(57)【要約】      （修正有）【課題】タービンブレードの表面の摩耗状態ならびに摩耗の進行度を、迅速かつ的確に判断できるタービンブレード、タービンブレードの摩耗判定方法、及びタービンロータを提供する。【解決手段】表面の少なくとも一部の領域に被覆層を有するタービンブレード１であって、この被覆層２の内部に磨耗に伴って表面に露出し、前記タービンブレードの基本構造体４とは相違する摩耗指標３１、３２を配置したことを特徴とするタービンブレード、タービンブレードの摩耗判定方法、及びタービンロータ。【選択図】図３
2017187001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の少なくとも一部の領域に被覆層を有するタービンブレードであって、
この被覆層の内部に磨耗に伴って表面に露出し、前記タービンブレードの基本構造体とは相違する摩耗指標を配置したことを特徴とするタービンブレード。
【請求項２】
前記摩耗指標は、前記被覆層の表面に露出することなく光学的に隠蔽された状態で存在していることを特徴とする請求項１に記載のタービンブレード。
【請求項３】
前記摩耗指標が、前記被覆層の形成材料と光学的に識別可能なものである、ことを特徴とする請求項１または２に記載のタービンブレード。
【請求項４】
前記摩耗指標が、吸水によって色相、明度または彩度が変化するものである、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のタービンブレード。
【請求項５】
前記摩耗指標が、前記被覆層の少なくとも一部の領域に層状で存在している、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のタービンブレード。
【請求項６】
前記被覆層の表面からの距離が異なる位置に、互いに光学的に識別可能な複数の摩耗指標が存在している、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載のタービンブレード。
【請求項７】
前記被覆層および前記摩耗指標の少なくとも１つが、セラミックス材料、金属材料または樹脂材料から選ばれる少なくとも１つの材料を含んでなる、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のタービンブレード。
【請求項８】
表面の少なくとも一部の領域に被覆層を有するタービンブレードの表面の摩耗状態を、前記被覆層の内部に存在する摩耗指標が前記被覆層の摩耗に伴って前記被覆層の表面に露出することを識別することによって判定する、ことを特徴とするタービンブレードの摩耗判定方法。
【請求項９】
前記タービンブレードの表面の摩耗状態を、前記被覆層の内部に存在する互いに光学的に識別可能な複数の摩耗指標が前記被覆層の摩耗に伴って前記被覆層の表面に順次露出することを識別することによって判定する、ことを特徴とする請求項８に記載のタービンブレードの摩耗判定方法。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のタービンブレードを具備してなる、ことを特徴とするタービンロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンブレード、タービンブレードの摩耗判定方法およびタービンロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電機のタービンブレードは、例えば高温水蒸気を受けることでタービンロータの回転力を生み出し、それによって発電を行う際に重要な役割を果たしている。タービンブレードは、高温水蒸気中を高速回転するため、タービンブレードには水滴が高速度で衝突することが避けられない。
【０００３】
この衝突によって、タービンブレードの表面は次第に損耗していき、その損耗がタービンブレードとしての使用限界に到達ないし近づくと、タービンブレードの交換または補修が行われる。
【０００４】
タービンブレードの形成材料としては、従来は金属材料が用いられることが一般的であったが、近年は、例えば軽量化等を目的として樹脂材料が用いられることが多くなってきている。しかし、タービンブレードの形成材料として、金属材料を用いたとしても、あるいは樹脂材料を用いたとしても、水滴が衝突することによる表面摩耗は避けがたい。
【０００５】
そこで、例えばタービンブレードの耐摩耗性を向上させたり、タービンブレードの本体部の摩耗損傷を防ぐために、タービンブレードの表面に被覆層を設けることが検討され、一部実用化されつつある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２０１４−５２２４７４号公報
【特許文献２】特許第５７７７７２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
タービンブレードの表面に設けられた被覆層が摩耗した際は、タービンブレードそのものを交換したり、タービンブレードの表面に被覆層を再形成する等の補修が必要になる。しかしながら、例えばタービンの運転状況や、水蒸気の性状（例えば、水分量、圧力、温度、流速、水滴径等）、タービンブレードの具体的形状や設置位置などによって、タービンブレードの摩耗の発生ないしその進行状態は大きく変動することから、単にタービンの運転時間から一律に摩耗状態を判断ないし推定することは不適当であることが多い。
【０００８】
このことから、個々のタービンやタービンブレードの運転状況等に応じ、実際の摩耗状態を継続的ないし定期的に判定することが一般になされている。
【０００９】
タービンブレード表面の摩耗状態は、被覆層の厚さを計測することにより、あるいは、目視により、その表面状態を子細に観察することによってある程度正確に判断することが可能である。しかしながら、これらのいずれであっても、摩耗判定に手間や時間がかかり、従ってタービンの運転中止時間が長くなることが避けられない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施形態によるタービンブレードおよびタービンブレードの摩耗判定方法は、上記課題に解決を与えるものであって、タービンブレードの表面の摩耗状態を正確にかつ即座に判定できるタービンブレード、および摩耗状態の判定方法を提供するものである。
【００１１】
本発明に実施形態によるタービンブレードは、表面の少なくとも一部の領域に被覆層を有するタービンブレードであって、この被覆層の内部に磨耗に伴って表面に露出し、前記タービンブレードの基本構造体とは相違する摩耗指標を配置したことを特徴とするもの、である。
【００１２】
また、本発明に実施形態によるタービンブレードの摩耗判定方法は、表面の少なくとも一部の領域に被覆層を有するタービンブレードの表面の摩耗状態を、前記被覆層の内部に存在する摩耗指標が前記被覆層の摩耗に伴って前記被覆層の表面に露出することを識別することによって判定するもの、である。
【００１３】
そして、本発明に実施形態によるタービンロータは、前記のタービンブレードを具備してなるもの、である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の実施形態によれば、タービンブレードの表面の摩耗状態ならびに摩耗の進行度を、正確に判定することができる。したがって、タービンブレードの交換や補修の要否判断や余寿命診断を、簡単かつ容易に行うことができる。
【００１５】
そして、本発明の実施形態によるタービンブレードおよびタービンブレードの摩耗判定方法は、タービンブレードの材質や形状に特に制限されることなく適用することができる。従って、タービンブレードの基本構造体が、例えば金属材料であっても、樹脂材料であっても、セラミックス材料であっても、あるいはこれらの複合材料からなるものであっても、容易に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態によるタービンブレードの概要を示す斜視図。
【図２】図１に示すタービンブレードのＡ−Ａ’矢視断面図。
【図３】タービンブレードの他の実施例を示す図１のＡ−Ａ’矢視断面図。
【図４】タービンブレードの他の実施例を示す図１のＡ−Ａ’矢視断面図。
【図５】タービンブレードの他の実施例を示す図１のＡ−Ａ’矢視断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態によるタービンブレードおよびタービンブレードの摩耗判定方法を、必要に応じて図面を参照して説明する。
【００１８】
なお、本明細書において、「タービンブレード」とは、「タービンの流体の流れの通路にあって、流体によって衝動、反動作用を生じさせ、回転軸に回転力を与えるもの」を言う。なお、ケーシング側に固定されたものと、タービンロータ側に固定されたものの両者を包含する。
【００１９】
＜タービンブレード＞
図１は、本発明の実施形態によるタービンブレードの好ましい一具体例の概要について示すものであって、タービンブレード１を、このタービンブレードを回転させるために流通させる流体の上流方向から観察した場合について示す斜視図である。
【００２０】
図１のタービンブレード１の下方側の端部１ａは、タービンの回転軸（タービンロータ）（図示せず）に固定される端部であり、一方、タービンブレード１の上方側の端部１ｂは、タービンブレード１の先端として周回する端部である。なお、タービンブレード１の上方側の端部１ｂには、必要に応じて、シュラウド（図示せず）を設けることができる。
【００２１】
この図１に示されるタービンブレード１は、表面の少なくとも一部の領域Ｘに被覆層２を有するタービンブレードであって、この被覆層２の内部にタービンブレード１の基本構造体４（図２参照）とは相違する摩耗指標３が被覆層２の表面に露出することなく光学的に隠蔽された状態で存在している。ここで、「光学的に隠蔽された状態」とは、「光学的に外部から遮断もしくは隠されていて、外部から光学的手段によって観察しても存在が認められないこと」を意味する。従って、物理的には外部から遮断もしくは隠されていても、外部から光学的に観察した際に存在が認められる場合は、上記の「光学的に隠蔽された状態」には該当しない。例えば、摩耗指標が光透過性材料に覆われていて摩耗指標が外部から透けて見えてしまう場合は、該当しない。
【００２２】
被覆層２は、タービンブレード１の表面の少なくとも一部の領域Ｘに形成されている。この被覆層２は、タービンブレード１の摩耗の発生ないし進行が他より早い領域Ｘに設けることが好ましい。従って、タービンブレード１が、流体（たとえば、蒸気）によって、図１中の矢印のように左回転するようなものの場合、被覆層２は、流体との接触頻度が高い箇所（すなわち、タービンブレード１の回転方向側（即ち、図１のタービンブレード１の左側））の表面を覆うように被覆することが好ましく、そして、流体との衝突強度が高い箇所（すなわち、周速が速くて水滴との衝突強度が大きいタービンブレード１の先端部近くの表面部（即ち、図１のタービンブレード１の上端部１ｂ近傍の表面））を被覆していることが好ましい。
【００２３】
タービンブレード１の全表面積に対する、被覆層２が占める面積の割合は、好ましくは５〜１００％、好ましくは５〜３０％、である（タービンブレード１の全表面積を１００％とする）。
【００２４】
被覆層２の厚さは、例えば、タービンブレード１の具体的用途、大きさ、使用環境、耐久性等に応じて適宜定めることができるが、最も厚さが厚いところで、好ましくは５〜５０ｍｍ、特に好ましくは５〜２０ｍｍ、である。
【００２５】
また、被覆層２の厚さは、タービンブレード１の全体にわたって均一である必要はなく、場所に応じて適宜厚さを変えることができる。例えば、上述のように、タービンブレードの摩耗の発生ないし進行が早い領域については、被覆層２の厚さを厚くすること好ましい（図２参照）。
【００２６】
図２は、図１のタービンブレード１のＡ−Ａ’断面を示すものである。  
この図２には、図１と同様に、タービンブレードの表面の少なくとも一部の領域Ｘに被覆層２を有するタービンブレード１であって、摩耗指標３がこの被覆層２の表面に露出することなく光学的に隠蔽された状態で存在しているものが示されている。
【００２７】
この摩耗指標３は、被覆層２の形成材料と光学的に識別可能なもの、好ましくは覆層２の形成材料と視覚的に明瞭に識別可能なもの、である。ここで、「光学的に識別可能」とは、（イ）ヒトの肉眼で直接的に識別可能な場合のみならず、（ロ）装置（例えば、光学装置）等の関与によって識別できる場合をも包含する。（イ）の場合の代表例としては、ヒトが視認可能な光の波長範囲内での変化、例えば色相変化、明度変化または彩度変化や、反射率の変化、摩耗指標の形態ないし形状の変化等を挙げることができ、（ロ）の場合の代表例としては、所謂ブラックライト照射による蛍光発光や、イメージセンサ等の各種センサを介して取得された情報等に基づき、例えば色相変化や反射率の変化、形態ないし形状の変化等を通じて識別可能である場合を挙げることができる。とりわけ好ましいのは、摩耗指標が吸水によって色相が変化するものである。
【００２８】
摩耗指標３は、タービンブレード１に形成された被覆層２の内部に存在している。この摩耗指標３は、タービンブレード１に形成された全被覆層２のうち、その少なくとも一部の領域の被覆層の内部に存在していればよく、全被覆層２の全領域の内部に摩耗指標３が存在している必要はない。
【００２９】
しかし、本発明の実施形態では、被覆層２のできるだけ広い領域、特に被覆層の全領域、の内部に摩耗指標３が存在していることが好ましい。従って、摩耗指標３は、図２に示されるように、被覆層２の広い領域に効率的に存在するように、層状で存在していることが好ましい。摩耗指標３が、このように層状で存在することによって、タービンブレード１の表面の摩耗状態を、迅速かつ的確に、広範囲で判断することが容易になる。
【００３０】
摩耗指標３を被覆層２の一部の領域に設ける場合、摩耗指標３は、被覆層２の摩耗の発生ないし進行が他より早い領域に設けることが好ましい。従って、摩耗指標３は、流体との接触頻度が高い箇所（すなわち、タービンブレード１の回転方向側（即ち、図２のタービンブレード１の左側））に存在させることが好ましく、そして、流体との衝突強度が高い箇所（すなわち、周速が速くて水滴との衝突強度が大きいタービンブレード１の先端部近くに存在させることが好ましい。
【００３１】
タービンブレード１の全表面積に対する、摩耗指標３が占める面積の割合は、好ましくは５〜１００％、好ましくは５〜３０％、である（タービンブレード１の全表面積を１００％とする）。
【００３２】
摩耗指標３は、図２に示されるように、被覆層２の内部に層状に一層存在させることができる。
【００３３】
また、被覆層２の内部に複数の摩耗指標層を存在させることができる。好ましくは、図３〜図５に示されるように、被覆層２の内部に複数の摩耗指標層（３１、３２）を存在させることができる。更に好ましくは、被覆層２の表面からの距離が異なる位置に、複数の摩耗指標（３１、３２）を存在させることができる。この場合、例えば、図３に示されるように、複数の摩耗指標層（３１、３２）を離間して存在させることが好ましく、図４に示されるように、複数の摩耗指標層（３１、３２）を離間させることなく接触させて存在させることができる。また、図５に示されるように、連続した摩耗指標層３２と不連続な摩耗指標層３１とを存在させることができる。
【００３４】
摩耗指標層が、被覆層２の内部に複数存在する場合、これらの摩耗指標は、互いに光学的に識別可能なものとすることが好ましい（なお、「光学的に識別可能」については、前記した通りである）。
【００３５】
ここで、摩耗指標層が被覆層２の内部に複数存在する場合の典型例として、例えば図３〜図５を参照して示すと、摩耗指標層３１と摩耗指標層３２とは視覚的に明瞭に判別できるように、色相が明確に異なることが好ましい。好ましくは、例えば、摩耗指標層３２が例えば赤色である場合には、摩耗指標層３１は例えば黄色にすることができる。また、例えは、摩耗指標層３２と摩耗指標層３１との間に、他の摩耗指標層（図示せず）を設けた場合には、この他の摩耗指標層は、例えばオレンジ色にすることができる。図５の場合、摩耗指標層３２と摩耗指標層３１とは、それらが表面に露出した際は、その露出形態の相違からも両層を明瞭に判別することができる。
【００３６】
被覆層２の深部に存在する摩耗指標層３２（即ち、タービンブレードの基本構造体４に近い方の摩耗指標層）を、タービンブレードの摩耗限界位置ないしその近傍に配置すれば、タービンブレードとしての使用限界の到来を示す所謂「警告指標層」として利用することができる。被覆層２の表面と摩耗指標層３２との中間位置に設けられる摩耗指標層３１は、タービンブレードの余寿命の長さの目安や摩耗限界に近づきつつことを示す、所謂「注意指標層」として利用することができる。
【００３７】
前記の被覆層２および摩耗指標３は、それぞれ、タービンブレードの形成材料として使用可能な任意の材料によって形成することができる。好ましくは、（イ）樹脂材料、例えば、エンジニアリングプラスチックと呼ばれる、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、を含んでなるもの、（ロ）粉末状のセラミックス材料、例えば、アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素を含んでなるもの、（ハ）粉末状の金属材料、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウムを含んでなるもの、（ニ）(イ)〜(ハ)のいずれか１種あるいは２種以上を含んでなるものを挙げることができる。
【００３８】
前記の被覆層２および摩耗指標３の形成は、任意の方法で行うことができる。例えば、上記の被覆層２あるいは摩耗指標３の形成材料を、そのままあるいは任意の溶媒と混合した後に、タービンブレード基本構造体４の表面に、例えば刷毛塗りやスプレー塗布などの方法によって順次塗工することによって形成することができる。
【００３９】
タービンブレードの基本構造体４は、従来の一般的なタービンブレードと同様に、（イ）金属材料、（ロ）樹脂材料、（ハ）繊維質材料（好ましくは、例えば、ガラス繊維、炭素質繊維等）との複合体等を、採用することができる。
【００４０】
本発明の実施形態による好ましいタービンブレードは、上記の通りのものである。  
本発明の実施形態によるタービンブレードでは、新品として設置した当初は、被覆層の表面に露出することなく光学的に隠蔽された状態で存在していた摩耗指標が、タービンブレードとして使用される際に生じる摩耗によって、被覆層の表面に露出することになる。そのように、摩耗指標が被覆層の表面に露出したタービンブレードも、使用開始時点において、摩耗指標が被覆層の表面に露出することなく光学的に隠蔽された状態で存在していたものであるならば、本発明の実施形態によるタービンブレードに該当する。
【００４１】
＜タービンブレードの摩耗判定方法＞
本発明に実施形態によるタービンブレードの摩耗判定方法は、表面の少なくとも一部の領域に被覆層を有するタービンブレードの表面の摩耗状態を、前記被覆層の内部に存在する摩耗指標が前記被覆層の摩耗に伴って前記被覆層の表面に露出することを識別することによって判定するもの、である。
【００４２】
このような本発明に実施形態によるタービンブレードの摩耗判定方法は、好ましい態様として、前記タービンブレードの表面の摩耗状態を、前記被覆層の内部に存在する互いに光学的に識別可能な複数の摩耗指標が前記被覆層の摩耗に伴って前記被覆層の表面に順次露出することを識別することによって判定するもの、を包含する。
【００４３】
ここで、上記のタービンブレードの摩耗判定方法におけるタービンブレード、一部の領域、被覆層、摩耗指標等の内容は、＜タービンブレード＞に関して前記したもの、ならびに図１〜図５に記載されたものを、好ましい具体例として挙げることができる。
【００４４】
＜タービンロータ＞
本発明による実施形態によるタービンロータは、前記のタービンブレードを少なくとも一つ具備してなるものである。従って、本発明による実施形態によるタービンロータは、タービンロータに固定された複数枚のタービンブレードの全てが、本発明のタービンブレードであるもののみに限定されない。
【００４５】
一つの共通したタービンロータに用いられている多数のタービンブレードは、いずれについても摩耗限界を超えることなく使用されることが好ましいことから、出来るだけ多くのタービンブレード、特に好ましくは全てのタービンブレード、について摩耗状態、摩耗の進行度を正確かつ迅速に判断できることが好ましい。
【００４６】
よって、本発明による実施形態によるタービンロータは、タービンブレードの全てが本発明のタービンブレードであることが最も好ましい。
【００４７】
このようなタービンロータは、各タービンブレードの具体的な構造や重量、摩耗進行の程度が同一あるいはきわめて均等であることから、タービンロータの使用開始当初から摩耗限界に到達するまでの長期間にわたって極めて安定的かつ安全性が高い状態で、継続的に使用することができる。そして、複数枚のタービンブレードが同時にもしくは逐次的に光学的に変化すること多く、従ってタービンロータ全体として光学的変化の度合い大きいので、タービンブレードの摩耗判定を、より迅速にかつ的確に行うことができる。
【００４８】
上記のように、本発明の実施形態によれば、タービンブレードの表面の摩耗状態ならびに摩耗の進行度を、目視にて、正確に判断することができる。したがって、タービンブレードの交換や補修の要否判断や、余寿命診を、迅速に、簡単かつ容易に行うことができる。
【００４９】
以上、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す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。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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】
【００５０】
１：タービンブレード、２：被覆層、３、３１、３２：摩耗指標、４：タービンブレードの基本構造体。
【図１】
2017187001.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2017187001.tif 000007