超音速压缩机制造技术

一种超音速压缩机，包括将超音速状态的气体传输到扩压器的转子。扩压器包括多个具有收敛部和扩张部的气动管道，使气体减速到亚音速状态然后使亚音速气体膨胀，从而使气体的动能变为静压。气动管道包括改变有效收缩比的结构使得即使当气动管道被设计为高压力比时仍然能够起动，以及用于边界层控制的结构。在一个实施方式中，气动管道被设置成，当在与气动管道入口处的流动方向正交的横截面上观察时，具有超过二比一的宽高比。在一个实施方式中，前缘的数目最少化，且与附随转子中的叶片数相比，可以少于一半。

【技术实现步骤摘要】

本说明涉及用于气体压缩的设备和方法，且更具体地涉及被设计成采用超音速激波压缩的气体压缩机。
技术介绍
在工业中存在对简单、高效气体压缩机的持续兴趣。这样的装置可用在各种应用中。通过采用与现有技术压缩机设计相比在运行效率上提供改善的压缩机，运行成本可在许多应用中充分改善。此外，从维护成本的角度，期望开发减少旋转组件质量的新型压缩机设计，因为与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通常认为旋转组件比较昂贵。因此，可以理解提供最少化运动部件的新型高效压缩机设计将会是有利的。尽管已设想出多种超音速压缩机，并且一些已由他人试验，然而在1961年3月14日公布且标题为 “High Pressure Ratio Axial Flow Supersonic Compressor (高压力比轴流式超音速压缩机)”的美国专利No. 2，974，858中反映的J. K. Koffel等人的工作对这种工作具有一般的指导意义，并因此暗示出在该领域中仍然存在的技术问题以及关于这些问题需要更好的解决方案以便提高运行能力和压缩效率，该专利的全部公开内容通过引用结合于此。尽管Koffel等人的专利描述了使用冲击式叶片转子并说明了具有下游叶片的定子，然而所描述的压缩机几何结构似乎最大仅能够实现文中声明的压力比，该压力比在一处被称为“…在单个转子-定子级中约4比I的总压力比”。并且尽管Koffel等人的专利提到了关于边界层效应的论题，然而并未提供对于这种现象的综合控制，而该综合控制对于避免由边界层与激波的相互作用所导致的扰动会十分有用，尤其可应用于相比该文中提到的压力比更高的压力比的压缩机运行。简而言之，仍然需要提供同时解决各种实际问题的高压力比超音速压缩机的设计，包括(a)提供被设计用于高压力比运行的压缩机的起动，以便控制在被设计用于高压力比和高效压缩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扩压器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。
技术实现思路
已开发出在一个实施方式中使旋转部件数目最少化的新颖的超音速压缩机。该压缩机利用具有延伸进入气流通道内的多个叶片的转子来发展进气流中的气体速度，并使进气流切向和轴向加速以将超音速状态下的气流输送至包括一个或更多气动管道(aerodynamic duct)的扩压器中。在一个实施方式中,将多个叶片设置为冲击式叶片,使其提供动能以将气体速度增加至超音速状态，而几乎没有任何静压升高。在一个实施方式中，使气动管道的数目减至最少。结果，可利用少量进口(至少一个进口与各气动管道相关联)，而不是大量定子叶片。在一个实施方式中，示例性设计使前缘的总数目减至最少，并因此使暴露于进入的超音速气流的前缘的长度减至最少。在一个实施方式中，扩压器的气动管道可包绕例如圆柱形或部分圆锥形上的沿纵轴延伸的回转面。在一个实施方式中，气动管道可设置成螺线形或螺面状构造。在一个实施方式中，气动管道可设置成具有相对恒定的螺旋角的形状。在一个实施方式中，气动管道可沿基本上圆柱螺线构造的中心线设置，使得曲率对挠率的比恒定。可设置其它螺旋形状，包括具有不同的曲率对挠率比的形状。不加限制，在此提供各种实例。例如，在一个实施方式中，气动管道可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。在各种实施方式中，气动管道可为右旋或左旋，其中进口和喉部基本上以高压超音速气体离开转子叶片的方向取向。其它实施方式可利用气动管道的其它形状(例如，非螺旋形或其它形状)，因此在此所述的建议形状仅用于解释，而不进行限制。可在气动管道内利用一系列斜激波和正激波，以便使进入的高速超音速气流有效地转换为高压亚音速气流。在第一静止扩压器之后，可通过蜗壳或本领域中公知的其它适当结构进一步降低气体速度并累积静压。替换性地，可利用第二压缩级。在一个实施方式中，第二压缩级可接受从第一压缩级输出的压缩气体作为进气。第二压缩级可具有包括延伸进入气流通道内的多个叶片的第二转子，和包括另外的气动管道的第二定子，以便进一步压缩离开第一压缩级之后的气体。并且对于特定应用可采用另外的压缩级(例如超过两级)以获得更高的总压缩比。为起动超音速激波系，在一个实施方式中，扩压器可包括旁路气体出口，用于去除进气流的一部分至促进在扩压器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进气的一部分经过转子叶片并返回至气动管道的进口的循环。在一个实施方式中，特别是对于空气压缩，旁路气体可简单排放至大气。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，以改变经过扩压器的进气流的量，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，可采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，并为提高气流经过扩压器的效率，可采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择，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该边界层。在一个实施方式中，在此说明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固定结构内，例如沿着气动管道的固定斜面部分，因此与激波位于转子中的结构之间，或者位于转子和例如周向壁的邻近的固定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，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设计技术中存在的寄生损失。更根本地，在此公开的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，特别是固定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，因此使插入超音速气流的前缘表面的数目最少化。因此，与迄今公知的气体压缩机相比，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运行时高效的气体压缩机的潜力。例如，不加限制，在此公开的压缩机设计可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)，或高于十二比一(12:1)的压缩比运行。最后，气流配置，特别是详细的转子几何结构和详细的扩压器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颖超音速压缩机的配置，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中图1是部分剖视立视图，在截本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压缩机，包括：转子，所述转子具有旋转轴和延伸进入气流通道内的多个冲击式叶片，所述多个冲击式叶片的尺寸和形状设置成作用于选定气体以提供超音速气流；以及扩压器，所述扩压器包括绕纵轴螺旋布置并设置成接收所述超音速气流的一个或更多气动管道，所述一个或更多气动管道包括（a）收敛部和扩张部，以及（b）旁路气体通道，所述旁路气体通道可操作以从所述收敛部去除至少一些所述超音速气流，从而在所述一个或更多气动管道的一个或更多中调整有效收缩比；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。

【技术特征摘要】
2011.07.09 US 61/506,0551.一种压缩机，包括 转子，所述转子具有旋转轴和延伸进入气流通道内的多个冲击式叶片，所述多个冲击式叶片的尺寸和形状设置成作用于选定气体以提供超音速气流；以及 扩压器，所述扩压器包括绕纵轴螺旋布置并设置成接收所述超音速气流的一个或更多气动管道，所述一个或更多气动管道包括 (a)收敛部和扩张部，以及 (b)旁路气体通道，所述旁路气体通道可操作以从所述收敛部去除至少一些所述超音速气流，从而在所述一个或更多气动管道的一个或更多中调整有效收缩比； 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。2.—种压缩机,包括 转子，所述转子具有旋转轴和延伸进入气流通道内的多个冲击式叶片，所述多个冲击式叶片的尺寸和形状设置成作用于选定气体以提供超音速气流；以及 扩压器，所述扩压器具有纵轴，包括绕所述纵轴螺旋布置并设置成接收所述超音速气流的一个或更多气动管道，所述一个或更多气动管道包括 Ca)收敛部和扩张部，以及 (b)几何可调节部分，所述几何可调节部分可操作以改变所述收敛部的形状和/或位置，从而在所述一个或更多气动管道的一个或更多中调整有效收缩比； 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。3.根据权利要求1或2所述的压缩机，其中所述一个或更多气动管道包括围壁，并在一个或更多所述围壁中进一步包括排气吸除口。4.根据权利要求1或2所述的压缩机，在所述一个或更多气动管道中进一步包括配置成通过注气来激励边界层的进气喷口。5.根据权利要求1或2所述的压缩机，在所述一个或更多气动管道中进一步包括配置成激励边界层的一个或更多涡流发生器。6.—种压缩机,包括 转子，所述转子具有旋转轴和延伸进入气流通道内的多个冲击式叶片，所述多个冲击式叶片的尺寸和形状设置成作用于选定气体以提供超音速气流；以及 扩压器，所述扩压器绕纵轴布置并包括一个或更多气动管道，所述一个或更多气动管道包括收敛部和扩张部，并具有有效收缩比，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从选定的进口马赫数减速至亚音速状态，以及 (a)(i)旁路气体通道或(ii)几何可调节部分中的至少一者或(iii)两者，可操作以调整所述有效收缩比，以及 (b)边界层控制结构，所述边界层控制结构包括一个或更多的(I)用于边界层去除的排气吸除口，(2)用于通过注气来激励边界层的进气喷口，和(3)—个或更多涡流发生器。7.根据权利要求6所述的压缩机，还包括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过所述排气吸除口去除的所述选定气体通过所述吸除子气室。8.根据权利要求1、2或6中的任一项所述的压缩机，其中所述转子还包括用于所述多个冲击式叶片的围带。9.根据权利要求1、2或6中的任一项所述的压缩机，其中所述转子用所述扩压器有效密封，以便使气体在其间流动期间的气体泄漏最小化。10.根据权利要求1、2或7中的任一项所述的压缩机，其中经过所述转子的所述选定气体被转向至少九十(90)度的角度alpha ( α )。11.根据权利要求1、2或7中的任一项所述的压缩机，其中经过所述转子的所述选定气体被转向至少一百(100)度的角度alpha ( α )。12.根据权利要求1、2或7中的任一项所述的压缩机，其中经过所述转子的所述选定气体被转向至少一百--h (110)度的角度alpha ( α )。13.根据权利要求1、2或7中的任一项所述的压缩机，其中经过所述转子的所述选定气体被转向约九十(90)度与约一百六十(160)度之间的角度alpha ( α )。14.根据权利要求1、2或7中的任一项所述的压缩机，其中经过所述转子的所述选定气体被转向约一百一^h(112)度与约一百一^h四(114)度之间的角度alpha ( α )。15.根据权利要求1、2或7中的任一项所述的压缩机，其中各个所述多个叶片具有毂端、尖端和后缘，并且在各个所述多个叶片的所述后缘从所述毂端向所述尖端提供所述超音速气流。16.根据权利要求1或6所述的压缩机，其中所述旁路气体通道可在排气经过所述旁路气体通道的开放、启动状态与使经过所述旁路气体通道的所述排气通过最小化或停止的关闭、操作状态之间定位。17.根据权利要求16所述的压缩机，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。18.根据权利要求16所述的压缩机，其中所述旁路气体通道与大气流体连接，用于向大气排放。19.根据权利要求16所述的压缩机，其中所述旁路气体通道与一个或更多外部通道流体连接，所述外部通道使所述排气直接或间接返回至所述一个或更多气动管道。20.根据权利要求16所述的压缩机，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，以使所述排气直接返回至所述一个或更多气动管道。21.根据权利要求2或6所述的压缩机，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，其中在所述开放、启动状态中，所述收敛部允许所述选定气体充分流过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并定位正激波，而在所述关闭、操作状态中，所述收敛部被设定至选定的操作位置。22.根据权利要求2或6所述的压缩机，其中所述几何可调节部分通过改变位置来改变所述一个或更多气动管道的一个或更多的收缩比。23.根据权利要求22所述的压缩机，其中所述几何可调节部分还包括可旋转构件和致动器，所述可旋转构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所述致动器移动时，改变所述一个或更多气动管道的所述一个或更多的所述收敛部的形状。24.根据权利要求6所述的压缩机，还包括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过所述排气吸除口去除的所述选定气体通过所述吸除子气室。25.根据权利要求6所述的压缩机，其中所述进气喷口定向成将气体注入所述一个或更多气动管道中的所述选定气流中的边界层内。26.根据权利要求6所述的压缩机，还包括进气口和注气室，所述注气室邻近于所述一个或更多气动管道，所述注气室与所述进气口流体连通，所述注气室配置用于使经所述进气口注入的所述选定气体通过所述注气室。27.根据权利要求25所述的压缩机，其中所述进气喷口的尺寸和形状设置成提供增加所述选定气流的动量的气体射流。28.根据权利要求6所述的压缩机，其中所述边界层控制结构被配置为所述一个或更多涡流发生器。29.根据权利要求28所述的压缩机，其中所述一个或更多涡流发生器设置在所述收敛部内。30.根据权利要求28所述的压缩机，其中所述一个或更多涡流发生器设置在所述扩张部内。31.根据权利要求28所述的压缩机，其中各个所述一个或更多涡流发生器包括具有前端和前缘的基部，所述前缘向外延伸至外端。32.根据权利要求31所述的压缩机，其中所述前缘包括沿所述前缘的不连续段，用于生成单个涡流。33.根据权利要求31所述的压缩机，其中所述一个或更多涡流发生器包括至少两个涡流发生器，且其中各个所述至少两个涡流发生器生成单个涡流，所述单个涡流配置成控制气动管道中的边界层。34.根据权利要求31所述的压缩机，其中所述外端设置在所述基部以上的高度Hz处。35.根据权利要求34所述的压缩机，其中所述气动管道具有高度HD，且其中所述基部以上的所述高度Hz是所述高度HD的约百分之五十(50%)或更少。36.根据权利要求34所述的压缩机，其中所述气动管道具有高度HD，且其中所述基部以上的所述高度Hz为所述高度HD的约百分之二十五(25%)或更少。37.根据权利要求6所述的压缩机，其中在各个所述气动管道中设置多个涡流发生器。38.根据权利要求6所述的压缩机，其中所述一个或更多气动管道中的一个或更多绕所述纵轴螺旋布置。39.根据权利要求38所述的压缩机，其中所述气动管道中的所述一个或更多绕所述纵轴以基本恒定的螺旋角螺旋布置。40.根据权利要求1、2或6中的任一项所述的压缩机，其中所述扩压器包括静止扩压器。41.一种用于压缩选定气体的超音速气体压缩机,包括 外壳，所述外壳包...

【专利技术属性】
技术研发人员：WB罗伯茨二世，SP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：