谈谈关于穿越机的螺旋桨的问题（斜流工况）

摩天轮1111 · 发表于 2016-7-23 10:24

本帖最后由摩天轮1111 于 2016-7-29 10:38 编辑

这里好久没来论坛看了，最近穿越机很火，穿越机火了，作为穿越机的动力输出源，螺旋桨自然很重要了，也有很多朋友来咨询，这里来开一贴重点讲讲穿越机的螺旋桨的特别之处，所说的都是严格理论基托的，不懂的朋友先多想想不要上来就喷，懂的朋友知道就好了。

这里要首先讲下穿越机螺旋桨工作时候的不同之处，大多数人知道，穿越机飞的贼拉快的，问过很多人，穿越机飞行时候倾斜角高达45°，多数时候在高速飞行，这是个很强的概念，意味着穿越机的螺旋桨工作在固定翼和悬翼机之间的第三种工作状态，“斜流工作状态”，这对螺旋桨的设计工作带来了很大的困扰，在优化中，也有了一个重要的结论，可以先和大家分享，为了提高效率和保证平衡性，斜流工作的螺旋桨要选用“较少叶片数量”的螺旋桨，因为在在斜流工况下，螺旋桨叶片多个叶片各自会受到周期性的不平衡力。
这里周期性的不平衡力是气动作用造成的，并非桨自身不平衡，这和桨自身是否平衡无关，是在工作中和空气相互作用产生升力的过程中，气动效应造成的，可以认为工作起来了，飞起来才会表现出来，那么直接结果就是振动吧。

下面分四个点来解释一下为什么叶片会带来周期性不平衡力的影响，尽量以白话的方式讲解一下，尽量不用专业术语，或者改改术语的名称让大家好能形象的理解一下。
1. 首先要理解桨的升力产生原因，本质就是力的相互作用，这里解释时候用动压头和攻角来解释，动压头就是和速度的平方成正比的，有效攻角直接决定桨的升力还有阻力。

这幅图画的很清楚，悬停桨来流只有上到下的，是属于抽吸作用产生的下洗气流，这部分气流和桨自身的旋转切速度一起合成一个速度矢量，这个速度矢量对着螺旋桨玄线的角度才是有效的攻角，知道这点就行了，这也是为什么螺旋桨感觉是由根部到稍部在扭着的原因，其根本原因就是半径不同的地方，这个旋转切速度不一样，也就是图上的”螺旋桨自身周向线速度“不一样，既然速度三角形不一样了，那么要想效果好攻角肯定要调整，有效攻角保证是一样的，这就是螺旋桨为什么是扭着的原因。扭着的可以保证螺距一样，那就是有效攻角一样，有时候扭着的不代表螺距是一样的，有效攻角也不全是一样的，这是有特殊的控制桨面气流的考虑在里面。这篇帖子里面只讲这种等螺距的桨，认为将的每个剖面都是工作在最佳有效攻角下的。变螺距的螺旋桨道理也是一样（这里变螺距指的不是可调螺距的螺旋桨）
这里悬停桨可以理解为在90°下工作的螺旋桨，固定翼呢就是0°下工作的螺旋桨，穿越机就是45°下工作的螺旋桨。

2.第二点就是这个穿越机工作的时候了，如图，认为在45°斜流下工作了，

那么桨盘旋转可以考虑两个极限位置，一个是位置1的位置，一个是位置2的位置，这两个位置最大的影响就是相对前进方向的来流，来流的速度分解三角形不一样，另外分解出来的速度三角形的两个速度分量对螺旋桨的作用叠加效果不一样。

3.首先看位置1处的作用，下图很清楚明了了

既然螺旋桨是斜着的我们考虑问题时候可以把它板正了，来流的空气可以分解为此幅图里面的右上边的那个图，速度分量有两个，两个都是有用的，一个等于等效增加了螺旋桨的周向的相对线速度，一个等于增加了下洗气流的速度，这样的结果很明显了啊，速度三角形变成了此图里面中下方的形式。

4.再看位置2处的作用，

位置2处比较有意思了，空气来流有一个速度分量是贴着桨面朝半径外方向射出去的，这部分气流不但会扰乱桨面的气动效果，同时它不对速度三角形有叠加作用，叠加的只有垂直桨面的那个分量，速度三角形如此图最右所示，显然嘛，这里面这个位置2和位置1螺旋桨对合成的速度来流的的等效的有效攻角是不一样的，自然螺旋桨叶片收到的阻力和升力不一样的咯。

那么偶数叶片有什么特点呢，比如两叶桨，因为是180°对称的，在位置二处受力是对称的，但是在位置1处，对称的那面和1处的受力还是不对称的（位置1处对称那面，来流的速度三角形的一个分量是消减桨叶周向线速度的），大家可以脑补一下每片桨叶的受力波形，实际上在桨叶转到位置1时候是两片桨叶升力差值最大的时刻，然后就开始慢慢趋于一样的，这个过程中受力的不平衡在于位置1时刻的升力差，但是如果螺旋桨转的越快，那么这个不平衡的影响就越小，因为螺旋桨的周向线速度很大，来流的速度的比重很小，那么可以忽略影响了，而三叶桨呢，时刻三片桨叶的受力特点是每片桨叶时刻都是不一样的，然后交替的变动，是属于不对称的受力，两叶桨也有脉动，不过这个脉动是位置1和位置2的这个过程中受力变化的周期变动，可以看成相位差180°的两个正弦波，而三叶桨就乱着了，三个叠加在一起了，可以看出相位差120°的三个正弦波。所有的这些不平衡导致的一个结果就是震动，那么三叶桨的震动频率要更高，是两叶桨的1.5倍，四叶桨就可以看成相位相差90°的四个正弦波。

然后再看合力的不平衡的影响，不论多少叶，每片叶子收到的力的波形基本可以认为在转速和来流速度一样的情况下是一样的，那么就是合成的偏心力矩的大小了，三叶的这个不平衡力矩是大于两叶的，有心的朋友可以继续画图分析一下（前提注意：是每片桨叶受力波形一样，力的大小变化相位差一个180°一个120°，而且重要的是空间位置上一个是位置差180°一个是位置差120°），如何尽量的消除这些不平衡呢，就是增大转速，转速越高越好，转速越高，那么周向线速度就越大，来流的速度分量对速度三角形的影响就小到可以忽略了。

那么加大转速有问题吗？当然有，螺旋桨工作的时候，是非定常的，前一片桨叶的尾缘会带来尾迹，这个尾迹恢复正常是有时间的，那么转的越快，后面一片桨就一直工作在前面一片桨的尾迹中了，这对螺旋桨的翼型是要有需求的，而且常规的那种凹凸薄翼型不会太好，此外不论怎么说工作在剧烈的尾迹中也不是什么好事，这么看来也是叶片数量越少越好，转速也不能太高的夸张，那样结果也不会太好。

总结一句就是，脉动力都是有的，三叶的不平衡力矩大于两叶，增加螺旋桨转速可以消除这些不平衡力的脉动，相同转速下，三叶的更容易工作在剧烈的尾迹中。

再说一句，为啥现在这么高转速还有三叶桨，笔者个人感觉这都是设计者的事，哪有那么人专门去设计啊，就在以前的那些橘黄色的5045桨上，阵列一下，做个三叶，因为两叶的正投影面积很小，升力也有限，电机动力很富裕，螺旋桨吃不够转矩，不断的上升转速效果也不会太好，上了三叶之后就转速低一点了，能吃够电机的动力富裕，结果现在电机越来越叼，动力越来越富裕，三叶的可能都要上到2w多转，这是何其夸张的事情，，，拉力确实上到很高的，但是这一切都是以牺牲效率为代价的。

综合这些特点，穿越机的螺旋桨在设计的时候，如果想要高一点的效率和拉力兼顾还有平衡，应该要考虑到这种脉动力的影响，提升转速到一个合适的范围，桨的翼型要选好，桨叶数量要尽量的少，桨的正投影面积不能太小，桨根桨毂处到桨身过度要做好，保证好结构强度。

最后再放几张5寸螺旋桨3d小样，有时间再优化优化做个出来试试看。

（2016年7月29号重新编辑，修改部分细节解释，更严谨）

肥猪娃 · 发表于 2016-7-23 10:40

好专业，学习了

Mrsail · 发表于 2016-7-23 10:41

佩服楼主，讲的很深

星辰璀璨 · 发表于 2016-7-23 10:42

不错

dakar_04 · 发表于 2016-7-23 10:43

可否简单分析一下直机在两叶和三叶浆上面的区别

摩天轮1111 · 发表于 2016-7-23 11:13

本帖最后由摩天轮1111 于 2016-7-23 11:17 编辑

dakar_04 发表于 2016-7-23 10:43
可否简单分析一下直机在两叶和三叶浆上面的区别

直升机的两叶桨其实不是定螺距的，不是指舵机操作它的那个变螺距啊，我意思机械结构定了，它也不是定螺距的，因为是一个长条的桨叶，这和因为要飞3d有关，反而是那种玩具直升机的螺旋桨才是定螺距的，一般来说这种定螺距的桨效要高的，说说升力产生的原因，本质是力的相互作用，
从螺旋桨表面来看，就是吸力面和压力面的压力差导致的（抱歉这里用吸力面和压力面，因为我是搞内流的，螺旋桨算是外流，外流的也有叫法，本质都是一样的），另一种解释可以从动量守恒的角度去解释受力，那么就是画个控制体，我不考虑桨面受力，我只考虑这个控制体的受力，这样会好处理问题的。控制体如下图所示，控制体上外面四个面上压力不一样，速度不一样，这个是外部对控制体的力（这里密度认为一样的，因为这里这个小穿越机螺旋桨远远不到0.3马赫数，压根不用考虑压缩性影响）；控制体内部呢是螺旋桨的那个表面，这个是螺旋桨对控制体的力；那么动量差和压力差，这些合力最后是平衡的，最终就有个机翼对控制体的作用力，反过来也是机翼受到的力。

你画一个控制体，如果螺旋桨给气流加速，气流射出去，气流不同的层与层之间流速是一样的画，气流自己内部没有摩擦损耗，那么这时候作用效果最明显了啊最有用，相反的如果气流层与层之间有速度差，因为气流有粘性，这个有速度差就有摩擦了啊，就有耗散了，上面的那个控制体理论将的是力与力的平衡，是动量守恒，而有耗散之后，这里是要能量守恒，有部分机械能转化为摩擦热了，自然不能再用控制体准确计算了，但是可以看出来变化的，摩擦耗散就是导致力变小了，效率低了，所以本质说希望螺旋桨吹下来的气流层与层之间流速一样，才有了定螺距这一说（变距桨的那个变距是为了适应不同来流的工况，变一个距之后螺旋桨整体还是扭的）。
有时候螺旋桨保证定螺距了就能保证气流流速层与层之间一样了？不一定，所以这个也是有时候故意的让桨不是定螺距的，也是为了更加有效的控制气流，组织流场。
直升机的两叶也好，三叶也好，因为直升机大多数巡航的时候，也就10°倾角不错了，没有那么大倾斜角，更属于工作在90°的情况下的，另外直升机螺旋桨在一圈中本来就是攻角在适应的变化，这个周期的不平衡力本身就是存在的，直升机变换方向侧飞，前进也就是靠的这个作用，大型直升机在设计螺旋桨的时候，这些震动不回避都考虑进去了，来设计气动和结构。
模型上，2叶三叶差的不大，中联里面也有减震胶圈的，这些都是必须品的，而且因为前进带来的来流速度相对桨叶盘面的夹角很小，可以忽略这个。其实也是为啥3d特别耗电，电机是一方面，桨自身的效率啥的也是大大的下降的很厉害。

yuyanzt · 发表于 2016-7-23 11:41

强帖，赞一个收藏了

摩天轮1111 · 发表于 2016-7-23 12:09

另外穿越机的工作中，桨效率也不能以g/w来定义了，然后也不能以固定翼那样的桨效率来定义了，固定翼是拉力乘以飞行速度除以输入功，这里我感觉应该要定义一个飞行倾角，还要把倾角考虑进去，一部分力是提供升力，一部分是前进的力，这东西还要再琢磨

dakar_04 · 发表于 2016-7-23 12:17

谢谢

谢绍聪 · 发表于 2016-7-23 12:41

楼主做一个有限元模型分析分析呗

FlyTheSky · 发表于 2016-7-23 12:57

摩天轮1111 · 发表于 2016-7-23 14:48

谢绍聪发表于 2016-7-23 12:41
楼主做一个有限元模型分析分析呗

有限元挺好的，可以试试看，一般来说也就看看而已，不要过于迷恋cfd，，，，，，

摩天轮1111 · 发表于 2016-7-23 15:11

这个又是一个建模的模型，5寸桨，打算先做一个试试看效果，等好了，再来放毒，，

小T · 发表于 2016-7-23 16:29

简直是太专业了，我想请问一下楼主大神，同一架穿越机上5045两叶桨和5045三叶桨哪个速度更快？哪个更省电？

摩天轮1111 · 发表于 2016-7-23 17:05

本帖最后由摩天轮1111 于 2016-7-23 17:32 编辑

小T 发表于 2016-7-23 16:29
简直是太专业了，我想请问一下楼主大神，同一架穿越机上5045两叶桨和5045三叶桨哪个速度更快？哪个更省电？ ...

1.这个不知道啊，要看螺旋桨的特性了，都是一样尺寸的螺旋桨，加功的能力也是不一样的，和桨的正投影面积关系还是很大的，简单的看，表面压差一样，桨面积大，那么是不是升力就大了啊，所以我的感觉三叶桨完全可以用增大桨正投影面积的两叶桨来实现一样的加功能力。

2.此外我感觉三叶桨在这种穿越机中更加的不合适了，为什么呢，传统的看，大多轴，都不喜欢用三叶桨，原因是桨叶的尾缘产生的扰动气流会对下一个桨的作用区域产生影响，那么问题来了，大多轴转的才多块啊，这种穿越机转速动辄都能上到6000转吧，而且半径更小，前后桨尾流的影响更加严重。

3.现在的问题我能感觉的到，穿越机有很多三叶桨的，我也看过这些三叶桨，多数是那种以前的5045这样的桨阵列三个去用了，因为估计问题在于电机比如2205这样的，动力性能很过剩，两片桨叶的加功能力不够，吃不够电机的力矩，然后世面上又没有啥合适的设计，桨直径又不能加大，就干脆多个桨叶了，这样增加桨叶面积了。

4.现在这么看来，三叶桨这样的设计：一个有动不平衡性（因为是斜流）；二个有尾流的影响，效率不好；着实不是好的想法，
所以还是应该要重新设计螺旋桨，充分利用这个小穿越机的电机的动力富裕，把两叶桨设计好才对。再黑科技一点，要高效率，应该设计个单叶桨，毕竟是这么高速的桨啊，呵呵

摩天轮1111 · 发表于 2016-7-23 17:29

本帖最后由摩天轮1111 于 2016-7-23 17:33 编辑

1.另外再谈谈电机桨效率的问题，现在依旧很多商家厂家都在用g/w这个只有悬停桨才会用的参数去评估穿越机，这个现象可不好，穿越机不该用这个力效这个值来表征电机桨的性能啊，毕竟是飞的，而且速度贼拉快的，
2.可能你弄了个桨，静止时候测试拉力，力效都很好，但是这不代表你飞起来也会高效和力量大，相反可能因为螺距不对，飞起来是等效的负攻角（夸张点，当然不会，只是限制了你的速度了，不能再加速了，因为负攻角没有升力，是相反的负升力，要是真的现实中出现了等效负攻角，就该减速了，而实际前进的前提是拉力和飞行阻力达到动态平衡的，所以不会有等效负攻角出现，因为螺旋桨的关系，它就不会让你超过某个飞行速度的，飞机就遇到飞行速度瓶颈了，这点玩固定翼的人应该都很有了解这个道理）

3.所以这里，穿越机的人应该要考虑一下自己定位的巡航速度是多大，选取一个适合自己的桨，当飞行速度慢了，或者快了都不会太好，当然了也有折衷的做法啊，就像我现在想构思设计一个桨，想让它对最佳攻角是个范围，而不是一个值，这和桨叶素单元的桨型有关，当然理论应该是能够做到的。一般来说大家自己也可以看，那种前缘是薄薄的那种多数是凹凸翼型，对攻角很敏感的，翼型升阻比大，但是来流速度快了之后就不在升阻比大了，尾缘分离应该很容易了

4.有心人看客机，起飞时候，襟翼放下来，整个翅膀就是个大凹凸形，那是因为滑行速度慢，速度再快起来时候就要赶紧给襟翼收起来，就是这么个道理的，当来流速度很大时候，这种薄翼型的凹凸翼的桨不能胜任工作的，也就是起飞很容易，飞快不容易，飞起来了飞行时间就低了应该，因该会出现也许某个桨50%油门起飞，但是天上高速穿梭时候，能飞10分钟，而另一款桨，35%油门就起飞了，但是天上高速穿梭时候只能飞7分钟的，所以我感觉选择桨应该分阶段来进行，新手飞的慢，就选个类似悬停桨一样的桨，或者螺距小的桨，高手飞的快的，就选个特用的桨，或者螺距大的桨，能增加高速时候的更高速，和省电，。