螺旋桨原理及其应用.docx

论文题目：

直升飞机螺旋桨原理及其应用

北京四中 高一 吴士荀
北京四中 高一 唐明昊
北京四中 高一 杨宗翰
北京四中 高一 赵铂琛

指导教师：
北京四中 魏华

2014年5月

摘要
螺旋桨的出现加快了世界前进的脚步，给我们带来了各种方便与快捷。我和组员就是三个不折不扣的航空迷。在生活中，各种媒体里，我们看到了螺旋桨的神奇效用，一个简单的扇叶竟能够使一架几吨重的庞然大物在空中轻盈飞翔。身为中学生的我们能否通过自己的聪明才智研究其中的奥妙呢？于是我们运用了资料查询法、小组讨论法 等方法进行了研究。经过了一学年的研究，我们初步探究了直升飞机螺旋桨的原理及其应用。

目录：
一、问题的提出

二、研究目的

三、直升飞机及螺旋桨概述

四、感想体会

五、参考资料及鸣谢

一、问题的提出
背景：
在当今社会中，螺旋桨扮演着越来越重要的角色。从我们身边的遥控飞机，到翱翔在空中的各种飞行器无一不归功于螺旋桨的发明。然而，看似简单的扇叶是如何实现了多年来人类飞行的梦想呢？本组本着对科学的好奇以及对知识的渴望，进行了本课题的研究，意在探究螺旋桨的原理及其应用以及它潜在的发展空间以及存在问题，为罗湘江的进一步发展提出可行化建议。

二、研究目的
1.目的与意义：研究螺旋桨原理及其应用，明确其发展方向以及现存的问题。
2.必要性：螺旋桨的应用将在人们的生活中日益普遍，在不久的将来，螺旋桨也将存在于我们的身边，因此有必要了解它的原理及其应用，并研究它的现存问题。
3.可行性：从中学生所掌握的知识出发，并向大学知识拓展，运用各类知识学习螺旋桨的原理及其应用，探究其发展方向，分析现存问题。
三、直升飞机及螺旋桨概述
（一）直升飞机
1.简介
直升机：直升机的最大时速可达300km/h以上，俯冲极限速度近400km/h,实用升限可达6000米（世界纪录为12450m），一般航程可达600～800km左右。携带机内、外副油箱转场航程可达2000km以上。根据不同的需要直升机有不同的起飞重量。当前世界上投入使用的重型直升机最大的是俄罗斯的米-26（最大起飞重量达56t，有效载荷20t）。当前实际应用的是机械驱动式的单旋翼直升机及双旋翼直升机，其中又以单旋翼直升机数量最多。[1]
直升机本质上是不同于飞机的另一种飞行器，其推力，升力和操纵的实现均和飞机有比较大的差距，因此，直升飞机是一种错误的叫法。

2.优缺点
优点
直升机的突出特点是可以做低空（离地面数米）、低速（从悬停开始）和机头方向不变的机动飞行，特别是可在小面积场地垂直起降。由于这些特点使其具有广阔的用途及发展前景。在军用方面已广泛应用于对地攻击、机降登陆、武器运送、后勤支援、战场救护、侦察巡逻、指挥控制、通信联络、反潜扫雷、电子对抗等。在民用方面应用于短途运输、医疗救护、救灾救生、紧急营救、吊装设备、地质勘探、护林灭火、空中摄影等。海上油井与基地间的人员及物资运输是民用的一个重要方面。[2]
缺点
当前直升机相对飞机而言，振动和噪声较高、维护检修工作量较大、使用成本较高，速度较低，航程较短。直升机今后的发展方向就是在这些方面加以改进。[2]

3.工作原理
单旋翼式
直升机发动机驱动旋翼提供升力，把直升机举托在空中，单旋翼直升机的主发动机同时也输出动力至尾部的小螺旋桨，机载陀螺仪能侦测直升机回转角度并反馈至尾桨，通过调整小螺旋桨的螺距可以抵消大螺旋桨产生的不同转速下的反作用力。双旋翼直升机通常采用旋翼相对反转的方式来抵消旋翼产生的不平衡升力。
首先直升机要先起飞才能向前后左右移动，所以要使图中的倾斜盘整体向上移动，两个桨夹就有了一定角度那么顺时针旋转就有了向下的力，飞机就起飞了，但这时左右旋翼产生的生力相同，所以直升机只能向上运动，如果把倾斜盘看成表盘，如果它前倾，倾斜盘上半部分是转动的，那么两个连杆只有在12点和6点方向差别最大（一个在上，一个在下）6点的拉杆把桨夹向上推那么增大了原来旋翼的角度所以产生的向下的力变大了，12点的向下拉，减小了旋翼角度那么向下的力减小，这时两个旋翼受力不再平衡，右边力大。左边力小那么直升机应该向左飞，但是旋转的旋翼遵循陀螺效应，要顺时针转过90度产生效果，所以旋翼变成6点方向的力大于12点方向，所以直升机向前飞。其他方向同理

双旋翼式
双旋翼直升机有两种，一种是共轴双旋翼，即两个旋翼同一个轴心，如俄国生产的卡-27直升机等；另一种是分轴双旋翼，即两个旋翼分开比较远，各有各自的轴，典型代表是美国的支奴干直升机。双旋翼直升机还可以根据两根旋翼轴的相对位置分为纵列双旋翼直升机和并列双旋翼直升机。
通过称为“倾斜盘”的机构可以改变直升机的旋翼的桨叶角，从而实现旋翼周期变距，以此改变旋翼旋转平面不同位置的升力来实现改变直升机的飞行姿态，再以升力方向变化改变飞行方向。同时，直升机升空后发动机是保持在一个相对稳定的转速下，控制直升机的上升和下降是通过调整旋翼的总距来得到不同的总升力的，因此直升机实现了垂直起飞及降落。[1]

4.操作系统
直升机的操纵系统有别于固定翼航空器，通常由以下部分组成：[3]
总距操纵杆
简称总距杆，用来控制旋翼桨叶总距变化。总距操纵杆一般布置在驾驶员座位的左侧，绕支座轴线上、下转动。驾驶员左手上提杆时，使自动倾斜器整体上升而增大旋翼桨叶总距(即所有桨叶的桨距同时增大相同角度)使旋翼拉力增大，反之拉力减小，由此来控制直升机的升降运动。通常在总距操纵杆的手柄上设置旋转式油门操纵机构，用来调节发动机油门的大小，以便使发动机输出功率与旋翼桨叶总距变化后的旋翼需用功率相适应。因此，该操纵杆又被称为总距油门杆。[3]
周期变距操纵杆（驾驶杆）
简称驾驶杆。与固定翼航空器的驾驶杆作用相似，通过操纵线系与自动倾斜器相连接。一般位于驾驶员座椅的中央前方。驾驶员沿横向和纵向操纵周期变距操纵杆时，自动倾斜器会出现相应方向的倾斜，从而导致旋翼拉力方向也发生相应方向的倾斜，由此得到需要的推进力以及横向和纵向操纵力，进而改变直升机的运动状态和自身姿态。[3]
脚蹬
与固定翼航空器的方向舵脚蹬作用相似，都是控制航向工具。由于直升机的类型比较多，脚蹬起作用的方式也各不相同。对于单旋翼带尾桨直升机，脚蹬经操纵线系与尾桨的桨距控制装置相连，通过控制尾桨桨距的大小来调节尾桨产生的侧向力，达到控制航向的目的。对于单旋翼无尾桨直升机，则是通过脚蹬控制机身尾部出气量的大小来调节侧向力。对于双旋翼直升机，脚蹬控制的则是两旋翼总桨距的差动，即一个增大一个减小，使得两旋翼反扭矩不能平衡，从而使机身发生航向偏转。[3]

5.发展前景
直升机作为20世纪航空技术极具特色的创造之一，极大地拓展了飞行器的应用范围。直升机是典型的军民两用产品，可以广泛的应用在运输、巡逻、旅游、救护等多个领域。
直升机在人类的生产和生活中得到越来越多的应用，全球市场表现出对于直升机的持续需求。尤其是新兴市场，随着经济的发展，对于直升机有着大数量、高增长的需求。世界上43%的直升机服役年龄在25年以上，更新换代的需要进一步增加了对于直升机生产的诉求。据智研数据研究中心统计对2011到2020年的全球直升机市场做出预测，10年间将需要交付至少16970架直升机，总价值1400亿美元。其中民用直升机10900架，价值340亿美元，军用直升机6070架，价值1060亿美元。
我国直升机装备情况与国外相比差距很大，军用直升机每万名军人的直升机保有量仅为2.1架，不到发达国家水平的十分之一;而民用直升机的百万人口保有量仅为0.06架，更是远低于发达国家水平，中国直升机产业市场潜力巨大。

（二）螺旋桨
1.概述：
螺旋桨是指靠桨叶在空气或水中旋转，将发动机转动功率转化为推进力的装置，可有两个或较多的叶与毂相连，叶的向后一面为螺旋面或近似于螺旋面的一种船用推进器。螺旋桨分为很多种，应用也十分广泛，如飞机、轮船的推进器等。

2.空气桨
概述
靠桨叶在空气中旋转将发动机转动功率转化为推进力或升力的装置，简称螺旋桨。它由多个桨叶和中央的桨毂组成，桨叶好像一扭转的细长机翼安装在桨毂上,发动机轴与桨毂相连接并带动它旋转。中国明代（1368～1644年）民间的玩具“竹蜻蜓”实际上是一种原始的螺旋桨。喷气发动机出现以前，所有带动力的航空器无不以螺旋桨作为产生推动力的装置。螺旋桨仍用于装活塞式和涡轮螺旋桨发动机的亚音速飞机。直升机旋翼和尾桨也是一种螺旋桨。
原理
螺旋桨旋转时，桨叶不断把大量空气（推进介质）向后推去，在桨叶上产生一向前的力，即推进力。一般情况下，螺旋桨除旋转外还有前进速度。如截取一小段桨叶来看，恰像一小段机翼，其相对气流速度由前进速度和旋转速度合成（图1 ）。桨叶上的气动力在前进方向的分力构成拉力。在旋转面内的分量形成阻止螺旋桨旋转的力矩，由发动机的力矩来平衡。桨叶剖面弦(相当于翼弦)与旋转平面夹角称桨叶安装角。螺旋桨旋转一圈，以桨叶安装角为导引向前推进的距离称为桨距。实际上桨叶上每一剖面的前进速度都是相同的，但圆周速度则与该剖面距转轴的距离（半径）成正比，所以各剖面相对气流与旋转平面的夹角随着离转轴的距离增大而逐步减小，为了使桨叶每个剖面与相对气流都保持在有利的迎角范围内，各剖面的安装角也随着与转轴的距离增大而减小。这就是每个桨叶都有扭转的原因。
螺旋桨效率 以螺旋桨的输出功率与输入功率之比表示。输出功率为螺旋桨的拉力与飞行速度的乘积。输入功率为发动机带动螺旋桨旋转的功率。在飞机起飞滑跑前，由于前进速度为零，所以螺旋桨效率也是零，发动机的功率全部用于增加空气的动能。随着前进速度的增加，螺旋桨效率不断增大，速度在200～700公里/时范围内效率较高,飞行速度再增大，由于压缩效应桨尖出现波阻，效率急剧下降。螺旋桨在飞行中的最高效率可达85%～90%。螺旋桨的直径比喷气发动机的大得多，作为推进介质的空气流量较大，在发动机功率相同时，螺旋桨后面的空气速度低,产生的推力较大，这对起飞（需要大推力）非常有利。
构造特点
螺旋桨有2、3或4个桨叶,一般桨叶数目越多吸收功率越大。有时在大功率涡轮螺旋桨飞机上还采用一种套轴式螺旋桨，它实际上是两个反向旋转的螺旋桨，可以抵消反作用扭矩。在发动机功率低于100千瓦的轻型飞机上，常用双叶木制螺旋桨。它是用一根拼接的木材两边修成扭转的桨叶，中间开孔与发动机轴相连接。螺旋桨要承受高速旋转时桨叶自身的离心惯性力和气动载荷。大功率螺旋桨在桨叶根部受到的离心力可达200千牛( 20吨力)。此外还有发动机和气动力引起的振动。大功率发动机一般采用3叶和4叶螺旋桨，并多用铝合金和钢来制造桨叶。铝和钢制桨叶因材料坚固可以做得薄一些，有利于提高螺旋桨在高速时的效率。70年代以后还用复合材料制造桨叶以减轻重量。
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。
3.螺旋桨拉力变化
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。
随速度的变化
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。，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。
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。
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。
4.有效功率
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
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OA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。

四、感想体会
光阴似箭，岁月如梭。转眼间，我们的对课题的研究也到了尾声。回想这一年间，我们经历了迷茫，经历了挫折，同时也经历了收获。这段经历一定会在我心中永存。
一年前，我迷茫在无数的课题中，但是凭借着对科学的热爱，我选择了她。那时，我对这个课题无从下手，正是和同学们的的激烈讨论，我才真正领会到了她的真谛。在之后的研究过程中，我不但学会了各种研究方法，比如问卷调查法、专家咨询法，我还学会了各种待人接物的道理。在制作调查问卷时，我学会如何才能用言简意赅的文字表达出自己的意思，让填写问卷的人能够准确地回答问题。在下发问卷的过程中，我还学会了如何与人沟通、交流，才能够事半功倍。在研究过程中，组员之间也不免出现一些小摩擦、小矛盾，这时我懂得了团结的作用。身为组长，我更加懂得了协调组员之间关系的重要，更加懂得了责任的意义。在得出结论的过程中，我面对着一组组枯燥乏味的数据无从下手。结果一拖再拖，恰好与期中考试撞车了。然而上交结论的期限就在眼前，该如何是好呢？于是我果断与组员分配了任务，开会讨论问题，结果2天就解决了问题，得出了比较全面的的结论。如此高的工作效率虽然建立在了错误之上，但反映的问题却十分重要。工作效率是建立在大家团结一心，合理分工，一起使劲的基础上的。当然以后不能得过且过了，做事还是要前紧后松，因为计划赶不上变化呀！
这次的研学经历，让我懂得了很多：有专业知识的扩展，有与人交流的艺术，有身为领导的责任，更重要的是我懂得了在日常生活中，我要珍视每一个念头与想法，从小事做起，凭借着自己的好奇心以及坚持不懈的努力进行研究，这样才不会辜负我们自己的想法，迎来收获的季节！

五、鸣谢及参考资料

感谢北京四中物理教研组组长魏华老师的大力支持

参考资料：
百度文库及百科
《力学》 舒幼生著 北京大学出版社出版

《力学》 赵凯华著 高等教育出版社出版

《空气动力学基础》 John .D. Anderson 著