EA001856B1

EA001856B1 - Прямоточный воздушно-реактивный двигатель для производства электроэнергии

Info

Publication number: EA001856B1
Application number: EA199900545A
Authority: EA
Inventors: Шон П. Лоулор
Original assignee: Рэмджен Пауэр Системс, Инк.
Priority date: 1996-12-16
Filing date: 1997-12-16
Publication date: 2001-08-27
Also published as: NZ336117A; SK80199A3; AU721469B2; BR9713944A; PL334067A1; EP0958452A1; US6334299B1; TR199901342T2; US6434924B1; JP2001506340A; NO992945D0; US6298653B1; EA199900545A1; WO1998027330A1; AU6237298A; GEP20002218B; CN1240499A; EP0958452A4; CA2274709A1; HUP9904124A3

Abstract

Установка (100) для производства электроэнергии со сверхзвуковыми прямоточными воздушно-реактивными двигателями (U) имеет входные отверстия, частично находящиеся в корпусе. Топливо окисляется в прямоточных воздушно-реактивных двигателях, создает тягу и вращает вал (110). Эффективное смешение окислителя и топлива до входа в камеру сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя и короткое время пребывания в камере сгорания минимизируют образование окисей азота NO.

Description

Данное изобретение использует технологию прямоточных воздушно-реактивных двигателей для производства электроэнергии. Основные принципы данной технологии были подробно представлены в более ранней заявке автора с порядковым номером 07/945 228, поданной 14 сентября 1992 г., по которой 13 декабря

1994 г. выдан патент США № 5 372 005. Некоторые варианты выполнения изобретения можно найти также в заявке на патент США с порядковым номером 08/480 663, поданной 7 июня

1995 г. Специальные варианты выполнения изобретения были также раскрыты в предварительной заявке автора на патент США с порядковым номером 60/028311, поданной 16 декабря 1996 г. Содержание указанных заявок на патент и опубликованного патента США включено в данный параграф только в качестве ссылки.

Техническая область изобретения

Изобретение автора относится к новому ротационному двигателю с высоким КПД, приводимому в действие прямоточным воздушнореактивным двигателем, и способу производства электроэнергии и получения механической мощности с помощью такого двигателя при минимизации объема выбросов окисей азота. В частности, изобретение автора относится к энергосиловой установке, приводимой в действие прямоточным воздушно-реактивным двигателем, и к конструкциям, способным выдерживать крайне высокие растягивающие напряжения, присущие ротационным устройствам с дистально расположенными прямоточными воздушно-реактивными двигателями, работающими при сверхзвуковых скоростях.

Энергосиловые установки подобного типа особенно полезны для производства электроэнергии и получения механической мощности.

Известный уровень техники

Существует постоянная потребность в простой и недорогой тепловой энергосиловой установке с высоким КПД, которая обеспечивала бы надежное производство электроэнергии и получение механической мощности при низкой себестоимости. Именно поэтому многие электрические и/или механические энергосиловые установки могут существенно улучшить свои характеристики при использовании первичного двигателя, который обеспечивает значительные преимущества по сравнению с достигаемым на действующих установках КПД цикла при производстве электроэнергии. Особенно это справедливо для энергосиловых установок средней мощности, главным образом, в диапазоне от 10 до 100 мегаватт, которые широко используются в промышленности, включая стационарные установки для производства электроэнергии, железнодорожные локомотивы, морские судовые (силовые) установки и авиационные двигатели.

Энергосиловые установки средней мощности могут широко применяться в комбинированных средствах промышленности и комму нального хозяйства. Такие средства все больше используются для удовлетворения потребностей в тепловой мощности и одновременного производства электроэнергии при несколько сниженной общей себестоимости. Конструкции энергосиловых установок, наиболее широко используемые в комбинированных применениях, включают (а) газовые турбины, приводимые во вращение за счет сжигания природного газа, нефтяного топлива или другого топлива и получающие тепловую и кинетическую энергию от газообразных продуктов сгорания, (Ь) паровые турбины, приводимые во вращение паром, который генерируется в котлах при сгорании угля, нефтяного топлива, природного газа, твердых отходов или другого топлива, и (с) широко используемые поршневые двигатели, обычно, с дизельным циклом и работающие, как правило, на нефтяном топливе.

Из используемых в настоящее время технологий энергосиловых установок наибольший КПД имеют аэродинамические турбинные двигатели и поршневые турбинные двигатели на дизельном топливе. К сожалению, что касается поршневых двигателей, при выходных мощностях больше приблизительно 1 мегаватта размер отдельных компонентов двигателя становится неуправляемо большим, в результате чего моносистемы с поршневыми двигателями большей мощности не разработаны. Газовые турбины обладают повышенной надежностью по сравнению с поршневыми двигателями и поэтому часто используются в энергосиловых установках с более высоким уровнем мощности. Однако вследствие того, что газовые турбины имеют средний коэффициент преобразования топлива в электрическую энергию, энергосиловые установки, приводимые в действие газовыми турбинами, наиболее эффективно применяются в комбинированных системах, в которых используются как электрическая, так и тепловая энергия. Таким образом, средний КПД газовых турбин частично компенсируется за счет использования тепловой энергии для того, чтобы увеличить общий КПД цикла.

Системы производства электроэнергии с паровыми турбинами на ископаемом топливе также имеют низкий КПД, часто в диапазоне от 30 до 40% общей полезной выходной мощности по отношению к теплотворной способности исходного топлива. И все же такие системы широко используются в промышленности и коммунальном хозяйстве для производства электроэнергии, удовлетворяющей основные нагрузки.

Это объясняется главным образом высокой надежностью таких систем.

В любом случае, особенно с точки зрения уменьшения правительственного регулирования продаж электрической мощности, можно понять, что было бы желательно обеспечить значительное снижение стоимости производства электроэнергии. Главным образом, в частности с точки зрения долговременной тенденции цен на топливо, это может быть наиболее эффективно решено за счет производства электроэнергии при большем, чем на известных или используемых в настоящее время установках, общем КПД цикла.

Краткое описание изобретения

Автором изобретения разработана улучшенная энергосиловая установка, использующая тяговый модуль со сверхзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем в качестве первичного двигателя для вращения приводного вала. В данном способе производства электроэнергии тяговый модуль со сверхзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем непосредственно или косвенным образом соединен с электрическим генератором. Используя устройства для подачи дополнительного топлива, выходная мощность тягового модуля со сверхзвуковым прямоточным воздушнореактивным двигателем может при необходимости изменяться для поддержания постоянной скорости вращения, что необходимо в синхронных устройствах производства электроэнергии при минимальных выходных нагрузках. Во всем рабочем диапазоне энергосиловая установка со сверхзвуковым прямоточным воздушнореактивным двигателем имеет гораздо больший КПД по сравнению с другими известными автору энергосиловыми установками.

Конструкции, используемые в предложенной автором энергосиловой установке, преодолевают четыре значительных и серьезных проблемы, которые затрудняли более ранние попытки применения прямоточного воздушнореактивного двигателя для эффективного производства электрической энергии:

во-первых, при средних числах Маха окружной скорости (ротора), при которых работает предложенная автором установка (предпочтительно от 2,5 чисел Маха до около 4,0 чисел Маха), данная конструкция минимизирует аэродинамическое торможение. Это достигается как снижением эффективной плотности атмосферы, в которой вращается ротор, так и использованием способов управления и охлаждения граничного слоя. Таким образом, данная конструкция уменьшает потери мощности энергосиловой установки из-за торможения в результате вращательного движения ротора. Это имеет важное коммерческое значение, поскольку позволяет избежать больших потерь, приводящих к нежелательному потреблению топлива и уменьшению общего КПД энергосиловой установки;

во-вторых, выбор материала и механической конструкции вращающихся элементов позволяет избежать избыточных количеств и веса материалов (значительное улучшение по сравнению с конструкциями с большими вращающимися массами) и обеспечивает необходимую прочность, в особенности прочность на растяжение в критических точках ротора, чтобы пре дотвратить внутренний разрыв ротора под действием центробежных сил, действующих в результате крайне высоких скоростей вращения ротора;

в-третьих, конструкция обеспечивает эффективное механическое отделение холодного подаваемого топлива и окисляющих его газов от выходящих горячих газообразных продуктов сгорания и в то же время обеспечивает работу прямоточного воздушно-реактивного двигателя вдоль круговой траектории;

в-четвертых, конструкция обеспечивает эффективное пленочное охлаждение краевых компонентов ротора, включая краевые сегменты, краевые направляющие и тяговые модули с прямоточным воздушно-реактивным двигателем. Данная новая конструкция позволяет использовать легкие компоненты в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя и системах отвода горячих газообразных продуктов сгорания прямоточного воздушнореактивного двигателя, включая потенциально подверженные горению компоненты, например, из титана.

Для решения отмеченных выше проблем автор разработал новые конструкции ротора, которые разрешают проблемы, свойственные известным до сих пор установкам и известным автору способам, которые были предложены для применения технологии прямоточных воздушно-реактивных двигателей к стационарному оборудованию для производства электроэнергии. Наиболее важное значение имеет разработанный автором ротор с низким торможением, который имеет один или несколько тяговых модулей с бескорпусным прямоточным воздушнореактивным двигателем, размещенных на его дистальном крае. Число Ν, расположенных по краю, предпочтительно частично идущих по спирали направляющих 8, распределяют входной газовый поток последовательно на вход первого из одного или нескольких прямоточных воздушно-реактивных двигателей и затем на вход второго из одного или нескольких прямоточных воздушно-реактивных двигателей и так далее на вход Ν-го из одного или нескольких прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Каждая из направляющих 8 имеет расположенную вверх по потоку или входную сторону и расположенную вниз по потоку или выходную сторону. С целью лучшей балансировки ротора и получения большей выходной мощности автор предлагает, чтобы число прямоточных воздушно-реактивных двигателей Х и число направляющих N равнялись одному и тому же положительному целому числу и чтобы N и Х были, по крайней мере, равны двум. Выхлопные газы, выходящие из каждого из одного или нескольких прямоточных воздушно -реактивных двигателей, направляются так, чтобы устранить, так называемое, короткое замыкание, то есть их возвращение на входную сторону после5 дующих прямоточных воздушно-реактивных двигателей. В зоне камеры сгорания каждого прямоточного воздушно-реактивного двигателя это эффективно осуществляется направляющими 8 за счет избыточного давления в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Вниз по потоку от выхлопной зоны прямоточного воздушно-реактивного двигателя и расширения точно до входа следующего одного или нескольких прямоточных воздушнореактивных двигателей предотвращение попадания горячих выхлопных газообразных продуктов сгорания в холодную входящую топливно-воздушную смесь эффективно осуществляется предложенной автором конструкцией одного или нескольких тяговых модулей с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, и, предпочтительно, выхлопные газы от каждого прямоточного воздушно-реактивного двигателя расширяются приблизительно до атмосферного давления, так что направляющие 8 действуют как большой вентилятор или насос, обеспечивая движение выхлопных газов при каждом повороте ротора.

Автором предложено несколько возможных вариантов выполнения высокопрочного ротора. В предпочтительном варианте выполнения изобретения ротор представляет собой диск из углеродного волокна. В другом варианте выполнения он состоит из стальной ступицы с высокопрочными спицами. И в том, и в другом случае краевые сегменты и тяговые модули с прямоточным воздушно-реактивным двигателем предпочтительно закрепляются на роторе с возможностью отсоединения и замены.

В рабочей полости ротора создается пониженное атмосферное давление, предпочтительно абсолютное давление в диапазоне 1 фунт на квадратный дюйм, с целью исключить аэродинамическое торможение ротора. Создание вакуума обеспечивается применением вакуумного насоса для откачки воздуха из рабочей полости и использованием соответствующих уплотнений (а) на выходном валу ротора в месте его проникновения через стенки рабочей полости, (Ь) на краевых сегментах и (с) на тяговых модулях с прямоточным воздушно-реактивным двигателем.

Каждый из краевых сегментов и тяговых модулей с прямоточным воздушно-реактивным двигателем имеет приемную камеру для охлаждающего воздуха. Каждая камера имеет идущие по радиусу, предпочтительно параллельно друг другу, боковые стенки: проксимальную в направлении по радиусу стенку и дистальную в направлении по радиусу стенку, через которые проходят выходные отверстия для охлаждающего воздуха. Приемная камера для охлаждающего воздуха действует, как центробежный компрессор для подачи охлаждающего воздуха к выходным отверстиям охлаждающего воздуха. Выходы отверстий для охлаждающего воздуха рас положены на поверхности краевых сегментов и тяговых модулей с прямоточным воздушнореактивным двигателем. Размер по радиусу от начала каждой отдельной воздухопринимающей проксимальной в направлении по радиусу стенки определяет расстояние, на котором камера, принимающая воздух, обеспечивает сжатие и таким образом определяет давление воздуха, подаваемого на выход охлаждающего прохода отдельного граничного слоя.

К радиальному краю ротора прикреплены один или несколько, но, по крайней мере, один прямоточный воздушно-реактивный двигатель, причем каждый прямоточный воздушнореактивный двигатель имеет бескорпусную конструкцию тягового модуля. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели расположены так, чтобы получать и сжимать порцию воздушного потока, который падает на прямоточный воздушно-реактивный двигатель во время его вращения вокруг отмеченных выше концов выходного вала. Топливо добавляется в воздушный поток до сжатия на входе в прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Ввод топлива обычно осуществляется с помощью магистралей подачи топлива, расположенных в полом кольце, и с помощью магистралей инжекции топлива, соединяющих магистрали подачи топлива и трубопровод подаваемого воздушного потока. Топливо инжектируется в подаваемый воздушный поток и, таким образом, хорошо перемешивается с подаваемым воздухом до попадания в камеру сгорания прямоточного воздушнореактивного двигателя. Газообразные продукты сгорания, образующиеся при окислении топлива, выводятся через заднюю сторону сопла прямоточного воздушно-реактивного двигателя, создавая тягу двигателя в тангенциальном направлении относительно оси вращения выходного вала и, таким образом, вращая ротор и выходной вал. Мощность, образуемая при вращении вала, может использоваться непосредственно в механической форме или может использоваться для приведения в действие электрического генератора и, таким образом, для производства электроэнергии. Работой предложенного автором прямоточного воздушно-реактивного двигателя можно управлять для обеспечения синхронного режима, то есть изменения выходной мощности прямоточного воздушно-реактивного двигателя при поддержании постоянной скорости вращения вала.

Когда энергосиловая установка с прямоточным воздушно-реактивным двигателем используется в комбинированном применении, выхлопные газообразные продукты сгорания от прямоточного воздушно-реактивного двигателя направляются в теплообменник, где газы охлаждаются и при этом нагревают теплопередающую текущую среду (например, воду, и в этом случае в результате получают горячую воду или пар). Теплопередающая текущая среда может использоваться для обычных тепловых целей или для механических целей, например, для приведения в действие паровой турбины. В конечном счете, охлажденные газообразные продукты сгорания выбрасываются в окружающий воздух.

И в заключение отметим, что различные конфигурации воздушных потоков и средств обеспечения подачи топлива, средств подачи дополнительного топлива и снабжения запускающими воспламенителями могут быть выполнены специалистами в данной области, не выходя за пределы приведенных здесь сведений. В дополнение к вышесказанному предложенная автором новая энергосиловая установка является простой долговечной и относительно недорогой в производстве.

Цели, преимущества и характеристики изобретения

Из вышесказанного читателю очевидно, что одной важной и главной целью данного изобретения является создание нового двигателя с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, который можно экономично использовать для получения механической мощности и производства электрической энергии.

Более точно, важной целью изобретения автора является разработка энергосиловой установки с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, которая способна выдерживать нагрузки и напряжения, возникающие при высокой скорости вращения, и, таким образом, обеспечивать надежный способ производства электроэнергии при высоком КПД.

Другие важные и более специальные цели данного изобретения заключаются в создании энергосиловых установок, которые, как описано в предыдущем параграфе:

имеют высокие значения КПД, то есть обеспечивают высокий выход тепла и мощности по отношению к теплотворной способности исходного топлива энергосиловой установки;

в дополнение к предыдущей цели обеспечивают для оператора энергосиловой установки более низкую по сравнению с существующими установками стоимость получения электроэнергии и, таким образом, в конечном счете для потребителя электроэнергии;

позволяют производить электроэнергию простым и непосредственным способом;

имеют минимум механических частей;

не требуют сложных подсистем;

требуют меньшего рабочего объема, чем многие энергосиловые установки на основе существующих технологий;

легко сооружаются, приводятся в действие, управляются и технически обслуживаются;

обеспечивают чистое сжигание ископаемого топлива;

в дополнение к только что отмеченной цели производят меньшее отрицательное воздействие на окружающую среду, чем многие ис пользуемые в настоящее время средства производства электроэнергии;

имеют вращающийся элемент с минимальной дистально расположенной массой, который, таким образом, может выдерживать напряжения и усилия, возникающие при очень больших окружных скоростях;

и обеспечивают работу с минимальным аэродинамическим торможением.

Одной из характеристик данного изобретения является новая конструкция высокопрочного ротора. В одной конструкции высокопрочная стальная внутренняя секция снабжена высокопрочными спицами, и на их концах расположены вращающиеся краевые элементы, которые включают тяговые модули с бескорпусным прямоточным воздушно-реактивным двигателем. Данная уникальная конструкция позволяет работать при скоростях вращения, превышающих предел разрушения многих обычных материалов, и в то же время обеспечивает соответствующее охлаждение краевых элементов и конструкции прямоточного воздушно-реактивного двигателя с целью обеспечения целостности материалов при высоких рабочих температурах. Другая конструкция имеет диск из композиционного материала на основе углеродного волокна и эпоксидных смол, который упрощает общую конструкцию и создает запас прочности, и в то же время обеспечивает обдуваемое охлаждение конструкции для поддержания структурной целостности ротора, краевых элементов и конструкции прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

Другой характеристикой данного изобретения является применение бескорпусной конструкции прямоточного воздушно-реактивного двигателя. В данной конструкции стационарная наружная стенка, которая окружает прямоточный воздушно-реактивный двигатель, является частью тягового модуля с прямоточным воздушно-реактивным двигателем. Эта уникальная конструкция позволяет использовать минимальную вращающуюся массу при высоких расчетных окружных скоростях и, таким образом, позволяет выполнять ротор из менее прочных материалов и/или иметь больший запас прочности по отношению к требованиям на растяжение при работе прямоточного воздушно-реактивного двигателя с заданным числом Маха.

Еще одной важной характеристикой данного изобретения является применение направляющих для отделения подаваемого воздушного потока на входе прямоточного воздушнореактивного двигателя (в котором предпочтительно входной воздушный поток и топливо предварительно смешаны) от выхлопного газового потока прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Данное конструктивное решение обеспечивает непосредственное удаление выхлопных газов от двигателя и подачу только требуемого для обеспечения горения в прямо точных воздушно-реактивных двигателях количества входного воздуха.

Другие важные цели, характеристики и дополнительные преимущества предложенного автором изобретения очевидны специалистам в данной области из вышесказанного и последующего подробного описания, сопровождаемого приложенными пунктами формулы изобретения совместно с соответствующими чертежами.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой частичный перспективный вид предложенной автором новой энергосиловой установки, на котором показан первичный ротор энергосиловой установки, вращающийся в своем корпусе и приводящий в движение выходной вал, обычно, соединенный с зубчатой коробкой передач, которая в свою очередь в рабочем положении соединена с электрическим генератором.

Фиг. 2 представляет собой вид в частичном разрезе предложенной автором новой энергосиловой установки с прямоточным воздушнореактивным двигателем, показывающий вращающийся выходной вал, закрепленный на роторе и вращающийся вместе с ним, и тяговый модуль с бескорпусным прямоточным воздушно-реактивным двигателем, выполненный совместно с ротором. Дополнительно показаны входной воздуховод, переходящий в кольцевой трубопровод, имеющий секцию наружной стенки в зоне горения. Показан также вывод выхлопных газов из зоны горения по каналу выхлопных газов. Схематично представлены охлаждающий воздух, охлаждающая вода и вакуумные магистрали для откачки воздуха из объема вращения ротора.

Фиг. 3 представляет собой перспективный вид углеродного ротора, включающего (а) краевой элемент, (Ь) бескорпусной прямоточный воздушно-реактивный двигатель и (с) направляющую, с отдельно показанным краевым сегментом с сегментом направляющей.

Фиг. 4 представляет собой краевой вид по окружности ротора, взятый исходно по линии 44 (фиг. 3) на окружности ротора с отделенным и развернутым на плоскости краем, показывающий пару тяговых модулей с бескорпусным прямоточным воздушно-реактивным двигателем и взаимное расположение краевых сегментов с совместно выполненными сегментами направляющих.

Фиг. 5 представляет собой вид в перспективе краевого сегмента, который включает тяговый модуль с бескорпусным прямоточным воздушно-реактивным двигателем и соответствующие совместно выполненные сегменты направляющих.

Фиг. 6 представляет собой поперечное сечение ротора из углеродного волокна, тяговых модулей с бескорпусным прямоточным воздуш но-реактивным двигателем и соответствующей наружной стенки.

Фиг. 7 представляет собой поперечное сечение второго варианта выполнения предложенного автором вращательного блока, показывающее стальной ротор, тяговые модули с бескорпусным прямоточным воздушно-реактивным двигателем и соответствующую наружную стенку.

Фиг. 8 представляет собой вид краевого сегмента с совместно выполненным сегментом направляющей, на котором отчетливо показаны проходы для охлаждающего воздуха и его траектории после выхода, а также отверстия пленочного охлаждения.

Фиг. 9 представляет собой частичное поперечное сечение по линии 9-9 фиг. 8, показывающее плотное расположение направляющей ротора с внутренней поверхностью наружной стенки.

Фиг. 10 представляет собой частичное поперечное сечение одного из вариантов выполнения тягового модуля с совместно выполненной направляющей.

Фиг. 11 представляет собой перспективный вид тягового модуля, показанного на фиг. 10, с совместно выполненной направляющей.

Фиг. 12 представляет собой перспективный вид одного из вариантов выполнения сегмента ротора с совместно выполненной направляющей, детально показывающий отверстия пленочного охлаждения и соответствующий радиальный поток в граничном слое по направляющей.

Фиг. 13 представляет собой поперечное сечение части наружной стенки энергосиловой установки по отрезку линии 13-13 фиг. 2 в области, близкой к направляющей, показывающее запорный вентиль с кольцевым сегментом в закрытом положении.

Фиг. 14 представляет собой поперечное сечение части наружной стенки энергосиловой установки, подобное приведенному на фиг. 13, в области, близкой к направляющей, показывающее запорный вентиль с кольцевым сегментом в открытом положении при пропускании воздуха через наружную стенку во время приведения в действие.

Фиг. 15 представляет собой вид сверху одной рамы энергосиловой установки по линии 15-15 фиг. 2, показывающий раму, выходные проходы, наружную стенку и проходы для охлаждающего воздуха и охлаждающей воды.

Фиг. 16 представляет собой вид сверху энергосиловой установки комбинированного типа, в которой используется предложенный автором новый ротор, приводимый в движение сверхзвуковыми прямоточными воздушнореактивными двигателями и тяговыми модулями, в качестве первичного двигателя, совместно с электрическим генератором и паровой турби ной (которая также может быть использована для производства электрической энергии).

Фиг. 17 представляет собой вид сбоку энергосиловой установки комбинированного типа, в которой используется предложенный автором новый ротор, приводимый в движение сверхзвуковыми прямоточными воздушнореактивными двигателями, в качестве первичного двигателя, совместно с электрическим генератором и паровой турбиной.

Фиг. 18 представляет собой частичное поперечное сечение, предложенной автором новой энергосиловой установки, показывающее детали охлаждающей системы, кольцевой вентиль и различные позиции направляющих при повороте ротора вокруг своей оси вращения.

Подробное описание изобретения

Фиг. 1 представляет собой перспективный вид с частичным разрезом предложенной автором новой энергосиловой установки 100 со сверхзвуковым прямоточным воздушнореактивным двигателем. Основные компоненты, показанные на фиг. 1, включают блок 102 сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя и зубчатую передачу 104 на опорной раме 106 прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Блок 102 прямоточного воздушнореактивного двигателя имеет ведомый выходной вал 108, соединенный с зубчатой передачей 104, служащей для передачи мощности. Зубчатая передача 104 имеет приводной выходной вал 110, который соединен и вращает с заданной скоростью электрический генератор 112. Выходная электрическая мощность электрического генератора 112 отводится по проводам 116_А, 116в и 116д.

Конструкция сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя, полностью размещенного в блоке 102 прямоточного воздушно-реактивного двигателя, может быть лучше понята соответственно на фиг. 2, 4, 7, 8, 10, 11 и 18. В настоящее время автор разработал высокопрочный ротор 120 с концами 108 и 124 выходного вала. Концы 108 и 124 выходного вала вращаются во входной и выходной подшипниковых опорах 126 и 128, соответственно, причем подшипниковые опоры установлены на рамах 130 и 132, соответственно. На фиг. 2, 7, 8, 10 и 11 показан один из вариантов выполнения предложенной автором конструкции высокопрочного ротора 120 (или его компонентов), иллюстрирующий конструкцию ротора с монолитной ступицей 134 ротора (предпочтительно из высокопрочной стали), к которой прикреплены радиально расходящиеся спицы 136, на которых закреплены обдуваемые краевые сегменты 138 или, соответственно, обдуваемый бескорпусной прямоточный воздушно-реактивный двигатель 142, как показано на фиг. 11 и 18.

Для упрощения конструкции автор предлагает использовать соединение с помощью рояльных петель, как показано на фиг. 2 и 8, для (а) соединительных петель 144 между ступицей 134 и спицами 136 или (Ь) соединительных петель 146 между спицами 136 и каждым прямоточным воздушно-реактивным двигателем. Как показано на фиг. 8, соединительные петли 148 между спицами 136 и краевыми сегментами 138 образованы сегментами 150 петель на спицах 136 и взаимно дополняющими сегментами 152 петель на краевых сегментах 138. Стержень 154, предпочтительно, плотно вставляется в отверстие 156 в стенке 158 краевого сегмента 138 и в соответствующее отверстие 160 стенки 162 спицы 136. Аналогичные детали используются в шарнирном соединении 146 между спицами 136 и прямоточным воздушно-реактивным двигателем 142. В предложенной конструкции любой краевой сегмент 138 или тяговый модуль и с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, такой как модуль 142, разъемно соединен и является частью ротора 120 и, таким образом, краевые сегменты 138 и тяговые модули с прямоточным воздушно-реактивным двигателем могут быть легко заменены.

На фиг. 3, 5, 6 и 12 показана конструкция, обладающая подобными функциональными возможностями, в которой для изготовления ротора 120' используются материалы на базе углеродного волокна, и ряд Т-образных соединительных выступов АТ выполнен в роторе 120'. Выступы АТ входят между заполняющими зубцами Υ-образной формы, идущими вовнутрь от каждого краевого сегмента 138 или тягового модуля и с прямоточным воздушно-реактивным двигателем.

Как видно на фиг. 2 и 4, окружность ротора 120 выполнена из многих краевых сегментов 138 и одного или нескольких прямоточных воздушно-реактивных двигателей и, таких как прямоточный воздушно-реактивный двигатель 142. Важное значение имеют идущие к периферии направляющие от 8₁ до 8_Ν. Каждая направляющая от 81 до 8_Ν имеет некоторое число сегментов направляющей, причем каждый сегмент направляющей выполнен вместе с краевым сегментом 138 или, соответственно, с прямоточным воздушно-реактивным двигателем 142. Каждый сегмент направляющей может быть определен, как показано на фиг. 4, своей парой краев, начиная с сегмента 8₁ (ΙΝ-Ι) на входе ΙΝ газовой смеси 170, затем сегмента 8₁ (КН), далее сегмента 8₁ (Н-С) и так далее до сегмента 8₁ (АЕХ), который оканчивается в точке ЕХ выхода направляющей для газообразных продуктов сгорания 176. Аналогично, сегменты направляющей для направляющей 8₂, начинаются с сегмента 8₁ (ΙΝ-В) на входе ΙΝ и затем последовательно с сегмента 8₂ (В-О) и так далее подобным образом. Направляющие от 8₁ до 8_Ν распределяют поступающий газовый лоток 170 (который, предпочтительно, представляет собой смесь топлива и окислителя) так, что газовая смесь 170 поступает во входное сопло 174 пря моточного воздушно-реактивного двигателя. Этот процесс происходит на первом (и₁) из одного или нескольких бескорпусных прямоточных воздушно-реактивных двигателей и и затем на втором (и₂) из одного или нескольких бескорпусных прямоточных воздушно-реактивных двигателей и и так далее до Х-го (ϋ_χ) из одного или нескольких бескорпусных прямоточных воздушно-реактивных двигателей и, установленных для обеспечения вращения на дистальном крае ротора 120. С целью лучшей балансировки ротора 120 автор предлагает, чтобы число Х прямоточных воздушно-реактивных двигателей и и число N направляющих 8 равнялись одному и тому же положительному целому числу и чтобы N и Х были каждое, по крайней мере, равны двум.

Направляющие от 8₁ до 8_Ν позволяют подавать газовую смесь 170 к каждому прямоточному воздушно-реактивному двигателю и_х без значительной потери подаваемой газовой смеси 170 с выхлопными газообразными продуктами сгорания 176. Наиболее важно также то, что выхлопные газообразные продукты сгорания 176, выходящие из каждого одного или нескольких прямоточных воздушно-реактивных двигателей и, эффективно предотвращаются расположением направляющих 8 от так называемого короткого замыкания, и, таким образом, не допускается попадание газообразных продуктов сгорания 176 от выходной стороны 8_ЕХ на входную сторону 8₁ последующих прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Назначение данной направляющей будет лучше понятно при рассмотрении ротора или вращательного блока 120 (или на его соответствующих частях, как это видно на различных чертежах), который вращается в непосредственной близости (а) от стационарного внутреннего корпуса 198 кольцевой формы с внутренней поверхностью стенки 200 и (Ь) от, предпочтительно, неподвижной наружной стенки 202 кольцевой формы, которая имеет внутреннюю поверхность 204 наружной стенки. Направляющие 8 имеют высоту НН, которая простирается до верхнего конца 8_Т, который спроектирован для вращения в непосредственной близости от внутренней поверхности 204 наружной стенки. Как видно на фиг. 9 и 18, износостойкое кольцо 206 из мягкого уплотняющего металла выполнено в виде вставки в неподвижную наружную стенку 202 и, таким образом, обеспечивает плотное соединение верхнего конца 8_Т направляющей 8 с износостойким кольцом 206 на поверхности 204 наружной стенки.

Конструкция и работа предложенного автором прямоточного воздушно-реактивного двигателя(ей) и также является уникальной. Тяговые модули и с прямоточным воздушно реактивным двигателем выполнены, как показано на фиг. 5 и 11, бескорпусными, то есть конструкции, приведенные на фиг. 5 и 11, содержат необходимые элементы для сжатия подаваемого воздушного потока за исключением локализующей структуры, на которой происходят сжатие и расширение. В данном уникальном двигателе локализующая структура обеспечивается внутренней поверхностью 204 наружной стенки 202 как показано на фиг 9.

Реальная область сжатия и конструкция прямоточного воздушно-реактивного двигателя показаны на фиг. 5 и 11. Подаваемый смешанный газовый поток 170 сжимается входной структурой 210 прямоточного воздушнореактивного двигателя между стороной КЗ прямоточного воздушно-реактивного двигателя входной части направляющей 8₂ (ΙΝ-К) и стороной КЗ прямоточного воздушно-реактивного двигателя входной части направляющей 8₁ (АЕХ). Соответственно, переходная секция 212 обеспечивает стабилизацию нормального ударного процесса, который образуется за ступенчатым понижением к камере сгорания 216 у стабилизатора пламени 214. Таким образом, горение происходит в камере сгорания 216, и давление возрастает до приблизительно ста восьмидесяти фунтов на квадратный дюйм (или до другого подходящего давления в зависимости от выбранной конструкции данной критической зоны) из-за образования газообразных продуктов сгорания у геометрического сопла 218 при их скоплении вблизи критического сечения сопла 220. После прохождения критического сечения сопла 220 в выходном сопле 222 газообразные продукты сгорания расширяются почти до атмосферного давления и охлаждаются, обычно, до 1100°Е или около этого значения. Предпочтительно, спиральные направляющие 8₁и 8₂ являются тонкостенными с шириной (по оси) у основания 0,15 дюйма и около 0,10 дюйма на конце. Полагают, что в показанной конструкции утечка газообразных продуктов сгорания будет минимальной и будет ограничена зоной камеры сгорания 216.

На фиг. 2 и 18 представлена общая конструкция первичного двигателя предложенной автором энергосиловой установки. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели и₁ и и₂служат для окисления топлива ЕЕ, непрерывно в них подаваемого по топливной магистрали (не показана) к регулятору давления снабжения топливом 230 (см. фиг. 1), и далее к коллектору подачи топлива 232, и через инжекторы 236 во входящий воздушный поток 234 для образования смешанного газовоздушного потока 170. Входящий воздушный поток 234 подводится по кольцевому подающему кожуху 8Н, образованному внутренними стенками ΙΗ и внешними стенками ОН, с помощью вентилятора Е, приводимого в действие электродвигателем ЕМ, или другим подходящим средством снабжения воздухом для горения из распределительной камеры подаваемого воздуха ΙΑΡ. Инжекторы 236 предпочтительно расположены достаточно да леко вверх по потоку от прямоточных воздушно-реактивных двигателей и, чтобы обеспечить удовлетворительное смешение топлива. Смешанный газовый поток 170 подводится к прямоточным воздушно-реактивным двигателям и, которые используют кислород из подаваемого воздушного потока 234 (от забора внешнего воздуха на стороне силовой установки) в качестве источника окислителя. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели и располагаются на внешнем дистальном крае ротора 120 (или ротора 120' углеродного типа) так, что сила тяги прямоточных воздушно-реактивных двигателей и используется для вращения ротора 120 или 120', включая (предпочтительно непосредственно) выходной вал 108.

Ротор 120 в рабочем положении закреплен с возможностью вращения на стационарной поддерживающей конструкции или рамах 130 и 132 таким образом, чтобы обеспечить высокие скорости вращения ротора 120, то есть скорости вращения в диапазоне от 10 000 до 20 000 оборотов в минуту или выше. Для этого входная подшипниковая опора 126 и выходная подшипниковая опора 128 или аналогичные им средства должны обеспечивать соответствующую опору при высоких скоростях вращения и тягу с минимальным трением, в то же время обеспечивая герметизацию рабочей полости 250 так, чтобы обеспечить вакуумные условия при рабочем давлении порядка 1 фунта на квадратный дюйм. Детали подшипниковой системы и системы смазки могут быть обеспечены соответствующими средствами, известными специалистам в области высокоскоростных систем, и их дальнейшее обсуждение здесь не требуется.

Рабочая полость 250 заключена между внутренней поверхностью 204 наружной стенки, внутренней поверхностью 254 рамы 130 и внутренней поверхностью 256 рамы 132. При нормальном режиме работы в данной полости поддерживается абсолютное давление порядка 1 фунта на квадратный дюйм. Как показано на фиг. 18, внешнее уплотнение 260 лабиринтного типа расположено на входной стороне, и другое уплотнение 262 лабиринтного типа расположено на выходной стороне тягового модуля и с прямоточным воздушно-реактивным двигателем. Данные уплотнения предотвращают натекание воздуха в вакуумированную рабочую полость 250.

Для охлаждения краевых сегментов 136 и тяговых модулей и₁ и и₂ с прямоточным воздушно-реактивным двигателем снабжение сжатым воздухом осуществляется по воздуховодам 270А и 270В. Предпочтительным, по мнению автора, представляется подача воздуха при избыточном давлении 250 фунтов на квадратный дюйм и температуре около 80°Е в камеры 272А и 272В и затем его расширение через пористые металлические отверстия 274А и 274В до абсолютного давления 13,5 фунтов на квадратный дюйм и температуры около -150°Е (минус 150°Е) перед подачей в распределительные камеры 276А и 276В. Из распределительных камер 276А и 276В охлаждающий воздух инжектируется в каждую вентиляционную камеру УС соответствующего краевого сегмента 136 или тягового модуля и с прямоточным воздушно реактивным двигателем, такого как тяговый модуль 142. Утечки охлаждающего воздуха из камер 276А и 276В в рабочую полость 250 в значительной степени предотвращаются уплотнениями 280 и 282 лабиринтного типа.

Вакуум в полости 250 поддерживается насосом (не показан), подсоединенным к портам 290 и 292 вакуумными магистралями 294 и 296.

Второй вариант конструкции ротора показан на фиг. 3, 5, 6 и 12. В данной конструкции ротор 120' выполнен из углеродного волокна. Ротор 120' имеет высокопрочную центральную часть и выходной вал 108', который закреплен на центральной части и вращается вместе с ней.

Как показано, в частности, на фиг. 4, 5, 8, 11 и 12, автор предлагает использовать обдуваемые поверхности с пленочным охлаждением, включая камеру сгорания 216 прямоточного воздушно-реактивного двигателя и. Охлаждающий воздух подается, предпочтительно, в виде сжатого воздуха в вентиляционную камеру такую, как камера УС в каждой части прямоточного воздушно-реактивного двигателя и. Вентиляционные камеры УС действуют как центробежный компрессор, и сжатый охлаждающий газ направляется наружу через выходные отверстия 300 охлаждающих проходов 302. Предпочтительно, обеспечивается плотная система выходных проходов 302 для охлаждающего воздуха; причем точные параметры системы зависят от характеристик конкретной конструкции, включая скорость (число Маха), производительность и другие факторы. Таким образом, обдуваемые краевые сегменты 138 и обдуваемые бескорпусные прямоточные воздушнореактивные двигатели 142 снабжаются охлаждающим воздушным потоком через охлаждаемую стенку 304, расположенную между вентиляционными камерами УС, включающими внутреннюю холодную поверхность С8, и горячей поверхностью Н8, расположенной на дистальной в направлении радиуса стороне краевых сегментов 138 и прямоточных воздушнореактивных двигателей 142. Благодаря вихревому эффекту, создаваемому направляющими, охлаждающий воздух СА, выпускаемый из выходных отверстий 300 охлаждающих проходов 302, преимущественно растекается вдоль горячей поверхности Н88 направляющих и охлаждает их. На фиг. 8 стрелки, обозначающие охлаждающий воздух СА, сильно преувеличены, чтобы схематично обозначить поток охлаждающего воздуха, выходящий из выходных отверстий 300. В реальной ситуации охлаждающий воздух СА попадает в высокоскоростной поток газообразных продуктов сгорания 176, и формируется очень тонкая, но эффективно охлаждающая пленка. Конечно, одна сторона каждой направляющей 8 находится, главным образом, в контакте с холодной смесью входного воздушного потока 170. Данный метод пленочного охлаждения очень важен, так как позволяет использовать такие материалы, как титан, в камере сгорания. Таким образом, высокая температура, образующаяся при горении, не будет разрушать камеру сгорания и другие детали, подвергающиеся нагреванию горячими выхлопными газами.

Охлаждающая вода С\У подается во внешние охлаждающие камеры ССО для охлаждения наружной стенки 202 и ее поверхности 204 и во внутренние охлаждающие камеры СС1 для охлаждения стенки 198 и ее поверхности 200.

Главной особенностью предложенной автором энергосиловой установки является ротор 120. Ротор 120 вращается вокруг своей оси благодаря тяге, создаваемой прямоточными воздушно-реактивными двигателями и. Два конструктивных параметра ротора 120 имеют наибольшее значение. Во-первых, ротор должен быть выполнен из материалов, которые позволяли бы ему выдерживать крайне высокие центробежные нагрузки, возникающие при вращении ротора, так, чтобы прямоточный воздушнореактивный двигатель мог работать в диапазоне чисел Маха порядка 3,5, то есть ротор должен быть способен выдерживать крайне высокие растягивающие напряжения. Во-вторых, при таких высоких скоростях проблема минимизации общего аэродинамического торможения ротора является критической.

На фиг. 16 и 17 предложенная автором энергосиловая установка показана совместно с необходимым оборудованием для производства электроэнергии. Конец вала 108 действует обычным образом и передает механическую мощность первичной зубчатой коробке передач 104. Зубчатая коробка передач 104 снижает скорость между валом 108 и валом 110 до достаточно низкого уровня, чтобы соответствовать конкретному применению. На фиг. 1, 16 и 17 первичная зубчатая коробка передач 104 соединяется валом 110 с первичным электрическим генератором 112, предназначенным для производства электрической энергии и ее передачи в силовую сеть или для другой электрической нагрузки. Однако мощность на валу 110 может быть непосредственно использована для выполнения необходимой механической работы.

Для запуска энергосиловой установки электродвигатель стартера 400 соединяется, как показано, с зубчатой коробкой передач 104. Электродвигатель 400 предназначен для вращения ротора 120 и вывода тяговых модулей и с прямоточным воздушно-реактивным двигателем на достаточную тангенциальную скорость, которая позволяет запустить прямоточные воз душно-реактивные двигатели и. После приведения в действие прямоточных воздушнореактивных двигателей и электродвигатель 400 отключается.

Приведение в действие, а также регулировка прямоточных воздушно-реактивных двигателей и может выполняться подачей дополнительного топлива 500 по магистрали 502 к инжекторам 504. Данное топливо поджигается плазменной горелкой 506 или другим подходящим воспламенителем, предпочтительно, имеющим вид спирали и расположенным во входном воздушном потоке, для подпитки прямоточного воздушно-реактивного двигателя и. После приведения в действие дополнительным топливом стабилизатора пламени 214 прямоточного воздушно-реактивного двигателя топливо ГР начинает подаваться через инжекторы 236.

Как показано на фиг. 13, 14 и 18, ряд кольцевых запорных вентилей со смещаемой задвижкой расположен по краю наружной стенки 200. При приведении в действие кольцевой запорный вентиль 600 открыт в направлении указательной стрелки 602, как показано на фиг. 14, образуя зазор 603, так что часть подаваемого воздушного потока, которая сжимается у поверхности 200 стенки, может выходить наружу в направлении по стрелкам 604 и 606. Уникальная конструкция прямоточного воздушнореактивного двигателя 162 с частичным корпусом обеспечивает этот выход воздуха 604 и 606. Когда прямоточный воздушно-реактивный двигатель и преодолевает скачок уплотнения, то запорный вентиль(и) 600 может быть закрыт активатором 610, как показано на фиг. 13. Автором показан гидравлический активатор 610 с валом 612, установленным на держателе 614а. Для этой цели может быть использован любой другой удобный механический, электрический или гидравлический активатор.

На фиг. 16 и 17 иллюстрируется также использование в системе с комбинированным циклом горячих выхлопных газообразных продуктов сгорания от прямоточных воздушнореактивных двигателей и. Как показано, горячие выхлопные газы удобным способом собираются в канал для выхлопных газов ΕΧΌ. Канал для выхлопных газов ΕΧΌ соединен с паровым генератором рекуперации теплоты (Н8РС). который производит пар для вращения паровой турбины 8Т при нагревании конденсата, собираемого от пароконденсатора 8С с помощью насоса конденсата СР. Широко распространены такие конструкции, в которых рабочей текущей средой является вода. Хотя вода наиболее легко нагревается и образует пар высокого давления, и поэтому обычно используется для приведения в действие паровой турбины, она может также использоваться для подачи тепловой энергии в комбинированных применениях. Паровая турбина 8Т может использоваться, что также пока19 зано, для создания мощности на валу и ее использования в электрическом генераторе 112 или дополнительном электрическом генераторе, обычно, через зубчатую коробку передач 104'. В других случаях паровая турбина 8Т может создавать на валу мощность, используемую для других целей.

Так как тяга прямоточного воздушнореактивного двигателя определяет общую выходную мощность энергосиловой установки, тяга двигателя является важным показателем уровня выходной мощности энергосиловой установки. Величины тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя и общего значения выходной мощности энергосиловой установки изменяются прямо пропорционально захватываемой и обрабатываемой прямоточным воздушно-реактивным двигателем массе воздуха. Таким образом, удвоение входной площади и захватываемой массы воздуха приводит к удвоению развиваемой тяги и, таким образом, к удвоению выходной мощности системы.

И, наконец, даже несмотря на развиваемые высокие температуры горения, предложенная автором конструкция обеспечивает очень низкий уровень выброса окиси азота. Это происходит вследствие короткого времени нахождения при высоких температурах горения и потому, что топливо очень хорошо перемешано. Способ предварительного смешения, использующий ударно-граничнослойное взаимодействие, представляет собой уникальный подход для достижения почти идеальных условий для обеспечения почти полного предварительного смешения и низких выбросов окиси азота. Таким образом, выбросы двуокиси азота ограничены размером сильно неравновесной зоны свободных радикалов в камере сгорания. В соответствии с оценками выбросы окисей азота (ΝΟ_χ) не превышают 5 частей на миллион, или меньше чем 0,5 г двуокиси азота на килограмм топлива.

Способ и установка для производства механической, электрической или тепловой мощности, приведенная выше, представляет собой принципиально новую компактную легко устанавливаемую и экономичную энергосиловую установку. Выходная мощность от данной энергосиловой установки может использоваться совместно с существующими системами передачи мощности и обеспечивает значительное преимущество по снижению выбросов в воздух при сгорании чистого топлива. Более того, благодаря высокой эффективности значительно снижается количество топлива, потребляемого на производство единицы электрической, механической или тепловой мощности.

Таким образом, видно, что сформулированные выше цели, включая те, которые стали очевидными из предыдущего описания, эффективно достигаются, и так как некоторые изменения могут быть внесены в разработку конструкции энергосиловой установки и реализацию способа получения электрической энергии, приведенных выше, при условии достижения нужных результатов в соответствии с общими принципами, высказанными ранее, то понятно, что данное изобретение может быть реализовано в других конкретных формах без выхода за пределы сути или существенных характеристик изобретения. Например, в то время как автором предложены примерные конструкции средств подачи топлива, многие другие варианты выполнения могут быть реализованы с достижением целей установки и с использованием способов, изложенных выше.

Все характеристики, приведенные в данной заявке (включая все сопровождающие пункты формулы изобретения, чертежи и реферат), и/или любые операции способа или процессы, приведенные выше, могут объединяться в любой комбинации за исключением комбинаций, в которых, по крайней мере, некоторые характеристики и/или операции являются взаимоисключающими.

Каждый признак, приведенный в данном описании (включая сопровождающие пункты формулы изобретения, чертежи и реферат), может быть заменен альтернативным признаком, решающим ту же или подобную цель, если только явно не выражено противоположное. Таким образом, если явно не выражено противоположное, каждый признак, приведенный в одном из примеров, представляет собой генетическую серию эквивалентных или подобных признаков.

Предыдущее описание и предпочтительные варианты выполнения изобретения приведены только для целей иллюстрации и обеспечения лучшего понимания изобретения и не являются исчерпывающими, или ограничительными, или сводящими изобретение только к точно изложенным формам. Наоборот, изобретение перекрывает все модификации, эквивалентные решения и альтернативные замены в рамках сути и объема изобретения, как они изложены в пунктах формулы изобретения. Ввиду этого пункты формулы изобретения перекрывают конструкции и способы, приведенные выше, и не только эквивалентные конструктивные решения, но также эквивалентные конструкции и способы. Таким образом, объем изобретения, как устанавливается пунктами формулы, включает изменения от приведенных вариантов выполнения, которые, тем не менее, в широком значении подпадают под пункты формулы изобретения или им эквивалентных.

Claims

1. Силовая установка, характеризующаяся тем, что включает (а) средство для подачи воздуха для горения;

(b) средство для подачи окисляемого топлива;

(c) ротор, расположенный в кожухе и имеющий часть внешней поверхности, находящуюся вблизи наружной стенки, причем указанный ротор снабжен на части своей внешней поверхности направляющими, образующими с ротором и с частью внутренней поверхности наружной стенки камеры сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей, причем направляющие выполнены с возможностью отделять подаваемый воздух для горения от выходящих газообразных продуктов сгорания, когда прямоточные воздушно-реактивные двигатели сжимают воздух, окисляют подаваемое топливо и образуют из них газообразные продукты сгорания и соответственно развивают силу реактивной тяги, вызывающую вращение ротора.

2. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что каждая из направляющих имеет спиральную структуру, простирающуюся по радиусу от части внешней поверхности ротора.

3. Силовая установка по п.2, отличающаяся тем, что число направляющих равно числу прямоточных воздушно-реактивных двигателей.

4. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что часть внутренней поверхности наружной стенки содержит также износостойкое кольцевое уплотнение, выполненное с возможностью обеспечения эффективного уплотнения между направляющими и частью внутренней поверхности наружной стенки.

5. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что часть внешней поверхности ротора состоит из множества краевых сегментов.

6. Силовая установка по п.5, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один из краевых сегментов разъемно соединен с ротором.

7. Силовая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что каждый из одного или нескольких прямоточных воздушно-реактивных двигателей содержит дополнительное выходное сопло, частично расположенное в корпусе, причем, по крайней мере, часть внутренней поверхности наружной стенки используется для декомпрессии выходящих газообразных продуктов сгорания от каждого прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

8. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что часть внешней поверхности ротора содержит также, по крайней мере, одну охлаждаемую стенку, причем данная охлаждаемая стенка имеет внутреннюю холодную поверхность, внешнюю горячую поверхность, а также множество охлаждающих проходов, имеющих выходные отверстия на внешней горячей поверхности стенки, причем охлаждающие проходы представляют собой газопроводы между холодной поверхностью стенки и горячей поверхностью стенки и предназначены для пропускания через них охлаждающего воздуха, подводимого к внутренней холодной поверхности стен ки так, что охлаждающий воздух выходит из выходных отверстий и образует тонкую пленку охлаждающего воздуха на части внешней поверхности ротора.

9. Силовая установка по п.5, отличающаяся тем, что каждый из краевых сегментов содержит дополнительно приемную камеру для охлаждающего воздуха, причем каждая из приемных камер для охлаждающего воздуха и обеспечивает дозированную эжекцию из нее подводимого к ней охлаждающего воздуха.

10. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит отводящий воздуховод, соединенный с воздуховпускным отверстием и воздуховыпускным отверстием и имеющий конфигурацию, позволяющую запускать один или несколько прямоточных воздушно-реактивных двигателей, причем отводящий воздуховод проходит через часть наружной стенки; и один или несколько вентилей со смещаемой задвижкой, причем каждый из вентилей со смещаемой задвижкой может принимать закрытое положение, в котором один или несколько вентилей со смещаемой задвижкой образует уплотнение в части наружной стенки и в результате предотвращается выпуск подаваемого воздуха к выходному отверстию, и открытое положение, в котором вентиль соединяет между собой воздуховпускное отверстие и воздуховыпускное отверстие через часть наружной стенки, позволяя, по крайней мере, части подаваемого воздуха выходить через отводящий воздуховод, посредством чего каждый из одного или нескольких прямоточных воздушнореактивных двигателей отводит часть сжатого подаваемого воздуха через отводящий воздуховод для обеспечения начала процесса горения.

11. Силовая установка по п.10, отличающаяся тем, что вентиль со смещаемой задвижкой представляет собой кольцевой запорный вентиль, расположенный в рабочем положении вдоль, по крайней мере, части наружной стенки, причем кольцевой запорный вентиль расположен по радиусу наружу и в непосредственной близости от одного или нескольких прямоточных воздушно-реактивных двигателей, когда один или несколько прямоточных воздушнореактивных двигателей вращаются.

12. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит поддерживающую конструкцию и первый выходной вал, закрепленный на роторе, причем ротор и первый выходной вал установлены с возможностью вращения по отношению к поддерживающей конструкции.

13. Силовая установка по п.1 или 12, отличающаяся тем, что дополнительно включает секцию рекуперации теплоты с входным отверстием для газообразных продуктов сгорания, выходное отверстие для газообразных продуктов сгорания, а также и теплообменную секцию, содержащую дополнительную рабочую теку щую среду; причем дополнительная рабочая текущая среда может направляться внутрь и из секции рекуперации теплоты, в которой горячие газообразные продукты сгорания охлаждаются при передаче тепловой энергии дополнительной рабочей текущей среде.

14. Силовая установка по п. 13, отличающаяся тем, что дополнительной рабочей текущей средой служит вода, причем при нагревании дополнительной рабочей текущей среды образуется пар.

15. Силовая установка по п. 14, отличающаяся тем, что содержит дополнительно паровую турбину, причем пар подается на паровую турбину для получения полезной мощности на ее выходном валу.

16. Силовая установка по п. 12, отличающаяся тем, что первый выходной вал в рабочем состоянии соединен с первым электрическим генератором, при этом механическая мощность, создаваемая на первом выходном валу, используется для вращения первого электрического генератора и производства электроэнергии.

17. Силовая установка по п. 15, отличающаяся тем, что выходной вал паровой турбины в рабочем состоянии соединен с первым электрическим генератором, а механическая мощность, создаваемая на первом выходном валу, используется для вращения первого электрического генератора и производства электрической энергии.

18. Силовая установка по п. 16, отличающаяся тем, что содержит дополнительно второй электрический генератор, а мощность на валу, производимая выходным валом паровой турбины, вращает указанный второй электрический генератор и производит электрическую энергию.

19. Силовая установка по п. 1 или 12, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один материал, из которого выполнен ротор, имеет удельную прочность, превышающую 683220 дюймов.

20. Силовая установка по п. 1 или 12, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один материал, из которого выполнен ротор, имеет удельную прочность между 683220 дюймами и 1300250 дюймами.

21. Силовая установка по п.1 или 12, отличающаяся тем, что, по крайней мере, часть материала, из которого выполнен ротор, имеет удельную прочность порядка 1300250 дюймов.

22. Силовая установка по п.1 или 12, отличающаяся тем, что, по крайней мере, часть материала, из которого выполнен ротор, имеет удельную прочность, превышающую 1300250 дюймов.

23. Силовая установка по п.1 или 12, отличающаяся тем, что, по крайней мере, часть материала, из которого выполнен ротор, имеет удельную прочность в интервале от приблизительно 1 300 250 дюймов до приблизительно 3 752 600 дюймов.

24. Силовая установка по п. 1 или 12, отличающаяся тем, что, по крайней мере, часть материала, из которого выполнен ротор, имеет удельную прочность порядка 3 752 600 дюймов.

25. Силовая установка по п. 1 или 12, отличающаяся тем, что, по крайней мере, часть материала, из которого выполнен ротор, имеет удельную прочность, превышающую 3 752 600 дюймов.

26. Силовая установка по п. 1 или 12, отличающаяся тем, что, по крайней мере, часть материала, из которого выполнен ротор, имеет удельную прочность между 3 752 600 дюймами и 15 000 000 дюймов.

27. Силовая установка по п. 1 или 12, отличающаяся тем, что, по крайней мере, часть материала, из которого выполнен ротор, имеет удельную прочность порядка 15 000 000 дюймов.

28. Силовая установка по п. 1 или 12, отличающаяся тем, что прямоточный воздушнореактивный двигатель включает входной узел сжатия, предназначенный для работы при скорости М₀ на входе, составляющей от 1,5 числа Маха до 2,0 числа Маха.

29. Силовая установка по п.1 или 12, отличающаяся тем, что прямоточный воздушнореактивный двигатель включает входной узел сжатия, предназначенный для работы при скорости М₀ на входе, составляющей, по крайней мере, 2,0 числа Маха.

30. Силовая установка по п.1 или 12, отличающаяся тем, что прямоточный воздушнореактивный двигатель включает входной узел сжатия, предназначенный для работы при скорости М₀ на входе, составляющей, по крайней мере, 2,5 числа Маха.

31. Силовая установка по п.1 или 12, отличающаяся тем, что прямоточный воздушнореактивный двигатель включает входной узел сжатия, предназначенный для работы при скорости М₀ на входе, составляющей, по крайней мере, 3,0 числа Маха.

32. Силовая установка по п.1 или 12, отличающаяся тем, что прямоточный воздушнореактивный двигатель включает входной узел сжатия, предназначенный для работы при скорости М0 на входе, составляющей от 3,0 числа Маха до 4,5 числа Маха.

33. Силовая установка по п.1 или 12, отличающаяся тем, что прямоточный воздушнореактивный двигатель включает входной узел сжатия, предназначенный для работы при скорости М₀ на входе, составляющей приблизительно 3,5 числа Маха.

34. Силовая установка по п. 1 или 12, отличающаяся тем, что ротор имеет центральный диск.

35. Силовая установка по п.34, отличающаяся тем, что центральный диск имеет коническое поперечное сечение.

36. Силовая установка по п.1 или 12, отличающаяся тем, что ротор состоит из композиционного материала с металлической матрицей.

37. Силовая установка по п.36, отличающаяся тем, что композиционный материал имеет металлическую матрицу из титана.

38. Силовая установка по п.36, отличающаяся тем, что композиционный материал имеет металлическую матрицу из карбида кремния.

39. Силовая установка по п.1 или 12, отличающаяся тем, что ротор выполнен из углеродных волокон, покрытых карбидом кремния и внедренных в металлическую подложку из титана.

40. Силовая установка по п.1 или 12, отличающаяся тем, что ротор выполнен из композиционного материала на основе углеродного волокна и эпоксидных смол.

41. Силовая установка по п.40, отличающаяся тем, что ротор дополнительно содержит высокопрочную волоконную обмотку.

42. Силовая установка по п. 41, отличающаяся тем, что высокопрочная волоконная обмотка состоит из мононитевидных углеродных волокон.

43. Силовая установка по п.41, отличающаяся тем, что высокопрочная волоконная обмотка состоит из волокон на основе полиамидов.

44. Силовая установка по п.36, отличающаяся тем, что композиционный материал с металлической матрицей включает также нити из карбида кремния.

45. Силовая установка по п.1 или 12, отличающаяся тем, что один или несколько прямоточных воздушно-реактивных двигателей имеют камеру сгорания, выполненную из карбида кремния.

46. Силовая установка по п.45, отличающаяся тем, что камера сгорания выполнена из монолитного карбида кремния.

47. Силовая установка по п. 1 или 12, отличающаяся тем, что один или несколько прямоточных воздушно-реактивных двигателей имеют заменяемую вставку камеры сгорания.

48. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что часть внутренней поверхности наружной стенки является концентрической по отношению к ротору, при этом указанная часть внутренней поверхности концентрической наружной стенки используется в качестве участка сопротивления сжатию так, что указанная концентрическая стенка действует как сдерживающая поверхность, на которой подаваемый воздушный поток сжимается по окружности в камерах сгорания прямоточных воздушнореактивных двигателей.

49. Силовая установка по п.48, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один прямоточный воздушно-реактивный двигатель работает при скорости на входе, равной, по крайней мере, 2,0 числа Маха.

50. Силовая установка по п.48, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один прямоточный воздушно-реактивный двигатель работает при скорости на входе, равной, по крайней мере, 3,0 числа Маха.

51. Силовая установка по п.48, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один прямоточный воздушно-реактивный двигатель работает при скорости на входе между 3,0 и 4,5 числа Маха.

52. Силовая установка по п.48, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один прямоточный воздушно-реактивный двигатель работает при скорости на входе, равной приблизительно 3,5 числа Маха.

53. Силовая установка по п.48, отличающаяся тем, что ротор содержит множество обдуваемых колпачков.

54. Силовая установка по п.53, отличающаяся тем, что колпачки съемно закреплены на роторе.

55. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что ротор содержит на своей внешней стороне множество съемных краевых сегментов, причем, по крайней мере, один из краевых сегментов снабжен множеством охлаждающих проходов с выходными отверстиями.

56. Силовая установка по п.55, отличающаяся тем, что, по крайней мере, часть ротора находится в газонепроницаемом корпусе, в котором поддерживается вакуум для уменьшения аэродинамического торможения ротора.

57. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что включает несколько камер сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей, которые разнесены по окружности так, что формируют подаваемый воздушный поток практически без турбулентности, вызываемой предшествующим прохождением через данное положение на окружности какой-либо одной камеры сгорания прямоточного воздушнореактивного двигателя.

58. Способ работы силовой установки, охарактеризованной п.1, включающий

- подачу в один или несколько тяговых модулей, расположенных на роторе силовой установки, воздушного потока, содержащего окислитель и окисляемое топливо;

- приведение во вращение выходного вала, соединенного в рабочем состоянии с одним или несколькими тяговыми модулями;

- получение мощности на выходном валу.

59. Способ по п.58, отличающийся тем, что скорость на входе одного или нескольких тяговых модулей с прямоточным воздушнореактивным двигателем равна, по крайней мере, 2,5 числа Маха.

60. Способ по п.58, отличающийся тем, что скорость на входе одного или нескольких тяговых модулей с прямоточным воздушнореактивным двигателем лежит между 2,5 и 4 числа Маха.

61. Способ по п.58, отличающийся тем, что рабочая скорость на входе одного или нескольких тяговых модулей с прямоточным воздушнореактивным двигателем равна приблизительно 3,5 числа Маха.

62. Способ по п.58, отличающийся тем, что топливо выбирается из группы, включающей газообразное углеводородное топливо.

63. Способ по п.58, отличающийся тем, что топливом является природный газ.

64. Способ по п.58, отличающийся тем, что операция подачи топлива включает операцию инжектирования данного топлива в порцию подаваемого воздушного потока по радиусу вовнутрь от внешнего корпуса в точке до сжатия указанной порции подаваемого воздушного потока между внешним корпусом и каким-либо одним из одного или нескольких тяговых модулей с прямоточным воздушно-реактивным двигателем.

65. Способ по п.58, отличающийся тем, что включает также операцию по производству электрической энергии.

66. Способ по п.58, отличающийся тем, что включает также операцию по рекуперации тепловой энергии из газообразных продуктов сгорания.

67. Способ по п.66, отличающийся тем, что операция рекуперации тепловой энергии включает передачу указанной тепловой энергии от газообразных продуктов сгорания к дополнительной рабочей текущей среде.

68. Способ по п.67, отличающийся тем, что дополнительной рабочей текущей средой является вода, причем пар производится при нагревании воды.

69. Способ по п.67, отличающийся тем, что операция по рекуперации тепловой энергии включает косвенный нагрев дополнительной рабочей текущей среды газообразными продуктами сгорания.

70. Способ по п. 67, отличающийся тем, что содержит операцию направления дополнительной рабочей текущей среды на турбину, имеющую рабочий вал для получения с помощью турбины мощности на валу.

71. Способ по п. 70, отличающийся тем, что содержит операцию производства электрической энергии с помощью мощности на валу паровой турбины.

72. Способ по п.58, отличающийся тем, что содержит также операцию по минимизации аэродинамического торможения при вращении одного или нескольких тяговых модулей со сверхзвуковой скоростью.

73. Способ по п.72, отличающийся тем, что минимизация аэродинамического торможения осуществляется путем поддержания, по крайней мере, частичного вакуума вдоль значительной радиальной части ротора.

74. Способ по п.58, отличающийся тем, что обеспечивают поток охлаждающего воздуха к и через обдуваемые колпачки ротора, которые располагают на внешнем кожухе ротора.

75. Способ по п.58, отличающийся тем, что подаваемый воздушный поток формируют практически без турбулентности, вызываемой предшествующим прохождением через определенное положение на окружности одного или нескольких тяговых модулей с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, за счет того, что тяговые модули с прямоточным воздушнореактивным двигателем разнесены по окружности.

76. Способ по п.58, отличающийся тем, что в каждой из камер сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей используют часть внутренней поверхности неподвижной наружной стенки в процессе сжатия подаваемого воздушного потока.

77. Способ по п.76, отличающийся тем, что скорость на входе одного или нескольких тяговых модулей равна, по крайней мере, 2,0 числам Маха.

78. Способ по п.77, отличающийся тем, что скорость на входе одного или нескольких тяговых модулей равна, по крайней мере, 3,0 числам Маха.

79. Способ по п.78, отличающийся тем, что рабочая скорость на входе одного или нескольких тяговых модулей лежит между 3,0 и 4,5 числами Маха.

80. Способ по п.76, отличающийся тем, что операция подачи топлива включает операцию инжектирования указанного топлива в порцию подаваемого воздушного потока в точке до сжатия порции подаваемого воздушного потока между концентрической стенкой и каким-либо одним из указанного одного или нескольких тяговых модулей.

81. Способ по п.76, отличающийся тем, что операцию подачи окислителя в один или несколько тяговых модулей реализуют подачей кислорода, содержащегося в подаваемом воздушном потоке, причем подаваемый воздушный поток поступает вблизи концентрической стенки, и получают подаваемый воздушный поток практически без турбулентности, вызываемой предшествующим прохождением через данное положение на окружности какого-либо одного из указанного одного или нескольких тяговых модулей, за счет того, что каждый из одного или нескольких тяговых модулей разнесены по окружности.

82. Способ по п.76, отличающийся тем, что при использовании ротора, содержащего множество внешних краевых сегментов, причем, по крайней мере, некоторые из них имеют, по крайней мере, одну охлаждаемую стенку, которая имеет внутреннюю холодную поверхность стенки, внешнюю горячую поверхность стенки, множество охлаждающих проходов, имеющих выходные отверстия на внешней горячей поверхности стенки, способ дополнительно вклю29 чает операцию по подаче охлаждающего газа к внутренней холодной поверхности стенки и пропусканию части охлаждающего газа наружу через охлаждающие проходы к выходным отверстиям в количестве, достаточном для эффективного пленочного охлаждения внешней горячей поверхности стенки внешних краевых сегментов.

83. Способ по п.82, отличающийся тем, что операция снабжения охлаждающим газом включает также подачу охлаждающего газа в количестве, достаточном для эффективного пленочного охлаждения одной или нескольких направляющих.