JP2011007184A - 半径方向流路を備えた超音速圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】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を提供すること。
【解決手段】本発明は、新規の超音速圧縮機ロータを備えた新規の超音速圧縮機を提供する。超音速圧縮機ロータは、極めて高い回転速度で作動するよう設計され、ここで超音速圧縮機ロータに流入するガスの速度は、ガスの局所音速よりも大きく、従って、記述表現「超音速」である。新規の超音速圧縮機は、内側円筒キャビティ及び外側ロータリム並びに内側円筒キャビティ及び外側ロータリム間の流体連通を可能にする少なくとも１つの半径方向流れチャネルを定め、半径方向流れチャネルが超音速圧縮ランプを含む超音速圧縮機ロータを備えている。新規の超音速圧縮機ロータは、これらを備えた超音速圧縮機の性能を向上させ、このような新規の超音速圧縮機を備えたシステムのより高度な設計汎用性を提供することが期待される。
【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。

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単一段のより高い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７，３３４，９９０号公報

本明細書で詳細に説明するように、本発明は、既知の超音速圧縮機に比べて圧縮機性能を向上させた新規の超音速圧縮機を提供する。

１つの実施形態において、本発明は、内側円筒キャビティ及び外側ロータリム並びに内側円筒キャビティ及び外側ロータリム間の流体連通を可能にする少なくとも１つの半径方向流れチャネルを定め、半径方向流れチャネルが超音速圧縮ランプを含む超音速圧縮機ロータを提供する。

別の実施形態では、本発明は、（ａ）流体入口と、（ｂ）流体出口と、（ｃ）少なくとも１つの超音速圧縮機ロータと、を備え、超音速圧縮機ロータが、内側円筒キャビティ及び外側ロータリム並びに前記内側円筒キャビティ及び外側ロータリム間の流体連通を可能にする少なくとも１つの半径方向流れチャネルを定め、半径方向流れチャネルが超音速圧縮ランプを含む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）内側円筒キャビティ及び外側ロータリム並びに該内側円筒キャビティ及び外側ロータリム間の流体連通を可能にし且つ超音速圧縮ランプを有する少なくとも１つの半径方向流れチャネルを定める第１の超音速圧縮機ロータと、（ｃ）内側円筒キャビティ及び外側ロータリム並びに該内側円筒キャビティ及び外側ロータリム間の流体連通を可能にし且つ超音速圧縮ランプを有する少なくとも１つの半径方向流れチャネルを定める第２の超音速圧縮機ロータと、（ｄ）従来の遠心圧縮機ロータと、を備え、従来の遠心圧縮機ロータは、第１の超音速圧縮機ロータの内側円筒キャビティ内に配置され、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の内側円筒キャビティ内に配置され、従来の遠心圧縮機ロータは、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ており、第１の超音速圧縮機ロータが、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構成されており、従来の遠心圧縮機ロータ及び第１の超音速圧縮機ロータ並びに第２の超音速圧縮機ロータがガス導管内に配置される。

更に別の実施形態では、本発明は、流体を加圧する方法を提供し、該方法は、（ａ）超音速圧縮機内に備えられたガス導管内に低圧ガス入口を介して流体を導入する段階と、（ｂ）超音速圧縮機の高圧ガス出口を介してガスを除去する段階と、を含み、該超音速圧縮機がガス入口とガス出口との間に配置された超音速圧縮機ロータを備え、超音速圧縮機ロータが内側円筒キャビティ及び外側ロータリム並びに該内側円筒キャビティ及び外側ロータリム間の流体連通を可能にする少なくとも１つの半径方向流れチャネルを定め、該半径方向流れチャネルが超音速圧縮ランプを含む。

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。

本発明により提供される超音速圧縮機ロータの一部を表す図。 本発明により提供される超音速圧縮機ロータの一部を表す図。 本発明により提供される超音速圧縮機ロータの一部を表す図。 本発明により提供される超音速圧縮機ロータの構成部品を表す図。 本発明により提供される超音速圧縮機ロータの構成部品を表す図。 図５に示す超音速圧縮機の代替図。 超音速圧縮機ロータのペアを含む本発明の１つの実施形態の分解組み立て図。 従来の遠心圧縮機ロータ及び同心超音速圧縮機ロータのペアを備える超音速圧縮機を表す図。 本発明により提供される超音速圧縮機ロータの一部を表す図。

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「任意選択的に」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り、又は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。

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。

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は、超音速圧縮機ロータの外側リムと、超音速圧縮機ロータが配置される流体導管の内側壁との間の流体を加圧するよう構成される。このような超音速圧縮機では、流体は、超音速圧縮機ロータの外側ロータリムにわたって流体導管の低圧側から流体導管の高圧側に移送される。外側ロータリム上に配列されるストレークは、流体が超音速圧縮機ロータの一方側から他方側にそこを通って移動する流れチャネルを提供する。超音速圧縮機ロータを備える超音速圧縮機は、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いる。

本発明は、流体導管の低圧側から高圧側への流体移送が、超音速圧縮機ロータの内側円筒キャビティを外側ロータリムに連結する半径方向流れチャネルを介して行われる新規の超音速圧縮機ロータを備えることを特徴とする。本発明により提供される超音速圧縮機ロータの新規の設計特徴は、これらを備えた超音速圧縮機の性能を向上させ、このような新規の超音速圧縮機を備えたシステムのより高度な設計汎用性を提供することが期待される。本発明により提供される新規の超音速圧縮機ロータは、内側から外側への圧縮、又は外側から内側への圧縮用に構成することができる。超音速圧縮機ロータは、作動中にロータが回転するにつれて、ガスが内側円筒キャビティから半径方向流れチャネルを通って外側ロータリムに移動する場合の内側から外側への圧縮用に構成される。超音速圧縮機ロータは、作動中にロータが回転するにつれて、ガスが外側ロータリムから半径方向流れチャネルを通って内側円筒キャビティに移動する場合の外側から内側への圧縮用に構成される。超音速圧縮機ロータが内側から外側への圧縮、又は外側から内側への圧縮用に構成されているかどうかは、半径方向流れチャネル内の超音速圧縮ランプの位置及び半径方向流れチャネルの流体入口でのベーンの構成によって決定される。本明細書の図において示された種々の実施例では、超音速圧縮機ロータは、が内側から外側への圧縮用に構成されて図示されている。

図１は、超音速圧縮機ロータである本発明の１つの実施形態を示している。本図は、内側表面１０６を有する第１のロータ支持プレート１０５を備えた超音速圧縮機ロータ１００の主要な構成部品を示しており、ここには複数の半径方向流れチャネルを定めるよう構成されたベーン１５０が配置されており、各半径方向流れチャネルは、流体入口１０、流体出口２０、及び亜音速拡散ゾーン１０９を有する。図１に示す実施形態において、各ベーン１５０は、本開示において以下で詳細に検討する超音速圧縮ランプ１２０を備えるように図示されている。超音速圧縮ランプ１２０が存在することで、本発明により提供されるロータが超音速圧縮機ロータとして認められる。ベーン１５０によって生成される表面上に第２のロータ支持プレート（図示せず）が配置されると、図１に示す超音速圧縮機ロータの基本設計が完成する。図１に示す実施形態の２つのロータ支持プレート１０５は、ワッシャ型プレートのペアとして描くことができ、これらの間にベーン１５０が配置され、該ベーンとプレートとが１つ又はそれ以上の半径方向流れチャネル１０８を定める。図１に示す超音速圧縮機ロータは、半径方向流れチャネル１０８を介して外側ロータリム１１２と流れ連通した内側円筒キャビティ１０４を定める。半径方向流れチャネルは、内側円筒キャビティ１０４と外側ロータリムとの間の流体連通を可能にすると考えられる。

１つの実施形態において、本発明により提供される超音速圧縮機ロータは、該ロータに結合された駆動シャフトによって回転軸の回りを回転することができる。図２は、ロータ支持ストラット１６０を介して駆動シャフト３００に取り付けられた超音速圧縮機ロータ１００を示している。ロータ支持ストラット１６０は、１つ又は両方のロータ支持プレート１０５に取り付けることができる。

本発明により提供される超音速圧縮機ロータは、ロータの半径方向流れチャネル内に配置された超音速圧縮ランプにおいて回転している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）が超音速の相対流体速度を有するとみなされるように、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、「超音速」と考えられる。この相対流体速度は、「局所超音速入口速度」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半径方向流れチャネル内に配置された超音速圧縮ランプの接線速度との合成である。超音速圧縮機ロータは、極めて高い接線速度で、例えば、３００メートル／秒から８００メートル／秒の範囲の接線速度で使用可能なように設計される。

図３は、駆動シャフト３００により定められる回転軸の回りで動いている超音速圧縮機ロータ１００を示している。図３に示す実施形態では、超音速圧縮機ロータ１００が方向３１０で回転すると、内側円筒キャビティ１０４内の流体は、流体入口１０を介して半径方向流れチャネル１０８に流入し、流体出口２０を介して半径方向流れチャネル１０８から流出する。方向矢印１０１は、内側円筒キャビティ１０４から外側ロータリム（図示せず）に半径方向流れチャネル１０８を通る流体流れの方向を示す。超高速の接線速度では、傾斜した衝撃波１２５が半径方向流れチャネル１０８内で定められる。図９は更に、本発明の回転超音速圧縮機ロータ内の流体挙動を示している。図９では、傾斜した衝撃波１２５が、超音速圧縮ランプ１２０の前縁で発生し、隣接ベーン１５０により反射されて反射衝撃波１２７を生成する。超音速圧縮ランプの下流側では、チャネル区域が流れ方向で増大し、法線衝撃波１２９がこのチャネルにおいて定められ、その後に超音速拡散ゾーン１０９が続く。

図４は、本発明により提供される超音速圧縮機ロータ１００の１つの実施形態を示す。超音速圧縮機ロータが分解組み立て図で示され、内側表面１０６を有し且つロータ支持ストラットを介して駆動シャフト３００に取り付けられる第１のロータ支持プレート１０５（下側プレート）を示している。ベーン１５０は、ロータ支持プレート１０５の内側表面上に配置することができる。この実施形態における第１のロータ支持プレートと同じ半径を有する第２のロータ支持プレート１０５（上側プレート）は、ベーン１５０の上に配置される。ロータ支持ストラット１６０の第２のセット（図示せず）を用いて、第２のロータ支持プレートを駆動シャフト３００に固定することができる。第２のロータ支持プレート１０５は、２つのロータ支持プレート間にベーン１５０を固定するようにして駆動シャフト３００に固定することができる。１つの実施形態において、ロータ支持プレート１０５の１つ又は両方の内側表面１０６は、ベーン型溝を含み、該溝にベーンが挿入されてベーンをロータ支持プレートに更に固定する。１つの実施形態において、ベーン型溝は、ベーンの高さのほぼ１０分の１に相当する均一な深さがある。１つの実施形態において、超音速圧縮機ロータは金属単体から機械加工される。代替の実施形態において、超音速圧縮機ロータは、鋳造技術により準備される。更に別の実施形態において、超音速圧縮機ロータの構成要素、例えば、ロータ支持プレート及びベーンは、共にろう付け、溶接、又はボルト締めすることができる。１つの実施形態において、第１のロータ支持プレート１０５は、図４に示すようなワッシャ型構造であるが、第２のロータ支持プレート１０５は、アパーチャを定めない固体ディスクである。

図１から４に示す実施形態では、超音速圧縮ランプ１２０が、ベーンが金属単体から機械加工される場合のように、ベーンと一体的にされて図示されている。代替の実施形態において、超音速圧縮ランプは、ベーン及び超音速圧縮ランプが２つの異なる金属部品から機械加工される場合のように、ベーンとは一体的にされていない。

１つの実施形態において、本発明は、流体入口及び流体出口を有するハウジングを備えた超音波圧縮機と、流体入口及び流体出口間に配置された超音速圧縮機ロータとを提供する。種々の実施形態において、超音速圧縮機ロータは、内側円筒キャビティ及び外側ロータリム、並びに内側円筒キャビティ及び外側ロータリム間の流体連通を可能にする少なくとも１つの半径方向流れチャネルを定める。半径方向流れチャネルは、超音速圧縮ランプを備える。圧縮機の作動中、半径方向流れチャネルは、流体を加圧し、これを超音速圧縮機ロータの低圧側（入口側）から超音速圧縮機ロータの高圧側（出口側）に運ぶ。１つの実施形態において、ベーンのセットはロータ支持プレートのペアと共に、半径方向流れチャネルの境界を定める。ベーン及び半径方向流れチャネルの超音速圧縮ランプは、半径方向流れチャネルの入口にて流体を取り込んで超音速圧縮ランプの表面と隣接するベーンの表面との間で流体を加圧し、更に半径方向流れチャネルの出口に取り込んだ流体を移送するよう縦一列の形態で機能する。超音速圧縮機ロータは、ロータ支持プレート上の少なくとも１つの位置と圧縮機ハウジングの内側表面との間の距離が最小になり、これにより、入口表面までの超音速圧縮機ロータの高圧側（出口側）から超音速圧縮機ロータの低圧側（入口側）へのガスの逆流を制限するよう設計される。

図５を参照すると、本図は、本発明の１つの実施形態並びにその作動の何らかの基本的属性を示している。本図は、圧縮機ハウジング５１０内に収容された超音速圧縮機ロータ１００及び従来の遠心圧縮機ロータ４０５を備えた超音速圧縮機５００を分解組み立て図で示している。超音速圧縮機ロータ１００及び従来の遠心圧縮機ロータ４０５は、超音速圧縮機の流体導管内に配置されているとみなされ、該流体導管は、圧縮機ハウジングにより少なくとも部分的に定められ、低圧側５２０と高圧側５２２とを含み、流体導管５２２の低圧側及び高圧側とそれぞれ呼ばれる。図５に示す図は、従来の遠心圧縮機ロータ４０５が超音速圧縮機ロータ１００の内側円筒キャビティ１０４から分離されその上にあるという意味では「分解」されている。本開示の図６で示すように、従来の遠心圧縮機ロータ４０５は、実際には、図５に示す実施形態の内側円筒キャビティ１０４内に配置されている。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。従来の遠心圧縮機ロータ４０５は、駆動シャフト３２０により方向３３０に駆動される。図示のように、超音速圧縮機ロータ１００及び従来の遠心圧縮機ロータ４０５は、反対方向に運動するよう構成される。圧縮機入口（図示せず）を通って導入される流体（図示せず）は、流体導管の低圧側５２２に流入し、方向３３０に回転する従来の遠心圧縮機ロータ４０５のブレードと衝突する。流体流れ１０１の方向は、流体が回転する従来の遠心圧縮機ロータと衝突すると変化する。流体は、超音速圧縮機ロータ１００の内側円筒キャビティ１０４内に配置された従来の遠心圧縮機ロータ４０５から半径方向外向きに配向される。超音速圧縮機ロータ１００は、内側円筒キャビティ１０４及び外側ロータリム１１２、並びに内側円筒キャビティ１０４と外側ロータリム１１２との間で流体連通を可能にする少なくとも１つの半径方向流れチャネル１０８（図示せず）を定め、該半径方向流れチャネルは超音速圧縮ランプ（図示せず）を備える。図５に示す実施形態は、第１のロータ支持プレート１０５（上側ロータ支持プレート）と、第２のロータ支持プレート１０５（下側ロータ支持プレート）とを備える。第１のロータ支持プレートは、そこを通って従来の遠心圧縮機ロータ４０５を内側円筒キャビティ１０４内に挿入することができるアパーチャを定める。第２のロータ支持プレートは、アパーチャを備えることができ、又は備えなくてもよい。従って、１つの実施形態において、下側ロータ支持プレート１０５は固体ディスクである。代替の実施形態において、下側ロータ支持プレート１０５は１つ又はそれ以上のアパーチャを備える。図示の実施形態において、第２のロータ支持プレートは、駆動シャフト３００に機械的に結合される。１つの実施形態において、下側ロータ支持プレートのこの機械的結合は、ロータ支持ストラット１６０（図５には示していない）を用いて達成される。半径方向外向きの移動流体は、回転する超音速圧縮機ロータ１００の流体入口１０（図示せず）に衝突し、流体を内側円筒キャビティ１０４から超音速圧縮機ロータの外側ロータリム１１２に通すことができる半径方向流れチャネル１０８に配向される。半径方向流れチャネル１０８は、該半径方向流れチャネル内で流体を加圧し且つ該加圧流体を流体出口２０に向けて配向する超音速圧縮ランプ１２０を備える。流体出口２０から流出する流体は、次に、流体導管の高圧側５２２に流入する。流体導管の高圧側５２２内の加圧流体を用いて仕事をすることができる。

図６を参照すると、本図は、図５で例示した超音速圧縮機５００の一部６００の断面図を示しており、超音速圧縮機ロータ１００の内側円筒キャビティ１０４内に配置された従来の遠心圧縮機ロータ４０５が示されている。従来の遠心圧縮機ロータ４０５は、方向３３０で駆動シャフト３２０により駆動される。駆動シャフト３２０の一部は、方向３１０に超音速圧縮機ロータ１００を駆動する同心の駆動シャフト３００内に配置されて図示されている。駆動シャフト３００は、ロータ支持ストラット１６０により超音速圧縮機ロータ１００に機械的に結合されて図示されている。流体流れ１０１の方向は、従来の遠心圧縮機ロータ４０５を貫通し、超音速圧縮機ロータ１００を超えて示されている。流体は、流体入口１０で内側円筒キャビティ１０４から超音速圧縮機ロータ１００に流入し、半径方向流れチャネル１０８を介して超音速圧縮機ロータを横切り、外側ロータリム１１２（図５に示す）にて流体出口２０を介して出てくる。

上述のように、図５に特徴として示され且つ本発明により提供される超音速圧縮機は、２つの反転ロータと、半径方向流れチャネルを有する超音速圧縮機ロータ１００と、直列配列された従来の遠心圧縮機ロータ４０５とを備え、上流側の従来の遠心圧縮機ロータからの出力（例えば、二酸化炭素、又は空気）が、上流側の従来の遠心圧縮機ロータの回転とは反対の方向で回転する本発明の下流側超音速圧縮機ロータ用の入力として使用されるようにする。例えば、下流側超音速圧縮機ロータは、時計回りに回転するよう構成され、上流側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。従来の遠心圧縮機ロータ及び超音速圧縮機ロータは、互いに対して反対方向に回転するよう構成されると考えられる。

特定の実施形態において、本発明は、複数の超音速圧縮機ロータを備える超音速圧縮機を提供する。図７は、第１の超音速圧縮機ロータの出力が第２の超音速圧縮機ロータの入力になるように、超音速圧縮機ロータをどのように同心且つ直列に構成することができるかを示している。図７に示す構成７００は、第１の超音速圧縮機ロータ１００が実際には第２の超音速圧縮機ロータ２００の内側円筒キャビティ１０４内に配置されるという意味での分解組み立て図を示している。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は、内側円筒キャビティ１０４、外側ロータリム１１２、並びに内側円筒キャビティと外側ロータリムとの間の流体連通を可能にする少なくとも１つの半径方向流れチャネル１０８を定め、該半径方向流れチャネルは超音速圧縮ランプ１２０（とりわけ図９を参照）を備える。図７に示す実施形態では、第１の超音速圧縮機ロータ１００
は、ロータ支持ストラット１６０を介して駆動シャフト３００に取り付けられて図示され、第２の超音速圧縮機ロータ２００は、ロータ支持ストラット１６０を介して駆動シャフト３０２に取り付けられて図示される。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、それぞれ回転方向３１０及び３１２に反対方向に回転するよう構成される。

図７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の図の各々において、少なくとも１つのベーン１５０の一部は、ロータ支持プレート１０５間に配置されていないように見える。これは、外側ロータリム１１２において流体出口２０の存在を視覚的により強調するためになされており、ベーン１５０の何れかの部分がロータ支持プレート１０５内に配置されていないことを示唆するものではない。従って、図５に示す実施形態では、ベーン１５０は、完全にロータ支持プレート１０５内に配置されており、ベーンの一部が外側ロータリム１１２により定められる限界を超えて延びることはない。

特定の実施形態において、本発明により提供される超音速圧縮機ロータは、「本質的に同一」であるとみなされるロータ支持プレートのペアを備える。ロータ支持プレートは、各々が同じ形状、重さ、及び直径を有し、同じ材料から作られ、更に同じタイプ及び数のリム表面特徴、ロータ支持プレートの表面特徴の内側表面、並びにロータ支持プレート表面特徴の外側表面を有する場合に本質的に同一である。

代替の実施形態において、本発明により提供される超音速圧縮機ロータは、例えば図４のように本質的に同一ではないロータ支持プレートのペアを備える。本明細書で使用されるように、２つのロータ支持プレートは、幾つかの態様において該ロータ支持プレートが物質的に異なる場合には本質的に同一ではない。例えば、２つのロータ支持プレート間の物質的な相異点には、形状、重量、直径、構成材料、並びに表面特徴のタイプ及び数が含まれる。例えば、異なる構成材料からなる２つの別のロータ支持プレートは、「本質的に同一ではない」とみなされることになる。

流体圧縮機のような種々の応用において、本発明の超音速圧縮機ロータは、駆動シャフトを用いて駆動することができる。１つの実施形態において、本発明は、各々が専用の駆動シャフトにより駆動される、本発明の複数の超音速圧縮機ロータを備えた超音速圧縮機を提供する。１つの実施形態において、本発明は、流体入口と、流体出口と、第１の超音速圧縮機ロータの流体出口が第２の超音速圧縮機ロータの流体入口であるように直列に構成された少なくとも２つの反対方向に回転する超音速圧縮機ロータとを備え、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、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、第１及び第２の駆動シャフトが共通の回転軸線に沿って配列された超音速圧縮機を提供する。

当業者であれば理解されるように、２つの反転超音速圧縮機ロータが各々専用の駆動シャフトにより駆動される場合、種々の実施形態において、駆動シャフト自体が反転運動をするよう構成される。１つの実施形態において、第１及び第２の駆動シャフトは、反転し、共通の回転軸線を共有し、且つ同心であり、すなわち、第１及び第２の駆動シャフトの一方が他方の内部に配置されることを意味する。１つの実施形態において、本発明により提供される超音速圧縮機は、共通の駆動モータに結合される第１及び第２の駆動シャフトを備える。代替の実施形態において、本発明により提供される超音速圧縮機は、少なくとも２つの異なる駆動モータに結合された第１及び第２の駆動シャフトを備える。当業者であれば、駆動モータは駆動シャフトを「駆動」（回転）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、その上、駆動シャフトに駆動モータを結合するための一般に利用される手段（ギア、チェーン、及び同様のものを介して）、更に、シャフトが回転する速度を制御する手段は理解されるであろう。１つの実施形態において、第１及び第２の駆動シャフトは、相反する方向に回転するよう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、ブレードのセットの運動方向は、各セットの構成ブレードの形状によって決まる。

１つの実施形態において、本発明は、各々が少なくとも１つの半径方向流れチャネルを有する少なくとも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。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、該第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第２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。１つの実施形態において、反転超音速圧縮機ロータは、第１の超音速圧縮機ロータが第２の超音速圧縮機ロータの内側円筒キャビティ内に配置されるように配列される。

図８を参照すると、本図は、従来の遠心圧縮機ロータ４０５と、同心状に構成された本発明の超音速圧縮機ロータのペアとを備えた例示的な超音速圧縮機８００を示す。図８に示す超音速圧縮機は、第１の超音速圧縮機ロータ１００と、第２の超音速圧縮機ロータ２００とを備える。上述のロータは、圧縮機ハウジング５１０内に収容される低圧側５２０及び高圧側５２２を含む流体導管内に配置される。従来の遠心圧縮機ロータ４０５は、第１の超音速圧縮機ロータ１００の内側円筒キャビティ１０４内に配置されるように図示され、該第１の超音速圧縮機ロータ１００は、第２の超音速圧縮機ロータ２００の内側円筒キャビティ１０４内に配置されるように図示されている。第１の超音速圧縮機ロータ１００は、方向３１０に駆動シャフト３００により駆動される。第２の超音速圧縮機ロータ２００は、方向３１２に駆動シャフト３０２により駆動される。超音速圧縮機ロータ１００及び２００は、互いに対して反対方向に回転するよう図示される。従来の遠心圧縮機ロータ４０５は、方向３３０に駆動シャフト３２０により駆動される。従来の遠心圧縮機ロータ４０５の出力は、内側円筒キャビティ１０４を通って第１の超音速圧縮機ロータ１００内に配向される。第１の超音速圧縮機ロータ１００の出力は、第２の超音速圧縮機ロータ２００の内側円筒キャビティ１０４に配向される。図８に示す実施形態では、第２の超音速圧縮機ロータ２００の出力は、スクロール８２０内に配向される。

図８に示すような特定の実施形態において、本発明により提供される超音速圧縮機ロータは、複数の超音速圧縮機ロータを備えることができる。超音速圧縮機ロータが直列に配列される場合、超音速圧縮機ロータを反転させるように構成することが有利な場合がある。１つの実施形態において、本発明は、各々が少なくとも１つの半径方向流れチャネルを有する少なくとも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、該第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第２の超音速圧縮機ロータに配向されるように、更に、第２の超音速圧縮機ロータからの出力が、該第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。１つの実施形態において、反転超音速圧縮機ロータは、第１の超音速圧縮機ロータが第２の超音速圧縮機ロータの内側円筒キャビティ内に配置され、第２の超音速圧縮機ロータが第３の超音速圧縮機ロータの内側円筒キャビティ内に配置されるように配列される。

当業者であれば、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向上させることができる点は理解されるであろう。従って、１つの実施形態において、本発明は、流体入口と、流体出口と、内側円筒キャビティ及び外側ロータリム並びに少なくとも１つの半径方向流れチャネルを定める少なくとも１つの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つの実施形態において、超音速圧縮機は、複数の流体ガイドベーンを備えることができる。流体ガイドベーンは、流体入口と超音速圧縮機ロータとの間、又は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の間に配置することができる。従って、１つの実施形態において、本発明により提供される超音速圧縮機は、流体入口と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、必然的に入口ガイドベーン（ＩＧＶ）と呼ぶことができる。別の実施形態では、本発明により提供される超音速圧縮機は、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、必然的に中間ガイドベーン（ＩｎｔＧＶ）と呼ぶことができる。別の実施形態では、本発明により提供される超音速圧縮機は、超音速圧縮機ロータと流体出口との間に配置される流体ガイドベーンを備え、この場合、流体ガイドベーンは、必然的に出口ガイドベーン（ＯＧＶ）と呼ぶことができる。１つの実施形態において、本発明により提供される超音速圧縮機は、複数の超音速圧縮機ロータと、入口ガイドベーン、出口ガイドベーン、及び中間ガイドベーンの組み合わせとを備える。

１つの実施形態において、本発明により提供される超音速圧縮機は、例えば、ガスタービンエンジン、ジェットエンジンなど、より大きなシステム内に構成される。本発明により提供される超音速圧縮機により高い圧縮比を達成できるので、ガスタービンエンジンの全体のサイズ及び重量が低減され、これに伴う利点をこれから得ることができることは理解される。

１つの実施形態において、本発明により提供される超音速圧縮機は、（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）内側円筒キャビティ及び外側ロータリム並びに該内側円筒キャビティ及び外側ロータリム間の流体連通を可能にし且つ超音速圧縮ランプを有する少なくとも１つの半径方向流れチャネルを定める第１の超音速圧縮機ロータと、（ｃ）内側円筒キャビティ及び外側ロータリム並びに該内側円筒キャビティ及び外側ロータリム間の流体連通を可能にし且つ超音速圧縮ランプを有する少なくとも１つの半径方向流れチャネルを定める第２の超音速圧縮機ロータと、（ｄ）従来の遠心圧縮機ロータと、を備え、第１の超音速圧縮機ロータ、第２の超音速圧縮機ロータ及び従来の遠心圧縮機ロータが上記ガス導管内に配置される。１つの実施形態において、従来の遠心圧縮機ロータは、第１の超音速圧縮機ロータの内側円筒キャビティ内に配置され、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の内側円筒キャビティ内に配置され、従来の遠心圧縮機ロータは、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ており、第１の超音速圧縮機ロータが、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構成されており、従来の遠心圧縮機ロータ及び第１の超音速圧縮機ロータ並びに第２の超音速圧縮機ロータがガス導管内に配置される。

以下の検討は、超音速圧縮機の作動に関する更なる技術上の知見を提供するために本開示に含めるものである。簡潔にするために、ここでの検討は、超音速圧縮機ロータ並びに種々の入口及び出口ガイドベーンを備えた、本発明により提供される超音速圧縮機の特定のタイプ内のガスダイナミックスに焦点を当てる。超音速圧縮機は、超音速圧縮機ロータに流入するガスの高速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ない。この段落に含める検討において、作動中の超音速圧縮機が考慮され、該超音速圧縮機は入口ガイドベーンと出口ガイドベーンの両方を備える。ガスは、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上流側に配列される複数の入口ガイドベーン（ＩＧＶ）と、出口ガイドベーン（ＯＧＶ）のセットとを備える超音速圧縮機にガス入口を介して導入される。ＩＧＶから出てくるガスは、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口は、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）のセットにより調整される。ガスが入口ガイドベーン（ＩＧＶ）に衝突すると、ガスは、ＩＧＶによって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合成され、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、超音速圧縮機ロータにおける圧力上昇により相殺されなければならない。ロータ全体にわたる圧力上昇は、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。Δ（ｒＶ_θ）の値が大きいときに、単一段にわたり高い圧力比が得られる。

本発明により提供されるような超音速圧縮機ロータは、必要な強度及び温度特性に応じて、アルミニウム合金、合金鋼、ニッケル合金、及びチタン合金を含む、従来の圧縮機で現在使用されている材料の何れかを用いて製造することができる。上記及び非金属材料を含む複数の異なる材料の相対速度を組み合わせた複合構造体を用いることもできる。圧縮機ケーシング、入口ガイドベーン、出口ガイドベーン、及び排気スクロールは、鋳鉄を含む現在のターボ機械装置で使用される何れかの材料で作ることができる。

上述のように、１つの実施形態において、本発明は、流体を加圧する方法を提供し、該方法は、（ａ）超音速圧縮機内に備えられたガス導管内に低圧ガス入口を介して流体を導入する段階と、（ｂ）超音速圧縮機の高圧ガス出口を介してガスを除去する段階と、を含み、該超音速圧縮機がガス入口とガス出口との間に配置された超音速圧縮機ロータを備え、超音速圧縮機ロータが内側円筒キャビティ及び外側ロータリム並びに該内側円筒キャビティ及び外側ロータリム間の流体連通を可能にする少なくとも１つの半径方向流れチャネルを定め、該半径方向流れチャネルが超音速圧縮ランプを含む。本発明により提供される方法は、加圧ガスのような加圧流体を準備するのに用いることができる。１つの実施形態において、本発明により提供される方法は、液化天然ガスの形態で加圧天然ガスを準備するのに用いることができる。本発明の方法を用いて加圧することができる他のガスには、空気、二酸化炭素、窒素、アルゴン、ヘリウム、水素、酸素、一酸化炭素、六フッ化硫黄、冷媒ガス、及びこれらの混合物がある。冷媒ガスには、ジクロロトリフルオロエタン（Ｒ１２３と呼ばれ場合もある）、１，１，１，２，３，３，３−ヘプタフルオロプロパン、ヘキサフルオロエタン、クロロジフルオロメタン、及び同様のものがある。

上記の実施例は、単に例証に過ぎず、本発明の特徴の一部を例示する役割を果たす。添付の請求項は、本発明を想起される広い範囲で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示している。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した実施例の選択によって限定されるものではないことは、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〜からなる」及び「からなる」などの様々な異なる範囲の語句を内在し且つこれらを含む。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。

１０ 流体入口（ｆｉ）
２０ 流体出口（ｆｏ）
１００ 超音波圧縮機ロータ（ｓｃｒ）
１０１ 流体流れの方向（ｄｏｆｆ）
１０４ 内側円筒キャビティ（ｉｃｃ）
１０５ ロータ支持プレート（ｒｓｐ）
１０６ 内側表面ｏｆロータ支持プレート（ｉｓｒｓｐ）
１０８ 半径方向流れチャネル（ｒｆｃ）
１０９ 亜音速拡散ゾーン（ｓｓｄｚ）
１１２ 外側ロータリム（ｏｒｒ）
１２０ 超音速圧縮ランプ（ｓｓｃｒ）
半径方向流れチャネル内に配置された超音速圧縮ランプ
１２５ 作動中（ｉｎｏｐ）に超音波圧縮機ロータの半径方向流れチャネル内に設定された傾斜衝撃波（ｓｗ）（ｓｗｓｕｗ）
１２７ 反射した傾斜衝撃波
１２９ 法線衝撃波
１５０ ロータ支持プレート（ｒｓｐ）１０５の内側表面１０６上に配列されたストレーク（ｓｔｒ）
１６０ ロータ支持ストラット（ｒｓｓ）
２００ 第２の超音波圧縮機ロータ（２ｓｃｒ）
３００ 超音波圧縮機ロータ１００用駆動シャフト（ｄｓｈ）
３０２ 第２の超音波圧縮機ロータ２００用駆動シャフト（ｄｓｈ）
３１０ 駆動シャフト及び超音波圧縮機ロータ１００の回転方向（ｄｒｏｔ）
３１２ 第２の超音波圧縮機ロータ２００に結合された駆動シャフトの回転方向
３２０ 従来の圧縮機ロータ（ｃｃｒ）用の駆動シャフト
３３０ 従来の圧縮機ロータ（ｃｃｒ）の駆動シャフト（ｄｓｈ）の回転方向（ｄｒｏｔ）
４０５ 従来の遠心圧縮機ロータ（ｃｃｒ）
４０６ 従来の遠心圧縮機ロータ（ｃｃｒ）上のブレード
５００ 従来の遠心圧縮機ロータ（ｃｃｒ）４０５及び超音波圧縮機ロータ（ｓｃｒ）を備えた超音波圧縮機（ｓｓｃ）５００の図
５１０ 圧縮機ハウジング（ｃｈ）
５２０ 流体導管（ｆｃ）（流体導管の低圧側（ｌｏｗｐｓ））
５２２ 流体導管（ｆｃ）（流体導管の高圧側（ｈｉｐｓ））
６００ 超音波圧縮機ロータ（ｓｃｒ）１００の内側円筒キャビティ（ｉｃｃ）１０４に挿入された従来の遠心圧縮機ロータ（ｃｃｒ）４０５を有する、図５に示す圧縮機の切り欠き図
７００ 同心状超音波圧縮機ロータ（ｓｃｒｓ）のペアを含む超音波圧縮機（ｓｓｃ）
８００ 同心状超音波圧縮機ロータのペアに結合された従来の遠心圧縮機ロータを有する超音波圧縮機
８２０ ガス流出マニホルド（ｇｘｍ）

Claims (10)

1. 内側円筒キャビティ及び外側ロータリム並びに前記内側円筒キャビティ及び外側ロータリム間の流体連通を可能にする少なくとも１つの半径方向流れチャネルを定め、前記半径方向流れチャネルが超音速圧縮ランプを含む超音速圧縮機ロータ。
2. 複数の半径方向流れチャネルを定める、
   請求項１に記載の超音速圧縮機ロータ。
3. ロータ支持プレートのペア間に配置された複数のベーンを備え、前記ベーンの少なくとも１つが超音速圧縮ランプを含む、
   請求項１又は２に記載の超音速圧縮機ロータ。
4. 流体入口と、
   流体出口と、
   少なくとも１つの超音速圧縮機ロータと、
   を備えた超音速圧縮機であって、前記超音速圧縮機ロータが、内側円筒キャビティ及び外側ロータリム並びに前記前記内側円筒キャビティ及び外側ロータリム間の流体連通を可能にする少なくとも１つの半径方向流れチャネルを定め、前記半径方向流れチャネルが超音速圧縮ランプを含む、
   超音速圧縮機。
5. 従来の遠心圧縮機ロータを更に備える、
   請求項４に記載の超音速圧縮機。
6. 複数の超音速圧縮機ロータを備える、
   請求項５に記載の超音速圧縮機。
7. 第１の超音速圧縮機ロータが、第２の超音速圧縮機ロータの内側円筒キャビティ内に配置される、
   請求項６に記載の超音速圧縮機。
8. 超音速圧縮機ロータが、内側から外側への圧縮を行うよう構成される、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音速圧縮機。
9. （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、
   内側円筒キャビティ及び外側ロータリム並びに該内側円筒キャビティ及び外側ロータリム間の流体連通を可能にし且つ超音速圧縮ランプを有する少なくとも１つの半径方向流れチャネルを定める第１の超音速圧縮機ロータと、
   内側円筒キャビティ及び外側ロータリム並びに該内側円筒キャビティ及び外側ロータリム間の流体連通を可能にし且つ超音速圧縮ランプを有する少なくとも１つの半径方向流れチャネルを定める第２の超音速圧縮機ロータと、
   従来の遠心圧縮機ロータと、
   を備えた超音速圧縮機であって、
   前記従来の遠心圧縮機ロータが前記第１の超音速圧縮機ロータの内側円筒キャビティ内に配置され、
   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の内側円筒キャビティ内に配置され、
   前記従来の遠心圧縮機ロータが、前記第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、
   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に対して反対方向に回転するよう構成され、
   前記従来の遠心圧縮機ロータ、前記第１の超音速圧縮機ロータ、及び前記第２の超音速圧縮機ロータが前記ガス導管内に配置されている、
   超音速圧縮機。
10. 流体を加圧する方法であって、
    超音速圧縮機内に備えられたガス導管内に低圧ガス入口を介して流体を導入する段階と、
    前記超音速圧縮機の高圧ガス出口を介してガスを除去する段階と、
    を含み、
    前記超音速圧縮機が前記ガス入口と前記ガス出口との間に配置された超音速圧縮機ロータを備え、該超音速圧縮機ロータが、内側円筒キャビティ及び外側ロータリム並びに前記内側円筒キャビティ及び前記外側ロータリム間の流体連通を可能にする少なくとも１つの半径方向流れチャネルを定め、前記半径方向流れチャネルが超音速圧縮ランプを含む、
    方法。