JP2018514691A - ディフューザにおける偏向通路およびこうしたディフューザを設計する対応する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2015年4月30日に出願され、「ターボ機械用の偏向通路流動装置(Biased Passage(s) Flow Devices For Turbomachinery)」と題する米国仮特許出願第62/155,341号、および2015年10月19日に出願され、「ディフューザ入口における非均一な圧力を考慮してターボ機械を設計する方法ならびに関連する構造および装置(Methods For Designing Turbomachines To Account For Non-Uniform Pressures At Diffuser Inlet And Associated Structures And Devices)」と題する米国仮特許出願第62/243,415号の優先権の利益を主張する。これらの出願の各々は、全体として参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、概して、ターボ機械の分野に関する。特に、本発明は、ターボ機械用の偏向通路に関する。
過去数十年間にわたって、遠心ポンプ段および圧縮機段のための多種多様なディフューザタイプが採用されてきた。場合によっては、最初に良好なインペラが設計され、その後、次いで良好なディフューザが設計されるか、または、2つの要素が同時に設計される。それとは無関係に、本質的にすべての過去の研究は、ディフューザ入口における流れが準定常/軸対称であるという想定に基づいており、それは、通常、予備設計のための1次元(1D)速度三角形モデルとして単純に処理されてきた。これらの想定の大部分は、今日使用されている数値流体力学(CFD)モデルを用いる場合も継続している。通常、幾分かのレベルでは、ブレードの数に関わらず、インペラから出て、その後、この場合もまた羽根の数に関わらず、ディフューザに入る流れは、本質的に周期的かつ軸対称であり、各ディフューザ通路を完全にかつ均一に充填する、と想定されてきた。
一実施態様では、本開示は、ターボ機械用のディフューザであって、周方向圧力分布を有する流れ場を受け取る、ディフューザの周囲に配置された複数のディフューザ通路を含み、ディフューザ通路が、少なくとも1つの周期的セクションおよび少なくとも1つの非周期的セクションを含み、少なくとも1つの非周期的セクションが、周方向圧力分布を周方向均一性に向かって偏向させるように配置され、構成され、かつ寸法が決められた少なくとも1つの偏向通路を含む、ディフューザに関する。
本発明を例示する目的で、図面は、本発明の1つまたは複数の実施形態の態様を示す。しかしながら、本発明は、図面に示す正確な配置構成および手段に限定されないことが理解されるべきである。
本開示の態様は、ターボ機械の性能を向上させるように設計された1つまたは複数の流れ案内機能を有するターボ機械を含む。いくつかの例では、流れ案内機能は、ディフューザ入口における周方向圧力分布を周方向均一性に向かって偏向させるか、または他の方法でこうした低周波数空間圧力変動を考慮するように設計されかつ構成されている。いくつかの例では、複数の第1羽根を含む羽根の列と第1羽根とは異なる特徴を有する少なくとも1つの第2羽根とを有するディフューザを開示する。いくつかの例では、流れ場を偏向させるための1つまたは複数の偏向通路を含む非周期的セクションを有するディフューザを開示する。いくつかの例では、ハブ表面およびシュラウド表面の一方または両方に流れ方向の細長い凹部を有するターボ機械を開示する。本明細書に記載するように、本開示は、限定されないが周方向非対称を含む流れ場特徴を考慮し、それによりターボ機械の性能を向上させるように、ターボ機械に組み込むことができる、流れ案内機能のさまざまな組み合わせを含む。
Claims (45)
- ターボ機械用のディフューザであって、
周方向圧力分布を有する流れ場を受け取る、前記ディフューザの周囲に配置された複数のディフューザ通路
を含み、
前記ディフューザ通路が、少なくとも1つの周期的セクションおよび少なくとも1つの非周期的セクションを含み、前記少なくとも1つの非周期的セクションが、前記周方向圧力分布を周方向均一性に向かって偏向させるように配置され、構成され、かつ寸法が決められた少なくとも1つの偏向通路を含む、ディフューザ。 - 前記複数のディフューザ通路が第1空間周波数を有し、前記周方向圧力分布が、前記第1空間周波数より低い空間周波数を有する時間平均低周波数成分を含み、前記少なくとも1つの偏向通路が、前記低周波数成分を周方向に均一な圧力分布に向かって偏向させるように構成されている、請求項1に記載のディフューザ。
- 前記少なくとも1つ周期的セクションが複数の第1羽根を含み、前記少なくとも1つの偏向通路が少なくとも1つの第2羽根を含み、前記第1羽根および前記第2羽根が、各々、前縁位置に配置された前縁、後縁位置に配置された後縁、ディフューザ中心線からの半径方向距離、弦長、最大厚さ、高さ、流れ方向形状分布、食違い角、羽根ピッチ、羽根くさび角、羽根傾き、羽根ねじり角、羽根前縁形状およびチャネル開き角のうちの1つまたは複数を含む、複数の羽根特徴を有し、さらに、前記少なくとも1つの第2羽根の前記複数の羽根特徴のうちの少なくとも1つが、前記複数の第1羽根の前記複数の羽根特徴のうちの少なくとも1つとは異なる、請求項1に記載のディフューザ。
- 前記第1羽根特徴とは異なる前記複数の第2羽根特徴のうちの前記少なくとも1つが、前記複数の羽根特徴のうちの任意のものの相違を任意の組合せで含む、請求項3に記載のディフューザ。
- 前記少なくとも1つの第2羽根の前記前縁が、前記複数の第1羽根の前記前縁とは異なる前記ディフューザ中心線からの半径方向距離に配置されている、請求項3に記載のディフューザ。
- 前記少なくとも1つの第2羽根の前記後縁が、前記複数の第1羽根の前記後縁とは異なる前記ディフューザ中心線からの半径方向距離に配置されている、請求項3に記載のディフューザ。
- 前記少なくとも1つの第2羽根が、前記第1羽根とは異なる前記ディフューザ中心線からの半径方向距離に配置されている、請求項3に記載のディフューザ。
- 前記第2羽根の弦長が前記第1羽根の弦長とは異なる、請求項3に記載のディフューザ。
- 前記第2羽根の最大厚さが前記第1羽根の最大厚さとは異なる、請求項3に記載のディフューザ。
- 前記第2羽根の高さが前記第1羽根の高さとは異なる、請求項3に記載のディフューザ。
- ハブ表面およびシュラウド表面をさらに含み、前記複数のディフューザ通路が、前記ハブ表面と前記シュラウド表面との間に延在し、さらに、前記第2羽根が、前記ハブ表面または前記シュラウド表面のいずれかに取り付けられた部分高さ羽根である、請求項10に記載のディフューザ。
- 前記第2羽根の流れ方向形状分布が、前記第1羽根の流れ方向形状分布とは異なる、請求項3に記載のディフューザ。
- 前記第2羽根の食違い角が前記第1羽根の食違い角とは異なる、請求項3に記載のディフューザ。
- 前記少なくとも1つの偏向通路が閉鎖されている、請求項13に記載のディフューザ。
- 前記少なくとも1つの第2羽根の前記食違い角が一定である、請求項13に記載のディフューザ。
- 前記少なくとも1つの第2羽根の前記食違い角が調整可能である、請求項13に記載のディフューザ。
- 前記第2羽根のピッチが前記第1羽根のピッチとは異なる、請求項3に記載のディフューザ。
- 前記複数のディフューザ通路が、各々通路高さを有し、前記少なくとも1つの偏向通路の前記通路高さが、前記周期的セクションにおける前記ディフューザ通路の前記通路高さとは異なる、請求項1に記載のディフューザ。
- ハブ表面と、シュラウド表面と、前記ハブ表面および前記シュラウド表面のうちの少なくとも一方に位置する流れ方向凹部とをさらに含み、前記流れ方向凹部が、前記少なくとも1つの偏向通路の上流に延在しかつそれと位置合わせされている、請求項18に記載のディフューザ。
- ハブ表面と、シュラウド表面と、前記ハブ表面および前記シュラウド表面のうちの少なくとも一方に位置する少なくとも1つの細長い流れ方向凹部とをさらに含む、請求項3に記載のディフューザ。
- 複数の細長い流れ方向凹部を含み、前記複数の細長い流れ方向凹部が、前記ディフューザの周囲に非周期的な配置を有する、請求項20に記載のディフューザ。
- 前記周方向圧力分布が、前記ディフューザの上流または下流に位置する非対称流路を源としない、請求項1に記載のディフューザ。
- 前記周方向圧力分布が、前記ディフューザの上流または下流に位置する非対称流路を源とせず、前記非対称流路が、側部入口、非対称収集器およびボリュートからなる群から選択されている、請求項1に記載のディフューザ。
- 前記少なくとも1つの偏向通路が、ボリュート舌部に近接するボリュート歪みゾーンに、または前記ボリュート歪みゾーンから180度の位置に近接して位置していない、請求項1に記載のディフューザ。
- 遠心圧縮機またはポンプで使用されるように構成され、さらに、前記少なくとも1つの偏向通路が、段効率を、0.2パーセントポイントを超える割合で向上させ、より均一なインペラ出口流れ分布をもたらし、最大貫通流を所与の速度で0.1%を超える割合で改善し、サージラインを、0.2%を超える割合で低減させ、またはインペラもしくはディフューザの羽根に対する振動応力レベルを、0.2%を超える割合で低減させるように、前記周方向圧力分布の大きさの変動を制限するかまたは低減させるように構成されかつ寸法が決められている、請求項1に記載のディフューザ。
- 遠心圧縮機またはポンプで使用されるように構成され、前記周期的セクションが空間周波数を有し、前記周方向圧力分布が、前記周期的セクションの前記空間周波数未満の一次空間周波数を有し、さらに、前記少なくとも1つの偏向通路が、前記圧縮機またはポンプの設計動作範囲にわたる前記周方向圧力分布の大きさの最大変動を、1%を超える割合で低減させるように構成されかつ寸法が決められている、請求項1に記載のディフューザ。
- 圧力上昇を発生させるように構成されたインペラを有する遠心圧縮機またはポンプで使用されるように構成され、前記周期的セクションが空間周波数を有し、前記周方向圧力分布が、前記周期的セクションの前記空間周波数未満の一次空間周波数を有し、さらに、前記少なくとも1つの偏向通路が、前記圧縮機またはポンプの設計動作範囲にわたる前記周方向圧力分布の大きさの最大変動を、インペラ圧力上昇の30%未満まで制限するように構成されかつ寸法が決められている、請求項1に記載のディフューザ。
- 前記第1羽根および前記第2羽根が同じ列に位置している、請求項1〜27のいずれか一項に記載のディフューザ。
- ディフューザであって、
前記ディフューザの周囲の一部に列で配置された複数の第1羽根であって、前記第1羽根の各々が、隣接する第1羽根から第1周方向距離、間隔を空けて配置されている、複数の第1羽根と、
前記第1羽根のうちのいくつかの間に位置する少なくとも1つの第2羽根であって、前記少なくとも1つの第2羽根が、前記第1羽根とは異なる特徴を有し、前記異なる特徴により、前記ディフューザに入る流れ場の周方向圧力分布を周方向に均一な圧力分布に向かって偏向させる、前記少なくとも1つの第2羽根に近接する偏向通路がもたらされる、少なくとも1つの第2羽根と、
を含むディフューザ。 - 前記異なる特徴が、ディフューザ中心線からの前縁または後縁の半径方向距離、ディフューザ中心線からの半径方向距離、弦長、最大厚さ、高さ、流れ方向形状分布、食違い角、羽根ピッチ、羽根くさび角、羽根傾き、羽根ねじり角、羽根前縁形状およびチャネル開き角からなる群から選択されている、請求項29に記載のディフューザ。
- 前記複数の第1羽根が空間周波数を有し、前記偏向ディフューザ通路が、前記第1羽根空間周波数より低い空間周波数を有する低周波数成分を有する時間平均周方向圧力分布を偏向させるように構成され、前記偏向通路が、前記低周波数成分を周方向に均一な圧力分布に向かって偏向させるように構成されている、請求項29に記載のディフューザ。
- ディフューザであって、
ハブおよびシュラウドと、
前記ハブから前記シュラウドまで延在し、かつ前記ディフューザの周囲の一部に列で配置されている複数の第1羽根と、
前記第1羽根のうちのいくつかの間に位置する少なくとも1つの第2羽根であって、前記ハブから前記シュラウドまで延在し、前記第1羽根とは異なる特徴を有する少なくとも1つの第2羽根と、
を含むディフューザ。 - 前記異なる特徴が、ディフューザ中心線からの前縁または後縁の半径方向距離、ディフューザ中心線からの半径方向距離、弦長、最大厚さ、高さ、流れ方向形状分布、食違い角、羽根ピッチ、羽根くさび角、羽根傾き、羽根ねじり角、羽根前縁形状およびチャネル開き角からなる群から選択されている、請求項32に記載のディフューザ。
- ハブおよびシュラウドと、
各々が少なくとも2つの羽根を含む複数の羽根群であって、前記少なくとも2つの羽根の各々が前記少なくとも2つの羽根の他のものとは異なる特徴を有する、複数の羽根群と、
を含むディフューザ。 - 周囲を有し、前記羽根群が、前記ディフューザの前記周囲に周期的な配置で位置している、請求項34に記載のディフューザ。
- 前記少なくとも2つの羽根が部分高さ羽根であり、前記少なくとも2つの羽根のうちの1つが前記シュラウドに取り付けられ、前記少なくとも2つの羽根のうちの第2羽根が前記ハブに取り付けられている、請求項34に記載のディフューザ。
- 前記少なくとも2つの羽根の高さが同じではない、請求項36に記載のディフューザ。
- 入口と前記入口に近接する周方向圧力変動を低減させる複数の羽根とを有するディフューザを設計する方法であって、前記圧力変動が、前記羽根の空間周波数未満の一次空間周波数を有する、方法であり、
各々が入口を有しかつ前記ディフューザの周囲に位置する複数のディフューザ通路を設けることと、
前記複数のディフューザ通路のうちのいくつかの間に少なくとも1つの偏向ディフューザ通路を配置することであって、前記偏向ディフューザ通路が、前記複数のディフューザ通路の前記入口における前記周方向圧力変動を最小限にするように、前記複数のディフューザ通路とは異なる断面積を有する、配置することと、
を含む方法。 - ディフューザを設計する方法であって、
軸対称ディフューザの計算モデルを展開することと、
時間平均低周波数周方向変動を有する周方向圧力分布が前記ディフューザへの入口に存在する場合、前記ディフューザの性能を計算することと、
前記ディフューザに少なくとも1つの偏向流路を追加するように前記計算モデルを変更することと、
前記変更したディフューザの性能を計算することと、
前記2つの計算するステップからの前記ディフューザ性能を比較して、前記偏向流路がディフューザ性能を向上させたか否かを判断することと、
を含む方法。 - ディフューザを設計する方法であって、
周期的ディフューザ通路を有する第1ディフューザへの入口における周方向圧力分布を測定することと、
前記第1ディフューザを、少なくとも1つの偏向ディフューザ通路を備えた少なくとも1つの非周期的セクションを有する第2ディフューザと置き換えることと、
前記第2ディフューザへの入口における周方向圧力分布を測定することと、
前記2つの測定するステップからの前記圧力分布を比較して、前記第2ディフューザが、前記測定された周方向圧力分布の大きさの望ましくない変動を、所定量だけ低減させたか否かを判断することと、
を含む方法。 - 前記第1ディフューザの性能を計算することと、
前記第2ディフューザの性能を計算することと、
前記2つの計算するステップからの前記性能を比較して、前記第2ディフューザがディフューザ性能を所定量だけ向上させたか否かを判断することと、
をさらに含む、請求項40に記載の方法。 - 入口および出口と、
各々が前記入口と前記出口との間に延在しているハブ表面およびシュラウド表面と、
前記ハブ表面および前記シュラウド表面のうちの少なくとも一方における複数の流れ方向凹部であって、非周期的である複数の流れ方向凹部と、
を含む羽根なしディフューザ。 - 前記複数の流れ方向凹部が、1つまたは複数の第1流れ方向凹部と1つまたは複数の第2流れ方向凹部とを含み、前記1つまたは複数の第2流れ方向凹部が、前記第1流れ方向凹部とは異なる少なくとも1つの特徴を有する、請求項42に記載の羽根なしディフューザ。
- 異なる前記少なくとも1つの特徴が、長さ、幅、前縁位置、後縁位置、深さおよび断面形状からなる群から選択されている、請求項43に記載の羽根なしディフューザ。
- ターボ機械用のディフューザであって、
流れ場を受け入れるように前記ディフューザの周囲に位置する複数のディフューザ通路であって、前記流れ場が周方向圧力分布を有する、複数のディフューザ通路
を含み、
前記ディフューザ通路が、各々が流れ方向に沿って第1有効断面積分布を有する通路の第1組と、前記流れ方向に沿って第2有効断面積分布を有する少なくとも1つの偏向通路とを含み、前記第1有効断面積分布および前記第2有効断面積分布が異なり、前記少なくとも1つの偏向通路が、前記周方向圧力分布を周方向均一性に向かって偏向させるように配置され、構成されかつ寸法が決められている、ディフューザ。
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