CN102046954A - 固定的亚音速冲压式喷气发动机 - Google Patents

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Abstract

一种冲压式喷气发动机(3，4，5)，其以3马赫速度飞行具有64％的效率，以4马赫速度飞行具有76％的效率。冲压式喷气发动机当前仅用于超音速飞行，并且没有用作具有机械输出的固定发动机。除了亚音速飞行之外，本发明可以作为固定发动机操作，并且可以将冲压式喷气发动机的使用延伸到车辆、电厂中的机械输出，以及延伸到用于大型建筑物、家庭和工厂的发电机。本发明通过形成几乎绝热的压缩机(1，2，12，13，14，15)和膨胀器(6，7，8，9，10，11)来提供将冲压式喷气发动机用作固定发动机的装置，该压缩机和膨胀器能够使压缩(减压)比达至92∶1，以供应冲压式喷气发动机所需的高能量空气/气体，本发明示出了在无节流区域的情况下，如何用将超音速转换成亚音速流的音速转换器(49、50、51)和将亚音速转换成超音速流的音速转换器(45、46、47)来取代德拉尔喷嘴。

Description

固定的亚音速冲压式喷气发动机
相关申请的交叉参考
本申请基于提交日期为2008年3月25日提交的美国临时申请No.61/039,406的公开内容，并且要求其权益，其公开内容通过引用其全文结合于此。
技术领域
本申请涉及动力设备。更具体地，本申请涉及在用于各种应用的热力发动机(包括机械驱动装置)的领域中使用的装置和方法。本发明的实施例提供一种固定的亚音速冲压式喷气发动机。
背景技术
为了节约矿物燃料并降低全球二氧化碳(CO2)的产生，最有效的方法是提高汽车发动机和其它燃料发动机的效率。美国目前行驶的汽车发动机的平均效率大约为21％。效率为21％的汽车发动机燃烧的燃料是效率为63％的汽车发动机燃烧的燃料的三倍。冲压式喷气发动机的效率为63％以及更高。
冲压式喷气发动机已存在约50年，并且以高效率闻名，然而，如今，冲压式喷气发动机除了军用之外事实上没有商业应用。对此具有多种原因。超音速产生冲击波，而冲击波浪费能量。除非飞机在空气非常稀薄的极高空下飞行，否则将因超音速飞行而消耗大量燃料。因此，对于商用超音速飞机的经济需求很小。但是也有一些需求，并且即使冲压式喷气发动机比涡轮发动机更有效率，也未满足这些需求。
词语“超音速”和“亚音速”通常是指声音在环境大气中的速度。在本发明的设备内，声音的速度随温度而改变，词语“超音速”和“亚音速”通常是指声音在这些条件下在空气或气体中的局部速度。声音的速度在通过设备行进的相同空气或气体中可以以2的倍数改变。马赫速度几乎均是指声音在大气中的速度。
冲压式喷气发动机使用德拉瓦尔喷嘴(de Laval nozzles)将超音速空气转换成亚音速，并通过将喷嘴中的流动反向而将亚音速转换成超音速。德拉瓦尔喷嘴作为高效率装置已被公知超过一个世纪。输入德拉瓦尔喷嘴通过减少将包含流动的管的区域减少到所公知的节流区域而减慢超音速空气，在该节流区域处空气达到局部的声音速度。在节流区域之外，喷嘴增大流动面积，以进一步减慢空气。喷嘴运动通过空气越快，则可以穿过相同节流区域的空气也越多，这是因为空气相对于喷嘴的高动能变换成德拉瓦尔喷嘴中的较高温度和较高密度。但是，对于每个空气速度，空气可以穿过节流区域的速率是固定的。节流区域调节空气的每个能量级所在的流动速率。在通向冲压式喷气发动机的输入喷嘴中有节流区域，并且在来自发动机的输出喷嘴中有节流区域。这两个区域均调节空气/气体的流动速率。并且这是一个问题。它们不得不被调节成超音速速度。这不是不可能的，但是非常困难。如果输出亚音速向超音速德的拉瓦尔喷嘴没有接收足够的流量，则将不形成向超音速的等熵变换，并且来自排气的推力降低。如果其接收太多的流量，则一些气体被回推，使得燃烧室中的压力上升。如果燃烧室中的压力上升，则前或输入德拉瓦尔喷嘴将后退。
冲压式喷气发动机的另一个问题在于它们仅在超音速下工作。冲压式喷气发动机不能在普通室内使用，因为以超音速飞行需要比发动机可以经受得住的更快的转动，即使其由很长的臂保持时也如此。在超音速风道中可以对冲压式喷气发动机进行固定测试，但是这不是从冲压式喷气发动机得到机械动力的可行方式。另外，使用成对的拉瓦尔喷嘴是使冲压式喷气发动机在飞机中更广泛地使用的一个限制因素。
发明内容
鉴于现在冲压式喷气发动机的上述问题，本发明某些优选实施例的目的在于显示如何运行固定的冲压式喷气发动机以获得机械能。此外，本发明的某些公开的实施例将会显示如何采用不具有节流区域的超音速至亚音速转换器来替换德拉尔喷嘴。更进一步地，本发明的某些实施例将会显示如何从相同的大气差不多或近似隔热地产生高能量的空气或其它气体流，该高能量的空气或其它气体流使冲压式喷气发动机高效操作。术语“隔热地”通常意思是，没有任何热流进入空气或气体或者离开空气或气体(这仅仅是近似可能的)。更进一步地，本发明的某些实施例将会显示如何将冲压式喷气发送机的能量输出为机械功。此外，通过采用这些方法来利用冲压式喷气发动机，可以在某些优选实施例中从过程中去除所有很大的冲击波，并且消除浪费的阻力，从而不会浪费有用的能量。超音速飞机中的某些冲击波不能够被去除，但是位于发送机引导边缘处的某些冲击波通过使发送机固定而被去除。剩下的冲击波应当无关紧要。
在说明书中使用的节流部是指限制、引导和/或约束从局部超音速转变到局部亚音速的流动或在通过较小固定区域的流动的所有侧从局部亚音速转变到局部超音速的流动。在本发明的上下文中，当涉及到无节流区域或没有节流区域的区域时，是指结构没有作用于通过限定在所有侧的固定区域而经历局部音速转变的空气或气体流。例如，转子没有作用于通过一个或多个德拉瓦尔喷嘴的所有流动，带有螺旋向外流动的环带允许空气或气体流转变到局部音速以径向展开以占据所需区域，出口没有包括音速转变。对音速转变流没有任何区域限制，即，流动能够在至少一个方向上展开。
除了机械工程学和物理学之外，用于本专利的科学部分地使用高速气体动力学的科学。例如，气体动力学(James E.A.John，Theo G.Keith(2005))是描述该主题的广泛使用文章。
附图说明
图1是根据本发明的压缩机、冲压式喷气发动机和膨胀器的实施例的示意图。
图2是包括根据本发明的压缩机、冲压式喷气发动机和膨胀器的发动机的实施例的剖视图。
图3是根据一个本发明实施例的压缩机的剖视图，剖面位于与转子的旋转轴线垂直的平面中。
图4是根据一个本发明实施例的膨胀器的剖视图，剖面位于与转子的旋转轴线垂直的平面中。
图5是根据一个本发明实施例的压缩机和膨胀器的放大剖视图，剖面位于与转子的旋转轴线垂直的平面中，并且被放大成示出动态密封件的细节。
图6是根据一个本发明实施例的压缩机和膨胀器的放大剖视图，剖面位于与转子的旋转轴线垂直的平面中，并且被放大到示出可选叶片和导槽结构的细节。
图7是示出了环形流螺旋室的间隙与半径的曲线图，以实现与螺旋室的半径的倒数成正比的径向流速。
图8是示出了环形流螺旋室的间隙与半径的曲线图，以实现相对于螺旋室的半径恒定的径向流速。
图9是示出了环形流螺旋室的间隙与半径的曲线图，以实现与螺旋室的半径成正比的径向流速。
图10是根据本发明的压缩机和膨胀器的一个实施例的放大剖视图，剖面位于与转子的旋转轴线垂直的平面中，并且被放大成示出输入流和中空轴输出流的细节，并且具有能够以小效率成本倍增功率的构造。
图11是本发明的环带的实施例的放大剖视图，剖面位于与转子的旋转轴线垂直的平面中，示出了能够使边界层伸展最小化的表面纤维。
具体实施方式
现在详细地说明本发明的各个示例性实施例。以下的详细说明是为了详细地描述某些实施例，因此，不能被当作是将本发明限制到所述的实施例。而且，本发明的范围由权利要求限定。
温度在这里总体上由开氏绝对温度表示，有时也表示摄氏温度，室温是大约294K。大气空气或气体是处于环境压力和室温下的空气或气体。如果大气温度是T0K，则使空气或气体通过一些方式以绝热的方式变成具有TsK的临界温度，如果临界温度TsK是T0K的3倍或者更高，该结果在这里被称作“高能”空气或气体。高能空气/气体的比能大约为大气温度和压力条件下空气/气体比能的Ts/T0倍。即使在温度T0K下，以3.162马赫行进的大气空气/气体具有临界温度TsK＝3T0K，并且TsK以马赫数的平方增大。
材料的抗拉强度“比”是其抗拉强度除以其比重，比重是其密度除以水的密度。类似地，抗压强度“比”是耐压强度除以比重。强度比是转子材料的性能系数，因为力与比重成比例。
“马赫”数通常是指局部大气中的音速。音速在冲压式喷气发动机中可以以2以上的倍数变化。当词语“超音速”和“亚音速”在本文中使用时，它们是指在已被压缩的气体/空气中的音速，其还被称作空气/气体中的“局部”音速。温度升高使得声音在大空气/气体中的速度增大。当在这里使用时，术语“以绝热的方式”是指其常用含义，并且通常用于表示“没有可察觉的加热或不吸热”，该术语始终仅最多近似于精确。
本发明中包括能量产生的装置、系统和方法，本发明包括这样的设备，该设备可选地没有节流区域，并用于产生临界温度为输入空气或气体的绝对温度的1.5-10倍的空气或气体的局部亚音速流，该设备包括：压缩机，该压缩机包括转子，该转子可选地没有节流区域，并且能够将空气或气体加速到具有局部超音速的流动；以及室(可选地没有节流区域)，该室能够接收局部超音速流并将其减速至局部亚音速，并且将该流动输出通过出口(可选地没有节流区域)。
这里还包括这样的任何设备，其中，转子能够以从大约2000英尺/秒达至大约5400英尺/秒的设计表面速度持续旋转，并且能够将空气或气体流加速到大约于转子的表面速度。
本发明这里附加地包括这样的任何设备的实施例，其中，转子还包括：具有高拉伸屈服强度比材料的轴，该轴以回转轴线(也称作旋转轴线)为中心；结构叶片；以及可选的高抗压强度比材料的转子侧，该转子侧可选地通过高抗拉强度比的纤维屑与轴可操作地连接。
这里以下任意的设备在本发明的范围内，其中静止时，结构叶片在大约50,000psi至大约500,000psi的压缩下与轴可操作地连接。
另外，本发明在这里包括任意设备(诸如压缩机和/或膨胀器)的实施例，该设备包括高抗拉强度比的纤维屑，该纤维屑可选地涂覆或者渗透有金属或陶瓷，借此形成结合或连贯的柔性片材或者刚性固体(例如硬片材)。
另外，任意设备的实施例在这里可以包括高抗拉强度比的纤维屑，该纤维屑包括纳米管合成纤维、碳纤维、玻璃纤维、金属和陶瓷纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维中的至少一个，或者它们的任意结合。
本发明的实施例在这里可以包括任意的设备，包括高抗压强度比的材料，该高抗压强度比的材料包括α-碳化硅、碳化硼、陶瓷、金刚石类材料、金属和聚合物中的至少一个，或者它们的任意结合。
其它实施例在这里可以包括这样的任意设备，其中，高拉伸屈服强度比的材料包括以下材料中的至少一个：α-碳化硅，该α-碳化硅缠绕有碳纤维，该碳纤维涂覆有金刚石类材料；钢，该钢通过盘绕在轴的轴线上而作用；钛合金，该钛合金被热处理，以使拉伸屈服强度最大；以及金属或陶瓷或聚合物；或者它们的任意结合。
根据本发明的装置在这里可以包括以下任意设备，这些设备包括：轴，该轴具有以旋转轴线为中心的轴向中空部或孔以及在结构叶片之间的转子径向出口，其中，中空部或孔和径向出口能够提供用于使空气或气体进入压缩机的通路；可选的多个外壳，该多个外壳可以与结构叶片的相对边缘可操作地相连，该结构叶片从轴向外延伸，其中，该外壳能够限制结构叶片之间的空气或气体；可选的绝热壳体，该壳体用于轴和转子的至少一部分，该壳体包括环带，该环带环绕转子的至少一部分，并且能够接收来自结构叶片和壳体之间的局部超音速的空气或气体流，以及能够将空气或气体流变成局部亚音速，而没有节流区域，该壳体还包括室，该室能够接收来自环状空间的局部亚音速流动，其中，该室是螺旋室，其具有向外螺旋的壁和能够将空气或气体限制在螺旋室内的相对的顶部内表面和底部内表面，其中螺旋室能够将流动引向出口。
在本发明的范围还包括任意这样的设备，该设备在这里能够从室温空气形成在大约10∶1至大约92∶1范围内的压缩比。
也可以反向操作根据本发明的任意压缩机。例如，本发明的实施例包括任意的压缩机设备，该压缩机设备在这里当流动和旋转反向时能够作为膨胀器操作，反之亦然。
根据本发明的任意设备在这里包括相对的环状空间的内表面，该内表面的形状在操作期间形成具有与距轴线的距离成反比的周向速度的平滑流；和/或环状空间，该环状空间具有这样的外径，该外径选择为使得在操作期间在环状空间内局部超音速流变成局部亚音速；以及/或环状空间没有节流区域。
作为本发明的实施例在这里还包含这样的任意设备，该设备包括可调节的条或带，该条或带位于环状空间周围的螺旋室的螺旋壁内，该条或带能够移动离开螺旋壁，以随着流动的自然螺旋形状以及限定径向流。
本发明的范围内还包括发动机。根据本发明的发动机可以包括根据本发明的压缩机和/或膨胀器。例如，包含有冲压式喷气发动机，该冲压式喷气发动机能够作为固定或者亚音速冲压式喷气发动机操作，该冲压式喷气发动机具有局部超音速输出，该冲压式喷气发动机包括：压缩机，该压缩机能够加速空气或气体至局部超音速流；室，该室能够在无节流区域的情况下接收局部超音速流，并将其减速到局部亚音速，并且通过出口输出该流；以及部分输入的德拉瓦尔喷嘴，该喷嘴用于接收来自出口的局部亚音速流，其中，部分输入的德拉瓦尔喷嘴被构造成使得不存在或者不使用高速流动面积和节流区域；以及可选的燃烧室，该燃烧室用于接收来自德拉瓦尔喷嘴的流。
还包括冲压式喷气发动机，该冲压式喷气发动机包括部分输出的德拉瓦尔喷嘴，该喷嘴能够接收来自燃烧室的局部亚音速空气或气体，并且能够加速流动，以便以局部亚音速输入到膨胀器出口，其中，部分输出的德拉瓦尔喷嘴被构造成使得不存在或者不使用节流区域和较高速的区域；其中，膨胀器出口向能够将所述流引导至环状空间的室供给流，该环状空间能够接收局部亚音速流并将其加速到局部超音速，而无节流区域；其中，所述环状空间能够将流引导到膨胀器转子，该膨胀器转子能够将局部超音速流减到局部亚音速，并且降低温度；以及膨胀器轴，该膨胀器轴能够通过转子利用从燃烧物中得到的高能量驱动负载。
根据本发明的冲压式喷气发动机在这里可以包括任意的冲压式喷气发动机，其中压缩机、冲压式喷气发动机和膨胀器中的每个均具有能够被紧固在一起以形成一个壳体的壳体。
另外，根据本发明的冲压式喷气发动机在这里可以包括任意的冲压式喷气发动机，其中，压缩机、冲压式喷气发动机和膨胀器中的每个均具有能够被附接到常用框架的壳体。
根据本发明的压缩机和/或膨胀器在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这里包括任意的膨胀器或压缩机，其中，圆环位于叶片的外叶片边缘半径之外，并且与转子可操作地相连，其中，圆环包括纤维垫、多孔材料或者金属网中的至少一种，并且包括小流动槽，使得在操作期间，空气或气体流能够穿过结构叶片之间，并且流过所述圆环；以及在转子内的外叶片边缘半径与圆环之间有环形空间。
根据本发明的压缩机和/或膨胀器在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这里包括任意的膨胀器或压缩机，其中，碳纤维卷绕体围绕外叶片缘周向地布置，其中，碳纤维卷绕体能够允许径向空气或气体流相对于转子以亚音速从叶片之间穿过而到达环带。
在此所述的压缩机和/或膨胀器可以包括这样的实施例，该实施例在这里包括任意的膨胀器或压缩机，其中，附加的叶片附接到轴的结构叶片之间，并且包括PAN碳纤维屑，该纤维屑被挤压在一起，并且涂覆或者渗透有金属或者陶瓷以形成结合的柔性片材。
另外，根据本发明的压缩机和/或膨胀器在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这里包括任意的膨胀器或压缩机，其中，外壳具有这样的外表面形状，该形状位于大约1.5英寸的外壳半径内并且面向壳体；和/或壳体，该壳体还包括环，该环面向外壳的外表面，并且在操作期间与外壳分开大约0.0002英寸至0.002英寸的间隙。
根据本发明的压缩机和/或膨胀器在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这里包括任意的膨胀器或压缩机，其中，外壳的外表面形状具有槽，该槽是倾斜的，使得在转子以马赫速度工作期间，槽和间隙将空气或气体引向较大半径，并由此阻止绕转子沿相反方向的流动。
另外，根据本发明的压缩机和/或膨胀器在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这里包括任意的膨胀器或压缩机，其中，相对的表面具有嵌入在该表面中的短纤维；和/或其中，该纤维具有直径为大约4-6微米、平滑的且为圆柱形的表面，并且间隔开比它们的直径大的距离；和/或其中，纤维能够在相对表面之外多于它们的直径大3倍地突出到流动中，并且当高速的空气或气体流与表面平行时能够朝所述表面弯曲。
根据本发明的压缩机和/或膨胀器在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这里包括任意的膨胀器或压缩机，该实施例还包括转子密封环，该转子密封环布置在转子与环带之间的壳体中，在转子密封环与转子之间具有大约0.0002英寸至0.002英寸的间隙；和/或定向槽，该定向槽位于转子密封环的表面和外壳的外表面上，以将所述密封环与转子之间的空气或气体引导至较大的半径，由此阻止沿相反方向的流动。
另外，根据本发明的压缩机和/或膨胀器在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这里包括任意的膨胀器或压缩机，其中，燃烧室的长度是其宽度的大约三千至一千倍；和/或燃烧室被绝缘以防止热损失，而在操作期间提供小于大约1％的能量或效率损失。
根据本发明的冲压式喷气发动机在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这里包括任意的冲压式喷气发动机，其中，燃烧室包括增大或减小的内部流动区域，以能够提高空气或气体向局部音速流动，并且能够将空气或气体的最大温度减小至大约270摄氏度。
再者，根据本发明的冲压式喷气发动机可以包括这样的实施例，该实施例包括任意的冲压式喷气发动机，该任意的冲压式喷气发动机在这里包括：一个或多个装置，用于提供用于通过压缩机以及冲压式喷气发动机循环的、作为发动机的工作气体的惰性气体或者非反应气体；加热源，该加热源加热燃烧室中的工作气体，该加热源从太阳辐射或者与外部热源热交换中选择；用于向压缩机再循环排气的装置；用于在输入到压缩机之前将排气冷却至接近于大气温度或者该大气温度以下的装置。
根据本发明的冲压式喷气发动机在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这里包括任意的冲压式喷气发动机，其中，压缩机和膨胀器位于一个轴上；轴的压缩机和膨胀器部是分离的，能够允许空气或气体通过轴的中空部的四个端部输入或输出；轴的压缩机或膨胀器部通过实心轴连接在延伸到各轴中的轴线上，并且由压缩机轴内的径向壁支撑，并且终止在膨胀器轴的靠近膨胀器转子的中部的实心部处。
另外，根据本发明的冲压式喷气发动机在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这里包括任意的冲压式喷气发动机，其中，压缩机和膨胀器位于一个轴上；压缩机的轴是非中空的，并且直径小于轴的除靠近压缩机转子的中间部之外的扩展部分；压缩机能够允许通过轴在壳体和外壳内的切除量将空气或气体输入到该压缩机；压缩机轴延伸到膨胀器轴中，并且与扩展轴的靠近扩展转子的中间部的实心部连接。
根据本发明的其它实施例在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这里包括任意的冲压式喷气发动机，其中，所述轴是中空的，并且能够允许大气或气体穿过中空部；压缩机和膨胀器位于同一轴上；轴的压缩机部没有径向出口；压缩机能够允许空气或气体通过轴的在壳体和外壳内的切除量输入到该压缩机；和/或压缩机在壳体和外壳中具有圆形开口，该圆形开口面向绕轴的壳体，并且能够允许空气或气体穿过开口而进入压缩机中。
根据本发明的冲压式喷气发动机的实施例在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这里包括任意的冲压式喷气发动机，其中，压缩机和膨胀器位于一个轴上，该轴是中空的或者在两端被穿孔，该轴的实心部被分成压缩机和膨胀器的输入流动区域和输出流动区域。
另外，根据本发明的冲压式喷气发动机在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这里包括任意的冲压式喷气发动机，其中，压缩机转子上的外壳包括第一开口，该第一开口的半径允许空气或气体进入外壳的面向壳体的一侧；压缩机转子上的面向外壳的一侧的壳体包括半径较小的第二开口；在压缩机转子上，由高张力纤维屑卷绕体支撑的多孔材料或纤维垫占据第一开口，并且位于外壳与轴之间，以及朝壳体延伸，并且能够与轴一起旋转；压缩机轴和膨胀器轴是中空的，压缩机轴没有径向出口，膨胀器轴中的径向出口具有这样的区域，该区域被选择为能够容纳通过轴的两个端部来自膨胀器的排气流。
本发明还包括组织空气或气体流以形成发动机的方法，该方法包括：通过在空气或者气体上进行作业来加速和压缩环境大气中的空气或气体，以实现目标的空气或气体流，接着；将空气或气体流减速并压缩至接近临界温度的空气或气体流，而不在空气或气体流上进行作业，接着，在近似恒定的压力下加热空气或气体流，以保持接近临界温度，接着，通过不在空气或气体流上进行作业而加速并减压空气或气体流，接着，通过使空气或气体流进行作业而减速并减压空气或气体流，并且从空气或气体流形成排气，其中，所述排气能够产生推力。实施例还包括组织空气或气体流的方法，其中上述作用中的一种或多种是可选的。
本发明的实施例包括减速空气或气体流动的方法和用于执行该方法的装置，该方法包括将空气或气体沿在两个表面之间的会聚方向引导空气或气体，该两个表面通过弯曲表面环带的方式在所选择的一段距离上会聚。
本发明的实施例包括一种方法和用于执行该方法的装置，该方法用于将超音速流转变成亚音速流，或者将亚间速流转变成超音速流，该方法包括在没有德拉瓦尔喷嘴或者节流区域的情况下减速超音速流或者加速亚音速流。
为了在温度为T0K的大气中在冲压式喷气发动机内重新形成马赫速度为M的飞行条件，在每秒流量速率的质量足以与飞行中的冲压式喷气发动机相配或者超过该冲压式喷气发动机的情况下，在低热损失下足以将空气压缩至其临界温度TsK与冲压式喷气发动机内的空气的临界温度相等的点。图1是示出了如何布置具体功能构件的示意图。例如，图1示出了压缩机、冲压式喷气发动机和膨胀器的一个实施例的示意图。为了易于说明，表1中提供了的术语涉及图1中的各相关点。
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压缩机1、12、13、14、15向入口德拉瓦尔喷嘴3输出空气/气体2。空气/气体穿过加热区4，加热区4通常被称为燃烧室。被加热的空气/气体通过后部德拉瓦尔喷嘴5离开并且进入膨胀器6。存在各种方式来实现这些，图2至图10示出了优选方式。在图1中，如果压缩机1、12、13、14、15的输出物2是超音速的，则其可在输入德拉瓦尔喷嘴中的空气流速度相匹配的位置处被直接供给到冲压式喷气发动机3、4、5的前部的德拉瓦尔喷嘴3。例如，从压缩机离开的超音速流由输入德拉瓦尔喷嘴接收在该德拉瓦尔喷嘴内的能够容纳超音速流的位置处。如果压缩机2的输出物是亚音速的，则其可以在喷嘴的较高速度部分被去除后供给到德拉瓦尔喷嘴3的亚音速部分中。冲压式喷气发动机3、4、5中的燃烧室4的状态将与在相同大气下以M马赫飞行的状态相同，冲压式喷气发动机将达到飞行效率。在本发明的各实施例中，冲压式喷气发动机3、4、5可以固定的或运动的。
为了将冲压式喷气发动机3、4、5用作喷气机，则添加并燃烧燃料，或者在燃烧室4中加热气体，并且冲压式喷气发动机的后部处的德拉瓦尔喷嘴5将亚音速流转换成超音速流，从而形成喷气机输出物(未示出)，该输出物不进入膨胀器。
为了将冲压式喷气发动机3、4、5用作机械发动机，喷气机输出物6中的一些或者全部可以被限制成输入到扩散器或膨胀器7、8、9、10、11，扩散器或膨胀器7、8、9、10、11在轴7上输出机械能，并且输出未示出的排气。冲压式喷气发动机的后部德拉瓦尔喷嘴5的输出与输入到膨胀器6的输入速度相匹配的截面处可以被截平。
下面描述单级压缩机，该压缩机具有轴1，该轴1使附接到该轴的叶片13旋转，使进入叶片12之间的空气/气体以从大约2000英尺/秒至5400英尺/秒的轮缘速度行进，该流动向14外螺旋进入壳体15中，并通过出口作为超音速流输出物2离开而进入冲压式喷气发动机的前端德拉瓦尔喷嘴3中，与在喷嘴中的流速相匹配，并且还描述了具有轴7的单级膨胀器，该轴7通过由空气/气体6驱动的叶片10旋转，并通过形成超音速转子10、11的该叶片变慢，该超音速转子10、11以从大约2000英尺/秒至5400英尺/秒的轮缘速度9行进，并且从冲压式喷气发动机的后部德拉瓦尔喷嘴5得到超音速输入物6，并且将其向内螺旋进入叶片，而产生机械输出以及排气。
还描述一种装置，该装置取代冲压式喷气发动机的具有超音速向亚音速转换器的前部或输入德拉瓦尔喷嘴3，该喷嘴不具有节流区域，并且该装置取代冲压式喷气发动机的具有亚音速向超音速转换器的后部或输出德拉瓦尔喷嘴5，该喷嘴不具有节流区域。
还示出了如何将相同旋转速度下操作的超音速转子压缩机12、13变成具有相同的总高能量的输出亚音速流，而其流动不经过节流区域，并且还示出如何将在相同每分钟转速(rpm)下操作的超音速膨胀器7、8、9、10、11转换成具有相同的总高能量的输入亚音速流，而其流动不经过节流区域。
为了开始这些说明，将描述转子以及制造该装置的方法，该转子位于轴上，该轴可以以从大约2000英尺/秒至5400英尺/秒的轮缘速度操作。为了形成这样的转子，使用包括高拉伸屈服强度比的材料来获得该轴。当在这里使用于轴时，“高拉伸屈服强度比”具有范围在大约46,000至47,000psi范围内的拉伸屈服强度比。在一个实施例中，高拉伸屈服强度比具有46,000psi以上的拉伸屈服强度比。例如，钢琴用钢丝和一个类型为β碳化钡在金属中具有很高的拉伸屈服强度比。但是这些材料不在相同的领域，因为一些碳纤维具有大约10倍以上的拉伸屈服强度比。还获得高抗拉强度比纤维屑来保持转子部分，可选地在高张力下保持。未来，由碳纳米管制成的纤维形成的屑可能更好；现在，优选的高抗拉强度比材料是碳纤维。大多数碳纤维的比重大约相同，并且一些可具有大约1,000,000psi的极限抗拉强度，其比本发明的实施例需要的强度高。当在这里使用于碳纤维时，“高抗拉强度比”的比抗拉强度在大约400,000-465,000psi的范围内。在一个实施例中，高抗拉强度比材料的抗拉强度大约为400,000psi以上。碳纤维不够硬，并且其可以抵抗大多数材料的磨损，包括其本身。为了降低或者消除转子的磨损或变形，纤维可以被涂覆一薄层高温耐磨材料，例如金属或陶瓷。基于碳纤维的聚丙烯腈或PAN(通常被称作“PAN碳纤维”)的弹性特性与金属的弹性特性有很大不同。PAN碳纤维可以被弹性地拉伸至2％而不变形。在比本发明的实施例中纤维所暴露实施例的温度高得多的温度处，纤维不像金属那样屈服、蠕变或变形。大多数金属具有与PAN碳纤维一样长的、大约1/10th的弹簧拉伸极限。
PAN碳纤维被用作转子中的张力结构材料，有点像悬梁中使用的金属丝，使得在转子的整个开关周期中，PAN碳纤维不超过涂覆纤维的材料的弹性极限地改变长度。使用高抗压强度比材料，诸如α-碳化硅，因为其与高抗压强度相结合的低比重、其高的弹性系数和优良的高温强度和抗氧化性。当在这里使用时，“高抗压强度比”材料具有在大约80,000-180,000psi范围内的抗压强度。在一个实施例中，高抗压强度材料具有超过大约160,000psi的抗压强度。以下更加详细地讨论可以被使用的高抗压强度材料的实例。SiC不暴露与接近冲压式喷气发动机中最大温度的温度下。实现该方面的一个方式是将SiC置于高压下(类似于其将要如在最大速度下的离心力所施加的力)，利用PAN碳纤维，同时该装置不运行，使得当该装置以最大速度运行时，SiC仍在压力下保持在合适位置，并且仅从固定压缩略微膨胀。该微略膨胀例如可以在4马赫速度时大约在0.2％至0.3％的范围中。在设计速度下，轴上的一部分的压力可以大约是10,000psi或更高。该部分帮助加强轴抵抗离心力。在很硬的组合物中，PAN碳纤维作为强力腱，同时α-SiC作为坚固的骨架。通过将纤维主要径向取向地卷绕在纤维形状上，PAN碳纤维还可以被用于形成柔性叶片。纤维形状可以被结合到转子以及转子上的硬壁上，或者结合到绕转子拉伸的纤维上。诸如金属涂层或者可浇铸陶瓷的结合材料可以涂覆或者渗透纤维，以帮助保护纤维。
在卷绕之前，PAN碳纤维可以被涂覆有金属薄膜或者陶瓷，以为软纤维提供抗磨损涂层。软纤维然后被拉伸至1％或更大的伸长率(这大约是它们最大拉伸的一半)，并且保持在该拉伸下，同时将它们卷绕成压缩SiC部分。涂层保护软碳纤维在应用期间免于彼此磨损并且被硬的SiC磨损。涂层是金属或者可能是陶瓷的，并且在操作期间，在聚合物未被预期经受得住由纤维所遇到的温度的情况下可以为纤维提供保护。可以在拉伸纤维之前施加第一纤维涂层。在施加该纤维后，可以施加另一结合涂层和/或填料材料，以减少被涂覆纤维的相对运动，或者阻止空气或者气体流通过该纤维。结构强度纤维在转子的开关周期期间伸长并且收缩小于涂层和结合材料的弹性极限的量。在具有封闭的径向流动槽的径向离心压缩机中，当槽中的空气/气体达到较高的周向马赫速度时，其相对于槽运动得越来越慢，因为所述槽在较大半径处较大，并且空气或气体在较大半径下被进一步压缩。这意味着封闭在槽中的空气/气体相对于槽经历低的亚音速径向流动，并且该流动不产生向内冲击波或者容易磨损所述槽。假设压缩机中的气体/空气被良好地过滤，则碳纤维在超过几千次的起动-停止循环时受的摩擦磨损很小或者没有。SiC在超过几千次循环之后受的摩擦磨损很小或者没有，由于其相对于其接触的其它部分保持钢性固定。转子和轴具有很小的相对运动，并且仅是压缩机和膨胀器中的快速运动部分的相对运动，因此实现转子的寿命较长，并且轴将导致装置的寿命较长。
转子和轴形成刚性形状，该刚性形状通过小的摩擦而弹性地膨胀并收缩。在旋转轴线的旋转较慢的情况下，叶片扫掉所谓的“叶片容积”。叶片容积可以沿轴线方向被封闭在其外径上分开的两部分中。在实施例中，例如，转子可以包括多个转子壁。具体地，例如，包括两个α-SiC盘环带的转子壁可以定中于该轴线上，该两个盘环带旋转对称并且类似于叶片由PAN碳纤维加强，并且是转子的一部分。PAN碳纤维具有足够的强度，保持转子部分和转子的轮缘在从大约2000英尺/秒至5400英尺/秒的范围内运动。该两部分在这里还被称作转子壁，或者被称作“外壳”或者可以被可称转子的“外壳”。
在这点上，径向压缩机和膨胀器形状相同，并且具有不常见的构造方法和材料。α-SiC是一种可以用于高抗压强度材料的若干陶瓷材料中的一种，并且可以是更好的材料。可以使用碳化硼和金刚石类材料取代SiC。叶片可以通过拉伸环绕轴的一次性部件周围的碳纤维而形成，然后在该纤维中间添加另外的材料，例如碳，该材料通过与硅、或者可浇铸陶瓷或者其它材料高温反应以被转换成SiC，以形成气密的、硬的、实心且有预应力的转子。然后去除该一次性部件。
以下以前述的径向压缩机进行改进。在转子中，叶片阻止外壳的轮缘缩短。被涂覆的PAN碳纤维沿着周向卷绕在叶片的外边缘上直到在整个叶片上有多层，并结合就位在叶片的外边缘上，使得纤维在设计速度下容易并排保持在叶片之间。这阻止形成消耗效率的冲击波和因各叶片上的压差而在叶片的边缘处形成漩涡，以在叶片之外的外壳中形成涡流较小的流动。也可以使用无预应力或预压缩叶片材料的柔性叶片。
以下是前述径向压缩机的另一个改进：叶片阻止外壳的轮缘变短。在叶片周围存在环形开放空间。纤维或多孔陶瓷或金属网或开槽材料的、定中于旋转轴线上的圆柱形环位于所述环形开放空间的外部，并且填充两个半径之间的外壳内的环形流容积，以使所有转子流穿过多孔材料。材料环不阻止径向流，并且其不消除可能在早期流动中形成的紊流。所述环可以是纤维或多孔陶瓷块，或者是具有径向六角形晶胞、六角形导槽的金属网。其通过卷绕碳纤维(该碳纤维提供保持该环抵抗离心力的强度)而在其外表面上封闭，并且增加环的流动控制，并且可以被作为环的一部分。所述环形成几乎肉眼可见的均匀穿过其的径向流，并使周向流速与环紧密相配，所述流动从环形成。所述环加速或减速流动，如同其是容积相同的许多径向叶片一样，因此，其也经受周向力。我们相信这不能通过前述的离心压缩机或膨胀器来做到。环的外表面通过其表面速度限定压缩机或膨胀器的离心马赫速度。
在一个实施例中，为了包含超过转子的流动，压缩机壳体或者壳体中超过转子半径的其它材料可选地包括螺旋壁，以限制或阻止径向流动，该螺旋壁接收来自转子的螺旋向外的气体/空气，用于将一个旋转大致引向壳体中的出口或者壳体中的其它材料。该壁与气体的自然螺旋相匹配。螺旋壁的轴线方向宽度随半径的增大而保持恒定。壁或壁的一部分可以在其最小半径处被固定，并且可以被再次定位成与由不同质量流量形成的不同螺旋形状相匹配。
在径向向心膨胀器中使用和/或借鉴相同的构造技术，并且可以在壳体中和对于膨胀器的输入端的绝缘可以使用相同的几何形状。
壳体内的固定壳体和/或材料包括转子密封环，该转子密封环具有这样的表面，该表面与两个半径之间的靠近外壳的轮缘的转子外壳外表面相配，并且在操作时表面之间具有一个小的间隙。与该间隙相邻，旋转叶片外壳的外表面具有可选的可选槽，该槽是倾斜的以使空气/气体朝轮缘运动，并且转子密封环的内表面具有相对倾斜的槽，以使空气/气体朝轮缘运动。在高速下，小的间隙和槽作为径向泵，该泵有效地阻止以转子的马赫速度围绕转子的向后流动。
由涂覆碳纤维覆盖的表面(诸如外壳)通过添加金属涂层可以变得光滑，并且通过常用的制造技术(诸如轧制)使外表面光滑。
下面描述输出超音速流的压缩机。如果转子的马赫速度是则离开转子和稍后的输出口的空气/气体具有马赫M下飞行的喷气发动机的临界温度TsK。例如，如果喷气发动机的速度为4马赫，则供给到冲压式喷气发动机的转子的速度是
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马赫，或者2.828马赫。离开转子的压缩空气/气体的能量足以取代进入以M马赫飞行的冲压式喷气发动机的、相同大气条件下绕压缩机的空气/气体。然而，转子中达到的最大温度仅是T0K与临界温度TsK之间的一半。膨胀器可具有与压缩机相同类型的构造，该压缩机通常尺寸较大，在膨胀器转子中达到的最大温度大约为加热室中的最大临界温度TbK和大气中的排气温度之间的一半。
注意，在涡轮式发动机中，本发明的实施例仅是这样的发动机，即，快速运动的部分没有暴露到接近压缩温度或者燃烧温度的温度下。快速运动部分的非常低温度是发动机设计的关键特征，因为其允许使用可以经受得住燃烧区域的较高温度下的转子材料，例如PAN碳纤维。本发明的实施例包括径向离心压缩机和膨胀器的发动机，该发动机包括压缩机转子，该压缩机转子能够形成处于与进入以M马赫下行驶的冲压式喷气发动机的空气或气体相同的临界温度下的压缩空气或气体，同时该转子暴露于大约为T0K和临界温度TsK之间的大约一半的最大温度下，并且该发动机还包括膨胀器转子，该膨胀器转子能够接收处于临界温度、与离开以M马赫下行驶的飞行冲压式喷气发动机的空气和气体相同的压缩空气或气体，同时该转子暴露于TbK与排气温度之间的大约一半的最大温度下。
壳体或壳体中的材料和旋转轴上的部件可以通过在表面上带有槽的小的间隙分开，由此将空气/气体抽吸成较大半径。外部真空泵可以用于降低转子之外的壳体中的空气/气体的密度。管的一端可以位于转子之外的壳体空间中，并且通过将管指向下游而供给到高马赫速度的流，这将把管中的空气/气体拉至主高速流中，从而仅产生小的冲击波。在不试图使壳体中产生真空的情况下，可以将诸如氢的低密度气体供给到壳体的在压缩机的转子之外的一部分中，因为其增加了在冲压式喷气发动机中的燃烧的燃料，并且将降低转子上的拖力。这些真空和摩擦力的降低过程可以为效率增加小百分比。
输出德拉瓦尔喷嘴可以被截平以通过排气和流速所相遇的膨胀器的输入口速度使其排气与流速相匹配。
这完成了这样的新颖设计改进，即，足以为固定冲压式喷气发动机供应超音速流，该超音速流在与在M马赫下飞行相同的内部条件下在冲压式喷气发动机中形成。
为了为具有相同临界温度的冲压式喷气发动机供应用来自压缩机的亚音速流，壳体中的环形空间或者壳体中的其它材料以较大半径环绕压缩机转子，该环形空间无需从任意马赫速度的轴线延伸超过转子外径1.8倍。在压缩机环带中的转子之外，空气/气体的周向速度与距回转轴线(也被称为旋转轴线)的径向距离成反比地减慢。这进一步压缩空气/气体。空气/气体的径向速度是低亚音速(量级为100英尺/秒)，并且可以通过设定每个半径处的环形空间的宽度来控制。因为螺旋向外的空气/气体变慢，因此，可以压缩成，使得除非径向速度变得很慢，否则环带中的轴向间隙变小且半径变大。作为使用空气作为压缩机中的气体的示例，与转子马赫速度无关，在流动到达转子半径的1.731倍的半径之前，流动将达到局部音速，该音速是流动内的实际声音速度。低转子马赫速度流达到较小半径的局部音速。在局部音速的半径之外，流动继续减慢。当流动慢到设计速度时，其可以离开环形室，并且像以前一样螺旋到出口。为避免产生亚音速下冲击波的设计的困难在于量级小于超声速。例如，一旦进入输出口中的流动是亚音速的，则其可以通过以任何方式平滑且逐渐增大出口的面积来进一步变慢，而不形成冲击波；在超音速下，其与设计的方形德拉瓦尔喷嘴相同。如果进入输出喷嘴的流动是局部超音速的，则在壳体内不存在产生冲击波的设计挑战。
压缩机输出亚音速流，并将其供给到前德拉瓦尔喷嘴中，前德拉瓦尔喷嘴在流速相匹配处被截平。德拉瓦尔喷嘴的较高速度部分被去除，并且该部分包括德拉瓦尔喷嘴的节流区域。这具有关键作用：冲压式喷气发动机的输入端没有节流区域。压缩机没有节流区域是因为音速下的流动不被强迫通过固定区域。其可以径向扩展。这意味着在冲压式喷气发动机的输入端侧上没有节流区域被调节，并且流动状态可以变化，而不需要高速的精确调节。去除至少一个节流区域是使冲压式喷气发动机可靠的一个关键所在。
环形表面具有与流动紧邻的平滑表面。添加该表面来绝缘，以阻止气体/空气流进入隔离区中并且变平滑。该表面可以通过在该表面中嵌有短纤维而被处理成消除形成在超音速流中的大边界层，因此纤维垂直地或者沿流动方向以小角度伸出表面。纤维与表面处的其它纤维间隔一个以上的直径。当马赫速度的气体/空气吹向它们时，纤维在表面上延伸3个以上的直径。纤维仅是几个微米厚，并且可被用作平滑圆柱形面，直径变化不大于1/30微米，例如，PAN碳纤维。在各纤维上形成边界层，并且在流动方向上沿纤维变得较宽，但是纤维结束，并且边界层不再继续增长。纤维不代表能够支撑厚边界层的表面。
小管可以进入近似指向流动方向的环形空间，并且它们可以与所述表面齐平。这样的管将通过与马赫速度流的相互作用而使空气/气体从其拉出。所述管可以继续通过壳体中的绝缘区和其它材料，并且出现在壳体与转子之间，以将压力降至接近于转子。这通过减小转子上的拖力而节省能量，该拖力在非常高的rpm下是浪费的。附加地，外部真空泵可以连接到绕转子的空间。
冲压式喷气发动机可以继续向膨胀器输出超音速流和/或作为喷气体通过整个德拉瓦尔喷嘴。
绕转子增加环形流区域的相同设计原理使膨胀器能够接收环带的外轮缘中的亚音速流，并且能够在环带内将其转换成超音速流，以匹配在其轮缘处的转子速度。亚音速流来自于冲压式喷气发动机后部上的德拉瓦尔喷嘴，在该后部其与膨胀器的设计的亚音速输入速度相匹配。该截面位于输出流到达德拉瓦尔喷嘴中的节流区域之前，并且喷嘴的节流区域和较高速度部分是被忽视的、不存在或者被除去的，以从冲压式喷气发动机输出流去除节流口。膨胀器不具有节流区域，这与压缩机不具有节流区域的原因相同。这允许设计者从输出流去除节流区域，而不被用作射流，这是在以前冲压式喷气发动机中未被发现的改善设计的关键所在。
通过将来自冲压式喷气发动机的亚音速流放置到膨胀器的环带中，还可以从用作射流的流动去除节流区域，该膨胀器的环带将所述流动转换成超音速，并且从环形内半径得到超音速流，并且将其通过德拉瓦尔喷嘴的超音速部分输出德拉瓦尔节流区域之外。这允许亚音速至超音速的环带来取代用作射流的德拉瓦尔喷嘴的节流区域。
去除节流区域是将冲压式喷气发动机形成为用于固定动力或者车辆动力的机械输出发动机所需要的变型。成对的节流区域需要调节，其困难在于不可以控制具有变化负载的机器。
冲压式喷气发动机的燃烧室可以具有一个以上的输出流。输出流可以保持德拉瓦尔喷嘴的输出，并且其可以具有针对膨胀器的一个以上的输出。具有附加的无节流口的输出允许德拉瓦尔输出喷嘴作为射流工作，而没有其节流区域的关键调节。喷嘴节流口限制射流的输出，但是保持排气输出进入膨胀器，而不返回到燃烧室中。发动机中的膨胀器可以被设计成在与压缩机相同的轴上工作并且在操作时驱动压缩机，并且还通过其轴机械地输出功率。
来自膨胀器的排气可以被用于共同加热。
图2是发动机的实施方式的剖视图，该发动机包括压缩机、喷射器和膨胀器。为了说明，通过表2中提供的术语说明图2内涉及的各个点。
Figure BPA00001258768400261
Figure BPA00001258768400271
在图2中，圆形钛轴40、46以旋转轴线为中心并且由Tiβ-CEZ或者较高强度的钛制成，并且从以其轴线为中心的任一端钻孔，留出分隔壁70和中空腔38、64。用于轴的示例性材料可以包括大约5％的铝、2％的铬、1％的铁、4％的钼、2％的锡、82％的钛和4％的锆。该材料可被热处理成具有220,000psi的屈服拉伸强度和4.69的比重，因此，屈服拉伸强度为46,908psi。径向孔35、37、62通过膨胀器区域中的和压缩机区域中的轴壁40、66形成。压缩机52、53、69形成在轴66上，该SiC叶片抵靠SiC外壳的轴和侧壁卷绕有碳纤维。SiC叶片53、44压缩到轴上以及在Ti轴中的孔35之间的桥接部36上方。在SiC叶片的侧面，外壳68、69放置在叶片的任一侧上，碳纤维卷绕在外壳的外部上。在SiC外壳的外部，碳纤维30绕各侧面周围卷绕在各转子上，并且卷绕在侧面之间的轮缘空间上方，卷绕在相对侧上并且返回到轴。该卷绕将叶片的组件、外壳和多孔外环固定就位在轴上。外壳与叶片的组合以及通过轴的孔形成导槽，该导槽从压缩机的轴线径向延伸。除了卷绕在压缩机叶片之外，多孔材料或网或径向流导槽可以被放置成使流动更均匀且紊流较小地离开压缩机转子。在略微与压缩机间隔开留下卷绕用空间的轴上，膨胀器44、68类似地构造有较大部分，该较大部分包覆有碳纤维28、29。这些叶片通过卷绕且固定的碳纤维的张力被压缩在轴36上和孔37之间的桥接部39、63上。在叶片的任一端部，SiC外壳68径向布置在轴上以形成径向封闭槽。在SiC外壳外部上，碳纤维30卷绕在转子流轮缘入口上方的外壳上，以及卷绕在相对侧上方，并且卷回到轴。该卷绕体将叶片和外壳的组件固定到轴，并且限制多孔环。外壳与叶片的组合形成绕膨胀器(也称为扩散器或减压器)的轴线的径向导槽。在Ti轴上，两个动态气密封环或盘环带33、43、65布置在压力壳体31的两个轴端口处。这两个动态密封环在发动机运行时由于高盘速而将把气体携带入环33和壳体31之间的间隙中，并且将气体径向向外驱动到转子和壳体之间的腔32之外。这导致转子上的拖力降低。在轴的任一端处，设置轴空气轴承34、41、61、67。初始地操作空气轴承的高压空气流42可以来自于压力瓶容器或空气泵。在操作时，用于空气轴承的高压气供给可来自于将增压气体48、54引离压缩气流。这些高压气体线路可以沿压力容器31的内表面行进，并且行进到压力容器内的绝热部26外部。来自压缩机的绝热压缩气体48通过使它们朝中心轴线沿壁行进而变得很热，并且该高压气体在其进入空气轴承34、61之前可以通过与进入的燃料20和外部压力容器21热交换冷却而变得较冷。空气轴承成形为锥形，以轴向保持旋转轴。沿轴向示出电磁发电机55、56、57、59，如果向发电机56的电磁体施加脉冲电流，则该发电机可以用于起动发动机。一旦发动机运行，则发电机用于从发动机吸取脉冲电能。发电机包括永磁体59、60，该永磁体向Ti轴包覆有高强度碳纤维。通过引入铁磁芯板定子56而完成磁场回路，该铁磁芯板定子卷绕体有铜线圈55。当轴旋转时，磁场改变强度和极性，以在铜线圈55中形成电脉冲。该发动机的有用形式可以以每分钟150,000转的速度操作，因此，形成高频交流输出。该高频交流输出可以根据预期转换成DC流，然后从DC转回到与应用相配或者与电网相配的频率。未示出这些调节电子装置。在径向压缩机和径向膨胀器的外部，形成环形导槽45、46、47、49、50、51来接收离开压缩机的外螺旋径向流并且向膨胀器输送内螺旋径向流。在用于压缩机转子的出口和用于减压器的径向导槽的进口的任一侧上，形成由SiC或金属(诸如304不锈钢)制成的转子密封环71或致密陶瓷材料，以限定向环形超音速过渡区域的进口或者离开环形超音速过渡区域的出口。在设计rpm期间，转子密封环被设计成通过转子的靠近轮缘的侧来保持封闭间隙。转子与环形喷嘴进口之间的该间隙通过将气体携带到腔外部的较大半径的环形流腔中的流体而形成真空泵。通过排空转子与环绕部件之间的气体腔72，而降低转子上的拖力。在发动机的该实施方式中，在压缩机转子外部，环形音速转换器腔是绕旋转轴线的回转容积，形成有难熔金属或陶瓷(诸如成形的钼管和硅泡沫，诸如Cotronics M310)，并且使用诸如在图7、8和9中介绍的径向外形形状(以下更详细地说明)或者其它形状，周向流从超音速向亚音速流转变，同时限定径向流的样式。在环形腔内，流体从多孔环或绕超音速速度51的压缩机的叶片的空的环空间进入，并且减慢50局部音速，然后较大半径的流体进一步是亚音速49。一旦环形流位于亚音速区域中，则流动外形可以逐渐改变24，而不引起冲击波并被减慢，该流动外形将流体的动能转换成流体中的高温高压。预期的压缩温度在大约128大气压的压力下大约为1200K或者927℃，在大约为279大气压的压力下为大约1500K。环形室的外径在第一点处发生外壁缩短，以阻挡径向流。在环形音速过渡转换器的外径之外，具有恒定轴向宽度的最终旋转引向出口24、27，出口24、27与绝热部中的螺旋管连接，绝热部可以由气密材料(诸如石英)形成，并且从压缩机24导向膨胀器27，另一个出口在该膨胀器27处供给环形区域中的一个螺旋流旋转。在该螺放管中，在燃烧室中，通过各个手段将热添加到气体流，但是经常由燃烧线路22将燃料添加到高压和高温气体，并使其燃烧。燃料线路23、25可以用于从压力容器壁提取热，并且用于加热并可选地蒸发该燃料。在燃烧室中加热气体流的另外方法是：辐射加热，诸如太阳能；通过使较热的流体通过管循环的热交换来加热空气/气体；向流体中喷射热材料(诸如较高温的蒸汽)；室中的微粒与来自微粒发生器的能量微粒的反应；以及其它方式。
图3是压缩机的一个实施方式的剖视图，剖面位于与转子的旋转轴线垂直的平面中。为了便于说明，通过表3中提供的术语说明图3内涉及的各个点。
Figure BPA00001258768400301
在图3中，沿轴线的图以垂直于轴线的剖面图示出了压缩机的叶片86。转子97中的流动相对于转子是径向的，但是周向速度79比径向流更高。壳体80包含绝热部81，并且燃烧室的管82隐藏于该绝缘部内，以旋入膨胀器。环带88的边缘设置成与一圈向外螺旋83的亚音速流95、99紧邻，以向出口过渡88，该出口仅以剖视方式示出。空气/气体流通过轴85的孔94进入转子，如图2中那样。其通过穿过轴壁的管道或孔84流进(96)转子壁进入转子内部，在那里处由于压缩以及较大流动区域，该转子内部的流动97减慢。叶片具有在轴93上的孔84之间的边缘。在叶片的外边缘处，存在如直线87所示的周向高压卷绕体。径向卷绕体90还在叶片上施加压力。未示出外壳，但是示出了它们的外径89。示出了转子的旋转方向98。还示出了以向空气轴承供应压缩空气的管91。还示出了以向燃烧室供应燃料或蒸气的管92。
图4是膨胀器的一个实施方式的剖视图，剖面位于与转子的旋转轴线垂直的平面中。为了便于说明，通过表4中提供的术语说明图4内涉及的各个点。
Figure BPA00001258768400321
在图4中，示出的膨胀器或减压器比图3中的压缩机大，并且以反向流113操作。叶片106环绕轴111并且通过径向卷绕体105被按压到轴，径向卷绕体105穿过用于空气/气体流的导槽108而进入轴112的孔中。周向碳纤维卷绕体103还朝轴的轴线将叶片按压在该轴上，并且防止在叶片的外边缘出现冲击波和漩涡。叶片被封闭在转子外壳或其外径104大于叶片半径的两侧的外壳中。空气/气体以亚音速流118通过出口形成部107从绝热部101进入螺旋形回路102中。以粗线示出了流动螺旋，该流动沿绕轴线的一个回路进入环形区域的外径。流动在环带外部保持为亚音速116，但以较小半径加速，直到其达到超音速115。叶片117的旋转与转子104的边缘处的空气/气体115的周向速度相配。转子中的流动113相对于转子室几乎是完全径向流动，并且从最大半径的最慢变成最小半径114处的最快，并且进入轴的中空部112。旋转速度117与半径成正比，因此，叶片将超音速115减慢到轴中的亚音速或接近亚音速。转子的限定周向速度的、从外多孔环(未示出)到轴108中的导槽的每个部分通过减慢流动的周向速度而具有叶片的功能。该减速旋转方向上的所有叶片状部分上产生力，所有这些力通过到达轴的高张紧卷绕体被输送到轴。压力容器或壳体100接触管110，该管110承载用于空气轴承的压缩空气。示出了轴的内表面上的孔109。
图5是压缩机和膨胀器的放大剖视图，剖面位于包括转子的旋转轴线的平面中，并且被放大成示出了动态密封件的细节。为了便于说明，通过表5中提供的术语说明图5内涉及的各个点。
Figure BPA00001258768400331
Figure BPA00001258768400341
在图5中，示出了具有动态密封件的压缩机和膨胀器的放大剖视图，剖面沿发动机的轴线。该图是对称的，并且质量旋转构件关于发动机的轴线141平衡。发动机的轴具有两个形成在高强度材料144(诸如钛)中的中空筒状腔129、141。轴144中的用于入口空气/气体流(其通过轴129的一端进入，并且靠近压缩机叶片137径向行进)的导槽127、143形成在轴144中。孔140之间的其余材料形成材料的桥接部142，叶片137和盘148的压缩机构件抵靠该桥接部被挤压。在轴的中心附近的入口腔与出口腔之间，形成轴的壁139，以分离入口和出口流。在轴的出口侧，中空腔129具有出口孔，并与入口侧类似地具有导槽127和孔128，该导槽和孔具有用于流动的较大横截面积，以容纳来自膨胀器/减压机的出口的较高气体流容积。在转子组件(压缩机和减压器)122、124、125、132的任一侧为动态密封件126、131、138、145、146、147。这些动态密封件包括一个或多个附接到轴144的盘环带145，然后，不运动或运动较慢的压力容器壁盘环带147与各盘环带145的一侧相邻。在操作时，当轴144旋转时，由两侧上的盘环带145携带气体，并且通过向心加速被驱动到盘145的外径，并且离开压力容器壁120的外部。抽取动作和动态密封通过盘的靠近压力容器壁盘147的具有小间隙146的一侧来实现，该压力容器壁盘147不允许外部气体进入压缩容器120，并且抵抗携带的气体流回到间隙146中。同时在盘145的外部，将允许该气体循环并且保持在环境压力下。因此，动态密封将把气体拉出绕转子132、148的空间149、153，并且防止气体流进该空间中，由此降低转子外部上的气体拖力。
在该图中，压缩机137、148以及减压器124、132的转子示出为具有碳纤维包覆或卷绕体123、125、135、136，以保持外壳132、148和叶片124、137抵抗轴144和这些构件上的离心力。在发动机中的气流的操作温度下，叶片形成在具有高抗压强度比的材料外部。附加的柔性叶片可以主要形成在具有涂层的纤维屑的外部。合适的材料的示例是α-碳化硅、碳化硼和氧化铝为名的若干个。例如，可以使用Hexoloy SA作为结构压缩材料，抗压强度为560,000psi并且比重为3.1，因此抗压强度比为180,645psi。Hexoloy SA可以从纽约的Niagara Falls的圣戈班陶瓷的结构陶瓷获得。叶片和外壳形成从轴再次分割出叶片容积的径向腔。碳纤维或者其它高强度纤维(诸如玻璃纤维)卷绕在叶片尖端134周围并且卷回到轴和/或通过轴，使叶片的基部压靠轴和在孔之间的轴中的桥接部130。当碳纤维卷绕被卷绕并且通过高温环氧树脂、硅/SiC反应物、金属钎焊或者摩擦机械夹持固定至轴时，其利用纤维上的张力。碳纤维上可以具有涂层，以使它们具有较高的耐磨性、抗氧化性、耐腐蚀性，并且允许铜焊或者化学反应，以将纤维的表面固定或者熔合在一起。可行的合适涂层是B2O3、镍镀层、SiC、SiO2、ZrC、ZrB2、Si3N4、HfB2和与SiC混合的HfB2。纤维上的外部涂层可以形成为使其在纤维上形成能够在用于发动机中的范围内弹性拉伸的层。在转子的两侧上，压缩机、膨胀器、封闭外壳或盘由高抗压强度比材料形成，诸如αSiC。这些外壳用于将流动气体保持在叶片之间的腔中，并且分离固定排出腔153与叶片。在本发明的高转子速率下，打开叶片与固定壁的气体剪切作用可以形成较大阻力。外壳被固定到叶片的侧面，使碳卷绕在外壳和轴周围。可以使外壳形成有标定槽或脊，以关于轴均匀地定位叶片。除了叶片尖端122之外，多孔或有槽材料覆盖圆形腔的绕叶片的边缘。该多孔或有槽材料吸收紊流并且形成通过叶片之间的导槽流出的更均匀的径向流。多孔环作为多个叶片作用在空气/气体上。碳或高强度纤维绕多孔边缘材料的边缘包覆，以保持其抵抗当压缩机和减压器旋转时的高离心力。在压缩机的尖端的径向之外，高强度难熔材料(诸如，304不锈钢、钽、钼、熔融硅石、氧化铝和上釉的起泡二氧化硅)的转子密封环152限定通向发动机中的环形超音速151到亚音速流的过渡流区域入口。孔或转子密封环和外壳之间具有窄的间隙150，该间隙将空气/气体抽取成较大半径。环形流动区域的较大环形区域可以形成有可浇铸陶瓷或熔融玻璃或金属(诸如钼)的光滑表面。更光滑的环形转子密封环以绝热熔融、起泡的二氧化硅133或其它刚性绝缘部为底。在减压机转子的尖端的径向之外，环形的亚音速向超音速转换的环形流区域121限定有与绕压缩机使用的相同或类似的高强度难熔材料。在压缩机和减压机的情况下，环形盘131可能需要抵靠压力容器壁保持并密封围绕转子153的低压力与壳体外部的大气压力的压差。转子的边缘附近的环152和它们之间的小间隙以及转子132和卷绕125作用成从环形空间153至较大半径吸取空气/气体，在较大半径处围绕转子边缘的压力可以是24个大气压或更高。
图6是压缩机和膨胀器的实施方式的放大剖视图，剖面在位于包含转子的旋转轴线的平面中，并且被放大成示出交替的叶片和导槽结构的细节。为了便于说明，通过表6中提供的术语说明图6内涉及的各个点。
Figure BPA00001258768400371
Figure BPA00001258768400381
在图6中，示出了具有可选叶片181、182、193、194和导槽184的结构的压缩机转子190、191、192、193、194和膨胀器转子179、180、181、182的放大图。在该图中，示出了叶片的可选构造，该叶片直接由具有涂层的碳纤维和可选的变硬和/或硬化材料形成。示出的中空部170的轴171的构件、流动孔184、195和对于压缩容器175的动态密封件172、173、174是图5中所描述的两倍。用于压缩机的环形超音速176向亚音速流环形腔和用于减压机的亚音速向超音速流178腔是图5中所描述的两倍，包括绝缘部177、孔185、中空轴187、低压环带188、压缩机环带189中的螺旋向外流和穿孔中的区域分离壁196。本发明的该可选实施方式中的叶片通过将碳屑悬置成环或者作为刷或者作为卷绕在拉伸的可预加应力或者涂覆的屑周边的纤维而从轴的孔和桥接部和其它转子部分形成。碳纤维通过系结、通过高温环氧树脂、钎焊或者与轴的表面作用而固定到轴。悬置的纤维可以被卷绕在轴上。其它可行的纤维固定机构将纤维机械地夹紧、卷绕或编织在悬置纤维上。碳纤维181、193可以被编织成模拟在期望叶片、径向气体流动导槽183、194和通向气体流导槽的侧壁192中的篮的结构。变硬材料可以通过化学反应或者气相沉积或者喷溅涂覆法而被渗透在该编织结构中，诸如碳化硅，或者可浇铸陶瓷可以放置于纤维之间。在径向气流导槽的边缘处，设置多孔或径向开槽的环180、191，该环由相当比抗压强度材料形成，该材料的刚度抵抗指压或更大。用于该环的适当材料是熔融二氧化硅泡沫、碳纤维网、已与硅反应以在纤维上和纤维之间的接合处上形成SiC涂层的碳纤维网。碳纤维卷绕被布置成使用于空气/气体流的径向出口179、190分布在压缩机和减压机转子的边缘的中心，或者多孔环外表面可以密封除了孔176、178和189附近之外的任何地方。周向加速气流进入压缩机叶片(通过旋转离心力而形成得径向钢性)将流过这些孔并且进入超音速向亚音速过渡区域176的环形区域。在减压机侧，超音速流入物将撞击并流过纤维卷绕192与部分密封的多孔物180、191或开槽环材料之间的孔。减压机中的向内的螺旋径向流178将抵抗环和碳纤维叶片减速，该碳纤维叶片通过旋转离心力维持，并且向减压机输送能量。如图2或图10所示，来自减压机的机械能将通过轴171、186被传递到压缩机并且作为机械旋转能被传递到发电机，或者作为其它应用。压缩机和减压机叶片的任一侧是卷绕有碳纤维的外壳192，该外壳通过高温结合材料、SiC或者通过它们的保护涂层而结合在一起。这些外壳形成对于由叶片形成的径向气流导槽182、194外的侧向流的气密阻挡件。碳纤维192从轴卷绕到盘的边缘上，以将盘固定到轴并且将盘拉向压缩机和减压机的刚性叶片。
图7是示出了环形流螺旋室间隙和半径的曲线图，以实现径向流速与环形螺旋室的半径成反比。在图7中，示出了用于半径的环形流腔体轴向宽度，以实现与环形腔中的半径成反比的径向流。图的水平轴线是以轴的轴线为基准的半径，转子的半径设定为1并且在转子的边缘处的间隙设定为1。该图形是通过假定理想的等熵超音速/亚音速流来计算，该等熵超音速/亚音速流的恒定压力热性能与气体的恒定容积热性能的比为7/5并且具有适当的亚音速径向流速。
图8是示出了环形流螺旋室间隙和半径的曲线图，以实现径向流速环形螺旋室的半径保持恒定。在图8中，示出了用于半径的环形流腔体轴向宽度，以实现通过环形腔的恒定适当的亚音速径向流。图的水平轴线以轴的轴线为基准的半径，转子的半径设定为1并且在转子的边缘处的间隙设定为1。该图形是通过假定理想的等熵超音速/亚音速流来计算，该等熵超音速/亚音速流的恒定压力热性能与气体的恒定容积热性能的比为7/5。
图9是示出了环形流螺旋室间隙和半径的曲线图，以实现径向流速与环形螺旋室的半径成正比。在图9中，示出了用于半径的环形流腔体轴向宽度，以实现与环形腔中的半径成正比的适当亚音速径向流。图的水平轴线是以轴的轴线为基准的半径，转子的半径设定为1，并且在转子的边缘处的间隙设定为1。该图形是通过假定理想的等熵超音速/亚音速流来计算，该等熵超音速/亚音速流的恒定压力热性能与气体的恒定容积热性能的比为7/5。
图10是压缩机和膨胀器的实施方式的放大剖视图，剖面位于包含转子的旋转轴线的平面中，并被放大成示出了输入流和中空轴输入流的细节，能够以小效率成本实现双倍功率的构造。为了便于说明，通过表7中提供的术语说明图10内涉及的各个点。
Figure BPA00001258768400411
在图10中，本发明的典型实施方式示出为包含发动机的轴线的剖视图。圆形钛轴268以旋转轴线为中心并且由Tiβ-CEZ、较高强度的钛或者高抗拉强度纤维/金属或纤维/聚合物复合材料制成，并且具有以其轴线为中心且留出厚壁的中空部。相对于图2所述的轴材料也可以用于图10中的轴。径向孔263、271通过轴壁268、271形成在膨胀器区域272中，而不形成在压缩机区域中。中空部(有时被称作孔或内径)以自始至终通过轴。轴外部的压缩机284和膨胀器区域272通过与轴垂直的径向环形α-SiC盘282、283分离，该轴到达膨胀器叶片272的外径之外，所述盘262、254、282、283通过卷绕288、289朝向轴压缩，并且形成两个转子的一侧。膨胀器转子的相对侧是在轴上开始的相同尺寸的SiC环形盘262。叶片、盘和外壳可以主要由拉伸碳纤维制成，该拉伸碳纤维通过涂覆、变硬、硬化纤维使它们成为刚性形式的材料来渗透，该刚性形式是气密的。叶片还可以是连接到轴和其它转子部分的柔性纤维。
压缩机转子253、254、283、284、287、288的相对侧是SiC环形盘254，该环形盘254以轴线为中心，但以超过轴的表面的距离开始，并且连续到比压缩机叶片284的外径大的半径。环形盘单独卷绕有碳纤维。SiC叶片284、272穿过限定流动区域的盘之间的空间，并且与盘垂直并且从轴径向延伸。
在压缩机侧，在叶片和壳体257之间的空间中，多孔垫253填充盘环带下方并与叶片284紧邻的空间，并且朝壳体延伸。其由坚固的碳纤维构成，但不必如Hexcel IM6那样坚固，其式样保持为与其在旋转下类似的形状。
壳体257具有绕轴的环形开口，该开口位于距轴小于轴孔268的半径的距离，其使得空气/气体251进入压缩机。多孔垫253随轴和转子旋转，并且使空气/气体285通过绕轴263的外壳154中的较大开口而进入叶片区域中。空气/气体以高的轴向速度(达至局部音速)进入，在壳体内扩散，轴向速率减慢，并且在到达压缩机叶片284之前获得来自多孔垫的旋转速率，该压缩机叶片即使在轴的表面处也已以超音速速度运动。这使得空气/气体285以小于超音速相对速度遇到叶片284，使得不产生冲击波。相对于快速运动的转子，空气/气体流273径向且较慢流动，而且也不可能产生冲击波。
轴的两端输出来自膨胀器转子289、290、262、263、271、272、282的排气269、286。压缩机和膨胀器转子由α-SiC构成，具有近似地位于包含旋转轴线的平面中的平坦叶片284、272，所述叶片的内边缘压靠所述轴和可选的柔性叶片。SiC上的所有角部均倒角至0.02英寸的宽度或更大。三个或更多个膨胀器叶片通过轴壁设置在轴上的孔264、271之间的空间上，并且三个或更多个膨胀器叶片以相似的方式间隔开。PAN碳纤维289、每束12,000个纤维的Hexcel IM16、或者每束12000纤维的TohoTenx IMS60的卷绕体涂覆有薄涂层(可选地为镍电镀层)，同时纤维处于1％应变或者极限拉伸应力的近似一半的张力下，并且卷绕在叶片周围，以相同的1％或更大的张力下将叶片压缩到轴。在所有的硬部边缘处，纤维接触部具有辐射到至少0.05英寸半径或更大的边缘。卷绕体朝轴在大约200,000psi下压缩叶片。一些卷绕体使用不与叶片相邻的孔，或者卷绕在轴周围以使叶片阻止侧面力，该力试图使叶片翻倒。绕叶片外缘的卷绕体提供每个叶片200,000psi的径向力，并且包括轴的卷绕体提供每个叶片大约20,000psi的径向力。这些是结构叶片的卷绕体。这些卷绕体可以可选地通过镍电镀而被进一步薄地涂覆。可以使用不是由卷绕高抗压强度材料制成的柔性叶片。高抗拉强度屑的示例包括Hexcel IM6 12000纤维屑(极限抗拉强度为827,000psi，比重为1.76)，或者Hexcel IM9 12000纤维屑(极限抗拉强度为887,000psi，比重为1.8)，或者Toho Tenx IMS60(极限抗拉强度为885,000psi，比重为1.79)，或者Amoco T1000(极限抗拉强度为1,002,000psi，比重为1.8)或者Amoco T40。Hexcel材料可以从位于犹他州的西瓦利城的Hexcel公司的盐湖城纤维工厂获得。Toho材料可以从Toho Tenax America公司获得，该公司Irvine、CA、Braselton、GA和Morresville、NC均有销售处。Amoco材料可以从俄亥俄州的Amoco Performance Products公司和Param技术中心获得。
环287、290由能够提供小流动导槽或膨胀蜂窝的纤维垫、金属网或多孔陶瓷制成，诸如，起泡的熔融硅、硅胶、碳纤维或金属网，并且绕叶片284、272同心于轴设置，并且距叶片大约0.005至0.1英寸，绕环内的叶片具有打开环带。该环具有相当的抗压强度，指压或更大，并且其厚度不会形成比其能够在以最高速度旋转时能够操作更大的压缩力。环的输出表面上的最高速度近似为3157英尺/秒。碳纤维289带有与环的旋转离心力相等大的压力地周向围绕环。当转子旋转时，环将形成其工作半径。环287、290具有将其锚固到轴的PAN碳纤维(未示出)，并且将接收来自穿过其的空气/气体的相当大的周向力。所述环允许空气/气体273以大约100英尺/秒的速度径向地从其流过。当周向流继续通过环时，其达到近似环的速度。所述环包括具有小的流动导槽或膨胀的蜂窝的多孔陶瓷、纤维垫或金属网，并且在转子中形成超过接近转子最大半径的半径的径向流道，并且随转子旋转，使得被压缩的所有气体或空气排出环，并且使空气或气体在环中不发生紊流和周向压力梯度，并且从转子呈现出接近均匀的超音速周向速度和接近于均匀的亚音速径向速度。该环作为转子的最后叶片，并且作为其超音速周向速度限定转子的马赫速度，该速度与出来的空气/气体281和进来的空气/气体274的周向速度相配。与速度274的小的不匹配是允许的；所述环将吸收转矩，而提高或降低空气/气体的温度。
增加非结构叶片来降低结构叶片的压降。非结构叶片可以是接近径向纤维的结合片，该径向纤维以小于30度或者1/2弧度的小角度相交，以甚至更薄的轴向纤维量结合到其上。这些叶片可以在轴附近从锚固到轴的PAN碳纤维的绳开始，并且在结构叶片周围达到高张力卷绕，和/或以高张力卷绕所有叶片，并且到达结构叶片周围的环带。
壳体257成形为厚壁的锡罐，具有沿轴的轴线的旋转轴线，具有穿过轴通过两侧的孔。小盘264从轴延伸，并且随轴靠近壳体的外表面旋转，而作为径向泵，当在压缩机的转子外部形成真空时，该径向泵在所有情况下在膨胀器侧和压缩器侧从壳体移除空气/气体。转子密封环255、293之间具有小间隙以及旋转环带254、262，该旋转环带也将空气/气体抽至较大的半径，以阻止环带279、276的回流。与小间隙紧邻的表面可以具有提高抽取的间隙。低密度气体(诸如氢)可以被引到转子密封环255、293的内径附近，以降低间隙中的阻力。如果发动机点燃燃料，则氢不浪费，其将燃烧。
两个绕转子的环带276、279在压缩机侧提供超音速281向亚音速279的过渡区280，并且在膨胀器侧提供亚音速276向超音速274的过渡区275，并且从非常接近转子延伸到具有亚音速流的较大半径。它们在操作中从其最大内径处到转子的外径被切开成填充壳体的绝缘部。绝缘部或绝缘部上的涂层可以容纳环带277、278中的压力。环在转子的边缘处的外表面除了与环带中的开口紧邻的条之外被密封。
各环带在其外径处靠近壁，而旋出绝缘部中的出口258、260。膨胀器侧的环带比压缩机侧的环带大。从压缩机环带的出口呈近似一圈螺旋的形式通向流出出口，该流出出口开始可以是矩形，并且在经过一个短距离可以变成圆管259，该圆管259旋绕在壳体内的绝缘部内，以变成更大的直径，并且朝向膨胀器环带的入口的平面逐渐移动，在膨胀器环带处其向内旋并且将形状变成与入口相配，而变成近似矩形。
圆管259是冲压式喷气发动机的燃烧室；环带取代冲压式喷气发动机的德拉尔音速转换器，因此两个转子之间的大体所有流动容量均位于无节流区域的冲压式喷气发动机中。圆管259中的流动在合适的位置处可以接近超音速，因此圆管的长度包括绕轴线的足够的环，以确保足够的时间使燃烧完全燃烧并且进行热交换。长且薄的燃烧室是未在其它发动机中发现的特征。通过绝缘部256的其它管将燃料291输送到燃烧室/管，并且在它们的出口处具有喷嘴。通向空气轴承的空气/气体线路292可以与燃料线路平行，该燃料线路具有相反的流动并且加热进来的燃料。
环带为所示的形状(图7、8、9)中的一种，并且由绝缘部256、起泡的熔融硅或其它绝缘部(例如Cotronics M310)环绕，该绝缘部涂覆在内部并且通过气密可浇铸密集形式的相同材料277、278进一步增强。硅256是一种具有优良的隔热性和非常高的抗热冲击性和低热膨胀系数的材料。Cotronics M310具有良好的抗压强度，但是增强材料具有5倍的较高的抗压强度。增强物覆盖环带的表面和环带之间的管，并且填充浅的沟槽，该浅的沟槽被切成用于结构强度的环带的主隔离部。密集形式可以被浇铸，因此其用于浇铸，以增强绝缘部中的结构T-梁。
铸造材料可以向其增添有碳纤维，使得其像短的毛皮，该毛皮位于流动中，并且阻止流动中形成厚的边界层。PAN碳纤维是4-6微米厚，并且具有光滑表面，该光滑表面是大约1/30微米或更小的范围内的光滑圆形。当纤维通过流动而向下弯曲时，整个毛皮盖可以是大约几千分之一英寸厚。当流动速度最高时，该毛皮是有用的，其也是环带的较冷部分。具有1000℃以上的温度的表面区域可被施加有不同的纤维，例如能够经受该温度的石英纤维。
轴由成形为空气轴承250、265(诸如New Age轴承)的垫保持，空气轴承位于壳体外部并且安装在壳体上，通过外部压缩机驱动。这些部件均优选在轴开始旋转之前起动。操作期间可以通过来自燃烧室的小管从冲压式喷气发动机供应压力，尽管压力和温度很高，但其流动可以受节流口的限制，并且如果需要其可以通过加热燃料来冷却。诸如高频发电机266、267的负载可以施加到旋转轴上，外部真空泵可以起动，以从膨胀器侧的壳体移除空气264。
为了起动发动机，在某些应用中可能有用的是，阻塞轴的端部并且通过壳体输入出口252，以保持空气或气体循环，同时转子加速到起动速度(该起动速度是支撑燃烧的速度)，然后仅慢慢地打开轴的压缩机侧，直到在膨胀器排气口270、271出现压力时为止，然后开始燃烧并且慢慢地打开输入口。发动机中的温度与空气/气体的流速基本无关。
图11是环形螺旋室的实施方式的放大剖视图，剖面位于包含转子的旋转轴线的平面中，示出了能够使边界层形成得最小的表面纤维。为了便于说明，通过表8中提供的术语说明图11内涉及的各个点。
Figure BPA00001258768400491
图11中是环形流动导槽的放大剖视图，示出了用于使边界层形成得最小的表面纤维。从绕压缩机305和减压机304的环形流动导槽303、307、308的壁突出的纤维300、302被设置成作为边界层最小化部，纤维300、302光滑，其表面粗糙度小于0.030微米。纤维的直径大约为4至6微米，并且从流动导槽的壁的表面突出为大于它们的直径的6倍。该纤维与表面上的其它纤维分开一个或多个直径。当发生流动时，纤维弯曲，并且突出到超音速流307、303和亚音速流308中小于三个直径。它们可以由PAN碳纤维形成，并且嵌入在壁材料301中。在工作中，在形成在单个纤维上的流动产生边界层，该边界层的直径沿它们的长度在流动方向上增大。边界层越大，则纤维朝向表面弯曲得越多，并且边界层在纤维所终止的位置处终止。另外，在该放大图中还示出了压缩机306的叶片和减压机和压缩机的多孔环304、305。它们可以由编织的碳纤维或者多孔基质材料形成。
对于轴，除了其具有最高的韧性金属的最高拉伸屈服强度比之外无太多说明。从而，轴大致在大多数情况可以由金属形成，而无需增强。轴的中空半径提供了设计的动力限定因素的其中一个因素。如果其较大，则内表面将高于1马赫运动。如果压缩机中的空气/气体流通过轴，则在轴中存在分离流入与流出的壁，并且在轴中还设置薄壁，以使空气/气体达至轴的旋转速度。在轴的流出部分内设置固定的薄壁，以停止排气随轴的旋转。
然而，如果由高强度碳纤维卷绕体增强，则可以想到较大的轴。这样做的一个方式是通过在外表面上相对于与轴线平行的表面线成45度角以浅的深度将导槽切割成高抗压强度圆筒材料，例如SiC，并且方菱形外表面没有改变。穿过轴设置的孔被切成方菱形，并且通过轴壁。涂覆的碳纤维被拉伸至1％或更大的伸长量，并且被卷绕在导槽中并且伸出轴的一端之外，并且环绕成通过另一个导槽返回并伸出轴的相对端外，重复所述卷绕体，直到填满所有导槽。45度的包覆提供轴所需要的最大转矩。更重要的是，该包覆提供高速旋转所需要的箍强度。还使得轴的总伸展量较小。
以下概述本发明另外的具体实施方式。这里所述的特征可以是基于具体的应用和/或期望的结果是可选的。例如，实施方式可以包括超音速转子，该超音速转子在操作期间能够将空气或气体加速或减速至转子的角速度，并且能够使表面速度从大约2000英尺/秒至大约5400英尺/秒，包括：包括以旋转轴线为中心且具有高拉伸强度比的轴；在期望构造的轴上或周围具有高抗压强度比的结构压缩材料，可选地为叶片形式；以及在轴较小旋转期间用于将压缩材料保持成期望构造的高抗拉强度比纤维束。
操作期间，在轴和转子旋转之前，压缩材料可以被预压缩，使成束的卷绕体在大约一半极限抗拉强度的高张力下和朝轴线的力而绕压缩材料卷成环形，并且一些卷绕体能够阻止部件的相对运动并且吸收周向指向这些部件的每平方英寸几十磅的作用力，而无显著运动，并且其中，当以马赫速度旋转时，在操作期间，部件上朝向轴线的力接近由该部件产生的最大离心力，并且压缩材料因该压缩材料由于旋转降低压缩而弹性伸展保持成预压缩构造，使得纤维束膨胀并且在压缩材料上施加比最大离心力更大的力，而将压缩材料稳固地保持在合适位置。
实施方式可以可选地包括附加的较小刚硬和更为柔性的部件，该部件包括纤维束，该纤维束利用抗压强度材料增强，而不在高张力下卷绕，可选地利用施加至纤维的结合材料或陶瓷或金属；并且该部件在操作期间能够改变大小，而不改变转子的表面速度。
根据本发明的装置可以具有转子，其中，高强抗拉度比的纤维束包括纳米管复合纤维、碳纤维、玻璃纤维、金属和陶瓷纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维中的至少一种；和/或其中结构耐压材料包括α-碳化硅、碳化硼、陶瓷、金钢石类材料、金属和聚合物中的至少一种；和/或其中用于轴的高拉伸屈服强度比包括以下材料中的一种：卷绕有涂覆金刚石类材料的碳纤维的α-碳化硅，通过在轴线上扭曲作用的钢；受热处理以使拉伸屈服强度最大的钛；以及金属或陶瓷或聚合物或它们的任意组合。
本发明的范围内还包括单级的接近绝热的径向离心压缩机，该压缩机包括根据本发明的超音速转子，其中，附接到轴并且在轴旋转期间能够快速运动的部件由高拉伸强度比的纤维束制成或保持；和/或其中，该轴包括以旋转轴线为中心的轴向中空部或孔，可选地具有靠近于转子中部的实心部，并且包括转子径向出口，该转子径向出口通过轴壁进入位于可选结构的叶片容积中，并且可选地，大致地位于包含在轴上或在轴周围的轴线的平面中的柔性叶片，其中所述叶片能够掠出叶片容积，并且可选地包括结构耐压材料和高拉伸强度比束；其中，叶片容积可选地还由转子壁限定，该转子壁由布置在叶片容积的靠近叶片边缘的相对侧的两个外壳形成，所述叶片边缘从轴向外延伸，并且延伸到大约外叶片边缘半径的外壳半径，使得空气/或气体流能够几乎径向地穿过叶片之间和外壳之间的叶片容积；用于轴的至少一部分的壳体和包括绝热部的转子，该绝热部具有：环带，该环带围绕转子的至少一部分，并且具有接近于轴的内径，其中，该环带绕轴线旋转对称，并且能够接收来自叶片容积的空气/气体流；螺旋室，该螺旋室从环带的外径处开始，并且包括能够阻挡径向流的向外螺旋壁和用于将空气/气体限定在螺旋室内的相对表面，在转子以超音速操作期间，该螺旋室能够接收来自环带的向外螺旋的空气/气体流，并且将该空气/气体流输送到出口；能够形成来自于室温空气的从大约10∶1至90∶1以及更高的压缩比；可选地，当流动和旋转反向时能够作为膨胀器作用。
本发明的范围内还包括压缩机，该压缩机在超音速转子的操作期间能够局部地形成亚音速流输出，其中，螺旋室的相对表面包括与图7、图8或图9中形状成比例的形状，用于在操作期间形成与轴线的半径成反比的光滑周向流；螺旋室在接近转子外径的第一半径与第二半径之间延伸，这些半径选择为使得在操作期间，在第一半径下超音速离开，并且在第二半径处达到流动的期望局部亚音速；螺旋室没有节流区域，并且不具有流动的径向限制部，在操作期间，在该径向限制部处流动达到局部音速；在操作期间，在螺旋室外，流动包括自然螺旋流形状，该形状与螺旋室的螺旋外壁相配，并且继续到达出口，可选地，以亚音速从壳体排出；可选地，当流动和旋转反向并且不具有节流区域时，能够作为局部地输出亚音速流的膨胀器作用。
根据本发明的压缩机的实施方式可以包括这样的装置，该装置用于调节以改变质量流速，包括位于螺旋室的螺旋壁内的可调节条或带，该条或带能够离开螺旋壁，以与流动的自然螺旋形状相配，该条或带用于调节最大值以下的不同质量流速。
根据本发明的压缩机的实施方式可以包括提高膨胀器效率的装置，借此，两个转子外壳到达轴并且能够包含空气或气体流，并且将这些流动通过中空轴排出，以使所有空气或气体进行类似的作用；其中，膨胀器效率与通过绕穿过外壳的轴的环形开口的排出空气或气体相比，该外壳允许一些空气或气体比其它空气或气体大的半径和高的温度离开，以保证效率的少许损失。
本发明的范围内还包括具有固定或亚音速或超音速冲压式喷气发动机的冲压式喷气发动机实施方式，该冲压式喷气发动机使最快部件与发动机的最高温度隔离开来，并且可选地无节流区域，并且包括：包括输入德拉尔喷嘴、燃烧室和排出德拉尔喷嘴的冲压式喷气发动机，该喷气机能够以M马赫的速度在空气或其它气体中(具体为空气或气体大气下)飞行，其中M马赫在7400ft/s以下；这里所描述的任何径向压缩机，该压缩机包括能够以马赫数的周向速度输出空气/气体，并且其尺寸形成比冲压式喷气发动机大的质量流速，并且具有局部亚音速出口输出速度S1；其中，输入德拉尔喷嘴的一部分能够接收压缩机输出并且将压缩机输出输送到冲压式喷气发动机，该输入德拉尔喷嘴的一部分在亚音速流速近似为S1的截面处开始并且继续进入燃烧室中；其中能够去除输入德拉尔喷嘴的能够以较高速度流动的一部分，包括其节流区域；在操作期间，进入压缩机的空气或气体通过阻塞输入流区域而降低至冲压式喷气发动机的质量流速，并且压缩机的螺旋输出区域的可调节条或带被调节成改变质量流速；可选地，包括任何膨胀器，当在这里描述时，所述膨胀器的尺寸合适，并且具有用于空气/气体的局部亚音速设计输入速度S2和以较大流动容量的来自燃烧室的气体或空气输出的能量级，用于形成轴和排气的机械运动；其中，可选地，输出德拉尔的以燃烧室开始并且在喷嘴的局部亚音速流速近似S2的截面处终止的一部分能够将来自冲压式喷气发动机的排气输送到膨胀器；其中，可选地，输出德拉尔喷嘴的能够产生较高速度流动的一部分被去除或不存在，包括其节流区域；其中，可选地，膨胀器的螺旋室的可调节条或带被调节成改变质量流速；其中，压缩机转子和轴中的最大温度近似为环境温度和燃烧室中的压缩滞止温度可选的平均值，在可选的膨胀器和轴中的最大温度近似为大气中的排气温度和燃烧室中的加热后滞止温度的平均值，使得在一个优选实施方式中压缩机转子处于滞止温度以下的大约450℃，并且可选地膨胀器转子处于滞止燃烧温度以下的大约675℃，并且致使发动机的快速运动部件远离发动机的最高温度区域隔离；其中，压缩机、冲压式喷气发动机的其余部分以及可选的膨胀器中的每个均具有能够被紧固在一起以形成一个壳体的壳体，或者其中，壳体能够被附接到共用框架；能够是固定的或者亚音速的或者是超音速的；能够是具有完整输出德拉尔喷嘴的超音速喷气输出，而不使用膨胀器，并且不具有输入德拉尔喷嘴的节流区域或者其它输入节流区域；可选地，能够提供来自膨胀器轴的所有输出动力，并且净推力可以忽略，并且无任何节流区域；可选地，包括输出轴动力和来自燃烧室的附加输出德拉尔喷嘴，该燃烧室作为用于排气形成推力的亚音速向超音速的转换器；可选地，用其它材料形成相同的设计，则不以一个完整冲压式喷气发动机开始。
压缩机和/或膨胀器的实施方式可以包括位于转子的外边缘处的圆环，该圆环能够随转子一起旋转，包括纤维垫、多孔材料或者金属网中的至少一种，并且包括小的流动导槽，并且被布置在转子中的超过外叶片边缘的半径的径向气体或空气流路中，使得空气或气体流能够穿过壁或外壳之间的叶片容积，并且流过环，同时在环中无紊流和周向压缩梯度，并且形成来自转子的接近均匀超音速周向速度和接近均匀的亚音速径向流；以及以转子内的轴线为中心的环形空间并布置在叶片周围的环。
压缩机和/或膨胀器的实施方式可以包括碳纤维的结构强度卷绕体，该卷绕体环绕外叶片边缘处的结构强度叶片，并且环绕叶片容积，并且朝向所述轴挤压每个叶片，使得卷绕体允许径向空气或气体流以亚音速穿过；其中，所述卷绕体分布在每个叶片的外叶片边缘的宽度上，并且从外叶片边缘向外延伸，用于在操作期间阻止从叶片的一侧向整个叶片边缘的另一侧的压力驱动高速空气/气体流；能够阻止在叶片的外边缘处产生的冲击波。
压缩机和/或膨胀器的实施方式可以包括重量较轻的叶片，该叶片包括通过以下步骤形成的PAN碳纤维束：将束伸展成长的平坦条；将条卷绕在矩形拉伸框架周围，该拉伸框架通过在四个光滑的支撑物周围包覆被涂覆的碳纤维，该光滑支撑物为近似于矩形或多边形的叶片大小，一侧被设计成外叶片边缘，使得所述条形成两片纤维，以覆盖两侧上的矩形或多边形的大部分，并且带的两端从设计为外叶片边缘的一侧、并且沿近似垂直于外叶片边缘的方向延伸；可选地通过电镀向片材施加薄涂层；并且从框架移除光滑的支撑物；其中，通过穿过框架角部的环和朝最大半径取向的被设计的外边缘，将重量很轻的叶片附接到轴或转子的结构叶片之间的其它部分。
压缩机和/或膨胀器的实施方式可以包括阻止从环形室向内绕转子的流动的装置，其中：外壳包括面向壳体的外表面，该外表面是绕轴线在大约外壳外径的1.5英寸或更大内的旋转对称表面；绝缘部或壳体包括面向外壳的外表面并且在操作期间与外壳分开从大约0.0002英寸至0.002英寸的间隙的环；并且所述表面可选地包括槽，该槽倾斜成使得在转子以马赫速度操作期间，槽和间隙朝更大半径抽吸空气或气体，以阻止绕转子的沿相反方向的流动，其中，槽可选地由设置卷绕体来形成。
压缩机和/或膨胀器的实施方式可以包括用于消除超音速流中的大边界层的装置，其中：能够将空气或气体限定在环形室内的相对表面包括短纤维，该短纤维嵌入成使该纤维能够突出到流动中，并且在产生平行于表面的空气或气体流时朝表面向下弯曲；纤维具有非常光滑且非常均匀的圆筒表面，且直径大约为4-6微米；纤维被分开比它们的直径大的距离；纤维能够在环形室内的相对表面之外突出到流动中大于它们的直径大约3倍；其中，在操作期间，流动中的能够形成在纤维上并且在流动的方向上沿单个纤维变得越来越宽的小边界层通过向下弯曲纤维并且在纤维末端不连续而朝相对表面附近改变方向；形成纤维覆盖不能支撑厚边界层的表面。
压缩机和/或膨胀器的实施方式可以包括布置在壳体或壳体中的位于转子和环形室之间的其它材料中的转子密封环，其中，在转子密封环与转子之间具有小间隙；用于降低阻力的装置，借此，低密封气体(可选地为氢)释放在壳体内和转子外；或者一个或多个转子具有一个或多个外壳，该一个或多个外壳阻止空气或气体的轴向流通过转子，但无径向流通过转子的外半径；外壳由外壳与壳体或壳体中绝缘部中的其它材料之间的部分真空环绕，并且在达至半径R(距转子的外叶片半径的短距离)前不靠近于壳体或壳体中的其它材料；超过半径R之外，外壳的外表面是绕轴线旋转的表面，并且包括槽；在马赫速度下，超过半径R之外的外壳的外表面位于距转子密封环一个短距离；转子密封环和外壳的外表面靠得足够近，并且具有取向槽，以向较大半径抽吸环与转子之间的空气或气体，而阻止沿相反方向的流动并且在操作时增强壳体与转子之间的真空；用于增强真空的装置从以下选择：i)安装在轴上的其它表面靠近壳体上的外表面，并且定位成(可选地开槽)将空气/气体抽出壳体外；ii)指向超音速流下游的转子之外的管具有开口，该开口与相对表面齐平，并且通过壳体内的绝缘部延伸到并且延伸通过壳体或壳体内的材料进入相同真空容积，并且超音速流在管中产生很低压力；iii)外部真空泵与相同的真空容积连接；使得转子上的阻力降低，并且转子的效率小幅增大。
根据本发明的冲压式喷气发动机的实施方式可以包括用于延长燃烧室中的燃烧的装置，其中：燃烧室具有几千倍于其宽度的长度，适于延长燃烧；燃烧室被隔热以防热损失，使得在操作期间由于粘性加热而提供忽略能量或效率的损失，这是因为流动(析出燃烧因数)在燃烧室中近似为绝热文氏流，并且其中温度能量和动能保持恒定，并且动能向热能的转化和热能向动能的转化无能量损失。
根据本发明的冲压式喷气发动机的实施方式可以包括这样的装置，该装置在燃烧室中以亚音速流的操作期间用于降低燃烧室中的最大温度，同时保持燃料/空气比的恒定，其中：长的燃烧室包括内部流动面积逐渐增加或降低的室，当在操作期间添加燃料时，该室能够朝局部音速逐渐地增加空气或气体流，并且能够将空气或气体的最大温度降低至大约270摄低度。
根据本发明的冲压式喷气发动机可以包括能够作为固定的冲压式喷气发动机操作而无空气或燃烧的冲压发动机，包括：用于提供取代空气的惰性气体或非反应气体作为发动机的工作气体通过压缩机、冲压式喷气发动机和膨胀器循环的装置；用于辐射或传导或供应热而不在燃烧室发生化学反应以加热工作气体的装置；用于在使排气返回到入口之前将排气再循环或冷却至大气温度或低于大气温度的装置；通过使用比环境大气重的气体且可选为比环境大气压力高的气体来提高输出动力的装置；其中，加热装置为太阳能辐射或通过与外部燃烧过程的热交换或其它发热反应。
还包括固定或亚音速或超音速的冲压式喷气发动机，该冲压式喷气发动机包括用于膨胀器以通过使压缩机和膨胀器位于同一轴上而驱动压缩机的装置；其中，压缩机和膨胀器的轴布置在同一轴线上，并且是分离的，使得中空轴部的所有四端均可以输入或输出空气，并且通过所述轴线上的小直径实心轴连接，该实心轴延伸到各轴中并且通过径向壁支撑在压缩机轴内并且终止在膨胀器轴的靠近膨胀器转子的中间的实心部处；或者压缩机的轴不是中空的，而是除了压缩机转子中部附近之外直径较小，并且空气或气体能够通过轴的切口容积输入到壳体和外壳内，并且压缩机轴延伸到膨胀器轴中，并且与膨胀器轴的靠近膨胀器转子中部的实心部连接；或者压缩机共享膨胀器的轴的一部分，可选地，该部分外径减小，而没有通过轴壁向压缩机转子区域的径向孔，并且空气或气体能够通过轴周围的圆形开口通过壳体和外壳输入，并且膨胀器能够通过膨胀器中空轴的两端输出；或者压缩机和膨胀器两者均位于一个中空轴上，使得轴的实心部分成输入和输出流区域。
还包括固定或亚音速或超音速的冲压式喷气发动机，该冲压式喷气发动机包括用于提高动力的装置，其中：压缩机转子上的外壳包括第一开口，该第一开口的半径允许空气或气体进入外壳的面向壳体的一侧；面向外壳的压缩机转子上的一侧的壳体包括第二开口，该第二开口的直径较小；在压缩机转子上，由高张力纤维束卷绕体支撑的多孔材料或纤维垫填充第一开口和外壳与轴之间，并且朝壳体延伸，并且能够随轴旋转；压缩机转子和膨胀器转子的轴完全穿孔，并且来自膨胀器叶片容积的径向出口流动面积增大，并且不存在朝向压缩叶片容积的径向出口；其中，在操作期间，来自膨胀器的流动能够通过轴的两端排出。
还包括具有根据本发明的压缩机和膨胀器的发动机，该发动机可以包括：压缩机转子，其包括抗压强度为560,000psi、比重为3.1的结构压缩材料；以及轴，该轴包括被热处理成具有220,000psi的抗拉屈服强度和4.69的比重的Tiβ-CEZ，以及12000纤维束的高抗拉强度束、极限抗拉强度827,000psi、比重1.76，或者12000纤维束，极限抗拉强度887,000psi，比重为1.8，或者极限抗拉强度885,000psi、比重为1.79，或者极限抗拉强度1,002,000psi；其中压缩机转子和膨胀器转子在同一轴上；径向出口将轴孔中的流动连通到膨胀器转子的叶片容积，但不连通到压缩机转子；轴壁在压缩机区域中的部分可以被切除，而不通向轴孔中，以提供进入压缩转子的流路；压缩机转子的外壳与压缩机附近的壳体均包括绕轴的张开圆孔，以允许轴向流进入轴中或轴周围的压缩机转子区域中，并且在壳体上而不是在外壳上具有较小孔；结构叶片略短于外壳，其中，在旋转之前，叶片包括来自轴在该叶片上并且返回至轴而在叶片中到达190,000psi的压缩的卷绕体，并且包括在叶片中周向达至5,000psi的压缩并且以覆盖外叶片边缘的卷绕体，并且其中，外叶片边缘金属地结合到卷绕体；在外叶片边缘半径与外壳半径之间，转子包括由纤维垫、金属网或多孔陶瓷制成的流动环，其布置成在外壳半径上每英寸几百个，并且布置在外壳之间的空间中，并且以环形开口空间从叶片间隔大约0.005-0.1英寸，其中所述环通过在转子上或轴周围的卷绕体或者将壳体保持到轴的卷绕体被保持在合适位置，并且其中，所述环能够允许径向空气或气体流以每秒几百英尺地通过环；纤维垫或多孔材料填充轴外的压缩外壳中的圆开孔，并且朝着壳体延伸，以及随着轴和转子旋转，并且在压缩机操作期间能够向进来的空气或气体增加旋转速率；压缩机和膨胀器转子中的每个的外壳上的面向壳体的表面是绕轴线在大约1/2英寸的外壳半径下的回转面，具有与回转面相配并且布置成面向回转面的表面的环被布置在壳体中或者壳体中的其它材料中，使得在操作期间，大约0.0002英寸至0.002英寸的间隙分开外壳与环，其中，所述表面可选地包括槽，该槽倾斜成使得在转子以马赫速度操作期间，间隙和槽朝更大半径抽吸空气或气体，以阻止沿转子周围的相对方向的流动，并且膨胀器侧的环带通过间隙和盘环带被抽成真空，该盘环带包括具有可选槽的表面，该槽绕轴布置在壳体的外部或附近，并且其中，指向转子之外的超音速流的下游的管与相对表面齐平，并且延伸通过壳体内的绝缘部或者通过壳体或壳体内的其它材料进入相同真空下，并且超音速流在管中产生低压；压缩机和膨胀器的环形室是绕轴的分离的回转容积，并且各环形室的相对表面包括光滑表面，可选地，该表面通过小直径纤维茬被处理成最小的边界层伸展，在操作期间，小直径纤维茬能够在流动中延伸几千英寸；操作期间，空气或气体以M马赫的周向速度和低径向速率离开压缩机，并且盘旋进入环形室中，失速并且在环形室的某一半径下达到局部音速，并且超出环形室内的半径而达到局部音速，并且在绝缘部中以单圈螺旋回转离开环形室，而通向绝缘部中的出口；操作期间，空气或气体通过出口行进，并且出口在出口中的一个短距离上变成圆管，并且该管绕压缩机的出口环形室的外径径向向外形成螺旋，并且达到比膨胀器的环形室更大的半径，然后形成径向向内的螺旋，并且与进入围绕膨胀器的环带的周围的向内螺旋区域的输入出口连接；操作期间，空气或气体通过燃烧、通过增加蒸汽，或者通过太阳的热传导、或者由热交换器输送的外部燃烧、或者通过粒子轰击、或者通过其它发热反应而被在管中加热；操作期间，通向膨胀器的输入出口的区域使流动具有适于膨胀器输入的速度，并且具有由输入出口和螺旋中的可动壁设置的螺旋形状，然后在从环形室的较小半径的出口处进入膨胀器环形室，流动在该膨胀器环形室中达到比M马赫大的、与转子周向速度相配的速度，并与上方的压缩机环形室类似地处理的环形室内的光滑的相对表面，并且使流动进入转子和螺旋向内通过结构叶片和它们的外卷绕体(如果需要)以及转子中的可选附加的重量轻的叶片，并且最后到达通过轴壁的孔并且进入中空轴；其中，操作期间，在中空轴中，流动因平坦叶片的旋转而被阻止，平坦叶片固定在轴中并且横跨膨胀器转子内的中空轴的长度和在所述转子之外；其中，平坦叶片的停止旋转提高了空气或气体排出温度，这致使空气或气体以达到音速的速度从轴的两端离开；所述轴通过安装在壳体上的空气轴承定位；所述轴进行有用的机械作业，诸如使发电机旋转；可选地，排出热被用于预加热燃料、热建筑物或水，或者被输入通过热来运行的空调系统中，或者具有使该装置更有用的其它加热使用。
发动机的实施方式还包括这样的发动机，该发动机包括：压缩机，该压缩机能够将空气或气体加速到以超音速流动；室，该室能够接收超音速流并将其减速到亚音速；室，该室能够接收空气或气体流并将其加速到超音速流；膨胀器，其能够将空气或气体减速到亚音速；其中压缩机转子和膨胀器转子位于一个轴上；在轴的膨胀器部分中具有径向出口，而在压缩机部分无径向出口；其中，压缩机转子是具有高抗压强度比的材料，抗压强度为560,000psi，比重为3.1；并且轴为被热处理成具有抗拉屈服强度220,000psi和比重4.69的Tiβ-CEZ，或者纤维/金属复合材料或者纤维聚合复合材料，并且高抗拉强度束是12000纤维束，极限抗拉强度从790,000psi至1,002,000psi，比重为从1.76至1.8。
发动机和压缩机的实施方式还包括这样的装置，其中，压缩机能够允许空气或气体通过壳体和外壳内的轴的切除容积进入压缩机；和/或压缩机在壳体中和面向壳体的外壳中绕轴具有圆形开口，该开口能够允许空气或气体穿过该开口而进入压缩机中，其中，壳体上的开口小于外壳上的开口；和/或结构叶片比外壳的半径短，并且具有朝轴提供190,000psi压力和来自周向卷绕体的5,000psi压力的卷绕体，其中，外叶片边缘被金属地结合到卷绕体/；和/或在外叶片边缘半径和外壳半径之间，压缩机包括由纤维垫、金属网或多孔陶瓷制成的流通环，该流通环在每英寸外壳上布置有几百个，并且布置在外壳之间的空间中，并且以环形敞开空间与叶片分开大约0.005-0.1英寸，其中，所述环通过在转子上或轴周围的卷绕体或者将壳体保持到轴的卷绕体被保持在合适位置，并且其中所述环能够允许径向空气或气体流以每秒几百英尺地通过环；和/或纤维垫或多孔材料占据轴外的压缩外壳中的圆开孔，并且朝壳体延伸，以及随轴和转子旋转，并且在压缩机操作期间能够向进来和空气或气体增加旋转速率；和/或压缩机和膨胀器转子中的每个的外壳上的面向壳体表面是绕轴线在大约1/2英寸的外壳半径下的回转面，具有与回转面相配并且布置成面向回转面的表面的环布置在壳体中或者壳体中的其它材料中，使得在操作期间，大约0.0002英寸至0.002英寸的间隙分开外壳与环，其中，所述表面可选地包括槽，该槽倾斜成使得在转子以马赫速度操作期间，间隙和槽朝更大半径抽吸空气或气体，以阻止沿转子周围的相对方向的流动，并且膨胀器的环带通过间隙和盘环带被抽成真空，该盘环带包括具有可选槽的表面，该槽绕轴布置在壳体的外部或附近，并且其中，指向转子外的超音速流的下游的管与相对表面齐平，并且延伸通过壳体内的绝缘部或者通过壳体或壳体内的其它材料进入相同真空下，并且超音速流在管中产生低压；和/或压缩机和膨胀器的环带流室是绕轴的分离的回转容积，并且各环带的相对表面包括纤维茬，该纤维茬的直径大约为4至6微米，在操作期间能够在流动中延伸几千英寸；和/或操作期间，空气或气体以M马赫的周向速度和低径向速率离开压缩机，并且盘旋进入压缩机环带中，失速并且在压缩机环带的某一半径下达到局部音速，并且超出压缩机环带内的半径而达到局部音速，并且在绝缘部的室中以单圈螺旋回转离开压缩机环带，而通向绝缘部中的出口；和/或操作期间，空气或气体通过出口行进，并且出口在出口内的一个短距离上变成圆管，并且该管绕压缩机的外径径向向外形成螺旋，并且达到大约膨胀器的半径，然后形成径向向内的螺旋，并且与绕环绕膨胀器的环带的向内螺旋区域中的输入出口连接。
本发明的目的包括燃料在所有发动机应用中(从汽车到喷气机和从螺旋桨飞机到电力发电机)的使用，并且形成CO2的排出，并且极大地降低了涡轮机式发动机的成本。改进效率自动地减少燃料的使用。使用一半燃料达到双倍效率。使用2/3的燃烧要达到三倍效率。当今，燃煤电厂在每兆瓦时的电力的峰值效率下产生2000磅的CO2。使用天然气的双倍效率的电厂气轮机的发动机与煤相比每兆瓦时减小产出1450磅的CO2，并且如果将由发动机产生的热取代用于建筑物的天然气来加热建筑物，则CO2每兆瓦时降低1633磅，这是燃煤发电机的CO2的82％。一年中，如果不使用煤，则一兆瓦的天然气发电机和随之产生的热可以阻止将14,305,080磅的CO2排放到大气中。发动机的成本使得其可用于汽车中的发动机，其以往不曾以气轮机实现，即使气轮机大大地提供汽车发动机的平均效率，因为气轮机成本高。本发明包括具有从一端通向另一端的连续流的旋转发动机，因此如同涡轮，但其与传统涡轮机不同。具体地，紊流绝不增加发动机中的空气或气体，实际上，该设计减少可能会形成的紊流。减少紊流是可以实现较高效率的标准。
已参照具有各种特征的具体实施方式描述了本发明。本领域技术显而易见的是，实际上可以对本发明进行各种修改和变型，而不背离本发明的范围和精神。本领域技术人员会认识到，这些特征可以单独使用或者基于给定的应用或设计的需要或说明而任意地组合使用。根据考虑本发明的说明和实践，本领域技术人员将清楚本发明的其它实施方式。所提供的本发明的说明本身仅是示例性的，因此，不背离本发明的本质的变型将包含在本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种没有节流区域的设备，其用于产生局部亚音速的空气或气体流，所述空气或气体流的滞止温度是进入的空气或气体的绝对温度的1.5至10倍，所述设备包括：
压缩机，其包括：
没有节流区域的转子，所述转子能够将空气或气体加速至具有局部超音速的流；以及
室，所述室能够在不具有节流区域的情况下接收局部超音速的流并将其减速至局部亚音速，并且在不具有节流区域的情况下通过出口输出所述流。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述转子能够以从大约2000英尺/秒至大约5400英尺/秒的表面速度保持旋转，并且能够将所述空气或气体流加速至大约所述转子的表面速度。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述转子还包括：
由高拉伸屈服强度比材料构成的轴，其以旋转轴线为中心；
由具有高抗压强度比材料构成的结构叶片和转子侧，所述结构叶片和转子侧通过高抗拉强度比纤维束可操作地连接到所述轴。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，在静止时，所述结构叶片在从大约50,000psi至大约500,000psi的压力下可操作地连接到所述轴。
5.根据权利要求3所述的设备，其还包括由金属或陶瓷涂覆或渗透的高抗拉强度比纤维束，从而形成了结合或粘接的柔性片或刚性实心件。
6.根据权利要求3所述的设备，其中，所述高抗拉强度比纤维束包括以下材料中的至少一个或者它们的任意组合：纳米管复合纤维、碳纤维、玻璃纤维、金属和陶瓷纤维、陶瓷纤维以及聚合物纤维。
7.根据权利要求3所述的设备，其中，所述高抗压强度比材料包括以下材料中的至少一个或者它们的任意组合：α碳化硅、碳化硼、陶瓷、金刚石类材料、金属以及聚合物。
8.根据权利要求3所述的设备，其中，所述轴的高拉伸屈服强度比材料包括以下材料中的至少一个或者它们的任意组合：α碳化硅，其由被金刚石类材料涂覆的碳纤维卷绕；通过在轴线上扭转而加工出的钢；经过热处理而使拉伸屈服强度最大的钛合金；以及金属或陶瓷或者聚合物。
9.根据权利要求3所述的设备，该设备还包括：
轴，其具有以旋转轴线为中心的轴向中空部或孔和在所述结构叶片之间的转子径向出口，其中，所述中空部或孔和径向出口能够提供使空气或气体进入所述压缩机的通路；
多个外壳，其与所述结构叶片的从所述轴向外延伸的相对边缘可操作地相联，其中，各外壳能够限制在所述结构叶片之间的空气或气体；
用于所述轴和转子的至少一部分的绝热壳体，所述壳体包括：
环带，所述环带围绕所述转子的至少一部分，并且能够从所述结构叶片与外壳之间接收局部超音速的空气或气体流，并且能够在不具有节流区域的情况下将所述空气或气体流改变成局部亚音速；以及
室，所述室能够接收来自所述环带的局部亚音速的空气或气体流，其中，所述室是螺旋室，所述螺旋室具有向外螺旋壁和相对的顶部内表面和底部内表面，所述向外螺旋壁、所述顶部内表面和底部内表面能够将空气或气体限制在所述螺旋室内，并且其中，所述螺旋室能够将所述空气或气体流引向出口。
10.根据权利要求9所述的设备，所述设备对于室温空气能够形成在大约10∶1至大约92∶1的范围内的压缩比。
11.根据权利要求10所述的设备，当流动和旋转被反向时，所述设备能够作为膨胀器操作。
12.根据权利要求9所述的设备，其中：
所述环带的相对内表面具有这样的形状，该形状在操作期间形成其周向速度与距轴线的距离成反比的光滑流；
所述环带具有外径，所述外径被选择为：在操作期间，局部超音速流在所述环带内改变成局部亚音速；以及
所述环带没有节流区域。
13.根据权利要求9所述的设备，其还包括可调节的条或带，所述可调节的条或带位于在所述环带周围的所述螺旋室的螺旋壁内，所述可调节的条或带能够移动离开所述螺旋壁，以遵循所述气体或空气流的自然螺旋形状，并且限制径向流。
14.一种冲压式喷气发动机，其能够作为具有局部超音速输出的固定或亚音速冲压式喷气发动机来操作，该冲压式喷气发动机包括：
根据权利要求1所述的设备；
局部输入德拉尔喷嘴，用于接收来自所述出口的局部亚音速流，其中所述局部输入德拉尔喷嘴被构造成使得没有所述高速流动区域和节流区域；以及
燃烧室，用于接收来自所述局部输入德拉尔喷嘴的空气或气体流。
15.根据权利要求14所述的冲压式喷气发动机，其还包括：
局部输出德拉尔喷嘴，该喷嘴能够接收来自所述燃烧室的局部亚音速空气或气体，并且能够加速所述空气或气体流，以局部亚音速地输入到膨胀器出口，其中所述局部输出德拉尔喷嘴被构造成使得没有所述节流区域和更高速度区域；
其中所述膨胀器出口将流供应到一室，所述室能够在不具有节流区域的情况下将流引向一环带，所述环带能够在不具有节流区域的情况下接收局部亚音速流，并将所述局部亚音速流加速至局部超音速；
其中所述环带能够将流引向膨胀器转子，所述膨胀器转子能够在不具有节流区域的情况下将局部超音速流减速到局部亚音速，并且使温度降低；以及
膨胀器轴，其能够用所述转子从燃烧产物除去的高能量来驱动负载。
16.根据权利要求15所述的冲压式喷气发动机，其中，所述压缩机、所述冲压式喷气发动机和所述膨胀器中的每个均具有能够被紧固在一起以形成一个壳体的壳体。
17.根据权利要求15所述的冲压式喷气发动机，其中，所述压缩机、所述冲压式喷气发动机和所述膨胀器中的每个均具有能够被附接到共用框架的壳体。
18.根据权利要求9所述的设备，该设备还包括：
圆环，其布置在所述叶片的外叶片边缘半径之外，并且与所述转子可操作地相联，其中所述圆环包括纤维垫、多孔材料或者金属网中的至少一个，并且包括小流动导槽，使得在操作期间，空气或气体流能够穿过所述结构叶片之间，并且流过所述圆环；以及
环形空间，其位于所述转子内，处于所述外叶片边缘半径与所述圆环之间。
19.根据权利要求9所述的设备，该设备包括：
碳纤维的卷绕体，其围绕所述外叶片边缘周向地布置，其中所述卷绕体能够允许径向空气或气体流相对于所述转子以亚音速速度从所述叶片之间穿过并到达所述环带。
20.根据权利要求9所述的设备，其中附加的叶片附接到所述结构叶片之间的所述轴，并且包括PAN碳纤维束，所述碳纤维束被压在一起，并且被金属或陶瓷涂覆或渗透以形成结合的片材。
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