CN101936306B - 包括径向流动路径的超音速压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括径向流动路径的超音速压缩机，具体而言，提供了包括新颖的超音速压缩机转子的新颖的超音速压缩机。超音速压缩机转子设计成以非常高的旋转速度运行，其中进入超音速压缩机转子中的气体速度大于气体中声音的局部速度，因此描述为“超音速”。该新型超音速压缩机包括至少一个超音速压缩机转子，其限定内部圆柱形空腔和外部转子轮缘以及容许在内部圆柱形空腔和外部转子轮缘之间流体连通的至少一个径向流动通道，所述径向流动通道包括超音速压缩拐角。该新颖的超音速压缩机转子预期增强包含它们的超音速压缩机的性能，并且在包括该新颖超音速压缩机的系统中提供更大的设计通用性。

Description

包括径向流动路径的超音速压缩机
技术领域
本发明涉及压缩机和包括压缩机的系统。特别是，本发明涉及包括超音速压缩机转子的超音速压缩机和包括该压缩机的系统。
背景技术
传统的压缩机系统广泛地用于压缩气体，并在许多普遍采用的技术中找到应用，其范围从制冷机组到喷气式发动机而变化。压缩机的基本目的是输送和压缩气体。为此压缩机典型地对低压环境中的气体施加机械能量，并将气体输送至高压环境，且在高压环境内压缩气体，其中压缩气体可用于做功或作为使用高压气体的下游工艺的输入。气体压缩技术是沿用已久的，并且从离心机到混流机到轴流机而不同。传统的压缩机系统虽然非常有用，但是由于单个压缩机级可达到的压力比相对较低而受到限制。在需要高的总压力比的情况下，可采用包括多个压缩级的传统压缩机系统。然而，包括多个压缩级的传统压缩机系统倾向于大、复杂且成本高昂。
更近些年来，已经公开了包括超音速压缩机转子的压缩机系统。有时被称为超音速压缩机的此类压缩机系统通过使入口气体与具有转子轮缘表面结构的移动转子相接触而输送并压缩气体，其将入口气体从超音速压缩机转子的低压侧输送并压缩至超音速压缩机转子的高压侧。虽然同传统的压缩机相比，利用超音速压缩机可获得较高的单级压力比，但是进一步的改进将是极其合乎需要的。
如本文所详述，本发明提供了新颖的超音速压缩机，其相对于已知的超音速压缩机而言提供了压缩机性能方面的提升。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供了一种超音速压缩机转子，其限定了内部圆柱形空腔和外部转子轮缘以及容许在内部圆柱形空腔和外部转子轮缘之间流体连通的至少一个径向流动通道，所述径向流动通道包括超音速压缩拐角(compression ramp)。
在另一实施例中，本发明提供了一种超音速压缩机，包括(a)流体入口，(b)流体出口，和(c)至少一个超音速压缩机转子，所述超音速压缩机转子限定了内部圆柱形空腔和外部转子轮缘以及容许在内部圆柱形空腔和外部转子轮缘之间流体连通的至少一个径向流动通道，所述径向流动通道包括超音速压缩拐角。
在又另一实施例中，本发明提供了一种超音速压缩机，包括(a)气体导管；(b)第一超音速压缩机转子；(c)第二超音速压缩机转子和(d)传统离心式压缩机转子，所述气体导管包括(i)低压气体入口和(ii)高压气体出口；所述第一超音速压缩机转子限定了内部圆柱形空腔和外部转子轮缘以及容许在内部圆柱形空腔和外部转子轮缘之间流体连通的至少一个径向流动通道，所述径向流动通道包括超音速压缩拐角；所述第二超音速压缩机转子限定了内部圆柱形空腔和外部转子轮缘以及容许在内部圆柱形空腔和外部转子轮缘之间流体连通的至少一个径向流动通道，所述径向流动通道包括超音速压缩拐角；所述传统离心式压缩机转子设置在第一超音速压缩机转子的内部圆柱形空腔中，所述第一超音速压缩机转子设置在第二超音速压缩机转子的内部圆柱形空腔中，所述传统离心式压缩机转子构造成相对于所述第一超音速压缩机转子反向旋转，所述第一超音速压缩机转子构造成相对于所述第二超音速压缩机转子反向旋转，所述传统离心式压缩机转子和所述第一超音速压缩机转子以及所述第二超音速压缩机转子设置在气体导管中。
在又另一实施例中，本发明提供了一种压缩流体的方法，所述方法包括(a)通过低压气体入口将流体引入到包含在超音速压缩机内的气体导管中；和(b)除去通过所述超音速压缩机的高压气体出口的气体；所述超音速压缩机包括设置在所述气体入口和所述气体出口之间的超音速压缩机转子，所述超音速压缩机转子限定内部圆柱形空腔和外部转子轮缘以及容许在内部圆柱形空腔和外部转子轮缘之间流体连通的至少一个径向流动通道，所述径向流动通道包括超音速压缩拐角。
附图说明
为了本领域中的普通技术人员可完全理解本发明的新颖特征、原理和优势，除了详细说明之外，本发明公开还提供以下附图。
图1代表由本发明提供的超音速压缩机转子的一部分。
图2代表由本发明提供的超音速压缩机转子的一部分。
图3代表由本发明提供的超音速压缩机转子的一部分。
图4代表由本发明提供的超音速压缩机转子的构件。
图5代表由本发明提供的超音速压缩机的分解图。
图6代表图5中所示的超音速压缩机的备选视图。
图7代表本发明的一个实施例的分解图，其包括一对同心的超音速压缩机转子。
图8代表超音速压缩机，其包括传统的离心式压缩机转子和一对同心的超音速压缩机转子。
图9代表由本发明提供的超音速压缩机转子的一部分。
部件列表
10流体入口；20流体出口；100超音速压缩机转子；101流体流动方向；104内部圆柱形空腔；105转子支撑板；106转子支撑板的内表面；108径向流动通道；109超音速扩散区域；112外部转子轮缘；120设置在径向流动通道内的超音速压缩拐角；125在运行过程中建立于超音速压缩机转子的径向流动通道内的斜冲击波；127反射的斜冲击波；129垂直冲击波；150排列于转子支撑板105的内表面106上的箍条；160转子支撑柱；200第二超音速压缩机转子；300用于超音速压缩机转子100的传动轴；302用于第二超声压缩机转子200的传动轴；310传动轴和超音速压缩机转子100的旋转方向；312联接在第二超音速压缩机转子200上的传动轴的旋转方向；320用于传统压缩机转子的传动轴；330传统压缩机转子的传动轴的旋转方向；405传统的离心式压缩机转子；406传统的离心式压缩机转子上的叶片；500包括传统的离心式压缩机转子405和超音速压缩机转子的超音速压缩机500的视图；510压缩机外壳；520流体导管(流体导管的低压侧)，转子100和传统转子405据称设置在流体导管520/522内；522流体导管(流体导管的高压侧)；600图5中所示的压缩机的剖视图，其中传统的离心式压缩机转子405插入超音速压缩机转子100的内部圆柱形空腔104；700包括一对同心的超音速压缩机转子的超音速压缩机；800超音速压缩机，其包括联接在一对同心的超音速压缩机转子上的传统的离心式压缩机转子；820气体出口歧管；
当参照附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的各种特征、方面和优势，其中在所有附图中相似的标号表示相似的部件。除非明确指出，否则本文提供的图形意味着图示本发明的关键发明性特征。这些关键发明性特征被认为可适用于各种广泛的系统，包括本发明的一个或多个实施例。因此，这些图形并不意味着包括本领域中的普通技术人员所熟知的为实践本发明而需要的所有传统特征。
具体实施方式
在以下说明书和所附权利要求中将引用许多用语，它们将被限定具有以下含义。
除非上下文中明确指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数形式的所指对象。
“可选的”或“可选地”意味着接下来所述事件或情况可能发生或可能不发生，而且该描述包括事件发生的情形和其不发生的情形。
本文所用的近似性语言在整个说明书和权利要求中可用于修饰任何数量性表述，其可在不导致其相关的基本功能发生变化的条件下准许进行修改。因此，由词语例如“大约”和“基本上”修饰的值并不限于所指定的精确值。至少在某些情况下，近似性语言可与用于测量该值的仪器的精度相对应。除非上下文或语句中明确指出，否则此处和整个说明书及权利要求的范围内，范围的限制可进行组合和/或互换，此类范围被标识并包括包含在其中的所有子范围。
如本文所用，用语“超音速压缩机”指包括超音速压缩机转子的压缩机。
可包括一个或多个超音速压缩机转子的已知超音速压缩机构造成压缩超音速压缩机转子的外部轮缘和流体导管的内壁之间的流体，超音速压缩机转子设置在流体导管中。在此类超音速压缩机中，流体越过超音速压缩机转子的外部转子轮缘而从流体导管的低压侧输送到流体导管的高压侧。排列在外部转子轮缘上的箍条提供了流动通道，通过该流动通道，流体从超音速压缩机转子的一侧移动到另一侧。在例如分别于2005年3月28日和2005年3月23日提交的美国专利No.7,334,990和7,293,955中详细地描述了包括超音速压缩机转子的超音速压缩机。
本发明的特征是一种新颖的超音速压缩机转子，其中流体通过径向流动通道从流体导管的低压侧输送至流体导管的高压侧，该径向流动通道将超音速压缩机转子的内部圆柱形空腔联接到外部转子轮缘上。由本发明提供的超音速压缩机转子的新颖的设计特征预期用于增强包含它们的超音速压缩机的性能，并且在包括此类新颖超音速压缩机的系统中提供更大的设计通用性。由本发明提供的新颖的超音速压缩机转子可构造成用于由内至外的压缩或由外至内的压缩。超音速压缩机转子配置成在运行期间用于由内至外的压缩，当转子旋转时，气体从内部圆柱形空腔通过径向流动通道而移动至外部转子轮缘。超音速压缩机转子配置成在运行期间用于由外至内的压缩，当转子旋转时，气体从外部转子轮缘通过径向流动通道而移动至内部圆柱形空腔。通过超音速压缩拐角在径向流动通道中的位置和径向流动通道的流体入口处的叶片配置可确定超音速压缩机转子是否配置成用于由内至外或由外至内的压缩。在附图所示的各种示例中，超音速压缩机转子显示为配置成用于由内至外的压缩。
图1图示了为超音速压缩机转子的本发明的一个实施例。该视图显示了超音速压缩机转子100的关键构件，该超音速压缩机转子100包括具有内表面106的第一转子支撑板105，在内表面106上设置了构造成限定多个径向流动通道108的叶片150，各个径向流动通道均具有流体入口10、流体出口20和亚音速扩散区域109。在图1中所示的实施例中，各个叶片150显示为包括将在本发明公开的后文中进行详细论述的超音速压缩拐角120。超音速压缩拐角120的存在将本发明所提供的转子限定为超音速压缩机转子。当设置在由叶片150形成的表面上时，第二转子支撑板(未显示)完成了图1中所示的超音速压缩机转子的基本设计。图1中所示实施例的两个转子支撑板105可设想为一对洗衣板形状的板，其间设置了叶片150，叶片和板限定一个或多个径向流动通道108。图1中所示的超音速压缩机转子限定了内部圆柱形空腔104，其通过径向流动通道108与外部转子轮缘112(未显示)成流体连通。该径向流动通道容许在内部圆柱形空腔104和外部转子轮缘之间的流体连通。
在一个实施例中，由本发明提供的超音速压缩机转子可通过联接到转子上的传动轴而围绕其旋转轴线旋转。图2图示了通过转子支撑柱160附接在传动轴300上的超音速压缩机转子100。转子支撑柱160可附接在一个或两个转子支撑板105上。
本发明提供的超音速压缩机转子被称为“超音速”是因为其设计成围绕旋转轴线以高速旋转，使得移动的流体，例如移动的气体在设置于转子的径向流动通道中的超音速压缩拐角处遭遇旋转的超音速压缩机转子，该移动的流体据称具有超音速的相对流体速度。根据在超音速压缩拐角的前缘处的转子速度和恰好在遭遇此类超音速压缩拐角前缘之前的流体速度的矢量和可限定相对流体速度。此相对流体速度有时被称为“局部超音速入口速度”，其在某些实施例中是入口气体速度和设置在超音速压缩机转子的径向流动通道内的超音速压缩拐角的切向速度的组合。超音速压缩机转子被设计成用于非常高的切向速度下，例如在300米/秒至800米/秒范围内的切向速度。
图3图示了围绕由传动轴300所限定的旋转轴线的运动中的超音速压缩机转子100。在图3中所示的实施例中，当超音速压缩机转子100在方向310上旋转时，内部圆柱形空腔104内的流体经由流体入口10进入径向流动通道108中，并经由流体出口20离开径向流动通道108。方向箭头101指示了流体通过径向流动通道108从内部圆柱形空腔104流向外部转子轮缘(未显示)的方向。在非常高的切向速度下，在径向流动通道108中可产生斜冲击波125。图9进一步图示了在本发明的旋转式超音速压缩机转子内的流体特性。在图9中，斜冲击波125产生于超音速压缩拐角120的前缘处，并且被相邻的叶片150反射而产生反射冲击波127。在超音速压缩拐角的下游，通道面积在流动方向上增加，并且在此通道中建立了垂直冲击波129，其后跟有亚音速扩散区域109。
图4图示了由本发明提供的超音速压缩机转子100的一个实施例。超音速压缩机转子显示在分解图中，并且显示了第一转子支撑板105(下板)，其具有内表面106，并经由转子支撑柱160而附接在传动轴300上。叶片150可设置在转子支撑板105的内表面106上。在该实施例中具有与第一转子支撑板相同半径的第二转子支撑板105(上板)设置在叶片150上。第二组转子支撑柱160(未显示)可用于将第二转子支撑板固定在传动轴300上。第二转子支撑板105可以这种方式固定在传动轴300上，从而将叶片150固定在两个转子支撑板之间。在一个实施例中，其中一个或两个转子支撑板105的内表面106包括供叶片150插入的叶片形凹槽，从而进一步将叶片固定在转子支撑板上。在一个实施例中，叶片形凹槽具有相当于大约叶片高度的十分之一的均匀深度。在一个实施例中，超音速压缩机转子由单块金属机械加工而成。在一个备选实施例中，通过金属铸造技术制备超音速压缩机转子。在又一实施例中，超音速压缩机转子的构件，例如转子支撑板和叶片可铜焊、焊接或用螺栓连接在一起。在一个实施例中，第一转子支撑板105是与图4中所示相似的洗衣板形状的结构，并且第二转子支撑板105是没有限定孔的实心圆盘。
在图1-4中所示的实施例中，超音速压缩拐角120显示为整体结合于叶片上，如同其中叶片由单块金属机械加工而成的情况一样。在一个备选实施例中，超音速压缩拐角并不整体结合于叶片上，如同其中叶片和超音速压缩拐角由两个不同的金属块加工而成的情况。
在一个实施例中，本发明提供了一种超音速压缩机，其包括外壳，外壳具有流体入口和流体出口，并且超音速压缩机转子设置在流体入口和流体出口之间。在各种实施例中，超音速压缩机转子限定内部圆柱形空腔和外部转子轮缘以及容许在内部圆柱形空腔和外部转子轮缘之间流体连通的至少一个径向流动通道。径向流动通道配备超音速压缩拐角。在压缩机的运行期间，径向流动通道将流体压缩并从超音速压缩机转子的低压侧(入口侧)传送到超音速压缩机转子的高压侧(出口侧)。在一个实施例中，一组叶片与一对转子支撑板一起限定径向流动通道的边界。叶片和径向流动通道的超音速压缩拐角协同作用，以便在径向流动通道的入口处捕获流体，并在超音速压缩拐角的表面和相邻叶片的表面之间压缩流体，且将捕获的流体传输至径向流动通道的出口。超音速压缩机转子设计成使得至少在转子支撑板上的一个位置和压缩机外壳的内表面之间的距离最小化，从而限制了气体从超音速压缩机转子的高压侧(出口侧)至超音速压缩机转子的低压侧(入口侧)而至入口表面气体的返回通道。
参看图5，该图图示了本发明的一个实施例和其操作的某些基本特性。该图图示了分解图中所示的超音速压缩机500，其包括超音速压缩机转子100和容纳在压缩机外壳510中的传统的离心式压缩机转子405。超音速压缩机转子100和传统的离心式压缩机转子405据称设置在超音速压缩机的流体导管中，流体导管至少部分地由压缩机外壳限定，流体导管包括低压力侧520和高压力侧522，其分别被称为流体导管520的低压力侧和流体导管522的高压力侧。图5中所示的视图是“分解图”，其意义在于传统的离心式压缩机转子405从超音速压缩机转子100的内部圆柱形空腔104分离并高于该内部圆柱形空腔104。如本发明公开的图6中所示，传统的离心式压缩机转子405实际上设置在图5中所示的实施例中的内部圆柱形空腔104内。超音速压缩机转子100在方向310上被传动轴300驱动。传统的离心式压缩机转子405在方向330上被传动轴320驱动。如图所示，超音速压缩机转子100和传统的离心式压缩机转子405配置成用于反向旋转运动。通过压缩机入口(未显示)引入的流体(未显示)进入流体导管520的低压侧，并且遭遇在方向330上旋转的传统的离心式压缩机转子405的叶片406。当流体遭遇旋转的传统的离心式压缩机转子时，流体流动的方向101发生变化。流体从设置在超音速压缩机转子100的内部圆柱形空腔104内的传统的离心式压缩机转子405径向向外定向。超音速压缩机转子100限定内部圆柱形空腔104和外部转子轮缘112以及容许在内部圆柱形空腔104和外部转子轮缘112之间流体连通的至少一个径向流动通道108(未显示)，所述径向流动通道包括超音速压缩拐角(未显示)。图5中所示的实施例包括第一转子支撑板105(上转子支撑板)和第二转子支撑板105(下转子支撑板)。第一转子支撑板限定了孔，通过该孔可将传统的离心式压缩机转子405插入到内部圆柱形空腔104中。第二转子支撑板可包括或不包括孔。因而在一个实施例中，下转子支撑板105是实心圆盘。在一个备选实施例中，下转子支撑板105包括一个或多个孔。在所示的实施例中，第二转子支撑板机械地联接在传动轴300上。在一个实施例中，下转子支撑板的该机械联接是通过转子支撑柱160(在图5中未显示)来实现的。径向向外移动的流体遭遇旋转的超音速压缩机转子100的流体入口10(未显示)，并被引入径向流动通道108(未显示)，其容许流体从内部圆柱形空腔104传送到超音速压缩机转子的外部转子轮缘112处。径向流动通道108包括超音速压缩拐角120(未显示)，其压缩径向流动通道内的流体，并将被压缩的流体引向流体出口20。离开流体出口20的流体然后进入流体导管522的高压侧。流体导管522的高压侧内的压缩流体可用于做功。
参看图6，该图代表图5中所示的超音速压缩机500的一部分600的横截面图，并且显示了设置在超音速压缩机转子100的内部圆柱形空腔104内的传统的离心式压缩机转子405。传统的离心式压缩机转子405在方向330上被传动轴320驱动。传动轴320的一部分显示为设置在同心的传动轴300内，传动轴300在方向310上驱动超音速压缩机转子100。传动轴300显示为通过转子支撑柱160而机械地联接在超音速压缩机转子100上。流体流动的方向101指示为穿过传统的离心式压缩机转子405，并越过超音速压缩机转子100。流体在流体入口10处从内部圆柱形空腔104进入超音速压缩机转子100，并经由径向流动通道108横穿超音速压缩机转子(未显示)，并且在外部转子轮缘112处经由流体出口20而显露出来(图5中所示)。
如所指出的，在图5中表露出特征并由本发明提供的超音速压缩机包括两个反向旋转转子，即包括径向流动通道的超音速压缩机转子100和串联排列的传统的离心式压缩机转子405，使得来自上游传统的离心式压缩机转子的输出，例如二氧化碳或空气用作用于本发明的下游超音速压缩机转子的输入，下游超音速压缩机转子在与上游传统的离心式压缩机转子旋转相反的方向上旋转。例如，如果下游超音速压缩机转子配置成以顺时针方式旋转，则上游传统的离心式压缩机转子配置成以逆时针方式旋转。传统的离心式压缩机转子和超音速压缩机转子据称配置成彼此相对反向旋转。
在某些实施例中，本发明提供了一种包括多个超音速压缩机转子的超音速压缩机。图7显示了超音速压缩机转子如何可以同心且串联地配置，使得第一超音速压缩机转子的输出变成用于第二超音速压缩机转子的输入。图7中所示的配置700代表分解视图，其中第一超音速压缩机转子100实际上设置在第二超音速压缩机转子200的内部圆柱形空腔104内。第一超音速压缩机转子和第二超音速压缩机转子的每一个均限定内部圆柱形空腔104、外部转子轮缘112和容许在内部圆柱形空腔和外部转子轮缘之间流体连通的至少一个径向流动通道108(尤其参见图9)，所述径向流动通道包括超音速压缩拐角120(尤其参见图9)。在图7所示的实施例中，第一超音速压缩机转子100显示为经由转子支撑柱160而附接在传动轴300上，并且第二超音速压缩机转子200显示为经由转子支撑柱160而附接在传动轴302上。第一超音速压缩机转子100和第二超音速压缩机转子200配置成分别在旋转方向310和312上反向旋转。
在图7中，在第一超音速压缩机转子100和第二超音速压缩机转子200的各个图示中，至少一个叶片150的一部分显得没有设置在转子支撑板105之间。这样做是为了更好地在视觉上强调流体出口20存在于外部转子轮缘112上，而非表示叶片150的任何部分没有设置在转子支撑板105内。因而在图5所示的实施例中，叶片150完全设置在转子支撑板105内，并且没有任何叶片部分伸出由外部转子轮缘112限定的范围。
在某些实施例中，由本发明提供的超音速压缩机转子包括据称是“大体上相同的”一对转子支撑板。当各具有相同的形状、重量和直径，由相同材料制成，并且拥有相同类型和数量的轮缘表面特征、转子支撑板的内表面的表面特征和转子支撑板的外表面的表面特征(总称表面特征)时，转子支撑板是大体上相同的。
在一个备选实施例中，由本发明提供的超音速压缩机转子包括一对转子支撑板，其在例如图4中不是大体上相同的。如本文所用，当转子支撑板在某些方面显著不同时，两个转子支撑板不是大体上相同的。例如在两个转子支撑板之间的实质差异包括形状、重量和直径、构造材料和表面特征的类型和数量上的差异。例如由不同的构造材料组成的两个其它方面相同的转子支撑板将被称为“不是大体上相同的”。
在例如流体压缩机的各种应用中，本发明的超音速压缩机转子可由传动轴驱动。在一个实施例中，本发明提供了一种超音速压缩机，其包括多个本发明的超音速压缩机转子，各转子由专用传动轴驱动。在一个实施例中，本发明提供了一种超音速压缩机，其包括流体入口、流体出口和反向旋转的至少两个超音速压缩机转子，它们串联配置，使得第一超音速压缩机转子的流体输出是用于第二超音速压缩机转子的流体输入，其中第一超音速压缩机转子联接在第一传动轴上，并且第二超音速压缩机转子联接在第二传动轴上，其中第一传动轴和第二传动轴沿着公共旋转轴线进行排列。本领域中的普通技术人员将会理解，在两个反向旋转的超音速压缩机转子各由专用的传动轴驱动的情况下，传动轴将在各种实施例中本身配置用于反向旋转运动。在一个实施例中，第一传动轴和第二传动轴是反向旋转的，共用一条公共的旋转轴线，并且是同心的，意味着第一传动轴和第二传动轴的其中一个设置在另一传动轴内。在一个实施例中，由本发明提供的超音速压缩机包括联接在公共驱动马达上的第一传动轴和第二传动轴。在一个备选实施例中，由本发明提供的超音速压缩机包括联接在至少两个不同的驱动马达上的第一传动轴和第二传动轴。本领域中的普通技术人员将会懂得，驱动马达用于“驱动”(旋转)传动轴，而这些传动轴又驱动超音速压缩机转子，并且还将会懂得将驱动马达(经由齿轮、链条等等)联接到传动轴上通常所采用的装置，并且另外将会懂得用于控制传动轴旋转速度的装置。在一个实施例中，第一传动轴和第二传动轴由反向旋转的涡轮驱动，该涡轮具有配置成以相反方向旋转的两组叶片，一组叶片的运动方向由各组的组成叶片的形状来确定。
在一个实施例中，本发明提供了一种超音速压缩机，其包括至少两个反向旋转的超音速压缩机转子，各转子均包括至少一个径向流动通道。例如可将超音速压缩机转子串联配置，使得具有第一旋转方向的第一超音速压缩机转子的输出被引向配置成相对于第一超音速压缩机转子反向旋转的第二超音速压缩机转子。在一个实施例中，反向旋转的超音速压缩机转子排列成使得第一超音速压缩机转子设置在第二超音速压缩机转子的内部圆柱形空腔中。
参看图8，该图图示了一种示例性超音速压缩机800，其包括传统的离心式压缩机转子405和同心配置的本发明的一对超音速压缩机转子。图8中所示的超音速压缩机包括第一超音速压缩机转子100和第二超音速压缩机转子200。前述转子设置在流体导管内，流体导管包括包含在压缩机外壳510内的低压侧520和高压侧522。传统的离心式压缩机转子405显示为设置在第一超音速压缩机转子100的内部圆柱形空腔104内，并且第一超音速压缩机转子100显示为设置在第二超音速压缩机转子200的内部圆柱形空腔104内。第一超音速压缩机转子100在方向310上由传动轴300驱动。第二超音速压缩机转子200在方向312上由传动轴302驱动。超音速压缩机转子100和200显示为彼此相对反向旋转。传统的离心式压缩机转子405在方向330上由传动轴320驱动。传统的离心式压缩机转子405的输出通过内部圆柱形空腔104而被引入第一超音速压缩机转子100中。第一超音速压缩机转子100的输出被引向第二超音速压缩机转子200的内部圆柱形空腔104。在图8中所示的实施例中，第二超音速压缩机转子200的输出被引入涡管820。
由本发明提供的超音速压缩机转子在某些实施例中，例如图8所示的实施例中可包括多个超音速压缩机转子。在超音速压缩机转子串联设置的情况下，有时有利于将超音速压缩机转子配置成反向旋转。在一个实施例中，本发明提供了一种超音速压缩机，其包括各包括至少一个径向流动通道的至少三个反向旋转的超音速压缩机转子。例如，超音速压缩机转子可串联配置，使得将来自具有第一旋转方向的第一超音速压缩机转子的输出引向配置成相对于第一超音速压缩机转子反向旋转的第二超音速压缩机转子，并且还使得来自第二超音速压缩机转子的输出被引向配置成相对于第二超音速压缩机转子反向旋转的第三超音速压缩机转子。在一个实施例中，反向旋转的超音速压缩机转子排列成使得第一超音速压缩机转子设置在第二超音速压缩机转子的内部圆柱形空腔内，并且第二超音速压缩机转子设置在第三超音速压缩机转子的内部圆柱形空腔内。
本领域中的普通技术人员将会懂得通过在压缩机内包括流体导向叶片可增强传统的压缩机和超音速压缩机的性能。因而，在一个实施例，本发明提供了一种超音速压缩机，其包括流体入口、流体出口、至少一个超音速压缩机转子和一个或多个流体导向叶片，超音速压缩机转子了限定内部圆柱形空腔和外部转子轮缘以及至少一个径向流动通道。在一个实施例中，超音速压缩机可包括多个流体导向叶片。流体导向叶片可设置在流体入口和超音速压缩机转子之间，或设置在超音速压缩机转子和流体出口之间，或它们的某些组合。因而在一个实施例中，由本发明提供的超音速压缩机包括设置在流体入口和超音速压缩机转子之间的流体导向叶片，在这种情况下，可将流体导向叶片逻辑上称为入口导向叶片(IGV)。在另一实施例中，由本发明提供的超音速压缩机包括设置在第一和第二超音速压缩机转子之间的流体导向叶片，在该情况下可将流体导向叶片逻辑上称为中间导向叶片(IntGV)。在另一实施例中，由本发明提供的超音速压缩机包括设置在超音速压缩机转子和流体出口之间的流体导向叶片，在该情况下可将流体导向叶片逻辑上称为出口导向叶片(OGV)。在一个实施例中，本发明提供的超音速压缩机包括多个超音速压缩机转子和入口导向叶片、出口导向叶片及中间导向叶片的组合。
在一个实施例中，由本发明提供的超音速压缩机包括在更大的系统内，例如燃气涡轮发动机，如喷气式发动机。因为由本发明提供的超音速压缩机可获得增强的压缩比，所以认为可减少燃气涡轮发动机的整体尺寸和重量，并从中获得附带的好处。
在一个实施例中，由本发明提供的超音速压缩机包括(a)气体导管；(b)第一超音速压缩机转子；(c)第二超音速压缩机转子和(d)传统的离心式压缩机转子，气体导管包括(i)低压气体入口和(ii)高压气体出口；第一超音速压缩机转子限定了内部圆柱形空腔和外部转子轮缘以及容许在内部圆柱形空腔和外部转子轮缘之间流体连通的至少一个径向流动通道，所述径向流动通道包括超音速压缩拐角；第二超音速压缩机转子限定了内部圆柱形空腔和外部转子轮缘以及容许在内部圆柱形空腔和外部转子轮缘之间流体连通的至少一个径向流动通道，所述径向流动通道包括超音速压缩拐角；所述第一超音速压缩机转子、所述第二超音速压缩机转子和所述传统的离心式压缩机转子设置在所述气体导管中。在一个实施例中，传统的离心式压缩机转子设置在第一超音速压缩机转子的内部圆柱形空腔内，并且第一超音速压缩机转子设置在第二超音速压缩机转子的内部圆柱形空腔内，传统的离心式压缩机转子配置成相对于所述第一超音速压缩机转子反向旋转，而第一超音速压缩机转子配置成相对于所述第二超音速压缩机转子反向旋转，所述传统的离心式压缩机转子和所述第一超音速压缩机转子以及所述第二超音速压缩机转子设置在气体导管内。
以下论述包括在本发明公开中，用于对超音速压缩机的运行提供补充的技术理解。出于简洁起见，论述集中于由本发明提供的特定类型的超音速压缩机的气体动力学方面，超音速压缩机包括超音速压缩机转子和各种入口导向叶片及出口导向叶片。超音速压缩机要求进入超音速压缩机转子的气体具有高的相对速度。这些速度必须大于气体中的局部音速，因此称为“超音速”。出于包含在此部分内讨论的目的，在运行期间考虑超音速压缩机，这种超音速压缩机包括入口导向叶片和出口导向叶片。气体通过气体入口而引入超音速压缩机，超音速压缩机包括排列于第一超音速压缩机转子上游的多个入口导向叶片(IGV)、第二超音速压缩机转子和一组出口导向叶片(OGV)。出自IGV中的气体被第一超音速压缩机转子压缩，并且将第一超音速压缩机转子的输出引向第二(反向旋转)超音速压缩机转子，其输出将会遇到一组出口导向叶片(0GV)并被其改变。当气体遇到入口导向叶片(IGV)时，气体被IGV加速到高的切向速度。此切向速度与转子的切向速度组合，并且这些速度的矢量和确定了进入转子的气体的相对速度。通过IGV的气体加速导致局部静压力的减少，该局部静压力减少必须被超音速压缩机转子中压力上升克服。跨越转子的压力上升是入口绝对切向速度和出口绝对切向速度以及半径、流体属性和旋转速度的函数，并且由等式I给出，其中P1是入口压力，P2是出口压力，γ是进行压缩的气体的比热，Ω是旋转速度，r是半径，Vθ是切向速度，η(见指数)是多变效率，并且C01是入口处的声音停滞速度，其等于(γ*R*T0)的平方根，其中R是气体常数，并且T0是进入气体的总温度。本领域中的普通技术人员将会认识到等式I是用于涡轮机械的欧拉方程的一种形式。当Δ(rVθ)的值很大时，在单个级上获得高的压力比。
P 2 P 1 = [ 1 + ( γ - 1 ) ΩΔ ( r v θ ) c 01 2 ] γη γ - 1 等式I
超音速压缩机转子，例如本发明所提供的超音速压缩机转子可利用任何当前用于传统压缩机的材料制成，包括铝合金、钢合金、镍合金和钛合金，其依赖于所需要的强度和温度容量。还可使用复合结构，其将几种不同材料的相对强度组合起来，包括上面列举的那些材料和非金属材料。压缩机外壳、入口导向叶片、出口导向叶片和排气涡管可由任何用于目前涡轮机械装置的材料制成，包括铸铁。
如所指出的，在一个实施例中，本发明提供了一种压缩流体的方法，其包括(a)通过低压气体入口将流体引入包含在超音速压缩机内的气体导管中；和(b)除去通过所述超音速压缩机的高压气体出口的气体；所述超音速压缩机包括设置在所述气体入口和所述气体出口之间的超音速压缩机转子，所述超音速压缩机转子限定内部圆柱形空腔和外部转子轮缘以及容许在内部圆柱形空腔和外部转子轮缘之间流体连通的至少一个径向流动通道，所述径向流动通道包括超音速压缩拐角。由本发明提供的方法可用于制备压缩流体，例如压缩气体。在一个实施例中，本发明提供的方法可用于制备呈液化天然气形式的压缩天然气。其它可利用本发明方法压缩的气体包括空气、二氧化碳、氮、氩、氦、氢、氧、一氧化碳、六氟化硫、制冷剂气体和它们的混合物。制冷剂气体包括四氟二氯乙烷(有时称为R123)，1，1，1，2，3，3，3-七氟丙烷、六氟乙烷、氯氟烷等等。
前面的示例仅仅是解释性的，仅用于举例说明本发明的某些特征。所附权利要求意图尽其设想广泛地要求保护本发明，并且本文展示的示例说明了从所有可能的实施例集合中选出的实施例。因此，本申请人的意图是所附权利要求并不受用于说明本发明特征的示例选择的限制。如权利要求中所用，词语“包括”和其语法变体逻辑上也是相对并且包括变化程度和不同程度的短语，例如但不局限于“基本上由...组成”和“由...组成”。在已经提供了范围的必要的情况下，那些范围包含其之间所有的子范围。预计这些范围内的变体本身将会被本领域中的普通技术人员提出，并且在不是已专用于公众的情况下，那些变化在可能的情况下应视为被所附权利要求覆盖。还预期科学和技术方面的进步将使现在由于语言的不严密而没有想到的等效物和替代物成为可能，并且这些变体在可能的情况下也应认为被所附权利要求覆盖。

Claims (20)

1.一种超音速压缩机转子，其限定内部圆柱形空腔和外部转子轮缘以及容许在所述内部圆柱形空腔和所述外部转子轮缘之间流体连通的至少一个径向流动通道，所述径向流动通道包括超音速压缩拐角以及位于所述超音速压缩拐角下游的亚音速扩散区域。
2.根据权利要求1所述的超音速压缩机转子，其特征在于，所述超音速压缩拐角整体结合于叶片上。
3.根据权利要求1所述的超音速压缩机转子，其特征在于，所述超音速压缩拐角不整体结合于叶片上。
4.根据权利要求1所述的超音速压缩机转子，其特征在于，所述超音速压缩机转子限定多个径向流动通道。
5.根据权利要求1所述的超音速压缩机转子，其特征在于，所述超音速压缩机转子配置成用于由内至外的压缩。
6.根据权利要求1所述的超音速压缩机转子，其特征在于，所述超音速压缩机转子配置成用于由外至内的压缩。
7.根据权利要求1所述的超音速压缩机转子，其特征在于，所述超音速压缩机转子包括设置在一对转子支撑板之间的多个叶片，至少其中一个所述叶片包括超音速压缩拐角。
8.一种超音速压缩机，包括：
(a)流体入口；
(b)流体出口；和
(c)至少一个超音速压缩机转子，所述超音速压缩机转子限定内部圆柱形空腔和外部转子轮缘以及容许在所述内部圆柱形空腔和所述外部转子轮缘之间流体连通的至少一个径向流动通道，所述径向流动通道包括超音速压缩拐角以及位于所述超音速压缩拐角下游的亚音速扩散区域。
9.根据权利要求8所述的超音速压缩机，其特征在于，所述超音速压缩机转子包括设置在一对转子支撑板之间的多个叶片，至少其中一个所述叶片包括超音速压缩拐角。
10.根据权利要求8所述的超音速压缩机，其特征在于，所述超音速压缩机还包括离心式压缩机转子。
11.根据权利要求8所述的超音速压缩机，其特征在于，所述超音速压缩机包括多个超音速压缩机转子。
12.根据权利要求11所述的超音速压缩机，其特征在于，第一超音速压缩机转子设置在第二超音速压缩机转子的内部圆柱形空腔内。
13.根据权利要求8所述的超音速压缩机，其特征在于，所述超音速压缩机转子配置成用于由内至外的压缩。
14.根据权利要求8所述的超音速压缩机，其特征在于，所述超音速压缩机转子配置成用于由外至内的压缩。
15.根据权利要求8所述的超音速压缩机，其特征在于，所述超音速压缩机转子包括多个径向流动通道。
16.根据权利要求8所述的超音速压缩机，其特征在于，还包括多个流体导向叶片。
17.根据权利要求8所述的超音速压缩机，其特征在于，所述超音速压缩机包括在燃气涡轮发动机内。
18.一种超音速压缩机，包括：
(a)气体导管，其包括(i)低压气体入口，和(ii)高压气体出口；
(b)第一超音速压缩机转子，其限定内部圆柱形空腔和外部转子轮缘以及容许在所述内部圆柱形空腔和所述外部转子轮缘之间流体连通的至少一个径向流动通道，所述径向流动通道包括超音速压缩拐角以及位于所述超音速压缩拐角下游的亚音速扩散区域；
(c)第二超音速压缩机转子，其限定内部圆柱形空腔和外部转子轮缘以及容许在所述内部圆柱形空腔和所述外部转子轮缘之间流体连通的至少一个径向流动通道，所述径向流动通道包括超音速压缩拐角以及位于所述超音速压缩拐角下游的亚音速扩散区域；
(d)离心式压缩机转子；所述离心式压缩机转子设置在所述第一超音速压缩机转子的内部圆柱形空腔内，所述第一超音速压缩机转子设置在所述第二超音速压缩机转子的内部圆柱形空腔内，所述离心式压缩机转子配置成相对于所述第一超音速压缩机转子而反向旋转，所述第一超音速压缩机转子配置成相对于所述第二超音速压缩机转子而反向旋转，所述离心式压缩机转子和所述第一超音速压缩机转子以及所述第二超音速压缩机转子设置在所述气体导管内。
19.一种压缩流体的方法，所述方法包括：
(a)通过低压气体入口将流体引入包括在超音速压缩机内的气体导管；和
(b)除去通过所述超音速压缩机的高压气体出口的气体；所述超音速压缩机包括设置在所述气体入口和所述气体出口之间的超音速压缩机转子，所述超音速压缩机转子限定内部圆柱形空腔和外部转子轮缘以及容许在所述内部圆柱形空腔和所述外部转子轮缘之间流体连通的至少一个径向流动通道，所述径向流动通道包括超音速压缩拐角以及位于所述超音速压缩拐角下游的亚音速扩散区域。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述流体包括二氧化碳。
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