КОМПОЗИТНАЯ ЛОПАСТЬ ГРЕБНОГО ВИНТА
PROPELLER COMPOSITE BLADE

Изобретение относится к области судостроения, а именно к конструкции композитной лопасти гребного винта и может быть использовано в гражданском и военном судостроении с целью снижению уровней вибрации и шума движителя, в первую очередь - кромочного шума лопастей.
Известна пустотелая лопасть судового гребного винта (патент на изобретение РФ №2368534, опубликован 27.09.2009 Бюллетень №27), которая имеет саблевидный контур формы и выполнена листосварной. При этом внутренний силовой набор выполнен в виде силовой продольной балки, установленной в полости лопасти радиально по ее длине, и поперечных силовых элементов расположенных по цилиндрическим поверхностям. При этом внутренние пустоты лопасти заполнены композитным вибродемпфирующим композитным легковесным материалом. Такая конструкция обеспечивает снижение вибрации и кромочный шум лопасти при работе гребного винта, минимизирует излучение с дискретным спектром при сниженном весе лопасти и высоких прочностных характеристиках.
Недостатками данного технического решения являются необходимость изготовления лопасти как листосварной конструкции. Такая конструкция не обеспечивает точность формирования аэродинамического профиля сечения вследствие возникновения термических деформаций из-за большого количества сворных швов. Это ведет к усилению турбулентных пульсаций в пограничном слое на поверхности лопасти и снижает эффективность использования вибродемпфирующего композитного материала заполнителя с целью снижению уровней вибрации и шума движителя, в первую очередь - кромочного шума лопасти.
Наиболее близкое техническое решение, выбранное в качестве прототипа, является судовой движитель (патент на изобретение РФ №2130403, опубликован 20.05.1999), который содержит лопасти с размещенными на их поверхности демпфирующими элементами в виде механически закрепленных вставок, размещенных вдоль выходящей кромки каждой лопасти, при этом между поверхностями вставки и лопасти помещен слой вязкоупругого материала с целью снижению уровней вибрации и шума движителя.
Недостатками данного технического решения являются необходимость механического крепления вставок к лопасти, осуществляемого посредством заклепок, так как такой вид соединения обусловлен прочностью конструкции лопасти. Наибольшие амплитуды вибрации наблюдаются вдоль выходящих кромок лопасти, т.е. на участках минимальной толщины, а значит и минимального механического сопротивления по отношению к поперечным усилиям. Эффективность преобразования энергии изгибных колебаний кромочных участков лопастей в тепловую энергию определяется беспрепятственными сдвиговыми колебаниями слоя вязкоупругого материала. Наличие крепежа в виде заклепок препятствует малым смещениям вставок, что сильно уменьшает сдвиговые перемещения слоя вязкоупругого материала. Это снижает эффективность использования вязкоупругого слоя между лопастью и вставкой с целью снижения уровней вибрации и шума движителя.
Задачей, предлагаемого изобретения является создание композитной лопасти, в состав которой включен слой вязкоупругого материала с целью снижению уровней вибрации и шума движителя, в первую очередь - кромочного шума лопастей.
Техническим результатом является увеличение коэффициента механических потерь за счет улучшения использования диссипативных свойств вязкоупругого слоя, так как сдвиговые перемещения слоя вязкоупругого материала не ограничены механическим крепежом.
Технический результат достигается следующим образом. Композитная лопасть гребного винта, включающая сердечник из углепластика, слой вязкоупругого материала и наружную силовую оболочку из углепластика, по изобретению, слой вязкоупругого материала охватывает всю поверхность лопасти толщиной равной 3-7 толщинам слоя углепластика, сформированный в процессе отверждения композитной лопасти.
Толщина наружной силовой оболочки лопасти из углепластика составляет 0,2-0,3 максимальной толщины профиля лопасти.
Углы ориентации однонаправленных слоев углепластика в сердечнике композитной лопасти лежат в диапазоне -5°>>-25° относительно осевой линии лопасти.
Прочность конструкции обеспечивается наружной силовой оболочкой лопасти из углепластика и сердечником из углепластика.
Угол ориентации однонаправленных слоев углепластика в сердечнике композитной лопасти, лежащий в диапазоне от -5 до -25 градусов относительно оси лопасти, обеспечивает снижение изгибно-крутильной связанности в композитной лопасти, что снижает амплитуду результирующей нестационарной силы на каждой лопасти, а значит и гребном винте в целом.
Наружная оболочка из углепластика обеспечивает жесткую поверхность и форму сечения, соответствующую заданному аэродинамическому профилю. Прочность соединения сердечника из углепластика и наружной оболочки из углепластика обеспечивается адгезией слоя вязкоупругого материала в едином технологическом процессе изготовления. Поэтому композитная лопасть сохраняет монолитную структуру и ее прочность сохраняется максимальной. Слой вязкоупругого материала обеспечивает высокий коэффициент механических потерь композитной лопасти, что ведет к снижению уровней вибраций и шума движителя, в первую очередь - кромочного шума лопастей. Заявленная конструкция композитной лопасти имеет малый вес за счет низкой плотности углепластика.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где:
на фиг. 1 - представлена конструкция композитной лопасти гребного винта;
на фиг. 2 - показано направление углов укладки однонаправленных слоев углепластика композитной лопасти;
на фиг. 3 - сравнение уровней акустического давления монолитной лопасти из углепластика (1) и предлагаемой лопасти из углепластика, в состав которой включен слой вязкоупругого материала (2).
В таблице 1 - представлено сравнение величин экспериментально определенных коэффициентов механических потерь лопастей изготовленных из различных материалов:
Композитная лопасть гребного винта, в состав которой включен слой вязкоупругого материала имеет сердечник 1, выполненный из однонаправленного углепластика, слой вязкоупругого материала 2, наружной силовой оболочки 3, выполненной из углепластика (фиг 1). Толщина слоя вязкоупругого материала составляет 3-7 толщин слоя углепластика. Толщина наружной силовой оболочки из углепластика составляет 0,2-0,3 максимальной толщины лопасти. Сердечник 1 композитной лопасти выполнен из однонаправленного углепластика с углами ориентации слоев в диапазоне
-5°>>-25° относительно осевой линии лопасти, где  - угол ориентации слоев однонаправленного углепластика относительно осевой линии лопасти (фиг. 2). Наружная силовая оболочка 3 композитной лопасти выполнена из углепластика со структурой армирования [90°, 0°].
Композитная лопасть гребного винта работает следующим образом. При работе композитной лопасти как элемента гребного винта в заданном неоднородном поле скоростей, за счет углов ориентации однонаправленных слоев углепластика в сердечнике в диапазоне от -5 до -25 градусов относительно оси лопасти происходит уменьшение изгибно-крутильной связанности. Это снижает амплитуду результирующей нестационарной силы на каждой лопасти, а значит и гребном винте в целом, что приводит к уменьшению спектральных уровней сил и минимизации излучения гребного винта с дискретным спектром.
Наибольшие амплитуды вибрации наблюдаются вдоль выходящих кромок лопасти, т.е. на участках, где имеется минимальная толщина, а значит и минимальное механическое сопротивление по отношению к поперечным усилиям. Поэтому размещение в лопасти слоя вязкоупругого слоя между сердечником и оболочкой композитной лопасти приводит к преобразованию энергии изгибных колебаний участков лопастей в тепловую энергию, в результате сдвиговых перемещений внутри слоя вязкоупругого материала. Размещение слоя вязкоупругого материала по всей поверхности уменьшает вибрации не только концевых кромок лопасти, но и всей лопасти гребного винта в целом. В итоге существенно увеличивается потери колебательной энергии лопасти, которые характеризуются величиной коэффициента механических потерь композитной лопасти (табл. 1). В лопастях с большим коэффициентом механических потерь наблюдается увеличение потерь колебательной энергии и снижение уровней вибраций лопасти, следовательно, уменьшается составляющая звукового излучения, обычно называемая кромочным шумом (фиг. 3).
По сравнению с известными конструкциями лопастей гребного винта, предлагавшимися для уменьшения кромочного шума и снижения вибрации лопастей, данная конструкция композитной лопасти с использованием слоя вязкоупругого материала на всей поверхности соответствующей глубине 0,2-0,3 максимальной толщины профиля лопасти приводит к большему увеличению потерь колебательной энергии и уменьшению вибрации лопасти и обусловленного этими вибрациями звукоизлучением. Экспериментальные оценки на масштабном макете гребного винта с композитными лопастями показали, что пиковые уровни вибрации и шума гребных винтов на судах, где основные источники шума гребного винта, рабочего колеса водомета и т.д. обусловлены кромочным шумом и гидроупругими колебаниями их лопастей, могут быть снижены на 5-10 дБ (фиг. 3).
Предложенная конструкция композитной лопасти судового гребного винта при сохранении высоких прочностных характеристик позволяет снизить вибрацию и шум, возникающие под действием гидродинамических сил в процессе работы гребного винта в неоднородном потоке.
Практическая реализация заявляемого технического решения промышленной сложности не представляет, так как была проверена при изготовлении масштабного макета гребного винта с композитными лопастями для проверки эффективности предложенных отличительных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии этого решения условию патентоспособности «промышленная применимость».
Предлагаемая конструкция не нарушает типовой технологический процесс отверждения композитной лопасти гребного винта и не снижает конструкционной прочности композитной лопасти, что выгодно отличает его от прототипа.