情感故事网-赵州桥教学反思

螺旋桨的定义及其效率计算
一、工作原理
可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼进行讨论。流经桨叶各剖
面的气 流由沿旋转轴方向的 前进速度和旋转产生的切线速度合成。在螺旋桨半
径r1和r2(r1＜r2)两处各取极小一段，讨论 桨叶上的气流情况。V—轴向速度；
n—螺旋桨转速；φ—气流角，即气流与螺旋桨旋转平面夹角；α— 桨叶剖面迎
角；β—桨叶角，即桨叶剖面弦线与旋转平面夹角。显而易见β＝α+φ。
空气流过桨叶各小段时产生气动力，阻力ΔD和升力ΔL，见图1—1—19，
合成后 总空气动力为ΔR。ΔR沿飞行方向的分力为拉力ΔT，与旋螺桨旋转方
向相反的力ΔP 阻止螺旋桨转动。将整个桨叶上各小段的拉力和阻止旋转的力
相加，形成该螺旋桨的拉 力和阻止螺旋桨转动的力矩。
从以上两图还可以看到。必须使螺旋桨各剖面在升阻比较大的 迎角工作，才
能获得较大的拉力，较小的阻力矩，也就是效率较高。螺旋桨工作时。轴向速度
不 随半径变化，而切线速度随半径变化。因此在接近桨尖，半径较大处气流角较
小，对应桨叶角也应较小。 而在接近桨根，半径较小处气流角较大，对应桨叶角
也应较大。螺旋桨的桨叶角从桨尖到桨根应按一定规 律逐渐加大。所以说螺旋桨
是一个扭转了的机翼更为确切。
从图中还可以看到，气 流角实际上反映前进速度和切线速度的比值。对某个
螺旋桨的某个剖面，剖面迎角随该比值变化而变化。 迎角变化，拉力和阻力矩也
随之变化。用进矩比“J”反映桨尖处气流角，J＝V／nD。式中D—螺旋 桨直径。
理论和 试验证明：螺旋桨的拉力(T)，克服螺旋桨阻力矩所需的功率(P)和效率
(η)可用下列公式 计算：
T=Ctρn2D4
P=Cpρn3D5
η=J·CtCp
式中：Ct—拉力系数；Cp—功率系数；ρ—空气密度；n—螺旋桨转速；D—
螺旋桨直径。其 中Ct和Cp取决于螺旋桨的几何参数，对每个螺旋桨其值随J
变化。图1—1—21称为螺 旋桨的特性曲线，它可通过理论计算或试验获得。特
性曲线给出该螺旋桨拉力系数、功 率系数和效率随前进比变化关系。是设计选
择螺旋桨和计算飞机性能的主要依据之一。
从图形和计算公式都可以看到，当前进比较小时，螺旋桨效率很低。对飞行
速度较 低而发动机转速较高的轻型飞机极为不利。例如：飞行速度为72千米／
小时，发动转 速为6500转／分时，η≈32％。因此超轻型飞机必须使用减速器，
降低螺旋桨的转 速，提高进距比，提高螺旋桨的效率。
二、几何参数
直径(D)：影响螺旋桨性能重要参数之一。一般情况下，直径增大拉力随之
增大， 效率随之提高。所以在结构允许的情况下尽量选直径较大的螺旋桨。此
外还要考虑螺旋 桨桨尖气流速度不应过大(＜0.7音速)，否则可能出现激波，
导致效率降低。
桨叶数目(B)：可以认为螺旋桨的拉力系数和功率系数与桨叶数目成正比。
超轻型飞 机一般采用结构简单的双叶桨。只是在螺旋桨直径受到限制时，采用
增加桨叶数目的方 法使螺旋桨与发动机获得良好的配合。
实度(σ)：桨叶面积与螺旋桨旋转面积(πR2) 的比值。它的影响与桨叶数目

的影响相 似。随实度增加拉力系数和功率系数增大。
桨叶角(β)：桨叶角随半径变化，其变化规律是影响桨工作性能最主要的因
素。习惯 上以70％直径处桨叶角值为该桨桨叶角的名称值。
螺距：它是桨叶角的另一种表示方法。图1—1—22是各种意义的螺矩与桨
叶角的关 系。
几何螺距(H)：桨叶剖面迎角为零时，桨叶旋转一周所前进的距离。它反映
了桨叶 角的大小，更直接指出螺旋桨的工作特性。桨叶各剖面的几何螺矩可能
是不相等的。习 惯上以70％直径处的几何螺矩做名称值。国外可按照直径和螺
距订购螺旋桨。如 64／34，表示该桨直径为60英寸，几何螺矩为34英寸。
实际螺距(Hg)：桨叶旋 转一周飞机所前进的距离。可用Hg＝vn计算螺旋桨
的实际螺矩值。可按H＝1.1～1.3Hg粗略 估计该机所用螺旋桨几何螺矩的数值。
理论螺矩(HT)：设计螺旋桨时必须考虑空气流过 螺旋桨时速度增加，流过螺
旋桨旋转平面的气流速度大于飞行速度。因而螺旋桨相对空气而言所前进的距 离
一理论螺矩将大于实际螺矩。
三、螺旋桨拉力在飞行中的变化
1．桨叶迎角随转速的变化
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(图1—1—20所示)。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。
2．桨叶迎角随飞行速度的变化：
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。如图1—1— 20所示，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。
3．螺旋桨拉力曲线：
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。
4．螺旋桨拉力随转速、飞行速度变化的综合情况：
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。
四、螺旋桨的自转：
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。
五、螺旋桨的有效功率：
1．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
2．螺旋桨有效功率随飞行速度的变化：
(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O A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。
η=N桨N有效