CN110249113B - 高温陶瓷旋转涡轮机械 - Google Patents

Abstract

本公开总体涉及旋转涡轮机械方法和需要高能效的集成方法。在一个实施例中，本发明涉及轮辋转子配置，其能够在高温或抗氧化性或饱和流体磨蚀的条件下长期有效。

Description

高温陶瓷旋转涡轮机械

相关申请的交叉引用

该专利申请要求于2015年5月25日提交的标题为“高G场燃烧(High G-fieldCombustion)”的美国临时专利申请号62/166124和2016年5月25日提交的标题为“高G场燃烧(High G-field Combustion)”的美国专利申请号15/164642的优先权。

技术领域

本发明涉及轮辋转子涡轮机械，其中燃烧过程主要在高g场力下发生，并且涡轮机由复合材料径向支撑，该复合材料包括碳、用陶瓷的加强轮辋转子。这两种技术都能够升高温度，包括在回收的布雷顿循环(Brayton cycle)中实现高效率，同时保持低NOx水平。涡轮机械非常适用于压缩和/或膨胀，其中存在与任何整体燃烧过程/方法，特别是本发明的高g场燃烧无关的高温、高氧或其他易燃流体和/或产生磨损的高度饱和流体的恶劣条件。

背景技术

由于包括全球变暖问题、化石燃料可用性和环境影响、原油价格和可用性问题的各种因素，必须开发具有或不具有发电方法的替代燃烧器以减少二氧化碳(CO2)和氮氧化物(NOx)排放。

当考虑诸如回收的布雷顿循环的发电循环时，在本领域中认识到，提高循环效率需要升高燃烧温度，但是还已知升高燃烧温度伴随着增加的挑战：将NOx排放维持在环境需求以下。典型的燃气涡轮机使用贫燃预混燃烧来最小化燃烧器内的最大火焰温度，从而减少NOx排放。然而，对于回收循环，这些燃烧器限于低于燃料-空气混合物的自燃温度的空气预热温度以避免不稳定性，这可能最终导致燃烧器的灾难性故障。因此，贫燃预混燃烧器被限制在较低的回收循环温度、较低的循环效率和较高的二氧化碳排放。

移动应用需要是紧凑的、最小的重量和体积。

此外，提高回收布雷顿循环温度的另一个挑战在于涡轮机本身，其中典型的合金需要大量冷却以能够承受高气体温度。对于小型涡轮机(<1MW)来说，这更具挑战性，因为薄膜冷却非常难以实施，并且显着降低了循环效率。已经尝试将诸如氮化硅和碳化硅的陶瓷用于燃气涡轮机，因为这些材料可以承受非常高的温度，但是它们由于自身的脆性而显示出可靠性问题。已经进行了先前的尝试以构建包含在轮辋转子中的陶瓷涡轮机，例如美国专利第4017209号，但是没有提出用于复合轮辋转子的可行的冷却解决方案，其受到碳-聚合物复合材料的玻璃化转变或碳-碳复合材料的氧化的限制。在这种特殊情况下，冷却空气通过超过1200℃的长细叶片，这意味着空气不可避免地被预热，因此，除非使用大量质量流量，否则不能对具有250-350℃的最大操作温度的复合轮辋转子进行任何有意义的冷却，使得该方法对于高效应用来说是无用的。这些尝试也仅限于纯轴向涡轮机设计，它们没有充分利用可用于允许反向径向、轴向或混流式配置的无轮毂设计的轮辋转子，该配置通过将热气体保持在涡轮机叶轮的单个侧面上来优化发动机包装的温度分布，从而分离结构和热环路。

此外，在考虑轮辋转子机械时，将轮辋转子的大位移与刚性轮毂的小位移相匹配存在重大挑战。轮辋转子还需要与热燃烧气体隔热，其中陶瓷由于其低导电性和耐高温性而成为候选材料。现有技术存在示出设计和构造用于轮辋转子机械的柔性、柔顺轮毂以及用于轮辋转子的热保护层的尝试。该现有技术中的一些仅限于没有实验验证的概念设计(GE，Stoffer 1979)，或实验验证期间的部件失效(R.Kochendorfer 1980)。这些设计由于在周向应力下的陶瓷部件的拉伸负载而失效，因此不适当地使用轮辋转子设计来减小或甚至消除拉伸应力。

因此，需要一种紧凑的低NOx燃烧器，其可在高空气预热温度下操作而没有不稳定性或故障的风险并可用于工业(熔炉、加热器)和动力应用，诸如分布式CHP、航空航天和汽车应用。为了在动力应用中获得最大效率和排放效益，该燃烧器需要与轮辋转子陶瓷涡轮机械一起使用，从而允许高燃烧温度，从而实现高循环效率。

发明内容

在第一方面，本发明提供了一种高g场燃烧器，其实施例可以是静态的、旋转的或另外的加速参考系。燃烧器包括燃料喷射部位、火焰保持(或火焰稳定)装置、点燃燃料-空气混合物的装置和产生高g场的装置。

在第二方面，本发明提供一种燃气涡轮机配置，其使用轮辋转子配置以允许在压力下使用陶瓷。轮辋转子涡轮机包括高强度复合轮辋转子、陶瓷或高温绝缘层、陶瓷或高温合金空气动力叶片，以及径向柔性轮毂。

根据一个实施例，提供了一种轮辋转子涡轮机旋转组件，包括：适于安装或连接到旋转轴的轮毂；轮辋转子；多个叶片，该多个叶片中的每个叶片接触轮辋转子，多个叶片中的每个叶片通过与轮毂的滑动接触可操作地连接到轮毂，从而允许叶片和轮毂之间的至少径向运动以补偿离心负载下的轮辋转子径向变形；其中叶片是陶瓷叶片。

此外，根据该实施例，叶片例如是轴流式叶片，其中流体流动大致轴向进入并且大致轴向地离开。

更进一步根据该实施例，叶片例如是径向流动叶片，其中流体流大致径向地进入并且大致轴向地在与流体流进入的相同侧上离开。

更进一步根据该实施例，流体流以离轮辋转子的径向平面5至45度的角大致径向地进入。

更进一步根据该实施例，滑动接触比如由轮毂和叶片之间的互补滑动表面限定，其中互补滑动表面在径向-轴向平面中与旋转轴线成比如包括15到75度的角。

更进一步根据该实施例，互补滑动表面比如在径向-轴向平面中与旋转轴线成35度角。

更进一步根据该实施例，至少两个叶片比如一起连接成单个部件，该单个部件具有用于至少两个翼面的共同内护罩和共同根部。

更进一步根据该实施例，叶片根部的形状互补地匹配比如轮毂表面的形状，以形成产生滑动接触的互补的凸凹接合。

更进一步根据该实施例，叶片根部形状的形状比如是矩形、椭圆形、燕尾形和枞树形中的一种。

更进一步根据该实施例，至少一个弹簧偏置比如多个叶片抵靠轮辋转子与轮毂滑动接触。

更进一步根据该实施例，至少一个弹簧在其根部处在叶片上施加比如至少一个接触力。

更进一步根据该实施例，至少一个弹簧比如在叶片上施加大致垂直于旋转轴线的力，该至少一个弹簧在每个叶片的径向下方。

更进一步根据该实施例，接触力比如通过至少一个弹簧在其尖端处施加在叶片上。

更进一步根据该实施例，至少一个弹簧包括比如多个弹簧，每个弹簧在相应的一个叶片上施加独立的偏置力。

更进一步根据该实施例，至少一个弹簧比如是片簧、盘状弹簧、螺旋弹簧、缠绕弹簧、空气弹簧和指状内盖簧中的至少一种。

更进一步根据该实施例，绝缘材料比如在至少一个弹簧和叶片之间。

更进一步根据该实施例，绝缘材料比如是陶瓷涂层、低导电率陶瓷垫或陶瓷球中的一种。

更进一步根据该实施例，通过使用弹簧头上的径向离心力在叶片上提供轴向接触力，通过将弹簧头定位成比轴上的弹簧附接点离轮毂更远来将径向离心力转换成轴向力。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种旋转涡轮机，其包括具有轮辋转子半径的轮辋转子、叶片安装组件和径向-轴向平面中的轴，由此轮辋转子具有径向变形，由此叶片安装组件包括：至少两个叶片、至少两个叶片根部和填充轮毂，由此叶片安装组件在操作期间能够实现至少两个叶片根部和填充轮毂之间的相对运动，其中至少两个叶片到轮辋转子的径向变形的径向位移量为1微米。

附图说明

图1是示出高g场燃烧器的操作原理的示意图。

图2是旋转高g场燃烧器的实施例的剖视图，该燃烧器使用轮辋转子来支撑所需的多个火焰保持器。

图3是示出在静态或旋转配置中的高g场燃烧器内可能的多个燃料喷射点的示意图。

图4是示出如何在高g场燃烧器内或仅部分地在高g场燃烧器内完全燃烧并且在压力膨胀装置中完全完成燃烧反应的其余部分以实现等温膨胀的示意图。

图5是静态高g场燃烧器的示意图。

图6是用于燃气涡轮机应用的高g场燃烧器的可能实施例的示意图，其中高g场燃烧器的曲率半径可以不同于涡轮的半径，允许流速和g场的最佳配置。

图7是与涡轮机一起使用的高g场燃烧器的示意性剖视图。

图8是CFD结果，其示出在提供给100000g的大g场的通道中的以ppm为单位的NOx浓度等值线，其中燃料从顶部喷射入1000K流的热空气中并且在通道内进行完全燃烧。

图9是CFD结果，其示出在提供给100000g的大g场的通道中以开氏温度为单位的温度等值线，其中燃料从顶部喷射入1000K流的热空气中并且在通道内进行完全燃烧。

图10是CFD结果，其示出在提供给10000g的小g场的通道中以ppm为单位的NOx浓度，其中燃料从顶部喷射入1000K流的热空气中并且仅在通道内进行部分燃烧。

图11是CFD结果，其示出在提供给10000g的小g场的通道中以开氏温度为单位的温度等值线，其中燃料从顶部喷射入1000K流的热空气中并且仅在通道内进行部分燃烧。

图12是用于高辐射应用的高g-燃烧器的实施例。

图13是旋转高g场燃烧器的示意图，其中定子导向叶片可以单独关闭以控制到旋转燃烧器的质量流率。

图14是旋转高g场燃烧器的示意图，其中定子导向叶片可以单独定向以控制流向旋转燃烧器的流动的切向速度。

图15是将静态高g场燃烧器与陶瓷轮辋转子涡轮机组合的实施例。

图16是使用轮辋转子、反向通量绝缘基板、陶瓷叶片、和柔顺轮毂的轮辋转子涡轮机的实施例。

图17是由不同冷却通道配置组成的反通量绝缘基板的示意图。

图18是可以使用增材制造方法制造的不同反向通量绝缘基板的实施例。

图19是使用轮辋转子、绝缘基板、在根部下方具有滑动平面的陶瓷叶片、匹配滑动平面轮毂、和弹簧质量保持器的轮辋转子涡轮机的实施例。

图20是使用轮辋转子、绝缘基板、在根部下方具有滑动平面的陶瓷叶片、匹配滑动平面轮毂、和弹簧负载的保持器的轮辋转子涡轮机的实施例。

图21是滑动平面轮毂的叶片根部几何形状的变型，包括燕尾形、矩形、椭圆形、枞树形。

图22是使用轮辋转子、绝缘基板、在凸根部(销)下方具有销和插座相对运动的陶瓷叶片以及轮毂中的凹插座(插口)的轮辋转子涡轮机的实施例。

图23是各种轮辋转子涡轮机配置的示意图，其将热燃烧气体与关键的涡轮机部件(轴、轴承)隔离，基本上允许“无轮毂”涡轮机。

图24是反向混流式配置的轮辋转子涡轮机的实施例，该涡轮机使用分离叶片的外部段和单个部分中的内部段，其中轮辋转子通过具有径向柔顺弹簧阵列的轮毂与轴进行结构连通。

图25是反向混流式配置的轮辋转子涡轮机的实施例，该涡轮机使用分离叶片的外部段和单个部分中的内部段，其中轮辋转子通过由正交各向异性材料制成的薄轮毂与轴进行结构连通。

图26是反向混流式配置的轮辋转子涡轮机的实施例，该涡轮机使用分离叶片的外部段和单个部分中的内部段，其中轮辋转子通过由后弹簧机构与滑动平面接触保持接触的叶片来与内部段进行结构连通。

图27是外部段叶片的变型，其中它被分成绝缘基板、后壁流动引导件和叶片。

图28是可以与反向混流式涡轮机一起使用的混流式涡轮机入口速度三角形。

图29是高度紧凑的涡轮机设计，其中离心式压缩机与反向混流式涡轮机背对背地安装。

图30是图19的轮辋转子的概念的示意图。

图31是图26的轮辋转子的概念的示意图。

图32是图24至图25的轮辋转子的概念的示意图。

图33是图22的轮辋转子的概念的示意图。

图34是图24至图25的轮辋转子的概念的示意图。

具体实施方式

燃烧反应中的传统火焰传播机制由湍流混合、反应物和产物之间的浮力以及物质扩散驱动。在正常的低g场条件下，浮力非常小并且对火焰传播没有显着贡献。然而，在高g场(在大于10000g的g场的最小实施例中，其中浮力获得有意义的混合，并且在大于100000g的g场的优选实施例中，其中浮力占优势)下，燃烧产物和反应物(或燃料和空气)之间的浮力通过大大增加流体之间的Rayleigh-Taylor不稳定性而让火焰传播机制占主导地位，改善了产物和反应物之间的混合，从而提高了热释放速率。高g场是快速混合、反应距离短和停留时间短的关键因素。此外，预期高g场旋转燃烧器对小型涡轮机械(<1MW)最有利，因为对于给定的涡轮机尖端速度，g场与机器半径成反比。针对10cm规模的涡轮机形成100000g的g场，而针对10mm规模的涡轮机则形成超过1000000g的g场。

传统的涡轮机通常使用内部支撑的叶片，即在其根部处支撑的叶片，该叶片连接到直径小于叶片根部半径的轮毂。由于在旋转期间发生的离心力，这种配置导致叶片在拉伸应力下被加载，这限制了叶片由具有高拉伸强度的材料制成。这些材料通常是限于相对低温的金属合金。诸如陶瓷之类的高温材料由于其低拉伸强度和高脆性而不能用于传统涡轮机中：叶片中存在的任何小裂纹将由于叶片的拉伸负载而快速增长并导致涡轮机的故障。为了提高回收的布雷顿循环的效率，希望将涡轮机入口温度增加到显着高于金属合金的最大可允许叶片温度的水平。传统的涡轮机可以通过使用叶片冷却策略来实现这一点，但是制造困难和效率损失限制了将它用于大型涡轮机(>1MW)。对于小型涡轮机，增加涡轮机入口温度的唯一可行方法是使用陶瓷叶片，这只能通过将叶片保持在其外半径上而使用轮辋转子涡轮机，叶片受压缩，从而抑制陶瓷中的裂纹增长。轮辋转子涡轮机因此极大地增加了陶瓷叶片的可靠性，这允许增加涡轮机入口温度而不增加叶片冷却的复杂性和成本。

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。

图1描绘了高g场燃烧器，其中燃烧反应由离心加速场和燃烧产物101与预混合反应物102之间的密度差引起的浮力驱动。g场还可以用于混合空气158和燃料157，以在点火之前获得均匀的反应物混合物102：可以在内半径上喷射比空气重的燃料，在外半径上喷射更轻的燃料以引起混合。高g场是快速混合、反应距离短和停留时间短的关键因素。在使用燃烧器的各种情况下，存在冷的和高度预热的空气入口情况。对于冷空气入口(低于燃料自燃温度)，非预混合和预混合燃烧都需要火焰保持装置103和点火装置，该点火装置可以在g场159内或在g场195外部。现有技术(US2014/0290259A1)已经示出可以使用点火装置，诸如电热塞、火花塞、火花或引燃火焰。对于热空气入口(高于燃料自燃温度)，仅可以进行非预混合燃烧，并且不需要火焰保持装置103或燃烧器内的内部点火装置159。当使用热交换器预热来自排气的燃烧空气时，火焰保持装置103和内部点火装置159可以可选地用于启动模式，直到温度超过燃料自燃温度。

图2是处于旋转配置108中的高g场燃烧器的实施例。通过围绕轴旋转燃烧器来施加g场，从而将较重的反应物102或空气158从旋转轴向外驱动，并将热燃烧产物101或燃料157从旋转轴向内驱动。相对于g场方向，诸如上火焰保持器104、竖直火焰保持器105和下火焰保持器106的多个火焰保持装置可用于稳定燃烧器内的火焰。旋转燃烧器108可与预混冷空气入口、非预混冷空气入口或非预混热空气入口一起操作，针对非预混配置的燃料喷射恰好在旋转框架之前或之内发生。

燃烧器内的化学反应的位置可以通过在主燃烧器的每个流动通道中小心地放置多个喷射点来成形。图3示出了多个位置场景，包括：A)旋转燃烧器内的喷射点(例如，来自叶片表面112、来自护罩113内表面114、来自火焰保持器103或来自轮毂115外表面116，其中燃料从轮毂或护罩转移到旋转框架)；B)静态入口和旋转燃烧器之间的界面或间隙117内的喷射点，或C)喷射点位于静态入口118内或位于通道壁中的孔119的静态入口的前面。本发明的高g场轮辋转子是能够从护罩侧喷射燃料的唯一配置，这有利于高g场燃烧，因为燃烧产物101将自然地流过主流。优选地，大部分燃烧在旋转框架108中完成，以限制与高速流动相关的Rayleigh压力损失。轮毂和轴可以是一体件。

图4示出了可用于设计旋转燃烧器108的两个实施例：A)燃烧可仅在燃烧器108中在恒定压力下发生，或B)燃烧可以在燃烧器108中启动和稳定，并且可以在膨胀装置(诸如涡轮机120)中的压力膨胀期间“连续地”发生，其中通过轴动力提取功。可以理解，“连续”燃烧是指至少1％的燃烧与膨胀同时发生，但优选连续燃烧是至少15％的燃烧与膨胀同时发生，特别优选的是连续燃烧是至少50％的燃烧与膨胀同时发生，特别优选的是连续燃烧是至少90％的燃烧与膨胀同时发生。绝对最佳配置是100％的燃烧与膨胀同时发生，以实现完全/全面等温膨胀，以实现轴功率装置的最高热力学效率。

图5描绘了静态107配置中的高g场燃烧器。反应物102或空气159进入燃烧室并由于燃烧室的曲率而受到离心加速。位于曲率中的向外定位的火焰保持器103因此在g场中用于在预混燃烧的情况下稳定火焰。对于非预混燃烧，燃料喷射157在g场内完成而没有火焰保持器(或任选地仅具有火焰保持器作为引导火焰保持器或用于增强火焰稳定性)。较冷、较致密的反应物102被驱向通道的外半径，而较热、较不致密的燃烧产物101被向内驱动。静态配置可以与冷空气或预混合入口或热空气入口一起操作。对于冷进气，可以使用诸如火花塞的内部点火装置159来点燃混合物。对于热进气，点火装置159可以可选地在启动模式期间使用。

图6是静态高g场燃烧器128的实施例，其中通过围绕垂直于入口/出口流动轴130的轴129转动该流而在非旋转参考系中产生g场，后者也是燃烧室出口处涡轮机械的旋转轴。类似燃烧器的先前尝试限于打旋型燃烧器，其使用围绕涡轮机旋转轴线缠绕的通道，使得通道和涡轮机基本上具有相同的半径并且是同心的。这限制了可用于燃烧器的曲率半径，并导致速度、压力损失和g数的次优组合。可以绘制一阶模型以说明该次优操作。静态g场燃烧器r_c的曲率半径取决于流量马赫数、入口温度T_in和期望的加速度a，使得

其中R和γ是气体属性。当设计理想的设计参数时，例如M<0.3和>100000g的优选设计值，以及固定的入口温度T_in，发现诸如在现有技术中，曲率半径与涡轮机半径无关。因此，现有技术设计通过将半径约束为等于涡轮机的半径来暗示次优解决方案。图6的实施例允许对高g-燃烧器和涡轮机使用不同的流动半径。涡轮半径与燃烧器半径的优选比率大于2，特别优选的涡轮半径与燃烧器半径的比率大于5，并且特别优选的比率大于10。涡轮机械的较高额定功率产生较高的涡轮半径与燃烧器半径比。

图7示出了静态g场燃烧器107的优选实施例的剖视图。为了在静态燃烧室中产生高g场，优选的是具有小半径而不是增加速度以限制Fanno和Rayleigh损失。优选燃烧室109的半径总是等于涡轮机111的半径110或比涡轮机111的半径110优选小至少10％。

图8和图9示出了在100000g的g场下甲烷非预混燃烧的CFD分析结果。图8中示出了以ppm为单位的NOx浓度，而图9中示出了以开氏温度为单位的温度等值线。在模拟中，g-场作为重力施加在参考系上，并且燃料喷射在1000K的热空气中进行，以在整个贫燃条件下实现非预混燃烧。结果表明，即使对于1600K以上的燃烧温度，由于非常好的混合导致在接近化学计量条件下的低停留时间，也实现了低于10ppm的非常低的NOx浓度。

参照图10和图11示出了在相同条件下但在10000g的较低g场下的CFD分析。结果表明，温度高于2000K，导致高于50ppm的高NOx浓度，这是由于混合不良和较低g场下的长反应长度导致在接近化学计量条件下的较长停留时间。高g场明显地使NOx浓度以及燃烧室紧凑性降低至少50％。本发明的优选实施例具有至少100000g的g场，以便具有短的燃烧距离和相应的低NOx排放。优选实施例还保持流量马赫数低于0.3，以便限制Fanno和Rayleigh损失。

高辐射燃烧过程将以燃烧室外部的发射辐射的形式发射燃烧能量。当高g场燃烧器用于工业应用时，优选高发射率(优选发射率大于30％，特别优选发射率大于70％，特别优选发射率大于85％)，包括：用于通过高辐射传热(例如钢、玻璃、水泥等)或固态能量转换(例如，热光电、热电、光伏等)组合中的更高效率可实现更高的生产量的高辐射过程或工业过程的顶循环或底循环。具有固态能量转换的独立高辐射和高g场燃烧器显着增加了发射能量，同时独特地限制了NOx形成的产生。应当理解，通过使用具有辐射透明材料的设计和/或通过提供无障碍路径来实现辐射/发射的能量。这种设计如图12所示，其中静态高g场燃烧器107具有允许高辐射燃烧的辐射透明容器131。

图13示出了通过阻挡定子118通道的数量来在负载和/或转速变化期间保持燃烧器性能(静态107和旋转108)的方法，其中目的是在当使用热空气燃烧器时的所有负载状况下保持预热空气温度高于燃料点火温度。对于至少一个燃烧器通道通路，可以用滑阀或蝶形阀121阻塞流动，优选地，所有通道通路可以单独地或共同地打开/关闭。这里的优点是燃烧器性能可以保持与负载无关，因为每个(或一组)燃烧器通路可以看到相对恒定的质量流率。这是高度紧凑的高g场燃烧器的关键发明特征。

图14示出了可用于改变定子118出口处的流动角动量的变距定子导向叶片122。燃料喷射系统由多个喷射点119组成，这些喷射点可以根据操作条件单独地或共同地作为用于流量调节的总燃料喷射点的子集来打开/关闭。优选的喷射点位置是：在压缩机和可选的换热器之后但在主燃烧室之前，在主燃烧室的每个燃烧器通道中有一个喷射点，最后在涡轮机之后但在换热器之前。在所有情况下，喷射器可以放置在弯曲的通道中，并受益于管道的自然曲率(例如换热器)以产生高g场。本发明的另一个关键特征是放置喷射器以提供用于温度控制的系统斜升和斜降的精确控制，以减轻关键部件(例如特别是由陶瓷材料制成的部件)上的抗热冲击性问题。应当理解，喷射器将包括点火器，诸如当未达到燃料的自燃温度时或改变高g场燃烧器内的温度分布。

图15示出了将高g场燃烧器128与陶瓷轮辋转子涡轮机械涡轮机111组合的系统，提供了具有高热力学效率能力的非常紧凑的系统。高g场燃烧器的短燃烧长度和高温轮辋转子涡轮机械涡轮机被保持在压缩负载下，在预燃烧和后膨胀之间形成非常短的气体路径，因此与传统燃烧器相比，热损失减少至少1％，其中该高温轮辋转子涡轮机械涡轮机由至少一个或多个复合环、至少两个叶片、反向通量绝缘基板和至少两个叶片组成。

图16示出了所提出的轮辋转子涡轮机械涡轮机111的构造，该涡轮机包括外部轮辋转子126及其环形主体、支撑护罩160、反向通量绝缘基板165和至少两个空气动力学叶片161，并通过径向-轴向平面163、164中的径向柔顺弹簧的相对阵列连接到轴。径向-轴向平面也称为子午面，并且是点、物体等的旋转轴线和径向轴线所在的平面。外部轮辋转子126可以根据在轴向轴线和/或径向轴线中的一个或多个复合环的布置而制成并且具有将至少两个叶片保持在压缩负载下的主要功能。径向柔顺轮毂163、164需要至少一个这种柔顺簧阵列，以便在所有轴上提供足够的刚度，以便动态稳定。至少两个叶片161通过至少一个旋转阵列的径向柔顺弹簧与轴物理连通，该径向柔顺弹簧包括在径向-轴向平面中的至少一个悬臂梁，由此至少两个径向柔顺弹簧在第一轴向位置处与至少两个叶片物理连通，并且在第二轴向位置处与轮毂物理连通，并且由此第一轴向位置与第二轴向位置不同，并且第二轴向位置距离轴的距离比第一轴向位置距离轴的距离多至少0.01英寸。径向柔顺通过径向-轴向平面中的悬臂梁的长度来调节。可以通过调整梁的厚度和轮廓来选择刚度，并且如果需要，可以添加第二组梁以大大增加组件的刚度。如果需要，第二组梁可以通过摩擦连接、永久连接或制成单件。在与叶片接触的弹簧超过其材料最高温度的情况下，在叶片162正下方提供冷却流的冷却特征是保持轮毂结构完整性的最有效方法。

轮辋转子126由反向通量绝缘基板165绝缘，物理上位于轮辋转子和至少两个叶片之间，以便将其温度保持在其最大操作温度以下。反向通量热绝缘基板由至少两个冷却通道组成，由此冷却流体循环，具有通道入口和通道出口，由此通道入口166的中心位于从轮辋转子内表面到通道入口的通道入口距离“D_I”173处，由此通道出口距离位于从轮辋转子内表面的通道出口距离“D_O+D_I”172处，由此通道入口距离比通道出口距离大至少0.010英寸。冷却通道还具有至少一部分通道，所述通道具有与径向轴线成+45°和-45°之间的角度的区段186。这种配置规定，至少一部分冷却流径向朝向旋转轴线(向内)，这与主温度梯度相反，因此抵抗通道壁中的主导导热通量(即，反向通量)。产生这种径向向内流动的装置在图17中示出。绝缘基板165具有至少一部分通道，其具有Z形通道174、U形通道177、微通道或微孔176、多孔材料构造178或这种布置。基底可以由金属(例如钛、超合金)、陶瓷(例如Si3N4、SiC、莫来石、Al2O3、SiO2、ZrO2)、陶瓷的混合物、陶瓷涂层或这些选择的混合物制成。超合金在本领域中称为具有几个关键特性的合金的高性能合金：优异的机械强度、耐热蠕变变形性、良好的表面稳定性和耐腐蚀性或抗氧化性。在使用多孔材料的情况下，需要开孔以允许冷却流向主气体路径循环。对于承受压缩负载的轮辋转子和叶片之间的材料，低孔隙率、在50质量％和80质量％之间是优选的。在绝缘基板不与叶片接触以减少基板质量的情况下，优选20至50质量％的更高孔隙率。基板最佳特征所需的复杂小尺寸包括特征尺寸在0.004和0.040英寸之间的冷却通道。优选的微孔尺寸为0.001至0.020英寸。

图18示出了实现增材制造的优点的设计示例。通过去除选定部段处的材料，由具有复杂径向向内流动通道180的连续整体材料环组成的绝缘基板提供了跟随轮辋转子圆周膨胀而不断裂所需的低周向刚度。该配置特别适用于增材制造(也称为3d打印制造并且可在全世界互换使用)，但也可以使用减法制造方法制造。该配置还在选定位置185处引入径向微孔。由至少一层具有复杂冷却通道的单独砖181制成的绝缘基板，该绝缘基板也可以通过增材制造或其他制造方法制造，在进行离心负载的同时防止反向通量热绝缘层由于轮辋转子周向膨胀。在具体的配置中，最佳的绝缘基板可以用与至少两个叶片相同的材料制成，因此绝缘基板砖或环可以通过包括焊接、铸造、加工、增材制造、扩散粘合或激光焊接在内的不同方法与至少一个叶片182直接制造在一起。在给定的特定配置中，重要的是在轮辋转子和绝缘基板之间引入支撑护罩160，以在基板特征和轮辋转子之间均匀地分配离心力，从而减小表面接触时的应力集中。支撑护罩160可以通过使至少一侧将具有强制锁定特征而为绝缘基板提供轴向约束。支撑护罩160还可以提供集成不同类型的密封件179的有效手段，因此在主流和冷却流入口之间具有密封功能，以避免热气被引导到冷却通道并且减少至少5％冷却流体在非冷却通道区域(即主气体路径)，特别是在绝缘基板由砖构成并具有切向断裂或间隙的配置中泄漏的量。另外，在给定的实施例中使用支撑护罩160，以在绝缘基板171的一个或多个出口的前面提供严格控制的轴向间隙，这提供了控制小冷却流的流速的有效手段。绝缘基板冷却通道出口和支撑护罩之间的间隙在0.002和0.020英寸之间，形成了对冷却流体流速提供了充分调节的流动区域。支撑护罩160可由一个或多个部件组成以完成其功能。

为了减少直接影响涡轮机械效率的冷却流，反向通量绝缘基板优于现有技术，其中仅使用轴向和切向冷却流的混合。在由聚合物基质中的碳纤维缠绕的轮辋转子的配置中，绝缘基板165的最大操作温度远大于轮辋转子126的最大操作温度，因此离开具有向内径向特征的绝缘基板的冷却流允许冷却流达到基板的最高温度并提取相当高的热量，极大地具有针对给定的流速的更高的热容量。现有技术的轴向和切向冷却流与轮辋转子126直接或间接热接触，直到将冷却流的温度限制到轮辋转子本身的最高温度的通道出口提取更少的热量，因此需要相当高的冷却流。此外，由于热流体和冷流体之间的密度差使得最冷的流体被送往冷却通道入口的高g场，冷却通道气流也是自稳定的，因此保护轮辋转子，而最热的液体被送往冷却通道出口。反向通量绝缘基板将所需的冷却流主流量从主流量的大约5％减小到小于主流量的1％，因此将至少20％的冷却流减少到最佳，且特别优选的是至少80％的冷却流减少。基于每1％用于冷却的主流的大约0.5点的循环效率损失，反向通量绝缘基板导致循环的效率增益为2+点，因此在特别优选的实施例中，将至少0.5％的循环效率增加到最佳的至少2.0％的循环效率。

除了增加热容量的益处之外，径向向内特征允许至少一部分冷却流用作蒸发冷却(优选50％，在特别优选的实施例中达到最佳100％)，在主气体路径和绝缘基板之间有效地喷射冷空气。这产生了薄膜冷却效果，其由绝缘基板的表面和热主流之间的冷空气绝缘层限定，以降低壁温并因此降低热通量。这种效果通常用在涡轮机叶片或静态护罩表面上，这些旋转框架不像在该实施例中那样在旋转框架中径向向内。高离心力与相对冷的喷射的冷却流与热主气流之间的密度差相结合，通过在冷热气体之间产生分层，在薄膜冷却层上提供了非常有益的稳定效果，从而限制混合到较低水平。这种较低的混合水平在绝缘基板内壁附近保持较冷的气体温度，因此减少了向绝缘基板和随后的径向向外的部件(即轮辋转子)的热传递。薄膜冷却本身以及由于高离心力导致薄膜冷却的稳定性是与轮辋转子现有技术的基本区别，以将热通量从主要气流隔离到轮辋转子并提供由绝缘基板要求的约50％的益处。此外，与冷却流入口进一步远离轮辋转子的配置(在现有技术中，从轮毂经过叶片)相比，利用在更接近轮辋转子的半径处的冷却流入口的本发明的蒸发冷却消除了涡轮机叶片内的80％以上的热应力梯度，该蒸发冷却在受到热冲击的陶瓷叶片中特别重要。

该实施例的另一个优点是能够设计冷却通道以将冷却流引导到较高的热通量区域的能力，该较高的热通量区域通常是叶片和绝缘基板184之间的接触表面。优选的是，引导到与叶片的接触表面热连接的通道的冷却流与总冷却流之间的比率的大小被设定为与来自叶片的传导和绝缘基板下的对流之间的热通量比相匹配。该配置的热通量比通常为50％，因此在叶片上引导的推荐冷却流比在35％和65％之间。然后，所有冷却流可以通过至少一个主通道(前(或入口侧)170)引导至后169(与前侧相对)，或者通过至少两个孔168径向引导至主流中。具体配置要求至少5％的总冷却流体通过位于绝缘基板内壁上的至少两个孔离开至少一个主通道。

还包括轮辋转子腔152、旋转主体和静态壳体的轮辋转子涡轮机的另一个实施例利用燃料或惰性气体来保护部件免受高温下的氧化降解。特别是当使用氧化敏感的轮辋转子材料，诸如碳纤维聚酰亚胺或碳-碳复合材料时。轮辋转子腔152填充有非氧化性气体，诸如惰性气体(氮气、氦气)或非氧化性燃料(例如氢气、甲烷、丙烷)，以限制/防止材料的氧化。燃料或惰性气体还将同时减少旋转部件的风阻力。具体地，轮辋转子126表面以高相对速度移动并且利用来自周围环境的流体产生摩擦阻力。阻力是气体密度的函数，因此用具有优选比空气低40％，并且特别优选地比空气(例如，甲烷、氦、氢)低90％的分子量的气体来填充轮辋转子腔154以最小化阻力。为了最小化阻力，无论腔是否包含空气或其他气体，使风阻力损失最小化的最佳径向和轴向间隙155在0.020至0.200英寸之间。实际间隙是在小间隙处的粘性损失与在大间隙处的湍流引起的损失之间的平衡。

功能性轮辋转子涡轮机的主要障碍是由于环形轮辋转子和承受高转速的经典现有技术填充轮毂之间的较大径向变形。轮辋转子的径向伸长率是1微米至轮辋转子内半径的2％，并且比填充的轮毂的径向伸长率大10至80倍，这取决于材料和精确几何形状。一种新颖的措施是允许叶片和轮毂之间的界面以受控的方式进行相对运动，以便允许叶片跟随轮辋转子的径向位移，同时保持叶片和轮毂之间足够刚性的连接以承受操作期间的动态作用。在超临界转子的情况下，轮毂组件在径向-轴向平面中的刚度至少是轴弯曲刚度的5倍，以确保由于轴刚度引起的模态振动不会激励轮毂部件。这具有将轮毂的柔韧性和强度要求解耦的优点。将柔韧性和强度解耦成两个部件还为轮毂提供了更好的材料选择，以抵抗与叶片根部的接触点处的高温，以及使柔性部件与叶片根部绝缘的可能性。

本公开还描述了多个轮辋转子涡轮机旋转组件配置，其中多个叶片通过与轮毂的滑动接触可操作地连接到轮毂。滑动接触允许径向运动并且还可以允许叶片和轮毂之间的轴向运动，以补偿在离心负载下的轮辋转子径向变形。在这些实施例中，叶片可以是陶瓷叶片，并且其质心可以在小于轮辋转子旋转半径的半径处，以使叶片径向移动而由于离心而与轮辋转子接触，而叶片保持与轮辋转子可操作地接触(即，无论接触是否是直接接触，轮辋转子都阻止叶片进一步径向向外移动)。参考图19至图34描述这些配置。

图19描绘了轴向轮辋转子涡轮机旋转组件111，其包括轮辋转子126、一组具有内护罩315和叶片根部316的至少2个叶片161、将叶片161对接到轮辋转子126的其余部分的绝缘基板303、轮毂305和弹簧质量保持器306。基板303可以存在于轮辋转子126中以释放叶片161的热量，但是可以设想使轮辋转子126没有基板303。图30示意性地示出了图19的轮辋转子涡轮机旋转组件111的概念。各个叶片161不像传统的燃气涡轮机叶片那样被轮毂保持，并且它们可以自由地径向移动以跟随轮辋转子在旋转下的径向膨胀401并且在其尖端处与轮辋转子或中间部件(即绝缘部件)保持径向接触。为了确保涡轮机在旋转下保持其完整性并将动力传递到连接到轮毂的涡轮机驱动轴，叶片必须以通过迫使叶片沿叶片根部316和轮毂槽底面317之间的滑动平面314移动而实现的高刚性与轮毂保持接触。滑动平面与涡轮机轴向轴线成角度，这导致基于其径向位移401的预选轴向叶片运动。最小角度312是基于叶片和轮毂材料之间的静摩擦系数，以确保叶片在速度下降时不会卡住。高角度312减小了在动态振动下保持高刚度所需的静摩擦。因此，取决于材料和刚性需要，15度和75度之间的角度是可能的，优选的值为35度，其提供足够的静摩擦余量，以在确保静摩擦足以避免由于不平衡力导致的滑动的同时避免在旋转速度下降时停止。为了保持叶片根部与滑动平面接触，可以在叶片上，优选地在叶片根部背面321上施加轴向力。该轴向力由与叶片根部接触的弹簧质量部件306和保持器部分308(此处由螺母描绘)产生，产生弹簧效应，从而在叶片根部上产生轴向力。为了在保持接触的同时允许每个叶片的轴向相对位置和运动，弹簧质量部件具有部分径向切口138，该部分径向切口138在每个叶片上形成由每个梁脚311附接到弹簧质心环319的单独的梁弹簧320。随着涡轮机开始旋转，叶片开始轴向移动，减少了弹簧预负载。为了确保在高旋转速度期间在叶片根部上保持足够的力，可以在弹簧梁的端部处添加偏移质量310，从而在弹簧头质心310和径向轴之间产生角309，从而导致当转速增加时，在叶片根部上的轴向力的增加(在弹簧质量313的切割剖切视图上示出)。为了确保弹簧质量在旋转过程中施加足够的力，质量头在其接触的叶片组件质量的10％到50％之间，并且此处的角309在3°和30°之间，优选的角为15°，其限制了在为组件刚度标准产生足够的轴向力的同时传递的径向力。该配置在气体温度高于900℃时使用抗氧化材料，诸如用于具有最大拉伸应力为最大压缩应力的40％或更小的压缩负载的叶片的陶瓷。这些叶片在热连通期间将大的热通量传导给部件。由于轮毂经历的较低的离心力，该轮毂可在气体温度高于900℃、抗拉强度高于100MPa、温度高于900℃的情况下由耐氧化材料制成(例如，与金属合金相比，陶瓷和/或陶瓷金属基质复合材料和/或陶瓷-基质复合材料)。在可以实现小的轴向位移的情况下(例如，当使用高滑动平面角时)，弹簧质量的低柔韧性将允许该部件由如陶瓷的高温材料制成。在所描述的需要弹簧部件的更高柔韧性的情况下，通过在弹簧质量和叶片根部之间引入绝缘件，即陶瓷涂层或低导热性陶瓷垫或球307而将金属超合金与减少的空气冷却量并用，从而减少弹簧质量空气冷却50％。绝缘具有第二个好处，即通过将硬度增加至少50％来增加在弹簧质量和叶片之间的接触点处看到的横向摩擦阻力。

图20描绘了轮辋转子涡轮机旋转组件111，其使用上述滑动平面314原理、单独使用盘状弹簧组件331或同时使用将轴向力保持在叶片根部316上的331和333。主盘状弹簧331与叶片根部结构连通、基于盘状弹簧初始预负载施加轴向力、在组装时提供并由保持部件/特征件308保持，这里描述的部件是螺母。可以添加一堆附加的盘状弹簧73以增加轴向位移，和/或将它们并联添加以增加刚性。盘状弹簧可以径向部分地切割335，以允许一个叶片与下一个叶片在0.001和0.010英寸之间的相对轴向位置，而不会失去弹簧和任何叶片之间的接触，这是制造和装配公差所需要的。通过在弹簧和叶片之间施加绝缘陶瓷垫332或涂层，主盘状弹簧可以进一步与叶片热量隔离。所使用的弹簧类型不限于盘状弹簧，并且可以使用其他类型来产生类似的轴向力和位移。

图21描绘了另一实施例，其提出了用于翼面340(或用于单个根部和单个内护罩的多个翼面)的不同叶片根部形状选项以产生不同的滑动模式，由于摩擦模式可能有益于耐久性，远离滑动平面积聚残余颗粒和/或提供更容易的捕获组装特征件。燕尾形根部342、矩形根部343、圆形根部344、枞树345或垂直于滑动平面的其他根部形状可通过与轮毂形成互补表面的互补接头而在滑动平面347中提供额外的益处。如仅示出叶片和轮毂组件349，凹对应轮毂346将具有以选定的滑动平面347角度压印的所选图案叶片根部，用单个燕尾形根部图案348描绘。另外，翼面340可以将一部分与内护罩341和由342、343、344或345组成的根部系统一起制造，或者在涡轮机中组装在一起的单独部件中全部制造，或者与由包括多个单独组合部件的混合物一起制造。在具有高叶片密度的涡轮机的情况下，对于一系列翼面350使用单个根部附件353进行包装可能是有益的。这种布置还可以减少内护罩区段的数量，因此减少了内护罩上的接头的数量。这些接头导致热气流向轮毂内腔泄漏，因此可能需要如351和352所示的重叠特征件用于密封目的。所示的一些布置可以以这样的方式用在组件111中，使得不需要弹簧或类似的偏置构件来轴向和径向地移动叶片161。翼面可以是具有护罩和根部(例如，铸造陶瓷)的整体铸造件，但是翼面(例如，陶瓷件)可以是材料，而其他部件是另一种材料。

图22描绘了使用销-插座相对运动组件的轮辋转子涡轮机111的实施例，而图33示意性地示出了该概念。叶片根部是凸挤压件(销)363，并插入与成形的凹插座(插口)362匹配的轮毂361内侧，为叶片根部提供支撑和摩擦，防止角运动，同时允许径向运动，有目的地保持转子在旋转下的结构完整性。为了确保叶片根部363和轮毂插座之间的一致接触，在插口腔中引入径向弹簧系统。径向弹簧设计成具有足够的弹回，以在所有操作条件下与轮毂361和叶片根部363保持接触。示出了片簧365的组件，但是不限于该选择。比如，弹簧可能不存在。盘状弹簧、螺旋弹簧、缠绕弹簧、空气弹簧、指状内盖簧是可提供相同的功能的潜在的设计。由于在该配置中轮毂361经受的低拉伸应力，具有低拉伸强度的高温材料(诸如陶瓷)是可能的，允许在叶片和轮毂之间的结构接触点处具有更高的操作温度。弹簧可以由陶瓷或金属超合金制成。在后者中，绝缘垫或涂层364在与弹簧的结构接触位置处施加在叶片根部上，其中热通量由通过朝向轴的轮毂热传导或通过空气冷却弹簧引起。叶片根部是平面挤压型材/形状，其可以是矩形、圆形362、一个或多个圆形销366、叶片根部轮廓本身367。匹配插座成形为确保足够的滑动平面触点402以阻挡除径向轴之外的所有轴的所有旋转和平移，同时允许在包括所有操作温度和转速条件的整个操作范围内的滑动配合。

为了改善涡轮机械的热管理，有利的是将主气体路径与轴、轴承和其他涡轮机械部件隔离。图23描绘了从“轴”侧156提供隔离的“气体”侧189的一般配置。这些配置都提供了不具有与叶片底部接触的结构部件(来自轮毂或“无轮毂”的空隙)的优点，提供了使用陶瓷叶片(例如，Si3N4、SiC)的更容易的热实现，尤其是在热燃烧废气产物气体作用在“气体”侧189中的至少两个平衡部上的配置中，并且具有较轻结构的优点，因此能够实现热气体路径平均线的更高切向速度超过400m/s。叶片和轴之间的连接通过轮辋转子126或通过反向通量热绝缘基板165进行。主流入口141可以位于内半径或外半径处，而主流出口142位于相反的位置处。纯轴向流动和部分径向流动(也称为混流)配置都是可能的。在混流式配置中，入口角度193可以在相对于径向平面的0度和90度之间的角度范围内，优选45度以使入口半径与出口半径的比率最大化，同时保持结构完整性。出射角194也可以在0到90度的范围内。气体侧189围绕轮辋转子的内表面190和连接元件192的侧面191。

轮辋转子轴向涡轮配置需要热气体路径围绕轮辋转子，这对于废气再循环到热交换器中将废气与新鲜空气体路径耦接的回收循环尤其成问题。由于轮辋转子的有限的耐温性，包括由纤维(例如碳)聚合物轮辋转子组成的轮辋转子，轮辋转子的周围环境必须保持在低温。因此，我们的创造性配置仅将热气流动路径保持在轮辋转子的一侧上，并且在轮辋转子的另一侧上的冷却器部段提供相当大的冷却和热保护优势，有效地提高了循环效率和轮辋转子的可靠性。该配置提供了与径向和混流式涡轮机具有相似性的这种热分离，但是包括在子午面中的流动方向的变化大于现有技术的混流式和径向式涡轮机，因此有效地产生了反向混流式涡轮机(RMFT)。子午面定义为通过直径线和旋转轴线切割涡轮机的平面。实施例不限于涡轮机外侧上的单个轮辋转子，它可以利用多个(即，至少两个)根据需要提供更高的径向预加载或者提供各材料的不同功能的不同材料成分的轮辋转子的组件。应理解，图中的描绘是针对涡轮机/膨胀机，但实际上是包括压缩机的任何涡轮机械。

图24描绘了轮辋转子反向混流式涡轮机组件201，而图32示意性地示出了该概念。热气流经向入口141与热气流经向出口142形成小于90°的角度211。在这种配置中，热气流使子午面中的方向在120°和180°之间变化，优选地为150°(计算为180°减去入口到出口角度211)。这大于径向式涡轮机方向的90°变化，远大于在0°和90°之间的常规混流式涡轮机，并且自然大于方向(0°)没有变化的轴向流动涡轮机。这种方向变化在“气体侧”189和“轴侧”156之间提供了明确的分离，使得能够在轮辋转子126周围实现更有效的冷却特征204和更冷却的环境。当流动转动减小涡轮机叶片尖端217处的压力时，该方向的大的变化也产生压力梯度216，从而有效地减少了尖端泄漏和相关的效率损失。涡轮机叶片被分成两个部段，优选地在点214处，其中经向叶片曲率219与径向线218相切，以形成外部段，该外部段通过在旋转到轮辋转子126期间被迫向外而大部分处于压缩负载中，而内部段206通过保持在其中心而处于拉伸负载。这种分离产生的外部段最大拉伸应力为最大压缩应力的40％或更小，而产生的内部段最大压缩应力为最大拉伸应力的40％或更小。随后将外部段分成至少两个分开的叶片部段203，以避免那些部分中的任何周向应力，从而允许在高于900℃的气体温度下使用抗氧化材料，诸如陶瓷。内部段206是包含叶片的导流器部段的单个部件，并且与涡轮轴208形成结构连接。导流器是出口叶片部段，其在转子出口处提供用于流动的转子出口角，以最小化涡轮机出口处和随后的扩散器处的能量损失。与传统的单部分径向式涡轮机相比，导流器部段相对于涡轮机尖端速度的较低切向速度显着降低了部件中的应力，允许在气体温度高于900℃时的抗氧化材料、高于900℃的温度下的高于100MPa的抗拉伸强度材料，诸如单片陶瓷，特别是用于该部件的Si3N4或SiC，以及陶瓷基质复合材料(CMC)。由于轮辋转子126在旋转时的径向伸长率为1微米到轮辋转子内半径的2％，并且是其10到80倍大，这取决于材料和精确的几何形状而不是在导流器部段206背面的径向伸长率，所以柔性连接必须保持叶片、轮辋转子和膨胀器之间的接触，或者直接在轮辋转子、涡轮机叶片和涡轮轴之间保持接触，以确保在旋转下保持涡轮机结构完整性。将轮辋转子126和叶片外部段203连接到涡轮轴208的柔性轮毂205需要先进的设计特征以确保柔韧性、刚度和强度足以在高转速下操作。一个示例性设计特征是使用径向柔顺弹簧207的阵列，该弹簧207包括径向-轴向平面中的悬臂梁，诸如用于功能性各向同性材料，即大多数金属合金和特定陶瓷。包括轮毂、轮辋转子和未示出的涡轮机部件(如轴承、发电机、压缩机)的“轴侧”156中的部件可以通过具有热障涂层或施加到叶片外部部分203和内部部分206的背面上的绝缘部件215而进一步与热部件隔离。

用于涡轮机连接的另一示例性实施例在图25中进一步详述，其中基于正交各向异性材料属性的径向可变形薄圆顶轮毂240分别控制径向和轴向轴线的变形和强度。圆顶的厚度261在轮辋转子厚度的2.5％和25％之间，优选地为10％，并且其在轴向-径向平面260中的曲率在其外半径的15％和50％之间。圆顶轮毂提供内腔245的改进且更容易的密封能力，然后是一系列柔顺弹簧，因此通过避免空气流离开并进入空腔245而减小阻力，特别优选减小66％的阻力。包括碳纤维的纤维-聚合物复合材料是优选的高强度正交各向异性材料，其中纤维放置调节所有轴的，即径向、轴向和切向刚度。示例性方法是将复合层放置在圆顶形模具上，其中特别是通过使用优选的纤维缠绕技术在轴向轴线和纤维之间以0°和±90°之间的角度制成层，优选地在+45°然后是-45°的重复层处。这种纤维放置允许在径向-轴向平面上具有1.5％以上的弹性变形，并且在径向-轴向平面中具有高于200MPa/(g/cm3)的比强度以支撑其自身质量。圆顶轮毂240被描绘为插入在轮辋转子126和外叶片部段203之间，但是在轮辋转子的外侧或侧面上或者甚至在叶片部段和冷却特征204之间与穹顶毂附接也是选择，这取决于轮毂材料成分。

如图26所示和如图31示意性地所示，通过在每个涡轮机叶片外部段203的基部和内部段206之间引入滑动平面244，也可以保持涡轮机的完整性。这种与轴向轴线成15°至75°，优选成35°角的倾斜滑动平面允许叶片在保持与内部段接触的同时径向自由移动。包括弹簧241和预加载和锁定机构242的弹簧系统确保在叶片的后部施加轴向力，从而保持滑动平面上的接触具有足够的摩擦力，使得涡轮机在旋转时保持其结构完整性。所描绘的弹簧241是盘状弹簧，其具有部分径向切口243，以允许每个叶片的相对轴向位置和运动。提供轴向力的示例性特征包括原始盘簧、螺旋弹簧、缠绕弹簧、空气弹簧、指状内盖簧、磁性或液压机构是可执行相同功能的潜在设计。在叶片外部段由陶瓷制成并且弹簧是金属的情况下，可以在接触点245处施加绝缘部件或涂层。

各个外叶片部段在图27中进一步详述。集成的外部段224在组装期间提供简单性。利用分离的外部段226可以更好地实现每种功能的材料选择的灵活性，外部段226包括具有绝缘和冷却特征204的绝缘基板220、后壁流动引导件222和插入叶片保持器223中的叶片221。外叶片部段203的每个叶片具有至多一个后壁流动引导件，但是每个后壁流动引导部分也可包括多个叶片。后部流动引导件222可以由具有抗氧化热障涂层的金属超合金制成，而叶片221由在900℃以上的气体温度下的抗氧化材料，诸如陶瓷制成。通过去除未加载的材料部段使后壁流动引导件部分地中空，实现减小外叶片部段203的质量，这导致轮辋转子126中的较低应力。

图28示出了典型的混流式涡轮机入口速度三角形。与纯径向涡轮机相比，混流式涡轮机的优点是在使用纯径向叶片时产生正入口叶片角度232的能力，这意味着叶片的所有部段径向附接到支撑部段。由于入口流动具有轴向速度部件，因此该优点被延续到轮辋转子反向混流式涡轮机配置。反向混流式涡轮机叶片237的外部段显示在入口切向平面中，其中正叶片角232允许入口流切向速度234比入口叶片尖端速度236大至少5％，优选22％，导致相同级效率的增加的比功率，最终导致更紧凑和有效的发动机。

图29示出了高度紧凑的涡轮机设计，其中离心式压缩机250与反向混流式涡轮机201背对背地安装，其中压缩机和径向式涡轮机背面之间的距离小于涡轮机轮辋转子半径的50％。这种紧凑的配置可以连接到涡轮轴208的延伸部上的负载或发电机，其中压缩机和涡轮机质量都从轴承悬挂。通过降低隔热需求，高紧凑性使涡轮机的质量减少至少5％。背对背地安装压缩机后表面和涡轮机后表面253消除了在背面和静态部件之间引起的阻力损失，相比于压缩机和涡轮机分开安装的配置(即非背对背)，优选地将阻力减小达100％。在这种配置中热部段“气体侧”189保持在机器的一侧上，冷却器部段156保持在另一侧上，减少了热量损失并且重要地减少了特别是在纤维聚合物轮辋上的冷却空气需求，因此提高了系统效率。

图32和图34描绘了轮辋转子反向混流式涡轮机组件201，其中在每个外叶片部段203和内部段206之间存在接触的径向滑动表面403。在转速下，通过外叶片部段203的离心加载轮辋转子126，这导致径向位移401。轮辋转子和外叶片组件通过径向柔顺弹簧207或圆顶轮毂240附接到轴。为了避免在操作期间的动态或密封问题，外叶片部段203和内部段206必须保持接触，从而有效地在径向滑动表面403上形成。这些表面可以结合在后壁流动引导件222处，并且另外在叶片一侧的子午面404中，形成重叠表面。

高g场燃烧器是具有轮辋转子涡轮机械实施例的关键创造性部件，最值得注意的是当轮辋转子涡轮机械是具有高尖端速度的陶瓷涡轮机械时(例如压缩机、涡轮机、旋转冲压式喷气发动机或旋转燃烧器)。尽管已经具体参考本文详述的某些实施例详细描述了本发明，但其他实施例可以实现相同的结果。对于本领域技术人员来说，本发明的变化和修改是显而易见的，且本发明旨在以所附权利要求覆盖所有这些修改和等同物。

Claims (42)

1.一种轮辋转子涡轮机旋转组件，包括：

轮毂，适于安装或连接到旋转轴；

轮辋转子；以及

多个叶片，所述多个叶片中的每个叶片接触所述轮辋转子，所述多个叶片中的每个叶片通过与所述轮毂的滑动接触而能操作地连接到所述轮毂，从而允许至少所述叶片和所述轮毂之间的径向运动补偿离心负载下的轮辋转子径向变形；

其中，所述叶片是陶瓷叶片，

其中，所述滑动接触由所述轮毂和所述叶片之间的互补滑动表面限定，其中所述互补滑动表面在径向-轴向平面中与旋转轴线成15到75度范围的角度，该范围包括端点值。

2.根据权利要求1所述的轮辋转子涡轮机旋转组件，其中，所述叶片是轴流式叶片，其中流体流大致轴向地进入并且大致轴向地离开。

3.根据权利要求1所述的轮辋转子涡轮机旋转组件，其中，所述叶片是径流式叶片，其中流体流大致径向地进入并且大致轴向地在与所述流体流进入的相同侧上离开。

4.根据权利要求3所述的轮辋转子涡轮机旋转组件，其中，所述流体流以距所述轮辋转子的径向平面5至45度范围的角度大致径向地进入，该范围包括端点值。

5.根据权利要求1所述的轮辋转子涡轮机旋转组件，其中，所述互补滑动表面在所述径向-轴向平面中与所述旋转轴线成35度的角度。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的轮辋转子涡轮机旋转组件，其中，至少两个叶片连接成单个部件，该单个部件具有用于至少两个翼面的共同内护罩和共同根部。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的轮辋转子涡轮机旋转组件，其中，所述叶片的根部的形状与轮毂表面的形状互补地匹配，以产生形成所述滑动接触的互补的凸凹接合。

8.根据权利要求7所述的轮辋转子涡轮机旋转组件，其中，所述叶片的根部的形状是矩形、椭圆形、燕尾形和枞树形中的一种。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的轮辋转子涡轮机旋转组件，还包括至少一个弹簧，以偏置所述多个叶片抵靠所述轮辋转子与所述轮毂滑动接触。

10.根据权利要求9所述的轮辋转子涡轮机旋转组件，其中，所述至少一个弹簧在叶片的根部处在所述叶片上施加至少一个接触力。

11.根据权利要求9所述的轮辋转子涡轮机旋转组件，其中，所述至少一个弹簧在所述叶片上施加大致垂直于所述旋转轴线的力，所述至少一个弹簧在每个所述叶片的径向下方。

12.根据权利要求9所述的轮辋转子涡轮机旋转组件，其中，通过所述至少一个弹簧在叶片的尖端处在所述叶片上施加接触力。

13.根据权利要求9所述的轮辋转子涡轮机旋转组件，其中，所述至少一个弹簧包括多个弹簧，每个所述弹簧在相应的一个叶片上施加独立的偏置力。

14.根据权利要求9所述的轮辋转子涡轮机旋转组件，其中，所述至少一个弹簧是片簧、盘状弹簧、螺旋弹簧、缠绕弹簧、空气弹簧和指状内盖簧中的至少一种。

15.根据权利要求9所述的轮辋转子涡轮机旋转组件，还包括在所述至少一个弹簧和所述叶片之间的绝缘材料。

16.根据权利要求15所述的轮辋转子涡轮机旋转组件，其中，所述绝缘材料是陶瓷涂层、低导电率陶瓷垫或陶瓷球中的至少一种。

17.根据权利要求9所述的轮辋转子涡轮机旋转组件，其中，通过使用弹簧头上的径向离心力而在所述叶片上提供轴向接触力，通过将所述弹簧头定位成比所述轴上的弹簧附接点更远离所述轮毂来将该径向离心力转换成轴向力。

18.一种旋转涡轮机，包括具有轮辋转子半径的轮辋转子、叶片安装组件和在径向-轴向平面中的轴，由此所述轮辋转子具有径向变形，由此所述叶片安装组件包括：至少两个叶片、至少两个叶片根部和填充轮毂，由此所述叶片安装组件在操作期间能够实现所述至少两个叶片根部和所述填充轮毂之间的相对运动，其中所述至少两个叶片的径向位移的量为从1微米至所述轮辋转子的径向变形，其中，所述填充轮毂具有至少两个匹配轮毂槽，并且其中，所述至少两个叶片根部和所述至少两个匹配轮毂槽具有在轴向方向上的角平面，其中，所述角平面位于与所述轴向方向相距最小15度至75度。

19.根据权利要求18所述的旋转涡轮机，其中，所述至少两个叶片的径向位移为1微米至所述轮辋转子的内半径的2％，并且比所述填充轮毂的径向位移大10至80倍，并且利用所述至少两个叶片根部上的力产生摩擦以形成所述叶片安装组件，所述叶片安装组件具有的刚度比所述径向-轴向平面中的所述轴的刚度大至少5倍。

20.根据权利要求18所述的旋转涡轮机，其中，所述至少两个叶片处于压缩负载，其中，所述至少两个叶片由抗氧化材料制成，该抗氧化材料在高于900℃的气体温度下最大拉伸应力比最大压缩应力小至少40％。

21.根据权利要求18所述的旋转涡轮机，其中，所述填充轮毂在高于900℃的温度下具有大于100MPa的拉伸强度，并且其中，所述填充轮毂由抗氧化材料构成。

22.根据权利要求18所述的旋转涡轮机，其中，所述至少两个叶片制成单个部件，该单个部件具有共同的内护罩和共同的根部附件。

23.根据权利要求18所述的旋转涡轮机，其中，所述角平面在35度处。

24.根据权利要求18所述的旋转涡轮机，其中，所述填充轮毂具有由至少一个弹簧产生的轴向力，所述至少一个弹簧包括盘状弹簧或质量或弹簧系统，并且其中所述至少一个弹簧具有弹簧头、弹簧头偏移部、弹簧梁、弹簧头质心和弹簧支脚。

25.根据权利要求24所述的旋转涡轮机，其中，通过在所述至少一个弹簧中具有至少一个径向切口的部分，所述至少一个弹簧使得所述至少两个叶片的单独轴向运动能够在0.001和0.010英寸之间。

26.根据权利要求24所述的旋转涡轮机，其中，所述叶片安装组件具有质量，其中，所述轴向力由柔顺弹簧阵列产生，所述柔顺弹簧阵列的质量为所述叶片安装组件的质量的10％至50％，其中，所述叶片安装组件在弹簧头的末端处具有物理接触点，弹簧质心或在弹簧头偏移部从弹簧梁偏移处产生增加的轴向力以增加旋转速度，并且其中，由穿过所述弹簧头的质心和弹簧支脚的线与径向轴线产生的角在3到30度之间。

27.根据权利要求26所述的旋转涡轮机，还包括在弹簧质量和所述叶片根部之间的绝缘件，其中，所述绝缘件包括陶瓷涂层，或低导电率陶瓷垫或球，并且其中，具有绝缘件的至少一个弹簧与没有所述绝缘件的至少一个弹簧相比减少了至少50％的空气冷却，并且其中，所述绝缘件在所述弹簧质量和所述叶片之间的物理接触点处增加了至少50％的横向摩擦阻力。

28.根据权利要求18所述的旋转涡轮机，还包括具有对应轮毂形状的配对轮毂，其中所述叶片根部具有叶片根部形状，并且其中所述对应轮毂形状和所述叶片根部形状具有相同的形状并且处于相同的角度。

29.根据权利要求28所述的旋转涡轮机，其中，相同的形状包括矩形、椭圆形、燕尾形和枞树形。

30.根据权利要求24所述的旋转涡轮机，其中，在每个至少一个叶片下方的所述至少一个弹簧处于销-插座组件中，并且其中，所述销-插座组件具有包括圆形、矩形、椭圆形的销形状，或者至少一个叶片的叶片轮廓。

31.根据权利要求18所述的旋转涡轮机，还包括热气体路径的出口，其中所述热气体路径具有子午面，其中，所述热气体路径的出口是轴向的，并且所述热气体路径的出口在所述子午面内具有方向变化。

32.根据权利要求30所述的旋转涡轮机，还包括外部段和内部段，其中，所述至少两个叶片在所述外部段和所述内部段之间分开，其中，在所述外部段和所述内部段之间是切口，其中该切口是为了将所述外部段保持在压缩负载中，其中所述外部段的最大拉伸应力比最大压缩应力小至少40％，并且其中，所述内部段的最大压缩应力比所述内部段的最大拉伸应力小至少40％。

33.根据权利要求32所述的旋转涡轮机，其中，所述外部段分成包括所述至少一个叶片的至少两个叶片部段。

34.根据权利要求33所述的旋转涡轮机，其中，所述至少两个叶片部段由单件制成，所述单件还包括用于所述至少一个叶片中的每个叶片的一个后壁流动引导部段。

35.根据权利要求34所述的旋转涡轮机，其中，所述至少一个叶片与所述一个后壁流动引导部段是不同的材料。

36.根据权利要求32所述的旋转涡轮机，其中，所述外部段具有入口流动叶片角、入口流动相对角、入口叶片尖端速度、和入口流动切向速度，并且其中，所述入口流动相对角不为零，其中，所述入口流动切向速度比所述入口叶片尖端速度大至少5％。

37.根据权利要求18所述的旋转涡轮机，还包括轴、轮毂，以及所述轮辋转子与所述轴之间的连接件，其中所述轮辋转子具有内半径，

其中，该连接件为在所述轮辋转子和所述轴之间直接在径向变形中具有高达所述轮辋转子的内半径的2％的柔性连接件。

38.根据权利要求37所述的旋转涡轮机，其中，所述柔性连接件还包括至少一个旋转阵列，所述旋转阵列具有至少两个径向柔顺弹簧，该径向柔顺弹簧具有在径向-轴向平面中的至少一个悬臂梁。

39.根据权利要求37所述的旋转涡轮机，其中，所述柔性连接件还包括柔顺材料，该柔顺材料在所述径向-轴向平面中具有大于1.5％的弹性变形。

40.根据权利要求37所述的旋转涡轮机，其中，所述柔性连接件由在所述径向-轴向平面中具有高于200MPa/(g/cm3)的比强度的材料构成。

41.根据权利要求32所述的旋转涡轮机，其中，所述外部段通过使根部在热气体路径出口处在角滑动平面上滑动而与所述内部段和轮辋转子结构连通，此处滑动平面和轴向轴线之间的角在15°和75°之间。

42.根据权利要求18所述的旋转涡轮机，还包括具有轮辋转子半径的轮辋转子、具有背向阻力的背对背的径向式涡轮机与离心式压缩机，其中该压缩机和该涡轮机之间的距离比所述轮辋转子半径小50％以上，其中，该压缩机和该涡轮机具有系统效率，并且其中，通过将所述背向阻力减少0.01％到100％，所述系统效率比非背对背的离心式压缩机和径向式涡轮机至少高5％。

Images