螺旋桨瞬态风车阻力确定技术分析

王俊栋，周晓斌，王 全

（陕西飞机工业有限责任公司，陕西汉中 723000）

1 螺旋桨瞬态风车阻力的主要机理

螺旋桨是指靠桨叶在空气或水中旋转，将发动机转动功率转化为推进力的装置，可有两个或较多的叶与毂相连，叶的向后一面为螺旋面或近似于螺旋面的一种推进器。

通过牛顿第三定律可知，气流与发动机所产生的作用力是处于同一方向的，这说明风车阻力的实质在于，发动机内部流道对自然条件下气流所产生的阻碍，让其内流道的表面会增加摩擦，使内流道可在粘性摩擦的作用下而发生改变，使其内部的气流出现减少或是冲量的情况。如此，则可确认风车阻力的产生机理，即发动机在受力的状态下受逆航向而产生的作用力。

对此，风车阻力的产生与空气流动间具有紧密的关联，当发动机转子进行惯量转动时，其中的流体阻力也会发生改变。并且，在共同作用的前提下，让风车的阻力成为飞行马赫数及飞行高度中的函数。一旦马赫数呈现出增加的状态，则风车阻力就会受到多方面因素的影响，而发生比例减少的情况。例如，若周围的环境压力增加，会造成风车阻力减小，使得发动机部件与风车阻力间的参数关系产生一定的关联，增加对飞行工况等诸多方面的影响。

2 螺旋桨瞬态风车阻力确定技术分析

2.1 螺旋桨的工作原理

（1）螺旋桨是一种将机械能转化为流动能的装置，最常见的应用是在船舶和飞机上。其工作原理可以简单概括为：螺旋桨叶片受到动力源的驱动，迅速旋转，产生液体或气体流动，从而推动船舶或飞机前进。

若在螺旋桨半径选择r1和r2两点，且r1＜r2时，可选择一段极小的段落，了解桨叶区域内气流的产生情况。当V表示轴向速度，φ表示气流角，n表示螺旋桨的转速，α表示桨叶的剖面迎角，β表示桨叶角时，旋转平面夹角与桨叶剖面弦线之间的关系则为：

由此可知，当空气经过桨叶中的各个小段时，就会产生一定的气动力。而阻力若为D，则升力可以为L。待两者合成后，方可形成总空气动力，即R。当R进行运动时，螺旋桨在运行状态下会产生一定的分离及拉力，使螺旋桨呈现反方向运动的情况。此时，若桨叶上的不同小段间的阻力及旋转力呈现出增加的状态，则可以形成特定的螺旋桨阻力及拉力，得到具体的螺旋桨转动力矩。如此，则可通过对螺旋桨各个剖面的观察，确认其处于升阻状态时，迎角正常工作的条件下，其所产生的拉力会变大，所得到的阻力距就会变小。

（2）对螺旋桨各区域内的效率造成影响，使得螺旋桨在工作的过程中轴向速度不会跟随半径的变化而产生过多的波动，而当切线的速度产生变化时，尤其是接近桨尖时，半径相对较大的区域，气流角就会变小，使得桨叶角也有所缩减。一旦接近桨根时，半径较小的区域，当地的气流角就会产生变大的情况，使对应的桨叶角就会发生改变。这样一来，若螺旋桨中的桨叶角自以往的桨尖延伸到桨根，就会按照规律发生一系列的变大反应，即螺旋桨会将机翼进行扭转。

2.2 测试设备与试验准备

（1）在风车特性试验操作环节，可增加连续式的气源准备。采用高空台的连接方式，在高空台内模拟发动机的运行状态，确认其不同状态下的飞行条件，得到飞行马赫数、飞行高度等诸多方面的数据信息。这样，在大型的试车台内，则可在掌握飞行条件的情况下，计算出发动机的进口参数，确认在排气环境内所遇到的压力。然后，则可采用模拟试验的方式，掌握发动机高度、速度及节流特性。如此，则可让操作人员采用自主研制的方式，了解在发动机设备运行状态下存在的保障措施。

（2）可将本次模拟试验的高度确认在25～30 km，让马赫数可以在2.5～3.5。在飞行条件确认后，方可了解高区内所具备的高空台状态，在众多设备完成准备工作后，方可了解到供气加温设备、供气气源及抽气气源的状态。工作人员可以依次开展供气降温、预处理干燥操作，使近期设备、净化设备、排气调控设备及高空舱等设备保持正常运行状态的前提下，增加工艺系统、排气冷却器及状态监控系统等的辅助。在进行风车试验的过程中，供气气源会通过空气干燥系统，让供气降温区域内的温度从–25 ℃升高到60 ℃的范围区间，使操作人员采用调控系统，完成降温系统及干燥空气系统的管理。增加等比例的空气掺混，并保证发动机在运行状态下不会出现问题，测定进口总温、总压及空气流量。如此，则可采用模拟操作的方式，保证排气调节系统与抽气气源的合理运维，让发动机的排气环境压力不会发生改变，从而完成本次高空舱压力的模拟试验。

（3）可采用排气调控的系统操作方式，让发动机进口区域内的总压产生相应的变化，让排气环境内的压力与进口区域内的总压的差异值不会发生过多的改变。如此，则可通过对发动机速度条件、飞行高度、风车转速等系数的确认，了解到螺旋桨瞬态风车阻力。在正常的风车运行状态下，进入到压力机、风扇内的空气冲量、空气离开排气区域内的冲量之差，能够运用数学公式进行表示。具体如下：

式中，Rw为风车的阻力，W为在试验中状态下的气流质量，V为速度，PS为静压，A为流通面积，下标“1”为常规状态下发动机进口区域内的截面，e为喷管的出口区域内的截面。

2.3 风车阻力的确认试验

在执行风车阻力的确认试验操作时，可确认其中的控制体，运用动量定理来掌握风车的正常运行状态，确认其中发动机所发出的总推力。具体如下：

式中，Rg为总推力，Rm为台架需要进行测量的推力，Rc为在真空条件下所产生的作用力，Rs为次流作用力，Sch为高空舱。

如此，可掌握在高度压力的状态下，风车阻力发生的变化。若发动机不进行工作，则其中的飞行马赫数为0，而此时的风车阻力也应为0。但若结合风车阻力的定义可知，若风车阻力不为0时，则高空台内，发动机的试验操作方式会发生改变，其中的风车阻力会发生被扣除的情况。此时，其中的飞行高度、高空台及飞行马赫数等都会发生改变。

若高度压力能够处于静置的状态，则其中的发动机可能会不工作。即发动机内的总推力为0，而在高空台中的模拟机高度不为0的条件下，发动机也可以处于完全静止的状态，使其中的发动机进口与内部压力呈现出恒定的状态，让台架中的直接推力呈现出减少的状态。并且，在高空舱内次流的作用下，让其中的真空度发生一定的改变。而在试验方法的确认时，可运用气源抽气及气源的供气试验操作方式，掌握在恒定的状态下，发动机进口的总温情况，以及高空舱压力、进口总压等内容。通过模拟发动机的作业方式，确认其中的速度条件，试验流程如下[1]。

（1）可加强对发动机次流情况的了解，测定其中的真空度及次流作用力。将此方面系数进行记录[2]。

（2）可确认台架内的推力值。对不同状态下的大气温度、大气压力、大气湿度、进口总温、发动机进口总压、高空舱压力、发动机喷管出口面积等内容进行确认，即可计算出其中的总静压差，计算出对应的台架推力值。

（3）可采用调节及控制排气系统的方式，确认高空舱内的压力。以确认其中高空舱的具体模拟高度。

（4）可通过进气系统的调节，确认发动机的总温、进口总压等数据内容，确认在给定气道内的总压数值。运用标准的启动函数掌握进气控制系统的状态。同时，可以在试验现场稳定2 min 后，完成数据信息内容的记录。

（5）可确认其中的测试结果，了解发动机内风车的具体阻力，确认其中的真空度及中次流产生的作用力，即可逐一计算出对应的作用力系数，保证试验内容准确无误。

2.4 制订瞬态风车阻力确认方案

2.4.1 修正标准螺旋桨特性

为合理地制订瞬态风车阻力的确认方案，可确认螺旋桨的风车阻力情况，运用合理地修正方案，确认在标准状态下螺旋桨的总效应。若螺旋桨在运行期间受阻力影响，则0.7R的截面区域内，零升迎角ε0=3.1°。由此方式，可进行对不同状态点的论证，运用风洞试验的操作方式，了解在全包线内的风车特性，确认在标准状态下的螺旋桨拉力系数，并确认其中的标准螺旋桨功率系数以及桨叶角等内容。这样，则可将其中的截面确认为0.7R，且基于螺旋桨的基本表征，确认在特定状态下螺旋桨所产生的效用因子，将其中的零升迎角进行修正，从而确认螺旋桨中风车的特性。

可加强对螺旋桨单片内桨叶效用情况的分析，运用因子的计算方程式，完成对其的计算：

式中，AF为螺旋桨单片桨叶效用因子，r为螺旋桨的截面距轴线距离，R为投影距离，b为叶片弦长，D为最大叶片弦长，d为可变参数。

如此，则可形成三维叶型数据，让试验人员结合高分段内螺旋桨的变化情况，生成二维翼型。根据单片桨液内所产生的效用因素，开展对应的试验。

例如，若AF=130时，则螺旋桨内的总效应因子就会发生改变，使其可通过的螺旋桨叶片的总数乘以单片桨叶的效应因子的方式完成计算。若当AF=780时，螺旋桨内的具体效用因子就需要进行修正，确认其中的功率系数及拉力系数即可。而如若螺旋桨处于0.7R的截面区域时，则其中的零升迎角是4.5°。在此背景下，试验人员可采用标准桨的试验操作方式，确认其中的零升状态，运用零升迎角的修正状态，确认相互之间的关联。

2.4.2 通过试飞数据确认瞬态风车阻力

（1）可结合螺旋桨的运行状态，掌握其在停车顺桨的过程中具体参数的变化情况，得到发动机中转速百分比的数值。例如，当螺旋桨处于发动机的停车顺桨期间，可结合风车的启动状态，让其中的速度调整系数、飞机高度都在可控的范围内。若发动机的空气包线高度为3～5 km，则其中的行驶表速为300～330 km/h。而其中对应的真空流速，会根据实际状况发生改变。

（2）通过在发动机的机轴上，增加测扭装置的方式，确认其中最大的轴功率。采用飞行过程中输入功率的计算方式，掌握其与轴功率、测扭装置滑油压力间的关系。可利用以下公式进行计算：

式中，PN为发动机在正常状态下的冷态功率，K为相关系数，PQ为扭矩压力，n为可变系数，可实现对风车阻力的计算。例如，了解螺旋桨在特定状态下的扭矩压力，实现对冷态功率的确认。

2.5 结果与相关讨论

若在顺桨阶段，螺旋桨的转速会呈现出降低的状态，则桨叶角就会有增大的可能，且在大油压的条件下，发动机的转速会更加缓慢。而在初始的状态下，桨叶角为28°，转速为93%。一旦桨叶角过小，则可实现对风车阻力情况的确认，计算出其为1 170 N。而当桨叶角变大时，若处于50°的状态下，转速则会下降到72%，使其中的螺旋桨拉力为11 270 N。如此，在桨叶角持续增大的过程中，转速会比65%要低，使得螺旋桨的转速逐渐变小，进而使其中风车的阻力变低。

3 结束语

文章主要以发动机风车阻力试验的方式，探讨发动机风车阻力的特性，经过试验方法验证螺旋桨瞬态风车阻力确认技术是否有效。同时，通过研究得出，停车顺桨的条件下，中桨叶角有所减少，而后增速会逐步变大，导致转速的下降速率也有所增大。因此，通过模拟试验的方式，可确认瞬态风车阻力情况，基于阻力特性及进出口区域间的压力线性差异，勘察风车阻力变化情况，拓展了螺旋桨瞬态风车阻力确认技术在多个领域内的应用前景。