玻璃纖維復合材料在某型氣墊船墊升風機葉片上的應用研究

姚 燦，潘光奇

玻璃纖維復合材料在某型氣墊船墊升風機葉片上的應用研究

姚 燦，潘光奇

（海軍裝備部駐武漢地區軍事代表局駐長沙地區軍事代表室，湖南 長沙，410000）

氣墊船通過墊升風機產生氣流，經由圍裙通道，向船底氣室供氣，依靠氣墊產生的墊升壓力以支撐船體懸浮于水面或地面航行，以此減小船體和接觸面之間的阻力、大航速可調范圍，使其具有極高的機動性。根據某型號氣墊船用墊升風機的設計要求，針對玻璃纖維復合材料葉片開展鋪層設計、強度計算、模態計算及強度試驗等方面進行了研究。研究表明：采用玻璃復合材料的葉片可以達到輕量化的要求，應力計算和模態計算結果均滿足使用要求，使用過程中不會破壞也不會發生共振。通過強度試驗驗證在極限轉速情況下最大應變值為2 747 με，遠小于材料的應變極限，葉片未發生破壞。

墊升風機；葉片；輕量化；玻璃纖維

0 引言

氣墊船是一種懸浮于航行面的高性能船舶，由于能夠同時行駛于地面、冰面和水面而兼具飛行器及常規船舶航行特性。氣墊船操縱與一般水面船不同，具備推進系統和獨特的墊升系統。利用墊升風機將氣流注入船體下方的圍裙和氣室內，在船體與航行面之間產生一層氣墊，依靠船底部的高壓氣墊使船體浮起，可以使氣墊船航行時與航行面完全脫離，從而具備了登灘、登坡和越障能力[1]。自氣墊船問世以來，墊升風機作為氣墊船特有的主要動力裝置，使之安全可靠工作，一直倍受人們的重視。墊升風機屬于氣墊船的關鍵動力系統，為船體懸浮于水面或地面提供升力。墊升風機葉片是墊升風機的重要承載部件，其載荷工況和工作環境非常嚴酷。墊升風機葉片工作時高速旋轉，除承受巨大的離心力外，葉片表面還將受到顯著的面壓力載荷；葉片長期工作在濕熱及霉菌環境下，并伴隨著嚴重的海水水花飛濺及砂石沖刷[2]。復合材料具有密度低、比強度和比模量高、抗疲勞/蠕變/沖擊性能好、結構可設計性強等優點，成為當今風機葉片的首選。風力發電機葉片多采用玻纖增強復合材料，增強材料一般采用玻璃纖維[3]。常超根據現有某型號氣墊船軸流式墊升風機的設計要求，從選材、強度計算、成型方法等方面對氣墊船用墊升風機葉片的輕量化進行對比研究，研究表明：采用鋁合金或碳纖維復合材料的葉片可以達到輕量化的要求，碳纖維復合材料葉片的安全性高于鋁合金葉片且通過頻率隔離裕度寬，采用一定方式鋪層的碳纖維可達到固有頻率高且強度好的效果[4]。

本文參考某型號氣墊船墊升風機設計要求[4]，設計參數如下：流量300 m3/s，全壓12 200 Pa，轉速1 320 r/min，單片葉片重量應小于37.5 kg。采用玻璃纖維開展鋪層設計，從應力計算、模態計算和強度試驗等方面對氣墊船用玻璃纖維復合材料墊升風機葉片的可行性進行研究。

1 葉片結構形式與材料

墊升風機葉片使用環境對耐濕度以及溫度要求較高，葉片主體選用耐腐蝕性較強的玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料，葉根主要承受離心力及氣動載荷帶來的彎矩，葉身保證葉片的氣動性能。不改變原有葉片的高效氣動優化設計，單純采用玻璃纖維進行鋪層設計。葉片形狀如圖1所示。針對高強度低密度輕量化的設計目標，采用高強S玻纖材料作為研究對象，設計重量為36.5 kg，滿足單片葉片重量要求。材料的力學性能如表1所示。

圖1 葉片三維造型圖

表1 材料力學性能表

2 葉片鋪層設計

依據復合材料結構件的設計原則[5]，結合墊升風機葉片的載荷工況，葉片鋪層設計圖如圖2所示。鋪層設計原則如下：

1）葉根位置較厚，葉身較薄，采用錯層的方式進行逐層減薄，并盡量進行對稱和平衡鋪層，遞減鋪層應盡可能距離中面大小交替鋪放，避免由于鋪層遞減形成的樹脂淤積集中在一起，造成應力集中；

2）葉片鋪層由0°、90°、±45°組成，總體0°方向占比50%，±45°方向占比40%，90°方向占比10%；

3）葉根接頭螺栓孔為關鍵部位，承載離心力和氣動載荷帶來的彎矩，通過鋪層設計以保證連接處有足夠的剪切和擠壓強度，利于載荷擴散和改善應力集中。

圖2 葉片鋪層設計及展開圖

3 葉片強度分析

3.1 應力計算

對葉片葉根與輪轂接觸面施加固定約束條件，以葉輪軸線作為旋轉軸，施加1 320 r/min的離心力載荷和氣動載荷，計算葉片的應力分布。得到葉片的應力如圖3所示。從圖中可以看出葉片各方向的應力值S11（119MPa、-125MPa），S22（16MPa、-11MPa），S33（8MPa、-13MPa），S12（26MPa、-23MPa），S13（10MPa、-9MPa），S23（3MPa、-6MPa）。各方向的最大應力值為125MPa，均小于S玻纖材料的許用強度值。

圖3 額定轉速和氣動載荷工況應力云圖

3.2 葉片的模態計算

根據本方案軸流風機使用環境的特殊性，開展葉片模態分析[6]，以期共振頻率避開風機自身的固有頻率，確保使用中的安全可靠。對葉片接頭做邊界約束后，利用有限元軟件進行模態求解計算，并提取出前6階固有頻率，得到葉片的前6階模態如表2所示。前六階的模態振型如圖4所示，一階擺動、二階扭轉、三階扭轉、四階彎扭、五階彎曲、六階葉尖彎扭。

表2 玻璃纖維葉片前6階固有頻率

圖4 玻璃纖維葉片前6階振型圖

可以看出，玻璃纖維葉片固有頻率避開了工作轉速1 320 r/min所對應的22 Hz（基頻），在工作范圍內不會發生基頻共振激勵源頻率。

4 強度試驗

葉片在工作時，主要受到離心力和空氣載荷，通過計算離心力大小約為525 kN。在靜力加載時，同時分別施加離心力和空氣載荷。試驗安裝如圖5所示，測試加載工裝與葉根固定工裝之間的葉片的應變值，應變片的粘貼部位如圖6和圖7所示。試驗過程分為兩個階段，第一階段為離心力的加載，從0加載至525 kN；第二階段為面壓力的加載，將離心力載荷保持在525 kN，空氣載荷從0加載至3 kN。

圖5 靜力強度測試安裝圖

圖6 迎風面應變片編號及安裝位置圖

圖7 背風面應變片編號及安裝位置圖

從應變片數據結果看到應變片12號和應變片16號的值大于其他應變片的值，具體的數值如表3所示，12號與16號的應變-載荷曲線如圖8所示。

表3 離心力載荷下12號與16號應變片應變值變化表

圖8 位置12號與16號應變-載荷曲線

從圖8可以看到，離心力從0加載至525 kN過程中，應變變化線性度好，加載至525 kN時，最大應變值為2 747 με，遠小于材料的應變極限，葉片未發生破壞。

5 結論

1）氣墊船用墊升風機葉片需滿足高強度、低密度、輕量化的設計要求，從選材上來看，玻璃纖維復合材料可以滿足要求；

2）使用高強S玻璃纖維，采用0°、90°、±45°鋪層設計，總體0°方向占比50%，±45°方向占比40%，90°方向占比10%，應力計算及模態計算結果表明強度滿足實際工況條件，葉片固有頻率避開了工作轉速1 320 r/min所對應的 22 Hz（基頻），在工作范圍內不會發生基頻共振激勵源頻率。

3）通過模擬高速旋轉向心力及空氣載荷開展強度試驗，試驗結果表明葉片從風機啟動到達到額定轉速過程中，應變變化線性度好。在極限轉速情況下，最大應變值為2747με，遠小于材料的應變極限，葉片未發生破壞。

[1] 于亦凡, 劉軍, 等.全墊升氣墊船控制研究綜述[J].艦船科學技術, 2012(9): 11-15.

[2] 吳文虎. 氣墊船墊升風扇[J]. 船舶, 2001(6): 34-38.

[3] 巴曉蕾, 梁吉鵬, 等. 全尺寸墊升風機復合材料葉片疲勞試驗加載技術研究[J]. 強度與環境, 2020(6): 17-23.

[4] 常超, 于躍平, 等.氣墊船用墊升風機葉片輕量化研究[J]. 風機技術, 2020(6): 73-78.

[5] 撒興軍, 劉明霞, 楊岐平, 等. 大型軸流壓縮機靜葉片選材方案的設計與計算[J].風機技術, 2016(1): 61-64.

[6] 周丹. 大功率風力機葉片模態及氣動特性分析[J]. 流體機械, 2015(12): 33-36.

Applied research of glass fiber composite material on a type of hovercraft lift fan blade

Yao Can，Pan Guangqi

(Naval Armament Department in Wuhan regional military representative Bureau in Changsha regional military representative office，Changsha 410000, Hunan, China)

U674.943

A

1003-4862（2024）03-0070-04

2023-11-13

姚燦（1981-），男，工程師，研究方向：復合材料在航空艦船領域應用。E-mail：canbao61@163.com