JP2016512586A - 異なる後縁プロフィルを持つベーンを交互に配置したベーン配置 - Google Patents

Abstract

作動流体をターボ機械の入口端部から出口端部へ案内する固定ベーンの配置であって：固定ケーシングから、前記ケーシングの円周の周囲で周方向に離間されて半径方向内側に延在する複数の固定ベーン（２３０）の少なくともひとつの列を備え、各固定ベーン（２３０）が、後縁（３１０）の反対側の前縁（３２０）と、前記前縁と前記後縁との間に延在して対向する長手方向面（３００ａ、ｂ）とを有し、前記固定ベーンの第１の部分の前記後縁は第１の端部プロフィル（３４０）を有し、前記固定ベーンの第２の部分の前記後縁は、前記第１の端部プロフィルとは異なる第２の端部プロフィル（３３０）を有し、前記固定ベーンは、前記第１の端部プロフィルを有する各固定ベーンが、前記後縁の下流の基本後流通過周波数を最小化するよう、前記第２の端部プロフィルを有する固定ベーン間に位置するように、配置される固定ベーン配置。

Description

本ＰＣＴ出願は、２０１３年３月１４日に出願された米国特許出願第１３／８０４，１７９号に基づく優先権を主張し、その開示のすべてを引用して本明細書に組み込む。

本開示は、一般的にはターボ機械に関し、より詳細には流量及び音響脈動の両方に対して、ガスフローストリーム（ガス流の流れ）を均一化することによってロータブレード及び／又はディスク励振を低減し、並びに、固定ベーンから離脱する渦の効果を低減するようになされるターボ機械のための固定ベーンの配置に関する。

遠心コンプレッサ、軸流コンプレッサ、及びタービン等のターボ機械は、様々な業界で利用されている。遠心コンプレッサ及びタービンは特に、発電所、ジェットエンジン用途、ガスタービン、及び自動車用途において幅広く使用されている。遠心コンプレッサ及びタービンはまた、石油精製工業において用いられる空気分離装置及びホットガスエキスパンダ等の大規模工業用途において一般に用いられている。遠心コンプレッサはさらに、精製所及び化学製品工場等の大規模工業用途において用いられている。

図１を参照すると、多段遠心ターボ機械１０が、従来の設計に従って示されている。用途によっては単段が利用されてもよい。かかるターボ機械１０は一般に、一対の軸受４０によってハウジング３０内に回転自在に支持される軸２０を含む。図１に示すターボ機械１０は、作動流体の流体圧力を次第に増加するよう複数の段を含んでいる。各段は、ターボ機械１０の長手方向軸線に沿って連続して配置され、すべての段は、同じ原理で作動する類似の構成部品を有するが、あるいは有さなくてもよい。

続けて図１を参照すると、インペラ５０は、周方向に配置される複数の回転ブレード６０を含む。複数の回転ブレード６０は、インペラハブ７０に取り付けられ、インペラハブ７０は軸２０に取り付けられる。ブレード６０は、任意に、カバーディスク６５に取り付けられてもよい。複数のインペラ５０は、軸２０の軸線方向長さに沿って多段で離間されてもよい。回転ブレード６０は、回転ブレード６０がインペラハブ７０と共に軸２０の回転によって回転するようにインペラハブ７０に固定して連結される。回転ブレード６０は、固定管状ケーシングに取り付けられる複数の固定ベーン即ちステータ（静翼）８０の下流で回転する。ガス混合気等の作動流体は、軸２０の軸線方向においてターボ機械１０に入り、そこから出る。作動流体からのエネルギーは、ステータ８０に対する回転ブレード６０の相対運動を生じる。遠心コンプレッサにおいて、インペラ５０内部の回転ブレード６０間の断面積は、入口端部から排出端部へ行くにしたがって減少し、作動流体は、インペラ５０を通過するにつれて圧縮される。入口端部から排出端部へと減少する入口端部から排出端部へと減少する

図２を参照すると、ガス混合気等の作動流体は、ターボ機械１０の入口端部９０から出口端部１００へ移動する。入口端部９０に設けられるステータ８０の列は、作動流体を、ターボ機械１０の出口端部１００に設けられる回転ブレード６０の列に向ける。ステータ８０は、作動流体を回転ブレード６０に向けるためのケーシング内に延在する。ステータ８０は、ケーシングの周囲の個々のストラット（ステータ）間で周方向に等間隔で離間する。ディフューザ１１０は、回転ブレード６０の出口において、回転ブレード６０から出て来る流体の流れを均一化するために設けられている。ディフューザ１１０は、ケーシング内に延在する複数のディフューザベーン１２０を有しているが有さなくてもよい。ディフューザブレード１２０は、ディフューザケーシングの周囲の周辺において個々のディフューザブレード１２０間で周方向に等間隔で離間されている。多段ターボ機械１０においては、複数の戻り流路ベーン１２５が、作動流体を次に連続する段の回転ブレード６０に向けるために、ターボ機械１０の出口端部１００に設けられる。かかる実施の形態において、戻り流路ベーン１２５は、ターボ機械１０の第１の段からステータ８０の機能を提供する。多段ターボ機械における最後のインペラは通常、ディフューザのみを有しており、そのディフューザはディフューザベーンを備えるが、そなえない場合もある。最後のディフューザは、作動流体の流れを、排出パイプに接続するための出口フランジを有する排出ケーシング（渦形室）へ向ける。単段の実施の形態においては、ターボ機械１０は、入口端部９０にステータ８０を、出口端部１００にディフューザ１１０を含む。

図３を参照すると、複数のステータ８０が略示されている。各ステータ８０は、互いに実質的に平行に配向される一対の対向する長手方向面１３０ａ、１３０ｂを有する。ステータ８０は、ターボ機械１０の長手方向軸線に対して同じ角度で配向されるのが望ましい。各ステータ８０は、その下流端部に設けられる後縁１４０と、その上流端部に設けられる前縁１５０とを有する。各ステータ８０の後縁１４０の形状は、隣接するステータ８０の後縁１４０の形状と同一である。例えば、後縁１４０は、丸められた点で終わる先端プロフィル（先端の形状パターン）を有していてもよい。同様に、各ステータ８０の前縁１５０の形状は、後縁１４０に対応する形状であってよい。各ディフューザブレード１２０（不図示）の前縁１５０は、後縁１４０と同一に形成されるのが望ましい。例えば、ステータ８０の後縁１４０と同様に、ディフューザブレード１２０の前縁は、丸められた点で終わる先端プロフィルを有していてもよい。

ターボ機械を設計する上で重要なことは、ターボ機械の作動範囲を通じて回転ブレード及びハブの振動を抑えることである。ターボ機械における回転ブレード及びディスクは、ａ）上流ステータ・ストラット及び／又はベーンの後流及びポテンシャル流の下流ストラット及びベーンとの相互作用、ｂ）不均一な（一様でない）周方向圧力分布によって形成されるフローストリームにおける他の不均等性、ｃ）回転ブレード通過周波数におけるいずれの音響脈動、及び／又は、ｄ）固定ベーンから離脱し、ひいては、ケース内のガスの同時発生的な音響共振の原因となる渦、によって共振振動を励起する。例えば、Ｔｙｌｅｒ／Ｓｏｆｒｉｎモードが、回転モードを与えるベーンに反射するブレード通過周波数の音波により生じるかもしれない。（Ｒｅｆ．Ｔｙｌｅｒ．Ｊ．Ｍ．，ａｎｄＳｏｆｒｉｎ，Ｔ．Ｇ．，１９６２，”Ａｘｉａｌ Ｆｌｏｗ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ Ｍｏｉｓｅ Ｓｔｕｄｉｅｓ”，ＳＡＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．７０，ｐｐ．３０９−３３２．）音響脈動は、インペラからさらに後ろに置かれるステータ・ストラットに別々に反射し、回転モードの効果的な振幅を低下させる。例えば、１５枚の回転ブレード及び２０個のステータ・ストラットを有するインペラにおいて、５直径回転モードが存在する。５直径構造モードが回転速度の２０倍に等しければ、ブレード励振は、波反射が結果として位相相殺を生じるので、ステータ・ストラットの半分を音響波長の約１／２の下流に設定することによって、低下できる。

これらの励振は繰り返し応力の原因となり、結果として、回転ブレード、ハブ、又はカバーの何れかにおけるインペラの高サイクル疲労及び故障を潜在させる。インペラ構成部品は、ブレードモード周波数が、ブレードによって見られる流れの不均等性の高調波次数を乗じる軸回転周波数に相当する場合、大きい振幅を励起する可能性がある。通常、高サイクル疲労の原因となるのに十分に大きい振幅を有する共振の数は限られている。疲労からの損傷率は、材料の無限耐久強さを超えた場合にのみ発生し、振動振幅の穏やかな減少は、多くの場合、ブレード及びディスク寿命の制限要因としての高サイクル疲労を解消する。

これらの問題を克服する現在のひとつの慣例は、共振が発生した場合に迅速に速度を変化させることにより共振振動数での運転を避け、それによって、ブレードが運転中に蓄積する疲労サイクル数を最小にすることである。振動サイクル数を最小にすれば、ブレード損傷は、下流の後流、音響脈動、流れの不均等性、又は渦の離脱以外の機構によって抑さえられる。しかし、このやり方は、ターボ機械の運転に関して望ましくない制約をもたらす。

別の現在のアプローチは、空気を直接、障害物の後ろにある低速の後流に噴射することによって流れ場の空間的変動を低下させることである（Ｒａｏ，Ｎ．Ｍ．，Ｆｅｎｇ，Ｊ．，Ｂｕｒｄｉｓｓｏ，Ｒ．Ａ，ａｎｄ Ｎｇ，Ｗ．Ｆ．，”Ａｃｔｉｖｅ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｏ Ｒｅｄｕｃｅ Ｆａｎ Ｂｌａｄｅ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｎｏｉｓｅ”，５．ｓｕｐ．ｔｈ ＡＩＡＡ／ＣＥＡＳ Ａｅｒｏａｃｏｕｓｔｉｃ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｍａｙ １０−１２，１９９９）。このアプローチは、コンプレッサ又は追加の外部空気源の何れかからの空気を、比較的大量に用いる必要がある。コンプレッサ空気の使用は、性能に不利益な影響を与える。別の空気源の追加は、重量を増加させ、電力を必要とする。両方の方法とも、性能に不利益な影響を与える。また、後流の充填は、下流の流れ障害物からの頭部波（弾頭波あるいは船首波）のためにモード励振に対処できない。

従来技術の範囲内で、多くのアプローチが、回転ブレードの振動振幅を低減し、及び／又は、ノイズ軽減を提供するために提案されてきた。Ｋｕｈｎｅｌ他の米国特許出願公開第２００７／０２７４８２６号は、コンプレッサインペラのためのディフューザを開示している。Ｋｕｈｎｅｌ他公報の図１は、それぞれ２つのコンポーネント（構成部品）ブレードから形成されるガイドブレードを含むディフューザ構造を開示している。第１のコンポーネントブレードは入口縁部を有し、第２のコンポーネントブレードは、別の入口縁部から後退させた入口縁部を有している。図２は、第３のコンポーネントブレードがコンポーネントブレード間に設けられている別の実施の形態を示している。段付き入口縁部は、ノイズ軽減のために設けられている。

Ｂａｒｔｏｎ他の米国特許第７，１８９，０５９号は、インペラを中心として位置する入口シュラウドを有するコンプレッサを開示している。図２に示されるシュラウドは、複数の離間したベーン又はストラット先端を有するストラットを含んでいる。図６に示されるように、ストラットは、第１の端部とストラット先端との間の厚さを変化させるよう構成されている。この厚さの変化は、ストラットの固有周波数を増加するよう、ストラットの第１の端部とストラット先端との間の線形テーパとして実施されている。

Ｃｒａｌｌ他の米国特許第６，４３９，８３８号は、振動励起を低減するような、軸流ターボ機械におけるベーンの可変周方向間隔の使用について記載している。

Ｃｌａｒｋ，Ｊ．，”Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｔｏ Ｍｉｔｉｇａｔｅ Ｕｎｓｔｅａｄｙ Ｆｏｒｃｉｎｇ （Ｐｒｅｐｒｉｎｔ）”，ＡＦＲＬ−ＲＺ−ＷＰ−ＴＰ−２００８−２１１２は、水平分割編成を有する機械の上部及び下部に二等分された異なる数の固定ベーンの使用を含む回転ブレードに対する励振の低減に用いられる技術について検討している。

しかし、いずれの先行技術設計も、フローストリーム内の連続する後流を非均一化することによってロータブレード励振を低減し、回転ブレードへの音圧脈動及び直接的な圧力負荷を低減することに加えて、ベーンから離脱する渦の影響を低減するのに適した固定ベーン配置に向けられていない。

一の実施の形態によれば、固定ベーン配置は、作動流体をターボ機械の入口端部から出口端部へ案内するために提供される。固定ベーン配置は、ケーシングから、ケーシングの円周の周囲で周方向に離間されて半径方向内側に延在する複数の固定ベーンの少なくともひとつの列を含む。各固定ベーン（静翼）は、後縁の反対側の前縁と、前縁と後縁との間に延在する対向する長手方向面とを有する。固定ベーンの第１の部分の後縁は第１の端部プロフィルを有してもよく、固定ベーンの第２の部分の後縁は、第１の端部プロフィルとは異なる第２の端部プロフィルを有してもよい。固定ベーンは、第１の端部プロフィルを有する固定ベーンが、後縁の下流の基本後流通過周波数を最小化するよう、第２の端部プロフィルを有する固定ベーンの間に設けられるように配置してもよい。

別の実施の形態によれば、第１の端部プロフィルは実質的に丸められた縁部を有してもよく、第２の端部プロフィルは、ストラットの対向する長手方向面に対して角度をなすテーパ状端部を有してもよい。別の実施の形態において、第１の端部プロフィルは、ストラットの対向する長手方向面に対して第１の方向において角度をなすテーパ状端部を有してもよく、第２の端部プロフィルは、対向する長手方向面に対して第２の方向において角度をなすテーパ状端部を有してもよい。

さらなる実施の形態によれば、複数の固定ベーンは、ターボ機械の入口端部に設けられてもよい。固定ベーンは、作動流体を、複数の固定ベーンから下流の回転ブレード（動翼）の列に向けるために構成されてもよい。複数の固定ベーンは、ケーシングを通って延在する長手方向軸線を中心として、互いから等距離にケーシングの円周の周囲で周方向に離間していてもよい。固定ベーンは、ケーシングを通って延在する長手方向軸線に関して同じ角度位置に配向されてもよい。一の実施の形態において、複数の固定ベーンは線形プロフィルを有してもよい。別の実施の形態において、複数の固定ベーンは流線形プロフィルを有してもよい。

さらに別の実施の形態によれば、複数の回転ブレードを有するロータは、複数の固定ベーンが、作動流体を複数の回転ブレードに向けるに適するように、複数の固定ベーンから下流に設けられてもよい。加えて、複数のディフューザベーンを任意に有するディフューザは、複数の回転ブレードの下流に設けられて、ケーシングの円周の周囲で周方向に離間されてケーシングから半径方向内側に延在してもよい。設けられた場合、各ディフューザベーンは、後縁の反対側の前縁と、前縁と後縁との間に延在する対向する長手方向面とを有する。ディフューザベーンの第１の部分の前縁は第１の端部プロフィルを有してもよく、ディフューザベーンの第２の部分の前縁は、第１の端部プロフィルとは異なる第２の端部プロフィルを有してもよい。ディフューザベーンは、第１の端部プロフィルを有するディフューザベーンが、第２の端部プロフィルを有するディフューザベーンに隣接して設けられるように配置されてもよい。

さらなる実施の形態によれば、複数のディフューザベーンは、ケーシングを通って延在する長手方向軸線を中心として、互いから等距離にケーシングの円周の周囲で周方向に離間されていてもよい。ディフューザベーンは、ケーシングを通って延在する長手方向軸線に関して同じ角度位置に配向されてもよい。一の実施の形態において、複数のディフューザベーンは線形プロフィルを有してもよい。別の実施の形態において、ディフューザベーンは流線形プロフィルを有してもよい。

別の実施の形態によれば、ターボ機械は、ケーシングの長手方向軸線に沿って出口端部と反対側の入口端部とを有するケーシングを有してもよい。軸アセンブリ（軸組立体）は、ケーシング内に設けられ、軸アセンブリは入口及び出口端部間に延在する。さらに、複数の回転ブレードを有するロータは、軸アセンブリから半径方向外側に延在してもよい。加えて、固定ベーン配置は、ロータの上流に設けられる。固定ベーン配置は、ケーシングから、ケーシングの円周の周囲で周方向に離間されて半径方向内側に延在する複数の固定ベーンの少なくともひとつの列を含んでもよい。各固定ベーンは、後縁の反対側の前縁と、前縁と後縁との間に延在して対向する長手方向面とを有してもよい。固定ベーンの第１の部分の後縁は第１の端部プロフィルを有してもよく、固定ベーンの第２の部分の後縁は、第１の端部プロフィルとは異なる第２の端部プロフィルを有してもよい。固定ベーンは、第１の端部プロフィルを有する固定ベーンが、第２の端部プロフィルを有する固定ベーンに隣接して設けられるように配置されてもよい。

別の実施の形態によれば、複数の固定ベーンが、ターボ機械の入口端部に設けられてもよく、作動流体を複数の固定ベーンから下流の回転ブレードの列に向けるように構成されてもよい。この実施の形態において、複数の固定ベーンは、ケーシングを通って延在する長手方向軸線に関して同じ角度位置に配向されてもよい。一の実施の形態によれば、複数の固定ベーンは線形プロフィルを有してもよい。代わりに、複数の固定ベーンは流線形プロフィルを有してもよい。加えて、複数のディフューザベーンは、複数の回転ブレードの下流に設けられて、ケーシングの円周の周囲で周方向に離間されてケーシングから半径方向内側に延在してもよい。各ディフューザベーンは、後縁の反対側の前縁と、前縁と後縁との間に延在して対向する長手方向面とを有してもよい。ディフューザベーンの第１の部分の前縁は第１の端部プロフィルを有してもよく、ディフューザベーンの第２の部分の前縁は、第１の端部プロフィルとは異なる第２の端部プロフィルを有してもよい。ディフューザベーンは、第１の端部プロフィルを有するディフューザベーンが、第２の端部プロフィルを有するディフューザベーンに隣接して設けられるように配置されてもよい。

ターボ機械のこれら及び他の特徴及び特性、並びに、構造の関連構成部品の作動及び機能の方法、及び部品の組み合わせ及び製造の経済性は、添付図面を参照して、以下の説明及び添付の特許請求項を考察することによってより明確となり、そのすべては、本明細書の一部を形成する。同様の符号は、種々の図において対応する部品を示す。しかし、図面は図示及び説明のみを目的とし、発明の制限を定義するものではないことは理解できよう。明細書及び特許請求の範囲において用いられている、「一つの」や「前記の」が付された、又は「複数の」が付されていない単数形の名詞は、特に文脈で明確に指示しない限り、複数の指示対象を含む。

図１は、従来技術の実施の形態による多段遠心ターボ機械の部分断面斜視図である。

図２は、図１に示すターボ機械の１段の断面略図である。

図３は、従来技術の実施の形態による複数のステータの略図である。

図４は、本発明の一の実施の形態による多段遠心ターボ機械の１段の長手方向軸線に沿う断面略図である。

図５Ａは、本発明の別の実施の形態による固定ベーン配置の略図である。 図５Ｂは、本発明のさらに別の実施の形態による固定ベーン配置の略図である。 図５Ｃは、本発明のさらに別の実施の形態による固定ベーン配置の略図である。

これ以降の説明のために、用語「上部」、「下部」、「右」、「左」、「垂直」、「水平」、「頂部」、「底部」、「横方向」、「長手方向」、及びその派生語は本発明に関して図面内での配向を示しているものとする。しかし、本発明は、明示的にその反対であると特記しない限り、別の変形例及びステップの順序を想定してもよいと理解すべきである。また、添付図面に示し、以下の明細書において説明する特定の装置及びプロセスは、単に本発明の例示の実施の形態であると理解すべきである。したがって、本明細書中に開示する実施の形態に関する特定の寸法及び他の物理的な特性は、それに限定するものと解釈すべきではない。

以上で説明したように、従来のターボ機械１０における回転ブレード６０は、ａ）上流ステータ・ストラット及び／又はベーンの後流及びポテンシャル流の下流ストラット及びベーンとの相互作用、ｂ）不均一な周方向圧力分布によって形成されるフローストリームにおける他の不均等性、ｃ）回転ブレード通過周波数におけるいずれの音響脈動、及び／又は、ｄ）ストラット又はベーンから離脱し、ひいては、ケース内部のガスの同時発生的な音響共振の原因となる渦、によって共振振動を励起する。回転ブレード６０は、ブレードモード周波数が、回転ブレード６０によって見られる流れの不均等性の高調波次数を乗じる軸回転周波数に相当する場合、大きい振幅を励起する可能性がある。

先行技術のこれらの不具合を克服するために、本発明の実施の形態は、破壊力を低減し、適応範囲を増加するよう、回転ブレードへの流れを均一化（一様に）するように成される固定ベーン配置を提供する。すなわち、そのように配置された固定ベーン（静翼）を提供する。本発明の実施の形態は、流量及び音響脈動の両方に対して、ガスフローストリームを均一化することによってロータブレード及び／又はディスク励振を低減し、並びに、固定ベーンから離脱する渦の影響を低減するように成される固定ベーン配置を提供する。

図４を参照すると、ターボ機械２００は、ステータ・ストラットの後縁における渦の離脱により、フローストリームの不均等性によって生じる共振振動を低減する、又は解消するように成された固定ベーン配置を含む。図４は、単段のターボ機械２００を示すが、当業者は、図４に示す特定の構成部品を、多段式遠心コンプレッサ等の多段ターボ機械での使用に容易に適合できることを理解するであろう。

更に図４を参照すると、ターボ機械２００は、軸２２０により回転可能なディスク２１５の周囲で周方向に配置される複数の回転ブレード２１０を含んでいる。ターボ機械２００が多段（不図示）を有する実施の形態において、回転ブレード２１０は、軸２２０の軸線方向に沿って多段に配設される。別の実施の形態において、回転ブレード２１０が軸２２０の回転と共に回転されるように、回転ブレード２１０を軸２２０に固定して連結してもよい。回転ブレード２１０は、固定管状ケーシング２４０に取り付けられる複数の固定ベーン２３０（即ち、固定ベーン配置）に隣接して回転する。ガス混合気等の作動流体は、ターボ機械２００の入口端部２５０から出口端部２６０へ移動する。入口端部２５０に設けられる固定ベーン２３０の列は、作動流体をターボ機械２００の出口端部２６０における回転ブレード２１０の列に向ける。固定ベーン２３０の数は、回転ブレード２１０の数に対応していてもよい。又は、固定ベーン２３０の数は、回転ブレード２１０の数より多くても少なくてもよい。回転ブレード２１０の数は、すべてのブレードが円形ラインに沿って同相で振動する場合の円モード及びねじりモードを除去するために固定ベーン２３０の数と等しくないのが望ましい。固定ベーン２３０は、偶数又は奇数の個々のベーンを有していてもよい。空気力学的な問題により、固定ベーン２３０は、混合を促進し、ベーンから離脱する渦の影響を低減するために回転ブレード２１０の近傍に設けられるのが望ましい。この配置は、回転ブレード２１０への音圧脈動及び直接的な圧力負荷を低減する。

ディフューザ２８０は、任意のディフューザベーン２７０と共に、回転ブレード２１０の出口において、回転ブレード２１０から出て来る流体の流れを均一化するために提供される。ディフューザ２８０は、ターボ機械２００の出口端部２６０に設けるのが望ましい。各ディフューザ２８０は、作動流体を次の連続する段の固定ベーン２３０に向けるための、ケーシングを横断して延在するひとつ以上のディフューザベーン２７０を任意に有する。ディフューザベーン２７０は、ディフューザケーシングの円周の周囲に等間隔で離間するのが望ましい。

固定ベーン２３０は、作動流体を回転ブレード２１０に向けるために固定ケーシング２４０の内側部分に渡って延在している。固定ベーン２３０は、所望の空気力学的性能を保証するために固定ケーシング２４０の円周の周囲で個々のベーン間が等間隔になるよう周方向に離間している。従来のストラットの後縁下流の基本後流通過周波数の生成を招く従来の設計の不具合を克服するために、本発明の実施の形態は、ターボ機械が種々の作動速度にわたって運転される際に、回転ブレードのひとつ以上の共振振動モードの振動励起を低減するように成される固定ベーン配置を組み込んでいる。

図５Ａ乃至図５Ｃを参照して、固定ベーン配置の種々の構成を、本発明の複数の実施の形態に従って示す。図５Ａ乃至図５Ｃのそれぞれは、複数の固定ベーン２３０を略示している。それぞれの実施の形態において、固定ベーン２３０は、一対の対向する長手方向面３００ａ、３００ｂを有する。図５Ａ乃至図５Ｃに示すように、各固定ベーン２３０の対向する長手方向面３００ａ、３００ｂは実質的に線形（直線状）であり、実質的に互いに平行である。他の実施の形態においては、各固定ベーン２３０の対向する長手方向面３００ａ、３００ｂは、特定の空気力学的プロフィルを有するよう流線形であってもよい。

各固定ベーン２３０は、その下流端部に設けられる後縁３１０と、その上流端部に設けられる前縁３２０とを有する。図５Ａ乃至図５Ｃに示す固定ベーン２３０は、各固定ベーンの後縁の形状がそれぞれの隣接する後縁と同一である従来の設計とは対照的に、回転ブレード２１０のひとつ以上の共振振動モードの振動励起を低減するようステータ後流によって生成される力を低減する又は打ち消すための改良された設計を含む。

図５Ａを特に参照すると、後縁３１０及び前縁３２０の交互パターンを有する固定ベーン２３０が、奇数の固定ベーン２３０を有するステータに対して示されている。好ましい、非限定的な一の実施の形態において、固定ベーン２３０は、均一化された後流パターンが交番する（交互に現れる）ように２又は３のグループにグループ化されている。例えば、図５Ａに示すように配置された２１枚の固定ベーン２３０を有するステータは、３つの固定ベーンセットのグループの繰返しパターンを有する。固定ベーン２３０は、隣接するベーン間で等しい半径方向間隔で位置決めされるのが望ましい。加えて、すべての固定ベーン２３０が回転ブレード２１０（図５Ａでは不図示）から等距離にあるように、すべての固定ベーン２３０は、固定ケーシング２４０内で同じ長手方向位置に配置される。固定ベーン２３０は、固定ベーン２３０の第一の半分が図３に示す固定ベーン８０と同様の実質的に丸められた端部３３０で終わる後縁３１０及び前縁３２０を有するように配置されている。図５Ａに示す固定ベーン配置の固定ベーン２３０の第二の半分は、テーパ状端部３４０で終わる後縁３１０及び前縁３２０を有する。２種類の固定ベーン２３０は、丸め端部３３０を有する各固定ベーン２３０がテーパ状端部３４０を有する固定ベーン２３０間に位置決めされるように配置される。テーパ状端部３４０は、ひとつの長手方向面３００ａ、３００ｂの一部を、対向する長手方向面３００ａ、３００ｂに対して角度をなして切断することによって形成される。図５Ａに示すように、各固定ベーン２３０の後縁３１０及び前縁３２０は、同じ方向又は反対方向にテーパが付けられたテーパ状端部３４０を有してもよい。

各ディフューザベーン（不図示）の前縁は、同様の方法で形成されるのが望ましい。例えば、各ディフューザベーンの前縁は、いくつかのディフューザベーンが実質的に丸められた前縁を有する一方、残りのディフューザベーンがテーパ状の前縁を有する交互パターンを有してもよい。

図５Ｂを特に参照すると、後縁３１０及び前縁３２０の交互パターンを有する固定ベーン２３０が、偶数の固定ベーン２３０を有するステータに対して示されている。図５Ａに示す実施の形態に類似して、固定ベーン２３０は、均一化された後流パターンを交番する（互い違いにする）ように２又は３のグループにグループ化されている。例えば、図５Ｂに示すように配置された２０枚の固定ベーン２３０を有するステータは、２つの固定ベーン対のグループの繰返しパターンを有している。固定ベーン２３０は、隣接するベーン間で等しい半径方向間隔で位置決めされるのが望ましい。加えて、いくつかの固定ベーン２３０が他の固定ベーン２３０よりも回転ブレード２１０（図５Ａでは不図示）に近接するように、固定ベーン２３０は、固定ケーシング２４０内で交互にオフセットされた長手方向位置に配置される。固定ベーン２３０は、固定ベーン２３０の第一の半分が、図５Ａに示す固定ベーン２３０と同様に、実質的に丸め端部３３０で終わる後縁３１０及び前縁３２０を有して配置されている。図５Ｂに示す固定ベーン配置の固定ベーン２３０の第二の半分は、図５Ａに示す固定ベーン配置と同様に、テーパ状端部３４０において終わる後縁３１０及び前縁３２０を有している。２種類の固定ベーン２３０は、丸め端部３３０を有する各固定ベーン２３０がテーパ状端部３４０を有する固定ベーン２３０間に位置決めされるように配置される。丸め端部３３０を有する固定ベーン２３０は、テーパ状端部３４０を有する固定ベーン２３０に対して長手方向の後ろ側に置かれている。この配置において、丸め端部３３０を有する固定ベーン２３０は、テーパ状端部３４０を有する固定ベーン２３０よりも回転ブレード２１０（図５Ｂでは不図示）に近接して配置されている。テーパ状端部３４０は、ひとつの長手方向面３００ａ、３００ｂの一部を、対向する長手方向面３００ａ、３００ｂに対して角度をなして切断することによって形成される。図５Ｂに示すように、個々の固定ベーン２３０の後縁３１０及び前縁３２０は、同じ方向又は反対方向にテーパを付けたテーパ状端部３４０を有してもよい。

図５Ｃを特に参照すると、後縁３１０及び前縁３２０の交互パターンを有する固定ベーン２３０が、別の実施の形態に従って、偶数の固定ベーン２３０を有するステータに対して示されている。他の実施の形態に類似して、固定ベーン２３０は、均一化された後流パターンを交番するように２又は３のグループにグループ化されている。例えば、図５Ｃに示すように配置された２０枚の固定ベーン２３０を有するステータは、２つの固定ベーン対のグループの繰返しパターンを有している。固定ベーン２３０は、隣接するベーン間に等しい半径方向間隔で位置決めされるのが望ましい。加えて、すべての固定ベーン２３０が回転ブレード２１０（図５Ｃでは不図示）から等距離にあるように、すべての固定ベーン２３０は、固定ケーシング２４０内で同じ長手方向位置に配置される。図５Ｃに示す固定ベーン配置のすべての固定ベーン２３０は、テーパ状端部３４０で終わる後縁３１０及び前縁３２０を有している。テーパ状端部３４０は、ひとつの長手方向面３００ａ、３００ｂの一部を、対向する長手方向面３００ａ、３００ｂに対して角度をなして切断することによって形成される。この実施の形態において、テーパ状端部３４０は、それらが互いに対向する角度で傾斜するように配置される。言い換えれば、固定ベーン２３０は、テーパ状端部３４０が隣接する固定ベーン２３０間で交互に切断されているように配置される。同様の方法で、各ディフューザベーン（不図示）の前縁は、同様の方法で形成されるのが望ましい。例えば、各ディフューザベーンの前縁は、ディフューザベーンが互いに対向するテーパ状の前縁を有する交互パターンを有していてもよい。

上記の固定ベーン配置は、フローストリーム内の連続する後流を非均一化することによって回転ブレード２１０及びディスク２１５の励振を低減し、固定ベーン２３０から離脱する渦及び音響脈動の影響を低減するために成されている。固定ベーン２３０の後縁３１０下流の基本後流通過周波数における励振の生成は最小化され、それによって、ターボ機械が種々の作動速度にわたって運転される際に、回転ブレードのひとつ以上の共振振動モードの振動応答を低減する。加えて、音響励振に対する応答は、上記の固定ベーン配置によって緩和される。

固定ベーン２３０から出て来る後流によって生成される力が、所定の作動速度においてロータ全体に対して互いに打ち消し合うかどうかを決定するために、ロータ上の回転ブレード２１０の数が、回転ブレード２１０と相互作用する固定ベーン２３０の数に関して考慮される。例えば、ディスク２１５又は連結されたブレードの、１５枚のブレードのインペラにおける５つの直径モード等の構造モードに対して、固定ベーン２３０から離脱する励振力は、１０ベーン又は２０ベーンのステータを除いて、すべての固定ベーン配置に対して打ち消される。固有振動数が、１０ブレードステータで作動速度の１０倍に等しければ、又は、１０又は２０ブレードのいずれかのステータで、固有周波数が動作速度の２０倍に等しければ、力は打ち消されない。位相相殺が達成できない実施の形態を示す助変数方程式は、以下のように表される：

ここで、
Ｂ＝回転ブレードの数
Ｓ＝固定エレメントの数
ｆｒ＝速度における固有振動数、Ｈｚ
ｈ＝速度の高調波
ｎ＝直径節線の数
ｙ及びｚ＝０より大きい整数
ω＝回転速度、Ｈｚ

固定ベーン配置下流の非均一流は、回転ブレード通過周波数における音圧脈動の回転モードに関する複数の要因によって生じる可能性がある。固定ベーン２３０の上流及び下流両方の回転ブレード２１０の相互作用は、回転ブレード通過周波数における音響脈動に影響を及ぼす。一般に、反射する音波は、回転ブレード２１０及び固定ベーン２３０の数の間の相違の絶対値に等しい、直径の数を持つ直径方向パターンを有するディスク２１５内部に生成される。例えば、１５枚の回転ブレード２１０及び１０枚の上流固定ベーン２３０を有するターボ機械２００において、５直径回転音響モード（｜１５−１０｜＝５）が存在する。同様に、５直径回転音響モードはまた、１５枚の回転ブレード２１０及び２０枚の上流固定ベーン２３０を有するターボ機械２００にも存在する（｜１５−２０｜＝５）。２０倍の回転速度が、５直径ディスク又はブレード結合モード周波数と等しければ、励起周波数は、共振の原因となる。両方の場合において、回転ブレード２１０に対する回転モードが、回転速度の１５倍に等しい周波数において生じる。この音響相互作用励起は通常、ガスの同じ直径方向パターン音響モードが、回転エレメント内の回転モードの共振速度で回転ブレード通過周波数と同時に生じる場合にのみ懸念される。ガスモードの別の音響励振は、固定ベーン２３０の後縁からの渦離脱周波数によって生じる可能性がある。ひいては、同じモード形、即ち、直径の数を有する音響モード周波数は、ディスク又はブレード結合モード周波数±直径の数×軸速度と等しければ、共振速度であるかもしれない。軸流ターボ機械は通常、上記の式で用いられる比較的高い数字、及び、回転ブレード及び固定ベーンの数の間の高い相違のため、ディスクモードに対するブレード／ベーン相互作用共振のリスクが低い。したがって、動作速度未満のディスク危険速度又は相互作用共振を有するいずれの設計も、低速で横断する間の限られた数の共振周期を有している。それにもかかわらず、これら３つの潜在的励振源は、本明細書中で説明した実施の形態に従う、回転ブレード２１０の数及び固定ベーン２３０の設計の適切な選択によって緩和できる。

上記の固定ベーン配置を、コンプレッサ等のターボ機械を参照して説明してきたが、設計は、半径流タービン、ファン、軸流／遠心コンプレッサ、ガスタービン、ジェットエンジン、ターボポンプ、エキスパンダ、モータ内の冷却流エレメント、及びジェネレータを含むが、これらに限定されない、ブレード付きディスク構成を利用する何れか他のターボ機械に対しても等しく適用可能である。当業者は、本発明の適用範囲及び精神から逸脱することなく、これらの実施の形態に対する改良又は代替を作成できる。例えば、本開示は、可能な限りの程度まで、何れかの実施の形態のひとつ以上の特徴も何れか他の実施の形態のひとつ以上の特徴と組み合わせることができることを意図していることは理解すべきである。したがって、前記の説明は、制限するものではなく、実例となることを目的としている。前記で説明した発明は、添付の特許請求の範囲によって定義され、特許請求項の均等物の意味及び範囲内に含まれる本発明に対するすべての変更は、それらの適用範囲に包含される。

２００ ターボ機械
２１０ 回転ブレード
２１５ ディスク
２２０ 軸
２３０ 固定ベーン
２４０ 固定管状ケーシング
２５０ 入口端部
２６０ 出口端部
２７０ ディフューザベーン
２８０ ディフューザ
３００ａ、３００ｂ 対向する長手方向面
３１０ 後縁
３２０ 前縁
３４０ テーパ状端部

Claims (20)

1. 作動流体をターボ機械の入口端部から出口端部へ案内する固定ベーン配置であって：
   固定ケーシングから、前記ケーシングの円周の周囲で周方向に離間されて半径方向内側に延在する複数の固定ベーンの少なくともひとつの列を備え、各固定ベーンが、後縁の反対側の前縁と、前記前縁と前記後縁との間に延在して対向する長手方向面とを有し；
   前記固定ベーンの第１の部分の前記後縁は第１の端部プロフィルを有し、前記固定ベーンの第２の部分の前記後縁は、前記第１の端部プロフィルとは異なる第２の端部プロフィルを有し；
   前記固定ベーンは、前記第１の端部プロフィルを有する各固定ベーンが、前記後縁の下流の基本後流通過周波数を最小化するよう、前記第２の端部プロフィルを有する固定ベーン間に位置するように、配置される、
   固定ベーン配置。
2. 前記第１の端部プロフィルは実質的に丸められた縁部を備え、前記第２の端部プロフィルは、前記固定ベーンの前記対向する長手方向面に対して角度をなすテーパ状端部を備える、
   請求項１に記載の固定ベーン配置。
3. 前記第１の端部プロフィルは、前記固定ベーンの前記対向する長手方向面に対して第１の方向に角度をなすテーパ状端部を備え、前記第２の端部プロフィルは、前記対向する長手方向面に対して第２の方向に角度をなすテーパ状端部を備える、
   請求項１に記載の固定ベーン配置。
4. 前記複数の固定ベーンは、ターボ機械の入口端部に設けられ、作動流体を前記複数の固定ベーンから下流の回転ブレードの列に向けるように構成される、
   請求項１に記載の固定ベーン配置。
5. 前記複数の固定ベーンは、前記ケーシングを通って延在する長手方向軸線を中心として、互いから等距離に前記ケーシングの円周の周囲で周方向に離間する、
   請求項１に記載の固定ベーン配置。
6. 前記複数の固定ベーンの前記第１の部分は、前記複数の固定ベーンの前記第２の部分に対して、前記ケーシングを通って延在する長手方向軸線方向にオフセットされる、
   請求項１に記載の固定ベーン配置。
7. 前記複数の固定ベーンは直線状のプロフィルを有する、
   請求項１に記載の固定ベーン配置。
8. 前記複数の固定ベーンは流線形プロフィルを有する、
   請求項１に記載の固定ベーン配置。
9. 前記複数の固定ベーンから下流に設けられる複数の回転ブレードを有するロータを更に備え、前記複数の固定ベーンが、作動流体を前記複数の回転ブレードに向けるように構成される、
   請求項１に記載の固定ベーン配置。
10. 前記複数の回転ブレードの下流に設けられ、前記ケーシングの円周の周囲で周方向に離間して前記ケーシングから半径方向内側に延在する複数のディフューザベーンを任意に有するディフューザを更に備え；
    各ディフューザベーンが、後縁の反対側の前縁と、前記前縁と前記後縁との間に延在して対向する長手方向面とを有し、前記ディフューザベーンの第１の部分の前記前縁は第１の端部プロフィルを有し、前記ディフューザベーンの第２の部分の前記前縁は、前記第１の端部プロフィルとは異なる第２の端部プロフィルを有し、前記ディフューザベーンは、第１の端部プロフィルを有するディフューザベーンが、第２の端部プロフィルを有するディフューザベーンに隣接して設けられるように配置される、
    請求項９に記載の固定ベーン配置。
11. 前記複数の固定ベーンは、前記ケーシングを通って延在する長手方向軸線を中心として、互いから不等距離に前記ケーシングの円周の周囲で周方向に離間している、
    請求項４に記載の固定ベーン配置。
12. 前記複数のディフューザベーンは、前記ケーシングを通って延在する長手方向軸線を中心として、互いから不等距離に前記ケーシングの円周の周囲で周方向に離間している、
    請求項１０に記載の固定ベーン配置。
13. ターボ機械であって、
    ケーシングの長手方向軸線に沿って出口端部と反対側の入口端部とを有するケーシングと；
    前記ケーシング内に設けられ、前記入口及び出口端部の間に延在する軸アセンブリと、
    前記軸アセンブリから半径方向外側に延在する複数の回転ブレードを有するロータと、
    前記ロータの上流に設けられる固定ベーン配置とを備え；
    前記固定ベーン配置は：
    前記ケーシングから、前記ケーシングの円周の周囲で周方向に離間されて半径方向内側に延在する複数の固定ベーンの少なくともひとつの列を備え、各固定ベーンが、後縁の反対側の前縁と、前記前縁と前記後縁との間に延在する対向する長手方向面とを有し；
    前記固定ベーンの第１の部分の前記後縁は第１の端部プロフィルを有し、前記固定ベーンの第２の部分の前記後縁は、前記第１の端部プロフィルとは異なる第２の端部プロフィルを有し；
    前記固定ベーンは、前記第１の端部プロフィルを有する固定ベーンが、前記第２の端部プロフィルを有する固定ベーンに隣接して設けられるように配置される、
    ターボ機械。
14. 前記複数の固定ベーンは、前記ターボ機械の入口端部に設けられ、作動流体を前記複数の固定ベーンから下流の回転ブレードの列に向けるように構成される、
    請求項１３に記載のターボ機械。
15. 前記複数の固定ベーンは、前記ケーシングを通って延在する長手方向軸線に関して同じ角度位置に配向される、
    請求項１３に記載のターボ機械。
16. 前記複数の固定ベーンは直線状のプロフィルを有する、
    請求項１３に記載のターボ機械。
17. 前記複数の固定ベーンは流線形プロフィルを有する、
    請求項１３に記載のターボ機械。
18. 前記複数の回転ブレードの下流に設けられ、前記ケーシングの円周の周囲で周方向に離間する前記ケーシングから半径方向内側に延在する複数のディフューザベーンを任意に有するディフューザを更に備え、各ディフューザベーンが、後縁の反対側の前縁と、前記前縁と前記後縁との間に延在する対向する長手方向面とを有し、
    前記ディフューザベーンの第１の部分の前記前縁は第１の端部プロフィルを有し、前記ディフューザベーンの第２の部分の前記前縁は、前記第１の端部プロフィルとは異なる第２の端部プロフィルを有し、
    前記ディフューザベーンは、第１の端部プロフィルを有するディフューザベーンが、第２の端部プロフィルを有するディフューザベーンに隣接して設けられるように配置される、
    請求項１３に記載のターボ機械。
19. 前記複数のディフューザベーンは、前記ケーシングを通って延在する長手方向軸線を中心として、互いから等距離に前記ケーシングの円周の周囲で周方向に離間する、
    請求項１７に記載のターボ機械。
20. ターボ機械であって、
    ケーシングの長手方向軸線に沿って出口端部と反対側の入口端部とを有するケーシングと；
    前記ケーシング内に設けられ、前記入口及び出口端部の間に延在する軸アセンブリと、
    前記軸アセンブリから半径方向外側に延在する複数の回転ブレードを有する少なくともひとつのロータと；
    前記少なくともひとつのロータに対応する少なくともひとつの固定ベーン配置とを備え；
    前記少なくともひとつの固定ベーン配置は：
    前記少なくともひとつのロータの上流に設けられ、前記ケーシングの円周の周囲で周方向に離間されて、前記ケーシングから半径方向内側に延在する複数の固定ベーンの少なくともひとつの列であって、各固定ベーンが、後縁の反対側の前縁と、前記前縁と前記後縁との間に延在して対向する長手方向面とを有する、複数の固定ベーンの少なくともひとつの列とを有し；
    前記固定ベーンの第１の部分の前記後縁は第１の端部プロフィルを有し、前記固定ベーンの第２の部分の前記後縁は、前記第１の端部プロフィルとは異なる第２の端部プロフィルを有し；
    前記固定ベーンは、前記第１の端部プロフィルを有する固定ベーンが、前記第２の端部プロフィルを有する固定ベーンに隣接して設けられるように編成され；
    さらに、前記ロータの下流に設けられ、前記ケーシングの円周の周囲で周方向に離間されて、前記ケーシングから半径方向内側に延在する複数のディフューザベーンの列を任意に有する、少なくともひとつのディフューザであって、各ディフューザベーンが、後縁の反対側の前縁と、前記前縁と前記後縁との間に延在する対向する長手方向面とを有する、
    少なくともひとつのディフューザとを更に備え；
    前記ディフューザベーンの第１の部分の前記前縁は第１の端部プロフィルを有し、前記ディフューザベーンの第２の部分の前記前縁は、前記第１の端部プロフィルとは異なる第２の端部プロフィルを有し、
    前記ディフューザベーンは、前記第１の端部プロフィルを有するディフューザベーンが、前記第２の端部プロフィルを有するディフューザベーンに隣接して設けられるように配置される、
    ターボ機械。

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