空氣螺旋槳

空氣螺旋槳又稱“螺旋槳”，“螺槳”。是指靠槳葉在空氣中旋轉而產生推進力的裝置。由若干槳葉和中央槳轂組成。當螺旋槳被發動機輸出軸帶動旋轉時，槳葉的斜面把空氣往後推去，從而槳葉得到反作用力，即推進力。驅動螺旋槳的動力裝置有航空活塞式發動機和渦輪螺旋槳發動機兩大類。按槳葉數目分為雙葉、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（地面調整槳葉角）和變距槳（空中調整槳葉角）；按與發動機的配置關係分為拉進式（位於發動機前）和推進式（位於發動機後）。一般不適用於高速飛機（速度在800km/h以上），但在低、亞音速範圍內，它的效率超過噴氣發動機。在支線客機和通用航空飛機上有著廣泛的用途。

基本介紹

• 中文名：空氣螺旋槳
• 外文名：air propeller
• 裝置：將發動機轉動功率轉化為推進力
• 簡稱：螺旋槳
• 它由：多個槳葉和中央的槳轂組成
• 學科：工程技術

介紹

靠槳葉在空氣中旋轉將發動機轉動功率轉化為推進力或升力的裝置，簡稱螺旋槳。它由多個槳葉和中央的槳轂組成，槳葉好像一扭轉的細長機翼安裝在槳轂上，發動機軸與槳轂相連線並帶動它旋轉。中國明代（1368～1644年）民間的玩具“竹蜻蜓”實際上是一種原始的螺旋槳。噴氣發動機出現以前，所有帶動力的航空器無不以螺旋槳作為產生推動力的裝置。螺旋槳仍用於裝活塞式和渦輪螺旋槳發動機的亞音速飛機。直升機旋翼和尾槳也是一種螺旋槳。

原理

螺旋槳旋轉時，槳葉不斷把大量空氣（推進介質）向後推去，在槳葉上產生一向前的力，即推進力。一般情況下，螺旋槳除旋轉外還有前進速度。如截取一小段槳葉來看，恰像一小段機翼，其相對氣流速度由前進速度和旋轉速度合成。槳葉上的氣動力在前進方向的分力構成拉力。在旋轉面內的分量形成阻止螺旋槳旋轉的力矩，由發動機的力矩來平衡。槳葉剖面弦(相當於翼弦)與旋轉平面夾角稱槳葉安裝角。螺旋槳旋轉一圈，以槳葉安裝角為導引向前推進的距離稱為槳距。實際上槳葉上每一剖面的前進速度都是相同的，但圓周速度則與該剖面距轉軸的距離（半徑）成正比，所以各剖面相對氣流與旋轉平面的夾角隨著離轉軸的距離增大而逐步減小，為了使槳葉每個剖面與相對氣流都保持在有利的迎角範圍內，各剖面的安裝角也隨著與轉軸的距離增大而減小。這就是每個槳葉都有扭轉的原因。

構造特點

螺旋槳有2、3或4個槳葉，一般槳葉數目越多吸收功率越大。有時在大功率渦輪螺旋槳飛機上還採用一種套軸式螺旋槳，它實際上是兩個反向旋轉的螺旋槳，可以抵消反作用扭矩。在發動機功率低於100千瓦的輕型飛機上，常用雙葉木製螺旋槳。它是用一根拼接的木材兩邊修成扭轉的槳葉，中間開孔與發動機軸相連線。螺旋槳要承受高速旋轉時槳葉自身的離心慣性力和氣動載荷。大功率螺旋槳在槳葉根部受到的離心力可達200千牛( 20噸力)。此外還有發動機和氣動力引起的振動。大功率發動機一般採用3葉和4葉螺旋槳，並多用鋁合金和鋼來製造槳葉。鋁和鋼製槳葉因材料堅固可以做得薄一些，有利於提高螺旋槳在高速時的效率。70年代以後還用複合材料製造槳葉以減輕重量。

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。輸入功率為發動機帶動螺旋槳旋轉的功率。在飛機起飛滑跑前，由於前進速度為零，所以螺旋槳效率也是零，發動機的功率全部用於增加空氣的動能。隨著前進速度的增加,螺旋槳效率不斷增大，速度在200～700公里/時範圍內效率較高,飛行速度再增大,由於壓縮效應槳尖出現波阻，效率急劇下降。螺旋槳在飛行中的最高效率可達85%～90%。螺旋槳的直徑比噴氣發動機的大得多，作為推進介質的空氣流量較大，在發動機功率相同時，螺旋槳後面的空氣速度低，產生的推力較大,這對起飛（需要大推力）非常有利。

幾何參數

直徑(D)

影響螺旋槳性能重要參數之一。一般情況下，直徑增大拉力隨之增大，效率隨之提高。所以在結構允許的情況下儘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過大(<0.7音速)，否則可能出現激波，導致效率降低。

槳葉數目(B)

可以認為螺旋槳的拉力係數和功率係數與槳葉數目成正比。超輕型飛機一般採用結構簡單的雙葉槳。只是在螺旋槳直徑受到限制時，採用增加槳葉數目的方法使螺旋槳與發動機獲得良好的配合。

實度(σ)

槳葉面積與螺旋槳旋轉面積(πR²)的比值。它的影響與槳葉數目的影響相似。隨實度增加拉力係數和功率係數增大。

槳葉角(β)

槳葉角隨半徑變化，其變化規律是影響槳工作性能最主要的因素。習慣上，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(H)

槳葉剖面迎角為零時，槳葉旋轉一周所前進的距離。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。

實際螺距(Hg)

槳葉旋轉一周飛機所前進的距離。可用Hg=v/n計算螺旋槳的實際螺矩值。可按H=1.1～1.3Hg粗略估計該機所用螺旋槳幾何螺矩的數值。

理論螺矩(HT)

設計螺旋槳時必須考慮空氣流過螺旋槳時速度增加，流過螺旋槳旋轉平面的氣流速度大于飛行速度。因而螺旋槳相對空氣而言所前進的距離一理論螺矩將大於實際螺矩。

分類

定槳距和變距螺旋槳

螺旋槳分為定（槳）距和變距螺旋槳兩大類

①定距螺旋槳：木製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就顯得過小；同樣，適合高速飛行的安裝角在低速時又嫌大。所以定距螺旋槳只在選定的速度範圍內效率較高，在其他狀態下效率較低。定距螺旋槳構造簡單，重量輕，在功率很小的輕型飛機和超輕型飛機上得到廣泛套用。

②變距螺旋槳：為了解決定距螺旋槳高、低速性能的矛盾，遂出現了飛行中可變槳距的螺旋槳。螺旋槳變距機構（右圖a）由液壓或電力驅動（右圖b）。最初使用的是雙距螺旋槳。高速時用高距，低速（如起飛、爬升狀態）時用低距，以後又逐步增加槳距的數目，以適應更多的飛行狀態。最完善的變距螺旋槳是帶有轉速調節器的恆速螺旋槳。轉速調節器實際上是一個能自動調節槳距、保持恆定轉速的裝置。駕駛員可以通過控制調節器和油門的方法改變發動機和螺旋槳的轉速，一方面調節螺旋槳的拉力，同時使螺旋槳處於最佳工作狀態。在多發動機飛機上，當一台發動機發生故障停車時，螺旋槳在迎面氣流作用下像風車一樣轉動，一方面增加飛行阻力，造成很大的不平衡力矩，另外也可能進一步損壞發動機。為此變距螺旋槳還可自動順槳，即槳葉轉到基本順氣流方向而使螺旋槳靜止不動，以減小阻力。變距螺旋槳還能減小槳距，產生負拉力，以增加阻力，縮短著陸滑跑距離。這個狀態稱為反槳。

空氣螺旋槳

風扇螺旋槳

為了提高亞音速民用機的經濟性和降低飛機的油耗，70年代後期美國開始研究一種多槳葉螺旋槳，稱為風扇螺旋槳。它有8～10片彎刀狀槳葉，葉片薄，直徑小。彎刀形狀能起相當於後掠翼（見後掠翼飛機）的作用，薄葉片有利於提高螺旋槳的轉速。它適用於更高的飛行馬赫數(M=0.8)。由於葉片較多，螺旋槳單位推進面積吸收的功率可提高到300千瓦/米2(一般螺旋槳為80～120千瓦/米2)。

風扇螺旋槳

螺旋槳飛機

螺旋槳飛機的結構比較複雜。為了降低轉速和提高螺旋槳效率，絕大多數發動機裝有減速器。這類飛機的發動機裝有滑油散熱器。液冷活塞式發動機還裝有冷卻液散熱器。槳轂和發動機均有流線型外罩，以減小阻力。機身前部的發動機和螺旋槳往往影響飛行員的視線，個別飛機將發動機安排在座艙下方，用一長軸與機頭的螺旋槳相連，如美國的P-39戰鬥機。有的飛機將座艙偏置在機翼一側來改進前方視線，成為特殊的不對稱飛機，如德國的BV-141飛機。頭部裝有機槍的拉進式戰鬥機需要採用協調機構，以保證子彈從旋轉著的螺旋槳槳葉中間發射出去。有的飛機將機炮炮管裝在螺旋槳軸內，炮彈由槳軸內的炮管射出。螺旋槳旋轉時產生一個反作用扭矩，大功率發動機的飛機常用較大的垂直尾翼或偏置垂直尾翼產生的力矩來加以平衡，也可以採用反向旋轉的同軸螺旋槳來抵消反作用扭矩，如蘇聯的安22飛機。

現代的螺旋槳飛機多採用槳葉角可調的變距螺旋槳，這種螺旋槳可根據飛行需要調整槳葉角，提高螺旋槳的工作效率。由於螺旋槳在旋轉時，槳根和槳尖的圓周速度不同，為了保持槳葉各部分都處於最佳氣動力狀態，所以把槳根的槳葉角設計成最大，依次遞減，槳尖的槳葉角最小工作狀態的槳葉是一根懸壁梁受力態勢，為了增加槳根的強度，槳根的截面積設計為最大。

一架飛機上槳葉數目根據發動機的功率而定，有2葉、3葉和4葉的，也有5葉、6葉的。裝于飛機頭部的螺旋槳為拉力式螺旋槳，裝于飛機後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。