CN106460518B - 用于提取动力的轴向流体机械和方法 - Google Patents

用于提取动力的轴向流体机械和方法 Download PDF

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Abstract

用于通过轴向流体机械、在环形管道内提取动力的方法和装置，所述环形管道至少包括可旋转的内壁(308，408，501)和/或可旋转的外壁(409，502)，涡旋流体以一定速度(420)流过所述内壁和外壁。根据本方法，所述流体在轴向流体机械的所述可旋转壁(308，408；501和502)中的至少一个壁上产生切向力(417)，并且产生所述轴(309，414，505和/或506)的动力。

Description

用于提取动力的轴向流体机械和方法
技术领域
本发明涉及一种通过轴向流体机械提取动力的方法。
背景技术
涡轮是一类能够通过工作流体的膨胀过程连续地提取机械能的流体机械。涡轮包括限定流动通道的多个翼或叶片。翼或叶片的两侧之间的压力差产生压力，引起传递到机械的轴上的转矩。
超音速涡轮每单位体积传送更多的动力。但是，由于与超音速管道中的启动问题和激波两者均有关的高损耗，因此高超音速通道不用在惯常的流体机械中。不存在关于以高超音速轴向入流运行的涡轮的设计和性能方面的公开文献。尽管如此还是具有暴露在超音速条件下、但是具有轴向亚音速组件的转子的翼(既用于涡轮又用于压缩机)方面的经验。Lichtfuss H.J.和Starken H.在“超音速叶栅流”(航天科学进展，第15卷，第37-149页，1974年)中示出了超音速引入与亚音速轴向速度流动条件的组合(这种转子的翼的特征)会强加限制流动通道的操作范围的独特入射角的条件。在20世纪70年代，Breugelmans，Gallus和Wennerstrom利用超音速压缩机级开展了实验，实现了单级介于2.8和3.5之间的压力比。近来Ramgen在美国开发出一轴向超音速压缩机级，其传送7.8的压力比。首次尝试设计超音速涡轮是在20世纪20年代为高压多级工业蒸汽涡轮做出的。但是，由于无法处置涡轮出口处的高温蒸汽，研究被中断至20世纪中叶。在20世纪50年代前后，用于蒸汽涡轮、喷气式推进器和火箭推进器的超音速涡轮研究被重启。超音速涡轮吸引了来自工业界的兴趣，因为它们能提供高的比功率，使得能够减少低压级的数量，从而导致更轻的涡轮以及更低的生产和操作成本。Verneau A.在“用于从3至1300千瓦的有机流体朗肯循环的超音速涡轮”(冯卡门研究所关于“小型高压力比涡轮”的讲座系列，1987年6月)中提出了设计用于太阳能发电厂、废能回收和从内燃机的废气提取能量的各种超音速涡轮。Jergeus H.在“用于Vulcain火箭发动机的超音速涡轮的气动设计和测试性能”(冯卡门研究所关于“小型高压力比涡轮”的讲座系列，1987年6月)中、以及Wahlen U.在第3届“涡轮机械：流体动力学和热力学”欧洲会议(伦敦，英国，1999年3月)发布的“供火箭发动机应用的超音速涡轮的气动设计和测试”中提出了用于Vulcain火箭发动机的LH2和LOX超音速涡轮。Verdonk G.和Dufournet T.在“用于发电机和机械驱动的具有200的单级压力比的超音速蒸汽涡轮的开发”(冯卡门研究所关于“小型高压力比涡轮”的讲座系列，1987年6月)中描述了一种包括单级超音速涡轮的涡轮发电机。所有前述超音速涡轮级均包括收缩-扩张喷嘴，之后是笔直的抽吸表面段，以便在非常低反应的转子入口处实现相对均匀的超音速流动条件。根据Goldman L.在“涡轮设计与应用”的第9章：超音速涡轮(NASASP-290，1994年)中所述，为了在超音速流域中实现最小的激波损失，应该在喉部上游的收缩部分完成整个流动的转向。采用与整个边界层计算相联的特征的方法来设计超音速定子，以确保如Goldman.L和VancoM.在“具有边界层修正的、用于设计两维锐利边缘喉部的超音速喷管的计算程序”(NASA TMX-2343，1971年)中描述的无激波流场。所有过去的超音速设计尝试都由于以下原因而经历了降低的可操作性：超音速启动问题；激波边界层相互作用；独特的入射条件。
在径向涡轮中，Tesla N.在GB191024001(A)中提出利用一系列转动的圆盘使用剪应力来提取动力。
现有技术
最近在超音速燃烧过程的进展激起了对用于发电和航空运输的新型热循环的兴趣。实际实施基于这些新型循环的能量转换的基本挑战是缺乏足以有效地应付燃烧室出口超音速流动的流体机械。惯常的叶片式涡轮机械与由爆震型燃烧器提供的超音速脉动条件的相互作用已经由Van Zante D.,Envia E.,Turner M.在“由飞机发动机轴向涡轮级引起的爆震波的衰减”(第18届ISABE会议，北京，中国，2007年9月。ISABE 2007-1260)的文中进行了数值研究，证实该流体机械设计的气动性能具有不可接受的缺陷。
航空发动机与爆震型燃烧的结合已在美国专利7,328,570中提出，其中，涡轮风扇使用旋转脉冲爆震系统而不是高压和/或低压涡轮，以便驱动风扇和压缩机。若干个管以顺序的方式起爆，并且管的转向使得能够产生转矩。这种构造的出口条件具有存在强激波的脉动超音速特征。此外，由于脉冲爆震管所产生的转向，流动显示出一定量的涡旋。这些极端的流动条件使得任何惯常流体机械均不能被包括在该系统的下游。
由于脉冲爆震发动机的可操作性限制以及其难以集成到推进系统中，专利EP2525071A1提出将连续爆震波发动机用于航空航天应用。在这种不同类型的燃烧概念中，新鲜混合物被连续地注入到环形燃烧室和一系列高频旋转的爆震阵面(detonation fronts)中，从而产生以脉动方式超音速排出的热气体。出口的特征还在于存在倾斜激波(其向燃烧器的下游传播)和可能存在切向速度分量。
发明内容
本发明的目的是通过轴向机械从流体流中提取能量。工作流体是由轴向布置的环形管道限制的高速流体。所述工作流体呈现围绕该管道的轴线的旋转运动(涡旋)，且其负责曳力的产生，所述曳力由在流体与环形壁之间的界面上的粘性相互作用引起。所产生的力的基本特征在于切向分量，所述切向分量使管道的环形壁旋转。该构造允许产生一定量的被传递到至少一个轴上的转矩。具有相关联的激波的超音速工作流体增强了壁上的曳力，而这通常被认为对有效操作具有负面影响。但是，我们可利用该影响作为一种替代方式，以通过将在工作流体与固壁之间的接触表面所产生的粘性力转化成围绕流体的管道的旋转运动来提取动力。
燃烧室的最近构造可提供超音速流出条件(爆震型发动机和超燃冲压发动机燃烧器)。但是，由这样的极端输出条件强加的热-机械约束阻碍了传统叶片式涡轮的实施。尽管如此，可用的切向剪应力提供了由旋转的环形管道有效提取这些力来实施本发明的机会。该概念设计将更轻、更简单、并更容易清洁。考虑到在叶片式机械中，压缩机质量流量的相当大一部分被转移用于冷却/清理叶片本身的目的，因此本发明将大量地减少冷却剂，这能够提高发动机性能、并减少排放。
本发明还涉及包括超音速/跨音速涡轮级的喷气式发动机和燃气轮机，以及涉及由这些燃气轮机或喷气式发动机提供动力的运载工具(比如飞机或船舶)、发电厂和气体管道泵站。
特别地，本发明涉及一种轴向流体机械，用于从工作流体提取机械动力，所述轴向流体机械包括同心环形管道，其中所述工作流体在进入口注入、行进通过由内壁和外壁限定的所述同心环形管道，所述工作流体具有至少一个轴向速度分量和一个切向速度分量，其中粘性相互作用排它地发生在所述工作流体与所述内壁和所述外壁之间，其中所述粘性相互作用负责产生粘性的曳力，其中由于所述内端壁和/或所述外端壁的旋转运动，曳力的切向分量被转换成转矩，然后工作流体通过出口/排出口离开所述轴向流体机械。
所述工作流体是(例如)：等离子体，气体，液体或它们的多相组合。
有利地是，所述内壁和所述外壁具有光滑的表面或表面为粗糙的(分布式或局部化)、多孔的、涟漪状的、波浪状的或它们的多相组合，这改变了在所述工作流体与所述内壁和所述外壁之间的所述粘性相互作用。
根据本发明的一个特定实施例，所述工作流体具有依赖于时间或不依赖于时间的热-气动特性，所述热-气动特性改变在所述工作流体与所述内壁和所述外壁之间的所述粘性相互作用。特别地，行为稳定或不稳定的激波将在转子表面、内壁和/或外壁处与边界层相互作用。因此，这些激波改变了工作流体与各壁或转子表面的粘性相互作用。
所述内壁和/或所述外壁优选地连接到轴上。
所述内壁和/或所述外壁以有利的方式沿切向的粘性曳力分量的方向转动，其中所述内壁和/或所述外壁的速度低于所述工作流体的切向速度分量。
本发明还涉及一种用于从工作流体提取动力的方法，其中工作流体在壁上的运动发展出摩擦力，所述摩擦力负责产生被传递到至少一个轴上的转矩。
在本方法中，在所述工作流体中存在激波(418)有利地增强了在所述工作流体与所述壁之间的粘性相互作用。
在本发明的一个特定实施例中，燃烧在旋转壁中产生。
本发明还涉及喷气式/火箭发动机，其包括爆燃和/或爆震型的亚音速和/或超音速燃烧器。
在本发明的一个特定应用中，轴向流体机械被集成到能量生产系统中，所述能量生产系统包括爆燃和/或爆震型的亚音速和/或超音速燃烧器。
本发明的其它细节和特定特征从所附权利要求和从以下描述中显露出来。
附图说明
图1示意性地示出了现有技术的超音速涡轮子午横截面，包括一组安装在转子上和扩张横截面上的转子叶片；
图2示意性地示出了在现有技术的超音速涡轮转子中的暴露于超音速流场的一组转子叶片以及前缘和后缘激波的生成；
图3示意性地示出了根据本发明的轴向流体机械的第一实施例，其中，图1的扩张流动通道的横截面包括自由转动的下壁；
图4示意性地示出了根据本发明的轴向流体机械的第二实施例，具有旋转的内壁部分，流体可以在所述旋转的内壁部分上施加具有轴向和切向分量的粘性曳力；
图5示意性地示出了根据本发明的轴向流体机械的第三实施例，其中，轴向流体机械流动通道的横截面包括由流体力驱动的自由转动的下壁和上壁。
具体实施方式
现有技术的轴向涡轮级的一个例子在图1中示出。在该涡轮中，从上游段101来的流体转向通过环形上游部分102的轮廓段。流体行进通过多个异形的叶片103，在叶片103上产生升力并导致转子104围绕轴105的旋转运动。该运动通过轴105的旋转转变成轴动力。离开涡轮叶片通道的流体继续行进通过轮廓的环形部的下游部分106。
图2示意性地示出了在图1所示的横截面107处的、围绕暴露于超音速流中的所述现有技术的轴向涡轮级的流场。以超音速沿着流动路径201行进的流体进入转子叶片208之间的流动通道。因叶片所施加的阻塞效应，在所述叶片208的前缘产生两个激波202和203。流体的总压力在跨过所述激波202和203时降低。激波202和203传播到通道中、冲击在叶片表面204和205上并产生被反射的激波206和207并且被反射的激波206和207进一步向下游传播。所述激波202和203的所述冲击导致边界层扰动和所述流体与所述叶片表面204和205的分离。所述分离导致压力损失和在所述流动路径201上的阻塞，其导致流动通道的堵塞。所述激波202、203、206和207的积聚效应导致暴露于超音速流中的现有技术的轴向涡轮级的效率严重下降。
图3示出了根据本发明的轴向流体机械的第一实施例的横截面视图，其组装于高速轴对称的推进发动机中。当工作流体在发动机的环形入口301处进入发动机时，工作流体被相对于发动机轴线304具有较小半径的同心壁302和具有较大半径的第二同心壁303限制。然后，工作流体沿轴向(平行于发动机的轴线(z方向))进入燃烧器305，在那里热量被加到流体上。在燃烧过程中，可以给流体提供一定量的围绕轴线304的旋转运动。该旋转的特征在于有至少两个速度分量：一个平行于轴线304(z方向)而另一个垂直于轴线304(θ方向)。特殊的燃烧器构造在燃烧器的出口处提供具有若干激波的超音速速度，所述激波跟随着流体围绕轴线304的旋转运动。速度的大小和方向可与时间有关，从而将不稳定特性施加给流体。于是，所述工作流体通过与内壁308的接触而与本发明相互作用。该环形部分的内壁308被组合到转子306中，其中转子表面提供围绕轴线304的旋转自由度。垂直于轴线304的切向速度分量(θ方向)将切向摩擦力施加在较小半径的壁308上(尤其是施加在转子表面上)，这导致转子306的旋转。该动量产生被传递到轴309的动力。在区段308中的、特别是转子表面的各壁的设计可以是凹的、凸的、直的或它们的组合。
作为实施例的第二形式，图4示出了根据本发明的限定轴向流体机械的同心环形管道。该管道可适用于输送某种流体，所述流体可为等离子体、气体、液体或它们的多相组合，从而提供产生动力的优势。具有速度420的涡旋流体流在入口段401处进入轴向机械，其具有可以大于本地音速的轴向速度分量402，以及由403表示的一定的切向流动分量。该入流切向分量403的大小取决于从轴向方向402所测量的绝对入口流动角404、并且取决于入流轴向分量402的大小。然后，流体沿着由内壁408和外壁409所界定的轴向机械行进，并通过出口段410离开管道。在图4的实施例中，内壁和外壁均轴向布置并且管道沿着轴向流体机械的长度411保持恒定的环形横截面。因此，内壁由小于外壁半径413的恒定半径412限定。在形成转子表面的内壁408围绕其对称的轴线414旋转的情况中，在所述涡旋流体流与形成转子表面的该旋转壁之间的相对运动导致产生粘性剪应力415，从而将能量提供至所述旋转壁。剪应力具有轴向分量416和沿着壁的旋转方向419的切向分量417。切向分量417在旋转壁408上产生切向的剪切曳力。所述剪切曳力产生围绕轴向流体机械的旋转轴414的转矩，使得能够从本实施例提取动力。此外，所述涡旋流体流可以在管道内呈现激波模式418，其沿着轴向和切向方向移动，从而进一步增强在壁408和409上的切向剪切力的发展。
图5示意性地示出了根据本发明的轴向流体机械的第三实施例的详细的横截面视图。流体在环形段508中以至少两个速度分量(一个垂直于机械的轴线503(θ方向)而另一个平行于机械的轴线503(z方向))进入机械。轴向流体机械包括具有围绕旋转轴线503自由旋转的转子表面的下壁501。由于沿θ方向且垂直于机械的轴线503的速度分量，该构造使得能够从流体提取切向力。因旋转运动而产生的转矩通过连接转子504传递到轴505。本实施例能够通过使用在上壁502中的、围绕轴线503自由旋转的转子表面附加地或排它地从工作流体提取动力。由于在所述上壁502中的转子表面的旋转运动所导致的转矩由连接元件507传递到轴506上。导致产生动力的在壁501和502上(尤其是在各转子表面中)的曳力能够通过在所述壁的表面上的分布式或局部化的粗糙度而得到增强。此外，多孔的、涟漪状的或波浪状的表面可以有助于改善在所述工作流体与所述壁之间的粘性相互作用。
在本发明的上述实施例中，轴向流体机械优选包括燃烧器，所述燃烧器位于所述转子表面上游的环形管道中。通过该燃烧器的存在，热量被添加到工作流体中，从而使流体膨胀。
如果需要，这种燃烧器可以包括用于将燃料喷射到工作流体中的喷射器。另外，用于工作流体(其可能包含所述燃料)的点火系统优选地存在于所述转子表面的上游，用于启动工作流体或所述燃料的燃烧。合适的点火系统对本领域技术人员来说是熟知的。
此外，环形管道的横截面可以是恒定的(比如图4和图5所示出的)，环形管道的横截面也可以是扩张或收缩的。如图3所示，环形管道的横截面能够逐渐收缩直至燃烧器305，并且从该燃烧器向下游扩张。扩张的横截面允许(例如)工作流体膨胀。

Claims (17)

1.一种轴向流体机械，所述轴向流体机械从以超音速运动的工作流体中提取动力以便驱动轴，所述轴向流体机械包括：
-具有中心轴线的环形管道，所述环形管道由内壁(308，408，501)和同心的外壁(409，502)限定，在所述管道的第一端部处具有用于注入所述工作流体的进入口(301，401，508)并且在所述管道的相对端部处具有排出口(410)；
-至少一个转子，所述至少一个转子与所述环形管道同轴并具有转子表面，所述转子表面与所述内壁或所述外壁大致齐平，使得所述内壁或所述外壁至少部分地由所述转子表面形成，其中，所述转子操作地连接到轴上，用于将旋转运动传递到该轴上；
其中，自由空间在所述转子表面与所述环形管道的相对的内壁或外壁之间的距离的至少75％上延伸，
其特征在于，所述转子表面是无叶片的，
其中，所述进入口(301，401，508)存在用于所述工作流体的流动方向，所述流动方向至少主要地平行于所述中心轴线延伸，其中所述进入口(301，401，508)直接通向所述环形管道，
其中，在所述转子表面的上游，所述环形管道至少包括用于燃料的喷射器和用于启动包括所述燃料的工作流体的燃烧的点火系统。
2.如权利要求1所述的轴向流体机械，其中，所述进入口(301，401，508)具有环形的横截面、并且直接连接至所述环形管道，其中所述进入口(301，401，508)与所述环形管道同轴。
3.如权利要求1或2所述的轴向流体机械，其中，所述转子表面具有表面纹理，所述表面纹理是光滑的、分布式或局部化粗糙的、多孔的、涟漪状的、波浪状的或这些表面纹理的任意组合，以便改变在所述工作流体与所述转子表面之间的粘性相互作用。
4.如权利要求1或2所述的轴向流体机械，其中，所述转子表面设置在所述环形管道的所述外壁中，其中，所述转子表面的自由侧面向所述内壁。
5.如权利要求1或2所述的轴向流体机械，其中，所述转子表面设置在所述环形管道的所述内壁中，其中所述转子表面的自由侧面向所述外壁。
6.如权利要求1或2所述的轴向流体机械，其中，至少设置第一转子，所述第一转子具有沿着所述内壁延伸的转子表面，并且其中至少设置第二转子，所述第二转子具有沿着所述外壁延伸的转子表面。
7.如权利要求1或2所述的轴向流体机械，其中，所述轴向流体机械被集成到喷气式发动机和/或火箭发动机中，所述喷气式发动机和/或火箭发动机包括具有爆燃和/或爆震的亚音速和/或超音速燃烧器。
8.如权利要求1或2所述的轴向流体机械，其中，所述轴向流体机械被集成到能量生产系统中，所述能量生产系统包括具有爆燃和/或爆震的亚音速和/或超音速燃烧器。
9.一种用于从工作流体中提取动力的方法，其中，工作流体的流动通过具有中心轴线的环形管道产生，所述工作流体沿着所述环形管道的轴线方向在所述环形管道的内壁与同心的外壁之间从进入口朝着排出口流动，
所述流动至少具有切向速度分量和沿着所述轴线方向的轴向速度分量，其中当所述工作流体行进通过所述环形管道时，粘性相互作用发生在所述工作流体与至少一个转子表面之间，所述至少一个转子表面与所述内壁和/或所述外壁平齐地延伸，
其中，当所述工作流体行进通过所述环形管道时，所述粘性相互作用在所述转子表面上产生粘性曳力，使得所述切向速度分量转变成所述转子表面围绕所述中心轴线的旋转运动，
其中，激波(418)产生于所述工作流体中，以便增强在所述工作流体与所述转子表面之间的粘性相互作用，
其中，所述工作流体随后通过所述排出口离开所述环形管道，
其中，至少一个驱动轴由所述转子表面的旋转运动提供动力。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述轴向速度分量大于所述切向速度分量。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中，所述工作流体以超音速行进通过所述环形管道。
12.如权利要求9或10所述的方法，其中，所述工作流体是等离子体、气体、液体或它们的多相组合。
13.如权利要求9或10所述的方法，其中，具有切向速度分量的所述工作流体产生切向的粘性曳力分量(417)，所述粘性曳力分量作用于所述转子表面上，使得所述转子表面以小于所述工作流体的切向速度分量(403)的切向速度旋转。
14.如权利要求9或10所述的方法，其中，所述工作流体流过所述转子表面，以便在所述转子表面与所述工作流体之间发展出摩擦力，以便产生被传递至所述驱动轴的转矩。
15.如权利要求9或10所述的方法，其中，所述工作流体的燃烧(305)产生在所述环形管道内。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述工作流体的燃烧(305)产生在所述转子表面与相对的内壁或外壁之间。
17.如权利要求15所述的方法，其中，所述燃烧在所述转子表面的上游启动。
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