CN100529358C - 高效热机 - Google Patents

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Abstract

本发明的热机包括低压级(1)和高压级(2)，低压级(1)和高压级(2)具有两个独立转子(3，4)以及与固定的流体准备部件(9，10，13，14)相关联，固定流体准备部件将“压缩器”装置(15，16)以及“膨胀器装置”(17，18)相组合。在中间空间内，至少由转子(3，4)和三个基本为圆柱形的同轴壁(22，23，24)限定出至少一个燃烧室(19，20)。这些壁分别限定连接LP压缩器(15)出口和HP压缩器(16)入口的外通道(25)，和连接HP压缩器(16)的出口和第一燃烧室(19)入口的内通道。第一燃烧室的出口提供给HP扩散器(18)燃烧所产生的气体，该气体被引导进入LP膨胀器(17)的入口，LP膨胀器的出口通过至少一个用于排出燃烧气体的排气孔(41)与外界相通。

Description

高效热机
技术领域
本发明涉及一种高效热机，该热机属于通常的涡轮发动机类型，其功率在10瓦特到约1千瓦之间，也就是说，该热机在超微型涡轮发动机领域已经达到了极限。
背景技术
这种超微型涡轮发动机具体地在第5,932,940号美国专利和第6,392,313号美国专利进行了公开，参照上述专利将有利于描述与本发明的发动机相关的进一步细节。这些专利涉及涡轮机的各种实施方案，例如具体地为气体涡轮机、涡轮压缩器、涡轮式发电机、涡轮泵、涡轮反应器、以及这些部件的结构的各种组合，这些组成部件都由同一种材料构成，优选为SiC。这些组成部件或元件使用制造机电微型系统的、公知为MEMS的方法来制造，具体为使用二维加工方法。
微型气体涡轮机类型的热能微型发动机的主要应用在于微声推进、机器人、手持系统、微型卫星、促动器、以及冷却电子电路的自动或单个的机械、气动的和电能的(被称为“机载的”)供应。
最近实际上已经变得很清楚，热能微型发动机在具有足够的热场条件下，可以替代电池用作特殊的功率和能量，所提出的各种热能微型发动机的共同点在于，它们的能量都来自于微型燃烧或发热化学反应。从效果上来看，使用燃烧处理发电，在单位质量的能量存储和单位体积所产生的功率方面，相比于常规的电池有着巨大的优势。在所提出的各种热机当中，超微气体涡轮机由于其特殊的功率和能量潜能而备受关注。
上述两个美国专利所涉及的微型系统的基础是微型气体涡轮机。其中提出了两个版本，其之一具有通过轴连接的小直径转子(4mm)和两个圆板(disc)，而另一个则具有两倍于上述直径的转子，并包括两个被接合的圆盘。
微型涡轮的主要部件包括燃烧室、离心压缩器和向心涡轮，其中在第一版本中，这些部件被安装在以500米/秒圆周速度级别旋转的同一空心轴上。位于压缩器的转子上方的发电机/马达的任务是在操作当中产生电能，以及在微型涡轮机启动时，驱动压缩器和涡轮的公用轴。燃料注入到径向包围压缩器的轮的、带有叶片的扩散体的下游，并且在进入燃烧室之前，与离开离心预混合通道中的扩散体的压缩空气流预先混合，其中，燃烧空气通过径向包围压缩器部件的带有叶片的扩散体，经由向涡轮的向心通道开放的出口排出。因为高速旋转，转动轴被气体轴承驱动。
在一个实施方案的实例中，这些不同部件由难熔的陶瓷制成，将六层SiC堆叠和排列起来，其中，每一层都使用已知的离子微蚀刻方法得到。使用SiC而不是Si的原因在于Sic具有抵抗高速旋转的压力和在微型气体涡轮所选择的周期(可能是布雷顿发动机周期或者常规气体涡轮周期)中产生的高温的能力。
在上述两个美国专利的第二种微型涡轮中，微型涡轮的直径(21毫米)是上一种的两倍，压缩器和涡轮盘通过它们相对的面与相应的压缩器或涡轮叶片连接在一起，这从减少由于盘片摩擦导致空气动力损耗的角度来看，形成了比较好的排列结构，并且由于可以通过减少轴向质量加强轴的机械稳定性，涡轮侧的盘面直径被大大减小、而厚度增加，并最终使得压缩器入口和涡轮排气装置包围了中间体，从而允许在推力轴承的位置提供气体推力轴承。
Y.Ribaud的“Overall thermodynamic study of an ultra micro turbine(对于超微型涡轮的全部热力学研究)，Journal of Thermal Science(热科学研究)Vo l.13，No.4，Nov.2004”叙述了概括性的能量研究，该文章与这种涡轮发动机相关，其描述了在上述涡轮发动机内发生的剧烈内部热传递，导致热能混合物，从而使得能量性能变差，这表明从空气热动力学的角度看，上述设计及其结构并不是有利的。
事实上，涡轮发动机的燃烧室是环形的、在轴向上是平的、并基本缠绕在涡轮发动机的转子上，这就使得其横切面以及与工作气体接触的接触表面都比较大，从而会产生相当多的热能泄露，并导致在燃烧室不完全燃烧和点火困难的风险。此外，压缩器和涡轮也作为交换器来运转(尤其是在接合有压缩器和涡轮盘的第二种版本中，从热能传递的角度说，这种工作方式是非常不好的)，从而使得压缩器的再热不利于压缩率，因此降低了有用功率。同时对涡轮的冷却还降低了、可用的热函，并因此降低了有用功率。这种非常有害的热混合是不可轻视的，因此需要一种单一的高传导材料(一种特殊的单晶硅碳化物)生产涡轮发动机部件。此外，加工这种单晶硅碳化物非常困难，因此从工业角度来看，生产成本很昂贵。而且，与这种涡轮发动机关联的磁质发电机由于其承受的工作高温而会产生故障，因为有可能在到达居里温度的时候磁质发电机会退磁。
基于第二种微型涡轮版本，最近在标题为“Micro CombustionPrinciples Dedicated To Micro-Turbines(微型涡轮的微型燃烧原理)”、作者为O.DESSONES，C.DUMAND，D.GAFFIE，J.GUIDEZ和Y.RIBAUD的文章中提出了一种派生的版本，该文章发表在POWERMEMS 2003，Makuhari，日本。在这篇文章里，燃烧室不再包围在转子周围，而是采用位于“空间内”(而不是位于“表面”)的分离室形式，相对于转子轴向偏移设置，并且能够例如通过磨具或激光微制造被制造为混杂微涡轮结构。
这种混杂结构的优点在于，能够根据所使用的燃料的类型调整燃烧室的体积(同时降低横断面积)，减少与外界交换热量的表面面积，能够在某些部件上使用隔离材料以充分地提高热场，以及能够成为径向的向心涡轮排气结构。从能量的角度来看，这要比上述美国专利里的轴向排气装置要更加良好。
然而，这种派生方法只是不完全地克服了根据上述两个美国专利的微型涡轮的上述缺点。
发明内容
本发明要解决的问题在于提出一种热微型涡轮发动机结构，该结构修正了上述美国专利的微型涡轮发动机的上述主要缺点，并与现有技术的微型涡轮发动机相比，能够更好地适应实际的要求。具体的原因在于，所提出的有些通用的结构可应用于级别为10到300千瓦的较高功率的热机，从而使得以机械、气力或电形式存在自动的、“板载的”能量可用。所提出的结构优选地还使得制造者不再需要使用仅仅一种难以加工的高传导材料(例如Sic)，而是可以选择使用多种材料(Si、陶瓷、金属合金)，这些材料要么是传导的要么是绝缘的，这根据不同部件的功能需要来确定。
因此，本发明提出了一种热机，包括：
热机，包括：
-两个独立的转子，所述转子优选地是同轴的，并且其每一个分别安装于两个壳体中的其中之一，第一转子属于低压级，第二转子属于高压级，所述低压和高压级中的每一个都设置有其各自的转子，并与固定的流体准备部件相关联，所述固定流准备部件与被称为压缩器的气体压缩装置以及被称为扩散器的气体扩散装置相组合；以及
-至少一个燃烧室，所述燃烧室位于基本为圆柱形的中央空间之内，所述空间由以下方式确定：
所述空间在其基底由所述的两个转子及其壳体限定，以及
所述空间在其侧面由基本为圆柱形的、位于内径向位置的第一壁限定，
所述第一壁与基本为圆柱形的、位于中间径向位置的第二壁同轴，在所述第一壁和第二壁之间限定出第一通道，第一通道将所述高压级的所述压缩器的出口连接于第一燃烧室的入口，所述第二壁与基本为圆柱形的、位于外径向位置的第三壁基本同轴，在所述第二壁和第三壁之间限定出第二通道，所述第二通道位于所述第一通道外侧，并将所述低压级的压缩器的出口与所述高压级的压缩器的入口相连，
第一燃烧室的出口为所述高压级的所述扩散器供应燃烧产生的气体，该气体从所述高压级的所述扩散器的所述出口引入到所述低压级的所述扩散器的入口，该高压级的扩散器的出口经由至少一个用于将燃烧产生的气体排出的排气出口，与所述热机的壳体的外面相通。这种结构具有很多优势：因为将燃烧室安装在热机的基本为圆柱形的中央空间中，该空间由两个转子和它们的壳体在基本上轴向上所限定，并且在径向方向由内部的三个基本同轴圆柱形壁限定，所述三个壁径向地从内到外在它们之间限定出：输送气体(如高压压缩空气)的通道，其位于高压级的压缩器出口和第一燃烧室的入口之间；以及输送例如低压压缩空气的气体的通道，其位于低压级压缩器的出口和高压级的压缩器入口之间。涡轮发动机的结构被制造成“热力学茧(thermodynamic cocoon)”，其中，热部件集中在热机的中央空间中，或者面对热机的内部，并且可通过选择热绝缘材料作为内壁或壳体、以及外壁或壳体之间的至少一层中间壁或壳体，而与外围的冷部件至少部分热隔离。内和外壁或壳体由热传导材料制造。此外，因为采用了双级结构，所以可以减少各个转子的圆周速度，从而减轻了机械应力，而且能够更容易以比现有技术的单级实施方案的速度更低的速度产生气体轴承。此外，双级结构提高了压缩率，从而在能量角度具有很高的优势。
更精确地和更有利地，热机的外壳体包括第三壁，第三壁向外径向地限定用于流通低压压缩气体的第二环形外通道的外侧，并由热传导材料制成。优选地，热机在其外和/或内面具有鳍片和/或散热毛刺，同时，在第二壁和第一壁之间限定出用于高压压缩气体流通的第一环形内通道。第二壁被设置作为由热隔离材料制成的中间壳体，并径向向外以将第一内通道与第二通道隔离。第一壁被设置作为由热传导材料制成的内壳体，并径向向内以将第一通道与第一燃烧室隔离。这些技术特征提高了涡轮发动机的中央部分的热部件(燃烧室和两个扩散器)的空间，并在热机的周边部分提高了“冷”部件(特别是在两台压缩器中最不冷的部件)的保持力，从而便利了控制它们的温度和热流，这是因为两个转子的互相反向安装，以及至少一个燃烧室设置在热机的中央部分(互相面对设置两台扩散器之间)，同时，两个压缩器面对热机的外侧。
由于同样的原因，将来自所述低压级的扩散器的气体向外排放，是通过不连续的通道来保证的，所述不连续的通道相对于所述第一转子的轴线基本朝外侧径向延伸。
在优选的实施方案里，根据本发明所设计的热机包括两个燃烧室，所述两个燃烧室容纳在所述转子之间的中央空间之内，并且经由所述第一通道将从所述高压级的压缩器排出的高压压缩气体如空气供应到其中被称为主燃烧室的第一燃烧室；所述第一燃烧室基本以所述第二转子的轴线方向，向所述高压级的扩散器的入口会聚，所述扩散器的出口导入被称为辅燃烧室的第二燃烧室的入口，所述第二燃烧室被所述第一环形燃烧室包围，并朝向与所述低压级的扩散器的入口径向相连的出口轴向会聚，在所述两个燃烧室的气体流动基本以相反的方向轴向发生。
因此，形成了这样一种非常高效的热机，该热机具有两个燃烧室，其中的一个包围另一个，两个燃烧室都位于两个转子的扩散器和它们的壳体之间，并位于三个基本同轴的圆柱形壁的内侧，其中，中间壁有利地是热绝缘的，燃烧产生的气体逆流地通过两个燃烧室，这进一步改善了其温度控制。为此，有利地，两个燃烧室通过基本圆锥形的中间隔离物分隔开，该隔离物由热传导材料制成，并且其形状被形成为可以限定出两个燃烧室的反向会聚路径。
也是为了提高本发明的热机的热平衡，向外将来自所述低压级的扩展器的气体排出的通道被有利地限定在两个基本径向的热绝缘内壁之间，所述热绝缘内壁之一环绕低压级的扩散器出口，而另一个径向地向外将来自所述至少一个燃烧室燃烧产生的气体以及来自高压级的扩散器的气体转向。
此外，在本发明的热机的“热力学茧”结构内，所述热机有利地被形成为，相对于所述转子中的至少一个的轴线，其基本径向的尺寸和轴向的尺寸的比约为1。
在优选的实施方案中，包含所述第一转子的所述低压级在朝向所述热机外侧的面上包括离心压缩器的叶片叶轮，所述叶轮在环形扩散器内部径向旋转，所述叶轮的叶片相对于所述第一转子的壳体固定；所述低压级在所述第一转子的内面包括向心涡轮的叶片叶轮，所述叶片叶轮在所述环形的向心扩散器内旋转，其具有的叶片相对于所述第一转子的所述壳体固定，所述压缩器和所述涡轮的叶轮被连接，用于绕它们共同的轴线转动，所述轴线也是所述第一转子的轴线。
在这种情况下，根据第一不同的实施方案，所述高压级具有与所述低压级类似的结构，所述高压级和低压级相互颠倒，包括所述第二转子的所述高压级在朝向所述热机外侧的面上包括离心压缩器的叶片叶轮，所述叶轮在环形扩散器内部径向旋转，所述叶轮的叶片相对于所述第二转子的壳体固定；所述高压级在所述第二转子的内面包括向心涡轮的叶片叶轮，所述叶片叶轮)在所述环形的向心扩散器内旋转，其具有的叶片相对于所述第二转子的所述壳体固定，所述压缩器和所述涡轮的叶轮被连接，用于绕它们共同的轴线转动，所述轴线也是所述第二转子的轴线。
这样，涡轮发动机具有低压涡轮压缩器级和高压涡轮压缩器级，高压压缩气体(例如空气)的混合气体在它们之间燃烧，基于碳氢化合物的燃料保证在一个或两个中央燃烧室内。低压涡轮压缩器级和高压涡轮压缩器级被径向和轴向地安排设置，从而极大便利了使用适当材料生产热机的不同部件，并使用比MEMS技术所使用的制造方法，更常规和更经济的制造方法，以及加工方法。
然而，根据第二种变体，所述高压级包括被称为“波动转子”的波动压缩器-扩散器，其中，在具有通道的叶轮内侧，通过压缩气体如空气和的燃烧气体在所述通道内的直接接触，以及通过在所述叶轮的通道内的扩散波动和压缩波动的移位，使所述压缩气体和扩散的燃烧气体之间发生能量传递，所述“波动转子”包括进入气体(空气)的入口、与第一燃烧室内连接的压缩气体(空气)出口、允许来自所述第一燃烧室的出口的燃烧气体进入的入口，如果是可适用的话，排放出口朝向第二燃烧室用于所述燃烧气体，以及朝向所述低压级的扩散器。
这种波动压缩-扩散器或波动转子还被称为“压力交换器”。这种波动压缩-扩散器是现有专利DE 485,386和CH 225,426和229,280当中描述的实施方案的实施例中的设备，US 2,399,294和2,461,186与之相对应，这些设备已经成为许多最近专利所描述的大量发展的主题。
与现有技术一样，有利地，根据本发明的热机的转子被气体轴承轴向和径向地支承。
根据本发明以及在说明书中定义的热机可包构成复杂系统的核心，例如组合有微型气体涡轮的系统，该涡轮是复合循环式的，并具有涡轮式发电机和起动器，该启动器使用固体推进剂和/或电启动并具有热电阻器。
在这种情况下，所述热机的所述壳体径向地向外侧限定出的第二通道至少部分地浸入优选具有双层壁的不渗透的封闭水柜，用于产生受压的蒸汽和使所述热机与所述外侧热绝缘，并便利其整体的容器设计。
优选地，在这种复合循环热机中，所述水柜的第一室所产生的蒸汽的压力由阀门控制，所述第一室与第二柜室相通，第二柜室与所述低压级的扩散器的入口相通，从而，将来自至少一个燃烧室内的燃烧所产生的气体在通过所述低压级的扩散器之前与蒸汽混合。
在这种复合循环热机中，来自所述低压级的扩散器的气体和蒸汽通过优选地基本径向延展的不连续的通道排出，并在排出到周围环境之前，继续穿过所述水柜，从而保证所述柜中的水被预热。
此外，无论这种热机是否是复合循环热机，来自所述低压级的压缩器的气体(空气)流被分成两部分，其中一部分流向所述高压级的压缩器，而另一部分以气体力学的有用功率形式朝向通道。
在这种情况下，为了得到与涡轮发电机关联的热涡轮发动机，与所述低压级的压缩器传递的有用功率对应的低压压缩气体(空气)流提供至涡轮发电机的涡轮，所述涡轮发电机的发电机对电池进行供应，所述电池通过至少一个电源出口连接到至少一个用电单元。
在这种情况下，有利地，所述电涡轮发电机与封装所述两个转子的发动机壳体、所述至少一个燃烧室、以及用于流过低压压缩气体(空气)和燃烧产生的高压气体的通道热绝缘。
在实施方案的优选例子里，所述涡轮发电机的所述发电机是磁性类型的，并包括至少一块永磁体，在与具有所述离心涡轮的叶片的面相对的一侧，所述磁铁被安装在所述涡轮发电机的离心涡轮的叶片叶轮的一面上，所述至少一块永磁铁被连接用于向所述涡轮发电机的向心涡轮叶轮旋转，并相对于所述发电机的至少一个扁平电枢线圈旋转。
为了保证该涡轮发动机的操作和启动，根据第一实施方案，由所述涡轮发电机的发电机供应的电池为用于所述气体(空气)/燃料的混合物的至少一个电打火设备供电，所述混合物位于所述至少一个燃烧室内，燃料经由至少一个燃料供应通道注入所述燃烧室。
在所述热机的外壳体至少部分地浸在不渗透的封闭水柜中的情况下，由所述涡轮发电机的发电机供电的电池，向置于所述水柜的第一室的至少一个热电阻供电，以产生供应到所述低压级的扩散器的加压蒸汽，从而用包括热电阻的电启动器启动所述热机。
在一个变体中，在打开止回阀之后，来自所述低压级的压缩器的低压压缩气体(空气)流供应到所述涡轮发电机的向心涡轮，并优选地通过具有环绕所述向心涡轮的叶片叶轮的固定叶片的环形向心分配，或者通过包围在所述涡轮发电机的向心涡轮的螺旋管。
当根据本发明的热机设置有使用固体推进剂的起动器，其中，所述起动器被设置为优选地通过电池的电启动，来对固体推进剂进行点火器启动的气体发生器，从而经由优选地包围所述热机的进气(空气)入口的热机壳体的径向端面上的至少一个入口，将由燃烧所述固体推进剂得到的气流导入，以使所述低压级的所述转子转动。
在这种情况下，有利地，作为气体发生器设置的所述起动器接纳被设置用于所述热机的每次启动的固体推进剂燃料管，所述气体发生器通过至少一个准切线入口与所述热机壳体的内部连接，从而使得所述低压级的所述转子转动。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的优选的、非限制性的实施方案，通过以下的描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：
图1是本发明的微型气体涡轮的轴向切面示意图；
图2是热机的轴向切面示意图，其中，热机的核心包括与图1所示的微型涡轮相似的涡轮，并安装在水柜中以复合周期(产生蒸汽以及燃烧产生的气体)的形式操作，该热机配置有电动和/或固体推进剂的启动器；
图3示出与图1所示的微型气体涡轮不同的实施方案类似的方案，该实施方案的高压级包括波动压缩器-扩张器或者波动转子；以及
图4是波动转子的径向横截面示意图，该波动转子可以在图3所示的微型涡轮变体的高压级中使用。
具体实施方式
图1所示的热机是“在空间内”或“热力学茧”型的微型气体涡轮，所述热机包括具有相同整体结构的两个级1和2，即，位于微型涡轮所占据柱形空间的两个底部的水平面上的低压(LP)级1和高压(HP)级2。
每个级1或2分别包括转子3或4，转子3或4安装为独立于其它转子而绕其轴线旋转。
在该实施例中，两个转子LP 3和HP 4相对于轴线XX同轴，但在不同的实施方案里，两个转子的轴线可彼此侧向偏移和/或彼此略微倾斜。
每个转子3或4被旋转地安装在各自的壳体LP 5或HP 6中，其结构将在下面描述。
每个转子3或4包括具有叶片的离心压缩器叶轮LP 7或HP 8，LP 7或HP 8位于朝向另一个转子4或3的相反面上(即，在其朝向发动机外部的面上)，其中，LP 7或HP 8在各自的环形离心扩散器9或10内部径向旋转，并且圆形离心扩散器9或10具有固定在相应的壳体5或6上的叶片。
在转子3或4的、面向另一转子或朝向发动机内部的面(或者内部面)上，转子3或4包括各自的具有叶片的向心涡轮叶轮LP 11或HP 12，LP 11或HP 12分别在向心环形分配器13或14内部径向旋转，向心环形分配器13或14具有固定在相应壳体5或6上的叶片，因此，两个级1和2以及两个转子3和4是互相反向的。
因此，级LP 1或HP 2包括气体压缩装置(其包含离心压缩器LP15或HP 16)并与气体膨胀装置(其包含相应的向心涡轮LP 17或HP18)相关，离心压缩器LP 15或HP 16和向心涡轮LP 17或HP 18的带有叶片的叶轮7和11或8和12与相应的转子LP 3或HP 4为一整体，因此它们被连接用于绕其共同轴线XX旋转，每个级LP 1或HP 2在其壳体5或6中将其转子LP 3或HP 4与固定的流体制备部件(扩散器9或10和分配器13或14)相链接。
在级LP 1和HP 2之间，至少一个燃烧室被安装在发动机的基本为柱形的中央空间里。在该实施方案的优选实施例中，为燃烧保留的中央空间里容纳了两个互相同轴于轴线XX并且轴向相反的燃烧室，第一“主”环形的燃烧室19围绕另一位于中央的“辅”燃烧室20，由热传导材料制成的中央隔离物21将辅燃烧室20与主燃烧室19分开，中央隔离物21的、介于两个柱形的轴向端部21b和21c之间的轴向中央部件21a的形状基本上为截头圆锥体形，以至于两个燃烧室19和20的形状被形成为从其各自的入口向其各自的出口、在轴方向上向相反方向会聚。
在轴向方向、径向方向上并且从内到外，通过基本为柱形且同轴于轴线XX的三个壁22、23和24，两个级LP 1和HP 2将两个燃烧室19和20与周围环境热绝缘分开，其中第一壁和第三壁，即内壁22和外壁24，都是由热传导材料制成的，而第二壁，即中间壁23，是由热绝缘材料制成的。
外壁24和中间壁23在其之间限定了供气体流动的外环形通道25，在此实施例中，LP压缩气体从外部径向位置的、LP级1的离心压缩器15的扩散器9的出口流向内部径向位置的、HP级2的离心压缩器16的轴向环形入口；而中间壁23和内壁22则在其之间限定了供同一气体流动的内部环形通道26(径向方向上位于外通道25的内部)，因而HP压缩气体从HP级2的离心压缩器16的扩散器10的出口流到主燃烧室19的环形径向入口，主燃烧室19的环形径向入口被限定于内部壁22的自由端(朝向LP级1)与相对的环形径向壁21d之间，环形径向壁21d与中央隔离物21的柱形轴向部21b的端部构成整体并由与其相同的材料制成，径向壁21d的周边抵靠中间壁23的内部并轴向限定主燃烧室19的边界。
因此，外柱形壁24在一个轴向端与环形径向壁27构成整体，环形径向壁27与壁24使用相同的热传导材料制成，环形径向壁27构造了LP壳体5的外壁并具有向外突出的中央本体28，中央本体28与同样向外突出的外围凸起29一起限定了LP压缩器15的环形轴向入口30，该入口用于吸入气体(空气)。在外柱形壁24的相反轴向端，外柱形壁24同样与具有圆盘形式的径向壁31构成整体；同样地，径向壁31与壁24相同，也是由热传导材料制成的，并具有向发动机内侧突出的中央本体32，此壁31在轴向上将HP壳体6相对于外部封闭，从而使得三个外壁24、27和31一起构成了发动机的外壳体。
热绝缘材料制成的中间柱形壁23在其位于LP级1侧的轴向端处，与构成LP壳体5的轴向中间部件的环形径向凸缘33形成整体，LP壳体5围绕LP转子3的中央部件并支撑LP级1的扩散器9的固定叶片和LP级1的分配器13的固定叶片；同时，在其轴向相反端处，壁23与环形径向壁34构成了整体，壁34构成了HP壳体6的轴向外壁，并且在发动机外壳体的外轴向壁31的中央本体32周围限定了HP压缩器16的轴向环形入口35。因此，中间壁23和径向凸缘33以及径向壁34一起构成了热绝缘的中间壳体。
热传导的内部柱形壁22的面向LP级1的轴向端与相对的热传导径向壁21d，限定了如上所述的主燃烧室19的入口，该壁22通过其相反的轴向端与环形径向凸缘36结成一体，该凸缘36与凸缘33相似，因此构成了HP壳体6的轴向中间部件，壳体6围绕HP转子4的中间部件，并且支撑HP级2的扩散器10和HP级2的分配器14的固定叶片。这样，内壁22和凸缘36构成了围绕燃烧室19和20的热传导内壳体。
在朝向发动机内部的轴向方向上，HP壳体6还包括热传导环形径向壁21e，其与将燃烧室19和20彼此分离的中央隔离物21的柱形部件21c的轴向端构成整体，该环形壁21e在中央隔离物21所支撑的热传导中央本体37的周围以及在中央本体32的轴向延伸方向上，限定了HP涡轮18的轴向环形出口38，还同时构成了辅燃烧室20的轴向入口。
在朝向内部的轴向方向上，LP壳体5在环形径向壁39处结束，该壁是热绝缘的，其围绕LP涡轮17的轴向环形出口40并通过设置为不连续通道41形式的排放口而与发动机外壳体24-27-31的外部相连通，通道41朝向外部、相对于轴线XX基本径向延伸，并且限定在内径向壁39和另一个热绝缘的内径向壁42之间，一方面，内径向壁42与外中央本体28的轴向延伸方向上的热绝缘内部中央本体43构成整体，另一方面，内径向壁42与径向壁21d一起限定了径向通道，该径向通道使得从辅燃烧室20轴向排出的、燃烧生成的气体朝向外部径向转移。应当注意，热绝缘壁39和42之间的径向空间可被与壁42和中央本体43一体的肋细分为径向通道41，排放通道41通过套筒延伸(未示出，但是在图1中通过虚线指示)，其穿过发动机的中间和外部壳体(更精确地说，穿过中间柱形壁23和外柱形壁24)而到达发动机的外部。
还应当注意，气体轴承轴向地并且径向地支撑转子LP 3和HP 4，例如，转子3与中央本体28和43之间的两个气体推力轴承44以及转子4与中央本体32和37之间的两个气体推力轴承45一起用于轴向支撑，而由46和47示意性表示的用于径向支撑转子3和4的空气动力轴承分别围绕中央本体28和32，这些不同的气体轴承或者是自我供给的(流体动力轴承)，或者是由至少一个压缩器(优选地，HP压缩器16)的出口提供的、通过形成于上述壁的厚度中的小通道(未示出)而被引导至与轴承的压缩空气来供给的(流体静力轴承)。使用气体轴承46和47是有利的，它们本质上是普通轴承、箔带轴承或者支柱式推力轴承，而轴向气体推力轴承44和45可具有流体动力或者流体静力类型，从其结构简单性和效率方面考虑，优选地，轴向气体推力轴承44和45带有螺旋槽。
微型气体涡轮的气路如下所述，该微型气体涡轮总直径大约是15mm，其径向和轴向的尺寸比例大约为1，进入的气体是周围环境的空气。
由于LP转子3的LP压缩器叶轮7的旋转，外部空气经过LP离心压缩器15的环形入口30(参见箭头F1)被吸入，进入的空气传入叶轮7，接着进入带有叶片的扩散器9，在第一次压缩(箭头F2)之后，LP压缩的空气通过外部LP压缩气体通道而被导向(箭头F3)HP压缩器16的环形入口35，其中，如果发动机壳体的外柱形壁24的内表面和/或外表面设置有鳍片或毛刺或类似的散热元件(如虚线示意性示出，鳍片48从外壁24的外表面突出形成)，则可以有利地冷却气体。由于限定出LP压缩空气通道25的中间壁23是热绝缘的，因此壁23避免了LP压缩空气被所述壁23内部的热气体或者被重新加热的气体以及组件再次加热。
一旦LP压缩空气到达离心HP压缩器16的入口35，该气体就会流过相应的HP压缩器叶轮8，接着进入扩散器10，在第二次压缩(箭头F4)之后，内部通道26引导(箭头F5)HP压缩空气到达主燃烧室19的入口，其中，HP压缩空气与燃料(基于碳氢化合物的燃料或氢气)混合，在混合气体受电子型的点火装置50的控制而燃烧之前，其通过一个或者多个燃料供应管(例如径向管49)注入燃烧室19，点火装置50与燃料供应管49类似，从发动机外部径向穿过壁24、23和22，进入主燃烧室19。将传输HP压缩空气的内部通道26与主燃烧室19分开的内部壳体26或者内部壁22由热传导材料制成，这一事实具有双重优势：在将HP压缩空气引入由热传导壁22和隔离物21限定的主燃烧室19之前，可以冷却热传导材料，同时重新加热在通道26中引导的HP压缩空气。在燃烧室19中燃烧生成的气体通过围绕截头圆锥形隔离物21a的会聚路径(箭头F6)，导向HP涡轮18的分配器14的入口，接着流入HP向心涡轮叶轮12(它们在该涡轮里膨胀)，这些燃烧的气体经过环形出口38离开HP级2的膨胀器到达辅燃烧室20的入口(箭头F7)，并进入由中央隔离物21a所限定的截头圆锥形的空间，然后朝向辅燃烧室20的出口(箭头F8)轴向会聚，在此，燃烧产生的气体经过壁21d与42之间限定的径向通道被引导(箭头F9)，接着在中间壁23内轴向(箭头F10)到达LP向心涡轮17的分配器13的外径向入口，这时，燃烧所产生的膨胀的气体驱动叶轮11和LP转子3旋转，接着经过涡轮17的轴向环形出口40而离开(箭头F11)LP级1，然后经过径向排放通道41，流向发动机壳体的外部(箭头F12)。
辅燃烧室20的存在是有利的，其具有中央隔离物21限定出的截头圆锥体形空间，这是因为它使得下面的情况有可能发生，即，对来源于主燃烧室19出口的燃烧所生成的气体再加热，这些气体在HP涡轮18中的膨胀期间被冷却，这能够在LP涡轮17中恢复更多功率。为此，经过一个或多个供应管(例如径向管49’，其与主燃烧室19的燃料供应管49相类似，位于辅燃烧室20的入口附近，不仅穿过壁24、23和22，而且穿过柱形壁21c)的燃料被供应至辅燃烧室20，经过软管49’引入的燃料在辅燃烧室20内燃烧，离开HP涡轮18的气体或者通过自点火(由于离开HP涡轮18的气体具有高温)，或者通过另一种点火装置(未示出，其与为主燃烧室19设置的点火装置50相似，并且同样穿过壁24、23、22和21c，其端部在距离燃料供应管49’端部下游较短距离处进入辅燃烧室20)，燃烧室19和20中的燃烧气体的流动形成逆流，其与涉及架构、结构和材料选择的技术特征结合，得到了对微型气体涡轮热流的极好控制，从而提高了它的效率。实际上，结构元素(壁23、34、39、42，特别是凸缘33)使得冷部件(压缩器叶轮7、8和壁24、27、31)与热部件(燃烧室19、20、壁22和隔离物21以及涡轮叶轮11、12)分离，这些元素的每一个都是由热绝缘材料制成的，然而相反的，针对于单独部件的结构元素，无论冷热，都是由至少一种导热材料制成的，这改善了涡轮发动机的空气动力学性质，改善了涡轮发动机的外层壳体24-27-31与两个压缩器叶轮7、8的辐射和/或传导和/或对流冷却，同时改善了涡轮发动机的中央空间中的热部件的温度保持。
图2示出了“在空间内”或“热动力茧”型的微型气体涡轮的实施方案，该涡轮从能量的角度看，更加完整和有效，其在原理上安排作为陆地上的应用设备，对其而言主要关注的不是装置的重量，而是良好的能量输出水平。
在这个实施方案里，微型涡轮的外壳体24-27-31在其大部分轴向高度上方浸入不可浸透的、封闭的水柜51中，该水柜具有热绝缘的外壳52，外壳为双层是有利的，只有外层壳体的、围绕LP级1的壳体5的部分突出到柜51外壳52的上壁上方。部分浸入柜51的微型涡轮基本上与图1所示相同，除了以下三点：其中之一是，外柱形壁24的内表面设置有散热毛刺48’，而不是如图1所示在壁24的外表面上的冷却鳍片48。另一个差别在于，图1中的围绕LP级1的空气入口30的外凸起29在图2的实施方案中被实施为用于将气体供给至启动装置的通道29’，用于确保微型涡轮的启动，如下所述。第三个值得注意的区别在于，设置侧面入口53，其为较小的、基本上径向的通道，该通道穿过外圆柱形壁24和中间柱形壁23以及LP压缩空气通道25，以使得柜51的上部环形腔室54的内部与微型涡轮中的、在径向壁21d和42之间所限定的径向通道的外部径向外围部分相连通，图2所示的微型涡轮的部件和元件与图1所示的微型涡轮的相应部件和元件基本相同，相应的元件和部件使用相同的参考数字标签，将不再进行叙述。
在图2的实施方案里，经过微型涡轮的基本径向的通道41的、源自LP涡轮17的废气通过穿过柜51的独立通道55(图2只示出其中之一，该通道垂直延伸，不仅穿过柜51的上部环形腔室54，而且穿过柜51的下部环形腔室56，在柜51的壳52的下壁水平处到达外部)，流向周围的环境大气(箭头F13)。在柜51的下部腔室56所容纳的水通过与其外壳体24-31以及废气通道55接触而被微型涡轮加热，从而使得经过下部侧面入口57进入柜51的下部腔室的水转变为加压蒸汽。当下部腔室56内的蒸汽压力至少等于来自于辅燃烧室20的燃烧气体的压力时，安装在柜51的腔室54和腔室56之间的横向分隔件59中的、设置为合适压力的阀门被打开，从而使得蒸汽填充上部腔室54，并穿透侧面孔53(箭头F14)而进入微型涡轮，在这里，在进入LP涡轮17之前，蒸汽与来源于辅燃烧室20的燃烧气体混和。
这个组合的热力学循环实施方案(其中蒸汽与燃烧产生的气体混合)具有降低燃烧产生的气体的温度、使其更适合分配器13和LP涡轮叶轮11的优点，并且还提高了流入LP涡轮17的气体流量，因此提高了供应功率。围绕微型涡轮的水(蒸汽或液体)的封包使其与外界绝热，因此降低了能量损失，有利于其在期望的容器中集成到需要机上能量来源的消耗单元上。
作为一种变体，排气通道(例如55)可朝向冷凝器(未示出)延伸，以回收从微型涡轮喷射的气体中所含有水份。
关于微型涡轮提供的有用功率的形式，机械能可由与支承LP涡轮叶轮11或功率涡轮叶轮的LP转子3相链接的轮轴(未示出)恢复，考虑到该微型涡轮的小型尺寸，其以高速(几十万rpm)旋转。
然而，电能形式对于LP涡轮17或者功率涡轮所供应的有用能量的利用是最有用和最适合的。
如果给定较小尺寸，使用磁体类型发电机是有利的。实际上，静电型的发电机要求的空气间隔太小，由于空气与壁的摩擦，导致了太大的能量耗损，并从而导致了发热。因为这些原因，具有至少为10微米空气间隔的磁体类型发电机对于生成100W量级的有用功率是有利的。通常情况下，在转子(通常为移动盘)上至少安装一块永磁体，而在定子上至少安装一个与之相反的扁平绕组。在微型涡轮的情况下，如上述的专利US5,932,940和6,392,313所述，永磁体可直接设置在与LP压缩器的转子叶片结成一体的盘上，而绕组则设置在反面的壳体上。然而，由于高温环境，存在到达居里温度的危险，从而永磁体有可能丧失其磁性。
为了在根据本发明的微型涡轮的转子3和4的附近遇到高温水平时维护磁体类型的发电机，使用图2所示的结构是有利的，将在下文中描述。
在这一结构中，具有相应尺寸的LP离心压缩器15在其扩散器9的下游并行地提供了两个LP压缩气体(空气)线路。如图1所示，第一线路经过外部LP压缩空气通道25提供(箭头F2)给HP压缩器16，而第二线路包括通道60，该通道从微型涡轮的外壳体穿过柱形壁24，位于扩散器9的、可基本上为径向的延伸方向上，其将LP压缩空气供给(箭头F15)向心涡轮61(其包括具有固定的环形叶片的分配器62，叶片围绕向心涡轮叶轮63，并支撑在具有盘形的转子64的一面上)。在转子盘64的、与向心涡轮61的叶片相反的面上，具有环形盘形式的永磁体65粘着地结合或者嵌在转子64上，永磁体65被连接为与转子64和涡轮叶轮63一起旋转，并且使得相对的平坦电枢绕组66旋转，平坦电枢绕组66固定在热绝缘材料的支架67中形成的柱形凹陷的底部中，其中支架67以悬臂方式侧向固定在柜51的外壳52上，并构成了从而形成的涡轮发电机68的部分壳体，而壳体的其余部分包括微型涡轮的环形轴向端壁27的伸展部分69。在涡轮发电机68的壳体的部分69上，环形开口设置在柱形中央本体70周围，并构成了向心涡轮61的轴向出口71，在膨胀空气经过轴向环形出口71进入涡轮61之后、被排出之前，经过通道60到达涡轮61的LP压缩空气流由涡轮叶轮63的叶片侧的转子盘64的面以及相对的壳体部件69导向转子盘64的旋转轴。磁体65的旋转而在线圈66所感应的电流由电能储存电池72及其相关的电子控制和调节电路收集，电池72由使得发电机65-66和涡轮发电机68的涡轮61相对于微型涡轮的壳体24-31(其围绕两个转子3和4、燃烧室19和20以及压缩空气流动通道LP 25和HP 26和燃烧生成的气体的流动通道)热绝缘的绝缘支座67支撑。因此，发电机65-66只是中等温度的，保证了其电效率。正如微型涡轮的转子3和4的情况，气体轴承(例如空气动力轴承73，其在中央本体70周围示意性示出，与图1所示的空气动力轴承46和47相似)轴向地和径向地支撑涡轮发电机68的转子64。
此外，可以通过打开控制微型止回阀74，选择性地关闭通道60，从而控制将经过通道60、来自于微型涡轮的LP级1的压缩器15的压缩空气流供应至涡轮发电机68的向心涡轮61。
作为变体，可由通道60、经过围绕向心涡轮71的螺旋管(未示出)而为向心涡轮61提供气体，而不是带有固定叶片的向心环形扩散器62。
电池72可通过至少一个电源出口(如图2中通过两个导体75示意性地显示)连接到至少一个用电单元。
一个由电池72的导体76供电的特定的用电单元包括与主燃烧室19相关的电子点火装置50以及与辅燃烧室20相关的可能类似的点火装置(未示出)。
另一个特定的用电单元可以是加热电阻77，该电阻设置在柜51的下部腔室56内，倚靠于外壳52的底部，由电池72的电导体78供电，从而产生供应至微型涡轮的LP向心涡轮17的加压蒸汽以启动LP向心涡轮17，因而在电启动器上安装加热电阻。
然而，通过气动设备启动微型涡轮是有利的，因为其他适于驱动LP转子而启动微型涡轮的部件(如电动机)对于热环境而言过于灵敏。
在图2所示实施方案中，气动启动设备是具有燃烧固体推进剂方式的气体发生器的启动器79，启动器79的存储筒80位于启动器79的管状燃烧室81内，存储筒80的燃烧(例如“低温”推进剂的燃烧)由容纳在燃烧室81底部的电触发烟火点火装置82控制，用于微型涡轮的每次启动，点火装置82通过电导体83从电池72供电，点火装置79的管状燃烧室81经过会聚通道84进入设置在外部凸起(其围绕微型涡轮的LP压缩器15的环形进气入口30)内部的螺旋管85，使得由固体推进剂燃烧得来的蒸汽通过会聚通路84、螺旋管85和微型涡轮壳体的轴向端处的径向壁27中的入口86引导，从而驱使LP级1的转子3旋转。更具体地说，螺旋管85的内部通过不连续的、准相切的入口86而连接到微型涡轮外壳体的内部，从而与LP级1转子3的驱动转矩相连，其中入口86穿过上述壳体而进入LP压缩器叶轮7的通道。
直到达到正常压力条件的情况下，调节朝向涡轮发电机68的涡轮61流动的LP压缩空气流量的微型止回阀或者闸门74保持关闭，以便于微型涡轮的启动。
作为变体，在可代替气体发生器启动器79、并优选地可与气体发生器启动器79互换的压缩空气启动器中，压缩空气的存储筒可以代替固体推进剂80的存储筒。
当对于某些应用，当使用LP涡轮17的气动形式的可用功率优选时，应当注意，由于通道60内输送的压缩空气的流动，所以可直接得到压缩空气。然后，通道60可以被设置作为外部围绕LP级1的壳体5的螺旋管，用于收集连接到气动应用位置的管式通道中的工作压缩空气。
图3示出了图1的微型涡轮的变体，其中，只对HP级进行了修改，因此，图3中标注的、微型涡轮的其他部件和组件与图1使用同样的数字并以相同方式发挥作用，将不再描述。
在图3中，HP级2’的气体压缩装置和气体膨胀装置不再分别包含HP离心压缩器(例如图1中与环形扩散器(例如10)相关的16)以及HP向心涡轮(例如图1中与环形分配器(例如14)相关的18)，在图1中，转子4将HP离心涡轮叶轮8和向心涡轮叶轮12整体相连，HP级2’的气体压缩装置和气体膨胀装置而是包括被称作波动压缩器-膨胀器(或者“波动转子”，或者可选地有时候被称作“压力交换器”)的设备，该设备包含柱形转子，该转子在围绕其的同轴柱状壳体中绕其轴线旋转，壳体上通常具有四个固定的开口，与之相对处具有形成于转子中的通道，从而当转子在其壳体中旋转时在其端部处可交替开合，因此，通过空气进气入口进入的空气将与通过气体进入入口进入的热的压缩气体直接接触，并且，在分别在通道中直接接触的热气体和空气中，通过膨胀波和压缩波的位移，在转子通道内部会发生能量传递，从而压缩空气通过压缩空气出口离开通道，而膨胀气体通过其出口而排出。这种波动压缩器-膨胀器或者“波动转子”是已知设备，它基于上述的德国和瑞士的专利，也基于以下引用的美国专利，其中，在柱形转子的两个径向端面中设置有空气和热气体出口和入口的实施方案在市场上是以注册商标COMPREX标识的。同样公知为名为CODETON的法国商标的波动压缩器-扩散器也已经在由YvesRIBAUD和Véronique QUINTILLA发表的题为“Compressur-détendeuràondes(CODETON)pour turbines àgaz et turboréacteurs[Wavecompressor-expander(CODETON)for gas turbines and turboreactors](用于燃起涡轮和涡轮反应器的波动压缩器-扩散器(CODETON))”(NOUVELLE REVUE D’AERONAUTIQUE ETD’ASTRONAUTIQUE，1998年第5期)的文章里作为主题发表，关于波动压缩器-扩散器的结构和应用的开发已经成为了许多专利的主题，其中，可能会引用下列例子：US 3,879,937、US 4,288,203、US4,971,524、US 5,052,895、US 5,522,217和US 5,894,719。波动压缩器-扩散器是已经被提议用于提高气体涡轮效率和保证内燃机增压的部件，它可以被用于替代常规的涡轮压缩器。
虽然，由空气与热的压缩气体直接接触导致的压缩与膨胀之间的能量传递所发生的通道或单元通常是基本为轴向的通道或单元(平行于转子轴线的直通道，或者虽然弯曲却导入转子的两个径向端面的通道)，但是最近已经提出，通道或单元在具有柱形叶轮整体形状的转子中基本径向延伸，在转子的壁的圆周方向、在定子壳体相对于转子的内部径向位置处通常具有两个彼此偏移的开口，而壁的圆周方向、在定子壳体相对于转子的外部径向位置处通常具有两个彼此偏移的开口，因此，基本为径向的通道(直线通道或者弯曲进入螺旋部分的通道)在其内部和外部径向端交替打开和关闭，打开操作是通过将其通过形成于定子壳体的内壁和外壁中的孔带入设置在定子壳体的内壁和外壁中固定位置的开口相反的位置而实现的。如在涡轮发动机压缩/膨胀阶段中一样，经过空气入口、连接至燃烧室的压缩空气出口、用于来自燃烧室的出口的燃烧气体的入口、用于在基本为径向的通道中被膨胀并导向膨胀器(例如涡轮)的燃烧气体的排气出口，这些开口(通常数目为四)确保了与装置的其余部分的流体连接。这种径向“波动转子”已经在题为“NUMERICAL SIMULATION OFUNSTEADY-FLOW PROCESSES IN WAVE ROTORS(波动转子中的不稳定流过程的数值仿真)”的文章作为主题发表，该文章发表在美国加利福尼亚州阿纳海姆的ASME国际机械工程师协会IMECE04，2004学报2004年11月13-19(Proceedings of IMECE04，2004ASMEInternational Mechanical Engineering Congress，Novermber 13-19，2004(IMECE2004-60793))。
在图3中的变体中，使用径向“波动转子”作为HP级2’而不是图1中的HP涡轮压缩器级2，其中，转子4’和定子壳体6’的四个开口在图4中示意性示出。
在图3和图4的变体中，经过外通道25从LP离心压缩器15的出口流出的LP压缩空气经由轴向入口35’进入。在热传导端径向壁31的中央本体32周边的一部分上，轴向入口35’设置于外围部分的径向壁34’，从而与内部径向室87(参见图4)相通，内部径向室87限定在圆Z形壁88的一侧，Z形壁88由热绝缘材料制成，并且在环形转子4’的内部径向地非旋转固定。所述室87的开口经过端口89朝向通过转子4’的径向通道90，其中，LP压缩空气通过与热压缩排放气体直接接触而被再压缩，所述排放气体来自主燃烧室19的出口，并经由通道(其仅在转子4’的外径向周边的一部分上，在壳体6’延伸)91进入转子4’的径向通道90，从而使得HP压缩空气经过通道92离开转子4’的通道(在壳体6’中变宽进入到转子4’的其他外径向周边)90，进入到用于朝主燃烧室19的入口引导HP压缩空气的通道26，以及使得经过端口91进入转子4’的通道90的热气在被扩散和冷却后，经由在转子4’的内径向周边的其他部分上延伸的、朝向定子壳体的Z形壁88的另一面的内部径向室94的端口93离开。这些扩散的热气体经由轴向出口38’离开。出口38’仅在中央传导体(其与传导径向壁21’e整体形成)37的一部分周边上朝向辅燃烧室20的入口延伸。在辅燃烧室20中，这些气体再次被加热(如参照图1所描述的那样)，接着被朝向LP向心涡轮17或功率涡轮引导。在向心涡轮17或功率涡轮中，这些气体在排放到周围环境的大气以前扩散。
在图3里，在HP级2’容纳波动转子4’的壳体6’中，为了限制出口端口(用于使HP压缩空气离开径向通道90)92以及入口通道(用于使燃烧的气体离开主燃烧室19，并进入转子4’的径向通道90)91在圆周方向上的延伸，在传导内壁22面向波动转子4’的端部，圆形径向凸缘36’与内壁22整体形成，并一方面除了在入口通道91的水平面外，与传导的径向壁21’e形成为一体，而另一方面除了在出口通道92的水平面外，与绝缘径壁34’形成为一体。同样，为了使轴向入口35’和出口38’分别与通过Z形内部径向分隔物(固定在转子4’内)88限定的室87和室93划界(delimit)，绝缘径向壁34’除了在径向入口35’的水平面处外与中央本体32的周边接触，并且传导径壁21’e除了在径向出口38’的水平处外，在中央本体32的周边与中央本体32接触。
当然，在这种配置下，与高压级2’整体形成的波动转子4’产生特殊的有益效果，特别是使得结构简单和高效。

Claims (29)

1.热机，包括：
-两个独立的转子(3，4，4’)，所述转子(3，4，4’)中的每一个分别安装于两个壳体(5，6，6’)中的其中之一，第一转子(3)属于低压级(1)，第二转子(4，4’)属于高压级(2，2’)，所述低压和高压级(1，2，2’)中的每一个都设置有其各自的转子(3，4，4’)，并与固定的流体准备部件(9，10，13，14，89，91，92，93)相关联，所述固定流体准备部件(9，10，13，14，89，91，92，93)将被称为压缩器的气体压缩装置(15，16，90)以及被称为膨胀器的气体膨胀装置(17，18，90)相组合；以及
-至少一个燃烧室(19，20)，所述燃烧室位于基本为圆柱形的中央空间之内，所述空间由以下方式确定：
所述空间在其基底由所述的两个转子(3，4，4’)及其壳体(5，6，6’)限定，以及
所述空间在其侧面由基本为圆柱形的、位于内径向位置的第一壁(22)限定，
所述第一壁与基本为圆柱形的、位于中间径向位置的第二壁(23)同轴，在所述第一壁和第二壁之间限定出第一通道(26)，第一通道(26)将所述高压级的所述压缩器(16，90)的出口连接于第一燃烧室(19)的入口，所述第二壁(23)与基本为圆柱形的、位于外径向位置的第三壁(24)基本同轴，在所述第二壁和第三壁之间限定出第二通道(25)，所述第二通道(25)位于所述第一通道(26)外侧，并将所述低压级(1)的压缩器(15)的出口与所述高压级(2，2’)的压缩器(16，90)的入口相连，
第一燃烧室(19)的出口为所述高压级(2，2’)的所述膨胀器(18，19)供应燃烧产生的气体，该气体从所述高压级(2，2’)的所述膨胀器(18，90)的所述出口引导入到所述低压级(1)的所述膨胀器(17)的所述入口，该膨胀器(17)的出口经由至少一个用于将燃烧产生的气体排出的排气出口(41)，与所述热机的壳体(24，27，31)的外面相通。
2.如权利要求1所述的热机，其中，所述转子(3，4，4’)是同轴(XX)的。
3.如权利要求1所述的热机，其中，所述热机的所述壳体(24-27-31)由热传导材料制成，所述壳体(24-27-31)包括的所述第三壁(24)径向地向外限定环形的所述第二出口通道(25)，用于使低压压缩气体流动。
4.如权利要求3所述的热机，其中，所述壳体(24-27-31)在其外面和/或内面设置有鳍片(48)和/或散热毛刺(48’)。
5.如权利要求1所述的热机，其中，用于流通高压压缩气体的所述第一环形内通道(26)被限定在所述第二壁(23)和所述第一壁(22)之间，第二壁(23)被设置为热绝缘材料制成的径向地向外的中间壳体，并将所述第一通道(26)和所述第二通道(25)隔开，所述第一壁(22)被设置为传导材料的径向地向内的内壳体，并将所述第一通道(26)和所述第一燃烧室(19)隔开。
6.如权利要求1所述的热机，其中，通过不连续的通道(41)保证来自所述低压级(1)的膨胀器(17)的气体向外排放，所述通道(41)相对于所述第一转子(3)的轴线(XX)基本朝外侧径向延伸。
7.如权利要求1所述热机，包括两个燃烧室(19，20)，所述燃烧室(19，20)容纳在所述转子(19，20)之间的所述中央空间之内，并且从所述高压级(2)的压缩器(16)排出的高压压缩气体经由所述第一通道(26)供应到其中被称为主燃烧室的第一燃烧室(19)；所述第一燃烧室(19)基本以所述第二转子(4)的轴线(XX)方向，向所述高压级(2)的膨胀器(18)的入口会聚，所述膨胀器(18)的出口(38)导入被称为辅燃烧室的第二燃烧室(20)的入口，所述第二燃烧室(20)被所述第一环形燃烧室(19)包围，并朝向与所述低压级(1)的膨胀器(17)的入口径向相连的出口轴向会聚，在所述两个燃烧室(19，20)的气体流动以相反的方向轴向发生。
8.如权利要求7所述的热机，所述两个燃烧室(19，20)被热传导材料制成的、基本为圆锥形的中间隔离物(21)分隔开，从而限定所述两个燃烧室(19，20)的反向汇聚路径。
9.如权利要求6所述的热机，其中，向外将来自所述低压级(1)的扩展器(17)的气体排出的通道(41)被限定在两个基本径向的热绝缘内壁(39，42)之间，所述热绝缘内壁(39，42)中的内壁(39)环绕所述低压级(1)的膨胀器(17)的出口(40)，而其内壁(40)径向地向外将来自所述至少一个燃烧室(19，20)燃烧产生的气体以及来自所述高压级(2)的膨胀器(18)的气体转向。
10.如权利要求1中任何一项所述的热机，其中，相对于所述转子(3，4)中的至少一个的轴线(XX)，所述基本径向的尺寸和轴向的尺寸的比约为1。
11.如权利要求1所述的热机，包含所述第一转子(3)的所述低压级(1)在朝向所述热机外侧的面上包括离心压缩器(15)的叶片叶轮(7)，所述叶轮(7)在环形扩散器(9)内部径向旋转，所述叶轮(7)的叶片相对于所述第一转子(3)的壳体(5)固定；所述低压级(1)在所述第一转子的内面包括向心涡轮(17)的叶片叶轮(11)，所述叶片叶轮(11)在所述环形的向心分配器(13)内旋转，其具有的叶片相对于所述第一转子(3)的所述壳体(5)固定，所述压缩器(15)和所述涡轮(17)的叶轮(7，11)被连接，用于绕它们共同的轴线(XX)转动，所述轴线(XX)也是所述第一转子(3)的轴线。
12.如权利要求11所述的热机，所述高压级(2)和低压级(1)相互颠倒，包括所述第二转子(4)的所述高压级(2)在朝向所述热机外侧的面上包括离心压缩器(16)的叶片叶轮(8)，所述叶轮(8)在环形压缩器(16)内部径向旋转，所述叶轮(8)的叶片相对于所述第二转子(4)的壳体(6)固定；所述高压级(2)在所述第二转子(4)的内面包括向心涡轮(18)的叶片叶轮(12)，所述叶片叶轮(12)在所述环形的向心分配器(14)内旋转，其具有的叶片相对于所述第二转子(4)的所述壳体(6)固定，所述压缩器(16)和所述涡轮(18)的叶轮(8，12)被连接，用于绕它们共同的轴线(XX)转动，所述轴线(XX)也是所述第二转子(4)的轴线。
13.如权利要求11所述的热机，其中，所述高压级(2’)包括被称为“波动转子”的波动压缩器-膨胀器，其中，在具有通道(90)的叶轮(4’)内侧，通过压缩气体和燃烧气体在所述通道内的直接接触，以及通过在所述叶轮(4’)的通道(90)内的扩散波动和压缩波动的移位，使所述压缩气体和扩散的燃烧气体之间发生能量传递，所述“波动转子”包括：
进入气体的入口(89)；
与第一燃烧室内(19)连接的压缩气体出口；
允许来自所述第一燃烧室(19)的出口的燃烧气体进入的入口(91)、以及
用于排出燃烧的气体的排放出口，其朝向第二燃烧室(20)，以及朝向所述低压级(1)的膨胀器(17)。
14.如权利要求11所述的热机，其中，所述转子(3，4)被气体轴承(44，45，46，47)轴向和径向地支承。
15.如权利要求1所述的热机，其中，所述热机的所述壳体(24-27-31)径向地向外侧限定出的第二通道(25)至少部分地浸入不渗透的封闭水柜(51)，用于产生受压的蒸汽和使所述热机与所述外侧热绝缘，并便利其整体的容器设计。
16.如权利要求15所述的热机，其中，所述不渗透的封闭水柜(51)具有双层壁(52)。
17.如权利要求16所述的热机，其中，所述水柜(51)的第一室(56)所产生的蒸汽的压力由阀门(58)控制，所述第一室(56)与第二柜室(54)相通，第二柜室(54)与所述低压级(1)的所述膨胀器(17)的入口相通，从而，将来自至少一个燃烧室(19，20)内的燃烧所产生的气体在通过所述低压级(1)的膨胀器(17)之前与蒸汽混合。
18.如权利要求16或17所述的热机，其中，来自所述低压级(1)的膨胀器(17)的气体和蒸汽通过基本径向延展的不连续的通道(41)排出，并在排出到周围环境之前，继续(55)穿过所述水柜(51)，从而保证所述柜(51)中的水被预热。
19.如权利要求1所述的热机，其中，来自所述低压级(1)的压缩器(15)的气体流被分成两部分，其中一部分流向所述高压级(2)的压缩器(16)，而另一部分以气体力学的有用功率形式朝向通道(60)。
20.如权利要求19所述的热机，其中，与所述低压级(1)的压缩器(15)传递的有用功率对应的低压压缩气体流提供至涡轮发电机(68)的涡轮(61)，所述涡轮发电机(68)的发电机(65-66)对电池(72)进行供应，所述电池(72)通过至少一个电源出口(75)连接到至少一个用电单元。
21.如权利要求20所述的热机，其中，所述电涡轮发电机(68)与封装所述两个转子(3，4)的发动机壳体、所述至少一个燃烧室(19，20)、以及用于流过低压压缩气体和燃烧产生的高压气体的通道(25，26)热绝缘。
22.如权利要求20或21所述的热机，其中，所述涡轮发电机(68)的所述发电机(65-66)是磁性类型的，并包括至少一块永磁体(65)，在与具有所述离心涡轮(61)的叶片的面相对的一侧，所述磁铁(65)被安装在所述涡轮发电机(68)的离心涡轮(61)的叶片叶轮(63)的一面上，所述至少一块永磁铁(65)被连接用于向所述涡轮发电机(68)的向心涡轮叶轮(63)旋转，并相对于所述发电机(65-66)的至少一个扁平电枢线圈(66)旋转。
23.如权利要求20或21所述的热机，其中，由所述涡轮发电机(68)的发电机(65-66)供应的电池(72)为用于所述气体/燃料的混合物的至少一个电打火设备供电，所述混合物位于所述至少一个燃烧室(19，20)内，燃料经由至少一个燃料供应通道(49，49’)注入所述燃烧室(19，20)。
24.如权利要求22所述的热机，其中，由所述涡轮发电机(68)的发电机(65-66)供应的电池(72)为用于所述气体/燃料的混合物的至少一个电打火设备供电，所述混合物位于所述至少一个燃烧室(19，20)内，燃料经由至少一个燃料供应通道(49，49’)注入所述燃烧室(19，20)。
25.如权利要求20所述的热机，其中，由所述涡轮发电机(68)的所述发电机(65-66)供电的所述电池(72)，向置于所述水柜(51)的第一室(56)的至少一个热电阻供电，以产生向所述低压级(1)的膨胀器(17)供应的加压蒸汽，从而用包括热电阻(77)的电启动器启动所述热机。
26.如权利要求20所述的热机，其中，在打开止回阀之后，来自所述低压级(1)的压缩器(15)的低压压缩气体流供应到所述涡轮发电机(68)的向心涡轮(61)，并通过具有环绕所述向心涡轮(61)的叶片叶轮(63)的固定叶片的环形向心分配(62)，或者通过包围在所述涡轮发电机(68)的向心涡轮(61)的螺旋管。
27.如权利要求1所述的热机，所述热机设置有使用固体推进剂(80)的起动器(79)，其中，所述起动器(79)为通过电池(72)电启动的气体发生器，用来通过点火器(82)对固体推进剂(80)进行启动，从而经由所述热机壳体的径向端面上的至少一个入口(86)，将由燃烧所述固体推进剂得到的气流导入，以使所述低压级(1)的所述转子(1)转动。
28.如权利要求27所述的热机，所述热机壳体包围所述热机的进气入口(30)。
29.如权利要求27或28所述的热机，其中，作为气体发生器设置的所述起动器(79)接纳被设置用于所述热机的每次启动的固体推进剂存储筒(80)，所述气体发生器通过至少一个相切的入口(86)与所述热机壳体的内部连接，从而使得所述低压级(1)的所述转子(3)转动。
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