(57)【要約】      （修正有）【課題】ベーンの半径方向外側部分にわたる流体流れ損失を低減することにより超音速圧縮機システムの運転効率を高める超音速圧縮機ロータを提供する【解決手段】超音速圧縮機は、流体入口と流体出口とこれらの間に延びる流体導管と、流体導管内に配置される超音速圧縮機ロータ４０とを含む。ロータは、内側面５６と外側面５８との間に延びるロータディスク４８と、ロータディスクから半径方向外向きに延びて、隣接してペアを形成する複数のベーン４６とを含む。ロータディスクは更に、ロータディスクの周りに延びたシュラウド２００を含む。シュラウドは、複数のベーンの各々の少なくとも一部に結合される。半径方向外側面、隣接ベーンのペア、及びシュラウドは、これらの間に流体流れチャンネル８０を定めるような向きにされる。ロータディスクはまた、流体流れチャンネル内に位置付けられた複数の隣接する超音速圧縮ランプを含む。【選択図】図２
2012132441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音速圧縮機（１０）であって、
流体入口（２６）と、
流体出口（２８）と、
前記流体入口及び前記流体出口間に延びる流体導管（３２）と、
前記超音速圧縮機の流体導管内に配置される少なくとも１つの超音速圧縮機ロータ（４０）と、
を備え、前記超音速圧縮機ロータが、
半径方向内側面（５６）と半径方向外側面（５８）との間に延びる実質的に円筒形本体（５０）を含む少なくとも１つのロータディスク（４８）と、
前記本体に結合され且つ前記少なくとも１つのロータディスクから半径方向外向きに延びて、隣接してペアを形成する複数のベーン（４６）と、
前記少なくとも１つのロータディスクの少なくとも一部の周りに延び且つ前記複数のベーンの各々の少なくとも一部に結合されたシュラウド（２００）と、
を含み、前記半径方向外側面、前記隣接ベーンのペア、及び前記シュラウドが、これらの間に流体流れチャンネル（８０）を定めるような向きにされ、前記流体流れチャンネルが、流体入口開口（７６）及び流体出口開口（７８）を含み、
前記超音速圧縮機ロータが更に、
前記流体流れチャンネル内に位置付けられ、且つ前記流体流れチャンネルを通って送られる流体を調整して前記流体が前記入口開口における前記ロータディスク面に対して超音速である第１の速度と前記出口開口における第２の速度とによって特徴付けられるように各々が構成される、複数の隣接する超音速圧縮ランプ（９８）と、
前記シュラウドの少なくとも一部の周りを延びるケーシング（２４）と、
を含む、超音速圧縮機（１０）。
【請求項２】
前記複数の隣接する超音速圧縮ランプ（９８）が、
２つの隣接するランプと、
３つの隣接するランプと、
４つの隣接するランプと、
のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項３】
前記複数の隣接する超音速圧縮ランプ（９８）が、
少なくとも１つの半径方向圧縮ランプ（９８）に結合された少なくとも１つの軸方向圧縮ランプ（９８）と、
少なくとも１つの半径方向スロート部分（１２４）に結合された少なくとも１つの軸方向スロート部分（１２４）と、
少なくとも１つの半径方向発散部分（１２８）に結合された少なくとも１つの軸方向発散部分（１２８）と、
を含む、請求項１に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項４】
前記複数の隣接する超音速圧縮ランプ（９８）が、
複数の軸方向斜め衝撃波（１５２／１５４）と、複数の半径方向斜め衝撃波（１５２／１５４）とを形成するよう構成される、請求項１に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項５】
前記シュラウド（２００）が、これに結合された少なくとも１つのシール機構（５００）を含む、請求項１に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項６】
前記少なくとも１つのシール機構（５００）が、少なくとも１つの軸方向シール（５０６）と、少なくとも１つの半径方向シール（６５０／６５２／６５４／６５６）と、のうちの少なくとも１つを含む、請求項５に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項７】
前記少なくとも１つの半径方向シール（６５０／６５２／６５４／６５６）が、前記ケーシング（２４）と前記シュラウド（２００）との間、及び前記ケーシング（２４）と前記少なくとも１つのロータディスク（４８）との間のうちの少なくとも一方で延びる、請求項５に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項８】
前記複数の超音速圧縮ランプ（９８）のうちの１つの少なくとも一部が前記シュラウド（２００）に結合される、請求項１に記載の超音速圧縮機（１０）。
【請求項９】
超音速圧縮機ロータ（４０）であって、
半径方向内側面（５６）と半径方向外側面（５８）との間に延びる実質的に円筒形本体（５０）を含む少なくとも１つのロータディスク（４８）と、
前記本体に結合され且つ前記少なくとも１つのロータディスクから半径方向外向きに延びて、隣接してペアを形成する複数のベーン（４６）と、
前記少なくとも１つのロータディスクの少なくとも一部の周りに延び且つ前記複数のベーンの各々の少なくとも一部に結合されたシュラウド（２００）と、
を備え、
前記半径方向外側面、前記隣接ベーンのペア、及び前記シュラウドが、これらの間に流体流れチャンネル（８０）を定めるような向きにされ、前記流体流れチャンネルが、流体入口開口（７６）及び流体出口開口（７８）を含み、
前記超音速圧縮機ロータが更に、
前記流体流れチャンネル内に位置付けられ、且つ前記流体流れチャンネルを通って送られる流体を調整して前記流体が前記入口開口における前記ロータディスク面に対して超音速である第１の速度と前記出口開口における第２の速度とによって特徴付けられるように各々が構成される、複数の隣接する超音速圧縮ランプ（９８）と、
を備える、超音速圧縮機ロータ（４０）。
【請求項１０】
前記複数の隣接する超音速圧縮ランプ（９８）が、
２つの隣接するランプと、
３つの隣接するランプと、
４つの隣接するランプと、
のうちの少なくとも１つを含む、請求項９に記載の超音速圧縮機ロータ（４０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で説明される主題は、全体的に、超音速圧縮機システムに関し、より詳細には、超音速圧縮機システムと共に用いる超音速圧縮機ロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一部の公知の超音速圧縮機システムは、駆動組立体と、ドライブシャフトと、流体を加圧するため少なくとも１つの超音速圧縮機ロータと、を含む。駆動組立体は、ドライブシャフトと共に超音速圧縮機ロータに結合され、駆動シャフト及び超音速圧縮機ロータを回転させる。
【０００３】
公知の超音速圧縮機ロータは、ロータディスクに結合された複数のベーンを含む。各ベーンは、ロータディスクの周りで円周方向に向けられ、隣接するベーン間に流れチャンネルを定める。少なくとも一部の公知の超音速圧縮機ロータは、ロータディスクに結合される超音速圧縮ランプを含む。公知の超音速圧縮ランプは、流路内に位置付けられてスロート領域を形成し、また、流路内で圧縮波を形成するよう構成される。
【０００４】
公知の超音速圧縮機システムの作動中、駆動組立体は、最初に低速度で超音速圧縮機ロータを回転させ、次いで高回転速度までロータを加速する。流体は、最初に流れチャンネル入口において超音速圧縮機ロータに対して亜音速である速度によって特徴付けられ、次いで、ロータが加速したときには、流れチャンネル入口において超音速圧縮機ロータに対して超音速である速度によって特徴付けられるように超音速圧縮機ロータに流体が送られる。公知の超音速圧縮機ロータにおいて、流体が流れチャンネルを通って送られると、超音速圧縮機ランプにより流れチャンネルの収束部分内で斜め衝撃波の系統の形成が生じ、流れチャンネルの発散部分では垂直衝撃波の形成が生じる。スロート領域は、収束及び発散部分間の流れチャンネルの最も狭い部分に定められる。更に、公知の超音速圧縮機システムの作動時には、ベーンの半径方向で最外部分を越える流体漏洩は、特にベーンにわたる大きな圧力勾配に起因した超音速圧縮機における効率損失の主要な発生源のうちの１つである。少なくとも一部の公知の超音速圧縮機は、所与の流量能力及び加圧比を得るために物理的に大きな占有面積を有する。公知の超音速圧縮機は、例えば、２００５年３月２８日、及び２００５年３月２３日にそれぞれ出願された、米国特許第７，３４４，９００号及び第７，２９３，９５５号、並びに２００９年１月１６日に出願された米国特許出願公開２００９／０１９６７３１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，４３４，４００号明細書
【発明の概要】
【０００６】
１つの態様において、超音速圧縮機が提供される。超音速圧縮機は、流体入口と、流体出口とを含む。超音速圧縮機はまた、流体入口及び流体出口間に延びる流体導管を含む。超音速圧縮機は更に、超音速圧縮機の流体導管内に配置される少なくとも１つの超音速圧縮機ロータを含む。超音速圧縮機ロータは、少なくとも１つのロータディスクを含む。ロータディスクは、半径方向内側面と半径方向外側面との間に延びる実質的に円筒形本体を有する。ロータディスクはまた、本体に結合された複数のベーンを含む。ベーンは、少なくとも１つのロータディスクから半径方向外向きに延びて、隣接するベーンがベーンのペアを形成する。ロータディスクは更に、少なくとも１つのロータディスクの少なくとも一部の周りに延びるシュラウドを含む。シュラウドは、複数のベーンの各々の少なくとも一部に結合される。半径方向外側面、隣接ベーンのペア、及びシュラウドは、これらの間に流体流れチャンネルを定めるような向きにされる。流体流れチャンネルは、流体入口開口及び流体出口開口を含む。ロータディスクはまた、流体流れチャンネル内に位置付けられた複数の隣接する超音速圧縮ランプを含む。複数の隣接する超音速圧縮ランプの各々は、流体流れチャンネルを通って送られる流体を調整して、該流体が入口開口における第１の速度と出口開口における第２の速度とによって特徴付けられるように構成される。第１の速度は、ロータディスク面に対して超音速である。ロータディスクは更に、シュラウドの少なくとも一部の周りを延びるケーシングを含む。
【０００７】
別の態様において、超音速圧縮機ロータが提供される。超音速圧縮機ロータは、半径方向内側面と半径方向外側面との間に延びる実質的に円筒形本体を有する少なくとも１つのロータディスクを含む。超音速圧縮機ロータはまた、本体に結合された複数のベーンを含む。ベーンは、少なくとも１つのロータディスクから半径方向外向きに延びて、隣接するベーンがベーンのペアを形成する。超音速圧縮機ロータは更に、少なくとも１つのロータディスクの少なくとも一部の周りに延びたシュラウドを含む。シュラウドは、複数のベーンの各々の少なくとも一部に結合される。半径方向外側面、隣接ベーンのペア、及びシュラウドは、これらの間に流体流れチャンネルを定めるような向きにされる。流体流れチャンネルは、流体入口開口及び流体出口開口を含む。超音速圧縮機ロータはまた、流体流れチャンネル内に位置付けられた複数の隣接する超音速圧縮ランプを含む。複数の隣接する超音速圧縮ランプの各々が、流体流れチャンネルを通って送られる流体を調整し、流体が入口開口における第１の速度と出口開口における第２の速度とによって特徴付けられるように構成される。第１の速度は、ロータディスク面に対して超音速である。
【０００８】
更に別の態様において、超音速圧縮機を組み立てる方法が提供される。本方法は、流体入口と、流体出口と、該流体入口及び流体出口間に延びる流体導管と、を定めるケーシングを提供する段階を含む。本方法はまた、超音速圧縮機の流体導管内に少なくとも１つの超音速圧縮機ロータを配置する段階を含む。本方法は更に、半径方向内側面と半径方向外側面との間に延びる実質的に円筒形本体を含む少なくとも１つのロータディスクを提供する段階を含む。本方法はまた、複数のベーンを本体に結合する段階を含む。
ベーンは、少なくとも１つのロータディスクから半径方向外向きに延び、隣接するベーンがベーンのペアを形成する。本方法は更に、複数のベーンの各々の少なくとも一部にシュラウドを結合して、少なくとも１つのロータディスクの少なくとも一部の周りにシュラウドを延ばすようにする段階を含む。ケーシングは、シュラウドの少なくとも一部の周りに延びる。本方法は更に、半径方向外側面、隣接ベーンのペア、及びシュラウドをこれらの間に流体流れチャンネルを定めるような向きにする段階を含む。流体流れチャンネルは、流体入口開口及び流体出口開口を含む。本方法は更に、複数の隣接する超音速圧縮ランプを流体流れチャンネル内に位置付ける段階を含む。複数の隣接する超音速圧縮ランプの各々は、流体流れチャンネルを通って送られる流体を調整して、流体が入口開口における第１の速度と出口開口における第２の速度とによって特徴付けられるように構成される。第１の速度は、ロータディスク面に対して超音速である。
【０００９】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】例示的な超音速圧縮機システムの概略図。
【図２】図１に示す超音速圧縮機と共に用いることができる例示的な超音速圧縮機ロータの斜視図。
【図３】図２に示す線３−３から見た超音速圧縮機ロータの一部の拡大平面図。
【図４】図２及び３に示す超音速圧縮機ロータと共に用いることができる流体流れチャンネル一部の概略図。
【図５】図４に示す流体流れチャンネルの一部の平面図。
【図６】図４及び５に示す線６−６に沿って見た流体流れチャンネルの一部のチャンネル方向の図。
【図７】図２及び３に示す超音速圧縮機ロータと共に使用できる流体流れチャンネルの一部の概略図。
【図８】図７に示す線８−８に沿って見た流体流れチャンネルの一部のチャンネル方向の図。
【図９】図２及び３に示す超音速圧縮機ロータと共に用いることができる流体流れチャンネルの一部の概略図。
【図１０】図９に示す線１０−１０に沿って見た流体流れチャンネルの一部のチャンネル方向の図。
【図１１】図２及び３に示す超音速圧縮機ロータと共に用いることができる流体流れチャンネルの一部の概略図。
【図１２】図１１に示す線１２−１２に沿って見た流体流れチャンネルの一部のチャンネル方向の図。
【図１３】図２及び３に示す超音速圧縮機ロータと共に用いることができる流体流れチャンネルの一部のチャンネル方向の図
【図１４】図２に示す線１４−１４から見た超音速圧縮機ロータの一部の拡大平面図。
【図１５】図１４に示す超音速圧縮機ロータの一部の概略図。
【図１６】図１４に示す線１６−１６から見た超音速圧縮機ロータの一部の概略図。
【図１７】代替の超音速圧縮機システムの一部の概略図。
【図１８】図１７に示す線１８−１８に沿って見た超音速圧縮機システム一部の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
別途指示されていない限り、本明細書で示される図面は、本発明の主要な発明の特徴を例証するものとする。これらの主要な発明の特徴は、本発明の１つ又はそれ以上の実施形態を含む様々なシステムにおいて適用可能であると考えられる。従って、図面は、当業者には公知の従来の全ての特徴を含むことを意図するものではなく、本発明の実施に必要とされるものを意図している。
【００１２】
以下の明細書及び請求項において幾つかの用語を参照するが、これらは以下の意味を有すると定義される。
【００１３】
単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。
【００１４】
「任意」又は「任意選択的に」とは、これに続いて記載されている事象又は状況が起こる場合があり、又は起こらない場合もあることを意味し、この記載は当該事象が起こる場合と起こらない場合を含む。
【００１５】
本明細書及び請求項全体を通じてここで使用される近似表現は、関連する基本的機能の変更をもたらすことなく、許容範囲内で変わることのできるあらゆる定量的表現を修飾するのに適用することができる。従って、「約」及び「実質的に」などの１又は複数の用語により修飾される値は、指定される厳密な値に限定されるものではない。少なくとも幾つかの事例において、近似表現は、値を測定するための計器の精度に対応することができる。ここで、及び明細書及び請求項全体を通じて、範囲限界は組み合わせ及び／又は置き換えが可能であり、このような範囲は前後関係又は表現がそうでないことを示していない限り、識別され、ここに包含される部分範囲全てを含む。
【００１６】
本明細書で使用される用語「超音速圧縮機ロータ」とは、超音速圧縮機ロータの流体流れチャンネル内に配置された超音速圧縮ランプを含む圧縮機ロータを指す。更に、超音速圧縮機ロータは、ロータの流れチャンネル内に配置された超音速圧縮ランプにおいて回転している超音速圧縮機ロータに衝突する移動流体（例えば、移動ガス）が超音速の相対流体速度を有するとみなされるように、回転軸の周りを高速で回転するよう設計されていることから「超音速」である。相対流体速度は、超音速圧縮ランプにおけるロータ速度及び超音速圧縮ランプに衝突する直前の流体速度のベクトル和を用いて定義することができる。この相対流体速度は、「局所超音速入口速度」と呼ばれることもあり、特定の実施形態では、入口ガス速度と、超音速圧縮機ロータの流れチャンネル内に配置された超音速圧縮ランプの接線速度との合成である。超音速圧縮機ロータは、極めて高い接線速度で、例えば、３００メートル／秒から８００メートル／秒の範囲の接線速度で使用可能なように設計される。
【００１７】
本明細書で記載される例示的なシステム及び方法は、ベーンの半径方向外側部分にわたる流体流れ損失を低減することにより超音速圧縮機システムの運転効率を高める超音速圧縮機ロータを提供することによって既知の超音速圧縮機の欠点を克服する。より具体的には、超音速圧縮機ロータは、ベーンの半径方向外側上部の上に位置付けられるシュラウドを含み、これにより隣接ベーンにより定められる複数の流体流路を分離する。更に、軸方向及び半径方向シールデバイスは、予め定められた流体チャンネルの外側にある流体流れの可能性を低減する。
【００１８】
図１は、例示的な超音速圧縮機システム１０の概略図である。例示的な実施形態において、超音速圧縮機システム１０は、吸気セクション１２、吸気セクション１２から下流側に結合された圧縮機セクション１４、圧縮機セクション１４から下流側に結合された排出セクション１６、及び駆動組立体１８を含む。圧縮機セクション１４は、駆動シャフト２２を含むロータ組立体２０により駆動組立体１８に結合される。例示的な実施形態において、吸気セクション１２、圧縮機セクション１４、及び排出セクション１６の各々は、圧縮機ハウジング２４内に位置付けられる。より具体的には、圧縮機ハウジング２４は、流体入口２６、流体出口２８、及びキャビティ３２を定める内側面３０を含む。キャビティ３２は、流体入口２６と流体出口２８との間に延び、流体入口２６から流体出口２８に流体を送るよう構成される。吸気セクション１２、圧縮機セクション１４、及び排出セクション１６の各々は、キャビティ３２内に位置付けられる。或いは、吸気セクション１２及び／又は排出セクション１６は、圧縮機ハウジング２４内に位置付けられない場合もある。
【００１９】
例示的な実施形態において、流体入口２６は、流体源３４から吸気セクション１２に流体の流れを送るよう構成される。流体は、例えば、ガス、ガス混合気、粒子含有ガス、及び／又は液体−ガス混合気などのあらゆる流体とすることができる。吸気セクション１２は、流体入口２６から圧縮機セクション１４に流体を送るため、圧縮機セクション１４と流れ連通して結合される。吸気セクション１２は、速度、質量流量、圧力、温度、及び／又はあらゆる好適な流れパラメータなど、１つ又はそれ以上の予め定められたパラメータを有する流体流れを調整するよう構成される。例示的な実施形態において、吸気セクション１２は、流体入口２６から圧縮機セクション１４に流体を送るため、流体入口２６と圧縮機セクション１４との間で圧縮機ハウジング２４に結合される入口ガイドベーン組立体３６を含む。入口ガイドベーン組立体３６は、圧縮機セクション１４に対して固定された１つ又はそれ以上の入口ガイドベーン３８を含む。
【００２０】
圧縮機セクション１４は、吸気セクション１２から排出セクション１６に流体の少なくとも一部を送るため、吸気セクション１２と排出セクション１６との間で結合される。圧縮機セクション１４は、駆動シャフト２２に回転可能に結合される少なくとも１つの超音速圧縮機ロータ４０を含む。超音速圧縮機ロータ４０は、排出セクション１６に送られる流体の圧力を高め、流体の体積を減少させ、及び／又は流体の温度を上昇させるよう構成される。排出セクション１６は、超音速圧縮機１０から流体出口２８に流体を送るため、超音速圧縮機１０と流体出口２８との間で圧縮機ハウジング２４に結合される出口ガイドベーン組立体４２を含む。出口ガイドベーン組立体４２は、圧縮機セクション１４に対して固定された１つ又はそれ以上の出口ガイドベーン４３を含む。流体出口２８は、出口ガイドベーン組立体４２及び／又は超音速圧縮機１０から、例えば、タービンエンジンシステム、流体処理システム、及び／又は流体貯蔵システムなどの出力システム４４に流体を送るよう構成される。駆動組立体１８は、駆動シャフト２２を回転させて超音速圧縮機ロータ４０の回転を引き起こすよう構成される。
【００２１】
運転中、吸気セクション１２は、流体源３４から圧縮機セクション１４に向けて流体を送る。圧縮機セクション１４は流体を加圧し、加圧流体を排出セクション１６に排出する。排出セクション１６は、圧縮機セクション１４からの加圧流体を流体出口２８を通して出力システム４４に送る。
【００２２】
図２は、超音速圧縮機システム１０（図１に示す）と共に用いることができる例示的な超音速圧縮機ロータ４０の斜視図である。図３は、線３−３（図２に示す）から見た超音速圧縮機ロータ４０の一部の拡大平面図である。図３に示す同じ構成要素は、図２で使用した同じ参照符号で表記されている。例示的な実施形態において、超音速圧縮機ロータ４０は、ロータディスク４８に結合される複数のベーン４６を含む。ロータディスク４８は、中心軸線５４を定める環状ディスク本体５０を含み、また、半径方向内側面５６及び半径方向外側面５８を含む。半径方向内側面５６は、実質的に円筒形状で且つ中心軸線５４を中心として向けられたロータキャビティ５５を定める。駆動シャフト２２（図１に示す）は、ロータキャビティ５５を介してロータディスク４８に回転可能に結合され、該ロータキャビティ５５を通って駆動シャフト２２が挿入される。
【００２３】
また、例示的な実施形態において、ロータディスク４８は、上流側面１５８及び下流側面１６０を含み、該上流側面１５８及び下流側面１６０の間を軸方向に延びる。上流側面１５８及び下流側面１６０の各々は、半径方向内側面５６及び半径方向外側面５８間に延びる。半径方向外側面５８は、ロータディスク４８の周りで且つ上流側面１５８及び下流側面１６０間で円周方向に延びる。半径方向外側面５８は、軸方向６６に定められた幅１６２を有する。
【００２４】
更に、例示的な実施形態において、各ベーン４６は、半径方向外側面５８に結合され、中心軸線５４に対してほぼ直角の半径方向６４で外向きに延びる。各ベーン４６は、半径方向外側面５８に結合され、螺旋形状のロータディスク４８の周りで円周方向に延びる。各ベーン４６は、入口縁部６８及び出口縁部７０を含む。
【００２５】
その上、例示的な実施形態において、超音速圧縮機ロータ４０は、ベーン４６のペア７４を含む。各ベーン４６は、入口開口７６、出口開口７８、及び軸方向に隣接するベーン４６の各ペア７４間の流体流れチャンネル８０を定めるような向きにされる。流体流れチャンネル８０は、入口開口７６及び出口開口７８との間に延び、入口開口７６から出口開口７８までの流路（矢印１６４で示される）を定める。流路１６４は、ベーン４６にほぼ平行な向きにされる。流体流れチャンネル８０は、入口開口７６から出口開口７８までほぼ軸方向６６で流路１６４に沿って流体を送るようなサイズ、形状、及び向きにされる。入口開口７６は、隣接するベーン４６の隣接する入口縁部６８間に定められる。出口開口７８は、隣接するベーン４６の隣接する出口縁部７０間に定められる。ベーン４６の各ペアは、入口開口７６が上流側面１５８にて定められ且つ出口開口７８が下流側面１６０にて定められるような向きにされる。ベーン４６は、半径方向外側面５８に沿って入口縁部６８と出口縁部７０との間に円周方向に延び、その結果、ベーン４６が半径方向６４で半径方向外側面５８から半径方向内側面５６に半径方向に延びるようになる。
【００２６】
図３を参照すると、例示的な実施形態において、少なくとも１つの超音速圧縮ランプ９８が流体流れチャンネル８０内に位置付けられる。超音速圧縮ランプ９８は、入口開口７６と出口開口７８との間に位置付けられ、１つ又はそれ以上の圧縮波（図示せず）を流体流れチャンネル８０内で形成できるようなサイズ、形状、及び向きにされる。
【００２７】
図２及び図３の両方を参照すると、超音速圧縮機ロータ４０の作動中、吸気セクション１２（図１に示す）は、流体１０２を流れチャンネル８０の入口開口７６に向けて送る。流体１０２は、入口開口７６に流入する直前に第１の速度又は接近速度を含む。超音速圧縮機ロータ４０は、第２の速度又は回転速度で中心軸線５４の周りを回転し（方向矢印１０４で示される）、流体流れチャンネル８０に流入する流体１０２が、入口開口７６において超音速圧縮機ロータ４０に対して超音速の第３の又は入口速度を含むようになる。流体１０２が超音速で流体流れチャンネル８０を通って送られると、超音速圧縮ランプ９８は、流れチャンネル８０内に衝撃波（図２及び３には図示していない）を形成させて流体１０２の圧縮を促進することができ、その結果、出口開口７８にて、流体１０２は、圧力及び温度が上昇し及び／又は容積が縮小されるようになる。
【００２８】
例示的な実施形態において、各ベーン４６は、正圧側面１０６及び対向する負圧側面１０８を含む。各正圧側面１０６及び負圧側面１０８は、入口縁部６８と出口縁部７０との間に延びる。更に、各ベーン４６は、半径方向外側面５８の周りで円周方向に間隔を置いて配置され、流体流れチャンネル８０が入口開口７６及び出口開口７８間でほぼ軸方向に向けられるようにする。各入口開口７６は、入口縁部６８にてベーン４６の正圧側面１０６及び負圧側面１０８間に延びる。各出口開口７８は、出口縁部７０において正圧側面１０６及び負圧側面１０８間に延びる。その上、各ベーン４６は、正圧側面１０６及び負圧側面１０８間に延びるベーン４６の各々の半径方向最外部分１０７を含む。
【００２９】
また、例示的な実施形態において、流れチャンネル８０は、ベーン４６の正圧側面１０６と隣接する負圧側面１０８との間に定められ且つ軸方向流路１６４に実質的に垂直な通路幅１６６を含む。入口開口７６は、出口開口７８の第２の通路幅１７０よりも大きな第１の通路幅１６８を有する。或いは、入口開口７６の第１の通路幅１６８は、出口開口７８の第２の通路幅１７０よりも小さいか又は等しいとすることができる。
【００３０】
更に、例示的な実施形態において、超音速圧縮機ロータ４０は、ロータディスク４８の少なくとも一部の周りに延びるシュラウド２００を含む。明確にするために、シュラウド２００は、シュラウド２００の半径方向下方の構成要素を示すことができるように透明なものとして図示されている。シュラウド２００は、ベーン４６の各々の半径方向最外部分１０７に結合され、軸方向６６で上流側面１５８と下流側面１６０との間に延びる。各流れチャンネル８０は更に、第１のベーン４６の正圧側面１０６、隣接する第２のベーン４６の対向する負圧側面１０８、及び半径方向外側面５８に加え、シュラウド２００によって定められる。超音速圧縮機ロータ４０はまた、２つの環状流体入口通路２０２を含む。上流側環状流体入口通路２０２は、上流側面１５８とシュラウド２００とによって定められる。下流側環状流体入口通路２０２は、下流側面１６０とシュラウド２００とによって定められる。入口通路２０２の各々は、本明細書で記載される圧縮機ロータ４０の作動を可能にするあらゆる値を有する半径方向開口長さ２０４を定める。
【００３１】
例示的な実施形態において、シュラウド部分２００は、軸方向上流側面２０８、軸方向下流側面２１０、半径方向外側面２１２、及び複数の半径方向内側面２１４を含む。軸方向上流側面２０８及び軸方向下流側面２１０は、軸方向矢印６６に対してほぼ垂直に向けられる。また、例示的な実施形態において、半径方向外側面２１２及び半径方向内側面２１４は、半径方向外側面５８に対して実質的に同心である。更に、例示的な実施形態において、半径方向外側面５８は、キャビティ３２内で内側面３０（両方とも図１に示される）の周りに同心状に向けられる。或いは、半径方向外側面２１２及び半径方向内側面２１４は、半径方向外側面５８及び／又は内側面３０に対して収束又は発散することができる。
【００３２】
その上、例示的な実施形態において、シュラウド２００は、限定ではないが、鍛造及び鋳造を含む方法によって単体構造要素として製造される。或いは、シュラウド２００は、複数のシュラウド構成要素（図示せず）から作製され、これらは、限定ではないが、溶接及びろう付けを含む作製方法により互いに結合される。
【００３３】
また、例示的な実施形態において、軸方向上流側面２０８は、上流側面１５８に隣接する該面２０８の一部が面１５８と整列し、軸方向上流側面２０８が面１５８の上流側に軸方向に延びないように形成される。同様に、軸方向下流側面２１０は、下流側面１６０に隣接する面２１０の一部が面１６０と整列し、軸方向下流側面２１０が面１６０の上流側に軸方向に延びないように形成される。
【００３４】
更に、例示的な実施形態において、半径方向内側面２１４は、正圧側面１０６、負圧側面１０８、及び半径方向外側面５８と協働して流体流れチャンネル８０を定めるシュラウド２００の部分である。
【００３５】
図４は、超音速圧縮機ロータ４０（図２及び３に示す）と共に用いることができる流体流れチャンネル８０の一部の概略図である。図５は、流体流れチャンネル８０の一部の平面図である。明確にするために、シュラウド２００は図５には示されていない。図６は、図４及び５に示す流体流れチャンネル８０の一部の線６−６に沿って見たチャンネル方向の図である。明確にするために、図４、５、及び６では、流体流れチャンネル８０を比較的線形的に示しているが、図２及び３に示し且つ上記で説明したように、流体流れチャンネル８０は、半径方向外側面５８と外接するように実質的に弓形である。
【００３６】
例示的な実施形態において、複数の超音速圧縮ランプ９８が流れチャンネル８０内に位置付けられる。図４、５、及び６は、明確にするために第１の圧縮ランプ９８を示しており、以下では複数の圧縮ランプ９８を更に検討する。例示的な実施形態において、圧縮ランプ９８は、半径方向外側面５８に結合される。或いは、圧縮ランプ９８は、流体流路８０を定めるあらゆるベーン４６の正圧側面１０６、流体流れチャンネル８０を定める何らかの隣接するベーン４６の負圧側面１０８、及び／又は半径方向内側面２１４に結合される。
【００３７】
その上、例示的な実施形態において、超音速圧縮ランプ９８は、圧縮面１２６及び発散面１２８を含む。圧縮面１２６は、第１の縁部又は前縁１３０と、第２の縁部又は後縁１３２とを含む。前縁１３０は、後縁１３２よりも入口開口７６により近接して位置付けられる。圧縮面１２６は、前縁１３０と後縁１３２との間に延び、半径方向外側面５８から流路１６４内に傾斜した角度（図示せず）に向けられる。圧縮面１２６は、半径方向内側面２１４に向けて収束し、前縁１３０と後縁１３２との間に圧縮領域１３６が定められるようになる。圧縮領域１３６は、前縁１３０から後縁１３２に流路１６４に沿って減少する流れチャンネル８０の断面積（図示せず）を含む。圧縮面１２６の後縁１３２は、スロート領域１２４を定める。図４、５、及び６に示すようなスロート領域１２４は、第１のスロートチャンネル高さＨ1及び第１のスロートチャンネル幅Ｗ1を定め、ここで高さＨ1及び幅Ｗ1は、以下で更に検討するための対照として使用される。
【００３８】
発散面１２８は、圧縮面１２６に結合され、圧縮面１２６から出口開口７８に下流側に延びる。発散面１２８は、第１の端部１４０と、該第１の端部１４０よりも出口開口７８により近接した第２の端部１４２とを含む。発散面１２８の第１の端部１４０は、圧縮面１２６の後縁１３２に結合される。発散面１２８は、第１の端部１４０と第２の端部１４２との間に延び、圧縮面１２６の第２の端部１４２から半径方向外側面５８に向けて傾斜した角度（図示せず）で向けられる。発散面１２８は、圧縮面１２６の第２の端部１３２から出口開口７８まで増大する発散断面積（図示せず）を含む発散領域１４６を定める。発散領域１４６は、スロート領域１２４から出口開口７８まで延びる。代替の実施形態において、超音速圧縮ランプ９８は発散面１２８を含まない。この代替の実施形態において、圧縮面１２６の後縁１３２は、ベーン４６の出口縁部７０に隣接して位置付けられ、スロート領域１２４が出口開口７８に隣接して定められるようになる。
【００３９】
超音速圧縮機ロータ４０の運転中、ロータディスク４８（図２及び３に示す）に対して超音速である第１の速度で流体１０２が流体入口２６（図１に示す）から入口開口７６に送られる。流体入口２６（図１に示す）から流体流れチャンネル８０に流入する流体１０２は、超音速圧縮ランプ９８の前縁１３０に接触し、第１の斜め衝撃波１５２を形成する。超音速圧縮ランプ９８の圧縮領域１３６は、第１の斜め衝撃波１５２を流路１６４に対して傾斜した角度で前縁１３０から隣接ベーン４６に向けて、更に流れチャンネル８０内に向けるように構成される。第１の斜め衝撃波１５２が半径方向内側面２１４に接触すると、第２の斜め衝撃波１５４が流路１６４に対して傾斜した角度で半径方向内側面２１４から超音速圧縮ランプ９８のスロート領域１２４に向けて反射される。１つの実施形態において、圧縮面１２６は、第２の斜め衝撃波１５４が半径方向内側面２１４にて第１の斜め衝撃波１５２からスロート領域１２４を定める後縁１３２に延びるように向けられる。超音速圧縮ランプ９８は、各第１の斜め衝撃波１５２及び第２の斜め衝撃波１５４を圧縮領域１３６内で形成させるように構成される。加えて、超音速圧縮ランプ９８はまた、追加の衝撃波１５５を生じるように構成することができる。
【００４０】
流れチャンネル８０が圧縮領域１３６を通って流体１０２を送ると、流体１０２が各第１の斜め衝撃波１５２及び第２の斜め衝撃波１５４を通過するときに流体１０２の速度が低下する。その上、流体１０２が圧縮領域１３６を通って送られるときに流体１０２の圧力が増大し、流体１０２の容積が減少する。例示的な実施形態において、流体１０２がスロート領域１２４を通って送られると、超音速圧縮ランプ９８は、圧縮領域１３６を通って送られる流体１０２を調整し、発散領域１４６においてロータディスク４８に対して超音速である第２の速度又は出口速度を含むように構成される。超音速圧縮ランプ９８は更に、垂直衝撃波１５６がスロート領域１２４の下流側で且つ流れチャンネル８０の内部に形成されるように構成される。垂直衝撃波１５６は、流路１６４に垂直に向けられた衝撃波であり、流体が垂直衝撃波１５６を通過した後に出口開口７８を介して流れチャンネル８０から流出するときに、流体１０２の速度をロータディスク４８に対して亜音速度まで低下させる。
【００４１】
図７は、超音速圧縮機ロータ４０（図２及び３に示す）と共に使用できる流体流れチャンネル８０の一部の概略図である。図８は、線８−８（図７に示す）に沿って見た流体流れチャンネル８０の一部のチャンネル方向の図である。上述のように、図７及び８は、流体流れチャンネル８０を比較的線形的に示しているが、流体流れチャンネル８０は、半径方向外側面５８と外接するように実質的に弓形である。
【００４２】
例示的な実施形態において、図７及び８に示すように、対向する超音速圧縮ランプ９８のペアは、流体流れチャンネル８０内に位置付けられる。第１の圧縮ランプ９８は、上述のように半径方向外側面５８に結合され、第２の対向する圧縮ランプ９８は、半径方向内側面２１４に結合される。或いは、対向する圧縮ランプ９８は、流体流路８０を定めるベーン４６の正圧側面１０６と、流体流れチャンネル８０を定める隣接するベーン４６の対向する負圧側面１０８とに結合される。
【００４３】
圧縮ランプ９８は、実質的に同様であり、スロート領域１２４を定めるよう協働し、該スロート領域１２４は、図７及び８に示すように、第２のスロートチャンネル高さＨ2及び第２のスロートチャンネル幅Ｗ2を定め、ここで高さＨ2は高さＨ1（図４及び６に示す）よりも低く、幅Ｗ2は幅Ｗ1（図５及び６に示す）と実質的に同様である。このような高さＨ2及び幅Ｗ2を備えた構成は、高さＨ1及び幅Ｗ1を備えた構成と比べて流体流れチャンネル８０内の圧力の増大を促進する。しかしながら、このようなより小さな寸法は、そこを通過する流体の流量を制限することができ、流体加圧と流体スループットとの所定の均衡が確立される。或いは、高さＨ2が高さＨ1に等しいか又はそれよりも大きく、幅Ｗ2が幅Ｗ1と等しいか又はそれよりも大きいことにより、流体加圧と流体スループットとの所定の均衡が確立される。従って、高さＨ2及び幅Ｗ2は、本明細書で説明されるように、超音速圧縮機ロータ４０の作動を可能にする何らかの値を有する。
【００４４】
代替の実施形態は、軸方向に対向する超音速圧縮ランプ９８を含むことができ、第１の超音速圧縮ランプ９８は、第１のベーン４６の正圧側面１０６に結合され、第２の超音速圧縮ランプ９８は、第２の隣接するベーン４６の対向する負圧側面１０８に結合される。
【００４５】
超音速圧縮機ロータ４０及び２つの対向する超音速圧縮ランプ９８を備えた流体流れチャンネル８０の作動中、流体１０２は、ロータディスク４８（図２及び３に示す）に対して超音速である第１の速度で流体入口２６（図１に示す）から入口開口７６に送られる。流体入口２６（図１に示す）から流体流れチャンネル８０に流入する流体１０２は、対向する両方の超音速圧縮ランプ９８の対向する各前縁１３０に接触して第１の対向する斜め衝撃波１５２を形成し、このような対向する衝撃波１５２は、以下で更に説明するように実質的に互いから反射する。各第１の斜め衝撃波１５２が対向する圧縮面１２６に接触すると、対向する第２の斜め衝撃波１５４のペアは、対向する圧縮面１２６から対向する超音速圧縮ランプ９８に向けて反射する。以下で更に説明するように、第２の斜め衝撃波１５４は、上述のように１つの超音速圧縮ランプ９８のみを備えた実施形態と比べて減衰を生じる。
【００４６】
流体流れチャンネル８０が圧縮領域１３６を通って流体１０２を送ると、流体１０２は各対向する第１の斜め衝撃波１５２及び第２の斜め衝撃波１５４を通過するので、流体１０２の速度が低下する。その上、流体１０２が圧縮領域１３６を通って送られると、流体１０２の圧力は増大し、流体１０２の容積は減少する。例示的な実施形態において、流体１０２がスロート領域１２４を通って送られると、対向する超音速圧縮ランプ９８は、圧縮領域１３６を通って送られる流体１０２を調整し、発散領域１４６においてロータディスク４８に対して超音速である第２の速度又は出口速度を含むように構成される。更に、対向する超音速圧縮ランプ９８が協働し、垂直衝撃波１５６がスロート領域１２４の下流側で且つ流れチャンネル８０の内部に形成されるように構成される。垂直衝撃波１５６は、流体が垂直衝撃波１５６を通過した後に出口開口７８を介して流れチャンネル８０から流出するときに、流体１０２の速度をロータディスク４８に対して亜音速度まで低下させる。
【００４７】
一般に、対向する衝撃波は、互いに対して相互作用し、境界層と衝撃境界層との相互作用により生じる流れ場歪みに起因した圧縮サイクル内での内部寄生損失を減少させる。衝撃境界層の相互作用に起因したこのような損失は、かなり大きい場合がある。その上、前述の損失に加え、超音速圧縮に使用される流体流れチャンネルの有効断面積は、衝撃境界層の相互作用及び流れ剥離に起因して事実上減少する。例示的な実施形態において、対向する超音速圧縮ランプ９８は、対向する第１の斜め衝撃波１５２のペア及び対向する第２の斜め衝撃波１５４のペアを形成する。すなわち、１つではなく２つの斜め衝撃波が生成され、これらは対向する面から反射するのではなく互いから反射する。対向する衝撃波間のこのような相互作用は、対向する面からの衝撃反射を有意に低減し、これにより関連する衝撃境界層の相互作用及びその境界層損失を有意に低減する。従って、本明細書で説明される対向する衝撃波の使用により、衝撃波による対向する表面相互作用によって誘起されるこのような寄生損失が効果的に低減され、これにより超音速圧縮機ロータの流体流れチャンネル内の有効流れ面積が増大する。その上、このような損失の低減は、超音速圧縮機の効率を向上させ、これにより超音速圧縮機の流量能力及び加圧比を高め、また、これにより単位流れ体積当たりの圧縮機占有面積値が減少する。
【００４８】
図９は、超音速圧縮機ロータ４０（図２及び３に示す）と共に用いることができる流体流れチャンネル８０の一部の概略図である。図１０は、線１０−１０（図９に示す）に沿って見た流体流れチャンネル８０の一部のチャンネル方向の図である。上述のように、図９及び１０は、流体流れチャンネル８０を比較的線形的に示しているが、流体流れチャンネル８０は、半径方向外側面５８と外接するように実質的に弓形である。
【００４９】
例示的な実施形態において、複数の超音速圧縮ランプ９８が流体流れチャンネル８０内に位置付けられる。図９及び１０は、隣接する圧縮ランプ９８を示している。第１の圧縮ランプ９８は、上述のように半径方向外側面５８に結合される。その上、例示的な実施形態において、第２の隣接する圧縮ランプ９８は、ベーン４６の正圧側面１０６及びシュラウド２００の半径方向内側面２１４に結合され、これにより流体流れチャンネル８０が定められる。圧縮ランプ９８の各々は実質的に同様である。隣接する圧縮面１２６は、両面の圧縮面２２６を形成する。同様に、隣接する発散面１２８は、両面の発散面２２８を形成する。更に、隣接するスロート領域１２４は、両面のスロート領域２２４を定める。
【００５０】
また、例示的な実施形態において、図９及び１０に示すように、スロート領域２２４は、
第３のスロートチャンネル高さＨ3及び第３のスロートチャンネル幅Ｗ3を定め、ここで高さＨ3は高さＨ1（図４及び６に示す）よりも低く、幅Ｗ3は幅Ｗ1（図５及び６に示す）よりも小さい。図７及び８に示す対向するランプの実施形態について説明されたものと同様にして、高さＨ3及び幅Ｗ3を有する隣接する超音速圧縮ランプ９８の利用により、高さＨ1及び幅Ｗ1を有する構成と比べて流体流れチャンネル８０内の圧力を増大させることが可能となる。しかしながら、このようなより小さな寸法は、そこを通過する流体の流量を制限することができ、流体加圧と流体スループットとの所定の均衡が確立される。或いは、高さＨ3が高さＨ1に等しいか又はそれよりも大きく、幅Ｗ3が幅Ｗ1と等しいか又はそれよりも大きく、これにより流体加圧と流体スループットとの所定の均衡が確立される。従って、高さＨ3及び幅Ｗ3は、本明細書で説明されるように、超音速圧縮機ロータ４０の作動を可能にする何らかの値を有する。
【００５１】
超音速圧縮機ロータ４０及び２つの隣接する超音速圧縮ランプ９８を備えた流体流れチャンネル８０の作動中、流体１０２は、ロータディスク４８（図２及び３に示す）に対して超音速である第１の速度で流体入口２６（図１に示す）から入口開口７６に送られる。流体入口２６（図１に示す）から流体流れチャンネル８０に流入する流体１０２は、隣接する両方の超音速圧縮ランプ９８の隣接する各前縁１３０に接触して第１の隣接する斜め衝撃波１５２を形成し、このような隣接する衝撃波１５２は、以下で更に説明するように実質的に互いを通過する。各第１の斜め衝撃波１５２が、半径方向内側面２１４と流体流れチャンネル８０を定めるベーン４６の負圧側面１０８とに接触すると、隣接する第２の斜め衝撃波１５４のペアは、半径方向内側面２１４及び負圧側面１０８から各それぞれの超音速圧縮ランプ９８に向けて反射される。以下で更に詳細に説明するように、隣接する超音速圧縮ランプ９８に関連する第２の斜め衝撃波１５４は、上述のように１つの超音速圧縮ランプ９８のみを備えた実施形態と比べて減衰を生じる。
【００５２】
流体流れチャンネル８０が圧縮領域１３６を通って流体１０２を送ると、流体１０２は各対向する第１の斜め衝撃波１５２及び第２の斜め衝撃波１５４を通過するので、流体１０２の速度が低下する。その上、流体１０２が圧縮領域１３６を通って送られると、流体１０２の圧力は増大し、流体１０２の容積は減少する。例示的な実施形態において、流体１０２がスロート領域２２４を通って送られると、隣接する超音速圧縮ランプ９８は、圧縮領域１３６を通って送られる流体１０２を調整し、発散領域１４６においてロータディスク４８に対して超音速である第２の速度又は出口速度を含むように構成される。更に、隣接する超音速圧縮ランプ９８が協働し、垂直衝撃波１５６（図９及び図１０には示されていない）がスロート領域２２４の下流側で且つ流れチャンネル８０の内部に形成されるように構成される。垂直衝撃波は、流体が垂直衝撃波を通過した後に出口開口７８を介して流れチャンネル８０から流出するときに、流体１０２の速度をロータディスク４８に対して亜音速度まで低下させる。
【００５３】
対向する衝撃波について上述したように、一般に、隣接する衝撃波は互いに対して相互作用し、境界層と衝撃境界層との相互作用により生じる流れ場歪みに起因した圧縮サイクル内での内部寄生損失を減少させる。例示的な実施形態において、隣接する超音速圧縮ランプ９８は、隣接する第１の斜め衝撃波１５２のペア及び隣接する第２の斜め衝撃波１５４のペアを形成する。すなわち、１つではなく２つの斜め衝撃波が生成され、これらは対向する面から反射するのではなく互いから反射する。隣接する衝撃波間のこのような相互作用は、対向する面からの衝撃反射を有意に低減し、これにより関連する衝撃境界層の相互作用及びその境界層損失を有意に低減する。従って、本明細書で説明される隣接する衝撃波の使用により、衝撃波による対向する表面相互作用によって誘起されるこのような寄生損失が効果的に低減され、これにより超音速圧縮機ロータの流体流れチャンネル内の有効流れ面積が増大する。その上、このような損失の低減は、超音速圧縮機の効率を向上させ、これにより超音速圧縮機の流量能力及び加圧比を高め、また、これにより単位流れ体積当たりの圧縮機占有面積値が減少する。
【００５４】
図１１は、超音速圧縮機ロータ４０（図２及び３に示す）と共に用いることができる流体流れチャンネル８０の一部の概略図である。図１２は、線１２−１２（図１１に示す）に沿って見た流体流れチャンネル８０の一部のチャンネル方向の図である。上述のように、図１１及び１２は、流体流れチャンネル８０を比較的線形的に示しているが、流体流れチャンネル８０は、半径方向外側面５８と外接するように実質的に弓形である。
【００５５】
例示的な実施形態において、複数の超音速圧縮ランプ９８が流体流れチャンネル８０内に位置付けられる。図１１及び１２は、３つの超音速圧縮ランプ９８を示しており、ここでは２つの対向する超音速圧縮ランプ９８と、この対向する超音速圧縮ランプ９８の各々に接触する第３の圧縮ランプ９８とがある。第１の圧縮ランプ９８は半径方向外側面５８に結合される。その上、例示的な実施形態において、第２の圧縮ランプ９８は、ベーン４６の正圧側面１０６及びシュラウド２００の半径方向内側面２１４に結合され、これにより流体流れチャンネル８０が部分的に定められる。更に、例示的な実施形態において、第３の圧縮ランプ９８は、ベーン４６の負圧側面１０８及びシュラウド２００の半径方向内側面２１４に結合され、これにより流体流れチャンネル８０を更に定める。第１及び第２の圧縮ランプ９８は隣接し、第１及び第３の圧縮ランプ９８は隣接し、更に、第２及び第３の圧縮ランプ９８は対向している。複数の圧縮面１２６は、３面圧縮面３２６を形成する。同様に、複数の発散面１２８は、３面の発散面３２８を形成する。更に、複数のスロート領域１２４は、３面のスロート領域３２４を定める。
【００５６】
また、例示的な実施形態において、図１１及び１２に示すように、スロート領域３２４は、第４のスロートチャンネル高さＨ4及び第４のスロートチャンネル幅Ｗ4を定め、ここで高さＨ4は高さＨ1（図４及び６に示す）よりも低く、幅Ｗ4は幅Ｗ1（図５及び６に示す）よりも小さい。図７及び８に示す対向するランプの実施形態及び図９及び１０に示す隣接するランプの実施形態について説明されたものと同様にして、隣接及び対向する超音速圧縮ランプ９８の利用により、高さＨ1及び幅Ｗ1を有する構成と比べて流体流れチャンネル８０内の圧力を増大させることが可能となる。しかしながら、このようなより小さな寸法は、そこを通過する流体の流量を制限することができ、流体加圧と流体スループットとの所定の均衡が確立される。或いは、高さＨ4が高さＨ1に等しいか又はそれよりも大きく、幅Ｗ4が幅Ｗ1と等しいか又はそれよりも大きく、これにより流体加圧と流体スループットとの所定の均衡が確立される。従って、高さＨ4及び幅Ｗ4は、本明細書で説明されるように、超音速圧縮機ロータ４０の作動を可能にする何らかの値を有する。
【００５７】
超音速圧縮機ロータ４０及び３つの隣接する超音速圧縮ランプ９８を備えた流体流れチャンネル８０の作動中、流体１０２は、ロータディスク４８（図２及び３に示す）に対して超音速である第１の速度で流体入口２６（図１に示す）から入口開口７６に送られる。流体入口２６（図１に示す）から流体流れチャンネル８０に流入する流体１０２は、３つの超音速圧縮ランプ９８の隣接する各前縁１３０に接触して第１の隣接する斜め衝撃波１５２を形成する。このような隣接する衝撃波１５２は、以下で更に説明するように実質的に互いを通過する。各第１の斜め衝撃波１５２が、対向する超音速圧縮ランプ９８及び／又は半径方向内側面２１４と接触すると、３つの第２の斜め衝撃波１５４は、半径方向内側面２１４及び対向する超音速圧縮ランプ９８から各それぞれの超音速圧縮ランプ９８に向けて反射される。以下で更に詳細に説明するように、３つの超音速圧縮ランプ９８に関連する第２の斜め衝撃波１５４は、上述のように１つの超音速圧縮ランプ９８のみを備えた実施形態と比べて減衰を生じる。
【００５８】
流体流れチャンネル８０が圧縮領域１３６を通って流体１０２を送ると、流体１０２は各第１の斜め衝撃波１５２及び第２の斜め衝撃波１５４を通過するので、流体１０２の速度が低下する。その上、流体１０２が圧縮領域１３６を通過すると、流体１０２の圧力は増大し、流体１０２の容積は減少する。例示的な実施形態において、流体１０２がスロート領域３２４を通過すると、超音速圧縮ランプ９８は、圧縮領域１３６を通過する流体１０２を調整し、発散領域１４６においてロータディスク４８に対して超音速である第２の速度又は出口速度を含むように構成される。更に、超音速圧縮ランプ９８が協働し、垂直衝撃波１５６（図１１及び図１２には示されていない）がスロート領域３２４の下流側で且つ流れチャンネル８０の内部に形成されるように構成される。垂直衝撃波は、流体が垂直衝撃波を通過した後に出口開口７８を介して流れチャンネル８０から流出するときに、流体１０２の速度をロータディスク４８に対して亜音速度まで低下させる。
【００５９】
図１３は、流体流れチャンネル８０の一部のチャンネル方向の図である。例示的な実施形態において、４つの超音速圧縮ランプ９８が流体流れチャンネル８０内に位置付けられる。第１の圧縮ランプ９８は半径方向外側面５８に結合され、第２の圧縮ランプ９８は、ベーン４６の正圧側面１０６に結合されて流体流れチャンネル８０を定め、第３の圧縮ランプ９８は、ベーン４６の負圧側面１０８に結合されて流体流れチャンネル８０を定め、更に、第４の圧縮ランプ９８が半径方向内側面２１４に結合される。４つの超音速圧縮ランプ９８は各々隣接し且つ他の超音速圧縮ランプ９８に対向している。
【００６０】
各圧縮ランプ９８は実質的に同様である。複数の隣接する圧縮面１２６は、４面の圧縮面４２６を形成する。同様に、複数の発散面１２８は、４面の発散面３２８を形成する（図示せず）。更に、複数のスロート領域１２４は、４面のスロート領域４２４を定める。スロート領域４２４は、第５のスロートチャンネル高さＨ5及び第５のスロートチャンネル幅Ｗ5を定め、ここで高さＨ5は高さＨ1（図４及び６に示す）よりも低く、幅Ｗ5は幅Ｗ1（図５及び６に示す）よりも小さい。図７及び８に示す対向するランプの実施形態及び図９及び１０に示す隣接するランプの実施形態について説明されたものと同様にして、隣接及び対向する超音速圧縮ランプ９８の利用により、高さＨ1及び幅Ｗ1を有する構成と比べて流体流れチャンネル８０内の圧力を増大させることが可能となる。しかしながら、このようなより小さな寸法は、そこを通過する流体の流量を制限することができ、流体加圧と流体スループットとの所定の均衡が確立される。或いは、高さＨ5が高さＨ1に等しいか又はそれよりも大きく、幅Ｗ5が幅Ｗ1と等しいか又はそれよりも大きく、これにより流体加圧と流体スループットとの所定の均衡が確立される。従って、高さＨ5及び幅Ｗ5は、本明細書で説明されるように、超音速圧縮機ロータ４０の作動を可能にする何らかの値を有する。
【００６１】
超音速圧縮機ロータ４０及び３つの超音速圧縮ランプ９８を備えた流体流れチャンネル８０の作動中、流体１０２は、ロータディスク４８（図２及び３に示す）に対して超音速である第１の速度で流体入口２６（図１に示す）から入口開口７６（図２及び３に示す）に送られる。流体入口２６（図１に示す）から流体流れチャンネル８０に流入する流体１０２は、４つの超音速圧縮ランプ９８の隣接する各前縁１３０に接触して第１の隣接する斜め衝撃波１５２を形成し、このような隣接する衝撃波１５２は、以下で更に説明するように実質的に互いを通過する。各第１の斜め衝撃波１５２が、対向する超音速圧縮ランプ９８と接触すると、４つの第２の斜め衝撃波１５４は、対向する超音速圧縮ランプ９８から各それぞれの超音速圧縮ランプ９８に向けて反射される。上記で説明されるように、３つの超音速圧縮ランプ９８に関連する第２の斜め衝撃波１５４は、上述のように１つの超音速圧縮ランプ９８のみを備えた実施形態と比べて減衰を生じる。
【００６２】
流体流れチャンネル８０が圧縮領域１３６を通って流体１０２を送ると、流体１０２は各第１の斜め衝撃波１５２及び第２の斜め衝撃波１５４を通過するので、流体１０２の速度（図３に示す）が低下する。その上、流体１０２が圧縮領域１３６（図４に示す）を通過すると、流体１０２の圧力は増大し、流体１０２の容積は減少する。例示的な実施形態において、流体１０２がスロート領域３２４を通って送られると、超音速圧縮ランプ９８は、圧縮領域１３６を通って送られる流体１０２を調整し、発散領域１４６において（図４に示す）、ロータディスク４８（図２及び３に示す）に対して超音速である第２の速度又は出口速度を含むように構成される。更に、超音速圧縮ランプ９８が協働し、垂直衝撃波１５６（図１３には示されていない）がスロート領域４２４の下流側で且つ流れチャンネル８０の内部に形成されるように構成される。垂直衝撃波は、流体が垂直衝撃波を通過した後に出口開口７８を介して流れチャンネル８０から流出するときに、流体１０２の速度をロータディスク４８に対して亜音速度まで低下させる。
【００６３】
図１４は、線１４−１４（図２に示す）から見た超音速圧縮機ロータ４０の一部の拡大平面図である。図１５は、図１４に示す超音速圧縮機ロータ４０の一部の概略図である。図１６は、線１６−１６（図１４に示す）から見た超音速圧縮機ロータ４０の一部の概略図である。例示的な実施形態において、シュラウド２００は、ベーン４６の正圧側面１０６と隣接ベーン４６の負圧側面１０８との間に位置付けられる。例示的な実施形態において、軸方向シール機構５００の少なくとも一部は、シュラウド２００の半径方向外側面２１２上に位置付けられる。シール機構５００は、限定ではないが、ラビリンス歯タイプの装置及びブラシタイプの装置を含む、本明細書で記載されるような超音速圧縮機システム１０の作動を可能にするあらゆるシール機構である。
【００６４】
シール機構５００は、圧縮機ハウジング２４内でこれらの間に少なくとも１つのチャンネル５０４を定めるラビリンス歯５０２の複数の半径方向内側部分を含む。シール機構５００はまた、限定ではないが、接着、締結、金具、及びシュラウド２００内に定められるチャンネルへの挿入（何れも図示せず）を含む、本明細書で説明されるシール機構５００の作動を可能にする何らかの方法によって、シュラウド２００の半径方向外側面２１２に結合されるシールストリップ５０６を含む。シール機構５００の代替の実施形態は、シールストリップ５０６、歯５０２、及びチャンネル５０４ではなく、ブラシストリップを用いることを含み、ここでブラシストリップは、シールストリップ５０６について上述されたように、シュラウド２００の半径方向外側面２１２に結合され、ブラシストリップは、圧縮機ハウジング２４の内側面３０に緩やかに接触するように位置付けられ、配向され、構成される。
【００６５】
一般に、ベーン４６の各々の半径方向最外部分１０７を越える流体漏洩は、特にベーン４６全体にわたる大きな圧力勾配に起因して、超音速圧縮機における効率損失の主要な発生源のうちの１つである。シュラウド２００は、このような流体漏洩の低減を可能にする。更に、シール機構５００は、シュラウド２００と内側ハウジング面３０との間の可能性のある流体流路のサイズを歯５０２とストリップ５０６との間の許容公差にまで小さくすることによって、ハウジングキャビティ３２内の流体流損失を低減することができる。その上、シール５０６及び歯５０２の数を増大することにより、より多くの蛇行流路が形成され、これによりそこでの流体流損失の可能性を更に低減することができる。
【００６６】
図１７は、代替の超音速圧縮機システム６００の一部の概略図である。図１８は、線１８−１８（図１７に示す）に沿って見た超音速圧縮機システム６００の一部の概略図である。この代替の例示的な実施形態において、システム６００は、限定ではないが、ロータディスク４８とシュラウド２００との間に定められる流体流れチャンネル８０を含む、上述のような超音速圧縮機ロータ４０を含む。また、この代替の実施形態において、超音速圧縮機システム６００は、ハウジング６２４が、半径方向外側上流ハウジング部分６２５、半径方向外側下流ハウジング部分６２６、半径方向内側上流ハウジング部分６２７、及び半径方向内側下流ハウジング部分６２８を含むことを除いて、圧縮機ハウジング２４（図１に示す）と同様の圧縮機ハウジング６２４を含む。ハウジング部分６２５及び６２７は、上流側流体流れチャンネル４８０を定め、ハウジング部分６２６及び６２８が下流側流体流れチャンネル４８２を定める。流体流れチャンネル６８０、８０、及び６８２は、流体連通して結合される。半径方向内側上流ハウジング部分６２７及びロータディスク４８は、上流側ギャップ６２９を定め、半径方向内側下流ハウジング部分６２８及びロータディスク４８は、下流側ギャップ６３０を定める。更に、この代替の例示的な実施形態において、シュラウド２００は、ハウジング部分６２５及び６２６間で軸方向に位置付けられる。更に、この代替の実施形態において、シュラウド２００は、ハウジング部分６２５及び６２６と実質的に半径方向で同一平面になる。或いは、シュラウド２００は、ハウジング６２４内で半径方向内向きに延び、又はハウジング６２４を越えて半径方向外向きに延びる。
【００６７】
この代替の例示的な実施形態において、超音速圧縮機システムは、複数の実質的に円形の半径方向シール６５０、６５２、６５４、及び６５６を含む。シール６５０は、半径方向外側ハウジング部分６２５とシュラウド２００との間で円周方向に位置付けられ、流体流れチャンネル６８０及び８０からハウジング６２４の外部の環境への流体流を低減することができる。シール６５２は、半径方向外側下流ハウジング部分６２６とシュラウド２００との間で円周方向に位置付けられ、流体流れチャンネル８０及び６８０からハウジング６２４の外部の環境への流体流を低減することができる。シール６５４は、半径方向内側上流ハウジング部分６２７とロータディスク４８との間で円周方向に位置付けられ、流体流れチャンネル６８０及び８０からギャップ６２９内への流体流を低減することができる。シール６５６は、半径方向内側下流ハウジング部分６２８とロータディスク４８との間で円周方向に位置付けられ、流体流れチャンネル８０及び６８０からギャップ６３０内への流体流を低減することができる。
【００６８】
この代替の例示的な実施形態において、作動時には、シュラウド２００は、上述のように比較的高回転速度でシール６５０、６５２、６５４、及び６５６の周りを回転する。従って、シール６５０、６５２、６５４、及び６５６は、シュラウド２００及びロータディスク４８に動作可能に結合され、また、本明細書で説明されるように超音速圧縮機システム６００の作動を可能にする何らかのシールデバイスを含む。その上、この代替の例示的な実施形態において、４つの半径方向シールが超音速圧縮機システム６００内で使用される。代替的に、本明細書で説明される超音速圧縮機システム６００の作動を可能にするあらゆる数の半径方向シールが使用される。
【００６９】
上述の超音速圧縮機ロータは、流体圧縮動作の全ての段階の間の超音速圧縮機システムの性能効率を向上させる、コスト効果があり且つ信頼性のある方法を提供する。その上、超音速圧縮機ロータは、ベーンの半径方向外側部分にわたる流体流損失を低減することにより、超音速圧縮機システムの動作効率を向上させることができる。より具体的には、超音速圧縮機ロータは、ベーンの半径方向外側上部の上に位置付けられるシュラウドを含み、これにより隣接ベーンにより定められる複数の流体流路を分離する。また、更に具体的には、上述の超音速圧縮機ロータは、ロータハウジング内の流体損失を低減するために、シュラウドとロータハウジングとの間で軸方向又は半径方向に位置付けられるシール機構を含む。
【００７０】
超音速圧縮機ロータを組み立て及び作動させるためのシステム及び方法の例示的な実施形態を上記で詳細に説明した。本システム及び方法は、本明細書で説明される特定の実施形態に限定されず、システムの構成要素及び／又は方法のステップは、本明細書で説明された他の構成要素及びステップと独立して別個に利用することができる。例えば、本システム及び方法はまた、他の回転エンジンシステム及び方法と組み合わせて用いることができ、本明細書で説明される超音速圧縮機システムだけで実施することに限定されるものではない。むしろ、例示的な実施形態は、他の多くの回転システム用途と関連して実施し利用することができる。
【００７１】
本発明の種々の実施形態の特定の特徴要素を一部の図面において図示し、他の図面では図示していない場合があるが、これは便宜上のことに過ぎない。更に、上記の説明における「１つの実施形態」への言及は、記載の特徴を同様に組み込んでいる追加の実施形態の存在を排除するものとして解釈することを意図するものではない。本発明の原理によれば、図面の何れかの特徴は、他の何れかの図面のあらゆる特徴と組み合わせて言及し及び／又は特許請求することができる。
【００７２】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００７３】
１０  超音速圧縮機システム
１２  吸気セクション
１４  圧縮機セクション
１６  排出セクション
１８  駆動組立体
２０  ロータ組立体
２２  駆動シャフト
２４  圧縮機ハウジング
２６  流体入口
２８  流体出口
３０  内側面
３２  キャビティ
３４  流体源
３６  入口ガイドベーン組立体
３８  入口ガイドベーン
４０  超音速圧縮機ロータ
４２  出口ガイドベーン組立体
４３  出口ガイドベーン
４４  出力システム
４６  複数のベーン
４８  ロータディスク
５０  ディスク本体
５４  中心軸線
５５  ロータキャビティ
５６  半径方向内側面
５８  半径方向外側面
６４  半径方向
６６  軸方向
６８  ベーン入口縁部
７０  ベーン出口縁部
７４  隣接ベーンのペア
７６  流れチャンネル入口開口
７８  流れチャンネル出口開口
８０  流体流れチャンネル
９８  超音速圧縮ランプ
１０２  流体
１０４  回転方向の矢印
１０６  ベーン（第１の）正圧側面
１０７  ベーン半径方向最外部分
１０８  ベーン（第２の）負圧側面
１２４  スロート領域
１２６  圧縮面
１２８  発散面
１３０  圧縮面の（第１の）前縁
１３２  圧縮面の（第２の）後縁
１３６  圧縮領域
１４０  発散面の第１の端部
１４２  発散面の第２の端部
１４６  発散領域
１５２  第１の斜め衝撃波
１５４  第２の斜め衝撃波
１５６  垂直衝撃波
１５８  上流側面
１６０  下流側面
１６２  幅
１６４  軸方向流路（矢印）
１６６  通路幅
１６８  第１の通路幅
１７０  第２の通路幅
２００  シュラウド
２０２  環状流体入口通路
２０４  半径方向開口長さ
２０８  上流側面
２１０  下流側面
２１２  半径方向外側面
２１４  半径方向内側面
２２４  両面のスロート領域
２２６  両面の圧縮面
２２８  両面の発散面
３２４  ３面のスロート領域
３２６  ３面の圧縮面
３２８  ３面の発散面
４２４  ４面のスロート領域
４２６  ４面の圧縮面
５００  シール機構
５０２  歯
５０４  チャンネル
５０６  シールストリップ
６００  圧縮機システム
６２４  外側上流ハウジング部分
６２５  ハウジング部分
６２６  外側下流ハウジング部分
６２７  内側上流ハウジング部分
６２８  外側上流ハウジング部分
６２９  上流側ギャップ
６３０  下流側ギャップ
６５０  半径方向シール
６５２  半径方向シール
６５４  半径方向シール
６５６  半径方向シール
６８０  上流流体流れチャンネル
６８２  下流流体流れチャンネル
【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】
2012132441.tif 000017
【図１６】
2012132441.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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