備受矚目！碳纖維復合材料（CFRP）螺旋槳的最新研究與開發(fā)
軍工資源網 2022年11月22日1. 前言
船用螺旋槳的材料一般多采用鎳鋁青銅鑄件（NAB）和高強度黃銅鑄件。作為主要原料的銅，可開采年限估計約為40年左右，由于被用于大量的基礎設施建設，價格也不斷攀升，因此作為船用螺旋槳材料很有可能難以得到保障。
作為螺旋槳材料，除了必須具有能夠在海水中長期使用的耐腐蝕性之外，還需具有與NAB同等以上的抗疲勞強度。因此，作為螺旋槳材料的替代材料，復合材料備受矚目。復合材料是指通過將兩種以上的不同材料組合成一體，使其具有比原來的各個材料更好的特性，這里是指用纖維強化的樹脂，即纖維強化塑料。復合材料與金屬材料相比具有輕質、高強度、耐腐蝕性等優(yōu)點，常被用于飛機、汽車、風力發(fā)電的葉片等，小船等小型船的一部分有復合材料制的螺旋槳，但沒有適用于大型商船的事例。
為了將復合材料應用于船用螺旋槳，進行了材料強度及強度可靠性評價、空化·侵蝕耐性的評估、水槽試驗評估，并且通過實船試驗，對性能及耐久性進行了全面評估。
本文將介紹世界上首次搭載的作為一般商船用主推進器的復合材料螺旋槳的研發(fā)與應用情況。
2. 復合材料（CFRP）螺旋槳
2.1 復合材料螺旋槳的構造
復合材料制螺旋槳的構成如圖1所示。由葉片、BOSS、壓片組成。葉片是由CFRP制成，BOSS采用金屬材料NAB。BOSS上設有倒錐形溝槽，將葉片從后方插入該槽中，防止葉片脫落，在BOSS后端用螺栓固定壓片。倒錐形溝槽是前方和半徑方向變窄的錐形，插入規(guī)定的位置后不會產生松動。因為是組裝式的，所以在葉片受到損傷的情況下，可以單獨更換葉片。
圖1 CFRP螺旋槳結構
2.2 復合材料螺旋槳的設計
傳統的金屬螺旋槳的設計可以忽略運行中葉片的變形。但是，由于復合材料的彈性系數低，因此需要考慮彈性變形的設計。
與通常的螺旋槳設計一樣，求出翼面上的壓力分布，將該壓力分布和離心力作為載荷條件進行結構分析，求出螺旋槳在運轉中達到最佳形狀的變形前的形狀。
如圖2所示的葉片形狀的變形示例。為了便于理解變形狀況，將變形量設為10倍。加速時、拖航時及暴風雨天氣等高負荷時，俯仰角會進一步變小，在保持發(fā)動機轉速不變的狀態(tài)下，不會產生過載，可以保持發(fā)動機輸出。
另外，在螺旋槳葉片旋轉一圈時通過船底的（頂部位置）附近，由于伴流速度變慢，流入角度變高，因此負荷會變大，并產生空泡現象，而采用CFRP螺旋槳，由于在頂部位置高負荷作用時俯仰角變小，可以抑制空泡的發(fā)生。
圖2 葉片變形示例（X10倍）
為了確認考慮變形的螺旋槳的設計方法，進行了模型水槽試驗。通常的水槽試驗中使用金屬制的螺旋槳模型，復合材料制螺旋槳用的模型螺旋槳是用樹脂制成的。為了考慮實機螺旋槳的彈性變形，根據與撓曲相關的流體力和彎曲剛性的相似法則，求出模型螺旋槳的彈性模量，選定具有該彈性模量的樹脂。
圖3 葉片變形狀態(tài)（水槽試驗）
在水槽試驗中，測量了螺旋槳性能和葉片變形量，確認了復合材料螺旋槳的設計方法完全滿足所要求的精度。如圖3所示葉片變形狀態(tài)，推力方向是從照片的右向左。從這張照片可以看出，J（前進系數）越小，葉片在推力方向上彎曲越大，可知俯仰角向減少方向變形，其結果與圖2的葉片形狀變化相同。
3. 面向商船用螺旋槳的研發(fā)
根據一般財團法人日本海事協會（NK）的業(yè)界要求，共同研究實施的復合材料制螺旋槳的研發(fā)。
表1 商船
3.1 側推器
本船搭載的側推進器的螺旋槳直徑為850mm，輸入馬力為165kW，標稱推力為24.5kN。如圖4所示推進器的狀態(tài)。圖4（a）是安裝初始的狀態(tài)，圖4（b）為就航1年7個月后的狀態(tài)（水洗狀態(tài)）。航行后的外觀檢查中，螺旋槳外周有部分的涂裝脫落，但沒有觀察到大的損傷，為了觀察內部缺陷，進行了X射線CT檢查，并確認沒有任何問題。
圖4 推進器螺旋槳的狀態(tài)比較：（a）就航前；（b）就航1年7個月后
3.2 主推進器用螺旋槳
3.2.1 概念
螺旋槳在船尾的伴流中工作，特別是在頂部位置附近流速慢，負荷度變高，容易產生空泡現象。如果在負荷度高的地方螺旋槳的俯仰角變小的話，可以抑制空泡現象的發(fā)生（如圖5）。因此，采用了利用CFRP的彈性變形，當載荷變高時減少俯仰角的設計。另外，通過使用CFRP，由于螺旋槳變輕，還可降低激振力，通過抑制空泡現象，船尾變動壓（作用在螺旋槳正上方的船體上的壓力）也能降低，因此螺旋槳大直徑化，提高效率，慣性力矩也變小。隨著葉片的輕量化，慣性力矩也會變小，其結果是扭轉振動應力變小，因此只要在規(guī)定要求的范圍內，軸徑就可以變細。
圖5 CFRP可有效抑制空泡現象
如表4所示，傳統設計和新設計的螺旋槳以及與之相適應的軸系的要點。在新設計中，直徑從原來設計的1.95m增大到2.12m。因此，用NAB按照新設計制造時，重量、慣性力矩當然都非常大，軸徑也要粗。但是，在CFRP制的情況下，與NAB制造的相比，慣性力矩下降到約1/3，將中間軸直徑也從φ210mm降到150mm。
表2 傳統設計及新設計的螺旋槳參數
如圖6所示，CFRP制螺旋槳的扭轉振動應力的計算結果，扭轉振動應力低，也可以不設置危險轉速。根據研究結果，螺旋槳軸也可以變細，但由于從NAB向CFRP轉換時需要更換船尾管軸承等，因此決定使用現行的螺旋槳軸。
圖6 CFRP螺旋槳的扭轉振動應力
3.2.2 水槽試驗
關于表2所示的螺旋槳，制作了水槽試驗用螺旋槳模型。材質采用了傳統設計的金屬材料，新設計方案的金屬制和樹脂制兩種。樹脂螺旋槳所使用的樹脂材料，由于需要通過水槽試驗再現實際CFRP螺旋槳的變形狀態(tài)，所以使用剛性的相似法則求出彈性模量，選定樹脂類型。新設計的樹脂螺旋槳模型，在設計點設計為變形為金屬模型的形狀。在表3中，水槽試驗得到的螺旋槳單獨效率ηo，估計的船殼效率ηh，螺旋槳效率比ηR和推進效率η。表中，將傳統螺旋槳的效率設為1，新設計方案的螺旋槳的值如下表所示。
新設計的金屬及樹脂螺旋槳模型的單獨效率ηo是相同的值。也就是說，在設計點的試驗中，樹脂螺旋槳模型的變形形狀與金屬螺旋槳模型的形狀相同，確認了考慮彈性變形的設計方法的可行性。ηo比傳統設計提高8%，推進效率η大約提高了6%。
表3 傳統設計與新設計螺旋槳的效率比較
下面進行在空泡水槽的船尾變動壓的測量。將傳統設計的螺旋槳的一次變動壓力作為基準的1，求出的變動壓力比
圖7 船尾標動壓力
3.2.3 海上運行結果
實際安裝的CFRP螺旋槳如圖8所示：
圖8 實裝的CFRP螺旋槳
如圖9所示海上運行中的速度試驗結果。縱軸表示軸馬力（SHP）除以連續(xù)最大輸出（MCR）后的值。圖中，為了與CFRP螺旋槳進行比較，同時顯示了傳統螺旋槳（NAB）的海上運行結果，與傳統鋁青銅螺旋槳相比，CFRP所需的功率減少了9%，相信隨著在商船上逐步推廣使用后，能更好的提高燃料經濟性和運營效率。
圖9 船速和軸馬力的關系
CFRP比傳統的NAB材質螺旋槳衰減更高，因此能抑制噪音，降低扭轉振動應力（圖10）
圖10 衰減與共振頻率的關系
在螺旋槳轉速為355rpm，船速11.5節(jié)時測量的振動及噪音如圖11所示，由圖可知，采用CFRP螺旋槳正東和噪音都大幅降低。
圖11 船內各場所的振動及噪音測量結果（海上測量結果）
4. 結語
商船及海軍艦艇的螺旋槳材料一直以來都是鎳鋁銅合金，存在著如加工復雜、葉片時花費高、葉片容易疲勞產生裂紋、聲學阻尼性相對較差、振動時會帶來噪音等問題。設計者們不得不考慮其它材料，其中最引人注目的材料是碳纖維復合材料。
碳纖維復合材料螺旋槳系統的設計和性能高度機密，近年來的研究進展未見公開發(fā)表。不過眾所周知，碳纖維復合材料葉片中的纖維可以承受主要的水動力和離心力，承載的纖維可以沿葉片的不同方向敷設從而使應變最小，因此可以通過設計纖維排列和堆積的順序來優(yōu)化葉片性能。纖維排列的方向影響葉片的推力、有效螺距和翹曲。因此葉片的設計和制造需要精確，以確保獲得最優(yōu)性能。目前大批海軍艦艇安裝了CFRP螺旋槳，如登陸艦和掃雷艇（如圖12、13）。
圖12 德國海軍潛水艇搭載的CFRP螺旋槳（直徑3.5m）
圖13 荷蘭海軍掃雷艇上搭載的CFRP螺旋槳（直徑2.5m）
參考文獻
山磨敏夫，櫻井貴哉，CFRP 製プロペラの研究開発，日本マリンエンジニアリング學會誌，第52巻，第2號（2017）
MINERAL COMMODITY SUMMARIES 2013，（2013）, Mineral Commodity Summaries