CN1187232A - 用于产生动力的改进方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用作在低空气动力学阻力的、有锥度的圆盘转子(114)的圆周上的部分敞开式的超音速冲压式喷气发动机的推力组件(118)的方法和装置。一个开式的冲压式喷气发动机入口(120),通过利用推力组件入口结构和相邻的壳体侧壁(105,106)压缩冲击的输入气流。燃料在推力组件中氧化,产生燃烧气体,使冲压式喷气发动机,以超音速围绕轴(108)转动,以产生动力。排出的燃烧气体中的热含量,在输出管路(432)中基本上被分离出来,可以通过热交换器(440),在热力学方面加以利用。在输入冲击中的有效混合和在燃烧室中的短的停留时间可使氮的氧化物析出较低。

Description

用于产生动力的改进方法和装置

发明的技术领域

本发明涉及一种产生电能和机械能的新颖的、革命性的装置和方法，它们同时可使氮的氧化物析出率非常低。更具体地说，本发明涉及一种利用冲压式喷气发动机推力组件驱动的动力装置，和新型的转子，该转子设计用于承受在可转动地固定这种推力组件时遇到的非常大的拉伸应力。这种特性的动力装置在产生电能和机械能时是特别有用的，其效率比目前商业上广泛使用的动力装置显著地改善。

发明背景

对于简单、效率高和价格低廉的、能可靠地提供电能和机械能的热动力装置有连续不断的需求。各种各样的中等尺寸的电气和/或机械动力装置可从目前已知的效率有很大改进的发动机中显著地受益。在工业应用的广泛领域内(包括铁道机车、船舶动力系统、航空发动机和固定式的发电装置)都需要这种中等尺寸的机械或电气动力装置(它们的功率大部分在10～100兆瓦范围内)。这种一般尺寸范围的动力装置也很适合在工业和公用事业的共同发电设施中应用。这种设施正日益增多地用来满足热能需要，同时又产生电能。

目前在共同发电应用场合中普通所使用的动力装置设计包括：(a)气体涡轮机，它由天然气、燃料油或其他燃料的燃烧驱动，并从燃烧气体可获得热能和动能；(b)蒸汽涡轮机，它由锅炉从燃烧煤、燃料油、天然气、固体废料或其他燃料所产生的蒸汽驱动；和(c)大型的往复式发动机(通常为柴油发动机循环，并用燃料油燃烧)。

在目前所拥有的动力装置工艺中，加注柴油作燃料的往复式发动机和先进的涡轮发动机的效率最高。当与燃料源的能量值比较时，根据所产生的净功计算的效率，通常在25％～40％范围内。不幸的是，对于往复式发动机，当输出功率水平大于大约1兆瓦时，活塞和所需要的其他发动机零件尺寸变得几乎是难以控制的庞大。结果，商业上这种尺寸较大的往复式发动机装置得不到广泛应用。

气体涡轮发动机工作比往复式发动机更可靠，因此在输出功率水平较高的装置中经常使用。然而，气体涡轮发动机在将燃料转化为电能方面的效率只属于中等，因此，气体涡轮动力装置只有在电能和热能二者都能利用的共同发电系统中使用，效率才是最高的。那样，气体涡轮机的中等效率，通过总的循环效率的增加可以部分地得到补偿。

以石油作燃料的蒸汽涡轮发电装置的效率也相当低，一般在30％～40％范围内。这种装置在公用事业和工业应用中普通都可使用，它可用于产生基本的负载电能。主要是由于这种装置的可靠性高造成的。然而，与气体涡轮设备一样，蒸汽涡轮设备最有利是在机械能和热能二者都可以利用的情况下使用，这样，可以增加总的循环效率。

因为在将燃料输入转换为电的输出方面效率适中，为了使发电的成本可以接受，最广泛使用的动力装置形式(即气体涡轮机和燃烧动力蒸汽涡轮装置)决定于在工业安装中共同发电的能力。因此，可以理解，以比今天普通能达到的效率更高的总效率来产生电能，从而使电力生产的成本降低是所希望的。

发明梗概

我现在发明，并在此公布一种新颖的、革命性的动力装置设计的改进的详细情况。我的动力装置设计是基于使用一种冲压式喷气发动机作为发动机，当与我所知的迄今所使用的动力装置比较，其效率大大提高。与目前普遍采用的许多动力装置不同，我的动力装置设计简单、紧凑、价格比较低廉、容易安装和操作，另外其性能比我所知道的目前使用的动力装置要优越。

我的新颖的动力装置具有一个独特的空气动力学阻力小的转子部分。该转子最好是利用一个高强度的复合材料的圆盘制成。它能以比导致出现拉伸和压缩变形的转速高得多的转速运转，所述的拉伸和压缩变形是指会造成材料(例如，通常的钢或钛合金)同样形状的结构破坏。

我的动力装置中所使用的空气动力学设计解决了两个重要和严重的问题。第一，在我的装置所工作的超音速的尖端速度下，空气动力学设计使阻力减至最小。这样，可使由于转子通过气流运动引起的阻力所造成的动力装置的附加损失减至最小。这点在商业上是很重要的，因为它可使动力装置避免造成不希望有的燃料消耗和降低其总效率的巨大的附加损失。第二，材料的设计和规格提供了转子所需要的必要的拉伸和压缩强度，可以防止由于作用在转子材料上的离心力和向心力造成转子内部分离。

我开发了一种新型的转子设计，它可与一种冲压式喷气发动机驱动的发电装置结合起来使用。在一个实施例中，转子部分包括一个坚实的圆盘。转子部分在一个壳体中回转，该壳体采用了通过空气喷射在转子表面上进行边界层消除。

冲压式喷气发动机推力组件的机内部分固定在转子的圆周上。冲压式喷气发动机的机内部分这样放置。即，使得该机内部分在冲压式喷气发动机，在其机内部分和机外的壳体壁之间，围绕上述的输出轴部分回转时，能与被冲压式喷气发动机冲击的那部分气流接触，并压缩该部分气流。我的设计还有一个特点是，它可保证回转的冲压式喷气发动机能遇到较清洁的气流(没有冲气式喷气发动机本身的尾流湍流)。这点可通过使冲压式喷气发动机的机内部分在送入空气的进气增压系统中回转，其方向基本上与上述回转轴线垂直，并使气流通过该进气增压系统循环来达到，该气流可以取代被冲压式喷气发动机压缩时打上来的气体，并清除冲气式喷气发动机的空气动力学尾流。

燃料是从壳体的内壁喷射出来的，为此，可将燃料加到在冲压式喷气发动机入口处被收集和压缩的空气中。通过利用使燃料源与壳体内部连通的燃料供应通道，可以方便地将燃料送至冲压式喷气发动机的燃烧室。在燃料到达冲压式喷气发动机的燃烧室之前，燃料喷射口可使燃料进入要与输入空气混合的气流中。由燃料氧化形成的燃烧气体，从冲压式喷气发动机的喷嘴向后逸出，沿切向方向推动冲压式喷气发动机，从而使转子和输出轴部分转动。可以直接使用回转轴产生的机械形式的能量，或者使用这种机械形式的能量去驱动发电机，产生电能。

当与我所知道的先前装置比较时，该独特的转子结构和所提供的冲压式喷气发动机结构可使这种发电装置在超音速，最好是在高的超音速速度下运转。例如，冲压式喷气发动机可在超过1马赫的速度下工作，而正常情况下，可超过2马赫。为了改善性能，冲压式喷气发动机最好在大约2马赫至大约4.5马赫的范围内工作。更理想是，冲压式喷气发动机在大约至少是3马赫至大约4.5马赫范围内，或这个范围左右工作。最理想是，冲压式喷气发动机应在大约3.5马赫工作。

最好是将从冲压式喷气发动机排出的燃烧气体基本上与穿过送入空气的进气增压系统的机外气流隔开。在本人的改进的共同发电装置设计中，使用了排出燃烧气体管路去收集所排出的气流，并将该气流排放至输往热交换器的导管中。在该导管中，通过使传热流体(例如，水)加热，可以将该排出燃烧气体冷却，从而产生热水或蒸汽。传热流体可以用于热的目的，或机械目的(例如，驱动蒸汽涡轮机)。

最后，被冷却的燃烧气体排出至周围空气中。然而，通过使用在冲压式喷气发动机入口斜面之间的超音速冲击使燃烧气体完全混合的独特技术，并由于在燃烧室中的停留时间短，我的新颖的动力装置可将氮的氧化物的产生减小至最小，达到比通常在工业中所达到的水平低得多的析出水平。另外，对于技术熟练的人们，可对气流的形状和燃料供应的提供方式作一些改变。而不会偏离本发明的含义。最后，除了上述的特点以外，我的新颖的动力装置简单、寿命长，并且制造费用较低廉。

本发明的目的、优点和特点

从以上所述，读者可以了解，本发明的一个重要和主要的目的是要提供一种新型的、改进的机械装置，用以产生机械能和电能。

更具体地说，本发明的一个重要目的是要提供一种由冲压式喷气发动机驱动的动力产生装置，它可以承受高转速时的应力和变形，从而可以可靠地提供一种高效率的动力产生方法。

本发明的其他一些重要，而且更具体的目的是要提供一种如上述一节所述的动力产生装置，该装置：

可用简单而直接的方式产生动力；

机械零件数目最少；

可避免复杂的子系统；

比现行工艺制造的动力装置所需的实际空间较小；

容易制造、起动和操作；

具有较高的效率，即：相对于输入动力装置的燃料热值，可提高较多的热量和较大的功率输出；

与上述目的相结合，可以为动力装置的操作者和购买者提供较目前低的动力价格；

可以清洁地燃烧石油燃料；

与刚才所述的目的结合，可使对环境的负面影响比当前使用的大多数能量产生装置小；

其燃料供应设计可以有效地为冲压式喷气发动机供应燃料；

其回转零件的结构能够承受在非常高的尖端速度下转动时的应力和变形；和

其回转零件的设计可使运转时的空气动力学阻力最小。

本发明的一个实施例的特点是采用了一种新型的空气动力学设计结构，它可在高的尖端回转速度下，提供最小的空气动力学阻力，从而，可使动力装置将附加的损失减至最小，结果可得到总的循环效率较高的优点。

本发明的另一个特点是采用高强度的转子结构。

本发明的其他一些重要目的、特点和另外的优点，对于技术熟练的人们，可从以上说明和接下去的结合附图进行的详细说明和所附的权利要求书中将会清楚地了解。

附图的简要说明

在附图中，几个图中所示的相同的结构将用相同的标号标注，以后不再提及此点。

图1为本发明的新颖的动力装置的回转部件的剖开的透视图，它表示回转的输出轴部分贴附在转子上，并与转子可转动地固定在一起，该转子具有(i)中心轮毂，(ii)一个有锥度的圆盘部分；(iii)一台开式的推力组件。另外，还表示了一根排出燃烧气体的管路；

图2为带有部分横截面的顶视图，可以向下看见本发明的动力装置的各种不同零件；

图3为表示本发明的动力装置的转子的放大详细结构的透视图，它表示了整体作出的冲压式喷气发动机推力组件的机内部分，中心轮毂和回转输出轴部分的位置；

图4为好象是横穿图4的线5-5所取的横剖面图，它表示与用来减小转子上的边界层阻力的空气喷射系统有关的另外一些详细结构；

图5为与图4所示相似的部分横剖面图，它提供了用于同时冷却和减小边界层阻力的空气喷射系统的另外一些详细情况；

图6为转子结构的侧视图，它表示带有作成扇形的外部冷却帽的非圆形圆盘和整体的推力组件的使用情况，并表示了壁的结构，当开式推力组件在该壁结构内转动时，该壁结构就构成了该推力组件的机外部分；

图7与图6相似，但仅仅表示了转子、推力组件的机内部分和冷却帽；

图8表示开式推力组件的透视图，它表示可以进行冷却的结构概况；

图9为开式推力部件的顶视图，它进一步表示冷却通道的概况；

图10为转子冷却帽的透视图，它表示冷却通道的位置；

图11为片式的环形平板阀工作的示意图，它表示处在关闭位置的环形平板阀；

图12为图11第一次提出的片式环形平板阀工作的示意图，它表示处在打开位置的环形平板阀；

图13为使用本发明的超音速冲压式喷气发动机推力组件与通常的发电机组和蒸汽涡轮机结合构成的动力装置的侧视图；

图14为使用本发明的超音速冲压式喷气发动机推力组件与通常的发电机组和蒸汽涡轮机结合构成的，如以上图13所首先表示的动力装置的平面图。

发明的说明

动力装置的发动机

现在参见附图，图1为本发明的新颖的动力装置100的部分剖开的透视图。回转部件102(在其相应的部分处)在非常接近固定的机内壳体104和静止不动的圆周和外壳体106的内表面105的地方，围绕着回转中心轴线C_L转动。如图所示，回转部件102包括一个输出轴108，它提供并形成了回转轴线。轴108在中心轮毂112处，贴附在转子110上，并与转子可转动地固定在一起。

如图6或图7中最清楚的表示那样，转子110由四个基本部分构成：(i)中心轮毂112；(ii)坚实的有锥度的主要圆盘部分114；(iii)冷却和保护转子的帽凸缘部分116；和(iv)开式推力组件118。

本发明的动力装置所提供的冲压式喷气发动机及其动作是独特的。为了使输入的空气受到压缩，敞开(或者另一种可供选择的方案是部分地掩蔽的)的整体式的推力组件118必需与机外壳体106的内壁105一起工作。例如，在图6和图8中可看出，冲压式喷气发动机的推力组件118的入口包括一个第一个斜面120，它起到对输入气流122压缩容积的作用。

最好是基本上与转子110的旋转轴线平行的一对入口结构130，提供压缩沿着冲压式喷气发动机的推力组件118的入口输入空气所必需的容积和斜面132。然而，在机外一侧134上，推力组件具有一个由第一入口壁面136和第二入口壁面138构成的槽形开口。这些入口壁面和构成出口壁面的相应的尾部边缘部分140和142允许使用圆周壳体壁面106的表面105和平板阀146的辅助表面144(假如有的活)作为冲压式喷气发动机推力组件118的剩余输入空气的压缩表面。

当下面讨论起动本发明的冲压式喷气发动机驱动的动力装置100的方法时，本发明的独特的开式冲压式喷气发动机推力组件118开发的重要性会变得更清楚。

现转到图2，本发明的动力装置的发动机的总的结构再次用部分横面图表示。冲压式喷气发动机的推力组件118适用于使送入的燃料氧化，并因此，由所产生的排出气体210产生推进推力。理想的情况是，冲压式喷气发动机的推力组件118利用从输入气流182(来自于位于装置现场的周围空气供应源)中析出的氧作为氧化剂源。输入空气182最好是由电机M驱动的高速输入风扇F提供，该风扇通过输入空气过滤器AF使输入空气变得清洁。没有消耗的气流182变成冷却气流的一部分，并如下所述，从冷却空气A的进气增压系统350中排出。冲压式喷气发动机的推力组件118是整体地作在转子110的外部有效半径上的，因此可以利用该冲压式喷气发动机的推力组件118的推进效应使包括转子110、中心轮毂112、输出轴108在内的回转部件转动，并使冲压式喷气发动机的推力组件118、输出轴108和转子110一起，作为一个单一的回转部件，可相对于静止的圆周机内支承结构(或壳体)104转动。

回转部件10(见图2或图4)利用固定的支承结构或机内壳体104，可转动地固定在一个工作位置上，其固定的方式是适用于回转部件极高速工作，特别是在10,000～20,000转/分(rpm)或更高的转速范围内工作的方式。考虑到此，适当的输入侧轴承220、222、224、226和输出侧轴承230、232、234和236，或它们的适当的变型，必需为高速回转和推力提供适当的轴承支承，并且摩擦要极小。在高速回转机械方面具有丰富知识的人们可以用任何方便的方式提供详细的轴承和润滑系统，因此，这里不需要再讨论。

机内壳体104包括几个重要的特点，它们可以减小空气动力学阻力(特别是在机内的、坚实的转子表面部分240上的阻力)。首先，设置了输入侧的机内壳体部分300，它可在输入气流182接近推力组件118时，使输入气流182变得平稳。参见图4，设置了一个辅助的输出侧机内壳体部分302，它可使清除空气的排出流动平稳。另外，还设置了一个输入侧的、基本上是环形的、带有转子侧表面312的转子壳体310和一个输出侧的、基本上是环形、带有转子侧表面316的转子壳体314。转子110的坚实的表面部分240转动，使转子的侧表面312和316非常接近转子坚实的表面部分240。

通过在表面312的外侧部分254和表面316的外侧部分256上的许多孔252，可提供供控制边界层用的喷射空气250。空气250冲击转子的表面240，然后向外清扫和冷却转子帽部分116以及推力组件118。

技术上具有丰富知识和本说明书所针对的人们可以决定通过边界层喷射孔252流动的空气的适当的速度。

由于转子回转时的极高速度引起的离心力负载的影响，用于转子110的结构设计和材料系统是很关键的。所建议的动力装置的转子110最优状态下预期要在10,000～20,000rpm之间的速度下转动。新近开发的金属基体复合材料确实是提供了可接受的特定的强度特性，并可以承受所要求的负载。使用这种材料的安全系数可以通过增加材料的锥度比(Taper ratio)而增大，而当使用这种方法时，其他的结构材料(包括相应的碳复合材料装置)也是可行的。最好，为了使实际负载减小至实际可接受的程度，转子装置应用高强度材料制造，其形状应具有大的材料锥度比值。这基本上意味着，在逐渐增大的半径位置上(更远离回转轴线)，转子装置变得越来越细长或薄。从根本上说，回转质量的减小使在回转中心产生的应力减小。

现在来注意图13和图14，图中。本发明的动力装置与必需的发电设备结合在一起表示。输入空气182流过涡轮腔壁W，并如上所述，通过风扇F，燃料则在推力组件118中消耗，产生推力，使轴108转动。轴108按通常的方式动作，将机械能传递给初级齿轮箱400。齿轮箱400将输出轴108的速度降低至足够低的水平，以适应所希望的应用场合的能力。在图13和14中，初级齿轮箱400，借助轴402与主要的发电机404连接。该发电机404适用于产生电能，传输至高压输电线路网或其他电气负载上。然而，也可直接利用轴402作所希望的机械功。

图中还表示了从蒸汽涡轮410中出来的次级齿轮箱410，它通过轴406，与发电机404连接。

在图13和14中还表示了在共同发电系统中，以冲压式喷气发动机118输出的排出燃烧气体210的使用情况。如图所示，排出的气体被一根排出气体管路430方便地收集起来。该排出气体管路430基本上围绕着、并以横向包围贯通的空气进气增压系统350。由于冲压式喷气发动机的推力组件的回转运动和其排出向量的方向影响，排出气体210的方向是稍微向外偏，轴向第二个壳体侧壁432的。并且，排出气体210大量地收集在排出气体管路430中，而不会因为与通过进气增压系统350的送入通风空气流混合，使排出气体210显著地冷却。排出气体通过管路430，送至热交换器440，辅助工作流体或冷却剂442通过热交换器440循环。在通常的设计中，该工作流体442为水。水可被加热成高压蒸汽，然后可以用于：(a)驱动蒸汽涡轮机，使(i)轴工作或(ii)驱动发电机；或(b)作为工艺热量使用。从冲压式喷气发动机118出来的热的排出气体210流过热交换器440，从而使其中的流体442加热。可以方便地将热交换系统440设计成一个锅炉，这样，当加热时，流体442状态改变(而水变为蒸汽)。在这种情况下，作为冷却剂指出的气流将为蒸汽，它适用于加热，或各种机械应用场合(如提供给蒸汽涡轮机410的蒸汽所示那样)，可使轴工作，然后在利用泵454，通过液体管道R返回至热交换器之前，进入冷凝器452。涡轮机的轴460可以穿过齿轮箱462，作为发电动404的工作轴使用。

现转至图11和12，为了在推力组件118中建立所希望的内部冲击结构以便起动，必须将输入气流加速至马赫数比设计的马赫数大，然后，在起动后减小至设计的马赫数，或者，必需暂时增大喉部面积，以便“吞下”该冲击结构，并造成起动。根据收缩比和马赫数的不同，不大可能使输入气流的马赫数增大至足够高的水平，以开始输入。

然而，我已开发了另一种独特的几何形状可变的机构来减小通过冲压式喷气发动机118的贯通气流，这样，可在较低的马赫数起动。虽然，技术熟练的人们，可以从这个说明中计算出精确的需求，但必需指出，这些精确的需求是建筑在针对推力组件尺寸、自由气流条件和燃料源的一组特定的假设基础之上的。另外，必须预测零件的性能水平，该性能水平是与入口、过渡部分、燃烧室和喷嘴的已经建立的试验或理论数据是一致的。

从图11和12中可看出，围绕着圆周壁面106的边缘设有一系列位置变化的环形平板阀146。为了起动，要将环形平板阀146，在图12所示的参考箭头602的方向上打开，形成一个间隙603，使一部分在壁表面105上被压缩的输入空气，可以沿着箭头604和606的方向，向外逸出。独特的开式冲压式喷气发动机118可允许旁通空气604和606逸出。一旦该冲压式喷气发动机118已经“吞下”输入冲击结构，则作动器610可使平板阀146关闭，如图11所示。我已经表示了一种带有轴612的、安装在支架614上的液压作动器610。为此目的，可以使用任何方便的机构、电气或液压作动器。

因为冲压式喷气发动机的推力决定总的动力装置的输出，因此，从冲压式喷气发动机发出的推力是总的装置输出水平的一个重要的质量因素。冲压式喷气发动机的推力水平和总的装置输出水平与冲压式喷气发动机所收集和处理的质量成比例地增加。这样，入口面积和收集的质量加倍，会使所产生的推力加倍。因此，可使系统的功率输出加倍。

因为燃烧室的温度是随着节流阀调节变化而变化的，因此，燃烧室温度是一个关键性因素。燃烧室温度必须与输入流量和推力组件的材料平衡，以便保持燃烧室壁的结构整体性。为了适应这个设计要求，已经使用了铸造的碳化硅燃烧室，如图8和图9所示。这个燃烧室由具有理想的高温特性的材料制成，该材料可从包括热的均衡压制氧化铝、氮化硅、二氧化锆、氧化铍和碳化硅在内的候选材料中选择。理想情况是，冲压式喷气发动机的燃烧室118制成一个单块的、坚实的铸件。

最后，即使经受了高的燃烧温度作用，本发明的高的氮氧化物的析出是极小的。这是由于在高的燃烧温度下停留的时间较短，和燃料混合极好。停留时间是由各种不同的设计条件决定的，例如所说明的那样，0.24微秒的较小的气流通过停留时间是所期望的。喷射的燃料被激波波阵面彻底地混合进去，并且，混合良好的空气/燃料波阵面进入燃烧室118中。这种冲击边界层交互作用预混合的技术是达到接近完美的预混合条件和低的氮氧化物析出的一种独特方法。这样，通过限制燃烧室中高度不均衡的自由根部区域的尺寸，可以限制二氧化氮的析出。NOx的析出估计小于百万分之五(5ppm)，或EI小于0.5gNO₂/kg燃料。

如上所述的生产机械、电气和热能的方法和装置提供了一种革命性的、紧凑的、容易制造和价格有竞争力的动力装置。这种动力装置的输出可以与现行的动力输出系统结合起来使用，并且是通过燃烧清洁的燃料，减少气体排出的重要方案。另外，在给定效率下，每单位所产生的电能、机械能或热能所消耗的燃料大大减小。

可以看出，上述的各个目的(包括从上述的说明中变得清楚的那些目的)可以有效地达到，并且，由于在实现上述方法和制造设备，及实践上述方法中可以作某些改变而不会偏离本发明的范围，因此，可以理解，本发明可以用其他的特点形式加以实现，而不会偏离本发明的精神，或基本特性。例如，虽然我提出了使用有锥度的圆盘结构的示例性设计，其他实施例，例如，三角形转子或四边形转子(分别从中心轮毂伸出的三个或四个“辐条”)也是可行的。另外，还要注意，如图7所示那样，转子不一定必需是对称的，其半径可以变化，以适应推力组件118的放置。

因此，本实施例的所有方面只能被认为是说明性的，而不是限制性的。相应地，本发明的范围不是由上述的说明和所示的实施例决定的，而是由所附的权利要求决定的。结果，在所附权利要求书的等同物的意义和范围内的所有改变、变化、和另外的实施例都应包括在本发明中。

权利要求书

按照条约第19条的修改

1.一种用于产生动力的装置，所述装置包括：

(a)第一流体源进气增压系统，所述流体源进气增压系统可用于提供输入空气，供燃料燃烧用；

(b)一个转子，它具有旋转轴线，所述转子从所述旋转轴线向外延伸至外部极端位置，可用于围绕所述旋转轴线回转；

(c)一个静止的圆壁面，它从所述旋转轴线，沿径向向外放置，并且在径向，从所述转子的所述外部极端，稍微地向外偏很少一点；

(d)一个或多个冲压式喷气发动机，所述一个或多个冲压式喷气发动机包括一个开式压缩部分和相配合的圆周壁面部分，所述冲压式喷气发动机动作时可使所述燃料氧化，并产生推力，使延伸穿过所述旋转轴线的轴作回转运动；

(e)一个空气排出通道，所述通道与所述输入空气的进气增压系统和输出空气排出位置连通，所述通道由所述圆周壁面的贯通壁部分构成，所述通道可被平板阀密封，所述平板阀可在关闭位置和打开位置之间移动，在关闭位置时，没有输入空气通过所述空气排出通道逸出，在打开位置时，至少一部分进入所述冲压式喷气发动机的空气可通过所述空气排出通道转移；和

(f)一个排出气体的输出通道，它靠近并位于装置的入口，该通道至少部分地作在所述圆周壁面上，所述通道使所述第一流体源的进气增压系统与至少一个圆周上的排出气体收集腔实现流体连通，该收集腔位于从所述转子所述旋转轴线，沿径向向外的位置处。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，通向所述圆周上的排出气体收集腔的所述入口还包括一个干燥的刀刃式隔板，所述隔板用于有效地将从所述冲压式喷气发动机排出的燃烧气体与所述贯通的气流隔开，因此，所述燃烧气体不会由于与所述贯通的气流混合而明显地被冷却。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，固定在所述转子上的所述推力组件的所述极端的至少一部分作成敞开形状，并且，其特征还在于，所述圆周壁面的至少一部分与所述开式的推力组件的有效半径的外端相配合，使得在围绕所述旋转轴线回转过程中，所述推力组件的有效半径的外端，在非常靠近所述圆周壁面的所述部分的地方按紧密配合方式旋转，因而，由所述相配合的开式推力组件和所述的圆周壁面，产生冲压式喷气发动机的推力。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述圆周壁面的所述相配合的部分设有一个或多个输出通道，用于使所述第一流体源进气增压系统和外部卸压位置进行流体连通，当所述转子围绕所述旋转轴线转动时，所述一个或多个输出通道位于从所述推力组件的所述极端，沿径向向外的位置上，所述一个或多个输出通道可允许当流体在所述冲压式喷气发动机中至少是部分地被压缩时，通过所述第一个流体源进气增压系统送入的至少一部分流体通过所述输出通道流出。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机还包括一个部分地敞开的入口，并且其特征还在于，所述冲压式喷气发动机利用至少是所述圆周侧壁的一部分，供燃烧气体输入时压缩之用。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机还包括一个部分地敞开的输出喷嘴，并且，其特征还在于，所述冲压式喷气发动机利用所述圆周侧壁的至少一部分，供排出的燃烧气体减压之用。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机以至少3.0马赫的速度工作。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机以3.0马赫和4.5马赫之间的速度工作。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机以大约3.5马赫的速度工作。

10.一种用于产生动力的装置，它包括：

(a)第一壳体装置；

(b)一个输出装置，所述输出装置包括至少一个轴部分，所述轴部分，通过所述第一壳体装置，围绕回转轴线可转动地固定；

(c)一个转子装置，所述转子装置固定在所述输出装置上，以便，所述转子可以与所述输出装置一起转动；

(d)一个排出气体输出通道，它靠近并在该装置的入口上，该输出通道至少部分地作在所述静止的圆周壁面上，所述通道使所述第一流体源进气增压系统与至少一个圆周上的排出气体收集腔进行流体连通，该排出气体收集腔位于从所述转子的所述旋转轴线，沿径向向外的地方；

(e)一个冲压式喷气发动机装置，所述冲压式喷气发动机装置整体地作在开式推力组件和所述圆周壁面之间，所述冲压式喷气发动机以至少1马赫的速度工作，并且，所述冲压式喷气发动机装置的特征还在于，该冲压式喷气发动机装置是这样一种形式的，至少是部分敞开的结构，即：当所述冲压式喷气发动机通过邻近所述静止的圆周壁面上的给定位置时，所述圆周壁面非常靠近所述冲压式喷气发动机装置，这样，所述冲压式喷气发动机依靠所述圆周壁面的至少一部分，促使流入所述冲压式喷气发动机装置中的气流压缩；

(f)所述装置适用于使在所述冲压式喷气发动机装置中的燃料氧化，以产生燃烧气体，由所述冲压式喷气发动机装置产生推力，转动所述冲压式喷气发动机装置、转子装置和输出装置，从而由所述装置提供功率输出。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机装置以至少3.0马赫的速度工作。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机装置以3.0马赫和4.5马赫之间的速度工作。

13.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机装置以大约3.5马赫的速度工作。

14.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机装置还包括一个碳化硅燃烧室。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述燃烧室包括一个单块的碳化硅部分。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述可更换的燃烧室衬垫包括一个铸造碳化硅的单一结构。

17.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平板阀为环形平板阀，所述环形平板阀工作时是沿着所述第二壳体的圆周的至少一部分放置的，并且其特征还在于，当所述冲压式喷气发动机转动时，所述环形平板阀位于径向方向向外离开并且非常靠近所述冲压式喷气发动机的位置上，所述环形平板阀可以从(a)一打开位置，这时，当所述冲压式喷气发动机装置在靠近打开位置处转动时，在所述冲压式喷气发动机装置前面的一部气流可以通过所述平板阀排出，而不是在所述冲压式喷气发动机装置中被压缩；运动至(b)关闭位置，这时，基本上没有气流通过平板阀逸出。

18.一种产生动力的方法，它包括：

(a)提供一个或多个开式的推力组件，它们可转动地固定在第一个机内壳体和第二个静止的机外壳体之间；

(b)送入一种可氧化的燃料给所述一个或多个推力组件；

(c)在所述一个或多个推力组件中，使所述燃料氧化，以便：

(i)产生燃烧气体，然后该燃烧气体从推力组件中排出；和

(ii)通过所述排出的燃烧气体对(A)所述一个或多个推力组件，和(B)至少所述第二个机外壳体的一部分的推力反应，产生一个原动力；

(d)借助于所述原动力，以超过1.0马赫的速度，推动所述一个或多个推力组件通过送入的气流，所述推力组件的特征还在于，该推力组件的结构为至少部分地敞开的结构，它是这样一种形式的推力组件，即：当所述推力组件通过靠近所述壳体的地方时，所述推力组件依靠所述第二壳体的至少一部分，促使所述送入气流的一部分压缩；

(e)使操作上与所述一个或多个推力组件连接的输出轴转动；

(f)这样，可在所述输出轴上产生动力。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述一个或多个推力组件的速度至少为3.0马赫。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述一个或多个推力组件的速度至少在3.0马赫和4.5马赫之间。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述一个或多个推力组件的工作速度为大约3.5马赫。

22.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述燃料选自于由碳氢化合物气体燃料组成的群组。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述燃料基本上是上的步骤。

35.如权利要求33所述的方法，其特征在于，它还包括：以足够在所述作成扇形的转子帽中，进行内部冷却的流量，提供所述送入气流流动的步骤。

36.如权利要求18所述的方法，其特征在于，提供所述送入气流流动的步骤还包括：将外部空气送入在所述机内壳体和所述机外壳体之间形成的送入空气进气增压系统中，使所述一个或多个冲压式喷气发动机能与新鲜空气接触，该新鲜空气，在下一个或多个冲压式喷气发动机通过一个给定回转位置过程中，基本上没有湍流。

37.一种用于产生动力的装置，它包括：

(a)第一壳体；

(b)一个输出轴，所述输出轴通过所述第一壳体，围绕中心轴线可转动地固定；

(c)一个转子装置，所述转子装置还包括：

(i)一个坚实的机内部分，它牢固地固定在所述输出轴上；

(ii)一个开式推力组件部分；

(d)静止的第二壳体；

(e)至少一个冲压式喷气发动机，所述冲压式喷气发动机在位于机内位置上的完全压缩斜面上，至少是部分敞开的，而在机外位置处，一个部分压缩斜面要求所述第二壳体起一个保持表面的作用，使进入的空气在所述冲压式喷气发动机的入口处被压缩。

38.如权利要求37所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机以至少为3.0马赫的速度工作。

39.如权利要求38所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机以3.0马赫和4.5马赫之间的速度工作。

40.如权利要求38所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机以大约3.5马赫的速度工作。

41.如权利要求37所述的装置，其特征在于，所述用于将所述输出装置可转动地固定在所述冲压式喷气发动机上的装置包括一个由超高强度的复合材料结构构成的转子。

             根据条约第19条修改的声明

权利要求1，10，18和37已作了修改，目的是要指出它包括一个新颖的结构和它包括对记录的先前技术的发明步骤。即：它的特点是，在本发明中，冲压式喷气发动机的圆周壁面是静止的，而入口和斜面结构是运动的，它设计用于，并能够在1.0马赫式更高的速度下持续不断地工作。另外的目的是要更清楚地说明本发明与下列专利的不同：Klees等人的美国专利№5129227(在该专利中，两个壁面是静止的，同时穿过了气流)；Wormser的美国专利№3118227(在该专利中，转动轮带着冲压式喷气发动机腔的二个侧面)，或Mount的美国专利№2709895(在该专利中，整个冲压式喷气发动机的结构可通过气流被推动)。

Claims (45)

1.一种用于产生动力的装置，所述装置包括：

(a)第一流体源进气增压系统，所述流体源进气增压系统可用于提供输入空气，供燃料燃烧用；

(b)一个转子，它具有旋转轴线，所述转子从所述旋转轴线向外延伸至外部极端位置，可用于围绕所述旋转轴线回转；

(c)一个圆壁面，它从所述旋转轴线，沿径向向外放置，并且在径向，从所述转子的所述外部极端，稍微地向外偏很少一点；

(d)一个或多个冲压式喷气发动机，所述一个或多个冲压式喷气发动机包括一个开式压缩部分和相配合的圆周壁面部分，所述冲压式喷气发动机动作时可使所述燃料氧化，并产生推力，使延伸穿过所述旋转轴线的轴作回转运动；

(e)一个空气排出通道，所述通道与所述输入空气的进气增压系统和输出空气排出位置连通，所述通道由所述圆周壁面的贯通壁部分构成，所述通道可被平板阀密封，所述平板阀可在关闭位置和打开位置之间移动，在关闭位置时，没有输入空气通过所述空气排出通道逸出，在打开位置时，至少一部分进入所述冲压式喷气发动机的空气可通过所述空气排出通道转移；和

(f)一个排出气体的输出通道，它靠近并位于装置的入口，该通道至少部分地作在所述圆周壁面上，所述通道使所述第一流体源的进气增压系统与至少一个圆周上的排出气体收集腔实现流体连通，该收集腔位于从所述转子所述旋转轴线，沿径向向外的位置处。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，通向所述圆周上的排出气体收集腔的所述入口还包括一个干燥的刀刃式隔板，所述隔板用于有效地将从所述冲压式喷气发动机排出的燃烧气体与所述贯通的气流隔开，因此，所述燃烧气体不会由于与所述贯通的气流混合而明显地被冷却。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，固定在所述转子上的所述推力组件的所述极端的至少一部分作成敞开形状，并且，其特征还在于，所述圆周壁面的至少一部分与所述开式的推力组件的有效半径的外端相配合，使得在围绕所述旋转轴线回转过程中，所述推力组件的有效半径的外端，在非常靠近所述圆周壁面的所述部分的地方按紧密配合方式旋转，因而，由所述相配合的开式推力组件和所述的圆周壁面，产生冲压式喷气发动机的推力。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述圆周壁面的所述相配合的部分设有一个或多个输出通道，用于使所述第一流体源进气增压系统和外部卸压位置进行流体连通，当所述转子围绕所述旋转轴线转动时，所述一个或多个输出通道位于从所述推力组件的所述极端，沿径向向外的位置上，所述一个或多个输出通道可允许当流体在所述冲压式喷气发动机中至少是部分地被压缩时，通过所述第一个流体源进气增压系统送入的至少一部分流体通过所述输出通道流出。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机还包括一个部分地敞开的入口，并且其特征还在于，所述冲压式喷气发动机利用至少是所述圆周侧壁的一部分，供燃烧气体输入时压缩之用。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机还包括一个部分地敞开的输出喷嘴，并且，其特征还在于，所述冲压式喷气发动机利用所述圆周侧壁的至少一部分，供排出的燃烧气体减压之用。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机以至少3.0马赫的速度工作。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机以3.0马赫和4.5马赫之间的速度工作。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机以大约3.5马赫的速度工作。

10.一种用于产生动力的装置，它包括：

(a)第一壳体装置；

(b)一个输出装置，所述输出装置包括至少一个轴部分，所述轴部分，通过所述第一壳体装置，围绕回转轴线可转动地固定；

(c)一个转子装置，所述转子装置固定在所述输出装置上，以便，所述转子可以与所述输出装置一起转动；

(d)一个排出气体输出通道，它靠近并在该装置的入口上，该输出通道至少部分地作在所述圆周壁面上，所述通道使所述第一流体源进气增压系统与至少一个圆周上的排出气体收集腔进行流体连通，该排出气体收集腔位于从所述转子的所述旋转轴线，沿径向向外的地方；

(e)一个冲压式喷气发动机装置，所述冲压式喷气发动机装置整体地作在开式推力组件和所述圆周壁面之间，所述冲压式喷气发动机以至少1马赫的速度工作，开且，所述冲压式喷气发动机装置的特征还在于，该冲压式喷气发动机装置是这样一种形式的，至少是部分敞开的结构，即：当所述冲压式喷气发动机通过邻近所述圆周壁面上的给定位置时，所述圆周壁面非常靠近所述冲压式喷气发动机装置，这样，所述冲压式喷气发动机依靠所述圆周壁面的至少一部分，促使流入所述冲压式喷气发动机装置中的气流压缩；

(f)所述装置适用于使在所述冲压式喷气发动机装置中的燃料氧化，以产生燃烧气体，由所述冲压式喷气发动机装置产生推力，转动所述冲压式喷气发动机装置、转子装置和输出装置，从而由所述装置提供功率输出。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机装置以至少3.0马赫的速度工作。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机装置以3.0马赫和4.5马赫之间的速度工作。

13.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机装置以大约3.5马赫的速度工作。

14.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机装置还包括一个碳化硅燃烧室。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述燃烧室包括一个单块的碳化硅部分。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述可更换的燃烧室衬垫包括一个铸造碳化硅的单一结构。

17.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平板阀为环形平板阀，所述环形平板阀工作时是沿着所述第二壳体的圆周的至少一部分放置的，并且其特征还在于，当所述冲压式喷气发动机转动时，所述环形平板阀位于径向方向向外离开并且非常靠近所述冲压式喷气发动机的位置上，所述环形平板阀可以从(a)一打开位置，这时，当所述冲压式喷气发动机装置在靠近打开位置处转动时，在所述冲压式喷气发动机装置前面的一部气流可以通过所述平板阀排出，而不是在所述冲压式喷气发动机装置中被压缩；运动至(b)关闭位置，这时，基本上没有气流通过平板阀逸出。

18.一种产生动力的方法，它包括：

(a)提供一个或多个开式的推力组件，它们可转动地固定在第一个机内壳体和第二个机外壳体之间；

(b)送入一种可氧化的燃料给所述一个或多个推力组件；

(c)在所述一个或多个推力组件中，使所述燃料氧化，以便：

(i)产生燃烧气体，然后该燃烧气体从推力组件中排出；和

(ii)通过所述排出的燃烧气体对(A)所述一个或多个推力组件，和(B)至少所述第二个机外壳体的一部分的推力反应，产生一个原动力；

(d)借助于所述原动力，以超过1.0马赫的速度，推动所述一个或多个推力组件通过送入的气流，所述推力组件的特征还在于，该推力组件的结构为至少部分地敞开的结构，它是这样一种形式的推力组件，即：当所述推力组件通过靠近所述壳体的地方时，所述推力组件依靠所述第二壳体的至少一部分，促使所述送入气流的一部分压缩；

(e)使操作上与所述一个或多个推力组件连接的输出轴转动；

(f)这样，可在所述输出轴上产生动力。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述一个或多个推力组件的速度至少为3.0马赫。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述一个或多个推力组件的速度至少在3.0马赫和4.5马赫之间。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述一个或多个推力组件的工作速度为大约3.5马赫。

22.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述燃料选自于由碳氢化合物气体燃料组成的群组。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述燃料基本上是天然气。

24.如权利要求18所述的方法，其特征在于，送入燃料的步骤包括在位于所述推力组件上游的一处上，将燃料喷射入在所述第一和所述第二壳体之间的气流中的步骤。

25.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括产生电能的步骤。

26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，该产生电能的步骤包括工作时将发电机与所述输出轴连接。

27.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括从所述燃烧气体中回收热能的步骤。

28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述热能回收步骤包括将来自于所述燃烧气体的所述热能传递给辅助工作流体。

29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述辅助工作流体为水，并且其特征还在于，通过加热所述水，可产生蒸汽。

30.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述热能回收步骤包括利用所述燃烧气体，在热回收部分间接加热所述的水。

31.如权利要求26所述的方法，其特征在于，它还包括：将所述蒸汽通入蒸汽涡轮机，利用所述蒸汽使所述蒸汽涡轮机转动，以产生动力，由所述蒸汽涡轮机使轴工作的步骤。

32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，它还包括：从所述蒸汽涡轮机的所述工作轴产生电能的步骤。

33.如权利要求18所述的方法，其特征在于，它还包括：当所述转子以超音速的速度转动时，控制边界层阻力的步骤。

34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，大体控制边界层阻力的所述步骤还包括沿切线方向，将空气喷射至所述转子的所述回转表面上的步骤。

35.如权利要求33所述的方法，其特征在于，它还包括：以足够在所述作成扇形的转子帽中，进行内部冷却的流量，提供所述送入气流流动的步骤。

36.如权利要求18所述的方法，其特征在于，提供所述送入气流流动的步骤还包括：将外部空气送入在所述机内壳体和所述机外壳体之间形成的送入空气进气增压系统中，使所述一个或多个冲压式喷气发动机能与新鲜空气接触，该新鲜空气，在下一个或多个冲压式喷气发动机通过一个给定回转位置过程中，基本上没有湍流。

37.一种用于产生动力的装置，它包括：

(a)第一壳体；

(b)一个输出轴，所述输出轴通过所述第一壳体，围绕中心轴线可转动地固定；

(c)一个转子装置，所述转子装置还包括：

(i)一个坚实的机内部分，它牢固地固定在所述输出轴上；

(ii)一个开式推力组件部分；

(d)至少一个冲压式喷气发动机，所述冲压式喷气发动机在位于机内位置上的完全压缩斜面上，至少是部分敞开的，而在机外位置处，一个部分压缩斜面要求所述第二壳体起一个保持表面的作用，使进入的空气在所述冲压式喷气发动机的入口处被压缩。

38.如权利要求37所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机以至少为3.0马赫的速度工作。

39.如权利要求38所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机以3.0马赫和4.5马赫之间的速度工作。

40.如权利要求38所述的装置，其特征在于，所述冲压式喷气发动机以大约3.5马赫的速度工作。

41.如权利要求37所述的装置，其特征在于，所述用于将所述输出装置可转动地固定在所述冲压式喷气发动机上的装置包括一个由超高强度的复合材料结构构成的转子。

42.如权利要求37所述的装置，其特征在于，所述用于转动地固定所述输出装置的装置还包括碳纤维复合材料。

43.如权利要求37所述的方法，其特征在于，一百万份所述燃烧气体中含有的氮的氧化物少于十份。

44.如权利要求37所述的方法，其特征在于，一百万份所述燃烧气体中含有的氮的氧化物少于5份。

45.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述燃料在0.24微秒或更短的时间内氧化。

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