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熟悉無人機、熟悉四旋翼的人可能知道,螺旋槳有正槳和反槳之分。一般螺旋槳正面光滑,同時刻有相應的螺旋槳參數(shù)值。當該面朝前時,逆時針旋轉產(chǎn)生拉力的為正槳,順時針旋轉產(chǎn)生拉力的為反槳。對于普通的電動航模,一般通過改變電機的轉向來改變前拉或者后推。但是不建議正槳反用,因為這樣效率較低。
常見航模馬刀槳(正槳)
一對航模用碳纖維正反槳
對于發(fā)動機功率輸出方向一定的活塞發(fā)動機,當前拉時,需要用到正槳,一般在輕型運動固定翼飛機上常見;當后推時,需要用到反槳,一般在捕食者、翼龍一類的攻擊型無人機,兩棲類腰推式固定翼飛機上常見。
前拉式輕型運動固定翼飛機
腰推式螺旋槳固定翼飛機
后推三葉槳捕食者B型無人機
塑料螺旋槳一般用于普通的航模,對于汽油、甲醇一類的大型航模、無人機用活塞發(fā)動機,螺旋槳材料一般為碳纖維、木頭或鋁合金。正反槳一般同時應用在雙發(fā)、四發(fā)等四旋翼、無人機,甚至大型渦輪螺旋槳發(fā)動機飛機上。正槳逆時針旋轉、反槳順時針旋轉,同時抵消因旋轉產(chǎn)生的扭矩。還有一種是共軸反轉,正槳和反槳安裝于同一根軸上,按照相反的方向旋轉,抵消扭矩,常用于直升機、大型渦輪螺旋槳運輸機上。
四旋翼飛行器
四旋翼結構形式
大型四發(fā)螺旋槳運輸機
大型雙發(fā)螺旋槳運輸機
螺旋槳的工作原理
螺旋槳的截面和機翼的截面是相似的。根據(jù)伯努利原理,流速大的壓強小,流速小的壓強大??梢园崖菪龢闯墒且粋€一面旋轉一面前進的機翼進行討論。流經(jīng)槳葉各剖面的氣流由沿旋轉軸方向的前進速度和旋轉產(chǎn)生的切線速度合成。在螺旋槳半徑r1和r2(r1<='' p=''>
螺旋槳結構圖示
螺旋槳升力原理圖
螺旋槳的分類
上文中說道,螺旋槳有正槳和反槳之分。其實螺旋槳分類有多種,按照槳距可分為定槳距和變槳距兩種。
1 定距螺旋槳
木制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??;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范圍內效率較高,在其他狀態(tài)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上得到廣泛應用。
螺旋槳工作原理
木質定距螺旋槳
2 變距螺旋槳
為了解決定距螺旋槳高、低速性能的矛盾,出現(xiàn)了飛行中可變槳距的螺旋槳。螺旋槳變距機構由液壓或電力驅動。一開始使用的是雙距螺旋槳。高速時用高距,低速(如起飛、爬升狀態(tài))時用低距,以后又逐步增加槳距的數(shù)目,以適應更多的飛行狀態(tài)。變距螺旋槳是帶有轉速調節(jié)器的恒速螺旋槳。轉速調節(jié)器實際上是一個能自動調節(jié)槳距、保持恒定轉速的裝置。駕駛員可以通過控制調節(jié)器和油門的方法改變發(fā)動機和螺旋槳的轉速,一方面調節(jié)螺旋槳的拉力,同時使螺旋槳處于較佳的工作狀態(tài)。在多發(fā)動機飛機上,當一臺發(fā)動機發(fā)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(fā)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(chǎn)生負拉力,以增加阻力,縮短著陸滑跑距離。這個狀態(tài)稱為反槳。
螺旋槳變距示意圖
可調的三葉槳
螺旋槳有幾個槳葉合適
不管是看螺旋槳運輸機,還是看無人機,甚至是典型的直升機,我們看到,有的有兩葉槳,有的是三葉槳,有的是四葉槳,甚至更多。那么螺旋槳到底有幾葉合適呢?
其實螺旋槳的葉數(shù)并不是隨便指定的。用什么螺旋槳,用幾葉槳,還要考慮發(fā)動機的功率,飛行時的阻力等因素。由于發(fā)動機馬力不大,螺旋槳的研究和加工也是出于初期,造成了一戰(zhàn)和二戰(zhàn)期間,飛機大量使用兩葉槳或者三葉槳。隨著加工水平的提高,螺旋槳開始使用金屬材料,再加上流體力學和風洞的試驗,使得三葉槳開始流行。后來,隨著發(fā)動機馬力的增大,4葉槳、6葉槳成為可能。但同時螺旋槳葉數(shù)的增加葉加大了空氣阻力。
同時如果通過增加螺旋槳的長度和迎風面積來增加效率是有限的,甚至會發(fā)生螺旋槳觸地的后果。因此通過增加螺旋槳葉數(shù)量也是一個可行的辦法。
三葉槳風洞試驗
8葉槳的美軍預警機
螺旋槳常用的發(fā)動機
提到螺旋槳發(fā)動機,給人的感覺是上個世紀的事情?,F(xiàn)在多為噴氣式發(fā)動機。然而,對于直升機來說,螺旋槳是其標配。對于大型運輸機、預警機,仍然需要螺旋槳。這同時也代表了兩個不同的發(fā)動機——渦輪軸發(fā)動機和渦輪螺旋槳發(fā)動機。
渦輪軸發(fā)動機和渦輪螺旋槳發(fā)動機均由渦扇發(fā)動機變體而來。前者將風扇換為旋翼,后者將風扇換為螺旋槳。
渦輪軸發(fā)動機,常用于直升機
渦輪螺旋槳發(fā)動機
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