專利名稱：超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子及其組裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文所述的主題大體而言涉及超音速壓縮機(jī)系統(tǒng)，且更特定而言涉及用于超音速壓縮機(jī)系統(tǒng)的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。
背景技術(shù)：
至少一些已知的超音速壓縮機(jī)系統(tǒng)包括驅(qū)動組件、驅(qū)動軸桿和至少一個用于壓縮流體的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。驅(qū)動組件利用驅(qū)動軸桿聯(lián)接到超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子以使驅(qū)動軸桿和超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。已知超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子包括聯(lián)接到轉(zhuǎn)子盤的多個箍條(strake)。每個箍條繞轉(zhuǎn)子盤在周向定向且限定在相鄰箍條之間的軸向流動通道。至少一些已知的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子包括聯(lián)接到轉(zhuǎn)子盤的超音速壓縮斜坡(supersonic compression ramp)。已知超音速壓縮斜坡位于軸向流動路徑內(nèi)且被構(gòu)造為在流動路徑內(nèi)形成壓縮波。在已知超音速壓縮機(jī)系統(tǒng)操作期間，驅(qū)動組件使得超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子以高旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)。將流體導(dǎo)送到超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子使得流體的特征為在流動通道處相對于超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子為超音速。在已知超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子中，在導(dǎo)送流體通過軸向流動通道時，超音速壓縮斜坡造成流動通道內(nèi)形成法向沖擊波。在流體經(jīng)過法向沖擊波時，流體速度相對于超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子減小到亞音速。隨著流體速度經(jīng)過法向沖擊波減小，流體能量也減小。流體能量通過流動通道減小可減小已知超音速壓縮機(jī)系統(tǒng)的操作效率。在例如分別在2005 年3月觀日和2005年3月23日提交的美國專利號7，334，990和7，293, 955和在2009年 1月16日提交的美國專利申請2009/0196731中描述了已知的超音速壓縮機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
在一方面，提供一種超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。這種超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子盤，轉(zhuǎn)子盤包括在徑向內(nèi)表面與徑向外表面之間延伸的主體。多個葉片聯(lián)接到主體。葉片從轉(zhuǎn)子盤向外延伸。相鄰葉片形成一對且定向成使得流動通道限定于每對相鄰葉片之間。流動通道在入口開口與出口開口之間延伸。至少一個超音速壓縮斜坡定位于流動通道內(nèi)。超音速壓縮斜坡構(gòu)造為調(diào)節(jié)通過流動通道導(dǎo)送的流體，使得流體包括在入口開口的第一速度和在出口開口的第二速度。第一速度和第二速度中的每一個相對于所述轉(zhuǎn)子盤表面為超音速。在另一方面，提供一種超音速壓縮機(jī)系統(tǒng)。這種超音速壓縮機(jī)系統(tǒng)包括外殼，其包括限定在流體入口與流體出口之間延伸的腔的內(nèi)表面。驅(qū)動軸桿定位于所述外殼內(nèi)。驅(qū)動軸桿可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到驅(qū)動組件。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)接到驅(qū)動軸桿。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子位于流體入口與流體出口之間以將流體從流體入口導(dǎo)送至流體出口。這種超音速壓縮機(jī)包括轉(zhuǎn)子盤，其包括在徑向內(nèi)表面與徑向外表面之間延伸的主體。多個葉片聯(lián)接到主體。葉片從轉(zhuǎn)子盤向外延伸。相鄰葉片形成一對且定向成使得流動通道限定于每對相鄰葉片之間。流動通道在入口開口與出口開口之間延伸。至少一個超音速壓縮斜坡定位于流動通道內(nèi)。超音速壓縮斜坡構(gòu)造為調(diào)節(jié)通過流動通道導(dǎo)送的流體，使得流體包括在入口開口的第一速度和在出口開口的第二速度。第一速度和第二速度中的每一個相對于轉(zhuǎn)子盤表面為超音速。在又一方面，提供一種組裝超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的方法。該方法包括提供轉(zhuǎn)子盤，轉(zhuǎn)子盤包括在徑向內(nèi)表面與徑向外表面之間延伸的主體。多個葉片聯(lián)接到主體。相鄰葉片形成一對且定向成使得流動通道限定于每對相鄰葉片之間。流動通道在入口開口與出口開口之間延伸。至少一個超音速壓縮斜坡聯(lián)接到所述多個葉片中的一葉片和轉(zhuǎn)子盤之一。超音速壓縮斜坡定位于流動通道內(nèi)且構(gòu)造為調(diào)節(jié)通過流動通道導(dǎo)送的流體，使得流體包括在入口開口處的第一速度和在出口開口處的第二速度。第一速度和第二速度中的每一個相對于轉(zhuǎn)子盤表面為超音速。


當(dāng)參看附圖來閱讀本發(fā)明下文的詳細(xì)描述時，本發(fā)明的這些和其它特點、方面和優(yōu)點將變得更好理解，在所有附圖中，相似的附圖標(biāo)記表示相似的部件，其中圖1為示例性超音速壓縮機(jī)的示意圖；圖2為可用于圖1所示的超音速壓縮機(jī)的示例性超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的透視圖；圖3為圖2所示的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的分解透視圖；圖4為沿著截面線4-4所截取的圖2所示的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的截面圖；圖5為圖3所示且沿著區(qū)域5所截取的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的一部分的放大截面圖；圖6為可用于圖1所示的超音速壓縮機(jī)的替代超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的透視圖；圖7為沿著截面線7-7所截取的圖6所示的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的一部分的放大頂視圖。除非另外指示，本文所提供的附圖意在說明本發(fā)明的關(guān)鍵發(fā)明特點。認(rèn)為這些關(guān)鍵發(fā)明特點能應(yīng)用于包括本發(fā)明的一個或多個實施例的很多種系統(tǒng)中。因此，附圖并不意謂著包括實踐本發(fā)明所需的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的所有常規(guī)特點。部件列表10超音速壓縮機(jī)系統(tǒng)12吸入部段14壓縮機(jī)部段16排放部段18驅(qū)動組件20轉(zhuǎn)子組件22旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸桿24壓縮機(jī)外殼26流體入口28流體出口30內(nèi)表面32腔34流體源36入口引導(dǎo)葉片組件
38入口引導(dǎo)葉片40超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子42出口引導(dǎo)葉片組件44輸出系統(tǒng)46葉片48轉(zhuǎn)子盤50環(huán)形盤主體52內(nèi)圓柱形腔54中心線軸線56徑向內(nèi)表面58徑向外表面60端壁62寬度64徑向66軸向68入口邊緣70出口邊緣74對76入口開口78出口開口80流動通道82流動路徑84夕卜表面86內(nèi)表面88軸向高度90護(hù)罩組件92內(nèi)邊緣94外邊緣96開口96圓柱形開口98超音速壓縮斜坡100壓縮波102流體104箭頭106壓力側(cè)108吸力側(cè)110周向?qū)挾?12第一周向?qū)挾?14第二周向?qū)挾?br> 116截面積118截面積120截面積122截面積124喉部區(qū)域126壓縮表面128發(fā)散表面130前邊緣132后邊緣134斜角136壓縮區(qū)域138截面積140第一端142第二端144斜角146發(fā)散區(qū)域148截面積152第一斜沖擊波154第二斜沖擊波158上游表面160下游表面162寬度164軸向流動路徑168第一軸向?qū)挾?70第二軸向?qū)挾?br> 具體實施例方式在下文的說明書和權(quán)利要求中，將提及多個用語，其將被定義為具有以下意義。單數(shù)形式“一”和“該”包括多個所指對象，除非上下文清楚地表示為其它情況。“可選”或者“可選地”意謂隨后描述的事件或情形可發(fā)生或可不發(fā)生，且該描述包括事件發(fā)生的情形和事件不發(fā)生的情形。如在整個說明書和權(quán)利要求中所用的近似語言可用于修飾任何定量表示，這些定量表示可允許變化而不會導(dǎo)致與之相關(guān)的基礎(chǔ)功能變化。因此，由諸如“大約”和“基本上” 的一個或多個用語修飾的值并不限于所規(guī)定的精確值。在至少一些情形下，近似語言可對應(yīng)于用于測量該值的儀器的精度。此處和在整個說明書和權(quán)利要求中，范圍限制可組合和/ 或互換，識別這些范圍且包括含于其中的所有子范圍，除非上下文或語言表示為其它情況。如本文所用的用語“上游”指超音速壓縮機(jī)系統(tǒng)的前或入口端，且用語“下游”指超音速壓縮機(jī)系統(tǒng)的后或出口端。如本文所用的用語“超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子”指壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其包括安置于超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的流體流動通道內(nèi)的超音速壓縮斜坡。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子被說成是“超音速”，這是因為它們被設(shè)計成繞旋轉(zhuǎn)軸線高速旋轉(zhuǎn)使得在安置于轉(zhuǎn)子的流動通道內(nèi)的超音速壓縮斜坡處遇到旋轉(zhuǎn)超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的移動流體(例如移動氣體)被說成具有超音速的相對流體速度。在遇到超音速壓縮斜坡之前，相對流體速度可被定義為根據(jù)在超音速壓縮斜坡的轉(zhuǎn)子速度與流體速度的向量和。此相對流體速度有時被稱作“局部超音速入口速度”，其在某些實施例中為入口氣體速度與安置于超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的流動通道內(nèi)的超音速壓縮斜坡的切向速度的組合。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子被設(shè)計成在很高切向速度使用，例如，在300米/ 秒至800米/秒范圍的切向速度。本文所述的示例性系統(tǒng)和方法通過提供便于導(dǎo)送流體通過流動路徑的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子而克服了已知超音速壓縮機(jī)組件的缺點，其中，流體的特征為在流體通道出口處為超音速的速度。更具體而言，本文所述的實施例包括超音速壓縮斜坡，超音速壓縮斜坡位于流動通道內(nèi)且被構(gòu)造為防止在流動通道內(nèi)形成法向沖擊波。通過防止流動通道內(nèi)形成法向沖擊波，減小了流體熵升高。圖1為示例性超音速壓縮機(jī)系統(tǒng)10的示意圖。在該示例性實施例中，超音速壓縮機(jī)系統(tǒng)10包括吸入部段12，聯(lián)接于吸入部段12下游的壓縮機(jī)部段14，聯(lián)接于壓縮機(jī)部段 14下游的排放部段16和驅(qū)動組件18。壓縮機(jī)部段14由轉(zhuǎn)子組件20聯(lián)接到驅(qū)動組件18， 轉(zhuǎn)子組件20包括驅(qū)動軸桿22。在該示例性實施例中，吸入部段12、壓縮機(jī)部段14和排放部段16中的每一個位于壓縮機(jī)外殼M內(nèi)。更具體而言，壓縮機(jī)外殼M包括流體入口沈、 流體出口 28和限定腔32的內(nèi)表面30。腔32在流體入口沈與流體出口 28之間延伸且被構(gòu)造為將流體從流體入口沈?qū)偷搅黧w出口觀。吸入部段12、壓縮機(jī)部段14和排放部段 16中的每一個位于腔32內(nèi)?；蛘?，吸入部段12和/或排放部段16可不位于壓縮機(jī)外殼 24內(nèi)。在示例性實施例中，流體入口沈被構(gòu)造為導(dǎo)送流體從流體源34流到吸入部段12。 流體可為任何流體，諸如氣體、氣體混合物和/或載有粒子的氣體。吸入部段12與壓縮機(jī)部段14流動連通地聯(lián)接以將流體從流體入口沈?qū)偷綁嚎s機(jī)部段14。吸入部段12被構(gòu)造為調(diào)節(jié)具有一個或多個預(yù)定參數(shù)的流體流動，諸如速度、質(zhì)量流率、壓力、溫度和/或任何合適的流動參數(shù)。在該示例性實施例中，吸入部段12包括入口引導(dǎo)葉片組件36，其聯(lián)接于流體入口沈與壓縮機(jī)部段14之間用于將流體從流體入口沈?qū)偷綁嚎s機(jī)部段14。入口引導(dǎo)葉片組件36包括聯(lián)接到壓縮機(jī)外殼M的一個或多個入口引導(dǎo)葉片38。壓縮機(jī)部段14聯(lián)接于吸入部段12與排放部段16之間以將流體的至少一部分從吸入部段12導(dǎo)送到排放部段16。壓縮機(jī)部段14包括可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到驅(qū)動軸桿22的至少一個超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子40。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子40被構(gòu)造為增加流體壓力，減小流體體積， 和/或升高導(dǎo)送到排放部段16的流體的溫度。排放部段16包括出口引導(dǎo)葉片組件42，出口引導(dǎo)葉片組件42聯(lián)接于超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子40與流體出口觀之間以將流體從超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子40導(dǎo)向至流體出口觀。流體出口觀被構(gòu)造為將流體從出口引導(dǎo)葉片組件42和 /或超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子40導(dǎo)送到輸出系統(tǒng)44，諸如渦輪發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，流體處理系統(tǒng)和/或流體儲存系統(tǒng)。驅(qū)動組件18被構(gòu)造為使驅(qū)動軸桿22旋轉(zhuǎn)以使得超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子40和 /或出口引導(dǎo)葉片組件42旋轉(zhuǎn)。在操作期間，吸入部段12將流體從流體源34朝向壓縮機(jī)部段14導(dǎo)向。壓縮機(jī)部段14壓縮流體且將壓縮流體朝向排放部段16排放。排放部段16將壓縮流體從壓縮機(jī)部段14通過流體出口 28導(dǎo)送到輸出系統(tǒng)44。圖2為示例性超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子40的透視圖。圖3為超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子40的分解透視圖。圖4為在圖2所示的截面線4-4處的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子40的截面圖。在圖3和圖4中所示的相同的構(gòu)件用圖2中所用的相同附圖標(biāo)記來標(biāo)注。在該示例性實施例中，超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子40包括聯(lián)接到轉(zhuǎn)子盤48的多個葉片46。轉(zhuǎn)子盤48包括環(huán)形盤主體50， 環(huán)形盤主體50限定沿著中心線軸線M大體上在軸向穿過盤主體50的內(nèi)圓柱形腔52。盤主體50包括徑向內(nèi)表面56、徑向外表面58和端壁60。徑向內(nèi)表面56限定內(nèi)圓柱形腔52。 內(nèi)圓柱形腔52具有基本上圓柱形的形狀且繞中心線軸線M定向。內(nèi)圓柱形腔52的大小適于穿過它接納驅(qū)動軸桿22 (在圖1中示出)。端壁60從內(nèi)圓柱形腔52且在徑向內(nèi)表面 56與徑向外表面58之間沿徑向向外延伸。端壁60包括限定于垂直于中心線軸線M定向的徑向64中的寬度62。在該示例性實施例中，每個葉片46聯(lián)接到端壁60且從端壁60在大體上平行于中心線軸線M的軸向66上向外延伸。每個葉片46包括入口邊緣68、出口邊緣70且在入口邊緣68與出口邊緣70之間延伸。入口邊緣68鄰近徑向內(nèi)表面56定位。出口邊緣70鄰近徑向外表面58定位。在該示例性實施例中，相鄰葉片46形成一對74葉片46。每對74定向成限定入口開口 76、出口開口 78和在相鄰葉片46之間的流動通道80。流動通道80在入口開口 76與出口開口 78之間延伸且限定從入口開口 76到出口開口 78的流動路徑，由箭頭82(在圖4中示出)表示。流動路徑82大體上平行于葉片46定向。流動通道80的大小、形狀和方位適于在徑向64沿著從入口開口 76到出口開口 78的流動路徑82導(dǎo)送流體。入口開口 76限定于相鄰葉片46的相鄰入口邊緣68之間。出口開口 78限定于相鄰葉片46的相鄰出口邊緣70之間。葉片46在入口邊緣68與出口邊緣70之間沿徑向延伸且在徑向內(nèi)表面56與徑向外表面58之間延伸。葉片46包括外表面84和相對的內(nèi)表面86。 葉片46在外表面84與內(nèi)表面86之間延伸以限定流動通道80的軸向高度88。參看圖2和圖3，在示例性實施例中，護(hù)罩組件90聯(lián)接到每個葉片46的外表面84 使得流動通道80 (在圖4中示出)限定于護(hù)罩組件90與端壁60之間。護(hù)罩組件90包括內(nèi)邊緣92和外邊緣94。內(nèi)邊緣92限定基本上圓柱形開口 96。護(hù)罩組件90與轉(zhuǎn)子盤48同軸定向使得內(nèi)圓柱形腔52與開口 96同心。護(hù)罩組件90聯(lián)接到每個葉片46，使得葉片46 的入口邊緣68鄰近護(hù)罩組件90的內(nèi)邊緣92定位，且葉片46的出口邊緣70鄰近護(hù)罩組件 90的外邊緣94定位?；蛘?，超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子40并不包括護(hù)罩組件90。在此實施例中， 膜片組件(未圖示)鄰近葉片46的每個外表面84定位使得膜片組件至少部分地限定流動通道80?，F(xiàn)參看圖4，在示例性實施例中，至少一個超音速壓縮斜坡98定位于流動通道80 內(nèi)，超音速壓縮斜坡98定位于入口開口 76與出口開口 78之間且大小、形狀和方位適于使得一個或多個壓縮波110形成于流動通道80內(nèi)。在超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子40操作期間，吸入部段12 (在圖1中示出)將流體102朝向流動通道80的入口開口 76導(dǎo)送。流體102在即將進(jìn)入到入口開口 76之前具有第一速度， 艮口，接近速度。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子40以第二速度，即由箭頭104所表示的旋轉(zhuǎn)速度，繞中心線軸線討旋轉(zhuǎn)，使得進(jìn)入流動通道80的流體102具有第三速度，即，在入口開口 76處相對于葉片46為超音速的入口速度。在流體102以超音速速度導(dǎo)送通過流動通道80時，超音速壓縮斜坡98使得壓縮波100形成于流動通道80內(nèi)以便于壓縮流體102，使得流體102在出口開口 78處包括增加的壓力和溫度，和/或包括減小的體積。圖5為沿著圖4所示的區(qū)域5所截取的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子40的一部分的放大截面圖。在圖5所示的相同構(gòu)件用圖2和圖4所用的相同附圖標(biāo)記來標(biāo)注。在該示例性實施例中，每個葉片46包括第一側(cè)，即，壓力側(cè)106，和相對的第二側(cè)，即吸力側(cè)108。每個壓力側(cè)106和吸力側(cè)108在入口邊緣68與出口邊緣70之間延伸。在示例性實施例中，每個葉片46繞內(nèi)圓柱形腔52在周向間隔開使得流動通道80 在入口開口 76與出口開口 78之間大體上沿徑向定向。每個入口開口 76在入口邊緣68處在葉片46的壓力側(cè)106與相鄰吸力側(cè)108之間延伸。每個出口開口 78在出口邊緣70處在壓力側(cè)106與相鄰吸力側(cè)108之間延伸，使得流動路徑82限定為沿徑向64從徑向內(nèi)表面56在徑向向外到徑向外表面58?；蛘撸噜徣~片46可定向為使得入口開口 76限定于徑向外表面58處，且出口開口 78限定于徑向內(nèi)表面56，處使得流動路徑82限定為從徑向外表面58在徑向向內(nèi)到徑向內(nèi)表面56。在該示例性實施例中，流動通道80包括限定于壓力側(cè)106與相鄰吸力側(cè)108之間且垂直于流動路徑82的周向?qū)挾?10。入口開口 76具有大于出口開口 78的第二周向?qū)挾?14的第一周向?qū)挾?12?；蛘撸肟陂_口 76的第一周向?qū)挾?12可小于或等于出口開口 78的第二周向?qū)挾?14。在該示例性實施例中，每個葉片46 形成為弓形的形狀且定向成使得流動通道80限定成具有螺旋形狀且大體上在入口開口 76 到出口開口 78之間向內(nèi)會聚。在該示例性實施例中，流動通道80限定沿著流動路徑82變化的截面積116。流動通道88的截面積116垂直于流動路徑82限定且等于流動通道80的周向?qū)挾?10乘以流動通道80的軸向高度88 (在圖3中示出)。流動通道80包括第一面積(即在入口開口 76 處的入口截面積118)，第二面積(即在出口開口 76處的出口截面積120)，和第三面積(即限定于入口開口 76與出口開口 78之間的最小截面積122)。在該示例性實施例中，最小截面積122小于入口截面積118和出口截面積120。在一實施例中，最小截面積122等于出口截面積120，其中出口截面積120和最小截面積122中的每一個小于入口截面積118。在示例性實施例中，超音速壓縮斜坡98聯(lián)接到葉片46的壓力側(cè)106且限定流動通道80的喉部區(qū)域124。喉部區(qū)域124限定流動通道80的最小截面積122。在替代實施例中，超音速壓縮斜坡98可聯(lián)接到葉片46的吸力側(cè)108、端壁60和/或護(hù)罩組件90。在另一替代實施例中，超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子40包括多個超音速壓縮斜坡98，超音速壓縮斜坡98 各聯(lián)接到壓力側(cè)106、吸力側(cè)108、端壁60和/或護(hù)罩組件90。在此實施例中，每個超音速壓縮斜坡98 —起限定喉部區(qū)域124。在示例性實施例中，喉部區(qū)域124限定小于入口截面積118的最小截面積122，使得流動通道80具有定義為入口截面積118除以最小截面積122在大約1. 01至1. 10之間的面積比。在一實施例中，面積比在大約1.07與1.08之間。在替代實施例中，面積比可等于或小于1.01。在另一替代實施例中，面積比可等于或大于1. 10。在該示例性實施例中，超音速壓縮斜坡98包括壓縮表面1 和發(fā)散表面128。壓縮表面1 包括第一邊緣(即，前邊緣130)，和第二邊緣(即后邊緣13 。前邊緣130比后邊緣132更靠近入口開口 76定位。壓縮表面1 在前邊緣130與后邊緣132之間延伸且定向成以斜角Π4從葉片46朝向相鄰吸力側(cè)108且到流動路徑82內(nèi)。壓縮表面1 朝向相鄰吸力側(cè)108會聚使得壓縮區(qū)域136限定于前邊緣130與后邊緣132之間。壓縮區(qū)域 136包括沿著從前邊緣130到后邊緣132的流動路徑82減小的流動通道80的截面積138。 壓縮表面126的后邊緣132限定喉部區(qū)域124。發(fā)散表面1 聯(lián)接到壓縮表面1 且從壓縮表面126向下游朝向出口開口 78延伸。發(fā)散表面1 包括第一端140和第二端142，第二端142比第一端140更靠近出口開口 78。發(fā)散表面128的第一端140聯(lián)接到壓縮表面126的后邊緣132。發(fā)散表面1 在第一端140與第二端142之間延伸且定向成以斜角144從壓力側(cè)106朝向壓縮表面126的后邊緣132。發(fā)散表面128限定發(fā)散區(qū)域146，發(fā)散區(qū)域146包括發(fā)散截面積148，發(fā)散截面積 148從壓縮表面126的后邊緣132向出口開口 78增加。發(fā)散區(qū)域146從喉部區(qū)域IM延伸到出口開口 78。在替代實施例中，超音速壓縮斜坡98并不包括發(fā)散表面128。在此替代實施例中，壓縮表面126的后邊緣132鄰近葉片46的出口邊緣70定位使得喉部區(qū)域124限定于鄰近出口開口 78處。在超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子40操作期間，流體102以第一速度從內(nèi)圓柱形腔52導(dǎo)送到入口開口 76內(nèi)，該第一速度相對于轉(zhuǎn)子盤48為超音速。從內(nèi)圓柱形腔52進(jìn)入流動通道80 的流體102接觸超音速壓縮斜坡98的前邊緣130以形成第一斜沖擊波152。超音速壓縮斜坡98的壓縮區(qū)域136被構(gòu)造為使得第一斜沖擊波152定向成相對于從前邊緣130朝向相鄰葉片46且在流動通道80內(nèi)的流動路徑82成斜角。隨著第一斜沖擊波152接觸相鄰葉片46，第二斜沖擊波巧4相對于流動路徑82以斜角從相鄰葉片46反射且朝向超音速壓縮斜坡98的喉部區(qū)域124。在一實施例中，壓縮表面1 定向成使得第二斜沖擊波IM從相鄰葉片46處的第一斜沖擊波152延伸到限定喉部區(qū)域IM的后邊緣132。超音速壓縮斜坡 98被構(gòu)造為使得每個第一斜沖擊波152和第二斜沖擊波IM形成于壓縮區(qū)域136內(nèi)。隨著流體102通過壓縮區(qū)域136，流體102速度隨著流體102經(jīng)過每個第一斜沖擊波152和第二斜沖擊波巧4而減小。此外，流體102的壓力升高且流體102的體積減小。 在該示例性實施例中，隨著流體102經(jīng)過喉部區(qū)域124，超音速壓縮斜坡98被構(gòu)造為調(diào)節(jié)流體102以在出口開口 78處具有相對于轉(zhuǎn)子盤48為超音速的出口速度。超音速壓縮斜坡 98進(jìn)一步被構(gòu)造為防止法向沖擊波在喉部區(qū)域124的下游且在流動通道80內(nèi)形成。法向沖擊波為垂直于流動路徑82定向的沖擊波，隨著流體經(jīng)過法向沖擊波，其將流體102的速度減小至相對于轉(zhuǎn)子盤48為亞音速。在該示例性實施例中，喉部區(qū)域IM足夠靠近出口開口 78定位以防止法向沖擊波形成于流動通道80內(nèi)。在一實施例中，喉部區(qū)域IM鄰近出口開口 78定位以防止法向沖擊波形成于流動通道80內(nèi)。圖6為替代超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子40的透視圖。圖7為在截面線7-7所截取的圖6 所示的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子40的一部分的放大頂視圖。在圖6和圖7所示的相同構(gòu)件用圖 4和圖5所用的相同附圖標(biāo)記來標(biāo)注。在替代實施例中，轉(zhuǎn)子盤48包括上游表面158、下游表面160且沿軸向66在上游表面158與下游表面160之間延伸。每個上游表面158和下游表面160在徑向內(nèi)表面56與徑向外表面58之間延伸。徑向外表面58繞轉(zhuǎn)子盤48在周向且在上游表面158與下游表面160之間延伸。徑向外表面58具有限定于軸向66上的寬度162。每個葉片46聯(lián)接到徑向外表面58且以盤旋形狀繞轉(zhuǎn)子盤48在周向延伸。葉片 46沿徑向64從徑向外表面58向外延伸。在該示例性實施例中，外表面58具有基本上圓柱形的形狀?；蛘?，外表面58可具有圓錐形狀和/或任何合適形狀以使得超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子 40如本文所述起作用。每個葉片46與相鄰葉片46在軸向間隔開使得流動通道80大體上在軸向66定向于入口開口 76與出口開口 78之間。流動通道80限定于每對74軸向相鄰的葉片46之間。 每對74葉片46定向成使得入口開口 76限定于上游表面158處且出口開口 78限定于下游表面160處。軸向流動路徑164沿著徑向外表面58從入口開口 76到出口開口 78在軸向限定。在此替代實施例中，流動通道80包括限定于葉片46的壓力側(cè)106與相鄰吸力側(cè)108 之間且基本上垂直于軸向流動路徑164的軸向?qū)挾?66。入口開口 76具有大于出口開口 78的第二軸向?qū)挾?70的第一軸向?qū)挾?68?；蛘?，入口開口 76的第一軸向?qū)挾?68可小于或等于出口開口 78的第二軸向?qū)挾?70。在此替代實施例中，至少一個超音速壓縮斜坡98聯(lián)接到每個葉片46且限定定位于入口開口 76與出口開口 78之間的流動通道80的喉部區(qū)域124。或者，超音速壓縮斜坡 98聯(lián)接到轉(zhuǎn)子盤48的徑向外表面58。在該替代實施例中，超音速壓縮斜坡98的壓縮表面 126鄰近葉片46的出口邊緣70定位以限定在出口開口 76處的喉部區(qū)域124。上文所述的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子提供具有成本效益且可靠的方法來提高超音速壓縮機(jī)系統(tǒng)的性能效率。此外，超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子便于通過減少通過超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)送的流體內(nèi)的熵升高來提高超音速壓縮機(jī)系統(tǒng)的操作效率。更具體而言，超音速壓縮轉(zhuǎn)子包括超音速壓縮斜坡，其被構(gòu)造為導(dǎo)送流體通過流動路徑使得流體的特征為在流體通道出口處為超音速的速度。此外，超音速壓縮斜坡還被構(gòu)造為防止法向沖擊波形成于流動通道內(nèi)， 這減小了流動通道內(nèi)流體的熵升高。因此，超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子便于改進(jìn)超音速壓縮系統(tǒng)的操作效率。因此，可降低維護(hù)超音速壓縮機(jī)系統(tǒng)的成本。在上文中詳細(xì)地描述了組裝超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的系統(tǒng)和方法的示例性實施例。系統(tǒng)和方法并不限于本文所述的具體實施例，而是系統(tǒng)構(gòu)件和/和方法步驟可獨(dú)立于且單獨(dú)于本文所述的其它構(gòu)件和/或步驟利用。舉例而言，系統(tǒng)和方法也可組合其它旋轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和方法使用，且并不限于僅以如本文所述的超音速壓縮機(jī)系統(tǒng)來實踐。而是，示例性實施例可結(jié)合許多其它旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)應(yīng)用來實施和利用。盡管可在一些附圖中示出但未在其它附圖中示出本發(fā)明的各種實施例的具體特點，但這只是出于方便目的。另外，在上文描述中對“一個實施例”的提及預(yù)期不理解為排除也合并所陳述的特點的額外實施例的存在。根據(jù)本發(fā)明的原理，附圖的任何特點可組合任何其它附圖的任何特點參考和/或要求保護(hù)。本書面描述使用實例來公開本發(fā)明(包括最佳實施方式)，且也能使本領(lǐng)域技術(shù)人員實踐本發(fā)明(包括做出和使用任何裝置或系統(tǒng)和執(zhí)行任何合并的方法)。專利保護(hù)范圍由權(quán)利要求限定，且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實例。如果這些其它實例具有與權(quán)利要求的字面語言并無不同的結(jié)構(gòu)元件或者如果這些其它實例包括與權(quán)利要求的字面語言并無實質(zhì)不同的等效結(jié)構(gòu)元件，那么這些其它實例預(yù)期在權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，包括轉(zhuǎn)子盤(48)，其包括在徑向內(nèi)表面(56)與徑向外表面(58)之間延伸的主體；多個葉片(46)，其聯(lián)接到所述主體，所述葉片從所述轉(zhuǎn)子盤08)向外延伸，相鄰的所述葉片形成一對(74)且定向成使得在每個所述一對相鄰葉片之間限定流動通道，所述流動通道在入口開口(76)與出口開口(78)之間延伸；以及至少一個超音速壓縮斜坡(98)，其定位于所述流動通道(80)內(nèi)，所述超音速壓縮斜坡被構(gòu)造為調(diào)節(jié)通過所述流動通道導(dǎo)送的流體，使得所述流體的特征為在所述入口開口的第一速度和在所述出口開口的第二速度，所述第一速度和所述第二速度中的每一個相對于所述轉(zhuǎn)子盤的表面為超音速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述至少一個超音速壓縮斜坡(98)被構(gòu)造為防止法向沖擊波形成于所述流動通道(80)內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述超音速壓縮斜坡(98) 包括在前邊緣(130)與后邊緣端部(15 之間延伸的壓縮表面(1 )，所述前邊緣比所述后邊緣更靠近所述入口開口(76)定位，所述后邊緣限定所述流動通道(80)的喉部區(qū)域 (IM)，所述喉部區(qū)域具有所述流動通道的最小截面積。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述后邊緣(15 定位成鄰近所述出口開口(78)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述超音速壓縮斜坡(98) 包括聯(lián)接到所述后邊緣(152)的發(fā)散表面(1 )，所述發(fā)散表面在第一端(140)與第二端 (142)之間延伸，所述第一端聯(lián)接到所述壓縮表面(126)且限定所述流動通道(80)的第一截面積(116)，所述第二端(142)比所述第一端(140)更靠近所述出口開口(78)定位且限定大于所述第一截面積的第二截面積(118)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述多個葉片中的每個葉片G6)包括至少部分地限定所述流動通道(80)的外表面(84)，所述至少一個超音速壓縮斜坡(98)聯(lián)接到所述外表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子盤G8)包括至少部分地限定所述流動通道(80)的外表面(84)，所述至少一個超音速壓縮斜坡(98)聯(lián)接到所述外表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子盤G8)包括基本上沿徑向在所述徑向內(nèi)表面(56)與所述徑向外表面(58)之間延伸的端壁(60)，所述葉片 (46)聯(lián)接到所述端壁，相鄰的所述葉片以周向距離間隔開使得所述流動通道(80)限定于每個所述一對周向相鄰葉片之間，所述流動通道在所述徑向內(nèi)表面與所述徑向外表面之間延伸。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子盤主體包括上游表面(158)和下游表面(160)，所述徑向外表面(58)大體上沿軸向在所述上游表面與所述下游表面之間延伸，所述葉片G6)聯(lián)接到所述徑向外表面，相鄰的所述葉片以軸向距離間隔開使得所述流動通道(80)限定于每個所述一對軸向相鄰葉片的之間，所述流動通道在所述上游表面與所述下游表面之間延伸。
10.一種超音速壓縮機(jī)系統(tǒng)(10)，包括外殼，其包括限定在流體入口 06)與流體出口 08)之間延伸的腔的內(nèi)表面(56)； 驅(qū)動軸桿，其定位于所述外殼內(nèi)，所述驅(qū)動軸桿0 可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到驅(qū)動組件(18)；以及超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其聯(lián)接到所述驅(qū)動軸桿，所述超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子位于所述流體入口 06)與所述流體出口 0 之間以將流體從所述流體入口導(dǎo)送至所述流體出口，所述超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子盤(48)，其包括在徑向內(nèi)表面(56)與徑向外表面(58)之間延伸的主體； 多個葉片(46)，其聯(lián)接到所述主體(50)，所述葉片從所述轉(zhuǎn)子盤向外延伸，相鄰的所述葉片形成一對(74)且定向成使得流體通道(80)限定于每個所述一對相鄰葉片之間，所述流動通道在入口開口(76)與出口開口(78)之間延伸；以及至少一個超音速壓縮斜坡(98)，其定位于所述流動通道內(nèi)，所述超音速壓縮斜坡被構(gòu)造為調(diào)節(jié)通過所述流動通道導(dǎo)送的流體，使得所述流體的特征為在所述入口開口的第一速度和在所述出口開口的第二速度，所述第一速度和所述第二速度中的每一個相對于所述轉(zhuǎn)子盤的表面為超音速。
全文摘要
本申請涉及超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子及其組裝方法。其中，超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子盤(48)，其包括在徑向內(nèi)表面(56)與徑向外表面(58)之間延伸的主體；多個葉片(46)，其聯(lián)接到該主體，該葉片從轉(zhuǎn)子盤(48)向外延伸，相鄰的葉片形成一對(74)且定向成使得流動通道限定于每個一對相鄰葉片之間，流動通道在入口開口(76)與出口開口(78)之間延伸；以及，至少一個超音速壓縮斜坡(98)，其定位于流動通道(80)內(nèi)，超音速壓縮斜坡被構(gòu)造為調(diào)節(jié)通過流動通道導(dǎo)送的流體，使得流體的特征為在入口開口的第一速度和在出口開口的第二速度，第一速度和第二速度中的每一個相對于轉(zhuǎn)子盤表面為超音速。
文檔編號F04D21/00GK102536854SQ20111046157
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月21日
發(fā)明者D·C·霍菲爾, D·戈塔普, Z·W·奈格爾 申請人:通用電氣公司