JP2010151135A - 超音速圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】既知の超音波圧縮機と比べて圧縮機性能の点で予想外の向上をもたらす新規の多段超音速圧縮機を提供すること。
【解決手段】本発明により新規の超音速圧縮機が提供される。１つの実施形態では、新規の超音速圧縮機は、流体入口、流体出口、及び少なくとも２つの反転超音速圧縮機ロータを備え、超音速圧縮機ロータは、直列に構成されて、第１の回転方向を有する第１の超音速圧縮機ロータからの出力が第１の超音速圧縮機ロータに対して反対の方向に回転するように構成された第２の超音速圧縮機ロータに配向されるようになっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧縮機及び圧縮機を備えたシステムに関する。詳細には、本発明は、超音速圧縮機ロータを備えた超音速圧縮機並びに該超音速圧縮機を備えたシステムに関する。

従来の圧縮機システムは、ガスを圧縮するのに広く用いられ、冷蔵庫からジェットエンジンに至るまで、一般的に利用される多くの技術に適用される。圧縮機の基本的な目的は、ガスを移送して加圧することである。そこで圧縮機は通常、低圧環境においてガスに機械的エネルギーを加え、高圧環境にガスを移送して該環境内でガスを加圧し、加圧されたガスは、仕事を行うために使用され、又は高圧ガスを活用する下流のプロセスに対する入力として用いることができる。ガス圧縮技術は、十分に確立されており、遠心分離機から混合流機械、又は軸流機械にまで及ぶ。従来の圧縮機システムは、極めて有用ではあるが、圧縮機の単一段により達成される圧力比が比較的低い点で制限されている。全体として高い圧力比が必要とされる場合、複数の圧縮段を備えた従来の圧縮機システムを利用することができる。しかしながら、複数の圧縮段を備えた従来の圧縮機システムは、大型で、複雑且つ高コストになる傾向がある。反転段を有する従来の圧縮機システムも公知である。

最近になって、超音速圧縮機ロータを備えた圧縮機システムが開示された。超音速圧縮機とも呼ばれることがあるこのような圧縮機システムは、ロータリム表面構造を有する可動ロータと入口ガスを接触させることによってガスを移送して加圧し、該可動ロータが、超音速圧縮機ロータの低圧側から超音速圧縮機ロータの高圧側に入口ガスを移送して加圧する。超音速圧縮機を用いると、従来の圧縮機と比較してより高い単一段圧力比を達成することができるが、更に改善することが極めて望ましい。

米国特許第７，２９３，９５５ Ｂ２号公報 米国特許第７，３３４，９９０ Ｂ２号公報

Co-pending US Patent Application entitled "Supersonic Compressor Comprising Radial Flow Path, Serial No.12/491,602, filed on June 25, 2009, GE Docked No.236310-1.

本明細書で詳細に説明されるように、本発明は、既知の超音波圧縮機と比べて圧縮機性能の点で予想外の向上をもたらす新規の多段超音速圧縮機を提供する。

１つの実施形態では、本発明は、（ａ）流体入口、（ｂ）流体出口、及び（ｃ）少なくとも２つの反転超音速圧縮機ロータを備え、超音速圧縮機ロータは、直列に構成されて、第１の回転方向を有する第１の超音速圧縮機ロータからの出力が第１の超音速圧縮機ロータに対して反対の方向に回転するように構成された第２の超音速圧縮機ロータに配向されるようになっている
別の実施形態において、本発明は、（ａ）流体入口、（ｂ）流体出口、及び（ｃ）第１の超音速圧縮機ロータと第２の反転超音速圧縮機ロータとを備え、超音速圧縮機ロータは、直列に構成されて、第１の超音速圧縮機ロータからの出力が第２の反転超音速圧縮機ロータに配向され、該超音速圧縮機ロータが共通の回転軸を共有している、超音速圧縮機を提供する。

更に別の実施形態では、本発明は、（ａ）（ｉ）低圧ガス入口及び（ｉｉ）高圧ガス出口を有するガス導管と、（ｂ）該ガス導管内に配置された第１の超音速圧縮機ロータと、（ｃ）ガス導管内に配置された第２の反転超音速圧縮機ロータとを備え、上記超音速圧縮機ロータが、第１の超音速圧縮機ロータからの出力が第２の反転超音速圧縮機ロータに配向されるように直列に構成され、上記の超音速圧縮機ロータは、第１の超音速圧縮機ロータの上流側に低圧導管セグメントと、第１の超音速圧縮機ロータ及び第２の反転超音速圧縮機ロータ間に配置された中圧導管セグメントと、第２の反転超音速圧縮機ロータの下流側の（すなわち、第２の反転超音速圧縮機ロータと高圧出口との間に配置される）高圧導管セグメントとを定め、上記の超音速圧縮機ロータが共通の回転軸を共有している、超音速圧縮機を提供する。

この新規の特徴を当業者が十分に理解できるようにするために、本開示では詳細な説明に加えて、以下の各図を提供する。

第１の超音速圧縮機ロータと第２の反転超音速圧縮機ロータとを備えた超音速圧縮機の一部を示す本発明の１つの実施形態を示す図。 第１の超音速圧縮機ロータと第２の反転超音速圧縮機ロータとを備えた超音速圧縮機の一部を示す本発明の１つの実施形態を示す図。 第１の超音速圧縮機ロータを第２の反転超音速圧縮機ロータと結合する利点を概念的に表し図示した本発明の１つの実施形態を示す図。 ハウジング内に収容された第１の超音速圧縮機ロータと第２の反転超音速圧縮機ロータとを備えた超音速圧縮機の一部を示す本発明の１つの実施形態を示す図。 ハウジング内に収容された第１の超音速圧縮機ロータと第２の反転超音速圧縮機ロータとを備えた超音速圧縮機の一部を示す本発明の１つの実施形態を示す図。

本発明の種々の特徴、態様、及び利点は、図面全体を通じて同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと更に理解できるであろう。別途指示されていない限り、本明細書で示される図面は、本発明の主要な発明の特徴を例証するものとする。これらの主要な発明の特徴は、本発明の１つ又はそれ以上の実施形態を含む様々なシステムにおいて適用可能であると考えられる。従って、図面は、当業者には公知の従来の全ての特徴を含むことを意図するものではなく、本発明の実施に必要とされるものを意図している。

以下の明細書及び後に続く請求項では、幾つかの用語を参照するが、これらは以下の意味を有すると定義される。単数形は、文脈上そうでないことが明らかでない限り、複数形をも含む。「任意」又は「場合によっては」とは、これに続いて記載されている事象又は状況が起こる場合があれば、起こらない場合もあることを意味し、この記載は当該事象が起こる場合と起こらない場合を含む。

本明細書で使用される「超音速圧縮機」とは、超音速圧縮機ロータを含む圧縮機を指す。

本明細書及び請求項全体を通じてここで使用される近似表現は、関連する基本的機能の変更をもたらすことなく、許容範囲内で変わることのできるあらゆる定量的表現を修飾するのに適用することができる。従って、「約」及び「実質的に」などの１又は複数の用語により修飾される値は、指定される厳密な値に限定されるものではない。少なくとも幾つかの事例において、近似表現は、値を測定するための計器の精度に対応することができる。ここで、及び明細書及び請求項全体を通じて、範囲限界は組み合わせ及び／又は置き換えが可能であり、このような範囲は前後関係又は表現がそうでないことを示していない限り識別され、ここに包含される部分範囲全てを含む。

１つ又はそれ以上の超音速圧縮機ロータを含むことができる公知の超音速圧縮機とは対照的に、直列に構成された少なくとも２つの反転超音速圧縮機ロータが利用される場合に予想外の有意な圧縮機性能の向上を達成できることが分かった。本発明により提供される超音速圧縮機の新規の構成は、超音速圧縮機ロータの公知の構成を用いた超音速圧縮機よりも高効率の超音速圧縮機を提供する。従って、本発明は、直列に構成された少なくとも２つの反転超音速圧縮機ロータを備えた超音速圧縮機を提供する。本発明が提供する超音速圧縮機はまた、流体入口と流体出口とを含む。

本発明が提供する超音速圧縮機は、「直列に」構成された少なくとも２つの超音速圧縮機ロータを備え、これは、第１の回転方向を有する第１の超音速圧縮機ロータからの出力が、第１の超音速圧縮機ロータに対して逆方向に回転するよう構成された第２の超音速圧縮機ロータに配向されることを意味する。

超音速圧縮機ロータを備えた超音速圧縮機は、当業者には公知であり、例えば、２００５年３月２８日及び２００５年３月２３日にそれぞれ出願された、米国特許第７，３３４，９９０号及び第７，２９３，９５５号に詳細に説明されており、これら両方の特許は引用により全体が本明細書に組み込まれ、但し、引用特許の何れかにより具現化される開示事項が本出願の内容と矛盾する場合には、本出願が正当なものとみなされることを条件とする。

超音速圧縮機ロータは通常、第１の面、第２の面、及び外側リムを有するディスクであり、更に、ディスクの外側リム上に配置された圧縮ランプを備え、該圧縮ランプは、ロータが回転軸の周りで回転したときに、ロータの第１の面から第２の面に流体（例えば、ガス）を移送するよう構成されている。ロータは、該ロータに結合された駆動シャフトを用いて回転軸の周りで回転することができる。ロータは、超音速圧縮機ロータであると考えられ、該ロータは回転軸の周りを高速で回転するよう設計されているので、ロータのリム上に配置された圧縮ランプにおいて回転超音速圧縮機ロータに衝突する移動流体（例えば、移動空気）は、超音速の相対流体速度を有すると考えられるようになる。相対流体速度は、リムでのロータ速度のベクトルの和と、回転ロータのリムに衝突する前の流体速度とを用いて定義することができる。この相対流体速度は、「超音速入口速度」と呼ばれることもあり、特定の実施形態では、入口ガス速度と超音速圧縮機ロータのリム上に配置された超音速ランプの接線速度との組み合わせである。超音速圧縮機ロータは、例えば、３００メートル／秒から８００メートル／秒の範囲の極めて高い接線速度で使用可能なように設計される。

典型的には、超音速圧縮機は、ガス入口及びガス出口を有するハウジングと、ガス入口及びガス出口間に配置された超音速圧縮機ロータとを含む。超音速圧縮機ロータは、ガスを加圧して該ガスをロータの入口側から出口側に送るリム表面構造を備える。１つの実施形態では、リム表面構造は、ストレークと呼ばれる隆起螺旋構造と、上流側ストレーク及び下流側ストレーク間に配置された１つ又はそれ以上の圧縮ランプとを含む。縦一列に並んだストレーク及び圧縮ランプは、ガス入口に最も近いロータの表面でガスを取込み、ロータリム表面とハウジングの内側表面との間でガスを加圧して、取り込まれたガスをロータの外側表面に移送するよう機能する。超音速圧縮機ロータは、ロータリム表面上のストレークとハウジングの内側表面との間の距離が最小になるようにすることで、ガスの超音速圧縮機ロータの外側表面から入口表面への戻り流を制限するよう設計される。

上述のように、本発明により提供される超音速圧縮機は、少なくとも２つの反転超音速圧縮機ロータを直列に備え、第１の超音速圧縮機ロータからの出力が、該第１の超音速圧縮機ロータの回転とは反対の方向で回転する第２の超音速圧縮機ロータの入力として使用されるようにする。例えば、第１の超音速圧縮機ロータが時計回りに回転するよう構成されている場合、第２の超音速圧縮機ロータは反時計回りに回転するよう構成される。第２の超音速圧縮機ロータは、第１の超音速圧縮機ロータに対して逆方向に回転するよう構成されていると考えられる。

第１及び第２の超音速圧縮機ロータは、各ロータが同様の形状、重さ、及び直径を有し、同じ材料で作られ、更に同じタイプ及び数のリム表面特徴を所有する場合に、「本質的に同一」と考えられる。しかしながら、当業者であれば、「本質的に同一」の第１及び第２の超音速圧縮機ロータが互いの鏡像になることは理解されるであろう。直列の配列では、２つの超音速圧縮機ロータによって加圧される流体の移動が同じ主方向になるようにする場合には、２つの本質的に同一の反転超音速圧縮機ロータは互いの鏡像であるようにする必要がある。従って１つの実施形態では、本発明は、第２の超音速圧縮機ロータと本質的に同一の第１の超音速圧縮機ロータを備え、２つのロータが直列に構成され且つ互いの鏡像となり、該第２の超音速圧縮機ロータが第１の超音速圧縮機ロータに対して反対方向に回転するよう構成された超音速圧縮機を提供する。

代替の実施形態では、本発明が提供する超音速圧縮機は、直列に構成された２つの反転超音速圧縮機ロータを備え、第１の超音速圧縮機ロータは第２の超音速圧縮機ロータと同一ではない。本明細書で使用する場合、２つの超音速圧縮機ロータは、ある態様においてロータが材料的に異なるときには同一ではない。例えば、直列に構成された２つの反転超音速圧縮機ロータ間の材料の相違には、形状、重さ及び直径、材料の構造、並びにリム表面特徴のタイプ及び数の相違が含まれる。例えば、異なる数の圧縮ランプを含む他の２つの反転超音速圧縮機ロータは、「同一ではない」と考えられることになる。

通常、直列に構成された反転超音速圧縮機ロータは、共通の回転軸を共有するが、第１の超音速圧縮機ロータ及び第２の超音速圧縮機ロータの各々が異なる回転軸を有する構成もまた実施可能である。ロータが共通の回転軸を共有する実施形態では、ロータは、共通回転軸に沿って配列されていると考えられる。従って、１つの実施形態では、本発明は、流体入口、流体出口、及びロータが共通回転軸に沿って配列された直列構成の少なくとも２つの反転超音速圧縮機ロータを含む超音速圧縮機を提供する。代替の実施形態では、上記のロータは共通の回転軸を共有しない。

反転超音速圧縮機ロータは、超音速圧縮機ロータの１つ又はそれ以上に結合された１つ又はそれ以上の駆動シャフトによって駆動することができる。１つの実施形態では、反転超音速圧縮機ロータの各々は、専用の駆動シャフトによって駆動される。従って、１つの実施形態では、本発明は、流体入口、流体出口、及び直列に構成された少なくとも２つの反転超音速圧縮機ロータを含む超音速圧縮機を提供し、ここで第１の超音速圧縮機ロータは第１の駆動シャフトに結合され、上記第２の超音速圧縮機ロータは第２の駆動シャフトに結合されており、第１及び第２の駆動シャフトは、共通の回転軸に沿って配列される。当業者には理解されるように、２つの反転超音速圧縮機ロータが専用の駆動シャフトによって各々駆動される場合、種々の実施形態において駆動シャフト自体が反転運動するように構成されることになる。１つの実施形態では、第１及び第２の駆動シャフトは、反対方向に回転し、共通の回転軸を共有し且つ同心であり、第１及び第２の駆動シャフトの一方は他の駆動シャフト内部に配置されることを意味する。１つの実施形態では、本発明が提供する超音速圧縮機は、共通の駆動モータに結合される第１及び第２の駆動シャフトを含む。代替の実施形態では、本発明が提供する超音速圧縮機は、少なくとも２つの異なる駆動モータに結合される第１及び第２の駆動シャフトを含む。当業者であれば、駆動モータは駆動シャフトを「駆動」（スピン）するのに使用され、その結果、これらが超音速圧縮機ロータを駆動することが理解され、また、駆動モータを駆動シャフトに結合する手段（ギア、チェーン、又は同様のものによる）が一般的に利用されることも理解され、更に、駆動シャフトがスピンする速度を制御する手段も理解されるであろう。１つの実施形態では、第１及び第２の駆動シャフトは、反対の方向に回転するように構成されたブレードの２つのセットを有する反転タービンにより駆動され、ブレードセットの回転方向は、各セットの構成ブレードの形状によって決まる。

１つの実施形態では、本発明は、少なくとも３つの反転超音速圧縮機ロータを備えた超音速圧縮機を提供する。例えば、超音速圧縮機ロータは、第１の回転方向を有する第１の超音速圧縮機ロータからの出力が、第１の超音速圧縮機ロータに対して反対方向に回転するように構成された第２の超音速圧縮機ロータに配向され、更に、第２の超音速圧縮機ロータからの出力が、第２の超音速圧縮機ロータに対して反対方向に回転するように構成された第３の超音速圧縮機ロータに配向されるように、直列に構成することができる。

従来の圧縮機及び超音速圧縮機の両方の性能は、圧縮機内に流体ガイドベーンを含めることによって強化できることは、当業者であれば理解されるであろう。従って１つの実施形態では、本発明は、流体入口と、流体出口と、直列に構成された少なくとも２つの反転超音速圧縮機ロータと、１つ又はそれ以上の流体ガイドベーンとを備えた超音速圧縮機を提供する。１つの実施形態では、超音速圧縮機は、複数の流体ガイドベーンを含むことができる。流体ガイドベーンは、流体入口と第１の（上流側の）超音速圧縮機ロータとの間、第１及び第２の超音速圧縮機ロータの間、第２の超音速圧縮機ロータと流体出口との間、又はこれらの組み合わせに配置することができる。従って１つの実施形態では、本発明が提供する超音速圧縮機は、流体入口と第１の（上流側の）超音速圧縮機ロータとの間に配置された流体ガイドベーンを備え、この場合流体ガイドベーンは、論理的には入口ガイドベーン（ＩＧＶ）と呼ぶことができる。別の実施形態では、本発明が提供する超音速圧縮機は、第１及び第２の超音速圧縮機ロータ間に配置された流体ガイドベーンを備え、この場合流体ガイドベーンは、論理的には中間ガイドベーン（ＩｎＧＶ）と呼ぶことができる。別の実施形態では、本発明が提供する超音速圧縮機は、第２の超音速圧縮機ロータと流体出口との間に配置された流体ガイドベーンを備え、この場合流体ガイドベーンは、論理的には出口ガイドベーン（ＯＧＶ）と呼ぶことができる。１つの実施形態では、本発明が提供する超音速圧縮機は、入口ガイドベーン、出口ガイドベーン、並びに第１及び第２の超音速圧縮機ロータ間に配置された中間ガイドベーンの組み合わせを備える。

１つの実施形態では、本発明が提供する超音速圧縮機は更に、構成部品の超音速圧縮機ロータに提示されるガスの圧力を高めるように構成された従来の遠心圧縮機を備える。従って１つの実施形態では、本発明が提供する超音速圧縮機は、流体入口と第１の超音速圧縮機ロータとの間に従来の遠心圧縮機を備える。

便宜上、流体入口と第１の超音速圧縮機ロータとの間に配置された超音速圧縮機の一部は、本明細書では超音速圧縮機の低圧側と呼ばれることがあり、流体入口に最も近接した第１の超音速圧縮機ロータの当該面は、第１の超音速圧縮機ロータの低圧面と呼ぶことができる。同様に、第１の超音速圧縮機ロータと第２の超音速圧縮機ロータとの間に配置された超音速圧縮機の当該部分は、本明細書では場合によっては超音速圧縮機の中圧部分と呼ぶことができる。

加えて、第２の超音速圧縮機ロータと流体出口との間に配置された超音速圧縮機の当該部分は、本明細書では超音速圧縮機の高圧側と呼ばれることがあり、流体出口に最も近接した第２の超音速圧縮機ロータの当該面は、第２の超音速圧縮機ロータの高圧面と呼ぶことができる。超音速圧縮機の中圧部分に最も近接した第１及び第２の超音速圧縮機ロータの面は、本明細書では場合によっては、第１の超音速圧縮機ロータの中圧面及び第２の超音速圧縮機ロータの中圧面とそれぞれ呼ぶことができる。

１つの実施形態では、本発明が提供する超音速圧縮機は、例えばガスタービンエンジン、例えばジェットエンジンのような、大型のシステム内に構成される。本発明が提供する超音速圧縮機によってより高い圧縮比が達成可能であるので、ガスタービンエンジンの全体の大きさ及び重量を低減することができ、これらによって付随の利点を得ることができる。

１つの実施形態では、本発明が提供する超音速圧縮機は、（ａ）（ｉ）低圧ガス入口及び（ｉｉ）高圧ガス出口を有するガス導管と、（ｂ）該ガス導管内に配置された第１の超音速圧縮機ロータと、（ｃ）ガス導管内に配置された第２の反転超音速圧縮機ロータとを備え、上記超音速圧縮機ロータが、第１の超音速圧縮機ロータからの出力が第２の反転超音速圧縮機ロータに配向されるように直列に構成され、上記の超音速圧縮機ロータは、第１の超音速圧縮機ロータの上流側に低圧導管セグメントと、第１の超音速圧縮機ロータ及び第２の反転超音速圧縮機ロータ間に配置された中圧導管セグメントと、第２の反転超音速圧縮機ロータの下流側の（すなわち、第２の反転超音速圧縮機ロータと高圧出口との間に配置される）高圧導管セグメントとを定め、上記の超音速圧縮機ロータが共通の回転軸を共有している。第１及び第２の超音速圧縮機ロータは本質的に同一とすることができ、第１及び第２の超音速圧縮機ロータは、両ロータが共通回転軸を共有する理想空間においてこれらの間に設定される反射面を通じて互いの鏡像として見えるように構成されている。代替の実施形態において、第１の超音速圧縮機ロータは、第２の反転超音速圧縮機ロータとは同一ではない。本明細書では、用語「第２の反転超音速圧縮機ロータ」と第２の超音速圧縮機ロータは同義的に使用される。第２の反転超音速圧縮機ロータという用語は、第１及び第２の超音速圧縮機ロータが反転するよう構成されている（すなわち、反対方向に回転するよう構成されている）ことを強調するために用いている。１つの実施形態では、第１の超音速圧縮機ロータは第１の駆動シャフトに結合され、第２の反転超音速圧縮機ロータは第２の駆動シャフトに結合され、ここで第１及び第２の駆動シャフトは、同心の反転駆動シャフトのペアを構成する。

図１は、本発明の１つの実施形態を示している。本図は、超音速圧縮機ロータ構成部品と、超音速圧縮機におけるこれらの配置を表している。従って、超音速圧縮機は、方向１０で駆動シャフト３００により駆動される第１の超音速圧縮機ロータ１００を備える。超音速圧縮機は、第１の超音速圧縮機ロータ１００の上流側にある入口ガイドベーン３０を備える。超音速圧縮機は、第１の超音速圧縮機ロータ１００と直列に構成された第２の反転超音速圧縮機ロータ２００を備える。第１の超音速圧縮機ロータ１００は、リム表面特徴部を含み、該特徴部は、外側表面１１０上に配列された圧縮ランプ１１０及びストレーク１５０を含む。同様に、第２の超音速圧縮機ロータ２００は、リム表面特徴部を含み、該特徴部は、外側表面２１０上に配列された圧縮ランプ２１０及びストレーク２５０を含む。第２の超音速圧縮機ロータ２００は、駆動シャフト４００により方向４１０に、すなわち、駆動シャフト３００及び第１の超音速圧縮機ロータ１００に対して反転して駆動される。超音速圧縮機は更に、第２の超音速圧縮機ロータ２００の下流側に出口ガイドベーン４０を備える。

図２は本発明の１つの実施形態を示す。本図は、超音速圧縮機ロータ構成部品と、超音速圧縮機におけるこれらの配置を表している。図２は、リム表面１１０及び２１０上に配列された圧縮ランプ１２０及び２２０を特徴として備え、該圧縮ランプは、特徴付けられた圧縮ランプ１２０及び２２０とは構造が異なる。圧縮ランプの構造を除けば、図１及び２は同一であることが意図される。

図３は、概念的形式で表された本発明の１つの実施形態を示し、以下で詳細に検討する。

図４は本発明の１つの実施形態を示している。本図は、超音速圧縮機ロータ構成部品と、内側表面５１０を有する圧縮機ハウジング５００を備えた超音速圧縮機における超音速圧縮機ロータ構成部品の配置を表している。従って、超音速圧縮機は、方向３１０で駆動シャフト３００により駆動される第１の超音速圧縮機ロータ１００を備える。超音速圧縮機は、第１の超音速圧縮機ロータ１００の上流側に入口ガイドベーン３０を備える。超音速圧縮機は、第１の超音速圧縮機ロータ１００と直列に構成された第２の反転超音速圧縮機ロータ２００を備える。第１及び第２の超音速圧縮機ロータは、リム表面特徴部を備え、該リム表面特徴部は、リムの外側表面上に配列された圧縮ランプ及びストレークを含む。第２の超音速圧縮機ロータ２００は、駆動シャフト４００により方向４１０に、すなわち、駆動シャフト３００及び第１の超音速圧縮機ロータ１００に対して反転して駆動される。超音速圧縮機は更に、第２の超音速圧縮機ロータ２００の下流側に出口ガイドベーン４０を備える。

図５は、本発明の１つの実施形態を示す。本図は、超音速圧縮機ロータ構成部品と、ガス入口１０、ガス出口２０、内側表面５１０、及びガス導管５２０を有する圧縮機ハウジング５００を備えた超音速圧縮機の配置を表している。図５では、第１の超音速圧縮機ロータ１００及び第２の超音速圧縮機ロータ２００が、ガス導管５２０内で配置されて示されている。第１及び第２の超音速圧縮機ロータの各々は、リム表面１１０及び２１０条にそれぞれ配列された圧縮機ランプ１２０及び２２０を（それぞれ）含む。第１の超音速圧縮機ロータ１００は、駆動シャフト３００により方向３１０に駆動される。第２の超音速圧縮機ロータ２００は、第１の超音速圧縮機ロータ１００に対して反対方向に回転するように構成される。第２の超音速圧縮機ロータ２００は、駆動シャフト４００により方向４１０に駆動される。図５に特徴付けられる超音速圧縮機は、第１の超音速圧縮機ロータ１００の上流側に入口ガイドベーン３０と、第２の超音速圧縮機ロータ２００の下流側に出口ガイドベーン４０とを備える。第１の超音速圧縮機ロータ１００及び第２の超音速圧縮機ロータ２００は、第１の超音速圧縮機ロータ１００の出力が第２の超音速圧縮機ロータ２００の入力として使用されるように直列に構成されて示されている。

超音速圧縮機は、超音速圧縮ロータに入るガスの高い相対速度を必要とする。これらの速度は、ガスの局所音速よりも大きくなければならず、従って「超音速」と記述される。このセクションに含まれる議論において、運転中の超音速圧縮機を考える。ガスは、ガス入口を介して超音速圧縮機に導入され、該超音速圧縮機は、第１の超音速圧縮機ロータの上流側に配列された複数の入口ガイドベーン（ＩＧＶ）と、第２の超音速圧縮機ロータと、出口ガイドベーン（ＯＧＶ）のセットとを備える。ＩＧＶから流入するガスは、第１の超音速圧縮機ロータにより加圧され、第１の超音速圧縮機ロータの出力は、第２の（反転）超音速圧縮機ロータに配向され、その出力が出口ガイドベーン（ＯＧＶ）のセットに衝突し、該出口ガイドベーン（ＯＧＶ）のセットにより修正される。ガスが入口ガイドベーン（ＩＧＶ）に衝突すると、ガスは、ＩＧＶにより高い接線速度まで加速される。この接線速度は、ロータの接線速度と組み合わされ、これらの速度のベクトル和によってロータに流入するガスの相対速度が決まる。ＩＧＶを通ってガスが加速されると、局所静圧の低下を生じ、これは、超音速圧縮ロータにおける圧力上昇により解消しなければならない。ロータ全体での圧力上昇は、半径、流体特性、及び回転速度と共に、入口絶対接線速度及び出口絶対接線速度の関数であり、等式Ｉで与えられ、ここで、Ｐ_１は入口圧力、Ｐ_２は出口圧力、γは加圧されるガスの比熱比、Ωは回転速度、ｒは半径、Ｖ_Θは接線速度、η（指数を参照）はポリトロープ効率、及びＣ_０１は入口におけるよどみ音速であり、これは（γ＊Ｒ＊Ｔ_０）の平方根に等しく、ここでＲはガス定数、Ｔ_０は流入ガスの全温度である。当業者には理解されるように、等式Ｉはターボ機械におけるＥｕｌｅｒの等式の形式であることが認識されるであろう。

高い圧力比を達成するために、単一の段全体にわたりΔ（ｒＶ_θ）の大きな値が必要となる。入口ガイドベーンは、所用の接線速度の全てを提供することはできず、従って、高い圧力比の圧縮機を出る流れは、高い接線速度を有することになる。図３は、入口圧力（Ｐｉｎ）に対する出口圧力（Ｐｏｕｔ）の比が２５である本発明の１つの実施形態を示している。図３に示す値は、当業者には良く知られた方法を用いて計算することができる。図３に示す変数には、超音速圧縮機ロータの回転軸を基準とした固定入口ガイドベーン又は出口ガイドベーンに対する角度を表す「アルファ」（すなわちα）、入口ガイドベーン又は出口ガイドベーン上に位置する固定観測点などの固定観測点に対する速度を表す「Ｖ」、第１の超音速圧縮機ロータに対する速度（すなわち、第１の超音速圧縮機ロータに載る観測点により測定された速度）を表す「Ｗ」、超音速圧縮機ロータの回転軸を基準とした超音速圧縮機ロータに対する角度を表す「ベータ」（すなわちβ）、第２の超音速圧縮機ロータに対する速度（すなわち、）第２の超音速圧縮機ロータに載る観測点により測定された速度）を表す「Ｘ」、駆動シャフト回転の割合をラジアン／秒で表す「オメガ」（すなわちΩ）、マッハ数（流速／局所音速）を表す「Ｍ」、及び第１及び第２の超音速圧縮機ロータの半径である「ｒ」が含まれる。本発明の種々の実施形態は約１０から約１００の範囲のこのような圧力割当量を達成することができる。図３に示す実施例では、ガス（図示せず）は、入口ガイドベーン（ＩＧＶ）に衝突し、ここからガスが現れて、第１の超音速圧縮機ロータと接触する。次いで、ガスは、第２の超音速圧縮機ロータと、最後に出口ガイドベーン（ＯＧＶ）のセットと接触する。図３に示す実施例では、第１の超音速圧縮機ロータから出る流れは、０．８の高い絶対マッハ数（Ｍ_４）と、７７度の高い接線流れ角（α_４）を有する。このタイプの高速旋回流は、固定ディフューザを用いて効率的に拡散させることが困難である。しかしながら、この流れは、第１の超音速圧縮機ロータとは反対の回転方向を有する第２の超音速圧縮機ロータに対する入力としては理想的である。図３に示すように、第２のロータに対するガス流の速度はこの場合もやはり超音速（Ｍ＝１．８）であるが、温度に応じて音速が高くなることに起因して、第１のロータよりも幾分振幅が小さくなる。第２の超音速圧縮機ロータから出る流れは、より低い絶対マッハ数（Ｍ_５）（０．５）及び旋回角（α_６）（５４度）を有し、ＯＧＶにて拡散が容易な流れを表している。要約すると、反転超音速圧縮機の主な利点は、第１のロータの出口において高速の旋回流れを効率的に利用して、第２のロータへ必要な旋回を提供できることである。

上記の実施例は、単に例証に過ぎず、本発明の特徴の一部だけを例証する役割を果たしている。添付の請求項は、想起される広い範囲の本発明を特許請求するものとし、本明細書で提示された実施例は、多数の全ての実施可能な実施形態のうちから選択された実施形態を例証する。従って、添付の請求項が本明細書の特徴を例証するのに利用される実施例の選択によって限定されないことは、出願人の意図するところである。請求項で使用される用語「備える」及びその文法的な変形はまた、論理的に、例えば限定ではないが、「本質的に〜なる」及び「からなる」などの様々な異なる範囲の語句を範囲として定め且つこれらを含む。必要に応じて、幾つかの範囲が提供されるが、これらの範囲は、その間の全ての部分範囲を包含する。当業者には、これらの範囲の変形形態が想起されると考えられ、これらの変形形態は、一般公衆に未だ開放されていない場合には、可能であれば添付の請求項によって保護されるとみなされるべきである。また、科学技術の進歩は、表現が不正確であるという理由で現在は企図されない均等物及び代替が可能になることも予想され、これらの変形形態はまた、可能な限り添付の請求項によって保護されるとみなされるべきである。

３０ 入口ガイドベーン
４０ 出口ガイドベーン
１００ 第１の超音速圧縮機ロータ
１１０ 圧縮ランプ
１５０ ストレーク
２００ 第２の反転超音速圧縮機ロータ
３００ 駆動シャフト
４００ 駆動シャフト

Claims (10)

1. （ａ）流体入口と、
   （ｂ）流体出口と、
   （ｃ）少なくとも２つの反転超音速圧縮機ロータと、
   を備え、
   前記超音速圧縮機ロータは、直列に構成され、第１の回転方向を有する第１の超音速圧縮機ロータからの出力が前記第１の超音速圧縮機ロータに対して反対の方向に回転するように構成された第２の超音速圧縮機ロータに配向されるようになっている、
   超音速圧縮機。
2. 前記第１の超音速圧縮機ロータが、前記第２の超音速圧縮機ロータと本質的に同一である、
   請求項１に記載の超音速圧縮機。
3. 前記第１の超音速圧縮機ロータが、前記第２の超音速圧縮機ロータと同一ではない、
   請求項１に記載の超音速圧縮機。
4. 前記超音速圧縮機ロータが共通の回転軸に沿って配列されている、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音速圧縮機。
5. 前記超音速圧縮機ロータが共通の回転軸を共有していない、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音速圧縮機。
6. 前記第１の超音速圧縮機ロータが第１の駆動シャフトに結合され、前記第２の超音速圧縮機ロータが第２の駆動シャフトに結合され、前記第１及び第２の駆動シャフトが共通の回転軸に沿って配列されている、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音速圧縮機。
7. 前記第１及び第２の駆動シャフトが、同心の反転駆動シャフトのペアを含む、
   請求項６に記載の超音速圧縮機。
8. 少なくとも３つの超音速圧縮機ロータを備える、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音速圧縮機。
9. 流体ガイドベーンの１つ又はそれ以上を更に備える、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の超音速圧縮機。
10. 前記第１の流体入口と前記第１の超音速圧縮機ロータとの間に流体インペラを更に備える、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の超音速圧縮機。