タービンブレード

タービンブレードは、タービンディスクの縁に取り付けられた放射状の翼で、タービンローターを回転させる接線方向の力を生成します。^[2]各タービンディスクには多くのブレードがあります。^[3]そのため、それらはガスタービンエンジンや蒸気タービンで使用されます。ブレードは、燃焼器によって生成された高温高圧のガスからエネルギーを抽出する役割を果たします。タービンブレードは、多くの場合、ガスタービンの制限部品です。^[4]この厳しい環境に耐えるために、タービンブレードは、超合金などの特殊な材料や、内部冷却と外部冷却に分類できるさまざまな冷却方法、^{[5] [6] [7]}および熱遮断コーティングを使用することがよくあります。ブレードの疲労は、蒸気タービンとガスタービンの故障の主な原因です。疲労は、機械の動作範囲内での振動と共振によって引き起こされる応力によって引き起こされます。これらの高い動的応力からブレードを保護するために、摩擦ダンパーが使用されます。^[8]

風力タービンと水力タービンのブレードは、通常、回転速度と温度が低いさまざまな条件で動作するように設計されます。

ガスタービンエンジンでは、単一のタービン段は、多数のタービンブレードを保持する回転ディスクと、ブレードの前の固定されたノズルガイドベーンのリングで構成されています。タービンは、シャフト（完全な回転アセンブリは「スプール」と呼ばれることもあります）を使用してコンプレッサに接続されています。空気は圧縮され、コンプレッサを通過するときに圧力と温度が上昇します。次に、コンプレッサとタービンの間にある燃焼器内の燃料の燃焼によって温度が上昇します。次に、高温高圧のガスがタービンを通過します。タービン段はこの流れからエネルギーを抽出し、ガスの圧力と温度を下げて、運動エネルギーをコンプレッサに伝達します。タービンの動作方法は、たとえばガスと機械間のエネルギー交換に関する限り、コンプレッサの動作と逆であるだけです。ガス温度の変化量（コンプレッサの上昇、タービンの減少）とシャフト電力入力（コンプレッサ）または出力（タービン）の間には直接的な関係があります。^[9]

ターボファンエンジンの場合、ファンを駆動するために必要なタービン段数は、バイパス比とともに増加します^[10]。ただし、タービンとファンの間にギアボックスを追加してタービン速度を上げることができる場合は、必要な段数は少なくなります。^[11]タービン段数は、各段のタービンブレードの設計に大きな影響を与える可能性があります。多くのガスタービンエンジンはツインスプール設計であり、高圧スプールと低圧スプールがあります。他のガスタービンは3つのスプールを使用し、高圧スプールと低圧スプールの間に中圧スプールを追加します。高圧タービンは最も高温で高圧の空気にさらされ、低圧タービンはより低温で低圧の空気にさらされます。条件の違いにより、空気力学と熱力学の原理は同じであっても、材料と冷却の選択において大幅に異なる高圧タービンブレードと低圧タービンブレードの設計につながります。^[12] ガスタービンや蒸気タービン内の厳しい運転条件下では、ブレードは高温、高応力、潜在的に大きな振動にさらされます。蒸気タービンブレードは、圧力勾配に沿って流れる高温高圧蒸気の直線運動をタービンシャフトの回転運動に変換する発電所の重要な部品です。^[13]

タービンブレードはガスタービン内部で非常に過酷な環境にさらされます。高温、高応力、高振動の可能性がある環境にさらされます。これら3つの要因はすべてブレードの破損につながり、エンジンを破壊する可能性があります。そのため、タービンブレードはこれらの条件に耐えられるように慎重に設計されています。^[14]

タービンブレードは、遠心力（タービン段は毎分数万回転（RPM）で回転することがある）および流体力によるストレスを受け、破損、降伏、またはクリープ^{[注 1]}破損を引き起こす可能性がある。さらに、現代のガスタービンの第1段（燃焼器の直後の段）の温度は、初期のガスタービンの温度約1,500°F（820°C）[16]から約2,500°F（1,370°C）^{[15]に上昇している。Snecma} M88などの現代の軍用ジェットエンジンでは、タービン温度が2,900°F（1,590°C）に達することがある。^[17] これらの高温によりブレードが弱くなり、クリープ破損が発生しやすくなる可能性がある。高温により、ブレードが腐食破損を起こしやすくなることもある。^[13]最後に、エンジンやタービン自体からの振動が疲労破壊を引き起こす可能性があります。^[14]

初期のジェットエンジンの制限要因は、エンジンの高温セクション（燃焼器とタービン）に使用できる材料の性能でした。より優れた材料の必要性から、合金と製造技術の分野で多くの研究が行われ、その研究の結果、現代のガスタービンを可能にする新しい材料と方法が数多く生まれました。^[16]これらの最も初期のものの1つは、英国のホイットルエンジンで使用されたニモニックでした。

1940年代の超合金の開発と1950年代の真空誘導溶解などの新しい処理方法により、タービンブレードの耐熱性が大幅に向上しました。さらに、熱間静水圧プレスなどの処理方法により、タービンブレードに使用される合金が改良され、タービンブレードの性能が向上しました。^{[16]現代のタービンブレードでは、}クロム、コバルト、レニウムを含むニッケルベースの超合金がよく使用されています。^{[14] [18]}

合金の改良とは別に、大きな進歩は方向性凝固（DS）と単結晶（SC）製造方法の開発でした。これらの方法は、粒界を一方向に揃える（DS）か、粒界を完全に除去する（SC）ことで、疲労とクリープに対する強度を大幅に高めるのに役立ちます。SCの研究は1960年代にプラット・アンド・ホイットニー社で始まり、実装されるまでに約10年かかりました。DSの最初の実装の1つは、SR-71のJ58エンジンでした。^{[16] [19] [20]}

タービンブレード材料技術におけるもう一つの大きな進歩は、遮熱コーティング（TBC）の開発でした。DSとSCの開発によりクリープと疲労に対する耐性が向上したのに対し、TBCは耐腐食性と耐酸化性を向上させました。これらはどちらも温度が上昇するにつれて大きな懸念事項となりました。1970年代に最初に適用されたTBCはアルミナイドコーティングでした。1980年代には、改良されたセラミックコーティングが利用可能になりました。これらのコーティングにより、タービンブレードの温度耐性が約200°F（90°C）向上しました。^[16]コーティングによりブレードの寿命も向上し、場合によってはタービンブレードの寿命がほぼ2倍になりました。^[21]

ほとんどのタービンブレードは、インベストメント鋳造（またはロストワックス法）で製造されています。このプロセスでは、ブレードの形状を正確に再現したネガティブダイを作成し、ワックスを充填してブレードの形状を形成します。ブレードが中空の場合（つまり、内部に冷却通路がある場合）、通路の形状のセラミックコアが中央に挿入されます。ワックスブレードは耐熱材料でコーティングされてシェルが作られ、次にそのシェルにブレード合金が充填されます。このステップは、DS または SC 材料の場合、より複雑になる可能性がありますが、プロセスは同様です。ブレードの中央にセラミックコアがある場合は、ブレードを中空のままにする溶液で溶解されます。ブレードは TBC でコーティングされ、その後、冷却穴が機械加工されます。^[22]

セラミックマトリックス複合材（CMC）は、繊維がポリマー由来のセラミックのマトリックスに埋め込まれており、タービンブレードに使用するために開発されています。^[23]従来の超合金に対するCMCの主な利点は、軽量で高温耐性があることです。炭化ケイ素繊維で強化された炭化ケイ素マトリックスで構成されるSiC / SiC複合材は、ニッケル超合金よりも200°〜300°F高い動作温度に耐えることが示されています。^[24] GEアビエーションは、このようなSiC / SiC複合材ブレードをF414ジェットエンジンの低圧タービンに使用することを実証しました。^{[25] [26]}

注：このリストにはタービンブレードに使用されるすべての合金が含まれているわけではありません。^{[27] [28]}

• U-500この材料は1960年代に第一段階（最も要求の厳しい段階）の材料として使用され、現在は要求の厳しくない後の段階で使用されています。^[28]
• ルネ77 ^[28]
• ルネN5 ^[29]
• ルネN6 ^[29]
• PWA1484 ^[29]
• CMSX-4 ^[30]
• CMSX-10 ^[29]
• インコネル
  • IN-738 – GEは1971年から1984年までIN-738を第一段ブレード材料として使用し、その後GTD-111に置き換えられました。現在は第二段材料として使用されています。航空機用ガスタービンではなく、陸上タービン用に特別に設計されました。^[28]
• GTD-111一方向凝固GTD-111で作られたブレードは、多くのGE Energyガスタービンの第一段階で使用されています。等軸GTD-111で作られたブレードは、後期段階で使用されています。^[28]
• EPM-102（MX4（GE）、PWA 1497（P&W））は、NASA、GEアビエーション、プラット・アンド・ホイットニーが高速民間輸送（HSCT）用に共同開発した単結晶超合金である。HSCTプログラムは中止されたが、この合金はGEとP&Wによって現在も使用が検討されている。^[31]
• ニモニック80aはロールスロイス・ニーンとデ・ハビランド・ゴーストのタービンブレードに使用されました。
• ブリストル プロテウスにはニモニック 90が使用されました。
• ニモニック105はロールスロイス スペイに使用されました。
• ニモニック263は、コンコルド超音速旅客機に搭載されたブリストル・オリンパスの燃焼室に使用されました。^{[32] [33]}
• 風力タービンのブレードを作成するための3D プリント熱可塑性樹脂が、ORNL、NREL、およびGE Renewable Energyのパートナーシップにより開発されています。

圧力比が一定であれば、タービン入口温度 (TET) が上昇するにつれてエンジンの熱効率は上昇します。しかし、ブレードは大きな遠心応力を受け、材料は高温では弱くなるため、高温はタービンを損傷する可能性があります。したがって、タービンブレードの冷却は最初の段階では不可欠ですが、ガス温度は各段階で低下するため、低圧タービンやパワータービンなどの後の段階では必要ありません。^[34]現在の最新のタービン設計では、タービン部品を積極的に冷却することで、1900ケルビンを超える入口温度で動作しています。^[5]

タービンブレードは、コンバインドサイクル発電所で限定的に蒸気冷却が使用される場合を除き、空気を使用して冷却されます。水冷は広範囲にテストされていますが、導入されたことはありません。^[35]ゼネラルエレクトリックの「H」クラスガスタービンは、コンバインドサイクル蒸気タービンからの蒸気を使用して回転ブレードと静翼を冷却しましたが、GEは2012年に「FlexEfficiency」ユニットで空冷に戻ると報告されました。^[36]液体冷却は、比熱容量が高く、蒸発冷却の可能性があるため、より魅力的に見えますが、漏れ、腐食、詰まり、およびその他の問題が発生する可能性があり、この方法には不利に働きます。^[34] 一方、空冷では、排出された空気を問題なくメインフローに流すことができます。この目的に必要な空気の量はメインフローの1〜3％で、ブレード温度を200〜300℃下げることができます。^[34] ガスタービンブレードに使用される冷却技術は多数あります。対流冷却、膜冷却、蒸散冷却、冷却液、ピンフィン冷却など、内部冷却と外部冷却のカテゴリに分類される。すべての方法に違いはあるものの、いずれもコンプレッサーから取り込まれた冷たい空気を使用してタービンブレードから熱を除去するという仕組みになっている。^[37]

これは、ブレード内部の通路に冷却空気を通すことで機能します。^[38]熱は、ブレードを伝導して伝達され、次に対流によってブレード内部を流れる空気に伝達されます。この方法では大きな内部表面積が望ましいため、冷却経路は曲がりくねっていて、小さなフィンがたくさんある傾向があります。ブレードの内部通路は、円形または楕円形です。冷却は、ハブからブレードの先端に向かってこれらの通路に空気を通すことによって行われます。この冷却空気は、エアコンプレッサーから供給されます。ガスタービンの場合、外部の流体は比較的高温で、冷却通路を通過してブレードの先端で主流と混合されます。^{[37] [39]}

対流冷却のバリエーションである衝突冷却は、高速の空気をブレードの内側表面に当てることによって機能します。これにより、通常の対流冷却よりも多くの熱が対流によって伝達されます。衝突冷却は、熱負荷が最も大きい領域で使用されます。タービンブレードの場合、前縁の温度が最大になり、熱負荷も最大になります。衝突冷却は、ベーンの中間弦でも使用されます。ブレードは中空でコアがあります。^[40] 内部に冷却通路があります。冷却空気は前縁領域から入り、後縁に向かって曲がります。^[39]

広く使用されているフィルム冷却（薄膜冷却とも呼ばれる）は、対流冷却や衝突冷却よりも高い冷却効果が得られる。^[41]この技術は、構造内の複数の小さな穴またはスロットを通して冷却空気をブレードから送り出すことで構成される。次に、冷却空気の薄い層（フィルム）がブレードの外部表面に形成され、主流からの熱伝達が低減される。主流の温度（1300～1800ケルビン）は、ブレード材料の融点（1300～1400 ケルビン）を超えることがある。 ^{[42] [43]}フィルム冷却システムの表面冷却能力は、通常、冷却効果と呼ばれるパラメータを使用して評価される。高い冷却効果（最大値は 1）は、ブレード材料の温度が冷却剤の温度に近いことを示す。ブレード温度が高温ガスの温度に近づく場所では、冷却効果はゼロに近づく。冷却効果は、主に冷却剤の流れのパラメータと注入​​形状によって影響を受ける。冷却剤の流れパラメータには、速度、密度、吹き出し、運動量比などがあり、これらは冷却剤と主流の流れ特性を使用して計算されます。噴射形状パラメータは、穴またはスロットの形状（円筒形、成形穴またはスロット）と噴射角度で構成されます。^{[5] [6]} 1970年代初頭の米国空軍プログラムでは、フィルム冷却と対流冷却の両方を備えたタービンブレードの開発に資金が提供され、この方法は現代のタービンブレードで一般的になっています。^[16]

冷却ブリードを流れに注入するとタービンの等エントロピー効率が低下し、冷却空気（エンジンの動力には寄与しない）の圧縮によりエネルギー損失が発生し、冷却回路によってエンジンがかなり複雑になります。^[44]これらの要因はすべて、タービン温度の上昇によって可能になる全体的な性能（動力と効率）の向上によって補う必要があります。^[45]

近年、研究者らはフィルム冷却にプラズマアクチュエータを使用することを提案している。誘電体バリア放電プラズマアクチュエータを使用したタービンブレードのフィルム冷却は、RoyとWangによって初めて提案された。^[46]ガス流用の穴の近くに設置された馬蹄形のプラズマアクチュエータは、フィルム冷却の有効性を大幅に向上させることが示されている。以前の研究に続き、実験的および数値的手法の両方を使用した最近の報告では、プラズマアクチュエータを使用した冷却強化効果が15％実証されている。^{[47] [48] [49]}

ブレードの表面は多孔質材料で作られており、表面には多数の小さな穴があります。冷却空気はこれらの多孔質の穴を通って押し出され、フィルムまたは冷却境界層を形成します。さらに、ブレード表面全体に冷却剤が浸透することで均一な冷却が実現します。^[34]

狭い後縁では、ブレードからの熱伝達を高めるためにフィルム冷却が使用されています。ブレード表面にはピンフィンの配列があります。熱伝達はこの配列から側壁を通して行われます。冷却剤が高速でフィンを流れると、流れが分離して後流が形成されます。熱伝達率には多くの要因が影響しますが、その中で最も重要なのはピンフィンの種類とフィン間の間隔です。^[40]

これは、ブレード上に冷却空気の薄い膜を作るという点でフィルム冷却に似ていますが、空気が穴から注入されるのではなく、多孔質シェルから「漏れる」という点で異なります。このタイプの冷却は、ブレード全体を冷たい空気で均一に覆うため、高温で効果的です。^{[39] [50]}蒸散冷却ブレードは、通常、多孔質シェルを備えた剛性ストラットで構成されています。空気はストラットの内部チャネルを流れ、次に多孔質シェルを通過してブレードを冷却します。^[51]フィルム冷却と同様に、冷却空気が増加するとタービン効率が低下するため、その低下と温度性能の向上とのバランスを取る必要があります。^[45]

• ジェットエンジンの部品
• 燃焼器
• 高温腐食
• ガスタービン
• 超合金

文献

• YAYYA, SM (2011)。「第 10 章: 高温 (冷却) タービン ステージ」。タービン、コンプレッサー、ファン(第 4 版)。ニューデリー: Tata McGraw Hill Education private limited。ISBN 978-0-07-070702-3。

• Flack, Ronald D. (2005)。「第 8 章: 軸流タービン」。ジェット推進の基礎と応用。ケンブリッジ航空宇宙シリーズ。ニューヨーク、ニューヨーク: ケンブリッジ大学出版局。ISBN 978-0-521-81983-1。
• Boyce, Meherwan P. (2006)。「第 9 章: 軸流タービン、第 11 章: 材料」。ガスタービン エンジニアリング ハンドブック(第 3 版)。オックスフォード: Elsevier。ISBN 978-0-7506-7846-9。