推进器特性:音高、直径和叶片数在性能上的变化

有两种主要的螺旋桨类型:固定螺距和可变螺距。固定螺距螺旋桨设计用于一种最佳工作状态，效率高;它们具有给定空速和转速的高功率输出与功率输入比，在大多数情况下，这是飞机巡航条件。然而，在起飞和降落期间，当转速和风速较低时，固定螺距螺旋桨效率极低。可变螺距螺旋桨叶片通过允许飞行员改变螺旋桨螺距，以最大限度地提高螺旋桨效率，从而解决固定螺距问题。正因如此，在燃油效率占优势的大型螺旋桨飞机中，可变螺距螺旋桨用于最大限度地提高效率。

先进比、推力系数、扭矩系数、功率系数和螺旋桨效率是螺旋桨表征所需的重要非维参数。基于这些参数，可以识别螺旋桨、空气制动器和风车系统，它们是螺旋桨的不同运行系统。在螺旋桨系统中，螺旋桨产生正推力和扭矩。当推力变为负时，当扭矩保持正时，空气制动系统启动。在这个制度下，螺旋桨使系统变慢。最后，当推力和扭矩都降至零以下时，螺旋桨处于风车系统。在这里，气流控制螺旋桨，因为它产生力的螺旋桨，驱动螺旋桨的电机/发动机无法克服。螺旋桨效率在螺旋桨区域之外是毫无意义的。

在高效率螺旋桨系统中操作螺旋桨始终需要为给定的空速和转速运行。如前所述，固定螺距螺旋桨通常设计为在巡航飞行期间以最高效率运行，虽然它们可以以较低的速度运行，例如在起飞和着陆期间，但效率非常低。可变螺距螺旋桨可根据飞行制度（起飞、巡航或着陆）调整，以在螺旋桨系统中获得尽可能高的效率，从而最大限度地提高飞机的燃油效率。

除了螺旋桨间距外，螺旋桨叶片的数量在设置螺旋桨的推力方面起着重要作用。通常，如果螺旋桨的直径或螺距存在设计限制，增加叶片数量可能会增加产生的推力量。然而，额外的推力可能以螺旋桨效率为代价，因此需要进行详细的分析。

先进比J，它是螺旋桨旋转速率（n）和直径（D）上使自由流速度（V+）正常化的参数，由以下方程给出:

自由流速度可以使用以下公式进行测量:

其中*是自由流密度。

推力系数C_T是螺旋桨推力T的非维测量值，由方程给出:

同样，扭矩、C_Q和功率、C _P系数、螺旋桨扭矩的非维度量和输出功率分别由方程给出:

其中= 扭矩，P是提供给无刷直流电机以运行螺旋桨的动力。功率，P，可以计算为电压、V和电流的积，I:

最后，螺旋桨效率可以表示为:

自由流密度，α:0.074 磅/英尺^3，用于确定结果。图 4 显示了螺旋桨中 18 x 8 的双叶片的推力系数、扭矩、功率和螺旋桨效率的变化。螺旋桨、空气制动器和风车区域被划分。双叶片，18 x 8 型螺旋桨产生正推力，最高为 0.6，之后它过渡到空气制动区域，直到J 0.85。在这一点和之后，螺旋桨开始产生负扭矩，并像风车一样工作。螺旋桨在J = 0.4 时达到最高效率。

图 4.双叶片的特性，18 x 8 在螺旋桨。

图5-7比较了螺旋桨的C_{T、C Q、C P}和α行为，其直径、螺距和叶片数量分别有变化。如图5所示，螺旋桨直径的变化，同时保持叶片数量和螺旋桨间距的常数对螺旋桨效率的影响可以忽略不计。然而，给定先进比J的C_{T、C Q}和C_P随螺旋桨直径减小而略有增加。

图 5.不同直径螺旋桨特性的比较。请点击此处查看此图的较大版本。

不同的螺旋桨螺距显著影响所有参数，如图 6 所示。一般来说，与低螺距螺旋桨相比，高螺距螺旋桨在给定的先进比下产生更多的推力、扭矩和功率。增加螺旋桨间距也增加了螺旋桨区域的范围，即大区域的正推力和扭矩。最后，随着螺旋桨间距的增加，最高运行效率在更高的先进比下发生。

图 6.不同螺距的螺旋桨特性比较。请点击此处查看此图的较大版本。

图 7 显示，刀片数量翻倍会导致推力和扭矩明显增加。虽然螺旋桨区域类似，但四叶片螺旋桨开始像风车一样，比双叶片螺旋桨更高的先进比例。此外，双叶片螺旋桨的效率略高于其四叶片螺旋桨。

图 7.螺旋桨的特性比较，其叶片数量各不相同。请点击此处查看此图的较大版本。

推进器用于为小型飞机提供动力，并提供一种提供推力的简单方法。它们可以连接到电动或往复发动机上，在那里它们将转速转换为推力以进行推进。在本次演示中，使用安装在亚音速风洞中的螺旋桨试验装置，对7个间距、直径和叶片数量不同的螺旋桨进行了描述。对于每个螺旋桨，都确定了螺旋桨、空气制动器和风车运行区域。为研究螺旋桨直径的影响而进行的参数化研究表明，推力和扭矩随直径减小而略有下降。然而，螺旋桨间距对推力和扭矩特性有显著影响，高螺距螺旋桨具有明显优势。此外，螺旋桨区域的范围随着螺距的减小而减小。最后，增加叶片数量会增加推力、扭矩和功率，螺旋桨效率略有下降。

需要为飞机或水上飞机选择适当的推进系统（发动机/电机-螺旋桨组合），以实现高性能和高效的空中或水上车辆。详细的螺旋桨特性数据为工程师提供了评估飞机/水上所有运行速度的飞行性能参数的准确方法，从而正确确定最佳推进系统。