螺旋槳是指把發動機或電機的旋轉軸功率轉化為推進力的裝置。在無人機系統中,屬於動力系統的一部分,螺旋槳的性能,以及螺旋槳與發動機或電機的適配性直接影響到無人機的飛行性能。
一、螺旋槳工作原理
1、從空氣動力學角度分析
螺旋槳可視為一個旋轉的機翼,氣動原理與機翼相同。螺旋槳垂直於槳徑方向的剖面是一個翼型,稱為螺旋槳葉素。每一個葉素均會產生氣動力,所有葉素的合力即為螺旋槳的產生氣動力,該氣動力沿飛行方向的分力即為螺旋槳的推力,沿旋轉方向的分力對旋轉中心的力矩即為螺旋槳的扭矩。
二、螺旋槳幾何參數
1、 螺旋槳直徑D
螺旋槳直徑是指槳尖所畫圓的直徑。一般而言,螺旋槳的直徑需要通過發動機功率、轉速、無人機飛行速度、槳葉數目以及螺距綜合確定,螺旋槳直徑的單位一般是英寸。2、 槳葉數目NB
槳葉數目也是螺旋槳的一個重要參數,2葉槳、3葉槳和6葉槳是最常見的螺旋槳。無人機的螺旋槳一般是2葉槳和3葉槳,例如大鵬系列無人機採用的都是2葉槳,我國的彩虹系列無人採用的是3葉槳。螺旋槳的槳葉數目越多,螺旋槳的可吸收的最大功率越大,但是螺旋槳的效率越低,另外隨著槳葉數目的增加,螺旋槳的重量也會隨之增加。所以槳葉數目的選擇需要結合發動機的功率,在保證具備可以吸收發動機最大功率和螺旋槳直徑約束的前提下,儘可能減少槳葉數目,以提高螺旋槳的效率。3、 葉素
螺旋槳垂直於槳葉徑向方向的截面形狀稱為葉素。這和飛機的機翼類似,可以認為螺旋槳是一個帶有大扭轉角的機翼。葉素的氣動性能直接影響螺旋槳的性能,相同型號的螺旋槳選用的翼型不同,其性能也不同,一般需要通過做大量的計算和測試來確定螺旋槳的性能。
螺旋槳葉素
4、 槳葉寬度b
葉素弦線長度稱為螺旋槳的槳葉寬度 b。由於螺旋槳不同位置的效率不同,槳根和槳尖的效率比中部區域的效率低,因此為了提高螺旋槳的整體效率,中部區域的弦長一般大於槳尖和槳根的弦長。一般採用弦長與螺旋槳半徑的比值來表示寬度分布,典型的寬度分布如圖所示。
5、 螺距
螺旋槳的螺距是指螺旋槳在一個固定介質中旋轉一周前進的距離。螺距是由螺旋槳的槳葉角決定的,槳葉角(β)是指葉素弦線與螺旋槳旋轉平面的夾角。相同轉速(V)下,螺旋槳不同半徑位置的線速度(ωr)不同,導致氣流的方向角(θ)不同,為了使每個葉素都能在有利迎角(α)下工作,所以槳葉角不是一個固定值,典型的槳葉角分布如圖所示。為了滿足不同速度的飛行,可以將螺旋槳設計成可變槳距的螺旋槳。在變距機構的控制下,根據飛機的飛行速度的變化,改變螺旋槳的螺距,提高螺旋槳的效率。
6、 槳葉厚度C
在任何半徑處葉素的最大厚度 C, 稱為該處槳葉的厚度。為了在保證螺旋槳的強度的前提下儘量減輕重量,螺旋槳的厚度從槳根到槳尖是單調遞減的。一般用相對厚度(C/b)來表示螺旋槳的厚度分布,典型的厚度分布如圖所示:
三、螺旋槳分類
無人機螺旋槳的分類方式有很多,按用途分類可以分為推進螺旋槳和旋翼螺旋槳,推進螺旋槳是為飛機提供平飛所需推力的螺旋槳,旋翼螺旋槳是直接為飛機提供升力的螺旋槳。旋翼槳與平推槳相比,螺距較小。
按固定方式分類可以分為定距螺旋槳和變距螺旋槳,定距槳的優點是不需要變距機構,結構重量輕,系統可靠性高。缺點是只能在某一額定飛行速度下發動機才能達到最大效率,定距槳最大問題在於不能同時兼顧爬升和巡航兩個狀態的動力需求。變距槳的優缺點和定距槳相反。目前,定距槳在無人機上的應用較為廣泛。
按動力方式可以分為油動槳和電動槳,油動槳是用於油動發動機的螺旋槳,電動槳是用於電機的螺旋槳。兩者最主要的區別在於槳葉的厚度,油動槳相對於電動槳來說,槳葉更厚。在螺旋槳選型過程中,應該注意區分油動槳和電動槳。
發動機(電機)的旋轉方向有順時針和逆時針之分,為了匹配不同的旋向,螺旋槳就有了正槳和反槳的區分。以螺旋槳的迎風面為正面,逆時針旋轉的為正槳,順時針旋轉的為反槳。在螺旋槳選型過程中,應該根據發動機(電機)的旋向選擇正反槳。
螺旋槳按材料分類可以分為鋁合金槳、木製槳、碳纖維槳、尼龍槳等。其中鋁合金槳主要用於有人機,很少用於無人機。木製槳一般用櫸木或層板來製造,其強度比尼龍槳大,價格比碳纖維槳低,但是重量較大。碳纖維槳是由複合材料碳纖維製造而成的,優點是強度大,重量輕,但價格較高。尼龍槳的強度較弱,形變量大,但價格較低。目前木製槳和碳纖維槳在無人機中應用的較為廣泛,尼龍槳主要用於輕小型無人機。
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