СВЕРХЗВУКОВАЯ КОМПРЕССОРНАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕЕ СБОРКИ
SUPERSONIC COMPRESSOR UNIT (VERSIONS) AND METHOD FOR ASSEMBLY THEREOF

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится в целом к сверхзвуковым компрессорным установкам и, в частности, к сверхзвуковой компрессорной установке, которая содержит сверхзвуковой компрессорный ротор и компрессор.
По меньшей мере, некоторые известные сверхзвуковые компрессорные установки содержат двигательный узел, ведущий вал и по меньшей мере один сверхзвуковой компрессорный ротор для сжатия текучей среды. Двигательный узел соединен со сверхзвуковым компрессорным ротором ведущим валом с обеспечением вращения ведущего вала и сверхзвукового компрессорного ротора.
По меньшей мере некоторые известные сверхзвуковые компрессоры содержат осевой сверхзвуковой компрессорный ротор. Известные сверхзвуковые компрессорные роторы содержат множество ребер, присоединенных к роторному диску. Каждое ребро ориентировано в окружном направлении вокруг роторного диска с ограничением осевого проточного канала между соседними ребрами. По меньшей мере, некоторые известные сверхзвуковые компрессорные роторы имеют сверхзвуковой наклонный участок сжатия, который присоединен к роторному диску. Известные сверхзвуковые наклонные участки сжатия расположены в осевом проточном канале и выполнены с обеспечением образования волны сжатия в этом канале.
Во время работы известных сверхзвуковых компрессорных установок двигательный узел вращает сверхзвуковой компрессорный ротор с высокой скоростью вращения. Текучая среда направляется к сверхзвуковому компрессорному ротору таким образом, что она имеет скорость, которая является сверхзвуковой относительно сверхзвукового компрессорного ротора в указанном проточном канале. По меньшей мере, некоторые известные сверхзвуковые компрессорные роторы выпускают текучую среду из проточного канала в осевом направлении. Поскольку текучая среда направляется в осевом направлении, компоненты сверхзвуковой компрессорной установки, расположенные за сверхзвуковым компрессорным ротором, должны быть выполнены с обеспечением поступления в них ориентированного в осевом направлении потока. То есть, эффективность сжатия текучей среды может быть ограничена эффективностью осевого сверхзвукового компрессорного ротора. Известные сверхзвуковые компрессорные установки описаны, например в патентах США №7334990 и №7293955, поданных, соответственно, 28 марта 2005 года и 23 марта 2005 года, и в заявке на патент США 2009/0196731, поданной 16 января 2009 года.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном варианте выполнения предложена сверхзвуковая компрессорная установка. Сверхзвуковая компрессорная установка содержит кожух, который ограничивает полость, проходящую между впуском для текучей среды и выпуском для текучей среды, и первый ведущий вал, который расположен в указанной полости. Центральная ось проходит вдоль средней линии первого ведущего вала. К первому ведущему валу присоединен сверхзвуковой компрессорный ротор, расположенный между впуском для текучей среды и выпуском для текучей среды с обеспечением проточного сообщения. Сверхзвуковой компрессорный ротор имеет по меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок сжатия, который выполнен с возможностью формирования по меньшей мере одной волны сжатия для сжатия текучей среды. Между сверхзвуковым компрессорным ротором и выпуском для текучей среды расположен с обеспечением проточного сообщения центробежный компрессор. Центробежный компрессор выполнен с возможностью сжатия текучей среды, поступающей из сверхзвукового компрессорного ротора.
В другом варианте выполнения также предложена сверхзвуковая компрессорная установка. Сверхзвуковая компрессорная установка содержит кожух, который ограничивает полость, проходящую между впуском для текучей среды и выпуском для текучей среды, и первый ведущий вал, который расположен в указанной полости. Центральная ось проходит вдоль средней линии первого ведущего вала. К первому ведущему валу присоединен сверхзвуковой компрессорный ротор, расположенный между впуском для текучей среды и выпуском для текучей среды с обеспечением проточного сообщения. Сверхзвуковой компрессорный ротор имеет по меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок сжатия, который выполнен с возможностью формирования по меньшей мере одной волны сжатия для сжатия текучей. Между сверхзвуковым компрессорным ротором и выпуском для текучей среды расположен с обеспечением проточного сообщения осевой компрессор. Осевой компрессор выполнен с возможностью сжатия текучей среды, поступающей из сверхзвукового компрессорного ротора.
В еще одном варианте выполнения также предложена сверхзвуковая компрессорная установка. Сверхзвуковая компрессорная установка содержит кожух, который ограничивает полость, проходящую между впуском для текучей среды и выпуском для текучей среды, и первый ведущий вал, который расположен в указанной полости. Центральная ось проходит вдоль средней линии первого ведущего вала. К первому ведущему валу присоединен сверхзвуковой компрессорный ротор, расположенный между впуском для текучей среды и выпуском для текучей среды с обеспечением проточного сообщения. Сверхзвуковой компрессорный ротор имеет по меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок сжатия, который выполнен с возможностью формирования по меньшей мере одной волны сжатия для сжатия текучей. Между сверхзвуковым компрессорным ротором и выпуском для текучей среды расположен с обеспечением проточного сообщения осецентробежный компрессор. Осецентробежный компрессор выполнен с возможностью сжатия текучей среды, поступающей из сверхзвукового компрессорного ротора.
В еще одном варианте выполнения предложен способ сборки сверхзвуковой компрессорной установки. Способ включает использование кожуха, который ограничивает полость, проходящую между впуском для текучей среды и выпуском для текучей среды. Первый ведущий вал присоединяют к ведущему узлу. Первый ведущий вал, по меньшей мере, частично размещают в пределах указанной полости. К первому ведущему валу присоединяют сверхзвуковой компрессорный ротор. Сверхзвуковой компрессорный ротор имеет по меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок сжатия, который выполнен с возможностью формирования по меньшей мере одной волны сжатия для сжатия текучей. Между сверхзвуковым компрессорным ротором и выпуском для текучей среды располагают компрессор с обеспечением проточного сообщения. Компрессор выполняют с возможностью сжатия текучей среды, поступающей из сверхзвукового компрессорного ротора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие особенности, аспекты и преимущества данного изобретения станут лучше понятны при прочтении следующего подробного описания совместно с сопроводительными чертежами, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые части и на которых:
Фиг.1 схематически изображает примерную сверхзвуковую компрессорную установку;
Фиг.2 изображает схематический разрез сверхзвуковой компрессорной системы, показанной на фиг.1;
Фиг.3 изображает вид в аксонометрии примерного сверхзвукового компрессорного ротора, который может использоваться со сверхзвуковой компрессорной установкой, показанной на фиг.2;
Фиг.4 изображает разрез сверхзвукового компрессорного ротора, показанного на фиг.3, взятый по линии 4-4 на фиг.3;
Фиг.5 изображает увеличенный разрез части сверхзвукового компрессорного ротора, показанного на фиг.3, по области 5;
Фиг.6 изображает вид в аксонометрии альтернативного сверхзвукового компрессорного ротора, который может использоваться со сверхзвуковой компрессорной установкой, показанной на фиг.2;
Фиг.7 изображает схематический разрез сверхзвукового компрессорного ротора, показанного на фиг.6, по линии 7-7 на фиг.6;
Фиг.8 изображает разрез сверхзвукового компрессорного ротора, показанного на фиг.6, по линии 8-8 на фиг.6;
Фиг.9 изображает схематический разрез альтернативной сверхзвуковой компрессорной установки;
Фиг.10 изображает вид в аксонометрии альтернативного сверхзвукового компрессорного ротора, который может использоваться со сверхзвуковой компрессорной установкой, показанной на фиг.9;
Фиг.11 изображает разрез сверхзвукового компрессорного ротора, показанного на фиг.9, по линии 11-11 на фиг.10.
Если иначе не указано, представленные здесь чертежи предназначены для иллюстрации ключевых признаков изобретения. Предполагается, что эти признаки применимы в разнообразных установках, включающих один или большее количество вариантов выполнения изобретения. Также чертежи не должны содержать все обычные известные специалистам детали, которые необходимы для осуществления изобретения на практике.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В следующем описании и формуле изобретения применяются многие термины, которым нужно дать определение для придания им следующих значений.
Упоминание существительных в единственном числе включает также множественное число, если контекст не предполагает иного.
Слова "дополнительный" или "произвольно" означают, что впоследствии описанный случай или обстоятельство могут происходить или могут не происходить и что описание включает случаи, где событие имеет место, и случаи, где это не происходит.
Формулировки, касающиеся приблизительных оценок, используемые в описании и формуле изобретения, могут применяться, чтобы изменить любое количественное представление, которое могло допустимо измениться, не приводя к изменению основной функции, с которой они связаны. Соответственно, величина, измененная термином или терминами, такими как "примерно" и "по существу", не должна быть ограничена точной определенной величиной. По меньшей мере, в некоторых случаях формулировки, касающиеся приблизительных оценок, могут соответствовать точности инструмента для измерения этой величины. Здесь и во всем описании и формуле изобретения ограничения диапазонов могут быть объединены и/или взаимозаменены, и такие диапазоны идентифицируются и включают все поддиапазоны, содержащиеся в них, если контекст или формулировки не указывают иначе.
Используемый здесь термин "сверхзвуковой компрессорный ротор" относится к компрессорному ротору, содержащему сверхзвуковой наклонный участок сжатия, расположенный в проточном канале для текучей среды этого ротора. Сверхзвуковые роторы называются "сверхзвуковыми", поскольку они выполнены с возможностью вращения вокруг оси вращения на высоких скоростях, таким образом, что предполагается, что относительная скорость движущейся текучей среды, например движущегося газа, при столкновении с вращающимся сверхзвуковым компрессорным ротором на сверхзвуковом наклонном участке сжатия, расположенном в проточном канале ротора, является сверхзвуковой. Относительная скорость текучей среды может быть определена с точки зрения векторной суммы скорости ротора на сверхзвуковом наклонном участке сжатия и скорости текучей среды непосредственно перед столкновением со сверхзвуковым наклонным участком сжатия. Эта относительная скорость текучей среды иногда упоминается как "местная сверхзвуковая входная скорость", которая в определенных вариантах выполнения является комбинацией входной скорости газа и тангенциальной скорости сверхзвукового наклонного участка сжатия, расположенного в проточном канале сверхзвукового компрессорного ротора. Сверхзвуковые роторы выполнены с возможностью работы на очень высоких тангенциальных скоростях, например с тангенциальной скоростью в диапазоне от 300 м/сек до 800 м/сек.
Примерные системы и способы, описанные здесь, преодолевают недостатки известных сверхзвуковых компрессоров путем создания сверхзвуковой компрессорной установки, которая включает сверхзвуковой компрессорный ротор, присоединенный к компрессору, чтобы облегчить повышение эффективность сжатия текучей среды. Более точно, описанные здесь варианты выполнения включают сверхзвуковой ротор сжатия, который расположен в проточном сообщении между впуском для текучей среды и центробежным компрессором для сжатия текучей среды и направления сжатой текучей среды в центробежный компрессор. Кроме того, путем расположения сверхзвукового компрессорного ротора перед центробежным компрессором, сверхзвуковая компрессорная установка способна сжать больший объем текучей среды по сравнению с известными центробежными компрессорами.
Фиг.1 схематически изображает примерную сверхзвуковую компрессорную установку 10. Фиг.2 изображает схематический разрез сверхзвуковой компрессорной установки 10. Идентичные элементы, показанные на фиг.2, обозначены теми же самыми номерами позиции, которые используются на фиг.1. В примерном варианте выполнения установка 10 содержит входную секцию 12, компрессорную секцию 14, присоединенную за входной секцией 12, выходную секцию 16, присоединенную за компрессорной секцией 14, и приводной узел 18. Приводной узел 18 содержит по меньшей мере один ведущий вал 20, который с возможностью вращения присоединен к приводному двигателю 22. Ведущий вал 20 определяет центральную ось 24 и соединен с компрессорной секцией 14 с обеспечением ее вращения вокруг оси 24. В примерном варианте выполнения и входная секция 12, и компрессорная секция 14, и выходная секция 16 расположены в корпусе 26 компрессора. Корпус 26 компрессора имеет вход 28 для текучей среды, выход 30 для текучей среды и внутреннюю поверхность 32, которая ограничивает полость 34. Полость 34 проходит между входом 28 и выходом 30 и выполнена с возможностью направления текучей среды от входа 28 к выходу 30. И входная секция 12, и компрессорная секция 14, и выходная секция 16 расположены в полости 34.
В примерном варианте выполнения вход 28 для текучей среды выполнен с возможностью направления текучей среды из источника 36 текучей среды во входную секцию 12. Текучая среда может быть любой текучей средой, такой как, например газ, газовая смесь, смесь газа и твердых частиц и/или газожидкостная смесь. Входная секция 12 расположена между компрессорной секцией 14 и входом 28 для текучей среды с обеспечением проточного сообщения для направления текучей среды из входа 28 для текучей среды к компрессорной секции 14. Выпускная секция 16 расположена между компрессорной секцией 14 и выпуском 30 для текучей среды с обеспечением проточного сообщения.
В примерном варианте выполнения входная секция 12 содержит один или несколько входных направляющих лопаточных аппаратов 38. Входной направляющий лопаточный аппарат 38 выполнен с возможностью придания текучей среде одного или более предопределенных параметров, таких как вихревое движение, скорость, массовый расход, давление, температура и/или любой подходящий параметр потока, чтобы обеспечить возможность работы компрессорной секции 14, как описано здесь. Входной направляющий лопаточный аппарат 38 присоединен между входом 28 для текучей среды и компрессорной секцией 14 для направления текучей среды от впуска 28 для текучей среды к компрессорной секции 14.
В примерном варианте выполнения компрессорная секция 14 присоединена между входной секцией 12 и выпускной секцией 14 для направления, по меньшей мере, части текучей среды от входной секции 12 к выпускной секции 16. Компрессорная секция 14 включает по меньшей мере один сверхзвуковой компрессорный ротор 40, переходный узел 42 и компрессор 44. Сверхзвуковой компрессорный ротор 40 расположен с обеспечением проточного сообщения между входным направляющим лопаточным аппаратом 38 и компрессором 44. Компрессор 44 представляет собой центробежный компрессор 46. В примерном варианте выполнения корпус 26 компрессора включает диафрагму 48, расположенную смежно со сверхзвуковым компрессорным ротором 40, переходным узлом 42 и центробежным компрессором 46. Диафрагма 48, по меньшей мере, частично ограничивает проточный тракт, показанный стрелкой 50, через сверхзвуковую компрессорную установку 10.
В примерном варианте выполнения сверхзвуковой компрессорный ротор 40 выполнен с возможностью увеличения давления текучей среды, уменьшения ее объема среды и/или увеличения температуры текучей среды, направляемой от входной секции 12 к выпускной секции 16. Сверхзвуковой компрессорный ротор 40 направляет текучую среду из входного направляющего лопаточного аппарата 38 в переходный узел 42. В примерном варианте выполнения сверхзвуковой компрессорный ротор 40 имеет радиальный проточный канал 52, который направляет текучую среду вдоль радиального направления 54, которое по существу перпендикулярно оси 24. Переходный узел 42 выполнен с обеспечением направления текучей среды из сверхзвукового компрессорного ротора 40 в центробежный компрессор 46. Переходный узел 42 имеет внутреннюю поверхность 56, которая ограничивает переходный проточный канал 58, который проходит между сверхзвуковым ротором 40 и центробежным компрессором 46. Переходный проточный канал 58 имеет такие размеры, форму и так ориентирован, что он обеспечивает изменение ориентации текучей среды от радиального направления 54 на осевое направление 60, которое по существу параллельно оси 24. В одном варианте выполнения переходный узел 42 включает один или более рядов 59 разнесенных в окружном направлении неподвижных лопаток 61, которые выполнены с обеспечением придания текучей среде, направляемой в центробежный компрессор 46, определенных параметров.
В примерном варианте выполнения центробежный компрессор 46 расположен между переходным узлом 42 и выпускной секцией 14 с обеспечением проточного сообщения. Центробежный компрессор 46 содержит центробежные лопатки 62, которые присоединены к диску 64 компрессора. Соседние центробежные лопатки 62 разнесены в окружном направлении вокруг диска 64 компрессора, с образованием центробежного проточного канала 66, проходящего между каждой парой соседних центробежных лопаток 62. Центробежный проточный канал 66 проходит между входным отверстием 68 проточного канала и его выходным отверстием 69. Канал 68 расположен смежно со сверхзвуковым компрессорным ротором 40 и выполнен с возможностью приема текучей среды от сверхзвукового компрессорного ротора 40 вдоль осевого направления 60. Выходное отверстие 69 проточного канала расположено смежно с выпускной секцией 14 и выполнено с обеспечением выпуска текучей среды в радиальном направлении 54 в выпускную секцию 16. Центробежный проточный канал 66 имеет такие размеры, форму и так ориентирован, что он направляет текучую среду от осевого направления 60 к радиальному направлению 54 и придает центробежную силу текучей среде для увеличения давления и скорости текучей среды, выпускаемой через выходное отверстие 69 проточного канала.
В альтернативном варианте выполнения компрессор 44 представляет собой осецентробежный компрессор 70. Осецентробежный компрессор 70 имеет по меньшей мере одну внутреннюю поверхность 71, которая ориентирована наклонно относительно осевого направления 60 и/или радиального направления 54. В одном варианте выполнения осецентробежный компрессор 70 выполнен с возможностью приема текучей среды из сверхзвукового компрессорного ротора 40 под углом, который является наклонным к осевому направлению 60. Осецентробежный компрессор 70 также выполнен с возможностью выпуска текучей среды в направлении, которое является наклонным к радиальному направлению 54.
В примерном варианте выполнения приводной узел 18 содержит первый ведущий вал 72. И сверхзвуковой компрессорный ротор 40, и переходный узел 42, и центробежный компрессор 46 соединены с первым ведущим валом 72. Приводной узел 18 выполнен с возможностью вращения первого ведущего вала 72 таким образом, что и сверхзвуковой компрессорный ротор 40, и переходный узел 42, и центробежный компрессор 46 вращаются в одинаковой скоростью вращения. В альтернативном варианте выполнения приводной узел 18 содержит второй ведущий вал 74, присоединенный к ведущему двигателю 22. В этом альтернативном варианте выполнения первый ведущий вал 72 соединен со сверхзвуковым ротором 40. Второй ведущий вал 74 соединен с компрессором 44. Приводной узел 18 выполнен с возможностью вращения сверхзвукового ротора 40 в первом направлении вращения, показанном стрелкой 76, и вращения компрессора 44 во втором направлении вращения, показанном стрелкой 78, которое является противоположным первому направлению 76 вращения. Кроме того, приводной узел 18 может быть выполнен с возможностью вращения сверхзвукового компрессорного ротора 40 с первой скоростью вращения и вращения компрессора 44 во второй скоростью вращения, которая отличается от первой скорости вращения. В одном варианте выполнения первый ведущий вал 72 расположен внутри второго ведущего вала 74 и ориентирован концентрически относительно него.
В примерном варианте выполнения выпускная секция 16 содержит лопаточный диффузор 80 и выпускную спиральную камеру 82. Лопаточный диффузор 80 расположен с обеспечением проточного сообщения между компрессором 44 и спиральной камерой 82 и выполнен с возможностью придания завихрения текучей среде, выпускаемой из компрессора 44. Спиральная камера 82 выполнена с обеспечением придания этой текучей среде одного или более предопределенных параметров, таких как скорость, массовый расход, температура и/или любой подходящий параметр потока. Спиральная камера 82 также выполнена с обеспечением направления текучей среды из компрессора 44 к выпуску 30 для текучей среды. Выпуск 30 содержит выпускной фланец 84 и выполнен с обеспечением направления текучей среды из спиральной камеры 82 к выпускной установке 86, такой как, например, турбинный двигатель, установка для обработки текучей среды и/или установка для хранения текучей среды.
Во время работы входной направляющий лопаточный аппарат 38 направляет текучую среду 88 от впуска 28 для текучей среды к сверхзвуковому ротору 40. Входной направляющий лопаточный аппарат 38 увеличивает скорость текучей среды 88 и придает текучей среде 88, направляемой к сверхзвуковому ротору 40, вихревое движение. Сверхзвуковой компрессорный ротор 40, в который текучая среда 88 поступает из входного направляющего лопаточного аппарата 38, уменьшает объем текучей среды 88 и увеличивает ее давление перед выпуском текучей среды 88 в переходный узел 42. Переходный узел 42 изменяет направление текучей среды 88 от радиального направления 54 к осевому направлению 60 и направляет ее 88 в центробежный компрессор 46. Центробежный компрессор 46, в который текучая среда 88 поступает в осевом направлении 60, придает текучей среде 88 центробежную силу, которая вызывает увеличение давления текучей среды 88, и выпускает текучую среду 88 в радиальном направлении 54 к лопаточному диффузору 80. В одном варианте выполнения, переходный узел 42 изменяет направление текучей среды 88 от направления, которое является наклонным к радиальному направлению 54, для выпуска текучей среды в направлении, которое является наклонным к осевому направлению 60.
Фиг.3 изображает вид в аксонометрии примерного сверхзвукового компрессорного ротора 40. Фиг.4 изображает разрез сверхзвукового компрессорного ротора 40 по линии 4-4, показанной на фиг.3. Фиг.5 изображает увеличенный разрез части сверхзвукового компрессорного ротора 40 в области 5, показанной на фиг.4. Идентичные компоненты, показанные на фиг.4 и фиг.5, обозначены одинаковыми номерами позиций, используемыми на фиг.3. В примерном варианте выполнения сверхзвуковой компрессорный ротор 40 содержит лопатки 90, которые присоединены к роторному диску 92. Диск 92 имеет кольцевое дисковое тело 94, которое ограничивает внутреннюю цилиндрическую полость 96, проходящую в целом в осевом направлении через дисковое тело 94 вдоль центральной оси 24. Дисковое тело 94 имеет радиально внутреннюю поверхность 98, радиально наружную поверхность 100 и торцевую стенку 102, которая проходит в целом радиально между радиально внутренней поверхностью 98 и радиально наружной поверхностью 100. Торцевая стенка 102 проходит в радиальном направлении 54, которое ориентировано перпендикулярно к центральной оси 24, и имеет ширину 104, ограниченную между радиально внутренней поверхностью 98 и радиально наружной поверхностью 100. Радиально внутренняя поверхность 98 ограничивает внутреннюю цилиндрическую полость 96. Внутренняя цилиндрическая полость 96 имеет по существу цилиндрическую форму и ориентирована вокруг центральной оси 24. Внутренняя цилиндрическая полость 96 имеет такой размер, что через нее может проходить ведущий вал 20 (показанный на фиг.1).
В примерном варианте выполнения каждая лопатка 90 присоединена к торцевой стенке 102 и проходит от нее в наружном осевом направлении 60, которое в целом параллельно оси 24. Каждая лопатка 90 имеет входную кромку 106 и выходную кромку 108. Входная кромка 106 расположена смежно с радиально наружной поверхностью 100. Выходная кромка 108 расположена смежно с радиально внутренней поверхностью 98. В примерном варианте выполнения соседние лопатки 90 образуют пару 112 лопаток 90. Каждая пара 112 ориентирована с образованием входного отверстия 114, выходного отверстия 116 и проточного канала 118 между соседними лопатками 90. Проточный канал 118 проходит между входным отверстием 114 и выходным отверстием 116 и ограничивает проход, показанный стрелкой 120 (показанный на фиг.4 и фиг.5), который проходит от входного отверстия 114 к выходному отверстию 116. Проход 120 ориентирован в целом параллельно лопатке 90. Проточный канал 118 имеет такие размеру и форму и так ориентирован, что он направляет текучую среду вдоль прохода 120 от входного отверстия 114 к выходному отверстию 116 в радиальном направлении 54. Входное отверстие 114 образовано между соседними входными кромками 106 соседних лопаток 90. Выходное отверстие 116 образовано между соседними выходными кромками 108 соседних лопаток 90. Лопатка 90 проходит радиально между входной кромкой 106 и выходной кромкой 108 таким образом, что лопатка 90 проходит между радиально внутренней поверхностью 98 и радиально наружной поверхностью 100. Лопатка 90 имеет наружную поверхность 122 и противоположную внутреннюю поверхность 124. Внутренняя поверхность 124 соединена с торцевой стенкой 102. Лопатка 90 проходит между наружной поверхностью 122 и внутренней поверхностью 124, ограничивая осевую высоту 126 проточного канала 118.
Что касается фиг.3, в примерном варианте выполнения, к наружной поверхности 122 каждой лопатки 90 присоединен покрывающий элемент таким образом, что проточный канал 118 (показанный на фиг.4) образован между покрывающим элементом 128 и торцевой стенкой 102. Элемент 128 имеет внутренний край 130, внешний край 132 и покрывающую пластину 134, которая проходит между внутренним краем 130 и внешним краем 132. Внутренний край 130 ограничивает по существу цилиндрическое отверстие 136. Покрывающий элемент 128 ориентирован коаксиально с роторным диском 92, так что внутренняя цилиндрическая полость 96 является концентрической с отверстием 136. Пластина 134 соединена с каждой лопаткой 90 таким образом, что входная кромка 106 лопатки 90 расположена смежно с внутренним краем 130 покрывающего элемента 128, а выходная кромка 108 лопатки 90 расположена смежно с внешним краем 132 элемента 128. В альтернативном варианте выполнения сверхзвуковой компрессорный ротор 40 не имеет покрывающего элемента 128. В таком варианте выполнения диафрагма 48 расположена смежно с наружными поверхностями 122 всех лопаток 90 таким образом, что диафрагма 48, по меньшей мере, частично ограничивает проточный канал 118.
В примерном варианте выполнения, показанном на фиг.4, в проточном канале 118 расположен по меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок 140 сжатия. Сверхзвуковой наклонный участок 140 расположен между входным отверстием 114 и выходным отверстием 116 и имеет такие размеры и так сформирован и ориентирован, что обеспечивает возможность формирования одной или более волн 142 сжатия в канале 118.
Во время работы сверхзвукового компрессорного ротора 40, входной направляющий лопаточный аппарат 38 (показанный на фиг.2) направляет текучую среду 88 к входному отверстию 114 проточного канала 118. Текучая среда 88 имеет первую скорость, то есть скорость подхода, непосредственно перед входом во входное отверстие 114. Сверхзвуковой компрессорный ротор 40 вращается вокруг центральной оси 24 со второй скоростью, то есть со скоростью вращения, показанной стрелкой 144, так что текучая среда. 88, входящая в проточный канал 118, имеет третью скорость, то есть входную скорость во входном отверстии 114, которая является сверхзвуковой относительно лопаток 90. Когда текучая среда 88 направляется через проточный канал 118 со сверхзвуковой скоростью, сверхзвуковой наклонный участок 140 сжатия вызывает образование волн сжатия 142 в пределах проточного канала 118, чтобы облегчить сжатие текучей среды 88, так что текучая среда 88 имеет увеличенное давление и температуру и/или имеет уменьшенный объем в выходном отверстии 116.
На фиг.5, в примерном варианте выполнения, каждая лопатка 90 имеет первую сторону 146, или сторону разрежения, и вторую противоположную сторону 148, или сторону давления. Каждая сторона 146 разрежения и сторона 148 давления проходят между входной кромкой 106 и выходной кромкой 108. Каждая лопатка 90 расположена в окружном направлении вокруг внутренней цилиндрической полости 96 таким образом, что проточный канал 118 ориентирован в целом радиально между входным отверстием 114 и выходным отверстием 116. Каждое входное отверстие 114 проходит между стороной 146 разрежения и смежной стороной 148 давления лопатки 90 у входной кромки 106. Каждое выходное отверстие 116 проходит между стороной 146 разрежения и смежной стороной 148 давления у выходной кромки 108, так что проход 120 ограничен радиально внутри от радиально наружной поверхности 100 до радиально внутренней поверхности 98. В примерном варианте выполнения проточный канал 118 имеет ширину 150, которая ограничена между стороной 146 разрежения и смежной стороной 148 давления перпендикулярно проточному каналу 120. В примерном варианте выполнения каждая лопатка 90 имеет дугообразную форму и ориентирована таким образом, что проточный канал 118 имеет спиральную форму.
В примерном варианте выполнения проточный канал 118 ограничивает площадь 152 поперечного сечения, которая изменяется вдоль прохода 120. Площадь 152 поперечного сечения проточного канала 118 ограничена перпендикулярно проходу 120 и равна ширине 150 проточного канала 118, умноженной на осевую высоту 126 (показанную на фиг.3) проточного канала 118. Проточный канал 118 имеет первую площадь, то есть входную площадь 154 поперечного сечения во входном отверстии 114, вторую площадь, то есть входную площадь 156 поперечного сечения в выходном отверстии 116, и третью площадь, то есть минимальную площадь 158 поперечного сечения 158, образованного между входным отверстием 114 и выходным отверстием 116. В примерном варианте выполнения минимальная площадь 158 поперечного сечения меньше, чем входная 154 и выходная 156 площади.
В примерном варианте выполнения участок 140 присоединен к стороне 148 давления лопатки 90 и ограничивает горловую область 160 канала 118. Горловая область 160 ограничивает минимальную площадь 158 поперечного сечения канала 118. В альтернативном варианте выполнения участок 140 может быть присоединен к стороне 146 разрежения лопатки 90, к торцевой стенке 102 и/или к покрывающему элементу 128. В еще одном альтернативном варианте выполнения ротор 40 имеет множество сверхзвуковых наклонных участков 140 сжатия, каждый из которых присоединен к стороне 146 давления, стороне 148 разрежения, торцевой стенке 102 и/или к покрывающему элементу 128. В таком варианте выполнения все сверхзвуковые наклонные участки 140 вместе ограничивают горловую область 160.
В примерном варианте выполнения сверхзвуковой наклонный участок 140 имеет поверхность 162 сжатия и отклоняющуюся поверхность 164. Поверхность 162 сжатия имеет первый край, то есть передний край 166, и второй край, то есть задний край 168. Передний край 166 расположен ближе к входному отверстию 114, чем задний край 168. Поверхность 162 сжатия проходит между передним краем 166 и задним краем 168 и ориентирована под наклонным углом 170 от лопатки к смежной стороне 146 разрежения в проход 120. Поверхность 162 сжатия сходится к смежной стороне 145 разрежения таким образом, что между передним краем 166 и задним краем 168 образована область 172 сжатия. Область 172 сжатия имеет сходящуюся площадь 174 поперечного сечения канала 118, которая уменьшается вдоль прохода 120 от переднего края 166 к заднему краю 168. Задний край 168 поверхности 162 сжатия образует горловую область 160.
Отклоняющаяся поверхность 164 соединена с поверхностью 162 сжатия и проходит вниз по потоку от поверхности 162 сжатия к выходному отверстию 116. Отклоняющаяся поверхность 164 имеет первый конец 176 и второй конец 178, который расположен ближе к выходному отверстию 116, чем первый конец 176. Первый конец 176 отклоняющейся поверхности 164 соединен с задним краем 168 поверхности 162 сжатия. Отклоняющаяся поверхность 164 проходит между первым концом 176 и вторым концом 178 и ориентирована под наклонным углом 180 от стороны 148 сжатия к смежной стороне 146 разрежения. Отклоняющаяся поверхность 164 ограничивает расходящуюся область 182, которая имеет расходящуюся площадь 184 поперечного сечения, увеличивающуюся от заднего края 168 поверхности 162 сжатия к выходному отверстию 116. Расходящаяся область 182 проходит от горловой области 160 к выходному отверстию 116.
В примерном варианте выполнения сверхзвуковой наклонный участок 140 сжатия имеет такие размеры и так сформирован и ориентирован, что он обеспечивает создание системы 186 волн 142 сжатия в канале 118. Во время работы, когда текучая среда 88 контактирует с передним краем 166 сверхзвукового наклонного участка 140 сжатия, образуется первая наклонная ударная волна 188 системы 186. Область 172 сжатия сверхзвукового наклонного участка 140 выполнена с обеспечением ориентирования первой наклонной ударной волны 188 под наклонным углом относительно прохода 120 от переднего края 166 к соседней лопатке 90 и в проточный канал 118. Когда первая наклонная ударная волна 188 контактирует с соседней лопаткой 90, вторая наклонная ударная волна 190 отражается от соседней лопатки 90 под наклонным углом относительно прохода 120, и к горловой области 160 сверхзвукового наклонного участка 140. Сверхзвуковой наклонный участок 140 выполнен с обеспечением образования обеих наклонных ударных волн, первой 188 и второй 190, в области 172 сжатия. Когда текучая среда проходит через горловую область 160 к выходному отверстию 116, в отклоняющейся области 182 образуется нормальная ударная волна 192. Нормальная ударная волна 192 ориентирована перпендикулярно проходу 120 и проходит через него.
Когда текучая среда 88 проходит через область 172 сжатия, скорость текучей среды 88 уменьшается, поскольку текучая среда 88 проходит через обе наклонные ударные волны, первую 188 и вторую 190. Кроме того, давление текучей среды 88 увеличивается, а ее объем уменьшается. Когда текучая среда 88 проходит через горловую область 160, ее скорость увеличивается вниз по течению горловой области 160 к нормальной ударной волне 192. Когда текучая среда проходит через нормальную ударную волну 192, ее скорость уменьшается до дозвуковой скорости относительно роторного диска 92.
В альтернативном варианте выполнения сверхзвуковой наклонный участок 140 выполнен с обеспечением придания текучей среде 88 такой выходной скорости в выходном отверстии 116, которая является сверхзвуковой относительно роторного диска 92. Сверхзвуковой наклонный участок 140 также выполнен с обеспечением предотвращения образования нормальной ударной волны вниз по течению горловой области 160 в пределах канала 118.
Фиг.6 изображает вид в аксонометрии альтернативного варианта выполнения сверхзвукового компрессорного ротора 40. Фиг.7 изображает поперечный разрез сверхзвукового компрессорного ротора 40 по линии 7-7 на фиг.6. Фиг.8 изображает поперечный разрез сверхзвукового компрессорного ротора 40 по линии 8-8 на фиг.6. Идентичные компоненты, показанные в фиг.6-8, обозначены одинаковыми номерами позиции, используемыми на фиг.3. В альтернативном варианте выполнения роторный диск 92 имеет верхнюю по потоку поверхность 194 и нижнюю по потоку поверхность 196. Каждая поверхность, верхняя 194 и нижняя 196, проходит между радиально внутренней поверхностью 98 и радиально наружной поверхностью 100 в радиальном направлении 54. Верхняя по потоку поверхность 194 имеет первую радиальную ширину 198, ограниченную между радиально внутренней поверхностью 98 и радиально наружной поверхностью 100. Нижняя по потоку поверхность 196 имеет вторую радиальную ширину 200, ограниченную между радиально внутренней поверхностью 98 и радиально наружной поверхностью 100. Первая радиальная ширина 198 больше чем вторая радиальная ширина 200.
В этом альтернативном варианте выполнения радиально наружная поверхность 100 присоединена между верхней по потоку поверхностью 194 и нижней по потоку поверхностью 196 и проходит на расстояние 202, определенное от верхней по потоку поверхности 194 до нижней по потоку поверхности 196 в осевом направлении 60. Каждая лопатка 90 присоединена к радиально наружной поверхности 100 и проходит от нее в наружном направлении. Входная кромка 106 каждой лопатки 90 расположена смежно с верхней по потоку поверхностью 194 диска 92. Выходная кромка 108 каждой лопатки 90 расположена смежно с нижней по потоку поверхностью 196. Каждое входное отверстие 114 ограничено радиально наружной поверхностью 100 и расположено смежно с верхней по потоку поверхностью 194. Каждое выходное отверстие 116 ограничено радиально наружной поверхностью 100 и расположено смежно с нижней по потоку поверхностью 196. Входное отверстие 114 расположено на первом радиальном расстоянии 204 от центральной оси 24. Выходное отверстие 116 расположено на втором радиальном расстоянии 206 от центральной оси 24, которое больше, чем первое радиальное расстояние 204.
Как показано на фиг.8, радиально наружная поверхность 100 включает входную поверхность 208, выходную поверхность 210 и переходную поверхность 212, которая проходит между входной поверхностью 208 и выходной поверхностью 210. Входная поверхность 208 проходит от верхней по потоку поверхности 194 к переходной поверхности 212. Выходная поверхность 210 проходит от переходной поверхности 212 к нижней по потоку поверхности 196. Входная поверхность 208 ориентирована по существу перпендикулярно центральной оси 24 таким образом, что проточный канал 118 ограничивает радиальный проход 214, который проходит вдоль радиального направления 54. Радиальный проход 214 проходит от входного отверстия 114 к переходной поверхности 212 и направляет текучую среду в радиальном направлении 54. Выходная поверхность 210 ориентирована по существу параллельно оси 24 таким образом, что проточный канал 118 ограничивает осевой проход 216, который проходит вдоль осевого направления 60. Осевой проход 216 проходит от переходной поверхности 212 к выходному отверстию 116 и направляет текучую среду в осевом направлении 60. Переходная поверхность 212 имеет дугообразную форму и ограничивает переходный проход 218, который проходит между входной поверхностью 208 к выходной поверхности 210. Переходная поверхность 212 ориентирована с обеспечением изменения направления текучей среды от радиального направления 54 к осевому направлению 60 таким образом, что текучая среда характеризуется наличием осевого вектора потока, представленного стрелкой 220, и радиального вектора потока, представленного стрелкой 222, через переходный проход 218.
В этом альтернативном варианте выполнения, во время работы текучая среда 88 входит во входное отверстие 114 и направляется через радиальный проход 214 в радиальном направлении 54. Когда текучая среда входит в переходный проход 218, проточный канал 118 изменяет направление текучей среды от радиального направления 54 к осевому направлению 60 и направляет текучую среду из радиального прохода 214 к осевому проходу 216. Текучая среда 88 затем выпускается из осевого прохода 216 через выходное отверстие 116 в осевом направлении 60.
Фиг.9 изображает схематический разрез альтернативного варианта выполнения сверхзвуковой компрессорной установки 10. Фиг.10 изображает вид в аксонометрии альтернативного варианта выполнения сверхзвукового компрессорного ротора 40. Фиг.11 изображает разрез сверхзвукового компрессорного ротора 40, показанного на фиг.10, по линии 11-11. Идентичные компоненты, показанные на фиг.9, обозначены одинаковыми номерами позиции, используемыми на фиг.2. Идентичные компоненты, показанные на фиг.10 и фиг.11, обозначены одинаковыми номерами позиции, используемыми на фиг.3 и фиг.7. В альтернативном варианте выполнения сверхзвуковой компрессорный ротор 40 расположен между переходным узлом 42 и компрессором 44 с обеспечением проточного сообщения. Выпускная секция 14 содержит выходной направляющий лопаточный аппарат 224, который с возможностью вращения соединен с ведущим валом 20 и расположен между компрессором 44 и выпуском 30 для текучей среды с обеспечением проточного сообщения. Компрессор 44 представляет собой осевой компрессор 226, расположенный между сверхзвуковым ротором 40 и выходным направляющим лопаточным аппаратом 224 с обеспечением проточного сообщения. Осевой компрессор 226 содержит один или более неподвижных статорных лопаточных аппаратов 228 и один или более компрессорных дисков 230. Компрессорные диски 230 расположены на расстояниях друг от друга в осевом направлении, и каждый из них расположен между соседними парами 232 статорных лопаточных аппаратов 228. Каждый статорный лопаточный аппарат 228 соединен с диафрагмой 48 и содержит разнесенные в окружном направлении статорные лопатки 234, которые проходят от диафрагмы 48 к ведущему валу 20. Каждый компрессорный диск 230 содержит компрессорные лопатки 236, каждая из которых присоединена к компрессорному диску 238. Компрессорные лопатки 236 разнесены в окружном направлении вокруг диска 238 и проходят радиально в наружном направлении от диска 238 к диафрагме 48. Соседние компрессорные диски 238 соединены вместе с образованием зазора 240 между каждыми соседними рядами 242 разнесенных в окружном направлении компрессорных лопаток 236. Статорные лопатки 234 разнесены в окружном направлении вокруг каждого компрессорного диска 238 между соседними рядами 242 компрессорных лопаток 236.
В альтернативном варианте выполнения в сверхзвуковом компрессорном роторе 40 верхняя по потоку поверхность 194 имеет первую радиальную ширину 198, которая равна второй радиальной ширине 200 нижней по потоку поверхности 196. Все лопатки 90 присоединены к радиально наружной поверхности 100 и проходят в окружном направлении вокруг роторного диска 92 в форме спирали. Каждая лопатка 90 проходит в наружном направлении от радиально наружной поверхности 100 в радиальном направлении 54. Каждая лопатка 90 расположена на расстоянии в осевом направлении от соседней лопатки 90 таким образом, что проточный канал 118 ориентирован в целом в осевом направлении 60 между входным отверстием 114 и выходным отверстием 116. Проточный канал 118 ограничивает осевой проход 244 в осевом направлении 60 от входного отверстия 114 к выходному отверстию 116.
Во время работы, в альтернативном варианте выполнения, входной направляющий лопаточный аппарат 38 направляет текучую среду 88 в радиальном направлении 54 в переходный узел 42. Переходный узел 42 меняет направление текучей среды 88 от радиального направления 54 к осевому направлению 60. Сверхзвуковой компрессорный ротор 40 сжимает текучую среду 88 в осевом направлении 60 и выпускает ее в осевом направлении к осевому компрессору 226. Осевой компрессор 226 еще больше сжимает текучую среду 88 и выпускает ее к выходному направляющему лопаточному аппарату 224 в осевом направлении 60.
Описанный выше сверхзвуковой компрессорный ротор обеспечивает эффективный по затратам и надежный способ сжатия текучей среды в сверхзвуковой компрессорной установке. Более точно, описанная здесь сверхзвуковая компрессорная установка содержит сверхзвуковой компрессорный ротор, который расположен с обеспечением проточного сообщения между впуском для текучей среды и центробежным компрессором для сжатия текучей среды и направления сжатой текучей среды в центробежный компрессор. Кроме того, благодаря расположению сверхзвукового компрессорного ротора перед центробежным компрессором, сверхзвуковая компрессорная установка способна сжимать больший объем текучей среды по сравнению с известными сверхзвуковыми компрессорами. В результате стоимость эксплуатации сверхзвуковой компрессорной установки для сжатия текучей среды может быть уменьшена.
Выше подробно описаны примерные варианты выполнения установок и способов сборки сверхзвукового компрессорного ротора. Указанные установки и способы не ограничены определенными вариантами выполнения, описанными здесь, а скорее, компоненты установок и/или этапы способа могут быть использованы независимо и отдельно от других компонентов и/или этапов, описанных здесь. Например, установки и способы могут также использоваться в комбинации с другими ротационными энергетическими установками и способами и не ограничены применением только описанной здесь сверхзвуковой компрессорной установки. Скорее, примерный вариант выполнения может быть осуществлен и использован вместе со многими другими ротационными установками.
Хотя определенные признаки различных вариантов выполнения изобретения могут быть показаны на некоторых чертежах, а на других не показаны, это сделано только для удобства. Кроме того, ссылки на "один вариант выполнения" в вышеупомянутом описании не предназначены для интерпретации в качестве исключающих существование дополнительных вариантов выполнения, которые также имеют указанные признаки. В соответствии с принципами изобретения, любой признак, изображенный на каком-либо чертеже, может относиться к другому чертежу и/или может быть заявлен в комбинации с любым признаком любого другого чертежа.
В этом описании используются примеры для раскрытия изобретения, включая лучший вариант, а также чтобы любой специалист мог на практике осуществить изобретение, включая создание и применение любых устройств или установок и выполнение любых объединенных способов. Область охраны изобретения ограничена формулой изобретения и может включать другие примеры, которые очевидны специалистам. Предполагается, что такие другие примеры находятся в рамках формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются от буквального текста формулы изобретения, или если они включают эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от буквального текста формулы.