距槳、半變距槳（地面調(diào)整槳葉角）和變距槳（空中調(diào)整槳葉角）；按與發(fā)動(dòng)機(jī)的配置關(guān)系分為拉進(jìn)式（位于發(fā)動(dòng)機(jī)前）和推進(jìn)式（位于發(fā)動(dòng)機(jī)后）。一般不適用于高速飛機(jī)（速度在800km/h以上），但在低、亞音速范圍內(nèi)，它的效率超過噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。在支線客機(jī)和通用航空飛機(jī)上有著廣泛的用途。
基本信息
| 中文名 | 空氣螺旋槳 |
| 外文名 | air propeller |
| 裝置 | 將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)功率轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力 |
| 簡稱 | 螺旋槳 |
| 他由 | 多個(gè)槳葉和中央的槳轂組成 |
| 學(xué)科 | 工程技術(shù) |
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介紹
靠槳葉在空氣中旋轉(zhuǎn)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)功率轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力或升力的裝置，簡稱螺旋槳。它由多個(gè)槳葉和中央的槳轂組成，槳葉好像一扭轉(zhuǎn)的細(xì)長機(jī)翼安裝在槳轂上，發(fā)動(dòng)機(jī)軸與槳轂相連接并帶動(dòng)它旋轉(zhuǎn)。中國明代（1368～1644年）民間的玩具“竹蜻蜓”實(shí)際上是一種原始的螺旋槳。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)以前，所有帶動(dòng)力的航空器無不以螺旋槳作為產(chǎn)生推動(dòng)力的裝置。螺旋槳仍用于裝活塞式和渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的亞音速飛機(jī)。直升機(jī)旋翼和尾槳也是一種螺旋槳。
原理
螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，槳葉不斷把大量空氣（推進(jìn)介質(zhì)）向后推去，在槳葉上產(chǎn)生一向前的力，即推進(jìn)力。一般情況下，螺旋槳除旋轉(zhuǎn)外還有前進(jìn)速度。如截取一小段槳葉來看，恰像一小段機(jī)翼，其相對(duì)氣流速度由前進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)速度合成。槳葉上的氣動(dòng)力在前進(jìn)方向的分力構(gòu)成拉力。在旋轉(zhuǎn)面內(nèi)的分量形成阻止螺旋槳旋轉(zhuǎn)的力矩，由發(fā)動(dòng)機(jī)的力矩來平衡。槳葉剖面弦(相當(dāng)于翼弦)與旋轉(zhuǎn)平面夾角稱槳葉安裝角。螺旋槳旋轉(zhuǎn)一圈，以槳葉安裝角為導(dǎo)引向前推進(jìn)的距離稱為槳距。實(shí)際上槳葉上每一剖面的前進(jìn)速度都是相同的，但圓周速度則與該剖面距轉(zhuǎn)軸的距離（半徑）成正比，所以各剖面相對(duì)氣流與旋轉(zhuǎn)平面的夾角隨著離轉(zhuǎn)軸的距離增大而逐步減小，為了使槳葉每個(gè)剖面與相對(duì)氣流都保持在有利的迎角范圍內(nèi)，各剖面的安裝角也隨著與轉(zhuǎn)軸的距離增大而減小。這就是每個(gè)槳葉都有扭轉(zhuǎn)的原因。
構(gòu)造特點(diǎn)
螺旋槳有2、3或4個(gè)槳葉，一般槳葉數(shù)目越多吸收功率越大。有時(shí)在大功率渦輪螺旋槳飛機(jī)上還采用一種套軸式螺旋槳，它實(shí)際上是兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，可以抵消反作用扭矩。在發(fā)動(dòng)機(jī)功率低于100千瓦的輕型飛機(jī)上，常用雙葉木制螺旋槳。它是用一根拼接的木材兩邊修成扭轉(zhuǎn)的槳葉，中間開孔與發(fā)動(dòng)機(jī)軸相連接。螺旋槳要承受高速旋轉(zhuǎn)時(shí)槳葉自身的離心慣性力和氣動(dòng)載荷。大功率螺旋槳在槳葉根部受到的離心力可達(dá)200千牛( 20噸力)。此外還有發(fā)動(dòng)機(jī)和氣動(dòng)力引起的振動(dòng)。大功率發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用3葉和4葉螺旋槳，并多用鋁合金和鋼來制造槳葉。鋁和鋼制槳葉因材料堅(jiān)固可以做得薄一些，有利于提高螺旋槳在高速時(shí)的效率。70年代以后還用復(fù)合材料制造槳葉以減輕重量。
螺旋槳效率
以螺旋槳的輸出功率與輸入功率之比表示。輸出功率為螺旋槳的拉力與飛行速度的乘積。輸入功率為發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)的功率。在飛機(jī)起飛滑跑前，由于前進(jìn)速度為零，所以螺旋槳效率也是零，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率全部用于增加空氣的動(dòng)能。隨著前進(jìn)速度的增加，螺旋槳效率不斷增大，速度在200～700公里/時(shí)范圍內(nèi)效率較高，飛行速度再增大，由于壓縮效應(yīng)槳尖出現(xiàn)波阻，效率急劇下降。螺旋槳在飛行中的最高效率可達(dá)85%～90%。螺旋槳的直徑比噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的大得多，作為推進(jìn)介質(zhì)的空氣流量較大，在發(fā)動(dòng)機(jī)功率相同時(shí)，螺旋槳后面的空氣速度低，產(chǎn)生的推力較大，這對(duì)起飛（需要大推力）非常有利。
幾何參數(shù)
直徑
影響螺旋槳性能重要參數(shù)之一。一般情況下，直徑增大拉力隨之增大，效率隨之提高。所以在結(jié)構(gòu)允許的情況下盡量選直徑較大的螺旋槳。此外還要考慮螺旋槳槳尖氣流速度不應(yīng)過大(<0.7音速)，否則可能出現(xiàn)激波，導(dǎo)致效率降低。
實(shí)度
槳葉面積與螺旋槳旋轉(zhuǎn)面積(πR)的比值。它的影響與槳葉數(shù)目的影響相似。隨實(shí)度增加拉力系數(shù)和功率系數(shù)增大。
槳葉角
槳葉角隨半徑變化，其變化規(guī)律是影響槳工作性能最主要的因素。習(xí)慣上，以70%直徑處槳葉角值為該槳槳葉角的名稱值。螺距：它是槳葉角的另一種表示方法。
幾何螺距
槳葉剖面迎角為零時(shí)，槳葉旋轉(zhuǎn)一周所前進(jìn)的距離。它反映了槳葉角的大小，更直接指出螺旋槳的工作特性。槳葉各剖面的幾何螺矩可能是不相等的。習(xí)慣上以70%直徑處的幾何螺矩做名稱值。國外可按照直徑和螺距訂購螺旋槳。如64/34，表示該槳直徑為60英寸，幾何螺矩為34英寸。
實(shí)際螺距
槳葉旋轉(zhuǎn)一周飛機(jī)所前進(jìn)的距離。可用Hg=v/n計(jì)算螺旋槳的實(shí)際螺矩值。可按H=1.1～1.3Hg粗略估計(jì)該機(jī)所用螺旋槳幾何螺矩的數(shù)值。
理論螺矩
設(shè)計(jì)螺旋槳時(shí)必須考慮空氣流過螺旋槳時(shí)速度增加，流過螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面的氣流速度大于飛行速度。因而螺旋槳相對(duì)空氣而言所前進(jìn)的距離一理論螺矩將大于實(shí)際螺矩。
分類
定槳距和變距螺旋槳
①定距螺旋槳：木制螺旋槳一般都是定距的。它的槳距（或槳葉安裝角）是固定的。適合低速的槳葉安裝角在高速飛行時(shí)就顯得過小；同樣，適合高速飛行的安裝角在低速時(shí)又嫌大。所以定距螺旋槳只在選定的速度范圍內(nèi)效率較高，在其他狀態(tài)下效率較低。定距螺旋槳構(gòu)造簡單，重量輕，在功率很小的輕型飛機(jī)和超輕型飛機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。
空氣螺旋槳
風(fēng)扇螺旋槳
風(fēng)扇螺旋槳
螺旋槳飛機(jī)
螺旋槳飛機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。為了降低轉(zhuǎn)速和提高螺旋槳效率，絕大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)裝有減速器。這類飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)裝有滑油散熱器。液冷活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)還裝有冷卻液散熱器。槳轂和發(fā)動(dòng)機(jī)均有流線型外罩，以減小阻力。機(jī)身前部的發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳往往影響飛行員的視線，個(gè)別飛機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)安排在座艙下方，用一長軸與機(jī)頭的螺旋槳相連，如美國的P-39戰(zhàn)斗機(jī)。有的飛機(jī)將座艙偏置在機(jī)翼一側(cè)來改進(jìn)前方視線，成為特殊的不對(duì)稱飛機(jī)，如德國的BV-141飛機(jī)。頭部裝有機(jī)槍的拉進(jìn)式戰(zhàn)斗機(jī)需要采用協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，以保證子彈從旋轉(zhuǎn)著的螺旋槳槳葉中間發(fā)射出去。有的飛機(jī)將機(jī)炮炮管裝在螺旋槳軸內(nèi)，炮彈由槳軸內(nèi)的炮管射出。螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)反作用扭矩，大功率發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)常用較大的垂直尾翼或偏置垂直尾翼產(chǎn)生的力矩來加以平衡，也可以采用反向旋轉(zhuǎn)的同軸螺旋槳來抵消反作用扭矩，如蘇聯(lián)的安22飛機(jī)。
現(xiàn)代的螺旋槳飛機(jī)多采用槳葉角可調(diào)的變距螺旋槳，這種螺旋槳可根據(jù)飛行需要調(diào)整槳葉角，提高螺旋槳的工作效率。由于螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時(shí)，槳根和槳尖的圓周速度不同，為了保持槳葉各部分都處于最佳氣動(dòng)力狀態(tài)，所以把槳根的槳葉角設(shè)計(jì)成最大，依次遞減，槳尖的槳葉角最小工作狀態(tài)的槳葉是一根懸壁梁受力態(tài)勢(shì)，為了增加槳根的強(qiáng)度，槳根的截面積設(shè)計(jì)為最大。
一架飛機(jī)上槳葉數(shù)目根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率而定，有2葉、3葉和4葉的，也有5葉、6葉的。裝于飛機(jī)頭部的螺旋槳為拉力式螺旋槳，裝于飛機(jī)后部的螺旋槳為推力式螺旋槳，還有既裝有拉力式螺旋槳又裝有推力式螺旋槳的飛機(jī)。
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