超音速圧縮機始動支援システム
【課題】定常状態の性能を低下することなく、始動中のスロート領域内の超音速流の形成を促進する超音速圧縮機を提供する。
【解決手段】超音速圧縮機１０は、流体入口と、流体出口と、それらの間に延在する流体導管と、流体導管内に配設され、スロート部分１２４を含む流体流路８０を備え、少なくとも１つの流体源３０２、３０４、３０６及び流体流路の入口７６と流体連通して連結された流体制御装置３０８を含む。該流体制御装置は第１流体を流体流路入口に案内する。第１流体は、第１動作モード中にスロート部分において第１流体の超音速流の獲得を促進する第１の複数の流体特性を有する。流体制御装置は、更に第２流体を流体流路入口に案内する。第２流体は、スロート部分において第２流体の超音速流の維持を可能にする第２の複数の流体特性を有する。
【解決手段】超音速圧縮機１０は、流体入口と、流体出口と、それらの間に延在する流体導管と、流体導管内に配設され、スロート部分１２４を含む流体流路８０を備え、少なくとも１つの流体源３０２、３０４、３０６及び流体流路の入口７６と流体連通して連結された流体制御装置３０８を含む。該流体制御装置は第１流体を流体流路入口に案内する。第１流体は、第１動作モード中にスロート部分において第１流体の超音速流の獲得を促進する第１の複数の流体特性を有する。流体制御装置は、更に第２流体を流体流路入口に案内する。第２流体は、スロート部分において第２流体の超音速流の維持を可能にする第２の複数の流体特性を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して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で使用される超音速圧縮機ロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一部の既知の超音速圧縮機システムは、駆動アセンブリと、駆動軸と、流体を圧縮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。駆動アセンブリは、駆動軸によって超音速圧縮機ロータに連結されて、駆動軸及び超音速圧縮機ロータを回転させる。
【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ベーンを含む。各ベーンは、ロータディスクの周囲で円周方向に配向され、隣接するベーンの間に流路を画定する。少なくとも一部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、スロート領域を形成するように流れ経路内に配置され、流れ経路内に圧縮波、即ち、衝撃波を形成するように構成される。
【０００４】
既知の超音速圧縮機システムの始動動作中、駆動アセンブリは、初期低速で超音速圧縮機ロータを回転させ、ロータを高回転速度まで加速する。流体は超音速圧縮機ロータに運ばれて、流体が、流路スロートにおける超音速圧縮機ロータに対して初めは亜音速である速度によって特徴付けられ、次いで、ロータが加速するにつれて、流路スロート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特徴付けられるようになっている。既知の超音速圧縮機ロータでは、流体が流路を通って運ばれる時に、超音速圧縮機ランプは、流路の収束部分の斜め衝撃波と流路の拡散部分の垂直衝撃波のシステムを形成させる。スロート領域は、収束部分と拡散部分の間の流路の最も狭い部分に画定される。より広いスロート領域は、始動中のスロート領域内の超音速流の形成を促進するが、定常状態の性能を低下させる。より狭いスロート領域は、定常状態性能を促進するが、スロート領域内の超音速流の形成の困難度を増加させる。更に、多くの既知の超音速圧縮機は一定のスロート形状を有する。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日及び２００５年３月２３日に出願された米国特許第７，３３４，９９０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第２００９／０１９６７３１号に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７３３７６０６Ｂ２号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様では、超音速圧縮機が提供される。超音速圧縮機は、流体入口と、流体出口と、流体入口と流体出口の間に延在する流体導管とを含む。超音速圧縮機はまた、流体導管内に配設され、スロート部分を含む流体流路を備える少なくとも１つの超音速圧縮機ロータを含む。超音速圧縮機は、少なくとも１つの流体源及び流体流路の流体流路入口と流体連通して連結された流体制御装置を更に含む。流体制御装置は、第１流体を流体流路入口に案内するように構成される。第１流体は、超音速圧縮機の第１動作モード中に流体流路のスロート部分において第１流体の超音速流の獲得を促進する第１の複数の流体特性を有する。流体制御装置は、更に第２流体を流体流路入口に案内するように構成される。第２流体は、流体流路のスロート部分において第２流体の超音速流の維持を可能にする第２の複数の流体特性を有する。
【０００７】
別の態様では、超音速圧縮機始動支援システムが提供される。超音速圧縮機始動支援システムは、少なくとも１つの流体源と、少なくとも１つの流体源及び流体流路の流体流路入口と流体連通して連結された流体制御装置とを含む。流体制御装置は、第１流体を流体流路入口に案内するように構成される。第１流体は、超音速圧縮機及び流体制御装置の第１動作モード中に流体流路のスロート部分において第１流体の超音速流の獲得を促進する第１の複数の流体特性を有する。流体制御装置は、更に第２流体を流体流路入口に案内するように構成される。第２流体は、超音速圧縮機及び流体制御装置の第２動作モード中に流体流路のスロート部分において第２流体の超音速流の維持を可能にする第２の複数の流体特性を有する。
【０００８】
更に別の態様では、超音速圧縮機の始動方法が提供される。この方法は、少なくとも１つの流体源と流体連通して連結された流体入口と、流体出口と、流体入口と流体出口の間に延在する流体導管とを備える超音速圧縮機を設けるステップを含む。超音速圧縮機はまた、超音速圧縮機の流体導管内に配設され、スロート部分及び流体流路入口を含む流体流路を備える少なくとも１つの超音速圧縮機ロータを含む。この方法はまた、超音速圧縮機の第１動作モード中に第１流体を少なくとも１つの流体源から流体流路入口に案内するステップを含む。第１流体は、超音速圧縮機の第１動作モード中に流体流路のスロート部分において超音速流の獲得を可能にする第１の複数の流体特性を有する。この方法はまた、超音速圧縮機の第１動作モード中に流体流路のスロート部分において第１流体を初期亜音速流から超音速流に加速するステップを含む。この方法は、超音速圧縮機の第２動作モード中に超音速流体速度で第２流体を少なくとも１つの流体源から流体流路入口に案内するステップを更に含む。第２流体は、超音速圧縮機の第２動作モード中に流体流路のスロート部分において第２流体の超音速流の維持を可能にする第２の複数の流体特性を有する。
【０００９】
本発明の上記及びその他の特徴、態様、及び利点は、図面を通して同様の符号が同様の部品を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことによってより良く理解することができるであろう。
【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で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に示す超音速圧縮機ロータの分解斜視図である。
【図４】図２に示す超音速圧縮機ロータの線４−４に沿った断面図である。
【図５】図４に示す超音速圧縮機ロータの一部分の範囲５に沿った拡大断面図である。
【図６】図４及び５に示す超音速圧縮機ロータの各種条件における空気に関するスロート面積とマッハ数の関係のグラフ図である。
【図７】図１に示す超音速圧縮機システムで使用することができる例示的な超音速圧縮機始動支援システムの概略断面図である。
【図８】図１に示す超音速圧縮機システムで使用することができる複数の流体の複数の特性の表形式図である。
【図９】図４及び５に示す超音速圧縮機ロータの各種条件における空気及び二酸化炭素に関するスロート面積とマッハ数の関係のグラフ図である。
【図１０】図４及び５に示す超音速圧縮機ロータの各種条件における空気及び六フッ化硫黄に関するスロート面積とマッハ数の関係のグラフ図である。
【図１１】図４及び５に示す超音速圧縮機ロータの各種条件におけるメタン（ＣＨ4）及びプロパン（Ｃ3Ｈ8）に関するスロート面積とマッハ数の関係のグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
特に明記しない限り、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つ又は複数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、本発明の実施に必要とされる当業者には既知の従来の特徴の全てを含むことを意図するものではない。
【００１２】
以下の明細書及び後に続く請求項では、多数の用語を参照するが、こ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】
数詞がないことや「前記」などの冠詞は、文脈上そうでないことが明らかでない限り、複数形を含む。
【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、関連する基本機能の変化を生じさせることなく、許容的に変更することのできる任意の定量的表現を修飾するため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つ又は複数の用語によって修飾される値は、指定された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し得る。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、そ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】
本明細書で使用する場合、「超音速圧縮機ロータ」という用語は、超音速圧縮機ロータの流体流路内に配設された超音速圧縮ランプを含む圧縮機ロータを意味する。更に、超音速圧縮機ロータは、それらが高速で回転軸の周囲を回転するように設計されて、ロータの流路内に配設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直面する移動流体、例えば移動ガスが、超音速である相対流体速度を持つと言われるようになるので、「超音速」である。相対流体速度は、超音速圧縮ランプに直面する直前の流体速度と、超音速圧縮ランプにおけるロータ速度のベクトル差の点から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」とも呼ばれ、ある種の実施形態では、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た超音速圧縮ランプの接線速度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、例えば３００メートル／秒〜８００メートル／秒の範囲の接線速度での動作用に設計されている。
【００１７】
本明細書に記載の例示的なシステム及び方法は、始動及び定常動作中に流体を超音速圧縮機に案内し、流路スロートにおける超音速流の獲得及び維持を促進する超音速圧縮機始動支援システムを提供することによって、既知の超音速圧縮機の欠点を克服する。具体的には、始動支援システムは、少なくとも１つの流体源と、少なくとも１つの流体源及び流体流路の流体流路入口と流体連通して連結された流体制御装置とを含む。より詳細には、流体制御装置は、超音速圧縮機に第１流体を案内し、この第１流体は、超音速圧縮機の第１動作モード、即ち、始動動作中に流体流路のスロート部分において第１流体の超音速流の獲得を促進する流体特性を有する。また、より詳細には、流体制御装置は、超音速圧縮機に第２流体を案内し、この第２流体は、超音速圧縮機の第２動作モード、即ち、定常動作中に流体流路のスロート部分において第２流体の超音速流の維持を可能にする流体特性を有する。
【００１８】
図１は、例示的な超音速圧縮機システム１０（本明細書において、超音速圧縮機と呼ばれることもある）の概略図である。例示的実施形態において、超音速圧縮機システム１０は、吸入セクション１２と、吸入セクション１２の下流に連結された圧縮機セクション１４と、圧縮機セクション１４の下流に連結された排出セクション１６と、駆動アセンブリ１８とを含む。圧縮機セクション１４は、駆動軸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。例示的実施形態において、吸入セクション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内に配置される。より詳細には、圧縮機ハウジング２４は、流体入口２６と、流体出口２８と、キャビティ３２を画定する内面３０とを含む。キャビティ３２は、流体入口２６と流体出口２８の間に延在し、流体を流体入口２６から流体出口２８に案内するように構成される。吸入セクション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内に配置される。代替的には、吸入セクション１２及び／又は排出セクション１６は、圧縮機ハウジング２４内に配置しなくてもよい。
【００１９】
例示的実施形態において、流体入口２６は、流体流を流体源３４から吸入セクション１２に案内するように構成される。流体は、任意の流体、例えば、ガス、ガス混合物、及び／又は液体ガス混合物であってよい。吸入セクション１２は、圧縮機セクション１４と流体連通して連結されて、流体を流体入口２６から圧縮機セクション１４に案内する。吸入セクション１２は、１つ又は複数の所定パラメータ、例えば速度、質量流量、圧力、温度、及び／又は任意の適切な流動パラメータを有する流体流を調節するように構成される。例示的実施形態において、吸入セクション１２は、流体入口２６と圧縮機セクション１４の間に連結されて、流体を流体入口２６から圧縮機セクション１４に案内する入口案内翼アセンブリ３６を含む。入口案内翼アセンブリ３６は、圧縮機ハウジング２４に連結され、圧縮機セクション１４に対して固定される１つ又は複数の入口案内翼３８を含む。
【００２０】
圧縮機セクション１４は、吸入セクション１２と排出セクション１６の間に連結されて、流体の少なくとも一部を吸入セクション１２から排出セクション１６に案内する。圧縮機セクション１４は、駆動軸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、排出セクション１６に案内されている流体の圧力を上昇させ、流体の体積を減少させ、且つ／又は流体の温度を上昇させるように構成される。排出セクション１６は、超音速圧縮機ロータ４０と流体出口２８の間に連結されて、流体を超音速圧縮機ロータ４０から流体出口２８に案内する出口案内翼アセンブリ４２を含む。出口案内翼アセンブリ４２は、圧縮機ハウジング２４に連結され、圧縮機セクション１４に対して固定される１つ又は複数の出口案内翼４３を含む。流体出口２８は、出口案内翼アセンブリ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等の出力システム４４に案内するように構成される。一実施形態では、駆動アセンブリ１８は、駆動軸２２を回転させて、入口案内翼アセンブリ３６、超音速圧縮機ロータ４０、及び／又は出口案内翼アセンブリ４２の回転を生じさせるように構成してもよい。
【００２１】
動作中、吸入セクション１２は、流体を流体源３４から圧縮機セクション１４へと案内する。圧縮機セクション１４は、流体を圧縮し、圧縮された流体を排出セクション１６へと排出する。排出セクション１６は、流体出口２８を介して圧縮された流体を圧縮機セクション１４から出力システム４４に案内する。
【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、超音速圧縮機ロータ４０の分解斜視図である。図４は、図２に示す超音速圧縮機ロータ４０の線４−４に沿った断面図である。図３及び図４に示す同一の構成部品は、図２において使用されたのと同じ参照番号で表される。明確にするため、図４は、第１半径方向寸法を図示するためのｘ軸、第２半径方向寸法を図示するための、ｘ軸に垂直であるｙ軸、及び軸方向寸法を図示するための、ｘ軸及びｙ軸に垂直であるｚ軸を示す。これらの基準軸が本明細書で使用される。図４では、ｚ軸がページの外に向けられている。例示的実施形態において、超音速圧縮機ロータ４０は、ロータディスク４８に連結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、この環状ディスク本体５０は、中心線軸５４に沿ってディスク本体５０を通って略軸方向に延在する内側キャビティ５２を画定する。ディスク本体５０は、半径方向内側面５６と、半径方向外側面５８と、端壁６０とを含む。半径方向内側面５６は、内側キャビティ５２を画定する。内側キャビティ５２は、略円筒形状を有し、中心線軸５４の周囲に配向される。駆動軸２２は、複数のロータ支持支柱５１を介してロータディスク４８に回転可能に連結され、ロータ支持支柱５１は、それを通って駆動軸２２が挿入される開口部５３を画定する。端壁６０は、内側キャビティ５２から半径方向外方に、且つ半径方向内側面５６と半径方向外側面５８の間に延在する。端壁６０は、中心線軸５４に垂直に配向される半径方向に画定された幅６２を有する。
【００２３】
例示的実施形態において、各ベーン４６は、端壁６０に連結され、中心線軸５４に略平行である軸方向６６において端壁６０から外方に延在する。各ベーン４６は、入口縁６８及び出口縁７０を含む。入口縁６８は、半径方向内側面５６に隣接して配置される。出口縁７０は、半径方向外面５８に隣接して配置される。例示的実施形態において、超音速圧縮機ロータ４０は、ベーン４６の対７４を含む。各ベーン４６は、入口開口部７６、出口開口部７８、及び隣接するベーン４６の各対７４の間の流路８０を画定するように配向される。流路８０は、入口開口部７６と出口開口部７８の間に延在し、入口開口部７６から出口開口部７８までの矢印８２で表される流れ経路（図４に示す）を画定する。流れ経路８２は、ベーン４６に略平行に配向される。流路８０は、流体を流れ経路８２に沿って半径方向６４に入口開口部７６から出口開口部７８に案内するように寸法決めされ、成形され、且つ配向される。入口開口部７６は、隣接するベーン４６の隣接する入口縁６８の間に画定される。出口開口部７８は、隣接するベーン４６の隣接する出口縁７０の間に画定される。各ベーン４６は、各ベーン４６が半径方向内側面５６と半径方向外側面５８の間に延在するように、入口縁６８と出口縁７０の間に半径方向に延在する。また、各ベーン４６は、外面８４と、対向する内面８６とを含む。ベーン４６は、外面８４と内面８６の間に延在して、流路８０の軸方向高さ８８を画定する。
【００２４】
図２及び図３を参照すると、例示的実施形態において、シュラウドアセンブリ９０は、流路８０（図４に示す）がシュラウドアセンブリ９０と端壁６０の間に画定されるように、各ベーン４６の外面８４に連結される。シュラウドアセンブリ９０は、内縁９２及び外縁９４を含む。内縁９２は、略円筒状開口部９６を画定する。シュラウドアセンブリ９０は、内側円筒状キャビティ５２が開口部９６と同心になるように、ロータディスク４８と同軸上に配向される。シュラウドアセンブリ９０は、ベーン４６の入口縁６８がシュラウドアセンブリ９０の内縁９２に隣接して配置され、ベーン４６の外縁７０がシュラウドアセンブリ９０の外縁９４に隣接して配置されるように、各ベーン４６に連結される。代替的には、超音速圧縮機ロータ４０は、シュラウドアセンブリ９０を含まない。そのような実施形態では、ダイヤフラムが流路８０を少なくとも部分的に画定するように、ダイヤフラムアセンブリ（図示せず）がベーン４６の各外面８４に隣接して配置される。
【００２５】
図４を参照すると、少なくとも１つの超音速圧縮機ランプ９８は、流路８０内に配置される。超音速圧縮ランプ９８は、入口開口部７６と出口開口部７８の間に配置され、１つ又は複数の衝撃波１００を流路８０内に形成することができるように寸法決めされ、成形され、且つ配向される。
【００２６】
超音速圧縮機ロータ４０の動作中、吸入セクション１２（図１に示す）は、流体１０２を流路８０の入口開口部７６へと案内する。流体１０２は、入口開口部７６に入る直前に第１速度、即ち、接近速度を有する。超音速圧縮機ロータ４０は、回転方向矢印１０４によって表すように、第２速度、即ち、回転速度で中心線軸５４の周囲を回転して、流路８０に入る流体１０２が、入口開口部７６で第３速度、即ち、入口速度を有するようになっており、この速度は、ベーン４６に対して超音速である。流体１０２が超音速で流路８０を通って案内されると、超音速圧縮ランプ９８によって、衝撃波１００を流路８０内に形成して流体１０２の圧縮を促進することができ、流体１０２の圧力及び温度が上昇し、且つ／又は出口開口部７８における体積が減少するようになっている。
【００２７】
図５は、図４に示す超音速圧縮機ロータ４０の一部分の範囲５に沿った拡大断面図である。図５に示す同一の構成部品は、図２及び図４において使用されたのと同じ参照番号で表される。明確にするため、図５は、第１半径方向寸法を図示するためのｘ軸、第２半径方向寸法を図示するための、ｘ軸に垂直であるｙ軸、及び軸方向寸法を図示するための、ｘ軸及びｙ軸に垂直であるｚ軸を示す。図５では、ｚ軸がページの外に向けられている。例示的実施形態において、各ベーン４６は、第１又は正圧面１０６と、対向する第２又は負圧面１０８とを含む。各正圧面１０６及び負圧面１０８は、入口縁６８と出口縁７０の間に延在する。
【００２８】
例示的実施形態において、各ベーン４６は、流路８０が入口開口部７６と出口開口部７８の間で略半径方向に配向されるように、内側円筒状キャビティ５２の周囲で円周方向に離間配置される。各入口開口部７６は、入口縁６８においてベーン４６の正圧面１０６と隣接する負圧面１０８の間に延在する。各出口開口部７８は、流れ経路８２が半径方向６４において半径方向内面５６から半径方向外面５８に半径方向外方に画定されるように、出口縁７０において正圧面１０６と隣接する負圧面１０８の間に延在する。代替的には、隣接するベーン４６は、入口開口部７６が半径方向外面５８に画定され、出口開口部７８が半径方向内面５６に画定されるように配向させて、流れ経路８２が半径方向外面５８から半径方向内面５６に半径方向内方に画定されるようにしてもよい。例示的実施形態において、流路８０は、正圧面１０６と隣接する負圧面１０８の間に画定され、流れ経路８２に垂直である円周方向幅１１０を有する。入口開口部７６は第１円周方向幅１１２を有し、これは出口開口部７８の第２円周方向幅１１４よりも大きい。代替的には、入口開口部７６の第１円周方向幅１１２は、出口開口部７８の第２円周方向幅１１４よりも小さくても、等しくてもよい。例示的実施形態において、各ベーン４６は、円弧形状で形成され、流路８０が螺旋形状で画定され、一般に入口開口部７６と出口開口部７８の間で内方に収束するように画定されるように配向される。
【００２９】
例示的実施形態において、流路８０は、流れ経路８２に沿って変動する断面積１１６を画定する。流路８０の断面積１１６は、流れ経路８２に垂直に画定され、流路８０の円周方向幅１１０×流路の軸方向高さ８８（図３に示す）と等しい。流路８０は、入口開口部７６における第１面積、即ち、入口断面積１１８、出口開口部７８における第２面積、即ち、出口断面積１２０、及び入口開口部７６と出口開口部７８の間に画定される第３面積、即ち、最小断面積１２２を有する。例示的実施形態において、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。一実施形態では、最小断面積１２２は出口断面積１２０と等しく、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。
【００３０】
例示的実施形態において、超音速圧縮ランプ９８は、ベーン４６の正圧面１０６に連結され、流路８０のスロート領域１２４を画定する。スロート領域１２４は、流路８０の最小断面積１２２を画定する。代替的な実施形態では、超音速圧縮ランプ９８は、ベーン４６の負圧面１０８、端壁６０、及び／又はシュラウドアセンブリ９０に連結してもよい。更なる代替的な実施形態では、超音速圧縮機ロータ４０は、各々が正圧面１０６、負圧面１０８、端壁６０、及び／又はシュラウドアセンブリ９０に連結される複数の超音速圧縮ランプ９８を含む。そのような実施形態では、各超音速圧縮ランプ９８は、集合的にスロート領域１２４を画定する。
【００３１】
例示的実施形態において、スロート領域１２４は、流路８０が、約１．０１〜１．１０の入口断面積１１８÷最小断面積１２２の比として定義される面積比を有するように、入口断面積１１８よりも小さい最小断面積１２２を画定する。一実施形態では、面積比が約１．０７〜１．０８である。
【００３２】
例示的実施形態において、超音速圧縮ランプ９８は、圧縮面１２６及び拡散面１２８を含む。圧縮面１２６は、第１、又は前縁１３０及び第２、又は後縁１３２を含む。前縁１３０は、後縁１３２よりも入口開口部７６の近くに配置される。圧縮面１２６は、前縁１３０と後縁１３２の間に延在し、ベーン４６から流れ経路８２内に斜角１３４で配向される。圧縮面１２６は、圧縮領域１３６が前縁１３０と後縁１３２の間に画定されるように、隣接する負圧面１０８に向かって収束する。圧縮領域１３６は、流れ経路８２に沿って前縁１３０から後縁１３２へと減少する、流路８０の断面積１３８を有する。圧縮面１２６の後縁１３２は、スロート領域１２４を画定する。
【００３３】
拡散面１２８は、圧縮面１２６に連結され、圧縮面１２６から出口開口部７８へと下流に延在する。拡散面１２８は、第１端部１４０と、第１端部１４０よりも出口開口部７８に近い第２端部１４２とを含む。拡散面１２８の第１端部４０は、圧縮面１２６の後縁１３２に連結される。拡散面１２８は、第１端部１４０と第２端部１４２の間に延在する。拡散面１２８は、圧縮面１２６の第２端部１３２から出口開口部７８へと増加する拡散断面積１４８を有する拡散領域１４６を画定する。拡散領域１４６は、スロート領域１２４から出口開口部７８に延在する。代替的な実施形態では、超音速圧縮ランプは拡散面１２８を含まない。この代替的な実施形態において、圧縮面１２６の後縁１３２は、スロート領域１２４が出口開口部７８に隣接して画定されるように、ベーン４６の出口縁７０に隣接して配置される。
【００３４】
超音速圧縮機ロータ４０の動作中、流体１０２は、ロータディスク４８に対して超音速で内側円筒状キャビティ５２から入口開口部７６内に案内される。内側円筒状キャビティ５２から流路８０に入る流体１０２は、超音速圧縮ランプ９８の前縁１３０に接触して、第１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斜め衝撃波１５２を、前縁１３０から隣接するベーン４６への流れ経路８２に対して斜角に、且つ流路８０内に配向させるように構成される。第１斜め衝撃波１５２は隣接するベーン４６に接触し、第２斜め衝撃波１５４は、隣接するベーン４６から流れ経路８２に対して斜角で、超音速圧縮ランプ９８のスロート領域１２４に向かって反射される。一実施形態では、圧縮面１２６は、第２斜め衝撃波１５４を、隣接するベーン４６における第１斜め衝撃波１５２から、スロート領域１２４を画定する後縁１３２に延在させるように構成される。超音速圧縮ランプ９８は、第１斜め衝撃波１５２及び第２斜め衝撃波１５４の各々を圧縮領域１３６内に形成させるように構成される。
【００３５】
流体１０２が圧縮領域１３６を通過する時、流体１０２の速度は、流体１０２が第１斜め衝撃波１５２及び第２斜め衝撃波１５４の各々を通過するにつれて減少する。更に、流体１０２の圧力は上昇し、流体１０２の体積は減少する。例示的実施形態において、流体１０２がスロート領域１２４を通過する時、超音速圧縮ランプ９８は、出口開口部７８においてロータディスク４８に対して超音速である出口速度を有するように流体１０２を調節するように構成される。超音速圧縮ランプ９８は、更に、垂直衝撃波１５６をスロート領域１２４の下流且つ流路８０内に形成させるように構成される。垂直衝撃波１５６は、流れ経路８２に垂直に配向された衝撃波であり、流体が垂直衝撃波１５６を通過する時に、流体１０２の速度をロータディスク４８に対して亜音速に減少させる。
【００３６】
図６は、超音速圧縮機ロータ４０（図４及び５に示す）の各種条件における空気に関するスロート面積とスロート面積における相対マッハ数の関係のグラフ図２００である。相対マッハ数は、ロータの座標系における流体媒質の速度対そのような流体媒質の音速の比として定義されるため、流体媒質の音速が基準である。一般に、超音速圧縮機は、２つの高レベル動作モード、即ち、開始、又は始動モード、及び定常動作モードを有する。始動モードにおいて、超音速圧縮機ロータは、静止状態から比較的高い回転速度まで加速される。ロータに対して超音速圧縮機に導入される流体の速度は、最初は亜音速であるが、ロータの回転速度が上昇するにつれて始動モード中に上昇する。定常動作モードにおいて、超音速圧縮機ロータは、ほぼ一定の回転速度で回転し、付随する流体を圧縮するが、この流体は、ロータの座標系内で超音速を有する。
【００３７】
従って、一般に、超音速圧縮機の動作の始動モード及び定常モードは、異なる流体流路形状を一般的に必要とする。具体的には、スロート内の超音速の獲得及び始動中の流体流路内のスロート領域の下流での垂直衝撃波の形成を促進するためには、定常動作中のスロート領域の下流での垂直衝撃波の維持に必要なより小さい、又はより狭いスロート面積とは対照的に、より大きい、又はより広いスロート面積が必要とされる。より広いスロート領域は、始動中のスロート領域内の超音速流の形成を促進するが、定常状態時の性能を低下させる。より狭いスロート領域は、定常状態性能を促進するが、始動中のスロート領域内の超音速流の形成の困難度を増加させる。
【００３８】
グラフ２００は、縦軸、即ち、スロート面積（Ａ*）対入口面積（Ａ入口）の比に関する数値を０．６から１．０までの間で０．１ずつの無単位増分で表すｙ軸２０２を含む。グラフ２００は、本明細書に記載された機構を例証するために完全非粘性ガス仮定を採用してプロットされており、実在ガスに関するプロットはある程度異なる可能性があることがわかるが、実質的に同様の作用は実質的に同様の利点が得られることが観察されるはずである。グラフ２００はまた、横軸、即ち、流体速度に関する数値をマッハ数として１．０から２．０までの間で０．２ずつの増分で表すｘ軸２０４を含む。グラフ２００は、超音速圧縮機ロータ４０の始動動作に関する最小スロート面積対入口面積比を表す空気の始動曲線２０６を更に含む。これは、一定のＡ入口に関して、始動曲線２０６が、ロータがその回転速度を上昇させ、流体の相対マッハ数がそれと共に対応して増加する時に、斜め及び垂直衝撃波を形成／維持しながら始動状態中に超音速流体流を促進するのに必要な最小スロート面積と比例することを意味する。例えば、始動中の１．８のマッハ数の相対流体速度に関するＡ*対Ａ入口比の最小値は、約０．８５であり、即ち、一定のＡ入口の場合、Ａ*の値はＡ入口の値の約８５％である。従って、これらの状況に対して適切な垂直衝撃波を形成及び維持するためには、スロート面積の最小値は入口面積の値の８５％である。
【００３９】
始動曲線２０６は、超音速圧縮機ロータ４０の定常動作に関する最小Ａ*対Ａ入口比を表す空気の定常動作曲線２０８と対比される。これは、一定のＡ入口に関して、曲線２０８が、ロータがその回転速度を維持し、流体の相対マッハ数がそれと共に対応して維持される時に、斜め及び垂直衝撃波を維持しながら定常状態中に超音速流体流を促進するのに必要な最小スロート面積と比例することを意味する。例えば、定常動作中の１．８のマッハ数に関するＡ*対Ａ入口比の最小値は、約０．７０であり、即ち、一定のＡ入口の場合、Ａ*の値はＡ入口の値の約７０％である。従って、一定のＡ入口の場合、定常動作は、始動動作よりも小さなＡ*を有するはずである。
【００４０】
図７は、超音速圧縮機システム１０で使用することができる例示的な超音速圧縮機始動支援システム３００の概略断面図である。図７は、超音速圧縮機ロータ４０の一部分を示す。例示的実施形態において、以下で詳述されるように、始動支援システム３００は、始動中は第１、又は始動流体を使用し、超音速圧縮機ロータが定常動作に加速する時は第２、又は定常流体に変更することにより有効スロート面積を調整することによって、始動モードから定常動作モードへの移行を促進する。
【００４１】
例示的実施形態において、始動支援システム３００は、複数の流体源３０２を含む。また、例示的実施形態では、２つの流体源、即ち、第１、又は始動流体源３０４及び第２、又は定常流体源３０６が存在しているが、複数の流体の使用については以下で詳述する。始動支援システム３００はまた、本明細書に記載するような指導支援システム３００の動作を可能にするための十分な流体流制御装置（図示せず）を含む流体制御装置３０８を備え、流体流制御装置としては、弁、配管、流量制限器、ポンプ、モータ、並びに電力、空気動力、及び／又は油圧動力供給装置が挙げられるが、これに限定されるものではない。流体制御装置３０８は、流路８０の入口開口部７６と流体連通して連結される。
【００４２】
始動支援システム３００は、流体制御装置３０８に動作可能に連結される制御システム３１０を更に含み、制御システム３１０は、アルゴリズムを含む十分なアナログ及び個別論理によってプログラムされ、本明細書に記載のように、流体制御装置３０８を含む超音速圧縮機始動支援システム３００の動作を可能にするようにして実施される。例示的実施形態において、制御システム３００は、パーソナルコンピュータ、リモートサーバ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、及び分散制御システム（ＤＣＳ）を含むが、これに限定されるものではない少なくとも１つのプロセッサを含む。
【００４３】
動作中、後で詳しく述べるように、超音速圧縮機始動支援システム３００は、始動流体（図示せず）を始動流体源３０４から入口開口部７６に案内する。制御システム３１０は、ロータの回転速度及び始動流体速度を含むが、これに限定されるものではない所定の条件が得られるまで、始動流体を超音速圧縮機ロータ４０に案内するように流体制御装置３０８を調整する。所定の始動流体速度が得られた時点で、制御システム３１０は、定常流体（図示せず）が始動流体源３０４からの始動流体と平行に定常流体源３０６から案内される時に、流体流路８０内の超音速流体流の維持を促進することになる。制御システム３１０及び流体制御装置３０８は、始動流体流を漸減的に調整しながら定常流体流を漸増的に調整することによって、流体流路８０内の適切な衝撃波形成を維持しながら徐々に始動流体を定常流体に置き換える。流体の置換が完了に近づくにつれて、始動流体流は実質的に停止し、流体流路８０を通る流体流は実質的に定常流体流になり、制御システム３１０及び流体制御装置３０８は、流体速度、ロータ４０の回転速度、及び圧縮比を含むが、これに限定されるものではない所定のパラメータが得られるまで、超音速圧縮機ロータ４０の加速又は減速を再開する。代替的には、超音速圧縮機ロータ４０をほぼ静止状態で保持するのではなく、ロータ４０は、始動流体から定常流体への置換の間ずっと加速される。
【００４４】
図８は、超音速圧縮機システム１０及び超音速圧縮機始動支援システム３００（共に図７に示す）で使用することができる複数の流体の複数の特性の表形式図、即ち表３２０である。表３２０は、１気圧の圧力（１０１．３キロパスカル（ｋＰａ）、１４．７ポンド／平方インチ（ｐｓｉ））且つ摂氏２５度（℃）の温度（華氏７７度（°Ｆ）、ケルビン温度２９８（°Ｋ））における、そこに記載された複数の流体の各々に関する３つの特性値を示す。表３２０に記載された流体は、空気、二酸化炭素（ＣＯ2）、六フッ化硫黄（ＳＦ6）、メタン（ＣＨ4）、窒素（Ｎ2）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、及びブタン（Ｃ4Ｈ10）である。そのような流体の第１特性はガンマ（γ）値である。γは、定圧比熱係数、即ち、Ｃｐ、対定積比熱係数、即ち、Ｃｖの比によって決定される等エントロピー指数を表す無単位値である。超音速圧縮機の最小スロート面積値は、γ及び相対マッハ数の関数、即ち、流体媒質の相対速度対選択された流体媒質の音速の比として決定される。表３２０に記載された流体の第２特性は、グラム／モル（ｇ／ｍｏｌ）を単位にしたモル質量である。表３２０に記載された流体の第３特性は、流体のメートル毎秒（ｍ／ｓ）を単位とした音速である。一般に、流体の音速は、流体組成及び温度を含むが、これに限定されるものではない特性の関数である。例えば、１気圧且つ２９８°Ｋにおける空気の３４６ｍ／ｓの音速は、１気圧且つ２９８°ＫにおけるＣＯ2の２６９ｍ／ｓの音速よりも速い。
【００４５】
図９は、超音速圧縮機ロータ４０（図４及び５に示す）の各種条件における空気及びＣＯ2に関するスロート面積と相対流速の関係のグラフ図３４０である。グラフ３４０は、本明細書に記載された機構を例証するために完全非粘性ガス仮定を採用してプロットされており、実在ガスに関するプロットはある程度異なる可能性があることがわかるが、実質的に同様の作用は実質的に同様の利点が得られることが観察されるはずである。グラフ３４０は、縦軸、即ち、スロート面積（Ａ*）対入口面積（Ａ入口）の比に関する数値を０．３から１．０までの間で０．１ずつの無単位増分で表すｙ軸３４２を含む。グラフ３４０はまた、横軸、即ち、空気の音速によって正規化された流体速度に関する数値を１．０から２．０までの間で０．２ずつの増分で表すｘ軸３４４を含み、ｘ軸３４４は、ＣＯ2ではなく、空気に関する相対マッハ数を表す。グラフ３４０は、共に図６に記載したような、空気の始動曲線２０６及び空気の定常動作曲線２０８を更に含む。
【００４６】
グラフ３４０はまた、超音速圧縮機ロータ４０の始動動作に関する最小スロート面積対入口面積比を表すＣＯ2の始動曲線３４６を含む。一定のＡ入口に関して、始動曲線３４６は、始動状態中の超音速ＣＯ2流を促進すると共に、更に、ロータがその回転速度を上昇させ、ＣＯ2流の相対マッハ数（図９には図示せず）がそれと共に対応して増加する時に、斜め及び垂直衝撃波の形成／維持を促進するのに必要な最小スロート面積と比例する。説明のために、ＣＯ2での始動中の１．８のマッハ数（空気の相対音速に基づく）に対応する相対流体速度に関するＡ*対Ａ入口比の最小値は、約０．７６であり、即ち、一定のＡ入口の場合、Ａ*の値はＡ入口の値の約７６％である。
【００４７】
従って、始動ガスとしてＣＯ2を用いた始動は、空気による始動に必要とされるのよりも小さなスロート面積内での超音速流の発生を促進する。一定のスロート面積の場合、始動が完了した時点、即ち、超音速圧縮機ロータが維持回転速度に達した時点で、定常動作が空気によって独占的に行なわれるまで、次第にＣＯ2を空気に置き換えることができる。より具体的には、曲線２０８及び３４６の交差によって示すように、スロートにおける流体が空気の１．６のマッハ数に対応する超音速を得た時点で、約０．８の最小Ａ*対Ａ入口比の値は、ＣＯ2による始動及び空気による定常動作の場合と同じになる。従って、約０．８のＡ*対Ａ入口比を有する超音速圧縮機ロータ４０は、ＣＯ2流体によって始動させることができ、次いで、スロートにおけるＣＯ2流体の相対速度が空気の約マッハ１．６に対応する速度に達するようにロータ回転速度を上昇させることができ、その後、流体をＣＯ2から空気へと次第に変化させることができる。
【００４８】
例えば、限定されるものではないが、超音速圧縮機ロータ４０は、約１．６の空気の相対マッハ数の値での定常動作が得られるように寸法決め及び構成することができる。そのような構成において、ＣＯ2による始動は、入口の面積の約８０％である最小スロート面積を必要とし、空気による定常動作は、入口の面積の約８０％である最小スロート面積を必要とし、空気による始動は、入口の面積の約９０％である最小スロート面積を必要とする。従って、約１．６の空気の相対マッハ数によって動作するように設計された超音速圧縮機ロータ４０では、ＣＯ2による始動及び空気による定常動作を促進するのには、入口の面積の約８０％のスロート面積で十分であることになる。更に、約１０％のスロートの寸法縮小の利点が促進されることになり、その１０％は、入口の面積の約９０％（空気による始動に関する）と入口の面積の約８０％（ＣＯ2による始動に関する）との違いを表すものである。このスロート面積の１０％の寸法縮小は、超音速圧縮機ロータ４０の効率の向上を促進する。
【００４９】
代替的には、空気とＣＯ2との置換は、曲線２０８及び３４６が交差する速度とは異なる超音速で開始及び／又は実行することができる。超音速圧縮機ロータ４０は、空気の任意の与えられた相対マッハ数に対して寸法決め及び構成することができ、ＣＯ2の始動曲線３４６は空気の始動曲線２０６より下になって、ＣＯ2による始動に対する最小スロート面積値が空気による始動に対する最小スロート面積値より小さくなるようになっている。従って、超音速圧縮機ロータ４０のスロート面積は、所定の速度におけるＣＯ2の始動曲線３４６及び空気の定常動作曲線２０８の値のより大きなものとして決定される。このように、決定されたスロート面積は、空気の同じ相対マッハ数に対する空気の始動曲線２０６に関するものより小さく、それによって、始動及び定常動作の両方に実質的に同じ流体を用いたロータ４０と同様のロータよりもより高い効率の動作を促進する。
【００５０】
例えば、限定されるものではないが、超音速圧縮機ロータ４０は、約１．４の空気の相対マッハ数の値での定常動作が得られるように寸法決め及び構成することができる。そのような構成において、ＣＯ2による始動は、入口の面積の約８５％である最小スロート面積を必要とし、空気による定常動作は、入口の面積の約９０％である最小スロート面積を必要とし、空気による始動は、入口の面積の約９５％である最小スロート面積を必要とする。従って、約１．４の空気の相対マッハ数によって動作するように設計された超音速圧縮機ロータ４０では、ＣＯ2による始動及び空気による定常動作を促進するのには、入口の面積の約９０％のスロート面積で十分であることになる。更に、約５％のスロートの寸法縮小の利点が促進されることになり、その５％は、入口の面積の約９５％（空気による始動に関する）と入口の面積の約９０％（空気による定常状態に関する）との違いを表すものである。このスロート面積の５％の寸法縮小は、超音速圧縮機ロータ４０の効率の向上を促進する。
【００５１】
また、例えば、同じく限定されるものではないが、超音速圧縮機ロータ４０は、約１．８の空気の相対マッハ数の値での定常動作が得られるように寸法決め及び構成することができる。そのような構成において、ＣＯ2による始動は、入口の面積の約７６％である最小スロート面積を必要とし、空気による定常動作は、入口の面積の約７０％である最小スロート面積を必要とし、空気による始動は、入口の面積の約８５％である最小スロート面積を必要とする。従って、約１．８の空気の相対マッハ数によって動作するように設計された超音速圧縮機ロータ４０では、ＣＯ2による始動及び空気による定常動作を促進するのには、入口の面積の約７６％のスロート面積で十分であることになる。更に、約９％のスロートの寸法縮小の利点が促進されることになり、その９％は、入口の面積の約８５％（空気による始動に関する）と入口の面積の約７６％（ＣＯ2による始動に関する）との違いを表すものである。このスロート面積の約９％の寸法縮小は、超音速圧縮機ロータ４０の効率の向上を促進する。
【００５２】
図１０は、超音速圧縮機ロータ４０（図４及び５に示す）の各種条件における空気及びＳＦ6に関するスロート面積と相対流速の関係のグラフ図３５０である。グラフ３５０は、縦軸、即ち、スロート面積（Ａ*）対入口面積（Ａ入口）の比に関する数値を０．０から１．０までの間で０．２ずつの無単位増分で表すｙ軸３５２を含む。グラフ３５０はまた、横軸、即ち、空気の音速によって正規化された流体速度に関する数値を相対マッハ数として１．０から２．４までの間で０．２ずつの増分で表すｘ軸３５４を含み、ｘ軸３５４は、ＳＦ6ではなく、空気に関する相対マッハ数を表す。グラフ３５０は、共に図６に記載したような、空気の始動曲線２０６及び空気の定常動作曲線２０８を更に含む。
【００５３】
グラフ３５０はまた、超音速圧縮機ロータ４０の始動動作に関する最小スロート面積対入口面積比を表すＳＦ6の始動曲線３５６を含む。一定のＡ入口に関して、曲線３５６は、始動状態中の超音速ＳＦ6流を促進すると共に、更に、ロータがその回転速度を上昇させ、ＳＦ6流の相対マッハ数（図１０には図示せず）がそれと共に対応して増加する時に、斜め及び垂直衝撃波の形成／維持を促進するのに必要な最小スロート面積と比例する。説明のために、ＳＦ6での始動中の１．８のマッハ数（空気の相対音速に基づく）に対応する相対流体速度に関するＡ*対Ａ入口比の最小値は、約０．４８であり、即ち、一定のＡ入口の場合、Ａ*の値はＡ入口の値の約４８％である。
【００５４】
従って、始動ガスとしてＳＦ6を用いた始動は、空気による始動に必要とされるのよりも小さなスロート面積内での超音速流の発生を促進する。一定のスロート面積の場合、始動が完了した時点、即ち、超音速圧縮機ロータが維持回転速度に達した時点で、定常動作が空気によって独占的に行なわれるまで、次第にＳＦ6を空気に置き換えることができる。より具体的には、空気の約２．４のマッハ数における曲線２０８及び３５６の交差によって示すように、約０．４２の最小Ａ*対Ａ入口比の値は、ＳＦ6による始動及び空気による定常動作の場合と同じになる。従って、約０．４２のＡ*対Ａ入口比を有する超音速圧縮機ロータ４０は、ＳＦ6流体によって始動させることができ、次いで、スロートにおけるＳＦ6流体の相対速度が空気の約マッハ２．４に対応する速度に達するようにロータ回転速度を上昇させることができ、その後、流体をＳＦ6から空気へと次第に変化させることができる。
【００５５】
例えば、限定されるものではないが、超音速圧縮機ロータ４０は、約２．４の空気の相対マッハ数の値での定常動作が得られるように寸法決め及び構成することができる。そのような構成において、ＳＦ6による始動は、入口の面積の約４２％である最小スロート面積を必要とし、空気による定常動作は、入口の面積の約４２％である最小スロート面積を必要とし、空気による始動は、入口の面積の約７８％である最小スロート面積を必要とする。従って、約２．４の空気の相対マッハ数によって動作するように設計された超音速圧縮機ロータ４０では、ＳＦ6による始動及び空気による定常動作を促進するのには、入口の面積の約４２％のスロート面積で十分であることになる。更に、約３６％のスロートの寸法縮小の利点が促進されることになり、その３６％は、入口の面積の約７８％（空気による始動に関する）と入口の面積の約４２％（ＳＦ6による始動に関する）との違いを表すものである。このスロート面積の３６％の寸法縮小は、超音速圧縮機ロータ４０の効率の向上を促進する。
【００５６】
代替的には、空気とＳＦ6との置換は、曲線２０８及び３５６が交差する速度とは異なる超音速で開始及び／又は実行することができる。超音速圧縮機ロータ４０は、空気の任意の与えられた相対マッハ数に対して寸法決め及び構成することができ、ＳＦ6の始動曲線３５６は空気の始動曲線２０６より下になって、ＳＦ6による始動に対する最小スロート面積値が空気による始動に対する最小スロート面積値より小さくなるようになっている。従って、超音速圧縮機ロータ４０のスロート面積は、所定の速度におけるＳＦ6の始動曲線３５６及び空気の定常動作曲線２０８の値のより大きなものとして決定される。このように、決定されたスロート面積は、空気の同じ相対マッハ数に対する空気の始動曲線２０６に関するものより小さく、それによって、始動及び定常動作の両方に実質的に同じ流体を用いたロータ４０と同様のロータよりもより高い効率の動作を促進する。
【００５７】
例えば、限定されるものではないが、超音速圧縮機ロータ４０は、約２．０の空気の相対マッハ数の値での定常動作が得られるように寸法決め及び構成することができる。そのような構成において、ＳＦ6による始動は、入口の面積の約４５％である最小スロート面積を必要とし、空気による定常動作は、入口の面積の約６０％である最小スロート面積を必要とし、空気による始動は、入口の面積の約８３％である最小スロート面積を必要とする。従って、約２．０の空気の相対マッハ数によって動作するように設計された超音速圧縮機ロータ４０では、ＳＦ6による始動及び空気による定常動作を促進するのには、入口の面積の約６０％のスロート面積で十分であることになる。更に、約２３％のスロートの寸法縮小の利点が促進されることになり、その２３％は、入口の面積の約８３％（空気による始動に関する）と入口の面積の約６０％（空気による定常動作に関する）との違いを表すものである。このスロート面積の２３％の寸法縮小は、超音速圧縮機ロータ４０の効率の向上を促進する。
【００５８】
また、例えば、同じく限定されるものではないが、超音速圧縮機ロータ４０は、約２．５の空気の相対マッハ数の値での定常動作が得られるように寸法決め及び構成することができる。そのような構成において、ＳＦ6による始動は、入口の面積の約４１％である最小スロート面積を必要とし、空気による定常動作は、入口の面積の約３８％である最小スロート面積を必要とし、空気による始動は、入口の面積の約７７％である最小スロート面積を必要とする。従って、約２．５の空気の相対マッハ数によって動作するように設計された超音速圧縮機ロータ４０では、ＳＦ6による始動及び空気による定常動作を促進するのには、入口の面積の約４２％のスロート面積で十分であることになる。更に、約３５％のスロートの寸法縮小の利点が促進されることになり、その３５％は、入口の面積の約７７％（空気による始動に関する）と入口の面積の約４２％（ＳＦ6による始動に関する）との違いを表すものである。そのようなスロート面積の約３５％の寸法縮小は、超音速圧縮機ロータ４０の効率の向上を促進する。
【００５９】
図１１は、図４及び５に示す超音速圧縮機ロータの各種条件におけるメタン（ＣＨ4）及びプロパン（Ｃ3Ｈ8）に関するスロート面積と相対流速の関係のグラフ図である。グラフ３７０は、本明細書に記載された機構を例証するために完全非粘性ガス仮定を採用してプロットされており、実在ガスに関するプロットはある程度異なる可能性があることがわかるが、実質的に同様の作用は実質的に同様の利点が得られることが観察されるはずである。グラフ３７０は、縦軸、即ち、スロート面積（Ａ*）対入口面積（Ａ入口）の比に関する数値を０．０から１．０までの間で０．２ずつの無単位増分で表すｙ軸３７２を含む。グラフ３７０はまた、横軸、即ち、ＣＨ4の音速によって正規化された流体速度に関する数値を１．０から２．４までの間で０．２ずつの増分で表すｘ軸３７４を含み、ｘ軸３７４は、Ｃ3Ｈ8ではなく、ＣＨ4に関する相対マッハ数を表す。
【００６０】
グラフ３７０はまた、超音速圧縮機ロータ４０の始動動作に関する最小スロート面積対入口面積比を表すＣＨ4の始動曲線３７６を含む。一定のＡ入口に関して、曲線３７６は、始動状態中の超音速ＣＨ4流を促進すると共に、ロータがその回転速度を上昇させ、ＣＨ4流の相対マッハ数（図１１には図示せず）がそれと共に対応して増加する時に、斜め及び垂直衝撃波の形成／維持を促進するのに必要な最小スロート面積と比例する。説明のために、ＣＨ4での始動中の１．８のマッハ数（ＣＨ4の相対音速に基づく）に対応する相対流体速度に関するＡ*対Ａ入口比の最小値は、約０．８５であり、即ち、一定のＡ入口の場合、Ａ*の値はＡ入口の値の約８５％である。
【００６１】
始動曲線３７６は、超音速圧縮機ロータ４０の定常動作に関するＡ*対Ａ入口比を表すＣＨ4の定常動作曲線３７８と対比される。これは、一定のＡ入口に関して、曲線３７８が、ロータがその回転速度を維持し、ＣＨ4の相対マッハ数がそれと共に対応して維持される時に、斜め及び垂直衝撃波を維持しながら定常状態中に超音速ＣＨ4流を促進するのに必要な最小スロート面積と比例することを意味する。例えば、定常動作中の１．８のマッハ数（ＣＨ4の相対音速に基づく）に対応する相対流体速度に関するＡ*対Ａ入口比の最小値は、約０．６８であり、即ち、一定のＡ入口の場合、Ａ*の値はＡ入口の値の約６８％である。
【００６２】
グラフ３７０はまた、超音速圧縮機ロータ４０の始動動作に関する最小スロート面積対入口面積比を表すＣ3Ｈ8の始動曲線３８０を含む。一定のＡ入口に関して、曲線３８０は、始動状態中の超音速Ｃ3Ｈ8流を促進すると共に、更に、ロータがその回転速度を上昇させ、Ｃ3Ｈ8流の相対マッハ数（図１１には図示せず）がそれと共に対応して増加する時に、斜め及び垂直衝撃波の形成／維持を促進するのに必要な最小スロート面積と比例する。説明のために、Ｃ3Ｈ8での始動中の１．８のマッハ数（ＣＨ4の相対音速に基づく）に対応する相対流体速度に関するＡ*対Ａ入口比の最小値は、約０．５９であり、即ち、一定のＡ入口の場合、Ａ*の値はＡ入口の値の約５９％である。
【００６３】
従って、始動ガスとしてＣ3Ｈ8を用いた始動は、ＣＨ4による始動に必要とされるのよりも小さなスロート面積内での超音速流の発生を促進する。一定のスロート面積の場合、始動が完了した時点、即ち、超音速圧縮機ロータが維持回転速度に達した時点で、定常動作がＣＨ4によって独占的に行なわれるまで、次第にＣ3Ｈ8をＣＨ4に置き換えることができる。より具体的には、曲線３７８及び３８０の交差によって示すように、スロートにおける流体がＣＨ4の約２．０のマッハ数に対応する超音速に達すると、約０．５７の最小Ａ*対Ａ入口比の値は、Ｃ3Ｈ8による始動及びＣＨ4による定常動作の場合と同じになる。従って、約０．５７のＡ*対Ａ入口比を有する超音速圧縮機ロータ４０は、Ｃ3Ｈ8流体によって始動させることができ、次いで、スロートにおけるＣ3Ｈ8流体の相対速度がＣＨ4の約マッハ２．０に対応する速度に達するようにロータ回転速度を上昇させることができ、その後、流体をＣ3Ｈ8からＣＨ4へと次第に変化させることができる。
【００６４】
例えば、限定されるものではないが、超音速圧縮機ロータ４０は、約２．０の空気の相対マッハ数の値での定常動作が得られるように寸法決め及び構成することができる。そのような構成において、Ｃ3Ｈ8による始動は、入口の面積の約５７％である最小スロート面積を必要とし、ＣＨ4による定常動作は、入口の面積の約５７％である最小スロート面積を必要とし、ＣＨ4による始動は、入口の面積の約８１％である最小スロート面積を必要とする。従って、約２．０のＣＨ4の相対マッハ数によって動作するように設計された超音速圧縮機ロータ４０では、Ｃ3Ｈ8による始動及びＣＨ4による定常動作を促進するのには、入口の面積の約５７％のスロート面積で十分であることになる。更に、約２４％のスロートの寸法縮小の利点が促進されることになり、その２４％は、入口の面積の約８１％（ＣＨ4による始動に関する）と入口の面積の約５７％（Ｃ3Ｈ8による始動に関する）との違いを表すものである。このスロート面積の２４％の寸法縮小は、超音速圧縮機ロータ４０の効率の向上を促進する。
【００６５】
代替的には、ＣＨ4とＣ3Ｈ8との置換は、曲線３７８及び３８０が交差する速度とは異なる超音速で開始及び／又は実行することができる。超音速圧縮機ロータ４０は、空気の任意の与えられた相対マッハ数に対して寸法決め及び構成することができ、Ｃ3Ｈ8の始動曲線３８０はＣＨ4の始動曲線３７６より下になって、Ｃ3Ｈ8による始動に対する最小スロート面積値がＣＨ4による始動に対する最小スロート面積値より小さくなるようになっている。従って、超音速圧縮機ロータ４０のスロート面積は、所定の速度におけるＣ3Ｈ8の始動曲線３８０及びＣＨ4の定常動作曲線３７８の値のより大きなものとして決定される。このように、決定されたスロート面積は、ＣＨ4の同じ相対マッハ数に対するＣＨ4の始動曲線３７６に関するものより小さく、それによって、始動及び定常動作の両方に実質的に同じ流体を用いたロータ４０と同様のロータよりもより高い効率の動作を促進する。
【００６６】
例えば、限定されるものではないが、超音速圧縮機ロータ４０は、約１．８のＣＨ4の相対マッハ数の値での定常動作が得られるように寸法決め及び構成することができる。そのような構成において、Ｃ3Ｈ8による始動は、入口の面積の約５８％である最小スロート面積を必要とし、ＣＨ4による定常動作は、入口の面積の約６８％である最小スロート面積を必要とし、ＣＨ4による始動は、入口の面積の約８６％である最小スロート面積を必要とする。従って、約１．８のＣＨ4の相対マッハ数によって動作するように設計された超音速圧縮機ロータ４０では、Ｃ3Ｈ8による始動及びＣＨ4による定常動作を促進するのには、入口の面積の約６８％のスロート面積で十分であることになる。更に、約１８％のスロートの寸法縮小の利点が促進されることになり、その１８％は、入口の面積の約８６％（ＣＨ4による始動に関する）と入口の面積の約６８％（ＣＨ4による定常動作に関する）との違いを表すものである。このスロート面積の１８％の寸法縮小は、超音速圧縮機ロータ４０の効率の向上を促進する。
【００６７】
また、例えば、同じく限定されるものではないが、超音速圧縮機ロータ４０は、約２．２のＣＨ4の相対マッハ数の値での定常動作が得られるように寸法決め及び構成することができる。そのような構成において、Ｃ3Ｈ8による始動は、入口の面積の約５３％である最小スロート面積を必要とし、ＣＨ4による定常動作は、入口の面積の約４７％である最小スロート面積を必要とし、ＣＨ4による始動は、入口の面積の約７８％である最小スロート面積を必要とする。従って、約２．２の空気の相対マッハ数によって動作するように設計された超音速圧縮機ロータ４０では、Ｃ3Ｈ8による始動及びＣＨ4による定常動作を促進するのには、入口の面積の約５３％のスロート面積で十分であることになる。更に、約２５％のスロートの寸法縮小の利点が促進されることになり、その２５％は、入口の面積の約７８％（ＣＨ4による始動に関する）と入口の面積の約５３％（Ｃ3Ｈ8による始動に関する）との違いを表すものである。そのようなスロート面積の約２５％の寸法縮小は、超音速圧縮機ロータ４０の効率の向上を促進する。
【００６８】
図７を参照すると、動作中、始動流体源３０４は、流体制御装置３０８及び制御システム３１０を介して入口開口部７６に連結される。具体的には、制御システム３１０は、回転速度、質量流体流速、流体排出圧、流体相対速度、圧縮比、流体温度、及び時間パラメータを含むが、これに限定されるものではない複数の変数に基づいて、弁、ポンプ、モータ、並びに電力、空気動力、及び／又は油圧動力供給装置を含むが、これに限定されるものではない装置３０８内の構成部品を調整する。
【００６９】
最初は、超音速圧縮機ロータ４０は実質的に静止しており、第１、即ち、始動流体は、超音速圧縮機システム１０の第１動作モード中に始動流体源３０４から流体流路入口７６に案内され、その場合、超音速圧縮機システム１０の第１動作モードは開始、又は始動モードである。例示的実施形態において、始動流体は、始動モード中に流体流路８０のスロート部分１２４において超音速流の獲得を可能にする第１の複数の流体特性を有する。また、例示的実施形態において、始動流体としては、ＣＯ2、ＳＦ6、空気、Ｃ3Ｈ8、及びＣ4Ｈ10の少なくとも１つが挙げられるが、これに限定されるものではなく、始動流体特性は、第１音速値を含む。
【００７０】
また、動作中、超音速圧縮機ロータ４０、及びそこに案内される始動流体は、始動動作モード中に流体流路８０のスロート部分１２４において始動流体を初期亜音速流から超音速流に加速する。
【００７１】
更に、動作中、上記のように始動流体の所定速度に達した時点で、流体制御装置３０８及び制御システム３１０は、超音速圧縮機システム１０の始動動作モード中の始動流体の案内から、第２動作モード中の第２、即ち、定常流体の案内へ移行するものであり、その場合、第２動作モードは定常モードである。従って、定常動作モード中に相対音速で定常流体を定常流体源３０６から流体流路入口７６に案内することによって、流体流路８０のスロート部分１２４における定常流体の超音速流の維持を促進する。例示的実施形態において、定常流体としては、空気、ＣＯ2、Ｎ2、ＣＨ4、及び所定の重量パーセントのメタンを有する天然ガスの少なくとも１つが挙げられるが、これに限定されるものではない。定常流体は、始動流体の第１音速値よりも大きな第２音速値を有する。超音速圧縮機ロータ４０は、始動流体から定常流体への移行中及び移行後、更に加速又は減速してもよく、或いはしなくてもよい。
【００７２】
一実施形態において、始動流体及び定常流体は異なる単一ガスであり、例えば、これに限定されるものではないが、ＣＯ2が始動流体であり、空気が定常流体であり、その場合、ＣＯ2から空気への移行は空気の音速の約１．６倍の相対流体速度（図９に示す）で実行される。代替的には、始動流体及び定常流体は異なるガス状混合物であり、例えば、これに限定されるものではないが、始動流体は、始動流体として上記したものを含む所定のガス混合物であり、定常流体は、定常流体として上記したものを含む所定のガス混合物である。
【００７３】
更に、代替的には、始動流体及び定常流体は、実質的に同様の単一ガス及び／又は実質的に同様のガス状混合物である。より詳細には、始動流体及び定常流体は、実質的に同様の単一ガス及び／又は実質的に同様のガス状混合物の一方であり、その場合、始動流体は第１温度を有し、定常流体は第１温度とは異なる第２温度を有する。流体の音速は流体の温度の関数であって、流体の音速が温度の上昇と共に上昇するようになっている。更に、上記の通り、より低い音速を有する流体はより高い音速を有する流体よりも優れた始動流体になる。従って、例えば、限定されるものではないが、始動流体は第１温度の空気であってよく、定常流体は第２温度の空気であってよく、その場合、第２温度は第１温度よりも高い。
【００７４】
更に、代替的には、始動流体及び定常流体は、上記したように、異なる単一ガス、異なるガス状混合物、実質的に同様の単一ガス、及び実質的に同様のガス状混合物の１つであるが、加えて、そのような流体は、同伴液体粒子及び／又は同伴固体粒子の少なくとも一方を含む。
【００７５】
上記の超音速圧縮機始動支援システムは、始動動作中に超音速圧縮機システムの性能の効率を向上させる費用効果的な信頼性の高い方法を提供する。更に、超音速圧縮機始動支援システムは、スロート領域の下流の垂直衝撃波を形成及び維持するために一定の形状のスロート領域の使用を促進することによって、超音速圧縮機システムの作動効率の向上を促進する。より詳細には、超音速圧縮機始動支援システムは、始動及び定常動作中の適切な位置における垂直衝撃波の形成及び維持を促進する流体特性を有する少なくとも１つの流体を案内する少なくとも１つの流体源を含む。
【００７６】
以上に、超音速圧縮機ロータを始動するシステム及び方法の例示的実施形態を詳細に説明した。このシステム及び方法は、本明細書に記載された特定の実施形態には限定されず、反対に、このシステムの構成部品及び／又はこの方法のステップは、本明細書に記載される他の構成部品及び／又はステップとは独立して別個に利用することができる。例えば、このシステム及び方法は、他のロータリーエンジンシステム及び方法と組み合わせて使用することもでき、本明細書に記載された超音速圧縮機システムだけを使用して実施することに限定されない。反対に、他の多くのロータリーシステム用途に関して、この例示的実施形態を実現し、利用することができる。
【００７７】
本発明の様々な実施形態の特定の特徴が、一部の図面には示されており、別の図面には示されていないことがあるが、これは便宜上そうしたに過ぎない。更に、上記記載における「一実施形態」に対する言及は、記載の特徴を同様に組み込んだ付加的な実施形態の存在を排除するものとして解釈されることを意図するものではない。本発明の原理に従って、ある図面の任意の特徴を、別の図面の任意の特徴と組み合わせて参照し、且つ／又は請求することができる。
【００７８】
本明細書は、実施例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示し、更にあらゆる装置又はシステムを製作且つ使用すること及びあらゆる組み込まれた方法を実行することを含む本発明の実施を当業者が行なうのを可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する同等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになるものとする。
【符号の説明】
【００７９】
１０ 超音速圧縮機システム
１２ 吸入セクション
１４ 圧縮機セクション
１６ 排出セクション
１８ 駆動アセンブリ
２０ ロータアセンブリ
２２ 駆動軸
２４ 圧縮機ハウジング
２６ 流体入口
２８ 流体出口
３０ 内面
３２ キャビティ
３４ 流体源
３６ 入口案内翼アセンブリ
３８ 入口案内翼
４０ 超音速圧縮機ロータ
４２ 出口案内翼アセンブリ
４３ 出口案内翼
４４ 出力システム
４６ 複数のベーン
４８ ロータディスク
５０ ディスク本体
５１ ロータ支持支柱
５２ 内側キャビティ
５３ 開口部
５４ 中心線軸
５６ 半径方向内側面
５８ 半径方向外側面
６０ 端壁
６２ 端壁の幅
６４ 半径方向
６６ 軸方向
６８ ベーンの入口縁
７０ ベーンの出口縁
７４ 隣接するベーンの対
７６ 流路の入口開口部
７８ 流路の出口開口部
８０ 流路
８２ 流路の流れ経路の矢印
８４ ベーンの外面
８６ ベーンの内面
８８ 流路の軸方向高さ
９０ シュラウドアセンブリ
９２ シュラウドアセンブリの内縁
９４ シュラウドアセンブリの外縁
９６ 円筒状開口部
９８ 超音速圧縮機ランプ
１００ 衝撃（圧縮）波
１０２ 流体
１０４ 回転方向矢印
１０６ 側壁の（第１）正圧面
１０８ 側壁の（第２）負圧面
１１０ 流路の円周方向幅
１１２ 入口開口部の第１円周方向幅
１１４ 出口開口部の第２円周方向幅
１１６ 流路の変動する断面積
１１８ 流路の（第１）入口断面積
１２０ 流路の（第２）出口断面積
１２２ 流路の（第３）最小断面積
１２４ スロート領域
１２６ 圧縮面
１２８ 拡散面
１３０ 圧縮面の（第１）前縁
１３２ 圧縮面の（第２）後縁
１３４ 斜角
１３６ 圧縮領域
１３８ 圧縮領域の断面積
１４０ 拡散面の第１端部
１４２ 拡散面の第２端部
１４４ 斜角
１４６ 拡散領域
１４８ 拡散断面積
１５０ 矢印
１５２ 第１斜め衝撃波
１５４ 第２斜め衝撃波
１５６ 垂直衝撃波
Ｘ ｘ軸（第１半径方向寸法）
Ｙ ｙ軸（第２半径方向寸法）
Ｚ ｚ軸（軸方向寸法）
２００ グラフ
２０２ 縦軸（ｙ軸）
２０４ 横軸（ｘ軸）
２０６ 空気の始動曲線
２０８ 空気の定常動作曲線
３００ 超音速圧縮機始動支援システム
３０２ 複数の流体源
３０４ 第１（始動）流体源
３０６ 第２（定常）流体源
３０８ 流体制御装置
３１０ 制御システム
３２０ 表
３４０ グラフ
３４２ 縦軸（ｙ軸）
３４４ 横軸（ｘ軸）
３４６ ＣＯ2の始動曲線
３５０ グラフ
３５２ 縦軸（ｙ軸）
３５４ 横軸（ｘ軸）
３５６ ＳＦ6の始動曲線
３７０ グラフ
３７２ 縦軸（ｙ軸）
３７４ 横軸（ｘ軸）
３７６ ＣＨ4の始動曲線
３７８ ＣＨ4の定常動作曲線
３８０ Ｃ3Ｈ8の始動曲線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して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で使用される超音速圧縮機ロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一部の既知の超音速圧縮機システムは、駆動アセンブリと、駆動軸と、流体を圧縮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。駆動アセンブリは、駆動軸によって超音速圧縮機ロータに連結されて、駆動軸及び超音速圧縮機ロータを回転させる。
【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ベーンを含む。各ベーンは、ロータディスクの周囲で円周方向に配向され、隣接するベーンの間に流路を画定する。少なくとも一部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、スロート領域を形成するように流れ経路内に配置され、流れ経路内に圧縮波、即ち、衝撃波を形成するように構成される。
【０００４】
既知の超音速圧縮機システムの始動動作中、駆動アセンブリは、初期低速で超音速圧縮機ロータを回転させ、ロータを高回転速度まで加速する。流体は超音速圧縮機ロータに運ばれて、流体が、流路スロートにおける超音速圧縮機ロータに対して初めは亜音速である速度によって特徴付けられ、次いで、ロータが加速するにつれて、流路スロート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特徴付けられるようになっている。既知の超音速圧縮機ロータでは、流体が流路を通って運ばれる時に、超音速圧縮機ランプは、流路の収束部分の斜め衝撃波と流路の拡散部分の垂直衝撃波のシステムを形成させる。スロート領域は、収束部分と拡散部分の間の流路の最も狭い部分に画定される。より広いスロート領域は、始動中のスロート領域内の超音速流の形成を促進するが、定常状態の性能を低下させる。より狭いスロート領域は、定常状態性能を促進するが、スロート領域内の超音速流の形成の困難度を増加させる。更に、多くの既知の超音速圧縮機は一定のスロート形状を有する。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日及び２００５年３月２３日に出願された米国特許第７，３３４，９９０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第２００９／０１９６７３１号に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７３３７６０６Ｂ２号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様では、超音速圧縮機が提供される。超音速圧縮機は、流体入口と、流体出口と、流体入口と流体出口の間に延在する流体導管とを含む。超音速圧縮機はまた、流体導管内に配設され、スロート部分を含む流体流路を備える少なくとも１つの超音速圧縮機ロータを含む。超音速圧縮機は、少なくとも１つの流体源及び流体流路の流体流路入口と流体連通して連結された流体制御装置を更に含む。流体制御装置は、第１流体を流体流路入口に案内するように構成される。第１流体は、超音速圧縮機の第１動作モード中に流体流路のスロート部分において第１流体の超音速流の獲得を促進する第１の複数の流体特性を有する。流体制御装置は、更に第２流体を流体流路入口に案内するように構成される。第２流体は、流体流路のスロート部分において第２流体の超音速流の維持を可能にする第２の複数の流体特性を有する。
【０００７】
別の態様では、超音速圧縮機始動支援システムが提供される。超音速圧縮機始動支援システムは、少なくとも１つの流体源と、少なくとも１つの流体源及び流体流路の流体流路入口と流体連通して連結された流体制御装置とを含む。流体制御装置は、第１流体を流体流路入口に案内するように構成される。第１流体は、超音速圧縮機及び流体制御装置の第１動作モード中に流体流路のスロート部分において第１流体の超音速流の獲得を促進する第１の複数の流体特性を有する。流体制御装置は、更に第２流体を流体流路入口に案内するように構成される。第２流体は、超音速圧縮機及び流体制御装置の第２動作モード中に流体流路のスロート部分において第２流体の超音速流の維持を可能にする第２の複数の流体特性を有する。
【０００８】
更に別の態様では、超音速圧縮機の始動方法が提供される。この方法は、少なくとも１つの流体源と流体連通して連結された流体入口と、流体出口と、流体入口と流体出口の間に延在する流体導管とを備える超音速圧縮機を設けるステップを含む。超音速圧縮機はまた、超音速圧縮機の流体導管内に配設され、スロート部分及び流体流路入口を含む流体流路を備える少なくとも１つの超音速圧縮機ロータを含む。この方法はまた、超音速圧縮機の第１動作モード中に第１流体を少なくとも１つの流体源から流体流路入口に案内するステップを含む。第１流体は、超音速圧縮機の第１動作モード中に流体流路のスロート部分において超音速流の獲得を可能にする第１の複数の流体特性を有する。この方法はまた、超音速圧縮機の第１動作モード中に流体流路のスロート部分において第１流体を初期亜音速流から超音速流に加速するステップを含む。この方法は、超音速圧縮機の第２動作モード中に超音速流体速度で第２流体を少なくとも１つの流体源から流体流路入口に案内するステップを更に含む。第２流体は、超音速圧縮機の第２動作モード中に流体流路のスロート部分において第２流体の超音速流の維持を可能にする第２の複数の流体特性を有する。
【０００９】
本発明の上記及びその他の特徴、態様、及び利点は、図面を通して同様の符号が同様の部品を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことによってより良く理解することができるであろう。
【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で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に示す超音速圧縮機ロータの分解斜視図である。
【図４】図２に示す超音速圧縮機ロータの線４−４に沿った断面図である。
【図５】図４に示す超音速圧縮機ロータの一部分の範囲５に沿った拡大断面図である。
【図６】図４及び５に示す超音速圧縮機ロータの各種条件における空気に関するスロート面積とマッハ数の関係のグラフ図である。
【図７】図１に示す超音速圧縮機システムで使用することができる例示的な超音速圧縮機始動支援システムの概略断面図である。
【図８】図１に示す超音速圧縮機システムで使用することができる複数の流体の複数の特性の表形式図である。
【図９】図４及び５に示す超音速圧縮機ロータの各種条件における空気及び二酸化炭素に関するスロート面積とマッハ数の関係のグラフ図である。
【図１０】図４及び５に示す超音速圧縮機ロータの各種条件における空気及び六フッ化硫黄に関するスロート面積とマッハ数の関係のグラフ図である。
【図１１】図４及び５に示す超音速圧縮機ロータの各種条件におけるメタン（ＣＨ4）及びプロパン（Ｃ3Ｈ8）に関するスロート面積とマッハ数の関係のグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
特に明記しない限り、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つ又は複数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、本発明の実施に必要とされる当業者には既知の従来の特徴の全てを含むことを意図するものではない。
【００１２】
以下の明細書及び後に続く請求項では、多数の用語を参照するが、こ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】
数詞がないことや「前記」などの冠詞は、文脈上そうでないことが明らかでない限り、複数形を含む。
【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、関連する基本機能の変化を生じさせることなく、許容的に変更することのできる任意の定量的表現を修飾するため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つ又は複数の用語によって修飾される値は、指定された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し得る。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、そ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】
本明細書で使用する場合、「超音速圧縮機ロータ」という用語は、超音速圧縮機ロータの流体流路内に配設された超音速圧縮ランプを含む圧縮機ロータを意味する。更に、超音速圧縮機ロータは、それらが高速で回転軸の周囲を回転するように設計されて、ロータの流路内に配設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直面する移動流体、例えば移動ガスが、超音速である相対流体速度を持つと言われるようになるので、「超音速」である。相対流体速度は、超音速圧縮ランプに直面する直前の流体速度と、超音速圧縮ランプにおけるロータ速度のベクトル差の点から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」とも呼ばれ、ある種の実施形態では、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た超音速圧縮ランプの接線速度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、例えば３００メートル／秒〜８００メートル／秒の範囲の接線速度での動作用に設計されている。
【００１７】
本明細書に記載の例示的なシステム及び方法は、始動及び定常動作中に流体を超音速圧縮機に案内し、流路スロートにおける超音速流の獲得及び維持を促進する超音速圧縮機始動支援システムを提供することによって、既知の超音速圧縮機の欠点を克服する。具体的には、始動支援システムは、少なくとも１つの流体源と、少なくとも１つの流体源及び流体流路の流体流路入口と流体連通して連結された流体制御装置とを含む。より詳細には、流体制御装置は、超音速圧縮機に第１流体を案内し、この第１流体は、超音速圧縮機の第１動作モード、即ち、始動動作中に流体流路のスロート部分において第１流体の超音速流の獲得を促進する流体特性を有する。また、より詳細には、流体制御装置は、超音速圧縮機に第２流体を案内し、この第２流体は、超音速圧縮機の第２動作モード、即ち、定常動作中に流体流路のスロート部分において第２流体の超音速流の維持を可能にする流体特性を有する。
【００１８】
図１は、例示的な超音速圧縮機システム１０（本明細書において、超音速圧縮機と呼ばれることもある）の概略図である。例示的実施形態において、超音速圧縮機システム１０は、吸入セクション１２と、吸入セクション１２の下流に連結された圧縮機セクション１４と、圧縮機セクション１４の下流に連結された排出セクション１６と、駆動アセンブリ１８とを含む。圧縮機セクション１４は、駆動軸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。例示的実施形態において、吸入セクション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内に配置される。より詳細には、圧縮機ハウジング２４は、流体入口２６と、流体出口２８と、キャビティ３２を画定する内面３０とを含む。キャビティ３２は、流体入口２６と流体出口２８の間に延在し、流体を流体入口２６から流体出口２８に案内するように構成される。吸入セクション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内に配置される。代替的には、吸入セクション１２及び／又は排出セクション１６は、圧縮機ハウジング２４内に配置しなくてもよい。
【００１９】
例示的実施形態において、流体入口２６は、流体流を流体源３４から吸入セクション１２に案内するように構成される。流体は、任意の流体、例えば、ガス、ガス混合物、及び／又は液体ガス混合物であってよい。吸入セクション１２は、圧縮機セクション１４と流体連通して連結されて、流体を流体入口２６から圧縮機セクション１４に案内する。吸入セクション１２は、１つ又は複数の所定パラメータ、例えば速度、質量流量、圧力、温度、及び／又は任意の適切な流動パラメータを有する流体流を調節するように構成される。例示的実施形態において、吸入セクション１２は、流体入口２６と圧縮機セクション１４の間に連結されて、流体を流体入口２６から圧縮機セクション１４に案内する入口案内翼アセンブリ３６を含む。入口案内翼アセンブリ３６は、圧縮機ハウジング２４に連結され、圧縮機セクション１４に対して固定される１つ又は複数の入口案内翼３８を含む。
【００２０】
圧縮機セクション１４は、吸入セクション１２と排出セクション１６の間に連結されて、流体の少なくとも一部を吸入セクション１２から排出セクション１６に案内する。圧縮機セクション１４は、駆動軸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、排出セクション１６に案内されている流体の圧力を上昇させ、流体の体積を減少させ、且つ／又は流体の温度を上昇させるように構成される。排出セクション１６は、超音速圧縮機ロータ４０と流体出口２８の間に連結されて、流体を超音速圧縮機ロータ４０から流体出口２８に案内する出口案内翼アセンブリ４２を含む。出口案内翼アセンブリ４２は、圧縮機ハウジング２４に連結され、圧縮機セクション１４に対して固定される１つ又は複数の出口案内翼４３を含む。流体出口２８は、出口案内翼アセンブリ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等の出力システム４４に案内するように構成される。一実施形態では、駆動アセンブリ１８は、駆動軸２２を回転させて、入口案内翼アセンブリ３６、超音速圧縮機ロータ４０、及び／又は出口案内翼アセンブリ４２の回転を生じさせるように構成してもよい。
【００２１】
動作中、吸入セクション１２は、流体を流体源３４から圧縮機セクション１４へと案内する。圧縮機セクション１４は、流体を圧縮し、圧縮された流体を排出セクション１６へと排出する。排出セクション１６は、流体出口２８を介して圧縮された流体を圧縮機セクション１４から出力システム４４に案内する。
【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、超音速圧縮機ロータ４０の分解斜視図である。図４は、図２に示す超音速圧縮機ロータ４０の線４−４に沿った断面図である。図３及び図４に示す同一の構成部品は、図２において使用されたのと同じ参照番号で表される。明確にするため、図４は、第１半径方向寸法を図示するためのｘ軸、第２半径方向寸法を図示するための、ｘ軸に垂直であるｙ軸、及び軸方向寸法を図示するための、ｘ軸及びｙ軸に垂直であるｚ軸を示す。これらの基準軸が本明細書で使用される。図４では、ｚ軸がページの外に向けられている。例示的実施形態において、超音速圧縮機ロータ４０は、ロータディスク４８に連結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、この環状ディスク本体５０は、中心線軸５４に沿ってディスク本体５０を通って略軸方向に延在する内側キャビティ５２を画定する。ディスク本体５０は、半径方向内側面５６と、半径方向外側面５８と、端壁６０とを含む。半径方向内側面５６は、内側キャビティ５２を画定する。内側キャビティ５２は、略円筒形状を有し、中心線軸５４の周囲に配向される。駆動軸２２は、複数のロータ支持支柱５１を介してロータディスク４８に回転可能に連結され、ロータ支持支柱５１は、それを通って駆動軸２２が挿入される開口部５３を画定する。端壁６０は、内側キャビティ５２から半径方向外方に、且つ半径方向内側面５６と半径方向外側面５８の間に延在する。端壁６０は、中心線軸５４に垂直に配向される半径方向に画定された幅６２を有する。
【００２３】
例示的実施形態において、各ベーン４６は、端壁６０に連結され、中心線軸５４に略平行である軸方向６６において端壁６０から外方に延在する。各ベーン４６は、入口縁６８及び出口縁７０を含む。入口縁６８は、半径方向内側面５６に隣接して配置される。出口縁７０は、半径方向外面５８に隣接して配置される。例示的実施形態において、超音速圧縮機ロータ４０は、ベーン４６の対７４を含む。各ベーン４６は、入口開口部７６、出口開口部７８、及び隣接するベーン４６の各対７４の間の流路８０を画定するように配向される。流路８０は、入口開口部７６と出口開口部７８の間に延在し、入口開口部７６から出口開口部７８までの矢印８２で表される流れ経路（図４に示す）を画定する。流れ経路８２は、ベーン４６に略平行に配向される。流路８０は、流体を流れ経路８２に沿って半径方向６４に入口開口部７６から出口開口部７８に案内するように寸法決めされ、成形され、且つ配向される。入口開口部７６は、隣接するベーン４６の隣接する入口縁６８の間に画定される。出口開口部７８は、隣接するベーン４６の隣接する出口縁７０の間に画定される。各ベーン４６は、各ベーン４６が半径方向内側面５６と半径方向外側面５８の間に延在するように、入口縁６８と出口縁７０の間に半径方向に延在する。また、各ベーン４６は、外面８４と、対向する内面８６とを含む。ベーン４６は、外面８４と内面８６の間に延在して、流路８０の軸方向高さ８８を画定する。
【００２４】
図２及び図３を参照すると、例示的実施形態において、シュラウドアセンブリ９０は、流路８０（図４に示す）がシュラウドアセンブリ９０と端壁６０の間に画定されるように、各ベーン４６の外面８４に連結される。シュラウドアセンブリ９０は、内縁９２及び外縁９４を含む。内縁９２は、略円筒状開口部９６を画定する。シュラウドアセンブリ９０は、内側円筒状キャビティ５２が開口部９６と同心になるように、ロータディスク４８と同軸上に配向される。シュラウドアセンブリ９０は、ベーン４６の入口縁６８がシュラウドアセンブリ９０の内縁９２に隣接して配置され、ベーン４６の外縁７０がシュラウドアセンブリ９０の外縁９４に隣接して配置されるように、各ベーン４６に連結される。代替的には、超音速圧縮機ロータ４０は、シュラウドアセンブリ９０を含まない。そのような実施形態では、ダイヤフラムが流路８０を少なくとも部分的に画定するように、ダイヤフラムアセンブリ（図示せず）がベーン４６の各外面８４に隣接して配置される。
【００２５】
図４を参照すると、少なくとも１つの超音速圧縮機ランプ９８は、流路８０内に配置される。超音速圧縮ランプ９８は、入口開口部７６と出口開口部７８の間に配置され、１つ又は複数の衝撃波１００を流路８０内に形成することができるように寸法決めされ、成形され、且つ配向される。
【００２６】
超音速圧縮機ロータ４０の動作中、吸入セクション１２（図１に示す）は、流体１０２を流路８０の入口開口部７６へと案内する。流体１０２は、入口開口部７６に入る直前に第１速度、即ち、接近速度を有する。超音速圧縮機ロータ４０は、回転方向矢印１０４によって表すように、第２速度、即ち、回転速度で中心線軸５４の周囲を回転して、流路８０に入る流体１０２が、入口開口部７６で第３速度、即ち、入口速度を有するようになっており、この速度は、ベーン４６に対して超音速である。流体１０２が超音速で流路８０を通って案内されると、超音速圧縮ランプ９８によって、衝撃波１００を流路８０内に形成して流体１０２の圧縮を促進することができ、流体１０２の圧力及び温度が上昇し、且つ／又は出口開口部７８における体積が減少するようになっている。
【００２７】
図５は、図４に示す超音速圧縮機ロータ４０の一部分の範囲５に沿った拡大断面図である。図５に示す同一の構成部品は、図２及び図４において使用されたのと同じ参照番号で表される。明確にするため、図５は、第１半径方向寸法を図示するためのｘ軸、第２半径方向寸法を図示するための、ｘ軸に垂直であるｙ軸、及び軸方向寸法を図示するための、ｘ軸及びｙ軸に垂直であるｚ軸を示す。図５では、ｚ軸がページの外に向けられている。例示的実施形態において、各ベーン４６は、第１又は正圧面１０６と、対向する第２又は負圧面１０８とを含む。各正圧面１０６及び負圧面１０８は、入口縁６８と出口縁７０の間に延在する。
【００２８】
例示的実施形態において、各ベーン４６は、流路８０が入口開口部７６と出口開口部７８の間で略半径方向に配向されるように、内側円筒状キャビティ５２の周囲で円周方向に離間配置される。各入口開口部７６は、入口縁６８においてベーン４６の正圧面１０６と隣接する負圧面１０８の間に延在する。各出口開口部７８は、流れ経路８２が半径方向６４において半径方向内面５６から半径方向外面５８に半径方向外方に画定されるように、出口縁７０において正圧面１０６と隣接する負圧面１０８の間に延在する。代替的には、隣接するベーン４６は、入口開口部７６が半径方向外面５８に画定され、出口開口部７８が半径方向内面５６に画定されるように配向させて、流れ経路８２が半径方向外面５８から半径方向内面５６に半径方向内方に画定されるようにしてもよい。例示的実施形態において、流路８０は、正圧面１０６と隣接する負圧面１０８の間に画定され、流れ経路８２に垂直である円周方向幅１１０を有する。入口開口部７６は第１円周方向幅１１２を有し、これは出口開口部７８の第２円周方向幅１１４よりも大きい。代替的には、入口開口部７６の第１円周方向幅１１２は、出口開口部７８の第２円周方向幅１１４よりも小さくても、等しくてもよい。例示的実施形態において、各ベーン４６は、円弧形状で形成され、流路８０が螺旋形状で画定され、一般に入口開口部７６と出口開口部７８の間で内方に収束するように画定されるように配向される。
【００２９】
例示的実施形態において、流路８０は、流れ経路８２に沿って変動する断面積１１６を画定する。流路８０の断面積１１６は、流れ経路８２に垂直に画定され、流路８０の円周方向幅１１０×流路の軸方向高さ８８（図３に示す）と等しい。流路８０は、入口開口部７６における第１面積、即ち、入口断面積１１８、出口開口部７８における第２面積、即ち、出口断面積１２０、及び入口開口部７６と出口開口部７８の間に画定される第３面積、即ち、最小断面積１２２を有する。例示的実施形態において、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。一実施形態では、最小断面積１２２は出口断面積１２０と等しく、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。
【００３０】
例示的実施形態において、超音速圧縮ランプ９８は、ベーン４６の正圧面１０６に連結され、流路８０のスロート領域１２４を画定する。スロート領域１２４は、流路８０の最小断面積１２２を画定する。代替的な実施形態では、超音速圧縮ランプ９８は、ベーン４６の負圧面１０８、端壁６０、及び／又はシュラウドアセンブリ９０に連結してもよい。更なる代替的な実施形態では、超音速圧縮機ロータ４０は、各々が正圧面１０６、負圧面１０８、端壁６０、及び／又はシュラウドアセンブリ９０に連結される複数の超音速圧縮ランプ９８を含む。そのような実施形態では、各超音速圧縮ランプ９８は、集合的にスロート領域１２４を画定する。
【００３１】
例示的実施形態において、スロート領域１２４は、流路８０が、約１．０１〜１．１０の入口断面積１１８÷最小断面積１２２の比として定義される面積比を有するように、入口断面積１１８よりも小さい最小断面積１２２を画定する。一実施形態では、面積比が約１．０７〜１．０８である。
【００３２】
例示的実施形態において、超音速圧縮ランプ９８は、圧縮面１２６及び拡散面１２８を含む。圧縮面１２６は、第１、又は前縁１３０及び第２、又は後縁１３２を含む。前縁１３０は、後縁１３２よりも入口開口部７６の近くに配置される。圧縮面１２６は、前縁１３０と後縁１３２の間に延在し、ベーン４６から流れ経路８２内に斜角１３４で配向される。圧縮面１２６は、圧縮領域１３６が前縁１３０と後縁１３２の間に画定されるように、隣接する負圧面１０８に向かって収束する。圧縮領域１３６は、流れ経路８２に沿って前縁１３０から後縁１３２へと減少する、流路８０の断面積１３８を有する。圧縮面１２６の後縁１３２は、スロート領域１２４を画定する。
【００３３】
拡散面１２８は、圧縮面１２６に連結され、圧縮面１２６から出口開口部７８へと下流に延在する。拡散面１２８は、第１端部１４０と、第１端部１４０よりも出口開口部７８に近い第２端部１４２とを含む。拡散面１２８の第１端部４０は、圧縮面１２６の後縁１３２に連結される。拡散面１２８は、第１端部１４０と第２端部１４２の間に延在する。拡散面１２８は、圧縮面１２６の第２端部１３２から出口開口部７８へと増加する拡散断面積１４８を有する拡散領域１４６を画定する。拡散領域１４６は、スロート領域１２４から出口開口部７８に延在する。代替的な実施形態では、超音速圧縮ランプは拡散面１２８を含まない。この代替的な実施形態において、圧縮面１２６の後縁１３２は、スロート領域１２４が出口開口部７８に隣接して画定されるように、ベーン４６の出口縁７０に隣接して配置される。
【００３４】
超音速圧縮機ロータ４０の動作中、流体１０２は、ロータディスク４８に対して超音速で内側円筒状キャビティ５２から入口開口部７６内に案内される。内側円筒状キャビティ５２から流路８０に入る流体１０２は、超音速圧縮ランプ９８の前縁１３０に接触して、第１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斜め衝撃波１５２を、前縁１３０から隣接するベーン４６への流れ経路８２に対して斜角に、且つ流路８０内に配向させるように構成される。第１斜め衝撃波１５２は隣接するベーン４６に接触し、第２斜め衝撃波１５４は、隣接するベーン４６から流れ経路８２に対して斜角で、超音速圧縮ランプ９８のスロート領域１２４に向かって反射される。一実施形態では、圧縮面１２６は、第２斜め衝撃波１５４を、隣接するベーン４６における第１斜め衝撃波１５２から、スロート領域１２４を画定する後縁１３２に延在させるように構成される。超音速圧縮ランプ９８は、第１斜め衝撃波１５２及び第２斜め衝撃波１５４の各々を圧縮領域１３６内に形成させるように構成される。
【００３５】
流体１０２が圧縮領域１３６を通過する時、流体１０２の速度は、流体１０２が第１斜め衝撃波１５２及び第２斜め衝撃波１５４の各々を通過するにつれて減少する。更に、流体１０２の圧力は上昇し、流体１０２の体積は減少する。例示的実施形態において、流体１０２がスロート領域１２４を通過する時、超音速圧縮ランプ９８は、出口開口部７８においてロータディスク４８に対して超音速である出口速度を有するように流体１０２を調節するように構成される。超音速圧縮ランプ９８は、更に、垂直衝撃波１５６をスロート領域１２４の下流且つ流路８０内に形成させるように構成される。垂直衝撃波１５６は、流れ経路８２に垂直に配向された衝撃波であり、流体が垂直衝撃波１５６を通過する時に、流体１０２の速度をロータディスク４８に対して亜音速に減少させる。
【００３６】
図６は、超音速圧縮機ロータ４０（図４及び５に示す）の各種条件における空気に関するスロート面積とスロート面積における相対マッハ数の関係のグラフ図２００である。相対マッハ数は、ロータの座標系における流体媒質の速度対そのような流体媒質の音速の比として定義されるため、流体媒質の音速が基準である。一般に、超音速圧縮機は、２つの高レベル動作モード、即ち、開始、又は始動モード、及び定常動作モードを有する。始動モードにおいて、超音速圧縮機ロータは、静止状態から比較的高い回転速度まで加速される。ロータに対して超音速圧縮機に導入される流体の速度は、最初は亜音速であるが、ロータの回転速度が上昇するにつれて始動モード中に上昇する。定常動作モードにおいて、超音速圧縮機ロータは、ほぼ一定の回転速度で回転し、付随する流体を圧縮するが、この流体は、ロータの座標系内で超音速を有する。
【００３７】
従って、一般に、超音速圧縮機の動作の始動モード及び定常モードは、異なる流体流路形状を一般的に必要とする。具体的には、スロート内の超音速の獲得及び始動中の流体流路内のスロート領域の下流での垂直衝撃波の形成を促進するためには、定常動作中のスロート領域の下流での垂直衝撃波の維持に必要なより小さい、又はより狭いスロート面積とは対照的に、より大きい、又はより広いスロート面積が必要とされる。より広いスロート領域は、始動中のスロート領域内の超音速流の形成を促進するが、定常状態時の性能を低下させる。より狭いスロート領域は、定常状態性能を促進するが、始動中のスロート領域内の超音速流の形成の困難度を増加させる。
【００３８】
グラフ２００は、縦軸、即ち、スロート面積（Ａ*）対入口面積（Ａ入口）の比に関する数値を０．６から１．０までの間で０．１ずつの無単位増分で表すｙ軸２０２を含む。グラフ２００は、本明細書に記載された機構を例証するために完全非粘性ガス仮定を採用してプロットされており、実在ガスに関するプロットはある程度異なる可能性があることがわかるが、実質的に同様の作用は実質的に同様の利点が得られることが観察されるはずである。グラフ２００はまた、横軸、即ち、流体速度に関する数値をマッハ数として１．０から２．０までの間で０．２ずつの増分で表すｘ軸２０４を含む。グラフ２００は、超音速圧縮機ロータ４０の始動動作に関する最小スロート面積対入口面積比を表す空気の始動曲線２０６を更に含む。これは、一定のＡ入口に関して、始動曲線２０６が、ロータがその回転速度を上昇させ、流体の相対マッハ数がそれと共に対応して増加する時に、斜め及び垂直衝撃波を形成／維持しながら始動状態中に超音速流体流を促進するのに必要な最小スロート面積と比例することを意味する。例えば、始動中の１．８のマッハ数の相対流体速度に関するＡ*対Ａ入口比の最小値は、約０．８５であり、即ち、一定のＡ入口の場合、Ａ*の値はＡ入口の値の約８５％である。従って、これらの状況に対して適切な垂直衝撃波を形成及び維持するためには、スロート面積の最小値は入口面積の値の８５％である。
【００３９】
始動曲線２０６は、超音速圧縮機ロータ４０の定常動作に関する最小Ａ*対Ａ入口比を表す空気の定常動作曲線２０８と対比される。これは、一定のＡ入口に関して、曲線２０８が、ロータがその回転速度を維持し、流体の相対マッハ数がそれと共に対応して維持される時に、斜め及び垂直衝撃波を維持しながら定常状態中に超音速流体流を促進するのに必要な最小スロート面積と比例することを意味する。例えば、定常動作中の１．８のマッハ数に関するＡ*対Ａ入口比の最小値は、約０．７０であり、即ち、一定のＡ入口の場合、Ａ*の値はＡ入口の値の約７０％である。従って、一定のＡ入口の場合、定常動作は、始動動作よりも小さなＡ*を有するはずである。
【００４０】
図７は、超音速圧縮機システム１０で使用することができる例示的な超音速圧縮機始動支援システム３００の概略断面図である。図７は、超音速圧縮機ロータ４０の一部分を示す。例示的実施形態において、以下で詳述されるように、始動支援システム３００は、始動中は第１、又は始動流体を使用し、超音速圧縮機ロータが定常動作に加速する時は第２、又は定常流体に変更することにより有効スロート面積を調整することによって、始動モードから定常動作モードへの移行を促進する。
【００４１】
例示的実施形態において、始動支援システム３００は、複数の流体源３０２を含む。また、例示的実施形態では、２つの流体源、即ち、第１、又は始動流体源３０４及び第２、又は定常流体源３０６が存在しているが、複数の流体の使用については以下で詳述する。始動支援システム３００はまた、本明細書に記載するような指導支援システム３００の動作を可能にするための十分な流体流制御装置（図示せず）を含む流体制御装置３０８を備え、流体流制御装置としては、弁、配管、流量制限器、ポンプ、モータ、並びに電力、空気動力、及び／又は油圧動力供給装置が挙げられるが、これに限定されるものではない。流体制御装置３０８は、流路８０の入口開口部７６と流体連通して連結される。
【００４２】
始動支援システム３００は、流体制御装置３０８に動作可能に連結される制御システム３１０を更に含み、制御システム３１０は、アルゴリズムを含む十分なアナログ及び個別論理によってプログラムされ、本明細書に記載のように、流体制御装置３０８を含む超音速圧縮機始動支援システム３００の動作を可能にするようにして実施される。例示的実施形態において、制御システム３００は、パーソナルコンピュータ、リモートサーバ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、及び分散制御システム（ＤＣＳ）を含むが、これに限定されるものではない少なくとも１つのプロセッサを含む。
【００４３】
動作中、後で詳しく述べるように、超音速圧縮機始動支援システム３００は、始動流体（図示せず）を始動流体源３０４から入口開口部７６に案内する。制御システム３１０は、ロータの回転速度及び始動流体速度を含むが、これに限定されるものではない所定の条件が得られるまで、始動流体を超音速圧縮機ロータ４０に案内するように流体制御装置３０８を調整する。所定の始動流体速度が得られた時点で、制御システム３１０は、定常流体（図示せず）が始動流体源３０４からの始動流体と平行に定常流体源３０６から案内される時に、流体流路８０内の超音速流体流の維持を促進することになる。制御システム３１０及び流体制御装置３０８は、始動流体流を漸減的に調整しながら定常流体流を漸増的に調整することによって、流体流路８０内の適切な衝撃波形成を維持しながら徐々に始動流体を定常流体に置き換える。流体の置換が完了に近づくにつれて、始動流体流は実質的に停止し、流体流路８０を通る流体流は実質的に定常流体流になり、制御システム３１０及び流体制御装置３０８は、流体速度、ロータ４０の回転速度、及び圧縮比を含むが、これに限定されるものではない所定のパラメータが得られるまで、超音速圧縮機ロータ４０の加速又は減速を再開する。代替的には、超音速圧縮機ロータ４０をほぼ静止状態で保持するのではなく、ロータ４０は、始動流体から定常流体への置換の間ずっと加速される。
【００４４】
図８は、超音速圧縮機システム１０及び超音速圧縮機始動支援システム３００（共に図７に示す）で使用することができる複数の流体の複数の特性の表形式図、即ち表３２０である。表３２０は、１気圧の圧力（１０１．３キロパスカル（ｋＰａ）、１４．７ポンド／平方インチ（ｐｓｉ））且つ摂氏２５度（℃）の温度（華氏７７度（°Ｆ）、ケルビン温度２９８（°Ｋ））における、そこに記載された複数の流体の各々に関する３つの特性値を示す。表３２０に記載された流体は、空気、二酸化炭素（ＣＯ2）、六フッ化硫黄（ＳＦ6）、メタン（ＣＨ4）、窒素（Ｎ2）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、及びブタン（Ｃ4Ｈ10）である。そのような流体の第１特性はガンマ（γ）値である。γは、定圧比熱係数、即ち、Ｃｐ、対定積比熱係数、即ち、Ｃｖの比によって決定される等エントロピー指数を表す無単位値である。超音速圧縮機の最小スロート面積値は、γ及び相対マッハ数の関数、即ち、流体媒質の相対速度対選択された流体媒質の音速の比として決定される。表３２０に記載された流体の第２特性は、グラム／モル（ｇ／ｍｏｌ）を単位にしたモル質量である。表３２０に記載された流体の第３特性は、流体のメートル毎秒（ｍ／ｓ）を単位とした音速である。一般に、流体の音速は、流体組成及び温度を含むが、これに限定されるものではない特性の関数である。例えば、１気圧且つ２９８°Ｋにおける空気の３４６ｍ／ｓの音速は、１気圧且つ２９８°ＫにおけるＣＯ2の２６９ｍ／ｓの音速よりも速い。
【００４５】
図９は、超音速圧縮機ロータ４０（図４及び５に示す）の各種条件における空気及びＣＯ2に関するスロート面積と相対流速の関係のグラフ図３４０である。グラフ３４０は、本明細書に記載された機構を例証するために完全非粘性ガス仮定を採用してプロットされており、実在ガスに関するプロットはある程度異なる可能性があることがわかるが、実質的に同様の作用は実質的に同様の利点が得られることが観察されるはずである。グラフ３４０は、縦軸、即ち、スロート面積（Ａ*）対入口面積（Ａ入口）の比に関する数値を０．３から１．０までの間で０．１ずつの無単位増分で表すｙ軸３４２を含む。グラフ３４０はまた、横軸、即ち、空気の音速によって正規化された流体速度に関する数値を１．０から２．０までの間で０．２ずつの増分で表すｘ軸３４４を含み、ｘ軸３４４は、ＣＯ2ではなく、空気に関する相対マッハ数を表す。グラフ３４０は、共に図６に記載したような、空気の始動曲線２０６及び空気の定常動作曲線２０８を更に含む。
【００４６】
グラフ３４０はまた、超音速圧縮機ロータ４０の始動動作に関する最小スロート面積対入口面積比を表すＣＯ2の始動曲線３４６を含む。一定のＡ入口に関して、始動曲線３４６は、始動状態中の超音速ＣＯ2流を促進すると共に、更に、ロータがその回転速度を上昇させ、ＣＯ2流の相対マッハ数（図９には図示せず）がそれと共に対応して増加する時に、斜め及び垂直衝撃波の形成／維持を促進するのに必要な最小スロート面積と比例する。説明のために、ＣＯ2での始動中の１．８のマッハ数（空気の相対音速に基づく）に対応する相対流体速度に関するＡ*対Ａ入口比の最小値は、約０．７６であり、即ち、一定のＡ入口の場合、Ａ*の値はＡ入口の値の約７６％である。
【００４７】
従って、始動ガスとしてＣＯ2を用いた始動は、空気による始動に必要とされるのよりも小さなスロート面積内での超音速流の発生を促進する。一定のスロート面積の場合、始動が完了した時点、即ち、超音速圧縮機ロータが維持回転速度に達した時点で、定常動作が空気によって独占的に行なわれるまで、次第にＣＯ2を空気に置き換えることができる。より具体的には、曲線２０８及び３４６の交差によって示すように、スロートにおける流体が空気の１．６のマッハ数に対応する超音速を得た時点で、約０．８の最小Ａ*対Ａ入口比の値は、ＣＯ2による始動及び空気による定常動作の場合と同じになる。従って、約０．８のＡ*対Ａ入口比を有する超音速圧縮機ロータ４０は、ＣＯ2流体によって始動させることができ、次いで、スロートにおけるＣＯ2流体の相対速度が空気の約マッハ１．６に対応する速度に達するようにロータ回転速度を上昇させることができ、その後、流体をＣＯ2から空気へと次第に変化させることができる。
【００４８】
例えば、限定されるものではないが、超音速圧縮機ロータ４０は、約１．６の空気の相対マッハ数の値での定常動作が得られるように寸法決め及び構成することができる。そのような構成において、ＣＯ2による始動は、入口の面積の約８０％である最小スロート面積を必要とし、空気による定常動作は、入口の面積の約８０％である最小スロート面積を必要とし、空気による始動は、入口の面積の約９０％である最小スロート面積を必要とする。従って、約１．６の空気の相対マッハ数によって動作するように設計された超音速圧縮機ロータ４０では、ＣＯ2による始動及び空気による定常動作を促進するのには、入口の面積の約８０％のスロート面積で十分であることになる。更に、約１０％のスロートの寸法縮小の利点が促進されることになり、その１０％は、入口の面積の約９０％（空気による始動に関する）と入口の面積の約８０％（ＣＯ2による始動に関する）との違いを表すものである。このスロート面積の１０％の寸法縮小は、超音速圧縮機ロータ４０の効率の向上を促進する。
【００４９】
代替的には、空気とＣＯ2との置換は、曲線２０８及び３４６が交差する速度とは異なる超音速で開始及び／又は実行することができる。超音速圧縮機ロータ４０は、空気の任意の与えられた相対マッハ数に対して寸法決め及び構成することができ、ＣＯ2の始動曲線３４６は空気の始動曲線２０６より下になって、ＣＯ2による始動に対する最小スロート面積値が空気による始動に対する最小スロート面積値より小さくなるようになっている。従って、超音速圧縮機ロータ４０のスロート面積は、所定の速度におけるＣＯ2の始動曲線３４６及び空気の定常動作曲線２０８の値のより大きなものとして決定される。このように、決定されたスロート面積は、空気の同じ相対マッハ数に対する空気の始動曲線２０６に関するものより小さく、それによって、始動及び定常動作の両方に実質的に同じ流体を用いたロータ４０と同様のロータよりもより高い効率の動作を促進する。
【００５０】
例えば、限定されるものではないが、超音速圧縮機ロータ４０は、約１．４の空気の相対マッハ数の値での定常動作が得られるように寸法決め及び構成することができる。そのような構成において、ＣＯ2による始動は、入口の面積の約８５％である最小スロート面積を必要とし、空気による定常動作は、入口の面積の約９０％である最小スロート面積を必要とし、空気による始動は、入口の面積の約９５％である最小スロート面積を必要とする。従って、約１．４の空気の相対マッハ数によって動作するように設計された超音速圧縮機ロータ４０では、ＣＯ2による始動及び空気による定常動作を促進するのには、入口の面積の約９０％のスロート面積で十分であることになる。更に、約５％のスロートの寸法縮小の利点が促進されることになり、その５％は、入口の面積の約９５％（空気による始動に関する）と入口の面積の約９０％（空気による定常状態に関する）との違いを表すものである。このスロート面積の５％の寸法縮小は、超音速圧縮機ロータ４０の効率の向上を促進する。
【００５１】
また、例えば、同じく限定されるものではないが、超音速圧縮機ロータ４０は、約１．８の空気の相対マッハ数の値での定常動作が得られるように寸法決め及び構成することができる。そのような構成において、ＣＯ2による始動は、入口の面積の約７６％である最小スロート面積を必要とし、空気による定常動作は、入口の面積の約７０％である最小スロート面積を必要とし、空気による始動は、入口の面積の約８５％である最小スロート面積を必要とする。従って、約１．８の空気の相対マッハ数によって動作するように設計された超音速圧縮機ロータ４０では、ＣＯ2による始動及び空気による定常動作を促進するのには、入口の面積の約７６％のスロート面積で十分であることになる。更に、約９％のスロートの寸法縮小の利点が促進されることになり、その９％は、入口の面積の約８５％（空気による始動に関する）と入口の面積の約７６％（ＣＯ2による始動に関する）との違いを表すものである。このスロート面積の約９％の寸法縮小は、超音速圧縮機ロータ４０の効率の向上を促進する。
【００５２】
図１０は、超音速圧縮機ロータ４０（図４及び５に示す）の各種条件における空気及びＳＦ6に関するスロート面積と相対流速の関係のグラフ図３５０である。グラフ３５０は、縦軸、即ち、スロート面積（Ａ*）対入口面積（Ａ入口）の比に関する数値を０．０から１．０までの間で０．２ずつの無単位増分で表すｙ軸３５２を含む。グラフ３５０はまた、横軸、即ち、空気の音速によって正規化された流体速度に関する数値を相対マッハ数として１．０から２．４までの間で０．２ずつの増分で表すｘ軸３５４を含み、ｘ軸３５４は、ＳＦ6ではなく、空気に関する相対マッハ数を表す。グラフ３５０は、共に図６に記載したような、空気の始動曲線２０６及び空気の定常動作曲線２０８を更に含む。
【００５３】
グラフ３５０はまた、超音速圧縮機ロータ４０の始動動作に関する最小スロート面積対入口面積比を表すＳＦ6の始動曲線３５６を含む。一定のＡ入口に関して、曲線３５６は、始動状態中の超音速ＳＦ6流を促進すると共に、更に、ロータがその回転速度を上昇させ、ＳＦ6流の相対マッハ数（図１０には図示せず）がそれと共に対応して増加する時に、斜め及び垂直衝撃波の形成／維持を促進するのに必要な最小スロート面積と比例する。説明のために、ＳＦ6での始動中の１．８のマッハ数（空気の相対音速に基づく）に対応する相対流体速度に関するＡ*対Ａ入口比の最小値は、約０．４８であり、即ち、一定のＡ入口の場合、Ａ*の値はＡ入口の値の約４８％である。
【００５４】
従って、始動ガスとしてＳＦ6を用いた始動は、空気による始動に必要とされるのよりも小さなスロート面積内での超音速流の発生を促進する。一定のスロート面積の場合、始動が完了した時点、即ち、超音速圧縮機ロータが維持回転速度に達した時点で、定常動作が空気によって独占的に行なわれるまで、次第にＳＦ6を空気に置き換えることができる。より具体的には、空気の約２．４のマッハ数における曲線２０８及び３５６の交差によって示すように、約０．４２の最小Ａ*対Ａ入口比の値は、ＳＦ6による始動及び空気による定常動作の場合と同じになる。従って、約０．４２のＡ*対Ａ入口比を有する超音速圧縮機ロータ４０は、ＳＦ6流体によって始動させることができ、次いで、スロートにおけるＳＦ6流体の相対速度が空気の約マッハ２．４に対応する速度に達するようにロータ回転速度を上昇させることができ、その後、流体をＳＦ6から空気へと次第に変化させることができる。
【００５５】
例えば、限定されるものではないが、超音速圧縮機ロータ４０は、約２．４の空気の相対マッハ数の値での定常動作が得られるように寸法決め及び構成することができる。そのような構成において、ＳＦ6による始動は、入口の面積の約４２％である最小スロート面積を必要とし、空気による定常動作は、入口の面積の約４２％である最小スロート面積を必要とし、空気による始動は、入口の面積の約７８％である最小スロート面積を必要とする。従って、約２．４の空気の相対マッハ数によって動作するように設計された超音速圧縮機ロータ４０では、ＳＦ6による始動及び空気による定常動作を促進するのには、入口の面積の約４２％のスロート面積で十分であることになる。更に、約３６％のスロートの寸法縮小の利点が促進されることになり、その３６％は、入口の面積の約７８％（空気による始動に関する）と入口の面積の約４２％（ＳＦ6による始動に関する）との違いを表すものである。このスロート面積の３６％の寸法縮小は、超音速圧縮機ロータ４０の効率の向上を促進する。
【００５６】
代替的には、空気とＳＦ6との置換は、曲線２０８及び３５６が交差する速度とは異なる超音速で開始及び／又は実行することができる。超音速圧縮機ロータ４０は、空気の任意の与えられた相対マッハ数に対して寸法決め及び構成することができ、ＳＦ6の始動曲線３５６は空気の始動曲線２０６より下になって、ＳＦ6による始動に対する最小スロート面積値が空気による始動に対する最小スロート面積値より小さくなるようになっている。従って、超音速圧縮機ロータ４０のスロート面積は、所定の速度におけるＳＦ6の始動曲線３５６及び空気の定常動作曲線２０８の値のより大きなものとして決定される。このように、決定されたスロート面積は、空気の同じ相対マッハ数に対する空気の始動曲線２０６に関するものより小さく、それによって、始動及び定常動作の両方に実質的に同じ流体を用いたロータ４０と同様のロータよりもより高い効率の動作を促進する。
【００５７】
例えば、限定されるものではないが、超音速圧縮機ロータ４０は、約２．０の空気の相対マッハ数の値での定常動作が得られるように寸法決め及び構成することができる。そのような構成において、ＳＦ6による始動は、入口の面積の約４５％である最小スロート面積を必要とし、空気による定常動作は、入口の面積の約６０％である最小スロート面積を必要とし、空気による始動は、入口の面積の約８３％である最小スロート面積を必要とする。従って、約２．０の空気の相対マッハ数によって動作するように設計された超音速圧縮機ロータ４０では、ＳＦ6による始動及び空気による定常動作を促進するのには、入口の面積の約６０％のスロート面積で十分であることになる。更に、約２３％のスロートの寸法縮小の利点が促進されることになり、その２３％は、入口の面積の約８３％（空気による始動に関する）と入口の面積の約６０％（空気による定常動作に関する）との違いを表すものである。このスロート面積の２３％の寸法縮小は、超音速圧縮機ロータ４０の効率の向上を促進する。
【００５８】
また、例えば、同じく限定されるものではないが、超音速圧縮機ロータ４０は、約２．５の空気の相対マッハ数の値での定常動作が得られるように寸法決め及び構成することができる。そのような構成において、ＳＦ6による始動は、入口の面積の約４１％である最小スロート面積を必要とし、空気による定常動作は、入口の面積の約３８％である最小スロート面積を必要とし、空気による始動は、入口の面積の約７７％である最小スロート面積を必要とする。従って、約２．５の空気の相対マッハ数によって動作するように設計された超音速圧縮機ロータ４０では、ＳＦ6による始動及び空気による定常動作を促進するのには、入口の面積の約４２％のスロート面積で十分であることになる。更に、約３５％のスロートの寸法縮小の利点が促進されることになり、その３５％は、入口の面積の約７７％（空気による始動に関する）と入口の面積の約４２％（ＳＦ6による始動に関する）との違いを表すものである。そのようなスロート面積の約３５％の寸法縮小は、超音速圧縮機ロータ４０の効率の向上を促進する。
【００５９】
図１１は、図４及び５に示す超音速圧縮機ロータの各種条件におけるメタン（ＣＨ4）及びプロパン（Ｃ3Ｈ8）に関するスロート面積と相対流速の関係のグラフ図である。グラフ３７０は、本明細書に記載された機構を例証するために完全非粘性ガス仮定を採用してプロットされており、実在ガスに関するプロットはある程度異なる可能性があることがわかるが、実質的に同様の作用は実質的に同様の利点が得られることが観察されるはずである。グラフ３７０は、縦軸、即ち、スロート面積（Ａ*）対入口面積（Ａ入口）の比に関する数値を０．０から１．０までの間で０．２ずつの無単位増分で表すｙ軸３７２を含む。グラフ３７０はまた、横軸、即ち、ＣＨ4の音速によって正規化された流体速度に関する数値を１．０から２．４までの間で０．２ずつの増分で表すｘ軸３７４を含み、ｘ軸３７４は、Ｃ3Ｈ8ではなく、ＣＨ4に関する相対マッハ数を表す。
【００６０】
グラフ３７０はまた、超音速圧縮機ロータ４０の始動動作に関する最小スロート面積対入口面積比を表すＣＨ4の始動曲線３７６を含む。一定のＡ入口に関して、曲線３７６は、始動状態中の超音速ＣＨ4流を促進すると共に、ロータがその回転速度を上昇させ、ＣＨ4流の相対マッハ数（図１１には図示せず）がそれと共に対応して増加する時に、斜め及び垂直衝撃波の形成／維持を促進するのに必要な最小スロート面積と比例する。説明のために、ＣＨ4での始動中の１．８のマッハ数（ＣＨ4の相対音速に基づく）に対応する相対流体速度に関するＡ*対Ａ入口比の最小値は、約０．８５であり、即ち、一定のＡ入口の場合、Ａ*の値はＡ入口の値の約８５％である。
【００６１】
始動曲線３７６は、超音速圧縮機ロータ４０の定常動作に関するＡ*対Ａ入口比を表すＣＨ4の定常動作曲線３７８と対比される。これは、一定のＡ入口に関して、曲線３７８が、ロータがその回転速度を維持し、ＣＨ4の相対マッハ数がそれと共に対応して維持される時に、斜め及び垂直衝撃波を維持しながら定常状態中に超音速ＣＨ4流を促進するのに必要な最小スロート面積と比例することを意味する。例えば、定常動作中の１．８のマッハ数（ＣＨ4の相対音速に基づく）に対応する相対流体速度に関するＡ*対Ａ入口比の最小値は、約０．６８であり、即ち、一定のＡ入口の場合、Ａ*の値はＡ入口の値の約６８％である。
【００６２】
グラフ３７０はまた、超音速圧縮機ロータ４０の始動動作に関する最小スロート面積対入口面積比を表すＣ3Ｈ8の始動曲線３８０を含む。一定のＡ入口に関して、曲線３８０は、始動状態中の超音速Ｃ3Ｈ8流を促進すると共に、更に、ロータがその回転速度を上昇させ、Ｃ3Ｈ8流の相対マッハ数（図１１には図示せず）がそれと共に対応して増加する時に、斜め及び垂直衝撃波の形成／維持を促進するのに必要な最小スロート面積と比例する。説明のために、Ｃ3Ｈ8での始動中の１．８のマッハ数（ＣＨ4の相対音速に基づく）に対応する相対流体速度に関するＡ*対Ａ入口比の最小値は、約０．５９であり、即ち、一定のＡ入口の場合、Ａ*の値はＡ入口の値の約５９％である。
【００６３】
従って、始動ガスとしてＣ3Ｈ8を用いた始動は、ＣＨ4による始動に必要とされるのよりも小さなスロート面積内での超音速流の発生を促進する。一定のスロート面積の場合、始動が完了した時点、即ち、超音速圧縮機ロータが維持回転速度に達した時点で、定常動作がＣＨ4によって独占的に行なわれるまで、次第にＣ3Ｈ8をＣＨ4に置き換えることができる。より具体的には、曲線３７８及び３８０の交差によって示すように、スロートにおける流体がＣＨ4の約２．０のマッハ数に対応する超音速に達すると、約０．５７の最小Ａ*対Ａ入口比の値は、Ｃ3Ｈ8による始動及びＣＨ4による定常動作の場合と同じになる。従って、約０．５７のＡ*対Ａ入口比を有する超音速圧縮機ロータ４０は、Ｃ3Ｈ8流体によって始動させることができ、次いで、スロートにおけるＣ3Ｈ8流体の相対速度がＣＨ4の約マッハ２．０に対応する速度に達するようにロータ回転速度を上昇させることができ、その後、流体をＣ3Ｈ8からＣＨ4へと次第に変化させることができる。
【００６４】
例えば、限定されるものではないが、超音速圧縮機ロータ４０は、約２．０の空気の相対マッハ数の値での定常動作が得られるように寸法決め及び構成することができる。そのような構成において、Ｃ3Ｈ8による始動は、入口の面積の約５７％である最小スロート面積を必要とし、ＣＨ4による定常動作は、入口の面積の約５７％である最小スロート面積を必要とし、ＣＨ4による始動は、入口の面積の約８１％である最小スロート面積を必要とする。従って、約２．０のＣＨ4の相対マッハ数によって動作するように設計された超音速圧縮機ロータ４０では、Ｃ3Ｈ8による始動及びＣＨ4による定常動作を促進するのには、入口の面積の約５７％のスロート面積で十分であることになる。更に、約２４％のスロートの寸法縮小の利点が促進されることになり、その２４％は、入口の面積の約８１％（ＣＨ4による始動に関する）と入口の面積の約５７％（Ｃ3Ｈ8による始動に関する）との違いを表すものである。このスロート面積の２４％の寸法縮小は、超音速圧縮機ロータ４０の効率の向上を促進する。
【００６５】
代替的には、ＣＨ4とＣ3Ｈ8との置換は、曲線３７８及び３８０が交差する速度とは異なる超音速で開始及び／又は実行することができる。超音速圧縮機ロータ４０は、空気の任意の与えられた相対マッハ数に対して寸法決め及び構成することができ、Ｃ3Ｈ8の始動曲線３８０はＣＨ4の始動曲線３７６より下になって、Ｃ3Ｈ8による始動に対する最小スロート面積値がＣＨ4による始動に対する最小スロート面積値より小さくなるようになっている。従って、超音速圧縮機ロータ４０のスロート面積は、所定の速度におけるＣ3Ｈ8の始動曲線３８０及びＣＨ4の定常動作曲線３７８の値のより大きなものとして決定される。このように、決定されたスロート面積は、ＣＨ4の同じ相対マッハ数に対するＣＨ4の始動曲線３７６に関するものより小さく、それによって、始動及び定常動作の両方に実質的に同じ流体を用いたロータ４０と同様のロータよりもより高い効率の動作を促進する。
【００６６】
例えば、限定されるものではないが、超音速圧縮機ロータ４０は、約１．８のＣＨ4の相対マッハ数の値での定常動作が得られるように寸法決め及び構成することができる。そのような構成において、Ｃ3Ｈ8による始動は、入口の面積の約５８％である最小スロート面積を必要とし、ＣＨ4による定常動作は、入口の面積の約６８％である最小スロート面積を必要とし、ＣＨ4による始動は、入口の面積の約８６％である最小スロート面積を必要とする。従って、約１．８のＣＨ4の相対マッハ数によって動作するように設計された超音速圧縮機ロータ４０では、Ｃ3Ｈ8による始動及びＣＨ4による定常動作を促進するのには、入口の面積の約６８％のスロート面積で十分であることになる。更に、約１８％のスロートの寸法縮小の利点が促進されることになり、その１８％は、入口の面積の約８６％（ＣＨ4による始動に関する）と入口の面積の約６８％（ＣＨ4による定常動作に関する）との違いを表すものである。このスロート面積の１８％の寸法縮小は、超音速圧縮機ロータ４０の効率の向上を促進する。
【００６７】
また、例えば、同じく限定されるものではないが、超音速圧縮機ロータ４０は、約２．２のＣＨ4の相対マッハ数の値での定常動作が得られるように寸法決め及び構成することができる。そのような構成において、Ｃ3Ｈ8による始動は、入口の面積の約５３％である最小スロート面積を必要とし、ＣＨ4による定常動作は、入口の面積の約４７％である最小スロート面積を必要とし、ＣＨ4による始動は、入口の面積の約７８％である最小スロート面積を必要とする。従って、約２．２の空気の相対マッハ数によって動作するように設計された超音速圧縮機ロータ４０では、Ｃ3Ｈ8による始動及びＣＨ4による定常動作を促進するのには、入口の面積の約５３％のスロート面積で十分であることになる。更に、約２５％のスロートの寸法縮小の利点が促進されることになり、その２５％は、入口の面積の約７８％（ＣＨ4による始動に関する）と入口の面積の約５３％（Ｃ3Ｈ8による始動に関する）との違いを表すものである。そのようなスロート面積の約２５％の寸法縮小は、超音速圧縮機ロータ４０の効率の向上を促進する。
【００６８】
図７を参照すると、動作中、始動流体源３０４は、流体制御装置３０８及び制御システム３１０を介して入口開口部７６に連結される。具体的には、制御システム３１０は、回転速度、質量流体流速、流体排出圧、流体相対速度、圧縮比、流体温度、及び時間パラメータを含むが、これに限定されるものではない複数の変数に基づいて、弁、ポンプ、モータ、並びに電力、空気動力、及び／又は油圧動力供給装置を含むが、これに限定されるものではない装置３０８内の構成部品を調整する。
【００６９】
最初は、超音速圧縮機ロータ４０は実質的に静止しており、第１、即ち、始動流体は、超音速圧縮機システム１０の第１動作モード中に始動流体源３０４から流体流路入口７６に案内され、その場合、超音速圧縮機システム１０の第１動作モードは開始、又は始動モードである。例示的実施形態において、始動流体は、始動モード中に流体流路８０のスロート部分１２４において超音速流の獲得を可能にする第１の複数の流体特性を有する。また、例示的実施形態において、始動流体としては、ＣＯ2、ＳＦ6、空気、Ｃ3Ｈ8、及びＣ4Ｈ10の少なくとも１つが挙げられるが、これに限定されるものではなく、始動流体特性は、第１音速値を含む。
【００７０】
また、動作中、超音速圧縮機ロータ４０、及びそこに案内される始動流体は、始動動作モード中に流体流路８０のスロート部分１２４において始動流体を初期亜音速流から超音速流に加速する。
【００７１】
更に、動作中、上記のように始動流体の所定速度に達した時点で、流体制御装置３０８及び制御システム３１０は、超音速圧縮機システム１０の始動動作モード中の始動流体の案内から、第２動作モード中の第２、即ち、定常流体の案内へ移行するものであり、その場合、第２動作モードは定常モードである。従って、定常動作モード中に相対音速で定常流体を定常流体源３０６から流体流路入口７６に案内することによって、流体流路８０のスロート部分１２４における定常流体の超音速流の維持を促進する。例示的実施形態において、定常流体としては、空気、ＣＯ2、Ｎ2、ＣＨ4、及び所定の重量パーセントのメタンを有する天然ガスの少なくとも１つが挙げられるが、これに限定されるものではない。定常流体は、始動流体の第１音速値よりも大きな第２音速値を有する。超音速圧縮機ロータ４０は、始動流体から定常流体への移行中及び移行後、更に加速又は減速してもよく、或いはしなくてもよい。
【００７２】
一実施形態において、始動流体及び定常流体は異なる単一ガスであり、例えば、これに限定されるものではないが、ＣＯ2が始動流体であり、空気が定常流体であり、その場合、ＣＯ2から空気への移行は空気の音速の約１．６倍の相対流体速度（図９に示す）で実行される。代替的には、始動流体及び定常流体は異なるガス状混合物であり、例えば、これに限定されるものではないが、始動流体は、始動流体として上記したものを含む所定のガス混合物であり、定常流体は、定常流体として上記したものを含む所定のガス混合物である。
【００７３】
更に、代替的には、始動流体及び定常流体は、実質的に同様の単一ガス及び／又は実質的に同様のガス状混合物である。より詳細には、始動流体及び定常流体は、実質的に同様の単一ガス及び／又は実質的に同様のガス状混合物の一方であり、その場合、始動流体は第１温度を有し、定常流体は第１温度とは異なる第２温度を有する。流体の音速は流体の温度の関数であって、流体の音速が温度の上昇と共に上昇するようになっている。更に、上記の通り、より低い音速を有する流体はより高い音速を有する流体よりも優れた始動流体になる。従って、例えば、限定されるものではないが、始動流体は第１温度の空気であってよく、定常流体は第２温度の空気であってよく、その場合、第２温度は第１温度よりも高い。
【００７４】
更に、代替的には、始動流体及び定常流体は、上記したように、異なる単一ガス、異なるガス状混合物、実質的に同様の単一ガス、及び実質的に同様のガス状混合物の１つであるが、加えて、そのような流体は、同伴液体粒子及び／又は同伴固体粒子の少なくとも一方を含む。
【００７５】
上記の超音速圧縮機始動支援システムは、始動動作中に超音速圧縮機システムの性能の効率を向上させる費用効果的な信頼性の高い方法を提供する。更に、超音速圧縮機始動支援システムは、スロート領域の下流の垂直衝撃波を形成及び維持するために一定の形状のスロート領域の使用を促進することによって、超音速圧縮機システムの作動効率の向上を促進する。より詳細には、超音速圧縮機始動支援システムは、始動及び定常動作中の適切な位置における垂直衝撃波の形成及び維持を促進する流体特性を有する少なくとも１つの流体を案内する少なくとも１つの流体源を含む。
【００７６】
以上に、超音速圧縮機ロータを始動するシステム及び方法の例示的実施形態を詳細に説明した。このシステム及び方法は、本明細書に記載された特定の実施形態には限定されず、反対に、このシステムの構成部品及び／又はこの方法のステップは、本明細書に記載される他の構成部品及び／又はステップとは独立して別個に利用することができる。例えば、このシステム及び方法は、他のロータリーエンジンシステム及び方法と組み合わせて使用することもでき、本明細書に記載された超音速圧縮機システムだけを使用して実施することに限定されない。反対に、他の多くのロータリーシステム用途に関して、この例示的実施形態を実現し、利用することができる。
【００７７】
本発明の様々な実施形態の特定の特徴が、一部の図面には示されており、別の図面には示されていないことがあるが、これは便宜上そうしたに過ぎない。更に、上記記載における「一実施形態」に対する言及は、記載の特徴を同様に組み込んだ付加的な実施形態の存在を排除するものとして解釈されることを意図するものではない。本発明の原理に従って、ある図面の任意の特徴を、別の図面の任意の特徴と組み合わせて参照し、且つ／又は請求することができる。
【００７８】
本明細書は、実施例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示し、更にあらゆる装置又はシステムを製作且つ使用すること及びあらゆる組み込まれた方法を実行することを含む本発明の実施を当業者が行なうのを可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する同等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになるものとする。
【符号の説明】
【００７９】
１０ 超音速圧縮機システム
１２ 吸入セクション
１４ 圧縮機セクション
１６ 排出セクション
１８ 駆動アセンブリ
２０ ロータアセンブリ
２２ 駆動軸
２４ 圧縮機ハウジング
２６ 流体入口
２８ 流体出口
３０ 内面
３２ キャビティ
３４ 流体源
３６ 入口案内翼アセンブリ
３８ 入口案内翼
４０ 超音速圧縮機ロータ
４２ 出口案内翼アセンブリ
４３ 出口案内翼
４４ 出力システム
４６ 複数のベーン
４８ ロータディスク
５０ ディスク本体
５１ ロータ支持支柱
５２ 内側キャビティ
５３ 開口部
５４ 中心線軸
５６ 半径方向内側面
５８ 半径方向外側面
６０ 端壁
６２ 端壁の幅
６４ 半径方向
６６ 軸方向
６８ ベーンの入口縁
７０ ベーンの出口縁
７４ 隣接するベーンの対
７６ 流路の入口開口部
７８ 流路の出口開口部
８０ 流路
８２ 流路の流れ経路の矢印
８４ ベーンの外面
８６ ベーンの内面
８８ 流路の軸方向高さ
９０ シュラウドアセンブリ
９２ シュラウドアセンブリの内縁
９４ シュラウドアセンブリの外縁
９６ 円筒状開口部
９８ 超音速圧縮機ランプ
１００ 衝撃（圧縮）波
１０２ 流体
１０４ 回転方向矢印
１０６ 側壁の（第１）正圧面
１０８ 側壁の（第２）負圧面
１１０ 流路の円周方向幅
１１２ 入口開口部の第１円周方向幅
１１４ 出口開口部の第２円周方向幅
１１６ 流路の変動する断面積
１１８ 流路の（第１）入口断面積
１２０ 流路の（第２）出口断面積
１２２ 流路の（第３）最小断面積
１２４ スロート領域
１２６ 圧縮面
１２８ 拡散面
１３０ 圧縮面の（第１）前縁
１３２ 圧縮面の（第２）後縁
１３４ 斜角
１３６ 圧縮領域
１３８ 圧縮領域の断面積
１４０ 拡散面の第１端部
１４２ 拡散面の第２端部
１４４ 斜角
１４６ 拡散領域
１４８ 拡散断面積
１５０ 矢印
１５２ 第１斜め衝撃波
１５４ 第２斜め衝撃波
１５６ 垂直衝撃波
Ｘ ｘ軸（第１半径方向寸法）
Ｙ ｙ軸（第２半径方向寸法）
Ｚ ｚ軸（軸方向寸法）
２００ グラフ
２０２ 縦軸（ｙ軸）
２０４ 横軸（ｘ軸）
２０６ 空気の始動曲線
２０８ 空気の定常動作曲線
３００ 超音速圧縮機始動支援システム
３０２ 複数の流体源
３０４ 第１（始動）流体源
３０６ 第２（定常）流体源
３０８ 流体制御装置
３１０ 制御システム
３２０ 表
３４０ グラフ
３４２ 縦軸（ｙ軸）
３４４ 横軸（ｘ軸）
３４６ ＣＯ2の始動曲線
３５０ グラフ
３５２ 縦軸（ｙ軸）
３５４ 横軸（ｘ軸）
３５６ ＳＦ6の始動曲線
３７０ グラフ
３７２ 縦軸（ｙ軸）
３７４ 横軸（ｘ軸）
３７６ ＣＨ4の始動曲線
３７８ ＣＨ4の定常動作曲線
３８０ Ｃ3Ｈ8の始動曲線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体入口（２６）と、
流体出口（２８）と、
前記流体入口と前記流体出口の間に延在する流体導管（３２）と、
前記流体導管内に配設され、スロート部分（１２４）を含む流体流路（８０）を備える少なくとも１つの超音速圧縮機ロータ（４０）と、
少なくとも１つの流体源（３０２／３０４／３０６）及び前記流体流路の流体流路入口（７６）と流体連通して連結された流体制御装置（３０８）と
を含み、
前記流体制御装置は、第１流体を前記流体流路入口に案内するように構成され、前記第１流体は、前記超音速圧縮機の第１動作モード中に前記流体流路の前記スロート部分において前記第１流体の超音速流の獲得を促進する第１の複数の流体特性を有し、前記流体制御装置は、更に第２流体を流体流路入口に案内するように構成され、前記第２流体は、前記流体流路の前記スロート部分において前記第２流体の超音速流の維持を可能にする第２の複数の流体特性を有する、超音速圧縮機（１０）。
【請求項２】
前記第１流体及び前記第２流体は、
異なる単一ガス、
異なるガス状混合物、
実質的に同様の単一ガス、
実質的に同様のガス状混合物、
その中に同伴された液体粒子及び固体粒子の少なくとも一方を含むガス、
その中に同伴された液体粒子及び固体粒子の少なくとも一方を含むガス状混合物の１つである、請求項１に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項３】
前記第１流体及び前記第２流体は、実質的に同様の単一ガス及び実質的に同様のガス状混合物の一方であり、前記第１流体は第１温度を有し、前記第２流体は第１温度とは異なる第２温度を有する、請求項１に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項４】
前記第１流体は、二酸化炭素（ＣＯ2）、六フッ化硫黄（ＳＦ6）、空気、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、及びブタン（Ｃ4Ｈ10）の少なくとも１つを含み、
前記第２流体は、空気、二酸化炭素（ＣＯ2）、窒素（Ｎ2）、メタン（ＣＨ4）、及び所定の重量パーセントのメタンを有する天然ガスの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項５】
前記第１の複数の流体特性は、第１音速値を含み、前記第２の複数の流体特性は、前記第１音速値よりも大きな第２音速値を含む、請求項１に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項６】
前記超音速圧縮機の前記第１動作モードは始動モードである、請求項１に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項７】
前記超音速圧縮機の前記第２動作モードは定常モードである、請求項１に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項８】
前記超音速圧縮機の前記流体制御装置（３０８）は、前記超音速圧縮機の前記第１動作モード中の前記第１流体の案内から、前記超音速圧縮機の前記第２動作モード中の前記第２流体の案内へ移行するように構成される、請求項１に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項９】
少なくとも１つの流体源（３０２／３０４／３０６）と、
前記少なくとも１つの流体源及び流体流路（８０）の流体流路入口（７６）と流体連通して連結された流体制御装置（３０８）と
を含み、
前記流体制御装置は、第１流体を前記流体流路入口に案内するように構成され、前記第１流体は、前記超音速圧縮機及び前記流体制御装置の第１動作モード中に前記流体流路のスロート部分（１２４）において前記第１流体の超音速流の獲得を促進する第１の複数の流体特性を有し、前記流体制御装置は、更に第２流体を前記流体流路入口に案内するように構成され、前記第２流体は、前記超音速圧縮機及び前記流体制御装置の第２動作モード中に前記流体流路の前記スロート部分において前記第２流体の超音速流の維持を可能にする第２の複数の流体特性を有する、超音速圧縮機始動支援システム（３００）。
【請求項１０】
前記第１流体及び前記第２流体は、
異なる単一ガス、
異なるガス状混合物、
実質的に同様の単一ガス、
実質的に同様のガス状混合物、
その中に同伴された液体粒子及び固体粒子の少なくとも一方を含むガス、
その中に同伴された液体粒子及び固体粒子の少なくとも一方を含むガス状混合物の１つである、請求項９に記載の超音速圧縮機始動支援システム（３００）。
【請求項１】
流体入口（２６）と、
流体出口（２８）と、
前記流体入口と前記流体出口の間に延在する流体導管（３２）と、
前記流体導管内に配設され、スロート部分（１２４）を含む流体流路（８０）を備える少なくとも１つの超音速圧縮機ロータ（４０）と、
少なくとも１つの流体源（３０２／３０４／３０６）及び前記流体流路の流体流路入口（７６）と流体連通して連結された流体制御装置（３０８）と
を含み、
前記流体制御装置は、第１流体を前記流体流路入口に案内するように構成され、前記第１流体は、前記超音速圧縮機の第１動作モード中に前記流体流路の前記スロート部分において前記第１流体の超音速流の獲得を促進する第１の複数の流体特性を有し、前記流体制御装置は、更に第２流体を流体流路入口に案内するように構成され、前記第２流体は、前記流体流路の前記スロート部分において前記第２流体の超音速流の維持を可能にする第２の複数の流体特性を有する、超音速圧縮機（１０）。
【請求項２】
前記第１流体及び前記第２流体は、
異なる単一ガス、
異なるガス状混合物、
実質的に同様の単一ガス、
実質的に同様のガス状混合物、
その中に同伴された液体粒子及び固体粒子の少なくとも一方を含むガス、
その中に同伴された液体粒子及び固体粒子の少なくとも一方を含むガス状混合物の１つである、請求項１に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項３】
前記第１流体及び前記第２流体は、実質的に同様の単一ガス及び実質的に同様のガス状混合物の一方であり、前記第１流体は第１温度を有し、前記第２流体は第１温度とは異なる第２温度を有する、請求項１に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項４】
前記第１流体は、二酸化炭素（ＣＯ2）、六フッ化硫黄（ＳＦ6）、空気、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、及びブタン（Ｃ4Ｈ10）の少なくとも１つを含み、
前記第２流体は、空気、二酸化炭素（ＣＯ2）、窒素（Ｎ2）、メタン（ＣＨ4）、及び所定の重量パーセントのメタンを有する天然ガスの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項５】
前記第１の複数の流体特性は、第１音速値を含み、前記第２の複数の流体特性は、前記第１音速値よりも大きな第２音速値を含む、請求項１に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項６】
前記超音速圧縮機の前記第１動作モードは始動モードである、請求項１に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項７】
前記超音速圧縮機の前記第２動作モードは定常モードである、請求項１に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項８】
前記超音速圧縮機の前記流体制御装置（３０８）は、前記超音速圧縮機の前記第１動作モード中の前記第１流体の案内から、前記超音速圧縮機の前記第２動作モード中の前記第２流体の案内へ移行するように構成される、請求項１に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項９】
少なくとも１つの流体源（３０２／３０４／３０６）と、
前記少なくとも１つの流体源及び流体流路（８０）の流体流路入口（７６）と流体連通して連結された流体制御装置（３０８）と
を含み、
前記流体制御装置は、第１流体を前記流体流路入口に案内するように構成され、前記第１流体は、前記超音速圧縮機及び前記流体制御装置の第１動作モード中に前記流体流路のスロート部分（１２４）において前記第１流体の超音速流の獲得を促進する第１の複数の流体特性を有し、前記流体制御装置は、更に第２流体を前記流体流路入口に案内するように構成され、前記第２流体は、前記超音速圧縮機及び前記流体制御装置の第２動作モード中に前記流体流路の前記スロート部分において前記第２流体の超音速流の維持を可能にする第２の複数の流体特性を有する、超音速圧縮機始動支援システム（３００）。
【請求項１０】
前記第１流体及び前記第２流体は、
異なる単一ガス、
異なるガス状混合物、
実質的に同様の単一ガス、
実質的に同様のガス状混合物、
その中に同伴された液体粒子及び固体粒子の少なくとも一方を含むガス、
その中に同伴された液体粒子及び固体粒子の少なくとも一方を含むガス状混合物の１つである、請求項９に記載の超音速圧縮機始動支援システム（３００）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−８２８２３（Ｐ２０１２−８２８２３Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２００２０（Ｐ２０１１−２２００２０）
【出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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