本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术结构简单紧凑，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。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及一种船用螺旋桨，尤其是涉及一种自适应仿生复合材料螺旋桨叶片。
技术介绍
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匀尾流场中，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力时刻均在变化，桨轴轴承力振动剧烈，而且由于攻角的变化，桨叶表面的压力峰值时大时小，出现极不稳定的空泡流导致了强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)。另一方面，多工况船舶(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)以上不同的工况。为了在各工况下，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《对于多工况船舶推进性能的探讨》作者盛振邦朱文蔚)，增加了船舶的整体制造成本。
技术实现思路
本申请人针对上述的问题，进行了研究改进，提供一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匀尾流场中螺旋桨的激振力，对于多工况船舶螺旋桨能在自航及系柱等多工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，本技术采用如下的技术方案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,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。进一步的所述叶片本体的侧斜分布是从叶根到叶稍逐渐增大，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力性能。本技术通过流固耦合设计计算研究，提供了一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匀尾流场中螺旋桨的激振力，另一方面对于多工况船舶螺旋桨能在自航及系柱等多工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。本技术的技术效果在于本技术公开的一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。附图说明图I为本技术的结构示意图。图2为叶片本体任一剖面的工作状态示意图。具体实施方式以下结合附图对本技术的具体实施方式作进一步详细的说明。如图I所示，由导边部I及随边部2构成叶片本体100，导边部I以螺旋桨参考线轴200为中心设置，导边部I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增大，使得随边部2分布于参考线轴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强度要求。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I中的各剖面可以看到，拱度分布在导边部I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。本技术的叶片本体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对本技术的工作原理作出说明。图2为叶片本体100任一剖面的工作状态示意图，图2中2a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。当螺旋桨以某一转速工作在船体尾流场中，螺旋桨任一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时，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力也在不断的变化，构成了桨轴轴承力的变化，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，此时桨叶受力较大，桨叶剖面相对图中2a的不受力自由状态，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力差(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I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力变大。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，因此桨叶受力减小，结合上述受力较大现象，这种受力随速度攻角变化的现象为常规螺旋桨的推力和扭矩脉动。但对于本技术创造的桨叶相对图2中的2a不受力自由状态，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，由于受力较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力变小。本技术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力变化，减小了轴承力振动。除了轴承力振动外，螺旋桨在尾流中由于尾流的不均匀性，桨叶表面发生的空泡流现象将很不稳定，空泡的脉动将诱导强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。在本技术创造中提出的仿生螺旋桨叶片，从本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一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。2.按照权利要求I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增大，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...
【专利技术属性】
技术研发人员：曾志波，姚志崇，洪方文，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七○二研究所，
类型：实用新型
国别省市：
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