船用复合材料螺旋桨应用与发展

周 鑫，刘爱兵，杨文凯，易小冬

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

随着全球经济的飞速发展和船舶行业不断发展壮大，船舶各方面性能的要求也不断提高。如何利用现代高新材料与技术研制成本更低、性能更佳的新型螺旋桨成为船舶设计人员日益关注的问题。新型复合材料的不断涌现及其优异性能的日益凸显，给螺旋桨设计人员提供了全新的设计思路。越来越多的国家开始进行复合材料螺旋桨设计与制造的相关研究，不断挖掘复合材料螺旋桨在振动噪声、轻质高效和耐腐蚀抗疲劳等方面的巨大潜力。

研究表明：根据桨叶受力情况对复合材料增强纤维方向、厚度等参数以及桨叶几何外形的合理设计，可以实现在水动力载荷下螺旋桨自适应地调节桨叶变形，并在某些工况下可明显改善螺旋桨的水动力性能。传统螺旋桨设计的主要挑战在于需要在主机最佳特性、螺旋桨推进效率、空化和振动、水下和舱室噪声、机动能力等目标之间达成折中方案。得益于复合材料的可设计性，设计人员可以对上述目标进行解耦，从而在最大程度降低空化、振动和噪声的同时，追求推进效率的最大化。

1 国外研究与应用现状

1.1 国外研究现状

船用复合材料螺旋桨的研究包括螺旋桨的流固耦合分析、水动力性能预测、桨叶结构与几何外形的优化、螺旋桨振动与噪声评估和螺旋桨成型工艺与试验验证等工作，涉及到流体力学、复合材料结构力学，以及复合材料成型的材料科学等多学科内容。研究人员声称复合材料螺旋桨可以节省燃料、增加舒适度和提高水动力性能，但这些说法常常没有得到试验证实，而如何验证螺旋桨设计改进是否取得成功也并非易事。近年来，国外的众多研究人员多基于现有螺旋桨计算理论，结合模型试验，对复合材料螺旋桨的水动力性能、桨叶的结构、强度、振动特性等方面进行了大量的研究工作，但是，复合材料在很多方面对船用螺旋桨的设计者而言仍是未知。

复合材料螺旋桨流固耦合方法研究在复合材料螺旋桨性能研究的前期占据了相当的比重，目前主流的方法有涡格法（Vortex-Lattice Method，VLM）／有限元（Finite Elements Method，FEM）流固耦合分析方法、边界元法（Boundary Element Method，BEM）／有限元（Finite Elements Method，FEM）流固耦合分析方法以及计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）／有限元（Finite Elements Method，FEM）流固耦合分析方法。自1991年来，LIN等[1-2]不断研究并完善了VLM/FEM流固耦合分析方法，即涡格法和有限元方法相结合的流固耦合分析方法。2007年，YOUNG等[3]采用BEM/FEM，即面元法与有限元结合的流固耦合方法，结合经典层合板理论，分析了复合材料螺旋桨水弹性行为的变形耦合效应，利用预变形法设计出在设计进速下与金属桨推进性能相同的复合材料螺旋桨初始几何。随后在此基础上完善了BEM/FEM流固耦合分析方法，提出了复合材料螺旋桨基于性能的设计与分析方法。随着计算流体力学CFD的发展和计算机能力的迅猛提升，国外学者相继开展了基于RANS方程黏性理论的螺旋桨水动力性能数值研究，如：MULCAHY等[4]以CFD-ACE软件计算螺旋桨的水动力性能，并预测了复合材料螺旋桨的稳态性能。

在复合材料螺旋桨噪声性能方面，2013年，PAIK等[5]利用高速摄像仪和水听器对不同增强纤维的复合材料螺旋桨进行了模型试验，结果表明玻纤的噪声性能优于碳纤维，铺层方式也会影响到桨叶的噪声性能。

复合材料螺旋桨的空泡和振动研究中，国外学者先后对大侧斜螺旋桨空泡流、空泡筒中柔性桨的流固耦合特性以及纤维方向不同的复合材料桨叶对近距离小爆炸的响应等进行了一系列研究。

随着试验条件和复合材料工艺水平的提升，复合材料螺旋桨相关试验研究工作拥有了更多的可能。其中，HARA等[6]采用激光追踪法对复材桨桨叶变形进行了测量。2016年，在荷兰MARIN减压波浪水池（Depressurised Wave Basin，DWB），对柔性螺旋桨变形进行了测量。试验装置由定制化摄影机外壳（长约1.0 m，宽0.5 m）及内装的2台同步高速摄影机组成，摄影机用于以4 800 Hz的频率连续LED照明下获取分辨率为1 280×1 024像素的图像，装置如图1所示。在拖曳水池中进行一系列试验后，通过比较载荷条件下螺旋桨的三维形状并参考未变形螺旋桨形状，利用DIC技术计算桨叶变形。见图1。

图1 试验装置（包括摄影机外壳）

1.2 国外应用现状

复合材料螺旋桨的应用最早可以追溯到20世纪60年代，苏联将直径达2 m的复合材料螺旋桨第一次运用到Soviet渔船上。20世纪70年代—90年代，苏联先后在商船、登陆舰、扫雷艇、鱼雷快艇和气垫船等军船上进行了大量的复合材料螺旋桨性能试验。试验结果表明：采用复合材料螺旋桨的主机和桨轴振动幅值大幅减小，因而产生的振动、噪声较采用金属材料螺旋桨明显降低，而复合材料和金属材料螺旋桨在航速、耗油率、发动机载荷、吸收马力以及工作寿命方面基本相同。基于已公开的有限信息，可知复合材料螺旋桨在减重、降噪、减振和抗空泡性能方面较金属材料螺旋桨更优。

进入21世纪后，欧洲多国展开了复合材料螺旋桨的研究，并在舰船、潜艇上进行了应用与试验。瑞典的ProPolse AB公司设计了分体式的复合材料螺旋桨，由金属桨毂和可拆装的桨叶组成。试验证明：复合材料螺旋桨叶比相同几何外形的铝合金桨叶强度高，耐冲击性好，减重40%。

德国AIR公司开发出的Contur系列复合材料螺旋桨已成功应用于多类舰船，获得良好的市场反应。德国海军已在多型潜艇上应用了复合材料螺旋桨，包括206A、209A型潜艇、U19、U26艇，实船表明复合材料螺旋桨在声学性能上较金属桨有很大改进。如图2所示。

图2 德国206A型及212A型潜艇复合材料螺旋桨

2003年英国QinetiQ公司制造了直径2.9 m复合材料螺旋桨并进行了一系列海试（见图2），该桨用以代替英国海军三体舰“海神”号Triton上原有的旧式金属桨。海试结果表明：该复合材料螺旋桨的重量轻，空泡性能好，噪声和振动减小。

图3 2.9 m直径复合材料桨

尽管早在2004年，欧洲国家就已公开发表了船用复合材料螺旋桨应用的相关报道，但截至2017年，船用复合材料螺旋桨主要用于小型游船和游艇，大型船舶应用仍属少见。2015年，日本中岛公司公布其开发的复合材料螺旋桨，显示了大型船用复合材料螺旋桨取得的进展。中岛公司称其与日本船级社为“太鼓丸”号“Taiko-Maru”化学品货轮开发的柔性复合材料螺旋桨能够大幅降低功率消耗、舱室噪声和振动，船东对螺旋桨的噪声水平和耗燃量非常满意。如图4所示。

图4 日本中岛公司开发的复合材料螺旋桨

2 国内研究与应用现状

国内的研究人员在复合材料螺旋桨流固耦合特性、水动力性能影响因素、振动与噪声性能、桨叶结构设计与优化方法和成型工艺与强度试验等方面已进行了大量工作。

2011年，曾志波等[7]开展了复合材料螺旋桨流固耦合相互作用分析，并与刚性螺旋桨比较分析，研究了在多工况下的复合材料螺旋桨水动力性能影响。继而基于面元法和有限元法，开展了复合材料螺旋桨流固耦合数值方法研究，集成了一项复合材料螺旋桨流固耦合分析技术。2014年，李泓运等[8]在此基础上，从铺层设计对螺旋桨性能和变形的影响、螺旋桨几何设计和船机桨匹配3个方面展开，对复合材料螺旋桨性能进行预报，通过预变形方式设计桨叶型值，实现了复合材料螺旋桨在设计工况和非设计工况下的船机桨匹配。

2013年，黄政等[9]采用面元法结合有限元法的流固耦合算法，研究了纤维铺层对复合材料桨变形规律的影响，总结了复合材料螺旋桨的变形规律。2017年，其团队对螺旋桨做了加厚处理，采用预变形设计方法，实现了设计工况下水动力性能与原桨相当，在非设计工况下复合材料螺旋桨的水动力性能改善。同年，团队针对复合材料螺旋桨的流固耦合水弹性行为，基于ANSYS WORKBENCH平台利用ACP模块对复合材料螺旋桨进行了流固耦合计算方法的研究，并通过静态加载试验和空泡水洞模型试验进行了验证。

2010年，洪毅等[10]将基于RANS方程的计算流体力学方法与有限元方法相结合，沿着螺旋桨水动力性能计算、复合材料螺旋桨建模及结构铺层设计、CFD/FEM载荷传递、复合材料螺旋桨结构力学性能计算，水动力性能收敛判定的设计分析流程，完成了某螺旋桨桨叶的初步的设计过程，提出了一种预变形策略以改进复合材料螺旋桨的综合性能。同年，对复合材料螺旋桨进行了结构设计、水弹性分析及优化，并完成了模型制备及相应的测试。2019年，张宏磊[11]利用CFD方法与有限元分析方法相结合，对复合材料螺旋桨的空泡性能及空泡水动力性能进行了研究，并与金属螺旋桨的计算结果进行了对比分析。

复合材料螺旋桨模型制备方面，张鸿名[12]通过噪声试验验证了复合材料相较于铝合金在降低螺旋桨噪声方面的优势。2015—2016年杨文志等[13]开展了复合材料螺旋桨成型工艺的研究，采用树脂传递模塑成型技术（RTM）制作了螺旋桨模型，并通过强度试验验证了工艺的可行性与强度评估方法的可靠性。

在国内的复合材料螺旋桨研究中，采用弱耦合方法计算螺旋桨水动力性能较为常见。尽管计算精度有限，但实用性强，收敛性较好。在试验验证方面，中国船舶科学研究中心对制作的桨模已进行过相关水下试验，尝试采用了高速摄像机对桨叶动态变形进行捕捉。国内的研究学者已经开始研究复合材料螺旋桨的尺度效应，然而要掌握桨模与实桨的相似律，并形成有效的图谱仍需做大量的工作。目前，国内水下复合材料转子已有应用实例，而船用复合材料螺旋桨应用领域仍是空白，有待于研究的继续深入。

3 结论

21世纪以来，国外复合材料大尺度成型技术的成熟，带来了船用复合材料的爆发式应用，潜艇复合材料螺旋桨和大型船用复合材料螺旋桨都已有应用实例。近几年，国内的复合材料螺旋桨研究也积累了大量宝贵的经验，考虑复合材料螺旋桨流固耦合特性的数值计算方法基本成熟，常用小直径复合材料螺旋桨桨叶的制备工艺基本掌握。通过对比总结研究人员的经验与成果，可出以下结论：复合材料螺旋桨从设计到工艺再到试验，整个过程需要进行多次循环与反复，即在设计阶段提出要求，工艺成型后进行试验，以判断是否达到设计要求，继而根据试验结果对设计方案和工艺成型方案进行调整。因此，要实现设计要求和试验结果的良好吻合需要进行相当大量的实桨制作和试验工作。要推进复合材料螺旋桨应用与发展，不仅需要提高制备水平，还需要不断积累试验数据。

基于国内外船用复合材料螺旋桨的研究现状，可以明确研究人员遇到的难点具有较高的一致性：

1）复合材料螺旋桨结构仿真中材料参数设定困难且误差大，与实际差距较大。

2）水动力仿真方面，桨叶变形与引起桨叶变形的载荷变化难以准确计算。

3）复合材料螺旋桨缩比模型与实桨相似律有待进一步研究。

4）水下试验难以捕捉桨叶动态变形，高速摄像机拍照处理所得变形数据误差较大。

复合材料螺旋桨成型工艺复杂，模型成本高昂，应力残余对桨叶几何影响明显，再加上复合材料桨叶内部结构的细微变化及规律尚未被识别与掌握，可以说复合材料螺旋桨设计容易，而要得到与试验结果高度相符的设计则很难，如何提高二者的吻合性也是此领域众多研究学者需要继续钻研攻克的难点。

先进复合材料为船舶与海洋装备的技术革新提供了全新的可能，船用材料体系也将迎来全面升级。为使复合材料螺旋桨在船舶复合材料应用的浪潮中跟紧脚步，抓住机遇，建议今后的研究重点是：

1）采用预变形策略基础上，研究复合材料螺旋桨数值计算与试验结果的吻合度，包括高精度捕捉桨叶动态变形这一技术难点的攻克，以及复合材料螺旋桨尺度效应的研究。

2）提升复合材料成型工艺水平，为复合材料螺旋桨仿真设计与成型制备建立精度更高、更为可靠的数据库。

3）在保证螺旋桨推进效率的前提下，以试验数据为依据，真正实现复合材料螺旋桨减振降噪和延迟空泡等优良特性。