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用于开式循环发动机转子组件和开式循环发动机

阅读:682发布:2022-11-11

专利汇可以提供用于开式循环发动机转子组件和开式循环发动机专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种用于 发动机 的 转子 组件,包括:转子,其支承在 轴承 上以轴向旋转,转子的一部分形成压缩通道,压缩通道从轴线向 外延 伸,气体通过轴线处的入口进入转子并且通过压缩通道向外流动; 燃烧室 ,其支承在转子的最大半径附近的压缩通道内,燃烧室具有封闭外端部和燃烧室气体入口,气体通过燃烧室气体入口进入燃烧室,每个燃烧室均具有 燃料 入口;以及一个或多个膨胀通道,其与压缩通道内的燃烧室 流体 连接并且从燃烧室径向向内延伸,并且在转子轴线处或转子轴线附近流体连接至燃烧气体出口管,燃烧气体出口管沿着转子轴线延伸,通过燃料与入口气体在燃烧室内的燃烧而产生的燃烧气体随着燃烧气体向内流动通过膨胀通道而膨胀。,下面是用于开式循环发动机转子组件和开式循环发动机专利的具体信息内容。

1.一种用于发动机转子组件,包括:
转子,所述转子支承在一个或多个轴承上,所述一个或多个轴承构造成允许所述转子绕转子轴线旋转,所述转子的一部分形成至少一个压缩通道,所述至少一个压缩通道从所述转子轴线向外延伸,气体通过位于所述转子轴线处或所述转子轴线附近的转子气体入口进入所述转子,并且所述气体随着所述转子旋转而从所述转子气体入口向外流动通过一个或多个压缩通道从而经受压缩;
一个或多个燃烧室,所述一个或多个燃烧室各自位于并支承在位于所述转子的距所述转子轴线的最大半径处或最大半径附近的压缩通道内,每个燃烧室均具有封闭的径向最外端部和围绕所述燃烧室分布的一个或多个燃烧室气体入口,气体通过所述一个或多个燃烧室气体入口进入所述燃烧室,每个燃烧室还具有至少一个燃料入口,所述至少一个燃料入口适于允许燃料进入所述燃烧室并且在所述燃烧室中与所述气体混合并燃烧;
一个或多个膨胀通道,所述一个或多个膨胀通道各自与所述压缩通道内的所述燃烧室流体连接并且从所述燃烧室径向向内延伸,并且所述一个或多个膨胀通道在所述转子轴线处或所述转子轴线附近流体连接至沿着所述转子轴线延伸的燃烧气体出口管,在使用中,通过所述燃料与入口气体在所述燃烧室内的燃烧而产生的燃烧气体随着所述燃烧气体径向向内流动通过所述膨胀通道而膨胀。
2.根据权利要求1所述的转子组件,其中,所述至少一个燃烧室的所述外端部的外表面结合有外部凹槽,气体通过所述外部凹槽流动至燃烧室入口。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的转子组件,其中,所述至少一个燃烧室在所述外端部的径向最外点处具有单个燃烧室气体入口。
4.根据权利要求3所述的转子组件,其中,所述燃烧室气体入口还构造成用于在使用中喷射燃料。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的转子组件,其中,所述至少一个燃烧室的壁部在所述燃烧室气体入口周围的区域中较厚。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的转子组件,其中,所述至少一个燃烧室在距所述转子轴线大致恒定半径处具有绕所述燃烧室间隔开的多个燃烧室气体入口孔。
7.根据权利要求6所述的转子组件,其中,所述至少一个燃烧室的气体入口是朝向所述燃烧室的所述外端部形成的,所述燃烧室的所述外端部的外表面结合有外部凹槽,气体通过所述外部凹槽流动至所述燃烧室气体入口。
8.根据权利要求7所述的转子组件,其中,燃料是通过所述燃烧室气体入口中的一个或多个燃烧室气体入口喷射到所述至少一个燃烧室中的。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的转子组件,其中,所述至少一个燃烧室还包括位于所述外端部的部分内表面或全部内表面上的隔热层
10.根据权利要求1至9中任一项所述的转子组件,其中,每个燃烧室均具有圆顶形最外端部。
11.根据权利要求10所述的转子组件,其中,所述至少一个燃烧室的内端部从凸状的圆顶形外端部过渡至横截面面积比所述燃烧室的最大横截面面积小的膨胀通道。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的转子组件,其中,所述压缩通道与所述膨胀通道是大致径向对准的。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的转子组件,其中,所述至少一个燃烧室的所述圆顶形外端部保持在由所述压缩通道的所述外端部形成的互补的径向面向内的凹状杯形部内,在所述燃烧室与所述凸状杯形部之间安置有燃烧室夹层,所述燃烧室夹层形成为响应于所施加的应是柔顺的/可变形的。
14.根据权利要求13所述的转子组件,其中,所述至少一个燃烧室夹层结合有隔热件。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的转子组件,其中,所述至少一个燃烧室夹层结合有金属材料和非金属材料。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的转子组件,其中,所述至少一个燃烧室夹层结合有由来自下述清单中的一种或多种成分制成的元件,所述清单包括粉末、纤维和线材。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的转子组件,其中,所述至少一个燃烧室夹层结合有硅酸硅酸钙中的一者或多者。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的转子组件,其中,所述至少一个燃烧室夹层结合有在转子运行期间能够塑性变形或流动的可塑性流动的材料或液体。
19.根据权利要求13至17中任一项所述的转子组件,其中,所述燃烧室夹层包括密封的双层壁金属外壳,所述密封的双层壁金属外壳容纳大致在所述双层壁金属外壳内能够移动的可塑性变形的材料或液体。
20.根据权利要求19所述的转子组件,其中,冷却剂流体循环通过所述密封的双层壁金属外壳。
21.根据权利要求13至20中任一项所述的转子组件,其中,所述燃烧室夹层结合有与所述燃烧室接触的金属圆顶形外壳。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的转子组件,其中,所述至少一个燃烧室包括用于使到所述燃烧室外部的气体的热传递速率增大以对所述燃烧室进行冷却的装置。
23.根据权利要求22所述的转子组件,其中,所述用于增大热传递速率的装置为外表面特征,所述外表面特征构造成增大所述燃烧室的外表面面积。
24.根据权利要求22或权利要求23所述的转子组件,其中,所述用于增大热传递速率的装置为外表面凹槽,气体流动通过所述外表面凹槽。
25.根据权利要求1至21中任一项所述的转子组件,其中,所述至少一个燃烧室构造成使到所述燃烧室外部的气体的热传递速率增大以对所述燃烧室进行冷却。
26.根据权利要求25所述的转子组件,其中,所述燃烧室的所述外表面包括使所述燃烧室的外表面面积增大的特征。
27.根据权利要求26所述的转子组件,其中,所述特征为外表面凹槽,气体流动通过所述外表面凹槽。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的转子组件,其中,所述至少一个燃烧室是至少部分地由陶瓷材料制成的。
29.根据权利要求28所述的转子组件,其中,所述至少一个燃烧室是至少部分地由化硅、氮化硅、多铝红柱石和氧化铝中的至少一者制成的。
30.根据权利要求1至29中任一项所述的转子组件,其中,所述转子的形成所述至少一个压缩通道的所述部分是至少部分地由纤维加强聚合物复合材料制成的。
31.根据权利要求1至30中任一项所述的转子组件,其中,所述至少一个压缩通道的至少部分长度、优选地所述至少一个压缩通道的全部长度具有随着距所述转子轴线的半径朝向所述转子的最大半径增大而向内渐缩的内表面,使得内壁具有曲面法线,所述曲面法线在所有区域点至少部分地朝向所述转子轴线。
32.根据权利要求1至31中任一项所述的转子组件,其中,所述至少一个压缩通道的壁厚随着距所述转子轴线的径向距离朝向所述转子的最大半径增大而减小。
33.根据权利要求1至32中任一项所述的转子组件,其中,所述至少一个压缩通道具有不透气的内壁涂层。
34.根据权利要求10至33中任一项所述的转子组件,其中,所述至少一个压缩通道的至少径向最外部分包括金属内衬
35.根据权利要求34所述的转子组件,其中,所述金属内衬是由径向重叠的箔片环中的至少一层箔片环形成的,所述径向重叠的箔片环各自在其径向最内端部处结合至所述压缩通道的所述内衬。
36.根据权利要求34所述的转子组件,其中,所述金属内衬是由螺旋形的箔片螺旋件形成的,所述螺旋件的每个相继圈均与一个或多个先前圈重叠。
37.根据权利要求35或权利要求36所述的转子组件,其中,在所述至少一个压缩通道的所述内衬上形成有间隔开的突出部,所述突出部用于沿着每个箔片环或螺旋形的箔片螺旋件的大部分长度保持隔热空气间隙。
38.根据权利要求34至37中任一项所述的转子组件,其中,在所述至少一个压缩通道的壁部内嵌有用于形成冷却剂流体歧管的多个冷却剂流动通道,所述冷却剂流动通道沿着所述压缩通道延伸并延伸到所述外端部之上及周围并且由包覆所述内衬的纤维加强聚合物复合材料支承,在使用中,冷却剂流动通过所述歧管以对所述金属内衬进行冷却。
39.根据权利要求38所述的转子组件,其中,所述冷却剂流动通道大致均匀地间隔开并径向对准,并且大致依循所述燃烧室的所述圆顶形外端部的弯曲轮廓。
40.根据权利要求38或权利要求39所述的转子组件,其中,所述冷却剂流动通道结合至所述至少一个压缩通道的所述金属内衬。
41.根据权利要求38至40中任一项所述的转子组件,其中,所述冷却剂流动通道从冷却剂分配管和冷却剂收集管径向向外延伸,所述冷却剂分配管和所述冷却剂收集管各自位于距所述转子轴线大致恒定的半径处。
42.根据权利要求34至41中任一项所述的转子组件,其中,接合在包覆有纤维加强聚合物复合材料的张紧结构内的多个内衬锚定件结合至并分配在下述清单中的一者或多者的外表面上,该清单包括:所述压缩通道的所述内衬、冷却剂流动通道、箔片环、螺旋形的箔片螺旋件,所述内衬锚定件构造成对结合至壁部锚定件的部件提供结构性支承。
43.根据权利要求1至42中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件还包括位于所述至少一个压缩通道中的燃烧室罩,所述罩的外端部与所述燃烧室的所述外端部的基部的周界是大致相连的但位于所述燃烧室的所述外端部的所述基部的所述周界外部,使得在所述燃烧室的外表面与所述罩之间具有空气间隙,所述罩具有收缩的腰部区域,气体径向向外流动通过所述收缩的腰部区域。
44.根据权利要求43所述的转子组件,其中,所述燃烧室罩在所述燃烧室罩的径向最内端部处和/或在所述燃烧室罩的径向最外端部处和/或在沿着所述燃烧室罩的长度的多个位置处被支承离开所述内衬。
45.根据权利要求43或权利要求44所述的转子组件,其中,所述燃烧室罩部分地或全部地由下述清单中的一者或多者制成,该清单包括:陶瓷、陶瓷基复合材料、金属基复合材料合金、超合金和高强
46.根据权利要求1至45中任一项所述的转子组件,其中,所述至少一个膨胀通道的径向外部部段形成为所述燃烧室的一部分,所述膨胀通道的径向内部部段与所述膨胀通道的所述径向外部部段分开地形成并且通过径向膨胀接合部流体连接至所述径向外部部段,所述径向膨胀接合部调节所述径向内部部段与所述径向外部部段之间的相对径向运动的同时还提供部分的或完全的流体密封,从而限制燃烧气体泄露到所述压缩通道中。
47.根据权利要求46所述的转子组件,其中,所述膨胀通道的所述径向外部部段的至少内表面在其径向延伸的至少一些部分上朝向所述转子轴线向内渐缩。
48.根据权利要求46或权利要求47所述的转子组件,其中,所述膨胀通道的所述径向内部部段是由金属制成的。
49.根据权利要求46至48中任一项所述的转子组件,其中,所述膨胀通道的所述径向外部部段的至少一部分是由陶瓷材料制成的。
50.根据权利要求1至49中任一项所述的转子组件,其中,所述至少一个膨胀通道在大于所述燃烧室气体入口的半径的50%的位置处具有最小横截面流动面积。
51.根据权利要求1至50中任一项所述的转子组件,其中,所述膨胀通道和/或所述燃烧室气体出口管的至少一部分是隔热的,以减小从所述燃烧气体到经受压缩的气体的热传递的速率。
52.根据权利要求1至51中任一项所述的转子组件,其中,位于所述至少一个膨胀通道与所述至少一个燃烧气体出口管之间的弯曲部容纳内部流动叶片
53.根据权利要求1至52中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件还包括转子壳体,所述转子壳体形成回转外壳,所述转子在所述回转外壳内旋转,所述转子壳体于所述转子壳体的在所述转子轴线上的一个轴向端部或两个轴向端部处具有转子壳体开口,流体能够通过所述转子壳体开口进入和/或离开所述转子。
54.根据权利要求53所述的转子组件,其中,所述转子壳体填充有相对于环绕所述转子壳体的环境大气具有较低密度的转子壳体气体,所述转子壳体气体被转子真空密封件保持成在转子运行期间与环境大气部分地或完全地流体隔离,所述转子真空密封件在所述转子壳体开口处或所述转子壳体开口附近提供所述转子与所述转子壳体之间的旋转密封。
55.根据权利要求54所述的转子组件,其中,所述转子壳体气体具有比空气低的平均分子量。
56.根据权利要求54或权利要求55所述的转子组件,其中,所述转子壳体气体主要或全部由选自下述清单中的一种或多种气体组成,该清单包括:氢气、氦气、甲烷气、蒸气和气。
57.根据权利要求54至56中任一项所述的转子组件,其中,所述转子壳体具有构造成用于附接至真空使得所述转子壳体内部的气体能够被排空的真空泵入口。
58.根据权利要求57所述的转子组件,其中,所述真空泵入口形成真空泵入口扩散器的外端部,所述真空泵入口扩散器定形和定向成使得所述扩散器恢复所述转子壳体气体的一些速度并且将所述转子壳体气体的所述一些速度转换成所述真空泵入口处增大的压力。
59.根据权利要求57或权利要求58所述的转子组件,其中,所述转子组件还包括真空泵,所述真空泵构造成非连续地操作,并且所述真空泵能够在所述壳体内实现了足够低的压力时停止。
60.根据权利要求54至59中任一项所述的转子组件,其中,所述转子壳体气体处于相对于环境空气减小的压力。
61.根据权利要求53至60中任一项所述的转子组件,其中,所述转子壳体是至少部分地由纤维加强聚合物材料和/或陶瓷材料构成的。
62.根据权利要求53至61中任一项所述的转子组件,其中,所述燃烧气体出口管的所述外端部的至少一部分延伸到燃烧气体出口中或形成燃烧气体出口的一部分。
63.根据权利要求62所述的转子组件,其中,所述燃烧气体出口管同心地定位在转子气体入口内。
64.根据权利要求63所述的转子组件,其中,所述转子具有两个转子气体入口,所述燃烧气体出口管穿过所述转子气体入口中的一个转子气体入口,转子燃料入口穿过所述转子气体入口中的另一转子气体入口。
65.根据权利要求62至64中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件具有在旋转转子的燃烧气体出口与相邻的转子气体入口之间密封的转子燃烧气体出口旋转密封件。
66.根据权利要求65所述的转子组件,其中,所述转子燃烧气体出口旋转密封件结合有下述密封件中的一者或多者:刷式密封件、气体或液体润滑的面密封件、迷宫式密封件、聚合物唇式密封件和动态密封件。
67.根据权利要求64或权利要求65所述的转子组件,其中,所述转子燃烧气体出口旋转密封件结合有使用或油作为阻隔液体并且作为冷却剂的动态密封件。
68.根据权利要求65至67中任一项所述的转子组件,其中,在所述燃烧气体与所述转子燃烧气体出口旋转密封件之间置有诸如迷宫式密封件、刷式密封件或气体润滑的面密封件之类的间隙密封件,以减小所述转子燃烧气体出口旋转密封件直接暴露至的气体的温度
69.根据权利要求1至68中任一项所述的转子组件,其中,所述至少一个压缩通道是部分地由金属或陶瓷材料制成的并且通过聚合物复合材料带抵抗离心反作用力被保持,所述聚合物复合材料带与所述压缩通道的所述径向最外端部接触,所述压缩通道与所述聚合物复合材料带之间的相互接触区域由隔热层分开。
70.根据权利要求69所述的转子组件,其中,所述聚合物复合材料带结合有在使用中冷却剂流体流动通过的冷却管。
71.根据权利要求1至68中任一项所述的转子组件,还包括构造成将所述至少一个压缩通道的所述径向最外端部内的燃烧室包覆的至少一个聚合物复合材料张紧结构。
72.根据权利要求69至71中任一项所述的转子组件,其中,所述聚合物复合材料包括嵌在环氧树脂内的碳纤维、双来酰亚胺或聚酰亚胺聚合物基。
73.根据权利要求71或权利要求72所述的转子组件,其中,所述聚合物复合材料张紧结构还包括与所述聚合物复合材料张紧结构接触或嵌在所述聚合物复合材料张紧结构内的冷却管,在使用中,所述冷却剂流体流动通过所述冷却管。
74.根据权利要求69至73中任一项所述的转子组件,其中,所述聚合物复合材料是至少部分地通过长丝缠绕过程来构造的。
75.根据权利要求1至74中任一项所述的转子组件,其中,所述转子具有单个燃烧室和与所述燃烧室在直径方向上相对的配重元件,所述配重元件的外半径小于所述转子的最大半径。
76.根据权利要求75所述的转子组件,其中,所述配重元件的半径小于所述转子的最大半径的90%。
77.根据权利要求53至76中任一项所述的转子,其中,所述转子构造成使得在运行期间能够将制动气体或流体引入到所述转子壳体中,以使所述转子的旋转迅速地停止。
78.根据权利要求77所述的转子,其中,所述制动气体或流体为水。
79.根据权利要求54至78中任一项所述的转子组件,其中,所述转子真空密封件中的至少一个转子真空密封件为阻隔液体类型的密封件,所述阻隔液体在所述转子真空密封件的工作温度下具有低蒸汽压力。
80.根据权利要求79所述的转子组件,其中,所述转子真空密封件中的至少一个转子真空密封件为位于所述转子壳体与所述转子之间的动态密封件,所述转子壳体还包括环形腔,所述转子真空密封件的至少一部分在所述环形腔内带间隙地旋转,所述环形腔至少部分地填充有所述阻隔液体。
81.根据权利要求79或权利要求80所述的转子组件,其中,所述阻隔液体的蒸汽压力小于100Pa。
82.根据权利要求54至81中任一项所述的转子组件,其中,所述阻隔液体还用于转子轴承润滑。
83.根据权利要求54至82中任一项所述的转子组件,其中,所述旋转真空密封件中的至少一个旋转真空密封件中的阻隔液体是通过对密封部件进行冷却而被冷却的或者是通过循环经过远离所述转子真空密封件的冷却系统而被冷却的。
84.根据权利要求83所述的转子组件,其中,蒸发的阻隔液体是通过使汽化的阻隔液体冷凝在所述转子壳体内的冷表面上而被冷却的。
85.根据权利要求84所述的转子组件,其中,所述冷表面围绕所述转子轴线分布为环形或圆筒形的表面,所述环形或圆筒形的表面为迷宫式密封件或其他间隙密封件等的一部分。
86.根据权利要求54至85中任一项所述的转子组件,其中,所述转子真空密封件结合有在所述转子停止和/或以一定范围的速度旋转时提供密封的磁性流体密封件。
87.根据权利要求54至86中任一项所述的转子组件,其中,所述转子真空密封件结合有在所述转子停止和/或以一定范围的速度旋转时提供密封的聚合物密封元件。
88.根据权利要求54至87中任一项所述的转子组件,其中,至少一个转子真空密封件结合有气体润滑的面密封件。
89.根据权利要求88所述的转子组件,其中,在诸如波纹管或聚合物元件之类的轴向柔顺安装件上安装有至少一个气体润滑的面密封元件,所述轴向柔顺安装件允许所述面密封件的面以紧密间隙保持对准。
90.根据权利要求54至89中任一项所述的转子组件,其中,至少一个转子气体入口构造成在转子真空密封件处或转子真空密封件附近具有最小的流动面积。
91.根据权利要求90所述的转子组件,其中,至少一个转子气体入口还包括位于所述转子气体入口中的最小截面流动面积位置的下游处的入口扩散器。
92.根据权利要求91所述的转子组件,其中,所述入口扩散器的总体形式大体上为轴线与所述转子轴线一致的截头圆锥。
93.根据权利要求92所述的转子组件,其中,所述入口扩散器还包括至少部分地位于所述入口扩散器内部的径向叶片。
94.根据权利要求90至93中任一项所述的转子组件,其中,至少一个转子气体入口或入口扩散器结合有气体入口导流器。
95.根据权利要求94所述的转子组件,其中,所述气体入口导流器为径向叶片,所述径向叶片具有围绕所述转子轴线的可变螺旋扭曲部。
96.根据权利要求94所述的转子组件,还包括安装在所述转子壳体上的入口导引叶片,所述入口导引叶片用于在气体进入所述至少一个转子气体入口之前引起气体的旋动。
97.根据权利要求96所述的转子组件,其中,所述入口导引叶片在所述发动机运行期间是可调节的。
98.根据权利要求54至97中任一项所述的转子组件,其中,所述转子具有两个转子气体入口,所述两个转子气体入口中的一个转子气体入口面向所述转子的每个轴向端部,所述两个转子气体入口中的每个转子气体入口均具有相似的内径,使得在所述转子的每个端部处具有相似直径的转子真空密封件。
99.根据权利要求98所述的转子组件,其中,所述燃烧气体出口管沿着所述转子气体入口并穿过所述转子气体入口的中心以形成所述转子的热端部,冷却剂流体入口和出口沿着所述转子气体入口中的第二转子气体入口并穿过所述第二转子气体入口的中心以形成所述转子的冷端部。
100.根据权利要求54至97中任一项所述的转子组件,其中,所述转子壳体具有都位于所述转子的同一轴向端部处的单个转子气体入口和单个转子燃烧气体出口,且在所述转子的同一端部处具有为气体润滑面密封件或其他间隙密封件的单个转子真空密封件。
101.根据权利要求53至100中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件还包括至少一个转子轴承,所述至少一个转子轴承安装在所述转子壳体或所述转子壳体的延伸部与所述转子之间以支承所述转子绕所述转子轴线旋转。
102.根据权利要求101所述的转子组件,其中,所述至少一个转子轴承为滚动元件轴承。
103.根据权利要求101所述的转子组件,其中,所述至少一个转子轴承为液体动压轴承。
104.根据权利要求103所述的转子组件,其中,所述至少一个液体动压轴承具有介于内轴颈与外衬套之间的中间圆筒形衬套/浮动环。
105.根据权利要求103或权利要求104所述的转子组件,其中,所述至少一个液体动压轴承还借助所述液体动压轴承的轴向两侧之间的气体压力差而部分地用作气体密封件。
106.根据权利要求101至105中任一项所述的转子组件,其中,所述至少一个转子轴承还包括循环润滑剂并且构造成使得所述润滑剂能够从外部供给装置穿过所述至少一个转子轴承。
107.根据权利要求101至106中任一项所述的转子组件,其中,液体动压类型或滚动元件类型的转子轴承构造成使得所述转子入口气体被阻止流动通过所述轴承的内孔,所述液体动压转子轴承或滚动元件转子轴承的与所述转子气体入口相邻的所述内孔构造成通过横跨相邻的转子气体入口的环形开口进行桥接的多个桥接柱而部分地或全部地连接至所述转子。
108.根据权利要求101至107中任一项所述的转子组件,所述转子组件构造成使得单个转子燃烧气体出口管在所述转子的一个轴向端部处穿过所述转子轴承的内孔。
109.根据权利要求101至108中任一项所述的转子组件,所述转子组件构造成使得燃料和/或冷却剂流体穿过一个或多个转子轴承的内孔。
110.根据权利要求101所述的转子组件,其中,所述至少一个转子轴承为气体润滑轴承或者为磁悬浮轴承。
111.根据权利要求110所述的转子组件,其中,所述至少一个转子轴承为箔片空气轴承类型的气体润滑轴承。
112.根据权利要求110所述的转子组件,其中,所述至少一个转子轴承为磁悬浮式径向被动磁性轴承,并且所述转子组件还具有不同类型的另一转子轴承,以限制所述转子的轴向运动。
113.根据权利要求110至112中任一项所述的转子组件,所述转子组件构造成使得进入所述转子的入口气体穿过所述至少一个转子轴承的内孔。
114.根据权利要求110至113中的任一项所述的转子组件,其中,所述转子壳体在所述转子壳体的两个轴向端部处包括转子壳体开口,并且所述转子壳体构造成使得所述燃烧气体出口管沿着一个转子气体入口并穿过所述一个转子气体入口的中心以形成热端部,相反的转子壳体开口形成冷端部,所述转子组件在所述转子的所述冷端部处具有滚动元件转子轴承或液体动压转子轴承并且在所述转子的所述热端部处具有磁悬浮转子轴承或气体润滑转子轴承。
115.根据权利要求101至103中任一项所述的转子组件,其中,所述转子壳体构造成在所述转子壳体的两个轴向端部处具有转子壳体开口,所述燃烧气体出口管沿着一个转子气体入口并穿过所述一个转子气体入口的中心以形成热端部,相反的转子壳体开口形成冷端部,所述转子组件包括:位于所述转子的所述热端部处的单个转子气体入口、穿过热端部转子气体入口的中心的燃烧气体出口管、为磁悬浮轴承或者气体润滑轴承的热端部转子轴承、以及为滚动元件轴承或者液体动压轴承的冷端部转子轴承,气体通过流动经过所述热端部转子轴承的内孔进入所述转子。
116.根据权利要求101至115中任一项所述的转子组件,其中,所述转子轴承中的一个或多个转子轴承通过与下述清单的一种或多种散热流体热传递而被冷却,该清单包括:空气、转子入口气体、冷却剂流体和燃料。
117.根据权利要求53至116中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件还包括所述转子内的冷却剂流体歧管,所述冷却剂流体歧管构造成使得在使用中冷却剂能够绕所述冷却剂流体歧管循环,以对转子部件进行冷却。
118.根据权利要求117所述的转子组件,其中,所述冷却剂流体歧管构造成容纳冷却剂流体。
119.根据权利要求117或权利要求118所述的转子组件,还包括具有如下主要成分的冷却剂流体,所述主要成分包括:氢气、氦气、氨气、烷、醇类和水中的一者或多者。
120.根据权利要求117至119中任一项所述的转子组件,其中,所述冷却剂流体歧管构造成使得所述冷却剂流体在所述转子内的下述半径跨距上被至少部分地冷却:该半径跨距比在所述冷却剂流体冷却转子部件时存积在所述冷却剂流体内的大部分热能、存积在所述转子内的其他流体内的大部分热能或存积在两者内的大部分热能所在的半径跨距更靠近所述转子轴线,所述冷却剂流体的循环是至少部分地通过离心式热虹吸来驱动的。
121.根据权利要求117至120中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件还包括所述转子外部的转子外冷却剂冷却器,在使用中,冷却剂流体离开所述转子并且进入所述冷却器以被至少部分地冷却。
122.根据权利要求121所述的转子组件,其中,所述转子组件还包括位于所述转子外部的过滤器,所述过滤器构造成对冷却剂流体进行过滤。
123.根据权利要求121或权利要求122所述的转子组件,其中,所述转子组件构造成使得在使用中所述冷却剂流体通过与至少一种散热流体热传递而被冷却,所述散热流体包括燃料、进入所述转子的气体、所述转子外部的气体以及空气中的一者或多者,所述散热流体部分地或全部地由水、所述转子外部的其他散热流体组成。
124.根据权利121至123中任一项所述的转子组件,还包括结合有冷却剂冷却器的外部转子,所述冷却剂冷却器构造成在使用中对冷却剂流体进行冷却。
125.根据权利要求124所述的转子组件,其中,结合有冷却剂冷却器的所述外部转子连接至与所述冷端部转子气体入口相邻的转子外部,所述外部转子的所述冷却剂冷却器包括绕所述转子轴线分布的轴向管,所述冷却剂流体在使用中流动通过所述轴向管,所述轴向管穿过并结合至定中心在所述转子轴线上的多个大致平行的环形翅片。
126.根据权利要求125所述的转子组件,其中,结合有冷却剂冷却器的所述外部转子附接至所述转子并且在使用中与所述转子一起旋转,使得所述散热流体由于动力泵送作用而被泵送通过结合有冷却剂冷却器的所述外部转子。
127.根据权利要求124至126中任一项所述的转子组件,其中,所结合的所述冷却剂冷却器还包括气体导流叶片,所述气体导流叶片构造成在使用中使气体吸入通过结合有冷却剂冷却器的所述外部转子的一个轴向端部或两个轴向端部,以在所述环形翅片之间流出。
128.根据权利要求127所述的转子组件,其中,所述叶片构造成吸入空气。
129.根据权利要求124至127中任一项所述的转子组件,其中,所述转子内的所述冷却剂流体歧管结合有积储器,所述积储器包括密封且可膨胀的冷却剂流体储存器,所述密封且可膨胀的冷却剂流体储存器构造成在转子运行期间通过部分地排空或填充液态或气态冷却剂流体来调节液态冷却剂流体体积和/或冷却剂流体歧管体积的变化,所述储存器还构造成容纳储备数量的冷却剂流体,以在使用中减小由于所述冷却剂流体从所述冷却剂流体歧管泄漏而引起的压力降的速率。
130.根据权利要求129所述的转子组件,其中,所述冷却剂流体储存器位于比所述冷却剂流体循环通过的通道的最小半径小的半径处。
131.根据权利要求130所述的转子组件,其中,所述冷却剂流体储存器位于所述转子轴线处或靠近所述转子轴线。
132.根据权利要求124至131中任一项所述的转子组件,其中,所述转子内的所述冷却剂流动通道是至少部分地由铝制成的。
133.根据权利要求124至131中任一项所述的转子组件,还包括为氦气的冷却剂流体。
134.根据权利要求124至131中任一项所述的转子组件,还包括为氢气的冷却剂流体。
135.根据权利要求134所述的转子组件,还包括所述转子组件内的金属氢化物,以储存额外的氢。
136.根据权利要求1至135中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件还包括内部中间冷却器,所述内部中间冷却器位于所述压缩通道的径向内部或者所述压缩通道内,所述内部中间冷却器构造成在所述入口气体从所述转子轴线大致径向向外流动的同时经受压缩时冷却半径跨距的所述入口气体。
137.根据权利要求136所述的转子组件,其中,内部中间冷却遍及如下半径跨距,该半径跨距从径向流出的入口气体的温度超过所述内部中间冷却器内的所述冷却剂流体的温度的半径到小于所述气体进入所述燃烧室处的半径的80%的半径。
138.根据权利要求137所述的转子组件,其中,所述内部中间冷却器的径向外部延伸部介于所述气体进入所述燃烧室处的半径的40%至60%。
139.根据权利要求136至138中任一项所述的转子组件,其中,所述内部中间冷却器包括一个或多个板翅式热交换器,所述一个或多个板翅式热交换器各自具有带有与所述转子轴线大致平行的面的翅片。
140.根据权利要求139所述的转子组件,其中,所述内部中间冷却器的所述板翅式热交换器的板在与所述转子轴线一致的平面中大致径向对称。
141.根据权利要求136至140中任一项所述的转子组件,其中,所述内部中间冷却器包括在不同的径向跨距上延伸的多于一个的板翅式热交换器。
142.根据权利要求136至141中任一项所述的转子组件,其中,所述内部中间冷却器结合有一个或多个板翅式热交换器,所述一个或多个板翅式热交换器中的至少一个板翅式热交换器通过在其径向外端部处与所述转子的张紧结构的径向面向内的表面接触来抵抗离心反作用力而保持在所述转子内。
143.根据权利要求136至142中任一项所述的转子组件,其中,所述内部中间冷却器部分地或全部地由铝合金和/或合金制成。
144.根据权利要求136至143中任一项所述的转子组件,其中,所述内部中间冷却器构造成与冷却剂流体一起使用,所述冷却剂流体的主要成分为水或乙醇
145.根据权利要求136至144中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件包括含有单个燃烧室的单个转子和位于所述转子内的所述内部中间冷却器,以在所述单个转子绕所述转子轴线旋转时使所述燃烧室和相关联的所述压缩通道的质量至少部分地平衡。
146.根据权利要求53至145所述的转子组件,其中,所述转子组件还包括马达,所述马达连接至所述转子并且构造成在使用中在开始起动时将所述转子旋转直至所需速度。
147.根据权利要求146所述的转子组件,其中,所述马达为电动马达。
148.根据权利要求147所述的转子组件,其中,所述马达为安装在所述转子壳体内的轴向磁通马达。
149.根据权利要求148所述的转子组件,其中,所述马达还构造成在所述转子减速时或在存在有会以其他方式使所述转子加速的流体力的情况下用作发电机
150.根据权利要求146所述的转子组件,其中,所述马达为内燃发动机。
151.根据权利要求146所述的转子组件,其中,所述马达为由流体压力驱动的涡轮
152.根据权利要求146所述的转子组件,其中,所述马达为由旋转扭矩提供装置驱动的带或齿轮传动装置。
153.根据权利要求53至152中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件还包括适于在所述气体进入所述转子之前对所述气体进行压缩的外部压缩机
154.根据权利要求153所述的转子组件,其中,所述外部压缩机为动力/涡轮机类型的压缩机。
155.根据权利要求153所述的转子组件,其中,所述外部压缩机为轴流式压缩机。
156.根据权利要求153所述的转子组件,其中,所述外部压缩机为离心式压缩机。
157.根据权利要求153至156中任一项所述的转子组件,其中,所述外部压缩机构造成至少部分地由动力/涡轮机类型的外部涡轮驱动。
158.根据权利要求153至156中任一项所述的转子组件,其中,所述外部压缩机构造成至少部分地由电动马达或马达/发电机驱动。
159.根据权利要求153至158中任一项所述所述的转子组件,其中,所述转子组件构造成使得在使用中所述外部压缩机是在所述转子起动后加速之前或所述转子起动后加速期间运行的,以保持气体在所述至少一个燃烧室内开始燃烧之前流动通过所述转子。
160.根据权利要求159所述的转子组件,其中,所述转子组件构造成使得在使用中所述外部压缩机的运行通过对在所述转子旋转时流动通过所述转子的气体压缩致热来预加热所述至少一个燃烧室中的气体。
161.根据权利要求159或权利要求160所述的转子组件,其中,所述转子组件构造成使得在使用中燃料喷射到所述至少一个燃烧室内的预加热的热气体中并且自动点燃。
162.根据权利要求53至161中任一项所述的转子组件,还包括燃烧器,所述燃烧器构造成在所述气体进入到所述转子中并且在所述转子内开始燃烧之前通过与燃料一起燃烧而对所述入口气体进行预加热。
163.根据权利要求53至161中任一项所述的转子组件,还包括电动加热器,所述电动加热器构造成在所述气体进入到所述转子并且在所述转子内开始燃烧之前对所述入口气体进行预加热。
164.根据权利要求53至160中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件构造成使得所述入口气体/燃料混合物在所述转子燃烧气体出口处点燃,从而通过所述入口气体/燃料混合物流使燃烧往回传播至所述至少一个燃烧室。
165.根据权利要求164所述的转子组件,其中,在所述转子燃烧气体出口的下游设置有诸如排气控制之类的可变流量限制器,以限制所述流的速率,从而允许通过所述流使所述燃烧往回传播至所述至少一个燃烧室。
166.根据权利要求164或权利要求165所述的转子组件,其中,所述转子组件构造成使得初始点燃是通过将具有比空气低的平均分子量的气态燃料喷射到所述旋转转子的所述至少一个燃烧室中以产生朝向所述转子燃烧气体出口流动的可燃混合物来实现的。
167.根据权利要求166所述的转子组件,其中,所使用的燃料主要为氢气或甲烷气。
168.根据权利要求159至167中任一项所述的转子组件,其中,所述燃料在点燃后被改变成不同的燃料。
169.根据权利要求159至168中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件构造成使得气态燃料被供给至所述转子直到发生燃烧为止。
170.根据权利要求1至169中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件构造成使得燃料以比所述燃烧室气体入口的半径小的半径喷射到所述至少一个燃烧室中。
171.根据权利要求170所述的转子组件,其中,所述燃料是在相比于所述至少一个燃烧室的旋转前侧更为靠近所述至少一个燃烧室的旋转后侧的位置处喷射的。
172.根据权利要求1至171中任一项所述的转子组件,其中,所述至少一个燃烧室或至少一个相关联的所述膨胀通道或所述至少一个燃烧室和至少一个相关联的所述膨胀通道两者还包括多个小的孔口或多孔壁,所述多个小的孔口或多孔壁构造成使得气体和/或燃料能够被喷射通过所述多个小的孔口或多孔壁,以在使用中对所述燃烧室或所述膨胀通道或所述燃烧室和所述膨胀通道两者进行部分地或全部地蒸腾冷却。
173.根据权利要求172所述的转子组件,其中,所述内部中间冷却器构造成中间冷却用于对所述转子内的所述燃烧器或所述膨胀通道中的一者或两者进行蒸腾冷却的所述入口气体。
174.根据权利要求173所述的转子组件,其中,所述内部中间冷却器构造成使得用于对所述燃烧器或所述膨胀通道或所述燃烧器和所述膨胀通道两者进行蒸腾冷却的所述气体比进入所述燃烧室但未用于蒸腾冷却的所述气体在所述转子内被中间冷却更大的径向跨距。
175.根据权利要求172至174中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件还包括分开的高压转子气体入口,所述分开的高压转子气体入口构造成供给用于对所述至少一个燃烧室或所述膨胀通道或所述至少一个燃烧室和所述膨胀通道两者进行蒸腾冷却的空气。
176.根据权利要求1至175中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件还包括燃料喷射器,所述燃料喷射器构造成用于在所述燃烧气体朝向所述转子轴线流动通过所述至少一个膨胀通道从而膨胀并冷却时将额外的燃料喷射到所述燃烧气体中。
177.根据权利要求1至176中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件还包括外部燃烧器,所述外部燃烧器构造成在所述燃烧气体已经离开所述转子之后将额外的燃料喷射到所述燃烧气体中并使所述额外的燃料燃烧。
178.根据权利要求1至177中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件还包括构造成在所述入口气体进入所述转子之前对所述入口气体进行过滤的至少一个外部入口气体过滤器
179.根据权利要求178所述的转子组件,其中,所述外部气体过滤器在大气压力下或低于大气压力下过滤空气。
180.根据权利要求53至179中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件还包括推进喷嘴,所述转子燃烧气体出口构造成将来自所述转子的加压的燃烧气体供给至所述推进喷嘴,所述喷嘴构造成使气体膨胀以提供推进力。
181.根据权利要求53至180中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件还包括外部涡轮,所述转子燃烧气体出口构造成将在所述转子内产生的加压的燃烧气体供给至所述外部涡轮,其中,所述加压的燃烧气体能够膨胀以向负载供给机械动力。
182.根据权利要求181所述的转子组件,其中,所述外部涡轮包括单个轴。
183.根据权利要求181或权利要求182所述的转子组件,其中,所述外部涡轮包括单个径向流入式外部涡轮。
184.根据权利要求181所述的转子组件,其中,所述外部涡轮包括各自以不同的速度旋转的多个轴。
185.根据权利要求181至184中任一项所述的转子组件,其中,所述外部涡轮在所述外部涡轮的一级或多级上结合有可变入口导引叶片,所述可变入口导引叶片构造成在所述发动机运行期间能够调节。
186.根据权利要求181至185中任一项所述的转子组件,其中,所述外部涡轮包括一级或多级径向流入式涡轮,所述一级或多级径向流入式涡轮具有构造成在所述发动机运行期间能够调节的可变入口导引叶片。
187.根据权利要求184至186中任一项所述的转子组件,其中,所述外部涡轮包括绕共用的旋转轴线沿相反的方向旋转的至少两个反向地旋转的轴。
188.根据权利要求187所述的转子组件,其中,所述外部涡轮为也被称为容式涡轮的多级径向流出式涡轮。
189.根据权利要求188所述的转子组件,其中,所述容式涡轮中的一个盘状件附接至所述转子,使得在使用中燃烧气体从所述转子燃烧气体出口管穿过所述盘状件进入所述容式涡轮。
190.根据权利要求1至188中任一项所述的转子组件,其中,所述转子燃烧气体出口结合有一个或多个扭矩产生喷嘴,所述一个或多个扭矩产生喷嘴构造成对绕所述转子轴线流出的所述转子燃烧气体赋予质量比动量,并且所述转子燃烧气体的质量比角动量具有与所述转子的角动量相反的取向,以在所述转子上产生至少部分地驱动所述转子旋转的反作用扭矩。
191.根据权利要求190所述的转子组件,其中,所述扭矩产生喷嘴构造成使得所述燃烧气体的绕所述转子轴线离开所述扭矩产生喷嘴的质量比角动量在使用中被平均成小于所述转子内气体的最大质量比角动量的-0.1%。
192.根据权利要求190或权利要求191所述的转子组件,还包括外部涡轮,并且其中,所述扭矩产生喷嘴构造成使得在使用中使离开所述扭矩产生喷嘴的部分膨胀的燃烧气体随后被引导成通过所述外部涡轮进一步膨胀。
193.根据权利要求192所述的转子组件,其中,所述外部涡轮构造成绕与所述转子轴线大致一致的旋转轴线但沿与所述转子相反的方向旋转。
194.根据权利要求189至193中任一项所述的转子组件,其中,所述转子马达还构造成用作发电机,以通过由所述容式涡轮的盘状件或替代性地通过附接至所述转子的所述扭矩产生喷嘴赋予的反作用扭矩来产生电力。
195.根据权利要求101至194中任一项所述的转子组件,其中,所述转子轴承具有足够低的径向刚度,使得转子轴承系统的径向振动基本固有频率低于所述转子的最大工作角频率。
196.根据权利要求195所述的转子组件,其中,所述转子还包括一个或多个自动平衡器,所述一个或多个自动平衡器构造成使得在以高于所述径向振动基本固有频率的转子角频率运行时,所述一个或多个自动平衡器趋于使所述转子的质量中心朝向所述转子轴线移动。
197.根据权利要求196所述的转子组件,其中,所述自动平衡器包括在所述转子内围绕所述转子轴线的一个或多个回转腔,每个回转腔均容纳构造成绕所述腔的圆周自由地滚动的多个大致相同的滚子。
198.根据权利要求197所述的转子组件,其中,所述自动平衡器的所述腔除了所述滚子之外还部分地或全部地填充有液体。
199.根据权利要求196至198中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件具有单个自动平衡器,所述单个自动平衡器大致定位在与所述转子的在运行期间的质量中心相同的垂直于所述转子轴线的平面中。
200.根据权利要求196至198中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件具有两个自动平衡器,所述两个平衡器定位成使得所述转子的在运行期间的质量中心轴向地位于所述两个自动平衡器之间。
201.根据权利要求1至200中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件构造成安装在所述交通工具内,其中,所述转子轴线与下述轴线大致对准:所述交通工具的最快旋转运动大体上绕该轴线发生。
202.一种交通工具,包括:
根据权利要求1至200中任一项所述的转子组件;
平台,所述平台安装在所述交通工具内,以及
万向节,所述万向节连接至所述平台;
所述转子组件安装在所述万向节内以允许所述转子轴线在附接有所述万向节的所述平台绕所述转子轴线旋转时保持恒定的取向。
203.一种发动机,包括根据权利要求1至201中任一项所述的转子组件,其中,所述转子组件还包括外部涡轮,大气气体通过所述外部涡轮膨胀以使所述大气气体在进入所述转子之前压力降低。
204.根据权利要求203所述的包括转子组件的发动机,还包括回热器或同流换热器,所述回热器或同流换热器构造成在将要穿过所述外部涡轮的气体进入所述转子之前以及在所述气体排出之前将热量从离开所述转子的燃烧气体传递至将要穿过所述外部涡轮的气体。
205.根据权利要求204所述的发动机,还包括发动机外部中间冷却器,所述外部中间冷却器构造成在所述气体穿过所述外部涡轮膨胀之后并且在进入所述转子之前对所述气体进行冷却。
206.根据权利要求203至205中任一项所述的发动机,所述发动机构造成使得离开所述转子的燃烧气体的一部分被运送穿过所述外部涡轮并且在所述外部涡轮中膨胀,以与被运送穿过所述外部涡轮并且在所述外部涡轮中膨胀的入口气体混合,经混合的气体被运送穿过所述外部中间冷却器并且随后运送至所述转子中。
207.一种交通工具,所述交通工具内安装有根据权利要求1至206中任一项所述的转子组件,所述转子组件的所述旋转轴线与下述轴线大致对准:所述交通工具的最快旋转运动绕该轴线发生。
208.根据权利要求1至207中任一项所述的发动机,其中,所述气体主要地或全部地由空气组成。

说明书全文

用于开式循环发动机转子组件和开式循环发动机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种开式循环燃气涡轮发动机。更具体地,本发明涉及一种用于开式循环燃气涡轮发动机的压增益转子(下文为“转子”)组件,该压力增益转子组件具有至少一个转子,所述至少一个转子在阻减小壳体内绕转子轴线旋转,并且该转子包含至少一个压缩通道和膨胀通道,所述至少一个压缩通道提供使空气从位于转子轴线处或转子轴线附近的一个或多个空气入口流动至远离转子轴线的至少一个燃烧室的管道,在该管道中,空气通过借助燃料的燃烧而被加热,该膨胀通道连接至每个所述燃烧室,所燃烧的气体通过该膨胀通道膨胀以通过转子轴线处或转子轴线附近的一个或多个燃烧气体出口以相对于转子空气入口升高的压力离开转子,转子的燃烧气体出口能够连接至外部涡轮,燃烧气体通过该外部涡轮可以膨胀以产生功,转子与外部涡轮结合形成燃气涡轮发动机。

背景技术

[0002] 热力发动机利用经受连续或循环的热力学过程的工作流体比如空气来产生机械功输出。在大多数发动机中,工作流体被压缩,随后在该工作流体膨胀以产生净功输出之前向该工作流体添加热能。使压缩量或所添加的热能的量增大通常用作增大效率。通常,对该热力发动机而言,最期望的组合特性为具有紧凑的尺寸、较小的质量、较低的成本以及较高的效率。此外,对各种燃料操作的能力对一些应用而言可能是有利的。下文将给出典型的热力发动机的示例。
[0003] 内燃发动机
[0004] 最为常见的发动机为内燃发动机(IC),其中,工作流体空气或空气燃料混合物通过活塞运动在封闭的容积中被压缩并且随后在抵靠活塞膨胀以提取功之前通过点燃空气燃料混合物(火花点燃)或通过引入并燃烧燃料(柴油)而被加热。尽管无损耗内燃发动机的理论效率可能较高,但实际上存在有使其效率降低的许多损耗机理,包括:从气体至发动机壁部的不期望的热传递、移动部件之间的摩擦力、由高流速和湍流引起的和通道中的流动损失。
[0005] 柴油发动机通常是最具效率的内燃发动机,并且在汽车中效率高达大约40%、在货车中为45%并且在非常大的轮船发动机中稍高于50%。然而,柴油机同样具有许多严重的缺点:柴油机通常需要振动和噪音抑制系统,柴油机产生了要被重且大的冷却器消散的许多废热,柴油机可能产生需要排放处理系统处理的不可接受的排放,柴油机通常还是大且重的,使得它们对许多应用而言是不适用的。因此,本发明的目的是提供一种发动机,该发动机与IC发动机相比是高效率的、相对较安静的并且是无振动的,同时该发动机与内燃发动机相比不需要或仅需要相对较少的废气排放处理。
[0006] 频繁地开发内燃发动机以利用诸如柴油、乙醇天然气之类的特定燃料制剂,但这些内燃发动机在一些情况下可能不能运行于其他燃料、即使在这些其他燃料出于成本、可得性或降低排放的原因而可能是更优选的情况下。因此,本发明的目的是提供一种发动机,该发动机在进行最小修改的情况下具有允许以多种燃料运行的可能性或者至少向公众提供有用的选择。
[0007] 燃气涡轮
[0008] 简单的循环燃气涡轮(GT)发动机基于理想的热力学布雷顿循环,其中,气体经受绝热压缩、接着经受等压加热、绝热膨胀和最终的等压放热。实际上,GT发动机通常使用涡轮压缩机来压缩周围空气并且将周围空气在压力下传送至燃烧室,燃料在燃烧室中以近似恒定的压力燃烧从而产生燃烧气体,燃烧气体随后通过涡轮而膨胀,在该涡轮处提取功以驱动压缩机并且提供外部载荷
[0009] GT发动机的效率通常在增大压缩机的压力比的情况下增大,但材料温度限制以及压缩机和涡轮的低效限制了实际的最大压力比和效率。实际上,GT发动机可以在大型发动机(高于10MW)中实现大约40%的效率,而在小型发动机中的更低的压缩机和涡轮的效率通常明显降低效率、可能以100kW的亚范围中的功率级降低,除非GT发动机比如在回热布雷顿循环中与重且大的高温热交换器结合。
[0010] GT发动机被广泛采用在飞行器、轮船和发电站中,其中,GT发动机与IC发动机相比具有一些主要的优点,包括:较高的功率与质量的比——在需要较少的外部冷却或者不需要外部冷却的情况下可以超过10kW/kg。但GT发动机在与具有类似功率的IC发动机相比时也具有许多缺点:GT发动机通常效率较低并且由于具有由昂贵的材料制成的高度精密部件而更昂贵。GT发动机的转子还具有较大的动量,这通常使得GT发动机起动较慢并且对于需求变化的响应相对较慢。GT发动机还通常具有相对有限的最大效率与最低功率输出的比。
[0011] 这些缺点严重限制GT发动机的常见用途的应用。因此,本发明的目的是提供一种发动机,该发动机享有GT发动机的许多优点,同时减少了所列举的缺点,并且因此增大应用范围,对于这些应用范围,本发明的发动机适于或至少向公众提供有用的选择。
[0012] 在GT发动机中,气体的连续压缩及膨胀通常是利用一个或多个压缩机和涡轮级来分别实现的。压缩机和涡轮级为GT发动机低效的主要来源。
[0013] 在每个压缩机级中,通常为空气的工作流体的压力由于功输入而增大,该功输入通常产生速度增大随后产生扩散过程以将所增大的流体速度转换成增大的压力。该过程在轴流式或离心式压缩机(涡轮压缩机)中连续执行,该压缩机具有相对彼此旋转的部件,从而赋予工作流体连续的速度和压力变化。
[0014] GT压缩机通常具有相对较小范围的流率,GT压缩机在该流率范围上由于叶片失速声波窒息(sonic choking)而可以保持接近于其最大压力比。这用作限制功率输出的范围,在该功率输出的范围上可以保持高GT发动机效率。因此,本发明的目的为提供一种用于实现连续压缩过程的方法,在该方法中,可以以在小型发动机和大型发动机两者中的非常高的效率在更大范围的流率内保持高压力比,并且在该方法中,可以有效地获得发动机的较大范围的功率输出或至少向公众提供有用的选择。
[0015] 在每个GT涡轮级中,工作流体——通常大多数为与燃料燃烧产品结合的空气——随着膨胀气体产生功输出而经受压力和温度的降低。该过程可以在具有相对彼此旋转的部件的轴流式或径向流入式涡轮中连续地执行,从而赋予工作流体连续的速率和压力变化。
[0016] 为了实现高效率,一些具有大于10MW输出的GT发动机以高达1600℃的涡轮入口温度——该温度远远超过制成GT发动机的材料的熔化温度——操作,并且GT发动机依赖于非常错综复杂的冷却方法以允许GT发动机继续使用。由于许多经济和物理因素,这些冷却方法通常不适用于较小的发动机,从而通常在相对较小的燃气涡轮发动机(小于1MW输出)中将最大燃烧温度限至小于1000℃,并且因此,限制了可实现的效率。因此,本发明的目的是提供一种用于使燃烧气体连续膨胀的方法,其允许在相对较低功率输出的发动机中利用高燃烧气体温度或者至少向公众提供有用的选择。
[0017] 传统的GT压缩机和涡轮通常使气体以每秒几百米的速度流动通过GT压缩机和涡轮,并且经受在常规的涡轮机内可能降低整体压缩及膨胀效率的许多低效和损耗机理。这些损耗包括:密封件轴承中的机械摩擦、由于气体粘性而主要与高流速和/或小横截面流动通道流体摩擦相关联的粘性气体损失、使压力消散的扰动、从高压区域至低压区域的气体泄漏,比如,气体在叶片的端部上从高压侧向低压侧泄漏的叶片末端损失以及流体速度的降低未完全转换成压力增大以及不期望的热传递的扩散损失,该不期望的热传递为在压缩期间增加热量或者在膨胀期间提取热量。大多数这些损失在较小的压缩机和涡轮中通常是更大的,导致小型燃气涡轮发动机相对于具有类似功率输出的内燃发动机而言具有更低的效率。因此,本发明的目的是提供一种下述发动机:在该发动机中,可以以比常规的压缩机和涡轮中的效率更高的效率实现整个流体压缩及膨胀过程,从而产生与类似功率输出的常规GT发动机相比具有更高效率的发动机,或者至少向公众提供有用的选择。
[0018] 在许多需要使用昂贵材料和制造过程的情况下,涡轮压缩机和涡轮级中的转子叶片定子叶片通常承受较大的载荷并且可能需要形成精确的空气动力学形状。此外,为了实现高发动机压力比,需要许多级,这进一步增加了成本。这在一些应用中可能限制GT压力发动机的经济可行性。因此,本发明的目的是降低用于以高压力比实现连续压缩及膨胀过程的部件的整体成本,并且从而将整体成本降低到相当的常规GT发动机的成本以下,或者至少向公众提供有用的选择。
[0019] 通常大于1600K的高燃烧温度明显导致不期望的氮化合物(NOx)排放的形成,特别在与高压和较长的燃烧停留时间结合的情况下更是如此,在停留时间内空气保持在燃烧期间的高温下。然而,高温和高压通常还与高发动机效率相关联。因此,本发明的目的是提供一种用于实现高效率的同时限制NOx产生的可能性,或者至少向公众提供有用的选择。
[0020] GT发动机通常在快速旋转的压缩机和涡轮中具有大量的旋转动能,并且为了改变这些较重的压缩机和涡轮的速度所需的这种动能通常导致对改变功率需量相对较慢的响应,这对一些应用而言可能是有问题的。
[0021] 较大的GT发动机通常与由GT废气加热的蒸汽驱动的蒸汽轮机结合成具有高达60%的热效率的联合循环发电设施,打折的燃料电池是目前能够从氢燃料生产电力广泛获得最高效率的燃料,其通常用于电力生产以及在一些情况下用于船舶推进。尽管高效且相对较低成本的联合循环发电设施使得其对电力生产具有经济吸引性,但仍然具有一些不具吸引力的属性:缺少来自环境冷却塔中的源的利用大气来冷却的大容积的冷却,冷却塔通常较大并且会明显增加维护成本;在汽轮机、蒸汽和气体部件中储存的动能和储存的热能的量非常高,从而导致对改变功率需量极度缓慢的响应和通常以小时计的起动时间,这可能在响应于电力供给网络中的可变需量或生产要求时产生问题并且还可能在船舶推进时偶尔出现问题。因此,本发明的目的是提供具有将高效和快速响应于功率需量变化相结合的发动机,或者至少向公众提供有用的选择。
[0022] 联合循环发电设施在大于100MW输出的尺寸方面是最有效的,并且在较小尺寸方面的较低效率通常导致优选更大的尺寸。但这种大发电设施通常被认为是不够美观的并且占用了大量土地面积,从而需要大功率的输电网络连接、大容量燃料供给并且对环境施加了非常大的局部热载荷。所有这些因素通常导致这种发电设施远离城市和城镇选址并且花费较长时间来规划、批准和建设,同时还使得增增加输电损耗并且花费了大功率输电基础设施,这对用户而言,合起来明显增大了用电成本。因此,本发明的目的是提供一种下述发动机:该发动机可以以小得多的尺寸与联合循环发电设施相比具有竞争力的效率来发电,该发动机可以更容易靠近城市和城镇或在城市和城镇内选址,同时减少了安装该发动机所需的时间,该时间远远低于安装联合循环发电设施所需的时间,或者至少向公众提供有用的选择。
[0023] 多种工业生产过程需要压缩空气的供给。压缩空气通常是由相对较低效率且昂贵的过程例如电动达或驱动压缩机的发动机来产生的。另外,对于相同量的能量,电力的成本通常是燃料的成本的数倍。因此,本发明的目的是提供一种利用燃烧燃料作为能量源来产生压缩空气的装置,并且以能够比有竞争力的空气压缩技术相比更低的成本来产生压缩空气,或者至少向公众提供有用的选择。
[0024] 本发明的另外的目的和优点将在说明书的以下部分中展示,其中,这种详细的描述是出于全面公开本发明的优选实施方式的目的而非将本发明限于这些优选实施方式。
[0025] 背景技术的论述(包括任何潜在的现有技术)不应视为是对公知常识的认可。

发明内容

[0026] 在第一方面中,本发明可被广泛地认为包括用于发动机的转子组件,该转子组件包括:
[0027] 转子,所述转子支承在一个或多个轴承上,所述一个或多个轴承构造成允许所述转子绕转子轴线旋转,所述转子的一部分形成至少一个压缩通道,所述至少一个压缩通道从所述转子轴线向外延伸,气体通过位于所述转子轴线处或所述转子轴线附近的转子气体入口进入所述转子,并且所述气体随着所述转子旋转而从所述转子气体入口向外流动通过所述一个或多个压缩通道从而经受压缩;
[0028] 一个或多个燃烧室,所述一个或多个燃烧室各自位于并支承在位于所述转子的距所述转子轴线的最大半径处或最大半径附近的压缩通道内,每个燃烧室均具有封闭的径向最外端部和围绕所述燃烧室分布的一个或多个燃烧室气体入口,气体通过所述一个或多个燃烧室气体入口进入所述燃烧室,每个燃烧室还具有至少一个燃料入口,所述至少一个燃料入口适于允许燃料进入所述燃烧室并且在所述燃烧室中与所述气体混合并燃烧;
[0029] 一个或多个膨胀通道,所述一个或多个膨胀通道各自与所述压缩通道内的所述燃烧室流体连接并且从所述燃烧室径向向内延伸,并且所述一个或多个膨胀通道在所述转子轴线处或所述转子轴线附近流体连接至沿着所述转子轴线延伸的燃烧气体出口管,在使用中,通过所述燃料与入口气体在所述燃烧室内的燃烧而产生的燃烧气体随着所述燃烧气体径向向内流动通过所述膨胀通道而膨胀。
[0030] 优选地,所述至少一个燃烧室的所述外端部的外表面结合有外部凹槽,气体通过所述外部凹槽流动至所述燃烧室入口。
[0031] 优选地,所述至少一个燃烧室在所述外端部的径向最外点处具有单个燃烧室气体入口。
[0032] 优选地,所述燃烧室气体入口还构造成用于在使用中喷射燃料。
[0033] 优选地,所述至少一个燃烧室的壁部在所述燃烧室气体入口周围的区域中较厚。
[0034] 优选地,所述至少一个燃烧室在距所述转子轴线大致恒定半径处具有绕所述燃烧室间隔开的多个燃烧室气体入口孔。
[0035] 优选地,所述至少一个燃烧室的气体入口是朝向所述燃烧室的所述外端部形成的,所述燃烧室的所述外端部的外表面结合有外部凹槽,气体通过所述外部凹槽流动至所述燃烧室气体入口。
[0036] 优选地,燃料是通过所述燃烧室气体入口中的一个或多个燃烧室气体入口喷射到所述至少一个燃烧室中的。
[0037] 优选地,所述至少一个燃烧室还包括位于所述外端部的部分内表面或全部内表面上的隔热层
[0038] 优选地,每个燃烧室均具有圆顶形最外端部。
[0039] 优选地,所述至少一个燃烧室的内端部从凸状的圆顶形外端部过渡至横截面面积比所述燃烧室的最大横截面面积小的膨胀通道。
[0040] 优选地,所述压缩通道与所述膨胀通道是大致径向对准的。
[0041] 优选地,所述至少一个燃烧室的所述圆顶形外端部保持在由所述压缩通道的所述外端部形成的互补的径向面向内的凹状杯形部内,在所述燃烧室与所述凸状杯形部之间安置有燃烧室夹层,所述燃烧室夹层形成为响应于所施加的应力是柔顺的/可变形的。
[0042] 优选地,所述至少一个燃烧室夹层结合有隔热件。
[0043] 优选地,所述至少一个燃烧室夹层结合有金属材料和非金属材料。
[0044] 优选地,所述至少一个燃烧室夹层结合有由来自下述清单中的一种或多种成分制成的元件,所述清单包括粉末、纤维和线材。
[0045] 优选地,所述至少一个燃烧室夹层结合有二氧化硅酸硅酸钙中的一者或多者。
[0046] 优选地,所述至少一个燃烧室夹层结合有在所述转子运行期间能够塑性变形或流动的可塑性流动的材料或液体。
[0047] 优选地,所述燃烧室夹层包括密封的双层壁金属外壳,所述密封的双层壁金属外壳容纳大致在所述双层壁金属外壳内能够移动的可塑性变形的材料或液体。
[0048] 优选地,冷却剂流体循环通过所述密封的双层壁金属外壳。
[0049] 优选地,所述燃烧室夹层结合有与所述燃烧室接触的金属圆顶形外壳。
[0050] 优选地,所述至少一个燃烧室包括用于使到所述燃烧室外部的气体的热传递速率增大以对所述燃烧室进行冷却的装置。
[0051] 优选地,所述用于增大热传递速率的装置为外表面特征,所述外表面特征构造成增大所述燃烧室的外表面面积。
[0052] 优选地,所述用于增大热传递速率的装置为外表面凹槽,气体流动通过所述外表面凹槽。
[0053] 优选地,所述至少一个燃烧室构造成使到所述燃烧室外部的气体的热传递的速率增大以对所述燃烧室进行冷却。
[0054] 优选地,所述燃烧室的所述外表面包括使所述燃烧室的所述外表面面积增大的特征。
[0055] 优选地,所述特征为外表面凹槽,气体流动通过所述外表面凹槽。
[0056] 优选地,所述至少一个燃烧室是至少部分地由陶瓷材料制成的。
[0057] 优选地,所述至少一个燃烧室是至少部分地由碳化硅、氮化硅、多铝红柱石和氧化铝中的至少一者制成的。
[0058] 优选地,所述转子的形成所述至少一个压缩通道的所述部分是至少部分地由纤维加强聚合物复合材料制成的。
[0059] 优选地,所述至少一个压缩通道的至少部分长度、优选地所述至少一个压缩通道的全部长度具有随着距所述转子轴线的半径朝向所述转子的最大半径增大而向内渐缩的内表面,使得内壁具有曲面法线,所述曲面法线在所有区域点至少部分地朝向所述转子轴线。
[0060] 优选地,所述至少一个压缩通道的壁厚随着距所述转子轴线的径向距离朝向所述转子的最大半径增大而减小。
[0061] 优选地,所述至少一个压缩通道具有不透气的内壁涂层。
[0062] 优选地,所述至少一个压缩通道的至少径向最外部分包括金属内衬
[0063] 优选地,所述金属内衬是由径向重叠的箔片环中的至少一层箔片环形成的,所述径向重叠的箔片环各自在其径向最内端部处结合至所述压缩通道的所述内衬。
[0064] 优选地,所述金属内衬是由螺旋形的箔片螺旋件形成,所述螺旋件的每个相继圈均与一个或多个先前圈重叠。
[0065] 优选地,在所述至少一个压缩通道的所述内衬上形成有间隔开的突出部,所述突出部用于沿着每个箔片环或螺旋形的箔片螺旋件的大部分长度保持隔热空气间隙。
[0066] 优选地,在所述至少一个压缩通道的壁部内嵌有用于形成冷却剂流体歧管的多个冷却剂流动通道,所述冷却剂流动通道沿着所述压缩通道延伸并延伸到所述外端部之上及周围并且由包覆所述内衬的纤维加强聚合物复合材料支承,在使用中,冷却剂流动通过所述歧管以对所述金属内衬进行冷却。
[0067] 优选地,所述冷却剂流动通道大致均匀地间隔开并径向对准,并且大致依循所述燃烧室的所述圆顶形外端部的弯曲轮廓。
[0068] 优选地,所述冷却剂流动通道结合至所述至少一个压缩通道的所述金属内衬。
[0069] 优选地,所述冷却剂流动通道从冷却剂分配管和冷却剂收集管径向向外延伸,所述冷却剂分配管和所述冷却剂收集管各自位于距所述转子轴线大致恒定的半径处。
[0070] 优选地,接合在包覆有纤维加强聚合物复合材料的张紧结构内的多个内衬锚定件结合至并分配在下述清单中的一者或多者的外表面上,该清单包括所述压缩通道的所述内衬、所述冷却剂流动通道、所述箔片环、螺旋形的箔片螺旋件,所述内衬锚定件构造成对结合至壁部锚定件的部件提供结构性支承。
[0071] 优选地,所述转子组件还包括位于所述至少一个压缩通道中的燃烧室罩,所述罩的外端部与所述燃烧室的所述外端部的基部的周界是大致相连的但位于所述燃烧室的所述外端部的所述基部的所述周界外部,使得在所述燃烧室的外表面与所述罩之间具有空气间隙,所述罩具有收缩的腰部区域,气体径向向外流动通过所述收缩的腰部区域。
[0072] 优选地,所述燃烧室罩在所述燃烧室罩的径向最内端部处和/或在所述燃烧室罩的径向最外端部处和/或在沿着所述燃烧室罩的长度的多个位置处被支承离开所述内衬。
[0073] 优选地,所述燃烧室罩部分地或全部地由下述清单中的一者或多者制成,该清单包括陶瓷、陶瓷基复合材料、金属基复合材料合金、超合金和高强
[0074] 优选地,所述至少一个膨胀通道的径向外部部段形成为所述燃烧室的一部分,所述膨胀通道的径向内部部段与所述膨胀通道的径向外部部段分开地形成并且通过径向膨胀接合部流体连接至所述径向外部部段,所述径向膨胀接合部调节所述径向内部部段与所述径向外部部段之间的相对径向运动的同时还提供部分的或完全的流体密封,从而限制燃烧气体泄露到所述压缩通道中。
[0075] 优选地,所述膨胀通道的所述径向外部部段的至少内表面在其径向延伸的至少一些部分上朝向所述转子轴线向内渐缩。
[0076] 优选地,所述膨胀通道的所述径向内部部段是由金属制成的。
[0077] 优选地,所述膨胀通道的所述径向外部部段的至少一部分是由陶瓷材料制成的。
[0078] 优选地,所述至少一个膨胀通道在大于所述燃烧室气体入口的半径的50%的位置处具有最小横截面流动面积。
[0079] 优选地,所述膨胀通道和/或所述燃烧室气体出口管的至少一部分是隔热的,以减小从所述燃烧气体到经受压缩的气体的热传递的速率。
[0080] 优选地,位于所述至少一个膨胀通道与所述至少一个燃烧气体出口管之间的弯曲部容纳内部流动叶片。
[0081] 优选地,所述转子组件还包括转子壳体,所述转子壳体形成回转外壳,所述转子在所述回转外壳内旋转,所述转子壳体于所述转子壳体的在所述转子轴线上的一个轴向端部或两个轴向端部处具有转子壳体开口,流体能够通过所述转子壳体开口进入和/或离开所述转子。
[0082] 优选地,所述转子壳体填充有相对于环绕所述转子壳体的环境大气具有较低密度的转子壳体气体,所述转子壳体气体被转子真空密封件保持成在转子运行期间与环境大气部分地或完全地流体隔离,所述转子真空密封件在所述转子壳体开口处或所述转子壳体开口附近提供所述转子与所述转子壳体之间的旋转密封。
[0083] 优选地,所述转子壳体气体具有比空气低的平均分子量。
[0084] 优选地,所述转子壳体气体主要或全部由选自下述清单中的一种或多种气体组成,该清单包括氢气、氦气、甲烷气、蒸气和气。
[0085] 优选地,所述转子壳体具有构造成用于附接至真空使得所述转子壳体内部的气体能够被排空的真空泵入口。
[0086] 优选地,所述真空泵入口形成真空泵入口扩散器的外端部,所述真空泵入口扩散器定形和定向成使得所述扩散器恢复所述转子壳体气体的一些速度并且将所述转子壳体气体的所述一些速度转换成所述真空泵入口处增大的压力。
[0087] 优选地,所述转子组件还包括真空泵,所述真空泵构造成非连续地操作,并且所述真空泵能够在所述壳体内实现了足够低的压力时停止。
[0088] 优选地,所述转子壳体气体处于相对于环境空气减小的压力。
[0089] 优选地,所述转子壳体是至少部分地由纤维加强聚合物材料和/或陶瓷材料构成的。
[0090] 优选地,所述燃烧气体出口管的所述外端部的至少一部分延伸到燃烧气体出口中或形成燃烧气体出口的一部分。
[0091] 优选地,所述燃烧气体出口管同心地定位在转子气体入口内。
[0092] 优选地,所述转子具有两个转子气体入口,所述燃烧气体出口管穿过所述转子气体入口中的一个转子气体入口,转子燃料入口穿过所述转子气体入口中的另一转子气体入口。
[0093] 优选地,所述转子组件具有在旋转转子的燃烧气体出口与相邻的转子气体入口之间密封的转子燃烧气体出口旋转密封件。
[0094] 优选地,所述转子燃烧气体出口旋转密封件结合有下述密封件中的一者或多者:刷式密封件、气体或液体润滑的面密封件、迷宫式密封件、聚合物唇式密封件和动态密封件。
[0095] 优选地,所述转子燃烧气体出口旋转密封件结合有使用水或油作为阻隔液体并且作为冷却剂的动态密封件。
[0096] 优选地,在所述燃烧气体与所述转子燃烧气体出口旋转密封件之间置有诸如迷宫式密封件、刷式密封件或气体润滑的面密封件之类的间隙密封件,以减小所述转子燃烧气体出口旋转密封件直接暴露至的气体的温度。
[0097] 优选地,所述至少一个压缩通道是部分地由金属或陶瓷材料制成的并且通过聚合物复合材料带抵抗离心反作用力被保持,所述聚合物复合材料带与所述压缩通道的所述径向最外端部接触,所述压缩通道与所述聚合物复合材料带之间的相互接触区域由隔热层分开。
[0098] 优选地,所述聚合物复合材料带结合有在使用中冷却剂流体流动通过的冷却管。
[0099] 优选地,转子组件还包括构造成将所述至少一个压缩通道的所述径向最外端部内的燃烧室包覆的至少一个聚合物复合材料张紧结构。
[0100] 优选地,所述聚合物复合材料包括嵌在环氧树脂内的碳纤维、双马来酰亚胺或聚酰亚胺聚合物基。
[0101] 优选地,所述聚合物复合材料张紧结构还包括与所述聚合物复合材料张紧结构接触或嵌在所述聚合物复合材料张紧结构内的冷却管,在使用中,所述冷却剂流体流动通过所述冷却管。
[0102] 优选地,所述聚合物复合材料是至少部分地通过长丝缠绕过程来构造的。
[0103] 优选地,所述转子具有单个燃烧室和与所述燃烧室在直径方向上相对的配重元件,所述配重元件的外半径小于所述转子的最大半径。
[0104] 优选地,所述配重元件的半径小于所述转子的最大半径的90%。
[0105] 优选地,所述转子构造成使得在运行期间能够将制动气体或流体引入到所述转子壳体中,以使所述转子的旋转迅速地停止。
[0106] 优选地,制动气体或流体为水。
[0107] 优选地,所述转子真空密封件中的至少一个转子真空密封件为阻隔液体类型的密封件,所述阻隔液体在所述转子真空密封件的工作温度下具有低蒸汽压力。
[0108] 优选地,所述转子真空密封件中的至少一个转子真空密封件为位于所述转子壳体与所述转子之间的动态密封件,所述转子壳体还包括环形腔,所述转子真空密封件的至少一部分在所述环形腔内带间隙地旋转,所述环形腔至少部分地填充有所述阻隔液体。
[0109] 优选地,所述阻隔液体的蒸汽压力小于100Pa。
[0110] 优选地,所述阻隔液体还用于转子轴承润滑。
[0111] 优选地,所述旋转真空密封件中的至少一个旋转真空密封件中的阻隔液体是通过对密封部件进行冷却而被冷却的或者是通过循环经过远离所述转子真空密封件的冷却系统而被冷却的。
[0112] 优选地,蒸发的阻隔液体是通过使汽化的阻隔液体冷凝在所述转子壳体内的冷表面上而被冷却的。
[0113] 优选地,所述冷表面围绕所述转子轴线分布为环形或圆筒形的表面,所述环形或圆筒形的表面为迷宫式密封件或其他间隙密封件等的一部分。
[0114] 优选地,所述转子真空密封件结合有在所述转子停止和/或以一定范围的速度旋转时提供密封的磁性流体密封件。
[0115] 优选地,所述转子真空密封件结合有在所述转子停止和/或以一定范围的速度旋转时提供密封的聚合物密封元件。
[0116] 优选地,至少一个转子真空密封件结合有气体润滑的面密封件。
[0117] 优选地,在诸如波纹管或聚合物元件之类的轴向柔顺安装件上安装有至少一个气体润滑的面密封元件,所述轴向柔顺安装件允许所述面密封件的面以紧密间隙保持对准。
[0118] 优选地,至少一个转子气体入口构造成在转子真空密封件处或转子真空密封件附近具有最小的流动面积。
[0119] 优选地,至少一个转子气体入口还包括位于所述转子气体入口中的最小截面流动面积位置的下游处的入口扩散器。
[0120] 优选地,所述入口扩散器的总体形式大体上为轴线与所述转子轴线一致的截头圆锥。
[0121] 优选地,所述入口扩散器还包括至少部分地位于所述入口扩散器内部的径向叶片。
[0122] 优选地,至少一个转子气体入口或入口扩散器结合有气体入口导流器。
[0123] 优选地,所述气体入口导流器为径向叶片,所述径向叶片具有围绕所述转子轴线的可变螺旋扭曲部。
[0124] 优选地,所述转子组件还包括安装在所述转子壳体上的入口导引叶片,所述入口导引叶片用于在气体进入所述至少一个转子气体入口之前引起气体的旋动。
[0125] 优选地,所述入口导引叶片在所述发动机运行期间是可调节的。
[0126] 优选地,所述转子具有两个转子气体入口,所述两个转子气体入口中的一个转子气体入口面向所述转子的每个轴向端部,所述两个转子气体入口中的每个转子气体入口均具有相似的内径,使得在所述转子的每个端部处具有相似直径的转子真空密封件。
[0127] 优选地,所述燃烧气体出口管沿着所述转子气体入口并穿过所述转子气体入口的中心以形成所述转子的热端部,冷却剂流体入口和出口沿着所述转子气体入口中的第二转子气体入口并穿过所述第二转子气体入口的中心以形成所述转子的冷端部。
[0128] 替代性地,所述转子壳体具有都位于所述转子的同一轴向端部处的单个转子气体入口和单个转子燃烧气体出口,且在所述转子的同一端部处具有为气体润滑面密封件或其他间隙密封件的单个转子真空密封件。
[0129] 优选地,所述转子组件还包括至少一个转子轴承,所述至少一个转子轴承安装在所述转子壳体或所述转子壳体的延伸部与所述转子之间以支承所述转子绕所述转子轴线旋转。
[0130] 优选地,所述至少一个转子轴承为滚动元件轴承。
[0131] 替代性地,所述至少一个转子轴承为液体动压轴承。
[0132] 优选地,所述至少一个液体动压轴承具有介于内轴颈与外衬套之间的中间圆筒形衬套/浮动环。
[0133] 优选地,所述至少一个液体动压轴承还借助所述液体动压轴承的轴向两侧之间的气体压力差而部分地用作气体密封件。
[0134] 优选地,所述至少一个转子轴承还包括循环润滑剂并且构造成使得所述润滑剂能够从外部供给装置穿过所述至少一个转子轴承。
[0135] 优选地,液体动压类型或滚动元件类型的转子轴承构造成使得所述转子入口气体被阻止流动通过所述轴承的内孔,所述液体动压转子轴承或滚动元件转子轴承的与所述转子气体入口相邻的所述内孔构造成通过横跨相邻的转子气体入口的环形开口进行桥接的多个桥接柱而部分地或全部地连接至所述转子。
[0136] 优选地,所述转子组件构造成使得单个转子燃烧气体出口管在所述转子的一个轴向端部处穿过所述转子轴承的内孔。
[0137] 优选地,所述转子组件构造成使得燃料和/或冷却剂流体穿过一个或多个转子轴承的内孔。
[0138] 优选地,至少一个转子轴承为气体润滑轴承或者为磁悬浮轴承。
[0139] 优选地,至少一个转子轴承为箔片空气轴承类型的气体润滑轴承。
[0140] 替代性地,所述至少一个转子轴承为磁悬浮式径向被动磁性轴承,并且所述转子组件还具有不同类型的另一转子轴承,以限制所述转子的轴向运动。
[0141] 优选地,所述转子组件构造成使得进入所述转子的入口气体穿过所述至少一个转子轴承的内孔。
[0142] 优选地,所述转子壳体在所述转子壳体的两个轴向端部处包括转子壳体开口,并且所述转子壳体构造成使得所述燃烧气体出口管沿着一个转子气体入口并穿过所述一个转子气体入口的中心以形成热端部,相反的转子壳体开口形成冷端部,所述转子组件在所述转子的所述冷端部处具有滚动元件转子轴承或液体动压转子轴承并且在所述转子的所述热端部处具有磁悬浮转子轴承或气体润滑转子轴承。
[0143] 优选地,所述转子壳体构造成在所述转子壳体的两个轴向端部处具有转子壳体开口,所述燃烧气体出口管沿着一个转子气体入口并穿过所述一个转子气体入口的中心以形成热端部,相反的转子壳体开口形成冷端部,所述转子组件包括:位于所述转子的所述热端部处的单个转子气体入口、穿过热端部转子气体入口的中心的燃烧气体出口管、为磁悬浮轴承或者气体润滑轴承的热端部转子轴承、以及为滚动元件轴承或者液体动压轴承的冷端部转子轴承,气体通过流动经过所述热端部转子轴承的内孔进入所述转子。
[0144] 优选地,所述转子轴承中的一个或多个转子轴承通过与下述清单的一种或多种散热流体热传递而被冷却,该清单包括空气、转子入口气体、冷却剂流体和燃料。
[0145] 优选地,所述转子组件还包括所述转子内的冷却剂流体歧管,所述冷却剂流体歧管构造成使得在使用中冷却剂能够绕所述冷却剂流体歧管循环,以对转子部件进行冷却。
[0146] 优选地,所述冷却剂流体歧管构造成容纳冷却剂流体。
[0147] 优选地,转子组件还包括具有如下主要成分的冷却剂流体,所述主要成分包括氢气、氦气、氨气、烷、醇类和水中的一者或多者。
[0148] 优选地,所述冷却剂流体歧管构造成使得所述冷却剂流体在所述转子内的下述半径跨距上被至少部分地冷却:该半径跨距比在所述冷却剂流体冷却转子部件时存积在所述冷却剂流体内的大部分热能、存积在所述转子内的其他流体内的大部分热能或存积在两者内的大部分热能所在的半径跨距更靠近所述转子轴线,所述冷却剂流体的循环是至少部分地通过离心式热虹吸来驱动的。
[0149] 优选地,所述转子组件还包括所述转子外部的转子外冷却剂冷却器,在使用中,冷却剂流体离开所述转子并且进入所述冷却器以被至少部分地冷却。
[0150] 优选地,所述转子组件还包括位于所述转子外部的过滤器,所述过滤器构造成对冷却剂流体进行过滤。
[0151] 优选地,所述转子组件构造成使得在使用中所述冷却剂流体通过与至少一种散热流体热传递而被冷却,所述散热流体包括燃料、进入所述转子的气体、所述转子外部的气体以及空气中的一者或多者,所述散热流体部分地或全部地由水、所述转子外部的其他散热流体组成。
[0152] 优选地,所述转子组件还包括结合有冷却剂冷却器的外部转子,所述冷却剂冷却器构造成在使用中对冷却剂流体进行冷却。
[0153] 优选地,结合有冷却剂冷却器的所述外部转子连接至与所述冷端部转子气体入口相邻的转子外部,所述外部转子的所述冷却剂冷却器包括绕所述转子轴线分布的轴向管,所述冷却剂流体在使用中流动通过所述轴向管,所述轴向管穿过并结合至定中心在所述转子轴线上的多个大致平行的环形翅片。
[0154] 优选地,结合有冷却剂冷却器的所述外部转子附接至所述转子并且在使用中与所述转子一起旋转,使得所述散热流体由于动力泵送作用而被泵送通过结合有冷却剂冷却器的所述外部转子。
[0155] 优选地,所结合的所述冷却剂冷却器还包括气体导流叶片,所述气体导流叶片构造成在使用中使气体吸入通过结合有冷却剂冷却器的所述外部转子的一个轴向端部或两个轴向端部,以在所述环形翅片之间流出。
[0156] 优选地,所述叶片构造成吸入空气。
[0157] 优选地,所述转子内的所述冷却剂流体歧管结合有积储器,所述积储器包括密封且可膨胀的冷却剂流体储存器,所述密封且可膨胀的冷却剂流体储存器构造成在转子运行期间通过部分地排空或填充液态或气态冷却剂流体来调节液态冷却剂流体体积和/或冷却剂流体歧管体积的变化,所述储存器还构造成容纳储备数量的冷却剂流体,以在使用中减小由于所述冷却剂流体从所述冷却剂流体歧管泄漏而引起的压力降的速率。
[0158] 优选地,所述冷却剂流体储存器位于比所述冷却剂流体循环通过的通道的最小半径小的半径处。
[0159] 优选地,所述冷却剂流体储存器位于所述转子轴线处或靠近所述转子轴线。
[0160] 优选地,所述转子内的所述冷却剂流动通道是至少部分地由铝制成的。
[0161] 优选地,转子组件还包括为氦气的冷却剂流体。
[0162] 优选地,转子组件还包括为氢气的冷却剂流体。
[0163] 优选地,转子组件还包括所述转子组件内的金属氢化物,以储存额外的氢。
[0164] 优选地,所述转子组件还包括内部中间冷却器,所述内部中间冷却器位于所述压缩通道的径向内部或者所述压缩通道内,所述内部中间冷却器构造成在所述入口气体从所述转子轴线大致径向向外流动的同时经受压缩时冷却半径跨距的所述入口气体。
[0165] 优选地,内部中间冷却遍及如下半径跨距,该半径跨距从径向流出的入口气体的温度超过所述内部中间冷却器内的所述冷却剂流体的温度的半径到小于所述气体进入所述燃烧室处的半径的80%的半径。
[0166] 优选地,所述内部中间冷却器的径向外部延伸部介于所述气体进入所述燃烧室处的半径的40%至60%。
[0167] 优选地,所述内部中间冷却器包括一个或多个板翅式热交换器,所述一个或多个板翅式热交换器各自具有带有与所述转子轴线大致平行的面的翅片。
[0168] 优选地,所述内部中间冷却器的所述板翅式热交换器的板在与所述转子轴线一致的平面中大致径向对称。
[0169] 优选地,所述内部中间冷却器包括在不同的径向跨距上延伸的多于一个的板翅式热交换器。
[0170] 优选地,所述内部中间冷却器结合有一个或多个板翅式热交换器,所述一个或多个板翅式热交换器中的至少一个板翅式热交换器通过在其径向外端部处与所述转子的张紧结构的径向面向内的表面接触来抵抗离心反作用力而保持在所述转子内。
[0171] 优选地,所述内部中间冷却器部分地或全部地由铝合金和/或合金制成。
[0172] 优选地,所述内部中间冷却器构造成与冷却剂流体一起使用,所述冷却剂流体的主要成分为水或乙醇。
[0173] 优选地,所述转子组件包括含有单个燃烧室的单个转子和位于所述转子内的所述内部中间冷却器,以在所述单个转子绕所述转子轴线旋转时使所述燃烧室和相关联的所述压缩通道的质量至少部分地平衡。
[0174] 优选地,所述转子组件还包括马达,所述马达连接至所述转子并且构造成在使用中在开始起动时将所述转子旋转直至所需速度。
[0175] 优选地,马达为电动马达。
[0176] 替代性地,所述马达为安装在所述转子壳体内的轴向磁通马达。
[0177] 优选地,所述马达还构造成在所述转子减速时或在存在有会以其他方式使所述转子加速的流体力的情况下用作发电机
[0178] 替代性地,马达为内燃发动机。
[0179] 替代性地,所述马达为由流体压力驱动的涡轮。
[0180] 优选地,所述马达为由旋转扭矩提供装置驱动的带或齿轮传动装置。
[0181] 优选地,所述转子组件还包括适于在所述气体进入所述转子之前对所述气体进行压缩的外部压缩机。
[0182] 优选地,所述外部压缩机为动力/涡轮机类型的压缩机。
[0183] 替代性地,所述外部压缩机为轴流式压缩机。
[0184] 替代性地,所述外部压缩机为离心式压缩机。
[0185] 优选地,所述外部压缩机构造成至少部分地由动力/涡轮机类型的外部涡轮驱动。
[0186] 替代性地,所述外部压缩机构造成至少部分地由电动马达或马达/发电机驱动。
[0187] 优选地,所述转子组件构造成使得在使用中所述外部压缩机是在所述转子起动后加速之前或所述转子起动后加速期间运行的,以保持气体在所述至少一个燃烧室内开始燃烧之前流动通过所述转子。
[0188] 优选地,所述转子组件构造成使得在使用中所述外部压缩机的运行通过对在所述转子旋转时流动通过所述转子的气体压缩致热来预加热所述至少一个燃烧室中的气体。
[0189] 优选地,所述转子组件构造成使得在使用中燃料喷射到所述至少一个燃烧室内的预加热的热气体中并且自动点燃。
[0190] 优选地,所述转子组件还包括燃烧器,所述燃烧器构造成在所述气体进入到所述转子中并且在所述转子内开始燃烧之前通过与燃料一起燃烧而对所述入口气体进行预加热。
[0191] 优选地,所述转子组件还包括电动加热器,所述电动加热器构造成在所述气体进入到所述转子并且在所述转子内开始燃烧之前对所述入口气体进行预加热。
[0192] 优选地,所述转子组件构造成使得所述入口气体/燃料混合物在所述转子燃烧气体出口处点燃,从而通过所述入口气体/燃料混合物流使燃烧往回传播至所述至少一个燃烧室。
[0193] 优选地,在所述转子燃烧气体出口的下游设置有诸如排气控制阀之类的可变流量限制器,以限制所述流的速率,从而允许通过所述流使所述燃烧往回传播至所述至少一个燃烧室。
[0194] 优选地,所述转子组件构造成使得初始点燃是通过将具有比空气低的平均分子量的气态燃料喷射到所述旋转转子的所述至少一个燃烧室中以产生朝向所述转子燃烧气体出口流动的可燃混合物来实现的。
[0195] 优选地,所使用的燃料主要为氢气或甲烷气。
[0196] 优选地,所述燃料在点燃后被改变成不同的燃料。
[0197] 优选地,所述转子组件构造成使得气态燃料被供给至所述转子直到发生燃烧为止。
[0198] 优选地,所述转子组件构造成使得燃料以比所述燃烧室气体入口的半径小的半径喷射到所述至少一个燃烧室中。
[0199] 优选地,所述燃料是在相比于所述至少一个燃烧室的旋转前侧更为靠近所述至少一个燃烧室的旋转后侧的位置处喷射的。
[0200] 优选地,所述至少一个燃烧室或至少一个相关联的所述膨胀通道或所述至少一个燃烧室和至少一个相关联的所述膨胀通道两者还包括多个小的孔口或多孔壁,所述多个小的孔口或多孔壁构造成使得气体和/或燃料能够被喷射通过所述多个小的孔口或多孔壁,以在使用中对所述燃烧室或所述膨胀通道或所述燃烧室和所述膨胀通道两者进行部分地或全部地蒸腾冷却。
[0201] 优选地,所述内部中间冷却器构造成中间冷却用于对所述转子内的所述燃烧器或所述膨胀通道中的一者或两者进行蒸腾冷却的所述入口气体。
[0202] 优选地,所述内部中间冷却器构造成使得用于对所述燃烧器或所述膨胀通道或所述燃烧器和所述膨胀通道两者进行蒸腾冷却的所述气体比进入所述燃烧室但未用于蒸腾冷却的所述气体在所述转子内被中间冷却更大的径向跨距。
[0203] 优选地,所述转子组件还包括分开的高压转子气体入口,所述分开的高压转子气体入口构造成供给用于对所述至少一个燃烧室或所述膨胀通道或所述至少一个燃烧室和所述膨胀通道两者进行蒸腾冷却的空气。
[0204] 优选地,所述转子组件还包括燃料喷射器,所述燃料喷射器构造成用于在所述燃烧气体朝向所述转子轴线流动通过所述至少一个膨胀通道从而膨胀并冷却时将额外的燃料喷射到所述燃烧气体中。
[0205] 优选地,所述转子组件还包括外部燃烧器,所述外部燃烧器构造成在所述燃烧气体已经离开所述转子之后将额外的燃料喷射到所述燃烧气体中并使所述额外的燃料燃烧。
[0206] 优选地,所述转子组件还包括构造成在所述入口气体进入所述转子之前对所述入口气体进行过滤的至少一个外部入口气体过滤器
[0207] 优选地,所述外部气体过滤器在大气压力下或低于大气压力下过滤空气。
[0208] 优选地,所述转子组件还包括推进喷嘴,所述转子燃烧气体出口构造成将来自所述转子的加压的燃烧气体供给至所述推进喷嘴,所述喷嘴构造成使气体膨胀以提供推进力。
[0209] 优选地,所述转子组件还包括外部涡轮,所述转子燃烧气体出口构造成将在所述转子内产生的加压的燃烧气体供给至所述外部涡轮,其中,所述加压的燃烧气体能够膨胀以向负载供给机械动力。
[0210] 优选地,所述外部涡轮包括单个轴。
[0211] 优选地,外部涡轮包括单个径向流入式外部涡轮。
[0212] 替代性地,所述外部涡轮包括各自以不同的速度旋转的多个轴。
[0213] 优选地,所述外部涡轮在所述外部涡轮的一级或多级上结合有可变入口导引叶片,所述可变入口导引叶片构造成在所述发动机运行期间能够调节。
[0214] 优选地,所述外部涡轮包括一级或多级径向流入式涡轮,所述一级或多级径向流入式涡轮具有构造成在所述发动机运行期间能够调节的可变入口导引叶片。
[0215] 优选地,所述外部涡轮包括绕共用的旋转轴线沿相反的方向旋转的至少两个反向地旋转的轴。
[0216] 优选地,所述外部涡轮为也被称为容式涡轮的多级径向流出式涡轮。
[0217] 优选地,所述容式涡轮中的一个盘状件附接至所述转子,使得在使用中燃烧气体从所述转子燃烧气体出口管穿过所述盘状件进入所述容式涡轮。
[0218] 优选地,所述转子燃烧气体出口结合有一个或多个扭矩产生喷嘴,所述一个或多个扭矩产生喷嘴构造成对绕所述转子轴线流出的所述转子燃烧气体赋予质量比角动量,并且所述转子燃烧气体的质量比角动量具有与所述转子的角动量相反的取向,以在所述转子上产生至少部分地驱动所述转子旋转的反作用扭矩。
[0219] 优选地,所述扭矩产生喷嘴构造成使得所述燃烧气体的绕所述转子轴线离开所述扭矩产生喷嘴的质量比角动量在使用中被平均成小于所述转子内气体的最大质量比角动量的-0.1%。
[0220] 优选地,所述转子组件还包括外部涡轮,并且其中,所述扭矩产生喷嘴构造成使得在使用中使离开所述扭矩产生喷嘴的部分膨胀的燃烧气体随后被引导成通过所述外部涡轮进一步膨胀。
[0221] 优选地,所述外部涡轮构造成绕与所述转子轴线大致一致的旋转轴线但沿与所述转子相反的方向旋转。
[0222] 优选地,所述转子马达还构造成用作发电机,以通过由所述容式涡轮的盘状件或替代性地通过附接至所述转子的所述扭矩产生喷嘴赋予的所述反作用扭矩来产生电力。
[0223] 优选地,所述转子轴承具有足够低的径向刚度,使得转子轴承系统的径向振动基本固有频率低于所述转子的最大工作角频率。
[0224] 优选地,所述转子还包括一个或多个自动平衡器,所述一个或多个自动平衡器构造成使得在以高于所述径向振动基本固有频率的转子角频率运行时,所述一个或多个自动平衡器趋于使所述转子的质量中心朝向所述转子轴线移动。
[0225] 优选地,所述自动平衡器包括在所述转子内围绕所述转子轴线的一个或多个回转腔,每个回转腔均容纳构造成绕所述腔的圆周自由地滚动的多个大致相同的滚子。
[0226] 优选地,所述自动平衡器的所述腔除了所述滚子之外还部分地或全部地填充有液体。
[0227] 优选地,所述转子组件具有单个自动平衡器,所述单个自动平衡器大致定位在与所述转子的在运行期间的质量中心相同的垂直于所述转子轴线的平面中。
[0228] 优选地,所述转子组件具有两个自动平衡器,所述两个平衡器定位成使得所述转子的在运行期间的质量中心轴向地位于所述两个自动平衡器之间。
[0229] 优选地,所述转子组件构造成安装在所述交通工具内,其中,所述转子轴线与下述轴线大致对准:所述交通工具的最快旋转运动大体上绕该轴线发生。
[0230] 在第二方面中,本发明可被广泛地认为在于一种交通工具,该交通工具包括:
[0231] 根据之前阐述中任一阐述概述的转子组件;
[0232] 平台,所述平台安装在所述交通工具内,以及
[0233] 万向节,所述万向节连接至所述平台;
[0234] 所述转子组件安装在所述万向节内以允许所述转子轴线在附接有所述万向节的所述平台绕所述转子轴线旋转时保持恒定的取向
[0235] 在第二方面中,本发明可被广泛地认为在于一种发动机,该发动机包括根据之前阐述中的任一阐述概述的转子组件,其中,转子组件还包括外部涡轮,大气气体通过所述外部涡轮膨胀以使所述大气气体在进入所述转子之前压力降低。
[0236] 优选地,包括转子组件的发动机还包括回热器或同流换热器,所述回热器或同流换热器构造成在将要穿过所述外部涡轮的气体进入所述转子之前以及在所述气体排出之前将热量从离开所述转子的燃烧气体传递至将要穿过所述外部涡轮的气体。
[0237] 优选地,包括转子组件的发动机还包括发动机外部中间冷却器,所述外部中间冷却器构造成在所述气体穿过所述外部涡轮膨胀之后并且在进入所述转子之前对所述气体进行冷却。
[0238] 优选地,包括转子组件的发动机构造成使得离开所述转子的燃烧气体的一部分被运送穿过所述外部涡轮并且在所述外部涡轮中膨胀,以与被运送穿过所述外部涡轮并且在所述外部涡轮中膨胀的入口气体混合,经混合的气体被运送穿过所述外部中间冷却器并且随后运送至所述转子中。
[0239] 在第三方面中,本发明可被广泛地认为在于一种交通工具,该交通工具内安装有根据之前阐述中任一阐述概述的转子组件,转子组件的旋转轴线与下述轴线大致对准:车辆的最快旋转运动绕该轴线发生。
[0240] 优选地,所述气体主要地或全部地由空气组成。附图说明
[0241] 现在将参照附图仅通过示例的方式对本发明的实施方式进行描述,在附图中:
[0242] 图1示出了本发明的发动机的优选实施方式的截面图,其中,转子由在转子液体动压轴承上以转子角速度沿在从转子壳体内的左侧观察时的顺时针方向绕转子轴线旋转的大量部件构成,转子壳体的大体形式为绕转子轴线的回转外壳,发动机结合有多级径向流出式外部涡轮(也已知为容式涡轮),以从在单个燃烧器内产生的燃烧气体提取功;
[0243] 图2示出了图1的发动机截面的放大细节图,其示出了形成本发明一部分的陶瓷制燃烧室的一部分及其与周围的张紧结构相互作用的一部分;
[0244] 图3示出了图1的发动机截面的放大细节图,其示出了燃烧室罩的径向最内端部,该径向最内端部被支承离开与张紧结构的内表面结合的金属冷却内壁或内衬;
[0245] 图4示出了图1的发动机截面的放大细节图,其示出了径向膨胀接合部,该径向膨胀接合部允许外膨胀通道与内膨胀通道之间的相对径向运动,外膨胀通道形成为陶瓷制燃烧室的一部分,内膨胀通道从转子轴线附近径向向外延伸;
[0246] 图5示出了图1的发动机截面的放大细节图,其示出了除了转子液体动压轴承中的一个转子液体动压轴承之外的燃料入口、冷却剂流体入口和冷却剂流体出口,该一个转子液体动压轴承在流体入口管的柱状外表面上延伸,燃料穿过流体入口管并借助于三个分开的流动通道,燃料进入转子并且冷却剂流体进入及离开转子;
[0247] 图6为图1的发动机截面的放大细节图,其示出了转子的端部,燃烧气体从该端部离开转子;
[0248] 图7为图1的发动机的沿与转子轴线垂直的平面并且穿过在从转子的具有容式外部涡轮的热端部观察时的燃烧室的中心截取的截面图;
[0249] 图8为图7的发动机截面的放大细节图,其示出了在径向燃料传送管中已经向外流动通过张紧结构的燃料穿过张紧结构的冷却内壁并且被位于燃烧室的旋转后侧的燃料喷射器喷射到燃烧室中以与借助于燃烧室空气入口进入燃烧室的空气一起燃烧的位置;
[0250] 图9为图7的发动机截面的放大细节视图,其示出了转子轴线附近的区域;
[0251] 图10为从转子的冷端部观察时的嵌在图1至图9的发动机的张紧结构内的冷却剂流体歧管、燃料传送歧管和冷却内壁的分开的等距视图,其中,冷却剂流体通过冷端部进入及离开;
[0252] 图11为嵌在图21至图25的发动机的张紧结构内的冷却剂流体歧管、燃料传送歧管和冷却内壁的分开的等距视图;
[0253] 图12示出了本发明的发动机的另一优选实施方式的与转子轴线一致的截面图,其中,结合有两个在直径上相反的燃烧室并且由许多部件构成的对称的两个径向压缩及燃烧臂转子在部分排空的转子壳体内绕转子轴线以转子角速度旋转,转子壳体的大体形式为绕转子轴线的回转外壳;
[0254] 图13为图12的发动机截面的放大细节图,其示出了陶瓷制燃烧室中的一个陶瓷制燃烧室的圆顶端部;
[0255] 图14为图12的发动机截面的放大细节图,其示出了转子的热端部;
[0256] 图15示出了本发明的发动机的另一优选实施方式的与转子轴线一致的截面图,该发动机将内部中间冷却结合到由许多部件构成的转子中;
[0257] 图16为图15的发动机截面的放大细节图,其示出了燃烧室的一部分以及位于燃烧室与张紧结构之间的各个部分;
[0258] 图17为图15的发动机截面的放大细节图,其示出了穿过附接至转子燃烧气体出口管端部的切向喷嘴轮的燃烧气体出口,其中,来自切向喷嘴轮的燃烧气体出口驱动相反旋转的外部径向流入式涡轮;
[0259] 图18为在未示出转子壳体、涡轮壳体、外部径向流入式涡轮、外部马达发电机或外部压缩机的情况下从转子的热端部观察的图15至图19的发动机的完整转子的等距视图;
[0260] 图19为从热端部观察的图15至图19的发动机的转子的等距视图,其中移除了四分之一的部段,该四分之一部段具有与转子轴线垂直并且与径向臂轴线280一致的一个截面以及与径向臂轴线和转子轴线两者一致的另一截面;
[0261] 图20示出了图15至图19的发动机的切向喷嘴轮的替代优选实施方式的与转子轴线一致的截面图,其中,附接至转子壳体的涡轮壳体由切向喷嘴轮和涡轮壳体代替,其中围绕外部径向流入式涡轮的涡轮壳体直接附接至切向喷嘴轮,从而消除对单独涡轮壳体的需要并且还将由燃烧气体出口旋转动态密封件必须承受的压力差减小至空气入口歧管与周围大气之间的压力差;
[0262] 图21示出了本发明的发动机的另一优选实施方式的与转子轴线和径向臂轴线一致的截面图,其中,在转子的热端部处具有单个转子空气入口,并且其中,转子支承在浮动环液体动压轴承和滚动元件轴承上,浮动环液体动压轴承和滚动元件轴承两者位于转子的与具有燃烧气体出口歧管的热端部相反的冷端部处;
[0263] 图22为图21的发动机截面的放大细节图,其示出了转子空气入口的一部分和空气润滑的面密封件;
[0264] 图23为图21的发动机截面的放大细节图,其示出了转子的非接触环形冷却剂流体入口和圆形非接触液态燃料入口,其中,燃料和冷却剂流体分别通过外部燃料供给管和外部冷却剂供给管供给至转子;
[0265] 图24为图21的发动机截面的放大细节图,其示出了穿过燃烧气体出口旋转动态密封件并且进入到燃烧气体出口歧管中的转子燃烧气体出口管;
[0266] 图25为图21的发动机截面的转子冷端部上的转子轴线附近的放大细节图;
[0267] 图26为本发明的内部中间冷却发动机的简化流程图和截面,为了提高清楚性而省略了许多细节和一些部件并且示出了发动机内流体流的大致构型;
[0268] 图27为本发明的发动机的简化流程图和截面,为了提高清楚性而省略了许多细节和一些部件并且示出了发动机内的流体流的大致构型,在该发动机中,转子是由进入转子的空气和燃料冷却的;
[0269] 图28为本发明的发动机的简化流程图和截面,为了提高清楚性而省略了许多细节和一些部件并且示出了发动机内的流体流的大致构型,在该发动机中,转子是由冷却剂流体冷却的,该冷却剂流体又是由辅助冷却剂冷却的,该辅助冷却剂在附接至转子但暴露于环境空气或另一散热流体的外部辅助冷却剂冷却器中自身冷却;
[0270] 图29为本发明的发动机的简化流程图和截面,为提高清楚性而省略了许多细节和一些部件并且示出了发动机内流体流的大致构型,在该发动机内,进入转子的空气低于大气压力以在本发明的低功率输出发动机中增大外部涡轮的尺寸;
[0271] 图30示出了本发明的另一优选实施方式的转子的与转子轴线和径向臂轴线一致的等距截面图,其中,冷却压缩通道被衬有径向重叠的箔片环,在冷却压缩通道中,空气温度超过转子结构的温度性能,所述箔片环各自在其径向最内端处结合至冷却压缩通道的冷却内壁,并且箔片环在其重叠布置中产生了用作将冷却内壁与热空气部分地隔绝的小的空气间隙,从而降低了对于冷却内壁所需的冷却量;
[0272] 图31为图30的等距转子截面的放大细节图,其示出了结合至压缩通道的冷却内壁的径向重叠箔片环,其防止了转子结构过热;
[0273] 图32为图30的转子等距截面的放大细节图,其示出了冷端部空气入口的壁中的位于最小直径点处的流体连接通道,冷端部空气入口在该最小直径点处穿过转子真空密封件;
[0274] 图33示出了本发明的发动机的简化流程图和截面,为了提高清楚性而省略了许多细节和一些部件并且示出了发动机的转子内流体流的大致构型。

具体实施方式

[0275] 现在将在对各个方面和特征的更详细展开之前对本发明进行概括地描述。
[0276] 本发明包括高效且紧凑的热力发动机,该热力发动机利用空气作为气态工作流体并且使用燃料在空气中的燃烧来释放热能。本发明具有许多不同的热力发动机,但所有热力发动机都利用连续的流动过程,在该流动过程中,空气被压缩、与燃料一起燃烧并且随后在转子内部分地膨胀,从而导致燃烧的气体通常在外部涡轮内进一步膨胀以产生净功输出,尽管在整个空气压缩过程和燃烧气体膨胀过程内结合了额外的冷却和/或加热过程。
[0277] 转子压缩/膨胀属性、计算和效率
[0278] 本发明的发动机利用用于空气、燃料和燃烧气体在转子内压缩及膨胀的高效过程,转子绕转子轴线以高转子角速度旋转。旋转转子具有大的内部向心加速度,该内部向心加速度将径向压力梯度引入到转子中的流体内。当流体在转子内远离转子轴线径向流动时,流体被压缩并且其压力和密度增大,然而当流体朝向转子轴线径向移动时,流体膨胀并且其压力和密度减小。在以相对较低的流速来降低摩擦流动损失以及从流体至流体在其内流动的转子通道的壁部没有显著的热传递的情况下,这些压缩过程和膨胀过程可以是等熵且绝热的并且可以有助于实现非常高的发动机效率。
[0279] 压缩过程
[0280] 在进入转子之前,空气首先可选地在外部压缩机中压缩并且可选地在外部压缩机中进行中间冷却。空气随后可选地穿过外部空气过滤器以在空气穿过位于转子的一个端部处或两个端部处的位于转子轴线处或转子轴线附近的一个或多个转子空气入口进入转子之前移除混在空气中的颗粒物质。空气随后从转子轴线朝向最大流动半径径向向外平行地流动穿过转子中的一个或多个压缩通道,从而在空气流动时经受压缩及加热。在转子内可选地具有内部中间冷却器,该内部中间冷却器在压缩过程期间在转子内通过将热量传递至冷却剂流体而对空气进行冷却,冷却剂流体在转子轴线处或转子轴线附近流入到转子中和流出转子或者替代性地通过与结合有冷却剂冷却器的转子中的另一散热流体进行热传递至而被冷却,该冷却剂冷却器为转子的一部分。可选地,一些流体或全部燃料可以在空气到达最大流动半径之前在压缩过程之前或在压缩过程期间喷射到空气中。
[0281] 燃烧及膨胀过程
[0282] 压缩空气进入位于最大流动半径处或最大流动半径附近的一个或多个燃烧室。燃料在空气进入燃烧室之前的某一时刻喷射到燃烧室中的空气中。空气和燃料在燃烧室内燃烧,从而产生与进入燃烧室的相对较冷的空气相比更热并且密度较低的燃烧气体。燃烧气体随后在其从燃烧室朝向转子轴线径向向内流动穿过一个或多个膨胀通道时经受膨胀过程,从而随着燃烧气体的膨胀减小了压力、温度和密度。燃烧气体比经受压缩的空气更热,与空气从转子进气端口朝向最大流动半径流动时获得的压力降相比,在燃烧气体朝向转子轴线膨胀时导致了较小的压力降。这与处于转子空气入口处的空气相比,产生了转子轴线处的燃烧气体的整个压力增益。
[0283] 离心式热虹吸
[0284] 转子的向心加速度环境中空气压缩紧跟着最大流动半径附近的燃烧和热燃烧气体的膨胀是热虹吸的一个示例。热虹吸在流体随着温度改变密度的情况下或者在使具有相同半径的转子旋转的情况下更普遍地利用重力的作用操作,从而产生浮力,该浮力在同一高度处的流动通道之间产生压力差。重力驱动热虹吸过程中的压力差通常用于当压力梯度在相对较弱的地心引力下通常太小时驱动流体循环以输送热量,从而对于有效地产生电力是有用的。燃烧器上的烟囱是热虹吸的常用示例,并且在大型热电站的情况下,烟囱频繁用于通过较高的烟囱产生的压力增益来提供整体效率的略微增强。
[0285] 总之,转子用作转子压力增益装置,该转子压力增益装置由于离心式热虹吸而以与进入转子的空气相比升高的压力产生燃烧气体的转子出口流。
[0286] 转子出口
[0287] 燃烧气体随后穿过转子燃烧气体出口离开转子。可选地,转子燃烧气体出口可以采用喷嘴的形式,燃烧气体在距转子轴线一些距离处以正切于转子的显著速度流动穿过该喷嘴,从而对转子产生反作用扭矩。
[0288] 在大多数情况下,优选的是在转子的一个端部处(热端)具有单个转子燃烧气体出口,以减少经受高温和高压燃烧气体的旋转密封件和热部件的数量。
[0289] 冷却剂流体
[0290] 需要一种或更多种品种的冷却剂流体来冷却转子内的部件。这通常包括对转子的极为靠近热空气或燃烧气体的张紧结构进行冷却,但还可以包括对在内部中间冷却器中经受压缩的空气进行冷却,并且将需要冷却剂流体通过与冷却剂散热器进行热交换来自身冷却。
[0291] 一些类型的燃料、特别是液态燃料可以具有能够为转子提供一些冷却需要或全部冷却需要的显著冷却能力。但对一些燃料、特别是一些气态燃料而言,利用冷却剂流体对燃料进行冷却可能是有益的。
[0292] 冷却剂流体优选地在距离转子轴线比其被冷却的位置更大的半径处被加热,从而对诸如张紧结构或内部中间冷却器之类的负载进行冷却。由于冷却剂流体在径向向内流动的同时被加热并且其密度将减小,从而与相对于在相同的半径处向外流动的较冷或更大密度的冷却剂流体而言获得了压力增加,这将使得冷却剂的循环能够由离心式热虹吸至少部分地驱动。在大多数情况下,一旦冷却剂流体流沿一个方向建立了循环回路,冷却剂流体就将保持在相同的方向上,即使在径向向外流动方向和径向向内流动方向上都发生加热的情况下也是如此。
[0293] 如果冷却剂流体为液体例如水,那么最大流动半径附近的压力可能达到数百MPa的极高水平,在这种情况下,转子内的冷却剂流体流动通道需要非常坚固来承受这些高压。
[0294] 转子外冷却剂冷却器
[0295] 在一个优选的布置中,冷却剂流体将在转子外部于转子外冷却剂冷却器中进行冷却,其中,冷却剂流体通过位于转子轴线处或转子轴线附近的冷却剂流体入口旋转流体联接件在转子的一个端部处或附近进入转子并且通过位于转子轴线处或转子轴线附近的冷却剂流体出口旋转流体联接件在转子的一个端部处或附近离开转子。在这种情况下,冷却剂流体优选地为水或具有与水相比相对较低蒸汽压力的一些其他相对较低密度的非毒性液体,通常为醇类以及一些碳氢化合物,并且醇类是优选示例,虽然例如氨的毒性液体可能对于为了使转子内冷却剂流体压力在大部分最大流动半径处降低的一些应用是优选的,并且存在有可以与更复杂并且更昂贵的冷却剂流体旋转流体联接件一起使用的许多其他液体和气体比如氢气和氦气。
[0296] 在转子外部于转子外冷却剂冷却器中对冷却剂流体进行冷却通常将导致更低的冷却剂流体温度,这对于提高本发明的利用在转子内对空气进行内部中间冷却的发动机的效率而言尤其有利,并且因此对本发明的利用在转子内对空气进行内部中间冷却的发动机的使用而言是优选的。
[0297] 冷却剂流体将优选地进行化学处理并且过滤以移除碎屑并且防止会以其他方式聚积在转子内的沉积物的形成。
[0298] 离心式热虹吸可以有利地减少或甚至消除转子外部的冷却剂流体循环泵的需要。
[0299] 冷却剂流体将优选地通过转子的与转子的热端部相反的冷端部进入以及离开转子,该转子的热端部具有单个转子燃烧气体出口。燃料将优选地也在冷端部处进入转子。
[0300] 结合有冷却剂冷却器的转子
[0301] 一种或更多种品种的冷却剂流体可以在转子内的密封系统中循环,从而在结合有冷却剂冷却器的转子中在比大部分热量添加至所述冷却剂流体的半径更靠近转子轴线的半径处被冷却,因此,冷却剂流体将围绕由离心式热虹吸驱动的封闭的加热及冷却回路进行循环。
[0302] 结合有冷却剂冷却器的转子随后将热量沉积在来自以下清单的一种或多种散热流体中,该清单包括:燃料、进入转子的空气、转子外部的空气、转子外部的冷却剂液体以及转子外部的其他散热流体。
[0303] 使用相对较高密度的流体作为散热流体通常是有利的,尽管这可能不总是最优的解决方案,这是由于其通常会减小结合有冷却剂冷却器的转子的必须尺寸。
[0304] 内部空气散热器
[0305] 如果结合有冷却剂冷却器的转子中的散热流体为已经进入转子并且正在经受压缩的空气,那么通常其将降低发动机的效率,但在降低转子的复杂性和减小转子尺寸方面可能是有益的。
[0306] 内部燃料散热器
[0307] 燃料作为结合有冷却剂冷却器的转子中的散热流体能够有助于冷却,并且在燃料到达燃烧室之前将热量沉积在燃料中以预加热燃料对于效率而言通常是有益的,只要这不会对转子内的燃料流动通道产生过热或使燃料发生化学分解即可。然而,一些气态燃料自身可能需要在其经受压缩时被冷却。
[0308] 如果燃料为液态碳氢化合物,那么其可以更简单地来利用将燃料运送至燃烧室的燃料流动通道以使其自身冷却。
[0309] 外部散热流体和结合有冷却剂冷却器的外部转子
[0310] 借助于冷却剂流体旋转流体联接件将冷却剂传送至转子以及从转子传送出,使得冷却剂流体可以在转子外冷却剂冷却器中进行冷却可能是有问题的,这是由于需要使用易于磨损并且可能泄露的旋转密封件,同时还潜在地产生了下述路径:碎屑或其他物质可能通过该路径而能够进入转子并且聚积,从而堵塞冷却管,因此产生了极为有害的结果。如果冷却剂流体为昂贵的、有毒的或难以替代的,就像可能是除了水之外的冷却剂的情况下,冷却剂流体旋转流体联接密封件中的密封泄露是特别严重的。
[0311] 因此优选的解决方案为使结合有冷却剂冷却器的转子在转子空气入口外部附接至转子并且优选的不在转子的热端部处。冷却剂流体可以随后传送至该结合有冷却剂冷却器的外部转子或从该结合有冷却剂冷却器的外部转子传送出,同时保持在连接至转子的密封的转子冷却剂流体歧管中,而没有污染或碎屑的外部来源。该结合有冷却剂冷却器的外部转子可以随后由散热流体冷却,所述散热流体为来自以下清单的一者或多者,该清单包括:环境空气、全部或主要由水构成的冷却液体以及其他冷却流体。
[0312] 结合有冷却剂冷却器的外部转子可以有利地构造成使得与其转子连接的旋转泵或其他装置使散热流体移动经过其冷却表面,使得不需要外部风扇或其他泵送装置来保持所需的冷却水平。这在使用环境空气作为散热流体的情况下是尤其优选的。
[0313] 优选的冷却剂流体
[0314] 对液态冷却剂流体而言通常期望的属性为:低密度以减小转子内峰值压力、高比热以减少冷却剂通道中用于给定量的热通量所需的质量流以及大体积模量以减少在压缩时发生的对冷却剂流体进行加热的量。在大多数情况下,期望的是,水将是优选的冷却剂流体,这是由于水具有非常理想的包括高体积模量、高比热和密度的热力学性能,高体积模量在水经受压缩时导致极少的加热,高比热和密度使得其可以使用与其他冷却剂流体使用的冷却管相比更小直径的冷却管,尽管在一些情况下水的峰值压力可能对待创造的满意设计而言太高。
[0315] 氨和包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷的轻质碳氢化合物是优选的替代性冷却剂流体,这是由于其全都具有与水相比相对较低的液体密度并且在通常寒冷的环境条件下不会冻。然而,尽管优选为在结合有冷却剂冷却器的转子中使用的冷却剂流体,但其在环境条件下具有较高的蒸汽压力,这可能使得其不太适于传送通过冷却剂流体旋转流体联接件以在转子外部的转子外冷却剂冷却器中冷却。为了在转子外冷却剂冷却器中使用,具有比水更低密度和相对较低蒸汽压力的诸如润滑油或醇类之类的碳氢化合物可以是优选的,而油在作为发动机的其他部件中的润滑剂时具有额外的有用益处。
[0316] 作为气态冷却剂流体的氢气和氦气由于其在流体冷却通道内的冷却剂流体最大半径处导致相对较低的压力而是有利的,并且同时氢气比氦气具有扩散通过金属壁及漏出的更大趋势,氢气还具有优越的热传递性能并且由于更高的恒压比热而通常在氢气与被冷却的张紧结构之间产生更大的温度差。这种冷却优点可以允许氢气比氦气以更低的压力和更低的温度使用,从而减小不期望的氢扩散(泄露)率。
[0317] 如果氢气或氦气用作冷却剂流体并且在结合有冷却剂冷却器的转子内冷却,那么容纳额外的氢气或氦气的冷却剂流体储存器来补偿冷却剂流体泄露将优选地为转子的一部分。氢的优势在于其可以以相对较紧凑的方式储存,并且轻质化合物的金属氢化物是优选示例,而与之形成对比的是,储存补偿泄露的相同量的氦需要相对较大且较重的高压冷却剂流体储存器箱。如果氢气或氦气用作冷却剂流体,那么铝是用以制造冷却管和冷却剂流体歧管的优选材料,这是由于铝结合了低密度、对氢和氦相对较低的渗透性以及用于从张紧结构进行地良好冷却的热传递的相对较高的热传导性。
[0318] 在具有容纳更大体积的冷却剂流体的更大厚度的冷却剂管的更大转子中,氢气或氦气的泄露将适当地降低,并且氢气作为潜在的冷却剂将变得越来越具有吸引性。
[0319] 冷却剂流体因此优选地为选自下述清单中的一者或多者:氢气、氦其、烷类、醇类和水。
[0320] 对利用结合有冷却剂冷却器的转子——其中冷却剂流体密封在转子内——的转子而言,冷却剂的密度随着转子的速度和温度通常具有显著的变化。因此,优选的是存在有下述冷却剂流体储存器:该冷却剂流体储存器通过略微填充或略微排空冷却剂流体储存器并且使该冷却剂流体储存器内的一部分空间填充气体来自动补偿冷却剂流体体积密度的这种变化。通常优选的是,该冷却剂流体储存器位于通道的最小半径的径向向内处——冷却剂流体循环通过该通道,使得循环冷却剂流体系统内的气体或蒸汽将趋于聚积在冷却剂流体储存器内。
[0321] 替代性地,密封在转子内的冷却剂流体的密度的变化可以通过转子内的积储器来调节,其中,充满加压气体的密封的积储器囊状件按压在冷却剂流体上并且通过使积储器囊状件内的气体压缩或膨胀来调节冷却剂流体体积的变化。该积储器优选地靠近转子轴线,但这不是必须的,只要积储器囊状件内的气体压力保持在足够高的压力即可。
[0322] 离心式热管
[0323] 冷却剂流体可以替代性地为以其汽相在离心式热管中部分循环的液体,在该离心式热管中,冷却剂流体的液相仅部分地填充冷却管或冷却剂流体歧管的体积,而剩余的体积由处于其汽相中的冷却剂流体填充。该液体由离心反作用力向外推至该冷却管或冷却剂流体歧管内的最大半径,并且在被加热时将在其径向内表面处沸腾以产生随后径向向内行进的蒸汽,从而使其在径向向内行进时膨胀并冷却直到该液体到达结合有冷却剂冷却器的转子为止——在该冷却剂冷却器处蒸汽将被冷凝回至液态形式,液态形式的冷却剂随后径向向外返回至剩余的液体冷却剂。其具有的优点是,最大流动半径处或最大流动半径附近的冷却剂流体内的压力将大幅低于冷却管或冷却剂流体歧管完全填充处于液态形式的冷却剂的情况下的压力。
[0324] 氨和水由于其在汽相下相对较高的恒压比热Cp而成为在该离心式热管中使用的两种最受偏爱的流体,但氨由于其在典型的大气温度下更低的液态密度、更高的Cp以及更高的蒸汽压力而优于水,总之意味着其流体压力通常更低,并且冷却管尺寸很可能由于与水相比待冷凝的氨的更高的蒸汽密度而更小。
[0325] 应用
[0326] 对离开转子的升高压力的燃烧气体而言具有许多可能的应用:所述燃烧气体可以膨胀通过外部涡轮以将机械功率供给至诸如发电机或交通工具推进器之类的负载;所述燃烧气体可以膨胀通过喷嘴以提供比如用于喷气式飞行器的推进力,或者所述燃烧气体膨胀通过推进器的末端部上的喷嘴或风扇;所述燃烧气体可以用于供给压缩的燃烧气体以用于工业目的;所述燃烧气体可以用作加压燃烧气体的供给以用于冷却以及随后在涡轮等中的膨胀,从而产生低于环境温度的气体流以用于制冷或冷冻冷却。
[0327] 转子末端速度
[0328] 增大转子的周缘速度提出了在设计转子中的最大挑战中的一个挑战。增大转子末端速度(转子在最大流动半径处的切向速度)通常将增大发动机的效率,并且随着其产生的增大的空气压力,这通常还会减小用于燃烧所需的体积。但当转子末端速度高达1500m/s时,对于实现高发动机效率是有益的,由于高的温度和压力使得保持燃烧室和膨胀通道在结构上的完整愈发困难,可用的材料通常将可用的转子末端速度限制为远低于1500m/s,这是由于较高的热传递速率以及在制成转子的材料内产生的非常大的应力。
[0329] 在具有增大转子壳体的整个转子直径、转子质量以及转子真空密封损失之间还具有可能的折中。增大转子末端速度通常将减小预转子压缩的最优量,并且对相同的直径而言,转子真空密封件的滑动速度将增大。燃烧在其全部发生在最大半径处的情况下最具效率,但实际上,燃烧将遍及燃烧室内的半径范围。
[0330] 理论和计算
[0331] 在没有内部中间冷却的情况下,在转子内经受压缩的空气的温度增加将近似成比例于转子在任意给定半径处切向速度的平方的增加。假定空气和燃烧气体用作理想气体,这可以通过公式T2=T1+0.5(v22-v12)/cp来描述,其中,T为开氏温度,v为单位为m.s-1的切向速度,而cp为转子内经受压缩或膨胀的气体的恒压比热,对于经受压缩的干燥空气而言,cp在300K下为1005J.kg-1.K-1,而对于较热的空气和燃烧其它而言,cp通常略微更高。假定没有热传递或其他损失,转子内的压力p可以随后利用用于绝热压缩的公式p2=p1.(T2/T1)z来大概预计,其中,z=cp/R,并且R为用于空气的气体常数等于287J.kg-1.K-1,,因此z=3.5。
[0332] 在示例中,对转子而言,V1=0ms-1,T1=300K,随后无损绝热压缩在切向速度V2=-1 -1500ms 的半径处具有恒定cp的入口条件给出T2=424K和p2=3.36p1。对v2=1000ms 而言,温度将增至T2=798K,并且压力将增至p2=30.63p1。
[0333] 对给定的具有无损绝热压缩及膨胀过程的理想气体而言,最大的理论效率η能够通过无损转子获得,该无损转子不是内部中间冷却的,并且外部涡轮效率ηt通过η=ηt.(1-Tinlet/Ttip)给出,其中,末端部为在假定发生全部燃烧的情况下的最大流动半径处。假定Ttip=Tinlet+0.5vtip2/cp,因此可以看出,能够获得的发动机效率高度依赖于最大流动半径处的转子末端速度vtip。期望的是,可以采用高达或超过1000ms-1的转子末端速度来实现较高的效率。
[0334] 可以利用内部中间冷却来以相同的转子末端速度产生大致更高的压力以及更低的温度,并且因此能够以给定的转子末端速度实现更高的发动机效率。
[0335] 液体例如水是相对不可压缩的并且在转子内将经受随着半径的压力p的改变,其中,压力p由公式p2=p1+0.5ρ(v22-v12)大概给出,其中,ρ为单位为kg.m-3的液体密度。例如,对从转子轴线延伸至如下半径——切向速度在该半径处为1000kg.m-3——的冷却管而言,压力可以超过500MPa。
[0336] 再次加热
[0337] 可选地,可以存在有内部再次加热,在内部再次加热中,额外的燃料被喷射并且在燃烧气体从燃烧室朝向转子轴线流动时在燃烧气体内燃烧,从而增大流出转子燃烧气体出口的燃烧气体的温度和压力。在燃烧气体离开转子之后在燃烧气体通过外部涡轮之前或通过外部涡轮期间在外部再次加热器中也可以有额外的燃料喷射和燃烧。
[0338] 内部再次加热和/或外部再次加热形式的再次加热在最大燃烧温度受到诸如不期望的排放、高温材料强度或腐蚀或者过多的冷却要求之类的事项限制的情况下是特别有用的。对于给定的功率输出,再次加热通常将减少通过转子的空气流的量并且可以因此减小需要的转子尺寸。再次加热还通常增大从外部涡轮排放的燃烧气体的温度,并且可以因此提高诸如由自外部涡轮的废气重新获得的热量驱动的汽轮机、兰金循环或史特林循环之类的热力发动机能够获得的效率。
[0339] 旁路操作
[0340] 外部压缩机和外部涡轮结合外部燃烧器——该外部燃烧器可选地也用于外部再次加热——的使用给出了另外潜在的益处:本发明的发动机可以在使空气绕转子旁通流动时潜在地运行,从而将来自外部压缩机的输出直接给送至外部燃烧器并且随后给送至外部涡轮。该旁路布置在期望更快起动发动机的情况下或者在转子的运行不安全的情况下是有用的。该旁路操作可以在飞行器或需要快速起动的应用中是特别有益的。
[0341] 转子壳体
[0342] 转子在转子壳体内旋转,在转子壳体内,围绕旋转转子的转子壳体气体以相对于围绕转子壳体的环境气体较低的密度保持,以减小由旋转转子与围绕旋转转子的气体的相互作用引起的转子风阻。转子壳体气体通过下述各者的组合以相对于环境空气较低的密度保持:采用具有比空气更低分子量的转子壳体气体,其优选示例包括氢气、氦其、甲烷气、蒸汽或氨气;将转子壳体气体的温度升高到高于环境气体的温度;以及最重要得是减小转子壳体气体相对于环境空气的压力。通过在转子壳体内产生部分真空,转子风阻阻力可以降低至非常低的水平。具有比空气更低分子量的转子壳体气体的使用具有额外的潜在优点:由于小分子量气体的相对较高的恒压比热降低了对快速移动转子影响的气体的临界温度,并且这可以在保持转子的外部部件相对较凉时有用。
[0343] 转子壳体的大体形式通常是绕转子轴线的回转外壳,并且在转子的一个轴向端部或两个轴向端部处具有转子壳体端口,流体可以通过所述转子壳体端口进入或者离开转子,并且例如轴承安装件和旋转驱动件之类的机械连接件可以连接至转子。转子壳体端口通常是圆形的并且通过位于旋转转子与转子壳体之间的旋转转子真空密封件部分地或全部地密封,使得流体可以以与转子壳体气体部分地或全部地流体隔离的方式进入以及离开转子。如果转子真空密封件或者在闲置时或者在操作期间经受一些泄漏,那么通常需要利用真空泵来减小转子壳体气体的压力。
[0344] 马达
[0345] 需要马达或其他旋转扭矩提供装置来起动转子并且将转子的旋转保持在期望的运行速度。流动通过转子的流体通常借助关于转子轴线相对较低的角动量进入以及离开转子,使得在许多情况下,除克服例如由转子风阻、转子真空密封件以及转子轴承产生的摩擦扭矩之外,需要较小的扭矩或不需要扭矩来保持流体流动通过转子。
[0346] 旋转扭矩提供装置可以选自下述组中的一者或多者:电动马达、燃料燃烧发动机比如内燃发动机、由流体压力驱动的涡轮、旋转传动装置比如带传动装置或由旋转扭矩提供装置驱动的齿轮箱。
[0347] 在优选实施方式中,旋转扭矩提供装置为电动马达,其中,马达定子被安装成离开转子壳体,马达转子被安装成离开转子壳体内的由于转子壳体气体的较低密度而经受减小风阻损失的转子。这还允许马达具有更大直径而不会招致较大的风阻损失,这进而可以允许马达制作得更轻。优选的是,转子壳体内的马达为轴向通量类型的马达,其中,磁力主要沿轴向方向,使得这些磁力不会在转子轴承安装件上产生不期望的径向力。
[0348] 真空泵入口
[0349] 如果需要真空泵来保持转子壳体气体处于较低压力,那么通常通过将真空泵入口定位在转子壳体内距离转子轴线的最大半径的附近——绕转子轴线的转子壳体气体切向速度在该最大半径处最大——来使用转子的旋转运动提供对真空泵送的一些增强是有利的。真空泵入口可以可选地结合真空泵扩散器,该真空泵扩散器将转子壳体气体的一些切向速度转换成真空泵入口处的增大的静压力。
[0350] 转子壳体的碎片保留和辅助设备的位置
[0351] 转子壳体还有助于防止在转子失效的情况下危险的碎片被释放。为此,在需要较轻重量的应用中,转子壳体可以由提供防冲击保护的轻质材料例如高强纤维和陶瓷部分地或全部地构造。
[0352] 对转子外部的发动机部件比如围绕转子壳体圆周的热交换器、散热器、过滤器、发电器进行定位还可以在转子失效的情况下提供增强的安全级别而不会招致显著的额外重量,这是由于任何释放的转子碎片将具有通过与那些外部发动机部件的碰撞而停止的更大机会。外部发动机部件的定位可以集中在围绕转子轴线的某些部段以更好地保护敏感设备或人。
[0353] 转子真空密封件
[0354] 转子真空密封件对转子的运行效率而言非常重要。对许多潜在类型的转子真空密封件而言,会有在密封件的滑动速度、密封件在其最大内径处的切向速度方面的限制。密封件滑动速度限制在许多情况下对转子的整体直径具有主要影响,这是由于存在通过转子真空密封件的中心的最小需要流动面积以允许流体有效地进入以及离开转子并且还存在期望的转子末端速度以实现期望的发动机效率。
[0355] 通常优选的是转子真空件上具有的较小的压力。在大多数发动机中,转子真空密封件优选在进入转子的最大空气流率的位置处或进入转子的最大空气流率的位置附近的位置——在该位置处空气的静压力最小——密封在真空与转子空气入口压力之间。但如果存在有将空气供给至转子的外部压缩机,那么转子真空密封件仅密封在真空与大气压力之间是有利的,其中,另一旋转密封件位于大气压力与转子空气入口压力之间,从而减小了转子真空密封件上的压力。
[0356] 存在有可以使用的两大类密封件:液体阻隔密封件和间隙密封件。
[0357] 液体阻隔密封件
[0358] 液体阻隔密封件比如液体动压密封件、动态密封件/副叶轮密封件/叶轮密封件、润滑面密封件和润滑唇式密封件全都具有在运行期间防止任何气体泄漏的潜能,但由润滑阻隔液体的粘性在密封件的旋转部分与静止部分之间的空间产生的热量通常将可容许的密封件滑动速度限制为比间隙密封件可能达到的速度低得多的速度。这将趋于导致转子具有与通过间隙密封件达到的所需的直径更大的直径。
[0359] 可以通过液体阻隔密封件保持的真空水平可以通过随着阻隔液体变得更热使其沸腾来限制,为此,可能需要在密封件中利用低蒸汽压力的阻隔液体例如真空泵润滑油,并且还需要可能利用较冷的迷宫式密封或位于液体阻隔密封件与转子腔之间的其他间隙密封对密封件进行冷却,以使在转子真空密封件的低压侧蒸发的阻隔液体冷凝并且排出。为了限制整体转子尺寸,同时保持较低的密封件滑动速度并且具有转子真空密封件上的最低压力差以及对具有空气入口的转子真空密封件进行冷却,通常优选的是使环形转子空气入口在转子的每个端部处穿过类似定尺寸的转子真空密封件并且将燃烧气体转子出口管在转子的一个端部处定位在转子空气入口的径向内部并且燃料及任何冷却剂流体的入口和出口在转子的另一端部处位于转子空气入口的径向内部,燃烧气体穿过燃烧气体出口管流出转子。
[0360] 也已知为叶轮密封件或副叶轮密封件的动态密封件是用于本发明的发动机的转子真空密封件的优选类型。所述动态密封件通过使阻隔液体在面向内的动态密封件阻隔液体腔内绕转子轴线快速旋转来工作,该动态密封件阻隔液体腔为绕转子轴线的回转腔,从而在阻隔液体内建立了径向压力梯度。动态密封转子——为绕转子轴线的回转体并且绕转子轴线相对于动态密封件阻隔液体腔旋转——部分地浸入在动态密封件阻隔液体腔内的阻隔液体中并且驱动阻隔液体在动态密封件阻隔液体腔内旋转。当在动态密封转子的两轴向侧之间施加压力差时,会导致动态密封转子的任一轴向侧的阻隔液体的自由表面的径向移位,从而利用旋转的阻隔液体内的径向压力梯度补偿压力差,使得阻隔液体的自由表面在较低压力侧与较高压力侧相比位于距离转子轴线较小的半径处。为了在阻隔液体内产生所需的径向压力梯度,动态阻挡件的阻隔液体腔可以旋转或者动态密封转子可以绕转子轴线旋转。这种类型的动态密封件可以调节相对较大的未对准量以及动态密封阻隔液体腔与动态密封转子之间的径向运动和轴向运动,同时保持气密密封,并且该动态密封件不被磨损但其在未旋转的情况下不进行密封。
[0361] 可选地,在本发明中利用的动态密封件可以与辅助密封件结合,该辅助密封件在低速时提供更好的密封,并且在速度和离心力增大时停止作用,该辅助密封件的优选示例包括:附接至转子的聚合物唇式密封件,该聚合物唇式密封件在经受足够的向心加速时变形并且失去密封接触;磁性流体密封件,在磁性流体密封件中,磁场抵抗气体压力而将包括磁性颗粒的液体保持就位。
[0362] 多于一个的动态密封件可以通过以介于转子与转子壳体中间的速度旋转的中间本体连结在一起,从而减小在每个密封件中存在的速度差,尽管每个密封件经历相同的压力差,并且从而减少在每个动态密封件中消散的功率量以降低加热,并且潜在地可以利用动态密封件来实现增大整个密封件滑动速度。
[0363] 间隙密封件
[0364] 诸如气体润滑面密封件或迷宫式密封件或刷式密封件之类的间隙密封件全部可以允许密封件滑动速度超过200m.s-1,但这是以显著的空气泄漏为代价的——这种显著的空气泄漏必须随后通过具有足够尺寸的真空泵来补偿,以保持真空壳体气体处于所需的低压从而减小风阻。
[0365] 密封件圆周泄流与孔面积流之间的比意味着该间隙密封件对大型发动机而言可能是优化的解决方案,特别是在需要限制整体转子直径时更是如此。由于气体泄流相对于通过密封件中心的总流量的比例通常随着尺寸的增大而减小。气体润滑面密封件由于其没有磨损并且具有非常低的泄露率而是优选的解决方案,其中,两个环形密封面由非常小的轴向间隙分开,而少量的气体通过该间隙泄露。然而,该气体润滑面密封件通常非常昂贵并且需要精确对准以保持它们的非常小的面间隙。通常较昂贵的密封件连同泄露率——主要取决于圆周——以及非常高的容许密封件滑动速度意味着在许多情况下优选的是使单个相对较大直径的气体润滑面密封件作为位于转子的一个端部处的转子真空件密封件,其中,所有的空气借助于与转子轴线同中心的环形转子空气入口通过所述端部进入转子,并且燃烧气体借助于在该转子空气入口径向内部的转子燃烧气体出口管离开转子。冷却剂液体和燃料优选地通过转子的相反端部穿过相对较小直径的转子真空密封件例如动态密封件进入以及离开转子。
[0366] 为了允许气体润滑面密封件与转子之间的失衡和未对准,优选的是,气密柔顺流体接合部例如波纹管或柔性聚合密封连结件位于转子与气体润滑面密封件的旋转面之间,从而允许气体润滑面密封件的旋转面相对于转子略微移动并且保持相对于气体润滑面密封件的静止面的紧密间隙。
[0367] 入口扩散器和导引叶片
[0368] 为了减小所需的直径并且因此减小转子真空密封件的密封件滑动速度,优选的是,转子空气入口在转子真空密封件或转子真空密封附近具有最小流动面积,并且一旦入口空气穿过转子真空密封件时,所述空气就通过穿过转子内的具有逐渐增大流动面积的入口扩散器而被扩散,以将穿过转子空气入口的快速流动空气的一些动态压力恢复成转子内的增大的静气压。
[0369] 一旦空气进入转子内部时,空气就将优选地由一个或多个内表面切向地加速,这防止空气绕转子轴线以不同于转子角速度的涡流的方式旋转,从而减小湍流损失,而所述湍流损失在该涡流确实在没有该内表面的情况下形成时发生。
[0370] 在优选实施方式中,入口扩散器通道将优选地为绕转子轴线的大致截头圆锥形式,并且还将优选地结合有一个或多个大致径向叶片以将入口空气加速直至接近于与转子的绕转子轴线的角速度相同。径向叶片可以绕转子轴线螺旋形地扭曲以形成空气入口导流器,该空气入口导流器将更加平缓地对入口空气施加角加速度。可选地,在转子外部还可以存在有空气入口导引叶片,该空气入口导引叶片在入口空气进入转子空气入口之前对入口空气施加绕转子轴线的旋转,该空气入口导引叶片可以可选地为可调节的以更好地匹配改变入口空气体积流率。
[0371] 内部中间冷却器
[0372] 在本发明的优选实施方式中,在转子内经受压缩的空气由内部中间冷却器进行中间冷却,该内部中间冷却器包括一个或多个内部中间热交换器,所述一个或多个内部中间热交换器将热能从空气传递至冷却剂流体,所述冷却剂流体可选地在转子外冷却剂冷却器中被冷却或在外部转子冷却剂冷却器中被冷却。内部中间冷却产生了许多有用的益处:朝向最大流动半径流动通过压缩通道的空气的温度被显著地降低,从而有助于降低材料温度并且使得经受压缩的空气进入用于使燃烧室和膨胀通道壁的温降低的更有用的冷却剂中,从而能够允许更高的燃烧温度;进入燃烧室的空气在最大流动半径附近的压力显著地增大,这是由于内部冷却使得空气更凉并且更密的同时被相同的向心加速度压缩,这增大了整体发动机压力比,并且在许多情况下对相同的转子末端速度而言将提高能够获得的效率,并且可以允许使用更小体积的燃烧室和更小横截面积的膨胀通道,这进而可以有利地减轻这些部件的质量和其施加在张紧结构上的载荷;更多的燃料可以在燃烧室内燃烧以给予更高的温度增大,同时仍保持相同的峰值温度,这向燃烧气体添加了额外的质量流量,并且最终添加至外部涡轮,并且还提供了用于使待使用的燃料用作张紧结构内的冷却剂的更大可能性。
[0373] 水和醇类或水和醇类的混合物由于其高恒压比热容通常优选地用作内部中间冷却的冷却剂,这种高恒压比热容降低了进入以及离开转子所需的体积流率。水和醇类或水和醇类的混合物还具有相对较便宜并且无毒的益处。
[0374] 内部中间冷却的典型的整体效果为对于相同的转子末端速度而言略微提高了发动机的效率,同时对于相同的功率输出而言还减小了通过转子的空气的质量流量,这进而可以导致更小直径的旋转真空密封件和需要的较小的转子直径。转子燃烧气体出口处的压力还通常通过内部冷却来增大,从而减小了需要的转子燃烧气体出口流动面积,并且还潜在地略微增大了外部涡轮的效率,但也可以要求使用更多的外部涡轮级,而这在小的发动机尺寸方面是不经济的。
[0375] 内部中间冷却将优选地适用于在转子内在半径跨距上经受压缩的空气,该半径跨距在空气略微超过冷却剂温度的半径处开始并且向外延伸至最大流动半径的大部分,尽管效率在内部中间冷却延伸至最大流动半径的情况下通常会降低。在几乎所有情况下,中间冷却将最佳地发生在小于最大流动半径的80%的位置处,并且在许多情况下将发生在最大流动半径的40%至60%的范围内的某处。然而,最佳效果取决于转子速度和最大容许燃烧温度两者以及内部中间冷却器内的空气的温度,并且在一些情况下将在该范围之外,通常较慢的转子速度和较高的燃烧温度导致更优的中间冷却。在具有充分的冷却剂流体流和较大的内部中间冷却器的情况下,内部中间冷却过程可以近似于等温压缩的理想热力学,并且还可以具有相对较小的流动压力损失。
[0376] 在由转子内的非常强的向心加速度引起的应力使得内部中间冷却器的实施非常具有挑战性,特别在内部中间冷却器的外半径为最大流动半径的大部分的情况下更是如此。在以给定速度旋转的环和恒定厚度的盘内的向心加速度引起的应力通常比在径向臂中的应力大得多,并且这使一些明显的热传递构型在实际中不太可行。
[0377] 在优选实施方式中,内部中间冷却器包括多个板翅式热交换器,每个板翅式热交换器均由彼此平行且其面与转子轴线垂直或接近垂直的多个翅片制成。翅片沿着其两个边缘机械结合至冷却板,冷却剂流体通过冷却板在冷却剂板内部的通道中流动。板翅式热交换器围绕转子轴线在相同的半径处排列并且沿径向方向对准,使得两个冷却板关于与转子轴线一致的平面近似对称地设置。板翅式热交换器优选地部分地或全部地由铝合金和/或铜合金构造,但可以结合其他材料以用于增加强度。这种设置有利地使翅片和板在与向心加速度平行或近似平行的近似径向方向上的长尺寸对准,因此,翅片和板可以通过用作列而更好地承受由向心加速度引起的较高载荷而无需经受较大的弯曲载荷。有利地,各个板翅式热交换器可以通过允许将部件穿过相对较小的开口插入到张紧结构中来组装内部中间冷却器而使转子构型更简单。可选地,可以在不同的半径处使用多于一种类型的板翅式热交换器,其中,径向最外部的板翅式热交换器类型优选具有与径向最内部的板翅式热交换器类型相比更短的转子轴向长度。
[0378] 在优选实施方式中,内部中间冷却器容纳在转子中间冷却器壳体内,该转子中间冷却器壳体为绕转子轴线的回转外壳并且部分地或全部地由复合材料构造。转子中间冷却器壳体容纳在转子内产生的空气压力并且可以可选地提供为了抵抗旋转转子内产生的离心反作用力来保持内部中间冷却器的部件所需的结构强度。转子中间冷却器壳体还可以可选地具有一个或多个径向压缩及燃烧臂,所述一个或多个径向压缩及燃烧臂包括压缩通道、燃烧室和从燃烧室径向向外延伸的膨胀通道。
[0379] 优选地,如果存在有单个径向压缩及燃烧臂,那么内部中间冷却器的质量将围绕转子轴线以至少部分地平衡单个径向压缩及燃烧臂的质量的方式分布。
[0380] 压缩通道
[0381] 一些或全部液态燃料可以可选地在转子内压缩之前或压缩期间在某点处引入到空气中,以利用燃料的蒸发对空气进行冷却,并且从而由于增大的密度或减小的空气-燃料混合物的比热比而潜在地增大燃烧室的压力,或者更好地混合空气和燃料以改善燃烧或降低排放。
[0382] 空气通过一个或多个压缩通道流动至最大流动半径,从而在其这样流动时增大压力和温度。在采用了内部中间冷却器的转子的情况下,压缩通道内的空气温度可以保持得足够低以允许使用较高比拉伸强度的材料例如聚合物复合材料或高强钢,以形成整个燃烧通道并且容纳空气。如果利用聚合物复合材料来形成燃烧通道壁,那么可能需要在压缩通道的内壁或内衬上使用薄的不可渗透的阻隔涂层例如金属层,从而防止空气穿过聚合物复合材料的微裂纹泄漏出转子。
[0383] 优选的是,压缩通道在燃烧气体温度超过燃烧室和膨胀通道壁的温度性能的区域中围绕并包住燃烧室和膨胀通道,以利用经受压缩的空气对燃烧室和膨胀通道壁提供再生冷却。压缩通道、燃烧室和膨胀通道共同包括径向压缩及燃烧臂。
[0384] 压缩通道可以可选地随着减小的半径而向内渐缩以有利地减小压缩通道的质量以及增大径向空气流动速度,从而增大燃烧室和膨胀通道外部的再生冷却。
[0385] 可选地,隔热涂层可以施加至压缩通道的内表面以减小对冷却压缩通道进行冷却的冷却需要。
[0386] 在优选的实施方式中,压缩通道形成为径向管,该径向管在径向最外的端部处具有封闭端并且具有薄的金属冷却内壁,该径向管具有与其结合的冷却管,冷却剂流体流动通过该冷却管,并且为张紧结构一部分的高密度比拉伸强度的聚合物复合材料缠绕在冷却内壁和冷却管上,从而抵抗转子的内部空气压力和向心加速度来支承并且保持冷却内壁和冷却管。可选地,压缩通道随着半径增大而向内渐缩,使得离心反作用力的一部分按压冷却内壁靠着周围的聚合物复合材料的张紧结构,以提高冷却内壁与张紧结构之间的结合并且允许燃烧室插入通过转子中更靠近转子轴线的开口。
[0387] 优选地,存在有结合至金属冷却内壁和/或冷却管的外部锚定特征,该外部锚定特征机械地接合在聚合物复合材料的张紧结构内,以增强张紧结构与金属冷却内壁和/或冷却管之间结合的强度。
[0388] 可选地,冷却内壁和/冷却壁的外部锚定特征是通过选择性的金属烧结过程形成的,该选择性金属烧结过程使用激光束电子束将金属粉末沉积并熔化在金属表面上。替代性地,外部锚定特征是通过利用激光束或电子束来改变冷却内壁和/或冷却管的表面而形成的,该激光束或电子束以产生适合的表面凸部的方式移动经过上述表面。
[0389] 可选地,燃烧室罩——位于燃烧室和膨胀通道外部并安装在张紧结构和/或张紧结构的冷却内壁内部并且安装成离开张紧结构和/或张紧结构的冷却内壁、并且被支承在其径向最内端部和/或径向最外端部和/或在沿着其径向长度的多个位置处——结合在压缩通道内并且跨越一部分的径向间隔,在该径向间隔处冷却内壁被冷却剂流体冷却。燃烧室罩减小了压缩通道的流动面积,从而增大了围绕燃烧室和膨胀通道的径向空气流动速度,因此增强了再生冷却,同时还减少了与冷却内壁、张紧结构和冷却剂流体的热传递。燃烧室罩由比张紧结构的聚合物复合材料具有更低密度比强度但更高温度性能的材料或材料的组合制成。燃烧室罩的部分可以在支承于比燃烧室罩内的压缩加载区域更远离转子轴线的位置的情况下以压缩的方式加载。制成燃烧室罩的材料的示例可以部分地或全部地地包括:陶瓷、陶瓷基复合材料、金属基复合材料、钛合金、超合金和高强钢。
[0390] 未冷却的内压缩通道壁
[0391] 优选地,未冷却的压缩通道壁被支承离开冷却内壁或内衬或在支承的间断位置处结合至冷却内壁或内衬,并且通过空气间隙和/或隔热材料的一些组合降低了与冷却内壁的热传递率。
[0392] 在优选实施方式中,未冷却的内压缩通道壁由箔片环构造,这些箔片环以小间隙配合在冷却内壁内部并且在其径向最内端处结合至冷却内壁或内衬,且其径向最外端与下一个箔片环的径向最内端沿增大半径的方向重叠并且可选地接触,但未结合至下一个箔片环的径向最内端,从而允许径向最外端相对于冷却内壁或内衬移动,以调节冷却内壁与箔片环之间的热膨胀和应变引起的应力方面的差异。优选的是存在有许多箔片环,随着径向长度减小,每个箔片环均具有较小的张应力,并且在箔片环与冷却内壁之间的沿径向方向的较短空气间隙内具有强度较小的离心式热虹吸驱动的对流。箔片环可以随着增大的半径和气体温度而可选地改变尺寸和材料成分。可选地,不同的箔片环可以通过类似构造的螺旋形螺旋件替代,其中,螺旋件的每个相继的圈与一个或多个之前的圈重叠。
[0393] 优选的是,当转子不运行时,每个箔片环均在径向最外端处具有相对于冷却内壁的明显较大的间隙,以补偿与较冷的径向最内端相比更热的径向最外端的更大的热膨胀,这在运行期间将使得径向最外端处的较大间隙由其相对于冷却内壁的相对热膨胀来减小。
[0394] 可选地,在箔片环结合至冷却内壁的区域之间可以存在有从冷却内壁或内衬凸出的的间断的凸部,以防止箔片环在较大的区域上接触冷却内壁。箔片环由此将仅与间断的凸部的末端部接触。
[0395] 可以期望具有多个重叠层的箔片环,以进一步减少与冷却内壁热传递的量。
[0396] 在升高的温度下具有高强度、良好耐腐蚀性和较低热传导性的金属合金对构造箔片环而言是优选的。
[0397] 具有复合材料带终止端部的压缩通道
[0398] 在另一优选实施方式中,压缩通道形成为径向管,该径向管具有位于最大半径处的封闭端,并且压缩通道部分地或全部地由具有高密度比强度的金属或陶瓷材料制成,并且压缩通道通过聚合物复合材料带抵抗作用在压缩通道上的较大的离心反作用力而得以保持,该聚合物复合材料带从转子的更靠近转子轴线处延伸并且缠绕在压缩通道的径向外端上而未与径向外端区域外部的压缩通道壁接触。聚合物复合材料可选地具有位于其自身与压缩通道之间的共同接触的区域中的隔热层并且优选地结合有结合至聚合物复合材料带或者结合在聚合物复合材料带内的冷却管,冷却剂流体在该冷却管内流动。压缩通道优选地在从最大半径径向向内的一些半径跨距上沿径向方向以压缩的方式加载,尽管压缩加载可以最终在更靠近转子轴线处转变成张紧加载,压缩通道可以随着减小的半径而向内渐缩,以有利地减小压缩通道的质量以及减小压缩应力水平并且增大径向空气流动速度,从而增大对燃烧室和膨胀通道的外部进行的再生冷却。
[0399] 复合材料张紧结构和复合材料张紧结构的冷却
[0400] 用于构造转子的材料的以m2.s-2测量的密度比强度极其重要,其中,最期望的是在较高温度下的较高值。
[0401] 钛碳化硅金属基复合材料具有在将近700℃下高达400,000m2.s-2的密度比拉伸强度。这可以使其构造与燃烧室相邻但在燃烧室外部的未冷却的张紧结构,尽管金属基复合材料的制造极为昂贵并且因此对许多应用而言可能不具有经济性。
[0402] 诸如马氏体钢和和钛合金之类的多种金属合金在高达300℃至400摄氏度的范围具有高于200,000m2.s-2的密度比拉伸强度,而许多陶瓷和陶瓷基复合材料在高达1000℃处具有200,000m2.s-2的密度比拉伸强度,但通常难以制造并且由于缺乏延展性而通过小缺陷严重减弱。一些钛铝化合物和镍合金展示了在700℃处大约150,000m2.s-2的密度比拉伸强度,但会遭受蠕变——蠕变需要在低得多的载荷下工作。所述钛铝化合物和镍合金可以在转子的更热的区域内找到一些应用区域。
[0403] 诸如环氧树脂中的碳纤维、双马来酰亚胺或聚酰亚胺基之类的聚合物纤维复合材料可以具有沿着纤维长度高达200,000m2.s-2的极高的密度比拉伸强度,但即使是最昂贵的聚酰亚胺也通常需要在小于250℃处操作以具有较长的寿命。在用于张紧结构的情况下,聚合物纤维复合材料通常需要至少在最靠近燃烧室的区域中冷却。
[0404] 通常优选的是,聚合物纤维复合材料形成部分的或全部的张紧结构,该聚合物纤维复合材料径向向外延伸经过最大流动半径以抵抗由转子向心加速度产生的离心反作用力来保持部件例如燃烧室。由于聚合物纤维复合材料通常不能承受暴露于燃烧温度或甚至暴露于位于最大流动半径处的压缩空气的温度,因此聚合物纤维复合材料优选地与金属冷却管接触或结合金属冷却管,冷却剂流体在该金属冷却管内流动,以达到冷却张紧结构的目的。
[0405] 优选的是,存在有多个冷却管,冷却剂流体通过所述多个冷却管平行地流动,从而增大流动速度和热传递系数——能够对于冷却管上的给定压力降实现——以及减小每个冷却管中的冷却剂流体的温度的升高。优选地,冷却管主要沿径向方向对准以使每个冷却管的为了将冷却剂流体从冷却管的径向最内端传送至径向最外端所需的长度最小,并且从而大体上减小通过冷却管的总的压力损失以及通过离心反作用力和张紧结构的聚合物纤维复合材料内的大部分纤维有利地使冷却管大致对准。有利地,径向对准的冷却管还可以向结合有冷却管的压缩通道的冷却内壁添加更大抗弯阻力。通过冷却管的冷却剂流将大体上至少部分地由离心式热虹吸驱动。
[0406] 优选的是,由聚合物纤维复合材料制成的张紧结构是至少部分地通过在冷却管的顶部和冷却内壁上进行自动纤维缠绕来制造的。
[0407] 有利地,在转子失效的情况下,聚合物纤维复合材料具有相对较低的密度并且在其断裂时趋于具有非常高的能量消散。与金属相比,聚合物纤维复合材料具有减小的产生大密度碎片的倾向,而大密度碎片可能对周围的人和设备而言是危险的。
[0408] 燃烧室
[0409] 燃烧室对发动机的整体效率而言是重要的,并且不同于发动机的其他部件,由于发生燃烧过程所需的通常相对较恒定的燃烧停留时间,燃烧室不太可能按比例缩小。然而,以W.m-3测量的体积比燃烧强度通常与燃烧压力成比例,使得较高的压力允许在相同的体积内释放更多的功率,从而有利于较高的压力用来减小燃烧室体积。
[0410] 在燃烧室内的极高向心加速度的环境内,任何局部热源例如燃烧腔或燃烧区域将导致在距离转子轴线相同的半径处由相对较热的区域与相对较冷的区域之间的气体密度的相对差驱动的极强的对流再循环。这种再循环与大气层核爆炸的蘑菇中可见的再循环略微类似,尽管在额外的科里奥利效应的情况下,对流通常为沿与转子旋转相同的方向旋转的涡流形式,其中,较冷的气体在燃烧室的旋转后侧的内表面处径向向外流动,并且较热的空气在燃烧室的旋转前侧的内表面处径向向内流动。这将导致非常快的火焰混合和火焰传播并且可以有助于非常高的体积比燃烧强度的可行性以及非常短的燃烧停留时间,以允许燃烧室体积的减小以及在没有产生过多的氮氧化合物(NOx)的情况下容许燃烧温度的增大。燃料在最大半径附近以及更靠近燃烧室后侧内表面的位置处的喷射因此是优选的以增强混合和火焰传播。一些比例的燃料喷射成在空气进入燃烧之前与空气混合以改进混合还可以加速燃烧过程并且减少NOx形成物。
[0411] 液态燃料的使用是有利的,这是因为随着液态燃料通过受限燃料喷射器向位于转子的最大流动半径附近的燃烧室流动而在液态燃料内逐渐形成了极高的压力,这意味着液态燃料可以在极高的压力下喷射,从而导致非常快的混合和蒸发,由此使燃烧加速。液态燃料因此大体上不需要在显著压力下供给至转子。液态燃料在点燃失败或燃烧停止以及液体开始聚积在旋转转子内的情况下呈现出某些危险,并且为此,在一些情况下可能有利的是使液态燃料气化并且将它们作为气体在压力下供给至转子。替代性地,在燃烧室内出现过压的情况下打开的安全隔板或其他应急阀可以结合到转子中,以将任何聚积到转子内的液体例如燃料或泄露的冷却剂流体释放到转子壳体中而不引起灾难性的转子失效。
[0412] 具有比空气更低的平均分子量的气态燃料例如甲烷气或氨气如果要被直接喷射到燃烧室种,则通常需要在压力下供给至转子。这可以通过对转子内的气态燃料进行中间冷却来部分地补偿,以在其朝向燃烧室径向向外流动时增大压力。
[0413] 通常需要限制燃烧温度以防止过多量NOx的形成物。这对在本发明的发动机中可能遭受的高压而言特别正确。尽管不期望的NOx形成物可以限制燃烧室的工作温度和压力时,但在一些情况下本发明的发动机可能需要在超过10MPa的燃烧室气体压力和/或超过1500℃的气体温度下运行,同时在最大流动半径附近的非常大的向心加速度的环境中仍保持物理上的一体性。创造可以在这些条件下继续使用的燃烧室设计提出了极其困难的挑战。
[0414] 高密度比强度的材料的使用有助于增大材料能够支承载荷的切向速度的范围。陶瓷例如碳化硅和氮化硅在高于1000℃的温度处具有是金属超合金的10至100倍的1,000,000m2.s-2量级的极高的密度比压缩强度。不幸的是,与碳化硅和氮化硅相似的陶瓷在拉伸方面比压缩方面弱得多且更不可靠,并且通常难以制造成复杂的形状或通过薄的部段制造。由于陶瓷的低延展性、高刚度和硬度而出现了难以对其进行机加工并且将载荷从其他部分向其传递的额外问题。陶瓷还通常因温度升高超过大约900℃时燃烧气体中的水蒸汽以及处于较高的水蒸汽部分压力并且当暴露于较高的气体流动速度时受到快速恶化的侵蚀。这种侵蚀温度限制和缺乏在燃烧室的环境下继续使用的替代性燃料通常需要使用下述设计:燃烧室并且还可能膨胀通道壁由流体来冷却以降低它们的温度。
[0415] 尽管存在有一些能够暴露于处于比900℃更高的温度下的燃烧气体而没有明显腐蚀的特殊金属合金,但这些特殊金属合金通常具有与陶瓷例如碳化硅和氮化硅相比非常低的密度比拉伸及压缩强度。这些特殊金属合金还具有相对较低的热传导性和较高的热膨胀率,这可能在较高的热通量穿过特殊金属合金时导致较高的热致应力,其壁中,冷却剂在一侧而高温燃烧气体在另一侧。
[0416] 因此,优选的解决方案为由陶瓷来部分地或全部地构造燃烧室和膨胀通道,碳化硅、氮化硅、氧化铝和多铝红柱石为陶瓷的优选示例,并且优选的解决方案为保持每个燃烧室和可选地冷却的张紧结构内的部分的或全部的的燃烧通道由高强度聚合物纤维复合材料制成。
[0417] 从燃烧气体到燃烧室壁和膨胀通道的热传递通常由于从燃烧气体中提取可能会以其他方式转变成涡轮中有用功的热能而降低了发动机的效率。
[0418] 在转子内,由于驱动离心式热虹吸的相同的浮力效应在比相邻的气体更冷或更热的表面上具有较强的再循环流。在燃烧室和膨胀通道中,较冷的射流是通过由壁冷却的燃烧气体形成的并且在切向地面向旋转方向的表面上径向向外流动,而在压缩通道中,较暖的射流在切向地远离旋转方向的表面上径向向内流动。气体与壁之间的温度差越大,这些射流将变得越快,并且因此使从燃烧气体到燃烧室壁和膨胀通道壁的热传递率越高度取决于燃烧气体与壁之间的温度差。理想的是,壁和气体的温度应尽可能地保持成彼此接近。
[0419] 因此,以相对于燃烧气体的较小的温度差来操作燃烧室壁和膨胀通道壁是非常有利的,并且这将通常意味着以接近于它们的由腐蚀/侵蚀和强度限制设定的最大温度限制来操作材料。减少暴露于燃烧气体的总的壁面积对于减少用以冷却的热能损失量通常也是有帮助的。这使得在转子内使用单个燃烧室和膨胀通道是有利的,尽管在一些情况下可能期望或需要使用多于一个的燃烧室以用于使转子平衡的目的或减小大型发动机中的燃烧室的尺寸,或者由于燃烧室壁会随着增大的尺寸而以其他方式需要制作得过厚。
[0420] 尽管可以使用冷却剂流体直接冷却燃烧室和膨胀通道,但从燃烧气体提取的可能大量热能会在大多数情况下浪费掉,并且会增加所需的冷却剂流体冷却,而通过利用经受压缩的空气来对燃烧室和膨胀通道进行再生冷却,从而大体上降低了发动机效率,其中,热能在空气经受燃烧时返回至燃烧气体。因此利用经受压缩的空气来至少对燃烧室和压缩通道进行至少部分地再生冷却是优选的。
[0421] 为了能够利用经受压缩的空气对燃烧室和膨胀通道进行再生冷却以及使燃烧室和膨胀通道壁的面积最小化,优选的是使压缩通道围绕燃烧室和膨胀通道。这具有将相对较冷的空气置于热的燃烧室和膨胀通道与较冷的张紧结构之间的第二益处。
[0422] 通过使燃烧在压力最高的最大流动半径处或附近发生来提高效率。在燃烧室中燃料与空气混合并燃烧花费了一定量的时间,因此,在相对较小的发动机中,期望的是减慢燃烧室内的平均径向流率,以确保燃烧在更靠近最大流动半径的位置处完成,这导致了需要沿径向方向的相对较大的燃烧室横截面流动面积。在完成燃烧之后,期望对燃烧气体进行加速并且使燃烧气体以相对较高的流动速度直接径向向内流动,以减小膨胀通道内所需的壁的面积,并且从而减少与膨胀通道壁的不期望的热传递,以及减小了较冷的向外流动的射流由于径向向内流动的燃烧气体的较高的动态压力而形成在膨胀通道的切向后侧面上的趋势。所产生的膨胀通道的较小的壁面积还具有第二益处:减轻了膨胀通道的质量,并且在径向压缩加载的燃烧室和膨胀通道的情况下,意味着压缩力可以遍及膨胀通道壁和随半径增大而增大的燃烧室壁横截面,从而在与恒定横截面膨胀通道相比降低了较大半径处的压缩应力水平。
[0423] 由于转子直径增大,在没有明显地减小发动机的效率的情况下,在燃烧室内采用较高的径向流动速度大体上变得可行,并且因此对较大的转子而言,燃烧室与膨胀通道之间的横截面面积的最优的减小很可能更小,并且在非常大的转子中可能根本没有减小。
[0424] 随着燃烧气体径向向内流动通过膨胀通道,燃烧气体的温度、压力和密度将减小,并且这可以使得优选地通过在半径范围处将半径减小至低于实现最大燃烧气体径向流动速度的半径来增大膨胀通道的横截面流动面积,以防止进一步增大径向流动速度从而导致增大的流动损失。
[0425] 如果径向向内流动并在膨胀通道内膨胀的燃烧气体膨胀并且温度降低至低于膨胀通道壁的材料温度限制,那么可能期望的是将膨胀通道的外部隔绝以限制与经受压缩的空气的热传递。
[0426] 为了保持燃烧室壁和膨胀通道壁在所需的温度限制之下,可能额外需要的是增强与经受压缩的空气的热传递。这可以通过限制绕燃烧室和膨胀通道的径向横截面流动面积以利用燃烧室罩来增大空气的径向流动速度来部分地或全部地实现。热传递还可以通过借助于额外的翅片、凹槽或其他类似的特征在燃烧室壁和膨胀通道壁的外表面上产生增大的壁表面积来增强。如果需要这种热传递增强来限制燃烧室壁或膨胀通道壁的温度,那么这种面积限制和/或增大壁表面面积特征是优选的解决方案。
[0427] 必须要注意的是,燃烧室设计是为了确保燃烧气体不会返回流出燃烧室空气入口并且进入压缩通道。许多设计特征可以有助于此:通过减小燃烧室空气入口的尺寸来增大通过燃烧室空气入口的压力降,使燃料喷射和/或燃烧发生在与燃烧室空气入口的半径相比距离转子轴线更短的半径距离处,使所有空气入口位于距离转子轴线相同的半径距离处或附近,使得在每个燃烧室空气入口处的空气压力几乎相等,在与燃烧室空气入口的半径相同的半径处或大于燃烧室空气入口的半径的半径处将燃烧室空气入口与燃烧室外部的空气通道连接在一起。
[0428] 在试图将极大的载荷从陶瓷燃烧室传递至聚合物纤维复合材料的张紧结构而不产生不期望的应力的过程中出现了明显的问题。燃烧室和张紧结构在运行期间在热膨胀方面也经受了明显的差异,并且对燃烧室和张紧结构两者而言,由于需要加载到燃烧室和张紧结构很大比例的极限强度,陶瓷在压缩时、聚合物材料在拉伸时在陶瓷燃烧室和张紧结构中产生了相反迹象的弹性应变。尽管允许较大的压应力存在于陶瓷内,但将拉应力限于相对较小的值以防止失效是非常重要的。陶瓷和聚合物复合材料在硬度、刚度和热膨胀方面还具有不同的材料性能。陶瓷在大多数情况下是同质且各向同性的,而纤维加强复合材料通常不是同质的且是各向异性的。
[0429] 在所研究的解决方案中,优选解决方案为具有保持在张紧结构中的互补的径向面向内的凹状杯形部内的凸圆顶形径向最外表面的燃烧室,该燃烧室可选地具有薄的隔热和/或柔顺燃烧室夹层将所述凹状杯部与凸圆顶形径向最外表面分开。该解决方案具有许多显著的优点:燃烧室和与燃烧室相邻的张紧结构两者的相对较大的曲率半径和相对较薄的外壳有助于限制遍及每一者壳厚度的应力变化;陶瓷内的载荷主要为压缩性的,而张紧结构中的载荷主要为拉伸性的;由于热及弹性变形而导致的尺寸变化通过使相对较薄并且具有较大曲率半径的圆顶部的略微变形来调节,可选地由燃烧室与张紧结构之间的界面中的柔顺性来辅助;隔热和/或柔顺的燃烧室夹层以减少或甚至在一些情况下消除对于该夹层的需要的方式保持以在升高的温度处具有强度,并且对一些构型而言可以甚至允许该夹层为液体或粉末。
[0430] 因此,优选实施方式为利用一个或多个由陶瓷部分地或全部地构造的燃烧室和膨胀通道,其中,碳化硅和氮化硅是陶瓷的优选示例,燃烧室的大体形式为覆盖在截头圆锥的较大端部上的大致凸圆顶外壳,该截头圆锥过渡至沿大致径向方向对准的管状膨胀通道。凸圆顶部位于最远离转子轴线的端部处并且通过燃烧室外部的张紧结构内的互补的凹状杯形部抵抗转子离心反作用力来保持,空气借助于穿过燃烧室的表面的位于距离转子轴线相同半径处或距离转子轴线相同半径附近的一个或多个孔口进入燃烧室,以在径向向内流动通过过渡到膨胀通道的大体形式为截头圆锥的过渡部之前与燃料一起燃烧,可选地,在燃烧室的外表面上可以存在有增大热传递面积的翅片或其他装置。
[0431] 单个燃烧室的益处
[0432] 除了单个燃烧室发动机可能享有的通常减小的冷却损失以及较低的制造成本之外,还具有许多其他优点:单个较大的燃烧室有可能具有成比例更厚的壁,在经受燃烧气体中的蒸汽侵蚀的情况下,将在相同的时间中损失与更小更薄的燃烧室会损失的厚度相比成比例较小的厚度,从而有可能提高燃烧室的安全寿命;多个较小的燃烧室更有可能在陶瓷制造过程中受到最小厚度的限制,这使得燃烧室的壁比期望的燃烧室的壁更厚,从而使燃烧室对包含在其内的体积而言具有比在更大的尺寸的情况下所具有的质量相对更重的质量,从而导致燃烧室与张紧结构之间更大的界面压力,这与更小曲率半径的燃烧室和张紧结构圆顶部结合还可以导致在这些区域中更大的材料应力。
[0433] 多个燃烧室还面临下述问题:在以平行流工作的情况下由于来自一个燃烧室的高压燃烧气体可能倒流通过另一燃烧室进入转子空气入口而存在逆流的可能性,从而快速地导致未设计用于高温的部件过热并且因此导致转子失效。该问题在正常工作期间可能不会发生,这是因为如果通过燃烧室的流开始减慢,而燃料流保持不变,那么这种燃烧通常会升高温度并且因此产生了抵消温降低的更高压力——实际上所有燃烧室将通过改变穿过所述燃烧室的质量流而在其产生的温度和压力方面趋于相等,但如果一个或多个燃烧室中发生了点燃失败并且燃烧温度在一个燃烧室中降得太低从而导致燃烧中止,那么倒流的可能性就变成了严重问题。
[0434] 在一些情况下,还可能存在在多个燃烧室之间形成的不期望的压力波振荡的可能性,如果压力波振荡足够强大,则可能导致破坏性的逆流。
[0435] 单个燃烧室的再一潜在益处在于平衡质量部——其用于使转子轴线相反侧的单个径向压缩及燃烧臂平衡——可以位于相对较小的半径处。尽管这需要更大的质量,但平衡质量部减小了转子的惯性动量,并且因此减小了转子的旋转动能——通常导致更快的转子加速度以及在开始和停止时要被供给或移除的更少的能量以及在转子失效时要被消散的更少的能量。在改变了转子轴线的取向的情况下,惯性动量的减小还可以在减小转子轴承上的回转反作用力方面是有益的。
[0436] 蒸腾冷却
[0437] 还有用的是利用燃烧室和/或膨胀通道的蒸腾冷却,其中,较冷的空气在喷射到燃烧室之前流动通过壁内的通道以对表面进行冷却并且对燃烧气体进行稀释,从而对壁进行更好地冷却并且潜在地允许更高的燃烧室气体温度。
[0438] 从径向最外的燃烧室空气入口径向向内喷射到燃烧室和/或膨胀通道中的冷却空气需要在相同的半径处相对于通过所述径向最外的燃烧室空气入口进入燃烧室的其余空气处于升高的压力。这优选地通过将转子内分开的压缩通道内的冷却空气进行内部中间冷却至较低的温度和/或冷却至与通过径向最外的燃烧室空气入口进入燃烧室的其余空气相比更大的半径来实现,以在最大流动半径处给予更高的空气压力。替代性地,更高压力的空气源可以通过分开的转子空气入口供给至转子。
[0439] 燃烧室夹层
[0440] 燃烧室夹层的大体形式优选地为圆顶外壳,该夹层配合在燃烧室的圆顶形径向外端部与张紧结构中互补的径向面向内的凹状杯状部之间并且提供了可变形的柔顺层,该柔顺层可以调节燃烧室和张紧结构在接触区域中的相对形状的略微的不匹配,从而通过使压缩接触压力更均匀地分布在燃烧室与张紧结构之间而减小局部过度的力的可能性。这可以有帮助地减小制造时需要的公差并且更好地调节由转子运行引起的尺寸上的变化。
[0441] 燃烧室夹层还优选地在燃烧室与张紧结构之间提供一些隔热,以减少用于张紧结构所需的冷却的量。
[0442] 存在有用于产生燃烧室夹层的许多优选的选择。
[0443] 优选的是,夹层结合了密实的固体和/或粉末和/或由陶瓷制成的纤维,二氧化硅、硅酸钙和铝硅钙由于它们相对较低的热传导性和较小的密度而是陶瓷的优选示例,但许多其他陶瓷也可以是适合的。
[0444] 在优选的解决方案中,燃烧室夹层将结合有允许燃烧室夹层在具有最高界面压力的区域中能够塑性压碎的一层陶瓷纤维和/或粉末和/或金属纤维和/或具有微观内部空隙的烧结金属线。这可能不足以能够在非常高的转子末端速度下重新分配界面压力载荷,因而可能需要更复杂的燃烧室夹层。
[0445] 替代性地,较弱的可塑性变形材料——在环境温度下为固体并且具有适合的密度——可以用于产生燃烧室夹层。当材料受到较大向心加速度和热量时,材料将变形并且流动以在具有径向液体动压力梯度的圆顶部上分配压力,使得燃烧室实际上浮动在燃烧室夹层上。该夹层还可以结合有额外的隔热材料层以减少热传导。
[0446] 替代性地,相对较低密度的可塑性变形的固体和液体可以密封在双层壁金属圆顶外壳燃烧室夹层内,以将压力更均匀地分布在圆顶的内表面和外表面上而不依赖于转子径向液体动压力梯度,从而提供所有需要的界面压力。双层壁金属圆顶外壳有效地用作在内部重新分布压力的球囊的膜。可选地,可以使填充双层壁金属圆顶外壳的冷却剂流体液体循环以移除来自夹层的热量并且随后冷却剂流体液体自身在别处进行冷却。此外,还可以在双层壁金属圆顶外壳的内部或外部存在有隔热材料层。
[0447] 如果结合在夹层中的隔热材料在物理上较弱并且在其内具有空隙、比如可以具有一层粉末或纤维,那么可能需要将隔热材料覆盖在不可渗透的且延展性的金属箔片表皮中,以防止隔热材料被液体或可塑性变形夹层部件刺穿,并且还防止隔热材料在转子停止时离开原位。
[0448] 在另一优选实施方式中,燃烧室将在其圆顶形外表面上具有外部凹槽,空气通过该外部凹槽流动以通过燃烧室的圆顶形外表面中的燃烧室空气入口进入燃烧室。柔顺的燃烧室夹层随后必须防止燃烧室表面上的外部凹槽被堵塞,并且因此,优选的是存在有与燃烧室圆顶形外表面接触的金属圆顶外壳层,该金属圆顶外壳层足够厚以防止夹层内的压力将金属圆顶外壳层向内推动而堵塞外部凹槽。内部隔绝和/或腐蚀抑制涂层
[0449] 燃烧室和膨胀通道可以具有施用在其一部分或全部内表面上的隔热和/或腐蚀抑制涂层以降低壁的热传递和/或侵蚀。特别地,优选的是一层隔热层施用至燃烧室的径向最外的圆顶形端部的内表面,这是因为径向向外指向的离心反作用力将部分地按压隔热层靠着圆顶部的内表面从而有助于保持隔热涂层的位置。进入燃烧室的相对较冷的空气将由于浮力效应而趋于聚积在圆顶部的径向最外的范围处,从而通常将燃烧室径向最外的区域中的气体温度保持为低于峰值燃烧气体温度。
[0450] 膨胀通道
[0451] 膨胀通道内的燃烧气体温度相对于切向速度的平方近似成比例地降低,使得等到燃烧气体到达50%的最大流动半径时,将发生例如转子内的大约75%的燃烧气体温度降低。这意味着对于1000m.s-1的转子末端速度而言,燃烧室与转子出口之间的温降低了差不多400K。在许多情况下,这将使燃烧气体温度在燃烧室与转子轴线之间的一些半径处降低至低于最大容许膨胀通道壁温度。
[0452] 膨胀通道优选地为径向对准的管,以减小其表面面积和质量并且保持沿着其长度指向的离心反作用力,从而避免在膨胀通道内产生弯曲载荷。可选地,膨胀通道将具有沿其长度可变的直径,以在任何给定半径处产生期望的燃烧气体径向流动速度。膨胀通道借助于膨胀通道径向膨胀接合部接合至燃烧气体弯曲过渡部,该膨胀通道径向膨胀接合部提供了位于膨胀通道与燃烧气体弯曲过渡部之间的部分或完全密封的接合部,并且允许膨胀通道相对于燃烧气体弯曲过渡部径向移动,以调节由热膨胀和离心反作用力诱发的应变引起的位移。
[0453] 燃烧气体弯曲过渡部可选地包括膨胀通道的额外的内部径向部段,该内部径向部段沿其长度受到张应力并且径向向外延伸至膨胀通道径向膨胀接合部。燃烧气体弯曲过渡部使径向向内流动的燃烧气体改变方向以轴向流动穿过燃烧气体出口管,并且燃烧气体弯曲过渡部可以在燃烧气体弯曲过渡部流动通道内结合有流动弯曲叶片以降低在燃烧气体改变方向从径向向内流动向轴向流动时会以其他方式产生的流动损失。
[0454] 燃烧气体弯曲过渡部和转子燃烧气体出口管的至少一部分的内表面优选地由涂层等来隔热,使得围绕燃烧气体弯曲过渡部和转子燃烧气体出口管流动的入口空气可以有助于使燃烧气体弯曲过渡部和转子燃烧气体出口管的外表面的温度保持更低并且减少热燃烧气体与进入转子的冷空气之间的不期望的热传递。
[0455] 转子燃烧气体出口和密封件
[0456] 转子燃烧气体出口优选地位于转子的一个端部上且气体通过热端部转子空气入口流入到转子中,该转子燃烧气体出口围绕转子燃烧气体出口管并且终止在转子燃烧气体出口中。这有利地意味着热端部转子真空密封件未直接暴露于热的且高压力的燃烧气体,反而暴露于相对较凉且低压力的空气。
[0457] 在许多情况下,转子燃烧气体出口将需要燃烧气体出口旋转密封件来对旋转转子燃烧气体出口管与静止的外部燃烧气体出口歧管例如外部涡轮的入口之间进行密封。该燃烧气体出口旋转密封件防止热的加压的燃烧气体逸出到环境中或逸出到转子空气入口中。对燃烧气体出口旋转密封件而言,存在许多优选的选择,包括:刷式密封件、气体或液体润滑的面密封件、迷宫式密封件、聚合物唇式密封件和优选地使用水或油用作阻隔液体并且作为冷却剂的动态密封件。
[0458] 这些可能的燃烧气体出口旋转密封类型的一些密封件对热敏感并且需要由液态的冷却剂和/或润滑剂冷却或者可以由转子入口空气来冷却。燃烧气体出口旋转密封件可以通过冷却的迷宫式密封件等——在任何泄露的燃烧气体到达迷宫式密封件之前对这些泄露的燃烧气体进行冷却——进一步免受高温。并且密封件可以通过其与转子燃烧气体出口和/或转子燃烧气体出口管之间的隔热而进一步被保护。
[0459] 涡轮
[0460] 与传统的涡轮机动态压缩和膨胀过程不同的是,转子内的压缩及膨胀过程极具效率,甚至在相对较小的发动机尺寸并且在相对较小的质量流率的情况也是如此。这使得其可以在具有低于100kW输出的发动机中实现相对较高的发动机效率,然而,整体发动机效率强烈地依赖于外部涡轮的效率。
[0461] 本发明的内部中间冷却的发动机由于燃烧室中大的温度升高量和可获得的较高的发动机压力比而具有产生非常大的涡轮温降的可能性。
[0462] 通常难以建立简单有效的如下涡轮,该涡轮可以以较小的质量流率适应较大的温降(温度与近似成比例)。这部分是由于穿过与较大的温降相关联的涡轮的燃烧气体密度的较大变化,该变化通常需要通过涡轮的流动面积中发生类似的较大变化,而这种变化难以在径向流入式以及轴流式涡轮中实现,但也部分是由于通常需要较大的流动速度来允许每级较大的焓降。较大的流动速度导致了使流动损失和叶片末端间隙增大的较小的流动通道尺寸,叶片末端间隙趋于以较小的尺寸成比例地变大,从而进一步降低了效率。小型发动机通常还需要制造便宜以与其他类型的发动机竞争,这意味着复杂的多级轴向式压缩机和涡轮可能不是经济合理的。
[0463] 多级轴流式压缩机和涡轮通常比同等的径流式压缩机和涡轮能够实现更高的效率,但通常还需要用于相同温降的多个级并且通常也会导致更高的制造成本。单个轴(连接为一起旋转的一组级)的轴流式涡轮包括多个连续的级,成对的定子叶片和转子叶片由于膨胀气体从入口至出口的密度的较大变化而在适应非常大的温降方面存在困难,这通常需要通过涡轮的流动面积中出现类似的大变化。因此,在高压力比涡轮中,通常存在有与较低压力的轴一起使用的多于一个的涡轮轴,该较低压力的轴通常由于其较大直径而以较慢的速度旋转。
[0464] 尽管多级且多个轴的发动机的大尺寸通常在经济上是可接受的,但对本发明的小型发动机而言,优选的是利用便宜且简单的单级径向流入式外部涡轮,例如在内燃发动机涡轮增压器中使用的那样,并且允许在单级中出现相对较高的燃烧气体温降。单级的径向流入式涡轮可以匹配至如下转子,在该转子中,相对于更优效率的多兆瓦级发动机而言质量流增大并且燃烧室中温升降低,使得通过单级外部涡轮的温降是低得可以接受的。
[0465] 还有可能的是,在一些情况下,具有多于一级的径流式或轴流式涡轮的小型发动机将是优选的解决方案,并且为了适应燃烧气体密度的大变化,优选的是具有在多轴外部涡轮中以不同的速度旋转的一级或多级涡轮。
[0466] 由于期望本发明的发动机具有较高的效率以及燃烧室与转子燃烧气体出口之间有明显的温降,因而可以预期的是,在与常规的燃气涡轮发动机相比时外部涡轮入口温度在许多情况下相对较低,并且在大多数情况下外部涡轮未被冷却。外部涡轮温度可以通过有可能对由多级且多轴的外部涡轮增加的复杂和高成本产生的通过外部涡轮的最大燃烧气体温降进行经济限制而进一步降低。较低的外部涡轮入口温度使得可以使用更便宜的材料以及制造技术来生产外部涡轮,并且还使得更高的操作速度成为可能,而这又可以允许通过单级外部涡轮的更大的燃烧气体温降。
[0467] 涡轮可变入口导引叶片
[0468] 在许多应用中,期望的是能够快速且有效地改变输出功率量。尽管通过转子的燃烧气体流率可以非常快地改变连接至发电机或其他负载的具有不可变几何结构的外部涡轮,但不能如所需地那样快地改变涡轮的速度,并且不能有效地将大范围燃烧气体体积流率转换成外部涡轮的输出功率。
[0469] 为了允许外部涡轮的功率输出有效且快速地改变,并且允许更有效率地调节外部涡轮入口压力和温度以及体积流率的变化,优选的是利用具有带有可调节定子叶片的至少一个涡轮级的可变几何结构的外部涡轮。
[0470] 在一个优选实施方式中,外部涡轮将结合具有多个枢转可调节定子叶片的至少一级径向流入式涡轮,所述多个枢转可调节定子叶片允许进入径向流入式涡轮转子的燃烧气体的切向速度至少部分地独立于燃烧气体的体积流率而改变。
[0471] 相反旋转的涡轮
[0472] 两个涡轮轴共享共同旋转轴线沿相反方向旋转的相反旋转的涡轮允许在相对较小数量的级中较大的压力和焓降,并且可以消除或减少对于定子叶片的需要,或者允许在与常规的多级轴流式涡轮相比时对于相同温降而言低得多的涡轮速度。定子的可能消除和减少数量的级意味着相反旋转的涡轮与同等的常规多级轴流式涡轮相比可能便宜得多、轻得多并且更紧凑,尽管仍具有下述问题:对于大温降而言通过涡轮的流动面积有较大变化,并且相反旋转的涡轮通常由于试图将每个第二级的旋转与其他沿相同方向旋转的涡轮级物理连结在一起的固有难题而难以制造。然而,优选的解决方案是在外部涡轮中使用了多于一个的涡轮轴的情况下,这些轴是相反旋转的以允许更大的温降并且降低成本。
[0473] 扭矩产生燃烧出口喷嘴和相反旋转的涡轮
[0474] 在优选实施方式中,转子燃烧气体出口是一个或多个扭矩产生喷嘴的形式,燃烧气体通过所述一个或多个扭矩产生喷嘴在距转子轴线的径向距离处借助切向速度离开转子。这产生了作用在转子上的反作用扭矩,该反作用扭矩可以用于向转子的旋转提供动力,并且可选地驱动其他机械负载,其中,附接至转子的齿轮箱、带传动装置以及发电机或马达发电机是这些机械负载的示例。
[0475] 离开扭矩产生喷嘴的燃烧气体的压力和温度与转子燃烧气体出口管中的燃烧气体相比明显降低。外部涡轮可以随后用于提取来自离开扭矩产生喷嘴的不完全膨胀的燃烧气体的剩余功并且这可以有利地降低外部涡轮入口处的温度和压力并且增大物理尺寸,以及与没有扭矩产生喷嘴的情况下外部涡轮所需的旋转速度相比降低了外部涡轮的所需的旋转速度。还有利地降低了由燃烧气体向任何燃烧气体出口旋转密封件施加的温度和压力,该燃烧气体出口旋转密封件密封在热端部空气入口与离开扭矩产生喷嘴的燃烧气体之间。
[0476] 在优选构型中,离开扭矩产生喷嘴的燃烧气体的较高的切向速度随后用于驱动轴向流入式或者径向流入式类型的相反旋转的外部涡轮,该外部涡轮具有与转子轴线平行或几乎平行的旋转轴线并且沿与转子相反的方向旋转。为此,优选的是,离开扭矩产生喷嘴的燃烧气体具有与转子角动量反向的绕转子轴线的角动量,或者也就是说,离开扭矩产生喷嘴的燃烧气体沿与转子相反的方向绕转子轴线旋转。这些气体可以随后用于驱动相反旋转的外部涡轮。
[0477] 在另一优选构型中,涡轮壳体——外部涡轮在涡轮壳体内绕与转子轴线一致的旋转轴线旋转——附接至扭矩产生喷嘴的本体。在离开涡轮壳体之前由于燃烧气体进一步膨胀,这进一步降低了燃烧气体的压力,并且在许多情况下,燃烧气体甚至可以完全膨胀至环境大气压力。这降低了燃烧气体出口旋转密封件上的压力差,并且在一些情况下将有利地完全消除对燃烧气体出口旋转密封件的需要。
[0478] 容式涡轮
[0479] 容式涡轮为用于本发明发动机的外部涡轮的优选类型,容式涡轮为相反旋转的径向流出式涡轮,其中,燃烧气体在两个同轴的沿相反方向旋转的盘状件之间径向向外流动,其中,与涡轮叶片的前一个环相比,轴向延伸的涡轮叶片的相继环各自附接至相对的盘状件。这提供了关于轴流式相反旋转的涡轮的许多有用的优点,特别对于大温降并且对于小体积流率而言更是如此:通过容式涡轮的流动面积可以随着气体径向向外流动而制作得明显增大,这是由于叶片环的圆周随半径而线性增大并且叶片长度也可以增大;较热的径向内叶片环与较冷的径向外叶片环相比受到相对较小的离心反作用力和材料应力;通过在每个盘状件上使用许多叶片环,相反旋转的盘状件能够以相对较低的速度旋转,这可以减少轴承摩擦并且使得与传动件和其他负载的附接更容易;每个环中的叶片可以沿轴向方向制成棱柱形,这意味着叶片都能够在单个简单且相对较便宜的制作过程中容易形成或完成;盘状件中的一个盘状件或两个盘状件中的相对较大的径向未对准或振动可以在不需要增大叶片末端部间隙从而使效率受损的情况下进行调节;叶片末端部间隙可以在运行中以非常小的值保持,并且可以甚至在运行期间通过将盘状件相对于彼此径向移动来主动监测和调节以提高整个容式涡轮的效率。
[0480] 当适用于本发明的发动机时,容式涡轮的盘状件中的一个盘状件可以在转子燃烧气体出口管的端部处有利地附接至转子,其中,燃烧气体穿过附接至转子的盘状件的中部以进入容式涡轮的叶片环。这允许用于驱动转子旋转的马达额外地用作用于容式涡轮的发电机并且还消除了对于高温高压的燃烧气体出口旋转密封件的需要。
[0481] 点燃
[0482] 存在有用于使本发明的转子内开始燃烧的许多优选方法,一些方法需要使用外部压缩机在点燃之前驱动空气通过旋转转子,而一些方法则不需要使用外部压缩机。
[0483] 如果需要外部压缩机来开始燃烧,那么通常优选的是使外部压缩机在转子加速的同时运行,除非外部压缩机为正排量式压缩机或者转子为内部中间冷却的。如果直到转子以最大速度旋转之后以开始利用外部压缩机将空气泵送通过转子,那么需要相对较高的转子空气入口压力来克服在相对较热的空气被推到转子中以替换已经处于燃烧室内的较冷且稠密的压缩空气时产生的反向的离心式热虹吸。通常不太可能借助离心式外部压缩机以较低的流率产生做到这一点所需的相对较高的转子空气入口压力,但如果空气流以较低的转子速度开始并且没有内部中间冷却器,那么可以利用离心式外部压缩机保持空气流。
[0484] 在许多情况下,期望燃烧可以通过燃烧室中的燃料与热空气的自动点燃开始并保持。其中,空气随着其径向向外流动至旋转转子中的燃烧室而通过压缩来加热。优选地,空气将在喷射燃料之前在空气被外部压缩机等带至工作旋转速度时吹到转子空气入口中,一旦转子速度并且因此燃烧室气体温度足够高,燃料会通过自动点燃而开始燃烧并保持。
[0485] 此外或替代性地,可以利用转子燃烧气体出口处的点燃源比如火花塞电热塞来点燃通过将燃料与由外部压缩机等吹动通过燃烧室的空气混合产生的空气-燃料混合物。燃烧可以随后向后通过转子燃烧气体出口管中的缓慢流动的空气-燃料混合物传播至膨胀通道中并且随后进入燃烧室。如果燃料具有比空气低的平均分子量、例如甲烷气,那么浮力会使燃料从燃烧室自然流动并离开转子燃烧气体出口,从而在这样做时与空气混合,在这种情况下可能不需要外部压缩机。
[0486] 因此,优选的点燃方法为利用喷射到燃烧室内的、具有比空气更低密度的燃料、例如氢气、甲烷气或氨气,燃料由于浮力效应会流动至旋转的转子燃烧气体出口而无需利用外部压缩机来驱动空气流动通过转子。位于转子燃烧气体出口处的点燃源例如火花塞或电热塞随后可以点燃空气-燃料混合物,并且燃烧可以随后往回传播到燃烧室中。在以该方式实现点燃后,燃料可以可选地改成替代性的燃料。
[0487] 如果利用位于转子燃烧气体出口处的点燃源,则可能需要通过利用排气空气阀等限制来自转子燃烧气体出口的体积流率以充分地减慢空气流率以进行燃烧,从而能够使燃烧往回传播到燃烧室中,甚至在由热的往回传播燃烧产生的离心式热虹吸开始驱动空气流快速加速通过转子时也是如此。
[0488] 替代性的优选点燃方法为在转子仍处于低速或停止时利用位于转子燃烧气体出口处的点燃源来点燃由外部压缩机泵送通过转子的空气与喷射到燃烧室内的燃料的混合物。燃烧随后通过减弱的低速离心式热虹吸往回传播到燃烧室中,这意味着在转子燃烧气体出口上可能需要很少的流量限制或不需要流量限制。
[0489] 此外或替代性地,被外部压缩机等吹动通过转子的空气的温度可以在空气进入转子并且经受压缩之前由加热器临时并且逐渐升高,从而在空气到达燃烧室时提高空气的温度并且从而使得能够借助于自动点燃来开始燃烧。这种加热可以通过在空气进入转子之前使一些燃料在空气中燃烧来容易地实现。
[0490] 此外或替代性地,比正常燃料具有更低点燃温度的燃料可以在一旦燃烧建立便切换成具有更高自动点燃温度的正常燃料之前用于使燃烧开始。较低温度的自动点燃燃料例如硅烷或三乙基——在低于室温或接近室温时自动点燃——的使用于是可以不需要使用外部压缩机或其他装置来在点燃之前升高燃烧室内的空气温度。
[0491] 然而,次优选的是也可以采用燃烧室内的点燃源例如火花塞或电热塞来开始燃烧。
[0492] 以气态形式将燃料供给至转子直到建立燃烧可以是有利的,以防止稠密的液态燃料在转子内的危险聚积,而这会使点燃失败。
[0493] 对具有内部中间冷却的转子而言,当转子以高速旋转时,吹动空气通过转子是更困难的,因此,通常优选的是不使用用于开始燃烧的自动点燃,除非利用低温自动点燃燃料。用于具有内部中间冷却的转子的点燃方法因此通常优选的是使点燃源位于转子燃烧气体出口中,其中,燃烧在较低的转子速度处开始或利用具有比空气更低密度的气态燃料。
[0494] 转子轴承
[0495] 支承转子的转子轴承提出了许多挑战。期望的是具有较低轴承摩擦损失,但转子轴承需要以较高的转子角速度运行并且可能需要承受较大的回转反作用力。转子轴承还必须非常可靠以防止在高速时的危险失效并且需要以不使其由于流出转子的热燃烧气体而过热的方式结合。
[0496] 存在有许多优选的转子轴承解决方案。通常在高速汽车涡轮增压器中采用的具有或不具有中间圆筒形衬套——通常已知为介于内轴承表面与外轴承表面之间的浮动环——的液体动压轴承由于下述原因而非常具有吸引性:非常便宜、可靠、在没有磨损的情况可能非常长的寿命、以及以较高的可超过100m.s-1的内部直径切向速度下运行从而允许相对较大的孔径,这在大多数情况下允许转子燃烧气体出口管穿过该轴承。液体动压轴承还可以设计成具有相对较低的径向刚度而具有非常高的承载能力,并且可以使用冷却润滑剂的循环供给来保持液体动压轴承冷却、即使在极为靠近转子燃烧气体出口管的位置处也是如此。液体动压轴承还可以与由循环的轴承润滑剂保持冷却的旋转密封件有用地结合。
[0497] 滚动元件轴承可以以类似于液体动压轴承的速度运行并且通常具有更低的摩擦,但通常更昂贵并且在可能必须的高内部直径切向速度下可能没那么耐用或可靠。在大多数情况下,滚动元件轴承将仍需要冷却润滑油的外部供给。
[0498] 在优选构型中,为滚动元件轴承或者液体动压轴承的转子轴承将位于转子的每个端部处,以提供相距较远隔开的支承——其能够更好地承受作用在转子轴承上的转子惯性力——并且使空气在不穿过任一转子轴承的内径的情况下流动到转子中,尽管可选地,燃料和/或冷却剂流体和/或燃烧气体可以流动通过一个或两个转子轴承的内径。
[0499] 优选的是,仅单个转子轴承结合有用于抵抗来自转子的轴向载荷的能力,以不在两个转子轴承中都产生不需要的轴向轴承载荷。
[0500] 优选地,在滚动元件轴承或液体动压轴承位于转子的具有转子空气入口的端部处的情况下,存在有横跨转子空气入口的环形开口进行桥接的两个或更多个桥接柱,以径向加固转子轴承相对于转子的中央安装点的位置。
[0501] 转子轴承的另一优选类型为空气轴承、特别是箔片空气轴承,该空气轴承尽管通常昂贵,但非常可靠并且可以在超过200m.s-1的高内部直径切向速度运行,并且具有较低的摩擦和较高的承载能力,同时还能够在高温下操作。
[0502] 磁轴承是另一优选的转子轴承选择,尽管在主动控制形式中磁轴承趋于是昂贵的并且可能是不够可靠的。没有传感器或主动控制电磁体的被动磁轴承可以非常可靠并且提供非常小的摩擦损失且具有相对较小的径向刚度和类似于空气轴承的非常高的内部直径切向速度,尽管被动磁轴承需要额外的转子轴承来提供轴向转子约束。
[0503] 空气轴承和磁轴承的高速能力和低摩擦意味着在许多情况下所有流体能够通过转子内径进入以及离开转子,并且空气轴承和磁轴承可以在转子的具有中央热转子燃烧气体出口管的热端部处的使用是特别有利的,这是由于其允许转子轴承的内径进一步远离转子燃烧气体出口管从而减少或消除对转子轴承进行冷却的需要。
[0504] 因此,在优选构型中,在转子的热端部——转子燃烧气体出口管从该热端部延伸出——处具有空气轴承或磁轴承。在这种情况下,转子的相反的冷端部优选地由对转子提供径向约束和轴向约束的滚动元件轴承或液体动压轴承支承。
[0505] 可选地,一个或两个转子轴承将通过与进入转子的空气进行热传递而被冷却。
[0506] 转子流体供给
[0507] 燃料通过位于转子轴线处或附近的燃料入口进入转子。如果冷却剂流体在转子外冷却剂冷却器中被冷却,那么冷却剂流体将通过冷却剂流体入口进入转子并且通过冷却剂流体出口离开转子,并且所有这些入口和出口将优选地由旋转密封件或其他装置密封以防止或减少泄露。
[0508] 供给至转子的所有流体将优选地被过滤以移除可能聚积在转子内的颗粒。
[0509] 燃料入口以及冷却剂流体入口和冷却剂流体出口——如果存在的话——优选地位于与具有转子燃烧气体出口的热端部相反的冷端部处。
[0510] 副大气发动机
[0511] 对一些低功率应用而言,可能期望的是在转子空气入口大致低于环境压力的情况下操作,可选地使来自处于环境压力处或接近环境压力的转子燃烧气体出口的燃烧气体穿过外部涡轮。离开转子的一些或全部燃烧气体随后穿过回热式或再生式热交换器,以将它们的热量传递至空气。由回热式或再生式热交换器加热的空气随后与未穿过再生式或回热式热交换器的任何燃烧气体结合并且膨胀通过外部涡轮。来自外部涡轮的出口气体随后在通过转子空气入口再次进入转子之前在涡轮排气冷却器中冷却。
[0512] 该副大气发动机具有许多潜在的优点:外部涡轮将在物理上更大,并且与来自转子的较高密度的燃烧气体在入口处于环境压力或接近环境压力时工作的情况相比,外部涡轮将以较低的角速度旋转,并且这可以增大可实现的外部涡轮效率;这可以增大外部涡轮轴承的耐久性并且使外部涡轮的制造更便宜;转子内减小的燃烧压力可以减少转子内的腐蚀和热传递从而增大转子的耐久性;较低的转子空气入口压力将需要转子真空密封件上的较小的压力差,这可以减少转子真空密封件的损失并且提高它们的寿命;转子壳体真空泵可以通至较低压力的转子空气入口;如果利用自然气体作为燃料,那么可能无需压缩机压缩自然气体来供给至转子。
[0513] 外部压缩机
[0514] 在非常高的转子末端速度下,外部压缩机和对空气进行冷却的外部中间冷却器或内部中间冷却器的使用通常具有较小效率收益,但仍可以在保持燃烧室、张紧结构和膨胀通道更冷方面给出优点。
[0515] 在较低的转子末端速度下,外部压缩以及外部中间冷却和内部中间冷却通常产生了大幅的发动机效率提高。
[0516] 在较低的转子末端速度下,外部压缩机中的最优压缩量通常随着发动机尺寸增大而增大,因此外部压缩机和外部涡轮的效率增大。
[0517] 在空气在外部压缩机中压缩之后利用外部中间冷却器对空气进行冷却通常还产生了更高的发动机效率,尽管这在某种程度上依赖于外部中间冷却器中的压力损失。
[0518] 通常优选的是,利用联接至外部压缩机的外部涡轮来驱动外部压缩机。还优选的是,该外部压缩机和外部涡轮还联接至马达/发电机,该马达/发电机可以在起动期间向外部压缩机提供动力以将空气供给至转子并且在发动机产生动力时从外部涡轮产生动力。
[0519] 外部压缩和中间冷却的量最终可能受到增大的不期望的NOx排放和/或由较高的燃烧压力和与空气燃烧的燃料的较大比例产生的燃烧气体中水蒸汽的量的限制,从而导致制成燃烧室的材料较大的侵蚀。
[0520] 过滤器
[0521] 通常将需要从进入转子的空气中过滤颗粒,以防止颗粒逐渐累积在转子内,这可以导致流动路径的不可接受的堵塞或过度不平衡的质量积聚。
[0522] 空气中非常小的颗粒通常会由燃烧气体输送出转子,该燃烧气体的密度朝向最大流动半径增大。许多有机颗粒和其他颗粒还会在燃烧室内燃烧或者转变成气态化合物。空气中较大的颗粒通常在具有更大转子直径的发动机中更易接受,这是由于转子内的向心加速度通常更低并且因此燃烧气体更容易将颗粒输送出转子,因此对于更大直径的转子可以放宽过滤要求并且对于内部中间冷却转子也放宽过滤要求,在内部中间冷却转子中,转子内的气体密度通常由于增大的气体压力而更高。
[0523] 通常优选的是,空气在进入转子紧之前穿过过滤器,然而,如果使用外部压缩机,那么可能优选的是在外部压缩机和任何外部中间冷却器之前利用过滤器,以减小容置过滤器的室上的压力,或甚至消除对该室的需要。
[0524] 清洁
[0525] 无论聚积的颗粒和其他沉积物是否已经构成不可接受的级别或者作为常规运行过程的一部分,可能都需要对转子内聚积的颗粒和其他沉积物进行清洁。
[0526] 除了侵蚀或损坏转子内的燃烧室或其他部件之外,这种聚积的颗粒或沉积物可以由传感器监测,该传感器测量转子在旋转时的不平衡性。
[0527] 优选的是,在转子停止时利用清洁过程,其中,由外部压缩机供给的压缩空气吹动通过转子并且承载着颗粒离开转子燃烧气体出口,或者可选地,液体例如水或其他化学反应液体通过转子泵送并且可以更好地使所聚积的颗粒溶解或将所聚积的颗粒传送出转子。
[0528] 可选地,固体清洁颗粒可以添加至流动通过静止的转子的空气或液体,以使沉积物和颗粒离开原位,固体清洁颗粒优选地为可以在运行期间被燃烧或蒸发而不会固体残留在转子内的复合物。
[0529] 自动平衡器
[0530] 转子的质量中心和转子容纳的所有流体可以随着时间从转子轴线略微移位,从而由于下述许多因素而改变转子速度,例如:变化的流体密度、流体通道的可变填充、碎屑在流体通道中的聚积、流体通道和热部件的侵蚀和腐蚀、弹性或热变形、部件的塑性变形、外物的吸收和损坏、从聚合物材料除气以及由于设计和/或制造变化引起的转子的不对称。这种转子不平衡性可以导致对轴承寿命和轴承摩擦都不利的高转子轴承力。为此,优选的是,转子轴承或用于转子的转子轴承安装件具有相对较低的径向刚度,并且转子在较低刚度的径向轴承中以高于用于转子质量的第一径向振动固有频率的速度运行,使得转子具有绕从转子轴线朝向转子质量中心移动的旋转轴线旋转的趋势。此外,优选的是,一个或多个自动平衡器结合在转子内,使得当转子以高于第一径向振动固有频率的速度运行时,自动平衡器以趋于使转子的质量中心回到与转子轴线对准的方式对其自身内的质量重新分配,从而有助于降低转子轴承和密封件的径向振动。自动平衡器通常由许多相同的滚子构造,所述许多相同的滚子部分地填充绕转子轴线的回转腔的圆周。此外,可以存在有部分填充回转腔的一些类型的粘性流体以在转子角加速期间快速减小滚子与转子之间的角速度差。自动平衡器滚子的质量中心优选地位于与转子质量中心相同的垂于转子轴线的平面中。如果转子内存在有多个自动平衡器,那么优选的是转子质量中心位于所述多个自动平衡器之间。
[0531] 万向节
[0532] 转子的非常大角动量将引起相对较大的转子轴承力,使得转子轴线绕与转子轴线不平行的轴线旋转。由于回转惯性力而产生的较高的转子轴承力可能需要使用较大的转子轴承,并且可能导致较大的摩擦损失。较大的转子轴承使得更难以利用较低刚度的转子轴承安装件,该转子轴承安装件可以允许转子以高于转子轴承系统的第一固有径向频率操作并且因此允许使用自动平衡器。这种问题在交通工具可以相对较快地转动或旋转的交通工具应用例如飞行器、汽车、卡车和轮船中最显著。
[0533] 对地面交通工具应用而言,通常优选的是将转子安装在交通工具内且使转子轴线竖向,使得交通工具的快速转动不会引起转子轴承中较大的回转反作用力。对飞行器和轮船而言,通常优选的是将转子安装成使得转子轴线沿着飞行器长度对准,使得在飞行器或轮船快速滚动时不会产生较大的回转反作用力。
[0534] 将转子安装在万向节装置内还可以有益的是允许转子轴线在交通工具旋转时保持相对较恒定的取向,从而减小或消除转子轴承中的回转反作用力。
[0535] 转子万向节安装件可以具有有限范围的旋转运动以允许更容易的外部流体连接,并且可以具有优选的或默认的转子轴线取向,该转子轴线与交通工具通常最快速旋转所围绕的轴线对准。优选的转子轴线取向在地面交通工具中为竖向的,而对于飞行器和轮船而言,优选的转子轴线可以沿着交通工具滚动轴线。
[0536] 制动
[0537] 可能期望在一些情况下使转子快速停止。实现快速停止的一种非常简单便宜的方法为通过打开阀而用空气或其他气体快速填充转子壳体,尽管这将引起转子的外表面短暂地经历高温。可以使用更慢的压力增大率来减小峰值温度。由于水蒸气的更高的恒压比热cp,用水蒸汽代替空气用于制动目的会大幅减小峰值温度。水可以甚至在相对较小的半径处引入为精细的喷雾或薄雾从而通过汽化的方式吸收更多的热能。
[0538] 在许多情况下,用于保持转子旋转的马达还将能够用作发电机来使转子变慢,从而在其变慢时回收能量。
[0539] 可选地,摩擦制动器例如鼓式制动器盘式制动器还可以附接至转子。
[0540] 附图描述
[0541] 图1示出了本发明的发动机的优选实施方式的与转子轴线2一致的截面图,其中,由大量部件形成的转子4在液体动压轴承6上绕转子轴线以转子角速度沿从转子壳体8内的左侧观察时的顺时针方向旋转,转子壳体8的大体形式为绕旋转轴线的回转外壳。来自转子壳体内部容积但转子外部的转子壳体气体由真空泵(未示出)排出,该真空泵将转子壳体气体抽取穿过位于转子壳体的最大半径附近的真空泵入口扩散器12的端部处的真空泵入口10。真空泵入口扩散器12定形并定向成使得其通过转子的运动恢复绕转子轴线旋转的转子壳体气体的一些速度并将这些速度转换成真空泵入口处增大的压力。
[0542] 转子真空密封件14定位成与位于转子的每个端部处的转子空气入口16的最小开口直径邻近。转子真空密封件允许转子壳体由真空泵部分地排空以减小转子上的风阻阻力。转子空气入口接收来自空气入口歧管18的空气,而空气入口歧管18接收来自供给装置(未示出)的通常被过滤以移除颗粒的空气,所述空气可以可选地在外部压缩机(未示出)中压缩至大于大气压力并且可以随后可选地在内部中间冷却器(未示出)中进行中间冷却以在其进入转子之前降低经压缩的空气的温度。
[0543] 转子轴颈轴承离开转子壳体安装在转子轴承安装件20上,该转子轴颈轴承具有足够低的径向刚度以确保转子在处于最大转子角速度时处于其径向振动的第一固有频率之上。
[0544] 穿过转子空气入口进入转子的空气被空气入口导流器22以旋转的方式加速以近似匹配转子角速度。转子空气入口扩散器24使已经穿过转子空气入口的最小流动区域的空气减慢,从而恢复一些动态空气压力以增大转子内的静态空气压力。
[0545] 空气随后朝向由陶瓷制成的单个燃烧室26径向向外流动,从而在首先顺序穿过未冷却的压缩通道28以及随后穿过冷却的压缩通道30内的燃烧室罩32的同时经受压缩并且增大温度,单个燃烧室26、压缩通道28和燃烧室罩32都容纳在由纤维加强聚合物制成的张紧结构34内。未冷却压缩通道从转子轴线附近向外延伸至由于压缩而产生的升高空气温度超过了制成张紧结构的聚合物复合材料的可允许温度的半径处,冷却压缩通道在该半径处开始。冷却压缩通道内的燃烧室罩降低了从空气到张紧结构和冷却剂流体的热传递的速率,同时也增大了绕燃烧室的径向空气流动速度,从而以压缩的方式加载外部膨胀通道36以提高回热空气冷却。燃烧室罩在其径向内端部和径向外端部两者处被支承离开张紧结构,使得最靠近转子轴线的端部以张紧的方式被加载,并且最远离转子轴线端部以压缩的方式被加载并且由具有比张紧结构高的温度性能的材料构成,该材料的示例可以包括高强度钢、钛合金、陶瓷、陶瓷基复合材料和金属基复合材料。
[0546] 空气穿过在距旋转轴线近似相等的半径处(最大流动半径)绕燃烧室分布的多个燃烧室空气入口38进入燃烧室。燃料是通过燃料注射器40注射的并且在燃烧室中与空气燃烧,一旦空气压缩使空气温度升高到足以实现自动点燃时点燃就自发进行,以产生燃烧气体,该燃烧气体随后通过燃烧室与外部膨胀通道之间的截头圆锥会聚部段42朝向旋转轴线径向加速。燃烧室具有保持在张紧结构中的互补的凸状杯状部46内的凸状圆顶端部44。在燃烧室与冷却张紧结构之间具有燃烧室夹层48,燃烧室夹层48通过燃烧室与张紧结构之间的燃烧室夹层的厚度的局部变化提供了更均匀地重新分配压力载荷的一些能力并且具有一些隔热部,所述隔热部减小了从热燃烧室流动至较冷的张紧结构的热量的量。
[0547] 燃烧气体从膨胀通道通过密封的径向膨胀接合部50径向向内流动至张紧加载的内膨胀通道52,该内膨胀通道52从燃烧气体弯曲过渡部54径向向外延伸。燃烧气体随后沿着转子燃烧气体出口管56轴向流动,该燃烧气体出口管56终止在径向流出容式(ljungstrom)外涡轮58中。该外涡轮58的一个盘状件附接至转子燃烧气体出口管,并且外涡轮58的另一盘状件绕转子轴线以与转子相反的方向(当从转子的容氏外部涡轮所在的右手端观察时顺时针方向)旋转并且附接至发电机60。
[0548] 张紧结构从转子轴线附近沿与转子平衡质量部62相反的径向方向径向向外延伸超出燃烧室的凸状圆顶端部,该转子平衡质量部62为在转子轴线的径向相反侧的各个转子部件提供平衡质量,同时还对转子组件开口端口64进行密封,燃烧室、燃烧室罩和其他部件在组装期间穿过该转子组件开口端口64插入到张紧结构中。
[0549] 冷却剂流体穿过冷却剂流体入口66进入转子并且经由冷却剂流体出口68离开转子,其中,燃料穿过燃料入口70进入转子并且燃料和冷却剂流体穿过流体入口管72轴向流动到转子中,该流体入口管72包含用于在燃料、转子冷却剂流入流体和转子冷却剂流出流体进入嵌在张紧结构内的流动通道之前的各个通道。
[0550] 流体入口管和转子燃烧气体出口管各自具有离开其安装的转子轴颈轴承,并且各自由横跨转子空气入口进行桥接的三个桥接柱74相对于转子径向加强。
[0551] 两个自动平衡器76轴向地定位至张紧结构的两侧,并且各自包括与转子轴线同轴的环形腔,在该环形腔中,少量粘性液体中的多个圆筒形滚子自由滚动并且设法找到其最小能量状态。在转子以大于其第一径向振动固有频率旋转时,转子实际上绕其自身的质心旋转,并且当转子绕其质心旋转发生时,圆筒形滚子将在自动平衡器内的环形腔中以使得转子的质心与转子轴线大致一致的方式重新分配,从而减小转子的径向振动。
[0552] 位于转子壳体内的轴向磁通马达-发电机78用于将转子加速至工作速度并且随后作为发电机运行,以吸收由附接至转子的容氏外部涡轮产生的扭矩。
[0553] 图2示出了图1的发动机截面的放大细节图,其示出了陶瓷制燃烧室28的一部分及其与张紧结构34接合处。空气穿过围绕燃烧室的距旋转轴线大致相同径向距离处的周缘分布的多个燃烧室空气入口38进入燃烧室。结合至张紧结构的内表面的金属制冷却内壁80具有在张紧结构内结合至其外表面的冷却管82,冷却剂流体穿过该冷却管82流动以使张紧结构保持冷却。燃烧室罩32的径向最外端部由冷却内壁抵抗离心反作用力支承。燃烧室夹层48防止燃烧室与张紧结构之间可能以其他方式导致失效的过度局部压力。燃烧室夹层还提供一些隔热部,所述隔热部减小了从燃烧室至冷却剂流体的不期望的热流动。
[0554] 图3为图1的发动机截面的放大细节图,其示出了燃烧室罩32的径向最内端部,该径向最内端部被支承离开结合至张紧结构34的内表面的金属冷却壁80。
[0555] 图4为图1的发动机截面的放大细节图,其示出了径向膨胀接合部50,该径向膨胀接合部50允许外膨胀通道36与内膨胀通道52之间的相对径向运动,外膨胀通道36形成为陶瓷制燃烧室的一部分,内膨胀通道52从转子轴线附近径向向外延伸。径向膨胀接合部利用由与内膨胀通道类似的材料制成的浮动密封环84,使得径向膨胀接合部大致匹配内膨胀通道的热膨胀。浮动密封环可以相对于内膨胀通道径向移动,并且在其径向内端部具有环形凹槽,该环形凹槽为装配至内膨胀通道的外端部的极为互补的滑动件。离心反作用力保持浮动密封环靠着外膨胀通道的径向内端部。
[0556] 图5为图1的发动机截面的放大细节图,除了示出转子液体动压轴承6中的一个转子液体动压轴承之外其还示出了燃料入口70、冷却剂流体入口66和冷却剂流体出口68,转子液体动压轴承6中的一个转子液体动压轴承在圆筒形流体入口管72的外表面上运行,穿过流体入口管72借助于三个单独的流动通道,燃料进入转子并且冷却剂流体进入及离开转子。出于更清楚的目的,燃料入口、冷却剂入口与冷却剂出口之间的旋转密封件未示出,但实际上,将采用旋转密封件来保持不同的流体分开。空气入口歧管旋转动态密封件86对可能存在于空气入口歧管18与空气入口歧管外部的周围环境之间的压力差进行密封。空气入口歧管动态旋转密封件采用附接至流体入口管的外表面的,该环形环在由阻隔液体填充的更大的静止的环形腔内旋转。通过环形环在环形腔内的旋转在阻隔液体内产生了径向压力梯度,并且环形环的两侧之间的任何气体压力差随后通过环形环的每侧上的阻隔液体的内自由表面的半径差来补偿,从而几乎没有气体泄漏。
[0557] 图6为图1的发动机截面的放大细节图,其示出了转子的端部,燃烧气体从该端部离开转子。转子真空密封件14将转子壳体气体92的部分真空与空气入口歧管18中的空气隔绝。转子真空密封件为动态密封件类型的密封件,在转子真空密封件中,较低蒸汽压力的阻隔液体在附接至转子空气入口16的与其最小内部开口直径相邻的外部的旋转环的两个轴向侧部之间产生了几乎气体密封的旋转真空管密封件,以减小密封件中的摩擦加热和损失。转子真空密封件的旋转环带间隙地在转子壳体8中的由阻隔液体部分地填充的环形腔内旋转。空气入口歧管与转子壳体气体之间的压力差是通过由旋转的阻隔液体中的离心加速度产生的径向压力梯度来平衡的,其中,阻隔液体在旋转环的更大压力的空气入口歧管侧的内径更大。
[0558] 燃烧气体在到达径向流出式容式外部涡轮58之前,从转子穿过转子燃烧气体出口管56流动,转子燃烧气体出口管56穿过转子液体动压轴承6中的一个转子液体动压轴承并且随后穿过空气入口歧管的壁,该空气入口歧管由空气入口歧管旋转动态密封件90密封。由于燃烧气体非常热,需要减小传递至转子液体动压轴承6和空气入口歧管旋转动态密封件的热量,转子液体动压轴承6和空气入口歧管旋转动态密封件两者由于位于其内的液体而必须保持相对较凉。为了减小这个区域中不期望的热传导,在转子燃烧气体出口管中的与转子液体动压轴承和空气入口歧管旋转动态密封件相邻的内壁与外壁之间形成有可选地填充有隔热粉末或纤维的隔热径向间隙88。通过使用转子燃烧气体出口管内表面上的隔热覆层可以进一步减小不期望的热传递。转子液体动压轴承的在相对不热的转子燃烧气体出口管上的径向位置相对于转子通过横跨转子空气入口进行桥接的三个桥接柱74加强。转子液体动压轴承以其具有较低径向刚度的方式被安装成离开转子壳体,具有较低径向刚度的方式在该实施方式中利用向转子轴承安装件20提供柔性的绕转子轴线等间距的三个等长的轴向挠曲梁94。然而,对本领域技术人员而言具有许多其他替代性方法,这些替代性方法也可以提供具有较小径向刚度的轴承安装件。较小的径向刚度允许转子以超过第一径向振动固有频率的速度运行,从而允许自动平衡器在需要时将转子的质心置于转子轴线上,由此减小了转子轴承载荷并且还提供了在运行期间调节转子内变化的流体质量分布的简单方法。
[0559] 图7为图1的发动机的沿与转子轴线垂直并且通过燃烧室的在从具有容氏外部涡轮的转子的热端部观察时的中心的平面截取的截面图。转子绕转子轴线2沿逆时针方向旋转,并且当转子绕转子轴线2沿逆时针方向旋转时,引起转子壳体8内的转子壳体气体绕转子轴线以较大的速度旋转,其中,由径向压力梯度引起的离心反作用力产生的切向速度和转子壳体气体压力两者通常随着半径而增大。真空泵入口扩散器12定位并定向成利用转子壳体气体在距离转子轴线最大径向距离处的更大的压力和正切速度,从而补偿一些转子壳体气体的正切速度以增大真空泵入口10(真空泵未示出)处的转子壳体气体压力,从而实际上将转子用作额外的低效离心式真空泵送推动器。
[0560] 转子壳体安装在转子主万向节轴承96上,该转子主万向节轴承96允许转子壳体绕与转子轴线垂直的主万向节轴线94旋转,这些转子主万向节轴承被安装成离开万向节摇架98,该万向节摇架98在副万向节轴承100上绕与转子轴线和主万向节轴线两者都垂直的副万向节轴线102旋转,该副万向节轴承100在万向节安装基部(未示出)中旋转。由此,转子壳体可以在移动及转动万向节安装基部例如交通工具内保持相同的惯性取向,从而减小或消除了对转子支承件的回转反作用力。
[0561] 张紧结构34上的径向张紧载荷随着半径增大而减小,使得通过增大半径更优地减小(缩小)张紧结构的总横截面积,尽管碳纤维聚合物材料的密度比抗拉强度如此高以至于在一些情况下根本不需要缩小张紧结构,这可能在制造时呈现出一些优点。在转子轴线的与燃烧室26径向相反的一侧上,由于需要增加质量来平衡转子的相反侧,因此缩小张紧结构没有益处,并且当与燃烧室相比时,出于下述原因在减小的半径处具有更大的质量是有益的:减小的风阻功耗,减小的转子惯性力矩,由于减小的惯性力矩导致的转子轴承中减小的回转反作用力,用于更快启动及停止的减小的转子动能以及为了减小在转子失效中释放的能量,从而确保无需对转子平衡质量部62进行冷却并且减小空气压力,而该空气压力必须由转子平衡质量部密封以使转子组件开口端口64与转子壳体中的部分真空隔离。转子平衡质量部在该实施方式中是由孔中的多个双剪力销112保持,所述多个双剪力销112穿过平衡质量部、张紧结构并进入平衡质量部,使得双剪力销将离心反作用力从转子质量平衡部双重地剪力传递至张紧结构。转子平衡质量部优选地由在转子失效的情况下容易裂开的且具有较高能量耗散的低密度材料制成,使得转子平衡质量部不会产生危险的、大的、密实且快速移动的碎片。
[0562] 图8为图7的发动机截面的放大细节图,其示出了在径向燃料传送管106中已经向外流动通过张紧结构的燃料穿过张紧结构的冷却内壁80并且被位于燃烧室的旋转后侧的燃料喷射器40喷射到燃烧室26中以与借助于燃烧室空气入口38进入燃烧室的空气一起燃烧。在燃料为气态碳氢化合物例如甲烷气的情况下,径向燃料传送管可能需要由冷却剂流体冷却,以防止绕径向燃料递送管的张紧结构过热,并且这将具有下述额外的优点:比在没有进行冷却的情况下更加增大了气态燃料的压力,并且因此减小了外部燃料供应压力的需要。
[0563] 图9为图7的发动机截面的放大细节视图,其示出了转子轴线2附近的区域。燃料和冷却剂流体借助于流体入口管72进入转子并且随后分别借助于燃料传送管104和冷却流体入口传送管108流入到张紧结构34中。一旦冷却剂流体在张紧结构内被加热,冷却剂流体随后便借助于冷却剂流体出口传送管110返回通过流体入口管,以随后离开转子。均有助于进入转子的空气中的较低压力损失的空气入口导流器22和转子空气入口扩散器24在作为转子轴承安装件20中的一个转子轴承安装件的视图中是可见的。
[0564] 图10为图1至图9的发动机从冷端部观察时嵌在张紧结构内的冷却剂流体歧管和燃料传送歧管的分开的等距视图,冷却剂流体通过冷端部进入及离开。冷却剂流体通过冷却剂流体入口传送管108进入冷却剂流体歧管并且随后流动至冷却剂分配管112,该冷却剂分配管112将冷却剂流体分配为流动穿过多个小的冷却管114,所述多个小的冷却管114径向延伸直到其与冷却剂内壁80接触为止,所述多个小的冷却管114结合至冷却内壁80以改进热传递并且在结构上加强冷却内壁,并且随后所述多个小的冷却管114继续径向向外延伸到冷却内壁的圆顶端部116之上,并且随后所述多个小的冷却管114在冷却内壁的另一侧径向向内延伸直到其最终终止在冷却剂收集管118内为止,冷却剂收集管118将全部冷却剂流体再次收集到一起以借助于冷却剂流体出口传送管110流出冷却剂流体歧管。冷却剂收集管和冷却剂分配管各自位于距离转子轴线2大致恒定的半径处,使得冷却剂流体内的气泡不太可能在冷却剂收集管和冷却剂分配管内的任何径向向外面向的腔中累积。
[0565] 该冷却剂流体歧管构型具有下述许多有用的优点:这些冷却剂管在冷却内壁的表面上是近似等间距的,以对冷却内壁的表面提供相对一致的冷却,冷却管在距离转子轴线的较大的半径处没有任何接合部并且具有相对较大的曲率半径,以减小由高冷却剂流体压力引起的失效的可能性、甚至在具有相对较薄的壁的情况下。冷却管具有相对较小的直径以提高向冷却流体的热传递,同时通过每个冷却管的流动路径的长度也是相对较短的以减小每个冷却管的长度上的压力损失,任何冷却管上的较热的位置将趋于增大该冷却管内的离心热虹吸管压力增益,从而增大该冷却管内的流动速度和冷却效果以提供部分补偿。在该构型中可以使用大量不同的冷却剂流体,尽管优选使用氢气、氦气、醇类、烷类、氨气和水或这些流体的可混合的混合物。
[0566] 燃料从燃料传送管104被径向燃料运送管106传送至燃烧室,径向燃料运送管106也结合至冷却内壁,使得在液体燃料的情况下燃料可以提供一些额外的冷却,同时在气态燃料的情况下,燃料可以自身冷却以防止与径向燃料运送管相邻的张紧结构的损坏性加热。
[0567] 多个壁部锚定特征120在冷却内壁的显著径向对准的区域中的各个半径处结合至冷却内壁的外表面并且在冷却内壁的外表面上分布,以提供张紧材料与冷却内壁的不同材料之间的机械结合,所述多个壁部锚定特征120还有利地增大了穿过张紧结构的热传导性,以在被与转子壳体气体的摩擦所加热时对张紧结构的外表面进行更好地冷却。
[0568] 图11为嵌在图21至图25的发动机的张紧结构内的冷却系统和燃料传送歧管的分开的等距视图,其中,冷却系统结合了结合有冷却剂冷却器的转子122,该冷却剂冷却器122将热量从转子末端的冷却剂流体传递至与转子末端冷却剂流体相流体隔离的冷却剂流体。转子末端冷却剂流体循环通过冷却管124,冷却管124结合至冷却内壁126的表面并且从结合有冷却剂冷却器的转子径向向外地延伸到冷却内壁的圆顶端部128之上并且返回至结合有冷却剂冷却器的转子,其中,冷却管在冷却内壁的表面上均匀地隔开以对冷却内壁进行更均匀地冷却。冷却管内的转子末端冷却剂流体的循环是通过离心式热虹吸来驱动的,离心式热虹吸是由于转子末端冷却剂流体在与其在结合有冷却剂冷却器的转子内冷却的位置相比较大半径处的加热而自身形成的。
[0569] 燃料从燃料传送管130经由径向燃料运送管131运输至燃烧室。
[0570] 冷却剂流体通过冷却剂流体入口传送管132进入冷却剂流体歧管并且流动至分配冷却剂流体的冷却剂分配管134,以流动穿过多个小的径向向外的连接管136,冷却剂流体通过所述多个小的径向向外的连接管136流动至要被加热的结合有冷却剂冷却器的转子,并且从冷却剂冷却器借助于多个径向向内的连接管140流动返回至冷却剂收集管138。冷却流体随后通过冷却剂流体出口传送管142离开冷却剂流体歧管,并且在通过冷却剂流体入口传送管之前在转子外部被冷却。
[0571] 由于转子末端冷却剂流体和冷却剂流体两者在它们进行冷却所在的相对较大的半径处被加热,因而转子末端冷却剂流体和冷却剂流体两者是通过离心式热虹吸来循环的。通过使转子末端冷却剂流体和冷却剂流体彼此分开,可以在较大半径处的转子末端冷却剂流体回路中具有较低的压力,因为转子末端冷却剂流体内的压力可以在结合有冷却剂冷却器的转子内保持接近零。高压对液体冷却剂而言是个问题,并且在距转子轴线相对较大的半径处具有结合有冷却剂冷却器的转子的构型在利用液体冷却剂来对冷却内壁的圆顶端部进行冷却时是非常有利的,其中,液体冷却剂的优选示例是水、乙醇、氨和烷。
[0572] 图12示出了本发明的发动机的另一优选实施方式的与转子轴线2一致的截面图,其中,由许多部件构成的对称的两个径向压缩及燃烧臂转子144在部分排空的转子壳体146内绕转子轴线以转子角速度旋转,转子壳体146的大体形式为绕转子轴线的回转外壳。转子在位于转子的冷端部处的滚子轴承148和位于转子的热端部处的空气轴承或磁性轴承150上旋转。空气轴承可选地为箔片空气轴承类型的空气轴承,而磁性轴承为具有控制系统的主动磁性轴承或者利用永磁体之间的斥力实现需要的悬置的被动磁性轴承,其中,该控制系统改变轴承中的磁力以悬置旋转轴颈。
[0573] 空气借助于冷端部转子空气入口152和热端部转子空气入口154进入转子,冷端部转子空气入口152和热端部转子空气入口154各自具有位于它们相应的最小开口直径的径向外部的动密封类型的旋转真空密封件156,以将转子壳体内的部分真空与空气入口隔绝。入口扩散器158恢复快速流动空气入口的一些动态压力以增大转子内的静态空气压力,并且每个空气入口在其径向外部处均具有自动平衡器160。在空气已经穿过入口扩散器之后,空气行进以朝向在转子轴线的相反两侧的径向相对的压缩及燃烧臂中的位于共用的径向臂部轴线164上的两个相同的陶瓷制燃烧室162径向向外地流动,该共用的径向臂部轴线穿过转子轴线。使用两个燃烧室有助于产生大致动态平衡的转子,其中,转子内的部件的质量和变化的流体密度在相对的径向压缩及燃烧臂部内大致匹配。空气借助于未冷却压缩通道
166流出燃烧室,未冷却的压缩通道166的壁为由纤维加强聚合物材料制成的张紧结构168,并且随后压缩通道166在空气温度已经高于张紧结构可允许的工作温度的较大半径处过渡至冷却压缩通道170,在冷却压缩通道170中具有由薄金属壁制成的冷却内壁172,其中,冷却管结合至冷却内壁的外表面,冷却剂流体通过冷却管流动。冷却压缩通道向内渐缩,从而随着半径增大而轴向变窄,使得冷却内壁通过旋转转子内的径向向外指向的离心反作用力的部件压靠张紧结构。这有用地提高了冷却内壁与张紧结构之间的机械结合的强度,但在与转子轴线垂直的平面中是不需要或不期望的,这是由于在与转子轴线垂直的平面中的冷却压缩通道的甚至平行的侧部件会具有使冷却内壁按压在张紧结构上得径向指向离心反作用力的部件。并且保持压缩通道的横截面积更小以减小冷却内壁的暴露面积是更好的。
压缩通道的轴向渐缩的第二优点在于,其使得更容易将陶瓷制燃烧室和与其一体形成的外部膨胀通道180通过张紧结构中相对较小直径的入口开口200插入到转子中,这是有用的,因为更大的入口开口可能减弱张紧结构。
[0574] 空气绕燃烧室径向向外流动,从而借助于绕每个燃烧室的圆顶端部分布的多个空气流动凹槽174绕燃烧室的圆顶端部经过,从而到达燃烧室的圆顶端部的径向最外的部分,空气从圆顶端部的径向最外的部分借助于中央燃烧室空气入口176进入每个燃烧室,燃料从燃料注射器187同样通过中央燃烧室空气入口176注射。热燃烧气体通过燃烧室内的燃烧产生,并且燃烧气体随后径向向内加速通过形成为相应的燃烧室的一部分的外部膨胀通道,并且随后穿过径向膨胀接合部182至内膨胀通道184。内膨胀通道在转子轴线处会合但是由轴向流动转向器188分开,轴向流动转向器188有助于改变流出转子燃烧气体出口管190的燃烧气体的方向,同时还有助于减小两个燃烧室之间的压力波的相互作用。转子燃烧气体出口管穿过燃烧气体出口旋转动态密封件192,该燃烧气体出口旋转动态密封件192与热转子燃烧气体出口管部分地隔绝并且提供旋转的转子燃烧气体出口管与静止的燃烧气体出口歧管194之间的密封件,静止的燃烧气体出口歧管194可以随后将热的增压燃烧气体运送至外部涡轮(未示出)或用于其他用途。
[0575] 燃料通过燃料入口196进入转子并且流动穿过滚子轴承的中央,从而向轴承提供冷却,并且随后穿过流体入口管198,该流体入口管198向下穿过冷端部转子空气入口的中心并且随后穿过流体柱(由于横截面而不可见)以进入张紧机构内的燃料歧管(不可见),该燃料歧管将燃料运送至燃烧室。流体入口管在冷端部转子空气入口与滚子轴承之间被安装成离开冷却剂冷却器,在冷却剂冷却器中,来自转子内部的冷却剂流体在返回至转子之前通过与周围空气的热传递而被冷却。冷却剂流体穿过结合有冷却剂冷却器的外部转子的循环是通过离心式热虹吸来驱动的,离心式热虹吸在相对较大半径处的较热的冷却内壁与相对较小半径处的与较冷的结合有冷却剂冷却器外部转子之间工作。冷却剂流体从张紧结构中的冷却剂流体歧管202穿过跨接入口扩张器的开口的冷却剂流体流出柱204并且随后借助于流体入口管内的冷却剂流体流出通道206流出冷端部转子空气入口,并且随后冷却剂流体通过多个通道径向向外流动以在流到连接冷却剂通道214之前通过多个轴向向外的冷却管208离开冷端部转子空气入口轴向通过并且随后通过多个轴向向内的冷却管216朝向冷端转子空气入口轴向返回流动,所述多个轴向向外的冷却管208是由与转子轴线同轴的多个环形热传递翅片210冷却的,所述多个轴向向内的冷却管216也是由环形热传递翅片冷却的。冷却剂流体随后径向向内流动并且穿过流体入口管中的冷却流体流入通道218,冷却流体流入通道218借助于冷却剂流体流入柱220使冷却剂流体返回到张紧结构内的冷却剂歧管中。周围空气经由冷却器的敞开端部224被径向导流器叶片222吸入到结合有冷却剂冷却器的外部转子中,径向导流器叶片222还通过环形冷却翅片径向地排出空气,所有部件都通过转子的旋转来驱动。结合有冷却剂冷却器的外部转子和滚子轴承相对于转子轴线的径向位置通过跨接冷端部转子空气入口和径向导流器叶片的三个冷端部桥接柱226而更具刚性,从而有助于加固结合有冷却剂冷却器的外部转子。
[0576] 冷却剂流体积储器221容纳在室内部填充可膨胀增压气体的冷却剂流体积储器囊状件223,所述冷却剂流体积储器囊状件223容纳冷却剂流体并且连接至冷却剂流体流出通道。冷却剂流体积储器221保持转子轴线附近的冷却剂流体压力超过冷却剂流体蒸汽压力。积储器囊状件膨胀及收缩以在转子运行期间补偿由例如冷却剂流体压缩及热膨胀的影响而引起的冷却剂流体的体积的变化,并且补偿容纳冷却剂流体的部件的弹性的热膨胀或收缩。冷却剂流体积储器在转子轴线上的位置有利地减小了操作积储器需要的压力。
[0577] 对冷却剂流体进行冷却的方法具有下述许多优点:不需要外部风扇或其他冷却剂流体泵送装置来冷却转子;冷却剂流体可以永久地密封在系统内,而没有旋转密封或其他泄露点;滚子轴承由于冷却剂流体不需要流动穿过滚子轴承的中央而可以具有非常小的直径以用于更长的寿命以及较小的摩擦;滚子轴承相对于转子轴线刚性地定位;允许更容易地使用潜在更优的冷却剂流体例如具有较高的蒸汽压力的有毒的氨和具有非常高的结合有冷却剂冷却器的转子压力的乙烷和氢,所有这些冷却剂流体中的任意冷却剂流体当与更加常用的潜在冷却剂流体比如水或各种乙醇相比在与燃烧室相邻的冷却管内具有低得多的冷却剂流体压力。
[0578] 用于对结合有冷却剂冷却器的外部转子中的冷却剂流体进行冷却的周围空气还可以根据应用由冷却水或一些其他可获得的散热流体来代替。在利用环境来源的水作为散热流体的情况下,结合有冷却剂冷却器的外部转子比需要用于使用周围空气用作散热流体的结合有冷却剂冷却器的外部转子通常在物理上更小。
[0579] 本领域的技术人员还能够发现旋转密封件和可选的转子轴承可以替代性地定位在冷端部转子空气入口与结合有冷却剂冷却器的外部转子之间,以允许转子空气入口在与结合有冷却剂冷却器的外部转子不同的空气压力下工作。
[0580] 图13为图12的发动机截面的放大细节图,其示出了陶瓷制燃烧室162中的一个陶瓷制燃烧室的圆顶端部。空气从冷却压缩通道170借助于燃烧室的外表面中的多个空气流动凹槽174流动到圆顶端部之上,这些空气流动凹槽绕径向臂部轴线均匀地分布并且会合在圆顶端部的径向最外的中心处,在圆顶端部的径向最外的中心处,中央燃烧室空气入口176允许空气与在燃料喷射器178处喷射的燃料一起径向向内流入到燃烧室中。空气流动凹槽由用作一部分燃烧室夹层的圆顶金属壳228覆盖,燃烧室夹层还包括夹置在圆顶金属壳与冷却内壁172之间的隔热层230。冷却内壁结合有冷却管232,冷却剂流体通过该冷却管
232流动以保持张紧结构168处于允许的温度,燃烧室234的圆顶端部中的中央燃烧室空气入口周围的区域被加厚,这是因为由张紧结构的张紧对燃烧室的压缩加载的圆顶端部产生的压应力意味着压缩载荷在该区域中非常大,并且如此加厚有助于减小压应力。还使得燃烧室的内部的径向向内面向的表面236相对更平,这可以允许在该表面上使用相对薄弱的隔热材料,以减小从燃烧气体至燃烧室的热传递。
[0581] 圆顶金属壳跨接在空气流动凹槽上方,从而防止相对薄弱的隔热层落到空气流动凹槽中并且阻止气流。圆顶金属壳和隔热层一起用作在两者中具有一些柔性的燃烧室夹层,圆顶金属壳和隔热层防止张紧结构与燃烧室之间的过多的局部接触压力,并且降低到冷却内壁的不需要的热传导的量。
[0582] 空气流动凹槽为中央燃烧室空气入口提供空气流动路径并且由于通过空气流动凹槽的相对较大的空气流动速度和空气流动凹槽的相对较大的表面积还对燃烧室进行冷却。在最大可能半径处将空气和燃料喷射到燃烧室中使通过转子末端速度产生的空气压缩得到了最好的利用并且有助于使燃烧室的容积的有用性最大化,从而在最大半径处尽可能多地释放燃烧热以用于增大发动机效率。燃料还与进入燃烧室的空气很好地混合,并且与指向燃烧室中的单独的空气入口结合的热燃烧气体的浮力意味着燃烧气体不太可能逆向流回到燃烧通道中,这是由于这样做的话需要相对较大的压缩比。
[0583] 图14为图12的发动机截面的放大细节图,其示出了转子的热端部。空气轴承150(或可选地磁性轴承)具有足够大的直径和足够低的摩擦使得热端部转子空气入口154穿过空气轴承的内径,其中,空气轴承没有由于转子燃烧气体出口管190而经受高温。绕转子轴线2等间距地分开的三个热端部空气入口桥接柱238支承内热端部转子空气入口本体241,燃烧气体出口旋转动态密封件192的转子盘被安装成离开内热端部转子空气入口本体241,并且所述三个热端部空气入口桥接柱238还通过隔热部240的夹层支承热转子燃烧气体出口管,隔热部240将高压转子燃烧气体与所述三个热端部空气入口桥接柱238和转子燃烧气体出口管之间的间隙隔绝。静止的燃烧气体出口歧管194在极为靠近燃烧气体出口旋转动态密封件的位置处被冷却以防止其过热,这种冷却可以通过在燃烧气体出口旋转动态密封件中利用作为阻隔液体的水的供给来最容易地实现。
[0584] 图15示出了本发明的发动机的另一优选实施方式的与转子轴线2一致的截面图,该发动机将内部中间冷却结合到由许多部件构成的转子242中。空气进入转子壳体246的每个端部上的空气入口歧管244并且随后穿过与转子轴线2同轴的位于转子壳体的每个端部处的圆形波纹空气过滤元件248。空气随后穿过多个可变的预旋叶片250,所述多个可变的预旋叶片250各自绕相应的各个预旋叶片轴线252旋转,所述多个可变的预旋叶片250在转子壳体的每个端部处关于转子轴线对称地排列,以在空气借助于冷端部空气入口254和热端部空气入口255进入转子之前沿转子旋转的方向将涡旋运动引入到空气入口中。可变预旋叶片在工作中可以旋转为使得它们可以响应于变化的空气流量和转子角速度而在进入转子空气入口的空气中产生最优预旋量以降低进入转子的空气中流量的损失。
[0585] 进入转子空气入口的空气随后在截头圆锥空气入口扩散器256中变慢,从而恢复压力并且随后行进以首先径向向外地流动通过板翅片式内中间冷却器258的径向内中间冷却器列并且随后径向向外地流动通过板翅片式外中间冷却器260的径向外中间冷却器列,板翅式内中间冷却器各自位于距离转子轴线大致相等的位置处,板翅式外中间冷却器各自位于距离转子轴线大致相等的位置处。径向内中间冷却器列和径向外冷却器列一起构成发动机的内部中间冷却器。空气径向流动通过内冷却器与外冷却器中的每一者中的大量平行的翅片之间的间隙,每个翅片的最薄的尺寸与翅片内的离心反作用力大致垂直,以使由离心反作用力引起的每个翅片上的弯曲载荷最小化。
[0586] 内部中间冷却器分成径向外冷却器列和径向内冷却器列,使得每列的径向跨距更小,从而减小了每个内中间冷却器和每个外中间冷却器所经受的总的离心反作用力。由于径向外中间冷却器列的较大圆周,还允许板之间的具有相同厚度的更大量的外中间冷却器如在径向内中间冷却器列中那样结合在径向外中间冷却器列内。这允许径向外中间冷却器列比径向内中间冷却器列在轴向上更短,从而使径向外中间冷却器列内空气的密度明显更大,因此,不需要像径向内中间冷却器列一样用于保持相同空气流动速度的那么多容积。
[0587] 空气在穿过这些中间冷却器列时被压缩及冷却,并且比在没有内中间冷却的情况下经受更大的压缩,这是因为空气在向心加速驱动压缩过程期间保持冷却时获得了更大的空气平均密度。
[0588] 由于通过内中间冷却器和外中间冷却器中的每一者的流由增加的冷却及压缩而自动分享及平衡——这将在流变慢通过任何特定的热交换器的情况下发生——以及减小的冷却及压缩,其将在流加速通过任何特定的板翅式热交换器的情况下发生,因此不需要限制或引导空气流通过任何内中间冷却器或外中间冷却器。
[0589] 冷却剂流体流动通过每个内中间冷却器和每个外中间冷却器的板内的中间冷却器冷却剂通道,其中,更高的发动机效率通过将冷却剂流在其被加热时沿大致径向向外的方向运送通过内部中间冷却器来实现。冷却剂流体流是通过由于冷却剂流体在比更靠近转子轴线或转子外部处被冷却的位置更大的半径处加热而发生的离心式热虹吸来部分地或整体地驱动的,冷却剂流体流动通过内部冷却器内的平行的许多小直径的中间冷却器冷却剂通道,使得总压力降相对较低,虽然流体流的速度和整个冷却剂流体的体积流率相对较高。
[0590] 冷却剂流体在转子外部冷却并且分别借助于冷却剂流体入口262和冷却剂流体出口264进入及离开转子,从而借助于被支承离开三个冷端部入口加强柱268的与转子轴线同轴的轴向流体入口管266穿过冷端部空气入口,所述三个冷端部入口加强柱268绕转子轴线等间距隔开。冷的冷却剂流体借助于环形冷却剂分配歧管270分布在转子内以在内部中间冷却器和冷却剂流体歧管结构274内平行地流动,并且来自中间冷却器的加温的冷却剂流体由冷却剂收集歧管272从多个平行的流动通道收集到一起。冷却剂分配歧管和冷却剂收集歧管两者由径向连接管连接至流体入口管。
[0591] 内中间冷却器和外中间冷却器保持在张紧结构276内,张紧结构276由纤维加强聚合物材料制成并且大体形式为绕转子轴线的旋转体,该旋转体具有沿着径向臂轴线280从其径向向外延伸的径向压缩及燃烧臂278。每个内中间冷却器和每个外冷却器中的径向外端部直接压靠张紧结构内的面向内的表面。为了允许空气流出内中间冷却器和外中间冷却器的径向外端部——外端部在径向外端部处压靠张紧结构的表面,内中间冷却器和外中间冷却器的径向外边缘282为锯齿状的,使得在流动通过内中间冷却器和外中间冷却器的压缩空气穿过这些锯齿状部中的径向外末端部之间的间隙时,锯齿状部的末端部将径向离心反作用力传递至张紧结构。
[0592] 已经穿过外中间冷却器的空气可以周向流动通过外中间冷却器的任一轴向侧部上的周向间隙284以到达径向压缩及燃烧臂。由于进入压缩通道的被压缩及被中间冷却的空气相对较冷,因此压缩通道不需要冷却直到空气到达更大的半径并且达到比转子没有被内部中间冷却的情况下的转子切向速度更大的转子切向速度为止。并且这通常会降低本发明的内部中间冷却转子的张紧结构需要的冷却量。压缩通道的内径向部因此为未冷却的压缩通道286,并且冷却压缩通道288直到相对较靠近经受压缩的空气的温度已经升高到张紧结构容许的温度之上的燃烧室时才开始。在一些内部中间冷却的发动机中,可能根本不需要具有冷却压缩通道。冷却压缩通道具有金属冷却内壁290,该金属冷却内壁290通过流动通过结合至其外表面的冷却管的冷却剂流体来冷却,并且为了降低至冷却内壁的热传递以及增大绕陶瓷制燃烧室292径向向外流动的冷却空气流的速度,设置有燃烧室罩294。形成为燃烧室一部分的外膨胀通道298的外表面上的空气流动凹槽296径向向外延伸到燃烧室的径向外圆顶的一部分之上直至燃烧室空气入口300,因而增大了热燃烧室和外膨胀通道的外表面的表面积,使得径向向外流动的空气可以使陶瓷制壁保持为比在没有空气流动凹槽的情况下的壁更凉。
[0593] 空气通过绕径向臂轴线在距转子轴线大致相等的半径处并且在空气流动凹槽的径向最远端部处分布的多个燃烧室空气入口进入燃烧室,并且与通过燃料喷射器302喷射到燃烧室中的燃料一起燃烧以产生热燃烧气体,该热燃烧气体通过聚合过渡部段径向向内加速直至外膨胀通道,从而在该热燃烧气体径向向内加速时膨胀并冷却。
[0594] 燃烧气体穿过径向膨胀接合部304到达内膨胀通道306,并且所述燃烧气体从该内膨胀通道流动通过转子燃烧气体出口管308,该转子燃烧气体出口管308穿过热端部滚子轴承310和燃烧气体出口旋转动态密封件312并且随后进入切向喷嘴轮314,该燃烧气体出口旋转动态密封件312将空气入口歧管与燃烧气体隔绝,在切向喷嘴轮314中,燃烧气体在通过喷嘴膨胀之前径向向外流动,该喷嘴沿与涡轮壳体316内的切向喷嘴轮的切线方向大致指向,从而赋予转子反作用扭矩,该反作用扭矩提供用于克服转子上的摩擦扭矩所需的扭矩并且通常为可以转变为转子轴向磁通马达-发电机342内的电力的过剩扭矩。
[0595] 来自切向喷嘴轮的部分膨胀的燃烧气体具有相对于转子轴线的较大切向速度,并且径向向内流动通过外部径向流入式涡轮318,该外部径向流入式涡轮318绕与转子轴线一致的轴线沿与转子相反的方向旋转并且在膨胀的燃烧气体通过排放出口320排出之前从膨胀的燃烧气体提取更多的动力。外部径向流入式涡轮连接至外部马达-发电机322并且还连接至外部压缩机324,该外部压缩机324通过外部压缩机入口326抽取周围空气并且向空气入口歧管提供压缩空气。未示出用于外部压缩机出口328与空气入口歧管之间的气流的连接气流通道。还可选地在外部压缩机出口与空气入口歧管之间设有外部中间冷却器(未示出)。
[0596] 燃料通过转子燃料入口330进入发动机并且穿过被安装成离开转子壳体的冷端部滚子轴承332。转子壳体内和转子外部的转子壳体气体由真空泵(未示出)保持为部分真空,其中真空泵入口334位于真空泵入口扩散器336的端部处。转子真空密封件338密封在转子空气入口与部分排空的转子壳体之间,并且自动平衡器340在转子以高于其第一径向振动固有频率运行时使其平衡,使得可以减小转子轴承载荷。
[0597] 图16为图15的发动机截面的放大细节图,其示出了燃烧室292的一部分以及位于燃烧室292与张紧结构276之间的各个部分。燃烧室罩294增大流动经过燃烧室外表面的压缩空气的径向流动速度,并且该空气对燃烧室壁的冷却效果通过由燃烧室的外表面中的空气流动凹槽296提供的增大的表面积而进一步增强。这些空气流动凹槽径向向外延伸到燃烧室的圆顶的径向最外的表面的部分之上,在圆顶的径向最外的表面的部分处,这些空气流动凹槽终止在燃烧室空气入口300中并且在一种情况下也终止在燃烧室的旋转后部内表面中的燃料喷射器302中。
[0598] 与燃烧室的圆顶外端部紧邻的是双层壁金属囊状件,在该双层壁金属囊状件中,内金属圆顶壳342和外金属圆顶壳344沿着它们的内径向边缘352接合在一起以将一薄层具有较低强度的可塑性变形的固体或液体囊状件填充物346容纳在内金属圆顶外壳342与外金属圆顶外壳344之间。在发动机运行期间,囊状件填充物自身在双层壁金属囊状件内重新分布以在内金属圆顶壳和外圆顶壳上产生均匀的径向压力梯度,从而允许双层壁金属囊状件的整体厚度的一些动态变化,以补偿运行期间燃烧室和张紧结构的相对形状的变化。内金属圆顶壳还桥接在空气流动凹槽之上,空气通过该空气流动凹槽流动至燃烧室。
[0599] 在张紧结构的双层壁金属囊状件与冷却内壁290之间的是隔热层348,该隔热层348降低了从燃烧室流动至冷却内壁的热量的量。冷却内壁结合至张紧结构并且具有结合至其外表面的冷却管350,冷却剂流体通过该冷却管350流动以对冷却内壁进行冷却。
[0600] 图17为图15的发动机截面的放大细节图,其示出了穿过附接至转子燃烧气体出口管308端部的切向喷嘴轮314的燃烧气体出口。热燃烧气体流动通过转子燃烧气体出口管,该转子燃烧气体出口管由出口支承体356围绕并支承,出口支承体356由跨接热端部空气入口255的开口的三个热端部入口桥接柱360支承。隔热层358降低了从转子燃烧气体出口管至出口支承体的热传递从而有助于防止热端部滚子轴承310和燃烧气体出口旋转动态密封件312过热,该燃烧气体出口旋转动态密封件312将热端部空气入口与燃烧气体隔绝。出口支承体至少部分地由进入热端部空气入口的快速流动的空气冷却。
[0601] 燃烧气体在通过出口喷嘴354部分膨胀之前径向往外流动通过切向喷嘴轮内的径向通道352,该出口喷嘴354沿与涡轮壳体316内的切向喷嘴轮的切向方向大致指向。部分膨胀的燃烧气体随后在其径向向内流动通过外部径向流入式涡轮318时进一步膨胀,该外部径向流入式涡轮318绕与转子轴线一致的轴线沿与转子相反的方向旋转。这种布置具有下述益处:增大了物理尺寸并且减小了由外部径向流入式涡轮经受的需要的旋转速度和温度,虽然切向喷嘴轮比外部径向流入式涡轮热,但切向喷嘴轮以较小的周缘切向速度旋转并且因此经受了较小的材料应力。附接至外部涡轮的外部马达发电机的尺寸也可以减小,这是由于附接至转子的轴向磁通马达发电机361将吸收来自燃烧气体膨胀的一些动力。转子燃烧气体出口管上的位于燃烧气体出口旋转动态密封件与涡轮壳体内的部分热膨胀的燃烧气体之间的热屏蔽盘362有助于降低从燃烧气体至燃烧气体出口旋转动态密封件的热传递,并且因此降低了燃烧气体出口旋转动态密封件所需的冷却。水可以用作燃烧气体出口旋转密封件中的阻隔液体并且可以连续地供给及汽化以利用蒸发水需要的大热能输入来冷却。
[0602] 图18为在未示出转子壳体、涡轮壳体、外部径向流入式涡轮、外部马达发电机或外部压缩机的情况下的从图15至图19的转子的热端部观察的完整的转子的等距视图。
[0603] 图19为图15至图19的从热端部观察的发动机的转子的等距视图,其中移除了四分之一的部段,该四分之一部段具有与转子轴线2垂直并且与径向臂轴线280一致的一个截面以及与径向臂轴线和转子轴线两者一致的另一截面。为了清楚起见省略了外部涡轮、外部马达发电机及和外部压缩机以及转子壳体,但示出了热端部入口歧管及其内部部件。
[0604] 进入空气入口歧管244的空气穿过圆形波纹空气过滤元件248并且随后通过各自绕关于转子轴线排列的单独的预旋叶片轴线252旋转的可变的预旋叶片250。旋动空气随后通过热端部空气入口255进入转子。
[0605] 切向喷嘴轮314的出口喷嘴354——燃烧气体通过该出口喷嘴膨胀并加速——大致沿切向方向指向以提供驱动转子旋转的反作用扭矩。
[0606] 内中间冷却器258和外中间冷却器260是绕转子轴线排列的,但在与径向压缩机燃烧臂278相邻的部段中省略了内中间冷却器258和外中间冷却器260,从而在一定程度上使与径向压缩机燃烧臂在直径方向上相反的内中间冷却器和外中间冷却器的质量与径向压缩及燃烧臂的质量平衡。
[0607] 每个内中间冷却器和每个外中间冷却器均为板翅式热交换器,在该板翅式热交换器中,以恒定的节距间距平行地排列有大量的平面的且薄的翅片364,其中,所述翅片364的最薄的尺寸与转子轴线大致垂直。在每个内中间冷却器和每个外中间冷却器中,翅片桥接在两个冷却板366之间。冷却剂流体通过所述两个冷却板366流动通过中间冷却器冷却剂通道368,冷却板在与转子轴线一致且位于两个冷却板之间的径向平面中为大致镜像对称的。
[0608] 每个内中间冷却器的径向外端部282和每个外中间冷却器的径向外端部282在张紧结构276内分别直接压靠的面向内的表面370和372,并且内中间冷却器的径向外端部和外中间冷却器的径向外端部为锯齿状的,使得流动通过内中间冷却器和外中间冷却器的空气穿过这些锯齿状部之间的径向外末端部之间的间隙。
[0609] 径向压缩及燃烧臂从张紧结构的其余部分——大体形式为绕转子轴线的旋转体——沿着径向臂轴线径向向外延伸。径向压缩及燃烧臂内的陶瓷制燃烧室292在其外表面上具有空气流动凹槽296,所述空气流动凹槽296绕径向臂轴线排列并且从外膨胀通道298沿大致径向方向延伸直至燃烧室空气入口300。
[0610] 图20示出了图15至图19的发动机的切向喷嘴轮314的替代优选实施方式的与转子轴线一致的截面图,其中,附接至转子壳体的涡轮壳体316由切向喷嘴轮和涡轮壳体317代替,其中围绕外部径向流入式涡轮318的涡轮壳体直接附接至切向喷嘴轮,从而消除单独涡轮壳体的需要并且还将由燃烧气体出口旋转动态密封件312必须承受的压力差减小至空气入口歧管244与周围大气之间的压力差。
[0611] 图21示出了本发明的发动机的另一优选实施方式的与转子轴线2和径向臂轴线374一致的截面图,其中,在转子的热端部处具有单个转子空气入口376,并且其中,转子支承在浮动环液体动压轴承378和滚动元件轴承380上,浮动环液体动压轴承378和滚动元件轴承380两者位于转子的与具有燃烧气体出口歧管382的端部相反的冷端部处。
[0612] 空气借助于空气入口歧管384进入发动机,该空气在外部压缩机(未示出)中已经可选地压缩并且随后还可选地在外部中间冷却器(未示出)中进行中间冷却。空气随后穿过圆形波纹空气过滤元件386以移除颗粒并且随后在旋动空气通过转子空气入口进入转子之前通过可变预旋叶片388,所述可变预旋叶片388各自绕单独的预旋叶片轴线390旋转并且绕转子轴线排列。空气随后减慢以通过空气入口扩散器392恢复压力并且还被旋转地加速以通过空气入口扩散器内的空气入口导流器叶片394更好地匹配转子角速度。
[0613] 空气在其朝向燃烧室396径向向外流动时经受压缩及加热。空气进入燃烧室并且通过与燃料一起燃烧而被加热以产生热燃烧气体,该热燃烧气体首先借助于外膨胀通道398并且随后借助于内膨胀通道400径向向内流动并且随后借助于转子燃烧气体出口管402流出转子并进入燃烧气体出口歧管,转子燃烧气体出口管穿过燃烧气体出口旋转动态密封件404,该燃烧气体出口歧管出于任何所要应用的目的将燃烧气体供给至例如外部涡轮(未示出)。嵌在张紧结构416内的冷却剂流体歧管和燃料流体歧管与图11中更详细示出的这些部件相同。
[0614] 轴向磁通马达406用于抵抗摩擦和风阻损失来驱动并控制转子的旋转速度,自动平衡器408用于在转子运行于超过其第一径向振动固有频率时保持转子的平衡。浮动环液力动压轴承和滚动元件轴承在轴承壳体本体410中被安装成离开转子壳体,轴承壳体本体410借助于关于转子轴线对称排列的三个弯曲柱414被安装成离开转子壳体412,所述三个弯曲柱414向轴承壳体本体相对于转子壳体在与转子轴线垂直的方向上的运动提供较小的刚度,同时针对轴承壳体本体相对于转子壳体的相对旋转保持了较大的刚度,这在使转子绕与转子轴线不平行的轴线旋转时更易于克服回转反作用力方面是有利的。
[0615] 空气润滑的面密封件418用作旋转真空密封件并且位于转子空气入口的最小开口直径处。在该最小开口直径处的静态空气压力由于其具有最大的空气流动速度而最小,并且这与空气润滑面密封件的最小内径的结合意味着通过存在于空气润滑面封闭件的面之间的小间隙泄漏的空气泄漏率接近实际最小值。通过空气润滑面密封件的泄漏必须通过由真空泵(未示出)从真空泵入口420泵送的增大的真空体积来补偿,但如此消耗的增加的动力可以通过空气润滑面密封件的相对较小的摩擦损失以及允许结合到给定总体直径的转子内的相对较大直径的转子空气入口来补偿。由于发动机尺寸增大,相对的泄露量将通常减小,使得在较大的发动机内,泄漏率可以变得更可接受。
[0616] 图22为图21的发动机截面的放大细节图,其示出了转子空气入口376的一部分和空气润滑面密封件418。旋转面密封元件422通过结合有密封O型圈424的轴向柔顺密封装置被安装成离开转子并且具有与转子轴线垂直的平面密封面,该平面密封面与固定面密封环426上的互补的平面密封面横过小轴向间隙而轴向相邻并且相对,该固定面密封环426被安装程离开转子壳体。空气用作在转子旋转时保持两个平面密封面分开的润滑膜。O型圈在旋转面密封元件的相对于转子的位置提供一些轴向及成角度的柔性,使得可以更好地保持平面密封面之间非常小的间隙。也可以设置有在转子与旋转面密封元件之间使用的许多其他轴向柔性密封装置,以实现类似功能上的结果。
[0617] 图23为图21的发动机截面的放大细节图,其示出了转子的非接触环形冷却剂流体入口428和圆形非接触液体燃料入口430,其中,燃料和冷却剂流体分别通过外部燃料供给管432和外部冷却剂供给管434供给至转子。转子燃料入口通道436和转子冷却剂入口通道438两者的大体形式为绕转子轴线旋转的截头圆锥形表面,所述表面具有随着距它们各自入口的距离而增大的内径。以这种方式,快速旋转的转子燃料入口通道和转子冷却剂入口通道内的液体被离心反作用力驱动到转子中,因此大体上防止了液体返回漏出它们相应的通道端部,从而有利地消除了对于这些液体入口处的潜在不可靠的旋转密封件的需要。
[0618] 图24为图21的发动机截面的放大细节图,其示出了穿过燃烧气体出口旋转动态密封件并且进入燃烧气体出口歧管382中的转子燃烧气体出口管402。燃烧气体出口旋转动态密封件包括与转子轴线同心的具有径向面向内的开口的环形凹槽440,环形密封圈444在该开口中旋转,从而驱动环形凹槽内的阻隔液体446的旋转并且使密封件的两侧之间的借助于由离心反作用力建立在阻隔液体中的径向压力梯度的压力差与环形密封圈的任一侧的阻隔液体的内半径中的差平衡。环形密封圈借助于轴向管状延伸件442附接至转子燃烧气体出口管,轴向管状延伸件442在离环形密封圈较小距离的轴向位置处接合至转子燃烧气体出口管,以降低从转子燃烧气体出口管传导至环形密封圈的热量的量。燃烧气体出口旋转动态密封件借助于未示出的下述方式冷却:所述方式可以可选地包括使阻隔液体循环通过外部冷却器,或者依赖使向密封件连续供给的水蒸发,或者通过与进入转子的空气的热传递。
[0619] 图25为图21的发动机截面的转子冷端部上的转子轴线附近的放大细节图。转子在油润滑浮动环液体动压轴承378上旋转,该油润滑浮动环液体动压轴承378以比转子在冷端部流体传送轴450上并位于轴承壳体410内部的浮动环轴承壳体452内的轴承轴颈轴承448上旋转的速度较小的旋转速度旋转。转子燃料入口通道436和转子冷却剂入口通道438以及转子冷却剂出口通道454在其从张紧结构416内的冷却剂及燃料通道行进通过浮动环液力动压轴承时或者通过浮动环液力动压轴承行进至张紧结构416内的冷却剂及流体通道时全都穿过冷端部流体传送轴。燃料从转子燃料入口通道行进至燃料传送管130,冷却剂流体从转子冷却剂入口通道进入冷却剂流体入口传送管132,并且在冷却剂流体流出冷却剂流体出口孔456并且进入外部冷却剂流出管458之前,冷却剂流体从冷却剂流体出口传送管142行进至转子冷却剂出口管454。
[0620] 利用低蒸汽压力液体用作真空阻隔液体460的旋转真空动态密封件密封在冷端部流体传送轴与转子壳体412之间。附接至冷端部流体传送轴并且与其一起旋转的环形真空密封环462具有仅比环形凹槽的较高压力侧的内径464略大的外径,在该环形凹槽中,真空阻隔液体保持密封,使得在转子速度增大时,任何对用于匹配环形密封圈的两侧之间的气体压力差需要的容积而言过剩的真空阻隔液体能够漏出环形凹槽,从而保持最小需要量的真空阻隔液体与环形密封圈接触,并且因此使得旋转真空动态密封件的摩擦损失最小,同时使得可以通过将更多的真空阻隔液体添加至环形凹槽而在较小的旋转速度时使改密封件承受更大的压力差。真空阻隔液体还可以可选地用作用于浮动环液力动压轴承的润滑剂。
[0621] 图26为本发明的内部中间冷却的发动机的简化流程图和截面,该图为了提高清楚性而省略了许多细节和一些部件并且示出了发动机内流体流动的大致构型。来自进气口466的空气穿过空气过滤器468并且随后在由可变几何形状辅助外部涡轮472和/或外部马达-发电机474驱动的外部压缩机470中压缩。可变几何形状辅助外部涡轮具有可调节的定子叶片,该可调节的定子叶片在发动机运行时能够移动以通过给定体积流率的燃烧气体并且通过与来自外部马达-发电机的可变扭矩输入或输出的结合来改变由可变几何形状辅助外部涡轮产生的动力,这允许外部压缩机的速度改变以在空气进入转子之前控制空气接收的外部压缩量。在燃烧室498中相对恒定的燃烧气体温度的情况下,这提供了用于对发动机的动力输出进行控制的部分手段。
[0622] 在空气于外部压缩机中被压缩之后,空气在外部中间冷却器476中通过将热能传递至散热流体478而被冷却,散热流体478在大多数情况下为环境空气或主要由来自环境源或者在封闭的辅助散热流体系统内循环的水组成的液体。冷却的压缩空气随后进入安装在转子壳体484的每个端部上的冷端部入口歧管480和热端部入口歧管482,在该转子壳体484内,转子绕转子轴线488旋转。空气随后在通过冷端部转子入口490和热端部转子入口492平行地进入转子之后径向向外流动通过内部中间冷却器494,从而在空气流出至燃烧室并且绕燃烧室流动时经受压缩及冷却,随后空气借助于燃烧室空气入口496与来自燃料喷射器500的燃料一起进入燃烧室。燃烧室中的空气通过燃料的燃烧而被加热以产生热燃烧气体,该热燃烧气体随后通过膨胀通道502径向向内流动至转子燃烧气体出口管504并且进入燃烧气体出口歧管506,该转子燃烧气体出口管504穿过燃烧气体出口旋转动态密封件534,该热燃烧气体从燃烧气体出口歧管506进入驱动外部发电机510的主外部涡轮508。主外部涡轮还可选地为具有可调节定子叶片的可变几何形状的主外部涡轮。来自主外部涡轮的燃烧气体行进至可变几何形状辅助外部涡轮并且随后行进至排气控制阀512之后排放至环境。
[0623] 燃料与相对较凉的在内部中间冷却的空气燃烧室中的自动点燃对许多燃料而言是不可能或不可靠的,并且对非正排量式内部压缩机比如优选的离心式压缩机而言,在转子以最大旋转速度旋转时克服由在内部中间冷却器内对空气的冷却所引起的阻挡离心热虹吸压力通常是困难的。因此,为了点燃燃烧室内的燃烧,外部马达-发电机在转子停止或者仅相对较慢地旋转时给外部压缩机提供动力以吹动空气穿过转子,燃料以气态形式喷射到燃烧室中,该燃料与流动的空气混合并且流动至燃烧气体出口歧管,在该燃烧气体出口歧管处,燃料由通过电力供给器516供给电力的点燃器514点燃,同时排气控制阀用于限制流动空气通过发动机的速率,使得燃烧可以通过流动的空气燃料混合物往回传播至燃烧室。
[0624] 燃料供给器518通过移除任何颗粒的燃料过滤器520向转子供给燃料,并且在气态燃料的情况下,燃料供给器处于足以克服燃烧室内空气压力的压力。燃料穿过作为转子的一部分的冷端部流体传送轴522并且延伸通过冷端部入口歧管,其中,冷端部空气入口歧管动态旋转密封件524防止空气从冷端部入口歧管泄漏至大气。
[0625] 冷却剂流体——水是优选示例——在平行地径向向外流动至内部中间冷却器内的多个中间冷却器冷却剂通道中之前通过冷端部流体传送轴进入转子。冷却剂流体中的一些冷却剂流体随后进一步径向流出以在其与冷却剂流体流的剩余部分一起从中间冷却器径向向内流动以通过冷端部流体传送轴离开转子并且通过与转子外冷却剂冷却器526内的散热流体热传递而被冷却之前在围绕燃烧室的冷却剂管528中对张紧结构进行冷却,冷却剂流体从该转子外冷却剂冷却器526处随后循环返回至转子。该冷却剂流体流是通过离心式热虹吸来驱动的,但是在必要的情况下,也可以使用外部冷却剂循环泵。
[0626] 转子壳体由真空泵530部分地抽真空以减小转子风阻,其中,转子真空密封件532提供旋转的转子与转子壳体之间的密封。
[0627] 图27为本发明的发动机的简化流程图和截面,为了提高清楚性该图省略了许多细节和一些部件并且示出了发动机内的流体流的总体构型,在该发动机内,转子是由进入转子的空气和燃料冷却的。转子536在转子壳体540内绕转子轴线538旋转,该转子壳体540由真空泵542部分地抽真空,其中,转子真空密封件544密封在旋转的转子与转子壳体之间。
[0628] 来自进气口546的空气在外部压缩机548内压缩,该外部压缩机548优选地为径流式和/或轴流式动态压缩机且在径向上优选是较小尺寸的而在轴向上是较大尺寸的。空气随后通过将热量传递至散热流体552中而在外部中间冷却器550中冷却。随后空气在空气过滤器554中被过滤以移除颗粒,从而利用空气在压缩及中间冷却后减小的体积,这对给定空气压力损失而言减小了空气过滤器所需的尺寸。空气借助于冷端部转子入口556和热端部转子入口558进入转子,冷端部转子入口556和热端部转子入口558分别接收来自冷端部入口歧管560和热端部入口歧管562的压缩空气。进入转子的空气的一部分冷却转子轴线附近的结合有冷却剂冷却器的转子564中的冷却剂流体,从而使空气的温度略微升高,而这通常将降低发动机效率,尽管这由于不需要除了空气和燃料之外的任何流体进入转子而具有潜在更简易的益处。
[0629] 燃料的一部分被燃料预燃烧室喷射器570喷射到转子内的靠近转子轴线的空气中以产生非燃烧气态燃料混合物。在液态燃料的情况下,这可能在燃料蒸发时有利地产生略微的冷却,并且可能从而增大在转子内实现的压缩并且提高发动机效率。通过将该燃料喷射到转子内靠近转子轴线的空气中而非喷射到冷空气入口歧管中,有利的是没有增大通过冷端部转子入口的需要的气体体积流率。在具有密度比空气更低的气态燃料比如甲烷和氢气的情况下,将一些气态燃料喷射到转子轴线附件的空气中具有减少必须供给至转子的压缩燃料的量的优点以及减小了张紧结构内的径向燃料传送管565的将燃料传送至燃烧室566中燃料喷射器568的所需尺寸的优点。
[0630] 空气燃料混合物径向向外流动并且进入燃烧室,在燃烧室中,该空气燃料混合物与由燃料喷射器喷射到燃烧室中的更多的燃料一起燃烧以产生热燃烧气体。额外的燃料在膨胀通道574内的再加热燃料喷射器572处喷射到部分膨胀并略微冷却的燃烧气体中,在膨胀通道574中,该额外的燃料与已经加热的燃烧气体一起燃烧以在不增大燃烧室内的燃烧气体的温度或压力的情况下增大燃烧气体出口歧管576处的燃烧气体温度和压力。
[0631] 燃烧气体出口歧管中的热的高压燃烧气体通过燃烧气体出口旋转动态密封件602与热端部入口歧管隔绝并且在穿过排气控制阀582并被排放至环境之前流动通过驱动外部马达-发电机580和外部压缩机的外部涡轮578。外部涡轮可选地为具有可调节定子叶片的可变几何形状的外部涡轮。
[0632] 在许多情况下,可以在转子以高速旋转时通过利用由外部马达-发电机驱动的外部压缩机在开始将燃料喷射到燃烧室之前吹动空气通过转子来点燃转子内的燃烧,在燃烧室中,空气将与流动的热压缩空气一起自动点燃。由电力供给器586提供电力的点燃器584和用以限制燃烧气体流的排气控制阀的使用可以提供用于在低转子速度时点燃燃烧的替代性手段,其中,燃烧室内的压缩空气不足以热到自动点燃所喷射的燃料。
[0633] 燃料供给器588经由移除颗粒的燃料过滤器590向转子供给燃料。在具有密度比空气更低的气态燃料比如甲烷的情况下,燃料供给器需要处于足够升高的压力以克服燃料喷射器处的空气压力。燃料穿过作为转子一部分的冷端部流体传送轴592并且延伸穿过具有防止空气从冷端部入口歧管泄漏至大气的冷端部空气入口歧管动态旋转密封件594的冷端部入口歧管。在转子内,流动至燃料喷射器的燃料穿过燃料冷却剂冷却器596,该燃料冷却剂冷却器596通过与燃料热传递来对转子冷却剂提供一些冷却。
[0634] 冷却剂流体在嵌于压缩通道600的张紧结构内的冷却管598内和燃烧室附近被加热。冷却剂流体在距转子轴线较小的半径处在燃料冷却剂冷却器内和结合有冷却剂冷却器的转子内被冷却并且从而被促使借助于离心式虹吸而循环。
[0635] 图28为本发明的发动机的简化的流程图和截面,该图为了提高清楚性而省略了许多细节和一些部件并且示出了发动机内的流体流的大致构型,在该发动机中,转子由冷却剂流体冷却,该冷却剂流体又由辅助冷却剂冷却,该辅助冷却剂自身在附接至转子但暴露于环境空气的外部辅助冷却剂冷却器中冷却。
[0636] 来自空气入口602的空气穿过空气过滤器604并且借助于分别接收来自冷端部入口歧管612和热端部入口歧管614的空气的冷端部转子入口608和热端部转子入口610进入转子606。空气通过压缩通道616径向向外流动至燃烧室618,在该燃烧室618处,空气通过与来自燃料喷射器620的燃料一起燃烧而被加热,该燃料喷射器620在热压缩空气的情况下通过自动点燃来点燃以产生热燃烧气体。燃烧气体在其径向向内流动通过膨胀通道622时膨胀并冷却并且随后流动至转子燃烧气体出口管624,并且穿过燃烧气体出口旋转动态密封件626流动至燃烧气体出口歧管628,从燃烧气体出口歧管628流动穿过驱动外部发电机632的外部涡轮630的燃烧气体在其排放至大气之前在流动时膨胀并冷却。
[0637] 来自燃料供给器634的燃料穿过燃料过滤器636并且通过作为转子一部分的冷端部流体传送轴638进入转子。在转子内,燃料径向向外流动以燃料喷射器,从而在转子燃料冷却器640中被冷却,在转子燃料冷却器640处,燃料通过与冷却剂流体热传递而被冷却以防止过高的燃料温度,过高的燃料温度可能会导致张紧结构的损坏,燃料穿过张紧结构流入径向燃料运送管641内部。
[0638] 冷却剂流体由于绕转子内的冷却剂流体回路的离心式热虹吸而循环,该循环包括冷却剂流体在嵌于张紧结构内的围绕压缩通道并且靠近燃烧室的冷却管642内被加热,在该冷却剂流体对转子燃料冷却器中的燃料进行冷却时被加热并且在结合有冷却剂冷却器644的转子内在比冷却管小的半径处通过与辅助冷却剂流体热传递而被冷却。
[0639] 辅助冷却剂流体对结合有冷却剂冷却器的转子内的冷却剂流体进行冷却,并且在辅助冷却剂流体对冷却剂流体进行冷却时被加热,并且随后径向向内流动并且通过冷端部流体传送轴流动至结合有辅助冷却剂冷却器646的外部转子,该辅助冷却剂冷却器646附接至转子并且与转子一起旋转,但其位于冷端部入口歧管外部。散热流体648——大多数情况下为环境空气或主要为水的液体——流动通过结合有辅助冷却剂冷却器的该外部转子以对辅助冷却剂流体进行冷却。辅助冷却剂随后流动返回至结合有冷却剂冷却器的转子,从而完成由离心式热虹吸驱动的流动回路。在转子内具有单独的冷却剂流体环路和辅助冷却剂环路可以允许对张紧结构进行冷却的冷却管内的最大压力减小。
[0640] 转子在由真空泵654部分地抽真空的转子壳体652内绕转子轴线650旋转,其中,转子真空密封件656密封在旋转的转子与转子壳体之间。
[0641] 图29为本发明的发动机的简化流程图和截面,该图为了提高清楚性而省略了许多细节和一些部件并且示出了发动机内流体流的总体构型,在该发动机内,进入转子的空气低于大气压力以在本发明的低功率输出发动机中增大外部涡轮658的尺寸。
[0642] 来自空气入口660的空气穿过由外部马达664供给动力的外部压缩机662,该外部压缩机662用于控制进入发动机的空气的量并且在燃烧之前以及在燃烧期间将空气吹动通过发动机。
[0643] 空气随后穿过优选地为再生式热交换器666,尽管其可以替代性地为回热式热交换器,在该再生式热交换器666中,热量自从转子出来的热燃烧气体的一部分传递到来自外部压缩机的空气中,从而对空气进行加热以及对燃烧气体进行冷却。冷却的燃烧气体随后排放至大气,而热空气和从转子出来的热燃烧气体的剩余部分混合在一起并且穿过驱动发电机668的外部涡轮,其中,混合气体温度下降并且压力降至低于周围大气温度。混合气体随后在气体冷却器670中由散热流体672冷却,并且在气体冷却器内凝结成液体水的任何水蒸汽被冷凝泵674泵送出气体冷却器并排放至大气。混合气体在借助于分别接收来自冷端部入口歧管684和热端部入口歧管686的混合气体的冷端部转子入口680和热端部转子入口682进入转子678之前由过滤器676过滤以移除颗粒。
[0644] 冷端部入口歧管的混合气体和热端部入口歧管内的混合气体处于低于大气压力的压力,并且这降低了转子真空密封件688上的压力,该真空密封件688提供了绕转子轴线689旋转的转子与由真空泵692部分地抽真空的转子壳体690之间的旋转密封。类似地,燃烧气体出口旋转动态密封件694上的压力相对较小、小于大气压力,正如冷端部空气入口歧管动态旋转密封件696上的压力那样,该冷端部空气入口歧管动态旋转密封件696密封下述开口:作为转子的一部分以允许燃料和冷却剂流体进出转子的冷端部流体传送轴698穿过该开口。
[0645] 来自燃料供给器700的燃料穿过燃料过滤器702并且经由冷端部流体传送轴进入转子。燃料被燃料喷射器704喷射到燃烧室706中,在燃烧室706中,燃料与混合气体一起燃烧以产生热燃烧气体,该热燃烧气体在其径向向内流动以通过转子燃烧气体出口管708离开转子时膨胀并冷却,转子燃烧气体出口管708将燃烧气体传送到燃烧气体出口歧管710中。
[0646] 转子由流动通过张紧结构中的冷却管712的冷却剂流体冷却,并且冷却剂流体自身在转子外的冷却剂冷却器714中通过与散热流体热传递而被冷却,并且冷却剂流体在其再次进入转子之前由冷却剂泵715泵送并且由冷却剂过滤器713过滤。
[0647] 图30示出了本发明的另一优选实施方式的转子的与转子轴线2和径向壁轴线716一致的等距截面图,其中,冷却压缩通道718衬有径向重叠的箔片环722,在该冷却压缩通道中,空气温度超过转子结构的温度能力,所述箔片环722各自在其径向最内端处结合至冷却压缩通道的冷却内壁,并且箔片环722在其重叠设置中产生了用作将冷却内壁与热空气隔绝的小空气间隙,从而减少了冷却内壁所需的冷却量。
[0648] 转子结构的在远离冷却内壁的区域中的内表面通过薄金属内壁724完全密封以防暴露于空气,该薄金属内壁724用作降低空气通过纤维加强聚合物材料制成的转子结构中的小裂缝泄漏的机会。
[0649] 平衡臂726具有转子组件开口端口730,该平衡臂726用作使单个径向压缩及燃烧臂728的旋转质量大致平衡,在组装期间,燃烧室732和其他部件在转子平衡质量部734封闭及密封该转子组件开口端口730之前可以通过该转子组件开口端口730插入到转子中。转子平衡质量部螺纹接合到质量锚定结构736中,该质量锚定结构736远离金属内壁延伸并且通过绕径向臂轴线分布的多个锚定指状部738嵌在纤维加强聚合物材料制成的张紧结构内。转子平衡质量部包括可以压载腔740,该压载腔740保持将在转子失效的情况下快速破碎或分散的低密度的液体、粉末或其他物质,从而降低转子平衡质量部将刺入转子壳体或其他保护阻挡件的可能性。滚子742在每个自动平衡器744内的运动用作在转子以高于其第一径向振动固有频率旋转时提供转子的任何剩余部分的平衡。
[0650] 燃烧室弯曲过渡部746结合有流动弯曲叶片748以减少与燃烧气体变化流动方向相关联的流动损失。燃烧气体弯曲过渡部还具有与其附接的内膨胀通道平衡质量部750,该内膨胀通道平衡质量部750使内膨胀通道752的质量大致平衡并且减小了任何用来对转子内所结合的燃烧气体弯曲过渡部、内膨胀通道和转子燃烧气体出口管754的位置进行限制的安装系统(未示出)上的载荷。
[0651] 跨接热端部空气入口756的环形开口的三个热端部入口桥接柱760支承出口支承体758,转子在其上旋转的浮动环液力动压轴承762如燃烧气体出口旋转动态密封件764的旋转盘一样被安装成离开出口支承体758。出口支承体的端部还支承热转子燃烧气体出口管,其中,位于这些端部之间的隔热部766的中间层减小了从热转子燃烧气体出口管至冷却器出口支承体的热传递。
[0652] 冷却剂流体在结合有冷却剂冷却器的外部转子中被冷却,该外部转子被三个冷端部入口桥接柱770安装成离开冷端部空气入口768,所述三个冷端部入口桥接柱770中的每个冷端部入口桥接柱运送燃料或者冷却剂流体跨过位于冷端部空气入口与结合有冷却剂冷却器的外部转子之间的开口。
[0653] 冷却剂流体在流到连接冷却剂通道778中之前通过冷端部入口桥接柱中的一个冷端部入口桥接柱体行进至结合有冷却剂冷却器的外部转子,从而进入内端部冷却剂分配歧管772的一侧并且通过多个轴向向外的冷却管774轴向流动远离冷端部转子空气入口,并且随后通过多个轴向向内的冷却管780朝向冷端部转子空气入口轴向返回流动以到达内端部冷却剂分配歧管782的另一侧,并且行进返回跨过结合有冷却剂冷却器的外部转子与另一冷端部入口桥接柱中的冷端部空气入口之间的开口,所述多个轴向向外的冷却管774由与转子轴线一致的多个环形热传递翅片776冷却,所述多个轴向向内的冷却管780也由环形热传递翅片冷却。空气被吸入到结合有冷却剂冷却器的外部转子中并且由径向导流器叶片784径向向外吹动通过环形热传递翅片,该径向导流器叶片784也加强结合有冷却剂冷却器的外部转子。靠近结合有冷却剂冷却器的外部转子的轴向中心的是冷却剂流体储存器786,该冷却剂流体储存器786位于比冷却剂流体在转子和结合有冷却剂冷却器的外部转子内循环的半径小的半径处,并且冷却剂流体储存器786在运行期间通过改变冷却剂流体储存器内的冷却剂流体的体积来补偿在转子内循环的冷却剂流体的体积的变化。燃料通过燃料入口788进入转子,从而穿过冷端部滚子轴承790并且随后通过冷端部入口桥接柱792到达冷端部空气入口。
[0654] 绕冷端部空气入口的壁的圆周分布的多个小的入口流体连接通道794轴向延伸通过冷端部空气入口的直接位于转子真空密封件796内部的最小内径部段,所述多个小的入口流体连接通道794各自连接在三个外部流体收集歧管798中的一个外部流体收集歧管与绕冷端部空气入口分布的三个对应的内部流体收集歧管800中的一个内部流体收集歧管之间,所述三个外部流体收集歧管中的每个外部流体收集歧管均与三个冷端部入口桥接柱中的一个冷端部入口桥接柱直接流体连接,同时,三个内部流体收集歧管各自连接至下述各者中的一者:将较冷的冷却剂分配至张紧结构内的冷却管的冷却剂流体分配歧管、收集来自张紧结构内的冷却管的较热冷却剂流体的冷却剂流体收集歧管以及将燃料在张紧结构内运送至燃料喷射器804的径向燃料传送管802。
[0655] 图31为图30的等距转子截面的放大细节图,其示出了结合至压缩通道的冷却内壁806的径向重叠的箔片环722,冷却内壁防止转子结构720过热。冷却内壁在转子结构内由结合至其外表面的冷却管(在图30至图32中不可见)冷却。径向重叠的箔片环在其径向最内端处连接至冷却内壁并且在工作中通常通过作用在每个箔片环上的离心反作用力在其径向最外端部处压靠下一个箔片环。形成为冷却内壁一部分的间隔开的突出部810有助于沿着每个箔片环的长度的大部分保持隔热空气间隙812,甚至在离心反作用力试图将箔片环按压成靠着冷却内壁并且闭合隔热空气间隙的情况下仍是如此。箔片环可以为在制造期间结合至冷却内壁的不同部件,或者其在每个环的径向内端部的长度的一部分也可以形成一部分或全部的冷却内壁。
[0656] 图32为图30的等距转子截面的放大细节图,其示出了冷端部空气入口768的壁中的位于最小直径点处的流体连接通道794,冷端部空气入口在该最小直径点处穿过转子真空密封件796。流动通过转子真空密封件的内径的空气由于通过金属的传导以及从金属至进入转子的空气的对流而提供了对密封件中阻隔液体的冷却。流体连接通道将绕转子轴线分布的三个内部流体收集歧管800中的每个内部流体收集歧管连接至与其相应的绕转子轴线类似分布的外部流体收集歧管798,外部流体收集歧管各自将流体传送至冷端部入口桥接柱770中的一个冷端部入口桥接柱或者接收来自冷端部入口桥接柱770中的一个冷端部入口桥接柱的流体。
[0657] 图33为本发明的发动机的简化流程图和截面,该图为了提高清楚性而省略了许多细节和一些部件,并且示出了发动机的转子内的流体流的大致构型。
[0658] 来自空气入口814的空气流动通过空气过滤器816以从空气中移除颗粒物质并且随后平行地流动至安装在经抽真空的转子壳体822的每个端部上的冷端部入口歧管818和热端部入口歧管820,在转子壳体822内,转子绕由转子扭矩提供装置比如未示出的电动马达驱动的转子轴线826以高速旋转。入口歧管将空气传送以通过冷端部转子入口828和热端部转子入口830平行地进入转子。空气随后通过转子内的一个或多个压缩通道832从转子轴线径向向外平行地流出至以及围绕靠近转子的距转子轴线最大半径处的一个或多个燃烧室。空气在通过燃烧室空气入口836进入燃烧室之前在径向向外流动的同时经受压缩并且因此加热,空气随后在燃烧室中通过与由燃料喷射器838引入燃烧室的燃料一起燃烧而被加热以产生与进入燃烧室的相对更凉的空气相比更热并且因此更小密度的燃烧气体。热燃烧气体随后在其从每个燃烧室通过互补的膨胀通道840朝向转子轴线径向流动时经受膨胀,从而随着其膨胀而减小了压力、温度和密度。燃烧气体比经受压缩的空气更热,导致在其朝向转子轴线膨胀时获得了比空气从转子空气入口朝向燃烧室流动而获得的压力降小的压力降。与在转子空气入口处的空气相比,对于转子轴线处的部分膨胀的燃烧气体而言这产生了总体压力增益。热燃烧气体随后借助于穿过热端部转子入口的中心的燃烧气体出口管842流出转子并且随后通过燃烧气体出口旋转密封件844进入燃烧气体出口歧管846,热燃烧气体从该气体出口歧管846进入外部涡轮848,该外部涡轮848提取来自燃烧气体剩余的膨胀的机械功以驱动外部发电机850。
[0659] 转子壳体的部分抽真空的内部将快速旋转的转子的风阻功耗降低至可接受的较低值并且具有由真空泵854保持的低压。转子真空密封件852提供转子与转子壳体之间的旋转密封以允许流体通过转子的与转子壳体的部分抽真空的内部流体隔绝的轴向端部流动至转子以及从转子流出。
[0660] 燃料供给器856通过移除任何颗粒的燃料过滤器858向转子供给燃料,并且在气态燃料的情况下,燃料供给器856处于足以克服燃烧室内空气压力的压力。燃料通过冷端部流体传送轴860上的旋转联接部进入转子,该流体传送轴860为转子的一部分并且通过冷端部入口歧管伸出。
[0661] 冷却剂流体用于对转子的张紧结构进行冷却并且通过转子内由离心式热虹吸驱动的冷却剂回路来循环,离心式热虹吸是通过冷却剂流体在嵌于张紧结构内的围绕燃烧室以及燃烧室附近的冷却管862内的加热及膨胀以及在结合有冷却剂冷却器864的外部转子中在距转子轴线较小的径向距离处对冷却剂进行冷却及收缩来产生的,该外部转子为转子的一部分,其中,热能在该结合有冷却剂冷却器的外部转子中从冷却剂流体传递至散热流体866,水是散热流体的优选示例。
[0662] 本领域技术人员应当理解的是,在各优选实施方式中描述的各特征和元件中的许多特征和元件还可以有用地应用于其他实施方式中。
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