JP2013519036A - 非周期的な遠心圧縮機ディフューザ - Google Patents

Abstract

特定の実施形態において、システムは、遠心圧縮機ディフューザを含み、この遠心圧縮機ディフューザは、取付表面と、軸方向において取付表面から延在すると共にディフューザの周囲にわたって非対称な（例えば、非周期的な）パターンを形成する複数のディフューザ翼と、を有する。非対称なパターンは、遠心圧縮機の羽根車からディフューザを横断して且つスクロールを通じて流れる流体の特性に基づいて決定してもよい。
【選択図】図３

Description

本出願は、２０１０年２月４日付けで出願された「Ｎｏｎ−Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ Ｄｉｆｆｕｓｅｒ」という名称の米国仮特許出願第６１／３０１，５８０号に対する優先権を主張するものであり、この特許出願の内容は、本引用により、そのすべてが本明細書に包含される。

本節は、以下に記述及び／又は特許請求する本発明の様々な態様に関係する技術の様々な側面を読者に紹介することを目的としている。この記述内容は、本発明の様々な態様を十分に理解できるようにするための背景情報を読者に提供するのに有用であると思われる。従って、これらの内容は、この観点において理解することを要し、且つ、従来技術の是認として理解してはならないことを理解されたい。

遠心圧縮機は、加圧された流体の流れを様々な用途に提供するために利用してもよい。このような圧縮機は、通常、電動機、内燃機関、又は回転出力を供給するように構成された別の駆動装置によって回転駆動される羽根車を含む。羽根車が回転するのに伴って、軸方向に進入する流体は、周方向及び半径方向に加速されると共に押し出される。次いで、この高速の流体は、ディフューザを横断し、このディフューザにより、流体の速度ヘッドが圧力ヘッドに変換される（即ち、流れの速度が低下し、且つ、流れの圧力が上昇する）。次いで、ボリュート又はスクロールが、半径方向外向きの流れを収集し、且つ、この流れを導管内に導く。この結果、遠心圧縮機は、高圧の流体出力を生成する。段の全体的な効率は、これら３つの構成要素（例えば、羽根車、ディフューザ、並びに、ボリュート又はスクロール）の個々の稼働効率とこれらの間における協働効率の積となる。

羽根車と、非周期的ディフューザと、スクロールと、を有する遠心圧縮機段の例示用の実施形態の軸方向の図である。 羽根車と、非周期的ディフューザと、スクロールと、を有する遠心圧縮機段の例示用の実施形態の斜視図である。 図１及び図２の遠心圧縮機段の羽根車及び非周期的ディフューザの斜視図である。 図１〜図３の羽根車の斜視図である。 図１〜図３の羽根車の側面図である。 図１〜図３の非周期的ディフューザの斜視図である。 周期的ディフューザの斜視図である。 図７のライン８−８に沿って取得した周期的ディフューザの部分斜視図である。 図１〜図６の非周期的ディフューザの軸方向の図である。 非周期的ディフューザの取付表面にわたる非対称な（例えば、非周期的な）パターンとして配列された複数のディフューザ翼の形状及び向きを導出するための方法のフローチャートである。

本発明の様々な特徴、態様、及び利点については、添付図面との関連において以下の詳細な説明を参照することにより、十分に理解することができよう。添付の図面においては、同一の符号によって同一の部分を表している。

以下、本発明の１つ又は複数の特定の実施形態について説明する。これらの説明対象の実施形態は、本発明を例示するものに過ぎない。又、例示用の実施形態の説明を簡潔にするために、本明細書においては、実際の実装の特徴のすべてを説明しない場合がある。そのような実際の実装を開発する際には、あらゆる工学又は設計プロジェクトと同様に、実装ごとに異なりうるシステムに関係した且つビジネスに関係した制約の順守などの開発者の特定の目標を実現するために多数の実装固有の決定を下さなければならないことを理解されたい。更には、このような開発作業は、複雑且つ時間を所要する作業となるが、それにも拘わらず、本開示の利益を享受する当業者にとっては、この開発作業は、通常の設計、組立、及び製造の作業となるであろうことを理解されたい。

本開示の実施形態は、半径流ディフューザ（例えば、遠心圧縮機システムに使用されるディフューザ）の設計の改善を含む。具体的には、開示される実施形態は、関連する羽根車及びスクロール又はボリュートを有するディフューザに適合している。遠心圧縮機システム内のディフューザは、多数の目的を有している。ディフューザの主な機能のうちの１つは、圧縮ガスが羽根車の排出口からスクロール又はボリュートに通過するのに伴って、圧縮ガスを拡散（例えば、減速）させるというものである。これが厳密にどのように実行されるかは、圧縮機段の全体的な等エントロピー効率の損失に対して大きな影響を及ぼすことになろう。

従来のディフューザ設計は、羽根車から排出される平均的流動状態の予測に基づいている。更には、スクロールによって生成される周方向の圧力歪が存在しておらず、且つ、ボリュートの舌部によって生成される局所的な圧力歪も存在しないものと仮定している。これらの仮定は、ディフューザを離脱した流れが古典的なインライン圧縮機のダンプコレクタ又は翼なし戻り流路に進入すると仮定することに等しい。換言すれば、ディフューザの排出口における均一な周方向の圧力分布を仮定しているのである。この仮定によれば、結果的に、周期的な（例えば、周方向において対称的な）ディフューザ設計が得られる。

開示対象の実施形態においては、ディフューザ翼は、ディフューザの取付表面（例えば、この特定のケースにおいては、ハブ）の周りの周方向における非対称な（例えば、非周期的な）パターンとして配列されている。スクロール又はボリュートの存在に少なくとも部分的に起因し、加圧されている流体の圧力分布は、取付表面の周りの異なる周方向の位置において変化している。この変化する圧力分布を考慮し、ディフューザ翼の形状、向き、及び／又は位置を変化させることにより、ディフューザの効率を向上させてもよい。換言すれば、ディフューザ翼近傍の特定の圧力及び流動特性に基づいて、それぞれの個々のディフューザ翼を特別に設計してもよい。

図１は、羽根車１２と、非周期的ディフューザ１４と、スクロール１６と、を有する遠心圧縮機段１０の例示用の実施形態の軸方向の図であり、且つ、図２は、その斜視図である。遠心圧縮機段１０は、流体の加圧された流れを様々な用途に供給するために利用してもよい。羽根車１２は、電動機、内燃機関、又は回転出力を供給するように構成された別の駆動装置によって回転駆動してもよい。羽根車１２が回転するのに伴って、軸方向に進入する流体は、周方向及び半径方向に加速されると共に押し出される。次いで、この高速の流体は、ディフューザ１４を横断し、このディフューザにより、流体の速度ヘッドが圧力ヘッドに変換される（即ち、流れの速度が低下し、且つ、流れの圧力が上昇する）。次いで、スクロール（又は、ボリュート）１６が、半径方向外向きの流れを収集し、且つ、この流れを、例えば、導管内に導く。この結果、遠心圧縮機段１０は、高圧の流体出力を生成する。段の全体的な効率は、これら３つの構成要素（例えば、羽根車１２、ディフューザ１４、及びスクロール１６）の個々の稼働効率とこれらの間における協働効率の積である。この分析においては、ボリュート及びスクロールは、同一装置の相互交換可能な名称であり、この装置は、半径方向の流れを受け入れ、この流れを更に拡散させてもよく又は拡散させなくてもよく、且つ、次いで、この流れを排出導管に導いている。

スクロール１６は、ディフューザ１４内の流れ場を歪ませることがあり、ある事例においては、スクロール１６によって生成される周方向の歪が、羽根車１２の排出口において計測され得る。スクロール１６によって生成される圧力歪は、一般に可変である。具体的には、スクロール１６は、通常、３つの流れ領域（例えば、ニュートラル、加速流、及び減速流）のうちのいずれかにおいて稼働してもよい。スクロール１６が稼働する領域は、遠心圧縮機段１０の具体的な用途によって決定される。比較的に大きな流量を伴う用途においては、スクロール１６内の平均的流動は、スクロール１６の舌部に接近するのに伴って加速することになる。この結果、ディフューザ１４上に周方向の圧力歪が生成される。逆に、比較的に小さな流量の用途においては、スクロール１６内の流動は、減速し、且つ、加速流の反対方向において周方向の圧力勾配を生成する。この歪の程度は、その適用点が中立点から離隔している距離と略相関している。すべてのスクロール又はボリュート内に、そのスクロール又はボリュート内の流れが加速も減速もしていない（例えば、拡散していない）適用点が存在している。この中立点においても、スクロール１６の舌部が圧力及び流れ場歪を生成する場合があり、これらの歪は、ディフューザ１４の領域に影響を及ぼすが、ディフューザ１４の周りを周方向に完全に３６０°にわたって延在してはいない。この局所的な流れ歪の領域は、舌部領域から羽根車１２の排出口まで延在する場合がある。

図３は、図１及び図２の遠心圧縮機段１０の羽根車１２及び非周期的ディフューザ１４の斜視図である。図示のように、羽根車１２は、複数のブレード１８を有する。羽根車１２が外部源（例えば、電動機や内燃機関など）によって回転駆動されるのに伴って、ブレード１８を横断する圧縮可能な流体は、羽根車１２の周りに半径方向に配設されたディフューザ１４に向かって加速される。図１及び図２に示されているように、スクロール１６は、ディフューザ１４に直接隣接して配置されており、且つ、ディフューザ１４を離脱した流体の流れを収集するように機能する。ディフューザ１４は、羽根車１２からの流体の高速の流れを高圧の流れに変換するように（例えば、動的ヘッドを圧力ヘッドに変換するように）構成されている。

本実施形態においては、ディフューザ１４は、取付表面２２の周りの周方向３１における非対称な（例えば、非周期的な）環状構造で、ディフューザ１４の取付表面２２（例えば、この特定のケースにおいては、ハブ）に結合されたディフューザ翼２０を含む。これらのディフューザ翼２０は、ディフューザ効率を増大させるように構成されている。後述するように、それぞれのディフューザ翼２０は、リーディングエッジ部４２と、トレーリングエッジ部４６と、を含む。更には、それぞれのディフューザ翼２０は、ディフューザ翼２０の反対面に、リーディングエッジ部４２からトレーリングエッジ部４６まで延在する圧力表面５０及び吸引表面５２を含む。ディフューザ翼２０近傍の特定の圧力及び流動特性に基づいてそれぞれの個々のディフューザ翼２０を設計することにより、従来の周期的な（例えば、対称的な）ディフューザと比べて、ディフューザ１４の効率を向上させることができる。

図４は、図１〜図３の羽根車１２の斜視図であり、且つ、図５は、その側面図である。図５に示されているように、圧縮可能な流体の流れ２４は、軸方向２６とは反対方向において羽根車１２に向かって導かれ得る。換言すれば、圧縮可能な流体の流れ２４は、羽根車１２、ディフューザ１４、及びスクロール１６の共通の中心軸に沿って羽根車１２に向かって導かれ得る。前述のように、羽根車１２が回転するのに伴って、軸方向２６に進入する流体は、周方向及び半径方向に加速されると共に押し出される。更に詳しくは、図５に示されているように、加速された流体の流れ２８は、少なくとも部分的に半径方向３０に導かれることになろう。羽根車１２の半径方向３０は、羽根車１２、ディフューザ１４、及びスクロール１６の共通中心軸と（位置及び方向の両方において）一致する軸方向２６に対して垂直となる、いずれの方向となり得る。更には、加速された流体は、羽根車１２、ディフューザ１４、及びスクロール１６の共通中心軸を中心とした回転方向のいずれかとなる周方向３１に、少なくとも部分的に導かれることになり得る。

図６は、図１〜図３の非周期的ディフューザ１４の斜視図である。図示のように、ディフューザ１４は、図４及び図５の羽根車１２と、軸方向２６の共通中心軸を共有している。更には、ディフューザ１４に対する半径方向３０は、羽根車１２と同じである。換言すれば、ディフューザ１４の半径方向３０は、羽根車１２、ディフューザ１４、及びスクロール１６の共通中心軸と（位置及び方向の両方において）一致する軸方向２６に対して垂直ないずれかの方向となり得る。更には、前述のように、ディフューザ１４は、ディフューザ１４の取付表面２２の周りの周方向３１に非対称なパターンとして配列されたディフューザ翼２０を含む。換言すれば、これらのディフューザ翼２０の形状、向き、及び／又は位置は、１つのディフューザ翼２０から、その隣のディフューザ翼２０に向けて、非周期的（例えば、非対称）となる。ディフューザ１４の周方向３１は、羽根車１２、ディフューザ１４、及びスクロール１６の共通中心軸を中心とした回転方向のいずれかとなり得る。

非周期的ディフューザ１４のディフューザ翼２０の非周期的な構成を示すために、この非周期的ディフューザ１４を、ディフューザの取付表面の周りの周方向３１において対称な（例えば、周期的な）パターンを有する、実質的に同一のディフューザ翼を備えるディフューザと比較する。例えば、図７は、周期的ディフューザ３２の斜視図である。更には、図８は、図７のライン８−８に沿って取得した周期的ディフューザ３２の部分斜視図である。図７に示されているように、周期的ディフューザ３２は、周期的ディフューザ３２の取付表面３６（例えば、この特定のケースにおいては、ハブ）の周りの周方向３１において対称的な（例えば、周期的な）パターンとして配設された、実質的に同一な複数のディフューザ翼３４を含む。

図８は、周期的ディフューザ３２の１つのディフューザ翼３４を示しており、これを基準翼として使用することとする。それぞれのディフューザ翼３４の任意の所与の軸方向の高さｚにおいて、その垂線が軸方向２６と一致する基準平面に沿って基準表面３８を規定してもよい。図８の基準ディフューザ翼３４においては、この基準表面３８は、ディフューザ翼３４の外側表面によって規定されている。但し、本明細書に記述されている分析は、ディフューザ翼３４の任意の軸方向の高さについて利用してもよい。換言すれば、基準平面は、ディフューザ翼３４の任意の軸方向の高さにおいて規定してもよい。図示の例においては、基準平面は、羽根車１２、ディフューザ１４、及びスクロール１６の共通中心軸を通過する基準中心点ｚ_refを含む。

基準表面３８は、基準中心点ｚ_refからの半径距離ｒ、角度位置θ、及び軸方向の高さｚによって規定された固有点の集合によって特徴付けられ得る。任意の所与の基準平面について、固有点の集合の軸方向の高さｚは、同一となる。但し、半径方向の距離ｒ及び角度位置θは、異なり、且つ、基準平面内の基準表面３８のそれぞれの固有点を規定することになる。例えば、ディフューザ翼３４のリーディングエッジ部４２に対応するリーディングエッジ点４０を、基準表面３８のベースライン点として規定してもよく、且つ、従って、半径方向の距離ｒ₀及び０°に等しい角度位置θ₀によって規定してもよい。同様に、ディフューザ翼３４のトレーリングエッジ部４６に対応するトレーリングエッジ点４４を半径方向の距離ｒ₁及び角度位置θ₁によって規定してもよい。更には、圧力表面点４８を半径方向の距離ｒ₂及び角度位置θ₂によって規定してもよい。従って、ディフューザ翼３４の圧力表面５０をディフューザ翼３４の圧力表面５０に沿った複数の点によって規定してもよい。但し、ディフューザ翼３４の吸引表面５２も同様に規定してもよい。実際に、図８に示されている基準ディフューザ翼３４の基準表面３８内には無数の固有点が存在し得る。但し、ディフューザ翼３４の形状、向き、及び／又は位置の演算を容易にするために、個々のディフューザ翼３４の設計を規定するために使用される固有点の数を制限してもよい。

更には、図７のディフューザ３２のディフューザ翼３４のそれぞれも、同様に、基準平面に沿って固有点の集合を含む。換言すれば、ディフューザ翼３４のそれぞれは、図８に示されている基準ディフューザ翼３４の基準表面３８などの基準平面に沿った固有点の集合によって規定される２次元領域を含んでもよい。図７及び図８の周期的ディフューザ３２の場合には、基準ディフューザ翼３４の基準平面（例えば、基準表面３８）の２次元領域内に存在する全ての点について、３６０．０をＮによって除算したものの整数倍だけ、これらの点の各々を回転させることにより、別のディフューザ翼３４の基準平面の２次元領域内に存在する点が与えられることになる。ここで、Ｎは、ディフューザ３２のディフューザ翼３４の数である。例えば、図７に示されているディフューザ３２は、９つのディフューザ翼３４を含む。従って、基準ディフューザ翼３４の基準平面（例えば、基準表面３８）の２次元領域内に存在する全ての点について、４０°、８０°、１２０°、１６０°、２００°、２４０°、２８０°、及び３２０°（例えば、３６０．０°を９によって除算したもの、即ち、４０．０°の整数倍）だけ、その点を回転させることにより、別のディフューザ翼３４の基準平面の２次元領域内に存在する点が得られる。

これとは対照的に、この要件を満足しない如何なるディフューザも、非周期的であると考えられる。例えば、図９は、取付表面２２の周方向３１の非周期的な（例えば、非対称的な）パターンとして配列された複数のディフューザ翼５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６、６８、及び７０を有する、図１〜図３、及び図６の非周期的ディフューザ１４の軸方向の図である。図９に示されている非周期的な（例えば、非対称な）パターンの特性を示すために、基準点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、及びＩが、取付表面２２の周囲に亘って、周方向位置に等間隔に配置されている。図示されているように、図９のディフューザ１４は、９つのディフューザ翼２０を含む。従って、基準点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、及びＩは、４０°の円弧角φ（例えば、３６０．０°を９によって除算したもの）だけ、等間隔で離隔している。

図示のディフューザ翼５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６、６８、及び７０のそれぞれは、概して、基準点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、及びＩのうちの１つと関連付けられている（例えば、ディフューザ翼５４は、基準点Ａと関連付けられており、ディフューザ翼５６は、基準点Ｂと関連付けられており、ディフューザ翼５８は、基準点Ｃと関連付けられており、ディフューザ翼６０は、基準点Ｄと関連付けられており、ディフューザ翼６２は、基準点Ｅと関連付けられており、ディフューザ翼６４は、基準点Ｆと関連付けられており、ディフューザ翼６６は、基準点Ｇと関連付けられており、ディフューザ翼６８は、基準点Ｈと関連付けられており、且つ、ディフューザ翼７０は、基準点Ｉと関連付けられている）。基準点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、及びＩは、ディフューザ翼５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６、６８、及び７０の形状、向き、及び／又は位置が取付表面２２の周方向３１に沿ってディフューザ翼の間においてどのように変化しているのかを示すために使用されている。

更に詳しくは、前述のように、周期的な（例えば、対称な）ディフューザ１４として見なされるためには、ディフューザ翼５４の基準平面のディフューザ翼５４（例えば、基準翼）の２次元領域内に存在する全ての点について、４０°、８０°、１２０°、１６０°、２００°、２４０°、２８０°、及び３２０°（例えば、３６０．０°を９によって除算したもの、即ち、４０．０°の整数倍）だけ、その点を回転させることにより、その他のディフューザ翼５６、５８、６０、６２、６４、６６、６８、及び７０の基準平面の２次元領域内に存在する点が与えられることになる。しかしながら、図示のように、４０°、８０°、１２０°、１６０°、２００°、２４０°、２８０°、及び３２０°の円弧角だけ回転した基準点Ａに対応する基準点Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、及びＩは、その他のディフューザ翼５６、５８、６０、６２、６４、６６、６８、及び７０の基準平面の２次元領域内に全てが存在しているわけではない。例えば、基準点Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、及びＩは、ディフューザ翼６２、６４、６６、６８、及び７０の基準平面の２次元領域内に存在していない。従って、図９に示されているディフューザ１４は、非周期的な（例えば、非対称な）ディフューザ１４である。

前述のように、取付表面２２の周りの周方向３１におけるディフューザ翼２０の非対称な（例えば、非周期的な）パターンは、羽根車１２からディフューザ１４を横断し、スクロール１６を通って流れる流体の圧力及び流体流動特性を考慮することによって決定してもよい。例えば、図１０は、非周期的ディフューザ１４の取付表面２２の周りの非対称な（例えば、非周期的な）パターンとして配列された複数のディフューザ翼２０の形状、向き、及び／又は位置を導出するための方法７２のフローチャートである。ディフューザ１４の個々のディフューザ翼２０の各々の形状、向き、及び／又は位置を導出する際に、流れ場の摂動が考慮されるように、羽根車−ディフューザ−スクロールの組の全体に亘って（例えば、羽根車１２からディフューザ１４を横断し、スクロール１６を通過する）、遠心圧縮機段１０によって圧縮された流体の圧力及び流体流動特性を判定してもよい（ブロック７４）。更に詳しくは、ディフューザ翼２０の少なくとも１つが、３６０．０°をＮによって除算したものの整数倍に等しい円弧角だけその他のディフューザ翼２０のそれぞれを理論的に単純に回転させることによって導出されないように、羽根車−ディフューザ−スクロールの組の全体に亘る圧力及び流体流動特性を使用し、ディフューザ１４のそれぞれの個々のディフューザ翼２０の形状、向き、及び／又は位置を導出してもよい（ブロック７６）。ここで、Ｎは、ディフューザ１４のディフューザ翼２０の数に等しい。更には、ある特定の実施形態においては、羽根車−ディフューザ−スクロールの組の全体に亘る圧力及び流体流動特性を考慮することにより、ディフューザ１４用のディフューザ翼２０の最適な数を決定してもよい。図１０の方法７２は、ディフューザ翼２０の形状、向き、及び／又は位置を導出するように特にプログラムされたコンピュータ上において実行されてもよい。コンピュータは、メモリと通信すると共に図１０の方法７２によって示されているようなコンピュータ命令を実行し得る１つ又は複数のプロセッサを含む、任意の適切なコンピュータ（例えば、ラップトップ、デスクトップ、サーバーなど）であってよい。

羽根車−ディフューザ−スクロールの組の全体に亘る圧力及び流体流動特性に基づいて、個々のディフューザ翼２０の各々の形状、向き、及び／又は位置を導出することにより、ディフューザ翼２０の調節が可能となり、この結果、例えば、ボリュート又はスクロールの舌部の存在に起因した、流れ場の摂動の悪影響が低減されることになり得る。従って、非周期的ディフューザ１４は、そのそれぞれの遠心圧縮機段１０の全体的な効率の向上をもたらすことになり得る。例えば、ある特定の実施形態においては、流体の流れ場の変動を考慮したディフューザ翼２０の非対称的な（例えば、非周期的な）パターンの導出によって、約０．５％、１．０％、１．５％、又は、これを上回る程の圧縮機段の効率向上をもたらすことになり得る。

ディフューザ翼２０の非対称な（例えば、非周期的な）パターンは、第１ディフューザ翼２０から第２ディフューザ翼２０への非対称な形状、非対称な向き、又はこれらの両方を含んでもよい。例えば、ある特定の実施形態においては、非対称な形状は、第１ディフューザ翼２０から第２ディフューザ翼２０への圧力表面５０の変化を含んでもよい。但し、その他の実施形態においては、非対称な形状は、第１ディフューザ翼２０から第２ディフューザ翼２０への吸引表面５２の変化を含んでもよい。更には、ある特定の実施形態においては、非対称な向きは、第１ディフューザ翼２０から第２ディフューザ翼２０への半径方向の位置の変化を含んでもよい。但し、その他の実施形態においては、非対称な向きは、第１ディフューザ翼２０から第２ディフューザ翼２０への等間隔で離隔した基準点に対する周方向の位置の変化を含んでもよい。更には、その他の実施形態においては、非対称な向きは、第１ディフューザ翼２０から第２ディフューザ翼２０への角度方位の変化を含んでもよい。

この方法における特異な点は、羽根車１２の上流からスクロール１６の下流まで延在する演算場を伴う個々のディフューザ翼２０の各々における非周期的ディフューザ１４の性能を最適化するための時間非定常型の数値流体力学（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｏｗ Ｄｙｎａｍｉｃｓ：ＣＦＤ）の使用である。このレベルの分析の結果により、ディフューザ１４内の非定常流れ場の総合的な検証と、ディフューザ１４を有する圧縮機段１０の性能の全体的な推定とが可能になる。ディフューザ翼２０の最適な構成により、ディフューザ翼２０の近傍において損失を生じさせる流体構造の形成を最小化することができる。開示された実施形態においては、個々のディフューザ翼２０の最適な形状、向き、及び／又は位置の結果として、３６０．０°をディフューザ翼２０の数によって除算したものに等しい円弧角において規定された等間隔の半径方向のラインに沿って空間的に対称ではないディフューザ翼２０のうちの１つ又は複数のディフューザ翼が得られる。

個々のディフューザ翼２０は、例えば、変形２次元翼列、３次元で彫刻された平らなプレート設計、３次元に捩じられたエアフォイル、又は任意の３次元表面を含んでもよい。羽根車１２の排出口流れ場及び正確なボリュート形状は、最適なディフューザ翼の表面形状を決定することになる。羽根車１２及びスクロール１６の両方によって生成される特定の局所的圧力及び流体流動特性に基づいて、個々のディフューザ翼２０の各々を特別に構成してもよい。最終的な構成は、全ての用途に跨る１つの共通的な特性を共有することになる。即ち、ディフューザ１４は、ディフューザ翼２０が局所的に最適化されているため、非周期的なものとなる（周方向において対称ではなくなる）。多くの場合に、任意の所与のディフューザ翼２０について、単一の最良の固有のディフューザ翼形状は存在しないものと思われる。従って、最適な選択肢は、製造が最も単純であり、且つ、最適な性能を提供するものとなり得る。この設計法の利点により、約１．５％の範囲の段全体の効率の改善と、ストールマージンの改善とが可能となる。

本発明には、様々な変更及び代替形態が可能であるが、一例として、特定の実施形態を図面に示し、且つ、本明細書において詳細に説明した。但し、本発明が、開示された特定の形態に限定されるものと解釈してはならないことを理解されたい。むしろ、本発明は、添付の請求項によって規定された本発明の精神及び範囲に含まれるすべての変更、均等物、及び代替肢を含んでいる。

Claims (20)

1. 羽根車と、
   前記羽根車からの流体の流れの速度を圧力に変換するように構成されたディフューザと、
   前記ディフューザからの前記流体の流れを前記遠心ガス圧縮機から外部に導くように構成されたスクロールと、を有する遠心ガス圧縮機を備え、
   前記ディフューザは、該ディフューザの取付表面の周囲に亘って非対称なパターンとして配列された複数のディフューザ翼を備える、システム。
2. 前記非対称なパターンは、前記羽根車から前記ディフューザを横断し、前記スクロールを通って流れる前記流体の特性に基づいて決定される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記非対称なパターンは、非対称な形状を有する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記非対称な形状は、第１ディフューザ翼から第２ディフューザ翼への圧力表面の変化を有する、請求項３に記載のシステム。
5. 前記非対称な形状は、第１ディフューザ翼から第２ディフューザ翼への吸引表面の変化を有する、請求項３に記載のシステム。
6. 前記非対称なパターンは、非対称な向きを有する、請求項１に記載のシステム。
7. 前記非対称な向きは、第１ディフューザ翼から第２ディフューザ翼への半径方向の位置の変化を有する、請求項６に記載のシステム。
8. 前記非対称な向きは、第１ディフューザ翼から第２ディフューザ翼への、等間隔で離隔した基準点に対する周方向の位置の変化を有する、請求項６に記載のシステム。
9. 前記非対称な向きは、第１ディフューザ翼から第２ディフューザ翼への角度方位の変化を有する、請求項６に記載のシステム。
10. 取付表面と、
    前記取付表面から軸方向に延在し、前記取付表面に沿って周方向に非対称なパターンを形成する複数のディフューザ翼と、を有する遠心ガス圧縮機を備える、システム。
11. 前記非対称なパターンは、非対称な形状を有する、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記非対称な形状は、第１ディフューザから第２ディフューザへの圧力表面又は吸引表面の変化を有する、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記非対称なパターンは、非対称な向きを有する、請求項１０に記載のシステム。
14. 前記非対称な向きは、第１ディフューザ翼から第２ディフューザ翼への半径方向の位置の変化を有する、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記非対称な向きは、第１ディフューザ翼から第２ディフューザ翼への、等間隔で離隔した基準点に対する周方向の位置の変化を有する、請求項１３に記載のシステム。
16. 前記非対称な向きは、第１ディフューザ翼から第２ディフューザ翼への角度方位の変化を有する、請求項１３に記載のシステム。
17. 遠心圧縮機羽根車から遠心圧縮機ディフューザを横断し、遠心圧縮機スクロールを通って流れる流体の３次元流れ場特性を決定するステップと、
    前記３次元流れ場特性に基づいて、前記遠心圧縮機ディフューザの複数のディフューザ翼の各々の形状、向き、及び位置を最適化するステップと、を備える方法。
18. 前記複数のディフューザ翼の各々の形状、向き、及び位置を最適化するステップは、前記複数のディフューザ翼の各々の近傍において、損失を生じさせる流体構造の形成を最小化するステップを有する、請求項１７に記載の方法。
19. 前記複数のディフューザ翼の各々の形状、向き、及び位置を最適化するステップは、前記複数のディフューザ翼の各々の圧力表面又は吸引表面を最適化するステップを有する、請求項１８に記載の方法。
20. １つ又は複数のディフューザ翼表面は、３６０°を前記ディフューザ翼の数によって除算したものに等しい角度で規定された、等間隔で離隔した半径方向ラインに沿って空間的に対称ではない、請求項１７に記載の方法。

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