螺旋槳瞬態風車阻力確定技術分析

王俊棟，周曉斌，王 全

（陜西飛機工業有限責任公司，陜西漢中 723000）

1 螺旋槳瞬態風車阻力的主要機理

螺旋槳是指靠槳葉在空氣或水中旋轉，將發動機轉動功率轉化為推進力的裝置，可有兩個或較多的葉與轂相連，葉的向后一面為螺旋面或近似于螺旋面的一種推進器。

通過牛頓第三定律可知，氣流與發動機所產生的作用力是處于同一方向的，這說明風車阻力的實質在于，發動機內部流道對自然條件下氣流所產生的阻礙，讓其內流道的表面會增加摩擦，使內流道可在粘性摩擦的作用下而發生改變，使其內部的氣流出現減少或是沖量的情況。如此，則可確認風車阻力的產生機理，即發動機在受力的狀態下受逆航向而產生的作用力。

對此，風車阻力的產生與空氣流動間具有緊密的關聯，當發動機轉子進行慣量轉動時，其中的流體阻力也會發生改變。并且，在共同作用的前提下，讓風車的阻力成為飛行馬赫數及飛行高度中的函數。一旦馬赫數呈現出增加的狀態，則風車阻力就會受到多方面因素的影響，而發生比例減少的情況。例如，若周圍的環境壓力增加，會造成風車阻力減小，使得發動機部件與風車阻力間的參數關系產生一定的關聯，增加對飛行工況等諸多方面的影響。

2 螺旋槳瞬態風車阻力確定技術分析

2.1 螺旋槳的工作原理

（1）螺旋槳是一種將機械能轉化為流動能的裝置，最常見的應用是在船舶和飛機上。其工作原理可以簡單概括為：螺旋槳葉片受到動力源的驅動，迅速旋轉，產生液體或氣體流動，從而推動船舶或飛機前進。

若在螺旋槳半徑選擇r1和r2兩點，且r1＜r2時，可選擇一段極小的段落，了解槳葉區域內氣流的產生情況。當V表示軸向速度，φ表示氣流角，n表示螺旋槳的轉速，α表示槳葉的剖面迎角，β表示槳葉角時，旋轉平面夾角與槳葉剖面弦線之間的關系則為：

由此可知，當空氣經過槳葉中的各個小段時，就會產生一定的氣動力。而阻力若為D，則升力可以為L。待兩者合成后，方可形成總空氣動力，即R。當R進行運動時，螺旋槳在運行狀態下會產生一定的分離及拉力，使螺旋槳呈現反方向運動的情況。此時，若槳葉上的不同小段間的阻力及旋轉力呈現出增加的狀態，則可以形成特定的螺旋槳阻力及拉力，得到具體的螺旋槳轉動力矩。如此，則可通過對螺旋槳各個剖面的觀察，確認其處于升阻狀態時，迎角正常工作的條件下，其所產生的拉力會變大，所得到的阻力距就會變小。

（2）對螺旋槳各區域內的效率造成影響，使得螺旋槳在工作的過程中軸向速度不會跟隨半徑的變化而產生過多的波動，而當切線的速度產生變化時，尤其是接近槳尖時，半徑相對較大的區域，氣流角就會變小，使得槳葉角也有所縮減。一旦接近槳根時，半徑較小的區域，當地的氣流角就會產生變大的情況，使對應的槳葉角就會發生改變。這樣一來，若螺旋槳中的槳葉角自以往的槳尖延伸到槳根，就會按照規律發生一系列的變大反應，即螺旋槳會將機翼進行扭轉。

2.2 測試設備與試驗準備

（1）在風車特性試驗操作環節，可增加連續式的氣源準備。采用高空臺的連接方式，在高空臺內模擬發動機的運行狀態，確認其不同狀態下的飛行條件，得到飛行馬赫數、飛行高度等諸多方面的數據信息。這樣，在大型的試車臺內，則可在掌握飛行條件的情況下，計算出發動機的進口參數，確認在排氣環境內所遇到的壓力。然后，則可采用模擬試驗的方式，掌握發動機高度、速度及節流特性。如此，則可讓操作人員采用自主研制的方式，了解在發動機設備運行狀態下存在的保障措施。

（2）可將本次模擬試驗的高度確認在25～30 km，讓馬赫數可以在2.5～3.5。在飛行條件確認后，方可了解高區內所具備的高空臺狀態，在眾多設備完成準備工作后，方可了解到供氣加溫設備、供氣氣源及抽氣氣源的狀態。工作人員可以依次開展供氣降溫、預處理干燥操作，使近期設備、凈化設備、排氣調控設備及高空艙等設備保持正常運行狀態的前提下，增加工藝系統、排氣冷卻器及狀態監控系統等的輔助。在進行風車試驗的過程中，供氣氣源會通過空氣干燥系統，讓供氣降溫區域內的溫度從–25 ℃升高到60 ℃的范圍區間，使操作人員采用調控系統，完成降溫系統及干燥空氣系統的管理。增加等比例的空氣摻混，并保證發動機在運行狀態下不會出現問題，測定進口總溫、總壓及空氣流量。如此，則可采用模擬操作的方式，保證排氣調節系統與抽氣氣源的合理運維，讓發動機的排氣環境壓力不會發生改變，從而完成本次高空艙壓力的模擬試驗。

（3）可采用排氣調控的系統操作方式，讓發動機進口區域內的總壓產生相應的變化，讓排氣環境內的壓力與進口區域內的總壓的差異值不會發生過多的改變。如此，則可通過對發動機速度條件、飛行高度、風車轉速等系數的確認，了解到螺旋槳瞬態風車阻力。在正常的風車運行狀態下，進入到壓力機、風扇內的空氣沖量、空氣離開排氣區域內的沖量之差，能夠運用數學公式進行表示。具體如下：

式中，Rw為風車的阻力，W為在試驗中狀態下的氣流質量，V為速度，PS為靜壓，A為流通面積，下標“1”為常規狀態下發動機進口區域內的截面，e為噴管的出口區域內的截面。

2.3 風車阻力的確認試驗

在執行風車阻力的確認試驗操作時，可確認其中的控制體，運用動量定理來掌握風車的正常運行狀態，確認其中發動機所發出的總推力。具體如下：

式中，Rg為總推力，Rm為臺架需要進行測量的推力，Rc為在真空條件下所產生的作用力，Rs為次流作用力，Sch為高空艙。

如此，可掌握在高度壓力的狀態下，風車阻力發生的變化。若發動機不進行工作，則其中的飛行馬赫數為0，而此時的風車阻力也應為0。但若結合風車阻力的定義可知，若風車阻力不為0時，則高空臺內，發動機的試驗操作方式會發生改變，其中的風車阻力會發生被扣除的情況。此時，其中的飛行高度、高空臺及飛行馬赫數等都會發生改變。

若高度壓力能夠處于靜置的狀態，則其中的發動機可能會不工作。即發動機內的總推力為0，而在高空臺中的模擬機高度不為0的條件下，發動機也可以處于完全靜止的狀態，使其中的發動機進口與內部壓力呈現出恒定的狀態，讓臺架中的直接推力呈現出減少的狀態。并且，在高空艙內次流的作用下，讓其中的真空度發生一定的改變。而在試驗方法的確認時，可運用氣源抽氣及氣源的供氣試驗操作方式，掌握在恒定的狀態下，發動機進口的總溫情況，以及高空艙壓力、進口總壓等內容。通過模擬發動機的作業方式，確認其中的速度條件，試驗流程如下[1]。

（1）可加強對發動機次流情況的了解，測定其中的真空度及次流作用力。將此方面系數進行記錄[2]。

（2）可確認臺架內的推力值。對不同狀態下的大氣溫度、大氣壓力、大氣濕度、進口總溫、發動機進口總壓、高空艙壓力、發動機噴管出口面積等內容進行確認，即可計算出其中的總靜壓差，計算出對應的臺架推力值。

（3）可采用調節及控制排氣系統的方式，確認高空艙內的壓力。以確認其中高空艙的具體模擬高度。

（4）可通過進氣系統的調節，確認發動機的總溫、進口總壓等數據內容，確認在給定氣道內的總壓數值。運用標準的啟動函數掌握進氣控制系統的狀態。同時，可以在試驗現場穩定2 min 后，完成數據信息內容的記錄。

（5）可確認其中的測試結果，了解發動機內風車的具體阻力，確認其中的真空度及中次流產生的作用力，即可逐一計算出對應的作用力系數，保證試驗內容準確無誤。

2.4 制訂瞬態風車阻力確認方案

2.4.1 修正標準螺旋槳特性

為合理地制訂瞬態風車阻力的確認方案，可確認螺旋槳的風車阻力情況，運用合理地修正方案，確認在標準狀態下螺旋槳的總效應。若螺旋槳在運行期間受阻力影響，則0.7R的截面區域內，零升迎角ε0=3.1°。由此方式，可進行對不同狀態點的論證，運用風洞試驗的操作方式，了解在全包線內的風車特性，確認在標準狀態下的螺旋槳拉力系數，并確認其中的標準螺旋槳功率系數以及槳葉角等內容。這樣，則可將其中的截面確認為0.7R，且基于螺旋槳的基本表征，確認在特定狀態下螺旋槳所產生的效用因子，將其中的零升迎角進行修正，從而確認螺旋槳中風車的特性。

可加強對螺旋槳單片內槳葉效用情況的分析，運用因子的計算方程式，完成對其的計算：

式中，AF為螺旋槳單片槳葉效用因子，r為螺旋槳的截面距軸線距離，R為投影距離，b為葉片弦長，D為最大葉片弦長，d為可變參數。

如此，則可形成三維葉型數據，讓試驗人員結合高分段內螺旋槳的變化情況，生成二維翼型。根據單片槳液內所產生的效用因素，開展對應的試驗。

例如，若AF=130時，則螺旋槳內的總效應因子就會發生改變，使其可通過的螺旋槳葉片的總數乘以單片槳葉的效應因子的方式完成計算。若當AF=780時，螺旋槳內的具體效用因子就需要進行修正，確認其中的功率系數及拉力系數即可。而如若螺旋槳處于0.7R的截面區域時，則其中的零升迎角是4.5°。在此背景下，試驗人員可采用標準槳的試驗操作方式，確認其中的零升狀態，運用零升迎角的修正狀態，確認相互之間的關聯。

2.4.2 通過試飛數據確認瞬態風車阻力

（1）可結合螺旋槳的運行狀態，掌握其在停車順槳的過程中具體參數的變化情況，得到發動機中轉速百分比的數值。例如，當螺旋槳處于發動機的停車順槳期間，可結合風車的啟動狀態，讓其中的速度調整系數、飛機高度都在可控的范圍內。若發動機的空氣包線高度為3～5 km，則其中的行駛表速為300～330 km/h。而其中對應的真空流速，會根據實際狀況發生改變。

（2）通過在發動機的機軸上，增加測扭裝置的方式，確認其中最大的軸功率。采用飛行過程中輸入功率的計算方式，掌握其與軸功率、測扭裝置滑油壓力間的關系。可利用以下公式進行計算：

式中，PN為發動機在正常狀態下的冷態功率，K為相關系數，PQ為扭矩壓力，n為可變系數，可實現對風車阻力的計算。例如，了解螺旋槳在特定狀態下的扭矩壓力，實現對冷態功率的確認。

2.5 結果與相關討論

若在順槳階段，螺旋槳的轉速會呈現出降低的狀態，則槳葉角就會有增大的可能，且在大油壓的條件下，發動機的轉速會更加緩慢。而在初始的狀態下，槳葉角為28°，轉速為93%。一旦槳葉角過小，則可實現對風車阻力情況的確認，計算出其為1 170 N。而當槳葉角變大時，若處于50°的狀態下，轉速則會下降到72%，使其中的螺旋槳拉力為11 270 N。如此，在槳葉角持續增大的過程中，轉速會比65%要低，使得螺旋槳的轉速逐漸變小，進而使其中風車的阻力變低。

3 結束語

文章主要以發動機風車阻力試驗的方式，探討發動機風車阻力的特性，經過試驗方法驗證螺旋槳瞬態風車阻力確認技術是否有效。同時，通過研究得出，停車順槳的條件下，中槳葉角有所減少，而后增速會逐步變大，導致轉速的下降速率也有所增大。因此，通過模擬試驗的方式，可確認瞬態風車阻力情況，基于阻力特性及進出口區域間的壓力線性差異，勘察風車阻力變化情況，拓展了螺旋槳瞬態風車阻力確認技術在多個領域內的應用前景。