СВЕРХЗВУКОВОЙ КОМПРЕССОРНЫЙ РОТОР И СВЕРХЗВУКОВАЯ КОМПРЕССОРНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2016 года по МПК F04D21/00 F04C18/00 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Изобретение, описанное в настоящем документе, относится, в целом, к сверхзвуковым компрессорным установкам и, в частности, к сверхзвуковому компрессорному ротору для использования со сверхзвуковой компрессорной установкой.

[0002] По меньшей мере некоторые известные сверхзвуковые компрессорные установки содержат приводной узел, приводной вал и по меньшей мере один сверхзвуковой компрессорный ротор для сжатия текучей среды. Приводной узел соединен со сверхзвуковым компрессорным ротором приводным валом с обеспечением вращения приводного вала и сверхзвукового компрессорного ротора.

[0003] 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 смежными, 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.

[0004] Во время работы известных сверхзвуковых компрессорных установок приводной 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. В известных сверхзвуковых компрессорных роторах, когда текучая среда направляется через осевой канал, сверхзвуковой наклонный участок сжатия вызывает формирование нормальной ударной волны в проточном канале. Когда текучая среда проходит через нормальную ударную волну, скорость текучей среды уменьшается до дозвуковой относительно сверхзвукового компрессорного ротора. Когда скорость текучей среды уменьшается при прохождении через нормальную ударную волну, энергия текучей среды также сокращается. Уменьшение энергии текучей среды при прохождении через проточный канал может сократить рабочую эффективность известных сверхзвуковых компрессорных установок. 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.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] В одном варианте выполнения предложен сверхзвуковой компрессорный ротор. Сверхзвуковой компрессорный ротор содержит роторный диск, содержащий основную часть, проходящую между радиально внутренней поверхностью и радиально внешней поверхностью. К указанной основной части присоединены лопатки, проходящие в наружном направлении от указанного роторного диска. Соседние лопатки образуют пару и ориентированы с образованием между каждой парой соседних лопаток проточного канала, который проходит между входным отверстием и выходным отверстием. В пределах указанного проточного канала расположен по меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок сжатия, который выполнен с возможностью придания текучей среде, направляемой через указанный проточный канал, таких параметров, что она имеет первую скорость во входном отверстии и вторую скорость в выходном отверстии. И первая скорость, и вторая скорость являются сверхзвуковыми по отношению к указанным поверхностям роторного диска.

[0006] В другом варианте выполнения предложена сверхзвуковая компрессорная установка. Сверхзвуковая компрессорная установка содержит корпус, имеющий внутреннюю поверхность, которая ограничивает полость, проходящую между впуском для текучей среды и выпуском для текучей среды. В указанном кожухе расположен приводной вал, с возможностью вращения соединенный с приводным узлом. К приводному валу присоединен сверхзвуковой компрессорный ротор, расположенный между указанными впуском и выпуском для текучей среды и предназначенный для направления текучей среды из указанного впуска к указанному выпуску. Сверхзвуковой компрессорный ротор содержит роторный диск, содержащий основную часть, проходящую между радиально внутренней поверхностью и радиально внешней поверхностью. К указанной основной части присоединены лопатки, проходящие в наружном направлении от указанного роторного диска. Соседние лопатки образуют пару и ориентированы с образованием между каждой парой соседних лопаток проточного канала, который проходит между входным отверстием и выходным отверстием. В пределах указанного проточного канала расположен по меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок сжатия, который выполнен с возможностью придания текучей среде, направляемой через указанный проточный канал, таких параметров, что она имеет первую скорость во входном отверстии и вторую скорость в выходном отверстии. И первая скорость, и вторая скорость являются сверхзвуковыми по отношению к указанным поверхностям роторного диска.

[0007] В еще одном варианте выполнения предложен способ сборки сверхзвукового компрессорного ротора. Способ включает использование роторного диска, который содержит основную часть, проходящую между радиально внутренней поверхностью и радиально внешней поверхностью. К указанной основной части присоединяют лопатки, проходящие в наружном направлении от указанного роторного диска. Соседние лопатки образуют пару, и их ориентируют с образованием между каждой парой соседних лопаток проточного канала, который проходит между входным отверстием и выходным отверстием. К одной лопатке из указанных лопаток и к роторному диску присоединяют по меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок сжатия, который размещают в пределах проточного канала и выполняют с возможностью придания текучей среде, направляемой через указанный проточный канал, таких параметров, что она имеет первую скорость во входном отверстии и вторую скорость в выходном отверстии. И первая скорость, а вторая скорость являются сверхзвуковыми по отношению к поверхностям роторного диска.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕПРТЕЖЕЙ

[0008] 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:

[0009] Фиг.1 схематически изображает примерный сверхзвуковой компрессор;

[0010] Фиг.2 изображает вид в аксонометрии примерного сверхзвукового компрессорного ротора, который может использоваться со сверхзвуковым компрессором, показанным на фиг.1;

[0011] Фиг.3 изображает вид в аксонометрии в разобранном состоянии сверхзвукового компрессорного ротора, показанного на Фиг.2;

[0012] Фиг.4 изображает разрез сверхзвукового компрессорного ротора, показанного на фиг.2, взятый по линии 4-4;

[0013] Фиг.5 изображает увеличенный разрез части сверхзвукового компрессорного ротора, показанного на фиг.3, в области 5;

[0014] Фиг.6 изображает вид в аксонометрии альтернативного сверхзвукового компрессорного ротора, который может использоваться со сверхзвуковым компрессором, показанным на фиг.1;

[0015] Фиг.7 изображает увеличенный вид сверху части сверхзвукового компрессорного ротора, показанного на фиг.6, по линии 7-7.

[0016] 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

[0017] В следующем описании и формуле изобретения применяются многие термины, которым нужно дать определение для придания им следующих значений.

[0018] Упоминание существительных в единственном числе включает также множественное число, если контекст не предполагает иного.

[0019] Слова "дополнительный" или "произвольно" означают, что впоследствии описанный случай или обстоятельство может происходить или может не происходить и что описание включает случаи, где событие имеет место, и случаи, где это не происходит.

[0020] 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.

[0021] Используемый здесь термин "верхняя по потоку" относится к переднему или входному концу сверхзвуковой компрессорной установки, а термин "нижняя по потоку" относится к заднему или выходному концу сверхзвуковой компрессорной установки.

[0022] 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 компрессорные роторы выполнены с возможностью работы с очень высокими тангенциальными скоростями, например с тангенциальной скоростью в диапазоне от 300 м/сек до 800 м/сек.

[0023] Примерные системы и способы, описанные здесь, преодолевают недостатки известных сверхзвуковых компрессоров путем создания сверхзвукового компрессорного ротора, облегчающего прохождение текучей среды через проточный канал, причем текучая среда имеет скорость, которая является сверхзвуковой на выходе из проточного канала. Более конкретно, варианты выполнения, описанные в настоящем документе, включают сверхзвуковой наклонный участок сжатия, который расположен в проточном канале и выполнен с возможностью предотвращения формирования нормальной ударной волны в проточном канале. Путем предотвращения формирования нормальной ударной волны в проточном канале рост энтропии текучей среды уменьшается.

[0024] Фиг.1 схематически изображает примерную сверхзвуковую компрессорную установку 10. В примерном варианте выполнения установка 10 содержит впускную секцию 12, компрессорную секцию 14, присоединенную за впускной секцией 12, выпускную секцию 16, присоединенную за компрессорной секцией 14, и приводной узел 18. Компрессорная секция 14 присоединена к блоку 18 роторным узлом 20, который содержит приводной вал 22. В примерном варианте выполнения все секции, впускная 12, компрессорная 14 и выпускная 16, расположены в корпусе 24 компрессора. Более конкретно, корпус 24 компрессора содержит впуск 26 для текучей среды, выпуск 28 для текучей среды и внутреннюю поверхность 30, которая ограничивает полость 32. Полость 32 проходит между впуском 26 и выпуском 28 и выполнена с возможностью направления текучей среды из впуска 26 к выпуску 28. Все секции, впускная 12, компрессорная 14 и выпускная 16, расположены в полости 32. Альтернативно, впускная секция 12 и/или выпускная секция 16 может не быть расположена в корпусе 24 компрессора.

[0025] В примерном варианте выполнения впуск 26 для текучей среды выполнен с возможностью направления потока текучей среды из источника 34 текучей среды во впускную секцию 12. Текучая среда может быть любой текучей среды, такой как, например, газ, газовая смесь и/или смесь газа и твердых частиц. Впускная секция 12 соединена с обеспечением проточного сообщения с компрессорной секцией 14 для направления текучей среды из впуска 26 в компрессорную секцию 14. Впускная секция 12 выполнена с возможностью придания потоку текучей среды одного или нескольких заданных параметров, таких как скорость, массовый расход, давление, температура и/или любых подходящих параметров. В примерном варианте выполнения впускная секция 12 содержит входной направляющий лопаточный аппарат 36, который присоединен между впуском 26 и компрессорной секцией 14 и предназначен для направления текучей среды из впуска 26 в компрессорную секцию 14. Входной направляющий аппарат 36 содержит по меньшей мере одну входную направляющую лопатку 38, которая присоединена к корпусу 24 компрессора.

[0026] Компрессорная секция 14 присоединена между впускной секцией 12 и выпускной секцией 16 и предназначена для направления по меньшей мере части текучей среды из впускной секции 12 к выпускной секции 16. Компрессорная секция 14 содержит, по меньшей мере, один сверхзвуковой компрессорный ротор 40, присоединенный с возможностью вращения к приводному валу 22. Сверхзвуковой компрессорный ротор 40 выполнен с возможностью повышения давления текучей среды, уменьшения объема текучей среды и/или увеличения температуры текучей среды, которая направляется в секцию 16. Секция 16 содержит выходной направляющий лопаточный аппарат 42, который присоединен между сверхзвуковым компрессорным ротором 40 и выпуском 28 для текучей среды и предназначен для направления текучей среды из ротора 40 в выпуск 28. Выпуск 28 выполнен с возможностью направления текучей среды из выпускного направляющего аппарата 42 и/или сверхзвукового компрессорного ротора 40 к выпускной установке 44, такой как, например, турбинный двигатель, установка для обработки текучей среды и/или установка для хранения текучей среды. Приводной блок 18 выполнен с возможностью вращения приводного вала 22 с обеспечением вращения сверхзвукового компрессорного ротора 40 и/или выпускного направляющего аппарата 42.

[0027] Во время работы секция 12 направляет текучую среду из источника 34 текучей среды к компрессорной секции 14. Компрессорная секция 14 сжимает текучую среду и выпускает сжатую текучую среду в секцию 16. Секция 16 направляет сжатую текучую среду из компрессорной секции 14 в выпускную установку 44 через выпуск 28 для текучей среды.

[0028] Фиг.2 изображает вид в аксонометрии примерного сверхзвукового компрессорного ротора 40. Фиг.3 изображает вид в аксонометрии в разобранном состоянии сверхзвукового компрессорного ротора 40. Фиг.4 изображает разрез сверхзвукового компрессорного ротора, показанного на фиг.2, взятый по линии 4-4 на фиг.3. Идентичные компоненты, показанные на фиг.3 и 4, обозначены теми же номерами позиции, которые используются на фиг.2. В примерном варианте выполнения сверхзвуковой компрессорный ротор 40 содержит лопатки 46, присоединенные к роторному диску 48. Роторный диск 48 содержит кольцевую дискообразную основную часть 50, которая ограничивает внутреннюю цилиндрическую полость 52, проходящую в целом в осевом направлении через основную часть 50 вдоль центральной оси 54. Основная часть 50 имеет радиально внутреннюю поверхность 56, радиально внешнюю поверхность 58 и торцевую стенку 60. Радиально внутренняя поверхность 56 ограничивает внутреннюю цилиндрическую полость 52. Внутренняя цилиндрическая полость 52 имеет по существу цилиндрическую форму и ориентирована вокруг осевой линии оси 54. Внутренняя цилиндрическая полость 52 имеет такой размер, что через нее вставлен вал 22 (показан на фиг.1). Торцевая стенка 60 проходит радиально в наружном направлении от внутренней цилиндрической полости 52 между радиально внутренней поверхностью 56 и радиально внешней поверхностью 58. Торцевая стенка 60 имеет ширину 62, определяемую в радиальном направлении 64, ориентированном перпендикулярно центральной оси 54.

[0029] В примерном варианте выполнения каждая лопатка 46 присоединена к торцевой стенке 60 и проходит от нее в наружном осевом направлении 66, которое в целом параллельно центральной оси 54. Каждая лопатка 46 имеет входную кромку 68, выходную кромку 70 и проходит между этими кромками 68 и 70. Входная кромка 68 расположена смежно с радиально внутренней поверхностью 56. Выходная кромка 70 расположена смежно с радиально внешней поверхностью 58. В примерном варианте выполнения соседние лопатки 46 образуют пару 74 лопаток 46. Каждая пара 74 ориентирована с образованием входного отверстия 76, выходного отверстия 78 и проточного канала 80 между соседними лопатками 46. Проточный канал 80 проходит между входным отверстием 76 и выходным отверстием 78 и образует проточный тракт, показанный стрелкой 82 (показана на фиг.4) от входного отверстия 76 к выходному отверстию 78. Проточный тракт 82 ориентирован в целом параллельно лопатке 46. Проточный канал 80 имеет такие размеры и форму и так ориентирован, что он направляет текучую среду вдоль тракта 82 от входного отверстия 76 к выходному отверстию 78 в радиальном направлении 64. Входное отверстие 76 образовано между соседними входными кромками 68 соседних лопаток 46. Выходное отверстие 78 образовано между соседними выходными кромками 70 соседних лопаток 46. Лопатка 46 проходит радиально между входной кромкой 68 и выходной кромкой 70 между радиально внутренней поверхностью 56 и радиально внешней поверхностью 58. Лопатка 46 имеет внешнюю поверхность 84 и противоположную внутреннюю поверхность 86. Лопатка 46 проходит между внешней поверхностью 84 и внутренней поверхностью 86, ограничивая осевую высоту 88 канала 80.

[0030] Как показано на фиг.2 и фиг.3, в примерном варианте выполнения к внешней поверхности 84 каждой лопатки 46 присоединен покрывающий диск 90, так что между покрывающим диском 90 и торцевой стенкой 60 образован проточный канал 80 (показан на фиг.4). Покрывающий диск 90 имеет внутреннюю кромку 92 и внешнюю кромку 94. Внутренняя кромка 92 ограничивает по существу цилиндрическое отверстие 96. Покрывающий диск 90 ориентирован коаксиально с роторным диском 48, так что внутренняя цилиндрическая полость 52 концентрична с отверстием 96. Покрывающий диск 90 соединен с каждой лопаткой 46 так, что входная кромка 68 лопатки 46 расположена смежно с внутренней кромкой 92 покрывающего диска 90, а выходная кромка 70 лопатки 46 расположена смежно с внешней кромкой 94 диска 90. Альтернативно, ротор 40 может не содержать покрывающего диска 90. В таком варианте выполнения диафрагма (не показана) расположена смежно с внешней поверхностью 84 каждой лопатки 46, так что диафрагма по меньшей мере частично ограничивает проточный канал 80.

[0031] На фиг.4 в примерном варианте выполнения в проточном канале 80 расположен по меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок 98 сжатия. Сверхзвуковой наклонный участок 98 сжатия расположен между входным отверстием 76 и выходным отверстием 78 и имеет такие размеры и форму и так ориентирован, что он обеспечивает возможность создания одной или более волн сжатия (не показаны) в пределах проточного канала 80.

[0032] В процессе работы сверхзвукового компрессорного ротора 40 впускная секция 12 (показана на фиг.1) направляет текучую среду 102 во входное отверстие 76 проточного канал 80. Текучая среда 102 имеет первую скорость, то есть скорость подхода, непосредственно перед входом во входное отверстие 76. Сверхзвуковой компрессорный ротор 40 вращается вокруг оси 54 со второй скоростью, или со скоростью вращения, обозначенной стрелкой 104, так что текучая среда 102, поступающая в канал 80, имеет третью, или входную скорость во входном отверстии 76, которая является сверхзвуковой относительно лопаток 46. Когда текучая среда 102 направляется через канал 80 со сверхзвуковой скоростью, сверхзвуковой наклонный участок 98 сжатия обеспечивает образование волн 100 сжатия в проточном канале 80 для облегчения сжатия текучей среды 102, так что текучая среда 102 имеет повышенные давление и температуру и/или имеет уменьшенный объем в выходном отверстии 78.

[0033] Фиг.5 изображает увеличенный разрез части сверхзвукового компрессорного ротора 40, сделанный вдоль области 5, показанной на фиг.4. Идентичные компоненты, показанные на фиг.5, обозначены теми же номерами позиций, которые используются на фиг.2 и фиг.4. В примерном варианте выполнения каждая лопатка 46 имеет первую сторону, т.е. сторону 106 давления, и противоположную, вторую сторону, то есть сторону 108 разрежения. И сторона 106 давления, и сторона 108 разрежения проходят между входной кромкой 68 и выходной кромкой 70.

[0034] В примерном варианте выполнения лопатки 46 расположены на расстоянии друг от друга в окружном направлении вокруг внутренней цилиндрической полости 52, так что проточный канал 80 ориентирован в целом радиально между входным отверстием 76 и выходным отверстием 78. Каждое входное отверстие 76 проходит между стороной 106 давления и соседней стороной 108 разрежения лопатки 46 у входной кромки 68. Каждое выходное отверстие 78 проходит между стороной 106 давления и соседней стороной 108 разрежения у выходной кромки 70, так что проточный тракт 82 образован в радиальном наружном направлении от радиально внутренней поверхности 56 к радиально внешней поверхности 58 в радиальном направлении 64. В альтернативном варианте, соседние лопатки 46 могут быть ориентированы так, что входное отверстие 76 образовано у радиально внешней поверхности 58, а выходное отверстие 78 образовано у радиально внутренней поверхности 56, так что тракт 82 образован в радиально внутреннем направлении от радиально внешней поверхности 58 к радиально внутренней поверхности 56. В примерном варианте выполнения проточный канал 80 имеет окружную ширину 110, которая определяется между стороной 106 давления и соседней стороной 108 разрежения перпендикулярно тракту 82. Входное отверстие 76 имеет первую окружную ширину 112, которая больше, чем вторая окружная ширина 114 выходного отверстия 78. Альтернативно, первая окружная ширина 112 входного отверстия 76 может быть меньше либо равна второй окружной ширине 114 выходного отверстия 78. В примерном варианте выполнения каждая лопатка 46 имеет дугообразную форму и ориентирована так, что проточный канал 80 имеет спиралевидную форму и, в целом, сходится во внутреннем направлении между входным отверстием 76 к выходному отверстию 78.

[0035] В примерном варианте выполнения проточный канал 80 ограничивает площадь 116 поперечного сечения, которая изменяется вдоль тракта 82. Площадь 116 поперечного сечения проточного канала 80, определяемая перпендикулярно тракту 82, равна окружной ширине 110 проточного канала 80, умноженной на осевую высоту 88 (показана на фиг.3) проточного канала 80. Проточный канал 80 имеет первую площадь, т.е. входную площадь 118 поперечного сечения во входном отверстии 76, вторую площадь, т.е. выходную площадь 120 поперечного сечения в выходном отверстии 78, и третью площадь, т.е. минимальную площадь 122 поперечного сечения, которая образована между входным отверстием 76 и выходным отверстием 78. В примерном варианте выполнения минимальная площадь 122 поперечного сечения меньше, чем входная площадь 118 и выходная площадь 120 поперечного сечения. В одном варианте выполнения минимальная площадь 122 равна выходной площади 120, причем и выходная площадь 120, и минимальная площадь 122 меньше, чем входная площадь 118.

[0036] В примерном варианте выполнения сверхзвуковой наклонный участок 98 сжатия присоединен к стороне 106 давления лопатки 46 и ограничивает горловую область 124 проточного канала 80. Горловая область 124 определяет минимальную площадь 122 поперечного сечения проточного канала 80. В другом варианте выполнения сверхзвуковой наклонный участок 98 сжатия может быть присоединен к стороне 108 разрежения лопатки 46, торцевой стенке 60 и/или покрывающему диску 90. В другом альтернативном варианте выполнения сверхзвуковой компрессорный ротор 40 содержит несколько сверхзвуковых наклонных участков 98 сжатия, каждый из которых присоединен к стороне 106 давления, стороне 108 разрежения, торцевой стенке 60 и/или покрывающему диску 90. В этом варианте выполнения все сверхзвуковые наклонные участки 98 сжатия вместе ограничивают горловую область 124.

[0037] В примерном варианте выполнения горловая область 124 определяет минимальную площадь 122 сечения, которая меньше, чем входная площадь 118 сечения, так что в проточном канале 80 соотношение площадей, определяемое как отношение входной площади 118 поперечного сечения к минимальной площади 122 поперечного сечения, между примерно 1,01 и 1,10. В одном варианте выполнения соотношение площадей составляет примерно от 1,07 до 1,08. В другом варианте выполнения соотношение площадей может быть равно или меньше чем 1,01. В другом альтернативном варианте выполнения соотношение площадей может быть равно или больше чем 1,10.

[0038] В примерном варианте выполнения сверхзвуковой наклонный участок 98 сжатия имеет поверхность 126 сжатия и расходящуюся поверхность 128. Поверхность 126 сжатия имеет первую кромку, т.е. переднюю кромку 130, и вторую кромку, то есть заднюю кромку 132. Передняя кромка 130 расположена ближе к входному отверстию 76, чем задняя кромка 132. Поверхность 126 сжатия проходит между передней кромкой 130 и задней кромкой 132 и ориентирована под косым углом 134 к лопатке 46 в направлении соседней стороны 108 разрежения и в тракт 82. Поверхность 126 сжатия сходится к соседней стороне 108 разрежения, так что между передней 130 и задней 132 кромками образована область 136 сжатия. Площадь 138 поперечного сечения проточного канала 80 в области 136 уменьшается вдоль тракта 82 от передней кромки 130 к задней кромке 132. Задняя кромка 132 поверхности 126 сжатия ограничивает горловую область 124.

[0039] Расходящаяся поверхность 128 соединена с поверхностью 126 сжатия и проходит от нее вниз по потоку к выходному отверстию 78. Расходящаяся поверхность 128 имеет первый конец 140 и второй конец 142, который ближе к выходному отверстию 78, чем первый конец 140. Первый конец 140 расходящейся поверхности 128 соединен с задней кромкой 132 поверхности 126 сжатия. Расходящаяся поверхность 128 проходит между первым концом 140 и вторым концом 142 и ориентирована под косым углом 144 от стороны 106 давления к задней кромке 132 поверхности 126 сжатия. Расходящаяся поверхность 128 ограничивает расходящуюся область 146, которая имеет расходящуюся площадь 148 поперечного сечения, увеличивающуюся от задней кромки 132 поверхности 126 сжатия к выходному отверстию 78. Расходящаяся область 146 проходит от горловой области 124 к выходному отверстию 78. В другом варианте выполнения сверхзвуковой наклонный участок 98 сжатия не имеет расходящуюся поверхность 128. В этом альтернативном варианте выполнения задняя кромка 132 поверхности 126 сжатия расположена смежно с выходной кромкой 70 лопатки 46, так что горловая область 124 расположена смежно с выходным отверстием 78.

[0040] Во время работы сверхзвукового компрессорного ротора 40 текучая среда 102 направляется из внутренней цилиндрической полости 52 во входное отверстие 76 с первой скоростью, которая является сверхзвуковой по отношению к роторному диску 48. Текучая среда 102, поступающая в проточный канал 80 из внутренней цилиндрической полости 52, контактирует с передней кромкой 130 сверхзвукового наклонного участка 98 сжатия с образованием первой наклонной ударной волны 152. Область 136 сжатия сверхзвукового наклонного участка 98 выполнена с возможностью ориентирования первой наклонной ударной волны 152 под косым углом по отношению к тракту 82 от передней кромки 130 к соседней лопатке 46 и в проточный канал 80. Когда первая наклонная ударная волна 152 контактирует с соседней лопаткой 46, от этой лопатки отражается вторая наклонная ударная волна 154 под косым углом по отношению к тракту 82 и к горловой области 124 сверхзвукового наклонного участка 98 сжатия. В одном варианте выполнения поверхность 126 сжатия ориентирована с обеспечением прохождения второй наклонной ударной волны 154 от первой наклонной ударной волны 152 у соседней лопатки 46 к задней кромке 132, которая ограничивает горловую область 124. Сверхзвуковой наклонный участок 98 выполнен с возможностью формирования как первой наклонной ударной волны 152, так и второй наклонной ударной волны 154 в области 136 сжатия.

[0041] Когда текучая среда 102 проходит через область 136 сжатия, ее скорость снижается, когда она проходит и через первую наклонную ударную волну 152, и через вторую наклонную ударную волну 154. Кроме того, давление текучей среды 102 увеличивается, а ее объем уменьшается. В примерном варианте выполнения, когда текучая среда 102 проходит через горловую область 124, сверхзвуковой наклонный участок сжатия 98 может придавать текучей среде 102 такие параметры, ее выходная скорость в выходном отверстии 78 является сверхзвуковой по отношению к роторному диску 48. Сверхзвуковой наклонный участок 98 сжатия далее выполнен с возможностью предотвращения формирования нормальной ударной волны за горловой областью 124 в пределах проточного канала 80. Нормальная ударная волна является ударной волной, ориентированной перпендикулярно тракту 82, что снижает скорость текучей среды 102 до дозвуковой скорости по отношению к роторному диску 48, когда текучая среда проходит через нормальную ударную волну. В примерном варианте выполнения горловая область 124 расположена достаточно близко к выходному отверстию 78, чтобы помешать формированию нормальной ударной волны в пределах проточного канала 80. В одном варианте выполнения горловая область 124 расположена смежно с выходным отверстием 78 с обеспечением предотвращения формирования нормальной ударной волны в пределах проточного канала 80.

[0042] Фиг.6 изображает вид в аксонометрии альтернативного сверхзвукового компрессорного ротора 40. Фиг.7 изображает увеличенный вид сверху части сверхзвукового компрессорного ротора 40, показанного на фиг.6, по линии 7-7. Идентичные компоненты, показанные на фиг.6 и фиг.7, обозначены теми же номерами позиций, которые используются на фиг.4 и фиг.5. В другом варианте выполнения роторный диск 48 имеет верхнюю по потоку поверхность 158 и нижнюю по потоку поверхность 160 и проходит между этими поверхностями 158 и 160 в осевом направлении 66. Обе поверхности 158 и 160, верхняя по потоку и нижняя по потоку, проходят между радиально внутренней поверхностью 56 и радиально внешней поверхностью 58. Радиально внешняя поверхность 58 проходит в окружном направлении вокруг роторного диска 48 между верхней и нижней по потоку поверхностями 158 и 160. Радиально внешняя поверхность 58 имеет ширину 162, определяемую в осевом направлении 66. Все лопатки 46 присоединены к радиально внешней поверхности 58 и проходят в окружном направлении вокруг роторного диска 48 в форме спирали. Лопатки 46 проходят в наружном направлении от радиально внешней поверхности 58 в радиальном направлении 64. В примерном варианте выполнения внешняя поверхность 58 имеет по существу цилиндрическую форму. Альтернативно, внешняя поверхность 58 может иметь коническую форму и/или любую подходящую форму, чтобы обеспечивать возможность сверхзвуковому компрессорному ротору 40 работать, как описано в настоящем документе.

[0043] Каждая лопатка 46 расположена на расстоянии в осевом направлении от соседней лопатки 46, так что проточный канал 80 ориентирован в целом в осевом направлении 66 между входным отверстием 76 и выходным отверстием 78. Проточный канал 80 образован между каждой парой 74 соседних в осевом направлении лопаток 46. Каждая пара 74 лопаток 46 ориентирована так, что входное отверстие 76 ограничено верхней по потоку поверхностью 158, а выходное отверстие 78 ограничено нижней по потоку поверхностью 160. Осевой проточный тракт 164 образован в осевом направлении 66 вдоль радиально внешней поверхности 58 от входного отверстия 76 к выходному отверстию 78. В этом альтернативном варианте выполнения проточный канал 80 имеет осевую ширину 166, определяемую между стороной 106 давления и соседней стороной 108 разрежения лопаток 46 по существу перпендикулярно осевому тракту 164. Входное отверстие 76 имеет первую осевую ширину 168, которая больше, чем вторая осевая ширина 170 выходного отверстия 78. Альтернативно, первая осевая ширина 168 входного отверстия 76 может быть меньше либо равна второй осевой ширине 170 выходного отверстия 78.

[0044] В этом альтернативном варианте выполнения к каждой лопатке 46 присоединен по меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок 98 сжатия, образующий горловую область 124 проточного канала 80, расположенную между входным отверстием 76 и выходным отверстием 78. Альтернативно, сверхзвуковой наклонный участок 98 сжатия присоединен к радиально внешней поверхности 58 роторного диска 48. В альтернативном варианте выполнения поверхность 126 сжатия сверхзвукового наклонного участка 98 расположена смежно с выходной кромкой 70 лопатки 46, ограничивая горловую область 124 у выходного отверстия 78.

[0045] Описанный выше сверхзвуковой компрессорный ротор обеспечивает эффективный по затратам и надежный способ увеличения эффективности работы сверхзвуковых компрессорных установок. Кроме того, этот сверхзвуковой компрессорный ротор способствует повышению эффективности сверхзвуковой компрессорной установки путем уменьшения роста энтропии текучей среды, проходящей через сверхзвуковой компрессорный ротор. Более конкретно, сверхзвуковой компрессорный ротор содержит сверхзвуковой наклонный участок сжатия, выполненный с возможностью направления текучей среды через проточный тракт, так что текучая среда имеет скорость, которая является сверхзвуковой на выходе из проточного канала. Кроме того, сверхзвуковой наклонный участок сжатия также выполнен с возможностью предотвращения формирования нормальной ударной волны в проточном канале, что снижает рост энтропии текучей среды в проточном канале. В результате, сверхзвуковой компрессорный ротор содействует повышению эффективности эксплуатации сверхзвуковой компрессорной установки. Таким образом, затраты на эксплуатацию сверхзвуковой компрессорной установки могут быть сокращены.

[0046] 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, эти 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.

[0047] 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.

[0048] 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.

Сверхзвуковой компрессорный ротор содержит роторный диск (48), содержащий основную часть, проходящую между радиально внутренней поверхностью (56) и радиально внешней поверхностью (58), лопатки (46), присоединенные к указанной основной части и проходящие в наружном направлении от указанного роторного диска (48), причем соседние лопатки образуют пару (74) и ориентированы с образованием между каждой указанной парой соседних лопаток проточного канала, который проходит между входным отверстием (76) и выходным отверстием (78). Компрессор содержит по меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок (98) сжатия, который расположен в пределах указанного проточного канала (80) и выполнен с возможностью придания текучей среде, направляемой через указанный проточный канал, таких параметров, что она имеет первую скорость во входном отверстии и вторую скорость в выходном отверстии, причем и первая скорость, и вторая скорость являются сверхзвуковыми по отношению к указанным поверхностям роторного диска. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Сверхзвуковой компрессорный ротор, содержащий:
роторный диск (48), содержащий основную часть, проходящую между радиально внутренней поверхностью (56) и радиально внешней поверхностью (58),
лопатки (46), присоединенные к указанной основной части и проходящие в наружном направлении от указанного роторного диска (48), причем соседние лопатки образуют пару (74) и ориентированы с образованием между каждой парой соседних лопаток проточного канала, который проходит между входным отверстием (76) и выходным отверстием (78), и
по меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок (98) сжатия, который расположен в пределах указанного проточного канала (80) и выполнен с возможностью придания текучей среде, направляемой через указанный проточный канал, таких параметров, что она имеет первую скорость во входном отверстии и вторую скорость в выходном отверстии, причем и первая скорость, и вторая скорость являются сверхзвуковыми по отношению к указанным поверхностям роторного диска,
при этом указанный сверхзвуковой наклонный участок (98) сжатия имеет поверхность (126) сжатия, проходящую между передней кромкой (130) и задней кромкой (152), при этом указанная передняя кромка расположена ближе к указанному входному отверстию (76), чем задняя кромка, и задняя кромка ограничивает горловую область (124) проточного канала (80), в которой площадь поперечного сечения проточного канала является минимальной,
причем указанная задняя кромка (152) расположена смежно с выходным отверстием (78).

2. Сверхзвуковой компрессорный ротор по п. 1, в котором указанный по меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок (98) сжатия выполнен с возможностью предотвращения формирования нормальной ударной волны в указанном проточном канале (80).

3. Сверхзвуковой компрессорный ротор по п. 1, в котором указанный сверхзвуковой наклонный участок (98) сжатия имеет расходящуюся поверхность (128), присоединенную к указанной задней кромке (152) и проходящую между первым концом (140) и вторым концом (142), причем указанный первый конец присоединен к указанной поверхности (126) сжатия и ограничивает первую площадь (116) поперечного сечения проточного канала (80), указанный второй конец (142) расположен ближе к указанному выходному отверстию (78), чем указанный первый конец (140) и ограничивает вторую площадь (118) поперечного сечения, которая больше, чем указанная первая площадь поперечного сечения.

4. Сверхзвуковой компрессорный ротор по п. 1, в котором каждая лопатка (46) из указанных лопаток имеет наружную поверхность (84), которая по меньшей мере частично ограничивает указанный проточный канал (80), при этом указанный по меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок (98) сжатия присоединен к указанной внешней поверхности.

5. Сверхзвуковой компрессорный ротор по п. 1, в котором указанный роторный диск (48) имеет наружную поверхность (84), которая по меньшей мере частично ограничивает указанный проточный канал (80), причем указанный по меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок (98) сжатия присоединен к указанной внешней поверхности.

6. Сверхзвуковой компрессорный ротор по п. 1, в котором указанный роторный диск (48) имеет торцевую стенку (60), проходящую по существу радиально между указанными радиально внутренней поверхностью (56) и радиально внешней поверхностью (58), при этом лопатки (46) присоединены к торцевой стенке, и соседние лопатки расположены на расстоянии друг от друга в окружном направлении, так что указанный проточный канал (80) ограничен между каждой указанной парой соседних в окружном направлении лопаток и проходит между указанными радиально внутренней поверхностью и радиально внешней поверхностью.

7. Сверхзвуковой компрессорный ротор по п. 1, в котором указанная основная часть роторного диска имеет верхнюю по потоку поверхность (158) и нижнюю по потоку поверхность (160), при этом указанная радиально внешняя поверхность (58) проходит по существу в осевом направлении между указанными верхней и нижней по потоку поверхностями, причем указанные лопатки (46) присоединены к радиально внешней поверхности, и соседние лопатки расположены на расстоянии друг от друга в осевом направлении, так что указанный проточный канал (80) ограничен между каждой указанной парой соседних в осевом направлении лопаток и проходит между указанными верхней и нижней по потоку поверхностями.

8. Сверхзвуковая компрессорная установка (10), содержащая:
корпус, имеющий внутреннюю поверхность (56), которая ограничивает полость, проходящую между впуском (26) для текучей среды и выпуском (28) для текучей среды,
приводной вал (22), расположенный в указанном кожухе и с возможностью вращения соединенный с приводным узлом (18), и
сверхзвуковой компрессорный ротор, соединенный с приводным валом, расположенный между указанными впуском (26) и выпуском (28) для текучей среды и предназначенный для направления текучей среды из указанного впуска для текучей среды к выпуску для текучей среды, причем сверхзвуковой компрессорный ротор содержит:
роторный диск (48), содержащий основную часть, проходящую между радиально внутренней поверхностью (56) и радиально внешней поверхностью (58),
лопатки (46), присоединенные к указанной основной части и проходящие в наружном направлении от указанного роторного диска (48), причем соседние лопатки образуют пару (74) и ориентированы с образованием между каждой указанной парой соседних лопаток проточного канала, который проходит между входным отверстием (76) и выходным отверстием (78), и
по меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок (98) сжатия, который расположен в пределах указанного проточного канала и выполнен с возможностью придания текучей среде, направляемой через указанный проточный канал, таких параметров, что она имеет первую скорость во входном отверстии и вторую скорость в выходном отверстии, причем и первая скорость, и вторая скорость являются сверхзвуковыми по отношению к указанным поверхностям роторного диска,
при этом указанный сверхзвуковой наклонный участок (98) сжатия имеет поверхность (126) сжатия, проходящую между передней кромкой (130) и задней кромкой (152), при этом указанная передняя кромка расположена ближе к указанному входному отверстию (76), чем задняя кромка, и задняя кромка ограничивает горловую область (124) проточного канала (80), в которой площадь поперечного сечения проточного канала является минимальной,
причем указанная задняя кромка (152) расположена смежно с выходным отверстием (78).