(57)【要約】ターボ圧縮機の再循環構造は、円環状チャンバと、該円環状チャンバの中に配設され該円環状チャンバの周方向に列設された多数のガイド部材とを備えている。前記円環状チャンバは翼輪の翼端の領域に設けられており、主流路の輪郭に対して径方向に隣接して位置している。前記ガイド部材は、前記円環状チャンバは、その前方領域及び／または後方領域において、周方向の流れを許容するように構成されている。前記ガイド部材は、その輪郭の一部分が前記円環状チャンバの少なくとも１つの壁部に固定接続しており、その輪郭のその他の部分が端縁を形成している。以上において、前記ガイド部材の端縁のうちの、前記円環状空間に面する端縁が、前記主流路の前記輪郭に一致して、及び／または、近接して位置しており、且つ、前記端縁が、前記翼端との間に軸方向の重なり部を有するか、または、前記翼端の領域に対して軸方向に隣接するようにして位置している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にガスタービンなどに用いるターボ圧縮機の再循環構造であって、該ターボ圧縮機の軸心に対して同心円状に配置された円環状チャンバと、該円環状チャンバ内に周方向に列設された多数のガイド部材とを備えており、前記円環状チャンバは翼輪の翼端の領域に設けられており、前記円環状チャンバの軸方向の中点が、前記翼輪の前記翼端の軸方向の中点より上流側に即ち前方に位置するようにしてあり、前記円環状チャンバは、主流路、即ち円環状空間の輪郭に対して径方向に隣接して位置しており、前記ガイド部材は、その前方領域及び／または後方領域において、周方向の流れを許容するように構成されており、さらに前記ガイド部材は、前記円環状チャンバの少なくとも１つの壁部に接合され、その接合部以外の部分が端縁を形成している、再循環構造において、
前記ガイド部材（３７〜４０、５６）の端縁のうちの、前記円環状空間に面する端縁（４１〜４４、５７）が、前記主流路（９、１０）の前記輪郭（１１、１２）に一致して、及び／または、近接して位置しており、且つ、前記端縁（４１〜４４、５７）が、前記翼輪の翼端（２５〜２８）と共に軸方向の重なり部（ＵＥ１〜ＵＥ４）を有するか、または、前記翼端（２５〜２８）の領域に対して軸方向に隣接するようにして位置していることを特徴とする再循環構造。
【請求項２】
前記翼端（２５〜２８）の軸方向長さ（ＬＳ）に対する、前記主流路（９、１０）の輪郭（１１、１２）上における前記円環状チャンバ（２９〜３２、５３）の軸方向長さ（ＬＲ）の比率が、０．２〜１．５の範囲内にあることを特徴とする請求項１記載の再循環構造。
【請求項３】
前記円環状チャンバ（２９〜３２、５３）の、軸方向長さ（ＬＲ）に対する径方向高さ（ＨＲ）の比率が、０．１〜１．０の範囲内にあることを特徴とする請求項１又は２記載の再循環構造。
【請求項４】
前記円環状チャンバ（２９〜３２、５３）の軸方向前方壁部（３３、５４）と軸方向後方壁部（３４、５５）とは、互いに同一の傾斜角、または、互いに異なった傾斜角（α）をもって、前記主流路（９）の輪郭（１１）上にあって周方向に延在する前記円環状チャンバの円形の縁部（３５、３６）から離れるにつれて上流側へ変位するように傾斜しており、即ち前方へ傾斜していることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項５】
前記円環状チャンバの前記軸方向前方壁部及び前記軸方向後方壁部の前記傾斜角（α）が径方向に対して３０°〜６０°の範囲内の角度であることを特徴とする請求項４記載の再循環構造。
【請求項６】
前記ガイド部材（３７〜４０、５６）は、タービン翼と同様に三次元的に彎曲した形状を有し、且つ、厚さが変化する所定の翼断面形状を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項７】
前記ガイド部材（３７〜４０、５６）は、軸方向から見たとき、周方向へ傾斜角（β）をもって傾斜して配設されているか、または、その傾斜角（β）が該ガイド部材（３７〜４０、５６）の長手方向において変化するように周方向に彎曲して形成されており、後者の場合、前記傾斜角（β）を、再循環の流れを前記円環状チャンバ（２９〜３２、５３）へ流入させることが、流体力学的に容易になるような、即ち、流体力学的に好適に行われるような傾斜角とすることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項８】
前記円環状空間に面する前記ガイド部材（３９）の前記端縁（４３）が、少なくとも前記翼端（２７）の領域において、径方向に引っ込んだ形状とされており、その引っ込み量が、前記ターボ圧縮機の通常運転時に、前記翼端（２７）と前記ガイド部材（３９）とが接触しない程度の引っ込み量であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項９】
前記ガイド部材（３７〜４０）が、例えば鋼、ニッケル合金、コバルト合金、アルミニウムをはじめとする各種軽金属材料などの金属材料で製作されているか、または、例えば熱可塑性プラスチック、熱硬化製プラスチック、弾性樹脂などの合成樹脂材料で製作されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項１０】
前記ガイド部材が軽金属材料または合成樹脂材料で製作されている場合に、前記円環状空間に面する前記ガイド部材（３７〜４０）の前記端縁（４１〜４４）が、運転中に前記翼端（２５〜２８）が接触し得る程度に、前記翼端（２５〜２８）に近接して位置していることを特徴とする請求項９記載の再循環構造。
【請求項１１】
前記ガイド部材（３７〜４０、５６）の前記前方領域及び／または前記後方領域に形成された開口部（５８、５９）を通過して周方向に流れる流れが発生するように構成することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項１２】
前記円環状チャンバ（２９〜３２、５３）並びに前記ガイド部材（３７〜４０、５６）が、それらを保持する部材（５〜７、８、５２）に一体的に設けられていることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項１３】
前記円環状チャンバ（２９〜３２、５３）と前記ガイド部材（３７〜４０、５６）とを組合せたものが、一体形成品として製作されているか、または、周方向に隣接して配設される少なくとも２個のセグメントとして製作されており、その一体形成品またはその少なくとも２個のセグメントが、それを収容する部材（５〜７、８、５２）に着脱可能に取付けられていることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項１４】
前記再循環構造が例えば精密鋳造法などの鋳造法によって製作されているか、或いは、機械加工法または電解加工法（ＥＣＭ）によって製作されていることを特徴とする請求項１２又は１３記載の再循環構造。
【請求項１５】
前記ガイド部材（３７〜４０）は、個別の部材として製作されているか、或いは、例えばガイド部材セグメントなどのように、幾つかの部材を組にした部材群として製作されており、前記円環状チャンバ（２９〜３２）の中に着脱可能に取付けられていることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項１６】
前記ガイド部材（３７〜４０）は、鍛造法または鋳造法によって、或いは、電解加工法（ＥＣＭ）及び／または機械加工法によって製作されていることを特徴とする請求項１５記載の再循環構造。
【請求項１７】
前記円環状チャンバ（２９〜３２）は、機械加工法によって、及び／または、鋳造法または鍛造法によって製作されていることを特徴とする請求項１５又は１６記載の再循環構造。
【請求項１８】
１つまたは複数のロータ翼輪（２０、２３、２４）の領域に、ケーシングに対して固定された、即ち静止した機構として、１つまたは複数の前記再循環構造が設けられ、及び／または、１つまたは複数のガイド翼輪（１５）の領域に、ハブに対して固定された、即ち回転する機構として、１つまたは複数の前記再循環構造が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１７の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項１９】
切欠部（４５〜５０）を通過して周方向に流れる流れが発生するようにしてあることを特徴とする請求項１乃至１８の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項２０】
前記円環状チャンバ（２９〜３２、５３）の前記前方領域において、或いは、前記円環状チャンバ（２９〜３２、５３）の前記前方領域と前記後方領域との両方において、前記ガイド部材（３７〜４０、５６）に形成された切欠部（４５〜５０）及び／または開口部（５８、５９）を通過して周方向に流れる流れが発生するようにしてあることを特徴とする請求項１乃至１９の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項２１】
請求項１乃至２０の何れか１項記載の再循環構造を少なくとも１つ備えたことを特徴とする軸流型、及び／または、斜流型、及び／または、遠心型のターボ圧縮機。
【請求項２２】
請求項２１記載のターボ圧縮機を備えたことを特徴とする航空機用エンジン。
【請求項２３】
請求項２１記載のターボ圧縮機を備えたことを特徴とする定置型ガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に記載した種類のターボ圧縮機の再循環構造に関し、また、ターボ圧縮機と、航空機用エンジンと、定置型ガスタービンとに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ圧縮機の再循環構造は、かなり以前から公知となっており、当業界においては、一般的に「ケーシングトリートメント」と呼ばれている。ターボ圧縮機の再循環構造の主目的は、ターボ圧縮機の空力学的に安定な動作領域を拡張して、いわゆるサージ限界を、その動作圧力領域の高圧側へ、即ち、その動作負荷領域の高負荷側へ移動させることにある。局所的な流れの剥離を発生させ最終的にはターボ圧縮機のサージを引き起こす原因となる流れの乱れが、１つの或いは幾つかの圧縮段において発生する場合、ケーシング側におけるその流れの乱れの発生箇所は、ロータ翼の翼端の領域であり、また、ハブ側におけるその流れの乱れの発生箇所は、ガイド翼の翼端の領域である。これら領域において流れの乱れが発生する理由は、これら領域において空力学的な負荷が最大となるからである。翼端同士の間を翼の回転速度で循環している運動エネルギの小さな「空気粒子」を、主流の中へ再循環させて、主流の運動エネルギを低下させることにより、翼端の領域における流れを安定化することができる。ただし、流れの乱れは、一般的に、圧縮段の全周において一様に発生するものではないため、略々軸方向に再循環させるだけでなく、周方向に均一化するための流れも発生し得るようにすべきである。従来公知の「ケーシングトリートメント」では、サージ限界を高圧側へ移動させることはできるが、そのために、ターボ圧縮機の効率が低下してしまうことが大きな短所となっていた。
【０００３】
特許文献１の特許請求の範囲には「ケーシングトリートメント」を備えた軸流ファンが記載されている。この軸流ファンは、円環状チャンバ（８）を備えており、この円環状チャンバの中に、多数のガイド部材（９）が固設されている。この円環状チャンバのうちの下流側領域である、ロータ翼の翼端より上方にある領域には、ガイド部材が延在しておらず、周方向に開放された領域となっている。この公報の「ケーシングトリートメント」は、主流路の輪郭に略々一致して配置された閉塞用の円環状部材（７）を備えており、この円環状部材は、この円環状部材の前方にある再循環構造の流出部と、後方にある再循環構造の流入部とを隔てる位置に配設されており、滑らかな閉塞表面領域を形成している。
【０００４】
特許文献２にも同様の「ケーシングトリートメント」が開示されており、この公報の「ケーシングトリートメント」では、円環状チャンバ（７）のうちの前方領域と後方領域とが、周方向に開放された領域となっている。また、円環状チャンバの径方向内方に、円環状部材６が設けられている。
【０００５】
特許文献３には、より新しい「ケーシングトリートメント」が開示されている。この公報の「ケーシングトリートメント」は、円環状チャンバ（１８、２８）及びガイド部材（２４）を、流体力学的に改善したものである。この公報の「ケーシングトリートメント」においても、再循環の流れの流入部と流出部とを隔てる位置に、中実の円環状部材が配設されており、この円環状部材が、タービン翼に対向する領域を閉塞する滑らかな閉塞表面領域を形成している。タービン翼の領域に配設されるこの種の円環状部材には、通常、始動時に翼端が接触してもよいように、接触対応コーティングないし始動時対応コーティングを設けておく必要がある。
【０００６】
軸方向に延在した複数本の溝、または、軸方向に対して傾斜した方向に延在した複数本の溝から成る「ケーシングトリートメント」も公知となっており、その一例は、特許文献４に開示されている。ただし、この種の「ケーシングトリートメント」においては、溝同士が接続されていないため、周方向に均一化するための流れは発生せず、従って本発明に関して考慮すべきものではない。
【０００７】
特許文献５の特許請求の範囲には、様々な形態の「ケーシングトリートメント」を備えた換気装置（ファン及びブロワ）が記載されている。この公報の図６に示された最も簡明な実施の形態は、円環状チャンバを備えているだけであり、ガイド部材は備えていない。図１に示された実施の形態及び図３に示された実施の形態では、円環状チャンバの中にガイド部材が取付けられている。また、上流側のケーシング壁部（２２）の延長部分である、円筒形ないし円錐形の短い管部が設けられており、この管部は、ガイド部材（２１）の径方向内方の端縁の位置を超えて延在しており、それによって、再循環の流れが、この円環状チャンバの上流側端部である前端部分からは主流路へ流入しないようにしている。図５に示されたガイド部材（２１）は、円環状チャンバの前方壁部及び外周壁部に接続されており、その他の部分は接続されずに端縁を形成している。この公報の「ケーシングトリートメント」は、多数のガイド部材を周方向に接続ないし被覆する管状ないし円環状の部材を備えてはいない。ガイド部材の径方向内方を向いた端縁は、前方から後方へ行くに従って、流入側ケーシング（１５）の直径に相当する高さから円環状チャンバ（１６）の最大直径に相当する高さにまで、その高さが増大している。また更に、ガイド部材の全長のうちの下流側部分と、翼端（１４）の全長のうちの上流側部分とが、軸方向に重なり部を有しており、その重なり部では、ガイド部材（２１）と翼端（１４）との間の径方向の間隙が大きくなっているため、再循環する空気の流れを効率的に、且つ、明確に案内することは不可能となっている。更に、ロータ翼の寸法と比べて円環状チャンバ（１６）の容積が大きいことも短所の１つである。このような形態のものは、空力学的にも、また構造力学的にも、ターボ圧縮機に用いるのには不適当である。
【特許文献１】独国特許発明第３３２２２９５号明細書
【特許文献２】独国特許発明第３５３９６０４号明細書
【特許文献３】米国特許第５，２８２，７１８号明細書
【特許文献４】米国特許第５，１３７，４１９号明細書
【特許文献５】米国特許第４，５１１，３０８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来の再循環構造における以上の様々な短所に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、圧縮機効率を低下させることなく、サージ限界を大幅に増加させることができ、従って、安定動作領域を格段に拡張することができる、ターボ圧縮機の再循環構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は、請求項１の前提部分に記載した一般的特徴に加えて更に、請求項１の特徴部分に記載した特徴を備えることにより、達成されるものである。
【００１０】
本発明における本質的な特徴は、ガイド部材の端縁のうちの、円環状空間に面する端縁が、主流路の輪郭に一致して、及び／または、近接して位置しており、且つ、前記端縁が、前記翼端との間に軸方向の重なり部を有するか、または、前記翼端の領域に対して軸方向に隣接するようにして位置していることにある。この構成によれば、翼端が接触して擦れてもよいように接触対応コーティング等を設けた円環状部材を備えておくことを必要としない。また、上記特許文献の記載から明らかなように、当業界においては従来一般的に、再循環構造を設計する際には、その再循環構造のうちの、主流路即ちいわゆる円環状空間に面する部分が、できるだけ長い部分に亘って滑らかで、できるだけ開口部が小さく、また、できるだけ覆われた状態にあるようにすることを目指していた。そのようにしていたのは、主流路の輪郭のできるだけ長い範囲に亘って、できるだけ損失が小さくなるようにし、それによって空力学的に優れた構成とするためであった。これに対して、本発明によれば、必然的に、大きな開口部が存在することになり、また、凹凸の甚だしい表面が存在することになるため、一見した限りでは、本発明の構成はあたかも欠点の多い、不都合なものであるかのように思われるかも知れない。しかしながら、実際に実験を行った結果、本発明に係る再循環構造は、サージ限界を高圧側へ移動させるという点でも、また、効率を改善するという点でも、公知の様々な構成を凌駕するものであることが確認された。これを空力学的に説明するならば、開放形状の円環状チャンバの中にガイド部材を立設し、更に、周方向の流れを許容する接続流路を設けたことによって、再循環の流れが、強制流動ではなく自然に発生するようにしたということが、主流路の輪郭のうち、開口部が存在しない部分をできるだけ長くすること以上に、大きな効果をもたらしているのである。更に、閉塞用の円環状部材を備えないことによって、更なる利点が得られており、それは、ガイド部材に、接触対応コーティングないし始動時対応コーティングを設ける必要がないということであり、これによって、径方向寸法における小型化と、軽量化とが達成されるという、構造上の利点が得られている。ただし、閉塞用の円環状部材を備えない構成でありながら、再循環の流れを明確に導くことができるのは、ガイド部材の端縁が翼端に比較的近接して位置していること、及び、ガイド部材の端縁が、翼端との間に軸方向に重なり部を有するか、または、少なくとも翼端の領域に対して隣接するようにして位置していることによるものである。そのようにした場合にのみ、ターボ圧縮機に適したコンパクトな「ケーシングトリートメント」が得られるのである。
【００１１】
翼端の軸方向長さに対する円環状チャンバの軸方向長さの比率は、０．２〜１．５の範囲内とすることが好ましい。翼の幅が広いために、翼端の軸方向長さが大きい場合には、この比率は０．２に近い値となり、逆に、翼の幅が狭いために、翼端の軸方向長さが小さい場合には、この比率は１．５に近い値となる。
【００１２】
１つの好適な実施の形態においては、円環状チャンバの軸方向長さに対する径方向高さの比率を、０．１〜１．０の範囲内とするようにしている。航空機用エンジンの場合には、占有容積や外形形状などに関する厳しい条件が存在するため、この比率をできるだけ小さくして、円環状チャンバの径方向高さを小さく抑えるようにする。一方、占有空間を十分に取ることのできる定置型ガスタービンなどでは、この比率を上限近くの大きな値にすることができる。また、円環状チャンバの軸方向長さを小さくする場合にも、この比率は上限近くの大きな値を取ることになる。
【００１３】
更に、円環状空間に面するガイド部材の端縁が、少なくとも翼端の領域において、径方向に引っ込んだ形状とされており、その引っ込み量が、ターボ圧縮機の通常運転時に、翼端とガイド部材とが接触しない程度の引っ込み量であるようにすることが好ましい。これは、ロータ翼の翼端がガイド部材の端縁に接触したならば、損傷を生じるおそれがある場合に備えたものであり、特に、ガイド部材が、可撓性に乏しい硬質の材料で製作されている場合に重要なことである。ここで、ガイド部材の端縁を引っ込ませるということは、ガイド部材の端縁を、主流路の輪郭に一致させ、または近接させて位置させるという要件と矛盾するものではなく、なぜならば、両者が接触しないようにする程度の小さな径方向の隙間は、それが存在していても、流体力学的には実際上、何の問題もなく、即ち、再循環の流れに対して何ら悪影響を及ぼすことはないからである。
【００１４】
従属請求項のうちには、請求項１に記載した再循環構造の好適な実施の形態に関する特徴を記載した請求項、特徴としてターボ圧縮機を記載した請求項、特徴として航空機用ガスタービンを記載した請求項、それに、特徴として定置型ガスタービンを記載した請求項がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照しつつ、本発明について更に詳細に説明して行く。尚、添付図面は簡略化して描いた図であって、正確な縮尺図ではない。
【００１６】
図１に示した再循環構造１は、ターボ圧縮機のケーシング５に一体的に設けられた再循環構造であり、「ケーシングトリートメント」と呼ばれているものである。タービン翼によって圧縮が行われる主流路９の流れ方向は、図中左側の矢印で示したように、左側から右側へ向かう方向である。図示した領域を流れる流れは、最初にガイド翼輪１３にあたり、続いてロータ翼輪２０にあたり、再びガイド翼輪１４にあたることになる。主流路９の径方向外方の輪郭１１は、ケーシング５の内径輪郭に沿ったものであり、一点差線で示したように、図示した領域の左側から右側へと続いている。固定側に設けられている再循環構造１は、ロータ翼輪２０と協働して機能し、この再循環構造１は、その全体の大部分が、ロータ翼輪２０より前方に、即ち上流側に位置している。再循環構造１は、円環状チャンバ２９と、多数のガイド部材３７とで構成されている。円環状チャンバ２９は、主流路９に対して径方向に隣接して位置しており、主流路９の径方向外方に設けられている。また、円環状チャンバ２９は、主流路９側に開放した形状となっている。ガイド部材３７の端縁４１は、主流路９の輪郭１１に一致して、または、近接して位置するようにしており、換言するならば、ケーシングの内径輪郭に少なくとも近似的に一致して位置するようにしている。ガイド部材３７は、金属材料で製作してもよく、合成樹脂材料で製作してもよい。金属材料としては、例えばニッケル系合金や、アルミニウムをはじめとする各種軽金属材料などを使用することができる。合成樹脂材料としては、例えば熱可塑性プラスチック、熱硬化製プラスチック、それに弾性樹脂などを使用することができる。円環状チャンバ２９の前方壁部３３及び後方壁部３４は、円環状チャンバ２９の径方向内方の縁部３５、３６から離れるほど前方へ変位するように傾斜させてあり、このように傾斜させてあるのは、再循環の流れの流れ方が、図中に矢印で示したような好ましい流れ方となるようにするためである。
【００１７】
図中にαで示したのは、円環状チャンバ２９の前方壁部３３の傾斜角であり、この前方壁部３３の傾斜角αは、後方壁部３４の傾斜角と同一としてもよく、異なった角度としてもよい。前方壁部３３とガイド部材３７との間、及び、ガイド部材３７と後方壁部３４との間に、夫々に切欠部４５、４６が形成されており、それら切欠部４５、４６は、主たる流れ方向が軸方向である再循環の流れが、円環状チャンバの中で、周方向にも流れ得るようにするために設けたものである。図中、参照番号２５で示したのは、ロータ翼輪２０の翼端であり、この翼端２５の領域が、流れの乱れの最も生じやすい領域である。尚、ガイド部材３７と翼端２５との軸方向の重なり部をＵＥ１で示した。
【００１８】
図１に対して、図２に示した再循環構造２は、回転するハブ８に一体的に設けられた再循環構造である。主流路１０の中には、左側から右側へ順番に、ロータ翼輪２１、ガイド翼輪１５、及びロータ翼輪２２が配設されており、ガイド翼輪１５の翼端２６は、径方向内方を向いた内端である。この種の再循環構造は、これまでにない新規な構成のものであるが、図１のものを「ケーシングトリートメント」と呼ぶのであれば、これは「ハブトリートメント」と呼ぶことができよう。再循環構造２は、円環状チャンバ３０と、多数のガイド部材３８とで構成されている。ガイド部材３８には、前方切欠部４７及び後方切欠部４８が形成されており、前方切欠部４７は前方壁部とガイド部材３８との間に、また後方切欠部４８はガイド部材３８と後方壁部との間に位置しており、そのためガイド部材３８は、円環状チャンバ３０の前方壁部と後方壁部とのいずれからも離隔している。再循環構造２は、ガイド翼輪１５と協働して機能し、このガイド翼輪１５は、その全体のうちの大部分が、再循環構造２よりも下流側に位置している。この構成においては、「ハブトリートメント」が回転するのに対して、ガイド翼輪１５が静止しているため、ロータ回転速度が、そのまま相対回転速度になる。この「ハブトリートメント」の作用は、「ケーシングトリートメント」の作用と基本的に同一である。１つのターボ圧縮機において、その複数の圧縮段に「ケーシングトリートメント」と「ハブトリートメント」とを組み合わせて用いることも可能である。図２の構成では、主流路の径方向内方の輪郭１２は、ハブ８の外径輪郭と一致している。図中、ＵＥ２で示したのは、ガイド部材３８とガイド翼輪１５の翼端２６との軸方向の重なり部である。また、ガイド部材３８は、円環状チャンバ３０の壁部に接合する接合部に丸みを付けてあり、これによって強度を増大させている。
【００１９】
図３は、図１に示した構成の一部分を、断面図によって詳細に示した図である。ガイド部材３７は、径方向に対して傾斜角βで傾斜しており、このように傾斜させたのは、ロータ翼輪２０の回転方向（矢印参照）を考慮して、このロータ翼輪２０の翼端２５が、円環状チャンバ２９の中へ再循環の流れを流入させる際に、大きな損失が生じないようにするためである。尚、適当に彎曲させたガイド部材を使用して、そのガイド部材の径方向内端から径方向外方へ行くにつれて傾斜角βを小さくしていき、径方向外端において傾斜角が０°になるようにしてもよい。
【００２０】
ガイド部材が完全に径方向に延在するようにすることも、即ち、β＝０°とすることも不可能ではないが、それは、流体力学的に好ましいものではない。
【００２１】
図４は、図３と同じ部分を示した図であり、図４には、ロータ翼輪２０の翼プロフィールを、その回転方向（矢印）と共に示し、また、ガイド部材３７の空力学的に好ましい翼プロフィール及び彎曲度の例を示した。当業者には容易に理解されるように、円環状チャンバ２９の上流側縁部３５の領域にある再循環の流れの流出部では、その再循環の流れの方向が、ロータ翼輪２０の回転方向と逆向きになるようにしてある。尚、参照番号３６が示しているのは、円環状チャンバの下流側縁部である。
【００２２】
図５に示した再循環構造３は、円環状チャンバ３１がケーシング６に一体的に設けられた「ケーシングトリートメント」である。この構成では、ガイド部材３９が、円環状チャンバ３１の前方壁部に至るまで延在している。一方、後方領域には切欠部４９が形成されており、この切欠部４９は、ロータ翼輪２３の翼端２７に近接した位置に設けられている。図中にＵＥ３で示したのは、ガイド部材３９と、ロータ翼輪２３の翼端２７との軸方向の重なり部である。また、ＬＲで示したのは、円環状チャンバ３１の軸方向長さであり、ＨＲで示したのは、円環状チャンバ３１の径方向高さである。更に、ＬＳで示したのは、翼端２７の軸方向長さである。ＬＳに対するＬＲの比率は、０．２〜１．５の範囲内とするのがよく、ＬＲに対するＨＲの比率は、０．１〜１．０の範囲内とするのがよい。この構成では、ガイド部材３９の端縁４３は、その全長のうちの翼端２７の回転領域に対応した部分が、径方向外方へ引っ込んだ形状とされており、このようにしたのは、接触を防止するためである。尚、参照番号１６及び１７で示したのはガイド翼輪である。
【００２３】
図６に示した、円環状チャンバ３２と多数のガイド部材４０とで構成された再循環構造４もまた、「ケーシングトリートメント」であり、ケーシング７に一体的に設けられており、ロータ翼輪２４と協働して機能するものである。図５に対して、図６の構成では、ガイド部材４０が円環状チャンバ３２の後方壁部に至るまで延在している。一方、この構成では、前方領域に切欠部５０が形成されており、従って、ガイド部材４０は、円環状チャンバ３２の前方壁部から離隔している。また、ガイド部材４０の端縁４４は、ロータ翼輪２４の翼端２８の回転領域に至るまで延在している。
【００２４】
図７に示した再循環構造５１では、以上に説明した実施の形態と異なる点として、円環状チャンバ５３内の周方向の流れを許容するために、ガイド部材５６の前方領域と後方領域とに、その全周が囲繞されている開口部５８、５９を形成したということがある。この構成では、補強用のウエブ６０、６１が存在しており、ガイド部材５６は、それらウエブ６０、６１を介して、ケーシング５２に設けられた円環状チャンバ５３の前方壁部５４と後方壁部５５とに強固に接続されている。尚、２つの開口部５８、５９のうちの一方を、以上に説明した切欠部に替えてもよく、その場合には、ガイド部材５６が、円環状チャンバ５３の前方壁部または後方壁部から離隔した構成となる。また、いうまでもなく明らかなことであるが、ガイド部材の前方領域と後方領域との一方だけに、開口部５８ないし５９を形成するようにしてもよい。
【００２５】
以上に説明した再循環構造のどの実施の形態においても、ガイド部材３７〜４０、５６を、軟質の軽金属材料または合成樹脂材料で製作する場合には、ガイド部材３７〜４０、５６の端縁４１〜４４、５７を、径方向へ引っ込ませた形状とする必要はなく、なぜならば、その種の材料で製作したガイド部材は、ロータ翼やガイド翼の翼端２５〜２８と接触しても、そのロータ翼ないしガイド翼を損傷させるおそれがないからである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】軸流型ターボ圧縮機の部分縦断面図であり、ケーシング側に設けられた再循環構造の領域を示した図である。
【図２】図１と同様の縦断面図であり、ハブ側に設けられた再循環構造の領域を示した図である。
【図３】図１に示した再循環構造の部分横断面図である。
【図４】図１及び図３に示した再循環構造の一部分を径方向内方から見た図である。
【図５】ケーシング側に設けられた再循環構造の領域を示した縦断面図であり、この再循環構造は、図１に示した再循環構造に変更を加えたものである。
【図６】ケーシング側に設けられた再循環構造の領域を示した縦断面図であり、この再循環構造は、図１ないし図５に示した再循環構造に変更を加えたものである。
【図７】ケーシング側に設けられた再循環構造の領域を示した縦断面図であり、この再循環構造は、更なる変更を加えたものである。
【符号の説明】
【００２７】
１〜４、５１      再循環構造
９、１０          主流路
２５〜２８        翼端
２９〜３２、５３  円環状チャンバ
３７〜４０、５６  ガイド部材
４１〜４４、５７  ガイド部材の端縁
【図１】
2005536687.tif 000003
【図２】
2005536687.tif 000004
【図３】
2005536687.tif 000005
【図４】
2005536687.tif 000006
【図５】
2005536687.tif 000007
【図６】
2005536687.tif 000008
【図７】
2005536687.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成16年12月11日(2004.12.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にガスタービンなどに用いるターボ圧縮機の再循環構造であって、該ターボ圧縮機の軸心に対して同心円状に配置された円環状チャンバと、該円環状チャンバ内に周方向に列設された多数のガイド部材とを備えており、前記円環状チャンバは翼輪の翼端の領域に設けられており、前記円環状チャンバの軸方向の中点が、前記翼輪の前記翼端の軸方向の中点より上流側に即ち前方に位置するようにしてあり、前記円環状チャンバは、主流路、即ち円環状空間の輪郭に対して径方向に隣接して位置しており、前記ガイド部材は、その前方領域及び／または後方領域において、周方向の流れを許容するように構成されており、さらに前記ガイド部材は、前記円環状チャンバの少なくとも１つの壁部に接合され、その接合部以外の部分が端縁を形成している、再循環構造において、
前記ガイド部材（３７〜４０、５６）の端縁のうちの、前記円環状空間に面する端縁（４１〜４４、５７）が、前記主流路（９、１０）の前記輪郭（１１、１２）に一致して、及び／または、近接して位置しており、且つ、前記端縁（４１〜４４、５７）が、前記翼輪の翼端（２５〜２８）と共に軸方向の重なり部（ＵＥ１〜ＵＥ４）を有するか、または、前記翼端（２５〜２８）の領域に対して軸方向に隣接するようにして位置しており、更に、前記翼端（２５〜２８）の軸方向長さ（ＬＳ）に対する、前記主流路（９、１０）の輪郭（１１、１２）上における前記円環状チャンバ（２９〜３２、５３）の軸方向長さ（ＬＲ）の比率が、０．２〜１．５の範囲内にあることを特徴とする再循環構造。
【請求項２】
前記円環状チャンバ（２９〜３２、５３）の、軸方向長さ（ＬＲ）に対する径方向高さ（ＨＲ）の比率が、０．１〜１．０の範囲内にあることを特徴とする請求項１記載の再循環構造。
【請求項３】
前記円環状チャンバ（２９〜３２、５３）の軸方向前方壁部（３３、５４）と軸方向後方壁部（３４、５５）とは、互いに同一の傾斜角、または、互いに異なった傾斜角（α）をもって、前記主流路（９）の輪郭（１１）上にあって周方向に延在する前記円環状チャンバの円形の縁部（３５、３６）から離れるにつれて上流側へ変位するように傾斜しており、即ち前方へ傾斜していることを特徴とする請求項１又は２記載の再循環構造。
【請求項４】
前記円環状チャンバの前記軸方向前方壁部及び前記軸方向後方壁部の前記傾斜角（α）が径方向に対して３０°〜６０°の範囲内の角度であることを特徴とする請求項３記載の再循環構造。
【請求項５】
前記ガイド部材（３７〜４０、５６）は、タービン翼と同様に三次元的に彎曲した形状を有し、且つ、厚さが変化する所定の翼断面形状を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項６】
前記ガイド部材（３７〜４０、５６）は、軸方向から見たとき、周方向へ傾斜角（β）をもって傾斜して配設されているか、または、その傾斜角（β）が該ガイド部材（３７〜４０、５６）の長手方向において変化するように周方向に彎曲して形成されており、後者の場合、前記傾斜角（β）を、再循環の流れを前記円環状チャンバ（２９〜３２、５３）へ流入させることが、流体力学的に容易になるような、即ち、流体力学的に好適に行われるような傾斜角とすることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項７】
前記円環状空間に面する前記ガイド部材（３９）の前記端縁（４３）が、少なくとも前記翼端（２７）の領域において、径方向に引っ込んだ形状とされており、その引っ込み量が、前記ターボ圧縮機の通常運転時に、前記翼端（２７）と前記ガイド部材（３９）とが接触しない程度の引っ込み量であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項８】
前記ガイド部材（３７〜４０）が、例えば鋼、ニッケル合金、コバルト合金、アルミニウムをはじめとする各種軽金属材料などの金属材料で製作されているか、または、例えば熱可塑性プラスチック、熱硬化製プラスチック、弾性樹脂などの合成樹脂材料で製作されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項９】
前記ガイド部材が軽金属材料または合成樹脂材料で製作されている場合に、前記円環状空間に面する前記ガイド部材（３７〜４０）の前記端縁（４１〜４４）が、運転中に前記翼端（２５〜２８）が接触し得る程度に、前記翼端（２５〜２８）に近接して位置していることを特徴とする請求項８記載の再循環構造。
【請求項１０】
前記ガイド部材（３７〜４０、５６）の前記前方領域及び／または前記後方領域に形成された開口部（５８、５９）を通過して周方向に流れる流れが発生するように構成することを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項１１】
前記円環状チャンバ（２９〜３２、５３）並びに前記ガイド部材（３７〜４０、５６）が、それらを保持する部材（５〜７、８、５２）に一体的に設けられていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項１２】
前記円環状チャンバ（２９〜３２、５３）と前記ガイド部材（３７〜４０、５６）とを組合せたものが、一体形成品として製作されているか、または、周方向に隣接して配設される少なくとも２個のセグメントとして製作されており、その一体形成品またはその少なくとも２個のセグメントが、それを収容する部材（５〜７、８、５２）に着脱可能に取付けられていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項１３】
前記再循環構造が例えば精密鋳造法などの鋳造法によって製作されているか、或いは、機械加工法または電解加工法（ＥＣＭ）によって製作されていることを特徴とする請求項１１又は１２記載の再循環構造。
【請求項１４】
前記ガイド部材（３７〜４０）は、個別の部材として製作されているか、或いは、例えばガイド部材セグメントなどのように、幾つかの部材を組にした部材群として製作されており、前記円環状チャンバ（２９〜３２）の中に着脱可能に取付けられていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項１５】
前記ガイド部材（３７〜４０）は、鍛造法または鋳造法によって、或いは、電解加工法（ＥＣＭ）及び／または機械加工法によって製作されていることを特徴とする請求項１４記載の再循環構造。
【請求項１６】
前記円環状チャンバ（２９〜３２）は、機械加工法によって、及び／または、鋳造法または鍛造法によって製作されていることを特徴とする請求項１４又は１５記載の再循環構造。
【請求項１７】
１つまたは複数のロータ翼輪（２０、２３、２４）の領域に、ケーシングに対して固定された、即ち静止した機構として、１つまたは複数の前記再循環構造が設けられ、及び／または、１つまたは複数のガイド翼輪（１５）の領域に、ハブに対して固定された、即ち回転する機構として、１つまたは複数の前記再循環構造が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１６の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項１８】
切欠部（４５〜５０）を通過して周方向に流れる流れが発生するようにしてあることを特徴とする請求項１乃至１７の何れか１項記載の再循環構造。
【請求項１９】
前記円環状チャンバ（２９〜３２、５３）の前記前方領域において、或いは、前記円環状チャンバ（２９〜３２、５３）の前記前方領域と前記後方領域との両方において、前記ガイド部材（３７〜４０、５６）に形成された切欠部（４５〜５０）及び／または開口部（５８、５９）を通過して周方向に流れる流れが発生するようにしてあることを特徴とする請求項１乃至１８の何れか１項記載の再循環構造。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に記載した種類のターボ圧縮機の再循環構造に関する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
特許文献３には、より新しい「ケーシングトリートメント」が開示されている。この公報の「ケーシングトリートメント」は、円環状チャンバ（１８、２８）及びガイド部材（２４）を、流体力学的に改善したものである。この公報の「ケーシングトリートメント」においても、再循環の流れの流入部と流出部とを隔てる位置に、中実の円環状部材が配設されており、この円環状部材が、タービン翼に対向する領域を閉塞する滑らかな閉塞表面領域を形成している。タービン翼の領域に配設されるこの種の円環状部材には、通常、始動時に翼端が接触してもよいように、接触対応コーティングないし始動時対応コーティングを設けておく必要がある。
特許文献４には、タービン翼の領域に配設した円環状部材の、そのタービン翼に対向する表面に、始動時対応コーティングを設けた「ケーシングトリートメント」が開示されている。この公報の構成では、円環状部材は「第３円弧形部材」（４６）と呼ばれており、始動時対応コーティングは「摩耗材料層」（７２）と呼ばれている。また、ガイド部材は「ベーンウォール」（６４）と呼ばれており、多数のガイド部材が、円環状部材（４６）の外周面と、前端（７８）と、後端（８０）とに、放射状に設けられている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
軸方向に延在した複数本の溝、または、軸方向に対して傾斜した方向に延在した複数本の溝から成る「ケーシングトリートメント」も公知となっており、その一例は、特許文献５に開示されている。ただし、この種の「ケーシングトリートメント」においては、溝同士が接続されていないため、周方向に均一化するための流れは発生せず、従って本発明に関して考慮すべきものではない。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
特許文献６の特許請求の範囲には、様々な形態の「ケーシングトリートメント」を備えた換気装置（ファン及びブロワ）が記載されている。この公報の図６に示された最も簡明な実施の形態は、円環状チャンバを備えているだけであり、ガイド部材は備えていない。図１に示された実施の形態及び図３に示された実施の形態では、円環状チャンバの中にガイド部材が取付けられている。また、上流側のケーシング壁部（２２）の延長部分である、円筒形ないし円錐形の短い管部が設けられており、この管部は、ガイド部材（２１）の径方向内方の端縁の位置を超えて延在しており、それによって、再循環の流れが、この円環状チャンバの上流側端部である前端部分からは主流路へ流入しないようにしている。図５に示されたガイド部材（２１）は、円環状チャンバの前方壁部及び外周壁部に接続されており、その他の部分は接続されずに端縁を形成している。この公報の「ケーシングトリートメント」は、多数のガイド部材を周方向に接続ないし被覆する管状ないし円環状の部材を備えてはいない。ガイド部材の径方向内方を向いた端縁は、前方から後方へ行くに従って、流入側ケーシング（１５）の直径に相当する高さから円環状チャンバ（１６）の最大直径に相当する高さにまで、その高さが増大している。また更に、ガイド部材の全長のうちの下流側部分と、翼端（１４）の全長のうちの上流側部分とが、軸方向に重なり部を有しており、その重なり部では、ガイド部材（２１）と翼端（１４）との間の径方向の間隙が大きくなっているため、再循環する空気の流れを効率的に、且つ、明確に案内することは不可能となっている。更に、ロータ翼の寸法と比べて円環状チャンバ（１６）の容積が大きいことも短所の１つである。このような形態のものは、空力学的にも、また構造力学的にも、ターボ圧縮機に用いるのには不適当である。
【特許文献１】独国特許発明第３３２２２９５号明細書
【特許文献２】独国特許発明第３５３９６０４号明細書
【特許文献３】米国特許第５，２８２，７１８号明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開第０７１９９０７号明細書
【特許文献５】米国特許第５，１３７，４１９号明細書
【特許文献６】米国特許第４，５１１，３０８号明細書
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
翼端の軸方向長さに対する円環状チャンバの軸方向長さの比率は、０．２〜１．５の範囲内としている。翼の幅が広いために、翼端の軸方向長さが大きい場合には、この比率は０．２に近い値となり、逆に、翼の幅が狭いために、翼端の軸方向長さが小さい場合には、この比率は１．５に近い値となる。


【国際調査報告】
2005536687.tif 000010
2005536687.tif 000011
2005536687.tif 000012
2005536687.tif 000013