起动超音速压缩机的方法和装置制造方法及图纸

一种超音速气体压缩机（１８），包括位于转子（１０４）上的空气动力管道（２０），该转子（１０４）轴颈连接在外壳（１６０）中。空气动力管道产生多个斜激波（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３），以用于在超音速状态下有效地压缩气体。会聚入口（２２）邻近旁路气体收集器（５４），且在转子加速期间，旁路气体经由收集器从会聚入口移除，以实现超音速冲击的稳定化。一旦在选定的入口相对马赫数和压力比下使斜激波稳定，则消除旁路气体经由旁路气体收集器从会聚入口的排放。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于有效地压缩各种气体的压缩机，且更具体而言，涉及起动气体压 缩机以使其在超音速状态下稳定操作的方法，且涉及采用这种方法的装置。
技术介绍
鉴于不断增加的能量成本，改进的、高效的压缩过程的开发已经变得越来越重 要。而且，在各种发电过程中，包括与燃料合成过程相结合的一些过程，各种残余或副产 物气体(包括二氧化碳)的压缩预期变得更重要且越来越普遍，因为对二氧化碳减排 (sequestration)的呼吁变得很迫切。因此，通过提供高效的气体压缩机来降低气体压缩成 本在各种气体压缩应用中是期望的。当压缩高分子量气体时，耗能降低且因而降低成本变 得尤为重要。一般来说，与现有技术超音速压缩机相关的设计方法遇到各种难题。先前建议的 一些结构实际上在吸收前缘斜激波模式方面已经具有或将具有困难，且因而不适合可靠地 开始超音速操作。大多数这样的困难是有问题的，因为为了在增大的相对马赫数下维持低 激波损失，通常需要使用一些种类的斜激波系统。无论如何，斜激波系统在超音速气体压缩 方面很有价值，因为其最终使得能够维持充分小的可操作的预正激波马赫数，使得终端正 激波下的总压力损失最小，因而保持了效率。作为试图提供低损失超音速冲击压缩同时维持自起动压缩机设计的结果，压缩机 设计已经具有实际的压缩比上限。这是因为在正激波上游实现低损失超音速压缩过程所需 的几何收缩水平导致喉尺寸，即空气动力管道的最小尺寸的横截面流动区域，超音速压缩 在其中进行，在实现约2. 5至1以上的压力比所需的入口相对马赫数下不会开始超音速压 缩。换句话说，在申请人已知的现有技术设计中，与这样的压缩的入口的捕获区域相比，压 缩管道的喉区域需要保持相对较大，近似为85%的范围或更高，以便相对于伴随这种设计 的超音速激波实现这样的“自起动”设计。由于自起动超音速压缩机设计固有的上述限制，至今还没有提供用于超音速压缩 机的设计的方法，该超音速压缩机使得能够至少在超过约2. 5至1的范围内以及从该阀值 直到约25至1或更高的范围内同时提供高压力比，并具有高的绝热效率。因而，仍保留有尚未满足的需要，即需要能够在超音速状态下以稳定且高效的方 式在高压缩比下操作的易于起动的超音速压缩机的设计方法。为了满足这样的需要且实现 并提供能实现这种操作的超音速压缩机的设计方法，需要通过开发起动这样的超音速压缩 机系统的新方法来解决基本的技术挑战。因而，有利地提供在适当构造的装置中实现超音 速激波捕获的超音速压缩机，同时提供在正常操作下非常高的气体压缩效率。此外，完成该 目标同时提供具有适于单级压缩机设计的高压缩比的压缩机将是有利的。附图说明通过在附图中示出的示范性实施例来描述本专利技术，在附图中，相似的附图标记表示相似元件，且在附图中图1提供了在超音速气体压缩机中进行超音速压缩的示范性空气动力管道的剖 视图，其中，具有压缩斜坡的会聚入口部分定向成至少部分地用径向向外的部分压缩气体， 示出在会聚入口部分内，在被压缩的气体中提供了多个斜激波Si、S2、S3等，该斜激波用于有 效地降低进入气体的速度，同时增加压力和温度，以及在气体通过最小的区域喉且进入或 行进到空气动力管道的发散出口部分内时在适当位置提供了正激波SN。图2提供了最初在图1中示出的示范性空气动力管道的剖视图，但在图2中，示出 了其中空气动力管道处于未起动状态的状态，且未起动的超音速激波Su位于空气动力管道 的会聚入口部分的入口处或入口附近，但是，其中如此处教导的，旁路气体流从空气动力管 道的会聚入口部分移除，以便在气体流方向上开始将正激波移动通过会聚入口，到达会聚 入口下游的位置，最终到达诸如图1所示的正激波Sn的操作位置的位置。图3提供了为了在所选的入口相对马赫数下操作超音速压缩机，起动空气动力管 道的旁路气体移除要求的适当范围的图示(垂直轴作为起动排放分数，由旁路气体排放的 质量除所捕获的入口气体质量限定)。图4提供了作为所选的入口相对马赫数的函数、如此处教导的设计有空气动力管 道并起动气体旁路的压缩机可实现的气体压缩机压力比能力的图示。图5提供了气体压缩机高速轮子的实施方式的关键部件的概念性透视图，该轮子 与在其他附图(参见图6和图7A)中所示的相邻结构一起构造以方便起动和有效操作，显 示了安装成能在安装在轴上的转子上进行旋转运动的多个空气动力管道，其构造成利用与 相邻结构相配合的旁路气体出口管路来形成并提供旁路气体通路，用于从空气动力管道的 会聚入口部分直接移除气体。图6是最初在图5示出的气体压缩机轮子的一部分的部分垂直剖视图，此刻显示 了提供转子上的作为旁路气体通路的一部分的旁路气体出口管路的一个实施方式的细节， 以实现以高压缩比起动超音速气体压缩机，其中，至少部分地提供中间气体压力室的旁路 气体收集器允许从会聚入口收集旁路气体，且提供在起动时间期间用于所选量的旁路气体 的气体通路的一部，如上面在图2中最初示出的，以便操作空气动力管道来移动通过超音 速区域，直到建立稳定的斜激波，如上面图1所示，于是图2、6和7A所示的旁路气体流动被 终止。图7A是用于一实施方式的上部的部分垂直剖视图，在该实施方式中，利用图5最 初示出的轮子并利用图6所示的起动旁路气体布置提供了稳定的超音速气体压缩机，以从 空气动力管道的会聚入口部分移除一定量的旁路气体，且此刻示出这样一种实施方式，其 中起动的旁路气体沿空气动力管道的上部或顶板移除，且其中，旁路气体通过通路和阀返 回到低压进入气体供给流，且还示出使用了轴颈安装在外壳中的旋转轴上的转子。图7B是利用了起动旁路气体布置的超音速气体压缩机的另一种实施方式的上部 的部分垂直剖视图，利用了从空气动力管道的会聚入口部分移除一定量的旁路气体的方 法，这里示出这样一种实施方式，其中起动时旁路气体在空气动力管道的会聚入口的转子 侧(或底板)上移除。图7C是利用了起动旁路气体布置的超音速气体压缩机的上部的部分垂直剖视 图，利用了从空气动力管道的会聚入口部分移除一定量的旁路气体的方法，这里示出这样一种实施方式，其中起动时旁路气体在(a)空气动力管道的会聚入口的转子侧(或底板) 上，以及(b)顶板(在该实施方式中，相对于转子的径向远侧)移除，且通过阀使旁路气体 返回到进入气体流。图8提供了在气体压缩机中在超音速压缩状态下操作的示范性空气动力管道的 另一实施方式的剖视图，类似于上面最初在图1示出的实施方式，但这里示出提供压缩的 空气动力管道，其利用了如下会聚入口，在该会聚入口中，压缩斜坡定向成至少部分径向向 内压缩气体，同时利用多个斜激波Si、S2, S3等，该斜激波用于有效地降低进入气体的速度， 同时增加压力和温度。图9提供了在气体压缩机中在超音速压缩状态下操作的示范性空气动力管道的 另一实施方式的剖视图，类似于上面图1或图8所示的实施方式，但这里示出在利用会聚入 口提供压缩的空气动力管道中压缩，其中，压缩斜坡定向成至少部分径向向内且至少部分 径向向外压缩气体，但仍示出多个斜激波Si、S2、S3等，该斜激波用于有效地降低进入气体的 速度，同时增加压力和温度。图10提供了根据本文提供的原理设计的超音速压缩机与现有技术的自起动超音 速压缩机相比，作为入口相对马赫数的函数的绝热效率的明显本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种起动超音速气体压缩机的方法，所述超音速气体压缩机包括安装成用于旋转运动的一个或多个空气动力管道，所述一个或多个空气动力管道包括会聚入口部分和发散出口部分，所述空气动力管道包括一个或多个结构，所述一个或多个结构在超音速流入状态下在所述会聚入口部分内的气体中产生斜激波，且在气体进入或穿过所述发散出口部分时所述一个或多个结构在所述气体中产生正激波，所述空气动力管道具有与设计操作点相关的入口相对马赫数，所述设计操作点在对于所选气体组分、气体量和气体压缩比的设计操作范围内选择，所述方法包括：利用待压缩的入口气体流，开始所述一个或多个空气动力管道的所述会聚入口部分的旋转运动；在所述一个或多个空气动力管道增加旋转速度同时所述一个或多个空气动力管道中的所述气体在与所述设计操作点相关的入口相对马赫数下从亚音速流入状态转变成超音速状态时，从所述会聚入口部分移除所选量的旁路气体，在与所述设计操作点相关的入口相对马赫数下的所述所选量的旁路气体在（ａ）由如下公式（ｍ↓［排放］／ｍ↓［捕获］）＝０．０３２９Ｍ↑［４］－０．３８３５Ｍ↑［３］＋１．５３８９Ｍ↑［２］－２．１５０Ｍ＋０．９６３２所描述的上限和（ｂ）由如下公式（ｍ↓［排放］／ｍ↓［捕获］）＝０．０１９７Ｍ↑［４］－０．２３０Ｍ↑［３］＋０．９２３３Ｍ↑［２］－１．２９Ｍ＋０．５７７９所描述的下限之间，其中，ｍ↓［排放］＝从所述空气动力管道移除的旁路气体的质量，ｍ↓［捕获］＝由所述空气动力管道所捕获的气体的质量，Ｍ＝所述空气动力管道的入口相对马赫数，以及在所述斜激被有效地稳定之后，有效地消除所述量的旁路气体从所述会聚入口部分的移除。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2008-1-18 61/011,528一种起动超音速气体压缩机的方法，所述超音速气体压缩机包括安装成用于旋转运动的一个或多个空气动力管道，所述一个或多个空气动力管道包括会聚入口部分和发散出口部分，所述空气动力管道包括一个或多个结构，所述一个或多个结构在超音速流入状态下在所述会聚入口部分内的气体中产生斜激波，且在气体进入或穿过所述发散出口部分时所述一个或多个结构在所述气体中产生正激波，所述空气动力管道具有与设计操作点相关的入口相对马赫数，所述设计操作点在对于所选气体组分、气体量和气体压缩比的设计操作范围内选择，所述方法包括利用待压缩的入口气体流，开始所述一个或多个空气动力管道的所述会聚入口部分的旋转运动；在所述一个或多个空气动力管道增加旋转速度同时所述一个或多个空气动力管道中的所述气体在与所述设计操作点相关的入口相对马赫数下从亚音速流入状态转变成超音速状态时，从所述会聚入口部分移除所选量的旁路气体，在与所述设计操作点相关的入口相对马赫数下的所述所选量的旁路气体在(a)由如下公式(m排放/m捕获)＝0.0329M4 0.3835M3+1.5389M2 2.150M+0.9632所描述的上限和(b)由如下公式(m排放/m捕获)＝0.0197M4 0.230M3+0.9233M2 1.29M+0.5779所描述的下限之间，其中，m排放＝从所述空气动力管道移除的旁路气体的质量，m捕获＝由所述空气动力管道所捕获的气体的质量，M＝所述空气动力管道的入口相对马赫数，以及在所述斜激被有效地稳定之后，有效地消除所述量的旁路气体从所述会聚入口部分的移除。2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述空气动力管道已经到达为所述设计操作点 所选的入口相对马赫数之后，完全终止所述旁路气体的移除，其中，所述压缩机的正常操作 在不移除旁路气体的情况下进行。3.如权利要求1所述的方法，其中，在设计操作点处所选的空气动力管道入口相对马 赫数下所需要的所述旁路气体的量在增大的入口相对马赫数下增加。4.如权利要求1所述的方法，其中，所述空气动力管道的所述入口相对马赫数超过1. 8。5.如权利要求1所述的方法，其中，所述空气动力管道的所述入口相对马赫数至少为2。6.如权利要求1所述的方法，其中，所述空气动力管道的所述入口相对马赫数至少为2 · 5 ο7.如权利要求1所述的方法，其中，所述入口相对马赫数超过约2.5。8.如权利要求1所述的方法，其中，所述空气动力管道的所述入口相对马赫数在约2和 约2. 5之间，包含所述边界参数在内。9.如权利要求1所述的方法，其中，所述空气动力管道的所述入口相对马赫数在约2.5和约2. 8之间，包含所述边界参数在内。10.如权利要求1所述的方法，其中，所述入口相对马赫数在约2和约2.5之间，包含所 述边界参数在内。11.如权利要求4所述的方法，其中，在所述设计操作点，在所述正激之前的马赫数在 约1.2至约1.5的范围内。12.如权利要求1所述的方法，其中，所述压缩机包括安装在转子上的多个空气动力管 道，并且其中，所述方法包括从所述空气动力管道中的每一个空气动力管道的所述会聚入 口部分移除旁路气体。13.如权利要求12所述的方法，其中，移除旁路气体进一步包括通过位于所述会聚入 口部分中的出口管路从所述会聚入口部分排出气体。14.如权利要求12所述的方法，其中，所提供的空气动力管道的数量选自由3、5、7和9 组成的组。15.如权利要求4所述的方法，其中，所述设计操作范围包括至少为3的气体压缩比。16.如权利要求15所述的方法，其中，所述设计操作范围包括至少为5的气体压缩比。17.如权利要求15所述的方法，其中，所述设计操作范围包括从约3.75至约12、包含 所述参数在内的气体压缩比。18.如权利要求15所述的方法，其中，所述设计操作范围包括从约12至约30、包含所 述参数在内的气体压缩比。19.如权利要求15所述的方法，其中，所述设计操作范围包括超过30的气体压缩比。20.一种起动用于压缩所选气体的压缩机的方法，所述压缩机包括外壳，所述外壳进一步包括低压气体入口和高压气体出口，所述低压气体入口用于允 许待压缩的所选气体的主流进入，而所述高压气体出口用于排出所述所选压缩气体的压缩 流，转子，所述转子轴颈安装在所述外壳中，所述转子包括具有会聚入口部分和发散出口 部分的一个或多个空气动力管道，所述空气动力管道包括一个或多个结构，所述一个或多 个结构在超音速流入状态下在所述会聚入口部分内的气体中产生多个斜激波，且在气体进 入或穿过所述发散出口部分时所述一个或多个结构在所述气体中产生正激波，所述空气动 力管道具有用于与设计操作点相关的操作的入口相对马赫数，所述设计操作点在对于所选 气体组成、气体量和气体压缩比的设计操作范围内选择，旁路通路，所述旁路通路适于从所述空气动力管道接收旁路气体，所述旁路气体通路 进一步包括一个或多个旁路气体收集器，所述一个或多个旁路气体收集器各与所述空气动 力管道中的一个空气动力管道共同定位，并且所述一个或多个旁路气体收集器的形状和尺 寸被确定为有利于直接从所述空气动力管道移除气体的旁路部分；所述方法包括升高所述转子的旋转速度，以在超音速入口状态下压缩所述所选气体；通过所述旁路气体收集器、从所述空气动力管道的所述会聚入口部分移除所选量的旁 路气体；在所选的入口相对马赫数和压缩比下使所述斜激波稳定；以及有效地终止所述旁路气体的移除。21.如权利要求20所述的方法，其中，所述转子包括多个前缘，并且其中，所述多个所 述前缘中的每一个前缘对应于所述一个或一个或多个空气动力管道中的一个空气动力管 道且位于所述一个或一个或多个空气动力管道中的上述一个空气动力管道的上游。22.如权利要求20所述的方法，其中，所述会聚入口部分中的每一个会聚入口部分中 包括出口管路，并且其中，旁路气体的移除包括通过所述出口管路排出所述旁路气体。23.如权利要求22所述的方法，其中，通过所述出口管路移除的旁路气体包括从(a)至 (b)的量，其中(a)对于在约1.8的入口相对马赫数下的操作由所述会聚入口部分捕获的入 口气体的从按质量计约11%至按质量计约19%，(b)对于在约2. 8的入口相对马赫数下的 操作由所述会聚入口部分捕获的入口气体的从按质量计约36%至按质量计约61%。24.如权利要求20或22所述的方法，其中，移除的所述旁路气体的量在由如下公式 (m 排放/m捕获)=0. 0329M4-0. 3835M3+1. 5389Μ2_2· 150Μ+0. 9632所描述的上限和由如下公式(m 排放/m捕获)=0. 0197M4-0. 230M3+0. 9233Μ2_1· 29Μ+0. 5779所描述的下限之间，其中，从所述空气动力管道移除的旁路气体的质量， m =由所述空气动力管道所捕获的气体的质量， M=所述空气动力管道的入口相对马赫数。25.如权利要求24所述的方法，其中，移除旁路气体包括通过在所述会聚入口部分的 边界部分中的出口管路从所述会聚入口部分排出气体。26.如权利要求20所述的方法，其中，所提供的空气动力管道的数量选自由3、5、7和9 组成的组。27.如权利要求25的任一项所述的方法，其中，在所述设计操作点，在所述正激之前的 马赫数在约1. 2至约1. 5的范围内。28.如权利要求27所述的方法，其中，所述设计操作范围包括至少为3的气体压缩比。29.如权利要求27所述的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖恩P劳勒，
申请(专利权)人：拉姆金动力系统有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US