《固定翼無人機(jī)技術(shù)》課件-課程教案6-第六章 螺旋槳 11-17

固定翼無人機(jī)技術(shù)固定翼無人機(jī)技術(shù)教師年級(jí)授課時(shí)間教學(xué)內(nèi)容第六章螺旋槳授課類型現(xiàn)場(chǎng)講授學(xué)情分析教材分析教學(xué)目標(biāo)知識(shí)與技能掌握航空螺旋槳結(jié)構(gòu)掌握螺旋槳的運(yùn)動(dòng)特性掌握螺旋槳的拉力和效率了解變距螺旋槳了解螺旋槳的效率與陀螺力矩過程與方法1、講授法2、討論法3、直觀演示法4、讀書指導(dǎo)法5、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法6、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)法7、自主學(xué)習(xí)法教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)1、航空螺旋槳結(jié)構(gòu)2、螺旋槳的運(yùn)動(dòng)特性3、螺旋槳的拉力和效率教學(xué)難點(diǎn)1、螺旋槳的運(yùn)動(dòng)特性2、螺旋槳的拉力和效率知識(shí)框架圖教學(xué)過程主備從備（教師姓名）[課堂引入]引入：這一部分首先讓大家對(duì)固定翼無人機(jī)的螺旋槳有個(gè)整體了解，航空螺旋槳結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)特性，拉力和效率等等。[教學(xué)內(nèi)容]螺旋槳思考：什么是螺旋槳的螺距、槳葉角，螺旋槳的槳葉為什么要沿著徑向的位置扭轉(zhuǎn)？什么是變距螺旋槳？使用變距螺旋槳有什么好處？闡述螺旋槳陀螺力矩和反作用力矩的產(chǎn)生原因和消除方法？什么是螺旋槳的效率，與哪些參數(shù)有關(guān)？6.1航空螺旋槳結(jié)構(gòu)通過槳葉在空氣中旋轉(zhuǎn)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)功率轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力或升力的裝置，稱為螺旋槳（propeller）。螺旋槳通常由兩個(gè)、三個(gè)或者多個(gè)槳葉連接到中心槳轂上。最接近槳轂的槳葉稱為葉柄，而離槳轂最遠(yuǎn)的部分稱為葉尖（如圖6-1所示）。通過槳轂組件的轂孔將螺旋槳安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸或者減速器組件上。螺旋槳葉的剖面形狀與翼剖面相似（圖6-2），具有前緣、后緣和弦線。槳葉上凸起的一面稱為葉背，平坦的一面稱為葉面（圖6-3）。槳葉角（bladeangle）為螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面和槳葉弦線構(gòu)成的夾角。6.2螺旋槳的運(yùn)動(dòng)特性當(dāng)飛機(jī)停在原地不動(dòng)，或者把發(fā)動(dòng)機(jī)固定在試車臺(tái)上工作時(shí)，安裝在上面的螺旋槳就只能在原地旋轉(zhuǎn)。這時(shí)，槳葉的每個(gè)剖面的運(yùn)動(dòng)軌跡都是圓弧，圓心都在旋轉(zhuǎn)軸上，圓的半徑就是槳葉剖面到旋轉(zhuǎn)軸的距離，如圖6-4所示。在槳葉每旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間內(nèi)，與旋轉(zhuǎn)軸距離不同的槳葉剖面所走的路程是不相等的，其切線速度也不同。越接近槳葉兩端，圓周的切線速度就越大。在飛行中，槳葉隨著飛機(jī)以同樣的飛行速度V前進(jìn)著，此時(shí)對(duì)于槳葉的來說，是一面旋轉(zhuǎn)一面前進(jìn)的，如圖6-5所示。它的運(yùn)動(dòng)軌跡在圓柱面上就是一條螺紋線，這個(gè)圓柱的半徑就是槳葉剖面到旋轉(zhuǎn)軸的距離。槳葉旋轉(zhuǎn)一整圈在圓柱軸向上所前進(jìn)的距離稱為螺旋槳的螺距（pitch）。槳距和槳葉角密切相關(guān)。對(duì)于有固定槳距的螺旋槳，其槳葉角也是固定的，兩者之間有以下關(guān)系：其中，Ha為槳距；r為螺旋槳特征截面半徑；Φ為槳葉角。由于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，槳葉不同徑向位置上的切線速度不同，接近葉尖部分比靠近槳轂部分切向速度大。為了補(bǔ)償沿螺旋槳槳葉的速度差，槳葉每小段給定不同的角度，使葉尖到葉根都能獲得較大的拉力。除了葉片的扭轉(zhuǎn)之外，大多數(shù)螺旋槳接近槳轂的部分用較厚的低速翼型，接近翼尖用較薄的高速翼型。這樣，同葉片扭轉(zhuǎn)組合，允許螺旋槳沿著槳葉整個(gè)長(zhǎng)度產(chǎn)生相對(duì)均衡的拉力。6.3螺旋槳的拉力和效率截取一小段槳葉來看，其剖面與機(jī)翼的剖面相似。相對(duì)風(fēng)以某一迎角吹向這一小段槳葉時(shí)，作用在它上面總的空氣動(dòng)力與作用在機(jī)翼上的力是一樣的，是與相對(duì)風(fēng)成一定角度的。我們將總的空氣動(dòng)力R分解為與旋轉(zhuǎn)軸平行的P和垂直的Q兩個(gè)方向，如圖6-6所示。其中，力P的方向與前進(jìn)方向一致，即帶動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)的拉力。整個(gè)螺旋槳所產(chǎn)生的拉力，就是每一段槳葉上拉力P的總和。螺旋槳產(chǎn)生拉力的大小取決于幾個(gè)因素：槳葉迎角、螺旋槳轉(zhuǎn)速和翼型的形狀。螺旋槳的轉(zhuǎn)速有一定的限制，主要是因?yàn)闃~的槳尖速度在高轉(zhuǎn)速下，其切線速度超過聲速后會(huì)帶來非常大的阻力，消耗許多能量，推進(jìn)效率會(huì)變得很低。因此，螺旋槳的轉(zhuǎn)速不能過高，必須小于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。螺旋槳滑距是螺旋槳的幾何槳距和有效槳距之間的差值。如圖6-7，幾何槳距是螺旋槳旋轉(zhuǎn)一周應(yīng)該前進(jìn)的理論距離；有效槳距是螺旋槳旋轉(zhuǎn)一周的實(shí)際前進(jìn)距離。因此，幾何的或者理論的槳距是基于沒有滑動(dòng)的，但是實(shí)際的或者有效的槳距包含了螺旋槳在空氣中的滑動(dòng)。6.4變距螺旋槳螺旋槳尺寸較大，通過改變螺旋槳轉(zhuǎn)速匹配飛行速度、發(fā)動(dòng)機(jī)功率較為困難，因此除小尺寸的螺旋槳外，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的螺旋槳均保持轉(zhuǎn)速不變，通過“調(diào)節(jié)槳距”匹配發(fā)動(dòng)機(jī)功率和飛行需要的功率。槳距與螺槳葉片葉型與發(fā)動(dòng)機(jī)軸向線的夾角直接相關(guān)。槳距可以直觀地表示為圖6-8中螺旋槳的安裝角度Φ，螺旋槳采用該調(diào)節(jié)形式保持螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)不變，稱為恒速變距螺旋槳。螺旋槳的槳葉角固定不變的，稱為定距螺旋槳。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，一般用于小功率、輕型飛機(jī)上。定距螺旋槳油門桿直接控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速而不是進(jìn)氣壓力。它只能在一種飛行狀態(tài)下保持較好的性能，飛行狀態(tài)一旦改變，性能立即變壞，還會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出。變距螺旋槳槳葉角可以自動(dòng)或人工改變（圖6-9），一般由油門桿和變距桿控制，油門控制發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出，由進(jìn)氣壓力表指示；變距桿調(diào)整螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度，由轉(zhuǎn)速表指示。飛行員可在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的范圍和限制條件下操縱油門桿和變距桿，以此來設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。（1）螺旋槳變距的目的發(fā)動(dòng)機(jī)巡航功率可以用不同的進(jìn)氣壓力和不同的轉(zhuǎn)速配合，而它們的燃油消耗率是不同的，通常只有在某一轉(zhuǎn)速下配合某一個(gè)進(jìn)氣壓力才能得到最低的燃油消耗率。變距的目的就是提高螺旋槳的效率和使發(fā)動(dòng)機(jī)工最經(jīng)濟(jì)。現(xiàn)代變距螺旋槳首先保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)兼顧發(fā)揮螺旋槳的效率。（2）順槳變距變距方式有氣動(dòng)機(jī)械式變距、液壓式變距和電動(dòng)式變距。利用來自調(diào)節(jié)裝置的單個(gè)供油來液壓地致動(dòng)葉片角度的變化。圖3-35中該螺旋槳有五個(gè)葉片，主要用于Pratt＆Whitney渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。兩件式鋁制輪轂將每個(gè)螺旋槳葉片固定在止推軸承上。氣缸連接在輪轂上，并包含一個(gè)彈化彈簧和活塞。液壓致動(dòng)活塞通過變槳桿和前叉將線性運(yùn)動(dòng)傳遞到每個(gè)葉片，從而導(dǎo)致葉片角度變化。6.5螺旋槳的效率與陀螺力矩6.5.1螺旋槳的效率螺旋槳的效率η可表達(dá)為螺旋槳有效功率P槳與發(fā)動(dòng)機(jī)功率P發(fā)之比。設(shè)無人飛機(jī)速度V（m/s），發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的實(shí)際拉力為T（kgf，千克力），發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率為P（馬力，hP），則有：螺旋槳效率的變化范圍一般是50％～87％，并且與螺旋槳的滑距有關(guān)。設(shè)計(jì)良好并與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的螺旋槳效率應(yīng)在0.75以上。螺旋槳裝在機(jī)身前或后面會(huì)對(duì)其效率產(chǎn)生一定影響，效率降低程度與螺旋槳直徑相對(duì)機(jī)身大小有關(guān)。圖6-10為一些統(tǒng)計(jì)結(jié)果。螺旋槳效率越高，表明在相同發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率下，螺旋槳的有效功率越大，即發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率損失的越少，螺旋槳的性能越好;反之，螺旋槳的性能就越差。一切使螺旋槳拉力減小而旋轉(zhuǎn)阻力增大的因素，都將會(huì)使螺旋槳有效功率減小，從而降低螺旋槳的效率。因此，要提高螺旋槳的效率，就應(yīng)盡量減少螺旋槳的各種阻力，以增大螺旋槳的有效功率。有些小型無人飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很高，有的在30000r/min以上。所以知道螺旋槳直徑后還要檢查槳尖轉(zhuǎn)速是否接近聲速，否則效率會(huì)大為下降。如果槳尖速度接近聲速，要將螺旋槳截短或設(shè)法減少轉(zhuǎn)速。6.5.2螺旋槳的陀螺力矩和反作用力矩?zé)o人飛機(jī)帶動(dòng)力作盤旋或俯仰機(jī)動(dòng)等曲線飛行時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳將產(chǎn)生陀螺力矩。螺旋槳轉(zhuǎn)速愈高，無人飛機(jī)機(jī)動(dòng)飛行的角速度愈大，產(chǎn)生的陀螺力矩也愈大。陀螺力矩會(huì)使無人飛機(jī)偏轉(zhuǎn)或俯仰運(yùn)動(dòng)。當(dāng)操縱桿、舵改變機(jī)頭方向時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳將使機(jī)頭不能按預(yù)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而向另一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這種現(xiàn)象叫做螺旋槳的進(jìn)動(dòng)。其規(guī)律是：右轉(zhuǎn)螺旋槳（順時(shí)針方向），當(dāng)無人飛機(jī)抬頭時(shí)陀螺力矩使無人飛機(jī)右偏轉(zhuǎn)；無人飛機(jī)右偏轉(zhuǎn)時(shí)，陀螺力矩使無人飛機(jī)低頭；當(dāng)無人飛機(jī)低頭時(shí)，陀螺力矩使無人飛機(jī)左偏轉(zhuǎn);無人飛機(jī)左偏轉(zhuǎn)時(shí)，陀螺力矩使無人飛機(jī)抬頭。如果是左轉(zhuǎn)螺旋槳（逆時(shí)針方向）則結(jié)果相反。調(diào)整或控制無人飛機(jī)飛行時(shí)要考慮這些因素。如果飛機(jī)比較大，螺旋槳相對(duì)小，影響可能不明顯。但對(duì)于微型無人飛機(jī)螺旋槳都相對(duì)比較大，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很高，一定要考慮陀螺力矩的作用。雙發(fā)動(dòng)機(jī)無人飛機(jī)的螺旋槳一般都相互反向旋轉(zhuǎn)，陀螺力矩可以互相抵消。陀螺力矩的大小與螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（亦稱慣性矩）、螺旋槳轉(zhuǎn)速和飛機(jī)偏轉(zhuǎn)或俯仰角速度成正比。[課堂小結(jié)]學(xué)習(xí)任務(wù)單。[課后體會(huì)]作業(yè)設(shè)計(jì)

什么是螺旋槳的螺距、槳葉角，螺旋槳的槳