專利名稱：超音速壓縮機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本說明涉及用于氣體壓縮的設(shè)備和方法，且更具體地涉及被設(shè)計成采用超音速激波壓縮的氣體壓縮機(jī)。
背景技術(shù)：
在工業(yè)中存在對簡單、高效氣體壓縮機(jī)的持續(xù)興趣。這樣的裝置可用在各種應(yīng)用中。通過采用與現(xiàn)有技術(shù)壓縮機(jī)設(shè)計相比在運(yùn)行效率上提供改善的壓縮機(jī)，運(yùn)行成本可在許多應(yīng)用中充分改善。此外，從維護(hù)成本的角度，期望開發(fā)減少旋轉(zhuǎn)組件質(zhì)量的新型壓縮機(jī)設(shè)計，因?yàn)榕c受到源自溫度和壓力的應(yīng)力和應(yīng)變、但不經(jīng)受由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動引起的附加載荷的非旋轉(zhuǎn)部件相比，在更換或修理變得必需時通常認(rèn)為旋轉(zhuǎn)組件比較昂貴。因此，可以理解提供最少化運(yùn)動部件的新型高效壓縮機(jī)設(shè)計將會是有利的。盡管已設(shè)想出多種超音速壓縮機(jī)，并且一些已由他人試驗(yàn)，然而在1961年3月14日公布且標(biāo)題為 “High Pressure Ratio Axial Flow Supersonic Compressor (高壓力比軸流式超音速壓縮機(jī))”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(dǎo)意義，并因此暗示出在該領(lǐng)域中仍然存在的技術(shù)問題以及關(guān)于這些問題需要更好的解決方案以便提高運(yùn)行能力和壓縮效率，該專利的全部公開內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。盡管Koffel等人的專利描述了使用沖擊式葉片轉(zhuǎn)子并說明了具有下游葉片的定子，然而所描述的壓縮機(jī)幾何結(jié)構(gòu)似乎最大僅能夠?qū)崿F(xiàn)文中聲明的壓力比，該壓力比在一處被稱為“…在單個轉(zhuǎn)子-定子級中約4比I的總壓力比”。并且盡管Koffel等人的專利提到了關(guān)于邊界層效應(yīng)的論題，然而并未提供對于這種現(xiàn)象的綜合控制，而該綜合控制對于避免由邊界層與激波的相互作用所導(dǎo)致的擾動會十分有用，尤其可應(yīng)用于相比該文中提到的壓力比更高的壓力比的壓縮機(jī)運(yùn)行。簡而言之，仍然需要提供同時解決各種實(shí)際問題的高壓力比超音速壓縮機(jī)的設(shè)計，包括(a)提供被設(shè)計用于高壓力比運(yùn)行的壓縮機(jī)的起動，以便控制在被設(shè)計用于高壓力比和高效壓縮的超音速擴(kuò)壓器中的有效位置的正激波，(b)避免過多數(shù)目的前緣結(jié)構(gòu)(例如可在現(xiàn)有技術(shù)的多葉片定子中遇到的那樣)，并使高速超音速氣流在進(jìn)入擴(kuò)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(guān)的有效的邊界層控制，以便用高效的方式實(shí)現(xiàn)高壓縮比。

發(fā)明內(nèi)容
已開發(fā)出在一個實(shí)施方式中使旋轉(zhuǎn)部件數(shù)目最少化的新穎的超音速壓縮機(jī)。該壓縮機(jī)利用具有延伸進(jìn)入氣流通道內(nèi)的多個葉片的轉(zhuǎn)子來發(fā)展進(jìn)氣流中的氣體速度，并使進(jìn)氣流切向和軸向加速以將超音速狀態(tài)下的氣流輸送至包括一個或更多氣動管道(aerodynamic duct)的擴(kuò)壓器中。在一個實(shí)施方式中,將多個葉片設(shè)置為沖擊式葉片,使其提供動能以將氣體速度增加至超音速狀態(tài)，而幾乎沒有任何靜壓升高。在一個實(shí)施方式中，使氣動管道的數(shù)目減至最少。結(jié)果，可利用少量進(jìn)口(至少一個進(jìn)口與各氣動管道相關(guān)聯(lián))，而不是大量定子葉片。在一個實(shí)施方式中，示例性設(shè)計使前緣的總數(shù)目減至最少，并因此使暴露于進(jìn)入的超音速氣流的前緣的長度減至最少。在一個實(shí)施方式中，擴(kuò)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回轉(zhuǎn)面。在一個實(shí)施方式中，氣動管道可設(shè)置成螺線形或螺面狀構(gòu)造。在一個實(shí)施方式中，氣動管道可設(shè)置成具有相對恒定的螺旋角的形狀。在一個實(shí)施方式中，氣動管道可沿基本上圓柱螺線構(gòu)造的中心線設(shè)置，使得曲率對撓率的比恒定?？稍O(shè)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(shí)例。例如，在一個實(shí)施方式中，氣動管道可設(shè)置成圓錐螺線構(gòu)造，采取如同位于基礎(chǔ)圓錐面上方的輕微螺旋的形式。在各種實(shí)施方式中，氣動管道可為右旋或左旋，其中進(jìn)口和喉部基本上以高壓超音速氣體離開轉(zhuǎn)子葉片的方向取向。其它實(shí)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于解釋，而不進(jìn)行限制?？稍跉鈩庸艿纼?nèi)利用一系列斜激波和正激波，以便使進(jìn)入的高速超音速氣流有效地轉(zhuǎn)換為高壓亞音速氣流。在第一靜止擴(kuò)壓器之后，可通過蝸殼或本領(lǐng)域中公知的其它適當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低氣體速度并累積靜壓。替換性地，可利用第二壓縮級。在一個實(shí)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(jìn)氣。第二壓縮級可具有包括延伸進(jìn)入氣流通道內(nèi)的多個葉片的第二轉(zhuǎn)子，和包括另外的氣動管道的第二定子，以便進(jìn)一步壓縮離開第一壓縮級之后的氣體。并且對于特定應(yīng)用可采用另外的壓縮級(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(shí)施方式中，擴(kuò)壓器可包括旁路氣體出口，用于去除進(jìn)氣流的一部分至促進(jìn)在擴(kuò)壓器內(nèi)建立超音速激波的程度，以便與選定的壓縮比、進(jìn)口馬赫數(shù)和選定氣體的質(zhì)量流量的設(shè)計點(diǎn)相一致。在一個實(shí)施方式中，旁路氣體出口可用于進(jìn)氣的一部分經(jīng)過轉(zhuǎn)子葉片并返回至氣動管道的進(jìn)口的循環(huán)。在一個實(shí)施方式中，特別是對于空氣壓縮，旁路氣體可簡單排放至大氣。在一個實(shí)施方式中，氣體壓縮機(jī)可在氣動管道中設(shè)置幾何可調(diào)節(jié)部分，以改變經(jīng)過擴(kuò)壓器的進(jìn)氣流的量，以便起動并建立穩(wěn)定的超音速激波操作。在一個實(shí)施方式中，可采用起動旁路氣體出口和幾何可調(diào)節(jié)部分兩者。為使不利的氣動效應(yīng)最小化，并為提高氣流經(jīng)過擴(kuò)壓器的效率，可采用一種或多種邊界層控制結(jié)構(gòu)。這樣的邊界層控制結(jié)構(gòu)可從一種或多種類型的邊界層控制技術(shù)中選擇，包括經(jīng)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(fā)生器進(jìn)行混合來激勵邊界層。在一個實(shí)施方式中，渦流發(fā)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(zhuǎn)并由此進(jìn)入邊界層，且因此由于較小的渦流與邊界層混合而控制該邊界層。在一個實(shí)施方式中，在此說明的壓縮機(jī)可具有多個氣路，即多個氣動管道，用于生成超音速激波并允許喉部下游的亞音速擴(kuò)散。在一個實(shí)施方式中，由于超音速激波可位于固定結(jié)構(gòu)內(nèi)，例如沿著氣動管道的固定斜面部分，因此與激波位于轉(zhuǎn)子中的結(jié)構(gòu)之間，或者位于轉(zhuǎn)子和例如周向壁的鄰近的固定結(jié)構(gòu)之間的各種現(xiàn)有技術(shù)超音速壓縮機(jī)設(shè)計相比，激波位置的控制得以大大簡化。此外，靜止擴(kuò)壓器內(nèi)的激波位置避免由于各種轉(zhuǎn)子組件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動導(dǎo)致的阻力所引起的現(xiàn)有設(shè)計技術(shù)中存在的寄生損失。更根本地，在此公開的壓縮機(jī)設(shè)計的實(shí)施方式采用非常少的突入超音速流動路徑中的氣動前緣結(jié)構(gòu)，特別是固定結(jié)構(gòu)來發(fā)展高壓縮比。這種改進(jìn)的實(shí)現(xiàn)部分是因?yàn)樘峁┝耸箽鈩庸艿赖臄?shù)目最少化的設(shè)計。在一個實(shí)施方式中，對每個氣動管道僅設(shè)置單個前緣，因此使插入超音速氣流的前緣表面的數(shù)目最少化。因此，與迄今公知的氣體壓縮機(jī)相比，在此公開的壓縮機(jī)設(shè)計具有提供特別是在單個壓縮級中以高壓縮比運(yùn)行時高效的氣體壓縮機(jī)的潛力。例如，不加限制，在此公開的壓縮機(jī)設(shè)計可在單級中以高達(dá)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(dá)約十二又二分之一比一(12. 5:1)，或高于十二比一(12:1)的壓縮比運(yùn)行。最后，氣流配置，特別是詳細(xì)的轉(zhuǎn)子幾何結(jié)構(gòu)和詳細(xì)的擴(kuò)壓器幾何結(jié)構(gòu)的許多變型，可由本領(lǐng)域技術(shù)人員和本說明書涉及的技術(shù)人員做出而不偏離本文的教導(dǎo)。


現(xiàn)在將使用說明性的附圖通過示例性實(shí)施方式說明新穎超音速壓縮機(jī)的配置，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件，并且其中圖1是部分剖視立視圖，在截面中示出進(jìn)口通道將供氣輸送至轉(zhuǎn)子上的沖擊式葉片(從側(cè)面示出以展現(xiàn)露出的葉片)。沖擊式葉片將超音速狀態(tài)下的氣體輸送至具有多個氣動管道的靜止擴(kuò)壓器。氣動管道包括收斂部和擴(kuò)張部、用于起動的進(jìn)口旁路氣體通道，以及用于邊界層控制的邊界層排氣吸除口(outlet bleed port)。圖1還示出擴(kuò)壓器的實(shí)施方式，其中氣動管道的喉部與氣流離開轉(zhuǎn)子葉片的方向密切對齊。圖2提供了關(guān)于示例性沖擊式轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計的氣體速度圖，說明了相對于從轉(zhuǎn)子伸出的葉片在四個不同位置的氣體速度分量。圖3是轉(zhuǎn)子上的沖擊式葉片和包括多個氣動管道的下游靜止擴(kuò)壓器的透視圖，示出了具有收斂部和擴(kuò)張部、以及用于起動的進(jìn)口旁路通道和用于邊界層控制的邊界層口的氣動管道的螺旋結(jié)構(gòu)，和以虛線表示的鄰近的靜態(tài)結(jié)構(gòu)部分。圖4是壓縮機(jī)的實(shí)施方式的部分截面透視圖，示出了進(jìn)口通道、轉(zhuǎn)子上的沖擊式葉片、包括具有收斂部和擴(kuò)張部的氣動管道的靜止擴(kuò)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(kuò)壓器的截面圖，該氣動管道具有收斂部和擴(kuò)張部，以及用于起動的進(jìn)口旁路通道和用于邊界層控制的邊界層吸除口，以及鄰近收斂部和擴(kuò)張部的相關(guān)的子氣室和通道。圖6是類似于圖5中首先示出的示例性氣動管道的一部分的放大詳細(xì)視圖，但示出在一個實(shí)施方式中使用通過用于邊界層控制的排氣吸除口進(jìn)行的邊界層吸除，且同時在氣動管道內(nèi)使用渦流發(fā)生器以通過混合來控制邊界層。圖7提供了進(jìn)入沖擊式葉片轉(zhuǎn)子并經(jīng)過擴(kuò)壓器的示例性氣流路徑的周向視圖，該擴(kuò)壓器具有前緣，隨后是各自具有經(jīng)由壓縮斜面(ramp)提供的收斂部和由膨脹斜面示出的擴(kuò)張部的多個氣動管道，并且示出用于起動的旁路吸除通道，和用于激波穩(wěn)定性并用于提高效率的、協(xié)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(kuò)壓器中的氣動管道的前緣，并且還示出經(jīng)由壓縮斜面提供的收斂部和由膨脹斜面示出的擴(kuò)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于前緣后方即下游的分隔壁，在一個實(shí)施方式中該分隔壁可配置為在靜止擴(kuò)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(shí)施方式中前緣可如何設(shè)置成后掠配置，即在流動方向上向后傾斜。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(jī)的實(shí)施方式的立視截面圖，示出用于待壓縮進(jìn)氣的氣體通道，包括具有收斂部和擴(kuò)張部的固定氣動管道的擴(kuò)壓器，用于氣體減速和靜壓累積的蝸殼，以及相關(guān)的變速箱和電動機(jī)。圖10是類似于上面圖3中所示的沖擊式轉(zhuǎn)子的實(shí)施方式的透視圖，但示出使用具有用于葉片的圍帶(shroud)的沖擊式轉(zhuǎn)子，并且在該實(shí)施方式中，還示出轉(zhuǎn)子圍帶的圓周部分的迷宮型密封結(jié)構(gòu)的齒。圖11是類似于上面圖4中所示的壓縮機(jī)的實(shí)施方式的部分截面圖，示出了進(jìn)氣道、具有如圖10中所示的圍帶的沖擊式轉(zhuǎn)子、擴(kuò)壓器，該擴(kuò)壓器包括具有幾何可調(diào)節(jié)收斂部和擴(kuò)張部的氣動管道，并適于改變氣動管道的有效收縮比以便在適當(dāng)位置起動和建立超音速激波，并且還示出使用用于有效控制邊界層現(xiàn)象的渦流發(fā)生器。圖12是如上面圖11中首先示出的位于氣動管道內(nèi)的可調(diào)節(jié)收斂部和擴(kuò)張部的實(shí)施方式的示意性截面圖，進(jìn)一步示出管道的調(diào)節(jié)如何通過調(diào)節(jié)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(kuò)張部的氣動管道的實(shí)施方式的示意性截面圖，包括了靜止擴(kuò)壓器，示出了使用用于起動的氣體去除和旁路系統(tǒng)以及使用用于控制邊界層現(xiàn)象的邊界層吸除系統(tǒng)。圖13A是包括收斂部和擴(kuò)張部的氣動管道的實(shí)施方式的部分截面圖，示出了使用用于起動期間的氣體去除的可開啟門以及使用用于控制邊界層現(xiàn)象的邊界層吸除系統(tǒng)。圖14是類似于上面圖3和11中所示的壓縮機(jī)的實(shí)施方式的部分截面透視圖，示出了進(jìn)氣道、轉(zhuǎn)子上的具有圍帶的沖擊式葉片、包括氣動管道的擴(kuò)壓器，該氣動管道利用上面圖13中所示類型的用于起動的氣體去除系統(tǒng)，并且還示出了使用用于有效控制邊界層現(xiàn)象的邊界層吸除系統(tǒng)。圖15是沿圖1中的線15-15截取的立視截面圖，示出了擴(kuò)壓器入口的實(shí)施方式，這里示出五(5)個氣動管道,并且還示出氣動管道前緣的短高度。
圖16是如同沿圖1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(kuò)壓器的替換性實(shí)施方式的入口，并且還示出氣動管道前緣的短高度。圖17是壓縮機(jī)的實(shí)施方式的概略側(cè)視圖，示出了使用沖擊式葉片轉(zhuǎn)子(未示出可能的附加葉片圍帶)與包括在一個實(shí)施方式中圍繞旋轉(zhuǎn)面螺旋設(shè)置的多個氣動管道的擴(kuò)壓器，并且其中由虛線表示的旋轉(zhuǎn)面基本上呈圓柱形。圖18是壓縮機(jī)的實(shí)施方式的概略側(cè)視圖，示出了使用沖擊式葉片轉(zhuǎn)子(未示出可能的附加轉(zhuǎn)子圍帶)與包括在一個實(shí)施方式中圍繞旋轉(zhuǎn)面設(shè)置成基本上螺旋結(jié)構(gòu)的多個氣動管道的擴(kuò)壓器，并且其中由虛線表示的旋轉(zhuǎn)面基本上呈向外傾斜的截錐形。圖19是壓縮機(jī)的實(shí)施方式的概略側(cè)視圖，示出了使用沖擊式葉片轉(zhuǎn)子(未示出可能的附加圍帶)與包括在一個實(shí)施方式中圍繞旋轉(zhuǎn)面設(shè)置成基本上螺旋結(jié)構(gòu)的多個氣動管道的擴(kuò)壓器，并且其中由虛線表示的旋轉(zhuǎn)面基本上呈向內(nèi)傾斜的截錐形。圖20是附設(shè)于氣動管道的選定表面的渦流發(fā)生器的實(shí)施方式的概略側(cè)視圖，其中渦流發(fā)生器被設(shè)計成生成至少一(I)個渦流，并且這里如粗虛線所示示出從進(jìn)氣流生成兩(2)個渦流。圖21是上面圖20中所示的渦流發(fā)生器的實(shí)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(fā)生器的實(shí)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，這兩個渦流轉(zhuǎn)動并使較小渦流向下翻轉(zhuǎn)靠近氣動管道的選定表面，以便就位于對鄰近選定表面的邊界層做功的位置。圖23是附設(shè)于氣動管道的選定表面的渦流發(fā)生器的實(shí)施方式的概略側(cè)視圖，其中渦流發(fā)生器被設(shè)計成生成至少一(I)個渦流，并且這里如粗虛線所示示出從進(jìn)氣流生成三(3)個渦流。圖24是上面圖23中所示的渦流發(fā)生器的實(shí)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(fā)生器的實(shí)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(zhuǎn)動并使較小的渦流向下翻轉(zhuǎn)靠近氣動管道的選定表面，以便就位于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(kuò)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(yīng)管道供應(yīng)的、用于通過注氣進(jìn)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，示出了用于提供氣體供應(yīng)的管道的使用，該氣體供應(yīng)用于氣體噴口的噴射以在氣動管道中靠近膨脹激波的壁上控制邊界
層的建立。圖28是沿擴(kuò)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于向內(nèi)表面上，并且其中用于起動的吸除空氣通道位于氣動管道的向外表面上的實(shí)施方式，并且還示出多個斜激波結(jié)構(gòu)S1、S2, S3和Sx及正激波Sn，以及使用渦流發(fā)生器控制鄰近氣動管道的徑向內(nèi)表面的邊界層。圖29是沿擴(kuò)壓器中的基本上螺旋形氣動管道的中心線截取的截面圖，其中壓縮斜面位于向外表面上，示出了其中用于起動和建立激波結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定操作的旁路氣體通道位于氣動管道的向內(nèi)表面上的實(shí)施方式，并且還不出多個斜激波結(jié)構(gòu)S1、S2、S3和Sx及正激波Sn，以及使用渦流發(fā)生器控制鄰近氣動管道的內(nèi)表面的邊界層。圖30是沿擴(kuò)壓器中的基本上螺旋形氣動管道的中心線截取的截面圖，其中壓縮斜面位于向外表面和向內(nèi)表面上，并且不出其中用于起動和建立激波結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定操作的旁路氣體通道位于氣動管道的向外表面和向內(nèi)表面上的實(shí)施方式，而且還示出多個斜激波結(jié)構(gòu)S1、S2, S3、S4、S5、S6、S7和Sx及正激波Sn，以及使用渦流發(fā)生器控制鄰近氣動管道的內(nèi)表面的邊界層。圖31是示出擴(kuò)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(zhuǎn)子及其旋轉(zhuǎn)中心線的部分周向視圖，示出了其中壓縮斜面位于向外延伸的后緣表面上，并且其中用于起動和建立激波的穩(wěn)定操作的旁路氣體通道位于收斂的壓縮斜面表面上的實(shí)施方式，并且還示出多個斜激波結(jié)構(gòu)S1、S2, S3和Sx以及正激波Sn。圖32是示出擴(kuò)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(zhuǎn)子及其旋轉(zhuǎn)中心線的部分周向視圖，示出了其中壓縮斜面位于向內(nèi)的前緣表面上，并且其中用于起動的吸除空氣通道位于收斂的壓縮斜面表面上的實(shí)施方式，并且還示出多個斜激波結(jié)構(gòu)S1、S2, S3和Sx以及正激波Sn。圖33是示出擴(kuò)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(zhuǎn)子及其旋轉(zhuǎn)中心線的部分周向視圖，示出了其中壓縮斜面位于向內(nèi)的前緣表面上并且還位于后緣上，而且其中用于起動的吸除空氣通道位于兩方收斂的壓縮斜面表面上的實(shí)施方式，并且還示出多個斜激波結(jié)構(gòu)S1、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(jī)級的高壓氣體提供給第二壓縮機(jī)級的低壓入口以便進(jìn)一步壓縮。圖35是用于壓縮機(jī)中擴(kuò)壓器的氣動管道的一個實(shí)施方式的透視圖，示出了使用兩個渦流發(fā)生器在氣體流過氣動管道時幫助控制邊界層。圖36是示出圖35所示渦流發(fā)生器的詳情的透視圖，并示出在一個實(shí)施方式中的渦流發(fā)生器的高度。圖37是圖35和36所示的渦流發(fā)生器的俯視圖，示出擴(kuò)壓器中渦流發(fā)生器的取向，其中渦流發(fā)生器從擴(kuò)壓器中氣動管道的縱軸的中心線以選定角度進(jìn)行偏置。圖38是用于壓縮機(jī)中擴(kuò)壓器的氣動管道的實(shí)施方式的透視圖，示出使用四個渦流發(fā)生器在氣體流過氣動管道時幫助控制邊界層。圖39是示出圖38所示的渦流發(fā)生器的詳情的透視圖，并示出在一個實(shí)施方式中的渦流發(fā)生器的高度。圖40是圖38和39所示的渦流發(fā)生器的俯視圖，示出了擴(kuò)壓器中渦流發(fā)生器的取向，其中渦流發(fā)生器從擴(kuò)壓器氣動管道的縱軸的中心線以選定角度進(jìn)行偏置。前述附圖僅是示例性的，包含可在利用本文所教導(dǎo)原理的實(shí)際超音速壓縮機(jī)設(shè)計中存在或省略、或者可在這種壓縮機(jī)的多種應(yīng)用中實(shí)施的多種元件。其它壓縮機(jī)設(shè)計可使用稍微不同的氣動結(jié)構(gòu)、機(jī)械布置或處理流程配置，而仍采用文中所述或所提供的附圖中示出的原理。已嘗試采用示出至少對于理解示例性超音速壓縮機(jī)設(shè)計而言重要的元件的方式繪制附圖。這種細(xì)節(jié)對于提供用于工業(yè)系統(tǒng)的高效超音速壓縮機(jī)設(shè)計應(yīng)該是有用的。應(yīng)當(dāng)理解的是，在由權(quán)利要求限定的本文的教導(dǎo)的保護(hù)范圍和覆蓋范圍內(nèi)，可根據(jù)其教導(dǎo)利用各種特征，因?yàn)槿Q于例如被處理氣體的溫度和壓力等使用狀態(tài)，該特征對于各種氣體壓縮應(yīng)用是必需或有用的，因此會在不同實(shí)施方式中有用。
具體實(shí)施例方式提供以下詳細(xì)說明及其涉及的附圖用于說明并圖解在此闡述的本發(fā)明的各方面的一些實(shí)例和具體實(shí)施方式
，而不是為了詳盡說明以下說明并要求的本發(fā)明的各方面的全部可能的實(shí)施方式和實(shí)例。因此，本詳細(xì)說明不且不應(yīng)以任何方式解釋為限制在本申請或在任何相關(guān)申請或作為結(jié)果的專利中要求的本發(fā)明的保護(hù)范圍。為了便于對本文所公開主題的理解，如以下所闡述的使用許多術(shù)語、縮略語或其它速記名稱。這些定義的意圖僅在于補(bǔ)充本領(lǐng)域技術(shù)人員共同的用法。未以其它方式定義的任何術(shù)語、縮略語或速記名稱均應(yīng)理解為具有與本文件首次提交的同時期本領(lǐng)域技術(shù)人員所使用的普通意義。在本公開中，術(shù)語“氣動的”應(yīng)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(guān)設(shè)備內(nèi)的其它氣體的處理。因此，更廣泛地，術(shù)語“氣動的”在此應(yīng)被理解為包括空氣之外的氣體的氣體動力學(xué)原理。例如，可使用所述裝置壓縮各種相對純凈的氣體，或者氣體元素和/或化合物的多種混合物，且因此如可應(yīng)用的，術(shù)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(shù)語“擴(kuò)壓器”可用于描述被設(shè)計用于降低以超音速進(jìn)入的氣體的速度并增加該氣體的壓力的裝置。擴(kuò)壓器可采用一個或更多氣動管道，當(dāng)使用多個氣動管道時，這些氣動管道將進(jìn)氣分成更小的流動以便處理。這樣的擴(kuò)壓器中的氣動管道可包括(a)超音速擴(kuò)壓器部，其可采取總體上具有逐漸減小的橫截面積的收斂部的形式，并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(kuò)壓器部，其可采取具有朝向最終的亞音速擴(kuò)壓器橫截面積逐漸增加的橫截面的擴(kuò)張部的形式，并使來自氣體速度的動能轉(zhuǎn)換為氣體的靜壓。術(shù)語“沖擊式葉片”可用于描述用以使氣體流動加速的具有特征幾何形狀的葉片，其中將動能給予經(jīng)過的氣體，而在理論極限，不將壓力增加給予經(jīng)過的氣體。因此，在如本文所述的沖擊式葉片中，由沖擊式葉片對氣流做的功主要導(dǎo)致速度增加，而不是主要導(dǎo)致壓力增加。經(jīng)過沖擊式葉片的氣流速度增加是通過改變氣流方向而實(shí)現(xiàn)的。術(shù)語“進(jìn)口”在此可用于定義被設(shè)計用于接收流體流動，且更具體為氣體流動的開口。例如，在超音速壓縮機(jī)的擴(kuò)壓器的氣動管道中，氣動管道具有進(jìn)口，該進(jìn)口具有形狀被設(shè)置成捕獲并吸入待壓縮氣體的進(jìn)口橫截面積。進(jìn)口可具有多種形狀，在此提供幾種示例性形狀。術(shù)語“啟動”可用于定義起動氣流并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的超音速氣流的過程，該超音速氣流經(jīng)過收斂部且流入從氣動管道的喉部向下游延伸的、具有總體上增加的橫截面積的擴(kuò)張部的至少一部分。更具體地，啟動是一種狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)，其中給定被壓縮氣體的質(zhì)量流量、進(jìn)口馬赫數(shù)和壓力比，在氣動管道內(nèi)的期望位置穩(wěn)定地形成限定氣流的超音速狀態(tài)與亞音速狀態(tài)之間的邊界的激波。一般地，本文所述的各種結(jié)構(gòu)和/或系統(tǒng)可用于啟動，以便進(jìn)行在氣動管道中啟動操作并建立穩(wěn)定激波系的過程。在各種實(shí)施方式中，可設(shè)置可變幾何形狀進(jìn)口，使得能夠通過氣動管道內(nèi)的喉部吞入激波，從而使氣動管道起動。在其它實(shí)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(jīng)過氣動管道內(nèi)的喉部吞入激波而提供啟動。在其它實(shí)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(nèi)部繞過喉部。這種氣流可被再引入氣動管道的擴(kuò)張部中。流經(jīng)氣動管道喉部的減少的氣流允許氣動管道的起動。當(dāng)處于啟動配置時氣動管道的性能與在沒有可調(diào)氣流并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(shí)現(xiàn)啟動并建立了穩(wěn)定的超音速流，則用于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(jié)構(gòu)可關(guān)閉或返回操作位置或操作狀態(tài)。此后，在操作配置中，本文所述的壓縮機(jī)提供其中即使采用單個壓縮級時仍實(shí)現(xiàn)高壓力比恢復(fù)的氣動管道。術(shù)語“未起動狀態(tài)”在此可用于描述一種流動狀態(tài)，待壓縮氣體在該流動狀態(tài)下以比在壓縮機(jī)設(shè)計狀態(tài)下低得多的效率流過進(jìn)口，并且其中一些甚至大部分進(jìn)入氣體可被進(jìn)口排斥而不是適當(dāng)?shù)匚胗糜趬嚎s機(jī)的有效運(yùn)行。在各種實(shí)施方式中，在未起動狀態(tài)期間，在氣動管道內(nèi)激波的設(shè)計范圍位置，不會適當(dāng)建立具有穩(wěn)定激波的超音速流動狀態(tài)。術(shù)語“VG”可用于表示渦流發(fā)生器。 現(xiàn)在參考圖1，示出了超音速壓縮機(jī)40的示例性設(shè)計。壓縮機(jī)40可利用轉(zhuǎn)子42，轉(zhuǎn)子42具有旋轉(zhuǎn)軸44和例如驅(qū)動軸45以及伸入氣流通道48內(nèi)的多個葉片46。葉片46的尺寸和形狀可設(shè)置成作用于選定的進(jìn)氣50從而提供超音速氣流52。設(shè)置有擴(kuò)壓器54。在一個實(shí)施方式中，擴(kuò)壓器54可圍繞縱軸55 (在圖1中以中心線Q示出)布置并設(shè)置成接收超音速氣流52。在一個實(shí)施方式中，擴(kuò)壓器54可設(shè)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(biāo)進(jìn)一步分別地識別為第一氣動管道561、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，并且在圖16中對于可在特定擴(kuò)壓器54設(shè)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(shè)置數(shù)目N個氣動管道56和數(shù)目B個葉片46，其中葉片46的數(shù)目B和氣動管道56的數(shù)目N不相等，以便避免不利的諧波效應(yīng)。盡管在各種現(xiàn)有技術(shù)壓縮機(jī)設(shè)計中一般認(rèn)為可接受N減一(N-1)或N加一(N+1)的數(shù)目B個葉片46以避免不利的諧波效應(yīng)，然而本文注意到通過最少化氣動管道56的數(shù)目，且更具體地通過減少暴露于超音速進(jìn)氣流的組件數(shù)目來減少氣動損失。因此，在一個實(shí)施方式中，葉片46的數(shù)目可顯著超過氣動管道56的數(shù)目，從而減少暴露于超音速流的組件。然而，應(yīng)選擇葉片46的數(shù)目B與氣動管道56的數(shù)目N之間的任何比值來避免不利的諧波效應(yīng)。氣動管道56各個包括收斂部58和擴(kuò)張部60。在一個實(shí)施方式中，轉(zhuǎn)子42可配置有使進(jìn)氣50轉(zhuǎn)向的葉片46，從而以相對于一個或更多下游氣動管道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(shí)施方式中，但不加限制,角beta(β )可以設(shè)置為零度(0° )，其中氣流52的方向與氣動管道56的中心線Cui對齊，因此在氣流52的方向與一個或更多下游氣動管道56的中心線C111之間提供唯一的入射角。換言之，在一個實(shí)施方式中，由于氣流52的方向與在其內(nèi)出現(xiàn)氣流52的氣動管道56的中心線Cld相一致(match)，因此提供唯一的入射角。然而，應(yīng)理解，不如此精確對齊的配置也是可行的，但必須注意如果氣流出口角beta ( β )不與氣動管道56對齊，那么將形成一系列激波或膨脹波(expansion fans)(取決于來流的相對攻角是正還是負(fù))以使流動轉(zhuǎn)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(dǎo)致促成總壓縮效率下降的總壓損失，并降低葉片46的給定速度所能達(dá)到的總壓縮機(jī)比。作為實(shí)例，分別在約2. O至約3. O的入流馬赫數(shù)范圍內(nèi)的約11. O至約8. O度的流動出口(或“入射”)角beta (β)的變化，導(dǎo)致約三(3)個百分點(diǎn)的效率損失。這樣的增加損失和相應(yīng)的級效率降低在各種應(yīng)用中是可接受的。然而，除導(dǎo)致壓力和效率損失的激波或膨脹波情況之外，根據(jù)激波系的強(qiáng)度和與之相互作用的邊界層系統(tǒng)的厚度，可能出現(xiàn)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(shè)計工況變得更嚴(yán)重。并且，可預(yù)期從葉片46，尤其在其后緣，反射出不利的激波和伴隨而來的壓力特征，潛在地提高應(yīng)力并降低葉片46的壽命。因此，盡管不是限制性的，趨向于使流動出口角beta (β)與氣動管道56的中心線Cld密切對齊的實(shí)施方式被認(rèn)為是最優(yōu)的。如在圖1所示，轉(zhuǎn)子42和擴(kuò)壓器54共同提供壓縮級。在需要進(jìn)一步壓縮的情況下，可采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1所示，在一個實(shí)施方式中，擴(kuò)壓器54可在其中包括使激波啟動的一個或多個結(jié)構(gòu)，以及提供邊界層阻力控制的一個或多個結(jié)構(gòu)，這些在下面將做更完整陳述。在一個實(shí)施方式中，提供旁路氣體通道62從而在啟動狀態(tài)期間去除進(jìn)氣流52的一部分，以便調(diào)整相關(guān)氣動管道56的有效收縮比。以此方式，氣動管道56可設(shè)計用于高壓縮比下的操作，且仍適應(yīng)于最終實(shí)現(xiàn)向高壓縮比操作的轉(zhuǎn)變的、在氣動管道56內(nèi)的穩(wěn)定超音速激波系的啟動。在一個實(shí)施方式中，氣動管道56可包括一個或多個邊界層控制結(jié)構(gòu)，例如圖1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(jìn)一步描述，邊界層控制可由一種或更多其它或另外的結(jié)構(gòu)提供，例如由用于通過注氣而激勵邊界層的進(jìn)氣噴口 70 (參見圖26和27)提供，和/或由渦流發(fā)生器72或74 (參見例如圖20,23和28)提供。

現(xiàn)在參考圖2，作為詳細(xì)設(shè)計而不做限制的實(shí)例，對于在超音速壓縮機(jī)的選定設(shè)計范圍內(nèi)的設(shè)計的實(shí)施方式描述了流動情況。轉(zhuǎn)子42包括沖擊式葉片46，在參考箭頭78表示的方向上移動。轉(zhuǎn)子42中沖擊式葉片46的使用使進(jìn)氣流能夠有效轉(zhuǎn)向，尤其在采用具有尖銳前緣80和尖銳后緣94的具有葉片46的轉(zhuǎn)子42時。在轉(zhuǎn)子42上游的位置Α，可在轉(zhuǎn)子42之前遇到小的切向速度(與如下所述的離開轉(zhuǎn)子42之后的切向速度相比較)，如在云狀注釋圖82中的速度圖所示。在轉(zhuǎn)子42的進(jìn)入平面上，即在位置B上，氣體速度被加速，如在云狀注釋圖84中的速度圖所示。在轉(zhuǎn)子42的離開平面，即在位置C上，氣體已部分加速并移動，如在云狀注釋圖86中的速度圖所示。最終，在從轉(zhuǎn)子42離開之后，在位置D，氣體速度如在云狀注釋圖88中的速度圖所示。基本上，具有沖擊式葉片的轉(zhuǎn)子42允許進(jìn)氣50通過角度alpha (α)而高度轉(zhuǎn)向。此外，如在云狀注釋圖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628英尺的Vd $_)、在位置D的切向速度(約每秒2004. 3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2157. 6英尺的VD)，因此在氣流52進(jìn)入擴(kuò)壓器54的氣動管道56時是超音速的。因此，如圖1所示，在一個實(shí)施方式中，進(jìn)入擴(kuò)壓器54氣動管道56中的氣流52的所期望的超音速速度，由通過葉片46的氣體與轉(zhuǎn)子42的切向旋轉(zhuǎn)的速度組合而實(shí)現(xiàn)。在例如圖1中圖解的超音速壓縮機(jī)40的實(shí)施方式中，經(jīng)過轉(zhuǎn)子42的葉片46的選定進(jìn)氣可被轉(zhuǎn)向至少九十(90)度的角度alpha ( α )。在壓縮機(jī)40的實(shí)施方式中，經(jīng)過轉(zhuǎn)子42的選定進(jìn)氣可被轉(zhuǎn)向至少一百(100)度的角度alpha ( α )。在壓縮機(jī)40的實(shí)施
方式中，經(jīng)過轉(zhuǎn)子42的葉片46的選定進(jìn)氣可被轉(zhuǎn)向至少一百--h(110)度的角度alpha
(α )。在壓縮機(jī)40的實(shí)施方式中，經(jīng)過轉(zhuǎn)子42的葉片46的選定進(jìn)氣可被轉(zhuǎn)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)度與約一百一十四(114)度之間。用于超音速壓縮機(jī)的各種沖擊型葉片的示例性設(shè)計的詳情可由本領(lǐng)域技術(shù)人員從各種來源中找到。有幫助的參考可包括Louis J. Goldman的標(biāo)題為“Analytical Investigation of Supersonic Turbomachinery Blading - SectionI1- Analysis of Impulse Turbine Blade Sections (超音速潤輪機(jī)葉片的分析研究-第二部分-沖擊式渦輪葉片部分的分析)”的NASA報告，其作為報告No. NASA-TN-D-4422于1968年4月I日發(fā)表，其通過引用的方式結(jié)合入本文，并且讀者可為實(shí)施本文中進(jìn)一步教導(dǎo)的超音速壓縮機(jī)設(shè)計中的沖擊式葉片而在該報告中參考另外的背景。如圖3所示，在一個實(shí)施方式中，轉(zhuǎn)子42中多個葉片46中的各個可具有轂端90、尖端92和后緣94。在一個實(shí)施方式中，葉片46在其后緣94具有超音速氣流52。在一個實(shí)施方式中，在后緣94 的超首速氣流可從戚端90到達(dá)后緣94的尖端92。如圖10和11所示，在一個實(shí)施方式中，轉(zhuǎn)子100可設(shè)置成具有用于葉片103的圍帶102。轉(zhuǎn)子100上的這種帶有圍帶的葉片103，將被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解為葉片103上的從轂端104到后緣108的尖端106的超音速氣流，其他方面如上所述。在一個實(shí)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、干氣密封、刷式密封等，轉(zhuǎn)子100可關(guān)于下游氣動管道例如管道162被有效密封，以使氣體在其間流動期間的漏氣最小化?？鐖D1中剖面線5-5的擴(kuò)壓器54的截面在圖5中示出。如在該實(shí)施方式中所示，采用五(5 )個氣動管道，更具體地為氣動管道561、562、563、564和565，各自具有收斂部58和擴(kuò)張部60。進(jìn)口旁路氣體通道62被示出為，可通過去除排氣113而有利于起動，如圖6中功能性圖解并如下面參考圖6進(jìn)一步討論的。如在圖5和6中圖解，子氣室114、1142、1143、1144和1145被不作用于來自各自相關(guān)聯(lián)的氣動管道56^56^6^564和565的排氣113的運(yùn)輸管。這里示出以邊界層吸除口 64的形式設(shè)置的邊界層控制結(jié)構(gòu)，通過去除吸除氣121而用于邊界層控制。邊界層吸除子氣室1225被示作用于來自各自相關(guān)氣動管道56^56^56^564和565的邊界層吸除氣體121的運(yùn)輸管。通常，用于處理排氣113的子氣室IH1UH2UH3UH4和1145和用于處理吸除氣121的子氣室122pl222、1223、1224和1225可從它們各自的氣動管道56向內(nèi)設(shè)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(jìn)口旁路氣體通道62的使用被示為可在壓縮機(jī)的起動期間用于去除排氣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中而用于邊界層控制，該控制可發(fā)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(nèi)示出示例性的渦流發(fā)生器74，用于通過使邊界層氣流與更遠(yuǎn)離表面123的更高速氣流混合來控制邊界層?？稍谌魏翁囟ㄔO(shè)計中合理采用多個不管是具有本文中描述的具體設(shè)計的或選自本領(lǐng)域技術(shù)人員之前所知的一個或更多渦流發(fā)生器配置的渦流發(fā)生器。
在一個實(shí)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(tài)與使所排放的旁路氣體113的流動最小化或停止的關(guān)閉、操作狀態(tài)之間定位。子氣室114可設(shè)置為收集旁路氣體113，其中出口閥116調(diào)節(jié)所收集的旁路氣體118經(jīng)外部通道120向外通過。在這樣的實(shí)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(shí)施方式中，所收集的旁路氣體118可以如虛線118’所示返回進(jìn)口通路48?；蛟诳諝鈮嚎s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(shí)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(jīng)的(見于圖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(guān)閉位置之間定位。例如，邊界層吸除子氣室122可示為用于收集吸除氣體121，其中出口閥124用于使所收集的吸除氣126經(jīng)外部管線128向外通過。在這樣的實(shí)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(shí)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(jìn)行再循環(huán)，返回進(jìn)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(shí)施方式中，如在圖13和14中所見，壓縮機(jī)可設(shè)置成使用由內(nèi)部氣體通道外殼133的內(nèi)壁131所劃定的內(nèi)部起動芳路氣體通道130。在這樣的構(gòu)造中，內(nèi)部芳路氣體通道130在氣動管道132內(nèi)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，并如圖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(dá)其擴(kuò)張部138。在一個實(shí)施方式中，鉸接進(jìn)口門140可具有致動器聯(lián)桿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逸出然后如圖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(lián)桿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，其示出用于在氣動管道132中實(shí)現(xiàn)超音速激波啟動的另一實(shí)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(shí)施方式中，致動器158可設(shè)置為如參考箭頭158i (打開)和1582 (關(guān)閉)所示般來回移動，以使用聯(lián)桿1583使旁路出口門155繞樞軸銷155i轉(zhuǎn)動，而開啟和關(guān)閉旁路出口門155。由參考箭頭157i標(biāo)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(shí)施方式中，制動器158不是圍壁，參考箭頭157i所示的逸出旁路氣可隨意地如參考箭頭1614和162B所示向外傳送至旁路氣體通道壁159。一旦加壓，旁路氣體如參考箭頭1572所示通過擴(kuò)大的喉部開口 O2和之后的喉部開口 O2下游而逸出。在啟動配置時喉部O2的擴(kuò)大面積A2 (未示出，但對應(yīng)于喉部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游經(jīng)過氣動管道132，如由參考箭頭1572表示。在一個實(shí)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所示用于邊界層吸除。更概括地，超音速激波的起動是通過打開例如旁路出口門155的旁路氣體通道，然后使葉片46達(dá)到全速而建立的。然后，旁路出口門可平穩(wěn)關(guān)閉從而使氣動管道132的喉部O1進(jìn)入為氣動管道132建立設(shè)計收縮比的設(shè)計面積狀態(tài)。在這一點(diǎn)上，允許背壓即在氣動管道132的擴(kuò)張部138中的靜壓升高，從而為操作建立起設(shè)計排出壓力。在操作期間采用邊界層控制結(jié)構(gòu)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(jī)，降低背壓，關(guān)閉葉片46的驅(qū)動，并允許壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)而停止。參考圖11和12，在一個實(shí)施方式中的壓縮機(jī)可在氣動管道162中使用幾何可調(diào)節(jié)部分160。如在圖11和12中所見，幾何可調(diào)節(jié)部分160可在兩個位置之間定位，一個位置用于虛線示出的具有較大喉部O2面積A2的啟動狀態(tài)，其中收斂部164允許增加的選定氣體流過氣動管道162，另一位置用于操作狀態(tài)，其中收斂部164設(shè)定至實(shí)線示出的具有喉部O1面積A1的選定操作位置。將幾何可調(diào)節(jié)部分160調(diào)節(jié)到操作位置并因此提供圖12中實(shí)線示出的較小喉部O1面積A1，允許進(jìn)行比幾何可調(diào)節(jié)部分160處在圖12中虛線163所示的啟動位置并具有喉部O2面積A2時更高壓縮比的操作。即，幾何可調(diào)節(jié)部分160移動從而改變氣動管道162的收縮比。在多種實(shí)施方式中，一個或更多的幾何可調(diào)節(jié)部分160可對于具體的壓縮機(jī)設(shè)置在一個或更多的氣動管道162中。如圖12所示，在一個實(shí)施方式中，幾何可調(diào)節(jié)部分160的調(diào)整可包括使管道162的收斂部164與擴(kuò)張部166的長度延伸長度L。在一個實(shí)施方式中，這樣的調(diào)整可通過使用樞軸銷167實(shí)現(xiàn)。在一個實(shí)施方式中，在錨定件168與連接點(diǎn)170之間延伸的致動器166可設(shè)置成移動幾何可調(diào)節(jié)部分160，并允許例如在樞軸銷167處的移動?，F(xiàn)在返回到邊界層控制結(jié)構(gòu)，在一個實(shí)施方式中，這樣的結(jié)構(gòu)可以配置成在擴(kuò)壓器54的多個氣動管道54中的邊界層吸除口 64，例如在圖1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1或4所示的氣動管道中擴(kuò)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(shí)施方式中所標(biāo)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(jīng)過。盡管示出邊界層吸除口 64在擴(kuò)張部60中，這樣的吸除口可設(shè)置在氣動管道56的其它圍壁中，例如徑向向外的部分，或側(cè)壁，或在其它徑向向內(nèi)的部分上。在另一實(shí)施方式中，可通過使用邊界層控制結(jié)構(gòu)而提供邊界層控制，例如在圖26和27中所示的進(jìn)氣噴口 70 (注意進(jìn)氣噴口 70也可被描述為進(jìn)氣噴嘴)。在一個實(shí)施方式中，進(jìn)氣噴口 70可取向?yàn)?，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并由此激勵邊界層174。如圖26所示，在一個實(shí)施方式中，由室壁182所劃定的注氣室180可設(shè)置為與一個或更多氣動管道56鄰近。注氣室180與進(jìn)氣噴口 70流體連通，并且注氣室180配置為使將要通過進(jìn)氣噴口 70而注入的氣體流經(jīng)其中。因此在一個實(shí)施方式中，配置為進(jìn)氣噴口 70的邊界層控制結(jié)構(gòu)在一個或更多氣動管道56中與邊界面184或185鄰近設(shè)置。如圖26和27所示，進(jìn)氣噴口 70可被設(shè)置成，在與氣體176經(jīng)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(jìn)氣噴口 70的尺寸和形狀設(shè)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(jìn)氣噴口 70的氣體172注入到該邊界層174中。在一個實(shí)施方式中，注氣噴口 70可設(shè)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的氣體以高于邊界層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的下游并鄰近表面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引出并進(jìn)入邊界層174的方式定位和成形。在一個實(shí)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中并且沿表面185，從而重激勵邊界層174的壓力分布，因此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(shí)施方式中，表面185可以是在注氣噴口 70下游的基本平滑并連續(xù)的表面?，F(xiàn)在參考圖20至圖25，在一個實(shí)施方式中，邊界層控制結(jié)構(gòu)可設(shè)置為渦流發(fā)生器，例如渦流發(fā)生器72和74。此外，如圖11所示，渦流發(fā)生器72可設(shè)置在氣動管道162的收斂部164上。同樣，渦流發(fā)生器74可設(shè)置在氣動管道162的擴(kuò)張部165上。如圖20所示，渦流發(fā)生器72可包括具有前端202和前緣204且安裝于合適表面201的基部200，其中前緣204向外和向后延伸，即在從基部的前端202到外端206的下游方向上延伸。在一個實(shí)施方式中，前緣204包括沿前緣204的至少一個有角度不連續(xù)段210，用于生成至少一個渦流。在一個實(shí)施方式中，前緣204包括在基部200上方高度H1的第一有角度不連續(xù)段210，以及在基部200上方高度H2的第二有角度不連續(xù)段212，用于生成兩個渦流。如圖23中所示的渦流發(fā)生器74，在一個實(shí)施方式中，前緣204包括在基部200上方高度H1的第一有角度不連續(xù)段210，在基部200上方高度H2的第二有角度不連續(xù)段212，以及在基部200上方高度H3的第三有角度不連續(xù)段214，用于生成三個渦流。在多種實(shí)施方式中，多個渦流發(fā)生器72和/或74可設(shè)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1中圖解的相似氣動管道56的每一個中?？梢砸陨鲜鲂路f的配置、或者以之前已知的能被本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的配置來設(shè)置渦流發(fā)生器，或以上述兩者中任一種配置的其他變化來設(shè)置渦流發(fā)生器。在一個實(shí)施方式中，渦流發(fā)生器可設(shè)置成具有為高度H2減高度H1的結(jié)果的約1.6倍的高度氏。在一個實(shí)施方式中，高度H2可以是高度H3減高度H2的結(jié)果的約1. 6倍。因此，在一個實(shí)施方式中，在各自的多渦流實(shí)施方式中用來生成渦流的渦流發(fā)生器中，不連續(xù)段的高度比可以是約1. 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PhiCf )指代。關(guān)于渦流強(qiáng)度，如果高度比等于phi(cp),那么強(qiáng)度比，即在第一與第二渦流之間的可比強(qiáng)度應(yīng)等于(f) —\通常，如圖21和22之間并同樣在圖24和25中所示，在渦流發(fā)生器的設(shè)計中，有用的技術(shù)可以是使用較大、和較強(qiáng)的渦流，即V1，使較小渦流即V2向表面201轉(zhuǎn)動。同樣，具有三個渦流時，這樣的技術(shù)包括使較大、較強(qiáng)的渦流即V1和V2轉(zhuǎn)動從而向表面201驅(qū)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(yùn)送使較高能量流體與邊界層混合。合適的渦流發(fā)生器設(shè)計中的進(jìn)一步變化在圖35 40中示出。在多種渦流發(fā)生器配置中，可以設(shè)置一個或更多渦流發(fā)生器，例如圖35中所示的兩個渦流發(fā)生器190和191。渦流發(fā)生器190和191分別各自生成單個渦流，即V19tl和V191。如圖35所示，渦流發(fā)生器190和191位于氣動管道56的擴(kuò)張部60中?；蛘呷鐖D37所示(或者另外地)，渦流發(fā)生器190和191可以位于氣動管道56的收斂部58中。如圖36所示，一個或更多渦流發(fā)生器例如渦流發(fā)生器190和191中的每一個均具有基部193，該基部193具有前端194和向外延伸至外端196的前緣195。在一個實(shí)施方式中，前緣195可以包括有角度不連續(xù)段，以使得渦流發(fā)生器190或191能夠各自生成單個渦流，例如圖35中所示的渦流V19tl或V191，其中該渦流被配置成控制氣動管道56中氣流52的邊界層(未示出)。如圖36所示，在一個實(shí)施方式中，外端196可以設(shè)置在基部193上方的高度Hz處。在例如圖36所示的實(shí)施方式中，氣動管道56具有高度HD，而基部193上方的外端196的高度Hz是高度Hd的約百分之五十(50%)或更少。例如，不加限制，在一個實(shí)施方式中，氣動管道56的高度Hd可配置成為約O. 264英寸，而基部193上方的外端196的高度Hz可以為約O. 133英寸。用于渦流發(fā)生器190和191的可用配置的其他詳情在圖37中提供?？梢钥闯?，渦流發(fā)生器190和191可以分別從氣動管道56的縱向中心線Cu)以角Sigma1 (Σ J和Sigma2(Σ2)進(jìn)行偏置。在一個實(shí)施方式中，角sigmai (E1)和Sigma2 (Σ2)可以各自為約二十度(20° )。在一個實(shí)施方式中，寬度We的間隙可以設(shè)置在上游即渦流發(fā)生器190與191的前端194之間，為約零點(diǎn)三三(O. 33)英寸。在一個實(shí)施方式中，渦流發(fā)生器190和191可以設(shè)置成合適的長度，以實(shí)現(xiàn)對可達(dá)到所期望的邊界層控制結(jié)果的渦流V19tl和V191的尺寸定型。在一個實(shí)施方式中，不加限制，渦流發(fā)生器190和191可以設(shè)置成例如約O. 53英寸的長度L19Q。在這樣的實(shí)施方式中，不加限制，渦流發(fā)生器190和191可以設(shè)置成具有約O. 07英寸的基部193的寬度W19(l。參考圖38，示出了一個實(shí)施方式，其中氣動管道56設(shè)置有四個渦流發(fā)生器186、187、188和189。渦流發(fā)生器186、187、188和189中的每一個均分別產(chǎn)生單個渦流，即V186、
V187、Vl88、和 Vl89。如圖39所示 ，一個或更多渦流發(fā)生器例如渦流發(fā)生器186、187、188和189中的每一個都具有基部193，該基部193具有前端194和向外延伸至外端196的前緣195。在一個實(shí)施方式中，前緣195可以包括有角度不連續(xù)段，以使得渦流發(fā)生器186、187、188和189能夠各自生成單個渦流，例如圖38中所示的渦流，其中該渦流被配置成控制氣動管道56中氣流52的邊界層(未示出)。如圖39所示，在一個實(shí)施方式中，外端196可以設(shè)置在基部193上方的高度Hz處。在例如圖36所示的使用四個渦流發(fā)生器186、187、188和189的實(shí)施方式中，氣動管道56可設(shè)置成具有高度HD，而基部193上方的渦流發(fā)生器186、187、188和189的外端196的高度Hz是高度Hd的約百分之二十五(25%)或更少。例如，不加限制，在一個實(shí)施方式中，氣動管道56的高度Hd可以配置成為約O. 264英寸，而基部193上方的外端196的高度Hz可以為約O. 067英寸。用于渦流發(fā)生器186、187、188和189的可用配置的其他詳情在圖40中提供?？梢钥闯?，渦流發(fā)生器186和187可以分別從氣動管道56的縱向中心線C111以角Sigma3 (Σ 3)和Sigma4 (Σ 4)進(jìn)行偏置。在一個實(shí)施方式中，角Sigma3 (Σ 3)和Sigma4 (Σ 4)可以各自從約十五度(15° )到約二十度(20° )。在一個實(shí)施方式中，寬度We的間隙可以設(shè)置在上游即渦流發(fā)生器186與187的前端194之間，為約零點(diǎn)六六(O. 66)英寸。在一個實(shí)施方式中，渦流發(fā)生器186、187、188和189可以設(shè)置成合適的長度，以實(shí)現(xiàn)對可達(dá)到所期望的邊界層控制結(jié)果的渦流V186、V187、V188或V189的尺寸定型。在一個實(shí)施方式中，不加限制，渦流發(fā)生器186、187、188和189可以設(shè)置成例如約零點(diǎn)二六六(O. 266)英寸的長度L187。在這樣的實(shí)施方式中，不加限制，渦流發(fā)生器186、187、188和189可以設(shè)置成具有約O. 07英寸的基部193的寬度W187。
在多種實(shí)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1中所示的靜止擴(kuò)壓器54)中，并可包繞沿中心線Qs所示的縱軸。在一個實(shí)施方式中，如圖17所示，靜止擴(kuò)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(shí)施方式中，氣動管道56可繞定子中心線Qs示出的縱軸以基本恒定的螺旋角Psi (Ψ)而在鄰近位置上螺旋形布置。或者，氣動管道56的取向可使用補(bǔ)償超前角delta (Λ)來描述，如圖17所示。在這樣的實(shí)施方式中，第一氣動管道56i的中心線Cui以及第二氣動管道562 (以及實(shí)施方式中其它管道)的中心線C111可以平行。在多種實(shí)施方式中，可采用在約四十五度(45° )至約八十度(80° )的范圍內(nèi)的螺旋角Psi ( Ψ)。在本文公開的設(shè)計中，在氣動管道例如圖17中的56i中接收氣體，而不使如圖1所示從葉片46輸送而來的氣流轉(zhuǎn)向可能是有利的。在圖18所示的不同設(shè)計中，擴(kuò)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(kuò)張的錐形段上。在另一不同的可替換實(shí)施方式中，如圖19所示，擴(kuò)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(nèi)縮減的錐形段上?？傊?，如可從圖9中部分設(shè)想到的，超音速氣體壓縮機(jī)230可設(shè)置為用于壓縮選定氣體232，其中壓縮機(jī)230包括具有低壓氣體進(jìn)口 236和高壓氣體出口 238的外殼234?？稍跀U(kuò)壓器54的下游采用渦殼或收集器239從而進(jìn)一步在高壓氣體240中將動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗?。如圖1所示，具有葉片46的轉(zhuǎn)子42(或如在圖10和11中示出的轉(zhuǎn)子100上的有圍帶葉片103)可設(shè)置為作用于選定氣體232，從而賦予其速度，以向包括一個或更多氣動管道56的擴(kuò)壓器54提供超音速氣 流52(參見圖1)。如圖9所示，也可規(guī)定在擴(kuò)壓器54下游設(shè)置消渦器(deSWirler)57，從而在需要時使氣流轉(zhuǎn)向軸向方向。然而，與消渦器57相關(guān)的損失可以在一些實(shí)例中避免，并在如圖9所示排放到渦殼239時可以是任選的。具有葉片46的轉(zhuǎn)子42 (或轉(zhuǎn)子100上的有圍帶葉片103，如圖10和11所示)可由驅(qū)動器241 (例如電動機(jī)或其它動力源)通過轉(zhuǎn)軸238來驅(qū)動，驅(qū)動器類型和尺寸，以及相關(guān)驅(qū)動系統(tǒng)組件例如變速箱242或軸承244等的挑選可由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)具體應(yīng)用而選擇。如圖28中可見，示例性氣動管道568可設(shè)置在圖1所示類型的靜止擴(kuò)壓器54中。在一個實(shí)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(kuò)張部59 (此處示出在氣動管道568的徑向向內(nèi)側(cè)上分別由斜面246和248提供)，其中當(dāng)氣體從超音速狀態(tài)(馬赫>1)經(jīng)過氣動管道568到亞音速狀態(tài)(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(shè)計成，即尺寸和形狀設(shè)置成用于一定的進(jìn)口相對馬赫數(shù)，該進(jìn)口相對馬赫數(shù)用于與在設(shè)計操作范圍內(nèi)選定的設(shè)計操作點(diǎn)相關(guān)的操作，該設(shè)計操作范圍用于選定的氣體成分、氣量和氣體壓縮比。壓縮機(jī)設(shè)計可以為選定的質(zhì)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(guān)的某些進(jìn)氣狀態(tài)(或這樣狀態(tài)的預(yù)期范圍)，這些必須在設(shè)計中加以考慮。進(jìn)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(yù)期氣體可依據(jù)組成來分類。在以給定進(jìn)口氣壓起動時，可能期望實(shí)現(xiàn)特定的最終壓力，因此必須為具體的壓縮機(jī)設(shè)計選擇期望的氣體壓縮比。給定設(shè)計約束，例如氣體成分、氣體質(zhì)量流量、進(jìn)口狀態(tài)和期望的出口狀態(tài)，用于具體壓縮機(jī)的氣動管道必須將尺寸和形狀設(shè)置用于以選定的進(jìn)口馬赫數(shù)和氣體壓縮比運(yùn)行。本文中描述的設(shè)計允許使用高氣體壓縮比，尤其與缺少調(diào)整有效收縮比的能力的自起動壓縮機(jī)設(shè)計相比較。因此，本文中提供的設(shè)計在可起動的氣動管道中于操作期間，提供關(guān)于吞咽(swalllow)激波結(jié)構(gòu)并建立穩(wěn)定的超音速激波配置的壓縮，而保留使高壓力比運(yùn)行成為可能的設(shè)計特征，包括斜激波結(jié)構(gòu)和喉部尺寸，從而支持設(shè)計的吞吐量和壓縮壓力比。如圖28所示，在一個實(shí)施方式中，旁路氣流通道可設(shè)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(cè)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(shí)施方式中，可選擇如本文中所描述的合適的邊界層控制結(jié)構(gòu)，例如使用多個渦流發(fā)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(shè)置在靜止擴(kuò)壓器54中，如圖1所示。圖29所示的氣動管道569可螺旋包繞擴(kuò)壓器54的縱軸，例如就像在本圖29中提供的截面是沿著圖1中氣動管道562示出的中心線C111而取得的。如圖29所示，氣動管道569包括收斂部58和擴(kuò)張部60 (這里示出在氣動管道569的徑向向外側(cè)面上分別設(shè)置有斜面260和262)，其中當(dāng)氣體從超音速狀態(tài)(馬赫>1)經(jīng)過氣動管道569到亞音速狀態(tài)(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(shè)計成，即尺寸和形狀設(shè)置成用于一定的進(jìn)口相對馬赫數(shù)，該進(jìn)口相對馬赫數(shù)用于與在設(shè)計操作范圍內(nèi)選定的設(shè)計操作點(diǎn)相關(guān)的操作，該設(shè)計操作范圍用于選定的氣體成分、氣量和氣體壓縮比。如圖29所示，在一個實(shí)施方式中，旁路氣流通道可設(shè)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(nèi)分界面)。旁路氣體通道出口 264與內(nèi)側(cè)子氣室268 (分別表示為內(nèi)側(cè)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(shí)施方式中，可選擇在本文中描述的合適的邊界層控制結(jié)構(gòu)，例如使用邊界層吸除口 270以便將氣體271移除進(jìn)入內(nèi)側(cè)吸除子氣室272ρ2723、2723。同樣，在一個實(shí)施方式中，可采用多個渦流發(fā)生器72、74以幫助邊界層控制。然而，要注意外側(cè)室272ρ2723、2723等的可用性，這些外側(cè)室也可以本文描述以外的其它方式而用于旁路氣體移除或邊界層吸除與控制，以適合于具體的設(shè)計。用于擴(kuò)壓器54例如首先 在圖1中示出的擴(kuò)壓器54的示例性氣動管道56^的另一配置可見于圖30。如圖30所示，在一個實(shí)施方式中，示例性氣動管道56n可以以螺線形配置并包繞擴(kuò)壓器54的縱軸，例如就像在本圖30中提供的截面是沿著圖1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(kuò)張部60。在該實(shí)施方式中，以內(nèi)側(cè)收斂斜面274和外側(cè)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(shí)施方式中，以內(nèi)側(cè)擴(kuò)張斜面280和外側(cè)擴(kuò)張斜面281形式存在的相對徑向圍壁提供擴(kuò)張部60。另外，氣動管道56n，相似于其它氣動管道56，可按需要包括側(cè)壁，從而形成可加壓管道，其在實(shí)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(shè)置為在圖1、7和8所示的示例性擴(kuò)壓器54設(shè)計中所圖解的分隔壁364 (視采用的氣動管道56的給定數(shù)目分別識別為分隔壁3641、3642、3643等)。在圖30中示出的實(shí)施方式中，當(dāng)氣體從超音速狀態(tài)(馬赫>1)經(jīng)過氣動管道56^到亞音速狀態(tài)(馬赫〈I)時，內(nèi)側(cè)收斂斜面274和外側(cè)收斂斜面276接收超音速(馬赫>1)氣流的輸入，并在選定氣體50中生成多個斜激波S1至Sx和正激波SN。氣動管道56^可設(shè)計成，即尺寸和形狀設(shè)置成用于一定的進(jìn)口相對馬赫數(shù)，該進(jìn)口相對馬赫數(shù)用于與在設(shè)計操作范圍內(nèi)選定的設(shè)計操作點(diǎn)相關(guān)的操作，該設(shè)計操作范圍用于選定的氣體成分、氣量和氣體壓縮比。如圖30所示，在一個實(shí)施方式中，旁路氣流通道可設(shè)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(cè)收斂斜面276)。旁路氣體通道出口 278與外側(cè)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(shè)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(nèi)分界面，即內(nèi)側(cè)收斂斜面274)。旁路氣體通道出口 288與內(nèi)側(cè)子氣室292 (分別表示為內(nèi)側(cè)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(shí)施方式中，可選擇本文中描述的合適的邊界層控制結(jié)構(gòu)，例如使用邊界層吸除口 294將氣體296移除到內(nèi)側(cè)吸除子氣室298ρ2982、2983中。并且，在一個實(shí)施方式中可采用標(biāo)示為“VG” 72、74的多個渦流發(fā)生器將不利的邊界層效應(yīng)降至最低?，F(xiàn)在注意圖31、32和33，其提供了超音速壓縮機(jī)的另一實(shí)施方式，更具體地為在這樣的壓縮機(jī)中的靜止擴(kuò)壓器的配置，其中在氣動管道中采用橫向氣體壓縮(lateralcompression)而非徑向壓縮，該橫向氣體壓縮在分界相鄰側(cè)墻之間的通道中發(fā)生(即發(fā)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(kuò)壓器(定子)的縱向中心線Qs和其中使用的基本上螺旋形的氣動管道，以及隨附的轉(zhuǎn)子42 (如圖1所示)和旋轉(zhuǎn)中心線299。在圖31、32和33所示的實(shí)施方式中，提供氣動管道設(shè)計，其中橫向地進(jìn)行壓縮，即在隔開的側(cè)壁之間的通道中進(jìn)行，而不是通過例如在圖1中示出的或在圖28、29、30中為多種可替換實(shí)施方式而詳細(xì)闡述的氣動管道中的徑向隔開圍壁中進(jìn)行。圖31圖解一個實(shí)施方式，其中使用各自的下游側(cè)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(jìn)行壓縮。圖32提供一個實(shí)施方式，其中使用上游側(cè)壁306在氣動管道304^304和3043等中進(jìn)行壓縮。圖33提供一個實(shí)施方式，其中使用下游側(cè)壁310與上游側(cè)壁312在氣動`管道308^3082和3083等中進(jìn)行壓縮。在圖31中，具有多個葉片46的轉(zhuǎn)子42可以如上所述而設(shè)置。或者，可如上所述采用有圍帶的轉(zhuǎn)子(例如圖10和11所示的具有圍帶102的轉(zhuǎn)子100)。超音速(馬赫>1)的氣體52供給到多個氣動管道300。使用下游側(cè)壁302來設(shè)置收斂部314，下游側(cè)壁302反射由前緣316生成的斜激波Sp S2等。在這樣的實(shí)施方式中，氣動管道300的徑向向內(nèi)圍壁318可以與基礎(chǔ)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(shí)施方式中，旁路氣體出口 320可設(shè)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(cè)或內(nèi)側(cè)子氣室(未示出)中。當(dāng)為選定的運(yùn)行狀態(tài)于期望的設(shè)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，氣體52的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w壓力。在圖32中，示出另一實(shí)施方式。此處，具有多個葉片46的轉(zhuǎn)子42可以如上所述而設(shè)置。或者，可采用具有圍帶的轉(zhuǎn)子(例如圖10和11所示的具有圍帶102的轉(zhuǎn)子100)。超音速(馬赫>1)的氣體52供給到多個氣動管道304中，此處部分識別為單獨(dú)的氣動管道304^30^和3043。使用上游側(cè)壁306設(shè)置收斂部330，上游側(cè)壁306反射經(jīng)前緣332生成的斜激波SpS2等。在這樣的實(shí)施方式中，氣動管道304的徑向向內(nèi)圍壁334可以與基礎(chǔ)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(shí)施方式中，旁路氣體出口 320也可設(shè)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(cè)室或內(nèi)側(cè)子氣室(未示出)中。當(dāng)為選定運(yùn)行狀態(tài)于期望設(shè)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(zhuǎn)變?yōu)闅怏w壓力。在圖33中，示出使用橫向壓縮而非徑向壓縮的另一實(shí)施方式。此處，具有多個葉片46的轉(zhuǎn)子42可以設(shè)置如上?；蛘撸梢圆捎镁哂袊鷰У霓D(zhuǎn)子(例如在圖10和11中示出的具有用于葉片103的圍帶102的轉(zhuǎn)子100)。超音速(馬赫>1)的氣流52供應(yīng)到給多個氣動管道308中，此處部分識別為單獨(dú)的氣動管道308^3082和3083。在收斂部340中，利用下游側(cè)壁340和上游側(cè)墻312來實(shí)現(xiàn)壓縮。提供上游前緣342來攔截進(jìn)入靜止擴(kuò)壓器的氣動管道308中的氣體52。生成一組斜激波SpS2、S3等和正激波SN，并且出氣344為亞音速(馬赫〈I)狀態(tài)。在這樣的實(shí)施方式中，氣動管道308^308^3083等的徑向向內(nèi)圍壁334可以與基礎(chǔ)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(shí)施方式中，旁路氣體出口 320也可設(shè)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(cè)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(nèi)側(cè)子氣室。如圖1所示，擴(kuò)壓器54中的氣動管道56可構(gòu)造有前緣350。與多種實(shí)施方式有關(guān)的某些詳情在圖8、8A、8B、8C、15和16中示出。在圖15中，一個實(shí)施方式示出為具有五
(5)個氣動管道56i至565的靜止擴(kuò)壓器54，并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(shí)施方式示出為具有七(7)個氣動管道561至567的靜止擴(kuò)壓器54，并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，即與使用不那么尖銳的前緣相比，當(dāng)在進(jìn)口處以超音速狀態(tài)進(jìn)行操作時，損失最小化。在一個實(shí)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(shè)置，在一個實(shí)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(shè)置為向后傾斜，SP在以傾斜角mu ( μ )的下游方向上，該傾斜角mu ( μ )在前緣350和與基底徑向向內(nèi)圍壁354的切線352之間測量。這樣的傾斜前緣350可開始于下前端356并結(jié)束于上后端358。前緣350可以在下前端356處密封到或固定到徑向向內(nèi)圍壁354上，并可在前緣350的上后端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(shè)置(例如，由共用工件加工)在徑向向外圍壁360上。從前緣350向后方(在下游，氣流方向)，可采用分隔壁364。在多個實(shí)施方式中，例如圖7所示，可在鄰近氣動管道56之間采用共用分隔壁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(jù)所采用的氣動管道56的數(shù)目，分隔壁364被分別識別為364ρ3642、3643等。在一個實(shí)施方式中，分隔壁364可具有約零點(diǎn)一零(O. 10)英寸或更薄的厚度T?？傊?，當(dāng)氣動管道56相互鄰近設(shè)置時，可提供有效率的壓縮機(jī)。當(dāng)鄰近氣動管道56在其間具有共用分隔壁364時，這樣的設(shè)計甚至更為有效率。在多種實(shí)施方式中，前緣350可為分隔壁例如分隔壁364提供上游終端。在一個實(shí)施方式中，例如圖1和8所示，擴(kuò)壓器54設(shè)計可包括橫截面形狀是多邊形的氣動管道56，并且這樣的形狀可包括多種圍壁，例如底壁、頂壁和側(cè)壁。本文中所使用的術(shù)語“徑向向內(nèi)圍壁”用來描述也可以認(rèn)為是氣動管道的底壁的部件。在本文中使用的術(shù)語“徑向向外圍壁”用來描述也可以認(rèn)為是氣動管道的頂壁的部件。如較早提到的，在一個實(shí)施方式中，氣動管道56可具有圖1所示的流動中心線Cui。那么，在這樣的實(shí)施方式中，正交于中心線C111，可在氣動管道56中設(shè)置具有平行四邊形的橫截面形狀，在一個實(shí)施方式中這個形狀可以是在沿氣動管道56的各點(diǎn)上的基本矩形的橫截面形狀。在一個實(shí)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(nèi)圍壁354上的氣動管道56的入口位置，S卩前緣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(nèi))。在一個實(shí)施方式中，關(guān)于提到的橫截面形狀，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(shí)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(shí)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(shí)施方式中，考慮到其它的設(shè)計限制，可選擇有益的氣動管道56的數(shù)目。所包括的氣動管道56的數(shù)目可以是一個或更多，即在I至11的范圍內(nèi)，或更多，例如3、5、7、9或11個氣動管道56。對于給定設(shè)計的氣動管道數(shù)目可以作為設(shè)計實(shí)踐的部分來進(jìn)行選擇，該設(shè)計實(shí)踐考慮各種因素，包括氣流離開沖擊式轉(zhuǎn)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(fā)展程度。在一個實(shí)施方式中，擴(kuò)壓器54中進(jìn)口的前緣350的數(shù)目可以等于擴(kuò)壓器54中氣動管道56的數(shù)目，以圖8所示部件(例如，氣動管道562)的方式。在許多實(shí)施方式中，設(shè)計最優(yōu)化的結(jié)果可以是設(shè)置多個氣動管道，從而氣體離開沖擊式葉片的速度最大化并且邊界層發(fā)展最小化。在這樣的實(shí)施方式中，當(dāng)最優(yōu)化壓縮機(jī)設(shè)計時，可提供3、5、7、9或11的奇數(shù)個氣動管道56，并且如上所述，擴(kuò)壓器54的前緣350的數(shù)目是十一(11)或更少。通過在轉(zhuǎn)子42中選擇奇數(shù)個葉片46，可設(shè)置偶數(shù)個氣動管道56，例如2、4、6、8、10或更多。在相關(guān)參數(shù)中，在示例性靜止擴(kuò)壓器54中，擴(kuò)壓器54中前緣350的數(shù)目可以是轉(zhuǎn)子42中設(shè)置的葉片46數(shù)目的約一半(1/2)或更少。在另一實(shí)施方式中，擴(kuò)壓器54中前緣350的數(shù)目是轉(zhuǎn)子42中葉片46數(shù)目的約四分之一(1/4)或更少。在另一有效的設(shè)計中，當(dāng)前預(yù)期擴(kuò)壓器54中前緣350的數(shù)目是轉(zhuǎn)子42中葉片46數(shù)目的約百分之十五(15%)或更少。與各種現(xiàn)有技術(shù)定子相比，特別是和采用與轉(zhuǎn)子葉片數(shù)目相當(dāng)或相等的定子葉片的那些相比，將前緣和相關(guān)氣動管道的數(shù)目最少化使阻力和效率損失最小化。除在前緣350和相關(guān)氣動管道56組件的數(shù)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(即，在氣動管道56的徑向向內(nèi)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(cè)旁路氣室282i等)，或使用由圖13中所示的內(nèi)部氣體通道殼體133的內(nèi)壁131所劃定的內(nèi)部起動旁路氣體通道130的內(nèi)部旁路，提供了在超音速壓縮機(jī)中設(shè)計更高壓力比的能力。作為一個實(shí)例，但不作為限制，當(dāng)圖1所示的壓縮機(jī)40(或圖9所示的壓縮機(jī)230)被設(shè)計為在約1. 8的進(jìn)口相對馬赫數(shù)下進(jìn)行運(yùn)行時，圖13所示的旁路氣體通道130可在起動期間的超音速激波建立期間操作，以除去由氣動管道56在進(jìn)口捕獲的質(zhì)量百分比為約百分之十一(11質(zhì)量％)至約百分之十九(19質(zhì)量％)的量的選定氣體。作為進(jìn)一步的實(shí)例，當(dāng)壓縮機(jī)被設(shè)計為在約2. 8的進(jìn)口相對馬赫數(shù)下進(jìn)行運(yùn)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，用于除去由氣動管道56在進(jìn)口捕獲的質(zhì)量百分比為約百分之三十六(36質(zhì)量％)至約百分之六十一(61質(zhì)量％)的量的選定氣體。本領(lǐng)域技術(shù)人員和本說明書所針對的人員，無疑能夠計算并因此確定合適的旁路氣體量，該旁路氣體量在給定壓縮機(jī)設(shè)計參數(shù)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(jié)構(gòu)并因此在氣動管道內(nèi)的期望位置上建立穩(wěn)定超音速激波結(jié)構(gòu)所需的或?qū)ζ溆袔椭摹Ｒ虼?，上面提到的范圍，將向讀者提供對于需要用來建立穩(wěn)定超音速激波結(jié)構(gòu)并因此消除定子氣動管道中的非起動狀態(tài)的質(zhì)量流的量的判斷。關(guān)于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(biāo)題為“Method and Apparatus for Starting Supersonic Compressors(起動超音速壓縮機(jī)的方法和裝置)”，其全部內(nèi)容通過引用的方式結(jié)合入本文。具體而言，該公開的圖3，為在選定進(jìn)口相對馬赫數(shù)下運(yùn)行的超音速壓縮機(jī)中的氣動管道提供適合于起動旁路氣體移除需求的常用范圍的圖形圖解，顯示為起動吸除分?jǐn)?shù)(由旁路氣體質(zhì)量除以進(jìn)口捕獲的氣體質(zhì)量來定義)。更一般地，本文中描述的壓縮機(jī)可設(shè)計成，在超過約1.8的進(jìn)口相對馬赫數(shù)下向氣動管道例如圖1所示的氣動管道56i供應(yīng)氣體。此外，本文中描述的壓縮機(jī)可設(shè)計為至少2的到氣動管道的進(jìn)口相對馬赫數(shù)。更進(jìn)一步地，本文中描述的壓縮機(jī)可設(shè)計為至少2. 5的到氣動管道的進(jìn)口相對馬赫數(shù)。并且，預(yù)期在具有超過約2. 5的到氣動管道的進(jìn)口相對馬赫數(shù)的設(shè)計中，本文中描述的超音速壓縮機(jī)的運(yùn)行是可能的。對于許多應(yīng)用，預(yù)期實(shí)際設(shè)計采用約2至約2. 5的到氣動管道的進(jìn)口相對馬赫數(shù)，其中包含邊界參數(shù)。進(jìn)一步地，對于各種應(yīng)用，作為實(shí)例并且不作為限制，可以預(yù)期實(shí)際設(shè)計采用在約2. 5至約2. 8范圍內(nèi)的到氣動管道的進(jìn)口相對馬赫數(shù)。對于其它應(yīng)用，甚至更高的進(jìn)口馬赫數(shù)可能在各種設(shè)計中是實(shí)用的，作為實(shí)例，尤其是對于音速相對低的氣體例如一些冷卻氣體。另一方面，對于處理具有非常高音速的氣體例如氫的應(yīng)用，在低得多的馬赫數(shù)下進(jìn)行操作可以提供商業(yè)上可接受的結(jié)果。因此，因?yàn)閷τ诰唧w應(yīng)用中的設(shè)計馬赫數(shù)的評定可包括各種設(shè)計考慮，各種設(shè)計可用的馬赫數(shù)不應(yīng)受到上述建議的限制。本文中描述的壓縮機(jī)可提供用于在具有至少為三(3)的氣體壓縮比的設(shè)計操作范圍內(nèi)的操作。在其它應(yīng)用中，本文中描述的壓縮機(jī)可提供用于在一個壓縮級中具有至少為五(5)的氣體壓縮比的設(shè)計操作范圍內(nèi)的操作。在其它應(yīng)用中，本文中描述的壓縮機(jī)可提供用于在一個壓縮級中具有約三點(diǎn)七五(3. 75)至約十二(12)的氣體壓縮比的設(shè)計操作范圍內(nèi)的操作。在其它應(yīng)用中，本文中描述的壓縮機(jī)可提供用于在一個壓縮級中具有約六(6)至約十二點(diǎn)五(12. 5)的氣體壓縮比的設(shè)計操作范圍內(nèi)的操作。在某些應(yīng)用中，本文中描述的壓縮機(jī)可提供用于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(shè)計操作范圍內(nèi)的操作。在設(shè)計要求需要高壓縮比時，可以采用多級壓縮，如圖34示出的壓縮機(jī)400的配置所建議的。驅(qū)動器402例如電動機(jī)或其它機(jī)械驅(qū)動可以在需要的情況下通過變速箱404，并經(jīng)軸406使第一壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在本文描述的第一壓縮級408中轉(zhuǎn)動，以壓縮進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)。作為實(shí)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(lián)配置的多級中)?；蜃鳛榱硪粚?shí)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(yīng)注意多級也可以設(shè)置在需要多臺機(jī)器來進(jìn)行容量配置的并聯(lián)配置中。通常，通過本文中的教導(dǎo)來提供改善的用于壓縮選定氣體的超音速氣體壓縮機(jī)設(shè)計。在一個實(shí)施方式中，圖9所示出的示例性壓縮機(jī)230可采用具有低壓氣體進(jìn)口 236和高壓氣體出口 238的外殼234?？商峁┚哂袊鷰~片103的轉(zhuǎn)子100來將超音速狀態(tài)的選定氣體輸送到具有多個氣動管道56的靜止擴(kuò)壓器54或定子中，如圖1所示。在一個實(shí)施方式中，氣動管道56可以螺旋地包在擴(kuò)壓器54中。在一個實(shí)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(kuò)張部，其中在選定氣體經(jīng)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(shè)計中，氣動管道56可具有用于與設(shè)計操作點(diǎn)相關(guān)的操作的進(jìn)口相對馬赫數(shù)，該設(shè)計操作點(diǎn)在用于選定氣體成分、氣體量和氣體壓縮比的設(shè)計操作范圍內(nèi)選擇。此外，這樣的壓縮機(jī)可包括用于調(diào)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。用于調(diào)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(huán)管道118’的旁路氣體通道。用于調(diào)節(jié)有效收縮比的部件/裝置可包括內(nèi)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(jìn)口門140與出口門150的內(nèi)部氣體通道外殼133。用于調(diào)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(diào)節(jié)部分160。此外，視具體設(shè)計配置的情況，可提供用于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。用于控制邊界層的手段可包括邊界層排氣吸除口。用于控制邊界層的部件/裝置可包括使用將氣體注入邊界層的進(jìn)氣噴口，從而激勵邊界層并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。用于控制邊界層的部件/裝置可包括在氣動管道中使用一個或更多渦流發(fā)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?？蔀槭褂帽疚慕虒?dǎo)的設(shè)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于本文教導(dǎo)的壓縮機(jī)的使用。進(jìn)一步地，具有至少氣態(tài)氮(MW=28. 02)分子量的氣體或氣體混合物尤其受益于本文中教導(dǎo)的設(shè)計的使用。并且,較重氣體例如二氧化碳(MW=44. 01)的壓縮效率可通過采用本文中教導(dǎo)的壓縮機(jī)設(shè)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(fā)生馬赫數(shù)I的氣體壓縮可受益于有效的超音速壓縮。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(shè)計而有效實(shí)現(xiàn)。在期望較高壓縮比的一些應(yīng)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(yīng)用，可提供使用本文中教導(dǎo)的技術(shù)的有用設(shè)計。在一個實(shí)例中，在采用具有高強(qiáng)度的轉(zhuǎn)子并使用具有圍帶的葉片配置進(jìn)行構(gòu)造時，可使用本文中教導(dǎo)的壓縮機(jī)配置來有效地實(shí)現(xiàn)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(shè)計必須能夠在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，從而提供充足的圓周速度，以便在氣體進(jìn)入定子的氣動管道時實(shí)現(xiàn)合適的超音速設(shè)計速度。作為實(shí)例，由于轉(zhuǎn)子尖端速度在每秒約2，500英尺的范圍中，使用具有有圍帶轉(zhuǎn)子葉片的先進(jìn)石墨復(fù)合材料構(gòu)造，可使用本文中教導(dǎo)的設(shè)計來實(shí)現(xiàn)高達(dá)約5:1的壓縮比。進(jìn)一步在材料和制造技術(shù)中的發(fā)展可以使甚至更高速度和壓力比的設(shè)計成為可能，或在提到的設(shè)計參數(shù)或接近的設(shè)計參數(shù)下運(yùn)行時降低機(jī)械故障的風(fēng)險。應(yīng)意識到，本文中教導(dǎo)的定子設(shè)計，即使用多個氣動管道，尤其在用于包繞縱軸的螺線形(helical)、螺旋形(spiral)、螺面狀或類似彎曲結(jié)構(gòu)中時，對超音速壓縮中的各種定子應(yīng)用尤其有用，還包括例如在改善的燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備中所描述的。因此，不論對于氣體壓縮的應(yīng)用如何，相信定子設(shè)計本身就是在使超音速氣體擴(kuò)散以產(chǎn)生高壓氣體的超音速定子設(shè)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于建立在多種基底結(jié)構(gòu)設(shè)計上的配置中，并實(shí)現(xiàn)高壓縮比運(yùn)行的益處，同時為超音速運(yùn)行的起動提供必需的特征。在多種實(shí)施方式中，多個氣動管道可配置為如同包繞回轉(zhuǎn)面，就如靜態(tài)結(jié)構(gòu)所提供的。在一個實(shí)施方式中，合適的靜態(tài)結(jié)構(gòu)可以是基本的圓柱形，因此在一個實(shí)施方式中，管道可以配置成包繞圓柱結(jié)構(gòu)。在一個實(shí)施方式中，靜止擴(kuò)壓器的氣動管道可以設(shè)置為螺旋形構(gòu)造。在一個實(shí)施方式中，靜止擴(kuò)壓器的氣動管道可設(shè)置為螺面形構(gòu)造，例如可通過使入口平面形以固定速率環(huán)繞著縱軸旋轉(zhuǎn)并同時使它在縱軸的下游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(shù)語“包繞縱軸”被認(rèn)為包括在適用的情況下包繞多種形狀?？傊?，使用按本文教導(dǎo)而配置的具有內(nèi)部壓縮斜面的氣動管道的各種實(shí)施方式，提供超越在超音速進(jìn)氣狀態(tài)下運(yùn)行的現(xiàn)有技術(shù)帶葉片定子設(shè)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(tài)壓力比的能力上。一個方面，這是因?yàn)椴捎米钌贁?shù)目的氣動管道和相關(guān)前緣結(jié)構(gòu)，降低與高速氣體進(jìn)入擴(kuò)壓器相關(guān)的損失。此外，減少的靜態(tài)結(jié)構(gòu)相應(yīng)地減少壓縮機(jī)重量和成本，尤其與采用大量常規(guī)翼面形定子葉片的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計相比。在前面的描述中，出于解釋的目的，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(jī)系統(tǒng)的設(shè)計提供對公開示例性實(shí)施方式的透徹理解。然而，為提供有用的實(shí)施方式或?qū)嵺`選定的或其它公開的實(shí)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(guān)術(shù)語。僅與參考點(diǎn)相關(guān)的術(shù)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(jìn)對公開實(shí)施方式各方面的理解。并且，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(fā)明的方式進(jìn)行描述。然而，描述的順序不應(yīng)解釋為暗示這樣的行動必需依賴于順序。具體地，某些操作可能不需要嚴(yán)格以呈現(xiàn)的順序執(zhí)行。并且，在本發(fā)明的不同實(shí)施方式中，一個或更多行動可同時執(zhí)行，或部分或完全被消除而可添加其它行動。同樣，讀者應(yīng)該注意到，短語“在實(shí)施方式中”或“在一個實(shí)施方式中”被重復(fù)使用。該短語一般不指代相同的實(shí)施方式；然而，它可以指代相同的實(shí)施方式。最后，術(shù)語“包含”、“具有”和“包括”應(yīng)認(rèn)為是同義，除非上下文以其它方式指出。根據(jù)前述，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解到，已提供超音速壓縮機(jī)系統(tǒng)來進(jìn)行多種氣體的有效壓縮。盡管僅示出并描述了本發(fā)明的某些具體實(shí)施方式
，但不意圖將本發(fā)明限制于這些實(shí)施方式。相反，將結(jié)合說明書，由所附權(quán)利要求及其等效物來定義本發(fā)明。重要地，本文中描述并保護(hù)的方面和實(shí)施方式可從示例的那些中進(jìn)行修改而本質(zhì)上不背離所提供的新穎教導(dǎo)和優(yōu)點(diǎn)，并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(rèn)為本文中所呈現(xiàn)的實(shí)施方式在全部方面中都是示例說明性的并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(jié)構(gòu)，并且不僅覆蓋其結(jié)構(gòu)等效物，而且覆蓋等效的結(jié)構(gòu)。依照上面的教導(dǎo)，可做出多種修改和變化。因此，向本發(fā)明提供的保護(hù)應(yīng)僅由在本文闡述的權(quán)利要求及其法律等效物所限制。
權(quán)利要求
1.一種壓縮機(jī)，包括 轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有旋轉(zhuǎn)軸和延伸進(jìn)入氣流通道內(nèi)的多個沖擊式葉片，所述多個沖擊式葉片的尺寸和形狀設(shè)置成作用于選定氣體以提供超音速氣流；以及 擴(kuò)壓器，所述擴(kuò)壓器包括繞縱軸螺旋布置并設(shè)置成接收所述超音速氣流的一個或更多氣動管道，所述一個或更多氣動管道包括 (a)收斂部和擴(kuò)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，從而在所述一個或更多氣動管道的一個或更多中調(diào)整有效收縮比； 所述一個或更多氣動管道的尺寸和形狀設(shè)置成使所述超音速氣流減速至亞音速狀態(tài)。
2.—種壓縮機(jī),包括 轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有旋轉(zhuǎn)軸和延伸進(jìn)入氣流通道內(nèi)的多個沖擊式葉片，所述多個沖擊式葉片的尺寸和形狀設(shè)置成作用于選定氣體以提供超音速氣流；以及 擴(kuò)壓器，所述擴(kuò)壓器具有縱軸，包括繞所述縱軸螺旋布置并設(shè)置成接收所述超音速氣流的一個或更多氣動管道，所述一個或更多氣動管道包括 Ca)收斂部和擴(kuò)張部，以及 (b)幾何可調(diào)節(jié)部分，所述幾何可調(diào)節(jié)部分可操作以改變所述收斂部的形狀和/或位置，從而在所述一個或更多氣動管道的一個或更多中調(diào)整有效收縮比； 所述一個或更多氣動管道的尺寸和形狀設(shè)置成使所述超音速氣流減速至亞音速狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓縮機(jī)，其中所述一個或更多氣動管道包括圍壁，并在一個或更多所述圍壁中進(jìn)一步包括排氣吸除口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓縮機(jī)，在所述一個或更多氣動管道中進(jìn)一步包括配置成通過注氣來激勵邊界層的進(jìn)氣噴口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓縮機(jī)，在所述一個或更多氣動管道中進(jìn)一步包括配置成激勵邊界層的一個或更多渦流發(fā)生器。
6.—種壓縮機(jī),包括 轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有旋轉(zhuǎn)軸和延伸進(jìn)入氣流通道內(nèi)的多個沖擊式葉片，所述多個沖擊式葉片的尺寸和形狀設(shè)置成作用于選定氣體以提供超音速氣流；以及 擴(kuò)壓器，所述擴(kuò)壓器繞縱軸布置并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(kuò)張部，并具有有效收縮比，所述一個或更多氣動管道的尺寸和形狀設(shè)置成使所述超音速氣流從選定的進(jìn)口馬赫數(shù)減速至亞音速狀態(tài)，以及 (a)(i)旁路氣體通道或(ii)幾何可調(diào)節(jié)部分中的至少一者或(iii)兩者，可操作以調(diào)整所述有效收縮比，以及 (b)邊界層控制結(jié)構(gòu)，所述邊界層控制結(jié)構(gòu)包括一個或更多的(I)用于邊界層去除的排氣吸除口，(2)用于通過注氣來激勵邊界層的進(jìn)氣噴口，和(3)—個或更多渦流發(fā)生器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓縮機(jī)，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于使經(jīng)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(jù)權(quán)利要求1、2或6中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中所述轉(zhuǎn)子還包括用于所述多個沖擊式葉片的圍帶。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2或6中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中所述轉(zhuǎn)子用所述擴(kuò)壓器有效密封，以便使氣體在其間流動期間的氣體泄漏最小化。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2或7中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中經(jīng)過所述轉(zhuǎn)子的所述選定氣體被轉(zhuǎn)向至少九十(90)度的角度alpha ( α )。
11.根據(jù)權(quán)利要求1、2或7中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中經(jīng)過所述轉(zhuǎn)子的所述選定氣體被轉(zhuǎn)向至少一百(100)度的角度alpha ( α )。
12.根據(jù)權(quán)利要求1、2或7中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中經(jīng)過所述轉(zhuǎn)子的所述選定氣體被轉(zhuǎn)向至少一百--h (110)度的角度alpha ( α )。
13.根據(jù)權(quán)利要求1、2或7中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中經(jīng)過所述轉(zhuǎn)子的所述選定氣體被轉(zhuǎn)向約九十(90)度與約一百六十(160)度之間的角度alpha ( α )。
14.根據(jù)權(quán)利要求1、2或7中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中經(jīng)過所述轉(zhuǎn)子的所述選定氣體被轉(zhuǎn)向約一百一^h(112)度與約一百一^h四(114)度之間的角度alpha ( α )。
15.根據(jù)權(quán)利要求1、2或7中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中各個所述多個葉片具有轂端、尖端和后緣，并且在各個所述多個葉片的所述后緣從所述轂端向所述尖端提供所述超音速氣流。
16.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的壓縮機(jī)，其中所述旁路氣體通道可在排氣經(jīng)過所述旁路氣體通道的開放、啟動狀態(tài)與使經(jīng)過所述旁路氣體通道的所述排氣通過最小化或停止的關(guān)閉、操作狀態(tài)之間定位。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的壓縮機(jī)，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。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的壓縮機(jī)，其中所述旁路氣體通道與大氣流體連接，用于向大氣排放。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的壓縮機(jī)，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。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的壓縮機(jī)，其中所述旁路氣體通道包括內(nèi)部旁路氣體通道，其中所述內(nèi)部旁路氣體通道在所述一個或更多氣動管道內(nèi)或與其鄰近地內(nèi)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。
21.根據(jù)權(quán)利要求2或6所述的壓縮機(jī)，其中所述幾何可調(diào)節(jié)部分可在開放、啟動狀態(tài)與關(guān)閉、操作狀態(tài)之間定位，其中在所述開放、啟動狀態(tài)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(nèi)建立并定位正激波，而在所述關(guān)閉、操作狀態(tài)中，所述收斂部被設(shè)定至選定的操作位置。
22.根據(jù)權(quán)利要求2或6所述的壓縮機(jī)，其中所述幾何可調(diào)節(jié)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。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的壓縮機(jī)，其中所述幾何可調(diào)節(jié)部分還包括可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件和致動器，所述可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件由所述致動器驅(qū)動，并且其中所述幾何可調(diào)節(jié)部分的尺寸和形狀設(shè)置成，在所述幾何可調(diào)節(jié)部分隨所述致動器移動時，改變所述一個或更多氣動管道的所述一個或更多的所述收斂部的形狀。
24.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓縮機(jī)，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于使經(jīng)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。
25.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓縮機(jī)，其中所述進(jìn)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流中的邊界層內(nèi)。
26.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓縮機(jī)，還包括進(jìn)氣口和注氣室，所述注氣室鄰近于所述一個或更多氣動管道，所述注氣室與所述進(jìn)氣口流體連通，所述注氣室配置用于使經(jīng)所述進(jìn)氣口注入的所述選定氣體通過所述注氣室。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的壓縮機(jī)，其中所述進(jìn)氣噴口的尺寸和形狀設(shè)置成提供增加所述選定氣流的動量的氣體射流。
28.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓縮機(jī)，其中所述邊界層控制結(jié)構(gòu)被配置為所述一個或更多渦流發(fā)生器。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的壓縮機(jī)，其中所述一個或更多渦流發(fā)生器設(shè)置在所述收斂部內(nèi)。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的壓縮機(jī)，其中所述一個或更多渦流發(fā)生器設(shè)置在所述擴(kuò)張部內(nèi)。
31.根據(jù)權(quán)利要求28所述的壓縮機(jī)，其中各個所述一個或更多渦流發(fā)生器包括具有前端和前緣的基部，所述前緣向外延伸至外端。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的壓縮機(jī)，其中所述前緣包括沿所述前緣的不連續(xù)段，用于生成單個渦流。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的壓縮機(jī)，其中所述一個或更多渦流發(fā)生器包括至少兩個渦流發(fā)生器，且其中各個所述至少兩個渦流發(fā)生器生成單個渦流，所述單個渦流配置成控制氣動管道中的邊界層。
34.根據(jù)權(quán)利要求31所述的壓縮機(jī)，其中所述外端設(shè)置在所述基部以上的高度Hz處。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的壓縮機(jī)，其中所述氣動管道具有高度HD，且其中所述基部以上的所述高度Hz是所述高度HD的約百分之五十(50%)或更少。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的壓縮機(jī)，其中所述氣動管道具有高度HD，且其中所述基部以上的所述高度Hz為所述高度HD的約百分之二十五(25%)或更少。
37.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓縮機(jī)，其中在各個所述氣動管道中設(shè)置多個渦流發(fā)生器。
38.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓縮機(jī)，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(jù)權(quán)利要求38所述的壓縮機(jī)，其中所述氣動管道中的所述一個或更多繞所述縱軸以基本恒定的螺旋角螺旋布置。
40.根據(jù)權(quán)利要求1、2或6中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中所述擴(kuò)壓器包括靜止擴(kuò)壓器。
41.一種用于壓縮選定氣體的超音速氣體壓縮機(jī),包括 外殼，所述外殼包括低壓氣體進(jìn)口和高壓氣體出口 ； 轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子包括多個葉片，并配置成作用于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(kuò)壓器，所述擴(kuò)壓器包括配置用于使在其中接收的氣體擴(kuò)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(kuò)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(jīng)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于與在設(shè)計操作范圍內(nèi)選定的設(shè)計操作點(diǎn)關(guān)聯(lián)的操作的進(jìn)口相對馬赫數(shù)，所述設(shè)計操作范圍用于選定的氣體成分、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(diào)節(jié)部分或兩者，可操作以調(diào)整所述有效收縮比，以及 (b)邊界層控制結(jié)構(gòu)，所述邊界層控制結(jié)構(gòu)包括一個或更多的(I)用于邊界層去除的排氣吸除口，(2)用于通過注氣來激勵邊界層的進(jìn)氣噴口，以及(3)—個或更多渦流發(fā)生器。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的壓縮機(jī)，其中所述一個或更多氣動管道繞縱軸螺旋布置。
43.根據(jù)權(quán)利要求1、2、6或41中的任一項所述的壓縮機(jī)，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(guān)聯(lián)的前緣。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的壓縮機(jī)，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(jù)權(quán)利要求43所述的壓縮機(jī)，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(jù)權(quán)利要求43所述的壓縮機(jī)，還包括所述前緣下游的分隔壁。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的壓縮機(jī)，其中所述分隔壁隔開鄰近的氣動管道，并且其中所述前緣包括所述分隔壁的上游終點(diǎn)。
48.根據(jù)權(quán)利要求46所述的壓縮機(jī)，其中所述分隔壁具有約O.100英寸或更小的厚度T。
49.根據(jù)權(quán)利要求43所述的壓縮機(jī)，其中所述多個葉片包括數(shù)目B個葉片，并且其中設(shè)置數(shù)目N個的所述一個或更多氣動管道，并且其中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干擾。
50.根據(jù)權(quán)利要求43所述的壓縮機(jī)，其中所述一個或更多氣動管道各個具有中心線，并且其中正交于所述中心線，所述一個或更多氣動管道中的一個或更多具有基本上平行四邊形的橫截面形狀。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的壓縮機(jī)，其中與所述橫截面形狀關(guān)聯(lián)，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(jù)權(quán)利要求50所述的壓縮機(jī)，其中與所述橫截面形狀關(guān)聯(lián)，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(jù)權(quán)利要求50所述的壓縮機(jī)，其中與所述橫截面形狀關(guān)聯(lián)，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(jù)權(quán)利要求43所述的壓縮機(jī)，其中所述擴(kuò)壓器中的前緣的數(shù)目為十一(11)或更少。
55.根據(jù)權(quán)利要求43所述的壓縮機(jī)，其中所述擴(kuò)壓器中的前緣的數(shù)目為所述轉(zhuǎn)子中的葉片數(shù)目B的約一半(1/2)或更少。
56.根據(jù)權(quán)利要求43所述的壓縮機(jī)，其中所述擴(kuò)壓器中的前緣的數(shù)目為所述轉(zhuǎn)子中的葉片數(shù)目B的約四分之一(1/4)或更少。
57.根據(jù)權(quán)利要求43所述的壓縮機(jī)，其中所述擴(kuò)壓器中的前緣的數(shù)目為所述轉(zhuǎn)子中的葉片數(shù)目B的約百分之十五(15%)或更少。
58.根據(jù)權(quán)利要求1或41所述的壓縮機(jī)，其中當(dāng)所述壓縮機(jī)以約1.8的進(jìn)口相對馬赫數(shù)操作時，所述旁路氣體通道可操作，用于去除質(zhì)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(jù)權(quán)利要求1或41所述的壓縮機(jī)，其中當(dāng)所述壓縮機(jī)以約2.8的進(jìn)口相對馬赫數(shù)操作時，所述旁路氣體通道可操作，用于去除質(zhì)量百分比從約百分之三十六(36%)至約百分之六十一(61%)的量的由所述氣動管道捕獲的進(jìn)口氣體。
60.根據(jù)權(quán)利要求1、2、6或41中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中所述一個或更多氣動管道的所述進(jìn)口相對馬赫數(shù)超過1. 5。
61.根據(jù)權(quán)利要求1、2、6或41中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中所述一個或更多氣動管道的所述進(jìn)口相對馬赫數(shù)超過1. 8。
62.根據(jù)權(quán)利要求1、2、6或41中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中所述一個或更多氣動管道的所述進(jìn)口相對馬赫數(shù)為至少2。
63.根據(jù)權(quán)利要求1、2、6或41中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中所述一個或更多氣動管道的所述進(jìn)口相對馬赫數(shù)為至少2. 5。
64.根據(jù)權(quán)利要求1、2、6或41中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中所述一個或更多氣動管道的所述進(jìn)口相對馬赫數(shù)超過約2. 5。
65.根據(jù)權(quán)利要求1、2、6或41中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中所述一個或更多氣動管道的所述進(jìn)口相對馬赫數(shù)在約2與約2. 5之間。
66.根據(jù)權(quán)利要求1、2、6或41中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中所述一個或更多氣動管道的所述進(jìn)口相對馬赫數(shù)在約2. 5與約2. 8之間。
67.根據(jù)權(quán)利要求1、2、6或41中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中所述一個或更多氣動管道相互鄰近設(shè)置。
68.根據(jù)權(quán)利要求67所述的壓縮機(jī)，其中所述鄰近的氣動管道之間具有共用分隔壁。
69.—種用于壓縮選定氣體的超音速氣體壓縮機(jī),包括 外殼，所述外殼包括低壓氣體進(jìn)口和高壓氣體出口 ； 沖擊式轉(zhuǎn)子，所述沖擊式轉(zhuǎn)子配置成作用于選定氣體以給予其軸向和切向速度，從而提供超首速氣流； 定子，所述定子包括 擴(kuò)壓器，所述擴(kuò)壓器包括配置用于使在其中接收的氣體擴(kuò)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，并且具有收斂部和擴(kuò)張部，隨著所述超音速氣流的輸入，當(dāng)所述選定氣體經(jīng)過所述氣動管道時，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于與在設(shè)計操作范圍內(nèi)選定的設(shè)計操作點(diǎn)關(guān)聯(lián)的操作的進(jìn)口相對馬赫數(shù)，所述設(shè)計操作范圍用于選定的氣體成分、氣量、有效收縮比和氣體壓縮比，并且所述多個氣動管道還包括用于調(diào)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，以及用于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(jù)權(quán)利要求69所述的壓縮機(jī)，其中用于調(diào)整所述有效收縮比的所述裝置包括用于從所述多個氣動管道排放選定氣體的旁路通道。
71.根據(jù)權(quán)利要求69所述的壓縮機(jī)，其中用于調(diào)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(diào)節(jié)部分，所述幾何可調(diào)節(jié)部分可在開放、啟動狀態(tài)與關(guān)閉、操作狀態(tài)之間定位，其中在所述開放、啟動狀態(tài)中所述收斂部允許所述選定氣體經(jīng)過所述多個氣動管道的增加的流動，而在所述關(guān)閉、操作狀態(tài)中所述收斂部被設(shè)定至選定的操作位置。
72.根據(jù)權(quán)利要求69所述的壓縮機(jī)，其中用于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(jìn)氣噴口。
73.根據(jù)權(quán)利要求69所述的壓縮機(jī)，其中用于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(jù)權(quán)利要求69所述的壓縮機(jī)，其中用于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(fā)生器。
75.根據(jù)權(quán)利要求41或69所述的壓縮機(jī)，其中所述設(shè)計操作范圍包括具有至少為3的氣體壓縮比的至少一級。
76.根據(jù)權(quán)利要求41或69所述的壓縮機(jī)，其中所述設(shè)計操作范圍包括具有至少為5的氣體壓縮比的至少一級。
77.根據(jù)權(quán)利要求41或69所述的壓縮機(jī)，其中所述設(shè)計操作范圍包括具有從約6至約12.5的氣體壓縮比的至少一級。
78.根據(jù)權(quán)利要求41或69所述的壓縮機(jī)，其中所述設(shè)計操作范圍包括具有從約12至約30的氣體壓縮比的至少一級。
79.根據(jù)權(quán)利要求1、2、6、41或69中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中所述選定氣體包括一種或更多烴類氣體。
80.根據(jù)權(quán)利要求1、2、6、41或69中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中所述選定氣體包括具有至少是氮的分子量的氣體。
81.根據(jù)權(quán)利要求80所述的壓縮機(jī)，其中所述選定氣體包括二氧化碳。
82.根據(jù)權(quán)利要求1、2、6、41或69中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中所述選定氣體包括氫。
83.根據(jù)權(quán)利要求1、2、6、41或69中的任一項所述的壓縮機(jī)，其中在所述多個氣動管道中的壓縮在間隔開的側(cè)壁之間的通道中實(shí)現(xiàn)。
84.根據(jù)權(quán)利要求1、2、6、41或69中的任一項所述的壓縮機(jī)，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(shí)現(xiàn)。
85.根據(jù)權(quán)利要求1、2、38或42中的任一項所述的壓縮機(jī)，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° )的范圍內(nèi)的螺旋角psi (Ψ)螺旋布置。
全文摘要
一種超音速壓縮機(jī)，包括將超音速狀態(tài)的氣體傳輸?shù)綌U(kuò)壓器的轉(zhuǎn)子。擴(kuò)壓器包括多個具有收斂部和擴(kuò)張部的氣動管道，使氣體減速到亞音速狀態(tài)然后使亞音速氣體膨脹，從而使氣體的動能變?yōu)殪o壓。氣動管道包括改變有效收縮比的結(jié)構(gòu)使得即使當(dāng)氣動管道被設(shè)計為高壓力比時仍然能夠起動，以及用于邊界層控制的結(jié)構(gòu)。在一個實(shí)施方式中，氣動管道被設(shè)置成，當(dāng)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(shí)施方式中，前緣的數(shù)目最少化，且與附隨轉(zhuǎn)子中的葉片數(shù)相比，可以少于一半。
文檔編號F04D21/00GK103032345SQ201210235848
公開日2013年4月10日 申請日期2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月9日
發(fā)明者W.B.羅伯茨二世, S.P.勞勒 申請人:拉姆金動力系統(tǒng)有限責(zé)任公司