下記で、せん断流タービンおよびせん断流ポンプおよびせん断流コンプレッサを含む、せん断流ターボ機械装置について説明する。いくつかのせん断流装置はせん断流ポンプと称し得るが、せん断流ポンプは、ポンプまたはコンプレッサのいずれかとして用いられ得ることが理解される。図示を簡潔におよび明瞭にするために、図面間で参照符号を繰り返して使用し、対応するまたは類似の要素を示し得る。多くの詳細は、本明細書で説明する例の理解をもたらすために、明記される。例は、これらの詳細を用いなくても、実施され得る。他の場合には、周知の方法、手順、および構成要素が、説明する例を曖昧にするのを回避するために、詳細には説明されない。説明は、本明細書で説明する例の範囲を限定するとはみなされない。
図1Aおよび図1Bは、従来技術によるせん断流ポンプ100の例を示す。せん断流ポンプ100は、ハウジング102、ロータ104、およびシャフト106を含む。
ハウジング102は、ハウジング前壁110およびハウジング後壁112を含み、これらは、内側空洞114および外側空洞115を規定する。ロータ104は内側空洞114内に設置される。ロータ104は、シャフト106から半径方向に延在する複数のディスク108を含む。
シャフト106は、ハウジング壁110、112にある開口部116、118を通ってハウジング110を通過する。シャフト106は、ハウジング102の外部にあるモータまたはジェネレータ(図示せず)に接続され得る。シャフト106は、モータまたはジェネレータに、直接、またはギヤやベルトなどを介して、接続され得る。
ディスク108は、シャフト106上で離間されて、隣接するディスク108間に、流体が通過するための間隙120を形成し得る。隣接するディスク108間の間隔は、スペーサ122によって提供される。ポンプ100内のスペーサ122は、ディスク108間でシャフト106に配置された平丸ワッシャー(round washers)であるが、他のタイプのスペーサ122を用いてもよい。ディスク108は、ディスク108間の間隙120内を流れるために、流体が軸方向入口117を通って入るための通路を提供するアパーチャ123を含む。
図1に示すせん断流ポンプ100のディスク108は平面的であるが、ディスクではなく複数の円錐体を含む、代替的なせん断流ポンプが提案されている。従来技術の円錐体は、図1Aに示すように垂直に延在するのではなく、シャフトからある角度をなして外向きに延在する標準的なディスクからなっており、全てが同じ外径を有する一連の円錐体を形成する。
ハウジング102は、コレクター124およびディフューザ出口126に使用される渦形室を形成するような形状にされる。コレクター124は、ディフューザ出口126を経由して流出する流体を、ディスク108から接線方向に収集する。
ポンプの他の例では、矩形横断面の出口が含まれ得る。矩形横断面の出口はまた、せん断流装置をタービンおよびポンプとして二重目的で利用するのを容易にするために、入口として使用されてもよく、タービンとして利用されるときの流体の流れの方向は、装置がポンプとして利用されるときの流れの方向に対して逆方向にされる。
出口126は流速調整器(図示せず)に結合されており、ディスク108間のトルク条件および流速条件を制御することによってポンプ100の効率を高めるために、ポンプ100の内側空洞114内の圧力を調整し得る。
動作中、シャフト106は、例えばモータやタービン(図示せず)からの、外部から加えられるトルクによって回転される。シャフト106の回転によってディスク108の回転を引き起こす。流体が、外側空洞115を通ってポンプ100に入り、および軸方向入口117を経由して内側空洞114に入る。流体は、ディスク108にあるアパーチャ123を通って間隙120内へと流れる。
回転しているディスク108は、粘性せん断に起因して、間隙120内にある流体に力を加え、流体を円運動に引き込む。流体の運動量および円運動によって、流体を螺旋経路でディスク108の外縁の方へ外向きに流す。流体は、ディスク108の外縁において間隙120から出て、およびディスク108の縁に対して接線方向において、内側空洞114によって規定されたコレクター124内へと流入する。流体が間隙120から流出する速度は、ディスク108の外縁の速度とほぼ等しいとし得る。コレクター124では、流体の流れの速度は遅くなり、および流体の静圧は高まる。流体は、出口126を経由してポンプから出る。
ここで図2Aおよび図2Bを参照すると、従来技術によるせん断流タービン200が示されている。せん断流タービン200は、内側空洞208および外側空洞210を規定する前壁204および後壁206を有する、ハウジング202を含む。出口211が、内側空洞208と外側空洞210との間の流体の流れを促す。シャフト212が、前壁204にある開口部214、および後壁206にある開口部216を通過する。
内側空洞208内にロータ217が設置される。ロータ217は、内側空洞208内で、シャフト212から半径方向に延在する複数のディスク218を含む。ディスク218の直径はほぼ等しい。隣接するディスク218間のスペーサ220が、シャフト212上でディスク218を離間させて間隙222を形成し、そこに流体が流れ得る。図2Bに示すスペーサ220は、「Y」字形状のスペーサである。ディスク218はアパーチャ224を含み、これらアパーチャは、間隙222と外側空洞210との間に流体が流れるための通路を提供する。
タービン200は、流体ジェットを、シャフト212の縦軸に対して垂直な方向にあるディスク218の外縁225上で接線方向に方向付けるための、第1のノズル226および第2のノズル228を含む。第1のノズル226は、図2Bに示すように、ディスク218およびシャフト212の時計方向の回転を引き起こすために用いられる。第2のノズル228は、図2Bに示すように、ディスク218およびシャフト212の反時計方向の回転を引き起こすために用いられる。
図2Aおよび図2Bに示すノズル226、228は、矩形断面を備える楔状のノズルである。楔状ノズル226、228は、ノズル出口230、232の方へ向かって横断面が減少して、流体がノズル226、228を強制的に通されるときに流体ジェットの速度が高速になって、高速の流体ジェットがノズル出口230、232を通って出るようにする。
動作中、高圧流体が、例えば、第1のノズル226を通ってタービン200に入る。流体は、ノズル226を通過するときに加速し、ディスク218の縁225において接線方向に方向付けられた高速流体ジェットとして、ノズル出口230から出る。流体ジェットは、ディスク218の縁225に衝突し、かつ間隙222内へと入って、粘性せん断によってディスク218を引きずり、および流体の運動量をディスク218に与えて、ディスク218の回転を引き起こす。ディスク218の回転によってシャフト212にトルクを生じ、流体の圧力および運動エネルギーをシャフト212の力学的回転エネルギーに変換する。流体は、間隙222を通って螺旋経路においてシャフト212の方へ移動する。流体は、アパーチャ224を通り、および出口211を経由して外側空洞210内へ流れ、そこで、流体はタービン200から出る。
動作中、発電機またはコンプレッサによってシャフト212に加えられるトルクは、タービン200の流速を調整しかつタービン200の効率を高めるために、修正され得る。その代わりに、またはそれに加えて、流速は、ノズル内への流れを制御することによって、またはタービンから流出する流速を制御することによって、またはそれら双方によって、調整され得る。
ポンプ100およびせん断流タービン200などのせん断流装置では、ディスク間の間隙のサイズは、せん断流装置の効率を高めるように、調節され得る。一部の非常に高粘度の流体を除いて、一般に、ディスク間の間隙は、ほとんどの流体および流れに関して、1mm程度であえるかまたはそれを下回り得る。低粘度、高密度の流体に用いられる適用例では、ディスク間の間隙は、100ミクロン未満とし得る。
ここで図3を参照すると、本開示によるせん断流ポンプ300の実施形態が示されている。下記でより詳細に説明するように、せん断流ポンプ300は、ロータの周りに配置された、自由回転の多孔質シュラウドを含む。自由回転の多孔質シュラウドは、ハウジングの抗力によって失われるエネルギーを減少させることによって、従来技術のせん断流ポンプと比較して、ポンプ300の効率を高める。
ポンプ300は、ほぼシリンダー形状のハウジング302を含む。ハウジング302は、上壁306と下壁308との間に延在する側壁304を含む。側壁304、上壁306、および下壁308は、ロータ312を取り囲むほぼシリンダー状のロータチャンバー310を規定する。本明細書では、用語「上(方)」および「下(方)」は、図3に示すポンプ300の向きを指し、およびそれ以外を限定することを意図するものではない。ロータ312は、シャフト上部314およびシャフト下部316に結合される。モータ318が、シャフト下部316を回転させるためにシャフト下部316を取り囲んでおり、それによりロータ312を回転させる。
ロータ312は複数のディスク320を含み、これらディスクは、隣接するディスク320間に間隙322を形成するように離間されている。ディスク320は、ディスク320から間隙322内へと延出する任意選択的な***324を含む。***324は、ディスク320の表面粗さを増加させる。表面粗さの増加によって、間隙322内の流体とディスク320との間の抗力を増大させ、ディスク320から流体への運動量移動を増加させる。粗さの増加はまた、ディスク320の上側にわたって流れる流体の層流境界層の厚さを増大させる。***324に起因する層流境界層の厚さを増大させることによって、流体に所与のトルクを加えるために滑らかな表面を備えるディスクを用いるロータと比較して、間隙322がより大きい、より少数のディスク320を使用することを促す。***324はまた、ディスク間に橋絡部を形成することによって、間隙322を、ディスク320の表面にわたって半径方向により均一なサイズにするように促して、ディスク320が互いに近くに動いたりまたは反ったりするのを阻止し得る。
ロータ312は、上端ディスク326および下端ディスク328を含む。上端ディスク326および下端ディスク328は、ロータ312のディスク320よりも厚みがあり、ロータ312内での剛性を高めている。ディスク320は、通しボルト330によって上端ディスク326および下端ディスク328に結合される。上端ディスク326はシャフト上部314に結合される。下端ディスク328はシャフト下部316に結合される。例えば、ネジ接続またはサークリップによって、上端ディスク326はシャフト上部314に結合され、および下端ディスク328はシャフト下部316に結合され得る。
あるいは、シャフト上部314および上端ディスク326は単一部片に形成され得る。シャフト上部314および上端ディスク326は、例えば、3次元印刷、または任意の他の好適な方法によって、単一部片に形成され得る。同様に、シャフト下部316および下端ディスク328は、単一部片に形成されても、および例えば、3次元印刷または任意の他の好適な方法によって形成されてもよい。
シャフト上部314は、ハウジング302の上壁306にある上方シャフト開口部331を貫通して延在する。シャフト上部314はリップ332を含み、このリップは、上方シール333を押して、上壁306を通過する流体の漏れを阻止する。上方シール333とハウジング302の上壁306との間に上方シャフト軸受334が設置される。リップ332、上方シール333、および上方シャフト軸受334は、ハウジング302の上壁306にある上方切り欠き部335内に受け入れられる。
同様に、シャフト下部316は、ハウジング302の下壁308にある下方シャフト開口部336を貫通して延在する。シャフト下部316はリップ337を含み、このリップは、下方シール338を押して、シャフト下部316の周りでの、下壁308を通過する流体の漏れを阻止する。下方シール338とハウジング302の下壁308との間に下方シャフト軸受339が設置される。リップ337、下方シール338、および下方シャフト軸受339が、ハウジング302の下壁308にある下方切り欠き部340内に受け入れられる。
上方軸受334および下方軸受339は、例えば、電子力学的な同極の浮上軸受(electrodynamic homopolar levitating bearings)または能動型空気軸受(aerodynamic bearing)とし得、シャフト上部314およびシャフト下部316をハウジング302に対して「浮かせ」て、回転の際のシャフト上部314およびシャフト下部316上での摩擦抵抗力を低減させる。電子力学的な同極の浮上軸受または能動型空気軸受は、シャフト上部314およびシャフト下部316およびロータ312の重量を完全に支持するわけではないかもしれない。軸受334および339が電子力学的な同極の浮上軸受または能動型空気軸受である事例では、軸受334、339はラジアル軸受にすぎず、シャフト上部314およびシャフト下部316およびロータ312の重量のほとんどは、下記でさらに説明するように、他の軸受によって支持される。
シャフト上部314は中空であり、かつ上方入口341を含む。同様に、シャフト下部316は中空であり、かつ下方入口342を含む。ディスク320のそれぞれは、中空のシャフト上部314およびシャフト下部316と整列された中心開口部343を含んで、上方入口341および下方入口342を通って入る流体が、ロータ312を通って、ディスク320間の間隙322内へと流れ得るようにする。
上方入口341および下方入口342を設けることによって、単一の入口と比較して入口の断面積を増大させ、シャフト上部314およびシャフト下部316およびロータ312を通る流体の流速を低下させるのを促す。さらに、上方入口341および下方入口342を設けることによって、入口341および342のうちの一方を通って流入する流体が流れる距離を短くする。流れを減少させ、かつ流れる距離を短くすることによって、シャフト314および316およびロータ312を通って移動する流体に起因する効率損失を低減させ得る。あるいは、シャフト上部314およびシャフト下部316の一方は、せん断流ポンプ300が単一の入口を含むように、中実とし得る。
場合によっては、モータ318は、例えば、モータ318が冷却剤ストリーム内にあるときなど、モータ318を冷却するための追加的な構造を含み得る。冷却構造は、例えば、電気モータ318の巻き線を冷却するために、巻き線内およびその周りに、冷却流体が流れるためのチャンネルを含み得る。
ディスク320を含むロータ、および上端ディスク326および下端ディスク328は、自由回転の内側シュラウド344、自由回転の外側シュラウド345、および固定多孔質膜346内で回転する。本明細書では、「自由回転」は、ロータ312およびシャフト上部314およびシャフト下部316とは無関係に、内側シュラウド344および外側シュラウド345が回転することを意味する。
内側シュラウド344は、内側上端ディスク348、内側下端ディスク350、および内側多孔質膜352を含む。内側多孔質膜352は、内側上端ディスク348の外縁と内側下端ディスク350の外縁との間に延在する。内側上端ディスク348は、ロータ312の上端ディスク326とハウジング302の上壁306との間に位置決めされる。内側上端ディスク348は、シャフト上部314の周囲にぴったり合うように、環状形状である。内側上端ディスク348とシャフト上部314との間に、任意選択的な上方内側ラジアル軸受349が設置される。内側下端ディスク350は、下端ディスク328とハウジング302の下壁308との間に位置決めされ、およびシャフト下部316の周囲にぴったり合うように、環状形状である。内側下端ディスク350とシャフト下部316との間に、任意選択的な下方内側ラジアル軸受351が設置される。内側上端ディスク348および内側下端ディスク350の直径は、ディスク320の直径よりも大きく、内側シュラウド344がロータ312を効果的に取り囲むようにしている。
同様に、外側シュラウド345は、外側上端ディスク354、外側下端ディスク356、および外側多孔質膜358を含む。外側多孔質膜358は、外側上端ディスク354の外縁と外側下端ディスク356の外縁との間を延在する。外側上端ディスク354は、内側上端ディスク348と上壁306との間に位置決めされ、およびシャフト上部314の周囲にぴったりと合うように、環状形状である。外側上端ディスク354とシャフト上部314との間に、任意選択的な上方外側ラジアル軸受355が設置される。外側下端ディスク356は、内側下端ディスク350とハウジング302の下壁308との間に位置決めされ、およびシャフト下部316の周囲にぴったり合うように、環状形状である。外側下端ディスク356とシャフト下部316との間に、任意選択的な下方外側ラジアル軸受357が設置される。外側上端ディスク354および外側下端ディスク356の直径は、内側上端ディスク348および内側下端ディスク350よりも大きく、外側シュラウド345が内側シュラウド344およびロータ312を効果的に取り囲むようにしている。
固定多孔質膜346は、外側シュラウド345とハウジング302の側壁304との間で、外側膜358の周りに、上壁306から下壁308まで延在する。固定多孔質膜346とハウジング302の側壁304との間の空間は、出口プレナムチャンバー360を形成する。出口プレナムチャンバー360は、ハウジング302の上壁306に出口362を有する。
内側多孔質膜352、外側多孔質膜358、および固定多孔質膜346は、開口部または細孔(図示せず)を含んで、ロータチャンバー310内にある流体が、膜352、358、346を通過できるようにし得る。膜352、358、346は、ディスク320と同じ材料から形成され得、例えば、孔または細孔は、材料からの切断または打ち抜きによって形成される。多孔質膜352、358、および346は、例えば、チタンまたは任意の好適な金属またはプラスチックなどの任意の好適な材料を用いて、例えば、キャスティングまたは三次元印刷によって、形成され得る。あるいは、多孔質膜352、358、346は、ワイヤメッシュ、または天然の多孔質物質、例えばファブリックから形成され得、これは、例えば、金属インサートまたは任意の他の好適な材料によって補強され得る。
ロータ312の下端ディスク328と内側シュラウド344の内側下端ディスク350との間に第1の軸受364が設置される。内側下端ディスク350と外側シュラウド345の外側下端ディスク356との間に第2の軸受366が設置される。外側下端ディスク356とハウジングの下壁308との間に第3の軸受368が設置される。
図4Aを参照すると、下方内側軸受351、下方外側軸受357、第1の軸受364、第2の軸受366、および第3の軸受368の配置構成の拡大図が示されている。第1の軸受364は、下端ディスク328内の切り欠き部404と、切り欠き部404と協働する、内側端部ディスク350内の切り欠き部406とによって形成された第1の空洞402内に載置される。第2の軸受366は、内側下端ディスク350内の切り欠き部410と、切り欠き部410と協働する、外側下端ディスク356内の切り欠き部412とによって形成された第2の空洞408内に載置される。第3の軸受368は、外側下端ディスク356内の切り欠き部416と、切り欠き部416と協働する、ハウジング302の下壁308内の切り欠き部418とによって形成された第3の空洞414内に載置される。
下方内側ラジアル軸受351は、内側下端ディスク350の内縁とシャフト下部316との間の第1の間隙420内に設置される。下方外側ラジアル軸受357は、外側下端ディスク356の内縁とシャフト下部316との間の第2の間隙422内に設置される。下方内側ラジアル軸受351と端部ディスク328との間に第1のスペーサ424が設置され、下方内側ラジアル軸受351と下方外側ラジアル軸受357との間に第2のスペーサ426が設置され、および下方外側ラジアル軸受357とハウジング302の下壁308との間に第3のスペーサ428が設置される。
図4Bは、下方内側ラジアル軸受351および下方外側ラジアル軸受357が省略されている、代替的な配置構成を示す。この代替的な配置構成では、内側シュラウド344および外側シュラウド345は、第1の軸受364、第2の軸受366、および第3の軸受368によって十分に支持される。この場合、図4Bに示す各軸受は、アキシアル荷重およびラジアル荷重の双方を支持できるタイプのものである必要があるとし得る。
図4Aおよび図4Bに示す配置構成と同様に、ロータ312の上端ディスク326と内側シュラウド344の内側上端ディスク348との間に第4の軸受370が設置される;内側上端ディスク348と外側シュラウド345の外側上端ディスク354との間に第5の軸受372が設置される;および外側上端ディスク354とハウジング302の上壁306との間に第6の軸受374が設置される。さらに、図4Aに示す配置構成と同様に、任意選択的な上方内側ラジアル軸受349が、内側上端ディスク348とシャフト上部314との間に設置され、および任意選択的な上方外側ラジアル軸受355が、外側上端ディスク354とシャフト上部314との間に設置される。軸受349、355、370、372、および374の配置構成は、図4Aおよび図4Bを参照して上記で説明した構造に酷似しているため、さらに説明することはしない。
軸受364〜374は、例えば、炭素繊維製リング、電子力学的な同極の浮上軸受、または任意の他のタイプの好適な軸受、または複数のタイプの軸受の混合物とし得る。軸受364〜374は、内側シュラウド344および外側シュラウド345をハウジング302およびロータ312に対して位置決定する一方で、内側シュラウド344および外側シュラウド345が、ロータ312および上端ディスク326および下端ディスク328とは実質的に無関係に、回転するのを促す。
ロータ312の軸が、垂直に、または水平からある角度で装着される場合には、軸受364〜374は、ロータ312、シャフト上部314、およびシャフト下部316の重量を支持する必要があるとし得る。さらに、追加的な主スラスト軸受(図示せず)も、ロータ312、シャフト上部314、およびシャフト下部316の全重量を支持するために含まれ得る。あるいは、ロータ312の軸は、水平に装着される。ロータ312の軸が水平に装着される場合、ロータ312、シャフト上部314、およびシャフト下部316の全重量は、軸受334および339によって支持され得る。
動作中、シャフト下部316は、例えばモータ318やタービンなどにより、外部から加えられるトルクによって、回転される。シャフト下部316の回転によって、ロータ312およびシャフト上部314の回転を引き起こす。流体は、シャフト上部314にある上方入口341およびシャフト下部316にある下方入口342を通って、せん断流ポンプ300に流入する。流体は、中心開口部343を通過してロータ312内へ、および回転しているディスク320間の間隙322内へと入る。粘性せん断によって、間隙322内にある流体は、回転しているディスク320によって引きずられ、流体が、ディスク320の縁の方へ向かって外向きに、螺旋経路に沿って、円運動で流れるようにする。
間隙322から流出する流体は、ディスク320の縁に対して接線方向の経路を辿り、その速度は、ロータ312の回転に起因してディスク320の縁が動いている速度にほぼ等しい。
内側シュラウド344、外側シュラウド345、および固定多孔質膜346は、比較的高速で回転するロータ312とハウジング302の静止側壁304との間に、相対速度が低減される多孔性隔膜を形成する。動作中、回転しているディスク320から出る流体は、内側膜352の上側にわたって流れ、および外側膜358が粘性せん断を生じ、それにより、内側シュラウド344および外側シュラウド345の回転を引き起こす。
内側シュラウド344および外側シュラウド345はそれぞれ、シュラウドの両側の表面の回転速度の中間の速度で回転する。例えば、内側シュラウド344は、ロータ312の回転速度と外側シュラウド345の回転速度との中間の速度で回転する。同様に、外側シュラウド345は、内側シュラウド344の回転速度と、固定多孔質膜346の回転速度であるゼロとの間の中間の速度で回転する。
ロータ312の回転によって、側壁304の方へ、外向きに加速される流体は、内側膜352、外側膜358、および固定多孔質膜346を段階的な流れで通過する。ロータ312のディスク320の外縁において流出する流体の角速度は、半径方向の流体の速度と比較して、非常に大きい。流体の角速度成分は、内側膜352、外側膜358、および固定膜346のそれぞれを通過することによって、減少される。固定膜346から出る流体は、ゼロに達する角速度成分を有する。ロータ312を出る流体の角速度を減少させることによって、内側シュラウド344、外側シュラウド345、および固定膜346は角速度を圧力に変換する(ベルヌーイの法則を参照)。
流体は、固定多孔質膜346を通ってプレナムチャンバー360に入る。プレナムチャンバー360内の流体の静圧は、入口341、342における流体と比較して、回転しているディスク320から流体に与えられる運動エネルギー(これは圧力に変換される)に起因して、高められている。プレナムチャンバー360内の流体は、出口362を通って出る。出口362に調整器(図示せず)が設けられて、せん断流ポンプ300から流出する所望の流速を維持し得る。
図3は、外側シュラウド345内に取り囲まれた内側シュラウド344を示し、それらは双方とも固定多孔質膜346内に取り囲まれているが、その代わりに、固定多孔質膜346を備えてまたは備えずに、内側シュラウド344および外側シュラウド346の一方のみが含まれても、または3つ以上のシュラウドが含まれてもよい。あるいは、固定多孔質膜346のみが含まれてもよい。
図3は、シャフト上部314およびシャフト下部316に結合されたロータ312を示すが、その代わりに、シャフト上部314が省略されて、およびロータ312が、片持ち式にシャフト下部316に結合され得る。
ここで図5を参照すると、円錐状のロータを有する例示的なせん断流装置500が示されている。せん断流装置500は、円錐状のロータを用いることによって、ハウジングの抗力を低減させるように設計されている。円錐形ロータは、相対速度が最高である最大半径におけるロータの部分の表面積を減少させ、ハウジングの抗力によって失われるエネルギーを減少させ、かつロータの効率を高める。ハウジングの抗力は、さらに、ロータの周りに自由回転の多孔質シュラウドを使用することによって、減少され得る。さらに、ディスク間の高速の半径方向速度によって、装置の効率およびその動作範囲を制限し得る。円錐形状は、軸の近くのディスク526間の半径方向流体速度を低減させることによって、扁平円筒状(flat cylindrical shape)の同様のロータと比較すると、効率を高め得る。
図5に示すせん断流装置500は、タービンモードまたはポンプモードのいずれかで動作され得る。せん断流装置500は、ロータ用空洞504を規定するハウジング502を含む。ロータ用空洞504内にロータ506が閉じ込められる。ハウジング502は第1のシャフト開口部508を含み、そこを貫通して、第1のシャフト部分510がハウジング502内へと延在し、かつ第1のエンドキャップ512によってロータ506に結合する。ハウジングは第2のシャフト開口部514を含み、そこを貫通して、第2のシャフト部分516がハウジング502内へと延在し、かつ第2のエンドキャップ518によってロータ506に結合する。
第1のシャフト部分510および第2のシャフト部分516は中空である。第1のシャフト部分510は第1のアキシャルポート520を含み、および第2のシャフト部分516は第2のアキシャルポート522を含む。
ポンプモードでは、第1のシャフト部分は、第1のシャフト部分510を回転させるモータ524に結合され、ロータ506の回転を引き起こす。タービンモードでは、モータは、例えば装置500によって生じた回転エネルギーを電気に変換し得るジェネレータ524と交換され得る。
ロータ506は複数のディスク526を含み、これらディスクは離間されて、隣接するディスク526間に間隙528を形成するようにする。ディスク526は、同心状に整列された、直径が異なる平板ディスクである。ディスク526は直径によって配置されて、ベースで接合された2つの円錐体と同様に、ロータ506が全体的に円錐形状を有するようにする。最大直径のディスク526はロータ506の中央に設置され、および最小直径のディスク526は、第1および第2のシャフト部分510、516に最も近い、ロータ506の最外端部に設置される。あるいは、せん断流装置500のロータ506の全体的な形状は、例えば、図11に示すロータと同様の単一の円錐体を有し得る。
ここで図6を参照すると、ロータ506において使用するのに好適なディスク526の例が示されている。各ディスク526は、ロータ506と中空の第1および第2のシャフト部分510、516との間の流体の軸流を促す中心開口部602を有する。各ディスク526は、ディスク526の平面606にわたって複数のディスクアパーチャ604を含む。図6に示す例示的なディスク526のディスクアパーチャ604は、第1のリング608、第2のリング610、および第3のリング612の形態で配置されるが、ディスクアパーチャ604は、ディスク526の平面606にわたって何らかの形態で配置され得る。
ディスク526はまた、ディスク526の外縁616に切り欠き部614を含む。ディスク526がロータ506に組み込まれると、ディスクアパーチャ604および切り欠き部608は、ディスク526の平面606を通りかつ外縁610における流体の流れを促す。
ディスク526は複数の***618を含む。***618は、ロータ内に取り付けられると、例えば、隣接するディスク526間の間隙528を維持するために、隣接するディスク526からディスク526を離間し得る。さらに、***618は、その代わりに、またはそれに加えて、ディスク526の表面から、異なる様々な高さで延出し、およびまた、平坦なディスク上の粗さと同様の機能を果たし、ディスク526の上側にわたって流体の流れを層流化し得る。***618は、例えば、シートメタルディスク526を打ち抜くことによって、形成され得る。打ち抜きにより***618を形成することによって、ディスク526の背面(図示せず)に、対応する凹み(図示せず)を形成する。ディスク526がロータ内に取り付けられると、ディスク526は、隣接するディスク526に対して回転され得、ディスク526の***618が、隣接するディスク526の凹みと整列されないようにして、ディスク526を適切に離間させる。
ディスク526は、複数の通しボルト開口部620を含む。ディスク526がロータ506内に取り付けられると、通しボルトは通しボルト開口部620を通過して、複数のディスク526を一緒に結合する。通しボルト開口部620の総数は、ディスク526がロータ506に取り付けられるときに、1つのディスク526の***618が隣接するディスク526の凹みからオフセットされるようにディスク526が隣接するディスクに対して回転され得るように、選択される。
ロータ506は、それぞれ第1および第2のエンドキャップ512、518によって、第1および第2のシャフト部分510、516に結合される。引き続き図5を参照しながら、ここで図7を参照すると、ロータ506、第2のシャフト部分516、および第2のエンドキャップ518の配置構成が示されている。
第1のエンドキャップ512は第1のシャフト部分510に接続され、および第2のエンドキャップ518は第2のシャフト部分516に接続される。第1のエンドキャップ512は、例えばネジ接続などの任意の好適な方法によって第1のシャフト部分512に接続される別個の要素とし得る。あるいは、第1のエンドキャップ512および第1のシャフト要素510は単一の要素に形成され得る。同様に、第2のエンドキャップ518は、別個の要素としてもよいし、または第2のシャフト部分516と一緒に単一の要素に形成されてもよい。
第1および第2のエンドキャップ512、518は、ロータ506の中間領域704にあるものを除いて、全てのディスク526を覆い囲んで、流体がディスク526の外縁の周りを再循環するのを阻止する。エンドキャップ512、518は中間領域704を被覆しないため、下記で説明するノズルおよびコレクター入口は、塞がれない。第1および第2のエンドキャップ512、518によってロータ506を囲うことはまた、ロータ506とハウジング502の壁との間の抗力を低減させる。
通しボルト702は、第1のエンドキャップ512から第2のエンドキャップ518まで、より大きな直径のディスク526の通しボルト孔620を通って延在する。通しボルト702は、図9に示すように、ロータ506の端部の方に設置されたより小さな直径のディスク526を通過しなくてもよい。これらのより小さな直径のディスク526は、第1および第2のエンドキャップ512、518の圧迫によって、適所に保持される。
ここで図5に戻ると、第1のシャフト部分510は第1のリップ530を含む。第1のリップ530は、第1のカーボンフェースシール532に押し付けられて、流体が第1のシャフト部分の周りでロータ用空洞504から漏出するかまたはそこに流入するのを阻止する。第1のカーボンフェースシールとハウジング502との間に設置された第1のラジアル軸受534は、ハウジング502内に第1のシャフト部分510を支持する。第1のリップ530、第1のカーボンフェースシール532、および第1のラジアル軸受534は、第1のシャフト開口部508にある第1の切り欠き部536内に設置される。同様に、第2のシャフト部分516は、第2のカーボンフェースシール540に押し付けられる第2のリップ538を含む。第2のカーボンフェースシール540とハウジング502との間に第2のラジアル軸受542が設置される。第2のリップ538、第2のカーボンフェースシール540、および第2のラジアル軸受542は、ハウジング502の第2のシャフト開口部514にある第2の切り欠き部544内に設置される。第1および第2のラジアル軸受534、542は、例えば、同極の電子力学的な浮上軸受、能動型空気軸受、または任意の他の好適なタイプの軸受である。
せん断流装置500は、第1および第2の自由回転の内側シュラウド546、548および第1および第2の自由回転の外側シュラウド550、552を含む。第1および第2の内側シュラウド546、548は、ロータ用空洞504の内壁とロータ506との間の空間、および第1および第2のエンドキャップ512、518とロータ506との間の空間において自由に回転する。第1および第2の外側シュラウド550、552は、第1および第2の内側シュラウド546、548とロータ用空洞504の内壁との間の空間において自由に回転する。
上述のせん断流ポンプ300のシュラウド344、345と同様に、自由回転するシュラウド546、548、550、552は、ハウジング502とロータ506との間の抗力を低減させる。シュラウド546、548、550、552は、ロータ506の中間領域704において、対向するシュラウド間に間隙を有して、片持ち式に装着されて、ノズルからの流体がディスク526の方へ方向付けられるのを容易にする。例えば、タービンの機能性が所望でない場合、シュラウド546、548、550、552は、前述のせん断流ポンプ300のシュラウド344、345と同様にそれらの構造のいくつかまたは全てが多孔質で作製された場合に、ロータ506を完全に取り囲み得る。
第1および第2の内側シュラウド546、548は、第1および第2の内側シュラウド546、548と第1および第2のシャフト部分510、516との間に設置されるそれぞれ第1および第2の内側ラジアル軸受560、562によって、支持される。同様に、第1および第2の外側シュラウド550、552は、第1および第2の外側シュラウド550、552と第1および第2のシャフト部分510、516との間に設置される第1および第2の外側ラジアル軸受564、566によって支持される。第1および第2の内側ラジアル軸受560、562および第1および第2の外側ラジアル軸受564、566は、例えば、同極の電子力学的な浮上軸受、能動型空気軸受、または任意の他の好適なタイプの軸受とし得る。
さらに、第1の内側シュラウド546および第1の外側シュラウド550は、第1のエンドキャップ512と第1の内側シュラウド546との間に設置される第1のスラスト軸受568、第1の内側シュラウド546と第1の外側シュラウド550との間に設置される第2のスラスト軸受570、および第1の外側シュラウド550とハウジング502との間に設置される第3のスラスト軸受572によって支持される。同様に、第2の内側シュラウド548および第2の外側シュラウド552は、第2のエンドキャップ518と第2の内側シュラウド548との間に設置される第4のスラスト軸受574、第2の内側シュラウド548と第2の外側シュラウド552との間に設置される第5のスラスト軸受576、および第2の外側シュラウド552とハウジング502との間に設置される第6のスラスト軸受578によって支持される。スラスト軸受568、570、572、574、576、および578は、図4Aおよび図4Bを参照して上記で説明した切り欠き部および軸受の配置構成と同様に形成される切り欠き部内に設置され得る。
スラスト軸受568、570、572、574、576、578は、例えば、同極の電子力学的な浮上軸受、炭素繊維製リング、球軸受、または任意の他の好適なタイプの軸受とし得る。
ハウジング502は、ディフューザ582を含むコレクタープレナム用空洞580を含む。コレクタープレナムは、複数のコレクターポート584によってロータ用空洞504と流体連通している。コレクターポート584は、任意選択的に、多孔質コレクター膜586を含む。ハウジング502はまた、複数のノズルプレナム用空洞588を含む。
図8は、せん断流装置500の3個のコレクターポート584a、584bおよび584cを含み、それぞれ、多孔質コレクター膜586a、586b、および586cを含む。せん断流装置500は、追加的なコレクターポート584および多孔質膜586を含むが、これは、図8に示す図には含まれない。2つのノズル出口590a、590bが示されている。2つの他のノズル出口590は、図8に示す図には示されていない。
ここで図9を参照すると、ハウジング502の周囲部分が切り取られた、コレクタープレナム用空洞580、ディフューザ582、多孔質膜584、およびノズル586の図が示されている。4個の多孔質膜586a〜dが、4個のコレクターポート584a〜dのそれぞれに1つずつ設けられる。コレクターポート584a〜dは、それぞれ、コレクターポート584a〜dとコレクタープレナム用空洞580との間の流体連通を促す関連のディフューザ用空洞582a〜dを有する。コレクタープレナム用空洞580は出口592を含む。多孔質膜586a〜dは、図3に示すせん断流ポンプ300の多孔質膜352、358、346に好適な上述の材料と同様の任意の好適な材料で形成され得る。多孔質膜586a〜dは、ディスク526の外縁616の近くに表面を形成する。ポンピング動作の最中にディスク526から出る流体は、その半径方向速度と比較して高角速度で、多孔質膜586a〜dを越えて流れる。多孔質膜586a〜dの表面に平行に、多孔質膜586a〜dを越えて流れる高角速度の流体は、境界層を形成する。流体から見るときのコレクターポート584a〜dの断面積は半径方向の流速に対して大きく、半径方向の遅い流れ速度に起因して、多孔質コレクター膜586a〜dを通ってコレクターポート584a〜d内へ流れる流体の効率的な流れを可能にする。
せん断流装置500は4個のノズルプレナム用空洞588を含むが、図9には2個のノズルプレナム用空洞588a、588bが示され、コレクタープレナム用空洞580の明瞭な図を提供するために、2個の他のノズルプレナム用空洞588は省略される。図9に示すノズルプレナム用空洞588a、588bに加えて、2個のノズルプレナム用空洞588がせん断流装置500内に含まれていることが理解される。
ノズルプレナム用空洞588a、588bは、それぞれ、ノズル入口594a、594bを含む。ノズル出口590a、590bから出る流体は、多孔質膜586a〜dによって妨害されずに、ディスク526へと方向付けられ得るように、多孔質膜586a〜dは空間によって分離されている。ノズル出口590は、ロータ506の円周上で均一に離間され得、対向するノズル出口590から出る流体ジェットが、それぞれによって生じた半径方向力を釣り合わせる。
ノズル588は個別に制御可能として、タービンによってより多くの流れが必要とされるときに、ノズル588が、例えば、段階的に起動されるように、最適な制御をもたらし得る。さらに、各ノズル588の流体の流速は、流れをより細かく制御できるように、調整され得る。
せん断流装置500がタービンとして動作されると、流体は、ノズル入口594を通って入る。流体はゆっくりになり、およびノズルプレナム用空洞588で膨張し、ノズル出口590を出る流体ジェットのより均一な速度分布を促す。ノズル入口594は十分に大きくて、流体が、ノズル出口590から出る前に、プレナムチャンバー内で確実に超音速にならないようにする十分な流れに適応させる必要がある。流体は、ディスク526の縁616に対して接線方向の高速流体ジェットとしてノズル出口590から出る。粘性せん断に起因して、流体はディスク526を引きずり、ディスク526の角速度を増大させ、かつ第1および第2のシャフト部分510、516にトルクを加える。流体は、流体がロータ506を通過して、ディスク526にある中心開口部602を経由して第1および第2のシャフト部分510、516に入るまで、螺旋経路を辿って間隙528を通って内向きに流れる。流体は、第1および第2のシャフト部分510、516を通って第1および第2のアキシャルポート520、522の方へ流れ、せん断流装置500から出る。第1および第2のシャフト部分510、516に適用されるトルクは、シャフト部分510、516の回転を引き起こし、それにより、今度は、第1のシャフト部分510のうちの1つに結合されたジェネレータ524の回転を引き起こし得る。ジェネレータは、電気を生成し得るか、またはそうでなければ、回転されたシャフトによって生成された運動エネルギーを用い得る。せん断流装置500の効率を高めるために、ジェネレータ524によって第1および第2のシャフト部分510、516の一方または他方に加えられた制動トルクは調整され得る。それに加えて、またはその代わりに、せん断流装置の効率は、ノズルプレナム用空洞588を通る流体の流速を制御することによって高められ得る。
せん断流装置300をポンプモードで動作するとき、モータ524は第1のシャフト部分510を回転させ、それによりロータ506を回転させる。流体は、第1および第2のアキシャルポート520、522を通って第1のシャフト部分510および第2のシャフト部分516に入る。流体は、第1および第2のシャフト部分510、516を通って、中心開口部602を経由してロータ506内へと流れる。流体は、ディスク526間の間隙528に流入する。回転しているディスク526から流体に加えられるせん断力は、間隙528内の流体を、ディスク526の外縁616の方へ螺旋運動で引きずる。ディスク526の外縁616において、流体は、アパーチャおよびディスク526の切り欠き部614を通って、ロータ506の中央に向かって流れる。第1および第2のエンドキャップ512、518は、流体が、エンドキャップ512、518内に閉じ込められるディスク526間で再循環するのを阻止し、およびハウジング502に対する抗力を低減させる。第1および第2の内側シュラウド546、548および第1および第2の外側シュラウド550、552は、上述のシュラウド344、345と同様に、ハウジング502に起因する流体に対する抗力を低減させる。流体は、多孔質膜586を通ってコレクターポート584内へと拡散し、かつコレクタープレナム用空洞580内に集まる。コレクタープレナム用空洞では、流体は膨張し、かつ、コレクター出口592を通過する前にさらにゆっくりになる。コレクター出口592には調整器(図示せず)が含まれて、ポンプとして動作するとき、せん断流装置500を通る流速およびその効率を制御し得る。それに加えて、またはその代わりに、モータの角速度も、ポンプとして動作されるときに、せん断流装置500の流速および効率を制御するように調整され得る。
図10Aおよび図10Bを参照すると、ディスク1000の代替的な設計が示されている。ディスク1000は、ロータ506の1つ以上のディスク526の代わりに、図5に示すせん断流装置500に組み込まれ得る。
ディスク1000は、内側ディスク1004から半径方向外向きに延在する複数の剛毛(bristles)1002を含む。内側ディスク1004は***1006を含み得る。ロータ内に取り付けられると、***1006は、例えば、隣接するディスク1000からディスク1000を離間させ、ディスク1000間の間隙を維持し得る。***1006は、図6を参照して上記で説明したディスク526内への***618の形成と同様に、形成され得る。中心開口部1008は、内側ディスク1004の中心に含まれて、ディスク1000が、中空シャフトに結合されたロータに装着されると、流体は、中空シャフトから中心開口部1008を通ってロータ内へと流れ得る。内側ディスク1004は、ロータ内に取り付けられるとディスク1000を一緒に結合する通しボルトを受け入れる、複数の通しボルト開口部1010を含む。
剛毛1002は、異なる横断面を有し得る。図10Bは、剛毛1002の様々な横断面の例を示す。剛毛1012は円形の横断面を有する。剛毛1012は、例えば、中心ディスク1004に取り付けられたワイヤから形成され得る。剛毛1014は正方形の横断面を有する。剛毛1014は、例えば、中実ディスクから剛毛1014をレーザ切断することによって形成され得、ディスクの非切断部分が内側ディスク1004を形成する。剛毛1016は、翼形を形成する扁平な横断面を有する。翼形の横断面は、抗力を低減させることによって、ロータの効率を高め得る。
ロータ内に取り付けられると、流体は、剛毛1002間の空間1018を通って流れ、ディスク1000を通る流体の軸流を促進し得る。さらに、剛毛1002は、平坦なディスク上の粗さと同様に機能し、ディスク1000にわたって流体の流れを層流化する。
ここで図11を参照すると、多段せん断流装置1100が示されている。多段せん断流装置1100は、第1のせん断流段1102と、コネクタ段1180によって第1のせん断流段に結合される第2のせん断流段1140とを含む。第1および第2のせん断流段1102、1140と同様の追加的な段も、それらの間の追加的なコネクタ段1180によってシャフトに追加され得る。
第1のせん断流段1102は、第1の空洞1105に第1のロータ1106を収容する第1のハウジング1104を含む。第1の流段1102はまた、第1のシャフト部分1108および第2のシャフト部分1110を含む。第1のロータ1106は、上述のせん断流装置500のロータ506のディスク526と同様のディスク1112を含む。第1のロータ1106は、単一の円錐体の形状を有する一方で、ロータ506は二重円錐形を有し、第1のロータ1106は、他の点ではロータ506と同様である。
第1のシャフト部分1108は中実であり、およびポンプの動作の最中にはモータ1114に、およびタービンの動作の最中にはジェネレータ1114に結合され得る。第1のシャフト部分1108は、せん断流装置における第1のシャフト部分510の装着と同様に、第1のハウジング1104内に装着されるため、さらにここで説明することはしない。
第1のシャフト部分1108は第1の端部ディスク1116に結合される。自由回転する第1の内側ディスク1117および自由回転する第1の外側ディスク1119は、第1の端部ディスク1116とハウジング1104との間に設置される。第1の内側ディスク1117および第1の外側ディスク1119は、第1のシャフト部分1108の周りを自由に回転する。第1のラジアル軸受1121は、第1の内側ディスク1117と第1のシャフト部分1108との間に設置されて、第1の内側ディスク1117を支持する。同様に、第2のラジアル軸受1123は、第1の外側ディスク1119と第1のシャフト部分1108との間に設置されて、第1の外側ディスク1119を支持する。第1および第2のラジアル軸受1121、1123の構造および取り付けは、せん断流装置500に関して既に説明した第1の内側ラジアル軸受560および第1の外側ラジアル軸受564と同様であり、ここでさらに説明はしない。
第1の端部ディスク1116と第1の内側ディスク1117との間に形成された切り欠き部に第1のスラスト軸受1125が設置され、第1の内側ディスク1117と第1の外側ディスク1119との間に形成された第2の切り欠き部に第2のスラスト軸受1127が設置され、および第1の外側ディスク1119と第1のハウジング1104にある第1の空洞1105の内壁との間に形成された切り欠き部に第3のスラスト軸受1129が設置される。
同様に、第1の内側シュラウド1122と第2のシャフト部分1110との間に第3のラジアル軸受1133が設置され、および第1の外側シュラウド1124と第2のシャフト部分1110との間に第4のラジアル軸受が設置される。第1のエンドキャップ1118と第1の内側シュラウドとの間に第4のスラスト軸受1135が設置され、第1の内側シュラウド1122と第1の外側シュラウド1124との間に第5のスラスト軸受1136が設置され、および第1の外側シュラウド1124と第1のハウジング1104にある第1の空洞1105の内壁との間に第6のスラスト軸受1137が設置される。ラジアル軸受1121、1123、1133、1134およびスラスト軸受1125、1127、1129、1135、1136、1137の構造および取り付けは、図4Aおよび図4Bを参照して上記で説明したラジアル軸受351、357およびスラスト軸受364、366、368の構造および配置構成と同様であり、およびここでさらに説明はしない。
第2のシャフト部分1110は、第1の端部部分1115を除いて、ディスク704の中心部分を露出する第2のエンドキャップ518と同様に、ロータ1106のディスク1112を取り囲む第1のエンドキャップ1118に結合される。第2のシャフト部分1110は中空であり、および第1のアキシャルポート1120を含む。第2のシャフト部分1110は、上述のせん断流装置500内の第2のシャフト部分516の取り付けと同様に、第1のハウジング1104内に取り付けられるため、ここでさらに説明はしない。
通しボルト(図示せず)は、第1の端部ディスク1116から第1のエンドキャップ1118へ延在して、第1のシャフト部分1108を第2のシャフト部分1110に結合し、かつ、上述のせん断流装置500の通しボルト702と同様に、ロータ1106のディスク1112を一緒に保持する。第1のせん断流段1102は第1の内側シュラウド1122および第1の外側シュラウド1124を含み、これらシュラウドは、上述のせん断流装置500の第2の内側シュラウド548および第2の外側シュラウド552と同様に、第1のエンドキャップ1118を取り囲む。第1の内側シュラウド1122および第1の外側シュラウド1124の構造および取り付けは、第2の内側シュラウド548および第2の外側シュラウド552に関して上述の構造および取り付けと同様であるため、ここでさらに説明はしない。
第1のハウジング1102は、複数の第1のコレクターポート1128を有する第1のコレクタープレナム用空洞1126を含む。複数のコレクターポート1128のそれぞれに第1の多孔質膜1130が含まれ得る。第1のハウジングはまた、複数の第1のノズルプレナム用空洞1132を含む。第1のコレクタープレナム用空洞1126、第1のコレクターポート1128、第1の多孔質膜1130、および第1のノズルプレナム用空洞1132は、上述のせん断流装置500の収集プレナム用空洞580、収集ポート584、多孔質膜586、およびノズルプレナム用空洞588と同様であるため、第1のコレクタープレナム用空洞1126、第1のコレクターポート1128、第1の多孔質膜1130、および第1のノズルプレナム用空洞1132について、ここでさらに説明はしない。
第2のせん断流段1140は、複数のディスク1145を有する第2のロータ1144を収容する第2のハウジング1142を含む。第2のロータ1144は、中実の第3のシャフト部分1146、および第2の軸方向出口1150を含む中空の第4のシャフト部分1148に結合される。第3のシャフト部分1146は第2の端部ディスク1152に結合され、および第4のシャフト部分1148は第2のエンドキャップ1154に結合される。第2のエンドキャップは、第2の端部部分1153を除いて、上述の第1のエンドキャップ1118と同様に、第2のロータ1144のディスク1145を取り囲む。第2の端部ディスク1152は、第2のロータ1144のディスク1145を通過する通しボルト(図示せず)によって第2のエンドキャップ1154に結合される。第2の内側シュラウド1156および第2の外側シュラウド1158が第2のエンドキャップ1154を取り囲む。自由回転する第2の内側ディスク1160および第2の外側ディスク1162が、第2の端部ディスク1152と第2のハウジング1142との間で第3のシャフト部分1146の周りを自由に回転する。第2のハウジング1142は、第2の多孔質膜1168を含む複数の第2のコレクターポート1166を有する第2のコレクタープレナム用空洞1164を含む。第2のハウジング1142はまた、複数の第2のノズルプレナム用空洞1170を含む。
第2のせん断流段1140の複数の部分の構造および取り付けは、上述の第1のせん断流段1102の複数の部分の構造および取り付けと同様であるため、ここでさらに説明はしない。
コネクタ段1180は、コネクタロータ1182を収容するコネクタハウジング1181を含む。コネクタ段1180は、第1のせん断流段の第2のシャフト部分1110を第2のせん断流段1140の第3のシャフト部分1146に結合する。コネクタ段1180はまた、多段せん断流装置1100がタービンモードで動作するときに、第1のアキシャルポート1120を第2の段の第2のノズルプレナム1170のノズル入口(図示せず)に接続すること、およびせん断流装置1100がポンプモードで動作するときには、第2のコレクタープレナム用空洞1164の出口(図示せず)を第1のアキシャルポート1120に接続することによって、流体移送を容易にする。
コネクタロータ1182は、第1のコネクタディスク1183において、ネジ接続または他の好適な接続によって、第1のせん断流段1102の第2のシャフト部分1110に接続する。コネクタロータ1182は、ネジ接続または他の好適な接続などにより、第2のコネクタディスク1184によって、第2のせん断流段1140の第3のシャフト部分1146に接続する。第1のコネクタディスク1183と第2のコネクタディスク1184との間には、インペラ1185がある。
図12を参照すると、コレクターロータ1182の拡大図が示されている。第1のコネクタディスク1183は、流体をコネクタロータ1182と第2のシャフト部分1110の第1のアキシャルポート1120との間に流すための開口部1200を含む。インペラ1185は、流体が接続段1180を通って流れるのを容易にする一方で、トルクを第2のシャフト部分1110から第3のシャフト部分1146へ伝達するように設計されることを意図する。インペラ1185の設計は、図12に示す例示的なインペラ1185a〜dとは異なり得る。例えば、図12に示す例示的なコネクタロータ1182は、4個のインペラ1185a〜dを含むが、インペラ1185の数は5個以上でもまたは3個以下でもよい。
コネクタロータ1182は、第2のシャフト部分1110と第3のシャフト部分1146との間でトルクを伝達しながら、第2のシャフト部分1110内へ流入するまたはそこから流出する流体の半径流を促すように機能する。図11および図12に示すコネクタロータ1182のインペラ1185a〜dは、流体が中空の第2のシャフト部分1110内へ流入するまたはそこから流出するように半径方向に流れるのを促しながら、第2のシャフト部分1110と第3のシャフト部分1146との間でトルクを伝達する。インペラは、コネクタロータ1182を通って流れる流体に対する抗力を低減させる形状にされ得る。
コネクタロータ1182は、配置構成によって第2のシャフト部分1110と第3のシャフト部分1146との間でトルクを伝達しかつ流体が第1のアキシャルポート1120とコネクタポート1186との間を流れるのを容易にすることを条件に、図11および図12に示すものとは異なる形状および配置構成を有し得る。例えば、コネクタロータ1182の代替的な実施形態は、第2のシャフト部分1110を第3のシャフト部分1146に接続しかつ中空シャフト内へ流入するまたはそこから流出する流体の半径流を容易にする孔を含む中空シャフトによって提供される。
コネクタハウジング1181は、流体がコネクタハウジング1181内へ流入しかつそこから流出するためのコネクタポート1186を含む。内側コネクタシュラウド1187は、コネクタロータ1182を覆い囲む。外側コネクタシュラウド1188は、コネクタロータ1182および内側コネクタシュラウド1187を覆い囲む。固定コネクタ膜1189は、コネクタロータ1182、内側コネクタシュラウド1187および外側コネクタシュラウド1188を覆い囲む。内側コネクタシュラウド1187および外側コネクタシュラウド1188は、第1のせん断流段1102の第1の内側シュラウド1122および第1の外側シュラウド1124と同様の片持ち構造を有する。シュラウド1187、1188、1189は、上述のシュラウドと同様に機能するため、ここでさらに説明はしない。
第1のコネクタラジアル軸受1190が、内側コネクタシュラウド1187とコネクタロータ1182との間に設置されて、内側コネクタシュラウド1187を支持する。第2のコネクタラジアル軸受1191が、外側コネクタシュラウド1188とコネクタロータ1182との間に設置されて、コネクタシュラウド1187を支持する。第1および第2のラジアル軸受1190、1191の構造および取り付けは、第1のせん断流段1102の第1および第2のラジアル軸受1121、1123と同様であり、およびここでさらに説明はしない。
第1のコネクタスラスト軸受1192が、第2のコネクタディスク1184と内側コネクタシュラウド1187との間に形成された切り欠き部に設置される。第2のコネクタスラスト軸受1193が、内側コネクタシュラウド1187と外側コネクタシュラウド1188との間に形成された切り欠き部に設置される。第3のコネクタスラスト軸受1194が、外側コネクタシュラウド1188とコネクタハウジング1181との間に形成された切り欠き部に設置される。第1、第2、および第3のコネクタスラスト軸受1192、1193、1194の構造および取り付けは、第1のせん断流段1102の第1、第2、および第3のスラスト軸受1125、1127、1129と同様であり、およびさらに説明はしない。
多段せん断流装置1100は、タービンモードで動作され得、その場合、コネクタポート1186は、第2のせん断流段1140の第2のノズルプレナム1170のノズル入口(図示せず)に結合され、およびジェネレータ1114は第1のシャフト部分1108に結合される。
タービンモードで動作中、高圧流体が、第1のせん断流段1102の第1のノズルプレナム用空洞1132のノズル入口(図示せず)に入る。流体は、第1のロータ1106のディスク1112の外縁へ接線方向に方向付けられた高速ジェットでノズル出口(図示せず)を通って第1のノズルプレナム用空洞1132から出る。上述の通り、その後、流体は、ディスク1112間の間隙を通って半径方向内向きに流れ、粘性せん断に起因してディスク1112の回転を引き起こす。第1のロータ1106のディスク1112の回転は、第1および第2のシャフト部分1108、1110を回転させ、それにより、ジェネレータ1114に電力を伝達する。接続ロータ1182は、第2のせん断流段の第2のシャフト部分1110から第3のシャフト部分1146へトルクを伝達する。
上述のようなディスク526の流体の通路と同様に、流体は、アパーチャおよびディスク1112にある中心開口部を通ってコレクター段1180の方へ軸方向に移動する。流体は、中空の第2のシャフト部分1110を通って移動し、かつ第1のアキシャルポート1120から出て、コネクタロータ1182のコネクタポート1186を通ってコネクタハウジング1181に入る。その後、流体は、内側コネクタ多孔質シュラウド1187、外側コネクタ多孔質シュラウド1188、および固定多孔質コネクタ膜1189を通過し、コネクタポート1186を通って出る前に、コネクタハウジング1181の流体の角速度を低下させる。コネクタハウジング1181から出る流体は、上述の第1のせん断流段の動作と同様に、第2のノズルプレナム用空洞1170のノズル入口(図示せず)に流入し、かつ第2のロータ1144のディスク1145に方向付けられた高速ジェットとしてノズル入口を通って出る。流体は、第2のロータ1144から中空の第4のシャフト部分1148へ入り、および第2のアキシャルポート1150を通って多段せん断流装置1100を出る。
ポンプまたはコンプレッサモードでの動作中、モータ1114は第1のシャフト部分1108に結合される。モータ1114は、第1のシャフト部分1108、第1のロータ1106、第2のシャフト部分1110、コネクタロータ1182、第3のシャフト部分1146、第2のロータ1144、および第4のシャフト部分1148の回転を引き起こすトルクを加える。低圧流体が、第2のせん断流段1140の第2のアキシャルポート1150を通って多段せん断流装置1100に入る。流体は、第2のロータ1144内に流入し、かつ上述の通り第2のロータ1144を通って半径方向外向きに移動する。流体が、第2の多孔質膜1168を通過して、第2のコレクタープレナム用空洞1166に入る。流体は、出口(図示せず)を通って第2のコレクタープレナム用空洞1166から流出して、コネクタ段1180の接続ポート1186へ運ばれる。流体は、コネクタハウジング1181を通過し、およびコネクタポート1186および第1のアキシャルポート1120を通過して、第1のせん断流段1102に入る。流体は、第1のロータ1106に流入し、かつ上述の通り第1のロータ1106を通って半径方向外向きに移動する。流体は第1の多孔質膜1130を通過して、高圧流体として第1の収集プレナム用空洞に入る。
シャフト1108、1110、1146、1148およびロータ1106、1144、1182の回転方向は、タービンモードおよびポンプモードの双方において同じとし得る。この場合、多段せん断流装置1100は、シャフト1108、1110、1146、1148の回転を停止させることなく、変換され得る。例えば、ポンプモードからタービンモードへは、コネクタ段の結合を第2のコネクタプレナム用空洞1164から第2のプレナムノズル用空洞1170へ変更することによる。この変換は、第1および第2のコレクタープレナム用空洞1126、1164の出口(図示せず)の閉鎖、および第1および第2のノズルプレナム用空洞1132、1170の入口の開放によって、もたらされ得る。
一方のモードから他方のモードへ変換されるとき、第1の段1102、第2の段1140およびコネクタ段1180での流体の流れの半径方向の流速は、反対方向に増加する前に、ゼロまでゆっくりになる。多段せん断流装置の流体の半径流速度は、角速度と比べて比較的小さく、ポンプモードからタービンモードへの移行、またはその逆は、シャフトおよびロータの回転を停止させずに、非常に迅速に発生し得る。
あるいは、多段せん断流装置1100は、もっぱらタービンモードで動作し得る。この場合、第1および第2のコレクタープレナム用空洞1126、1164は省略され得る。
あるいは、多段せん断流装置1100は、もっぱらポンプモードで動作し得る。この場合、第1および第2のノズルプレナム用空洞1132、1170は省略され得る。さらに、ノズルが除去された状態では、第1および第2の内側端部ディスク1117、1160は、それぞれの第1および第2の内側シュラウド1122、1156に接続され得る。同様に、第1および第2の外側端部ディスク1119、1162は、それぞれの第1および第2の外側シュラウド1124、1158に接続され得る。
ここで図13を参照すると、円錐形状のロータ1300の代替的な設計の横断面が示されている。ロータ1300は、例えば、ロータ506の代わりにせん断流装置500に組み込まれ得るか、または第1のせん断流段1102の第1のロータ1106および第2のせん断流段1140の第2のロータ1144の代わりに多段せん断流装置1100に組み込まれ得る。
ロータ1300は、第1の部分1302と、第1の部分1302によく似た第2の部分1304とを含む。第1の部分1302は複数の円錐体1306を含み、これら円錐体は。隣接する円錐体1306間の間隙1308によって離間している。円錐体1306は中心開口部1310を含む。円錐体1306の中心開口部1310は、ロータ1300の第1の外側端部1314において第1のアキシャルポート1312と整列される。流体は、第1の軸方向開口部1312を通って中心開口部1310内へ、および円錐体1306間の間隙1308内へ、軸方向に流れ得る。第1の部分1302の円錐体1306は、例えば、円錐体1306を通過する通しボルト(図示せず)によって、一緒に結合され得る。円錐体1306は***(図示せず)を含み得、これら***は、例えば、円錐体1306間の間隙1308の均一な距離を維持し、ならびに上述のような平坦なディスク320から延出する***324と同様に、円錐体1306の表面粗さを増す。
同様に、第2の部分1304は複数の円錐体1316を含み、これら円錐体は、隣接する円錐体1316間の間隙1318によって離間している。第2の部分の円錐体1316は中心開口部1320を含む。円錐体1316の中心開口部1320は、ロータ1300の第2の外側端部1324において第2のアキシャルポート1322と整列される。流体は、第2の軸方向開口部1322を通って中心開口部1320内へ、および円錐体1316間の間隙1318内へと、軸方向に流れ得る。第2の部分の円錐体1316は、通しボルト(図示せず)によって一緒に結合され得る。円錐体1316は、第1の部分1302の円錐体1306と同様の***を含み得る。
第1の部分1302および第2の部分1304は、中心間隙1326によって分離される。第1の部分1302および第2の部分1304は、例えば、通しボルト(図示せず)によって一緒に結合され得る。中心間隙1326は、例えば、第1の部分1302と第2の部分1304を一緒に結合する通しボルトにある切り欠き部によって、または第1および第2の部分1302、1304の最も内側の円錐体1306、1316間の間隙を通って延在する***によって、維持され得る。
図13に示す円錐体1306、1316は、異なる直径、および同じ開先角度を有する。円錐体1306、1316は、第1および第2の外側端部1314、1324における最大直径から中心間隙1326における最小直径まで、より小さな直径の円錐体1306、1316がより大きな直径の円錐体1306、1316内に入れ子にされるように、配置される。
例えば図5に示すせん断流装置500のロータ506のディスク526などの平坦なディスクではなく、円錐体1306、1316を有するロータ1300を用いることによって、流体は、平坦なディスクにあるアパーチャを用いることなく、間隙1308、1318を通って軸方向に流れ得る。例えば、ロータ506のディスク526の間の流体の軸流では、流体はアパーチャ604を通過する。アパーチャを通過することによって乱流渦を生じ、これは、ロータの全体効率を低下させ得る。円錐体1306、1316を用いることによって、流体の軸流の促すためのアパーチャが使用されないため、効率が高められる。
さらに、円錐体1306、1316の開先角度は、円錐体1306、1316の上側にわたって流れる流体の半径方向速度を制御するために変更され得る。流体の流れの半径方向速度の制御は、熱を産み出す抗力を生じる半径方向の流体せん断力によって引き起こされる半径流の摩擦効率損失を低減させるために用いられ得る。
円錐体1306、1316が同じ開先角度に含まれるロータ1300では、間隙1308、1318を通って流れる流体の半径方向速度成分から「見る」ときの半径方向横断面は、流体が外向きに流れるにつれて、増大する。
半径方向断面積は、所与の半径におけるシリンダー状の表面積を指す。シリンダー状の表面積は、2πRで乗された特定の半径Rにおける、円錐体間、またはディスク間の距離である。シャフトと周囲との間の半径Rに応じて、シリンダー状の表面積の変動を小さくすることが望ましい場合、ディスク間(または円錐体間)の距離は、半径Rに応じて、減少する必要がある。より均一な半径方向断面積を達成するための1つの方法は、異なる開先角度および異なる直径の複数の円錐体を備えるロータを形成することである。あるいは、図10Aに示すものと同様の複数の直径のディスクで作製された剛毛ブラシロータは、より均一な半径方向断面積を提供するために用いられ得る。あるいは、円錐体1306、1316は、多孔質材料で作製され得るか、またはアパーチャを用い得るか、またはアパーチャを含む多孔質材料で作製され得る。細孔およびアパーチャは、流体が、1つの間隙1308、1318から次の間隙1308、1318まで、円錐体1308、1316を通ってより半径方向に流れるのを容易にする。この代替例では、細孔およびアパーチャを通る軸流および半径流は、依然として、円錐形状に起因する乱流渦の減少およびより高い効率によって成し遂げられ得る。これらの代替的な配置構成の全ては、半径方向外向きに流れる流体の半径方向速度成分が減少されるようにより均一な半径方向断面積を可能にしながら、層状せん断流トルク移動を可能にするために、外側の円錐体間の間隙を埋めるために用いられ得る。
ここで図14を参照すると、様々な開先角度および様々な直径の円錐体1402を含む例示的なロータ1400の横断面が示されている。様々な開先角度の円錐体1402を含むことによって、円錐体1402間の間隙1404を通って流れる流体の半径方向速度成分から「見る」ときの半径方向断面積は、流体が半径方向外向きに動くときに流体から「見る」ときのより一定の半径方向断面積を維持するために、制御され得る。より一定の半径方向横断面は、流体のより一定の半径方向速度を維持し、半径方向速度があまり一定ではないロータと比べて、ロータの効率を高める。
ロータ1300および1400を製造するために用いられる材料は、例えば、チタンシリコンカーバイド、チタン、アルミニウム、炭化ケイ素、他の高力の耐クリープ性の航空タービン合金とし得る。あるいは、用いられる材料は、好適な低コストのプラスチックまたは任意の他の好適な材料とし得る。
ここで図15を参照すると、二段せん断流装置1500が示されている。二段せん断流装置1500はせん断流装置1100と同様であり、コネクタ段1180が除去されており、およびロータがディスクではなく、入れ子状の円錐体を含む。せん断流装置1500は、第1のロータ用空洞1504および第2のロータ用空洞1506を取り囲むハウジング1502を含む。
第1のロータ1508は第1のロータ用空洞1504内に収容され、および第2のロータ1510は第2のロータ用空洞1506内に収容される。第1および第2のロータ1508、1510は、ロータ1300の円錐体1306と同様の複数の入れ子状の円錐体1509、1511を含むため、ここでさらに説明はしない。
中空の第1のシャフト部分1512は、第1のロータ1508をモータ1514に接続する。中空の第1のシャフト部分1512は第1のアキシャルポート1516を含む。中実の第2のシャフト部分1518は、第1のロータ1504を第2のロータ1506に接続する。第2のロータ1506は、第2のアキシャルポート1522を含む中空の第3のシャフト部分1520に結合される。
ハウジング1502は、第1のロータ用空洞1504に開口する複数の第1のコレクター入口1526を有する第1のコレクタープレナム用空洞1524を含み、各開口部は、任意選択的な多孔質膜1528を有する。ハウジング1502はまた、第1のロータ用空洞1504に開口するノズル出口(図示せず)を有する複数の第1のノズルプレナム用空洞1530を含む。同様に、ハウジング1502は、第2のコレクタープレナム用空洞1532と、任意選択的な多孔質膜1536を有する複数の第2のコレクター入口1534を含み、およびノズルプレナム用空洞1538が、第2のロータ用空洞1506に関連付けられる。コレクタープレナム用空洞1524、1532、コレクター入口1526、1534、およびノズルプレナム用空洞1530、1538は、上述のせん断流装置500および1100の同様の要素と同様であるため、さらに説明はしない。
第1の端部ディスク1544は、第2のシャフト部分1518と第1のロータ1508との間に結合され、および第1のロータ1508から離間されて間隙1545をもたらす。第2の端部ディスク1554は、第2のシャフト部分1518と第2のロータ1510との間に結合され、および第1のロータから離間されて間隙1555をもたらす。
第1の自由回転の内側シュラウド1540および第1の自由回転の外側シュラウド1542は、任意選択的に、第1のロータを覆い囲むために含まれ得る。第1の自由回転の内側ディスク1546および第1の自由回転の外側ディスク1548は、任意選択的に、第1の端部ディスク1544とハウジング1502との間に設置される。シュラウド1540、1542、第1の端部ディスク1544、および第1の自由回転のディスク1546、1548の取り付けおよび構造は、上述のせん断流装置1100のこれらの要素の構造および取り付けと同じであり、ここでさらに説明はしない。
任意選択的な第2の内側シュラウド1550、任意選択的な第2の外側シュラウド1552、第2の端部ディスク1554、任意選択的な第2の内側ディスク1556、および任意選択的な第2の外側ディスク1558が、第2のロータ用空洞1506に含まれる。第2の内側シュラウド1550、任意選択的な第2の外側シュラウド1552、第2の端部ディスク1554、任意選択的な第2の内側ディスク1556、および任意選択的な第2の外側ディスク1558の構造および取り付けは、第1のロータ用空洞1504のシュラウド1540、1542、第1の端部ディスク1544、および第1の自由回転のディスク1546、1548と同様であり、ここでさらに説明はしない。
上述の通り、ロータ1508、1510は、上述のロータ1300と同様である。ロータ1508、1510および第1および第2の端部ディスク1544、1554は、例えば、3次元印刷またはキャスティングによって、単一部片で形成され得る。図16Aは、3次元印刷によって形成された第2のロータ1510および第2の端部ディスク1554の例を示す。図16Bは、ロータ1510内の構造が見えるように第2のエンドキャップ1554が除去されている、第2のロータ1510を示す。第1のロータ1508および第1のエンドキャップ1544は、第2のロータ1510および第2のエンドキャップ1554と構造的に同じである。
ロータ1510は、間隙1602によって分離された複数の円錐体1600を含む。円錐体1600は、図13を参照して説明したように、同じ開先角度を有し、および直径が小さくなる。円錐体1600は、コネクタ1604によって一緒に接続される(図16B参照)。
二段せん断流装置1500は、例えば、コンプレッサとして動作する第1のロータ1508、およびコンプレッサに給電するタービンとして動作する第2のロータ1510を備える、可逆性の単段コンプレッサおよびタービンとして使用され得る。動作中、流体は、第2のノズルプレナム用空洞1538に入り、高速ジェットとして出て、第2のロータ1510の回転を引き起こし、かつ上述したように第2の軸方向出口1522を通って出る。一例では、可燃燃料が第2のノズルプレナム用空洞に入り、これは、圧縮空気と合わせられる。混合気はノズルプレナム用空洞内で燃焼されて高温の排気ジェットを生成し、これがノズル出口(図示せず)から出て、第2のロータ1510を回転させる。
第2のロータ1510の回転によって、第1のロータ1510の回転を引き起こす。ポンプで吸い込まれる流体は、第1のアキシャルポート1516を通って入り、第1のロータ1508内へ移動する。流体は、第1のロータ1508の回転によって生じた粘性せん断に起因して、円錐体1600にある間隙1602を通って半径方向外向きに、移動する。高圧の流体は、上述のような第1のコレクタープレナム用空洞1524に収集される。
同様に、図11〜14を参照して上記で説明した多段せん断流装置1100はまた、例えば、コンプレッサとして動作する第1の段1102と、コンプレッサに給電するタービンとして動作する第2の段1140とを備える単段コンプレッサおよびタービンとして用いられ得る。
別の例では、二段せん断流装置1500は、二段ポンプまたはコンプレッサとして用いられ得る。この例では、第1のコレクタープレナム1524のコレクター出口(図示せず)は、第2のアキシャルポート1522に接続される。モータ1514は、第1のシャフト部分1512を回転させ、第1および第2のロータ1508、1510の回転を引き起こす。流体が第1のアキシャルポート1516に入り、第1のロータ1508を通過し、および第1のコレクタープレナム用空洞1524において収集される。その後、第1のコレクタープレナム用空洞1524からの流体は、第2のアキシャルポート1522を通って第2のロータ用空洞に入り、およびさらに、第2のロータ1510によって圧縮され、かつ第2のコレクタープレナム用空洞1532において収集される。
別の例では、二段せん断流装置1500は、二段タービンとして用いられ得る。この例では、モータ1514はジェネレータで置き換えられてもよく、および第1のアキシャルポート1516は、第2のノズルプレナム用空洞1538の入口(図示せず)に接続される。流体は、第1のノズルプレナム用空洞1530に入り、および上述の通り第1のロータ1510を回転させる高圧ジェットとして出る。流体は、第1のロータ1508を通過し、かつ第1のアキシャルポート1516を通って出る。第1のアキシャルポート1516から、流体は、第2のノズルプレナム用空洞1538に入り、および高圧ジェットとして出て、第2のロータ1510の回転を引き起こす。流体は、第2のロータ1510を通過し、かつ第2のアキシャルポートを通って出る。
前述の記載では、説明のために、実施形態の十分な理解をもたらすために、多数の詳細について説明している。しかしながら、当業者には、これらの具体的な詳細は必要ではないことは明白である。
上述の実施形態は、説明を意図するにすぎない。当業者によって、特定の実施形態に変更、修正および変形がなされ得る。特許請求の範囲は、本明細書で説明する特定の実施形態によって限定されるべきではなく、明細書全体に一致するとみなされるべきである。