JP7871990B2 - 性能を向上させるための流量制御構造及び当該流量制御構造を組み込んだターボ機械 - Google Patents

Description

[0001] 本願は、「向上した性能を有する埋め込みディフューザ通路及び溝付きターボ機械インペラカバー」の発明の名称で２０２０年８月７日に出願された米国仮特許出願第６２／７０６，２８６号の優先権の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

[0002] 本開示は、概して、ターボ機械の分野に関する。特に、本開示は、性能を向上させるための流量制御構造及び当該流量制御構造を組み込んだターボ機械に関する。

[0003] ターボ機械ステージでの損失は、強度及び性質においてさまざまに異なるが、すべてのターボ機械ステージには、単相、単一成分、流れ：表面摩擦、二次流れ生成、出口混合、クリアランスギャップ流れ、漏れ、及び、高圧縮性流れの衝撃波形成に関するメカニズムのほとんどが含まれる。これらのメカニズムは、流量、入口圧力及び温度、出口圧力、インシデンス、及び回流プラス表面曲率、厚さ並びに回転条件など、多くの設計パラメータの影響を受ける。損失は、ターボ機械の性能に悪影響を及ぼし、かつ、流れ状態の悪化であると概ね理解されており、流れプロセスの全圧の減衰及びエントロピーの増加をもたらす。損失はまた、流れの剥離及び失速及びインペラスリップ、並びに、下流要素の性能に頻繁に悪影響を及ぼす不均一な流動場をもたらす可能性がある。損失を低減し、かつ、損失の影響を軽減するための改善された装置及び方法が必要とされている。

[0004] 一実施では、本開示はターボ機械に関する。ターボ機械は、ハブ面と、シュラウド面と、ハブ面又はシュラウド面に配置された複数の凹状チャネルと、を含み、凹状チャネルの各々は、流れ（flow-wise）方向に延在し、かつ、チャネルの長さに沿った子午線位置Ｍで対応のチャネルを通過する子午線基準平面に対して角度プロファイル？（Ｍ）を有し；チャネルの各々の少なくとも第１部分の角度は、最大質量流量動作点での作動流体の計算された最小流れ角以下であり、それによって、最大質量流量動作点での作動流体へのチャネルの結合を向上させるように設計及び構成される。

[0005] 別の実施では、本開示はターボ機械に関する。ターボ機械は、ハブ面と、シュラウド面と、流れ方向に延在し、かつ、ハブ面又はシュラウド面に配置された複数の凹状チャネルと、を含み、複数のチャネルは、複数の第１チャネル及び複数の第２チャネルを含み、チャネルに沿った子午線位置に対する第１チャネルの角度α１（Ｍ）は、チャネルに沿った子午線位置に対する第２チャネルの角度α１（Ｍ）とは異なり、角度α１（Ｍ）、α１（Ｍ）は、チャネルの長さに沿った子午線位置Ｍでチャネルを通過する子午線基準平面に対する、第１チャネル又は第２チャネルのうちの対応の１つの角度である。

[0006] さらに別の実施では、本開示はターボ機械に関する。ターボ機械は、ハブ面と、シュラウド面と、流れ方向に延在し、かつ、ハブ面又はシュラウド面に配置された複数の凹状チャネルと、を含み、チャネルの各々は、チャネルの凸側のハブ面又はシュラウド面に第１縁部と、チャネルの凹側のハブ面又はシュラウド面に第２縁部と、を有し；複数のチャネルのうちの少なくとも１つの第１縁部及び第２縁部のうちの少なくとも１つの少なくとも一部が、スクープ（scoop）を形成して流れを捕捉してチャネル内に流れの方向を変えるカスプ（cusp）を含む。

[0007] さらに別の実施では、本開示はターボ機械に関する。ターボ機械は、ハブ面と、シュラウド面と、流れ方向に延在し、かつ、ハブ面又はシュラウド面に配置された複数の凹状チャネルと、凹状チャネルのうちの対応の凹状チャネルに近接して配置された複数の部分高さ羽根であって、作動流体流動場との凹状チャネルの結合を改善するように設計及び構成される部分高さ羽根と、を含む。

[0008] さらに別の実施では、本開示は、インペラ、シュラウド、ハブ及び下流要素を有するターボ機械用の流量制御構造を形成する方法に関する。この方法は、ターボ機械の流動場分布において、ハブ又はシュラウドに近接する作動流体の流れ角の変動を質量流量の関数として推定するステップと；最大質量流量動作点での推定最小流れ角を識別するステップと；ハブ又はシュラウドの表面に配置され、作動流体の少なくとも一部の方向を変えるための少なくとも１つのチャネルを規定するステップと、を含み、規定するステップは、推定最小流れ角以下である少なくとも１つのチャネルのチャネル角度を選択し、それによって、少なくとも１つのチャネルと最大質量流量動作点での作動流体との結合を改善するステップを含む。

[0009] さらに別の実施では、本開示は、入口及び出口を有するインペラ、シュラウド、ハブ及び下流要素を有するターボ機械の流量制御構造を規定する方法に関し、ハブ及びシュラウドはインペラ通路を規定し、方法は、コンピュータを使用して、ターボ機械の数値流体モデルを開発するステップと；数値流体モデルを用いて、最大質量流量動作点でのインペラ通路流動場分布を計算するステップと；ハブ又はシュラウドに近接した流動場分布の流れ角変動を決定するステップと；ハブ及びシュラウドのうちの少なくとも１つにおいて流れ方向に延在する少なくとも１つのチャネルを規定するステップと、を含み、規定するステップは、最大質量流量動作点で決定された流れ角以下である少なくとも１つのチャネルのチャネル角度を規定するステップを含む。

[0010] 本開示を例示するため、図面は、本開示の１以上の実施形態の態様を示している。しかしながら、本開示は、図面に示される正確な構成及び手段に限定されないことを理解されたい。

圧縮機のハブ面及びシュラウド面に凹状チャネルを有するラジアル圧縮機の側断面図である。 図１の圧縮機のディフューザ背面プレートの正面図である。 圧縮機に結合された３つの異なる羽根なしディフューザの測定性能を示している。 圧縮機に結合された３つの異なる羽根なしディフューザの測定性能を示している。 羽根なしディフューザに結合された遠心圧縮機の子午線位置の関数として、シュラウド面に隣接する流管の計算された平均流れ角を示している。 羽根なしディフューザに結合された遠心圧縮機の子午線位置の関数として、ハブ面に隣接する流管の計算された平均流れ角を示している。 羽根なしディフューザに結合された遠心圧縮機の子午線位置の関数として、シュラウド面に隣接する流管の計算された平均流れ角を示している。 羽根なしディフューザに結合された遠心圧縮機の子午線位置の関数として、ハブ面に隣接する流管の計算された平均流れ角を示している。 羽根なしディフューザに結合された遠心圧縮機の子午線位置の関数として、シュラウド面に隣接する流管の計算された平均流れ角を示している。 流量毎秒０．５ｌｂｍ、１０００００ｒｐｍ、シュラウド側ケースについてＣＦＤプログラムによって生成された流線プロットの一例であり、かつ、インペラ及びディフューザの一部を示している。 ディフューザ背面プレートの一部を示し、かつ、異なる流れ角における２つの例示的な流れ流線を概念的に示している。 異なるチャネル角度を有する複数のセットのチャネルを含むディフューザプレートを示す。 図１２のディフューザプレートの正面図である。 異なるチャネル角度を有する複数のセットのチャネルを含むディフューザプレートの別の例を示している。 異なるチャネル角度を有する複数のセットのチャネルを含むディフューザプレートの別の例を示している。 異なるチャネル角度を有する複数のセットのチャネルを含むディフューザプレートの別の例を示している。 ２セットのチャネルを有するディフューザプレートを示し、かつ、低角度流線及び高角度流線も概念的に示している。 凹状チャネルに組み込まれ得る例示的な移行縁部特徴を示している。 凹状チャネルに組み込まれ得る例示的な移行縁部特徴を示している。 凹状チャネルに組み込まれ得る例示的な移行縁部特徴を示している。 複数の凹状チャネルに隣接して配置された部分高さ羽根を有するディフューザの斜視図である。 図２１のディフューザの平面図である。 図２１のディフューザの一部の側断面図である。 複数の凹状チャネルに隣接して配置された部分高さ羽根を有するディフューザの別の例の一部の側断面図である。 複数の凹状チャネルに隣接して配置された部分高さ羽根を有するディフューザの平面図である。 図２５のディフューザの一部の側断面図である。 複数の凹状チャネルに隣接して配置された部分高さ羽根を有するディフューザの別の例の一部の側断面図である。 複数の凹状チャネルを含むディフューザの別の実施例を示し、凹状チャネルの少なくとも一部は、チャネルの長さに沿って変動する断面積を有し、中細ノズルを形成する。

[0011] 本開示の態様は、ターボ機械の性能に対する損失の悪影響を低減すること、ターボ機械の性能を改善すること、上流要素で生成される下流要素に対する損失の悪影響を低減すること、かつ、上流要素及び下流要素の結合及び性能を改善すること、のうちの１以上を行うように設計及び構成された流量制御装置及び構造を含む。以下でさらに説明するように、本開示に従って形成された例示的な流量制御装置は、ターボ機械流動場の一部の方向を変え、誘導し又は他の方法で影響を与えて機械の性能を改善するため、ターボ機械のシュラウド側及びハブ側の一方又は両方に配置され得る流れ誘導チャネル、部分高さ羽根及び他の処理のさまざまな構成を含んでもよい。

[0012] ターボ機械は、ラジアル、軸流又は混合流であろうと、かつ、圧縮機、ポンプ又はタービンなどであろうと、概して、複数のブレードを有し、かつ、回転軸線を中心に回転し、かつ、流体通路内に配置されるインペラを含む。本明細書で使用される場合、インペラという用語は、圧縮機、タービン、ポンプ及びファンを含む任意のタイプのターボ機械の任意のタイプのブレード付きインペラ又はロータのことをいう。ターボ機械インペラは、入口及び出口を有し、かつ、通常、ディフューザ又はカスケード又はノズル又はステータなどの下流要素に流体連通している。回転機械の基本的な性質に起因する表面摩擦、クリアランスギャップ流れ、漏れ及び渦によって生じる損失などの実際の影響により、インペラ流動場に不均一性が生じる。このような不均一性は、インペラ通路内の流体速度の大きさ及び角度における不均一性に関して説明可能であり、流動場の低損失領域は、概してインペラ通路方向に従うなどの第１方向に実質的に整列され、流動場の他の領域は、主インペラ通路方向に垂直、かつ、その反対方向まで、さまざまな他の角度及び速度で伝達される。このようなオフ角流動場不均一性は、システム内の損失を表し、かつ、流れの不安定性、下流要素での失速、インペラでの逆流又は大きなインペラ出口空気力学的閉塞など、さらなる損失を引き起こす可能性がある。一次流れという用語及び同様の用語は、通常、経路方向に実質的に整列されたインペラ流動場の低損失部分のことをいい、二次流れ及び同様の用語は、通常、作動流体流動場の他の部分のことをいい、渦度及びかなりの損失を包含し得る。

[0013] 図１及び図２は、本開示に従って形成された流量制御構造を含む遠心圧縮機１００の一例を示している。図１は、側断面図であり、かつ、インペラシュラウド１６４内に回転可能に配置され、かつ、羽根なしディフューザ１０６の上流に配置されたインペラ１０２を示している。インペラ１０２は、回転軸線ａ１を中心に回転するように構成され、かつ、複数のブレード１０８（１つのみに符号が付されている）、並びに、入口１１２及び出口１１４を含む。インペラブレード１０８は、前縁１１６（１つのみに符号が付されている）と後縁１１８（１つのみに符号が付されている）との間で子午線方向に延在し、かつ、インペラブレードのハブ１２０とシュラウド側１２２との間でスパン方向に延在する。シュラウド１６４（ケーシングということもある）は、インペラ入口１１２からインペラ出口１１４まで延在し、かつ、ハブ１２０とともにインペラ通路を規定する、インペラブレードのシュラウド側１２２に隣接して配置されたシュラウド面１２４を規定する。

[0014] 当技術分野で知られているように、インペラ１０２は、インペラ通路を通じて作動流体を伝達し、作動流体を圧縮し、かつ、ディフューザ１０６を通じて、圧縮された作動流体を排出するように構成される。ディフューザ１０６は、前面１２６（ディフューザのシュラウド面又はシュラウド側ということもある）を規定する前面プレート１２５と、後面１３０（ディフューザのハブ面又はハブ側ということもある）を規定する背面プレート１２８と、を含む。シュラウド１６４のシュラウド面１２４及びディフューザ前面１２６は実質的に整列し、インペラ出口１１４に配置されたハブ１２０の一部は、示すように、ディフューザ背面１３０に整列する。図示する例では、インペラ１０２は開放されており、その結果、ブレード１０８のシュラウド側１２２とシュラウド面１２４との間に小さなクリアランスが存在し、かつ、インペラは、静止したシュラウド１６４に対して回転するように構成される。同様に、ハブディスク外径部１３４とディフューザ背面プレート１２８との間には小さなクリアランスが存在する一方で、シュラウド１６４及びディフューザ前面プレート１２５は、任意のそうした間隙を含まなくてもよく、かつ、インペラとディフューザ１０６との間で１つの連続面を形成してもよい。

[0015] 図２は、圧縮機１００の残りの構成要素を省略したディフューザ背面プレート１２８の正面図である。図２に示すように、ディフューザ背面プレート１２８は、背面プレートの周方向周りに配置され、かつ、ディフューザ入口２０４からディフューザ出口２０６までほぼ流れ方向に延在する複数の細長い流れ誘導チャネル２０２（１つのみに符号が付されている）を含む。チャネル２０２は、所定のチャネルの開始点から終了点まで延在するチャネルの中心線の長さとして規定される子午線長さを有する。他の例では、チャネル２０２は、異なる長さを有してもよく、例えば、ディフューザ出口２０６まで延在せず、ディフューザ出口の上流で終端してもよい。ある例では、チャネル２０２は、インペラハブ１２０に配置された流れ方向チャネル（図示せず）に連通するように設計及び構成されてもよい。

[0016] チャネル２０２の曲率は、子午線基準平面ＭＰ上に投影された場合にチャネルの長さに沿って子午線位置Ｍに対するチャネルの角度を規定する角度プロファイルα（Ｍ）によって特徴付けることができ、角度αは、チャネルの中心線に対する接線ｔと子午線位置Ｍでチャネルに交差するインペラ回転軸線ａ１を通過する子午線基準平面ＭＰとの間の角度である。図２は、子午線位置Ｍ１でチャネルを通って延在する子午線基準平面ＭＰ１に対する子午線位置Ｍ１での角度α１と、子午線位置Ｍ２でチャネルを通って延在する子午線基準平面ＭＰ２に対する子午線位置Ｍ２での角度α２と、を示している。本明細書に開示される流れ誘導チャネルは、チャネルの長さに沿って変動する角度α（Ｍ）又は一定の角度を有してもよい。図示する例では、チャネル２０２は一定の角度α（Ｍ）を有する。図２に示すように、圧縮機１００などのラジアル機械では、一定の角度α（Ｍ）を有するチャネルは、湾曲した螺旋形状を有する。

[0017] チャネル２０２は、所定のチャネルの開始点から終了点まで延在するチャネルの中心線の長さとして規定される流れ方向長さを有し、かつ、翼弦線ＣＬの長さとして規定される翼弦長さｃを有する。図示する例では、チャネル２０２は、ディフューザ１０６の円周周りに配置され、かつ、等間隔をあけられる。チャネル剛率（solidity）は、翼弦長さｃと隣接するチャネル間の間隔ｓとの比、例えば、ディフューザ入口又は任意の他の共通基準点における間隔として規定されてもよい。チャネル２０２は、作動流体の二次流れ部分などの作動流体の一部を誘導して損失を低減し、かつ、ディフューザ及び圧縮機の性能を改善するように設計及び構成される。

[0018] 再び図１を参照すると、圧縮機１００はまた、圧縮機のシュラウド側に複数の細長い流れ誘導チャネル１４０（１つのみを図示している）を含む。図示する例では、チャネル１４０は、インペラブレード後縁１１８の上流にあるインペラ通路に配置された開始位置１４２から延在し、かつ、概ね流れ方向にインペラ出口１１４を越えてディフューザ前面プレート１２５の前面１２６に沿ってディフューザ１０６内にディフューザ出口１１４まで下流に延在する。前面プレート１２５のチャネル１４０は、背面プレート１２８のチャネル２０２と同様の構成を有してもよいが、ハブ面とシュラウド面との間の流動場特性の相違を考慮して、異なる数のチャネル、チャネル角度、断面形状又はサイズを有してもよい。他の例では、チャネル１４０は、インペラ入口１１２とインペラ出口１１４との間のインペラ通路に沿った任意の場所に配置された開始位置を含む、異なる開始位置又は終了位置を有してもよく、若しくは、チャネル１４０のうちの１以上の開始位置は、ディフューザ１０６に配置されてもよく、かつ、インペラにはまったく配置されなくてもよい。チャネル２０２及び１４０の終了位置は、同様に、インペラ又はディフューザ通路の長さに沿った多数の位置のいずれかを有してもよい。他の例では、圧縮機１００は、機械のシュラウド側に沿って凹状流れ方向チャネルのみを含んでもよく（例えば、チャネル１４０のみ）、機械のハブ側に沿ってチャネルを含まなくてもよく（例えば、チャネル２０２を含まない）、又は、逆も同様である（ハブ側チャネルのみで、シュラウド側チャネルを含まない）。

[0019] 従来技術の流れ誘導チャネルのさまざまな例は、米国特許第９，８４５，８１０号「ターボ機械用の流量制御構造及びその設計方法」（‘８１０特許）に開示されており、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。凹状流れ誘導チャネルを含む流れ誘導構造のさまざまな特徴及び組み合わせは、本開示で説明及び図示される特徴ともに組み込まれてもよい。

[0020] 本発明者による最近の研究は、チャネル２０２及び１４０などの流れ方向チャネルの角度α（Ｍ）が、ターボ機械の性能に重大な影響を及ぼす可能性があることを示している。ある例では、目標圧力対流量特性などの所望の性能特性を達成するため、チャネルのうちの１以上の流れ方向曲率又は流れ方向角度プロファイルが、推定、測定又は計算された作動流体流れ角、例えば、ターボ機械がステージチョークポイントでの動作などの特定の動作点で動作している場合に、機械内の特定の子午線及びスパン方向位置での流れ角付近に設定されてもよい。例えば、チャネル２０２及び／又は１４０などの１以上の凹状流れ方向チャネルは、チャネルの全長に沿って又はその一部に沿って、角度α（Ｍ）を有してもよく、角度α（Ｍ）は、ターボ機械がステージチョークポイントで動作している場合のシュラウド壁面又はハブ壁面付近の作動流体の流れ角とほぼ同じ又はある例ではほぼそれ以下である。ある例では、１以上のチャネルは、ターボ機械が、ステージチョークポイントでの質量流量の少なくとも９０％である質量流量、ある例ではステージチョークポイントでの質量流量の少なくとも８０％である質量流量、ある例ではステージチョークポイントでの質量流量の少なくとも７０％である質量流量、ある例ではステージチョークポイントでの質量流量の少なくとも６０％である質量流量、で動作している場合、シュラウド壁面又はハブ壁面付近の作動流体の流れ角とほぼ同じ又はそれ未満の角度α（Ｍ）を有してもよい。ある例では、１以上のチャネルは、ターボ機械が、最高効率点での質量流量の＋／－１５％、ステージチョークポイントなどのチョークポイントでの質量流量の＋／－１５％、最高効率点での質量流量の２０％～８０％、チョークポイントでの質量流量の２０％～８０％、最高効率点とチョークポイントとの間、例えばそれらの間のほぼ中間の質量流量、で動作している場合、シュラウド壁面又はハブ壁面付近の作動流体の流れ角とほぼ同じ又はそれ未満の角度α（Ｍ）を有してもよい。

[0021] 以下でさらに説明するように、ある例では、ターボ機械のハブ側又はシュラウド側に異なる角度プロファイルを有するチャネルの複数のセットが含まれて、広範な動作条件にわたって性能を最適化してもよい。さらに他の例では、性能を最適化するためにチャネルの剛率が選択されてもよい。さらに他の例では、チャネルの長さに沿った縁部特徴が利用されてチャネルの有効性を改善してもよい。さらに他の例では、全部高さ羽根又は部分高さ羽根などの羽根が含まれて、凹状流れ方向チャネルの性能を改善してもよい。ある例では、断面積は、チャネル内の閉塞を防止するように構成及び寸法決めされてもよい。

[0022] 図３及び図４は、圧縮機に結合された３つの異なる羽根なしディフューザの測定性能を示す：（１）ハブ又はシュラウドに凹状チャネルを含まないベースラインの羽根なしディフューザからの試験データを表す曲線３０２、（２）ディフューザ１０６と同様であり、かつ、チャネル２０２及び１４０と同様であるがチャネルがディフューザの上流でインペラ内に延在しない、ディフューザの前面プレート及び後面プレートの両方に凹状流れ方向チャネルを含む羽根なしディフューザからの試験データを表す曲線３０４、（３）ハブ及びシュラウドのチャネルが互いに周方向にオフセットされ、かつ、シュラウド側チャネルが、チャネル１４０と同様であり、かつ、インペラ内に上流に延長されたことを除いて、曲線３０４と同じディフューザからの試験データを表す曲線３０６。

[0023] 図３は、４つの異なるインペラ速度（８００００ＲＰＭ～１３５０００ＲＰＭ）に対する無次元質量流量に対する全圧－静圧（total-to-static pressure）を示している。図４は、同じ４つのインペラ速度（８００００ＲＰＭ～１３５０００ＲＰＭ）に対する無次元質量流量に対する全圧－静圧効率を示している。図３及び図４に示すように、流れ方向チャネルを含む機械の性能（曲線３０４及び３０６）は、低流量でチャネルなしのベースライン機械の性能（曲線３０２）よりもかなり良好であり、記録的な高レベルの性能を達成する。しかしながら、高速で高流量では、チャネルを有する２つの機械の圧力及び効率（曲線３０４及び３０６）がベースラインケースの性能（曲線３０２）とほぼ同じで、性能の低下３０８がある。言い換えると、凹状流れ方向チャネルの性能上の利点は、高流量（約Ｍｒｅｆ＝０．５超）及びより高速（１２５ｋ及び１３５ｋの速度ライン）で失われるように見える、及び／又は、機械の性能を改善する場合のチャネルの有効性が低下しているように見える。この傾向は、高流量から低流量に（すなわち、ラインの右から左に）動作する場合でも、低流量から高流量に動作する逆の場合でも、見られた。動作の方向に応じて、１２０ｋ及び１３５ｋの速度ラインで性能の低下３０８が発生する質量流量に小さな変動が観察された。本開示は、観察された性能の低下３０８を最小化又は排除するように設計及び構成された構造を含み、かつ、高流量及び高速並びに低流量及び低速で性能を改善するように設計された、凹状流れ方向チャネルを含む、流量制御構造を提供する。以下でより詳述するように、高流量での性能の低下は、ディフューザ内の作動流体と凹状チャネルとの間の結合の程度の減少によって引き起こされる可能性があり、作動流体の流れ角の変化が、作動流体の一部にチャネルをバイパスさせ、圧縮機の性能及び効率の低下を引き起こす。場合によっては、性能の低下は、高流量で凹状チャネルの１以上で流れが詰まることが原因である可能性もある。

[0024] 図５は、羽根なしディフューザに結合された遠心圧縮機の子午線位置の関数として、シュラウド面に隣接する流管の計算された平均流れ角を示している。遠心圧縮機及び羽根なしディフューザの数値流体力学モデルを用いて計算が実行された。凹状流れ方向チャネルはモデルに含まれていなかった。流れ角は、機械の周方向周りに平均化され、それによって、すべてのインペラブレードからブレードへの変動を１つの代表的な角度に平均化する。図５は、各々が１３５０００ＲＰＭで動作するインペラを用いた４つの異なる質量流量についての平均流れ角対子午線位置を示しており、曲線５０２は、最小質量流量条件について計算された流れ角を示し、かつ、曲線５０６は、最大質量流量条件についての角度を示している。角度は、角度α（Ｍ）と同じ方法で子午線基準平面に対して取られる。したがって、径方向基準線からの角度が大きいほど、安定限界により近づくことが知られている流れがより接線方向であることを示し、角度が小さいほど、流れが径方向に近いことを示している。この図では、インペラは、子午線距離（Ｍ）の約２５％で始まり、かつ、子午線距離の約６２％で終わる。ディフューザは、子午線距離の約６２％から約８８％まで延在する。曲線５０２は、最小流量条件に対するものであり、かつ、ステージ失速又はシステムサージの直前に発生する；曲線５０６は、最大流量の最小トレースであり、かつ、インペラのチョーク限界レベルのすぐ下で発生する。これらのトレースは、隣接する壁（カバー）から離れて取られ；シュラウドの場合、トレースはインペラクリアランス間隙グリッディングを過ぎたところにある。図５から分かるように、流れ角は、質量流量が増加するにつれてより径方向になる（角度が小さくなる）。図３及び図４に関して上述したように、高流量でも性能低下が観察される。したがって、以下でさらに説明するように、流量が増加するにつれて流れ角が減少すると、最終的に、凹状チャネルよりも流れが径方向になり、それによって、流れがチャネルに入るのが妨げられ、かつ、チャネルが機械の性能に与える影響を減少させる。

[0025] 図６は、図５で使用されたのと同じＣＦＤモデルについて、かつ、図５に示されるものと同じ４つの動作条件について、ハブに沿って計算された周方向平均流れ角を示しており、曲線６０８は最小流れ状態であり、曲線６０６は最大流れ状態である。図７及び図８は、シュラウド（図７）及びハブ（図８）に沿った計算された流れ角データを、子午線位置及び１０００００ＲＰＭのより低いインペラ速度での流量の関数として示している。低回転速度では、シュラウドに沿って（図７）、ディフューザの時間平均（ブレード間の変動）の流れ角は、子午線又は径方向から４０～７３度の範囲であるのに対して、Ｎ＝１３５０００ｒｐｍラインで５８～７５度の範囲である（図５）。したがって、低速ラインは、高速ラインの場合よりも急な（より径方向、より角度が小さい）流線を示す。ハブ（図８）の場合、高速ライン動作と比較して、角度はシュラウド側の角度からあまり減少しない。図９は、図５及び図７とほぼ同じ範囲にある平均流れ角の範囲の別の角度を条件とした場合の、Ｐｒ＝４．５段階、羽根なしディフューザ、及び、ハブ又はシュラウド内に凹状チャネルのない代替の例を示している。

[0026] 図１０は、毎秒０．５ｌｂｍの流量、１０００００ｒｐｍ、シュラウド側ケースの数値流体力学（ＣＦＤ）プログラムなどの数値流体モデルによって生成された流線プロットの例であり、かつ、インペラ１００２及びディフューザ１００４の一部を示している。矢印は流動場流線ベクトルを表しており、矢印の角度は流れ方向を示し、かつ、矢印の長さは流速の大きさを示している。図１０に示すような流線プロットは、図５～図９に示されるブレード間平均流れ角よりも流動場においてはるかに複雑であることを明らかにしている。図示する例では、ベクトルは、インペラ出口／ディフューザ入口１００６の領域でより接線方向を有し（子午線基準平面からの流れ角がより大きくなり）、かつ、ディフューザ入口の下流でより径方向を有する（流れ角がより小さくなる）。

[0027] 図１１は、ディフューザ背面プレート１２８（図２も参照）の一部を示しており、また、図５～図９に関連して上述したように、より低流量でより優勢であり得る、より接線方向の高角度流線１１０２と、より高流量でより優勢であり得る、より径方向の低角度流線１１０４と、を含む２つの例示的な流れ流線を概念的に示している。図１１からわかるように、チャネル２０２（１つのみに符号が付されている）の角度は、作動流体がチャネルに進入するかどうかに影響を与える可能性がある。図示する例では、チャネル２０２は、より接線方向の流れを捕捉するのにより適した相対的に高角度を有するが、より低角度では、より低角度のより径方向の流れ（例えば、低角度流線１１０４）が、図１１に示すようにチャネル２０２をスキップする又はチャネル２０２から完全に外れ、それによって、チャネルの有効性を低下させてもよい。このような現象は、図３及び図４に示して上述した性能の低下３０８を説明し得る。

[0028] 再び図５を参照すると、例えば、凹状チャネルの角度が、ディフューザの流れ角の計算された帯域の中央、例えば約６５度のチャネル角度α（Ｍ）にある場合、流れは、２つの異なる挙動モードを有し得る。より高流量の圧縮機又はポンプの性能で発生するより低角度での流れ状態（より急な流線、より径方向の流れ）は、図１１の流線１１０４によって概念的に示されるように、流れがチャネルをすぐにスキップしてチャネルを迂回し又はチャネルから完全に外れ、それによって、チャネル自体にほとんど流れが捕捉されなくなるように、チャネルの軌跡よりも径方向であり得る。図５と図６とを比較すると、ハブ上の計算された流れ角は、シュラウド上よりも約１０度低い（より径方向の）約５０度の高流量状態での最小流れ角を有する。一例では、２モード動作を回避し、図３及び図４に関連して上述した高流量での性能の低下を回避するため、かつ、すべての流量でチャネルを正常に機能させ続けるため、凹状チャネルは、動作特性に沿ったすべての流量で完全なチャネル動作を可能にするために、十分に低い角度レベル（したがって、より径方向）に設定されてもよい。例えば、図５及び図６に示すケースの場合、前（シュラウド）側について、図５は、約５５～６０度の角度のチャネルが十分であることを示している（より高流量での最も径方向の流れに関連付けられた最小流れ角とほぼ同じか又はそれよりも５度小さい）；ハブ又は後側について、約５０度を使用してもよい。

[0029] 再び図１０を参照すると、ベクトル流線プロットは、場合によってはチャネル曲率に対するより調整されたアプローチが保証されてもよいことを示唆している。図１０の鳥瞰図は、チャネルによる流線の最適な遮断を達成するために約４０度の直線チャネル又は対数螺旋形状チャネルを示唆している可能性があり、その理由は、流れ角が、インペラ出口のおおよそ４５度の角度の下流に近づくように見えるが、（例えば、インペラカバーチャネルからの）フェアリングの目的のため、かつ、インペラブレード後縁での最初の接線方向の高角度の流れからチャネルへの進入を容易にするため、高角度（より接線方向）がインペラ排出／ディフューザ入口で好まれる可能性があるからである。したがって、角度が子午線位置の関数として変動するチャネルは、ディフューザ入口の領域で角度が大きくなり、ディフューザ入口の下流で角度が小さくなる。

[0030] 図１２及び図１３は、ディフューザ通路の前面プレート又は背面プレートのいずれかに使用可能であり、かつ、チャネルの複数のセット、ここではチャネル１２０２及びチャネル１２０４の２つのセット（各々の１つのみに符号が付されている）を含む、ディフューザプレート１２００の別の例を示している。ディフューザプレート１２００は、２セットのチャネル１２０２、１２０４に対して異なる角度プロファイルを設計及び選択して、異なる作動流体の流れ角を捕捉することによって、ある範囲の流量にわたって発生し得る性能低下を最小限に抑える又は排除するように設計及び構成されている。図示する例では、チャネル１２０２は、より高角度を有し、かつ、子午線基準平面に対してより接線方向であり、及びしたがって、図５～図９に関連して上述したように、流れ角がより大きくより接線方向になる傾向があるより低質量流量でより効果的であり得る。チャネル１２０４は、より低角度を有し、かつ、子午線基準平面に対してより径方向であり、及びしたがって、流れ角がより低くより径方向になる傾向があるより高質量流量でより効果的であり得る。したがって、より高質量流量で観察される性能低下３０８を排除するため、低角度のチャネル１２０４が、羽根あり又は羽根なしディフューザの前面プレート又は背面プレートに組み込まれてもよい（図３及び図４を参照）。

[0031] ある例では、チャネル１２０２は、チャネルの全部又は一部にわたって、最小質量流量動作点でのターボ機械の対応の領域にわたって推定、計算、測定又は他の方法で決定された最大作動流体流れ角以上である角度プロファイルα（Ｍ）を有している。ある例では、チャネル１２０２は、最小質量流量動作点での最大作動流体流れ角の＋／－５％以内であり、ある例では最大作動流体流れ角の＋／－１０％以内であり、ある例では最大作動流体流れ角の＋／－１５％以内であり、ある例では最大作動流体流れ角の＋／－２０％以内であり、ある例では最大作動流体の流れ角の＋／－２５％以内である、角度α（Ｍ）を有している。

[0032] ある例では、チャネル１２０４は、チャネルの全部又は一部にわたって、最大質量流量動作点でのターボ機械の対応の領域にわたって推定、計算、測定又は他の方法で決定された最小作動流体流れ角以下である角度プロファイルα（Ｍ）を有している。ある例では、チャネル１２０４は、最大質量流量動作点での最小作動流体流れ角の＋／－５％以内であり、ある例では最小作動流体流れ角の＋／－１０％以内であり、ある例では最小作動流体流れ角の＋／－１５％以内であり、ある例では最小作動流体流れ角の＋／－２０％以内であり、ある例では最小作動流体流れ角の＋／－２５％以内である、角度α（Ｍ）を有している。

[0033] ディフューザプレート１２００は、複数の第１チャネル１２０２及び複数の第２チャネル１２０４を含む複数のチャネルを含み、チャネルに沿った子午線位置に対する第１チャネル１２０２の角度α１（Ｍ）は、Ｍのすべての値について、言い換えれば、ディフューザの入口及び出口の間のディフューザプレート１２００の長さに沿ったすべての子午線位置について、チャネルに沿った子午線位置に対する第２チャネルの角度α２（Ｍ）よりも大きい。角度α１（Ｍ）、α２（Ｍ）は、チャネルの長さに沿った子午線位置Ｍでチャネルを通過する子午基準平面に対する第１チャネル又は第２チャネルのうちの対応するものの角度である。

[0034] 図示する例では、チャネル１２０２及び１２０４の両方が、ディフューザ入口１２０６からディフューザ出口１２０８までディフューザを横切って延びる長さを有し、かつ、交点１２１０で他のセットからのチャネルの１つに交差する各セット１２０２、１２０４からのチャネルの各々をもたらす面積スケジュール（area schedule）及び角度プロファイルを有し、交点の子午線位置はディフューザの長さに沿った任意の場所であってもよい。例えば、０％Ｍがディフューザ入口であり、１００％Ｍがディフューザ出口である場合、交点１２１０は、１％Ｍ～９９％Ｍ、ある例では５％Ｍ～９５％Ｍ、ある例では１０％Ｍ～９０％Ｍ、ある例では２０％Ｍ～８０％Ｍ、ある例では３０％Ｍ～７０％Ｍ、ある例では４０％Ｍ～６０％Ｍ、ある例では５％Ｍ～５０％Ｍ、ある例では５０％Ｍ～９０％Ｍの範囲の子午線位置を有してもよい。

[0035] 図示する例では、図１２で最もよくわかるように、チャネル１２０２及び１２０４は各々、特定の設計条件で十分な体積流量を収容及び拡散するように設計されたディフューザ表面１２２０の下方に配置された拡大被覆断面を有している。一例では、チャネル１２０２及び１２０４の両方が実質的に同じ断面積スケジュールを有してもよく、各チャネルの断面積は、子午線位置の増加とともに増加し、拡散流の量の増加に対応し得る。他の例では、２セットのチャネルの断面形状又は面積は異なっていてもよく、例えば、ディフューザ入口の領域の流れはより接線方向であることが理解されるので、低角度チャネル１２０４は、より浅く、かつ、ディフューザ入口に近接して小さい断面積を有してもよいが、チャネル１２０４は、流れ角がより低い（より径方向）さらに下流のディフューザプレート表面において、より深く、かつ、より大きな断面積及び／又はより広い幅を有し得る。

[0036] 図示する例では、同数のチャネル１２０２及び１２０４があり、ここでは各々１２ある。他の例では、各々の数が異なってもよい。例えば、チャネルの一方のセットは、他方のセットより、１０％～２０％少ない、又は２０％～３０％少ない、又は３０％～４０％少ない、又は５０％～６０％少ない、又は６０％～７０％少ないチャネル、又は８０％～９０％少ないチャネル、又は１０％～６０％少ない数のチャネルを有してもよい。非限定的な例として、別の実施では、ディフューザプレート１２００は、図１２に示すように、１２の高角度チャネル１２０２、６つの低角度チャネル１２０４を含んでもよく、低角度チャネルは、性能に有害な低角度の二次流れを修復することによって、性能に大きな影響を与え得るので、６つのチャネル１２０４がディフューザの円周周りに等間隔に配置される。

[0037] 図１２に示す例では、チャネル１２０２及び１２０４の両方のセットは、ディフューザ入口１２０６からディフューザ出口１２０８までディフューザを横切って延びる長さを有している。他の例では、ディフューザの全長にわたって延在するチャネルの両方のセットに代えて、チャネル１２０２及び１２０４は、異なる開始位置及び／又は終了位置を有してもよい。例えば、チャネル１２０２、１２０４のセットの一方がディフューザの全長にわたって延在してもよい一方で、他方は、ディフューザの一部のみに沿って配置されてもよい。図１４～図１６は、そのような２つの例を図示しており、図１４は、第１角度プロファイルを有する流れ方向チャネルの第１セットのチャネル１４０２（２つのみに符号が付されている）と、第１角度プロファイルとは異なる第２角度プロファイルを有する流れ方向チャネルの第２セットのチャネル１４０４（２つのみに符号が付されている）と、を含むディフューザプレート１４００を示している。図示する例では、チャネル１４０２は、子午面基準平面に対してより大きな角度を有し、かつ、低流量で典型的に見られるより接線方向の高角度流れに結合してそれを捕捉するように設計及び構成されている。チャネル１４０４は、子午線基準平面に対してより小さい角度を有し、かつ、典型的にはより高流量で見られるより径方向の低角度流れに結合してそれを捕捉するように設計及び構成されている。図示する例では、高角度チャネル１４０２は、ディフューザ入口１４０６からディフューザ出口１４０８までディフューザの全長にわたって延在する一方で、低角度チャネル１４０４は、ディフューザ全体にわたって延在せず、かつ、代わりにディフューザの入口領域にのみ配置され、チャネルは、ディフューザ入口１４０６から交点１４１０（１つのみに符号が付されている）まで延在し、そこで、それらの各々が、交差し、かつ、低角度チャネル１４０４の対応の１つに流体連通している。

[0038] 図１５は、第１角度プロファイルを有する第１セットの流れ方向チャネル１５０２（２つのみに符号が付されている）と、第１角度プロファイルとは異なる第２角度プロファイルを有する第２セットの流れ方向チャネル１５０４（２つのみに符号が付されている）と、を含むディフューザプレート１５００の別の実施例を示している。図示する例では、チャネル１５０２は、子午線基準平面に対してより大きな角度を有し、かつ、低流量で典型的に見られるより接線方向の高角度流れに結合してそれを捕捉するように設計及び構成されている。チャネル１５０４は、子午線基準平面に対してより小さい角度を有し、かつ、典型的にはより高流量で見られるより径方向の低角度流れに結合してそれを捕捉するように設計及び構成されている。図示する例では、高角度チャネル１５０２は、ディフューザ入口１５０６からディフューザ出口１５０８までディフューザの全長にわたって延在する一方で、低角度チャネル１５０４は、ディフューザ全体にわたって延在せず、かつ、代わりに下流領域にのみ配置され、チャネルは中間位置からディフューザ出口１５０８まで延在している。図１０に関連して上述したように、ＣＦＤ計算は、流れ角が、設計により、ディフューザ入口でかなり接線方向であり、かつ、下流でより径方向になり得ることを示している。したがって、低角度チャネル１５０４は、ディフューザの下流部分に設計され、構成され及び選択的に配置されて、高角度流れを捕捉し、かつ、計算された流れ角が閾値を下回る領域、例えば、子午面基準平面から４０～６０度未満、ある例では４０～５０度未満にある開始位置１５１０を有してもよい。

[0039] 図１６は、ディフューザプレート１５００と同様のディフューザプレート１６００の別の例を示しており、ディフューザプレート１６００は、ディフューザの全長にわたって延在する第１セットの高角度チャネル１６０２と、ディフューザ通路の下流部分に配置された第２セットの低角度チャネル１６０４と、を含む。チャネル１５０２及び１５０４が同様の断面形状及び面積プロファイルを有するディフューザプレート１５００とは異なり、チャネル１６０４は、チャネル１６０２よりも浅い深さ及び異なる断面積を有し、かつ、チャネル１６０２よりも少量の流体流を捕捉するように設計される。図１４～図１６に示す例では、チャネルの各セットには同じ数のチャネルが含まれる。他の実施では、チャネルの一方のセットは他方のセットよりも、１０％～２０％少ない、又は２０％～３０％少ない、又は３０％～４０％少ない、又は５０％～６０％少ない、又は６０％～７０％少ない、又は８０％～９０％少ない、又は１０％～６０％少ない数のチャネルを有してもよい。図示する例では、高角度チャネルは、ディフューザの全長にわたって延在している一方で、他の実施ではそうでなくてもよく、ディフューザに沿った他の点に開始位置及び終了位置を有する。同様に、図示する例では、低角度チャネルは、ディフューザの一部のみにわたって延在する一方で、他の実施では、ディフューザの全長にわたって延在してもよい。他の例では、ターボ機械は、３以上のセットのチャネルを有してもよく、各セットのチャネルは、他のセットのチャネルとは異なる角度プロファイルを有し、各セットのチャネルの数は同じであっても異なってもよく、かつ、各セットのチャネルは、ディフューザの全長又はディフューザの一部のみにわたって延在してもよく、インペラの上流まで延在してもよく、かつ、ターボ機械のハブ側又はシュラウド側又は両側に配置されてもよい。

[0040] 図１７は、２セットのチャネル１７０２、１７０４を有するディフューザプレート１７００を示しており、かつ、低角度流線１７０６及び高角度流線１７０８を概念的に示している。図１７に示すように、異なる角度プロファイルを有する２セットのチャネルを有することによって、高角度流れと低角度流れとの両方が、チャネル１７０２、１７０４によって捕捉され、かつ、好ましい方向に方向を変えられ、それによって、流量及び動作条件の広範囲にわたってターボ機械の性能を改善し得る。

[0041] 図１８～図２０は、本明細書に開示される凹状チャネルのいずれかに組み込まれて、流れへの結合及び流れの方向変化におけるチャネルの有効性を向上させ得る例示的な移行縁部特徴を示している。図１８は、各々が凸側１８０４及び凹側１８０６（１つのチャネルのみに符号が付されている）を有する凹状チャネル１８０２を含むディフューザプレート１８００を示しており、また、チャネル１８０２の角度とほぼ同じ又はわずかに大きい子午線基準平面に対して流れ角を有する高角度流線１８０８を概念的に示している。高角度流線１８０８は、凸側１８０４を越えてチャネルに進入することが予想され得る。図１９は、チャネル１８０２の断面側面図の一例であり、かつ、チャネルの例示的な縁部特徴を示している。図示する例では、チャネル１８０２の凸側１８０４上で、チャネルは、ディフューザハブ又はシュラウド面１９０２とチャネルの側壁１９０４との間に、面取りされた縁部１９０６の形態の移行縁部特徴を含み、チャネルへの流れの流入を促進するのを助ける。面取りの深さｄ１は、チャネルの性能を最適化するために変更されてもよく、かつ、ある例では、面取りの深さｄ１は、チャネルの深さの２％～５０％の範囲である。点線によって示されるように、別の例では、チャネル１８０２は、面取りに代えてフィレット１９０８の形態の移行縁部特徴を含み、チャネルへの流れの流入を促進し得る。

[0042] 図１９に示す例では、チャネル１８０２の凹側１８０６は、チャネル側壁１９０４から横方向内側に延在し、かつ、流れを捕捉してチャネル内に流れの方向を変えるためのスクープを形成するカスプ１９１０を含む。図１９は、流体の流れを概念的に示す矢印を含み、チャネルの凸側１８０４及び凹側１８０６のチャネル縁部特徴が、チャネル内への流体の流れを促進する。図２０は、流れを捕捉して流れの方向をチャネル内に変えるためのスクープを提供するため、チャネル側壁２００２から横方向に、かつ、ディフューザハブ又はシュラウド面２００４から高さｈ１だけ垂直方向に延在するカスプ２０００の形態の、チャネル１８０２の凹側１８０６上の移行縁部特徴の別の例を示している。カスプ２０００の高さｈ１は、チャネルの性能を最適化するために変更されてもよく、かつ、ある例では、高さｈ１は、チャネルの深さの２％～５０％の範囲である。

[0043] 図１９及び図２０に示すチャネル縁部特徴は任意の組み合わせで組み合わせられてもよく、例えば、面取り又はフィレットが、図２０に示すチャネルに追加されてもよい。チャネル縁部特徴は、凹側１８０６の面取り又はフィレットと、凸側のカスプとを逆にしてもよい。

[0044] ある例では、チャネルの縁部形状は、子午線位置によって異なってもよい。例えば、再び図１８を参照すると、高角度流線１８０８は、チャネル１８０２の上流部分１８１０に交差し、最初に凸側１８０４を横切る一方で、低角度流線１８１２は、チャネルの下流部分１８１４に交差し、最初に凹側１８０６を横切る。チャネル１８０２は、高角度流線１８０８を捕捉するために上流部分１８１０の凹側１８０６にカスプ１９１０又は２０００などのカスプを組み込むことによって、かつ、下流部分１８１４で逆の構成－低角度流線１８１２を捕捉するために凸側１８０４上のカスプを有することによって、高角度流線１８０８及び低角度流線１８１２の両方を捕捉するように設計されてもよい。チャネル１８０２が、子午線位置の開始位置０％Ｍから子午線位置の終了位置１００％Ｍまで延在するものとして規定される場合、上流部分１８１０は、０％Ｍから１０％Ｍまで、ある例では０％Ｍから２０％Ｍまで、ある例では０％Ｍから３０％Ｍまで、ある例では０％Ｍから４０％Ｍまで、ある例では０％Ｍから５０％Ｍまで、ある例では０％Ｍから６０％Ｍまで延在してもよい。下流部分１８１４は、４０％Ｍから１００％Ｍまで、ある例では５０％Ｍから１００％Ｍまで、ある例では６０％Ｍから１００％Ｍまで、ある例では７０％Ｍから１００％Ｍまで、ある例では８０％Ｍから１００％Ｍまで、ある例では９０％Ｍから１００％Ｍまで延在してもよい。

[0045] より一般的には、ある例では、高流量でディフューザ入口の下流の位置でより一般的であり得るより径方向のより低角度流れを捕捉するため、凹状チャネルは、チャネルの下流部分などのチャネルの少なくとも一部の凸側にスクープを形成する縁部特徴を含んでもよい。また、ある例では、凸側のスクープは、チャネルの開始位置の下流にある第１子午線位置で開始してもよく、かつ、チャネルの反対側の凹側は、開始位置と第１子午線位置と間でチャネルの上流部分に沿ってスクープを含んでもよい。

[0046] 図２１～図２３は、ディフューザ及びターボ機械の性能を改善するように設計及び構成された流量制御構造を含むディフューザ２１００の別の実施例を示している。図示する例では、ディフューザ２１００は、上面プレート２１０２及び下面プレート２１０４を含む。下面プレート２１０４は、概して流れ方向に延在し、かつ、本明細書に開示された凹状チャネルのいずれかの形状及び特徴のいずれかを有し得る複数の凹状チャネル２１０６を含む。ディフューザ２１００はまた、上面プレート２１０２に取り付けられた複数の部分高さ羽根２１０８を含み、複数の部分高さ羽根２１０８は、とりわけ、チャネルと流動場との間の結合を向上させる、チャネルに近接した流動場の圧力分布を形成することによって、チャネル２１０６の有効性を高めるように設計及び構成される。図２２は、チャネル２１０６に対する部分高さ羽根２１０８の位置決めをさらに図示するために上面プレート２１０２が取り除かれたディフューザ２１００の平面図である。図示する例では、部分高さ羽根は、各チャネル２１０６の凸側２２０２に隣接して配置され、チャネルの長さよりも短い長さを有し、かつ、ディフューザ入口２２０４に近接するチャネルの上流部分に隣接して配置される。

[0047] 他の例では、羽根は、チャネルと同じ長さを有することを含めて、より短くても長くてもよく、かつ、羽根２１０８の代替位置又は追加の部分高さ羽根の位置を示す破線２２０８によって示されるように下流部分に隣接するなど、チャネルに沿った任意の点に配置されてもよい。別の例では、羽根２１０８は、チャネルの長さに沿った任意の点でチャネル２１０６の凹側２２０６に配置されてもよい。一例では、羽根２１０８は、例えば上流部分に隣接するチャネル２１０６の凹側２２０６に配置されてもよく、かつ、高角度接線方向流れの方向をチャネル内に変えるように設計されてもよく、追加部分高さ羽根は、例えば、下流位置に隣接する凸側２２０２に配置されてもよく、かつ、低角度のより径方向の流れの方向をチャネル内に変えるように設計されてもよい。他の例では、第１サブセットのチャネル２１０６は、凹側２２０６に隣接する部分高さ羽根２１０８を有し、かつ、第２サブセットのチャネルは、凸側２２０２に隣接する部分高さ羽根２１０８を有する。また、ある例では、第１サブセットのチャネルは、第２サブセットのチャネルとは異なる曲率又は角度プロファイルを有し、例えば、第１サブセットのチャネルは、第２サブセットのチャネルより高角度又は低角度を有してもよい。

[0048] 図示する例では、同数の部分高さ羽根２１０８及びチャネル２１０６が存在する。他の例では、羽根２１０８の数はより多くても少なくてもよい。例えば、部分高さ羽根の数は、チャネルの数の１０％～７５％の範囲であってもよく、ある例では、部分高さ羽根の数は、チャネル２１０６の部分高さ羽根２１０８に対して１／５、１／３又は１／２であってもよい。

[0049] 図２３は、ディフューザ２１００の一部の側断面図であり、かつ、部分高さ羽根２１０８の１つとチャネル２１０６の１つとを示している。部分高さ羽根２１０８は、上面プレート２１０２と下面プレート２１０４との間のスパン方向距離ｓよりも小さい高さｈを有してもよい。部分高さ羽根は、スパン方向距離ｓの５％～９０％の範囲の高さｈを含む、スパン方向距離ｓよりも小さい任意の高さを有してもよく、スパン方向距離ｓの、ある例では５％～１０％、ある例では５％～１５％、ある例では５％～２０％、ある例では５％～２５％、ある例では５％～３０％、ある例では５％～３５％、ある例では５％～４５％、ある例では５％～５５％、ある例では４５％～９５％、ある例では５５％～９５％、ある例では６５％～９５％、ある例では７５％～９５％、及び、ある例では８５％～９５％の範囲の高さｈである。

[0050] 部分高さ羽根２１０８は、チャネル２１０６の中心線からオフセット距離ｄだけ間隔をあけられてもよく、オフセット距離ｄは、羽根厚さｔの１／２～１０倍の範囲であり、ある例では羽根厚さｔの１／２～５倍の範囲、及び、ある例では羽根厚さｔの１／２～３倍の範囲、及び、ある例では、羽根厚さｔの１／２～２倍の範囲である。部分高さ羽根は、－５度～＋２５度の範囲の入射角（流れ角と羽根角度との間の差）を有してもよい。羽根高さｈ、隣接するチャネルからの羽根オフセットｄ及び羽根入射角のうちの１以上は、チャネル２１０６に近接する流体流動場内に圧力分布を生成して、流動場へのチャネルの結合を向上させ、かつ、チャネルの有効性を改善するように設計、構成及び選択されてもよい。

[0051] 図２４は、複数のチャネル２４０４（１つのみが図示されている）としてディフューザの同じ側に取り付けられた複数の部分高さ羽根２４０２（１つのみが図示されている）を含むことを除いて、ディフューザ２１００と同様であるディフューザ２４００の形態の別の実施例を示している。図２４は、ディフューザ２４００の上面プレート２４０６の一部の側断面図である。部分高さ羽根２４０２の高さｈ、オフセット距離ｄ及び入射角は、部分高さ羽根２１０８について上で開示された値のいずれかを有してもよい。

[0052] さらに他の例では、図２１～図２３及び図２４に図示される実施形態がいかようにも組み合わせられてもよく、例えば、ディフューザは、ディフューザ通路のハブ側とシュラウド側との両方に、凹状流れ方向チャネルを含んでもよく、かつ、片側のみに又は両側に部分高さ羽根を含んでもよい。両側にある場合、部分高さ羽根は、例えば、ディフューザのシュラウド側に取り付けられた第１部分高さ羽根と、第１部分高さ羽根から円周方向に間隔をあけられ、かつ、シュラウドに取り付けられた別の８つの第１部分高さ羽根が続くディフューザのハブ側に取り付けられた第２部分高さ羽根とを互いに組み合わせて交互に配列して位置決めされてもよい。別の例では、図２１及び図２３に図示する実施形態が逆にされてもよく、流れ方向チャネルが上面プレート２１０２に配置され、部分高さ羽根が下面プレート２１０４に取り付けられる。別の例では、図２４に図示する実施形態が逆にされてもよく、流れ方向チャネルがディフューザの下面プレートに配置され、部分高さ羽根が同じく下面プレートに固定される。

[0053] 図２５は、ディフューザ及びターボ機械の性能を改善するための流量制御構造を含むディフューザ２５００の別の実施例を図示しており、ディフューザ２５００は、ディフューザプレート２５０５内に配置された複数の部分高さ羽根２５０２及び複数の凹状チャネル２５０４を含み、ディフューザプレートはディフューザ２５００の前面プレート又は背面プレートを形成し得る。図示する例では、部分高さ羽根２５０２よりも多い数の凹状チャネル２５０４があり、部分高さ羽根は、チャネルの対２５０６の間に選択的に配置され、かつ、部分高さ羽根は、チャネルの隣接する対の間に配置される。チャネルの対２５０６は、羽根２５０２の圧迫側２５０９に配置された圧迫側チャネル２５０４ｂと、羽根の吸込側２５０７に配置された吸込側チャネル２５０４ａと、を含む。図示する例では、各対２５０６の２つのチャネル２５０４は、流体連通しておらず、かつ、各々がディフューザの入口２５０８から出口２５１０まで延在している。他の例では、２つのチャネル２５０４は、部分高さ羽根２５０２の上流又は下流のいずれかで単一のチャネルに結合してもよく、又は、図１２及び図１３のチャネル１２０２及び１２０４と同様の交点で交差してもよい。さらに他の例では、チャネルの対２５０６における２つのチャネル２５０４は、ディフューザプレート２５０５の表面２５１２に別個の開口部を規定してもよいが、ディフューザ表面の下方に沈んだ（submerged）共通の流路を共有してもよい。

[0054] 図２６及び図２７は、ディフューザ２５００の２つの代替の実施形態の側断面図であり、チャネル２５０４の対２５０６の間に配置された部分高さ羽根２５０２がディフューザ通路の同じ側又は反対側にあってもよいことを図示している。図２６に図示する例では、部分高さ羽根２５０２は、ディフューザプレート２５０５に取り付けられ、かつ、チャネル２５０４ａ及び２５０４ｂから距離ｄ＿ａ、ｄ＿ｂだけ等間隔に間隔をあけられ、かつ、チャネルの対２５０６は間隔距離ｓだけ間隔をあけられる。図示する例では、間隔距離ｓは、チャネルの隣接する対２５０６の間の間隔よりも小さく、及び一例では、ｄ＿ａ及びｄ＿ｂは各々ｔ～５ｔの範囲内にあり、ｔは羽根２５０２の厚さである。別の例では、間隔はより大きくてもよく、ある例では、距離ｄ＿ａ及びｄ＿ｂは同じでなくてもよい。例えば、ｄ＿ａはｄ＿ｂより小さくてもよく、ｄ＿ｂは２×ｄ＿ａ～５×ｄ＿ａの範囲にあってもよい。言い換えると、羽根２５０２は、圧迫側チャネル２５０４ａにより近く、かつ、吸込側チャネル２５０４ｂからより大きな距離をあけられて、羽根が吸込側チャネルへの流れを遮断するのを防止してもよい。他の例では、逆にされてもよく、羽根２５０２が吸込側チャネル２５０４ｂのより近くに配置される。図２７に図示する代替の実施形態は、間隔パラメータｄ＿ａ、ｄ＿ｂ及びｓの同じ範囲によって構築されてもよい。ある例では、羽根２５０２とチャネル２５０４ａ、２５０４ｂとの間の相対間隔は、チャネル２５０４の領域の流動場に対する羽根の異なる効果に起因して、羽根がディフューザ通路の同じ側（図２６）又は反対側（図２７）に取り付けられているかどうかに従って選択される。図２６及び図２７に図示する例では、チャネルの対２５０６の両方のチャネル２５０４は、実質的に同じ断面形状、面積及び深さを有している。他の例では、チャネル２５０４の形状、サイズ又は深さは、例えば、チャネルが羽根２５０２の圧迫側２５０７又は吸込側２５０９にあるかどうか、及び、羽根がディフューザ通路の同じ側又は反対側に取り付けられるかどうか、に従って異なってもよい。例えば、吸込側チャネル２５０４ｂは、圧迫側チャネル２５０４ａよりも浅くてもよく及び／又は小さい断面積を有してもよい。他の例では、圧迫側チャネル２５０４ａは、吸込側チャネル２５０４ｂより浅くてもよく及び／又は小さい断面積を有してもよい。

[0055] 部分高さ羽根２５０２は、スパン方向距離の５％～９０％の範囲の高さｈを含む、ディフューザ通路のスパン方向距離ｓ＿ｓｐａｎよりも小さい任意の高さｈを有してもよく、スパン方向距離の、ある例では５％～１０％、ある例では５％～１５％、ある例では５％～２０％、ある例では５％～２５％、ある例では５％～３０％、ある例では５％～３５％、ある例では５％～４５％、ある例では５％～５５％、ある例では４５％～９５％、ある例では５５％～９５％、ある例では６５％～９５％、ある例では７５％～９５％及びある例では８５％～９５％の範囲の高さｈを有してもよい。図２５に示す例では、チャネル２５０４の対２５０６の間には部分高さ羽根は配置されない。他の例では、追加の全部高さ羽根又は部分高さ羽根が、チャネルの対の間に配置されてもよく、かつ、部分高さ羽根の場合、部分高さ羽根は、ディフューザ通路の部分高羽根２５０２と同じ側又は反対側に取り付けられてもよい。

[0056] 図２８は、ディフューザプレート２８０４に配置された複数の凹状チャネル２８０２を含むディフューザ２８００の別の実施例を示している。チャネル２８０２は、ディフューザプレート２８０４の表面２８０８に細長い開口部２８０６を含み、かつ、開口部２８０６の幅よりも広い幅を有する沈んだ部分２８１０も含み、表面２８０８の下方のチャネル通路の沈んだ部分の側面は図２８に破線で示される。破線で示されるように、沈んだ部分２８１０の幅及び断面積は、子午線位置によって変動し、図示する例では、子午線位置Ｍに配置されたスロート２８１４を含む中細ノズル２８１２を形成するように設計及び構成される。図３及び図４に関連して上述したように、高流量での性能の低下は、凹状チャネルを有する圧縮機の一部の実施で観察されてきた。ある例では、性能の低下は、チャネル内の流体流れの閉塞に起因する可能性がある。したがって、チャネル２８０２及び中細ノズル２８１２は、高流量でチャネルの性能を改善するように設計及び構成される。

[0057] 上記は、本開示の例示的な実施形態の詳細な説明である。本明細書及び添付の特許請求の範囲において、「Ｘ、Ｙ及びＺのうちの少なくとも１つ」及び「Ｘ、Ｙ及びＺのうちの１以上」という語句で使用されるような接続的な文言は、特に明言又は別途示されない限り、接続的な文言のリストの各アイテムが、リスト内の他のすべてのアイテムを除く任意の数で存在する、若しくは、接続的なリスト内の任意の又はすべてのアイテムと組み合わせた任意の数で存在することができ、その各々が任意の数で存在してもよいことを意味するものと解釈される。この一般規則を適用すると、接続的なリストがＸ、Ｙ及びＺから構成される前述の例の接続的な語句は各々：Ｘのうちの１以上；Ｙのうちの１以上；Ｚのうちの１以上；Ｘのうちの１以上及びＹのうちの１以上；Ｙのうちの１以上及びＺのうちの１以上；Ｘのうちの１以上及びＺのうちの１以上；及び、Ｘのうちの１以上、Ｙのうちの１以上及びＺのうちの１以上を包含する。

[0058] 本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、さまざまな修正及び追加がなされてもよい。上述したさまざまな実施形態の各々の特徴は、関連する新たな実施形態において多数の特徴の組み合わせを提供するため、適宜他の説明された実施形態の特徴と組み合わせれられてもよい。例えば、図１２～図１６で説明及び図示された、異なる角度プロファイルを有するチャネルの複数のセットの例の特徴のいずれかが、図１７～図２０で説明及び図示されるチャネル縁部特徴の例の特徴のいずれかと、及び／又は、図２１～図２７の部分高さ羽根及び凹状チャネルを組み込んだ実施例の特徴のいずれかと、及び／又は、図２８の中細ノズルの実施例と、組み合わせられ得る。さらに、上記は多数の別個の実施形態を説明しているが、本明細書で説明されたことは、本開示の原理の適用を単に例示するものである。さらに、本明細書における特定の方法は、特定の順序で実行されるものとして図示及び／又は説明され得るが、順序付けは、本開示の態様を達成するために当業者の範囲内で非常に多様性がある。したがって、この説明は、例としてのみ解釈されるべきであり、本開示の範囲を限定するものではない。さらに、ディフューザ内に配置される、本明細書に開示される凹状チャネルのいずれも、インペラ内に上流に延在するか、又は、ディフューザではなくインペラ内に全体が配置されてもよい。本明細書で開示される部分高さ羽根の例のいずれも、部分高さ羽根をディフューザ通路の両側に取り付けるように修正されてもよく、かつ、ディフューザは、部分高さ羽根に代えて又は図示する部分高さ羽根に加えて、１以上の全部高さ羽根を含んでもよい。ラジアル圧縮機に関連して本明細書に図示する例は、混合流及びラジアルポンプ混合流圧縮機、並びに、軸流、混合流又はラジアルファン及びタービンに容易に適用可能である。凹状チャネルを含む本明細書に開示された例のいずれも、ターボ機械通路の片側又は両側に凹状チャネルを組み込むように修正されてもよい。

Claims (28)

1. ハブ面と、シュラウド面と、前記ハブ面又は前記シュラウド面に配置された複数の凹状チャネルと、を備えるターボ機械であって、前記凹状チャネルの各々は、流れ方向に延在し、かつ、前記凹状チャネルの長さに沿って子午線位置Ｍで対応の凹状チャネルを通過する子午線基準平面に対して角度プロファイルα（Ｍ）を有し、
   前記凹状チャネルの各々の少なくとも第１部分の角度は、最大質量流量動作点で作動流体の計算された最小流れ角以下であり、それによって、前記最大質量流量動作点で前記作動流体への前記凹状チャネルの結合を向上させるように設計及び構成される、ターボ機械。
2. 前記最大質量流量動作点は、ステージチョークポイントの質量流量の少なくとも８０％である質量流量のポイントである、又は、前記最大質量流量動作点はステージチョークポイントである、請求項１に記載のターボ機械。
3. 前記最大質量流量動作点は、（１）最高効率点の質量流量の＋／－１５％の質量流量、（２）チョークポイントの質量流量の＋／－１５％の質量流量、（３）最高効率点の質量流量の２０％～８０％の質量流量、（４）チョークポイントの質量流量の２０％～８０％の質量流量、（５）最高効率点及びチョークポイントの間の質量流量、のいずれかに対応する質量流量動作点である、請求項１に記載のターボ機械。
4. 前記ターボ機械は、インペラと、ディフューザと、を含み、前記ディフューザは、０％Ｍの子午線距離Ｍに入口と、１００％Ｍに出口と、を有し、前記複数の凹状チャネルは、前記ディフューザに少なくとも部分的に配置され、前記凹状チャネルの前記第１部分は前記ディフューザの入口の少なくとも２０％Ｍ下流に配置される、請求項１に記載のターボ機械。
5. 前記複数の凹状チャネルは、複数の第１凹状チャネルと、複数の第２凹状チャネルと、を含み、前記凹状チャネルに沿った子午線位置に対する前記第１凹状チャネルの角度α１（Ｍ）は、前記凹状チャネルに沿った子午線位置に対する前記第２凹状チャネルの角度α２（Ｍ）と異なり、前記角度α１（Ｍ）、α２（Ｍ）は、前記凹状チャネルの長さに沿った子午線位置Ｍで前記凹状チャネルを通過する子午線基準平面に対して前記第１凹状チャネル又は前記第２凹状チャネルのうちの対応の１つの角度である、請求項１に記載のターボ機械。
6. 前記第１凹状チャネルの少なくとも１つは、前記第２凹状チャネルの対応の１つに直接流体連通している、請求項５に記載のターボ機械。
7. 前記第１凹状チャネルのうちの少なくとも１つは、前記第２凹状チャネルの対応の１つに交差している、請求項５に記載のターボ機械。
8. 前記ターボ機械は、入口及び出口を有するディフューザを含み、前記第１凹状チャネル及び前記第２凹状チャネルは各々、前記ディフューザの入口から前記ディフューザの出口まで延在する、請求項５～７のいずれか１項に記載のターボ機械。
9. 前記ターボ機械は、入口及び出口を有するディフューザを含み、前記第１凹状チャネルの各々は前記ディフューザの入口から前記ディフューザの出口まで延在し、前記第２凹状チャネルの各々は、前記ディフューザの入口に近接した開始位置と、対応の前記第２凹状チャネルが前記第１凹状チャネルの対応の１つに交差する交差点に終了位置と、を有する、請求項５～７のいずれか１項に記載のターボ機械。
10. 前記ターボ機械は、入口及び出口を有するディフューザを含み、前記第１凹状チャネルの各々は前記ディフューザの入口から前記ディフューザの出口まで延在し、前記第２凹状チャネルの各々は、前記ディフューザの入口の下流に配置された開始位置と、前記ディフューザの出口に終了位置と、を有する、請求項５～７のいずれか１項に記載のターボ機械。
11. 前記第１凹状チャネルの前記角度α１（Ｍ）が、Ｍのすべての値について、前記第２凹状チャネルの前記角度α２（Ｍ）より大きい、請求項５～１０のいずれか１項に記載のターボ機械。
12. 前記第１凹状チャネルの前記角度α１（Ｍ）は、Ｍのすべての値について、前記第２凹状チャネルの前記角度α２（Ｍ）より小さい、請求項５～１０のいずれか１項に記載のターボ機械。
13. 前記凹状チャネルの各々は、前記凹状チャネルの凸側の前記ハブ面又は前記シュラウド面に第１縁部と、前記凹状チャネルの凹側の前記ハブ面又は前記シュラウド面に第２縁部と、を有し、
    前記複数の凹状チャネルのうちの少なくとも１つの前記第１縁部及び前記第２縁部のうちの少なくとも１つの少なくとも一部は、流れを捕捉して前記凹状チャネル内に流れの方向を変えるためのスクープを形成するカスプを含む、請求項１に記載のターボ機械。
14. 前記カスプは、前記凹状チャネルの側壁から横方向に延在する、請求項１３に記載のターボ機械。
15. 前記カスプは、前記ハブ面又は前記シュラウド面から垂直方向に延在する、請求項１３又は１４に記載のターボ機械。
16. 前記カスプは、前記凹状チャネルのうちの少なくとも１つの前記第１縁部の少なくとも一部に沿って配置される、請求項１３～１５のいずれか1項に記載のターボ機械。
17. 前記カスプは、前記凹状チャネルのうちの少なくとも１つの前記第２縁部の少なくとも一部に沿って配置される、請求項１３～１６のいずれか１項に記載のターボ機械。
18. 前記カスプは、前記凹状チャネルのうちの少なくとも１つの上流部分に沿って配置される、請求項１３～１５のいずれか１項に記載のターボ機械。
19. 前記凹状チャネルは、子午線位置０％Ｍの開始位置から子午線位置１００％Ｍの終了位置まで延在し、前記上流部分は０％Ｍから５０％Ｍまで延在する、請求項１８に記載のターボ機械。
20. 前記カスプは、前記凹状チャネルのうちの少なくとも１つの下流部分に沿って配置される、請求項１３～１８のいずれか１項に記載のターボ機械。
21. 前記凹状チャネルは、子午線位置０％Ｍの開始位置から子午線位置１００％Ｍの終了位置まで延在し、前記下流部分は５０％Ｍから１００％Ｍまで延在する、請求項２０に記載のターボ機械。
22. 前記凹状チャネルのうちの少なくとも１つの前記第２縁部の上流部分は、流れを捕捉して前記凹状チャネル内に前記流れの方向を変えるためのスクープを形成するカスプを含み、前記凹状チャネルのうちの前記少なくとも１つの前記第１縁部の下流部分は、流れを捕捉して前記凹状チャネル内に前記流れの方向を変えるためのスクープを形成するカスプを含む、請求項１３～１５のいずれか１項に記載のターボ機械。
23. 前記少なくとも１つの凹状チャネルの前記第２縁部の下流部分はカスプを含まず、かつ、前記少なくとも１つの凹状チャネルの前記第１縁部の前記上流部分はカスプを含まない、請求項２２に記載のターボ機械。
24. 前記少なくとも１つの凹状チャネルの前記第２縁部の前記下流部分は面取り又はフィレットを含み、前記少なくとも１つの凹状チャネルの前記第１縁部の前記上流部分は面取り又はフィレットを含む、請求項２２又は２３に記載のターボ機械。
25. 前記複数の凹状チャネルのうちの少なくとも１つの前記第１縁部又は前記第２縁部のうちの少なくとも１つの少なくとも一部は、前記凹状チャネル内への流体の流入を促進するための面取り又はフィレットを含む、請求項１３～２３のいずれか1項に記載のターボ機械。
26. インペラ、シュラウド、ハブ及び下流要素を有するターボ機械のための流量制御構造を形成する方法であって、前記方法は、
    前記ターボ機械の流動場分布において、質量流量の関数として前記ハブ又は前記シュラウドに近接する作動流体の流れ角の変動を推定するステップと、
    最大質量流量動作点で推定された最小流れ角を識別するステップと、
    前記作動流体の少なくとも一部の方向を変えるために前記ハブ又は前記シュラウドの表面に配置された少なくとも１つのチャネルを規定するステップであって、推定された前記最小流れ角以下である前記少なくとも１つのチャネルのチャネル角度を選択し、それによって、前記最大質量流量動作点で前記作動流体への前記少なくとも１つのチャネルの結合を改善するステップを含む、規定するステップと、を含む、ターボ機械のための流量制御構造を形成する方法。
27. 最小質量流量動作点で推定された最大流れ角を識別するステップをさらに含み、
    前記少なくとも１つのチャネルを規定するステップは、
    推定された前記最小流れ角以下であるチャネル角度を用いて、前記ハブ又は前記シュラウドの表面に配置された複数の第１チャネルを規定するステップと、
    推定された前記最大流れ角以上であるチャネル角度を用いて、前記ハブ又は前記シュラウドの表面に配置された複数の第２チャネルを規定するステップと、を含む、請求項２６に記載の方法。
28. 入口及び出口を有するインペラと、シュラウドと、ハブと、下流要素と、を有するターボ機械のための流量制御構造を規定する方法であって、前記ハブ及び前記シュラウドはインペラ通路を規定し、前記方法は、
    コンピュータを使用して、前記ターボ機械の数値流体モデルを構築するステップと、
    前記数値流体モデルを用いて、最大質量流量動作点でインペラ通路の流動場分布を計算するステップと、
    前記ハブ又は前記シュラウドに近接して前記流動場分布の流れ角変動を決定するステップと、
    前記ハブ及び前記シュラウドのうちの少なくとも１つにおいて流れ方向に延在する少なくとも１つのチャネルを規定するステップであって、前記最大質量流量動作点で決定された前記流れ角以下である前記少なくとも１つのチャネルのチャネル角度を規定するステップを含む、規定するステップと、を含む、ターボ機械のための流量制御構造を規定する方法。