碳纤维复合材料船用螺旋桨：降低能耗、减少噪音

 

该集团成功地开发了一种螺旋桨，这种螺旋桨具有降低船舶能耗和维护成本、提高水动力效率和降低噪音的潜力。此外，螺旋桨的造价还有可能同时吸引军用和民用的造船商。这一技术获得了2018年JEC亚洲复合材料展创新奖项。

 

FabHeli来自“Fabriqué”——制造的缩写；和“Heli”——法语螺旋桨的意思。Loiretech是复合材料模具的设计者和制造商，领导着这个联合集团。其合作伙伴包括海军潜艇和水面舰艇的设计者/建造者NAVAL集团，以及制造创新复合材料结构的Méca公司。分包商包括测试、检验和认证服务提供商Bureau Veritas，以及为新螺旋桨提供测试容船的AML造船厂。

 

该项目始于2016年4月，由Mecafrance公司为机械方面进行数字化和计算，海军集团为流体动力方面进行计算，以便对碳纤维复合螺旋桨进行尺寸测量，其尺寸是其金属螺旋桨的两倍。目标是满足高要求的规格——螺旋桨在使用时会承受很大的机械负荷，因此有必要开发新的设计概念、生产技术和表面处理方法。

 

在这个项目中，该联合集团展示了复合螺旋桨相对于金属螺旋桨的几个优势。一个是节省燃料，这对于军事客户和民用市场都很重要。例如，渔民每次出海的成本80%都是燃料。

 

为了开发一种有效的设计，该联盟使用自适应剖面计算方法来计算、测试和模拟各种螺旋桨设计中水流（水动力行为）和叶片旋转的影响。

 

叶片有三个主要组件。Loiretech负责营销和创新的副总裁Franck Bourcier说：

 

“前缘非常重要，因为它必须将水流分开。其次是叶刃的表面，因为你必须始终保持叶刃和水的接触。如果在某些时刻失去联系，就会失去准确性，而这正是我们所追求的。你还必须有一个非常薄的尾缘，以避免空化。尾缘越薄，效果越好，叶片效率越高。空化是由于螺旋桨的运动而在液体中形成气泡。”

 

令军方特别感兴趣的是，这种复合螺旋桨能够减少空化现象，从而减少声音排放，这将使敌人更难使用声纳跟踪船只。叶片上的专利涂层也有助于降低噪音。项目另一个设计目标，是能够让单个潜水员进行螺旋桨叶片的更换。目前这是一项困难的双人任务。

 

Meca高级结构工程师兼经理Samuel Durand说：

 

“挑战在于开发叶片和根部之间的创新连接，这个连接点可以拆卸下来，并适用于树脂传递模塑成型（RTM）工艺。接头和连接往往是复合材料中最薄弱的环节，对于船用螺旋桨来说，这个接头的载荷是巨大的。”

 

解决方案是在每个叶片的底部添加一个集成的、再包覆成型的插入件，然后用八个大螺丝将叶片固定在金属轮毂上。这种复合推进器很轻，一个潜水员就可以操纵。

 

该团队使用RTM技术制造螺旋桨，从三个干纤维预制件开始，一个用于螺旋桨叶片的每侧，另一个用于连接底部。通过计算特定区域碳纤维的数量和取向，优化了铺层操作，以满足叶片的水动力强度要求。

 

团队为叶片的核心开发了一种定制的轻质复合材料，并在前缘和后缘添加了碳纤维织物，以增加抗冲击能力。这些净形件不需要修剪，所以浪费更少。研究小组选择了一种环氧树脂来提供硬度，因为它不易受到海港水域中的油污影响。

 

采用单次注射（single-shot）树脂传递模塑（RTM）工艺分别对厚（高达30mm）环氧复合材料叶片进行模塑。带有动铁芯的三件式工具用于适应叶片底部的削弱变化。在加工过程中，在混合头处有三个压力棒，树脂在60℃固化。叶片分别附接到一个模压过的金属轮毂上。

 

“造船厂的老板已经习惯了使用金属叶片，他们不确定复合材料叶片是否能够满足机械要求。”Bourcier表示。船员们在困难条件下对螺旋桨进行了测试，全速倒车并且没有任何损伤的情况下进行急转弯。“这对他们来说是一个巨大的惊喜；我们能够证明概念时片的硬度足以满足要求。他们现在已经相信并希望参与下一个项目。”

 

该项目组也在努力实现产品的成本效益。根据其计算，如果购买的螺旋桨数量少于30个，那么金属螺旋桨比复合材料的更为便宜；但如果该数量超过50个，则复合材料具有优势。

 

该集团希望建造另一个原型，这样它就可以用复合螺旋桨取代Le Palais上的两个金属螺旋桨，并更好地测量空化现象的减少。它还希望建造一个13英尺直径的螺旋桨，或许还能设计一个复合曲轴，进一步提高效率。Bourcier补充说，螺旋桨的未来发展将取决于该财团能够获得的资金。