Cattle带您学航模零基础系列教程之螺旋桨(一)

学航模零基础系列教程之螺旋桨（一）
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(参考Martin Simons的 Model Aircraft Aerodynamics 4th)
螺旋桨效率
螺旋桨效率= 有效输出功率/传动轴输入功率 = 推力*速度/功率
螺旋桨转动，螺旋桨前被减小的压力使得空气向螺旋桨加速。

若前方来流速度为V，当气流穿过螺旋桨时速度变为V+v。

在螺旋桨后面，由于压力增加，气流加速，因此在螺旋
桨后方一定距离，速度进一步增加到V+2v。

滑流速度的增加有一半发生在螺旋桨前，有一
半发生在螺旋桨后。

滑流的直径在螺旋桨前后都有收缩。

v与V的比值，飞行速度和通过螺旋桨时流速增量的比非常重要，被称为“入流系数”。

将推力与飞行速度和入流系数联系在一起，可以得到螺旋桨的“理想”效率。

其数值
一定小于1.0.效率能达到90%的是非常罕见的。

对于全尺寸飞机螺旋桨和直升机旋翼的直径限制于桨叶桨尖的速度。

如果桨叶桨尖速
度接近声速时，效率会下降，会产生很大的应力，噪声也会增加
作为旋翼系统的螺旋桨
螺旋桨的每片桨叶都是一个旋转的机翼。

桨叶与其扫掠成的圆盘成某个角度，称为桨距，这样它们在解决垂直于旋转面的方向上产生升力。

气动阻力抵制旋转方向运动，产生
作用在传动轴上的反作用扭矩。

这一扭矩作用到飞机上，产生使飞机向一侧转动的力，方
向取决于螺旋桨转动的方向。

当阻力反作用力矩与发动机的轴扭矩相等时，就达到了给定状态下的最大转速。

一种
提高螺旋桨效率的途径是减小桨叶的气动阻力，使得在给定输入功率时可以实现一个更高
的转动速率，进而在桨盘后达到一个更大的压力差和更大的推力。

和机翼一样，桨叶的气
动阻力分为涡诱导阻力和型阻两个部分。

由于是通过在上下表面间形成的压力差来产生升力，在桨叶的根部和尖部，也就是外
侧和内侧的端面都会产生漩涡。

漩涡产生气动阻力，和机翼一样，阻力的大小取决于桨叶
的展弦比、平面形状和扭转。

像机翼一样，桨叶或桨叶的一部分可能失速，产生非常高的阻力和非常小的升力，或
者如果桨叶相对空气的迎角为负，它可能产生一个负升力。

桨距
大多数螺旋桨的翼面都不是完全平的，像机翼剖面一样，从后缘到前缘引一条弦线。

桨叶剖面从根部到尖部是不断变化的，靠近桨尖的部位通常薄，靠近中心的位置相对厚。

桨叶上每一截面的实际弦线相对于背风面切线基准而言可能都是不同的。

每一个桨叶剖面有一个气动零迎角。

只有在剖面对称的情况下它才与几何弦线重合。

在有弯度翼型上，气动零线和桨盘之间的角度比通常的比几何基准的更大。

当用一个简单的桨距仪测量一个螺旋桨模型时，都把平的或有点平的桨叶背面作为基准，从桨中心向叶尖距离的75%的径向位置是通常用于测量标定桨距的点，它常以一个长
度的形式给定。

桨叶升力和螺旋桨推力
在径向任一点处桨叶相对空气的速度都是它在该点处的旋转速度和前向速度的合成。

桨叶迎角是从几何弦到当地相对气流线的夹角，显然小于桨距角。

只要迎角大于该剖面处的气动零迎角，升力就会产生，但升力方向是垂直于气流方向，而不是垂直于桨盘。

因此升力的方向相对翼面的旋转方向向后倾斜了。

实验证明，有效的推力小于升力，而且升力的一个分量将成为桨叶总阻力的一个组成部分。

为了使桨叶保持相对空气的一个相同的迎角，它同桨盘平面的夹角必须增加，这样做的结果是升力更多的向转动的反方向倾斜，推力更小，而转动的阻力更大。

螺旋桨内侧的部分不及外侧有效率。

靠近中心的部位相对气流基本直接沿旋转的轴心，基本不能产生推力。

每片桨叶大约20%长度的效率可以忽略，为了减小阻力，采用流线型的机头罩虎更好，尽管这样会损失一部分推力。

恒定桨距
为了得到最小的型阻，桨叶每一个小段都应当置于达到最佳升阻比的气动迎角下。

定桨距无疑是为了实现在某一速度和转速下的最佳效果，如果转速和飞行速度能够同步变化使沿桨叶的每个位置都保持最佳迎角，那么它也会是很有效的。

这至少与实际情况大概一致，即见效发动机功率（转速）会导致飞行速度降低。

变桨距螺旋桨
这种沿径向的桨距变化的优点主要是，尽管螺旋桨想的效率不会像定距桨在其设计的特定情况下能达到的最佳效率一样高，但在更宽的飞行包线下这种螺旋桨都能到到一个合理的效率。

这对模型的特技飞行特别重要。

变桨距
为了克服用于起飞或爬升的大桨距螺旋桨在高速下的效率底下，全尺寸飞机广泛采用变桨距螺旋桨。

这种情况下，允许操作选择所需的桨叶桨距使螺旋桨效率更高，进而在整个速度范围内获得更好的推力。

变距通过使桨叶绕其中心轴旋转来实现。

改变桨叶本身的扭转是不可行的，因此这类螺旋桨在按非设计速度飞行时仍然要损失一些效率。

发动机有其最经济的转速，如果大多数飞行状态下螺旋桨的桨距与这一转速匹配就可以提高效率。

桨叶直径/桨距比
市面上大多数是恒定桨距，出售时会标出一个直径和桨距。

这可以算出直径与桨距的比，得到比率。

由于螺旋桨的空气阻力在很大程度上取决于直径和桨距，如果直径增加，为保证发动机在原转速下驱动螺旋桨，桨距必须减小，也就是对于一个给定输入功率，直径和桨距的比率必须增加。

前进比
前进比 = 飞行速度/（转速*直径）
对于定桨距而言，桨叶的迎角取决于飞行速度和转速，在给定转速下，桨盘直径决定了螺旋桨桨尖的实际速度，在给定桨距下，直径对于给定转速下的螺旋桨要求的公路也有影响。

桨距与速度的关系
由于桨距使桨叶旋转一圈所前进的距离，因而将距与转速和速度的关系通常是固定的
螺旋桨与动力的匹配
使螺旋桨与发动机功率和特定的飞机向匹配主要依靠经验和实验。

Cattle 2014.8.6。