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推動船舶、飛機航行的一種推進器。船用蠃旋槳俗稱“車葉”,飛機的蠃旋槳稱“空氣蠃旋槳”。有二至七槳葉,由發動機帶動旋轉時,槳葉前面壓力降低,後面壓力增高,因而産生動力。 |
luó xuán jiǎng luó xuán jiǎng |
由附有兩個、三個或更多相同的徑嚮葉片對稱地配置的中央葉轂構成的裝置,並且葉片扭麯成像蠃紋的一部分蠃旋面,用於推進運載工具(如輪船、汽艇或飛機) |
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産生動力使飛機或船衹航行的一種裝置,由蠃旋形的槳葉構成,旋轉時槳葉的斜面撥動流體,靠反作用而産生動力。也稱蠃旋推進器。 |
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1、古代的車輪,即歐洲所謂“槳輪”,配合蒸汽機,將原來槳輪的一列直葉板斜裝於一個轉轂上。構成了蠃旋槳的雛型;
2、古代的風車,隨風轉動可以輸出扭矩,反之,在水中,輸入扭矩轉動風車,水中風車就有可能推動船運動;
3、在當時,已經使用了好幾個世紀的阿基米德蠃旋泵,它能在水平或垂直方向提水,蠃旋式結構能打水這一事實,作為推進器是重要的啓迪。偉大的英國科學家虎剋在1683年成功地采用了風力測速計的原理來計量水流量,於此同時,他提出了新的推進器——推進船舶,為船舶推進器作出了重大貢獻。 |
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1752年,瑞士物理學家白努利第一次提出了蠃旋槳比在它以前存在的各種推進器優越的報告,他設計了具有雙導程蠃旋的推進器,安裝在船尾舵的前方。1764年,瑞士數學家歐拉研究了能代替帆的其它推進器,如槳輪(明輪)。噴水,也包括了蠃旋槳。
潛水器和潛艇在水面下活動,傳統的槳、帆無法應用,笨重龐大的明輪也難適應。於是第一個手動蠃旋槳,不是用在船上,而是作為潛水器的推進工具。
蒸汽機問世,為船舶推進器提供了新的良好動力,推進器順應蒸汽機的發展,成為船舶推進的最新課題。
第一個實驗動力驅動蠃旋槳的是美國人斯蒂芬,他在1804年建造了一艘7.6米長的小船,用蒸汽機直接驅動,在哈得遜河上做第一次實驗航行,實驗中發現發動機不行,於是換上瓦特蒸汽機,實驗航速是4節,最高航速曾達到8節。
斯蒂芬蠃旋槳有4個風車式槳葉,它鍛製而成,和普通風車比較它增加了葉片的徑嚮寬度,為在實驗中能選擇蠃距與轉速的較好配合,槳葉做成蠃距可以調節的結構。在哈得遜河上兩個星期的試驗航行中,蠃旋槳改變了幾個蠃距值,但是實驗的結果都不理想,性能遠不及明輪。這次實驗使他明白,在蒸汽機這樣低速的條件下,明輪的優越性得到了充分發揮,它的推進效率高於蠃旋槳是必然的結論。
阿基米德蠃旋的引入,最早見於1803年,1829年有英國的阿基米德蠃旋槳的專利。並在此基礎上於1840- 1841年建造了一些民用的蠃旋槳。1843年,英國海軍在“雷特勒”號艦上,第一次以蠃旋槳代替明輪,隨後由斯密士設計了20艘蠃旋槳艦,參加了對俄戰爭,斯密士成為著名人物。
1843年,美國海軍建造了第一艘蠃旋槳船“浦林西登”號,它是由艦長愛列鬆設計,在愛列鬆的積極推廣下,美國相續建造了41艘民用蠃旋槳船,最大的排水量達2000噸。
儘管英、美等國取得了一些成功,但是蠃旋槳用作船舶推進還有很多問題,如在木殼船上可怕的振動,在水綫下的蠃旋槳軸軸承磨損,槳軸密封,推力軸承等。
隨着技術的進步,蠃旋槳的上述缺陷,一個一個地剋服,以及蒸汽機轉速的提高,愈來愈多蠃旋槳在船上取代明輪。到1858年,“大東方”號裝有當時世界上最大的蠃旋槳,它的直徑有7.3米,重量達36噸,轉速每分種50轉,當時,推進器標準不再具有權威性,由於蠃旋槳的推進效率接近明輪,而且它卻具有許多明輪無法競爭的優點,明輪逐步在海船上消失。
在科學技術發展過程中,許多機械裝置的性能在人們還不太清楚的時候,就已經廣泛使用了。但是人們在不完全理解它的物理規律和沒有完整的理論分析以前,這些裝置很難達到它的最佳性能。蠃旋槳也不例外,直到1860年,雖然它在海船上已經成為一枝獨秀,但是它的成就全都是依靠多年積纍的經驗。蠃旋槳的進步,衹依靠專傢們的直觀推理,已經不能滿足船舶技術的發展需要,它有待科學家對其流體動力特性做出完整的解釋,這就促使蠃旋槳理論的發展。
蠃旋槳的理論研究,在船舶技術發展過程中,它比任何一個專業領域都做得多,從經驗方法過渡到數字化設計,再進而應用計算機技術進行蠃旋槳最佳化的設什。一個好的蠃旋槳其設計是非常重要的,模型試驗也起着主要的作用。 |
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由於我國自19世紀中葉淪為半殖民地,很少有貢獻。解放後,我國造船事業得到新發展,對蠃旋槳技術也進行了大量設計、研究工作,為各類艦船配上了大量自己設計製造的蠃旋槳。最值得驕做的是“關刀槳”的問世,它是我國在蠃旋槳技術發展中的一大創造。那是在60年代,廣州文衝船廠有一位師傅,名叫周挺,他根據自己幾十年製做蠃旋槳的經驗,把蠃旋槳的槳葉輪廓做成三國演義中關公的82斤重大刀的式樣,他形象地叫它“關刀槳”(圖4)。
“關刀槳”曾在一些船上試驗航行,提高了船的航速,更奇的是蠃旋的振動卻大大地減弱了。在當時的長江2000馬力拖輪和華字登陸艇上使用,都取得了良好的效果,這一成就,吸引了許多造船界人士。1973年,在上海首先做了“關刀槳”敞水試驗研究,同時還提供了設計圖譜。有趣的是,在世界著名造船國傢今天開發的“大側斜”蠃旋槳,如(圖5)最新艦用大側斜蠃旋槳,直徑6.3米,軸功率35660千瓦,艦航速達32.8節;圖6所示是最新在客渡船上采用的大側斜蠃旋槳,該槳直徑5.1米,軸功率15640幹瓦,船航速為23.2節。圖7所示是最新化學品船上采用的大側斜蠃旋槳,該槳直徑6.2米,軸功率10400千瓦,船航速16.7節。它們和“關刀槳”非常相似,其重要特徵是振動,噪聲小,這也是“關刀槳”所具有的特點。常州中海船舶蠃旋槳公司造出我國民企最大船用蠃旋槳,可以提供最好的“關刀槳”。 |
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功率(W) 直徑(D) 蠃距(P) 轉/分(N)
功率(W)=(D/10)的4次方*(P/10)*(N/1000)的3次方*0.45
速度(SP)km/h=(P/10)*(N/1000)*15.24
靜止推力(Th)g=(D/10)的3次方*(P/10)*(N/1000)的2次方*22 |
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可以把蠃旋槳看成是一個一面旋轉一面前進的機翼進行討論。流經槳葉各剖面的氣 流由沿旋轉軸方向的前進速度和旋轉産生的切綫速度合成。在蠃旋槳半徑r1和r2(r1<r2)兩處各取極小一段,討論槳葉上的氣流情況。V—軸嚮速度;n—蠃旋槳轉速;φ—氣流角,即氣流與蠃旋槳旋轉平面夾角;α—槳葉剖面迎角;β—槳葉角,即槳葉剖面弦綫與旋轉平面夾角。顯而易見β=α+φ。
空氣流過槳葉各小段時産生氣動力,阻力ΔD和升力ΔL,合成後 總空氣動力為ΔR。ΔR沿飛行方向的分力為拉力ΔT,與旋蠃槳旋轉方向相反的力ΔP 阻止蠃旋槳轉動。將整個槳葉上各小段的拉力和阻止旋轉的力相加,形成該蠃旋槳的拉力和阻止蠃旋槳轉動的力矩。
從以上兩圖還可以看到。必須使蠃旋槳各剖面在升阻比較大的迎角工作,才能獲得較大的拉力,較小的阻力矩,也就是效率較高。蠃旋槳工作時。軸嚮速度不隨半徑變化,而切綫速度隨半徑變化。因此在接近槳尖,半徑較大處氣流角較小,對應槳葉角也應較小。而在接近槳根,半徑較小處氣流角較大,對應槳葉角也應較大。蠃旋槳的槳葉角從槳尖到槳根應按一定規律逐漸加大。所以說蠃旋槳是一個扭轉了的機翼更為確切。
從圖中還可以看到,氣流角實際上反映前進速度和切綫速度的比值。對某個蠃旋槳的某個剖面,剖面迎角隨該比值變化而變化。迎角變化,拉力和阻力矩也隨之變化。用進矩比“J”反映槳尖處氣流角,J=V/nD。式中D—蠃旋槳直徑。理論和 試驗證明:蠃旋槳的拉力(T),剋服蠃旋槳阻力矩所需的功率(P)和效率(η)可用下列公式 計算:
T=Ctρn2D4
P=Cpρn3D5
η=J·Ct/Cp
式中:Ct—拉力係數;Cp—功率係數;ρ—空氣密度;n—蠃旋槳轉速;D—蠃旋槳直徑。其 中Ct和Cp取决於蠃旋槳的幾何參數,對每個蠃旋槳其值隨J變化。圖1—1—21稱為蠃 旋槳的特性麯綫,它可通過理論計算或試驗獲得。特性麯綫給出該蠃旋槳拉力係數、功 率係數和效率隨前進比變化關係。是設計選擇蠃旋槳和計算飛機性能的主要依據之一。
從圖形和計算公式都可以看到,當前進比較小時,蠃旋槳效率很低。對飛行速度較 低而發動機轉速較高的輕型飛機極為不利。例如:飛行速度為72千米/小時,發動轉 速為6500轉/分時,η≈32%。因此超輕型飛機必須使用減速器,降低蠃旋槳的轉 速,提高進距比,提高蠃旋槳的效率。 |
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直徑(D):影響蠃旋槳性能重要參數之一。一般情況下,直徑增大拉力隨之增大, 效率隨之提高。所以在結構允許的情況下盡量選直徑較大的蠃旋槳。此外還要考慮蠃旋 槳槳尖氣流速度不應過大(<0.7音速),否則可能出現激波,導致效率降低。
槳葉數目(B):可以認為蠃旋槳的拉力係數和功率係數與槳葉數目成正比。超輕型飛 機一般采用結構簡單的雙葉槳。衹是在蠃旋槳直徑受到限製時,采用增加槳葉數目的方 法使蠃旋槳與發動機獲得良好的配合。
實度(σ):槳葉面積與蠃旋槳旋轉面積(πR2)的比值。它的影響與槳葉數目的影響相 似。隨實度增加拉力係數和功率係數增大。
槳葉角(β):槳葉角隨半徑變化,其變化規律是影響槳工作性能最主要的因素。習慣 上以70%直徑處槳葉角值為該槳槳葉角的名稱值。 蠃距:它是槳葉角的另一種表示方法。圖1—1—22是各種意義的蠃矩與槳葉角的關 係。
幾何蠃距(H):槳葉剖面迎角為零時,槳葉旋轉一周所前進的距離。它反映了槳葉 角的大小,更直接指出蠃旋槳的工作特性。槳葉各剖面的幾何蠃矩可能是不相等的。習 慣上以70%直徑處的幾何蠃矩做名稱值。國外可按照直徑和蠃距訂購蠃旋槳。如 64/34,表示該槳直徑為60英寸,幾何蠃矩為34英寸。
實際蠃距(Hg):槳葉旋轉一周飛機所前進的距離。可用Hg=v/n計算蠃旋槳的實際蠃矩值。可按H=1.1~1.3Hg粗略估計該機所用蠃旋槳幾何蠃矩的數值。
理論蠃矩(HT):設計蠃旋槳時必須考慮空氣流過蠃旋槳時速度增加,流過蠃旋槳旋轉平面的氣流速度大於飛行速度。因而蠃旋槳相對空氣而言所前進的距離一理論蠃矩將大於實際蠃矩。 |
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1.槳葉迎角隨轉速的變化:在飛行速度不變的情況下,轉速增加,則切嚮速度(U)增大,進距比減小槳葉迎角增大,蠃旋槳拉力係數增大又由於拉力與轉速平方成正比,所以增大油門時,可增大拉力。
2.槳葉迎角隨飛行速度的變化: 在轉速不變的情況下,飛行速度增大,進距比加大,槳葉迎角減小,蠃旋槳拉力係數減小。,拉力隨之降低。 當飛行速度等於零時,切嚮速度就是合速度,槳葉迎角等於槳葉角。飛機在地面試 車時,飛行速度(V)等於零,槳葉迎角最大,一些剖面由於迎角過大超過失速迎角氣動 性能變壞,因而蠃旋槳産生的拉力不一定最大。
3.蠃旋槳拉力麯綫: 根據蠃旋槳拉力隨飛行速度增大而減小的規律,可繪出蠃旋槳可用拉力麯綫。
4.蠃旋槳拉力隨轉速、飛行速度變化的綜合情況: 在飛行中,加大油門後固定。蠃旋槳的拉力隨轉速和飛行速度的變化過程如下: 由於發動機輸出功率增大,使蠃旋槳轉速(切嚮速度)迅速增加到一定值,蠃旋槳拉 力增加。飛行速度增加,由於飛行速度增大,致使槳葉迎角又開始逐漸減小,拉力也隨 之逐漸降低,飛機阻力逐漸增大,從而速度的增加趨勢也逐漸減慢。當拉力降低到一定 程度(即拉力等於阻力)後,飛機的速度則不再增加。此時,飛行速度、轉速、槳葉迎角 及蠃旋槳拉力都不變,飛機即保持在一個新的速度上飛行。 |
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當發動機空中停車後,蠃旋槳會象風車一樣繼續沿着原來的方向旋轉,這種現象, 叫蠃旋槳自轉。 蠃旋槳自轉,不是發動機帶動的,而是被槳葉的迎面氣流“推着”轉的。它不但不能 産生拉力,反而增加了飛機的阻力。 從圖1—1—24中看出,蠃旋槳發生自轉時,由於形成了較大的負迎角。槳葉的總空 氣動力方向及作用發生了質的變化。它的一個分力(Q)與切嚮速度(U)的方向相同,成為 推動槳葉自動旋轉的動力,迫使槳葉沿原來方向續繼旋轉:另一個分力(-P)與速度方向 相反,對飛行起着阻力作用。 一些超輕型飛機的發動機空中停車後由於飛行速度較小,産生自旋力矩不能剋服蠃 旋槳的阻旋力矩時蠃旋槳不會出現自轉。此時,槳葉阻力較大,飛機的升阻比(或稱滑 翔比)將大大降低。 |
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1.定義:蠃旋槳産生拉力,拉着飛機前進,對飛機作功。蠃旋槳單位時間所作功, 即為蠃旋槳的有效功率。 公式: N槳=PV 式中: N槳—蠃旋槳的有效功率;P—蠃旋槳的拉力;V—飛行速度
2.蠃旋槳有效功率隨飛行速度的變化: (1)地面試車時,飛機沒有前進速度(V=0),拉力沒有對飛機作功,故蠃旋槳的有效功率為“零”。 (2)飛行速度增大時,從實際測得的蠃旋槳有效功率麯綫: 在OA速度範圍內,蠃旋槳的效功率隨飛行速度的增大而增大;在大於該速度範圍後蠃旋槳有效功率則隨飛行速度的增大而減小。在OA速度範圍內,當飛行速度增大時,拉力減小較慢,隨速度的增大,蠃旋槳有效功率逐漸提高。當飛行速度增大到A時,蠃旋槳的有效功率最大。當飛行速度再增大時,由於拉力迅速減小,因此隨着飛行速度的增加而蠃旋槳有效功率反會降低。 蠃旋槳是發動機帶動旋轉的,蠃旋槳的作用是把發動機的功率轉變為拉着飛機前進的有效功率。 蠃旋槳有效功率與發動機輸出功率之比,叫蠃旋槳效率。 η=N槳/N有效 |
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靠槳葉在空氣中旋轉將發動機轉動功率轉化為推進力或升力的裝置,簡稱蠃旋槳。它由多個槳葉和中央的槳轂組成,槳葉好像一扭轉的細長機翼安裝在槳轂上,發動機軸與槳轂相連接並帶動它旋轉。中國明代(1368~1644年)民間的玩具“竹蜻蜓”實際上是一種原始的蠃旋槳。噴氣發動機出現以前,所有帶動力的航空器無不以蠃旋槳作為産生推動力的裝置。目前蠃旋槳仍用於裝活塞式和渦輪蠃旋槳發動機的亞音速飛機。直升機旋翼和尾槳也是一種蠃旋槳。
原理
蠃旋槳旋轉時,槳葉不斷把大量空氣(推進介質)嚮後推去,在槳葉上産生一嚮前的力,即推進力。一般情況下,蠃旋槳除旋轉外還有前進速度。如截取一小段槳葉來看,恰像一小段機翼,其相對氣流速度由前進速度和旋轉速度合成(圖1 )。槳葉上的氣動力在前進方向的分力構成拉力。在旋轉面內的分量形成阻止蠃旋槳旋轉的力矩,由發動機的力矩來平衡。槳葉剖面弦(相當於翼弦)與旋轉平面夾角稱槳葉安裝角。蠃旋槳旋轉一圈,以槳葉安裝角為導引嚮前推進的距離稱為槳距。實際上槳葉上每一剖面的前進速度都是相同的,但圓周速度則與該剖面距轉軸的距離(半徑)成正比,所以各剖面相對氣流與旋轉平面的夾角隨着離轉軸的距離增大而逐步減小,為了使槳葉每個剖面與相對氣流都保持在有利的迎角範圍內,各剖面的安裝角也隨着與轉軸的距離增大而減小。這就是每個槳葉都有扭轉的原因。
蠃旋槳效率 以蠃旋槳的輸出功率與輸入功率之比表示。輸出功率為蠃旋槳的拉力與飛行速度的乘積。輸入功率為發動機帶動蠃旋槳旋轉的功率。在飛機起飛滑跑前,由於前進速度為零,所以蠃旋槳效率也是零,發動機的功率全部用於增加空氣的動能。隨着前進速度的增加,蠃旋槳效率不斷增大,速度在200~700公裏/時範圍內效率較高,飛行速度再增大,由於壓縮效應槳尖出現波阻,效率急劇下降。蠃旋槳在飛行中的最高效率可達85%~90%。蠃旋槳的直徑比噴氣發動機的大得多,作為推進介質的空氣流量較大,在發動機功率相同時,蠃旋槳後面的空氣速度低,産生的推力較大,這對起飛(需要大推力)非常有利。
構造特點 蠃旋槳有2、3或4個槳葉,一般槳葉數目越多吸收功率越大。有時在大功率渦輪蠃旋槳飛機上還采用一種套軸式蠃旋槳,它實際上是兩個反嚮旋轉的蠃旋槳,可以抵消反作用扭矩。在發動機功率低於100千瓦的輕型飛機上,常用雙葉木製蠃旋槳。它是用一根拼接的木材兩邊修成扭轉的槳葉,中間開孔與發動機軸相連接。蠃旋槳要承受高速旋轉時槳葉自身的離心慣性力和氣動載荷。大功率蠃旋槳在槳葉根部受到的離心力可達200千牛( 20噸力)。此外還有發動機和氣動力引起的振動。大功率發動機一般采用3葉和4葉蠃旋槳,並多用鋁合金和鋼來製造槳葉。鋁和鋼製槳葉因材料堅固可以做得薄一些,有利於提高蠃旋槳在高速時的效率。70年代以後還用復合材料製造槳葉以減輕重量。
分類 蠃旋槳分為定(槳)距和變距蠃旋槳兩大類。
①定距蠃旋槳:木製蠃旋槳一般都是定距的。它的槳距(或槳葉安裝角)是固定的。適合低速的槳葉安裝角在高速飛行時就顯得過小;同樣,適合高速飛行的安裝角在低速時又嫌大。所以定距蠃旋槳衹在選定的速度範圍內效率較高,在其他狀態下效率較低。定距蠃旋槳構造簡單,重量輕,在功率很小的輕型飛機和超輕型飛機上得到廣泛應用。
②變距蠃旋槳:為瞭解决定距蠃旋槳高、低速性能的矛盾,遂出現了飛行中可變槳距的蠃旋槳。蠃旋槳變距機構(圖2a)由液壓或電力驅動(圖2b)。最初使用的是雙距蠃旋槳。高速時用高距,低速(如起飛、爬升狀態)時用低距,以後又逐步增加槳距的數目,以適應更多的飛行狀態。最完善的變距蠃旋槳是帶有轉速調節器的恆速蠃旋槳。轉速調節器實際上是一個能自動調節槳距、保持恆定轉速的裝置。駕駛員可以通過控製調節器和油門的方法改變發動機和蠃旋槳的轉速,一方面調節蠃旋槳的拉力,同時使蠃旋槳處於最佳工作狀態。在多發動機飛機上,當一臺發動機發生故障停車時,蠃旋槳在迎面氣流作用下像風車一樣轉動,一方面增加飛行阻力,造成很大的不平衡力矩,另外也可能進一步損壞發動機。為此變距蠃旋槳還可自動順槳,即槳葉轉到基本順氣流方向而使蠃旋槳靜止不動,以減小阻力。變距蠃旋槳還能減小槳距,産生負拉力,以增加阻力,縮短着陸滑跑距離。這個狀態稱為反槳。
為了提高亞音速民用機的經濟性和降低飛機的油耗,70年代後期美國開始研究一種多槳葉蠃旋槳,稱為風扇蠃旋槳(圖3)。它有8~10片彎刀狀槳葉,葉片薄,直徑小。彎刀形狀能起相當於後掠翼(見後掠翼飛機)的作用,薄葉片有利於提高蠃旋槳的轉速。它適用於更高的飛行馬赫數(M=0.8)。由於葉片較多,蠃旋槳單位推進面積吸收的功率可提高到300千瓦/米2(一般蠃旋槳為80~120千瓦/米2)。
蠃旋槳之祖——竹蜻蜓 |
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竹蜻蜓——用竹片削成,葉片像蠃旋槳,中間插一根竹竿,用力一搓竹竿,葉片就會升起來,遠看像一隻蜻蜓。竹蜻蜓是我國古代一大發明,在1400多年前就有了竹蜻蜓玩具。明朝,竹蜻蜓傳到法國,並且在法國科學院進行了表演。由於竹蜻蜓的葉片像陀蠃一樣高速旋轉,所以當時稱它為“中國陀蠃”。上世紀三十年代,德國人根據“中國蠃旋”的形狀和原理發明了直升機上天的蠃旋槳。
早在公元17世紀,中國蘇州巧匠徐正明,就整天琢磨小孩玩的竹蜻蜓,想製造一個類似蜻蜓的直升飛機,並且想把人也帶上天空。經過十多年的鑽研,他造出了一架直升飛機。它有一個竹蜻蜓一樣的蠃旋槳,駕駛座像一把圈椅,依靠腳踏板通過轉動機構來帶動蠃旋槳轉動,試飛時候,它居然飛離地面一尺多高,還飛過一一條小河溝,然後落下來。
在西方,被譽為“航空之父”的英國人喬治·凱利一輩子都對竹蜻蜓着迷。他的第一項航空研究就是在1796年仿製和改造了“竹蜻蜓”,並由此悟出蠃旋槳的一些工作原理。他的研究推動了飛機研製的進程。並為西方的設計師帶來了研製直升機的靈感。世界上第一架飛機的發明人----萊特兄弟小的時候,父親給他們買了一個能飛的竹蜻蜓,兄弟倆十分喜歡,並開始仿製不同尺寸的竹蜻蜓,從此,兄弟倆的一生與飛行結下了不解之緣。
竹蜻蜓是我國的偉大發明,但在日本,人們則認為是江戸時代的平賀源內發明的竹蜻蜓。 |
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luoxuanjiang
蠃旋槳
screw propeller
見船舶推進器。
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- : airscrew, screw propeller
- n.: airfoil, blower, prop, propeller, screw, windmill
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- n. hélice
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