螺旋槳:動力機械-中文百科頻道

古代的槳

概述

1、古代的車輪，即歐洲所謂“槳輪”，配合蒸汽機，将原來槳輪的一列直葉闆斜裝于一個轉毂上。構成了螺旋槳的雛型。

2．古代的風車，随風轉動可以輸出扭矩，反之，在水中，輸入扭矩轉動風車，水中風車就有可能推動船運動。

3．在當時，已經使用了好幾個世紀的阿基米德螺旋泵，它能在水平或垂直方向提水，螺旋式結構能打水這一事實，作為推進器是重要的啟迪。偉大的英國科學家虎克在1683年成功地采用了風力測速計的原理來計量水流量，于此同時，他提出了新的推進器——推進船舶，為船舶推進器作出了重大貢獻。

螺旋槳之祖

竹蜻蜓——用竹片削成，葉片像螺旋槳，中間插一根竹竿，用力一搓竹竿，葉片就會升起來，遠看像一隻蜻蜓。竹蜻蜓是我國古代一大發明，在1400多年前就有了竹蜻蜓玩具。明朝，竹蜻蜓傳到法國，并且在法國科學院進行了表演。竹蜻蜓的葉片上下的表面空氣的流速是不相同的，它就是利用物理中“流體流速大的地方壓強小”的原理，通過産生上下兩種不同的壓力，作用後形成向上的升力，促使竹蜻蜓飛起來。相傳在明朝時期竹蜻蜓傳到法國，并稱之為“中國陀螺”，飛機的發明者萊特兄弟就曾玩過竹蜻蜓。上世紀三十年代，德國人根據“中國螺旋”的形狀和原理發明了直升機上天的螺旋槳。

早在公元17世紀，中國蘇州巧匠徐正明，就整天琢磨小孩玩的竹蜻蜓，想制造一個類似蜻蜓的直升飛機，并且想把人也帶上天空。經過十多年的鑽研，他造出了一架直升飛機。它有一個竹蜻蜓一樣的螺旋槳，駕駛座像一把圈椅，依靠腳踏闆通過轉動機構來帶動螺旋槳轉動，試飛時候，它居然飛離地面一尺多高，還飛過一一條小河溝，然後落下來。

在西方，被譽為“航空之父”的英國人喬治·凱利一輩子都對竹蜻蜓着迷。他的第一項航空研究就是在1796年仿制和改造了“竹蜻蜓”，并由此悟出螺旋槳的一些工作原理。他的研究推動了飛機研制的進程。并為西方的設計師帶來了研制直升機的靈感。世界上第一架飛機的發明人----萊特兄弟小的時候，父親給他們買了一個能飛的竹蜻蜓，兄弟倆十分喜歡，并開始仿制不同尺寸的竹蜻蜓，從此，兄弟倆的一生與飛行結下了不解之緣。

竹蜻蜓是我國的偉大發明，但在日本，人們則認為是江戶時代的平賀源内發明的竹蜻蜓。

船用槳

發展

1752年，瑞士物理學家白努利第一次提出了螺旋槳比在它以前存在的各種推進器優越的報告，他設計了具有雙導程螺旋的推進器，安裝在船尾舵的前方。1764年，瑞士數學家歐拉研究了能代替帆的其它推進器，如槳輪（明輪）。噴水，也包括了螺旋槳。

潛水器和潛艇在水面下活動，傳統的槳、帆無法應用，笨重龐大的明輪也難适應。于是第一個手動螺旋槳，不是用在船上，而是作為潛水器的推進工具。

蒸汽機問世，為船舶推進器提供了新的良好動力，推進器順應蒸汽機的發展，成為船舶推進的最新課題。

第一個實驗動力驅動螺旋槳的是美國人斯蒂芬，他在1804年建造了一艘7．6米長的小船，用蒸汽機直接驅動，在哈得遜河上做第一次實驗航行，實驗中發現發動機不行，于是換上瓦特蒸汽機，實驗航速是4節，最高航速曾達到8節。

斯蒂芬螺旋槳有4個風車式槳葉，它鍛制而成，和普通風車比較它增加了葉片的徑向寬度，為在實驗中能選擇螺距與轉速的較好配合，槳葉做成螺距可以調節的結構。在哈得遜河上兩個星期的試驗航行中，螺旋槳改變了幾個螺距值，但是實驗的結果都不理想，性能遠不及明輪。這次實驗使他明白，在蒸汽機這樣低速的條件下，明輪的優越性得到了充分發揮，它的推進效率高于螺旋槳是必然的結論。

阿基米德螺旋的引入，最早見于1803年，1829年有英國的阿基米德螺旋槳的專利。并在此基礎上于1840-1841年建造了一些民用的螺旋槳。1843年，英國海軍在“雷特勒”号艦上，第一次以螺旋槳代替明輪，随後由斯密士設計了20艘螺旋槳艦，參加了對俄戰争，斯密士成為著名人物。

1843年，美國海軍建造了第一艘螺旋槳船“浦林西登”号，它是由艦長愛列松設計，在愛列松的積極推廣下，美國相續建造了41艘民用螺旋槳船，最大的排水量達2000噸。

盡管英、美等國取得了一些成功，但是螺旋槳用作船舶推進還有很多問題，如在木殼船上可怕的振動，在水線下的螺旋槳軸軸承磨損，槳軸密封，推力軸承等。

随着技術的進步，螺旋槳的上述缺陷，一個一個地克服，以及蒸汽機轉速的提高，愈來愈多螺旋槳在船上取代明輪。到1858年，“大東方”号裝有當時世界上最大的螺旋槳，它的直徑有7．3米，重量達36噸，轉速每分種50轉，當時，推進器标準不再具有權威性，由于螺旋槳的推進效率接近明輪，而且它卻具有許多明輪無法競争的優點，明輪逐步在海船上消失。

在科學技術發展過程中，許多機械裝置的性能在人們還不太清楚的時候，就已經廣泛使用了。但是人們在不完全理解它的物理規律和沒有完整的理論分析以前，這些裝置很難達到它的最佳性能。螺旋槳也不例外，直到1860年，雖然它在海船上已經成為一枝獨秀，但是它的成就全都是依靠多年積累的經驗。螺旋槳的進步，隻依靠專家們的直觀推理，已經不能滿足船舶技術的發展需要，它有待科學家對其流體動力特性做出完整的解釋，這就促使螺旋槳理論的發展。

螺旋槳的理論研究：在船舶技術發展過程中，它比任何一個專業領域都做得多，從經驗方法過渡到數字化設計，再進而應用計算機技術進行螺旋槳最佳化的設什。一個好的螺旋槳其設計是非常重要的，模型試驗也起着主要的作用。

誕生

1836年，英國的“阿基米德号”使用了螺旋推進器，那是一個木制的長長的像螺絲釘的螺杆。開始試驗時，它以每小時4海裡的航速航行。突然，水中的障礙物碰斷了螺杆，隻剩了一小截。正當造船工程師史密斯急得不知所措時，這船卻意外地加快了速度，達到每小時13海裡。這事啟發了造船工程師們，他們把長螺杆變成短螺杆，又把短螺杆變成葉片狀，螺旋槳就這樣誕生了。

1845年，英國制成了世界上第一艘螺旋槳船“大不列颠号”，但是，當時的人們對螺旋槳和螺旋槳船存在疑慮螺旋槳沒有等到廣泛應用，螺旋槳船還不多。

比賽

為了證明螺旋槳的優越性，英國海軍組織了一場有趣比賽：把動力相當的“響尾蛇号”螺旋槳輪船和“愛裡克托号”明輪進行了競賽。兩艘船的船尾用粗纜繩系起來，讓它們各朝相反的方向駛去。“響尾蛇号”的螺旋槳飛快地旋轉，“愛裡克托号”的明輪猛烈地向後撥水。先是互不相讓，但過了一會兒，“響尾蛇号”就把“愛裡克托号”拖走了。這場比賽證明了螺旋槳的優越性。從此，螺旋槳輪船就取代了明輪。

近代船用槳

由于我國自19世紀中葉淪為半殖民地，很少有貢獻。解放後，我國造船事業得到新發展，對螺旋槳技術也進行了大量設計、研究工作，為各類艦船配上了大量自己設計制造的螺旋槳。最值得驕做的是“關刀槳”的問世，它是我國在螺旋槳技術發展中的一大創造。那是在60年代，廣州文沖船廠有一位師傅，名叫周挺，他根據自己幾十年制做螺旋槳的經驗，把螺旋槳的槳葉輪廓做成三國演義中關公的82斤重大刀的式樣，他形象地叫它“關刀槳”。

“關刀槳”曾在一些船上試驗航行，提高了船的航速，更奇的是螺旋的振動卻大大地減弱了。在當時的長江2000馬力拖輪和華字登陸艇上使用，都取得了良好的效果，這一成就，吸引了許多造船界人士。1973年，在上海首先做了“關刀槳”敞水試驗研究，同時還提供了設計圖譜。有趣的是，在世界著名造船國家今天開發的“大側斜”螺旋槳，如最新艦用大側斜螺旋槳，直徑6．3米，軸功率35660千瓦，艦航速達32．8節；圖6所示是最新在客渡船上采用的大側斜螺旋槳，該槳直徑5．1米，軸功率15640幹瓦，船航速為23．2節。圖7所示是最新化學品船上采用的大側斜螺旋槳，該槳直徑6．2米，軸功率10400千瓦，船航速16．7節。它們和“關刀槳”非常相似，其重要特征是振動，噪聲小，這也是“關刀槳”所具有的特點。常州中海船舶螺旋槳公司造出我國民企最大船用螺旋槳，可以提供最好的“關刀槳”。

功率計算

功率（W）直徑（D）螺距（P）轉/分（N）

功率（W）=（D/10）的4次方*（P/10）*（N/1000）的3次方*0.45

速度（SP）km/h=（P/10）*（N/1000）*15.24

靜止推力（Th）g=(D/10)的3次方*（P/10）*（N/1000）的2次方*22

工作原理

可以把螺旋槳看成是一個一面旋轉一面前進的機翼進行讨論。

流經槳葉各剖面的氣流由沿旋轉軸方向的前進速度和旋轉産生的切線速度合成。在螺旋槳半徑r1和r2(r1

空氣流過槳葉各小段時産生氣動力，阻力ΔD和升力ΔL，合成後總空氣動力為ΔR。ΔR沿飛行方向的分力為拉力ΔT，與旋螺槳旋轉方向相反的力ΔP阻止螺旋槳轉動。将整個槳葉上各小段的拉力和阻止旋轉的力相加，形成該螺旋槳的拉力和阻止螺旋槳轉動的力矩。

從以上兩圖還可以看到。必須使螺旋槳各剖面在升阻比較大的迎角工作，才能獲得較大的拉力，較小的阻力矩，也就是效率較高。螺旋槳工作時。軸向速度不随半徑變化，而切線速度随半徑變化。因此在接近槳尖，半徑較大處氣流角較小，對應槳葉角也應較小。而在接近槳根，半徑較小處氣流角較大，對應槳葉角也應較大。螺旋槳的槳葉角從槳尖到槳根應按一定規律逐漸加大。所以說螺旋槳是一個扭轉了的機翼更為确切。

從圖中還可以看到，氣流角實際上反映前進速度和切線速度的比值。對某個螺旋槳的某個剖面，剖面迎角随該比值變化而變化。迎角變化，拉力和阻力矩也随之變化。用進矩比“J”反映槳尖處氣流角，J=V/nD。式中D—螺旋槳直徑。理論和試驗證明：螺旋槳的拉力(T)，克服螺旋槳阻力矩所需的功率(P)和效率(η)可用下列公式計算：

T=Ctρn2D4

P=Cpρn3D5

η=J·Ct/Cp

式中：Ct—拉力系數；Cp—功率系數；ρ—空氣密度；n—螺旋槳轉速；D—螺旋槳直徑。其中Ct和Cp取決于螺旋槳的幾何參數，對每個螺旋槳其值随J變化。圖1—1—21稱為螺旋槳的特性曲線，它可通過理論計算或試驗獲得。特性曲線給出該螺旋槳拉力系數、功率系數和效率随前進比變化關系。是設計選擇螺旋槳和計算飛機性能的主要依據之一。

從圖形和計算公式都可以看到，當前進比較小時，螺旋槳效率很低。對飛行速度較低而發動機轉速較高的輕型飛機極為不利。例如：飛行速度為72千米/小時，發動轉速為6500轉/分時，η≈32%。因此超輕型飛機必須使用減速器，降低螺旋槳的轉速，提高進距比，提高螺旋槳的效率。

幾何參數

直徑(D)

影響螺旋槳性能重要參數之一。一般情況下，直徑增大拉力随之增大，效率随之提高。所以在結構允許的情況下盡量選直徑較大的螺旋槳。此外還要考慮螺旋槳槳尖氣流速度不應過大(<0.7音速)，否則可能出現激波，導緻效率降低。

槳葉數目(B)

可以認為螺旋槳的拉力系數和功率系數與槳葉數目成正比。超輕型飛機一般采用結構簡單的雙葉槳。隻是在螺旋槳直徑受到限制時，采用增加槳葉數目的方法使螺旋槳與發動機獲得良好的配合。

實度(σ)

槳葉面積與螺旋槳旋轉面積(πR2)的比值。它的影響與槳葉數目的影響相似。随實度增加拉力系數和功率系數增大。

槳葉角(β)

槳葉角随半徑變化，其變化規律是影響槳工作性能最主要的因素。習慣上以70%直徑處槳葉角值為該槳槳葉角的名稱值。螺距：它是槳葉角的另一種表示方法。圖1—1—22是各種意義的螺矩與槳葉角的關系。

幾何螺距(H)

槳葉剖面迎角為零時，槳葉旋轉一周所前進的距離。它反映了槳葉角的大小，更直接指出螺旋槳的工作特性。槳葉各剖面的幾何螺矩可能是不相等的。習慣上以70%直徑處的幾何螺矩做名稱值。國外可按照直徑和螺距訂購螺旋槳。如64/34，表示該槳直徑為60英寸，幾何螺矩為34英寸。

實際螺距(Hg)

槳葉旋轉一周飛機所前進的距離。可用Hg=v/n計算螺旋槳的實際螺矩值。可按H=1.1～1.3Hg粗略估計該機所用螺旋槳幾何螺矩的數值。

理論螺矩(HT)

設計螺旋槳時必須考慮空氣流過螺旋槳時速度增加，流過螺旋槳旋轉平面的氣流速度大于飛行速度。因而螺旋槳相對空氣而言所前進的距離一理論螺矩将大于實際螺矩。

空氣槳

概述

靠槳葉在空氣中旋轉将發動機轉動功率轉化為推進力或升力的裝置，簡稱螺旋槳。它由多個槳葉和中央的槳毂組成，槳葉好像一扭轉的細長機翼安裝在槳毂上，發動機軸與槳毂相連接并帶動它旋轉。中國明代（1368～1644年）民間的玩具“竹蜻蜓”實際上是一種原始的螺旋槳。噴氣發動機出現以前，所有帶動力的航空器無不以螺旋槳作為産生推動力的裝置。螺旋槳仍用于裝活塞式和渦輪螺旋槳發動機的亞音速飛機。直升機旋翼和尾槳也是一種螺旋槳。

原理

螺旋槳旋轉時，槳葉不斷把大量空氣（推進介質）向後推去，在槳葉上産生一向前的力，即推進力。一般情況下，螺旋槳除旋轉外還有前進速度。如截取一小段槳葉來看，恰像一小段機翼，其相對氣流速度由前進速度和旋轉速度合成。槳葉上的氣動力在前進方向的分力構成拉力。在旋轉面内的分量形成阻止螺旋槳旋轉的力矩，由發動機的力矩來平衡。槳葉剖面弦(相當于翼弦)與旋轉平面夾角稱槳葉安裝角。螺旋槳旋轉一圈，以槳葉安裝角為導引向前推進的距離稱為槳距。

實際上槳葉上每一剖面的前進速度都是相同的，但圓周速度則與該剖面距轉軸的距離（半徑）成正比，所以各剖面相對氣流與旋轉平面的夾角随着離轉軸的距離增大而逐步減小，為了使槳葉每個剖面與相對氣流都保持在有利的迎角範圍内，各剖面的安裝角也随着與轉軸的距離增大而減小。這就是每個槳葉都有扭轉的原因。

螺旋槳效率以螺旋槳的輸出功率與輸入功率之比表示。輸出功率為螺旋槳的拉力與飛行速度的乘積。輸入功率為發動機帶動螺旋槳旋轉的功率。在飛機起飛滑跑前，由于前進速度為零，所以螺旋槳效率也是零，發動機的功率全部用于增加空氣的動能。随着前進速度的增加，螺旋槳效率不斷增大，速度在200～700公裡/時範圍内效率較高，飛行速度再增大，由于壓縮效應槳尖出現波阻，效率急劇下降。螺旋槳在飛行中的最高效率可達85%～90%。螺旋槳的直徑比噴氣發動機的大得多，作為推進介質的空氣流量較大，在發動機功率相同時，螺旋槳後面的空氣速度低，産生的推力較大，這對起飛（需要大推力）非常有利。

構造特點

螺旋槳有2、3或4個槳葉，一般槳葉數目越多吸收功率越大。有時在大功率渦輪螺旋槳飛機上還采用一種套軸式螺旋槳，它實際上是兩個反向旋轉的螺旋槳，可以抵消反作用扭矩。在發動機功率低于100千瓦的輕型飛機上，常用雙葉木制螺旋槳。它是用一根拼接的木材兩邊修成扭轉的槳葉，中間開孔與發動機軸相連接。螺旋槳要承受高速旋轉時槳葉自身的離心慣性力和氣動載荷。大功率螺旋槳在槳葉根部受到的離心力可達200千牛(20噸力)。

此外還有發動機和氣動力引起的振動。大功率發動機一般采用3葉和4葉螺旋槳，并多用鋁合金和鋼來制造槳葉。鋁和鋼制槳葉因材料堅固可以做得薄一些，有利于提高螺旋槳在高速時的效率。70年代以後還用複合材料制造槳葉以減輕重量。

自轉

當發動機空中停車後，螺旋槳會象風車一樣繼續沿着原來的方向旋轉，這種現象，叫螺旋槳自轉。螺旋槳自轉，不是發動機帶動的，而是被槳葉的迎面氣流“推着”轉的。它不但不能産生拉力，反而增加了飛機的阻力。從圖1—1—24中看出，螺旋槳發生自轉時，由于形成了較大的負迎角。槳葉的總空氣動力方向及作用發生了質的變化。

它的一個分力(Q)與切向速度(U)的方向相同，成為推動槳葉自動旋轉的動力，迫使槳葉沿原來方向續繼旋轉：另一個分力(-P)與速度方向相反，對飛行起着阻力作用。一些超輕型飛機的發動機空中停車後由于飛行速度較小，産生自旋力矩不能克服螺旋槳的阻旋力矩時螺旋槳不會出現自轉。此時，槳葉阻力較大，飛機的升阻比(或稱滑翔比)将大大降低。

分類

螺旋槳分為定（槳）距和變距螺旋槳兩大類。

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。

适合低速的槳葉安裝角在高速飛行時就顯得過小；同樣，适合高速飛行的安裝角在低速時又嫌大。所以定距螺旋槳隻在選定的速度範圍内效率較高，在其他狀态下效率較低。定距螺旋槳構造簡單，重量輕，在功率很小的輕型飛機和超輕型飛機上得到廣泛應用。

②變距螺旋槳

為了解決定距螺旋槳高、低速性能的矛盾，遂出現了飛行中可變槳距的螺旋槳。螺旋槳變距機構（圖2a）由液壓或電力驅動（圖2b）。最初使用的是雙距螺旋槳。高速時用高距，低速（如起飛、爬升狀态）時用低距，以後又逐步增加槳距的數目，以适應更多的飛行狀态。最完善的變距螺旋槳是帶有轉速調節器的恒速螺旋槳。轉速調節器實際上是一個能自動調節槳距、保持恒定轉速的裝置。駕駛員可以通過控制調節器和油門的方法改變發動機和螺旋槳的轉速，一方面調節螺旋槳的拉力，同時使螺旋槳處于最佳工作狀态。在多發動機飛機上，當一台發動機發生故障停車時，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，産生負拉力，以增加阻力，縮短着陸滑跑距離。這個狀态稱為反槳。

為了提高亞音速民用機的經濟性和降低飛機的油耗，70年代後期美國開始研究一種多槳葉螺旋槳，稱為風扇螺旋槳（圖3）。它有8～10片彎刀狀槳葉，葉片薄，直徑小。彎刀形狀能起相當于後掠翼（見後掠翼飛機）的作用，薄葉片有利于提高螺旋槳的轉速。它适用于更高的飛行馬赫數(M=0.8)。由于葉片較多，螺旋槳單位推進面積吸收的功率可提高到300千瓦/米2(一般螺旋槳為80～120千瓦/米2)。

拉力變化

随轉速的變化

在飛行速度不變的情況下，轉速增加，則切向速度(U)增大，進距比減小槳葉迎角增大，螺旋槳拉力系數增大又由于拉力與轉速平方成正比，所以增大油門時，可增大拉力。

随速度的變化

在轉速不變的情況下，飛行速度增大，進距比加大，槳葉迎角減小，螺旋槳拉力系數減小。，拉力随之降低。當飛行速度等于零時，切向速度就是合速度，槳葉迎角等于槳葉角。飛機在地面試車時，飛行速度(V)等于零，槳葉迎角最大，一些剖面由于迎角過大超過失速迎角氣動性能變壞，因而螺旋槳産生的拉力不一定最大。

拉力曲線

根據螺旋槳拉力随飛行速度增大而減小的規律，可繪出螺旋槳可用拉力曲線。

綜合情況

在飛行中，加大油門後固定。螺旋槳的拉力随轉速和飛行速度的變化過程如下：由于發動機輸出功率增大，使螺旋槳轉速(切向速度)迅速增加到一定值，螺旋槳拉力增加。飛行速度增加，由于飛行速度增大，緻使槳葉迎角又開始逐漸減小，拉力也随之逐漸降低，飛機阻力逐漸增大，從而速度的增加趨勢也逐漸減慢。當拉力降低到一定程度(即拉力等于阻力)後，飛機的速度則不再增加。此時，飛行速度、轉速、槳葉迎角及螺旋槳拉力都不變，飛機即保持在一個新的速度上飛行。

有效功率

定義

螺旋槳産生拉力，拉着飛機前進，對飛機作功。

螺旋槳單位時間所作功，即為螺旋槳的有效功率。公式：N槳=PV式中：N槳—螺旋槳的有效功率；P—螺旋槳的拉力；V—飛行速度

變化

(1)地面試車時，飛機沒有前進速度(V=0)，拉力沒有對飛機作功，故螺旋槳的有效功率為“零”。

(2)飛行速度增大時，從實際測得的螺旋槳有效功率曲線：在OA速度範圍内，螺旋槳的效功率随飛行速度的增大而增大；在大于該速度範圍後螺旋槳有效功率則随飛行速度的增大而減小。在OA速度範圍内，當飛行速度增大時，拉力減小較慢，随速度的增大，螺旋槳有效功率逐漸提高。當飛行速度增大到A時，螺旋槳的有效功率最大。當飛行速度再增大時，由于拉力迅速減小，因此随着飛行速度的增加而螺旋槳有效功率反會降低。螺旋槳是發動機帶動旋轉的，螺旋槳的作用是把發動機的功率轉變為拉着飛機前進的有效功率。螺旋槳有效功率與發動機輸出功率之比，叫螺旋槳效率。η=N槳/N有效