专利名称：自适应仿生复合材料螺旋桨叶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种船用螺旋桨，尤其是涉及ー种自适应仿生复合材料螺旋桨叶片。
背景技术：
在各类船舶螺旋桨推进装置中，绝大多数螺旋桨工作在船舶非均勻尾流场中，桨叶在旋转一周360°中的各个角度位置的叶剖面来流攻角均在变化，这样引起了螺旋桨受 カ时刻均在变化，桨轴轴承力振动剧烈，而且由于攻角的变化，桨叶表面的压カ峰值时大时小，出现极不稳定的空泡流导致了強烈的空泡诱导船体表面脉动压力。(引自何友声院士、 王国强教授主编的《螺旋桨激振力》，上海交通大学出版社)。另ー方面，多エ况船舶(如拖轮、渔船、扫雷艇、挖泥船、客滚船以及海洋工程船等) 在船舶数量中占很大的比重，它们的特点是至少有两个(自航状态和系柱状态)以上不同的 エ况。为了在各エ况下，船舶都能获得较好的推进性能，长期以来，船舶推进器设计师开展了针对该类船舶的常规螺旋桨、导管螺旋桨优化设计，但是无论是常规螺旋桨还是导管螺旋桨都存在未能充分利用主机功率的问题。后来提出了调距桨及导管调距桨推进装置，避免了这种缺点；也有专家推荐采用多档变速箱。然而这些需要复杂昂贵的调距机构以及变速齿轮装置(引自《中国造船》期刊文献《对于多エ况船舶推进性能的探讨》作者盛振邦朱文蔚)，増加了船舶的整体制造成本。
发明内容
本申请人针对上述的问题，进行了研究改进，提供ー种自适应仿生复合材料螺旋桨叶片，结构简单紧凑，制造成本低，降低工作在船尾非均勻尾流场中螺旋桨的激振力，对于多エ况船舶螺旋桨能在自航及系柱等多エ况下均能充分吸收主机功率，减少常规螺旋桨和导管螺旋桨主机功率浪费。为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案
ー种自适应仿生复合材料螺旋桨叶片，由导边部及随边部构成叶片本体，所述导边部以螺旋桨參考线轴为中心设置，所述导边部设有刚性叶芯，所述叶芯外覆盖有柔性材料层， 所述柔性材料层沿叶弦长方向延伸构成所述随边部。进ー步的
所述叶片本体的侧斜分布是从叶根到叶稍逐渐増大，所述叶片本体的叶剖面的最大拱度位置趋向于随边，所述叶片本体的叶剖面的最大厚度位置趋向于导边。所述叶芯在叶剖面上的剖面形状呈机翼形，所述叶芯剖面的厚度由叶根至叶稍逐渐变薄。柔性材料层的材料为碳纤维或玻璃纤维复合材料。所述叶芯由高刚度金属材料制成。由于水生动物通过长时间的自然演化形成了独特的身体结构和外形，使得它们能够在水中畅游，有研究表明海豚在15 20kn游动时其消耗的能量是不变形直体海豚模型的七分之一(引自《船舶力学》期刊文献《柔性摆动水翼弦向变形模式及其对推进性能的影响研究》，作者王志东等)，这说明了海豚的自适应流体变化能力带来了令人惊叹的水动カ 性能。本发明通过流固耦合设计计算研究，提供了ー种自适应仿生复合材料螺旋桨桨叶，一方面可降低工作在船尾非均勻尾流场中螺旋桨的激振力，另ー方面对于多エ况船舶螺旋桨能在自航及系柱等多エ况下均能较充分吸收主机功率，避免了常规螺旋桨和导管螺旋桨主机功率浪费严重，并且达不到航速要求的缺点，在各类船舶中有广阔的应用前景。本发明的技术效果在干
本发明公开的ー种自适应仿生复合材料螺旋桨叶片，结构简单紧凑，安装方便，降低船舶的整体制造成本；采用导边部的刚性叶芯及随边部的柔性材料结构，并采用自适应尾流攻角变化的桨叶结构和外形，降低了螺旋桨由于工作在非均勻尾流场中剧烈的轴承カ振动及空泡诱导船体表面脉动压力，在多エ况下均能较充分利用主机功率，减少常规螺旋桨和导管螺旋桨主机功率的浪费。
图1为本发明的结构示意图。图2为叶片本体任一剖面的工作状态示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进ー步详细的说明。如图1所示，由导边部1及随边部2构成叶片本体100，导边部1以螺旋桨參考线轴200为中心设置，导边部1设有刚性叶芯3，叶芯3外覆盖有柔性材料层4，柔性材料层4 沿叶弦长方向延伸构成随边部2，叶片本体100的侧斜分布从叶根到叶稍逐渐増大，使得随边部2分布于參考线轴200的后方，柔性材料层4的材料为碳纤维或玻璃纤维复合材料，叶芯3由高刚度金属材料制成，各种材料满足螺旋桨工作的強度要求。叶片本体100的叶剖面形状呈机翼形，叶芯3在叶剖面上的剖面形状呈机翼形，叶芯3的剖面的厚度由叶根至叶稍逐渐变薄，叶片本体100的叶剖面的最大拱度位置趋向于随边，叶片本体100的叶剖面的最大厚度位置趋向于导边，由图1中的各剖面可以看到，拱度分布在导边部1区域很小，最大拱度位于剖面靠近随边区域，厚度分布在随边部2区域较小，厚度最大值位于剖面靠近导边区域。本发明的叶片本体100的叶根部分均为高刚度金属材料制作，可通过插槽嵌套安装在螺旋桨桨毂上，也可以与桨毂整体成型制造。下面结合图2对本发明的工作原理作出说明。图2为叶片本体100任一剖面的エ 作状态示意图，图2中加为螺旋桨不旋转，处于自然状态下的剖面形状，2b和2c分别对应在来流速度Vb和Vc下的叶片本体100剖面的变形状态。当螺旋桨以某ー转速工作在船体尾流场中，螺旋桨任ー剖面的来流速度包括考虑螺旋桨与尾流相互作用的实效进流速度、各桨叶其它剖面的诱导速度和螺旋桨旋转速度， 其中旋转速度根据螺旋桨转速与半径的乘积得到，在转速不变时旋转速度不变；螺旋桨任一剖面的来流速度又可分为轴向来流速度，切向来流速度和径向来流速度。在船体尾流场中每当桨叶位置变化吋，各剖面的来流速度将会发生变化，桨叶剖面攻角也随之发生变化， 受到流体施加的表面压カ也在不断的变化，构成了桨轴轴承カ的变化，导致了桨轴振动，并传给船体。当来流速度中轴向速度较小，切向速度较大时，桨叶剖面攻角较大，如图2中的来流Vc，此时桨叶受カ较大，桨叶剖面相对图中加的不受カ自由状态，将变形到如图2中的 2c状态。桨叶剖面外形设计时将最大拱度靠近随边，使得叶面与叶背的最大压カ差(负荷) 向随边移动，而且靠近随边的厚度较小，这样使得靠近随边的叶型变形较大；桨叶内部结构在导边部1内设有高刚度金属材料结构的叶芯3，也就是旋转刚心在导边部，而随边部2是由柔性的碳纤维或玻璃纤维复合材料制成的柔性材料层4，因此十分有利于随边部2变形， 这就模仿了鱼类的激流中的尾部变形。综合效果是叶剖面的螺距角和拱度均变小，这使得桨叶受力呈减小的趋势，缓和了由于轴向速度较小，切向速度较大造成的受カ变大。当来流速度中轴向速度较大，切向速度较小时，桨叶剖面攻角较小，如图2中的来流Vb，由于剖面相对Vb的攻角比Vc的攻角小，因此桨叶受カ减小，结合上述受カ较大现象， 这种受カ随速度攻角变化的现象为常规螺旋桨的推力和扭矩脉动。但对于本发明创造的桨叶相对图2中的加不受カ自由状态，将变形到如图2中的2b状态，且当考虑叶剖面外形及内部结构，由于受カ较Vc来流状态变小，经过流固耦合分析后桨叶剖面的变形使得螺距角和拱度2b状态比2c状态要大，因此这使得桨叶受力又呈增加的趋势，缓和了由于轴向速度较大，切向速度较小造成的受カ变小。本发明创造提出的仿生螺旋桨叶片可以自适应来流攻角的变化，缓和因攻角变化带来的受カ变化，减小了轴承カ振动。除了轴承カ振动外，螺旋桨在尾流中由于尾流的不均勻性，桨叶表面发生的空泡流现象将很不稳定，空泡的脉动将诱导強烈的船体表面脉动压力，通过水体传递给船体表面，引起船体振动。在本发明创造中提出的仿生螺旋桨叶片，从桨叶所剖面外形来看，导边部1的叶厚较大，拱度较小，这种外形有利于桨叶适应水动カ攻角的变化而不至于导边部1 压カ峰变化很大，即这种翼型具有较宽的空泡斗，从而抑制和控制了空泡的不稳定现象，降低了空泡诱导的船体表面脉动压力。另ー方面由于桨叶结构特点，在攻角较大时，通过流固耦合变形，使得变形后的螺距和拱度变小，缓和了攻角变大的趋势；而在攻角较小吋，通过流固耦合变形，使得变形后的螺距和拱度变大，缓和了攻角变小的趋势；这种缓和攻角变化的自适应变形控制了桨叶表面压カ峰的变化，从而使得因压カ峰引起的空泡流趋于稳定， 降低了空泡诱导的船体表面脉动压力。由此可以看到，对于本发明的叶片外形与结构可有效的减小轴承カ振动和空泡诱导的脉动压力。本发明的螺旋桨叶片同样可应用于多エ况船舶，多エ况船舶有两个典型的工作状态系柱状态和自航状态。在系柱状态下，设计常规螺旋桨得到最佳转速，并使得在系柱状态下可以完全吸收主机功率，产生最大的系柱推力；但常规桨在自航状态下，由于主机转速的限制，其最大转速仍是系柱状态下设计的转速，因此自航状态下的转速不变，但是自航状态下的航速很高，航速和转速的組合使得螺旋桨剖面攻角变小，受カ变小，即扭矩和推力相对系柱状态减小很多，主机功率浪费严重，达不到要求的自航航速。本发明提出的仿生复合材料螺旋桨叶片外形结构，依据流固耦合工作原理，在系柱状态下，螺旋桨以设计转速运转，其来流攻角较大，如图2中Vc，其变形从自然状态的加到2c，通过流固耦合设计，使得变形后的2c与前述的普通螺旋桨叶片的螺距和拱度一致，这样在系柱状态下，仿生叶片变形后也充分吸收了主机功率，发出最大的系柱推力；而在自航状态下，由于攻角变小，如图2中的Vb，仿生叶片受カ也变小，但是由于流固耦合工作原理，其螺距角和拱度相对系柱状态下的2c剖面而增加，使得受カ又呈增大的趋势，因此相对常规螺旋桨，其推力和扭矩将大大增加，吸收主机功率也大幅度増加，较充分的利用了主机功率，同时自航航速也得到了较大提高。
权利要求
1.ー种自适应仿生复合材料螺旋桨叶片，由导边部及随边部构成叶片本体，其特征在干所述导边部以螺旋桨參考线轴为中心设置，所述导边部设有刚性叶芯，所述叶芯外覆盖有柔性材料层，所述柔性材料层沿叶弦长方向延伸构成所述随边部。
2.按照权利要求1所述的自适应仿生复合材料螺旋桨叶片，其特征在于所述叶片本体的侧斜分布是从叶根到叶稍逐渐増大，所述叶片本体的叶剖面的最大拱度位置趋向于随边，所述叶片本体的叶剖面的最大厚度位置趋向于导边。
3.按照权利要求1所述的自适应仿生复合材料螺旋桨叶片，其特征在于所述叶芯在叶剖面上的剖面形状呈机翼形，所述叶芯剖面的厚度由叶根至叶稍逐渐变薄。
4.按照权利要求1所述的自适应仿生复合材料螺旋桨叶片，其特征在于柔性材料层的材料为碳纤维或玻璃纤维复合材料。
5.按照权利要求1所述的自适应仿生复合材料螺旋桨叶片，其特征在于所述叶芯由高刚度金属材料制成。
全文摘要
本发明涉及一种自适应仿生复合材料螺旋桨叶片，由导边部及随边部构成叶片本体，其特征在于所述导边部以螺旋桨参考线轴为中心设置，所述导边部设有刚性叶芯，所述叶芯外覆盖有柔性材料层，所述柔性材料层沿叶弦长方向延伸构成所述随边部。本发明结构简单紧凑，安装方便，降低船舶的整体制造成本；采用导边部的刚性叶芯及随边部的柔性材料结构，并采用自适应尾流攻角变化的桨叶结构和外形，降低了螺旋桨由于工作在非均匀尾流场中剧烈的轴承力振动及空泡诱导船体表面脉动压力，在多工况下均能较充分利用主机功率，减少常规螺旋桨和导管螺旋桨主机功率的浪费。
文档编号B63H1/26GK102530212SQ20111044420
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者姚志崇, 曾志波, 洪方文 申请人:中国船舶重工集团公司第七○二研究所