(57)【要約】【課題】  耐エロージョン性に優れたタービン翼を提供する。【解決手段】  本実施形態は、タービンに適用されるタービン翼であって、耐エロ−ジョン性を有する繊維強化複合材料を含む翼前縁部を備え、翼前縁部に含まれる繊維強化複合材料は、タービンの回転中心側である内周側よりも、回転中心側から離れた外周側の方が、耐エロ−ジョン性が高い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンに適用されるタービン翼であって、
耐エロ−ジョン性を有する繊維強化複合材料を含む翼前縁部を備え、
前記翼前縁部に含まれる繊維強化複合材料は、前記タービンの回転中心側である内周側よりも、前記回転中心側から離れた外周側の方が、前記耐エロ−ジョン性が高い、
タービン翼。
【請求項２】
前記翼前縁部の内部に、円筒状の、前記外周側から前記内周側へ向かう方向と円筒軸方向とが一致するように、補強部を内蔵し、
前記補強部に含まれる繊維強化複合材料は、円筒の内径側よりも外径側の方が、前記耐エロ−ジョン性が高い、請求項１記載のタービン翼。
【請求項３】
前記繊維強化複合材料は、耐熱性または耐衝撃性をさらに有し、
前記補強部に含まれる繊維強化複合材料は、前記円筒の外径側よりも内径側の方が、前記耐熱性または耐衝撃性が高い、請求項２記載のタービン翼。
【請求項４】
前記補強部に含まれる繊維強化複合材料は、前記円筒の内径側から外径側に向かって、段階的に、前記耐エロ−ジョン性が高くなる、請求項２または３記載のタービン翼。
【請求項５】
前記補強部に含まれる繊維強化複合材料は、前記補強部の内径側よりも外径側の方が、線膨張係数が小さい、請求項２乃至４の何れか１項に記載のタービン翼。
【請求項６】
前記翼前縁部における前記内周側の繊維強化複合材料が、熱硬化性を有する接着剤で互いに接着され、前記翼前縁部における前記外周側の繊維強化複合材料が、熱可塑性を有する接着剤で互いに接着された、請求項１乃至５の何れか１項に記載のタービン翼。
【請求項７】
前記タービンは、風力用タービンである請求項１乃至６の何れか１項に記載のタービン翼。
【請求項８】
前記タービンは、蒸気用タービンである請求項１乃至６の何れか１項に記載のタービン翼。
【請求項９】
前記タービンは、航空機に設けられたファンタービンである請求項１乃至６の何れか１項に記載のタービン翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、耐エロージョン性を向上させたタービン翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、風力タービンまたは蒸気タービンを使用して発電する発電システムが知られている。このような発電システムでは、液滴がタービン翼に衝突し、この衝突がタービンの運転期間中継続して生じた場合、エロージョン（壊食）とよばれる損傷を引き起こすことがある。
【０００３】
このエロージョンを抑制するために、例えば、蒸気タービンにおいて、動翼の外周側に吸引孔を設けて水滴を除去する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
また、タービン翼のブレード材の先端に耐エロージョン特性に優れた金属材料を貼り付けることによって、耐エロージョン性に優れたファンブレードを提供する技術も知られている（例えば、特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２１０１０５号公報
【特許文献２】特開２００４−８４５２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１のような技術では、タービン翼に加工を施す必要があるため、コストが高くなる等の問題がある。
【０００７】
また、上述した特許文献２のような技術では、金属の比重が高いため、回転遠心力による応力に関する条件が厳しい場合、タービン翼を使用できる場合が限られるという問題もある。
【０００８】
この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的は、耐エロージョン性に優れたタービン翼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態によれば、タービンに適用されるタービン翼であって、耐エロ−ジョン性を有する繊維強化複合材料を含む翼前縁部を備え、翼前縁部に含まれる繊維強化複合材料は、タービンの回転中心側である内周側よりも、回転中心側から離れた外周側の方が、耐エロ−ジョン性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態のタービン翼の構成例を示す図。
【図２ａ】同実施形態のタービン翼の詳細な構成例を示す図。
【図２ｂ】同実施形態のタービン翼の詳細な他の構成例を示す図。
【図３】同実施形態のタービン翼の別の詳細な構成例を示す図。
【図４】同実施形態のタービン翼に用いられる各繊維強化複合材料の特徴の一例を示す表。
【図５】同実施形態のタービン翼に用いられる各繊維強化複合材料の耐エロ−ジョン特性に関するグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照してこの発明に係る実施形態を説明する。  
図１は、本実施形態に係るタービン１の構成例を示す図である。このタービン１は、例えば蒸気用タービンや、風力用タービンを含むが、本実施形態では、これ以外の用途のタービン１であっても良い。例えば、タービン１は、航空機に設けられたエンジン等に用いられるファンタービンでもよい。
【００１２】
タービン１は、タービン翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃ、およびタービン中心部１１を備える。なお、図１では、３つのタービン翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃを示しているが、実際には、タービン１は、２つの、または、３つ以上のタービン翼１０を備えていてもよい。
【００１３】
タービン翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、それぞれ、タービン１に適用され、タービン翼１０を構成する各ブレードであるとも理解される。タービン翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、それぞれ、タービン中心部１１の中心点１１ａを中心に回転する。なお、図１では、タービン翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃが、回転方向Ｂに示すように、時計回りに回転する場合を示している。
【００１４】
タービン中心部１１は、タービン翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃを接続するための部品である。
【００１５】
また、タービン翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、それぞれ、翼前縁部１２を備える。
【００１６】
翼前縁部１２は、タービン翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃの回転方向に対して、タービン翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃの前方に位置する部分である。そのため、水滴等が衝突することによって、エロ−ジョンが生じ易い。例えば、高速の水滴がタービン翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃの先端等に衝撃波として衝突すると、エロ−ジョンが生じる。
【００１７】
翼前縁部１２は、タービン中心部１１に対して外周側にある外周前縁部１２ａと、タービン中心部１１に対して内周側にある内周前縁部１２ｂとを備える。
【００１８】
外周前縁部１２ａは、内周前縁部１２ｂよりもエロージョンが生じやすいので、内周前縁部１２ｂよりも耐エロ−ジョン性が高い材料（以下、「高エロ−ジョン材料」と称す。）を含む。高エロージョン材料は、例えば、ポリエチレンやアラミド繊維等の熱可塑性を有する繊維を含む材料である。
【００１９】
内周前縁部１２ｂは、外周前縁部１２ａよりも高熱および高衝撃の環境にあるので、外周前縁部１２ａよりも耐熱性または耐衝撃強度が高い材料（以下、「高強度材料」と称す。）を含む。高強度材料は、例えば、炭素繊維を含む材料である。また、高強度材料は、例えば、エポキシ等の熱硬化性の繊維を有する材料でもある。
【００２０】
また、外周前縁部１２ａおよび内周前縁部１２ｂに含まれる材料は、例えば連続的な繊維を有する繊維強化複合材料であり、例えば、図４を参照して後述するような耐エロ−ジョン性が高い新しい繊維強化複合材料（新ＦＲＰ）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、または炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等である。
【００２１】
このように、タービン１を構成するタービン翼１０は、耐エロ−ジョン性を有する繊維強化複合材料を含む翼前縁部１２を備える。そして、翼前縁部１２は、タービン１の回転中心側である内周側、すなわち前縁内周部１２ｂよりも、回転中心側から離れた外周側、すなわち前縁外周部１２ａの方が、耐エロ−ジョン性がより高い複合組成を有する繊維強化複合材料を含む。
【００２２】
また、図１に示す矢印Ａは、図２を参照して後述する円筒状の補強部の円筒軸方向を示している。
【００２３】
次に、図２ａおよび図２ｂを参照して、翼前縁部１２のより詳細な構成例について説明する。図２ａと図２ｂは異なる構成を有する翼前縁部１２を示している。
【００２４】
まず、図２ａを参照して、翼前縁部１２Ａのより詳細な構成例について説明する。翼前縁部１２Ａは、円筒状の補強部１８ａを内蔵可能なように、円筒状の形状を有している。
また、図２ａは、タービン翼１０の断面２３ａ側から見た斜視図である。なお、図２ａでは、タービン翼１０の断面２３ｂが、断面２３ａよりもタービン１の内周側の断面である場合を示している。
【００２５】
また、タービン翼１０は、図示するように片側に曲面形状を有している。また、タービン翼１０は、前述したように、ブレードとも称され、図２ａ中における左側が翼前縁部１２Ａであり、右側が翼後縁部である。本明細書では、便宜的に、タービン翼１０のうちの翼前縁部１２以外の部分を翼後縁部と称している。
【００２６】
翼前縁部１２Ａは、図示するように、断面２３ａ側から断面２３ｂ側へ向かう方向（以下、「内周方向」と称す。）、すなわち矢印Ａによって示される方向に円筒軸を有する円筒状になるように、補強部１８ａが内蔵されてなる。
【００２７】
補強部１８ａは、例えば、翼前縁部１２Ａに取り外し可能なように内蔵されている。以下、補強部１８ａが翼前縁部１２Ａに内蔵されている場合について説明する。
【００２８】
また、図２ａでは、翼前縁部１２Ａが円筒状である場合を示しているが、円筒状でなくてもよく、断面中心軸方向が、断面２３ａ側から断面２３ｂ側へ向かう方向に一致するのであれば、楕円形状や、例えば多角柱状でもよい。なお、四角柱状の場合については図２ｂを参照して説明する。
【００２９】
さらに、補強部１８ａは、図示するように、多層状に構成されている。具体的には、補強部１８ａは、最外径側から耐エロ−ジョン層２０ａ、補強層２１ａ、および中空層２２ａを備える。
【００３０】
耐エロ−ジョン層２０ａは、例えば、図４を参照して後述するような耐エロ−ジョン性が高い新しい繊維強化複合材料（新ＦＲＰ）のような高エロ−ジョン材料を含む層である。一方、補強層２１ａは、例えば、図４を参照して後述するようなガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）のような高強度材料を含む層である。中空層２２ａは、空気を含む層である。
【００３１】
そして、耐エロ−ジョン層２０ａを翼前縁部１２Ａの外径側の層に配置し、補強層２１ａを翼前縁部１２Ａの内径側の層に配置することによって、例えば、エロ−ジョンに強いだけでなく、熱または衝撃にも強いタービン翼１０をなし得る。また、中空層２２ａを設けることによって、軽量化を図ることもできる。
【００３２】
このように、タービン翼１０に含まれる繊維強化複合材料は、耐熱性または耐衝撃性をさらに有している。そして、補強部１８ａは、円筒の外径側よりも内径側の方が耐熱性または耐衝撃性がより高い複合組成を有する繊維強化複合材料を含む。また、翼前縁部１２Ａの内部に、円筒状に、タービン翼１０の外周側である前縁外周部１２ａからタービン翼１２Ａの内周側である前縁内周部１２ｂへ向かう方向と、矢印Ａで示される円筒軸方向とが一致するように、補強部１８ａが内蔵されている。そして、この補強部１８ａは、円筒の内径側よりも外径側の方が耐エロ−ジョン性がより高い複合組成を有する繊維強化複合材料を含む。
【００３３】
次に、図２ｂを参照して、翼前縁部１２Ｂのより詳細な構成例について説明する。図２ｂでは、円柱状の翼前縁部１２Ａの代わりに四角柱状の翼前縁部１２Ｂを用いた場合を示している。なお、図２ａと同様の構成および内容については説明を省略する。
【００３４】
翼前縁部１２Ｂは、四角柱状の補強部１８ｂを内蔵可能なように、四角形状の形状を有している。
【００３５】
補強部１８ｂは、最外径側から耐エロ−ジョン層２０ｂ、補強層２１ｂ、および中空層２２ｂを備える。耐エロ−ジョン層２０ｂ、補強層２１ｂ、および中空層２２ｂは、それぞれ、四角柱状の形状を有している。
【００３６】
図２ａに示すように、補強部１８は、円柱状だけでなく、楕円形状や、図２ｂに示すように、四角柱のような多角柱状の形状を有していてもよい。そのため、例えば、翼前縁部１２の形状に合わせて補強部１８を内蔵することによって、補強部１８と翼前縁部１２との間に不要な空間を減少させることができ、例えば、補強部１８を容易に内蔵できる。
【００３７】
なお、上述したように繊維強化複合材料は連続的な繊維を含んでいる。そのため、翼前縁部１２は、図２ａおよび図２ｂに示すように多層状に構成されていなくてもよく、連続的に組成が変わるような構成としても良い。
【００３８】
また、図２ａおよび図２ｂでは図示されていないが、例えば、断面２３ａ側から断面２３ｂ側に向かう内周方向に向かって、耐エロージョン層２０の高エロ−ジョン材料が含まれる割合を徐々に少なくすることによって、図１を参照して説明したように、外周前縁部１２ａは、高エロ−ジョン材料を含み、内周前縁部１２ｂは、高強度材料を含むように構成され得る。
【００３９】
例えば、断面２３ａにおける耐エロ−ジョン層２０の高エロ−ジョン材料の割合を１００％とし、内周方向に関する断面２３ａと断面２３ｂとの中間の位置における高エロ−ジョン材料の割合を５０％とし、断面２３ｂにおける耐エロ−ジョン層２０の高エロ−ジョン材料の割合を０％とする。なお、高エロ−ジョン材料の割合が５０％であることは、例えば、高エロ−ジョン材料と高強度材料とを５０％ずつ含むことを意味し、高エロ−ジョン材料の割合が０％であることは、例えば、高強度材料を１００％含むことを意味する。
【００４０】
ここで、補強部１８の各層の形成方法について説明する。各層の繊維は、例えばフィラメントワインディングによって巻きまわすことによって形成される。耐エロ−ジョン層２０は、例えば、高エロ−ジョン材料として熱可塑性を有する繊維をフィラメントワインディングによって巻きまわすことによって形成される。
【００４１】
例えば、フィラメントワインディングによって各層を形成する際に用いられる円筒状のマントレルに対して、まず補強層２１を形成する。具体的には、補強層２１が、マントレル上に高強度材料として炭素繊維をフィラメントワインディングによって巻きまわすことによって形成される。そして、形成された補強層２１に対して耐エロ−ジョン層２０を形成する。具体的には、耐エロ−ジョン層２０は、形成された補強層２１上に高エロ−ジョン材料としてポリエチレン等の繊維をフィラメントワインディングによって巻きまわすことによって形成される。そして、形成された耐エロ−ジョン層２０および補強層２１をマントレルから取り外すことによって、最内層が中空層２２となる補強部１８を形成する。
【００４２】
このように、フィラメントワインディングを用いることによって、例えば、内周方向に関して各繊維の割合を変化させて補強部１８の各層を形成できる。また、補強部１８は、タービン翼１０から取り外し可能に形成できるため、タービン翼１０に追加で施工することが容易である。つまり、翼前縁部１２は、タービン１を追加で後から補強することも可能としている。
【００４３】
ここで、タービン翼１０における各繊維を接着するための接着剤に関して説明する。  
タービン翼１０は、繊維間を接着するための接着剤として、前縁内周部１２ｂに熱硬化性樹脂を含む接着剤を用い、一方、前縁外周部１２ａに耐エロージョン性に優れた熱可塑性樹脂を含む接着剤を用いる。なお、熱硬化性樹脂を含む接着剤は、例えば、酸無水物系硬化剤を用いたエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエステルイミド樹脂等、あるいはその混合物である。あるいは、例えば、エポキシの中に特殊なフィラを入れた樹脂を含む接着剤である。または、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂とアミン系硬化剤を含む接着剤である。一方、熱可塑性樹脂を含む接着剤は、例えば、耐エロージョン性に優れた樹脂であり、例えばポリアミド、ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、熱可塑性ポリイミド等である。
【００４４】
そして、各層における繊維は、これらの接着剤を浸透させ、硬化処理を行うことによって一体成型され得る。
【００４５】
また、各接着剤は、繊維間に対して適当な浸透性を有すればよいが、水滴等に対するぬれ性に優れた接着剤であればより好適な効果が得られる。
【００４６】
また、機械応力の高い根元部、例えばタービン翼１０の内周前縁部１２ｂ、においてはクリープ特性に優れた熱硬化性樹脂を含む接着剤を用い、水滴衝撃力の高い先端部、例えばタービン翼１０の外周前縁部１２ａ、においては耐エロージョン性に優れた熱可塑性樹脂を含む接着剤を用いることによって、強い機械応力と耐エロージョン性を両立させることができる。
【００４７】
なお、クリープ特性に優れた熱硬化性樹脂の特性は、例えば、応力２０ＭＰａの場合、０．２％以下を示す特性である。また、耐エロージョン性に優れた熱可塑性樹脂の特性は、例えば、少なくとも熱硬化性樹脂の約１００倍以上を示す特性である。
【００４８】
このように、翼前縁部１２の内周側では、繊維強化複合材料が、熱硬化性を有する接着剤で互いに接着されており、翼前縁部１２の外周側では、繊維強化複合材料が、熱可塑性を有する接着剤で互いに接着されている。したがって、一般的に翼前縁部１２の外周側よりも高温となる翼前縁部１２の内周側に対しては、接着性強度を強化することが可能であり、翼前縁部１２の外周側に対しては、耐エロ−ジョン性を強化することが可能である。
【００４９】
また、補強部１８の外径側は、補強部１８の内径側よりも、線膨張係数が小さい複合組成を有する繊維強化複合材料を含む。このように、耐エロージョン性に優れた繊維層、例えば耐エロ−ジョン層２０は、補強層２１よりも線膨張係数が小さくなるようにしてもよい。なぜなら、タービン翼１０の外周側に配置された耐エロージョン層２０の線膨張係数が小さい場合、例えば温度が高い条件においては、耐エロージョン層２０と補強層２１との間に圧縮応力が作用し、両層の結合が強化され得るからである。
【００５０】
次に、図３を参照して、補強部１８の繊維比率を段階的に変化させた場合について説明する。図３は、円筒状の補強部１８の断面図を示している。
【００５１】
補強部１８は、円筒の内径側から外径側に向かって、段階的に、耐エロ−ジョン性が高い複合組成を有する繊維強化複合材料を含む。換言すると、補強部１８は、補強部１８の各層が、補強部１８の内径側から外径側に対して、段階的に、高エロ−ジョン材料の繊維比率が増加するように構成されている。
【００５２】
例えば、内径側から外径側に向かって、段階的に高耐エロ−ジョン材料の繊維比率を変化させ、最外層である高耐エロ−ジョン層３３では、耐エロージョン性に優れた繊維のみになるように構成することによって、耐エロ−ジョン性が強化される。
【００５３】
具体的には、補強部１８は、内径側から外径側に、順に、中空層２２、高補強層３０、半補強層３１、半耐エロ−ジョン層３２、および高耐エロ−ジョン層３３を備える。
【００５４】
高補強層３０は、例えば、高補強材料のみを含む。この場合、半補強層３１は、高補強層３０よりも高エロ−ジョン材料の繊維比率が増加するように、例えば、高補強材料が含まれる割合を減少させ高エロ−ジョン材料が含まれる割合を増加させた材料を含む。例えば、半補強層３１は、高補強材料を７５％含み、高エロ−ジョン材料を２５％含む。
【００５５】
そして、半耐エロ−ジョン層３２は、半補強層３１よりも高エロ−ジョン材料の繊維比率が増加するように、例えば、半補強層３１よりも、高補強材料が含まれる割合を減少させ、高エロ−ジョン材料が含まれる割合を増加させた材料を含む。例えば、半耐エロ−ジョン層３２は、高補強材料を２５％含み、高エロ−ジョン材料を７５％含む。
【００５６】
また、高エロ−ジョン層３３は、例えば、高エロ−ジョン材料のみを含む。
【００５７】
上述したように、フィラメントワインディングによって各繊維を積層する際、内層側に例えば炭素繊維を配置し、外層側に熱可塑性繊維を配置する。そして、最内層から最外層にかけて繊維比を段階的に変化させることによって、両繊維を配分する。これにより、例えば、耐エロージョン性と機械強度特性とを両立させた効果を得ることができる。
【００５８】
なお、ここまで、補強部１８が翼前縁部１２に取り外し可能なように内蔵されている場合について説明したが、例えば、補強層１８が翼前縁部１２と一体となるように予め形成されていてもよい。この場合、上述した補強部１８は、翼前縁部１２に相当する。
【００５９】
次に、図４を参照して、各繊維強化複合材料の特性について説明する。  
本実施形態で用いられる新しい繊維強化複合材料（以下、「新ＦＲＰ」と称す。）は、高エロ−ジョン材料として用いられるＦＲＰである。また、ＧＲＦＰは、ガラス繊維強化プラスチックである。ＣＦＲＰは、炭素繊維を用いた繊維強化プラスチックである。
【００６０】
新ＦＲＰは、耐エロ−ジョン性が高い特性を有するが、耐熱性に関しては低い特性を有する。また、耐衝撃性に関しては、中程度の特性を有する。
【００６１】
ＧＦＲＰは、耐熱性が高い特性を有するが、耐エロ−ジョン性に関しては低い特性を有する。また、耐衝撃性に関しては、新ＦＲＰと同様に、中程度の特性を有する。
【００６２】
ＣＦＲＰは、耐衝撃性が高い特性を有するが、耐エロ−ジョン性および耐熱性に関しては、中程度の特性を有する。
【００６３】
次に、図５を参照して、各繊維に対する耐エロ−ジョン性に関するデータについて説明する。  
図５のグラフ５０は、例えば、ＧＦＲＰやＣＦＲＰである従来の繊維と、新ＦＲＰである本実施形態の繊維と、に対して水滴を衝突させた場合における各繊維の耐エロ−ジョン性の強度を示している。
【００６４】
図５の横軸は、各繊維に衝突させる水滴の速度（ｍ／ｓ）を示しており、縦軸は、各繊維に対する各水滴の速度におけるエロ−ジョン量（％）を示している。エロ−ジョン量は、エロ−ジョンが生じた量を示しており、例えば、水滴を衝突させた各繊維の面積に対してエロ−ジョンが生じた面積の割合である。また、エロ−ジョン量が大きい程、耐エロ−ジョン性が低いことを示している。
【００６５】
グラフ５０では、約１６０ｍ／ｓ，２４０ｍ／ｓ，３３０ｍ／ｓの各々の水滴衝突速度の測定結果を示している。
【００６６】
水滴衝突速度約１６０ｍ／ｓの場合、従来の繊維に対応する測定結果５１および本実施形態の繊維に対応する測定結果５２は、ともに約０％のエロ−ジョン量を示している。
【００６７】
水滴衝突速度約２４０ｍ／ｓの場合、従来の繊維に対応する測定結果５１は、約９％のエロ−ジョン量を示している。一方、本実施形態の繊維に対応する測定結果５２は、エロ−ジョンはほとんど観察されなかった。
【００６８】
水滴衝突速度約３３０ｍ／ｓの場合、従来の繊維に対応する測定結果５１は、約６２％のエロ−ジョン量を示している。一方、本実施形態の繊維に対応する測定結果５２は、約８％のエロ−ジョン量しか示していない。
【００６９】
このように、本実施形態の繊維は、従来の繊維よりも水滴衝突速度が速くなるほど、耐エロージョン性の改善効果が高くなることが分かる。
【００７０】
ここまで、一般的なタービン等に適用可能なタービン翼１０について説明したが、ここで、より詳細に説明するために、本実施形態のタービン翼１０を蒸気タービンに適用した場合について説明する。
【００７１】
蒸気タービンは、一般的に、ボイラから供給された高温・高圧の蒸気エネルギーをノズルとも称される静翼と、動翼を組み合わせた翼列に供給して回転エネルギーに変換するタービンである。
【００７２】
また、蒸気タービンは、一般的に、タービンロータの周方向に配置された動翼と、ケーシングに固定されたノズルとからなる段落と称される単位が複数軸方向に配置された構成を有する。
【００７３】
ボイラによって蒸気が生成され、生成された蒸気は、蒸気タービンに送られる。そして、蒸気タービンに送られた蒸気は、例えば蒸気が送られる通路内で膨張し、その蒸気エネルギーがノズルと動翼とによって回転エネルギーに変換され、変換された回転エネルギーが発電機において電力に変換される。
【００７４】
このような蒸気タービンによる発電システムでは、蒸気が送られる通路の終端における蒸気は、水分が凝縮した湿り蒸気である。そして、この湿り蒸気が、ノズルに付着し、会合してある分布を持った大きさの液滴になる。
【００７５】
この液滴が、ノズルの後縁部から飛翔することによって、動翼に衝突する。そして、この衝突が運転期間中に継続された場合、エロ−ジョンによる損傷を引き起こす。しかしながら、このような場合でも、本実施形態のタービン翼１０を動翼として用いることによって、エロ−ジョンによる損傷を抑えることができる。
【００７６】
また、本実施形態におけるタービン翼１０は、蒸気タービンだけでなく、水力用タービンや風力用タービンにも適用することができる。さらに、タービン翼１０は、飛行機のファンブレードにも適用することができる。
【００７７】
以上のように、本実施形態によれば、タービン翼１０の耐エロージョン性の向上を図ることができ、耐エロージョン性に優れたタービン翼１０を提供することが可能となる。より詳細には、特に水滴に対する耐エロージョン性に優れた翼前縁部１２を有するブレード材として用いられるタービン翼１０を提供することが可能となる。
【００７８】
例えば、翼前縁部１２に、補強層２１の上層側に耐エロージョンシールド部材として耐エロージョン層２０を設けることによって、耐エロージョン性に優れたタービン翼１０を提供することが可能となる。
【００７９】
具体的には、翼前縁部１２に円筒状の繊維強化複合材料を有する補強層２１と、その補強部の外径側に、耐エロージョン性に優れた繊維である円筒状の耐エロージョン層２０とを備えることによって、タービンブレード１０の外側の耐エロ−ジョン性を強化することが可能となる。また、補強層２１によってタービン翼１０の回転による回転遠心力を保持しつつ、耐エロージョン層２１によって、翼前縁部１２の先端等に衝突する水滴によって生じるエロージョンによる浸食の進行を低減することが可能となる。
【００８０】
また、翼前縁部１２に内蔵可能なように補強部１８を設けることによって、エロージョンを抑制するために必要な新たな追加施工が簡素化される。そのため、例えば、タービン翼１０に水滴を除去するための吸引孔を新たに設ける等の、容易に実施できないような追加施工を行う必要がなくなる。そのため、追加施工のために必要なコストを下げることが可能となる。
【００８１】
そのため、従来のブレードとしてのタービン翼よりも耐エロージョン性を向上できるため、例えば、エロージョンが生じやすい厳しい条件であっても、翼前縁部１２における補修が容易になる。
【００８２】
また、耐エロージョン性を有する繊維強化複合材料、すなわち新ＦＲＰは、金属等に比べて比重が小さいため、例えば、タービン１の回転遠心力による応力が厳しい条件であっても、タービン１にタービン翼１０を適用することが可能となる。このように、本実施形態によれば、軽量であるという新ＦＲＰのメリットを生かしながら、耐エロージョン性に優れたブレード翼１０を提供することが可能となる。
【００８３】
また、補強層２１を構成する繊維層と、耐エロージョン層２０を構成する繊維層の割合を段階的に変化させることによって、例えば、エロージョンが生じやすい条件に適合したタービン翼１０を提供することが可能となる。より詳細には、円筒状の補強部の内径側から外径側に向けて、機械的な補強作用を有する繊維層である補強層２１と耐エロージョン作用を有する繊維層である耐エロージョン層２０との割合を傾斜変化させることによって、例えば、各層間に生じるせん断応力を低減することが可能となる。
【００８４】
また、翼前縁部１２の各繊維層を接着する樹脂として耐エロージョン性樹脂を用いることによって、耐エロージョン性により優れたタービン翼１０を提供することが可能となる。
【００８５】
また、例えば、タービン翼１０が蒸気タービンの蒸気用タービン翼として用いられた場合、特に湿り蒸気によるエロージョンが問題になる場合において、蒸気用タービン翼１０のメンテナンスや補修を頻繁に行う必要がなくなり、実用的にも有用なタービン翼１０を提供することが可能となる。
【００８６】
さらに、エロージョンの進行速度は、液滴の径や衝突速度、または衝突角度等に依存する。そのため、例えば、蒸気タービンにおいて低圧の状態では、静翼上に湿り蒸気が液滴化する。しかしながら、本実施形態のタービン翼１０を用いることによって、液滴化した湿り蒸気が蒸気用タービン翼に衝突することによってエロージョンが生じることを抑制することが可能となる。
【００８７】
また、本実施形態のタービン翼１０は、ブレードとして用いることができるため、例えば、風力用タービンの風車ブレードや飛行機のファンブレードとして用いることも可能となる。
【００８８】
また、特性の異なる繊維強化複合材料を組み合わせることによって、耐エロ−ジョン性と耐熱性または耐衝撃性等の機械強度とを両立させることが可能となる。
【００８９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９０】
１…タービン、１０…タービン翼、１１…タービン中心部、１２…翼前縁部、２０…耐エロ−ジョン層、２１…補強層、２２…中空層、２３…（タービン翼１０の）断面、３０…高補強層、３１…半補強層、３２…半耐エロ−ジョン層、３３…高耐エロ−ジョン層、Ａ…円筒軸方向、Ｂ…回転方向。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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