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旋翼和螺旋槳到底有什么區(qū)別

螺旋槳與旋翼的區(qū)別就像是蝌蚪和青蛙的區(qū)別。本質上是同一個東西,只是因為使用環(huán)境和尺寸不一樣帶來了很多差異。要是再廣義擴展一點,連大風車也可以跟他們劃為一類。

風車:???怎么還有我的事

本質上來說,螺旋槳與旋翼都是通過旋轉產生力的部件,但因為螺旋槳常用于固定翼飛機,旋翼常用于直升機、四旋翼,所以兩者專注點不一樣,最終發(fā)展得不太一樣。旋翼和螺旋槳主要有兩點不同:

  • 入流速度不同

入流速度指垂直于螺旋槳旋轉平面的來流速度。對于固定翼飛機的螺旋槳來說,入流速度也就是飛機飛行的速度,從0到700km/h不等,這時候的螺旋槳拉力也稱為動拉力。對直升機、四旋翼來說,因為此類飛行器飛行方向基本在螺旋槳旋轉平面內,且前飛速度不高,其入流速度很小,接近于0,這時候的螺旋槳拉力也稱靜拉力。后面具體會說到同一個螺旋槳的靜拉力要比動拉力大不少。

固定翼飛機本身飛得就很快,而螺旋槳槳尖處的旋轉線速度也很快,且半徑越大旋轉線速度越快。在槳尖處,這兩個速度疊加起來,分分鐘破音速。但是槳尖超音速會帶來很大的旋轉阻力和噪音,所以固定翼飛機的螺旋槳的直徑一般是按照槳尖不超音速的長度來設計的,做不了很長。推力要實在不夠就加槳葉數、再不行加發(fā)動機、再不行每個發(fā)動機裝兩個螺旋槳。。。

安70:嗯?誰在說我?  

  • 尺寸不同

上面也說了固定翼飛機螺旋槳做不了很長,一般固定翼飛機的螺旋槳直徑大概在5米以下(運輸機C130是4.6米,戰(zhàn)斗機P47是3.65米)。而直升機的旋翼尺寸很大,輕型的羅賓遜R-22已經達到了7.67米,直8為18.9米,米26達到了32米。

看看米26的旋翼有多大,挖掘機在它面前就像是玩具

超長的尺寸導致直升機的旋翼表現為柔性,所以直升機飛行時需要考慮旋翼的扭轉、變距、揮舞、擺振,復雜程度和難度遠超過固定翼飛機的螺旋槳。

這個圖非常好,包含了直升機旋翼的基本運動:變總距、俯仰和滾轉控制

繼續(xù)拿上圖來說,從俯視圖來看旋翼為逆時針旋轉,當直升機向前飛行時,右半圓的旋翼與氣流的合成速度將會大于左半圓的合成速度,所以右半圓升力要高于左半圓,同一片旋翼轉到左半圓時處于低位,轉到右半圓時因升力增大又提升到高位,這片旋翼的高度是在周期地變化的,這種旋翼上下沉浮的運動稱為揮舞??梢酝ㄟ^揮舞鉸讓旋翼有一定幅度的揮舞空間來削弱揮舞的不良影響,但是這樣揮舞運動又帶來新的問題。旋翼向上揮舞時,其重心離轉軸更近,會導致整個旋翼加速旋轉,而恢復原位時,重心離轉軸更遠,又會導致整個旋翼減速旋轉。最后體現為旋翼在旋轉切向的前后變形和移位,稱為擺振,一般也是增加擺振鉸使其有一定擺振幅度。

固定翼的螺旋槳因為尺寸小、剛度夠,最多會為了適應不同飛行速度加裝變距機構。而目前市面上的四旋翼的旋翼應該算是結構最簡單的了。 

固定翼飛機的螺旋槳,剛性好而且結構簡單

詳細分類一下廣義上的螺旋槳

簡化的螺旋槳截面分析,沒有考慮下洗流影響

如上圖所示,入流速度V和截面處旋轉線速度2nrπ決定了氣流的合成方向(此處沒有考慮氣流下洗帶來的小量影響),確定下當前截面的安裝角(或螺距)的話,就可以得到截面的迎角α,進而計算出截面產生的拉力和旋轉阻力。所以對定距螺旋槳來說,入流速度和旋轉線速度決定了螺旋槳的工作狀態(tài),大家把入流速度與旋轉線速度的比稱為前進比λ

顯然旋轉線速度相同時,入流速度越大,前進比越大。

下圖顯示了螺旋槳各參數隨前進比的變化情況,也可以通過這張圖對不同種類的螺旋槳進行劃分。

螺旋槳特性圖

圖中橫軸 λ 為前進比,三個縱軸分別是 η 為輸出效率,Cf 為拉力系數,Cp 為功率系數

以下討論基于轉速不變的定距螺旋槳:

  1. 當螺旋槳在A前進比工作。入流速度為0,直升機和四旋翼的旋翼多是工作在此處。此時螺旋槳拉力為最大值,此點以后隨著入流速度的增大,拉力會持續(xù)下降。

  2. 當螺旋槳在B前進比工作。此時螺旋槳輸出效率最高,有合適的入流速度,固定翼飛機的螺旋槳就在此點附近運行。如果因飛機速度變化偏離了B點,可以使用變槳距和改變轉速的辦法使螺旋槳保持高效率輸出。

  3. 當螺旋槳在C前進比工作。螺旋槳既不產生拉力,也不產生阻力。滑翔機可以將螺旋槳設置在這點工作,靠自身氣動力滑翔。

  4. 當螺旋槳在C~D區(qū)間前進比工作。此時 Cf 為負,螺旋槳產生阻力,但 Cp 為正,所以還需要發(fā)動機提供動力以驅動螺旋槳轉動。在縮短著陸滑跑距離、飛機俯沖等環(huán)節(jié)中都可以使用這一狀態(tài)。

  5. 當螺旋槳在D點及更大前進比工作。此時 Cp 為0或負值,說明螺旋槳旋轉的動力不來自于發(fā)動機而是由氣流吹動,甚至還能反過來轉動發(fā)動機。常見的風車、風力發(fā)電機就是處于這個狀態(tài)。對飛機來說,這個狀態(tài)對于測量發(fā)動機停車后螺旋槳帶來的阻力也相當重要。

可以看到螺旋槳各有其工作區(qū)間,一個直升機旋翼能產生40噸的拉力,但不是裝到固定翼機頭上也能在飛行中產生這么大拉力,因為靜拉力比動拉力大不少,入流速度越大,拉力就會越低。當然這里得說一說V-22“魚鷹”,他為螺旋槳設計了寬泛的工作區(qū)間,使得可以在其垂直起降和固定翼模式飛行時都能獲得較好的性能(但肯定比不上專為同一種模式設計的螺旋槳)

在這個噸位的直升機里,沒見過旋翼這么小的

在這個噸位的固定翼飛機里,沒見過螺旋槳這么大的

“魚鷹”可以通過傾轉旋翼實現直升機模式和固定翼模式的轉換,采用這樣的方案算是在直升機和固定翼中間補了個空缺。在軍用運輸領域,直升機少有比“魚鷹”飛得快而且比“魚鷹”裝的多的,固定翼運輸機又少有像“魚鷹”這樣能短距/垂直起降的,其螺旋槳設計和螺旋槳工作狀態(tài)控制顯然是其重點之一,這也說明了螺旋槳和旋翼在特殊設計下也是可以轉換的,兩者沒有本質區(qū)別。


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