專利名稱：自適應(yīng)仿生復(fù)合材料螺旋槳葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種船用螺旋槳，尤其是涉及一種自適應(yīng)仿生復(fù)合材料螺旋槳葉片。
背景技術(shù)：
在各類船舶螺旋槳推進(jìn)裝置中，絕大多數(shù)螺旋槳工作在船舶非均勻尾流場中，槳葉在旋轉(zhuǎn)一周360°中的各個(gè)角度位置的葉剖面來流攻角均在變化，這樣引起了螺旋槳受力時(shí)刻均在變化，槳軸軸承力振動(dòng)劇烈，而且由于攻角的變化，槳葉表面的壓力峰值時(shí)大時(shí)小，出現(xiàn)極不穩(wěn)定的空泡流導(dǎo)致了強(qiáng)烈的空泡誘導(dǎo)船體表面脈動(dòng)壓力。(引自何友聲院士、王國強(qiáng)教授主編的《螺旋槳激振力》，上海交通大學(xué)出版社)。另一方面，多工況船舶(如拖輪、漁船、掃雷艇、挖泥船、客滾船以及海洋工程船等)在船舶數(shù)量中占很大的比重，它們的特點(diǎn)是至少有兩個(gè)(自航狀態(tài)和系柱狀態(tài))以上不同的工況。為了在各工況下，船舶都能獲得較好的推進(jìn)性能，長期以來，船舶推進(jìn)器設(shè)計(jì)師開展了針對該類船舶的常規(guī)螺旋槳、導(dǎo)管螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是無論是常規(guī)螺旋槳還是導(dǎo)管螺旋槳都存在未能充分利用主機(jī)功率的問題。后來提出了調(diào)距槳及導(dǎo)管調(diào)距槳推進(jìn)裝置，避免了這種缺點(diǎn)；也有專家推薦采用多檔變速箱。然而這些需要復(fù)雜昂貴的調(diào)距機(jī)構(gòu)以及變速齒輪裝置(引自《中國造船》期刊文獻(xiàn)《對于多工況船舶推進(jìn)性能的探討》作者盛振邦朱文蔚)，增加了船舶的整體制造成本。

實(shí)用新型內(nèi)容本申請人針對上述的問題，進(jìn)行了研究改進(jìn)，提供一種自適應(yīng)仿生復(fù)合材料螺旋槳葉片，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，制造成本低，降低工作在船尾非均勻尾流場中螺旋槳的激振力，對于多工況船舶螺旋槳能在自航及系柱等多工況下均能充分吸收主機(jī)功率，減少常規(guī)螺旋槳和導(dǎo)管螺旋槳主機(jī)功率浪費(fèi)。為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用如下的技術(shù)方案一種自適應(yīng)仿生復(fù)合材料螺旋槳葉片，由導(dǎo)邊部及隨邊部構(gòu)成葉片本體,所述導(dǎo)邊部以螺旋槳參考線軸為中心設(shè)置，所述導(dǎo)邊部設(shè)有剛性葉芯，所述葉芯外覆蓋有柔性材料層，所述柔性材料層沿葉弦長方向延伸構(gòu)成所述隨邊部。進(jìn)一步的所述葉片本體的側(cè)斜分布是從葉根到葉稍逐漸增大，所述葉片本體的葉剖面的最大拱度位置趨向于隨邊，所述葉片本體的葉剖面的最大厚度位置趨向于導(dǎo)邊。所述葉芯在葉剖面上的剖面形狀呈機(jī)翼形，所述葉芯剖面的厚度由葉根至葉稍逐漸變薄。柔性材料層的材料為碳纖維或玻璃纖維復(fù)合材料。所述葉芯由高剛度金屬材料制成。由于水生動(dòng)物通過長時(shí)間的自然演化形成了獨(dú)特的身體結(jié)構(gòu)和外形，使得它們能夠在水中暢游，有研究表明海豚在15 20kn游動(dòng)時(shí)其消耗的能量是不變形直體海豚模型的七分之一(引自《船舶力學(xué)》期刊文獻(xiàn)《柔性擺動(dòng)水翼弦向變形模式及其對推進(jìn)性能的影響研究》，作者王志東等)，這說明了海豚的自適應(yīng)流體變化能力帶來了令人驚嘆的水動(dòng)力性能。本實(shí)用新型通過流固耦合設(shè)計(jì)計(jì)算研究，提供了一種自適應(yīng)仿生復(fù)合材料螺旋槳槳葉，一方面可降低工作在船尾非均勻尾流場中螺旋槳的激振力，另一方面對于多工況船舶螺旋槳能在自航及系柱等多工況下均能較充分吸收主機(jī)功率，避免了常規(guī)螺旋槳和導(dǎo)管螺旋槳主機(jī)功率浪費(fèi)嚴(yán)重，并且達(dá)不到航速要求的缺點(diǎn)，在各類船舶中有廣闊的應(yīng)用前景。本實(shí)用新型的技術(shù)效果在于本實(shí)用新型公開的一種自適應(yīng)仿生復(fù)合材料螺旋槳葉片，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，安裝方便，降低船舶的整體制造成本；采用導(dǎo)邊部的剛性葉芯及隨邊部的柔性材料結(jié)構(gòu)，并采用自適應(yīng)尾流攻角變化的槳葉結(jié)構(gòu)和外形，降低了螺旋槳由于工作在非均勻尾流場中劇烈的軸承力振動(dòng)及空泡誘導(dǎo)船體表面脈動(dòng)壓力，在多工況下均能較充分利用主機(jī)功率，減少常規(guī) 螺旋槳和導(dǎo)管螺旋槳主機(jī)功率的浪費(fèi)。

圖I為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為葉片本體任一剖面的工作狀態(tài)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。如圖I所示，由導(dǎo)邊部I及隨邊部2構(gòu)成葉片本體100，導(dǎo)邊部I以螺旋槳參考線軸200為中心設(shè)置，導(dǎo)邊部I設(shè)有剛性葉芯3，葉芯3外覆蓋有柔性材料層4，柔性材料層4沿葉弦長方向延伸構(gòu)成隨邊部2，葉片本體100的側(cè)斜分布從葉根到葉稍逐漸增大，使得隨邊部2分布于參考線軸200的后方，柔性材料層4的材料為碳纖維或玻璃纖維復(fù)合材料，葉芯3由高剛度金屬材料制成，各種材料滿足螺旋槳工作的強(qiáng)度要求。葉片本體100的葉剖面形狀呈機(jī)翼形，葉芯3在葉剖面上的剖面形狀呈機(jī)翼形，葉芯3的剖面的厚度由葉根至葉稍逐漸變薄，葉片本體100的葉剖面的最大拱度位置趨向于隨邊，葉片本體100的葉剖面的最大厚度位置趨向于導(dǎo)邊，由圖I中的各剖面可以看到，拱度分布在導(dǎo)邊部I區(qū)域很小，最大拱度位于剖面靠近隨邊區(qū)域，厚度分布在隨邊部2區(qū)域較小，厚度最大值位于剖面靠近導(dǎo)邊區(qū)域。本實(shí)用新型的葉片本體100的葉根部分均為高剛度金屬材料制作，可通過插槽嵌套安裝在螺旋槳槳轂上，也可以與槳轂整體成型制造。下面結(jié)合圖2對本實(shí)用新型的工作原理作出說明。圖2為葉片本體100任一剖面的工作狀態(tài)示意圖，圖2中2a為螺旋槳不旋轉(zhuǎn)，處于自然狀態(tài)下的剖面形狀，2b和2c分別對應(yīng)在來流速度Vb和Vc下的葉片本體100剖面的變形狀態(tài)。當(dāng)螺旋槳以某一轉(zhuǎn)速工作在船體尾流場中，螺旋槳任一剖面的來流速度包括考慮螺旋槳與尾流相互作用的實(shí)效進(jìn)流速度、各槳葉其它剖面的誘導(dǎo)速度和螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度，其中旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)螺旋槳轉(zhuǎn)速與半徑的乘積得到，在轉(zhuǎn)速不變時(shí)旋轉(zhuǎn)速度不變；螺旋槳任一剖面的來流速度又可分為軸向來流速度，切向來流速度和徑向來流速度。在船體尾流場中每當(dāng)槳葉位置變化時(shí)，各剖面的來流速度將會(huì)發(fā)生變化，槳葉剖面攻角也隨之發(fā)生變化，受到流體施加的表面壓力也在不斷的變化，構(gòu)成了槳軸軸承力的變化，導(dǎo)致了槳軸振動(dòng)，并傳給船體。當(dāng)來流速度中軸向速度較小，切向速度較大時(shí)，槳葉剖面攻角較大，如圖2中的來流Vc，此時(shí)槳葉受力較大，槳葉剖面相對圖中2a的不受力自由狀態(tài)，將變形到如圖2中的2c狀態(tài)。槳葉剖面外形設(shè)計(jì)時(shí)將最大拱度靠近隨邊，使得葉面與葉背的最大壓力差(負(fù)荷)向隨邊移動(dòng)，而且靠近隨邊的厚度較小，這樣使得靠近隨邊的葉型變形較大；槳葉內(nèi)部結(jié)構(gòu)在導(dǎo)邊部I內(nèi)設(shè)有高剛度金屬材料結(jié)構(gòu)的葉芯3，也就是旋轉(zhuǎn)剛心在導(dǎo)邊部，而隨邊部2是由柔性的碳纖維或玻璃纖維復(fù)合材料制成的柔性材料層4，因此十分有利于隨邊部2變形，這就模仿了魚類的激流中的尾部變形。綜合效果是葉剖面的螺距角和拱度均變小，這使得槳葉受力呈減小的趨勢，緩和了由于軸向速度較小，切向速度較大造成的受力變大。當(dāng)來流速度中軸向速度較大，切向速度較小時(shí)，槳葉剖面攻角較小，如圖2中的來 流Vb，由于剖面相對Vb的攻角比Vc的攻角小，因此槳葉受力減小，結(jié)合上述受力較大現(xiàn)象，這種受力隨速度攻角變化的現(xiàn)象為常規(guī)螺旋槳的推力和扭矩脈動(dòng)。但對于本實(shí)用新型創(chuàng)造的槳葉相對圖2中的2a不受力自由狀態(tài)，將變形到如圖2中的2b狀態(tài)，且當(dāng)考慮葉剖面外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由于受力較Vc來流狀態(tài)變小，經(jīng)過流固耦合分析后槳葉剖面的變形使得螺距角和拱度2b狀態(tài)比2c狀態(tài)要大，因此這使得槳葉受力又呈增加的趨勢，緩和了由于軸向速度較大，切向速度較小造成的受力變小。本實(shí)用新型創(chuàng)造提出的仿生螺旋槳葉片可以自適應(yīng)來流攻角的變化，緩和因攻角變化帶來的受力變化，減小了軸承力振動(dòng)。除了軸承力振動(dòng)外，螺旋槳在尾流中由于尾流的不均勻性，槳葉表面發(fā)生的空泡流現(xiàn)象將很不穩(wěn)定，空泡的脈動(dòng)將誘導(dǎo)強(qiáng)烈的船體表面脈動(dòng)壓力，通過水體傳遞給船體表面，引起船體振動(dòng)。在本實(shí)用新型創(chuàng)造中提出的仿生螺旋槳葉片，從槳葉所剖面外形來看，導(dǎo)邊部I的葉厚較大，拱度較小，這種外形有利于槳葉適應(yīng)水動(dòng)力攻角的變化而不至于導(dǎo)邊部I壓力峰變化很大，即這種翼型具有較寬的空泡斗，從而抑制和控制了空泡的不穩(wěn)定現(xiàn)象，降低了空泡誘導(dǎo)的船體表面脈動(dòng)壓力。另一方面由于槳葉結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在攻角較大時(shí)，通過流固耦合變形，使得變形后的螺距和拱度變小，緩和了攻角變大的趨勢；而在攻角較小時(shí)，通過流固耦合變形，使得變形后的螺距和拱度變大，緩和了攻角變小的趨勢；這種緩和攻角變化的自適應(yīng)變形控制了槳葉表面壓力峰的變化，從而使得因壓力峰引起的空泡流趨于穩(wěn)定，降低了空泡誘導(dǎo)的船體表面脈動(dòng)壓力。由此可以看到，對于本實(shí)用新型的葉片外形與結(jié)構(gòu)可有效的減小軸承力振動(dòng)和空泡誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力。本實(shí)用新型的螺旋槳葉片同樣可應(yīng)用于多工況船舶，多工況船舶有兩個(gè)典型的工作狀態(tài)系柱狀態(tài)和自航狀態(tài)。在系柱狀態(tài)下，設(shè)計(jì)常規(guī)螺旋槳得到最佳轉(zhuǎn)速，并使得在系柱狀態(tài)下可以完全吸收主機(jī)功率，產(chǎn)生最大的系柱推力；但常規(guī)槳在自航狀態(tài)下，由于主機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，其最大轉(zhuǎn)速仍是系柱狀態(tài)下設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速，因此自航狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速不變，但是自航狀態(tài)下的航速很高，航速和轉(zhuǎn)速的組合使得螺旋槳剖面攻角變小，受力變小，即扭矩和推力相對系柱狀態(tài)減小很多，主機(jī)功率浪費(fèi)嚴(yán)重，達(dá)不到要求的自航航速。本實(shí)用新型提出的仿生復(fù)合材料螺旋槳葉片外形結(jié)構(gòu)，依據(jù)流固耦合工作原理，在系柱狀態(tài)下，螺旋槳以設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，其來流攻角較大，如圖2中Vc，其變形從自然狀態(tài)的2a到2c，通過流固耦合設(shè)計(jì)，使得變形后的2c與前述的普通螺旋槳葉片的螺距和拱度一致，這樣在系柱狀態(tài)下，仿生葉片變形后也充分吸收了主機(jī)功率，發(fā)出最大的系柱推力；而在自航狀態(tài)下，由于攻角變小，如圖2中的Vb，仿生葉片受力也變小，但是由于流固耦合工作原理，其螺距角和拱度相對系柱狀態(tài)下的2 c剖面而增加，使得受力又呈增大的趨勢，因此相對常規(guī)螺旋槳，其推力和扭矩將大大增加，吸收主機(jī)功率也大幅度增加，較充分的利用了主機(jī)功率，同時(shí)自航航速也得到了較大提高。
權(quán)利要求1.一種自適應(yīng)仿生復(fù)合材料螺旋槳葉片，由導(dǎo)邊部及隨邊部構(gòu)成葉片本體，其特征在于所述導(dǎo)邊部以螺旋槳參考線軸為中心設(shè)置，所述導(dǎo)邊部設(shè)有剛性葉芯，所述葉芯外覆蓋有柔性材料層，所述柔性材料層沿葉弦長方向延伸構(gòu)成所述隨邊部。
2.按照權(quán)利要求I所述的自適應(yīng)仿生復(fù)合材料螺旋槳葉片，其特征在于所述葉片本體的側(cè)斜分布是從葉根到葉稍逐漸增大，所述葉片本體的葉剖面的最大拱度位置趨向于隨邊，所述葉片本體的葉剖面的最大厚度位置趨向于導(dǎo)邊。
3.按照權(quán)利要求I所述的自適應(yīng)仿生復(fù)合材料螺旋槳葉片，其特征在于所述葉芯在葉剖面上的剖面形狀呈機(jī)翼形，所述葉芯剖面的厚度由葉根至葉稍逐漸變薄。
4.按照權(quán)利要求I所述的自適應(yīng)仿生復(fù)合材料螺旋槳葉片，其特征在于柔性材料層 的材料為碳纖維或玻璃纖維復(fù)合材料。
5.按照權(quán)利要求I所述的自適應(yīng)仿生復(fù)合材料螺旋槳葉片，其特征在于所述葉芯由高剛度金屬材料制成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種自適應(yīng)仿生復(fù)合材料螺旋槳葉片，由導(dǎo)邊部及隨邊部構(gòu)成葉片本體，其特征在于所述導(dǎo)邊部以螺旋槳參考線軸為中心設(shè)置，所述導(dǎo)邊部設(shè)有剛性葉芯，所述葉芯外覆蓋有柔性材料層，所述柔性材料層沿葉弦長方向延伸構(gòu)成所述隨邊部。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單緊湊，安裝方便，降低船舶的整體制造成本；采用導(dǎo)邊部的剛性葉芯及隨邊部的柔性材料結(jié)構(gòu)，并采用自適應(yīng)尾流攻角變化的槳葉結(jié)構(gòu)和外形，降低了螺旋槳由于工作在非均勻尾流場中劇烈的軸承力振動(dòng)及空泡誘導(dǎo)船體表面脈動(dòng)壓力，在多工況下均能較充分利用主機(jī)功率，減少常規(guī)螺旋槳和導(dǎo)管螺旋槳主機(jī)功率的浪費(fèi)。
文檔編號(hào)B63H1/26GK202481282SQ20112055448
公開日2012年10月10日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者姚志崇, 曾志波, 洪方文 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七○二研究所