第 1 回航空機関連分野技術に関する施策 事業評価検討会資料 5-8-4 軽量耐熱複合材 CMC 技術開発の 概要について 平成 24 年 11 月 29 日
目次 1 1. プロジェクトの概要 2. 目的 政策的位置付け 3. 目標 4. 成果 目標の達成度 5. 事業化 波及効果 6. 研究開発マネジメント 体制等
1. プロジェクトの概要 2 概 要 軽量耐熱材料である CMC(Ceramic Matrix Composites ) の航空エンジンのタービン部への適用を目指し 開発難易度が高い代表部品であるタービン静翼を取り上げ 複雑形状織物 成型法の最適化を図り 適切な製造プロセスを確立させる また CMC タービン静翼の温度分布を推定し 解析で発生応力の評価を実施して 既存タービン静翼と比較し 30% 以上軽量化の成立性を確認する 実施期間 平成 20 年度 ~ 平成 24 年度 (5 年間 ) 予算総額 これまでの合計 4.85 億円 ( 委託 ) ( 平成 20 年度 : 1 億円平成 21 年度 : 0.95 億円平成 22 年度 : 0.65 億円平成 23 年度 : 1.25 億円平成 24 年度 : 1 億円 ) 実施者 株式会社 IHI プロジェクト リーダー 株式会社 IHI 航空宇宙事業本部技術開発センター材料技術部部長荒井幹也
1. プロジェクトの概要 3 < 背景 > 本事業では 1300 の耐熱性を有し かつ金属材料よりも軽量な CMC(Ceramic Matrix Composites) を航空機用エンジンに適用することで 高性能化 軽量化等を図り 省エネルギーに資することを目的とする 軽量耐熱材料である CMC を適用してタービン静翼等のエンジン高温部品の耐熱温度を約 200 上昇させることにより熱効率が向上し エンジン重量も低減することで より少ない燃料で必要な推力が得られる これらのエンジン性能の向上により 今後着実に伸びると予想される航空輸送において 喫緊の課題とされる地球温暖化対策に貢献する技術開発を目指す 日本独自の軽量耐熱材料を持つことは 日本の航空産業の国際競争力確保の鍵となる CMC(Ceramic Matrix Composites) とは セラミックス基複合材の略で セラミックの脆さを克服するために髪の毛ほどの細いセラミックの繊維をマトリクス ( 母材 ) で強化した複合材である 本材料は ニッケル基合金より 軽量 ( 密度は約 1/4) かつ耐熱性 (200 向上 ) に優れる 将来の航空エンジン用耐熱材として最も期待される材料の一つ なお 材質は繊維もマトリクスも炭化ケイ素 (SiC) である 繊維は 東北大で開発され 世界で日本の 2 社 ( 日本カーボン 宇部興産 ) しか製造できない 現在 世界では主に米国の GE 社 仏国の SNECMA 社も CMC の実用化に向けた開発を積極的に進めており 次世代の航空エンジンへの適用を目指したエンジン試験が行われている SiC 繊維の外観日本カーボン ( 株 ) カタログより
2. プロジェクトの目的 政策的位置付け < 政策的な位置付け > 4 エンジン要素技術 複合材適用による低 高温部重量低減 / オープンローター等新たな推進システムの実現等
3. 目標 < 全体目標 > 5 耐熱性が 1300 と高く軽量なセラミックス基複合材 (CMC) を航空エンジンに適用し 高温部の冷却空気量を削減するとともに軽量化を図ることにより エンジンの大幅な燃費改善を目指す また 温度 応力解析によりタービン静翼として成立性の目処を得 従来部品に対し 重量を 30% 以上軽量化する < 要素技術目標 > 要素技術 ( 課題 ) 目標 指標妥当性 設定理由 根拠等 (1) 複雑形状成型法の開発タービン静翼の試作と タービン静翼に適した複雑形状織物成型技術および高効率含浸法を確立 (2) 冷却構造の検討 CMC に適した冷却構造を選定し その冷却性能データを取得 (3) 成立性の確認取得した材料データ及び冷却性能データを基に CMC 静翼を設計後に製造し 実環境における検証試験を行い 解析結果と合わせて CMC 静翼成立性の目途を得る タービン静翼はエンジン部品の中でも形状が最も複雑であり この試作に成功することで他の部品の成型が可能 CMC は熱伝導率が低く製造性からも制約が多いため CMC 独自の最適冷却構造が必要 構造成立性の目処を得るためには その冷却性能データが必要 CMC 静翼の成立性を確認するためには 実環境における検証試験による健全性の確認が必要
3. 目標 6 1300 の耐熱性と 30% の軽量化は 大幅な燃料使用量の削減につながる ( 図 1 参照 ) タービン静翼は 他の部品と比較し冷却構造も含め最も複雑形状である ( 図 2 参照 ) 燃費改善による省エネ効果 : 日本のエアラインの年間燃料使用料は 1 千万 k l 程度であり 本研究成果等により 5~6% 燃費が向上すると 2030 年には年間 10 万 kl の燃料使用量削減に繋がる ( タービン静翼 シュラウドなどの静止部への適用の場合 ) 図 2 部品例 タービン静翼 シュラウド 図 1 CMC を適用した場合のメリット ( 出典 ;GE 社論文 ) 注 ) 右端は CMC の耐熱温度を 1300 中 2 つは 1200 とした場合 テールコーン
3. 目標 ( 全体スケジュール ) 7 実施項目 / 期間 1 複雑形状成型法の開発 2 冷却構造の検討 平成 20 年度平成 21 年度平成 22 年度平成 23 年度 中空翼構造の検討 含浸手法の最適化 分割 一体織物試作 冷却孔の検討 平成 24 年度 材料試験 ( 概念設計 ) 供試体試作 材料試験 ( 設計確認 ) 3 成立性の確認 冷却性能試験準備冷却性能試験 ( 無冷却 ) 冷却性能試験 ( 冷却 ) 冷却 構造設計 / 解析 CMC 静翼の成立性に目処 (TRL3 TRL4) 供試体試作 実環境の検証試験 供試体製作 タービン静翼成立性の確認 CMC 静翼の成立性を確認 (TRL4 TRL5) 耐久性評価 ( 熱サイクル ) 事業終了後 エンジン実機開発に着手可能とする また 他のタービン部品開発へ成果を還元する
4. 成果 目標の達成度 8 要素技術 ( 課題 ) (1) 複雑形状成型法の開発 (2) 冷却構造の検討 (3) 成立性の確認 目標 指標成果達成度 タービン静翼の試作と タービン静翼に適した複雑形状織物成型技術および高効率含浸法を確立 CMC に適した冷却構造を選定し その冷却性能データを取得 取得した材料データ及び冷却性能データを基に CMC 静翼を設計後に製造し 実環境における検証試験を行い 解析結果と合わせて CMC 静翼成立性の目途を得る 中空翼とバンド部を織物で一体化したタービン静翼を試作した 織物成形 マトリックス含浸 機械加工とも結果は良好であり 複雑形状織物成型技術および高効率含浸法を確立した 以上により最終目標を達成した インピンジ + フィルム冷却構造を選定した レーザーにて冷却孔加工を可能とした 試作した CMC 静翼を用いて冷却性能データを取得した 以上により最終目標を達成した 取得した材料データ 冷却性能データを基に CMC 静翼を設計 エンジンに搭載可能な CMC 静翼を製造した 試作した CMC 静翼を用いてエンジンによる実環境における検証試験を実施し 30% 以上の軽量化と十分な健全性を有することを確認した 試作した CMC 静翼を用いた熱サイクル試験にて要求寿命を満足した 今後 材料試験データを追加し 構造解析にて成立性を確認する 以上により最終目標を達成できる見通し 達成 達成 達成 ( 見込み )
4. 成果 目標の達成度 1 複雑形状成型法の開発 一体型 3 成立性の確認 構造検討 9 前縁 後縁 腹側 CMC 静翼を設計 背側 複雑形状の織物を試作 2 冷却構造の検討冷却構造の検討 インピンジ用インサート フィルム冷却用冷却孔 冷却性能を取得 冷却孔の試作 試作した CMC 静翼 要求形状を満足 エンジン実証試験 熱サイクル試験 要求サイクル (5000 回 ) を満足 CMC 搭載 レーザーによる冷却孔加工試験 加工条件の設定を実施 実エンジン環境における成立性を確認 (400 時間 )
5. 事業化 波及効果 < 事業化 > 10 フェ ーズ 実機開発 複雑形状製造技術 エンジン試験実証 < 本研究 > 静翼研究 (H20FY~H24FY) エンジン試験 試験規格化実用化の基盤技術確立データベース取得 静翼実機開発 / 型式承認 国際共同開発 エンジン全体での最適化 市場投入 次世代エンジン フェ ーズ 研究開発 実用化への課題洗い出し 産学連携による先端 基盤技術開発 (H23FY~H27FY を予定 ) 設計技術確立 ( 損傷許容 ) 製造技術確立 (CVI 高速加工 ) 修理技術確立 ( コーティング ) 量産化確立 設備設計へのインプット 技術確立へのフィードバック 設備導入 技術実証設備 量産プロセス実証 工程フリーズ 量産設備へのフィードバック 量産設備 量産処理量実証 品質安定化 低コスト化 FY2010 (H22) 2012 (H24) 2014 (H26) 2016 (H28) 2019 (H31)
5. 事業化 波及効果 < 波及効果 > 我が国産業の競争力強化等への貢献航空産業では ボーイング 787 などの炭素繊維複合材の利用拡大において 日本の航空機メーカの競争力強化に貢献しており 現在自動車業界等へ展開されつつある 同様に複合材として CMC がそれに続く日本競争力強化に繋がることが期待される また 技術波及が可能な輸送 ( 自動車 鉄道 ロケット等 ) エネルギー機器 ( ガスタービン 工業炉等 ) の分野において 耐熱性 の高い CMC を活用することによる日本の競争力強化が見込まれる セラミックス繊維 東北大学が開発 国内メーカーが製造を独占 繊維織り 日本各地の特色のある織物技術を各部に組み合わせて活用 エンジンはレアアース等が大部分を占める 界面コーティング ( 株 )IHI が差別化技術 セラミックス含浸 ( 株 )IHI が差別化技術 CMC はレアアース等代替材料 ( しかも 原料は国内で大量に採取可能 ) 素材 製造 修理までオール国産 ( 日本が優位に ) 技術波及 軽量高性能ブレーキディスク ( 自動車 航空機 鉄道 ; SGL H.P.) 耐熱外壁 ( 再突入機 ;JAXA H.P.) スラスタノズル ( 衛星 探査機 )
6. 研究開発マネジメント 体制等 12 経済産業省 委託 株式会社 IHI プロジェクトリーダー : 航空宇宙事業本部技術開発センター材料技術部部長荒井幹也 研究開発部門 : 材料技術部 要素技術部 エンジン技術部 外注会社 株式会社超高温材料研究センター 村田機械株式会社 株式会社 IHI 検査計測 株式会社 IHI ジェットサービス 株式会社 IHI エスキューブ ( 材料試験 ) ( 織物 ) (CMC 製造 ) ( 実環境試験 ) ( 解析 )