JP2010264944A - Marine propeller blade and related forming method - Google Patents

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Kiyoshi Uzawa
潔 鵜沢
Hideaki Murayama
英晶 村山
Toshio Yamama
敏夫 山磨
Susumu Uematsu
進 植松
Shinobu Sugasawa
忍 菅澤
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National Maritime Research Institute
University of Tokyo NUC
Nakashima Propeller Co Ltd
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University of Tokyo NUC
Nakashima Propeller Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a marine propeller blade, using composite material made of low-cost reinforced fiber with no likelihood of resource exhaustion, which withstands cavitation erosion. <P>SOLUTION: In the marine propeller blade, at least a surface of the blade includes aramid fiber cloth material or surface layer material composed of aramid fiber uinidirectional materials laminated in the same axial direction or different axial directions, with the surface layer material being covered on a structural material serving as core material. The structural material may include carbon fiber reinforced resin or glass fiber reinforced resin. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、繊維強化樹脂による複合材料、特に、アラミド繊維で強化された複合材料を用いてキャビテーションエロージョンを抑制する船用プロペラの翼及びその成形方法に関するものである。   The present invention relates to a wing of a marine propeller that suppresses cavitation erosion by using a composite material made of fiber reinforced resin, in particular, a composite material reinforced with aramid fibers, and a method for forming the same.

船用プロペラにおいて、一番の問題は翼に発生するキャビテーションに基づくエロージョン(以下、キャビテーションエロージョン)である。キャビテーションエロージョンが進行すると、推進効率の低下にとどまらず、翼が破損することもある。このため、従来から、キャビテーションエロージョンを抑制する研究が種々行われてきた。例えば、翼径に応じてピッチを変更したりする翼の形状の工夫やキャビテーションエロージョンを起こし難い素材の発掘等であった。しかし、翼の形状からキャビテーションエロージョンを抑制するのは既に限界に来ているとさえいわれており、素材の分野からの向上が期待されている。   In ship propellers, the biggest problem is erosion based on cavitation generated in the wing (hereinafter referred to as cavitation erosion). As cavitation erosion progresses, not only is the propulsion efficiency lowered, but the wing may be damaged. For this reason, various studies have been conducted to suppress cavitation erosion. For example, the wing shape was devised to change the pitch according to the wing diameter, or the material was less likely to cause cavitation erosion. However, it is said that the suppression of cavitation erosion from the shape of the wing has already reached its limit, and improvements from the field of materials are expected.

最近は、種々の新素材が開発されており、中でも、非鉄系の素材である繊維強化樹脂等の複合材料が注目されている。複合材料は、比強度、比剛性が高い上に軽量で安価といった長所を有しており、航空機、宇宙船、戦車等で幅広く使用されている。加えて、銅に代表される金属素材は資源の枯渇が懸念されているが、複合材料ではその心配もない。したがって、この複合材料を船用プロペラにも使用できないものかと検討が重ねられており、比較的キャビテーションが発生し難い潜水艦のプロペラ等に一部実用化されている。しかし、耐エロージョン性についてはアルミ青銅には及ばないことから、商船のプロペラでは実用化が逡巡されている。   Recently, various new materials have been developed, and among them, composite materials such as non-ferrous materials such as fiber reinforced resin are attracting attention. Composite materials have advantages such as high specific strength and high rigidity, light weight and low cost, and are widely used in aircraft, spacecraft, tanks, and the like. In addition, metal materials represented by copper are concerned about resource depletion, but composite materials do not have that concern. Therefore, it has been studied whether this composite material can be used for marine propellers, and some of them have been put into practical use for submarine propellers and the like that are relatively difficult to generate cavitation. However, erosion resistance is not as good as aluminum bronze, so commercial propellers are being put to practical use.

複合材料をプロペラに適用した例として以下の先行技術がある。特許文献1には翼の前縁と後縁の中間部を積層FRPとした技術が示されているが、ここでの積層FRPは何かについては記されておらず、その効果としても重量軽減や生物付着の防止についてのみであり、エロージョンについては何ら触れられていない。特許文献2には飛行機のプロペラの翼面にアラミド繊維の紐を巻き付ける技術が示されているが、アラミド繊維の表面側は順に炭素繊維と外被で覆われており、アラミド繊維自体が表面に露出するものではない。また、飛行機のプロペラではエロージョンはそれほど問題とはならないので、当然のことながら、エロージョンについては言及されていない。   The following prior art is an example of applying a composite material to a propeller. Patent Document 1 discloses a technique in which the intermediate part between the leading edge and the trailing edge of the blade is a laminated FRP, but the laminated FRP here is not described in any way, and its effect is also reduced in weight. It is only about prevention of biofouling and no erosion. Patent Document 2 discloses a technique in which an aramid fiber string is wound around the wing surface of an airplane propeller. The surface side of the aramid fiber is covered with a carbon fiber and a jacket in order, and the aramid fiber itself is on the surface. It is not exposed. In addition, erosion is not so much a problem with airplane propellers, so naturally erosion is not mentioned.

特許文献3には平軸受において、多孔性焼結金属の表面にライニング層を設け、このライニング層に微細繊維化されたアラミド繊維を含ませる技術が示されており、その効果としてキャビテーション浸食による磨耗が改善されるとある。しかし、ここでのアラミド繊維はテトラフルオロエチレンを主体とする樹脂マトリックスを強化するために粒状耐磨耗性充填材とともに添加される添加材であり、添加量も体積比で2〜10%とごくわずかであるし、長さ0.2〜1.0mmの短繊維を分散状態で添加しているにすぎない。本発明は、アラミド繊維のクロス材等をシート状にしてこれを船用プロペラの翼の表面に積層、貼着することで耐エロージョン性の向上を図るものであり、その目的、構成において根本的に異なる。   Patent Document 3 discloses a technology in which a lining layer is provided on the surface of a porous sintered metal in a plain bearing, and the aramid fiber that is made into a fine fiber is included in the lining layer, and the effect thereof is wear due to cavitation erosion. Will be improved. However, the aramid fiber here is an additive that is added together with the particulate wear-resistant filler to reinforce the resin matrix mainly composed of tetrafluoroethylene, and the addition amount is also 2 to 10% by volume. Only a few short fibers having a length of 0.2 to 1.0 mm are added in a dispersed state. The present invention aims to improve erosion resistance by making aramid fiber cloth material into a sheet and laminating and sticking it on the surface of a wing of a ship propeller. Different.

特開昭58−101897号公報JP 58-101897 A 特開平02−085096号公報Japanese Patent Laid-Open No. 02-085096 特表2002−506176号公報Japanese translation of PCT publication No. 2002-506176

本発明は、翼の素材として上記した複合材料を再度見直したもので、特に、素材としてアラミド繊維を採択することで、複合材料が有する軽量、弾力性、安価といった長所を享受しつつ耐エロージョン性を向上させて十分実用に耐え得るものであることを見い出したものである。   The present invention is a review of the composite material described above as the material of the wing, and in particular, by adopting an aramid fiber as the material, it enjoys the advantages of the light weight, elasticity, and low cost of the composite material while being resistant to erosion. It has been found that it can sufficiently withstand practical use by improving the above.

以上の課題の下、本発明は、請求項1に記載した、船用プロペラの翼において、少なくとも、翼の表面をアラミド繊維のクロス材を積層した表層材で構成したことを特徴とする船用プロペラの翼を提供するとともに、これにおいて、請求項2に記載した、アラミド繊維のクロス材の積層に代えてアラミド繊維の一方向材を同じ軸方向又は異なる軸方向に向けて積層した手段、請求項3に記載した、表層材を芯材となる構造材に被覆した手段、請求項4に記載した、構造材をカーボン繊維強化樹脂又はガラス繊維強化樹脂とした手段を提供したものである。   Under the above problems, the present invention provides a marine propeller blade according to claim 1, wherein at least the surface of the wing is formed of a surface layer material in which aramid fiber cloth material is laminated. 4. A means for providing a wing, wherein the unidirectional material of aramid fibers is laminated in the same axial direction or different axial directions instead of the lamination of the aramid fiber cloth material according to claim 2. The means which coat | covered the surface layer material in the structural material used as core material described in 1 and the means which made the structural material the carbon fiber reinforced resin or the glass fiber reinforced resin described in Claim 4 are provided.

さらに、本発明は、この翼の成形方法として、請求項5に記載した、表層材を積層して又は構造材の表裏に表層材を積層して真空バッグに封入し、真空バッグへ熱硬化性樹脂材を吸引して表層材、構造材に含浸させるとともに、樹脂材を熱硬化させて表層材又は構造材を一体化する手段、請求項6に記載した、予め熱硬化性樹脂材を含浸させたプリプレグの表層材を積層して又は構造材の表裏にプリプレグの表層材を積層して真空バッグに封入し、樹脂材を熱硬化させて表層材又は表層材と構造材を一体化する手段、そして、請求項6の熱硬化性樹脂材として請求項7に記載した熱硬化性樹脂材がエポキシ樹脂である手段を提供する。   Further, according to the present invention, as a method of forming the wing, the surface layer material described in claim 5 is laminated or the surface layer material is laminated on the front and back of the structural material and sealed in a vacuum bag, and is thermoset into the vacuum bag. A means for sucking the resin material and impregnating the surface layer material or the structural material, and thermosetting the resin material to integrate the surface layer material or the structural material, wherein the thermosetting resin material is impregnated in advance. A means of laminating the surface layer material of the prepreg or laminating the surface layer material of the prepreg on the front and back of the structural material and enclosing it in a vacuum bag, thermosetting the resin material, and integrating the surface material or the surface material and the structural material, The thermosetting resin material according to claim 7 is an epoxy resin as the thermosetting resin material according to claim 6.

請求項1の発明は、翼の表面をアラミド繊維のクロス材からなる表層材で構成したものであり、これによると、耐エロージョン性が従来の複合材料に比べて大きく向上することがわかった。また、当然のことであるが、この翼は金属材に比べて軽くて柔軟であるから、軽量化につながって駆動系の容量を小さくできるし、船尾振動を軽減できて快適性を向上させるといった種々の優れた効果がある。さらに、比強度が高いから、翼圧を薄くできてキャビテーションの発生を抑制するといった効果を有する。この他、アラミド繊維のクロス材は請求項2の一方向材によっても代替できるし、請求項3及び4の手段によると、翼全体の強度を高めることができる。   In the invention of claim 1, the surface of the wing is constituted by a surface layer material made of a cloth material of aramid fibers, and according to this, it has been found that the erosion resistance is greatly improved as compared with the conventional composite material. Naturally, the wings are lighter and more flexible than metal materials, leading to weight savings and reducing the capacity of the drive system, reducing stern vibration and improving comfort. There are various excellent effects. Furthermore, since the specific strength is high, the blade pressure can be reduced and the occurrence of cavitation can be suppressed. In addition, the cloth material of aramid fiber can be replaced by the unidirectional material of claim 2, and according to the means of claims 3 and 4, the strength of the entire blade can be increased.

以上の翼の成形方法として、請求項5のVaRTM法(真空吸引法)と請求項6のプリプレグ・オートクレープ法とがあるが、前者によれば、ユーザーサイドで手軽に成形できるし、後者によれば、熱硬化樹脂材として接着力の強いエボキシ樹脂を使用できて一体性の強い表層材・構造材を成形できる。   The wing forming method described above includes the VaRTM method (vacuum suction method) according to claim 5 and the prepreg / autoclave method according to claim 6, but according to the former, it can be easily formed on the user side, According to this, an epoxy resin having a strong adhesive force can be used as the thermosetting resin material, and a surface layer material / structural material having a high unity can be formed.

アラミド繊維のクロス材を製作する場合の説明図である。It is explanatory drawing in the case of producing the cloth material of an aramid fiber. 耐エロージョン試験の試験装置の要部の正面図である。It is a front view of the principal part of the test apparatus of an erosion test. 各試験片における時間経過と損耗量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the time passage in each test piece, and the amount of wear. 各試験片の損耗速度を示すグラフである。It is a graph which shows the wear rate of each test piece. 各試験片の損耗状況を示す表面写真である。It is a surface photograph which shows the wear condition of each test piece. カーボン繊維とアラミド繊維の損耗状況を示す表面写真である。It is a surface photograph which shows the wear condition of a carbon fiber and an aramid fiber.

まず、表層材(及び構造材。以下、単に表層材という)について検討することとした。本発明では、翼の表面を表層材で構成したものであるから、プロペラシャフトに嵌合するボス部分は従来どおりの金属として翼の部分のみに表層材を適用することとした。したがって、実際の適用では、ボスの表面に溝等を形成してこれに翼を嵌合したり、ボスの表面に取付片を突設してこれに翼を固着したりすることになる。   First, it was decided to study the surface layer material (and the structural material, hereinafter simply referred to as the surface layer material). In the present invention, since the surface of the blade is composed of the surface layer material, the boss portion fitted to the propeller shaft is applied to the surface layer material only on the blade portion as a conventional metal. Therefore, in actual application, a groove or the like is formed on the surface of the boss and a wing is fitted to the groove, or an attachment piece is projected from the surface of the boss and the wing is fixed thereto.

○表層材の選定
表層材は強度材でもあるから、強度が高い素材が適し(同時に軽量であるのが好ましい)、この観点の下、本例では、表層材を構成する繊維をカーボン繊維(CFRP)、ガラス繊維(GFRP)及びアラミド繊維(AFRP)の3種を選定した。なお、アラミド繊維とは、ナイロン繊維に似たポリアミド系の有機繊維のことであり、ナイロンが脂肪族ポリアミドであるのに対してアラミドが芳香族ポリアミドである点で相違し、ナイロン繊維に比べて高強度、高磨耗性に優れた繊維であることは一般に知られている。
○ Selection of surface layer material Since the surface layer material is also a strength material, a material having high strength is suitable (it is preferable that the material is light at the same time). From this viewpoint, in this example, the fibers constituting the surface layer material are carbon fibers (CFRP). ), Glass fiber (GFRP) and aramid fiber (AFRP) were selected. Aramid fiber is a polyamide-based organic fiber similar to nylon fiber. Nylon is an aliphatic polyamide, whereas aramid is an aromatic polyamide. It is generally known that the fiber has high strength and high wear resistance.

○表層材の繊維の織方及び配向
表層材は最終的にはシート状になっている必要があることから、繊維の織方及び配向を種々選択した。織方及び配向には、クロス材と一方向材とがあり、前者は繊維を縦糸と横糸にして織ったものであり(Fabric)、後者は繊維を一方向に揃えて樹脂を含浸させるとともに、繊維がバラバラにならないように糸でステッチングしたものである。通常、一方向材は、繊維の向きを異なる方向に向けて(例えば±45°)積層している(Multi Axis)。本例では、カーボン繊維、ガラス繊維及びアラミド繊維についてクロス材を選択した。
○ Fiber weaving and orientation of the surface layer material Since the surface layer material must finally be in the form of a sheet, the fiber weaving method and orientation were variously selected. In the weaving method and orientation, there are a cloth material and a unidirectional material, the former is woven with warp and weft fibers (Fabric), and the latter is impregnated with resin by aligning the fibers in one direction, Stitched with yarn so that the fibers do not fall apart. Usually, the unidirectional material is laminated (Multi Axis) with the direction of fibers directed in different directions (for example, ± 45 °). In this example, a cloth material was selected for carbon fiber, glass fiber, and aramid fiber.

○樹脂材(接着剤)の選定
各シートは接着して積層するのであるが,このとき、接着剤として熱硬化性樹脂材を使用する。熱硬化性樹脂は、フェノール樹脂やアミノ樹脂等種々あるが、ここでは、接着力の強い二種のエポキシ樹脂を選定した。なお、エポキシ樹脂とは、エポキシ基を有する化合物の総称であり、通常、硬化剤(フェノールやアミン等の活性水素を有する化合物)と併用することで三次元硬化ポリマーを形成することが知られている。エポキシ樹脂は強力な接着力を有する接着剤の他に電気絶縁材、積層剤、塗料等に幅広く使用されている。表1はエポキシ樹脂の主剤と硬化剤の組合せを樹脂番号で表したものである(左欄のVaRTMは後述する積層の成形方法のこと) 。
○ Selection of resin material (adhesive) Each sheet is bonded and laminated. At this time, a thermosetting resin material is used as the adhesive. There are various types of thermosetting resins such as phenol resins and amino resins. Here, two types of epoxy resins having strong adhesive strength were selected. In addition, an epoxy resin is a general term for compounds having an epoxy group, and is generally known to form a three-dimensional cured polymer when used in combination with a curing agent (a compound having active hydrogen such as phenol or amine). Yes. Epoxy resins are widely used in electrical insulating materials, laminating agents, paints and the like in addition to adhesives having strong adhesive strength. Table 1 shows combinations of the epoxy resin main agent and the curing agent by resin numbers (VaRTM in the left column is a method of forming a laminate described later).

○成形(積層)方法
強化繊維のシートは所定の厚みになるように積層して一体化するのであるが、この一体化(成形)の方法としては、VaRTM法とプリプレグ・オートクレープ法(以下、プリプレグ法)とがある。前者は積層したシートを真空バッグに封入して真空引きするとともに、樹脂材を吸入して繊維間及びシート間に含浸させるものであり、後者は予め樹脂材を含浸させたシートを使用して接着には含浸させた樹脂材を使用するものをいう。本例では、低コストで簡易なVaRTM法(真空吸引法)で成形を行った。図1はその方法を示す説明図であるが、強化繊維シートからなる表層材を所定枚数重ねてこれを真空バッグの中に封入し、真空バッグの一方の「吸引口」から真空ポンプで空気を吸引するとともに、この吸引力で他方に接続した熱硬化性樹脂材の充填室の「注入口」から樹脂材を吸引させてシート内及びシート間に含浸させ、これを加圧、加熱して樹脂材を硬化させて表層材を一体化する。なお、熱硬化性樹脂材としてエポキシ樹脂を使用する場合は、主剤と硬化剤を混合しながら吸引する。
○ Molding (Lamination) Method The reinforcing fiber sheet is laminated and integrated so as to have a predetermined thickness. As this integration (molding) method, the VaRTM method and the prepreg / autoclave method (hereinafter referred to as “the prepreg autoclave method”) are used. Prepreg method). In the former, the laminated sheets are sealed in a vacuum bag and evacuated, and the resin material is sucked and impregnated between the fibers and between the sheets. The latter is bonded using a sheet pre-impregnated with the resin material. Means a material using an impregnated resin material. In this example, molding was performed by a low-cost and simple VaRTM method (vacuum suction method). FIG. 1 is an explanatory diagram showing the method, in which a predetermined number of surface layer materials made of reinforcing fiber sheets are stacked and sealed in a vacuum bag, and air is supplied from one “suction port” of the vacuum bag by a vacuum pump. While sucking, the resin material is sucked from the “injection port” of the thermosetting resin material filling chamber connected to the other by this suction force, impregnated in and between the sheets, and this is pressurized and heated to resin The material is cured to integrate the surface layer material. In addition, when using an epoxy resin as a thermosetting resin material, it attracts | sucks, mixing a main ingredient and a hardening | curing agent.

この方法は、負圧を利用した浸透圧方式によるものであるから、樹脂材がシートの内部に万遍なく浸透する利点を有している。ただ、エポキシ樹脂は粘度が高いから、高い負圧力が必要であるし、時間がかかるといった難点はある。ところで、実際の翼では、表層材を予め翼の形状に成形しておくのはいうまでもない。一方、シートを一体化するにはプリプレグ法もあるのは上記したとおりであるが、この場合は、樹脂材として接着力の強いエポキシ樹脂を予め含浸させた繊維強化シートを真空バッグの中に重ねて封入し、これを加圧、加熱してエポキシ樹脂を溶解させてシートを一体化させるものである。プリプレグ法によると、シートそのものに含浸させた樹脂材を接着材として使用するのであるから、粘度は高いが、接着力に優れたエボキシ樹脂を使用できる利点がある。   Since this method is based on an osmotic pressure method using negative pressure, it has an advantage that the resin material penetrates uniformly into the sheet. However, since the epoxy resin has a high viscosity, a high negative pressure is required and it takes time. In an actual wing, it is needless to say that the surface layer material is previously formed into the shape of the wing. On the other hand, as described above, there is also a prepreg method for integrating the sheets. In this case, a fiber reinforced sheet pre-impregnated with a strong adhesive epoxy resin as a resin material is stacked in a vacuum bag. These are sealed and pressed and heated to dissolve the epoxy resin and to integrate the sheets. According to the prepreg method, since the resin material impregnated in the sheet itself is used as an adhesive, there is an advantage that an epoxy resin having a high viscosity but excellent adhesive strength can be used.

以上の選定によって350mm×500mmの大きさの試験片を4種類とアルミ青銅(NAB)の1種類の合計5種類の試験片を作成し、耐エロージョン試験を行った。図2はこの試験装置の要部側面図であるが、水を入れた水槽1の中に設けられた台2の上に載せた試験片3の上に振動子4を設け、振動子4を水中で試験片2に接触させない範囲で振動させる方式で行った。振動子4が試験片3に対して接近と離反を繰り返すことで、両者の間には水圧の変化が生じて気泡の発生と崩壊が起こり、実際のキャビテーションに近い状態となる。そして、一定時間ごとに試験片3の損耗量を計測することで、エロージョンの程度を計った。   According to the above selection, a total of five types of test pieces having a size of 350 mm × 500 mm and one type of aluminum bronze (NAB) were prepared and subjected to an erosion resistance test. FIG. 2 is a side view of the principal part of this test apparatus. A vibrator 4 is provided on a test piece 3 placed on a table 2 provided in a water tank 1 containing water, and the vibrator 4 is mounted. It was carried out by a method of vibrating in the range where the test piece 2 was not brought into contact with water. When the vibrator 4 repeats approaching and moving away from the test piece 3, a change in water pressure occurs between them, bubbles are generated and collapsed, and a state close to actual cavitation is obtained. And the degree of erosion was measured by measuring the amount of wear of the test piece 3 at regular intervals.

試験の条件は以下のように設定した。
試験片の厚み 1.7〜2.3mm
クロス材の層数 2〜6層
振動子と試験片との距離 0.5mm
周波数 19.5KHz
両振幅 50μm
試験時間 120分
計測間隔 15分ごと
The test conditions were set as follows.
Test piece thickness 1.7-2.3 mm
Number of layers of cloth material 2-6 layers Distance between transducer and test piece 0.5mm
Frequency 19.5KHz
Both amplitudes 50μm
Test time 120 minutes Measurement interval Every 15 minutes

図3は各試験片における損耗量と時間の関係を示すグラフ、図4は損耗速度のグラフであるが、このことから、次のことがわかった。
損耗量がもっとも少ないのは、アルミ青銅(NAB)の試験片(5)であり、試験時間120分後にもほとんど損耗は見られなかった。次に損耗量が少ないのはアラミド繊維(AF−Fab−Var)の4層材(AF4)及び2層材(AF2)の試験片(4)と(5)であった。一方、損耗量が多いのはカーボン繊維(CF−Fab−Var)の試験片(1)であり、もっとも多かったのはガラス繊維(GF−Fab−Var)の試験片(2)であった。なお、試験片(3)、(4)の損耗量は概略で試験片(1)の1/3、試験片(2)の1/6であった。これからいえることは、複合材料の中ではアラミド繊維のクロス材がもっとも損耗量が少なく、従来使われているカーボン繊維やガラス繊維のものに比べて1/3〜1/6の損耗量であった。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the amount of wear and time in each test piece, and FIG. 4 is a graph of the wear rate. From this, the following was found.
The test piece (5) of aluminum bronze (NAB) had the least amount of wear, and almost no wear was observed after 120 minutes of the test time. Next, the test piece (4) and (5) of the four-layer material (AF4) and the two-layer material (AF2) of aramid fibers (AF-Fab-Var) had the least amount of wear. On the other hand, the carbon fiber (CF-Fab-Var) test piece (1) has a large amount of wear, and the glass fiber (GF-Fab-Var) test piece (2) has the largest amount. In addition, the amount of wear of the test pieces (3) and (4) was roughly 1/3 of the test piece (1) and 1/6 of the test piece (2). What can be said from this is that among the composite materials, the aramid fiber cloth material has the least amount of wear, and the amount of wear is 1/3 to 1/6 that of carbon fiber or glass fiber used in the past. .

カーボン繊維、ガラス繊維及びアラミド繊維の物理的特性を比べてみると、アラミド繊維がもっとも柔軟性がある。このことは、キャビテーションに曝される翼の表面は柔軟な方が適していることを意味している。その理由は、キャビテーション崩壊時の衝撃エネルギーを吸収できるからと推察される。   When the physical properties of carbon fiber, glass fiber and aramid fiber are compared, aramid fiber is the most flexible. This means that the wing surface exposed to cavitation is more flexible. The reason is presumed that the impact energy at the time of cavitation collapse can be absorbed.

以上の結果を裏付けるために、各試験片のエロージョンの進行状況をSEM写真で観察してみた。図5は30分単位の経過後の各試験片のSEM写真であるが、これからわかることは、いずれも樹脂材の剥離、繊維の切断が確認できる。カーボン繊維やガラス繊維は繊維がブツブツ切れてササクレ状態となっており、凹凸が激しい。しかし、アラミド繊維については、繊維が縮れた状態となって樹脂材を抱えているように観察できる。なお、小さな孔ができているが、深くは浸食されていない。一方、アルミ青銅でもその表面に若干の変化が見られる。   In order to support the above results, the progress of erosion of each test piece was observed with SEM photographs. FIG. 5 is an SEM photograph of each test piece after the lapse of 30 minutes, and it can be confirmed from this that peeling of the resin material and cutting of the fiber can be confirmed. Carbon fiber and glass fiber are crumpled and crumpled, and the unevenness is severe. However, the aramid fibers can be observed as if the fibers are crimped and have a resin material. Although small holes are made, they are not eroded deeply. On the other hand, aluminum bronze also shows a slight change on its surface.

さらに、参考までに、アラミド繊維とカーボン繊維によるものについてエロージョンの進行状況を観察した。図6は120分経過後のSEM写真であり、これにおいて、(イ)はカーボン繊維で、a)はマクロ的、b)はミクロ的なもの、(ロ)はアラミド繊維で、a)はマクロ的、b)はミクロ的なものである。これをみると、アラミド繊維は長さ方向に形状が残っており、切れた繊維は縮れた状態になっているのが観察できる。これは、アラミド繊維は伸縮性があり、キャビテーション崩壊時の衝撃エネルギーを吸収できることを意味している。なお、アラミド繊維の方がカーボン繊維に比べて樹脂との接着性が良いことが写真からも観察できる。   For reference, the progress of erosion was observed for aramid fibers and carbon fibers. FIG. 6 is an SEM photograph after 120 minutes, in which (a) is carbon fiber, a) is macroscopic, b) is microscopic, (b) is aramid fiber, and a) is macroscopic. B) is microscopic. From this, it can be observed that the shape of the aramid fiber remains in the length direction and the cut fiber is in a crimped state. This means that aramid fibers are stretchable and can absorb impact energy when cavitation collapses. In addition, it can be observed from the photograph that the aramid fiber has better adhesion to the resin than the carbon fiber.

以上、5種類の試験片による試験結果を総括すると次のようになる。
アルミ青銅の試験片(5)を除いて損耗量が少ないのはアラミド繊維の試験片(3)、(4)であり、これは他のカーボン繊維やガラス繊維等からなる複合材料の試験片(1)、(2)に比べて概略1/3〜1/6になっている。このことから、アラミド繊維は実際の翼に適用できることを示唆している。一方で、現在、もっとも耐エロージョン性が高いとされているアルミ青銅では、120分経過もほとんど損耗量は見られないが、これが7時間を経過すると、損耗が発生しているのが肉眼でも観察できた。上記した試験装置による試験時間は、中大形の船用プロペラで実際の稼働時間を約2千倍に縮めたものであるが、アルミ青銅の翼でも長時間稼働させると、キャビテーションエロージョンが発生して翼面に傷が付くことは周知の事実である。
The test results obtained with the five types of test pieces are summarized as follows.
Except for the aluminum bronze test piece (5), the amount of wear is small in the aramid fiber test pieces (3) and (4), which are composite test pieces made of other carbon fibers or glass fibers ( Compared with 1) and (2), it is approximately 1/3 to 1/6. This suggests that aramid fibers can be applied to actual wings. On the other hand, aluminum bronze, which is currently considered to have the highest erosion resistance, shows almost no wear even after 120 minutes. However, after 7 hours, it is observed with the naked eye that wear has occurred. did it. The test time with the above test equipment is a medium-sized ship propeller, which is about 2000 times shorter than the actual operation time. It is a well-known fact that the wing surface is scratched.

エロージョンが進行して翼が欠損する事態になると、プロペラを交換していた。換言すれば、アルミ青銅によるプロペラであっても、プロペラ交換は避けられないのである。問題は、その交換時期であり、アラミド繊維の翼では、その時期が早められるものの、実際の翼に十分に適用できることを窺わせているといえる。一方、これを除く従来使用されているカーボン繊維やガラス繊維の翼では、その交換時期が著しく早められて商船等の実際の翼に適用できなかったのである。なお、翼を複合材料で構成すれば、その軽量化によって数多くのメリットが享受できるのは上記したとおりである。   When the erosion progressed and the wings were missing, the propeller was replaced. In other words, even if the propeller is made of aluminum bronze, propeller exchange is inevitable. The problem is the time of replacement, and it can be said that aramid fiber wings can be applied to actual wings, although the timing can be accelerated. On the other hand, carbon fiber and glass fiber wings that have been used in the past are not able to be applied to actual wings such as merchant ships because their replacement time is remarkably advanced. As described above, if the wing is made of a composite material, many advantages can be obtained by reducing the weight.

ところで、アラミド繊維のシートはクロス材だけでなく、一方向材と呼ばれるシートもあるのは上記したとおりである。本発明では、クロス材に代えて一方向材であってもよいことを確認している。並行したテストで試したが、120分経過後の損耗量は最大で5%程度劣る程度であったから、十分使用に耐える。   By the way, as described above, the aramid fiber sheet includes not only a cloth material but also a sheet called a unidirectional material. In the present invention, it is confirmed that a unidirectional material may be used instead of the cloth material. Although it was tried in a parallel test, the amount of wear after 120 minutes was inferior by about 5% at the maximum, so it can withstand sufficient use.

プロペラの翼は強度材でもあるから、複合材料によって翼を製作するには、翼全体をアラミド繊維強化樹脂で構成してもよいが、芯の部分はより強度の高いカーボン繊維強化樹脂やガラス繊維強化樹脂を用い、キャビテーションに曝される表層材のみをアラミド繊維によってもよい。この場合でも、樹脂材を多く含むマトリックスが好ましい。なお、強度の点では金属が優れるから、芯を金属としてもよい。この場合、エポキシ樹脂は金属との接着相性も良いから、十分に実用できる。   Since the wings of the propeller are also strength materials, the entire wing may be made of aramid fiber reinforced resin in order to manufacture the wings with composite materials, but the core part is made of carbon fiber reinforced resin or glass fiber with higher strength. Using a reinforced resin, only the surface layer material exposed to cavitation may be aramid fiber. Even in this case, a matrix containing a large amount of resin material is preferable. Since the metal is excellent in terms of strength, the core may be a metal. In this case, the epoxy resin is sufficiently practical because it has good adhesion compatibility with metal.

本発明は船用プロペラの翼に限るものではなく、エロージョンを引き起こす水に接する部位を有するあらゆる装置、部材に適用できる。具体的には、舵、ポンプ、パイプといったものが考えられる。   The present invention is not limited to a wing of a marine propeller, but can be applied to any device or member having a portion that contacts water causing erosion. Specifically, a rudder, a pump, a pipe, etc. can be considered.

1 水槽
2 台
3 試験片
4 振動子
1 Water tank 2 units 3 Test piece 4 Vibrator

Claims (7)

船用プロペラの翼において、少なくとも、翼の表面をアラミド繊維のクロス材を積層した表層材で構成したことを特徴とする船用プロペラの翼。   A wing of a marine propeller, wherein at least a surface of the wing is constituted by a surface layer material in which a cloth material of aramid fibers is laminated. アラミド繊維のクロス材の積層に代えてアラミド繊維の一方向材を同じ軸方向又は異なる軸方向に向けて積層した請求項1の船用プロペラの翼。   The wing | blade of the ship propeller of Claim 1 which replaced with lamination | stacking of the cloth material of the aramid fiber, and laminated | stacked the unidirectional material of the aramid fiber toward the same axial direction or a different axial direction. 表層材を芯材となる構造材に被覆した請求項1又は2の船用プロペラの翼。   The wing | blade of the ship propeller of Claim 1 or 2 which coat | covered the surface layer material in the structural material used as a core material. 構造材をカーボン繊維強化樹脂又はガラス繊維強化樹脂とした請求項3の船用プロペラの翼。   The wing of a ship propeller according to claim 3, wherein the structural material is a carbon fiber reinforced resin or a glass fiber reinforced resin. 請求項1〜4いずれかの船用プロペラの翼の成形方法であり、表層材を積層して又は構造材の表裏に表層材を積層して真空バッグに封入し、真空バッグへ熱硬化性樹脂材を吸引して表層材、構造材に含浸させるとともに、樹脂材を熱硬化させて表層材又は構造材を一体化することを特徴とする船用プロペラの翼の成形方法。   A method for forming a wing of a ship propeller according to any one of claims 1 to 4, wherein a surface layer material is laminated or a surface layer material is laminated on the front and back of a structural material and sealed in a vacuum bag, and the thermosetting resin material is put into the vacuum bag A method for forming a wing of a marine propeller, wherein the surface layer material or the structural material is impregnated and the resin material is thermally cured to integrate the surface layer material or the structural material. 請求項1〜4いずれかの船用プロペラの翼の成形方法であり、予め熱硬化性樹脂材を含浸させたプリプレグの表層材を積層して又は構造材の表裏にプリプレグの表層材を積層して真空バッグに封入し、樹脂材を熱硬化させて表層材又は表層材と構造材を一体化することを特徴とする船用プロペラの翼の成形方法。   It is a shaping | molding method of the wing | blade of the ship propeller in any one of Claims 1-4, Laminating | stacking the surface layer material of the prepreg impregnated with the thermosetting resin material previously, or laminating | stacking the surface layer material of a prepreg on the front and back of a structural material A method for forming a wing of a marine propeller, which is enclosed in a vacuum bag, and a resin material is thermally cured to integrate the surface layer material or the surface layer material and the structural material. 熱硬化性樹脂材がエポキシ樹脂である請求項6の船用プロペラの翼の成形方法。   The method for forming a wing of a ship propeller according to claim 6, wherein the thermosetting resin material is an epoxy resin.
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