СВЕРХЗВУКОВОЙ РОТОР КОМПРЕССОРА, СВЕРХЗВУКОВОЙ КОМПРЕССОР (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ СЖАТИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
COMPRESSOR SUPERSONIC ROTOR, SUPERSONIC COMPRESSOR (VERSIONS) AND METHOD OF FLUID COMPRESSION

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Данное изобретение относится к компрессорам и содержащим компрессоры установкам. В частности, данное изобретение относится к сверхзвуковым компрессорам, содержащим сверхзвуковые роторы, и к установкам, содержащим такие компрессоры.
[0002] Обычные компрессорные установки широко используются для сжатия газов и находят применение во многих широко используемых технологиях от рефрижераторных узлов до реактивных двигателей. Основной задачей компрессора является перенос и сжатие газа. Для достижения этого компрессор обычно сообщает механическую энергию газу, находящемуся в среде с низким давлением, а также переносит и сжимает газ в среде с высоким давлением, откуда сжатый газ может быть забран либо для выполнения работы, либо в качестве входного потока для дальнейшей обработки, в ходе которой используется газ высокого давления. Технологии сжатия газа являются общепринятыми и варьируются для разного рода механизмов, от центробежных машин до диагональных гидравлических машин и осевых гидравлических машин. Несмотря на то что обычные компрессорные установки чрезвычайно эффективны, их недостаток состоит в том, что степень сжатия, достигаемая на одной ступени компрессора, является относительно низкой. При необходимости высокой итоговой степени сжатия могут применяться обычные компрессорные установки, содержащие многочисленные ступени сжатия. Однако обычные компрессорные установки с многочисленными ступенями сжатия, как правило, бывают крупногабаритными, сложными и дорогостоящими.
[0003] Не так давно были описаны компрессорные установки, содержащие сверхзвуковой ротор. Такие компрессорные установки, иногда называемые сверхзвуковыми компрессорами, выполняют перенос и сжатие газа путем приведения нагнетаемого газа в контакт с движущимся ротором, в котором структуры поверхности обода обеспечивают перенос и сжатие нагнетаемого газа, протекающего со стороны низкого давления к стороне высокого давления указанного ротора. Несмотря на то что при использовании сверхзвукового компрессора можно добиться более высоких степеней сжатия в отдельной ступени по сравнению с обычным компрессором, существует необходимость в дополнительных усовершенствованиях.
[0004] Как подробно описано в данном документе, в представленном изобретении предложены новые сверхзвуковые компрессоры, которые обеспечивают улучшение рабочих характеристик компрессора по сравнению с известными сверхзвуковыми компрессорами.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] В одном варианте выполнения данного изобретения предложен сверхзвуковой компрессорный ротор, имеющий внутреннюю цилиндрическую полость и наружный обод, а также по меньшей мере один радиальный проточный канал, который обеспечивает возможность проточного сообщения между указанными полостью и ободом и содержит наклонную направляющую сверхзвукового сжатия.
[0006] В другом варианте выполнения данного изобретения предложен сверхзвуковой компрессор, содержащий: (а) впускное отверстие для текучей среды, (b) выпускное отверстие для текучей среды и (с) по меньшей мере один сверхзвуковой ротор, имеющий внутреннюю цилиндрическую полость, наружный обод и по меньшей мере один радиальный проточный канал, обеспечивающий возможность проточного сообщения между указанными полостью и ободом и содержащий наклонную направляющую сверхзвукового сжатия.
[0007] В еще одном варианте выполнения данного изобретения предложен сверхзвуковой компрессор, содержащий: (а) проход для газа, который имеет: (i) впускное отверстие для газа низкого давления и (ii) выпускное отверстие для газа высокого давления, (b) первый сверхзвуковой ротор, имеющий внутреннюю цилиндрическую полость, наружный обод и по меньшей мере один радиальный проточный канал, обеспечивающий возможность проточного сообщения между указанными полостью и ободом и содержащий наклонную направляющую сверхзвукового сжатия, (с) второй сверхзвуковой ротор, имеющий внутреннюю цилиндрическую полость, наружный обод и по меньшей мере один радиальный проточный канал, обеспечивающий возможность проточного сообщения между указанными полостью и ободом и содержащий наклонную направляющую сверхзвукового сжатия, и (d) обычный центробежный ротор, который расположен во внутренней цилиндрической полости первого сверхзвукового ротора, в свою очередь расположенного во внутренней цилиндрической полости второго сверхзвукового ротора, и выполнен с возможностью вращения в противоположном направлении относительно первого сверхзвукового ротора, причем первый сверхзвуковой ротор выполнен с возможностью вращения в противоположном направлении относительно второго сверхзвукового ротора, при этом указанные обычный ротор, первый сверхзвуковой ротор и второй сверхзвуковой ротор расположены в проходе для газа.
[0008] В еще одном варианте выполнения данного изобретения предложен способ сжатия текучей среды, включающий: (а) введение текучей среды через впускное отверстие для газа низкого давления в проход для газа, расположенный в сверхзвуковом компрессоре, и (b) удаление газа через выпускное отверстие для газа высокого давления, выполненное в указанном компрессоре, причем указанный сверхзвуковой компрессор содержит сверхзвуковой ротор, расположенный между указанными впускным и выпускным отверстиями и имеющий внутреннюю цилиндрическую полость, наружный обод и по меньшей мере один радиальный проточный канал, который обеспечивает возможность проточного сообщения между указанными полостью и ободом и содержит наклонную направляющую сверхзвукового сжатия.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0009] Для того чтобы специалисты в данной области техники могли в полной мере понять новые свойства, принципы и преимущества данного изобретения, в заявке представлены в дополнение к подробному описанию следующие чертежи.
[0010] Фиг.1 изображает часть сверхзвукового ротора, выполненного в соответствии с данным изобретением.
[ООН] Фиг.2 изображает часть сверхзвукового ротора, выполненного в соответствии с данным изобретением.
[0012] Фиг.3 изображает часть сверхзвукового ротора, выполненного в соответствии с данным изобретением.
[0013] Фиг.4 изображает составные элементы сверхзвукового ротора, выполненного в соответствии с данным изобретением.
[0014] Фиг.5 изображает сверхзвуковой компрессор, выполненный в соответствии сданным изобретением, в разобранном виде.
[0015] Фиг.6 изображает альтернативный вид сверхзвукового ротора, показанного на фиг.5.
[0016] Фиг.7 изображает вариант выполнения данного изобретения, содержащий пару концентрических сверхзвуковых роторов, в разобранном виде.
[0017] Фиг.8 изображает сверхзвуковой компрессор, содержащий обычный центробежный ротор и пару концентрических сверхзвуковых роторов.
[0018] Фиг.9 изображает часть сверхзвукового ротора, выполненного в соответствии с данным изобретением.
[0019] Различные особенности, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятны после прочтения приведенного ниже подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на всем протяжении которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы. Если не указано иное, приведенные в данном документе чертежи предназначены для иллюстрации основных признаков изобретения. Предполагается, что указанные основные признаки изобретения могут применяться в широком спектре установок, содержащих один или несколько вариантов выполнения изобретения. По существу, чертежи не учитывают всех типовых особенностей, известных специалистам в данной области техники и необходимых для реализации изобретения на практике.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0020] В нижеследующем описании и приведенной после него формуле изобретения сделана ссылка на ряд терминов, значение которых сформулировано ниже.
[0021] Формы единственного числа подразумевают как единственное, так и множественное число определяемых объектов при отсутствии в контексте прямых указаний на обратное.
[0022] Выражения «дополнительный» или «по желанию» означают, что описанное в дальнейшем событие или обстоятельство может возникнуть, а может и не возникнуть, и что описание включает случаи, в которых событие имеет место, и случаи, в которых оно отсутствует.
[0023] Используемые в описании и в формуле изобретения формулировки, обозначающие примерное соответствие, могут применяться для определения любого количественного показателя, который может изменяться в допустимых пределах без изменения основной функции, к которой он относится. Соответственно, значение, определяемое с помощью таких выражений, как «примерно» и «по существу», не ограничено указанным конкретным значением. По меньшей мере в некоторых примерах формулировка, обозначающая примерное соответствие, может соответствовать точности инструмента, используемого для измерения определяемой величины. В этом случае и на протяжении всего описания и формулы изобретения пределы числовых диапазонов могут объединяться и/или меняться местами, причем такие диапазоны тождественны и включают все входящие в них промежуточные диапазоны при отсутствии иных указаний в контексте или формулировке.
[0024] Используемое в данном документе выражение «сверхзвуковой компрессор» обозначает компрессор, содержащий сверхзвуковой ротор.
[0025] Известные сверхзвуковые компрессоры, которые могут содержать один или более сверхзвуковых роторов, предназначены для сжатия текучей среды между наружным ободом сверхзвукового ротора и внутренней стенкой проточного прохода, в котором расположен указанный ротор. В таких сверхзвуковых компрессорах текучая среда переносится в поперечном направлении наружного обода ротора со стороны низкого давления к стороне высокого давления указанного прохода. Пояса, упорядоченно установленные на наружном ободе ротора, создают проточный канал, по которому текучая среда перемещается с одной стороны сверхзвукового ротора к другой его стороне. Сверхзвуковые компрессоры, содержащие сверхзвуковые роторы, подробно описаны, например, в патентах США №7334990 и №7293955, поданных соответственно 28 и 23 марта 2005 года.
[0026] В данном изобретении представлены новые сверхзвуковые роторы для компрессора, в которых перенос текучей среды со стороны низкого давления проточного прохода к стороне высокого давления этого прохода происходит через радиальный проточный канал, связывающий внутреннюю цилиндрическую полость сверхзвукового ротора и его наружный обод. Предполагается, что особенности новой конструкции сверхзвуковых роторов, выполненных в соответствии с данным изобретением, улучшат рабочие характеристики сверхзвуковых компрессоров, содержащих указанные роторы, а также обеспечат более высокую эксплуатационную гибкость установок, содержащих такие новые сверхзвуковые компрессоры. Новые сверхзвуковые роторы, выполненные в соответствии с данным изобретением, могут быть предназначены для сжатия в направлении изнутри наружу или снаружи внутрь. Сверхзвуковой ротор компрессора предназначен для сжатия в направлении изнутри наружу, если в процессе эксплуатации при вращении ротора газ перемещается по радиальному проточному каналу от внутренней цилиндрической полости ротора к его наружному ободу. Сверхзвуковой ротор компрессора предназначен для сжатия в направлении снаружи внутрь, если в процессе эксплуатации при вращении ротора газ перемещается по радиальному проточному каналу от наружного обода ротора к внутренней цилиндрической полости. Независимо от того, предназначен ли ротор для сжатия в направлении изнутри наружу или в направлении снаружи внутрь, сжатие определяется местоположением наклонной направляющей сверхзвукового сжатия в указанном радиальном канале и конфигурацией лопаток, расположенных у отверстия для впуска текучей среды в радиальный канал. В различных примерах, изображенных на приведенных чертежах, роторы сверхзвукового компрессора представлены в конфигурации, предназначенной для сжатия в направлении изнутри наружу.
[0027] На фиг.1 изображен вариант выполнения данного изобретения, представляющий собой сверхзвуковой ротор компрессора. Показаны главные составные элементы сверхзвукового ротора 100, содержащего первую опорную пластину 105, на внутренней поверхности 106 которой расположены лопатки 150, ограничивающие радиальные проточные каналы 108, каждый из которых имеет впускное отверстие 10 для текучей среды, выпускное отверстие 20 для текучей среды и инфразвуковую диффузионную зону 109. В варианте выполнения, изображенном на фиг.1, каждая лопатка 150 содержит наклонную направляющую 120 сверхзвукового сжатия, описанную более подробно ниже. Именно наличие указанной направляющей 120 делает предложенные роторы компрессора сверхзвуковыми. Вторая опорная пластина ротора (не показана) при ее расположении на поверхности, образованной лопатками 150, завершает основную конструкцию сверхзвукового ротора, изображенного на фиг.1. В варианте выполнения, изображенном на фиг.1, две опорные пластины 105 могут быть представлены в виде пары кольцеобразных пластин, между которыми расположены лопатки 150, при этом указанные лопатки и пластины образуют один или более радиальных проточных каналов 108. Ротор, изображенный на фиг.1, ограничивает внутреннюю цилиндрическую полость 104, которая проточно сообщается с наружным ободом 112 ротора (не показан) через радиальные каналы 108. Радиальный канал обеспечивает возможность проточного сообщения между внутренней цилиндрической полостью 104 и наружным ободом ротора.
[0028] В одном варианте выполнения предложенный сверхзвуковой ротор компрессора может приводиться во вращение вокруг своей оси вращения с помощью приводного вала, соединенного с ротором. На фиг.2 изображен сверхзвуковой ротор 100, прикрепленный к приводному валу 300 с помощью распорки 160. Распорка 160 может быть прикреплена к одной или обеим опорным пластинам 105 ротора.
[0029] Предложенный ротор компрессора называют «сверхзвуковым», поскольку он вращается вокруг своей оси в высокой скоростью, так что относительная скорость перемещающейся текучей среды, например перемещающегося газа, который сталкивается с вращающимся ротором у наклонной направляющей сверхзвукового сжатия, расположенной в радиальном канале ротора, является сверхзвуковой. Относительная скорость текучей среды может быть определена как векторная сумма скорости ротора на передней кромке направляющей сверхзвукового сжатия и скорости текучей среды, которую она имеет непосредственно перед столкновением с указанной кромкой. Эту относительную скорость текучей среды иногда называют «локальной сверхзвуковой скоростью на впуске», которая в некоторых вариантах выполнения является суммой скорости газа на впуске и тангенциальной скорости направляющей, расположенной в радиальном канале сверхзвукового ротора. Сверхзвуковые роторы разработаны для эксплуатации при очень высоких тангенциальных скоростях, например, от 300 м/с до 800 м/с.
[0030] На фиг.3 изображен сверхзвуковой ротор 100, вращающийся вокруг оси, образованной приводным валом 300. В варианте выполнения, изображенном на фиг.3, при вращении ротора 100 в направлении 310 текучая среда, находящаяся во внутренней цилиндрической полости 104, поступает в радиальный канал 108 через впускное отверстие 10, а выходит из указанного канала через выпускное отверстие 20. Стрелками 101 указано направление протекания текучей среды по радиальному каналу 108 от внутренней цилиндрической полости 104 к наружному ободу ротора (не показан). При очень высоких тангенциальных скоростях в радиальном канале 108 может возникнуть косая ударная волна 125. На фиг.9 более подробно проиллюстрировано поведение текучей среды во вращающемся сверхзвуковом роторе в соответствии с изобретением. На фиг.9 косая ударная волна 125 возникает у передней кромки направляющей 120 и отражается от соседней лопатки 150 с образованием отраженной ударной волны 127. Площадь канала увеличивается по ходу потока вдоль указанной направляющей, и в данном канале, за которым расположена инфразвуковая диффузионная зона 109, возникает нормальная ударная волна 129.
[0031] На фиг.4 изображен вариант выполнения предложенного сверхзвукового ротора 100. Ротор показан в разобранном виде, так что видна первая опорная пластина 105 ротора (нижняя пластина), имеющая внутреннюю поверхность 106 и прикрепленная с помощью распорок 160 к приводному валу 300. На внутренней поверхности 106 опорной пластины 105 могут быть расположены лопатки 150. Над лопатками 150 расположена вторая опорная пластина 105 ротора (верхняя пластина), которая в данном варианте выполнения имеет такой же радиус, что и первая опорная пластина. Для прикрепления второй опорной пластины ротора к приводному валу 300 может использоваться второй комплект распорок 160 (не показан). Вторая опорная пластина 105 может быть прикреплена к приводному валу 300 таким образом, что лопатки 150 крепятся между указанными двумя опорными пластинами ротора. В одном варианте выполнения внутренняя поверхность 106 одной или обеих опорных пластин 105 имеет специальные канавки, форма которых соответствует форме лопатки и в которые вставляются лопатки 150 для их последующего крепления к опорной пластине ротора. В одном варианте выполнения указанные канавки имеют постоянную глубину, которая соответствует примерно одной десятой высоты лопатки. В одном варианте выполнения сверхзвуковой ротор изготовлен на станке из цельнометаллической заготовки. В альтернативном варианте выполнения сверхзвуковой ротор выполнен способом металлического литья. В еще одном варианте выполнения составные элементы ротора, например опорные пластины и лопатки, могут быть соединены пайкой, сваркой или скреплены болтами. В одном варианте выполнения первая опорная пластина 105 имеет кольцеобразную конструкцию, аналогичную изображенной на фиг.4, а вторая опорная пластина 105 представляет собой сплошной диск, не имеющий отверстия.
[0032] В вариантах выполнения, изображенных на фиг.1-4, наклонные направляющие 120 выполнены за одно целое с лопатками, например, в случае, когда лопатка изготовлена на станке из цельнометаллической заготовки. В альтернативном варианте выполнения указанная направляющая не является единым целым с лопаткой, например, в случае, когда лопатка и направляющая изготовлены на станке из двух разных металлических заготовок.
[0033] В одном варианте выполнения данного изобретения предложен сверхзвуковой компрессор, содержащий кожух, имеющий впускное и выпускное отверстия для текучей среды, и сверхзвуковой ротор, расположенный между указанными отверстиями. В различных вариантах выполнения сверхзвуковой ротор имеет внутреннюю цилиндрическую полость, наружный обод и по меньшей мере один радиальный проточный канал, обеспечивающий возможность проточного сообщения между указанными полостью и ободом. Радиальный канал содержит наклонную направляющую сверхзвукового сжатия. В процессе эксплуатации компрессора радиальный канал обеспечивает сжатие и перенос текучей среды со стороны низкого давления ротора (сторона впуска) к стороне высокого давления ротора (сторона выпуска). В одном варианте выполнения границы радиального канала ограничены лопатками и парой опорных пластин ротора. Лопатки и направляющая радиального канала действуют сообща для обеспечения захвата текучей среды у впускного отверстия радиального канала, ее сжатия между поверхностью направляющей и поверхностью соседней лопатки и передачи захваченной текучей среды к выпускному отверстию радиального канала. Сверхзвуковой ротор компрессора выполнен таким образом, что расстояние между по меньшей мере одним местом на опорных пластинах ротора и внутренней поверхностью кожуха компрессора минимизировано, что ограничивает обратное прохождение газа со стороны высокого давления ротора (сторона выпуска) к стороне низкого давления ротора (сторона впуска) и далее к впускной поверхности.
[0034] На фиг.5 изображен вариант выполнения данного изобретения и проиллюстрированы некоторые основные особенности его работы. На чертеже изображен сверхзвуковой компрессор 500 в разобранном виде, содержащий сверхзвуковой ротор 100 и обычный центробежный ротор 405, которые установлены в кожухе 510 компрессора. Сверхзвуковой ротор 100 и обычный ротор 405 расположены в проточном проходе сверхзвукового компрессора, который по меньшей мере частично ограничен кожухом и имеет сторону 520 низкого давления и сторону 522 высокого давления, называемые соответственно стороной 520 низкого давления прохода и стороной 522 высокого давления прохода. Вид, изображенный на фиг.5, является «разобранным» в том смысле, что обычный ротор 405 показан излеченным из внутренней цилиндрической полости 104 сверхзвукового ротора 100 и расположенным над ней. Как показано на фиг.6, в варианте выполнения, изображенном на фиг.5, обычный ротор 405 по существу расположен в пределах внутренней цилиндрической полости 104. Сверхзвуковой ротор 100 приводится в действие приводным валом 300 в направлении 310. Обычный ротор 405 приводится в действие приводным валом 320 в направлении 330. Как показано на чертеже, сверхзвуковой ротор 100 и обычный ротор 405 выполнены с возможностью вращения в противоположных направлениях. Текучая среда (не показана), вводимая через впускное отверстие компрессора (не показано), поступает к стороне низкого давления прохода 520 и сталкивается с лопатками 406 обычного ротора 405, вращающегося в направлении 330. При столкновении текучей среды с вращающимся обычным ротором центробежного компрессора происходит изменение направления потока 101 текучей среды. Текучая среда направляется в наружном радиальном направлении от ротора 405, расположенного во внутренней цилиндрической полости 104 сверхзвукового ротора 100. Сверхзвуковой ротор 100 имеет внутреннюю цилиндрическую полость 104, наружный обод 112 и по меньшей мере один радиальный проточный канал 108 (не показан), обеспечивающий возможность проточного сообщения между указанными полостью и ободом и содержащий наклонную направляющую сверхзвукового сжатия (не показана). В варианте выполнения, изображенном на фиг.5, ротор содержит первую опорную пластину 105 (верхнюю опорную пластину ротора) и вторую опорную пластину 105 (нижнюю опорную пластину ротора). Первая опорная пластина имеет проем, через который ротор 405 может быть установлен во внутреннюю цилиндрическую полость 104. Вторая опорная пластина может быть выполнена с проемом или без него. Таким образом, в одном варианте выполнения нижняя опорная пластина 105 ротора представляет собой сплошной диск. В альтернативном варианте выполнения в нижней опорной пластине 105 ротора имеется одно или более отверстий. В изображенном варианте выполнения вторая опорная пластина ротора механически соединена с приводным валом 300. В одном варианте выполнения это механическое соединение нижней опорной пластины выполнено с помощью распорки 160 (на фиг.5 не показана). Текучая среда, перемещающаяся в наружном радиальном направлении, сталкивается с впускным отверстием 10 для текучей среды (не показано) вращающегося сверхзвукового ротора 100 и направляется в радиальный канал 108 (не показан), который обеспечивает возможность прохождения текучей среды из внутренней цилиндрической полости 104 к наружному ободу 112 сверхзвукового ротора. Радиальный канал 108 содержит наклонную направляющую 120 сверхзвукового сжатия (не показана), которая обеспечивает сжатие текучей среды в указанном канале и направляет сжатую текучую среду к выпускному отверстию 20. Затем текучая среда, выходящая из отверстия 20, поступает к стороне 522 высокого давления прохода. Сжатая текучая среда, находящаяся на стороне 522 высокого давления прохода, может использоваться для выполнения работы.
[0035] На фиг.6 изображен разрез части 600 сверхзвукового компрессора 500, показанного на фиг.5, при этом обычный центробежный ротор 405 показан расположенным в пределах внутренней цилиндрической полости 104 сверхзвукового ротора 100. Ротор 405 приводится в действие приводным валом 320 в направлении 330. Часть приводного вала 320 изображена расположенной в концентрическом приводном вале 300, который приводит в действие сверхзвуковой ротор 100 в направлении 310. Приводной вал 300 показан механически соединенным с ротором 100 при помощи распорок 160 ротора. На чертеже указано направление потока 101 текучей среды по всему обычному ротору 405 и через сверхзвуковой ротор 100. Текучая среда поступает в ротор 100 через впускное отверстие 10 из внутренней цилиндрической полости 104, проходит через сверхзвуковой ротор по радиальному каналу 108 (не показан) и выходит через выпускное отверстие 20 у наружного обода 112 ротора (показан на фиг.5).
[0036] Как отмечено выше, сверхзвуковой компрессор, изображенный на фиг.5 и выполненный в соответствии с данным изобретением, содержит два ротора, вращающихся в противоположных направлениях, а именно сверхзвуковой ротор 100, имеющий радиальный канал, и обычный центробежный ротор 405, которые установлены последовательно, так что выпускной поток из расположенного выше по потоку обычного ротора, например углекислый газ или воздух, используется в качестве впускного потока для расположенного ниже по потоку предложенного сверхзвукового ротора, который вращается в направлении, противоположном направлению вращения расположенного выше по потоку обычного ротора. Например, если расположенный ниже по потоку сверхзвуковой ротор выполнен с возможностью вращения по часовой стрелке, то расположенный выше по потоку обычный центробежный ротор выполнен с возможностью вращения против часовой стрелки. То есть обычный центробежный ротор и сверхзвуковой ротор выполнены с возможностью вращения в противоположных направлениях относительно друг друга.
[0037] В некоторых вариантах выполнения данного изобретения предложен сверхзвуковой компрессор, содержащий несколько сверхзвуковых роторов. На фиг.7 проиллюстрирован способ установки сверхзвуковых роторов концентрическим образом и последовательно, так что выпуск первого ротора становится впуском для второго ротора. Конфигурация 700, изображенная на фиг.7, представляет собой разобранный вид в том смысле, что в действительности первый сверхзвуковой ротор 100 компрессора расположен в пределах внутренней цилиндрической полости 104 второго сверхзвукового ротора 200. Каждый из указанных первого и второго роторов имеет внутреннюю цилиндрическую полость 104, наружный обод 112 и по меньшей мере один радиальный проточный канал 108 (см., в частности, фиг.9), который обеспечивает возможность проточного сообщения между внутренней цилиндрической полостью и наружным ободом ротора и содержит наклонную направляющую 120 сверхзвукового сжатия (см., в частности, фиг.9). В варианте выполнения, изображенном на фиг.7, первый сверхзвуковой ротор 100 показан прикрепленным к приводному валу 300 с помощью распорок 160, а второй сверхзвуковой ротор 200 показан прикрепленным к приводному валу 302 с помощью распорок 160. Первый ротор 100 и второй ротор 200 выполнены с возможностью вращения в противоположных направлениях, соответственно в направлениях 310 и 312.
[0038] При рассмотрении фиг.7 видно, что часть по меньшей мере одной лопатки 150 каждого из изображенных первого ротора 100 и второго ротора 200 показана выступающей из опорных пластин 105. Это сделано для того, чтобы подчеркнуть наличие впускного отверстия 20 для текучей среды у наружного обода 112 ротора, и не означает, что какая-либо часть лопаток 150 выступает за пределы опорных пластин 105 ротора. Таким образом, в варианте выполнения, изображенном на фиг.5, лопатки 150 полностью расположены в пределах опорных пластин 105, и никакая их часть не выходит за границы наружного обода 112.
[0039] В некоторых вариантах выполнения предложенный сверхзвуковой ротор содержит пару опорных пластин, которые считаются «по существу одинаковыми». Опорные пластины ротора по существу одинаковы, если они имеют одинаковую форму, вес и диаметр, выполнены из одинакового материала и имеют одинаковый тип и количество особенностей поверхности обода, особенностей внутренней поверхности и особенностей наружной поверхности (называемых в целом «особенностями поверхности»).
[0040] В альтернативном варианте выполнения предложенный сверхзвуковой ротор содержит пару опорных пластин, которые не являются по существу одинаковыми, например, как на фиг.4. Используемые в данном случае две опорные пластины ротора по существу неодинаковы, если они существенно отличаются в каком-либо аспекте. Например, к существенным отличиям между двумя опорными пластинами относятся различия в форме, весе и диаметре, материале конструкции, а также в типе и количестве особенностей поверхности. Например, две опорные пластины ротора, изготовленные из разных материалов и одинаковые по всем остальным параметрам, считаются «по существу неодинаковыми».
[0041] В различных областях применения, таких как компрессоры для сжатия текучей среды, предложенные сверхзвуковые роторы могут приводиться в действие с помощью приводного вала. В одном варианте выполнения данного изобретения предложен сверхзвуковой компрессор, содержащий несколько предложенных сверхзвуковых роторов, каждый из которых приводится в действие отдельным приводным валом. В одном варианте выполнения данного изобретения предложен сверхзвуковой компрессор, имеющий впускное отверстие для текучей среды, выпускное отверстие для текучей среды и по меньшей мере два сверхзвуковых ротора, вращающихся в противоположных направлениях и установленных последовательно, так что выпускное отверстие первого ротора является впускным отверстием второго ротора, причем первый ротор соединен с первым приводным валом, а второй ротор соединен со вторым приводным валом, при этом указанные первый и второй приводные валы установлены вдоль общей оси вращения. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что если каждый из двух вращающихся в противоположных направлениях роторов приводится в действие отдельным приводным валом, то в различных вариантах выполнения указанные приводные валы выполнены с возможностью вращения в противоположных направлениях. В одном варианте выполнения первый и второй приводные валы вращаются в противоположных направлениях, имеют общую ось вращения и являются концентрическими, то есть один из них расположен внутри другого. В одном варианте выполнения предложенный сверхзвуковой компрессор содержит первый и второй приводные валы, которые соединены с общим приводным двигателем. В альтернативном варианте выполнения предложенный сверхзвуковой компрессор содержит первый и второй приводные валы, которые соединены с по меньшей мере двумя разными приводными двигателями. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что приводные двигатели применяются для «запуска» (вращения) приводных валов, которые в свою очередь приводят в движение сверхзвуковые роторы, специалистам также знакомы широко используемые средства соединения приводных двигателей с приводными валами (при помощи зубчатых передач, цепей и т.п.) и, кроме того, средства управления скоростью, при которой происходит вращение приводных валов. В одном варианте выполнения первый и второй приводные валы приводятся в движение турбиной с противоположным вращением валов, которая содержит два комплекта лопаток, выполненных с возможностью вращения в противоположных направлениях, при этом направление перемещения каждого комплекта определяется формой входящих в него лопаток.
[0042] В одном варианте выполнения данного изобретения предложен сверхзвуковой компрессор, содержащий по меньшей мере два сверхзвуковых ротора, которые вращаются в противоположных направлениях и каждый из которых имеет по меньшей мере один радиальный проточный канал. Например, указанные сверхзвуковые роторы могут быть установлены последовательно, так что выходной поток первого ротора, имеющего первое направление вращения, направляется ко второму ротору, выполненному с обеспечением вращения в противоположном направлении относительно первого ротора. В одном варианте выполнения указанные сверхзвуковые роторы установлены таким образом, что первый ротор расположен во внутренней цилиндрической полости второго ротора.
[0043] На фиг.8 изображен иллюстративный сверхзвуковой компрессор 800, содержащий обычный центробежный ротор 405 и пару сверхзвуковых роторов, выполненных в соответствии с данным изобретением и установленных концентрическим образом. Изображенный на фиг.8 сверхзвуковой компрессор содержит первый сверхзвуковой ротор 100 и второй сверхзвуковой ротор 200. Вышеуказанные роторы расположены в проточном проходе, имеющем сторону 520 низкого давления и сторону 522 высокого давления и расположенном в кожухе 510 компрессора. Обычный ротор 405 изображен расположенным во внутренней цилиндрической полости 104 первого сверхзвукового ротора 100, который в свою очередь показан установленным во внутренней цилиндрической полости 104 второго сверхзвукового ротора 200. Первый ротор 100 приводится в действие приводным валом 300 в направлении 310. Второй ротор 200 приводится в действие приводным валом 302 в направлении 312. Сверхзвуковые роторы 100 и 200 изображены вращающимися в противоположных направлениях относительно друг друга. Обычный ротор 405 приводится в действие приводным валом 320 в направлении 330. Выходной поток ротора 405 направляется через полость 104 к первому ротору 100. Выходной поток первого ротора 100 направляется в полость 104 второго ротора 200. В изображенном на фиг.8 варианте выполнения выходной поток второго ротора 200 направляется к спиральной камере 820.
[0044] В некоторых вариантах выполнения (например, в изображенном на фиг.8) предложенные сверхзвуковые роторы содержат несколько сверхзвуковых роторов. В случае последовательной установки сверхзвуковых роторов иногда является предпочтительным выполнение роторов с обеспечением вращения в противоположных направлениях. В одном варианте выполнения данного изобретения предложен сверхзвуковой компрессор, содержащий по меньшей мере три сверхзвуковых ротора, которые вращаются в противоположных направлениях и каждый из который имеет по меньшей мере один радиальный проточный канал. Например, сверхзвуковые роторы могут быть установлены последовательно, так что выходной поток первого ротора, имеющего первое направление вращения, направляется ко второму ротору, выполненному с обеспечением вращения в противоположном направлении относительно первого ротора, и, кроме того, выходной поток второго ротора направляется к третьему ротору, выполненному с обеспечением вращения в противоположном направлении относительно второго ротора. В одном варианте выполнения вращающиеся в противоположных направлениях сверхзвуковые роторы установлены таким образом, что первый ротор расположен во внутренней цилиндрической полости второго ротора, а второй ротор расположен во внутренней цилиндрической полости третьего ротора.
[0045] Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что рабочие характеристики как обычных, так и сверхзвуковых компрессоров могут быть улучшены благодаря наличию в компрессоре направляющих лопаток для текучей среды. Так, в одном варианте выполнения данного изобретения предложен сверхзвуковой компрессор, имеющий впускное отверстие для текучей среды, выпускное отверстие для текучей среды, по меньшей мере один сверхзвуковой ротор, который имеет внутреннюю цилиндрическую полость, наружный обод и по меньшей мере один радиальный проточный канал, а также одну или более направляющих лопаток для текучей среды. В одном варианте выполнения сверхзвуковой компрессор может содержать несколько направляющих лопаток. Указанные лопатки могут быть расположены между впускным отверстием и сверхзвуковым ротором или между сверхзвуковым ротором и выпускным отверстием либо в другом их сочетании. Так, в одном варианте выполнения предложенный сверхзвуковой компрессор содержит направляющие лопатки, которые расположены между впускным отверстием для текучей среды и указанным ротором, при этом указанные лопатки логично называть входными направляющими лопатками. В другом варианте выполнения предложенный сверхзвуковой компрессор содержит направляющие лопатки, которые расположены между первым и вторым сверхзвуковыми роторами, при этом указанные лопатки логично называть промежуточными направляющими лопатками. В другом варианте выполнения сверхзвуковой компрессор содержит направляющие лопатки, которые расположены между сверхзвуковым ротором и выпускным отверстием для текучей среды, при этом указанные лопатки логично называть выходными направляющими лопатками. В одном варианте выполнения предложенный сверхзвуковой компрессор содержит несколько сверхзвуковых роторов и комбинацию входных, выходных и промежуточных направляющих лопаток.
[0046] В одном варианте выполнения предложенный сверхзвуковой компрессор входит в состав более крупной установки, такой как газотурбинный двигатель, например реактивный двигатель. Предполагается, что поскольку при использовании предложенных сверхзвуковых компрессоров могут быть получены повышенные степени сжатия, то габаритный размер и вес газотурбинного двигателя могут быть уменьшены, что обеспечивает соответствующие преимущества.
[0047] В одном варианте выполнения предложенный сверхзвуковой компрессор содержит: (а) проход для газа, имеющий впускное отверстие для газа низкого давления и выпускное отверстие для газа высокого давления, (b) первый сверхзвуковой ротор, имеющий внутреннюю цилиндрическую полость, наружный обод и по меньшей мере один радиальный проточный канал, который обеспечивает возможность сообщения между указанными полостью и ободом и содержит наклонную направляющую сверхзвукового сжатия, (с) второй сверхзвуковой ротор, имеющий внутреннюю цилиндрическую полость, наружный обод и по меньшей мере один радиальный проточный канал, который обеспечивает возможность сообщения между указанными полостью и ободом и содержит наклонную направляющую сверхзвукового сжатия, и (d) обычный центробежный ротор компрессора, при этом указанные первый сверхзвуковой ротор, второй сверхзвуковой ротор и обычный ротор расположены в указанном проходе для газа. В одном варианте выполнения обычный ротор расположен во внутренней цилиндрической полости первого сверхзвукового ротора, а первый сверхзвуковой ротор расположен во внутренней цилиндрической полости второго сверхзвукового ротора, причем обычный ротор выполнен с обеспечением вращения в противоположном направлении относительно указанного первого ротора, который в свою очередь выполнен с обеспечением вращения в противоположном направлении относительно указанного второго ротора, при этом обычный ротор, первый сверхзвуковой ротор и второй сверхзвуковой ротор расположены в проходе для газа.
1
2
θ
01
0
0
θ
[0048] Приведенное ниже пояснение включено в данное описание для предоставления дополнительных сведений о технической сущности работы сверхзвуковых компрессоров. Для краткости изложения основной акцент сделан на динамике газа в конкретном типе предложенного сверхзвукового компрессора, который содержит сверхзвуковой ротор и различные входные и выходные направляющие лопатки. Сверхзвуковой компрессор требует высоких относительных скоростей газа, поступающего в ротор сверхзвукового компрессора. Эти скорости должны превышать локальную скорость звука в газе, поэтому для них используется определение «сверхзвуковая». При обсуждении содержания данного раздела рассматривается сверхзвуковой компрессор в процессе работы, при этом указанный компрессор содержит как входные, так и выходные направляющие лопатки. Через впускное отверстие газ вводится в сверхзвуковой компрессор, который содержит несколько входных направляющих лопаток, установленных перед первым сверхзвуковым ротором, второй сверхзвуковой ротор и несколько выходных направляющих лопаток. Газ, выходящий из входных лопаток, подвергается сжатию первым сверхзвуковым ротором, и выходной поток указанного первого ротора направляется ко второму сверхзвуковому ротору (вращающемуся в противоположном направлении), выходной поток которого видоизменяется при столкновении с комплектом выходных направляющих лопаток. При столкновении газа с входными направляющими лопатками он ускоряется указанными лопатками до высокой тангенциальной скорости. Эта тангенциальная скорость суммируется с тангенциальной скоростью ротора, и векторная сумма этих скоростей определяет относительную скорость газа, поступающего в ротор. Ускорение газа под действием входных лопаток приводит к уменьшению локального статического давления, которое необходимо преодолеть путем повышения давления в сверхзвуковом роторе. Повышение давления в роторе является функцией абсолютной тангенциальной скорости на входе и абсолютной тангенциальной скорости на выходе, а также зависит от радиуса, свойств текучей среды и скорости вращения и задается Уравнением 1, где P - давление на входе, Р - давление на выходе, γ - коэффициент удельной теплоемкости сжимаемого газа, Ω - скорость вращения, r - радиус, V - тангенциальная скорость, η (см. показатель степени) - политропический коэффициент полезного действия, a C - скорость торможения звука на входе, которая равна корню квадратному из (γ·R·T), где R - универсальная газовая постоянная, а Т - общая температура в случае введения газа. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что Уравнение 1 имеет вид уравнения Эйлера для турбинных механизмов. Высокие степени сжатия в отдельной ступени достигаются при высоком значении Δ(rV).
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>γ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>Ω</mi><mi>Δ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>r</mi><msub><mi>V</mi><mi>θ</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msubsup><mi>C</mi><mrow><mn>01</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mfrac><mrow><mi>γ</mi><mi>η</mi></mrow><mrow><mi>γ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow></msup><mtext> </mtext><mi>У</mi><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>в</mi><mi>н</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mn>1</mn></mrow>
[0049] Роторы сверхзвукового компрессора, такие как предложенные в данном изобретении, могут быть изготовлены из любого материала, используемого в настоящее время для обычных компрессоров, в том числе из алюминиевых, стальных, никелевых и титановых сплавов, в зависимости от требуемой прочности и температурных свойств. Кроме того, могут применяться композитные структуры, в которых сочетаются относительные прочности нескольких различных материалов, в том числе перечисленных выше и неметаллических материалов. Кожухи компрессоров, входные направляющие лопатки, выходные направляющие лопатки и выхлопные спиральные камеры могут быть изготовлены из любого материала, применяемого для существующих на сегодняшний день турбинных устройств, в том числе из чугуна.
[0050] Как отмечено выше, в одном варианте выполнения данного изобретения предложен способ сжатия текучей среды, включающий: (а) введение текучей среды через впускное отверстие для газа низкого давления в проход для газа, расположенный в сверхзвуковом компрессоре, и (b) удаление газа через выпускное отверстие для газа высокого давления, выполненное в указанном компрессоре, причем указанный сверхзвуковой компрессор содержит сверхзвуковой ротор, расположенный между указанными впускным и выпускным отверстиями и имеющий внутреннюю цилиндрическую полость, наружный обод и по меньшей мере один радиальный проточный канал, который обеспечивает возможность проточного сообщения между указанными полостью и ободом и содержит наклонную направляющую сверхзвукового сжатия. Предложенный способ может использоваться для получения сжатой текучей среды, например сжатого газа. В одном варианте выполнения предложенный способ может использоваться для получения сжатого природного газа в виде сжиженных природных газов. К другим газам, которые могут быть сжаты с использованием предложенного способа, относятся воздух, углекислый газ, азот, аргон, гелий, водород, кислород, окись углерода, гексафторид серы, газообразные хладагенты, а также их смеси. К газообразным хладогентам относятся дихлортрифторэтан (иногда обозначаемый R123), 1,1,1,2,3,3,3-гептафторпропан, гексафторэтан, хлордифторметан и т.п.
[0051] Приведенные выше примеры являются исключительно иллюстративными и служат для пояснения лишь некоторых особенностей изобретения. В прилагаемой формуле изобретения изобретение изложено в самом широком объеме, а примеры, представленные в данном документе, иллюстрируют лишь некоторые из всего многообразия возможных вариантов выполнения. Таким образом, Заявитель обращает внимание на то, что прилагаемая формула изобретения не ограничена избранными примерами, приведенными для иллюстрации особенностей данного изобретения. Кроме того, используемое в формуле изобретения слово «содержит» и его варианты подразумевают и охватывают различные и обозначающие различную меру фразы, такие как, например, «состоящий по существу из» и «состоящий из», но без ограничения этим. Там, где это необходимо, заданы области значений, которые охватывают все входящие в них промежуточные диапазоны. Предполагается, что изменения указанных диапазонов будут очевидны практикующему специалисту и что в случае, если они не являются общеизвестными, такие изменения по возможности надлежит считать входящими в рамки объема прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, ожидается, что достижения в науке и технологии сделают возможным применение эквивалентов и замен, которые не рассмотрены в данном документе по причине неопределенности терминологии, причем такие изменения по возможности также будут считаться входящими в рамки объема прилагаемой формулы изобретения.
ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ
№элемента
Название
Примечание
10
впускное отверстие для текучей среды
Фиг.1
20
выпускное отверстие для текучей среды
Фиг.2
100
сверхзвуковой ротор компрессора
Фиг.1
101
направление потока текучей среды
Фиг.2
104
внутренняя цилиндрическая полость
Фиг.1
105
опорная пластина ротора
Фиг.1
106
внутренняя поверхность опорной пластины ротора
Фиг.1
108
радиальный проточный канал
Фиг.1
109
инфразвуковая диффузионная зона
Фиг.1
112
наружный обод ротора
Фиг.1
120
наклонная направляющая сверхзвукового сжатия, расположенная в радиальном проточном канале
Фиг.1
125
косая ударная волна, устанавливающаяся в радиальном канале сверхзвукового ротора компрессора в процессе работы
Фиг.3
127
отраженная косая ударная волна
129
нормальная ударная волна
150
пояса, расположенные на внутренней поверхности 106 опорной пластины 105 ротора
Фиг.1
160
распорка опорной пластины
Фиг.2
200
второй сверхзвуковой ротор компрессора
Фиг.8
300
приводной вал сверхзвукового ротора 100
Фиг.2
302
приводной вал второго сверхзвукового ротора 200
310
направление вращения приводного вала и сверхзвукового ротора 100
Фиг.3
312
направление вращения приводного вала, соединенного со вторым сверхзвуковым ротором 200
320
приводной вал обычного ротора
Фиг.5
330
направление вращения приводного вала обычного ротора
Фиг.5
405
обычный центробежный ротор компрессора
Фиг.5
406
лопасть обычного центробежного ротора
Фиг.5
500
вид сверхзвукового компрессора 500, содержащего обычный центробежный ротор 405 и сверхзвуковой ротор
Фиг.5
510
кожух компрессора
Фиг.5, 8
520
проточный проход (сторона низкого давления прохода)
Считается, что ротор 100 и обычный ротор 405 расположены в проходе 520/522
522
проточный проход (сторона высокого давления канала)
Фиг.5,8
600
частичный разрез компрессора, изображенного на фиг.5, на котором обычный центробежный ротор 405 вставлен во внутреннюю цилиндрическую полость 104 сверхзвукового ротора 100
Фиг.6
700
сверхзвуковой компрессор, содержащий пару концентрических сверхзвуковых роторов
Фиг.7
800
сверхзвуковой компрессор, содержащий обычный центробежный ротор, соединенный с парой концентрических сверхзвуковых роторов
Фиг.8
820
выходной газовый коллектор
Фиг.8