CN102865140A - 具有超音速压缩机的燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃气涡轮发动机，其具有使用转子上的冲击式叶片的压缩机部分，以将超音速状态下的选定气体输送至定子。该定子包括一个或更多气动管道，该气动管道具有收敛和扩张部，用于使选定气体减速至亚音速状态，并且将高压气体输送至燃烧室。气动管道包括用于改变有效压缩比以即使在被设计用于高压力比时也能够起动的结构，以及用于边界层控制的结构。在实施方式中，当在气动管道的入口处正交于流向的横截面观察时，设置气动管道具有二比一（2:1）或更大的宽高比。设置燃烧室，用于燃烧选定燃料，以产生热加压燃烧气体。通过经一个或更多燃气涡轮的叶片使燃烧气体膨胀而恢复功。

Description

具有超音速压缩机的燃气涡轮发动机

相关申请的交叉引用

本申请交叉引用共同待决的美国临时专利申请，其各个都在2011年7月9日提交，即美国临时专利申请第61/506,055号，针对SUPERSONIC COMPRESSOR（超音速压缩机），以及美国临时专利申请第61/506,064号，针对GAS TURBINE ENGINE WITHSUPERSONIC COMPRESSOR（具有超音速压缩机的燃气涡轮发动机），以及美国临时专利申请第61/506,073号，针对GAS TURBINEENGINE（燃气涡轮发动机），各个共同待决的美国申请的全部内容都引入本文以供参考。

政府投资声明

本发明是在美国能源部授予的合同No.DE-FE0000493下在美国政府支持下完成的。美国政府在本发明中具有特定权利。

附图的版权

本专利文件的公开内容的一部分含有受版权保护的材料。其所有人不反对任何人对出现在专利和商标局专利文件或记录中的专利文件或专利公开内容进行描摹复制，但以任何其它方式保留全部版权。

技术领域

本说明涉及燃气涡轮发动机，并且更特别地涉及包括被设计成利用超音速激波压缩的气体压缩部分的燃气涡轮发动机。

背景技术

在工业中存在对改进燃气涡轮发动机的持续兴趣。燃气涡轮发动机继续在广泛的应用中有用。通过采用与当前利用的燃气涡轮设计相比会提高操作效率的改进燃气涡轮发动机，可在许多应用中充分改善操作成本。此外，从维护成本的角度，期望开发会减少旋转组件质量的改进燃气涡轮发动机设计，因为与尽管受到源自温度和压力的应力和应变、但不经受由旋转运动引起的附加载荷的非旋转部件相比，在更换或修理变得必需时，这些旋转组件成本高。因而，可以理解提供最少化移动部件的新型高效燃气涡轮发动机设计将会是有利的。通常，以较少重量提供较大马力将会是有利的。并且更具体地，提供具有相对高的总效率特别是在0.5-3兆瓦特的范围内的小型燃气涡轮将会是有利的。

燃气涡轮发动机的关键组件为压缩机部分。虽然已考虑将超音速压缩机用于燃气涡轮发动机中，但是在本领域中仍存在各种技术问题，并且为了提高操作能力和压缩效率，关于这些问题需要更好的解决方案。具体地说，虽然对燃气涡轮发动机已提出相对低压力比超音速压缩机，但是对用于能够容易地起动，而以高压缩比操作的燃气涡轮发动机的压缩机仍存在一种需求。此外，为了更简单地实现燃气涡轮发动机的压缩机部分中选定位置处正激波的稳定性，避免在例如移动叶片之间、移动与固定叶片之间、或移动与固定壁之间存在移动激波的构造将会是有利的。

简而言之，仍然需要提供同时解决各种实际问题的具有高压力比超音速压缩机的燃气涡轮发动机的设计，包括（a）提供被设计用于高压力比操作的压缩机的起动，以便能够控制在配置为定子且被设计用于高压力比和高效压缩时的超音速扩压器中的有效位置的正激波，（b）避免过多数目的前缘结构（例如可在现有技术的多叶片定子中遇到的那样），并使高速超音速气流在进入定子时遇到的其它损失最小化，以及（c）提供尤其与在期望的位置保持正激波相关的有效的边界层控制，以便用高效的方式实现高压缩比。

发明内容

已开发出一种新型燃气涡轮发动机，其在实施方式中利用可在紧凑区域中设置的超音速压缩机，并且其中，已使旋转部件的总质量（因此其数目）最小化。在一个实施方式中，紧凑设计可降低轴承跨距，这在第一成本和/或维护成本中可以是显著的优势。在一个实施方式中，燃气涡轮的压缩机利用转子上的冲击式叶片，以发展进气流中的气体速度，使进气流切向和轴向加速，并且将超音速流状态下的气流输送至定子。定子是包括多个静止气动管道（aerodynamic duct）的扩压器，该静止气动管道利用用于使进气减速的激波生成压缩斜面。利用膨胀斜面来扩散进气并恢复压力。在一个实施方式中，一种设计利用使前缘总数最小化、并且使暴露于超音速状态下的进气流的前缘的长度最小化的气动管道。在一个实施方式中，气动管道可包绕例如选定的圆柱形或选定的部分圆锥形的沿纵轴延伸的回转面。在各个实施方式中，可以将气动管道设置成螺旋形、螺旋状或螺线构造。在一个实施方式中，可以将气动管道设置成具有相对恒定的螺旋角的形状。在一个实施方式中，可将气动管道沿基本螺线构造的中心线设置，使得曲率对挠率的比恒定。或者，可将气动管道设置成圆锥螺线构造，采取如同位于基础圆锥面上方的轻微螺旋的形式。在各个实施方式中，气动管道可以为右旋或左旋。在一个实施方式中，气动管道的入口喉部可基本上相应于高速超音速气体离开冲击式转子的朝向定子的方向取向。可在气动管道内利用一系列斜激波和正激波，以便使高速进气流有效地转换为高压亚音速气流。在定子之后，将高压气体导向燃烧室。在燃烧室之后，所得的热燃烧气体通过一个或更多涡轮级膨胀，用于恢复轴功率。在一个实施方式中，可由轴向燃气涡轮提供该一个或更多涡轮级。

为起动燃气涡轮发动机用压缩机中的超音速激波系，定子可包括旁路气体出口，用于去除进气流的一部分至促进在定子内建立超音速激波的程度，以便与选定的压缩比、进口马赫数和选定气体的质量流量的设计点相一致。在一个实施方式中，旁路气体出口可用于一部分进气的循环。在一个实施方式中，特别是对于涉及环境空气压缩的燃气涡轮应用，旁路气体可简单排放至大气。或者，例如使用在起动期间被致动至开放位置而在正常操作期间保持关闭的门，可设置可调节内部旁路通道，以使一部分进气逸出到气动管道的喉部的下游，同时保持在气动管道内。在一个实施方式中，气体压缩机可在气动管道中设置几何可调节部分，以改变经过定子的进气流面积，以便起动并建立稳定的超音速激波操作。在一个实施方式中，可利用起动旁路气体出口和几何可调节部分两者。

为使不利的气动效应最小化，并为提高气流经过定子的效率，可利用一种或多种边界层控制结构。这样的边界层控制结构可从一种或多种类型的边界层控制技术中选定，包括经由边界层抽取或吸除来去除气流的一部分，或者通过边界层注气来激励边界层，或者通过例如使用涡流发生器进行混合来激励边界层。在一个实施方式中，涡流发生器可生成多个涡流，其中较大的涡流使同时生成的、邻近的且较小的涡流向边界层旋转并由此进入边界层，且因此由于较小的涡流与边界层混合而控制这样的边界层。

在一个实施方式中，在此说明的燃气涡轮发动机的压缩机可具有多个气路，即多个气动管道，用于生成超音速激波并允许喉部下游的亚音速扩散。在一个实施方式中，由于超音速激波可位于静止结构内，例如沿着气动管道的静止斜面部分，因此与激波位于转子内的结构之间，或者位于邻近转子之间，或者位于转子和例如周向壁的邻近的静止结构之间的各种现有技术超音速压缩机设计相比，激波位置的控制得以大大简化。

此外，定子即静止扩压器内的激波位置避免由于各种转子组件的旋转运动导致的阻力所引起的现有技术设计中存在的寄生损失。更根本地，在此公开的燃气涡轮压缩机设计的实施方式采用非常少的突入超音速流动路径中的气动前缘结构，特别是静止结构来发展高压缩比。这种改进的实现部分是因为提供了使气动管道的数目最少化的设计。在一个实施方式中，对每个气动管道仅设置单个前缘，因此使插入超音速流的前缘表面的数目最少化。因此，在此公开的压缩机设计具有提供特别是在单个压缩级中以高压缩比操作时高效的燃气涡轮的潜力。例如，不加限制，在此公开的燃气涡轮压缩机设计可利用在单级中以高达约四比一（4:1），或至少约四比一（4:1），或至少约六比一（6:1），或从约六比一至约十比一（约6:1至约10:1），或高达约十二又二分之一比一（12.5:1），或高达约二十比一（20:1），或更高的压缩比操作的压缩机。

最后，气流配置，特别是详细的转子叶片几何结构和详细的定子几何结构的许多变型，可由本领域技术人员和本说明书涉及的技术人员做出而不偏离本文的教导。

附图说明

现在将使用说明性的附图通过示例性实施方式说明新型燃气涡轮发动机设计，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是利用本文提供的超音速压缩机设计设置的示例性紧凑燃气涡轮发动机设计的截面图。

图2是部分剖视立视图，在截面中示出进口通道将供气馈送至转子上的冲击式叶片（从侧面示出以展现露出的叶片）。冲击式叶片将超音速状态下的气体输送至具有多个气动管道的定子即静止扩压器。气动管道包括收敛部和扩张部、用于起动的进口旁路气体通道、以及用于边界层控制的边界层排气吸除口（outlet bleed port）。图2还示出定子的实施方式，其中气动管道的喉部与气流离开转子叶片的方向密切对齐。

图3提供了关于示例性冲击式转子叶片设计的气体速度图，说明了相对于从转子伸出的叶片在四个不同位置的气体速度分量。

图4是图1中所示的燃气涡轮发动机的部分截面图，更详细地示出转子上的冲击式叶片以及包括多个气动管道的下游定子，示出了具有收敛部和扩张部、使向燃烧器的流供改变方向的转向叶片的气动管道的螺旋结构，在实施方式中，该燃烧器可以设置为筒环型燃烧器，还示出了下游燃气涡轮转子和叶片。

图5是燃气涡轮发动机用压缩机部分的部分截面概略图，更详细地示出了转子上的冲击式叶片以及包括多个气动管道的下游定子，示出了具有收敛部和扩张部、以及用于起动的进口旁路通道和用于边界层控制的边界层口的气动管道的螺旋结构。

图6是燃气涡轮发动机的压缩机部分的详细部分截面图，示出了进口通道、转子上的冲击式叶片、定子（即静止扩压器）、转向叶片、和向燃烧器的压缩空气供应通道、以及燃烧器的燃料输入和排气输出。

图7是示例性燃气涡轮发动机的部分截面图，示出了热燃烧气体离开燃烧器并且行进到多个涡轮级并由此经过多个涡轮级。

图8是经过图7中的线8-8截取的截面图，示出了燃气涡轮发动机的涡轮部分中的转子叶片和定子叶片。

图9是沿图2中的线9-9截取的立视截面图，示出了定子入口的实施方式，这里示出五（5）个气动管道，并且还示出气动管道前缘的短高度。

图10是如同沿图2中的线10-10截取的立视截面图，但示出使用具有七（7）个气动管道的定子（即静止扩压器）的替换性实施方式的入口，并且还示出气动管道前缘的短高度。

图11是用于燃气涡轮发动机的压缩机的实施方式的概略侧视图，示出了使用冲击式叶片转子（未示出可能的附加叶片围带）与包括在一个实施方式中围绕旋转面螺旋设置的多个气动管道的定子，并且其中由虚线表示的旋转面基本上呈圆柱形。

图12是用于燃气涡轮发动机的压缩机的实施方式的概略侧视图，示出了使用冲击式叶片转子（未示出可能的附加转子围带）与包括在一个实施方式中围绕旋转面设置成基本上螺旋结构的多个气动管道的定子，并且其中由虚线表示的旋转面基本上呈向外倾斜的截锥形。

图13是压缩机的实施方式的概略侧视图，示出了使用冲击式叶片转子（未示出可能的附加围带）与包括在一个实施方式中围绕旋转面设置成基本上螺旋结构的气动管道的定子，并且其中由虚线表示的旋转面基本上呈向内倾斜的截锥形。

图14提供了进入冲击式叶片转子并经过定子的示例性气流路径的周向视图，该定子具有前缘，随后是各自具有经由压缩斜面（ramp）提供的收敛部和由膨胀斜面示出的扩张部的多个气动管道，并且示出用于起动的旁路吸除通道，和用于激波稳定性并用于提高效率的、协助边界层控制的边界层排气吸除口。

图15是图14中提供的周向视图的一部分的放大视图，示出了定子中的气动管道的前缘，并且还示出经由压缩斜面提供的收敛部和由膨胀斜面示出的扩张部，而且示出起动吸除口和边界层口。

图16是图15的放大部分，示出了定子的前缘楔形角和位于前缘后方即下游的分隔壁，在一个实施方式中该分隔壁可配置为在定子（即静止扩压器）中分离相邻气动管道的共用间壁。

图17是沿图16中的线17-17截取的截面图，示出了气动管道的前缘，且更具体地示出在一个实施方式中前缘可如何设置成后掠配置，即在流动方向上向后倾斜。

图18是图17的放大部分，示出了气动管道前缘的示例性半径。

图19是类似于上面图2中所示的冲击式转子的实施方式的透视图，但示出使用具有用于叶片的围带（shroud）的冲击式转子，并且在该实施方式中，还示出转子围带的圆周部分的迷宫型密封结构的齿。

图20是类似于上面图5中所示的压缩机的实施方式的部分截面图，示出了进气道、具有如图19中所示的围带的冲击式转子、定子，该定子包括具有几何可调节收敛部和扩张部的气动管道，并适于改变气动管道的有效收缩比以便在适当位置起动和建立超音速激波，并且还示出使用用于有效控制边界层现象的吸除、注射和涡流发生器。

图21是如上面图20中首先示出的位于气动管道内的可调节收敛部和扩张部的实施方式的示意性截面图，进一步示出管道的调节如何通过调节气体通过的可用面积来改变管道中的有效收缩比（也称为收缩比）。

图22是包括收敛部和扩张部的气动管道的实施方式的示意性截面图，包括了定子（即静止扩压器），示出了使用用于起动的气体去除和旁路系统以及使用用于控制边界层现象的边界层吸除系统。

图23是类似于上面图5和20中所示的压缩机的实施方式的部分截面透视图，示出了进气道、转子上的具有围带的冲击式叶片、包括气动管道的定子，该气动管道利用上面图22中所示类型的用于起动的气体去除系统，并且还示出了使用用于有效控制边界层现象的边界层吸除系统。

图24是包括收敛部和扩张部的气动管道的实施方式的部分截面图，示出了使用用于起动期间的气体去除的可开放门以及使用用于控制边界层现象的边界层吸除系统。

图25是示例性燃气涡轮发动机的上部的截面图，示出使用用于使压缩气体流向燃烧器，并且用于使来自燃烧器的燃烧气体流向涡轮叶片的基本上线性结构。

前述附图仅是示例性的，包含可在实际燃气涡轮发动机设计中特别是根据本文所教导原理的这种利用超音速压缩机设计的燃气涡轮发动机中存在或省略的多种元件。其它设计可使用稍微不同的气动结构、机械布置或处理流程配置，而仍采用文中所述或所提供的附图中示出的原理。已尝试采用示出至少对于理解利用超音速压缩机的示例性燃气涡轮发动机而言重要的元件的方式绘制附图。这种细节对于提供用于工业系统的高效燃气涡轮发动机设计应该是有用的。

应当理解的是，在由权利要求限定的本文的教导的保护范围和覆盖范围内，可根据其教导利用各种特征，因为取决于例如被处理气体的温度和压力等使用状态，该特征对于各种燃气涡轮发动机应用是必需或有用的，因此会在不同实施方式中有用。

具体实施方式

提供以下详细说明及其涉及的附图用于说明并图解在此阐述的新型燃气涡轮发动机的各方面的一些实例和具体实施方式，而不是为了详尽说明以下说明并要求的这种燃气涡轮发动机的各方面的全部可能的实施方式和实施例。因此，本详细说明不且不应以任何方式解释为限制本文件中要求的燃气涡轮发动机的保护范围。

为了便于对本文所公开主题的理解，如以下所阐述的使用许多术语、缩略语或其它速记名称。这些定义的意图仅在于补充本领域技术人员共同的用法。未以其它方式定义的任何术语、缩略语或速记名称均应理解为具有与本文件首次提交的同时期本领域技术人员所使用的普通意义。

在本公开中，术语“气动的”应理解为不仅包括空气的处理，而且包括以其它方式说明的压缩和相关设备内的其它气体的处理。因此，更广泛地，术语“气动的”在此应被理解为包括空气之外的气体的气体动力学原理。例如，尽管可使用所述装置的压缩机部分来压缩环境空气，但存在用于一些包括某些气体燃料组分、和/或包含其它氧化剂的其它气体混合物的某些燃气涡轮发动机应用，且因此如可应用的，术语“气动管道”还将包括在可被理解为气体动力管道的气动管道中压缩环境空气之外的气体或气体混合物。

术语“定子”或“静止扩压器”可用于描述被设计用于降低以超音速进入的气体的速度并增加该气体的压力的装置。定子或静止扩压器可采用一个或更多气动管道，当使用多个气动管道时，这些气动管道将进气分成更小的流动以便处理。这样的气动管道可包括（a）超音速部，其可采取总体上具有逐渐减小的横截面积的收敛部的形式，并接收超音速气体且生成斜激波，（b）喉部，在该处提供最小喉部横截面积，以及（c）亚音速部，其可采取具有朝向最终的横截面积逐渐增加的横截面的扩张部的形式，并使来自气体速度的动能转换为气体的静压。

术语“冲击式叶片”可用于描述用以使气体流动加速的具有特征几何形状的叶片，其中将动能给予经过的气体，而在理论极限，不将压力增加给予经过的气体。因此，在如本文所述的冲击式叶片中，由冲击式叶片对气流做的功主要导致速度增加，而不是主要导致压力增加。经过冲击式叶片的气流速度增加是通过改变气流方向而实现的。

术语“进口”在此可用于定义被设计用于接收流体流动，且更具体为气体流动的开口。例如，在燃气涡轮的压缩机部分中的定子的气动管道中，气动管道具有进口，该进口具有形状被设置成捕获并吸入待压缩气体的进口横截面积。进口可具有多种形状，在此提供几种示例性形状。

术语“启动”可用于定义在气动管道中起动气流并实现稳定的超音速气流的过程，该超音速气流经过收敛部且流入从气动管道的喉部向下游延伸的、具有总体上增加的横截面积的扩张部的至少一部分。更具体地，启动是一种状态的实现，其中给定被压缩的选定气体成分的质量流量、进口马赫数和压力比，在气动管道内的期望位置稳定地形成限定气流的超音速状态与亚音速状态之间的边界的激波。一般地，本文所述的各种结构和/或系统可用于启动，以便进行在气动管道中启动操作并建立稳定激波系的过程。在各种实方式中，可设置几何可调节部分，使得能够通过气动管道内的喉部吞入激波，从而使气动管道起动。在其它实施方式中，气动管道可配置成允许流动到该气动管道的气流的一部分外部排放，以便同样通过允许经过气动管道内的喉部吞入激波而提供启动。在其它实施方式中，气动管道可配置成允许流动到该气动管道的气流的一部分在内部绕过喉部并返回到喉部下游的气动管道。这种气流可被再引入气动管道的扩张部中。在一个实施方式中，经过气动管道喉部的减少的气流允许气动管道的起动。在其它实施方式中，例如通过门暂时增大喉部的有效横截面积而提高经过气动管道的气流可允许气动管道的起动。当处于启动配置时气动管道的性能与在没有可调节气流并具有相同的有效收缩比（换言之，气动管道的堵塞程度）的气动管道，例如如在固定几何形状的气动管道中可见的性能将会大致相同。然而，一旦实现启动并建立了稳定的超音速流，则用于提供收敛部周围的部分气体的旁路或提供增加的喉部横截面积的旁通阀、活门、门、或其它结构可关闭或返回操作位置或操作状态。此后，在操作配置中，本文所述的燃气涡轮压缩机部分提供其中即使采用单个压缩级时仍实现高压力比恢复的气动管道。

术语“未起动状态”在此可用于描述一种流动状态，待压缩气体在该流动状态下以比在压缩机设计状态下低得多的效率流过进口，并且其中一些甚至大部分进入气体可被进口排斥而不是适当地吸入用于压缩机的有效操作。在各种实施方式中，在未起动状态期间，在气动管道内激波的设计范围位置，不会适当建立具有稳定激波的超音速流动状态。

参考图1，其示出紧凑燃气涡轮发动机26的截面视图。燃气涡轮发动机26可利用超音速压缩机部分28和燃气涡轮部分30，该燃气涡轮部分30包括燃烧室32，该燃烧室32可包括一个或多个燃烧器33，例如筒环形燃烧器，以燃烧从燃料供应（未示出）向其提供的燃料31，并且产生热加压排气34作为燃烧产物。然后，将热加压排气34导向燃气涡轮36以便通过燃气涡轮36，以产生轴功率。将所产生的一部分功率经由轴45传输至压缩机部分28，用于压缩进入的选定的含氧化剂气体例如环境空气。燃气涡轮部分30可包括一个或多个燃气涡轮，并且同样地可分别包括具有转子叶片36_B、37_B、和38_B的燃气涡轮转子36_R、37_R和38_R以及相邻的定子叶片36_S、37_S、和38_S（细节参见图7），用于膨胀燃烧的热产物即燃烧气体34，以提取轴功率并且产生排气39。在一个实施方式中，超音速压缩机部分28可利用具有旋转轴44和驱动轴45的转子42，并且具有多个伸入气流进口通道48中的叶片46。叶片46的大小和形状可设置成作用于选定的进气50，例如空气或选定的含氧化剂气体，以提供超音速气流52。

现在参考图2，对于超音速压缩机部分28，可设置定子54。在一个实施方式中，定子54可围绕纵轴55（在图2中以中心线C_L示出）布置并设置成接收超音速气流52。在一个实施方式中，定子54可设置有多个气动管道56。在附图的各幅图中，对于可在特定定子54设计中利用的各个个别的气动管道56，一个或更多气动管道56可用下标进一步个别地识别为第一气动管道56₁、第二气动管道56₂、第三气动管道56₃、第四气动管道56₄、第五气动管道56₅、第六气动管道56₆、和第七气动管道56₇等等。气动管道56可包括收敛部58和扩张部60。在一个实施方式中，可将转子42配置成使进气50转向，从而以相对于一个或更多下游气动管道56的中心线C_LD的选定气体转子出口角beta（β）提供超音速相对速度气流52。在一个实施方式中，角度beta（β）可以零度（0°）提供，因此在气流52的方向与一个或更多下游气动管道56的中心线C_LD之间提供唯一的入射角。此外，如图2中所示，转子42和定子54一起提供压缩级，因此在需要进一步压缩的情况下，在燃烧之前可利用多个压缩级以便提供期望的最终压力下的气体。

在一个实施方式中，如在下文更充分论述，定子54可在其中包括一个或多个实现启动的结构，以及一个或多个提供边界层阻力控制的结构。在一个实施方式中，可设置如图2所示的旁路气体通道62，以在启动状态期间去除一部分进气52，从而调节相关气动管道56的有效收缩比。以该方式，可设计气动管道56以便在高压缩比下操作，而仍适于在最终实现高压缩比操作的气动管道56内启动稳定超音速激波系。

在一个实施方式中，气动管道56可包括一个或多个边界层控制结构，例如图2所示的在气动管道56的表面66处控制边界层可能需要的用于从气动管道56去除气体的出口64。如下文进一步描述，可通过一个或多个其它或附加结构，例如经由涡流发生器72或74（例如参见图20）而提供边界层控制。

再参考图2，压缩机部分28可利用压缩机40，该压缩机40具有转子42，转子42具有旋转轴44和例如驱动轴45以及伸入气流通道48内的多个叶片46。叶片46的尺寸和形状可设置成作用于选定的进气50从而提供超音速气流52。设置有配置为定子54的扩压器。在一个实施方式中，定子54可围绕纵轴55（在图2中以中心线C_LD示出）布置并设置成接收超音速气流52。在一个实施方式中，定子54可设置为一个或更多气动管道56。在一些附图中（例如参见图9、10和14），该一个或更多气动管道56可用下标进一步个别地识别为第一气动管道56₁、第二气动管道56₂、第三气动管道56₃、第四气动管道56₄、第五气动管道56₅，并且在图10中对于可在特定定子54设计中利用的各个个别的气动管道56示出第六气动管道56₆和第七气动管道56₇。更一般地，可设置数目N个气动管道56和数目B个叶片46，其中叶片46的数目B和气动管道56的数目N不相等，以便避免不利的谐波效应。换句话说，选定的设计应避免多个叶片与气动管道之间的谐波干涉。尽管在各种现有技术压缩机设计中一般认为可接受N减1（N–1）或N加一（N+1）的数目B个叶片46以避免不利的谐波效应，然而本文注意到通过最少化气动管道56的数目，且更具体地通过减少暴露于超音速进气流的组件数目来减少气动损失。因此，在一个实施方式中，叶片46的数目可显著超过气动管道56的数目，从而减少暴露于超音速流的组件。然而，应选定叶片46的数目B与气动管道56的数目N之间的任何比值来避免不利的谐波效应。

气动管道56各自包括收敛部58和扩张部60。在一个实施方式中，转子42可配置有使进气50转向的叶片46，从而以相对于一个或更多下游气动管道56的中心线C_LD的选定气体转子出口角beta（β）提供超音速相对速度气流52。在一个实施方式中，但不加限制，角度beta（β）可以零度（0°）提供，其中气流52的方向与气动管道56的中心线C_LD对齐，因此在气流52的方向与一个或更多下游气动管道56的中心线C_LD之间提供唯一的入射角。换句话说，在一个实施方式中，设置唯一入射角，因为气流52的方向匹配气动管道56的中心线C_LD，气流52进入到该气动管道56中。然而，应理解，不这样精确对齐的配置也是可工作的，但是应注意，如果流动角β不关于气动管道56对齐，将形成一系列激波或膨胀波（expansion fans）（取决于进气流的相对攻角是正还是负），以使流动转向，从而很大程度上匹配沿中心线C_LD经过气动管道56的流动角。该激波或膨胀波系将引起总压力损失，该总压力损失将有助于降低总压缩效率，并且降低对叶片46的给定速度所实现的总压缩比。作为例子，流动入射角beta（β）分别在从约2.0至约3.0的流入马赫数时从约11.0至约8.0度的变化，将引起约三个（3）百分点的效率损失。在各种应用中，可接受这种损失增大和相应的级效率降低。然而，除了引起压力和效率损失的激波或膨胀波状况，取决于激波系的强度和与其相互作用的边界层系统的厚度，随着这种非设计条件变得更加严重，对边界层相互作用的不利激波和/或边界层分离事件可能增多。并且，预期不利激波和附随的压力信号可从叶片46尤其是其后缘反映，潜在地增大应力并降低叶片46的寿命。因此，虽然不限制，但是趋向于将进气流角beta（β）与气动管道56的中心线C_LD密切对齐的实施方式应视为最佳的。

如图2所示，转子42和定子54一起提供压缩级。在需要进一步压缩的情况下，可利用多个压缩级以便提供期望的最终压力下的气体。

如图2所示，在一个实施方式中，如在下面更充分论述，定子54可在其中包括一个或多个能够启动激波的结构，以及一个或多个提供边界层阻力控制的结构。在一个实施方式中，可以设置旁路气体通道62，以在启动状态期间去除一部分进气52，从而调节相关气动管道56的有效收缩比。以该方式，可设计气动管道56，以便在高压缩比操作，而仍适于在最终实现向高压缩比操作转换的气动管道56内启动稳定超音速激波系。

在一个实施方式中，气动管道56可包括一种或多种边界层控制结构，例如图2中所示的如在气动管道56的表面66处控制边界层可能需要的用于从气动管道56去除气体的吸除口64。如下面进一步所述，可通过一种或更多其它或附加结构提供边界层控制。

现在参考图3，作为具体设计的例子而不加限制，对于在燃气涡轮发动机中使用的超音速压缩机的选定设计范围内的设计的实施方式，示出流动状态。转子42包括冲击式叶片46，在由参考箭头78所示的方向上移动。使用冲击式转子42使得能够高效地使进气流转向，在利用具有尖锐前缘80和尖锐后缘94的转子42时尤其如此。在转子42上游的位置A处，如云82中所示的速度图所示，在转子42之前，可遇到小切向速度（与下面所述从转子42离开之后的切向速度相比）。在进入转子42时，如云84中所示的速度图所示，使位置B处的气体速度加速。恰在离开转子42之前的位置C，如云86中所示的速度图所示，气体已部分加速并在移动。最终，在从转子42离开之后的位置D处，气体速度为云88中所示的速度图所示。基本上，冲击式叶片转子42允许使进气50经过角度alpha（α）大程度转向。此外，如云88中所示的速度矢量图所示，位置D处的轴向速度（VD轴向为约628英尺/秒）、位置D处的切向速度（VD切向为约2004.3英尺/秒）的矢量和提供位置D处气流52的总相对速度（VD为约2157.6英尺/秒），这因而在气流52进入定子54的气动管道56时是超音速的。因而，在一个实施方式中，通过将经过叶片46的气体速度与转子42的切向旋转进行组合来实现进入定子54的气动管道56的气流52的期望的超音速。

在例如图3所示的超音速压缩机40的实施方式中，通过转子42的叶片46的选定进口气体可被转向至少九十（90）度的角度alpha（α）。在压缩机40的一个实施方式中，通过转子42的选定进口气体可被转向至少一百（100）度的角度alpha（α）。在压缩机40的一个实施方式中，通过转子42的叶片46的选定进口气体可被转向至少一百一十（110）度的角度alpha（α）。在压缩机40的一个实施方式中，通过转子42的叶片46的选定进口气体可被转向角度alpha（α）。角度alpha（α）可至少为九十（90）度，例如约九十（90）度至约一百二十五（125）度、或约九十（90）度至约一百六十（160）度、或约一百一十二（112）度至约一百一十四（114）度。本领域技术人员可从各种来源找到用于超音速压缩机的各种冲击式叶片的示例性设计的细节。一个有用的参考可包括1968年4月1日作为Report No.NASA-TN-D-4422出版的，Louis J.Goldman的题为“Analytical Investigation of SupersonicTurbomachinery Blading-Section Ⅱ-Analysis of Impulse Turbine BladeSections（超音速涡轮机叶片的分析研究-第二部分-冲击式涡轮叶片部分的分析”的NASA报告，其被引入本文以供参考，并且读者可对于如本文进一步教导的超音速压缩机设计中冲击式叶片的实施的附加背景参考该报告。

如图4所示，在一个实施方式中，转子42中的多个叶片46的各个都可具有毂端90、尖端92和后缘94。在一个实施方式中，叶片46可在其后缘94处提供有超音速气流52。在一个实施方式中，后缘94处的超音速气流52可从后缘94的毂端90至尖端92。

如图19和图20所示，在一个实施方式中，可设置转子100具有用于叶片103的围带102。本领域技术人员应明白，转子100上的这种有围带的叶片103关于叶片103上从后缘108的毂端104到尖端106的超音速气流，在其它方面如所上述。在一个实施方式中，围带102可包括迷宫型密封部分110和112。通过使用迷宫型密封或其它适当的密封，例如蜂窝密封、干气密封、刷式密封等等，关于下游气动管道例如管道162可有效密封转子100，以便使气体在其间流动期间的泄漏最小化。

在一个实施方式中，例如图5所示，旁路气体通道62可包括与其流体连通的出口阀116，该出口阀116可在其中通过排气113的开放、启动状态与使排放的旁路气体113的流动最小化或停止的关闭、操作状态之间定位。可设置子气室114，用于收集旁路气体113，其中出口阀116调节这种收集的旁路气体118经由外部通道120向外通过。在该实施方式中，气动管道56具有采取可与外部通道120流体连接的旁路气体通道62形式的出口。在一个实施方式中，如虚线118’所示，可通过返回通道使收集的旁路气体118返回至进口通道48。或者，在压缩空气的情况下，如图5和图23中的虚线119所示，收集的旁路气体118可被直接排放至大气。

类似地，在各种实施方式中，边界层吸除口64可包括可在开放位置与关闭位置之间定位的出口阀124，在该开放位置中，吸除气体121通过出口阀124（参见图5），如会被本领域技术人员所理解的，以便去除大部分的边界层气体，因此使这种边界层的厚度最小化，并且该关闭位置避免边界层经吸除气体121的去除而去除。例如，示出用于收集吸除气体121的边界层吸除子气室122，其具有通过外部管线128使收集的吸除气体126向外通过的出口阀124。在该实施方式中，来自气动管道56的边界层吸除口64可与外部管线128流体连接。还如图5所示，在一个实施方式中，如虚线126’任选示出，可再循环收集的吸除气体126，并且将其返回至进口通道48。或者，在压缩空气的情况下，如图5和图23中的虚线127所示，收集的吸除气体126可被直接排放至大气。

在其它实施方式中，如图22和图23所示，压缩机可设置成使用如由内部气体通道外壳133的内壁131所限定的内部起动旁路气体通道130。在该结构中，在气动管道132内或与其邻近，内部旁路气体通道130可内部流体连接，以允许旁路气体134逸出收敛部136，并且如图22中的参考箭头148所示，将旁路气体134直接返回至气动管道132，到达其扩张部138。在一个实施方式中，铰接进口门140可设有致动器联杆142，用于开放虚线所示的旁路出口144。旁路气体134经过旁路出口144排出，然后如图22中的参考箭头146和148所示，经过旁路返回开口154返回。铰接返回门150可设有致动器联杆152，用于开放图22中虚线所示的旁路返回开口154。

参考图24，其示出用于实现气动管道132中启动超音速激波的又一实施方式。在图24中，旁路出口门155在端壁156₁与156₂之间提供虚线所示的旁路出口开口156，以使由参考箭头157所示的气体逸出气动管道132的收敛部136。在一个实施方式中，使用联杆158₃来使旁路出口门155绕枢轴销155₁枢轴转动，可将致动器158设置成按参考箭头158₁（开放）和158₂（关闭）所示向后和向前移动旁路出口门155。由参考箭头157所示的逸出旁路气体被旁路气体通道壁159容纳，用于如本文其它方面所述的返回或排放。在一个实施方式中，如参考箭头155₃和155₄所示，旁路出口门155可设有用于边界层吸除的边界层吸除通道155₂。更通常地，通过开放旁路气体通道例如门155，然后使叶片46（例如，图2）达到全速来实现超音速激波的启动。然后，可平缓地关闭旁路出口门，以使气动管道132的喉部O₁进入设计面积状态，其建立气动管道132的设计收缩比。在这点上，允许背压即气动管道132的扩张部138中的静压上升，以建立用于操作的设计排出压力。在操作期间，可通过无论吸除、混合、注射、其组合或其它适当的方式利用边界层控制结构来控制边界层。为了关闭，降低背压，并且关掉叶片46的驱动，并且允许压缩机旋转至停止。

参考图20和图21，在一个实施方式中压缩机可设置成使用气动管道162中的几何可调节部分160。如图20和图21所示，几何可调节部分160可在以下两个位置之间定位，即用于虚线所示的启动状态、具有面积为A₂（未示出，但相应于O₂位置的尺寸）的较大喉部O₂、其中收敛部164允许选定气体增加地流过气动管道162的位置，以及用于收敛部164被设定至实线所示的选定操作位置的操作状态、具有面积为A₁（未示出，但相应于O₁位置的尺寸）的喉部O₁的位置。将几何可调节部分160调节至操作位置并因此提供图21中实线所示的具有面积A₁的较小喉部O₁，比当几何可调节部分160处于图21中由虚线163所示的启动位置并且提供喉部O₂面积A₂时，允许以更高的压缩比操作。换句话说，几何可调节部分160移动，以改变气动管道162的收缩比。在各种实施方式中，如为具体压缩机所提供，一个或更多几何可调节部分160可位于一个或更多气动管道162中。如图21所示，在一个实施方式中，几何可调节部分160的调节可包括将管道162的收敛部164和扩张部165的长度延长长度L。在一个实施方式中，可使用枢轴销167实现这种调整。在一个实施方式中，可设置在锚件168和安装点170之间延伸的致动器166，以移动几何可调节部分160，并且允许例如在枢轴销167处的移动。

现在再参考边界层控制结构，在一个实施方式中，可将这种结构配置为例如图2或图5中所示的各种气动管道56（例如56₁~56₅）中的边界层吸除口64。可通过一个或更多围壁例如图2或图5中所示的气动管道中的扩张部60的表面66中的穿孔来设置这种边界层吸除口64。邻近边界层吸除口64的可为吸除子气室，例如上面关于图5所示的实施方式所示的或图22中可见的子气室122。因而，可设置与边界层吸除口64流体连通的吸除子气室122，因此配置吸除子气室122，用于经过边界层吸除口64去除的气体从其中通过。虽然边界层吸除口64示出在扩张部60中，但是这种吸除口可位于气动管道56的其它围壁中，例如径向向外部分、或侧壁上、或其它径向向内的部分。

在各种实施方式中，如图11、12和13所示，在静止扩压器即如上面图2中所示的定子54中可布置一个或更多气动管道56，并且可将其包绕示出沿中心线C_LS的纵轴。在一个实施方式中，如图11所示，可如同在基本上圆柱形的基底220上包绕静止扩压器221的该一个或更多气动管道56中的一个或多个。在该实施方式中，气动管道56可以基本上恒定的螺旋角psi（ψ）包绕示出沿定子的中心线C_LS的纵轴。或者，可通过使用如图11中所示的互补前置角delta（Δ）描述气动管道56的方向。在该实施方式中，第一气动管道56₁的中心线C_LD和第二气动管道56₂（以及实施方式中的其它管道）的中心线C_LD可平行。在各个实施方式中，可采用从约四十五度（45°）至约八十度（80°）的螺旋角psi（ψ）。在其它实施方式中，可以采用从约四十五度（45°）至约七十五度（75°）的螺旋角psi（ψ）。在本文公开的设计中，接收气动管道例如图11中的56₁中的气体，而不将如从叶片46输送的气流转向可以是有利的。在图12中所示的不同设计中，可如同在作为基底222的向外膨胀的锥形截面上包绕扩压器223的气动管道56₃和56₄。在又一且不同的可选的实施方式中，如图13所示，如同在作为基底224的向内减小的锥形截面上包绕扩压器225中的气动管道56₆和56₇。

总的来说，如从图4可部分想象，可设置具有超音速气体压缩机28的燃气涡轮发动机26，以便压缩进入的选定气体50，其中，燃气涡轮发动机26包括具有低压气体进口252和燃烧气体39出口254的外壳250。可设置具有叶片46（或者如图19和20所示的转子100上的有围带的叶片103）的转子42，以作用于选定气体50，从而对其给予速度，以向定子54提供超音速气流52（参见图2），该定子54包括一个或更多气动管道56。如图4所示，可设置消涡器57，位于定子54的下游，以在需要时将气流朝向燃烧器33转向。然而，在一些情况下，例如通过使用如图25中所示的基本上线性的燃气涡轮结构可使与消涡器57相关的损失最小化或避免。具有叶片46（或者如图19和图20所示的转子100上的有围带的叶片103）的转子42可由来自燃气涡轮36的轴45驱动，对于具体应用，本领域技术人员可选定驱动器类型和尺寸，以及相关的驱动系统组件，例如变速箱或轴承244等等。

可在图2所示类型的定子54中设置示例性气动管道56。在一个实施方式中，可将气动管道绕纵轴，例如绕图11的中心线C_LS基本上螺旋布置。气动管道可设计成即其尺寸和形状可设置成用于如下进口相对马赫数，该进口相对马赫数用于与在设计操作范围内选定的设计操作点相关的操作，该设计操作范围用于选定气体成分、气量和气体压缩比。燃气涡轮压缩机设计可配置用于选定的质量流量，也就是说用于待被压缩的具体气量，并且该气体可具有设计中应考虑的关于温度和压力的某些进口状态（或该状态的预期范围）。进气可为相对纯净的气体混合物，例如环境空气，或者可为各种元素和/或化合物的混合物，或者可预期该预期气供的成分变化。并且，当在给定进口气体压力下起动时，可期望实现特定的最终压力，因此，对于具体燃气涡轮压缩机设计，应选定期望的气体压缩比。给定设计约束，例如气体成分、气体质量流量、进口状态、以及期望的出口状态，具体压缩机的气动管道的尺寸和形状应设置成用于以选定进口马赫数和气体压缩比操作。本文所述的设计允许使用高气体压缩比，与缺乏调节有效收缩比能力的自起动压缩机设计相比尤其如此。因此，本文提供的设计在关于吞入激波结构并且在操作期间建立稳定的超音速激波结构能够起动的气动管道中提供压缩，而仍保持实现高压力比操作的设计特征，包括斜激波结构和喉部尺寸，以支持设计吞吐量和压缩压力比。

如图2所示，定子54中的气动管道56可构造有前缘350。与各个实施方式有关的某些细节在图9、10、15、16、17和18中示出。在图9中，示出具有五个（5）气动管道56₁-56₅的静止定子54的实施方式，并且其中，各个该气动管道56₁-56₅都包括前缘350。在图10中，示出具有七个（7）气动管道56₁-56₇的静止定子54的实施方式，并且其中，各个该气动管道都包括前缘350。通常，前缘350越尖锐，将提供越好的性能，也就是说，与使用不如此尖锐的前缘相比，当在进口以超音速状态操作时，将使损失最小化。如图18所示，在一个实施方式中，前缘350可设置具有从约0.005英寸至约0.012英寸的前缘半径R。可使用尖锐前缘楔形角theta（θ）设置前缘350，在一个实施方式中，该角度可为约五度（5°）至约十度（10°）。同样地，如图17所示，前缘350可设置成向后倾斜，即以如在前缘350与基础径向向内的围壁354的切线352之间测量的倾角mu（μ）的下游方向上。该倾斜前缘350可始于下前端356并且终于上后端358。可将前缘350在下前端356处密封或固定至径向向内的围壁354，并且可将其在前缘350的上后端358处密封或固定至（例如，使用焊接组件）径向向外的围壁360或关于径向向外的围壁360以其它方式密封地设置（例如，由共用工件加工）。

在前缘350的后部（在气流方向的下游），可利用分隔壁364。在各种实施方式中，例如如图14所示，可在邻近的气动管道56之间利用共用分隔壁364，例如在如图9和14所示的个别识别的气动管道56₁、56₂等至气动管道56₅之间。如图14所示，给定利用的气动管道56的数目，分隔壁364被适当地个别地识别为分隔壁364₁、364₂、364₃等等。在一个实施方式中，分隔壁364可设有约0.100英寸或更小的厚度T。总之，当可以彼此邻近地设置气动管道56时，可设置高效压缩机。当邻近气动管道56在其间具有共用分隔壁364时，该设计更为高效。在各个实施方式中，前缘350可为分隔壁例如分隔壁364提供上游终点。

在一个实施方式中，如参考图2可见，定子54设计可包括横截面形状可为多边形的气动管道56，并且该形状可包括多种围壁，例如底壁、顶壁以及侧壁。本文使用的术语径向向内的围壁用于表示也可被视为气动管道的底壁的结构。本文使用的术语径向向外的围壁用于表示也可被视为气动管道的顶壁的结构。如较早所述，在一个实施方式中，如图2所示，气动管道56可具有流动中心线C_LD。然后，在该实施方式中，正交于中心线C_LD，可设置具有平行四边形横截面形状的气动管道56，在一个实施方式中，该平行四边形横截面形状在沿气动管道56的多点处可为基本上矩形横截面形状。在一个实施方式中，中心线C_LD通常可为螺旋形。在图17中示出该横截面的高度H，在气动管道56的入口位置也就是前缘350的下前端356处、从径向向内的围壁354朝着径向向外的围壁360径向向外所示。在图15中示出该横截面的如在邻近分隔壁364₁与364₂之间（或之内）的宽度W。在一个实施方式中，关于上述横截面形状，气动管道56的表示为宽度W比高度H的平均宽高比可为约二比一（2：1）或更大。在一个实施方式中，气动管道56的表示为宽度W比高度H的平均宽高比可为约三比一（3：1）或更大。在一个实施方式中，气动管道56的表示为宽度W比高度H的平均宽高比可为约四比一（4：1）或更大。高度H的尺寸的例子参见图17，并且宽度W的尺寸的例子参见图15。

在各个实施方式中，如从图2，以及图9和图10可见，给定其它设计约束，可选定气动管道56的数目有用。所包括的气动管道56的数目可为一个或更多，也就是说从1至11，或更多个，例如3、5、7、9、或11个气动管道56。给定设计的气动管道56的数目可被选定作为考虑了各种因素的设计运用的一部分，该各种因素包括气流离开冲击式转子的方向、和由此提供的速度、和各种几何形状的配置中的不利边界层的生长程度。在一个实施方式中，用于定子54（例如，参见图2）中的进口的前缘350（例如，参见图17）的数目可与定子54中的气动管道56的数目相等。在许多实施方式中，设计最佳化可产生多个气动管道56，以使离开冲击式叶片46的气体速度最大化，并且使边界层生长最小化。在该实施方式中，如图2和图14所示，当使压缩机设计最佳化时，可设置奇数数目3、5、7、9、或11个气动管道56，并且如上所述，前缘350，例如定子54的数目将为十一（11）或更少。通常，应选定不相等数目的（1）转子上的叶片和（2）气动管道中的前缘。通过选定转子42中奇数数目的叶片46，可设置偶数数目的气动管道56，例如2、4、6、8、10或更多。在相关参数中，在示例性扩压器即定子54中，定子54中前缘350的数目将约为转子42中所设置的叶片46数目的一半（1/2）或更少。在另一实施方式中，扩压器例如定子54中前缘350的数目将约为转子42中叶片数目的四分之一（1/4）或更少。在又一更高效设计中，当前预期，定子54中前缘350的数目将约为转子42中叶片数目的百分之十五（15%）或更少。与各种现有技术定子相比，尤其是与利用数目与设置的转子叶片数目相当或相等的定子叶片的定子相比，最小化前缘和相关的气动管道的数目使阻力和效率损失最小化。

除了对前缘350以及相关气动管道56组件的数目、尺寸和形状进行改进之外，例如通过使用旁路气体通道例如图5中所示的旁路气体子气室114（也就是气动管道56的径向向内的围壁下方的子气室），或使用由图22所示的内部气体通道外壳133的内壁131所限定的内部起动旁路气体通道130的内部旁路提供在板（on-board）超音速激波起动能力，提供了在超音速压缩机中设计较高压力比的能力。作为例子，但不作为限制，当压缩机42被设计用于以约1.8的进口相对马赫数操作时，可在启动期间建立超音速激波期间操作旁路气体通道130，用于去除约11质量%至约19质量%的量的由气动管道56在进口捕获的选定气体。作为进一步例子，但不作为限制，当压缩机被设计用于以约2.8的进口相对马赫数操作时，可在启动期间建立超音速激波期间操作旁路气体通道130，用于去除约36质量%至约61质量%的量的由气动管道56在进口捕获的进口气体。本领域技术人员和本说明书所针对的人员将毫无疑问地能够计算并且因而确定适当的旁路气量，这对使得在给定压缩机设计参数的具体定子中使用的气动管道能够吞入初始超音速激波结构并且因而在气动管道内的期望位置建立稳定超音速激波结构有用或为其所需。因此，提供上述范围以向读者提供对建立稳定的超音速激波结构可能需要的质量流量的了解，并且因而消除定子中的气动管道内的未起动状态。在2009年8月6日出版的Lawlor的题为“Method and Apparatus for Starting Supersonic Compressors（用于起动超音速压缩机的方法和装置）”的美国专利申请公开No.US2009/0196731A1中讨论起动要求的各个方面，其全部内容引入本文以供参考。具体地，该公开的图3提供了适用于起动旁路气体去除要求的典型范围的图解说明，示出为对于以选定进口相对马赫数操作的超音速压缩机中的气动管道的起动吸除分数（由旁路气体质量除以由进口捕获的气体质量来定义）。

更一般地，包括如本文所述的压缩机的燃气涡轮发动机可被设计用于以超过约1.8的进口相对马赫数向气动管道例如图2所示的气动管道56₁提供气体。此外，压缩机可设计用于对于气动管道至少为2的进口相对马赫数。此外，本文所述的压缩机可设计用于对于气动管道至少为2.5的进口相对马赫数。并且，预期可以在具有对于气动管道超过约2.5的进口相对马赫数的设计中操作本文所述的超音速压缩机。对于许多应用，预期实际设计利用对于气动管道约2至约2.5的进口相对马赫数，包括该边界参数。此外，对于各种应用，作为例子但不作为限制，可预期实际设计利用对于气动管道56约2.5至约2.8的进口相对马赫数。对于其它应用，在各种设计中，作为例子，尤其是用于其中声速相对低的那些气体例如一些制冷气体的设计中，可实践甚至更高的进口马赫数。另一方面，对于处理具有非常高声速的气体例如氢的应用，以较低马赫数操作可提供商业上可接受的结果。结果，对各种设计可实现的马赫数不应被视为由该上述建议所限制，因为对具体应用的设计马赫数的评价可包括多种设计考虑。

可设置具有本文所述的压缩机的燃气涡轮发动机，用于在具有至少为三（3）的气体压缩比的设计操作范围内操作。在其它应用中，可设置本文所述的压缩机，用于在一个压缩级中具有至少为五（5）的气体压缩比的设计操作范围内操作。在其它应用中，可设置本文所述的压缩机，用于在一个压缩级中具有从约三点七五（3.75）至约十二（12）的气体压缩比的设计操作范围内操作。在其它应用中，可设置本文所述的压缩机，用于在一个压缩级中具有从约六（6）至约十二点五（12.5）的气体压缩比的设计操作范围内操作。在某些应用中，可设置本文所述的压缩机，用于在一个压缩级中具有从约十二（12）至约三十（30）的气体压缩比的设计操作范围内操作。在一个实施方式中，本文所述的燃气涡轮发动机的压缩机部分可以以超过百分之九十（90%）的等熵效率压缩空气。在一个实施方式中，本文所述的燃气涡轮发动机的压缩机部分可以以超过百分之九十五（95%）的等熵效率压缩空气。

总之，提供本文教导的用于压缩选定气体例如空气的改进超音速气体压缩机设计用于燃气涡轮发动机。在一个实施方式中，示例性压缩机28可利用具有低压气体进口252和燃烧气体39出口254的外壳250。可设置如图19所示的具有有围带的叶片103的转子100，用于将超音速状态下的选定气体输送至具有多个如图2所示的气动管道56的静止扩压器例如定子54。在一个实施方式中，气动管道56可螺旋地包绕在定子54中。在一个实施方式中，邻近的气动管道在其间可具有共用分隔壁。气动管道56具有收敛部58和扩张部60，随着超音速气流的输入，气动管道56在选定气体通过气动管道56时生成例如图23中所示的多个斜激波S₁至S_X以及正激波S_N。在各个设计中，气动管道56可具有如下进口相对马赫数，该进口相对马赫数用于与在设计操作范围内选定的设计操作点相关的操作，该设计操作范围用于选定气体成分、气量以及气体压缩比。此外，该压缩机可包括用于调节一些或所有的多个气动管道56、或各个气动管道的有效收缩比的装置。用于调节有效收缩比的装置可包括旁路气体通道，用于将气体113从气动管道56排放至如上面图5所示的外部排放118或再循环118’管线。例如使用如图22和23概念性地示出的具有进口门140和出口门150的内部气体通道外壳133，用于调节有效收缩比的装置可包括内部旁路气体通道130。用于调节有效收缩比的装置可包括如图20和21所示的几何可调节部分160。此外，视具体设计结构的需要，可设置用于对流经多个气动管道的各个的气体的边界层进行控制的装置。用于控制边界层的装置可包括边界层排气吸除口64。用于控制边界层的装置可包括使用用于将气体注入边界层中的进气喷口，以对其进行激励并且将边界层的速度提高至更密切匹配气动管道中具体位置处的整体流体流动的速度。用于控制边界层的装置还可包括使用气动管道162（参见图20）中的一个或更多涡流发生器72、74，以通过将气体经涡流从较高速度整体流动部分移动到较慢边界层流中来激励边界层，从而激励边界层流。

提高燃气涡轮发动机的压缩机部分的操作压力比可提供提高的循环效率，并且因而提供较好的功率输出和能量（燃料）输入比。在一个实施例中，使用本文教导的利用具有高强度的转子且使用有围带的叶片结构的压缩机结构可有效实现压缩。该设计应能够以高旋转速度操作，以提供足够的圆周速度，以便在气体进入如图2所示的定子54的气动管道56中时实现适当的超音速设计速度。作为例子，通过在约每秒2,500英尺范围中的转子尖端速度，使用具有有围带的转子叶片的先进石墨复合结构，取决于进口气体成分，使用本文教导的设计可实现非常高的压缩比。更先进的材料和制造技术可以实现甚至更高速度和压力比的设计，或者当在上述设计参数或其附近操作时，可提供降低的机械故障风险。

除了上述细节以外，必须重申，本文所述的气动管道可在建立在各种基底结构设计上的结构中利用，并且实现高压缩比操作的优点，同时提供起动超音速操作的必需特征。在各个实施方式中，可配置多个气动管道，如同包绕如通过这样的静态结构所提供的回转面。在一个实施方式中，适当的静态结构可基本上为圆柱形，因此，在一个实施方式中，可将管道配置为包绕圆柱形结构。在一个实施方式中，静止扩压器的气动管道可设置成螺旋结构。在一个实施方式中，静止扩压器的气动管道可设置成螺旋状结构，例如通过绕纵轴以固定速度旋转入口面形状、并且同时将其也以固定速度沿纵轴的下游方向平移，可沿中心线产生该气动管道。因而，如果适用的话，术语包绕纵轴应被视为包括包绕该各种形状。

总的来说，使用如本文教导而配置的具有内部压缩斜面的气动管道的各种实施方式提供比在超音速进口状态操作的现有技术的有叶片的定子明显改进的性能，特别是其提供高的总压力比和静压力比的能力。一方面，这是因为，利用最小数目的气动管道和相关的前缘结构降低了与高速气体进入扩压器有关的损失。此外，减少的静态结构相应地降低压缩机重量和成本，与利用大数目的传统机翼形状定子叶片的现有技术设计相比尤其如此。因而，引入本文所述的新型压缩机设计实现了高效构造、但小型且紧凑的燃气涡轮发动机。

在上述说明中，为了解释的目的，已提出许多细节，以便提供对新型燃气涡轮发动机设计的公开的示例性实施方式的彻底理解，该新型燃气涡轮发动机利用超音速压缩机系统，用于高效压缩气体。然而，为了提供有用实施方式或实践选定或其它公开实施方式，可不需要某些描述细节。此外，为了描述目的，可使用各种相对术语。仅与参考点相对的术语不应被理解为绝对限制，而是应被包括在上述说明中，以促进对公开的实施方式的各个方面的理解。并且，可将本文所述方法中的各种动作或活动描述为多个离散活动，继而以最有助于理解本发明的方式描述。然而，不应将说明的顺序理解为暗示该活动必要地依赖顺序。具体地说，某些操作可不需要严格按照陈述的顺序执行。并且，在本发明的不同实施方式中，可同时执行一个或更多活动，或者部分或全部取消，同时可增加其它活动。同样地，读者将注意到已重复使用短语“在实施方式中”或“在一个实施方式中”。该短语通常不指代相同实施方式；然而，其可以指代相同实施方式。最后，术语“包含…”、“具有…”、“包括…”应被视为同义，除非上下文另有规定。

通过上文，本领域技术人员能够理解，已提供燃气涡轮发动机，用于高效产生轴功率，其可被用于多种最终用途。虽然仅示出和描述本发明的某些特定实施方式，但是无意通过这些实施方式限制本发明。而是在结合说明书时，本发明由所附权利要求及其等同方式限定。

重要的是，本文描述和要求的方面和实施方式可从示出的本质上不偏离所提供的新教导和优点的那些方面和实施方式进行改变，并且在不偏离其精神和本质特征的情况下，可以其它特定形式实施。因此，本文提出的实施方式在所有方面都应被视为示例说明性的而非约束或限制性的。同样地，本公开意在涵盖本文所述的结构，并且不仅涵盖其结构等效物，也涵盖等效结构。按照上述教导，可以有许多更改和变化。因此，向本发明提供的保护应不仅由本文阐述的权利要求限定，也由其法律等效物限定。

Claims (52)

1.一种燃气涡轮发动机，包括：

（a）压缩机部分，所述压缩机部分包括：

（1）用于供应选定的含氧化剂气体的进口；

（2）沿纵轴延伸的转子，所述转子包括多个冲击式叶片，所述冲击式叶片配置成作用于所述选定的含氧化剂气体，以对其给予轴向和切向速度，从而提供超音速气流；

（3）定子，所述定子包括

（i）一个或更多各自具有收敛部和扩张部的气动管道，所述气动管道随着所述超音速气流的输入，在所述含氧化剂气体通过所述一个或更多气动管道时生成多个激波，各个所述一个或更多气动管道的尺寸和形状设置成使所述超音速气流减速至亚音速状态，

（ii）旁路气体通道或几何可调节部分或两者，可操作以调节一些或所有所述一个或更多气动管道的有效收缩比，以及

（iii）边界层控制结构；

（b）燃气涡轮部分，所述燃气涡轮部分包括

（1）高压燃烧室，用于从所述压缩机部分接收所述选定的含氧化剂气体，

（2）燃烧器，用于从燃料供应接收燃料、并且从所述压缩机部分接收所述选定的含氧化剂气体，并且燃烧所述燃料，以生成从中离开的热加压排气，

（3）一个或更多燃气涡轮，所述燃气涡轮可操作地固定至轴，所述一个或更多燃气涡轮配置成接收所述热加压排气，并且通过其使所述热加压排气膨胀以产生轴功率。

2.一种燃气涡轮发动机，包括：

（a）压缩机部分，所述压缩机部分包括：

（1）用于供应选定的含氧化剂气体的进口；

（2）沿纵轴延伸的转子，所述转子包括多个冲击式叶片，所述冲击式叶片配置成作用于所述选定的含氧化剂气体，以对其给予轴向和切向速度，从而提供超音速气流；

（3）定子，所述定子包括（i）一个或更多具有收敛部和扩张部的气动管道，所述气动管道随着所述超音速气流的输入，在所述含氧化剂气体通过所述一个或更多气动管道时生成多个激波，所述一个或更多气动管道的尺寸和形状设置成使所述超音速气流减速至亚音速状态，（ii）用于调节一些或所有所述一个或更多气动管道的有效收缩比的装置，以及（iii）用于控制流经一些或所有所述一个或更多气动管道的气体的边界层的装置；

（b）燃气涡轮部分，所述燃气涡轮部分包括

（1）燃烧室，用于从所述压缩机部分接收所述选定的含氧化剂气体，

（2）燃烧器，用于从燃料供应接收燃料并且从所述压缩机部分接收所述选定的含氧化剂气体，并且燃烧所述燃料，以生成从中离开的热加压排气，

（3）一个或更多燃气涡轮，所述燃气涡轮可操作地固定至轴，所述燃气涡轮配置成接收并通过其膨胀所述热加压排气，以产生轴功率。

3.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮发动机，其中，所述选定的含氧化剂气体包括空气。

4.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮发动机，其中，所述转子还包括用于所述多个冲击式叶片的围带。

5.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮发动机，其中，将所述转子与所述定子有效地密封，以便使气体在其间流动期间的泄漏最小化。

6.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮发动机，其中，通过所述多个冲击式叶片的所述气体被转向至少九十（90）度的角度alpha（α）。

7.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮发动机，其中，通过所述多个冲击式叶片的所述气体被转向至少一百（100）度的角度alpha（α）。

8.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮发动机，其中，通过所述多个冲击式叶片的所述气体被转向至少一百一十（110）度的角度alpha（α）。

9.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮发动机，其中，通过所述多个冲击式叶片的所述气体被转向约九十（90）度至约一百六十（160）度的角度alpha（α）。

10.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮发动机，其中，通过所述多个冲击式叶片的所述气体被转向约一百一十（112）度至约一百一十四（114）度的角度alpha（α）。

11.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮发动机，其中，各个所述多个冲击式叶片具有毂端、尖端以及后缘，并且在各个所述多个冲击式叶片的所述后缘处，从所述毂端到所述尖端提供所述超音速气流。

12.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述旁路气体通道可在排气通过的开放、启动状态与使经由所述旁路气体通道向外的气体通过最小化或停止的关闭、操作状态之间定位。

13.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述旁路气体通道包括与所述一个或更多气动管道流体连接的外部通道。

14.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其中，所述旁路气体通道与大气流体连接，用于向所述大气排放。

15.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其中，所述旁路气体通道与一个或更多返回通道流体连接，所述一个或更多返回通道使所述排气直接或间接地返回至所述气流通道。

16.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其中，所述旁路气体通道包括内部旁路气体通道，其中，所述内部旁路气体通道在所述一个或更多气动管道内或与其邻近地内部流体连接，以使所述排气返回至所述一个或更多气动管道。

17.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述几何可调节部分可在开放、启动状态与关闭、操作状态之间定位，在所述开放、启动状态中，各个所述一个或更多气动管道的所述收敛部允许所述选定气体充分地流经所述一个或更多气动管道，以在所述一个或更多气动管道内建立和定位正激波，并且在所述关闭、操作状态中，各个所述一个或更多气动管道的所述收敛部被设置至选定的操作位置。

18.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，通过改变位置，布置在各个所述一个或更多气动管道中的所述几何可调节部分改变其所被布置的气动管道的收缩比。

19.根据权利要求18所述的燃气涡轮发动机，其中，所述几何可调节部分还包括可枢转部件和致动器，所述可枢转部件由所述致动器驱动，并且其中，所述几何可调节部分的尺寸和形状设置成在所述几何可调节部分随着所述致动器移动时，改变布置有所述几何可调节部分的所述一个或更多气动管道的所述收敛部的形状。

20.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮发动机，还包括所述气动管道中的排气吸除口、和邻近所述一个或更多气动管道的吸除子气室，所述吸除子气室与所述排气吸除口流体连通，所述吸除子气室配置用于使经由所述排气吸除口去除的气体从其中通过。

21.一种用于燃气涡轮发动机的装置，包括：

压缩机部分，所述压缩机部分包括

（1）外壳，包括低压气体进口和高压气体出口；

（2）转子，包括多个叶片，并且配置成作用于选定气体，以对其给予轴向和切向速度，从而提供超音速气流；以及

（3）定子，包括配置用于使在其中接收的气体扩散的一个或更多气动管道，所述一个或更多气动管道各自具有收敛部、扩张部、以及有效收缩比，使得随着超音速气流的输入，各个所述一个或更多气动管道在所述选定气体通过其中时在所述选定气体中生成多个斜激波S₁至S_X以及正激波S_N，所述一个或更多气动管道具有进口相对马赫数，用于与在设计操作范围内选定的设计操作点相关的操作，所述设计操作范围用于选定气体成分、气量、以及气体压缩比，所述一个或更多气动管道包括（a）旁路气体通道或几何可调节部分或两者，可操作以调节所述有效收缩比，以及（b）边界层控制结构，包括一个或更多（1）用于边界层去除的排气吸除口，（2）用于通过注气而激励边界层的进气喷口，以及（3）一个或更多涡流发生器。

22.根据权利要求1、2或21中任一项所述的装置，其中，一个或更多所述一个或更多气动管道螺旋包绕所述纵轴。

23.根据权利要求22所述的装置，其中，一个或更多所述气动管道以基本上恒定的螺旋角包绕所述纵轴。

24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述基本上恒定的螺旋角包括在从约四十五度（45°）至约八十度（80°）范围中的螺旋角psi（ψ）。

25.根据权利要求1、2或21中任一项所述的装置，其中，各个所述一个或更多气动管道包括与其相关的前缘。

26.根据权利要求25所述的装置，其中，所述前缘包括从约0.005英寸至约0.012英寸的前缘半径。

27.根据权利要求25所述的装置，其中，所述前缘限定约五度（5°）至约十度（10°）的前缘楔形角theta（θ）。

28.根据权利要求25所述的装置，还包括所述前缘下游的分隔壁。

29.根据权利要求28所述的装置，其中，所述一个或更多气动管道包括多个气动管道，并且所述分隔壁隔开邻近的气动管道，并且其中，所述前缘包括所述分隔壁的上游终点。

30.根据权利要求1、2或21中任一项所述的装置，其中，所述多个冲击式叶片包括数目B个叶片，并且其中设置数目N个气动管道，并且其中，选定B和N，以避免所述多个叶片与所述气动管道之间的谐波干涉。

31.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述一个或更多气动管道各自具有中心线，并且其中，正交于所述中心线，所述一个或更多气动管道各自具有基本上平行四边形的横截面形状。

32.根据权利要求31所述的装置，其中，与所述横截面形状相关，所述一个或更多气动管道具有约二比一（2:1）或更大的表示为宽度比高度的平均宽高比。

33.根据权利要求31所述的装置，其中，与所述横截面形状相关，所述一个或更多气动管道具有约三比一（3:1）或更大的表示为宽度比高度的平均宽高比。

34.根据权利要求31所述的装置，其中，与所述横截面形状相关，所述一个或更多气动管道具有约四比一（4:1）或更大的表示为宽度比高度的平均宽高比。

35.根据权利要求25所述的装置，其中，所述定子中的前缘的数目为十一（11）或更少。

36.根据权利要求30所述的装置，其中，所述定子中的前缘的数目为所述转子中的叶片数目B的约一半（1/2）或更少。

37.根据权利要求30所述的装置，其中，所述定子中的前缘的数目为所述转子中的叶片数目B的约四分之一（1/4）或更少。

38.根据权利要求30所述的装置，其中，所述定子中的前缘的数目为所述转子中的叶片数目B的约百分之十五（15%）或更少。

39.根据权利要求1或21所述的装置，其中，在所述压缩机以约1.8的进口相对马赫数操作时所述旁路气体通道可操作，用于去除约11质量%至约19质量%的量的由所述气动管道捕获的选定气体。

40.根据权利要求1或21所述的装置，其中，在所述压缩机以约2.8的进口相对马赫数操作时所述旁路气体通道可操作，用于去除约36质量%至约61质量%的量的由所述气动管道捕获的进口气体。

41.根据权利要求1、2或21中任一项所述的装置，其中，所述一个或更多气动管道的所述进口相对马赫数超过1.5。

42.根据权利要求1、2或21中任一项所述的装置，其中，所述一个或更多气动管道的所述进口相对马赫数超过1.8。

43.根据权利要求1、2或21中任一项所述的装置，其中，所述一个或更多气动管道的所述进口相对马赫数至少为2。

44.根据权利要求1、2或21中任一项所述的装置，其中，所述一个或更多气动管道的所述进口相对马赫数至少为2.5。

45.根据权利要求1、2或21中任一项所述的装置，其中，所述压缩部分包括气体压缩比至少为5的至少一个压缩级。

46.根据权利要求45所述的装置，其中，所述压缩机部分包括气体压缩比为约6至约12.5的至少一个压缩级。

47.根据权利要求45所述的装置，其中，所述压缩机部分包括气体压缩比为约12至约30的至少一个压缩级。

48.根据权利要求1或2中任一项所述的装置，其中，在间隔开的侧壁之间的沟道中实现所述一个或更多气动管道中的压缩。

49.根据权利要求1或2中任一项所述的装置，其中，所述压缩机部分以超过百分之九十（90）的等熵效率压缩空气。

50.根据权利要求1或2中任一项所述的装置，其中，所述压缩机部分以超过百分之九十五（95）的等熵效率压缩选定气体。

51.根据权利要求21所述的装置，还包括燃气涡轮部分，所述燃气涡轮部分包括：

（1）高压燃烧室，用于从所述压缩机部分接收所述选定的含氧化剂气体，

（2）燃烧器，用于从燃料供应接收燃料、从所述压缩机部分接收所述选定的含氧化剂气体，并且燃烧所述燃料，以生成从中离开的热加压排气，

（3）一个或更多燃气涡轮，所述燃气涡轮可操作地固定至轴，所述一个或更多燃气涡轮配置成接收所述热加压排气，并且通过其使所述热加压排气膨胀以产生轴功率。

52.根据权利要求1、2或51中任一项所述的装置，其中，所述一个或更多燃气涡轮包括至少一个轴流式涡轮。

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