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旋翼和螺旋桨到底有什么区别
2020-06-01 14:34:33 216
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    螺旋桨与旋翼的区别就像是蝌蚪和青蛙的区别。本质上是同一个东西,只是因为使用环境和尺寸不一样带来了很多差异。要是再广义扩展一点,连大风车也可以跟他们划为一类。


    风车:???怎么还有我的事


    本质上来说,螺旋桨与旋翼都是通过旋转产生力的部件,但因为螺旋桨常用于固定翼飞机,旋翼常用于直升机、四旋翼,所以两者专注点不一样,最终发展得不太一样。旋翼和螺旋桨主要有两点不同:



    • 入流速度不同

    入流速度指垂直于螺旋桨旋转平面的来流速度。对于固定翼飞机的螺旋桨来说,入流速度也就是飞机飞行的速度,从0到700km/h不等,这时候的螺旋桨拉力也称为动拉力。对直升机、四旋翼来说,因为此类飞行器飞行方向基本在螺旋桨旋转平面内,且前飞速度不高,其入流速度很小,接近于0,这时候的螺旋桨拉力也称静拉力。后面具体会说到同一个螺旋桨的静拉力要比动拉力大不少。


    固定翼飞机本身飞得就很快,而螺旋桨桨尖处的旋转线速度也很快,且半径越大旋转线速度越快。在桨尖处,这两个速度叠加起来,分分钟破音速。但是桨尖超音速会带来很大的旋转阻力和噪音,所以固定翼飞机的螺旋桨的直径一般是按照桨尖不超音速的长度来设计的,做不了很长。推力要实在不够就加桨叶数、再不行加发动机、再不行每个发动机装两个螺旋桨。。。


    安70:嗯?谁在说我?  



    • 尺寸不同

    上面也说了固定翼飞机螺旋桨做不了很长,一般固定翼飞机的螺旋桨直径大概在5米以下(运输机C130是4.6米,战斗机P47是3.65米)。而直升机的旋翼尺寸很大,轻型的罗宾逊R-22已经达到了7.67米,直8为18.9米,米26达到了32米。


    看看米26的旋翼有多大,挖掘机在它面前就像是玩具


    超长的尺寸导致直升机的旋翼表现为柔性,所以直升机飞行时需要考虑旋翼的扭转、变距、挥舞、摆振,复杂程度和难度远超过固定翼飞机的螺旋桨。


    这个图非常好,包含了直升机旋翼的基本运动:变总距、俯仰和滚转控制


    继续拿上图来说,从俯视图来看旋翼为逆时针旋转,当直升机向前飞行时,右半圆的旋翼与气流的合成速度将会大于左半圆的合成速度,所以右半圆升力要高于左半圆,同一片旋翼转到左半圆时处于低位,转到右半圆时因升力增大又提升到高位,这片旋翼的高度是在周期地变化的,这种旋翼上下沉浮的运动称为挥舞。可以通过挥舞铰让旋翼有一定幅度的挥舞空间来削弱挥舞的不良影响,但是这样挥舞运动又带来新的问题。旋翼向上挥舞时,其重心离转轴更近,会导致整个旋翼加速旋转,而恢复原位时,重心离转轴更远,又会导致整个旋翼减速旋转。最后体现为旋翼在旋转切向的前后变形和移位,称为摆振,一般也是增加摆振铰使其有一定摆振幅度。


    固定翼的螺旋桨因为尺寸小、刚度够,最多会为了适应不同飞行速度加装变距机构。而目前市面上的四旋翼的旋翼应该算是结构最简单的了。 


    固定翼飞机的螺旋桨,刚性好而且结构简单




    详细分类一下广义上的螺旋桨


    简化的螺旋桨截面分析,没有考虑下洗流影响


    如上图所示,入流速度V和截面处旋转线速度2nrπ决定了气流的合成方向(此处没有考虑气流下洗带来的小量影响),确定下当前截面的安装角(或螺距)的话,就可以得到截面的迎角α,进而计算出截面产生的拉力和旋转阻力。所以对定距螺旋桨来说,入流速度和旋转线速度决定了螺旋桨的工作状态,大家把入流速度与旋转线速度的比称为前进比λ

    显然旋转线速度相同时,入流速度越大,前进比越大。


    下图显示了螺旋桨各参数随前进比的变化情况,也可以通过这张图对不同种类的螺旋桨进行划分。


    螺旋桨特性图


    图中横轴 λ 为前进比,三个纵轴分别是 η 为输出效率,C为拉力系数,C为功率系数


    以下讨论基于转速不变的定距螺旋桨:


    1. 当螺旋桨在A前进比工作。入流速度为0,直升机和四旋翼的旋翼多是工作在此处。此时螺旋桨拉力为最大值,此点以后随着入流速度的增大,拉力会持续下降。


    2. 当螺旋桨在B前进比工作。此时螺旋桨输出效率最高,有合适的入流速度,固定翼飞机的螺旋桨就在此点附近运行。如果因飞机速度变化偏离了B点,可以使用变桨距和改变转速的办法使螺旋桨保持高效率输出。


    3. 当螺旋桨在C前进比工作。螺旋桨既不产生拉力,也不产生阻力。滑翔机可以将螺旋桨设置在这点工作,靠自身气动力滑翔。


    4. 当螺旋桨在C~D区间前进比工作。此时 C为负,螺旋桨产生阻力,但 C为正,所以还需要发动机提供动力以驱动螺旋桨转动。在缩短着陆滑跑距离、飞机俯冲等环节中都可以使用这一状态。


    5. 当螺旋桨在D点及更大前进比工作。此时 C为0或负值,说明螺旋桨旋转的动力不来自于发动机而是由气流吹动,甚至还能反过来转动发动机。常见的风车、风力发电机就是处于这个状态。对飞机来说,这个状态对于测量发动机停车后螺旋桨带来的阻力也相当重要。


    可以看到螺旋桨各有其工作区间,一个直升机旋翼能产生40吨的拉力,但不是装到固定翼机头上也能在飞行中产生这么大拉力,因为静拉力比动拉力大不少,入流速度越大,拉力就会越低。当然这里得说一说V-22“鱼鹰”,他为螺旋桨设计了宽泛的工作区间,使得可以在其垂直起降和固定翼模式飞行时都能获得较好的性能(但肯定比不上专为同一种模式设计的螺旋桨)


    在这个吨位的直升机里,没见过旋翼这么小的


    在这个吨位的固定翼飞机里,没见过螺旋桨这么大的


    “鱼鹰”可以通过倾转旋翼实现直升机模式和固定翼模式的转换,采用这样的方案算是在直升机和固定翼中间补了个空缺。在军用运输领域,直升机少有比“鱼鹰”飞得快而且比“鱼鹰”装的多的,固定翼运输机又少有像“鱼鹰”这样能短距/垂直起降的,其螺旋桨设计和螺旋桨工作状态控制显然是其重点之一,这也说明了螺旋桨和旋翼在特殊设计下也是可以转换的,两者没有本质区别。




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