JP6050577B2

JP6050577B2 - 超音速圧縮機システム

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Publication number: JP6050577B2
Application number: JP2011234785A
Authority: JP
Inventors: ダグラス・カール・ホッファー; ヴィットーリオ・ミケラッシ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2031-10-26
Also published as: US8864454B2; US20120107106A1; EP2447538A3; EP2447538B1; CN102465915A; RU2011143402A; RU2591750C2; CN102465915B; JP2012092839A; EP2447538A2

Description

本明細書に記載される主題は、一般に超音速圧縮機システムに関し、より具体的には、超音速圧縮機ロータおよび圧縮機アセンブリを含む超音速圧縮機システムに関する。

少なくともいくつかの既知の超音速圧縮機システムは、駆動アセンブリ、駆動軸、および流体を圧縮する少なくとも１つの超音速圧縮機ロータを含む。駆動アセンブリは、駆動軸を用いて超音速圧縮機ロータに連結されて、駆動軸および超音速圧縮機ロータを回転させる。

少なくともいくつかの既知の超音速圧縮機アセンブリは、軸流超音速圧縮機ロータを含む。既知の超音速圧縮機ロータは、ロータディスクに連結された複数のストレークを含む。各ストレークは、ロータディスクを中心にして円周方向に向きを与えられ、隣接したストレーク間に軸線方向のフローチャネルを画定する。少なくともいくつかの既知の超音速圧縮機ロータは、ロータディスクに連結された超音速圧縮ランプを含む。既知の超音速圧縮ランプは、軸流路内に位置付けられ、流路内に圧縮波を形成するように構成される。

既知の超音速圧縮機システムの動作中、駆動アセンブリは高回転速度で超音速圧縮機ロータを回転させる。流体は、フローチャネルにおける超音速圧縮機ロータに対して超音速である速度によって流体が特徴付けられるようにして、超音速圧縮機ロータへと導かれる。少なくともいくつかの既知の超音速圧縮機ロータは、軸線方向でフローチャネルから流体を吐出する。流体が軸線方向で導かれるので、超音速圧縮機ロータの下流側にある超音速圧縮機システムの構成要素は、軸流を受け入れるように設計する必要がある。そのため、流体の圧縮効率は、軸流超音速圧縮機ロータの効率に限定されることがある。既知の超音速圧縮機システムは、例えば、２００５年３月２８日出願の米国特許第７，３３４，９９０号および２００５年３月２３日出願の米国特許第７，２９３，９５５号、ならびに２００９年１月１６日出願の米国特許出願公開第２００９／０１９６７３１号に記載されている。

米国特許出願公開第２０１０／００４３３８９号公報

一実施形態では、超音速圧縮機システムが提供される。超音速圧縮機システムは、流体入口と流体出口との間に延在するキャビティを画定するケーシングと、キャビティ内に位置付けられた第１の駆動軸とを含む。中心軸線は、第１の駆動軸の中心線に沿って延在する。超音速圧縮機ロータは、第１の駆動軸に連結され、流体入口と流体出口との間を流体連通して位置付けられる。超音速圧縮機ロータは、流体を圧縮する少なくとも１つの圧縮波を形成するように構成された少なくとも１つの超音速圧縮ランプを含む。遠心圧縮機アセンブリは、超音速圧縮機ロータと流体出口との間を流体連通して位置付けられる。遠心圧縮機アセンブリは、超音速圧縮機ロータから受け入れた流体を圧縮するように構成される。

別の実施形態では、超音速圧縮機システムが提供される。超音速圧縮機システムは、流体入口と流体出口との間に延在するキャビティを画定するケーシングと、キャビティ内に位置付けられた第１の駆動軸とを含む。中心軸線は、第１の駆動軸の中心線に沿って延在する。超音速圧縮機ロータは、第１の駆動軸に連結され、流体入口と流体出口との間を流体連通して位置付けられる。超音速圧縮機ロータは、流体を圧縮する少なくとも１つの圧縮波を形成するように構成された少なくとも１つの超音速圧縮ランプを含む。軸流圧縮機アセンブリは、超音速圧縮機ロータと流体出口との間を流体連通して位置付けられる。軸流圧縮機アセンブリは、超音速圧縮機ロータから受け入れた流体を圧縮するように構成される。

さらなる実施形態では、超音速圧縮機システムが提供される。超音速圧縮機システムは、流体入口と流体出口との間に延在するキャビティを画定するケーシングと、キャビティ内に位置付けられた第１の駆動軸とを含む。中心軸線は、第１の駆動軸の中心線に沿って延在する。超音速圧縮機ロータは、第１の駆動軸に連結され、流体入口と流体出口との間を流体連通して位置付けられる。超音速圧縮機ロータは、流体を圧縮する少なくとも１つの圧縮波を形成するように構成された少なくとも１つの超音速圧縮ランプを含む。混流圧縮機アセンブリは、超音速圧縮機ロータと流体出口との間を流体連通して位置付けられる。混流圧縮機アセンブリは、超音速圧縮機ロータから受け入れた流体を圧縮するように構成される。

さらに別の実施形態では、超音速圧縮機システムを組み立てる方法が提供される。この方法は、流体入口と流体出口との間に延在するキャビティを画定するケーシングを提供することを含む。第１の駆動軸は駆動アセンブリに連結される。第１の駆動軸は、少なくとも部分的にキャビティ内に位置付けられる。超音速圧縮機ロータは第１の駆動軸に連結される。超音速圧縮機ロータは、流体を圧縮する少なくとも１つの圧縮波を形成するように構成された少なくとも１つの超音速圧縮ランプを含む。圧縮機アセンブリは、超音速圧縮機ロータと流体出口との間を流体連通して連結される。圧縮機アセンブリは、超音速圧縮機ロータから受け入れた流体を圧縮するように構成される。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、ならびに利点は、以下の詳細な説明を添付図面と併せ読むことによってより十分に理解されるであろう。図面全体を通して、類似の符号は類似の部品を表す。

例示的な超音速圧縮機システムの概略図である。図１に示される超音速圧縮機システムの概略断面図である。図２に示される超音速圧縮機システムとともに使用されてもよい、例示的な超音速圧縮機ロータの斜視図である。図３の線４−４に沿った、図３に示される超音速圧縮機ロータの断面図である。領域５に沿った、図３に示される超音速圧縮機ロータの一部分を示す拡大断面図である。図２に示される超音速圧縮機システムとともに使用されてもよい、代替の超音速圧縮機ロータの斜視図である。図６の線７−７に沿った、図６に示される超音速圧縮機ロータの断面図である。図６の線８−８に沿った、図６に示される超音速圧縮機ロータの別の断面図である。代替の超音速圧縮機システムの概略断面図である。図９に示される超音速圧縮機システムとともに使用されてもよい、代替の超音速圧縮機ロータの斜視図である。図１０の線１１−１１に沿った、図１０に示される超音速圧縮機ロータの断面図である。

別段の指示がない限り、本明細書にて提供される図面は本発明の重要な発明の特徴を示すものとする。これらの重要な発明の特徴は、本発明の１つまたは複数の実施形態を含む種々のシステムにおいて適用可能であるものと考えられる。そのため、図面は、本発明の実施に必要であることが当業者に知られているすべての従来の特徴を含むものではない。

以下の明細書およびそれに続く請求項において、多数の用語が言及されるが、それらは次の意味を有するものと定義するものとする。数詞がない場合や「前記」などの冠詞は、文脈において別段の明示がない限り、複数の指示対象を含む。

「適宜の」または「適宜」は、それに続いて記載される事象または状況が発生してもしなくてもよく、その説明は、事象が発生する場合および発生しない場合を含むことを意味する。

近似の文言は、明細書および請求項全体にわたって使用するとき、関連する基本的機能を変化させることなく、随意に変動する可能性があるあらゆる量的表現を修正するために適用されることがある。したがって、「約」および「ほぼ」などの用語によって修正される値は、指定される正確な値に限定されないものとする。少なくともいくつかの例では、近似の文言は値を測定する機器の精度に対応することがある。本項では、また明細書および請求項全体にわたって、範囲の限定は組み合わされ、かつ／または置き換えられることがあり、文脈または文言による別段の指示がない限り、かかる範囲はそれに含まれるすべての下位範囲を特定し含む。

本明細書で使用するとき、用語「超音速圧縮機ロータ」は、超音速圧縮機ロータの流体フローチャネル内に配置された超音速圧縮ランプを備える圧縮機を指す。超音速圧縮機ロータは、ロータのフローチャネル内に配置された超音速圧縮ランプにおいて、回転する超音速圧縮機ロータに衝突する移動流体、例えば移動ガスが、超音速である相対的な流体速度を有すると考えられるようにして、回転軸を中心にして高速で回転するように設計されていることから、「超音速」と呼ばれる。相対的な流体速度は、超音速圧縮ランプにおけるロータ速度と超音速圧縮ランプに衝突する直前の流体速度とのベクトル和の点から定義することができる。この相対的な流体速度は、「局所的な超音速流入速度（local supersonic inlet velocity）」と呼ばれることがあり、これは、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フロー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組み合わせである。超音速圧縮機ロータは、非常に高い接線速度で、例えば３００メートル／秒〜８００メートル／秒の範囲の接線速度で運転するように設計される。

本明細書に記載される例示的なシステムおよび方法は、圧縮機アセンブリに連結された超音速圧縮機ロータを含む超音速圧縮機システムを提供して、流体の圧縮効率の向上を促進することによって、既知の超音速圧縮機アセンブリの不利な点を克服する。より具体的には、本明細書に記載される実施形態は、流体を圧縮し、圧縮流体を遠心圧縮機アセンブリへと導くため、流体入口と遠心圧縮機アセンブリとの間を流体連通して位置付けられる超音速圧縮機ロータを含む。それに加えて、遠心圧縮機アセンブリの上流側に超音速圧縮機ロータを提供することによって、超音速圧縮機システムは、既知の遠心圧縮機アセンブリよりも多量の流体を圧縮することができる。

図１は、例示的な超音速圧縮機システム１０の概略図である。図２は、超音速圧縮機システム１０の概略断面図である。図２に示される同一の構成要素には、図１で使用されるのと同じ参照番号が付されている。例示的実施形態では、超音速圧縮機システム１０は、吸込区画１２と、吸込区画１２の下流側に連結された圧縮機区画１４と、圧縮機区画１４の下流側に連結された吐出区画１６と、駆動アセンブリ１８とを含む。駆動アセンブリ１８は、駆動モータ２２に回転可能に連結された少なくとも１つの駆動軸２０を含む。駆動軸２０は、中心軸線２４を画定し、中心軸線２４を中心にして圧縮機区画１４を回転させるように圧縮機区画１４に連結される。例示的実施形態では、吸込区画１２、圧縮機区画１４、および吐出区画１６はそれぞれ圧縮機ハウジング２６内に位置付けられる。圧縮機ハウジング２６は、流体入口２８と、流体出口３０と、キャビティ３４を画定する内表面３２とを含む。キャビティ３４は、流体入口２８と流体出口３０との間に延在し、流体入口２８から流体出口３０へと流体を導くように構成される。吸込区画１２、圧縮機区画１４、および吐出区画１６はそれぞれキャビティ３４内に位置付けられる。

例示的実施形態では、流体入口２８は、流体源３６から吸込区画１２へと流体を導くように構成される。流体は、例えばガス、ガス混合物、固体・ガス混合物、および／または液体・ガス混合物など、いかなる流体であってもよい。吸込区画１２は、流体入口２８から圧縮機区画１４へと流体を導くため、圧縮機区画１４と流体入口２８との間を流体連通して位置付けられる。吐出区画１６は、圧縮機区画１４と流体出口３０との間を流体連通して位置付けられる。

例示的実施形態では、吸込区画１２は１つまたは複数の前置翼（inlet guide vane）アセンブリ３８を含む。前置翼アセンブリ３８は、渦、速度、質量流量、圧力、温度、および／または本明細書に記載されるように圧縮機区画１４を機能させるのに適したあらゆるフローパラメータなど、１つまたは複数の予め定められたパラメータを含むように流体を調整するように構成される。前置翼アセンブリ３８は、流体入口２８から圧縮機区画１４へと流体を導くため、流体入口２８と圧縮機区画１４との間に連結される。

例示的実施形態では、圧縮機区画１４は、吸込区画１２から吐出区画１６へと流体の少なくとも一部分を導くため、吸込区画１２と吐出区画１６との間に連結される。圧縮機区画１４は、少なくとも１つの超音速圧縮機ロータ４０と、遷移アセンブリ４２と、圧縮機アセンブリ４４とを含む。超音速圧縮機ロータ４０は、前置翼アセンブリ３８と圧縮機アセンブリ４４との間を流体連通して位置付けられる。圧縮機アセンブリ４４は遠心圧縮機アセンブリ４６を含む。例示的実施形態では、圧縮機ハウジング２６は、超音速圧縮機ロータ４０に隣接して位置付けられたダイヤフラムアセンブリ４８と、遷移アセンブリ４２と、遠心圧縮機アセンブリ４６とを含む。ダイヤフラムアセンブリ４８は、矢印５０によって表される、超音速圧縮機システム１０を通る流路を少なくとも部分的に画定する。

例示的実施形態では、超音速圧縮機ロータ４０は、流体の圧力を増加させ、流体の量を低減し、かつ／または吸込区画１２から吐出区画１６へと導かれる流体の温度を上昇させるように構成される。超音速圧縮機ロータ４０は、前置翼アセンブリ３８から遷移アセンブリ４２へと流体を導く。例示的実施形態では、超音速圧縮機ロータ４０は、中心軸線２４にほぼ垂直な半径方向５４に沿って流体を導く半径流路５２を含む。遷移アセンブリ４２は、超音速圧縮機ロータ４０から遠心圧縮機アセンブリ４６へと流体を導くように構成される。遷移アセンブリ４２は、超音速圧縮機ロータ４０と遠心圧縮機アセンブリ４６との間に延在する遷移流チャネル５８を画定する内表面５６を含む。遷移流チャネル５８は、半径方向５４から中心軸線２４にほぼ平行な軸線方向６０へと流体の向きを遷移させるようにサイズ、形状、および向きが決められる。一実施形態では、遷移アセンブリ４２は、遠心圧縮機アセンブリ４６へと導かれる流体を調整するように構成された、円周方向に間隔を空けた固定ブレード６１の１つまたは複数の列５９を含む。

例示的実施形態では、遠心圧縮機アセンブリ４６は、遷移アセンブリ４２と吐出区画１６との間を流体連通して位置付けられる。遠心圧縮機アセンブリ４６は、圧縮機ディスク６４に連結された複数の遠心翼（centrifugal vane）６２を含む。隣接した遠心翼６２は、圧縮機ディスク６４を中心にして円周方向に間隔を空けられて、隣接した遠心翼６２それぞれの間に延在する遠心流チャネル６６を画定する。遠心流チャネル６６は、フローチャネル入口６８とフローチャネル出口６９との間に延在する。フローチャネル入口６８は、超音速圧縮機ロータ４０に隣接して位置付けられ、軸線方向６０に沿って超音速圧縮機ロータ４０から流体を受け入れるように構成される。フローチャネル出口６９は、吐出区画１６に隣接して位置付けられ、半径方向５４で吐出区画１６へと流体を吐出するように構成される。遠心流チャネル６６は、軸線方向６０から半径方向５４へと流体を導くとともに、遠心力を流体に与えて、フローチャネル出口６９から吐出される流体の圧力および速度を増加させるように、サイズ、形状、および向きが決められる。

代替実施形態では、圧縮機アセンブリ４４は混流圧縮機アセンブリ７０を含む。混流圧縮機アセンブリ７０は、軸線方向６０および／または半径方向５４に対して斜めに向きを与えられた少なくとも１つの内表面７１を含む。一実施形態では、混流圧縮機アセンブリ７０は、軸線方向６０に対して斜めの角度で超音速圧縮機ロータ４０から流体を受け入れるように構成される。混流圧縮機アセンブリ７０はまた、半径方向５４に対して斜めの方向で流体を吐出するように構成される。

例示的実施形態では、駆動アセンブリ１８は第１の駆動軸７２を含む。超音速圧縮機ロータ４０、遷移アセンブリ４２、および遠心圧縮機アセンブリ４６はそれぞれ、第１の駆動軸７２に連結される。駆動アセンブリ１８は第１の駆動軸７２を回転させるように構成され、それによって、超音速圧縮機ロータ４０、遷移アセンブリ４２、および遠心圧縮機アセンブリ４６がそれぞれ同じ回転速度で回転する。代替実施形態では、駆動アセンブリ１８は、駆動モータ２２に連結された第２の駆動軸７４を含む。この代替実施形態では、第１の駆動軸７２は超音速圧縮機ロータ４０に連結される。第２の駆動軸７４は圧縮機アセンブリ４４に連結される。駆動アセンブリ１８は、矢印７６によって表される第１の回転方向で超音速圧縮機ロータ４０を回転させ、矢印７８によって表される、第１の回転方向７６とは反対向きの第２の回転方向で圧縮機アセンブリ４４を回転させるように構成される。さらに、駆動アセンブリ１８は、超音速圧縮機ロータ４０を第１の回転速度で回転させ、圧縮機アセンブリ４４を、第１の回転速度とは異なる第２の回転速度で回転させるように構成されてもよい。一実施形態では、第１の駆動軸７２は、第２の駆動軸７４内に位置付けられ、第２の駆動軸７４と同心で向きを与えられる。

例示的実施形態では、吐出区画１６は、翼ディフューザ８０および吐出スクロール（discharge scroll）８２を含む。翼ディフューザ８０は、圧縮機アセンブリ４４と吐出スクロール８２との間を流体連通して位置付けられ、圧縮機アセンブリ４４から吐出される流体に渦を巻かせるように構成される。吐出スクロール８２は、流体を調整して、速度、質量流量、温度、および／またはいずれかの適切なフローパラメータなど、１つもしくは複数の予め定められたパラメータを含めるように構成される。吐出スクロール８２はまた、圧縮機アセンブリ４４から流体出口３０へと流体を導くように構成される。流体出口３０は吐出フランジ８４を含み、吐出スクロール８２から、例えばタービンエンジンシステム、流体処理システム、および／または流体貯蔵システムなどの出力システム８６へと流体を導くように構成される。

動作中、前置翼アセンブリ３８は、流体入口２８から超音速圧縮機ロータ４０へと流体８８を案内する。前置翼アセンブリ３８は、流体８８の速度を増加させ、超音速圧縮機ロータ４０へと導かれる流体８８に渦を巻かせる。超音速圧縮機ロータ４０は、前置翼アセンブリ３８から流体８８を受け入れ、流体８８の量を低減し、流体８８を遷移アセンブリ４２内へと吐出する前に流体８８の圧力を増加させる。遷移アセンブリ４２は、流体８８を半径方向５４から軸線方向６０へと転回させ、流体８８を遠心圧縮機アセンブリ４６内へと導く。遠心圧縮機アセンブリ４６は、軸線方向６０に沿って流体８８を受け入れ、流体８８の圧力の増加を引き起こす遠心力を流体８８に与え、半径方向５４に沿って流体８８を翼ディフューザ８０へと吐出する。一実施形態では、遷移アセンブリ４２は、半径方向５４に対して斜めの方向から流体８８を転回させて、軸線方向６０に対して斜めの方向で流体を吐出する。

図３は、例示的な超音速圧縮機ロータ４０の斜視図である。図４は、図３に示される断面線４−４における超音速圧縮機ロータ４０の断面図である。図５は、図４に示される領域５に沿った超音速圧縮機ロータ４０の一部分の拡大断面図である。図４および図５に示される同一の構成要素には、図３で使用されるのと同じ参照番号が付されている。例示的実施形態では、超音速圧縮機ロータ４０は、ロータディスク９２に連結された複数の翼９０を含む。ロータディスク９２は、中心軸線２４に沿ってディスク本体９４を通って軸線方向に延在する内部円筒状キャビティ９６を画定する、環状のディスク本体９４を含む。ディスク本体９４は、半径方向内表面９８と、半径方向外表面１００と、半径方向内表面９８と半径方向外表面１００との間でほぼ半径方向に延在する端壁１０２とを含む。端壁１０２は、中心軸線２４に垂直に向きを与えられた半径方向５４に延在し、半径方向内表面９８と半径方向外表面１００との間で画定される幅１０４を含む。半径方向内表面９８は内部円筒状キャビティ９６を画定する。内部円筒状キャビティ９６は、ほぼ円筒状の形状を有し、中心軸線２４を中心にして向きを与えられる。内部円筒状キャビティ９６は、駆動軸２０（図１に示される）を中に受け入れるようにサイズ決めされる。

例示的実施形態では、翼９０はそれぞれ端壁１０２に連結され、中心軸線２４にほぼ平行な軸線方向６０で端壁１０２から外向きに延在する。翼９０はそれぞれ、入口縁部１０６および出口縁部１０８を含む。入口縁部１０６は半径方向外表面１００に隣接して位置付けられる。出口縁部１０８は半径方向内表面９８に隣接して位置付けられる。例示的実施形態では、隣接した翼９０は翼９０の対１１２を形成する。対１１２はそれぞれ、入口開口部１１４と、出口開口部１１６と、隣接した翼９０間のフローチャネル１１８とを画定するように向きを与えられる。フローチャネル１１８は、入口開口部１１４と出口開口部１１６との間に延在し、矢印１２０（図４および図５に示される）によって表される、入口開口部１１４から出口開口部１１６まで延在する流路を画定する。流路１２０は翼９０にほぼ平行に向きを与えられる。フローチャネル１１８は、流路１２０に沿って入口開口部１１４から出口開口部１１６へと半径方向５４で流体を導くように、サイズ、形状、および向きが決められる。入口開口部１１４は、隣接した翼９０の隣接した入口縁部１０６の間で画定される。出口開口部１１６は、隣接した翼９０の隣接した出口縁部１０８の間で画定される。翼９０は、半径方向内表面９８と半径方向外表面１００との間に翼９０が延在するように、入口縁部１０６と出口縁部１０８との間で半径方向に延在する。翼９０は、外表面１２２とその反対側の内表面１２４とを含む。内表面１２４は端壁１０２に連結される。翼９０は、外表面１２２と内表面１２４との間に延在して、フローチャネル１１８の軸線方向高さ１２６を画定する。

図３を参照すると、例示的実施形態では、フローチャネル１１８（図４に示される）がシュラウドアセンブリ１２８と端壁１０２との間に画定されるようにして、シュラウドアセンブリ１２８が各翼９０の外表面１２２に連結される。シュラウドアセンブリ１２８は、内縁部１３０と、外縁部１３２と、内縁部１３０と外縁部１３２との間に延在するシュラウドプレート１３４とを含む。内縁部１３０はほぼ円筒状の開口部１３６を画定する。シュラウドアセンブリ１２８は、内部円筒状キャビティ９６が開口部１３６と同心であるようにして、ロータディスク９２と同軸に向きを与えられる。シュラウドプレート１３４は、翼９０の入口縁部１０６がシュラウドアセンブリ１２８の内縁部１３０に隣接して位置付けられ、翼９０の出口縁部１０８がシュラウドアセンブリ１２８の外縁部１３２に隣接して位置付けられるようにして、各翼９０に連結される。代替実施形態では、超音速圧縮機ロータ４０はシュラウドアセンブリ１２８を含まない。そのような実施形態では、ダイヤフラムアセンブリ４８が少なくとも部分的にフローチャネル１１８を画定するように、ダイヤフラムアセンブリ４８が翼９０の外表面１２２それぞれに隣接して位置付けられる。

図４を参照すると、例示的実施形態では、少なくとも１つの超音速圧縮ランプ１４０がフローチャネル１１８内に位置付けられる。超音速圧縮ランプ１４０は、入口開口部１１４と出口開口部１１６との間に位置付けられ、１つまたは複数の圧縮波１４２をフローチャネル１１８内で形成できるように、サイズ、形状、および向きが決められる。

超音速圧縮機ロータ４０の動作中、前置翼アセンブリ３８（図２に示される）は、フローチャネル１１８の入口開口部１１４に向かって流体８８を導く。流体８８は、入口開口部１１４に入る直前に、第１の速度、すなわち接近速度（approach velocity）を有する。超音速圧縮機ロータ４０は、矢印１４４によって表される第２の速度、すなわち回転速度で中心軸線２４を中心にして回転し、それによって、フローチャネル１１８に入る流体８８が、翼９０に対して超音速である入口開口部１１４における第３の速度、すなわち流入速度を有する。流体８８が超音速速度でフローチャネル１１８を通って導かれると、超音速圧縮ランプ１４０によって圧縮波１４２がフローチャネル１１８内に形成されて、流体８８の圧縮が促進されるので、流体８８の圧力および温度が上昇し、かつ／または出口開口部１１６における量が低減される。

図５を参照すると、例示的実施形態では、翼９０はそれぞれ、第１の吸込側１４６と、その反対側の第２の圧力側１４８とを含む。吸込側１４６および圧力側１４８はそれぞれ、入口縁部１０６と出口縁部１０８との間に延在する。翼９０はそれぞれ、フローチャネル１１８が入口開口部１１４と出口開口部１１６との間でほぼ半径方向に向きを与えられるように、内部円筒状キャビティ９６を中心にして円周方向に間隔を空けられる。入口開口部１１４はそれぞれ、入口縁部１０６において翼９０の吸込側１４６と隣接した圧力側１４８との間に延在する。出口開口部１１６はそれぞれ、出口縁部１０８において吸込側１４６と隣接した圧力側１４８との間に延在し、それによって、半径方向外表面１００から半径方向内表面９８へと半径方向内向きに流路１２０が画定される。例示的実施形態では、フローチャネル１１８は、吸込側１４６と隣接した圧力側１４８との間で画定され、流路１２０に垂直である幅１５０を含む。例示的実施形態では、翼９０はそれぞれ弓状に形成され、フローチャネル１１８がらせん状に画定されるようにして向きを与えられる。

例示的実施形態では、フローチャネル１１８は、流路１２０に沿って変動する断面積１５２を画定する。フローチャネル１１８の断面積１５２は、流路１２０に垂直に画定され、フローチャネル１１８の幅１５０にフローチャネル１１８の軸線方向高さ１２６（図３に示される）を掛けたものに等しい。フローチャネル１１８は、第１の面積、すなわち入口開口部１１４における入口断面積１５４と、第２の面積、すなわち出口開口部１１６における出口断面積１５６と、第３の面積、すなわち入口開口部１１４と出口開口部１１６との間で画定される最小断面積１５８とを含む。例示的実施形態では、最小断面積１５８は、入口断面積１５４および出口断面積１５６よりも小さい。

例示的実施形態では、超音速圧縮ランプ１４０は、翼９０の圧力側１４８に連結され、フローチャネル１１８ののど部領域１６０を画定する。のど部領域１６０はフローチャネル１１８の最小断面積１５８を画定する。代替実施形態では、超音速圧縮ランプ１４０は、翼９０の吸込側１４６、端壁１０２、および／またはシュラウドアセンブリ１２８に連結されてもよい。さらなる代替実施形態では、超音速圧縮機ロータ４０は、吸込側１４６、圧力側１４８、端壁１０２、および／またはシュラウドアセンブリ１２８にそれぞれ連結された、複数の超音速圧縮ランプ１４０を含む。そのような実施形態では、超音速圧縮ランプ１４０は集合的にのど部領域１６０を画定する。

例示的実施形態では、超音速圧縮ランプ１４０は、圧縮面１６２および拡散面（diverging surface）１６４を含む。圧縮面１６２は、第１の縁部、すなわち前縁１６６と、第２の縁部、すなわち後縁１６８とを含む。前縁１６６は、後縁１６８よりも入口開口部１１４に近接して位置付けられる。圧縮面１６２は、前縁１６６と後縁１６８の間に延在し、斜角１７０で翼９０から隣接した吸込側１４６に向かって、かつ流路１２０内へと向きを与えられる。圧縮面１６２は、圧縮領域１７２が前縁１６６と後縁１６８との間で画定されるように、隣接した吸込側１４６に向かって収束する。圧縮領域１７２は、前縁１６６から後縁１６８まで流路１２０に沿って低減されるフローチャネル１１８の収束断面積１７４を含む。圧縮面１６２の後縁１６８はのど部領域１６０を画定する。

拡散面１６４は、圧縮面１６２に連結され、圧縮面１６２から出口開口部１１６に向かって下流側に延在する。拡散面１６４は、第１の端部１７６と、第１の端部１７６よりも出口開口部１１６に近接して位置付けられる第２の端部１７８とを含む。拡散面１６４の第１の端部１７６は、圧縮面１６２の後縁１６８に連結される。拡散面１６４は、第１の端部１７６と第２の端部１７８との間に延在し、圧力側１４８から隣接した吸込側１４６に向かって斜角１８０で向きを与えられる。拡散面１６４は、圧縮面１６２の後縁１６８から出口開口部１１６まで増加する拡散断面積１８４を含む拡散領域１８２を画定する。拡散領域１８２はのど部領域１６０から出口開口部１１６まで延在する。

例示的実施形態では、超音速圧縮ランプ１４０は、圧縮波１４２のシステム１８６がフローチャネル１１８内に形成されるように、サイズ、形状、および向きが決められる。動作中、流体８８が超音速圧縮ランプ１４０の前縁１６６に接触すると、システム１８６の第１の斜め衝撃波１８８が形成される。超音速圧縮ランプ１４０の圧縮領域１７２は、第１の斜め衝撃波１８８を、前縁１６６から隣接した翼９０に向かって流路１２０に対して斜角で、かつフローチャネル１１８内へと向きを与えるように構成される。第１の斜め衝撃波１８８が隣接した翼９０に接触すると、第２の斜め衝撃波１９０が、隣接した翼９０から流路１２０に対して斜角で、かつ超音速圧縮ランプ１４０ののど部領域１６０に向かって反射される。超音速圧縮ランプ１４０は、第１の斜め衝撃波１８８および第２の斜め衝撃波１９０をそれぞれ圧縮領域１７２内で形成するように構成される。流体が出口開口部１１６に向かってのど部領域１６０を通過すると、垂直衝撃波１９２が拡散領域１８２内に形成される。垂直衝撃波１９２は、流路１２０に垂直に向きを与えられ、流路１２０を横切って延在する。

流体８８が圧縮領域１７２を通過すると、流体８８が第１の斜め衝撃波１８８および第２の斜め衝撃波１９０をそれぞれ通過するにつれて流体８８の速度は低減される。それに加えて、流体８８の圧力は増加し、流体８８の量は減少する。流体８８がのど部領域１６０を通過すると、垂直衝撃波１９２に向かってのど部領域１６０の下流側で流体８８の速度は増加される。流体が垂直衝撃波１９２を通過すると、流体８８の速度はロータディスク９２に対して亜音速に減少する。

代替実施形態では、超音速圧縮ランプ１４０は、出口開口部１１６においてロータディスク９２に対して超音速である流出速度を有するように、流体８８を調整するように構成される。超音速圧縮ランプ１４０はさらに、のど部領域１６０の下流側かつフローチャネル１１８内に垂直衝撃波が形成されるのを防ぐように構成される。

図６は、超音速圧縮機ロータ４０の代替実施形態の斜視図である。図７は、図６に示される断面線７−７に沿った超音速圧縮機ロータ４０の断面図である。図８は、図６に示される断面線８−８に沿った超音速圧縮機ロータ４０の断面図である。図６〜８に示される同一の構成要素には、図３で使用されるのと同じ参照番号が付されている。代替実施形態では、ロータディスク９２は上流面１９４および下流面１９６を含む。上流面１９４および下流面１９６はそれぞれ、半径方向５４で半径方向内表面９８と半径方向外表面１００との間に延在する。上流面１９４は、半径方向内表面９８と半径方向外表面１００との間で画定される第１の半径方向幅１９８を含む。下流面１９６は、半径方向内表面９８と半径方向外表面１００との間で画定される第２の半径方向幅２００を含む。第１の半径方向幅１９８は第２の半径方向幅２００よりも大きい。

この代替実施形態では、半径方向外表面１００は、上流面１９４と下流面１９６の間で連結され、上流面１９４から下流面１９６まで軸線方向６０で画定される距離２０２だけ延在する。翼９０はそれぞれ、半径方向外表面１００に連結され、半径方向外表面１００から外向きに延在する。各翼９０の入口縁部１０６はロータディスク９２の上流面１９４に隣接して位置付けられる。各翼９０の出口縁部１０８は下流面１９６に隣接して位置付けられる。入口開口部１１４はそれぞれ、半径方向外表面１００によって画定され、上流面１９４に隣接する。出口開口部１１６はそれぞれ、半径方向外表面１００によって画定され、下流面１９６に隣接する。入口開口部１１４は、中心軸線２４から第１の半径方向距離２０４に位置付けられる。出口開口部１１６は、第１の半径方向距離２０４よりも長い、中心軸線２４から第２の半径方向距離２０６に位置付けられる。

図８を参照すると、半径方向外表面１００は、入口面２０８と、出口面２１０と、入口面２０８と出口面２１０との間に延在する遷移面２１２とを含む。入口面２０８は上流面１９４から遷移面２１２まで延在する。出口面２１０は遷移面２１２から下流面１９６まで延在する。入口面２０８は、フローチャネル１１８が半径方向５４に沿って延在する半径流路２１４を画定するように、中心軸線２４にほぼ垂直に向きを与えられる。半径流路２１４は、入口開口部１１４から遷移面２１２まで延在し、半径方向５４で流体を導く。出口面２１０は、フローチャネル１１８が軸線方向６０に沿って延在する軸流路２１６を画定するように、中心軸線２４にほぼ平行に向きを与えられる。軸流路２１６は、遷移面２１２から出口開口部１１６まで延在し、軸線方向６０で流体を導く。遷移面２１２は弓状に形成され、入口面２０８と出口面２１０との間に延在する遷移流路２１８を画定する。遷移面２１２は、半径方向５４から軸線方向６０へと流体を導くように向きを与えられるので、流体は、遷移流路２１８全体にわたって、矢印２２０によって表される軸流ベクトルと矢印２２２によって表される半径流ベクトルとを有するものとして特徴付けられる。

この代替実施形態では、動作中、流体８８は入口開口部１１４に入り、半径流路２１４を通って半径方向５４に沿って導かれる。流体が遷移流路２１８に入ると、フローチャネル１１８は、流体を半径方向５４から軸線方向６０へと導き、流体を半径流路２１４から軸流路２１６へと導く。次に、流体８８は、出口開口部１１６を通って軸線方向６０で軸流路２１６から吐出される。

図９は、超音速圧縮機システム１０の代替実施形態の概略断面図である。図１０は、超音速圧縮機ロータ４０の代替実施形態の斜視図である。図１１は、線１１−１１に沿った、図１０に示される超音速圧縮機ロータ４０の断面図である。図９に示される同一の構成要素には、図２で使用されるのと同じ参照番号が付されている。図１０および図１１に示される同一の構成要素には、図３および図７で使用されるのと同じ参照番号が付されている。代替実施形態では、超音速圧縮機ロータ４０は、遷移アセンブリ４２と圧縮機アセンブリ４４との間を流体連通して位置付けられる。吐出区画１６は、駆動軸２０に回転可能に連結され、圧縮機アセンブリ４４と流体出口３０との間を流体連通して位置付けられた後置翼（outlet guide vane）アセンブリ２２４を含む。圧縮機アセンブリ４４は、軸流圧縮機アセンブリ２２６を含み、超音速圧縮機ロータ４０と後置翼アセンブリ２２４との間を流体連通して位置付けられる。軸流圧縮機アセンブリ２２６は、１つまたは複数の固定の翼アセンブリ２２８と、１つまたは複数の圧縮機ディスクアセンブリ２３０とを含む。圧縮機ディスクアセンブリ２３０はそれぞれ、軸線方向で、かつ翼アセンブリ２２８の隣接した対２３２それぞれの間で間隔を空けられる。翼アセンブリ２２８はそれぞれ、ダイヤフラムアセンブリ４８に連結され、ダイヤフラムアセンブリ４８から駆動軸２０に向かって延在する複数の円周方向に間隔を空けたステータ２３４を含む。圧縮機ディスクアセンブリ２３０はそれぞれ、圧縮機ディスク２３８にそれぞれ連結された複数の圧縮機ブレード２３６を含む。圧縮機ブレード２３６はそれぞれ、圧縮機ディスク２３８を中心にして円周方向に間隔を空けられ、圧縮機ディスク２３８からダイヤフラムアセンブリ４８に向かって半径方向外向きに延在する。隣接した圧縮機ディスク２３８は、円周方向に間隔を空けた圧縮機ブレード２３６の隣接した列２４２それぞれの間にギャップ２４０が画定されるようにして、互いに連結される。ステータ２３４は、圧縮機ブレード２３６の隣接した列２４２の間で各圧縮機ディスク２３８を中心にして円周方向に間隔を空けられる。

代替実施形態では、超音速圧縮機ロータ４０は、下流面１９６の第２の半径方向幅２００に等しい上流面１９４の第１の半径方向幅１９８を含む。翼９０はそれぞれ、半径方向外表面１００に連結され、ロータディスク９２を中心にしてらせん状で円周方向に延在する。翼９０はそれぞれ、半径方向外表面１００から半径方向５４で外向きに延在する。翼９０はそれぞれ、隣接した翼９０から軸線方向に離隔し、それによってフローチャネル１１８は入口開口部１１４と出口開口部１１６との間でほぼ軸線方向６０に向きを与えられる。フローチャネル１１８は、入口開口部１１４から出口開口部１１６までの軸線方向６０に沿った軸流路２４４を画定する。

動作中、代替実施形態では、前置翼アセンブリ３８は遷移アセンブリ４２へと半径方向５４で流体８８を導く。遷移アセンブリ４２は、半径方向５４から軸線方向６０へと流体８８を導く。超音速圧縮機ロータ４０は、流体８８を軸線方向６０で圧縮し、軸流圧縮機アセンブリ２２６に向かって軸線方向で流体８８を吐出する。軸流圧縮機アセンブリ２２６は流体８８をさらに圧縮し、後置翼アセンブリ２２４へと軸線方向６０で流体８８を吐出する。

上述の超音速圧縮機ロータは、超音速圧縮機システムを通して流体を圧縮する、コスト効率が良く信頼性の高い方法を提供する。より具体的には、本明細書に記載される超音速圧縮機システムは、流体を圧縮し、圧縮流体を遠心圧縮機アセンブリへと導くため、流体入口と遠心圧縮機アセンブリとの間を流体連通して位置付けられる超音速圧縮機ロータを含む。さらに、遠心圧縮機アセンブリの上流側に超音速圧縮機ロータを提供することによって、超音速圧縮機システムは、既知の超音速圧縮機アセンブリよりも多量の流体を圧縮することができる。その結果、流体を圧縮するために超音速圧縮機システムを動作させるコストを低減することができる。

超音速圧縮機ロータのシステムおよび組立て方法の例示的実施形態は、詳細に上述されている。システムおよび方法は、本明細書に記載される特定の実施形態に限定されず、むしろ、システムの構成要素および／または方法のステップは、本明細書に記載される他の構成要素および／またはステップとは独立して、かつそれらとは別個に利用されてもよい。例えば、システムおよび方法はまた、他のロータリーエンジンシステムおよび方法と組み合わせて使用されてもよく、本明細書に記載されるような超音速圧縮機システムのみを用いて実施することに限定されない。より正確には、例示的実施形態は、他の多くのロータリーシステムの用途と関連して実行し利用することができる。

本発明の様々な実施形態の特定の特徴は、一部の図面にのみ示されていることがあるが、これは単に便宜上のものである。さらに、上記説明における「一実施形態」に対する言及は、列挙した特徴をやはり組み込む追加の実施形態が存在することを除外するものと解釈すべきでない。本発明の原理にしたがって、図面のあらゆる特徴は、他のいずれかの図面のあらゆる特徴と組み合わせて参照および／または請求されることがある。

本明細書は、最良の形態を含む本発明を開示するため、また、いずれかのデバイスまたはシステムの作成と使用、およびいずれかの組み込まれた方法の実行を含めて、当業者が本発明を実施できるようにするため、実施例を用いている。本発明の特許性のある範囲は請求項によって定義されるが、当業者が想起する他の実施例を含んでもよい。他のそのような実施例は、請求項の文言と異ならない構造的要素を有する場合、または請求項の文言と実質的に異ならない等価の構造的要素を含む場合、請求項の範囲内にあるものとする。

１０超音速圧縮機システム
１２吸込区画
１４圧縮機区画
１６吐出区画
１８駆動アセンブリ
２０駆動軸
２２駆動モータ
２４中心軸線
２６圧縮機ハウジング
２８流体入口
３０流体出口
３２内表面
３４キャビティ
３６流体源
３８前置翼アセンブリ
４０超音速圧縮機ロータ
４２遷移アセンブリ
４４圧縮機アセンブリ
４６遠心圧縮機アセンブリ
４８ダイヤフラムアセンブリ
５０矢印
５２半径流路
５４半径方向
５６内表面
５８遷移流チャネル
５９列
６０軸線方向
６１固定ブレード
６２遠心翼
６４圧縮機ディスク
６６遠心流チャネル
６８フローチャネル入口
６９フローチャネル出口
７０混流圧縮機アセンブリ
７１内表面
７２第１の駆動軸
７４第２の駆動軸
７６矢印
７８矢印
８０翼ディフューザ
８２吐出スクロール
８４吐出フランジ
８６出力システム
８８流体
９０翼
９２ロータディスク
９４ディスク本体
９６内部円筒状キャビティ
９８半径方向内表面
１００半径方向外表面
１０２端壁
１０４幅
１０６入口縁部
１０８出口縁部
１１２対
１１４入口開口部
１１６出口開口部
１１８フローチャネル
１２０流路
１２２外表面
１２４内表面
１２６軸線方向高さ
１２８シュラウドアセンブリ
１３０内縁部
１３２外縁部
１３４シュラウドプレート
１３６開口部
１４０超音速圧縮ランプ
１４２圧縮波
１４４矢印
１４６吸込側
１４８圧力側
１５０幅
１５２断面積
１５４入口断面積
１５６出口断面積
１５８最小断面積
１６０のど部領域
１６２圧縮面
１６４拡散面
１６６前縁
１６８後縁
１７０斜角
１７２圧縮領域
１７４収束断面積
１７６第１の端部
１７８第２の端部
１８０斜角
１８２拡散領域
１８４拡散断面積
１８６システム
１８８第１の斜め衝撃波
１９０第２の斜め衝撃波
１９２垂直衝撃波
１９４上流面
１９６下流面
１９８第１の半径方向幅
２００第２の半径方向幅
２０２距離
２０４第１の半径方向距離
２０６第２の半径方向距離
２０８入口面
２１０出口面
２１２遷移面
２１４半径流路
２１６軸流路
２１８遷移流路
２２０矢印
２２２矢印
２２４後置翼アセンブリ
２２６軸流圧縮機アセンブリ
２２８翼アセンブリ
２３０圧縮機ディスクアセンブリ
２３２隣接した対
２３４ステータ
２３６圧縮機ブレード
２３８圧縮機ディスク
２４０ギャップ
２４２隣接した列
２４４軸流路

Claims

流体入口（２８）と流体出口（３０）との間に延在するキャビティ（３４）を画定するケーシングと、
前記キャビティ内に位置付けられ、中心軸線（２４）が第１の駆動軸の中心線に沿って延在する第１の駆動軸（７２）と、
前記第１の駆動軸に連結され、前記流体入口と前記流体出口との間を流体連通して位置付けられるとともに、半径方向外表面と複数の翼を備え、隣接する前記翼および前記半径方向外表面がフローチャネルを画成し、前記フローチャネルが前記フローチャネル内で流体（８８）を圧縮する少なくとも１つの圧縮波（１４２）を形成するように構成された少なくとも１つの超音速圧縮ランプ（１４０）を内部に備える、超音速圧縮機ロータ（４０）と、
前記超音速圧縮機ロータと前記流体出口との間を流体連通して位置付けられるとともに、前記超音速圧縮機ロータから受け入れた流体を圧縮するように構成された遠心圧縮機アセンブリ（４６）と、
を備える、超音速圧縮機システム（１０）。
前記流体入口（２８）と前記超音速圧縮機ロータ（４０）との間を流体連通して位置付けられる前置翼アセンブリ（３８）をさらに備える、請求項１に記載の超音速圧縮機システム（１０）。
前記遠心圧縮機アセンブリ（４６）が前記第１の駆動軸（７２）に連結され、前記第１の駆動軸が、前記超音速圧縮機ロータ（４０）および前記遠心圧縮機アセンブリをそれぞれ第１の回転速度で回転させるように構成された、請求項１または２に記載の超音速圧縮機システム（１０）。
前記遠心圧縮機アセンブリ（４６）に連結された第２の駆動軸（７４）をさらに備え、前記第１の駆動軸（７２）が前記超音速圧縮機ロータ（４０）を第１の回転速度で回転させるように構成され、前記第２の駆動軸が、前記第１の回転速度とは異なる第２の回転速度で前記遠心圧縮機アセンブリを回転させるように構成された、請求項１から３のいずれかに記載の超音速圧縮機システム（１０）。
前記第１の駆動軸が前記超音速圧縮機ロータ（４０）を第１の回転方向で回転させるように構成され、前記第２の駆動軸（７４）が、前記第１の回転方向とは異なる第２の回転方向で前記遠心圧縮機アセンブリ（４６）を回転させるように構成された、請求項４に記載の超音速圧縮機システム（１０）。
前記ロータの前記半径方向外表面が、上流面と下流面との間をほぼ延在し、入口面、出口面、および前記入口面と出口面との間を延びる遷移面とを備え、
前記フローチャネルが入口開口部（１１４）と出口開口部（１１６）との間に延在し、
前記入口面が、前記入口開口部と前記遷移面との間に延在するとともに、前記中心軸線（２４）に対してほぼ垂直に向きを与えられて、前記入口開口部において半径流路を画定し、
前記出口面が、前記出口開口部と前記遷移面との間に延在するとともに、前記中心軸線に対してほぼ平行に向きを与えられて、前記出口開口部において軸流路を画定する、
請求項１から５のいずれかに記載の超音速圧縮機システム（１０）。
半径方向外表面（１００）は、前記上流面と前記下流面（１９６）との間でほぼ軸線方向に延在し、
前記フローチャネルが、前記上流面と前記下流面（１９６）との間を延在する軸流路を画定する、
請求項１から６のいずれかに記載の超音速圧縮機システム（１０）。
流体入口（２８）と流体出口（３０）との間に延在するキャビティ（３４）を画定するケーシングと、
前記キャビティ内に位置付けられ、中心軸線（２４）が第１の駆動軸の中心線に沿って延在する第１の駆動軸（７２）と、
前記第１の駆動軸に連結され、前記流体入口と前記流体出口との間を流体連通して位置付けられるとともに、半径方向外表面と、半径方向内表面と、前記半径方向内表面と前記半径方向外表面との間で半径方向に延在する端壁（１０２）とを備える、超音速圧縮機ロータ（４０）と、
前記端壁（１０２）に連結された複数の翼（９０）であって、隣接した前記翼と前記端壁が、前記半径方向内表面（９８）と前記半径方向外表面（１００）との間で半径方向に延在する半径方向フローチャネルを画成する、複数の翼（９０）と、
前記半径方向フローチャネル内に配置され、前記フローチャネル内で流体（８８）を圧縮する少なくとも１つの圧縮波（１４２）を形成するように構成された少なくとも１つの超音速圧縮ランプ（１４０）と、
前記超音速圧縮機ロータ（４０）と前記流体出口との間を流体連通して位置付けられるとともに、前記超音速圧縮機ロータから受け入れた流体を圧縮するように構成された圧縮機アセンブリと、
を備える、超音速圧縮機システム（１０）。
流体入口（２８）と流体出口（３０）との間に延在するキャビティ（３４）を画定するケーシングと、
前記キャビティ内に位置付けられ、中心軸線（２４）が第１の駆動軸の中心線に沿って延在する第１の駆動軸（７２）と、
前記第１の駆動軸に連結され、前記流体入口と前記流体出口との間を流体連通して位置付けられるとともに、半径方向外表面と複数の翼を備え、隣接する前記翼および前記半径方向外表面がフローチャネルを画成し、前記フローチャネルが前記フローチャネル内で流体（８８）を圧縮する少なくとも１つの圧縮波（１４２）を形成するように構成された少なくとも１つの超音速圧縮ランプ（１４０）を内部に備える、超音速圧縮機ロータ（４０）と、
前記超音速圧縮機ロータ（４０）と前記流体出口との間を流体連通して位置付けられるとともに、前記超音速圧縮機ロータから受け入れた流体を圧縮するように構成された混流圧縮機アセンブリと、
を備える、超音速圧縮機システム（１０）。
前記流体入口（２８）と前記超音速圧縮機ロータ（４０）との間を流体連通して位置付けられる前置翼アセンブリ（３８）をさらに備える、請求項９に記載の超音速圧縮機システム（１０）。