CN113404544A - 涡轮发动机系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种系统，其包括具有多根辐条的涡轮。第一辐条端部耦接到轴，并且第二辐条端部耦接到多个叶片中的一个叶片。每个叶片是具有开放表面的杯。分配器包括燃烧室。空气喷射器被构造来将空气喷射到所述燃烧室中。燃料喷射器被构造来将燃料喷射到所述燃烧室中。点火器被构造来供应火花以用于所述燃烧室中的燃烧。喷嘴将所排出的流体朝向所述叶片的所述开放表面引导以驱动所述涡轮。壳体包围第二喷嘴端部和所述多个叶片，并且具有排气管。控制器被配置来控制所述空气喷射器、所述燃料喷射器和所述点火器。

Description

涡轮发动机系统
相关申请
本申请要求2020年10月9日提交并且名称为“Turbine Engine System”的美国非临时专利申请号17/067,143的优先权，所述专利申请要求2020年3月16日提交并且名称为“Turbine Engine System”的美国临时专利申请号62/990,181的优先权，两项专利申请特此通过引用全部并入。
背景技术
用于发电的电源已随着时间推移而演变。每种设计对于管理发电、热效率、能量效率、排放控制、污染产生、噪声生成、操作期间消耗的资源、成本和美学都有权衡。例如，由于诸如摩擦、噪声、空气湍流以及用于使发动机部件和其他电器旋转的功的能量损耗，车辆中的典型的基于活塞的内燃发动机使用燃料所释放能量的约20-35％来使车辆移动。在另一个实例中，化石燃料发电厂燃烧化石燃料(诸如煤或天然气)来发电，而机械装置则将热能转换成机械能，从而使发生器操作。发电厂使用从膨胀气体(诸如蒸汽或燃烧的气体)中提取的能量。转换方法所具有的效率有限，并且产生未使用的热量和排放物(诸如CO2、SO2、NOx和颗粒物质)。在电力传输和分配期间存在另外的能量损耗。
发明内容
公开了一种系统，其包括具有多根辐条的涡轮。所述多根辐条围绕轴周向间隔。每根辐条具有第一辐条端部和第二辐条端部，并且每根辐条沿着所述第一辐条端部与所述第二辐条端部之间的轴线延伸。所述第一辐条端部耦接到所述轴，并且所述第二辐条端部耦接到多个叶片中的一个叶片。每个叶片是具有开放表面的半球形杯并且耦接到所述第二辐条端部，其中所述开放表面与所述轴线成﹣20°至75°角度。分配器包括燃烧室。空气喷射器耦接到所述燃烧室，并且被构造来将空气燃料混合物的空气喷射到所述燃烧室中。燃料喷射器耦接到所述燃烧室，并且被构造来将所述空气燃料混合物的燃料喷射到所述燃烧室中。点火器耦接到所述燃烧室，并且被构造来供应火花以用于所述燃烧室中的所述空气燃料混合物的燃烧。喷嘴具有：第一喷嘴端部，所述第一喷嘴端部耦接到所述燃烧室；以及第二喷嘴端部，所述第二喷嘴端被定位以将在所述燃烧室中的燃烧之后所排出的流体朝向所述叶片的所述开放表面引导以驱动所述涡轮。壳体包围所述第二喷嘴端部和所述多个叶片，并且具有延伸远离所述轴的排气管，所述排气管被构造来将所排出的流体引导出所述壳体。控制器与所述分配器通信，并且被配置来控制所述空气喷射器、所述燃料喷射器和所述点火器。
公开了一种系统，其包括具有围绕轴周向间隔的多个叶片的涡轮。所述多个叶片中的每个叶片是具有开放表面的半球形杯。多个分配器中的每个分配器定位成面向所述每个叶片的开放表面，并且被构造来将所排出的流体朝向所述每个叶片的开放表面引导以驱动所述涡轮。壳体包围所述多个叶片以及所述多个分配器中的每个分配器的一部分，并且具有延伸远离所述轴的排气管，所述排气管被构造来将所排出的流体引导出所述壳体。控制器与所述多个分配器通信，并且被配置来控制所述多个分配器。
附图说明
图1A和图1B是根据一些实施方案的涡轮发动机系统的透视图。
图2是涡轮发动机系统的透视图，其中移除了壳体。
图3是根据一些实施方案的涡轮的多根辐条的前视图。
图4A是根据一些实施方案的涡轮发动机系统的分配器的透视图。
图4B和图4C是根据一些实施方案的涡轮发动机系统的示例性框图。
图5是根据一些实施方案的涡轮发动机系统的透视图。
图6是根据一些实施方案的涡轮发动机系统的透视图，其中移除了壳体。
图7A是根据一些实施方案的具有16叶片涡轮的涡轮发动机系统的透视图。
图7B是根据一些实施方案的具有16叶片涡轮的涡轮发动机系统的前视图，其中移除了壳体。
图8A至图8F示出根据一些实施方案的12叶片涡轮发动机系统的操作的实例。
图9是根据一些实施方案的多个涡轮发动机系统的侧视图。
图10是根据一些实施方案的耦接到轴向磁通电机的涡轮发动机系统的透视图。
图11示出根据一些实施方案的耦接到多个轴向磁通电机的涡轮发动机系统。
图12是根据一些实施方案的火车头中的涡轮发动机系统的示例性框图。
图13是根据一些实施方案的在电动车辆系统中使用的涡轮发动机系统。
图14是根据一些实施方案的涡轮发动机系统在电动车辆中的实现方式的示例性框图。
图15是根据一些实施方案的耦接到发生器的多个涡轮发动机系统。
图16示出根据一些实施方案的耦接到螺旋桨的涡轮发动机系统。
图17是根据一些实施方案的耦接到用于个人水运工具的螺旋桨的涡轮发动机系统的透视图。
图18描绘根据一些实施方案的安装在载客车辆中的涡轮发动机系统。
图19示出根据一些实施方案的具有反转螺旋桨的两个涡轮发动机系统。
图20示出根据一些实施方案的垂直起降飞机中的多个涡轮发动机系统。
图21是根据一些实施方案的可逆涡轮发动机系统的透视图。
图22是根据一些实施方案的可逆涡轮发动机系统的侧视图。
图23是根据一些实施方案的可逆涡轮发动机系统的前视图。
图24示出根据一些实施方案的安装在载客车辆中的可逆涡轮发动机系统。
图25示出根据一些实施方案的在载客车辆中安装在车轮附近的可逆涡轮发动机系统。
具体实施方式
公开了一种涡轮发动机系统，其通过使用结合火箭燃烧理论的内燃发动机设计来产生动力。所述系统包括涡轮和多个分配器，所述涡轮具有多根辐条，并且每根辐条具有叶片，所述叶片可以是具有开放表面的半球形杯。每个分配器都包括燃烧室，在燃烧室中，空气和燃料被点火，然后流体(诸如气体)从燃烧室朝向涡轮的叶片排出以使涡轮移动，由此产生动力。根据应用，涡轮发动机系统可耦接到其他部件，诸如电机、发生器、车轮、螺旋桨或传动系统。涡轮发动机系统可代替常规动力源并且为各种类型的运输装置(诸如载客车辆、列车、船只或飞机)提供动力。涡轮发动机系统的大小可根据应用进行定制。多个涡轮发动机系统可耦接到同一轴以用于产生另外的动力，或者涡轮发动机系统可耦接到另一个动力发生器或多个发生器以产生更大量的动力。
本领域中已知一些传统动力产生系统具有仅20-30％的效率。与传统的动力产生系统相比，涡轮发动机系统将系统的效率提高至高达95％。涡轮发动机系统减少或消除传统动力产生系统的复杂的、沉重的动力传动系、传动装置和其他部件，并且与传统的动力产生系统相比，涡轮发动机系统的部件更少、占用面积更小、重量更轻、产生的排放物更少并且更安静。涡轮发动机系统被设计来通过直接接合至车辆的动力传动系、螺旋桨和交流发电机或发生器来代替在车辆(诸如汽车、卡车、列车、小船、船只和飞机)中使用的基于活塞的发动机。涡轮发动机系统可0°至90°实现和构造以用于在垂直起降飞机或船只推进转向系统中使用，并且可代替潜水艇的不依赖于空气的推进发动机。
在一些实施方案中，涡轮发动机系统可被实现为家用发生器，或在大容量发电厂/农场中实现以产生大量电力。将涡轮发动机系统用作发电厂/农场消除了对昂贵部件(诸如传输线、杆、塔、变压器、开关、继电器和配电集线器)的需要。能量分配可基于需求，因此节省了化石燃料消耗同时产生更少的污染。这导致显著减少了消费者的电费。
图1A是根据一些实施方案的涡轮发动机系统100的透视图，图1B是根据一些实施方案的涡轮发动机系统100的透视图，并且图2是涡轮发动机系统100的透视图，其中移除了壳体，诸如其中移除了壳体的图1A或图1B。涡轮发动机系统100具有多根辐条104。多根辐条104中的每一根可标示为104a、104b、104c……104n。如图所示，存在八根辐条104，这被认为是8叶片涡轮设计。多根辐条104围绕轴106周向间隔。多根辐条104中的每一根的间隔可均匀地间隔，或者以一定图案间隔(诸如成对间隔且对之间具有更大距离)，或者随机地间隔等。在图3中，多根辐条104中的每一根具有第一辐条端部108和第二辐条端部110，并且辐条104沿着第一辐条端部108与第二辐条端部110之间的轴线延伸。第一辐条端部108耦接到轴106，并且第二辐条端部110耦接到多个叶片112中的一个叶片112。多个叶片112中的每一个可标示为112a、112b、112c……112n。多个叶片112中的每一个具有接收面，所述接收面具有开放表面(诸如挖空的容器)以捕集和接收流体。在一些实施方案中，多个叶片112中的每一个是具有开放表面的半球形杯。其他形状(诸如卵形或椭圆形)也是可能的。多个叶片112中的每一个的形状被设计来在考虑流体动力学理论中的阻力系数的同时使所收集的流体的量最大化。例如，半球形杯叶片112可可用0.42的阻力系数，并且具有椭圆形状的叶片112可具有0.04的阻力系数。具有开放表面的半球形杯的深度可以是完全挖空的，或者可以不是挖空的而只是略凹的。多根辐条104和多个叶片112被构造来围绕轴106旋转，从而形成涡轮114。
多个分配器118安装到壳体120并且围绕轴106周向间隔。多根分配器118中的每一根的间隔可均匀地间隔，或者以一定图案间隔(诸如成对间隔且对之间具有更大距离)，或者随机地间隔等。总体上，多个分配器118中的每一个的间隔与多根辐条104中的每一根的间隔协调。多个分配器118中的每一个可标示为118a、118b、118c……118n。多个分配器118中的每一个被构造来将流体(例如，液体或气体)递送到多个叶片112中的每一个。多个分配器118中的每一个总体上定位成面向多个叶片112中的每一个的开放表面，并且被构造来将所排出流体朝向多个叶片112中的每一个的开放表面引导以驱动涡轮114或使其移动。
参考图1A，壳体120包围多个分配器118中的每一个的一部分、多个叶片112、多根辐条104以及轴106的一部分。参考图1B，在一些实施方案中，壳体120包围全部的多个分配器118、多个叶片112、多根辐条104以及轴106的一部分。以此方式，全部的多个分配器118都位于壳体120的内部。这可以是一件或两件式设计，使得壳体120的第一部分包围多个分配器118中的每一个的一部分、多个叶片112、多根辐条104以及轴106的一部分，并且壳体120的第二部分包围全部的多个分配器118、多个叶片112、多根辐条104以及轴106的一部分。
壳体120可以是圆形或环形或另一种合适的形状。在一些实施方案中，液体冷却剂导管(未示出)耦接到壳体120的内表面，并且被构造来耗散在多个分配器118中的每一个的燃烧室124中的燃烧之后所排出的流体中的热量。排气管122可耦接到壳体120或与其成整体，并且可延伸远离轴106。排气管122被构造来将所排出的流体引导出壳体120。排气管122可包括(诸如火器技术中的)消声器或消音器系统以减少噪声。
图3是根据一些实施方案的涡轮发动机系统100的多根辐条104的前视图。多个叶片112中的每一个耦接到多根辐条104中的每一根的第二辐条端部110，其中开放表面与轴线(沿着辐条104，参见虚线)成一定角度。图3示出与多根辐条104中的每一根成30°角度的多个叶片112中的每一个。以此方式，根据应用，多个叶片112中的每一个易于使从多个分配器118中的每一个接收的流体(诸如燃烧的气体)的量最大化。在其他实施方案中，多个叶片112中的每一个与辐条成﹣20°至75°(诸如﹣15°、0°、15°、20°、30°、40°或60°)角度。在一些实施方案中，多个分配器118中的每一个可定位成与多根辐条104中的每一根成120°角度。多个分配器118中的每一个的中心线可垂直于多个叶片112中的每一个的一部分，诸如多个叶片112中的每一个的杯的开放表面的接收面。多个分配器118中的每一个的位置被设计来使由多个叶片112中的每一个收集的流体的量最大化。
图4A是根据一些实施方案的涡轮发动机系统100的分配器118的透视图。多个分配器118的设计是基于火箭燃烧设计技术。常规地，活塞发动机每次点火仅收获初始能量，因为当活塞冲程达到终点时，不再有能量可用来使轴转动。因此，在冲程的影响下损耗大部分能量。相反地，因为涡轮处于连续旋转，涡轮发动机系统100可收获几乎100％的气体膨胀能量。多个分配器118中的每一个都包括燃烧室124，燃烧室124可以是具有第一较宽形状的端部和第二较窄形状的端部的圆锥形状，诸如漏斗。其他形状也是可能的。空气喷射器126耦接到燃烧室124，并且被构造来将空气燃料混合物的空气喷射到燃烧室124中。燃料喷射器128耦接到燃烧室124，并且被构造来将空气燃料混合物的燃料喷射到燃烧室124中。点火器130(诸如火花塞)耦接到燃烧室124，并且被构造来供应电火花以用于燃烧室124中的空气燃料混合物的燃烧。喷嘴132具有：第一喷嘴端部，所述第一喷嘴端部耦接到燃烧室；以及第二喷嘴端部，所述第二喷嘴端部被定位以将在燃烧室124中的燃烧之后所排出的流体朝向叶片112的开放表面引导以使涡轮发动机系统100移动。喷嘴的形状可以是线性的(如图4A所示)或弯曲的。分配器118的燃料喷射器128通过软管142b将燃料喷射到燃烧室124中，并且分配器118的空气喷射器126通过软管142a将空气喷射到燃烧室124中。
涡轮发动机系统100是具有基于火箭的内燃发动机的几乎无摩擦的涡轮。例如，涡轮发动机系统100可在定子与转子之间使用滚珠轴承，并且滚珠轴承的摩擦系数可以是0.1至0.001。减少滚珠轴承中的摩擦减少磨损，并且有利于延长在高速时的使用。此外，减少摩擦降低珠滚轴承过热和过早失效的风险。这些因素直接影响效率。
在一些实施方案中，燃料是汽油或液化天然气。例如，当使用汽油时，1.0L的基于活塞的内燃发动机每次爆燃都需要与足够体积的空气或氧气混合的约0.1ml的汽油。汽油与空气的比率按质量(重量)计可以是14.7:1。在通过例如火花塞点火之后，汽油和空气混合物爆燃并产生高达1,500℃的热量。根据热膨胀和气体定律，每递增100℃，气体体积就膨胀33％，因此在1500℃时，热空气体积增加51.2倍，诸如1.315＝51.186。换句话说，每爆燃0.1ml的汽油，常温下的气体体积为46.5L(或0.1×0.755(汽油重量)×14.7×51.2/1.225(空气密度)＝46.4873L。在本发明实施方案中，耦接到燃烧室124的喷嘴132将在燃烧室124中的燃烧之后的热空气—或所排出的流体—朝向多个叶片112中的每一个的开放表面引导以驱动涡轮发动机系统100的涡轮114。所排出的流体以类似于灭火引擎分配高压水的高速离开燃烧室124。所排出的流体接触并推动或移动涡轮114的多个叶片112中的每一个，并且使多个叶片112中的每一个围绕轴106旋转。
图4B是根据一些实施方案的涡轮发动机系统100的示例性框图。涡轮发动机系统100还包括空气压缩机138和耦接到燃料箱141的燃料泵140。空气压缩机138和燃料泵140分别通过例如软管142(诸如高压软管)耦接到多个分配器118中的每一个。空气压缩机138被构造来通过软管142a将空气递送到分配器118的空气喷射器126并递送到燃烧室124中。燃料泵140被构造来通过软管142b将燃料递送到分配器118的燃料喷射器128并递送到燃烧室124中。空气压缩机138和燃料泵140安装在壳体120的外部。
图4C是根据一些实施方案的涡轮发动机系统100的示例性框图。在一些实施方案中，代替空气喷射器126和空气压缩机138，存在化油器143。以此方式，来自燃料泵140的燃料和周围空气进入化油器143并且以14.7:1的燃料与空气的比率混合在一起。然后，此空气燃料混合物通过阀145进入分配器118，使得阀145调节空气燃料从化油器143到分配器118的燃烧室124的流动。点火器130提供火花以使燃烧室124中的空气燃料混合物爆燃，并且喷嘴132将气体(来自爆燃的空气燃料混合物)朝向多个叶片112中的每一个的开放表面引导。气体的速度和压力使多个叶片112中的每一个围绕轴106旋转以驱动涡轮发动机系统100的涡轮114。
图5是根据一些实施方案的涡轮发动机系统100的透视图。控制器134与多个分配器118通信并且被配置来控制至少多个分配器118中的每一个的空气喷射器126、燃料喷射器128和点火器130。在一些实施方案中，控制器134与阀145通信并且被配置来控制阀145。控制器134可耦接到空气喷射器126和燃料喷射器128，以控制每个空气喷射器126中的内部空气阀和每个燃料喷射器128中的内部燃料阀的打开和闭合。控制器134还可用电线耦接到点火器130，以控制多个分配器118中的每一个中的点火。为了简单起见，在图5中，将电线示出为从控制器134到仅分配器118中的一个(诸如118g)的136a、136b和136c。例如，电线136a在控制器134与点火器130之间，电线136b在控制器134与燃料喷射器128之间，并且电线136c在控制器134到空气喷射器126之间。软管142a和142b被示出为通向分配器118中的仅一个，诸如118f和118b。分配器118的燃料喷射器128通过软管142b将燃料喷射到燃烧室124中，并且通过电线136b通信。分配器118的空气喷射器126通过软管142a将空气喷射到燃烧室124中并通过电线136c通信。
图6是根据一些实施方案的涡轮发动机系统100的透视图，其中移除了壳体120。在一些实施方案中，涡轮发动机系统100还包括多个磁体144以用于监测多根辐条104、多个叶片112的位置和旋转以及涡轮发动机系统100的速度。多个磁体144中的每一个可与多根辐条104中的每一根或多个叶片112中的每一个相关联。多个磁体144中的每一个可定位在多根辐条104中的每一根或多个叶片112中的每一个上，或者定位在被构造来旋转的圆盘146上，或者其组合。
在一些实施方案中，传感器148(诸如霍尔效应传感器)相对于旋转的多根辐条104、多个叶片112和圆盘146处于固定位置，使得多个磁体144移动经过传感器148。传感器148与控制器134通信。当磁体旋转经过例如霍尔效应传感器148时，产生电磁信号。这些同步位用于指示多个叶片112中的每一个的位置。不与特定辐条104或叶片112相关联的参考磁体144a可用于确定涡轮114的多个叶片112的原始第一位置。当涡轮114移动时，控制器134从传感器接收指示多个叶片112中的每一个的原始第一位置和多个叶片112中的每一个的随后位置的信号。控制器134使用多个叶片112的原始第一位置，并且确定要分配的空气和燃料的量和正时以及用于点火的火花的正时。在一些实施方案中，可使用用于测量转速的其他方法，包括轴编码器、光电传感器或光学检测。
在涡轮发动机系统100的操作期间，控制器134接收至少一个叶片112的位置并且确定用于操作多个分配器118中的每一个的数据。多个叶片112中的每一个的位置可以是相对于多个分配器118中的每一个的，诸如多个叶片112中的每一个相对于多个分配器118中的每一个的角取向。或者，叶片112的位置可以是相对于多根辐条104中的每一根的，诸如多个叶片112中的每一个相对于多根辐条104中的每一根的角取向。
所述数据包括基于多个叶片112中的至少一个叶片的位置的多个分配器118中的每一个将空气分配到燃烧室124中的时间(例如，时刻和持续时间)，以及多个分配器118中的每一个将燃料分配到燃烧室124中的时间(例如，时刻和持续时间)。所述数据还包括基于多个叶片112中的至少一个叶片的位置的多个分配器118中的每一个要分配到燃烧室124中的空气的量和燃料的量。所述数据还包括基于多个叶片112中的至少一个叶片的位置的点火器130引发对空气燃料混合物的点火以引起燃烧室124中的燃烧的时间。基于所述数据，控制器134控制空气喷射器126、燃料喷射器128和点火器130。还可控制涡轮发动机系统100的速度。例如，控制器134可从霍尔效应传感器148的读数确定涡轮发动机系统100的速度，并且可增加或减少空气燃料的量或调整正时(例如，时刻和持续时间)以增大或减小速度。典型的活塞发动机可以每分钟6,000转或每秒100转的速度运行，而活塞缸的每次点火(爆燃)花费约2毫秒。涡轮发动机系统100使用较少的汽油来产生相同的动力。
在一些实施方案中，例如诸如当使用化油器143时，所述数据包括基于多个叶片112中的至少一个叶片的位置的通过阀145将空气燃料混合物分配到多个分配器118中的每一个的燃烧室124中的时间。所述数据还包括基于多个叶片112中的至少一个叶片的位置的分配到燃烧室124中的空气燃料混合物的量，以及基于多个叶片112中的至少一个叶片的位置的引发对空气燃料混合物的点火以引起燃烧室124中的燃烧的时间。基于所述数据，控制器134控制阀145和点火器130。
如图1至图3和图5至图6所示，涡轮发动机系统100中可采用多个分配器118。多个分配器118中的每一个可围绕壳体120周向间隔。间隔在多个分配器118中的每一个之间可以是均匀的，或者可根据应用使用其他间隔图案。在一些实施方案中，可存在3个、5个、7个、11个、15个或更多个分配器118，这些对应于涡轮发动机系统100的4个、6个、8个、12个和16个叶片的设计。总体上，将存在的分配器118比叶片112少一个，因为用于分配器118的一个安装位置改为专用于排气管122，尽管排气管122的其他定位也是可能的。在一些实施方案中，根据应用，所存在的多个分配器118的量可为与多个叶片112相比的一半或三分之一。控制器134与多个分配器118通信并且控制多个分配器118中的每一个，而在一些实施方案中，空气压缩机138和/或燃料泵140(如在图5中)将高压空气和燃料分配到多个分配器118中的每一个。
图7A是根据一些实施方案的具有16叶片涡轮设计的涡轮发动机系统100的透视图，并且图7B是根据一些实施方案的具有16叶片涡轮的涡轮发动机系统100的前视图，其中移除了壳体120。为了提高转速(rpm)、扭矩和动力，可使用另外的更长的辐条与更大的叶片。例如，对于某些设计(诸如小型载客车辆)，可采用8叶片涡轮。通过将多根辐条104中的辐条104的数量从8个增加到16个、使用比8叶片涡轮长的辐条104、以及增大叶片112的大小(例如，具有开放表面的半球形杯的直径)，可实现更大的动力。这可用于为更大的车辆(诸如1,000至3,000吨的水上船只)产生动力。在一些实施方案中，8叶片涡轮可具有直径为14.5英寸并且厚度为3.6英寸的壳体120。从轴106沿着辐条104的长度到多个叶片112中的一个的端部的长度可以是六英寸。图9示出8叶片涡轮的这些样本尺寸。壳体的大小取决于多个叶片112的直径，并且壳体的厚度取决于多个叶片112中的每一个的大小。当叶片的数量从8个增加到16个并且叶片112的大小增大时，16叶片涡轮例如可具有30英寸的直径并且在厚度上可以是8英寸，这导致动力是8叶涡轮的约10倍。
可在任何时间或以任何顺序激活任何数量的分配器118以使涡轮114移动。图8A至图8F示出根据一些实施方案的12叶片涡轮发动机系统的操作的实例。同时激活的分配器118的数量可用于对点火类型进行分类。例如，1点火意指在任何给定时刻激活一个分配器118，而3点火意指同时激活三个分配器118。其他实例可以是4点火、6点火和全点火。在全点火时，多个分配器118中的所有分配器118同时激活。例如，图8A至图8F中分别示出了单点火、2点火、3点火、4点火、6点火和全点火。控制器134确定要激活哪些分配器118(诸如三个分配器118、七个分配器118或11个分配器118)以及多久激活一次。多个分配器118可同时或以特定顺序激活。以此方式，可通过涡轮发动机系统100的涡轮114实现期望的扭矩和期望的转速。在一些实施方案中，与仅具有一个分配器118相比，通过具有更多的点火分配器118，可在一定正时间隔下实现更大的动力、更大的扭矩和稳定性。这也降低了过热的风险。
图9是根据一些实施方案的多个涡轮发动机系统的侧视图。在此实例中，作为为特定应用增加动力的另一种方式，多个涡轮发动机系统(诸如三个涡轮发动机系统100)同轴地耦接到轴106。可存在一个控制器134或一起工作以协调对多个分配器118中的每一个的控制的多个控制器。
涡轮发动机系统100的轴106可耦接到其他部件(诸如电机、发生器、车轮、螺旋桨或传动系统)，并且驱动这些部件。图10是根据一些实施方案的耦接到轴向磁通电机152的涡轮发动机系统100的透视图。在特定实例中，轴向磁通电机152可具有368mm的直径、98mm的厚度并且重37kg。例如，其中轴向磁通电机152由涡轮发动机辅助的此构型可在2500rpm下产生240kW(750V×320A)的电力，并且具有约95％的效率。可比较地，大型3.0L活塞发动机可用于产生240kW，但效率仅为35％。与常规的基于活塞的发动机相比，此构型中的涡轮发动机系统100的占用面积更小并且重量更轻。在另一个实施方案中，根据应用，涡轮发动机系统100可耦接到多个轴向磁通电机。
图11示出根据一些实施方案的耦接到多个轴向磁通电机的涡轮发动机系统100。这可用于代替例如载客列车、载货列车或高速列车的火车头中的发动机。用涡轮发动机系统100代替常规的火车头节省了重量并且显著减少了动力总成部件的量。例如，不再需要火车头顶部上的复杂缩放仪以及主变压器。而且，对于典型的电气列车，高压电线嵌入在列车轨道中或列车轨道上方以操作列车。当实现涡轮发动机系统100时，可消除这一点。涡轮发动机系统100的热效率显著高于常规的燃气涡轮火车头发动机，诸如70-95％对45％。图12是涡轮发动机系统100在火车头中的实现方式的示例性框图。例如，耦接到多个轴向磁通电机152的涡轮发动机系统100用于驱动牵引电机153和列车的其他部件155。
图13是根据一些实施方案的在电动车辆系统中使用的涡轮发动机系统100。涡轮发动机系统100可耦接到与电箱156组合的永磁电机(PMM)154的发生器，电箱156包含3相AC-DC整流器以类似于诸如电动车辆中的大型锂电池进行操作。例如，此构型是高效、安静、轻量、小型的电源。以此方式，当踩下制动踏板时或当释放加速踏板时，超级电容器收集动能。总体上，这消除了给锂离子电池进行再充电及充电站的需要。具有永磁电机发生器的涡轮发动机系统100可在现有电动车辆上实现，因此不需要对车辆的现有部件进行改组。图14是涡轮发动机系统100在电动车辆中的实现方式的示例性框图。在这种情况下，电箱156包括超级电容器。
在一些实施方案中，具有永磁电机发生器的两个或更多个涡轮发动机系统100可耦接在一起以用于产生更大的动力，并且可用于大型卡车诸如半挂式卡车或火车头。在其他实施方案中，具有永磁电机发生器的涡轮发动机系统100可被实现来向房屋、企业或工厂供应电力。
在一些实施方案中，图11的构型或耦接到多个轴向磁通电机的涡轮发动机系统100可用于大型发电厂/农场发生器。对于16叶片涡轮，耦接到多个轴向磁通电机的每个涡轮发动机系统100可产生至少500kW，诸如至少750kW，或诸如至少960kW。可比较地，大型风力涡轮可产生平均2.5MW至3.0MW。因此，耦接到多个轴向磁通电机的涡轮发动机系统100可代替一个传统风力涡轮。发电厂/农场可使用人工智能来控制系统，这样就不会浪费能量。在发电厂/农场中使用的传统离岸风力涡轮非常大，诸如近似850英尺，而在发电厂/农场中实现的涡轮发动机系统100则小得多。在一些实施方案中，多个涡轮发动机系统(如图9所示)可耦接到发生器/PMM 154和电箱156，从而同步地产生500kW至5MW。图15是根据一些实施方案的耦接到发生器/PMM 154的多个涡轮发动机系统。此构型可形成产生50MW至5GW的功率的兆级发电厂/农场，并且为高峰时段和离峰时段提供动态电力供应。
多个涡轮发动机系统100的发电厂/农场实现方式提供了冗余和弹性，同时消除了传统的昂贵部件，诸如传输线、杆、塔、变压器、开关/继电器和配电集线器。与传统的发电厂/农场相比，需要更小的土地占用面积。而且，不需要内部冷却系统，并且不消耗燃料来加热水以用于蒸汽。实现为发电厂/农场的涡轮发动机系统可位于需要电力的位置附近，使得不需要变压器或高压输电线，从而也减少了传输期间的损耗。
图16示出根据一些实施方案的耦接到螺旋桨158的涡轮发动机系统100。涡轮发动机系统100的轴106可直接耦接到螺旋桨158而无需变速齿轮。当螺旋桨158是飞机的一部分时，涡轮发动机系统100可被编程到用于起飞的期望转速。在另一个实施方案中，螺旋桨158可以是船只的一部分。涡轮发动机系统100可通过按应用设定系统的大小来定制。例如，在某些设计中可实现8叶片涡轮，但是为了获得更大的期望动力，可实现12叶片涡轮、16叶片涡轮、20叶片涡轮或更大的涡轮。在另一个实施方案中，螺旋桨158可以是个人水运工具的一部分。图17是根据一些实施方案的耦接到用于个人水运工具的螺旋桨158的涡轮发动机系统100的透视图。在此实施方案中，涡轮发动机系统100通过用于90°角度齿轮变换的齿轮箱160耦接到螺旋桨158。示出了用于转向的舵柄162。
典型的载客车辆发动机可具有33英寸×22英寸×30英寸的尺寸，重164kg并产生245马力。这可用小的大小和较轻重量的涡轮发动机系统100代替。例如，包括其他部件(诸如空气压缩机138和燃料泵140)的涡轮发动机系统100可具有16英寸×20英寸×16英寸的尺寸，重30-55kg并产生300马力。图18描绘根据一些实施方案的安装在载客车辆中的涡轮发动机系统100。涡轮发动机系统100的大小和重量节省可有益于部件包装和燃料经济性。涡轮发动机系统100可通过用于90°角度齿轮变换的齿轮箱160耦接到传动系统。在另一个实施方案中，涡轮发动机系统100可代替半挂式卡车中的传统发动机。
为了给飞机产生更大的推力，可实现两个独立的涡轮发动机系统100。图19示出根据一些实施方案的具有反转螺旋桨158的两个涡轮发动机系统100。例如，两个独立的涡轮发动机系统100可与反转螺旋桨158耦接在一起。以此方式，可产生更大的推力而不会由于齿轮摩擦产生损耗。图20示出根据一些实施方案的垂直起降飞机中的多个涡轮发动机系统。每个涡轮发动机系统100可在0°水平位置到90°垂直位置之间的范围内在飞机的第一轴线上旋转。这实现飞机在滚动、轭架(yoke)和偏航方向上的高机动性，同时实现垂直起降。这在Jeng的名称为“Aircraft”并且特此通过引用并入的美国临时专利申请号62/976,829中公开。
在一些实施方案中，涡轮发动机系统100可用于潜水艇。对于典型的潜水艇，潜水艇根据电池的寿命而停留在水中。一旦电池电量耗尽，潜水艇必须浮出以获得空气来使柴油发动机运行并给电池充电。涡轮发动机系统100可被实现来通过使用不依赖于空气的推进系统来为潜水艇产生动力。例如，涡轮发动机系统100可使用过氧化氢作为氧化剂以代替新鲜空气，这类似于液体燃料火箭。通过使用过氧化氢，不需要外部空气，因为潜水艇上产生的电力可用于为潜水艇船员产生氧气和电力，使得潜水艇能够在水下停留多达几周。涡轮发动机系统100可直接驱动潜水艇螺旋桨以用于在水下航行。
涡轮发动机系统100可用于为家庭发电。例如，涡轮发动机系统100可耦接到轴向磁通电机152、电池、逆变器和面板。当逆变器将12/24/48V DC电池转换为120V、60hz AC电力时，所述电池可用作后备。逆变器可直接连接到断路器/配电板以为家庭供应电力。可使用人工智能来控制系统。此实现方式可为消费者节省电费，且不因自然灾害而断电或者不需要煤气管线和电力线。在一些实施方案中，可将供应到家庭的液化天然气用作涡轮发动机系统100中的燃料。
在一些实施方案中，可将涡轮发动机系统100用作便携式发生器。典型的便携式发生器可具有119英寸×40英寸×83英寸的尺寸，重1500kg并产生100kW。这可用耦接到例如轴向磁通电机152的涡轮发动机系统100代替。例如，涡轮发动机系统100可具有20英寸×20英寸×20英寸的尺寸，重50-75kg并产生240kW。
涡轮发动机系统100可被设计用于使得载客车辆能够反向行驶(诸如用于倒车和停车操作)，并且还具有制动能力。图21是根据一些实施方案的可逆涡轮发动机系统200的透视图，图22是根据一些实施方案的可逆涡轮发动机系统200的侧视图，并且图23是根据一些实施方案的可逆涡轮发动机系统200的前视图。在图21至图23中，为了简单起见未示出可逆涡轮发动机系统200的壳体120。壳体120类似于在至少图1、图5和图7中所示的壳体120。两个涡轮202a和202b在相反方向上耦接到轴106，这意指涡轮202a与涡轮202b成180°定位在轴106上。以此方式，当相对于轴106旋转时，涡轮202a的多个叶片112中的每一个的开放表面与涡轮202b的多个叶片112中的每一个的开放表面相对。涡轮202a和202b各自包括多根辐条104、多个叶片112和多个分配器118，其中实施方案如本文所述。在此构型中，涡轮202a可在第一方向(诸如逆时针方向)上旋转，而涡轮202b可在第二方向(诸如顺时针方向)上旋转。涡轮202a可在不同于涡轮202b的方向上旋转。
参考图21和图23，飞轮204耦接到轴106并且被构造来相对于轴106旋转。飞轮204包括多个制动瓦206，制动瓦206被构造来接触飞轮204以防止飞轮204旋转。以此方式，当飞轮204正在旋转并且多个制动瓦206被激活时，多个制动瓦206与飞轮204接触并且使车辆减慢以实现制动能力。飞轮204和多个制动瓦206可与控制器134通信，使得控制器134促进操作。
可逆涡轮发动机系统200可安装在载客车辆中，如图24所示。载客车辆中的可逆涡轮发动机系统200代替常规发动机和变速器(齿轮箱)，并且可设定大小以满足每种应用的速度和扭矩要求。与热效率为约35％的常规活塞发动机相比，可逆涡轮发动机系统200的热效率可以是70-95％。可逆涡轮发动机系统200可适用于在两轮驱动车辆或四轮驱动车辆中使用。例如，在前两轮驱动车辆或四轮驱动车辆中，可逆涡轮发动机系统200可位于前差速器208附近并耦接到传动轴210。在后两轮驱动车辆中，可逆涡轮发动机系统200可位于后差速器211附近。
在另一个实施方案中，可逆涡轮发动机系统200可在载客车辆中实现并且安装在车轮212附近。图25示出在载客车辆中安装在车轮212附近的可逆涡轮发动机系统200。例如，对于四轮驱动车辆，可存在安装在每个车轮212处的可逆涡轮发动机系统200，或者对于前两轮驱动车辆，可存在安装在每个前轮212处的可逆涡轮发动机系统200，或者对于后两轮驱动车辆，可存在安装在每个后轮212处的可逆涡轮发动机系统200。在这些情况下，消除了常规发动机和大多数动力传动系部件。
类似地，涡轮发动机系统100和可逆涡轮发动机系统200可替代或代替其他类型的机动装置(诸如摩托车、剪草机、吹雪机、除雪机、电动自行车、踏板车、诸如跑浪机(waverunner)和摩托艇的个人水运工具、农业机械等)上的电机。
尽管已相对于本发明的具体实施方案详细描述了本说明书，但是将了解，本领域技术人员在理解前述内容之后可容易构想出这些实施方案的替代方案、变型和等同物。在不背离所附权利要求中更具体陈述的本发明的范围的情况下，本领域普通技术人员可对本发明做出这些和其他修改和变化。此外，本领域普通技术人员将了解，前述描述是仅通过举例的方式，而不意图限制本发明。

Claims (20)

1.一种系统，其包括：
a)涡轮，所述涡轮具有多根辐条，所述多根辐条围绕轴周向间隔，每根辐条具有第一辐条端部和第二辐条端部，所述每根辐条沿着所述第一辐条端部与所述第二辐条端部之间的轴线延伸，所述第一辐条端部耦接到所述轴并且所述第二辐条端部耦接到多个叶片中的一个叶片，其中每个叶片是具有开放表面的半球形杯并且耦接到所述第二辐条端部，其中所述开放表面与所述轴线成﹣20°至75°角度；
b)分配器，所述分配器包括：
燃烧室；
空气喷射器，所述空气喷射器耦接到所述燃烧室，并且被构造来将空气燃料混合物的空气喷射到所述燃烧室中；
燃料喷射器，所述燃料喷射器耦接到所述燃烧室，并且被构造来将所述空气燃料混合物的燃料喷射到所述燃烧室中；
点火器，所述点火器耦接到所述燃烧室，并且被构造来供应火花以用于所述燃烧室中的所述空气燃料混合物的燃烧；
喷嘴，所述喷嘴具有：第一喷嘴端部，所述第一喷嘴端部耦接到所述燃烧室；以及第二喷嘴端部，所述第二喷嘴端被定位以将在所述燃烧室中的燃烧之后所排出的流体朝向所述叶片的所述开放表面引导以驱动所述涡轮；
c)壳体，所述壳体包围所述第二喷嘴端部和所述多个叶片，并且具有延伸远离所述轴的排气管，所述排气管被构造来将所排出的流体引导出所述壳体；以及
d)控制器，所述控制器与所述分配器通信，并且被配置来控制所述空气喷射器、所述燃料喷射器和所述点火器。
2.如权利要求1所述的系统，其还包括：
多个磁体，每个磁体对应于所述涡轮的每根辐条；以及
传感器，所述传感器相对于所述多根辐条处于固定位置，其中所述传感器与所述控制器通信。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述控制器：
从所述传感器接收指示所述叶片的位置的信号；
确定包括以下的数据：
基于所述叶片的所述位置的所述分配器将所述空气和所述燃料分配到所述燃烧室中的时间；
基于所述叶片的所述位置的所述分配器要分配到所述燃烧室中的所述空气的量和所述燃料的量；
基于所述叶片的所述位置的所述点火器引发对所述空气燃料混合物的点火以引起所述燃烧室中的燃烧的时间；并且
基于所述数据控制所述空气喷射器、所述燃料喷射器和所述点火器。
4.如权利要求1所述的系统，其还包括：
空气压缩机，所述空气压缩机耦接到所述空气喷射器，并且被构造来将所述空气递送到所述分配器的所述空气喷射器并递送到所述燃烧室中；以及
燃料泵，所述燃料泵耦接到所述燃料喷射器，并且被构造来将所述燃料递送到所述分配器的所述燃料喷射器并递送到所述燃烧室中。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述轴耦接到电机、发生器、车轮、螺旋桨或传动系统。
6.如权利要求1所述的系统，其还包括：液体冷却剂导管，所述液体冷却剂导管耦接在所述壳体的内部，并且被构造来耗散在所述燃烧室中的燃烧之后所排出的流体的热量。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述壳体是圆形或环形的。
8.如权利要求1所述的系统，其还包括：多个分配器，所述多个分配器围绕所述轴周向间隔，其中所述控制器与所述多个分配器通信。
9.如权利要求1所述的系统，其中多个系统同轴地耦接到所述轴。
10.如权利要求1所述的系统，其还包括：
第二系统，所述第二系统耦接到所述轴；以及
飞轮，所述飞轮耦接到所述轴，所述飞轮被构造来相对于所述轴旋转并且具有多个制动瓦，所述多个制动瓦被构造来接触所述飞轮以防止所述飞轮旋转；
其中所述系统被构造来相对于所述轴在第一方向上旋转，并且所述第二系统被构造来相对于所述轴在第二方向上旋转。
11.一种系统，其包括：
涡轮，所述涡轮具有多个叶片，所述多个叶片围绕轴周向间隔，所述多个叶片中的每个叶片是具有开放表面的半球形杯；
多个分配器，所述多个分配器中的每个分配器被定位成面向所述每个叶片的所述开放表面，并且被构造来将所排出的流体朝向所述每个叶片的所述开放表面引导以驱动所述涡轮；
壳体，所述壳体包围所述多个叶片以及所述多个分配器中的每个分配器的一部分，并且具有延伸远离所述轴的排气管，所述排气管被构造来将所排出的流体引导出所述壳体；以及
控制器，所述控制器与所述多个分配器通信，并且被配置来控制所述多个分配器。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述每个分配器包括：
化油器，所述化油器被构造来将空气和燃料混合成空气燃料混合物；
燃烧室；
阀，所述阀与所述控制器通信，并且耦接到所述化油器和所述燃烧室，其中所述阀被构造来将所述空气燃料混合物喷射到所述燃烧室中；
点火器，所述点火器耦接到所述燃烧室，并且被构造来供应火花以用于所述燃烧室中的所述空气燃料混合物的燃烧；以及
喷嘴，所述喷嘴具有耦接到所述燃烧室的第一喷嘴端部，以及被定位以引导所排出的流体的第二喷嘴端部。
13.如权利要求11所述的系统，其中所述每个分配器包括：
燃烧室；
空气喷射器，所述空气喷射器耦接到所述燃烧室，并且被构造来将空气燃料混合物的空气喷射到所述燃烧室中；
燃料喷射器，所述燃料喷射器耦接到所述燃烧室，并且被构造来将所述空气燃料混合物的燃料喷射到所述燃烧室中；
点火器，所述点火器耦接到所述燃烧室，并且被构造来供应火花以用于所述燃烧室中的所述空气燃料混合物的燃烧；以及
喷嘴，所述喷嘴具有：第一喷嘴端部，所述第一喷嘴端部耦接到所述燃烧室；以及第二喷嘴端部，所述第二喷嘴端被定位以将在所述燃烧室中的燃烧之后所排出的流体朝向所述叶片的所述开放表面引导以驱动所述涡轮。
14.如权利要求11所述的系统，其还包括：
多根辐条，所述多根辐条围绕所述轴周向间隔，每根辐条具有第一辐条端部和第二辐条端部，所述每根辐条沿着所述第一辐条端部与所述第二辐条端部之间的轴线延伸，所述第一辐条端部耦接到所述轴并且所述第二辐条端部耦接到所述多个叶片中的一个叶片，其中所述叶片是具有开放表面的半球形杯并且耦接到所述第二辐条端部，其中所述开放表面与所述轴线成﹣20°至75°角度。
15.如权利要求11所述的系统，其还包括：
多个磁体，每个磁体对应于所述涡轮的所述每个叶片；以及
传感器，所述传感器相对于所述多根辐条处于固定位置，其中所述传感器与所述控制器通信。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述控制器：
从所述传感器接收指示所述每个叶片的位置的信号；
确定包括以下的数据：
基于所述叶片的所述位置的所述每个分配器将空气和燃料分配到所述每个分配器中的时间；
基于所述每个叶片的所述位置的所述每个分配器要分配到所述每个分配器中的所述空气的量和所述燃料的量；
基于所述每个叶片的所述位置的所述点火器引发对所述每个分配器中的所述空气和所述燃料的点火以引起燃烧的时间；并且
基于所述数据控制所述多个分配器。
17.如权利要求1所述的系统，其还包括：
第二系统，所述第二系统耦接到所述轴；以及
飞轮，所述飞轮耦接到所述轴，所述飞轮被构造来相对于所述轴旋转并且具有多个制动瓦，所述多个制动瓦被构造来接触所述飞轮以防止所述飞轮旋转；
其中所述系统被构造来相对于所述轴在第一方向上旋转，并且所述第二系统被构造来相对于所述轴在第二方向上旋转。
18.如权利要求11所述的系统，其还包括：
液体冷却剂导管，所述液体冷却剂导管耦接在所述壳体的内部，并且被构造来耗散所排出的流体的热量；并且
其中所述壳体包围全部的所述多个分配器。
19.如权利要求11所述的系统，其中所述壳体是圆形或环形的。
20.如权利要求11所述的系统，其中多个系统同轴地耦接到所述轴。
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