JP4295611B2 - 流れ安定化装置 - Google Patents

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［関連出願データ］
本願は、２００１年６月１５日に出願した米国暫定特許出願第６０／２９８，８３４号の利益を請求し、あたかもここにその全体を包含されるかのように、参照して組み入れられる。

本発明は、流路における渦またはその他の不安定流れを少なくとも部分的に安定化する装置に関し、特に、流路の側壁環状スロットによって形成される実質的に半径方向羽根なしディフューザに関する。

システムを通過する流体の速度を減少しかつ静圧を増加させるためにディフューザを使用することは、周知である。流体流れがディフューザに入るに従って、流体のエネルギは、渦が存在するときの角運動量の保存および線形運動量の保存のために静圧上昇に変換される。ディフューザは、特定のシステム内でブレード付きインペラまたは組合せインデューサ／インペラとの組合せにおいてしばしば用いられる。

ブレード付きインペラまたは組合せインデューサ／インペラは、様々な流体（すなわち、空気、水、蒸気、またはそれらの組合せ）をシステムに流すために、遠心混合流れ、軸流ポンプ、コンプレッサ、ブロワー、ファンの重要な要素である。流体が設備の入口に接近するに従って、流体流れの状態にもとづいて、ブレード付きインペラまたは組合せインデューサ／インペラの設計は、流体流れの不安定性を制御し、設備全体の不安定性を防止し、非追加の境界層のような他の流体問題を制御するために、重要になる。流体流れにおける不安定性の例は、インペラ／インデューサ設計それ自体からしばしば生じる渦（任意の形体の流体）、流体中の渦によって生じる液体内のキャビテーション流れまたはそれらの組合せ、主流れ方向に付随されていない境界層流れを含む。

従来のポンプの場合には、ブレード付きインペラまたは組合せインデューサ／インペラは、非常に低い入口圧力状態を処理するように通常使われている。流体がブレード付き部分を通過するとき、流体は圧力上昇をする。キャビテーション液体／蒸気流れの場合には、圧力増加が流れ内に蒸気の気泡を押し潰しおよび／または凝縮し、それによって流体を蒸気相から液相に戻す。特定の用途においては、これは極めて重要である。ターボポンプ、航空機燃料ポンプ、および多くの産業用ポンプは非常に低い入口圧力状態に影響を受ける。

インデューサ性能の不幸な観点は、キャビテーション流れが様々な動作条件の下で完全に防止されないことである。性能は非常に低い入口圧力まで一定に低下しているが、入口圧力における十分な低下によって水頭の完全な崩壊が生じる。これは、キャビテーション（二相）流れのときに通常起こり、それは一部区間渦（ｐａｒｔ−ｓｐａｎ ｖｏｒｔｅｘ）または先端渦（ｔｉｐ ｖｏｒｔｅｘ）から主として発生し、インペラ通路を実質的に満たす。これらの不安定性は、インデューサにおけるキャビテーション流れの発展から生じる。もしもこの発展が調和した均等な安定流れパターンをインデューサ内に維持することができないならば、振動が起こる。これらの振動は深刻であり、動的不安定性がインペラ内に存在しかつ全体のポンプ回路網内に、可能性として下流要素にその不安定性を伝播し始める自動振動につながる。その結果、ディフューザは、キャビテーション流れまたは流体内のキャビテーション流れを招く渦のいずれかの部分を除去する助けをするインデューサ領域に用いられてもよい。

ディフューザをポンプの分野に適用することに加えて、同じ適用が遠心混合流れ、軸流コンプレッサ、ブロワー、ファンについてもなされうる。基本的な差違は、ポンプの場合には抑制または除去されたキャビテーションが種々のガスを取り扱うコンプレッサ、ファン、ブロワーの場合においてまったく適用しないことである。キャビテーションは液体においてのみ起こる。それにもかかわらず、先導縁渦および入口不安定性のその他の形体を固定することは可能である。それは羽根先導縁の適切な整形を達成する。このような渦またはその他の不安定領域が、制御されていない場合に、各設備の運転に否定的な衝撃を与える相当なエネルギを含むことがある。

上述したように、システムを通過する流体の速度を低下しかつその静圧を増加するようにディフューザを使用することは、一般の入口流れを処理するさいに周知であるが、先端渦を飲み込むように従来用いられていなかった。従来特許された装置は、入口キャビテーションおよび入口領域内におけるその他の流れ不安定性の発展に関連した問題を対処する試みにおいて様々な手段を利用している。流れがカバー・スロットまたは穴をかいして引き出されるようにすることは、Ｃｈａｐｍａｎおよびその他（Ｄｅｎｎｉｓ Ｃ．Ｃｈａｐｍａｎ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｍｏｔｏｒｓ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによるＭｏｄｅｌ２５０−Ｃ３０１Ｃ２８Ｂコンプレッサ開発参照）によって初期の特許作業において達成された。流れを引き出し、次いで上流に再流入させることは、Ｊａｃｋｓｏｎ（１９７０年４月７日に特許された米国特許第３，５０４，９８６号）、Ｃｏｏｐｅｒ（１９８３年３月８日に特許された米国特許第４，３７５，９３７号）、Ｍｅｎｇ（１９８７年１１月２４日に特許された米国特許第４，７０８，５８４号）、Ｅｄｗａｒｄｓ（１９５８年４月２９日に特許された米国特許第２，８３２，２９２号）による初期の特許をかいして達成された。

先端渦のような高度に妥協された流れを処理するための有効なディフューザを設計するさいの従来の試みは、様々な理由で失敗した。従来のディフューザ設計は、有効に拡散する流れというよりはむしろ再循環流れにしばしば焦点を合わせられている。例えば、流れは、しばしば流れ出され、流れに含まれるエネルギを散逸させる蛇行性の流路から送られる。流体流れのエネルギを散逸することによって、流体に含まれる圧力は低下され、それによって与えられた拡散装置の有効性を低下する。さらに、従来発明のディフューザは、しばしば羽根を含んでいる。羽根付きディフューザは、変形を生じることによって流れ場に追加の不安定性を生じるように知られている。さらに、羽根はディフューザの製造および装着の困難性を増加する。さらに別のディフューザ設計は、流れ場の格別な特性を考慮していない。例えば、他のディフューザ・スロットの長さは、しばしばあまりにも短過ぎて格別のキャビテーション流れ内の蒸気気泡を押し潰しおよび／または凝縮するための十分な静圧を生じられない。

本発明は、羽根なしディフューザ内の不安定流体の少なくとも一部を取り込むことによって、流路内の不安定流体流れを少なくとも部分的に安定化する装置である。本発明の別の観点は、流体の追加の利点を取り入れるために、流れがディフューザを通過するさいに、流れに内蔵されているエネルギの相当部分を維持しかつ利用することを含む。追加の利点の一例は、流路の不安定性を減少することを助けるために、流路にディフューザ流出物を排出することを含む。本発明の追加の観点は、特別の流体流れが動作する流体流れ特性に直接に関連したディフューザ設計である。

本発明の一実施例においては、流路内の不安定流体流れを少なくとも部分的に安定化する装置が、流路内に少なくとも部分的に存在するインデューサまたはインペラを含む。インデューサまたはインペラは、流れを流路に引き込むかまたは流れによって流路内に駆動される回転自在ブレードを有する。インデューサまたはインペラは軸の周りに回転できる。流路はハウジングの内部側壁によって形成される。ハウジングは入口プレナムによって少なくとも部分的に包囲される。ハウジングは出口を含む。本装置は、入口と出口とを有する少なくとも１つのディフューザ・スロットを含む。入口は流路と流体連通する。ディフューザ・スロットは前記軸に関して実質的に半径方向に延びている。本装置はまた、ディフューザ・スロットの出口に流体連通している少なくとも１つの通路を含む。通路は入口プレナム、ハウジング出口、ハウジング出口の下流領域、流路またはそれらの組合せに流体連通する。本装置のディフューザ・スロットは、１．０３よりも大きいか等しい半径比を有している。

本発明の別の実施例においては、本装置は、流路にそって配置された多数のディフューザ・スロットを含む。流れは、様々な点において流路から多数のディフューザ・スロットに流れ出る。ディフューザ・スロットの流れは、上述した実施例におけるものと同様に処理される。本発明においては、ディフューザ・スロットの任意の組合せが用途にもとづいて利用されうることが意図されている。

本発明のさらに別の実施例においては、本装置は、ハウジング出口羽根およびハウジング出口のいずれかの側に配置された少なくとも１つのディフューザ・スロットを含む。渦または不安定流れが、ディフューザ・スロット内に取り込まれ、入口プレナムへ排出され、ハウジング出口羽根またはハウジング出口の下流に戻される。

本発明のさらに別の実施例においては、上述したディフューザ・スロットを有する任意の１つの装置が、粒子取込みスロットおよび粒子トラップを含む。粒子取込みスロットはディフューザ・スロットに流体連通し、流体がディフューザ・スロットを半径方向に通過するさいに流体に含まれている粒子を取り込む。粒子は、粒子取込みスロットから粒子が含まれている粒子トラップに流れる。

本発明は、システムを流れる流体の速度を低下しかつその静圧を増加し、システムの全体の流れ安定性を一般に増加する羽根なしディフューザを含む装置に向けられている。本発明は格別な（他の）実施例に限定されず、添付請求の範囲内に当然に入るすべての装置を包摂することを理解されるべきではあるが、開示された発明の一例が図１−４に概略的に示されている。

本発明の装置は、システムを流れる流体の速度を低下しかつその静圧を増加する羽根なしディフューザを含む。本発明の羽根なしディフューザは、多くの開放または閉鎖インペラ・インデューサ・ポンプ形体（すなわち、シュラウド有りまたは無し）またはブレード付きインデューサもしくはインペラを含むその他の設備（例えば、空気処理設備）に向けて改良される。実質的に半径方向スロット・ディフューザは、ポンプ・ハウジングの内部流路にそって適切な位置においてインデューサの周りに定置され、インペラ流路の不安定性を生じる不安定一部分区間（先端とも言う）渦から生じるキャビテーション流れに対して別の経路を与える。ディフューザ・スロットへの入口は、インデューサの周りで実質的に近接したリングを形成、一部区間渦の角運動量によるインデューサ軸から半径方向に離れて自然に移動する一部区間渦に対してディフューザを与える実質的に半径方向設計の通路によって後続される。実質的な半径方向スロットは、有効な拡散を与えかつ静圧を適切に上昇させるように選定された長さを有する。

渦の心において取り込まれるキャビテーション流れの場合には、静圧の上昇は、キャビテーション流れを蒸気から液相に戻す実質的に押し潰しおよび／または凝縮する。十分な圧力回復は、十分に凝縮された流れを再突入スロット／穴をかいしておよび／または入口プレナムもしくは下流にある戻りスロット／穴をかいして入口流れ経路に戻すようにディフューザ・スロット内で達成される。不安定空気流れの場合には、ディフューザ・スロットは渦の少なくとも一部またはその他の不安定流れを入口領域から引き出すことによって流れを安定化することを助成し、それによって上流流路状態を改善する。

図１において、本発明のディフューザ１００は、入口１０２、ディフューザ・スロット１０４、１またはそれを超える通路（その通路は１またはそれを超える再突入スロット１０８および／または１またはそれを超える戻りスロット１１０）を含む。入口１０２は、ハウジング１１３の内部側壁１１２に形成され、ディフューザ・スロット１０４に通じる。ディフューザ・スロット１０４は、通常は羽根なしであり、流路１０３の中心軸１０７に関して実質的に半径方向に延び、流路１０３を包囲する環状リングを総体的に形成する。ディフューザ・スロット１０４は、ハウジング１１３の側壁１１２に形成された少なくとも１つの再突入スロット１０８および／または少なくとも１つの戻りスロット１１０に通じる。ここに含まれる「通路」と言う用語は、流体流れのための任意の導管を意味し、任意の断面形状をしていることに注意されたい。さらに、「ハウジング」と言う用語は、流路を内臓する任意式の設備の本体を一般に意味している。最後に、「流体」と言う用語は、空気、液体、蒸気、またはそれらの任意の組合せを意味する。

ディフューザ・スロット１０４は流路１０３の軸１０７に関して実質的に半径方向に延びているが、本発明は軸１０７と完全半径方向関係から約６５度までの拡散を包括している。したがって、「実質的に半径方向」と言う用語は、完全半径方向関係からのこのような拡散を包括する。本発明によって包括される完全半径方向関係からの拡散角度は、当業者にとっては明らかなように、スロット入口流れ速度ベクトルおよびディフューザ／プレナム空間拘束のような因子によって影響を受ける。

ディフューザ・スロット１０４への入口１０２の縁１１６は、スロットへの流れを容易にするために通常は丸くされている。しかし、方形縁を有する入口１０２も本発明においては意図されている。ディフューザ・スロット１０４を形成する壁１０５は、図１に示すように、通常は平行である。しかし、他の実施例においては、ディフューザ・スロットを形成する壁は平行でなくてもよい（例えば、スロットにそって１またはそれを超えるピッチ点を含んでいてもよい）ことは、考えられる。

本発明のディフューザ１００、さらに詳しく言えば、入口１０２およびディフューザ・スロット１０４の中心線は、インペラ１２４に結合されたインデューサ・ブレード１２２の先導縁１２０に関してハウジング側壁１１２にそって流路１０３内に配置される。１またはそれを超える再突入スロット１０８は、ディフューザ・スロット１０４からインデューサ領域１２６（すなわち、インデューサ・ブレード１２２の先導縁１２０とインペラ１２４のボス１２８とによって形成される領域）の直上流にある流路１０３の領域までの経路を通常は形成する。

通常は、回転、渦巻き、渦、キャビテーション、またはその他の不安定流れ状態は、インデューサ領域１２６内でインデューサ１２２の先導縁１２０に隣接して見られる。その結果、インデューサ領域１２６の直上流にある流路１０３の領域における再突入スロット１０８からの拡散流れの再注入は、再注入の領域における回転量を減少し、それによってインデューサ領域１２６内での不安定流れから上流流れ悪影響を低減する。

１またはそれを超える戻りスロット１１０は、ディフューザ・スロット１０４から流路１０３の外側にある入口プレナム１３０内の領域まで通じる経路、および／またはディフューザ・スロット１０４から流路１０３の出口１３４までもしくは出口１３４の下流領域まで通じる経路を通常は形成する。入口プレナム１３０は、流路１０３および流体流れが引き出されるハウジング１１３を包囲する総体的な領域である。

「スロット」と言う用語は一般に狭い通路を意味するが、本発明の実施例においては、「スロット」と言う用語は特別な用途にもとづいて決まる可変寸法を持った通路を含んでもよいことが考えられる。したがって、ここで使われているように、「スロット」と言う用語は任意のサイズまたは断面の通路を意味していてもよい。

当業者が認識するように、本発明のディフューザ１００の特別な寸法および配置は、流れの特性および流れ内の渦特性（しばしばインデューサ設計によって影響を受ける）ならびにディフューザに対する特別な要求（例えば、不安定流れの制御または安定化および／またはポンプのキャビテーション性能の延長等）にもとづいて選択される。ディフューザ１００の特別な寸法に衝撃を与えるその他の変数は、流量パラメータのみならず、流路１０３、インペラ１２４、インデューサ１２２の寸法を含む。

多くの変数がディフューザ１００の位置および特別な寸法に衝撃を与えるかも知れないが、本発明の実施例に対して１）ディフューザ・スロット１０４の幅（Ｗ）および２）インデューサ１２２の先導縁１２０に関してディフューザ・スロット１０４の中心線の位置を決定するための一般的法則が存在する。幅（Ｗ）は、ディフューザ・スロット１０４の入口１０２においてインデューサ１２２（またはその他のブレード付き／羽根付き機構）の羽根またはブレード高さに関連されている。

特に、Ｗ＝（０．０５から０．５０）×（入口１０２におけるインデューサ１２２のブレードまたは羽根高さ）である。一実施例においては、Ｗ＝（０．０３から０．２０）×（入口１０２におけるインデューサ１２２のブレードまたは羽根高さ）である。一般に、幅は、流路１０３からの過剰な量の流れを流し出さないように、十分に小さくなければならない。ここに含まれる本発明の一実施例においては、流れの流出による効率の損失は、全体の設備性能における増加により一般に無視できない。ブレードまたは羽根高さは、ハウジングの側壁に隣接したブレードの縁に向かって半径方向外方にインペラの表面から測ったときに、ブレードまたは羽根の長さになる。

ディフューザ・スロット１０４の中心線の位置は、ディフューザの羽根またはブレードのサイズにも関連される。入口１０２の中心線は、先導縁ブレード１２２の区間長さおよび流路１０３内の先導縁１２０自体の位置に関してハウジングの側壁にそって通常は配置されなければならない。特に詳しく言えば、入口１０２は、軸１０７に平行に測ったとき、先導縁１２０の下流または上流でインデューサ１２２のブレードまたは羽根高さの±７０％までの距離に配置されなければならない。正数の平均入口１０２は先導縁１２０の下流に配置され、また、負数の平均入口１０２は先導縁１２０の上流に配置される。再び、ブレードまたは羽根高さは、ハウジングの側壁に隣接したブレードの縁に向かって半径方向外方のインペラ表面から測ったとき、ブレードまたは羽根高さの長さになる。

上に概説した設計パラメータに加えて、追加の設計パラメータはディフューザ１００およびその他の実施例を改良する間に開発された。

第１に、本発明の少なくとも一実施例においては、流路１０３からディフューザ・スロット１０４に入る流れは、主な動作または設計条件において流路１０３における全体の流れの約１／２−２％から約５−１５％までの範囲に通常なければならないことが決定された。入口１０２およびディフューザ・スロット１０４は、この範囲内で流体流れを達成するように採寸される。

最後に、羽根は、ディフューザ・スロット１０４に組み入れられていないことが好ましい。羽根を有するディフューザは、製造の困難性を増し、装着の困難性を増し、入口封鎖および騒音を増し、不十分になされた場合に、変形を増すことになる。さらに、ディフューザ羽根は、羽根なしディフューザの妨げられない流れ過程をかいして全エネルギが回復されるようにするよりは、むしろ先端渦を破壊する働きをする。同様に、ラビリンスシール、その他のシール、ベンド、または通路へのその他の変形のような入口１０２付近のその他の障害物が同じ逆の衝撃を持つ。

上述したように、用途に関連した特別のパラメータは、ディフューザ１００の特別の寸法および設置に衝撃を与える。高速吸引特別速度要求を持ったターボポンプ用途に用いるために設計された本発明の一実施例においては、ディフューザ１００の入口制御観点の寸法は、次のとおりである。ディフューザ・スロット１０４の出口までの半径方向範囲は５５．９ｍｍ（２．２ｉｎ）ディフューザ・スロット１０４の中心線からインデューサ１２２の先導縁１２０までの距離は７．６２ｍｍ（０．３ｉｎ）、ディフューザ・スロット１０４の幅は５．０８ｍｍ（０．２ｉｎ）、入口１０２の半径は３５．５６ｍｍ（１．４ｉｎ）である。再び、当業者であれば、これらの寸法は特別なポンプ用途および関連したパラメータ変化にもとづいて変わることを認識するであろう。しかし、ディフューザ・スロットの採寸および配置に関連した設計パラメータは、特別な用途にかかわりなくここに述べるすべての実施例について広く適用する。

図１に示す矢印を参照して、ディフューザ１００の動作が検討される。プレナム１３０からの流れは流路１０３に入り、インペラ１２４のボス１２８に向かって流れる。図１に示す実施例においては、ディフューザ１００は１またはそれを超える再突入スロット１０８および１またはそれを超える戻りスロット１１０を含む。ディフューザ・スロット１０４からの流れは次に再突入スロット１０８および戻りスロット１１０に向かって流れる。ディフューザ・スロット１０４からの流れの一部は、戻りスロット１１０に流れ、入口プレナム１３０に向かって半径方向に流れる。ディフューザ・スロット１０４からの流れの残りの部分は、再突入スロット１０８に流れる。流れは、インデューサ１２２、インペラ・ボス１２８、インデューサの先導縁１２０によって形成されるインデューサ領域１２６の直接上流で流路１０３内の領域において再突入スロット１０８を出る。再突入スロット１０８を出る流れは、入口プレナム１３０から流路１０３に入る流れと混合し、インペラ１２４のボス１２８に向かって進み続ける。流路１０３の流れの相当な部分は、ディフューザ１００の入口１０２を通過し、インデューサ領域１２６に流れ込む。この流れは、インデューサ１２０のブレードまたは羽根にそってハウジング１１３の出口１３４に向かって連続する。ハウジング１１３を出る流れは、ハウジング出口１３４内の羽根１３２を通常は通過する。もちろん、その他の実施例においては、装置１００は１またはそれを超える再突入スロット１０８を含み、プレナム戻りおよび／または出口スロットを含まない。その逆でもよい。

上述したように、ディフューザ・スロット１０４への入口１０２は流路１０３のインデューサ領域の周りで実質的に隣接するリングを形成し、一部区間渦の角運動量による軸１０７から半径方向に自然に移動する一部区間渦またはその他の不安定流れのためのディフューザを与える実質的な半径方向設計（ディフューザ・スロット１０４）のスロットまたは通路によって後続される。実質的な半径方向ディフューザ・スロット１０４は、有効な拡散を与えかつ静圧を適正に上昇させるように選定された長さを有する。静圧を上昇することによって、少なくとも部分的に蒸気を含む二相流体が押し潰されまたは凝縮されて液体を含む単相流体に戻される。高い静圧は、蒸気内の蒸気気泡を圧縮する。実質的な半径方向設計および清浄な入口設計（すなわち、蛇行していない経路）を含むことによって、ディフューザ・スロット１０４に引き込まれたエネルギが保存され、それにより拡散の効率を増加する。このような設計は、効率的拡散を許し、その能力は流体の追加の利点を得る。追加の利点は、流路内の不安定性を低減することを助けるように流路へのディフューザ流出を果たすことを含む。

図２−４は、ディフューザの別の実施例を示す。図２における実施例は、図１における実施例と同一である観点を含む。したがって、図２における要素の番号のいくつかは、同一の要素について図１の要素番号と同じである。しかし、図２においては、多数のディフューザ・スロット１０４、１３６、１３８がハウジング１１３の側壁１１２内に設けられている。ディフューザ・スロット１０４はインデューサ１２２の先導縁１２０に隣接して配置され、ディフューザ・スロット１３６は先導縁１２０とハウジング出口１３４との間のインペラまたはインデューサ領域１２６内に配置され、そして、ディフューザ・スロット１３８はハウジング出口１３４に隣接して配置される。図２−４に関しては以下に記載されていないが、図２−４に示す実施例は図１におけるものと同様に半径比を一般に含み、図１と同様に羽根なしである。

多数のディフューザ・スロットは、流路内の様々な点にそって流路１０３の一部に流すように用いられてもよい。ディフューザ・スロット１０４の場合には、ディフューザ１２２の先導縁１２０に隣接した流れを通す理由に加えて、インデューサ１２２の先導縁１２０から下流の他の点において流れを通すことを考慮できる。図２において、追加のディフューザ・スロット１３６、１３８は、ディフューザ・スロット１０４および先導縁１２０の下流に配置される。覆いを付けたインペラが用いられるディフューザ・スロット１３６の場合には、ディフューザ・スロット１３６が任意のシュラウド漏洩流れを取り込むように用いられてもよい。ディフューザ・スロット１３８に関しては、ハウジング出口１３４から流れを放出する以前に、インペラ・シュラウド漏れまたはシステム逆流のような任意の残存する不安定流れを通すように試みることが望ましい。ディフューザ・スロット１３６、１３８はディフューザ・スロット１０４およびディフューザ１００と同様な仕方で形成されることが意図されている。図２は３つのディフューザ・スロット１０４、１３６、１３８の存在を示しているが、少なくとも１つの実施例においては、２つのみのディフューザ・スロットがある。他の実施例は４またはそれを超えるディフューザ・スロットを含んでいてもよい。多数のディフューザ・スロットを含む実施例は、図２に示す任意の位置において単独のスロットまたはスロットの組合せを含んでいてもよい。

図２に示す実施例における流れは、図１に示す実施例における流れと非常に類似している。しかし、流れがディフューザ・スロット１０４を通過し流路１０３内で継続するとき、流れの一部はディフューザ・スロット１３６から通されてもよい。ディフューザ・スロット１０４に関しては、ディフューザ・スロット１３６に入る流れはディフューザ・スロット１３６の上流にある流路１０３の領域で流路１０３に流れるように戻されてもよい。ディフューザ・スロット１３６の流れは、入口プレナム１３０に戻されるか、またはハウジング出口１３４の下流にある領域へ放出されてもよい。ディフューザ・スロット１０４および１３６の両者の場合には、流れの一部がディフューザ・スロット１０４および１３６を側路し、流路１０３の出口に向かって流れる。出口１３４をかいして流路１０３に出る前に、流れの追加の部分はディフューザ・スロット１３８に流れ出る。ディフューザ・スロット１３８に入る流れは、ディフューザ・スロット１０４、１３６に出る流れに類似して処理されてもよい。

図３における３ａ−３ｄ図は、本発明のディフューザ・スロットの別実施例を示す。特に、３ａ−３ｄ図は、少なくとも１つのディフューザ・スロットがハウジングの出口に隣接して配置される実施例に関連している。３ａ−３ｄ図に示すハウジング出口形体は図１−２に示すものと類似しているので、図１−２における要素に類似している３ａ−３ｄ図の要素がプライム記号（′）を有する類似の要素番号の使用によって示される。

３ａ図において、ハウジングを出る流れの一部はディフューザ・スロット１３８′に流れ出され、それによって出口１３４′を側路する。ディフューザ・スロット１３８′をハウジング出口羽根１３２′の外側に配置することによって、渦またはその他の不安定流れの少なくとも一部がディフューザ・スロット１３８′によって取り込まれる。渦または他の不安定流れは、一般に流路の向きおよび流れ場の容積に付随していない流れである。ディフューザ・スロット１３８′に取り込まれた不安定流れは、前述した任意の１つに類似したディフューザ形体に放出され、直接に入口プレナムまたはハウジング出口１３４′の下流にある領域に放出される。

３ｂ図において、ディフューザ・スロット１３８′′はハウジング出口羽根１３２′の横にある。しかし、３ａ図と相違して、ディフューザ・スロット１３８′′に取り込まれた不安定流れは出口戻りスロット１４０をかいしてハウジング出口羽根１３２′に戻される。流れは、ハウジング出口羽根１３２′およびハウジング出口１３４′をかいしてハウジングを出る流れを混合する。ディフューザ・スロット１３８′′からの側路流れは、隅失速を抑制するように出口通路の任意の隅に注入されてもよい。

３ｃ図に示す実施例は、ディフューザ・スロット１３８′′が出口戻りスロット１４０をかいしてハウジング出口羽根１３２′の両側に配置されていることを除いて、３ｂ図のものとほぼ同一である。ハウジング出口羽根１３２′の側面領域における不安定流れの少なくとも一部は、ディフューザ・スロット１３８′′に取り込まれ、ハウジング出口羽根１３２′内で下流に戻される。

構造的には、３ｄ図に示す実施例は、３ｂ図に示すものと類似している。しかし、ハウジング出口羽根１３２′の側壁と共通であるディフューザ・スロット１３８′′′の側壁は、出口戻り穴１４２を含む。ディフューザ・スロット１３８′′′内に取り込まれた不安定流れは、出口戻り穴１４２および／または出口戻りスロット１４０をかいしてハウジング出口羽根１３２′に戻ってもよい。一実施例においては、３ｄ図に示す形体は、吹出しフラップ制御装置を達成するようにカスケード出口をかいして中空羽根および出口に流れを誘導されるようにする。

図４は、本発明の別の変更実施例を示す。図３と同様に、ここに含まれるその他の実施例における要素に類似した図４における要素は、要素番号に次いでプライム記号（′）を付して示される。図４においてディフューザ１００′は図１に示すディフューザ１００と実質的に同じである。しかし、ディフューザ１００′は追加のスロットを含む。粒子取込みスロット１４４は、ディフューザ・スロット１０４′を出る流れから粒子（固体またはポンプの場合には巻込み空気もしくはその他の非凝縮ガス）を取り込み、それらを粒子トラップ１４６に導くように用いられる。粒子取込みスロット１４４は、通常はディフューザ・スロット１０４′の伸長部である。粒子取込みスロット１４４は、粒子トラップ１４６としても知られているほぼ長方形断面領域溝で終了する。ここには示されていないが、粒子トラップ１４６に流体連通した追加の通路または導管が設けられて、粒子トラップ１４６を必要に応じて空にする。ディフューザ１００′の残り部分は、図１のディフューザ１００と再びほぼ同一である。

図４において、流れは入口プレナム１３０から流路１０３に入り、インペラ１２４およびインデューサ１２２を回転することによってインペラ・ボス１２８に向かって引き込まれる。不安定流れの少なくとも一部が入口１０２′に入り、ディフューザ・スロット１０４′内に軸１０７′から半径方向外方に流れる。遠心力によって、流れ内の粒子がディフューザ・スロット１０４′から粒子取込みスロット１４４に、そして最終的に粒子トラップ１４６に進行する。流れの残りは、ディフューザ・スロット１０４′から１またはそれを超える再突入スロット１０８′および１またはそれを超える戻りスロット１１０′の内の少なくとも１つに流れる。図１に示しかつ詳細に上述したように、スロット１０８′および１１０′を出る流れがディフューザ１００′内の流れに類似した仕方で持続する。

本発明のディフューザ１００をつくる構成要素がここではスロットとして一般に記載されているが、本発明のその他の実施例においては様々なスロットが複数の穴またはオリフィス、複数の対応するチャンバ、および／または複数の他形式導管（すなわち、パイプ、チャネル、溝等）によって置き換えられてもよいことは理解されるであろう。

ここに含まれる図示例は開放インデューサ／インペラであるが、本発明の実施例は閉鎖または開放（すなわちシュラウド有りまたはシュラウド無し）インデューサ／インペラ形体と共に用いられてもよいことが意図されている。

別の実施例においては、能動ディフューザ・スロットは受動ディフューザ・スロットに代えて含まれる。上述した実施例においては、ディフューザ・スロットは、それが常に開放状態に留まる点で受動である。能動ディフューザ・スロットは、不履行閉鎖位置に留まり、インデューサ領域内の圧力が予定したレベルまで降下したときにのみ開くように構成されてもよい。

さらに別の実施例においては、本発明のディフューザ・スロットはハイドロタービンの設計に組み入れられてもよい。ハイドロタービンは、ポンプおよびコンプレッサに類似して動作する。しかし、流れは通常は逆方向にインペラを通過し、その作用はポンプまたはインペラの場合のように流れになされる作用と反対に流れから引き出される。ハイドロタービンに対しては、すべての形式の渦が可能である。タービンの出口（エクスデューサ）においてラジアルポンプの入口に類似してシュラウドが抽出するように本発明のディフューザを用いることによって、ハイドロタービンのすべての性能が改善される傾向がある。

新規なディフューザ・スロットを含む本発明の流れ安定化装置は、従来技術装置を超えた利点を提供する。清浄な入口、非蛇行経路、特別流れ条件に関連した設計を有するディフューザ・スロットをつくることによって、本発明の装置は取込み／回収された流体のエネルギ量を最大にする。これは、最大圧力回復（運動エネルギを静圧上昇に変えること）を許す。圧力回復を最大にすることは、システムの全体の動作に対して少なくとも２つの利益を提供する。第１は、キャビテーション流れに対して、流体がディフューザ・スロットを流れるさいに、より大きな圧力回復が、実質的にすべての二相流体が流体中の気泡を押し潰しおよび／または凝縮することによって単相流体に変換することを保証することを助ける。第２に、非キャビテーション流れまたは蒸気流れにおいて、流体に回復されたエネルギを最大にすることは、十分な静圧が流体から追加の利益を得るように存在することを保証することを助ける。追加の利益は、再注入の領域における流れ状態を緩和することを助けるように、システム内の上流または他の場所で流体を再注入することを含む。緩和は、上流または下流の崩壊を防止するために流れ内の渦を除去することによって、あるいは再注入の領域における流体回転を低減するように再注入することによって、達成される。流体流れの上流状態を改善することは、設備およびシステムをすべてより効率的に動作するようにする。

本発明にもとづく一実施例の横断面図である。 本発明にもとづく別の実施例の横断面図である。 ３ａ図−３ｄ図は本発明にもとづく様々な実施例の横断面図である。 本発明にもとづく別の実施例の横断面図である。

Claims (7)

1. 流路内の不安定流体流れを少なくとも部分的に安定化する装置であって、該装置は前記流路内に少なくとも部分的に存在するインデューサまたはインペラを含み、該インデューサまたはインペラは流れを流路内に引き込むかまたは流れによって前記流路内で駆動される回転自在ブレードを有し、前記インデューサまたはインペラは軸の周りに回転でき、前記流路はハウジングの内部側壁に形成され、該ハウジングは入口プレナムによって少なくとも部分的に包囲され、該ハウジングは出口を含み、下記の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）からさらになり、
   （ａ）少なくとも１つのディフューザ・スロット、ただし、該少なくとも１つのディフューザ・スロットは入口と出口とを含み、前記入口は前記流路と流体連通し、前記少なくとも１つのディフューザ・スロットは前記軸に関して実質的に半径方向に延び、
   （ｂ）前記少なくとも１つのディフューザ・スロットおよび前記流路に流体連通している再突入スロット、
   （ｃ）前記少なくとも１つのディフューザ・スロットならびに（ｉ）前記入口プレナムおよび（ｉｉ）前記ハウジング出口のうちの少なくとも一方に流体連通している戻りスロットであり、
   前記少なくとも１つのディフューザ・スロットは羽根なしであり、前記少なくとも１つのディフューザ・スロットは、（０．０５から０．５０）×（前記少なくとも１つのディフューザ・スロット入口における前記インペラまたはインデューサのブレードの半径方向高さ）の幅を持つ、装置。
2. 前記インデューサまたはインペラの回転自在ブレードは先導縁を有し、前記少なくとも１つのディフューザ・スロット入口は、前記側壁にそう一点において前記流路と交差する縦の中心線を有し、前記一点から前記先導縁までの距離は前記インデューサまたはインペラのブレードの半径方向高さの７０％までである、請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも１つのディフューザ・スロットが前記流路内の最良動作点において前記流路を通過する全体の流れの約１／２％−１５％になるように、前記少なくとも１つのディフューザ・スロットが採寸される、前記請求項のうち任意の一項に記載の装置。
4. 前記装置は少なくとも２つのディフューザ・スロットを含む、前記請求項のうち任意の一項に記載の装置。
5. 前記少なくとも１つのディフューザ・スロットが前記ブレードの先導縁に隣接して配置される、前記請求項のうち任意の一項に記載の装置。
6. 前記少なくとも１つのディフューザ・スロットが前記軸に関して半径方向から６５度以下であるように前記少なくとも１つのディフューザ・スロットが向けられている、前記請求項のうち任意の一項に記載の装置。
7. 前記請求項のうち任意の一項に記載の装置であって、
   （ａ）前記少なくとも１つのディフューザ・スロットに流体連通している粒子取込みスロットと、
   （ｂ）前記取込みスロットに流体連通している粒子トラップとからさらになる、装置。

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