CN112855344A - 核动力涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮发动机，包括：压缩机区段和涡轮区段，该压缩机区段和涡轮区段以串行流动布置，以限定工作气流路径，其中热交换器与工作气流路径流体连通；核燃料，该核燃料与热交换器热连通；释放阀，该释放阀与工作气流路径流体连通。

Description

核动力涡轮发动机
技术领域
本公开大体涉及涡轮发动机，更具体地涉及以核燃料为热源的涡轮发动机。
背景技术
涡轮发动机，特别是燃气或燃烧涡轮发动机，是从穿过发动机的燃烧气体流中提取能量到多个旋转涡轮叶片上的旋转发动机。
涡轮发动机包括但不限于以串行流动布置的，用于压缩流过发动机的空气的压缩机，用于将燃料与压缩空气混合以使混合物能够被点燃的燃烧器，以及涡轮。压缩机，燃烧器和涡轮有时统称为核心发动机。在旁路涡轮发动机中，风扇组件设置在压缩机的上游。
涡轮发动机的燃烧器可以使用各种常规的化石燃料，例如但不限于无铅煤油或与来自压缩机的压缩气流混合的石脑油-煤油混合物。化石燃料的能量密度不利地限制了飞行器可以保持飞行的时间。在所有条件都相同的情况下，期望的飞行时间越长，对燃料存储的需求就越大，这会增加飞行器的尺寸，从而会增加发动机的尺寸需求。使用具有更高能量密度的燃料的涡轮发动机将允许相同尺寸的飞行器和/或较小的飞行器的飞行时间更长，因为需要更少的体积来存储燃料。
发明内容
在一个方面，本公开涉及一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括：压缩机区段和涡轮区段，该压缩机区段和涡轮区段以串行流动布置，以限定工作气流路径；热交换器，该热交换器与工作气流路径流体连通；核燃料，该核燃料与工作气流路径热连通；空气释放阀，该空气释放阀与压缩机区段和涡轮区段之间的工作气流路径流体连通。
在另一方面，本公开涉及一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括：压缩机区段，燃烧器区段和涡轮区段，该压缩机区段，燃烧器区段和涡轮区段以串行流动布置，以限定工作气流路径；非反应堆核燃料热交换器，该非反应堆核燃料热交换器与压缩机区段和燃烧器区段之间的工作气流路径热连通；空气释放阀，该空气释放阀与燃烧器区段和涡轮区段之间的工作气流路径流体连通。
附图说明
在附图中：
图1是具有非反应堆核燃料热交换器和核燃料的涡轮发动机的示意图，该核燃料作为热源热联接至压缩机和涡轮区段之间的工作气流。
图2是图1的涡轮发动机的截面图，示出了非反应堆核燃料热交换器。
图3是图1的涡轮发动机的示意图，该涡轮发动机还包括压缩机和涡轮区段的高压线轴和低压线轴。
图4是图3的涡轮发动机的示意图，该涡轮发动机包括与非反应堆核燃料热交换器热连通的核燃料，该非反应堆核燃料热交换器与压缩机、涡轮和燃烧器区段串行布置。
图5是图4的涡轮发动机的示意图，该涡轮发动机包括与燃烧器区段平行的非反应堆核燃料热交换器。
图6是图5的涡轮发动机的截面图，示出了非反应堆核燃料热交换器和燃烧器区段。
图7是图1的涡轮发动机的示意图，该涡轮发动机包括平行布置的第一非反应堆核燃料热交换器和第二非反应堆核燃料热交换器。
图8是图7的涡轮发动机的截面图，示出了非反应堆核燃料热交换器。
图9是图7的涡轮发动机的示意图，该涡轮发动机在工作气流路径内包括第一非反应堆核燃料热交换器和第二非反应堆核燃料热交换器。
图10是图1的涡轮发动机的示意图，示出了可重定位的非反应堆核燃料热交换器。
图11是图1的涡轮发动机的截面图，示出了非反应堆核燃料热交换器。
具体实施方式
本说明书的方面涉及涡轮发动机，该涡轮发动机至少包括以串行布置的压缩机区段和涡轮区段，以限定工作气流路径，其中非反应堆核燃料热交换器与工作气流路径流体连通。也就是说，热交换器不是反应堆或与反应堆热连通，而是包括核燃料热源。涡轮发动机还利用至少一种在衰变时会产生热量核燃料。如本文所用，术语“核燃料”是指不能维持核链反应的放射性同位素，并且明确地包括非裂变放射性同位素。因此，非裂变放射性同位素是本说明书中使用的核燃料的子集。但是，核燃料可能会经历衰变，从而使热量从核燃料中散发出去。从衰变的核燃料散发的热量用于加热通过涡轮发动机的工作气流。来自核燃料的热量可以通过热交换器传递到工作气流中。可以单独或组合使用一种或多种类型的核燃料。不同的核燃料可能具有不同的衰变率，导致随时间变化的不同温度曲线。可以根据需要混合和匹配不同的核燃料，以获得总体温度和寿命曲线。相同或不同的核燃料可以选择性地全部或部分暴露于工作气流，以控制工作气流的加热。通过选择用作核燃料的核材料的类型，并通过热交换器选择性地控制工作气流暴露于核燃料，可以用与化石燃料燃烧器的节气门设置几乎相同的方式来控制涡轮发动机的推力。附加地或替代地，可以在到达涡轮或涡轮的子级之前从涡轮发动机排出加热的工作气流，以类似于化石燃料涡轮发动机的节气门设置的方式来控制涡轮发动机的推力。因此，所选择的核燃料的类型以及所选择的核燃料与工作气流的热连通可以有效地节流涡轮发动机的动力输出或推力。
可选地，除核燃料之外，还可以使用以传统方式与化石燃料一起操作的燃烧器区段。来自燃烧器区段的热量可以代替或用作来自热交换器的热量的补充。可以使用加力燃烧室区段代替燃烧器区段或与燃烧器区段结合使用，以提供基于化石燃料的热源。
利用核燃料代替化石燃料可以减轻常规客机中的燃料重量，在一些运输或商用飞行器中，燃料重量可能超过230,000磅。如此大量的燃料需要飞行器中额外的空间和结构，所有这些都会影响飞行器的整体性能，尤其是飞行时间。通过使用核燃料代替化石燃料，可以在飞行器中获得节省大量的重量和空间。这种重量和空间的获得不会被与使用核燃料作为热源相关联的附加结构所抵消，特别是对于非反应堆系统而言。结果是，可以在飞行器/涡轮发动机中容纳非反应堆核燃料加热系统，而不会损害飞行器的整体效率。实际上，非反应堆核燃料加热系统将改善飞行器的性能，特别是在飞行时间或不加油的情况下。
然而，将理解的是，本文描述的本公开的各方面不限于此，并且可在包括非反应堆核燃料热交换器的任何涡轮发动机内具有普遍适用性。例如，本公开可以适用于可以在运载器中使用的涡轮发动机，并且可以用于提供益处，例如工业，商业和住宅应用中的电力。
如本文所用，术语“上游”是指与流体流动方向相对的方向，术语“下游”是指与流体流动方向相同的方向。术语“前”或“向前”是指在某物前面，而“后”或“向后”是指在某物后面。例如，就流体流动而言，前/向前可表示上游，后/向后可表示下游。
另外，如本文所使用的，术语“径向”或“径向地”是指远离共同中心的方向。例如，在涡轮发动机的整体环境中，径向是指沿着在发动机的中心纵向轴线与发动机的外部周向之间延伸的射线的方向。此外，如本文所使用的，术语“组”或“一组”元素可以是任何数量的元素，包括仅一个。
所有方向参考(例如，径向，轴向，近端，远端，上方，下方，向上，向下，左，右，侧向，前，后，顶部，底部，上，下，竖直，水平，顺时针，逆时针，上游，下游，向前，向后等)仅用于识别目的，以帮助读者理解本公开，并且不产生限制，特别关于本文描述的本公开的各方面的位置，取向或用途的限制。除非另有说明，否则连接参考(例如，附接，联接，固定，紧固，连接和接合)应被广义地理解，并且可以包括元件集合之间的中间构件以及元件之间的相对移动。这样，连接参考不必推断出两个元件直接连接并且彼此固定的关系。示例性附图仅出于说明的目的，所附附图中反映的尺寸，位置，顺序和相对大小可以变化。
图1是飞行器的涡轮发动机10的示意图。涡轮发动机10可至少包括压缩机区段20和涡轮区段30。驱动轴40将压缩机区段20和涡轮区段30旋转地联接，使得一个的旋转影响另一个的旋转，并且限定了涡轮发动机10的旋转轴线12。
在操作中，环境空气或大气100被吸入到压缩机区段20中，在压缩机区段20中空气被压缩。然后，压缩空气穿过涡轮区段30，在涡轮区段30中从压缩空气中提取功，从而导致涡轮区段30的旋转，涡轮区段30的旋转经由驱动轴40使压缩机区段20旋转。依次穿过压缩机区段20然后穿过涡轮区段30的空气可以被称为工作气流。工作气流限定了通过涡轮发动机10的工作气流路径80，如箭头102所示。
压缩机区段20可以包括多个轴向间隔的级。每个级包括一组沿周向间隔的旋转叶片和一组周向间隔的固定轮叶。压缩机区段20的级的压缩机叶片可被安装到盘，该盘被安装到驱动轴40。给定级的每组叶片可以具有自己的盘。压缩机区段20的轮叶可以安装到壳体，该壳体可以围绕涡轮发动机10周向延伸。将理解的是，压缩机区段20的图示仅是示意性的，并且可以存在任何数量的级。此外，可以预期的是，在压缩机区段20内可以有任何其他数量的部件。
与压缩机区段20相似，涡轮区段30可以包括多个轴向间隔的级，每个级具有一组周向间隔的旋转叶片和一组周向间隔的固定轮叶。涡轮区段30的级的涡轮叶片可以安装到盘，该盘安装到驱动轴40。给定级的每组叶片可以具有自己的盘。涡轮区段的轮叶可以以周向方式安装到壳体。应当指出，可以存在任何数量的叶片，轮叶和涡轮级，因为所示的涡轮区段仅是示意性表示。此外，可以预期的是，在涡轮区段30内可以有任何其他数量的部件。
热交换器50可以设置在压缩机区段20和涡轮区段30之间的工作气流路径80中。可以放置核燃料51形式的热源，使得其与热交换器50的至少一部分热连通。例如，如图所示，核燃料51构造在热交换器50内。核燃料51的至少一部分热联接到工作气流路径80中的工作气流。核燃料51用于在工作气流从压缩机区段20到涡轮区段30时对其进行加热。换句话说，核燃料51与工作气流热连通以确保连续加热工作气流。
热交换器50可以被构造为阻止或限制来自核燃料51的辐射。可以想到，热交换器50或与热交换器50分离的屏蔽装置可以阻止或停止从涡轮发动机10发射α或β辐射。进一步预期，热交换器50可以阻止从核燃料51发射的γ辐射离开涡轮发动机10。此外，取决于所选择的燃料，核燃料51可以需要很少或不需要屏蔽γ辐射。
热交换器50可以是非反应堆热交换器。热交换器50将从核燃料51产生的热量传递到工作气流路径80中的工作气流。可以预期，核燃料51是非裂变核燃料，该非裂变核燃料是不能维持核链反应的放射性同位素。如本文所用，不稳定同位素可以是随时间衰变成另一种元素或同位素的任何同位素。不稳定同位素被认为具有放射性，并且会通过α，β或γ衰变而衰变。稳定同位素可以是不会衰变或需要很长时间才能衰变的任何同位素。因此，稳定同位素很少辐射甚至不辐射。
预期使用来自不稳定同位素的放射性衰变的热量优于使用来自核反应堆的裂变的热量，特别是在运载器(诸如飞行器)中使用时。核反应堆的裂变通常会释放大量的热量或γ辐射。裂变反应堆可能需要复杂的冷却系统以及对辐射的强屏蔽。由于核反应堆及其附加系统的尺寸和重量，容纳核反应堆所需的附加系统和结构至少部分地包括在涡轮发动机上是不切实际的。
热交换器50可以利用选自大量可能的核燃料51的一种或多种燃料源。可以预期，当需要更长的飞行时间时，合适的核燃料51的半衰期可以超过1000天。进一步预期，这种核燃料51将仅通过α衰变，β衰变或γ衰变中的一种或多种(例如电子吸收或电子捕获)来衰变。核燃料51可以是例如钨181(W181)或钽182(Ta182)。W181是钨的不稳定同位素，在每个原子核中具有74个质子和107个中子。W181的半衰期约为121.2天。W181可以经由电子捕获衰变为Ta181。Ta181是元素钽的稳定同位素。
Ta182是具有73个质子和109个中子的钽的不稳定同位素。Ta182的半衰期约为114.43天。Ta182经由β衰变而衰变为W182。W182是元素钨的稳定同位素。替代地，可以使用其他同位素，例如但不限于锔，钋，金，镏，铥，镝，钆，钐，钷，铈，铯，碲，锑，锡，镉，钌，硒，钴，锰，钒或钙的同位素。可以考虑到，同位素的组合可以在单个热交换器中使用。进一步考虑到，同位素的组合可以用于多个热交换器中。因此，核燃料51的半衰期可以在热交换器之间或热交换器内变化。
空气释放阀60流体联接到涡轮区段30上游的工作气流路径80中的工作气流。通过这种构造，工作气流的至少一部分可以被重定向以绕过涡轮区段30。空气释放阀60可以产生可变的流量，从而可以根据需要控制绕过涡轮的工作气流的量。虽然示出了单个空气释放阀60，但是可以设想多个空气释放阀。当使用多个空气释放阀时，每个阀可以是但不必是可变的。
围绕涡轮区段30旁路工作气流提供了一种用于控制涡轮发动机10的推力或输出的方法。传统的燃烧式涡轮发动机利用由燃烧器区段产生的热量来控制输出或推力。由燃烧器产生的热量可以通过将化石燃料供应到燃烧器区段的速率来控制。与化石燃料不同，核燃料51以固定速率或连续速率散发热量。由于由核燃料51散发的热量的速率是不可控制的，因此控制穿过涡轮区段30的工作气流与通过空气释放阀60离开的工作气流能够控制涡轮发动机10的推力或输出。
压力释放出口62可以流体地联接到涡轮发动机10周围的大气。这样，旁路空气被排放到大气中。旁路空气可以被限定为来自工作气流路径80的气流，该气流通过空气释放阀60被放气或引导到压力释放出口62中。旁路空气可以被引导并用于以与涡轮发动机中的传统旁路的旁路相同的方式来驱动其他涡轮发动机10的部件或运载器部件或为其提供动力。
在操作中，环境空气或大气100可以通过压缩机区段20的上游侧进入，从而限定工作气流的至少一部分。当工作气流通过压缩机区段20时，压缩机区段20对工作气流加压。被压缩机区段20加压的工作气流被供应到工作气流路径80。当工作气流通过工作气流路径80时，它被至少一部分核燃料51加热。被核燃料51加热的工作气流通过涡轮区段30。加热的工作气流膨胀并旋转涡轮区段30，涡轮区段30驱动压缩机区段20以继续涡轮循环。最终，工作气流经由涡轮区段30下游的排气部件从涡轮发动机10排出，因此产生涡轮发动机10的推力或输出。涡轮发动机10的推力或输出可以是飞行器应用中使用的空气的物理推力。替代地，涡轮发动机10的推力或输出可以是输出驱动轴的旋转运动，该输出驱动轴可以驱动外部负载，例如但不限于发电机或风扇。
如果期望控制涡轮发动机10的推力或输出，则一些工作气流可以选择性地从工作气流路径80排出以绕过涡轮区段30。空气释放阀60可以被控制以确定成为旁路空气的工作气流的量。对于被限定为不可变的空气释放阀60，可以控制空气释放阀60的打开/关闭的时间和持续时间，以选择期望的旁路气流。对于被限定为可变的空气释放阀60，可以选择打开/关闭的程度。如果存在固定流量和可变空气释放阀60的混合，则可以相应地控制它们。而且，可变空气释放阀60可以以与固定流量阀相同的方式被控制。在所有情况下，一部分工作气流仍可以进入涡轮区段30，以确保连续驱动压缩机区段20。
图2是图1的涡轮发动机10的示意图，示出了工作气流路径80的截面图。热交换器50可以围绕驱动轴40周向布置。这样，热交换器50围绕驱动轴40的整个360度延伸。热交换器50可以围绕整个驱动轴40周向延伸，并且在工作气流路径80内形成环形区段。如图所示，热交换器50以连续段的形式围绕驱动轴40的整体周向延伸，但是可以考虑其他布置。
替代地，热交换器50可以被分段并且仅围绕驱动轴40的一部分延伸。可以有任何数量的热交换器段。例如，可以存在12个均匀间隔的热交换器段，其中12个段中的每一个围绕驱动轴40的至少30度延伸。围绕驱动轴40的任何部分可以有任何数量的一个或多个热交换器段。
如图所示，核燃料51可以定位在热交换器50内。附加地或替代地，核燃料51可以定位成与热交换器50的至少一部分相邻。核燃料51可在整个热交换器50中分段。这样，热交换器50的部分可以与核燃料51直接接触，而热交换器50的其他部分可以不与核燃料51直接接触。如图所示，核燃料51以三个离散段分散在整个热交换器50中。将理解的是，可以存在任何尺寸，位置或形状的任何数量的段。替代地，核燃料51可以围绕热交换器50的整体周向延伸。
屏蔽件90可以围绕热交换器50或核燃料51的整体，以阻止或停止核燃料51的辐射。作为非限制性示例，屏蔽件90可以由薄金属，镍合金，高温合金，基体复合材料或陶瓷片制成。
核燃料51可从热交换器50或从屏蔽件90内移除。当从核燃料51产生的热量已经降低到预定阈值时，这可以允许移除或更换核燃料51。即，核燃料51已经经历了预定量的衰变。替代地，当核燃料51降至低于或不再达到操作涡轮循环所需的预定阈值时，整个热交换器50可从涡轮发动机10移除并换燃料或用另一热交换器50替换。
热交换器50可以替代地布置成使得它不绕驱动轴40周向地延伸。例如，热交换器50可以是放置在工作气流路径80的一部分中的非环形结构。替代地，热交换器50可以放置在涡轮发动机10的外部。例如，热交换器50可以放置在其中连接有涡轮发动机10的飞行器的机翼内。这样，由压缩机区段20加压的工作气流可以被引导或转移到机翼的一部分，在该部分中，工作气流可以与热交换器50热连通。从那里，由热交换器加热的工作气流可以被引导至涡轮区段30或涡轮发动机10的后续区段。应当理解，热交换器可以放置在其他外部结构中，例如但不限于构建物，壁，辐射屏蔽外壳等。
如本文中所使用的，呈现了涡轮发动机10的其他非限制性示例。相同的部件可以用相同的数字标识。每个图中现有部件的变化(例如，核热交换器50的变化)将增加100。
图3是图1的涡轮发动机10的变型的示意图，其中涡轮发动机110被分为子区段。涡轮发动机110类似于涡轮发动机10，因此，相同的部件将用相同的数字增加100来标识，应理解，除非另有说明，否则涡轮发动机10的相同部件的描述适用于涡轮发动机110。
涡轮发动机110包括低压(LP)压缩机122，高压(HP)压缩机124，LP涡轮132和HP涡轮134。LP驱动轴142可以可操作地连接LP压缩机122和LP涡轮132。LP线轴可以被限定为LP压缩机122，LP涡轮132和LP驱动轴142的组合，使得LP涡轮132的旋转可以将驱动力施加到LP驱动轴142，LP驱动轴142又可以旋转LP压缩机122。
HP驱动轴144可以可操作地连接HP压缩机124和HP涡轮134。HP线轴可以被限定为HP压缩机124，HP涡轮134和HP驱动轴144的组合，使得HP涡轮134的旋转可以将驱动力施加到HP驱动轴144，该HP驱动轴144又可以旋转HP压缩机124。
可以将HP空气释放阀164和LP空气释放阀166分别放置在HP涡轮134或LP涡轮132之前或与其间歇地放置。HP空气释放阀164和LP空气释放阀166可具有与图1的空气释放阀60相同的形式和功能，但是，包含HP空气释放阀164和LP空气释放阀166可允许增加对涡轮发动机110的输出功的控制。例如，如果需要最小的输出功，则HP空气释放阀164和LP空气释放阀166都可以被打开，以允许工作气流路径180中的大部分工作气流通过一个或多个压力释放出口162离开。相反，如果期望最大的输出功，则HP空气释放阀164和LP空气释放阀166都可以关闭，使得工作气流路径180中的大部分工作气流流过涡轮区段130以产生输出功。
图4是涡轮发动机210的示意图。涡轮发动机210类似于涡轮发动机10、110，因此，相同的部件将用相同的数字进一步增加100来标识，应该理解，除非另有说明，否则涡轮发动机10、110的相同部件的描述适用于涡轮发动机210。涡轮发动机210包括至少一个燃烧器区段270和热交换器250。燃烧器区段270可提供补充热量。如图所示，燃烧器区段270与热交换器250串行，但是可以预期其他布置。
燃烧器区段270可以放置在工作气流路径280中，并且可以适于接收从热交换器250加热的工作气流。燃烧器区段270可以从涡轮发动机210外部的燃料储存器接收喷射燃料。将燃料喷射到工作气流中可以产生空气-燃料混合物。空气-燃料混合物可以被点燃，从而产生燃烧气体，因此产生燃烧气流，然后该燃烧气流可以流入HP涡轮234。可以通过热表面点火器，火花点火器或通过利用工作气流对燃料加压来点燃空气-燃料混合物。替代地，核燃料251可以与空气-燃料混合物热连通，或者催化表面与核燃料251热连通。这样，核燃料251可以在不使用如本文所述的点火器的情况下点燃空气-燃料混合物。燃料储存器中的燃料可以是常规的化石燃料，也可以是任何其他形式的合适燃料源，例如但不限于柴油，汽油，丙烷，天然气或喷气燃料(例如Jet-A，JP4，JP5，JP8，JP10，RPS1或RPS2)等。
在需要来自涡轮发动机210的增加的推力或输出，特别是短期增加(例如爆裂)的情况下，可以使用燃烧器区段270。与单独的热交换器250相比，燃烧器区段270可以在工作气流中提供附加的质量流量和温度增加。在这种情况下，工作气流路径280中的工作气流可以被热交换器250加热并流入燃烧器区段270，在燃烧器区段270中，燃料被喷射并且发生燃烧。当不需要附加推力或输出时，加热的工作气流可以流过燃烧器区段270，而不会发生燃料喷射或燃烧。将理解的是，燃烧器区段270可以位于热交换器250的上游或下游。应当理解，经由燃烧器区段270增加工作气流的温度可以增加HP驱动轴244和LP驱动轴242的旋转运动。转速的这种增加以及质量流量的增加可以增加涡轮发动机10的推力或输出。
可以使用加力燃烧室(未示出)代替燃烧器区段270或与燃烧器区段270配合使用。加力燃烧室通常位于LP涡轮232的下游，使得离开LP涡轮232的工作气流的至少一部分可以流过加力燃烧室并在其中被点燃。
图5是涡轮发动机310的示意图。涡轮发动机310与涡轮发动机10、110、210相似，因此，相同的部件将用相同的数字进一步增加100来标识，应当理解，除非另有说明，否则涡轮发动机10、110、210的相同部件的描述适用于涡轮发动机310。涡轮发动机310包括至少一个燃烧器区段370和热交换器350。如图所示，燃烧器区段370与热交换器350平行，但是可以预期其他布置。
由HP压缩机324加压的工作气流可以被引导至燃烧器区段370和热交换器350中的一个或两个。在该构造中，工作气流路径380中的工作气流可以作为由热交换器350加热的工作气流，在燃烧器区段370中燃烧的工作气流而进入HP涡轮334，或作为加热的工作气流和燃烧的工作气流两者的组合到HP涡轮334。
多个管道382，上游门384和下游门386可被包括在工作气流路径380的至少一部分中。管道382或上游门384或下游门386可以引导由HP压缩机324加压的工作气流，从而使其至少与热交换器350流体连通。管道382可至少在燃烧器区段370和热交换器350之间充当物理屏障。如图所示，热交换器350上游的上游门384和下游的下游门386被打开。这样，工作气流的第一部分将流过燃烧器区段370。工作气流的第二部分将流过热交换器350。工作气流的第一部分可在燃烧器区段370中燃烧。工作气流的第二部分可以与热交换器350流体连通。工作气流的第一部分和第二部分可以相同，以使得燃烧器区段370和热交换器350上游的工作气流在热交换器350和燃烧器区段370之间均匀地分布。替代地，工作气流的第一部分和第二部分可以不同。应当理解，上游门384和下游门386可以关闭。这样，大部分工作气流将被引导以流过燃烧器区段370。
在不期望来自核燃料351的热量(例如，上游门384和下游门384关闭)的情况下，引导至少一部分工作气流使得其与热交换器350流体连通仍然很重要。该部分工作气流可以限定为冷却气流。当核燃料351散发连续的热量时，可以使用冷却气流来确保热交换器350不会过热。冷却气流的质量流量可以足够小，使得其仅足以冷却热交换器350而不能有效地使涡轮发动机10运转。冷却气流可以通过空气释放出口362排出或进入HP涡轮区段334。
被引导通过燃烧器区段370的工作气流不需要被燃烧器区段370燃烧。例如，可以预期的是，来自HP压缩机324的加压工作气流可以流入HP涡轮334，而不会被加热或燃烧。这样，上游门384和下游门386可被关闭，使得加压工作气流仅被引导通过燃烧器区段370，并且因此不被加热。燃烧器区段370可以允许加压工作气流通过而不燃烧，因此，将加压工作气流供应给HP涡轮334。
进一步预期，可以在燃烧器区段370的上游和下游提供附加的多个上游门384和下游门386。这样，可以通过上游门384或下游门386的打开和关闭来选择性地引导工作气流通过燃烧器区段370。
替代地，可以打开或关闭上游门384和下游门386的任何组合，以选择性地将工作气流提供给热交换器350或燃烧器区段370中的一个或两者。
图6是图5的涡轮发动机310的示意图，示出了涡轮发动机310的工作气流路径380的截面图。热交换器350和燃烧器区段370可围绕LP驱动轴342和HP驱动轴344周向布置。如图所示，热交换器350和燃烧器区段370绕着LP驱动轴342和HP驱动轴346周向延伸，但是可以考虑其他布置。
图7是涡轮发动机410的示意图。涡轮发动机410类似于涡轮发动机10、110、210、310，因此，相同的部件将用相同的数字进一步增加100来标识，应当理解，除非另有说明，否则涡轮发动机10、110、210、310的相同部件的描述适用于涡轮发动机410。涡轮发动机410包括第一热交换器452和第二热交换器454。第一热交换器452和第二热交换器454可以平行布置。第一热交换器和第二热交换器可通过打开和关闭一个或多个上游门484或一个或多个下游门486而选择性地接合。
第一热交换器452可以与第一核燃料453热连通。第二热交换器454可以与第二核燃料455热连通。第一核燃料453可以不同于第二核燃料455。替代地，第一核燃料453和第二核燃料455可以是相同的。
第一热交换器452和第二热交换器454中的任一个或两者的选择性接合可以有效地进一步控制工作气流路径480中的工作气流的温度。这是通过将工作气流路径480中的工作气流热联接到第一核燃料453或第二核燃料455中的一个或多个来完成的。应当理解，可以有任何数量的核燃料或核燃料的组合。将进一步认识到，可以有任何数量的热交换器。
图8是图7的涡轮发动机410的示意图，示出了涡轮发动机410的工作气流路径480的截面图。第一热交换器454和第二热交换器456可围绕LP驱动轴442和HP驱动轴444周向布置。如图所示，第一热交换器554和第二热交换器556围绕LP驱动轴542和HP驱动轴546周向延伸，但是可以考虑其他布置。
图9是涡轮发动机510的示意图。涡轮发动机510类似于涡轮发动机10、110、210、310、410，因此，相同的部件将用相同的数字进一步增加100来标识，应当理解，除非另有说明，否则涡轮发动机10、110、210、310、410的相同部件的描述适用于涡轮发动机510。涡轮发动机510包括第一热交换器552和第二热交换器554。第一热交换器552和第二热交换器554可以通过打开和关闭上游门584和下游门586来选择性地接合。
图10是涡轮发动机610的示意图。涡轮发动机610类似于涡轮发动机10、110、210、310、410、510，因此，相同的部件将用相同的数字进一步增加100来标识，应当理解，除非另有说明，否则涡轮发动机10、110、210、310、410、510的相同部件的描述适用于涡轮发动机610。涡轮发动机610包括空气旁路管道688，第一热交换器652，第二热交换器654和第三热交换器656。第一，第二和第三热交换器652、654、656可以可变地定位在工作气流路径680和空气旁路管道688之间。第一，第二和第三热交换器652、654、656可以分别包括第一核燃料653、第二核燃料655和第三核燃料657。
空气旁路管道688可以是涡轮发动机610的完全封闭部分。空气旁路管道688可以用作第一，第二，第三核燃料653、655、657与工作气流路径680或涡轮发动机610的外部之间的热连通的屏障。第一，第二或第三核燃料653、655或657的至少一部分，或者第一，第二或第三热交换器652、654、656可以相对于工作气流路径680向内或向外移动。如图所示，第一核燃料653在工作气流路径680的径向外侧并且完全嵌套在空气旁路管道688内。第二核燃料655部分地定位在空气旁路管道688中并且部分地定位在工作气流路径680中。第三核燃料657完全定位在工作气流路径680中。在这些位置中，工作气流路径680中的工作气流经由第三核燃料657和第二核燃料655的一部分被加热。将理解的是，可以存在与工作气流路径680或空气旁路管道688热连通的核燃料或热交换器的任何组合或数量。
图11是涡轮发动机710的工作气流路径780的截面图。涡轮发动机710类似于涡轮发动机10、110、210、310、410、510、610，因此，相同的部件将用相同的数字进一步增加100来标识，应当理解，除非另有说明，否则涡轮发动机10、110、210、310、410、510、610的相同部件的描述适用于涡轮发动机710。涡轮发动机710包括第一热交换器352，第二热交换器754，第三热交换器756和第四热交换器758。第一，第二，第三和第四热交换器752、754、756、758可以分别包括第一核燃料753、第二核燃料755、第三核燃料757和第四核燃料759。第一，第二，第三和第四热交换器752、754、756、758可以围绕驱动轴740的至少一部分在工作气流路径780内周向布置。屏蔽件790和多个分隔壁792可以将第一，第二，第三和第四热交换器752、754、756、758热地且流体地分离。
工作气流路径780可以被封闭在屏蔽件790内。多个分隔壁792可从屏蔽件790径向向内延伸并会聚到驱动轴740。屏蔽件790和分隔壁792中的一个或多个可以是热绝缘的，使得热能不能从屏蔽件790或分隔壁792中的一个或多个的一侧转移到另一侧。
屏蔽件790和分隔壁792可限定多个通道794、795、796、797。通道794、795、796、797可沿着驱动轴740轴向延伸，并完全封装第一，第二，第三和第四核燃料753、755、757、759。工作气流路径780中的工作气流可以流过通道794、795、796、797中的一个或多个，并且与任何数量的第一，第二，第三或第四核燃料753、755、757、759或第一，第二，第三或第四热交换器752、754、756、758热连通。
多个上游门或下游门可位于第一，第二，第三或第四热交换器752、754、756、758的上游或下游。上游门或下游门可选择性地将工作气流路径780中的工作气流向下引导至通道794、795、796、797中的任何一个或多个。
本公开的益处包括当使用核燃料而不是化石燃料时更长的运行涡轮发动机。将理解的是，随着核燃料随时间衰变，从核燃料发出的热量将减少，直到需要替换核燃料以使涡轮发动机以预定状态操作。例如，当衰变超过70％的预定阈值时，涡轮发动机将需要加燃料才能以预定的效率阈值运行。作为非限制性示例，预定阈值可以是衰变的95％或更少。然而，核燃料衰变到足以不再有效地操作涡轮发动机所花费的时间比使用常规化石燃料的相同尺寸的涡轮发动机用尽燃料所花费的时间长得多。例如，在利用喷气燃料涡轮发动机的常规飞行器在加燃料之前可操作16小时的情况下，使用具有核交换器的涡轮发动机的飞行器在加燃料之前可操作数周甚至一年以上。
进一步预期的是，在核燃料已经衰变超过预定阈值之后，或者当不使用核燃料为涡轮发动机提供动力时，来自核燃料的热量可以用作辅助热量。例如，在一些情况下，来自核燃料的热量不足以使涡轮发动机运行。这样，核燃料仍将散发可以用作辅助热量的热量。辅助热量可以与涡轮发动机的各个子系统热连通，或可以被引导至各个外部系统。例如，辅助热量可用于对涡轮发动机或飞行器的各种部件除冰。替代地或附加地，辅助热量可用于加热构建物或产生地面电力。如本文所用，地面电力可以是直接用于地面设备(例如但不限于灯，厨房设备，马达，电子装置，暖气装置等)的任何电力。可以预期，来自核燃料的热量可以加热工作气流以运行涡轮发动机，并且可以用来同时加热涡轮发动机的各个子系统或被引导到各个外部系统。
核燃料的能量密度可以是常规化石燃料的能量密度的1,000到100,000倍之间。能量密度可限定为在给定系统(即，核燃料或常规化石燃料)中每单位体积燃料所存储的能量的量。因此，与常规涡轮发动机相比，涡轮发动机中为燃料目的而必须分配的重量较小。另外，核燃料的更大的能量密度意味着燃料可以使用较小的体积，这意味着涡轮发动机的总体尺寸可以比利用常规化石燃料的常规涡轮发动机更紧凑。
该书面描述使用示例来描述本文描述的本公开的各方面，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本公开的各方面，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本公开的各方面的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。
本发明的进一步方面由以下条项的主题提供：
1.一种涡轮发动机，包括：压缩机区段和涡轮区段，该压缩机区段和涡轮区段以串行流动布置，以限定工作气流路径；热交换器，该热交换器与工作气流路径流体连通；核燃料，该核燃料与工作气流路径热连通；空气释放阀，该空气释放阀与压缩机区段和涡轮区段之间的工作气流路径流体连通。
2.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，核燃料被提供在热交换器内。
3.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，核燃料是W181或Ta182中的至少一种。
4.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，核燃料主要通过α或β衰变而衰变。
5.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，存在多个热交换器，其中每个热交换器与不同类型的核燃料热连通。
6.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，不同类型的核燃料具有不同的半衰期。
7.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，涡轮区段包括高压涡轮和低压涡轮，并且空气释放阀包括位于高压涡轮上游的高压空气释放阀或位于低压涡轮上游的低压空气释放阀中的至少一个。
8.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，空气释放阀至少包括高压释放阀和低压释放阀两者。
9.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，核燃料被提供在热交换器内。
10.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，核燃料是W181或Ta182中的至少一种。
11.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，进一步包括在工作气流路径中的燃烧器区段。
12.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，核燃料是非裂变核燃料。
13.一种涡轮发动机，包括：压缩机区段、燃烧器区段和涡轮区段，该压缩机区段、燃烧器区段和涡轮区段以串行流动布置，以限定工作气流路径；非反应堆核燃料热交换器，该非反应堆核燃料热交换器与压缩机区段和燃烧器区段之间的工作气流路径热连通；空气释放阀，该空气释放阀与燃烧器区段和涡轮区段之间的工作气流路径流体连通。
14.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，热交换器选择性地与工作气流路径流体连通。
15.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，热交换器相对于工作气流路径可移动。
16.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，热交换器与非裂变核燃料热连通。
17.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，存在多个热交换器，每个热交换器与不同类型的非裂变核燃料热连通。
18.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，不同类型的非裂变核燃料具有不同的半衰期。
19.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，非裂变核燃料是W181或Ta182中的至少一种。
20.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，热交换器流体地联接到燃烧器区段上游的工作气流路径。
21.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，热交换器与压缩机区段和涡轮区段成串行流动布置。
22.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，空气释放阀与涡轮区段上游的工作气流路径流体连通。
23.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，涡轮区段包括至少两个子区段，并且空气释放阀在两个子区段中的至少一个子区段的上游流体地联接到工作气流路径。
24.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，至少两个子区段包括高压涡轮和低压涡轮。
25.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，空气释放阀包括位于高压涡轮上游的高压空气释放阀或位于低压涡轮上游的低压空气释放阀中的至少一个。
26.一种涡轮发动机，包括：压缩机区段、燃烧器区段和涡轮区段，该压缩机区段、燃烧器区段和涡轮区段以串行流动布置，以限定工作气流路径；非反应堆核燃料热交换器，该非反应堆核燃料热交换器与压缩机区段和燃烧器区段之间的工作气流路径热连通；以及空气释放阀，该空气释放阀与燃烧器区段和涡轮区段之间的工作气流路径流体连通。
27.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，非反应堆核燃料热交换器与非裂变核燃料热连通。
28.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，非裂变核燃料是W181或Ta182中的至少一种。
29.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，非裂变核燃料主要通过α或β衰变而衰变。
30.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，非裂变核燃料包括不同类型的非裂变核燃料。
31.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，不同类型的非裂变核燃料具有不同的半衰期。
32.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，涡轮区段包括高压涡轮和低压涡轮，并且空气释放阀包括位于高压涡轮上游的高压空气释放阀或位于低压涡轮上游的低压空气释放阀中的至少一个。
33.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，空气释放阀至少包括高压释放阀和低压释放阀两者。
34.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，非反应堆核燃料热交换器包括非裂变核燃料。
35.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，非裂变核燃料是W181或Ta182中的至少一种。
36.一种操作涡轮发动机的方法，该涡轮发动机具有以串行流动布置的压缩机区段和涡轮区段，以限定工作气流路径，该方法包括通过选择性地将工作气流路径暴露于由核燃料产生的热量来加热工作气流路径。
37.根据任何前述条项所述的方法，其中，加热工作气流路径包括利用与热交换器热连通的核燃料连续地加热工作气流路径，以限定主要热源。
38.根据任何前述条项所述的方法，进一步包括通过在燃烧器区段中燃烧化石燃料来间歇地加热工作气流路径，以限定次要热源。
39.根据任何前述条项所述的方法，进一步包括通过将工作气流路径流体地联接到涡轮区段上游的大气来控制涡轮发动机的旋转速度。
40.根据任何前述条项所述的方法，其中，将工作气流路径流体地联接到大气包括选择性地将工作气流路径流体地联接到大气。
41.根据任何前述条项所述的方法，其中，将工作气流路径流体地联接到涡轮区段上游的大气包括将工作气流路径流体地联接到涡轮区段的至少一个子区段上游的大气。
42.根据任何前述条项所述的方法，其中，连续地加热包括连续地加热燃烧器上游的工作气流路径。
43.根据任何前述条项所述的方法，其中，连续地加热包括连续地加热压缩机下游的工作气流路径。
44.根据任何前述条项所述的方法，其中，连续地加热包括将不同类型的核燃料选择性地热暴露于工作气流路径。
45.根据任何前述条项所述的方法，其中，不同类型的核燃料具有不同的半衰期。
46.根据任何前述条项所述的方法，进一步包括将工作气流路径热暴露于由不同类型的核燃料产生的不同热量。
47.根据任何前述条项所述的方法，其中，不同类型的核燃料的衰变率不同。
48.根据任何前述条项所述的方法，进一步包括通过选择性地排出一部分工作气流以绕过至少一部分涡轮区段来控制涡轮发动机的推力或输出。
49.一种涡轮发动机，包括：压缩机区段、燃烧器区段和涡轮区段，该压缩机区段、燃烧器区段和涡轮区段以串行流动布置，以限定工作气流路径；热交换器，该热交换器与压缩机区段和涡轮区段之间的工作气流路径流体连通；核燃料，该核燃料与热交换器热连通；以及空气释放阀，该空气释放阀与压缩机区段和涡轮区段之间的工作气流路径流体连通。
50.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，核燃料被提供在热交换器内。
51.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，核燃料是W181或Ta182中的至少一种。
52.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，核燃料主要具有辐射的α或β衰变。
53.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，存在多个热交换器，其中每个热交换器与不同类型的核燃料热连通。
54.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，不同类型的核燃料具有不同的半衰期。
55.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，涡轮区段包括高压涡轮和低压涡轮，并且空气释放阀包括位于高压涡轮上游的高压空气释放阀或位于低压涡轮上游的低压空气释放阀中的至少一个。
56.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，空气释放阀至少包括高压释放阀和低压释放阀两者。
57.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，核燃料被提供在热交换器内。
58.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，核燃料是W181或Ta182中的至少一种。
59.一种涡轮发动机，包括：压缩机区段和涡轮区段，该压缩机区段和涡轮区段以串行流动布置，以限定工作气流路径，热交换器，该热交换器与工作气流路径流体连通；核燃料，该核燃料与热交换器热连通；以及空气释放阀，该空气释放阀与压缩机区段和涡轮区段之间的工作气流路径流体连通。
60.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，热交换器选择性地与工作气流路径流体连通；
61.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，热交换器相对于工作气流路径可移动。
62.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，热交换器与核燃料热连通。
63.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，存在多个热交换器，其中每个热交换器与不同类型的核燃料热连通。
64.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，不同类型的核燃料具有不同的半衰期。
65.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，核燃料是W181或Ta182中的至少一种。
66.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，热交换器流体地联接到燃烧器区段上游的工作气流路径。
67.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，热交换器与压缩机区段和涡轮区段成串行流动布置。
68.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，空气释放阀与涡轮区段上游的工作气流路径流体连通。
69.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，涡轮区段包括至少两个子区段，并且空气释放阀在两个子区段中的至少一个子区段的上游流体地联接到工作气流路径。
70.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，至少两个子区段包括高压涡轮和低压涡轮。
71.根据任何前述条项所述的涡轮发动机，其中，空气释放阀包括位于高压涡轮上游的高压空气释放阀或位于低压涡轮上游的低压空气释放阀中的至少一个。
72.一种操作涡轮发动机的方法，该涡轮发动机具有以串行流动布置的压缩机区段、燃烧器区段和涡轮区段，以限定工作气流路径，该方法包括利用与热交换器热连通的核燃料连续地加热工作气流路径，以限定主要热源，并且通过在燃烧器区段中燃烧化石燃料来间歇地加热工作气流路径，以限定次要热源。
73.根据任何前述条项所述的方法，进一步包括通过将工作气流路径流体地联接到涡轮区段上游的大气来控制涡轮发动机的旋转速度。
74.根据任何前述条项所述的方法，其中，将工作气流路径流体地联接到大气包括选择性地将工作气流路径流体地联接到大气。
75.根据任何前述条项所述的方法，其中，将工作气流路径流体地联接到涡轮区段上游的大气包括将工作气流路径流体地联接到涡轮区段的至少一个子区段上游的大气。
76.根据任何前述条项所述的方法，其中，连续地加热包括连续地加热燃烧器上游的工作气流路径。
77.根据任何前述条项所述的方法，其中，连续地加热包括连续地加热压缩机下游的工作气流路径。
78.根据任何前述条项所述的方法，其中，连续地加热包括将不同类型的核燃料选择性地暴露于工作气流路径。
79.根据任何前述条项所述的方法，其中，不同类型的核燃料具有不同的半衰期。
80.一种操作涡轮发动机的方法，该涡轮发动机具有以串行流动布置的压缩机区段和涡轮区段，以限定工作气流路径，该方法包括通过选择性地将工作气流路径暴露于由核燃料产生的热量来加热工作气流路径。
81.根据任何前述条项所述的方法，进一步包括将工作气流路径暴露于由不同类型的核燃料产生的不同热量。
82.根据任何前述条项所述的方法，其中，不同类型的核燃料的衰变率不同。

Claims (10)

1.一种涡轮发动机，其特征在于，包括：
压缩机区段和涡轮区段，所述压缩机区段和所述涡轮区段以串行流动布置，以限定工作气流路径；
热交换器，所述热交换器与所述工作气流路径流体连通；
核燃料，所述核燃料与所述工作气流路径热连通；和
空气释放阀，所述空气释放阀与所述压缩机区段和所述涡轮区段之间的所述工作气流路径流体连通。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述核燃料被提供在所述热交换器内。
3.根据权利要求2所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述核燃料是W181或Ta182中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述核燃料主要通过α或β衰变而衰变。
5.根据权利要求2所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，存在多个热交换器，其中每个热交换器与不同类型的所述核燃料热连通。
6.根据权利要求5所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述不同类型的所述核燃料具有不同的半衰期。
7.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述涡轮区段包括高压涡轮和低压涡轮，并且所述空气释放阀包括位于所述高压涡轮上游的高压空气释放阀或位于所述低压涡轮上游的低压空气释放阀中的至少一个。
8.根据权利要求7所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述空气释放阀至少包括所述高压释放阀和所述低压释放阀两者。
9.根据权利要求8所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述核燃料被提供在所述热交换器内。
10.根据权利要求9所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述核燃料是W181或Ta182中的至少一种。
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