專利名稱：超音速壓縮機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及壓縮機和包括壓縮機的系統(tǒng)。具體地說，本發(fā)明涉及包括超音速壓縮 機轉子的超音速壓縮機和包括壓縮機的系統(tǒng)。
背景技術：
傳統(tǒng)的壓縮機系統(tǒng)被廣泛地用于壓縮氣體，并在許多普遍采用的技術中找到用 途，其范圍從制冷單元到噴氣發(fā)動機。壓縮機的基本目的是輸送和壓縮氣體。為此，壓縮機 通常對低壓環(huán)境中的氣體施加機械能，并將氣體輸送至高壓環(huán)境，在高壓環(huán)境下壓縮氣體， 其中，壓縮氣體可用于做功或作為利用高壓氣體的下游過程的輸入。氣體壓縮技術已發(fā)展 得很成熟，并因為離心機、混流機和軸流機而不同。傳統(tǒng)的壓縮機系統(tǒng)雖然非常有用，但是 受限于單級壓縮機可達到的壓力比相對較低。在需要高的總壓力比的情況下，可采用包括 多個壓縮級的傳統(tǒng)壓縮機系統(tǒng)。然而，包括多個壓縮級的傳統(tǒng)壓縮機系統(tǒng)傾向于大而復雜， 且成本高。具有反向旋轉級的傳統(tǒng)的壓縮機系統(tǒng)也是已知的。近些年來，已經公開了包括超音速壓縮機轉子的壓縮機系統(tǒng)。這種壓縮機系統(tǒng)，有 時被稱為超音速壓縮機，通過使入口氣體與具有轉子輪緣表面結構的移動轉子相接觸而輸 送并壓縮氣體，該移動轉子將入口氣體從超音速壓縮機轉子的低壓側輸送并壓縮至超音速 壓縮機轉子的高壓側。與傳統(tǒng)的壓縮機相比，雖然利用超音速壓縮機可獲得更高的單級壓 力比，但進一步的改進將是非常期望的。如本文中詳細地所述，本發(fā)明提供了新穎的多級超音速壓縮機，其相對于已知的 超音速壓縮機而言，在壓縮機性能方面提供了意想不到的增強。

發(fā)明內容
在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種超音速壓縮機，包括(a)流體入口 ； (b)流體 出口 ；以及(c)至少兩個反向旋轉的超音速壓縮機轉子，所述超音速壓縮機轉子配置成串 聯(lián)，從而將來自具有第一旋轉方向的第一超音速壓縮機轉子的輸出弓丨導至第二超音速壓縮 機轉子，該第二超音速壓縮機轉子配置成相對于第一超音速壓縮機轉子進行反向旋轉。在另一個實施例中，本發(fā)明提供了一種超音速壓縮機，包括(a)流體入口 ； (b)流 體出口 ；以及(c)第一超音速壓縮機轉子和第二反向旋轉的超音速壓縮機轉子，所述超音 速壓縮機轉子配置成串聯(lián)，從而將來自第一超音速壓縮機轉子的輸出引導至第二反向旋轉 的超音速壓縮機轉子，所述超音速壓縮機轉子共用一個公共的旋轉軸線。在又一個實施例中，本發(fā)明提供了一種超音速壓縮機，包括(a)氣體導管，包括 (i)低壓氣體入口和(ii)高壓氣體出口 ； (b)設置在所述氣體導管內的第一超音速壓縮機 轉子；以及(C)設置在所述氣體導管內的第二反向旋轉的超音速壓縮機轉子，所述超音速 壓縮機轉子配置成串聯(lián)，從而將來自第一超音速壓縮機轉子的輸出引導至第二反向旋轉的 超音速壓縮機轉子，所述超音速壓縮機轉子限定了位于所述第一超音速壓縮機轉子的上游 的低壓導管段、設置在所述第一超音速壓縮機轉子和所述第二反向旋轉的超音速壓縮機轉子之間的中間導管段、以及位于所述第二反向旋轉的超音速壓縮機轉子的下游的高壓導管段，所述超音速壓縮機轉子共用一個公共的旋轉軸線。


為了本領域的普通技術人員能夠完全理解本發(fā)明的新穎特征、原理和優(yōu)勢，本公 開不僅提供詳細說明，還提供以下附圖。圖1描繪了本發(fā)明的一個實施例，顯示了超音速壓縮機的一部分，包括第一超音 速壓縮機轉子和第二反向旋轉的超音速壓縮機轉子。圖2描繪了本發(fā)明的一個實施例，顯示了超音速壓縮機的一部分，包括第一超音 速壓縮機轉子和第二反向旋轉的超音速壓縮機轉子。圖3描繪了概念性地呈現(xiàn)的本發(fā)明的一個實施例，顯示了將第一超音速壓縮機轉 子與第二反向旋轉的超音速壓縮機轉子聯(lián)接的優(yōu)勢。圖4描繪了本發(fā)明的一個實施例，顯示了超音速壓縮機的一部分，包括外殼內所 包含的第一超音速壓縮機轉子和第二反向旋轉的超音速壓縮機轉子。圖5描繪了本發(fā)明的一個實施例，顯示了超音速壓縮機的一部分，包括外殼內所 包含的第一超音速壓縮機轉子和第二反向旋轉的超音速壓縮機轉子。當參照附圖并閱讀以下詳細描述時，將更好地理解本發(fā)明的各種特征、方面和優(yōu) 勢，其中，在所有附圖中，相似的標號表示相似的部件。除非另外指出，否則本文提供的附圖 意味著顯示本發(fā)明的關鍵性的發(fā)明特征。這些關鍵性的發(fā)明特征被認為可應用于包括本發(fā) 明的一個或多個實施例的多種系統(tǒng)。因此，附圖并不意味著包括本領域中的普通技術人員 所已知的為實踐本發(fā)明而需要的所有傳統(tǒng)特征。
具體實施例方式在以下的說明書和所附的權利要求中將引用許多術語，其將被限定具有以下含 義。單數(shù)形式“一”、“一個”和“該”包括復數(shù)形式的所指對象，除非上下文明確指出。“可選的”或“可選地”意味著接下來所述的事件或情況可能發(fā)生或可能不發(fā)生，而 且該描述包括事件發(fā)生的情形和不發(fā)生的情形。在本文中使用時，術語“超音速壓縮機”指包括超音速壓縮機轉子的壓縮機。在本文中使用時，近似語句在整個說明書和權利要求中可被用來修飾任何數(shù)量表 述，該數(shù)量表述可在不導致其相關的基本功能發(fā)生變化的情況下允許變化。因此，由諸如 “大約”和“大致”的術語修飾的值并不限于特定的精確值。在至少一些情況下，近似語句可 與用于測量該值的儀器的精度相符合。除非上下文或語句中指出，否則這里和整個說明書 及權利要求內，可將范圍的限制進行組合和/或互換，這種范圍被確定并包括在該范圍內 包含的所有子范圍。與可能包括一個或多個超音速壓縮機轉子的已知的超音速壓縮機相反，已經發(fā) 現(xiàn)，當采用配置成串聯(lián)的至少兩個反向旋轉的超音速壓縮機轉子時，在壓縮機性能方面可 獲得顯著且意想不到的增強。由本發(fā)明提供的超音速壓縮機轉子的新穎配置提供了比使用 已知的超音速壓縮機轉子配置的超音速壓縮機更高效的超音速壓縮機。因而，本發(fā)明提供了包括配置成串聯(lián)的至少兩個反向旋轉的超音速壓縮機轉子的超音速壓縮機。本發(fā)明提供 的超音速壓縮機還包括流體入口和流體出口。 本發(fā)明提供的超音速壓縮機包括配置成“串聯(lián)”的至少兩個超音速壓縮機轉子，意 味著來自具有第一旋轉方向的第一超音速壓縮機轉子的輸出被引導至配置成相對于第一 超音速壓縮機轉子而反向旋轉的第二超音速壓縮機轉子。包括超音速壓縮機轉子的超音速壓縮機對于本領域中的普通技術人員是已知的， 并且在例如分別于2005年3月28日和2005年3月23日提交的美國專利序號7，334，990 和7，293，955中被詳細描述，這兩個美國專利通過引用而完整地結合在本文中，附帶說一 句，在所引用的任一專利所體現(xiàn)的公開與本申請的材料部分發(fā)生沖突的地方，本申請將被 認為是權威性的。超音速壓縮機轉子通常是具有第一面、第二面以及外輪緣的圓盤，并包括設置在 圓盤的外輪緣上的壓縮斜面，所述壓縮斜面配置成，當轉子圍繞其旋轉軸線旋轉時，將諸如 氣體的流體從轉子的第一面輸送至轉子的第二面。轉子可通過聯(lián)接到轉子上的驅動軸而圍 繞其旋轉軸線旋轉。轉子被稱為超音速壓縮機轉子是因為其設計成在高速下圍繞旋轉軸線 進行旋轉，使得在設置于轉子輪緣上的壓縮斜面處遭遇旋轉的超音速壓縮機轉子的例如移 動氣體的移動流體據(jù)稱具有超音速的相對流體速度。根據(jù)輪緣處的轉子速度和遭遇旋轉的 轉子的輪緣之前的流體速度的矢量和，可限定相對流體速度。這種相對流體速度有時被稱 為“局部超音速入口速度”，其在某些實施例中是入口氣體速度和設置在超音速壓縮機轉子 的輪緣上的超音速斜面的切向速度的組合。超音速壓縮機轉子被設計成在非常高的切向速 度下服務，例如在300米/秒至800米/秒的范圍內的切向速度下。通常，超音速壓縮機包括具有氣體入口和氣體出口的外殼，以及設置在氣體入口 和氣體出口之間的超音速壓縮機轉子。超音速壓縮機轉子裝備有壓縮氣體并將氣體從轉子 入口側傳送至轉子出口側的輪緣表面結構。在一個實施例中，輪緣表面結構包括被稱為箍 條的凸出的螺旋結構以及設置在上游箍條和下游箍條之間的一個或多個壓縮斜面。箍條和 壓縮斜面協(xié)同地起作用，以捕獲最靠近氣體入口的轉子表面處的氣體，在轉子輪緣表面和 外殼的內表面之間壓縮氣體，并將所捕獲的氣體傳送到轉子的出口表面。超音速壓縮機轉 子設計成使得轉子輪緣表面上的箍條和外殼的內表面之間的距離減小，從而限制了氣體從 超音速壓縮機轉子的出口表面至入口表面的返回通道。注意，由本發(fā)明提供的超音速壓縮機包括至少兩個串聯(lián)的反向旋轉的超音速壓縮 機轉子，使得來自第一超音速壓縮機轉子的輸出，例如壓縮氣體，被用作第二超音速壓縮機 轉子的輸入，該第二超音速壓縮機轉子在某種意義上與第一超音速壓縮機轉子的旋轉相反 地旋轉。例如，如果第一超音速壓縮機轉子配置成以順時針的方式旋轉，那么，第二超音速 壓縮機轉子配置成以逆時針的方式旋轉。第二超音速壓縮機轉子據(jù)稱配置成相對于第一超 音速壓縮機轉子進行反向旋轉。當各轉子具有相同的形狀、重量和直徑，由相同的材料制成，并擁有相同類型和相 同數(shù)量的輪緣表面特征時，第一和第二超音速壓縮機轉子被稱為“本質上相同”。然而，本領 域中的普通技術人員應該懂得“本質上相同”的第一和第二超音速壓縮機轉子將是彼此的 鏡像。如果兩個超音速壓縮機轉子所壓縮的流體的移動在相同的主方向上，那么，串聯(lián)排列 的兩個本質上相同的反向旋轉的超音速壓縮機轉子將是彼此的鏡像。因而，在一個實施例中，本發(fā)明提供了 一種超音速壓縮機，其包括與第二超音速壓縮機轉子本質上相同的第一 超音速壓縮機轉子，兩個轉子配置成串聯(lián)，兩個轉子是彼此的鏡像，第二超音速壓縮機轉子 配置成相對于第一超音速壓縮機轉子進行反向旋轉。在一個備選實施例中，由本發(fā)明提供的超音速壓縮機包括配置成串聯(lián)的兩個反向 旋轉的超音速壓縮機轉子，其中，第一超音速壓縮機轉子不同于第二超音速壓縮機轉子。在 本文中使用時，當轉子在某些方面實質上不同時，兩個反向旋轉的超音速壓縮機轉子不同。 例如，配置成串聯(lián)的兩個反向旋轉的超音速壓縮機轉子之間的實質差異包括形狀、重量和 直徑、構造材料以及輪緣表面特征的類型和數(shù)量的差異。例如，包括不同數(shù)量的壓縮斜面的 兩個其它方面相同的反向旋轉的超音速壓縮機轉子將被稱為“不同”。
通常，配置成串聯(lián)的反向旋轉的超音速壓縮機轉子共用一個公共的旋轉軸線，但 第一超音速壓縮機轉子和第二超音速壓縮機轉子的各個具有不同的旋轉軸線的配置也是 可行的。在轉子共用一個公共的旋轉軸線的實施例中，轉子據(jù)稱沿著一個公共的旋轉軸線 進行排列。因而，在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種超音速壓縮機，其包括流體入口、流體 出口以及配置成串聯(lián)的至少兩個反向旋轉的超音速壓縮機轉子，所述轉子沿著一個公共的 旋轉軸線進行排列。在一個備選實施例中，所述轉子不共用一個公共的旋轉軸線。聯(lián)接在超音速壓縮機轉子中的一個或多個上的一個或多個驅動軸可驅動反向旋 轉的超音速壓縮機轉子。在一個實施例中，反向旋轉的超音速壓縮機轉子的各個由專用的 驅動軸驅動。因而，在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種超音速壓縮機，其包括流體入口、流 體出口以及配置成串聯(lián)的至少兩個反向旋轉的超音速壓縮機轉子，其中，第一超音速壓縮 機轉子聯(lián)接到第一驅動軸上，并且所述第二超音速壓縮機轉子聯(lián)接到第二驅動軸上，其中， 第一驅動軸和第二驅動軸沿著一個公共的旋轉軸線進行排列。本領域中的普通技術人員將 領會到，在兩個反向旋轉的超音速壓縮機轉子各由專用的驅動軸驅動的情況下，驅動軸將 在各種實施例中本身配置成針對反向旋轉運動。在一個實施例中，第一驅動軸和第二驅動 軸反向旋轉，共用一個公共的旋轉軸線且同心，意味著第一驅動軸和第二驅動軸中的一個 設置在另一驅動軸內。在一個實施例中，由本發(fā)明提供的超音速壓縮機包括聯(lián)接到公共的 驅動電動機上的第一驅動軸和第二驅動軸。在一個備選實施例中，由本發(fā)明提供的超音速 壓縮機包括聯(lián)接到至少兩個不同的驅動電動機上的第一驅動軸和第二驅動軸。本領域中的 普通技術人員將懂得，驅動電動機用于“驅動”(旋轉)驅動軸，其繼而驅動超音速壓縮機轉 子，并且也將懂得(通過齒輪、鏈條等)將驅動電動機聯(lián)接到驅動軸上的通常采用的裝置， 還將懂得用于控制驅動軸旋轉的速度的裝置。在一個實施例中，第一驅動軸和第二驅動軸 由反向旋轉的渦輪驅動，該渦輪具有配置成沿相反方向旋轉的兩組葉片，一組葉片的運動 方向由各組的組成葉片的形狀確定。在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種超音速壓縮機，其包括至少三個反向旋轉的 超音速壓縮機轉子。例如，超音速壓縮機轉子可配置成串聯(lián)，使得來自具有第一旋轉方向的 第一超音速壓縮機轉子的輸出被引導至配置成相對于第一超音速壓縮機轉子而反向旋轉 的第二超音速壓縮機轉子，并且還使得來自第二超音速壓縮機轉子的輸出被引導至配置成 相對于第二超音速壓縮機轉子而反向旋轉的第三超音速壓縮機轉子。本領域中的普通技術人員將懂得，通過在壓縮機內包含流體導向葉片，可增強傳 統(tǒng)的壓縮機和超音速壓縮機的性能。因而，在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種超音速壓縮機，其包括流體入口、流體出口、配置成串聯(lián)的至少兩個反向旋轉的超音速壓縮機轉子以及一個或多個流體導向葉片。在一個實施例中，超音速壓縮機可包括多個流體導向葉片。流 體導向葉片可設置在流體入口和第一(上游)超音速壓縮機轉子之間，設置在第一超音速 壓縮機轉子和第二(下游)超音速壓縮機轉子之間，設置在第二超音速壓縮機轉子和流體 出口之間，或其一些組合。因而，在一個實施例中，由本發(fā)明提供的超音速壓縮機包括設置 在流體入口和第一(上游)超音速壓縮機轉子之間的流體導向葉片，在這種情況下，可在邏 輯上將流體導向葉片稱為入口導向葉片(inlet guide vanes, IGV)。在另一個實施例中， 由本發(fā)明提供的超音速壓縮機包括設置在第一和第二超音速壓縮機轉子之間的流體導向 葉片，在這種情況下，可在邏輯上將流體導向葉片稱為中間導向葉片(intermediate guide vanes, InGV)。在另一個實施例中，由本發(fā)明提供的超音速壓縮機包括設置在第二超音速壓 縮機轉子和流體出口之間的流體導向葉片，在這種情況下，可在邏輯上將流體導向葉片稱 為出口導向葉片(outlet guide vanes,0GV)o在一個實施例中，由本發(fā)明提供的超音速壓 縮機包括入口導向葉片、出口導向葉片以及設置在第一及第二超音速壓縮機轉子之間的中 間導向葉片的組合。在一個實施例中，由本發(fā)明提供的超音速壓縮機還包括傳統(tǒng)的離心壓縮機，其配 置成增加向構件的超音速壓縮機轉子呈現(xiàn)的氣體壓力。因而，在一個實施例中，由本發(fā)明提 供的超音速壓縮機包括位于流體入口和第一超音速壓縮機轉子之間的傳統(tǒng)的離心壓縮機。為了方便起見，位于流體入口和第一超音速壓縮機轉子之間的超音速壓縮機部分 在本文中有時可被稱為超音速壓縮機的低壓側，并將第一超音速壓縮機轉子的最靠近流體 入口的面稱為第一超音速壓縮機轉子的低壓面。類似地，位于第一超音速壓縮機轉子和第 二超音速壓縮機轉子之間的超音速壓縮機部分在本文中有時可被稱為超音速壓縮機的中 壓部分。另外，位于第二超音速壓縮機轉子和流體出口之間的超音速壓縮機部分在本文中 有時可被稱為超音速壓縮機的高壓側，并將第二超音速壓縮機轉子的最靠近流體出口的面 稱為第二超音速壓縮機轉子的高壓面。第一和第二超音速壓縮機轉子的最靠近超音速壓縮 機的中壓部分的面在本文中有時可分別被稱為第一超音速壓縮機轉子的中壓面和第二超 音速壓縮機轉子的中壓面。在一個實施例中，由本發(fā)明提供的超音速壓縮機被包括在更大的系統(tǒng)內，例如燃 氣渦輪發(fā)動機，例如噴氣發(fā)動機。相信由于由本發(fā)明提供的超音速壓縮機可獲得的增強的 壓縮比，燃氣渦輪發(fā)動機的整體尺寸和重量可減少，并從中獲得好處。在一個實施例中，由本發(fā)明提供的超音速壓縮機，包括(a)氣體導管，包括⑴低 壓氣體入口和(ii)高壓氣體出口 ；(b)第一超音速壓縮機轉子，設置在所述氣體導管內；以 及(c)第二反向旋轉的超音速壓縮機轉子，設置在所述氣體導管內；所述超音速壓縮機轉 子配置成串聯(lián)，從而將來自第一超音速壓縮機轉子的輸出引導至第二反向旋轉的超音速壓 縮機轉子，所述超音速壓縮機轉子限定了位于所述第一超音速壓縮機轉子的上游的低壓導 管段、設置在所述第一超音速壓縮機轉子和所述第二反向旋轉的超音速壓縮機轉子之間的 中壓導管段、以及位于所述第二反向旋轉的超音速壓縮機轉子的下游(即，位于第二反向 旋轉的超音速壓縮機轉子和高壓出口之間)的高壓導管段，所述超音速壓縮機轉子共用一 個公共的旋轉軸線。第一和第二超音速壓縮機轉子本質上可以相同，第一和第二超音速壓 縮機轉子配置成，使得兩個轉子將通過在理想化的空間中設置于其間的反射面而作為彼此的鏡像出現(xiàn)，其中，兩個轉子共用一個公共的旋轉軸線。在一個備選的實施例中，第一超音 速壓縮機轉子不同于第二反向旋轉的超音速壓縮機轉子。在本文中使用時，術語第二反向 旋轉的超音速壓縮機轉子和第二超音速壓縮機轉子可以互換。術語第二反向旋轉的超音速 壓縮機轉子用于強調第一和第二超音速壓縮機轉子配置成反向旋轉(即配置成沿相反的 方向旋轉)的事實。在一個實施例中，第一超音速壓縮機轉子聯(lián)接到第一驅動軸上，并且第 二反向旋轉的超音速壓縮機轉子聯(lián)接到第二驅動軸上，其中，所述第一和第二驅動軸包括 一對同心的反向旋轉的驅動軸。圖1顯示了本發(fā)明的一個實施例。該圖描繪了超音速壓縮機轉子的構件和其在超 音速壓縮機中的配置。因而，超音速壓縮機包括由驅動軸300沿方向310驅動的第一超音 速壓縮機轉子100。超音速壓縮機包括位于第一超音速壓縮機轉子100的上游的入口導向 葉片30。超音速壓縮機包括配置成與第一超音速壓縮機轉子100串聯(lián)的第二反向旋轉的 超音速壓縮機轉子200。第一超音速壓縮機轉子100包括輪緣表面特征，該輪緣表面特征 包括壓縮斜面110和排列在外表面110上的箍條150。類似地，第二超音速壓縮機轉子200 包括輪緣表面特征，該輪緣表面特征包括壓縮斜面210和排列在外表面210上的箍條250。 第二超音速壓縮機轉子200由驅動軸400沿方向410驅動，或相對于驅動軸300和第一超 音速壓縮機轉子100進行反向旋轉。超音速壓縮機還包括位于第二超音速壓縮機轉子200 的下游的出口導向葉片40。圖2顯示了本發(fā)明的一個實施例。該圖描繪了超音速壓縮機轉子的構件和其在超 音速壓縮機中的配置。圖2的特征在于排列在輪緣表面110和210上的壓縮斜面120和 220，其在結構上不同于圖1中特定的壓縮斜面120和220。除了壓縮斜面的結構之外，圖1 和圖2相同。圖3顯示了以概念形式呈現(xiàn)的本發(fā)明的一個實施例，并將在下面詳細地論述。圖4顯示了本發(fā)明的一個實施例。該圖描繪了超音速壓縮機轉子的構件和其在超 音速壓縮機中的配置，該超音速壓縮機包括具有內表面510的壓縮機外殼500。因而，超音 速壓縮機包括由驅動軸300沿方向310驅動的第一超音速壓縮機轉子100。超音速壓縮機 包括位于第一超音速壓縮機轉子100的上游的入口導向葉片30。超音速壓縮機包括配置成 與第一超音速壓縮機轉子100串聯(lián)的第二反向旋轉的超音速壓縮機轉子200。第一和第二 超音速壓縮機轉子包括輪緣表面特征，該輪緣表面特征包括壓縮斜面和排列在輪緣的外表 面上的箍條。第二超音速壓縮機轉子200由驅動軸400沿方向410驅動，或相對于驅動軸 300和第一超音速壓縮機轉子100進行反向旋轉。超音速壓縮機還包括位于第二超音速壓 縮機轉子200的下游的出口導向葉片40。圖5顯示了本發(fā)明的一個實施例。該圖描繪了超音速壓縮機轉子的構件和其在超 音速壓縮機中的配置，該超音速壓縮機包括具有氣體入口 10、氣體出口 20、內表面510以及 氣體導管520的壓縮機外殼500。在圖5中顯示了第一超音速壓縮機轉子100和第二超音 速壓縮機轉子200設置在氣體導管520內。第一和第二超音速壓縮機轉子的各個包括(分 別)排列在輪緣表面110和210上的壓縮斜面120和220。第一超音速壓縮機轉子100由 驅動軸300沿方向310驅動。第二超音速壓縮機轉子200配置成相對于第一超音速壓縮機 轉子100進行反向旋轉。第二超音速壓縮機轉子200由驅動軸400沿方向410驅動。圖5 中特定的超音速壓縮機包括位于第一超音速壓縮機轉子100的上游的入口導向葉片30和位于第二超音速壓縮機轉子200的下游的出口導向葉片40。第一超音速壓縮機轉子100和第二超音速壓縮機轉子200顯示為配置成串聯(lián)，使得第一超音速壓縮機轉子100的輸出被 用作第二超音速壓縮機轉子200的輸入。超音速壓縮機要求進入超音速壓縮機轉子的氣體的高相對速度。這些速度必須大 于氣體中的局部音速，因此稱為“超音速”。出于包含在這部分中的論述目的，考慮運行期間 的超音速壓縮機。氣體通過氣體入口而被引入到超音速壓縮機中，該超音速壓縮機包括排 列在第一超音速壓縮機轉子的上游的多個入口導向葉片(IGV)、第二超音速壓縮機轉子以 及一組出口導向葉片(OGV)。出自IGV的氣體被第一超音速壓縮機轉子壓縮，且第一超音 速壓縮機轉子的輸出被引導至第二(反向旋轉的)超音速壓縮機轉子，其輸出將會遭遇一 組出口導向葉片(OGV)并被其修改。當氣體遭遇入口導向葉片(IGV)時，氣體被IGV加速 到高切向速度。這個切向速度與轉子的切向速度組合，且這些速度的矢量和確定了進入轉 子的氣體的相對速度。通過IGV的氣體加速導致局部靜壓力的減少，該局部靜壓力必須被 超音速壓縮機轉子中的壓力上升所克服?？缭睫D子的壓力上升是入口絕對切向速度和出口 絕對切向速度以及半徑、流體屬性和旋轉速度的函數(shù)，并且由公式I給出，其中，Pl是入口 壓力，P2是出口壓力，Y是被壓縮的氣體的比熱之比，Ω旋轉速度，r是半徑，V0是切向速 度，η (見指數(shù))是多變效率，并且Ctll是入口處的聲音停滯速度，其等于(γ*R*T0；)的平方 根，其中，R是氣體常數(shù)，并且Ttl是進入氣體的總溫度。本領域中的普通技術人員將認識到 公式I是用于渦輪機械的歐拉方程的一種形式。<formula>formula see original document page 9</formula>公式1為了獲得高壓力比，跨越單個級需要大的Δ (rVe)值。入口導向葉片不能提供所 有所需的切向速度，因此離開高壓力比壓縮機的流將具有高切向速度。圖3顯示了本發(fā)明 的一個實施例，其中，出口壓力(P。ut)對入口壓力(Pin)的比為25。使用本領域中的普通技 術人員眾所周知的方法可計算出圖3中所示的值。圖3中所顯示的變量包括“alpha”(或 α)，其代表與固定的入口導向葉片或出口導向葉片相關并參照超音速壓縮機轉子的旋轉 軸線的角度；“V”，其代表與固定的觀測器，例如放置在入口導向葉片或出口導向葉片上 的固定的觀測器相關的速度；“W”，其代表與第一超音速壓縮機轉子相關的速度(S卩，由跨 越在第一超音速壓縮機轉子上的觀測器測量的速度)；“beta”(或β )，其代表與超音速 壓縮機轉子相關并參照超音速壓縮機轉子的旋轉軸線的角度；“X”，其代表與第二超音速 壓縮機轉子相關的速度(即，由跨越在第二超音速壓縮機轉子上的觀測器測量的速度)； “omega”(或Ω )，其代表每秒弧度的驅動軸旋轉速率；“Μ”，其代表馬赫數(shù)(流速/局部音 速)；以及“r”，為第一和第二超音速壓縮機轉子的半徑。應該注意，本發(fā)明的各種實施例可 取得這種大約10至大約100的范圍內的壓力比。在圖3所示的示例中，氣體(未顯示)遭 遇入口導向葉片(IGV)，氣體從入口導向葉片出現(xiàn)，并接觸第一超音速壓縮機轉子。然后氣 體接觸第二反向旋轉的超音速壓縮機轉子，并最后接觸一組出口導向葉片(OGV)。在圖3所 示的示例中，離開第一超音速轉子的流具有0.8的高絕對馬赫數(shù)(M4)和77度的高切向流 角度(α4)。這種類型的高速渦流難以使用固定的擴散器高效地進行擴散。然而，這種流作 為具有與第一超音速壓縮機轉子的旋轉方向相反的旋轉方向的第二超音速壓縮機轉子的輸入是很理想的。如圖3中所示，氣體流相對于第二轉子的速度同樣是超音速(M =1.8), 但由于聲速及溫度的增加而處于比第一轉子略低的量級。離開第二超音速壓縮機轉子的流 具有較低的絕對馬赫數(shù)(M5) (0. 5)和渦流角(a 6) (54度)，并代表易于在0GV中擴散的流。 總地說來，對于反向旋轉的超音速壓縮機的主要好處是在第一轉子出口處高效地利用高速 渦流以向第二轉子提供所需旋渦的能力。 以上的示例僅是示范性的，只用于舉例說明本發(fā)明的一些特征。所附權利要求旨 在盡可能廣泛想象地主張本發(fā)明，并且，本文中呈現(xiàn)的示例示范了從所有可能的實施例的 集合中選出的實施例。因此，申請人的意圖是所附權利要求并不受到用于說明本發(fā)明特征 的示例的選擇的限制。在權利要求中使用時，詞語“包括”和其語法變化邏輯上也是廣義的， 并包括變化的和不同的短語，例如但不限于“基本上由...組成”和“由...組成”。在已經 提供了范圍的必要的情況下，那些范圍包括其間的所有子范圍。可以預計，這些范圍內的變 型本身將會被本領域中的普通技術人員提出，并且，在未向公眾公開的情況下，那些變型在 可能的情況下應被認為由所附權利要求覆蓋。還可以預期，科學和技術的進步將使目前由 于語言的不嚴密而沒有想到的等效物和替代物成為可能，并且，這些變型在可能的情況下 也應被認為由所附權利要求覆蓋。
權利要求
一種超音速壓縮機，包括(a)流體入口；(b)流體出口；以及(c)至少兩個反向旋轉的超音速壓縮機轉子，所述超音速壓縮機轉子配置成串聯(lián)，從而將來自具有第一旋轉方向的第一超音速壓縮機轉子的輸出引導至第二超音速壓縮機轉子，該第二超音速壓縮機轉子配置成相對于所述第一超音速壓縮機轉子進行反向旋轉。
2.根據(jù)權利要求1所述的超音速壓縮機，其特征在于，所述第一超音速壓縮機轉子本質上與所述第二超音速壓縮機轉子相同。
3.根據(jù)權利要求1所述的超音速壓縮機，其特征在于，所述第一超音速壓縮機轉子不同于所述第二超音速壓縮機轉子。
4.根據(jù)權利要求1所述的超音速壓縮機，其特征在于， 所述超音速壓縮機轉子沿著一個公共的旋轉軸線進行排列。
5.根據(jù)權利要求1所述的超音速壓縮機，其特征在于， 所述超音速壓縮機轉子不共用一個公共的旋轉軸線。
6.根據(jù)權利要求1所述的超音速壓縮機，其特征在于，所述第一超音速壓縮機轉子聯(lián)接到第一驅動軸上，所述第二超音速壓縮機轉子聯(lián)接 到所述第二驅動軸上，所述第一驅動軸和所述第二驅動軸沿著一個公共的旋轉軸線進行排 列。
7.根據(jù)權利要求6所述的超音速壓縮機，其特征在于，所述第一驅動軸和所述第二驅動軸包括一對同心的反向旋轉的驅動軸。
8.根據(jù)權利要求1所述的超音速壓縮機，其特征在于， 包括至少三個超音速壓縮機轉子。
9.根據(jù)權利要求1所述的超音速壓縮機，其特征在于， 還包括一個或多個流體導向葉片。
10.根據(jù)權利要求1所述的超音速壓縮機，其特征在于，還包括位于所述流體入口和所述第一超音速壓縮機轉子之間的流體推進器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種新穎的超音速壓縮機。在一個實施例中，這種新穎的超音速壓縮機包括流體入口、流體出口以及至少兩個反向旋轉的超音速壓縮機轉子，所述超音速壓縮機轉子配置成串聯(lián)，從而將來自具有第一旋轉方向的第一超音速壓縮機轉子的輸出引導至第二超音速壓縮機轉子，該第二超音速壓縮機轉子配置成相對于第一超音速壓縮機轉子進行反向旋轉。
文檔編號F04D21/00GK101813094SQ200910216818
公開日2010年8月25日 申請日期2009年12月23日 優(yōu)先權日2008年12月23日
發(fā)明者D·C·霍菲爾, D·G·霍爾姆斯, Z·W·納格爾 申請人:通用電氣公司