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碳纤维复合材料船用螺旋桨:降低能耗、减少噪音
发布时间:2019-07-15   浏览次数:194

复合材料制品在军用和民用市场通常会有不同的需求。不过,一家来自法国的联合集团FABHELI在生产2.9英尺CFRP螺旋桨原型时满足了这两个市场的需求。其目的是在工业规模上开发和生产一种减少环境足迹和降低能源消耗的螺旋桨。

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。

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来源:荣格塑料工业
 关键词:碳纤维 | 船艇
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