Результат интеллектуальной деятельности: СВЕРХЗВУКОВОЙ КОМПРЕССОРНЫЙ РОТОР И СВЕРХЗВУКОВАЯ КОМПРЕССОРНАЯ УСТАНОВКА

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится в целом к сверхзвуковым компрессорным установкам и, в частности, к сверхзвуковому компрессорному ротору для использования со сверхзвуковой компрессорной установкой.

По меньшей мере некоторые известные сверхзвуковые компрессорные установки содержат впускную секцию, выпускную секцию и по меньшей мере один сверхзвуковой компрессорный ротор, расположенный между впускной секцией и выпускной секцией.

Известные сверхзвуковые компрессорные роторы содержат несколько ребер, присоединенных к роторному диску. Каждое ребро ориентировано в окружном направлении вокруг роторного диска и ограничивает осевой проточный канал 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. Известные сверхзвуковые компрессорные установки содержат впускные секции, которые имеют ориентированные в осевом направлении проточные каналы для облегчения проведения текучей среды в осевом направлении. Дополнительно, по меньшей мере некоторые известные сверхзвуковые компрессорные установки содержат выпускные секции, которые выполнены с обеспечением приема ориентированного в осевом направлении потока текучей среды из известных сверхзвуковых компрессорных роторов.

Во время работы по меньшей мере некоторых известных сверхзвуковых компрессорных установок сверхзвуковой компрессорный ротор вращается с высокой скоростью вращения. Текучая среда направляется в осевом направлении от впускной секции к сверхзвуковому компрессорному ротору таким образом, что текучая среда имеет скорость, которая является сверхзвуковой относительно сверхзвукового компрессорного ротора. По меньшей мере некоторые известные сверхзвуковые компрессорные роторы выпускают текучую среду в осевом направлении. Поскольку текучая среда направляется в осевом направлении, выпускная секция, расположенная за сверхзвуковым компрессорным ротором, должна быть выполнена с обеспечением поступления в нее ориентированного в осевом направлении потока. Известные сверхзвуковые компрессорные установки описаны, например, в патентах США №7334990 и №7293955, поданных соответственно 28 марта 2005 г. и 23 марта 2005 г., и в заявке на патент США 2009/0196731, поданной 16 января 2009 г.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном варианте выполнения предложен сверхзвуковой компрессорный ротор. Сверхзвуковой компрессорный ротор содержит роторный диск, который имеет обращенную вверх по потоку поверхность, обращенную вниз по потоку поверхность и радиально наружную поверхность, которая проходит между указанными обращенными вверх и вниз по потоку поверхностями. Радиально наружная поверхность имеет входную поверхность, выходную поверхность и переходную поверхность, которая проходит между входной поверхностью и выходной поверхностью. Роторный диск определяет центральную ось. К радиально наружной поверхности присоединены лопатки. Смежные лопатки образуют пару и ориентированы таким образом, что между каждой парой смежных лопаток образован проточный канал. Проточный канал проходит между входным отверстием и выходным отверстием. Входная поверхность ограничивает входную плоскость, которая проходит между входным отверстием и переходной поверхностью. Выходная поверхность ограничивает выходную плоскость, которая проходит между выходным отверстием и переходной поверхностью, которая не параллельна входной плоскости. В проточном канале расположен по меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок сжатия для облегчения формирования по меньшей мере одной волны сжатия в проточном канале.

В другом варианте выполнения предложена сверхзвуковая компрессорная установка. Сверхзвуковая компрессорная установка содержит кожух, который ограничивает полость, проходящую между впуском для текучей среды и выпуском для текучей среды. В кожухе расположен ведущий вал, определяющий центральную ось. Ведущий вал с возможностью вращения соединен с ведущим узлом. К ведущему валу присоединен сверхзвуковой компрессорный ротор, который расположен между указанными впуском и выпуском для текучей среды с обеспечением направления текучей среды от указанного впуска к выпуску для текучей среды. Сверхзвуковой компрессорный ротор содержит роторный диск, который имеет обращенную вверх по потоку поверхность, обращенную вниз по потоку поверхность и радиально наружную поверхность, которая проходит между указанными обращенными вверх и вниз по потоку поверхностями. Радиально наружная поверхность имеет входную поверхность, выходную поверхность и переходную поверхность, которая проходит между входной поверхностью и выходной поверхностью. К радиально наружной поверхности присоединены лопатки. Смежные лопатки образуют пару и ориентированы таким образом, что между каждой парой смежных лопаток образован проточный канал. Проточный канал проходит между входным отверстием и выходным отверстием. Входная поверхность ограничивает входную плоскость, которая проходит между входным отверстием и переходной поверхностью. Выходная поверхность ограничивает выходную плоскость, которая проходит между выходным отверстием и переходной поверхностью, которая не параллельна входной плоскости. В проточном канале расположен по меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок сжатия для облегчения формирования по меньшей мере одной волны сжатия в проточном канале.

В еще одном варианте выполнения предложен способ сборки сверхзвукового компрессорного ротора. Способ включает использование роторного диска, который имеет обращенную вверх по потоку поверхность, обращенную вниз по потоку поверхность и радиально наружную поверхность, которая проходит между указанными обращенными вверх и вниз по потоку поверхностями. Радиально наружная поверхность имеет входную поверхность, выходную поверхность и переходную поверхность, которая проходит между входной поверхностью и выходной поверхностью. Роторный диск определяет центральную ось. К радиально наружной поверхности присоединяют лопатки. Смежные лопатки образуют пару, и их ориентируют таким образом, что между каждой парой смежных лопаток образован проточный канал. Проточный канал проходит между входным отверстием и выходным отверстием. Входная поверхность ограничивает входную плоскость, которая проходит между входным отверстием и переходной поверхностью. Выходная поверхность ограничивает выходную плоскость, которая проходит между выходным отверстием и переходной поверхностью, которая не параллельна входной плоскости. По меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок сжатия присоединяют к одной лопатке из указанных лопаток и радиально наружной поверхности. Сверхзвуковой наклонный участок сжатия помещают в проточном канале и выполняют с обеспечением облегчения формирования по меньшей мере одной волны сжатия в проточном канале.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие особенности, аспекты и преимущества данного изобретения станут лучше понятны при прочтении следующего подробного описания совместно с сопроводительными чертежами, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые части и на которых:

Фиг.1 схематически изображает примерную сверхзвуковую компрессорную установку.

Фиг.2 изображает вид в аксонометрии примерного сверхзвукового компрессорного ротора, который может использоваться со сверхзвуковой компрессорной установкой, показанной на фиг.1.

Фиг.3 изображает вид в аксонометрии сверхзвукового компрессорного ротора, показанного на фиг.2, сделанный по линии 3-3 на фиг.2.

Фиг.4 изображает увеличенный разрез части сверхзвукового компрессорного ротора, показанного на фиг.3, сделанный вдоль области 4.

Фиг.5 изображает другой разрез сверхзвукового компрессорного ротора, показанного на фиг.2, сделанный по линии 5-5 на фиг.2.

Фиг.6-13 изображают разрезы альтернативных сверхзвуковых компрессорных роторов, которые могут использоваться в сверхзвуковой компрессорной установке, показанной на фиг.1.

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 детали, известные специалистам, которые необходимы для осуществления изобретения на практике.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В следующем описании и формуле изобретения применяются многие термины, которым нужно дать определение для придания им следующего значения.

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

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

Формулировки, касающиеся приблизительных оценок, используемые в описании и формуле изобретения, могут применяться, чтобы изменить любое количественное представление, которое могло допустимо измениться, не приводя к изменению основной функции, с которой они связаны. Соответственно, величина, измененная термином или терминами, такими как "примерно" и "по существу", не должна быть ограничена точной определенной величиной. По меньшей мере в некоторых случаях формулировки, касающиеся приблизительных оценок, могут соответствовать точности инструмента для измерения этой величины. Здесь и во всем описании и формуле изобретения ограничения диапазонов могут быть объединены и/или взаимозаменены, и такие диапазоны идентифицируются и включают все поддиапазоны, содержащиеся в них, если контекст или формулировки не указывают иначе.

Используемый здесь термин "сверхзвуковой компрессорный ротор" относится к компрессорному ротору, содержащему сверхзвуковой наклонный участок сжатия, расположенный в проточном канале для текучей среды этого ротора. Сверхзвуковые роторы называются "сверхзвуковыми", поскольку они выполнены с возможностью вращения вокруг оси вращения на высоких скоростях таким образом, что предполагается, что относительная скорость движущейся текучей среды, например движущегося газа, при столкновении с вращающимся сверхзвуковым компрессорным ротором на сверхзвуковом наклонном участке сжатия, расположенном в проточном канале ротора, является сверхзвуковой. Относительная скорость текучей среды может быть определена с точки зрения векторной суммы скорости ротора на сверхзвуковом наклонном участке сжатия и скорости текучей среды непосредственно перед столкновением со сверхзвуковым наклонным участком сжатия. Эта относительная скорость текучей среды иногда упоминается как "местная сверхзвуковая входная скорость", которая в определенных вариантах выполнения является комбинацией входной скорости газа и тангенциальной скорости сверхзвукового наклонного участка сжатия, расположенного в проточном канале сверхзвукового компрессорного ротора. Сверхзвуковые роторы выполнены с возможностью работы на очень высоких тангенциальных скоростях, например с тангенциальной скоростью в диапазоне от 300 м/сек до 800 м/сек.

Примерные системы и способы, описанные здесь, преодолевают недостатки известных сверхзвуковых компрессорных установок путем создания сверхзвукового компрессорного ротора, который облегчает регулировку ориентирования текучей среды через проточный тракт сверхзвукового компрессора. Более конкретно, сверхзвуковой компрессорный ротор имеет переходную поверхность, которая изменяет ориентацию проточного тракта. Кроме того, варианты выполнения, описанные здесь, содержат сверхзвуковой ротор сжатия, имеющий входную поверхность и выходную поверхность, которая не параллельна входной поверхности. Кроме того, создание сверхзвукового компрессорного ротора, описанного здесь, позволяет разработать сверхзвуковую компрессорную установку, которая имеет вход с осевой, радиальной и/или наклонной ориентацией и выход с осевой, радиальной и/или наклонной ориентацией.

Фиг.1 схематически изображает примерную сверхзвуковую компрессорную установку 10. В примерном варианте выполнения установка 10 содержит входную секцию 12, компрессорную секцию 14, присоединенную за входной секцией 12, выходную секцию 16, присоединенную за компрессорной секцией 14, и приводной узел 18. Компрессорная секция 14 присоединена к приводному узлу 18 роторным узлом 20, который содержит ведущий вал 22. В примерном варианте выполнения и входная секция 12, и компрессорная секция 14, и выходная секция 16 расположены в корпусе 24 компрессора. Более точно, корпус 24 компрессора имеет вход 26 для текучей среды, выход 28 для текучей среды и внутреннюю поверхность 30, которая ограничивает полость 32. Полость 32 проходит между входом 26 и выходом 28 и выполнена с возможностью направления текучей среды от входа 26 к выходу 28. И входная секция 12, и компрессорная секция 14, и выходная секция 16 расположены в полости 32. Альтернативно, входная секция 12 и/или выходная секция 16 могут не быть расположены в корпусе 24 компрессора.

В примерном варианте выполнения вход 26 для текучей среды выполнен с возможностью направления потока текучей среды из источника 34 текучей среды к входной секции 12. Текучая среда может быть любой текучей средой, такой как, например газ, газовая смесь и/или газо-жидкостная смесь. Входная секция 12 проточно соединена с компрессорной секцией 14 для направления текучей среды от входа 26 к компрессорной секции 14. Входная секция 12 выполнена с возможностью создания потока текучей среды, имеющего один или более предопределенных параметров, таких как скорость, массовый расход, давление, температура и/или любой подходящий параметр потока. В примерном варианте выполнения входная секция 12 содержит входной направляющий лопаточный аппарат 36, который присоединен между входом 26 и компрессорной секцией 14 и предназначен для направления текучей среды от входа 26 к компрессорной секции 14. Входной лопаточный направляющий аппарат 36 содержит одну или более входных направляющий лопаток 38, которые соединены с корпусом 24 компрессора.

Компрессорная секция 14 присоединена между входной секцией 12 и выходной секцией 16 и предназначена для направления по меньшей мере части текучей среды от входной секции 12 к выходной секции 16.

Компрессорная секция 14 содержит по меньшей мере один сверхзвуковой компрессорный ротор 40, который с возможностью вращения соединен с ведущим валом 22. Сверхзвуковой ротор 40 выполнен с возможностью увеличения давления текучей среды, уменьшения объема текучей среды и/или увеличения температуры текучей среды, направляемой к выходной секции 16. Выходная секция 16 содержит выходной направляющий лопаточный аппарат 42, который присоединен между сверхзвуковым ротором 40 и выходом 28 для текучей среды, и предназначена для направления текучей среды от сверхзвукового ротора 40 к выходу 28. Выход 28 выполнен с возможностью направления текучей среды от выходного лопаточного аппарата 42 и/или сверхзвукового ротора 40 к выходной системе 44, такой как, например, турбинный двигатель, система обработки текучей среды и/или система хранения текучей среды. Приводной узел 18 выполнен с возможностью вращения ведущего вала 22 для обеспечения вращения ротора 40 и/или выходного лопаточного аппарата 42.

Во время работы входная секция 12 направляет текучую среду из источника 34 текучей среды к компрессорной секции 14, которая сжимает текучую среду и выпускает сжатую текучую среду к выходной секции 16. Выходная секция 16 направляет сжатую текучую среду из компрессорной секции 14 к выпускной системе 44 через выход 28 для текучей среды.

Фиг.2 изображает вид в аксонометрии примерного сверхзвукового ротора 40. Фиг.3 изображает поперечный разрез сверхзвукового ротора 40, сделанный по линии 3-3, показанной на фиг.2. Фиг.4 изображает увеличенный поперечный разрез части сверхзвукового ротора 40, показанный по линии 4. Фиг.5 изображает поперечный разрез сверхзвукового ротора 40, показанный по линии 5-5, показанной на фиг.2. Идентичные компоненты, показанные на фиг.3-5, обозначены теми же номерами позиций, которые используются на фиг.2. В примерном варианте выполнения сверхзвуковой ротор 40 содержит лопатки 46, которые соединены с роторным диском 48. Диск 48 имеет кольцевое дисковое тело 50, которое ограничивает внутреннюю цилиндрическую полость 52, проходящую в целом в осевом направлении через дисковое тело 50 вдоль центральной оси 54. Дисковое тело 50 имеет радиально внутреннюю поверхность 56 и радиально наружную поверхность 58. Радиально внутренняя поверхность 56 ограничивает внутреннюю цилиндрическую полость 52, которая имеет по существу цилиндрическую форму и ориентирована вокруг оси 54. Внутренняя цилиндрическая полость 52 имеет такие размеры, что через нее может быть вставлен ведущий вал 22 (показанный на фиг.1). Диск 48 также имеет верхнюю по потоку поверхность 60 и нижнюю по потоку поверхность 62. Каждая поверхность, верхняя 60 и нижняя 62, проходит между радиально внутренней поверхностью 56 и радиально наружной поверхностью 58 в радиальном направлении 64, которое в целом перпендикулярно оси 54. Верхняя по потоку поверхность 60 имеет первую радиальную ширину 66, которая ограничена между радиально внутренней поверхностью 56 и радиально наружной поверхностью 58. Нижняя по потоку поверхность 62 имеет вторую радиальную ширину 68, которая ограничена между радиально внутренней поверхностью 56 и радиально наружной поверхностью 58. В примерном варианте выполнения первая радиальная ширина 66 больше, чем вторая радиальная ширина 68. Альтернативно, первая радиальная ширина 66 может быть меньше второй радиальной ширины 68 или равна ей.

В примерном варианте выполнения радиально наружная поверхность 58 расположена между верхней по потоку поверхностью 60 и нижней по потоку поверхностью 62 и проходит на расстоянии 70 между поверхностями 60 и 62 в осевом направлении 72, которое в целом параллельно оси 54.

В примерном варианте выполнения каждая лопатка 46 присоединена к радиально наружной поверхности 58 и проходит от нее в наружном направлении. Каждая лопатка 46 имеет верхний по потоку край 74 и нижний по потоку край 76. Верхний по потоку край 74 расположен смежно с верхней по потоку поверхностью 60 роторного диска 48. Нижний по потоку край 76 расположен смежно с нижней по потоку поверхностью 62. В примерном варианте выполнения сверхзвуковой ротор 40 содержит пары 80 лопаток 46. Каждая пара 80 ориентирована так, что она ограничивает входное отверстие 82, выходное отверстие 84 и проточный канал 86 между смежными лопатками 46. Канал 86 проходит между входным отверстием 82 и выходным отверстием 84 и ограничивает проточный тракт, представленный стрелкой 88, от входного отверстия 82 к выходному отверстию 84. Проточный тракт 88 ориентирован в целом параллельно лопатке 46 и радиально наружной поверхности 58. Проточный тракт 86 имеет такие размеры и так сформирован и ориентирован, что он направляет текучую среду вдоль тракта 88 от входного отверстия 82 к выходному отверстию 84. Входное отверстие 82 ограничено между смежными верхними по потоку краями 74 смежных лопаток 46. Выходное отверстие 84 ограничено между смежными нижними по потоку краями 76 смежных лопаток 46. Каждая лопатка 46 имеет наружную поверхность 90 и противоположную внутреннюю поверхность 92. Лопатка 46 проходит между наружной поверхностью 90 и внутренней поверхностью 92 и имеет высоту 94, ограниченную между наружной поверхностью 90 и внутренней поверхностью 92. Каждая лопатка 46 имеет дугообразную форму и проходит в окружном направлении вокруг роторного диска 48 в форме спирали, так что проточный канал 86 имеет спиральную форму.

В примерном варианте выполнения каждая лопатка 46 имеет первую сторону, то есть сторону 96 давления и противоположную вторую сторону, то есть сторону 98 разрежения. Каждая сторона 96 давления и сторона 98 разрежения проходят между верхним по потоку краем 74 и нижним по потоку краем 76. Каждое входное отверстие 82 проходит между стороной 96 давления и смежной стороной 98 разрежения лопаток 46 на верхнем по потоку краю 74.

Каждое выходное отверстие 84 проходит между стороной 96 давления и смежной стороной 98 разрежения на нижнем по потоку краю 76. В примерном варианте выполнения проточный канал 86 имеет ширину 100, которая определена между стороной 96 давления и смежной стороной 98 разрежения и перпендикулярна проточному тракту 88.

В примерном варианте выполнения канал 86 ограничивает площадь 102 поперечного сечения, которая изменяется вдоль проточного тракта 88. Площадь 102 поперечного сечения канала 86 определяется перпендикулярно проточному тракту 88 и равна ширине 100 канала 86, умноженной на высоту 94 лопатки 46. Канал 86 имеет первую область, то есть входную площадь 104 поперечного сечения во входном отверстии 82, вторую область, то есть выходную площадь 106 поперечного сечения 106 в выходном отверстии 84, и третью область, то есть минимальную площадь 108 поперечного сечения, которая определяется между входным отверстием 82 и выходным отверстием 84. В примерном варианте выполнения минимальная площадь 108 поперечного сечения меньше входной площади 104 поперечного сечения и выходной площади 106 поперечного сечения.

В примерном варианте выполнения, показанном на фиг.3-5, в проточном канале 86 расположен по меньшей мере один сверхзвуковой наклонный участок 110 сжатия. Сверхзвуковой наклонный участок 110 расположен между входным отверстием 82 и выходным отверстием 84 и имеет такие размеры и так сформирован и ориентирован, что обеспечивает возможность формирования одной или более волн 112 сжатия в канале 86. Участок 110 присоединен к стороне 96 давления лопатки 46 и ограничивает горловую область 114 канала 86. Горловая область 114 определяет минимальную площадь 108 поперечного сечения канала 86. Альтернативно, участок 110 может быть присоединен к стороне 98 разрежения лопатки 46 и/или радиально наружной поверхности 58. В другом альтернативном варианте выполнения участок 110 выполнен за одно целое с лопаткой 46. В еще одном альтернативном варианте выполнения ротор 40 имеет множество сверхзвуковых наклонных участков 110 сжатия, каждый из которых присоединен к стороне 96 давления, стороне 98 разрежения и/или радиально наружной поверхности 58. В таком варианте выполнения все сверхзвуковые наклонные участки 110 ограничивают горловую область 114.

В примерном варианте выполнения, показанном на фиг.4, сверхзвуковой наклонный участок 110 имеет поверхность 116 сжатия и расходящуюся поверхность 118. Поверхность 116 сжатия имеет первый край, то есть передний край 120, и второй край, то есть задний край 122. Передний край 120 расположен ближе к входному отверстию 82, чем задний край 122. Поверхность 116 сжатия проходит между передним краем 120 и задним краем 122 и ориентирована под наклонным углом 124 от стороны 96 давления к смежной стороне 98 разрежения в проточный тракт 88. Поверхность 116 сжатия сходится к смежной стороне 98 разрежения таким образом, что между передним краем 120 и задним краем 122 образована область 126 сжатия. Область 126 сжатия имеет площадь 128 поперечного сечения канала 86, которая уменьшается вдоль тракта 88 от переднего края 120 к заднему краю 122. Задний край 122 поверхности 116 сжатия образует горловую область 114.

Расходящаяся поверхность 118 соединена с поверхностью 116 сжатия и проходит вниз по потоку от поверхности 116 сжатия к выходному отверстию 84. Расходящаяся поверхность 118 имеет первый конец 130 и второй конец 132, который ближе к выходному отверстию 84, чем первый конец 130. Первый конец 130 расходящейся поверхности 118 соединен с задним краем 122 поверхности 116 сжатия. Расходящаяся поверхность 118 проходит между первым концом 130 и вторым концом 132 и ориентирована под наклонным углом 134 от лопатки 46 к смежной стороне 98 разрежения. Расходящаяся поверхность 118 ограничивает расходящуюся область 136, которая имеет площадь 138 поперечного сечения, увеличивающуюся от заднего края 122 поверхности 116 сжатия к выходному отверстию 84. Расходящаяся область 136 проходит от горловой области 114 к выходному отверстию 84.

Обращаясь снова к фиг.5, в примерном варианте выполнения к наружной поверхности 90 каждой лопатки 46 присоединен покрывающий элемент 140 таким образом, что проточный канал 86 ограничен между покрывающим элементом 140 и радиально наружной поверхностью 58. Покрывающий элемент 140 имеет покрывающую пластину 142, которая проходит между внутренним краем 144 и внешним краем 146. Пластина 142 соединена с каждой лопаткой 46 таким образом, что верхний по потоку край 74 лопатки 46 расположен смежно с внутренним краем 144 покрывающего элемента 140, а расположенный ниже по потоку край 76 лопатки 46 расположен смежно с внешним краем 146 покрывающего элемента 140. Альтернативно, сверхзвуковой ротор 40 не имеет покрывающего элемента 140. В таком варианте выполнения диафрагма (не показана) расположена смежно с наружной поверхностью 90 каждой лопатки 46 так, что диафрагма по меньшей мере частично ограничивает канал 86.

В примерном варианте выполнения радиально наружная поверхность 58 имеет входную поверхность 148, выходную поверхность 150 и переходную поверхность 152, которая проходит между входной поверхностью 148 и выходной поверхностью 150. Входная поверхность 148 проходит от верхней по потоку поверхности 60 к переходной поверхности 152 и ограничивает входную плоскость 154 в канале 86. Входная плоскость 154 проходит между смежными лопатками 46 от верхней по потоку поверхности 60 к переходной поверхности 152. Выходная поверхность 150 проходит от поверхности 152 к расположенной ниже по потоку поверхности 62 и ограничивает выходную плоскость 156 в канале 86. Плоскость 156 проходит между смежными лопатками 46 и от переходной поверхности 152 к нижнему по потоку краю 76. Входная плоскость 154 не ориентирована параллельно выходной плоскости 156.

В примерном варианте выполнения входное отверстие 82 расположено на первом радиальном расстоянии 158 от оси 54. Выходное отверстие 84 расположено на втором радиальном расстоянии 160 от оси 54, которое меньше первого радиального расстояния 158. Входная поверхность 148 ориентирована по существу перпендикулярно оси 54, так что канал 86 ограничивает радиальный проточный тракт 162, который проходит вдоль радиального направления 64. Радиальный проточный тракт 162 проходит от входного отверстия 82 к переходной поверхности 152 и направляет текучую среду в осевом направлении 72. Выходная поверхность 150 ориентирована по существу параллельно оси 54, так что канал 86 ограничивает осевой проточный тракт 164, который проходит вдоль радиального направления 64. Осевой тракт 164 проходит от переходной поверхности 152 к выходному отверстию 84 и направляет текучую среду в осевом направлении 72. Переходная поверхность 152 имеет дугообразную форму и ограничивает переходный проточный тракт 166, который проходит от входной поверхности 148 к выходной поверхности 150. Поверхность 152 ориентирована с обеспечением направления текучей среды от радиального направления 64 к осевому направлению 72 таким образом, что текучая среда характеризуется наличием радиального вектора потока, представленного стрелкой 168, и осевого радиального вектора потока, представленного стрелкой 170, через переходный проточный тракт 166.

Во время работы сверхзвукового ротора 40 входная секция 12 (показанная на фиг.1) направляет текучую среду 172 к входному отверстию 82 канала 86. Текучая среда 172 имеет первую скорость, то есть скорость подхода, непосредственно перед входным отверстием 82. Сверхзвуковой ротор 40 вращается вокруг оси 54 со второй скоростью, то есть скоростью вращения, представленной стрелкой 174, так что текучая среда 172, поступающая в канал 86, имеет третью скорость, то есть входную скорость во входном отверстии 82, которая является сверхзвуковой относительно лопаток 46. При перемещении текучей среды 172 через канал 86 со сверхзвуковой скоростью сверхзвуковой наклонный участок 110 контактирует со средой 172 с обеспечением создания волн 112 сжатия в канале 86, чтобы облегчить сжатие текучей среды 172, так что текучая среда 172 имеет увеличенное давление и температуру и/или имеет уменьшенный объем в выходном отверстии 84.

В примерном варианте выполнения текучая среда 172 входит во входное отверстие 82 и направляется через радиальный проточный канал 162 вдоль радиального направления 64. При поступлении текучей среды в переходный тракт 166 канал 86 изменяет ориентацию текучей среды от радиального направления 64 на осевое направление 72 и направляет текучую среду из радиального проточного тракта 162 в осевой проточный тракт 164. Текучая среда 172 затем выпускается из осевого тракта 164 через выходное отверстие 84 в осевом направлении 72.

Во время работы сверхзвуковой наклонный участок 110 имеет такие размеры и так сформирован и ориентирован, что он обеспечивает создание системы 176 волн 112 сжатия в канале 86. Система 176 имеет первую наклонную ударную волну 178, которая формируется при контакте текучей среды 172 с передним краем 120 сверхзвукового наклонного участка 110. Область 126 сжатия сверхзвукового наклонного участка 110 выполнена с обеспечением ориентирования первой наклонной ударной волны 178 под наклонным углом относительно тракта 88 от переднего края 120 к смежной лопатке 46 и в канал 86. Когда первая наклонная ударная волна 178 контактирует со смежной лопаткой 46, вторая наклонная ударная волна 180 отражается от этой лопатки 46 под наклонным углом относительно проточного тракта 88 и к горловой области 114 сверхзвукового наклонного участка 110. Сверхзвуковой участок 110 выполнен с обеспечением создания каждой из первой наклонной ударной волны 178 и второй наклонной ударной волны 180 в области 126 сжатия. При направлении текучей среды через горловую область 114 к выходному отверстию 84 в расходящейся области 136 образуется нормальная ударная волна 182. Нормальная ударная волна 182 ориентирована перпендикулярно проточному тракту 88 и проходит через него.

При прохождении текучей среды 172 через область 126 сжатия скорость текучей среды 172 уменьшается, поскольку она 172 проходит через обе волны, первую 178 и вторую волну 180. Кроме того, давление текучей среды 172 увеличивается, а ее объем уменьшается. Когда текучая среда 172 проходит через горловую область 114, скорость среды 172 увеличивается вниз по потоку области 114 к нормальной ударной волне 182. При прохождении текучей среды через нормальную ударную волну 182 скорость текучей среды 172 уменьшается до дозвуковой скорости относительно роторного диска 48.

Фиг.6-13 изображают разрезы различных альтернативных вариантов выполнения сверхзвукового ротора 40. Идентичные компоненты, показанные на фиг.6-13 обозначены теми же номерами позиции, которые используются на фиг.5. В одном варианте выполнения, показанном на фиг.6, радиально наружная поверхность 58 ориентирована с обеспечением создания системы 184 изоэнтропических волн 186 сжатия в канале 86 между входным отверстием 82 и выходным отверстием 84. В этом варианте выполнения переходная поверхность 152 радиально наружной поверхности 58 ориентирована с обеспечением по меньшей мере частично ограничения горловой области 114 канала 86. Когда текучая среда 172 проходит через область 126 сжатия, в этой области 126 образуется множество изоэнтропических волн 186 сжатия. В этом альтернативном варианте выполнения ориентация радиально наружной поверхности 58 предотвращает формирование ударных волн в канале 86.

В одном варианте выполнения, показанном на фиг.7, выходная поверхность 150 ориентирована под наклонным углом 188 относительно оси 54 таким образом, что канал 86 ограничивает наклонный проточный тракт 190 в выходном отверстии 84. В этом варианте выполнения канал 86 образован с обеспечением приема текучей среды в радиальном направлении 64 и выпуска текучей среды 172 под наклонным углом 188 из выходного отверстия 84.

В одном варианте выполнения, показанном на фиг.8, входная поверхность 148 ориентирована под наклонным углом 192 относительно оси средней линии 54 таким образом, что канал 86 ограничивает наклонный проточный тракт 194 во входном отверстии 82. В этом варианте выполнения канал 86 образован с обеспечением приема текучей среды под наклонным углом 192 из входного отверстия 82 и выпуска текучей среды 172 вдоль осевого направления 72 через выходное отверстие 84.

В одном варианте выполнения, показанном на фиг.9, верхняя по потоку поверхность 60 имеет первую радиальную ширину 66, которая меньше второй радиальной ширины 68 нижней по потоку поверхности 62. Первое радиальное расстояние 158 входного отверстия 82 меньше, чем второе радиальное расстояние 160 выходного отверстия 84. Входная поверхность 148 ориентирована по существу параллельно оси 54 таким образом, что канал 86 ограничивает осевой проточный тракт 196 во входном отверстии 82, который проходит в осевом направлении 72. Выходная поверхность 150 ориентирована по существу перпендикулярно оси 54 таким образом, что канал 86 ограничивает радиальный проточный тракт 198 в выходном отверстии 84, который проходит вдоль радиального направления 64. Переходная поверхность 152 ориентирована с обеспечением направления текучей среды от осевого направления 72 к радиальному направлению 64 через канал 86.

В одном варианте выполнения, показанном на фиг.10, выходная поверхность 150 ориентирована под наклонным углом 200 относительно оси 54, так что канал 86 ограничивает наклонный проточный тракт 202 в выходном отверстии 84. В этом варианте выполнения канал 86 выполнен с обеспечением приема текучей среды вдоль осевого направления 72 и выпуска текучей среды 172 под наклонным углом 202 из выходного отверстия 84.

В одном варианте выполнения, показанном на фиг.11, входная поверхность 148 ориентирована под наклонным углом 204 относительно оси 54 таким образом, что канал 86 ограничивает наклонный проточный тракт 190 во входном отверстии 82. Выходная поверхность 150 ориентирована по существу перпендикулярно оси 54, так что канал 86 ограничивает радиальный проточный тракт 198 в выходном отверстии 84. В этом варианте выполнения канал 86 выполнен с обеспечением приема текучей среды под наклонным углом 204 из входного отверстия 82 и выпуска текучей среды 172 вдоль радиального направления 64 через выходное отверстие 84.

В одном варианте выполнения, показанном на фиг.12, входная поверхность 148 ориентирована под первым наклонным углом 206 относительно оси 54 таким образом, что канал 86 ограничивает первый наклонный проточный тракт 208 во входном отверстии 82. Выходная поверхность 150 ориентирована под вторым наклонным углом 210 относительно оси 54 таким образом, что канал 86 ограничивает второй наклонный проточный тракт 212 в выходном отверстии 84. В этом варианте выполнения канал 86 выполнен с обеспечением приема текучей среды под первым наклонным углом 206 из входного отверстия 82 и выпуска текучей среды 172 под вторым наклонным углом 210 через выходное отверстие 84.

В одном варианте выполнения, показанном на фиг.13, входная поверхность 148 ориентирована по существу параллельно оси 54 таким образом, что канал 86 ограничивает первый осевой проточный тракт 214 во входном отверстии 82. Выходная поверхность 150 ориентирована по существу параллельно оси 54 таким образом, что канал 86 ограничивает второй осевой проточный тракт 216 в выходном отверстии 84. В этом варианте выполнения канал 86 выполнен с обеспечением приема текучей среды 172 в осевом направлении 72 и выпуска текучей среды 172 в осевом направлении 72.

Описанный выше сверхзвуковой компрессорный ротор обеспечивает эффективный по затратам и надежный способ направления текучей среды от осевого направления к радиальному направлению или направления текучей среды от радиального направления к осевому направлению. Более точно, сверхзвуковой компрессорный ротор имеет проточный канал, имеющий переходную поверхность, которая изменяет ориентацию проточного тракта через проточный канал. Кроме того, описанные здесь варианты выполнения содержат сверхзвуковой ротор сжатия, который имеет входную поверхность и выходную поверхность, которая не параллельна входной поверхности. Кроме того, путем создания сверхзвукового компрессорного ротора с проточным каналом, который направляет текучую среду от осевого направления к радиальному направлению, указанный ротор позволяет разработать такую сверхзвуковую компрессорную установку, которая имеет вход с осевой и/или радиальной ориентацией и выход с осевой и/или радиальной ориентацией. В результате сверхзвуковой компрессорный ротор, описанный здесь, преодолевает ограничения по ориентации проточного канала известных сверхзвуковых компрессорных установок. Кроме того, стоимость производства и эксплуатации сверхзвуковой компрессорной установки может быть уменьшена.

Выше подробно описаны примерные варианты выполнения установок и способов сборки сверхзвукового компрессорного ротора. Указанные система и способы не ограничены определенными вариантами выполнения, описанными здесь, а скорее компоненты систем и/или этапы способа могут быть использованы независимо и отдельно от других компонентов и/или этапов, описанных здесь. Например, системы и способы могут также использоваться в комбинации с другими ротационными энергетическими установками и способами и не ограничены применением только описанной здесь сверхзвуковой компрессорной установки. Скорее, примерный вариант выполнения может быть осуществлен и использован вместе со многими другими ротационными установками.

Хотя определенные признаки различных вариантов выполнения изобретения могут быть показаны на некоторых чертежах, а на других не показаны, это сделано только для удобства. Кроме того, ссылки на "один вариант выполнения" в вышеупомянутом описании не предназначены для интерпретации в качестве исключающих существование дополнительных вариантов выполнения, которые также имеют указанные признаки. В соответствии с принципами изобретения любой признак, изображенный на каком-либо чертеже, может относиться к другому чертежу и/или может быть заявлен в комбинации с любым признаком любого другого чертежа.

В этом описании используются примеры для раскрытия изобретения, включая лучший вариант, а также чтобы любой специалист мог на практике осуществить изобретение, включая создание и применение любых устройств или установок и выполнение любых объединенных способов. Область охраны изобретения ограничена формулой изобретения и может включать другие примеры, которые очевидны специалистам. Предполагается, что такие другие примеры находятся в рамках формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются от буквального текста формулы изобретения, или если они включают эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от буквального текста формулы.