該集團成功地開發(fā)了一種螺旋槳，這種螺旋槳具有降低船舶能耗和維護成本、提高水動力效率和降低噪音的潛力。此外，螺旋槳的造價還有可能同時吸引軍用和民用的造船商。這一技術(shù)獲得了2018年JEC亞洲復合材料展創(chuàng)新獎項。

 

FabHeli來自“Fabriqué”——制造的縮寫；和“Heli”——法語螺旋槳的意思。Loiretech是復合材料模具的設(shè)計者和制造商，領(lǐng)導著這個聯(lián)合集團。其合作伙伴包括海軍潛艇和水面艦艇的設(shè)計者/建造者NAVAL集團，以及制造創(chuàng)新復合材料結(jié)構(gòu)的Méca公司。分包商包括測試、檢驗和認證服務提供商Bureau Veritas，以及為新螺旋槳提供測試容船的AML造船廠。

 

該項目始于2016年4月，由Mecafrance公司為機械方面進行數(shù)字化和計算，海軍集團為流體動力方面進行計算，以便對碳纖維復合螺旋槳進行尺寸測量，其尺寸是其金屬螺旋槳的兩倍。目標是滿足高要求的規(guī)格——螺旋槳在使用時會承受很大的機械負荷，因此有必要開發(fā)新的設(shè)計概念、生產(chǎn)技術(shù)和表面處理方法。

 

在這個項目中，該聯(lián)合集團展示了復合螺旋槳相對于金屬螺旋槳的幾個優(yōu)勢。一個是節(jié)省燃料，這對于軍事客戶和民用市場都很重要。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，該聯(lián)盟使用自適應剖面計算方法來計算、測試和模擬各種螺旋槳設(shè)計中水流（水動力行為）和葉片旋轉(zhuǎn)的影響。

 

葉片有三個主要組件。Loiretech負責營銷和創(chuàng)新的副總裁Franck Bourcier說：

 

“前緣非常重要，因為它必須將水流分開。其次是葉刃的表面，因為你必須始終保持葉刃和水的接觸。如果在某些時刻失去聯(lián)系，就會失去準確性，而這正是我們所追求的。你還必須有一個非常薄的尾緣，以避免空化。尾緣越薄，效果越好，葉片效率越高。空化是由于螺旋槳的運動而在液體中形成氣泡。”

 

令軍方特別感興趣的是，這種復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。項目另一個設(shè)計目標，是能夠讓單個潛水員進行螺旋槳葉片的更換。目前這是一項困難的雙人任務。

 

Meca高級結(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，這個連接點可以拆卸下來，并適用于樹脂傳遞模塑成型（RTM）工藝。接頭和連接往往是復合材料中最薄弱的環(huán)節(jié)，對于船用螺旋槳來說，這個接頭的載荷是巨大的。”

 

解決方案是在每個葉片的底部添加一個集成的、再包覆成型的插入件，然后用八個大螺絲將葉片固定在金屬輪轂上。這種復合推進器很輕，一個潛水員就可以操縱。

 

該團隊使用RTM技術(shù)制造螺旋槳，從三個干纖維預制件開始，一個用于螺旋槳葉片的每側(cè)，另一個用于連接底部。通過計算特定區(qū)域碳纖維的數(shù)量和取向，優(yōu)化了鋪層操作，以滿足葉片的水動力強度要求。

 

團隊為葉片的核心開發(fā)了一種定制的輕質(zhì)復合材料，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，所以浪費更少。研究小組選擇了一種環(huán)氧樹脂來提供硬度，因為它不易受到海港水域中的油污影響。

 

采用單次注射（single-shot）樹脂傳遞模塑（RTM）工藝分別對厚（高達30mm）環(huán)氧復合材料葉片進行模塑。帶有動鐵芯的三件式工具用于適應葉片底部的削弱變化。在加工過程中，在混合頭處有三個壓力棒，樹脂在60℃固化。葉片分別附接到一個模壓過的金屬輪轂上。

 

“造船廠的老板已經(jīng)習慣了使用金屬葉片，他們不確定復合材料葉片是否能夠滿足機械要求。”Bourcier表示。船員們在困難條件下對螺旋槳進行了測試，全速倒車并且沒有任何損傷的情況下進行急轉(zhuǎn)彎。“這對他們來說是一個巨大的驚喜；我們能夠證明概念時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項目。”

 

該項目組也在努力實現(xiàn)產(chǎn)品的成本效益。根據(jù)其計算，如果購買的螺旋槳數(shù)量少于30個，那么金屬螺旋槳比復合材料的更為便宜；但如果該數(shù)量超過50個，則復合材料具有優(yōu)勢。

 

該集團希望建造另一個原型，這樣它就可以用復合螺旋槳取代Le Palais上的兩個金屬螺旋槳，并更好地測量空化現(xiàn)象的減少。它還希望建造一個13英尺直徑的螺旋槳，或許還能設(shè)計一個復合曲軸，進一步提高效率。Bourcier補充說，螺旋槳的未來發(fā)展將取決于該財團能夠獲得的資金。