复合材料船用螺旋桨结构设计研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.2国内外研究现状近几十年来，很多国家都将目光投向了复合材料螺旋桨的设计与制造，因为它不仅在军事方面有着很重大的研究意义，而且在普通船用螺旋桨的使用上也充分显示了其优越性。十九世纪六十年代苏联的渔船第一次使用了直径为2米的复合材料螺旋桨[1]，七十年代早期又将一个复合材料螺旋桨的试验模型用于气垫艇[2]。后来很多舰艇和潜艇也安装了复合螺旋桨，比如登陆艇和扫雷艇[3,4~7]，鱼雷[8,9]和一些小型船只[10,11]，将这些复合螺旋桨和同尺寸的金属螺旋桨的性能进行了测试和比较后的结果表明，复合螺旋桨可降低电磁信号的干扰，降低噪音，提高抗腐

2、蚀能力和减振能力，改善耐疲劳性能。例如，在舰艇中，塑料螺旋桨的非磁性性质和它们运行时的低噪音性能可以有助于我军开展对抗敌对船只的秘密行动，而它良好的弹性也将有利于它们阻止水下爆炸和水中残骸带来的破坏。瑞典PropulseAB公司就是制造复合螺旋桨的一家著名的公司，6年前在它申请的专利中提出了复合螺旋桨设计的全新概念。它制作的螺旋桨是由一个金属轴和一个可替换的复合叶片组合而成，在安装叶片时，通过调整复合叶片的倾角，使其能够安装在5个预设的位置中，适合于功率为20-300hp的发动机，市场反响良好。但是，现在各国生产的复合螺旋桨大多仅适用于小型船只，当今所面临的挑战是加大螺

3、旋桨的设计尺寸以适用于大型船只。国外很多国家在这方面已经初见成效[12]。在这个领域的先驱之一是德国的AIR公司，该公司采用碳纤维复合材料来制作了用于装配超级游艇或轮船的contur系列螺旋桨，这种螺旋桨满足了硬度的要求。其重量仅为传统镍铝青铜螺旋桨的三分之一，端部比金属螺旋桨更薄，可减少螺旋桨噪音达5dB。近来，AIR公司又在罗斯托克大学的技术支持下，提出了一个令人兴奋的改进方案，有效地使用了复合材料的柔性。将碳纤维、芳族聚酰胺纤维（芳香尼龙纤维）和聚乙烯纤维都应用于Contur螺旋桨以提高其流弹性，这使得叶片在荷载条件改变时只需改变其倾斜度即可，所以可通过调整节流阀

4、的范围保持最优的牵引效率，从而燃料耗费减少到原来的15%，此外这种自适应倾斜角螺旋桨比传统的螺旋桨的转速快，船体加速性能好，空泡现-3-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文象也明显减少。这是由于叶片可根据不同的荷载自行调整，促使叶片处的荷载倾向于在一定的范围内变化，从而使其空泡闭塞区域减少。同时，Contur螺旋桨可独立更换叶片的特性降低了螺旋桨的维护费用，水下更换叶片也十分简单易行。将Contur智能自适应倾斜角螺旋桨在海上进行测试，并将它与一般的铜螺旋桨进行比较，结果表明，以最高速度行驶时新型螺旋桨的耗燃料量减少了近10%，在中速范围行驶时耗燃料量甚至可以减少17.5%，

5、降低噪声达4%，加速度也增大了很多。另一方面测试表明由于被拔出的聚乙烯纤维对叶片有加强作用，故Contur叶片的端部对水下影响有特别的抵抗力。图1-1显示的螺旋桨自旋转图例就解释说明了叶片倾角自调节作用，叶片在荷载作用下转为水平运转，从而在整个时间内维持最优倾斜角，和传统的有固定倾斜角的铜质叶片进行比较，后者在调定为最大的节流阀时通常开始吸收全部的发动机动力，这意味着在船上一般的巡航需要花费他们的很多时间，它们的运转很难达到最高的效率。图1-1自适应倾角螺旋桨Fig.1-1Adaptiveself-pitchingpropeller-4-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文在

6、此期间，美国的科学技术组织QinetiQ历时三年，成功设计、制造了一个直径为2.9米（9.5英寸）的复合材料船用螺旋桨，并取得了海上试验 成功[13]。该螺旋桨由5个复合材料叶片组成，是目前世界上最大的复合叶片螺旋桨，其叶片是由位于切尔滕纳姆[英国英格兰西南部城市]的Smiths航空公司的DowtyPropeller生产，而荷兰的WartsilaPropulsion公司则生产了铜制轴并对螺旋桨进行了组装。在我国，复合船用螺旋桨的设计还处在初步的认识阶段[14]。随着我国船舶航运业和国防建设的发展，过去设计的螺旋桨的质量指标已不能满足船舶使用部门对船舶推进性能、振动水平等

7、方面的要求，航运市场和国防建设迫切要求采用更先进的现代化手段，设计出高效率、低激振、低噪音的螺旋桨。因此这方面的研究显得尤为重要。1.2复合材料螺旋桨的优缺点分析螺旋桨叶片的特点是外形和受力情况都比较复杂，而且对尺寸精度，表面光洁度及质量分布等都有较高的要求。因此，用金属制造叶片时，往往会遇到加工复杂，工艺装备多，生产周期长，劳动强度大，成品率低等问题，而采用复合材料后，上述问题能比较满意地得到解决。以下将复合材料运用到螺旋桨上的优缺点做一些讨论，有利于我们在设计时发挥复合材料的优点，找出改进方法弥补缺点，使设计的螺旋桨更为合理而且实用[