專利名稱：包括徑向流動(dòng)路徑的超音速壓縮機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓縮機(jī)和包括壓縮機(jī)的系統(tǒng)。特別是，本發(fā)明涉及包括超音速壓縮機(jī) 轉(zhuǎn)子的超音速壓縮機(jī)和包括該壓縮機(jī)的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的壓縮機(jī)系統(tǒng)廣泛地用于壓縮氣體，并在許多普遍采用的技術(shù)中找到應(yīng)用， 其范圍從制冷機(jī)組到噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)而變化。壓縮機(jī)的基本目的是輸送和壓縮氣體。為此壓 縮機(jī)典型地對(duì)低壓環(huán)境中的氣體施加機(jī)械能量，并將氣體輸送至高壓環(huán)境，且在高壓環(huán)境 內(nèi)壓縮氣體，其中壓縮氣體可用于做功或作為使用高壓氣體的下游工藝的輸入。氣體壓縮 技術(shù)是沿用已久的，并且從離心機(jī)到混流機(jī)到軸流機(jī)而不同。傳統(tǒng)的壓縮機(jī)系統(tǒng)雖然非常 有用，但是由于單個(gè)壓縮機(jī)級(jí)可達(dá)到的壓力比相對(duì)較低而受到限制。在需要高的總壓力比 的情況下，可采用包括多個(gè)壓縮級(jí)的傳統(tǒng)壓縮機(jī)系統(tǒng)。然而，包括多個(gè)壓縮級(jí)的傳統(tǒng)壓縮機(jī) 系統(tǒng)傾向于大、復(fù)雜且成本高昂。更近些年來(lái)，已經(jīng)公開了包括超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的壓縮機(jī)系統(tǒng)。有時(shí)被稱為超音 速壓縮機(jī)的此類壓縮機(jī)系統(tǒng)通過使入口氣體與具有轉(zhuǎn)子輪緣表面結(jié)構(gòu)的移動(dòng)轉(zhuǎn)子相接觸 而輸送并壓縮氣體，其將入口氣體從超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的低壓側(cè)輸送并壓縮至超音速壓縮 機(jī)轉(zhuǎn)子的高壓側(cè)。雖然同傳統(tǒng)的壓縮機(jī)相比，利用超音速壓縮機(jī)可獲得較高的單級(jí)壓力比， 但是進(jìn)一步的改進(jìn)將是極其合乎需要的。如本文所詳述，本發(fā)明提供了新穎的超音速壓縮機(jī)，其相對(duì)于已知的超音速壓縮 機(jī)而言提供了壓縮機(jī)性能方面的提升。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其限定了內(nèi)部圓柱形空 腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣以及容許在內(nèi)部圓柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣之間流體連通的至少一個(gè) 徑向流動(dòng)通道，所述徑向流動(dòng)通道包括超音速壓縮拐角(compression ramp) 0在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種超音速壓縮機(jī)，包括(a)流體入口，(b)流體 出口，和(c)至少一個(gè)超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，所述超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子限定了內(nèi)部圓柱形空腔 和外部轉(zhuǎn)子輪緣以及容許在內(nèi)部圓柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣之間流體連通的至少一個(gè)徑 向流動(dòng)通道，所述徑向流動(dòng)通道包括超音速壓縮拐角。在又另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種超音速壓縮機(jī)，包括(a)氣體導(dǎo)管；(b)第 一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子；(C)第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和(d)傳統(tǒng)離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，所述氣體 導(dǎo)管包括(i)低壓氣體入口和(ii)高壓氣體出口 ；所述第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子限定了內(nèi)部 圓柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣以及容許在內(nèi)部圓柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣之間流體連通的 至少一個(gè)徑向流動(dòng)通道，所述徑向流動(dòng)通道包括超音速壓縮拐角；所述第二超音速壓縮機(jī) 轉(zhuǎn)子限定了內(nèi)部圓柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣以及容許在內(nèi)部圓柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣 之間流體連通的至少一個(gè)徑向流動(dòng)通道，所述徑向流動(dòng)通道包括超音速壓縮拐角；所述傳統(tǒng)離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)置在第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)部圓柱形空腔中，所述第一超音速 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)置在第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)部圓柱形空腔中，所述傳統(tǒng)離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn) 子構(gòu)造成相對(duì)于所述第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，所述第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子構(gòu)造成 相對(duì)于所述第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，所述傳統(tǒng)離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和所述第一超音 速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子以及所述第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)置在氣體導(dǎo)管中。在又另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種壓縮流體的方法，所述方法包括(a)通過 低壓氣體入口將流體引入到包含在超音速壓縮機(jī)內(nèi)的氣體導(dǎo)管中；和(b)除去通過所述超 音速壓縮機(jī)的高壓氣體出口的氣體；所述超音速壓縮機(jī)包括設(shè)置在所述氣體入口和所述氣 體出口之間的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，所述超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子限定內(nèi)部圓柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子 輪緣以及容許在內(nèi)部圓柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣之間流體連通的至少一個(gè)徑向流動(dòng)通道， 所述徑向流動(dòng)通道包括超音速壓縮拐角。


為了本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員可完全理解本發(fā)明的新穎特征、原理和優(yōu)勢(shì)，除了 詳細(xì)說明之外，本發(fā)明公開還提供以下附圖。圖1代表由本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的一部分。圖2代表由本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的一部分。圖3代表由本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的一部分。圖4代表由本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的構(gòu)件。圖5代表由本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)的分解圖。圖6代表圖5中所示的超音速壓縮機(jī)的備選視圖。圖7代表本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的分解圖，其包括一對(duì)同心的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。圖8代表超音速壓縮機(jī)，其包括傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和一對(duì)同心的超音速壓 縮機(jī)轉(zhuǎn)子。圖9代表由本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的一部分。部件列表10流體入口 ；20流體出口 ； 100超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子；101流體流動(dòng)方向；104內(nèi)部 圓柱形空腔；105轉(zhuǎn)子支撐板；106轉(zhuǎn)子支撐板的內(nèi)表面；108徑向流動(dòng)通道；109超音速擴(kuò) 散區(qū)域；112外部轉(zhuǎn)子輪緣；120設(shè)置在徑向流動(dòng)通道內(nèi)的超音速壓縮拐角；125在運(yùn)行過 程中建立于超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的徑向流動(dòng)通道內(nèi)的斜沖擊波；127反射的斜沖擊波；129垂 直沖擊波；150排列于轉(zhuǎn)子支撐板105的內(nèi)表面106上的箍條；160轉(zhuǎn)子支撐柱；200第二 超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子；300用于超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100的傳動(dòng)軸；302用于第二超聲壓縮機(jī)轉(zhuǎn) 子200的傳動(dòng)軸；310傳動(dòng)軸和超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100的旋轉(zhuǎn)方向；312聯(lián)接在第二超音速 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子200上的傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)方向；320用于傳統(tǒng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的傳動(dòng)軸；330傳統(tǒng)壓縮 機(jī)轉(zhuǎn)子的傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)方向；405傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子；406傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子 上的葉片；500包括傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子405和超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的超音速壓縮機(jī)500 的視圖；510壓縮機(jī)外殼；520流體導(dǎo)管(流體導(dǎo)管的低壓側(cè))，轉(zhuǎn)子100和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子405據(jù) 稱設(shè)置在流體導(dǎo)管520/522內(nèi)；522流體導(dǎo)管(流體導(dǎo)管的高壓側(cè))；600圖5中所示的壓 縮機(jī)的剖視圖，其中傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子405插入超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100的內(nèi)部圓柱形空腔104 ；700包括一對(duì)同心的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的超音速壓縮機(jī)；800超音速壓縮機(jī)，其 包括聯(lián)接在一對(duì)同心的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子上的傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子；820氣體出口歧 管；當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)說明時(shí)，將更好地理解本發(fā)明的各種特征、方面和優(yōu)勢(shì)， 其中在所有附圖中相似的標(biāo)號(hào)表示相似的部件。除非明確指出，否則本文提供的圖形意味 著圖示本發(fā)明的關(guān)鍵發(fā)明性特征。這些關(guān)鍵發(fā)明性特征被認(rèn)為可適用于各種廣泛的系統(tǒng)， 包括本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例。因此，這些圖形并不意味著包括本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人 員所熟知的為實(shí)踐本發(fā)明而需要的所有傳統(tǒng)特征。
具體實(shí)施例方式在以下說明書和所附權(quán)利要求中將引用許多用語(yǔ)，它們將被限定具有以下含義。除非上下文中明確指出，否則單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”包括復(fù)數(shù)形式的所指對(duì)象?！翱蛇x的”或“可選地”意味著接下來(lái)所述事件或情況可能發(fā)生或可能不發(fā)生，而且 該描述包括事件發(fā)生的情形和其不發(fā)生的情形。本文所用的近似性語(yǔ)言在整個(gè)說明書和權(quán)利要求中可用于修飾任何數(shù)量性表述， 其可在不導(dǎo)致其相關(guān)的基本功能發(fā)生變化的條件下準(zhǔn)許進(jìn)行修改。因此，由詞語(yǔ)例如“大 約”和“基本上”修飾的值并不限于所指定的精確值。至少在某些情況下，近似性語(yǔ)言可與 用于測(cè)量該值的儀器的精度相對(duì)應(yīng)。除非上下文或語(yǔ)句中明確指出，否則此處和整個(gè)說明 書及權(quán)利要求的范圍內(nèi)，范圍的限制可進(jìn)行組合和/或互換，此類范圍被標(biāo)識(shí)并包括包含 在其中的所有子范圍。如本文所用，用語(yǔ)“超音速壓縮機(jī)”指包括超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的壓縮機(jī)?？砂ㄒ粋€(gè)或多個(gè)超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的已知超音速壓縮機(jī)構(gòu)造成壓縮超音速壓 縮機(jī)轉(zhuǎn)子的外部輪緣和流體導(dǎo)管的內(nèi)壁之間的流體，超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)置在流體導(dǎo)管 中。在此類超音速壓縮機(jī)中，流體越過超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的外部轉(zhuǎn)子輪緣而從流體導(dǎo)管的 低壓側(cè)輸送到流體導(dǎo)管的高壓側(cè)。排列在外部轉(zhuǎn)子輪緣上的箍條提供了流動(dòng)通道，通過該 流動(dòng)通道，流體從超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)。在例如分別于2005年3月28 日和2005年3月23日提交的美國(guó)專利No. 7，334，990和7，293，955中詳細(xì)地描述了包括 超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的超音速壓縮機(jī)。本發(fā)明的特征是一種新穎的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其中流體通過徑向流動(dòng)通道從流 體導(dǎo)管的低壓側(cè)輸送至流體導(dǎo)管的高壓側(cè)，該徑向流動(dòng)通道將超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)部圓 柱形空腔聯(lián)接到外部轉(zhuǎn)子輪緣上。由本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的新穎的設(shè)計(jì)特征預(yù) 期用于增強(qiáng)包含它們的超音速壓縮機(jī)的性能，并且在包括此類新穎超音速壓縮機(jī)的系統(tǒng)中 提供更大的設(shè)計(jì)通用性。由本發(fā)明提供的新穎的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子可構(gòu)造成用于由內(nèi)至外 的壓縮或由外至內(nèi)的壓縮。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子配置成在運(yùn)行期間用于由內(nèi)至外的壓縮，當(dāng) 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣體從內(nèi)部圓柱形空腔通過徑向流動(dòng)通道而移動(dòng)至外部轉(zhuǎn)子輪緣。超音速壓 縮機(jī)轉(zhuǎn)子配置成在運(yùn)行期間用于由外至內(nèi)的壓縮，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣體從外部轉(zhuǎn)子輪緣通 過徑向流動(dòng)通道而移動(dòng)至內(nèi)部圓柱形空腔。通過超音速壓縮拐角在徑向流動(dòng)通道中的位置 和徑向流動(dòng)通道的流體入口處的葉片配置可確定超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子是否配置成用于由內(nèi)
6至外或由外至內(nèi)的壓縮。在附圖所示的各種示例中，超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子顯示為配置成用于 由內(nèi)至外的壓縮。圖1圖示了為超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。該視圖顯示了超音速壓 縮機(jī)轉(zhuǎn)子100的關(guān)鍵構(gòu)件，該超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100包括具有內(nèi)表面106的第一轉(zhuǎn)子支撐 板105，在內(nèi)表面106上設(shè)置了構(gòu)造成限定多個(gè)徑向流動(dòng)通道108的葉片150，各個(gè)徑向流 動(dòng)通道均具有流體入口 10、流體出口 20和亞音速擴(kuò)散區(qū)域109。在圖1中所示的實(shí)施例中， 各個(gè)葉片150顯示為包括將在本發(fā)明公開的后文中進(jìn)行詳細(xì)論述的超音速壓縮拐角120。 超音速壓縮拐角120的存在將本發(fā)明所提供的轉(zhuǎn)子限定為超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。當(dāng)設(shè)置在由 葉片150形成的表面上時(shí)，第二轉(zhuǎn)子支撐板(未顯示)完成了圖1中所示的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn) 子的基本設(shè)計(jì)。圖1中所示實(shí)施例的兩個(gè)轉(zhuǎn)子支撐板105可設(shè)想為一對(duì)洗衣板形狀的板， 其間設(shè)置了葉片150，葉片和板限定一個(gè)或多個(gè)徑向流動(dòng)通道108。圖1中所示的超音速壓 縮機(jī)轉(zhuǎn)子限定了內(nèi)部圓柱形空腔104，其通過徑向流動(dòng)通道108與外部轉(zhuǎn)子輪緣112 (未顯 示)成流體連通。該徑向流動(dòng)通道容許在內(nèi)部圓柱形空腔104和外部轉(zhuǎn)子輪緣之間的流體 連通。在一個(gè)實(shí)施例中，由本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子可通過聯(lián)接到轉(zhuǎn)子上的傳動(dòng) 軸而圍繞其旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。圖2圖示了通過轉(zhuǎn)子支撐柱160附接在傳動(dòng)軸300上的超音速 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100。轉(zhuǎn)子支撐柱160可附接在一個(gè)或兩個(gè)轉(zhuǎn)子支撐板105上。本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子被稱為“超音速”是因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)成圍繞旋轉(zhuǎn)軸線 以高速旋轉(zhuǎn)，使得移動(dòng)的流體，例如移動(dòng)的氣體在設(shè)置于轉(zhuǎn)子的徑向流動(dòng)通道中的超音速 壓縮拐角處遭遇旋轉(zhuǎn)的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，該移動(dòng)的流體據(jù)稱具有超音速的相對(duì)流體速 度。根據(jù)在超音速壓縮拐角的前緣處的轉(zhuǎn)子速度和恰好在遭遇此類超音速壓縮拐角前緣之 前的流體速度的矢量和可限定相對(duì)流體速度。此相對(duì)流體速度有時(shí)被稱為“局部超音速入 口速度”，其在某些實(shí)施例中是入口氣體速度和設(shè)置在超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的徑向流動(dòng)通道 內(nèi)的超音速壓縮拐角的切向速度的組合。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子被設(shè)計(jì)成用于非常高的切向速 度下，例如在300米/秒至800米/秒范圍內(nèi)的切向速度。圖3圖示了圍繞由傳動(dòng)軸300所限定的旋轉(zhuǎn)軸線的運(yùn)動(dòng)中的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子 100。在圖3中所示的實(shí)施例中，當(dāng)超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100在方向310上旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)部圓柱形 空腔104內(nèi)的流體經(jīng)由流體入口 10進(jìn)入徑向流動(dòng)通道108中，并經(jīng)由流體出口 20離開徑 向流動(dòng)通道108。方向箭頭101指示了流體通過徑向流動(dòng)通道108從內(nèi)部圓柱形空腔104 流向外部轉(zhuǎn)子輪緣(未顯示)的方向。在非常高的切向速度下，在徑向流動(dòng)通道108中可 產(chǎn)生斜沖擊波125。圖9進(jìn)一步圖示了在本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的流體特性。 在圖9中，斜沖擊波125產(chǎn)生于超音速壓縮拐角120的前緣處，并且被相鄰的葉片150反射 而產(chǎn)生反射沖擊波127。在超音速壓縮拐角的下游，通道面積在流動(dòng)方向上增加，并且在此 通道中建立了垂直沖擊波129，其后跟有亞音速擴(kuò)散區(qū)域109。圖4圖示了由本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100的一個(gè)實(shí)施例。超音速壓縮機(jī) 轉(zhuǎn)子顯示在分解圖中，并且顯示了第一轉(zhuǎn)子支撐板105 (下板)，其具有內(nèi)表面106，并經(jīng)由 轉(zhuǎn)子支撐柱160而附接在傳動(dòng)軸300上。葉片150可設(shè)置在轉(zhuǎn)子支撐板105的內(nèi)表面106 上。在該實(shí)施例中具有與第一轉(zhuǎn)子支撐板相同半徑的第二轉(zhuǎn)子支撐板105(上板)設(shè)置在 葉片150上。第二組轉(zhuǎn)子支撐柱160 (未顯示)可用于將第二轉(zhuǎn)子支撐板固定在傳動(dòng)軸300上。第二轉(zhuǎn)子支撐板105可以這種方式固定在傳動(dòng)軸300上，從而將葉片150固定在兩個(gè) 轉(zhuǎn)子支撐板之間。在一個(gè)實(shí)施例中，其中一個(gè)或兩個(gè)轉(zhuǎn)子支撐板105的內(nèi)表面106包括供 葉片150插入的葉片形凹槽，從而進(jìn)一步將葉片固定在轉(zhuǎn)子支撐板上。在一個(gè)實(shí)施例中，葉 片形凹槽具有相當(dāng)于大約葉片高度的十分之一的均勻深度。在一個(gè)實(shí)施例中，超音速壓縮 機(jī)轉(zhuǎn)子由單塊金屬機(jī)械加工而成。在一個(gè)備選實(shí)施例中，通過金屬鑄造技術(shù)制備超音速壓 縮機(jī)轉(zhuǎn)子。在又一實(shí)施例中，超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的構(gòu)件，例如轉(zhuǎn)子支撐板和葉片可銅焊、焊 接或用螺栓連接在一起。在一個(gè)實(shí)施例中，第一轉(zhuǎn)子支撐板105是與圖4中所示相似的洗 衣板形狀的結(jié)構(gòu)，并且第二轉(zhuǎn)子支撐板105是沒有限定孔的實(shí)心圓盤。在圖1-4中所示的實(shí)施例中，超音速壓縮拐角120顯示為整體結(jié)合于葉片上，如同 其中葉片由單塊金屬機(jī)械加工而成的情況一樣。在一個(gè)備選實(shí)施例中，超音速壓縮拐角并 不整體結(jié)合于葉片上，如同其中葉片和超音速壓縮拐角由兩個(gè)不同的金屬塊加工而成的情 況。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種超音速壓縮機(jī)，其包括外殼，外殼具有流體入 口和流體出口，并且超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)置在流體入口和流體出口之間。在各種實(shí)施例中， 超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子限定內(nèi)部圓柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣以及容許在內(nèi)部圓柱形空腔和外 部轉(zhuǎn)子輪緣之間流體連通的至少一個(gè)徑向流動(dòng)通道。徑向流動(dòng)通道配備超音速壓縮拐角。 在壓縮機(jī)的運(yùn)行期間，徑向流動(dòng)通道將流體壓縮并從超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的低壓側(cè)(入口 側(cè))傳送到超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的高壓側(cè)(出口側(cè))。在一個(gè)實(shí)施例中，一組葉片與一對(duì)轉(zhuǎn)子 支撐板一起限定徑向流動(dòng)通道的邊界。葉片和徑向流動(dòng)通道的超音速壓縮拐角協(xié)同作用， 以便在徑向流動(dòng)通道的入口處捕獲流體，并在超音速壓縮拐角的表面和相鄰葉片的表面之 間壓縮流體，且將捕獲的流體傳輸至徑向流動(dòng)通道的出口。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成使得 至少在轉(zhuǎn)子支撐板上的一個(gè)位置和壓縮機(jī)外殼的內(nèi)表面之間的距離最小化，從而限制了氣 體從超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的高壓側(cè)(出口側(cè))至超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的低壓側(cè)(入口側(cè))而至 入口表面氣體的返回通道。參看圖5，該示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例和其操作的某些基本特性。該示 了分解圖中所示的超音速壓縮機(jī)500，其包括超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100和容納在壓縮機(jī)外殼 510中的傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子405。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100和傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子 405據(jù)稱設(shè)置在超音速壓縮機(jī)的流體導(dǎo)管中，流體導(dǎo)管至少部分地由壓縮機(jī)外殼限定，流體 導(dǎo)管包括低壓力側(cè)520和高壓力側(cè)522，其分別被稱為流體導(dǎo)管520的低壓力側(cè)和流體導(dǎo)管 522的高壓力側(cè)。圖5中所示的視圖是“分解圖”，其意義在于傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子405 從超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100的內(nèi)部圓柱形空腔104分離并高于該內(nèi)部圓柱形空腔104。如本 發(fā)明公開的圖6中所示，傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子405實(shí)際上設(shè)置在圖5中所示的實(shí)施例 中的內(nèi)部圓柱形空腔104內(nèi)。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100在方向310上被傳動(dòng)軸300驅(qū)動(dòng)。傳 統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子405在方向330上被傳動(dòng)軸320驅(qū)動(dòng)。如圖所示，超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn) 子100和傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子405配置成用于反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過壓縮機(jī)入口(未顯 示)引入的流體(未顯示)進(jìn)入流體導(dǎo)管520的低壓側(cè)，并且遭遇在方向330上旋轉(zhuǎn)的傳 統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子405的葉片406。當(dāng)流體遭遇旋轉(zhuǎn)的傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)，流 體流動(dòng)的方向101發(fā)生變化。流體從設(shè)置在超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100的內(nèi)部圓柱形空腔104 內(nèi)的傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子405徑向向外定向。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100限定內(nèi)部圓柱
8形空腔104和外部轉(zhuǎn)子輪緣112以及容許在內(nèi)部圓柱形空腔104和外部轉(zhuǎn)子輪緣112之間 流體連通的至少一個(gè)徑向流動(dòng)通道108 (未顯示)，所述徑向流動(dòng)通道包括超音速壓縮拐角 (未顯示)。圖5中所示的實(shí)施例包括第一轉(zhuǎn)子支撐板105 (上轉(zhuǎn)子支撐板)和第二轉(zhuǎn)子支 撐板105 (下轉(zhuǎn)子支撐板)。第一轉(zhuǎn)子支撐板限定了孔，通過該孔可將傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī) 轉(zhuǎn)子405插入到內(nèi)部圓柱形空腔104中。第二轉(zhuǎn)子支撐板可包括或不包括孔。因而在一個(gè) 實(shí)施例中，下轉(zhuǎn)子支撐板105是實(shí)心圓盤。在一個(gè)備選實(shí)施例中，下轉(zhuǎn)子支撐板105包括一 個(gè)或多個(gè)孔。在所示的實(shí)施例中，第二轉(zhuǎn)子支撐板機(jī)械地聯(lián)接在傳動(dòng)軸300上。在一個(gè)實(shí) 施例中，下轉(zhuǎn)子支撐板的該機(jī)械聯(lián)接是通過轉(zhuǎn)子支撐柱160(在圖5中未顯示)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 徑向向外移動(dòng)的流體遭遇旋轉(zhuǎn)的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100的流體入口 10 (未顯示)，并被引入 徑向流動(dòng)通道108 (未顯示)，其容許流體從內(nèi)部圓柱形空腔104傳送到超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子 的外部轉(zhuǎn)子輪緣112處。徑向流動(dòng)通道108包括超音速壓縮拐角120(未顯示)，其壓縮徑 向流動(dòng)通道內(nèi)的流體，并將被壓縮的流體引向流體出口 20。離開流體出口 20的流體然后進(jìn) 入流體導(dǎo)管522的高壓側(cè)。流體導(dǎo)管522的高壓側(cè)內(nèi)的壓縮流體可用于做功。參看圖6，該圖代表圖5中所示的超音速壓縮機(jī)500的一部分600的橫截面圖，并 且顯示了設(shè)置在超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100的內(nèi)部圓柱形空腔104內(nèi)的傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn) 子405。傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子405在方向330上被傳動(dòng)軸320驅(qū)動(dòng)。傳動(dòng)軸320的一 部分顯示為設(shè)置在同心的傳動(dòng)軸300內(nèi)，傳動(dòng)軸300在方向310上驅(qū)動(dòng)超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子 100。傳動(dòng)軸300顯示為通過轉(zhuǎn)子支撐柱160而機(jī)械地聯(lián)接在超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100上。 流體流動(dòng)的方向101指示為穿過傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子405，并越過超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子 100。流體在流體入口 10處從內(nèi)部圓柱形空腔104進(jìn)入超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100，并經(jīng)由徑向 流動(dòng)通道108橫穿超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子(未顯示)，并且在外部轉(zhuǎn)子輪緣112處經(jīng)由流體出口 20而顯露出來(lái)(圖5中所示)。如所指出的，在圖5中表露出特征并由本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)包括兩個(gè)反向 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，即包括徑向流動(dòng)通道的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100和串聯(lián)排列的傳統(tǒng)的離心式壓縮 機(jī)轉(zhuǎn)子405，使得來(lái)自上游傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的輸出，例如二氧化碳或空氣用作用于 本發(fā)明的下游超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的輸入，下游超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在與上游傳統(tǒng)的離心式壓 縮機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)相反的方向上旋轉(zhuǎn)。例如，如果下游超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子配置成以順時(shí)針方式 旋轉(zhuǎn)，則上游傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子配置成以逆時(shí)針方式旋轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn) 子和超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子據(jù)稱配置成彼此相對(duì)反向旋轉(zhuǎn)。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種包括多個(gè)超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的超音速壓縮 機(jī)。圖7顯示了超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子如何可以同心且串聯(lián)地配置，使得第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn) 子的輸出變成用于第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的輸入。圖7中所示的配置700代表分解視圖， 其中第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100實(shí)際上設(shè)置在第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子200的內(nèi)部圓柱形空 腔104內(nèi)。第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的每一個(gè)均限定內(nèi)部圓柱形空 腔104、外部轉(zhuǎn)子輪緣112和容許在內(nèi)部圓柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣之間流體連通的至少 一個(gè)徑向流動(dòng)通道108 (尤其參見圖9)，所述徑向流動(dòng)通道包括超音速壓縮拐角120 (尤其 參見圖9)。在圖7所示的實(shí)施例中，第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100顯示為經(jīng)由轉(zhuǎn)子支撐柱160 而附接在傳動(dòng)軸300上，并且第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子200顯示為經(jīng)由轉(zhuǎn)子支撐柱160而附 接在傳動(dòng)軸302上。第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100和第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子200配置成分別在旋轉(zhuǎn)方向310和312上反向旋轉(zhuǎn)。 在圖7中，在第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100和第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子200的各個(gè)圖 示中，至少一個(gè)葉片150的一部分顯得沒有設(shè)置在轉(zhuǎn)子支撐板105之間。這樣做是為了更 好地在視覺上強(qiáng)調(diào)流體出口 20存在于外部轉(zhuǎn)子輪緣112上，而非表示葉片150的任何部分 沒有設(shè)置在轉(zhuǎn)子支撐板105內(nèi)。因而在圖5所示的實(shí)施例中，葉片150完全設(shè)置在轉(zhuǎn)子支 撐板105內(nèi)，并且沒有任何葉片部分伸出由外部轉(zhuǎn)子輪緣112限定的范圍。
在某些實(shí)施例中，由本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子包括據(jù)稱是“大體上相同的，， 一對(duì)轉(zhuǎn)子支撐板。當(dāng)各具有相同的形狀、重量和直徑，由相同材料制成，并且擁有相同類型 和數(shù)量的輪緣表面特征、轉(zhuǎn)子支撐板的內(nèi)表面的表面特征和轉(zhuǎn)子支撐板的外表面的表面特 征(總稱表面特征)時(shí)，轉(zhuǎn)子支撐板是大體上相同的。在一個(gè)備選實(shí)施例中，由本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子包括一對(duì)轉(zhuǎn)子支撐板， 其在例如圖4中不是大體上相同的。如本文所用，當(dāng)轉(zhuǎn)子支撐板在某些方面顯著不同時(shí)，兩 個(gè)轉(zhuǎn)子支撐板不是大體上相同的。例如在兩個(gè)轉(zhuǎn)子支撐板之間的實(shí)質(zhì)差異包括形狀、重量 和直徑、構(gòu)造材料和表面特征的類型和數(shù)量上的差異。例如由不同的構(gòu)造材料組成的兩個(gè) 其它方面相同的轉(zhuǎn)子支撐板將被稱為“不是大體上相同的”。在例如流體壓縮機(jī)的各種應(yīng)用中，本發(fā)明的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子可由傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)。 在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種超音速壓縮機(jī)，其包括多個(gè)本發(fā)明的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn) 子，各轉(zhuǎn)子由專用傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種超音速壓縮機(jī)，其包括 流體入口、流體出口和反向旋轉(zhuǎn)的至少兩個(gè)超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，它們串聯(lián)配置，使得第一超 音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的流體輸出是用于第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的流體輸入，其中第一超音速壓 縮機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)接在第一傳動(dòng)軸上，并且第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)接在第二傳動(dòng)軸上，其中第 一傳動(dòng)軸和第二傳動(dòng)軸沿著公共旋轉(zhuǎn)軸線進(jìn)行排列。本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將會(huì)理解， 在兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子各由專用的傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)的情況下，傳動(dòng)軸將在各種實(shí) 施例中本身配置用于反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，第一傳動(dòng)軸和第二傳動(dòng)軸是反向旋 轉(zhuǎn)的，共用一條公共的旋轉(zhuǎn)軸線，并且是同心的，意味著第一傳動(dòng)軸和第二傳動(dòng)軸的其中一 個(gè)設(shè)置在另一傳動(dòng)軸內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，由本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)包括聯(lián)接在公共 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上的第一傳動(dòng)軸和第二傳動(dòng)軸。在一個(gè)備選實(shí)施例中，由本發(fā)明提供的超音速壓 縮機(jī)包括聯(lián)接在至少兩個(gè)不同的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上的第一傳動(dòng)軸和第二傳動(dòng)軸。本領(lǐng)域中的普通 技術(shù)人員將會(huì)懂得，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)用于“驅(qū)動(dòng)”(旋轉(zhuǎn))傳動(dòng)軸，而這些傳動(dòng)軸又驅(qū)動(dòng)超音速壓縮 機(jī)轉(zhuǎn)子，并且還將會(huì)懂得將驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(經(jīng)由齒輪、鏈條等等)聯(lián)接到傳動(dòng)軸上通常所采用的 裝置，并且另外將會(huì)懂得用于控制傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)速度的裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，第一傳動(dòng)軸和 第二傳動(dòng)軸由反向旋轉(zhuǎn)的渦輪驅(qū)動(dòng)，該渦輪具有配置成以相反方向旋轉(zhuǎn)的兩組葉片，一組 葉片的運(yùn)動(dòng)方向由各組的組成葉片的形狀來(lái)確定。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種超音速壓縮機(jī)，其包括至少兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的 超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，各轉(zhuǎn)子均包括至少一個(gè)徑向流動(dòng)通道。例如可將超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子串 聯(lián)配置，使得具有第一旋轉(zhuǎn)方向的第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的輸出被引向配置成相對(duì)于第一 超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)的第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。在一個(gè)實(shí)施例中，反向旋轉(zhuǎn)的超音 速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子排列成使得第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)置在第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)部圓 柱形空腔中。
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參看圖8，該示了一種示例性超音速壓縮機(jī)800，其包括傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī) 轉(zhuǎn)子405和同心配置的本發(fā)明的一對(duì)超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。圖8中所示的超音速壓縮機(jī)包括 第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100和第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子200。前述轉(zhuǎn)子設(shè)置在流體導(dǎo)管內(nèi)，流 體導(dǎo)管包括包含在壓縮機(jī)外殼510內(nèi)的低壓側(cè)520和高壓側(cè)522。傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn) 子405顯示為設(shè)置在第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100的內(nèi)部圓柱形空腔104內(nèi)，并且第一超音 速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100顯示為設(shè)置在第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子200的內(nèi)部圓柱形空腔104內(nèi)。第 一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100在方向310上由傳動(dòng)軸300驅(qū)動(dòng)。第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子200在 方向312上由傳動(dòng)軸302驅(qū)動(dòng)。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100和200顯示為彼此相對(duì)反向旋轉(zhuǎn)。 傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子405在方向330上由傳動(dòng)軸320驅(qū)動(dòng)。傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子 405的輸出通過內(nèi)部圓柱形空腔104而被引入第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100中。第一超音速 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子100的輸出被引向第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子200的內(nèi)部圓柱形空腔104。在圖8 中所示的實(shí)施例中，第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子200的輸出被引入渦管820。由本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在某些實(shí)施例中，例如圖8所示的實(shí)施例中可 包括多個(gè)超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。在超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子串聯(lián)設(shè)置的情況下，有時(shí)有利于將超音 速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子配置成反向旋轉(zhuǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了 一種超音速壓縮機(jī)，其包括 各包括至少一個(gè)徑向流動(dòng)通道的至少三個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。例如，超音速壓 縮機(jī)轉(zhuǎn)子可串聯(lián)配置，使得將來(lái)自具有第一旋轉(zhuǎn)方向的第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的輸出引向 配置成相對(duì)于第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)的第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，并且還使得來(lái)自 第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的輸出被引向配置成相對(duì)于第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)的第 三超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。在一個(gè)實(shí)施例中，反向旋轉(zhuǎn)的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子排列成使得第一超 音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)置在第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)部圓柱形空腔內(nèi)，并且第二超音速壓縮 機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)置在第三超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)部圓柱形空腔內(nèi)。本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將會(huì)懂得通過在壓縮機(jī)內(nèi)包括流體導(dǎo)向葉片可增強(qiáng)傳 統(tǒng)的壓縮機(jī)和超音速壓縮機(jī)的性能。因而，在一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明提供了一種超音速壓縮 機(jī)，其包括流體入口、流體出口、至少一個(gè)超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和一個(gè)或多個(gè)流體導(dǎo)向葉片， 超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子了限定內(nèi)部圓柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣以及至少一個(gè)徑向流動(dòng)通道。在 一個(gè)實(shí)施例中，超音速壓縮機(jī)可包括多個(gè)流體導(dǎo)向葉片。流體導(dǎo)向葉片可設(shè)置在流體入口 和超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子之間，或設(shè)置在超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和流體出口之間，或它們的某些組 合。因而在一個(gè)實(shí)施例中，由本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)包括設(shè)置在流體入口和超音速壓 縮機(jī)轉(zhuǎn)子之間的流體導(dǎo)向葉片，在這種情況下，可將流體導(dǎo)向葉片邏輯上稱為入口導(dǎo)向葉 片(IGV)。在另一實(shí)施例中，由本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)包括設(shè)置在第一和第二超音速 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子之間的流體導(dǎo)向葉片，在該情況下可將流體導(dǎo)向葉片邏輯上稱為中間導(dǎo)向葉片 (IntGV)。在另一實(shí)施例中，由本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)包括設(shè)置在超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子 和流體出口之間的流體導(dǎo)向葉片，在該情況下可將流體導(dǎo)向葉片邏輯上稱為出口導(dǎo)向葉片 (0GV)。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)包括多個(gè)超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和入口導(dǎo) 向葉片、出口導(dǎo)向葉片及中間導(dǎo)向葉片的組合。在一個(gè)實(shí)施例中，由本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)包括在更大的系統(tǒng)內(nèi)，例如燃?xì)?渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，如噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。因?yàn)橛杀景l(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)可獲得增強(qiáng)的壓縮比，所 以認(rèn)為可減少燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的整體尺寸和重量，并從中獲得附帶的好處。
在一個(gè)實(shí)施例中，由本發(fā)明提供的超音速壓縮機(jī)包括(a)氣體導(dǎo)管；(b)第一超音 速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子；(c)第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和(d)傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，氣體導(dǎo)管包括 (i)低壓氣體入口和(ii)高壓氣體出口 ；第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子限定了內(nèi)部圓柱形空腔和 外部轉(zhuǎn)子輪緣以及容許在內(nèi)部圓柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣之間流體連通的至少一個(gè)徑向 流動(dòng)通道，所述徑向流動(dòng)通道包括超音速壓縮拐角；第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子限定了內(nèi)部圓 柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣以及容許在內(nèi)部圓柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣之間流體連通的至 少一個(gè)徑向流動(dòng)通道，所述徑向流動(dòng)通道包括超音速壓縮拐角；所述第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn) 子、所述第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和所述傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)置在所述氣體導(dǎo)管中。 在一個(gè)實(shí)施例中，傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)置在第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)部圓柱形空 腔內(nèi)，并且第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)置在第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)部圓柱形空腔內(nèi)，傳 統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子配置成相對(duì)于所述第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，而第一超音速 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子配置成相對(duì)于所述第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，所述傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī) 轉(zhuǎn)子和所述第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子以及所述第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)置在氣體導(dǎo)管內(nèi)。以下論述包括在本發(fā)明公開中，用于對(duì)超音速壓縮機(jī)的運(yùn)行提供補(bǔ)充的技術(shù)理 解。出于簡(jiǎn)潔起見，論述集中于由本發(fā)明提供的特定類型的超音速壓縮機(jī)的氣體動(dòng)力學(xué)方 面，超音速壓縮機(jī)包括超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和各種入口導(dǎo)向葉片及出口導(dǎo)向葉片。超音速壓 縮機(jī)要求進(jìn)入超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的氣體具有高的相對(duì)速度。這些速度必須大于氣體中的 局部音速，因此稱為“超音速”。出于包含在此部分內(nèi)討論的目的，在運(yùn)行期間考慮超音速 壓縮機(jī)，這種超音速壓縮機(jī)包括入口導(dǎo)向葉片和出口導(dǎo)向葉片。氣體通過氣體入口而引入 超音速壓縮機(jī)，超音速壓縮機(jī)包括排列于第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子上游的多個(gè)入口導(dǎo)向葉片 (IGV)、第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和一組出口導(dǎo)向葉片(0GV)。出自IGV中的氣體被第一超音 速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子壓縮，并且將第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的輸出引向第二(反向旋轉(zhuǎn))超音速壓 縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其輸出將會(huì)遇到一組出口導(dǎo)向葉片(0GV)并被其改變。當(dāng)氣體遇到入口導(dǎo)向葉 片(IGV)時(shí)，氣體被IGV加速到高的切向速度。此切向速度與轉(zhuǎn)子的切向速度組合，并且這 些速度的矢量和確定了進(jìn)入轉(zhuǎn)子的氣體的相對(duì)速度。通過IGV的氣體加速導(dǎo)致局部靜壓力 的減少，該局部靜壓力減少必須被超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子中壓力上升克服?？缭睫D(zhuǎn)子的壓力上 升是入口絕對(duì)切向速度和出口絕對(duì)切向速度以及半徑、流體屬性和旋轉(zhuǎn)速度的函數(shù)，并且 由等式I給出，其中P1是入口壓力，P2是出口壓力，、是進(jìn)行壓縮的氣體的比熱，Q是旋轉(zhuǎn) 速度，r是半徑，V0是切向速度，n (見指數(shù))是多變效率，并且(^是入口處的聲音停滯速 度，其等于(Y*R*T0)的平方根，其中R是氣體常數(shù)，并且I；是進(jìn)入氣體的總溫度。本領(lǐng)域 中的普通技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到等式I是用于渦輪機(jī)械的歐拉方程的一種形式。當(dāng)A(rVe) 的值很大時(shí)，在單個(gè)級(jí)上獲得高的壓力比。 ^
權(quán)利要求
一種超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其限定內(nèi)部圓柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣以及容許在所述內(nèi)部圓柱形空腔和所述外部轉(zhuǎn)子輪緣之間流體連通的至少一個(gè)徑向流動(dòng)通道，所述徑向流動(dòng)通道包括超音速壓縮拐角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子限 定多個(gè)徑向流動(dòng)通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子包 括設(shè)置在一對(duì)轉(zhuǎn)子支撐板之間的多個(gè)葉片，至少其中一個(gè)所述葉片包括超音速壓縮拐角。
4.一種超音速壓縮機(jī)，包括(a)流體入口；(b)流體出口；和(c)至少一個(gè)超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，所述超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子限定內(nèi)部圓柱形空腔和外部 轉(zhuǎn)子輪緣以及容許在所述內(nèi)部圓柱形空腔和所述外部轉(zhuǎn)子輪緣之間流體連通的至少一個(gè) 徑向流動(dòng)通道，所述徑向流動(dòng)通道包括超音速壓縮拐角。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超音速壓縮機(jī)，其特征在于，所述超音速壓縮機(jī)還包括傳統(tǒng) 的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超音速壓縮機(jī)，其特征在于，所述超音速壓縮機(jī)包括多個(gè)超 音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超音速壓縮機(jī)，其特征在于，第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)置在 第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)部圓柱形空腔內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超音速壓縮機(jī)，其特征在于，所述超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子配置成 用于由內(nèi)至外的壓縮。
9.一種超音速壓縮機(jī)，包括(a)氣體導(dǎo)管，其包括(i)低壓氣體入口，和(ii)高壓氣體出口；(b)第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其限定內(nèi)部圓柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣以及容許在所述 內(nèi)部圓柱形空腔和所述外部轉(zhuǎn)子輪緣之間流體連通的至少一個(gè)徑向流動(dòng)通道，所述徑向流 動(dòng)通道包括超音速壓縮拐角；(c)第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其限定內(nèi)部圓柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣以及容許在所述 內(nèi)部圓柱形空腔和所述外部轉(zhuǎn)子輪緣之間流體連通的至少一個(gè)徑向流動(dòng)通道，所述徑向流 動(dòng)通道包括超音速壓縮拐角；(d)傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子；所述傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)置在所述第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)部圓柱形空腔 內(nèi)，所述第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)置在所述第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)部圓柱形空腔內(nèi)， 所述傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子配置成相對(duì)于所述第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子而反向旋轉(zhuǎn)，所述 第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子配置成相對(duì)于所述第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子而反向旋轉(zhuǎn)，所述傳統(tǒng)的 離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和所述第一超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子以及所述第二超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)置在 所述氣體導(dǎo)管內(nèi)。
10.一種壓縮流體的方法，所述方法包括(a)通過低壓氣體入口將流體引入包括在超音速壓縮機(jī)內(nèi)的氣體導(dǎo)管；和(b)除去通過所述超音速壓縮機(jī)的高壓氣體出口的氣體；所述超音速壓縮機(jī)包括設(shè)置在所述氣體入口和所述氣體出口之間的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn) 子，所述超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子限定內(nèi)部圓柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣以及容許在所述內(nèi)部圓柱 形空腔和所述外部轉(zhuǎn)子輪緣之間流體連通的至少一個(gè)徑向流動(dòng)通道，所述徑向流動(dòng)通道包 括超音速壓縮拐角。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括徑向流動(dòng)路徑的超音速壓縮機(jī)，具體而言，提供了包括新穎的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的新穎的超音速壓縮機(jī)。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成以非常高的旋轉(zhuǎn)速度運(yùn)行，其中進(jìn)入超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子中的氣體速度大于氣體中聲音的局部速度，因此描述為“超音速”。該新型超音速壓縮機(jī)包括至少一個(gè)超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其限定內(nèi)部圓柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣以及容許在內(nèi)部圓柱形空腔和外部轉(zhuǎn)子輪緣之間流體連通的至少一個(gè)徑向流動(dòng)通道，所述徑向流動(dòng)通道包括超音速壓縮拐角。該新穎的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子預(yù)期增強(qiáng)包含它們的超音速壓縮機(jī)的性能，并且在包括該新穎超音速壓縮機(jī)的系統(tǒng)中提供更大的設(shè)計(jì)通用性。
文檔編號(hào)F04D21/00GK101936306SQ201010221478
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月25日
發(fā)明者D·C·霍弗, D·G·霍梅斯, Z·W·納格 申請(qǐng)人:通用電氣公司