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飞机螺旋桨的理论与设计

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飞机螺旋桨的理论与设计

发布日期:2019-12-24 作者: 点击:

航空领域,螺旋桨(也称为“ 螺旋桨”)[1]将来自发动机或其他动力源的旋转运动转换成涡旋滑流,从而推动螺旋桨前进或后退。它包括旋转的动力驱动的轮毂,几个径向翼型截面叶片连接到该轮毂,使得整个组件绕纵轴旋转。的叶片桨距可以是固定的,手动可变到几组位置或自动变量“恒速”型的。


螺旋桨附接到电源的驱动轴直接或通过减速齿轮。螺旋桨可以由木材,金属或复合材料制成。


螺旋桨仅适用于大部分低于约480 mph(770  km / h ; 420  kn)的亚音速空速  ,因为高于该速度时,叶尖速度接近声音速度,局部超音速流动会导致高阻力,噪音和螺旋桨结构问题。



内容

1 历史

2 飞机螺旋桨的理论与设计

2.1 作用在螺旋桨上的力

2.2 弯曲螺旋桨叶片

3 音高变化

3.1 可变螺距

3.2定

3.3 羽化

3.4 反向螺距

4 个反向旋转的螺旋桨

5 对转螺旋桨

6 飞机迷

7 另请参见

8 参考

9 外部链接

历史

另请参阅:早期飞行器


装饰的日本竹t竹直升机

最早的垂直飞行参考文献来自中国。自公元前400年左右以来[2], 中国儿童就开始玩竹制飞行玩具。[3] [4] [5]这种竹直升机是通过用两只手在一根旋翼上滚动一根摇杆来旋转的。旋转会产生升力,玩具放开后会飞。[2]第四世纪公元道教书抱朴子由葛洪(抱朴子“主谁拥抱简于形”)据报道,介绍了一些固有的旋转翼飞机的想法。[6]


与中国直升机玩具类似的设计出现在文艺复兴时期的绘画和其他作品中。[7]



莱昂纳多的“空中螺丝钉”

直到1480年代初,达芬奇(Leonardo da Vinci)为一台可以被描述为“空中螺丝钉”的机器设计时,才有记录表明其朝着垂直飞行方向发展。他的笔记表明他建造了小型飞行模型,但没有迹象表明有任何措施可以阻止旋翼使飞行器旋转。[8] [9]随着科学知识的增长和被越来越多的接受,人类继续追求垂直飞行的思想。这些后来的模型和机器中的许多都更类似于带有旋转翅膀的古老竹制飞顶,而不是莱昂纳多的螺丝。


1754年7月,俄国人米哈伊尔·罗蒙诺索夫(Mikhail Lomonosov)开发了一种模仿中国山顶的小型同轴线,但由缠绕式弹簧装置驱动[10],并向俄罗斯科学院进行了演示。它由弹簧驱动,被建议作为一种提升气象仪器的方法。1783年,克里斯蒂安·德·劳诺(Christian de Launoy)和他的机械师比安奴(Bienvenu)在由反向旋转的火鸡飞行羽毛[10]作为转子叶片的模型中使用了同轴的中国顶盖,并于1784年向法国科学院演示了该模型。飞船让·巴蒂斯特·玛丽·梅斯尼尔(Jean Baptiste Marie Meusnier)在1783年提出了飞艇的描述。这些图纸描绘了一个260英尺长(79 m)的流线型信封,内部装有气球,可用于调节升力。飞艇被设计为由三个螺旋桨驱动。1784年,让·皮埃尔·布兰查德(Jean-Pierre Blanchard)将手动推进器安装到了气球上,这是记录在空中的第一批推进方式。[11] 乔治·凯利爵士受童年对中国飞顶迷恋的影响,他开发了一种羽毛模型,类似于Launoy和Bienvenu的羽毛模型,但由橡皮筋驱动。到本世纪末,他已开始使用锡纸作为转子叶片,并使用弹簧作为动力。他关于实验和模型的著作将对未来的航空先驱者产生影响。[8]



原型由米哈伊尔·罗蒙诺索夫(Mikhail Lomonosov)创建,1754年

威廉·布兰德(William Bland)将其“大气飞艇”的设计发送给1851年在伦敦举行的大展览,并在那里展出了模型。这是一个带有蒸汽引擎的细长气球,该引擎驱动双螺旋桨悬挂在下方。[12] [13] AlphonsePénaud在1870年开发了同轴转子模型的直升机玩具,该玩具也由橡皮筋提供动力。1872年,Dupuy de Lome发射了一个大型的可航行气球,由一个由八个人旋转的大型螺旋桨驱动。[14] Hiram Maxim制造了一艘重3.5吨的船,机翼长110英尺(34米),由两个360马力(270千瓦)蒸汽机提供动力驾驶两个螺旋桨。1894年,他的机器通过高架导轨进行了测试,以防止其上升。测试表明它有足够的升力来起飞。[15]作为父亲的礼物,佩诺(Pénaud)的一个玩具启发了赖特(Wright)兄弟追求飞行的梦想。[16]飞机螺旋桨的扭曲机翼(机翼)形状是莱特兄弟率先提出的。当一些早期的工程师试图在船用螺旋桨上对空气螺旋桨进行建模时,赖特兄弟意识到螺旋桨与机翼本质上是相同的,并能够使用早期机翼风洞实验中的数据,沿叶片长度引入扭曲。这对于保持刀片沿其长度的更均匀的迎角是必要的。[17]他们最初的螺旋桨叶片的效率约为82%[18],而现代(2010年)小型通用航空螺旋桨(在Bonanza飞机上使用的三叶片McCauley)的效率为90%。[19]罗珀[20]引用了人力飞机螺旋桨的90%。


桃花心木是第一次世界大战中螺旋桨的首选木材,但是战时短缺鼓励使用胡桃木,橡木,樱桃和白蜡木。[21] Alberto Santos Dumont是另一位早期的先驱,曾在赖特兄弟(尽管效率不高)[22]之前为其飞艇设计了螺旋桨。1906年,他运用从飞艇上获得的经验,为14 bis双翼飞机制造了带有钢轴和铝制叶片的螺旋桨。他的某些设计使用了弯曲的铝板作为叶片,从而形成了机翼形状。他们严重不足,再加上没有纵向扭曲,因此它们的效率不及赖特螺旋桨。[23]即使如此,这也许是铝在螺旋桨制造中的首次使用。原来,飞机后面的旋转机翼,这推动它,被称为螺旋桨,而一个从前面拉是拖拉机。[24]后来,与拖拉机的配置相比,后置式设备采用了“推式”一词,两者均被称为“螺旋桨”或“螺旋桨”。到1920年代,对低速螺旋桨空气动力学的理解已经相当完善,但是后来要求以较小的直径处理更大的功率使问题变得更加复杂。


国家航空咨询委员会(NACA)的螺旋桨研究由William F. Durand于1916 年指导。所测量的参数包括螺旋桨效率,产生的推力和吸收的功率。尽管螺旋桨可以在风洞中进行测试,但其在自由飞行中的性能可能会有所不同。在兰利纪念航空实验室,EP Leslie使用带有Wright E-4发动机的Vought VE-7s进行自由飞行的数据,而Durand使用减小尺寸的形状类似的形状进行风洞数据。他们的研究结果于1926年作为NACA报告#220发表。[25]


飞机螺旋桨的理论与设计


飞行中的ATR 72螺旋桨。

Lowry [26]引用了塞斯纳172的巡航效率约为73.5%的螺旋桨。这源自他的“ Bootstrap方法”,用于分析使用固定螺距或恒速螺旋桨的轻型通用飞机的性能。螺旋桨的效率受攻角(α)的影响。定义为α=Φ-θ,[27]其中θ是螺旋角(合成相对速度与叶片旋转方向之间的角度),Φ是叶片螺距角度。很小的螺距角和螺旋角可提供良好的抵抗阻力性能,但推力很小,而较大的角度则具有相反的效果。最佳螺旋角是当叶片充当机翼时产生的升力远大于阻力。但是,“提起并拖动”只是表达叶片上空气动力的一种方法。为了解释飞机和发动机的性能,由于螺旋桨所需的输出是推力,因此相同的力在推力和扭矩方面略有不同[28]。推力和扭矩是定义螺旋桨效率的基础,如下所示。螺旋桨的前进比类似于机翼的迎角。


螺旋桨的效率由[29]决定


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螺旋桨的机翼截面类似于低阻力机翼,因此,除了最佳迎角以外,螺旋桨的操作性都很差。因此,大多数螺旋桨使用可变螺距机构来随着发动机速度和飞机速度的改变来改变叶片的螺距角。



水手检查着陆艇气垫气垫船的螺旋桨

进一步的考虑是所使用的叶片的数量和形状。增加叶片的纵横比可以减小阻力,但是产生的推力大小取决于叶片面积,因此使用高纵横比的叶片可能会导致螺旋桨直径过大。进一步的平衡是,使用较少数量的叶片可以减少叶片之间的干扰影响,但是要具有足够的叶片面积以在设定的直径内传输可用功率,则需要做出折衷。叶片数量的增加也减少了每个叶片需要执行的工作量,从而限制了本地马赫数 -这对螺旋桨的性能造成了很大的限制。跨音速时螺旋桨的性能会下降流量首先出现在叶片的尖端。由于螺旋桨任一部分的相对空气速度是飞机速度与旋转引起的切向速度的矢量和,因此叶片尖端上的气流将在飞机飞行之前就达到跨音速。当叶片顶部的气流达到临界速度时,阻力和扭矩阻力会迅速增加,并且会形成冲击波,从而使噪声急剧增加。因此,带有传统螺旋桨的飞机的飞行速度通常不会超过0.6马赫。曾经有螺旋桨飞机达到0.8马赫的射程,但是在这种速度下螺旋桨效率低,这种应用很少。


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