螺旋槳瞬態(tài)風(fēng)車阻力確定技術(shù)分析

王俊棟，周曉斌，王 全

（陜西飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司，陜西漢中 723000）

1 螺旋槳瞬態(tài)風(fēng)車阻力的主要機(jī)理

螺旋槳是指靠槳葉在空氣或水中旋轉(zhuǎn)，將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動功率轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力的裝置，可有兩個(gè)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(jìn)器。

通過牛頓第三定律可知，氣流與發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生的作用力是處于同一方向的，這說明風(fēng)車阻力的實(shí)質(zhì)在于，發(fā)動機(jī)內(nèi)部流道對自然條件下氣流所產(chǎn)生的阻礙，讓其內(nèi)流道的表面會增加摩擦，使內(nèi)流道可在粘性摩擦的作用下而發(fā)生改變，使其內(nèi)部的氣流出現(xiàn)減少或是沖量的情況。如此，則可確認(rèn)風(fēng)車阻力的產(chǎn)生機(jī)理，即發(fā)動機(jī)在受力的狀態(tài)下受逆航向而產(chǎn)生的作用力。

對此，風(fēng)車阻力的產(chǎn)生與空氣流動間具有緊密的關(guān)聯(lián)，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行慣量轉(zhuǎn)動時(shí)，其中的流體阻力也會發(fā)生改變。并且，在共同作用的前提下，讓風(fēng)車的阻力成為飛行馬赫數(shù)及飛行高度中的函數(shù)。一旦馬赫數(shù)呈現(xiàn)出增加的狀態(tài)，則風(fēng)車阻力就會受到多方面因素的影響，而發(fā)生比例減少的情況。例如，若周圍的環(huán)境壓力增加，會造成風(fēng)車阻力減小，使得發(fā)動機(jī)部件與風(fēng)車阻力間的參數(shù)關(guān)系產(chǎn)生一定的關(guān)聯(lián)，增加對飛行工況等諸多方面的影響。

2 螺旋槳瞬態(tài)風(fēng)車阻力確定技術(shù)分析

2.1 螺旋槳的工作原理

（1）螺旋槳是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為流動能的裝置，最常見的應(yīng)用是在船舶和飛機(jī)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(qū)動，迅速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生液體或氣體流動，從而推動船舶或飛機(jī)前進(jìn)。

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

由此可知，當(dāng)空氣經(jīng)過槳葉中的各個(gè)小段時(shí)，就會產(chǎn)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(dāng)R進(jìn)行運(yùn)動時(shí)，螺旋槳在運(yùn)行狀態(tài)下會產(chǎn)生一定的分離及拉力，使螺旋槳呈現(xiàn)反方向運(yùn)動的情況。此時(shí)，若槳葉上的不同小段間的阻力及旋轉(zhuǎn)力呈現(xiàn)出增加的狀態(tài)，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(zhuǎn)動力矩。如此，則可通過對螺旋槳各個(gè)剖面的觀察，確認(rèn)其處于升阻狀態(tài)時(shí)，迎角正常工作的條件下，其所產(chǎn)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(qū)域內(nèi)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(chǎn)生過多的波動，而當(dāng)切線的速度產(chǎn)生變化時(shí)，尤其是接近槳尖時(shí)，半徑相對較大的區(qū)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(shí)，半徑較小的區(qū)域，當(dāng)?shù)氐臍饬鹘蔷蜁a(chǎn)生變大的情況，使對應(yīng)的槳葉角就會發(fā)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(guī)律發(fā)生一系列的變大反應(yīng)，即螺旋槳會將機(jī)翼進(jìn)行扭轉(zhuǎn)。

2.2 測試設(shè)備與試驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）在風(fēng)車特性試驗(yàn)操作環(huán)節(jié)，可增加連續(xù)式的氣源準(zhǔn)備。采用高空臺的連接方式，在高空臺內(nèi)模擬發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，確認(rèn)其不同狀態(tài)下的飛行條件，得到飛行馬赫數(shù)、飛行高度等諸多方面的數(shù)據(jù)信息。這樣，在大型的試車臺內(nèi)，則可在掌握飛行條件的情況下，計(jì)算出發(fā)動機(jī)的進(jìn)口參數(shù)，確認(rèn)在排氣環(huán)境內(nèi)所遇到的壓力。然后，則可采用模擬試驗(yàn)的方式，掌握發(fā)動機(jī)高度、速度及節(jié)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(fā)動機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下存在的保障措施。

（2）可將本次模擬試驗(yàn)的高度確認(rèn)在25～30 km，讓馬赫數(shù)可以在2.5～3.5。在飛行條件確認(rèn)后，方可了解高區(qū)內(nèi)所具備的高空臺狀態(tài)，在眾多設(shè)備完成準(zhǔn)備工作后，方可了解到供氣加溫設(shè)備、供氣氣源及抽氣氣源的狀態(tài)。工作人員可以依次開展供氣降溫、預(yù)處理干燥操作，使近期設(shè)備、凈化設(shè)備、排氣調(diào)控設(shè)備及高空艙等設(shè)備保持正常運(yùn)行狀態(tài)的前提下，增加工藝系統(tǒng)、排氣冷卻器及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)等的輔助。在進(jìn)行風(fēng)車試驗(yàn)的過程中，供氣氣源會通過空氣干燥系統(tǒng)，讓供氣降溫區(qū)域內(nèi)的溫度從–25 ℃升高到60 ℃的范圍區(qū)間，使操作人員采用調(diào)控系統(tǒng)，完成降溫系統(tǒng)及干燥空氣系統(tǒng)的管理。增加等比例的空氣摻混，并保證發(fā)動機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下不會出現(xiàn)問題，測定進(jìn)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(diào)節(jié)系統(tǒng)與抽氣氣源的合理運(yùn)維，讓發(fā)動機(jī)的排氣環(huán)境壓力不會發(fā)生改變，從而完成本次高空艙壓力的模擬試驗(yàn)。

（3）可采用排氣調(diào)控的系統(tǒng)操作方式，讓發(fā)動機(jī)進(jìn)口區(qū)域內(nèi)的總壓產(chǎn)生相應(yīng)的變化，讓排氣環(huán)境內(nèi)的壓力與進(jìn)口區(qū)域內(nèi)的總壓的差異值不會發(fā)生過多的改變。如此，則可通過對發(fā)動機(jī)速度條件、飛行高度、風(fēng)車轉(zhuǎn)速等系數(shù)的確認(rèn)，了解到螺旋槳瞬態(tài)風(fēng)車阻力。在正常的風(fēng)車運(yùn)行狀態(tài)下，進(jìn)入到壓力機(jī)、風(fēng)扇內(nèi)的空氣沖量、空氣離開排氣區(qū)域內(nèi)的沖量之差，能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行表示。具體如下：

式中，Rw為風(fēng)車的阻力，W為在試驗(yàn)中狀態(tài)下的氣流質(zhì)量，V為速度，PS為靜壓，A為流通面積，下標(biāo)“1”為常規(guī)狀態(tài)下發(fā)動機(jī)進(jìn)口區(qū)域內(nèi)的截面，e為噴管的出口區(qū)域內(nèi)的截面。

2.3 風(fēng)車阻力的確認(rèn)試驗(yàn)

在執(zhí)行風(fēng)車阻力的確認(rèn)試驗(yàn)操作時(shí)，可確認(rèn)其中的控制體，運(yùn)用動量定理來掌握風(fēng)車的正常運(yùn)行狀態(tài)，確認(rèn)其中發(fā)動機(jī)所發(fā)出的總推力。具體如下：

式中，Rg為總推力，Rm為臺架需要進(jìn)行測量的推力，Rc為在真空條件下所產(chǎn)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(tài)下，風(fēng)車阻力發(fā)生的變化。若發(fā)動機(jī)不進(jìn)行工作，則其中的飛行馬赫數(shù)為0，而此時(shí)的風(fēng)車阻力也應(yīng)為0。但若結(jié)合風(fēng)車阻力的定義可知，若風(fēng)車阻力不為0時(shí)，則高空臺內(nèi)，發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)操作方式會發(fā)生改變，其中的風(fēng)車阻力會發(fā)生被扣除的情況。此時(shí)，其中的飛行高度、高空臺及飛行馬赫數(shù)等都會發(fā)生改變。

若高度壓力能夠處于靜置的狀態(tài)，則其中的發(fā)動機(jī)可能會不工作。即發(fā)動機(jī)內(nèi)的總推力為0，而在高空臺中的模擬機(jī)高度不為0的條件下，發(fā)動機(jī)也可以處于完全靜止的狀態(tài)，使其中的發(fā)動機(jī)進(jìn)口與內(nèi)部壓力呈現(xiàn)出恒定的狀態(tài)，讓臺架中的直接推力呈現(xiàn)出減少的狀態(tài)。并且，在高空艙內(nèi)次流的作用下，讓其中的真空度發(fā)生一定的改變。而在試驗(yàn)方法的確認(rèn)時(shí)，可運(yùn)用氣源抽氣及氣源的供氣試驗(yàn)操作方式，掌握在恒定的狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)進(jìn)口的總溫情況，以及高空艙壓力、進(jìn)口總壓等內(nèi)容。通過模擬發(fā)動機(jī)的作業(yè)方式，確認(rèn)其中的速度條件，試驗(yàn)流程如下[1]。

（1）可加強(qiáng)對發(fā)動機(jī)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(shù)進(jìn)行記錄[2]。

（2）可確認(rèn)臺架內(nèi)的推力值。對不同狀態(tài)下的大氣溫度、大氣壓力、大氣濕度、進(jìn)口總溫、發(fā)動機(jī)進(jìn)口總壓、高空艙壓力、發(fā)動機(jī)噴管出口面積等內(nèi)容進(jìn)行確認(rèn)，即可計(jì)算出其中的總靜壓差，計(jì)算出對應(yīng)的臺架推力值。

（3）可采用調(diào)節(jié)及控制排氣系統(tǒng)的方式，確認(rèn)高空艙內(nèi)的壓力。以確認(rèn)其中高空艙的具體模擬高度。

（4）可通過進(jìn)氣系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，確認(rèn)發(fā)動機(jī)的總溫、進(jìn)口總壓等數(shù)據(jù)內(nèi)容，確認(rèn)在給定氣道內(nèi)的總壓數(shù)值。運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的啟動函數(shù)掌握進(jìn)氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)。同時(shí)，可以在試驗(yàn)現(xiàn)場穩(wěn)定2 min 后，完成數(shù)據(jù)信息內(nèi)容的記錄。

（5）可確認(rèn)其中的測試結(jié)果，了解發(fā)動機(jī)內(nèi)風(fēng)車的具體阻力，確認(rèn)其中的真空度及中次流產(chǎn)生的作用力，即可逐一計(jì)算出對應(yīng)的作用力系數(shù)，保證試驗(yàn)內(nèi)容準(zhǔn)確無誤。

2.4 制訂瞬態(tài)風(fēng)車阻力確認(rèn)方案

2.4.1 修正標(biāo)準(zhǔn)螺旋槳特性

為合理地制訂瞬態(tài)風(fēng)車阻力的確認(rèn)方案，可確認(rèn)螺旋槳的風(fēng)車阻力情況，運(yùn)用合理地修正方案，確認(rèn)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下螺旋槳的總效應(yīng)。若螺旋槳在運(yùn)行期間受阻力影響，則0.7R的截面區(qū)域內(nèi)，零升迎角ε0=3.1°。由此方式，可進(jìn)行對不同狀態(tài)點(diǎn)的論證，運(yùn)用風(fēng)洞試驗(yàn)的操作方式，了解在全包線內(nèi)的風(fēng)車特性，確認(rèn)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的螺旋槳拉力系數(shù)，并確認(rèn)其中的標(biāo)準(zhǔn)螺旋槳功率系數(shù)以及槳葉角等內(nèi)容。這樣，則可將其中的截面確認(rèn)為0.7R，且基于螺旋槳的基本表征，確認(rèn)在特定狀態(tài)下螺旋槳所產(chǎn)生的效用因子，將其中的零升迎角進(jìn)行修正，從而確認(rèn)螺旋槳中風(fēng)車的特性。

可加強(qiáng)對螺旋槳單片內(nèi)槳葉效用情況的分析，運(yùn)用因子的計(jì)算方程式，完成對其的計(jì)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(shù)。

如此，則可形成三維葉型數(shù)據(jù)，讓試驗(yàn)人員結(jié)合高分段內(nèi)螺旋槳的變化情況，生成二維翼型。根據(jù)單片槳液內(nèi)所產(chǎn)生的效用因素，開展對應(yīng)的試驗(yàn)。

例如，若AF=130時(shí)，則螺旋槳內(nèi)的總效應(yīng)因子就會發(fā)生改變，使其可通過的螺旋槳葉片的總數(shù)乘以單片槳葉的效應(yīng)因子的方式完成計(jì)算。若當(dāng)AF=780時(shí)，螺旋槳內(nèi)的具體效用因子就需要進(jìn)行修正，確認(rèn)其中的功率系數(shù)及拉力系數(shù)即可。而如若螺旋槳處于0.7R的截面區(qū)域時(shí)，則其中的零升迎角是4.5°。在此背景下，試驗(yàn)人員可采用標(biāo)準(zhǔn)槳的試驗(yàn)操作方式，確認(rèn)其中的零升狀態(tài)，運(yùn)用零升迎角的修正狀態(tài)，確認(rèn)相互之間的關(guān)聯(lián)。

2.4.2 通過試飛數(shù)據(jù)確認(rèn)瞬態(tài)風(fēng)車阻力

（1）可結(jié)合螺旋槳的運(yùn)行狀態(tài)，掌握其在停車順槳的過程中具體參數(shù)的變化情況，得到發(fā)動機(jī)中轉(zhuǎn)速百分比的數(shù)值。例如，當(dāng)螺旋槳處于發(fā)動機(jī)的停車順槳期間，可結(jié)合風(fēng)車的啟動狀態(tài)，讓其中的速度調(diào)整系數(shù)、飛機(jī)高度都在可控的范圍內(nèi)。若發(fā)動機(jī)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(yīng)的真空流速，會根據(jù)實(shí)際狀況發(fā)生改變。

（2）通過在發(fā)動機(jī)的機(jī)軸上，增加測扭裝置的方式，確認(rèn)其中最大的軸功率。采用飛行過程中輸入功率的計(jì)算方式，掌握其與軸功率、測扭裝置滑油壓力間的關(guān)系?？衫靡韵鹿竭M(jìn)行計(jì)算：

式中，PN為發(fā)動機(jī)在正常狀態(tài)下的冷態(tài)功率，K為相關(guān)系數(shù)，PQ為扭矩壓力，n為可變系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對風(fēng)車阻力的計(jì)算。例如，了解螺旋槳在特定狀態(tài)下的扭矩壓力，實(shí)現(xiàn)對冷態(tài)功率的確認(rèn)。

2.5 結(jié)果與相關(guān)討論

若在順槳階段，螺旋槳的轉(zhuǎn)速會呈現(xiàn)出降低的狀態(tài)，則槳葉角就會有增大的可能，且在大油壓的條件下，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速會更加緩慢。而在初始的狀態(tài)下，槳葉角為28°，轉(zhuǎn)速為93%。一旦槳葉角過小，則可實(shí)現(xiàn)對風(fēng)車阻力情況的確認(rèn)，計(jì)算出其為1 170 N。而當(dāng)槳葉角變大時(shí)，若處于50°的狀態(tài)下，轉(zhuǎn)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(xù)增大的過程中，轉(zhuǎn)速會比65%要低，使得螺旋槳的轉(zhuǎn)速逐漸變小，進(jìn)而使其中風(fēng)車的阻力變低。

3 結(jié)束語

文章主要以發(fā)動機(jī)風(fēng)車阻力試驗(yàn)的方式，探討發(fā)動機(jī)風(fēng)車阻力的特性，經(jīng)過試驗(yàn)方法驗(yàn)證螺旋槳瞬態(tài)風(fēng)車阻力確認(rèn)技術(shù)是否有效。同時(shí)，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(dǎo)致轉(zhuǎn)速的下降速率也有所增大。因此，通過模擬試驗(yàn)的方式，可確認(rèn)瞬態(tài)風(fēng)車阻力情況，基于阻力特性及進(jìn)出口區(qū)域間的壓力線性差異，勘察風(fēng)車阻力變化情況，拓展了螺旋槳瞬態(tài)風(fēng)車阻力確認(rèn)技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用前景。