超音速圧縮機ロータおよびそれを組み立てる方法

【課題】圧縮波を形成するのを助ける超音速圧縮ランプを含む超音速圧縮機ロータを提供する。
【解決手段】超音速圧縮機ロータは、上流側表面（６０）と下流側表面（６２）と半径方向外側表面（５８）とを備え、半径方向外側表面が入口表面と出口表面と、入口表面と出口表面の間を延びる移行表面とを備え、ロータディスクが中央線軸（５４）を画成する、ロータディスクと、半径方向外側表面に連結される複数のベーン（４６）であって、隣接するベーンが対を形成し、各対の間に流路（８６）が画成され、流路が入口開口部と出口開口部の間を延び、入口表面が入口開口部と移行表面の間を延びる入口平面を画成し、出口表面が、出口開口部と入口平面に対して平行でない移行表面との間を延びる出口平面を画成する、複数のベーンと、流路内に少なくとも１つの圧縮波を形成するのを助けるように、流路内に配置される少なくとも１つの超音速圧縮ランプとを含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、より詳しくは超音速圧縮機システムと共に使用するための超音速圧縮機ロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、吸気セクションと、排気セクションと、吸気セクションと排気セクションの間に配置される少なくとも１つの超音速圧縮機ロータとを含む。
【０００３】
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キを含む。各ストレーキは、ロータディスクの周りで円周方向に配向され、隣接するストレーキ間に軸方向流路を画成する。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る超音速圧縮ランプを含む。既知の超音速圧縮ランプは軸方向流れ経路内に配置され、この流れ経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アセンブリは、流体を軸方向に導くのを助けるように軸方向に配向された流れ経路を含む吸気セクションを含む。さらに、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、軸方向に配向される流体流れを既知の超音速圧縮機ロータから受け取るように構成される排気セクションを含む。
【０００４】
少なくともいくつかの既知の超音速圧縮機アセンブリの動作中、超音速圧縮機ロータは、高回転速度で回転する。流体は、吸気セクションから超音速圧縮機ロータまで軸方向に導かれ、その結果、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。少なくともいくつかの既知の超音速圧縮機ロータは、流体を軸方向に排気する。流体が軸方向に導かれるとき、超音速圧縮機ロータの下流側に配置される排気セクションは、軸方向に配向される流れを受け取るように設計する必要がある。既知の超音速圧縮機システムは、例えば、それぞれ２００５年３月２８日および２００５年３月２３日に出願された米国特許第７、３３４、９９０号および第７、２９３、９５５号、および２００９年１月１６日に出願された米国特許出願第２００９／０１９６７３１号に記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｍ．Ｆ．ＥＬ−ＤＯＳＯＫＹ，Ａ．ＲＯＭＡａｎｄＪ．Ｐ．ＧＯＳＴＥＬＯＷ、ＡｎＡｎａｌｙｔｉｃａｌＭｏｄｅｌｆｏｒＯｖｅｒ−ＳｈｒｏｕｄＬｅａｋａｇｅＬｏｓｓｅｓｉｎａＳｈｒｏｕｄｅｄＴｕｒｂｉｎｅＳｔａｇｅ，ＡＳＭＥＴｕｒｂｏＥｘｐｏ２００７，ＰｏｗｅｒｆｏｒＬａｎｄ，ＳｅａａｎｄＡｉｒ，ＧＴ２００７，Ｍａｙ２００７，ｐａｇｅｓ１〜１０，ＭｏｎｔｒｅａｌＣａｎａｄａ
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態では、超音速圧縮機ロータが提供される。この超音速圧縮機ロータは、上流側表面と、下流側表面と、上流側表面と下流側表面の間を延びる半径方向外側表面とを含むロータディスクを含む。この半径方向外側表面は、入口表面と、出口表面と、入口表面と出口表面の間を延びる移行表面とを含む。このロータディスクは、中央線軸を画成する。複数のベーンが、半径方向外側表面に連結される。隣接するベーンは、対を形成し、隣接するベーンの各対の間に流路が画成されるように配向される。流路は、入口開口部と出口開口部の間を延びる。入口表面は入口開口部と移行表面の間を延びる入口平面を画成する。出口表面は、出口開口部と入口平面に対して平行でない移行表面の間を延びる出口平面を画成する。少なくとも１つの超音速圧縮ランプが、流路内に少なくとも１つの圧縮波を形成するのを助けるように、流路内に配置される。
【０００７】
別の実施形態では、超音速圧縮機システムが提供される。この超音速圧縮機システムは、流体入口と流体出口との間を延びる空洞を画成するケーシングを含む。駆動シャフトがケーシング内に配置され、中央線軸を画成する。駆動シャフトは駆動アセンブリに回転可能に連結される。超音速圧縮機ロータは駆動シャフトに連結される。超音速圧縮機ロータは、流体を流体入口から流体出口まで導くように流体入口と流体出口の間に配置される。超音速圧縮機ロータは、上流側表面と、下流側表面と、上流側表面と下流側表面の間を延びる半径方向外側表面とを含むロータディスクを含む。半径方向外側表面は、入口表面と、出口表面と、入口表面と出口表面の間を延びる移行表面とを含む。複数のベーンが半径方向外側表面に連結される。隣接するベーンは対を形成し、流路が隣接するベーンの各対の間に画成されるように配向される。流路は、入口開口部と出口開口部の間を延びる。入口表面は、入口開口部と移行表面の間を延びる入口平面を画成する。出口表面は出口開口部と入口平面に対して平行でない移行表面の間を延びる出口平面を画成する。少なくとも１つの超音速圧縮ランプが、流路内に少なくとも１つの圧縮波を形成するのを助けるように、流路内に配置される。
【０００８】
さらに別の実施形態では、超音速圧縮機ロータを組み立てる方法が提供される。この方法は、上流側表面と、下流側表面と、上流側表面と下流側表面の間を延びる半径方向外側表面とを含むロータディスクを設けるステップを含む。半径方向外側表面は、入口表面と、出口表面と、入口表面と出口表面の間を延びる移行表面とを含む。ロータディスクは中央線軸を画成する。複数のベーンが半径方向外側表面に連結される。隣接するベーンは対を形成し、流路が隣接するベーンの各対の間に画成されるように配向される。流路は、入口開口部と出口開口部の間を延びる。入口表面は、入口開口部と移行表面の間を延びる入口平面を画成する。出口表面は、出口開口部と入口平面に対して平行でない移行表面の間を延びる出口平面を画成する。少なくとも１つの超音速圧縮ランプが、複数のベーンのうちのベーンの１つと半径方向外側表面とに連結される。超音速圧縮ランプは流路内に配置され、流路内に少なくとも１つの圧縮波を形成するのを助けるように構成される。
【０００９】
本発明のこれらのおよび他の機構、態様、および利点は、同様な符号が図面を通じて同様な部品を示す添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、より良く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システムの概略図である。
【図２】図１に示す超音速圧縮機システムと共に使用することができる、例示的な超音速圧縮機ロータの斜視図である。
【図３】図２の線３〜３に沿って取られた、図２に示す超音速圧縮機ロータの斜視図である。
【図４】図３に示す、面積４に沿って取られた超音速圧縮機ロータの一部分の拡大横断面図である。
【図５】図２の線５〜５に沿って取られた、図２に示す超音速圧縮機ロータの別の横断面図である。
【図６】図１に示す超音速圧縮機システムと共に使用することができる、代替の超音速圧縮機ロータの横断面図である。
【図７】図１に示す超音速圧縮機システムと共に使用することができる、代替の超音速圧縮機ロータの横断面図である。
【図８】図１に示す超音速圧縮機システムと共に使用することができる、代替の超音速圧縮機ロータの横断面図である。
【図９】図１に示す超音速圧縮機システムと共に使用することができる、代替の超音速圧縮機ロータの横断面図である。
【図１０】図１に示す超音速圧縮機システムと共に使用することができる、代替の超音速圧縮機ロータの横断面図である。
【図１１】図１に示す超音速圧縮機システムと共に使用することができる、代替の超音速圧縮機ロータの横断面図である。
【図１２】図１に示す超音速圧縮機システムと共に使用することができる、代替の超音速圧縮機ロータの横断面図である。
【図１３】図１に示す超音速圧縮機システムと共に使用することができる、代替の超音速圧縮機ロータの横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
そうではないと指示されない限り、本明細書で提供される図面は、本発明の主要な発明性のある機構を例示するためのものである。これらの主要な発明性のある機構は、本発明の１つまたは複数の実施形態を含む多種多様なシステムに適用可能であると考えられる。したがってこれらの図面は、本発明の実施に必要とされる、当業者に知られている全ての従来型の機構を含むことを意味しない。
【００１２】
以下に続く、以下の明細書および特許請求の範囲では、参照が多数の用語に対して行われ、それらは以下の意味を有するように定義されるものとする。
【００１３】
数値のないことや「前記」などの冠詞は、文脈が明確にそうではないと指示しない限り複数の言及を含む。
【００１４】
「任意選択の（ｏｐｔｉｏｎａｌ）」または「適宜（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」は、引き続き記載される事象または状況が起きることも起きないこともあることを意味し、この記載はこの事象が起きる場合および起きない場合を含む。
【００１５】
本明細書および特許請求の範囲を通して本明細書で使用される概算用語は、関連する基本的な機能を変化させずに変動することが許される任意の定量的な表現を変更するために適用することができる。したがって、「約（ａｂｏｕｔ）」および「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」などの用語または複数の用語によって修正される値は、特定の正確な値に限定されるべきではない。少なくともいくつかの事例では、この概算用語は、この値を測定するための機器の正確度に対応することができる。ここで、かつ明細書および特許請求の範囲を通して、範囲の限界は組み合わせる、かつ／または入れ替えることができ、そのような範囲は、文脈または用語がそうではないと示さない限りその中に含まれる全てのサブ範囲と同一視され、かつ全てのサブ範囲を含む。
【００１６】
本明細書で使用されるとき、用語「超音速圧縮機ロータ（ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｒｏｔｏｒ）」は、超音速圧縮機ロータの流体流路内に配設される超音速圧縮ランプを備える圧縮機ロータを意味する。超音速圧縮機ロータは、ロータの流路内に配設される超音速圧縮ランプのところで回転する超音速圧縮機ロータに遭遇する移動流体、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言われるように、ロータが高速度で回転軸の周りを回転するように設計されるので、「超音速（ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ）」であると言われる。この相対的な流体速度は、超音速圧縮ランプのところのロータ速度と超音速圧縮ランプに遭遇する直前の流体速度とのベクトルの和の観点から定義することができる。この相対的な流体速度は、時には「局所的超音速入口速度（ｌｏｃａｌｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃｉｎｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙ）」と呼ばれ、そ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流路内に配設される超音速圧縮ランプの接線方向速度との組み合わせである。この超音速圧縮機ロータは、非常に高い接線方向速度、例えば３００メートル／秒から８００メートル／秒の範囲内の接線方向速度で使用されるように設計される。
【００１７】
本明細書に記載される例示的なシステムおよび方法は、超音速圧縮機の流れ経路を通る流体の向きを調節するのを容易にする超音速圧縮機ロータを設けることによって、既知の超音速圧縮機アセンブリの欠点を克服する。より具体的には、この超音速圧縮機ロータは、流れ経路の向きを移行させる移行表面を含む。さらに、本明細書に記載される実施形態は、入口表面と入口表面に対して平行でない出口表面とを含む超音速圧縮ロータを含む。その上、本明細書に記載されるような超音速圧縮機ロータを設けることによって、超音速圧縮機システムが軸方向吸気配向、半径方向吸気配向、斜め方向吸気配向、軸方向排気配向、半径方向排気配向、および／または斜め方向排気配向の各々を含むように設計することが可能になる。
【００１８】
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。この例示的な実施形態では、超音速圧縮機システム１０は、吸気セクション１２と、吸気セクション１２から下流側に連結される圧縮機セクション１４と、圧縮機セクション１４から下流側に連結される排気セクション１６と、駆動アセンブリ１８とを含む。圧縮機セクション１４は、駆動シャフト２２を含むロータアセンブリ２０によって駆動アセンブリ１８に連結される。この例示的な実施形態では、吸気セクション１２と、圧縮機セクション１４と、排気セクション１６の各々は、圧縮機ハウジング２４内に配置される。より具体的には、圧縮機ハウジング２４は、流体入口２６と、流体出口２８と、空洞３２を画成する内側表面３０とを含む。空洞３２は、流体入口２６と流体出口２８の間を延び、流体を流体入口２６から流体出口２８に導くように構成される。吸気セクション１２と、圧縮機セクション１４と、排気セクション１６の各々は、空洞３２内に配置される。別法として、吸気セクション１２および／または排気セクション１６は、圧縮機ハウジング２４内に配置しないことができる。
【００１９】
この例示的な実施形態では、流体入口２６は、流体の流れを流体源３４から吸気セクション１２に導くように構成される。この流体は、例えばガス、ガス混合物、および／または液体〜ガス混合物などの任意の流体であることができる。吸気セクション１２は、流体を流体入口２６から圧縮機セクション１４に導くように圧縮機セクション１４と流れ連通で連結される。吸気セクション１２は、速度、質量流量、圧力、温度、および／または任意の適切な流れパラメータなどの１つまたは複数の所定のパラメータを有する流体流れを調整するように構成される。この例示的な実施形態では、吸気セクション１２は、流体を流体入口２６から圧縮機セクション１４に導くために流体入口２６と圧縮機セクション１４の間に連結される入口ガイドベーンアセンブリ３６を含む。入口ガイドベーンアセンブリ３６は、圧縮機ハウジング２４に連結される１つまたは複数の入口ガイドベーン３８を含む。
【００２０】
圧縮機セクション１４は、少なくとも一部分の流体を吸気セクション１２から排気セクション１６に導くように、吸気セクション１２と排気セクション１６の間に連結される。圧縮機セクション１４は、駆動シャフト２２に回転可能に連結される少なくとも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、排気セクション１６に導かれつつある流体の圧力を増加させ、流体の体積を減少させ、かつ／または流体の温度を増加させるように構成される。排気セクション１６は、流体を超音速圧縮機ロータ４０から流体出口２８に導くように超音速圧縮機ロータ４０と流体出口２８の間に連結される出口ガイドベーンアセンブリ４２を含む。流体出口２８は、流体を出口ガイドベーンアセンブリ４２および／また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、および／または流体貯蔵システムなどの出力システム４４に導くように構成される。駆動アセンブリ１８は、超音速圧縮機ロータ４０、および／または出口ガイドベーンアセンブリ４２の回転を生じさせるように駆動シャフト２２を回転させるように構成される。
【００２１】
動作中、吸気セクション１２は、流体を流体源３４から圧縮機セクション１４に向かって導く。圧縮機セクション１４は、この流体を圧縮し、圧縮された流体を排気セクション１６に向かって排気する。排気セクション１６は、この圧縮された流体を圧縮機セクション１４から流体出口２８を通り出力システム４４に導く。
【００２２】
図２は、例示的な超音速圧縮機ロータ４０の斜視図である。図３は、図２に示す断面線３〜３に沿った超音速圧縮機ロータ４０の横断面図である。図４は、面積４に沿った超音速圧縮機ロータ４０の一部分の拡大横断面図である。図５は、図２に示す断面線５〜５に沿った超音速圧縮機ロータ４０の横断面図である。図３〜５に示す同一の構成部品は、図２に使用されるのと同じ参照番号で標識が付けられている。この例示的な実施形態では、超音速圧縮機ロータ４０は、ロータディスク４８に連結される複数のベーン４６を含む。ロータディスク４８は、ディスク本体５０を貫通して中央線軸５４に沿って全体的に軸方向に延びる内側円筒状空洞５２を画成する、環状のディスク本体５０を含む。ディスク本体５０は、半径方向に内側の表面５６と半径方向外側表面５８とを含む。半径方向に内側の表面５６は、内側円筒状空洞５２を画成する。内側円筒状空洞５２は、実質的に円筒状の形状を有し、中央線軸５４の周りに配向される。内側円筒状空洞５２は、その中を貫通して（図１に示す）駆動シャフト２２を受けるようなサイズになっている。ロータディスク４８は、上流側表面６０および下流側表面６２も含む。各上流側表面６０および下流側表面６２は、半径方向に内側の表面５６と半径方向外側表面５８の間を、中央線軸５４に対して概ね直角な半径方向６４に延びる。上流側表面６０は、半径方向に内側の表面５６と半径方向外側表面５８の間に画成される第１の半径方向幅６６を含む。下流側表面６２は、半径方向に内側の表面５６と半径方向外側表面５８の間に画成される第２の半径方向幅６８を含む。この例示的な実施形態では、第１の半径方向幅６６は、第２の半径方向幅６８より大きい。別法として、第１の半径方向幅６６は、第２の半径方向幅６８より小さくする、または第２の半径方向幅６８と等しくすることができる。
【００２３】
この例示的な実施形態では、半径方向外側表面５８は、上流側表面６０と下流側表面６２の間に連結され、中央線軸５４に対して概ね平行である軸方向７２で、上流側表面６０から下流側表面６２まであらかじめ定められた距離７０に延びる。
【００２４】
この例示的な実施形態では、各ベーン４６は半径方向外側表面５８に連結され、半径方向外側表面５８から外側に向かって延びる。各ベーン４６は、上流側縁部７４と下流側縁部７６とを含む。上流側縁部７４は、ロータディスク４８の上流側表面６０に隣接して配置される。下流側縁部７６は、下流側表面６２に隣接して配置される。この例示的な実施形態では、超音速圧縮機ロータ４０は、ベーン４６の対８０を含む。各対８０は、入口開口部８２と、出口開口部８４と、隣接するベーン４６間の流路８６を画成するように配向される。流路８６は入口開口部８２と出口開口部８４の間を延び、入口開口部８２から出口開口部８４への、矢印８８によって指示される流れ経路を画成する。流れ経路８８は、ベーン４６、および半径方向外側表面５８に対して概ね平行に配向される。流路８６は、流体を入口開口部８２から出口開口部８４に流れ経路８８に沿って導くようなサイズにされ、形状にされ、配向される。入口開口部８２は、隣接するベーン４６の隣接する上流側縁部７４間に画成される。出口開口部８４は、隣接するベーン４６の隣接する下流側縁部７６間に画成される。各ベーン４６は、外側表面９０と対向する内側表面９２とを含む。ベーン４６は、外側表面９０と内側表面９２の間を延び、外側表面９０と内側表面９２の間に画成される高さ９４を含む。各ベーン４６は、弓形の形状を有して形成され、流路８６が渦巻状の形状を有するように、螺旋形状でロータディスク４８の周りを円周方向に延びる。
【００２５】
この例示的な実施形態では、各ベーン４６は、第１の側面、すなわち正圧面９６と対向する第２の側面、すなわち負圧面９８とを含む。各正圧面９６および負圧面９８は、上流側縁部７４と下流側縁部７６の間を延びる。各入口開口部８２は、上流側縁部７４のところでベーン４６の正圧面９６と隣接する負圧面９８の間を延びる。各出口開口部８４は、下流側縁部７６のところで正圧面９６と隣接する負圧面９８の間を延びる。この例示的な実施形態では流路８６は、正圧面９６と隣接する負圧面９８の間に画成され、流れ経路８８に対して直角である幅１００を含む。
【００２６】
この例示的な実施形態では流路８６は、流れ経路８８に沿って変化する横断面積１０２を画成する。流路８６の横断面積１０２は、流れ経路８８に対して直角に画成され、流路８６の幅１００にベーン４６の高さ９４を乗じたものに等しい。流路８６は、第１の面積、すなわち入口開口部８２のところの入口横断面積１０４と、第２の面積、すなわち出口開口部８４のところの出口横断面積１０６と、第３の面積、すなわち入口開口部８２と出口開口部８４の間に画成される最小の横断面積１０８とを含む。この例示的な実施形態では、最小の横断面積１０８は、入口横断面積１０４および出口横断面積１０６より小さい。
【００２７】
図３〜５を参照すると、この例示的な実施形態では、少なくとも１つの超音速圧縮ランプ１１０が流路８６内に配置される。超音速圧縮ランプ１１０は、入口開口部８２と出口開口部８４の間に配置され、１つまたは複数の圧縮波１１２を流路８６内に形成するのを可能にするようなサイズにされ、形状にされ、配向される。超音速圧縮ランプ１１０はベーン４６の正圧面９６に連結され、流路８６のスロート区域１１４を画成する。スロート区域１１４は、流路８６の最小の横断面積１０８を画成する。別法として、超音速圧縮ランプ１１０は、ベーン４６の負圧面９８および／または半径方向外側表面５８に連結することができる。別の代替の実施形態では、超音速圧縮ランプ１１０は、ベーン４６と一体で形成される。さらなる代替の実施形態では、超音速圧縮機ロータ４０は、正圧面９６、負圧面９８、および／または半径方向外側表面５８にそれぞれ連結される複数の超音速圧縮ランプ１１０を含む。そのような実施形態では、各超音速圧縮ランプ１１０は、集合的にスロート区域１１４を画成する。
【００２８】
図４を参照すると、この例示的な実施形態では、超音速圧縮ランプ１１０は、圧縮表面１１６と発散表面１１８とを含む。圧縮表面１１６は第１の縁部、すなわち前縁１２０と、第２の縁部、すなわち後縁１２２とを含む。前縁１２０は、後縁１２２より入口開口部８２に近く配置される。圧縮表面１１６は前縁１２０と後縁１２２の間を延び、正圧面９６から隣接する負圧面９８に向かって、かつ流れ経路８８内に斜め方向角度１２４に配向される。圧縮表面１１６は、圧縮区域１２６が前縁１２０と後縁１２２の間に画成されるように、隣接する負圧面９８に向かって収束する。圧縮区域１２６は、前縁１２０から後縁１２２まで流れ経路８８に沿って減少する、流路８６の横断面積１２８を含む。圧縮表面１１６の後縁１２２は、スロート区域１１４を画成する。
【００２９】
発散表面１１８は圧縮表面１１６に連結され、圧縮表面１１６から出口開口部８４に向かって下流側に延びる。発散表面１１８は、第１の端部１３０と、第１の端部１３０より出口開口部８４に近い第２の端部１３２とを含む。発散表面１１８の第１の端部１３０は、圧縮表面１１６の後縁１２２に連結される。発散表面１１８は、第１の端部１３０と第２の端部１３２の間を延び、ベーン４６から隣接する負圧面９８に向かってある斜め方向角度１３４に配向される。発散表面１１８は、圧縮表面１１６の後縁１２２から出口開口部８４まで増加する発散横断面積１３８を含む発散区域１３６を画成する。発散区域１３６は、スロート区域１１４から出口開口部８４まで延びる。
【００３０】
再度図５を参照すると、この例示的な実施形態では、流路８６がシュラウドアセンブリ１４０と半径方向外側表面５８の間に画成されるように、シュラウドアセンブリ１４０が各ベーン４６の外側表面９０に連結される。シュラウドアセンブリ１４０は、内側縁部１４４と外側の縁部１４６の間を延びるシュラウドプレート１４２を含む。シュラウドプレート１４２は、ベーン４６の上流側縁部７４がシュラウドアセンブリ１４０の内側縁部１４４に隣接して配置され、ベーン４６の下流側縁部７６がシュラウドアセンブリ１４０の外側の縁部１４６に隣接して配置されるように、各ベーン４６に連結される。別法として、超音速圧縮機ロータ４０は、シュラウドアセンブリ１４０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（図示せず）が、流路８６を少なくとも部分的に画成するように、ベーン４６の各外側表面９０に隣接して配置される。
【００３１】
この例示的な実施形態では、半径方向外側表面５８は、入口表面１４８と、出口表面１５０と、入口表面１４８と出口表面１５０の間を延びる移行表面１５２とを含む。入口表面１４８は、上流側表面６０から移行表面１５２まで延び、流路８６内に入口平面１５４を画成する。入口平面１５４は、隣接するベーン４６の間を、上流側表面６０から移行表面１５２まで延びる。出口表面１５０は、移行表面１５２から下流側表面６２まで延び、流路８６内に出口平面１５６を画成する。出口平面１５６は、隣接するベーン４６の間を、移行表面１５２から下流側縁部７６まで延びる。入口平面１５４は、出口平面１５６に対して平行に配向されていない。
【００３２】
この例示的な実施形態では、入口開口部８２は、中央線軸５４から第１の半径方向距離１５８のところに配置される。出口開口部８４は、中央線軸５４から第１の半径方向距離１５８より小さな第２の半径方向距離１６０のところに配置される。入口表面１４８は、流路８６が半径方向６４に沿って延びる半径方向流れ経路１６２を画成するように、中央線軸５４に対して実質的に直角に配向される。半径方向流れ経路１６２は、入口開口部８２から移行表面１５２まで延び、流体を軸方向７２に導く。出口表面１５０は、流路８６が半径方向６４に沿って延びる軸方向流れ経路１６４を画成するように、中央線軸５４に対して実質的に平行に配向される。軸方向流れ経路１６４は、移行表面１５２から出口開口部８４まで延び、流体を軸方向７２に導く。移行表面１５２は、弓形の形状を有して形成され、入口表面１４８から出口表面１５０まで延びる移行流れ経路１６６を画成する。移行表面１５２は、流体が移行流れ経路１６６を通る、矢印１６８によって表される半径方向流れベクトルと、矢印１７０によって示される軸方向半径方向流れベクトルを有することによって特徴付けられるように、流体を半径方向６４から軸方向７２に導くように配向される。
【００３３】
超音速圧縮機ロータ４０の動作中、（図１に示す）吸気セクション１２は、流体１７２を流路８６の入口開口部８２に向かって導く。流体１７２は、入口開口部８２に入る直前で第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、流路８６に入る流体１７２が第３の速度、すなわち入口開口部８２のところでベーン４６に対して超音速である入口速度を有するように、矢印１７４によって示される第２の速度、すなわちある回転速度で中央線軸５４周りを回転させられる。流体１７２が流路８６を通り超音速速度で導かれるとき、超音速圧縮ランプ１１０は、圧縮波１１２を流路８６内に形成するように流体１７２と接触し、流体１７２を圧縮するのを助け、その結果、流体１７２は、出口開口部８４のところで圧力および温度が増大する、かつ／または体積が減少する。
【００３４】
この例示的な実施形態では、流体１７２は入口開口部８２に入り、半径方向流れ経路１６２を通り半径方向６４に沿って導かれる。流体が移行流れ経路１６６に入るとき、流路８６は流体の向きを半径方向６４から軸方向７２に変更させ、流体を半径方向流れ経路１６２から軸方向流れ経路１６４に導く。次いで流体１７２は、出口開口部８４を通り軸方向流れ経路１６４から軸方向７２に排気される。
【００３５】
超音速圧縮ランプ１１０は、動作中、圧縮波１１２の系統１７６が流路８６内に形成されるようにさせるサイズにされ、形状にされ、配向される。系統１７６は、流体１７２が超音速圧縮ランプ１１０の前縁１２０に接触するとき形成される、第１の斜め方向衝撃波１７８を含む。超音速圧縮ランプ１１０の圧縮区域１２６は、第１の斜め方向衝撃波１７８が、前縁１２０から隣接するベーン４６に向う流れ経路８８に対してある斜め方向角度に向き、流路８６内に入るように構成される。第１の斜め方向衝撃波１７８が隣接するベーン４６に接触するとき、第２の斜め方向衝撃波１８０が隣接するベーン４６から流れ経路８８に対してある斜め方向角度で超音速圧縮ランプ１１０のスロート区域１１４に向かって反射される。超音速圧縮ランプ１１０は、第１の斜め方向衝撃波１７８および第２の斜め方向衝撃波１８０各々を圧縮区域１２６内で形成するように構成される。流体がスロート区域１１４を通り出口開口部８４に向かって導かれるとき、垂直な衝撃波１８２が発散区域１３６内に形成される。垂直な衝撃波１８２は、流れ経路８８に対して直角に配向されており、流れ経路８８を横切って延びる。
【００３６】
流体１７２が圧縮区域１２６を通過するとき、流体１７２がそれぞれ第１の斜め方向衝撃波１７８および第２の斜め方向衝撃波１８０を通過するので、流体１７２の速度は減少する。その上、流体１７２の圧力は増加し、流体１７２の体積は減少する。流体１７２がスロート区域１１４を通過するとき、流体１７２の速度はスロート区域１１４の下流側で垂直な衝撃波１８２に向かって増加する。流体が垂直な衝撃波１８２を通過するとき、流体１７２の速度はロータディスク４８に対し亜音速速度まで低下する。
【００３７】
図６〜１３は、超音速圧縮機ロータ４０の様々な代替の実施形態の横断面図である。図６〜１３に示す同一の構成部品は、図５に使用されるのと同じ参照番号で同定される。図６を参照すると一実施形態では、等エントロピーの圧縮波１８６の系統１８４を流路８６内に、入口開口部８２と出口開口部８４の間に形成するように、半径方向外側表面５８は配向される。この実施形態では、半径方向外側表面５８の移行表面１５２は、流路８６のスロート区域１１４を少なくとも部分的に画成するように配向される。流体１７２が圧縮区域１２６を通過するとき、複数の等エントロピー圧縮波１８６が圧縮区域１２６内に形成される。この代替の実施形態では、半径方向外側表面５８の向きが、流路８６内での衝撃波の形成を防止する。
【００３８】
図７を参照すると一実施形態では、流路８６が出口開口部８４のところで斜め方向流れ経路１９０を画成するように、出口表面１５０が中央線軸５４に対してある斜め方向角度１８８に配向される。この実施形態では流路８６は、半径方向６４に沿って流体を受け取り、斜め方向角度１８８で流体１７２を出口開口部８４から排気するように構成される。
【００３９】
図８を参照すると一実施形態では、流路８６が入口開口部８２のところで斜め方向流れ経路１９４を画成するように、入口表面１４８が中央線軸５４に対してある斜め方向角度１９２に配向される。この実施形態では流路８６は、流体を入口出口開口部８２から斜め方向角度１９２で受け取り、流体１７２を軸方向７２に沿って出口開口部８４を通り排気するように構成される。
【００４０】
図９を参照すると一実施形態では、上流側表面６０は、下流側表面６２の第２の半径方向幅６８より小さな第１の半径方向幅６６を含む。入口開口部８２の第１の半径方向距離１５８は、出口開口部８４の第２の半径方向距離１６０より短い。入口表面１４８は、軸方向７２に延びる入口開口部８２のところで流路８６が軸方向流れ経路１９６を画成するように、中央線軸５４に対して実質的に平行に配向される。出口表面１５０は、半径方向６４に沿って延びる出口開口部８４のところで流路８６が半径方向流れ経路１９８を画成するように、中央線軸５４に対して実質的に直角に配向される。移行表面１５２は、流路８６を通り軸方向７２から半径方向６４に流体を導くように配向される。
【００４１】
図１０を参照すると一実施形態では、出口表面１５０は、流路８６が出口開口部８４のところで斜め方向流れ経路２０２を画成するように中央線軸５４に対してある斜め方向角度２００に配向される。この実施形態では、流路８６は、流体を軸方向７２に沿って受け取り、流体１７２を出口開口部８４から斜め方向角度２０２で排気するように構成される。
【００４２】
図１１を参照すると一実施形態では、流路８６が入口開口部８２のところで斜め方向流れ経路１９０を画成するように、入口表面１４８が中央線軸５４に対して斜め方向角度２０４に配向される。出口表面１５０は、出口開口部８４のところで流路８６が半径方向流れ経路１９８を画成するように、中央線軸５４に対して実質的に直角に配向される。この実施形態では、流路８６は、流体を入口開口部８２から斜め方向角度２０４で受け取り、出口開口部８４を通り半径方向６４に沿って流体１７２を排気するように構成される。
【００４３】
図１２を参照すると一実施形態では、流路８６が入口開口部８２のところで第１の斜め方向流れ経路２０８を画成するように、入口表面１４８が中央線軸５４に対して第１の斜め方向角度２０６に配向される。出口表面１５０は、流路８６が出口開口部８４のところで第２の斜め方向流れ経路２１２を画成するように、中央線軸５４に対して第２の斜め方向角度２１０に配向される。この実施形態では流路８６は、入口出口開口部８２から第１の斜め方向角度２０６で流体を受け取り、出口開口部８４を通り第２の斜め方向角度２１０で流体１７２を排気するように構成される。
【００４４】
図１３を参照すると一実施形態では、流路８６が入口開口部８２のところで第１の軸方向流れ経路２１４を画成するように、入口表面１４８が中央線軸５４に対して実質的に平行に配向される。出口表面１５０は、流路８６が出口開口部８４のところで第２の軸方向流れ経路２１６を画成するように、中央線軸５４に対して実質的に平行に配向される。この実施形態では流路８６は、軸方向７２に沿って流体１７２を受け取り、軸方向７２に沿って流体１７２を排気するように構成される。
【００４５】
上記に記載される超音速圧縮機ロータは、流体を軸方向から半径方向に導く、または流体を半径方向から軸方向に導くためのコスト効率の高い、信頼性の高い方法を提供する。より具体的には、この超音速圧縮機ロータは、流路を通る流れ経路の向きを調節する移行表面を含む流路を含む。さらに、本明細書に記載されるこれらの実施形態は、入口表面と入口表面に対して平行でない出口表面とを含む超音速圧縮ロータを含む。その上、流体を軸方向から半径方向に導く流路を有する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を軸方向吸気配向、半径方向吸気配向、軸方向排気配向、および／または半径方向排気配向の各々を含むように設計するのがこの超音速圧縮機ロータによって可能になる。結果として、本明細書に記載される超音速圧縮機ロータは、既知の超音速圧縮機アセンブリの流れ経路配向の限界を克服する。したがって、超音速圧縮機システムの製造および保守のコストを減少させることができる。
【００４６】
超音速圧縮機ロータを組み立てるためのシステムおよび方法の例示的な実施形態が上記に詳細に記載されている。この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、そうではなく、これらのシステムの構成部品および／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部品および／またはステップから独立に、別個に利用することができる。例えば、これらのシステムおよび方法は、他の回転エンジンシステムおよび方法との組み合わせで使用することもでき、本明細書に記載されるような超音速圧縮機システムと共にのみ実施することに限定されない。そうではなく、この例示的な実施形態は、多くの他の回転システム用途と一緒に実施し、利用することができる。
【００４７】
本発明の様々な実施形態の特定の機構がいくつかの図面に示され、他の図面に示されていない場合があるが、これは便宜上のためのみである。さらに、上記の記載での「１つの実施形態（ｏｎｅｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」に対する参照は、記載された機構をやはり組み込む追加の実施形態の存在を除外するとして解釈すべきであることを意図していない。本発明の原理によれば、図面の任意の機構を、任意の他の図面の任意の機構と組み合わせて参照し、かつ／または特許請求することができる。
【００４８】
本書では、例を使用し、最良の形態を含めて本発明を開示し、また任意のデバイスまたはシステムを作り、使用し、任意の組み込まれた方法を使用することを含めて、当業者が本発明を実施することを可能にしている。本発明の特許性のある範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者に思い浮かぶ他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの用語から異ならない構造的な要素である場合、またはそれらが特許請求の範囲の文字通りの用語からわずかしか異ならない等価な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００４９】
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排気セクション
１８駆動アセンブリ
２０ロータアセンブリ
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内側表面
３２空洞
３４流体源
３６入口ガイドベーンアセンブリ
３８入口ガイドベーン
４０超音速圧縮機ロータ
４２出口ガイドベーンアセンブリ
４４出力システム
４６ベーン
４８ロータディスク
５０ディスク本体
５２内側円筒状空洞
５４中央線軸
５６半径方向に内側の表面
５８半径方向外側表面
６０上流側表面
６２下流側表面
６４半径方向
６６第１の半径方向幅
６８第２の半径方向幅
７０距離
７２軸方向
７４上流側縁部
７６下流側縁部
８０対
８２入口開口部
８４出口開口部
８６流路
８８流れ経路
９０外側表面
９２内側表面
９４高さ
９６正圧面
９８負圧面
１００幅
１０２横断面積
１０４横断面積
１０６横断面積
１０８横断面積
１１０超音速圧縮ランプ
１１２圧縮波
１１４スロート区域
１１６圧縮表面
１１８発散表面
１２０前縁
１２２後縁
１２４斜め方向角度
１２６圧縮区域
１２８横断面積
１３０第１の端部
１３２第２の端部
１３４斜め方向角度
１３６発散区域
１３８横断面積
１４０シュラウドアセンブリ
１４２シュラウドプレート
１４４内側縁部
１４６外側縁部
１４８入口表面
１５０出口表面
１５２移行表面
１５４入口平面
１５６出口平面
１５８第１の半径方向距離
１６０第２の半径方向距離
１６２半径方向流れ経路
１６４軸方向流れ経路
１６６移行流れ経路
１６８矢印
１７０矢印
１７２流体
１７４矢印
１７６系統
１７８第１の斜め方向衝撃波
１８０第２の斜め方向衝撃波
１８２垂直な衝撃波
１８４系統
１８６等エントロピー圧縮波
１８８斜め方向角度
１９０斜め方向流れ経路
１９２斜め方向角度
１９４斜め方向流れ経路
１９６軸方向流れ経路
１９８半径方向流れ経路
２００斜め方向角度
２０２斜め方向角度
２０４斜め方向角度
２０６第１の斜め方向角度
２０８第１の斜め方向流れ経路
２１０第２の斜め方向角度
２１２第２の斜め方向流れ経路
２１４第１の軸方向流れ経路
２１６第２の軸方向流れ経路

【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流側表面（６０）と、下流側表面（６２）と、前記上流側表面と前記下流側表面の間を延びる半径方向外側表面（５８）とを備えるロータディスク（４８）であって、前記半径方向外側表面が入口表面（１４８）と、出口表面（１５０）と、前記入口表面と前記出口表面の間を延びる移行表面（１５２）とを備え、前記ロータディスクが中央線軸（５４）を画成する、ロータディスク（４８）と、
前記半径方向外側表面に連結される複数のベーン（４６）であって、隣接するベーンが、対を形成し、隣接するベーンの各前記対の間に流路（８６）が画成されるように配向され、前記流路が入口開口部と出口開口部の間を延び、前記入口表面が、前記入口開口部と前記移行表面の間を延びる入口平面（１５４）を画成し、前記出口表面が、前記出口開口部と前記入口平面に対して平行でない前記移行表面との間を延びる出口平面（１５６）を画成する、ベーン（４６）と、
前記流路内に少なくとも１つの圧縮波（１１２）を形成するのを助けるように、前記流路内に配置される少なくとも１つの超音速圧縮ランプ（１１０）とを備える、超音速圧縮機ロータ。
【請求項２】
前記入口表面（１４８）が、前記流路（８６）が前記入口開口部（８２）から前記移行表面（１５２）までの軸方向流れ経路（１６４）を画成するように、前記中央線軸（５４）に対して実質的に平行に配向され、前記出口表面（１５０）が、前記流路が前記移行表面から前記出口開口部（１８４）までの斜め方向流れ経路を画成するように、前記中央線軸に対して斜め方向角度に配向される、請求項１記載の超音速圧縮機ロータ。
【請求項３】
前記入口表面（１４８）が、前記流路（８６）が前記入口開口部（８２）から前記移行表面（１５２）までの軸方向流れ経路（１６４）を画成するように、前記中央線軸（５４）に対して実質的に平行に配向され、前記出口表面（１５０）が、前記流路が前記移行表面から前記出口開口部（８４）までの半径方向流れ経路を画成するように、前記中央線軸に対して実質的に直角に配向される、請求項１記載の超音速圧縮機ロータ。
【請求項４】
前記入口表面（１４８）が、前記流路（８６）が前記入口開口部（８２）から前記移行表面（１５２）までの半径方向流れ経路（１６２）を画成するように、前記中央線軸（５４）に対して実質的に直角に配向され、前記出口表面（１５０）が、前記流路が前記移行表面から前記出口開口部（８４）までの軸方向流れ経路（１６４）を画成するように、前記中央線軸（５４）に対して実質的に平行に配向される、請求項１記載の超音速圧縮機ロータ。
【請求項５】
前記入口表面（１４８）が、前記流路（８６）が前記入口開口部（８２）から前記移行表面（１５２）までの半径方向流れ経路（１６２）を画成するように、前記中央線軸（５４）に対して実質的に直角に配向され、前記出口表面（１５０）が、前記流路が前記移行表面から前記出口開口部（８４）までの斜め方向流れ経路（１６４）を画成するように、前記中央線軸に対して斜め方向角度に配向される、請求項１記載の超音速圧縮機ロータ。
【請求項６】
前記入口表面（１４８）が、前記流路（８６）が前記入口開口部（８２）から前記移行表面（１５２）までの斜め方向流れ経路（１６４）を画成するように、前記中央線軸（５４）に対して斜め方向角度に配向され、前記出口表面（１５０）が、前記流路が前記移行表面から前記出口開口部（８４）までの軸方向流れ経路（１６４）を形成するように、前記中央線軸に対して実質的に平行に配向される、請求項１記載の超音速圧縮機ロータ。
【請求項７】
前記入口表面（１４８）が、前記流路（８６）が前記入口開口部（８２）から前記移行表面（１５２）までの斜め方向流れ経路（１６４）を画成するように、前記中央線軸（５４）に対して斜め方向角度に配向され、前記出口表面（１５０）が、前記流路が前記移行表面から前記出口開口部（８４）までの半径方向流れ経路（１６２）を形成するように、前記中央線軸に対して実質的に直角に配向される、請求項１記載の超音速圧縮機ロータ。
【請求項８】
前記入口表面（１４８）が、前記流路（８６）が前記入口開口部（８２）から前記移行表面（１５２）までの斜め方向流れ経路（１６４）を画成するように、前記中央線軸（５４）に対して斜め方向角度に配向され、前記出口表面（１５０）が、前記流路が前記移行表面から前記出口開口部（８４）までの斜め方向流れ経路を形成するように、前記中央線軸に対して斜め方向角度に配向される、請求項１記載の超音速圧縮機ロータ。
【請求項９】
流体入口（２６）および流体出口（２８）の間を延びる空洞を画成するケーシングと、
前記ケーシング内に配置され、中央線軸（５４）を画成し、駆動アセンブリ（１８）に回転可能に連結される駆動シャフト（２２）と、
前記駆動シャフトに連結され、流体を前記流体入口から前記流体出口まで導くために前記流体入口（２６）と前記流体出口（２８）の間に配置され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、
上流側表面（６０）と、下流側表面（６２）と、前記上流側表面（１４８）と前記下流側表面（１５０）の間を延びる半径方向外側表面（５８）とを備えるロータディスク（４８）であり、前記半径方向外側表面が、入口表面と、出口表面と、前記入口表面と前記出口表面の間を延びる移行表面（１５２）とを備える、ロータディスク（４８）と、
前記半径方向外側表面に連結される複数のベーン（４６）であり、隣接するベーンが、対を形成し、隣接するベーンの各前記対の間に流路（８６）が画成されるように配向され、前記流路が入口開口部と出口開口部の間を延び、前記入口表面が、前記入口開口部と前記移行表面の間を延びる入口平面（１５４）を画成し、前記出口表面が、前記出口開口部と前記入口平面に対して平行でない前記移行表面の間を延びる出口平面（１５６）を画成する、複数のベーン（４６）と、
前記流路内に少なくとも１つの圧縮波（１１２）を形成するのを助けるように前記流路内に配置される少なくとも１つの超音速圧縮ランプ（１１０）とを備える、超音速圧縮機システム（１０）。
【請求項１０】
前記入口表面（１４８）が、前記流路（８６）が前記入口開口部（８２）から前記移行表面（１５２）までの軸方向流れ経路（１６２）を画成するように、前記中央線軸（５４）に対して実質的に平行に配向され、前記出口表面（１５０）が、前記流路が前記移行表面から前記出口開口部（８４）までの斜め方向流れ経路（１６４）を画成するように、前記中央線軸に対して斜め方向角度に配向される、請求項９記載の超音速圧縮機システム。

【図１】