タービンブレード
ターボユニオンRB199ジェットエンジンのタービンブレード。このブレードは外側シュラウドを備えており、ブレード先端からのガス漏れを防止します。ガス漏れが発生した場合、翼への力は発生しません。翼底部のプラットフォームは連続した環状リングを形成し、冷却空気キャビティパージ流と相まってタービンディスクへの高温ガスの漏洩を防ぎます。プラットフォームとディスク内のモミの木状の固定部の間にある短い延長部（シャンク）は、冷却空気がブレードに流入するための空間を確保し、ブレードの振動モードとディスク縁への熱伝達を制御します。[ 1 ]
このエンジンの断面図では、タービンブレードは金色になっています。

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、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、燃焼器で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、タービンブレードでは、超合金などの特殊な材料や、内部冷却、外部冷却、 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]および熱遮断コーティングに分類できるさまざまな冷却方法が使用されることがよくあります。[ 8 ] [ 9 ]ブレードの疲労は、蒸気タービンとガスタービンの大きな故障原因です。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。[ 10 ]

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ています。

導入

ツインスプールジェットエンジンの図。高圧タービンはシャフトを介して高圧コンプレッサーに接続され、一方のスプール（完全な回転アセンブリ）（紫色）を形成します。低圧タービンは低圧コンプレッサーに接続され、もう一方のスプール（緑色）を形成します。

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、ブレードの前方にある固定されたノズルガイドベーンリングで構成されています。タービンはシャフト（回転アセンブリ全体は「スプール」と呼ばれることもあります）を介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際に圧力と温度が上昇します。その後、コンプレッサとタービンの間に配置された燃焼器内で燃料が燃焼し、温度が上昇します。高温高圧のガスは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。タービンの動作は、例えばガスと機械間のエネルギー交換という点では、コンプレッサの動作と似ていますが、逆の動作をします。ガス温度の変化量（コンプレッサの上昇、タービンの低下）とシャフト動力入力（コンプレッサ）または出力（タービン）との間には直接的な関係があります。[ 11 ]

ターボファンエンジンでは、バイパス比が大きくなるにつれて、ファンを駆動するために必要なタービン段数も増えます[ 12 ]。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、段数を少なくする必要があります[ 13 ]。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、高圧スプールと低圧スプールがあります。その他、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た 3 つのスプールを使用するガスタービンもあります。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。この条件の違いにより、空気力学と熱力学の原理は同じであっても、高圧タービンブレードと低圧タービンブレードの設計では材料や冷却の選択が大きく異なります。[ 14 ] ガスタービンおよび蒸気タービン内部の過酷な運転条件下では、ブレードは高温、高応力、そして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軸の回転運動に変換する発電所の重要な部品です。[ 15 ]

環境と故障モード

ガスタービン内部において、タービンブレードは非常に過酷な環境にさらされます。高温、高応力、そして潜在的な高振動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、エンジンの破損につなが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慎重に設計されています。[ 16 ]

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応力を受け、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）は約2,500 °F（1,370 °C）の温度にさらされ、[ 17 ]初期のガスタービンの温度約1,500 °F（820 °C）から上昇している。[ 18 ]現代の軍用ジェットエンジン、例えばスネクマM88では、タービン温度が2,900 °F（1,590 °C）に達することがある。[ 19 ] これらの高温はブレードを弱め、クリープ破損を起こしやすくなる可能性がある。高温はブレードを腐食破損を起こしやすくすることもある。[ 15 ]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。[ 16 ]

タービンのサイクル効率は高温化によって向上するため、従来のベンチマークを継続的に押し上げる材料革新が求められます。超結晶粒界（SC）ブレードと多結晶粒界（PC）ブレードの最も一般的な破損モードは本質的に異なるため、SCブレードは粒界がないため、第1段および第2段タービンブレードの用途に最適です。タービンブレードは通常、独特の微細構造を有するNi-Cr超合金で作られています。[ 20 ]

単結晶（SC）超合金は、通常、タービンブレードの軸に沿って⟨001⟩結晶方位で鋳造され、多くの場合、局所応力の低減に理想的であることがわかっている二次方位が制御されています。その微細構造は、γマトリックス内で⟨001⟩に沿って整列した立方体のγ′析出物で構成されています。これらの合金は、γとγ′のFCC構造により、異方性の機械的特性（直交異方性特性とも呼ばれます）を示します。これには引張特性とクリープ特性が含まれ、合金組成の温度によっても影響を受けます。この異方性は、熱機械疲労（TMF）中の変形と損傷に強く影響します。[ 20 ] [ 21 ]

位相角

  • 同相（IP）TMFサイクルでは、最大引張荷重はサイクルの最高温度で発生します。したがって、この引張荷重状態では、関連する変形モードは高温クリープであり、中温であっても内部応力と遠心力によって強化される可能性があります。逆に、低温は、低温塑性によって特徴付けられる圧縮状態に対応し、通常はブレードに設計された冷却チャネルの近傍または内部で発生します。[ 20 ]
  • ブレードプラットフォームなどの特定の領域では、冷却が不十分なため「ホットスポット」が発生する可能性があります。このような領域では、位相外れ（OP）TMFサイクルが観察されます。これは、高温での圧縮応力によるクリープ緩和と、低温での引張応力による塑性変形を特徴とします。したがって、稼働中および高温の間、その領域は圧縮応力を受け、クリープ緩和を経験し、それが室温に戻ると張力に変換されます。高温での酸化物の形成はSC合金の延性低下を引き起こし、引張応力による割れにつながる可能性があります。そのため、OPが発生する領域は、IPよりも平均応力と非弾性ひずみが低いにもかかわらず、寿命が短くなることがよくあります。[ 20 ]
  • IPとOPの影響を比較すると、最大引張応力が寿命に最も大きく影響し、結果としてOPの寿命が短くなることがわかります。[ 20 ]
  • TMGは非常に損傷の大きいプロセスであり、SC超合金の疲労寿命は、どの方向においても、ピーク温度での等温サイクリック荷重条件よりも70～90％低くなります。[ 20 ]

変形とひび割れ

  • SC合金の変形は、粒界の欠如と結晶の異方性のために局所的になる傾向があります。SC合金では変形双晶がよく見られ、双晶に沿って局所的に亀裂が成長し、破壊につながります。これは、特にReを含む第二世代SC合金において、TMF破壊の主な原因です。しかし、これらの変形帯に沿って温度勾配や応力勾配が生じる条件下では、力学の解釈が困難になることがあります。[ 20 ]

SCにおける疲労き裂経路は、モードIの引張開口から始まり、その後、すべり面に沿った結晶せん断によって伝播します。これは、き裂核生成（結晶せん断）と定常成長（モードI）というステージI/ステージIIのパターンに従う従来のき裂成長挙動とは対照的です。[ 20 ]

  • OP-TMFでは、酸化疲労相互作用と高温でのγ′粗大化が亀裂核生成の主な原因となる。亀裂は酸化物成長を伴う点状に形成される傾向があり、高温負荷条件によってそのプロセスが悪化し、脆性材料の重要な特徴である明瞭な平面亀裂が生じる。{1 1 1}面上の亀裂先端の前方に、変形双晶としても知られる局所的な双晶板クラスターが形成されることが観察されている。これは、対応する滑り系（{1 1 1} <112>）における部分的な転位運動によって引き起こされる。これらのクラスターが十分に大きくなると、亀裂伝播が可能になり、特に双晶に沿って局所的に亀裂が伝播する。[ 20 ]
  • 温度サイクルがない場合、低サイクル疲労 (LCF)では、変形モードは拡散ベースのメカニズムによって支配されます。
  • OP-TMFサイクルの低温部ではほとんどの伝播が起こりますが、高温・圧縮状態は、き裂先端におけるγ′相の溶解と再結晶化によって引き起こされる損傷の原因となります。き裂閉口に関する研究では、き裂成長速度は有効応力拡大係数（ΔK eff）の変化の関数として、最大サイクル温度と滞留時間に依存しないことが示されており、これは、閉口によるき裂先端の応力緩和によってき裂伝播の駆動力が緩和されることを示唆しています。[ 20 ]
  • IP-TMFでは、き裂は弱い界面で形成される傾向があります。ΔK effの関数としてのき裂成長速度には目立った差はなく、対応するLCF条件と同様の結果を示しています。保持時間が長くなると、き裂成長の閉鎖が減少し、Kが上昇するため、き裂が成長します。したがって、IP-TMF試験とLCF試験は、き裂成長速度とΔK effの関係によっても説明されます。[ 20 ]
  • 応力制御条件下では、IPの疲労寿命が最も短く、次いでLCF、OPの順となる。[ 20 ]

滞留時間

圧縮保持時間の追加は、OP-TMFで観察されるように、亀裂の伝播方向に影響を与えます。保持時間がない場合、亀裂は表面（酸化スパイク領域）で発生し、双晶プレートに沿って成長する前に、適用された応力の方向に対して垂直に成長します。保持時間を10分以上に延長すると、亀裂は双晶プレートに沿って直接成長し、破壊します。保持時間の適用は、応力緩和、破壊モード、非弾性ひずみの増加、および高い引張平均応力の結果として、高温であっても疲労寿命を短縮します。[ 20 ] IP-TMFの場合、保持時間が亀裂の発生と伝播に及ぼす影響は、疲労とクリープの複合モデルによって正確に予測されます。[ 20 ]

純粋なγ′相における降伏強度異常は、材料が高温でより高い降伏強度を示す状態を表しており、SC超合金の優れた機械的特性は、γ相とγ′相の立方体構造の相互作用の結果である。しかし、この状態は不安定であり、TMF試験における高温および長時間の保持によって形成されるラフティングによって材料が弱体化し、降伏応力が低下する。この影響は、TMFサイクルにおける最低温度が低いほど悪化する。降伏応力が低下すると、非弾性ひずみ範囲が拡大し、ひび割れの発生が早まる。[ 20 ]

結晶配向

硬直性

所定のひずみ範囲における TMF 寿命は、ひずみ制御 TMF 試験におけるひずみ方向に対する弾性率によって決まります。Ni 合金の場合、[001] 方向は剛性が低く、応力が抑制されるため、寿命が長くなります。通常、制御ひずみ試験におけるさまざまな結晶方位の疲労寿命は、弾性サイクル挙動を示す <001> で最も長く、次に <011>、<111> の順で長く、どちらも塑性変形を示します。クリープ損傷は破壊の主な原因であり、<001> と <011> では八面体すべり面、<111> では立方体すべり面によって特徴付けられ、FCC で予測できます。[ 20 ]さらに、<001> 方向は TMF にさらされるため、ラフティングが発生する可能性があり、γ' 強化相が合体してプレートになる可能性があります。[ 21 ] <001>方向の荷重に対して、OP-TMFはP型（荷重方向と平行）のラフティングを導き、IP-TMFはN型（荷重方向と垂直）のラフティングを導きます。[ 20 ]

滑り面

疲労寿命はすべり面の数にも影響されます。活性すべり面の数が多い結晶方位では、変形の局所性が低くなり、OP-TMFの疲労寿命が向上します。[ 20 ]

姉妹都市

OP-TMFでは<011>配向サンプルの方が<001>配向サンプルよりも双晶形成が少ない[ 20 ]

低サイクル疲労（LCF）

LCFは、一定温度で低いサイクル数にわたって高いひずみが加えられることを特徴とします。<001>および<111>配向の試験片では、高温においてγ'相の溶解、転位の除去、析出物、応力緩和のための相界面における転位の生成、熱活性化メカニズムによる転位の除去により、サイクル軟化、すなわち破壊応力の減少が観察されます。低ひずみ条件下では、<111>配向のSC試験片は、マトリックス中に整列した転位列が形成され、他のすべり系からの転位間の相互作用が妨げられる結果、サイクル硬化、すなわち破壊応力の増加を経験します。これにより、<111>配向のSCタービンブレードの疲労寿命が低下します。[ 22 ]

疲労強度は、γ母相中に二次γ′析出物が均一に分布することで向上します。き裂は通常、持続性すべり帯（PSB）に沿って発生し、成長します。しかし、高温および高ひずみレベルでは、転位の絡み合いと応力誘起によるγ′析出物の粗大化により、き裂はより早期に形成されます。[ 22 ]

高サイクル疲労

高サイクル疲労（HCF）は、SCタービンブレードの破損の主な原因であり、高サイクル数と低振幅応力場を特徴とし、弾性変形を引き起こします。HCF試験では、<001>方位と<111>方位の疲労寿命に差はありませんが、穴やノッチなどの応力集中部は、破損までの耐荷重サイクル数を増加させる可能性があります。これらの応力集中部は、多結晶試験片と同様に、破断時に劈開面を示さない原因となります。[ 22 ] [ 23 ]

応力集中により、亀裂発生部位には複数の平面ファセットを持つ粗面領域が形成される。すべり帯は応力集中部付近で発達しやすく、すべり帯の形成を誘発する。一方、鋳造欠陥は局所的に高いせん断応力を発生させるが、試験片全体のK閾値よりも低い。これらの欠陥周辺の強いせん断力は、核生成サイトの形成によって高温で再結晶とキャビテーションを引き起こす。さらに、一部の超合金は、粗面領域に位相的に密に詰まった構造と炭化物の析出物を析出させ、欠陥領域から離れた場所ですべり帯の形成を引き起こす。粗面領域のKが全体的な閾値に達すると、巨視的なHCFき裂が伝播する。[ 22 ]

フレッティング疲労

フレッティング疲労は、タービンブレードの接合部やディスクが運転中に遠心力と空力によって受ける激しい振動によって引き起こされることが多い。これにより応力集中が生じ、疲労が誘発され、最終的には亀裂核形成の増加によって破壊に至る。転位は、整合した面心立方結晶中の12のすべり面のいずれかを移動することができる。温度が上昇すると、すべり線密度は結晶方位に対して減少する。したがって、破壊が主な変形モードとなる。[ 22 ]

材料

初期のジェットエンジンの限界要因の一つは、エンジンの高温部（燃焼器とタービン）に使用可能な材料の性能でした。より優れた材料を求める声は、合金や製造技術の分野で多くの研究を促し、その結果、現代のガスタービンを可能にする数多くの新材料と製造方法が生まれました。[ 18 ]こうした初期の例の一つが、英国のホイットルエンジンに使用されたニモニックです。

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加工方法により、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加工方法の進歩により、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。[ 18 ]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基超合金がよく使用されています。[ 16 ] [ 24 ]

合金の改良に加えて、大きな進歩は方向性凝固（DS）法と単結晶（SC）法の開発でした。これらの方法は、粒界を一方向に整列させる（DS）か、粒界を完全に除去する（SC）ことで、疲労強度とクリープ強度を大幅に向上させます。SC法の研究は1960年代にプラット・アンド・ホイットニー社によって始まり、実用化までに約10年を要しました。DS法が最初に実用化された例の一つは、SR-71のJ58エンジンでした。[ 18 ] [ 25 ] [ 26 ]

遮熱コーティングを施したタービンブレード。このブレードにはチップシュラウドがないため、チップリークはタービンケースに取り付けられた固定シュラウドリングとチップ間のクリアランスによって制御されます。

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の開発によってクリープ耐性と疲労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、温度上昇に伴い大きな懸念事項となっていました。1970年代に初めて適用された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耐熱性が約200°F（90°C）向上しました。[ 18 ]これらのコーティングはブレード寿命も向上させ、場合によってはタービンブレードの寿命がほぼ2倍に延びます。[ 27 ]

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）によって製造されています。この工程では、ブレード形状の精密なネガ型を作成し、そこにワックスを充填してブレード形状を形成します。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）、通路の形状に合わせたセラミックコアを中央に挿入します。ワックスブレードを耐熱材料でコーティングしてシェルを作成し、そのシェルにブレード合金を充填します。この工程は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、ブレードを中空にする溶液で溶解します。ブレードはTBCでコーティングされ、冷却穴が機械加工されます。[ 28 ]

セラミックマトリックス複合材料（CMC）は、繊維がポリマー由来のセラミックスのマトリックスに埋め込まれており、タービンブレードへの使用に向けて開発が進められています。[ 29 ] CMCが従来の超合金に対して持つ主な利点は、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からなるSiC/SiC複合材料は、ニッケル超合金よりも200～300°F高い動作温度に耐えられることが実証されています。[ 30 ] GEアビエーションは、このようなSiC/SiC複合材料ブレードを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。[ 31 ] [ 32 ]

タービンブレード材料一覧

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。[ 33 ] [ 34 ]

  • 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、現在では要求の厳しくない後の段階で使用されています。[ 34 ]
  • ルネ77 [ 34 ]
  • ルネN5 [ 35 ]
  • ルネN6 [ 35 ]
  • PWA1484 [ 35 ]
  • CMSX-4 [ 36 ]
  • CMSX-10 [ 35 ]
  • インコネル
    • IN-738 – GEは1971年から1984年まで、第一段ブレード材料としてIN-738を使用していました。その後、GTD-111に置き換えられました。現在は第二段ブレード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、陸上用タービン向けに特別に設計されました。[ 34 ]
  • GTD-111一方向凝固GTD-111鋼製のブレードは、GEエナジー社の多くのガスタービンの初段に使用されています。等軸晶系GTD-111鋼製のブレードは、後段に使用されています。[ 34 ]
  • 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機（HSCT）向けに共同開発した単結晶超合金です。HSCTプログラムは中止されましたが、GEとP&Wは引き続きこの合金の使用を検討しています。[ 37 ]
  • 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。
  • ニモニック 90 はブリストル プロテウスに使用されました。
  • 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、超音速旅客機コンコルド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。[ 38 ] [ 39 ]
  • ORNL、NREL、GE Renewable Energyの提携により、風力タービンブレードを作成するための3Dプリント熱可塑性樹脂の開発が進められています。

冷却

圧力比が一定である場合、タービン入口温度（TET）の上昇に伴い、エンジンの熱効率は向上します。しかし、高温はタービンブレードに大きな遠心応力がかかり、材料が高温で弱くなるため、タービンブレードを損傷する可能性があります。そのため、タービンブレードの冷却は初段では不可欠ですが、ガス温度は各段で低下するため、低圧タービンやパワータービンなどの後段では不要です。[ 40 ]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運転されています。[ 5 ]

冷却方法

レーザードリルで穴を開けることで、この第 1 段V2500ノズル ガイド ベーンでのフィルム冷却が可能になります。

タービンブレードは、コンバインドサイクル発電所における蒸気冷却の限定的な使用を除き、空気冷却で冷却されます。水冷は広範囲に試験されていますが、導入されたことはありません。[ 41 ]ゼネラル・エレクトリック社の「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翼と静翼を冷却していますが、GEは2012年に「FlexEfficiency」ユニットで空冷に戻ると報道されました。[ 42 ]液冷は比熱容量が高く、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、閉塞などの問題が発生する可能性があり、この方法は不利です。[ 40 ] 一方、空冷では、排出された空気を問題なく主流に流すことができます。このために必要な空気の量は主流の1～3%で、ブレード温度を200～300℃下げることができます。[ 40 ] ガスタービンブレードの冷却には多くの技術が用いられています。対流冷却、膜冷却、蒸散冷却、冷却液浸出、ピンフィン冷却など、内部冷却と外部冷却に分類される様々な冷却方式があります。それぞれの方式には違いがありますが、いずれも圧縮機から取り込んだ冷たい空気を用いてタービンブレードの熱を除去するという点で共通しています。[ 43 ]

内部冷却

対流冷却

対流によるブレード冷却

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。[ 44 ]熱はブレードを伝導で伝わり、その後対流によってブレード内部を流れる空気に伝わります。この方法では大きな内部表面積が望ましいため、冷却経路は蛇行し、小さなフィンが多数配置されます。ブレード内部の通路は円形または楕円形です。冷却は、ハブからブレード先端に向かってこれらの通路に空気を通すことで行われます。この冷却空気は空気圧縮機から供給されます。ガスタービンの場合、外部の流体は比較的高温であり、冷却通路を通過してブレード先端で主流と混合されます。[ 43 ] [ 45 ]

衝突冷却

衝突

対流冷却の一種であるインピンジメント冷却は、高速度の空気をブレードの内面に衝突させることで機能します。これにより、通常の対流冷却よりも対流によってより多くの熱が伝達されます。インピンジメント冷却は、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、前縁部の温度が最大になり、熱負荷も最大になります。インピンジメント冷却は、ベーンの翼弦中央部でも使用されます。ブレードは中空構造で、コアが設けられています。[ 46 ] 内部には冷却通路があり、冷却空気は前縁部から入り、後縁部に向かって流れます。[ 45 ]

外部冷却

フィルム冷却

フィルム冷却用の冷却穴を備えたタービンブレードのレンダリング
フィルム冷却

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、対流冷却やインピンジメント冷却よりも高い冷却効果が得られる。[ 47 ]この技術は、構造上の複数の小さな穴またはスロットを通じ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）がブレードの外側に生成され、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。 [ 48 ] [ 49 ]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（最大値が 1）は、ブレード材料の温度が冷媒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、主に冷媒の流れのパラメータと注入​​形状によって左右される。冷却材の流れパラメータには、速度、密度、吹き出し比、運動量比などがあり、これらは冷却材と主流の流れ特性を用いて計算されます。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年代初頭のアメリカ空軍のプログラムでは、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。[ 18 ]

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（エンジンに動力を供給しない）の圧縮によってエネルギー損失が発生し、冷却回路がエンジンにかなりの複雑さを追加します。[ 50 ]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）の向上によって補償される必要があります。[ 51 ]

近年、フィルム冷却にプラズマアクチュエータを用いることが研究者によって提案されている。誘電体バリア放電プラズマアクチュエータを用い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。[ 52 ]ガス流用の穴の近傍に設置された馬蹄形のプラズマアクチュエータは、フィルム冷却効果を大幅に向上させることが示されている。先行研究に続き、最近の報告では、実験的手法と数値的手法の両方を用いて、プラズマアクチュエータを用いることで15%の冷却効果が向上することが実証されている。[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]

冷却液

滲出液による冷却

ブレード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孔が開いています。冷却空気はこれらの多孔質孔を通って押し出され、膜状または冷却境界層を形成します。さらに、冷却剤がブレード表面全体に浸透することで、均一な冷却が実現されます。[ 40 ]

ピンフィン冷却

狭い後縁では、翼からの熱伝達を高めるためにフィルム冷却が用いられています。翼面にはピンフィンが配列されており、熱伝達はこのフィン配列から側壁を通して行われます。冷却材が高速でフィンを通過すると、流れが剥離し、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、その中でもピンフィンの種類とフィン間の間隔が最も重要です。[ 46 ]

蒸散冷却

これは、ブレード上に薄い冷却空気の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、多孔質シェルを通して「漏れる」という点で異なります。このタイプの冷却は、ブレード全体を均一に冷気で覆うため、高温時に効果的です。[ 45 ] [ 56 ]蒸散冷却ブレードは、一般的に多孔質シェルを備えた剛性の支柱で構成されています。空気は支柱の内部チャネルを流れ、多孔質シェルを通過してブレードを冷却します。[ 57 ]フィルム冷却と同様に、冷却空気の増加はタービン効率を低下させるため、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。[ 51 ]

参照

注記

  1. ^クリープとは、固体材料が応力の影響下でゆっくりと移動したり、永久に変形したりする性質のことです。これは、材料の降伏強度を下回る高レベルの応力に長期間さらされた結果として発生します。材料が長期間、融点近くの熱にさらされると、クリープはより顕著になります。クリープは常に温度とともに増大します。「クリープ（変形）」より。

参考文献

ウィキメディア コモンズには、タービンブレードとベーンに関連するメディアがあります。
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