▶ ゼネラル エレクトリック テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024160210
(43)【公開日】2024-11-13
(54)【発明の名称】軸流圧縮機用の抽気インペラ
(51)【国際特許分類】
F04D 29/38 20060101AFI20241106BHJP
F04D 19/02 20060101ALI20241106BHJP
F04D 29/34 20060101ALI20241106BHJP
【ＦＩ】
F04D29/38 D
F04D19/02
F04D29/34 F
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2024068701
(22)【出願日】2024-04-19
(31)【優先権主張番号】18/307,038
(32)【優先日】2023-04-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】515322297
【氏名又は名称】ゼネラル エレクトリック テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング
【氏名又は名称原語表記】Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｂｒｏｗｎ Ｂｏｖｅｒｉ Ｓｔｒａｓｓｅ ８， ５４００ Ｂａｄｅｎ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ
(74)【代理人】
【識別番号】100105588
【弁理士】
【氏名又は名称】小倉 博
(74)【代理人】
【識別番号】110002848
【氏名又は名称】弁理士法人ＮＩＰ＆ＳＢＰＪ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】スブラマニアン、ムーアティ
(72)【発明者】
【氏名】キシャン ティー アール、ナヴァニート
(57)【要約】 （修正有）
【課題】流れの非定常性を低減する軸流圧縮機用インペラを提供する。
【解決手段】複数の第１のベーン２１０は、前記本体２０２の外側流入口縁部２２０から、前記表面２０４において前記回転軸Ａが存在する中央部分に配置された流出口ハブ２２２まで半径方向に延在する。前記複数の第１のベーン２１０の各第１のベーンの半径方向内側端部は、前記回転軸Ａに対して垂直な方向で流出口ハブ２２２に接続する。第２のベーン２３０は、隣接する第１のベーン２１０の間に配置され、複数の第３のベーン２４０は、第２のベーン２３０の間、及び第１のベーン２１０と第２のベーン２４０との間に配置されている。前記複数の第２のベーン２３０は、第３のベーン２４０よりも半径方向に長い。インペラ２００は、軸流圧縮機から空気を抽出し、渦笛が低減された軸流を形成する。
【選択図】図３
【解決手段】複数の第１のベーン２１０は、前記本体２０２の外側流入口縁部２２０から、前記表面２０４において前記回転軸Ａが存在する中央部分に配置された流出口ハブ２２２まで半径方向に延在する。前記複数の第１のベーン２１０の各第１のベーンの半径方向内側端部は、前記回転軸Ａに対して垂直な方向で流出口ハブ２２２に接続する。第２のベーン２３０は、隣接する第１のベーン２１０の間に配置され、複数の第３のベーン２４０は、第２のベーン２３０の間、及び第１のベーン２１０と第２のベーン２４０との間に配置されている。前記複数の第２のベーン２３０は、第３のベーン２４０よりも半径方向に長い。インペラ２００は、軸流圧縮機から空気を抽出し、渦笛が低減された軸流を形成する。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
軸流圧縮機（１０２）用の抽気インペラ（２００）であって、前記抽気インペラ（２００）は、
回転軸（Ａ）と前記回転軸（Ａ）に垂直な表面（２０４）とを有する本体（２０２）、
前記表面（２０４）に配置された細長いＳ字形状を有する複数の第１のベーン（２１０）であって、前記複数の第１のベーン（２１０）は、前記本体（２０２）の外側流入口縁部（２２０）から、前記表面（２０４）において前記回転軸（Ａ）が存在する中央部分に配置された流出口ハブ（２２２）まで半径方向に延在しており、前記複数の第１のベーン（２１０）の各第１のベーンの半径方向内側端部（２２４）は、前記回転軸（Ａ）に対して垂直な方向で流出口ハブ（２２２）に接続する、複数の第１のベーン（２１０）、
前記表面（２０４）に配置された複数の第２のベーン（２３０）であって、前記複数の第２のベーン（２３０）のうちの少なくとも１つの第２のベーンは、隣接する第１のベーン（２１０）の間に配置された、複数の第２のベーン（２３０）、及び
前記表面（２０４）に配置された複数の第３のベーン（２４０）であって、隣接する第２のベーン（２３０）の間、及び隣接する第１のベーン（２１０）と第２のベーン（２４０）との間に配置された複数の第３のベーン（２４０）
を含み、
前記複数の第２のベーン（２３０）のうちの少なくとも１つの第２のベーンは、前記複数の第３のベーン（２４０）よりも半径方向に長い、抽気インペラ。
回転軸（Ａ）と前記回転軸（Ａ）に垂直な表面（２０４）とを有する本体（２０２）、
前記表面（２０４）に配置された細長いＳ字形状を有する複数の第１のベーン（２１０）であって、前記複数の第１のベーン（２１０）は、前記本体（２０２）の外側流入口縁部（２２０）から、前記表面（２０４）において前記回転軸（Ａ）が存在する中央部分に配置された流出口ハブ（２２２）まで半径方向に延在しており、前記複数の第１のベーン（２１０）の各第１のベーンの半径方向内側端部（２２４）は、前記回転軸（Ａ）に対して垂直な方向で流出口ハブ（２２２）に接続する、複数の第１のベーン（２１０）、
前記表面（２０４）に配置された複数の第２のベーン（２３０）であって、前記複数の第２のベーン（２３０）のうちの少なくとも１つの第２のベーンは、隣接する第１のベーン（２１０）の間に配置された、複数の第２のベーン（２３０）、及び
前記表面（２０４）に配置された複数の第３のベーン（２４０）であって、隣接する第２のベーン（２３０）の間、及び隣接する第１のベーン（２１０）と第２のベーン（２４０）との間に配置された複数の第３のベーン（２４０）
を含み、
前記複数の第２のベーン（２３０）のうちの少なくとも１つの第２のベーンは、前記複数の第３のベーン（２４０）よりも半径方向に長い、抽気インペラ。
【請求項2】
前記複数の第２のベーン（２３０）のうちの少なくとも１つの第２のベーンは、前記表面（２０４）において、隣接する第１のベーン（２１０）の間に配置された第４のベーン（２３０Ａ）及び第５のベーン（２３０Ｂ）を含む、請求項１に記載の抽気インペラ（２００）。
【請求項3】
前記第４のベーン（２３０Ａ）は、前記回転軸（Ａ）から第１の半径方向距離（Ｒ１）だけ離れた半径方向内側端部（２３４）を有し、前記第５のベーン（２３０Ｂ）は、前記回転軸（Ａ）から第２の半径方向距離（Ｒ２）だけ離れた半径方向内側端部（２３６）を有し、各第３のベーン（２４０）は、回転軸（Ａ）から第３の半径方向距離（Ｒ３）だけ離れた半径方向内側端部（２４２）を有し、前記第１の半径方向距離（Ｒ１）、前記第２の半径方向距離（Ｒ２）、及び前記第３の半径方向距離（Ｒ３）は異なっており、前記第１の半径方向距離（Ｒ１）及び前記第２の半径方向距離（Ｒ２）は、前記第３の半径方向距離（Ｒ３）よりも小さい、請求項２に記載の抽気インペラ（２００）。
【請求項4】
前記複数の第１のベーン（２１０）、前記複数の第２のベーン（２３０）、及び前記複数の第３のベーン（２４０）の軸方向遠位端（２６０）が同一平面上にある、請求項１に記載の抽気インペラ（２００）。
【請求項5】
前記本体（２０２）の表面（２０４）は、平坦な部分（２０８）と、回転軸（Ａ）を囲むドーム状部分（２１２）であって、前記平坦な部分（２０８）よりも軸方向に徐々に遠くに離れるように広がるドーム状部分（２１２）とを含み、前記複数の第１のベーン（２１０）及び前記複数の第２のベーン（２３０）の半径方向内側端部（２２４）は、それぞれ、前記複数の第１のベーン（２１０）及び前記複数の第２のベーン（２３０）の半径方向外側端部よりも軸方向の長さが短い、請求項４に記載の抽気インペラ（２００）。
【請求項6】
前記複数の第３のベーン（２４０）の半径方向内側端部（２２４）は、本体（２０２）の表面（２０４）の平坦な部分（２０８）とドーム状部分（２１２）との間の移行線（２４４）に位置する、請求項５に記載の抽気インペラ（２００）。
【請求項7】
前記複数の第１のベーン（２１０）、前記複数の第２のベーン（２３０）、及び前記複数の第３のベーン（２４０）の半径方向外側端部は、前記本体（２０２）の外側流入口縁部（２２０）で終端する、請求項１に記載の抽気インペラ（２００）。
【請求項8】
前記本体（２０２）は円形であり、前記複数の第１のベーン（２１０）、前記複数の第２のベーン（２３０）、及び前記複数の第３のベーン（２４０）の半径方向外側端部は、前記本体（２０２）の外側流入口縁部（２２０）において周方向に等距離に配置されている、請求項１に記載の抽気インペラ（２００）。
【請求項9】
前記表面（２０４）において前記回転軸（Ａ）が存在する中央部分に配置された前記流出口ハブ（２２２）は複数の先細りの部分を含む星形の形状を有し、星形の各先細りの部分は、前記複数の第１のベーン（２１０）のそれぞれの第１のベーンの半径方向内側端部（２２４）に結合されている、請求項１に記載の抽気インペラ（２００）。
【請求項10】
前記複数の第２のベーン（２３０）及び前記複数の第３のベーン（２４０）の半径方向内側端部（２２４）は、前記回転軸（Ａ）の接線方向に空気流を向ける、請求項１に記載の抽気インペラ（２００）。
【請求項11】
前記複数の第２のベーン（２３０）は、前記本体（２０２）の半径に対して２８°～３２°の範囲の転向角を有し、前記複数の第３のベーン（２４０）は、前記本体（２０２）の半径に対して１０°～１４°の範囲の流出角を有する、請求項１０に記載の抽気インペラ（２００）。
【請求項12】
前記本体（２０２）は、軸流圧縮機（１０２）の圧縮機ホイール（１３０）に結合するように構成されたマウント（２７０）を含み、前記本体（２０２）の半径方向外側領域は、前記軸流圧縮機（１０２）の圧縮空気通路（１２０）と流体連通しており、前記本体（２０２）の中央領域は、前記軸流圧縮機（１０２）の軸方向通路（１７２）と流体連通している、請求項１に記載の抽気インペラ（２００）。
【請求項13】
前記複数の第１のベーン（２１０）は５個の第１のベーンを含み、前記複数の第２のベーン（２３０）は１０個の第２のベーンを含み、前記複数の第３のベーン（２４０）は１５個の第３のベーンを含む、請求項１に記載の抽気インペラ（２００）。
【請求項14】
軸流圧縮機（１０２）用の圧縮機ホイール（１３０）であって、前記圧縮機ホイール（１３０）は、
ロータ（１１２）に結合するホイール本体（１６０）と、
主ホイール本体（１６０）に結合され、空気流（１６２）を圧縮空気通路（１２０）で圧縮するための複数の回転ブレード（１４４）と、
前記ホイール本体（１６０）に結合され、前記圧縮空気通路（１２０）と流体連通する抽気インペラ（２００）であって、前記抽気インペラ（２００）は、
回転軸（Ａ）と前記回転軸（Ａ）に垂直な表面（２０４）とを有するインペラ本体（２０２）、
前記表面（２０４）に配置された細長いＳ字形状を有する複数の第１のベーン（２１０）であって、前記複数の第１のベーン（２１０）は、前記インペラ本体（２０２）の外側流入口縁部（２２０）から、前記表面（２０４）において前記回転軸（Ａ）が存在する中央部分に配置された流出口ハブ（２２２）まで半径方向に延在しており、前記複数の第１のベーン（２１０）の各ベーンの半径方向内側端部（２２４）は、前記回転軸（Ａ）に対して垂直な方向で前記流出口ハブ（２２２）に接続する、複数の第１のベーン（２１０）、
前記表面（２０４）に配置された複数の第２のベーン（２３０）であって、前記複数の第２のベーン（２３０）のうちの少なくとも１つの第２のベーンは、隣接する第１のベーン（２１０）の間に配置された、複数の第２のベーン（２３０）、及び
前記表面（２０４）に配置された複数の第３のベーン（２４０）であって、隣接する第２のベーン（２３０）の間、及び隣接する第１のベーン（２１０）と第２のベーン（２４０）との間に配置された複数の第３のベーン（２４０）
を含む、抽気インペラ（２００）と
を含み、
前記複数の第２のベーン（２３０）のうちの少なくとも１つの第２のベーンは、前記複数の第３のベーン（２４０）よりも半径方向に長い、圧縮機ホイール。
ロータ（１１２）に結合するホイール本体（１６０）と、
主ホイール本体（１６０）に結合され、空気流（１６２）を圧縮空気通路（１２０）で圧縮するための複数の回転ブレード（１４４）と、
前記ホイール本体（１６０）に結合され、前記圧縮空気通路（１２０）と流体連通する抽気インペラ（２００）であって、前記抽気インペラ（２００）は、
回転軸（Ａ）と前記回転軸（Ａ）に垂直な表面（２０４）とを有するインペラ本体（２０２）、
前記表面（２０４）に配置された細長いＳ字形状を有する複数の第１のベーン（２１０）であって、前記複数の第１のベーン（２１０）は、前記インペラ本体（２０２）の外側流入口縁部（２２０）から、前記表面（２０４）において前記回転軸（Ａ）が存在する中央部分に配置された流出口ハブ（２２２）まで半径方向に延在しており、前記複数の第１のベーン（２１０）の各ベーンの半径方向内側端部（２２４）は、前記回転軸（Ａ）に対して垂直な方向で前記流出口ハブ（２２２）に接続する、複数の第１のベーン（２１０）、
前記表面（２０４）に配置された複数の第２のベーン（２３０）であって、前記複数の第２のベーン（２３０）のうちの少なくとも１つの第２のベーンは、隣接する第１のベーン（２１０）の間に配置された、複数の第２のベーン（２３０）、及び
前記表面（２０４）に配置された複数の第３のベーン（２４０）であって、隣接する第２のベーン（２３０）の間、及び隣接する第１のベーン（２１０）と第２のベーン（２４０）との間に配置された複数の第３のベーン（２４０）
を含む、抽気インペラ（２００）と
を含み、
前記複数の第２のベーン（２３０）のうちの少なくとも１つの第２のベーンは、前記複数の第３のベーン（２４０）よりも半径方向に長い、圧縮機ホイール。
【請求項15】
前記複数の第２のベーン（２３０）のうちの少なくとも１つの第２のベーンは、隣接する第１のベーン（２１０）の間の表面（２０４）に配置された第４ベーン（２３０Ａ）及び第５ベーン（２３０Ｂ）を含む、請求項１４に記載の圧縮機ホイール（１３０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般に、ターボ機械に関する。より具体的には、本開示は、軸流圧縮機用の抽気インペラに関する。
【背景技術】
【0002】
軸流圧縮機は、流体（空気など）を圧縮して様々な用途に使用される。ガスタービンシステムは、軸流圧縮機の用途の１つである。ガスタービンシステムには、軸流圧縮機、燃焼器、及びタービンが含まれる。運転中、空気は軸流圧縮機を通って流れ、軸流圧縮機によって圧縮されて燃焼器に供給される。具体的には、圧縮された空気は、燃焼器と一体の燃料ノズルアセンブリに供給される。燃料ノズルアセンブリは、燃料源と流体連通しており、燃料及び空気を燃焼器の燃焼領域に流す。燃焼器は燃料を点火して燃焼させる。燃焼器はタービンと連通しており、タービン内で、ガス流の熱エネルギーがタービンの回転翼によって機械的な回転エネルギーに変換される。タービンの回転ブレードは、ロータに回転可能に結合されてロータを駆動する。軸流圧縮機もロータに回転可能に連結される。
【0003】
抽気インペラを軸流圧縮機の圧縮機ホイールに結合して、圧縮された空気流から他の目的で抽気することができる。例えば、圧縮された空気流から空気を抽出して半径方向の内側に送り、次に軸方向通路を通ってガスタービンシステムのタービンの一部を冷却することができる。この例では、空気が半径方向内向きに半径の小さい軸方向通路へと流れるにつれて、空気の周方向速度又は接線方向速度が増加する。空気流の旋回性が高いので、インペラの出口において空気流に振動が発生する。この振動は、ボルテックスホイッスルと呼ばれる。空気が軸方向通路の半径の大きい部分、すなわち燃焼器に隣接する軸方向圧縮機の下流又はタービンに流れるにつれて、ボルテックスホイッスルは増加する。ボルテックスホイッスルは、軸方向通路を取り囲む構造の音響モードと相互作用して増幅する。
【発明の概要】
【0004】
以下に述べる全ての態様、例、特徴は、技術的に可能なあらゆる方法で組み合わせることができる。
【0005】
本開示の一態様は、軸流圧縮機用の抽気インペラを提供し、前記抽気インペラは、回転軸と前記回転軸に垂直な表面とを有する本体、前記表面に配置された細長いＳ字形状を有する複数の第１のベーンであって、前記複数の第１のベーンは、前記本体の外側流入口縁部から、前記表面において前記回転軸が存在する中央部分に配置された流出口ハブまで半径方向に延在しており、前記複数の第１のベーンの各第１のベーンの半径方向内側端部は、前記回転軸に対して垂直な方向で流出口ハブに接続する、複数の第１のベーン、前記表面に配置された複数の第２のベーンであって、前記複数の第２のベーンのうちの少なくとも１つの第２のベーンは、隣接する第１のベーンの間に配置された、複数の第２のベーン、及び前記表面に配置された複数の第３のベーンであって、隣接する第２のベーンの間、及び隣接する第１のベーンと第２のベーンとの間に配置された複数の第３のベーンを含み、前記複数の第２のベーンのうちの少なくとも１つの第２のベーンは、前記複数の第３のベーンよりも半径方向に長い。
【0006】
本開示の別の態様は、上記の態様を含み、前記複数の第２のベーンのうちの少なくとも１つの第２のベーンは、前記表面において、隣接する第１のベーンの間に配置された第４のベーン及び第５のベーンを含む。
【0007】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記第４のベーンは、前記回転軸から第１の半径方向距離だけ離れた半径方向内側端部を有し、前記第５のベーンは、前記回転軸から第２の半径方向距離だけ離れた半径方向内側端部を有し、各第３のベーンは、回転軸から第３の半径方向距離だけ離れた半径方向内側端部を有し、前記第１の半径方向距離、前記第２の半径方向距離、及び前記第３の半径方向距離は異なっており、前記第１の半径方向距離及び前記第２の半径方向距離は、前記第３の半径方向距離よりも小さい。
【0008】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記複数の第１のベーン、前記複数の第２のベーン、及び前記複数の第３のベーンの軸方向遠位端が同一平面上にある。
【0009】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記本体の表面は、平坦な部分と、回転軸を囲むドーム状部分であって、前記平坦な部分よりも軸方向に徐々に遠くに離れるように広がるドーム状部分とを含み、前記複数の第１のベーン及び前記複数の第２のベーンの半径方向内側端部は、それぞれ、前記複数の第１のベーン及び前記複数の第２のベーンの半径方向外側端部よりも軸方向の長さが短い。
【0010】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記複数の第３のベーンの半径方向内側端部は、本体の表面の平坦な部分とドーム状部分との間の移行線に位置する。
【0011】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記複数の第１のベーン、前記複数の第２のベーン、及び前記複数の第３のベーンの半径方向外側端部は、前記本体の外側流入口縁部で終端する。
【0012】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記本体は円形であり、前記複数の第１のベーン、前記複数の第２のベーン、及び前記複数の第３のベーンの半径方向外側端部は、前記本体の外側流入口縁部において周方向に等距離に配置されている。
【0013】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記表面において前記回転軸が存在する中央部分に配置された前記流出口ハブは複数の先細りの部分を含む星形の形状を有し、星形の各先細りの部分は、前記複数の第１のベーンのそれぞれの第１のベーンの半径方向内側端部に結合されている。
【0014】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記複数の第２のベーン及び前記複数の第３のベーンの半径方向内側端部は、前記回転軸の接線方向に空気流を向ける。
【0015】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記複数の第２のベーンは、前記本体の半径に対して２８°～３２°の範囲の転向角を有し、前記複数の第３のベーンは、前記本体の半径に対して１０°～１４°の範囲の流出角を有する。
【0016】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記本体は、軸流圧縮機の圧縮機ホイールに結合するように構成されたマウントを含み、前記本体の半径方向外側領域は、前記軸流圧縮機の圧縮空気通路と流体連通しており、前記本体の中央領域は、前記軸流圧縮機の軸方向通路と流体連通している。
【0017】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記複数の第１のベーンは５個の第１のベーンを含み、前記複数の第２のベーンは１０個の第２のベーンを含み、前記複数の第３のベーンは１５個の第３のベーンを含む。
【0018】
本開示の別の態様は、軸流圧縮機用の圧縮機ホイールを含み、前記圧縮機ホイールは、ロータに結合するホイール本体と、前記主ホイール本体に結合され、空気流を圧縮空気通路で圧縮するための複数の回転ブレードと、前記ホイール本体に結合され、前記圧縮空気通路と流体連通する抽気インペラであって、前記抽気インペラは、回転軸と前記回転軸に垂直な表面とを有するインペラ本体、前記表面に配置された細長いＳ字形状を有する複数の第１のベーンであって、前記複数の第１のベーンは、前記インペラ本体の外側流入口縁部から、前記表面において前記回転軸が存在する中央部分に配置された流出口ハブまで半径方向に延在しており、前記複数の第１のベーンの各ベーンの半径方向内側端部は、前記回転軸に対して垂直な方向で前記流出口ハブに接続する、複数の第１のベーン、前記表面に配置された複数の第２のベーンであって、前記複数の第２のベーンのうちの少なくとも１つの第２のベーンは、隣接する第１のベーンの間に配置された、複数の第２のベーン、及び前記表面に配置された複数の第３のベーンであって、隣接する第２のベーンの間、及び隣接する第１のベーンと第２のベーンとの間に配置された複数の第３のベーンを含む、抽気インペラとを含み、前記複数の第２のベーンのうちの少なくとも１つの第２のベーンは、前記複数の第３のベーンよりも半径方向に長い。
【0019】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記複数の第２のベーンのうちの少なくとも１つの第２のベーンは、隣接する第１のベーンの間の表面に配置された第４ベーン及び第５ベーンを含む。
【0020】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記第４のベーンは、前記回転軸から第１の半径方向距離だけ離れた半径方向内側端部を有し、前記第５のベーンは、前記回転軸から第２の半径方向距離だけ離れた半径方向内側端部を有し、各第３のベーンは、回転軸から第３の半径方向距離だけ離れた半径方向内側端部を有し、前記第１の半径方向距離、前記第２の半径方向距離、及び前記第３の半径方向距離は異なっており、前記第１の半径方向距離及び前記第２の半径方向距離は、前記第３の半径方向距離よりも小さい。
【0021】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記複数の第１のベーン、前記複数の第２のベーン、及び前記複数の第３のベーンの軸方向遠位端が同一平面上にある。
【0022】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記本体の表面は、平坦な部分と、回転軸を囲むドーム状部分であって、前記平坦な部分よりも軸方向に徐々に遠くに離れるように広がるドーム状部分とを含み、前記複数の第１のベーン及び前記複数の第２のベーンの半径方向内側端部は、それぞれ、前記複数の第１のベーン及び前記複数の第２のベーンの半径方向外側端部よりも軸方向の長さが短い。
【0023】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記複数の第３のベーンの半径方向内側端部は、本体の表面の平坦な部分とドーム状部分との間の移行線に位置する。
【0024】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記複数の第１のベーン、前記複数の第２のベーン、及び前記複数の第３のベーンの半径方向外側端部は、前記本体の外側流入口縁部で終端する。
【0025】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記本体は円形であり、前記複数の第１のベーン、前記複数の第２のベーン、及び前記複数の第３のベーンの半径方向外側端部は、前記本体の外側流入口縁部において周方向に等距離に配置されている。
【0026】
本開示の別の態様は、先行する態様のいずれかを含み、前記表面において前記回転軸が存在する中央部分に配置された前記流出口ハブは複数の先細りの部分を含む星形の形状を有し、星形の各先細りの部分は、前記複数の第１のベーンのそれぞれの第１のベーンの半径方向内側端部に結合されている。
【0027】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記複数の第２のベーン及び前記複数の第３のベーンの半径方向内側端部は、前記回転軸の接線方向に空気流を向ける。
【0028】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記複数の第２のベーンは、前記本体の半径に対して２８°～３２°の範囲の転向角を有し、前記複数の第３のベーンは、前記本体の半径に対して１０°～１４°の範囲の流出角を有する。
【0029】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記本体は、軸流圧縮機の圧縮機ホイールに結合するように構成されたマウントを含み、前記本体の半径方向外側領域は、前記軸流圧縮機の圧縮空気通路と流体連通しており、前記本体の中央領域は、前記軸流圧縮機の軸方向通路と流体連通している。
【0030】
本開示の別の態様は、上記の態様のうちのいずれかの態様を含み、前記複数の第１のベーンは５個の第１のベーンを含み、前記複数の第２のベーンは１０個の第２のベーンを含み、前記複数の第３のベーンは１５個の第３のベーンを含む。
【0031】
本開示の一態様は、ガスタービンシステムを含む。ガスタービンシステムは、圧縮機ホイールに関する上記の態様のうちのいずれかの態様による圧縮機ホイールを含む軸流圧縮機と、前記軸流圧縮機に動作可能に連結された燃焼器と、前記燃焼器に動作可能に結合されたガスタービンとを含む。
【0032】
本開示に記載されている２つ以上の態様（発明の概要に記載されているものを含む）を組み合わせて、本明細書に特には記載されていない実装態様を形成することができる。すなわち、本明細書に記載された全ての実施形態は、互いに組み合わせることができる。
【0033】
１つ又は複数の実装態様の詳細は、添付の図面及び以下の発明を実施するための形態に記載されている。他の特徴、目的及び利点は、発明を実施するための形態及び図面、並びに特許請求の範囲から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【0034】
本開示のこれらの特徴及び他の特徴は、本開示の様々な実施形態を示す添付の図面とともに本開示の様々な態様の以下の詳細な記載から更に容易に理解することができる。
【図1】本開示の実施形態による、抽気インペラを持つ圧縮機ホイールを有する軸流圧縮機を含むガスタービンシステムの形態の例示的なターボ機械の断面図を示す。
【図2】本開示の実施形態による、抽気インペラの端面図を示す。
【図3】本開示の実施形態による、抽気インペラの透視端面図を示す。
【図4】本開示の実施形態による、インペラの中心にある流出口ハブの拡大斜視図を示す。
【図6】本開示の実施形態による、インペラの流入口縁部の拡大斜視図を示す。
【図7】本開示の他の実施形態による、抽気インペラの端面図を示す。
【図8】本開示の追加的な実施形態による、抽気インペラの端面図を示す。
【図9】本開示の実施形態による、抽気インペラの端面図を示す。
【図10】本開示の他の実施形態による、抽気インペラの端面図を示す。
【図12】本開示の他の実施形態による、抽気インペラの端面図を示す。
【0035】
本開示の図面は必ずしも同一の縮尺ではないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様のみを示すことを意図しており、したがって、本開示の範囲を限定するものとみなされるべきではない。図面において、同様の番号は、図面間で同様の要素を表している。
【発明を実施するための形態】
【0036】
先ず初めに、本開示を明確に説明するためには、例示的な用途のターボ機械の関連する機械の構成要素に言及し説明するときに、特定の用語を選択することが必要になる。用語の選択をする場合、可能な限り、一般的な業界用語が、その業界で受け入れられている意味と一致する態様で使用され、採用される。特に明記しない限り、上記の用語は、本出願の文脈及び特許請求の範囲と一致する広い解釈が与えられるべきである。当業者は、多くの場合、特定の構成要素がいくつかの異なる用語又は重複する用語を使用して言及される場合があることを理解することができる。本明細書において単一の部品として説明されているものは、別の文脈では、複数の構成要素を含むことがあり、また、複数の構成要素を構成するものとして言及されることがある。あるいは、本明細書において複数の構成要素を含むものとして説明されているものは、他の箇所では単一の部品として言及されることがある。
【0037】
更に、本明細書では、いくつかの記述用語が規則的に使用される場合があり、発明を実施するための形態の始めにこれらの用語を定義しておくことが有益である。これらの用語と用語の定義は、特に明記しない限り、以下の通りである。本明細書において、「下流」及び「上流」は、空気（ターボ機械を流れる作業空気など）の流れの相対的な方向、又は、例えば、燃焼器を流れる空気若しくはターボ機械の複数の構成要素システムのうちの１つを流れる冷却媒体の流れの相対的な方向を示す用語である。「下流」という用語は空気の流れの方向に対応し、「上流」という用語は、その空気の流れとは反対の方向を表す。「前方」及び「後方」という用語は、他に特別なことがない限り、方向を表し、「前方」はターボ機械の前部側又は圧縮機端側を表し、「後方」はターボ機械の後部側又はタービン端側を表す。
【0038】
中心軸に対して半径方向の異なる位置に配置された部品を説明することが要求されることがある。「軸の」という用語は、軸（例えば、ターボ機械又は抽気インペラの回転軸）に平行な動き又は位置を表す。「半径の」という用語は、軸（例えば、圧縮機又は抽気インペラの回転軸）に垂直な動き又は位置を表す。例えば、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸の近くに存在している場合、本明細書では、第１の構成要素は、第２の構成要素の「半径方向内側に」又は「内側に」存在すると記載することができる。一方、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸から遠くに存在する場合、本明細書では、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向外側に」又は「外側に」存在すると記載することができる。最後に、「周方向の」という用語は、軸の周りの動き又は位置、例えば、抽出インペラの回転軸の周囲に延在する抽出インペラの周方向外縁部を表す。上に示したように、このような用語は、ターボ機械の回転軸及び／又は抽出インペラの軸に関連して適用され、これらの軸は、同一空間に延在することができることが理解される。
【0039】
更に、本明細書では、以下に説明するように、いくつかの記述用語が規則的に使用される場合がある。「第１」、「第２」、及び「第３」という用語は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために互換的に使用することができ、個々の構成要素の位置及び重要度を意味することを意図するものではない。
【0040】
明細書で使用される用語は、特定の実施形態のみを説明することを目的としており、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書において、単数形「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、及び「この（ｔｈｅ）」は、文脈が明らかに複数形を含むことを示していない限り、複数形を含むことも意図している。「含む、有する、備える（comprises）」及び／又は「含んでいる、有している、備えている（comprising）」という用語は、本明細書で使用される場合、言及された特徴、整数、工程、動作、要素、及び／又は構成要素が存在していることを特定しているが、１つ又は複数の他の特徴、整数、工程、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらのグループの存在及び追加を排除しないことが更に理解される。「任意選択の」又は「任意選択で」は、その後に記述される事象が発生しても発生しなくてもよいこと、又はその後に記述される特徴が存在しても存在しなくてもよいこと、及びその記述が、事象が発生する又はその特徴が存在する例、その事象が発生しない又はその特徴が存在しない例を含むことを意味する。
【0041】
ある要素又は層が、別の要素又は層「に接触する」、「に係合されている」、「に接続されている」、又は「に結合されている」ものとして言及されている場合、ある要素又は層は、他の要素又は層に、直接的に接触する、係合する、接続する、結合する、又は取り付けられるものであってもよいし、介在する要素又は層が存在していてもよい。対照的に、ある要素が、別の要素又は層「に直接的に接触」、「に直接的に結合」、「に直接的に接続」、又は「に直接的に結合」しているものとして言及されている場合、介在する要素又は層は存在していない。要素間の関係を説明するために使用される他の言葉は、同じように解釈されるべきである(例えば、「間に」と「直接的に間に」、「隣接する」と「直接的に隣接する」など)。本明細書において、「及び／又は」という用語は、列挙された関連する複数の項目のうちの１つ以上の項目のあらゆる組合せを含む。本明細書では、「結合する」及び「取り付ける」は、互いに交換可能に使用することができる。
【0042】
本開示の実施形態は、軸流圧縮機用の抽気インペラを含んでいる。抽気インペラは、インペラ本体の表面に配置された細長いＳ字形状を有する第１のベーンを含んでいる。第１のベーンは、前記本体の外側流入口縁部から、前記表面において前記インペラの回転軸が存在する中央部分に配置された流出口ハブまで半径方向に延在している。前記複数の第１のベーンの各第１のベーンの半径方向内側端部は、回転軸に対して垂直な方向で流出口ハブに接続する。第２のベーンは、隣接する第１のベーンの間に配置され、第３のベーンは、第２のベーンの間、又は第１のベーンと第２のベーンとの間に配置されている。第２のベーンは第３のベーンよりも半径方向に長い。インペラは、軸流圧縮機から空気を抽出し、従来のインペラに比べて円周方向又は接線方向のパラメータが少なくなるように軸流通路に軸流を形成し、渦笛と流れの非定常性を低減する。
【0043】
図１は、本開示の実施形態による軸流圧縮機の圧縮機ホイールの抽気インペラの１つの例示的な用途の断面図を示す。より詳細には、図１は、本開示の教示が使用される燃焼又はガスタービンシステム１００（以下、「ＧＴシステム１００」）を示す。ＧＴシステム１００は、本開示の実施形態による圧縮機ホイール１３０を含む軸流圧縮機１０２を含む。また、ＧＴシステム１００は、軸流圧縮機１０２に動作可能に結合された燃焼器１０４と、燃焼器１０４に動作可能に結合されたタービン１１０とを含んでいる。燃焼器１０４は、燃焼領域１０６と、燃料ノズルアセンブリ１０８とを含んでいる。ＧＴシステム１００は、圧縮機／タービンに共通のシャフト１１２（ロータ１１２と呼ばれることもある）も含んでいる。一実施形態では、ＧＴシステム１００は、サウス・カロライナ州 グリーンビルのゼネラル・エレクトリック・カンパニィ（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ）から商業的に入手可能な７ＨＡ．０３エンジンである。本開示は、１つの特定のＧＴシステムに限定されず、他のエンジン（例えば、ゼネラル・エレクトリック・カンパニィの他のＨＡ、Ｆ、Ｂ、ＬＭ、ＧＴ、ＴＭ及びＥクラスのエンジンモデル、並びに他社のエンジンモデルを含む）に関しても適用できる。更に、本開示は、特定のターボ機械に限定されるものではなく、例えば、蒸気タービン、ジェットエンジン、圧縮機、ターボファンなどに適用することができる。
【0044】
動作においては、空気が軸流圧縮機１０２（以下、「圧縮機１０２」）を流れ、圧縮機ケーシング１２６に結合された静止ノズル１２４の間に配置された回転ブレード１２２の段によって圧縮空気通路１２０で圧縮される。各段の回転ブレード１２２は、ロータ１１２に結合するそれぞれの圧縮機ホイール１３０に結合される。圧縮空気は、圧縮空気通路１２０を通じて燃焼器１０４に供給される。具体的には、圧縮空気は、燃焼領域１０６と一体の燃料ノズルアセンブリ１０８に供給される。すなわち、燃料ノズルアセンブリ１０８は燃焼領域１０６と流体連通している。また、燃料ノズルアセンブリ１０８は、燃料源（図示せず）と流体連通しており、燃料及び空気を燃焼領域１０６に流す。燃焼器１０４は燃料に点火し燃焼させる。燃焼器１０４は、ガス流の熱エネルギーが機械的な回転エネルギーに変換されるタービン１１０と流体連通している。タービン１１０は、ロータ１１２に回転可能に結合され、ロータ１１２を駆動する。圧縮機１０２も、圧縮機ホイール１３０を介してロータ１１２に回転可能に結合されている。図示の実施形態では、複数の燃焼器１０４と燃料ノズルアセンブリ１０８がある。
【0045】
タービン１１０は、ＧＴシステム１００の静止ケーシング１４２に結合されたノズル又はベーンの列１４０を含み、ベーンの列１４０は回転ブレードの列１４４に軸方向に隣接している。ノズル又はベーン１４６は、半径方向外側のプラットフォーム１４８及び半径方向内側のプラットフォーム１５０によってタービン１１０に保持される。タービン１１０のブレードの各列又は各段１４４は、ロータ１１２に結合された回転ブレード１５２であって、ロータと共に回転する回転ブレード１５２を含んでいる。回転ブレード１５２は、（ロータ１１２に結合されたブレードのルート部における）半径方向内側のプラットフォーム１５４と、半径方向外側の先端部１５６とを含むことができる。
【0046】
軸流圧縮機１０２用の圧縮機ホイール１３０は、ロータ１１２に結合するホイール本体１６０であって、複数の回転ブレード１２２を回転可能に取り付けるためのホイール本体１６０を含んでいる。ホイール本体１６０は、ロータ１１２に回転可能に結合する構造であって、ロータ１１２の選択された軸方向位置において回転ブレード１２２をロータ１１２に結合するための既知の又は将来的に開発される任意の構造（例えば、ブレードのダボテールとホイール本体１６０の嵌合スロット）を含むことができる。圧縮機１０２の各ブレード段は、特定のサイズ、形状、長さの回転ブレード１２２を取り付けるためのそれぞれのホイール本体１６０を有することができる。回転ブレード１２２の各段は、圧縮空気通路１２０の空気流を圧縮するために、それぞれのホイール本体１６０に結合されている。圧縮機１０２の各段は、下流側のブレード段の回転ブレード１２２に空気を導くために、それぞれの上流側及び下流側のノズル段を含むこともできる。ノズル１２４は静止しており、圧縮機ケーシング１２６に取り付けられている。図示された非限定的な例では、圧縮機１０２は、１０個のブレード段及び１０個のノズル段を含んでいる。
【0047】
空気は、燃焼器１０４とは別の用途で（例えば、タービン１１０（図１）の部品の冷却のために）、圧縮空気流１６２から抽出することができる。抽出された空気の供給源は、圧縮機１０２内の特定の軸方向位置における空気の特性（例えば、空気圧、流量など）に基づいて選択することができる。空気抽出が行われる場合、ホイール本体１６０は、ホイール本体１６０に結合された抽気インペラ２００であって、圧縮空気通路１２０と流体連通している抽気インペラ２００を含むことができる。抽気インペラ２００は、圧縮空気通路１２０からロータ１１２の軸（すなわち、ターボ機械及び／又は抽気インペラの回転軸Ａ）に向かって半径方向内側に空気を引き込み、次いで、空気が軸方向通路１７２を流れてタービン１１０に向かうように軸方向に導く。軸方向通路１７２は、軸流圧縮機１０２の内側部分であり、ロータ１１２に対して空気を概ね軸方向に向ける任意の形態を有することができる。当該技術分野で理解されるように、軸方向通路１７２は、ロータ１１２の中心から半径方向外側の異なる位置に空気を送るために、軸方向通路１７２の長さに沿って、様々な直径の大きい部分１７４を有することができる。直径の大きい部分１７４は、ロータ１１２の内側に存在することができる。抽気インペラ２００は、どの段のどのホイール本体１６０にも配置することができる。利用される特定のホイール本体１６０及び段は、例えば、圧縮空気通路１２０から所望の空気流が供給されるように選択することができる。より詳細には、使用される特定のホイール本体１６０及び段は、圧縮空気通路１２０内のその位置における空気流又は軸流圧縮機１０２の特性に応じて選択することができる。例えば、ホイール本体１６０を、空気圧、流量、温度、又は軸流圧縮機１０２の抽気目的で利用可能な空間を有する領域に基づいて選択することができる。
【0048】
図２は、本開示の実施形態による、抽気インペラ２００（以下、「インペラ２００」）の軸方向端面図であり、図３は、インペラ２００の端面斜視図である。図４は、本開示の実施形態による、インペラ２００の中心における流出口ハブの拡大斜視図である。インペラ２００は、回転軸Ａと回転軸Ａに対して（概ね）垂直な表面２０４とを有する本体２０２を含むことができる。本明細書で記載されるように、表面２０４とは反対側の面２０６（図５）は、圧縮機ホイール１３０（図１）のホイール本体１６０に結合することができる。特定の実施形態では、本体２０２は円形であるが、円形から多少の変動があってもよい。回転軸Ａは、ターボ機械１００（図１）のロータ１１２（図１）の回転軸と同軸とすることができる。本明細書で更に説明されるように、本体２０２の表面２０４は、平坦な部分２０８とドーム状部分２１２とを含むことができる。ドーム状部分２１２は、回転軸Ａを取り囲んでおり、平坦な部分２０８よりも軸方向に徐々に遠くに離れるように、すなわちタービン１１０（図１）に向かうように、広がっている。
【0049】
インペラ２００は、圧縮空気通路１２０から半径方向内側に空気を引き込み、従来のインペラと比較して渦笛を減少させて空気が軸方向に導かれて軸方向通路１７２（図１）を流れるように構成された複数のベーンを含むことができる。様々なベーンは、表面２０４から軸方向に、すなわちタービン１１０（図１）に向かって延在している。インペラ２００は、表面２０４に配置された細長いＳ字形の複数の第１のベーン２１０を含んでいる。本明細書において、「細長いＳ字形状」は、第１のベーン２１０が、互いに反対方向を向く接続された凹面を有するが、例えば、ここに印刷されるように、均等にバランスのとれた「Ｓ字形状」に比べて長くなるように配置されていることを示している。更に、凹面は同じ曲率半径を有していない。例えば、各第１のベーン２１０は、図２及び図４の選択された第１のベーン２１０に対して符号が付されているように、比較的大きな曲率半径を有する第１の凹面２１６と、比較的小さな曲率半径を有する第２の凹面２１８であって、第１の凹面２１６に接続された第２の凹面２１８とを含むことができる。第１のベーン２１０は、本体２０２の外側流入口縁部２２０から、表面２０４において回転軸Ａが存在する中央部分に配置された流出口ハブ２２２まで半径方向に延在している。各第１のベーン２１０の半径方向内側端部２２４は、回転軸Ａに対して垂直な方向で流出口ハブ２２２に接続される。言い換えれば、第１のベーン２１０の半径方向内側端部２２４を延長していくことを仮定すると（すなわち、流出口ハブ２２２の対向する側の構造を取り除くことを考える）、これらの端部は回転軸Ａと交差する。したがって、第１のベーン２１０は、ベーン２１０によって案内された空気流を回転軸Ａに直接導いていく。
【0050】
流出口ハブ２２２は、表面２０４において回転軸Ａが存在する中央部分に配置されており、複数の先細りの部分を含む星形の形状を有している。星形の各先細りの部分は、複数の第１のベーン２１０のそれぞれの第１のベーン２１０の半径方向内側端部２２４に結合されている。より詳細には、第１のベーン２１０の半径方向内側端部２２４の第２の凹面２１８により、流出口ハブ２２２は、わずかに曲がった星形部分を有し複数の先細りの部分を含む星形の形状を有する。曲がった星形部分は、それぞれの第１のベーン２１０の半径方向内側端部２２４から、回転軸Ａに近づくにつれて広がっていき、星形の流出口ハブ２２２を形成する。流出口ハブ２２２は、流出口ハブ２２２に結合された第１のベーン２１０と同じ数の先細りの部分を有している。図２～図４に示す例では、流出口ハブ２２２は、５つの先細りの部分を有しており、各第１のベーン２１０に対して１つの先細りの部分がある。本明細書に記載されるように、流出口ハブ２２２は、別の数の第１のベーン２１０に結合していてもよい（例えば、図７を参照）。いずれにしても、流出口ハブ２２２は、空気流を軸方向に導き、軸方向通路１７２（図１）に流入するようにする。
【0051】
また、インペラ２００は、表面２０４に配置された複数の第２のベーン２３０を含んでいる。複数の第２のベーン２３０のうちの少なくとも１つの第2のベーンは、隣接する第１のベーン２１０の間に存在している。例えば、図２の１つの区域に示されているように、第２のベーン２３０Ａ、２３０Ｂは、隣接する第１のベーン２１０Ａ、２１０Ｂの間に存在している。特定の実施形態では、図２～図４に示すように、第２のベーン２３０は、隣接する第１のベーン２１０の間において表面２０４に配置された第４のベーン２３０Ａ及び第５のベーン２３０Ｂの２つのベーンを含むことができる。第２のベーン２３０は、第１のベーン２１０よりも短い。
【0052】
また、インペラ２００は、任意の隣接する第２のベーン２３０の間において、及び隣接する第１のベーン２１０と第２のベーン２３０との間において、表面２０４に配置された複数の第３のベーン２４０を含んでいる。図２～図３に示す例では、３つの第３のベーン２４０Ａ～２４０Ｃが、隣接する第１のベーン２１０Ａ及び２１０Ｂのペアの間に設けられている。より詳細には、図２及び図３の各図において１つの区域に示されているように、１つの第３のベーン２４０Ａが第１のベーン２１０Ａと第２のベーン２３０Ａとの間に存在し、１つの第３のベーン２４０Ｂが第２のベーン２３０Ａと２３０Ｂとの間に存在し、１つの第３のベーン２４０Ｃが第１のベーン２１０Ｂと第２のベーン２３０Ｂとの間に存在している。図２～図３に示すように、説明されたベーン２１０、２３０、２４０のパターンは、本体２０２を一回りして５回繰り返されている。
【0053】
第１のベーン２１０、第２のベーン２３０及び第３のベーン２４０の半径方向外側端部は、すべて、本体２０２の外側流入口縁部２２０で終端している。したがって、ベーン２１０、２３０、２４０の半径方向外側端部は、外側流入口縁部２２０（すなわち、表面２０４の半径方向外側縁部）の半径方向位置が同じである。図２～図３に示すように、第１のベーン２１０、第２のベーン２３０、及び第３のベーン２４０の半径方向外側端部は、例えば、圧縮空気通路１２０からインペラ２００内に空気を確実に均等に引き込むために、本体２０２の外側流入口縁部２２０において周方向に等距離の間隔を空けて配置されている。
【0054】
第１、第２及び第３のベーン２１０、２３０、２４０の半径方向内側端部は、流出口ハブ２２２及びドーム状部分２１２と共同して、渦笛を低減するために、従来のインペラと比較して、円周方向又は接線方向のパラメータを少なくして、軸方向通路１７２に沿う軸方向に空気流を導くように構成されている。第２のベーン２３０は、第３のベーン２４０よりも半径方向に長く、外側流入口縁部２２０からドーム状部分２１２の領域まで延在している。対照的に、第３のベーン２４０は、外側流入口縁部２２０から、ドーム状部分２１２の半径方向外側縁部又は移行線２４４において表面２０４の平坦な部分２０８で終端する半径方向内側端部２４２まで延在している。すなわち、第３のベーン２４０の半径方向内側端部２４２は、本体２０２の表面２０４の平坦な部分２０８とドーム状部分２１２との間の移行線２４４に位置する。より詳細には、第２の（第４の）ベーン２３０Ａは、回転軸Ａから第１の半径方向距離Ｒ１だけ離れた半径方向内側端部２３４を有し、第２の（第５の）ベーン２３０Ｂは、回転軸Ａから第２の半径方向距離Ｒ２だけ離れた半径方向内側端部２３６を有している。対照的に、各第３のベーン２４０は、回転軸Ａから第３の半径方向距離Ｒ３だけ離れた半径方向内側端部２４２を有している。特定の実施形態では、図２～４に示すように、第１、第２及び第３の半径方向距離Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３はすべて異なっており、第１及び第２の半径方向距離Ｒ１、Ｒ２は第３の半径方向距離Ｒ３よりも小さい。一部の実施形態では、図３に示すように、半径方向距離Ｒ１と半径方向距離Ｒ２は異なっている。他の実施形態では、図９に示すように、半径方向距離Ｒ１と半径方向距離Ｒ２は同じであってもよい。
【0055】
更に、ドーム状部分２１２に関して、図５は、図２のビュー線５－５に沿うインペラ２００の断面図を示し、ドーム状部分２１２の拡大断面図を含んでいる。図６は、インペラ２００の半径方向外側領域における外側流入口縁部２２０の拡大斜視図を示している。本体２０２の表面２０４は平坦な部分２０８を含んでおり、平坦な部分２０８は円形とすることができ、ドーム状部分２１２を囲んでいる。ドーム状部分２１２の半径方向外側縁部（移行線）２４４は、ドーム状部分２１２が平坦な部分２０８と接する箇所、すなわち円形の移行線において画定される。図２～図４に示すように、ドーム状部分２１２は、回転軸Ａを取り囲んでおり、流出口ハブ２２２に近づくにつれて、平坦な部分２０８よりも軸方向に徐々に遠くに離れるように（すなわち、図１ではタービン１１０に向かって、図５では図５が示されているページの右側に向かうように）広がっている。このようにして、空気が流出口ハブ２２２に向かって半径方向内側に流れるにつれて、ドーム状部分２１２は、流れを軸方向に導いて軸方向通路１７２に向かうようにする。
【0056】
図５にも示されるように、第１のベーン２１０、第２のベーン２３０及び第３のベーン２４０の軸方向遠位端２６０は、同一平面上にある。すなわち、全てのベーン２１０、２３０、２４０は、それらの軸方向遠位端２６０が同一平面内に存在するようにそれぞれの軸方向範囲まで延在する。しかしながら、ドーム状部分２１２によって、第１のベーン２１０の（流出口ハブ２２２に隣接する）半径方向内側端部２２４（図２～図４）及び第２のベーン２３０の半径方向内側端部２３４、２３６（図２～図４）は、それぞれ、第１のベーン２１０及び第２のベーン２３０の（外側流入口縁部２２０における）半径方向外側端部よりも軸方向の長さが短くなる。すなわち、図５及び図６で観察されるように、第１のベーン２１０の流出口ハブ２２２に隣接する半径方向内側端部２２４のドーム状部分２１２の表面２０４からの軸方向高さＨ１、及び第２のベーン２３０Ａ、２３０Ｂのそれぞれの半径方向内側端部２３４、２３６のドーム状部分２１２の表面２０４からの高さＨ２、Ｈ３は、第１のベーン２１０及び第２のベーン２３０Ａ～２３０Ｂの半径方向外側端部における（すなわち、本体２０２の外側流入口縁部２２０における）高さＨ４よりも短い。本体２０２の外側流入口縁部２２０におけるベーン２１０、２３０の高さＨ４は、同じにすることができる。
【0057】
図２に示すように、第２のベーン２３０の半径方向内側端部２３４、２３６及び第３のベーン２４０の半径方向内側端部２４２は、空気流を、回転軸Ａの接線方向（すなわち、回転軸Ａに直接向かわない方向）に向ける。この目的のために、第２のベーン２３０は、本体２０２の半径ＲＤ１に対して２８°～３２°の範囲の転向角βを有することができ、第３のベーン２４０は、本体２０２の半径ＲＤ２に対して１０°～１４°の範囲の流出角（flow exit angle）γを有することができる。所定のベーン２３０、２４０の転向角は、所定のベーンの半径方向内側端部と半径方向外側端部との両方を通る直線（図２参照）が、所定のベーンの半径方向内側端部と交差する本体２０２のそれぞれの半径（例えば、ＲＤ１、ＲＤ２）と交差する角度によって特定することができる。半径ＲＤ１は、それぞれの第２のベーン２３０Ａ、２３０Ｂの半径方向内側端部２３４又は２３６と交差し（半径方向内側端部２３４と交差する様子は図示されている）、半径ＲＤ２は、第３のベーン２４０の半径方向内側端部２４２と交差する。
【0058】
図１及び図５に示されるように、本体２０２は、本体２０２を軸流圧縮機１０２の圧縮機ホイール１３０に結合するように構成された既知の又は将来的に開発される任意のマウント２７０を含むことができる。本体２０２の表面２０４とは反対側の面２０６は、既知の又は将来的に開発される任意の方法で、マウント２７０を使用して軸流圧縮機１０２の圧縮機ホイール１３０に結合するように構成することができる。図１に示すように、本体２０２の外側流入口縁部２２０は、軸流圧縮機１０２の圧縮空気通路１２０と流体連通しており、本体２０２の中央領域（すなわち、流出口ハブ２２２の領域又は流出口ハブ２２２の近くの領域）は、軸流圧縮機１０２の軸方向通路１７２と流体連通している。
【0059】
図２～図４に示す実施形態では、ベーン２１０、２３０、２４０の５つの繰り返し配列が設けられている。この場合、第１のベーン２１０には５つの第１のベーン２１０が含まれ、第２のベーン２３０には１０個の第２のベーン２３０が含まれ（すなわち、２個の第２のベーン２３０Ａ、２３０Ｂが、隣接する第１のベーン２１０Ａ、２１０Ｂのペアの間に存在する）、第３のベーン２４０には１５個の第３のベーン２４０が含まれる（すなわち、１つの第３のベーン２４０Ｂが、隣接する第２のベーン２３０Ａ、２３０Ｂのペアの間に存在し、１つの第３のベーン２４０Ａが、隣接する第１のベーン２１０Ａと第２のベーン２３０Ａとの間に存在し、１つの第３のベーン２４０Ｃが、隣接する第１のベーン２１０Ｂと第２のベーン２３０Ｂとの間に存在する）。
【0060】
ベーンの他の配置も可能である。図７～図９は、本開示の他の様々な実施形態によるインペラ２００の端面図である。例えば、図７は、図２～４と同様の配置で、ベーン２１０、２３０、２４０のセットを４つのみ含むインペラ２００の端面図を示す。図７に示す例では、流出口ハブ２２２は、４つの先細りを有しており、各第１のベーン２１０に対して１つの先細りである。この場合、第１のベーン２１０には４つの第１のベーン２１０が含まれ、第２のベーン２３０には８つの第２のベーン２３０が含まれ（すなわち、２つの第２のベーン２３０が、隣接する第１のベーン２１０のペアの間に存在する）、第３のベーン２４０には１２（１２）個の第３のベーン２４０が含まれる（すなわち、１つの第３のベーン２４０が、隣接する第２のベーン２３０のペアの間に存在し、１つの第３のベーン２４０が、隣接する第１のベーン２１０と第２のベーン２３０との間に存在し、１つの第３のベーン２４０が、隣接する第１のベーン２１０と第２のベーン２３０との間に存在する）。
【0061】
図８はインペラ２００の端面図を示し、インペラ２００は、５つの第１のベーン２１０を含むが、第１のベーン２１０のペアの間には１つの第２のベーン２３０しかなく、隣接する第１のベーン２１０と第２のベーン２３０との間には１つの第３のベーン２４０を有している。この場合、第１のベーン２１０には５つの第１のベーン２１０が含まれ、第２のベーン２３０には５つの第２のベーン２３０が含まれ（すなわち、１つの第２のベーン２３０が、隣接する第１のベーン２１０のペアの間に存在する）、第３のベーン２４０には１０個の第３のベーン２４０が含まれる（すなわち、第３のベーン２４０が、隣接する第１のベーン２１０及び第２のベーン２３０のペアの間に存在する）。
【0062】
図９は、図２～図３と同様の構成のインペラ２００の端面図を示すが、第２のベーン２３０Ａ、２３０Ｂの半径方向内側端部２３４、２３６のそれぞれの回転軸Ａからの第１及び第２の距離Ｒ１、Ｒ２は同じであるが、第３の半径方向Ｒ３とは異なっており、第１及び第２の半径方向距離Ｒ１、Ｒ２は両方とも第３の半径方向距離Ｒ３よりも短い。
【0063】
図１０は、本開示の他の実施形態によるインペラ２００の端面図である。図１１は、図１０のビュー線１１－１１から見たインペラ２００の断面図と拡大断面図とを示す。図１０及び図１１は代替の実施形態を示し、この実施形態では、ドーム状部分２１２は省略され、平坦な部分２０８のみが示されている。図１０及び図１１は、図２のベーンの配置を示しているが、本明細書で説明する任意のベーンの配置を、ドーム状部分２１２を備えずに使用することができる。
【0064】
図１２は、本開示の他の実施形態によるインペラ２００の端面図である。より詳細には、図１２は代替の実施形態を示しており、この実施形態では、ドーム状部分２１２は、先に説明した実施形態よりも本体２０２の表面２０４の半径方向外側に更に離れた位置に配置されている。すなわち、ドーム状部分２１２と平坦な部分２０８との間の移行線２４４は、回転軸Ａから更に半径方向外側に離れている。また、前の実施形態とは対照的に、第３のベーン２４０は、外側流入口縁部２２０から、ドーム状部分２１２で終端する半径方向内側端部２４２まで延在している、すなわち、第３のベーン２４０の半径方向内側端部２４２は、本体２０２の表面２０４の平坦な部分２０８とドーム状部分２１２との間の移行線２４４よりも半径方向内側に存在している。本体２０２の表面２０４の平坦な部分２０８とドーム状部分２１２との間の移行線２４４の３つの半径方向位置を図示したが、他の半径方向位置も可能である。例えば、移行線２４４は、本体２０２の表面２０４の、回転軸Ａと外側流入口縁部２２０との間の半径方向範囲の０％～５０％の間の任意の位置とすることができる。図１２は、図２のベーンの配置を示すが、本明細書に記載される任意のベーンの配置は、本体２０２の表面２０４の平坦な部分２０８とドーム状部分２１２との間の移行線２４４であって、様々な半径方向位置の移行線２４４と共に使用することができる。
【0065】
ベーンの特定の配置が図示されているが、本開示の範囲内で様々な代替の配置も可能であることが認識される。本明細書に記載された異なる実施形態は、所望の方法で組み合わせることができる。
【0066】
動作においては、軸流圧縮機１０２は複数のブレード段を含んでいる。軸流圧縮機１０２の各段はホイール本体１６０を含んでおり、ホイール本体１６０は、複数の回転ブレード１２２をホイール本体１６０の円周方向に定める。ロータ１１２が回転すると、軸流圧縮機１０２の様々な段のブレード１２２が空気を圧縮して圧縮空気通路１２０に送る。インペラ２００を含むホイール本体１６０は、他の目的（例えば、タービン１１０の部品（タービンの回転ブレード１５２など）を冷却すること）で使用可能な所望の特性の圧縮空気を有する軸流圧縮機１０２において、任意の所望の軸方向位置に配置することができる。（図示しないが、複数のホイール１３０がインペラ２００を含むことができることに留意されたい）。インペラ２００は、選択されたホイール本体１６０に結合され、ホイール本体とともに回転する。ベーン２１０、２３０、２４０は、圧縮空気通路１２０から流出口ハブ２２２に向かって半径方向内側に圧縮空気を引き込む。圧縮空気は、流出口ハブ２２２、ベーン２１０、２３０、２４０、及び（設けられている場合は）ドーム状部分２１２との流れの相互作用によって、軸方向下流に向かって（例えば、タービン１１０に向かって）軸流圧縮機１０２内に画定された軸方向通路１７２に導かれる。抽出された圧縮空気が軸方向通路１７２に流入すると、従来のインペラから抽出された圧縮空気と比較して、周方向又は接線方向の流れの量が減少する。ベーンの構造には、流出口ハブ２２２まで（すなわち、回転軸Ａまで）半径方向内側に延在する第１のベーン２１０が含まれている。ベーン２１０、２３０、２４０、ハブ２２２、及び（設けられている場合は）ドーム状部分２１２は、全体で、抽出された圧縮空気の流れをインペラ２００の中心における回転軸Ａに導き、流れがインペラ２００から軸方向に流れていく場所で周方向速度を軸方向速度に変換し、軸方向通路１７２での軸方向速度を大きくする。抽出された圧縮空気は、タービン１１０に向かって下流に流れ、抽出された圧縮空気は様々な目的のために（タービン１１０での既知の方法による冷却、又は燃焼器１０４での燃焼などであるが、これらに限定されることはない）様々な異なる方向に向けられる。
【0067】
本開示の実施形態によって、様々な技術的利点及び商業的利点を得ることができ、その例は本明細書で説明される。前述のように、インペラは、インペラの出口における軸方向通路の空気流の周方向又は接線方向の速度及び旋回を低減し、これにより流れの非定常性が低減される。
【0068】
本明細書及び特許請求の範囲を通じて使用される近似を表す文言は、関連する基本的機能に変化をもたらすことなく、差し支えない程度に変動し得る任意の量的表現を修飾するために適用することができる。したがって、1つの又は複数の用語（「およそ」、「約」、及び「実質的に」など）によって修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくとも一部の例では、近似を表す文言は、値を測定するための機器の精度に対応する場合がある。ここに記載されたこと並びに本明細書及び特許請求の範囲を通して、範囲の限定を組み合わせること及び／又は置き換えることが可能である。文脈又は文言が特に指示しない限り、このような範囲は識別され、それに包含される全ての部分範囲を含む。範囲の特定の値に適用される「約」又は「およそ」は、当該範囲の両端の値に適用され、値を測定する機器の精度に特に依存しない限り、言及された値の＋／－１０％を示すことができる。
【0069】
特許請求の範囲におけるミーンズプラスファンクション又はステッププラスファンクションの要素すべての、対応する構造、材料、動作、及び均等物は、具体的に請求された他の請求要素と組み合わせてその機能を実施するための、一切の構造、材料、又は動作を包含することを意図している。本開示の記載は、例示及び説明の目的で提示されており、可能な全てのものが含まれていることを意図するものではなく、開示された形態で本開示に限定することを意図するものでもない。当業者には、本開示の範囲及び趣旨から逸脱することなく多くの修正及び変形が明らかである。本開示の原理及び実際の用途を最適に説明し、他の当業者が本開示を理解し、特定の使用に適するような様々な実施形態の様々な修正を考えることができるように、本実施形態が選択され、かつ記載された。
【符号の説明】
【0070】
１００ ガスタービンシステム
１０２ 軸流圧縮機
１０４ 燃焼器
１０６ 燃焼領域
１０８ 燃料ノズルアセンブリ
１１０ タービン
１１２ シャフト
１２０ 圧縮空気通路
１２２ 回転ブレード
１２４ 静止ノズル
１２６ 圧縮機ケーシング
１３０ 圧縮機ホイール
１４０ 列
１４２ 静止ケーシング
１４４ 列
１４４ 段
１４６ ベーン
１４８ プラットフォーム
１５０ プラットフォーム
１５２ 回転ブレード
１５４ プラットフォーム
１５６ 先端部
１６０ ホイール本体
１６２ 圧縮空気流
１７２ 軸方向通路
２００ 抽気インペラ
２０２ 本体
２０８ 平坦な部分
２１６ 第１の凹面
２１８ 第２の凹面
２２２ 流出口ハブ
２３０ 第２のベーン
２４０ 第３のベーン
２４４ 移行線
２６０ 軸方向遠位端
２７０ マウント
１０２ 軸流圧縮機
１０４ 燃焼器
１０６ 燃焼領域
１０８ 燃料ノズルアセンブリ
１１０ タービン
１１２ シャフト
１２０ 圧縮空気通路
１２２ 回転ブレード
１２４ 静止ノズル
１２６ 圧縮機ケーシング
１３０ 圧縮機ホイール
１４０ 列
１４２ 静止ケーシング
１４４ 列
１４４ 段
１４６ ベーン
１４８ プラットフォーム
１５０ プラットフォーム
１５２ 回転ブレード
１５４ プラットフォーム
１５６ 先端部
１６０ ホイール本体
１６２ 圧縮空気流
１７２ 軸方向通路
２００ 抽気インペラ
２０２ 本体
２０８ 平坦な部分
２１６ 第１の凹面
２１８ 第２の凹面
２２２ 流出口ハブ
２３０ 第２のベーン
２４０ 第３のベーン
２４４ 移行線
２６０ 軸方向遠位端
２７０ マウント
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【外国語明細書】