CN101389849A - 旋转式热力发动机 - Google Patents

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Abstract

一种超音速旋转式热力发动机的转子，包括：旋转轴线，转子适于且构造成绕旋转轴线旋转；多个推力物质通道；以及多个冷却通道。各推力物质通道至少部分由透气壁定界。各推力物质通道的出口适于且构造成通过在转子上产生绕转子轴线的转矩的方式，将气态流体排放到位于转子外部的排出环境中。各冷却通道与相应的一个推力物质通道经由至少部分定界相应推力物质通道的透气壁而流体连通。

Description

旋转式热力发动机
技术领域
本发明涉及旋转式热力发动机。更具体地说，本发明涉及以超音速排放气态推力物质的旋转式热力发动机的转子。
背景技术
通过射流的反作用力来产生动力已经久已为人公知。例如，Goddard的美国专利No.2,637,166公开了一种涡轮机，其中使用高速流体的反用作力来实现涡轮机的旋转。Howard的美国专利No.2,603,947公开了一种用于在连续燃烧式发电机中旋转的冲压喷气发动机装置。Goddard的美国专利No.2,544,420公开了一种用来在推进设备中提供旋转动力的燃烧室，例如提供驱动螺旋桨轴的旋转动力。Hart的美国专利No.2,499,863公开了一种旋转式喷气推进马达。
近来，本发明的发明人已经在旋转式热力发动机领域进行了改进，为此他已经获得了于1995年4月25日授权的美国专利No.5,408,824、于1996年10月1日授权的美国专利No.5,560,196以及于2003年12月30日授权的美国专利No.6,668,539，这些专利的全文通过援引并入本申请。
发明内容
本发明旨在提供一种超音速旋转式热力发动机，其具有转子，所述转子使气态的冷却物质经过推力排放通道的边界壁，以维持该壁的温度低于该壁在其他情形下将经受的温度。在本发明的一个方面中，提供了一种旋转式热力发动机的转子，包括：转子轴线，所述转子适于并且构造成绕所述转子轴线旋转；多个推力物质通道；以及多个冷却通道。各所述推力物质通道均包括会聚区域、发散区域以及出口。另外，各所述推力物质通道至少部分由透气壁定界。各所述推力物质通道的所述出口适于并且构造成通过在所述转子上产生绕所述转子轴线的转矩的方式，将气态流体排放到位于所述转子外部的排出环境中。各所述推力物质通道的所述发散区域位于相应推力物质通道的出口和会聚区域之间。各所述冷却通道与相应的一个推力物质通道经由至少部分定界该相应推力物质通道的所述透气壁而流体连通。
在本发明的另一方面中，一种方法包括提供转子的步骤。所述转子包括轴线、多个推力物质通道、多个冷却通道以及至少一个透气壁，所述至少一个透气壁将所述推力物质通道中的至少一个与所述多个冷却通道中的至少一个隔开。该方法还包括以如下方式使气态推力物质通过所述转子的推力物质通道的步骤：该方式使得所述气态推力物质相对于所述转子以超音速从所述转子排出，并且这种排出在所述转子上产生绕所述轴线的转矩。所述气态推力物质在所述转子内具有平均静态温度。该方法还包括以如下方式使气态冷却物质沿着所述转子的冷却通道行进的步骤：该方式使得所述气态冷却物质的至少一些穿过所述转子的所述至少一个透气壁，并且进入至少一个所述推力物质通道。所述气态冷却物质在所述冷却通道中的平均静态温度低于所述气态推力物质的平均静态温度。
尽管上面已经描述了本发明的主要优点和特征，但是通过参考接下来的附图以及对优选实施方式的详细描述，可以更完整且更彻底地理解本发明。
附图说明
图1是根据本发明的旋转式热力发动机的转子的优选实施方式的透视图，其示出了转子的前侧、顶侧及右侧。
图2是图1中所示转子的透视图，其示出了转子的后侧、顶侧和右侧。
图3是图1和图2中所示转子的俯视图。
图4是图1至图3中所示转子的主视图。
图5是图1至图4中所示转子的剖视图，其沿图4中所示的线5-5剖开。
图6是图1至图5中所示转子的透视图，其示出了转子的后侧、顶侧和左侧，其中移除了后主体部以显示转子内部的细节。
图7是图1至图6中所示转子的透气管组件和进气增压部的透视图。
图8是图7中所示管组件的俯视图。
图9是图7和图8中所示管组件的主视图。
图10是图1至图6中所示转子的管组件的支路的透视图，并且图中具有剖开的细节，以显示管组件的支路的喷嘴的内部。
说明书文字部分中的附图标记表示所有附图中所示的对应项目。
具体实施方式
根据本发明的转子20的优选实施方式整体上示于图1至图5。转子20构造成适于以产生驱动转子绕轴线A旋转的转矩的方式，从多个推力物质通道22排出高速的气态推力物质。
转子20优选包括前主体部24、后主体部26、管组件28、密封环30以及箍紧环32。前主体部24和后主体部26优选地由坚实的钛10-2-3机加工而成。前主体部24和后主体部26构成了转子20的主体的一大部分，并且支撑管组件28。后主体部26包括与转子轴线对齐的轴接头34、多个绕转子轴线呈圆周布置的通孔36、以及与转子轴线对齐并与轴接头相对的圆形凹部38。在后主体部26中还形成有多个槽或沟道，这些槽或沟道与前主体部24中的槽或沟道一起形成了流体通道，并且提供用于管组件28的空间。前主体部24包括多个绕转子轴线呈圆周布置的带螺纹的盲孔40以及与转子轴线对齐的圆形突起42。前主体部24和后主体部26彼此紧固，使得前主体部的圆形突起42位于后主体部的凹部38中。另外，螺栓(未示出)延伸穿过后主体部26的通孔36，并且与前主体部24中的带螺纹的盲孔40螺纹接合。此外，前主体部24和后主体部26绕着其外周彼此焊接到一起。
管组件28优选地包括进气增压部46和七个相同的支路44。管组件28的各部件能够透气。优选地，管组件28的各部件由烧结的钛6-2-4-2形成，并且具有大约80％的烧结密度。各支路44大致为管状，且优选地包括喷嘴48、弯曲部50以及直部52，其与进气增压部46一起形成转子20的一个推力物质通道22。喷嘴48和弯曲部50优选地形成在一起成为单一件，而直部52和进气增压部46则为分开的构件。各支路44的喷嘴48构造成使得推力物质通道22在喷嘴内的部分的横截面积先减小然后再由此向下游增大。这样，喷嘴48是会聚-发散喷嘴，其适于在可压缩流从其经过时使可压缩流从亚音速加速到超音速。优选地，经由现有技术中公知的任意标准方法，将喷嘴48的发散区域的壁的孔隙率制造成小于各相应支路44的其余部分的孔隙率。喷嘴48的外部优选地包括多个大致环形的肋状突起54，肋状突起54之间形成空隙。类似地，弯曲部50的外部包括部分包绕推力物质通道22的肋状突起54。弯曲部50优选地使推力物质通道22的方向转向大约90度，更优选地转向87.5度。直部52将弯曲部50的上游端结合至进气增压部46。直部52和弯曲部50优选地通过套筒接头彼此连接。直部52的外部优选地包括笔直延伸的多个肋状突起54。进气增压部46呈杯状，且具有多个用于管组件28的支路44的开口。进气增压部46的外部也优选地包括彼此平行、且绕进气增压部沿周向隔开的肋状突起54。进气增压部46的闭合的后端的外部优选地包括环形的肋状突起54。
密封环30优选地由坚实的钛10-2-3形成，并且以如下方式连接至前主体部24：该方式使得密封环环绕进气增压部46的开口端，并且位于进气增压部46的开口端的前方。从图1和图5中可以看到，密封环30的内表面的后部优选地倒角，以产生延伸通过密封环、并且在进气增压部46和转子20的前主体部24的周围壁之间延伸的流体通道。
箍紧环32优选地由碳纤维复合材料制成，并且环绕转子20的前主体部24。箍紧环32构造成在任意具体旋转速度下的径向扩张都小于转子20的前主体部24在同样的旋转速度、没有箍紧环的情况下的径向扩张。这样，箍紧环32构造成用来抵消在转子旋转过程中如果没有箍紧环转子20的前主体部24中的径向拉应力中的一些。
转子20优选地还包括用于其各个喷嘴48的喷嘴板56和喷嘴护罩58。各个喷嘴56和喷嘴护罩58优选地均由烧结的钛6-2-4-2形成，并且具有大约80％的烧结密度，从而使得各个喷嘴板和各个喷嘴护罩能够透气。各个喷嘴板56围绕相应喷嘴48的推力物质出口，并且优选地焊接到其上，并且焊接至转子20的前主体部24和后主体部26。各喷嘴护罩58优选包裹在相应喷嘴板56的径向最外部上，并且覆盖相应喷嘴48的径向最外端边缘。各喷嘴护罩58优选地焊接至相应的喷嘴板56，并且焊接至转子20的前主体部24和后主体部26。
如上所述组装的转子20包括多个推力物质通道22，各推力物质通道22通过密封环30延伸入转子，并且延伸入进气增压部46，然后分叉延伸入转子的多个管状支路44，最终通过喷嘴48从转子中引出。转子20的管组件28的各部件通过他们的肋状突起54支撑，转子的前主体部24和后主体部26大致围绕所述肋状突起54并与之接合。多个冷却通道60也延伸穿过转子20。各冷却通道60延伸穿过密封环30，然后通过经过所述密封环和进气增压部的最前缘之间的环状间隙，在进气增压部和转子20的前主体部24之间径向地延伸进入进气增压部46的肋状突起54之间的空间。冷却通道60然后分叉，各支路在管组件28的支路44的相应直部52的肋状突起54之间的空隙中行进。冷却通道60然后进入部分围绕管组件28的支路44的相应弯曲部50和喷嘴48延伸、并且在其肋状突起中的空隙之间延伸的空腔。通过经过管组件28的透气材料并且进入排出物质通道22；或者通过穿过喷嘴板56和喷嘴护罩58的透气材料直接进入径向环绕转子20的排出环境中，气态冷却物质可以离开冷却通道60。
在操作时，加压的气态推力物质和气态冷却物质通过位于转子前方的密封环30被强制送入转子20中。这一点优选地通过两个固定的圆柱形管(未示出)来实现，这两个固定的圆柱形管环套地取向且彼此隔开；气态推力物质经过最内管，气态的冷却物质经过两管之间的径向空间。外部固定管的外径优选地略小于密封环30的内径，并且外部固定管优选地在未达到密封环的倒角的位置终止。内固定管的外径优选地略小于进气增压部46的内径，并且内固定管优选地稍许延伸到进气增压部中。这样，气态推力物质和气态冷却物质整体上分别通入推力物质通道22和冷却通道60中。穿过转子20的气态推力物质优选具有大约45磅/平方英寸(psia)的静压，但是以总压为大约60psia的速度经过转子。穿过转子20的气态冷却物质当在冷却通道60中时优选具有大约55psia的总压，静压最多仅小几psi；并且具有比气态推力物质低的静态温度。由于流体的静压差，一些气态冷却物质从冷却通道60穿过管组件28的透气壁，进入推力物质通道22。另外，一些气态冷却物质从冷却通道60穿过透气的喷嘴板56和喷嘴护罩58进入排出环境中。这样，穿过转子20的冷却通道60的冷却物质将管组件28维持在比气态推力物质的温度低得可以接受的温度，并且防止转子20的前主体部24和后主体部26达到将会有损其强度的温度。
经过转子20的气态推力物质经由管组件28的喷嘴48加速至超音速，并且相对于转子优选地以2.0至4.0、更优选2.7至3.2的马赫数离开喷嘴进入排出环境。应当理解的是，各喷嘴48的发散区域与管组件28的相应支路44的其余部分相比降低了的孔隙率限制了冷却物质穿过喷嘴的发散区域的壁进入推力物质通道22的流动，从而防止这种流动不利地影响在喷嘴的发散区域中的推力物质流的边界层。转子优选地由可旋转的轴(未示出)支撑，并且经由转子的后主体部26的轴接头34固定至该旋转轴。通过从转子20中排出气态推力物质而产生的合成转矩优选以40000至60000转/分钟(RPM)的速度旋转驱动转子。然后转矩经所述轴传递至发电机或者其他能量转换装置，在此被转换为有用的能量。
虽然已经参考了具体实施方式对本发明进行了描述，但是根据前面所述，应当理解的是，上述说明中包含的或者附图中所示的所有对象应当解释为示意性的而非限制性的；在不脱离由所附权利要求书所限定的本发明的范围的情况下本发明可以有各种改型和变体。因此，应当理解其他可能的变体和改型。
另外，应当理解的是，当在权利要求书中或者是本发明的优选实施方式的上述说明中介绍构件时，术语“包括”、“具有”都是开放式的，其意味着还可能有除了所列构件之外的其他构件。类似地，术语“部分”应当理解成意味着符合要求的某些或所有项目或构件。

Claims (19)

1、一种旋转式热力发动机的转子，包括：
转子轴线，所述转子适于并且构造成绕所述转子轴线旋转；
多个推力物质通道，各推力物质通道均包括会聚区域、发散区域以及出口，各推力物质通道至少部分被透气壁定界，各推力物质通道的所述出口适于并且构造成通过在所述转子上产生绕所述转子轴线的转矩的方式，将气态流体排放到位于所述转子外部的排出环境中；各所述推力物质通道的所述发散区域位于相应推力物质通道的出口和会聚区域之间；以及
多个冷却通道，各冷却通道与相应的一个推力物质通道经由至少部分地定界该相应推力物质通道的所述透气壁而流体连通。
2、如权利要求1所述的转子，其中，所述转子还包括位于各推力物质通道和各冷却通道中的气态流体，所述推力物质通道中的所述气态流体具有一最小总压，所述冷却通道中的所述气态流体具有一最大总压，所述最小总压大于所述最大总压。
3、如权利要求2所述的转子，其中，所述推力物质通道中的所述气态流体具有一最大静态温度，所述冷却通道中的所述气态流体具有一最大静态温度，所述推力物质通道中的所述气态流体的所述最大静态温度高于所述冷却通道中的所述气态流体的所述最大静态温度。
4、如权利要求1所述的转子，其中，所述转子还包括进气增压部，所述进气增压部与位于所述转子外部的进气环境流体连通，并且形成各推力物质通道的合为一体的上游部。
5、如权利要求1所述的转子，其中，各透气壁由烧结金属形成。
6、如权利要求1所述的转子，其中，各透气壁呈管状并且包括多个肋，所述肋以在所述肋间形成空隙的方式向外突起；所述冷却通道具有包括各透气壁的所述肋之间的空隙的组合起来的容积。
7、如权利要求1所述的转子，其中，各推力物质通道完全由透气壁定界。
8、如权利要求1所述的转子，其中，各冷却通道通过至少一个透气壁与排出环境直接流体连通。
9、一种方法，包括：
提供转子，所述转子包括轴线、多个推力物质通道、多个冷却通道以及至少一个透气壁，所述至少一个透气壁将所述推力物质通道中的至少一个与所述多个冷却通道中的至少一个隔开；
以如下方式使气态推力物质通过所述转子的推力物质通道：该方式使得气态推力物质相对于所述转子以超音速从所述转子排出，并且这种排出在所述转子上产生绕所述轴线的转矩；所述气态推力物质在所述转子内具有平均静态温度；
以如下方式使气态冷却物质沿着所述转子的冷却通道行进：使得所述气态冷却物质的至少一些穿过所述转子的所述至少一个透气壁，并且进入至少一个所述推力物质通道；所述气态冷却物质在所述冷却通道内的平均静态温度低于所述气态推力物质的所述平均静态温度。
10、如权利要求9所述的方法，其中，使所述气态推力物质经过所述转子的气态推力物质通道的步骤包括使所有的气态推力物质经过第一入口进入所述转子。
11、如权利要求10所述的方法，其中，使所述气态冷却物质沿所述转子的冷却通道行进的步骤包括使所有的气态冷却物质经过第二入口进入所述转子。
12、如权利要求9所述的方法，其中，使所述气态冷却物质沿所述转子的冷却通道行进的步骤还以下述方式进行，使得所述气态冷却物质的至少一些在不进入所述推力物质通道的情况下离开所述转子。
13、如权利要求9所述的方法，其中，提供转子的步骤以下述方式进行，使得：各推力物质通道的至少一部分由透气的、且外部上形成有多个肋状突起的管状构件形成，并且，所述透气壁是所述管状构件的部分，并且每个所述冷却通道在至少一个所述管状构件的肋状突起之间延伸。
14、如权利要求9所述的方法，其中，提供所述转子的步骤包括将材料块彼此烧结从而形成所述透气壁。
15、如权利要求9所述的方法，其中，使所述气态推力物质通过所述转子的推力物质通道的步骤以下述方式进行，使得所述转子相对于地球绕所述轴线以40000RPM至60000RPM的速度旋转。
16、如权利要求9所述的方法，其中，使所述气态推力物质通过所述转子的推力物质通道的步骤以下述方式进行，使得所述气态推力物质在所述转子内具有平均总压；并且，使所述气态冷却物质沿所述转子的冷却通道行进的步骤以下述方式进行，使得所述气态冷却物质在所述冷却通道内具有小于所述气态推力物质的平均总压的平均总压。
17、如权利要求16所述的方法，其中，使所述气态推力物质通过所述转子的推力物质通道的步骤以下述方式进行，使得所述气态推力物质的总压超过50psia。
18、如权利要求9所述的方法，其中，使所述气态推力物质通过所述转子的推力物质通道的步骤还以下述方式进行，使得所述超音速具有2.0至4.0的马赫数。
19、如权利要求18所述的方法，其中，使所述气态推力物质通过所述转子的推力物质通道的步骤以下述方式进行，使得所述超音速具有2.7至3.2的马赫数。
如权利要求9所述的方法，其中，使所述气态推力物质通过所述转子的推力物质通道的步骤以下述方式进行，使得所述气态推力物质具有通过所述转子的质量流量；并且，使所述气态冷却物质沿所述转子的冷却通道行进的步骤以下述方式进行，使得所述气态冷却物质的通过所述转子的质量流量小于所述气态推力物质的质量流量的5％。
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