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(qiáng)度。因此，作為螺旋槳材料的替代材料，復(fù)合材料備受矚目。復(fù)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(qiáng)化的樹脂，即纖維強(qiáng)化塑料。復(fù)合材料與金屬材料相比具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕性等優(yōu)點，常被用于飛機(jī)、汽車、風(fēng)力發(fā)電的葉片等，小船等小型船的一部分有復(fù)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(fù)合材料應(yīng)用于船用螺旋槳，進(jìn)行了材料強(qiáng)度及強(qiáng)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(jìn)行了全面評估。
復(fù)合材料（CFRP）螺旋槳
2.1 復(fù)合材料螺旋槳的構(gòu)造
復(fù)合材料制螺旋槳的構(gòu)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(shè)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(chǎn)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(jié)構(gòu)

2.2 復(fù)合材料螺旋槳的設(shè)計
傳統(tǒng)的金屬螺旋槳的設(shè)計可以忽略運行中葉片的變形。但是，由于復(fù)合材料的彈性系數(shù)低，因此需要考慮彈性變形的設(shè)計。
與通常的螺旋槳設(shè)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(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，求出螺旋槳在運轉(zhuǎn)中達(dá)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(shè)為10倍。加速時、拖航時及暴風(fēng)雨天氣等高負(fù)荷時，俯仰角會進(jìn)一步變小，在保持發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不變的狀態(tài)下，不會產(chǎn)生過載，可以保持發(fā)動機(jī)輸出。
另外，在螺旋槳葉片旋轉(zhuǎn)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(fù)荷會變大，并產(chǎn)生空泡現(xiàn)象，而采用CFRP螺旋槳，由于在頂部位置高負(fù)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(rèn)考慮變形的螺旋槳的設(shè)計方法，進(jìn)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(fù)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(jī)螺旋槳的彈性變形，根據(jù)與撓曲相關(guān)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(rèn)了復(fù)合材料螺旋槳的設(shè)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(jìn)系數(shù)）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(jié)果與圖2的葉片形狀變化相同。?面向商船用螺旋槳的研發(fā)
根據(jù)一般財團(tuán)法人日本海事協(xié)會（NK）的業(yè)界要求，共同研究實施的復(fù)合材料制螺旋槳的研發(fā)。表1 商船

3.1 側(cè)推器
本船搭載的側(cè)推進(jìn)器的螺旋槳直徑為850mm，輸入馬力為165kW，標(biāo)稱推力為24.5kN。如圖4所示推進(jìn)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(nèi)部缺陷，進(jìn)行了X射線CT檢查，并確認(rèn)沒有任何問題。

圖4 推進(jìn)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(jìn)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(fù)荷度變高，容易產(chǎn)生空泡現(xiàn)象。如果在負(fù)荷度高的地方螺旋槳的俯仰角變小的話，可以抑制空泡現(xiàn)象的發(fā)生（如圖5）。因此，采用了利用CFRP的彈性變形，當(dāng)載荷變高時減少俯仰角的設(shè)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(xiàn)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(jié)果是扭轉(zhuǎn)振動應(yīng)力變小，因此只要在規(guī)定要求的范圍內(nèi)，軸徑就可以變細(xì)。

圖5?CFRP可有效抑制空泡現(xiàn)象

如表4所示，傳統(tǒng)設(shè)計和新設(shè)計的螺旋槳以及與之相適應(yīng)的軸系的要點。在新設(shè)計中，直徑從原來設(shè)計的1.95m增大到2.12m。因此，用NAB按照新設(shè)計制造時，重量、慣性力矩當(dāng)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(tǒng)設(shè)計及新設(shè)計的螺旋槳參數(shù)

如圖6所示，CFRP制螺旋槳的扭轉(zhuǎn)振動應(yīng)力的計算結(jié)果，扭轉(zhuǎn)振動應(yīng)力低，也可以不設(shè)置危險轉(zhuǎn)速。根據(jù)研究結(jié)果，螺旋槳軸也可以變細(xì)，但由于從NAB向CFRP轉(zhuǎn)換時需要更換船尾管軸承等，因此決定使用現(xiàn)行的螺旋槳軸。

圖6?CFRP螺旋槳的扭轉(zhuǎn)振動應(yīng)力

3.2.2 水槽試驗
關(guān)于表2所示的螺旋槳，制作了水槽試驗用螺旋槳模型。材質(zhì)采用了傳統(tǒng)設(shè)計的金屬材料，新設(shè)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(xiàn)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(shè)計的樹脂螺旋槳模型，在設(shè)計點設(shè)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(jìn)效率η。表中，將傳統(tǒng)螺旋槳的效率設(shè)為1，新設(shè)計方案的螺旋槳的值如下表所示。
新設(shè)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(shè)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(rèn)了考慮彈性變形的設(shè)計方法的可行性。ηo比傳統(tǒng)設(shè)計提高8%，推進(jìn)效率η大約提高了6%。
表3?傳統(tǒng)設(shè)計與新設(shè)計螺旋槳的效率比較

下面進(jìn)行在空泡水槽的船尾變動壓的測量。將傳統(tǒng)設(shè)計的螺旋槳的一次變動壓力作為基準(zhǔn)的1，求出的變動壓力比的比較圖（如圖7）。關(guān)于表示空泡產(chǎn)生量的一次變動壓力，新設(shè)計的金屬制螺旋槳顯示出比以往設(shè)計高1.5倍左右的數(shù)值，這是因為新設(shè)計的螺旋槳直徑很大，所以船體和螺旋槳尖端的距離很近。另一方面，新設(shè)計的樹脂制螺旋槳的一次變動壓比金屬制的小。樹脂制螺旋槳在頂部位置附近的高負(fù)荷下俯仰角減小，抑制了空泡的產(chǎn)生。新設(shè)計的樹脂制螺旋槳的船尾變動壓與傳統(tǒng)設(shè)計的金屬制螺旋槳相比，一次及三次的空泡發(fā)生程度相同。二次成分變大的原因可能是與試驗設(shè)備產(chǎn)生了共振，因此忽略。

圖7?船尾標(biāo)動壓力

3.2.3 海上運行結(jié)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(jié)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(jìn)行比較，同時顯示了傳統(tǒng)螺旋槳（NAB）的海上運行結(jié)果，與傳統(tǒng)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(jīng)濟(jì)性和運營效率。

圖9?船速和軸馬力的關(guān)系

CFRP比傳統(tǒng)的NAB材質(zhì)螺旋槳衰減更高，因此能抑制噪音，降低扭轉(zhuǎn)振動應(yīng)力（圖10）

圖10 衰減與共振頻率的關(guān)系

在螺旋槳轉(zhuǎn)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(nèi)各場所的振動及噪音測量結(jié)果（海上測量結(jié)果）

?結(jié)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(fù)雜、葉片時花費高、葉片容易疲勞產(chǎn)生裂紋、聲學(xué)阻尼性相對較差、振動時會帶來噪音等問題。設(shè)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(fù)合材料。
碳纖維復(fù)合材料螺旋槳系統(tǒng)的設(shè)計和性能高度機(jī)密，近年來的研究進(jìn)展未見公開發(fā)表。不過眾所周知，碳纖維復(fù)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(shè)從而使應(yīng)變最小，因此可以通過設(shè)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(shè)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）

來源：前沿材料

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