(57)【要約】  タービンブレード（１０）において、（例えば液滴による衝撃侵食に対する）高い耐摩耗性と同時に小さな重量を可能にするために、本発明では、タービンブレード（１０）の少なくとも１つの区分が、マトリックスと該マトリックス内に埋め込まれた繊維とを備えた繊維複合材料（１６）によって形成されており、マトリックスがその内部及び／又はその表面に分配配置されたナノ粒子を有している。タービンブレード（１０）は例えば、コンデンシング・蒸気タービンの最終段（１−２）における回転ブレード（５）として使用することができる。
2012516405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンブレード、特に蒸気タービン用の回転ブレードであって、
タービンブレード（１０）の少なくとも１つの区分が、マトリックスと該マトリックス内に埋め込まれた繊維とを備えた繊維複合材料（１６）によって形成されており、マトリックスがその内部及び／又はその表面に分配配置されたナノ粒子を有していることを特徴とするタービンブレード。
【請求項２】
繊維複合材料（１６）は、タービンブレード（１０）の表面の少なくとも１つの区分を形成している、請求項１記載のタービンブレード。
【請求項３】
タービンブレード（１０）のほぼ全表面が、繊維複合材料（１６）によって形成されている、請求項１又は２記載のタービンブレード。
【請求項４】
繊維複合材料（１６）は、タービンブレード（１０）のコア（１８）表面に設けられた外側の繊維複合層である、請求項１から３までのいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項５】
コア（１８）は、前記繊維複合材料（１６）とは異なった別の繊維複合材料から成っている、請求項４記載のタービンブレード。
【請求項６】
繊維複合材料（１６）の繊維はそれぞれ、１〜１０ｃｍの範囲の長さ、特に１〜５ｃｍの範囲の長さを有している、請求項１から５までのいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項７】
繊維複合材料（１６）の繊維はマトリックス内にランダムに埋め込まれている、請求項１から６までのいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項８】
繊維複合材料（１６）内における繊維の割合が、２０〜７０容量％の範囲、特に３０〜６０容量％の範囲である、請求項１から７までのいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項９】
ガラス繊維が、繊維複合材料（１６）のマトリックス内に埋め込まれている、請求項１から８までのいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項１０】
ナノ粒子は、ほぼ均一に繊維複合材料（１６）のマトリックス内に分配配置されており、かつ／又はほぼ均一に繊維複合材料（１６）のマトリックスの表面に分配配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項１１】
繊維複合材料（１６）のマトリックス内におけるナノ粒子の割合は、３０重量％よりも小さく、特に５〜２０重量％の範囲である、請求項１から１０までのいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項１２】
マトリックスの表面におけるナノ粒子の割合は、７０重量％よりも大きく、特に９０〜１００重量％の範囲である、請求項１から１１までのいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項１３】
ナノ粒子の材料は、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム及び酸化チタンから成るグループより選択されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項１４】
請求項１から１３までのいずれか１項記載の少なくとも１つのタービンブレード（１０）を備えた蒸気タービン。
【請求項１５】
タービンブレード（１０）、特に蒸気タービン用の回転ブレードを製造する方法であって、タービンブレード（１０）の少なくとも１つの区分を、マトリックスと該マトリックス内に埋め込まれた繊維とを備えた繊維複合材料（１６）によって形成し、内部及び／又は表面にナノ粒子を分配配置したマトリックスを形成することを特徴とする、タービンブレードを製造する方法。
【請求項１６】
請求項１から１３までのいずれか１項記載のタービンブレード（１０）及び／又は請求項１５記載のタービンブレードを製造する方法を、蒸気タービン（１）の最終段（１−２）における回転ブレードのために使用することを特徴とする、タービンブレード及び／又はタービンブレードを製造する方法の使用。
【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、特に蒸気タービン用の回転ブレード、及びタービンブレードを製造する方法に関する。
【０００２】
公知のタービンブレードは通常、例えば鋼のような金属材料から中空に又は中実に製造され、例えば蒸気タービンのために必要である。
【０００３】
蒸気タービンでは、タービンに供給される蒸気の熱エネルギが機械的な作業に変換される。蒸気タービンはそのために少なくとも１つの高圧側の蒸気入口と少なくとも１つの低圧側の蒸気出口とを有している。タービンを貫いて延びている軸、いわゆるタービンロータは、タービンブレードを用いて駆動される。ロータと発電機との連結によって、蒸気タービンは例えば電気エネルギを発生させることができる。
【０００４】
ロータを駆動するために、典型的には回転ブレードとガイドブレードとが設けられており、回転ブレードはロータに固定されていて、ロータと一緒に回転し、これに対してガイドブレードは多くの場合位置固定にタービンハウジングに（択一的にガイドブレード保持体に）配置されている。ガイドブレードは、タービンを通る蒸気の流れを有利に案内するために働き、これにより可能な限り効果的なエネルギ変換を達成することができる。このエネルギ変換時に、蒸気入口と蒸気出口との間の経路において、蒸気のエンタルピが低減する。この際に蒸気の温度及び圧力も低下する。
【０００５】
効率もしくは効果の理由から、供給される蒸気と、蒸気タービンの最終段から排出される蒸気との間においては、可能な限り大きなエンタルピ差が望まれている。従って、排出される蒸気の圧力は低いことが有利である。
【０００６】
タービンの低圧部分において飽和蒸気状態が得られることに基づいて、蒸気から水分が液化して、水滴がタービンにおいて形成されることがある。回転する回転ブレードは高いエネルギで、蒸気流によって連行された水滴に衝突し、これによって回転ブレードは相応な摩耗を受けることになる。
【０００７】
この効果（「液滴による衝撃侵食」）によって、硬化された鋼でさえも削り取られるので、実地においては、可能な限り抵抗力のある回転ブレードを製造するためもしくは侵食された回転ブレードを最終段から規則的に交換するための手間もしくは費用はかなり大きなものになる。
【０００８】
さらに蒸気タービンの最終段は多くの場合、ロータの最大の貫流面積もしくは最大の回転数に関して制限のある構成グループである。それというのは、特にこの領域においては遠心力によって、回転ブレードの材料において高い引張り負荷が生じるからである。この点に着目すると特にこの領域においては、相応に僅かな質量を有する、（例えば軽金属製の）軽量構造形式のタービンブレードを使用することが有利であると思われる。しかしながら実地においてこのような構成は、相応な軽量構造材料が液滴による衝撃侵食によって素早く摩耗してしまうという点で、以前から問題があった。
【０００９】
ゆえに本発明の課題は、高い侵食耐性と同時に小さな重量を有するタービンブレードを可能にすることである。
【００１０】
この課題は本発明によれば、請求項１記載のタービンブレードによって、もしくは請求項１５記載のタービンブレードを製造する方法によって解決される。
【００１１】
本発明の別の有利な構成は、従属請求項に記載されている。
【００１２】
本発明によるタービンブレードは、タービンブレードの少なくとも１つの区分が、マトリックスと該マトリックス内に埋め込まれた繊維とを備えた繊維複合材料によって形成されており、マトリックスがその内部及び／又はその表面に分配配置されたナノ粒子を有していることを特徴とする。
【００１３】
タービンブレードが少なくとも部分的に繊維複合材料から形成されていることによって、重量を有利に減じることができる。この場合簡単に繊維複合材料のマトリックスに挿入されるもしくはマトリックスの表面に付着されるナノ粒子によって、一連の利点を得ることができる。
【００１４】
例えばマトリックス内にナノ粒子を組み込むことによって、繊維とマトリックスとの間における固着を改善することができる。マトリックスに付着されたナノ粒子に加えて又はそれとは択一的に、タービンブレードの隣接する区分への固着を改善することができ、かつ／又は付着されたナノ粒子がタービンブレードの外表面を形成する場合には、侵食耐性を著しく改善することができる。
【００１５】
本発明の別の構成では、タービンブレードの単に一つの又は複数の表面区分が、特に、タービンブレードの運転時に特に高い侵食負荷にさらされる箇所及び／又はロータ回転軸線からの比較的大きな間隔に基づいて遠心力発生のために強く関与する箇所において、繊維複合材料によって形成されている。このようなバックグラウンドに基づいて、半径方向において最も外側の少なくとも１つの表面区分及び／又は周速度の方向において配向された表面区分を、繊維複合材料によって形成すると、有利である。残りの表面区分及び／又はコア領域（表面の繊維複合材料領域の下も）は、他の材料（例えば他の繊維複合材料又は軽金属）から形成することができる。
【００１６】
本発明の別の構成では、タービンブレードのほぼ全表面が、繊維複合材料によって形成されている。繊維複合材料から形成されるこのような領域から、例えばタービンブレードの基部領域における表面区分は除くことができる。この表面区分は、運転時にはタービンロータにおけるブレード基部の固定に基づいて被われているので、蒸気流内に直に位置することがない。
【００１７】
本発明の別の構成では、繊維複合材料は、タービンブレードのコア表面に設けられた外側の繊維複合層である。コアはこの場合例えば、前記繊維複合材料とは異なった別の繊維複合材料から成っていることができる。これは、繊維複合材料によって部分的に形成されたブレード表面においても、繊維複合材料によってほぼ完全に形成されたブレード表面においても可能である。
【００１８】
コア材料としても繊維複合材料は有利であり、この繊維複合材料はその機械的な特性に関して有利に選択もしくは最適化されている。これに関連して例えば、半径方向において長く延在する繊維複合コアが有利であり、この繊維複合コアの繊維は、半径方向における優先的な配向を有しており、特に、例えばコアのほぼ全半径方向長さにわたって延びる繊維として形成されている。
【００１９】
上に述べた「別の繊維材料」、場合によっては設けられたタービンブレードコアを形成する「別の繊維材料」は、（最初に述べた）繊維複合材料とは、例えばマトリックス（樹脂系）に関して及び／又は繊維形式に関して異なっていることができる。特殊な実施形態では例えば、ＧＦＫ（ガラス繊維補強されたプラスチック）製の（最初に述べた）「繊維材料」の表面層を備えた、ＣＦＫ（カーボンファイバ補強されたプラスチック）製のコアが設けられている。このような実施形態では、両方のマトリックス材料は互いに異なっていてもよいし、又は同一（例えば両方がエポキシ樹脂）であってもよい。
【００２０】
両方の材料（コア材料と、タービンブレードの表面領域を形成する材料と）の間における繊維形式の相違に加えて又はそれとは択一的に、繊維長さ（もしくは繊維長さ分布）における相違及び／又は繊維の配向（もしくは繊維配向の分布）の相違があってもよい。
【００２１】
ナノ粒子を備えた繊維複合材料が外側の繊維複合層として、タービンブレードの、「別の繊維複合材料」から形成されたコアに設けられており、かつこの場合同じプラスチック樹脂系がマトリックス材料として設けられている場合には、タービンブレードの製造を、浸潤ステップを用いて行うと有利であり、この浸潤ステップでは例えば成形型内において、その中に置かれた繊維材料が浸潤される。タービンブレードの少なくとも１つの表面領域において準備されるナノ粒子は、例えば浸潤ステップの前に、そのために使用される液状の又は粘性のある樹脂系に添加されることができる。マトリックスの容量内におけるナノ粒子の不均一な濃度を得るために、ナノ粒子を浸潤ステップ中に変化する濃度で、成形型内に流入する樹脂系に添加することができる。
【００２２】
タービンブレードの繊維複合コアと表面の繊維複合層とを普遍的にかつ互いに無関係に独立して形成することができる別の製造方法では、第１のステップにおいてブレードコアを（例えば部分的にだけ硬化された「別の繊維複合材料」から）ほぼ完成させ、第２のステップにおいてタービンブレードの少なくとも一部分又はほぼ全表面を、（最初に述べた）繊維複合材料によって形成する。第１のステップにおいて完成した（例えばＣＦＫ製の）ブレードコアには、この場合例えば表面的に付着された別の繊維材料を第２のステップにおいて浸潤させることができ、これによってタービンブレードの当該表面を（例えばＧＦＫ製の）被覆層として形成することができる。
【００２３】
このような被覆層においてナノ粒子の不均一な濃度を得るためには、この場合においても、浸潤ステップ中におけるナノ粒子の添加量の変化を使用することができる。択一的に又は付加的に、それぞれ浸潤される繊維材料に、該繊維材料の浸潤の前に、ナノ粒子を付与することが可能である。
【００２４】
上に述べたすべての製造バリエーションにおいて、繊維材料を前もって、なお液状のもしくは粘性のある樹脂系に添加することも可能である。このことは例えば特に、タービンブレードの表面層のために有利であり、このようにすると、当該箇所に比較的短い繊維及び／又は整然としていないもしくはランダムな繊維を組み込むことができる。
【００２５】
タービンブレードが、本発明のようにナノ粒子を備えた繊維複合材料の他に、さらに他のコア材料（有利には「別の繊維材料」、しかしながらまた例えば金属）を有している場合には、このコアは中空であっても又は中実であってもよい。
【００２６】
ブレード表面の少なくとも１つの区分を形成する繊維複合材料の選択もしくは構成のためには、種々様々な可能性がある。
【００２７】
本発明の有利な構成では、内部に埋め込まれた繊維が、当該表面区分に沿って測定された、該表面区分の２点間の最大距離に比べて著しく短い。言い換えれば、当該表面区分にわたって見て、全体的に貫通して延びる繊維は設けられていない。
【００２８】
特に１ｍ又はそれ以上のブレード長さを有するタービンブレードのためには、繊維複合材料の繊維はそれぞれ、１〜１０ｃｍの範囲の長さ、特に１〜５ｃｍの範囲の長さを有していると有利である。
【００２９】
本発明の別の構成では、個々の繊維の長さは、繊維長さの平均値を中心にして比較的狭い範囲において変化している。つまりこの場合例えば、繊維長さ分布の上の四分位数は最大でも、繊維長さ分布の下の四分位数の係数１.５だけしか大きくない。しかしながらここで注意すべきことは、当該表面領域のための繊維長さ分布が均一であるということは、本発明の枠内において不可欠なことではない。局部的に変化する繊維長さ分布、特に局部的に変化する平均的な繊維長さが存在しているような構成も可能である。
【００３０】
ブレード長さよりも著しく（例えば少なくとも係数１０だけ）短い繊維長さの利点は、特に、連続した繊維配置形式に比べて、繊維複合体の改善された延性及び均質性を得ることができることにある。例えば同じ理由から、繊維が無秩序もしくはランダムにマトリックス内に埋め込まれていると、つまり（少なくとも表面平面において延びる）すべての繊維配向のうちのかなりの割合が無秩序もしくはランダムに設けられていると、有利である。しかしながらこのことは、この無秩序な繊維埋込みにおいて統計的に見て、（特に例えば半径方向における）優先方向が存在することを、除外するものではない。そしてこの場合、優先方向の配向及び／又は程度は、局部的に当該の表面区分にわたって変化してもよい。
【００３１】
同様に繊維複合材料の延性及び均質性に関しても、ルーズな形での繊維の埋込み又は繊維フリースとしての繊維の埋込みは、織布、編成物又はこれに類したものとしての繊維の埋込みに比べて有利である。
【００３２】
本発明の別の有利な実施形態では、繊維複合材料内における繊維の割合が、２０〜７０容量％の範囲、特に３０〜６０容量％の範囲である。
【００３３】
繊維の選択に関して言えば、基本的には繊維複合技術の分野において公知の汎用のすべての繊維（炭素繊維、合成プラスチック繊維、天然繊維など）を使用することができる。有利な実施形態では、例えばガラス繊維がマトリックス内に埋め込まれている。
【００３４】
マトリックス材料の選択のためにも、基本的には繊維複合技術の分野において公知の材料を使用することができる。繊維複合材料のマトリックスは例えばエポキシ樹脂、ポリイミド、シアナートエステル又はフェノール樹脂から成っていることができる。蒸気タービンの低圧領域における回転ブレードの特に有利な使用例としては、内部に埋め込まれたガラス繊維を備えた、エポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂のマトリックスが特に有利である。
【００３５】
「ナノ粒子」という概念は、特に１０〜１００ｎｍの範囲における典型的な大きさを有する粒子のことを意味している。例えば合成によって製造されたこのような粒子はマトリックス内において繊維の固着を改善することができ、タービンブレードの表面においてはタービンブレード耐食性を改善することができる。
【００３６】
本発明の別の有利な構成では、ナノ粒子は、マトリックスの容積内にほぼ均一に分配配置されている。このことを達成するために、ナノ粒子は既に上で述べたように、まだ硬化していないマトリックス材料に添加されて、該マトリックス材料と混合されることができる。このステップでは、埋め込まれる繊維がタービンブレードのコア材料に別個に、例えば繊維半製品（例えば織布、繊維層、フリースなど）として配置される場合には、埋め込まれる繊維も添加されることができる。
【００３７】
別の有利な構成では、繊維複合材料のマトリックス内におけるナノ粒子の割合は、３０重量％よりも小さく、特に５〜２０重量％の範囲である。
【００３８】
別の有利な構成では、ナノ粒子が、完成したタービンブレードの表面であるマトリックス表面に付着されており、この場合、ナノ粒子がほぼ均一に前記表面に分配配置されていると有利である。
【００３９】
本発明の別の構成では、マトリックスの表面におけるナノ粒子の割合は、７０重量％よりも大きく、特に９０〜１００重量％の範囲である。ナノ粒子の濃度が有利には表面において比較的大きく、マトリックスの容量内においては比較的小さいということに関して、特殊な構成では、ブレード表面領域を形成するマトリックス材料の、少なくとも最も外側の層領域において、ナノ粒子濃度の勾配（ブレード内部に向かって低下する粒子濃度）が設けられている。
【００４０】
本発明の別の構成では、ナノ粒子の材料は、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム及び酸化チタンから成るグループより選択されており、材料は一種類であっても、組み合わせられていてもよい。特に、ナノ粒子としては、ほぼ球体の形状及び／又は１０〜５０ｎｍの範囲の典型的な大きさを有する材料から成るナノ粒子を使用することができる。
【００４１】
タービンブレードの、繊維複合材料によって形成された表面区分の構造は、局部的に変更させられることができ、ひいては例えば、予期される侵食負荷や機械的な負荷に合わせられることができる。このような変更もしくはバリエーションは例えば、繊維の割合、形式、長さ及び配置形式（配向もしくは配向分布）に関連しており、しかしながらまた例えばマトリックスにおけるナノ粒子の割合に関連していてもよい。
【００４２】
本発明による構成は有利には、例えば別体に形成された（例えば金属製の）ブレード前縁のような自体公知の別の侵食防止処置とも組み合わせることができる。
【００４３】
次に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】汎用の蒸気タービンを概略的に示す図である。
【図２】第１実施形態によるタービンブレードを示す側面図である。
【図３】第２実施形態によるタービンブレードを示す側面図である。
【図４】第３実施形態によるタービンブレードを示す側面図である。
【図５】図４に示した第３実施形態の変化実施形態を示す図である。
【００４５】
図１には蒸気タービン１が示されており、この蒸気タービン１は、（例えば制御可能な弁を介して）新鮮蒸気を供給するための高圧側の蒸気供給管路２と、低圧側の蒸気排出管路３とを有しており、この蒸気排出管路３は例えば、蒸気回路のコンデンサ（図示せず）に通じていて、このコンデンサからは凝縮水の加熱後に再び新鮮蒸気が生ぜしめられる（コンデンシング・蒸気タービン）。
【００４６】
蒸気タービンの通常運転において、例えば約１０２バールの圧力と約５００℃の温度とを有する新鮮蒸気は、供給管路２を介してタービン１の入口に供給される。タービン１内を通る間に蒸気は膨張し、その結果蒸気圧と蒸気温度とは低下する。タービンの出口において蒸気は、排出管路３を介して、例えば約１０−１バール及び約４０℃で再び流出する（例えば０．０５バール及び３３℃）。
【００４７】
供給される蒸気の熱エネルギは、最初に機械的な回転動作に変換される。タービン１を軸方向において貫いて延在しているタービンロータ４が、該タービンロータ４に固定された動翼である回転ブレード５によって駆動され、場合によっては設けられている伝動装置６を介して発電機７を駆動する。
【００４８】
図示の実施例とは異なり、タービン１は択一的に又は付加的に、例えばポンプ、コンプレッサ又はその他のユニット、例えばしばしば大規模な化学的なプロセスを実施するために必要とされるユニットを駆動することも可能である。
【００４９】
タービン１の内部においては、軸方向で見て、回転ブレード５とガイドブレード８とが交互に配置されており、ガイドブレード８は、タービン１を通して蒸気の流れを有利に案内するために働く。ガイドブレード８は、タービンハウジングの内側に固定されていて、該タービンハウジングから半径方向内側に向かって延びるように配置されている。
【００５０】
図１から分かるように、タービン１は図示の実施例では全部で６つのブレードリング対８，５を有している。
【００５１】
エネルギ変換時における可能な限り高い効率に関して言えば、低圧側（最後のブレードリング対８，５の後ろ）において排出管路３を介して流出する蒸気の最終圧が、可能な限り低いことが望ましい。
【００５２】
飽和蒸気範囲への蒸気の弛緩と共に、実際には、液滴による衝撃侵食（Tropfenschlagerosion）の重大な問題が生じ、このような衝撃侵食は、タービンの低圧部分における回転ブレード５を甚だしく摩耗させる。図示の実施例では、これは図１で見て右側に配置された、タービン１の回転ブレード５が該当し、これらの回転ブレード１は、第２の膨張区分もしくは低圧段グループ１−２に所属し、これに対して図１で見て左側に配置されたブレードは、第１の膨張区分もしくは高圧段グループ１−１に分類することができる。
【００５３】
タービン延在方向において最後のブレード対８，５（出力段）の回転ブレードには、液滴による衝撃侵食の他に、大きな遠心力負荷も作用し、このような遠心力負荷は、回転ブレード５の材料において半径方向における大きな引張り応力を生ぜしめる。
【００５４】
以下においては図２〜図４を参照しながら、回転ブレードの幾つかの実施例を説明するが、これらの回転ブレードは、比較的高い耐侵食性を有していると同時に比較的小さな質量を有している。以下に記載の形式のタービンブレードは、特に、図１に示された形式の設置状態において使用されることができ、例えば蒸気タービン１の低圧領域１−２もしくは出力段における回転ブレード５として使用されることができる。
【００５５】
図２には、蒸気の熱エネルギをタービンロータにおける機械的な回転動作に変換することを目的として、タービンロータとブレード本体１４に固定されるブレード基部１２を備えた、タービン回転ブレード１０が示されている。
【００５６】
このブレード１０における特殊性としては次のことが挙げられる。すなわちこの場合ブレード１０のほぼ全表面は、マトリックスと該マトリックス内に埋め込まれた繊維とを備えた繊維複合材料１６によって形成されていて、マトリックスは少なくともブレード表面近傍の容積領域に、その内部に分配配置されたナノ粒子を有している。択一的に又は付加的に、ナノ粒子は直にブレード表面（外側のマトリックス表面）に堆積もしくは付着されていることができる。
【００５７】
繊維複合材料１６は例えばガラス繊維・エポキシ樹脂複合体であり、この場合繊維成分は材料中約５０容量％であり、ナノ粒子は例えば、約１０〜３０ｎｍの典型的な（例えば平均的な）直径を有する、炭化ケイ素から成るほぼ球形の粒子であり、この粒子の割合はマトリックスの容量において約１０〜２０重量％であり、ブレード表面に向かって（例えば７０重量％を越える値に）高まっている。
【００５８】
ブレード１０の製造時には初めに、（材料１６とは異なっている）「別の繊維複合材料」から、択一的に例えば鋼又はチタンのような金属材料から、ブレード基部１２が、該ブレード基部と一体に結合されたブレードコア１８共に形成され、このブレードコア１８は中空であっても又は中実であってもよい。次いで繊維複合ブレードコア１８の表面全体に、繊維複合材料１６が設けられ、つまりブレードコア１８の表面全体が繊維複合材料１６によって被覆される。
【００５９】
そのためには、また固化していないマトリックス材料（例えばエポキシ樹脂）を、ガラス繊維もしくはガラス繊維断裁、ナノ粒子及び硬化剤（反応樹脂系を形成するため）と混合させて、ブレードコア１８に塗布することが可能である。上記のようにブレード表面へのナノ粒子濃度の高まりを実現するためには、例えば、付加的にナノ粒子を高まる量で、浸潤（Infiltration）のために使用されるプラスチック樹脂流内に調量供給すること及び／又は浸潤の終了後にこのような付加的なナノ粒子を直にマトリックス表面に及び／又は表面的なマトリックス容積内に十分に付加することが可能である。後者の方法は、付加が、なお硬化していない（又はいずれにせよ完全には硬化していない）マトリックスに行われる場合に、比較的簡単にかつ良好な結果をもって行うことができる。
【００６０】
他には、最初に、ガラス繊維を半製品（例えばガラス繊維層（Glasfasergelege）等）として、ブレードコア１８の表面に該表面を覆うように設けて（drapieren）、次いで樹脂系をナノ粒子と一緒に別のステップ（浸潤）において設ける、ということも可能である。
【００６１】
繊維複合材料を形成するためのこのような方法は、従来技術から様々に公知であり、ゆえにここでは詳しい説明を省く。例えば、マトリックス材料の浸潤及び後続の（例えば熱による）硬化のために、加熱可能な成形型を使用することができる。
【００６２】
タービンブレード１０を製造するための上記実施形態では、繊維材料が液状もしくは粘性のある液状のマトリックス材料によって浸潤される前に、ナノ粒子を、繊維材料に付加することも可能である。これは、浸潤中及び／又は浸潤後におけるナノ粒子の組込み（Integration）の代わりに又はそれに加えて行われる。
【００６３】
このようにして構成されたブレード１０の繊維複合部材に基づいて、金属から製造されたブレードに比べて有利に僅かな重量が得られる。繊維複合材料１６の表面層はさらに特に、マトリックス内及び／又はマトリックス表面においてナノ粒子がほぼ均一に分配されていると、機械的な特性を著しい改善することもしくは耐侵食性を高めることができ、ひいては、コンデンシング・蒸気タービンの低圧範囲での使用時における液滴による衝撃侵食の問題を緩和もしくは解決することができる。
【００６４】
以下における実施形態の記載において、同じ働きを有するコンポーネントに対しては同一の数字が使用され、実施形態を区別するために数字にアルファベットの小文字が付加される。この際に主として、既に記載した実施形態に対する差異についてだけ触れ、残りの構成については先行する実施形態の記載を参照するに留める。
【００６５】
図３には、別の実施形態によるブレード１０ａが示されている。図２に示されたブレード１０との相違は、単に、ブレード表面の半径方向で見て最外位の区分が、既に述べた形式の繊維複合材料１６ａによって形成されていることである。
【００６６】
繊維複合材料１６ａは図示の実施形態では、ブレード１０の半径方向外側のキャップを形成している。この領域において質量の低減は、タービン運転時における遠心力による負荷（回転軸線からの比較的大きな距離）を効果的に減じる。さらにこの領域は運転時において、液滴による大きな衝撃負荷（Tropfenschlagbeanspruchung）（大きな周速度）にもさらされる。
【００６７】
ブレード表面に関連した領域を繊維複合材料１６ａから形成する代わりに、ブレード表面の複数の別体の領域をこのように改良することが可能である。
【００６８】
図４には、例えば上で既に述べたような形式のタービンブレード１０ｂが示されており、図４において右側部分には、本発明の枠内において有利な、表面区分１６ｂにおける繊維のランダムな配置形式が拡大して示されている。
【００６９】
図４において右側部分にはさらに、個々の繊維が中位もしくは平均的な繊維長さとほぼ同じ長さを有していることが示されている。
【００７０】
表面平面内における繊維配向はこの場合、「完全にランダム」もしくは確率的（stochastisch）である。
【００７１】
図５には、図４の右側部分に相当する図で、同様にランダムな繊維配向が示されており、しかしながらこの場合繊維配向は（図５で見て上下方向における）優先方向を有している。
【００７２】
上に述べたタービンブレード及び／又は既に上で述べたように製造されたタービンブレードは、蒸気タービンの特に最終段の、低圧領域における回転ブレードを準備するために有利に使用される。
【図１】
2012516405.tif 000003
【図２】
2012516405.tif 000004
【図３】
2012516405.tif 000005
【図４】
2012516405.tif 000006
【図５】
2012516405.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成23年11月22日(2011.11.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンブレードであって、
タービンブレード（１０）の少なくとも１つの区分が、マトリックスと該マトリックス内に埋め込まれた繊維とを備えた繊維複合材料（１６）によって形成されており、マトリックスがその内部及び／又はその表面に分配配置されたナノ粒子を有していることを特徴とするタービンブレード。
【請求項２】
繊維複合材料（１６）は、タービンブレード（１０）の表面の少なくとも１つの区分を形成している、請求項１記載のタービンブレード。
【請求項３】
タービンブレード（１０）のほぼ全表面が、繊維複合材料（１６）によって形成されている、請求項１又は２記載のタービンブレード。
【請求項４】
繊維複合材料（１６）は、タービンブレード（１０）のコア（１８）表面に設けられた外側の繊維複合層である、請求項１から３までのいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項５】
コア（１８）は、前記繊維複合材料（１６）とは異なった別の繊維複合材料から成っている、請求項４記載のタービンブレード。
【請求項６】
繊維複合材料（１６）の繊維はそれぞれ、１〜１０ｃｍの範囲の長さを有している、請求項１から５までのいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項７】
繊維複合材料（１６）の繊維はマトリックス内にランダムに埋め込まれている、請求項１から６までのいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項８】
繊維複合材料（１６）内における繊維の割合が、２０〜７０容量％の範囲である、請求項１から７までのいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項９】
ガラス繊維が、繊維複合材料（１６）のマトリックス内に埋め込まれている、請求項１から８までのいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項１０】
ナノ粒子は、ほぼ均一に繊維複合材料（１６）のマトリックス内に分配配置されており、かつ／又はほぼ均一に繊維複合材料（１６）のマトリックスの表面に分配配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項１１】
繊維複合材料（１６）のマトリックス内におけるナノ粒子の割合は、３０重量％よりも小さい、請求項１から１０までのいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項１２】
マトリックスの表面におけるナノ粒子の割合は、７０重量％よりも大きい、請求項１から１１までのいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項１３】
ナノ粒子の材料は、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム及び酸化チタンから成るグループより選択されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載のタービンブレード。
【請求項１４】
請求項１から１３までのいずれか１項記載の少なくとも１つのタービンブレード（１０）を備えた蒸気タービン。
【請求項１５】
タービンブレード（１０）を製造する方法であって、タービンブレード（１０）の少なくとも１つの区分を、マトリックスと該マトリックス内に埋め込まれた繊維とを備えた繊維複合材料（１６）によって形成し、内部及び／又は表面にナノ粒子を分配配置したマトリックスを形成することを特徴とする、タービンブレードを製造する方法。
【請求項１６】
請求項１から１３までのいずれか１項記載のタービンブレード（１０）又は請求項１５記載のタービンブレードを製造する方法を、蒸気タービン（１）の最終段（１−２）における回転ブレードのために使用することを特徴とする、タービンブレード及び／又はタービンブレードを製造する方法の使用。
【国際調査報告】
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