復(fù)合材料制品在軍用和民用市場(chǎng)通常會(huì)有不同的需求。不過，一家來自法國(guó)的聯(lián)合集團(tuán)FABHELI在生產(chǎn)2.9英尺CFRP螺旋槳原型時(shí)滿足了這兩個(gè)市場(chǎng)的需求。其目的是在工業(yè)規(guī)模上開發(fā)和生產(chǎn)一種減少環(huán)境足跡和降低能源消耗的螺旋槳。
該集團(tuán)成功地開發(fā)了一種螺旋槳，這種螺旋槳具有降低船舶能耗和維護(hù)成本、提高水動(dòng)力效率和降低噪音的潛力。此外，螺旋槳的造價(jià)還有可能同時(shí)吸引軍用和民用的造船商。這一技術(shù)獲得了2018年JEC亞洲復(fù)合材料展創(chuàng)新獎(jiǎng)項(xiàng)。
FabHeli來自“Fabriqué”——制造的縮寫；和“Heli”——法語螺旋槳的意思。Loiretech是復(fù)合材料模具的設(shè)計(jì)者和制造商，領(lǐng)導(dǎo)著這個(gè)聯(lián)合集團(tuán)。其合作伙伴包括海軍潛艇和水面艦艇的設(shè)計(jì)者/建造者NAVAL集團(tuán)，以及制造創(chuàng)新復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的Méca公司。分包商包括測(cè)試、檢驗(yàn)和認(rèn)證服務(wù)提供商Bureau Veritas，以及為新螺旋槳提供測(cè)試容船的AML造船廠。
該項(xiàng)目始于2016年4月，由Mecafrance公司為機(jī)械方面進(jìn)行數(shù)字化和計(jì)算，海軍集團(tuán)為流體動(dòng)力方面進(jìn)行計(jì)算，以便對(duì)碳纖維復(fù)合螺旋槳進(jìn)行尺寸測(cè)量，其尺寸是其金屬螺旋槳的兩倍。目標(biāo)是滿足高要求的規(guī)格——螺旋槳在使用時(shí)會(huì)承受很大的機(jī)械負(fù)荷，因此有必要開發(fā)新的設(shè)計(jì)概念、生產(chǎn)技術(shù)和表面處理方法。
在這個(gè)項(xiàng)目中，該聯(lián)合集團(tuán)展示了復(fù)合螺旋槳相對(duì)于金屬螺旋槳的幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。一個(gè)是節(jié)省燃料，這對(duì)于軍事客戶和民用市場(chǎng)都很重要。例如，漁民每次出海的成本80%都是燃料。
為了開發(fā)一種有效的設(shè)計(jì)，該聯(lián)盟使用自適應(yīng)剖面計(jì)算方法來計(jì)算、測(cè)試和模擬各種螺旋槳設(shè)計(jì)中水流（水動(dòng)力行為）和葉片旋轉(zhuǎn)的影響。
葉片有三個(gè)主要組件。Loiretech負(fù)責(zé)營(yíng)銷和創(chuàng)新的副總裁Franck Bourcier說：
“前緣非常重要，因?yàn)樗仨殞⑺鞣珠_。其次是葉刃的表面，因?yàn)槟惚仨毷冀K保持葉刃和水的接觸。如果在某些時(shí)刻失去聯(lián)系，就會(huì)失去準(zhǔn)確性，而這正是我們所追求的。你還必須有一個(gè)非常薄的尾緣，以避免空化。尾緣越薄，效果越好，葉片效率越高?？栈怯捎诼菪龢倪\(yùn)動(dòng)而在液體中形成氣泡。”
令軍方特別感興趣的是，這種復(fù)合螺旋槳能夠減少空化現(xiàn)象，從而減少聲音排放，這將使敵人更難使用聲納跟蹤船只。葉片上的專利涂層也有助于降低噪音。項(xiàng)目另一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，是能夠讓單個(gè)潛水員進(jìn)行螺旋槳葉片的更換。目前這是一項(xiàng)困難的雙人任務(wù)。
Meca高級(jí)結(jié)構(gòu)工程師兼經(jīng)理Samuel Durand說：
“挑戰(zhàn)在于開發(fā)葉片和根部之間的創(chuàng)新連接，這個(gè)連接點(diǎn)可以拆卸下來，并適用于樹脂傳遞模塑成型（RTM）工藝。接頭和連接往往是復(fù)合材料中最薄弱的環(huán)節(jié)，對(duì)于船用螺旋槳來說，這個(gè)接頭的載荷是巨大的。”
解決方案是在每個(gè)葉片的底部添加一個(gè)集成的、再包覆成型的插入件，然后用八個(gè)大螺絲將葉片固定在金屬輪轂上。這種復(fù)合推進(jìn)器很輕，一個(gè)潛水員就可以操縱。
該團(tuán)隊(duì)使用RTM技術(shù)制造螺旋槳，從三個(gè)干纖維預(yù)制件開始，一個(gè)用于螺旋槳葉片的每側(cè)，另一個(gè)用于連接底部。通過計(jì)算特定區(qū)域碳纖維的數(shù)量和取向，優(yōu)化了鋪層操作，以滿足葉片的水動(dòng)力強(qiáng)度要求。
團(tuán)隊(duì)為葉片的核心開發(fā)了一種定制的輕質(zhì)復(fù)合材料，并在前緣和后緣添加了碳纖維織物，以增加抗沖擊能力。這些凈形件不需要修剪，所以浪費(fèi)更少。研究小組選擇了一種環(huán)氧樹脂來提供硬度，因?yàn)樗灰资艿胶８鬯蛑械挠臀塾绊憽?/div>
采用單次注射（single-shot）樹脂傳遞模塑（RTM）工藝分別對(duì)厚（高達(dá)30mm）環(huán)氧復(fù)合材料葉片進(jìn)行模塑。帶有動(dòng)鐵芯的三件式工具用于適應(yīng)葉片底部的削弱變化。在加工過程中，在混合頭處有三個(gè)壓力棒，樹脂在60℃固化。葉片分別附接到一個(gè)模壓過的金屬輪轂上。
“造船廠的老板已經(jīng)習(xí)慣了使用金屬葉片，他們不確定復(fù)合材料葉片是否能夠滿足機(jī)械要求。”Bourcier表示。船員們?cè)诶щy條件下對(duì)螺旋槳進(jìn)行了測(cè)試，全速倒車并且沒有任何損傷的情況下進(jìn)行急轉(zhuǎn)彎。“這對(duì)他們來說是一個(gè)巨大的驚喜；我們能夠證明概念時(shí)片的硬度足以滿足要求。他們現(xiàn)在已經(jīng)相信并希望參與下一個(gè)項(xiàng)目。”
該項(xiàng)目組也在努力實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的成本效益。根據(jù)其計(jì)算，如果購買的螺旋槳數(shù)量少于30個(gè)，那么金屬螺旋槳比復(fù)合材料的更為便宜；但如果該數(shù)量超過50個(gè)，則復(fù)合材料具有優(yōu)勢(shì)。
該集團(tuán)希望建造另一個(gè)原型，這樣它就可以用復(fù)合螺旋槳取代Le Palais上的兩個(gè)金屬螺旋槳，并更好地測(cè)量空化現(xiàn)象的減少。它還希望建造一個(gè)13英尺直徑的螺旋槳，或許還能設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)合曲軸，進(jìn)一步提高效率。Bourcier補(bǔ)充說，螺旋槳的未來發(fā)展將取決于該財(cái)團(tuán)能夠獲得的資金。
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