(57)【要約】【課題】  タービン支持構造（３５）において使用するための複合材料（１０）を提供する【解決手段】  複合材料（１０）は、正の熱膨張係数を有する第１の材料（１１）と、負の熱膨張係数又は負のポアソン比、あるいは負の熱膨張係数及び負のポアソン比の双方を有する第２の材料（１２）とを含んでもよい。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正の熱膨張係数を有する第１の材料（１１）と；
負の熱膨張係数又は負のポアソン比、あるいは負の熱膨張係数及び負のポアソン比の双方を有する第２の材料（１２）と
を具備する複合材料（１０）。
【請求項２】
前記第１の材料（１１）は金属、セラミック、ガラス、熱硬化性ポリマー、熱可塑材又は合金又はそれらの組合せから成る請求項１記載の複合材料（１０）。
【請求項３】
前記第２の材料（１２）は鉄‐ニッケル合金、炭素繊維、グラファイト繊維、カーボンナノチューブ、アラミド繊維、タングステン酸ジルコニウム、ゼオライト又はそれらの組合わせから成る請求項１記載の複合材料（１０）。
【請求項４】
前記第１の材料（１１）及び前記第２の材料（１２）は、前記複合材料（１０）がほぼ０の正味縦方向熱膨張を示すように組合わされる請求項１記載の複合材料（１０）。
【請求項５】
前記複合材料（１０）は前記第１の材料（１１）及び前記第２の材料（１２）の積層マトリクスから成る請求項１記載の複合材料（１０）。
【請求項６】
前記第２の材料（１２）は負の熱膨張係数を有し、負のポアソン比を有する第３の材料を更に具備する請求項１記載の複合材料（１０）。
【請求項７】
請求項１記載の複合材料（１０）を具備するタービン支持構造（３５）。
【請求項８】
正の熱膨張係数を有する第１の材料（１１）と；
負の熱膨張係数又は負のポアソン比、あるいは負の熱膨張係数及び負のポアソン比の双方を有する第２の材料とを含む支持構造（３５）と
を具備するタービン（３０）。
【請求項９】
熱膨張を調整しつつタービン（３０）を支持する方法において、
正の熱膨張係数を有する第１の材料（１１）と；
負の熱膨張係数又は負のポアソン比、あるいは負の熱膨張係数及び負のポアソン比の双方を有する第２の材料（１２）とを具備する支持構造（３５）を提供することと；
前記支持構造（３５）を加熱することと
を含む方法。
【請求項１０】
前記支持構造（３５）は０℃〜２，０００℃に加熱される請求項９記載のタービン（３０）を支持する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料に関し、特に、タービン支持構造において使用するための熱膨張が調整された複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
翼端隙間として知られるタービンブレードとタービンハウジングとの間の間隙は、タービンの性能にとって重大である。翼端間隙が広すぎると、タービンの性能に悪影響を及ぼす漏れが発生する。翼端隙間が狭すぎる場合には、タービンの内部で摩擦又は摩耗が起こり、タービンの誤動作を引起こす可能性がある。翼端隙間を適切なレベルに維持することは、蒸気タービン及びガスタービンの効率的且つ堅牢な動作を得る上で重要である。
【０００３】
翼端隙間に影響を及ぼす重要な要因は、タービンの支持構造の熱膨張である。一般に、タービンの外側シェルは、タービン回転翼を支持する構造とは別の構造により支持される。多くの場合、タービンの外側シェルは、支持柱で支えられるシェルアームとして知られる延長部分を有する。同様に、回転翼は支持柱においてジャーナル軸受で支持される場合が多い。タービンの動作中にタービンが加熱するにつれて、タービンの外側シェルを通って流れるガスはシェルを加熱する。熱はシェルを介してシェル支持構造へ伝達される。回転翼支持構造もタービンの動作中に加熱するが、その加熱の度合はシェル支持構造より小さい。
【０００４】
タービン支持構造において使用される周知の材料は、加熱されると膨張する。加熱の度合が異なるため、周知の材料から製造されたタービンシェル支持構造と回転翼支持構造とは、タービンの動作中に異なる縦方向膨張を示す場合がある。縦方向膨張の相違は、タービンの内側において翼端隙間に影響を及ぼす可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、熱膨張を最小限に抑えたか又は調整したタービン支持構造用材料を提供することが望まれる。そのような材料の使用によって、周知の材料から製造されたタービン支持構造の熱膨張に起因する翼端隙間の問題を回避できるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態においては、本出願は複合材料を提供する。複合材料は、正の熱膨張係数を有する第１の材料と、負の熱膨張係数又は負のポアソン比、あるいは負の熱膨張係数及び負のポアソン比の双方を有する第２の材料とを含んでもよい。
【０００７】
本出願の別の実施形態は、正の熱膨張係数を有する第１の材料と、負の熱膨張係数又は負のポアソン比、あるいは負の熱膨張係数及び負のポアソン比の双方を有する第２の材料とを含んでもよい支持構造を有するタービンを提供する。
【０００８】
本出願の更に別の実施形態は、タービンを支持する方法であって、正の熱膨張係数を有する第１の材料と、負の熱膨張係数又は負のポアソン比、あるいは負の熱膨張係数及び負のポアソン比の双方を有する第２の材料とを含んでもよい支持構造を提供することと、支持構造を加熱することとから成る方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に図面を参照して説明する。図中、それぞれの図において、同じ図中符号は一貫して同じ要素を示す。図１は、本出願の特定の一実施形態の複合材料１０を示した横断面図である。複合材料は、各々が通常は互いに異なる独自の特性を有する２つ以上の別個の材料が組合わされた場合に得られる材料である。組合わせは、特定の用途に対して有用な特性を有する複合材料を提供してもよい。例えば、複合材料は、熱膨張が調整される用途において有用であってもよい。熱膨張は、材料の温度が変化するにつれて材料が示す寸法の変化である。
【００１０】
複合材料１０は第１の材料１１及び第２の材料１２を含む。第１の材料１１は正の熱膨張係数を有する。熱膨張係数は、温度変化の１度当たりの材料の長さ又は体積の変化の割合である。正の熱膨張係数を有する材料の長さ又は体積は、温度が上昇するにつれて増加する。正の熱膨張係数を有する材料の例には金属、セラミック、ガラス、熱硬化性ポリマー、熱可塑材及び合金又はそれらの組合わせがあるが、それらに限定されない。正の熱膨張係数を有する金属の例には、鋳鉄、鋳鋼及び低クロム合金があるが、それらに限定されない。正の熱膨張係数を有する熱硬化性ポリマーの例にはエポキシ、ポリイミド及び高温ポリエステルがあるが、それらに限定されない。正の熱膨張係数を有する熱可塑材の例にはポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテル‐ケトン、ポリエーテル‐エーテルケトン及びポリエーテル‐ケトン‐ケトンがあるが、それらに限定されない。
【００１１】
第２の材料１２は負の熱膨張係数又は負のポアソン比、あるいは負の熱膨張係数及び負のポアソン比の双方を有する。負の熱膨張係数を有する材料の長さ又は体積は、温度が上昇するにつれて減少する。ポアソン比は、材料に負荷が加えられた場合の横方向収縮ひずみと伸びひずみとの比である。負のポアソン比を有する材料は、加えられた負荷に対して垂直な方向に膨張する。負のポアソン比を有する材料は生長材料としても知られている。負の熱膨張係数又は負のポアソン比、あるいは負の熱膨張係数及び負のポアソン比の双方を有する材料の例には鉄‐ニッケル合金、炭素繊維、グラファイト繊維、カーボンナノチューブ、アラミド繊維、タングステン酸ジルコニウム、ゼオライト及びそれらの組合わせがあるが、それらに限定されない。
【００１２】
第１の材料１１と第２の材料１２とを組合わせることにより、複合材料１０が形成される。第１の材料１１と第２の材料１２との相対量を変化させることにより、複合材料１０の総熱膨張係数が調整されてもよい。また、複合材料１０の構造を変化させることにより、複合材料１０の総熱膨張係数が調整されてもよい。一実施形態においては、複合材料１０は、第１の材料１１及び第２の材料１２の交互に積重ねられた層から形成される第１の材料１１及び第２の材料１２の積層マトリクスを含む。別の実施形態においては、複合材料１０の熱膨張係数は別の材料の熱膨張係数とほぼ等しくなるように設計されてもよい。更に別の実施形態においては、複合材料１０の熱膨張係数は約０になるように設計されてもよい。約０の熱膨張係数とは、約５ｐｐｍ／℃未満の熱膨張を表す。
【００１３】
タービン支持構造に使用される場合などの複合材料の特定の用途においては、縦方向、すなわち、ｙ軸方向などの１つの方向における熱膨張の調整が望ましいことがある。一般に、縦方向とは水平面に対して垂直な方向を指す。本出願の一実施形態においては、第１の材料１１及び第２の材料１２は、複合材料１０がほぼ０の正味縦方向熱膨張を示すように組合わされてもよい。
【００１４】
更に別の実施形態においては、複合材料１０は、正の熱膨張係数を有する第１の材料１１と、負の熱膨張係数を有する第２の材料１２と、負のポアソン比を有する第３の材料とを含む。特に望ましい実施形態においては、約０の熱膨張係数を有する複合材料１０は、正の熱膨張係数を有するガラス繊維と、負の熱膨張係数を有するカーボングラファイト繊維と、ゼオライト充填材とを有するエポキシ系ポリマー系を含む。
【００１５】
図２は、本出願の特に望ましい実施形態の複合材料２０の微細構造を示した横断面図である。複合材料２０は第１の材料２１及び第２の材料２２を含む。第１の材料２１は正の熱膨張係数を有する。第２の材料２２は負の熱膨張係数又は負のポアソン比、あるいは負の熱膨張係数及び負のポアソン比の双方を有する。第１の材料２１及び第２の材料２２は、第２の材料２２の熱収縮又は負荷が加えられることによる収縮、あるいは第２の材料２２の熱収縮及び負荷が加えられることによる収縮の双方により第１の材料２１の熱膨張が相殺されるように積層マトリクスとして配列される。好適な一実施形態においては、第１の材料２１及び第２の材料２２は、構造全体としてほぼ０の正味熱膨張を示すように配列される。
【００１６】
図３は、本出願の一実施形態のタービン３０を示した横断面図である。タービンは、流体の流れの中のエネルギーから機械動力を抽出する回転機械である。タービンの例には蒸気タービン及びガスタービンがあるが、それらに限定されない。蒸気タービンは加圧流れから機械動力を抽出し、ガスタービンは燃焼ガスの流れから機械動力を抽出する。一般に、タービンは高温で動作する。
【００１７】
一実施形態においては、タービン３０はシェル３１を含む。シェル３１はタービンの固定部分であり、固定子、フード、ハウジング又はケーシングとしても知られている。タービン３０は、タービンの回転部分である回転翼３２を更に含む。回転翼３２は、回転翼３２を回転させるために流体の流れと相互作用する複数組のブレード３４を有する軸３３を含む。タービン３０を支持する支持構造３５は、シェル支持体及び回転翼支持体の双方を含む。タービン３０の外側シェル３１は、シェル支持柱３７上で支えられるシェルアーム３６と呼ばれる延長部分を有する。回転翼は別個の回転翼支持柱３８により支持される。
【００１８】
タービン３０が動作中に加熱するにつれて、タービン３０の外側シェル３１を通って流れるガスはシェル３１を加熱する。熱はシェル３１を介してシェルアーム３６及びシェル支持柱３７へ伝達される。タービンの動作中、回転翼支持柱３８も加熱されるが、一般に、その加熱の度合はシェルアーム３６及びシェル支持柱３７より小さい。タービン３０の内側で翼端隙間を破壊する可能性があるタービン支持構造３５の熱膨張の差異を回避するために、タービン支持構造３５は本出願の一実施形態による複合材料を含む。本出願の特定の実施形態においては、タービン支持構造は約０℃〜約２，０００℃に加熱される。
【００１９】
図４は、本発明の一実施形態に従ってシェル支持体及び回転翼支持体の双方を含むタービン支持構造４０を示した端面図である。シェルアーム４１はシェル支持柱４２の上で支えられ、タービンの外側シェルを支持する。回転翼４３は別個の回転翼支持柱４４により支持される。タービン支持構造の全体又は一部は、本明細書中で説明されるような複合材料を含んでもよい。例えば、シェル支持柱４２のみが正の熱膨張係数を有する第１の材料と、負の熱膨張係数又は負のポアソン比、あるいは負の熱膨張係数及び負のポアソン比の双方を有する第２の材料とを含んでもよい。回転翼支持柱４４は同一の材料又は別の材料を含んでもよい。一実施形態においては、シェル支持柱４２の熱膨張は、タービンの動作中に起こる回転翼支持柱４４の縦方向の成長に整合するように設計されてもよく、それにより、タービンの内側における翼端隙間を損傷するような影響を回避できる。
【００２０】
以上の説明は本出願の好適な実施形態にのみ関連し、特許請求の範囲及びそれと等価なものにより定義される本発明の一般的趣旨の範囲から逸脱せずに数多くの変更及び変形を実施できることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本明細書中で説明される本出願の一実施形態の複合材料を示した横断面図である。
【図２】本明細書中で説明される本出願の一実施形態の微細構造を示した横断面図である。
【図３】本明細書中で説明される本出願の一実施形態のタービンを示した横断面図である。
【図４】本明細書中で説明されるタービン支持構造を示した端面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０…複合材料、１１…第１の材料、１２…第２の材料、２０…複合材料、２１…第１の材料、２２…第２の材料、３０…タービン、３５…タービン支持構造、４０…タービン支持構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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