CN102278233B - 超音速转子发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超音速转子发动机，包括超音速喷射通道(1)、旋转结构体(2)和高压工质源(3)，所述超音速喷射通道(1)设置在所述旋转结构体(2)上，所述超音速喷射通道(1)的工质入口(1001)与所述高压工质源(3)连通，所述高压工质源(3)的承压能力大于2MPa，所述超音速喷射通道(1)的喷射方向以所述旋转结构体(2)迴转圆周的切线为总体指向，所述旋转结构体(2)对外输出动力。本发明结构简单，制造成本低，可靠性高，大幅度提高了现有发动机的效率。

Description

超音速转子发动机

技术领域

本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种转子发动机。

背景技术

无论是活塞式还是透平式发动机，其结构均相对复杂，效率也不高。而超音速喷射通道体(如火箭喷管等)作为产生推力的发动机，可以以非常高的效率将热能转换成超音速气体的动能，只要超音速喷射通道体的运动速度足够高就可以获得非常高的推进效率，当超音速喷射通道体的运动速度接近从超音速喷射通道体内喷出的超音速气体的运动速度时，就可以百分之百的把超音速气体的动能全部变成超音速喷射通道体的动能和超音速喷射通道体对外所做的功这两部分能量之和。这种热动力系统结构简单、效率高，但是超音速喷射通道体很难作为输出旋转动力的发动机使用，因为当超音速喷射通道体作高线速度旋转运动时，会产生巨大的离心力，而现有材料很难承受这一巨大离心力。如果不能使超音速喷射通道体作高线速度圆周运动，就会导致超音速喷射通道体喷射出来的气体的动能中只有一部分变为超音速喷射通道体的动能和超音速喷射通道体对外所做的功，而另外一部分甚至是大部分仍作为气体的动能存在于气体中，最终这部分气体动能不对外作功，而白白浪费掉。因此，由超音速喷射获得反冲力，再由反冲力对外作功的动力系统效率都较低。

如果能够发明一种新型热动力系统(发动机)，可以利用超音速喷射通道体的超音速喷射对外高效输出旋转动力，就可以制造出结构极其简单、效率非常高的发动机。

发明内容

详细分析，以由超音速喷射通道体所喷射的超音速气体获得反作用力的能够输出旋转动力的热动力系统的工作机理可以得出这样的结论：如果要想提高这一系统的效率，最重要的途径有三个：一是以尽可能高的效率将热能转换成超音速气体的动能；二是使超音速喷射通道体(火箭喷管、冲压发动机喷管等)以尽可能高的线速度作圆周运动；三是如果没有办法使超音速喷射通道体以相当高的线速度作圆周运动，就必须找到一种可以回收已经离开超音速喷射通道体的高速气体的动能的方法。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案如下：

一种超音速转子发动机，包括超音速喷射通道、旋转结构体和高压工质源，所述超音速喷射通道设置在所述旋转结构体上，所述超音速喷射通道的工质入口与所述高压工质源连通，所述高压工质源3的承压能力大于2MPa，所述超音速喷射通道的喷射方向以所述旋转结构体迴转圆周的切线为总体指向，所述旋转结构体对外输出动力。

所述超音速转子发动机正常工作时，自所述超音速喷射通道喷射出来的气流速度大于2马赫。

所述超音速转子发动机还包括被动旋转结构体，在所述被动旋转结构体上设冲击传动结构，所述超音速喷射通道喷射的气流冲击在所述冲击传动结构上推动所述被动旋转结构体转动，所述被动旋转结构体也对外输出动力。

所述旋转结构体设置在所述被动旋转结构体的外围；

或所述被动旋转结构体设置在所述旋转结构体的外围；

或所述被动旋转结构体和所述旋转结构体并列设置。

两个或多个所述超音速喷射通道的工质入口与一个所述高压工质源连通。

所述超音速喷射通道设为拉瓦尔喷管。

所述高压工质源设置在所述旋转结构体上或设置在所述旋转结构体的连接结构体上或设置在所述超音速转子发动机的机体上；

在所述高压工质源设置在所述超音速转子发动机的机体上的结构中，所述高压工质源经单通道旋转接头与所述超音速喷射通道连通。

所述冲击传动结构设为导流通道，所述超音速喷射通道喷射的气流对所述导流通道冲击传动后自所述导流通道流出时所述被动旋转结构体获得额外推力进一步推动所述被动旋转结构体旋转。

所述高压工质源设为火箭燃烧室，所述火箭燃烧室设在所述旋转结构体和/或所述旋转结构体的连接结构体上，在所述旋转结构体上和/或所述旋转结构体的连接结构体上设氧化剂储罐和还原剂储罐，所述氧化剂储罐和所述还原剂储罐与所述火箭燃烧室连通。

所述高压工质源设为火箭燃烧室，所述火箭燃烧室设在所述旋转结构体和/或所述旋转结构体的连接结构体上，在所述超音速转子发动机的机体上设氧化剂储罐和还原剂储罐；

所述氧化剂储罐和所述还原剂储罐经预混器再经单通道旋转接头与所述火箭燃烧室连通，所述氧化剂储罐中的氧化剂和所述还原剂储罐中的还原剂在所述火箭燃烧室中燃烧；

或所述氧化剂储罐和所述还原剂储罐经双通道旋转接头中的不同通道与所述火箭燃烧室连通，所述氧化剂储罐中的氧化剂和所述还原剂储罐中的还原剂在所述火箭燃烧室中混合后燃烧。

所述高压工质源设为火箭燃烧室，所述火箭燃烧室设在所述旋转结构体和/或所述旋转结构体的连接结构体上，在所述超音速转子发动机的机体上设氧化剂储罐、还原剂储罐和膨胀剂储罐；

所述氧化剂储罐、所述还原剂储罐和所述膨胀剂储罐经预混器再经单通道旋转接头与所述火箭燃烧室连通，所述氧化剂储罐中的氧化剂和所述还原剂储罐中的还原剂进入所述火箭燃烧室后燃烧；

或所述氧化剂储罐、所述还原剂储罐和所述膨胀剂储罐中的两种储罐经预混器再经双通道旋转接头中的一个通道与所述火箭燃烧室连通，第三种储罐经所述双通道旋转接头中的另一个通道与所述火箭燃烧室连通，所述氧化剂储罐中的氧化剂和所述还原剂储罐中的还原剂进入所述火箭燃烧室后燃烧；

或所述氧化剂储罐、所述还原剂储罐和所述膨胀剂储罐经三通道旋转接头的不同通道与所述火箭燃烧室连通，所述氧化剂储罐中的氧化剂和所述还原剂储罐中的还原剂进入所述火箭燃烧室后混合燃烧。

在所述旋转结构体的旋转轴和旋转轴支座之间设低速轴套。

在所述旋转结构体的旋转轴和所述被动旋转结构体的被动旋转轴相互套装设置，在所述旋转轴和所述被动旋转轴之间设静止轴套。

所述超音速转子发动机还包括工质回收壳体，在所述工质回收壳体上设工质导出口，所述超音速喷射通道和所述旋转结构体设置在所述工质回收壳体的内部；在设置所述被动旋转结构体的结构中，所述超音速喷射通道、所述旋转结构体和所述被动旋转结构体设置在所述工质回收壳体的内部。

所述工质回收壳体设为冷凝冷却工质回收壳体，在所述冷凝冷却工质回收壳体处设冷凝冷却器，所述冷凝冷却工质回收壳体与所述旋转结构体固连，所述高压工质源设在所述旋转结构体上，所述高压工质源设为外燃式高压工质发生器，在所述外燃式高压工质发生器处设燃烧器，所述燃烧器对所述外燃式高压工质发生器加热，所述冷凝冷却工质回收壳体的所述工质导出口与所述外燃式高压工质发生器连通，在离心力的作用下被冷凝的工质由所述冷凝冷却工质回收壳体经所述工质导出口流向所述外燃式高压工质发生器，工质在所述外燃式高压工质发生器被汽化成高温高压气态工质进入所述超音速喷射通道。

本发明中，所述高压工质源的承压能力大于2MPa、2.5MPa、3MPa、3.5MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa、10MPa、10.5MPa、11MPa、11.5MPa、12MPa、12.5MPa、13MPa、13.5MPa、14MPa、14.5MPa、15MPa、15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa、20.5MPa、21MPa、21.5MPa、22MPa、22.5MPa、23MPa、23.5MPa、24MPa、24.5MPa、25MPa、25.5MPa、26MPa、26.5MPa、27MPa、27.5MPa、28MPa、28.5MPa、29MPa、29.5MPa、30MPa、30.5MPa、31MPa、31.5MPa、32MPa、32.5MPa、33MPa、33.5MPa、34MPa、34.5MPa、35MPa、35.5MPa、36MPa、36.5MPa、37MPa、37.5MPa、38MPa、38.5MPa、39MPa、39.5MPa、40MPa、40.5MPa、41MPa、41.5MPa、42MPa、42.5MPa、43MPa、43.5MPa、44MPa、44.5MPa、45MPa、45.5MPa、46MPa、46.5MPa、47MPa、47.5MPa、48MPa、48.5MPa、49MPa、49.5MPa或大于50MPa。

本发明中，所谓的高压是指工质的压力大于2MPa、2.5MPa、3MPa、3.5MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa、10MPa、10.5MPa、11MPa、11.5MPa、12MPa、12.5MPa、13MPa、13.5MPa、14MPa、14.5MPa、15MPa、15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa、20.5MPa、21MPa、21.5MPa、22MPa、225MPa、23MPa、23.5MPa、24MPa、24.5MPa、25MPa、25.5MPa、26MPa、26.5MPa、27MPa、27.5MPa、28MPa、28.5MPa、29MPa、29.5MPa、30MPa、30.5MPa、31MPa、31.5MPa、32MPa、32.5MPa、33MPa、33.5MPa、34MPa、34.5MPa、35MPa、35.5MPa、36MPa、36.5MPa、37MPa、37.5MPa、38MPa、38.5MPa、39MPa、39.5MPa、40MPa、40.5MPa、41MPa、41.5MPa、42MPa、42.5MPa、43MPa、43.5MPa、44MPa、44.5MPa、45MPa、45.5MPa、46MPa、46.5MPa、47MPa、47.5MPa、48MPa、48.5MPa、49MPa、49.5MPa或大于50MPa，与所述高压工质源的承压能力相对应。

本发明所谓的超音速喷射通道是指一切可以喷射超音速气体的通道，即一切可以将气体的热能和压力能变成喷射气体的动能的喷射通道，如拉瓦尔喷管、火箭的喷管，以及其他形状的可以喷射超音速气体的通道，如可以喷射超音速气体的两叶片之间的通道等。

本发明中的旋转结构体是指一切可以作旋转运动的结构体，如飞轮、可以作旋转运动的杆以及可以作旋转运动的环形结构体等。

本发明中当所述高压工质源设为火箭燃烧室时，原工质是高压进入所述火箭燃烧室的。

本发明所谓的迴转圆周指旋转结构体作旋转运动时所形成的轨迹圆周，此轨迹圆周可以是旋转结构体的外围轨迹圆周、内侧轨迹圆周以及旋转结构体外围轨迹圆周和内侧轨迹圆周之间的任何点作旋转运动所形成的轨迹圆周。

本发明所谓的以旋转结构体迴转圆周的切线为总体指向，既包括以旋转结构体迴转圆周的切线为完全精确的喷射指向的情况，也包括虽然存在一定程度上的偏角但大体上仍然以旋转结构体迴转圆周的切线为喷射指向的情况。所述迴转圆周的切线可以是外围轨迹圆周的切线、内侧轨迹圆周的切线以及旋转结构体外围轨迹圆周和内侧轨迹圆周之间的任何点作旋转运动所形成的轨迹圆周的切线。

本发明所谓的高压工质源是指一切可以提供高压气体工质的系统，可以是火箭燃烧室、冲压发动机燃烧室、脉冲燃烧室、高压水蒸气发生器(高压锅炉)等。本发明中所谓的高压工质源包括外燃形式产生的高压工质源、内燃形式产生的高压工质源和混燃形式产生的高压工质源，也包括高压压缩气体源。所谓的内燃形式产生的高压工质源包括燃烧室以及向燃烧室提供氧化剂、还原剂的系统，还可以包括向燃烧室提供膨胀剂的系统，所谓的膨胀剂是指不参与燃烧化学反应，但在燃烧室内受热气化或受热产生气体体积膨胀的工质，膨胀剂的主要作用是调节燃烧室内的温度和参与作功工质的摩尔数。所谓的外燃形式产生的高压工质源是指利用外燃方式产生高温高压工质的系统。所谓的混燃形式产生的高压工质源是指将燃料燃烧所释放的热量全部或近乎全部都参与作功循环的热动力系统，详见本发明人申请的有关混燃的专利。

本发明所谓的被动旋转结构体是指在接受从所述超音速喷射通道体喷射出来的高速气体冲击时可以作旋转运动的结构体。被动旋转结构体可以单独对外输出动力，可以与旋转结构体分别对外输出动力，也可以与旋转结构体经换向机构(如惰轮等)合并后对外输出动力。本发明中所谓的冲击传动结构是指设在被动旋转结构体上的可以接受高速气体冲击，使被动旋转结构体发生转动的结构，可以是叶状结构、通道状结构等，气体在冲击传动结构处可以径向流动，也可以轴向流动。

本发明中，所述超音速转子发动机正常工作时，自所述超音速喷射通道喷射出来的气流速度大于3马赫、4马赫、5马赫或大于6马赫。

本发明所谓的冷凝冷却工质回收壳体是指具有冷凝冷却功能的工质回收壳体。所谓冷凝冷却器是指可以对冷凝冷却工质回收壳体进行冷却的装置。所谓的燃烧器是指能够燃烧放热对所述外燃式高压工质发生器进行加热，使其内部工质气化的燃烧装置。所谓外燃式高压工质发生器是指由外部受热加热内部工质使其产生高温高压气态工质的装置。

本发明中所谓的旋转结构体的连接结构体是指与旋转结构体相连接的结构体，如旋转轴、旋转臂或旋转结构体上的齿轮等结构。本发明所谓的旋转结构体对外输出动力指旋转结构体直接对外输出动力，或经旋转结构体的连接结构体间接对外输出动力，被动旋转结构体亦然。本发明中的旋转结构体和被动旋转结构体的旋转方向可以相同，也可以不同。

为了提高高速气体对被动旋转结构体的冲击传动效率，可以在被动旋转结构体的受超音速喷射通道的高速喷射气流冲击传动的部位上设缓冲结构，所述缓冲结构的目的是为了减少高速气体的反射作用，以便更有效的将高速气体的动能传递给被动旋转结构体。

本发明所谓的缓冲结构可以是多空结构、粗糙表面结构、筛网结构或多栅结构，这些结构能够使高速飞来的气体在撞击具有这些结构的表面时发生停留作用，犹如两个粘弹性体相互撞击，可以更高效地将高速运动气体的动能传给被动旋转结构体。

本发明中所谓的超音速喷射通道由于作旋转运动，所以在超音速喷射通道的设计方面要考虑离心力的影响。

本发明所公开的超音速转子发动机可以用陶瓷材料加工。

本发明中，由于超音速喷射通道设置在旋转结构体上，当超音速喷射通道喷射时获得反推力，而旋转结构体就可以获得扭矩从而旋转，旋转结构体对外输出动力。一般说来，本发明的旋转结构体作高速旋转，所以旋转结构体可以直接与其他机械连接，也可以和发电机相连，也可以将旋转结构体作为发电机的转子使用或者发电机的转子设置在旋转结构体上。

本发明中工质回收壳体的设置可以回收超音速喷射通道尾气的热量和工质，同时可以通过对工质回收壳体抽气使其处于低压或真空状态，以提高发动机的效率。由工质回收壳体回收来的工质可以直接排放，可以经处理后排放(如三元催化剂等)，也可以经加压加热后重新进入超音速喷射通道，还可以经处理将其中的二氧化碳液化加以回收。

一般情况下，超音速喷射通道的运行速度低于超音速喷射通道的喷射速度，所以超音速喷射通道的运动速度越高，效率越高。为此，本发明中旋转结构体的转速越高，效率也越高。由于高速旋转会产生强大的离心力，很有可能由于现有技术和材料的限制，很难达到希望的转速，所以超音速喷射通道喷射物(尾气)仍然具有很大的动能。因此，设置了被动旋转结构体，将本发明中超音速喷射通道喷射的尾气以近乎切线的总体指向对被动旋转结构体冲击传动，进而使被动旋转结构体产生旋转对外输出动力，进一步提高发动机的效率。

本发明的原理是利用超音速喷射通道一次性将存在于高压工质源内的工质所具有的热能和压力能以尽可能高的效率转换成从超音速喷射通道中喷出的高速气体的动能，所述超音速喷射通道喷出的高速气体的静压等于超音速喷射通道出口处的环境压强，所谓超音速喷射通道出口处的环境压强可以是大气压强，也可以低于大气压强，如果低于大气压强，必须设置工质回收壳体，将工质回收壳体抽成真空，使工质回收壳体内的压强低于大气压强。在这一转换过程中，依据牛顿第三定律，超音速喷射通道体(构成超音速喷射通道的结构体，如火箭喷管等)受到反作用力，由于超音速喷射通道设在旋转结构体上，所以旋转结构体将发生旋转并可对外输出动力。这与燃气轮机或蒸汽轮机的第一级的工作原理不同，因为在燃气轮机和蒸汽轮机中不可能在第一级就把工质中的热能和压力能变成没有静压或静压很低的高速气体的动能，在燃气轮机和蒸汽轮机中是通过多级的形式将工质的能量转换成动力。在蒸汽轮机中，虽然也有喷管，但喷管都是固定在机体上的，而且喷管相邻的动静叶之间或相邻的对转动叶之间均存在相当高的静压，因此，相邻的动静叶之间和对转动叶之间需要尽可能小的间隙以减少叶顶泄漏等能量损失。而本发明所公开的超音速转子发动机则不同，超音速喷射通道将所有气体的压力能和热能转换成气体的动能并从此过程中获得反向推力形成旋转结构体的旋转运动进而对外输出动力，离开超音速喷射通道的高速运动气体冲击在设在被动旋转结构体上的冲击传动结构，将气体的动能变成被动旋转结构体的旋转运动并对外输出动力，在旋转结构体和被动旋转结构体之间不存在或只存在很小的静压，因此避免了在蒸汽轮机和燃气轮机中广泛存在的并严重影响效率的叶顶漏气问题。在本发明所公开的超音速转子发动机中旋转结构体和被动旋转结构体之间可以密封设置，也可以开放设置。

本发明中可用两个坐标系观察超音速气体，一是设在超音速喷射通道体上的坐标系，二是设在所述超音速转子发动机机体上的坐标系。在本发明中为了进一步提高系统的效率，设置了被动旋转结构体以对在设在所述超音速转子发动机机体上的坐标系中仍高速运动的气体的动能进行回收，在这个过程中，高速气体对被动旋转结构体冲击推动被动旋转结构体转动对外输出动力(犹如子弹冲击到靶上，迫使靶发生位移，对外作功)。由此可见，超音速喷射通道和设置在被动旋转结构体上接受冲击的冲击传动结构之间不存在静压联系，也不存在相互作用(相当于枪体和靶之间的关系，虽然枪体受子弹反射的作用获得推力，靶也在子弹的作用下获得推力，但枪体和靶之间不存在相互作用)；同理，旋转结构体和被动旋转结构体之间没有静压联系，也不存在相互作用；而是超音速喷射通道体与高速气体在分离界面处(犹如枪口处)的相互作用，以及被动旋转结构体和高速气体在接受高速气体冲击传动处的相互作用。由此不难看出，旋转结构体和被动旋转结构体之间的相互关系与传统对转蒸汽轮机和燃气轮机的相邻对转叶之间的关系是完全不同的。一是本发明的旋转结构体与被动旋转结构体均发生旋转；二是按照牛顿第三定律，本发明中旋转结构体所受的力是由于高压气体的喷射而得到的，被动旋转结构体的旋转是受到高速气体的冲击而得到的，而传统的汽轮机和燃气轮机是靠压差的变化而得到的；三是本发明中自超音速喷射通道喷射出来的气体的速度一般说来要在数马赫以上，这就使超音速喷射通道内的能量全部或绝大部分变成了高速运动的气体的动能，从而使旋转结构体发生旋转。由于超音速喷射通道的运动速度低于其喷射速度，所述高速运动的气体仍然具有相当的能量，使这些气体撞击到被动旋转结构体上可以对高速运动气体的动能进行回收。在旋转结构体和被动旋转结构体之间只考虑高速运动气体的动能作用，而不存在或只存在很小的静压作用；四是本发明中的旋转结构体和被动旋转结构体不存在压比的关联，而在汽轮机和燃气轮机中则不然。且旋转结构体和被动旋转结构体之间的空间内不存在静压作用，因此可以设为开放式，而在汽轮机和燃气轮机中则不然。

由于旋转结构体和被动旋转结构体之间不存在相互作用，所以本发明所公开的系统中不存在通道顶(即所谓叶顶)漏气问题。本发明中所公开的结构不仅可以制造大型超音速转子发动机，也可以制造微型超音速转子发动机。微型超音速转子发动机的效率远高于微型透平机，而且结构简单。

本发明中氧化剂储罐和还原剂储罐可以与旋转结构体一同作旋转运动，也可以不与旋转结构体一同作旋转运动而是通过旋转接头给高压工质源补给氧化剂和还原剂。同理，高压工质源也可以设为与旋转结构体一同作旋转运动或不与旋转结构体一同作旋转运动而是通过旋转接头与超音速喷射通道连通。

氧化剂、还原剂和膨胀剂都可以称为原工质，当原工质储罐与旋转结构体一同作旋转运动时，可以设置至少两套超音速转子发动机，超音速转子发动机交替工作，停车时补充新的原工质；也可以在这个系统中设置旋转接头，发动机处于高速旋转时，旋转接头的偶件发生分离；而发动机处于较低转速时，旋转接头的偶件形成配合给超音速喷射通道补给原工质，这样就可以在发动机处于较低转速时对原工质储罐补给原工质，而不必停车，也不必设置多套超音速转子发动机，这种形式犹如飞机的空中加油。

在原工质储罐与旋转结构体一同作旋转运动的结构中，对原工质流量的控制以及对所述转子发动机的控制，可以通过电刷供电控制电磁阀来实现，也可以通过遥控电磁阀来控制，还可以通过电磁控制方式从机体上控制原工质控制阀和/或设在所述高压工质源和超音速喷射通道之间的控制阀以实现对所述超音速转子发动机的控制。

在本发明中所公开的超音速转子发动机中，一般说来，旋转结构体和被动旋转结构体的转速的旋转方向不同，而且在很多结构中可能会相互套装，这样就会造成相接触的对转面之间的转速差过大造成润滑困难磨损过快的问题，为降低这一转速差，本发明中在两个相互对转套装的轴之间设静止轴套以减少相对转速。

本发明所谓的低速轴套是指转速低于所述旋转结构体转速的隔离轴套，其目的是减少轴套之间的相对转速差，以形成良好的润滑条件，增加寿命和可靠性。低速轴套的转动可以靠转动轴套(旋转结构体的轴套或被动旋转结构体的轴套)带动，即低速轴套设为自由式，也可以在低速轴套上设相应驱动机构，使低速轴套发生转动。

本发明所谓的静止轴套是指处于静止状态的隔离轴套，静止轴套设置在相互套装相互对转的旋转轴和被动旋转轴之间，其目的是降低旋转轴和被动旋转轴之间的相对转速差，以形成良好的润滑条件，增加寿命和可靠性。

本发明所谓的旋转轴是指与旋转结构体相连的转动轴，所谓的被动旋转轴是指与被动旋转体相连的旋转轴。

本发明所谓的旋转接头是指两个相互配合的偶件，其中一个偶件的转速与另一个偶件的转速不同，两个偶件内均设有流体通道，设置在不同偶件的流体通道之间相互连通，以实现流体由一个偶件流向另一个偶件的器件。

本发明所谓的单通道旋转接头是指两个相互配合的偶件，其中一个偶件的转速与另一个偶件的转速不同，两个偶件内均设有流体通道，设置在不同偶件的流体通道之间相互连通，以实现一种流体由一个偶件流向另一个偶件的器件。

本发明所谓的双通道旋转接头是指两个相互配合的偶件，其中一个偶件的转速与另一个偶件的转速不同，两个偶件内均设有两类流体通道，设置在不同偶件的同类流体通道之间相互连通，以实现两种流体分别由一个偶件流向另一个偶件的器件。

本发明所谓的三通道旋转接头是指两个相互配合的偶件，其中一个偶件的转速与另一个偶件的转速不同，两个偶件内均设有三类流体通道，设置在不同偶件的同类流体通道之间相互连通，以实现三种流体分别由一个偶件流向另一个偶件的器件。

本发明中，根据热能与动力领域的公知技术，在必要的地方设必要的部件、单元和系统，如点火装置、传感器、喷油装置等。

本发明的有益效果如下：

1、本发明结构简单，制造成本低，可靠性高。

2、本发明大幅度提高了现有发动机的效率。

附图说明

图1为本发明的实施例1的示意图；

图2为本发明的实施例2的示意图；

图3为本发明的实施例3的示意图；

图4为本发明的实施例4的示意图；

图5为本发明的实施例5的示意图；

图6为本发明的实施例6的示意图；

图7为本发明的实施例7的示意图；

图8为本发明的实施例8的示意图；

图9为本发明的实施例9的示意图；

图10为本发明的实施例10的示意图；

图11为本发明的实施例11的示意图；

图12为本发明的实施例12的示意图；

图13为本发明的实施例13的示意图；

图14和图15为本发明的实施例14的示意图；

图16和图17为本发明的实施例15的示意图；

图18为本发明的实施例16的示意图；

图中：

1超音速喷射通道、2旋转结构体、3高压工质源、4工质回收壳体、

5被动旋转结构体、8导流通道、10单通道旋转接头、20双通道旋转接头、

30三通道旋转接头、31火箭燃烧室、52冲击传动结构、102拉瓦尔喷管、

200旋转轴、201旋转轴支座、203低速轴套、204静止轴套、

401工质导出口、440冷凝冷却工质回收壳体、500被动旋转轴、

1001工质入口、2001氧化剂储罐、2002还原剂储罐、

2003膨胀剂储罐、2004预混器、4401冷凝冷却器、

3331外燃式高压工质发生器、3332燃烧器。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的超音速转子发动机，包括超音速喷射通道1、旋转结构体2和高压工质源3，超音速喷射通道1设置在旋转结构体2上，超音速喷射通道1的工质入口1001与高压工质源3连通，所述高压工质源3的承压能力大于2MPa，超音速喷射通道1的喷射方向以旋转结构体2迴转圆周的切线为总体指向，旋转结构体2对外输出动力。超音速转子发动机正常工作时，自所述超音速喷射通道喷射出来的气流速度大于2马赫，自所述超音速喷射通道喷射出来的气流的静压等于超音速喷射通道出口处的环境压强。

具体实施时，可选择地，所述高压工质源的承压能力大于2MPa、2.5MPa、3MPa、3.5MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa、10MPa、10.5MPa、11MPa、11.5MPa、12MPa、125MPa、13MPa、13.5MPa、14MPa、14.5MPa、15MPa、15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa、20.5MPa、21MPa、21.5MPa、22MPa、22.5MPa、23MPa、23.5MPa、24MPa、24.5MPa、25MPa、25.5MPa、26MPa、26.5MPa、27MPa、27.5MPa、28MPa、28.5MPa、29MPa、29.5MPa、30MPa、30.5MPa、31MPa、31.5MPa、32MPa、32.5MPa、33MPa、33.5MPa、34MPa、34.5MPa、35MPa、35.5MPa、36MPa、36.5MPa、37MPa、37.5MPa、38MPa、38.5MPa、39MPa、39.5MPa、40MPa、40.5MPa、41MPa、41.5MPa、42MPa、42.5MPa、43MPa、43.5MPa、44MPa、44.5MPa、45MPa、45.5MPa、46MPa、46.5MPa、47MPa、47.5MPa、48MPa、48.5MPa、49MPa、49.5MPa或大于50MPa。

实施例2

如图2所示的超音速转子发动机，其与实施例1的区别在于：超音速喷射通道设为拉瓦尔喷管102，超音速转子发动机还包括被动旋转结构体5，在被动旋转结构体5上设冲击传动结构52，超音速喷射通道1的喷射气流在冲击传动结构52上对被动旋转结构体5冲击传动推动被动旋转结构体5转动，被动旋转结构体5也对外输出动力。被动旋转结构体5设置在旋转结构体2的外围，两个或多个拉瓦尔喷管102的工质入口1001与一个高压工质源3连通。被动旋转结构体5设有导流通道8，超音速喷射通道1的喷射气流对所述被动旋转结构体5冲击传动后经导流通道8流出时被动旋转结构体5获得额外推力进一步推动被动旋转结构体5旋转。超音速转子发动机正常工作时，自所述超音速喷射通道喷射出来的气流速度大于3马赫。

实施例3

如图3所示的超音速转子发动机，其与实施例2的区别在于：高压工质源设为火箭燃烧室31，旋转结构体2设置在被动旋转结构体5的外围，被动旋转结构体5的受超音速喷射通道1的高速喷射气流冲击的部位上设气垫缓冲结构51，气垫缓冲结构51减少高速喷射气流的反射。超音速转子发动机正常工作时，自所述超音速喷射通道喷射出来的气流速度大于4马赫。

实施例4

如图4所示的超音速转子发动机，其与实施例2的区别在于：高压工质源设为火箭燃烧室31，所述火箭燃烧室31设在所述旋转结构体2上，被动旋转结构体5和旋转结构体2并列设置。超音速转子发动机正常工作时，自所述超音速喷射通道喷射出来的气流速度大于5马赫。

实施例5

如图5所示的超音速转子发动机，其与实施例1的区别在于：高压工质源3设置在超音速转子发动机的机体上，高压工质源3经旋转接头10与超音速喷射通道1连通。超音速转子发动机正常工作时，自所述超音速喷射通道喷射出来的气流速度大于6马赫。

实施例6

如图6所示的超音速转子发动机，其与实施例1的区别在于：还包括悬浮轴承6，悬浮轴承6将旋转结构体2悬浮，高压工质源3设置在旋转结构体2上，高压工质源设为火箭燃烧室31，高压工质源与超音速喷射通道1连通，所述火箭燃烧室31设在所述旋转结构体2上，在旋转结构体2上和/或旋转结构体2的连接结构体上设氧化剂储罐2001和/或还原剂储罐2002，氧化剂储罐2001和还原剂储罐2002与火箭燃烧室31连通。

实施例7

如图7所示的超音速转子发动机，其与实施例1的区别在于：高压工质源3设为火箭燃烧室31，火箭燃烧室31设在旋转结构体2和/或旋转结构体2的连接结构体上，在超音速转子发动机的机体上设氧化剂储罐2001和还原剂储罐2002；氧化剂储罐2001和还原剂储罐2002经预混器2004再经单通道旋转接头10与火箭燃烧室31连通，氧化剂储罐2001中的氧化剂和还原剂储罐2002中的还原剂在火箭燃烧室31中燃烧。

实施例8

如图8所示的超音速转子发动机，其与实施例7的区别在于：氧化剂储罐2001和还原剂储罐2002经双通道旋转接头20中的不同通道与火箭燃烧室31连通，氧化剂储罐2001中的氧化剂和还原剂储罐2002中的还原剂在火箭燃烧室31中混合后燃烧。

实施例9

如图9所示的超音速转子发动机，其与实施例1的区别在于：高压工质源设为火箭燃烧室31，火箭燃烧室31设在旋转结构体2和/或旋转结构体2的连接结构体上，在超音速转子发动机的机体上设氧化剂储罐2001、还原剂储罐2002和膨胀剂储罐2003；氧化剂储罐2001、还原剂储罐2002和膨胀剂储罐2003经预混器2004再经单通道旋转接头10与火箭燃烧室31连通，氧化剂储罐2001中的氧化剂和还原剂储罐2002中的还原剂进入火箭燃烧室31后燃烧。

实施例10

如图10所示的超音速转子发动机，其与实施例9的区别在于：氧化剂储罐2001、还原剂储罐2002和膨胀剂储罐2003中的两种储罐经预混器2004再经双通道旋转接头20中的一个通道与火箭燃烧室31连通，第三种储罐经双通道旋转接头20中的另一个通道与火箭燃烧室31连通，氧化剂储罐2001中的氧化剂和还原剂储罐2002中的还原剂进入火箭燃烧室31后燃烧。

实施例11

如图11所示的超音速转子发动机，其与实施例9的区别在于：氧化剂储罐2001、还原剂储罐2002和膨胀剂储罐2003经三通道旋转接头30的不同通道与火箭燃烧室31连通，氧化剂储罐2001中的氧化剂和还原剂储罐2002中的还原剂进入火箭燃烧室31后混合燃烧。

实施例12

如图12所示的超音速转子发动机，其与实施例1的区别在于：在旋转结构体2的旋转轴200和旋转轴支座201之间设低速轴套203。

实施例13

如图13所示的超音速转子发动机，其与实施例1的区别在于：在旋转结构体2的旋转轴200和被动旋转结构体5的被动旋转轴500相互套装设置，在旋转轴200和被动旋转轴500之间设静止轴套204。

实施例14

如图14或图15所示的超音速转子发动机，其与实施例1的区别在于：超音速转子发动机还包括工质回收壳体4，在所述工质回收壳体4上设工质导出口401，所述超音速喷射通道1和所述旋转结构体2设置在所述工质回收壳体4的内部，自所述超音速喷射通道喷射出来的气流的静压等于超音速喷射通道出口处的环境压强。

此外，在设置所述被动旋转结构体5的结构中，所述超音速喷射通道1、所述旋转结构体2和所述被动旋转结构体5设置在所述工质回收壳体4的内部(见图15)。

实施例15

如图16或图17所示的超音速转子发动机，其与实施例2的区别在于：超音速转子发动机还包括工质回收壳体，在所述工质回收壳体上设工质导出口401，所述超音速喷射通道1、所述旋转结构体2和所述被动旋转结构体5设置在所述工质回收壳体的内部，工质回收壳体设为冷凝冷却工质回收壳体440，在冷凝冷却工质回收壳体440处设冷凝冷却器4401，冷凝冷却工质回收壳体440与旋转结构体2固连，高压工质源3设在旋转结构体2上，高压工质源设为外燃式高压工质发生器3331，在外燃式高压工质发生器3331处设燃烧器3332，燃烧器3332对外燃式高压工质发生器3331加热，冷凝冷却工质回收壳体440的工质导出口401与外燃式高压工质发生器3331连通，在离心力的作用下被冷凝的工质由冷凝冷却工质回收壳体440经工质导出口401流向外燃式高压工质发生器3331，工质在外燃式高压工质发生器3331被汽化成高温高压气态工质进入超音速喷射通道1。

实施例16

如图18所示的超音速转子发动机，其与实施例15的区别在于：在工质回收壳体4处设冷凝冷却器4401，在工质回收壳体4的工质导出口401处设压气结构4000，高压工质源设为外燃式高压工质发生器3331，在外燃式高压工质发生器3331处设燃烧器3332，燃烧器3332对外燃式高压工质发生器3331加热，工质回收壳体4的工质导出口401经压气结构4000与外燃式高压工质发生器3331连通，外燃式高压工质发生器3331内的工质设为氦气，在外燃式高压工质发生器3331内氦气被加热成高温高压氦气，高温高压氦气通过超音速喷射通道1喷射作功并通过冲击传动的形式使被动旋转结构体5旋转作功后进入工质回收壳体4，在工质回收壳体4内被降温冷却后的氦气经压气结构4000压缩增压后再进入外燃式高压工质发生器3331，进入下一个循环；所谓压气结构是设在旋转结构体2上或设在被动旋转结构体5上的叶片增压结构。

显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种超音速转子发动机，包括超音速喷射通道（1）、旋转结构体（2）和高压工质源（3），其特征在于：所述超音速喷射通道（1）设置在所述旋转结构体（2）上，所述超音速喷射通道（1）的工质入口（1001）与所述高压工质源（3）连通，所述高压工质源（3）的承压能力大于2MPa，所述超音速喷射通道（1）的喷射方向以所述旋转结构体（2）迴转圆周的切线为总体指向，所述旋转结构体（2）对外输出动力，所述超音速转子发动机还包括工质回收壳体（4），在所述工质回收壳体（4）上设工质导出口（401），所述超音速喷射通道（1）和所述旋转结构体（2）设置在所述工质回收壳体（4）的内部，所述工质回收壳体（4）设为冷凝冷却工质回收壳体（440），在所述冷凝冷却工质回收壳体（440）处设冷凝冷却器（4401），所述冷凝冷却工质回收壳体（440）与所述旋转结构体（2）固连，所述高压工质源（3）设在所述旋转结构体（2）上或设置在所述旋转结构体（2）的连接结构体上或设置在所述超音速转子发动机的机体上，所述高压工质源（3）设为外燃式高压工质发生器（3331），在所述外燃式高压工质发生器（3331）处设燃烧器（3332），所述燃烧器（3332）对所述外燃式高压工质发生器（3331）加热，所述冷凝冷却工质回收壳体（440）的所述工质导出口（401）与所述外燃式高压工质发生器（3331）连通，在离心力的作用下被冷凝的工质由所述冷凝冷却工质回收壳体（440）经所述工质导出口（401）流向所述外燃式高压工质发生器（3331），工质在所述外燃式高压工质发生器（3331）被汽化成高温高压气态工质进入所述超音速喷射通道（1）。

2.根据权利要求1所述超音速转子发动机，其特征在于：所述超音速转子发动机还包括被动旋转结构体（5），在所述被动旋转结构体（5）上设冲击传动结构（52），所述超音速喷射通道（1）喷射的气流冲击在所述冲击传动结构（52）上推动所述被动旋转结构体（5）转动，所述被动旋转结构体（5）也对外输出动力，所述被动旋转结构体（5）设置在所述工质回收壳体（4）的内部。

3.根据权利要求2所述超音速转子发动机，其特征在于：所述旋转结构体（2）设置在所述被动旋转结构体（5）的外围；

或所述被动旋转结构体（5）设置在所述旋转结构体（2）的外围；

或所述被动旋转结构体（5）和所述旋转结构体（2）并列设置。

4.根据权利要求1所述超音速转子发动机，其特征在于：两个或多个所述超音速喷射通道（1）的工质入口（1001）与一个所述高压工质源（3）连通。

5.根据权利要求1所述超音速转子发动机，其特征在于：所述超音速喷射通道（1）设为拉瓦尔喷管（102）。

6.根据权利要求1所述超音速转子发动机，其特征在于：所述高压工质源（3）设置在所述超音速转子发动机的机体上，所述高压工质源（3）经单通道旋转接头（10）与所述超音速喷射通道（1）连通。

7.根据权利要求2所述超音速转子发动机，其特征在于：所述冲击传动结构（52）设为导流通道（8），所述超音速喷射通道（1）喷射的气流对所述导流通道（8）冲击传动后自所述导流通道（8）流出时所述被动旋转结构体（5）获得额外推力进一步推动所述被动旋转结构体（5）旋转。

8.根据权利要求1所述超音速转子发动机，其特征在于：所述高压工质源（3）设为火箭燃烧室（31），所述火箭燃烧室（31）设在所述旋转结构体（2）和/或所述旋转结构体（2）的连接结构体上，在所述旋转结构体（2）上和/或所述旋转结构体（2）的连接结构体上设氧化剂储罐（2001）和还原剂储罐（2002），所述氧化剂储罐（2001）和所述还原剂储罐（2002）与所述火箭燃烧室（31）连通。

9.根据权利要求1所述超音速转子发动机，其特征在于：所述高压工质源（3）设为火箭燃烧室（31），所述火箭燃烧室（31）设在所述旋转结构体（2）和/或所述旋转结构体（2）的连接结构体上，在所述超音速转子发动机的机体上设氧化剂储罐（2001）和还原剂储罐（2002）；

所述氧化剂储罐（2001）和所述还原剂储罐（2002）经预混器（2004）再经单通道旋转接头（10）与所述火箭燃烧室（31）连通，所述氧化剂储罐（2001）中的氧化剂和所述还原剂储罐（2002）中的还原剂在所述火箭燃烧室（31）中燃烧；

或所述氧化剂储罐（2001）和所述还原剂储罐（2002）经双通道旋转接头（20）中的不同通道与所述火箭燃烧室（31）连通，所述氧化剂储罐（2001）中的氧化剂和所述还原剂储罐（2002）中的还原剂在所述火箭燃烧室（31）中混合后燃烧。

10.根据权利要求1所述超音速转子发动机，其特征在于：所述高压工质源（3）设为火箭燃烧室（31），所述火箭燃烧室（31）设在所述旋转结构体（2）和/或所述旋转结构体（2）的连接结构体上，在所述超音速转子发动机的机体上设氧化剂储罐（2001）、还原剂储罐（2002）和膨胀剂储罐（2003）；

所述氧化剂储罐（2001）、所述还原剂储罐（2002）和所述膨胀剂储罐（2003）经预混器（2004）再经单通道旋转接头（10）与所述火箭燃烧室（31）连通，所述氧化剂储罐（2001）中的氧化剂和所述还原剂储罐（2002）中的还原剂进入所述火箭燃烧室（31）后燃烧；

或所述氧化剂储罐（2001）、所述还原剂储罐（2002）和所述膨胀剂储罐（2003）中的两种储罐经预混器（2004）再经双通道旋转接头（20）中的一个通道与所述火箭燃烧室（31）连通，第三种储罐经所述双通道旋转接头（20）中的另一个通道与所述火箭燃烧室（31）连通，所述氧化剂储罐（2001）中的氧化剂和所述还原剂储罐（2002）中的还原剂进入所述火箭燃烧室（31）后燃烧；

或所述氧化剂储罐（2001）、所述还原剂储罐（2002）和所述膨胀剂储罐（2003）经三通道旋转接头（30）的不同通道与所述火箭燃烧室（31）连通，所述氧化剂储罐（2001）中的氧化剂和所述还原剂储罐（2002）中的还原剂进入所述火箭燃烧室（31）后混合燃烧。

11.根据权利要求1所述超音速转子发动机，其特征在于：在所述旋转结构体（2）的旋转轴（200）和旋转轴支座（201）之间设低速轴套（203）。

12.根据权利要求2所述超音速转子发动机，其特征在于：在所述旋转结构体（2）的旋转轴（200）和所述被动旋转结构体（5）的被动旋转轴（500）相互套装设置，在所述旋转轴（200）和所述被动旋转轴（500）之间设静止轴套（204）。

13.根据权利要求2或3所述超音速转子发动机，其特征在于：所述超音速转子发动机还包括工质回收壳体（4），在所述工质回收壳体（4）上设工质导出口（401），所述超音速喷射通道（1）、所述旋转结构体（2）和所述被动旋转结构体（5）设置在所述工质回收壳体（4）的内部。

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