超音速壓縮機的製作方法

2023-09-15 13:59:15 4

專利名稱：超音速壓縮機的製作方法
技術領域：
本說明涉及用於氣體壓縮的設備和方法，且更特別地涉及被設計成利用超音速激波壓縮的氣體壓縮機。
背景技術：
在工業中存在對簡單、高效氣體壓縮機的持續興趣。這樣的裝置可用在各種應用中。通過採用與現有技術壓縮機設計相比在運行效率上提供改善的壓縮機，運行成本可在許多應用中充分改善。此外，從維護成本的角度，期望開發減少旋轉組件質量的新型壓縮機設計，因為與受到源自溫度和壓力的應力和應變、但不經受由旋轉運動引起的附加載荷的非旋轉部件相比，在更換或修理變得必需時通常認為旋轉組件比較昂貴。因此，可以理解提供最少化運動部件的新型高效壓縮機設計將會是有利的。儘管已設想出多種超音速壓縮機，並且一些已由他人試驗，然而在1961年3月14日公布且標題為 「High Pressure Ratio Axial Flow Supersonic Compressor (高壓力比軸流式超音速壓縮機)」的美國專利No. 2，974，858中反映的J. K. Koffel等人的工作對這種工作具有一般的指導意義，並因此暗示出在該領域中仍然存在的技術問題以及關於這些問題需要更好的解決方案以便提高運行能力和壓縮效率，該專利的全部公開內容通過引用結合於此。儘管KofTel等人的專利描述了使用衝擊式葉片轉子並說明了具有下遊葉片的定子，然而所描述的壓縮機幾何結構似乎最大僅能夠實現文中聲明的壓力比，該壓力比在一處被稱為「…在單個轉子-定子級中約4比I的總壓力比」。並且儘管Koffel等人的專利提到了關於邊界層效應的論題，然而並未提供對於這種現象的綜合控制，而該綜合控制對於避免由邊界層與激波的相互作用所導致的擾動會十分有用，尤其可應用於相比該文中提到的壓力比更高的壓力比的壓縮機運行。簡而言之，仍然需要提供同時解決各種實際問題的高壓力比超音速壓縮機的設計，包括(a)提供被設計用於高壓力比運行的壓縮機的起動，以便控制在被設計用於高壓力比和高效壓縮的超音速擴壓器中的有效位置的正激波，(b)避免過多數目的前緣結構(例如可在現有技術的多葉片定子中遇到的那樣)，並使高速超音速氣流在進入擴壓器時遇到的其它損失最小化，以及(C)提供尤其與在期望的位置保持正激波相關的有效的邊界層控制，以便用高效的方式實現高壓縮比。

發明內容
已開發出在一個實施方式中使旋轉部件數目最少化的新穎的超音速壓縮機。該壓縮機利用具有延伸進入氣流通道內的多個葉片的轉子來發展進氣流中的氣體速度，並使進氣流切向和軸向加速以將超 音速狀態下的氣流輸送至包括一個或更多氣動管道(aerodynamic duct)的擴壓器中。在一個實施方式中，設置多個反動式葉片,使其提供動能以將氣體速度增加至超音速狀態，並有規定水平的靜壓升高。在一個實施方式中，使氣動管道的數目減至最少。結果，可利用少量進口(至少一個進口與各氣動管道相關聯)，而不是大量定子葉片。在一個實施方式中，示例性設計使前緣的總數目減至最少，並因此使暴露於進入的超音速氣流的前緣的長度減至最少。在一個實施方式中，擴壓器的氣動管道可包繞例如圓柱形或部分圓錐形上的沿縱軸延伸的迴轉面。在一個實施方式中，氣動管道可設置成螺線形或螺面狀構造。在一個實施方式中，氣動管道可設置成具有相對恆定的螺旋角的形狀。在一個實施方式中，氣動管道可沿基本上圓柱螺線構造的中心線設置，使得曲率對撓率的比恆定。可設置其它螺旋形狀，包括具有不同的曲率對撓率比的形狀。不加限制，在此提供各種實例。例如，在一個實施方式中，氣動管道可設置成圓錐螺線構造，採取如同位於基礎圓錐面上方的輕微螺旋的形式。在各種實施方式中，氣動管道可為右旋或左旋，其中進口和喉部基本上以高壓超音速氣體離開轉子葉片的方向取向。其它實施方式可利用氣動管道的其它形狀(例如，非螺旋形或其它形狀)，因此在此所述的建議形狀僅用於解釋，而不進行限制。可在氣動管道內利用一系列斜激波和正激波，以便使進入的高速超音速氣流有效地轉換為高壓亞音速氣流。在第一靜止擴壓器之後，可通過蝸殼或本領域中公知的其它適當結構進一步降低氣體速度並累積靜壓。替換性地，可利用第二壓縮級。在一個實施方式中，第二壓縮級可接受從第一壓縮級輸出的壓縮氣體作為進氣。第二壓縮級可具有包括延伸進入氣流通道內的多個葉片的第二轉子，和包括另外的氣動管道的第二定子，以便進一步壓縮離開第一壓縮級之後的氣體。並且對於特定應用可採用另外的壓縮級(例如超過兩級)以獲得更高的總壓縮比。為起動超音速激波系，在一個實施方式中，擴壓器可包括旁路氣體出口，用於去除進氣流的一部分至促進在擴壓器內建立超音速激波的程度，以便與選定的壓縮比、進口馬赫數和選定氣體的質量流量的設計點相一致。在一個實施方式中，旁路氣體出口可用於進氣的一部分經過轉子葉片並返回至氣動管道的進口的循環。在一個實施方式中，特別是對於空氣壓縮，旁路氣體可簡單排放至大氣。在一個實施方式中，氣體壓縮機可在氣動管道中設置幾何可調節部分，以改變經過擴壓器的進氣流的量，以便起動並建立穩定的超音速激波運行。在一個實施方式中，可採用起動旁路氣體出口和幾何可調節部分兩者。為使不利的氣動效應最小化，並為提高氣流經過擴壓器的效率，可採用一種或多種邊界層控制結構。這樣的邊界層控制結構可從一種或多種類型的邊界層控制技術中選擇，包括經由邊界層抽取或吸除來去除氣流的一部分，或者通過邊界層注氣來激勵邊界層，或者通過例如使用渦流發生器進行混合來激勵邊界層。在一個實施方式中，渦流發生器可生成多個渦流，其中較大的渦流使同時生成的、鄰近的且較小的渦流向邊界層旋轉並由此進入邊界層，且因此由於較小的渦流與邊界層混合而控制該邊界層。在一個實施方式中，在此說明的壓縮機可具有多個氣路，即多個氣動管道，用於生成超音速激波並允許喉部下遊的亞音速擴散。在一個實施方式中，由於超音速激波可位於固定結構內，例如沿著氣動管道的固定斜面部分，因此與激波位於轉子中的結構之間，或者位於轉子和例如周向壁的鄰近的固定結構之間的各種現有技術超音速壓縮機設計相比，激波位置的控制得以大大簡化。此外，靜止擴壓器內的激波位置避免由於各種轉子組件的旋轉運動導致的阻力所引起的現有設計技術中存在的寄生損失。更根本地，在此公開的壓縮機設計的實施方式採用非常少的突入超音速流動路徑中的氣動前緣結構，特別是固定結構來發展高壓縮比。這種改進的實現部分是因為提供了使氣動管道的數目最少化的設計。在一個實施方式中，對每個氣動管道僅設置單個前緣，因此使插入超音速流的前緣表面的數目最少化。因此，與迄今公知的氣體壓縮機相比，在此公開的壓縮機設計具有提供特別是在單個壓縮級中以高壓縮比運行時高效的氣體壓縮機的潛力。例如，不加限制，在此公開的壓縮機設計可在單級中 以高達約四比一(4:1)，或至少約四比一(4:1)，或至少約六比一(6:1)，或約六比一至約十比一(約6:1至約10:1)，或高達約十二又二分之一比一(12. 5:1)，或高於十二比一(12:1)的壓縮比運行。最後，氣流配置，特別是詳細的轉子幾何結構和詳細的擴壓器幾何結構的許多變型，可由本領域技術人員和本說明書涉及的技術人員做出而不偏離本文的教導。


現在將使用說明性的附圖通過示例性實施方式說明新穎的超音速壓縮機的構造，其中相同的附圖標記表示相同的元件，並且其中圖I是部分剖視立視圖，在截面中示出進口通道將供氣輸送至轉子上的反動式葉片(從側面示出以展現露出的葉片)。反動式葉片將超音速狀態下的氣體輸送至具有多個氣動管道的靜止擴壓器。氣動管道包括收斂部和擴張部、用於起動的進口旁路氣體通道，以及用於邊界層控制的邊界層排氣吸除口(outlet bleed port)。圖I還示出擴壓器的實施方式，其中氣動管道的喉部與氣流離開轉子葉片的方向密切對齊。圖2提供了關於示例性二氧化碳壓縮機設計的氣體速度圖，說明了相對於從轉子伸出的反動式葉片在四個不同位置的氣體速度分量。圖3是轉子上的反動式葉片和包括多個氣動管道的下遊靜止擴壓器的透視圖，示出了具有收斂部和擴張部、以及用於起動的進口旁路通道和用於邊界層控制的邊界層口的氣動管道的螺旋結構，和以虛線表示的鄰近的靜態結構部分。圖4是壓縮機的實施方式的部分截面透視圖，示出了進口通道、轉子上的反動式葉片、包括具有收斂部和擴張部的氣動管道的靜止擴壓器，以及邊界層吸除通道。圖5是包括使用五(5)個氣動管道的靜止擴壓器的截面圖，該氣動管道具有收斂部和擴張部，以及用於起動的進口旁路通道和用於邊界層控制的邊界層吸除口，以及鄰近收斂部和擴張部的相關的子氣室和通道。圖6是類似於圖5中首先示出的示例性氣動管道的一部分的放大詳細視圖，但示出在一個實施方式中使用通過用於邊界層控制的排氣吸除口進行的邊界層吸除，且同時在氣動管道內使用渦流發生器以通過混合來控制邊界層。圖7提供了進入反動式葉片轉子並經過擴壓器的示例性氣流路徑的周向視圖，該擴壓器具有前緣，隨後是各自具有經由壓縮斜面(ramp)提供的收斂部和由膨脹斜面示出的擴張部的多個氣動管道，並且示出用於起動的旁路吸除通道，和用於激波穩定性並用於提高效率的、協助邊界層控制的邊界層排氣吸除口。圖8是圖7中提供的周向視圖的一部分的放大視圖，示出了擴壓器中的氣動管道的前緣，並且還示出經由壓縮斜面提供的收斂部和由膨脹斜面示出的擴張部，而且示出起動吸除口和邊界層口。圖8A是圖8的放大部分，示出了定子的前緣楔形角和位於前緣後方即下遊的分隔壁，在一個實施方式中該分隔壁可配置為在靜止擴壓器中分離相鄰氣動管道的共用分隔
壁。 圖8B是沿圖8A中的線8B-8B截取的截面圖，示出了氣動管道的前緣,且更具體地示出在一個實施方式中前緣可如何設置成後掠配置，即在流動方向上向後傾斜。圖SC是圖8A的放大部分，示出了氣動管道前緣的適合的半徑。圖9是壓縮機的實施方式的立視截面圖，示出用於待壓縮進氣的氣體通道，包括具有收斂部和擴張部的固定氣動管道的擴壓器，用於氣體減速和靜壓累積的蝸殼，以及相關的變速箱和電動機。圖10是類似於上面圖3中所示的反動式轉子的實施方式的透視圖，但示出使用具有用於葉片的圍帶(shroud)的反動式轉子，並且在該實施方式中，還示出轉子圍帶的圓周部分的迷宮型密封結構的齒。圖11是類似於上面圖4中所示的壓縮機的實施方式的部分截面圖，示出了進氣道、具有如圖10中所示的圍帶的反動式轉子、擴壓器，該擴壓器包括具有幾何可調節收斂部和擴張部的氣動管道，並適於改變氣動管道的有效收縮比以便在適當位置起動和建立超音速激波，並且還示出使用用於有效控制邊界層現象的渦流發生器。圖12是如上面圖11中首先示出的位於氣動管道內的可調節收斂部和擴張部的實施方式的示意性截面圖，進一步示出管道的調節如何通過調節氣體通過的可用面積來改變管道中的有效收縮比(也稱為收斂比)。圖13是包括收斂部和擴張部的氣動管道的實施方式的示意性截面圖，包括了靜止擴壓器，示出了使用用於起動的氣體去除和旁路系統以及使用用於控制邊界層現象的邊界層吸除系統。圖13A是包括收斂部和擴張部的氣動管道的實施方式的部分截面圖，示出了使用用於起動期間的氣體去除的可開啟門以及使用用於控制邊界層現象的邊界層吸除系統。圖14是類似於上面圖3和11中所示的壓縮機的實施方式的部分截面透視圖，示出了進氣道、轉子上的具有圍帶的反動式葉片、包括氣動管道的擴壓器，該氣動管道利用上面圖13中所示類型的用於起動的氣體去除系統，並且還示出了使用用於有效控制邊界層現象的邊界層吸除系統。圖15是沿圖I中的線15-15截取的立視截面圖，示出了擴壓器入口的實施方式，這裡示出五(5)個氣動管道,並且還示出氣動管道前緣的短高度。
圖16是如同沿圖I中的線16-16截取的立視截面圖，但示出使用具有七(7)個氣動管道的擴壓器的替換性實施方式的入口，並且還示出氣動管道前緣的短高度。圖17是壓縮機的實施方式的概略側視圖，示出了使用反動式葉片轉子(未示出可能的附加葉片圍帶)與包括在一個實施方式中圍繞旋轉面螺旋設置的多個氣動管道的擴壓器，並且其中由虛線表示的旋轉面基本上呈圓柱形。圖18是壓縮機的實施方式的概略側視圖，示出了使用反動式葉片轉子(未示出可能的附加轉子圍帶)與包括在一個實施方式中圍繞旋轉面設置成基本上螺旋結構的多個氣動管道的擴壓器，並且其中由虛線表示的旋轉面基本上呈向外傾斜的截錐形。圖19是壓縮機的實施方式的概略側視圖，示出了使用反動式葉片轉子(未示出可能的附加圍帶)與包括在一個實施方式中圍繞旋轉面設置成基本上螺旋結構的多個氣動管道的擴壓器，並且其中由虛線表示的旋轉面基本上呈向內傾斜的截錐形。圖20是附設於氣動管道的選定表面的渦流發生器的實施方式的概略側視圖，其 中渦流發生器被設計成生成至少一(I)個渦流，並且這裡如粗虛線所示示出從進氣流生成兩(2)個渦流。圖21是上面圖20中所示的渦流發生器的實施方式的概略端視圖，示出在氣動管道的選定表面上方首先生成的兩(2)個渦流，即較大渦流和較小渦流。圖22是上面圖20和21中所示的渦流發生器的實施方式的概略端視圖，示出兩
(2)個渦流，即較大渦流和較小渦流，兩個渦流轉動並使較小渦流向下翻轉靠近氣動管道的選定表面，以便就位於對鄰近選定表面的邊界層做功的位置。圖23是附設於氣動管道的選定表面的渦流發生器的實施方式的概略側視圖，其中渦流發生器被設計成生成至少一(I)個渦流，並且這裡如粗虛線所示示出從進氣流生成
三(3)個渦流。圖24是上面圖23中所示的渦流發生器的實施方式的概略端視圖，示出在氣動管道的選定表面上方首先生成的三(3)個渦流，即大渦流、中等大小渦流和小渦流。圖25是上面圖23和24中所示的渦流發生器的實施方式的概略端視圖，示出三
(3)個渦流，即大渦流、中等大小渦流和小渦流轉動並使較小的渦流向下翻轉靠近氣動管道的選定表面，以便就位於對鄰近選定表面的邊界層做功的位置。圖26是沿具有收斂部和擴張部的氣動管道的中心線截取的部分截面圖，示出了使用由供應管道供應的、用於通過注氣進行的邊界層控制的加壓氣體。圖27示出圖26中提供的部分截面圖的放大部分，示出了使用用於提供氣體供應的管道，該氣體供應用於噴射氣體射流以控制氣動管道中膨脹激波附近的邊界層的建立。圖28是沿擴壓器中的基本上螺旋形氣動管道的中心線截取的截面圖，示出了其中壓縮斜面位於向內表面上，並且其中用於起動的吸除空氣通道位於氣動管道的向外表面上的實施方式，並且還示出多個斜激波結構Si、S2, S3和Sx及正激波Sn，以及使用渦流發生器控制鄰近氣動管道的徑向內表面的邊界層。圖29是沿擴壓器中的基本上螺旋形氣動管道的中心線截取的截面圖，其中壓縮斜面位於向外表面上，示出了其中用於起動和建立激波結構的穩定操作的旁路氣體通道位於氣動管道的向內表面上的實施方式，並且還不出多個斜激波結構S1、S2、S3和Sx及正激波Sn，以及使用渦流發生器控制鄰近氣動管道的內表面的邊界層。
圖30是沿擴壓器中的基本上螺旋形氣動管道的中心線截取的截面圖，其中壓縮斜面位於向外表面和向內表面上，並且不出其中用於起動和建立激波結構的穩定操作的旁路氣體通道位於氣動管道的向外表面和向內表面上的實施方式，而且還示出多個斜激波結構Si、S2, S3、S4、S5、S6、S7和Sx及正激波Sn，以及使用渦流發生器控制鄰近氣動管道的內表面的邊界層。圖31是示出擴壓器的縱向中心線和其中使用的基本上螺旋形的氣動管道，以及附隨的轉子及其旋轉中心線的部分周向視圖，示出了其中壓縮斜面位於向外延伸的後緣表面上，並且其中用於起動和建立激波的穩定操作的旁路氣體通道位於收斂的壓縮斜面表面上的實施方式，並且還示出多個斜激波結構Si、S2, S3和Sx以及正激波Sn。圖32是示出擴壓器的縱向中心線和其中使用的基本上螺旋形的氣動管道，以及附隨的轉子及其旋轉中心線的部分周向視圖，示出了其中壓縮斜面位於向內的前緣表面上，並且其中用於起動的吸除空氣通道位於收斂的壓縮斜面表面上的實施方式，並且還示出多個斜激波結構Si、S2, S3和Sx以及正激波Sn。
圖33是示出擴壓器的縱向中心線和其中使用的基本上螺旋形的氣動管道，以及附隨的轉子及其旋轉中心線的部分周向視圖，示出了其中壓縮斜面位於向內的前緣表面上並且還位於後緣上，而且其中用於起動的吸除空氣通道位於兩方收斂的壓縮斜面表面上的實施方式，並且還示出多個斜激波結構Si、S2, S3、S4等以及正激波SN。圖34是示出使用至少兩個壓縮級的概略流程圖，其中源自第一壓縮機級的高壓氣體提供給第二壓縮機級的低壓入口以便進一步壓縮。前述附圖僅是示例性的，包含可在利用本文所教導原理的實際超音速壓縮機設計中存在或省略、或者可在這種壓縮機的多種應用中實施的多種元件。其它壓縮機設計可使用稍微不同的氣動結構、機械布置或處理流程配置，而仍採用文中所述或所提供的附圖中示出的原理。已嘗試採用示出至少對於理解示例性超音速壓縮機設計而言重要的元件的方式繪製附圖。這種細節對於提供用於工業系統的高效超音速壓縮機設計應該是有用的。應當理解的是，在由權利要求限定的本文的教導的保護範圍和覆蓋範圍內，可根據其教導利用各種特徵，因為取決於例如被處理氣體的溫度和壓力等使用狀態，該特徵對於各種氣體壓縮應用是必需或有用的，因此會在不同實施方式中有用。
具體實施例方式提供以下詳細說明及其涉及的附圖用於說明並圖解在此闡述的本發明的各方面的一些實例和具體實施方式
，而不是為了詳盡說明以下說明並要求的本發明的各方面的全部可能的實施方式和實例。因此，本詳細說明不且不應以任何方式解釋為限制在本申請或在任何相關申請或作為結果的專利中要求的本發明的保護範圍。為了便於對本文所公開主題的理解，如以下所闡述的使用許多術語、縮略語或其它速記名稱。這些定義的意圖僅在於補充本領域技術人員共同的用法。未以其它方式定義的任何術語、縮略語或速記名稱均應理解為具有與本文件首次提交的同時期本領域技術人員所使用的普通意義。在本公開中，術語「氣動的」應理解為不僅包括空氣的處理，而且包括以其它方式說明的壓縮和相關設備內的其它氣體的處理。因此，更廣泛地，術語「氣動的」在此應被理解為包括空氣之外的氣體的氣體動力學原理。例如，可使用所述裝置壓縮各種相對純淨的氣體，或者氣體元素和/或化合物的多種混合物，且因此如可應用的，術語「氣動管道」還將包括在可被理解為氣體動力管道的氣動管道中壓縮空氣之外的氣體或氣體混合物。術語「擴壓器」可用於描述被設計用於降低以超音速進入的氣體的速度並增加該氣體的壓力的裝置。擴壓器可採用一個或更多氣動管道，當使用多個氣動管道時，這些氣動管道將進氣分成更小的流動以便處理。這樣的擴壓器中的氣動管道可包括(a)超音速擴壓器部，其可採取總體上具有逐漸減小的橫截面積的收斂部的形式，並接收超音速氣體且生成斜激波，(b)喉部，在該處提供最小喉部橫截面積，以及(C)亞音速擴壓器部，其可採取具有朝向最終的亞音速擴壓器橫截面積逐漸增加的橫截面的擴張部的形式，並使來自氣體速度的動能轉換為氣體的靜壓。術語「反動式葉片」可用於描述用以使氣體流動加速的具有特徵幾何形狀的葉片，其中將動能和基於出口對進口的壓力升高比的規定的壓力增加給予從中經過的氣體。因此，在如本文所述的反動式葉片中，由反動式葉片對氣流做的功導致速度增加以及靜壓增力口。轉子中的靜壓的變化比壓縮級的靜壓的變化通常被稱作反動度。因此，術語「反作用誘 導器」在此可用於描述反動度大於零的轉子。經過反動式葉片的氣流的速度增加和壓力增加是通過改變氣流方向和收縮氣流通道面積兩者的結合而實現的。關於這種壓縮機設計，術語「規定」的壓力增加用於表示可對特定壓縮機設計規定的壓力升高率。術語「進口」在此可用於定義被設計用於接收流體流動，且更具體為氣體流動的開口。例如，在超音速壓縮機的擴壓器的氣動管道中，氣動管道具有進口，該進口具有形狀被設置成捕獲並吸入待壓縮氣體的進口橫截面積。進口可具有多種形狀，在此提供幾種示例性形狀。術語「啟動」可用於定義起動氣流並實現穩定的超音速氣流的過程，該超音速氣流經過收斂部且流入從氣動管道的喉部向下遊延伸的、具有總體上增加的橫截面積的擴張部的至少一部分。更具體地，啟動是一種狀態的實現，其中給定被壓縮氣體的質量流量、進口馬赫數和壓力比，在氣動管道內的期望位置穩定地形成限定氣流的超音速狀態與亞音速狀態之間的邊界的激波。一般地，本文所述的各種結構和/或系統可用於啟動，以便進行在氣動管道中啟動操作並建立穩定激波系的過程。在各種實施方式中，可設置可變幾何形狀進口，使得能夠通過氣動管道內的喉部吞入激波，從而使氣動管道起動。在其它實施方式中，氣動管道可配置成允許流動到該氣動管道的氣流的一部分向外部排放，以便同樣通過允許經過氣動管道內的喉部吞入激波而提供啟動。在其它實施方式中，氣動管道可配置成允許流動到該氣動管道的氣流的一部分在內部繞過喉部。這種氣流可被再引入氣動管道的擴張部中。流經氣動管道喉部的減少的氣流允許氣動管道的起動。當處於啟動配置時氣動管道的性能與在沒有可調氣流並具有相同的有效收縮比(換言之，氣動管道的堵塞程度)的氣動管道中可見的性能將會大致相同。然而，一旦實現啟動並建立了穩定的超音速流，則用於提供收斂部周圍的部分氣體的旁路或提供減少的喉部橫截面積的旁通閥、或門、或其它結構可關閉或返回操作位置或操作狀態。此後，在操作配置中，本文所述的壓縮機提供其中即使採用單個壓縮級時仍實現高壓力比恢復的氣動管道。術語「未起動狀態」在此可用於描述一種流動狀態，待壓縮氣體在該流動狀態下以比在壓縮機設計狀態下低得多的效率流過進口，並且其中一些甚至大部分進入氣體可被進口排斥而不是適當地吸入用於壓縮機的有效操作。在各種實施方式中，在未起動狀態期間，在氣動管道內激波的設計範圍位置，不會適當建立具有穩定激波的超音速流動狀態。術語「VG」可用於表示渦流發生器。現在參考圖1，示出了超音速壓縮機40的示例性設計。壓縮機40可利用轉子42，轉子42具有旋轉軸44和例如驅動軸45以及伸入氣流通道48內的多個葉片46。葉片46的尺寸和形狀可設置成作用於選定的進氣50從而提供超音速氣流52。設置有擴壓器54。在一個實施方式中，擴壓器54可圍繞縱軸55 (在圖I中以中心線Q示出)布置並設置成接收超音速氣流52。在一個實施方式中，擴壓器54可設置為一個或更多氣動管道56。在一些附圖中(例如參見圖15)，該一個或更多氣動管道56可用下標進一步分別地識別為第一氣動管道56i、第二氣動管道562、第三氣動管道563、第四氣動管道564 (在圖15中不出)、第五氣動管道565，並且在圖16中對於可在特定擴壓器54設計中利用的各個個別的氣動管道56示出第六氣動管道566和第七氣動管道567。更一般地，可設置數目N個氣動管道56和數目B個葉片46，其中葉片46的數目B和氣動管道56的數目N不相等，以便避免不利 的諧波效應。儘管在各種現有技術壓縮機設計中一般認為可接受N減一(N - I)或N加一(N+1)的數目B個葉片46以避免不利的諧波效應，然而本文注意到通過最少化氣動管道56的數目，且更具體地通過減少暴露於超音速進氣流的組件數目來減少氣動損失。因此，在一個實施方式中，葉片46的數目可顯著超過氣動管道56的數目，從而減少暴露於超音速流的組件。然而，應選擇葉片46的數目B與氣動管道56的數目N之間的任何比值來避免不利的諧波效應。氣動管道56各自包括收斂部58和擴張部60。在一個實施方式中，轉子42可配置有使進氣50轉向的葉片46，從而以相對於一個或更多下遊氣動管道56的中心線C111的選定出口角beta ( β )提供超音速相對速度氣流52。在一個實施方式中，但不加限制，角度beta ( β )可以設置為零度(0° )，其中氣流52的方向與氣動管道56的中心線C111對齊，因此在氣流52的方向與一個或更多下遊氣動管道56的中心線(^之間提供唯一的入射角。換言之，在一個實施方式中，由於氣流52的方向與在其內出現氣流52的氣動管道56的中心線Cui相一致(match)，因此提供唯一的入射角。然而，應理解，不如此精確對齊的配置也是可行的，但必須注意如果流動出口角beta ( β )不與氣動管道56對齊，那麼將形成一系列激波或膨脹波(expansion fans)(取決於來流的相對攻角是正還是負)以使流動轉向，從而在極大程度上與沿中心線Cui通過氣動管道56的流動角相一致。這樣的激波或膨脹波系將導致促成總壓縮效率下降的總壓損失，並降低葉片46的給定速度所能達到的總壓縮機比。作為實例，分別在約2. O至約3. O的入流馬赫數範圍內的約11. O至約8. O度的流動出口角beta ( β )的變化，導致約三(3)個百分點的效率損失。這樣的增加損失和相應的級效率降低在各種應用中是可接受的。然而，除導致壓力和效率損失的激波或膨脹波情況之外，根據激波系的強度和與之相互作用的邊界層系統的厚度，可能出現對邊界層相互作用不利的激波或邊界層分離問題，從而非設計工況變得更嚴重。並且，可預期從葉片46，尤其在其後緣，反射出不利的激波和伴隨而來的壓力特徵，潛在地提高應力並降低葉片46的壽命。因此，儘管不是限制性的，趨向於使流動出口角beta ( β )與氣動管道56的中心線C111對齊的實施方式被認為是最優的。如在圖I所示，轉子42和擴壓器54共同提供壓縮級。在需要進一步壓縮的情況下，可採用多個壓縮級以便提供期望的最終壓力下的氣體，例如下面圖34所示。如圖I所示，在一個實施方式中，擴壓器54可在其中包括使激波啟動的一個或多個結構，以及提供邊界層阻力控制的一個或多個結構，這些在下面將做更完整陳述。在一個實施方式中，提供旁路氣體通道62從而在啟動狀態期間去除進氣流52的一部分，以便調整相關氣動管道56的有效收縮比。以此方式，氣動管道56可設計用於高壓縮比下的操作，且仍適應於最終實現向高壓縮比操作的轉變的、在氣動管道56內的穩定超音速激波系的啟動。在一個實施方式中，氣動管道56可包括一個或多個邊界層控制結構，例如圖I中所見的從氣動管道56去除氣體的吸除口 64，其可能被需要用來在氣動管道56的表面66上控制邊界層。如下面進一步描述，邊界層控制可由一種或更多其它或另外的結構提供，例如由用於通過氣體射流注入而激勵邊界層的進氣噴口 70 (參見圖26和27)提供，和/或由渦流發生器72或74 (參見例如圖20、23和28)提供。
現在參考圖2，作為詳細設計而不做限制的實例，對於在超音速壓縮機的選定設計範圍內的設計的實施方式描述了流動情況。轉子42包括反動式葉片46，在參考箭頭78表示的方向上移動。轉子42中的反動式葉片46的使用使進氣流能夠有效轉向，尤其在採用具有帶尖銳前緣80和尖銳後緣94的反動式葉片46的轉子42時。在轉子42上遊的位置A，可在轉子42之前遇到小的切向速度(與如下所述的離開轉子42之後的切向速度相比較)，如在雲狀注釋圖82中的速度圖所示。在轉子42的進入平面，即在位置B，氣體速度被加速，如在雲狀注釋圖84中的速度圖所示。在轉子42的離開平面，即在位置C，氣體如在雲狀注釋圖86中示出的速度圖中所示移動。最終，在從轉子42離開之後，在位置D，氣體速度如在雲狀注釋圖88中的速度圖所示。基本上，具有反動式葉片的轉子42允許通過角度alpha(α )使進氣50高度轉向。同時，反動式轉子使轉子出口處的氣體靜壓增加規定的量，例如，對於文中給出的實例，增加一點六比一(I. 6比I)的比率。此外，如在雲狀注釋圖88中闡述的速度矢量圖中所見，在位置D的軸向速度(約每秒952英尺的Vd $_)、在位置D的切向速度(約每秒1657英尺的Vd t_)的矢量和，提供在位置D的氣流52的總相對速度(約每秒1914英尺的VD)，因此在氣流52進入擴壓器54的氣動管道56時是超音速的。因此，如圖I所示，在一個實施方式中，進入擴壓器54的氣動管道56的氣流52的期望的超音速速度，由通過反動式葉片46的氣體與轉子42的切向旋轉的速度組合而實現。在例如圖I中圖解的超音速壓縮機40的實施方式中，經過轉子42的葉片46的選定進氣可被轉向至少九十(90)度的角度alpha ( α )。在壓縮機40的實施方式中，經過轉子42的選定進氣可被轉向至少一百(100)度的角度alpha ( α )。在壓縮機40的實施方式
中，經過轉子42的葉片46的選定進氣可被轉向至少一百--h( 110)度的角度alpha ( α )。
在壓縮機40的實施方式中，經過轉子42的葉片46的選定進氣可被轉向角度alpha ( α )。角度alpha ( α )可以是至少九十(90)度，例如，在約九十(90)度與約一百二十五(125)度之間，或在約九十(90)度與約一百六十(160)度之間，或在約一百一^h 二(112)度與約一百一^h四(114)度之間。在如圖I所示的壓縮機40的實施方式中，經過轉子42的葉片46的氣體的出口對進口靜壓比可為至少一(I)。在壓縮機40的實施方式中，經過轉子42的葉片46的氣體的出口對進口靜壓比可為至少一點二(1.2)。在壓縮機40的實施方式中，經過轉子42的葉片46的氣體的出口對進口靜壓比可為至少一點四(I. 4)。在壓縮機40的實施方式中，經過轉子42的葉片46的氣體的出口對進口靜壓比可為至少一點六(I. 6)。出口對進口靜壓比可為至少一(1)，例如，在約一(I)與約一點二(I. 2)之間，或在約一點二(I. 2)與約一點四(I. 4)之間，或在約一點四(I. 4)與約一點六(I. 6)之間，或大於約一點六(I. 6)。如圖3所示，在一個實施方式中，轉子42中多個葉片46中的各個可具有轂端90、尖端92和後緣94。在一個實施方式中，葉片46在其後緣94具有超音速氣流52。在一個實施方式中，在後緣94的超首速氣流可從戚端90到達後緣94的尖端92。如圖10和11所示，在一個實施方式中，轉子100可設置成具有用於葉片103的圍帶102。轉子100上的這種帶有圍帶的葉片103， 將被本領域技術人員理解為關於葉片103上的從後緣108的轂端104到尖端106的超音速氣流，在其他方面如上所述。在一個實施方式中，圍帶102可包括迷宮型密封部110和112。通過使用迷宮型密封或其它合適密封，例如蜂窩密封、幹氣密封、刷式密封等，轉子100可關於下遊氣動管道例如管道162被有效密封，以使氣體在其間流動期間的漏氣最小化。跨圖I中剖面線5-5的擴壓器54的截面在圖5中示出。如在該實施方式中所示，採用五(5 )個氣動管道，更具體地為氣動管道56i、562、563、564和565，各自具有收斂部58和擴張部60。進口旁路氣體通道62被示出為，可通過去除排氣113而有利於起動，如圖6中功能性圖解並如下面參考圖6進一步討論的。如在圖5和6中圖解，子氣室114、1142、1143、1144和1145被不作用於來自各自相關聯的氣動管道56^56^6^564和565的排氣113的運輸管。這裡示出以邊界層吸除口 64的形式設置的邊界層控制結構，通過去除吸除氣121而用於邊界層控制。邊界層吸除子氣室1225被示作用於來自各自相關氣動管道56^56^56^564和565的邊界層吸除氣體121的運輸管。通常，用於處理排氣113的子氣室IH1UH2UH3UH4和1145和用於處理吸除氣121的子氣室122pl222、1223、1224和1225可從它們各自的氣動管道56向內設置，排氣113和吸除氣121從這些子氣室中除去。參考圖6，示出示例性氣動管道56i的一部分的放大詳圖。此處，進口旁路氣體通道62的使用被示為可在壓縮機的起動期間用於去除排氣113。同時，邊界層吸除口 64被示為，通過將吸除氣121移除到子氣室122i中而用於邊界層控制，該控制可發生在正常操作期間，或在起動期間，或在兩者期間。此外，在氣動管道56i內示出示例性的渦流發生器74，用於通過使邊界層氣流與更遠離表面123的更高速氣流混合來控制邊界層。可在任何特定設計中合理採用多種渦流發生器，無論是具有本文所述的具體設計，還是選自本領域技術人員迄今已知的一種或更多種渦流發生器構造。在一個實施方式中，例如在圖4中圖解，旁路氣體通道62可包括與其流體連通的出口閥116，該出口閥116可在使排氣113從中通過的開放、啟動狀態與使所排放的旁路氣體113的流動最小化或停止的關閉、操作狀態之間定位。子氣室114可設置為收集旁路氣體113，其中出口閥116調節所收集的旁路氣體118經外部通道120向外通過。在這樣的實施方式中，氣動管道56具有以旁路氣體通道62的形式存在的出口，旁路氣體通道62與外部通道120流體連通。在一個實施方式中，所收集的旁路氣體118可以如虛線118』所示返回進口通路48。或在空氣壓縮的情況下，所收集的旁路氣體118可直接排放到大氣，如在圖4和14中由虛線119所示。
相似地，在多種實施方式中，邊界層吸除口 64可包括出口閥124，該出口閥124在吸除氣121流經的(見於圖4)的開放位置與避免通過吸除氣121的移除而去除邊界層氣體的關閉位置之間定位。例如，邊界層吸除子氣室122可示為用於收集吸除氣體121，其中出口閥124用於使所收集的吸除氣126經外部管線128向外通過。在這樣的實施方式中，來自氣動管道56的邊界層吸除口 64與外部管線128流體連通。如圖4所示，在一個實施方式中，所收集的吸除氣126可如虛線126』任選示出的那樣進行再循環，返回進口通道48。或在空氣壓縮的情況下，所收集的吸除氣體126可排放到大氣，如在圖4和14中由虛線127所示。在其它實施方式中，如在圖13和14中所見，壓縮機可設置成使用由內部氣體通道殼體133的內壁131所劃定的內部起動芳路氣體通道130。在這樣的構造中，內部芳路氣體通道130在氣動管道132內部或與氣動管道132鄰近地流體連接，從而使旁路氣體134逸出收斂部136，並如圖13中參考箭頭148所示使旁路氣體134直接返回氣動管道132，從而到達其擴張部138。在一個實施方式中，鉸接進口門140可具有致動器聯杆142以便打開虛線所示的旁路出口 144。旁路氣體134通過旁路出口 144逸出然後如圖13中參考箭頭146和148所示通過旁路返回開口 154返回。鉸接返回門150可具有致動器聯杆152以便打開 圖13中的虛線所示的旁路返回開口 154。注意圖13A，其示出用於在氣動管道132中實現超音速激波啟動的另一實施方式。在圖13A中，旁路出口門155在端壁1561和1562之間提供以虛線示出的旁路出口開口 156，從而允許由參考箭頭157示出的氣體逸出氣動管道132的收斂部136。在一個實施方式中，致動器158可設置為如參考箭頭158i (打開)和1582 (關閉)所示般來回移動，以使用聯杆1583使旁路出口門155繞樞軸銷155i轉動，而開啟和關閉旁路出口門155。由參考箭頭157i標記的逸出旁路氣體被包含在旁路氣體通道壁159中，該旁路氣體通道壁159提供可加壓氣室(plenum)來容納旁路氣體。在一個實施方式中，致動器158不是圍壁，因為由參考箭頭ISi1標記的逸出旁路氣體如參考箭頭161a和161b所示自由地向外通過至旁路氣體通道壁159。一旦加壓，旁路氣體如參考箭頭1572所示通過擴大的喉部開口 O2和之後的喉部開口 O2下遊而逸出。在啟動配置時喉部O2的擴大面積A2 (未示出，但對應於喉部O2的開口)(與在操作配置時喉部O1的面積A1比較)使旁路氣體能夠向下遊經過氣動管道132，如由參考箭頭1572表示。在一個實施方式中，旁路出口門155可具有邊界層吸除通道1552，如參考箭頭1553和1554所示用於邊界層吸除。更概括地，超音速激波的啟動是通過打開例如旁路出口門155的旁路氣體通道，然後使葉片46達到全速而建立的。然後，旁路出口門可平穩關閉從而使氣動管道132的喉部O1進入為氣動管道132建立設計收縮比的設計面積狀態。此時，允許背壓即在氣動管道132的擴張部138中的靜壓升高，從而為操作建立起設計排出壓力。在操作期間採用邊界層控制結構來控制邊界層，無論是通過吸除、混合、注氣或其組合，或其它合適的方式。為停機，降低背壓，關閉葉片46的驅動，並允許壓縮機旋轉而停止。參考圖11和12，在一個實施方式中的壓縮機可在氣動管道162中使用幾何可調節部分160。如在圖11和12中所見，幾何可調節部分160可在兩個位置之間定位，一個位置用於虛線示出的具有較大喉部O2面積A2的啟動狀態，其中收斂部164允許增加的選定氣體流過氣動管道162，另一位置用於操作狀態，其中收斂部164設定至實線示出的具有喉部O1面積A1的選定操作位置。將幾何可調節部分160調節到操作位置並因此提供圖12中實線示出的較小喉部O1面積A1，允許進行比幾何可調節部分160處在圖12中虛線163所示的啟動位置並具有喉部O2面積A2時更高壓縮比的操作。即，幾何可調節部分160移動從而改變氣動管道162的收縮比。在多種實施方式中，一個或更多的幾何可調節部分160可對於具體的壓縮機設置在一個或更多的氣動管道162中。如圖12所示，在一個實施方式中，幾何可調節部分160的調整可包括使管道162的收斂部164和擴張部166的長度延伸長度L。在一個實施方式中，這樣的調整可通過使用樞軸銷167實現。在一個實施方式中，在錨定件168與連接點170之間延伸的致動器166可設置成移動幾何可調節部分160，並允許例如在樞軸銷167處的移動。現在返回到邊界層控制結構，在一個實施方式中，這樣的結構可以配置成擴壓器54中的多種氣動管道56中的邊界層吸除口 64，例如在圖I或圖4所示。這樣的邊界層吸除口 64可在一個或更多圍壁中，例如在圖I或4所示的氣動管道中擴張部60的表面66中穿孔形成。與邊界層吸除口 64相鄰的可以是吸除子氣室，例如上面圖4的實施方式中所標記的，或如在圖13中可見的子氣室122。因此，可提供與邊界層吸除口 64流體連通的吸除子氣室122，因此吸除子氣室122配置成使從邊界層吸除口 64移除的氣體在從中經過。儘管示出邊界層吸除口 64在擴張部60中，這樣的吸除口可設置在氣動管道56的其它圍壁中， 例如徑向向外的部分，或側壁，或在其它徑向向內的部分上。在另一實施方式中，可通過使用邊界層控制結構而提供邊界層控制，例如在圖26和27中所示的進氣噴口 70。(注意進氣噴口 70也可被描述為進氣噴嘴)在一個實施方式中，進氣噴口 70可取向為，在與流過一個或更多氣動管道56的氣流一致的方向上將氣體172注入邊界層174，因此在如圖26和27中由參考箭頭176示出的氣流方向上加速並由此激勵邊界層174。如圖26所示，在一個實施方式中，由室壁182所劃定的注氣室180可設置為與一個或更多氣動管道56鄰近。注氣室180與進氣噴口 70流體連通，並且注氣室180配置為使將要通過進氣噴口 70而注入的氣體流經其中。因此在一個實施方式中，配置為進氣噴口 70的邊界層控制結構在一個或更多氣動管道56中與邊界面184或185鄰近設置。如圖26和27所示，進氣噴口 70可被設置成，在與氣體176經過一個或更多氣動管道56的流動基本對齊的方向上排放氣體172。如圖27所示，注氣進氣噴口 70的尺寸和形狀設置成提供氣體172的射流，以通過增加氣動管道56的氣體的邊界層174的鄰近氣流的動量而激勵邊界層，其中來自注氣進氣噴口 70的氣體172注入到該邊界層174中。在一個實施方式中，注氣噴口 70可設置為與高壓氣體源例如注氣室180流體連通的至少一個噴嘴的形式。源自高壓氣體源例如注氣室180的氣體以高於邊界層174中氣體壓力的壓力提供。注氣噴口 70具有在氣動管道中表面184的下遊並鄰近表面185的出口噴嘴183。注氣噴口 70以將源自高壓氣體源的高壓氣體通過注氣噴口 70引出並進入邊界層174的方式定位和成形。在一個實施方式中，注氣噴口 70可以一定方式成形，以將這樣的高壓氣體引入邊界層174中並且沿表面185，從而重激勵邊界層174的壓力分布，使得這樣的壓力分布在邊界層氣體吸入之前接近自由流氣體分布。在一個實施方式中，表面185可以是在注氣噴口 70下遊的基本平滑並連續的表面。現在參考圖20至圖25，在一個實施方式中，邊界層控制結構可設置為渦流發生器，例如渦流發生器72和74。此外，如圖11所示，渦流發生器72可設置在氣動管道162的收斂部164上。同樣，渦流發生器74可設置在氣動管道162的擴張部165上。如圖20所示，渦流發生器72可包括具有前端202和前緣204且安裝於合適表面201的基部200，其中前緣204向外和向後延伸，即在從基部的前端202到外端206的下遊方向上延伸。在一個實施方式中，前緣204包括沿前緣204的至少一個有角度不連續段，用於生成至少一個渦流。在一個實施方式中，前緣204包括在基部200以上高度H1的第一有角度不連續段210，以及在基部200以上高度H2的第二有角度不連續段212，用於生成兩個渦流。如圖23中所示的渦流發生器74，在一個實施方式中，前緣204包括在基部200以上高度H1的第一有角度不連續段210，在基部200以上高度H2的第二有角度不連續段212，以及在基部200以上高度H3的第三有角度不連續段214，用於生成三個渦流。在多種實施方式中，多個渦流發生器72和/或74可設置在一個或更多氣動管道162 (參見圖12)的每一個中、或例如在圖I中圖解的類似氣動管道56的每一個中。渦流發生器可設置成剛說明的新穎構造，或本領域技術人員將會理解的迄今已知的構造。在一個實施方式中，渦流發生器可設置成具有為高度H2減高度H1的結果的約1.6倍的高度氏。在一個實施方式中，高度H2可以是高度H3減高度H2的結果的約I. 6倍。因此，在一個實施方式中，在各自的多渦流實施方式中用來生成渦流的渦流發生器中，不連續段的高度比可以是約I. 6，大致是所謂的「黃金比例」。通常，黃金比例(更精確為1.618)由 希臘小寫字母phi (φ)指代。關於渦流強度，如果高度比等於phi (φ),那麼強度比，即在第一與第二渦流之間的可比強度應等於(φ) —2β通常，如圖21和22之間並同樣在圖24和25中所示，在渦流發生器的設計中，有用的技術可以是使用較大、和較強的渦流，即V1，使較小渦流即V2向表面201轉動。同樣，具有三個渦流時，這樣的技術包括使較大、較強的渦流即V1和V2轉動從而向表面201驅動較小潤流V3。以此方式,本來可能不能與靠近(against)表面201的邊界層混合的較大渦流V1能夠攜帶能量，從而依靠朝向表面201的較小渦流V3的運送使較高能量流體與邊界層混合。在多種實施方式中，如圖17、18和19所示，一個或更多氣動管道56布置在定子(例如以上圖I中所示的靜止擴壓器54)中，並可包繞沿中心線Qs所示的縱軸。在一個實施方式中，如圖17所示，靜止擴壓器221的一個或更多氣動管道56中的一個或更多如同包卷在基本圓柱形的基底220上。在這樣的實施方式中，氣動管道56可繞沿定子中心線Qs示出的縱軸以基本恆定的螺旋角psi ( Ψ )螺旋形布置在相鄰位置。或者,氣動管道56的取向可使用補償超前角delta ( Δ )來描述，如圖17所不。在這樣的實施方式中,第一氣動管道56i的中心線C111以及第二氣動管道562 (以及實施方式中其它管道)的中心線C111可以平行。在多種實施方式中，可採用在約四十五度(45° )至約八十度(80° )的範圍內的螺旋角psi ( Ψ)。在本文公開的設計中，在氣動管道例如圖17中的561中接收氣體，而不使如圖I所示從葉片46輸送而來的氣流轉向可能是有利的。在圖18所示的不同設計中，擴壓器223的氣動管道563和564可如同包卷在作為基底222的向外擴張的錐形段上。在另一不同的可替換實施方式中，如圖19所示，擴壓器225中的氣動管道566和567可如同包卷在作為基底224的向內縮減的錐形段上。總之，如可從圖9中部分設想到的，超音速氣體壓縮機230可設置為用於壓縮選定氣體232，其中壓縮機230包括具有低壓氣體進口 236和高壓氣體出口 238的外殼234。可在擴壓器54的下遊採用渦殼或收集器239從而進一步在高壓氣體240中將動能轉變為壓能。如圖I中示出的具有葉片46的轉子42 (或如圖10和11中示出的轉子100上的有圍帶葉片103)可設置為作用於選定氣體232，從而賦予其速度，以向包括一個或更多氣動管道56的擴壓器54提供超音速氣流52 (參見圖I)。如圖9所示，也可在擴壓器54下遊設置消渦器(deSWirler)57，從而在需要時使氣流轉向軸向方向。然而，與消渦器57相關的損失可以在一些實例中避免，並在如圖9所示排放到渦殼239時可以是任選的。具有葉片46的轉子42 (或轉子100上的有圍帶葉片103，如圖10和11所示)可由驅動器241 (例如電動機或其它動力源)通過轉軸238來驅動，驅動器類型和尺寸，以及相關驅動系統組件例如變速箱242或軸承244等的挑選可由本領域技術人員根據具體應用而選擇。如圖28中可見，示例性氣動管道568可設置在圖I所示類型的靜止擴壓器54中。在一個實施方式中，圖28中所示的氣動管道568可以繞縱軸例如繞圖17的中心線Qs基本上螺旋形布置。返回圖28，氣動管道568包括收斂部58和擴張部59 (此處示出在氣動管道568的徑向向內側上分別由斜面246和248提供)，其中當氣體從超音速狀態(馬赫>1)經過氣動管道568到亞音速狀態(馬赫〈I)時，超音速(馬赫>1)氣流的輸入在選定氣體50中生成多個斜激波S1至Sx和正激波SN。氣動管道568可設計成，即尺寸和形狀設置成用於一定的進口相對馬赫數，該進口相對馬赫數用於與在設計操作範圍內選定的設計操作點相關 的操作，該設計操作範圍用於選定的氣體成分、氣量和氣體壓縮比。壓縮機設計可以為選定的質量流而配置，即為將要壓縮的氣體的具體量而配置，而且氣體可具有與溫度和壓力相關的某些進氣狀態(或這樣狀態的預期範圍)，這些必須在設計中加以考慮。進氣可以是相對純的單一組分，或可以是多種元素或多種化合物的混合物，或多種元素與多種化合物的混合物，或預期氣體可依據組成來分類。在以給定進口氣壓起動時，可能期望實現特定的最終壓力，因此必須為具體的壓縮機設計選擇期望的氣體壓縮比。給定設計約束，例如氣體成分、氣體質量流量、進口狀態和期望的出口狀態，用於具體壓縮機的氣動管道必須將尺寸和形狀設置用於以選定的進口馬赫數和氣體壓縮比操作。本文中描述的設計允許使用高氣體壓縮比，尤其與缺少調整有效收縮比的能力的自起動壓縮機設計相比較。因此，本文中提供的設計在可起動的氣動管道中於操作期間，提供關於吞咽(swalllow)激波結構並建立穩定的超音速激波配置的壓縮，而保留使高壓力比操作成為可能的設計特徵，包括斜激波結構和喉部尺寸，從而支持設計的吞吐量和壓縮壓力比。如圖28所示，在一個實施方式中，旁路氣流通道可設置為氣動管道568的分界面252中的出口 250 (此處，分界面252示作氣動管道568的徑向向外分界面)。旁路氣體通道出口 250與外側室254 (分別表示為外室254:、2542、2543和2544)流體連通，因此可如箭頭256所示，通過除去從氣動管道而來的氣體來改變氣動管道例如管道568的有效收縮比。同樣，在一個實施方式中，可選擇如本文中所描述的合適的邊界層控制結構，例如使用多個渦流發生器72、74。相似地,如圖29中可見,氣動管道56例如示例性氣動管道569可設置在如圖I所示的靜止擴壓器54中。圖29所示的氣動管道569可螺旋包繞擴壓器54的縱軸，例如就像在本圖29中提供的截面是沿著圖I中氣動管道562示出的中心線Cui而取得的。如圖29所示，氣動管道569包括收斂部58和擴張部60 (這裡示出在氣動管道569的徑向向外側面上分別設置有斜面260和262)，其中當氣體從超音速狀態(馬赫>1)經過氣動管道569到亞音速狀態(馬赫〈I)時，超音速(馬赫>1)氣流的輸入在選定氣體50中生成多個斜激波S1至Sx和正激波SN。氣動管道569可設計成，即尺寸和形狀設置成用於一定的進口相對馬赫數，該進口相對馬赫數用於與在設計操作範圍內選定的設計操作點相關的操作，該設計操作範圍用於選定的氣體成分、氣量和氣體壓縮比。如圖29所示，在一個實施方式中，旁路氣流通道可設置為在氣動管道569的分界面266中的出口 264 (此處，分界面266示為氣動管道569的徑向向內分界面)。旁路氣體通道出口 264與內側子氣室268 (分別表示為內側子氣室268ρ2682、2683和2684等)流體連通，因此如箭頭269所示，氣動管道例如管道569的有效收縮比可通過除去來自氣動管道的氣體來改變。同樣，在一個實施方式中，可選擇在本文中描述的合適的邊界層控制結構，例如使用邊界層吸除口 270以便將氣體271移除進入內側吸除子氣室272ρ2723、2723。同樣，在一個實施方式中，可採用多個渦流發生器72、74以幫助邊界層控制。然而，要注意外側室272ρ2723、2723等的可用性，這些外側室也可以本文描述以外的其它方式而用於旁路氣體移除或邊界層吸除與控制，以適合於具體的設計。用於擴壓器54例如首先在圖I中示出的擴壓器54的示例性氣動管道56^的另一配置可見於圖30。如圖30所示，在一個實施方式中，示例性氣動管道56n可以以螺線形配置並包繞擴壓器54的縱軸，例如就像在本圖30中提供的截面是沿著圖I中氣動管道562示出的中心線Cui而取得的。如圖30所示，氣動管道56^包括收斂部58和擴張部60。在該實施方式中，以內側收斂斜面274和外側收斂斜面276形式存在的相對徑向圍壁提供收斂 部58。同樣，在該實施方式中，以內側擴張斜面280和外側擴張斜面281形式存在的相對徑向圍壁提供擴張部60。另外，氣動管道56n，相似於其它氣動管道56，可按需要包括側壁，從而形成可加壓管道，其在實施方式中可以是以圖28、29或30中沒有示出的橫向分隔壁的形式，但可設置為在圖1、7和8所示的示例性擴壓器54設計中所圖解的分隔壁364 (視採用的氣動管道56的給定數目分別識別為分隔壁3641、3642、3643等)。在圖30中示出的實施方式中，當氣體從超音速狀態(馬赫>1)經過氣動管道56^到亞音速狀態(馬赫〈I)時，內側收斂斜面274和外側收斂斜面276接收超音速(馬赫>1)氣流的輸入，並在選定氣體50中生成多個斜激波S1至Sx和正激波SN。氣動管道56^可設計成，即尺寸和形狀設置成用於一定的進口相對馬赫數，該進口相對馬赫數用於與在設計操作範圍內選定的設計操作點相關的操作，該設計操作範圍用於選定的氣體成分、氣量和氣體壓縮比。如圖30所示，在一個實施方式中，旁路氣流通道可設置為在氣動管道56^的分界面中的出口 278 (此處，氣動管道56^的徑向向外分界面示作為外側收斂斜面276)。旁路氣體通道出口 278與外側室282(分別表示為外室282ρ2822、2823等)流體連通，從而氣動管道例如管道56^的有效收縮比可通過如箭頭284所示除去氣動管道的氣體來改變。另外，旁路氣流通道可設置為在氣動管道56^的分界面中的出口 288 (此處，該分界面示作為氣動管道56^的徑向向內分界面，即內側收斂斜面274)。旁路氣體通道出口 288與內側子氣室292 (分別表示為內側子氣室292p2922和2923等)流體連通，從而氣動管道例如管道56^的有效收縮比可如箭頭284和294所示(在圖30中示出)通過除去氣動管道中的氣體來改變。同樣，在一個實施方式中，可選擇本文中描述的合適的邊界層控制結構，例如使用邊界層吸除口 294將氣體296移除到內側吸除子氣室298ρ2982、2983中。並且，在一個實施方式中可採用標示為「VG」 72、74的多個渦流發生器將不利的邊界層效應降至最低。現在注意圖31、32和33，其提供了超音速壓縮機的另一實施方式，更具體地為在這樣的壓縮機中的靜止擴壓器的配置，其中在氣動管道中採用橫向氣體壓縮(lateral gascompression)而非徑向壓縮，該橫向氣體壓縮在分界相鄰側壁之間的通道中發生(即發生在徑向隔開的圍壁之間的通道中)。圖31、32和33提供局部周向視圖，其示出靜止擴壓器(定子)的縱向中心線Cu和其中使用的基本上螺旋形的氣動管道，以及附隨的轉子42 (如圖I中所見)和旋轉中心線299。在圖31、32和33所示的實施方式中，提供氣動管道設計，其中橫向地進行壓縮，即在隔開的側壁之間的通道中進行，而不是通過例如在圖I中示出的或在圖28、29、30中為多種可替換實施方式而詳細闡述的氣動管道中的徑向隔開圍壁中進行。圖31圖解一個實施方式，其中使用各自的下遊側壁302來在氣動管道300 (分別表示為氣動管道30(^30(^和3003等)中進行壓縮。圖32提供一個實施方式，其中使用上遊側壁306在氣動管道304^304和3043等中進行壓縮。圖33提供一個實施方式，其中使用下遊側壁310與上遊側壁312在氣動管道308^3082和3083等中進行壓縮。在圖31中，具有多個葉片46的轉子42可以如上所述而設置。或者，可如上所述採用有圍帶的轉子(例如圖10和11所示的具有圍帶10 2的轉子100)。處於超音速(馬赫>1)的氣流52供給到多個氣動管道300。使用下遊側壁302來設置收斂部314，下遊側壁302反射由前緣316生成的斜激波SpS2等。在這樣的實施方式中，氣動管道300的徑向向內圍壁318可以與基礎基部例如圖17、18和19所示的圓柱或圓錐形或其它平滑彎曲的形狀一致而平滑地繞行。在一個實施方式中，旁路氣體出口 320可設置成在起動期間將旁路氣體322移除到例如在本文別處以其它方式描述的外側或內側子氣室(未示出)中。當為選定的操作狀態於期望的設計位置上建立正激波Sn時，可終止旁路氣體322的移除。隨著氣體在氣動管道30(^30(^30(^等的亞音速部分(馬赫〈I)中減慢，氣流52的動能轉變為氣體壓力。在圖32中，示出另一實施方式。此處，具有多個葉片46的轉子42可以如上所述而設置。或者，可採用具有圍帶的轉子(例如圖10和11所示的具有圍帶102的轉子100)。處於超音速(馬赫>1)的氣流52供給到多個氣動管道304中，此處部分識別為單獨的氣動管道304^304和3043。使用上遊側壁306設置收斂部330，上遊側壁306反射經前緣332生成的斜激波SpS2等。在這樣的實施方式中，氣動管道304的徑向向內圍壁334可以與基礎基部例如圖17、18和19所示的圓柱或圓錐形或其它平滑彎曲的形狀一致而平滑地繞行。在這樣的實施方式中，旁路氣體出口 320也可設置為在起動期間將氣體322移除到例如本文中別處以其它方式描述的外側室或內側子氣室(未示出)中。當為選定操作狀態於期望設計位置上建立正激波Sn時，可終止旁路氣體322的移除。隨著氣體在氣動管道304^304^3043等的亞音速部分(馬赫〈I)中減慢，氣體的動能轉變為氣體壓力。在圖33中，示出使用橫向壓縮而非徑向壓縮的另一實施方式。此處，具有多個葉片46的轉子42可以設置如上。或者，可以採用具有圍帶的轉子(例如在圖10和11中示出的具有用於葉片103的圍帶102的轉子100)。處於超音速(馬赫>1)的氣流52供應到給多個氣動管道308中，此處部分識別為單獨的氣動管道308^3082和3083。在收斂部340中，利用下遊側壁340和上遊側壁312來實現壓縮。提供上遊前緣342來攔截進入靜止擴壓器的氣動管道308中的氣流52。生成一組斜激波SpS2、S3等和正激波SN，並且出氣344為亞音速(馬赫〈I)狀態。在這樣的實施方式中，氣動管道SOS1、3082、3083等的徑向向內圍壁334可以與基礎基部例如在圖17、18和19中示出的圓柱或圓錐形或另一形狀一致而平滑地繞行。在這樣的實施方式中，旁路氣體出口 320也可設置為在起動期間將氣體322移除到例如圖28、29或30描述的外側子氣室(未示出)，或移除到在本文別處參考圖4、5和6以其它方式描述的內側子氣室。
如圖I所示，擴壓器54中的氣動管道56可構造有前緣350。與多種實施方式有關的某些詳情在圖8、8A、8B、8C、15和16中示出。在圖15中，一個實施方式示出為具有五
(5)個氣動管道56i至565的靜止擴壓器54，並且其中這樣的氣動管道56r5各自包括前緣350。在圖16中，一個實施方式示出為具有七(7)個氣動管道561至567的靜止擴壓器54，並且其中這樣的氣動管道各自包括前緣350。通常，前緣350越尖銳，性能越好，即與使用不那麼尖銳的前緣相比，當在進口處以超音速狀態進行操作時，損失最小化。在一個實施方式中，可提供具有約O. 005英寸至約O. 012英寸的前緣半徑R的前緣350，如圖8C所示。前緣350可使用尖銳前緣楔形角theta ( Θ )設置，在一個實施方式中其可以在約五(5)度和約十(10)度之間，如圖8A所示。同樣，如在圖8B中所見，前緣350可設置為向後傾斜，SP在以傾斜角mu ( μ )的下遊方向上，該傾斜角mu ( μ )在前緣350和與基底徑向向內圍壁354的切線352之間測量。這樣的傾斜前緣350可開始於下前端356並結束於上後端358。前緣350可以在下前端356處密封到或固定到徑向向內圍壁354上，並可在前緣350的上後端358處密封到或固定到(例如使用焊接裝配)或以其它方式密封地設置(例如，由共用工件加工)在徑向向外圍壁360上。在一個實施方式中前緣350可設置成在下前端356與上 後端358之間全部或部分具有曲線輪廓。從前緣350向後方(在下遊，氣流方向)，可採用分隔壁364。在多個實施方式中，例如圖7所示，可在鄰近氣動管道56之間採用共用分隔壁364，例如在圖7和15所示的分別識別為氣動管道56ρ562等至管道565之間。如圖7所示，根據所採用的氣動管道56的數目，分隔壁364被分別識別為364ρ3642、3643等。在一個實施方式中，分隔壁364可具有約O. 100英寸或更薄的厚度T。總之，當氣動管道56相互鄰近設置時，可提供有效率的壓縮機。當鄰近氣動管道56在其間具有共用分隔壁364時，這樣的設計甚至更為有效率。在多種實施方式中，前緣350可為分隔壁例如分隔壁364提供上遊終端。在一個實施方式中，對於圖I和8中所示的實例，擴壓器54設計可包括橫截面形狀是多邊形的氣動管道56，並且這樣的形狀可包括多種圍壁，例如底壁、頂壁和側壁。本文中所使用的術語「徑向向內圍壁」用來描述也可以認為是氣動管道的底壁的部件。在本文中使用的術語「徑向向外圍壁」用來描述也可以認為是氣動管道的頂壁的部件。如較早提到的，在一個實施方式中，氣動管道56可具有圖I所示的流動中心線C-那麼，在這樣的實施方式中，正交於中心線C111，可在氣動管道56中設置具有平行四邊形的橫截面形狀，在一個實施方式中這個形狀可以是在沿氣動管道56的各點上的基本矩形的橫截面形狀。在一個實施方式中，中心線C111可以是基本螺旋形。這樣的橫截面的高度H在圖8B中示出，從徑向向內圍壁354上的氣動管道56的入口位置，即前緣350的下前端356，徑向向外接近徑向向外圍壁360。這樣橫截面的寬度W在圖8中示出，即在鄰近的分隔壁361與3642之間(和之內)。在一個實施方式中，關於提到的橫截面形狀，氣動管道56可具有約二比一(2:1)或更大的表示為寬度W比高度H的平均寬高比。在一個實施方式中，氣動管道56可具有約三比一(3:1)或更大的表示為寬度W比高度H的平均寬高比。在一個實施方式中，氣動管道56可具有約四比一(4:1)或更大的表示為寬度W比高度H的平均寬高比。在多種實施方式中，考慮到其它的設計限制，可選擇有益的氣動管道56的數目。所包括的氣動管道56的數目可以是一個或更多，即在I至11的範圍內，或更多，例如3、5、
7、9或11個氣動管道56。對於給定設計的氣動管道數目可以作為設計實踐的部分來進行選擇，該設計實踐考慮各種因素，包括氣流離開反動式轉子的方向和由此提供的速度，以及在各種幾何形狀的配置中不利的邊界層的發展程度。在一個實施方式中，擴壓器54中進口的前緣350的數目可以等於擴壓器54中氣動管道56的數目，以這種部件(如氣動管道562)在圖8中示出的方式。在許多實施方式中，設計最優化的結果可以是設置多個氣動管道，使得氣體離開反動式葉片的速度最大化並且邊界層發展最小化。在這樣的實施方式中，當最優化壓縮機設計時，可提供3、5、7、9或11的奇數個氣動管道56，並且如上所述，擴壓器54的前緣350的數目是十一(11)或更少。通過在轉子42中選擇奇數個葉片46，可設置偶數個氣動管道56，例如2、4、6、8、10或更多。在相關參數中，在示例性靜止擴壓器54中，擴壓器54中前緣350的數目可以是轉子42中設置的葉片46數目的約一半(1/2)或更少。在另一實施方式中，擴壓器54中前緣350的數目是轉子42中葉片46數目的約四分之一(1/4)或更少。在另一更有效的設計中，預期擴壓器54中前緣350的數目是轉子42中葉片46數目的約百分之十五(15%)或更少。與各種現有技術定子相比，特別是和採用與轉子葉片數目相當或相等的定子葉片的那些相比，將前緣和相關氣動管道的數目最少化使阻力和效率損失最小化。 除在前緣350和相關氣動管道56組件的數目、尺寸和形狀上改善之外，在板(on-board)超音速激波起動能力的提供,例如通過使用旁路氣體通道,例如在圖4中示出的旁路氣體子氣室114 (B卩，在氣動管道56的徑向向內圍壁58下面的子氣室)，或在圖30中所見的在徑向向外圍壁276上面的外側旁路氣室282i等)，或者使用由圖13中所見的內部氣體通道殼體133的內壁131所劃定的內部起動旁路氣體通道130的內部旁路，提供了在超音速壓縮機中設計更高壓力比的能力。作為一個實例，但不作為限制，當圖I中所示的壓縮機40 (或圖9中的壓縮機230)被設計用於以約I. 8的進口相對馬赫數運行時，圖13中所見的旁路氣體通道130可在起動期間的超音速激波建立期間操作，用於去除由氣動管道56在進口捕獲的質量百分比為約百分之十一(11%)至約百分之十九(19%)的量的選定氣體。作為進一步的實例，當壓縮機被設計用於以約2. 8的進口相對馬赫數運行時，旁路氣體通道130可在起動期間的超音速激波建立期間操作，用於去除由氣動管道56在進口捕獲的質量百分比為約百分之三十六(36%)至約百分之六十一(61%)的量的進口氣體。本領域技術人員和本說明書所針對的人員，無疑能夠計算並因此確定合適的旁路氣體量，該旁路氣體量在給定壓縮機設計參數下使在具體定子中使用的氣動管道能夠吞咽初始的超音速激波結構並因此在氣動管道內的期望位置上建立穩定超音速激波結構所需的或對其有幫助的。因此，上面提到的範圍，將向讀者提供對於需要用來建立穩定超音速激波結構並因此消除定子氣動管道中的非起動狀態的質量流的量的判斷。關於起動需求的各方面已由Lawlor在美國專利申請公開第US2009/0196731 Al號中討論，該申請在2009年8月6日公布，標題為 「Method and Apparatus for Starting Supersonic Compressors (起動超音速壓縮機的方法和裝置)」，其全部內容通過引用的方式結合入本文。具體而言，該公開的圖3，為在選定進口相對馬赫數下運行的超音速壓縮機中的氣動管道提供適合於起動旁路氣體移除需求的常用範圍的圖形圖解，顯示為起動吸除分數(由旁路氣體質量除以進口捕獲的氣體質量來定義)。更一般地，本文中描述的壓縮機可設計成，在超過約1.8的進口相對馬赫數下向氣動管道例如圖I中所示的氣動管道56i供應氣體。此外，本文中描述的壓縮機可設計為至少2的到氣動管道的進口相對馬赫數。更進一步地，本文中描述的壓縮機可設計為至少
2.5的到氣動管道的進口相對馬赫數。並且，預期在具有超過約2. 5的到氣動管道的進口相對馬赫數的設計中，本文中描述的超音速壓縮機的運行是可能的。對於許多應用，預期實際設計採用約2至約2. 5的到氣動管道的進口相對馬赫數，其中包含邊界參數。進一步地，對於各種應用，作為實例並且不作為限制，可以預期實際設計採用在約2. 5至約2. 8範圍內的到氣動管道的進口相對馬赫數。對於其它應用，甚至更高的進口馬赫數可能在各種設計中是實用的，作為實例，尤其是對於音速相對低的氣體例如一些冷卻氣體。另一方面，對於處理具有非常高音速的氣體例如氫的應用，在低得多的馬赫數下進行操作可以提供商業上可接受的結果。因此，因為對於具體應用中的設計馬赫數的評定可包括各種設計考慮，各種設計可用的馬赫數不應受到上述建議的限制。本文中描述的壓縮機可提供用於在具有至少為三(3)的氣體壓縮比的設計操作範圍內的操作。在其它應用中，本文中描述的壓縮機可提供用於在一個壓縮級中具有至少為五(5)的氣體壓縮比的設計操作範圍內的操作。在其它應用中，本文中描述的壓縮機可提 供用於在一個壓縮級中具有約三點七五(3. 75)至約十二(12)的氣體壓縮比的設計操作範圍內的操作。在其它應用中，本文中描述的壓縮機可提供用於在一個壓縮級中具有約六(6)至約十二點五(12. 5)的氣體壓縮比的設計操作範圍內的操作。在某些應用中，本文中描述的壓縮機可提供用於在一個壓縮級中具有約十二(12)至約三十(30)的氣體壓縮比的設計操作範圍內的操作。在設計要求需要高壓縮比時，可以採用多級壓縮，如圖34示出的壓縮機400的配置所建議的。驅動器402例如電動機或其它機械驅動可以在需要的情況下通過變速箱404，並經軸406使第一壓縮機轉子在本文描述的第一壓縮級408中轉動，以壓縮進入的低壓氣體410從而提供排放的中間壓力氣體412。具有本文描述的第二壓縮機轉子和定子的第二壓縮級414，壓縮中間壓力氣體412從而提供高壓出口氣體416。這樣，背靠背(back toback)壓縮級可以按期望在多級中提供。因此，高壓力比可由多級操作實現。作為實例但沒有限制性，可以廣泛提供這樣的配置以提供約五十比一(50:1)至約二百比一(200:1)的總壓力比(在串聯配置的多級中)。或作為另一實例，每級二十比一(20:1)的兩級提供約四百比一(400:1)的總壓縮比。最終，應注意多級也可以設置在需要多臺機器來進行容量配置的並聯配置中。通常，通過本文中的教導來提供改善的用於壓縮選定氣體的超音速氣體壓縮機設計。在一個實施方式中，如圖9中示出的示例性壓縮機230可採用具有低壓氣體進口 236和高壓氣體出口 238的外殼234。如圖10所示，可提供具有有圍帶葉片103的轉子100來將超音速狀態的選定氣體輸送到如圖I中所示的靜止擴壓器54或具有多個氣動管道56的定子。在一個實施方式中，氣動管道56可以螺旋地包在擴壓器54中。在一個實施方式中，鄰近的氣動管道可以在其間具有共用分隔壁。氣動管道56具有收斂部和擴張部，其中在選定氣體經過氣動管道56時，超音速氣流的輸入生成多個斜激波(S1至Sx，例如在圖28至30中所見的)和正激波(SN)。在各種設計中，氣動管道56可具有用於與設計操作點相關的操作的進口相對馬赫數，該設計操作點在用於選定氣體成分、氣體量和氣體壓縮比的設計操作範圍內選擇。此外，這樣的壓縮機可包括用於調整多個氣動管道的一些或全部，或每個氣動管道的有效收縮比的部件/裝置。用於調整有效收縮比的部件/裝置可包括上面圖4所示的從氣動管道排放氣體113到外部排放118管道或再循環管道118』的旁路氣體通道。用於調節有效收縮比的部件/裝置可包括內部旁路氣體通道130，例如使用圖13和14中概念示出的具有進口門140與出口門150的內部氣體通道殼體133。用於調整有效收縮比的部件/裝置可包括如在圖11和12中所見的幾何可調節部分160。此外，視具體設計配置的情況，可提供用於控制流過多個氣動管道中的每個的氣體邊界層的部件/裝置。用於控制邊界層的手段可包括邊界層排氣吸除口。用於控制邊界層的部件/裝置可包括使用將氣體注入邊界層的進氣噴口，從而激勵邊界層並將邊界層的速度提高到與氣動管道中特定位置的大批氣流流動速度更匹配的速度。用於控制邊界層的部件/裝置可包括在氣動管道中使用一個或更多渦流發生器，從而通過渦流將氣體從較高速的大批流動部分移動到較慢的邊界層氣流中而激勵邊界層，由此激勵邊界層流。可為使用本文教導的設計來選擇壓縮的各種氣體或氣體混合物。各種烴類氣體例如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷和己烷的壓縮可以受益於本文教導的壓縮機的使用。進一步地，具有至少氣態氮(MW=28. 02)分子量的氣體或氣體混合物尤其受益於本文中教導的設計的使用。並且,較重氣體例如二氧化碳(MW=44. 01)的壓縮效率可通過採用本文中教導的壓縮機設計而特別改善。更通常地，在相對低速度例如甲烷的速度(1440英尺/秒)和更低(例如 氨、水蒸汽、空氣、二氧化碳、丙烷、R410a、R22、R134a、R12、R245fa和R123)時發生馬赫數I的氣體壓縮可受益於有效的超音速壓縮。多種低分子量氣體，甚至具有高音速的氣體的壓縮可使用在本文中公開的設計而有效實現。在期望較高壓縮比的一些應用中，例如但不作為限制，涉及尋求超過約六(6)或之類的壓力比的應用，可提供使用本文中教導的技術的有用設計。在一個實例中，在採用具有高強度的轉子並使用具有圍帶的葉片配置進行構造時，可使用本文中教導的壓縮機配置來有效地實現在約77 °F下具有每秒約4167英尺(在約25°C時每秒1270米)音速的氫(MW=2. 0158)的壓縮。這樣的設計必須能夠在高轉速下運行，從而提供充足的圓周速度，以便在氣體進入定子的氣動管道時實現合適的超音速設計速度。作為實例，由於轉子尖端速度在每秒約2，500英尺的範圍中，使用具有有圍帶轉子葉片的先進石墨複合材料構造，可使用本文中教導的設計來實現高達約5:1的壓縮比。進一步在材料和製造技術中的發展可以使甚至更高速度和壓力比的設計成為可能，或在提到的設計參數或接近的設計參數下運行時降低機械故障的風險。應意識到，本文中教導的定子設計，即使用多個氣動管道，尤其在用於包繞縱軸的螺線形(helical)、螺旋形(spiral)、螺面狀或類似彎曲結構中時，對超音速壓縮中的各種定子應用尤其有用，還包括例如在改善的燃氣輪機設備中所描述的。因此，不論對於氣體壓縮的應用如何，相信定子設計本身就是在使超音速氣體擴散以產生高壓氣體的超音速定子設計中的顯著改善。除上述詳情外，必須重申的是，本文中描述的氣動管道可用於建立在多種基底結構設計上的配置中，並實現高壓縮比運行的益處，同時為超音速運行的起動提供必需的特徵。在多種實施方式中，多個氣動管道可配置為如同包繞迴轉面，就如靜態結構所提供的。在一個實施方式中，合適的靜態結構可以是基本的圓柱形，因此在一個實施方式中，管道可以配置成包繞圓柱結構。在一個實施方式中，靜止擴壓器的氣動管道可以設置為螺旋形構造。在一個實施方式中，靜止擴壓器的氣動管道可設置為螺面形構造，例如可通過使入口平面形以固定速率環繞著縱軸旋轉並同時使它在縱軸的下遊方向上也以固定速率平移，從而沿中心線生成氣動管道。因此，術語「包繞縱軸」被認為包括在適用的情況下包繞多種形狀。總之，使用按本文教導而配置的具有內部壓縮斜面的氣動管道的各種實施方式，提供超越在超音速進氣狀態下操作的現有技術帶葉片定子設計的顯著改善的性能，特別是在它們提供高的總壓力比和靜態壓力比的能力上。一個方面，這是因為採用最少數目的氣動管道和相關前緣結構，降低與高速氣體進入擴壓器相關的損失。此外，減少的靜態結構相應地減少壓縮機重量和成本，尤其與採用大量常規翼面形定子葉片的現有技術設計相比。在前面的描述中，出於解釋的目的，已按順序闡述眾多詳情以對用在氣體有效壓縮的新穎超音速壓縮機系統的設計提供對公開示例性實施方式的透徹理解。然而，為提供有用的實施方式或實踐選定的或其它公開的實施方式，可能不需要某些描述的詳情。此外，為描述的目的，可能使用了多種相關術語。僅與參考點相關的術語不意味著要解釋為絕對的限制，而是包括在前面的描述中以促進對公開實施方式各方面的理解。並且，在本文描述的方法中的各種行為或行動可能已被描述為多個離散行動，或者反過來以最能幫助理解本發明的方式進行描述。然而，描述的順序不應解釋為暗示這樣的行動必需依賴於順序。具體 地，某些操作可能不需要嚴格以呈現的順序執行。並且，在本發明的不同實施方式中，一個或更多行動可同時執行，或部分或完全被消除而可添加其它行動。同樣，讀者應該注意到，短語「在實施方式中」或「在一個實施方式中」被重複使用。該短語一般不指代相同的實施方式；然而，它可以指代相同的實施方式。最後，術語「包含」、「具有」和「包括」應認為是同義，除非上下文以其它方式指出。根據前述，本領域技術人員可以理解到，已提供超音速壓縮機系統來進行多種氣體的有效壓縮。儘管僅示出並描述了本發明的某些具體實施方式
，但不意圖將本發明限制於這些實施方式。相反，將結合說明書，由所附權利要求及其等效物來定義本發明。重要地，本文中描述並保護的方面和實施方式可從示例的那些中進行修改而本質上不背離所提供的新穎教導和優點，並可包含在其它具體形式中而不背離其精神或基本特性。因此，認為本文中所呈現的實施方式在全部方面中都是示例說明性的並且不是約束或限制性的。這樣，本公開意圖覆蓋在本文中所描述的結構，並且不僅覆蓋其結構等效物，而且覆蓋等效的結構。依照上面的教導，可做出多種修改和變化。因此，向本發明提供的保護應僅由在本文闡述的權利要求及其法律等效物所限制。
權利要求
1.一種壓縮機，包括 轉子，所述轉子具有旋轉軸和延伸進入氣流通道內的多個葉片，所述多個葉片的尺寸和形狀設置成作用於選定氣體以提供超音速氣流；以及 擴壓器，所述擴壓器包括繞縱軸螺旋布置並設置成接收所述超音速氣流的一個或更多氣動管道，各個所述一個或更多氣動管道包括 (a)收斂部和擴張部，以及 (b)旁路氣體通道，所述旁路氣體通道可操作以從所述收斂部去除至少一些所述超音速氣流，從而調整各個所述一個或更多氣動管道中的有效收縮比； 所述一個或更多氣動管道的尺寸和形狀設置成使所述超音速氣流減速至亞音速狀態。
2.—種壓縮機,包括 轉子，所述轉子具有旋轉軸和延伸進入氣流通道內的多個葉片，所述多個葉片的尺寸和形狀設置成作用於選定氣體以提供超音速氣流；以及 擴壓器，所述擴壓器具有縱軸，包括繞所述縱軸螺旋布置並設置成接收所述超音速氣流的一個或更多氣動管道，各個所述一個或更多氣動管道包括 (a)收斂部和擴張部，以及 (b)幾何可調節部分，所述幾何可調節部分可操作以改變所述收斂部的形狀和/或位置，從而調整各個所述一個或更多氣動管道中的有效收縮比； 所述一個或更多氣動管道的尺寸和形狀設置成使所述超音速氣流減速至亞音速狀態。
3.根據權利要求I或2所述的壓縮機，其中所述一個或更多氣動管道具有圍壁，並在一個或更多所述圍壁中進一步包括排氣吸除口。
4.根據權利要求I或2所述的壓縮機，在所述一個或更多氣動管道中進一步包括配置成通過注氣來激勵邊界層的進氣噴口。
5.根據權利要求I或2所述的壓縮機，在所述一個或更多氣動管道中進一步包括配置成激勵邊界層的一個或更多渦流發生器。
6.—種壓縮機,包括 轉子，所述轉子具有旋轉軸和延伸進入氣流通道內的多個葉片，所述多個葉片的尺寸和形狀設置成作用於選定氣體以提供超音速氣流；以及 擴壓器，所述擴壓器繞縱軸布置並包括一個或更多氣動管道，所述一個或更多氣動管道包括收斂部和擴張部，並具有有效收縮比，所述一個或更多氣動管道的尺寸和形狀設置成使所述超音速氣流從選定的進口馬赫數減速至亞音速狀態，以及 (a)旁路氣體通道或幾何可調節部分中的至少一者或兩者，可操作以調整所述有效收縮比，以及 (b)邊界層控制結構，所述邊界層控制結構包括一個或更多的(I)用於邊界層去除的排氣吸除口，(2)用於通過注氣來激勵邊界層的進氣噴口，和(3)—個或更多渦流發生器。
7.根據權利要求6所述的壓縮機，還包括鄰近所述一個或更多氣動管道的吸除子氣室，所述吸除子氣室與所述排氣吸除口流體連通，所述吸除子氣室配置用於使經過所述排氣吸除口去除的所述選定氣體通過所述吸除子氣室。
8.根據權利要求1、2或6中的任一項所述的壓縮機，其中所述葉片包括反動式葉片。
9.根據權利要求8所述的壓縮機，其中所述反動式葉片提供跨過所述轉子的規定的靜壓升聞。
10.根據權利要求9所述的壓縮機，其中所述反動式葉片對經過其中的所述選定氣體提供規定的靜壓升高比，所述規定的靜壓升高比基於出口對進口的比，在約一(I)與約一點二(I. 2)之間。
11.根據權利要求9所述的壓縮機，其中所述反動式葉片對經過其中的所述選定氣體提供規定的靜壓升高比，所述規定的靜壓升高比基於出口對進口的比，在約一點二(I. 2)與約一點四(I. 4)之間。
12.根據權利要求9所述的壓縮機，其中所述反動式葉片對經過其中的所述選定氣體提供規定的靜壓升高比，所述規定的靜壓升高比基於出口對進口的比，在約一點四(I. 4)與約一點六(1.6)之間。
13.根據權利要求9所述的壓縮機，其中所述反動式葉片對經過其中的所述選定氣體提供規定的靜壓升高比，所述規定的靜壓升高比基於出口對進口的比，大於一點六(I. 6)。
14.根據權利要求8所述的壓縮機，其中所述轉子還包括用於所述反動式葉片的圍帶。
15.根據權利要求1、2或6中的任一項所述的壓縮機，其中所述轉子用所述擴壓器有效密封，以便使氣體在其間流動期間的氣體洩漏最小化。
16.根據權利要求1、2或6中的任一項所述的壓縮機，其中經過所述轉子的所述選定氣體被轉向至少九十(90)度的角度alpha ( α )。
17.根據權利要求1、2或6中的任一項所述的壓縮機，其中經過所述轉子的所述選定氣體被轉向至少一百(100)度的角度alpha ( α )。
18.根據權利要求1、2或6中的任一項所述的壓縮機，其中經過所述轉子的所述選定氣體被轉向至少一百--h (110)度的角度alpha ( α )。
19.根據權利要求1、2或6中的任一項所述的壓縮機，其中經過所述轉子的所述選定氣體被轉向約九十(90)度與約一百六十(160)度之間的角度alpha ( α )。
20.根據權利要求1、2或6中的任一項所述的壓縮機，其中經過所述轉子的所述選定氣體被轉向約一百一^h二(112)度與約一百一^h四(114)度之間的角度alpha ( α )。
21.根據權利要求1、2或6中的任一項所述的壓縮機，其中各個所述多個葉片具有轂端、尖端和後緣，並且在各個所述多個葉片的所述後緣從所述轂端向所述尖端提供所述超音速氣流。
22.根據權利要求I或6所述的壓縮機，其中所述旁路氣體通道可在排氣經過所述旁路氣體通道的開放、啟動狀態與使經過所述旁路氣體通道的所述排氣的通過最小化或停止的關閉、操作狀態之間定位。
23.根據權利要求22所述的壓縮機，其中所述旁路氣體通道包括與所述一個或更多氣動管道流體連接的外部通道。
24.根據權利要求22所述的壓縮機，其中所述旁路氣體通道與大氣流體連接，用於向大氣排放。
25.根據權利要求22所述的壓縮機，其中所述旁路氣體通道與一個或更多外部通道流體連接，所述一個或更多外部通道使所述排氣直接或間接返回至所述一個或更多氣動管道。
26.根據權利要求22所述的壓縮機，其中所述旁路氣體通道包括內部旁路氣體通道，其中所述內部旁路氣體通道在所述一個或更多氣動管道內或與其鄰近地內部流體連接，以使所述排氣直接返回至所述一個或更多氣動管道。
27.根據權利要求2或6所述的壓縮機，其中所述幾何可調節部分可在開放、啟動狀態與關閉、操作狀態之間定位，其中在所述開放、啟動狀態中，所述收斂部允許所述選定氣體充分流過所述一個或更多氣動管道，以在所述一個或更多氣動管道內建立並定位正激波，而在所述關閉、操作狀態中，所述收斂部被設定至選定的操作位置。
28.根據權利要求2或6所述的壓縮機，其中所述 幾何可調節部分通過改變位置來改變所述一個或更多氣動管道的一個或更多的收縮比。
29.根據權利要求28所述的壓縮機，其中所述幾何可調節部分還包括可旋轉構件和致動器，所述可旋轉構件由所述致動器驅動，並且其中所述幾何可調節部分的尺寸和形狀設置成，在所述幾何可調節部分隨所述致動器移動時，改變所述一個或更多氣動管道中的所述一個或更多的所述收斂部的形狀。
30.根據權利要求6所述的壓縮機，還包括鄰近所述一個或更多氣動管道的吸除子氣室，所述吸除子氣室與所述排氣吸除口流體連通，所述吸除子氣室配置用於使經過所述排氣吸除口去除的所述選定氣體通過所述吸除子氣室。
31.根據權利要求6所述的壓縮機，其中所述進氣噴口定向成將氣體注入所述一個或更多氣動管道中的所述選定氣體氣流中的邊界層內。
32.根據權利要求6所述的壓縮機，還包括進氣口和鄰近所述一個或更多氣動管道的注氣室，所述注氣室與所述進氣口流體連通，所述注氣室配置用於使經所述進氣口注入的所述選定氣體通過所述注氣室。
33.根據權利要求31所述的壓縮機，其中所述進氣噴口的尺寸和形狀設置成提供增加所述選定氣體的所述氣流的動量的氣體射流。
34.根據權利要求6所述的壓縮機，其中所述邊界層控制結構被配置為所述一個或更多渦流發生器。
35.根據權利要求34所述的壓縮機，其中所述一個或更多渦流發生器設置在所述收斂部內。
36.根據權利要求34所述的壓縮機，其中所述一個或更多渦流發生器設置在所述擴張部內。
37.根據權利要求34所述的壓縮機，其中所述一個或更多渦流發生器包括具有前端和前緣的基部，所述前緣從所述基部的所述前端向外和向後延伸至外端。
38.根據權利要求6所述的壓縮機，其中所述一個或更多氣動管道中的一個或更多繞所述縱軸螺旋布置。
39.根據權利要求38所述的壓縮機，其中所述一個或更多氣動管道中的所述一個或更多繞所述縱軸以基本恆定的螺旋角螺旋布置。
40.根據權利要求1、2和6中的任一項所述的壓縮機，其中所述擴壓器包括靜止擴壓器。
41.一種用於壓縮選定氣體的超音速氣體壓縮機,包括 外殼，所述外殼包括低壓氣體進口和高壓氣體出口 ； 轉子，所述轉子包括多個葉片，並配置成作用於選定氣體以給予其軸向和切向速度，從而提供超音速氣流； 定子，所述定子包括擴壓器，所述擴壓器包括配置用於使在其中接收的氣體擴散的一個或更多氣動管道，所述一個或更多氣動管道各自具有收斂部、擴張部和有效收縮比，使得隨著超音速氣流的輸入，各個氣動管道在所述選定氣體經過其中時，在所述選定氣體中生成多個斜激波(S1至Sx)和正激波(SN)，所述一個或更多氣動管道具有用於與在設計操作範圍內選定的設計操作點關聯的操作的進口相對馬赫數，所述設計操作範圍用於選定的氣體成分、氣量和氣體壓縮比，所述一個或更多氣動管道包括 Ca)旁路氣體通道或幾何可調節部分或兩者，可操作以調整所述有效收縮比，以及 (b)邊界層控制結構，所述邊界層控制結構包括一個或更多的(I)用於邊界層去除的排氣吸除口，(2)用於通過注氣來激勵邊界層的進氣噴口，以及(3)—個或更多渦流發生器。
42.根據權利要求41所述的壓縮機，其中所述一個或更多氣動管道繞縱軸螺旋布置。
43.根據權利要求1、2、6或41中的任一項所述的壓縮機，其中所述一個或更多氣動管道中的各個氣動管道包括與其關聯的前緣。
44.根據權利要求43所述的壓縮機，其中所述前緣包括從約O.005英寸至約O. 012英寸的前緣半徑。
45.根據權利要求43所述的壓縮機，其中所述前緣限定約五(5)度與約十(10)度之間的前緣楔形角。
46.根據權利要求43所述的壓縮機，還包括所述前緣下遊的分隔壁。
47.根據權利要求46所述的壓縮機，其中所述分隔壁將所述一個或更多氣動管道中的鄰近的氣動管道隔開，並且其中所述前緣包括所述分隔壁的上遊終點。
48.根據權利要求46所述的壓縮機，其中所述分隔壁具有約O.100英寸或更小的厚度T。
49.根據權利要求43所述的壓縮機，其中所述多個葉片包括數目B個葉片，並且其中設置數目N個所述一個或更多氣動管道，並且其中B和N選擇成避免所述多個葉片與所述一個或更多氣動管道之間的諧波幹擾。
50.根據權利要求43所述的壓縮機，其中各個所述一個或更多氣動管道具有中心線，並且其中正交於所述中心線，各個所述一個或更多氣動管道具有基本上平行四邊形的橫截面形狀。
51.根據權利要求50所述的壓縮機，其中與所述橫截面形狀關聯，各個所述一個或更多氣動管道具有約二比一(2:1)或更大的表示為寬度比高度的平均寬高比。
52.根據權利要求50所述的壓縮機，其中與所述橫截面形狀關聯，各個所述一個或更多氣動管道具有約三比一(3:1)或更大的表示為寬度比高度的平均寬高比。
53.根據權利要求50所述的壓縮機，其中與所述橫截面形狀關聯，各個所述一個或更多氣動管道具有約四比一(4:1)或更大的表示為寬度比高度的平均寬高比。
54.根據權利要求43所述的壓縮機，其中所述擴壓器中的前緣的數目為十一(11)或更少。
55.根據權利要求49所述的壓縮機，其中所述擴壓器中的前緣的數目為所述轉子中的葉片數目B的約一半(1/2)或更少。
56.根據權利要求49所述的壓縮機，其中所述擴壓器中的前緣的數目為所述轉子中的葉片數目B的約四分之一(1/4)或更少。
57.根據權利要求49所述的壓縮機，其中所述擴壓器中的前緣的數目為所述轉子中的葉片數目B的約百分之十五(15%)或更少。
58.根據權利要求I或41所述的壓縮機，其中當所述壓縮機以約I.8的進口相對馬赫數操作時，所述旁路氣體通道可操作，用於去除質量百分比從約百分之十一(11%)至約百分之十九(19%)的量的由所述一個或更多氣動管道捕獲的選定氣體。
59.根據權利要求I或41所述的壓縮機，其中當所述壓縮機以約2.8的進口相對馬赫數操作時，所述旁路氣體通道可操作，用於去除質量百分比從約百分之三十六(36%)至約百分之六十一(61%)的量的由所述一個或更多氣動管道捕獲的進口氣體。
60.根據權利要求1、2、6或41中的任一項所述的壓縮機，其中所述一個或更多氣動管道的所述進口相對馬赫數超過I. 5。
61.根據權利要求1、2、6或41中的任一項所述的壓縮機，其中所述一個或更多氣動管道的所述進口相對馬赫數超過I. 8。
62.根據權利要求1、2、6或41中的任一項所述的壓縮機，其中所述一個或更多氣動管道的所述進口相對馬赫數為至少2。
63.根據權利要求1、2、6或41中的任一項所述的壓縮機，其中所述一個或更多氣動管道的所述進口相對馬赫數為至少2. 5。
64.根據權利要求1、2、6或41中的任一項所述的壓縮機，其中所述一個或更多氣動管道的所述進口相對馬赫數超過約2. 5。
65.根據權利要求1、2、6或41中的任一項所述的壓縮機，其中所述一個或更多氣動管道的所述進口相對馬赫數在約2與約2. 5之間。
66.根據權利要求1、2、6或41中的任一項所述的壓縮機，其中所述一個或更多氣動管道的所述進口相對馬赫數在約2. 5與約2. 8之間。
67.根據權利要求1、2、6或41中的任一項所述的壓縮機，其中所述一個或更多氣動管道相互鄰近設置。
68.根據權利要求67所述的壓縮機，其中所述鄰近的氣動管道之間具有共用分隔壁。
69.—種用於壓縮選定氣體的超音速氣體壓縮機,包括 外殼，所述外殼包括低壓氣體進口和高壓氣體出口 ； 轉子，所述轉子包括反動式葉片，配置成作用於選定氣體以給予其軸向和切向速度，從而提供超音速氣流；以及 定子，所述定子包括 擴壓器，所述擴壓器包括配置用於使在其中接收的氣體擴散的多個氣動管道，所述多個氣動管道螺旋布置在鄰近位置，並且具有收斂部和擴張部，隨著所述超音速氣流的輸入，當所述選定氣體經過所述多個氣動管道時，在所述選定氣體中生成多個斜激波(S1至Sx)和正激波(SN)，所述多個氣動管道具有用於與在設計操作範圍內選定的設計操作點關聯的操作的進口相對馬赫數，所述設計操作範圍用於選定的氣體成分、氣量、有效收縮比和氣體壓縮比，並且所述多個氣動管道還包括用於調整一些或全部所述多個氣動管道的所述有效收縮比的裝置，以及用於控制流過所述多個氣動管道的氣體的邊界層的裝置。
70.根據權利要求69所述的壓縮機，其中用於調整所述有效收縮比的所述裝置包括用於從所述多個氣動管道排放所述選定氣體的旁路通道。
71.根據權利要求69所述的壓縮機，其中用於調整所述有效收縮比的所述裝置包括在所述多個氣動管道中的幾何可調節部分，所述幾何可調節部分可在開放、啟動狀態與關閉、操作狀態之間定位，其中在所述開放、啟動狀態中所述收斂部允許所述選定氣體經過所述多個氣動管道的增加的流動，而在所述關閉、操作狀態中所述收斂部被設定至選定的操作位置。
72.根據權利要求69所述的壓縮機，其中用於控制流過所述多個氣動管道的氣體的邊界層的所述裝置包括進氣噴口。
73.根據權利要求69所述的壓縮機，其中用於控制流過所述多個氣動管道的氣體的邊界層的所述裝置包括邊界層排氣吸除口。
74.根據權利要求69所述的壓縮機，其中用於控制流過所述多個氣動管道的氣體的邊界層的所述裝置包括一個或更多渦流發生器。
75.根據權利要求41或69所述的壓縮機，其中所述設計操作範圍包括具有至少為3的氣體壓縮比的至少一級。
76.根據權利要求41或69所述的壓縮機，其中所述設計操作範圍包括具有至少為5的氣體壓縮比的至少一級。
77.根據權利要求41或69所述的壓縮機，其中所述設計操作範圍包括具有從約6至約12.5的氣體壓縮比的至少一級。
78.根據權利要求41或69所述的壓縮機，其中所述設計操作範圍包括具有從約12至約30的氣體壓縮比的至少一級。
79.根據權利要求1、2、6、41或69中的任一項所述的壓縮機，其中所述選定氣體包括一種或更多烴類氣體。
80.根據權利要求1、2、6、41或69中的任一項所述的壓縮機，其中所述選定氣體包括具有至少氮的分子量的氣體。
81.根據權利要求80所述的壓縮機，其中所述選定氣體包括二氧化碳。
82.根據權利要求1、2、6、41或69中的任一項所述的壓縮機，其中所述選定氣體包括氫。
83.根據權利要求1、2、6、41或69中的任一項所述的壓縮機，其中在所述多個氣動管道中的壓縮在間隔開的側壁之間的通道中實現。
84.根據權利要求1、2、6、41或69中的任一項所述的壓縮機，其中在所述多個氣動管道中的壓縮在徑向間隔開的邊界面之間實現。
85.根據權利要求1、2、38或42中的任一項所述的壓縮機，其中所述一個或更多氣動管道以在約四十五度(45° )至約八十度(80° )的範圍內的螺旋角psi (Ψ)螺旋布置。
全文摘要
一種超音速壓縮機，包括具有將超音速狀態的氣體傳輸到擴壓器的反動式葉片的轉子。擴壓器包括多個具有收斂部和擴張部的氣動管道，使氣體減速到亞音速狀態然後使亞音速氣體膨脹，從而使氣體的動能變為靜壓。氣動管道包括改變有效收縮比的結構使得即使當氣動管道被設計為高壓力比時仍然能夠起動，以及用於邊界層控制的結構。在一個實施方式中，氣動管道被設置成，當在與氣動管道入口處的流動方向正交的橫截面上觀察時，具有超過二比一的寬高比。在一個實施方式中，前緣的數目最少化，與附隨轉子中的葉片數相比，可以少於一半，或遠遠少於一半。
文檔編號F04D27/00GK102865234SQ20121023634
公開日2013年1月9日 申請日期2012年7月6日 優先權日2011年7月9日
發明者S.薩雷託, S.P.勞勒, P.布朗 申請人:拉姆金動力系統有限責任公司