(57)【要約】本発明は、着脱型回転子ディスクを備える超音速圧縮機回転子を備える超音速圧縮機を提供し、回転子ディスクによって、回転子起動または定常状態などの異なる作動段階中、回転子の性能を高めるために回転子の流体流路の部分を制限または開放することができる。超音速圧縮機回転子は、共通の回転軸を共有する一次回転子ディスクと、二次回転子ディスクと、三次回転子ディスクとを備える。一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクが回転可能に結合され、三次回転子ディスクが、それらの間に配置される。三次回転子ディスクが、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクに対して独立して回転可能であり、回転子ディスクおよび少なくとも２つの羽根によって画定される流路の部分を制限または開放するための隆起面構造を備える。流路は超音速圧縮傾斜路を備え、隆起面構造を取り囲む。【選択図】図１
2013514491.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）一次回転子ディスクと、
（ｂ）二次回転子ディスクと、
（ｃ）三次回転子ディスクと
を備える超音速圧縮機回転子であって、
前記一次回転子ディスク、前記二次回転子ディスクおよび前記三次回転子ディスクが共通の回転軸を共有し、
前記一次回転子ディスクおよび前記二次回転子ディスクが回転可能に結合され、
前記三次回転子ディスクが、前記一次回転子ディスクと前記二次回転子ディスクとの間に配置され、前記三次回転子ディスクが、前記一次回転子ディスクおよび前記二次回転子ディスクに対して独立して回転可能であり、前記三次回転子ディスクが隆起面構造を備え、
前記一次回転子ディスク、前記二次回転子ディスクおよび前記三次回転子ディスクが少なくとも２つの羽根と共に、前記三次回転子ディスクの隆起面構造を取り囲む流路を画定し、
前記流路が超音速圧縮傾斜路を備える、超音速圧縮機回転子。
【請求項２】
前記流路が半径方向流路である、請求項１記載の超音速圧縮機回転子。
【請求項３】
前記流路が軸方向流路である、請求項１記載の超音速圧縮機回転子。
【請求項４】
（ａ）一次回転子ディスクと、
（ｂ）二次回転子ディスクと、
（ｃ）三次回転子ディスクと、
（ｄ）回転子支持板と
を備える超音速圧縮機回転子であって、
前記一次回転子ディスクおよび前記二次回転子ディスクが内側円柱形空洞および回転子外側縁部をそれぞれ画定し、
前記一次回転子ディスク、前記二次回転子ディスクおよび前記三次回転子ディスクが共通の回転軸を共有し、
前記一次回転子ディスクおよび前記二次回転子ディスクが回転可能に結合され、
前記三次回転子ディスクが、前記一次回転子ディスクと前記二次回転子ディスクとの間に配置され、前記三次回転子ディスクが、前記一次回転子ディスクおよび前記二次回転子ディスクに対して独立して回転可能であり、前記三次回転子ディスクが隆起面構造を備え、
前記一次回転子ディスク、前記二次回転子ディスクおよび前記三次回転子ディスクが少なくとも２つの羽根および前記回転子支持板と共に、前記三次回転子ディスクの隆起面構造を取り囲む半径方向流路を画定し、
前記半径方向流路が超音速圧縮傾斜路を備え、
前記半径方向流路が、前記内側円柱形空洞と前記回転子外側縁部との間に流体が半径方向に連通することを可能にする、超音速圧縮機回転子。
【請求項５】
（ａ）一次回転子ディスクと、
（ｂ）二次回転子ディスクと、
（ｃ）三次回転子ディスクと
を備える超音速圧縮機回転子であって、
前記一次回転子ディスク、前記二次回転子ディスクおよび前記三次回転子ディスクが、前記超音速圧縮機回転子の外側面を画定し、
前記一次回転子ディスク、前記二次回転子ディスクおよび前記三次回転子ディスクが共通の回転軸を共有し、
前記一次回転子ディスクおよび前記二次回転子ディスクが回転可能に結合され、
前記三次回転子ディスクが、前記一次回転子ディスクと前記二次回転子ディスクとの間に配置され、前記三次回転子ディスクが、前記一次回転子ディスクおよび前記二次回転子ディスクに対して独立して回転可能であり、前記三次回転子ディスクが隆起面構造を備え、
前記一次回転子ディスク、前記二次回転子ディスクおよび前記三次回転子ディスクが少なくとも２つの羽根と共に、前記三次回転子ディスクの隆起面構造を取り囲む軸方向流路を画定し、
前記軸方向流路が超音速圧縮傾斜路を備え、
前記軸方向流路が、前記超音速圧縮機回転子の外側面に沿って軸方向に流体連通を可能にする、超音速圧縮機回転子。
【請求項６】
前記一次回転子ディスクおよび前記二次回転子ディスクが、少なくとも２つの羽根を介して回転可能に結合されている、請求項１記載の超音速圧縮機回転子。
【請求項７】
前記一次回転子ディスクおよび前記二次回転子ディスクが、駆動軸を介して回転可能に結合されている、請求項１記載の超音速圧縮機回転子。
【請求項８】
前記隆起面構造が傾斜路である、請求項１記載の超音速圧縮機回転子。
【請求項９】
前記流路が複数の超音速圧縮傾斜路を備える、請求項１記載の超音速圧縮機回転子。
【請求項１０】
前記流路が亜音速拡散領域を画定する、請求項１記載の超音速圧縮機回転子。
【請求項１１】
請求項１記載の超音速圧縮機回転子を備える超音速圧縮機。
【請求項１２】
（ａ）流体入口と、
（ｂ）流体出口と、
（ｃ）少なくとも１つの超音速圧縮機回転子であって、
（ｉ）一次回転子ディスクと、
（ｉｉ）二次回転子ディスクと、
（ｉｉｉ）三次回転子ディスクと
を有し、
前記一次回転子ディスク、前記二次回転子ディスクおよび前記三次回転子ディスクが共通の回転軸を共有し、
前記一次回転子ディスクおよび前記二次回転子ディスクが回転可能に結合され、
前記三次回転子ディスクが、前記一次回転子ディスクと前記二次回転子ディスクとの間に配置され、前記三次回転子ディスクが、前記一次回転子ディスクおよび前記二次回転子ディスクに対して独立して回転可能であり、前記三次回転子ディスクが隆起面構造を備え、
前記一次回転子ディスク、前記二次回転子ディスクおよび前記三次回転子ディスクが少なくとも２つの羽根と共に、前記三次回転子ディスクの隆起面構造を取り囲む流路を画定し、
前記流路が超音速圧縮傾斜路を備える、少なくとも１つの超音速圧縮機回転子と
を備える超音速圧縮機。
【請求項１３】
従来の遠心圧縮機回転子をさらに備える、請求項１２記載の超音速圧縮機。
【請求項１４】
複数の超音速圧縮機回転子を備える、請求項１２記載の超音速圧縮機。
【請求項１５】
ガスタービン内に含まれる、請求項１２記載の超音速圧縮機。
【請求項１６】
流体を圧縮するための方法であって、
（ａ）低圧力ガス入口を通って流体を超音速圧縮機内部に含まれたガス導管内に導入するステップと、
（ｂ）前記超音速圧縮機の高圧力ガス出口を通ってガスを除去するステップとを含み、
前記超音速圧縮機が、前記ガス入口と前記ガス出口との間に配置された超音速圧縮機回転子を備え、前記超音速圧縮機回転子が、
（ｉ）一次回転子ディスクと、
（ｉｉ）二次回転子ディスクと、
（ｉｉｉ）三次回転子ディスクと
を有し、
前記一次回転子ディスク、前記二次回転子ディスクおよび前記三次回転子ディスクが共通の回転軸を共有し、
前記一次回転子ディスクおよび前記二次回転子ディスクが回転可能に結合され、
前記三次回転子ディスクが、前記一次回転子ディスクと前記二次回転子ディスクとの間に配置され、前記三次回転子ディスクが、前記一次回転子ディスクおよび前記二次回転子ディスクに対して独立して回転可能であり、前記三次回転子ディスクが隆起面構造を備え、
前記一次回転子ディスク、前記二次回転子ディスクおよび前記三次回転子ディスクが少なくとも２つの羽根と共に、前記三次回転子ディスクの隆起面構造を取り囲む流路を画定し、
前記流路が超音速圧縮傾斜路を備える、方法。
【請求項１７】
前記流体が二酸化炭素を含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記流体が天然ガスを含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
前記超音速圧縮機回転子が少なくとも３つの流路を備える、請求項１６記載の方法。
【請求項２０】
前記超音速圧縮機が複数の超音速圧縮機回転子を備える、請求項１６記載の方法。
【請求項２１】
前記超音速圧縮機が従来の遠心圧縮機回転子を備える、請求項１６記載の方法。
【請求項２２】
超音速圧縮機を始動するための方法であって、
（ａ）超音速圧縮機の流体導管内に配置された超音速圧縮機回転子を備える超音速圧縮機を用意するステップであって、前記超音速圧縮機回転子が、
（ｉ）一次回転子ディスクと、
（ｉｉ）二次回転子ディスクと、
（ｉｉｉ）三次回転子ディスクと
を有し、
前記一次回転子ディスク、前記二次回転子ディスクおよび前記三次回転子ディスクが共通の回転軸を共有し、
前記一次回転子ディスクおよび前記二次回転子ディスクが回転可能に結合され、
前記三次回転子ディスクが、前記一次回転子ディスクと前記二次回転子ディスクとの間に配置され、前記三次回転子ディスクが、前記一次回転子ディスクおよび前記二次回転子ディスクに対して独立して回転可能であり、前記三次回転子ディスクが隆起面構造を備え、
前記一次回転子ディスク、前記二次回転子ディスクおよび前記三次回転子ディスクが少なくとも２つの羽根と共に、前記三次回転子ディスクの隆起面構造を取り囲む流路を画定し、
前記流路が超音速圧縮傾斜路を備える、ステップと、
（ｂ）前記超音速圧縮機回転子が亜音速で回転すると、流路の喉部領域が相対的にあまり制限されないように、前記流路内部の前記三次回転子ディスクの隆起面構造を配置するステップと、
（ｃ）前記超音速圧縮機回転子が超音速で回転すると、流路の喉部領域が相対的により制限されるように、前記流路内部の前記三次回転子ディスクの隆起面構造を位置変更するステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機および圧縮機を備えるシステムに関する。具体的には、本発明は、超音速圧縮機回転子を備える超音速圧縮機および超音速圧縮機回転子を備えるシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の圧縮機システムは、ガスを圧縮するために広く使用され、冷却ユニットからジェットエンジンに及ぶ範囲で多くの一般に採用される技術の中に応用例が見られる。圧縮機の基本的な目的は、ガスを輸送し圧縮することである。そうするために、圧縮機は典型的に低圧力環境で機械的エネルギーをガスに加え、ガスを高圧力環境まで輸送し、高圧力環境内でガスを圧縮し、そこからガスは、仕事を実行するために使用され、または高圧力ガスを利用する下流の工程に入力として使用され得る。ガス圧縮機技術は十分に確立されており、遠心機から混流機械、軸流機械まで多様である。従来の圧縮機システムは、非常に有用ではあるが、単段式圧縮機によって達成され得る圧縮比率が相対的に低いという点で制限される。全体的に高い圧力比率が要求される場合、従来の多段式圧縮を備える圧縮機システムを採用することができる。しかし、従来の多段式圧縮を備える圧縮機システムは大きく、複雑で、費用が高くなりがちである。
【０００３】
最近になって、超音速圧縮機回転子を備える圧縮機システムが開示されてきた。時々超音速圧縮機と称されるそのような圧縮機システムは、超音速圧縮機回転子の低圧力側から、超音速圧縮機回転子の高圧力側に入力ガスを輸送し、圧縮する、回転子縁部面構造を有する作動している回転子に入力ガスを接触させることによって、ガスを輸送し圧縮する。従来の圧縮機と比較して、より高い単段式圧縮比率が、超音速圧縮機によって達成可能であるが、さらなる改良が非常に所望されるであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】英国特許第２０９９５１８号公報
【発明の概要】
【０００５】
本明細書に詳しく述べるように、本発明は、既知の超音速圧縮機と比較して圧縮機性能の向上をもたらす新規の超音速圧縮機回転子および新規の超音速圧縮機を提供する。
【０００６】
第１の態様で、本発明は、（ａ）一次回転子ディスクと、（ｂ）二次回転子ディスクと、（ｃ）三次回転子ディスクとを備える超音速圧縮機回転子であって、一次回転子ディスク、二次回転子ディスクおよび三次回転子ディスクが共通の回転軸を共有し、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクが回転可能に結合され、三次回転子ディスクが、一次回転子ディスクと二次回転子ディスクとの間に配置され、三次回転子ディスクが、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクに対して独立して回転可能であり、三次回転子ディスクが隆起面構造を備え、一次回転子ディスク、二次回転子ディスクおよび三次回転子ディスクが少なくとも２つの羽根と共に、三次回転子ディスクの隆起面構造を取り囲む流路を画定し、流路が超音速圧縮傾斜路を備える、超音速圧縮機回転子を提供する。
【０００７】
第２の態様で、本発明は、（ａ）一次回転子ディスクと、（ｂ）二次回転子ディスクと、（ｃ）三次回転子ディスクと、（ｄ）回転子支持板とを備える超音速圧縮機回転子であって、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクが内側円柱形空洞および回転子外側縁部を画定し、一次回転子ディスク、二次回転子ディスクおよび三次回転子ディスクが共通の回転軸を共有し、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクが回転可能に結合され、三次回転子ディスクが、一次回転子ディスクと二次回転子ディスクとの間に配置され、三次回転子ディスクが、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクに対して独立して回転可能であり、三次回転子ディスクが隆起面構造を備え、一次回転子ディスク、二次回転子ディスクおよび三次回転子ディスクが少なくとも２つの羽根および回転子支持板と共に、三次回転子ディスクの隆起面構造を取り囲む半径方向流路を画定し、半径方向流路が超音速圧縮傾斜路を備え、半径方向流路が、内側円柱形空洞と回転子外側縁部との間に流体が半径方向に連通することを可能にする、超音速圧縮機回転子を提供する。
【０００８】
第３の態様で、本発明は、（ａ）一次回転子ディスクと、（ｂ）二次回転子ディスクと、（ｃ）三次回転子ディスクとを備える超音速圧縮機回転子であって、一次回転子ディスク、二次回転子ディスクおよび三次回転子ディスクが、超音速圧縮機回転子の外側面を画定し、一次回転子ディスク、二次回転子ディスクおよび三次回転子ディスクが共通の回転軸を共有し、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクが回転可能に結合され、三次回転子ディスクが、一次回転子ディスクと二次回転子ディスクとの間に配置され、三次回転子ディスクが、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクに対して独立して回転可能であり、三次回転子ディスクが隆起面構造を備え、一次回転子ディスク、二次回転子ディスクおよび三次回転子ディスクが少なくとも２つの羽根と共に、三次回転子ディスクの隆起面構造を取り囲む軸方向流路を画定し、軸方向流路が超音速圧縮傾斜路を備え、軸方向流路が、超音速圧縮機回転子の外側面に沿って軸方向に流体連通を可能にする、超音速圧縮機回転子を提供する。
【０００９】
第４の態様で、本発明は、（ａ）流体入口と、（ｂ）流体出口と、（ｃ）少なくとも１つの超音速圧縮機回転子であって、（ｉ）一次回転子ディスクと、（ｉｉ）二次回転子ディスクと、（ｉｉｉ）三次回転子ディスクとを有し、一次回転子ディスク、二次回転子ディスクおよび三次回転子ディスクが共通の回転軸を共有し、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクが回転可能に結合され、三次回転子ディスクが、一次回転子ディスクと二次回転子ディスクとの間に配置され、三次回転子ディスクが、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクに対して独立して回転可能であり、三次回転子ディスクが隆起面構造を備え、一次回転子ディスク、二次回転子ディスクおよび三次回転子ディスクが少なくとも２つの羽根と共に、三次回転子ディスクの隆起面構造を取り囲む流路を画定し、流路が超音速圧縮傾斜路を備える、少なくとも１つの超音速圧縮機回転子とを備える超音速圧縮機を提供する。
【００１０】
第５の態様で、本発明は、流体を圧縮するための方法であって、（ａ）低圧力ガス入口を通って流体を超音速圧縮機内部に含まれたガス導管内に導入するステップと、（ｂ）超音速圧縮機の高圧力ガス出口を通ってガスを除去するステップとを含み、超音速圧縮機が、ガス入口とガス出口との間に配置された超音速圧縮機回転子を備え、超音速圧縮機回転子が、（ｉ）一次回転子ディスクと、（ｉｉ）二次回転子ディスクと、（ｉｉｉ）三次回転子ディスクとを有し、一次回転子ディスク、二次回転子ディスクおよび三次回転子ディスクが共通の回転軸を共有し、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクが回転可能に結合され、三次回転子ディスクが、一次回転子ディスクと二次回転子ディスクとの間に配置され、三次回転子ディスクが、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクに対して独立して回転可能であり、三次回転子ディスクが隆起面構造を備え、一次回転子ディスク、二次回転子ディスクおよび三次回転子ディスクが少なくとも２つの羽根と共に、三次回転子ディスクの隆起面構造を取り囲む流路を画定し、流路が超音速圧縮傾斜路を備える、方法を提供する。
【００１１】
第６の態様で、本発明は、超音速圧縮機を始動するための方法であって、（ａ）超音速圧縮機の流体導管内に配置された超音速圧縮機回転子を備える超音速圧縮機を用意するステップであって、超音速圧縮機回転子が、（ｉ）一次回転子ディスクと、（ｉｉ）二次回転子ディスクと、（ｉｉｉ）三次回転子ディスクとを有し、一次回転子ディスク、二次回転子ディスクおよび三次回転子ディスクが共通の回転軸を共有し、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクが回転可能に結合され、三次回転子ディスクが、一次回転子ディスクと二次回転子ディスクとの間に配置され、三次回転子ディスクが、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクに対して独立して回転可能であり、三次回転子ディスクが隆起面構造を備え、一次回転子ディスク、二次回転子ディスクおよび三次回転子ディスクが少なくとも２つの羽根と共に、三次回転子ディスクの隆起面構造を取り囲む流路を画定し、流路が超音速圧縮傾斜路を備える、ステップと、（ｂ）超音速圧縮機回転子が亜音速で回転すると、流路の喉部領域が相対的にあまり制限されないように、流路内部の三次回転子ディスクの隆起面構造を配置するステップと、（ｃ）超音速圧縮機回転子が超音速で回転すると、流路の喉部領域が相対的により制限されるように、流路内部の三次回転子ディスクの隆起面構造を位置変更するステップとを含む方法を提供する。
【００１２】
以下の詳細な説明が添付の図面を参照して読まれると、本発明のこれらのおよび他の特徴、態様および利点がよく理解されるようになるであろう。添付の図面全体で、同じ参照符号は同じ部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明によって提供される半径方向の超音速圧縮機回転子の図である。
【図２】本発明によって提供される半径方向の超音速圧縮機回転子の挿入図である。
【図３】本発明によって提供される半径方向の超音速圧縮機回転子の分解図である。
【図４】本発明によって提供される超音速圧縮機の図である。
【図５Ａ】本発明によって提供される軸方向の超音速圧縮機回転子の挿入図である。
【図５Ｂ】本発明によって提供される軸方向の超音速圧縮機回転子の挿入図である。
【図６】本発明によって提供される軸方向の超音速圧縮機回転子の図である。
【図７】本発明によって提供される軸方向の超音速圧縮機回転子の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書で提供される図面では、同じ参照符号は同じ部品を表す。そうではないと指示しない限り、本明細書で提供される図面は、本発明の重要な発明の特徴を図示することを意図する。これらの重要な発明の特徴は、本発明の１つまたは複数の実施形態を備える非常に様々な範囲のシステムに応用することができると確信する。そういうものとして、図面が、本発明を実施することが必要である当業者によって知られているすべての従来の特徴を含むという意味ではない。
【００１５】
以下の明細書およびそれに続く特許請求の範囲では、用語の符号に対して参照がなされることになるが、用語は以下の意味を有するものと定義する。
【００１６】
単数形の「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈で明確にそうではないと述べない限り、複数の参照対象を含む。
【００１７】
「任意選択の（ｏｐｔｉｏｎａｌ）」または「任意選択的に（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」は、その後説明された事象または状況が起こることがある、あるいは起こらないことがあるという意味であり、かつその説明には、事象が起こる場合の例および事象が起こらない場合の例が含まれるという意味である。
【００１８】
明細書および特許請求の範囲の全体に亘り、本明細書で使用される近似用語は、その明細書が関連する基本的な機能に変化が生じることなく、許容的に変化し得る任意の量に関する表現を修正するために適用することができる。したがって、「約」および「実質的に」などの１つの用語または複数の用語によって修正される値は、正確な特定された値に限定されない。少なくともいくつかの例では、近似用語は、値を計測するための機器の精度に対応することがある。ここで、ならびに明細書および特許請求の範囲の全体に亘り、範囲限定は組み合わされ、および／または置き換えられてもよく、そのような範囲は識別され、文脈または言語がそうではないと指示しない限り、そこに含まれたすべての部分範囲を含む。
【００１９】
本明細書で使用すると、「超音速圧縮機回転子」という用語は、超音速圧縮機回転子の流体流路内に配置された超音速圧縮傾斜路を備える圧縮機回転子を指し、その超音速圧縮機回転子は、作動中、回転している回転子の流体流路の流体入口に衝突する流体の速度が超音速であるように構成される。
【００２０】
本明細書で使用すると、「超音速圧縮機」という用語は、超音速圧縮機回転子を備える圧縮機を指す。
【００２１】
１つまたは複数の超音速圧縮機回転子を備えることができる既知の超音速圧縮機は、超音速圧縮機回転子の外側縁部と、超音速圧縮機回転子が中に配置される流体導管の内壁との間の流体を圧縮するように構成される。そのような超音速圧縮機では、超音速圧縮機回転子の回転子外側縁部を横切って、流体導管の低圧力側から流体導管の高圧力側へ流体が輸送される。回転子外側縁部に整列する羽根（時々、ストレーク（ｓｔｒａｋｅ）と言及される）が、軸方向流路を提供し、その流路を通って流体が超音速圧縮機回転子の一方の側から他方の側に移動する。超音速圧縮機回転子を備える超音速圧縮機は、例えば、２００５年３月２８日出願の米国特許出願番号第７，３３４，９９０号、２００５年３月２３日出願の米国特許出願番号第７，２９３，９５５号および２００９年１月１６日出願の米国特許第２００９／０１９６７３１号に詳細に説明されている。
【００２２】
本発明は、流体導管の低圧力側から流体導管の高圧力側に流体輸送が、半径方向流路または軸方向流路のいずれかを介して生じる新規な超音速圧縮機回転子を特徴とし、したがって、半径方向の流れの特徴および軸方向の流れの特徴を有する超音速圧縮機回転子を含む。本発明によって提供される、半径方向の流れの特徴を有する超音速圧縮機回転子は、超音速圧縮機回転子の内側円柱形空洞を回転子外側縁部に繋ぐ半径方向流路を備える。本発明によって提供される、軸方向の流れの特徴を有する超音速圧縮機回転子は、超音速圧縮機回転子の一次側または一次面を超音速圧縮機回転子の二次側または二次面に繋ぐ軸方向流路を備える。本発明によって提供される超音速圧縮機回転子が半径方向の流れの特徴または軸方向の流れの特徴のいずれを有するかどうかに関わらず、本発明によって提供される超音速圧縮機回転子のいずれも、隆起面構造を備える「時計のように回転可能な（ｃｌｏｃｋａｂｌｅ）」三次回転子ディスクを備え、その隆起面構造は流体流路の所与の部分内部の自由容積を拡張または制限するために使用することができる。「時計のように回転可能な」とは、三次回転子ディスクが、超音速圧縮機回転子の構成要素である一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクに対して独立して回転可能であるという意味である。これにより、流体流路の所与の部分の自由容積を拡張または制限するために、流体流路内の隆起面構造の動きの範囲を制限することが可能になる。本発明によって提供される超音速圧縮機回転子の新規な設計の特徴は、それらを備える超音速圧縮機の性能を高め、そのような新規な超音速圧縮機を備えるシステム内で優れた設計の汎用性をもたらすように期待される。様々な実施形態で、本発明によって提供される半径方向の流れの特徴を有する新規な超音速圧縮機回転子は、内側から外側への圧縮または外側から内側への圧縮向けに構成することができる。半径方向の流れの特徴を有する超音速圧縮機回転子は、作動中に回転子が回転すると、流体が内側円柱形空洞から半径方向流路を通って回転子外側縁部に移動する場合、内側から外側への圧縮向けに構成される。超音速圧縮機回転子は、作動中に回転子が回転すると、流体が回転子外側縁部から半径方向流路を通って内側円柱形空洞に移動する場合、外側から内側への圧縮向けに構成される。半径方向の流れの特徴を有する超音速圧縮機回転子が内側から外側への圧縮向けに構成されるか、または外側から内側への圧縮向けに構成されるかどうかは、半径方向流路内部の超音速圧縮傾斜路の配置、および半径方向流路の流体入口での羽根の構成によって、または単に超音速圧縮機回転子が回転する方向によって決定することができる。本明細書の図面に図示した様々な実施例では、半径方向の流れの特徴を有する超音速圧縮機回転子が内側から外側への圧縮向け構成として示される。
【００２３】
前述のように、一実施形態では、本発明は、一次回転子ディスクと、二次回転子ディスクと、三次回転子ディスクとを備える超音速圧縮機回転子を提供し、一次回転子ディスク、二次回転子ディスクおよび三次回転子ディスクが共通の回転軸を共有する。それらのディスクは、三次回転子ディスクが一次回転子ディスクと二次回転子ディスクとの間に配置されるように配置される。一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクは、例えば、共通の駆動軸（図７参照）あるは１つまたは複数の羽根によって回転可能に互いに結合され、一次回転子ディスクが駆動軸に取り付けられ、その駆動軸が作動すると、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクの両方が単体として回転するようになる。一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクを結合する羽根は、ディスク面上に配置され、流体流路を画定する。超音速圧縮機回転子が半径方向の流体流向けに構成される場合、羽根は、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクによって生成される面を横切る螺旋形として構成することができる（図１参照）。超音速圧縮機回転子が軸方向の流体流向けに構成される場合、羽根は、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクによって生成される面を横切るねじのような方法で構成することができる（図６参照）。
【００２４】
三次回転子ディスクは一次回転子ディスクと二次回転子ディスクとの間に配置され、典型的には羽根と接触しない。様々な実施形態で、三次回転子ディスクと羽根との間隙はできるだけ小さいことが望ましい。三次回転子ディスクと羽根との間隙は同一または一定である必要はないが、典型的には１ミリメートルの何分の１から数ミリメートル程度である。一実施形態では、三次回転子ディスクと羽根との間隙は約０．０１ミリメートルから約１ミリメートルの範囲である。
【００２５】
三次回転子ディスクは少なくとも１つの隆起面構造を備える。この隆起面構造は、隆起面構造の高さが三次回転子ディスクと羽根との間隙よりも大きくなるような寸法を有する。そのようなものとして、三次回転子ディスクは、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクが共に回転するとき、三次回転子ディスクもまた回転し、一般に一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクと共に回転するように構成されなければならない。このことは、三次回転子ディスクの面間に一次回転子ディスクの面の１つおよび二次回転子ディスクの面の１つを接触できるようにすることによって達成可能である。ディスク間のこの摩擦結合により、例えば、一次回転子ディスクが回転駆動軸に結合されるとき、３つすべてのディスクを共に回転させることが可能になる。羽根が三次回転子ディスクの面を三次回転子ディスクに接触せずに横切り、かつ隆起面構造の寸法が、隆起面構造が羽根の下を通ることができないようになっているので、隆起面構造は２つの羽根の間の空間に制限され、羽根およびディスク面が流路を画定する。
【００２６】
三次回転子ディスクは一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクと共に回転するが、三次回転子ディスクは独立して回転することができ、隆起面構造の位置が、羽根によって設定された境界内部で変化することができる。ある実施形態では、羽根によって画定された境界内部の隆起面構造のこの位置変化は、隆起面構造の潜在的配置として見なすことができる（例えば、図１の要素１１１参照）。三次回転子ディスクを一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクに対して、独立して回転させる、または「時計のように回転させる」ために様々な機構を採用することができる。ある機構では、追加の力（三次回転子ディスクを一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクと共に回転させる力を超える）が、三次回転子ディスクの回転速度を共に回転する一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクに対して、瞬間的に減少または増加させるために、三次回転子ディスクに独立して加えられる。別の機構では、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクの一方または両方によって三次回転子ディスクに加えられる力が瞬間的に減少し、それによって、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクの共同回転の速度に対して、三次回転子ディスクが回転速度を変化させる。当業者なら、作動中、超音速圧縮機回転子が典型的に、例えば、１０，０００ｒｐｍ（毎分回転数）の非常に速い回転速度で作動されることが分かるであろう。したがって、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクに対する三次回転子ディスクの回転速度の瞬間的な増加および減少は、非常に短期のものである（例えば、ほんの一瞬）。
【００２７】
したがって、流路内部の隆起面構造の位置は変化することが可能である。これにより、超音速圧縮機回転子が起動中に、流路の１つまたは複数の一次部分内に隆起面構造を配置し、例えば、超音速圧縮機回転子の定常状態作動中に１つまたは複数の二次位置に隆起面構造を配置することが可能になる。起動中、超音速圧縮機回転子の流体入口（例えば、図２の要素１０参照）がより制限されるのではなく、あまり制限されず、超音速圧縮機回転子の定常状態作動中には、流体入口を制限することによって性能の利点が達成され得る。三次回転子ディスクが時計のように回転することにより、隆起面構造が、流体入口を「開放」または制限するために、流体入口に最も近い流路の部分から除去され、またはその部分に導入されることが可能になる。
【００２８】
前述のように、羽根ならびに一次回転子ディスク、二次回転子ディスクおよび三次回転子ディスクの面が超音速圧縮機回転子の流路を画定する。当業者なら分かるように、有益であるためには、流路は少なくとも１つの追加の面によって制限されねばならない。ある実施形態では、少なくとも１つの追加の面が超音速圧縮機回転子自体に一体化されている。例えば、図３に示す実施形態では、超音速圧縮機回転子は、この少なくとも１つの追加の面を供給する回転子支持板（要素１０５参照）を備える。別の実施形態では、少なくとも１つの追加の面は超音速圧縮機回転子に一体化されず、例えば、図６に示す型の超音速圧縮機回転子は、超音速圧縮機回転子が超音速圧縮機内に配置されるとき、少なくとも１つの追加の面が、超音速圧縮機回転子がその中に配置される流体導管の内側面によって提供される。
【００２９】
流体流路は、少なくとも１つの超音速圧縮傾斜路を備えると言われており、その傾斜路は、作動中、流体流路内に衝撃波の生成を提供する。この超音速圧縮傾斜路は、流体流路を画定する任意の構造上に配置することができる。したがって、超音速圧縮傾斜路は１つまたは複数の羽根上、ディスク面上または上記に考察した少なくとも１つの追加の面上に配置することができる。図１、２、３、５、６、および７は流体流路内の超音速圧縮傾斜路のいくつかの可能な配置を図示する。
【００３０】
前述のように、本発明によって提供される超音速圧縮機回転子は、例えば図１、２、３および４に示す実施形態のように、半径方向圧縮向けに構成することができる。そのような構成では、流体流路は半径方向流路と称される。別法として、本発明によって提供される超音速圧縮機回転子は、例えば図５，６および７に示す実施形態のように、軸方向圧縮向けに構成することができる。そのような構成では、流体流路は軸方向流路と称される。典型的な実施形態では、流体流路の数は羽根の数によって決定され、羽根の数に等しい。したがって、図１に示す実施形態では、超音速圧縮機回転子は２つの羽根および２つの半径方向流路を備える。図３に示す実施形態では、超音速圧縮機回転子は６つの羽根および６つの半径方向流路を備える。図５、図６および図７に示す実施形態では、超音速圧縮機回転子は２つの羽根および２つの軸方向流路を備える。
【００３１】
一実施形態では、本発明は、少なくとも３つの軸方向流路を備える超音速圧縮機回転子を提供する。別の実施形態では、本発明は、少なくとも３つの半径方向流路を備える超音速圧縮機回転子を提供する。
【００３２】
隆起面構造が幅広い種類の形状および大きさを有することができる。例えば、隆起面構造は、楔形、傾斜路、隆起ひし形、隆起多角形（例えば、隆起五角形、隆起六角形、隆起七角形）、円錐形、半円錐形、半楕円体、半楕円体ではない楕円体の断片、ピラミッド形、円柱、半円柱、半円柱ではない円柱の断片、半球形、半球形ではない球形の断片、またはいくつかのその組合せであってもよい。上記に考察したよく知られた幾何学形状に加えて、隆起面構造が、ある実施形態では不規則な形状を有することがある。一実施形態では、隆起面構造が楔形構造である。代替実施形態では、隆起面構造は傾斜路形状構造である。隆起面構造が三次回転子ディスクの外側面に配置されるので、三次回転子ディスクに接触する、隆起面構造の部分は三次回転子ディスクの輪郭に一致するであろう。そうであるので、軸方向の流れの特徴（図５〜７参照）を有する超音速圧縮機回転子内の三次回転子ディスクに接触する隆起面構造の部分は、厳密に言えば、正確に水平面（現実のまたは仮定の参照面に対して）ではないが、しかし便利なように、水平面として説明される。したがって、隆起面構造が、楔形または半球形などのよく知られた幾何学形状である実施形態の中でさえも、隆起面構造の三次回転子ディスクに接触する部分がディスクの表面輪郭に一致し、隆起面構造の対向面が一致しない（例えば、一次水平面が三次回転子ディスクの輪郭に一致し、二次水平面が一致しない楔形の隆起面構造）場合、その形状はわずかに不規則になる（すなわち、幾何学的理想形状から外れる）。
【００３３】
隆起面構造という用語の意味がよく理解されるために、潜在的な隆起面構造を構成するある構造をここでさらに詳しく説明する。楔形である隆起面構造は、等しい大きさの２つの水平面（典型的には上方面および下方面）、等しい大きさの２つの垂直面および第３の垂直面を有する５面構造として本明細書で定義する。傾斜路である隆起面構造は、本明細書では、楔形のように、ただ１つの平行面、３つの垂直面および平行でも垂直でもない１つの面を有する５面構造として定義する。隆起ひし形は、２つのひし形平行面および４つの垂直面を有する６面構造として定義する。同様に、隆起六角形は、２つの六角形水平面および６つの垂直面を有する８面構造として定義する。
【００３４】
典型的には、隆起面構造は、三次回転子ディスクよりも幅が広くなく、隆起面構造が配置される流路を画定する羽根ほど背が高くないような寸法を有する。典型的には、隆起面構造が、隆起面構造が配置される流体流路の容積の約０．１％から約２５％の容積を示す押しのけ容積を有する固体構造である。流体流路の容積は、流体流路を画定する羽根の間の回転子ディスクの表面積×流体流路を画定する羽根の最大の高さと定義される。一実施形態では、隆起面構造が、隆起面構造が存在する流体流路の容積の約１％から約１５％の容積を示す押しのけ容積を有する固体構造である。代替実施形態では、隆起面構造が、隆起面構造が存在する流体流路の容積の約５％から約１０％の容積を示す押しのけ容積を有する固体構造である。
【００３５】
本発明によって提供される超音速圧縮機回転子は超音速圧縮機の構成要素として有益である。したがって、一態様では、本発明は、本発明の超音速圧縮機回転子を備える超音速圧縮機を提供する。本発明によって提供される超音速圧縮機は、従来の遠心圧縮機回転子などの１つまたは複数の追加の特徴を備えることができる（例えば、図４参照）。ある実施形態では、本発明によって提供される超音速圧縮機は、本発明の複数の超音速圧縮機回転子を備えることができる。したがって、一実施形態では、本発明は、本発明の少なくとも２つの超音速圧縮機回転子を備える超音速圧縮機を提供する。
【００３６】
本発明によって提供される超音速圧縮機は、様々な用途に使用可能である。したがって、一実施形態では、本発明は、本発明の超音速圧縮機を備えるガスタービンを提供する。
【００３７】
一態様では、本発明は流体を圧縮する方法を提供する。流体は超音速圧縮機を受け入れ可能な任意の流体であってよく、例えば、二酸化炭素、天然ガスまたは二酸化炭素および天然ガスを含む混合物であってもよい。本発明によって提供される方法によって圧縮され得る他の適切な流体には、ハロゲン化炭素化合物、メタンおよびエチレンなどの低分子量アルカン、ならびに天然ガス、二酸化炭素、水蒸気および硫化水素を含む天然ガス混合物が含まれる。したがって、一実施形態では、例えば、メタン二酸化炭素混合物などの処理流体が低圧力ガス入口を通って、超音速圧縮機のガス導管内に導入され、例えば、１０，０００ｒｐｍ（毎分回転数）などの高速で回転している本発明の回転している超音速圧縮機回転子の入口側（低圧力側）に供給される。超音速圧縮機回転子の低圧力側に衝突する処理流体の部分は、流体が圧縮される超音速圧縮機回転子の流路内に流入する。圧縮済み流体の部分は、回転子の高圧力側で超音速圧縮機回転子を出て、高圧力ガス出口を介して超音速圧縮機から除去される。
【００３８】
一実施形態では、本発明の方法が２つ以上の流体流路を備える超音速圧縮機回転子を採用する。代替実施形態では、本発明の方法が少なくとも３つの流体流路を備える超音速圧縮機回転子を採用する。一実施形態では、流体流路は半径方向流路である。代替実施形態では、流体流路は軸方向流路である。
【００３９】
一実施形態では、本発明の方法が複数の超音速圧縮機回転子を備える超音速圧縮機を採用しており、例えば、超音速圧縮機の流体導管内に連続して整列する、本発明の２つの逆方向に回転する複数の超音速圧縮機回転子を備える。一実施形態では、本発明の方法が、本発明の少なくとも１つの超音速圧縮機回転子に加えて、少なくとも１つの従来の遠心圧縮機回転子を備える超音速圧縮機を採用する。
【００４０】
ここで図１を参照すると、図面は本発明の超音速圧縮機回転子１００を図示し、回転子は一次回転子ディスク１０１、二次回転子ディスク１０２および三次回転子ディスク１０３を備える。回転子１０１〜１０３は共通の回転軸を共有する。一次回転子ディスク１０１および二次回転子ディスク１０２は２つの羽根１５０によって回転可能に結合される。三次回転子ディスク１０３は一次回転子ディスクと二次回転子ディスクとの間に配置され、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクに対して独立して回転可能である。三次回転子ディスク１０３は、その表面に隆起面構造１１０を備え、隆起面構造１１０は、破線１１１で示される潜在的位置の連続に沿って、羽根１５０の間で一次回転子ディスク１０１および二次回転子ディスク１０２に対して時計のように回転することができる。一次回転子ディスク１０１は回転子支持支柱１６０を介して駆動軸３００に結合され、回転子支持支柱１６０は駆動軸から一次回転子ディスク１０１に機械的エネルギーを転送し、回転子ディスク１０１は、今度は羽根１５０を介して二次回転子ディスク１０２に回転可能に結合される。回転子ディスク１０１〜１０３および羽根１５０は共に半径方向流路１０８を画定し、半径方向流路１０８は超音速圧縮傾斜路１２０を備え、内側円柱形空洞１０４と超音速圧縮機回転子の外側縁部（回転子外側縁部、図４の要素１１２参照）との間に流体の連通を提供する。作動中、内側円柱形空洞１０４から半径方向流路１０８に入る流体は、超音速で超音速圧縮傾斜路１２０に衝突し、斜めの衝撃波１２５を生じ、その衝撃波は隣接する羽根面から反射され、それによって、斜めの反射衝撃波１２７および通常の衝撃波１０９を形成する。隆起面構造１１０は、通路１１１に沿って、羽根１５０の間の任意の場所に配置することができる。
【００４１】
次に図２を参照すると、図面は本発明の超音速圧縮機回転子１００の拡大部分を図示する。隆起面構造１１０が、三次回転子ディスク１０３の面に取り付けられたひし形隆起構造（「隆起ひし形」）として図示されている。この実施形態では、隆起面構造１１０は、流体入口１０よりも流体出口２０に近い羽根１５０の間に配置されて図示される。図２は、超音速で作動中の超音速圧縮機回転子を示し、超音速圧縮傾斜路１２０の位置、および半径方向流路１０８に入る流体が超音速圧縮傾斜路に衝突するときに形成される斜めの衝撃波１２５を示す。図２はまた、反射衝撃波１２７、通常衝撃波１２９および亜音速拡散領域１２１の存在も示す。
【００４２】
次に図３を参照すると、図面は本発明の例示的超音速圧縮機回転子１００の分解図を示す。図面は、一次回転子ディスク１０１と二次回転子ディスク１０２との間に配置された三次回転子ディスク１０３を示す。６つの羽根１５０のセットが一次回転子ディスク１０１を二次回転子ディスク１０２に回転可能に結合する。回転子ディスク１０１〜１０３および羽根１５０は共に、流体入口１０および流体出口２０を画定する６つの半径方向流路１０８のセット（図１および２参照）を画定する。図３では、各羽根は単一の超音速圧縮傾斜路１２０を備え、羽根は、超音速圧縮傾斜路１２０が流体入口１０に隣接する半径方向流路１０８内にあるように配置される。三次回転子ディスク１０３の面上に、６つの隆起面構造１１０のセットが一定の間隔で配置され、６つの隆起面構造１１０は各半径方向流路１０８の内部にそれぞれ備えられている。回転子支持板１０５は羽根１５０に付着し、さらに半径方向流路１０８を画定する。全体として回転子は回転駆動軸３００によって超音速で回転することができ、回転駆動軸３００は回転子支持支柱１６０を介して一次回転子ディスク１０１に機械的に結合される。回転駆動軸３００は開口３０３を介して回転子支持板１０５を貫通する。三次回転子ディスク１０３は駆動軸３０１を介して独立して回転可能であり、駆動軸３０１は回転子支持支柱１６３を介して三次回転子ディスク１０３に結合される。図示の実施形態では、駆動軸３０１は直接に一次回転子ディスク１０１または二次回転子ディスク１０２のどちらかに結合されていない。駆動軸３０１に力を加えることにより、各半径方向流路内の隆起面構造１１０の位置は変化することができて、半径方向流路１０８の所与の部分を制限または開放する。
【００４３】
図４を参照すると、図面は本発明の実施形態およびその作動のいくつかの基本的な特性を図示する。図面は、本発明の超音速圧縮機回転子１００および圧縮機筺体５１０内部に格納された従来の遠心圧縮機回転子４０５を備える分解図に示された超音速圧縮機５００を図示する。超音速圧縮機回転子１００および従来の遠心圧縮機回転子４０５は超音速圧縮機の流体導管内に配置されると言われており、流体導管は圧縮機筺体によって少なくとも一部分を画定され、流体導管は低圧力側５２０および高圧力側５２２を備え、それぞれ流体導管の低圧力側５２０および流体導管の高圧力側５２２と称される。図４に示す図面は、従来の遠心圧縮機回転子４０５が超音速圧縮機回転子１００の内側円柱形空洞１０４から離れて、その上方に図示されているという意味で「分解」されている。様々な実施形態で、従来の遠心圧縮機回転子４０５は、実際に内側円柱形空洞１０４内部に配置される。超音速圧縮機回転子１００は、結合された駆動軸３００／３０１によって方向３１０に駆動される。従来の遠心圧縮機回転子４０５は駆動軸３２０によって方向３３０に駆動される。図示のように、超音速圧縮機回転子１００および従来の遠心圧縮機回転子４０５は反対方向に回転動作をするように構成される。圧縮機入口（図示せず）を通って導入された流体（図示せず）は、流体導管の低圧力側５２０に入り、方向３３０に回転する従来の遠心圧縮機回転子４０５のブレード４０６に衝突する。流体流の方向３０は、流体が回転している従来の遠心圧縮機回転子に衝突すると、変化する。流体は、超音速圧縮機回転子１００の内側円柱形空洞１０４内に配置された従来の遠心圧縮機回転子４０５から外側半径方向に向く。超音速圧縮機回転子１００は内側円柱形空洞１０４および回転子外側縁部１１２を画定し、少なくとも２つの半径方向流路１０８（図示せず）が内側円柱形空洞１０４と回転子外側縁部１１２との間に流体が連通することができるようにし、その半径方向流路が超音速圧縮傾斜路（図示せず）を備える。図４に示す実施形態では、超音速圧縮機回転子１００は、回転子支持板１０５（回転子板）および３つの回転子ディスク（図示せず）、一次回転子ディスク、二次回転子ディスクおよび三次回転子ディスクを備え、それらの回転子ディスクは羽根１５０および回転子支持板１０５と共に少なくとも２つの半径方向流路を画定する。回転子支持板１０５は、従来の遠心圧縮機回転子４０５を内側円柱形空洞１０４の中に挿入することができる開口を画定する。図示の実施形態では、超音速圧縮機回転子１００は、駆動軸３００／３０１に機械的に結合され、駆動軸３００／３０１は、全体として回転子の回転を提供するのみならず、一次回転子ディスク１０１（図示せず）および二次回転子ディスク１０２（図示せず）に対する三次回転子ディスク１０３（図示せず）の時計のような回転を提供する。一実施形態では、駆動軸３００／３０１は、２つの同中心の駆動軸を有し、その内側軸（図示せず）は、例えば図１にあるように回転子支持支柱１６０（図示せず）を介して、一次回転子ディスク１０１（図示せず）に機械的に結合され、その外側駆動軸は、例えば図３にあるように回転子支持支柱１６３（図示せず）を介して、三次回転子ディスク１０３（図示せず）に機械的に結合される。半径方向外側に移動する流体は、回転する超音速圧縮機回転子１００の流体入口１０（図示せず）に衝突し、半径方向流路１０８（図示せず）内に向けられ、半径方向流路１０８は超音速圧縮機回転子の内側円柱形空洞１０４から回転子外側縁部１１２まで通る流体を圧縮する。半径方向流路１０８（図示せず）は超音速圧縮傾斜路１２０（図示せず）を備え、超音速圧縮傾斜路１２０は半径方向流路内の流体を圧縮し、圧縮された流体を流体出口２０の方に向ける。次いで、流体出口２０を出る流体は、流体導管の高圧力側５２２に入る。流体導管の高圧力側５２２内部の圧縮された流体は、仕事を実施するために使用することができ、またはある他の目的のために使用することができる。
【００４４】
図５を参照すると、図面は軸方向の流れの特徴を有する本発明の超音速圧縮機回転子１００を図示する。超音速圧縮機回転子は、一次回転子ディスク１０１、二次回転子ディスク１０２およびそれらの間に配置された三次回転子ディスク１０３を備える。３つの回転子ディスクは共に超音速圧縮機回転子の外側面１１７を形成し、共通の回転軸１１６を共有する。一次回転子ディスク１０１および二次回転子ディスク１０２は２つの羽根１５０を介して回転可能に結合され、２つの羽根１５０は回転子ディスク１０１〜１０３と共に２つの軸方向流路１０９を画定し、軸方向流路は流体入口１０および流体出口２０を備える。三次回転子ディスク１０３は、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクに対して独立して回転可能（時計のように回転可能）であり、隆起面構造１１０を備える。羽根１５０は、軸方向流路の部分を形成する超音速圧縮傾斜路１２０を備える。
【００４５】
図５Ａは、隆起面構造が軸方向流路の喉部領域の下流に配置される状況で作動中の超音速圧縮機回転子を示し、喉部領域は、羽根１５０の面上に互いに対向する超音速圧縮傾斜路１２０によって画定される。流体は、流体入口１０で回転する超音速圧縮機回転子に衝突し、流体が超音速圧縮傾斜路１２０に衝突するまで、螺旋形通路（軸方向流路）に沿って超音速圧縮機回転子の外側面１１７を横切って案内され、圧縮され、流体出口２０を介して排出される。図５Ａに示す構成は、回転子起動中に使用するために適切である。
【００４６】
図５Ｂは、隆起面構造が軸方向流路の喉部領域内に配置された状況下で作動中の超音速圧縮機回転子を示す。図５Ｂに示す構成は、回転子の定常状態作動中に使用するために適切である。図５Ａの位置に対して隆起面構造の変位の方向は図５Ｂの矢印１１５で示される。
【００４７】
図６を参照すると、図面は図５に図示された超音速圧縮機回転子１００をさらにまた図示し、追加の詳細を提供する。図面では、駆動軸３００が一次回転子ディスク１０１に機械的に結合され、一次回転子ディスク１０１は２つの羽根１５０によって二次回転子ディスク１０２に回転可能に結合される。駆動軸３０１によって、三次回転子ディスク１０３が一次回転子ディスク１０１および二次回転子ディスク１０２に対して独立して回転することが可能になり、それにより隆起面構造１１０の位置が軸方向流路１０９内に変化され得るようになる。応用例では、図６に示す超音速圧縮機回転子１００は、典型的には超音速圧縮機筺体（図示せず）内に配置される。図６（および図７）では、一次回転子ディスク１０１および三次回転子ディスク１０３が間隔１０６によって分離されて示されるが、間隔１０６は一次回転子ディスク１０１を三次回転子ディスク１０３から区別するために誇張され、一定比率に縮小されていない。同様に、図面では二次回転子ディスク１０２は間隔１０７によって三次回転子ディスク１０３から分離されて示される。この場合もこの間隔は、図面で二次回転子ディスク１０２を三次回転子ディスク１０３から区別するために誇張され、一定比率に縮小されていない。前述のように、三次回転子ディスク１０３は典型的に一次回転子ディスク１０１および二次回転子ディスク１０２の両方に接触している。
【００４８】
次に、図７を参照すると、図面は、一次回転子ディスク１０１を二次回転子ディスク１０２に対して回転可能に結合するために、羽根１５０に依存しない本発明の超音速圧縮機回転子１００を図示する。むしろ、一次回転子ディスク１０１および二次回転子ディスク１０２は、開口３０３を介して三次回転子ディスク１０３を貫通する駆動軸３００によって回転可能に結合される。回転子ディスク１０１〜１０３は共通の回転軸（図７の駆動軸３００の軸によって示される）を共有する。駆動軸３００は三次回転子ディスク１０３に直接接触しない。図７に示す実施形態では、一次回転子ディスク１０１と駆動軸３００との間の機械的結合は、回転子支持支柱１６０によって影響される。二次回転子ディスク１０２は駆動軸３００に直接結合される（結合は図示せず）。図面は、三次回転子ディスク１０３が一次回転子ディスク１０１と二次回転子ディスク１０２との間に配置されていることを図示する。回転子ディスク１０１〜１０３および羽根１５０は、共に２つの軸方向流路１０９を画定し、軸方向流路１０９は流体入口１０および流体出口２０を画定する。図７では、各羽根が少なくとも１つの超音速圧縮傾斜路１２０を備え、羽根は、超音速圧縮傾斜路１２０が流体入口１０に隣接する軸方向流路１０９内に配置されるように配置される。三次回転子ディスク１０３の外側面に２つの隆起面構造１１０のセットが配置され、隆起面構造１１０は各軸方向流路１０９内にそれぞれ備えられている。隆起面構造１１０の位置は、共に回転する同中心の駆動軸３０１に独立して力を加えることにより調整することができる。駆動軸３０１は、回転子支持支柱１６３を介して三次回転子ディスク１０３に結合される。全体として回転子は、共に回転する駆動軸３００および３０１によって超音速に回転可能である。三次回転子ディスク１０３は駆動軸３０１を介して、一次回転子ディスク１０１および二次回転子ディスク１０２に対して独立して回転可能であると言われている。図示の実施形態では、駆動軸３０１は一次回転子ディスクまたは二次回転子ディスクのいずれにも直接結合されているのではない。駆動軸３０１に力を加えることにより、各半径方向流路内の隆起面構造１１０の位置が変化して、軸方向流路１０９の所与の部分を制限または開放することができる。当業者なら、駆動軸３０１が駆動軸３００と共に回転して、回転子支持支柱１６０と回転子支持支柱１６３との間の接触を防止し、回転子支持支柱１６３の位置が回転子支持支柱１６０によって制限された円弧の内部で変動することができ、これが隆起面構造１１０の軸方向流路１０９内部の潜在的位置に対応することを理解するであろう。図７に示す超音速圧縮機回転子では、羽根１５０は一次回転子ディスク１０１に取り付けられているが、二次回転子ディスク１０２には取り付けられていない。羽根１５０は二次回転子ディスク１０２の面から間隔（図示せず）によって分離され、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクが羽根１５０によって回転可能に結合されない実施形態では、間隔は典型的には、１ミリメートルの何分の１から数ミリメートル程度である。一実施形態では、二次回転子ディスクと羽根との間隙は約０．０１ミリメートルから約１ミリメートルの範囲である。
【００４９】
別の実施形態では、本発明は超音速圧縮機を始動するための方法を提供する。その方法は、（ａ）超音速圧縮機の流体導管内に配置された超音速圧縮機回転子、例えば、休止中の超音速圧縮機回転子を備える超音速圧縮機を用意するステップを備える。超音速圧縮機が本発明の超音速圧縮機回転子、例えば、図６に図示する超音速圧縮機回転子を備える。超音速圧縮機回転子が、（ｉ）一次回転子ディスク１０１と、（ｉｉ）二次回転子ディスク１０２と、（ｉｉｉ）三次回転子ディスク１０３とを有し、一次回転子ディスク、二次回転子ディスクおよび三次回転子ディスクが共通の回転軸を共有する。典型的には、共通の回転軸は、超音速圧縮機回転子を駆動するために使用される１つまたは複数の駆動軸（図６の駆動軸３００および３０１参照）の回転軸に相当する。一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクが回転可能に結合される。この機械的結合により、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクが単一体として回転することになり、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクの外側面に取り付けられた２つ以上の羽根１５０によって影響を受けることが可能である。別法として、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクのこの機械的結合は、他の別の方法によって、例えば、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクの両方を共通の駆動軸３００に取り付ける（例えば、図７参照）ことなどによって作成可能である。いくつかの実施形態では、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクは、方法の組合せ、例えば、共通駆動軸３００および羽根１５０によって機械的に結合される。三次回転子ディスクが、一次回転子ディスクと二次回転子ディスクとの間に配置され、一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクに対して独立して回転可能である。三次回転子ディスクが、三次回転子ディスクの外側面に配置された隆起面構造１１０を備える。この隆起面構造は、少なくとも２つの羽根と共に一次回転子ディスク、二次回転子ディスクおよび三次回転子ディスクによって画定される半径方向または軸方向流路内に位置する。流路は、流路を画定する１つまたは複数の面上に超音速圧縮傾斜路を備える。一次回転子ディスクおよび二次回転子ディスクに対して三次回転子ディスクを独立して回転させるための方法、例えば、回転子支持支柱１６３（図７参照）に結合された駆動軸３０１を使用して、隆起面構造は、半径方向流路の喉部領域が相対的にあまり制限されないように流路内に配置される。流路の喉部領域は、超音速圧縮傾斜路１２０によって制限される流路の部分であり、超音速圧縮傾斜路と超音速圧縮傾斜路に対向する流路の面との間の空間によって図示される（例えば図５参照。図５では流路の喉部領域が対向する超音速圧縮傾斜路１２０の間の空間として図示される）。低速度で、例えば亜音速では、流路の喉部領域が高速度のときに比較してあまり制限されないことが有利である。図５Ａは、流路内の隆起面構造のこの位置を図示し、流路の喉部領域は図５Ｂに比較してあまり制限されないようになっているが、図５Ｂは、流路１０９内の隆起面構造１１０の配置を図示し、喉部領域は図５Ａに示す構成よりも相対的により制限されるようになっている。したがって、図５Ａは、超音速圧縮機回転子が亜音速で回転しているとき、起動中の隆起面構造１１０の所望の配置を図示し、図５Ｂは、超音速圧縮機回転子が超音速で回転しているとき、定常作動中の隆起面構造１１０の所望の配置を図示する。超音速圧縮機回転子の速度が亜音速状態から超音速状態に移行すると、例えば駆動軸３０１および回転子支持支柱１６３を介して三次回転子ディスクに力を加えることによって、隆起面構造は流路内の一次位置から流路内の二次位置へ位置変更することができる。当業者なら、流路の喉部領域が、図５Ａに示す構成よりも図５Ｂに示す構成で相対的により制限されるということを理解するであろう。このように低速度で超音速圧縮機回転子の喉部領域を開放し、高速度で超音速圧縮機回転子の喉部領域を制限することができるので、特有の効率的な超音速圧縮機を始動する方法が可能になる。
【００５０】
ここに記載する説明は、本発明を開示するための最良の型を含む実施例を使用し、また当業者が本発明を実施することができるための実施例を使用し、それには任意の装置またはシステムを作成、使用し、および任意の組み込まれた方法を実施することが含まれる。本発明の特許性のある範囲は特許請求の範囲で定義され、当業者に生じる他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言から離れない構造的要素を有するならば、またはそれらが特許請求の範囲の文言から実質的に離れない構造的要素を有するならば、特許請求の範囲にあると意図するものである。
【符号の説明】
【００５１】
１０  流体入口
２０  流体出口
３０  流体流の方向
１００  超音速圧縮機回転子
１０１  一次回転子ディスク
１０２  二次回転子ディスク
１０３  三次回転子ディスク
１０４  円柱形空洞
１０５  回転子支持板
１０６  間隔
１０７  間隔
１０８  半径方向流路
１０９  軸方向流路
１１０  隆起面構造
１１１  通路
１１２  回転子外側縁部
１１５  矢印
１１６  回転軸
１１７  圧縮機回転子の外側面
１２０  傾斜路
１２１  亜音速拡散領域
１２５  斜めの衝撃波
１２７  反射衝撃波
１２９  通常衝撃波
１５０  羽根
１６０  回転子支持支柱
１６３  回転子支持支柱
３００  駆動軸
３０１  駆動軸
３０３  開口
３１０  方向
３２０  駆動軸
３３０  方向
４０５  遠心圧縮機回転子
４０６  ブレード
５００  超音速圧縮機
５１０  筺体
５２０  流体導管の低圧力側
５２２  流体導管の高圧力側
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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