JP2007521441A - ２次流制御システム - Google Patents

Abstract

本発明は、様々な流体流、例えば、キャビテーション現象の流体流を含め、通常包囲体ラインに沿って成長する、圧縮機またはポンプの推進器（２３）ならびに誘導器／推進器（２４）の流路（２２）内の前縁部（２１）中にまたはそのまわりに通常存在する、２次流体流を制御するためのシステム（２０）である。システム（２０）は、様々な流れの状態を制御するための複数の装置を含む。一実施形態では、システム（２０）は、キャビテーション現象流を安定化するための拡散器装置（２７）と、上流側に流れを再注入するための迂回装置（２８）と、拡散器装置または迂回装置いずれかに選択して２次流体流をそれに誘導するための流れ制御装置（３０）とを含む。さらに、極めて多い流量では、迂回装置（２８）は、高流量の前方への迂回装置として働くこともできる。装置（２７）および（２８）は、キャビテーション現象流を含め、２次流体流のために、筐体（３２）の第１の部分（３１）のまわりに経路を形成する。

Description

本発明は、一般に流れの安定化の分野に関する。詳細には、本発明は、２次流制御システムを対象とする。

ポンプおよび圧縮機の設計者は、産業上の性能要件を満足する広範なポンプおよび圧縮機を設計するために、工学原理を使用する。前世紀の設計慣行は、主通過流または１次通路流をもっとも重要視して、ターボ機械を流れる軸対称安定流の仮定に主に基づいていた。この歴史的設計作業は、流量が減少し液頭（水頭）または圧力が上昇するにつれて、安定性問題により限界にしばしば直面した。この動作中では、ターボ機関中の各羽根要素への投射が増加し、拡散のレベルが、クリティカルな表面に沿って実質的に上昇し、通路内の２次流のレベルが増加する。

２次流体流は、主流通路を横切る力の勾配に曝されて、渦がゆがめられる、すなわち３次元境界層等になる流れ場全体の要素である。２次流体流の例は、周知の翼端渦または部分翼幅渦、馬てい渦、通路渦、逆流および再循環流、ならびに渦度保存則を満足する他の流れの分野である。これらの流れは、扱うには極めて困難であり、ステージの性能の向上に決して寄与しない。さらに、それらは、ターボ機械では避けることができず、それには、これらの機械をカバーする運動基礎方程式中に反映される、その基本的な性質から生じ、流路を横切る力の勾配が、常に存在する。これらの作用の全ては、ほぼ確実に様々なタイプの安定性問題をもたらす。ほとんど全ての圧縮機は、サージ限界、またはその境界より下では、少なくとも機械に損傷を与えることなく、機械を動作させることができない境界に遭遇する。産業上の慣行では、サージラインより下で、さらには公称のパーセンテージ内で、すなわちこのサージラインから、通常５または１０パーセント、時にはさらに多いパーセンテージ内でさえ、どのような運転も一様に禁止される。設計者は、圧縮機についてこの限界およびポンプについて等価なプロセスを尊重するようになっている。ポンプの場合、サージは、圧縮機について起こる（システム中に対応性が欠けているため）ようには、通常起こらないが、ポンプまたはシステム全体を破壊し得る不安定性が、それでもやはり生じる。ポンプ不安定性の極端な例は、ポーゴー効果である。多くのボイラー給水ポンプは、深刻な構成要素失速現象によって限定され、その結果として、部分負荷で不安定性が生じる。

ポンプまたは圧縮機の液頭特性を形作る上で柔軟性を有することが、望ましい。これは、可変入口ガイド羽根、可変拡散器羽根や等価の装置など、可変の幾何学的要素によって達成することができる。しかし、それらは、高価で機械的に複雑であり、保全間隔の間の機械の作動時間を減少する恐れがある。

２次流体流を制御することに加えて、ポンプに対する他の特別の要件は、キャビテーション現象として知られた特定の降伏現象が起こる前に、最大可能吸入性能を実現することである。明らかに、どのようなポンプまたは圧縮機にとっても最初の仕事は、流体がそのステージの中央部または入口中に引き込まれるように、推進器の入口で低圧を生成することである。すなわち、ポンプまたは圧縮機の最低圧力ポイントは、通常中央部に極めて近いことが、よく知られている。翼閉塞の効果および投射効果は、入口静圧をさらに低下し得る局地的加速度も引き起こす。ポンプの特定のケースでは、この低い入口圧が、液体の蒸気圧より低下したとき、気泡が形成される。これらの気泡は、キャビテーション現象流れと呼ばれる。気泡が形成され、次いでその後ステージ中で崩壊する（推進器の液頭上昇特性を妨げるキャビテーション現象が多すぎない限り）。気泡が崩壊したとき、重大な損傷を与える恐れがあり、高性能ポンプのもっとも強靭な金属羽根でさえ、金属が、その表面から侵食されることがある。これは、厳しい状況であり、ポンプ用途の全てで、それに対して設計されなければならない状況である。

しかし、状況は、より悪いことがある。キャビテーション現象を発生させるプロセスでは、いくつかの不安定性が、時々起こる。クリティカルな航空宇宙の用途および多数の産業用途は、キャビテーション現象流が、下流側の流れ要素中の様々な位置に移ったときに引き起こされる不安定性によって、部分的にまたは全体的に限定される。この移り変わりは、上記に言及したポーゴー効果などの甚大な問題を起こし得る自動振動に繋がる。これらの不安定性をなくすことが、極めて望ましい。さらに、性能特性の基本的性質は、降伏ポイントに近づくにつれて、対処しなければならない。従来の性能では、キャビテーション現象が成長して、その蒸気の空洞によって通路がますます遮断されるにつれて、液頭が低下したところで連続的に降伏することを示す。実際に、３％だけ液頭降伏より高く留まる標準設計慣行によってさえ、ステージへの損傷がなくならず、それよりむしろ、しばしば確実に動作が、最大のキャビテーション現象による損傷領域中で行われることになる。

従来技術は、ステージの流れの容量を向上し、上記に述べた効果のいくつかを緩和するために、適切な包囲体ライン位置で流量を抽出し、抽出流量を外に放出する、またはそれをどこか上流側に再導入する、いずれか行うことの重要性を教示または示唆している。しかし、ほとんどの、全てでなくても、従来技術の装置では、流れに厳しく、流れの再導入が可能になる前に、抽出されたエネルギーを単に破壊するまたは浪費する方法が教示されている。

本発明の一態様は、流路内の２次流体流を制御するためのシステムである。流路は、少なくとも部分的に、前記流路中に属する誘導器または推進器を有し、前記誘導器または推進器は、回転可能な翼を有し、前記回転可能な翼は、流路内に流れを引き込む、または流路内の流れによって駆動される。誘導器または推進器は、軸のまわりで回転可能である。流路は、筐体の内側側壁によって画定され、筐体は、入口プレナムによって、少なくとも部分的に取り囲まれており、出口を含む。システムは、第１の末端部および第２の末端部を有する、１つまたは複数の拡散器穴を備え、前記第１の末端部のそれぞれが、流路と流体連通するように構成され、１つまたは複数の拡散器通路を含んでおり、前記拡散器通路それぞれが第１の末端部および第２の末端部を含み、前記第１の末端部それぞれが、１つまたは複数の拡散器穴の第２の末端部の１つと流体連通し、複数の再流入通路を含んでおり、前記再流入通路のそれぞれが、第１の末端部および第２の末端部を含み、第１の末端部のそれぞれが、拡散器通路の第２の末端部と流体連通し、第２の末端部それぞれが、入口プレナム、筐体出口、筐体出口の下流側の領域、流路、の少なくとも１つと流体連通するように構成され、１つまたは複数の迂回通路を含んでおり、前記迂回通路のそれぞれが第１の末端部および第２の末端部を有し、第１の末端部それぞれが、１つまたは複数の拡散器穴と流体連通し、第２の末端部それぞれが、入口プレナム、筐体出口、筐体出口の下流側の領域および流路の少なくとも１つと流体連通する。

本発明の他の態様は、流路内の２次流体流を制御するためのシステムである。流路は、少なくとも部分的にその中に属する誘導器または推進器を有し、前記誘導器または推進器は、回転可能な翼を有し、前記回転可能な翼は、流路内に流れを引き込むか、または流路内の流れによって駆動される。誘導器または推進器は、軸のまわりで回転可能である。流路は、筐体の内側側壁によって画定され、筐体は、入口プレナムによって、少なくとも部分的に取り囲まれて、出口を含む。システムは、以下の、半径方向の拡散器装置と、複数の再流入通路と、迂回装置とを含む。前記半径方向の拡散器装置は、軸に対して実質的に直角に構成された、少なくとも１つの拡散器穴を含み、前記少なくとも１つの拡散器穴が、第１の末端部および第２の末端部を有し、前記第１の末端部が、前記流路と流体連通するように構成され、前記少なくとも１つの拡散器穴と流体連通する、少なくとも１つの拡散器通路を含み、前記少なくとも１つの拡散器通路のそれぞれが、第１の拡散器通路末端部および第２の拡散器通路末端部を含み、前記第１の拡散器通路末端部が、少なくとも１つの拡散器穴の第２の末端部と流体連通し、前記第１の拡散器通路末端部および第２の拡散器通路末端部が、第１の断面領域および第２の断面領域を有し、前記第２の拡散器通路末端部の断面領域が、第１の拡散器通路末端部の断面領域より大きい。前記再流入通路のそれぞれが、第１の再流入通路末端部および第２の再流入通路末端部を含み、前記第１の再流入通路末端部のそれぞれが、前記第２の拡散器通路末端部と流体連通し、前記第２の再流入通路末端部のそれぞれが、入口プレナム、筐体出口、筐体出口の下流側の領域、流路、の少なくとも１つと流体連通するように構成される。前記迂回装置は、第１の迂回装置末端部および第２の迂回装置末端部を有する迂回通路を含み、前記第１の迂回装置末端部が、少なくとも１つの拡散器穴と流体連通し、前記第２の迂回装置末端部が、入口プレナム、筐体出口、筐体出口の下流側の領域、流路、の少なくとも１つと流体連通する。

本発明の他の態様は、流路内の２次流体流を制御するための、調節可能なシステムである。流路は、少なくとも部分的に前記流路中に属する誘導器または推進器を有し、前記誘導器または推進器は、回転可能な翼を有し、前記回転可能な翼は、前記流路内に流れを引き込む、または流路内の流れによって駆動される。前記誘導器または推進器は、軸のまわりで回転可能である。前記流路は、筐体の内側側壁によって画定され、筐体は、入口プレナムによって、少なくとも部分的に取り囲まれており、出口を含む。システムは、２次流体流中の二相流体を崩壊させて、または液化させて、実質的に単相流体にするための第１のメカニズムと、前記２次流体流を上流側に流す第２のメカニズムと、前記２次流体流を前記第１の手段および前記第２の手段に向けるための第３のメカニズムとを含む。

本発明の他の態様は、流路内の２次流体流を制御するための方法である。この方法は、ａ）２次流体流中の二相流体を崩壊させて、または液化させて実質的に単相流体にするための装置を設ける工程と、ｂ）２次流体流が流路の上流側のポイントに流れるように、または１次流体流が流路中の下流側のポイントに流れるようにさせる通路を設ける工程と、ｃ）２次流体流を工程ａ）の装置または工程ｂ）の装置に向ける工程とを含む。

本発明の様々な実施形態の他の特徴、有用性および利点は、添付図面に示された本発明の実施形態について、以下のより具体的な説明から明らかになる。
本発明を例示する目的で、図面は、現在好ましい本発明の形を示す。しかし、本発明は、図面に示した正確な構成および手段に限定されないことを理解されたい。

ここで、同様の参照番号は、同様の要素を表す図面を参照し、特に図１を参照すると、本発明は、様々な流体流を、例えば、キャビテーション現象（気泡生成現象）の流体流を含む、通常、包囲体（シュラウド）ライン（図１には図示せず）に沿って成長する、圧縮機またはポンプの推進器２３および誘導器／推進器２４の流路２２内の前縁部２１中、またはそのまわりに通常ある２次流体流を制御するためのシステム２０である。さらに以下に説明するように、システム２０は、様々な流れの状態を制御するための複数の装置を含む。一実施形態では、システム２０は、キャビテーション現象がある、および他の流れを安定化するための拡散器装置２７と、流れを上流側に再注入して、推進器２３の液頭生成機能を低下するまたは高めるための迂回装置２８と、拡散器装置または迂回装置のいずれかを選択してそれに２次流体流を誘導するための流れ制御装置３０とを含む。さらに、極めて大きい流量では、迂回装置２８は、高流量の前方への迂回装置として働くこともできる。装置２７および２８は、キャビテーション現象流を含め、すなわち流れ方向を示す矢印を見ると、筐体３２の第１の部分３１の周りの２次流体流両方のための経路を形成する。本明細書で使用するとき、用語「流路」は、任意の断面形状を有する流体流のための、どのような導管をも意味することができる。さらに、用語「筐体」は、一般に、流体流路を収容することができる装置の任意のタイプのボディをいい、用語「流体」は、空気、液体、蒸気やそのどのような組合せも含む、粉塵が混じった気体や液体を含め、任意の気体をいうことができる。最後に、用語「圧縮機」は、ファンやブロワをいうこともできる。

再び図１を参照すると、拡散器装置２７は、拡散器穴（スロット）３３と、拡散器通路３４と、複数の流体再流入通路３６とを含み、それらは、流体流を拡散するための経路を形成する。穴３３は、流路２２から流体流を受け入れるための第１の末端部３８と、第２の末端部４０とを含み、少なくとも部分的に拡散された流体流が第２の末端部４０を通って出て行く。一実施形態では、穴３３は、一様の環状穴である。他の実施形態では、穴３３は、制御する流体流の状態に応じて、複数のポートまたは他の開口部、あるいは一様でない環状穴を含む。穴３３の長さ、すなわち第１の末端部３８から第２の末端部４０までの距離は、拡散の所望レベルに応じて選択される。一般に、穴３３の長さが長いほど、流体流の速度がより大きく低下され、流体の拡散がより大きくなる。通常、拡散レベルは、特有半径比を選択することによって制御される。半径比は、流路２２の中心線の軸４１から第２の末端部４０までの距離を、軸から第１の末端部３８までの距離で除算して得る。一実施形態では、半径比は、１．０３より大きいか、またはそれに等しい。一般に、半径比は、二相流体を崩壊させて、または液化させて、実質的に単相流体にさせるのに十分な拡散を実現するように、選択される。しかし、いくつかの実施形態では、半径比は、第１の部分３１のまわりで流体流の動作全体を最適化するように、選択される。穴３３は、一実施形態では、流路２２の軸４１に対して実質的に直角に延在するが、本発明は、軸と完全に直角の関係から約６５°までの分岐を包含する。したがって、用語「実質的に直角」は、完全に直角の関係からそのような分岐までを包含する。穴３３は、完全に直角の部分と、軸４１に対して角度をなした部分両方である部分を有することができる。例えば、図１に、第１の末端部３８で始まり、迂回通路５２の第１の末端部５６に隣接して終わる穴３３の一部分は、軸４１に対して角度をなし、一方、第１の末端部５６に隣接して始まり、第２の末端部４０で終わる穴３３の一部分は、軸４１に対して完全に直角である。本発明に包含される、穴３３の１つまたは複数の一部分について、完全に直角の関係からの分岐の程度は、当業者が認識するように、穴入口流の速度ベクトルの方向および拡散器／プレナムの空間の制約などの要因から影響を受ける。

拡散器通路３４は、少なくとも部分的に拡散された流体流を穴３３から受け入れるための第１の末端部４２と、第２の末端部４４とを含み、流体流が第２の末端部４４を通って出て行く。一実施形態では、第２の末端部４４の断面領域は、第１の末端部４２の断面領域より大きく、それによって、流体流が通路３４を通って流れるとき、流体流がさらに拡散される。他の実施形態では、拡散器通路３４は、その中で流れる流体をさらに拡散するように、構成しなくてもよい。

流体再流入通路３６のそれぞれは、少なくとも部分的に拡散された流体流を通路３４から受け入れるための第１の末端部４６と、第２の末端部４８とを含み、流体流が、穴３３から上流側のポイントで流路２２中に第２の末端部４８を通って再流入する。通常、流体再流入通路３６は、流路２２のまわりの一様な環状形成物の形で構成され、通路のそれぞれの間に間隔がある。さらに、以下でさらに議論し図４に例示するように、流体再流入通路３６のそれぞれの間の間隔は、通路のそれぞれの間で、流体が流路２２中に再注入されない空の空間４９を生成することができる。これらの領域によって、流路２２中の流体の一部分が、穴３３の末端部３８に向けて乱れなく、流れることが可能になる。さらに、少なくとも１つの実施形態では、通路３６のそれぞれの間の空の空間は、各第１の末端部３８と円周上で位置合わせした状態になるように配置され、そのため、どのような流体も流路２２中に再注入されることによって、各第１の末端部３８での乱れが、さらに減少される。一実施形態では、流体再流入通路３６のそれぞれは、円形断面を有する。しかし、代替形態では、流体再流入通路３６は、流路２２のまわりで一様に、または環状に構成しなくてもよく、例えば、流路の半分だけが、再流入通路を含んでもよい。さらに、代替形態では、流体再流入通路３６は、正方形、四角形や他の形に作られた断面を有してもよい。所望の流れ状態に依存して、通路３６は、実質的に半径方向内側に、すなわち軸４１に対して実質的に直角の関係で流路２２の方に向けることができ、それによって、流れ中に残された全ての渦巻きが破壊される、あるいは軸４１に対して実質的に直角の関係ではなく他の関係で、半径方向内側に向けることができ、それによって、渦巻きがいくらか残されて、その後流路中へ再注入される。代替形態では、再流入通路３６のいくらかまたは全てが、流れ調整構造５０、例えば、羽根の小さな翼列、渦巻き生成渦巻き形やドリル穴のリングを含むことができ、それらの全てによって、定められた角運動量が、流れ中に再注入されることが可能になる。さらに、使用される羽根は、固定または調節可能としてもよい。もちろん、流体再流入通路３６のいくつかまたは全ては、流体流にそれ以上影響を及ぼさない、簡単な平行壁構造とすることもできる。

迂回装置２８は、筐体３２の第１の部分３１と第２の部分５４との間に形成された迂回通路５２を含む。この通路５２は、穴３３と流体連通する第１の末端部５６と、少なくとも１つの流路２２と流体連通する第２の末端部５８と、入口プレナム６０と、筐体出口６２と、筐体出口の下流側にある領域６４とを含む。示す上で都合のよいように、通路５２の第２の末端部５８は、流路２２と流体連通して示されている。迂回装置であるので、流体は、通路５２を通って末端部５６から末端部５８へ、すなわち上流側に流れる。しかし、上記に述べたように、高流量中では、装置２８は、高流量の前方への迂回路として働く。高流量の前方への迂回路であるので、流体は、通路５２を通って末端部５８から末端部５６へ、すなわち下流側に流れる。代替形態では、複数の迂回通路を穴３３に沿って配置することができる。

流体流が穴３３に流入した後、それは、流れ制御装置３０によって拡散器通路３４または迂回通路５２いずれかを選択して、それに誘導することができる。図１に、流れ制御装置３０は、加圧された制御流体を流体流に加えて、特定の方向にそれを誘導するための流体制御要素である。流れ制御装置３０は、第１のプレナム（充気室）６８および第１の供給ライン７０を介して加圧された制御流体を供給して、通路５２に向けて流体流を誘導する、第１の制御穴または孔６６を含む。穴または孔６６、プレナム６８およびライン７０は、筐体３２中に形成される。穴または孔６６は、第１の末端部３８と第１の末端部５６との間で穴３３の側壁７１中に形成される。流れ制御装置３０は、制御穴または孔６６のおおよそ反対側にある、第２の制御穴または孔７２も含む。穴または孔７２は、通路３４向けて流体流を誘導するために、第２のプレナム７４および第２の供給ライン７６を介して加圧された制御流体を供給する。穴または孔７２、プレナム７４およびライン７６は、筐体３２中にやはり形成される。より具体的には、穴または孔７２ならびにプレナム７４は、筐体部分５４の側壁７７中に形成される。代替形態では、流れ制御装置３０は、穴３３内でどこかほかに配置してもよい。

加圧された制御流体は、圧力が最大のところである、誘導器／推進器２４の出口近くの、図２に示す包囲体７８に隣接した、前縁部２１に隣接した、または前縁部から３０％上流側または下流側までの領域から、出口フランジ（図示せず）において、圧縮機またはポンプのステージから流入することができ、あるいは適切な流れが存在する他の領域から流入することができる。実際、圧力が異なるステージ中の様々な位置を選択することによって、恒久的に接続された制御要素は、ポンプまたは圧縮機が、１つの流れまたは速度体制から他に移行したとき、自然に切り替えが行われるように、プレナム６８および７４両方に確立することができる。代替形態では、機械的弁または可動筐体部分を流体制御部の代わりに使用することができる。例えば、一実施形態では、部分５４は、通路３４または通路５２中へ流れを誘導するように移動するために構成することができる。他の実施形態では、ソレノイド弁およびシャトルコック（羽根）が、装置３０の一部分として使用される。さらに、他の実施形態では、複数の流体制御装置は、複数の迂回通路、拡散器穴や他のどこかに流体流を誘導するために、使用することができる。

本発明の一実施形態では、１つまたは複数の部分５４、部分３１および筐体３２は、２次流体流をさらに制御するために、熱伝達要素「Ｈ」を含むことができる。例えば、圧縮機流れ経路から剥離されシステム２０を通って送られる凝縮液を、流路２２中に再注入する前に、流体流を加熱することによって気体の形に再蒸発させることができる。逆に、蒸気の気泡が、キャビテーション現象の吸水または脱気している溶解気体としていずれかで流体流中に存在する場合、気泡は、流れがシステム２０を通過するとき、流れを冷却することによって、さらに再液化することができる。熱伝達要素Ｈは、標準の電気加熱コイル、加熱テープ、熱交換器や類似のものを含むことができる。

ここで図２を参照すると、本発明は、包囲体７８および環状シール７９の構成を有する、または類似の構成を有する推進器２３または誘導器／推進器２４と共に使用することもできる。流れは、包囲体７８中の開口部８０を介して穴３３中に誘導される。環状シール７９は、流体が開口部８０を通って穴３３中に流れるとき、流体の漏れを防止する。包囲体７８についての例外があるが、残りの要素は、図１に示すようである。

動作の際、流体流、例えば、キャビテーション現象の流体流を含む２次流体流は、流路２２から拡散器穴３３の第１の末端部３８中に抽出される。流れは、半径方向外側に穴３３を通って進み、次いで水平方向前方に、すなわち上流側に拡散器通路３４を通って進む。流れが、穴３３および通路３４を通過するとき、半径方向および角方向の両方の運動量は、実質的に保存され、それによって高運動エネルギーが静圧の上昇に変換され、速度レベルが実質的に減少される。二相流の可能性を有するポンプの場合、穴３３および通路３４は、通常、静圧の上昇が、気泡を崩壊して、単相状態に流れを戻すのに十分であるように、構成される。拡散器通路３４が、流れをより都合のよい位置に、すなわち通常上流側に搬送する。流体流は、拡散器通路３４から流出し、複数の再流入通路３６中に流入して、その後流路２２中に再注入される。

拡散器通路３４を通って流れる代わりに、流体流は、迂回通路５２を通ってその代わりに流れることができる。流路２２から抽出された流体流は、まず拡散器穴３３の第１の末端部３８に流入する。しかし、拡散器通路３４に流入して通過する代わりに、流れは、水平に、すなわち上流側に迂回通路５２を通って進む。流体流は、流体の運動エネルギーのいくらかを他の使用のために、例えば、推進器２４の液頭生成機能を変更する目的で流路２２中への再注入のために留保することが望ましいことがある事例では、迂回通路５２を通って流れるように誘導することができる。任意選択で、通路５２は、通路内に多かれ少なかれ渦巻きを生成するために、羽根の翼列を有することができるはずである。これは、再注入の方向に依存して、推進器２４の液頭生成機能を高める、または低下することができるはずである。羽根の翼列によって、特定の応用の必要に機械の特性を合わせることも可能になるはずである。

流体流が拡散器通路３４または迂回通路５２いずれに流入するかは、流れ制御装置３０または自然に発生する力の平衡状態に依存する。上記に述べたように、一実施形態では、流れ制御装置３０は、流れ制御要素を含む。プレナム６８および供給ライン７０を介して制御穴または孔６６、あるいはプレナム７４および供給ライン７６を介して制御穴または孔７２それぞれを経由して圧力を加えることによって、流れ制御として知られた方法で、拡散器穴中の流体流を偏向することが可能である。加圧された制御流体が穴または孔６６、あるいは穴または孔７２いずれを通って導入されるかに依存して、流体流は、それぞれ迂回通路５２または拡散器通路３４に誘導することができる。

他の動作モードも可能である。極めて高い流量では、静圧は、穴３３の第１の末端部３８、すなわち入口において、低い。これは、推進器２４の中心部（図示せず）で導入される流量が多いので、ポンプおよび圧縮機中で起きる。その結果、極めて高い流量では、状況は、通常の設計または最善の効率の条件よりかなり高く、そのため、相当な加速度が、第１の末端部３８で引き起こされ、静圧が低い結果になる。この状況下では、流れは、拡散器穴３３中に、拡散器通路３４にまたは迂回通路５２に向かって移動せず、むしろ流れは、拡散器穴３３から第１の末端部３８中に引き込まれることがある。その結果、追加の上流側流れが、迂回通路５２を通り拡散器穴３３を下って進み、ステージの流れ機能を高めるために、流路２２中に再注入することができる。このようにして、迂回通路５２は、高流量で前方に迂回する通路として働き、流体流が下流側から通路を通って移動する。

ここで図３および図４を参照すると、本発明の他の実施形態では、流体再流入通路３６の各第２の末端部４８を、迂回通路５２の第２の末端部５８から下流側に配置することができる。流体流の特性に依存して、いくつかの事例では、流路２２中に推進器２４の前縁部２１により接近した位置で、流れを再注入することが望ましいことがある。精密鋳造のオプション、例えば焼流し精密鋳造、または孔および圧入リングを使用して形成するなどの他の既知の方法を使用して、流体再流入通路３６および通路５２は、それらが互いに交差するように、筐体３２中に形成することができる。再流入通路３６それぞれは、部分５４を貫通して交差する、戻り流路９０に流れるように接続される。戻り流路９０それぞれは、流路２２内のそれぞれの通路３６の末端部４８に結合する。

図４にもっともよく示すように、第２の末端部３８での流体の混合を避けるために、および第２の末端部５８からの上流側の流体が、戻り流路９０それぞれを通って再注入される流体からの干渉なしで下流側に進むことを可能にするために、戻り流路は、迂回通路５２から並置される。図４に示した実施形態では、流路２２の左半分、すなわち６時から１２時まで時計回りの半分が、半環状穴３８を含み、流路の右半分、すなわち１２時から６時まで時計回りの半分が、複数の非環状穴３８を含む。もちろん、他の実施形態では、半環状および非環状の穴３８の任意の組合せを使用してもよい。例えば、一実施形態では、穴３８は、完全に環状の穴とすることができる。他の実施形態では、穴３８は、複数の非環状穴とすることができる。さらに、少なくとも１つの実施形態では、戻り流路９０それぞれは、各第１の末端部３８と円周上で位置合わせされないように配置され、そのため、流路２２中に再注入される全ての流体が、流路２２を通ることによって、各第１の末端部３８における乱れが、減少される。さらに、上記に述べたように、流体再流入通路３６のそれぞれと戻り流路９０の間の間隔によって、通常、通路と流路のそれぞれの間で流体が流路２２中に再注入されない空の空間４９が生成される、例えば通路のそれぞれが、流れの個々のフィンガーを画定し、各フィンガー間に間隔が存在する。これは、さらに、再注入された流れが、流路２２中の流れの部分と第１の末端部３８で干渉しないように防止する。

本発明のシステムは、流れのプロセスが２次流体の力、キャビテーション現象の流体流や溶滴蓄積のいずれかで障害を生じた流れを、設計者が除去することを可能にする。次いで、その流れは、流れ経路から除去されて、したがって、従来の歴史的な基準によって通路の残りを設計し、下流側で性能の可能な最高レベルを達成することができる。このシステムでは、多数の不要な妥協が完全になくされる、または実質的に制御される。これらには、キャビテーション現象、自動発振、垂下液頭特性、不適切なサージライン位置および不適切な液頭特性勾配が含まれる。これらが達成され、一方、同じシステムの使用を可能にして、高流量迂回のために、高流量末端部のさらなる向上を可能にする。

本発明の一実施形態では、コストまたは複雑さを増加させずに、あるいは耐久性を減少させずに、ステージ中に流れ制御を設計するためのシステムが提供される。本発明によるシステムは、自動発振や３％の液頭降伏点までのキャビテーション現象などの不安定性を、なくす、緩和する、または制御する助けとなる。

本発明は、その例示の実施形態に関して説明し例示したが、当業者は、前述および他の様々な変更、省略および追加を、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、その中でそれに対して実施することができることを理解されたい。

本発明の一実施形態の概略側方断面図である。 覆われた誘導器を有する、図１の実施形態の概略側方断面図である。 本発明の一実施形態の概略側方断面図である。 図３のライン４−４に沿って取られた図３の実施形態の拡大図である。

Claims (38)

1. 流路内で２次流体流を制御するためのシステムであって、前記流路が、当該流路の中に少なくとも部分的に存在する誘導器または推進器を有し、前記誘導器または推進器が、回転可能な翼を有し、前記回転可能な翼は、前記流路内に前記流体を引き込むか、または前記流路内の前記流体によって駆動され、前記誘導器または推進器が、軸のまわりで回転可能であり、記流路が筐体の内側側壁によって画定され、前記筐体が入口プレナムによって少なくとも部分的に取り囲まれ、前記筐体が出口を含む、システムにおいて、
   １つまたは複数の拡散器穴であって、前記拡散器穴は、第１末端部および第２の末端部を含み、前記第１の末端部のそれぞれが、前記流路と流体連通するように構成される、拡散器穴と、
   １つまたは複数の拡散器通路であって、前記拡散器通路のそれぞれが、第１の末端部および第２の末端部を含み、前記第１の末端部のそれぞれが、前記１つまたは複数の拡散器穴の前記第２の末端部の１つと流体連通する、拡散器通路と、
   複数の再流入通路であって、前記再流入通路のそれぞれが、第１の末端部および第２の末端部を含み、前記第１の末端部のそれぞれが、前記１つまたは複数の拡散器通路の前記第２の末端部と流体連通し、前記第２の末端部のそれぞれが、前記入口プレナム、前記筐体出口、前記筐体出口の下流側領域、前記流路、の少なくとも１つと流体連通するように構成される、再流入通路と、
   １つまたは複数の迂回通路であって、前記迂回通路のそれぞれが、第１の末端部および第２の末端部を有し、前記第１の末端部のそれぞれが、前記１つまたは複数の拡散器穴と流体連通し、前記第２の末端部のそれぞれが、前記入口プレナム、前記筐体出口、前記筐体出口の下流側領域、前記流路、の少なくとも１つと流体連通する、迂回通路とを含む、システム。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、さらに、前記１つまたは複数の拡散器通路または前記１つまたは複数の迂回通路に、前記１つまたは複数の拡散器穴中の前記２次流体流を誘導するための１つまたは複数の制御要素を含む、少なくとも１つの流れ制御装置を含む、システム。
3. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記１つまたは複数の拡散器穴が、前記軸に対して実質的に直角に構成される、システム。
4. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記１つまたは複数の拡散器穴が、前記軸に対して直角から６５°以下になるように構成される、システム。
5. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記１つまたは複数の拡散器通路の前記第１の末端部および第２の末端部のそれぞれが、それぞれ第１および第２の断面領域を有し、前記第２の断面領域が、前記第１の断面領域より大きい、システム。
6. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記１つまたは複数の制御要素が、流体制御要素であり、前記流体制御要素のそれぞれが、プレナムに結合された穴と、前記プレナムに加圧された制御流体を供給するための供給ラインとを有する、システム。
7. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記複数の再流入通路が、流れ調整構造を含む、システム。
8. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記１つまたは複数の制御要素が、機械的制御要素を含む、システム。
9. 請求項２に記載のシステムにおいて、前記１つまたは複数の制御要素が、前記１つまたは複数の拡散器穴中の前記２次流体流を、前記１つまたは複数の拡散器通路または前記１つまたは複数の迂回通路の１つに誘導するための手段を含む、システム。
10. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記１つまたは複数の拡散器穴が、１．０３より大きいまたはそれと等しい半径比を有し、前記システムが、二相流体を崩壊させて、または液化させて実質的に単相流体にするように、前記半径比が選択される、システム。
11. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記再流入通路は羽根を有しない、システム。
12. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記１つまたは複数の拡散器穴の前記それぞれが、一様な環状穴である、システム。
13. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記複数の再流入通路のそれぞれの前記第２の末端部が、前記１つまたは複数の迂回通路の前記第２の末端部から下流側に配置される、システム。
14. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記システムが、さらに、２次流体流を加熱または冷却するための手段を含む、システム。
15. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記システムが、さらに、前記推進器を覆うようになされた包囲体および中心部シールを含む、システム。
16. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記複数の再流入通路の前記第２の末端部のそれぞれが、前記再流入通路のそれぞれの間で、前記再流入流路に流れが流入しないところに空の空間を画定するように、配置される、システム。
17. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記１つまたは複数の拡散器穴の前記第１の末端部のそれぞれが、前記複数の再流入通路の前記第２の末端部のそれぞれに対して、円周上に並置される、システム。
18. 流路内で２次流体流を制御するためのシステムであって、前記流路が、当該流路の中に少なくとも部分的に属した誘導器または推進器を有し、前記誘導器または推進器が、回転可能な翼を有し、当該回転可能な翼が、前記流路内に前記流体を引き込む、または前記流路内の前記流体によって駆動され、前記誘導器または推進器が、軸のまわりで回転可能であり、前記流路が筐体の内側側壁によって画定され、前記筐体が入口プレナムによって少なくとも部分的に取り囲まれ、前記筐体が出口を含む、システムにおいて、
    ａ）半径方向の拡散器装置であって、前記軸に実質的に直角に構成された、少なくとも１つの拡散器穴を含み、当該少なくとも１つの拡散器穴は、第１の末端部および第２の末端部を有し、前記第１の末端部が、前記流路と流体連通するように構成されており、前記少なくとも１つの拡散器穴と流体連通する、少なくとも１つの拡散器通路を含み、前記少なくとも１つの拡散器通路のそれぞれが、第１の拡散器通路末端部および第２の拡散器通路末端部を含み、前記第１の拡散器通路末端部が、前記少なくとも１つの拡散器穴の前記第２の末端部と流体連通し、前記第１の拡散器通路末端部および第２の拡散器通路末端部が、第１の断面領域および第２の断面領域を有し、前記第２の拡散器通路末端部の断面領域が、前記第１の拡散器通路末端部の断面領域より大きく、複数の再流入通路を含み、前記複数の再流入通路のそれぞれが、第１の再流入通路末端部および第２の再流入通路末端部を有し、前記第１の再流入通路末端部のそれぞれが、前記第２の拡散器通路末端部と流体連通し、前記第２の再流入通路末端部のそれぞれが、前記入口プレナム、前記筐体出口、前記筐体出口の下流側の領域、前記流路、の少なくとも１つと流体連通するように構成される、拡散器装置と、
    ｂ）迂回通路を含む迂回装置であって、前記迂回通路が、第１の迂回装置末端部および第２の迂回装置末端部を有し、前記第１の迂回装置末端部が、前記少なくとも１つの拡散器穴と流体連通し、前記第２の迂回装置末端部が、前記入口プレナム、前記筐体出口、前記筐体出口の下流側の領域、前記流路、の少なくとも１つと流体連通する、迂回装置とを含む、システム。
19. 請求項１８に記載のシステムにおいて、さらに、前記少なくとも１つの拡散器穴中の前記２次流体流を、前記拡散器通路または前記迂回通路の１つに誘導するための、１つまたは複数の制御要素を含む、少なくとも１つの流れ制御装置を備える、システム。
20. 請求項１８に記載のシステムにおいて、前記筐体が可動部分を有し、さらに、前記迂回通路が前記可動部分によって部分的に画定される、システム。
21. 請求項１９に記載のシステムにおいて、前記１つまたは複数の制御要素が、流体制御要素であり、前記流体制御要素のそれぞれが、プレナムおよび供給ラインと結合された穴を有する、システム。
22. 請求項１８に記載のシステムにおいて、前記再流入通路が、流れ調整構造を含む、システム。
23. 請求項１９に記載のシステムにおいて、前記１つまたは複数の制御要素が、機械的制御要素を含む、システム。
24. 請求項１９に記載のシステムにおいて、前記１つまたは複数の制御要素が、前記少なくとも１つの拡散器穴中の前記２次流体流を、前記少なくとも１つの拡散器通路または前記迂回通路の１つに誘導するための手段を含む、システム。
25. 請求項１８に記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの拡散器穴が、１．０３より大きいか、または１．０３に等しい半径比を有し、前記システムが、二相流体を崩壊させてまたは液化させて、実質的に単相流体にするように、前記半径比が選択される、システム。
26. 請求項１８に記載のシステムにおいて、前記複数の再流入通路は羽根を有しない、システム。
27. 請求項１８に記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの拡散器穴が、一様な環状穴である、システム。
28. 請求項１８に記載のシステムにおいて、前記複数の再流入通路の前記第２の末端部が、前記迂回通路の前記第２の末端部から下流に配置される、システム。
29. 請求項１８に記載のシステムにおいて、前記システムが、さらに、２次流体流を加熱または冷却するための手段を含む、システム。
30. 請求項１８に記載のシステムにおいて、前記システムが、さらに、前記推進器を覆うようになされた包囲体および中心部シールを含む、システム。
31. 請求項１８に記載のシステムにおいて、前記複数の再流入通路のそれぞれの間で、前記流路に流れが流入しないところに空の空間を画定するように、前記複数の再流入通路の前記第２の末端部のそれぞれが配置される、システム。
32. 請求項１８に記載のシステムにおいて、前記１つまたは複数の拡散器穴の前記第１の末端部のそれぞれが、前記複数の再流入通路の前記第２の末端部のそれぞれに対して、円周上に並置される、システム。
33. 流路内で２次流体流を制御するための調節可能なシステムであって、前記流路が、当該流路の中に少なくとも部分的に存在する誘導器または推進器を有し、前記誘導器または推進器が回転可能な翼を有し、当該回転可能な翼が、前記流路内に前記流体を引き込むか、または前記流路内の前記流体によって駆動され、前記誘導器または推進器が、軸のまわりで回転可能であり、前記流路が筐体の内側側壁によって画定され、前記筐体が入口プレナムによって少なくとも部分的に取り囲まれ、前記筐体が出口を含む、調節可能なシステムにおいて、
    ａ）前記２次流体流中の二相流体の崩壊、または液化を引き起こす第１の手段であって、これによって実質的に単相流体にする、第１の手段と、
    ｂ）前記２次流体流を上流側に流すための第２の手段と、
    ｃ）前記２次流体流を前記第１の手段および前記第２の手段に向かわせるための第３の手段とを含む、調節可能なシステム。
34. 請求項３３に記載の調節可能なシステムにおいて、前記引き起こす第１の手段が、半径方向の拡散器装置を含んでおり、前記半径方向の拡散器装置が、前記軸に対して実質的に半径方向に構成された拡散器穴を含み、前記拡散器穴が第１の末端部および第２の末端部を含み、前記第１の末端部が、前記流路と流体連通するように構成され、第１の拡散器通路末端部および第２の拡散器通路末端部を含む拡散器通路を含み、前記第１の拡散器通路末端部が、前記第２の拡散器穴末端部と流体連通し、前記第１の拡散器通路末端部および第２の拡散器通路末端部が、第１の断面領域および第２の断面領域を有し、前記第２の拡散器通路末端部の断面領域が、前記第１の拡散器通路末端部の断面領域に少なくとも等しく、複数の再流入通路を含んでおり、前記複数の再流入通路のそれぞれが、第１の再流入通路末端部および第２の再流入通路末端部を含み、前記第１の再流入通路末端部のそれぞれが、前記第２の拡散器通路末端部と流体連通し、前記第２の再流入通路末端部のそれぞれが、前記入口プレナム、前記筐体出口、前記筐体出口の下流側領域、前記流路、の少なくとも１つと流体連通するように構成される、システム。
35. 請求項３４に記載の調節可能なシステムにおいて、前記第２の手段が、迂回通路を含む迂回装置を含み、前記迂回通路が、第１の末端部および第２の末端部を有しており、前記第１の末端部が、前記拡散器穴と流体連通し、前記第２の末端部が、前記入口プレナム、前記筐体出口、前記筐体出口の下流側領域、前記流路、の少なくとも１つと流体連通する、調節可能なシステム。
36. 請求項３５に記載の調節可能なシステムにおいて、前記第３の手段が、少なくとも１つの流れ制御装置であり、前記少なくとも１つの流れ制御装置が、前記拡散器穴中の前記２次流体流を、前記拡散器通路または前記迂回通路の１つに誘導するための、１つまたは複数の制御要素を含む、調節可能なシステム。
37. 請求項３４に記載の調節可能なシステムにおいて、前記複数の再流入通路の前記第２の末端部のそれぞれが、前記複数の再流入通路のそれぞれの間で前記流路に流れが流入しないところに空の空間を画定するように、配置される、システム。
38. 流路内で２次流体流を制御するための方法であって、
    ａ）前記２次流体流中の二相流体を崩壊させて、または液化させて、実質的に単相流体にするための装置を設ける工程と、
    ｂ）前記２次流体流が、前記流路中の上流側点へ流れることを可能にする、または１次流体流が、前記流体流路中の下流側点に流れることを可能にする通路を設ける工程と、
    ｃ）前記２次流体流を前記ａ）の工程の装置または前記ｂ）の工程の装置いずれかに誘導する工程とを含む、方法。

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