一种复合材料螺旋桨桨叶

1.本发明属于船用螺旋桨技术领域，具体涉及一种复合材料螺旋桨夹层桨叶结构。

背景技术：

2.螺旋桨噪声是船舶尤其是水下航器的辐射噪声及自噪声来源。考虑材质及结构设计对螺旋桨辐射噪声和自噪声的影响，形成了螺旋桨的减振降噪技术。金属螺旋桨主要在几何形状上对水动力性能进行匹配设计和多参数优化，其低噪声设计主要局限于通过降低空泡起始航速、优化剖面压力分布改善尾流场等设计避免产生空泡噪声或改善噪声源品质。上述措施牺牲了螺旋桨的推进效率，在中高航速情况下辐射噪声和自噪声等减振降噪效果并不明显，另外金属螺旋桨容易遭受腐蚀、空泡、疲劳等损伤，可设计空间有限。
3.另一方面，现有复合材料螺旋桨桨叶主要采用全碳纤维或玻璃纤维的实心结构实现了对金属材料的全部或部分替换，与金属螺旋桨相比，具有低重量、抗疲劳优点，同时起到一定减振降噪作用。然而这种复合材料螺旋桨的桨叶对中高频的辐射噪声和自噪声减振降噪效果有限，局限于仅利用了复合材料体系自身的材料属性。由于所用复合材料刚度比金属螺旋桨中的合金材料刚度小，因而复合材料的使用降低了复合材料螺旋桨的整体刚度从而导致其牺牲了部分推进效率。

技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于针对上述现有金属螺旋桨声学性能差，尤其是中高频下辐射和自噪声减振降噪效果不理想，以及现有复合材料螺旋桨单纯通过材质属性减振降噪效果有限且推进效率下降过多等不足，提供一种复合材料螺旋桨桨叶，通过复合材料桨叶的夹层分区、蒙皮刚度分区、总体弯扭耦合变形的结构设计，以及轻质高阻尼材料方面进行结构功能一体化综合设计，实现复合材料螺旋桨在中高频段下具有明显减振降噪效果同时保障较高的推进效率。
5.本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
6.一种复合材料螺旋桨桨叶，包括蒙皮和夹芯，所述蒙皮包覆于所述夹芯的表面，所述蒙皮采用纤维增强复合材料，所述夹芯采用高阻尼黏弹性材料；所述螺旋桨桨叶划分为导边区、随边区和叶梢区三个区域，通过蒙皮的纤维铺层角度设计和/或纤维种类设计实现三个区域的分区刚度要求和弯扭耦合变形要求；
7.所述蒙皮的纤维铺层角度设计为：在所述导边区和叶梢区，所述蒙皮的纤维铺层方式以单层纤维布l向与螺旋桨0
°
方向呈-30
°
至30
°
夹角为主，该类纤维铺层层数占所在区域蒙皮的总铺层层数的90％以上；在所述随边区，所述蒙皮的纤维铺层方式以单层纤维布的t向与螺旋桨0
°
方向呈30
°
至-30
°
夹角为主，该类纤维铺层层数占所在区域蒙皮的总铺层层数的90％以上；同时在蒙皮相同分区内，对称厚度上的叶面纤维布的铺层方向与叶背纤维布的铺层方向以交叉铺层为主，两处纤维布的l向之间的交叉角小于45
°
，纤维交叉铺层的层数占所在区域蒙皮总铺层数的90％以上；
8.所述蒙皮的纤维种类设计为：所述蒙皮在导边区和叶梢区采用的纤维增强复合材料其l向拉伸模量大于在随边区采用的纤维增强复合材料。
9.上述方案中，所述螺旋桨桨叶通过第一边界和第二边界划分为三个区域，所述第一边界为半径ar的圆柱面与螺旋桨桨叶的切面，所述第二边界为在br～ar旋转半径范围内平分桨叶导边和随边且平行于螺旋桨旋转轴的曲面；其中，r为螺旋桨桨叶的最大旋转半径，a和b为系数，并满足0＜b＜0.4＜a＜1，a的具体值根据减振降噪要求确定，b的具体值根据桨毂半径确定。
10.上述方案中，所述夹芯采用阻尼损耗因子大于0.3的高阻尼黏弹性材料。
11.上述方案中，三个区域之间的纤维布相互延伸10mm以上的距离，形成啮合的犬牙交错铺层状态，从而保障各分区之间的紧密联系和螺旋桨结构安全。
12.上述方案中，复合材料螺旋桨桨叶还包括加强筋，所述加强筋分布于所述夹芯中，且位于所述导边区；加强筋的外轮廓与夹芯外表面的型线保持一致，并嵌入蒙皮中。
13.上述方案中，所述加强筋采用纤维增强复合材料或金属材料，当加强筋采用纤维增强复合材料时，其内部交叉处通过卡扣式结构连接并在接触表面使用树脂胶强化连接，当加强筋采用金属材料时，其内部交叉处采用焊接；所述加强筋与夹芯之间采用胶合连接，成型后的带加强筋的夹芯整体通过所述蒙皮进行包覆，所述蒙皮与夹芯之间、蒙皮与加强筋之间采用胶合连接。
14.上述方案中，所述加强筋采用全纵向筋布置方式，包括若干纵向加强筋；所有纵向加强筋根部均集中于桨叶根部，纵向加强筋另一端至所述夹芯边界处终止。
15.上述方案中，所述加强筋采用纵横筋交错布置方式，包括若干纵向加强筋和横向加强筋；所有纵向加强筋根部均位于桨叶根部，纵向加强筋另一端至所述夹芯边界处终止；所有横向加强筋根部均起始于最靠近随边区的端部纵向加强筋，横向加强筋另一端至所述夹芯边界处终止。
16.上述方案中，最靠近随边区的端部纵向加强筋，其根部起始于叶根中面，另一端终止于夹芯导边边界与第一边界的相交处；所述第一边界为半径ar的圆柱面与螺旋桨桨叶的切面，r为螺旋桨桨叶的最大旋转半径，0.4＜a＜1，a的具体值根据减振降噪要求确定。
17.上述方案中，所述蒙皮外表面形状由螺旋桨桨叶的设计外形决定，蒙皮内表面形状由所述夹芯的外表面轮廓决定；所述夹芯的空间形状依据螺旋桨总体的减振降噪和结构强度要求确定，其中，夹芯的厚度由桨叶叶面和叶背的设计线型按照一定比例缩比，缩比比例范围为0.4-0.8，夹芯的边界由桨叶的导边和随边按照一定比例缩比，缩比比例范围为0.4-0.9，夹芯根部与蒙皮根部表面线型一致。
18.本发明的有益效果在于：
19.1、本发明复合材料螺旋桨桨叶的蒙皮使用高阻尼纤维增强复合材料、桨叶内部加高阻尼黏弹性材料制作的夹芯后，可明显改善螺旋桨的振动响应从而提高减振降噪效果。
20.2、螺旋桨蒙皮通过纤维铺层方式实现分区刚度和弯扭耦合变形设计，具体措施是：根据螺旋桨的减振降噪、刚度变形和结构强度要求将蒙皮分为导边区、随边区和叶梢区，通过纤维铺层角度和/或纤维种类设计，使导边区和叶梢区弯曲刚度大、扭转刚度小，而随边区弯曲刚度小、扭转刚度大，同时蒙皮的叶面和叶背采用交叉角度铺层方案使叶面和叶背的翘曲变形更加明显，从而达到增加弯扭耦合变形效果的目的，最终实现降低螺旋桨
在伴流场中桨叶表面压力脉动产生的非定常力从而增强减振降噪效果。
21.3、螺旋桨桨叶夹芯内部增设加强筋后，使螺旋桨弯曲刚度和扭转刚度实现异步增减，即弯曲刚度变大的同时扭转刚度变小，从而提高螺旋桨的弯扭耦合变形效果，降低螺旋桨在伴流场中的表面压力脉动产生的非定常力，从激励端提高减振降噪的效果。另外，加强筋提高了桨叶的整体刚度改善其固有频率分布特性，降低低频处的振动响应。另外，加强筋提高了复合材料桨叶的刚度和承载力，有助于保障螺旋桨的推进效率少下降或不下降。
附图说明
22.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
23.图1-2是本发明复合材料螺旋桨桨叶的第一实施例的结构示意图；
24.图3是本发明复合材料螺旋桨桨叶分区示意图；
25.图4-5是本发明复合材料螺旋桨桨叶的第二实施例的结构示意图；
26.图6是本发明复合材料螺旋桨桨叶的第二实施例的中间剖面示意图；
27.图7是图6的局部结构放大图。
28.图中：1、蒙皮；2、夹芯；3、加强筋；31、纵向加强筋；32、横向加强筋；4、第一边界；5、第二边界。
具体实施方式
29.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
30.第一实施例：
31.如图1-2所示，为本发明第一实施例提供的一种复合材料螺旋桨桨叶，包括蒙皮1和夹芯2，蒙皮1包覆于夹芯2的表面。蒙皮1外表面形状由螺旋桨桨叶的设计外形决定，蒙皮1内表面形状由夹芯2的外表面轮廓决定，总体上，蒙皮1在导边侧厚度大、在随边侧厚度小。夹芯2的空间形状依据螺旋桨总体的减振降噪和结构强度要求确定，具体地，夹芯2的厚度由桨叶叶面和叶背的设计线型依据上述要求按照一定比例缩比，缩比比例范围为0.4-0.8；夹芯2的边界由桨叶的导边和随边依据上述要求按照一定比例缩比，缩比比例范围为0.4-0.9；夹芯2根部与蒙皮1根部表面线型一致。蒙皮1采用纤维增强复合材料，如碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维增强复合材料等。夹芯2采用阻尼损耗因子大于0.3的高阻尼黏弹性材料，如聚氨酯、橡胶、硅橡胶等，可显著降低直发声、结构辐射声及激振沿轴系的传递。
32.依据螺旋桨的减振降噪和结构强度要求，通过第一边界4和第二边界5将螺旋桨桨叶划分为导边区、随边区和叶梢区三个区域，如图3所示，第一边界4为半径ar的圆柱面与螺旋桨桨叶的切面，r为螺旋桨桨叶的最大旋转半径，0＜a＜1，a的具体值根据减振降噪要求确定，本实施例中，a＝0.8；第二边界5为在br～ar旋转半径范围内平分桨叶导边和随边且平行于螺旋桨旋转轴的曲面，br表示叶根处，具体取值根据桨毂半径确定，0＜b＜a，本实施例中，b＝0.2。在这三个区域内，通过蒙皮1的纤维铺层角度设计和/或纤维种类设计实现三个区域的分区刚度要求和弯扭耦合变形要求，即蒙皮1在导边区抗弯刚度大、扭转刚度小，在随边区抗弯刚度小、扭转刚度大，在叶梢区抗弯刚度大、扭转刚度小。具体地，蒙皮1的纤维铺层角度设计为：在导边区和叶梢区，蒙皮1的纤维铺层方式以单层纤维布l向(纵向)与
螺旋桨0
°
方向呈-30
°
至30
°
夹角为主，该类纤维铺层层数占所在区域蒙皮1的总铺层层数的90％以上；在随边区，蒙皮1的纤维铺层方式以单层纤维布的t向(横向)与螺旋桨0
°
方向呈30
°
至-30
°
夹角为主，该类纤维铺层层数占所在区域蒙皮1的总铺层层数的90％以上。依据结构强度的要求，三个区域之间的纤维布相互延伸10mm以上的距离，形成啮合的犬牙交错铺层状态，从而保障各分区之间的紧密联系和螺旋桨结构安全。在蒙皮1相同分区内，对称厚度上的叶面纤维布的铺层方向与叶背纤维布的铺层方向以交叉铺层为主，两处纤维布的l向之间的交叉角小于45
°
，有利于螺旋桨的弯扭耦合变形，例如叶面上导边区的纤维l向与螺旋桨的0
°
偏离30
°
，则叶背上导边区的纤维l向与螺旋桨的0
°
偏离角度为-30
°
；纤维交叉铺层的层数占所在区域蒙皮总铺层数的90％以上。需要说明的是，螺旋桨的0
°
方向是图3中x轴所指的方向，θ＞0表示铺层的正方向，铺层角度范围是-90
°
～90
°
。
33.蒙皮1的纤维种类设计为：蒙皮1在导边区和叶梢区采用的纤维增强复合材料其l向拉伸模量大于在随边区采用的纤维增强复合材料。本实施例中，在导边区和叶梢区，蒙皮1采用碳纤维；在随边区，蒙皮1采用玻璃纤维或凯夫拉纤维。
34.蒙皮1的上述设计有助于增加弯扭耦合变形效果，在兼顾结构安全的同时，起到降低螺旋桨在伴流场中桨叶表面压力脉动产生的非定常力从而增强减振降噪效果。
35.上述复合材料螺旋桨桨叶的结构中，蒙皮1的作用是主承载部件及刚度可控设计、弯扭耦合变形设计的直接体现部分，同时也起到一定减振降噪的重要作用。夹芯2的作用是提高螺旋桨的结构阻尼降低振动响应，是阻尼减振降噪的关键部分。
36.本实施例复合材料螺旋桨桨叶的蒙皮1和夹芯2的设计，可在保障螺旋桨结构安全和推进效率略微降低的前提下，综合性地扩大螺旋桨的弯扭耦合变形效果，从而顺应流场改善螺旋桨水动力的非定常周期性脉动而降低激励，达到较好的减振降噪效果。
37.第二实施例：
38.如图4-7所示，为本发明第二实施例提供的一种复合材料螺旋桨桨叶，包括蒙皮1、夹芯2和加强筋3，其中，蒙皮1和夹芯2的技术特征与第一实施例相同。加强筋3分布于夹芯2中，并依据“提高螺旋桨导边弯曲刚度、降低随边弯曲刚度、增加总体扭转刚度”的原则布置，因此将加强筋3布置于导边区；且加强筋3的外轮廓与夹芯2外表面的型线保持一致，并嵌入蒙皮1中。一种优选的加强筋3布置方案为：加强筋3采用全纵向筋布置方式，包括若干纵向加强筋31；所有纵向加强筋31根部均集中于桨叶根部，纵向加强筋31另一端至夹芯2边界处终止；最靠近随边区的端部纵向加强筋31，其根部起始于叶根中面，另一端终止于夹芯2导边边界与第一边界4的相交处(即图3中左侧的弯扭耦合参考点)。另一种优选的加强筋3布置方案为：加强筋3采用纵横筋交错布置方式，包括若干纵向加强筋31和横向加强筋32；其中，纵向加强筋31的布置方式与全纵向筋布置方式相同；所有横向加强筋32根部均起始于最靠近随边区的端部纵向加强筋31，横向加强筋32另一端至夹芯2边界处终止。
39.加强筋3的截面形式不限，但需要保障螺旋桨结构安全的同时提供足够的刚度使图3中两弯扭耦合参考点的弯扭耦合指标满足相应的指标要求，即两个弯扭耦合参考点在相同工作载荷下轴向的位移差值大于不设加强筋3的桨叶。一种优选的加强筋3的截面形式是工字梁型，如图7所示。此外，由于夹芯2内部增加了加强筋3，因此本实施例中夹芯2的区域边界可以大于不设加强筋3的桨叶。
40.加强筋3采用纤维增强复合材料(如碳纤维、玻璃纤维等)或金属材料(如船用高强
钢、工具钢、不锈钢、铝合金等)，当加强筋3采用复合材料时，其内部交叉处通过卡扣式结构连接并在接触表面使用树脂胶强化连接；当加强筋3采用金属材料时，其内部交叉处采用焊接。加强筋3与夹芯2之间采用胶合连接，成型后的带加强筋3的夹芯2整体通过蒙皮1进行包覆，蒙皮1与夹芯2之间、蒙皮1与加强筋3之间采用胶合连接。
41.本实施例复合材料螺旋桨桨叶增设加强筋3的目的是进一步增强螺旋桨桨叶的“分区刚度”设计，扩大桨叶弯扭耦合变形的效果，改善螺旋桨水动力的非定常周期性脉动，从激励端进一步减振降噪。同时，加强筋3还具有提高桨叶的整体刚度和承载能力、提高螺旋桨结构安全裕度和保障螺旋桨推进效率不下降或少下降的作用。
42.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：

1.一种复合材料螺旋桨桨叶，其特征在于，包括蒙皮和夹芯，所述蒙皮包覆于所述夹芯的表面，所述蒙皮采用纤维增强复合材料，所述夹芯采用高阻尼黏弹性材料；所述螺旋桨桨叶划分为导边区、随边区和叶梢区三个区域，通过蒙皮的纤维铺层角度设计和/或纤维种类设计实现三个区域的分区刚度要求和弯扭耦合变形要求；所述蒙皮的纤维铺层角度设计为：在所述导边区和叶梢区，所述蒙皮的纤维铺层方式以单层纤维布l向与螺旋桨0
°
方向呈-30
°
至30
°
夹角为主，该类纤维铺层层数占所在区域蒙皮的总铺层层数的90％以上；在所述随边区，所述蒙皮的纤维铺层方式以单层纤维布的t向与螺旋桨0
°
方向呈30
°
至-30
°
夹角为主，该类纤维铺层层数占所在区域蒙皮的总铺层层数的90％以上；同时在蒙皮相同分区内，对称厚度上的叶面纤维布的铺层方向与叶背纤维布的铺层方向以交叉铺层为主，两处纤维布的l向之间的交叉角小于45
°
，纤维交叉铺层的层数占所在区域蒙皮总铺层数的90％以上；所述蒙皮的纤维种类设计为：所述蒙皮在导边区和叶梢区采用的纤维增强复合材料其l向拉伸模量大于在随边区采用的纤维增强复合材料。2.根据权利要求1所述的复合材料螺旋桨桨叶，其特征在于，所述螺旋桨桨叶通过第一边界和第二边界划分为三个区域，所述第一边界为半径ar的圆柱面与螺旋桨桨叶的切面，所述第二边界为在br～ar旋转半径范围内平分桨叶导边和随边且平行于螺旋桨旋转轴的曲面；其中，r为螺旋桨桨叶的最大旋转半径，a和b为系数，并满足0＜b＜0.4＜a＜1，a的具体值根据减振降噪要求确定，b的具体值根据桨毂半径确定。3.根据权利要求1所述的复合材料螺旋桨桨叶，其特征在于，所述夹芯采用阻尼损耗因子大于0.3的高阻尼黏弹性材料。4.根据权利要求1所述的复合材料螺旋桨桨叶，其特征在于，三个区域之间的纤维布相互延伸10mm以上的距离，形成啮合的犬牙交错铺层状态，从而保障各分区之间的紧密联系和螺旋桨结构安全。5.根据权利要求1所述的复合材料螺旋桨桨叶，其特征在于，所述复合材料螺旋桨桨叶还包括加强筋，所述加强筋分布于所述夹芯中，且位于所述导边区；加强筋的外轮廓与夹芯外表面的型线保持一致，并嵌入蒙皮中。6.根据权利要求5所述的复合材料螺旋桨桨叶，其特征在于，所述加强筋采用纤维增强复合材料或金属材料，当加强筋采用纤维增强复合材料时，其内部交叉处通过卡扣式结构连接并在接触表面使用树脂胶强化连接，当加强筋采用金属材料时，其内部交叉处采用焊接；所述加强筋与夹芯之间采用胶合连接，成型后的带加强筋的夹芯整体通过所述蒙皮进行包覆，所述蒙皮与夹芯之间、蒙皮与加强筋之间采用胶合连接。7.根据权利要求5所述的复合材料螺旋桨桨叶，其特征在于，所述加强筋采用全纵向筋布置方式，包括若干纵向加强筋；所有纵向加强筋根部均集中于桨叶根部，纵向加强筋另一端至所述夹芯边界处终止。8.根据权利要求5所述的复合材料螺旋桨桨叶，其特征在于，所述加强筋采用纵横筋交错布置方式，包括若干纵向加强筋和横向加强筋；所有纵向加强筋根部均位于桨叶根部，纵向加强筋另一端至所述夹芯边界处终止；所有横向加强筋根部均起始于最靠近随边区的端部纵向加强筋，横向加强筋另一端至所述夹芯边界处终止。9.根据权利要求7或8所述的复合材料螺旋桨桨叶，其特征在于，最靠近随边区的端部
纵向加强筋，其根部起始于叶根中面，另一端终止于夹芯导边边界与第一边界的相交处；所述第一边界为半径ar的圆柱面与螺旋桨桨叶的切面，r为螺旋桨桨叶的最大旋转半径，0.4＜a＜1，a的具体值根据减振降噪要求确定。10.根据权利要求1或5所述的复合材料螺旋桨桨叶，其特征在于，所述蒙皮外表面形状由螺旋桨桨叶的设计外形决定，蒙皮内表面形状由所述夹芯的外表面轮廓决定；所述夹芯的空间形状依据螺旋桨总体的减振降噪和结构强度要求确定，其中，夹芯的厚度由桨叶叶面和叶背的设计线型按照一定比例缩比，缩比比例范围为0.4-0.8，夹芯的边界由桨叶的导边和随边按照一定比例缩比，缩比比例范围为0.4-0.9，夹芯根部与蒙皮根部表面线型一致。

技术总结

本发明涉及一种复合材料螺旋桨桨叶，包括蒙皮和夹芯，蒙皮包覆于夹芯的表面，蒙皮采用纤维增强复合材料，夹芯采用高阻尼黏弹性材料；螺旋桨桨叶划分为导边区、随边区和叶梢区三个区域，通过蒙皮的纤维铺层角度设计和/或纤维种类设计实现三个区域的分区刚度要求和弯扭耦合变形要求。本发明通过纤维铺层角度和/或纤维种类设计，使导边区和叶梢区弯曲刚度大、扭转刚度小，而随边区弯曲刚度小、扭转刚度大，实现降低螺旋桨在伴流场中桨叶表面压力脉动产生的非定常力从而增强减振降噪效果；可在螺旋桨桨叶夹芯内部增设加强筋进一步提高减振降噪的效果，同时提高复合材料桨叶的刚度和承载力，保障螺旋桨的推进效率少下降或不下降。降。降。