碳纤维复合材料（CFRP）螺旋桨的最新研究与开发
作为螺旋桨材料，除了必须具有能够在海水中长期使用的耐腐蚀性之外，还需具有与NAB同等以上的抗疲劳强度。因此，作为螺旋桨材料的替代材料，复合材料备受瞩目。复合材料是指通过将两种以上的不同材料组合成一体，使其具有比原来的各个材料更好的特性，这里是指用纤维强化的树脂，即纤维强化塑料。复合材料与金属材料相比具有轻质、高强度、耐腐蚀性等优点，常被用于飞机、汽车、风力发电的叶片等，小船等小型船的一部分有复合材料制的螺旋桨，但没有适用于大型商船的事例。
为了将复合材料应用于船用螺旋桨，进行了材料强度及强度可靠性评价、空化·侵蚀耐性的评估、水槽试验评估，并且通过实船试验，对性能及耐久性进行了全面评估。
复合材料（CFRP）螺旋桨
2.1 复合材料螺旋桨的构造
复合材料制螺旋桨的构成如图1所示。由叶片、BOSS、压片组成。叶片是由CFRP制成，BOSS采用金属材料NAB。BOSS上设有倒锥形沟槽，将叶片从后方插入该槽中，防止叶片脱落，在BOSS后端用螺栓固定压片。倒锥形沟槽是前方和半径方向变窄的锥形，插入规定的位置后不会产生松动。因为是组装式的，所以在叶片受到损伤的情况下，可以单独更换叶片。
图1 CFRP螺旋桨结构
2.2 复合材料螺旋桨的设计
传统的金属螺旋桨的设计可以忽略运行中叶片的变形。但是，由于复合材料的弹性系数低，因此需要考虑弹性变形的设计。
与通常的螺旋桨设计一样，求出翼面上的压力分布，将该压力分布和离心力作为载荷条件进行结构分析，求出螺旋桨在运转中达到最佳形状的变形前的形状。
如图2所示的叶片形状的变形示例。为了便于理解变形状况，将变形量设为10倍。加速时、拖航时及暴风雨天气等高负荷时，俯仰角会进一步变小，在保持发动机转速不变的状态下，不会产生过载，可以保持发动机输出。
另外，在螺旋桨叶片旋转一圈时通过船底的（顶部位置）附近，由于伴流速度变慢，流入角度变高，因此负荷会变大，并产生空泡现象，而采用CFRP螺旋桨，由于在顶部位置高负荷作用时俯仰角变小，可以抑制空泡的发生。
图2 叶片变形示例（X10倍）
为了确认考虑变形的螺旋桨的设计方法，进行了模型水槽试验。通常的水槽试验中使用金属制的螺旋桨模型，复合材料制螺旋桨用的模型螺旋桨是用树脂制成的。为了考虑实机螺旋桨的弹性变形，根据与挠曲相关的流体力和弯曲刚性的相似法则，求出模型螺旋桨的弹性模量，选定具有该弹性模量的树脂。
图3 叶片变形状态（水槽试验）
在水槽试验中，测量了螺旋桨性能和叶片变形量，确认了复合材料螺旋桨的设计方法完全满足所要求的精度。如图3所示叶片变形状态，推力方向是从照片的右向左。从这张照片可以看出，J（前进系数）越小，叶片在推力方向上弯曲越大，可知俯仰角向减少方向变形，其结果与图2的叶片形状变化相同。 面向商船用螺旋桨的研发
根据一般财团法人日本海事协会（NK）的业界要求，共同研究实施的复合材料制螺旋桨的研发。表1 商船
3.1 侧推器
本船搭载的侧推进器的螺旋桨直径为850mm，输入马力为165kW，标称推力为24.5kN。如图4所示推进器的状态。图4（a）是安装初始的状态，图4（b）为就航1年7个月后的状态（水洗状态）。航行后的外观检查中，螺旋桨外周有部分的涂装脱落，但没有观察到大的损伤，为了观察内部缺陷，进行了X射线CT检查，并确认没有任何问题。
图4 推进器螺旋桨的状态比较：（a）就航前；（b）就航1年7个月后
3.2 主推进器用螺旋桨
3.2.1 概念
螺旋桨在船尾的伴流中工作，特别是在顶部位置附近流速慢，负荷度变高，容易产生空泡现象。如果在负荷度高的地方螺旋桨的俯仰角变小的话，可以抑制空泡现象的发生（如图5）。因此，采用了利用CFRP的弹性变形，当载荷变高时减少俯仰角的设计。另外，通过使用CFRP，由于螺旋桨变轻，还可降低激振力，通过抑制空泡现象，船尾变动压（作用在螺旋桨正上方的船体上的压力）也能降低，因此螺旋桨大直径化，提高效率，惯性力矩也变小。随着叶片的轻量化，惯性力矩也会变小，其结果是扭转振动应力变小，因此只要在规定要求的范围内，轴径就可以变细。
图5 CFRP可有效抑制空泡现象
如表4所示，传统设计和新设计的螺旋桨以及与之相适应的轴系的要点。在新设计中，直径从原来设计的1.95m增大到2.12m。因此，用NAB按照新设计制造时，重量、惯性力矩当然都非常大，轴径也要粗。但是，在CFRP制的情况下，与NAB制造的相比，惯性力矩下降到约1/3，将中间轴直径也从φ210mm降到150mm。
表2 传统设计及新设计的螺旋桨参数
如图6所示，CFRP制螺旋桨的扭转振动应力的计算结果，扭转振动应力低，也可以不设置危险转速。根据研究结果，螺旋桨轴也可以变细，但由于从NAB向CFRP转换时需要更换船尾管轴承等，因此决定使用现行的螺旋桨轴。
图6 CFRP螺旋桨的扭转振动应力
3.2.2 水槽试验
关于表2所示的螺旋桨，制作了水槽试验用螺旋桨模型。材质采用了传统设计的金属材料，新设计方案的金属制和树脂制两种。树脂螺旋桨所使用的树脂材料，由于需要通过水槽试验再现实际CFRP螺旋桨的变形状态，所以使用刚性的相似法则求出弹性模量，选定树脂类型。新设计的树脂螺旋桨模型，在设计点设计为变形为金属模型的形状。在表3中，水槽试验得到的螺旋桨单独效率ηo，估计的船壳效率ηh，螺旋桨效率比ηR和推进效率η。表中，将传统螺旋桨的效率设为1，新设计方案的螺旋桨的值如下表所示。
新设计的金属及树脂螺旋桨模型的单独效率ηo是相同的值。也就是说，在设计点的试验中，树脂螺旋桨模型的变形形状与金属螺旋桨模型的形状相同，确认了考虑弹性变形的设计方法的可行性。ηo比传统设计提高8%，推进效率η大约提高了6%。
表3 传统设计与新设计螺旋桨的效率比较
下面进行在空泡水槽的船尾变动压的测量。将传统设计的螺旋桨的一次变动压力作为基准的1，求出的变动压力比的比较图（如图7）。关于表示空泡产生量的一次变动压力，新设计的金属制螺旋桨显示出比以往设计高1.5倍左右的数值，这是因为新设计的螺旋桨直径很大，所以船体和螺旋桨尖端的距离很近。另一方面，新设计的树脂制螺旋桨的一次变动压比金属制的小。树脂制螺旋桨在顶部位置附近的高负荷下俯仰角减小，抑制了空泡的产生。新设计的树脂制螺旋桨的船尾变动压与传统设计的金属制螺旋桨相比，一次及三次的空泡发生程度相同。二次成分变大的原因可能是与试验设备产生了共振，因此忽略。
图7 船尾标动压力
3.2.3 海上运行结果
实际安装的CFRP螺旋桨如图8所示：
图8 实装的CFRP螺旋桨
如图9所示海上运行中的速度试验结果。纵轴表示轴马力（SHP）除以连续最大输出（MCR）后的值。图中，为了与CFRP螺旋桨进行比较，同时显示了传统螺旋桨（NAB）的海上运行结果，与传统铝青铜螺旋桨相比，CFRP所需的功率减少了9%，相信随着在商船上逐步推广使用后，能更好的提高燃料经济性和运营效率。
图9 船速和轴马力的关系
CFRP比传统的NAB材质螺旋桨衰减更高，因此能抑制噪音，降低扭转振动应力（图10）
图10 衰减与共振频率的关系
在螺旋桨转速为355rpm，船速11.5节时测量的振动及噪音如图11所示，由图可知，采用CFRP螺旋桨正东和噪音都大幅降低。
图11 船内各场所的振动及噪音测量结果（海上测量结果）
结语
商船及海军舰艇的螺旋桨材料一直以来都是镍铝铜合金，存在着如加工复杂、叶片时花费高、叶片容易疲劳产生裂纹、声学阻尼性相对较差、振动时会带来噪音等问题。设计者们不得不考虑其它材料，其中最引人注目的材料是碳纤维复合材料。
碳纤维复合材料螺旋桨系统的设计和性能高度机密，近年来的研究进展未见公开发表。不过众所周知，碳纤维复合材料叶片中的纤维可以承受主要的水动力和离心力，承载的纤维可以沿叶片的不同方向敷设从而使应变最小，因此可以通过设计纤维排列和堆积的顺序来优化叶片性能。纤维排列的方向影响叶片的推力、有效螺距和翘曲。因此叶片的设计和制造需要精确，以确保获得最优性能。目前大批海军舰艇安装了CFRP螺旋桨，如登陆舰和扫雷艇（如图12、13）。
图12 德国海军潜水艇搭载的CFRP螺旋桨（直径3.5m）
图13 荷兰海军扫雷艇上搭载的CFRP螺旋桨（直径2.5m）
来源：前沿材料
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