CN103620226B - 超音速压缩机启动支持系统及相关启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超音速压缩机，所述超音速压缩机包括流体入口、流体出口以及延伸在两者之间的流体导管，所述流体导管内设有超音速压缩机转子。所述超音速压缩机转子包括第一端壁以及与第一端壁连接的多片叶片。每对所述叶片限定流体流动通道。所述流体流动通道限定流动通道入口开口和流动通道出口开口，并且包括喉部部分。所述超音速压缩机转子还包括第二端壁以及与所述转子邻接的至少一个轴向可转移流体控制装置。所述轴向可转移流体控制装置配置用于阻塞所述喉部部分，并且包括可插入所述喉部部分的至少一部分内的至少一个轴向可转移突起。

Description

超音速压缩机启动支持系统及相关启动方法

技术领域

本发明总体上涉及一种超音速压缩机系统，确切地说，涉及一种用于超音速压缩机系统的超音速压缩机转子。

背景技术

至少一些已知的超音速压缩机系统包括驱动组件、驱动轴以及用于压缩流体的至少一个超音速压缩机转子。所述驱动组件通过驱动轴连接到超音速压缩机转子，以旋转所述驱动轴和所述超音速压缩机转子。

已知的超音速压缩机转子包括连接到转子盘的多片叶片。每片叶片周向围绕在转子盘周围并且相邻叶片之间形成流动通道。至少一些已知的超音速压缩机转子包括连接到所述转子盘的超音速压缩斜面。已知的超音速压缩斜面位于所述流动通道内以形成喉部区域并配置用于在所述流动通道内形成压缩波。

在已知超音速压缩机系统的启动操作中，所述驱动组件以初始低速旋转所述超音速压缩机转子并将所述转子加速到高旋转速度。流体被输送到超音速压缩机转子，以便流动通道入口处的流体具有相对于超音速啊压缩机转子的初始亚音速，然后随着转子加速，流动通道入口处的流体具有相对于超音速压缩机转子的超音速。在已知的超音速压缩机转子中，随着流体流过流动通道，超音速压缩机斜坡促使形成由流动通道会聚部分内的倾斜冲击波以及流动通道发散部分内的常规冲击波构成的系统。喉部区域位于流动通道内会聚部分与发散部分之间的最窄部分中。喉部区域较宽有助于在启动期间在喉部区域内建立超音速流，但是会降低稳态条件下的性能。较窄喉部区域有助于稳态性能，但是会增加在喉部区域内建立超音速流的难度。此外，许多已知的超音速压缩机具有固定的喉部几何结构。例如，已知的超音速压缩机系统在分别于2005年3月28日和2005年3月23日提交的第7,334,990和7,293,955号美国专利以及2009年1月16日提交的美国专利申请案2009/0196731中有所描述。

发明内容

一方面，本发明提供一种超音速压缩机。所述超音速压缩机包括流体入口、流体出口以及延伸在两者之间的流体导管，所述流体导管内设有超音速压缩机转子。所述超音速压缩机转子包括第一端壁以及与其连接的多片叶片。每对叶片限定流体流动通道。所述流体流动通道设有流动通道入口开口以及流动通道出口开口，并且包括喉部部分。所述超音速压缩机转子还包括第二端壁以及与所述转子邻接的至少一个轴向可转移流体控制装置。所述轴向可转移流体控制装置配置用于阻塞所述喉部部分并且包括可插入所述喉部部分的至少一部分内的至少一个轴向可转移突起。

另一方面，提供一种用于超音速压缩机的启动支持系统。所述超音速压缩机包括至少一个流体入口、至少一个流体出口、延伸在两者之间的流体导管、置于所述流体导管内的至少一个超音速压缩机以及流动通道入口开口和流动通道出口开口，两者之间设有喉部部分。所述启动支持系统包括与所述转子邻接的至少一个轴向可转移流体控制装置。所述轴向可转移流体控制装置配置用于至少部分阻塞流过所述喉部部分的流体流。所述至少一个轴向可转移流体控制装置包括可插入所述喉部部分的至少一部分内的至少一个轴向可转移突起。

另一方面，提供一种用于启动超音速压缩机的方法。所述方法包括提供超音速压缩机。所述超音速压缩机包括与至少一个流体源流体连通的流体入口、流体出口以及至少一个超音速压缩机转子。所述至少一个超音速压缩机转子包括第一端壁以及连接到所述第一端壁的多片叶片。所述多片叶片中的每对叶片限定延伸穿过其中的流体流动通道。所述流体流动通道设有流动通道入口开口以及流动通道出口开口。所述流体流动通道包括喉部部分。所述至少一个超音速压缩机转子还包括第二端壁以及与所述转子邻接的至少一个轴向可转移流体控制装置。所述轴向可转移流体控制装置配置用于至少部分阻塞所述喉部部分。所述至少一个轴向可转移流体控制装置包括可插入所述喉部部分的至少一部分内的至少一个轴向可转移突起。所述方法还包括在所述超音速压缩机的启动操作模式中，将所述至少一个轴向可转移流体控制装置轴向移动到大体打开所述喉部部分的第一位置。

附图说明

在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的符号代表所有附图中类似的部分，其中：

图1是示例性超音速压缩机系统的示意图；

图2是可用于图1所示超音速压缩机中的示例性超音速压缩机转子的透视图；

图3是图2所示超音速压缩机转子的分解透视图；

图4是沿线4-4截取的图2所示超音速压缩机转子的截面图；

图5是沿区域5截取的图4所示超音速压缩机转子的局部放大截面图；

图6是可用于图1所示超音速压缩机中的替代超音速压缩机转子的局部透视图；

图7是超音速压缩机启动支持系统的侧视图，所述超音速压缩机启动支持系统包括可用于图6所示超音速压缩机转子的轴向可转移流体流动控制装置以及第一定位装置；

图8是可用于图6所示超音速压缩机转子的轴向可转移流体流动控制装置以及第二定位装置；

图9是图7和8中所示的轴向可转移流体流动控制装置的一部分以及超音速压缩机转子的一部分的截面透视图；

图10是沿线10-10截取的图9所示轴向可转移流体流动控制装置的一部分以及超音速压缩机转子的一部分的截面图；

图11是沿线11-11截取的图9所示轴向可转移流体流动控制装置的一部分以及超音速压缩机转子的一部分的截面图；

图12是沿线12-12截取的图10所示轴向可转移流体流动控制装置的一部分以及超音速压缩机转子的一部分的截面图；以及

图13是沿线13–13截取的图11所示轴向可转移流体流动控制装置的一部分以及超音速压缩机转子的一部分的截面图。

除非另作说明，否则本说明书中提供的附图用于示出本发明的关键发明特征。可以相信这些关键发明特征适用于包括本发明一个或多个实施例的各种系统。因此，附图并不包括所属领域中的普通技术人员已知的实践本发明所需的所有传统特征。

具体实施方式

在以下说明和随附权利要求中，将参考多个术语，这些术语的定义如下。

除非上下文明确另作规定，否则单数“一个”、“一种”和“所述”包括复数参考。

“可选”或“可选地”意指后续描述的事件或情况可能会或可能不会发生，并且所述描述同时包括事件发生或者不发生的情况。

本说明书中和权利要求书中所用的近似语言可用于修饰任何定量表示，这些定量表示可在许可范围内变动，而不改变相关的基本功能。因此，由一个或多个“约”和“大体上”等术语修饰的值并不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可能与用于测量值的仪器的精度对应。此处以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制可以相结合和/或交替，除非上下文或语言另作规定，否则此类范围均指示并且包括本说明书中包含的所有子范围。

本说明书中所用的术语“超音速压缩机转子”是指包括置于超音速压缩机转子的流体流动通道内的超音速压缩机斜坡的压缩机转子。此外，超音速压缩机转子称为“超音速”的原因是它们被设计成围绕旋转轴高速旋转，以使在置于所述转子的流动通道内的超音速压缩斜坡处与旋转的超音速压缩机转子碰撞的移动流体，例如移动气体的相对流体速度为超音速。相对流体速度可以定义为超音速压缩斜坡处的转子速度与进入超音速压缩斜坡之前的流体速度的矢量和。此相对流体速度有时称为“局部超音速入口速度”，在某些实施例中，所述速度是进气速度与置于超音速压缩机转子的流动通道内的超音速压缩斜坡的切向速度之和。所述超音速压缩机转子被设计成在非常高的切向速度下工作，例如从300米/秒至800米/秒的切向速度下工作。

通过提供一种具有可变喉部几何结构的超音速压缩机转子以促进在流体流动通道内的适当位置中形成和维护常规冲击波，本说明书中所述的示例性系统和方法克服了已知超音速压缩机的缺点。具体来说，本说明书中所述的实施例包括一种具有流体控制装置的超音速压缩转子，所述控制装置用于在启动操作中调整喉部区域的大小。

图1是示例性超音速压缩机系统10的示意图。在示例性实施例中，超音速压缩机系统10包括进气部分12、连接进气部分12下游的压缩机部分14、连接在压缩机部分14下游的排气部分16以及驱动组件18。压缩机部分14通过转子组件20连接到驱动组件18，所述驱动组件包括驱动轴22。在示例性实施例中，进气部分12、压缩机部分14和排气部分16各自置于压缩机外壳24内。具体来说，压缩机外壳24包括流体入口26、流体出口28和限定空腔32的内表面30。空腔32延伸在流体入口26与流体出口28之间并且配置用于将流体从流体入口26输送到流体出口28。进气部分12、压缩机部分14和排气部分16各自置于空腔32内。或者，进气部分12和/或排气部分16可以不置于压缩机外壳24内。

在示例性实施例中，流体入口26配置用于将流体流从流体源34输送到进气部分12。流体可以是任何流体，例如气体、气体混合物和/或液体气体混合物。进气部分12与压缩机部分14流体连通，以将流体从流体入口26输送到压缩机部分14。进气部分12配置用于调节具有一个或多个预定参数的流体流，例如速度、质量流速、压力、温度和/或任何合适的流动参数。在示例性实施例中，进气部分12包括连接在流体入口26与压缩机部分14之间的入口导叶组件36，用于将流体从流体入口26输送到压缩机部分14。入口导叶组件36包括一个或多个入口导叶38，所述入口导叶连接到压缩机外壳24并且相对于压缩机部分14固定。

压缩机部分14连接在进气部分12与排气部分16之间，用于将至少一部分流体从进气部分12输送到排气部分16。在示例性实施例中，压缩机部分14包括以可旋转方式连接到驱动轴22的至少一个超音速压缩机转子40。在图示的实施例中，可以使用包括驱动轴22的一对同心驱动轴（未图示）来驱动超音速压缩机转子40（158），同心驱动轴配置用于驱动以相反方向示出的一对超音速压缩机转子（即，在超音速压缩机转子运作时旋转方向相反）。或者，超音速压缩机10也可以包括至少一个替代超音速压缩机转子158（如下文进一步描述）。超音速压缩机转子40配置用于提高流体压力、减小流体体积和/或提高流向排气部分16的流体温度。排气部分16包括出口导叶组件42，所述出口导叶组件连接到压缩机部分14与流体出口28之间，用于将流体从超音速压缩机转子40（158）输送到流体出口28。出口导叶组件42包括一个或多个出口导叶43，所述出口导叶连接到压缩机外壳24并且相对于压缩机部分14固定。流体出口28配置用于将流体从出口导叶组件42和/或超音速压缩机10输送到输出系统44，例如，涡轮发动机系统、流体处理系统和/或流体存储系统。驱动组件18配置用于旋转驱动轴22以使超音速压缩机转子40旋转。如上所述，在图1所示的构造中，可以使用一对同心驱动轴来反向旋转一对超音速压缩机转子，例如，一对串联的超音速压缩机转子。

在操作中，进气部分12将流体从流体源34输送到压缩机14。压缩机部分14压缩所述流体并将压缩流体排放到排气部分16。排气部分16经由流体出口28将压缩流体从压缩机部分14输送到输出系统44。

图2是示例性超音速压缩机转子40的透视图。图3是超音速压缩机转子40的分解透视图。图4是沿剖面线4-4截取的图2所示超音速压缩机转子40的截面图。图3和图4中所示的相同部件使用与图2中所用的相同参考数字标示。出于简明性的考虑，图4示出x轴以指示第一径向方向、y轴以指示与x轴垂直的第二径向方向以及z轴以指示与x轴和y轴垂直的轴向方向。以下将使用这些参考轴进行说明。在图4中，z轴向页面之外延伸。在示例性实施例中，超音速压缩机转子40包括连接到转子盘48的多片叶片46。具体来说，出于简明性的考虑，如示例性实施例中所示，超音速压缩机转子40包括六片叶片46。或者，超音速压缩机转子40包括使超音速压缩机10具有本说明书中所述功能的任何数量的叶片46。

转子盘48包括限定内腔52的环形盘体50，所述内腔沿中心轴54大体轴向延伸穿过盘体50。盘体50包括径向内表面56、径向外表面58和端壁60。径向内表面56限定内腔52。内腔52具有大体圆柱形形状并且围绕中心轴54定向。驱动轴22通过多个转子支杆51以可旋转方式连接到转子盘48，所述转盘限定供驱动轴22插入其中的孔53。端壁60在径向内表面56与径向外表面58之间从内腔52径向向外延伸。端壁60在垂直于中心轴54的径向64上具有宽度62。

在示例性实施例中，每片叶片46连接到端壁60并沿大体平行于中心轴54的轴向66从端壁60向外延伸。每片叶片46包括入口边缘68和出口边缘70。入口边缘68与径向内表面56邻接。出口边缘70与径向外表面58邻接。在示例性实施例中，超音速压缩机转子40包括一对74叶片46。每片叶片46经定向以限定入口开口76、出口开口78以及位于每对74相邻叶片46之间的流动通道80。流动通道80延伸在入口开口76与出口开口78之间并且限定从入口开口76到出口开口78的流动通道，用箭头82表示（如图4所示）。流动通道82大体平行于叶片46。流动通道80的大小、形状和方向均经过设置，以在径向64上沿流动通道82将流体从入口开口76输送到出口开口78。入口开口76限定在入口边缘68与相邻叶片46之间。出口开口78限定在出口边缘70与相邻叶片46之间。每片叶片46大体轴向延伸在入口边缘68和出口边缘70之间，以使叶片46延伸在径向内表面56与径向外表面58之间。此外，每片叶片46包括外表面84和相对的内表面86。叶片46延伸在外表面84与内表面86之间，以限定流动通道80的轴向高度88。

参见图2和图3，在示例性实施例中，围带组件90连接到每片叶片46的外表面84，以使流动通道80（如图4所示）限定在围带组件90与端壁60之间。围带组件90包括内边缘92和外边缘94。内边缘92限定大体呈圆柱形的开口96。围带组件90大体与转子盘48共轴，以使圆柱形内腔52与开口96共轴。围带组件90连接到每片叶片46，以使叶片46的入口边缘68与围带组件90的内边缘92邻接，并且叶片46的出口边缘70与围带组件90的出口边缘94邻接。

此外，在示例性实施例中，围带组件90限定多个穿孔或者贯穿件97。每个贯穿件97穿过围带组件90延伸到相关流动通道80的喉部部分124。喉部部分124将在下文中更详细地描述。因此，贯穿件97的数量等于叶片46的数量等于流动通道80和相关喉部区域124的数量。

参见图4，在示例性实施例中，至少一个超音速压缩斜坡98置于流动通道80内。超音速压缩斜坡98位于入口开口76与出口开口78之间，其大小、形状和方向经设置以使流动通道80内形成一个或多个压缩波100。

在超音速压缩机转子40的运行期间，进气部分12（如图1所示）将流体102输送到流动通道80的入口开口76。在进入入口开口76之前，流体102具有第一速度，即接近速度。超音速压缩机转子40以第二速度，即旋转速度围绕中心轴54旋转，如图中的方向箭头104所示，以使进入流动通道80的流体102在入口开口76处具有第三速度，即入口速度，所述速度为相对于叶片46的超音速。随着流体102以超音速流过流动通道80，超音速压缩斜坡98使流动通道80内形成压缩波100以促进对流体102的压缩，从而使流体102的压力和温度增加以及/或者在出口开口78处的体积减小。

图5是沿区域5截取的图4所示超音速压缩机转子40的局部放大截面图。图5中所示的相同部件用图2和图4中所用的相同参考数字标示。出于简明性的考虑，图5示出x轴以指示第一径向方向、y轴以指示垂直于x轴的第二径向方向以及z轴以指示垂直于x轴和y轴的轴向方向。在图5中，z轴向页面之外延伸。在示例性实施例中，每片叶片46包括第一或压力侧106和相对的第二或吸入侧108。每个压力侧106和吸入侧108延伸在入口边缘68与出口边缘70之间。

在示例性实施例中，每片叶片46围绕圆柱形内腔52周向隔开，以使流动通道80大体径向定向在入口开口76与出口开口78之间。每个入口开口76在入口边缘68处延伸在叶片46的压力侧106与相邻吸入侧108之间。每个出口开口78在出口边缘70处延伸在压力侧106与相邻吸入侧108之间，以使流动通道82沿径向64从径向内表面56径向向外延伸到径向外表面58。或者，相邻叶片46可以定向成使入口开口76位于径向外表面58处，并且出口开口78位于径向内表面56处，从而使流动通道82从径向外表面58径向向内延伸到径向内表面56。在示例性实施例中，流动通道80包括周向宽度110，所述周向宽度位于压力侧106与相邻吸入侧108之间，并且垂直于流动通道82。入口开口76具有大于出口开口78的第二周向宽度114的第一周向宽度112。或者，入口开口76的第一周向宽度112可以小于或等于出口开口78的第二周向宽度114。在示例性实施例中，每片叶片46形成为弧形并且定向成使流动通道80具有螺旋形状并且向内会聚在入口开口76与出口开口78之间。

在示例性实施例中，流动通道80具有沿流动通道82变化的截面区域116。流动通道80的截面区域116垂直于流动通道82，并且等于流动通道的周向宽度110乘以流动通道80的轴向高度88（如图3所示）。流动通道80包括位于第一区域，即入口开口76处的入口截面区域118；第二区域，即位于出口开口78处的出口截面区域120；以及第三区域，即位于入口开口76与出口开口78之间的最小截面区域122。在示例性实施例中，最小截面区域122小于入口截面区域118和出口截面区域120。在一个实施例中，最小截面区域122等于出口截面区域120，其中每个出口截面区域120和最小截面区域122小于入口截面区域118。

在示例性实施例中，超音速压缩斜坡98连接到叶片46的压力侧106，并且限定流动通道80的喉部区域124。喉部区域124限定流动通道80的最小截面区域122。在替代实施例中，超音速压缩斜坡98可以连接到叶片46的吸入侧108、端壁60和/或围带组件90。在进一步替代实施例中，超音速压缩机转子40包括多个超音速压缩斜坡98，这些斜坡各自连接到压力侧106、吸入侧108、端壁60和/或围带组件90。在此类实施例中，每个超音速压缩斜坡98可以限定喉部区域124。或者，两个或更多个超音速压缩机斜坡可以限定超音速压缩机转子的流动通道内的喉部区域。

在示例性实施例中，喉部区域124限定小于入口截面区域118的最小截面区域122，以使流动通道80的面积比，即定义为入口截面区域118除以最小截面区域122的比例在约1.01与1.10之间。在一个实施例中，所述面积比在约1.07与1.08之间。

在示例性实施例中，超音速压缩斜坡98包括压缩表面126和发散表面128。压缩表面126包括第一边缘或前缘130以及第二边缘或后缘132。前缘130相对于后缘132更接近入口开口76。压缩表面126延伸在前缘130与后缘132之间，并且以斜角134定向在径向内表面56与压缩表面126之间。压缩表面126向相邻吸入侧108会聚，以使压缩区域136位于前缘130与后缘132之间。压缩区域136包括流动通道80的截面区域138，所述截面区域沿流动通道82从前缘130向后缘132减小。压缩表面126的后缘132限定喉部区域124。

发散表面128连接到压缩表面126，并且从压缩表面126的下游向出口开口78延伸。发散表面128包括第一端140和第二端142，并且第二端相对于第一端140更接近出口开口78。发散表面128的第一端140连接到压缩表面126的后缘132。发散表面128延伸在第一端140与第二端142之间。发散表面128限定扩散区域146，所述扩散区域包括从压缩表面126的第二端142向出口开口78增大的发散截面区域148。扩散区域146从喉部区域124延伸到出口开口78。在替代实施例中，超音速压缩斜坡不包括发散表面128。在此替代实施例中，压缩表面126的后缘132与叶片46的出口边缘70邻接，以使喉部区域124与出口开口78邻接。

在超音速压缩机转子40的运行过程中，流体102以相对于转子盘48的超音速从圆柱形内腔52流入入口开口76中。从圆柱形内腔52进入流动通道80的流体102与超音速压缩斜坡98的前缘130接触，以形成第一倾斜冲击波152。超音速压缩斜坡98的压缩区域136配置用于使第一倾斜冲击波152与从前缘130延伸到相邻叶片46的流动通道82成倾斜角，并进入流动通道80内。随着第一倾斜冲击波152与相邻叶片46接触，第二倾斜冲击波154以相对于流动通道82的倾斜角从相邻叶片46向超音速压缩斜坡98的喉部区域124反射。在一个实施例中，压缩表面126经定向以使第二倾斜冲击波154从相邻叶片46处的第一倾斜冲击波152向限定喉部区域124的后缘132延伸。超音速压缩斜坡98配置用于使第一倾斜冲击波152的第二倾斜冲击波154各自形成于压缩区域136内。

随着流体102流过压缩区域136，流体102的速度随流体102流过每个第一倾斜波152和第二倾斜冲击波154而减小。此外，流体102的压力增大，流体102的体积减小。在一个实施例中，超音速压缩斜坡98配置用于调整流体102以使其在出口开口78处的出口速度为相对于转子盘48的超音速。在替代实施例中，超音速压缩斜坡98配置用于使常规冲击波156形成于喉部区域124的下游和流动通道80内。常规冲击波156是垂直于流动通道82的冲击波，以在流体流过常规冲击波156时将流体102的速度减小到相对于转子盘48的亚音速。

图6是可用于超音速压缩机系统10（如图1所示）中的替代超音速压缩机转子158的局部透视图。出于简明性的考虑，图6示出x轴以指示第一径向方向、y轴以指示与x轴垂直的第二径向方向以及z轴以指示与x轴和y轴垂直的轴向方向。此外，出于简明性的考虑，在图6中，转子支杆51、孔53和轴22（全部如图3所示）未示出。此外，在图6以及这点上，围带组件90是指第一端壁160并且端壁60是指第二端壁162。除非另作说明，否则图6中相同的部件用图1到5中所用的相同参考数字标示。

在示例性实施例中，相对于转子40的六片叶片46（如图2、3和4所示），超音速压缩机转子158包括至少二十片叶片46。超音速压缩机转子158包括使超音速压缩机系统10具有本说明书中所述功能的任何数量的叶片46。叶片46连接到分别连接到第一端壁160和第二端壁162。第一端壁160包括由外边缘94（如图3所示）周向限定的第一外边界164以及由内边缘92（如图3所示）周向限定的第一内边界166。第二端壁162包括由外表面58（如图3所示）周向限定的第二外边界168以及由内表面56（如图3所示）周向限定的第二内边界170。超音速压缩机转子158如方向箭头104所示旋转。

图7是超音速压缩机启动支持系统171的侧视图。在示例性实施例中，系统171包括轴向可转移流体流动控制装置172和第一定位装置174，所述第一定位装置可用于超音速压缩机转子158。出于简明性的考虑，图7示出指向页面内的x轴，即，图6所示的超音速压缩机转子158以与y轴成约45度角的角度向观察者旋转。在示例性实施例中，第一定位装置174是使轴向可转移流体流动控制装置172如本说明书中所述运作的离合器式机构，包括，但不限于压盘离合器、电磁离合器和液压离合器。第一定位装置174偏置以使轴向可转移流体流动控制装置172背离超音速压缩机转子158偏移，并且克服此类偏置以使轴向可转移流体流动控制装置172向超音速压缩机转子158偏移，背离和朝向转子158的所述两个运动在图中均用轴向转移箭头176表示。

此外，在示例性实施例中，第一定位装置174以可旋转方式连接到驱动轴22。轴向可转移流体流动控制装置172操作性地连接到第一定位装置174并且以旋转方式连接到驱动轴22。

第一定位装置174操作性地连接到超音速压缩机启动支持系统171内的控制系统175。控制系统175使用足够的模拟和离散逻辑，包括算法进行编程，并且以促进包括第一定位装置174的超音速压缩机系统10（如图1所示）如本说明书中所述方式操作的方式实施。在示例性实施例中，控制系统175包括至少一个处理器，包括，但不限于驻留在个人计算机、远程服务器、可编程逻辑控制器（PLC）和分布式控制系统（DCS）机箱内的处理器。

在运行过程中，驱动轴22如方向箭头104所示旋转，并且第一定位装置174和流体流动控制装置172与超音速压缩机转子158同步旋转。在与第一定位装置174接合后，第一定位装置174将流体流动控制装置172向超音速压缩机转子158轴向转移。在与第一定位装置174解除接合后，第一定位装置174将流体流动控制装置172向背离超音速压缩机转子158的方向转移。

此外，在示例性实施例中，流体流动控制装置172包括至少一个轴向可转移构件或者突起178。每个轴向可转移突起178的大小、构造和方向经过设置，以可至少部分插入到流动通达80内，具体来说，插入喉部区域124内。此外，轴向可转移流体流动控制装置172直接连接到第二端壁162以限定多个开口（未图示），这些开口的大小、方向和构造经过设置，以在超音速压缩机转子158的运行过程中接纳轴向可转移突起178。流体流动控制装置172和轴向可转移突起178将在下文中进一步描述。

此外，在示例性实施例中，单个流体流动控制装置172与第二端壁162邻接。或者，流体流动控制装置172和相关的第一定位装置174与第一端壁160连接。此外，或者，流体流动控制装置172和相关的第一定位装置174与第一端壁160和第二端壁162中的每一者邻接。在替代实施例中，流体流动控制装置172和相关的第一定位装置174可以一致或独立地运作。

图8是可用于超音速压缩机转子158的轴向可转移流体流动控制装置172和第二定位装置180的侧视图。与图7类似，图8示出了指向页面内的x轴。第二定位装置180是至少一个液压活塞式机构，其中在示例性实施例中，图示了两个第二定位装置180。这两个第二定位装置180可以一致或独立运作，其中一个第二定位装置180可以用作冗余或备用装置。

在示例性实施例中，每个第二定位装置180包括液压流体源或者储罐182。每个第二定位装置180还包括通过至少一个液压流体导管186与储罐182流体连通的液压缸184以及至少一个液压流体流动控制阀188（每个第二定位装置180图示为只有一个）。储罐182以预定压力填充有预定体积的液压流体（未图示）。每个第二定位装置180进一步包括置于液压缸184内的液压活塞190。此外，每个液压活塞190通过活塞控制构件或杆192操作性地连接到轴向可转移流体流动控制装置172。此外，在示例性实施例中，每个液压流体流动控制阀188操作性地连接到控制系统175，所述控制系统可定位阀188以在储罐182与液压缸184之间输送液压流体。每个液压缸184还包括偏置机构196，例如弹簧，以偏置第二定位装置180，从而将轴向可转移流体流动控制装置172向背离超音速压缩机转子158的方向偏移。流向液压缸184的液压流体克服所述偏置，以将轴向可转移流体流动控制装置172向超音速压缩机转子158偏移。这两种运动在附图中均用轴向转移箭头176表示。

此外，在示例性实施例中，每个第二定位装置180操作性地连接到轴向可转移流体流动控制装置172。轴向可转移流体流动控制装置172以旋转方式连接到驱动轴22。因此，每个第二定位装置180配置用于随流体流动控制装置172旋转。

在运行过程中，驱动轴22如方向箭头104旋转并且第二定位装置180与超音速压缩机转子158和轴向可转移流体流动控制装置172同步旋转。在致动第二定位装置180之后，液压流体通过通道186从储罐182输送到液压缸184，并且以预定流动速率和压力至少部分打开液压流体流动控制阀188。此类流体流在附图中用液压流动箭头198表示。随着顶向液压活塞190的压力增大，其上将产生力并且克服偏执机构196产生的偏置，液压活塞190和位置控制杆192将流体流动控制装置172向超音速压缩机转子158轴向转移。在停用第二定位装置180之后，液压流体流动控制阀188至少部分闭合以减小液压活塞190上的力，使偏执机构196在液压活塞190上产生足够的力，从而将液压流体输送回储罐182（此类流体流也用液压流体箭头198表示）并且将流体流动控制装置172向背离超音速压缩机转子158的方向转移。

此外，在示例性实施例中，单个流体流动控制装置172与第二端壁162邻接。或者，流体流动控制装置172和相关的第二定位装置174与第一端壁160连接。此外，或者，流体流动控制装置172和相关的第二定位装置174与第一端壁160和第二端壁162中的每一者邻接。在替代实施例中，流体流动控制装置172和相关的第二定位装置180可以一致或独立地运作。

图9是轴向可转移流体流动控制装置172的一部分和超音速压缩机转子158的一部分的截面透视图。出于简明性的考虑，图9中仅示出轴向可转移流体控制装置172的一部分。在示例性实施例中，轴向可转移构件或突起178被图示为至少部分延伸穿过第二端壁162并且至少部分插入两片相邻叶片46的流动通道80中。具体来说，突起178被图示为至少部分穿过贯穿件97延伸到喉部区域124中。突起178的大小和形状大体经过设置，以促进在通道80的喉部区域124中至少部分地进一步限制或阻塞流体流动，同时缓解与叶片46的任何部分的接触，包括压缩斜坡98、第二端壁162的第二内边界170和端壁162的第二外边界168。突起178由使轴向可转移流体流动控制装置172如本说明书中所述运作的任何材料制成。

图10是沿图9中的线10–10截取的轴向可转移流体流动控制装置172的一部分和超音速压缩机转子158的一部分的截面图。具体来说，图10示出了轴向可转移突起178，所述轴向可转移突起完全缩进到第二端壁162的贯穿件97内并且从流动通道80的喉部区域124完全抽出。出于简明性的考虑，图10示出了指向页面内的x轴并且未图示压缩斜坡98。

图11是沿图9中的线11-11截取的轴向可转移流体流动控制装置172的一部分和超音速压缩机转子158的一部分的截面图。具体来说，图11示出了轴向可转移突起178，所述轴向可转移突起至少部分延伸穿过第二端壁162的贯穿件97内并且至少部分插入流动通道80的喉部区域124中。出于简明性的考虑，图11示出了进入页面内的x轴并且未图示压缩斜坡98。

图12是沿图10中的线12-12截取的轴向可转移流体流动控制装置172的一部分和超音速压缩机转子158的一部分的截面图。具体来说，图12示出了轴向可转移突起178，所述轴向可转移突起完全缩进穿过第二端壁162的贯穿件97并且从流动通道80的喉部区域124完全抽出。出于简明性的考虑，图12示出了指向页面内的y轴并且未图示压缩斜坡98。

图13是沿图11中的线13-13截取的轴向可转移流体流动控制装置172的一部分和超音速压缩机转子158的一部分的截面图。具体来说，图13示出了轴向可转移突起178，所述轴向可转移突起经由第二端壁162的贯穿件97部分插入流动通道80的喉部区域124中。出于简明性的考虑，图13示出了指向页面内的y轴并且未图示压缩斜坡98。

图10到13示出了大体呈平面的叶片46和大体呈平行/矩形的轴向可转移突起178，以便图示和描述。叶片46和轴向可转移突起178具有使超音速压缩机转子158如本说明书中所述运作的任何大小、形状、构造和方向。此外，贯穿件97也将具有使超音速压缩机转子158如本说明书中所述运作的任何大小、形状、构造和方向。此外，还使用使超音速压缩机转子158可如本说明书中所述运作的任何密封布置，以便缓解从此类贯穿件的流体损失。

通常情况下，在超音速压缩机的启动操作过程中，使用第一预定喉部开口来促使流体在超音速压缩机转子的低旋转速度下具有低初始流体流动速度。随着超音速压缩机加速旋转，流体的入口马赫数随着转子速度的逐渐加速而逐渐增大。此外，随着流体流的入口马赫数增大，促进倾斜和常规冲击波的适当形成和维持的预定喉部区域将减小。因此，低超音速速度所需的理想喉部面积大于高超音速速度所需的理想喉部面积。

一起参见图10到图13，在超音速压缩机转子158的启动操作过程中，超音速压缩机启动支持系统171的轴向可转移突起178完全从喉部区域124缩进，如图10和12所示，并且喉部区域124完全打开并且具有第一预定喉部面积。随着超音速压缩机转子158加速旋转，轴向可转移突起178部分插入喉部区域124中，如图11和13所示，并且喉部区域124的面积相对于第一喉部面积减小，从而提供可变的喉部面积。轴向可转移突起178可以基于多个变量而由控制系统175插入和抽出（如图7和8所示），所述变量包括但不限于转子速度、质量流体流动速度、流体排出压力和时间参数。

在示例性实施例中，轴向可转移突起178具有足够的径向长度，以促进预定气流特征遍布流动通道80内。或者，轴向可转移突起178具有使超音速压缩机转子158可本说明书中所述运作的任何长度。

在示例性实施例中，减小具有本说明书中所述可变喉部几何构造的喉部面积可有助于通过调整喉部面积值而调整喉部面积与入口面积的比例。因此，对于超音速流体流的指定马赫数而言，预定效率和预定压力损失的预定比例可以通过相应地调整喉部面积来实现。

上述超音速压缩机转子提供了一种成本有效且可靠的方法来提高超音速压缩机系统在启动操作过程中的性能效率。此外，超音速压缩机转子有助于通过减少穿过常规冲击波的压力损失来提高超音速压缩机系统的运行效率。具体来说，超音速压缩转子包括可变喉部几何结构，有助于在流体流动通道内的适当位置形成和维持常规冲击波。此外，具体来说，上述超音速压缩机转子包括流体控制装置，所述流体控制装置调制为在启动操作过程中改变喉部区域的大小并且在其他时候根据需要调整喉部区域的大小。

上文还详细描述了用于启动超音速压缩机转子的示例性系统和方法的实施例。所述系统和方法并不限于本说明书中所述的特定实施例，相反，本说明书中所述系统的部件和/或方法的步骤可以独立于其他部件和/或步骤使用。例如，所述系统和方法还可以与其他旋转式发动机系统和方法结合使用，并不限于仅使用本说明书中所述的超音速压缩机系统进行实践。但是，示例性实施例可以结合许多其他旋转式系统应用来实施和使用。

尽管本发明多个实施例的特定特征可以在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这仅用于简要地说明。此外，上述描述中对“一个实施例”的参考并不旨在解释为排除存在同样包含所述特征的额外实施例。根据本发明的原则，附图中的任何特征可以接合其他任何附图中的任何特征来参考和/或提出权利要求。

本说明书使用了各种实例来披露本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员可实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并可包含所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包含的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种超音速压缩机，包括：

至少一个流体入口；

至少一个流体出口；

延伸在所述流体入口与所述流体出口之间的流体导管；

置于所述流体导管内的至少一个超音速压缩机转子，所述转子包括：

第一端壁；

连接到所述第一端壁的多片叶片，所述多片叶片中的每对叶片限定延伸穿过其中的流体流动通道，所述流体流动通道限定流动通道入口开口和流动通道出口开口，所述流体流动通道包括喉部部分；以及

第二端壁；以及

与所述转子邻接的至少一个轴向可转移流体控制装置，所述轴向可转移流体控制装置配置用于至少部分阻塞所述喉部部分，所述至少一个轴向可转移流体控制装置包括：

可插入所述喉部部分的至少一部分内的至少一个轴向可转移突起。

2.根据权利要求1所述的超音速压缩机，其中所述轴向可转移流体控制装置可从所述超音速压缩机的第一运行模式期间的第一位置移动到所述超音速压缩机的第二运行模式期间的第二位置。

3.根据权利要求2所述的超音速压缩机，其中所述第一位置包括在所述超音速压缩机的启动操作模式期间，所述轴向可转移流体控制装置相对于所述流体流动通道完全缩进的位置。

4.根据权利要求2所述的超音速压缩机，其中所述第二位置包括在所述超音速压缩机的启动后操作模式期间，所述轴向可转移流体控制装置相对于所述流体流动通道部分缩进的位置。

5.根据权利要求1所述的超音速压缩机，其中所述轴向可转移流体控制装置进一步包括连接到所述轴向可转移突起的轴向定位装置。

6.根据权利要求1所述的超音速压缩机，其中所述至少一个轴向可转移突起包括以下项中的至少一项：

可延伸穿过所述第一端壁的第一突起；以及

可延伸穿过所述第二端壁的第二突起。

7.根据权利要求1所述的超音速压缩机，包括至少两个反向旋转的超音速压缩机转子。

8.一种超音速压缩机的启动支持系统，所述超音速压缩机包括至少一个流体入口、至少一个流体出口、延伸在两者之间的流体导管、置于所述流体导管内的至少一个超音速压缩机转子以及流动通道入口开口和流动通道出口开口和两者之间的喉部部分，所述启动支持系统包括：

与所述转子邻接的至少一个轴向可转移流体控制装置，所述轴向可转移流体控制装置配置用于至少部分阻塞流过所述喉部部分的流体流，所述至少一个轴向可转移流体控制装置包括：

可插入所述喉部部分的至少一部分内的至少一个轴向可转移突起。

9.根据权利要求8所述的启动支持系统，其中所述轴向可转移流体控制装置可从所述超音速压缩机的第一运行模式期间的第一位置移动到所述超音速压缩机的第二运行模式期间的第二位置。

10.根据权利要求9所述的启动支持系统，其中所述超音速压缩机的第一运行模式期间的所述第一位置包括在所述超音速压缩机的启动操作模式期间，所述轴向可转移流体控制装置的完全缩进位置。

11.根据权利要求9所述的启动支持系统，其中所述第二位置包括在所述超音速压缩机的启动后操作模式期间，所述轴向可转移流体控制装置的部分缩进位置。

12.根据权利要求8所述的启动支持系统，其中所述轴向可转移流体控制装置进一步包括连接到所述轴向可转移突起的轴向定位装置。

13.根据权利要求8所述的启动支持系统，其中所述至少一个轴向可转移突起包括以下项中的至少一项：

可延伸穿过第一端壁的第一突起；以及

可延伸穿过第二端壁的第二突起。

14.根据权利要求8所述的启动支持系统，其中所述超音速压缩机系统包括至少两个反向旋转的超音速压缩机转子。

15.一种用于启动超音速压缩机的方法，所述方法包括：

提供超音速压缩机，所述超音速压缩机包括：

与至少一个流体源流体连通的流体入口；

流体出口；

至少一个超音速压缩机转子，所述超音速压缩机转子包括：

第一端壁；

连接到所述第一端壁的多片叶片，所述多片叶片中的每对叶片限定延伸穿过其中的流体流动通道，所述流体流动通道限定流动通道入口开口和流动通道出口开口，所述流体流动通道包括喉部部分；

第二端壁；以及

与所述至少一个超音速压缩机转子邻接的至少一个轴向可转移流体控制装置，所述轴向可转移流体控制装置配置用于至少部分阻塞所述喉部部分，所述至少一个轴向可转移流体控制装置包括：

可插入所述喉部部分的至少一部分内的至少一个轴向可转移突起；以及

在所述超音速压缩机的启动操作模式期间，将所述至少一个轴向可转移流体控制装置轴向移动到大体打开所述喉部部分的第一位置。

16.根据权利要求15所述的方法，其中将所述至少一个轴向可转移流体控制装置轴向移动到第一位置包括以下项中的至少一项：

将延伸穿过所述第一端壁的第一突起从位于所述多片叶片中的一对叶片之间的所述流体流动通道内抽出以打开所述喉部部分；以及

将延伸穿过所述第二端壁的第二突起从位于所述多片叶片中的一对叶片之间的所述流体流动通道内抽出以打开所述喉部部分。

17.根据权利要求15所述的方法，其中提供包括至少一个超音速压缩机转子的超音速压缩机包括提供包括两个反向旋转的超音速压缩机转子的超音速压缩机。

18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括在所述超音速压缩机的启动后操作模式期间，将所述至少一个轴向可转移流体控制装置轴向移动到至少部分阻塞所述喉部部分的第二位置。

19.根据权利要求18所述的方法，其中将所述至少一个轴向可转移流体控制装置轴向移动到第二位置包括以下项中的至少一项：

将穿过所述第一端壁的第一突起插入位于所述多片叶片中的一对叶片之间的所述流体流动通道内以至少部分阻塞所述喉部部分；以及

将穿过所述第二端壁的第二突起插入位于所述多片叶片中的一对叶片之间的所述流体流动通道内以至少部分阻塞所述喉部部分。

20.根据权利要求15所述的方法，进一步包括将气体混合物和气体液体混合物中的至少一个从所述流体源输送到所述喉部部分。