下一代船舶螺旋桨复合材料技术综述

在全球航运业追求高效、环保与可持续发展的背景下，船舶推进系统的技术革新成为行业关注的核心焦点。传统金属螺旋桨虽已应用多年，但在推进效率、噪声控制、重量优化及维护成本等方面逐渐显现瓶颈。欧盟“地平线欧洲” 计划资助的CoPropel项目，汇聚了5个国家9家机构的科研与产业力量，以先进复合材料为核心，构建了从理论建模、精准制造到实验验证的全链条研发体系，成功推动船舶复合材料螺旋桨技术迈向成熟化与商业化，为下一代船舶推进系统提供了创新性解决方案。

一、项目概况与研发体系

CoPropel 项目由法国 Loiretech 公司担任技术牵头方，希腊约阿尼纳大学作为项目协调单位，联合了来自法国、英国、希腊、保加利亚等5个国家的4家科研机构、4家工业合作伙伴及1家认证机构（法国船级社），形成了跨学科、跨领域的研发consortium。项目以 “技术成熟度达到5-6 级” 为目标，通过 “金字塔式验证” 策略，从复合材料试样测试、小尺度原型机研发，逐步推进至全尺寸样机海试，实现了技术从实验室到实际应用的稳步转化。同时，项目团队同步更新复合材料螺旋桨指导文件，为后续组件认证提供标准支撑，有效降低了新技术在船舶产品中集成的风险。

项目的核心目标是研发一款集成结构健康监测（SHM）系统的船用复合材料螺旋桨，在降低运营商直接运营成本的同时，最大限度减少环境影响。其研发体系涵盖四大关键环节：一是基于新型力学与水动力耦合方法的数值建模与优化；二是兼顾可维护性与结构强度的模块化设计；三是采用树脂传递模塑（RTM）工艺的高精度制造；四是多场景、全尺度的性能验证与测试。各环节紧密衔接，充分整合了 consortium 成员在流体力学、材料科学、精密制造、传感技术等领域的互补性专长，构建了完整的技术创新链条。

二、核心技术突破

（一）数值建模与优化技术

项目创新性地采用机械 - 水动力耦合数值方法，突破了传统螺旋桨设计中忽略材料变形影响的局限。复合材料叶片具有独特的柔性特征，在不同航行工况下会产生一定程度的形变，这种形变直接关联螺旋桨的螺距角，进而影响推进性能。研发团队通过模拟多种工作条件下的叶片形变规律，精准计算最优螺距角，实现了推进效率的最大化。数值模型验证结果显示，得益于不同巡航状态下的螺距自适应调整，复合材料螺旋桨相比传统金属螺旋桨平均效率提升8%，为后续性能优化提供了坚实的理论基础。

此外，针对叶片与轮毂连接部位的结构强度问题，项目团队重点开展了数值仿真与实验验证。叶片根部连接既要实现从工作表面到轮毂的平滑过渡，又要承受“紧急停车” 等极端工况下的剧烈内应力。通过专用演示样机的测试，数值计算结果得到充分验证，确保了连接结构在复杂航行条件下的可靠性。

（二）模块化设计与维护革新

传统金属螺旋桨多为整体铸造结构，一旦单个叶片受损，需将船舶驶入干船坞进行整体更换，不仅维护成本高昂，还会导致长时间停航。CoPropel项目创新性地采用 “叶片 - 轮毂螺栓连接” 设计，通过优化装配方案，实现了潜水员在水下直接更换单个叶片的功能，无需依赖干船坞设施。这一设计大幅降低了维护成本与停航时间，显著提升了船舶运营的灵活性。

在装配方案选型过程中，研发团队对比了多种技术方案，最终以“成本效益” 和 “水下可维护性” 为核心决策依据，确定了螺栓连接的模块化结构。该设计在小尺度与全尺度演示样机中均得到成功应用，其结构强度与密封性通过了一系列严苛测试，为实际船舶应用奠定了基础。

（三）先进制造工艺与材料创新

1. 树脂传递模塑（RTM）工艺

项目采用RTM工艺作为核心制造技术，成功生产了试样、小尺度（直径 250mm）及全尺度（直径1100mm）演示样机。相比其他复合材料制造工艺，RTM 具有显著优势：通过模具精确控制叶片内外表面形状，确保纤维体积分数的稳定性；能够直接成型带有装配孔的近净形零件，减少后续加工工序，同时降低水分渗入风险；可实现最优重量控制，便于螺旋桨的静动平衡调试。

为保证制造重复性（最大厚度达25mm），预成型工艺被列为关键步骤。最终的干态预成型体分为内表面、外表面和轮毂三个子部件，结构健康监测系统的光纤传感器与应变片在该阶段被嵌入预成型体中，实现了传感元件与复合材料结构的一体化集成。针对叶片根部连接形成的倒扣结构，项目设计了可移除的真空 / 压力密封型芯；为解决光纤（直径0.1mm）与应变片电线可能导致的泄漏问题，通过专用模具设计进行了优化。注射过程采用真空辅助低压注射技术，避免纤维与型芯位移，保护脆弱的光纤元件，后续通过施加后压力消除孔隙缺陷。实测结果显示，叶片重量偏差控制在±0.3%以内，充分验证了RTM工艺的高精度与稳定性。

2. 材料体系创新

复合材料螺旋桨的基体材料采用环氧树脂，增强相为工业级碳纤维，核心内部结构则采用专利技术“Silaxy®” 制成 —— 通过喷墨打印校准砂粒，结合3D打印与浸渍技术，在内部构建树脂分配通道，确保树脂在复杂结构中均匀分布。为提升叶片前缘与后缘的抗冲击性能，项目开发了集成编织物的专用工艺，该工艺不仅增强了抗冲击能力，还避免了 RTM 模具结合线处的纤维缺陷问题，确保了叶片关键部位的结构完整性。

（四）结构健康监测（SHM）系统集成

复合材料结构的一大优势在于其可嵌入监测元件的特性，CoPropel项目充分利用这一特点，集成了由光纤传感器（FOS）与标准应变片组成的SHM系统，实现对螺旋桨内部应力的实时监测。该系统能够检测冲击损伤、疲劳累积及内部缺陷，使螺旋桨具备 “自我感知” 能力，为预测性维护提供数据支撑。

水下环境中，传感数据向船载系统的传输是核心技术难点。项目团队通过技术攻关，成功验证了SHM系统的水下可靠性，在不影响复合材料结构性能的前提下，实现了稳定的数据传输。这一突破解决了船舶螺旋桨在线监测的关键瓶颈，不仅能够及时预警潜在故障，还能通过长期数据积累优化螺旋桨设计与运行参数，进一步提升推进效率与使用寿命。

（五）非破坏性检测技术应用

为确保复合材料螺旋桨的制造质量，项目测试并评估了多种非破坏性检测技术，包括数字射线检测（DR）、X射线计算机断层扫描（CT）与超声波检测。综合考量检测效率、缺陷识别能力、设备便携性等因素后，最终选择数字射线检测作为核心检测手段。该技术具有检测速度快、可直观显示内部缺陷区域、能准确定位并测量缺陷尺寸、设备可便携化等优势，同时也明确了其2D成像局限、面内缺陷检测困难、辐射安全风险及设备成本较高等不足，为实际应用中的检测方案优化提供了参考。

三、性能验证与测试结果

（一）多场景实验测试

项目开展了全面的性能验证测试，涵盖空泡水洞试验、开阔水域与浅水池测试、高速相机叶片挠度测量、水声学测试等多个场景。小尺度复合材料演示样机与金属螺旋桨的对比测试显示：在低水动力载荷条件下，两者效率差异不明显，这是由于低载荷下复合材料变形较小；而在高载荷条件下，复合材料螺旋桨的效率优势显著显现。

水声学测试结果表明，在5kHz以上高频段，复合材料螺旋桨的声学性能更优，噪声更低；而在30Hz以下低频段，金属螺旋桨表现更具优势，这一现象与复合材料螺旋桨为实现小型化而采用的尖锐后缘设计相关，该设计与制造工艺存在一定兼容性限制。

（二）实船海试验证

项目在286客位的 “Le Palais” 号船舶上开展了为期3天的海试，通过对比复合材料螺旋桨与传统金属螺旋桨的性能，生成了100339组实测数据。海试结果显示：

1.推进功率节省19%-26%，扣除发动机因功率差异产生的泵送效应后，实际燃油节省达8%；若搭配专用发动机与轴系，燃油节省率预计可提升至至少15%。

2.复合材料螺旋桨在船舶尾流中掀起的浪花更少，这一现象与其更宽的效率适用范围密切相关。

3.机动性测试表明，复合材料螺旋桨与金属螺旋桨在船舶操控性能上无显著差异，确保了其在实际航行中的安全性与可靠性。

功率节省带来的额外优势包括：可采用更紧凑的发动机与变速箱设计，降低船舶空间占用，同时为船舶系统集成提供更多灵活性，进一步优化船舶整体设计。

四、项目意义与未来展望

CoPropel项目历经3年研发，在数值计算、光学传感、水下数据传输、柔性材料测试、厚壁构件近净形注射、新型先进船舶技术认证准备等多个领域实现了技术突破，充分验证了复合材料螺旋桨的技术潜力。相比传统金属螺旋桨，复合材料螺旋桨在推进效率、噪声控制、重量优化、维护成本等方面具有显著优势，不仅能降低船舶运营成本，还能减少燃油消耗与碳排放，符合航运业绿色低碳的发展趋势。

项目的技术成果为复合材料螺旋桨的商业化应用奠定了坚实基础。为推动技术从研发阶段走向市场，项目团队计划组建新的联合工业项目（JIP）联盟，吸引更多行业伙伴参与，加速技术转化与规模化应用。未来，随着制造工艺的进一步优化、材料性能的持续提升及认证体系的不断完善，复合材料螺旋桨有望在各类船舶中广泛应用，成为船舶推进系统的革命性技术，为全球航运业的可持续发展注入新动力。

参考资料：JEC、CoPropel