固定翼无人机技术 课程教案 1-17章 课程教案6—第六章 螺旋桨 11-17.docVIP

固定翼无人机技术 固定翼无人机技术 教师 年级 授课时间 教学内容 第六章 螺旋桨 授课类型 现场讲授 学情分析 教材分析 教学目标 知识与技能 掌握航空螺旋桨结构 掌握螺旋桨的运动特性 掌握螺旋桨的拉力和效率 了解变距螺旋桨 了解螺旋桨的效率与陀螺力矩 过程与方法 1、讲授法 2、讨论法 3、直观演示法 4、读书指导法 5、任务驱动法 6、现场教学法 7、自主学习法 教学重点难点 教学重点 1、航空螺旋桨结构 2、螺旋桨的运动特性 3、螺旋桨的拉力和效率 教学难点 1、螺旋桨的运动特性 2、螺旋桨的拉力和效率 知识框架图 教学过程 主备 从备（教师姓名） [课堂引入] 引入： 这一部分首先让大家对固定翼无人机的螺旋桨有个整体了解，航空螺旋桨结构，运动特性，拉力和效率等等。 [教学内容] 螺旋桨 思考： 什么是螺旋桨的螺距、桨叶角，螺旋桨的桨叶为什么要沿着径向的位置扭转？ 什么是变距螺旋桨？使用变距螺旋桨有什么好处？ 阐述螺旋桨陀螺力矩和反作用力矩的产生原因和消除方法？ 什么是螺旋桨的效率，与哪些参数有关？ 6.1 航空螺旋桨结构 通过桨叶在空气中旋转将发动机转动功率转化为推进力或升力的装置，称为螺旋桨（propeller）。螺旋桨通常由两个、三个或者多个桨叶连接到中心桨毂上。最接近桨毂的桨叶称为叶柄，而离桨毂最远的部分称为叶尖（如图6-1所示）。通过桨毂组件的毂孔将螺旋桨安装在发动机曲轴或者减速器组件上。 螺旋桨叶的剖面形状与翼剖面相似（图6-2），具有前缘、后缘和弦线。桨叶上凸起的一面称为叶背，平坦的一面称为叶面（图6-3）。桨叶角（blade angle）为螺旋桨旋转平面和桨叶弦线构成的夹角。 6.2 螺旋桨的运动特性 当飞机停在原地不动，或者把发动机固定在试车台上工作时，安装在上面的螺旋桨就只能在原地旋转。这时，桨叶的每个剖面的运动轨迹都是圆弧，圆心都在旋转轴上，圆的半径就是桨叶剖面到旋转轴的距离，如图6-4所示。在桨叶每旋转一圈的时间内，与旋转轴距离不同的桨叶剖面所走的路程是不相等的，其切线速度也不同。越接近桨叶两端，圆周的切线速度就越大。 在飞行中，桨叶随着飞机以同样的飞行速度V前进着，此时对于桨叶的来说，是一面旋转一面前进的，如图6-5所示。它的运动轨迹在圆柱面上就是一条螺纹线，这个圆柱的半径就是桨叶剖面到旋转轴的距离。桨叶旋转一整圈在圆柱轴向上所前进的距离称为螺旋桨的螺距（pitch）。桨距和桨叶角密切相关。对于有固定桨距的螺旋桨，其桨叶角也是固定的，两者之间有以下关系： 其中，Ha为桨距；r为螺旋桨特征截面半径；Φ为桨叶角。 由于螺旋桨的旋转运动，桨叶不同径向位置上的切线速度不同，接近叶尖部分比靠近桨毂部分切向速度大。为了补偿沿螺旋桨桨叶的速度差，桨叶每小段给定不同的角度，使叶尖到叶根都能获得较大的拉力。除了叶片的扭转之外，大多数螺旋桨接近桨毂的部分用较厚的低速翼型，接近翼尖用较薄的高速翼型。这样，同叶片扭转组合，允许螺旋桨沿着桨叶整个长度产生相对均衡的拉力。 6.3 螺旋桨的拉力和效率 截取一小段桨叶来看，其剖面与机翼的剖面相似。相对风以某一迎角吹向这一小段桨叶时，作用在它上面总的空气动力与作用在机翼上的力是一样的，是与相对风成一定角度的。我们将总的空气动力R分解为与旋转轴平行的P和垂直的Q两个方向，如图6-6所示。其中，力P的方向与前进方向一致，即带动飞机前进的拉力。整个螺旋桨所产生的拉力，就是每一段桨叶上拉力P的总和。螺旋桨产生拉力的大小取决于几个因素：桨叶迎角、螺旋桨转速和翼型的形状。 螺旋桨的转速有一定的限制，主要是因为桨叶的桨尖速度在高转速下，其切线速度超过声速后会带来非常大的阻力，消耗许多能量，推进效率会变得很低。因此，螺旋桨的转速不能过高，必须小于发动机的转速。 螺旋桨滑距是螺旋桨的几何桨距和有效桨距之间的差值。如图6-7，几何桨距是螺旋桨旋转一周应该前进的理论距离；有效桨距是螺旋桨旋转一周的实际前进距离。因此，几何的或者理论的桨距是基于没有滑动的，但是实际的或者有效的桨距包含了螺旋桨在空气中的滑动。 6.4 变距螺旋桨 螺旋桨尺寸较大，通过改变螺旋桨转速匹配飞行速度、发动机功率较为困难，因此除小尺寸的螺旋桨外，涡桨发动机的螺旋桨均保持转速不变，通过“调节桨距”匹配发动机功率和飞行需要的功率。 桨距与螺桨叶片叶型与发动机轴向线的夹角直接相关。桨距可以直观地表示为图6-8中螺旋桨的安装角度Φ，螺旋桨采用该调节形式保持螺旋桨转动不变，称为恒速变距螺旋桨。 螺旋桨的桨叶角固定不变的，称为定距螺旋桨。其特点是结构简单，重量轻，一般用于小功率、轻型飞机上。定距螺旋桨油门杆直接控制发动机转速而不是进气压力。它只能在一种飞行状态下保持较好的性能，飞行状态一旦改变，性能立即变坏，还会严重影响发动机的功率输出