(57)【要約】  システムは、ある実施形態において、軸方向について互いに対向する側を規定する、第１の面および第２の面を含む流路を有する、遠心圧縮機のディフューザを備える。また、遠心圧縮機のディフューザは、流路の第１の面から第２の面まで延びる複数のベーンを有する。ベーンの各々の第１の輪郭は、軸方向に沿って変化する。遠心圧縮機のディフューザは、第１の面から第２の面に向かって軸方向に延びる複数のベーンレットをさらに有する。ベーンレットの各々の第１の軸方向範囲は、流路の第２の軸方向範囲よりも小さい。さらに、ベーンレットの各々の第２の輪郭は、軸方向に沿って変化し、および／または、複数のベーンレットは、流路の周囲に亘って非周期的パターン、またはその組み合わせを形成する。
2013519035.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向について互いに対向する側を規定する、第１の面および第２の面を含む流路と、
前記流路の前記第１の面から前記第２の面まで延びる複数のベーンと、
前記第１の面から前記第２の面に向かって軸方向に延びる複数のベーンレットと、を有し、
前記ベーンの各々の第１の輪郭は、軸方向に沿って変化し、
前記ベーンレットの各々の第１の軸方向範囲は、前記流路の第２の軸方向範囲よりも小さく、
前記ベーンレットの各々の第２の輪郭は、軸方向に沿って変化し、
前記複数のベーンレットは、前記流路の周囲に亘って非周期的パターン、またはその組み合わせを形成する、遠心圧縮機のディフューザを備える、システム。
【請求項２】
前記第１の面は、シュラウド側取り付け面を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ベーンレットの各々の第１の軸方向範囲は、前記流路の第２の軸方向範囲の約２５％よりも小さい、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記ベーンレットの各々の第２の輪郭は、軸方向に沿って変化し、且つ、前記複数のベーンレットは、前記流路の周囲に亘って非周期的パターンを形成する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記ベーンレットの各々の、前端部の第１の曲率半径、後端部の第２の曲率半径、曲線角度、子午線長さ、またはそれらの組み合わせは、軸方向に沿って変化する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ベーンレットの第１の総数は、前記ベーンの第２の総数に等しい、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記ベーンレットの各々は、互いに隣接する前記ベーンのそれぞれの組の間に周方向に配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記複数のベーンレットの少なくとも一部は、流体の流れと、少なくとも１つの前記ベーンの前端部との間の入射角を小さくするために、少なくとも１つの前記ベーンの近傍の流体の流れを変えるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記遠心圧縮機のディフューザを有する遠心圧縮機を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
ディフューザの流路の第２の軸方向範囲よりも小さな第１の軸方向範囲を有し、
その輪郭が軸方向に沿って変化する、遠心圧縮機のディフューザのベーンレットを備える、システム。
【請求項１１】
前記遠心圧縮機のディフューザのベーンレットの前記第１の軸方向範囲は、前記流路の第２の軸方向範囲の約２５％よりも小さい、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記遠心圧縮機のディフューザのベーンレットの、前端部の第１の曲率半径、後端部の第２の曲率半径、曲線角度、子午線長さ、またはこれらの組み合わせは、軸方向に沿って変化する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記流路の周りに環状配列として配置された複数のベーンレットを有する、遠心圧縮機のディフューザを備える、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
前記複数のベーンレットは、流路の周囲に亘って非周期的パターンを形成する、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
軸方向について互いに対向する側を規定する、第１の面および第２の面を含む流路と、
前記流路の前記第１の面から前記第２の面まで延びる複数のベーンと、
前記第１の面から前記第２の面に向けて軸方向に延びる複数のベーンレットと、を有し、
前記ベーンの各々の第１の輪郭は、軸方向に沿って変化し、
前記ベーンレットの各々の第１の軸方向範囲は、前記流路の第２の軸方向範囲よりも小さく、
前記複数のベーンレットは、前記流路の周囲に亘って非周期的パターンを形成する、遠心圧縮機のディフューザを備える、システム。
【請求項１６】
前記非周期的パターンは、非対称な形状、非対称な向き、またはそれらの組み合わせを有する、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記非周期的パターンは、前記非対称な形状を有し、
前記非対称な形状は、第１のベーンレットと第２のベーンレットとの間における、子午線長さの変化、曲線角度の変化、周方向軸に対する向き角度の変化、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記非周期的パターンは、前記非対称な向きを有し、
前記非対称な向きは、第１のベーンレットと第２のベーンレットとの間における、径方向位置の変化、等間隔に離隔した基準点に対する周方向位置の変化、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記ベーンレットの各々の第１の軸方向範囲は、前記流路の第２の軸方向範囲の約２５％よりも小さい、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２０】
前記ベーンレットの各々の第２の輪郭は、軸方向に沿って変化する、請求項１５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１０年２月５日付けで出願された「Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ  Ｄｉｆｆｕｓｅｒ  Ｖａｎｅｌｅｔ」という名称の米国仮特許出願第１２／７０１，４４６号に対する優先権を主張するものであり、この特許出願の内容は、本引用により、その全てが本明細書に包含される。
【背景技術】
【０００２】
本節は、以下に記述及び／又は特許請求する本発明の様々な態様に関連する技術の様々な局面を読者に紹介することを目的としている。この記述内容は、本発明の様々な態様を十分に理解できるようにするための背景情報を読者に提供するのに有用であると思われる。従って、これらの内容は、この観点において読まれるべきものであって、従来技術の認定として読まれるべきものではないことを理解されたい。
【０００３】
遠心圧縮機は、加圧された流体の流れを、様々な用途に提供するために利用され得る。このような圧縮機は、典型的には、羽根車を含み、該羽根車は、電動機、内燃機関、または回転出力を提供するように構成された他の駆動装置によって、回転駆動される。羽根車が回転するにつれて、軸方向に流入する流体は、周方向および径方向に向けて加速され、吐き出される。次いで、この高速の流体は、ディフューザに流入し、該ディフューザにより、流体の速度水頭が圧力水頭に変換される（即ち、流速が低下し、流圧が上昇する）。次いで、ボリュートまたはスクロールが、径方向外側に向けた流れを収集し、この流れを導管内に導く。このようにして、遠心圧縮機は、高圧の流体出力を生成する。段の全体的な効率は、羽根車、ディフューザ、およびボリュートまたはスクロールの性能と、これらの構成要素の間の相互作用の関数となる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】本発明のある実施形態に係る、ベーンレットを有するディフューザを備えた遠心圧縮機の斜視図であり、該ベーンレットは、羽根車からの流体の流れと、ディフューザベーンの前端部との間の入射角を小さくするように構成されている。
【図２】本発明のある実施形態に係る遠心圧縮機を、図１の線２−２で切断した断面図である。
【図３】本発明のある実施形態に係る、図１の遠心圧縮機において利用され得るディフューザの斜視図であり、シュラウド側の取り付け面の周囲に配置された複数のベーンおよびベーンレットを示している。
【図４】図３の線４−４で示された、本発明のある実施形態に係るディフューザの一部を軸方向から見た部分図であり、ディフューザを通過する流体の流れを示している。
【図５】本発明のある実施形態に係るディフューザを、図３の線５−５で切断した子午断面図であり、ディフューザベーンの輪郭を示している。
【図６】本発明のある実施形態に係るディフューザベーンの輪郭を図５の線６−６から見た平面図である。
【図７】本発明のある実施形態に係るディフューザベーンを、図５の線７−７で切断した断面図である。
【図８】本発明のある実施形態に係るディフューザベーンを、図５の線８−８で切断した断面図である。
【図９】図３に示す本発明のある実施形態に係るディフューザを軸方向から見た図であり、ベーンレットが周期的構成として配置されている状態を示す。
【図１０】図９の線１０−１０で示されている、本発明のある実施形態に係るディフューザの部分斜視図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係るディフューザを軸方向から見た図であり、ベーンレットが非周期的構成として配置され、且つ、ベーンが省略された状態を示す。
【図１２】本発明の他の実施形態に係るディフューザを、図１１の線１２−１２で切断した子午断面図であり、ディフューザベーンレットの輪郭を示している。
【図１３】本発明の他の実施形態に係るディフューザベーンレットを、図１２の線１３−１３から見た平面図である。
【図１４】本発明の他の実施形態に係るディフューザベーンレットを、図１２の線１４−１４で切断した断面図である。
【図１５】本発明の他の実施形態に係るディフューザベーンレットを、図１２の線１５−１５で切断した断面図である。
【図１６】本発明のさらなる他の実施形態に係るディフューザを軸方向から見た図であり、ベーンレットは、非周期的構成として配置され、且つ、軸方向に沿って一定となる輪郭を有している。
【図１７】本発明のさらなる他の実施形態に係るディフューザを、図１６の線１７−１７で切断した子午断面図であり、ディフューザベーンレットの輪郭を示している。
【図１８】本発明のさらなる他の実施形態に係るディフューザベーンレットを、図１７の線１８−１８から見た平面図である。
【図１９】本発明のさらなる他の実施形態に係るディフューザベーンレットを、図１７の線１９−１９で切断した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
本発明の様々な特徴、態様、および利点については、添付図面との関連において以下の詳細な説明を参照することにより、十分に理解することができよう。添付の図面においては、同一の符号によって同一の部分を表している。
【０００６】
以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これら説明された実施形態は、本発明を例示するものに過ぎない。また、これらの例示的な実施形態の説明を簡潔にするために、本明細書においては、実際の実装の特徴のすべてを説明しない場合がある。そのような実際の実装を開発する際には、あらゆる工学または設計プロジェクトと同様に、実装ごとに異なり得るシステムおよびビジネスに関連した制約の順守といった、開発者の特定の目標を実現するために、多数の実装固有の決定を下さなければならないことを理解されたい。更には、このような開発作業は、複雑且つ時間を所要する作業となるが、それにも関わらず、本開示の利益を享受する当業者にとっては、この開発作業は、通常の設計、組立、および製造の作業となるであろうことを理解されたい。
【０００７】
ある構成において、ディフューザは、ディフューザ効率を向上させるように構成された、一連のベーンを有する。あるディフューザは、羽根車からの流れの変動と適合するように構成された３次元ベーンを有していてもよい。例えば、羽根車からの流体の流れの角度は、軸方向に沿って変化し得る。その結果として、各ベーンの前端部は、特に、流体の流れの角度に適合するように形成されてもよい。これにより、流体の流れとベーンとの間の入射角を減少させることができる。理解されるように、ディフューザのシュラウド側に近接する流体の流れの角度は、軸方向の流れ態様の残りの部分全体の流体流れと、大きく異なり得る。したがって、ディフューザのシュラウド側近傍の流体流れの角度に適合するように、各ベーンの前端部を適切に形成することは、実行不可能となる場合がある。その結果として、入射角は、シュラウド部材近傍の領域内において増加し得る。これにより、ディフューザ効率が低下してしまうこととなる。
【０００８】
本開示に係る実施形態は、流体の流れとベーンの前端部との間の入射角を小さくするためのベーンレットを用いることによって、ディフューザ効率を向上させ得るものである。本実施形態においては、ベーンとベーンレットの双方が、軸方向に延在し、ディフューザの流路内へ向けて延びている。ベーンの軸方向範囲は、流路の軸方向範囲と実質等しい。例えば、ベーンは、流路のハブ側からシュラウド側まで延びていてもよい。それとは対照的に、ベーンレットの軸方向範囲は、流路の軸方向範囲よりも小さい。したがって、流路のシュラウド側に連結されたベーンレットは、ハブ側と接触せず、且つ、流路のハブ側に連結されたベーンレットは、シュラウド側と接触しない。ある実施形態においては、ディフューザは、複数のベーンレットを備えており、各ベーンレットの輪郭は、軸方向に沿って変化する（例えば、３次元ベーンレット）。そして、該ベーンレットは、流路の周囲に亘って非周期的なパターン（例えば、周方向に非対称）を形成している（または、それらの組み合わせとなっている）。また、ディフューザは、軸方向に沿って変化する輪郭を有する、複数のベーン（例えば、３次元ベーン）を備えていてもよい。３次元ベーン、３次元ベーンレット、および／または非周期的ベーンレットを組み合わせることによって、羽根車からの流体の流れにおける周方向および／または軸方向の変動と実質適合することから、ディフューザ効率を向上させ得る。
【０００９】
図１は、圧縮された流体の流れを出力するように構成された遠心圧縮機１０の斜視図を示す。特に、遠心圧縮機１０は、複数のブレード１４を有する羽根車１２を備える。羽根車１２が、外部動力源（例えば、電動モータ、内燃機関等）によって、周方向に回転駆動されるにつれて、圧縮性流体１８は、軸方向２０に沿ってブレード１４内に引き込まれる。そして、圧縮性流体１８は、羽根車１２の周囲に配置されたディフューザ２４に向けて、径方向に加速される。ディフューザ２４は、羽根車１２からの高速の流体の流れを、高圧の流れへと変換する（すなわち、動水頭から圧力水頭へと変換する）。ある実施形態においては、シュラウド部材（図示せず）が、ディフューザ２４に直接的に隣接して位置決めされており、羽根車１２からの流体の流れを、スクロールまたはボリュート２６へと導くように機能する。スクロール２６は、チャンバを有しており、該チャンバは、圧縮性流体１８を収集し、圧縮性流体１８を排出口２８に向けて導くように構成されている。ある実施形態においては、このチャンバの直径は、周方向１６に沿って拡径しており、これにより、動水頭から圧力水頭へとさらに変換することができる。
【００１０】
本実施形態においては、ディフューザ２４は、隣接するベーン近傍の流体の流れの方向を変えるように構成された、複数のベーンレットを有する。これにより、流体の流れとベーンの前端部との間の入射角を小さくすることができる。例えば、ベーンレットは、軸方向および／または周方向への流体の流れの変動に関わらず、流体の流れを、ベーンに対して適切に整列させ得る。理解されるように、入射角を小さくことによって、ベーンの効率が向上し、これにより、ディフューザ２４の全体的な効率を向上させることができる。この構成により、結果として、全体的な圧縮機の効率が、０．５％、１．０％、１．５％、またはそれ以上の割合で向上し得る。下記に詳細に説明するように、あるベーンレットは、ベーンレットの範囲に沿った入射角の変化をもたらす３次元形状を有する。さらなる実施形態は、スクロール２６の存在によって流れ場に生じる周方向への変動を補うために、非周期的な配列でディフューザの流路の周りに周方向に配置されたベーンレットを備える。
【００１１】
図２は、遠心圧縮機１０を図１の線２−２で切断した断面図である。前述したように、圧縮性流体１８は、軸方向２０に沿って羽根車１２内に流れ込み、ディフューザ２４に向けて径方向２２に加速される。ディフューザ２４は、動水頭を圧力水頭へと変換し、これにより、スクロール２６内に流入する高圧の流体３０の流れが形成される。特に、流体３０は、ディフューザの流路３２を通過する。ここで、この流路３２は、軸方向一方側のシュラウド側取り付け面３４と、軸方向反対側のハブ側取り付け面３６とによって規定されている。図示されているように、ハブ側取り付け面３６は、羽根車１２のハブ３８に隣接して位置決めされている。同様に、シュラウド側取り付け面３４は、シュラウド部材（図示せず）に隣接して位置決めされている。
【００１２】
図示された実施形態において、ディフューザ２４は、該ディフューザ２４の効率を向上させるように構成されたベーンレット４２および一連のベーン４０を有する。下記に詳細に説明するように、ベーン４０および／またはベーンレット４２は、環状配列として、流路３２の周りに周方向に配置されている。図示されているように、各ベーン４０の軸方向範囲４４は、流路３２の軸方向範囲４６（すなわち、シュラウド側取り付け面３４からハブ側取り付け面３６）に等しい。ベーン４０は、シュラウド側取り付け面３４、ハブ側取り付け面３６、または、取り付け面３４および３６の双方に固定されてもよい。
【００１３】
ベーン４０とは対照的に、ベーンレット４２の軸方向範囲４８は、流路３２の軸方向範囲４６よりも小さい。例えば、ある実施形態においては、ベーンレット４２の軸方向範囲４８は、流路３２の軸方向範囲４６の約５０％、約４５％、約３５％、約３０％、約２５％、約２０％、約１５％、約１０％、約５％（または、それ以下）の割合よりも小さくてもよい。本実施形態においては、ベーンレット４２は、シュラウド側取り付け面３４に取り付けられている。しかしながら、代替的な実施形態においては、ベーンレット４２は、ハブ側取り付け面３６に取り付けられてもよい。
【００１４】
下記に詳細に説明するように、ベーンレット４２は、ベーン４０の前端部と流体の流れとの間の入射角を小さくするために、羽根車からの流体３０の流れの方向を変えるように構成され得る。その結果、ディフューザ効率は、ベーンレット４２が設けられていない構成に比べて、向上し得る。また、ベーンレット４２は、流路３２の軸方向範囲全域を横断するものではないので、全域に亘る高さを有するベーンと比べた場合、チョーク流れの動作を改善し得る。さらに、ベーンレット４２の軸方向範囲を小さくすることによって、羽根車１２に向かって圧力波を反射してしまう可能性を低減することも可能となる。なお、このような圧力波の反射は、回転動力学的な不安定化に繋がってしまう。
【００１５】
図３は、ディフューザ２４の斜視図であり、複数のベーン４０と、シュラウド側取り付け面３４の周囲に周方向１６に沿って配置されたベーンレット４２を示している。上記に説明したように、ベーン４０およびベーンレット４２の双方は、シュラウド側取り付け面３４から軸方向に延在している。また、図示されているように、ベーン４０およびベーンレット４２がシュラウド側取り付け面３４に取り付けられているが、代替的な実施形態においては、ベーン４０および／またはベーンレット４２は、ハブ側取り付け面３６に取り付けられてもよいし、または、シュラウド側取り付け面３４とハブ側取り付け面３６の組み合わせに取り付けられてもよい（例えば、あるベーン４０および／またはベーンレット４２がシュラウド側取り付け面３４に取り付けられ、他のベーン４０および／またはベーンレット４２がハブ側取り付け面３６に取り付けられる）ことを理解されたい。本構成においては、各ベーン４０は、軸方向２０に沿って変化する輪郭を有し、これにより、３次元（３Ｄ）ベーン４０を形成している。代替的な実施形態は、軸方向２０に沿って一定となる輪郭を有する２次元（２Ｄ）ベーンを用いてもよいことを理解されたい。同様に、本構成は、３次元ベーンレット４２を用いている。しかしながら、下記に詳細に説明するように、代替的な実施形態は、２次元ベーンレットを用いてもよい。
【００１６】
図示されているように、本実施形態は、１１個のベーン４０と、それと同数のベーンレット４２とを用いている。代替的な実施形態は、より多い、またはより少ない数のベーン４０および／またはベーンレット４２を用いてもよいことを理解されたい。例えば、ある構成においては、１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個、１１個、１２個、１３個、１４個、１５個、１６個、またはそれ以上の数のベーン４０が用いられてもよい。同様に、１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個、１１個、１２個、１３個、１４個、１５個、１６個、またはそれ以上の数のベーンレット４２が用いられてもよい。なお、本実施構成においては、ベーン４０とベーンレット４２の数が等しくなっているが、代替的な実施形態は、ベーンレット４２よりも多いベーン４０を用いてもよいし、または、ベーン４０よりも多いベーンレット４２を用いてもよい。例えば、ある構成においては、２以上のベーンレット４２が、それぞれのベーン４０の間の位置に位置決めされてもよい。また、代替的な構成においては、それぞれのベーン４０の間のベーンレット４２の数は、周方向１６に沿って変化してもよい。例えば、ある一対のベーン４０は、これらベーン４０の間に配置された０個、１個、２個、３個、４個、またはそれ以上の数のベーンレット４２を含んでいてもよい。
【００１７】
図示されているように、本ディフューザ２４は、周期的構成として配置されたベーン４０およびベーンレット４２を有している。下記に詳細に説明するように、周期的構成においては、ベーン４０およびベーンレット４２は、シュラウド側取り付け面３４の周りに周方向１６に沿って対称的に配置されている。代替的な構成は、非周期的なベーン４０、および／または非周期的なベーンレット４２を用い得る。周期的および非周期的な構成のいずれにおいても、ベーンレット４２は、羽根車からの流れの方向を変えるように機能し、これにより、流れ場とベーン４０との間の入射角が小さくなる。このような構成は、流路の軸方向範囲の全域に沿って延在するベーンのみを有するディフューザと比べて、ディフューザ２４の効率を向上させ得る。
【００１８】
図４は、図３の線４−４で示された、ディフューザ２４の一部を軸方向から見た部分図であり、羽根車１２から吐き出された流体の流れを示している。図示されているように、各ベーン４０は、前端部５２と後端部５４とを含む。下記に詳細に説明するように、羽根車１２からの流体の流れは、前端部５２から後端部５４へと流れ、これにより、動的圧力（すなわち、流速）が、静的圧力（すなわち、加圧された流体）に変換される。本実施形態においては、各ベーン４０の前端部５２は、周方向軸１６に対して、角度５６で方向付けられている。図示されているように、周方向軸１６は、環状のシュラウド側取り付け面３４の曲率に従っている。したがって、角度５６が０°である場合は、結果として、前端部５２が、面３４の曲率の実質接線方向に方向付けられていることを意味する。ある実施形態においては、角度５６は、約０°〜約６０°、約５°〜約５５°、約１０°〜約５０°、約１５°〜約４５°、約１５°〜約４０°、約１５°〜約３５°、または、約１０°〜約３０°の範囲であり得る。本実施形態においては、各ベーン４０の角度５６は、約１７°〜約２４°の範囲で変化し得る。しかしながら、代替的な構成として、周方向軸１６に対して異なる方向を有するベーン４０を用いてもよい。
【００１９】
図示されているように、流体の流れ５８は、周方向１６と径方向２２の双方の方向に向けて、羽根車から流出する。周方向軸１６に対する流体の流れ５８の角度は、周方向１６に沿って変化し得る。例えば、周方向の第１の位置においては、流体の流れ５８は角度５９の方向に方向付けられている一方で、周方向の第２の位置においては、流体の流れ５８は角度６０の方向に方向付けられている。また、流体の流れ５８は、周方向の第３の位置において、角度６１の方向に方向付けられている。３つの角度５９、６０、および６１が示されてはいるが、流体の流れの角度は、周方向１６に沿って連続的に変化することを理解されたい。さらに、流速の速さも、同様に、周方向の位置とともに変化することを理解されたい。さらには、流速の速さ、およびその方向は、双方とも時間とともに変化し、図示された流体の流れ５８は、時間平均化された流れ場を表している。
【００２０】
理解されるように、角度５９、６０、および６１は、他の要因とともに、羽根車の構成、羽根車の回転速度、および／または、圧縮機１０を通過する流量に基づいて、変化し得る。本構成においては、ベーン４０の角度５６は、特に、羽根車１２からの流体の流れ５８の方向に適合するように構成されている。理解されるように、前端部の角度５６と、流体の流れの角度５９、６０、または６１との相違は、入射角として定義され得る。本実施形態のベーン４０は、この入射角を実質的に小さくするように構成されており、これにより、遠心圧縮機１０の効率を向上させることができる。その結果、各ベーン４０の角度５６は、ベーン４０に相当する周方向位置において、流体の流れ５８の時間平均化された角度５９、６０、または６１と適合するように、特に調整され得る。
【００２１】
前述したように、ベーン４０は、シュラウド側取り付け面３４の周りに、実質環状の配列で配置されている。周方向１６に沿うベーン４０間の間隔６２は、速度水頭から圧力水頭への効率的な変換を提供するように構成され得る。本構成においては、ベーン４０間の間隔６２は、実質的に等しくなっている。しかしながら、代替的な実施形態は、不均等なベーン間隔を用いてもよい。また、ベーン４０間の間隔６２とベーンレット４２は、シュラウド側取り付け面３４の近傍の流体の流れの方向を変えるように機能し得る。これにより、入射角を小さくし、ディフューザ２４の効率を向上させることができる。本構成においては、各ベーン４０とベーンレット４２との間の間隔６４は、実質的に等しい。しかしながら、代替的な実施形態は、不均等なベーン４０／ベーンレット４２間隔を用いてもよい。さらに、本実施形態においては、各ベーン４０の径方向の位置６６は、各ベーンレット４２の径方向の位置６８に実質的に等しい。しかしながら、代替的な実施形態は、異なる径方向位置６６および６８を有する、ベーン４０およびベーンレット４２を用いてもよい。
【００２２】
各ベーン４０は、圧力面７０と吸引面７２を含む。理解されるように、前端部５２から後端部５４へ流体が流れるにつれて、高圧領域が圧力面７０の近傍に形成され、且つ、低圧領域が吸引面７２の近傍に形成され得る。これらの圧力領域は、羽根車１２からの流れ場に影響を与え、これにより、ベーンを設けないディフューザと比べて、流れの安定性と効率を向上させることができる。本実施形態においては、３次元ベーン４０の各々は、羽根車１２の流れ特性に適合するように、特に構成され、これにより、効率の向上がもたらされることとなる。
【００２３】
周方向１６において流体の流速が変化することに加えて、流体の流速の方向および／または速さは、軸方向に沿って変化し得る。その結果として、周方向軸１６に対するベーン４０の角度５６は、流体の流れの方向に実質的に適合するように、軸方向２０に沿って変化してもよい。しかしながら、ディフューザ２４のシュラウド側近傍の流体の流れの角度は、軸方向の流れ態様の残りの部分全体の流体流れの角度と、大きく異なり得る。したがって、本実施形態は、シュラウド側取り付け面３４の近傍の流体の流れの方向を変えるための、ベーン４０に近接するベーンレット４２を用いる。これにより、入射角を小さくし、ディフューザ２４の効率を向上させることができる。
【００２４】
図５は、本発明のある実施形態に係るディフューザ２４を、図３の線５−５で切断した子午断面図であり、ディフューザのベーンの輪郭を示している。各ベーン４０は、シュラウド側取り付け面３４とハブ側取り付け面３６との間において、軸方向２０に沿って延在しており、軸方向延在距離または軸方向範囲４４を形成している。特に、範囲４４は、ハブ側のベーン基部７４と、シュラウド側のベーン頂部７６とによって規定されている。下記に詳細に説明するように、ベーン４０の子午線長さは、領域４４に沿って変化するように構成される。子午線長さは、ベーン４０に沿うある特定の軸方向位置における、前端部５２と後端部５４との間の距離である。例えば、ベーン基部７４の長さ７８は、ベーン頂部７６の長さ８０から変化してもよい。ある軸方向位置（すなわち、軸方向２０に沿う位置）におけるベーン４０の子午線長さは、その特定の軸方向位置における流体の流れ特性に基づいて、選択されてもよい。例えば、コンピュータモデリングによって、羽根車１２からの流速が軸方向において変化することを判断してもよい。したがって、それぞれの軸方向位置における長さは、入射流速に対応して特に選択されてもよい。このようにして、ベーン４０の効率は、長さがベーン４０の範囲４４に沿って実質一定となっている構成と比べて、向上し得る。
【００２５】
また、前端部５２および／または後端部５４の周方向位置（すなわち、周方向１６に沿う位置）は、ベーン４０の範囲４４に沿って変化するように構成されてもよい。図示されているように、基準線８２が、ベーン頂部７６の前端部５２からハブ側取り付け面３６まで、軸方向２０に沿って延びている。範囲４４に沿った前端部５２の周方向位置は、可変距離８４によって基準線８２からオフセットされる。換言すれば、前端部５２は、周方向１６において一定となっているのではなく、むしろ、可変となっている。この構成は、領域４４に沿って、羽根車１２とベーン４０の前端部５２との間において可変の距離を形成する。例えば、羽根車１２からの流体の流れのコンピュータシミュレーションに基づいて、ある特定の距離８４が、領域４４に沿う軸方向位置の各々に対して、選択され得る。このようにして、ベーン４０の効率は、一定の距離８４を有する構成と比べて、向上することとなる。本実施形態においては、距離８４は、ベーン頂部７６から離隔するにつれて、増加する。代替的な実施形態は、羽根車１２に向かう方向に沿って前端部５２が基準線８２を越えて延在するような構成を含む、他の前端部の形状を用いてもよい。
【００２６】
同様に、後端部５４の周方向位置は、ベーン４０の範囲４４に沿って変化してもよい。図示されているように、基準線８６は、ベーン基部７４の後端部５４から、ハブ側取り付け面３６から離れるように、軸方向２０に沿って延びている。範囲４４に沿った後端部５４の周方向位置は、可変距離８８によって基準線８６からオフセットされる。換言すれば、後端部５４は、周方向１６において一定となっているのではなく、むしろ、可変となっている。この構成は、領域４４に沿って、羽根車１２とベーン４０の後端部５４との間において可変の距離を形成する。例えば、羽根車１２からの流体の流れのコンピュータシミュレーションに基づいて、ある特定の距離８８が、領域４４に沿う軸方向位置の各々に対して、選択され得る。このようにして、ベーン４０の効率は、一定の距離８８を有する構成と比べて、向上することとなる。本実施形態においては、距離８８は、ベーン基部７４から離隔するにつれて、増加する。代替的な実施形態は、羽根車１２から離れる方向に沿って後端部５４が基準線８６を越えて延在するような構成を含む、他の後端部の形状を用いてもよい。さらなる実施形態において、前端部５２および／または後端部５４の径方向位置は、ディフューザのベーン４０の範囲４４に沿って変化してもよい。
【００２７】
図６は、ディフューザベーンの輪郭を図５の線６−６から見た平面図である。上記に説明したように、ベーン４０の輪郭は、軸方向２０に沿って変化し得るものであり、これにより、３次元のベーン形状を形成している。具体的には、ベーン４０のパラメータは、特に、特定の羽根車１２から流れてくる３次元の流体の流れと一致するように構成され得る。これにより、流速から流圧へと効率的に変換することができる。例えば、上記に説明したように、ベーン４０のある軸方向位置（すなわち、軸方向２０に沿う位置）における子午線長さは、この軸方向位置における流れ特性に基づいて選択されてもよい。図示されているように、ベーン基部７４の長さ７８は、羽根車１２から流出した、ベーン４０のベーン基部７４における流れに基づいて選択され得る。
【００２８】
さらに、前端部５２および／または後端部５４は、各端部の先部において、湾曲形状を有してもよい。具体的には、前端部５２の先部は、前端部５２の周囲の流れを導くように構成された曲率半径９０を有する湾曲形状を含み得る。同様に、後端部５４の先部の曲率半径９２は、後端部５４における演算された流れ特性に基づいて、選択され得る。ある実施形態においては、前端部５２の曲率半径９０は、後端部５４の曲率半径９２よりも大きくてもよい。また、代替的な構成においては、前端部５２の曲率半径９０は、後端部５４の曲率半径９２よりも小さくてもよい。
【００２９】
ディフューザ２４を通過する流体の流れに影響を与える、その他のベーン特性は、ベーン４０の曲率である。図示されているように、ベーン中間領域線９４は、前端部５２から後端部５４まで延びており、ベーン輪郭の中心（すなわち、圧力面７０と吸引面７２との間の中心線）を形成している。ベーン中間領域線８０は、ベーン４０の曲線状の輪郭を表している。具体的には、前端部接線９６は、前端部５２から延び、前端部５２においてベーン中間領域線９４に接している。同様に、後端部接線９８は、後端部５４から延び、後端部５４においてベーン中間領域線９４に接している。曲線角度１００は、接線９６と接線９８との交差点にて形成されている。図示されているように、ベーン４０の曲線形状をより大きくすると、角度１００もより大きくなる。曲線角度１００は、羽根車１２からの流れ特性に基づいて、動水頭から圧力水頭への効果的な変換を提供するように選択されてもよい。例えば、曲線角度１００は、約０°、約５°、約１０°、約１５°、約２０°、約２５°、約３０°、またはそれ以上の角度より大きな角度であってもよい。
【００３０】
曲線角度１００、前端部５２の曲率半径９０、後端部５４の曲率半径９２、および／または長さ７８は、ベーン４０の範囲４４に沿って変化し得る。具体的には、上記パラメータの各々は、特に、対応する軸方向位置における演算された流れ特性に基づいて、軸方向の断面領域の各々に対して選択されてもよい。このようにして、３次元ベーン４０（すなわち、変化する断面形状または輪郭を有するベーン）が構成され、これにより、２次元ベーン（すなわち、一定の断面形状を有するベーン）と比較して、効率がより向上することとなる。
【００３１】
図７は、ディフューザベーン４０を、図５の線７−７で切断した断面図である。図示されているように、ベーン４０の輪郭は、図示された領域に相当する軸方向位置における流れ特性と一致するように変化している。例えば、この領域の子午線長さ１０２は、ベーン基部７４の長さ７８から変化し得る。同様に、前端部５２の曲率半径１０４、後端部５４の曲率半径１０６、および／または、曲線角度１０８は、図示された領域と図６に示す領域との間で、変化し得る。例えば、前端部５２の曲率半径１０４は、特に、羽根車１２からの流体の流れと、前端部５２との間の入射角を小さくするように選択されてもよい。前述したように、羽根車１２からの流体の流れの角度は、軸方向２０に沿って変化し得る。本実施形態は、各軸方向位置（すなわち、軸方向２０に沿った位置）において曲率半径１０４の選択を容易とするので、入射角を、ベーン４０の領域４４に沿って、実質的に小さくすることができる。これにより、前端部５２の曲率半径１０４が、領域４４に亘って実質一定となっている構成と比べて、ベーン４０の効率を向上させることができる。また、羽根車１２からの流体の流速は、軸方向２０において変化し得るので、曲率半径１０４および１０６、長さ１０２、曲線角度１０８、または、ベーン４０の軸方向領域の各々に関する他のパラメータを調整することによって、ディフューザ２４全体の効率を向上させるのを容易とすることができる。
【００３２】
図８は、ディフューザベーン４０を、図５の線８−８で切断した断面図である。図７に示す領域と同様に、この領域の輪郭は、相当する軸方向位置における流れ特性と一致するように構成されている。特に、この領域は、子午線長さ１１０を有しており、該長さ１１０は、図６および図７に示されている領域における長さ７８および１０２から変化し得る。また、前端部５２の曲率半径１１２、後端部５４の曲率半径１１４、および曲線角度１１６は、この軸方向位置における流れ特性（例えば、流速、入射角等）のために、特に構成されてもよい。前述したように、軸方向に沿ったベーン輪郭の変化は、羽根車１２からの流れ場に適合するように実質的に構成された３次元ベーン４０を形成する。しかしながら、ある圧縮機１０においては、流れ場の様々な領域（例えば、シュラウド側取り付け面３４の近傍）内における流れの方向において、大きな変動が生じ得る。結果的に、本実施形態は、流体の流れと、ベーン４０の前端部５２との間の入射角を小さくするために、羽根車１２からの流れの方向を変えるように構成されたベーンレット４２を用いる。これにより、ディフューザ効率を向上させることができる。
【００３３】
図９および図１０を参照して、図９は、図３に示すディフューザ４０を軸方向から見た図であり、ベーンレット４２が周期的構成として配置されている状態を示す。図示されているように、実質的に同一のベーンレット４２は、例えばディフューザ２４のシュラウド側取り付け面３４のような取り付け面の周りに、周方向１６に沿って対称的パターンに配置されている。前述したように、ベーン４０およびベーンレット４２の双方は、本実施形態においては、３次元（例えば、軸方向に変化する輪郭を有する）である。
【００３４】
図１０は、図９の線１０−１０で示されている、ディフューザ４０の部分斜視図であって、基準として用いられる１つのベーンレット４２を示している。各ベーンレット４２の軸方向高さｚのいずれに関しても、基準表面１１８は、基準面に沿って定義され得るものであり、この基準面は、通常、軸方向２０に一致する。図１０に示す基準ベーンレット４２においては、基準表面１１８は、ベーンレット４２の内面によって定義されている。しかしながら、ここで説明される分析は、ベーンレット４２の如何なる軸方向高さに対しても利用され得る。換言すれば、基準面は、ベーンレット４２の如何なる軸方向高さにおいても、定義され得る。図示された例において、基準面は、基準中心点ｃを含み、該基準中心点ｃは、羽根車１２、ディフューザ２４、およびスクロール２６の共通の中心軸を通過する。
【００３５】
基準表面１１８は、基準中心点ｃからの半径距離ｒ、角度位置θ、および軸方向高さｚによって定義される固有点の集合体として特徴付けられ得る。いずれの基準面に関しても、固有点の集合体に係る軸方向高さｚは、同じであり得る。しかしながら、半径距離ｒおよび角度位置θは、異なり得るものであり、基準面において基準表面１１８の固有点の各々を定義し得る。例えば、ベーンレット４２の前端領域１２２に対応する前端点１２０は、基準表面１１８のベースラインの点として定義され得るものであり、したがって、半径距離ｒ０、および、０°に等しい角度位置θ０によって定義され得る。同様に、ベーンレット４２の後端領域１２６に対応する後端点１２４は、半径距離ｒ１および角度位置θ１によって定義され得る。また、吸引面の点１２８は、半径距離ｒ２および角度位置θ２によって定義され得る。このように、ベーンレット４２の吸引面１３０は、ベーンレット４２の吸引面１３０に沿う複数の点によって定義され得る。しかしながら、ベーンレット４２の圧力面１３２は、同様に定義され得る。実際に、図１０に図示された基準ベーンレット４２の基準表面１１８において、無数の固有点が存在し得る。しかしながら、各ベーンレット４２の構成を定義するために用いられる固有点の数は、ベーンレット４２の形状、方向、および／または位置の演算を容易とするために、限定され得る。
【００３６】
さらに、図９に示すディフューザ２４のベーンレット４２の各々は、基準面に沿う固有点の集合体を、同様に含み得る。換言すれば、各ベーンレット４２は、例えば図１０に示す基準ベーンレット４２の基準表面１１８のような基準面に沿う固有点の集合体によって定義される、２次元領域を含み得る。図９および図１０に示すベーンレット４２の周期的配置において、基準ベーンレット４２の基準面（例えば、基準表面１１８）における２次元領域内に存在する全ての点について、３６０．０°をＮによって除算したものの整数倍だけ、これらの点の各々を回転させることにより、他のベーンレット４２の基準面の２次元領域内に存在する点が与えられることになる。ここで、Ｎは、ディフューザ２４のベーンレット４２の数である。例えば、図９に示されたディフューザ２４は、１１個のベーンレット４２を有している。したがって、基準ベーンレット４２の基準面（例えば、基準表面１１８）における２次元領域内に存在する全ての点に対して、３２．７３°、６５．４６°、９８．１９°、１３０．９２°、１６３．６５°、１９６．３８°、２２９．１１°、２６１．８４°、２９４．５７°、および３２７．３０°（例えば、３６０．０°を１１によって除算したもの（すなわち３２．７３°）の整数倍）だけ、上記点を回転させることにより、他のディフューザベーン４２の基準面の２次元領域内に存在する点が与えられることになる。
【００３７】
図１１は、他の実施形態のディフューザ２４を軸方向から見た図であり、ベーンレットが非周期的構成として配置され、且つ、ベーンが省略された状態を示す。図９および図１０を参照して上記に説明された周期的ベーンレットの構成とは対照的に、このディフューザは、ベーンレット１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、１４４、１４６、１４８、１５０、１５２、および１５４を有し、これらベーンレットは、周方向１６に沿って非周期的（例えば、非対称的）パターンで配置されている。理解されるように、上記した周方向に対称となる配置要求を満たさない、いずれのベーンレットの組も、非周期的と考えられる。図１１に示されている非周期的（例えば、非対称的）パターンの特性を説明するために、基準点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、およびＫが、シュラウド側取り付け面３４の周囲に亘って、周方向位置に等間隔に配置されている。図示されているように、ディフューザ２４は、１１個のベーンレット１３４〜１５４を有する。したがって、基準点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、およびＫは、３２．７３°（例えば、３６０．０°を１１によって除算したもの）の円弧角φで、等間隔で離隔している。
【００３８】
ベーンレット１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、１４４、１４６、１４８、１５０、１５２、および１５４の各々は、概して、基準点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、およびＫのうちの１つと関連付けられている（例えば、ベーンレット１３４は基準点Ａと、ベーンレット１３６は基準点Ｂと、ベーンレット１３８は基準点Ｃと、ベーンレット１４０は基準点Ｄと、ベーンレット１４２は基準点Ｅと、ベーンレット１４４は基準点Ｆと、ベーンレット１４６は基準点Ｇと、ベーンレット１４８は基準点Ｈと、ベーンレット１５０は基準点Ｉと、ベーンレット１５２は基準点Ｊと、ベーンレット１５４は基準点Ｋと、それぞれ関連付けられている）。基準点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、およびＫは、ベーンレット１３４〜１５４の形状、向き、および／または位置が、ベーンレット間で、シュラウド側取り付け面３４の周方向１６に沿ってどのように変化し得るかを示すために用いられている。
【００３９】
より具体的には、上記したように、周期的な（例えば、対称的な）ベーンレットの配置として見なされるためには、ベーンレット（例えば、基準ベーンレット１３４）の基準面の２次元領域内に存在する全ての点について、３２．７３°、６５．４６°、９８．１９°、１３０．９２°、１６３．６５°、１９６．３８°、２２９．１１°、２６１．８４°、２９４．５７°、および３２７．３０°（例えば、３６０．０°を１１によって除算したもの（すなわち３２．７３°）の整数倍）だけ、上記点を回転させることにより、他のベーンレット１３６、１３８、１４０、１４２、１４４、１４６、１４８、１５０、１５２、および１５４の基準面の２次元領域内に存在する点が与えられる。しかしながら、図示されているように、３２．７３°、６５．４６°、９８．１９°、１３０．９２°、１６３．６５°、１９６．３８°、２２９．１１°、２６１．８４°、２９４．５７°、および３２７．３０°の円弧角だけ回転させた基準点Ａに対応する基準点Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、およびＫは、他のベーンレット１３６、１３８、１４０、１４２、１４４、１４６、１４８、１５０、１５２、および１５４の基準面の２次元領域内に全てが存在しているわけではない。例えば、基準点ＨおよびＩは、対応するベーンレット１４８および１５０内に存在さえしていない。したがって、ベーンレット１３４〜１５４は、ディフューザ２４において非周期的構成として配置されている。
【００４０】
理解されるように、ベーンレット１３４〜１５４の非周期的構成は、ディフューザ２４内の周方向の流れの変動を補償し得る。例えば、スクロール２６は、ディフューザ２４を通過する流体の流れの方向および／または流速において、周方向における偏りを生じさせ得る。結果的に、本実施形態においては、ベーンレット１３４〜１５４の位置、数、および／または向きは、スクロールに引き起こされる流れの変動を形成するように、特に構成され得る。結果として、ベーンレット１３４〜１５４の非周期的配置は、図３のディフューザ２４を参照して上記に説明した周期的配置よりも効率的となり得る。
【００４１】
図１２は、ディフューザ２４を、図１１の線１２−１２で切断した子午断面図であり、ディフューザベーンレットの輪郭を示している。図３のディフューザ２４と同様に、本ディフューザ２４のベーンレット１３４〜１５４は、軸方向２０に沿って変化する断面形状を有しており、これにより、３次元形状を形成している。ベーンレット１３４〜１５４の各々は、シュラウド側取り付け面３４からハブ側取り付け面３６に向けて、軸方向２０に沿って延びている。上記に説明したように、ベーンレット１３４〜１５４の軸方向の延在距離または範囲４８は、ディフューザ流路３２の軸方向範囲４６よりも小さい。さらに、図示された例示的ベーンレット１３４は、シュラウド側取り付け面３４から延びているが、代替的な実施形態は、ハブ側取り付け面３６から延びるベーンレットを有してもよいことを理解されたい。さらなる実施形態において、ディフューザは、シュラウド側取り付け面３４とハブ側取り付け面３６の双方から延びるベーンレットを有してもよい。下記の説明では、図１１に示すディフューザ２４の例示的ベーンレット１３４の形状について説明するが、他のベーンレット１３６〜１５４も同様の形状を有していることを理解されたい。しかしながら、ある実施形態においては、ベーンレット１３４〜１５４は、各ベーンレットの周方向位置に基づいて変化してもよい。
【００４２】
図示されているように、範囲４８は、ハブ側のベーンレット頂部１６０と、シュラウド側のベーンレット基部１６２とによって規定される。下記に詳細に説明するように、ベーンレット１３４の子午線長さは、領域４８に沿って変化するように構成される。子午線長さは、ベーンレット１３４に沿うある特定の軸方向位置における、前端部１５６と後端部１５８との間の距離である。例えば、ベーンレット頂部１６０の長さ１６４は、ベーンレット基部１６２の長さ１６６から変化してもよい。ベーンレット１３４のある軸方向位置（すなわち、軸方向２０に沿う位置）における子午線長さは、その軸方向位置における流体の流れ特性に基づいて、選択されてもよい。例えば、コンピュータモデリングによって、羽根車１２からの流速が、軸方向２０において変化することを判断してもよい。したがって、それぞれの軸方向位置における子午線長さは、入射流速に対応して特に選択されてもよい。このようにして、ベーンレット１３４の効率は、長さがベーンレット１３４の範囲４８に沿って実質一定となっている構成と比べて、向上し得る。さらに、例えば、ベーンレットの近傍に位置決めされたベーン４０を有する、図３に示されたディフューザ２４のようなディフューザの構成において、それぞれの軸方向位置における子午線長さは、特に、流体の流れと、各ベーンの前端部との間の入射角を小さくするように構成されてもよい。これにより、ディフューザ２４の効率を向上させることができる。
【００４３】
さらに、前端部１５６および／または後端部１５８の周方向位置（すなわち、周方向１６に沿う位置）は、ベーンレット１３４の範囲４８に沿って変化するように構成されてよい。図示されているように、基準線１６８が、ベーンレット基部１６２の前端部１５６から、ベーンレット１３４のハブ側の軸方向範囲まで延びている。範囲４８に沿った前端部１５６の周方向位置は、可変距離１７０によって基準線１６８からオフセットされる。換言すれば、前端部１５６は、周方向１６において一定となっているのではなく、むしろ、可変となっている。この構成は、領域４８に沿って、羽根車１２とベーンレット１３４の前端部１５６との間において可変の距離を形成する。例えば、羽根車１２からの流体の流れのコンピュータシミュレーションに基づいて、ある特定の距離１７０が、領域４８に沿う軸方向位置の各々に対して、選択され得る。このようにして、ベーンレット１３４の効率は、一定の距離１７０を有する構成と比べて、向上することとなる。また、各軸方向位置における距離１７０は、特に、近接するベーン４０の近傍にて流体の流れの方向を変えるように構成され得る。これにより、流体の流れとベーン４０との間の入射角を小さくすることができる。理解されるように、このような構成によって、ベーン４０およびベーンレット１３４〜１５４の双方を用いるディフューザ２４の全体的な効率が向上し得る。本実施形態においては、距離１７０は、ベーンレット基部１６２から離隔するにつれて、増加する。代替的な実施形態は、羽根車１２に向かう方向に沿って前端部１５６が基準線１６８を越えて延在するような構成を含む、他の前端部の形状を用いてもよい。
【００４４】
同様に、後端部１５８の周方向位置は、ベーンレット１３４の範囲４８に沿って変化してもよい。図示されているように、基準線１７２は、ベーンレット頂部１６０の後端部１５８からシュラウド側取り付け面３４に向かって、軸方向２０に沿って延びている。範囲４８に沿った後端部１５８の周方向位置は、可変距離１７４によって基準線１７２からオフセットされる。換言すれば、後端部１５８は、周方向１６において一定となっているのではなく、むしろ、可変となっている。この構成は、領域４８に沿って、羽根車１２とベーンレット１３４の後端部１５８との間において可変の距離を形成する。例えば、羽根車１２からの流体の流れのコンピュータシミュレーションに基づいて、ある特定の距離１７４が、領域４８に沿う軸方向位置の各々に対して、選択され得る。このようにして、ベーンレット１３４の効率は、一定の距離１７４を有する構成と比べて、向上することとなる。また、各軸方向位置における距離１７４は、特に、近接するベーン４０の近傍にて流体の流れの方向を変えるように構成され得る。これにより、流体の流れとベーン４０との間の入射角を小さくすることができる。理解されるように、このような構成によって、ベーン４０およびベーンレット１３４〜１５４の双方を用いるディフューザ２４の全体的な効率が向上し得る。本実施形態においては、距離１７４は、ベーン基部１６２から離隔するにつれて、増加する。代替的な実施形態は、羽根車１２から離れる方向に沿って後端部１５８が基準線１７２を越えて延在するような構成を含む、他の後端部の形状を用いてもよい。さらなる実施形態において、前端部１５６および／または後端部１５８の径方向位置は、ベーンレット１３４の範囲４８に沿って変化してもよい。
【００４５】
図１３は、例示的ディフューザベーンレット１３４を、図１２の線１３−１３から見た平面図である。前述したように、ベーンレット１３４の輪郭は、軸方向２０に沿って変化してもよく、これにより、３次元のベーンレット形状を構成する。具体的には、ベーンレット１３４のパラメータは、特に、特定の羽根車１２から流れてくる３次元の流体の流れと一致するように構成され得る。これにより、流速から流圧へと効率的に変換することができる。例えば、上記に説明したように、ベーンレット１３４の軸方向位置（すなわち、軸方向２０に沿う位置）における子午線長さは、この軸方向位置における流れ特性に基づいて選択され得る。図示されているように、ベーンレット頂部１６０の長さ１６４は、羽根車１２から流出した、ベーンレット１３４の頂部１６０における流れに基づいて選択され得る。
【００４６】
さらに、前端部１５６および／または後端部１５８は、各端部の先部において、湾曲形状を有してもよい。具体的には、前端部１５６の先部は、前端部１５６の周囲の流れを導くように構成された曲率半径１８２を有する湾曲形状を含み得る。同様に、後端部１５８の先部の曲率半径１８４は、後端部１５８における演算された流れ特性に基づいて、選択され得る。ある実施形態においては、前端部１５６の曲率半径１８２は、後端部１５８の曲率半径１８４よりも大きくてもよい。また、代替的な構成においては、前端部１５６の曲率半径１８２は、後端部１５８の曲率半径１８４よりも小さくてもよい。
【００４７】
ディフューザ２４を通過する流体の流れに影響を与える、その他のベーン特性は、ベーンレット１３４の曲率である。図示されているように、ベーンレット中間領域線１８６は、前端部１５６から後端部１５８まで延びており、ベーンレット輪郭の中心（すなわち、圧力面１７６と吸引面１７８との間の中心線）を形成している。ベーンレット中間領域線１８６は、ベーンレット１３４の曲線状の輪郭を表している。具体的には、前端部接線１８８は、前端部１５６から延び、前端部１５６においてベーンレット中間領域線１８６に接している。同様に、後端部接線１９０は、後端部１５８から延び、後端部１５８においてベーンレット中間領域線１８６に接している。曲線角度１９２は、接線１８８と接線１９０との交差点にて形成されている。図示されているように、ベーンレット１３４の曲線形状をより大きくすると、角度１９２もより大きくなる。したがって、角度１９２は、ベーンレット１３４の曲率の効果的な計測を提供する。曲線角度１９２は、羽根車１２からの流れ特性に基づいて、動水頭から圧力水頭への効果的な変換を提供するように選択されてもよい。また、曲線角度１９２は、流体の流れと、ベーン４０の前端部との間の入射角を小さくするために、近接するベーン４０の近傍にて流体の流れの方向を変えるように構成され得る。理解されるように、このような構成は、ベーン４０およびベーンレット１３４〜１５４の双方を用いるディフューザ構成の効率を向上させ得る。例えば、曲線角度１９２は、約０°、約５°、約１０°、約１５°、約２０°、約２５°、約３０°、またはそれ以上の角度より大きな角度であってもよい。
【００４８】
曲線角度１９２、前端部１５６の曲率半径１８２、後端部１５８の曲率半径１８４、および／または長さ１６４は、ベーンレット１３４の範囲４８に沿って変化し得る。具体的には、上記パラメータの各々は、特に、対応する軸方向位置における演算された流れ特性に基づいて、軸方向の断面領域の各々に対して選択されてもよい。このようにして、３次元ベーンレット１３４（すなわち、変化する断面形状または輪郭を有するベーンレット１３４）が構成され、これにより、２次元ベーンレット（すなわち、一定の断面形状を有するベーンレット）と比べて、効率がより向上することとなる。
【００４９】
図１４は、例示的ディフューザベーンレットを、図１２の線１４−１４で切断した断面図である。図示されているように、ベーンレット１３４の輪郭は、図示された領域に相当する軸方向位置における流れ特性と一致するように変化している。例えば、この領域の子午線長さ１９４は、ベーンレット頂部１６０の長さ１６４から変化し得る。同様に、前端部１５６の曲率半径１９６、後端部１５８の曲率半径１９８、および／または曲線角度２００は、図示された領域と図１３に示す領域との間で、変化し得る。例えば、前端部１５６の曲率半径１９６は、特に、羽根車１２からの流体の流れと、前端部１５６との間の入射角を小さくするように選択されてもよい。前述したように、羽根車１２からの流体の流れの角度は、軸方向２０に沿って変化し得る。本実施形態は、各軸方向位置（すなわち、軸方向２０に沿った位置）において曲率半径１９６の選択を容易とするので、入射角を、ベーンレット１３４の領域４８に沿って、実質的に小さくする。これにより、前端部１５６の曲率半径１９６が、領域４８に亘って実質一定となっている構成と比べて、ベーンレット１３４の効率を向上させることができる。また、羽根車１２からの流体の流速は、軸方向２０において変化し得るので、曲率半径１９６および１９８、長さ１９４、曲線角度２００、または、ベーンレット１３４の軸方向領域の各々に関する他のパラメータを調整することによって、ディフューザ２４全体の効率を向上させるのを容易とすることができる。例えば、ベーン４０およびベーンレット１３４〜１５４の双方を用いる構成においては、各軸方向領域のパラメータは、特に、近接するベーン４０の近傍にて流体の流れの方向を変えるように構成され得る。これにより、流体の流れとベーンの前端部との間の入射角を小さくすることができる。理解されるように、流れをベーン４０の角度に適合させることよって、ベーン４０の効率を向上させることができ、その結果、ディフューザの効率を全体的に向上させることができる。
【００５０】
図１５は、例示的ディフューザベーンレット１３４を、図１２の線１５−１５で切断した断面図である。図１４と同様に、この領域の輪郭は、相当する軸方向位置における流れ特性と適合するように構成されている。特に、この領域は、子午線長さ２０２を有しており、該長さ２０２は、図１３および図１４に示されている領域における長さ１６４および１９４から変化し得る。また、前端部１５６の曲率半径２０４、後端部１５８の曲率半径２０６、および曲線角度２０８は、この軸方向位置における流れ特性（例えば、流速、入射角等）のために、特に構成されてもよい。前述したように、軸方向に沿ったベーンレット輪郭の変化は、羽根車１２からの流れ場に適合するように実質的に構成された３次元ベーンレット１３４を形成する。結果的に、２次元ベーンレットを用い、且つ、ベーンを用いていない実施形態に比べて、本構成は、ディフューザ効率を向上させることができる。ある実施形態においては、ベーンレット１３４〜１５４は、流体の流れと、ベーン４０の前端部５２との間の入射角を小さくするために、羽根車１２からの流れの方向を変えるように構成されてもよい。これにより、ディフューザ効率を向上させることができる。
【００５１】
図１６は、さらなる他の実施形態に係るディフューザを軸方向から見た図であり、ベーンレットは、非周期的構成として配置されるとともに、軸方向に沿って一定となる輪郭を有している。ベーンレット輪郭が軸方向に沿って変化しないので、ここに図示されているベーンレットは、２次元的であると見なされ得る。図示されているように、本実施形態は、３次元形状を有するベーン４０を用いている。しかしながら、代替的な実施形態は、２次元ベーン、または２次元ベーンと３次元ベーンの組み合わせを備えてもよい。上記した３次元ベーンレットと同様に、本実施形態の２次元ベーンレットは、羽根車１２からの流体の流れの方向を変えるように構成されている。これにより、流体の流れと近傍のベーン４０の前端部との間の入射角を小さくすることができる。前述したように、各ベーン４０に関連する入射角を小さくすることによって、ディフューザ２４の全体的な効率を向上させることができる。
【００５２】
図１１を参照して上記に説明した非周期的構成と同様に、本ディフューザ２４は、ベーンレット２１０、２１２、２１４、２１６、２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８、および２３０を有し、これらベーンレットは、周方向１６に沿って非周期的（例えば、非対称的）パターンで配置されている。前述したように、上記した周方向に対称となる配置要求を満たさない、いずれのベーンレットの組も、非周期的と考えられる。図１６に示されている非周期的（例えば、非対称的）パターンの特性を説明するために、基準点Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔ、Ｕ、およびＶが、シュラウド側取り付け面３４の周囲に亘って、周方向位置に等間隔に配置されている。図示されているように、ディフューザ２４は、１１個のベーンレット２１０〜２３０を有する。したがって、基準点Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔ、Ｕ、およびＶは、３２．７３°（例えば、３６０．０°を１１によって除算したもの）の円弧角φで、等間隔で離隔している。
【００５３】
ベーンレット２１０、２１２、２１４、２１６、２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８、および２３０の各々は、概して、基準点Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔ、Ｕ、およびＶのうちの１つと関連付けられている（例えば、ベーンレット２１０は基準点Ｌと、ベーンレット２１２は基準点Ｍと、ベーンレット２１４は基準点Ｎと、ベーンレット２１６は基準点Ｏと、ベーンレット２１８は基準点Ｐと、ベーンレット２２０は基準点Ｑと、ベーンレット２２２は基準点Ｒと、ベーンレット２２４は基準点Ｓと、ベーンレット２２６は基準点Ｔと、ベーンレット２２８は基準点Ｕと、ベーンレット２３０は基準点Ｖと、それぞれ関連付けられている）。基準点Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔ、Ｕ、およびＶは、ベーンレット２１０〜２３０の形状、向き、および／または位置が、ベーンレット間で、シュラウド側取り付け面３４の周方向１６に沿ってどのように変化し得るかを示すために用いられている。
【００５４】
より具体的には、上記したように、周期的な（例えば、対称な）ベーンレットの配置として見なされるためには、ベーンレット（例えば、基準ベーンレット２１０）の基準面の２次元領域内に存在する全ての点について、３２．７３°、６５．４６°、９８．１９°、１３０．９２°、１６３．６５°、１９６．３８°、２２９．１１°、２６１．８４°、２９４．５７°、および３２７．３０°（例えば、３６０．０°を１１によって除算したもの（すなわち３２．７３°）の整数倍）だけ、上記点を回転させることにより、他のベーンレット２１２、２１４、２１６、２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８、および２３０の基準面の２次元領域内に存在する点が与えられる。しかしながら、図示されているように、３２．７３°、６５．４６°、９８．１９°、１３０．９２°、１６３．６５°、１９６．３８°、２２９．１１°、２６１．８４°、２９４．５７°、および３２７．３０°の円弧角だけ回転させた基準点Ａに対応する基準点Ｍ、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔ、Ｕ、およびＶは、他のベーンレット２１２、２１４、２１６、２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８、および２３０の基準面の２次元領域内に全てが存在しているわけではない。例えば、基準点Ｖは、対応するベーンレット２３０内に存在さえしていない。
【００５５】
図１７は、ディフューザを、図１６の線１７−１７で切断した子午断面図であり、ディフューザベーンレットの輪郭を示している。図１１のディフューザ２４とは対照的に、本ディフューザ２４のベーンレット２１０〜２３０は、軸方向２０に沿って一定となっている断面形状を有しており、これにより、２次元形状を形成している。３次元形状を形成している。ベーンレット２１０〜２３０の各々は、シュラウド側取り付け面３４からハブ側取り付け面３６に向けて、軸方向２０に沿って延びている。上記に説明したように、ベーンレット２１０〜２３０の軸方向の延在距離または範囲４８は、ディフューザ流路３２の軸方向範囲４６よりも小さい。さらに、図示された例示的ベーンレット２１０は、シュラウド側取り付け面３４から延びているが、代替的な実施形態は、ハブ側取り付け面３６から延びるベーンレットを有してもよいことを理解されたい。さらなる実施形態において、ディフューザは、シュラウド側取り付け面３４とハブ側取り付け面３６の双方から延びるベーンレットを有してもよい。下記の説明では、図１６に示すディフューザ２４の例示的ベーンレット２１０の形状について説明するが、他のベーンレット２１２〜２３０も同様の形状を有していることを理解されたい。しかしながら、ある構成においては、ベーンレット２１０〜２３０は、各ベーンレットの周方向位置に基づいて変化してもよい。
【００５６】
図示されているように、範囲４８は、ハブ側のベーンレット頂部２３６と、シュラウド側のベーンレット基部２３８とによって規定される。下記に詳細に説明するように、このベーンレットは２次元であるので、ベーンレット２１０の子午線長さは、領域４８に沿って不変である。子午線長さは、ベーンレット２１０に沿うある特定の軸方向位置における、前端部２３２と後端部２３４との間の距離である。本実施形態においては、ベーンレット２１０の長さは一定である。例えば、ベーンレット頂部２３６の子午線長さ２４０は、ベーンレット基部２３８の子午線長さ２４２と、実質同じである。
【００５７】
さらに、前端部２３２および／または後端部２３４の周方向位置（すなわち、周方向１６に沿う位置）は、ベーンレット２１０の範囲４８に沿って変化するように構成されてよい。図示されているように、基準線２４４が、ベーンレット基部２３８から、ベーンレット２１０のハブ側の軸方向範囲まで延びている。範囲４８に沿った前端部２３２の周方向位置は、一定距離２４６によって基準線２４４からオフセットされる。同様に、後端部２３４の周方向位置は、ベーンレット２１０の範囲４８に沿って不変である。図示されているように、基準線２４８は、ベーンレット頂部２３６からシュラウド側取り付け面３４に向かって、軸方向２０に沿って延びている。範囲４８に沿った後端部２３４の周方向位置は、一定距離２５０によって基準線２４８からオフセットされる。長さ、および、前端部２３２と後端部２３４の周方向位置は、実質一定であるので、ベーンレットの製造に関連する設計および製造のコストは、上記した３次元構成よりも低く抑えられ得る。さらに、このような２次元ベーンレット２１０〜２３０は、隣接するベーン４０の近傍における流体の流れの方向を変えることによって、ディフューザ効率を向上させ得る。これにより、ベーン４０と流体流れとの間の入射角を小さくすることができる。
【００５８】
図１８は、例示的ディフューザベーンレット２１０を、図１７の線１８−１８から見た平面図である。前述したように、ベーンレット２１０の輪郭は、軸方向２０に沿って一定となっており、これにより、２次元のベーンレット形状を構成する。例えば、上記に説明したように、子午線長さは、ベーンレット２１０の軸方向位置（すなわち、軸方向２０に沿う位置）の各々において、同じである。図示されているように、前端部２３２および／または後端部２３４は、各端部の先部において、湾曲形状を有してもよい。具体的には、前端部２３２の先部は、前端部２３２の周囲の流体の流れを導くように構成された曲率半径２５６を有する湾曲形状を含み得る。同様に、後端部２３４の先部の曲率半径２５８は、後端部２３４における演算された流れ特性に基づいて、選択され得る。ある構成においては、前端部２３２の曲率半径２５６は、後端部２３４の曲率半径２５８よりも大きくてもよい。また、代替的な構成においては、前端部２３２の曲率半径２５６は、後端部２３４の曲率半径２５８よりも小さくてもよい。
【００５９】
ディフューザ２４を通過する流体の流れに影響を与え得る、その他のベーン特性は、ベーンレット２１０の曲率である。図示されているように、ベーンレット中間領域線２６０は、前端部２３２から後端部２３４まで延びており、ベーンレット輪郭の中心（すなわち、圧力面２５２と吸引面２５４との間の中心線）を形成している。ベーンレット中間領域線２６０は、ベーンレット２１０の曲線輪郭を示している。具体的には、前端部接線２６２は、前端部２３２から延び、前端部２３２においてベーンレット中間領域線２６０に接している。同様に、後端部接線２６４は、後端部２３２から延び、後端部２３４においてベーンレット中間領域線２６０に接している。曲線角度２６６は、接線２６２と接線２６４との交差点にて形成されている。図示されているように、ベーンレット２１０の曲線形状をより大きくすると、角度２６６もより大きくなる。したがって、角度２６６は、ベーンレット２１０の曲率の効果的な計測を提供する。曲線角度２６６は、羽根車１２からの流れ特性に基づいて、動水頭から圧力水頭への効果的な変換を提供するように選択されてもよい。また、曲線角度２６６は、流体の流れと、ベーン４０の前端部との間の入射角を小さくするために、近接するベーン４０の近傍にて流体の流れの方向を変えるように構成され得る。理解されるように、このような構成は、ディフューザ２４の効率を向上させ得る。例えば、曲線角度２６６は、約０°、約５°、約１０°、約１５°、約２０°、約２５°、約３０°、またはそれ以上の角度より大きな角度であってもよい。
【００６０】
曲線角度２６６、前端部２３２の曲率半径２５６、後端部２３４の曲率半径２５８、および長さ２４０は、ベーンレット２１０の範囲４８に沿って一定となっている。このようにして、２次元ベーンレット２１０（すなわち、一定の断面形状または輪郭を有するベーンレット２１０）が構成され、これにより、ベーンレットを備えないディフューザ構造と比べて、効率がより向上することとなる。前述したように、２次元ベーンレット構造は、ディフューザ効率を向上させつつ、ディフューザの設計および製造に掛かるコストを低減することができる。
【００６１】
図１９は、例示的ディフューザベーンレットを、図１７の線１９−１９で切断した断面図である。図示されているように、ベーンレット２１０の輪郭は、図１８に示されている輪郭と実質同じである。例えば、この領域の子午線長さ２６８は、ベーンレット頂部２３６の長さ２４０と同じである。同様に、前端部２３２の曲率半径２７０、後端部２３４の曲率半径２７２、および曲線角度２７４は、図１９に示す領域と、図１８に示す領域との間で不変である。ベーンレット２１０の輪郭は、軸方向に沿って実質同じであるので、ベーンレット２１０は、２次元形状を有する。その結果、ベーンレット２１０〜２３０は、３次元ベーンレット構造よりも、設計および製造するためのコストを低減することができる。
【００６２】
理解されるように、上記したベーンレットは、様々なディフューザ構造において用いられ得る。例えば、図３を参照して説明されたディフューザ２４は、周期的な３次元ベーンと、周期的な３次元ベーンレットとを備える。また、図１１を参照して説明されたディフューザ２４は、非周期的な３次元ベーンレットを備える一方、ベーンを備えていない。さらに、図１６を参照して説明されたディフューザ２４は、周期的な３次元ベーンと、非周期的な２次元ベーンレットとを備える。理解されるように、ベーンとベーンレットの他の組み合わせが、他の実施形態において用いられ得る。例えば、ある実施形態は、非周期的な２次元ベーンレットを備える一方、ベーンを備えていなくてもよい。さらなる実施形態は、非周期的な２次元ベーンレットと、２次元ベーン（周期的または非周期的）を備えてもよい。さらなる実施形態は、２次元ベーン（周期的または非周期的）と、３次元ベーンレット（周期的または非周期的）とを備えてもよい。ベーンとベーンレットの可能性のある他の組み合わせが、代替的な実施形態において用いられ得る。
【００６３】
本発明は、種々の修正と代替形状を許容するものであり、特定の実施形態は、図面に一例として示され、本稿にて詳細に説明されている。しかしながら、本発明は、開示された特定の形態に限定されるものではないことを理解されたい。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲によって定義されている本発明の概念および範囲内に存在する、全ての修正物、同等物、および代替物を包含するべきものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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