(57)【要約】      （修正有）【課題】蒸気タービンに関し、具体的には、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を含む蒸気タービン部材を提供する。【解決手段】蒸気タービン部材はセラミックマトリックス複合材ＣＭＣ１１０を含む。この部材は全体又は一部がＣＭＣ１１０でできていてもよい。ＣＭＣ１１０は酸化の可能性をなくし、蒸気タービンの有用性（availability）及び信頼性を向上させる。第１の態様では、セラミックマトリックス複合材を含む蒸気タービン用蒸気タービン部材、固定部材を提供する。第２の態様では、セラミックマトリックス複合材を含む部材を含む蒸気タービンを提供する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を含んでなる蒸気タービン（１０）部材。
【請求項２】
ＣＭＣ（１１０）が金属コア（１１４）上の層である、請求項１記載の蒸気タービン（１０）部材。
【請求項３】
さらに、ＣＭＣ（１１０）と金属コア（１１４）との間に熱均衡接合部（１１６）を含む、請求項２記載の蒸気タービン（１０）部材。
【請求項４】
ＣＭＣ（１１０）が酸化物系ＣＭＣ（１１０）を含む、請求項１記載の蒸気タービン（１０）部材。
【請求項５】
酸化物系ＣＭＣ（１１０）が酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を含む、請求項４記載の蒸気タービン（１０）部材。
【請求項６】
ＣＭＣ（１１０）がさらに炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む、請求項５記載の蒸気タービン（１０）部材。
【請求項７】
ＣＭＣ（１１０）が酸化物系マトリックス及びセラミック系繊維を含む、請求項１記載の蒸気タービン（１０）固定部材。
【請求項８】
酸化物系マトリックスが酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、ホウ化チタン（ＴｉＢ）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む、請求項７記載の蒸気タービン（１０）固定部材。
【請求項９】
酸化物系マトリックスが酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、二ホウ化チタン（ＴｉＢ2）、炭化白金（ＰｔＣ）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む、請求項７記載の蒸気タービン（１０）部材。
【請求項１０】
ＣＭＣ（１１０）が、
炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、ジルコニウム・ケイ素・炭素（Ｚｒ−Ｓｉ−Ｃ）、ハフニウム・ケイ素・炭素（Ｈｆ−Ｓｉ−Ｃ）及びチタン・ケイ素・炭素（Ｔｉ−Ｓｉ−Ｃ）からなる群から選択されるマトリックス、並びに
炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭素（Ｃ）、並びに酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）を含むα−Ａｌ2Ｏ3からなる群から選択される繊維
を含む、請求項１記載の蒸気タービン（１０）部材。
【請求項１１】
部材の外面がテクスチャー面（１２０）を含む、請求項１記載の蒸気タービン（１０）部材。
【請求項１２】
部材が固定部材を含む、請求項１記載の蒸気タービン（１０）部材。
【請求項１３】
固定部材が、弁軸（１０２）、ノズル、及びブッシングからなる群から選択される、請求項１２載の蒸気タービン（１０）部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は広義には蒸気タービンに関する。具体的には、本発明はセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を含む蒸気タービン部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンでは、弁でタービンのセクション間の開口部を開閉し、圧力下で蒸気に暴露される。蒸気タービンの設計基準の一つは信頼性（reliability）であり、次いで有用性（availability）及び操作性（operability）である。弁軸（通例ニッケル合金製）は全蒸気圧力及び温度に付される。これらの圧力及び温度は現在の設計では２４．８ＭＰａ（３６００ｐｓｉ）及び６２１℃（１１５０°Ｆ）に達することもある。しかし、次世代の蒸気タービンでは２９．６ＭＰａ（４３００ｐｓｉ）及び７６０℃（１４００°Ｆ）に達すると予測されている。こうした条件下では、ニッケル合金製の弁軸は酸化されて、酸化物が堆積する。弁軸は、同様の材料でできたブッシング内で上下運動をすると期待される。従って、弁軸とブッシングの両方で酸化物が成長しかねない。信頼性を保つには、軸の主要オーバーホール及び／又は交換（通例５〜１０年）を実施するまで軸が滑らかに作動できるように、設計及び製造段階で十分なクリアランス（間隙）を維持する必要がある。この問題を解決する１つのアプローチは、酸化物のための追加のクリアランスを設けることである。残念ながら、過度のクリアランスを設けると、蒸気が漏れて性能が損なわれる。さらに、高い蒸気温度では、ニッケル基超合金上の酸化物の堆積のためにおそらく２〜４年以内に適度なエンジニアリングクリアランス（例えば半径方向で１０ｍｍ）が消失して、弁軸のバインディング（固着）が起きて、弁が機能しなくなるおそれがある。軸が正常な弁開放条件でバインディングすると、その事象のために蒸気の流れを遮断できなくなり、タービンの過速度を生じるおそれがある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
蒸気タービン部材はセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を含む。本部材は全体がＣＭＣでできていても、一部がＣＭＣでできていてもよい。ＣＭＣは、部分的又は完全な酸化物系セラミック／繊維複合材の層の下での酸化の可能性をなくし、蒸気タービンの有用性と信頼性を向上させる。
【０００４】
本発明の第１の態様では、セラミックマトリックス複合材を含む蒸気タービン用蒸気タービン部材、固定部材を提供する。
【０００５】
本発明の第２の態様では、セラミックマトリックス複合材を含む部材を含む蒸気タービンを提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、蒸気タービンの部分切欠き斜視図である。
【図２】図２は、完全にセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）からなる弁軸の形態の蒸気タービン部材の断面図である。
【図３】図３は、部分的にＣＭＣからなる弁軸の形態の蒸気タービン部材の断面図である。
【図４】図４は、蒸気に暴露される表面だけがＣＭＣでできた弁軸の形態の蒸気タービン部材の断面図である。
【図５】図５は、テクスチャー外面を有するＣＭＣでできた弁軸の形態の蒸気タービン部材の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、蒸気タービンに関する用途及び作動を例にとって、本発明の１以上の実施形態について説明する。ただし、本発明が適宜どのようなタービン及び／又はエンジンにも同様に応用できることは、本明細書の教示内容に接した当業者には明らかであろう。本発明の実施形態では、固定部材がセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を含む蒸気タービン部材を提供する。
【０００８】
図面を参照すると、図１は蒸気タービン１０の部分切欠き斜視図を示す。蒸気タービン１０は、回転シャフト１４と複数の軸方向に離隔したロータホイール１８とを備えるロータ１２を含む。複数の回転動翼２０が、各ロータホイール１８に機械的に結合される。具体的には、動翼２０は各ロータホイール１８の周方向の列として配置される。複数の固定静翼２２がシャフト１４の周囲に周方向に配置され、軸方向には隣接動翼２０列の間に位置する。固定静翼２２は動翼２０と協働してタービン段を形成し、タービン１０を通る蒸気流路の一部を形成する。
【０００９】
作動中に、蒸気２４はタービン１０の入口２６に流入し、固定静翼２２を通って流れる。静翼２２は蒸気２４を下流の動翼２０に向ける。蒸気２４は残りの段を通過し、動翼２０に力を与えてシャフト１４を回転させる。タービン１０の少なくとも一端は軸方向にロータ１２と遠位方向に延在していてもよく、特に限定されないが、発電機その他のタービンのような負荷又は機械（図示せず）に取付けることができる。
【００１０】
図１に示す本発明の一実施形態では、タービン１０は５つの段を含む。５段は、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４として示す。Ｌ４段は第１段であり、５段のうちで最小（半径方向に）のものである。Ｌ３段は第２段であり、軸方向に次の段である。Ｌ２段は第３段であり、５段のうちの中央に位置するものとして示す。Ｌ１段は第４段であり、最後から２番目の段である。Ｌ０段は最終段であり、最大（半径方向に）のものである。５つの段は一例にすぎず、低圧タービンの段の数は４以下でも、６以上でもよい。また、本明細書に記載する通り、本発明の教示内容は複数段のタービンが必須というわけでもない。
【００１１】
自明であろうが、蒸気タービン１０は多数の部材を含む。便宜上、図２〜図４に示す固定弁軸１０２を参照して本発明を説明する。その他の固定部材としては、例えば、固定弁ブッシング１０４（図２〜図３）、ノズル、ケーシングなどが挙げられる。また、本発明の教示内容が弁頭又はローター動翼のような可動部材にも適用できることも自明であろう。部材１００はセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を含む。ＣＭＣは酸化に耐えることのできるセラミック材料であればよく、強化繊維又は織物を含んでいることもある。一実施形態では、ＣＭＣは、酸化をなくす作用をもつ酸化物系マトリックスを含む。例えば、ＣＭＣ１１０は酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）マトリックスを含む。別の実施形態では、ＣＭＣ１１０は、硬さを増すため炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維を含む。別の実施形態では、ＣＭＣ１１０は酸化物系マトリックスとセラミック系繊維とを含む。例えば、酸化物系マトリックスは、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、ホウ化チタン（ＴｉＢ）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む。別の例では、酸化物系マトリックスは、Ａｌ2Ｏ3、二ホウ化チタン（ＴｉＢ2）、炭化白金（ＰｔＣ）又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む。セラミック系繊維としては、上述の酸化物系マトリックスのいずれか又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）のようなセラミック系材料が挙げられる。その他のマトリックスとして、例えば、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、及び炭化ニオブ（ＮｂＣ）、並びにジルコニウム・ケイ素・炭素（Ｚｒ−Ｓｉ−Ｃ）、ハフニウム・ケイ素・炭素（Ｈｆ−Ｓｉ−Ｃ）又はチタン・ケイ素・炭素（Ｔｉ−Ｓｉ−Ｃ）のような混合炭化物が挙げられる。その他の繊維としては、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭素（Ｃ）、並びに酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）添加物を含むα−Ａｌ2Ｏ3、又はこれらの変形が挙げられる。いずれにせよ、ＣＭＣ１１０は、部材１００の延性又は材料系でのエネルギー吸収、さらには蒸気腐食耐性及び摩耗耐性を増大させるように作用すべきであり、場合によってはＣＭＣ１１０上に層又は繊維を設けてもよい。
【００１２】
図２に示す一実施形態では、部材１００は完全にＣＭＣからなる。図３に示す別の実施形態では、部材１００は部分的にＣＭＣからなる。この例では、部材１００は、金属コア１１４（鋼など）の上にＣＭＣ層１１２を含んでいる。この場合、熱膨張率の差を均衡させるためＣＭＣ層１１２と金属コア１１４の間に熱均衡接合部１１６が必要とされることもあろう。熱均衡接合部１１６としては、例えば、ＣＭＣ層１１２と金属コア１１４の間のコンプライアント層が挙げられる。或いは、図４に示すように、部材１００のうち蒸気に暴露される表面１１８だけがＣＭＣ１１０を含んでいてもよい。自明であろうが、本発明の技術的範囲内で様々な構成を用いることができる。
【００１３】
部材１００は現在公知の技術又は今後開発される技術のいずれを用いても形成することができる。例えば、強化材料のプリプレグを自立部材として又は金属コア１１４に固定した状態（図３）で作成し、プリプレグに繰返しセラミックを含浸し、セラミックを硬化させる。
【００１４】
図５を参照すると、代替的な実施形態では、部材１００の外面１２０はテクスチャー面１２０を含んでいてもよい。テクスチャー面１２０は、例えば、織物をプリプレグの外側部分として設け、織物によってテクスチャー面１２０が生じるようにすればよい。テクスチャー面１２０によって蒸気通路の表面積が増大すると、漏れが低減して効率が増大し得る。
【００１５】
蒸気タービン用の弁軸に関して本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明は蒸気タービン用の弁軸に限定されるものではない。特に、本発明は酸化が制限要因となる蒸気タービンのあらゆる部材に応用できる。例えば、本発明の教示内容はノズル、ケーシングなども適用できる。
【００１６】
本発明は、酸化物の成長速度の低減を介して、次世代蒸気タービンに対する蒸気タービンの有用性を増大させる。
【００１７】
本明細書における「第１の」、「第２の」などの用語は、順序、数量又は重要性を意味するものではなく、ある要素を別の要素から区別するためのものである。数量に関して用いる「約」という修飾語は、その数値を包含し、かつ文脈によって決まる意味を有する（例えば、その数量の測定に付随する誤差を含む。）。本明細書に記載された範囲は、上下限を含み、独立に組合せ自在である（例えば、「約２５％以下、特に約５％〜約２０％」との記載は「約５％〜約２５％」の上下限及びあらゆる中間値を含む。）。
【００１８】
本明細書では、様々な実施形態について説明してきたが、本発明の技術的範囲内で様々な要素の組合せ、変更及び改良を当業者がなし得ることは本明細書の記載から明らかであろう。また、本発明の技術的範囲内で、特定の状況又は材料を本発明の教示内容に適合させるための数多くの変更を行うこともできる。従って、本発明は、本発明を実施するための最良の実施形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
【符号の説明】
【００１９】
蒸気タービン  １０
ローター  １２
回転軸  １４
ローターホイール  １８
回転動翼  ２０
固定静翼  ２２
蒸気  ２４
入口  ２６
弁軸  １０２
弁ブッシング  １０４
部材  １００
ＣＭＣ  １１０
ＣＭＣ層  １１２
金属コア  １１４
接合部  １１６
表面  １１８
テクスチャー面  １２０
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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