JP2014513243A - ターボ・エンジン、特に内燃機関 - Google Patents

Abstract

本発明は、筐体と、筐体内の積層円板型又はテスラ型構造のブレードレス・タービン部３０；４２；６７とを有する、特に内燃機関であるターボ・エンジンを対象とし、タービン部３０；４２；６７は、筐体内の回転軸の周りで共通して回転するように配置された複数の密な間隔の円板３２；４９；６１を有し、タービン部３０；４２；６７は、接線方向の流れ成分と共に、タービン部３０；４２；６７の径方向内部領域から径方向外部領域へと作動流体の流れを通過させ、同時に、円板３０；４９；６１を回転させるために、作動流体の流れからエネルギーを取り入れるように適合されている。好ましくは、ターボ・エンジンは、回転軸の周りを共通して回転するように配置された複数の密な間隔の円板４５；６１と燃焼帯４１；６４とを有する積層円板型又はテスラ型構造の圧縮機部４０；６６をさらに有する。この場合、圧縮機部４０；６６は、圧縮機部とタービン部３０；４２；６７との間で径方向に提供された燃焼帯４１；６４を有するタービン部と同軸上に、且つ当該タービン部の径方向内側に配置される。

Description

本発明は、ターボ・エンジンに関し、特に、筐体と、その中に、積層円板型又はテスラ型構造のブレードレス・タービン部とを含む内燃機関に関する。

１９０９年１０月２１日付で、Ｎｉｋｏｌａ Ｔｅｓｌａは特許出願を提出し、これは最終的に、１９１１年１月１７日付で分割出願として提出されて、１９１３年５月６日付で、「Ｆｌｕｉｄ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ」という名称の米国特許第１，０６１，１４２号及び「Ｔｕｒｂｉｎｅ」という名称の米国特許第１，０６１，２０６号の２つの特許が付与された。これらの特許双方における主な発明は、密な間隔で配置された円板のスタックを備えるブレードレス・ロータである。作動流体のロータとの相互作用は、その流体の粘性と円板へのその粘着とによるものである。Ｔｅｓｌａのターボ機械は、Ｔｅｓｌａによってポンプ及びタービンとして構築及び実証され、近年比較的よく研究されているが、商業的成果がほとんどあがっていない。概念的に簡単であり明らかに構築しやすいが、ブレードレス・ターボ機械は、ブレード付機械と同等の効率を得るために、ごく最近まで利用不可能であった材料及び技術を必要とする。

１９３０年１月１６日付で、Ｆｒａｎｋ Ｗｈｉｔｔｌｅは英国で特許出願を提出し、「Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ ｒｅｌａｔｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｏｆ Ａｉｒｃｒａｆｔ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ」という名称の特許第３４７，２０６号として１９３１年４月１６日付で受理された。この特許出願には、圧縮機がタービンによって駆動され、燃焼室がその２つの間に介在する推進機関について記載しており、高温ガスの膨張は２段階で行われ、その第１の段階はタービン内、第２の段階は推進ノズル内である。Ｗｈｉｔｔｌｅの発明により、最終的に現代においてジェット・エンジンがもたらされた。高温ガスの膨張全てがタービン内で発生する代替設計により、いわゆるガス・タービンがもたらされ、余剰出力は軸によって取り出され、例えば、発電機、舶用プロペラ又は航空機プロペラを駆動する。

１９６０年７月６日付で、Ｗｉｌｌｉａｍ Ｂ．ＭｃＬｅａｎは米国で特許出願を提出し、それに対して１９６２年７月２４日付で「Ｖｏｒｔｅｘ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ」という名称の特許第３，０４５，４２８号が付与された。ＭｃＬｅａｎは、従来方式のガス・タービンを使用するが、テスラ型圧縮機及びテスラ型タービンに依拠している。設計は洗練されており、燃焼室は、燃焼を向上させる渦の形成を容易にするが、ＭｃＬｅａｎによる提案には、Ｔｅｓｌａのターボ機械の効率に対する基本的限界、すなわち圧縮機段への入口及び圧縮機段からの出口での高損失、並びにタービンへの入口ノズルでの高損失という難点がある（例えば、Ｗａｒｒｅｎ Ｒｉｃｅ： Ｔｅｓｌａ Ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、ＩＶ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｎｉｋｏｌａ Ｔｅｓｌａ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、１９９１年９月２３〜２５日参照）。

２００５年１２月１３日付で付与されたＫｅｎｎｅｔｈ Ｈｉｃｋｓの米国特許第６，９７３，７９２号は、損失の基本的問題により良く対処しておらず、テスラ型ロータの設計問題を解決してもいない、すなわち強度に対する優れた設計の主張は、綿密な調査を欠いている。また、２００４年２月１７日付で付与されたＧｕｙ Ｌｏｕｉｓ Ｌｅｔｏｕｒｎｅａｕの米国特許第６，６９２，２３２号も同様であり、すなわち円板にいくつかの孔があると、気体媒質を扱うテスラ型ロータにとって最適な状態に到達するのに必要な回転速度を支持する既知の材料がない程度まで強度を減少させる。

米国特許第１，０６１，１４２号 米国特許第１，０６１，２０６号 英国特許第３４７，２０６号 米国特許第３，０４５，４２８号 米国特許第６，９７３，７９２号 米国特許第６，６９２，２３２号 米国特許第６，９８９，４２８号

Ｗａｒｒｅｎ Ｒｉｃｅ： Ｔｅｓｌａ Ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、ＩＶ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｎｉｋｏｌａ Ｔｅｓｌａ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、１９９１年９月２３〜２５日

本明細書に開示される発明の目的は、圧縮機の出口損失及びタービンの入口損失の排除、並びに圧縮機の入口損失の低減によって、特に、例えば、Ｗｈｉｔｔｌｅによるガス・タービン又はジェット・エンジンに特有な構成におけるテスラ型ターボ機械の基本的限界を克服することである。

この目的をその最も一般的な意味で解決するために、請求項１の構成を有するターボ・エンジンが提案される。

本発明の好ましい実施例は請求項２〜１１において特許請求される。

請求項１２及び１３は、テスラ型タービンの従来の動作と比較して、作動流体の逆流によってテスラ型ブレードレス・タービンを動作させる方法を対象とする。

本発明のさらに重要な構成要素は、途切れなく接線方向に巻かれた繊維、好ましくは炭素繊維を有する、請求項１０に記載の極薄の複合ロータ円板である。当該円板は、剛性を得て、高回転速度によって生成されるフープ応力下で正確な幾何形状を維持する。請求項１１に記載のロータを形成するために、これら薄肉円板のスタックは共に保持され、接線方向に巻かれた繊維のレイアウトを途切れさせずに円板上に成形された複数の雄／雌スペーサによって回転滑りに対して分離されロックされる。スタックはハブによって中心開口部で接続される厚肉のエンド・プレートによって軸圧縮下で保持される。これらエンド・プレートの厚さは、円板スタックから離れると軸方向の半径と共に増し、遠心力によって生成される曲げモーメントを生じる。この曲げモーメントはそれらのエンド・プレートをスタックの方へ曲げる傾向があり、したがってスタックは軸方向に保持され、ロータの周辺まで動的に圧縮される。これにより、Ｔｅｓｌａなどによって使用される軸方向の締結具の必要性、したがってそれらの構造完全性を損なうことになる、円板に孔をあけることの必要性が回避される。これらの発明は、テスラ型機械のいずれか、すなわち、圧縮機、タービン、並びに、圧縮機、燃焼室及びタービンと単一の円板スタックとの本明細書で開示された新規の組み合わせを生産する際に適用可能である。この極めて新規な内燃機関を生産するのに必要とされる技術的解決法は、当業者が本発明を構築し利用することができるように十分詳細に開示されている。

以下、図面を参照しながら本発明を説明する。

テスラ型ターボ圧縮機を示す図である。 テスラ型タービンを示す図である。 テスラ型ガス・タービン／ジェット・エンジンを示す図である。 本発明による逆流方向のタービンを示す図である。 本発明による、介在する燃焼室と共に同心円状に配置された圧縮機と逆流タービンとを示す図である。 本発明による、圧縮機、燃焼室及びタービンの機能を併せ持つ単一の円板スタックを示す図である。 薄箔から形成されたマトリックスを有する、本発明による薄肉複合円板の構造を示す図である。 繊維のポリマー被覆から形成されたマトリックスを有する、本発明による薄肉複合円板の構造を示す図である。 スタック係止スペーサを有する薄肉円板を示す図である。 円板スペーサの成形を示す図である。 ロータ用の円板スタックを示す図である。 本発明によるターボ機械用ロータを示す図である。 本発明による、圧縮機とタービンとを有するターボ・エンジンを示す図である。

簡潔にするために、このセクションにおける全ての図面ではほんの数枚の円板を示すが、実際には、ほとんどの用途では、ロータは数百、ことによると数千の円板を備えることができる。

図１は、Ｔｅｓｌａによる円板圧縮機又はポンプ１を示す。ここでは、流体は、矢印２によって示されるように、中心開口部４において円板スタック３に引き込まれて、円板スタック３の周辺部５へ外方に飛ばされる。動力Ｐ_ｉｎは、スポークのセットによって、Ｔｅｓｌａによる、円板を支持する軸６を介して供給されるが、本開示のこのセクションでは概略的にしか示されていないが後に詳細に示される代替として、円板は２つのカバー・プレート７及び８間で積層される。流体は周辺部で円板スタックを離れて、矢印９によって示されるように、円板に対してほぼ接線方向に向かう。ここでは明確にするために筐体は示されていない。

図２は、Ｔｅｓｌａによる円板タービン１０を示す。ここでは、流体は、矢印１３によって示されるように、周辺部１２上で接線方向に円板スタック１１に入り、矢印１５によって示されるように、中心開口部１４を介してスタックを離れる。動力Ｐ_ｏｕｔは、円板を支持する軸１６を介して取り込まれる。Ｔｅｓｌａによって述べられるように、主な差異は、圧縮機／ポンプ内の遠心力は流体が移動するのと同じ方向に作用するが、タービンでは流体の動きとは反対方向に作用することである。

図３は、例えば、ＭｃＬｅａｎ又はＨｉｃｋｓによって提案された種類のガス・タービン２０の断面図のみにおいて概略配置構成を示す。ここでは、テスラ型圧縮機２１が空気２７を加圧して、その空気２７はディフューザ２２を通って燃焼室２３へと移動し、その後接線方向のノズル２４に送り込まれて、周辺部から中心部へタービン２５を駆動する。圧縮機及びタービンの軸は分離される場合があり、ギアでつながれて異なる速度で回転させることも可能であり、又は、単一軸２６に組み合わせられる場合がある。燃焼ガスは、矢印２８によって示されるように、中心開口部を通ってタービンを離れる。

理由の如何を問わず、Ｔｅｓｌａにしろ、Ｔｅｓｌａの後に続くいずれの者にしろ、中心開口部で流体を取り入れて周辺部でその流体を出すことによってタービンを動作させることを検討していなかったようである。作動流体が高温ガスで、そのようなガスが通常、ジェット・エンジン内、ガス・タービン内又は蒸気タービン内でタービンを駆動させるために使用される場合、内部から外への経路は便益を与えるように思われ、それにより、全体的に効率が高められることになる可能性がある。なぜなら、作動媒体は、求心性のある状態で駆動される時に断面積を減らすことによって供給されるのではなく、断面積を増すことによってロータに動力を供給すると冷却され膨張するからである。タービン内の流体流の径方向を逆転させることは、本発明の核となる技術革新のうちの１つである。Ｔｅｓｌａの特許が出願されてから一世紀が過ぎたことを考慮すると、この提案はほぼ明白であると思われる。

図４は円板タービン３０を示す。ここでは、流体は軸方向に入り、その後、矢印３３によって示されるように、円板スタック３２の中心開口部３１で接線方向に進み、矢印３５によって示されるように、周辺部３４で円板スタックを離れる。動力Ｐ_ｏｕｔは軸３６によって取り込まれる。

図５は、同心円状に配置された圧縮機４０、燃焼室４１及びタービン４２を有するガス・タービン５０の配置構成を示す。ここでは、空気と燃焼ガスとが機械の３つの構成要素全てを通って中心部から外方へ移動する。好ましくは燃料と予混合させた空気は、矢印４３によって示されるように、中心開口部４４を介して入り、矢印４７によって示されるように、圧縮機スタック４５からその周辺部４６で離れて、基本的には接線方向に燃焼室４１に入る。燃焼により、圧縮機に背圧がもたらされ、一方、最良の性能を望む場合は、矢印４８によって示されるように、高温ガスは接線方向にタービン・スタック４９に入る。タービン及び圧縮機スタックは、共通軸５１上に固定される場合があるが、軸をギアでつなげて異なる速度で回転させる代替が可能である。ガスは周辺部５２でタービン・スタックを離れる。流出５３の接線速度は、タービン円板の周辺部でそのタービン円板の速度を依然超えるため、軸トルクに加えられる場合がある。なぜなら、燃焼ガスはタービン円板スタックを通り抜ける時に冷却され膨張するからである。

図６は、本発明の最も簡潔でそれ故最も興味深い配置構成を示す。ここで、別個の構成要素として排除された燃焼室を有するガス・タービン６０では、圧縮機とタービンとが単一円板スタック６１の一体化された部分となることが可能とされる。空気は、矢印６３によって示されるように、中心開口部６２で円板スタックに引き込まれて圧縮され、好ましくは燃料と予混合されて、その後、円板スタックの中央部６４内のディーゼル・エンジンにおいてほぼ同様に、点火されるか自然発火する。高温の燃焼混合物により、円板スタックの圧縮機部６６に対して背圧６５がもたらされる。燃焼混合物が膨張によって冷却されると、外方へ移動し、円板スタックのタービン部６７から円板にトルクを伝達する。この配置構成では、ガスが圧縮部を離れる時の高接線速度による損失はなく、実際、これはタービン部に入るガスの運動量を補償し、したがって、同様にタービンのノズル損失を排除する。余剰出力Ｐ_ｏｕｔは共通軸６８を介して取り込まれる。ガスは、矢印７０によって示されるように、円板スタックからその周辺部６９で離れる。燃焼帯６４は正確な境界線を有しておらず、したがって燃焼帯６４は圧縮及び膨張領域と重なり合い、燃料を完全に燃やすための十分な時間を提供することができる。

このタイプのガス・タービンの最適な性能には、独自の材料と工法とが必要とされる。

アリゾナ州立大学のＷａｒｒｅｎ Ｒｉｃｅと彼の卒業生達は、いくつかの出版物で、及び、既に引用されたＩＶ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｎｉｋｏｌａ Ｔｅｓｌａ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、１９９１年９月２３〜２５日でＲｉｃｅによって提示された論評で要約された、テスラ型機械の広範囲な研究を行った。さらに最近ではＰｅｔｅｒ Ｈａｒｗｏｏｄによる分析が行われ、オーストラリアのニューキャッスル大学での彼の学位論文としてＭａｒｋ Ｊｏｎｅｓ監修で２００８年に出版された。

簡単に言うと、作動流体として空気に類似したガスを使用してほぼ最適と言える性能を実現するために、円板は超高速ＲＭＰ（数万回転）で回転する必要がある。ここで、接線方向に円板に巻かれるほぼ唯一可能な材料は連続炭素繊維である。そのプロセスは図７で概略的に示される。通常は直径６〜７マイクロメートルの炭素フィラメント１００を複数含む無撚の炭素繊維トウは、円板１０５の外径に達するまで、図７（ａ）及び７（ｂ）の軸１０４で矢印１０８によって示されるように回転して、２つの円板１０６と１０７との間の間隙１０９へと巻かれる。円板１０６と１０７との間で軸に配置されたリム１０２を有する円形のシム１０３により、図７（ｃ）の複合円板の開口部直径と最終的な厚さｈとが定められる。最少で１つ、好ましくは２〜３つだけの直径ｄのフィラメントが、間隙ｈに嵌合することになる。円板１０６及び１０７はそれぞれ、高分子箔１１０及び１１１によって内側が覆われる場合があり、その厚さｔは、炭素フィラメント間の間隙を埋めることが可能であるように計算され、矢印１１３によって示されるように、円板１０６と１０７との間で高分子箔が溶解され圧縮される時に複合材料のマトリックスを形成する。これは、真空下で行われるのが好ましい。

複合円板が、例えば、圧縮機のみに対して低温で使用される場合、ＫＥＶＬＡＲ（登録商標）といった炭素以外の繊維のタイプを使用することができ、最終的にマトリックス１１２となる箔１１０及び１１１を、ポリアミド、ポリプロピレン又はポリエーテルエーテルケトンといった従来のポリマーとすることができる。結果として生じる複合円板の機械的性質は高い異方性を示し、接線方向では高い弾性率、径方向では非常に低い弾性率を示す。マトリックスは基本的に、巻かれた繊維を適所で保持するが、円板の剛性及び強度がほんの少し高められる。

マトリックスを形成するために箔を使用する代替は、図８で示されるように、予め被覆されたフィラメントを使用することである。ポリマー・スペーサ１１５及び１１６によって、フィラメント１００は円板１０６と１０７との間の被覆剤１１４との調和が可能とされる。必要とされる温度下で、矢印１１７によって示されるように圧縮されて、フィラメントの被覆剤はマトリックス１１８に変換される。マトリックスの材料を、熱可塑性物質又は熱硬化性物質のいずれか、例えば、エポキシ樹脂とすることができる。

円板が高温にさらされる場合、マトリックスはその高温に対して耐性がなければならず、炭素繊維は酸化から保護されなければならない。唯一の選択ではないが最良策として、炭素繊維用のマトリックス／被覆剤として炭化ケイ素が使用される。この組み合わせは、１５００セ氏度を超える極端な温度で動作可能であり、依然として機械力及び酸化に耐えることができる。円板のマトリックス／被覆剤を生産するのに好ましい技術は、適したポリマーを炭化ケイ素に変換することである。この技術に関しては、例えば、Ｐａｔｒｉｃｉａ Ａ. Ｂｉａｎｃｏｎｉらの「Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｐｒｅｐａｒｉｎｇ ｐｏｌｙｓｉｌｙｎｅｓ」という名称の米国特許第６，９８９，４２８号を参照されたい。いずれの欠陥／孔も、炭化ケイ素の蒸着によってその後閉塞され得る。

例えば、車における使用に適した寸法の機械にとってほぼ最適と言える性能に必要とされる円板間の間隙は、約１００マイクロメートルである。侵入損失は、円板スタック内のすぐ外側からすぐ内側への流体流に利用可能な断面積の変化に直接左右される。それらの損失を低レベルで保持するために、できるだけ薄い円板が必要とされる。本明細書で提案された製造の技術によって、約１０〜２５ミクロンの厚さの円板の生産が可能になる。これは、入口損失を低減させるだけでなく、低質量、低価格の機械、恐らくは、大きさの程度では、質量及び価格双方において全ての既知の内燃機関を下回る機械をもたらす。

最適な性能に必要な非常に速い回転速度によって、円板において高い内部応力が生じる。それらの伸縮性は、円板の剛性の相対的欠如に関わらず、間隙の幾何学的精度をもたらす。基本的な間隙の寸法は、円板に統合され、図９の円板１２０の内縁１２１及び外縁１２２にそれぞれ沿って並んだ別個のスペーサ１２３及び１２４によって制御される。図９の切断面Ａ−Ａの詳細は、円板本体１５０の片側の直径Ｄ１（雄側）の円柱状の突出部１５１と、内径Ｄ２と外径Ｄ３とを有する反対側（雌側）の環状の突出部１５２とを示す。Ｄ２は円板の積層を可能にするためにＤ１よりわずかに大きい。

しかしながら、スペーサは、接線方向に巻かれた繊維の主要な構造機構を崩壊させない。それらのスペーサは、図１０に示されるように、円板１０６及び１０７におけるくぼみ内の円板のマトリックス圧縮のプロセスにおいて形成される。直径Ｄ１の突出部１５１は深さａのくぼみにおいて形成され、突出部１５２は深さｂのくぼみにおいて形成される。ｂは、ａよりほんのわずか大きく、且つ所望の円板間隔と等しいのが好ましい。さらにｂは、円板の本体１５０の厚さｈより４〜１０倍大きいのが好ましい。

これらスペーサは、トルクを円板から円板へと、最終的にはエンド・プレートへと伝え、図１１の間隙２１０を有する円板スタック２００を形成するために薄肉円板を覆う。トルク伝達−生成せん断応力がほぼ同じであるように、２つの突出部１５１及び１５２の領域はほぼ同等とすべきである。スタックは、内孔だけで機械的に接続され圧縮される肉厚のエンド・プレート２０１及び２０２によって共に保持される。

図１２は、モータ／発電機３１０の軸に取り付けられる、本発明によるロータ３００を示す。ロータの内孔での遠心力は、例えばチタン合金から金属ハブ３０４を構成することを可能にするほどに小さい。ハブは、軸圧縮下で、円板３０１のスタック並びにエンド・プレート３０２及び３０３を保持する。必要があって複合材料からも作られるエンド・プレート３０２及び３０３の厚さは半径によって変化し、一般的に、周辺部に向かって円板スタックから軸方向に離れると大きくなる。これら非対称のプレート内で回転によって引き起こされる動的な遠心荷重３０７はプレート３０８内で曲げモーメントを生じさせ、よって、作動流体の圧力を補償する円板スタックへの分散された軸方向の内向き荷重を生み出す。

流体は中心開口部３０５で引き込まれて、スタックの周辺部３０６で放出される。ロータ３００及びモータ３１０は、簡易テスラ型圧縮機を形成することができ、この場合、図１２の断面図及び上面図内の矢印３０５によって示されるように、軸／接線方向に流体を誘導する吸込ベーンを含む、従来の種類の筐体が必要とされる。ロータと筐体との間のシールを含む、出口用ディフューザ渦形室も必要とされる。本発明によって提供される主な利点は、機械における、円板の間隙と比較して非常に薄い円板により減少した入口損失及び出口損失による効果にある。さらに、円板の構造により、最適な性能に必要な高回転速度が可能になる。

一方、このターボ機械は、内燃機関又はジェット・エンジンとして機能することができる。この場合、モータ３１０、好ましくは、高速永久磁石直流電動機は、スタータとして、必要とされる速度までロータを回転させるのに使用され、その後、燃料が流入３０５に追加されて点火されると発電機として使用される。興味深いことには、ここでの筐体は非常に簡易で、基本的に複雑な密封は必要とされず、正確に流入３０５を誘導するための吸込ベーン、及び排ガス３０６用の収集器のみが必要とされる。排ガスが高速で生じるようにロータが設計され動作する場合、例えば、ヘリコプタに動力を供給するのに適した、簡易軽量ジェット・エンジンが作られ得る。自動車両における好ましい使用は、バッテリを充電する直流発電機に動力を供給すること、すなわち、ハイブリッド車における使用になる。そのような配置構成では、ターボ機械３００はその最適な速度で常に動作することができる。ロータに対する炭素／炭化ケイ素複合材料の使用により、２０００セ氏度に至る程の超高温での動作を可能にすることができ、よってより高い熱力学的効率が可能となる。

図１３（ａ）は、本発明による、テスラ型圧縮機５０１と、燃焼室５０２と、燃焼混合物の求心的な流れ５０５用の経路５０８と、遠心的な流れを有するタービン５０３とを備えるガス・タービン５００の配置構成を示す。圧縮機円板スタック５０１は、容器５０９の上板と、軸５１２に固着された下端板５１０との間に挟まれている。容器５０９は、その周辺部で、経路５０８を介してタービン円板スタック５０３の中央部と連通する燃焼室５０２も取り囲む。タービン円板スタックは、容器５０９の下板と、軸５１２に固着されたタービン・スタックの下端板５１１との間に挟まれている。動力Ｐ_ｏｕｔは、軸５１２を介して、例えば、電子発電機（図示せず）に伝えられる。この配置構成では、（燃料と混合された）空気は、矢印５０４によって示されるように、中心開口部で圧縮機スタック５０１に入り、燃焼室５０２へと圧縮される。燃焼により、燃焼混合物が、矢印５０６によって示されるように、タービン５０３に入る前に、矢印５０５によって示されるように、経路５０８を通って軸線の方へ押し戻される燃焼混合物の量が増加する。燃焼混合物の流れは、タービン・スタック５０３を駆動した後、矢印５０７によって示されるように、周辺部で離れる。

図１３（ｂ）は、圧縮機スタック５０１を通る水平部分を示す。内側開口部５１３でスタックに入ってくる空気の接線速度５１４は非常に小さく、取り入れ口での予旋回によってのみ定められる。空気が円板５０１に駆動されて、矢印５１５によって示されるように、らせん状に出ていくと、円板自体の速度と近い接線速度５１７でスタック５１６の周辺部を離れる。燃焼室５０２内の燃焼により、図１３（ｃ）に示されるように、燃焼ガスが経路５０８に入ることによって接線速度５１８は数倍に増す。矢印５１９のように、タービン入口５２１に向かってガスが内方へらせん状に流れると、ガスはさらに加速し、速度５２０で経路を離れる。タービン・スタック内の円板の数によって、タービン円板５０３の内側リム５２３における図１３（ｄ）の入口速度５２２はリム自体の何倍も速くなる。矢印５２４によって示されるように、ガスはらせん状に出ていくと、タービン円板５０３へのエネルギー伝達によって速度を落とすが、周辺部５２５であっても、排ガスの接線速度５２６はリム自体の速度より速い。タービンによって生成される動力のほとんどは、任意のそのような配置構成の場合と同様に、圧縮機を駆動するために使用されるが、全ての段階での高効率によって、軸に伝達される正味出力は、任意の従来のブレード付ターボ機械の正味出力を超えると思われる。

適した燃料の燃焼に対する代替として、この機械は、図１３（ａ）の矢印Ｑ_ｉｎによって示されるように、圧縮段階後のガスに伝達される熱の外部源によっても動力が供給され得ることに留意されたい。特に興味深いことは、例えば鏡といった従来の手段による太陽熱である。この太陽熱を高度に集中させて通過する空気の温度を超高温まで上昇させるため、全体の熱力学的効率を高めることができる。円板及び容器５０９を、本明細書で開示された手段を使用して炭素・炭素複合材料から生産することができる。

内燃機関の構造及び動作について本明細書で提供された解決策は、従来のテスラ型圧縮機又はタービンに同等に十分適用され、機能面と経済面との双方からその性能を向上させることができることは明らかである。低温での使用のために、ＰＥＥＫ又はポリアミドなどの従来のポリマーを、円板に巻かれる炭素繊維又は他の高強度繊維を結合するマトリックスとして使用することができる。特に関心のある用途として、中型空調システムがある。このシステムでは、毎分５０回転で作動する５０ｋＷの高速直流電動機が一般的に選択される。本発明による圧縮機の使用により、生産費を低減させ、使用の際の効率を高めることが可能である。

本発明は、筐体と、筐体の中にある、積層円板型又はテスラ型構造のブレードレス・タービン部（３０；４２；６７）であって、筐体内の回転軸の周りを共通して回転するように配置された複数の密な間隔で配置された円板（３２；４９；６１）を有するタービン部（３０；４２；６７）と、を含む、特に内燃機関であるターボ・エンジンを対象とし、前記タービン部（３０；４２；６７）は、接線方向の流れ成分と共に、前記タービン部（３０；４２；６７）の径方向の内部領域から径方向の外部領域へと作動流体の流れを通過させ、一方、円板（３０；４９；６１）を回転させるために、前記作動流体の流れからエネルギーを取り入れるように適合される。好ましくは、ターボ・エンジンは、前記回転軸の周りを共通して回転するように配置された複数の密な間隔で配置された円板（４５；６１）と燃焼帯（４１；６４）とを有する積層円板型又はテスラ型構造の圧縮機部（４０；６６）をさらに含む。この場合、前記圧縮機部（４０；６６）は、圧縮機部とタービン部（３０；４２；６７）との間で径方向に提供された燃焼帯（４１；６４）を有するタービン部と同軸上に且つ当該タービン部の径方向内側に配置される。

Claims (15)

1. 筐体と、前記筐体内の積層円板型又はテスラ型構造のブレードレス・タービン部（３０；４２；６７；５０３）とを有する、特に内燃機関であるターボ・エンジンであって、
   前記タービン部（３０；４２；６７；５０３）が、前記筐体内の回転軸の周りで共通して回転するように配置された密な間隔の複数の円板（３２；４９；６１）を有し、前記タービン部（３０；４２；６７；５０３）が、接線方向の流れ成分と共に、前記タービン部（３０；４２；６７；５０３）の径方向内部領域から径方向外部領域へと作動流体の流れを通過させ、同時に、前記円板（３０；４９；６１）を回転させるために前記作動流体の流れからエネルギーを取り入れるように適合されている、ターボ・エンジン。
2. 圧縮された作動流体を前記タービン部（３０；４２；６７；５０３）に供給するために前記タービン部に接続された圧縮機部（４０；６６；５０１）を有する、請求項１に記載のターボ・エンジン。
3. 前記圧縮機部（４０；６６；５０１）が、回転軸、特に前記タービン部（３０；４２；６７；５０３）の前記円板（３２；４９；６１）の回転軸の周りで共通して回転するように配置された密な間隔の複数の円板（４５；６１）を有する積層円板型又はテスラ型構造である、請求項２に記載のターボ・エンジン。
4. 圧縮された燃焼生成物を前記タービン部（３０；４２；６７；５０３）に作動流体として供給するために、前記圧縮機部（４０；６６；５０１）と前記タービン部との間の燃焼帯（４１；６４；５０２）を有する、請求項３に記載のターボ・エンジン。
5. 前記圧縮機部（４０；６６）は前記タービン部（３０；４２；６７）と同軸上に、且つ前記タービン部の径方向内側に配置される、請求項３又は４に記載のターボ・エンジン。
6. 前記圧縮機部（６６）の前記密な間隔の円板（６１）と、前記タービン部（６７）の前記密な間隔の円板（６１）とが同一であり、したがって前記圧縮機部（６６）、前記燃焼帯（６４）及び前記タービン部（６７）が、密な間隔の円板（６１）のスタックの一体化された部分である、請求項４及び５に記載のターボ・エンジン。
7. 前記圧縮機部（４０；５０１）の前記密な間隔の円板（４５）の少なくともいくつかが、前記タービン部（４２；５０３）の前記密な間隔の円板（４９）から分離されている、請求項３又は４に記載のターボ・エンジン。
8. 前記タービン部（５０３）が、作動流体入口（５２１）をその径方向の中央領域に有するタービン部の室内に配置され、前記圧縮機部（５０１）及び前記燃焼帯（５０２）が、前記タービン部の室外に配置され前記作動流体入口（５２１）に接続される、請求項７に記載のターボ・エンジン。
9. 燃料を前記筐体に導入する手段（４４；６２）が提供される、請求項１から８までのいずれか一項に記載のターボ・エンジン。
10. 前記燃焼帯（４１；６４；５０２）において燃料を点火する点火手段が提供される、請求項４から９までのいずれか一項に記載のターボ・エンジン。
11. 前記筐体が、流体入口手段（４４；６２；５１３）と流体出口手段とを有し、前記流体入口手段（４４；６２；５１３）が、接線方向の流れ成分と共に作動流体を前記圧縮機部（４０；６６；５０１）の前記径方向内部領域に導くように適合され、一方、前記流体出口手段が、前記流体入口手段（４４；６２；５１３）から前記圧縮機部（４０；６６；５０１）に入った作動流体を、その後、前記タービン部（３０；４２；６７；５０３）の前記径方向外部領域から前記筐体の外部まで、前記圧縮機部（４０；６６；５０１）、前記燃焼帯（４１；６４；５０２）及び前記タービン部（３０；４２；６７；５０３）を通過するように導くように適合されている、請求項２から１０までのいずれか一項に記載のターボ・エンジン。
12. 筐体と、前記筐体内の回転軸の周りを共通して回転するように配置された密な間隔の円板（３２）のスタックと、前記円板（３２）の径方向内部領域及び前記円板の径方向外部領域（３４）近くの作動流体接続手段（３１）とを含むテスラ型ブレードレス・タービンを動作させる方法であって、作動流体は、前記円板（３２）の前記径方向内部領域近くの前記作動流体接続手段(３１)を介して前記筐体に導入され、一方、前記作動流体からのエネルギーを前記円板（３２）へ与えて前記円板（３２）を回転させるために、前記作動流体は、接線方向の流れ成分と共に、その径方向内部領域から径方向外部領域まで前記円板（３２）を通過した後、前記円板（３２）の前記径方向の外部領域（３４）近くの前記流体接続手段を介して前記円板から離れるように導かれる、方法。
13. 前記作動流体が、空気、燃料、並びに空気及び燃料の燃焼からの高温燃焼ガスを含む、請求項１２に記載の方法。
14. ブレードレスのテスラ型エンジン内のロータ円板として使用可能なロータ円板であって、好ましくは、高分子マトリックス材料（１１８）又はセラミック・マトリックス、特に炭化ケイ素マトリックス内に埋め込まれた、途切れなく接線方向に巻かれた繊維（１００）、好ましくは炭素繊維から構成されるロータ円板。
15. 密な間隔のロータ円板、好ましくは請求項１０に記載のロータ円板のスタック（３０１）と、共通軸上に配置された２つの軸方向のエンド・プレート（３０２、３０３）とを含み、前記エンド・プレート（３０２、３０３）の厚さが、前記円板スタック（３０１）から離れると前記軸方向の半径と共に増す、請求項１から１１までのいずれか一項に記載のブレードレスのテスラ型エンジン用、特にターボ・エンジン用のロータ（３００）。