[发明专利]超音速压缩机转子

说明书

相关专利申请

本专利申请涉及分别提交于2008年12月23日和2009年6月25日的美国专利申请系列号12/342,278和12/491,602，并且这两份申请全文以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及压缩机和包括压缩机的系统。具体而言，本发明涉及包括超音速压缩机转子的超音速压缩机和包括超音速压缩机的系统。

背景技术

常规的压缩机系统被广泛地用于压缩气体，并在从制冷单元到喷气发动机范围内的许多普遍采用的技术中找到应用。压缩机的基本目的是输送和压缩气体。为此，压缩机通常对处于低压环境中的气体施加机械能，并将气体输送至高压环境并且在高压环境下压缩气体，来自高压环境的压缩气体可用于做功或作为利用高压气体的下游过程的输入。气体压缩技术沿用已久，并从离心机械到混流机械再到轴向流动机械而不同。常规的压缩机系统虽然非常有用，但是受限于单级压缩机可达到的压力比相对较低。在要求高的总压力比的情况下，可采用包括多个压缩级的常规压缩机系统。然而，包括多个压缩级的常规压缩机系统倾向于大而复杂，且成本高。

最近，已经公开了包括超音速压缩机转子的压缩机系统。这种压缩机系统有时被称为超音速压缩机，其通过使入口气体与具有转子轮缘表面结构的移动转子相接触而输送并压缩气体，该移动转子将入口气体从超音速压缩机转子的低压侧输送并压缩至超音速压缩机转子的高压侧。虽然与常规的压缩机相比，利用超音速压缩机可获得更高的单级压力比，但将非常期望进一步的改进。

如本文中详细所述地，本发明提供了新颖的超音速压缩机转子和新颖的超音速压缩机，其相对于公知的超音速压缩机而言，在压缩机性能方面提供了增强。

发明内容

在第一方面，本发明提供了一种超音速压缩机转子，其包括：(a)第一转子盘；(b)第二转子盘；和(c)第三转子盘；所述第一、第二和第三转子盘共用公共旋转轴线；所述第一和第二转子盘可旋转地联接；所述第三转子盘设置在所述第一与第二转子盘之间，所述第三转子盘可相对于所述第一和第二转子盘独立地旋转，所述第三转子盘包括凸起的表面结构；所述第一、第二和第三转子盘与至少两个叶片(vane)一起限定包围第三转子盘的凸起的表面结构的流动通道；所述流动通道包括超音速压缩斜坡(ramp)。

在第二方面，本发明提供了一种超音速压缩机转子，其包括：(a)第一转子盘；(b)第二转子盘；(c)第三转子盘；和(d)转子支承板；所述第一和第二转子盘限定内柱形腔体和外转子轮缘；所述第一、第二和第三转子盘共用公共旋转轴线；所述第一和第二转子盘可旋转地联接；所述第三转子盘设置在所述第一和第二转子盘之间，所述第三转子盘可相对于所述第一和第二转子盘独立地旋转，所述第三转子盘包括凸起的表面结构；所述第一、第二和第三转子盘与至少两个叶片和所述转子支承板一起限定包围第三转子盘的凸起的表面结构的径向流动通道；所述径向流动通道包括超音速压缩斜坡；所述径向流动通道允许在内柱形腔体与所述外转子轮缘之间径向地流体连通。

在第三方面，本发明提供了一种超音速压缩机转子，其包括：(a)第一转子盘；(b)第二转子盘；和(c)第三转子盘；所述第一、第二和第三转子盘限定超音速压缩机转子的外表面，所述第一、第二和第三转子盘共用公共旋转轴线；所述第一和第二转子盘可旋转地联接；所述第三转子盘设置在所述第一与第二转子盘之间，所述第三转子盘可相对于所述第一和第二转子盘独立地旋转，所述第三转子盘包括凸起的表面结构；所述第一、第二和第三转子盘与至少两个叶片一起限定包围第三转子盘的凸起的表面结构的轴向流动通道；所述轴向流动通道包括超音速压缩斜坡；所述轴向流动通道允许沿超音速压缩机转子的外表面轴向地流体连通。

在第四方面，本发明提供了一种超音速压缩机，其包括：(a)流体入口；(b)流体出口；和(c)至少一个超音速压缩机转子，所述超音速压缩机转子包括：(i)第一转子盘；(ii)第二转子盘；和(iii)第三转子盘；所述第一、第二和第三转子盘共用公共旋转轴线；所述第一和第二转子盘可旋转地联接；所述第三转子盘设置在所述第一与第二转子盘之间，所述第三转子盘可相对于所述第一和第二转子盘独立地旋转，所述第三转子盘包括凸起的表面结构；所述第一、第二和第三转子盘与至少两个叶片一起限定包围第三转子盘的凸起的表面结构的流动通道；所述流动通道包括超音速压缩斜坡。