JP6726028B2

JP6726028B2 - タービン翼およびタービン翼の製造方法、タービン機器

Info

Publication number: JP6726028B2
Application number: JP2016107900A
Authority: JP
Inventors: 史雄澤; 顕一山崎; 崇原川; 栄仁松崎
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2020-07-22
Anticipated expiration: 2036-05-30
Also published as: JP2017214847A

Description

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およびタービン翼の製
造方法、タービン機器に関する。

従来、複合材料からなる翼を使用した産業機器が知られている。このような機器の一部
においては、水滴や固体物が翼へ高速に衝突し、この衝突が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。

このエロージョンを抑制するための技術が、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。

また、ブレード材の先端に耐エロージョン特性や耐衝撃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
。

特開平８−２１０１０５号公報特開２００４−８４５２４号公報特開２００１−４１００２号公報

しかしながら、上述した技術では、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。

また、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。例えば耐食に優れかつ軽量の金属
部材としてはチタンがあるが、チタンの比重は約４．５であり、一般的な複合材料である
ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）の比重である約２．０に対して２倍以上となる
。

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、比重が低くかつ耐エロー
ジョン性に優れた複合材料翼を提供することにある。

本実施形態に係るタービン翼は、タービンに適用され金属よりも比重が軽い非金属からなる複合材料が適用されるタービン翼であって、耐エロ−ジョン性を有する強化材料を含む翼前縁部を備え、この翼前縁部に配置される材料は、比重が前記複合材料の比重未満であり、かつ強化繊維を含まず、引張強度が１００MPa以上の非金属材料で、マトリックス樹脂をビスマレイミドトリアジン樹脂またはポリイミド樹脂とし、補強材をポリジメチルアクリルアミドからなる全芳香族ポリイミド樹脂であることを特徴とする。

また、本実施形態に係るタービン翼の製造方法は、タービンに適用され金属よりも比重が軽い非金属からなる複合材料が適用されるタービン翼であって、耐エロ−ジョン性を有する強化材料を含む翼前縁部を備え、比重が前記複合材料の比重未満であり、かつ強化繊維を含まず、引張強度が１００ＭＰａ以上の非金属材料で、マトリックス樹脂をビスマレイミドトリアジン樹脂またはポリイミド樹脂とし、補強材をポリジメチルアクリルアミドからなる全芳香族ポリイミド樹脂である前記耐エロージョン性を有する材料を、前記タービン翼の成形型の翼前縁部を形成する位置に供し、複合材料を一体成形することを特徴とする。

さらにまた本実施形態に係るタービン機器は、上記タービン翼を用いたことを特徴とす
る。

本発明の実施形態は、金属材料よりも軽く、耐エロ−ジョン性と高遠心力に耐えるター
ビン翼を得ることができる。

本実施形態の翼の全体構成例を示す概略正面図。従来例と本実施形態の耐エロージョン特性を示すグラフ。

以下、図面を参照して本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の構成例を示す概略正面図である。

図１において、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機器であっても良い。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。

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。

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。

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。

また、タービン翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、それぞれ、翼前縁部１２を備える。

翼前縁部１２は、タービン翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃの回転方向Ｂ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−ジョンが生じることがある。

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。

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。
）を表面に配置する。

高エロージョン材料は、その比重が複合翼の比重（２．０）未満であり、引張強度が１０
０MPａであり、かつガラス繊維やカーボン繊維等の強化材を含まない。ここで、複合翼を
構成する比重（２．０）のガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）よりも軽くかつ非金
属である材料としては高強度の熱可塑性樹脂があげられ、具体的にはマトリックス樹脂を
ＢＴレジン（ビスマレイミドトリアジン樹脂）とし、補強材をＰＤＭＡ（ポリジメチルア
クリルアミド）からなる全芳香族ポリイミド樹脂がある。このとき補強材の形態としては
、平均粒子径を５０μｍ以下の紛体状に形成した後にマトリックス樹脂と混合後に一体成
形する手法や、補強材を薄肉のシート状にしたのちにマトリックス樹脂と交互に積層し一
体成形する手法、さらには上記補強材の上下面にマトリックス樹脂を配置したサンドイッ
チ構造等が挙げられる。また、マトリックス樹脂についてはＢＴレジンに限ったものでは
無く、上記全芳香族ポリイミド樹脂に代表される補強材に対して、密着性や強度の面で好
適な材料であれば良く、その他の樹脂としては、成形用途のポリイミド樹脂（宇部興産製
、商品名ＰＥＴＩ−３３０）などが挙げられる。

また、これら全芳香族ポリイミド樹脂として市販されているものとしては、ベスペル（デ
ュポン社製、商品名）、またはメルディン（サンゴバン社製、商品名）が挙げられる。

また、複合材を形成する部材としては、比重（２．０）の上記ガラス繊維強化プラスチッ
ク（ＧＦＲＰ）の他に、比重（１．７）の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）なども
使用することが可能である。複合材に使用される樹脂としては、エポキシ樹脂やポリエス
テル樹脂などが代表的であるが、所定の用途に対する特性、例えば機械強度や耐熱性、耐
環境性を満足するものではあれば上記に限った物ではなく、用途に応じてポリイミド樹脂
やポリカーボネート樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン樹脂などを使用しても良い。

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−ジョン性を有する強化
材料を翼前縁部１２に備える。

ここで、タービン翼１０と翼前縁部１２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、前縁部１２に熱硬化性樹脂を含む接着剤を用い、一方、前縁外周部
１２ａに耐衝撃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。

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においては耐衝撃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、強い機械応力と耐衝撃性を両立させることができる。

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。

また、上記タービン翼１０を翼前縁部１２とそれ以外を接着剤で接続して形成製造する
例を示したが、翼前縁部を形成するエロージョン性を有する材料を、タービン翼１０の成
形型の翼前縁部を形成する位置に供し、複合材料を一体成形するように製造すればより一
体的に製造でき、また接着作業工程が削除されるのでより短時間にタービン翼１０を製造
することができる。

次に、図２の従来例と本実施形態の耐エロージョン特性を示すグラフを参照して、本実
施形態における耐エロ−ジョン性について説明する。

図２のグラフ５０は、例えば、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）やＣＦＲＰ（
炭素繊維強化プラスチック）である従来の繊維強化プラスチックと本実施形態の強化材に
対して水滴を衝突させた場合における耐エロ−ジョン性の強度を示している。

図２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。

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。

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。

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。

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。

このように、本実施形態は、従来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。

１…タービン
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…タービン翼
１１…タービン中心部
１１ａ…中心点
１２…翼前縁部
１２ａ…外周前縁部
１２ｂ…内周前縁部
Ａ…円筒軸方向
Ｂ…回転方向

Claims

タービンに適用され金属よりも比重が軽い非金属からなる複合材料が適用されるタービン翼であって、
耐エロ−ジョン性を有する強化材料を含む翼前縁部を備え、
この翼前縁部に配置される材料は、比重が前記複合材料の比重未満であり、かつ強化繊維を含まず、引張強度が１００ＭＰａ以上の非金属材料で、マトリックス樹脂をビスマレイミドトリアジン樹脂またはポリイミド樹脂とし、補強材をポリジメチルアクリルアミドからなる全芳香族ポリイミド樹脂である
ことを特徴とするタービン翼。
前記複合材料を形成する部材はガラス繊維強化プラスチックまたは炭素繊維強化プラスチックであり、この複合材料に使用される樹脂はエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン樹脂から選択される
ことを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
タービンに適用され金属よりも比重が軽い非金属からなる複合材料が適用されるタービン翼であって、
耐エロ−ジョン性を有する強化材料を含む翼前縁部を備え、
比重が前記複合材料の比重未満であり、かつ強化繊維を含まず、引張強度が１００ＭＰａ以上の非金属材料で、マトリックス樹脂をビスマレイミドトリアジン樹脂またはポリイミド樹脂とし、補強材をポリジメチルアクリルアミドからなる全芳香族ポリイミド樹脂である前記耐エロージョン性を有する材料を、前記タービン翼の成形型の翼前縁部を形成する位置に供し、複合材料を一体成形する
ことを特徴とするタービン翼の製造方法。
前記請求項１または請求項２に記載のタービン翼を用いた
ことを特徴とするタービン機器。