(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１の翼を含む第１の翼領域を有する第１の翼要素と、
少なくとも１つの第２の翼を含む第２の翼領域を有する第２の翼要素であって、前記第２の翼領域は、前記第１の翼領域に隣接して位置している、第２の翼要素と、
フローを案内するように設計および構成されている密結合フローガイド（ＣＣＦＧ）と、を含み、
前記第１の翼要素が回転軸を有し、前記複数の第１の翼の少なくとも１つが後縁を有し、前記後縁が最小半径ｒ２＿ｍｉｎを有し、前記半径ｒ２＿ｍｉｎが前記後縁と前記回転軸との間の最小距離であり、前記ＣＣＦＧが、半径ｒｃに位置した前縁を有し、半径ｒｃが半径ｒ２＿ｍｉｎ未満である、遠心ターボ機械。
【請求項２】
前記第１の翼領域と前記第２の翼領域との間に延在する結合回避ゾーンをさらに含み、前記ＣＣＦＧの少なくとも一部が前記結合回避ゾーンに位置している、請求項１に記載の遠心ターボ機械。
【請求項３】
前記第２の翼要素が、低ソリディティ翼列に配置および構成された複数の第２の翼を含み、前記低ソリディティ翼列のソリディティは約０．５〜１．３の範囲である、請求項１に記載の遠心ターボ機械。
【請求項４】
前記第２の翼要素が、前記低ソリディティ翼列の下流に位置決めされたタンデム翼列に配置および構成された複数の第３の翼をさらに含み、前記タンデム翼列が、前記低ソリディティ翼列よりも少ない翼の数を有する、請求項３に記載の遠心ターボ機械。
【請求項５】
前記低ソリディティ翼列が複数の平板を含む、請求項３に記載の遠心ターボ機械。
【請求項６】
前記第１の翼要素が遠心羽根車を含み、前記第２の翼要素がディフューザを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の遠心ターボ機械。
【請求項７】
前記ＣＣＦＧが輪郭面を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の遠心ターボ機械。
【請求項８】
前記輪郭面が、フローワイズ方向に前記第１の翼領域に重なり合う脚部を有する、請求項７に記載の遠心ターボ機械。
【請求項９】
前記輪郭面の一部分が前記第２の翼領域に位置している、請求項８に記載の遠心ターボ機械。
【請求項１０】
前記ＣＣＦＧがリブを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の遠心ターボ機械。
【請求項１１】
前記リブの第１の部分が前記第１の翼領域に位置し、前記リブの第２の部分が前記第２の翼領域に位置している、請求項１０に記載の遠心ターボ機械。
【請求項１２】
前記ＣＣＦＧが、第２のリブおよびトラフをさらに含み、前記トラフが前記リブと前記第２のリブとの間に位置する、請求項１０に記載の遠心ターボ機械。
【請求項１３】
シュラウド面をさらに含み、前記ＣＣＦＧは、前記シュラウド面に形成されたトラフである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の遠心ターボ機械。
【請求項１４】
前記トラフが、フローワイズ方向に前記複数の第１の翼および前記少なくとも１つの第２の翼の双方に重なり合う、請求項１３に記載の遠心ターボ機械。
【請求項１５】
シュラウド面を有するシュラウドに隣接して回転可能に位置して、複数の羽根車の翼を有する羽根車であって、前記羽根車の翼の各々が、
前記シュラウド面に隣接したシュラウド縁と、
後縁と、を有する、羽根車と、
前記羽根車の下流に位置して、少なくとも１つのディフューザ通路を形成するディフューザと、を含むターボ機械であって、
前記シュラウド面は、前記シュラウド面内に位置して前記羽根車の翼の後縁より上流の位置から前記シュラウド面に沿って下流に前記ディフューザ内に延在する複数の細長い凹部を含み、前記凹部は、前記ターボ機械内の作動流体の一部を案内するように構成され、前記羽根車の翼の後縁は前記ディフューザ通路に対向する、ターボ機械。
【請求項１６】
ターボ機械の性能を改善する方法であって、前記ターボ機械が、
シュラウド面を有するシュラウドに隣接して回転可能に位置して、複数の羽根車の翼を有する羽根車であって、前記羽根車の翼の各々が、
前記シュラウド面に隣接したシュラウド縁と、
後縁と、を有する、羽根車と、
前記羽根車の下流に位置して、少なくとも１つのディフューザ通路を形成するディフューザと、を含み、
前記方法が、
前記ターボ機械内に修正されたシュラウド面を組み込むステップであって、前記修正されたシュラウド面は、前記羽根車の翼の後縁より上流の位置から前記シュラウド面に沿って下流に前記ディフューザ内に延在する、前記シュラウド面内の複数の細長い凹部であって、前記ターボ機械内の作動流体の一部を案内するように構成された複数の細長い凹部を含み、前記羽根車の翼の後縁は前記ディフューザ通路に対向する、ステップを含む方法。
【請求項１７】
前記細長い凹部が、トラフおよびチャンネルから構成された群から選択される、請求項１５に記載のターボ機械。
【請求項１８】
前記複数の細長い凹部が前記ディフューザの入口の下流に延在する、請求項１５に記載のターボ機械。
【請求項１９】
前記細長い凹部が、トラフおよびチャンネルから構成された群から選択される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記複数の細長い凹部が前記ディフューザの入口の下流に延在する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記ターボ機械が半径流ターボ機械である、請求項１５、１７及び１８のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項２２】
前記ターボ機械が半径流ターボ機械である、請求項１６、１９及び２０のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願情報
[0001]本出願は、２０１３年１月２３日出願の米国仮特許出願第６１／７５５，７４７号（名称「Methods for Forced Coupling of Rotor-Stator Pairs and Turbomachines Incorporating the Same」）の非仮出願であり、その全体を参照により本明細書に援用する。
【０００２】
発明の分野
[0002]本発明は、概して、ターボ機械の分野に関する。特に、本発明は、ターボ機械の隣接する翼要素の流れの場を強制的に結合する構造体および方法、ならびにそれを組み込むターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００３】
背景
[0003]圧縮機、ポンプおよびタービンを含むターボ機械は、一般的に、複数の列の翼要素を含み、これら列は、互いにごく接近して位置決めされることが多く、使用中、作動流体用の通路を形成する。多くの場合、これらの隣接する列間には相対運動があり、この運動は非常に高速であることが多い。例には、ロータに結合された、回転する羽根車の翼の列が含まれ、このロータは、ステータに結合された、静止しているディフューザまたはノズルの翼または羽根の列に隣接して位置決めされている。従来のターボ機械設計では、これら翼要素の隣接する列間の間隙を最小にして、これらの列を形成する構造体間の、例えば、ロータの翼とステータの羽根との間の望まれない相互作用を最小にしかつ回避することを義務付けている。これらの望まれない相互作用には雑音および振動の発生が含まれ、振動は、ロータの翼および／またはディフューザの羽根にひびを入れたり、または破壊したりすることが知られている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
開示の概要
[0004]一実装形態では、本開示は、ターボ機械に関する。ターボ機械は、複数の第１の翼を含む第１の翼領域を有する第１の翼要素と；少なくとも１つの第２の翼を含む第２の翼領域を有する第２の翼要素であって、第２の翼領域は、第１の翼領域に隣接して位置している、第２の翼要素と；使用中、第１の翼要素の流れの場を第２の翼要素の流れの場に密結合するように設計および構成されている密結合フローガイド（ＣＣＦＧ：close-coupling flow guide）とを含む。
【０００５】
[0005]別の実装形態では、本開示は、ターボ機械に関する。ターボ機械は、第２の翼列に隣接して位置決めされた第１の翼列と；第１の翼列および第２の翼列の少なくとも一方の近位にある密結合フローガイド（ＣＣＦＧ）であって、第１の翼列の流れの場を第２の翼列の流れの場に密結合するように設計および構成されているＣＣＦＧとを含む。
【０００６】
図面の簡単な説明
[0006]本発明を説明するために、図面には、本発明の１つ以上の実施形態の態様を示す。しかしながら、本発明は、図面に示す正確な配置および手段に限定されないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ターボ機械の隣接する翼要素間の流れの場の結合を増強させる１つ以上の密結合フローガイド（ＣＣＦＧ）を含む、本発明に従って作製されたターボ機械を示すハイレベルブロック図である。
【図２】ＣＣＦＧを含むターボ機械の構造的特徴（contextual features）を示す概略図である。
【図３】ＣＣＦＧを有する低ソリディティプレートのディフューザの形態の例示的な翼要素である。
【図４】ＣＣＦＧおよび下流の翼のタンデム列を有する低ソリディティプレートのディフューザの形態の例示的な翼要素である。
【図５】輪郭面（contoured surface）の形態の例示的なＣＣＦＧを有する翼の側面図である。
【図６】図５に示す翼の斜視図である。
【図７】図５〜６に示す翼の前部の断面図である。
【図８】図５〜７に示す翼の前部の断面図である。
【図９】図５〜８に示す翼の前部の断面図である。
【図１０】図５〜９に示す翼の前部の断面図である。
【図１１】ねじれた輪郭面の形態の代替的なＣＣＦＧを有する翼の上面図である。
【図１２】図１１に示す翼の側面図である。
【図１３】図１１〜１２に示すねじれた輪郭面の翼を有する例示的な翼要素の斜視図である。
【図１４】複数の翼および複数のＣＣＦＧを有する、ディフューザの形態の例示的な翼要素の斜視図である。
【図１５】図１４に示す翼要素の別の斜視図である。
【図１６】羽根車の形態の別の翼要素と組み合わせられた、図１４〜１５に示す翼要素の斜視図である。
【図１７】テーパ付ハブ面を有しない例示的な翼要素の斜視図である。
【図１８】翼の圧力側に面取りした面を含むＣＣＦＧを備える翼を有する、例示的な翼要素の斜視図である。
【図１９】翼の吸い込み側に面取りした面を含むＣＣＦＧを備える翼を有する、例示的な翼要素の斜視図である。
【図２０】頂部および底部においてフィレットに接する直線の中間部分をそれぞれ有する前縁および後縁を含むＣＣＦＧを備える翼を有する、例示的な翼要素の斜視図である。
【図２１】代替的な輪郭面を含むＣＣＦＧを備える翼を有する、例示的な翼要素の斜視図である。
【図２２】ディフューザ通路に延在するＣＣＦＧを備える羽根車の翼を有する、例示的な半径流圧縮機（radial compressor）／ポンプの斜視図である。
【図２３】図２２に示す羽根車の翼のＣＣＦＧの拡大図である。
【図２４】翼の後縁からシュラウド面に沿って延在するリブを含むＣＣＦＧを備える翼を有する、例示的な翼要素の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
詳細な説明
[0007]ここで図面を参照すると、図１には、本発明に従って作製され、かつ第１の翼要素１０４と、直接隣接した第２の翼要素１０８とを含むターボ機械１００が示されている。ターボ機械１００は、本発明の特徴および態様を供するのに好適な任意のタイプのターボ機械としてもよく、限定されるものではないが、ターボ機械の種類に関わらず、すなわち、ターボ機械が遠心機、軸流機械（axial machine）、混合流機械、任意の他の種類の機械、またはそれらの任意の組み合わせであるかに関わらず、圧縮機、タービン、ポンプ、ファンなどを含む。本開示全体を読むことから当業者には明らかになるように、第１および第２の翼要素１０４および１０８のそれぞれは、回転要素（例えば、遠心羽根車、遠心インデューサ（centrifugal inducer）、軸流圧縮機ホイール、軸流タービンホイール、ファン、ポンプホイールなど）、または静止要素（例えば、ディフューザ、ノズル、フローガイドなど）とし得る。
【０００９】
[0008]下記で詳細に説明するように、本発明のいくつかの態様は、本明細書および添付の特許請求の範囲では、「密結合フローガイド」（ＣＣＦＧ）と呼ばれる追加的な特徴に関し、一般的に、隣接する翼要素間、例えば図１の翼要素１０４と１０８との間に位置して、および／または隣接する翼要素の一方または双方と重なり合って、これら翼要素の流れの場を意図的に密結合するＣＣＦＧ領域（ここではＣＣＦＧ領域１１２）に関する。代替的な実施形態では、ＣＣＦＧ領域はまた、さらに上流および／またはさらに下流に位置してもよく、翼要素１０４と１０８との間に延在する空間１１０に延在しないようにする。同様に下記で詳細に説明するように、そのようなＣＣＦＧは、望ましくない効果、例えば望ましくない流れ、圧力、および／または振動擾乱を生じることなく、隣接する翼領域の流れの場の結合を増強するように特別に設計および構成される構造体を含み得る。図１は、単一の対の隣接する翼要素１０４および１０８のみを有するとしてターボ機械１００を示すが、他の実施形態では、対象のターボ機械は、２つ以上の対の隣接する翼要素を有してもよく、および隣接する対のいくつかまたは全ては、本発明のＣＣＦＧによって強化され得ることに留意されたい。特定のＣＣＦＧを説明する前に、最初に、読者が本発明の態様を詳細に理解するように、多少の背景を示す。
【００１０】
[0009]従来のターボ機械の設計では、翼領域間の望まれない相互作用を防止するために、隣接する翼領域間の羽根なし空間を最小限に維持する必要があることが広く受け入れられている。圧力場を壊す歪みを生じ得る、そのような相互作用の例は、Japikse, D., 1980, “The Influence of Diffuser Inlet Pressure Fields on the Range and Durability of Centrifugal Compressor Stages,” AGARD CP-282による研究に含まれている。実際、そのような振動を制御する必要性が非常に高かったため、ターボ機械設計の世界では、この分離を適切に保つことに特に重点を置いてきており、および各要素を、それら２つの密結合を必要としない別個の存在として設計することを常に考えている。この考え方が招いた結果の１つは、良好な段には、ロータとステータとの間に空力的な結合がほとんどない、つまり、一方の要素から他方の要素へのフィードバックが皆無かそれに近いため、どちらも、他方の要素に対して大きな影響を与えない、という通説である。
【００１１】
[0010]しかしながら、本発明者は、大規模な研究および試験から、そのような従来の考えが間違っていること、およびより洗練された設計アプローチを用いて、本明細書において「結合回避ゾーン」と呼ばれている伝統的な羽根なし空間に構造体および特徴を追加して、隣接する流れの場の結合を意図的に高めることができることを発見した。この密結合は、多数の他の利点の中でも、圧縮機またはポンプのロータからの仕事の入力を増やすこと、タービンロータからの仕事の出力を増やすこと、および羽根車内の流れの相対拡散を増やすことを含め、機械性能を高め得る。計算流体力学、および有限要素解析などの現代の計算法を用いて、この高度に結合された３次元問題を特徴付けることができ、および密結合特徴を設計できる。本明細書において説明する密結合特徴は、同様に、本明細書および添付の特許請求の範囲ではＣＣＦＧと呼ばれ、ターボ機械の設計者に、流れの場の結合を意図的に高めるような高機能の構造体を開発するための多自由度をもたらし、翼領域間に望まれない相互作用を生じることなく、および性能の低下、振動、および雑音などのそれらの相互作用の悪影響を全く生じることなく、機械性能を改良する。下記の様々な例に示すように、本開示のＣＣＦＧは、対応する結合回避ゾーン内に部分的にまたは全体的に位置するか、および／または上流および／または下流の翼領域と重なり合って位置して、所望の流れの場の結合を達成し得る。
【００１２】
[0011]従来のターボ機械設計では、上述のような羽根なし空間、または結合回避ゾーンの最小サイズは、機械のタイプおよびサイズに依存して変化し得る。半径流圧縮機およびポンプに関しては、最小サイズは、一般的に、約１．０８≦ｒ３／ｒ２≦１．１５(式中、ｒ３は、機械の中心線から羽根の前縁までの半径であり、およびｒ２は、羽根車またはロータの後縁までの半径である）の範囲にある。軸流機械に関しては、最小結合回避ゾーンは、一般に、約１／４Ｃ〜１／２Ｃ（式中、Ｃは、関連の翼のコード長である）の範囲にある。混合流機械に関しては、適用可能な測定基準は、機械の構成に依存して、半径流の測定基準（ｒ３／ｒ２）または軸流の測定基準（１／４Ｃ〜１／２Ｃ）のいずれかとし得る。下記でより詳細に説明するように、ＣＣＦＧは結合回避ゾーンまで延在するか、またはそこに全体的に位置することができ、半径流圧縮機およびポンプに対し、ｒｃ／ｒ２が１．０８未満（式中、ｒｃは、機械の中心線からＣＣＦＧの前縁までの半径である）となるようにし得、および軸流機械に対し、ＣＣＦＧの前縁または後縁と、隣接する翼との間の分離が１／４Ｃ未満となるようにし得る。
【００１３】
[0012]添付図面の図２は、図１に関してさらに詳細に、本明細書において説明しかつ残りの図面およびそれに付随する説明における特定の例で例示される、ＣＣＦＧの基礎となる一般的特徴および原理のいくつかを提示する。図２は、上述の従来の結合回避ゾーン２００、およびその本発明との関係を概念的に示す。図２では、対応するそれぞれの翼要素２１２および２１６の２つの例示的な翼２０４および２０８が、互いに離間しているが隣接して位置決めされ、かつ対応するそれぞれの前縁／後縁２０４Ａおよび２０８Ａを有しており、この前／後とは、機械を通る流れの方向に依存する。上述の通り、各翼要素２１２および２１６は、例えば、ロータ（例えば、遠心羽根車、遠心インデューサ、軸流圧縮機ホイール、軸流タービンホイール、ファン、ポンプホイールなど）、またはステータ（例えば、ディフューザ、ノズル、フローガイドなど）とすることができ、および翼要素は、一方の翼要素が静止しかつ他方の翼要素が機械の回転軸の周りで回転するような、相対運動のために構成され得る。
【００１４】
[0013]本発明によれば、図２は、上述の通り、隣接する翼要素２１２と２１６との間の流れの場の結合を促すために意図的に設けられた１つ以上のＣＣＦＧ（図示せず）を含むＣＣＦＧ領域２２０を示す。図示の通り、ＣＣＦＧ領域２２０は、前縁／後縁２０４Ａおよび２０８Ａの上流および下流に延在しても、結合回避ゾーン２００にまたはそれにわたって延在しても、翼２０４および２０８の一方、他方、または双方に重なり合うように延在しても、およびまた、対象のターボ機械の回転軸（図示せず）に対して周方向に延在してもよい（ここでは、全体的に、紙面の内外へ）。ＣＣＦＧ領域２２０の範囲は極端な状態で示すが、任意の特定の設計において使用される実際のＣＣＦＧ領域は、そのようである必要はないことに留意されたい。例えば、一部の設計では、ＣＣＦＧ領域は、伝統的な結合回避ゾーン２００の一部分のみを占める。他の設計では、ＣＣＦＧ領域は、結合回避ゾーン２００全体を占めるおよび／または隣接する翼要素２１２および２１６の一方、他方、または双方に重なり合う。さらに他の設計では、ＣＣＦＧ領域は、結合回避ゾーン２００の上流および／または下流にのみ位置し、結合回避ゾーンには全く位置しなくてもよい。上述の通り、本開示のＣＣＦＧの重要な態様は、それらが生じる意図的な流れの場の結合の効果であり、本質的に、必ずしもそれらの位置ではない。
【００１５】
[0014]上述しかつ下記でより詳細に説明する通り、ＣＣＦＧ領域２２０は、１つ以上のタイプの１つ以上のＣＣＦＧを含む。一例では、それぞれ翼２０４および２０８の前縁／後縁２０４Ａおよび２０８Ａの一方、他方、または双方は、対応するそれぞれの翼２０４および２０８に好適なＣＣＦＧ構造体２２４および２２８（概念上、点線として示す）を任意選択的に追加することによって、結合回避ゾーン２００に効果的に移され得る。図示の通り、ＣＣＦＧ２２４および２２８は、翼２０４および２０８の１つ以上に追加されて、前縁／後縁２０４Ａおよび／または２０８Ａを従来の設計の前縁／後縁２３０および２３２から結合回避ゾーン２００にある位置まで効果的に動かし得る。追加されたＣＣＦＧ構造体のそれぞれの構成に依存して、結果として得られる構造体は、従来の設計の従来の翼のように見え得るであろうが、違いは、翼が追加的な機能性、すなわち、ＣＣＦＧ構造体を追加することによって以前は回避されていた密結合機能を備えることであることに留意されたい。
【００１６】
[0015]図示の通り、翼２０４および２０８の各々は、対応する翼要素２１２および２１６の対応するそれぞれの翼領域２４０Ａおよび２４２Ａに位置し、ここでは、回転要素に関しては、翼領域は、要素が完全に回転するときの、翼要素にある１列以上の翼の従来の設計の後縁または前縁、例えば従来の設計の後縁／前縁２３０および２３２のスイープされた領域間の容積空間であり、かつ、ステータ要素に関しては、ステータ要素の回転は実際ではなく架空であることを除いて、翼領域は同じである。従来のターボ機械設計では、結合回避ゾーンは、隣接する翼要素の翼領域間に延在し、これら翼領域は、意図的に離間されて、流れの場の結合量を最小にする。これを、図２に、翼要素２１２の翼領域２４０Ａと翼要素２１６の翼領域２４２Ａとの間に延在する結合回避ゾーン２００によって示す。本発明の実施形態は、結合回避ゾーン２００へのＣＣＦＧの追加を含み、ＣＣＦＧ領域２２０は、各翼領域２４０Ａおよび２４２Ａの任意の子午線範囲を越えて延在し得る（例えば、半径流装置に関し、翼領域の半径方向に最も外側の範囲の半径方向外側、および／または翼領域の半径方向に最も内側の範囲の半径方向内側）。
【００１７】
[0016]図２は、ＣＣＦＧ２２４および２２８のみを示すが、上述の通り、ＣＣＦＧは、ＣＣＦＧ領域２２０内のどこに位置してもよい。また、図２ではＣＣＦＧ２２４および２２８を概念的におよび比較的単純に示すが、本明細書においてより詳細に説明しかつ示すように、本開示のＣＣＦＧは、輪郭面、リブ、トラフ、およびチャンネルを含む、様々な異なる構成のいずれか１つ以上を有し得る。例えば、本開示のＣＣＦＧは、ハブまたはシュラウド面内にまたはその上に、トラフ、チャンネル、および／またはリブを含み得、かつ翼２０４および２０８のいずれかの上流または下流に延在し得る。本開示のＣＣＦＧはまた、翼２０４および２０８の一方の、結合回避ゾーン２００からは反対側に位置したリブ、トラフ、またはチャンネルを含み得る。例えば、翼２０４および２０８の１つが、結合回避ゾーン２００の下流に位置したディフューザ羽根である実施形態では、ＣＣＦＧは、ディフューザ羽根の後縁の下流に位置し得る。
【００１８】
[0017]例示的な実施形態において下記でより詳細に説明するように、リブおよび輪郭面の形態のＣＣＦＧは、トラフまたはチャンネルの形態のＣＣＦＧと組み合わせて追加され、設計を最適にし得る。例えば、流れの結合を改善することに加え、トラフおよびチャンネルを使用して、ＣＣＦＧ、例えば輪郭面を追加することに起因するいずれの羽根による妨害をも無効にすることによって、カスケードに沿った偽通路の適切な断面領域を維持し得る。
【００１９】
[0018]いくつかの実施形態では、本明細書において開示するＣＣＦＧは、国際特許出願国際公開第ＰＣＴ／ＵＳ０２／１９１７３号（名称「FLOW STABILIZING DEVICE」）（これは、安定性および流れ制御孔の教示に関し参照により本明細書に援用される）に説明されているような安定性および流れ制御孔と組み合わせられ得る。他の実施形態は、ＣＣＦＧの設計に加え、共鳴装置、ハニカムおよび表面処理を追加することを含む、様々な雑音低減方法を含み得る。
【００２０】
[0019]上述のおよび添付図面に示す１つ以上のＣＣＦＧを組み込むターボ機械の一般的特徴を考慮すると、以下の説明および対応する図ではいくつかの例示的な実施形態を示し、本開示の態様をさらに説明しかつ示す。
【００２１】
[0020]いくつかの実施形態では、ＣＣＦＧを組み込むターボ機械は、翼要素がディフューザである場合などの、低ソリディティの列のエアフォイルまたはプレートを有する翼要素を有してもよく、ここで、ソリディティは、コード長対ピッチの比率と定義され、および低ソリディティの列の剛率比は、約０．５〜１．３の範囲とし得る。例えば、低ソリディティは、任意の２つの隣接する羽根の重なり合いが最小であること、または全く重なり合っていないことを指し得る。図３は、プレートの形態の複数の翼３０２を有する例示的な低ソリディティのディフューザ３００の一部分を示す。比較を容易にするために、ディフューザ３００は、翼要素１０４または１０８（図１）のうちの一方の例であり、および翼３０２は、翼２０４または２０８（図２）の例である。図示の実施形態では、翼３０２のそれぞれの前縁は、ディフューザ３００の流れの場に羽根車などの隣接する翼要素における流れの場を密結合するように設計および構成される、輪郭面３０４の形態のＣＣＦＧを含む。下記でより詳細に説明するように、輪郭面３０４は、所与の適用のために結合を最適にするように、ＣＣＦＧの設計に多自由度をもたらすことができ、および輪郭面はまた、翼３０２のための追加的な構造支持体として機能してもよく、振動性能を改善し得る。翼３０２は、輪郭面３０４が結合回避ゾーンに延在して、隣接する流れの場をより密結合させるように構成され得る。代替的な実施形態では、低ソリディティのディフューザ３００はまた、本明細書において説明するＣＣＦＧのいずれかの形態にある追加的なＣＣＦＧを含み得る。例えば、ＣＣＦＧはまた、１つ以上の翼３０２の後縁３０６の下流に位置しても、または隣接する翼間に位置してもよい。ＣＣＦＧはまた、エアフォイルの断面形状の羽根を含む低ソリディティの列に追加されても、かつまた、高いソリディティを有する翼列に追加されてもよい。さらに、下記でより詳細に説明するように、翼３０２は、羽根の強度および振動性能を改善するために、羽根のベースの全てまたは一部分に沿ってフィレットを含み得る。
【００２２】
[0021]図４は、プレートの形態の第１の低ソリディティ列の翼４０４を含み、かつまた第２の下流の列のタンデム翼４０８を含む、低ソリディティのディフューザ４００を示す。従来のターボ機械設計では、従来の設計におけるタンデム翼の主要目的は、列毎の負荷係数のレベルを限定することであるため、下流のタンデム翼の数は、一般に、上流の翼と同じかまたはそれよりも多い。しかしながら、図示の実施形態では、下流のタンデム翼４０８の数は、１つだけのタンデム翼４０８を含め、第１の列の翼４０４の数を上回るものから第１の列の翼の数を下回るものまで、可変としてもよく、およびタンデム翼は、全高または部分高の翼とし得る。図示の実施形態では、低ソリディティのディフューザ４００は、１４個の第１の列の翼４０４、および６個の第２の列のタンデム翼４０８を有し、この数は、第１の列の翼の数の半分を下回る。図示の実施形態は、第１の列の翼４０４よりも多数のタンデム翼４０８を必要としない。なぜなら、図示の実施形態では、タンデム翼は、旋回失速セルのブレーキの役割を果たすか、または流れの逆転および分離または失速を防止するために境界層のガイドまたはフェンスとしての機能を果たすことによって、安定性を改善するように設計および構成されるためである。
【００２３】
[0022]図５〜１０は、翼の前縁／後縁５０４に形成された、輪郭面５０２の形態のＣＣＦＧを有する例示的な翼５００の様々な態様を示す。図示の実施形態では、輪郭面５０２は、従来の前縁／後縁２３０または２３２（図２）に対応する従来の前縁／後縁５０６から延在する。それゆえ、輪郭面５０２を翼５００に加えることによって、前縁／後縁５０４が翼領域５０８（翼領域２４０Ａまたは２４２Ａ（図２）に対応する）を越えて、かつ結合回避ゾーン（図示せず）まで延在するようにする。それゆえ、輪郭面５０２は、機械の結合回避ゾーンまで延在し、かつ流れの場の結合を改善して機械性能を高める。輪郭面５０２は、ＣＣＦＧ領域２２０（図２）に対応するＣＣＦＧ領域のいくつかの箇所に位置し得る。翼５００は、任意の数のタイプの機械に位置してもよく、および機械にあるいくつもの翼要素のうちのいずれか１つに結合され得る。例えば、翼５００は、圧縮機またはポンプのディフューザの羽根としても、またはタービンのノズルの羽根としてもよい。図示の実施形態では、翼５００は、翼要素（翼要素１０４または１０８（図１）など）のハブ５１０とシュラウド５１２との間に延在し、かつ流通路５２０に位置決めされる。例示的な輪郭面５０２は、前縁／後縁５０４に形成され、および、頂点５２４を備えかつ端部５３０および５３２をそれぞれ有する上部脚部５２６および下部脚部５２８を含む湾曲形状または放物形を有する。輪郭面５０２は、翼５００に追加的な構造体を提供し、それにより、振動性能を改善し得る。さらに、翼５００はまた、翼のベースまたは頂部の１つ以上にフィレット半径部（fillet radii）６００（図６から最もよく分かる）を有してもよく、かつまた、振動性能を高めるために適切な厚さ分布を有し得る。
【００２４】
[0023]例示的な実施形態では、輪郭面５０２は実質的に対称的であり、頂点５２４は、ハブ面５４０とシュラウド面５４２との間の実質的に中間点に位置しており、および上部および下部脚部５２６および５２８の端部５３０および５３２は、頂点５２４から実質的に同じ距離に位置している。代替的な実施形態では、ＣＣＦＧは、非対称的な形状を含む、様々な代替的な輪郭面の形状を含み得る。例えば、頂点の位置は、ハブ面５４０とシュラウド面５４２との間の相対距離、およびまた端部５３０および５３２からの距離の双方において、可変とし得る。例えば、例示的な輪郭面は、結合回避ゾーンに位置した頂点を含み、同様に、頂点が結合回避ゾーンの外側に位置し、および輪郭面の脚部の一方または両方が結合回避ゾーンに延在する輪郭面がある。代替的な輪郭面は、三角形、および頂点のない形状を含め、他の幾何学的形状を含む。下記で例示的な実施形態において説明および図示するように、脚部の長さは異なってもよく、例えば、上部脚部は下部脚部よりも長く、かつ非平面的な輪郭面、例えばねじれた輪郭面を有してもよい。
【００２５】
[0024]図６〜１０は、図６の矢印６００によって示すように斜視的にみたときの、輪郭面５０２の様々な断面を示す。より具体的には、図７は、輪郭面５０２の始まりの部分の翼５００の断面を示し、および図８〜１０は、翼５００および輪郭面５０２に沿ってさらに進んだ箇所における断面を示す。図示の通り、輪郭面５０２の前縁／後縁５０４は、翼５００の厚さにおいて中間点１０００（図１０）まで狭くなり、鋭い空力形状を形成し、それにより流動性能を向上させ得る。このシェブロンまたは前縁の肉薄部分またはテーパ付部分は、羽根のいずれかの側、または両側に位置してもよいし、または一方の側からその他まで異なって変化してもよい。
【００２６】
[0025]図１１〜１３は、ねじれた輪郭面１１０２の形態のＣＣＦＧを有する代替的な翼１１００を示す。輪郭面５０２と同様に、ねじれた輪郭面１１０２は、様々な異なる機械に位置し得る翼１１００の前縁または後縁１１０４に形成される。輪郭面５０２とは異なり、ねじれた輪郭面１１０２は、ねじれた形状を有し、上部脚部１１０６は、一方向において翼１１００から離れるように湾曲し、および下部脚部１１０８は、実質的に反対方向において翼から離れるように湾曲する。図示の実施形態では、翼１１００の前／後部分１１１０のみがねじれており、および翼１１００の残りの部分は実質的に平面的である。代替的な実施形態では、翼１１００の全長を含む、翼１１００のより大きな部分が、ねじれ構成を有してもよい。図１３は、翼要素１０４および１０８（図１）の一方などの翼要素１３０６のシュラウド面１３０２とハブ面１３０４との間に位置決めされた翼１３００の前縁に位置した、ねじれた輪郭面１１０２の例示的な適用例を示す。
【００２７】
[0026]それゆえ、図５〜１３に示しかつ付随する記載に説明する通り、輪郭面の形態のＣＣＦＧは、ターボ機械の設計者に、輪郭面の形状、脚部の相対的長さ、および輪郭面のねじれを含む所与の適用例、ならびに輪郭面が形成される翼に対する幾何学的形状を最適にするための、多数の自由度を提供する。
【００２８】
[0027]図１４〜１６は、様々な形態のＣＣＦＧを用いる半径流圧縮機／ポンプ１４０２のディフューザ１４００の形態の翼要素の例示的な実施形態を示す。比較を容易にするために、半径流圧縮機／ポンプ１４０２は、例示的なターボ機械１００（図１）であり、およびディフューザ１４００は、例示的な翼要素１０４または１０８（図１）である。圧縮機／ポンプ１４０２は、シュラウド１４０４およびハブ１４０６を含み、およびそれらの間に複数の翼１４０８が延在して、ディフューザ１４００を形成する。例示的な実施形態では、翼１４０８は、低ソリディティの列を形成し、および翼の従来の設計の前縁１４１０から半径方向外側に延在する翼領域に位置決めされる。翼１４０８は、輪郭面５０２（図３）と同様の構成を有する輪郭面１４１２の形態のＣＣＦＧを有する。図１５に最もよく示すように、輪郭面５０２とは異なり、輪郭面１４１２の上部脚部１４１４は、半径方向内側に、下部脚部１４１６よりも大きな範囲で延在し、かつシュラウド面１４１８に沿って延在し、羽根車の翼１６００（図１６）に重なり合う。それゆえ、上部脚部１４１４は、シュラウド面１４１８にリブを形成すると共に、リブ間に延在するトラフ１４２０を形成する。それゆえ、従来のターボ機械設計とは異なり、翼１４０８の前縁は、輪郭面１４１２の形態のＣＣＦＧを含み、この輪郭面は、伝統的な結合回避ゾーンだけでなく、輪郭面１４１２の一部分にも延在し、実際に、羽根車の翼１６００（図１６）の後縁１６０２に重なり合う。それゆえ、従来の設計では、約１．０８未満の比率は禁じられているが、図示の構成は、ｒｃ／ｒ２の比率が１．０未満となっている。そのような構成によって、流れがまだ羽根車１６０４（図１６）にある間に、ディフューザ１４００は、トラフ１４２０および上部脚部１４１４を使用して流れの方向付けを始めることができ、かつディフューザ１４００の偽通路に流れを効率的に案内し続け、ロータの流れの場とステータの流れの場との間の密結合を生じる。
【００２９】
[0028]代替的な実施形態では、翼の前縁から延在するのではなく、ディフューザの翼間に位置した別個のリブまたはチャンネルが、図１４〜１６に示すＣＣＦＧの代わりにまたはそれと組み合わせて使用され得る。リブおよびチャンネルのサイズおよび形状はまた、可変とし得る。例えば、図示の実施形態では、トラフ１４２０は、翼１４０８から延在する上部脚部１４１４によって画定された幅を有するが、トラフ１４２０に加えて、またはその代わりとして、より狭小なチャンネルを使用してもよい。さらに、トラフまたはチャンネルは、翼１４０８の下流において使用されて、流れの案内および結合をさらに強化し得る。タービュレータまたは隆起したリブもしくはリブレットなどの追加的な構造体がまた、ハブ面およびシュラウド面１４２２および１４１８の１つ以上に追加されて、乱流を生成し、それにより、局所的混合を強めることによって流れを安定化させ得る。
【００３０】
[0029]設計者はＣＣＦＧの様々な自由度を利用して、ＣＣＦＧが不都合な振動性能を確実に生じないようにすることができる。例えば、トラフ１４２０のサイズは、上部脚部１４１４および輪郭面１４１２によって占められる空間の増大を打ち消すように構成され得る。また、図１４および図１６に最もよく示すように、ハブ面およびシュラウド面１４２２および１４１８は、テーパが付いていてもよく、ディフューザ１４００の入口の高さ１６０６が高く、およびディフューザの出口の高さ１６０８が低くなっている。一部の設計において、ディフューザの入口におけるハブ面１４２２を低くすることによって、流れの結合を改善し得る。また、トラフ１４２０と併せて、ディフューザの入口における高さ１６０６を高くすることを使用して、流路に追加された追加的なＣＣＦＧ構造体のバランスを取り、かつ羽根の妨害を最小限にし得る。また、上述の通り、輪郭面１４１２の形状は、特定の適用例に対して最適にされ得る。
【００３１】
[0030]図１７は、ハブ面１７０２にはテーパが付いていないが、シュラウド面１４１８（図１４〜１５）と同様にシュラウド面１７０４にはテーパが付いていることを除いて、ディフューザ１４００と同様の代替的な圧縮機／ポンプのディフューザ１７００を示す。代替的な実施形態では、ハブ面１７０２は、シュラウド面１７０４の代わりにテーパが付いていてもよい。それゆえ、シュラウド面およびハブ面１７０２および１７０４の角度は、追加的なＣＣＦＧと組み合わせて流通路のサイズおよび輪郭を調整して流れを最適にするように、可変とし得る。
【００３２】
[0031]図１８および図１９は、代替的なＣＣＦＧ構成を示す。圧縮機／ポンプ１８００および１９００は、複数の翼１８０４および１９０４を有する低ソリディティのディフューザ１８０２および１９０２を含む。圧縮機／ポンプ１４０２とは異なり、翼１８０４および１９０４は、代替的な輪郭面１８０６および１９０６を有し、それら面はそれぞれ、輪郭面１４１２よりも曲率が浅い。また、圧縮機／ポンプ１４０２とは異なり、翼１８０４および１９０４は、前縁１８０８、１９０８および後縁１８１０、１９１０の双方に輪郭面を有する。また、上部脚部１８１２、１９１２は、上部脚部１４１４よりも短く、かつシュラウド面１８１４、１９１４まで延在していない。代替的な実施形態では、輪郭面１８０６または１９０６は、トラフ、チャンネル、リブを形成する延長上部脚部、ならびに他の箇所のリブを含む、本明細書において開示した他のＣＣＦＧのいずれかと組み合わせられ得る。翼１８０４および１９０４はまた、翼の頂部および底部の外周に沿って延在するフィレット半径部１８１６および１９１６を有する。フィレット半径部１８１６および１９１６は、翼１８０４および１９０４に対する構造的完全性を高め、かつ翼の前縁および後縁１８０８、１９０８および１８１０、１９１０に小さなガセット１８１８、１９１８および１８２０、１９２０を設けている。
【００３３】
[0032]輪郭面１８０６および１９０６はまた、代替的な前縁設計を含み、これは、異なる入射制御に使用され得る。より具体的には、上述の通りおよび図８〜１０に最もよく示すように、輪郭面５０２は、翼５００の中間点１０００に収束する尖った前縁を含む。対照的に、輪郭面１８０６の前縁１８０８は、翼１８０４の圧力側に面取りした面１８２２を含み、および輪郭面１９０６の前縁１９０８は、翼１９０４の吸い込み側に面取りした面１９２２を含む。それゆえ、本明細書において開示したＣＣＦＧの輪郭面の前縁は、面取りした面の位置の選択によることを含め、可変とし、翼の設計に、異なる入射制御を組み込み得る。
【００３４】
[0033]図２０および図２１は、追加的な代替的な輪郭面２０００および２１００を示す。図２０に示すように、輪郭面２０００は、実質的に直線の中間部分２００２から形成され、この中間部分の頂部および底部はフィレット２００４および２００６に接し、フィレットは、翼２００８の前縁にテーパ付の上部部分および下部部分を提供している。翼１８０４および１９０４と同様に、翼２００８は、前縁および後縁の双方に、輪郭面２０００を有する。図２１は、平板の形態の翼２１０４を含みかつ輪郭面２１００を有するディフューザ２１０２を示す。輪郭面２１００は、丸みを帯びた形状を有し、かつ上部脚部２１０６および下部脚部２１０８を含む。上部および下部脚部２１０６および２１０８の双方は、翼２１０４の吸い込み側２１１０から離れるような曲率および湾曲を有する。上部脚部２１０６は下部脚部２１０８よりも長く、およびシュラウド面２１１２に沿って延在し、トラフ２１１４を形成する。
【００３５】
[0034]図２２は、延長羽根車２２０２を有する代替的な圧縮機／ポンプ２２００を示す。図２２に最もよく示すように、従来の設計の後縁２３００（図２３）（これは、便宜上、従来の設計の後縁／前縁２３０および２３２（図１）に対応する）を越えて延在し、かつディフューザ通路２２０６に延在する羽根車の翼２２０２の後縁２２０４。それゆえ、羽根車の翼２２０２の延長部分２３０４（図２３）は、隣接する流れの場を密結合するように設計および構成されるＣＣＦＧである。それゆえ、圧縮機／ポンプ２２００の設計は、ディフューザ羽根と羽根車の翼との間の間隙を最小限にすることを義務付ける従来の設計実践と完全に矛盾している。その代わりに、ディフューザ２２１０の翼２２０８の複数の部分は、シュラウド面２２１２に沿って延在し、羽根車の翼２２０２に重なり合い、かつ流れがまだ羽根車にある間に流れを案内し始めてもよく、および羽根車の翼２２０２の後縁２２０４は、ディフューザ通路２２０６に重なり合い、ディフューザ通路に延在し、かつ２つの流れの場を効率的に案内しかつ密結合し得る。圧縮機／ポンプ２２００はまた、羽根車の後縁２２０４の斜めのテーパリングまたはトリムを含み、ロータ−ステータの幾何学的形状を最適にし得る。
【００３６】
[0035]図２４は、翼２４０８の前縁の輪郭面２４０６を含め、様々なＣＣＦＧを有する、本明細書において開示した他のディフューザと同様の低ソリディティのディフューザ２４０２を有する代替的な圧縮機／ポンプ２４００を示す。翼２４０８は、翼の後縁からシュラウド面２４１２に沿って延在する、リブ２４１０の形態の追加的なＣＣＦＧを有する。リブ２４１０は、翼２４０８の下流で追加的なフローガイドの役割を果たし、かつまた、旋回失速セルのブレーキの役割を果たし、境界層ガイドまたはフェンスの機能を果たし、および流れの逆転および分離または失速を防止することによって、安定性を向上させ得る。リブ２４１０はまた、トラフと組み合わせて、羽根車のシュラウド面からディフューザを通ってディフューザの下流の羽根なし空間まで延在する連続的なトラフを形成し、密結合を高め得る。代替的な実施形態では、リブ２４１０は、シュラウド面２４１２に加えて、またはその代わりに、ハブ面２４１４に沿って配置され得、およびリブの形状およびサイズは、シュラウド面２４１２からさらに延在して高さが高いこと、およびエアフォイル、歪み、または湾曲を含む代替的な形状を含め、可変とし得る。
【００３７】
[0036]本発明のさらに代替的な例示的実施形態を、下記の段落において説明する。
【００３８】
[0037]一例では、複数の第１の翼を含む第１の翼領域を有する第１の翼要素と；少なくとも１つの第２の翼を含む第２の翼領域を有する第２の翼要素であって、第２の翼領域は、第１の翼領域に隣接して位置している、第２の翼要素と；使用中、第１の翼要素の流れの場を第２の翼要素の流れの場に密結合するように構成された設計および構成されている密結合フローガイド（ＣＣＦＧ）とを含むターボ機械。そのような例示的なターボ機械はまた、以下の特徴の１つ以上を含み得る：
低ソリディティ翼列にある複数の第２の翼のうちの１つが、複数のエアフォイルを含む。
ＣＣＦＧがフィン構造体を含む。
中間点を有する前縁または後縁を有する輪郭面であって、前縁または後縁が、ほぼ中間点までのテーパリングを含む。
面取り部を含む前縁を有する輪郭面。
輪郭面の圧力側に位置した面取り部。
輪郭面の吸い込み側に位置した面取り部。
第１の翼領域に隣接して位置した前縁と、第２の翼の前縁から反対側に位置した後縁とを有する第２の翼であって、リブが第２の翼の後縁から延在する、第２の翼。
ＣＣＦＧがチャンネルを含む。
チャンネルが第１の翼領域に重なり合う。
チャンネルが第２の翼領域に重なり合う。
１）複数の第１の翼のうちの１つ、および２）少なくとも１つの第２の翼の少なくとも一方の前縁または後縁に結合されたＣＣＦＧ。
ＣＣＦＧが、１）複数の第１の翼のうちの１つ、および２）少なくとも１つの第２の翼の少なくとも一方に重なり合う。
ＣＣＦＧが凹部を含む。
凹部が第１の翼領域に重なり合う。
凹部が第２の翼領域に重なり合う。
ハブ面を含み、凹部がハブ面のテーパ付凹部である。
第１の翼要素がロータを含み、および第２の翼要素がステータを含む。
第２の翼要素がノズルの一部である。
第２の翼要素がディフューザの一部である。
ロータカバーを含み、およびＣＣＦＧがロータカバーに形成されている。
ＣＣＦＧが凹部を含む。
ロータカバーが、第１の翼および第２の翼の少なくとも一方に対面する面を有し、およびＣＣＦＧがその面から延在する。
ターボ機械が半径流機械であり、ロータが回転軸を有し、第１の翼が、回転軸から半径ｒ２に位置した後縁を有し、ＣＣＦＧが、回転軸から半径ｒｃに位置した前縁を有し、およびｒｃ／ｒ２が、ゼロを上回り、および約１．０８未満である。
ターボ機械が軸流機械であり、第１の翼がコード長Ｃおよび後縁を有し、ＣＣＦＧが前縁を有し、および前縁と後縁との間の距離が、約１／４×Ｃを下回る。
【００３９】
[0038]第２の代替的な例示的実施形態では、ターボ機械が、第２の翼列に隣接して位置決めされた第１の翼列と；第１の翼列および第２の翼列の少なくとも一方の近位にある１つの密結合フローガイド（ＣＣＦＧ）であって、第１の翼列の流れの場を第２の翼列の流れの場に密結合するように設計および構成されているＣＣＦＧとを含む。そのような例示的なターボ機械はまた、以下の特徴の１つ以上を含み得る：
ＣＣＦＧは、第１の翼列および第２の翼列の少なくとも一方に重なり合う。
第１の翼列は第１の翼領域を含み、および第２の翼列は第２の翼領域を含み、およびＣＣＦＧは、第１の翼領域および第２の翼領域の一方に重なり合う。
ターボ機械は、第１の翼領域と第２の翼領域との間に延在する結合回避ゾーンを含み、およびＣＣＦＧの部分は、結合回避ゾーンに位置している。
ハブ面およびシュラウド面を含み、およびＣＣＦＧは、ハブ面およびシュラウド面の少なくとも一方に形成される。
特徴は、ハブ面およびシュラウド面の少なくとも一方にあるテーパ付凹部である。
第２の翼列の下流に位置決めされたタンデム翼列を含み、タンデム翼列は、第２の翼列よりも少ない翼の数を有する。
【００４０】
[0039]第３の代替的な例示的な実施形態では、ターボ機械の設計方法は、隣接する翼の列を画定すること；隣接する翼の列間に延在する結合回避ゾーンに密結合フローガイド（ＣＣＦＧ）を追加すること；および隣接する翼の列の流れの場間にフィードバックを生じ、それにより、隣接する翼の列を密結合するように、ＣＣＦＧを設計および構成することを含む。
【００４１】
[0040]例示的な実施形態を上記で開示しかつ添付図面に示した。当業者は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、具体的に本明細書において開示したものに対する様々な変更形態、省略形態および追加形態をなし得ることを理解されたい。
【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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