螺旋槳怎麼設計好

時間 2021-10-22 09:58:13

1樓:

螺旋槳負責把引擎的功率轉變為向前的推力,重要性不言而喻,螺旋槳推進飛機的原理與火箭、導風扇飛機、噴射機不同,也與船用螺旋槳不同,火箭等前進是因為動量守恆的關係,如果飛機也是靠動量守恆的原理前進,那螺旋槳就要把空氣盡量快盡量多往後吹去,那螺旋槳的形狀就應該像電扇葉片一樣寬且短,而不是像現在我們看的細細長長的,導風扇扇葉形狀類似船用螺旋槳,效率卻很差,因為導風扇引擎、加速管及支撐等物件擋住了不少氣流,而且導風扇後送的空氣速度不夠快,質量更不夠多。

我們應該把槳葉看成一片小型的機翼,引擎轉動的速度加上飛機前進的速度,使槳葉對空氣產生相對的速度,槳葉的截面本來就是乙個翼型,然後因伯努利定律產生公升力,只是此時的公升力是向前的,稱為推力,使飛機向前,歷史上有名的競速機geebee,得過很多次世界冠軍,也有不少模型像真機,請讀者注意其螺旋槳與機身的比例,它螺旋槳向後的氣流三分之二以上被引擎及機身偏折,根本沒往正後方吹,使人不禁懷疑它怎麼飛,可是它還是世界競速冠軍呢,所以記得螺旋槳的風大不大與推力毫無關係。

螺旋槳可依不同方式分類,我們真正有興趣的是直徑與螺距,將於下節討論,其餘分類如下:

依槳葉數:

單槳:競速機常用,可避免吃到前葉的尾流,效率最佳,但另一端要配平。

雙槳:最常見的型式,合理的效率,容易平衡。

三槳以上:像真機或槳葉長度受限時使用,效率稍差。

依推力方向:

拉力槳:即正槳,從飛機前面產生拉力使飛機向前。

推力槳:即反槳,從飛機後面產生推力使飛機向前,少數引擎可逆轉,雙引擎飛機其中乙個引擎逆轉用反槳以抵銷反扭力。

依材值:

木槳:剛性好,重量輕,但易損壞。

塑膠槳:便宜,選擇性多,較不易損壞。

碳纖槳:最好,最貴。

第二節螺旋槳的選擇

我們仔細看一支螺旋槳

上面除了公司的標誌外如:[apc],另外還有一組數字12x9,這是選擇螺旋槳最重要的一組數字,12代表這支螺旋槳直徑是12英吋,9代表螺距是9英吋,另一組數字305x227是公制,單位是mm,代表意義完全一樣,直徑的意思大家都了解,螺距的意思是螺旋槳旋轉一圈,依螺旋槳的角度,理論上螺旋槳前進的距離,當螺旋槳旋轉時槳上的點因距離軸心的不同,行走的距離也不同[=2 x 3.1416 x r],現在的螺旋槳都是定螺距槳,就是旋轉一圈槳上每一點的螺距都一樣,所以越靠近軸心,槳葉角越大,槳尖部分角度就比較小,當然還有一種定螺角槳,這種槳槳上每一點角度都一樣,當旋轉一圈槳上每一點的螺距都不一樣,越靠槳尖越大,最常見的就是竹蜻蜓,相信大家都玩過,另外也常見於初級橡皮筋動力飛機,因為製作非常簡單。

你買乙個新引擎,引擎的說明書會建議你,試車時用多大的槳,像真機用多大的槳,特技機又用多大的槳,弄得你迷迷糊糊,在這裡說明一下,試車時用的槳一般都比較大,是防止萬一不小心轉數過高,使新引擎燒毀,沒其他意思,像真機及特技機用的槳不同,最主要是因為飛機速度不同的關係,特技機一般飛行速度比較快,希望螺旋槳在高速飛行時比較有效率,像真機一般來說翼面負載大,希望螺旋槳在低速時比較有效率,起飛、降落時才不會出差錯,沒人會管它極速快不快,我們假設引擎輸出的最大功率是一定值,輸出功率在螺旋槳到達恆定轉速時要克服的是螺旋槳的阻力,我們前面說過應該把槳葉看成一片小型的機翼,螺距越大就是槳葉角越大,相當於機翼攻角越大,當然阻力就越大,螺旋槳越長,面積及槳端切線速度也越大,阻力也越大,既然最大功率是一定值,我們只好在直徑與螺距上作妥協。

特技機希望螺旋槳在高速飛行時比較有效率,像真機希望螺旋槳在低速時比較有效率,我們再提醒一次應該把槳葉看成一片小型的機翼,既然是機翼,同樣就會有攻角、失速問題,甚至誘導阻力情形也一樣,為了找出最佳攻角,請參看,合成的氣流速度等於螺旋槳的切線速度加上飛機前進的速度[假如你對向量不熟悉的話,因為是相對運動,你可以假設你是乙隻螞蟻趴在螺旋槳前緣,你不動,讓氣流來吹你,想像一下因螺旋槳旋轉加上飛機前進,你臉上吹的是那方向來的風],螺距太大而飛行速度不夠快,則攻角太大而失速,這種情形在這裡叫螺旋槳打滑,螺距太小而飛行速度太快,則攻角太小,效率則很差,所以結論是高速飛機用小槳大螺距,低速飛機用大槳小螺距。以前在萊特兄弟時代,飛機做好以後要拉乙個綁在樹上磅秤來測拉力,現在飛行場上偶而也有人這麼做,現在我們知道這是多餘的,測得的拉力因沒有飛機前進的速度,所以只有在飛機靜止時有效,飛機有了速度後就不准了。

螺距最好的解決辦法當然是使用變距螺旋槳,可依飛行速度不同改變螺距,二次大戰後大部分的螺旋槳飛機都已使用變距螺旋槳,可依飛行速度變換螺距以取得更佳的效率,萬一引擎熄火還可以打順槳,使螺旋槳的阻力減至最低增加滑行距離。日本mk模型出過一組60級用的可變距槳,但在美國模型飛機禁止用可變距槳,怕飛出來傷人,此外螺旋槳靠軸心部分效率很差,所以很多場合乾脆裝上機頭罩減低阻力。

第三節螺旋槳角度的計算

現在螺旋槳選擇性多,**便宜,模型玩家很少自行製作,但偶而想玩橡皮筋動力飛機時,就不得不自己動手了,請各位不要瞧不起橡皮筋動力飛機,高階室內橡皮筋動力飛機的螺旋槳會隨著橡皮筋扭力自動改變螺距,而且整架飛機不超過20公克,

橡皮筋動力飛機因為轉速比引擎飛機慢,螺距比[螺距/直徑]一般1.0~1.6左右,引擎飛機的螺距比大都在0.8以下。

定螺角槳:因為定螺角槳只有一部分效率好,所以我們螺距以距離軸心70~80%的部位為準,螺旋槳靠軸心部分效率很差,所以靠軸心30%以內部份根本不做槳葉,只剩一根軸。

定螺距槳:因定螺距槳每個斷面角度均不一樣,假設要製作一支直徑為d英吋螺距為p英吋的槳。

第四節引擎的選擇

模型飛機使用的引擎有很多種,現在因為大多數人都使用熱灼引擎(glow engine)及汽油引擎,大家幾乎忘了還有其他模型引擎如:

1柴油引擎:其實他是燒乙醚而不是燒柴油的,只是它跟跟柴油引擎一樣沒有火星塞,直接壓縮爆發,但真正的柴油引擎是將空氣壓縮後再噴入燃料爆發,而模型柴油引擎是將先空氣與燃料混合後再壓至爆發,二次大戰後歐洲國家管制甲醇及硝基甲烷,所以柴油引擎流行一陣子。

2二氧化碳引擎:使用乙個二氧化碳氣瓶,借壓縮的二氧化碳氣體推動活塞驅動螺旋槳,沒有任何點火裝置也不用燃料,常用於自由飛模型。

3脈衝噴射引擎:又叫火管,跟二次大戰德國v1火箭一樣的引擎,屬於噴射引擎的一種,聲音吵得嚇死人,中國大陸飛燕公司有生產兩種尺寸,非常便宜,美國還有公司出套件,讓人自行製作,號稱噴出的火焰有十公尺遠。

很多人選擇引擎的原則是,選擇只要塞的下引擎室的最大引擎,這其實是乙個不正確的觀念,我們知道飛行的阻力與速度平方成正比,當飛機速度已經很高,這時候要增加一點點速度馬力要增加很大,選擇超過適當排氣量的引擎,不但重量增加,因耗油量也增加,所以裝上更大的油箱,翼面負載增加的結果使飛行攻角增大,阻力也因而增大,所以效果很差,更不要提對飛機結構的影響了,要改善飛行效率應從改善飛機的空氣動力著手,而不是一味加大引擎,此外競速飛機盡量選擇高轉速、低扭力的短衝程引擎,像真機盡量選擇低轉速、高扭力的長衝程引擎或四衝程引擎,以使螺旋槳發揮最大效率。

很多人不曉得模型引擎的大小如32、120代表什麼意思,美國的引擎採用英製,32代表0.32立方英吋,120就代表1.20立方英吋,一立方英吋是 16.

39 cc(立方公分),所以32引擎排氣量是5.24(=0.32*16.

39)立方公分,但世界上其他國家如德國等生產的引擎已漸漸採用公制。

第五節導風扇

很多很漂亮的像真噴射機,但機頭或機尾裝了乙個引擎,在天上飛時離得遠看上去還好,擺在地面展示時,那引擎與螺旋槳實在煞風景,要把引擎與螺旋槳藏起來,在渦輪引擎還沒出來前導風扇是惟一選擇,導風扇是利用高轉速活塞引擎[24000rpm左右]推動類似渦輪扇葉,將大量空氣往後加速,可以模擬出類似渦輪引擎的效果,圖中槳轂的白漆是量轉速用的,導風扇雖然效率差,但因現代噴射機都很流線,機翼也不大,所以阻力小,像真噴射機飛行速度也不慢,但起飛滑行加速比較慢。

導風扇飛機最需要注意的地方就是空氣的進出通道,進口的通道除了截面積要足夠外,也要做得非常流線,避免粗糙、突出物或溝縫,必要時只好在肚子挖」作弊孔」以增加空氣進入量,出口的通道除了要做得非常流線外,還要有一點漸縮,以增加排氣速度,還有一點要特別注意的,因為導風扇進氣口吸力很強,所有零件、電線都要固定好.

第六節渦輪引擎

模型渦輪引擎經過這幾年的發展已漸漸成熟,雖然價位還不是一般人能接受,從早期危險的丙烷燃料到現在的煤油或jp 燃料[煤油+汽油],我們可以期待起動方式更方便,價位更低能讓一般人接受的引擎出現,模型渦輪引擎是乙個具體而微的渦輪噴射引擎,渦輪引擎推進的原理是引擎前端將空氣吸入後,由壓縮器加壓,再至燃燒室燃燒,膨脹後的高壓氣體由後方排出,因動量守恆原理而得到向前的推力,高壓氣體同時也推動渦輪,渦輪再把動力傳給壓縮器,渦輪發動機因輸出動力方式的差異可分為:

1渦輪噴射發動機:最典型的噴射引擎,原理如前所述,模型渦輪引擎就是屬於這種。

2渦輪扇發動機:跟渦輪噴射發動機很類似,但有旁通氣流,請注意.發動機風扇吸入的空氣有部分沒經過燃燒室就直接加壓後排出,那就是旁通氣流,優點是比較經濟,缺點是飛機最大速度會稍為慢,商用噴射機旁通比都很大,所以發動機看起來都很胖。

3渦輪旋槳發動機:這也是一種噴射發動機,但是以螺旋槳方式輸出動力,跟活塞發動機比,噴射發動機零件少很多,重量也輕,比較好維修保養,又因為它沒有活塞、曲軸、頂桿等的往復運動,所以震動也減少很多,玩過遙控飛機的人都知道,震動是很多問題的根源。

4渦輪軸發動機:這也是一種噴射發動機,但輸出的軸馬力最大,剛好用在***上,現代***都是採渦輪軸發動機,所以以後有人跟你說那架***是噴射引擎的,你也不要吃驚。

[圖5-7]的後半截是乙個後燃器,後燃器的原理是因為空氣經過燃燒室燃燒後,只消耗到不到10%的氧氣,後燃器裡面的空氣因剛從燃燒試室出來,當然很熱,而且還有很多氧氣,那乾脆就直接把燃料噴進去,再一次燃燒進一步加熱空氣增加推力,代價當然是效率非常差,但緊急時渦輪噴射型發動機幾乎可以增加 100%的推力。

渦輪發動機轉速很高,怠速時的轉速都比活塞引擎的全速還高,所以實機發動機起動時一般都要另外以電源車或氣源車先將引擎預轉至點火速度,渦輪發動機還有一些需注意的特性,活塞引擎的功率幾乎與轉速成正比,但渦輪發動機在轉速達最高轉速的50%時輸出的功率還不到20%,且低轉速時燃料消耗比約為全速時的三倍,所以低轉速時既耗油又沒效率,還有油門的反應比活塞引擎慢很多,此外因發動機需要大量空氣,改變飛行姿態時如進氣道設計不好會使壓縮器轉子失速,所以渦輪發動機不適合作特技機的動力,但因飛行速度沖壓的因素飛機起飛後渦輪發動機效率會變好

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