(57)【要約】  前縁（１５Ｌ）および後縁（１５Ｔ）を有するターボ機械翼形部品（１５）が開示される。翼形部品は、前縁（１５Ｌ）に位置する入口（２１Ａ）から翼形部品の内部に向かって延び、全圧プローブを形成する穴（２１）を含む。穴（２１）は、圧力測定デバイス（２５）に流体接続される。【選択図】図２
2018518622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの対向する翼形部表面（１５Ｘ，１５Ｙ）、前縁（１５Ｌ）および後縁（１５Ｔ）によって画定される翼形部輪郭を有するターボ機械翼形部品（１５）であって、前記翼形部品は、前記２つの対向する翼形部表面間の前記前縁（１５Ｌ）上に形成された穴入口（２１Ａ）から前記翼形部品（１５）の内部に向かって延び、全圧プローブを形成する穴（２１）を含み、前記穴（２１）は、圧力測定デバイス（２５，１００）に流体接続されている、翼形部品（１５）。
【請求項２】
前記穴（２１）が、前記２つの対向する翼形部表面（１５Ｘ，１５Ｙ）の間に配置される、請求項１に記載の翼形部品（１５）。
【請求項３】
前記前縁（１５Ｌ）が、前記穴入口（２１Ａ）が位置する平坦面（１５Ｆ）を含む、請求項１に記載の翼形部品（１５）。
【請求項４】
前記穴が、前記穴入口に約１５°〜約９０°の開き角を有するフレア面を有し、前記穴（２１）の直径（Ｄ）と前記平坦面の幅（Ｗ）との比が０．２０〜０．２５の間に含まれ、および／または、前記穴（１５）の直径（Ｄ）と前記平坦面の高さ（Ｈ）との比が０．０４〜０．１４の間に含まれる、請求項３に記載の翼形部品（１５）。
【請求項５】
前記平坦面（１５Ｆ）が、前記前縁（１５Ｌ）での流体流の設計入射方向にほぼ直交している、請求項３または４に記載の翼形部品（１５）。
【請求項６】
前記平坦面（１５Ｆ）が、前記前縁（１５Ｌ）に平行な長手方向寸法（Ｈ）および前記前縁（１５Ｌ）に直交する横断寸法（Ｗ）を有し、前記穴（２１）の直径（Ｄ）と前記横方向寸法との比が０．２０〜０．２５の間に含まれ、および／または、前記穴の前記直径と前記長手方向寸法との比が０．０４〜０．１４の間に含まれる、請求項３乃至５のいずれか１項に記載の翼形部品（１５）。
【請求項７】
前記穴入口（２１Ａ）が、前記穴（２１）の内部に向かって直径が減少する、フレア状の入口面、好ましくは円錐状の入口面を有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の翼形部品（１５）。
【請求項８】
前記フレア状の入口面が、約１５°〜約９０°、好ましくは約２０°〜約８０°、さらにより好ましくは約３０°〜約６０°の開口角を有する、請求項７に記載の翼形部品（１５）。
【請求項９】
前記翼形部品がターボ機械固定ブレードである、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の翼形部品（１５）。
【請求項１０】
前記部品が、遠心圧縮機のリターンチャネルブレード、遠心圧縮機のディフューザブレード、入口ガイドベーン、ストラットのうちの１つである、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の翼形部品（１５）。
【請求項１１】
前記圧力測定デバイス（１００，２５）が、圧力トランスデューサであり、前記圧力トランスデューサは、前記翼形部品（１５）に形成された座部に収容される、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の翼形部品（１５）。
【請求項１２】
前記全圧プローブを前記翼形部品（１５）の外部に流体接続する圧力ダクト（１０１）をさらに備える、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の翼形部品（１５）。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の少なくとも１つの固定翼形部品（１５）を備えるターボ機械（１）。
【請求項１４】
ケーシング（５）と、前記ケーシング内に回転のために取り付けられた少なくとも第１のインペラ（１３）と、前記ケーシング内に固定配置されたディフューザ（９）と、を備える遠心圧縮機（１）であって、前記ディフューザの内部には固定ブレード（１５）が設けられ、前記固定ブレードの少なくとも１つが、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の翼形部品である、遠心圧縮機（１）。
【請求項１５】
ケーシング（５）と、前記ケーシング内に回転のために取り付けられた少なくとも第１のインペラ（１３）と、前記ケーシング内に流路に沿って固定配置されたディフューザ（９）およびリターンチャネル（１１）と、を備える遠心圧縮機（１）であって、前記ディフューザおよび前記リターンチャネルの少なくとも一方の内部には固定ブレードが設けられ、前記固定ブレードの少なくとも１つが、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の翼形部品である、遠心圧縮機（１）。
【請求項１６】
前記圧縮機の内部から前記圧縮機の外部に圧力測定データを送信するためのデータ転送チャネルをさらに備える、請求項１４または１５に記載の遠心圧縮機（１）。
【請求項１７】
前記固定ブレードに形成された前記圧力プローブを、前記ケーシングの外側に配置された圧力トランスデューサに流体接続する圧力伝達ダクトをさらに備える、請求項１４または１５に記載の遠心圧縮機（１）。
【請求項１８】
ターボ機械（１）内の流路内の作動流体の全圧を測定する方法であって、
前記流路に少なくとも１つの翼形部品（１５）を設けるステップであって、前記翼形部品は、前縁（１５Ｌ）と後縁（１５Ｔ）とからなる２つの対向する翼形部表面（１５Ｘ，１５Ｙ）によって画定される翼形部輪郭を有する、ステップと、
前記翼形部品（１５）の前記前縁（１５Ｌ）に位置する穴入口（２１Ａ）から前記翼形部品の内部に向かって延びる穴（２１）を設けるステップと、
前記穴内に前記作動流体を流し、その運動エネルギーを前記穴内の圧力エネルギーに変換するステップと、
前記穴内の前記流体圧力を測定するステップであって、前記圧力は前記翼形部品（１５）の前記前縁（１５Ｌ）における前記作動流体の全圧に対応する、ステップと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願およびその結果の特許は、一般に、ターボ機械の圧力測定装置に関する。特に、本開示は、具体的には、タービンおよび圧縮機などのターボ機械における作動流体の全圧を測定するためのデバイスおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンおよび圧縮機などのターボ機械には、いくつかの運転パラメータを測定するための測定装置が設けられることが多い。このような運転パラメータの１つは、作動流体、すなわちターボ機械を通って流れる流体の全圧である。一般的に言えば、ベルヌーイの原理によれば、全圧は静圧、動圧、および重力ヘッドの合計である。大部分の用途では、重力ヘッドは無視することができ、全圧は動圧と静圧の和になる。
【０００３】
プロトタイプのターボ機械の試験目的では、全圧は、多くの場合、有用なパラメータである。全圧はまた、工業用ターボ機械の通常の運転中に有用な制御パラメータであり得、例えば、診断目的またはターボ機械の機能性を制御するために使用され得る。
【０００４】
いくつかの用途では、固定ブレード、入口ガイドノズル、ノズルガイドベーン、リターンチャネルブレード、ベーン付きディフューザブレード、または他の空気力学的構成要素の前縁領域における全圧が、制御または試験の目的で必要とされ得る。全圧プローブは、流体流の入射角が設計入射角に対してずれている場合にも、信頼できる測定を提供できなければならない。翼形部品の前縁における全圧測定の既知の手段は、所望の測定位置に設置されたピトーまたはキール型（Ｐｉｔｏｔ  ｏｒ  Ｋｉｅｌ−ｔｙｐｅ）プローブ、または翼形部品の外面にろう付けまたは溶接された遮蔽プローブを含む。これらのプローブは誤動作しやすく、誤って翼形部品から分離して測定データが失われる可能性がある。
【０００５】
したがって、ターボ機械の翼形部品の前縁における作動流体の全圧を測定する、より効率的で信頼できる方法が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／１８２２９２号明細書
【発明の概要】
【０００７】
一態様によれば、前縁および後縁を有し、前縁の穴入口から翼形部品の内部に向かって延びて全圧プローブを形成する穴と、この穴を全圧測定デバイスに接続するための翼形部品内の通路とを備える、ターボ機械翼形部品が開示される。全圧測定デバイスを、通路内に配置されたセンサまたはトランスデューサから構成することができる。他の実施形態では、全圧測定デバイスは、翼形部品から離れたところ、例えば、翼形部品が位置するターボ機械の外側に配置され得る。流体接続は、翼形部品の穴によって形成された全圧プローブと遠方の全圧測定デバイスとの間に提供され得る。同じ静圧が、穴内および全圧測定デバイスに向かう流体接続全体に存在することになる。
【０００８】
改善された精度のために、いくつかの実施形態によれば、前縁は、穴入口が位置する平坦面を含む。すなわち、前縁は、穴入口の周りで部分的に平らであり得る。これにより、全圧測定は流体流の入射方向の変化に対してあまり敏感にならず、測定値を入射角の変化の比較的広い範囲内でも信頼できるものにする。
【０００９】
穴は、皿穴であってもよく、すなわち、穴入口は、好ましくは円錐状の入口面で広がることができる。
【００１０】
翼形部品を、ターボ機械の固定ブレードまたはバケットとすることができる。いくつかの実施形態では、翼形部品は、遠心圧縮機のリターンチャネルブレードまたはディフューザブレードである。
【００１１】
さらなる態様によれば、本開示は、上記のような少なくとも１つの固定翼形部品を備えるターボ機械に関する。
【００１２】
いくつかの実施形態によれば、ターボ機械は、ケーシングと、ケーシング内に回転のために取り付けられた少なくとも第１のインペラと、ケーシング内で作動流体の流路、すなわち圧縮機によって処理された流体の流路に沿って固定配置されたディフューザとを備える遠心圧縮機である。ディフューザには固定ブレードが設けられ、固定ブレードの少なくとも１つは上述のような翼形部品である。
【００１３】
他の実施形態では、ターボ機械は、ケーシングと、ケーシング内に回転のために取り付けられた少なくとも第１のインペラと、ケーシング内で作動流体の流路に沿って固定配置されたディフューザおよびリターンチャネルとを備える遠心圧縮機である。ディフューザおよびリターンチャネルの少なくとも一方には固定ブレードが設けられ、固定ブレードの少なくとも１つは上述のような翼形部品である。リターンチャネルを、通常、第１のインペラと下流の第２のインペラとの間に配置することができる。
【００１４】
さらに別の態様によれば、本明細書に開示されるのは、ターボ機械内部の流路内の作動流体の全圧を測定する方法であって、この方法は、流路に少なくとも翼形部品を設けるステップであって、翼形部品は前縁および後縁を有する、ステップと、翼形部品の前縁に位置する穴入口から翼形部品の内部に向かって延びる穴を設けるステップと、穴内に作動流体を流し、その運動エネルギーを穴内の圧力エネルギーに変換するステップと、穴内の圧力を測定するステップとを含む。
【００１５】
この方法は、前縁に平坦面部分を設け、平坦面部分に穴入口を配置するステップをさらに含むことができる。
【００１６】
いくつかの実施形態によれば、方法は、平坦面部分を、翼形部品の前縁に関する作動流体の設計入射方向に対して約９０°に配置するステップをさらに含むことができる。
【００１７】
さらなる実施形態によれば、方法は、穴入口にフレア状の内面を設けるステップをさらに含むことができる。
【００１８】
この方法はまた、穴をターボ機械のケーシングの外側に配置された圧力測定デバイスに流体接続するステップをさらに含むことができる。他の実施形態では、方法は、穴内の圧力を測定するように構成され配置された翼形部品内に圧力測定デバイスを配置するステップと、圧力測定デバイスからターボ機械の外部に圧力測定データを送信するステップとを含む。
【００１９】
特徴および実施形態が、本明細書で以下に開示されており、添付の特許請求の範囲においてさらに説明されている。添付の特許請求の範囲は、本明細書の必須の部分を形成する。上記の簡単な説明は、以下に続く詳細な説明がよりよく理解され、技術に対する本発明の貢献がよりよく認識されるように、本発明のさまざまな実施形態の特徴を説明している。もちろん本発明には他にも特徴があり、他の特徴は以下に説明され、添付の特許請求の範囲に記載される。この点において、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明のさまざまな実施形態が、その応用において、以下の説明に記載されるか、または図面に示される構造の詳細、および部品の構成に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は他の実施形態も可能であり、さまざまな方法で実践および実行され得る。また、本明細書で用いられる表現および用語は説明を目的とするものであり、限定と見なされるべきではないことを理解されたい。
【００２０】
このように当業者ならば、本開示が基づく構想が、本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造体、方法、および／またはシステムを設計する基礎として容易に利用され得ることを理解するであろう。したがって、特許請求の範囲が、本発明の趣旨および範囲から逸脱しない限り、そのような均等の構造を含むと見なされることが重要である。
【００２１】
本発明の開示された実施形態、および本発明の多くの付随する利点のより全面的な理解は、添付の図面と結び付けて検討される際、以下の詳細な説明を参照することにより、これらがよりよく理解される場合に容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ブレード付きリターンチャネルを含む多段遠心圧縮機の概略部分断面図である。
【図２】本明細書に開示されている全圧測定装置を含む、遠心圧縮機のブレード付きリターンチャネルの一部分の概略斜視図である。
【図３】全圧測定装置が埋め込まれた、図１および図２のリターンチャネルブレードの１つの側面図である。
【図４】図３のブレードの三次元図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線に沿った側面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩに沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
例示的な実施形態についての以下の詳細な説明では、添付の図面を参照する。別々の図面における同じ参照番号は、同じかまたは同様の要素を表す。なお、図面は、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではない。また、以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。
【００２４】
本明細書全体を通して「一実施形態」「実施形態」または「いくつかの実施形態」への言及は、ある実施形態と結び付けて説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体のさまざまな場所で「一実施形態では」「実施形態では」または「いくつかの実施形態では」という表現が現れても、必ずしも同じ実施形態（単数および複数）を指すものではない。さらに、特定の特徴、構造または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせられてもよい。
【００２５】
以下の説明および添付の図面は、本明細書に開示された全圧測定装置の、遠心圧縮機のリターンチャネルブレードへの特に有用な適用を参照するものであり、全圧測定装置は、リターンチャネルブレードの前縁で圧縮機によって処理されたガスの全圧を測定するためのものである。ただし、測定装置を、他のターボ機械用翼形部品、特に入口ガイドベーン、ディフューザブレード、入口ガイドノズル、ストラットなどのターボ機械用の固定翼形部品にも実装することができる。
【００２６】
図１を参照すると、遠心圧縮機１は、圧縮機の回転軸線Ａ−Ａを含む平面に沿った断面に部分的に示されている。図１には、遠心圧縮機１の一部のみが示されている。遠心圧縮機１を、圧縮機ケーシング５内に回転可能に収容されたシャフト３から構成することができる。ダイヤフラム７は、ケーシング５内に固定的に取り付けられ、図１には１つしか示されていない逐次的に配置されたインペラ１３を流体接続するディフューザ９およびリターンチャネル１１を画定する。遠心圧縮機１のリターンチャネル１１の少なくとも１つに、固定リターンチャネルブレード１５を設けることができる。各リターンチャネルブレード１５は、前縁１５Ｌと後縁１５Ｔとからなる。
【００２７】
図１には、軸線方向に向けられた入口１３Ａおよび実質的に半径方向に向けられた出口１３Ｂを備えることができる１つのインペラ１３のみが示されており、この軸線方向および半径方向の向きは圧縮機１の回転軸線Ａ−Ａを基準とする。インペラ１３のブレード１３Ｃは、インペラに入るガスを１３Ａで加速する。加速されたガスは、１３Ｂでインペラ１３を出て、インペラ出口１３Ｂの周囲に配置されたディフューザ９に沿って減速され、加速されたガスの運動エネルギーがディフューザ９に沿って圧力に変換される。次いで、ガスは、ディフューザ９の半径方向の最も外側の端部からリターンチャネル１１に沿って、第２の下流のインペラ（図示せず）の入口に向かって戻される。
【００２８】
リターンチャネル１１の入口での全ガス圧を測定する目的で、リターンチャネルブレード１５の少なくとも１つに、図２〜図６に示され後述される全圧測定装置を設けることができる。本明細書では単一のリターンチャネルブレード１５について言及するが、同じリターンチャネル１１内のいくつかまたはすべてのリターンチャネルブレード１５に、必要に応じて全圧測定装置を設けることができることを理解されたい。これは、場合によっては可能であり、例えば、接線方向の全圧の変動または歪みが検出され、測定されなければならない。
【００２９】
図２には、複数の固定リターンチャネルブレード１５が軸測投象図で示されており、図３〜図６は、全圧測定手段が設けられた個別のリターンチャネルブレード１５を単独かつその部分で示している。いくつかの実施形態によれば、リターンチャネルブレード１５の前縁１５Ｌは、１５Ｆに示すように平坦化される（図３および図６）。特に好適な実施形態では、平坦面１５Ｆは平らであり得る。いくつかの実施形態では、平らな平坦面１５Ｆは、リターンチャネルブレード１５の２つの対向する翼形部表面１５Ｘおよび１５Ｙ（図５）によって画定される翼形部輪郭の設計入射方向Ｉ（図５）に実質的に直交し得る。設計入射方向Ｉは、通常、リターンチャネルブレード１５の反り曲線Ｃに接している。
【００３０】
他の例示的な実施形態では、平坦面１５Ｆは湾曲していてもよく、例えば、前縁に平行な母線を有する線織面であってもよい。平坦面１５Ｆは、これらの場合、凹形であってもよい。
【００３１】
いくつかの実施形態では、平坦面１５Ｆは、前縁１５Ｌに平行に測定された高さＨ（図３および図６）および前縁に直交する方向で測定され、入射方向Ｉに実質的に直交する幅Ｗ（図５）を有することができる。添付の図面に示されているように、平坦面１５Ｆの高さＨをリターンチャネルブレード１５の高さと同じにすることができ、すなわちその前縁１５Ｌ全体を平坦にすることができる。しかしながら、他の実施形態では、平坦領域の高さＨをリターンチャネルブレード１５の高さよりも小さくすることができ、すなわち、平坦面１５Ｆの延長部を前縁１５Ｌの延長部より小さくすることができる。
【００３２】
リターンチャネルブレード１５の本体には、穴２１（特に図６参照）が設けられている。穴２１を、設計入射方向Ｉに応じて向けることができる。穴２１は全圧測定プローブを形成する。遠心圧縮機の運転中、穴２１の内部の圧力はリターンチャネルブレード１５の前縁１５Ｌにおける作動流体の全圧に対応する。
【００３３】
前縁１５Ｌに形成された平坦面１５Ｆが平らである場合、穴２１は平坦面１５Ｆに直交することができる。穴２１は、平坦面１５Ｆに位置する穴入口２１Ａを有する。いくつかの実施形態では、穴入口２１Ａはフレア状であってもよく、すなわち、円錐台形状を有することができる。したがって、穴２１は、平坦面１５Ｆに面する皿穴である。皿穴２１の穴入口２１Ａのフレア面の角度αは約１５°〜約９０°であり得る。いくつかの実施形態によれば、角度αは、約２０°〜約８０°、例えば約３０°〜約７０°、好ましくは約３０°〜約６０°であり得る。
【００３４】
穴２１は、平坦面１５Ｆからリターンチャネルブレード１５の本体内に長さＬ（図６）だけ延び、穴２１内の全圧を測定するための通路を形成する横ダクト２３と交差することができる。横ダクト２３は、穴２１からリターンチャネルブレード１５の側面１５Ｓまで横方向に延びる。リターンチャネルブレード１５の側面１５Ｓは、圧縮機１のダイヤフラム７に接触している。いくつかの実施形態では、横ダクト２３は、圧縮機ケーシング５の外部に配置することができる圧力センサなどの外部圧力測定デバイスと流体連通している。図１において、参照番号１００は、外部圧力センサを概略的に示しており、この外部圧力センサは、例えば圧力ダクト１０１を介して、穴２１によって形成された全圧プローブに流体接続されている。
【００３５】
他の実施形態では、図６に概略的に示すように、圧力センサ２５などの圧力測定デバイスを横ダクト２３内に収容することができる。有線または無線のデータ伝送を提供して、圧力データを圧縮機１の外部に転送することができる。
【００３６】
さらに別の実施形態では、圧力センサを、圧縮機ケーシングの内部ではあるがリターンチャネルブレード１５の外側の位置に配置することができる。
【００３７】
位置に関係なく、圧力センサは穴２１内のガス圧を測定する。センサ２５が横ダクト２３内に配置されている場合には、外圧表示デバイスと有線または無線で接続することができる。
【００３８】
圧力センサ２５によって測定される穴２１内の圧力は、リターンチャネルブレード１５の前縁１５Ｌで遠心圧縮機１を流れる流体の全圧である。平坦面１５Ｆおよび皿穴の入口２１Ａは、流体流の方向が設計入射方向Ｉからずれている場合、例えば圧縮機が非設計条件下で作動する場合にも、信頼できる全圧測定を保証する。穴２１の直径Ｄ、角度α、平坦面１５Ｆの高さＨ、および平坦面１５Ｆの幅Ｗの適切な選択は、実際の入射方向の設計入射方向Ｉに対して±１３°またはそれ以上の範囲内での全圧の信頼できる測定結果をもたらす。いくつかの実施形態によれば、パラメータＨ，Ｄ，Ｗを、
【００３９】
【数１】
2018518622.tif 000003
および／または
【００４０】
【数２】
2018518622.tif 000004
であるように選択することができ、皿穴角度αの値は上述した範囲内である。
【００４１】
本明細書で説明される主題の開示された実施形態が図面に示され、いくつかの例示的な実施形態と結び付けて具体的および詳細に上記で十分に説明されてきたが、多くの修正、変更、および省略が、本明細書に記載された新たな教示、原理、および概念、ならびに添付の特許請求の範囲に述べられる主題の利点から著しく逸脱することなく可能であることが当業者には明らかであろう。したがって、開示される技術革新の適切な範囲は、すべてのそのような修正、変更、および省略を含むように、添付の特許請求の範囲を最も広く解釈することによってのみ定められるべきである。また、工程または方法ステップの順序または並びは、代替的な実施形態によって変更、または再度順序付けされる可能性がある。
【符号の説明】
【００４２】
１  遠心圧縮機
３  シャフト
５  ケーシング
５  圧縮機ケーシング
７  ダイヤフラム
９  ディフューザ
１１  リターンチャネル
１３  インペラ
１３Ａ  入口
１３Ｂ  出口
１３Ｃ  ブレード
１５  リターンチャネルブレード
１５Ｆ  平坦面
１５Ｌ  前縁
１５Ｓ  側面
１５Ｔ  後縁
１５Ｘ  翼形部表面
１５Ｙ  翼形部表面
２１  穴
２１Ａ  穴入口
２３  横ダクト
２５  圧力センサ，圧力測定デバイス
１００  圧力センサ，圧力測定デバイス
１０１  圧力ダクト
【図１】
2018518622.tif 000005
【図２】
2018518622.tif 000006
【図３】
2018518622.tif 000007
【図４】
2018518622.tif 000008
【図５】
2018518622.tif 000009
【図６】
2018518622.tif 000010
【国際調査報告】
2018518622.tif 000011
2018518622.tif 000012
2018518622.tif 000013