超音速壓縮機(jī)和相關(guān)聯(lián)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體涉及壓縮機(jī)，并且更具體而言，涉及超音速壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子。
【背景技術(shù)】
[0002]壓縮機(jī)用來壓縮流體且廣泛地用于范圍為從制冷單元到噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)中。在運(yùn)行期間，壓縮機(jī)對(duì)處于較低壓力的流體施加機(jī)械能，以將流體的壓力提高到更高壓力。流體的壓縮以單個(gè)級(jí)或多個(gè)級(jí)執(zhí)行。當(dāng)前可用的壓縮技術(shù)為從離心壓縮系統(tǒng)到混合流壓縮系統(tǒng)，再到軸向流壓縮系統(tǒng)。壓縮機(jī)的性能可通過在壓縮級(jí)之前和之后的流體的壓力比來測(cè)量。典型地，在單級(jí)壓縮中實(shí)現(xiàn)的壓力比較低。多級(jí)壓縮可實(shí)現(xiàn)更高的壓力比。但是，具有多個(gè)級(jí)的壓縮機(jī)往往較大、復(fù)雜和高成本。
[0003]相信超音速壓縮機(jī)要克服傳統(tǒng)的壓縮機(jī)的一些限制。在這種超音速壓縮機(jī)中，通過使入口流體與運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子接觸來執(zhí)行壓縮，運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子具有多個(gè)轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉，其使入口流體從轉(zhuǎn)子的低壓力側(cè)運(yùn)動(dòng)到轉(zhuǎn)子的高壓力側(cè)。大體上，在這種超音速壓縮機(jī)中，轉(zhuǎn)子的高壓力側(cè)處的流體的速度降低到亞音速，因?yàn)樵诙鄠€(gè)轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉限定的流通道內(nèi)產(chǎn)生法向沖擊波。法向沖擊波與流通道中的邊界層的相互作用導(dǎo)致壓縮流體的局部流分離。這種局部流分離導(dǎo)致壓縮機(jī)的總體運(yùn)行效率降低。因而，需要增強(qiáng)的超音速壓縮機(jī)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，公開一種超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子包括第一轉(zhuǎn)子盤和第二轉(zhuǎn)子盤。另外，超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子包括第一組轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉，其聯(lián)接到第一和第二轉(zhuǎn)子盤上且設(shè)置在第一和第二轉(zhuǎn)子盤之間，并且與第一和第二轉(zhuǎn)子盤共同限定第一組流通道。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)一步包括第二組轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉，其聯(lián)接到第一和第二轉(zhuǎn)子盤上且設(shè)置在第一和第二轉(zhuǎn)子盤之間，并且與第一和第二轉(zhuǎn)子盤共同限定第二組流通道。第一組轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉設(shè)置成相對(duì)于第二組轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉偏移，并且第一組流通道和第二組流通道構(gòu)造成使得第一組流通道中的各個(gè)流通道與第二組流通道中的至少一個(gè)流通道處于流體連通。另外，超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子包括多個(gè)壓縮斜坡，其構(gòu)造成使得各個(gè)壓縮斜坡設(shè)置在與相鄰轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉表面相對(duì)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉表面上。
[0005]根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，公開一種超音速壓縮機(jī)。超音速壓縮機(jī)包括具有流體入口和流體出口的殼體和轉(zhuǎn)子軸。另外，超音速壓縮機(jī)包括至少一個(gè)超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其設(shè)置在殼體內(nèi)。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子包括第一轉(zhuǎn)子盤和第二轉(zhuǎn)子盤，第二轉(zhuǎn)子盤聯(lián)接到第一轉(zhuǎn)子盤和轉(zhuǎn)子軸上。另外，超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子包括第一組轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉，其聯(lián)接到第一和第二轉(zhuǎn)子盤上且設(shè)置在第一和第二轉(zhuǎn)子盤之間，并且與第一和第二轉(zhuǎn)子盤共同限定第一組流通道。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)一步包括第二組轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉，其聯(lián)接到第一和第二轉(zhuǎn)子盤上且設(shè)置在第一和第二轉(zhuǎn)子盤之間，并且與第一和第二轉(zhuǎn)子盤共同限定第二組流通道。第一組轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉設(shè)置成相對(duì)于第二組轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉偏移，并且第一組流通道和第二組流通道構(gòu)造成使得第一組流通道中的各個(gè)流通道與第二組流通道中的至少一個(gè)流通道處于流體連通。另外，超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子包括多個(gè)壓縮斜坡，其構(gòu)造成使得各個(gè)壓縮斜坡設(shè)置在與相鄰轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉表面相對(duì)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉表面上。
[0006]根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，公開一種壓縮流體的方法。方法包括將第一流體引入到超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的第一組流通道中的至少一個(gè)流通道，超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子構(gòu)造成由軸驅(qū)動(dòng)。另外，方法包括在第一組流通道中的至少一個(gè)流通道中執(zhí)行第一流體的第一次壓縮，以產(chǎn)生第二流體。方法進(jìn)一步包括將第二流體引入到超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的第二組流通道中的至少一個(gè)流通道。另外，方法包括在第二組流通道中的至少一個(gè)流通道中執(zhí)行第二流體的第二次壓縮，以產(chǎn)生進(jìn)一步壓縮的第二流體。進(jìn)一步壓縮的第二流體的特征在于比第二流體的壓力更高，第一組第一流通道由第一組轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉中的相鄰轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉限定，第二組第二流通道由第二組轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉中的相鄰轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉限定，第一組和第二組流通道中的各個(gè)流通道進(jìn)一步由壓縮斜坡限定，壓縮斜坡設(shè)置在與相鄰轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉表面相對(duì)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉表面上，并且第一組和第二組轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉聯(lián)接到第一轉(zhuǎn)子盤和第二轉(zhuǎn)子盤上且設(shè)置在第一轉(zhuǎn)子盤和第二轉(zhuǎn)子盤之間。
【附圖說明】
[0007]當(dāng)參照附圖來閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本公開的實(shí)施例的這些和其它特征和方面將變得更好理解，在附圖中，相同標(biāo)號(hào)在所有圖中表示相同部件，其中:
圖1為根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的超音速壓縮機(jī)的示意圖；
圖2表示根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的分解圖；
圖3表示根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的組裝好的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的透視圖；
圖4表示根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的超音速壓縮機(jī)的一部分的局部透視圖；
圖5為根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的示意圖；
圖6為根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的一部分的示意圖；
圖7A為根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的一部分的示意圖；和圖7B為根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例的超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的一部分的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0008]雖然本文示出和描述本發(fā)明的實(shí)施例的僅某些特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到許多修改和變化。因此要理解，所附權(quán)利要求意圖覆蓋落在本發(fā)明的精神內(nèi)的所有這種修改和變化。
[0009]如本文所使用，用語“超音速壓縮機(jī)”表示包括超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的壓縮機(jī)。超音速壓縮機(jī)可包括一個(gè)或多個(gè)超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，其構(gòu)造成壓縮在多個(gè)轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉之間流體沿徑向向內(nèi)或向外流動(dòng)的流體，轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉設(shè)置在成對(duì)的轉(zhuǎn)子盤之間。在這種超音速壓縮機(jī)中，流體從流體導(dǎo)管的低壓力側(cè)運(yùn)送到多個(gè)轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉之間且然后運(yùn)送到流體導(dǎo)管的高壓力側(cè)。
[0010]超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子稱為“超音速”，因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)子包括壓縮斜坡且設(shè)計(jì)成圍繞軸線以更高速度旋轉(zhuǎn)，使得遇到轉(zhuǎn)子的壓縮斜坡的流體流具有為超音速的相對(duì)流體速度。相對(duì)流體速度可限定為壓縮斜坡的前緣處的轉(zhuǎn)子速度和在剛好遇到壓縮斜坡的前緣的流體速度的矢量和。另外，相對(duì)流體速度還可稱為“局部超音速入口速度”，其在某些實(shí)施例中，為入口流體速度和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在壓縮機(jī)的流體入口處的切向速度的組合。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子以非常高的切向速度運(yùn)行，例如切向速度的范圍為250米/秒至800米/秒。
[0011]在一個(gè)實(shí)施例中，示例性超音速壓縮機(jī)可用于較大系統(tǒng)內(nèi)，例如燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)或噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的總尺寸和重量可減小，因?yàn)榭赏ㄟ^超音速壓縮機(jī)獲得增強(qiáng)的壓縮比。通過限制在第二組轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉中的各個(gè)轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉的下游端部處的法向沖擊波的產(chǎn)生，本文論述的實(shí)施例增強(qiáng)超音速壓縮機(jī)的效率。另外，上面詳細(xì)描述的實(shí)施例降低壓縮流體經(jīng)歷局部流分離的趨勢(shì)，因?yàn)檫吔鐚优c法向沖擊波較弱地相互作用。
[0012]本文論述的實(shí)施例公開一種用于超音速壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子和壓縮流體的方法。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供超音速壓縮機(jī)，其包括超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子包括兩組轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉，其設(shè)置在成對(duì)的轉(zhuǎn)子盤之間。第一組轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉和成對(duì)的轉(zhuǎn)子盤限定第一組流通道。第二組轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉和成對(duì)的轉(zhuǎn)子盤限定第二組流通道。另外，多個(gè)壓縮斜坡構(gòu)造成使得各個(gè)壓縮斜坡設(shè)置在與相鄰轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉表面相對(duì)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉表面上。壓縮斜坡構(gòu)造成在第一組和第二組流通道中的各個(gè)流通道內(nèi)產(chǎn)生傾斜沖擊波。另外，在這種超音速壓縮機(jī)中，法向沖擊波的產(chǎn)生限制于第二組流通道中的各個(gè)流通道的端部。法向沖擊波使壓縮流體的速度僅在第二組流通道中的各個(gè)流通道的端部處降低到亞音速。
[0013]圖1為示例性超音速壓縮機(jī)100的示意圖，其包括進(jìn)氣區(qū)段102、設(shè)置在進(jìn)氣區(qū)段102下游的壓縮機(jī)區(qū)段104、設(shè)置在壓縮機(jī)區(qū)段104下游的排出區(qū)段106和驅(qū)動(dòng)組件108。壓縮機(jī)區(qū)段104通過轉(zhuǎn)子軸112聯(lián)接到驅(qū)動(dòng)組件108上。在示例性實(shí)施例中，進(jìn)氣區(qū)段102、壓縮機(jī)區(qū)段104和排出區(qū)段106中的各個(gè)定位在殼體114內(nèi)。更具體而言，殼體114包括流體入口116、流體出口 118和內(nèi)表面120，內(nèi)表面120限定腔體122。腔體122延伸在流體入口 116和流體出口 118之間，并且限定流路徑，以便流體從流體入口 116流到流體出口 118。進(jìn)氣區(qū)段102、壓縮機(jī)區(qū)段104和排出區(qū)段106中的各個(gè)定位在腔體122內(nèi)。備選地，進(jìn)氣區(qū)段102和/或排出區(qū)段106可不定位在殼體114內(nèi)。
[0014]在示出的示例性實(shí)施例中，進(jìn)氣區(qū)段102包括入口導(dǎo)葉組件126，其包括一個(gè)或多個(gè)入口導(dǎo)葉128，以將第一流體224從流體入口 116引導(dǎo)到壓縮機(jī)區(qū)段104。壓縮機(jī)區(qū)段104包括至少一個(gè)超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子130，其聯(lián)接到轉(zhuǎn)子軸112上。超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子130構(gòu)造成沿徑向壓縮第一流體224，并且包括第一轉(zhuǎn)子盤136、第二轉(zhuǎn)子盤138和第一組和第二組轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉162，164。在示出的實(shí)施例中，超音速壓縮機(jī)100構(gòu)造成對(duì)第一流體224進(jìn)行單級(jí)壓縮。排出區(qū)段106包括出口導(dǎo)葉組件132，其具有一個(gè)或多個(gè)出口導(dǎo)葉133，以將壓縮的第二流體226從壓縮機(jī)區(qū)段104引導(dǎo)到流體出口 118。驅(qū)動(dòng)組件108通過轉(zhuǎn)子軸112驅(qū)動(dòng)超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子130。在其它實(shí)施例中，壓縮機(jī)區(qū)段104可包括不止一個(gè)超音速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子130，并且構(gòu)造成對(duì)第一流體224進(jìn)行多級(jí)壓縮。
[0015]在示例性實(shí)施例中，流體入口116限定流路徑，以便第一流體224從流體源124流到進(jìn)氣區(qū)段102。第一流體224可為任何流體，諸如，例如氣體或氣體混合物。進(jìn)氣