超音速圧縮機ロータ及びその組み立て方法

【課題】超音速圧縮機システムの性能効率を向上させる、コスト効果があり且つ信頼性のあるロータに関する方法を提供する。
【解決手段】超音速圧縮機ロータは、半径方向内側面５６と半径方向外側面５８との間に延びる本体を含むロータディスク４８と、本体に結合され且つロータディスクから外向きに延びた複数のベーン４６とを備え、隣接するベーンが、ペアを形成し且つ隣接ベーンの各ペア間に流れチャンネルが定められるような向きにされ、流れチャンネルが入口開口と出口開口との間に延びており、超音速圧縮機ロータが更に、流れチャンネル内に位置付けられる少なくとも１つの超音速圧縮ランプを備え、超音速圧縮ランプは、流れチャンネルを通って送られる流体が入口開口における第１の速度と出口開口における第２の速度とにより特徴付けられ、第１の速度及び第２の速度の各々がロータディスク表面に対して超音速であるように流体を調整するよう構成される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で説明される主題は、全体的に、超音速圧縮機システムに関し、より詳細には、超音速圧縮機システムと共に用いる超音速圧縮機ロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一部の公知の超音速圧縮機システムは、駆動組立体と、ドライブシャフトと、流体を加圧するための少なくとも１つの超音速圧縮機ロータと、を含む。駆動組立体は、ドライブシャフトと共に超音速圧縮機ロータに結合され、駆動シャフト及び超音速圧縮機ロータを回転させる。
【０００３】
公知の超音速圧縮機ロータは、ロータディスクに結合された複数のストレークを含む。各ストレークは、ロータディスクの周りで円周方向に向けられ、隣接するストレーク間に軸方向流れチャンネルを定める。少なくとも一部の公知の超音速圧縮機ロータは、ロータディスクに結合される超音速圧縮ランプを含む。公知の超音速圧縮ランプは、軸方向流路内に位置付けられ、また流路内で圧縮波を形成するよう構成される。
【０００４】
公知の超音速圧縮機システムの作動中、駆動組立体は、高回転速度で超音速圧縮機ロータを回転させる。流体は、流れチャンネルにおいて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特徴付けられるように超音速圧縮機ロータに流体が送られる。公知の超音速圧縮機ロータにおいて、流体が軸方向流れチャンネルを通って送られると、超音速圧縮機ランプにより流れチャンネル内で垂直衝撃波の形成が生じる。流体が垂直衝撃波を通過すると、流体の速度は、超音速圧縮機ロータに対して亜音速にまで低下する。垂直衝撃波により流体の速度が低下すると、流体のエネルギーも低下する。流れチャンネルを通る流体エネルギーの低下は、既知の超音速圧縮機システムの動作効率を低下させる可能性がある。公知の超音速圧縮機システムは、例えば、２００５年３月２８日、及び２００５年３月２３日にそれぞれ出願された、米国特許第７，３４４，９００号及び第７，２９３，９５５号、並びに２００９年１月１６日に出願された米国特許出願公開２００９／０１９６７３１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，４３４，４００号明細書
【発明の概要】
【０００６】
１つの態様において、超音速圧縮機ロータが提供される。超音速圧縮機ロータは、半径方向内側面と半径方向外側面との間に延びる本体を含むロータディスクを含む。複数のベーンが本体に結合される。ベーンは、ロータディスクから外向きに延びる。隣接するベーンが、ペアを形成し、隣接ベーンの各ペア間に流れチャンネルが定められるような向きにされる。流れチャンネルは入口開口と出口開口との間に延びる。少なくとも１つの超音速圧縮ランプが流れチャンネル内に位置付けられる。超音速圧縮ランプは、流れチャンネルを通って送られる流体が入口開口における第１の速度と出口開口における第２の速度とを含むように流体を調整するよう構成される。第１の速度及び第２の速度の各々は、ロータディスク表面に対して超音速である。
【０００７】
別の態様において、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びるキャビティを定める内側面を有するハウジングを含む。駆動シャフトがハウジング内に位置付けられる。駆動シャフトは、駆動組立体に回転可能に結合される。超音速圧縮機ロータが駆動シャフトに結合される。超音速圧縮機ロータは、流体入口と流体出口との間に位置付けられ、該流体入口から流体出口に流体を送るようにする。超音速圧縮機ロータは、半径方向内側面と半径方向外側面との間に延びる本体を有するロータディスクを含む。複数のベーンが本体に結合される。ベーンは、ロータディスクから外向きに延びる。隣接するベーンが、ペアを形成し、隣接ベーンの各ペア間に流れチャンネルが定められるような向きにされる。流れチャンネルは、入口開口と出口開口との間に延びる。少なくとも１つの超音速圧縮ランプが流れチャンネル内に位置付けられる。超音速圧縮ランプは、流れチャンネルを通って送られる流体が入口開口における第１の速度と出口開口における第２の速度とを含むように流体を調整するよう構成される。第１の速度及び第２の速度の各々は、ロータディスク表面に対して超音速である。
【０００８】
更に別の態様において、超音速圧縮機ロータを組み立てる方法が提供される。本方法は、半径方向内側面と半径方向外側面との間に延びる本体を有するロータディスクを提供する段階を含む。複数のベーンが本体に結合される。隣接するベーンは、流れチャンネルが隣接ベーンの各ペア間に定められるような向きにされる。流れチャンネルは、入口開口と出口開口との間に延びる。少なくとも１つの超音速圧縮ランプは、複数のベーンの１つのベーン及びロータディスクのうちの一方に結合される。超音速圧縮ランプは、流れチャンネル内に位置付けられ、流れチャンネルを通って送られる流体が入口開口における第１の速度と出口開口における第２の速度とを含むように流体を調整するよう構成される。第１の速度及び第２の速度の各々は、ロータディスク表面に対して超音速である。
【０００９】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】例示的な超音速圧縮機の概略図。
【図２】図１に示す超音速圧縮機と共に用いることができる例示的な超音速圧縮機ロータの斜視図。
【図３】図２に示す超音速圧縮機ロータの拡大斜視図。
【図４】切断線４−４に沿った図２に示す超音速圧縮機ロータの断面図。
【図５】領域５から見た、図３に示す超音速圧縮機ロータの一部の拡大断面図。
【図６】図１に示す超音速圧縮機と共に用いることができる代替の超音速圧縮機ロータの斜視図。
【図７】切断線７−７に沿った図６に示す超音速圧縮機ロータの一部の拡大平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
別途指示されていない限り、本明細書で示される図面は、本発明の主要な発明の特徴を例証するものとする。これらの主要な発明の特徴は、本発明の１つ又はそれ以上の実施形態を含む様々なシステムにおいて適用可能であると考えられる。従って、図面は、当業者には公知の従来の全ての特徴を含むことを意図するものではなく、本発明の実施に必要とされるものを意図している。
【００１２】
以下の明細書及び請求項において幾つかの用語を参照するが、これらは以下の意味を有すると定義される。
【００１３】
単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。
【００１４】
「任意」又は「任意選択的に」とは、これに続いて記載されている事象又は状況が起こる場合があり、又は起こらない場合もあることを意味し、この記載は当該事象が起こる場合と起こらない場合を含む。
【００１５】
本明細書及び請求項全体を通じてここで使用される近似表現は、関連する基本的機能の変更をもたらすことなく、許容範囲内で変わることのできるあらゆる定量的表現を修飾するのに適用することができる。従って、「約」及び「実質的に」などの１又は複数の用語により修飾される値は、指定される厳密な値に限定されるものではない。少なくとも幾つかの事例において、近似表現は、値を測定するための計器の精度に対応することができる。ここで、及び明細書及び請求項全体を通じて、範囲限界は組み合わせ及び／又は置き換えが可能であり、このような範囲は前後関係又は表現がそうでないことを示していない限り、識別され、ここに包含される部分範囲全てを含む。
【００１６】
本明細書で使用される用語「上流側」は、超音速圧縮機システムの前方又は入口端部を指し、用語「下流側」は、超音速圧縮機システムの後方又は出口端部を指す。
【００１７】
本明細書で使用される用語「超音速圧縮機ロータ」とは、超音速圧縮機ロータの流体流れチャンネル内に配置された超音速圧縮ランプを含む圧縮機ロータを指す。更に、超音速圧縮機ロータは、ロータの流れチャンネル内に配置された超音速圧縮ランプにおいて回転してい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）が超音速の相対流体速度を有するとみなされるように、回転軸の周りを高速で回転するよう設計されていることから「超音速」であると考えられる。相対流体速度は、超音速圧縮ランプにおけるロータ速度及び超音速圧縮ランプに衝突する直前の流体速度のベクトル和を用いて定義することができる。この相対流体速度は、「局所超音速入口速度」と呼ばれることもあり、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流れチャンネル内に配置された超音速圧縮ランプの接線速度との合成である。超音速圧縮機ロータは、極めて高い接線速度で、例えば、３００メートル／秒から８００メートル／秒の範囲の接線速度で使用可能なように設計される。
【００１８】
本明細書で記載される例示的なシステム及び方法は、流体チャンネルの出口にて超音速である速度によって流体が特徴付けられる流路を通じて流体を送ることができる超音速圧縮機ロータを提供することによって、既知の超音速圧縮機組立体の欠点を克服する。より具体的には、本明細書で記載される実施形態は、流れチャンネル内に配置され、且つ流れチャンネル内での垂直衝撃波の形成を阻止するよう構成された超音速圧縮ランプを含む。流れチャンネル内での垂直衝撃波の形成を阻止することにより、流体エントロピーの増大が低減される。
【００１９】
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。例示的な実施形態において、超音速圧縮機システム１０は、吸気セクション１２、吸気セクション１２から下流側に結合された圧縮機セクション１４、圧縮機セクション１４から下流側に結合された排出セクション１６、及び駆動組立体１８を含む。圧縮機セクション１４は、駆動シャフト２２を含むロータ組立体２０により駆動組立体１８に結合される。例示的な実施形態において、吸気セクション１２、圧縮機セクション１４、及び排出セクション１６の各々は、圧縮機ハウジング２４内に位置付けられる。より具体的には、圧縮機ハウジング２４は、流体入口２６、流体出口２８、及びキャビティ３２を定める内側面３０を含む。キャビティ３２は、流体入口２６と流体出口２８との間に延び、流体入口２６から流体出口２８に流体を送るよう構成される。吸気セクション１２、圧縮機セクション１４、及び排出セクション１６の各々は、キャビティ３２内に位置付けられる。或いは、吸気セクション１２及び／又は排出セクション１６は、圧縮機ハウジング２４内に位置付けられない場合もある。
【００２０】
例示的な実施形態において、流体入口２６は、流体源３４から吸気セクション１２に流体の流れを送るよう構成される。流体は、例えば、ガス、ガス混合気、及び／又は粒子含有ガスなどのあらゆる流体とすることができる。吸気セクション１２は、流体入口２６から圧縮機セクション１４に流体を送るため、圧縮機セクション１４と流れ連通して結合される。吸気セクション１２は、速度、質量流量、圧力、温度、及び／又はあらゆる好適な流れパラメータなど、１つ又はそれ以上の予め定められたパラメータを有する流体流れを調整するよう構成される。例示的な実施形態において、吸気セクション１２は、流体入口２６から圧縮機セクション１４に流体を送るため、流体入口２６と圧縮機セクション１４との間で結合される入口ガイドベーン組立体３６を含む。入口ガイドベーン組立体３６は、圧縮機セクション１４に結合された１つ又はそれ以上の入口ガイドベーン３８を含む。
【００２１】
圧縮機セクション１４は、吸気セクション１２から排出セクション１６に流体の少なくとも一部を送るため、吸気セクション１２と排出セクション１６との間で結合される。圧縮機セクション１４は、駆動シャフト２２に回転可能に結合される少なくとも１つの超音速圧縮機ロータ４０を含む。超音速圧縮機ロータ４０は、排出セクション１６に送られる流体の圧力を高め、流体の体積を減少させ、及び／又は流体の温度を上昇させるよう構成される。排出セクション１６は、超音速圧縮機ロータ４０から流体出口２８に流体を送るため、超音速圧縮機ロータ４０と流体出口２８との間で結合される出口ガイドベーン組立体４２を含む。流体出口２８は、出口ガイドベーン組立体４２及び／又は超音速圧縮機ロータ４０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、及び／又は流体貯蔵システムなどの出力システム４４に流体を送るよう構成される。駆動組立体１８は、駆動シャフト２２を回転させて超音速圧縮機ロータ４０及び／又は出口ガイドベーン組立体４２の回転を引き起こすよう構成される。
【００２２】
運転中、吸気セクション１２は、流体源３４から圧縮機セクション１４に向けて流体を送る。圧縮機セクション１４は流体を加圧し、加圧流体を排出セクション１６に排出する。排出セクション１６は、圧縮機セクション１４からの加圧流体を流体出口２８に通して出力システム４４に送る。
【００２３】
図２は、超音速圧縮機ロータ４０の斜視図である。図３は、超音速圧縮機ロータ４０の拡大斜視図である。図４は、図２に示す切断線４−４における超音速圧縮機ロータ４０の断面図である。図３及び図４に示す同じ構成要素は、図２で使用した同じ参照符号で表記されている。例示的な実施形態において、超音速圧縮機ロータ４０は、ロータディスク４８に結合される複数のベーン４６を含む。ロータディスク４８は、環状ディスク本体５０を含み、該ディスク本体５０は、中心軸線５４に沿ってディスク本体５０を通ってほぼ軸方向に延びる内側円筒キャビティ５２を定める。ディスク本体５０は、半径方向内側面５６、半径方向外側面５８、及び端壁６０を含む。半径方向内側面５６は、内側円筒キャビティ５２を定める。内側円筒キャビティ５２は、実質的に円筒形状で且つ中心軸線５４を中心として向けられる。内側円筒キャビティ５２は、駆動シャフト２２（図１に示す）を貫通して受けるようなサイズにされる。端壁６０は、半径方向内側面５６と半径方向外側面５８との間で内側円筒キャビティ５２から半径方向外向きに延びる。端壁６０は、中心軸線５４に垂直に向けられた半径方向６４で定められる幅６２を含む。
【００２４】
例示的な実施形態において、各ベーン４６は、端壁６０に結合され、中心軸線５４に対してほぼ平行の軸方向６６で端壁６０から外向きに延びる。各ベーン４６は、入口縁部６８及び出口縁部７０を含み、該入口縁部６８及び出口縁部７０の間を延びる。入口縁部６８は、半径方向内側面５６に隣接して位置付けられる。出口縁部７０は、半径方向外側面５８に隣接して位置付けられる。例示的な実施形態において、隣接ベーン４６は、ベーン４６のペアを形成する。各ペア７４は、入口開口７６、出口開口７８、及び隣接ベーン４６間に流れチャンネル８０を定めるような向きにされる。流れチャンネル８０は、入口開口７６及び出口開口７８間に延び、入口開口７６及び出口開口７８まで流路（矢印８２で表される（図４に示す））を定める。流路８２は、ベーン４６にほぼ平行な向きにされる。流体流れチャンネル８０は、入口開口７６から出口開口７８まで半径方向６４で流路８２に沿って流体を送るようなサイズ、形状、及び向きにされる。入口開口７６は、隣接するベーン４６の隣接する入口縁部６８間に定められる。出口開口７８は、隣接するベーン４６の隣接する出口縁部７０間に定められる。ベーン４６は、入口縁部６８と出口縁部７０との間に半径方向に延び、半径方向内側面５６と半径方向外側面５８との間に延びる。ベーン４６は、外側面８４及び対向するロータディスク４８を含む。ベーン４６は、外側面８４と内側面８６との間に延びて流れチャンネル８０の軸方向高さ８８を定める。
【００２５】
図２及び図３を参照すると、例示的な実施形態において、シュラウド組立体９０は、流れチャンネル８０（図４に示す）がシュラウド組立体９０と端壁６０との間に定められるように各ベーン４６の外側面８４に結合される。シュラウド組立体９０は、内側縁部９２及び外側縁部９４を含む。内側縁部９２は実質的に円筒開口９６を定める。シュラウド組立体９０は、ロータディスク４８と同軸状に配向され、内側円筒キャビティ５２が開口９６と同心となる。シュラウド組立体９０は、ベーン４６の入口縁部６８がシュラウド組立体９０の内側縁部９２に隣接して位置付けられ、且つベーン４６の外側縁部７０がシュラウド組立体９０の外側縁部９４に隣接して位置付けられるように各ベーン４６に結合される。或いは、超音速圧縮機ロータ４０は、シュラウド組立体９０を含まない。このような実施形態では、ベーン４６の各外側面８４に隣接してダイアフラム組立体（図示せず）が位置付けられ、該ダイアフラム組立体が流れチャンネル８０を少なくとも部分的に定めるようにする。
【００２６】
図４を参照すると、例示的な実施形態において、少なくとも１つの超音速圧縮ランプ９８が流体流れチャンネル８０内に位置付けられる。超音速圧縮ランプ９８は、入口開口７６と出口開口７８との間に位置付けられ、１つ又はそれ以上の圧縮波１００を流れチャンネル８０内で形成できるようなサイズ、形状、及び向きにされる。
【００２７】
超音速圧縮機ロータ４０の作動中、吸気セクション１２（図１に示す）は、流体１０２を流れチャンネル８０の入口開口７６に向けて送る。流体１０２は、入口開口７６に流入する直前に第１の速度すなわち接近速度を有する。超音速圧縮機ロータ４０は、第２の速度すなわち回転速度で中心軸線５４の周りを回転し（方向矢印１０４で示される）、流れチャンネル８０に流入する流体１０２が、入口開口７６においてベーン４６に対して超音速の第３の速度すなわち入口速度を有するようになる。流体１０２が超音速で流れチャンネル８０を通って送られると、超音速圧縮ランプ９８は、流れチャンネル８０内に圧縮波１００を形成させて流体１０２の圧縮を促進させ、その結果、出口開口７８にて、流体１０２が上昇した圧力及び温度を含み、及び／又は縮小した容積を含むようになる。
【００２８】
図５は、図４に示す領域５から見た超音速圧縮機ロータ４０の一部の拡大断面図である。図５に示す同じ構成要素は、図２及び図４で使用した同じ参照符号で表記されている。例示的な実施形態において、各ベーン４６は、第１の側面すなわち正圧側面１０６と、対向する側面すなわち負圧側面１０８とを含む。各正圧側面１０６及び負圧側面１０８は、入口縁部６８と出口縁部７０との間に延びる。
【００２９】
例示的な実施形態において、各ベーン４６は、内側円筒キャビティ５２の周りで円周方向に間隔を置いて配置され、流れチャンネル８０が入口開口７６及び出口開口７８間でほぼ半径方向に向けられるようにする。各入口開口７６は、入口縁部６８にてベーン４６の正圧側面１０６及び隣接する負圧側面１０８間に延びる。各出口開口７８は、出口縁部７０において正圧側面１０６及び隣接する負圧側面１０８間に延び、流路８２が半径方向６４で半径方向内側面５６から半径方向外側面５８まで半径方向外向きに定められるようになる。或いは、隣接するベーン４６は、入口開口７６が半径方向外側面５８にて定められ、出口開口７８が半径方向内側面５６にて定められるように配向することができ、その結果、流路８２は、半径方向外側面５８から半径方向内側面５６まで半径方向内向きに定められるようになる。例示的な実施形態において、流れチャンネル８０は、正圧側面１０６と隣接する負圧側面１０８との間に定められ且つ流路８２に垂直な円周方向幅１１０を含む。入口開口７６は、出口開口７８の第２の円周方向幅１１４よりも大きな第１の円周方向幅１１２を有する。或いは、入口開口７６の第１の円周方向幅１１２は、出口開口７８の第２の円周方向幅１１４よりも小さいか又は等しいとすることができる。例示的な実施形態において、各ベーン４６は、弓形形状で形成され、流れチャンネル８０が螺旋形状であり且つ入口開口７６と出口開口７８の間で全体的に内向きに縮小するような向きにされる。
【００３０】
例示的な実施形態において、流れチャンネル８０は、流路８２に沿って変化する断面積１１６を定める。流れチャンネル８０の断面積１１６は、流路８２に垂直に定められ、流れチャンネル８０の円周方向幅１１０と流れチャンネル８０の軸方向高さ８８（図３に示す）の積に等しい。流れチャンネル８０は、第１の面積すなわち入口開口７６における入口断面積１１８と、第２の面積すなわち出口開口７８における出口断面積１２０と、第３の面積すなわち入口開口７６と出口開口７８との間に定められる最小断面積１２２とを含む。例示的な実施形態において、最小断面積１２２は、入口断面積１１８及び出口断面積１２０よりも小さい。１つの実施形態において、最小断面積１２２は、出口断面積１２０と等しく、この場合、出口断面積１２０及び最小断面積１２２の各々は入口断面積１１８よりも小さい。
【００３１】
例示的な実施形態において、超音速圧縮ランプ９８は、ベーン４６の正圧側面１０６に結合され、流れチャンネル８０のスロート領域１２４を定める。スロート領域１２４は、流れチャンネル８０の最小断面積１２２を定める。代替の実施形態において、超音速圧縮ランプ９８は、ベーン４６の負圧側面１０８、端壁６０、及び／又はシュラウド組立体９０に結合することができる。別の代替の実施形態において、超音速圧縮機ロータ４０は、正圧側面１０６、負圧側面１０８、端壁６０、及び／又はシュラウド組立体９０に各々結合された複数の超音速圧縮ランプ９８を含む。このような実施形態において、各超音速圧縮ランプ９８は、全体としてスロート領域１２４を定める。
【００３２】
例示的な実施形態において、スロート領域１２４は、入口断面積１１８よりも小さい最小断面積１２２を定め、流れチャンネル８０が、入口断面積１１８を最小断面積１２２で割った比として定められる、約１．０１から１．１０の面積比を有するようにする。１つの実施形態において、面積比は約１．０７と１．０８の間である。代替の実施形態において、面積比は１．０１以下とすることができる。別の代替の実施形態において、面積比は１．１０以上とすることができる。
【００３３】
例示的な実施形態において、超音速圧縮ランプ９８は、圧縮面１２６及び末広面１２８を含む。圧縮面１２６は、第１の縁部すなわち前縁１３０と、第２の縁部すなわち後縁１３２とを含む。前縁１３０は、後縁１３２よりも入口開口７６により近接して位置付けられる。圧縮面１２６は、前縁１３０と後縁１３２との間に延び、ベーン４６から隣接する負圧側面１０８に向けて流路８２内に傾斜角度１３４の向きに定められる。圧縮面１２６は、隣接する負圧側面１０８に向けて収束し、前縁１３０と後縁１３２との間に圧縮領域１３６が定められるようになる。圧縮領域１３６は、前縁１３０から後縁１３２まで流路１６４に沿って減少する流れチャンネル８０の断面積１３８を含む。圧縮面１２６の後縁１３２は、スロート領域１２４を定める。
【００３４】
末広面１２８は、圧縮面１２６に結合され、圧縮面１２６から出口開口７８に向けて下流側に延びる。末広面１２８は、第１の端部１４０と、該第１の端部１４０よりも出口開口７８により近接した第２の端部１４２とを含む。末広面１２８は、圧縮面１２６の後縁１３２に結合される。末広面１２８は、第１の端部１４０と第２の端部１４２との間に延び、圧縮面１２６の正圧側面１０６から後縁１３２に向けて傾斜角度１４４の向きに定められる。末広面１２８は、圧縮面１２６の後縁１３２から出口開口７８まで増大する末広断面積１４８を含む末広領域１４６を定める。末広領域１４６は、スロート領域１２４から出口開口７８まで延びる。代替の実施形態において、超音速圧縮ランプ９８は末広面１２８を含まない。この代替の実施形態において、圧縮面１２６の後縁１３２は、ベーン４６の出口縁部７０に隣接して位置付けられ、スロート領域１２４が出口開口７８に隣接して定められるようになる。
【００３５】
超音速圧縮機ロータ４０の運転中、流体１０２が、ロータディスク４８に対して超音速である第１の速度で内側円筒キャビティ５２から入口開口７６に送られる。内側円筒キャビティ５２から流体流れチャンネル８０に流入する流体１０２は、超音速圧縮ランプ９８の前縁１３０に接触し、第１の斜め衝撃波１５２を形成する。超音速圧縮ランプ９８の圧縮領域１３６は、第１の斜め衝撃波１５２を流路８２に対して傾斜角度で前縁１３０から隣接ベーン４６に向けて、更に流れチャンネル８０内に向けるように構成される。第１の斜め衝撃波１５２が隣接するベーン４６に接触すると、第２の斜め衝撃波１５４は、流路８２に対して傾斜角度で隣接ベーン４６から超音速圧縮ランプ９８のスロート領域１２４に向けて反射される。１つの実施形態において、圧縮面１２６は、第２の斜め衝撃波１５４が隣接ベーン４６にて第１の斜め衝撃波１５２からスロート領域１２４を定める後縁１３２に延びるように向けられる。超音速圧縮ランプ９８は、各第１の斜め衝撃波１５２及び第２の斜め衝撃波１５４を圧縮領域１３６内で形成させるように構成される。
【００３６】
流体１０２が圧縮領域１３６を通るときに、該流体１０２が各第１の斜め衝撃波１５２及び第２の斜め衝撃波１５４を通過すると流体１０２の速度が低下する。加えて、流体１０２の圧力が増大し、流体１０２の容積は減少する。例示的な実施形態において、流体１０２がスロート領域１２４を通ると、超音速圧縮ランプ９８は、ロータディスク４８に対して超音速である出口速度を出口開口７８において有するように流体１０２を調整するよう構成される。超音速圧縮ランプ９８は更に、垂直衝撃波がスロート領域１２４の下流側で且つ流れチャンネル８０内に形成されるのを阻止するように構成される。垂直衝撃波は、流路８２に垂直に向けられた衝撃波であり、流体が垂直衝撃波を通過するときにロータディスク４８に対して亜音速度にまで流体１０２の速度を低下させる。例示的な実施形態において、スロート領域１２４は、垂直衝撃波が流れチャンネル８０内に形成されるのを阻止するよう出口開口７８に十分に近接して位置付けられる。１つの実施形態において、スロート領域１２４は、垂直衝撃波が流れチャンネル８０内に形成されるのを阻止するよう出口開口７８に隣接して位置付けられる。
【００３７】
図６は、代替の超音速圧縮機ロータ４０の斜視図である。図７は、切断線７−７において図６に示す超音速圧縮機ロータ４０の一部の拡大平面図である。図６及び図７に示す同じ構成要素は、図４及び５で使用した同じ参照符号で表記されている。代替の実施形態において、ロータディスク４８は、上流側面１５８及び下流側面１６０を含み、上流側面１５８と下流側面１６０との間を軸方向６６に延びる。各上流側面１５８及び下流側面１６０は、半径方向内側面５６と半径方向外側面５８との間を延びる。半径方向外側面５８は、ロータディスク４８の周りを円周方向に且つ上流側面１５８及び下流側面１６０の間に延びる。半径方向外側面５８は、軸方向６６に定められた幅１６２を有する。各ベーン４６は、半径方向外側面５８に結合され、螺旋状にロータディスク４８の周りを円周方向に延びる。ベーン４６は、半径方向６４で半径方向外側面５８から外向きに延びる。例示的な実施形態において、外側面５８は実質的に円筒形状を有する。或いは、外側面５８は、超音速圧縮機ロータ４０が本明細書で説明されるように機能することができる円錐形状及び／又はあらゆる好適な形状を有することができる。
【００３８】
各ベーン４６は、隣接ベーン４６から軸方向に間隔を置いて配置され、流れチャンネル８０が入口開口７６及び出口開口７８間でほぼ軸方向６６に向けられるようにする。流れチャンネル８０は、軸方向に隣接するベーン４６の各ペア７４間に定められる。ベーン４６の各ペア７４は、入口開口７６が上流側面１５８にて定められ且つ出口開口７８が下流側面１６０にて定められるような向きにされる。軸方向流路１６４は、入口開口７６から出口開口７８まで半径方向外側面５８に沿って軸方向６６に定められる。この代替の実施形態において、流れチャンネル８０は、ベーン１０８の正圧側面１０６と隣接する負圧側面１０８との間に定められ且つ軸方向流路１６４に実質的に垂直な軸方向幅１６６を含む。入口開口７６は、出口開口７８の第２の軸方向幅１７０よりも大きい第１の軸方向幅１６８を有する。或いは、入口開口７６の第１の軸方向幅１６８は、出口開口７８の第２の軸方向幅１７０以下とすることができる。
【００３９】
この代替の実施形態において、少なくとも１つの超音速圧縮ランプ９８は、各ベーン４６に結合され、入口開口７６と出口開口７８との間に位置付けられた流れチャンネル８０のスロート領域１２４を定める。或いは、超音速圧縮ランプ９８は、ロータディスク４８の半径方向外側面５８に結合される。代替の実施形態において、超音速圧縮ランプ９８の圧縮面１２６は、ベーン４６の出口縁部７０に隣接して位置付けられ、出口開口７８にスロート領域１２４を定める。
【００４０】
上述の超音速圧縮機ロータは、超音速圧縮機システムの性能効率を向上させる、コスト効果があり且つ信頼性のある方法を提供する。その上、超音速圧縮機ロータは、超音速圧縮機ロータを通って送られる流体内のエントロピーの増大を低減することにより、超音速圧縮機システムの動作効率を向上させることができる。より具体的には、超音速圧縮機ロータは、流体が流体チャンネルの出口において超音速である速度によって特徴付けられるように流路を通って流体を送るよう構成された超音速圧縮ランプを含む。加えて、超音速圧縮ランプは、更に、流れチャンネル内の流体のエントロピーの増大を低減する流れチャンネル内の垂直衝撃波の形成を阻止するよう構成される。結果として、超音速圧縮機ロータは、超音速圧縮機システムの動作効率を向上させることができる。従って、超音速圧縮機システムの維持コストを低減することができる。
【００４１】
超音速圧縮機ロータを組み立てるためのシステム及び方法の例示的な実施形態を上記で詳細に説明した。本システム及び方法は、本明細書で説明される特定の実施形態に限定されず、システムの構成要素及び／又は方法のステップは、本明細書で説明された他の構成要素及び／又はステップと独立して別個に利用することができる。例えば、本システム及び方法はまた、他の回転エンジンシステム及び方法と組み合わせて用いることができ、本明細書で説明される超音速圧縮機システムだけで実施することに限定されるものではない。むしろ、例示的な実施形態は、他の多くの回転システム用途と関連して実施し利用することができる。
【００４２】
本発明の種々の実施形態の特定の特徴要素を一部の図面において図示し、他の図面では図示していない場合があるが、これは便宜上のことに過ぎない。更に、上記の説明における「１つの実施形態」への言及は、記載の特徴を同様に組み込んでいる追加の実施形態の存在を排除するものとして解釈することを意図するものではない。本発明の原理によれば、図面の何れかの特徴は、他の何れかの図面のあらゆる特徴と組み合わせて言及し及び／又は特許請求することができる。
【００４３】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００４４】
１０超音速圧縮機システム
１２吸気セクション
１４圧縮機セクション
１６排出セクション
１８駆動組立体
２０ロータ組立体
２２駆動シャフト
２４圧縮機ハウジング
２６流体入口
２８流体出口
３０内側面
３２キャビティ
３４流体源
３６入口ガイドベーン組立体
３８入口ガイドベーン
４０超音速圧縮機ロータ
４２出口ガイドベーン組立体
４４出力システム
４６ベーン
４８ロータディスク
５０環状ディスク本体
５２内側円筒キャビティ
５４中心軸線
５６半径方向内側面
５８半径方向外側面
６０端壁
６２幅
６４半径方向
６６軸方向
６８入口縁部
７０出口縁部
７４ペア
７６入口開口
７８出口開口
８０流れチャンネル
８２流路
８４外側面
８６内側面
８８軸方向高さ
９０シュラウド組立体
９２内側縁部
９４外側縁部
９６開口
９６円筒開口
９８超音速圧縮ランプ
１００圧縮波
１０２流体
１０４矢印
１０６正圧側面
１０８負圧側面
１１０円周方向幅
１１２第１の円周方向幅
１１４第２の円周方向幅
１１６断面積
１１８断面積
１２０断面積
１２２断面積
１２４スロート領域
１２６圧縮面
１２８末広面
１３０前縁
１３２後縁
１３４傾斜角
１３６圧縮領域
１３８断面積
１４０第１の端部
１４２第２の端部
１４４傾斜角
１４６末広領域
１５２第１の斜め衝撃波
１５４第２の斜め衝撃波
１５８上流側面
１６０下流側面
１６２幅
１６４軸方向流路
１６８第１の軸方向幅
１７０第２の軸方向幅

【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音速圧縮機ロータであって、
半径方向内側面（５６）と半径方向外側面（５８）との間に延びる本体を含むロータディスク（４８）と、
前記本体に結合され且つ前記ロータディスク（４８）から外向きに延びた複数のベーン（４６）と、
を備え、前記隣接するベーンが、ペア（７４）を形成し且つ前記隣接ベーンの各ペア間に流れチャンネルが定められるような向きにされ、前記流れチャンネルが入口開口（７６）と出口開口（７８）との間に延びており、
前記超音速圧縮機ロータが更に、
前記流れチャンネル（８０）内に位置付けられる少なくとも１つの超音速圧縮ランプ（９８）を備え、前記超音速圧縮ランプは、前記流れチャンネルを通って送られる流体が前記入口開口における第１の速度と前記出口開口における第２の速度とにより特徴付けられるように前記流体を調整するよう構成され、前記第１の速度及び第２の速度の各々が前記ロータディスク表面に対して超音速である、超音速圧縮機ロータ。
【請求項２】
前記少なくとも１つの超音速圧縮ランプ（９８）は、垂直衝撃波が前記流れチャンネル（８０）内に形成されるのを阻止するよう構成される、請求項１に記載の超音速圧縮機ロータ。
【請求項３】
前記超音速圧縮ランプ（９８）が、前縁（１３０）と後縁端部（１５２）の間に延びる圧縮面（１２６）を含み、前記前縁が前記後縁よりも前記入口開口（７６）に近接して位置付けられ、前記後縁が前記流れチャンネル（８０）のスロート領域（１２４）を定め、該スロート領域が前記流れチャンネルの最小断面積を有する、請求項１に記載の超音速圧縮機ロータ。
【請求項４】
前記後縁（１５２）が前記出口開口（７８）に隣接して位置付けられる、請求項３に記載の超音速圧縮機ロータ。
【請求項５】
前記超音速圧縮ランプ（９８）が、前記後縁（１５２）に結合された末広面（１２８）を含み、該末広面（１２８）が第１の端部（１４０）と第２の端部（１４２）との間に延び、前記第１の端部が、前記圧縮面（１２６）に結合され且つ前記流れチャンネル（８０）の第１の断面積（１１６）を定め、前記第２の端部（１４２）が、前記第１の端部（１４０）よりも前記出口開口（７８）に近接して位置付けられ且つ前記第１の断面積よりも大きい第２の断面積を定める、請求項３に記載の超音速圧縮機ロータ。
【請求項６】
前記複数のベーンの各ベーン（４６）が、前記流れチャンネル（８０）を少なくとも部分的に定める外側面（８４）を含み、前記少なくとも１つの超音速圧縮ランプ（９８）が前記外側面に結合される、請求項１に記載の超音速圧縮機ロータ。
【請求項７】
前記ロータディスク（４８）が、前記流れチャンネル（８０）を少なくとも部分的に定める外側面（８４）を含み、前記少なくとも１つの超音速圧縮ランプ（９８）が前記外側面に結合される、請求項１に記載の超音速圧縮機ロータ。
【請求項８】
前記ロータディスク（４８）が、前記半径方向内側面（５６）と前記半径方向外側面（５８）との間で実質的に半径方向に延びる端壁（６０）を含み、前記ベーンが前記端壁に結合され、該隣接するベーンは、前記円周方向に隣接するベーンの各ペアの間に前記流れチャンネル（８０）が定められるように円周方向の距離で離間して配置され、前記流れチャンネルが前記半径方向内側面と前記半径方向外側面との間に延びる、請求項１に記載の超音速圧縮機ロータ。
【請求項９】
前記ロータディスクの本体が、上流側面（１５８）と下流側面（１６０）とを含み、前記半径方向外側面（５８）が、前記上流側面と前記下流側面との間でほぼ軸方向に延び、前記ベーン（４６）が前記半径方向外側面に結合され、前記隣接するベーンが、軸方向に隣接するベーンの各ペアの間に前記流れチャンネル（８０）が定められるように軸方向の距離で離間して配置され、前記流れチャンネルが前記上流側面と前記下流側面との間に延びる、請求項１に記載の超音速圧縮機ロータ。
【請求項１０】
超音速圧縮機システム（１０）であって、
流体入口（２６）と流体出口（２８）との間に延びるキャビティを定める内側面（５６）を含むハウジングと、
前記ハウジング内に位置付けられ、駆動組立体（１８）に回転可能に結合された駆動シャフト（２２）と、
前記駆動シャフトに結合され、前記流体入口（２６）と前記流体出口（２８）との間に位置付けられて該流体入口から前記流体出口に流体を送るようにする超音速圧縮機ロータと、
を備え、前記超音速圧縮機ロータが、
半径方向内側面（５６）と半径方向外側面（５８）との間に延びる本体を含むロータディスク（４８）と、
前記本体に結合され且つ前記ロータディスクから外向きに延びた複数のベーン（４６）と、
を備え、前記隣接するベーンが、ペア（７４）を形成し且つ前記隣接ベーンの各ペア間に流れチャンネルが定められるような向きにされ、前記流れチャンネルが入口開口（７６）と出口開口（７８）との間に延びており、
前記超音速圧縮機ロータが更に、
前記流れチャンネル内に位置付けられる少なくとも１つの超音速圧縮ランプ（９８）を備え、前記超音速圧縮ランプは、前記流れチャンネルを通って送られる流体が前記入口開口における第１の速度と前記出口開口における第２の速度とにより特徴付けられるように前記流体を調整するよう構成され、前記第１の速度及び第２の速度の各々が前記ロータディスク表面に対して超音速である、超音速圧縮機システム（１０）。

【図１】