JPH11311101A

JPH11311101A - 繊維強化樹脂製翼構造体

Info

Publication number: JPH11311101A
Application number: JP11861698A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Kitano; 彰彦北野; Kenichi Yoshioka; 健一吉岡
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 1999-11-09

Abstract

(57)【要約】【課題】ＦＲＰ製の翼構造体の疲労寿命は、引張と圧
縮が混在する曲げ疲労にあるとの仮説に基づき、従来以
上の高い曲げ疲労強度を有する翼構造体を提供すること
を目的とする。【解決手段】補強繊維と樹脂からなる繊維強化樹脂製
の翼構造体であって、１）繊維強化樹脂は層構造を有しており、２）層中の補強繊維の配列角θを翼の長手方向となす角
度で定義するとき、θが−９度≦θ≦９度の範囲内であ
る層Ａと、θが５０≦θ≦７０度の範囲内にある層Ｂま
たは−７０≦θ≦−５０度の範囲内にある層Ｃとが連続
していることを特徴とする繊維強化樹脂製翼構造体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、風力発電用の風車
ブレード、ヘリコプターの回転翼、飛行機の主翼、尾翼
などの、翼あるいはブレードという名称で総称される繊
維強化樹脂（以下ＦＲＰと略す）製の翼構造体に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】ブレードとも呼ばれる翼には、風力発電
の風車ブレードやヘリコプターのように翼自体が回転し
て推力を担う回転翼と、ジェット飛行機のように、推力
はエンジンが担って、翼自体は回転などしない固定翼と
に分けられるが、回転翼、固定翼ともに、空気などの気
体中において、より小さい流体抵抗が得られるように、
流線型の翼断面構造を有している。

【０００３】さらに、固定翼、回転翼ともに気体中で運
動することから、軽量性が重要であり、金属よりも比強
度・比弾性の高い繊維強化樹脂製（以下ＦＲＰと略す）
の翼構造体が研究されている。

【０００４】繊維強化樹脂製の翼は、通常、プリプレグ
と呼ばれる繊維強化樹脂製のシート状物を積み重ねて形
成されるため、翼の断面は層構造を有している。そし
て、層中の補強繊維は翼の長手方向に配列している。

【０００５】中でも、回転翼においては、回転数の増減
に伴い、遠心力により翼の長手方向に増減する引張力が
発生するため、翼の長手方向に多くの繊維を配列させ
（例えば特開昭６４−６３１３２、特開平６−７４１４
２）、翼の引張−引張疲労による寿命の低下を防止する
設計がとられている。

【０００６】しかし、層構造においては、隣接する層同
士が複雑に影響しあうため、引張以外の例えば、圧縮力
が作用し、引張−引張疲労で設計した場合より、翼の寿
命は短くなるのが通例である。

【０００７】翼には振動等により圧縮やねじり、剪断等
が複雑に作用していることが推定されるが、それらの影
響を定量化するにはかなりの労力が必要であるため、従
来は、翼の長手方向に配列する繊維に加え、長手方向と
±４５度および９０度の方向に繊維を配列させた、等方
性に近い疑似当方性積層構成をとって対応していた。例
えば、特開平３−２７１５６６では配向角が１０乃至は
５０度の構成が、特開平６−６６２４４には長手方向の
一方向ロービング上にガラスクロスとガラスマットが包
帯状に積層された構成が開示されている。

【０００８】しかしながら、むやみやたらに、±４５度
方向や９０度方向に配列させるというやり方では、ＦＲ
Ｐの最大の利点である軽量効果を必ずしも生かしきった
積層構成とはいえず、しいては、翼用途へのＦＲＰのさ
らなる適用拡大を阻害しかねず、産業界は翼構造体によ
り適する積層構成を必要としていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記したＦ
ＲＰ製の翼構造体の疲労寿命は、引張と圧縮が混在する
曲げ疲労にあるとの仮説に基づき、従来以上の高い曲げ
疲労強度を有する翼構造体を提供することを目的とす
る。また、本発明のもう一つの目的は、そのような翼構
造体を設計・製造する技術を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的に沿う本発明の
翼構造体は、補強繊維と樹脂からなる繊維強化樹脂製の
翼構造体であって、１）繊維強化樹脂は層構造を有しており、２）層中の補強繊維の配列角θを翼の長手方向となす角
度で定義するとき、θが−９度≦θ≦９度の範囲内であ
る層Ａと、θが５０≦θ≦７０度の範囲内にある層Ｂま
たは−７０≦θ≦−５０度の範囲内にある層Ｃとが連続
していることを特徴とする繊維強化樹脂製翼構造体。

【００１１】もしくは、補強繊維と樹脂からなる繊維強
化樹脂製の翼構造体であって、１）繊維強化樹脂は層構造を有しており、２）層中の補強繊維の配列角θを翼の長手方向となす角
度で定義するとき、θが−９度≦θ≦９度の範囲内であ
る層Ａと、θが５０≦θ≦７０度の範囲内である層Ｂ
と、θが−７０≦θ≦−５０度の範囲内にある層Ｃとが
連続していることを特徴とする繊維強化樹脂製翼構造
体。

【００１２】を特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の翼構造体を図１〜３に示
す実施態様により説明する。本発明にかかる翼構造体の
軸、および補強繊維の配列角の定義は、特に限定される
ものではないが、図１で、その一例を説明する。本発明
における翼１の長手軸２は、翼の付け根部分の断面重心
３と翼の長さの１／２の断面重心４を結ぶ直線で定義す
る。なお、翼の長さは、プロペラにおいては０．５ｍ〜
５ｍ程度、ヘリコプターの回転翼では５ｍ〜１０ｍ程
度、風車翼では１０〜５０ｍ程度である。

【００１４】本発明にかかる翼構造体の構造は、特に限
定されるものではないが、軽量化を図るために、翼内部
に空洞を有する構造が好ましい。空洞とは、文字通り、
何ら部材が存在していない空間でも良いし、発泡体など
の強度保持性能が繊維強化樹脂に劣るか実質的に有さな
い部材で充填された空間でも良い。翼内部の空洞は翼の
体積の３０〜９０％が好ましく、４０〜８０％がより好
ましい。

【００１５】図２で、本発明にかかる翼構造体の構造の
一例を説明する。図２に示すように翼の断面は、前縁部
５と後縁部６を結ぶ上スキン７と下スキン８と呼ばれる
外板からなり、上スキンと下スキンの間には、翼の長手
方向に亘り、層構造を有するスパー９と呼ばれる棒状、
板状、コの字状、Ｃの字状、Ｉの字状、ロの字状（ボッ
クス状）の桁材が入っている。さらに、板状を除くスパ
ーは、スキンと接触しているフランジ部１０と翼の上と
下のフランジ部をつなぐウエブ部１１に分けることがで
きる。板状のスパーはフランジ部のみであることが多
く、ウエブの代わりにフォーム材を翼内部に充填したり
する。

【００１６】本発明において繊維強化樹脂製翼構造体と
は、翼構造体の少なくとも一部に前記層構成をなす繊維
強化樹脂製構造体を有するものであり、少なくとも翼内
部の桁材が繊維強化樹脂製であることが好ましい。上下
スキンは、カンバス地でもよいが、ＦＲＰ製であること
が好ましい。ただし、ＦＲＰ製の場合でも前記層構成を
有する必要はない。

【００１７】なお、補強繊維１２、樹脂１３はフランジ
部１０に隣接する上下スキン７、８に設けても良い。つ
まり、図２において、上下スキン７、８のうち、少なく
とも一方のフランジ部１０に隣接している部分について
は、スキンの他の部分より薄くするかあるいは、実質的
に欠落した構造として、スパーの一部、例えば図３のそ
の他の層１７等で置換されている構造でも良い。

【００１８】翼の曲げ疲労寿命に最も影響するのは図３
に示す、補強繊維１２と樹脂１３からなる繊維強化樹脂
（以下ＦＲＰ）からなる層構造を有するスパー９のフラ
ンジ部１０であり、少なくとも翼の長手軸に対し、±９
度以内の角度で配列する補強繊維を有する層Ａ１４と、
長手軸に対し、５０≦θ≦７０度の範囲内にある層Ｂま
たは−７０≦θ≦−５０度の範囲内にある層Ｃ１５とが
連続した構造を有している。また、必要によりその他の
層１７を積層しても良い。これは、層Ａ、Ｂ、またはＣ
であっても良いし、それ以外のＦＲＰ層であっても良い
し、場合によってはＦＲＰ層でなくても良い。

【００１９】層Ａは、主として翼の長手方向の剛性およ
び強度を担うものであるから、好ましい繊維の配列角度
は、＋９度〜−９度の範囲内であることが好ましい。翼
の長さが大きいほど翼の変形量が大きくなるので、配列
角度は上記範囲より０度方向に近い方が、特の剛性が高
くなりたわみが小さくなるので、より好ましい。尚、翼
の剛性を高くする他の方法として、翼の表面に近い位置
に層Ａを配したり、層Ａの厚みを大きくしたり、後述す
る炭素繊維などの高弾性率繊維をより多く使用すること
がある。

【００２０】層Ｂまたは層Ｃは、層Ａと連続することで
層Ａの曲げ疲労寿命を向上させる役割を果たす。層Ｂの
補強繊維の配列角θは、５０≦θ≦７０度の範囲内また
はまたは層Ｃの補強繊維の配列角θは−７０≦θ≦−５
０度の範囲内にある。θが本範囲内にあることで、翼の
曲げ寿命は著しく向上する。

【００２１】すなわち、層Ｂは、補強繊維の配列角度が
５０〜７０度の範囲内にあるため、層Ａの繊維直交方向
の変形を抑制する効果を有する。さらに、層Ａと連続す
るため、曲げ疲労時に層Ａが繊維直交方向へポアソン変
形して繊維がスプリッティングすることを妨げ、層Ａの
圧縮荷重負担能力を増加させる効果を有する。層Ｂの配
列角度７０度以上にすると、熱応力が大きくなり、結果
として曲げ寿命が低下する傾向にある。

【００２２】一方層Ｂの補強繊維の配列角度が５０度以
下であると、層Ａと層Ｂの層間が曲げ疲労下で剥離し易
く、結果として曲げ疲労寿命が低下する傾向にある。

【００２３】従って、層Ｂのθは、５０≦θ≦７０度の
範囲内であることが必要である。

【００２４】同様の理由により、層Ｃは−７０≦θ≦−
５０度の範囲内であることが必要である。

【００２５】本発明において、層が連続しているとは、
例えば、層の間に他の繊維強化樹脂等が挟まれずに隣接
した状態にあることでを指す。ただし、成形の際に層の
間に生ずる層間樹脂等は例外とする。

【００２６】層Ｂまたは層Ｃの厚みは、層Ａの拘束力を
強化するという目的では厚い方が好ましいが、翼の長手
方向の剛性を低下させるので、層Ａと、層Ｂまたは層Ｃ
の厚み比率は１：０．０５〜１：０．５の範囲内にある
ことが好ましい。本範囲より小さいと、曲げ疲労寿命の
向上効果が十分ではなく、大きいと長手方向の剛性が十
分ではなくなる可能性がある。より好ましくは１：０．
０５〜１：０．２の範囲内である。

【００２７】また、層Ｂまたは層Ｃの位置は、層Ａの曲
げ変形の大きい翼の外側（スキン側）を拘束するという
作用をもたせるためには、層Ａより外側に位置させる方
が好ましい。

【００２８】さらに、層Ｂ以外に、層Ｂと同様の拘束効
果をもつ繊維強化樹脂製の層Ｃを層Ｂととも併用するこ
とで、層Ａの曲げ寿命をさらに向上させることができ
る。この場合、層Ｃは、層Ｂまたは層Ａと連続してい
る。連続している必要がある理由は、拘束効果をより顕
著にするためであり、このことにより曲げ疲労寿命が大
幅に向上する。中でも、層Ｃが層Ａよりも表面側に位置
させると層Ｂの場合と同様の理由により好ましい。

【００２９】次に、層Ｂと層Ｃの位置を外側にしすぎる
と、翼の剛性が低下する方向にあるので、翼の曲げ剛性
を維持して、曲げ疲労寿命を向上させようとする場合に
は、層Ａは層Ｃおよび層Ｂで挟み込むことが好ましい。
この場合、層Ｃ、層Ｂともに層Ａと連続するので、Ａ層
の変形を拘束する効果がより高くなり、翼の曲げ疲労寿
命は飛躍的に向上する。層Ｂまたは層Ｃを複数層配する
ことでも拘束効果をさらに高めることもできる。

【００３０】この際、翼の長手方向の剛性を極端に低下
させないためには、層Ｂおよび層Ｃの１層の厚みを薄く
して、全体厚みは増加させずに、層の数を増加させるこ
とが極めて効果的である。

【００３１】中でも、層Ａに対し、層Ｂ、層Ｃからなる
層が鏡面対称であると、層Ａの面外変形が少なくなり好
ましい。面外変形は、翼構造体の厚みが薄いほど、ま
た、翼構造体が大きいほど顕著となるので、翼の厚みが
１０ｍｍ以下の場合には、層Ｂと層Ｃからなる層を、層
Ａに対し鏡面対称に近づけることが有効である。

【００３２】層Ｂおよび層Ｃを有する場合も前述した理
由により、層Ａに対する層Ｂと層Ｃを合わせた厚みの比
率は、１：０．０５〜１：０．７の範囲内（より好まし
くは１：０．０５〜１：０．５の範囲内）にあることが
好ましい。

【００３３】より具体的には、翼の長さが２０ｍ〜５０
ｍ程度のものであれば、Ａ層の厚みは１ｍｍ〜２０ｍｍ
程度の範囲内であることが好ましい。

【００３４】次に、本発明の層Ａ、層Ｂ、層Ｃの補強補
強繊維としては炭素繊維、ガラス繊維、アルミナ繊維、
窒化珪素繊維等の無機繊維、アラミド繊維、ポリエチレ
ン繊維、ナイロンなどのポリアミド系合成繊維、ポリオ
レフィン系繊維、ポリエステル系繊維、ポリフェニルス
ルホン繊維等の有機繊維といった公知の繊維を使用する
ことができる。

【００３５】炭素繊維（略称：ＣＦ）とは、ポリアクリ
ルニトリル繊維やピッチを原料として、耐炎化、炭化／
黒鉛化工程等を経て製造されるいわゆる炭素繊維（グラ
ファイト繊維とも呼ばれる）のことで、単繊維の直径は
５〜１０μｍで、高強度タイプのものと、高弾性率タイ
プのものが市販されている。本発明においては、ＰＡＮ
（ポリアクリルニトリル）系、ピッチ系のいずれでもか
まわないが、中でもＰＡＮ系の炭素繊維は上記弾性率、
伸度以外に径方向の強度も高いので、翼の厚み方向の強
度を向上させ、しいては曲げ疲労を向上させるので特に
好ましい。また、軽量化には炭素繊維を使用することが
好ましい。

【００３６】一般に、炭素繊維は、単繊維（モノフィラ
メント）を数千〜数十万本単位に束ねたストランド形態
で使用するが、本発明においては、繰り返し曲げ荷重を
受けた際のＣＦＲＰ内部のストランド間のスプリッティ
ングを低減する意味で、ストランド間隔の大きい、２４
０００本以上の単繊維からなるＣＦ束が好ましい。中で
も、プロセス（生産）性向上を考慮すると、４８０００
本〜２０００００本の間のトウ（太束）ＣＦがより好ま
しい。

【００３７】また、特公平１−２７２８６７号公報に示
されている測定方法で得られるストランドの毛羽が３０
個／ｍ以下であることが好ましい。毛羽がこれ以上であ
ると、成形中に糸切れが発生し、長尺のＣＦＲＰが得に
くいからである。

【００３８】翼の剛性が小さいと、翼の変形が大きくな
り、本発明が問題としている曲げモードでの変形量が大
きくなり、曲げ疲労し易くなるので、翼は高剛性である
ことが好ましいので、炭素繊維は、弾性率が２３０〜６
００ＧＰａの範囲内であることが好ましい。中でも層Ａ
に使用するとより効果的である。また、この範囲の炭素
繊維を使用することで、翼のねじり剛性が向上して翼の
空力学的特性を維持できるというメリットも有する。

【００３９】尚、ねじり剛性に関連して、特開平１−１
２４６２９で測定される補強繊維のネジリ弾性率は１４
ＧＰａ以上であると、ネジリ剛性は飛躍的に向上して好
ましい。

【００４０】繰り返し曲げ特性を向上させるためには、
翼の曲げ強度も高い方が好ましく、炭素繊維の強度は３
ＧＰａ〜１０ＧＰａのものが好ましい。

【００４１】尚、炭素繊維の弾性率と強度は、ＪＩＳ
Ｒ７６０１により測定することができる。

【００４２】ガラス繊維は、圧縮／引張の強度バランス
が良く（圧縮強度と引張強度がほぼ等しい）、また伸度
が大きいので曲げ特性に優れ、本発明において好ましい
補強繊維の一つである。ガラス繊維とは、二酸化珪素
（ＳｉＯ₂）を主成分とするいわゆるＥガラス、Ｃガラ
ス、Ｓガラスなどの繊維状ガラスのことで、繊維径は５
〜２０μｍ程度のものである。また、炭素繊維と比較し
て安価にできるという特長を有する。

【００４３】有機繊維とは、アラミド繊維、ナイロンな
どのポリアミド系合成繊維、ポリエチレン繊維などのポ
リオレフィン系合成繊維、ポリエステル系合成繊維、ポ
リフェニルスルフォン繊維、ポリベンゾオキサジン繊
維、アセテート、アクリロニトリル系合成繊維、ポリ塩
化ビニル系合成繊維、ポリ塩化ビニリデン系合成繊維、
ポリビニルアルコール系合成繊維、ポリウレタン繊維、
タンパク−アクリロニトリル共重合系繊維、フッ素系繊
維、ポリグリコール酸繊維、フェノール繊維などの産業
用および衣料用などに使用されている人造繊維である。

【００４４】これら有機繊維は、炭素繊維やガラス繊維
のように脆性ではなく、延性でありしなやかで、屈曲さ
せても容易に破断しないという特徴がある。翼構造体の
衝撃エネルギー吸収性能を向上させるためには、繊維強
化樹脂は曲がりによる変形に対する追従性能が重要であ
り、延性を呈する有機繊維を補強繊維とすることで、Ｆ
ＲＰとしての曲がり変形追従性能が発現し、衝撃吸収性
能が著しく向上する。

【００４５】また、ガラス繊維と比較した場合には、燃
焼が可能であるため廃棄が容易であるという特長、さら
には比重がガラス繊維の約半分であるので部材を極めて
軽量にすることができるという特長もある。

【００４６】尚、アラミド繊維は脂環式ポリアミド系と
パラ系アラミドがあり、ナイロン以上に酸に対する抵抗
性があると同時に、強度は２．５ＧＰａ〜３．８ＧＰａ
と極めて高い。

【００４７】上記の炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維を
２種類以上混用して、各繊維の長所を引き出して物性上
も経済上もバランスの取れたＦＲＰを得ることも好まし
い方法である。例えば、層Ａには炭素繊維、層Ｂにはガ
ラス繊維を使用することである。

【００４８】補強繊維の形態としては、連続繊維あるい
は長繊維状であることがこのましく、あらかじめ連続繊
維に樹脂を含浸させてシート状にしたプリプレグ、連続
繊維織物に樹脂を含浸させた織物プリプレグを積層した
り、ストランド、ロービング、織物、マット状の補強繊
維に樹脂を含浸させながら層構造を形成しても差し支え
ない。複数の補強繊維を混用する場合には、補強繊維同
士は合糸状であっても、カバリング糸状などであっても
構わない。強度および剛性上の観点から好ましいのは、
ヤーン、ストランドあるいは、ロービング形態である。

【００４９】また、後述の樹脂との相性を向上させるた
めに補強繊維には、油剤、カップリング剤、サイジング
剤、平滑剤などと呼ばれる表面仕上げ剤が塗布されてい
てもかまわない。

【００５０】次に、層Ａ、層Ｂ、層Ｃを構成する樹脂
は、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエ
ステル樹脂、フェノール樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、
などの熱硬化性樹脂、あるいは、ポリエチレン、ポリプ
ロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリブチ
レンテレフタレート樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカ
ーボネート等の樹脂などの熱可塑性樹脂、及びこれら樹
脂をアロイ化した変性樹脂が挙げられる。

【００５１】中でもエポキシ樹脂は、伸度が大きく、繊
維強度の利用率が高いので耐疲労特性上最好ましい。ま
た、耐環境性、耐熱性、耐衝撃性もエポキシ樹脂および
エポキシ樹脂をベースにして無機粒子、熱可塑性樹脂、
ゴムなどを添加した変性エポキシ樹脂（アロイ樹脂とも
呼ばれる）が好ましい。また、エポキシ樹脂は、翼の振
動減衰（ダンピング）性能上も好ましい樹脂である。

【００５２】エポキシ樹脂以外に好ましい樹脂として
は、ポリエステル樹脂が耐候性、耐環境性に優れていて
耐久性上好ましい。また、ビニルエステル樹脂も耐衝撃
性に優れていて好ましい。

【００５３】また、体積固有抵抗が１×１０¹²〜１×１
０¹⁶Ω・cmの範囲にある樹脂は、落雷などによる通電に
よる損傷を低減するので安全上好ましい。

【００５４】曲げ疲労においては、樹脂の伸度が影響す
るので、好ましくは、樹脂の伸度は２〜１０％の範囲内
であることが好ましい。２％以下であると繊維より先に
樹脂自体が疲労する可能性があり、１０％以上であると
クリープする可能性があるからである。尚、樹脂の伸度
はＪＩＳ−Ｋ７１１３により求める。

【００５５】伸度を上記範囲にする手段として、エポキ
シ樹脂系の熱硬化樹脂において、硬化剤を柔軟な構造の
ものにしたり硬化温度を低下させるなどして、架橋点間
距離を大きくしたり架橋密度を小さくしたりすることが
有効である。熱可塑樹脂においては、冷却速度を速める
などして結晶化度を小さくすることが有効である。

【００５６】また、ＦＲＰ中のボイド量を５％以下に抑
えることでも繊維強化樹脂層の伸度が増大して、曲げ疲
労寿命が向上するので好まし。ボイド量が３％以下にな
るとさらに伸度が向上して、より好ましい。尚、ボイド
量はＪＩＳ−Ｋ７０５３またはＪＩＳ−Ｋ７０７５によ
り求められる。

【００５７】生産面からは、層Ａ、層Ｂ、層Ｃには同一
の樹脂を使用することが好ましいが、層Ａの抑制効果を
大きくするために、層Ｂと層Ｃの樹脂を層Ａの樹脂とは
異なる高弾性率樹脂としても差し支えない。

【００５８】尚、熱応力を低減する必要がある場合に
は、室温（１０℃〜４０℃）硬化タイプの樹脂が好まし
い。

【００５９】層Ａ、層Ｂ、層Ｃには上記した補強繊維と
樹脂のいずれを組み合わせて使用しても差し支えない
が、同一の補強繊維、樹脂を使用すると生産効率はよ
い。曲げ疲労性能上最も好ましいのは、全て炭素繊維と
することであるが、経済性からはガラス繊維と炭素繊維
を併用することが好ましい。例えば、層Ａに炭素繊維と
ガラス繊維、層Ｂと層Ｃにガラス繊維を使用するなどで
ある。この場合、ガラス繊維と炭素繊維の量は重量比率
で１：０．０５〜１：２の範囲内であると好ましい。

【００６０】尚、翼には遠心力により翼の長手方向に引
張力も作用するので、層Ａの補強繊維の割合は大きいこ
とが好ましいが、軽量化効果、クリープ性能、経済性な
どのバランスを考慮すると、全補強繊維に占める割合は
重量含有量にして３０〜９０％であることが好ましい。

【００６１】また、層Ａ、層Ｂ、層Ｃの樹脂に対する補
強繊維の体積含有率は、４０％以上８０％未満であるこ
とが好ましい。体積含有率はＪＩＳ−Ｋ７０５２または
ＪＩＳ−Ｋ７０７５により測定できる。

【００６２】次に、本発明の繊維強化樹脂製構造体乃至
は積層体の成形方法としては、プリプレグ法、レジント
ランスファーモールディング（ＲＴＭ）法、フィラメン
トワインド法、ハンドレイアップ法等、公知のあらゆる
成形技術を用いることができる。中でも、補強繊維の強
度を発現させ、曲げ疲労特性を向上させるためには、プ
リプレグ法とＲＴＭ法が好ましい。プリプレグ法という
のは、補強繊維に樹脂を含浸させたシート状のプリプレ
グ（中間基材）を積層（層状に積み重ねる）して、加熱
または非加熱で樹脂を硬化させる成型法である。通常、
硬化あるいは積層時に圧力を負荷する。

【００６３】ＲＴＭ法とは、プリフォームと呼ばれる織
物やマット状物などの補強繊維からなる基材を所定の型
内にセットし、未硬化の樹脂を流し込んで、加熱又は非
加熱で賦形／硬化させる成形法である。

【００６４】

【実施例】実施例１ＰＡＮ系の炭素繊維（強度４９０ＭＰａ、弾性率２３５
ＧＰａ、ねじり弾性率２５ＧＰａ、伸度２％、比重１．
８）とエポキシ樹脂（樹脂伸度４％、体積固有抵抗５．
７×１０¹⁵Ω・cm）からなるプリプレグ（炭素繊維の体
積含有率６０％）を積層して、長さ３ｍのコの字型のス
パーを得た。

【００６５】本スパーの上下フランジ部はともに厚み５
ｍｍ、幅１００ｍｍ、ウエブ部の厚み１０ｍｍ、高さ５
０ｍｍとした。

【００６６】フランジ部の積層構成は、外側より、厚み
１ｍｍ、繊維の配列角度６０度の層（層Ｂに相当）、連
続して厚み３ｍｍ、配列角度は０度の層（層Ａに相
当）、その内側に厚み１ｍｍ、配列角度９０度の層とし
た。

【００６７】本スパーを静的強度の７０％のたわみ量で
３点曲げ疲労試験（スパン２．５ｍ）したところ、サイ
クル数１０⁶回後も曲げ剛性の低下はみられなかった。
また、上下フランジともＡ層とＢ層の間に剥離など異常
は認められなかった。

【００６８】比較例１実施例１において、層Ｂの配列角度を９０度とした以外
は実施例１と全く同様にして曲げ疲労試験したところ、
サイクル数１０⁵回で下部フランジ（引張側）の層Ｂ中
にクラックが認められ、１０⁶回後には曲げ剛性が９０
％に低下した。

【００６９】実施例２実施例１において、層Ａの内側の層の配列角度を−６０
度（層Ｃに相当）とし、静的強度のたわみ量の８０％と
した以外は実施例１と全く同様にして曲げ疲労試験した
ところ、サイクル数１０⁶回後も剛性の低下あるいは、
層間の剥離などの異常は全く認められなかった。

【００７０】実施例３ＰＡＮ系の炭素繊維（強度３５０ＭＰａ、弾性率２４０
ＧＰａ、ねじり弾性率１７ＧＰａ、伸度１．５％、比重
１．７５）とエポキシ樹脂（樹脂伸度５％、体積固有抵
抗４×１０¹⁴Ω・cm）からなるプリプレグ（炭素繊維の
体積含有率６０％）と、ガラス繊維（強度１６０ＭＰ
ａ、弾性率７５ＧＰａ、伸度２．１％、比重２．５）プ
リプレグ（繊維体積含有率５５％）を用いて厚さ９．２
ｍｍ、幅３００ｍｍ、長さ５ｍの平板２枚を得た。

【００７１】本平板の積層構成は、表面から厚さ０．３
ｍｍ、配列角度６０度、連続して厚さ０．３ｍｍ、配列
角度−６０度、連続して厚さ２ｍｍ、配列角度３度、連
続して厚さ２ｍｍ、配列角度−３度で厚み方向に鏡面対
称とした。

【００７２】次に、本平板２枚を高さ１００ｍｍのウレ
タンフォーム材で接合してスパーを形成し、静的強度の
７０％のたわみ量で曲げ疲労試験したところ、サイクル
数１０⁶回後も曲げ剛性の低下はなかった。フォーム内
で一部亀裂がみられたが、上下フランジとも層間に剥離
などの異常は認められなかった。

【００７３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の繊維強化
樹脂製翼構造体は、軽量かつ曲げ疲労特性に優れること
からメンテナンスの労力が省け、運転効率が向上するの
で省エネルギーとなり、しいては、産業界の発展に寄与
するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の繊維強化樹脂製翼構造体の一例を示す
斜視図である。

【図２】本発明の繊維強化樹脂製翼構造体の一例を示す
断面図である。

【図３】本発明において好ましく用いられるリブ部の断
面図である。

【符号の説明】

１：翼２：翼の長手軸３：翼の付け根部の断面重心４：翼の長さの１／２の断面重心５：前縁部６：後縁部７：上スキン８：下スキン９：スパー１０：フランジ部１１：リブ部１２：補強繊維１３：樹脂１４：Ａ層１５：Ｂ層１６：Ｃ層１７：その他の層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】補強繊維と樹脂からなる繊維強化樹脂製
の翼構造体であって、１）繊維強化樹脂は層構造を有しており、２）層中の補強繊維の配列角θを翼の長手方向となす角
度で定義するとき、θが−９度≦θ≦９度の範囲内であ
る層Ａと、θが５０≦θ≦７０度の範囲内にある層Ｂま
たは−７０≦θ≦−５０度の範囲内にある層Ｃとが連続
していることを特徴とする繊維強化樹脂製翼構造体。
【請求項２】層Ａと、層Ｂまたは層Ｃの厚み比率が、
１：０．０５〜１：０．５の範囲にあることを特徴とす
る請求項１に記載の繊維強化樹脂製翼構造体。
【請求項３】層Ｂまたは層Ｃが、層Ａより翼表面側に
位置することを特徴とする請求項１または２に記載の繊
維強化樹脂製翼構造体。
【請求項４】補強繊維と樹脂からなる繊維強化樹脂製
の翼構造体であって、１）繊維強化樹脂は層構造を有しており、２）層中の補強繊維の配列角θを翼の長手方向となす角
度で定義するとき、θが−９度≦θ≦９度の範囲内であ
る層Ａと、θが５０≦θ≦７０度の範囲内である層Ｂ
と、θが−７０≦θ≦−５０度の範囲内にある層Ｃとが
連続していることを特徴とする繊維強化樹脂製翼構造
体。
【請求項５】層Ｂおよび層Ｃが、層Ａよりも翼表面に
近い側にあることを特徴とする請求項４に記載の繊維強
化樹脂製翼構造体。
【請求項６】層Ａの両側に、少なくとも層Ｂまたは層
Ｃがあることを特徴とする請求項４または５に記載の繊
維強化樹脂製翼構造体。
【請求項７】層Ａを対称面として、層Ｂおよび層Ｃか
らなる層が対称積層構造であることを特徴とする請求項
４または５に記載の繊維強化樹脂製翼構造体。
【請求項８】層Ａの厚みと、層Ｂと層Ｃの厚みをたし
合わせた厚みの比率が、１：０．０５〜１：０．７の範
囲にあることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記
載の繊維強化樹脂製翼構造体。
【請求項９】層Ａの厚みが１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内
であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載
の繊維強化樹脂製翼構造体。
【請求項１０】層Ａの補強繊維は少なくとも炭素繊維
を含有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに
記載の繊維強化樹脂製翼構造体。
【請求項１１】層Ｂまたは層Ｃの補強繊維は少なくと
もガラス繊維を含有することを特徴とする請求項１〜１
０のいずれかに記載の繊維強化樹脂製翼構造体。
【請求項１２】樹脂の伸度が３％以上、１０％未満で
あることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載
の繊維強化樹脂製翼構造体。
【請求項１３】補強繊維の体積含有率が４０％以上、
８０％未満であることを特徴とする請求項１〜１２のい
ずれかに記載の繊維強化樹脂製翼構造体。
【請求項１４】翼内部に空洞を有することを特徴とす
る請求項１〜１３のいずれかに記載の繊維強化樹脂製翼
構造体。
【請求項１５】該空洞が翼全体の体積の３０〜９０％
であることを特徴とする請求項１４に記載の繊維強化樹
脂製翼構造体。
【請求項１６】該空洞に発泡体が充填されていること
を特徴とする請求項１４に記載の繊維強化樹脂製翼構造
体。
【請求項１７】翼の長手方向に亘り、層構造を有する
棒状、板状、コの字状、Ｃの字状、Ｉの字状、またはロ
の字状の繊維強化樹脂よりなる桁材が入っていることを
特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の繊維強化
樹脂製翼構造体。