鉴于不断增加的能量成本，改进的、高效的压缩过程的开发已经变得越来越重要。而且，在各种发电过程中，包括与燃料合成过程相结合的一些过程，各种残余或副产物气体(包括二氧化碳)的压缩预期变得更重要且越来越普遍，因为对二氧化碳减排(sequestration)的呼吁变得很迫切。因此，通过提供高效的气体压缩机来降低气体压缩成本在各种气体压缩应用中是期望的。当压缩高分子量气体时，耗能降低且因而降低成本变得尤为重要。
一般来说，与现有技术超音速压缩机相关的设计方法遇到各种难题。先前建议的一些结构实际上在吸收前缘斜激波模式方面已经具有或将具有困难，且因而不适合可靠地开始超音速操作。大多数这样的困难是有问题的，因为为了在增大的相对马赫数下维持低激波损失，通常需要使用一些种类的斜激波系统。无论如何，斜激波系统在超音速气体压缩方面很有价值，因为其最终使得能够维持充分小的可操作的预正激波马赫数，使得终端正激波下的总压力损失最小，因而保持了效率。
作为试图提供低损失超音速冲击压缩同时维持自起动压缩机设计的结果，压缩机设计已经具有实际的压缩比上限。这是因为在正激波上游实现低损失超音速压缩过程所需的几何收缩水平导致喉尺寸，即空气动力管道的最小尺寸的横截面流动区域，超音速压缩在其中进行，在实现约2.5至1以上的压力比所需的入口相对马赫数下不会开始超音速压缩。换句话说，在申请人已知的现有技术设计中，与这样的压缩的入口的捕获区域相比，压缩管道的喉区域需要保持相对较大，近似为85％的范围或更高，以便相对于伴随这种设计的超音速激波实现这样的“自起动”设计。
由于自起动超音速压缩机设计固有的上述限制，至今还没有提供用于超音速压缩机的设计的方法，该超音速压缩机使得能够至少在超过约2.5至1的范围内以及从该阀值直到约25至1或更高的范围内同时提供高压力比，并具有高的绝热效率。
因而，仍保留有尚未满足的需要，即需要能够在超音速状态下以稳定且高效的方式在高压缩比下操作的易于起动的超音速压缩机的设计方法。为了满足这样的需要且实现并提供能实现这种操作的超音速压缩机的设计方法，需要通过开发起动这样的超音速压缩机系统的新方法来解决基本的技术挑战。因而，有利地提供在适当构造的装置中实现超音速激波捕获的超音速压缩机，同时提供在正常操作下非常高的气体压缩效率。此外，完成该目标同时提供具有适于单级压缩机设计的高压缩比的压缩机将是有利的。
附图说明
通过在附图中示出的示范性实施例来描述本发明，在附图中，相似的附图标记表示相似元件，且在附图中：
图1提供了在超音速气体压缩机中进行超音速压缩的示范性空气动力管道的剖视图，其中，具有压缩斜坡的会聚入口部分定向成至少部分地用径向向外的部分压缩气体，示出在会聚入口部分内，在被压缩的气体中提供了多个斜激波S1、S2、S3等，该斜激波用于有效地降低进入气体的速度，同时增加压力和温度，以及在气体通过最小的区域喉且进入或行进到空气动力管道的发散出口部分内时在适当位置提供了正激波SN。
图2提供了最初在图1中示出的示范性空气动力管道的剖视图，但在图2中，示出了其中空气动力管道处于未起动状态的状态，且未起动的超音速激波SU位于空气动力管道的会聚入口部分的入口处或入口附近，但是，其中如此处教导的，旁路气体流从空气动力管道的会聚入口部分移除，以便在气体流方向上开始将正激波移动通过会聚入口，到达会聚入口下游的位置，最终到达诸如图1所示的正激波SN的操作位置的位置。
图3提供了为了在所选的入口相对马赫数下操作超音速压缩机，起动空气动力管道的旁路气体移除要求的适当范围的图示(垂直轴作为起动排放分数，由旁路气体排放的质量除所捕获的入口气体质量限定)。
图4提供了作为所选的入口相对马赫数的函数、如此处教导的设计有空气动力管道并起动气体旁路的压缩机可实现的气体压缩机压力比能力的图示。
图5提供了气体压缩机高速轮子的实施方式的关键部件的概念性透视图，该轮子与在其他附图(参见图6和图7A)中所示的相邻结构一起构造以方便起动和有效操作，显示了安装成能在安装在轴上的转子上进行旋转运动的多个空气动力管道，其构造成利用与相邻结构相配合的旁路气体出口管路来形成并提供旁路气体通路，用于从空气动力管道的会聚入口部分直接移除气体。
图6是最初在图5示出的气体压缩机轮子的一部分的部分垂直剖视图，此刻显示了提供转子上的作为旁路气体通路的一部分的旁路气体出口管路的一个实施方式的细节，以实现以高压缩比起动超音速气体压缩机，其中，至少部分地提供中间气体压力室的旁路气体收集器允许从会聚入口收集旁路气体，且提供在起动时间期间用于所选量的旁路气体的气体通路的一部，如上面在图2中最初示出的，以便操作空气动力管道来移动通过超音速区域，直到建立稳定的斜激波，如上面图1所示，于是图2、6和7A所示的旁路气体流动被终止。
图7A是用于一实施方式的上部的部分垂直剖视图，在该实施方式中，利用图5最初示出的轮子并利用图6所示的起动旁路气体布置提供了稳定的超音速气体压缩机，以从空气动力管道的会聚入口部分移除一定量的旁路气体，且此刻示出这样一种实施方式，其中起动的旁路气体沿空气动力管道的上部或顶板移除，且其中，旁路气体通过通路和阀返回到低压进入气体供给流，且还示出使用了轴颈安装在外壳中的旋转轴上的转子。
图7B是利用了起动旁路气体布置的超音速气体压缩机的另一种实施方式的上部的部分垂直剖视图，利用了从空气动力管道的会聚入口部分移除一定量的旁路气体的方法，这里示出这样一种实施方式，其中起动时旁路气体在空气动力管道的会聚入口的转子侧(或底板)上移除。
图7C是利用了起动旁路气体布置的超音速气体压缩机的上部的部分垂直剖视图，利用了从空气动力管道的会聚入口部分移除一定量的旁路气体的方法，这里示出这样一种实施方式，其中起动时旁路气体在(a)空气动力管道的会聚入口的转子侧(或底板)上，以及(b)顶板(在该实施方式中，相对于转子的径向远侧)移除，且通过阀使旁路气体返回到进入气体流。
图8提供了在气体压缩机中在超音速压缩状态下操作的示范性空气动力管道的另一实施方式的剖视图，类似于上面最初在图1示出的实施方式，但这里示出提供压缩的空气动力管道，其利用了如下会聚入口，在该会聚入口中，压缩斜坡定向成至少部分径向向内压缩气体，同时利用多个斜激波S1、S2、S3等，该斜激波用于有效地降低进入气体的速度，同时增加压力和温度。
图9提供了在气体压缩机中在超音速压缩状态下操作的示范性空气动力管道的另一实施方式的剖视图，类似于上面图1或图8所示的实施方式，但这里示出在利用会聚入口提供压缩的空气动力管道中压缩，其中，压缩斜坡定向成至少部分径向向内且至少部分径向向外压缩气体，但仍示出多个斜激波S1、S2、S3等，该斜激波用于有效地降低进入气体的速度，同时增加压力和温度。
图10提供了根据本文提供的原理设计的超音速压缩机与现有技术的自起动超音速压缩机相比，作为入口相对马赫数的函数的绝热效率的明显不同优势的图示。
图11提供了根据本文提供的原理设计的超音速压缩机与现有技术的自起动超音速压缩机相比，在不同马赫数下，且特别是在2或更大范围内的较高的马赫数下，以及进一步在2.5或更大范围的马赫数下可利用的压力比的明显不同的优势的图示。
图12提供了根据本文提供的原理设计的超音速压缩机与现有技术的自起动超音速压缩机相比，作为气体压缩或压力比的函数的绝热效率的明显不同的优势的图示。
仅为示范性的前述附图包含各种元件，这些元件可被提供在可构造成实践本文教导的方法的实际装置中或从该实际装置中省去。尽力绘制附图，使得示出至少那些对于理解本文教导的各种方法以便设计、构造和操作高效超音速压缩机来说重要的元件。然而，可应用利用了移除一部分旁路气体来起动压缩机的超音速压缩机设计的各种其他作用，以便提供最小化或消除此前超音速压缩机设计中固有的起动困难和/或效率损失的通用气体压缩机。

在此进行描述高压缩比和高效超音速气体压缩机诸如图7A所示的压缩机18的示范性设计和构造方法。在整个说明书中，讨论了术语入口相对马赫数(“M”)以及空气动力管道的最小截面通路或喉的马赫数。为了本书明书的目的，除非另外清楚表明，或除非所提到的具体内容需要另一解释，此处详细讨论和说明的各种马赫数作为质量平均值给出，其中术语质量平均意思是，所关注的流动区域的局部马赫数由局部质量流加权，且随后由总流量平均。从数学上来说，该表达能用以下公式说明：
$\bar{M}=\frac{\underset{A}{\int }\mathrm{\rho V}{M}_l\mathrm{dA}}{\underset{A}{\int }\mathrm{\rho VdA}}$
其中：
A＝其上的马赫数待被平均的基准面积，
ρ＝局部流密度
V＝局部流速
Ml＝局部马赫数

注意图1，其提供了示范性空气动力管道20的剖视图，该空气动力管道20提供了在根据本文教导的设计技术构造的超音速气体压缩机18中进行超音速压缩的边界通道。空气动力管道20包括具有压缩斜坡24的会聚入口部分22，该压缩斜坡24定向成在由参考箭头28表示的向外方向上压缩由参考箭头26表示的进入气体，该向外方向是相对于压缩机的旋转至少部分地径向向外的。这能通过参考图7A以及图5来理解，这两个图都被标记以描述半径R1(在压缩斜坡24上游的位置上从轴30的旋转中心轴线32到空气动力管道20的底板34)和半径R2(在实现至少一些向外压缩之后从轴30的中心线32到压缩斜坡24上的位置35)之间的差别。
现转向图1，在会聚入口部分22内示出了由气体的超音速压缩引起的多个斜激波S1、S2、S3等。斜激波S1、S2、S3等用来有效地降低进入气体的速度，同时增加其压力和温度。在设计条件下或接近设计条件下稳定的压缩机操作期间，稳定的正激波SN位于适当的位置，通常位于气体穿过最小截面面积区域(在空气动力管道所用的设计术语中表示为喉36)之后或之后不远处，或更广泛地说，当气体进入或行进到空气动力管道20的发散出口部分38内时。无论如何，空气动力管道20的会聚入口部分22的设计被构造成产生一系列斜激波(S1、S2、S3、S4等，至激波Sx，其中x是正整数)，该系列的激波将捕获在会聚入口部分22中的气体的入口流动从所选的设计点入口相对马赫数减低到在正激波SN的位置之前或该位置处的参考位置处的约1.2至约1.5之间的马赫数。当然，所选的设计点入口相对马赫数选择为高于在正激波之前或在正激波处的参考位置处的减小的马赫数的值。实际上，有用的入口相对马赫数可被认为是约1.8马赫或更高，或者在另一实施方式中，约2马赫或更高，或者在另一实施方式中，约2.5马赫或更高。产生多个斜激波来实现这样减小马赫数并附带增加静压力和静温度的技术在各种现有技术专利和文献中都有充分的描述，例如，1973年12月11日授予Norman等人的发明名称为Method and Apparatus for ReactionPropulsion(用于反作用力推进的方法和装置)的美国专利3,777,487中陈述的技术更充分以允许本领域技术人员理解，该专利在此通过引用全部并入，且该说明书提供了适当装置中的这种多个斜激波。
图2提供了图1最初示出的示范性空气动力管道20的剖视图，但在图2中，示出了其中空气动力管道20处于未起动状态的状态，且未起动的超音速激波SU位于空气动力管道20的会聚入口部分22的入口39处或附近。然而，在图2中，示出了从空气动力管道20的会聚入口部分22移除一定量的旁路气体流的方法。从会聚入口部分22直接移除这样的旁路气体消除了或最小化了在压缩机起动期间由增加速度的空气动力管道20增加气体26捕获的扼流效应，并允许激波从由SU表示的未起动激波位置最终向下游运动到由图1中的SN表示的起动激波位置。但是，在起动程序期间，在离开由SU指示的位置之后，激波可以重新定位到在空气动力管道20的发散出口部分38内更下游的位置处以虚线指示的中间位置SI，该中间位置可以预期根据背压、与设计条件容量相比的瞬时气体通过量、其他操作条件和压缩机所使用的控制方案而改变。理想情况是，正激波SN位于喉36处或附近，使得在出现正激波SN操作位置(如大致在图1中所示)之前，通过气体膨胀而使损失保持最小。
而且，在图2中，由内部侧壁42限定的出口管路40被示出为从边界侧46到出口侧48穿透空气动力管道20的第一边界部分44。换句话说，空气动力管道20的第一边界部分44包括由提供出口管路40的内部侧壁42限定的穿孔。这些出口管路40以足够的尺寸、形状和数量设置，且与可接受的且可管理的空气动力损失(如下面进一步论述的)一致，以便提供关于所选的设计操作范围在可接受的范围内的旁路气体量，同样在下面进一步论述。对于实际的商业关注的实施方式，这种出口管路40的尺寸和数量使得在起动期间移除的旁路气体量随入口相对马赫数的增大而增加。此外，在起动期间需要移除的旁路气体量作为特定的入口相对马赫数的函数，在图3中图示出。通过对图3的粗略分析，本领域技术人员(本说明书所涉及的)能理解，对于给定的设计操作范围，移除的旁路气体的量表示为“起动排放分数”，即排放旁路气体的质量与进入空气动力管道20的捕获气体的质量的比率，超过(并且在渐增的入口相对马赫数下渐增)在边界层控制所用的空气动力学技术中使用的排放量，以便减小操作期间高速操作下的空气动力损失。更准确地说，在所选的操作范围内，在给定的设计点处，在所选的入口相对马赫数下使用的旁路气体分数量(m排放/m捕获)通过
(a)由如下公式
(m排放/m捕获)＝0.0329M4-0.3835M3+1.5389M2-2.150M+0.9632
所描述的上限和
(b)由如下公式
(m排放/m捕获)＝0.0197M4-0.230M3+0.9233M2-1.29M+0.5779
所描述的下限来限定，
其中：
m排放＝从空气动力管道移除的旁路气体排放的质量，
m捕获＝由空气动力管道所捕获的气体的质量，以及
M＝空气动力管道的入口相对马赫数。
由于出口管路40的存在，当压缩机控制系统阀V打开时(参见图6)，一定量的旁路气体(由参考箭头50表示)朝出口管路40移动，因此穿过出口管路40(在图2和图6中由参考箭头52表示)，并进入旁路气体收集器54。因而，设置有旁路气体通路58，该旁路气体通路58随着入口相对马赫数增大而增加容量(即，在给定的尺寸、气体、温度、压差等的条件下，能引导更多质量)，例如如在图3中大致图示的。旁路气体收集器54通过引导旁路气体通过另外的旁路气体通路58朝压缩机18的低压气体入口60(在图5和图6所示的一个实施方式中)而引导旁路气体离开空气动力管道20。如图5和图6所示，在一实施方式中，旁路气体收集器54构造成大致平行六面体的形状，其由如下部分限定：(a)由空气动力管道20的第一边界部分44的出口侧48提供的底部或底板，(b)对置的收集器板，更具体地说是一侧上的防流动收集器板62和另一侧上的溢流收集器板64(如在图6中由参考箭头66所示，旁路气体流过该溢流收集器板64)，(c)对置的肋68，以及(d)由转子护罩74的内部72的一部分提供的顶板。在一实施方式中，旁路气体收集器54的入口由出口管路40限定。在一实施方式中，旁路气体收集器54的出口：(a)轴向地沿着对置的肋68限定，且(b)径向地限定在溢流收集器板64的上端76与转子护罩74的内部72的顶板的内部顶板部分78之间。
空气动力管道20的其他结构细节包括第二边界部分80，示出在喉36以及下游处示出为发散出口部分38中的顶板。在一实施方式中，沿发散出口部分38，可保持使用肋68，以便连接转子护罩74。在一实施方式中，与压缩斜坡24上游的底板34相对，可提供第三边界部分82，类似地利用了对置的肋68和转子护罩74。
总之，如图5、6、7A、7B和7C所示，护罩轮子超音速压缩机的操作在许多方面类似于2007年11月13日公布的Lawlor等人的发明名称为Supersonic Gas Compressor(超音速气体压缩机)的美国专利No.7,293,955中所示出的无护罩压缩机轮子设计，该专利的公开内容(包括说明书、附图和权利要求)在此通过引用全部并入。更具体地，压缩机轮子在图5所示的参考箭头90的方向上旋转。如图5所示，在一实施方式中，邻近一个或多个压缩斜坡24中的每一个设置了一个或多个螺旋箍条K。在一个实施方式中，一个或多个螺旋箍条K从前缘92延伸。螺旋箍条K具有高度KH，具有入口内壁KI和出口外壁KO，其形成由空气动力管道20提供的通路的横向边界。压缩斜坡24和第一边界部分44形成由空气动力管道20提供的通路的一部分的径向边界。类似地，发散出口部分38的喉36和底板96与第二边界部分80一起作用形成由空气动力管道20提供的通路的一部分的径向边界。
箍条K有效地将低压入口气体100与位于空气动力管道20中的每一个的下游的高压压缩气体分离。在一实施方式中，箍条K设置成从转子104的外表面部分102径向向外延伸到由空气动力管道20提供的通路的外边界区域的大致螺旋形结构。如上所述，在一实施方式中，第一边界部分44和第二边界部分80形成这种外边界区域的重要部分。在一实施方式中，第三边界部分82也可提供这种外边界区域的一部分。在一实施方式中，箍条K的数量等于压缩斜坡24的数量。在一实施方式中，可以为每一个空气动力管道20设置压缩斜坡24。空气动力管道的数量可以对给定服务最有优势地适当选择以用于所需服务、被压缩的气体、质量流、压力比等。在一些实施方式中，在单级转子上为旋转运动所提供的空气动力管道20的数量可以是3或5或7或9。
如图6和图7A所示，在起动期间，压缩机18经由压缩机控制系统中的阀V打开空气动力管道20和低压气体入口60之间的通路58。因此，所选量的旁路气体从空气动力管道20行进到低压气体入口60。一旦压缩机18随斜激波稳定而到达稳定操作状态，则旁路气体被减少且最终消失，因此使得压缩机18在高压力比下操作，同时维持高效率。
如上面先提到的，图3提供了为了在所选的入口相对马赫数下操作超音速压缩机18，启动空气动力管道20的旁路气体移除要求的适当范围的图示(垂直轴表示为起动排放分数，由旁路气体排放的质量除所捕获的入口气体质量限定)。因而，对于期望的目标入口相对马赫数，旁路气体移除通路，包括出口管路40和旁路气体收集器54，需要被定尺寸和形状以通过其接收需要量的旁路气体。关于期望的目标入口相对马赫数的选择，图4提供了可由根据本教导内容构造的压缩机18的一些实施方式实现的入口相对马赫数的范围。
除了上面图1和图2所述的空气动力管道20的实施方式外，其他构造也是可行的，且在此提到了几种另外的实施方式用于为超音速压缩提供有利的轮子安装边界通路。
图8提供了在气体压缩机中在超音速压缩状态下操作的示范性空气动力管道120的另一实施方式的剖视图，类似于上面最初在图1和2中示出的实施方式，但这里示出了利用会聚入口122同时利用多个斜激波S10、S11、S12等提供压缩的空气动力管道120，其中，压缩斜坡124定向成至少部分径向向内压缩气体，如由参考箭头126指示的，而该斜激波用于有效地降低进入气体的速度，同时增加压力和温度。在这样的实施方式为了起动，提供了出口管路40B，且提供了旁路气体收集器54B，出口管路40B和旁路气体收集器54B中的每一个在功能和结构上基本上与上面关于图1和图2详细描述的结构所提到的出口管路40和收集器54相类似。
注意图7B，其中示出利用了其上具有空气动力管道120(上面关于图8的论述中描述的)的转子104B的压缩机的实施方式的剖视图。在起动时(图8功能上没有给出，但是图7B给出)，位于空气动力管道120的底板130侧的出口管路40B接受通过其的一定量旁路气体，如由参考箭头132指示的。旁路气体通路134被设置为其选定的设计尺寸使旁路气体通路134随设计入口相对马赫数的增大而增加气体流量(即，在给定的通路物理尺寸、气体、温度、压差等的条件下，能引导更多的质量)。通过在位于旁路气体收集器54B的底板中的出口管路40B(参考图8)传送的旁路气体被引导离开空气动力管道120，如参考箭头133所指示的，并进入下部旁路气体通路134。在图7B所示的实施方式中，由参考箭头136所指示的收集的旁路气体穿过旁路气体通路134的另外的部分，并通过阀137，然后通过下部旁路气体出口138，且向上到达压缩机18B的低压气体入口60。
类似地，在图9中，提供了示范性空气动力管道140的又一实施方式，供诸如压缩机18的超音速气体压缩机使用。在该图中，使用对置的压缩斜坡142和144表示会聚入口146。压缩斜坡结构142定向成至少部分径向向内压缩气体，如由参考箭头148所指示的。压缩斜坡144定向成至少部分径向向外压缩气体，如由参考箭头150所指示的。利用多个斜激波S20、S21、S22和S30、S31、S32等实现有效压缩，这些斜激波用来有效地减小进入气体的速度同时增加压力和温度。在这样的实施方式为了起动，提供了出口管路40C和40D，且提供了旁路气体收集器54C和54D，它们在功能和结构上基本上与上面关于图1和图2详细描述的出口管路40和收集器54相同。
注意图7C，其中示出了利用其上具有空气动力管道140(上面关于图9的论述中描述的)的转子104C的压缩机的实施方式的剖视图。在起动时(图9功能上没有示出，但是图7C示出)，分别位于顶侧压缩斜坡142和底侧压缩斜坡144中的出口管路40C和40D分别接收通过其的旁路气体，如由参考箭头52和132所指示的。通过在位于旁路气体收集器54C的顶板中的出口管路40C传送的旁路气体(由参考箭头52所指示的)被引导离开空气动力管道140，并进入旁路气体通路58。由参考箭头66所指示的收集的旁路气体穿过旁路气体通路58的另外的部分，并朝向达压缩机18C的低压气体入口60行进。下部旁路气体通路134被设置为其选定的设计尺寸使得下部旁路气体通路134随设计入口相对马赫数的增大而增加气体流量(即，在给定的通路物理尺寸、气体、温度、压差等的条件下，能引导更多的质量)。通过在位于旁路气体收集器54B的底板中的出口管路40B(参考图8)传送的旁路气体被引导离开空气动力管道120，如由参考箭头133所指示的，并进入下部旁路气体通路134。在图7B所示的实施方式中，由参考箭头136所指示的收集的旁路气体穿过旁路气体通路134的另外的部分，并通过阀137，然后通过下部旁路气体出口138，且向上到达压缩机18C的低压气体入口60。
无论如何，一旦被压缩的气体通过空气动力管道20，或者其他适当的实施方式(例如图7B和图8或图7C和图9所描述的)，高速压缩气体如由参考箭头150所指示地通过通路离开转子，然后在一实施方式中，在如参考箭头158所指示地进入集气环156之前，可穿过一列扩散器152和154，如参考箭头155所指示的，在该集气环156中速度减缓且静压被积聚。
此处描述的压缩机18可用于压缩各种气体。利用这种压缩机设计的益处对于标准空气动力状态(1个大气压，60°F)下的声速为或约为氮气或较低的气体尤为明显。而且，高分子量气体可以利用此处设计的具有明显益处的压缩机来压缩，尤其是当处理具有氮气的分子量或更高分子量的那些气体时。一些这样的气体可包括烃，诸如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷和己烷，以及其它高分子量化合物，诸如二氧化碳、二氧化硫，或非常高分子量的化合物，诸如六氟化铀。
总之，根据本文提供的设计提供的压缩机特别适合于涉及其中需要高压比的低声速气体的应用，诸如二氧化碳或丙烷，其中高马赫数压缩设计是有利的。例如，将二氧化碳压缩到约1500psia到2200psia之间的排气压力能以成本有效的方式实现。类似地，根据所选的处理的细节，天然气液化作用的丙烷压缩需要在约16∶1至约50∶1的压力比下压缩丙烷。丙烷的相对较低声速和所需的高压力比的组合使得这样的服务是本文教导的压缩机设计的理想选择。
关注图7A，其中提供了超音速气体压缩机18的部分垂直剖视图。压缩机18包括外壳160，该外壳160具有允许待压缩的低压气体的主流进入的低压气体入口60。该外壳具有高压气体出口，这里表示为集气环156，高压压缩气体流从集气环156排出。转子104经由轴30例如利用轴承162轴颈安装在外壳160中。空气动力管道20与转子104一起设置，在图5所示的实施方式中，空气动力管道20可以被横向限制且因此以螺旋方式沿旋转轴线32构造在螺旋箍条K之间。管道20的空气动力方面上面已经充分讨论；但是，在每种压缩机设计中，空气动力管道20设置成具有用于与设计操作点相关的操作的入口相对马赫数，该设计操作点在对于所选气体组分、气体量和气体压缩比的设计操作范围内选择。在一实施方式中，多个空气动力管道20安装在转子104上。在一实施方式中，其中旁路气体收集器54共同定位，以便随空气动力管道20中的每一个进行旋转运动。在一实施方式中，例如图5所示的，提供了三个空气动力管道20。
旁路气体通路58被设置和构造成例如通过在起动气体压缩机18的过程中打开用于使旁路气体通过的阀V而设置在打开的流体传导位置。同样，旁路气体通路58被设置和构造成例如通过将阀V关闭而设置在关闭位置，从而在压缩机起动之后有效地消除旁路气体的移除(例如图6的参考箭头50所示)。在该实施方式中，与旁路气体通路相关的阀V构造成能打开和关闭旁路气体通路的流体传导。
在一实施方式中，旁路气体通路58适合于从空气动力管道20接收旁路气体50，并使旁路气体返回到低压气体入口60。在一实施方式中，旁路气体通路还包括一个或多个旁路气体收集器54，如图1和图2的示例中所示，且更好地如图5所示。多个出口管路40在空气动力管道20的会聚入口部分22和旁路气体收集器54之间提供流体连接。在一实施方式中，一个或多个旁路气体收集器54各与空气动力管道20中的一个空气动力管道共同定位，且安装成能随其进行旋转运动。旁路气体收集器54的形状和尺寸被确定为有利于气体的旁路部分通过由会聚入口部分22的空气动力管道第三边界部分82和旁路气体收集器54的出口侧(底板48)之间的侧壁46限定的出口管路40直接从所述空气动力管道移除，如由参考箭头50所指示的。在一实施方式中，压缩机的尺寸被确定为提供图3所示的范围内的一定量的旁路气体。在一实施方式中，旁路气体通路58的各种部件(包括出口管路40、旁路气体收集器54、阀V以及在特定的设计构造中可能需要的相关的管线和流体管路)的尺寸和形状被确定为能移除所选量的旁路气体，旁路气体的量随入口相对马赫数的增大而增加，其中旁路气体的量选自(a)至(b)的范围，其中(a)对于在约1.8的入口相对马赫数下操作从由会聚入口部分捕获的入口气体的按质量计约11％至按质量计约19％，(b)对于在约2.8的入口相对马赫数下操作从由会聚入口部分22捕获的入口气体的按质量计约36％至按质量计约61％。
在一实施方式中，空气动力管道的入口相对马赫数超过1.8。在一实施方式中，所述空气动力管道的入口相对马赫数至少为2。在另一实施方式中，所述空气动力管道的入口相对马赫数至少为2.5。在另一实施方式中，入口相对马赫数超过约2.5。在另一实施方式中，空气动力管道的入口相对马赫数在约2至约2.5之间，包含该边界参数在内。在另一实施方式中，空气动力管道的入口相对马赫数在约2.5至约2.8之间，包含该边界参数在内。
对于在设计操作点的根据本文教导的压缩机的大部分设计，在设计位置定位的正激波之前的马赫数在约1.2至约1.5的范围内。
高气体压缩比下的高效率是由本文教导设计的压缩机能实现的设计操作范围的最有利部分的一个标志。但是，压缩机可被设置为其中设计操作范围包括至少为3的气体压缩比。在一实施方式中，设计操作范围可包括至少为5的气体压缩比。而且，在一实施方式中，可以提供从约3.75至约12、包含所述参数在内的气体压缩比。在这种设计的另一实施方式中，设计操作范围可包括范围为约12至约30的范围、包含所述参数在内的气体压缩比。利用特定设计，设计操作范围可被设置为其中气体压缩比超过30。
如图8和图9所示，与图1和2对比而言，可提供空气动力管道的压缩斜坡部分的不同变化。如图1、图2和图9所示，空气动力管道可包括具有压缩斜坡的会聚入口，压缩斜坡至少部分径向向外压缩进入气体，诸如如图1和图2的参考箭头28所示，或图9的参考箭头150所示。如图9所示，可提供第二压缩斜坡，其中，第二压缩斜坡定向成至少部分径向向内压缩进入气体，如图9中的参考箭头148所示。在另一实施方式中，如图8所示，空气动力管道可包括只利用具有至少部分径向向内压缩进入气体的压缩斜坡的会聚入口，如图8中的参考箭头126所示。
尽管空气动力管道的确切设计可以在各种设计构型中变化，但是为了简化结构，如果旁路气体收集器54至少部分地由也为空气动力管道20的第三边界部分82的外部的底板(出口侧)48限定则可能是有用的且节省材料、重量和空间，如图1所示。最好如图1和图5所示，旁路气体收集器54还可至少部分地由轴向定向且径向延伸的对置的肋68限定。而且，旁路气体收集器54可至少部分地由对置的收集器板限定，所述对置的收集器板成对设置，其中上游收集器板62基本上防止旁路气体从其流动，且其中下游收集器板64限定旁路气体收集器54的旁路气体出口的至少一部分。而且，可提供转子护罩74(圈状护罩)，其围绕转子104周向地延伸，以提供旁路气体收集器54上方的旁路气体流动限制内部顶板部分78。在一实施方式中，转子护罩74的外表面79可设置有带槽部分81，从而提供相对于外壳160的迷宫式密封。
如图7A所示，压缩机18可包括在空气动力管道的发散出口部分和外壳160的高压出口集气环156之间的相互连接的管路170。利用该管路170，定位一个或多个出口扩散器，例如扩散器152和154。该出口扩散器152和154适合于减缓逃离发散出口部分的高速气体，以将动能转换为外壳160的高压出口集气环156中的静压。
在用于起动超音速气体压缩机的方法中，提供的压缩机包括具有安装成进行旋转运动的一个或多个空气动力管道的转子，其中空气动力管道20具有会聚入口部分和发散出口部分。空气动力管道包括一个或多个结构，该一个或多个结构在超音速流入状态下在会聚入口部分内的气体中产生斜激波，且在气体进入或穿过发散出口部分时在所述气体中产生正激波。所提供的空气动力管道具有用于与设计操作点相关的操作的入口相对马赫数，该设计操作点在对于所选气体组分、气体量和气体压缩比的设计操作范围内选择。起动方法包括开始使空气动力管道的会聚入口部分与待压缩的入口气体流接合。之后，当空气动力管道增加速度，同时其中的气体在与设计操作点相关的入口相对马赫数下从亚音速流入状态转变成超音速状态时，选定量的旁路气体从会聚入口部分移除。移除的选定量的旁路气体随着为期望的设计操作点所选择的入口相对马赫数的增大而增加。通常，所移除的旁路气体的量选自(a)对于在约1.8的入口相对马赫数下操作从由会聚入口部分捕获的入口气体的按质量计约11％至按质量计约19％至(b)对于在约2.8的入口相对马赫数下操作从由会聚入口部分22捕获的入口气体的按质量计约36％至按质量计约61％的范围。图3表明了对于这样的旁路气体移除量的示范性操作状态。当斜激波在超音速压缩机的设计操作范围内有效地稳定时，有效地消除了一定量的旁路气体从会聚入口部分的移除。在一实施方式中，在空气动力管道到达用于设计操作点的选定的入口相对马赫数之后完全终止了所述旁路气体的移除。此后，在不移除旁路气体的情况下压缩机进行正常操作。
在一个方面中，本文教导的压缩机起动方法可以在这样的压缩机构造中实施，其中会聚入口部分的一个中包括出口管路，且其中通过这样的出口管路40将气体移除来进行旁路流的移除。
总之，本文描述和要求保护的新型超音速气体压缩机以及起动该压缩机的方法和装置能在压缩机设计中提供高效操作的重要益处。本文描述和要求保护的超音速气体压缩机能用于压缩各种适当的气体。在一实施方式中，该压缩机能用于压缩二氧化碳。在另一实施方式中，该压缩机能用于压缩丙烷。
总之，无论是应用于二氧化碳减排、空气分离、烃处理，还是其他气体压缩操作，尤其是具有低声速和或高分子量的气体，现在已经开发了新型超音速气体压缩机设计。初始计算表明，在该设计中能实现效率的显著提高。而且，着重考虑的是，效率提高是因为在利用大的排放分数起动之后，排放量被减小到很小或没有，即基本上为零，这是因为压缩机设计，尤其是转子设计，能够实现在期望的非常高的压缩比设计范围内的稳定操作，而不进行旁路排放气体的移除。
在前面的说明中，陈述了各种细节，以便提供对所公开的新型超音速气体压缩机的示范性实施方式的全面理解。但是，为了提供有用的实施方式，或者为了实践所选的或其他公开的实施方式，某些描述的细节可能不是必要的。而且，为了说明，说明书包括各种相对术语，诸如相邻、邻近、附近、在...上、到...上、在顶部、下面、在...下面、向下、横向、基部、底板、护罩、顶板、顶部等。这样使用不应被认为是限制性的。仅相对于参考点的术语不应被理解为绝对限制，而是代替地包括在前面的说明书中，以方便理解所公开实施方式的各种方面。本文描述的方法中的各种步骤或操作可作为多个分离的操作来描述，这则使得在理解该方法方面是最有用的。但是，描述的顺序不应解释为暗示这样的操作必须依赖该顺序。特别地，某些操作可能不需要按给出的顺序执行。而且，在不同的实施方式中，一个或多个操作可同时执行，或者部分地或者整体上消除，同时可以添加其他操作。同样，读者将注意到，重复使用了短语“在一个实施方式中”。该短语一般不指相同的实施方式；但是，其可以指相同的实施方式。最后，术语“包含”、“具有”和“包括”应被认为是同意的，除非本文另外表明。本文描述和要求保护的各种方面和实施方式可由所给出的那些进行改变，而实质上不偏离本发明提供的新颖性教导和优点，且在其他具体形式中体现而不偏离其精神或实质特征。本文提供的实施方式应被认为在所有方面都是示例性的而不是限制或限制性的。本公开内容旨在涵盖此处描述的方法和装置，且不仅是其结构等同物，而且还有等同的结构。鉴于上述教导，各种修改和变化都是可能的。因此，给予本发明的保护应仅限于此处提出的权利要求及其合法等同物。