СВЕРХЗВУКОВОЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2015 года по МПК F04D21/00 

Изобретение относится к компрессорам и к системам, содержащим компрессоры. В частности, настоящее изобретение относится к сверхзвуковым компрессорам, содержащим сверхзвуковые роторы, и к системам, содержащим указанные компрессоры.

Традиционные компрессорные системы широко используются для сжатия газов и находят применение во многих распространенных областях, начиная от рефрижераторных установок и заканчивая реактивными двигателями. Основным назначением компрессора является перенос и сжатие газа. Для этого в компрессоре обычно происходят передача механической энергии газу, находящемуся в области низкого давления, перенос газа в область высокого давления и сжатие его в указанной области, откуда сжатый газ может быть использован либо для выполнения работы, либо в качестве входного потока в последующем процессе, в котором используется газ высокого давления. Технологии сжатия газов достаточно изучены и включают разного рода механизмы, начиная от центробежных компрессоров и заканчивая диагональными компрессорами и осевыми компрессорами. Несмотря на то что традиционные компрессорные системы чрезвычайно эффективны, они ограничены тем, что степень повышения давления, обеспечиваемая одной ступенью компрессора, сравнительно низка. При необходимости в большой общей степени повышения давления можно применять традиционные компрессорные системы, содержащие несколько ступеней сжатия. Однако традиционные компрессорные системы, содержащие несколько ступеней сжатия, обычно являются крупногабаритными, сложными и дорогостоящими. Также известны традиционные компрессорные системы, имеющие ступени противоположного вращения.

В последнее время стали известны компрессорные системы, содержащие сверхзвуковой ротор компрессора. Данные компрессорные системы, иногда называемые сверхзвуковыми компрессорами, выполняют перенос и сжатие газа путем воздействия на подаваемый газ вращающегося ротора, элементы конструкции поверхности обода которого обеспечивают перенос и сжатие подаваемого газа со стороны низкого давления сверхзвукового ротора компрессора к стороне высокого давления сверхзвукового ротора компрессора. Несмотря на то что при использовании сверхзвукового компрессора можно добиться более высоких по сравнению с обычным компрессором степеней сжатия одной ступени, весьма желательно обеспечить дополнительные усовершенствования.

Как подробно изложено ниже, в настоящем изобретении предложены новые многоступенчатые сверхзвуковые компрессоры, обеспечивающие неожиданные улучшения эксплуатационных характеристик компрессора по сравнению с известными сверхзвуковыми компрессорами.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном варианте выполнения настоящего изобретения предложен сверхзвуковой компрессор, содержащий а) впуск для текучей среды, b) выпуск для текучей среды и с) по меньшей мере два сверхзвуковых ротора противоположного вращения, выполненные последовательно таким образом, что выпуск из первого ротора, имеющего первое направление вращения, направлен ко второму ротору, выполненному с возможностью вращения в противоположном направлении относительно направления вращения первого ротора.

В другом варианте выполнения настоящего изобретения представлен сверхзвуковой компрессор, содержащий а) впуск для текучей среды, b) выпуск для текучей среды, с) первый сверхзвуковой ротор и второй сверхзвуковой ротор противоположного вращения, выполненные последовательно таким образом, что выпуск из первого ротора направлен ко второму ротору противоположного вращения, причем указанные роторы сверхзвукового компрессора имеют общую ось вращения.

В следующем варианте выполнения настоящего изобретения предложен сверхзвуковой компрессор, содержащий а) газопровод, имеющий 1) впуск для газа низкого давления и 2) выпуск для газа высокого давления; b) первый сверхзвуковой ротор, расположенный внутри указанного газопровода; и с) второй сверхзвуковой ротор противоположного вращения, расположенный внутри указанного газопровода, причем указанные роторы сверхзвукового компрессора выполнены последовательно таким образом, что выпуск из первого ротора направлен ко второму ротору противоположного вращения, при этом указанные роторы ограничивают часть трубопровода низкого давления, расположенную перед первым ротором, промежуточную часть трубопровода, расположенную между первым и вторым роторами противоположного вращения, и часть трубопровода высокого давления, расположенную за вторым ротором противоположного вращения, причем указанные роторы сверхзвукового компрессора имеют общую ось вращения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для того чтобы специалисты в данной области техники могли в полной мере понять новые признаки, принципы и преимущества настоящего изобретения, в настоящем описании в дополнение к подробному описанию прилагаются приведенные ниже чертежи.

Фиг.1 изображает вариант выполнения изобретения, представляющий часть сверхзвукового компрессора, содержащую первый сверхзвуковой ротор и второй сверхзвуковой ротор противоположного вращения.

Фиг.2 изображает вариант выполнения изобретения, представляющий часть сверхзвукового компрессора, содержащую первый сверхзвуковой ротор и второй сверхзвуковой ротор противоположного вращения.

Фиг.3 иллюстрирует теоретическое объяснение варианта выполнения изобретения, отражающее преимущества соединения первого ротора сверхзвукового компрессора со вторым ротором противоположного вращения сверхзвукового компрессора.

Фиг.4 изображает вариант выполнения изобретения, представляющий часть сверхзвукового компрессора, содержащую первый сверхзвуковой ротор и второй сверхзвуковой ротор противоположного вращения, расположенные внутри кожуха.

Фиг.5 изображает вариант выполнения изобретения, представляющий часть сверхзвукового компрессора, содержащую первый сверхзвуковой ротор и второй сверхзвуковой ротор противоположного вращения, расположенные внутри кожуха.

Различные признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятны из последующего подробного описания со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых одинаковыми ссылочными номерами позиций отмечены одинаковые элементы. Если не оговорено иначе, чертежи, представленные в данном документе, предназначены для иллюстрации основных признаков изобретения. Предполагается, что указанные основные признаки изобретения применимы в разнообразных системах, содержащих один или несколько вариантов выполнения изобретения. Поэтому чертежи не содержат всех традиционных элементов, известных специалистам в данной области техники и необходимых для практической реализации изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В последующем описании и приведенной за ним формуле изобретения используется ряд терминов, которые определены следующим образом.

Упоминание элементов в единственном числе охватывает эти элементы и во множественном числе, если контекст ясно не указывает иначе.

Слова «дополнительный» или «дополнительно» означают, что описанное в дальнейшем событие или обстоятельство может произойти, а может и не произойти, и что последующее описание включает случаи, в которых событие происходит, и примеры, в которых оно не происходит.

Используемый в данном документе термин «сверхзвуковой компрессор» относится к компрессору, содержащему сверхзвуковой ротор.

Формулировки, обозначающие примерное соответствие, используемые в описании и формуле изобретения, могут применяться для описания любого количественного показателя, который может изменяться в допустимых пределах, не приводя к изменению основной функции, к которой он относится. Следовательно, значения, описанные таким словом или словами, как «примерно» и «по существу», не должны ограничиваться указанным точным значением. Формулировки, обозначающие примерное соответствие, по меньшей мере в некоторых примерах могут соответствовать точности измерительного инструмента, используемого для измерения величины. При этом во всем описании и формуле изобретения пределы числовых диапазонов могут комбинироваться и/или заменяться, причем такие диапазоны числовых значений определены и включают все входящие в них поддиапазоны, если иное не указано в контексте или описании.

Установлено, что в отличие от известных сверхзвуковых компрессоров, которые могут содержать один или несколько сверхзвуковых роторов, можно добиться существенного и неочевидного улучшения эксплуатационных характеристик компрессора, если использовать по меньшей мере два сверхзвуковых ротора противоположного вращения, выполненные последовательно. Усовершенствованная конструкция роторов сверхзвукового компрессора, предложенная в настоящем изобретении, обеспечивает создание сверхзвуковых компрессоров, которые более эффективны, чем сверхзвуковые компрессоры, в которых используются известные конструкции роторов. Таким образом, в настоящем изобретении предлагается сверхзвуковой компрессор, содержащий по меньшей мере два ротора противоположного вращения, выполненные последовательно. Кроме того, сверхзвуковой компрессор, предлагаемый в настоящем изобретении, имеет впуск для текучей среды и выпуск для текучей среды.

Сверхзвуковые компрессоры, предложенные в настоящем изобретении, содержат по меньшей мере два сверхзвуковых ротора, выполненные «последовательно», так что выпуск из первого ротора, имеющего первое направление вращения, направлен ко второму ротору, выполненному с возможностью вращения в противоположном направлении относительно первого сверхзвукового ротора.

Сверхзвуковые компрессоры, содержащие сверхзвуковые роторы, известны специалистам в данной области техники и подробно описаны, например, в патентах США №7334990 и №7293955, поданных соответственно 28 марта 2005 года и 23 марта 2005 года, причем оба патента полностью включены в данный документ посредством ссылки, с той оговоркой, что в случаях, когда описание, приведенное в любом из указанных патентов, противоречит части материала настоящей заявки, настоящая заявка считается преобладающей.

Ротор сверхзвукового компрессора, как правило, представляет собой диск, имеющий первую сторону, вторую сторону и внешний обод, и содержит сжимающие уклоны, расположенные на наружном ободе диска, причем указанные уклоны выполнены с возможностью переноса текучей среды (например, газа) от первой стороны ротора ко второй стороне ротора при вращении ротора вокруг оси вращения. Вращение ротора вокруг своей оси может обеспечиваться приводным валом, связанным с ротором. Ротор называется сверхзвуковым ротором, поскольку он выполнен с возможностью вращения вокруг оси при высоких скоростях, так что перемещающаяся текучая среда, например, перемещающийся газ, сталкивающийся с вращающимся сверхзвуковым ротором у сжимающего уклона, расположенного на ободе ротора, обладает сверхзвуковой относительной скоростью. Относительная скорость текучей среды может быть определена как векторная суммы скорости ротора на его ободе и скорости текучей среды до ее столкновения с ободом вращающегося ротора. Данную относительную скорость текучей среды иногда называют «локальной сверхзвуковой скоростью впуска», которая в некоторых вариантах выполнения представляет собой комбинацию скорости впуска газа и тангенциальной скорости сверхзвукового уклона, расположенного на ободе ротора сверхзвукового компрессора. Сверхзвуковые роторы выполнены с возможностью работы при очень высоких тангенциальных скоростях, например тангенциальных скоростях в диапазоне от 300 м/с до 800 м/с.

Как правило, сверхзвуковой компрессор имеет кожух, содержащий впуск и выпуск для газа, и сверхзвуковой ротор, расположенный между указанными впуском и выпуском. Сверхзвуковой ротор компрессора имеет такие элементы конструкции поверхности обода, которые обеспечивают сжатие и перенос газа от впускной стороны ротора к выпускной стороне ротора. В одном варианте выполнения элементы конструкции поверхности обода содержат рельефные спиралевидные конструкции, называемые гребнями, и один или несколько сжимающих уклонов, расположенных между впускным гребнем и выпускным гребнем. Гребни и сжимающие уклоны действуют совместно, улавливая газ у поверхности ротора, вблизи впуска для газа, сжимая газ между поверхностью обода ротора и внутренней поверхностью кожуха и передавая указанный газ к выпускной поверхности ротора. Сверхзвуковой ротор компрессора выполнен таким образом, что расстояние между гребнями, выполненными на поверхности обода ротора, и внутренней поверхностью кожуха минимально, что исключает обратный проход газа от выпускной поверхности ротора сверхзвукового компрессора к впускной поверхности.

Как отмечено, сверхзвуковой компрессор, представленный в настоящем изобретении, содержит по меньшей мере два сверхзвуковых ротора противоположного вращения, установленные последовательно, так что выпуск из первого сверхзвукового ротора, например, сжатый газ, используется в качестве впуска для второго сверхзвукового ротора, вращающегося в направлении, противоположном направлению вращению первого ротора. К примеру, если первый сверхзвуковой ротор компрессора выполнен с возможностью вращения по часовой стрелке, то второй сверхзвуковой ротор компрессора выполнен с возможностью вращения против часовой стрелки.

Говорится, что второй сверхзвуковой ротор компрессора выполнен с возможностью противоположного вращения относительно первого сверхзвукового ротора компрессора.

Первый и второй сверхзвуковые роторы компрессора называют «по существу одинаковыми», если каждый ротор имеет одинаковую форму, вес и диаметр, выполнен из одинакового материала и имеет одинаковый тип и количество элементов конструкции поверхности обода. Однако специалистам в данной области техники будет понятно, что «по существу одинаковые» первый и второй сверхзвуковые роторы компрессора являются зеркальными отражениями друг друга. Два по существу одинаковых ротора противоположного вращения сверхзвукового компрессора, установленные последовательно, должны являться зеркальными отражениями друг друга, если перемещение текучей среды, сжимаемой двумя сверхзвуковыми роторами компрессора, должно происходить в одной главном направлении. Таким образом, в одном варианте выполнения настоящего изобретения предложен сверхзвуковой компрессор, содержащий первый сверхзвуковой ротор, который по существу идентичен второму сверхзвуковому ротору, при этом роторы выполнены последовательно и являются зеркальными отражениями друг друга, а второй ротор выполнен с возможностью противоположного вращения относительно первого ротора.

В другом варианте выполнения сверхзвуковой компрессор, представленный в настоящем изобретении, содержит два сверхзвуковых ротора противоположного вращения, выполненные последовательно, причем первый ротор не идентичен второму сверхзвуковому ротору. Используемые в данном случае два ротора противоположного вращения сверхзвукового компрессора не идентичны друг другу, если роторы имеют существенные отличия в определенном аспекте. Например, существенные отличия между двумя роторами противоположного вращения сверхзвукового компрессора, выполненными последовательно, включают отличия по форме, весу и диаметру, материалу конструкции, а также по типу и количеству элементов конструкции поверхности обода. К примеру, два ротора противоположного вращения сверхзвукового компрессора, содержащие разное количество сжимающих уклонов, но одинаковые по остальным параметрам, будут считаться «не одинаковыми».

Как правило, роторы противоположного вращения сверхзвукового компрессора, выполненные последовательно, имеют общую ось вращения, хотя также возможны конструкции, в которых первый и второй роторы сверхзвукового компрессора имеют разные оси вращения. В тех вариантах выполнения, в которых роторы имеют общую ось вращения, говорят, что роторы расположены на общей оси вращения (см. фиг. 4А). Таким образом, в одном варианте выполнения данного изобретения предложен сверхзвуковой компрессор, содержащий впуск для текучей среды, выпуск для текучей среды и по меньшей мере два сверхзвуковых ротора противоположного вращения, выполненные последовательно, причем указанные роторы расположены на общей оси вращения. В другом варианте выполнения указанные роторы не имеют общей оси вращения.

Роторы противоположного вращения сверхзвукового компрессора могут приводиться во вращение одним или несколькими приводными валами, связанными с одним или несколькими роторами сверхзвукового компрессора. В одном варианте выполнения каждый из роторов противоположного вращения сверхзвукового компрессора приводится во вращение отдельным приводным валом. Таким образом, в одном варианте выполнения настоящего изобретения предложен сверхзвуковой компрессор, содержащий впуск для текучей среды, выпуск для текучей среды и по меньшей мере два сверхзвуковых ротора противоположного вращения, выполненные последовательно, при этом первый ротор соединен с первым приводным валом, а указанный второй ротор соединен со вторым приводным валом, причем первый и второй приводные валы расположены на общей оси вращения. Специалистам понятно, что в случае, когда два ротора противоположного вращения сверхзвукового компрессора приводятся во вращение каждый с помощью отдельного приводного вала, сами приводные валы в различных вариантах выполнения выполнены с возможностью противоположного вращения. В одном варианте выполнения первый и второй приводные валы являются валами противоположного вращения, имеют общую ось вращения и выполнены концентрическими, то есть один из первого и второго приводных валов расположен внутри другого приводного вала. В одном варианте выполнения сверхзвуковой компрессор, предложенный в настоящем изобретении, имеет первый и второй приводные валы, которые соединены с общим приводным двигателем. В другом варианте выполнения сверхзвуковой компрессор, предложенный в настоящем изобретении, содержит первый и второй приводные валы, соединенные по меньшей мере с двумя разными приводными двигателями. Специалистам понятно, что приводные двигатели используются для приведения во вращение (вращения) приводных валов, которые в свою очередь приводят во вращение роторы сверхзвукового компрессора, и также известны распространенные средства соединения приводных двигателей с приводными валами (с помощью зубчатых передач, цепей и тому подобного) и, кроме того, известны средства регулирования частоты вращения приводных валов. В одном варианте выполнения первый и второй приводные валы приводятся во вращение турбиной противоположного вращения, имеющей два комплекта лопаток, выполненных с возможностью вращения в противоположных направлениях, при этом направление вращения комплекта лопаток определяется формой лопаток, входящих в каждый комплект.

В одном варианте выполнения настоящего изобретения предложен сверхзвуковой компрессор, содержащий по меньшей мере три сверхзвуковых ротора противоположного вращения (см. фиг. 4В). Например, роторы сверхзвукового компрессора могут быть выполнены последовательно таким образом, что выпуск из первого сверхзвукового ротора, имеющего первое направление вращения, направлен ко второму сверхзвуковому ротору, выполненному с возможностью вращения в противоположном направлении относительно первого ротора, и кроме того, выпуск из второго сверхзвукового ротора направлен к третьему сверхзвуковому ротору, выполненному с возможностью вращения в противоположном направлении относительно второго сверхзвукового ротора компрессора.

Специалистам понятно, что эксплуатационные характеристики как обычных компрессоров, так и сверхзвуковых компрессоров могут быть улучшены путем установки внутри компрессора направляющих лопаток для текучей среды. Таким образом, в одном варианте выполнения настоящего изобретения предложен сверхзвуковой компрессор, содержащий впуск для текучей среды, выпуск для текучей среды, по меньшей мере два сверхзвуковых ротора противоположного вращения, выполненные последовательно, и одну или несколько направляющих лопаток для текучей среды. В одном варианте выполнения сверхзвуковой компрессор может содержать несколько направляющих лопаток для текучей среды. Направляющие лопатки могут быть расположены между впуском для текучей среды и первым (расположенным выше по потоку) сверхзвуковым ротором компрессора, между первым и вторым (расположенным ниже по потоку) сверхзвуковыми роторами компрессора, между вторым сверхзвуковым ротором компрессора и выпуском для текучей среды, или в комбинации указанных расположений. Таким образом, в одном варианте выполнения сверхзвуковой компрессор, предложенный в настоящем изобретении, содержит направляющие лопатки для текучей среды, расположенные между впуском для текучей среды и первым (расположенным выше по потоку) сверхзвуковым ротором. В том случае указанные лопатки можно назвать впускными направляющими лопатками (ВпНЛ). В другом варианте выполнения сверхзвуковой компрессор, предложенный в настоящем изобретении, содержит направляющие лопатки для текучей среды, расположенные между первым и вторым сверхзвуковыми роторами. В этом случае направляющие лопатки можно логично называть промежуточными направляющими лопатками (ПНЛ). В еще одном варианте выполнения сверхзвуковой компрессор, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, содержит направляющие лопатки для текучей среды, расположенные между вторым ротором сверхзвукового компрессора и выпуском для текучей среды. В этом случае указанные лопатки можно логично назвать выпускными направляющим лопатками (ВыпНЛ). В одном варианте выполнения сверхзвуковой компрессор, предложенный в настоящем изобретении, содержит комбинацию впускных, выпускных и промежуточных направляющих лопаток, расположенных между первым и вторым роторами сверхзвукового компрессора.

В одном варианте выполнения сверхзвуковой компрессор, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, дополнительно содержит обычный центробежный компрессор (фиг. 4С), выполненный с возможностью повышения давления газа, поставляемого в составной сверхзвуковой ротор компрессора. Таким образом, в одном варианте выполнения сверхзвуковой компрессор, предложенный в настоящем изобретении, между впуском для текучей среды и первым сверхзвуковым ротором содержит обычный центробежный компрессор.

Для удобства описания в данном документе та часть сверхзвукового компрессора, которая расположена между впуском для текучей среды и первым ротором сверхзвукового компрессора, иногда может называться стороной низкого давления сверхзвукового компрессора, а сторона первого ротора сверхзвукового компрессора, расположенная ближе всего к впуску для текучей среды, может называться стороной низкого давления первого ротора сверхзвукового компрессора. Аналогично, часть сверхзвукового компрессора, расположенная между первым ротором и вторым ротором сверхзвукового компрессора, в данном документе может иногда называться частью промежуточного давления сверхзвукового компрессора. Кроме того, часть сверхзвукового компрессора, расположенная между его вторым ротором и выпуском для текучей среды, может в данном документе иногда называться стороной высокого давления сверхзвукового компрессора, а сторона второго ротора сверхзвукового компрессора, расположенная ближе всего к выпуску для текучей среды, может называться стороной высокого давления второго ротора сверхзвукового компрессора. Стороны первого и второго роторов сверхзвукового компрессора, расположенные ближе всего к части промежуточного давления сверхзвукового компрессора, могут в данном документе иногда назваться соответственно стороной промежуточного давления первого ротора сверхзвукового компрессора и стороной промежуточного давления второго ротора сверхзвукового компрессора.

В одном варианте выполнения сверхзвуковой компрессор, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, расположен внутри более крупной системы, например, газотурбинного двигателя, реактивного двигателя. Считается, что благодаря увеличенной степени сжатия, обеспечиваемой с помощью сверхзвуковых компрессоров, предложенных в настоящем изобретении, можно уменьшить габаритные размеры и вес газотурбинного двигателя, и из этого вытекают соответствующие преимущества.

В одном варианте выполнения сверхзвуковой компрессор, предложенный в настоящем изобретении, содержит а) газопровод, содержащий i) впуск для газа низкого давления и ii) выпуск для газа высокого давления; b) первый сверхзвуковой ротор, расположенный внутри указанного газопровода; и с) второй сверхзвуковой ротор противоположного вращения, расположенный внутри указанного газопровода; причем указанные роторы сверхзвукового компрессора выполнены последовательно таким образом, что выпуск из первого ротора направлен ко второму ротору противоположного вращения, при этом указанные роторы сверхзвукового компрессора ограничивают часть трубопровода низкого давления, расположенную перед первым ротором сверхзвукового компрессора, часть трубопровода промежуточного давления, расположенную между первым ротором сверхзвукового компрессора и вторым ротором противоположного вращения сверхзвукового компрессора, и часть трубопровода высокого давления, расположенную за (то есть расположенную между вторым ротором противоположного вращения сверхзвукового компрессора и выпуском высокого давления) вторым ротором противоположного вращения сверхзвукового компрессора, причем указанные роторы имеют общую ось вращения. Первый и второй роторы сверхзвукового компрессора могут быть по существу одинаковыми и выполненными так, что оба ротора являются зеркальными отражениями друг друга по плоскости отражения, проведенной между ними в идеальном пространстве, в котором оба ротора имеют общую ось вращения. В другом варианте выполнения первый ротор сверхзвукового компрессора не идентичен второму ротору противоположного вращения сверхзвукового компрессора. Используемые в данном документе термины «второй ротор противоположного вращения сверхзвукового компрессора» и «второй ротор сверхзвукового компрессора» являются взаимозаменяемыми. Термин «второй ротор противоположного вращения сверхзвукового компрессора» используется, чтобы подчеркнуть то, что первый и второй роторы сверхзвукового компрессора выполнены с возможностью противовращения (то есть выполнены с возможностью вращения в противоположных направлениях). В одном варианте выполнения первый ротор сверхзвукового компрессора соединен с первым приводным валом, а второй ротор противоположного вращения сверхзвукового компрессора соединен со вторым приводным валом, причем указанные первый и второй приводные валы содержат пару концентрических приводных валов противоположного вращения.

На фиг.1 изображен вариант выполнения настоящего изобретения. На чертеже представлены компоненты ротора сверхзвукового компрессора и их выполнение в сверхзвуковом компрессоре. Таким образом, сверхзвуковой компрессор содержит первый ротор 100, приводимый во вращение приводным валом 300 в направлении 310. Сверхзвуковой компрессор содержит впускные направляющие лопатки 30, расположенные перед первым ротором 100.

Сверхзвуковой компрессор содержит второй ротор 200 противоположного вращения, выполненный последовательно с первым ротором 100. Первый ротор 100 имеет такие элементы на поверхности обода, которые включают сжимающие уклоны 120 и гребни 150, расположенные на наружной поверхности 110. Аналогично, второй ротор 200 содержит такие элементы на поверхности обода, которые включают сжимающие уклоны 220 и гребни 250, расположенные на наружной поверхности 210. Второй ротор 200 приводится во вращение приводным валом 400 в направлении 410 или в направлении, противоположном направлению вращения приводного вала 300 и первого ротора 100. Кроме того, сверхзвуковой компрессор содержит выходные направляющие лопатки 40, расположенные за вторым ротором 200.

На фиг. 1А и фиг. 2 изображены другие варианты выполнения настоящего изобретения. На чертежах представлены компоненты ротора сверхзвукового компрессора и их выполнение в сверхзвуковом компрессоре. На фиг. 1А и фиг. 2 представлены сжимающие уклоны 120 и 220, возвышающиеся над поверхностями 110 и 210 обода и отличающиеся от ранее представленных уклонов 120 и 220. Фиг. 1, фиг. 1А и фиг. 2 одинаковы за исключением конструкций сжимающих уклонов.

На фиг. 3 проиллюстрировано теоретическое объяснение варианта выполнения настоящего изобретения, подробно описанного ниже.

На фиг. 4 изображен вариант выполнения настоящего изобретения. На чертеже представлены компоненты ротора сверхзвукового компрессора и их выполнение в сверхзвуковом компрессоре, содержащем кожух 500, имеющий внутреннюю поверхность 510. Таким образом, сверхзвуковой компрессор содержит первый ротор 100, приводимый во вращение приводным валом 300 в направлении 310. Сверхзвуковой компрессор содержит впускные направляющие лопатки 30, расположенные перед его первым ротором 100. Сверхзвуковой компрессор содержит второй ротор 200 противоположного вращения, выполненный последовательно с первым ротором 100. Первый и второй роторы имеют элементы на поверхности обода, которые включают сжимающие уклоны и гребни, возвышающиеся на наружной поверхности обода. Второй ротор 200 приводится во вращение приводным валом 400 в направлении 410, или в направлении вращения, противоположном направлению вращения приводного вала 300 и первого ротора 100. Кроме того, сверхзвуковой компрессор содержит впускные направляющие лопатки 40, расположенные за вторым ротором 200.

На фиг.5 изображен вариант выполнения настоящего изобретения. На чертеже представлены компоненты ротора сверхзвукового компрессора и их выполнение в сверхзвуковом компрессоре, содержащем кожух 500, имеющий впуск 10 для газа, выпуск 20 для газа, внутреннюю поверхность 510 и газопровод 520. На фиг.5 первый ротор 100 и второй ротор 200 сверхзвукового компрессора показаны расположенными внутри газопровода 520. Каждый ротор сверхзвукового компрессора, первый и второй, содержит соответственно сжимающие уклоны 120 и 220, расположенные на поверхностях 110 и 210 обода соответственно. Первый ротор 100 приводится во вращение приводным валом 300 в направлении 310. Второй ротор 200 выполнен с возможностью противоположного вращения относительно направления вращения первого ротора 100. Второй ротор 200 приводится во вращение приводным валом 400 в направлении 410. Сверхзвуковой компрессор, представленный на фиг.5, содержит впускные направляющие лопатки 30, расположенные перед первым ротором 100, и выпускные направляющие лопатки 40, расположенные за вторым ротором 200. Первый ротор 100 и второй ротор 200 показаны выполненными последовательно, так что выпуск первого ротора 100 используется в качестве впуска второго ротора 200.

Сверхзвуковые компрессоры требуют высоких относительных скоростей газа, поступающего в их ротор. Указанные скорости должны быть выше локальной скорости звука в газе, и отсюда и название «сверхзвуковой». В целях пояснения данного раздела приводится описание работы сверхзвукового компрессора. Через впуск газ проходит в сверхзвуковой компрессор, содержащий ряд входных направляющих лопаток, расположенных перед первым ротором, второй ротор и ряд выходных направляющих лопаток. Газ, выходящий из входных направляющих лопаток, сжимается первым ротором сверхзвукового компрессора, а выпуск первого ротора направлен ко второму ротору (ротору противоположного вращения), выпускной поток которого сталкивается с выходными направляющими лопатками и преобразовывается. Когда газ сталкивается с входными направляющими лопатками, он ускоряется ими до высокой тангенциальной скорости. Указанная тангенциальная скорость складывается с тангенциальной скоростью ротора, и векторная сумма указанных скоростей определяет относительную скорость газа, поступающего в ротор. Ускорение газа с помощью входных направляющих лопаток приводит к уменьшению локального статического давления, что приводит к увеличению давления в роторе сверхзвукового компрессора. Увеличение давления на роторе зависит от абсолютной тангенциальной скорости на впуске и абсолютной тангенциальной скорости на выпуске ротора, а также радиуса, свойств текучей среды и угловой скорости, и определяется выражением (1), в котором P₁, - давление на впуске, P₂ - давление на выпуске, γ - коэффициент удельной теплоемкости сжимаемого газа, Ω - частота вращения, r - радиус, V_θ - тангенциальная скорость, η (в показателе степени) - политропический коэффициент полезного действия, и C₀₁ - скорость торможения звука на впуске, равная корню квадратному из (γ·R·T₀), где R - универсальная газовая постоянная, а T₀ - полная температура вводимого газа. Специалистам понятно, что выражение (1) является видом уравнения Эйлера для турбомашин.

$$\frac{P_2}{P_1}={\left(1+\frac{\left(\gamma -1\right)\Omega \Delta \left(r{V}_{\theta }\right)}{C_{01}^2}\right)}^{\frac{\gamma \eta }{\gamma -1}}\left(1\right)$$

Для получения больших степеней сжатия одной ступенью требуется большое значение Δ(rV_θ). Входные направляющие лопатки не могут полностью обеспечить необходимую тангенциальную скорость, соответственно, высокую тангенциальную скорость будет иметь поток, выходящий из компрессора с высокой степенью сжатия. На фиг.3 изображен вариант выполнения настоящего изобретения, в котором отношение давления на выпуске (P_out) к давлению на впуске (P_in) равно 25. Значения, изображенные на фиг.3, могут быть вычислены с использованием методов, хорошо известных специалистам в данной области техники. Переменные, изображенные на фиг.3, включают: «альфа» (или α), которая представляет собой угол неподвижных впускных направляющих лопаток или выпускных направляющих лопаток, отсчитываемый относительно оси вращения ротора сверхзвукового компрессора; «V», которая представляет скорости относительно неподвижного наблюдателя, такого как неподвижный наблюдатель, находящийся над впускной или выпускной направляющей лопаткой; «W», которая представляет собой скорости относительно первого ротора сверхзвукового компрессора (то есть скорость, измеренная наблюдателем, находящимся на первом роторе сверхзвукового компрессора); «бета» (или β), которая представляет угол относительно ротора сверхзвукового компрессора и отсчитываемый от оси вращения ротора; «X», которая представляет собой скорость относительно второго ротора сверхзвукового компрессора (то есть скорость, измеренную наблюдателем, находящимся на втором роторе сверхзвукового компрессора); «омега» (или Ω), которая представляет частоту вращения приводного вала, измеряемую в радианах в секунду; «M», которая представляет собой число Маха (отношение скорости потока к локальной скорости звука); а «r» является радиусом первого и второго роторов сверхзвукового компрессора. Следует отметить, что в разных вариантах выполнения настоящего изобретения можно добиться степеней сжатия примерно в диапазоне от 10 до 100. В примере, изображенном на фиг.3, газ (не показан) сталкивается с впускными направляющими лопатками, после чего он выходит и входит в контакт с первым ротором. Затем газ входит в контакт со вторым ротором противоположного вращения и, наконец, с выпускными направляющими лопатками. В примере, изображенном на фиг.3, поток, выходящий из первого сверхзвукового ротора, имеет большое абсолютное число Маха (M₄), равное 0,8, и большой угол тангенциального потока (α₄), равный 77 градусов. При больших скоростях закрученный поток такого типа сложно эффективно рассеять с использованием неподвижного диффузора. Однако такой поток идеален для впуска во второй ротор сверхзвукового компрессора, направление вращения которого противоположно направлению вращения первого ротора сверхзвукового компрессора. Как показано на фиг.3, скорость потока газа относительно второго ротора также сверхзвуковая (M=1,8), хотя имеет несколько меньшее значение по сравнению со скоростью потока первого ротора из-за увеличения скорости звука с повышением температуры. Поток, выходящий из второго ротора, имеет меньшее абсолютное число Маха (M₅), равное 0,5, и угол завихрения потока (α₆), равный 54 градусам, и представляет собой поток, который легко рассеивается в выпускных направляющих лопатках. В итоге, главное преимущество применения сверхзвукового компрессора противоположного вращения заключается в возможности эффективного использования высокоскоростного закрученного потока на выпуске первого ротора, обеспечивая требуемое завихрение для второго ротора.

Приведенные выше примеры являются исключительно иллюстративными и служат для пояснения лишь некоторых особенностей изобретения. Прилагаемая формула изобретения охватывает изобретение в самом широком объеме, а примеры, представленные в данном документе, иллюстрируют лишь некоторые варианты выполнения из всего многообразия возможных вариантов выполнения. Следовательно, заявитель считает, что прилагаемая формула изобретения не должна ограничиваться примерами, приведенными для иллюстрации особенностей настоящего изобретения. Используемое в формуле изобретения слово «содержит» и его грамматические варианты логически также подразумевают и включают грамматические обороты различного и отличающегося объема, такие как, например (но не исключительно), «состоящий по существу из» и «состоящий из». При необходимости заданы области значений, которые включают все входящие в них поддиапазоны. Предполагается, что изменения указанных диапазонов очевидны специалисту в данной области техники и, если указанные изменения еще не известны, то они по возможности должны рассматриваться как входящие в объем прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, ожидается, что достижения в науке и технологии содержат аналоги и изменения, которые в данном описании не приведены по причине несовершенства языка, и по возможности указанные изменения также должны рассматриваться как входящие в объем прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к компрессорам и системам, содержащим компрессоры. Cверхзвуковой компрессор содержит впуск для текучей среды, выпуск для текучей среды и по меньшей мере два ротора противоположного вращения. Указанные роторы выполнены последовательно таким образом, что выпуск из первого ротора, имеющего первое направление вращения, направлен ко второму ротору, выполненному с возможностью противоположного вращения относительно направления вращения первого ротора. Изобретение направлено на улучшение эксплуатационных характеристик компрессора. 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Сверхзвуковой компрессор, содержащий:
a) впуск для текучей среды,
b) выпуск для текучей среды и
c) по меньшей мере два ротора противоположного вращения, выполненные последовательно таким образом, что выпуск из первого ротора, имеющего первое направление вращения, направлен ко второму ротору, выполненному с возможностью вращения в противоположном направлении относительно направления вращения первого ротора;
причем по меньшей мере один из роторов сверхзвукового компрессора содержит установленный на ободе сжимающий уклон, выполненный с возможностью сжатия текучей среды между поверхностью обода ротора и внутренней поверхностью кожуха компрессора.

2. Сверхзвуковой компрессор по п.1, в котором первый ротор по существу идентичен второму ротору.

3. Сверхзвуковой компрессор по п.1, в котором первый ротор не идентичен второму ротору.

4. Сверхзвуковой компрессор по п.1, в котором роторы расположены на общей оси вращения.

5. Сверхзвуковой компрессор по п.1, в котором роторы не имеют общей оси вращения.

6. Сверхзвуковой компрессор по п.1, в котором первый ротор присоединен к первому приводному валу, а второй ротор присоединен ко второму приводному валу, причем первый и второй приводные валы расположены на общей оси вращения.

7. Сверхзвуковой компрессор по п.6, в котором первый и второй приводные валы содержат пару концентрических приводных валов противоположного вращения.

8. Сверхзвуковой компрессор по п.1, содержащий по меньшей мере три ротора.

9. Сверхзвуковой компрессор по п.1, дополнительно содержащий по меньшей мере одну направляющую лопатку для текучей среды.

10. Сверхзвуковой компрессор по п.1, дополнительно содержащий рабочее колесо для текучей среды, расположенное между указанным впуском для текучей среды и первым ротором.