KR101572434B1 - 아음속 정치식 램제트 엔진 - Google Patents

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로버트 쥐 하커데이
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에미커블 인벤션스 엘엘씨
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Abstract

마하 3으로 비행하는 램제트 엔진 (3, 4, 5)은 64% 효율성을 갖고, 마하 4에서는 76% 효율성을 갖는다. 램제트 엔진은 현재 초음속 비행용으로만 사용되고, 기계적 출력을 갖는 정치식 엔진으로는 사용되지 않고 있다. 본 발명은, 아음속 비행에 더하여, 정치식 엔진으로서 작동될 수 있고, 차량, 발전소 내와 대형 빌딩, 가정용, 산업용 발전기 내 기계적 출력용 램제트 엔진의 용도로 확대될 수 있다.
본 발명은 압축비를 약 92: 1로 올릴 수 있는 단열 압축기 (1, 2, 12, 13, 14, 15) 및 팽창기 (6, 7, 8, 9, 10, 11) 근처에 설치됨으로써 정치식 엔진으로서 램제트 엔진을 사용하는 수단을 제공하여, 램제트 엔진에 의해 요구되는 높은 에너지와 가스/공기를 공급하고, 어떻게 초음속을 아음속 흐름으로 변환하는 음파 변환기 (49, 50, 51)와 초크영역이 없고 아음속을 초음속 흐름으로 변환하는 음파 변환기 (45, 46, 47)로 드 라발 노즐을 교체하는지를 보여준다.

Description

아음속 정치식 램제트 엔진{SUBSONIC AND STATIONARY RAMJET ENGINES}
본 발명은 발전소 분야에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 기계 장치를 포함하여 다양한 용도를 위한 열기관 분야에서 이용되는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예들은 아음속 정치식 램제트 엔진을 제공한다.
본원은 2008년 3월 25일자로 출원된 미국 특허 출원 61/039,406을 우선권 주장의 기초로 하는 출원이며, 이 출원은 전체를 본원에 참고로 인용한다.
화석연료를 보존하고 전세계적인 이산화탄소(CO2) 생산을 줄이기 위한 가장 효과적인 방법은 자동차 엔진과 기타 연료 연소 엔진(burning engines)의 효율성(efficiency)을 제고시키는 것이다. 미국의 도로 위에서의 평균적인 자동차 엔진의 효율성은 약 21%이다. 21% 효율성을 가진 자동차 엔진은 63% 효율성을 가진 자동차 엔진보다 3배 더 많은 연료를 태운다. 램제트 엔진(ramjet engine)은 63% 효율성 및 그 이상을 보유하고 있다.
램제트 엔진(ramjet engine)은 약 50 년 정도 되었으며, 높은 효율성으로 인해 인기가 있지만, 현재는, 램제트는 군수용 이외에는 상업용으로 거의 이용되지 않고 있다. 여기에는 몇 가지 이유가 있다. 초음속은 충격파(Shockwave)와 충격파 폐에너지를 발생시킨다. 만약 항공기가 공기가 희박한 극히 높은 고도에서 비행하는 게 아니라면, 초음속으로 비행하면서 엄청난 양의 연료를 소모할 것이다. 그리하여 상업용으로서 초음속 항공기에 대해 경제적인 수요가 거의 없다. 반면, 몇몇 수요가 있는데, 램제트 엔진이 터빈 엔진보다 훨씬 더 효율적임에도 불구하고, 램제트 엔진으로는 충족되지 않고 있다.
보통 초음속(supersonic) 및 아음속(subsonic)이라는 말은 주변대기에서의 음속을 가리킨다. 본 발명의 장치 내부에서, 음속은 온도에 따라 변하며, 상기 초음속(supersonic) 및 아음속(subsonic)은 보통 그러한 환경 하의 공기 또는 가스에서의 국지성 음속(local speed of sound)을 가리킨다. 상기 음속은 상기 장치를 통해서 이동하는 동일한 공기 또는 가스 내의 두 가지 인자에 의해 변할 수 있다. 상기 대기 중에서 음속을 마하 속력으로 거의 전부 가리킨다.
램제트는 드 라발 노즐(de Laval nozzle)을 이용해서, 상기 노즐에서 흐름을 역류시키면서 초음속 공기를 아음속 공기로 그리고 그 역으로 전환시킨다. 드 라발 노즐은 한 세기 동안 매우 효율적인 디바이스로 알려져 있다. 입력 드 라발 노즐은 초크영역(choke area)으로 알려진 곳으로의 흐름을 담은 관(tube)의 면적을 줄여서 초음속 공기를 감속시키는데, 거기서 상기 공기가 국지성 음속에 도달한다. 상기 초크영역 위에서, 상기 노즐은 흐름 면적을 늘려서 상기 공기를 더욱 감속시킨다. 상기 노즐이 상기 공기를 통해서 더욱 빠르게 움직일수록, 더 많은 공기가 동일한 초크영역을 통과할 수 있는데, 상기 노즐에 대한 상기 공기의 높은 운동 에너지가 드 라발 노즐 내의 더 높은 온도와 더 높은 밀도로 전환되기 때문이다. 하지만, 각 공기 속도에 있어서, 공기가 상기 초크영역을 통과할 수 있는 속도가 정해져 있다. 상기 초크영역은 상기 공기의 모든 에너지 수준에서 흐름 속도를 조절한다. 상기 램제트 엔진 향 입력 노즐에 초크영역이 있으며, 상기 엔진 발 출력 노즐에 초크영역이 있다. 이들 영역 둘 다 공기/기체의 유속을 조절한다. 그리고 그것이 문제점이다. 그들은 초음속으로 구성되어야 한다. 불가능하지는 않지만, 매우 어려운 일이다. 만약 아음속에서 초음속으로의 출력 드 라발 노즐이 충분한 흐름을 받지 않게 되면, 초음속으로의 등엔트로피 전환이 일어나지 않을 것이고, 소모로부터 추진력이 줄어든다. 만약 너무 많은 흐름을 받게 되면, 일부 기체가 밀려나면서, 연소 챔버 내 압력이 상승하게 만든다. 만약 상기 연소 챔버 내 압력이 상승하게 되면, 상기 전면 또는 입력 드 라발 노즐이 정체되게 된다.
램제트 엔진에 있어서 또 다른 문제점은 그들이 초음속에서만 작동한다는 것이다. 램제트 엔진은 평범한 공간 내에서는 이용될 수 없는데, 초음속 비행은 상기 엔진이 버틸 수 있는 이상으로 더욱 빠른 회전을 요구하기 때문이다. 램제트 엔진에 대해 초음속 풍동에서 정치 테스트(Stationary testing)를 할 수 있지만, 그것은 상기 램제트 엔진으로부터 기계력을 얻는 실용적인 방법이 아니다. 더욱이, 쌍으로 된 드 라발 노즐을 사용하는 것이 램제트 엔진으로 하여금 항공기에 더욱 널리 이용되지 못하게 하는 하나의 한정 인자이다.
현존하는 램제트 엔진에 대한 상술한 문제들을 감안하여, 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부의 목적은 기계력을 얻기 위해 어떻게 정치식 램제트 엔진을 작동시키는지를 보여주는 것이다. 또한, 본 발명의 일부 개시된 실시예는 어떻게 초음속 드 라발 노즐을 초크영역을 갖지 않는 아음속 변환기로 교체하는지를 보여줄 것이다. 본 발명의 일부 실시예는, 또한, 램제트 엔진이 높은 효율성으로 작동하도록, 거의 또는 대략 동일한 대기로부터 공기 및 기타 가스의 높은 에너지 흐름을 단열적으로 발생시키는지를 보여준다.
용어 “단열적으로(adiabatically)”는 전형적으로 상기 공기 또는 가스의 내외로 임의의 열 흐름이 없는 것을 의미하고, 이는 단지 대략적으로만 가능하다. 또한, 본 발명의 일부 실시예는 어떻게 기계적 작업으로서 램제트 엔진의 파워를 출력하는지를 보여준다. 또한, 그러한 방법으로 된 램제트 엔진을 사용함으로써, 일부 바람직한 실시예에서는 모든 현저한 충격파를 상기 단계로부터 제거할 수 있고, 낭비적 드래그(wasteful drag)를 제거할 수 있으며, 이에 따라 유용한 에너지가 낭비되지 않는다. 초음속 비행에서의 일부 충격파는 제거될 수 없지만, 상기 엔진의 앞전(leading edge)에서의 일부 충격파는 엔진 정치(engine stationary)를 가짐으로써 제거될 수 있다. 상기 잔류 충격파는 미미하게 된다.
본 명세서에서 사용된 초크(choke)는 더 소형의 고정 구역을 통과한 흐름의 양 측면 상에서 국지성 초음속으로부터 국지성 아음속으로의 변경 또는 국지성 아음속으로부터 국지성 초음속으로의 변경된 흐름을 제한, 인도, 및/또는 경계하는 것을 의미한다. 본 발명의 문맥 상, 비-초크영역 또는 초크영역이 없는 지역을 지칭할 때, 의미하는 바는 양 측면에 접해 있는 고정 구역을 통한 소리 전달의 로컬 속도(local speed)를 받은 상기 공기 또는 가스 흐름을 강압하지 않는 구조를 의미한다. 예를 들어, 로터는 하나 이상의 드 라발 노즐을 통과한 모든 흐름을 강압하지 않고, 나선형 외측 흐름을 갖는 회전체는 로컬 음속을 통해 상기 필요한 구역을 채우기 위해 방사형으로 펼쳐지도록 변경된 공기 또는 가스의 흐름을 허용하며, 벤트는 음변경(sonic transition)을 포함하지 않는다. 상기 음변경된 흐름이 제한된 구역은 없고, 즉, 상기 흐름은 적어도 일 방향으로 퍼져나갈 수 있다.
기계 공학 및 물리 이외에, 본 발명에 적용된 연구는 고속 가스 동력학의 연구 분야에 사용된다. 예를 들어, James E.A. John, Theo G. Keith 에 의한 Gas Dynamics (2005) 는 본 주제에 접근하는 교재제로 널리 사용된다.
본 발명의 목적에는 자동차에서 제트 및 프로펠러 항공기와 전력 생산에 이르는 모든 엔진 용도에서 연료 사용을 절감하고, CO2 배출 생산을 절감하고, 터빈 유사 엔진의 경비를 대폭 줄이는 것이 해당된다. 그리고, 엔진 내 상기 공기 또는 가스에 반드시 증가되는 난기류가 없는데, 사실 상기 디자인이 만들어질 수도 있었던 난기류를 줄인다. 난기류를 줄이는 것이 보다 높은 효율성이 달성될 수도 있는 기준 중 하나이다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예의 압축기, 램제트, 및 팽창기의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예의 압축기, 램제트, 및 팽창기를 포함하는 엔진의 단면도이다.
도 3은 상기 로터의 상기 회전축에 수직하고 상기 로터 블레이드를 통한 단면으로 일 발명의 압축기의 실시예의 단면도이다.
도 4 는 상기 로터의 상기 회전축에 수직하고 상기 로터 블레이드를 통한 단면으로 일 발명의 팽창기의 실시예 단면도이다.
도 5 는 상기 로터의 상기 회전축에 수직한 면에서의 단면도로서 도 2에 도시된 엔진 실시예의 상기 압축기 및 팽창기 부분의 확장 단면도이고, 동력학적 시일이 상세히 나타나도록 확장되어 있다.
도 6은 상기 로터의 상기 회전축에 수직한 면에서의 단면도로 일 발명의 실시예의 압축기 및 팽창기의 확장 단면도이고, 교호의 블레이드 및 채널 구조가 상세히 나타나도록 확장되어 있다.
도 7은 상기 나선형 챔버의 반경에 반비례하는 반경 흐름 속도를 얻기 위해 반경으로 환형 흐름 나선형 챔버 갭 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 8은 나선형 챔버의 반경에 일정한 반경 흐름 속도를 얻기 위해 반경으로 환형 흐름 나선형 챔버 갭 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 9는 나선형 챔버의 반경에 비례하는 반경 흐름 속도를 얻기 위해 반경으로 환형 흐름 나선형 챔버 갭 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 10은 상기 로터의 상기 회전축에 수직한 면에서의 단면으로 본 발명에 따른 일 실시예의 압축기 및 팽창기에 대한 확장 단면도이고, 적은 비용 효율성에서 전원을 배가할 수 있는 구조인 상기 유입 흐름 및 중공 샤프트 배출 흐름을 상세하게 나타내기 위해 확장되어 있다.
도 11은 상기 로터의 상기 회전축에 수직인 면에서의 단면으로 본 발명의 일 실시예의 환형체의 확장 단면도이고, 경계층 성장을 최소화할 수 있는 표면 섬유를 보여준다.
참조는 본 발명의 다양한 예시적인 실시예들을 상세하게 할 것이다. 후술하는 상세한 설명은 특정한 실시예를 상세히 설명할 목적으로 나타나 있고, 따라서, 설명된 실시예에 본 발명이 한정되는 것을 고려하지 않는다. 더욱이, 본 발명의 실제 범위는 청구항에 의해 정해진다.
여기에서 온도는 일반적으로 Kelvin 절대 온도로 표현되고, 일부는 섭씨로 표현되며, 실온은 대략 294 K이다. 대기의 공기 또는 가스는 대기압 및 대기온도에서 공기 또는 가스이다. 만약 대기 온도가 T0 K 이고, 상기 공기 또는 가스가 단열적으로 변화되어 일부 수단에 의해 Ts K의 정체온도를 갖는다면, 만약 상기 정체온도 Ts K가 T0 K의 3배 이상이라면 그 결과 여기서 “높은 에너지(high energy)” 공기 또는 가스로 지칭한다. 높은 에너지 공기/가스는 대기 조건의 온도 및 압력에서의 공기/가스의 비에너지의 약 Ts /T0 배인 비에너지를 가진다. T0 K 온도에서조차, 보통 대기 공기/가스는 마하 3.162로 이동하는 정체온도 Ts K = 3 T0 K를 가지며, Ts K 는 상기 마하 숫자의 제곱에 따라 증가한다.
물질의 “비(Specific)” 인장강도는 그것의 밀도를 물의 밀도로 나눈 그것의 비중으로 나눈 인장강도이다. 유사하게, “비”압축강도는 비중으로 나눈 압축강도이다. 힘은 비중에 비례하기 때문에 비강도(specific strength) 는 로터 물질에서 형상의 메리트이다.
“마하” 숫자는 보통 로컬 대기에서의 음속을 나타낸다. 음속은 램제트 엔진에서 2 이상의 요소에 의해 변경될 수 있다. 단어 "초음속(supersonic)" 및 "아음속(subsonic)"이 본 텍스트에서 사용될 때, 이들은 압축되어 있는 가스/공기에서의 음속을 의미하고, 이는 또한 공기/가스에서의 “로컬” 음속을 지칭한다. 온도 증가는 공기/가스에서의 음속을 증가하게 한다. 여기에서 사용된 용어 “단열적으로(adiabatically)”는 그 통상의 의미 및 전형적으로 “상당한 열이 가해지거나 감해지지 않는” 을 의미한다. 상기 용어는 최상에서도 항상 대략적으로만 정확하다.
본 발명은 공기 또는 가스를 국지성 초음속을 갖는 흐름으로 가속할 수 있는, 선택적으로 초크영역이 없는 로터 및 선택적으로 초크영역 없이 국지성 초음속 흐름을 국지성 아음속 속도로 수신 및 감속할 수 있고, 선택적으로 초크영역 없는 벤트를 통해 상기 흐름을 배출할 수 있는 챔버를 포함하는 압축기를 포함하는, 유입 공기 또는 가스 절대온도의 1.5 - 10 배인 정체온도를 갖는 국지성 아음속 흐름의 공기 또는 가스를 발전시키고, 선택적으로 초크영역이 없는 장치를 포함하는, 에너지 발전 장치, 시스템 및 방법을 포함한다.
또한, 임의의 장치에서 상기 로터는 약 2000 ft/sec 이상부터 약 5400 ft/sec의 표면 속도 디자인에서 지연된 회전이 가능하고, 대략 로터의 표면속도로 공기 또는 가스 흐름을 가속할 수 있는 장치를 포함한다.
본 발명은 또한 회전축(axis of rotation)으로 지칭되는 순환 축(axis of revolution)을 중심으로 높은 비인장 항복 강도 물질의 샤프트 높은 비인장 강도 섬유 토우에 의해 상기 샤프트에 기능적으로 연결되어 있는 높은 비압축강도 물질의 구조적 블레이드 및 선택적으로 로터 면을 더욱 포함하는 실시예의 임의의 장치를 포함한다.
상기 정지상태의 구조적 블레이드는 약 50,000 psi 내지 약 500,000 psi의 압축 하에서 샤프트에 기능적으로 연결되어 있는 임의의 장치 또한 본 발명의 범위 내이다.
또한, 본 발명은 실시예의 압축기 및/또는 팽창기 같은 임의의 장치를 포함하고, 이는 선택적으로 금속 또는 세라믹으로 코팅되거나 침투됨에 따라 결합되거나 합착된 유연한 시트 또는 강직한 솔리드(rigid solid), 예를 들어, 딱딱한 시트(stiff sheet)가 형성되는 높은 비인장강도 섬유 토우를 포함한다.
또한, 실시예의 임의의 장치는 나노튜브 복합재 섬유, 탄소 섬유, 유리 섬유, 금속 및 세라믹 섬유, 세라믹 섬유, 및 고분자 섬유 또는 이들의 조합 중 적어도 하나인 높은 비인장강도 섬유 토우를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 알파 실리콘 카바이드, 보론 카바이드, 세라믹, 다이아몬드 유사 물질, 금속, 및 고분자, 또는 이들의 조합 중에서 적어도 하나인 높은 비압축강도 물질을 포함하는 임의의 장치를 포함할 수 있다.
또한 실시예는 다이아몬드 유사 물질로 코팅된 탄소섬유로 감겨진 알파 실리콘 카바이드, 상기 샤프트 축 상에 트위스트되어 작동되는 금속, 최대 인장 항복강도로 열처리된 티타늄 합금, 및 금속 또는 세라믹 또는 고분자, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나인 높은 비인장 항복강도 샤프트 물질을 포함하는 임의의 장치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 임의의 장치를 포함할 수 있다. 중공축 또는 상기 회전축을 중심으로 하는 구멍을 갖고, 상기 구조적 블레이드들 사이에 로터 방사형 벤트를 가지며, 여기서, 상기 중공 또는 구멍과 방사형 벤트는 공기 또는 가스의 압축기로의 경로를 제공할 수 있는 샤프트 선택적으로, 상기 샤프트의 외측으로 연장된 상기 구조적 블레이드의 대향 에지와 기능적으로 연결된 복수 개의 쉘로서 상기 구조적 블레이드들 사이의 공기 또는 가스를 속박할 수 있는 쉘 및 선택적으로, 적어도 일부의 샤프트 및 로터에 대해 열적으로 단열되며, 상기 구조적 블레이드와 쉘 사이로부터 국지성 초음속 공기 또는 가스 흐름을 수신할 수 있으며, 상기 흐름을 초크영역 없는 국지성 아음속 속도로 변경할 수 있고, 적어도 일부의 로터를 감싸는 환형체(annulus), 및 상기 환형체로부터 상기 국지성 아음속 흐름을 수신할 수 있는 챔버를 포함하는 하우징을 포함하고, 여기서, 상기 챔버는 외측으로 나선형 벽을 갖고, 상기 나선형 챔버 내 공기 또는 가스를 속박할 수 있는 상부와 바닥 내면이 대향하는 나선형 챔버이며, 상기 나선형 챔버는 벤트로 흐름을 이끌 수 있는, 장치.
임의의 장치에 따른 실온 공기로부터 약 10:1 내지 약 92:1 의 범위 내의 압축률을 제공할 수 있는 장치 또한 본 발명의 범위 내에 포함된다.
본 발명에 따라 작동되는 임의의 압축기는 역으로도 실현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예는 흐름 및 회전이 역전되었을 때 팽창기로서 작동할 수 있고, 반대로도 가능한 임의의 압축기 장치를 포함한다.
본 발명에 따른 임의의 장치에서 상기 환형체의 대향하는 내면은 작동하는 동안 축과의 거리에 반비례하는 원주 속도로 매끄러운 흐름을 생산할 수 있는 형태를 갖고 및/또는 상기 환형체는 선택된 외경을 가짐에 따라, 작동하는 동안 국지성 초음속 흐름이 환형체 내 국지성 아음속 속도로 변경되며 및/또는 상기 환형체는 초크영역을 갖지 않는 것으로 이루어질 수 있다.
상기 흐름의 상기 자연적 형태를 따르고, 방사형 흐름을 제한하기 위해 나선형 벽으로부터 이동될 수 있는 상기 환형체를 둘러싼 상기 나선형 챔버의 상기 나선형 벽의 내면에 위치하는, 조절가능한 스트립 또는 벨트를 더욱 포함하는 임의의 장치가 또한, 본 발명의 실시예로서 포함될 수 있다.
엔진 또한 본 발명의 범위 내에 포함될 수 있다. 본 발명에 따른 엔진은 본 발명에 따른 압축기 및/또는 팽창기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 국지성 초음속 배출로 정치식으로 또는 아음속 램제트 엔진으로서 작동될 수 있는 램제트 엔진이 포함되는 바, 공기 또는 가스를 국지성 초음속을 갖는 흐름으로 가속할 수 있는 압축기 초크영역 없이, 국지성 초음속 흐름을 국지성 아음속 속도로 수신하고 감속할 수 있고 벤트를 통해 흐름을 배출할 수 있는 챔버 및 상기 벤트로부터 국지성 아음속 흐름을 수신하는 부분적 입력 드 라발 노즐로서, 고속 흐름 구역 및 초크영역을 상실하거나 사용되지 않도록 이루어진 부분적 입력 드 라발 노즐 및 선택적으로 상기 입력 드 라발 노즐로부터 상기 흐름을 수신하는 연소 챔버를 포함한다.
또한 상기 연소 챔버로부터 국지성 아음속 공기 또는 가스를 수신할 수 있고, 국지성 아음속 속도를 팽창기 벤트로 유입하기 위해 상기 흐름을 가속할 수 있는 부분적 출력 드 라발 노즐을 포함하고, 여기서 상기 부분적 출력 드 라발 노즐은 초크영역 및 고속 지역을 상실하거나 사용되지 않도록 구성되고, 여기서, 상기 팽창기 벤트는 국지성 아음속 흐름을 초크영역이 없는 국지성 초음속 속도로 수신하고 가속할 수 있는 환형체로 흐름을 이끌 수 있는 챔버로 흐름을 공급하며, 여기서, 상기 환형체는 국지성 초음속 흐름을 국지성 아음속 속도로 감속할 수 있고 온도가 감소된 팽창기 로터로 흐름을 이끌 수 있고 및 상기 로터에 의한 연소물으로부터 제거된 높은 에너지로 로딩을 이끌 수 있는 팽창기 샤프트를 포함하는 램제트 엔진이 포함된다.
본 발명에 따른 램제트 엔진은 각각의 상기 압축기, 상기 램제트, 및 상기 팽창기는 하나의 하우징을 형성할 수 있도록 함께 조여질 수 있는 임의의 램제트 엔진을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 램제트 엔진은 각각의 상기 압축기, 상기 램제트, 및 상기 팽창기는 일반 프레임에 부착될 수 있는 임의의 램제트 엔진을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 압축기 및/또는 팽창기는, 상기 블레이드의 외측 블레이드 에지 반경 너머에 위치하고 상기 로터와 기능적으로 연결된 환형 링으로서, 섬유 매트, 다공성 물질, 또는 금속 메쉬 중 적어도 하나로 이루어지고, 소형 흐름 채널을 포함함으로써 작동하는 동안 공기 또는 가스 흐름이 상기 구조적 블레이드들 사이를 통과할 수 있고 상기 링을 통해 흐를 수 있는 환형 링 및 상기 외측 블레이드 에지 반경과 상기 링 사이의 상기 로터 내에 존재하는 환형체 공간을 포함하는 임의의 팽창기 또는 압축기를 포함하는 실시예들을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 압축기 및/또는 팽창기는 상기 외측 블레이드 에지에 대해 원주상 둘레에 위치하는 탄소섬유 권선을 포함하고, 여기서 상기 권선은 방사형 공기 또는 가스 흐름이 상기 로터에 대한 아음속 속도로 블레이드들 사이로부터 상기 환형체로 통과하도록 허용할 수 있는 임의의 팽창기 또는 압축기를 포함하는 실시예를 포함할 수 있다.
여기에 개시된 압축기 및/또는 팽창기는 추가 블레이드가 상기 구조적 블레이드들 사이의 상기 샤프트에 부착되고, 서로 압축되고 금속 또는 세라믹으로 코팅되거나 침투되어 결합 시트를 형성하는 PAN 탄소섬유 토우로 이루어진 임의의 팽창기 또는 압축기를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 압축기 및/또는 팽창기는 약 1-(1/2) 인치의 쉘 반경을 갖고, 상기 하우징과 대면하는 외면 형태를 갖는 쉘 및/또는 상기 하우징은 더욱 포함하는, 상기 쉘의 외면에 대면하고, 작동하는 동안 약 0.0002 인치 내지 약 0.002 인치의 갭으로 쉘로부터 분리되는 링을 포함하는 임의의 팽창기 또는 압축기를 포함하는 실시예를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 압축기 및/또는 팽창기는 상기 쉘의 외면 형태가 각도가 있는 홈을 갖고, 이에 로터의 작동 동안에 마하 속도에서 상기 홈 및 갭은 공기 또는 가스를 직접 더 큰 반경을 향하도록 인도하며, 그에 따라 상기 로터 주위에 대향하는 방향에서 흐름을 방지하는, 팽창기 또는 압축기를 포함하는 실시예를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 압축기 및/또는 팽창기는 임의의 팽창기 또는 압축기를 포함하는 실시예를 포함할 수 있다. 상기 대향면은 표면에 매립된 단섬유를 갖고 및/또는 여기서 상기 섬유는 약 4-6 마이크론의 직경을 갖고 매끄럽고 원형의 원통형 표면을 가지며, 그들의 직경보다 큰 거리로 이격되어 있으며 및/또는 여기서 상기 섬유는 대향면 외측 그들의 직경의 약 3배 이상 흐름으로 돌출될 수 있고, 고속 공기 또는 가스 흐름이 상기 표면들에 평행하게 발생하였을 때, 상기 표면들을 향해 구부러질 수 있다.
또한 본 발명에 따른 압축기 및/또는 팽창기는 상기 로터와 상기 환형체 사이에 하우징 내에 장착된 로터 밀폐링으로서, 상기 로터 밀폐링과 상기 로터 사이는 0.0002 인치 내지 0.002인치의 갭을 갖는 로터 밀폐링 및/또는 상기 링과 상기 로터 사이의 공기 또는 가스를 더 큰 반경으로 인도 함에 따라 대향하는 방향에서의 흐름을 방지하는 상기 로터 밀폐링의 표면과 상기 쉘의 외면에 정렬된 홈을 더욱 포함하는, 임의의 팽창기 또는 압축기를 포함하는 실시예를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 압축기 및/또는 팽창기는 상기 연소 챔버가 그것의 폭에 대해 약 3 내지 1천 배 의 길이를 갖고 및/또는 상기 연소 챔버는 작동하는 동안 1% 이하의 에너지 손실 또는 효율성을 제공하도록 열 손실에 대해 단열된 임의의 팽창기 또는 압축기를 포함하는 실시예를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 램제트 엔진은 여기서 상기 연소 챔버가 공기 또는 가스흐름을 로컬 음속으로 증가시킬 수 있고, 공기 또는 가스 최대 온도를 약 섭씨 270도까지로 감소시킬 수 있는, 증가 또는 감소하는 내부 흐름 구역을 포함하는, 임의의 램제트 엔진을 포함하는 실시예를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 램제트 엔진은, 상기 압축기 및 상기 엔진의 작동 가스로서 상기 램제트 엔진을 통한 순환을 위해 불활성 가스 또는 비반응 가스를 제공하는 1 이상의 수단 태양열복사 또는 외부 열원으로부터의 열 교환으로부터 선택된 상기 연소 챔버 내 상기 작동 가스를 가열하는 열 공급기. 상기 압축기로 배출 가스를 재순환하기 위한 수단상기 압축기에 투입되기 전 대기 온도에 가깝거나 그 이하의 온도로 상기 배출 가스를 냉각하는 수단을 포함하는, 임의의 램제트 엔진을 포함하는 실시예를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 램제트 엔진은, 상기 압축기 및 팽창기가 하나의 샤프트 상에 있고 상기 샤프트의 압축기 및 팽창기 부분이 서로 분리되어 있으며, 공기 또는 가스가 상기 샤프트의 상기 중공부의 네 단부를 통해 유입 또는 배출 되도록 허용할 수 있고 상기 샤프트에서 상기 압축기 및 팽창기 부분은 각 샤프트 내로 연장되고 상기 압축기 샤프트 내의 방사형 벽들에 의해 지지되고, 상기 팽창기 로터의 중간 근처의 상기 팽창기 샤프트의 고체 부분에서 종단되는 축 상의 고체 샤프트에 의해 서로 연결되어있는 임의의 램제트 엔진을 포함하는 실시예를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 램제트는 압축기 및 팽창기가 하나의 샤프트 상에 있고 상기 압축기의 샤프트는 중공이 아니고, 상기 압축기 로터의 중간 근처를 제외하고는 상기 샤프트의 상기 팽창기 부분에 비해 직경이 더 작으며 상기 압축기는 공기 또는 가스가 상기 샤프트의 결절부(cutaway) 체적을 통해 압축기로 유입되는 것을 허용할 수 있으며, 상기 팽창기 로터의 중간 근처 상기 팽창기 샤프트의 솔리드 부분에 연결되어 있는, 임의의 램제트 엔진을 포함하는 실시예를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예의 본 발명에 따른 램제트는 상기 샤프트가 중공이고 공기 또는 가스가 상기 중공을 통과하여 배출되는 것을 허용할 수 있으며 상기 압축기 및 팽창기는 상기 동일한 샤프트 상에 있고 상기 샤프트의 압축기 부분 중공은 방사형 벤트가 없으며 상기 압축기는 공기 또는 가스가 상기 하우징 및 쉘 내의 상기 샤프트의 결절부 체적을 통해 상기 압축기로 유입되는 것을 허용할 수 있고 및/또는 상기 압축기는 상기 하우징 내에 원형 개구 및 상기 개구를 통과하여 상기 압축기로 공기 또는 가스를 허용할 수 있는 상기 샤프트 주위에 상기 하우징과 대면하는 쉘을 갖는, 임의의 램제트 엔진을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 램제트 엔진 실시예는 상기 압축기 및 상기 팽창기가 중공이거나 각각의 단부로부터 천공되고 하나의 샤프트 상에 있고, 각각의 상기 압축기 및 팽창기의 유입과 배출 흐름 구역으로 나뉘어진 상기 샤프트의 솔리드 부분을 갖는 임의의 램제트 엔진을 포함하는 실시예를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 다른 램제트 엔진 실시예는 상기 하우징과 대면하는 상기 쉘의 측면에 도입되기 위해 공기 또는 가스를 허용하는 반경에 제1 개구를 포함하는 상기 압축기 로터 상의 쉘 더 작은 반경에 제2 개구를 포함하는 상기 압축기 로터 상의 상기 쉘의 측면과 대면하는 상기 하우징 상기 압축기 로터 상에, 고 장력 섬유 토우 권선에 의해 지지되는 중공 물질 또는 섬유 매트가 제1 개구와 상기 쉘과 상기 샤프트 사이를 채우고, 상기 하우징으로 연장되며, 상기 샤프트로 회전될 수 있고 상기 압축기 샤프트 및 팽창기 샤프트는 중공이고, 상기 압축기 샤프트는 방사형 벤트가 없으며, 상기 팽창기 샤프트 내 방사형 벤트는 상기 샤프트의 양 단부를 통해 상기 팽창기로부터 배출 흐름을 조절할 수 있도록 선택된 구역을 갖는, 임의의 램제트 엔진을 포함하는 실시예를 포함할 수 있다.
본 발명에 또한 포함되는 것은, 주변 분위기에서 공기 또는 가스를 상기 공기 또는 가스에 대해 타겟 공기 또는 가스 흐름을 얻기 위해 일을 수행함으로써 가속하고 압축하는 단계 다음으로 상기 공기 또는 가스 흐름을 상기 흐름에 아무런 일을 하지 않은 정체 온도 흐름 근처로 감속하고 압축하는 단계 다음으로 대략 정체 온도 근처에 남아있는 일정한 압력에서 공기 또는 가스 흐름을 가열하는 단계 다음으로 상기 흐름에 아무런 일도 수행하지 않은 상기 공기 또는 가스 흐름을 가속 및 감압하는 단계 일을 수행한 흐름을 갖고 상기 공기 또는 가스흐름으로부터 배출을 생산함으로써 상기 공기 또는 가스 흐름을 감속 및 감압하며, 여기서 상기 배출은 추진력(thrust)을 만들 수 있는 단계를 포함하는, 엔진을 만들기 위해 공기 또는 가스 흐름을 편성하는 방법이다.
본 발명의 실시예는 공기 또는 가스를 만곡면의 환형체를 따라 선택된 거리를 너머 수렴되는 두 표면 사이 수렴부 방향으로 유도하는 단계를 포함하는 공기 또는 가스의 흐름을 감속하는 방법 및 상기 방법을 수행하는 장치를 포함한다.
본 발명의 실시예는 드 라발 노즐 또는 초크영역 없이 초음속 흐름을 감속하거나, 아음속 흐름을 가속하여 초음속 흐름을 아음속 흐름으로 변환하거나, 아음속 흐름을 초음속 흐름으로 변환하는 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 디바이스를 포함한다.
온도 T0 K 에서 대기 내 마하 속도 M 에서 비행기 조건을 램제트 엔진 내 재형성하기 위해서는, 비행기 내 상기 램제트 엔진을 매치하거나 초과하기에 충분한 질량/초 흐름 속도에서 낮은 열손실로 램제트 엔진 내 공기의 정체온도와 동일한 정체온도, Ts K 지점까지 공기를 압축하는 것이 충분하다. 도 1은 특정한 기능적 구성요소들이 어떻게 배열될 수 있는지를 보여주는 모식도이다. 예를 들어, 도 1은 일 실시예의 압축기, 램제트, 및 팽창기의 모식도가 도시되어 있다. 편의를 위해, 도 1 내 다양한 관심 지점이 표 1에 제공된 용어로 참조된다.
표 1: 도 1에 표시된 관심 지점에 대한 참조
1. 압축기의 축
2. 압축기로부터 초음속(Supersonic) 흐름
3. 드 라발 노즐 - 초음속에서 아음속으로 변환기
4. 열 부가된 아음속흐름 / 연소 챔버
5. 드 라발 노즐 - 아음속에서 초음속으로 변환기
6. 팽창기로의 초음속 흐름
7. 감압기 / 팽창기의 축
8. 나선형 내측 흐름
9. 방사형 채널
10. 방사형 블레이드
11. 팽창기의 방사형 채널
12. 압축기의 방사형 채널
13. 압축기의 방사형 블레이드
14. 방사형 채널
15. 나선형 외측 흐름
상기 압축기 (1, 12, 13, 14, 15) 는 드 라발 노즐 (3) 입구로 공기/가스 (2)를 배출한다. 상기 공기/가스는 가열 구역 (4)을 통과하고, 이는 일반적으로 연소 챔버로 지칭된다. 상기 가열된 공기/가스는 상기 드 라발 노즐 (5)의 배면부를 통해 나가고 상기 팽창기 (6)로 들어간다. 이를 행하기 위한 다양한 방법이 있으며, 바람직한 방법이 도 2 내지 도 10에 나타나 있다. 도 1에서, 만약 상기 압축기 (1, 12, 13, 14, 15)의 상기 배출부 (2) 가 초음속이라면, 램제트 엔진 (3, 4, 5) 의 전면에서 상기 공기 흐름 속도가 매치되는 드 라발 노즐 입구 내 지점에서 드 라발 노즐 (3)로 직접 공급될 수 있다. 예를 들어, 상기 압축기로부터 나온 초음속 흐름이 초음속 흐름을 조절할 수 있는 상기 드 라발 노즐 내 지점에서 상기 드 라발 노즐 입구에 의해 수신된다. 만약 상기 압축기의 출구(2)가 아음속이면, 드 라발 노즐(3)의 아음속 부분으로 공급될 수 있고, 후에 상기 노즐의 더 높은 속도 부분이 제거된다. 상기 램제트 엔진 (3, 4, 5) 내 상기 연소 챔버(4) 내 조건은 마하 M에서 비행시와 동일하게 될 것이고, 상기 램제트 엔진을 비행의 효율성에 도달하게 될 것이다. 본 발명의 다양한 실시예에서, 상기 램제트 엔진 (3, 4, 5)은 정치식이거나 이동식일 수 있다.
상기 램제트 엔진 (3, 4, 5)을 제트로 사용하기 위해, 상기 연소 챔버 (4) 내 상기 가스로 연료가 가해지고 연소되거나, 열이 가해지고, 상기 램제트 엔진의 후면에서 상기 드 라발 노즐 (5)은 상기 아음속 흐름을 초음속으로 변환하고, 도시되지 않은 제트 출력을 형성하며, 이는 상기 팽창기로 도입되지 않는다.
상기 램제트 엔진 (3, 4, 5)를 기계적 엔진으로서 사용하기 위해, 일부 또는 전부의 상기 제트 출력(6)이 샤프트 (7) 상에 기계적 에너지를 배출하고, 도시되지 않은 배기를 배출하는 확산기 또는 팽창기 (7, 8, 9, 10, 11)로 상기 유입부에 갇히게 될 수 있다. 상기 램제트 엔진의 후면 드 라발 노즐(5)는 상기 배출부가 상기 유입부의 상기 팽창기(6)로의 상기 유입 속도와 매치되는, 상기 단면에서 잘려질 수 있다.
하기에 설명되는 것은 샤프트에 부착된 블레이드(13)를 약 2000 ft/sec에서 5400 ft/sec에 이르는 림(rim) 속도로 움직이는 블레이드(12)들 사이로 유입되는 공기/가스로 돌리는 샤프트(1)을 갖는 단단 압축기로서 (14), 이때 흐름이 상기 하우징(15)에서 외부로 나선형으로 움직이고 벤트를 통해서 초음속 흐름 배출부(2)로서 상기 램제트 엔진의 전면 말단 드 라발 노즐(3)로 빠져나오면서, 흐름 속도를 상기 노즐에 맞추는 것과, 공기/가스(6)에 의해 구동되는 블레이드들(10)에 의해 회전되고 있는 샤프트(7)를 갖는 단단 팽창기 (11)로서, 상기 블레이드들에 의해 감속되고, 이때 상기 블레이드들은 약 2000 ft/sec에서 5400 ft/sec에 이르는 림 속도(9)로 움직이면서, 초음속 로터(10, 11)를 형성하며, 상기 램제트 엔진의 후면 말단 드 라발 노즐(5)로부터 초음속 유입부(6)를 빼서 내부로 상기 블레이드들로 나선형으로 움직이면서, 소모와 함께 기계적 출력을 생성시킨다.
또한 램제트 엔진의 전면부, 또는 입력, 드 라발 노즐(3)을, 초크영역을 갖지 않는 초음속 내지 아음속 변환기로 교체하는 수단과, 램제트 엔진의 후면부, 또는 출력, 드 라발 노즐(5)을 초크영역을 보유하지 않는 아음속 내지 초음속 변환기로 교체하는 수단이 설명된다.
또한 동일한 회전 속도에서 작동하는 초음속 로터 압축기 (12, 13)를 변형시켜서, 그 흐름이 초크영역을 거치지 않고 동일한 총 고 에너지를 갖는 아음속 흐름을 배출하는 방법과, 동일한 rpm으로 작동하는 초음속 팽창기 (7, 8, 9, 10, 11)를 변환시켜서, 그 흐름이 초크영역을 거치지 않고 동일한 총 고 에너지를 갖는 아음속흐름을 배출하는 방법이 보여진다.
그들에 대한 설명을 시작하기 위해, 약 2000 ft/sec 내지 약 5400 ft/sec의 림 속도에서 작동 가능한 샤프트 상의 로터뿐만 아니라, 그러한 장치를 제작하는 방법이 설명될 것이다. 그러한 로터를 만들기 위해, 고 비인장 항복강도를 포함하는 물질이 샤프트에 대해 얻어진다. 샤프트에 대해서 여기에서 사용된 것처럼, “고 비인장 항복강도”는 약 46,000 내지 47,000 psi 범위의 비 인장 항복강도를 갖는다. 하나의 실시예에서, 상기 고 비인장 항복강도는 46,000 psi 이 넘는 비인장 항복강도를 갖는다. 예를 들면, 금속 중에서 피아노선(steel music wire) 및 보고된 하나의 티타늄 일 유형 베타-C가 매우 높은 비인장 항복강도를 갖는다. 하지만 이들 물질들은 어림잡아 대략 10배 큰 비인장 항복강도를 갖는 일부 탄소 섬유와 동일한 범위에 있지 않다. 고 비인장강도 섬유 토우 또한 선택적으로 고장력 하에서, 상기 로터 부분을 지지하기 위해 얻어진다. 장래에는 탄소 나노튜브에서 만들어진 섬유로 된 토우(tow)가 더 좋을 수도 있다 현재로서는 바람직한 고 비인장강도 물질은 탄소 섬유이다. 대부분의 탄소 섬유는 대략 동일한 비중력을 가지며, 일부는 1,000,000 psi 근방의 최대 인장강도를 가진 것이 얻어질 수 있는데, 이는 본 발명의 실시예들에서 필요한 것보다 높다. 탄소 섬유에 대해 여기에서 사용되듯이, “고 비인장강도”는 약 400,000 - 465,000 psi 범위의 비인장강도를 갖는다. 하나의 실시예에서, 상기 고 비인장강도 물질은 약 400,000 psi이 넘는 인장강도를 갖는다. 탄소 섬유는 경질이 아니고, 자신을 포함한 대부분의 물질에 대응하여 마모될 수 있다. 상기 로터의 마모 또는 변형을 줄이거나 없애기 위해서, 상기 섬유를 금속이나 세라믹 같은 고온 내마모성 물질의 박막으로 코팅할 수 있다. 예를 들면 보통 "PAN 탄소 섬유"로 불리는 폴리아크릴로니트릴(PolyAcryloNitrile), 즉 PAN 기반 탄소 섬유의 탄성은 금속의 탄성과는 상당히 다르다. PAN 탄소 섬유는 변형없이 약 2%까지 탄성적으로 늘어날 수 있다. 본 발명의 실시예들에서 상기 섬유가 노출되는 온도보다 훨씬 더 높은 온도에서, 상기 섬유는 금속이 그러하듯이 항복, 크리프변형(creep), 또는 변형(deform)하지 않는다. 대부분의 금속은 PAN 탄소 섬유의 1/10 수준 근처의 탄성 신율 한계를 갖는다.
PAN 탄소 섬유는 상기 로터 내 장력 구성 물질로 사용되는데, 상기 로터의 온-오프(on-off) 사이클 전반에 걸쳐 상기 PAN 탄소 섬유가 상기 섬유를 덮고 있는 물질의 탄성 한계 이상으로 길이를 변화시키지 않는다는 측면에서, 와이어가 현수교에 사용되는 것과 다소 비슷하다. 알파 실리콘 카바이드 같은 고 비압축강도 물질이 사용되는데, 그것의 고 압축강도와 조합된 저 비중력, 그것의 높은 탄성율 및 뛰어난 고온 강도 및 산화 내성 때문이다. 여기에서 사용되듯이, "고 비압축강도 " 물질은 약 80,000 내지 180,000 psi 범위의 압축강도를 갖는다. 하나의 실시예에서, 상기 고 압축강도 물질은 약 160,000 psi가 넘는 압축강도를 가진다. 사용 가능한 고 압축강도 물질들에 대한 예시적인 종류들이 하기에 더욱 자세하게 논의된다. SiC는 상기 램제트 엔진에서 최대 온도에 근접한 온도에 노출되지 않는다. 이를 달성하기 위한 한 가지 방법은 상기 SiC를 높은 압축 하에 놓고, 대략 그 힘이 최대 속도에서 원심력으로 발휘되어, 상기 장치가 가동하지 않는 동안 상기 PAN 탄소 섬유를 사용함으로써, 상기 장치가 최대 속도에서 가동하고 있을 때 상기 SiC는 여전히 압축 상태로 그 자리에 남아 있게 되고, 단지 상기 고정식 압축으로부터 약간 팽창될 것이다. 이러한 약간의 팽창은, 예를 들면 4 마하 속력에 대해 약 .2% 내지 .3% 범위일 수도 있다. 고안 속도에서 상기 샤프트 윗 부분의 압력은 약 10,000 psi 또는 그 이상일 수도 있다. 상기 부분이 원심력에 대항하여 상기 샤프트를 강화시킨다. 상기 PAN 탄소 섬유는 강력한 힘줄로서 작용하는 한편, 상기 알파 SiC는 강성 조립형태에서 강한 뼈대로 작용한다. PAN 탄소 섬유는 또한 주로 방사 방향을 가진 섬유 모양에 감긴 섬유를 이용하여 플렉시블 블레이드를 만들기 위해 사용될 수도 있다. 상기 섬유 모양은 상기 로터 및 상기 로터 위의 강성 벽들, 또는 상기 로터 주위로 뻗은 섬유에 묶일 수 있다. 금속 코팅 또는 주조 가능 세라믹 등의 결합 물질들이 상기 섬유를 코팅하거나 침투해서, 상기 섬유를 보호하는 것을 도울 수 있다.
감기 전에, 상기 PAN 탄소 섬유는 금속 또는 세라믹 박막으로 코팅되어 상기 연질 섬유에 대해 내마모성 코팅을 제공할 수 있다. 상기 연질 섬유는 이후 1% 또는 그 이상 신율로 늘어나는데, 이는 그들의 최대 장력의 약 반이며, 상기 SiC 부분을 압축하기 위해 그들이 감기는 동안 그 장력 하에서 유지된다. 상기 코팅은 상기 연질 탄소 섬유가 사용 중에 서로에 의해서와 경질 SiC에 의해서 마모되지 않게 한다. 상기 코팅은 금속, 또는 아마도 세라믹이며, 상기 고분자들이 상기 섬유들이 직면하는 상기 온도에서 견딜 것으로 예상되지 않는 상황들에서 작동 중에 상기 섬유를 보호할 수 있다. 첫 번째 섬유 코팅은 상기 섬유를 신장시킨 후에 적용될 수도 있다. 상기 섬유를 적용한 후에, 추가 결합 코팅 및/또는 필러 물질을 사용해서, 상기 코팅된 섬유의 상대적 움직임을 줄이거나 상기 섬유를 통한 공기 또는 가스 흐름을 차단할 수도 있다. 상기 구조적 강도의 섬유는 상기 로터에 대한 온-오프 사이클 동안에 상기 코팅 및 결합 물질의 탄성 한계 미만 수치까지 신장하고 수축한다. 내입된 방사형 흐름 채널을 갖는 방사형 원심분리 압축기에서, 상기 채널 내 상기 공기/가스는 보다 높은 주변의 마하 속도에 도달할 때 상기 채널에 대해 점점 더 느리게 이동하는데, 상기 채널이 점점 더 큰 반경이고 상기 공기 또는 가스가 더 큰 반경에서 더욱 압축되기 때문이다. 이는 채널에 내입된 상기 공기/가스가 상기 채널에 대해 낮은 아음속 방사형 흐름을 겪고 있음을 의미하고, 상기 흐름이 내부에 충격파를 생성하거나 상기 채널을 마모시키려고 하지 않을 것이라는 것을 의미한다. 상기 압축기 내 가스/공기가 잘 여과된다는 가정에서, 상기 탄소 섬유는 수천 개의 시작-종료 사이클에 걸쳐서 거의 또는 전혀 마찰 마모되지 않게 되는데, 그것이 터치하는 다른 부분들에 비해 강건하게 고정된 채로 잔존하기 때문이다. 상기 로터 및 샤프트는 무시할 만한 상대적 움직임을 가지고, 상기 압축기 및 팽창기에서 유일하게 빠르게 움직이는 부분이어서, 상기 로터와 샤프트에서의 달성 수명이 상기 장치에서의 달성 수명 쪽으로 나아갈 것이다.
상기 로터와 샤프트는 작은 부분만큼만 탄성 팽창하고 수축하는 단단한 모양을 형성한다. 상기 회전축 상에서 서서히 회전하면서, 상기 블레이드는 “블레이드 용적”이라고 불리는 공간을 없애 버린다. 상기 블레이드 용적은 상기 축 방향으로 그들의 외측 반경으로 분리된 두 부분에 내입될 수 있다. 실시예들에서, 예를 들면 복수의 로터 벽은 상기 로터로 포함될 수 있다. 특히, 예를 들면, 두 개의 알파 SiC 디스크 환형체를 포함하는 로터 벽이 상기 축 상에 중심을 가질 수 있는데, 상기 축은 회전 대칭을 이루고, PAN 탄소 섬유를 가진 블레이드와 비슷하게 강화되어 있고, 상기 로터의 일부분이다. 상기 PAN 탄소 섬유는 약 2000 ft/sec 내지 약 5400 ft/sec에 이르는 범위에서 움직이는 상기 로터의 림을 가진 상기 로터 부분을 지지하기에 충분한 강도 이상을 갖는다. 상기 두 부분은 여기에서 로터 벽으로도 참조되고, 또는 "쉘"로 불리고, 또는 상기 로터의 "상기 쉘"로서 참조될 수도 있다.
여기서, 상기 래디얼 압축기 및 팽창기는 특수한 구성 방법 및 물질을 갖는 공통 형상이다. 알파 SiC는 상기 고 압축 강도 물질용으로 사용될 수 있는 몇몇 세라믹 물질 중 하나이며, 더 나은 물질일 수도 있다. 보론 카바이드 및 다이아몬드형 물질은 SiC 대신에 사용될 수 있다. 블레이드는 상기 샤프트 주위의 일회용 부품 둘레의 탄소섬유를 늘임으로써 형성될 수 있는바, 섬유는 실리콘, 또는 주조 가능한 세라믹, 또는 기타 물질과의 고온 반응에 의해 SiC로 변환되는, 탄소와 같은, 그들 사이에 추가되는 여분의 물질을 가지며, 기밀(gas tight), 강성, 고형 및 사전-응력 처리된 로터를 생산한다. 일회용 부품은 그 후 제거된다.
전술한 래디얼 압축기에 대한 개선 내용은 다음과 같다. 상기 로터에 있어서, 상기 블레이드는 상기 쉘의 림의 쇼트를 정지시킨다. 코팅된 PAN 탄소 섬유는 상기 블레이드의 외부 에지 둘레에 원주 방향으로 감겨 상기 블레이드를 가로지르는 몇 개의 층을 형성하며, 상기 에지에 접착됨으로써, 설계 속도에서 상기 섬유가 상기 블레이드 사이에서 나란히 남아 있도록 한다. 이는 각각의 블레이드를 가로지르는 압력 차이로 인해 상기 블레이드의 에지에서 충격파 및 소용돌이를 소모하는 효율의 생성을 정지시켜, 상기 블레이드 뒤의 상기 쉘 내의 난류 흐름을 감소시킨다. 상기 블레이드 물질에 미리 응력을 가하거나 미리 압축하지 않는 가요성 블레이드 또한 사용될 수 있다.
전술한 래디얼 압축기에 대한 다른 개선 내용은 다음과 같다: 상기 블레이드는 상기 쉘의 림의 쇼트를 정지시킨다. 환형 개방 공간은 상기 블레이드 둘레에 놓인다. 회전 축선 상에 중심을 이루는 섬유 또는 다공성 세라믹 또는 금속 메쉬 또는 채널 물질의 원통형 링은 상기 환형 개방 공간의 외부에 놓이며 두 개의 반경 사이에 상기 쉘 안쪽의 환형 흐름 체적을 채움으로써, 모든 로터 흐름이 상기 다공성 물질을 통과하도록 한다. 상기 물질의 링은 방사상 흐름을 멈추지 않으며, 초기 흐름에서 일어날 수 있는 난류를 제거하지 못한다. 상기 링은 섬유 또는 다공성 세라믹 덩어리, 또는 방사상 육각 셀, 육각 채널을 갖는 금속 메쉬일 수 있다. 이는 강도를 제공하는 탄소 섬유의 권선에 의해 그의 외면 상에 둘러싸여 상기 링을 원심력에 대해 유지시키고 상기 링의 흐름 제어를 보충하며, 상기 링의 부품으로써 고려될 수 있다. 상기 링은 이를 통과하는 방사상 흐름이 거시적으로 균일하도록 하며, 원주방향 흐름 속도가 흐름이 상기 링으로부터 나오는 상기 링과 거의 일치하도록 한다. 상기 링은 그가 동일 체적 내의 많은 방사상 블레이드이더라도 상기 흐름을 가속 또는 감속함으로써, 원주 방향 힘 또한 겪도록 한다. 이는 방사상 원심 압축기 또는 팽창기에서 이미 수행되지 않았다는 것을 알려 준다. 상기 링의 외면은 그의 표면 속도에 의해 상기 압축기 및 팽창기의 원심 마하 속도를 규정한다.
하나의 실시예에 있어서, 상기 로터 뒤의 흐름을 수용하기 위해, 상기 로터 반경 뒤의 상기 압축기 하우징 또는 상기 하우징 내의 기타 물질은 선택적으로 상기 하우징 내의 출력 벤트 또는 상기 하우징 내의 기타 물질까지 거의 일 회전 동안 상기 로터로부터 가스/공기를 외측으로 나선 이동을 수용하는 방사상 흐름을 제한 또는 차단하는 나선형 벽을 포함한다. 상기 벽은 상기 가스의 천연 나선과 일치한다. 상기 나선형 벽의 축방향 폭은 반경이 증가함에 따라 일정하게 유지된다. 상기 벽 또는 상기 벽의 일부는 그의 적어도 반경에 고정되며, 각기 다른 대량 유량에 의해 유발되는 각기 다른 나선 형상과 일치하도록 재 위치될 수 있다.
동일한 구축 기술이 방사상 원심 팽창기 내에 사용 및/또는 반영될 수 있으며, 동일한 구조가 하우징 내에 사용되어 상기 팽창기의 입력부를 단열할 수 있다.
상기 하우징 안쪽의 고정 하우징 및/또는 물질은 상기 쉘의 림에 인접한 두 개의 반경 사이의 로터 쉘 외면과 정합하는 표면 및 작동 중에 상기 표면 사이에 작은 간격을 갖는 로터 밀봉 링을 포함한다. 상기 간격 바로 옆에, 상기 회전하는 블레이드 쉘의 외면은 상기 림을 향해 공기/가스를 이동시키도록 각을 이루는 선택적 홈을 가지며, 상기 로터 밀봉 링의 내면은 상기 림을 향해 공기/가스를 이동시키도록 마주보는 각진 홈을 갖는다. 고속에서, 상기 작은 간격 및 홈은 상기 로터 둘레의 역류 흐름을 상기 로터의 마하 속도에서 효과적으로 차단하는 래디얼 펌프로서 작용한다.
코팅된 탄소 섬유에 의해 덮이는 쉘과 같은 표면은 금속 코팅을 추가하고 롤링과 같은 통상의 제조 기술에 의해 외면을 매끄럽게 함으로써 매끄럽게 될 수 있다.
이하에서는 초음속 흐름을 출력하는 압축기를 설명한다. 마하 M/√2는 상기 로터의 마하 속도이며, 상기 로터 및 그 후에 상기 출력 벤트를 빠져 나가는 공기/가스는 마하 M, Ts K에서 비행의 램제트의 정체 온도를 갖는다. 예를 들면, 램제트 엔진의 속도가 마하 4이면, 램제트 엔진에 공기/가스를 공급하는 로터의 속도는 마하 4/√2 또는 마하 2.828이다. 상기 로터를 떠나는 압축된 공기/가스는 마하 M으로 날아가는 램제트 엔진에 들어가는 압축기 둘레의 동일한 대기 조건에서 공기/가스를 대체하는 충분히 높은 에너지를 갖는다. 그러나, 상기 로터 내에 도달하는 최대 온도는 T0 K 및 정체 온도 Ts K 사이의 단지 중간 정도이다. 상기 팽창기는 동일한 형태의 구조를 가질 수 있으며, 상기 압축기는 대체로 큰 크기를 가지며, 상기 팽창기 내에 도달하는 최대 온도는 Tb K, 상기 가열 챔버 내의 최대 정체 온도, 및 대개의 배기온도 사이의 대략 중간 정도이다.
터빈 방식 엔진 중에서, 본 발명의 실시예는 어떤 빠르게 이동하는 부품도 압축 온도 또는 연소 온도에 인접한 온도에 노출되지 않는 엔진에만 해당한다는 것을 주지하여야 한다. 빠르게 이동하는 부품의 매우 낮은 온도는 로터 물질이 PAN 탄소 섬유와 같은 연소 영역의 고온에서 생존할 수 없을 수도 있는 곳에 사용되도록 하기 때문에 중요한 엔진 설계 특징이다. 본 발명의 실시예는 방사상 원심 압축기 및 팽창기 엔진을 포함하며, 상기 엔진은, 상기 로터가 T0 K 및 정체 온도, Ts K 사이의 대략 중간 정도인 최대 온도에 노출되는 동안, 마하 M으로 이동하는 날아가는 램제트 엔진에 들어가는 공기 또는 가스와 동일한 정체 온도에서 압축된 공기 또는 가스를 생성할 수 있는 압축기 로터를 포함하며, 상기 로터가 Tb K 및 배기 온도 사이의 대략 중간 정도인 최대 온도에 노출되는 동안, 마하 M에서 이동하는 날아가는 램제트 엔진을 떠나는 공기 또는 가스와 동일한 정체 온도에서 압축된 공기 또는 가스를 수용할 수 있는 팽창기 로터를 포함한다.
상기 하우징 또는 상기 하우징 내의 물질 및 상기 회전 샤프트 상의 부품은 공기/가스를 펌핑하는 표면 상에 홈을 갖는 작은 갭에 의해 더 큰 반경까지 분리될 수 있다. 외부 진공 펌프는 상기 로터 외부의 하우징 내의 공기/가스의 밀도를 감소시키도록 사용될 수 있다. 튜브는 상기 로터 외부의 하우징 공간 내에 일 단부를 가질 수 있으며 높은 마하 속도 흐름 내로 공급하며 상기 튜브는 하류를 향하며, 높은 속도의 흐름 내로 튜브 내의 공기/가스를 빨아당겨, 작은 충격파만을 생성할 것이다. 상기 하우징 내에 진공을 생성하려는 의도 없이, 할로겐과 같은 저 밀도 가스가 상기 압축기의 로터 외부의 하우징의 상기 부분 내로 공급될 수 있는바, 이는 상기 램제트 엔진 내에 연소되는 연료에 추가될 것이며, 상기 로트 상의 항력을 감소시킬 것이기 때문이다. 이들 진공 및 항력 감소 절차는 작은 비율의 효율을 추가할 것이다.
상기 출력 드 라발 노즐은 그들이 만나는 상기 팽창기의 입력 벤트 속도를 갖는 배기 매치 흐름 속도들을 줄일 수 있다.
이는 고정 램제트 엔진을 공급하기에 충분한 신규한 설계 개선을 종료하며 초음속 흐름은 마하 M 비행과 동일한 내부 조건을 갖는 램제트 엔진 내에서 재현된다.
램제트 엔진에 압축기로부터 동일한 정체 온도의 아음속 흐름을 공급하기 위해, 상기 하우징 내의 환형 공간 또는 상기 하우징 내의 기타 물질은 상기 압축기 로터를 더 큰 반경까지 둘러싸며, 환형 공간은 어떤 마하 속도에 대해 축선으로부터의 로터 외측 반경의 1.8배 이상 연장하지 않을 것을 필요로 한다. 상기 압축기 환형체 내의 로터를 넘어, 상기 공기/가스의 원주방향 속도는 회전 축선으로도 불리는 공전 축선으로부터의 방사상 거리에 반비례하여 늦어진다. 이는 상기 공기/가스를 추가로 압축한다. 상기 공기/가스의 방사상 속도는 100ft/sec 정도의 낮은 아음속이며, 각각의 반경에서 환형 공간의 폭을 설정함으로써 제어될 수 있다. 공기/가스 외측의 나선 흐름이 느려지므로, 압축됨으로써, 상기 방사상 속도가 과도하게 느려질 때까지, 상기 환형 구조 내의 축 방향 간격은 반경이 더 커짐에 따라 작아질 것이다. 예를 들면, 상기 압축기 내의 가스인 공기를 사용하여, 로터 마하 속도에 관계없이, 상기 흐름이 상기 로터의 반경의 1.731배의 반경에 도달하기 전에, 상기 흐름은 소리의 구역 속도에 도달할 것이며, 이는 상기 흐름 안쪽의 소리의 실제 속도이다. 더 낮은 로터 마하 속도 흐름은 더 작은 반경에서 소리의 구역 속도에 도달한다. 소리의 구역 속도에서의 반경 넘어, 상기 유동은 계속해서 느려진다. 상기 흐름이 설계 속도까지 느려지는 경우, 상기 환형 챔버를 떠나 이전의 벤트까지 나선형으로 빠져나갈 수 있다. 아음속에서 충격파의 생성을 회피하는 설계의 어려움은 아음속에서보다 낮은 자릿수이다. 예를 들면, 상기 출력 벤트 내로의 흐름이 아음속이 되고 나면, 충격파를 생성하지 않고 거의 모든 패턴에서 상기 벤트를 가로지르는 구역을 매끄럽고 점진적으로 증가시킴으로써 더 느려질 수 있는바 초음속에서, 설계 스퀘어 드 라발 노즐과 균등하다. 상기 출력 벤트로 들어가는 유동이 부분적으로 초음속이면, 상기 하우징 안쪽에 충격파를 생성하지 않는 것이 설계상의 과제이다.
상기 압축기는 초음속 흐름을 출력하고 상기 흐름 속도가 마하인 짧아진 전방 드 라발 노즐 내로 상기 흐름을 공급한다. 상기 드 라발 노즐의 고속 부분은 제거되며, 이는 상기 드 라발 노즐의 초크 영역을 포함한다. 이는 상기 램제트 엔진에 대한 입력 부분이 초크 영역을 갖지 않게 되는 중요한 효과이다. 상기 압축기는 초크 영역을 갖지 않는바, 이는 음속에서의 흐름이 고정 구역을 통하여 영향 받지 않기 때문이다. 이는 방사상으로 퍼질 수 있다. 이는 상기 램제트 엔진의 입력 측에서 조절될 초크 영역이 없으며, 유동 조건이 고속 정밀 조절을 필요로 하지 않고 변화할 수 있음을 의미한다. 적어도 하나의 초크 영역을 제거하는 것은 램제트를 신뢰성 있게 하는 하나의 요인이다.
상기 환형 공간은 상기 흐름에 인접한 매끄러운 표면을 갖는다. 상기 표면은 단열체에 추가되어 상기 단열체 내로의 가스/공기 흐름을 차단하며, 매끄럽게 가공된다. 상기 표면은 상기 표면 내에 짧은 섬유를 심음으로써 초음속 흐름에서 성장하여 큰 경계표면을 제거하도록 처리되어 상기 섬유가 상기 흐름 방향에 대해 직각 또는 낮은 각도인 표면으로부터 드러나도록 한다. 상기 섬유는 하나 또는 그 이상의 직경에 의해 상기 표면에서 다른 섬유로부터 분리된다. 상기 섬유는 상기 마하 속도 가스/공기가 그들 위로 부는 경우 상기 표면 위에 3 또는 그 이상의 직경만큼 연장한다. 상기 섬유는 몇 마이크로미터 두께일 뿐이며, 직경에서 1/30 마이크로미터 변화 이내의 매끄러운 원통형 표면, 예를 들면, PAN 탄소 섬유로서 사용 가능하다. 경계층은 개별 섬유 상에 형성되며 상기 흐름 방향에서 상기 섬유를 따라 더 넓어지지만, 상기 섬유는 종료하며 경계층 성장은 계속된다. 상기 섬유는 두꺼운 경계층을 지지할 수 있는 표면을 제공하지 않는다.
소형 튜브는 상기 흐름 방향으로 거의 집중되는 환형 공간으로 들어갈 수 있으며, 이들은 상기 표면과 나란하게 이루어질 수 있다. 이러한 튜브는 상기 마하 속도 흐름과의 상호 작용에 의해 그로부터 빠져나오는 공기/가스를 가질 수 있다. 상기 튜브는 단열부 및 상기 하우징 내의 다른 물질을 계속 통과하며 상기 하우징 및 로터 사이로 나와서 상기 로터에 인접한 압력을 낮춘다. 이는 매우 높은 rpm에서 소모되는 상기 로터 상의 항력을 감소시킴으로써 에너지를 절감한다. 또한, 외부 진공 펌프는 로터 둘레의 상기 공간에 연결될 수 있다.
상기 램제트 엔진은 팽창기로의 초음속 흐름을 계속 출력할 수 있으며 및/또는 완전한 드 라발 노즐을 통과하는 제트로서 작용할 수 있다.
동일한 설계 원리는, 상기 로터 둘레의 환형 흐름 영역을 부가함으로써, 상기 환형체의 외부 림 안으로 아음속 흐름을 수용할 수 있으며 상기 환형체 안쪽에 초음속 흐름을 전환할 수 있는 팽창기를 형성하여, 림에서의 로터 속도를 일치시킨다. 아음속 흐름은 상기 팽창기의 설계 아음속 출력 속도와 일치하는 상기 램제트 엔진의 후방에서 상기 드 라발 노즐로부터 취해진다. 상기 단면은 유출 전에 상기 드 라발 노즐 내의 초크 영역에 도달할 것이며, 상기 노즐의 초크 영역 및 더 높은 속도 부분은 상기 램제트 엔진 출력 유동으로부터 상기 초크를 우회, 통과, 분리 및 제거된다. 상기 팽창기는 초크 영역을 갖지 않으며, 동일한 이유로, 상기 압축기도 초크 영역을 갖지 않는다. 이는 설계자가 제트로서 사용되지 않는 출력 흐름으로부터 초크영역을 제거하도록 하며, 이는 이전의 램제트 설계에서 발견되지 않는 중요 설계 개선 사항이다.
제트로서 사용되는 흐름으로부터 초크영역을 제거하는 것도 가능한바, 이는 상기 램제트 엔진으로부터 상기 팽창기 환형체 내로 아음속 흐름을 보냄으로써 수행되며, 상기 흐름을 초음속으로 변환하고 상기 환형 내부 반경으로부터 초음속 흐름을 취하며, 이를 드 라발 초크 영역 넘어 드 라발 노즐의 초음속 부분을 통해 출력한다. 이는 아음속 대 초음속 환형체가 제트로서 사용되는 드 라발 노즐의 초크 영역을 대체하도록 한다.
상기 초크영역의 제거는 고정 또는 차량 전력을 위한 기계적 출력 엔진으로서 램제트 엔진을 실행 가능하게 할 것을 필요로 하는 개량 사항이다. 쌍을 이룬 초크 영역은 변화하는 부하를 갖는 기계에서 제어하는 것이 어려운 것에서 불가능이 된 조절을 필요로 한다.
상기 램제트 엔진 연소 챔버는 하나의 출력 흐름 이상을 가질 수 있다. 이는 드 라발 노즐 출력을 유지할 수 있으며, 팽창기들에 대한 하나 또는 그 이상을 가질 수 있다. 추가의 비-초크 출력을 가짐으로써 드 라발 노즐이 그의 초크 영역에 대한 임계 조절 없이 제트로서 작동할 수 있도록 한다. 상기 노즐 초크는 제트 출력을 제한하지만, 남아있는 배기 출력은 상기 연소 챔버 내에서의 백업 없이 상기 팽창기로 간다. 엔진 내의 상기 팽창기는 상기 압축기와 동일한 샤프트 상에서 작동하도록 설계될 수 있으며 작동시 상기 압축기를 구동하며 그 샤프트를 통해 기계적으로 동력을 출력한다.
상기 팽창기로부터의 배기는 열병합 발전 가열을 위해 사용될 수 있다.
도 2는 압축기, 램제트 및 팽창기를 포함하는 엔진의 실시예에 대한 단면도이다. 참조를 용이하게 하기 위해, 도 2에 표시되는 다양한 부분이 표 2에 제공되는 용어에 의해 참조된다.
표 2: 도 2에 표시된 부분에 대한 참조

20. 연료 또는 증기 공급
21. 연료 또는 증기 공급의 압력 벽
22. 연료 또는 증기 튜브
23. 가열하는 압력 벽과 접촉하는 열 전달
24. 초기의 나선 채널
25. 연료 또는 증기 입구 라인
26. 단열
27. 나선 흐름 채널의 출구
28. 블레이드 외부 에지 상에 감겨지는 섬유
29. 블레이드 상에 감겨지는 섬유
30. 쉘 상에 감겨지는 섬유
31. 압력 용기 벽 동적 밀봉 표면
32. 동적 밀봉부의 외부 방사상 흐름
33. 동적 밀봉 디스크
34. 공기 베어링
35. 배기 공기/가스 흐름 채널
36. 구멍 사이의 샤프트 벽
37. 샤프트 내의 출구 채널
38. 배기 경로 중공 샤프트
39. 샤프트의 벽
40. 베어링 내의 샤프트
41. 공기 베어링
42. 공기 베어링으로의 압력 입구
43. 샤프트에 부착되는 동적 밀봉 디스크
44. 팽창기의 블레이드

45. 팽창기 로터로의 초음속 흐름을 갖는 환형체
46. 원주방향 흐름 채널의 천이 영역
47. 아음속 흐름 채널
48. 고속 압축 공기 출구
49. 압축기로부터의 아음속 흐름
50. 아음속 흐름으로의 천이 영역 초음속
51. 초음속 원주방향 흐름
52. 블레이드 외부 에지
53. 블레이드
54. 베어링으로의 압축 공기 흐름 튜브
55. 발전기/모터 상의 와이어 감기
56. 발전기의 강자성 판
57. 발전기 상의 탄소 섬유 권선
58. 도 2에 도시되지 않음
59. 영구 자석 상의 북극
60. 영구 자석 상의 남극
61. 공기 베어링
62. 샤프트 내의 공기 유입 채널
63. 샤프트 내의 브리지
64. 중공 샤프트 공기 입구
65. 동적 밀봉부의 디스크
66. 샤프트 공기 베어링
67. 공기 베어링
68. 팽창기 로터 쉘 벽
69. 압축기 로터 쉘 벽
70. 내부 샤프트 벽
71. 환형 노즐 입구
72. 회전 쉘 외부의 환형 배기 영역
도 2에 있어서, 회전 축선 상에 중심을 이루며 Ti 베타-CEZ 또는 고강도 티타늄으로 제조되는 라운드 티타늄 샤프트(40, 66)는 분리 벽(70) 및 중공부(38, 64)를 남겨두고 그의 축선상에서 양쪽으로부터 중심으로 구멍이 형성된다. 상기 샤프트용의 바람직한 물질은 대략 5%의 알루미늄, 2%의 크롬, 1%의 철, 4%의 몰리브덴, 2%의 주석, 82%의 티타늄, 및 4%의 지르코늄을 포함할 수 있다. 상기 물질은 비중 4.69를 갖는 220,000 psi 항복 인장 강도를 갖도록 열 처리될 수 있으며, 그에 따라 비 인장 항복 강도는 46,908이다. 방사상 구멍(35, 37, 62)은 상기 팽창기 영역 및 상기 압축기 영역 내의 샤프트 벽(40, 66)을 통해 형성된다. 상기 압축기(52, 53, 69)는 상기 샤프트 및 SiC 쉘의 측벽에 대해 탄소 섬유로 싸여지는 SiC 블레이드를 갖는 샤프트(66) 상에 형성된다. SiC 블레이드(53, 44)는 상기 샤프트에 대해 압축되어 상기 Ti 샤프트 내의 개구(35) 사이의 브리지(36) 위에 놓인다. 상기 SiC 블레이드의 측면에, 상기 블레이드의 어느 한 쪽의 쉘(68, 69)이 위치되고 탄소 섬유는 상기 쉘의 외부 상에 감겨진다. 상기 SiC 쉘의 외측에는 탄소 섬유(30)가 각각의 로터 둘레에 감겨지며 측면 사이의 림 공간 위에 놓여서 서로 마주보게 되며 상기 샤프트를 향해 뒤로 내려간다. 이렇게 감김에 따라 블레이드 및 쉘 및 다공성 외부 링의 조합이 상기 샤프트에 대해 제자리에 확실하게 고정된다. 상기 쉘 및 상기 블레이드 및 상기 샤프트를 통한 상기 구멍의 조합은 상기 압축기의 축선으로부터 방사상으로 연장하는 채널을 형성한다. 상기 압축기 블레이드 위의 상기 권선 넘어, 다공성 물질 또는 메쉬 또는 방사상 흐름 방향 채널은 상기 압축기 로터를 빠져나가는 흐름이 보다 균일하여 난류를 줄이도록 한다. 권선을 위한 공간을 남기도록 상기 압축기로부터 약간 이격되는 상기 샤프트 상에는, 상기 팽창기(44, 68)가 탄소 섬유(28, 29)로 싸여지는 더 큰 부품을 갖도록 유사하게 구성된다. 이들 블레이드는 고정되는 탄소 섬유 감김부의 인장을 통해 상기 샤프트(36) 및 구멍(37) 사이의 브리지(39, 63) 상에 압축된다. 상기 블레이드의 어느 한쪽에는 SiC 쉘(68)이 상기 샤프트 상에 방사상으로 위치되어 방사상 밀폐 채널을 형성한다. SiC 쉘의 외측에는 탄소 섬유(30)가 상기 로터 흐름 림 입구 위의 상기 쉘 둘레에 감겨서 마주보는 양측 위에 놓이며 상기 샤프트에 대해 뒤로 내려간다. 이렇게 감겨짐으로써 상기 샤프트에 대한 블레이드 및 쉘의 조립은 견고하게 되며 다공성 링을 구속한다. 상기 쉘 및 블레이드의 조합은 상기 팽창기의 축선 둘레에 방사상 채널을 형성하는바, 이는 확산기 또는 감압기로 불린다. 상기 Ti 샤프트 상에서 두 개의 동적 가스 밀봉 링 또는 디스크 환형부(33, 43, 65)는 상기 압축 하우징(31)의 두 개의 샤프트 포트에 위치된다. 이들 두 개의 동적 밀봉 링은 고속 디스크로 인해 상기 엔진이 작동하는 경우 가스를 상기 링(33) 및 하우징(31) 사이의 간격에 넣게 되어 가스를 상기 로터 및 상기 하우징 사이의 공동(32)으로부터 외측으로 내보내게 될 것이다. 이는 상기 로터 상의 항력을 감소시키게 된다. 상기 샤프트의 어느 한 단부에는 공기 베어링(34, 41, 61, 67)이 위치된다. 상기 공기 베어링을 작동하기 위한 고압 공기 흐름(42)은 초기에 압력 병 저장소 또는 공기 펌프로부터 올 수 있다. 작동 중에 상기 공기 베어링용 고압 가스 공급원은 상기 압축 가스 흐름이 아닌 압축 가스(48, 54)로부터 올 수 있다. 이들 고압 가스 라인은 상기 압력 탱크(31)의 내면을 따라 및 상기 압력 탱크 내의 단열부(26) 외측에 설치될 수 있다. 상기 압축기로부터의 단열 압축 가스(48)는 뜨거워서 이들을 중심 축선을 향해 상기 벽을 따라 가도록 함으로써 그가 상기 공기 베어링(34, 61)에 들어가기 전에 상기 고압 가스가 상기 들어가는 연료(20) 및 외부 압력 용기(21)와의 열 교환에 의해 차가워지도록 한다. 상기 공기 베어링은 상기 회전 샤프트를 축방향으로 유지하도록 원추형이다. 상기 샤프트를 따라 전자기 다이나모(55, 56, 57, 59)는 엔진을 시동시키도록 사용될 수 있는바, 이는 펄스형 전류가 상기 다이나모(56)의 전자석에 가해지는 경우이다. 상기 엔진이 가동되고 나면, 상기 다이나모는 상기 엔진으로부터 펄스형 전기 에너지를 추출하도록 사용된다. 상기 다이나모는 상기 Ti 샤프트에 대해 고강도 탄소 섬유로 싸여지는 영구자석(59, 60)으로 구성된다. 자기장 회로는 구리 코일(55)로 감겨지는 강자성 코어-판 고정자(56) 내로 들어감으로써 완성된다. 상기 샤프트가 회전되는 경우, 상기 자기장은 강도 및 극성을 변화시켜 상기 구리 코일(55) 내에 전기 펄스를 생성한다. 이러한 엔진의 유용한 버전은 분당 150,000회전의 비율로 작동하여 고주파 교류 출력을 생성한다. 이러한 고주파 교류 출력은 DC 전류로 변환되어 DC로부터 주파수 매칭 인가 또는 매칭 전기 격자로 되돌아갈 것으로 예상될 수 있다. 이들 조건의 전자 부품은 도시되지 않는다. 래디얼 압축기 및 래디얼 팽창기의 외부에는, 환형 채널(45, 46, 47, 49, 50, 51)이 형성되어 상기 압축기로부터의 외향 나선 방사상 흐름을 수용하고 상기 팽창기로의 내향 나선 방사상 흐름을 전달하도록 형성된다. 상기 압축기 로터용 출구 및 상기 감압기용 방사상 채널의 입구의 어느 한쪽에는 304 스테인리스 스틸 또는 치밀한 세라믹 물질과 같은 SiC 또는 금속으로 이루어지는 로터 밀봉 링(71)이 형성되어 환형 초음파 천이 영역으로의/부터의 입구/출구를 규정한다. 설계 rpm 중에, 상기 로터 밀봉 링은 상기 림에 인접한 상기 로터의 측면에 밀폐 간격을 유지하도록 설계된다. 상기 로터 및 환형 노즐 입구 사이의 이러한 간격은 상기 공동으로부터의 흐름에 더 큰 반경에서의 환형 흐름 공동 내로 가스를 혼입함으로써 진공 펌프를 생성한다. 상기 로터 및 주변 고정 요소 사이의 가스 공동(72)을 배기시킴으로써, 상기 로터 상의 항력이 감소된다. 상기 압축기 로터 외측의 상기 엔진의 본 실시예에 있어서, 회전 축선 둘레의 회전 체적인 환형 음파 변환기 공동은 몰리브덴 배관 또는 Cotronics M310과 같은 실리카 폼과 같은 내화 금속 또는 세라믹으로 된 벽으로 형성되며, 도 7, 8 및 9에 제안된 바와 같은 방사상 구조(이하에서 상세히 설명함), 또는 기타 구조를 초음속으로부터 아음속 흐름까지 원주방향 흐름 천이부 용으로 사용하며, 방사상 흐름의 패턴을 규정한다. 환형 공동 내에는 상기 흐름이 초음속 속도(51)에서 상기 압축기의 블레이드 둘레의 다공성 링 또는 비어있는 공간으로부터 들어와서, 음속 근처까지 느려지며(50) 그 후 더 큰 반경에서 상기 흐름은 더 아음속(49)이 된다. 상기 환형 흐름이 아음속 영역에 일단 들어가고 나면, 흐름 프로파일은 서서히 변화되어 (24) 충격파를 유도하지 않고 점차 느려질 수 있으며, 상기 흐름의 운동에너지를 고온 고압 흐름으로 변환시킨다. 예상된 압축 온도는 대략 128 기압의 압력에서 대략 1200K, 즉, 927°C, 내지 대략 279기압의 압력에서 대략 1500K 이다. 상기 환형 챔버의 외경은 상기 외벽 차단 방사상 흐름을 수축시키는 제1 지점에서 발생한다. 상기 환형 음속 천이 변환기의 외경을 넘어, 일정한 축방향 폭을 갖는 최종 회전은 석영과 같은 기밀 물질로 형성될 수 있는 상기 단열부 내의 나선 튜브에 연결되는 출구 벤트(24, 27)로 가며, 다른 벤트가 상기 환형 영역으로 하나의 나선 흐름 회전 내에서 흐름을 공급하는 상기 압축기(24)로부터 상기 팽창기(27)까지 유도한다. 상기 연소 챔버인 이러한 나선 튜브 내에서, 열은 상기 가스 스트림까지 다양한 수단에 의해 부가될 수 있지만, 대부분은 연료 라인(22)을 통해 연료를 가하여 고압 고온 공기를 연소시킴으로써 부가될 수 있다. 상기 연료 라인(23, 25)은 상기 압력 용기 벽으로부터 열을 제거하고 상기 연료를 가열 및 선택적으로 증발시키도록 사용될 수 있다. 상기 연소 챔버 내의 가스 스트림에 열을 가하는 기타 방법은: 태양열과 같은 방사 가열, 더 뜨거운 유체를 파이프를 통해 순환시킴으로써 열 교환하여 상기 공기/가스를 가열, 매우 높은 온도의 스트림과 같은 흐름 내로 주입되는 뜨거운 물질, 입자 발생기로부터의 고 에너지 입자를 갖는 상기 챔버 내의 입자 반응, 및 다른 방식이다.
도 3은 압축기의 일 실시예의 단면도로서, 상기 로터의 회전 축선에 직교하는 평면의 단면도이다. 참조를 용이하게 하기 위해, 도 3에 표시된 다양한 부분은 표 3에 제공되는 용어에 의해 참조된다.
표 3: 도 3에 표시된 부분에 대한 참조
79. 초음속 원주방향 흐름
80. 압축 용기 벽
81. 단열
82. 환형체의 에지
83. 환형체 너머의 벤트에 대한 외측 나선
84. 샤프트 ID 내의 흐름 개구
85. 압축기의 샤프트
86. 블레이드
87. 블레이드 상에 원주방향으로 감겨지는 탄소섬유
88. 출구 튜브로 천이하는 원주방향 흐름 채널
89. 압축기 로터 쉘 외측 반경
90. 블레이드 상의 방사상 감김
9 1. 공기 베어링으로의 압축가스
92. 연료 및/또는 증기 튜브
93. 샤프트 내의 구멍 사이의 브리지
94. 샤프트의 중공부
95. 느려지는 아음속 나선 흐름
96. 샤프트 벽 개구를 통한 방사상 흐름
97. 로터의 방사상 채널 내의 방사상 흐름
98. 래디얼 압축기의 회전 방향
99. 큰 반경에서의 국지성 아음속 원주방향 흐름
도 3에 있어서, 상기 축선을 따른 도면은 상기 축선과 직교하는 단면의 압축기의 블레이드(86)를 도시한다. 상기 로터(97) 내의 흐름은 상기 로터에 대해 방사상이지만, 원주방향 속도(79)는 방사상 흐름보다 훨씬 높다. 상기 하우징(80)은 단열재(81)를 수용하며, 상기 단열재 안쪽에는 상기 팽창기까지 나선 연결되는 상기 연소 챔버의 튜브(82)가 숨겨진다. 상기 환형체(88)의 에지는 단면으로만 도시된 바와 같은 나선 외향(83) 아음속 흐름(95, 99) 천이(88)를 거쳐 출구 벤트까지의 일 회전에 근접하여 놓여진다. 공기/가스 흐름은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 샤프트(85) 구멍(94)를 통해 로터로 들어간다. 이는 터널 또는 구멍(84)을 통해 상기 샤프트 벽을 통해 상기 로터 내부 내로 흘러들어가며(96) 상기 흐름은 압축 및 더 큰 흐름 구역 때문에 흘러 내려간다(97). 상기 블레이드는 상기 구멍(84) 사이의 샤프트(93) 상에 에지를 갖는다. 상기 블레이드의 외부 에지에는 직선(87)으로 도시된 원주방향 고압 권선이 있다. 방사상 권선(90) 또한 블레이드 상에 압력을 가한다. 상기 쉘은 도시되지 않았지만 그의 외측 반경(89)은 도시된다. 로터의 회전 방향(98)은 도시된다. 도시된 것은 또한 상기 공기 베어링에 압축 공기를 공급하는 튜브(91)이다. 도시된 것은 또한 상기 연소 챔버로 연료 또는 증기를 공급하는 튜브(92)이다.
도 4는 팽창기의 일 실시예의 단면도로서, 상기 로터의 회전 축선에 직교하는 평면의 단면을 도시한다. 참조를 용이하게 하기 위해, 도 4에 표시된 다양한 지점은 표 4에 제공된 용어에 의해 참조된다.
표 4: 도 4에 표시된 부분에 대한 참조
100. 압력 용기 벽
101. 단열
102. 환형체 외측의 나선 형상
103. 블레이드 상의 탄소 섬유 원주방향 감김
104. 로터 쉘 외부 반경
105. 블레이드 상의 탄소섬유 방사상 감김
106. 블레이드
107. 나선 흐름 벤트 입구
108. 샤프트 벽을 통한 흐름 채널
109. 샤프트 ID 내의 개구
110. 공기 베어링으로의 압축 공기/가스
111. 샤프트 내의 구멍 사이의 브리지
112. 중공 샤프트 구멍
113. 블레이드 사이의 채널 내의 방사상 흐름
114. 샤프트 개구를 통한 방사상 흐름
115. 초음속 원주방향 흐름
116. 아음속 원주방향 흐름
117. 블레이드 및 로터의 회전 방향
118. 환형체로 들어가는 아음속 나선 흐름
도 4에 있어서, 상기 압축기 또는 감압기가 도시된다. 이는 도 3에 도시된 압축기보다 크며 반대 방향 흐름(113)으로 작동한다. 샤프트(111) 둘레의 블레이드(106)는 상기 샤프트(112)의 구멍 내로 공기/가스 흐름을 위한 채널(108)을 통해 들어가는 방사상 권선(105)에 의해 상기 샤프트에 가압된다. 원주방향 탄소 섬유 권선(103)은 또한 상기 샤프트의 축선을 향해 상기 샤프트 상에서 블레이드를 가압하며, 충격파 및 소용돌이가 블레이드의 외부 에지에서 나타나도록 한다. 상기 블레이드는 외부 반경(104)이 블레이드 반경보다 큰 양측 상에서 로터 쉘 또는 쉘들 내에 둘러싸인다. 공기/가스는 상기 나선형 회로(102)로 들어가며 벤트를 통한 아음속 흐름(118)은 단열부(101)로부터 나온다(107). 상기 흐름 나선은 굵은 선으로 표시되며, 상기 흐름은 상기 축선 둘레의 하나의 회로 내의 환형 영역의 외부 반경 안으로 들어간다. 상기 흐름은 상기 환형체 외측에 아음속(116)으로 남아있지만, 그가 초음속(115)에 도달할 때까지 더 작은 반경을 가짐에 따라 속도가 올라간다. 상기 블레이드(117)의 회전은 상기 로터(104)의 에지에서 상기 공기/가스(115)의 원주방향 속도와 일치한다. 상기 로터 내의 흐름(113)은 상기 로터 챔버에 대해 거의 방사상이며 가장 큰 반경에서 가장 느리고 가장 작은 직경(114)에서 가장 빠르며 상기 축 공동(112)으로 들어간다. 회전 속도(117)는 반경과 비례하여, 블레이드가 초음속(115) 에서 아음속까지 또는 상기 샤프트 내에서 아음속에 가깝게 느려지도록 한다. 상기 샤프트(108) 내의 상기 외부 다공성 링(도시하지 않음)으로부터 채널까지 원주방향 속도를 제한하는 상기 로터의 모든 부분은 상기 흐름의 원주방향 속도를 느리게 함으로써 블레이드의 역할을 수행한다. 이러한 감속은 회전 방향으로 모든 블레이드형 부품 상에 힘을 가하며, 모든 힘은 상기 샤프트에 도달하는 고 인장 권선을 통해 상기 샤프트로 전송된다. 압력 용기 또는 하우징(100)은 상기 공기 베어링용 압축 공기를 운반하는 튜브(110)과 접촉한다. 상기 샤프트의 내면 상의 개구(109)는 도시된다.
도 5는 압축기 및 팽창기의 확대 단면도로서, 상기 로터의 회전 축선을 포함하는 단면을 도시하며, 동적 밀봉부를 상세히 확대 도시한다. 참조를 용이하게 하기 위해, 도 5에 표시된 다양한 부분은 표 5에 제공되는 용어에 의해 참조된다.
표 5: 도 5에 표시된 부분에 대한 참조
31. 압력 용기 벽
45. 초음속 채널 출구
122. 팽창기의 블레이드 팁
29. 블레이드 상의 방사상으로 감긴 탄소 섬유
44. 블레이드
30. 로터 쉘 상의 탄소 섬유 감김
33. 디스크 동적 밀봉(팽창기 측)
35. 샤프트 배기 흐름 내의 채널
37. 배기 흐름용 샤프트 ID 내의 개구
38. 중공 샤프트 배기
36. 채널 사이의 샤프트 내의 벽
43. 동적 밀봉부의 디스크(팽창기 측)
68. 로터 쉘
26. 단열
52. 블레이드 외부 에지
135. 로터 쉘 상의 탄소 섬유 권선
136. 블레이드 상의 방사상 탄소 섬유 권선
53. 압축기 측 상의 블레이드
138. 디스크 동적 밀봉부(압축기 측)
70. 샤프트 내의 벽
140. 압축기로 가는 샤프트 내의 개구
141. 샤프트의 축선
63. 샤프트 내의 브리지
62. 샤프트 내의 흐름 채널
144. 샤프트 벽
65. 동적 디스크 밀봉부(압축기 측)
146. 동적 밀봉부 내의 흐름 채널
147. 동적 밀봉부 내의 압력 용기 벽
149. 하우징 및 쉘 사이의 환형체(압축기 측)
150. 좁아지는 채널
51. 압축기의 초음속 흐름 환형체(압축기 측)
71. 로터 밀봉 링(환형 노즐 입구)
72. 하우징 및 쉘 사이의 환형체(팽창기 측)
도 5에 있어서, 동적 밀봉부를 갖는 상기 압축기 및 팽창기의 확대 단면도는 상기 엔진의 샤프트 축선을 따른 단면을 도시한다. 도면은 대칭이며 질량 회전 요소는 상기 엔진의 샤프트 축선(141)을 중심으로 균형을 이룬다. 상기 엔진의 샤프트는 티타늄과 같은 고강도 물질(144) 내에 형성되는 두 개의 중공 원통형 공동(38, 63)을 갖는다. 상기 압축기 블레이드(53)에 인접하게 방사상으로 이동하는 입구 공기/가스 흐름용 샤프트(144) 내의 채널(62)과, 상기 샤프트(38)의 단부를 통해 배출되는 출구 배출용 채널(35)이 상기 샤프트(144) 내에서 형성된다. 상기 개구(140) 사이에 남아있는 물질은 블레이드(53) 및 쉘(68)의 압축기 요소가 압축되는 물질의 브리지(63)를 형성한다. 입구 공동 및 출구 공동 사이의 샤프트의 중심 근처에는 상기 샤프트의 벽(70)이 형성되어 상기 입구 및 출구 흐름을 분리시킨다. 상기 샤프트의 출구측에서, 상기 중공형 공동(38)은 출구 구멍을 가지며 상기 흐름에 대해 더 큰 단면을 갖는 입구 측과 유사한 채널(35) 및 개구(37)가 있어서 상기 압축기 및 감압기의 출구로부터 더 높은 가스 흐름 체적을 수용한다. 로터 조립체(압축기 및 감압기)(122, 44, 30, 68)의 어느 한 쪽에는 동적 밀봉부(33, 43, 138, 65, 146, 147)이 있다. 이들 동적 밀봉부는 상기 샤프트(144)에 부착되는 하나 또는 그 이상의 디스크 환형체(65)로 이루어지며, 각각의 디스크 환형체(65)의 일측에 인접하는 것은 이동하지 않거나 매우 느리게 이동하는 압력 용기 벽 디스크 환형체(147)이다. 작동 중에 상기 샤프트(144)가 회전하는 경우, 가스는 양측에서 상기 디스크 환형체(65) 및 구심 가속도에 의해 혼입되고 상기 디스크(65)의 외경까지 구동되어 상기 압력 용기 벽(147)의 외측으로 빠져나간다. 펌핑 작용 및 동적 밀봉은 상기 압력 용기 벽 디스크(147)에 인접한 작은 간극(146)을 갖는 상기 디스크의 측면에 의해 달성되는바, 상기 디스크는 외부 가스가 상기 압력 용기(31)로 들어가지 않도록 하며 상기 간극(146) 내의 혼입된 가스에 대해 뒤로 흐른다. 상기 디스크(65)의 외측에 있는 동안, 상기 가스는 순환하도록 허용될 것이며 그 주위의 압력에서 유지된다. 그에 따라, 상기 동적 밀봉들은 상기 로터(68) 둘레에서 공간(149, 72)으로부터 가스를 끌어당겨 가스가 이러한 공간 내로 흘러들어 가지 않도록 하여, 상기 로터의 외부 상에서의 가스 항력을 감소시킬 것이다.
본 도면에 있어서, 상기 압축기(53, 68) 및 감압기(44, 68)의 로터는 탄소 섬유 감김 또는 권선(29, 30, 135, 136)을 구비하여 상기 쉘(68) 및 블레이드(44, 53)를 상기 샤프트(144)에 대해 및 이들 요소 상의 구심력에 대해 유지시킨다. 상기 블레이드는 상기 엔진 내의 가스 흐름의 작동 온도에서 높은 비 압축 강도를 갖는 물질로 형성된다. 추가의 가요성 블레이드는 코팅을 갖는 섬유 토우(tow)로 일차로 형성될 수 있다. 적절한 물질의 예는 알파 실리콘 카바이드, 보론 카바이드 및 산화 알루미늄 등이 있다. 예를 들면, 헥소로이 SA는 압축 강도 560,000psi 및 비중 3.1 및 그에 다른 비 압축 강도 180,645psi을 갖는 구조적 압축 물질로서 사용될 수 있다. 헥소로이 SA는 뉴욕, 나이아가라 폭포 소재의 생-고뱅 세라믹 구조 세라믹으로부터 얻어질 수 있다. 상기 블레이드 및 쉘은 상기 샤프트로부터 블레이드 체적을 세분하는 방사상 공동을 형성한다. 탄소 섬유 또는 유리 섬유와 같은 기타 고강도 섬유는 블레이드 팁(52) 둘레에 감겨 상기 샤프트 뒤로 내려가고 및/또는 상기 샤프트를 통과하며, 상기 블레이드의 베이스는 상기 샤프트 및 상기 구멍 사이의 상기 샤프트 내의 브리지(36, 63)에 대해 가압된다. 상기 탄소 섬유 권선은 상기 섬유 상에서 팽팽한 상태로 수행되며, 이들은 상기 샤프트에 감겨 고온 에폭시, 실리콘/SiC 반응, 금속 브레이징, 또는 상기 섬유 토우의 단부를 마찰 기계식 클램핑하여 상기 샤프트에 고정된다. 상기 탄소 섬유는 이들에게 높은 마모 저항성, 산화 저항성, 부식 저항성을 제공 및 브레이징 또는 화학 반응을 허용하도록 이들 상에 코팅을 가짐으로써 섬유의 표면을 서로 고정 또는 융착할 수 있다. 가능한 적절한 코팅은 B2O3, 니켈 판, SiC, SiO2, ZrC, ZrB2, Si3N4, HfB2, 및 SiC와 혼합된 HfB2가 있다. 상기 섬유 상의 외부 코팅은 그가 상기 섬유 상에 층을 형성하여 그들이 상기 엔진에 사용되는 범위를 넘어 탄성적으로 늘어날 수 있도록 한다. 상기 로터, 압축기 및 팽창기의 양측 상에는 쉘(68) 및 디스크를 둘러싸는 알파 실리콘 카바이드와 같은 높은 비 압축 강도 물질이 형성된다. 이들 쉘은 상기 블레이드 사이의 상기 공동 내에서 흐르는 가스를 머무르도록 사용되어 상기 블레이드를 상기 고정식 배기 공동(72, 149)으로부터 분리시킨다. 본 발명의 높은 로터 속도에서 상기 고정식 벽을 갖는 개방형 블레이드의 가스 전단 상호작용은 현저한 항력을 생성할 수 있다. 상기 쉘은 상기 쉘 및 샤프트 둘레에 탄소 권선을 갖는 상기 블레이드의 측면에 고정된다. 상기 쉘은 인덱싱 홈 또는 리지를 구비하여 상기 블레이드를 상기 샤프트 둘레에 균일하게 위치시킬 수 있다. 상기 블레이드(44) 팁 너머에는 다공성 또는 채널 물질(122)이 상기 블레이드 둘레의 원형 공동의 림을 커버한다. 이러한 다공성 또는 채널 물질은 난류를 흡수하고 상기 블레이드 사이의 채널을 통해 나오는 균일한 방사상 흐름을 확립한다. 상기 다공성 링은 상기 공기/가스 상에서 많은 수의 블레이드로서 작용한다. 탄소 또는 고강도 섬유는 상기 다공성 림 물질의 림 둘레에 감겨서 상기 압축기 및 감압기가 회전되는 경우 이를 높은 원심력에 대해 유지시킨다. 상기 압축기의 팁을 방사상으로 넘어, 304 스테인리스 스틸, 탄탈륨, 몰리브덴, 용융 실리카, 알루미나 및 광택 발포 실리콘 디옥사이드와 같은 고강도 내화 물질로 형성되는 로터 밀봉 링(71)은 상기 엔진 내의 상기 환형 초음속(51) 대 아음속 흐름 천이 흐름 영역으로의 입구를 규정한다. 상기 개구 또는 로터 밀봉 링 및 상기 쉘은 더 큰 반경까지 공기/가스를 펌핑하는 그들 사이에 좁은 간격(150)을 갖는다. 상기 환형 흐름 영역의 더 큰 환형 영역은 주조 가능한 세라믹 또는 용융 유리 또는 몰리브덴과 같은 금속으로 형성되는 매끄러운 표면을 가질 수 있다. 이러한 더욱 매끄러운 환형 로터 밀봉 링 뒤에 대는 것은 단열 용융 발포 실리콘 디옥사이드(26) 또는 기타 강성 단열재이다. 상기 감압기 로터의 팁의 방사상 너머에는 상기 환형 아음속 대 초음속 변환 환형 흐름 영역(45)이 규정되며 상기 압축기 둘레에 사용되는 것과 동일 또는 유사한 고강도 내화 물질이 사용된다. 상기 압축기 및 감압기 케이스 모두에 있어서, 상기 환형 디스크(43)는 상기 압력 용기 벽을 유지 및 그에 대해 밀봉을 필요로 하여 상기 하우징 외측의 대기압에 대해 상기 로터(72) 둘레의 낮은 압력의 압력차를 유지한다. 상기 로터의 림에 인접한 링(71) 및 이들 사이의 작은 간격 및 로터(68) 및 권선(30)은 상기 환형 공간(72)으로부터 상기 로터 림 주변의 압력이 24기압 또는 그 이상인 더 큰 반경까지 공기/가스를 펌핑하도록 작용한다.
도 6은 압축기 및 팽창기의 실시예의 확대 단면도로서, 로터의 회전 축선을 포함하는 단면을 도시하며 선택적 블레이드 및 채널 구조를 상세히 도시한다. 참조를 용이하게 하기 위해, 도 6에 표시된 다양한 부분은 표 6에 제공되는 용어에 의해 참조된다.
표 6: 도 6에 표시된 부분에 대한 참조
170. 샤프트 구멍
171. 샤프트 벽
172. 샤프트 동적 밀봉부 상의 디스크
173. 동적 밀봉부 내의 흐름 채널
174. 동적 밀봉부 내의 하우징 벽
175. 압력 용기
176. 압축기용 초음속 환형체
177. 단열부
178. 팽창기용 초음속 환형체
179. 팽창기용 유입 영역
180. 팽창기 로터 에지에서의 다공성 링
181. 블레이드 내 또는 상의 탄소 섬유
182. 블레이드 내의 충전 물질
183. 샤프트 상의 동적 밀봉 디스크
184. 샤프트를 통한 채널
185. 샤프트 ID 내의 개구
186. 채널 사이의 샤프트 벽
187. 중공 샤프트 내의 배기
188. 저압 환형체 외부 로터
189. 압축기로부터의 나선 외향 흐름
190. 압축기 로터로부터의 환형 흐름 영역
191. 로터 에지에서의 다공성 링
192. 탄소 섬유 및 충전재로 된 로터 쉘
193. 블레이드의 탄소 섬유
194. 블레이드의 충전재
195. 공기/가스용 중공 샤프트 내의 개구
196. 유출 흐름으로부터의 벽 분리 유입 흐름
도 6에 있어서, 압축기 로터(190, 191, 192, 193, 194) 및 팽창기 로터(179, 180, 181, 182)의 확대도는 선택적 블레이드(181, 182, 193, 194) 및 채널(184) 구조를 갖는 것으로 도시된다. 본 도면에 있어서, 코팅 및 선택적 강성 및/또는 경화 물질을 갖는 탄소 섬유로 직접 형성되는 블레이드의 선택적 구조가 도시된다. 상기 압력 용기(175)에 대한 상기 중공(170) 샤프트(171), 흐름 구멍(184, 195) 및 동적 밀봉부(172, 173, 174)의 구성요소는 도 5에 도시된 바와 마찬가지로 도시된다. 상기 압축기용 환형 초음속(176) 대 아음속 흐름 환형 공동 및 상기 감압기용 아음속 대 초음속 흐름(178) 공동은 도 5에 도시된 바와 마찬가지로 도시되며, 단열부(177), 개구(185), 중공 샤프트(187), 저압 환형체(188), 압축기 환형체(189) 내의 나선 외향 흐름, 및 상기 구멍 내의 영역 분리 벽(196)을 포함한다. 본 발명의 선택적 실시예의 블레이드는 탄소 토우를 루프 형상으로 매닮으로써 또는 브러시처럼, 또는 상기 샤프트, 그의 구멍 및 브리지 및 기타 로터 부품으로부터 사전-응력처리 및 코팅된 신장된 토우 주위에 감기는 섬유로서 형성된다. 상기 탄소 섬유는 고온 에폭시, 브레이징 또는 상기 샤프트와의 표면 상호 작용에 의해 묶음으로써 상기 샤프트에 고정된다. 상기 매달리는 섬유는 상기 샤프트 상에 감겨질 수 있다. 다른 가능한 섬유 고정 메커니즘은 상기 매달리는 섬유 위에 섬유를 기계적으로 클램프하거나, 감거나, 짜는 것이다. 탄소 섬유(181, 193)는 상기 가스 흐름 채널에 대한 원하는 블레이드, 방사상 가스 흐름 채널(183, 194) 및 측벽(192)에 있어서 바구니를 닮은 구조로 짜일 수 있다. 강화 물질은 화학 반응 또는 증착 또는 스퍼터링에 의해 실리콘 카바이드와 같은 이러한 직조 구조 내에 스며들 수 있거나, 주조 가능한 세라믹이 섬유 사이에 가해질 수 있다. 상기 방사상 가스 흐름 채널의 림에는 다공성 또는 방사상 채널 링(180, 191)이 위치되어 손가락 압력 또는 그 이상에 대해 버티는 상당 비 압축 강도 물질로 형성된다. 이러한 링을 위한 적절한 물질은 용융 실리콘 디옥사이드 폼, 탄소 섬유 네트워크, 실리콘과 반응한 탄소 섬유 네트워크로서 상기 섬유 상에 SiC 코팅을 형성하고 상기 섬유 사이에 접착부를 형성한다. 상기 탄소 섬유 권선은 공기/가스 흐름용 방사상 출구(179, 190) 가 상기 압축기 및 감압기 로터의 림의 중심에서 분배되거나 다공성 링 외면이 흐름 개구(176, 178, 189)에 인접한 부분을 제외한 모든 곳에서 밀봉될 수 있도록 배열된다. 회전 원심력에 의해 방사상으로 강성을 갖게 형성되는 압축기 블레이드 상에 들어오는 원주방향 가속 가스 흐름은 이들 개구를 통해 흐를 것이며 상기 초음속 대 아음속 천이 영역(176)의 환형 영역으로 들어갈 것이다. 상기 감압기 측에는 상기 초음속 방사상 유입 흐름이 충돌하여 상기 섬유 권선(192) 및 상기 부분적으로 밀봉된 다공성(180, 191) 또는 채널 링 물질 사이의 개구를 통해 흐를 것이다. 상기 감압기 내의 나선 방사상 흐름(178)은 상기 링에 대해서 및 상기 탄소 섬유 블레이드에 대해 감속할 것인바, 이들은 회전 원심력에 의해 유지되어 회전 에너지를 상기 감압기로 전송한다. 상기 감압기로부터의 기계적 에너지는 상기 샤프트(171, 186)를 통해 상기 압축기로 전송될 것이며 기계적 회전 에너지를 도 2 또는 도 10에 도시된 다이나모 또는 기타 적용 예로서 전송할 것이다. 상기 압축기 및 감압기 중 어느 한 쪽에 있는 것은 감겨진 탄소 섬유로 된 쉘(192)로서 이는 고온 접착 물질, SiC 또는 그들의 보호 코팅에 의해 서로 결합된다. 이러한 쉘은 상기 블레이드에 의해 형성되는 방사상 가스 흐름 채널(182, 194)로부터의 측면 흐름에 대한 기밀 배리어를 형성한다. 탄소 섬유(192)는 상기 샤프트로부터 상기 디스크의 에지 위까지 감겨 상기 디스크를 상기 샤프트에 고정하고 상기 디스크를 상기 압축기 및 감압기의 강성 블레이드까지 당긴다.
도 7은 환형 나선 챔버의 반경과 반비례하는 방사상 흐름 속도를 얻기 위한 반경을 갖는 환형 흐름 나선 챔버 간격 프로파일을 보여주는 그래프이다. 도 7에 있어서, 상기 반경에 대한 환형 흐름 공동 축선 폭은 상기 환형 공동 내의 반경에 반비례하는 방사상 흐름을 얻는 것으로 도시된다. 도표의 수평 축선은 상기 샤프트의 축선으로부터 참조되는 반경이며 상기 로터의 반경은 하나에 대해 설정되며 상기 간격은 상기 로터의 에지에서 하나에 대해 설정된다. 이러한 프로파일은 가스의 일정한 체적 열 용량에 대해 일정한 압력 열 용량의 7/5 비율 및 중간의 아음속 방사상 흐름 속도를 갖는 이상 등 엔트로피 초음속/아음속 유동을 가정하여 계산된다.
도 8은 환형 나선 챔버의 반경과 일치하는 방사상 흐름 속도를 얻기 위한 반경을 갖는 환형 흐름 나선 챔버 간격 프로파일을 보여주는 그래프이다. 도 8에 있어서, 상기 반경에 대한 환형 흐름 공동 축선 폭은 상기 환형 공동 전체를 통해 일정한 중간 아음속 방사상 흐름을 얻는 것으로 도시된다. 도표의 수평 축선은 상기 샤프트의 축선으로부터 참조되는 반경이며 상기 로터 내의 반경은 하나에 대해 설정되며 상기 간격은 상기 로터의 에지에서 하나에 대해 설정된다. 이러한 프로파일은 가스의 일정한 체적 열 용량에 대해 일정한 압력 열 용량의 7/5 비율을 갖는 이상 등 엔트로피 초음속/아음속 유동을 가정하여 계산된다.
도 9는 환형 나선 챔버의 반경과 비례하는 방사상 흐름 속도를 얻기 위한 반경을 갖는 환형 흐름 나선 챔버 간격 프로파일을 보여주는 그래프이다. 도 9에 있어서, 상기 반경에 대한 환형 흐름 공동 축선 폭은 상기 환형 공동 내의 반경에 비례하는 중간 아음속 방사상 흐름을 얻는 것으로 도시된다. 도표의 수평 축선은 상기 샤프트의 축선으로부터 참조되는 반경이며 상기 로터의 반경은 하나에 대해 설정되며 상기 간격은 상기 로터의 에지에서 하나에 대해 설정된다. 이러한 프로파일은 가스의 일정한 체적 열 용량에 대해 일정한 압력 열 용량의 7/5 비율을 갖는 이상 등 엔트로피 초음속/아음속 유동을 가정하여 계산된다.
도 10은 압축기 및 팽창기의 실시예의 확대 단면도로서, 상기 로터의 회전 축선을 포함하는 평면의 단면을 도시하며, 입력 흐름 및 중공 샤프트 출력 흐름, 작은 효율 비용에서 동력을 두 배로 할 수 있는 구조를 상세히 확대 도시한다. 참조를 용이하게 하게 위해, 도 10에 표시된 다양한 부분은 표 7에 제공되는 용어에 의해 참조된다.
표 7: 도 10에 표시된 부분에 대한 참조

250. 공기 베어링
251. 공기/가스 유입 흐름
252. 압력 용기 및 로터 사이의 간격
253. 블레이드에 도달하기 전의 공기/가스에 대한 물질 부가 회전
254. 로터 쉘
255. 로터 밀봉 링
256. 단열
257. 압력 용기 벽
258. 벤트를 향한 나선 이동 가스
259. 가스 채널에 대한 열 부가 영역
260. 팽창기에 대한 고온 가스 벤트
261. 벽 간극 물질
262. 팽창기 상의 로터 쉘
263. 샤프트 내의 구멍 사이의 벽
264. 벽 간극 및 배기 영역 및 동적 가스 밀봉부
265. 공기 베어링
266. 강자성체 코어 및 구리 코일
267. 샤프트에 대해 감긴 영구 자석
268. 샤프트
269. 샤프트 내의 중공 내의 배기 흐름
270. 배기가스 흐름
271. 샤프트 구멍을 통한 배기가스 흐름
272. 블레이드
273. 블레이드 위의 방사상 흐름
274. 환형 공동 내의 블레이드에 대한 초음속 흐름
275. 아음속으로부터 초음속 흐름으로의 천이
276. 환형체 내의 아음속흐름
277. 환형체 공동 벽
278. 압축기의 환형 공동 벽
279. 환형 공동 내의 아음속흐름
280. 아음속 대 초음속 천이
281. 초음속 흐름
282. 방사상 디스크 벽 - 쉘
283. 방사상 디스크 벽 - 쉘
284. 압축기의 블레이드
285. 블레이드에 대한 방사상 흐름
286. 배기가스 흐름
287. 흐름 채널을 갖는 다공성 링
288. 탄소 섬유 감기
289. 탄소 섬유 감기
290. 흐름 채널을 갖는 다공성 링
291. 연료원
292. 공기/가스 라인
293. 로터 밀봉 링
도 10에 있어서, 본 발명의 통상의 실시예는 상기 엔진의 축선을 포함하는 단면도로서 도시된다. 회전 축선 상에 중심을 이루며 Ti 베타-CEZ, 또는 더 높은 강도 티타늄, 또는 고 인장 강도 섬유/금속 또는 섬유/중합체 합성물로 되어 있는 라운드 티타늄 샤프트(268)은 두꺼운 벽을 떠나는 축선 상에 중심을 이루는 중공형이다. 도 2를 참조하여 언급된 샤프트 물질은 도 10의 샤프트용으로도 사용될 수 있다. 방사상 구멍(263, 271)은 압축기 영역 안이 아니고 상기 팽창기 영역(272) 내의 샤프트 벽(268, 271)을 통해 이루어진다. 구멍 또는 내부 직경으로도 불리는 중공부는 상기 샤프트를 통한 모든 길로 통한다. 상기 샤프트 외측의 압축기(284) 및 팽창기(272) 영역은 상기 샤프트와 직교하는 방사상 환형 알파 SiC 디스크(282, 283)에 의해 분리되는바, 이는 상기 팽창기 블레이드(272)의 외부 반경 너머에 도달하며 상기 디스크(262, 254, 282, 283)는 권선(288, 289)에 의해 상기 샤프트를 향해 압축되며 양측 로터의 일측을 형성한다. 상기 팽창기 로터의 대향 측면은 상기 샤프트를 출발하는 동일한 크기의 SiC 환형 디스크(262)이다. 상기 블레이드, 디스크 및 쉘은 일차로 신장된 탄소 섬유로 제조될 수 있는바, 이는 섬유를 코팅, 강화 및 경화하는 물질에 의해 침투되어 이들을 강성 형태로 만들어 기밀을 형성한다. 블레이드는 또한 상기 샤프트 및 기타 로터 부품에 묶이는 가요성 섬유일 수 있다.
상기 압축기 로터(253, 254, 283, 284, 287, 288)의 대향 측면은 상기 축선 위에 중심을 이루지만 상기 샤프트의 표면을 넘은 거리에서 시작하며 압축기 블레이드(284)의 외부 반경보다 큰 반경까지 계속되는 SiC 환형 디스크(254)이다. 상기 환형 디스크는 탄소 섬유로 개별적으로 감겨진다. 상기 SiC 블레이드(284, 272)는 상기 흐름 영역과 결합하는 디스크 사이의 공간을 가로지르며, 상기 디스크와 직교하며 상기 샤프트로부터 방사상으로 연장한다.
상기 압축기 측에, 상기 블레이드 및 하우징(257) 사이의 공간 내에서, 다공성 매트(253)는 상기 디스크 환형체 아래이며 상기 블레이드(284)에 인접하며 상기 하우징을 향해 연장하는 공간을 채운다. 이는, HexcelIM6처럼 강할 필요는 없지만, 회전시 대략 형상을 유지하는 패턴으로 유지하도록, 강한 탄소 섬유로 구성된다.
상기 하우징(257)은 상기 샤프트 둘레에 환형 개방공을 갖는바, 이는 축 방향 구멍(268)의 반경보다 적은 상기 샤프트로부터의 거리에 위치하며 공기/가스(251)가 상기 압축기로 들어가도록 한다. 상기 다공성 매트(253)는 상기 샤프트 및 로터와 함께 회전하며 공기/가스(285)가 상기 샤프트(263) 둘레의 쉘(254) 내의 더 큰 개방공을 통해 상기 블레이드 영역으로 들어가도록 한다. 공기/가스는 높은 축방향 속도에서 국부 음속까지 들어가서 상기 하우징 안쪽에서 퍼지고, 축 방향 속도 내로 느려지고, 상기 압축기 블레이드(284)에 도달하기 전에 상기 다공성 매트로부터 회전 속도를 올리는바, 이는 상기 샤프트의 표면에서도 초음속으로 이미 이동한다는 것이다. 이는 공기/가스(285)가 초음속 상대 속도 이하에서 상기 블레이드(284)와 조우하도록 함으로써 어떤 충격파도 생성되지 않도록 한다. 빠르게 이동하는 로터와 비교하여, 공기/가스 흐름(273)은 방사상이며 느리지만, 또한 충격파를 생성하지 않는다.
상기 샤프트의 양단부에서 출력은 상기 팽창기 로터(289, 290, 262, 263, 271, 272, 282)로부터 배기한다(269, 286). 상기 압축기 및 팽창기 로터는 알파 SiC로 구성되며 플랫 블레이드(284, 272)는 대략 회전 축선을 포함하는 평면에 놓여지며, 상기 블레이드의 내부 에지는 상기 샤프트 및 선택적 가요성 블레이드에 대해 가압된다. SiC 상의 모든 날카로운 코너는 0.02인치 폭 또는 더 크게 모서리가 깎인다. 셋 또는 그 이상의 팽창기 블레이드는 상기 샤프트 벽을 통해 상기 구멍(264, 271) 사이의 공간 상의 상기 샤프트 상에 놓이며, 셋 또는 그 이상의 압축기 블레이드는 유사하게 이격된다. 얇은 코팅으로 피복되고, 선택적 니켈 전기도금인, PAN 탄소 섬유(289)의 둘러싸기, 토우 당 12,000 섬유에서의 Hexel IM6, 또는 토우 당 12,000 섬유에서의 Toho Tenax IMS60은, 상기 섬유가 1% 변형 또는 최대의 인장 스트레스의 대략 절반에서 인장 상태에 있는다 하더라도, 동일한 1% 인장 또는 더 큰 인장 하에서 상기 블레이드를 상기 샤프트에 대해 압축하는 상기 블레이드 둘레에 감겨진다. 모든 단단한 부품 에지에서 상기 섬유 접촉부는 적어도 0.05인치 반경 또는 그 이상까지 반경을 형성하는 에지를 갖는다. 상기 권선은 상기 블레이드를 상기 샤프트에 대해 대략 200,000psi까지 압축한다. 몇몇 권선은 상기 블레이드에 인접하지 않은 구멍을 사용하며 상기 샤프트 둘레에서 감겨 상기 블레이드가 측면 힘에 저항하도록 하여 상기 블레이드를 뒤집도록 한다. 상기 블레이드 외부 에지 둘레의 권선은 블레이드 당 200,000psi 방사상 힘을 제공하며 상기 샤프트를 포함하는 권선은 블레이드 당 대략 20,000psi 방사상 힘을 제공한다. 이들은 구조적 블레이드의 권선이다. 상기 권선은 니켈 전기 도금에 의해 더 얇게 선택적으로 코팅될 수 있다. 권선 없이 고 압축 강도 물질로 이루어지는 가요성 블레이드가 사용될 수 있다. 상기 고 인장 강도 토우의 예는 Hexcel IM6 12000 섬유 토우, 최대 인장 강도 827,000psi, 비중 1.76, 또는 Hexcel IM9 12000 섬유 토우, 최대 인장 강도 887,000psi, 비중 1.8, 또는 Toho Tenax IMS60, 최대 인장 강도 885,000psi, 비중 1.79, 또는 Amoco T1000, 최대 인장 강도 1,002,000psi, 또는 Amoco T40을 포함한다. Hexcel 물질은 유타 주 웨스트밸리 소재의 Hexcel Corporation의 Salt Lake City Fiber Plant에서 구할 수 있다. Toho 물질은 Toho Tenax America, Inc. 로부터 얻을 수 있는바, 이는 캘리포니아 주 어빈, 조지아 주 브라셀톤 및 노스 캐롤라이나 주 무어스빌에 영업소를 갖고 있다. Amoco 물질은 오하이오 주 Parma Technical Center로부터 Amoco Performance Products, Inc. 로부터 얻을 수 있다.
작은 흐름 채널 또는 팽창된 허니컴을 제공할 수 있는 섬유 매트로 된 링(287, 290), 금속 메쉬 또는 발포 융착 Si와 같은 다공성 세라믹, 실리카 에어로겔, 탄소 섬유 또는 금속 메쉬는 상기 블레이드(284, 272) 둘레의 상기 샤프트에 대해 동심 관계이며 상기 블레이드로부터 대략 0.005 내지 0.1인치 위치에 놓이며 개방 환형부는 상기 링 안쪽의 상기 블레이드 둘레에 있게 된다. 상기 링은 현저한 압축 강도, 손가락 압력 또는 그 이상을 가지며, 그의 두께는 최고 속도에서 회전하는 경우 취급할 수 있는 것 이상의 압축력을 생성하지 않는다. 상기 링의 외면 상의 최고 속도는 대략 3157ft/sec이다. 탄소 섬유(289)는 상기 링의 회전 원심력과 동일한 압력으로 상기 링을 원주 방향으로 둘러싼다. 상기 링은 상기 로터가 회전하는 경우 그의 작동 반경을 점유할 것이다. 상기 링(287, 290)은 도시하지 않은 샤프트에 대해 그를 고정시키는 PAN 탄소 섬유를 가지며, 그를 통과하는 공기/가스로부터 현저한 원주방향 힘을 받을 것이다. 상기 링은 공기/가스(273)가 대략 100ft/sec에서 방사상으로 그를 통과하도록 한다. 상기 원주방향 흐름은 그가 상기 링을 통과함에 따라 상기 링 속도에 거의 도달한다. 상기 링은 작은 흐름 채널 또는 팽창된 허니컴을 갖는 다공성 세라믹 또는 섬유 매트 또는 금속 메쉬를 포함하며, 상기 로터의 가장 큰 반경에 인접한 반경 넘어 상기 로터 내의 방사상 흐름 경로를 점유하며, 상기 로터와 함께 회전함으로써, 압축되는 모든 가스 또는 공기가 상기 링을 통해 나오며 상기 링 내의 공기 또는 가스 난류 및 원주방향 압력 구배를 잃게 되며, 상기 로터로부터 거의 균일한 초음파 원주 방향 속도 및 거의 균일한 아음속 방사상 속도를 드러낸다. 상기 링은 상기 로터용 최종 블레이드로서 작용하며 초음속 원주방향 속도인 상기 로터의 마하 속도를 규정하는바, 이는 들어오는 공기/가스(281) 및 나가는 공기/가스(274)의 원주방향 속도를 일치시켜야 한다. 상기 속도(274)와의 작은 속도 불일치가 허용되며 상기 링은 모멘텀을 흡수하여, 상기 공기/가스의 온도를 올리거나 내릴 것이다.
비-구조 블레이드는 구조 블레이드를 가로지르는 압력 강하를 감소하도록 부가된다. 비-구조 블레이드는 30도 또는 A라디안 이하의 작은 각도에서 가로지를 인접한 방사상 섬유의 얇게 결합한 시트일 수 있으며, 고르게 균일한 양의 축 방향 섬유는 그와 결합된다. 이들 블레이드는 상기 샤프트에 고정되는 PAN 탄소 섬유의 로프로부터 상기 샤프트 근처에서 출발하며 상기 구조 블레이드 둘레의 고 인장 권선에 도달할 수 있으며, 및/또는 모든 블레이드 둘레의 고 인장 권선에서 상기 구조 블레이드 둘레의 환형체에 도달한다.
상기 하우징(257)은 상기 샤프트 축선을 따른 회전 축선을 갖는 얇은 벽의 주석 캔과 같은 형상을 가지며, 구멍은 상기 샤프트를 양측으로 통과시킨다. 소형 디스크(264)는 상기 샤프트로부터 연장하며 상기 하우징으로부터 공기/가스를 제거하는 래디얼 펌프로서 작용하는 상기 하우징 외면에 인접한 상기 샤프트와 함께 회전하며, 모든 경우에 상기 팽창기 측 상에서 및 진공이 상기 압축기 로터 외측에서 생성되는 경우 압축기 측 상에서 있게 된다. 로터 밀봉 링(255, 293)은 그들 사이에 작은 간격을 가지며 더 높은 반경까지 공기/가스를 펌핑하는 회전 환형체(254, 262)는 상기 환형체(279, 276)으로부터의 역류를 차단한다. 상기 작은 간격에 인접한 표면은 펌핑을 증대시키는 홈을 가질 수 있다. 수소와 같은 저밀도 가스는 로터 밀봉 링(255, 293)의 내부 반경에 가깝게 도입되어 상기 간격 내의 항력을 감소시킬 수 있다. 수소는 엔진이 연료를 연소하는 경우 낭비되지 않고, 연소할 것이다.
상기 압축기 측 및 아음속(276) 상의 초음속(281) 대 아음속(279) 천이(280) 및 상기 팽창기 상의 아음속(276) 대 초음속(274) 천이(275)를 제공하는 상기 로터 둘레의 두 개의 환형체(276, 279)는 상기 로터에 매우 가까운 곳으로부터 아음속 흐름을 갖는 더 큰 반경까지 연장한다. 이들은 그의 최대 내부 반경으로부터 작동 중의 로터의 외부 반경까지 상기 하우징을 채우는 단열부 내로 깎여 들어간다. 상기 단열재 및 상기 단열재 상의 코팅은 상기 환형체(277, 278) 내의 압력을 수용할 수 있다. 상기 로터의 에지에서의 상기 링의 외면은 상기 환형체 내로의 개방공에 인접한 스트립을 제외하고 밀봉된다.
외부 반경에서의 각각의 환형체는 상기 단열재 내의 벤트(258, 260)으로부터 나선형으로 나오는 벽에 인접하게 도달한다. 상기 팽창기 측 상의 환형체는 상기 압축기 측 상의 환형체보다 크다. 상기 압축기 환형체로부터의 출구는 유출 흐름 벤트로의 거의 하나의 나선 회전 형태를 갖는바, 이는 초기에는 사각형이고 라운트 튜브(259)로 변환하도록 짧은 거리에 위치하며, 하우징 안쪽의 단열재 안쪽에서 나선을 형성하며 상기 팽창기 환형체로의 입구의 평면을 향해 점차로 이동하는바, 이는 안쪽으로 나선을 이루고 상기 입구와 일치하는 형상을 변경하여, 거의 직사각형이 된다.
상기 튜브(259)는 램제트 엔진 연소 챔버이며 상기 환형체는 상기 램제트 엔진의 드 라발 음속 변환기를 교체하여, 두 개의 로터 사이의 거의 모든 흐름 체적이 초크 없는 구역 램제트 엔진 내에 놓이도록 한다. 상기 튜브(259) 내의 흐름은 제자리에서 초음파에 접근할 수 있으며, 상기 튜브의 길이는 상기 축선 둘레에 충분한 루프를 포함하여 연료가 완전히 연소되고 열이 교환되기에 충분한 시간을 보장한다. 길고 얇은 연소 챔버는 다른 엔진에서는 발견되지 않는 것이 특징이다. 상기 단열부(256)를 통하는 다른 튜브는 연료(291)를 연소 챔버/튜브로 전달하며 그들의 출구에서 주입 노즐을 갖는다. 공기 베어링으로의 공기/가스 라인(292)은 상기 연료 라인을 반대 흐름과 평행하게 하며 유입 연료를 가열할 수 있다.
상기 환형체는 도시된 (도 7, 도8 및 도9) 형태 중 하나를 가지며, 단열재(256), 발포 용융 실리카 또는 기타 단열재, 예를 들면, 기밀 주조 가능한 조밀 버전의 동일한 물질(277, 278)로 안쪽에 피복되어 더 보강되는, Cotrinics M310에 의해 둘러싸인다. 상기 실리카(256)는 우수한 단열 및 매우 높은 열 충격 저항 더하기 낮은 계수의 열 팽창을 갖는 물질이다. Cotronics M310은 양호한 압축 강도를 갖지만, 보강 물질은 5배 높은 압축 강도를 갖는다. 상기 보강재는 상기 환형체의 표면 및 환형체 사이의 튜브를 커버하며 구조적 강도를 위해 환형체의 일차 단열재 내로의 얇은 배수 절개부를 채운다. 더 조밀한 버전은 주조 가능하여 상기 단열재 내에 보강 구조 T-빔을 주조하도록 사용된다.
상기 주조 물질은 그에 부가되는 탄소 섬유를 가짐으로써 짧은 피혁 펠트로서 작용하며 상기 흐름 내로 내려가서 상기 흐름 내에 두꺼운 경계층을 성장시키는 것을 방해한다. PAN 탄소 섬유는 4-6 마이크로미터의 두께이며 대략 1/30 마이크로미터 또는 그 이하인 원형으로 매끄럽게 되는 매끄러운 표면을 갖는다. 상기 전체 피혁 커버는 상기 섬유가 상기 흐름에 의해 아래로 구부러지는 경우 1/1000인치 두께 정도일 수 있다. 상기 피혁은 상기 흐름이 최고 속도일 때 유용하며 상기 환형체의 더 차가운 부분일 수도 있다. 1000°C 이상의 온도를 갖는 표면의 영역은 상기 온도를 벗어날 수 있는 석영 섬유와 같은 다른 섬유로 공급되어야 한다.
상기 샤프트는 상기 하우징 외측 및 상기 하우징 상에 장착되는 New Age Bearings와 같은 패드 형상 공기 베어링(250, 265)에 의해 유지되며, 이는 외부 압축기에 의해 구동된다. 이들은 상기 샤프트가 회전하기 시작한 후 개시되는 것이 바람직하다. 압력은 상기 연소 챔버로부터의 작은 튜브에 의해 작동 중에 상기 램제트 엔진으로부터 공급될 수 있으며, 상기 압력 및 온도가 높더라도, 그의 흐름은 초크에 의해 제한될 수 있으며, 있다면, 상기 연료를 가열함으로써 냉각될 수 있다. 고주파 발전기(266, 267)와 같은 부하는 상기 회전하는 샤프트 상에 놓여질 수 있다. 외부 진공 펌프는 상기 팽창기 측 상의 상기 하우징으로부터 공기(264)를 제거하기 시작할 수 있다.
상기 엔진을 시동하기 위해, 상기 샤프트의 단부 및 상기 하우징을 통한 입력 벤트(252)를 차단하여 상기 로터가 시동 속도를 가속하는 동안 공기 또는 가스가 계속 순환하도록 하는 것이 특정 분야에서는 유용할 수 있으며, 이는 연소를 지지할 속도이며, 압력이 상기 팽창기 배기(270, 271) 상에 나타날 때까지 상기 샤프트의 압축기 측에서만 느리게 개방하여, 연소를 시작하고 상기 입력 벤트를 느리게 개방한다. 상기 엔진 내의 온도는 상기 공기/가스 유량과 거의 독립적이다.
도 11은, 로터의 회전축을 포함하는 면의 단면에서 경계층 성장을 최소화할 수 있는 표면 섬유를 도시하는, 환형 나선형 챔버의 일 실시예의 확대 단면도이다. 참조하기 쉽도록, 도 11 내의 다양한 부분들은 표 8에 제공된 용어들에 의해 참조된다.
표 8: 도 11에 표시된 부분들에 대한 참조
300. 압축기 환형 흐름 채널의 벽으로부터 돌출되는 섬유
301. 단열체
302. 감압기 환형 흐름 채널의 벽으로부터 돌출되는 섬유
303. 감압기의 환형 흐름 채널의 초음속 흐름 영역
304. 감압기의 다공성 링
305. 압축기의 다공성 링
306. 압축기의 블레이드
307. 압축기 주위의 환형 채널의 초음속 흐름 영역
308. 압축기 주위의 환형 흐름 채널의 아음속 흐름 영역
도 11은 경계층 성장을 최소화하도록 표면 섬유들을 도시하는 환형 흐름 채널들의 확대 단면도이다. 상기 압축기(305)와 감압기(304) 주위의 환형 흐름 채널들(303, 307, 308)의 벽으로 돌출되는 섬유들(300, 302)은 경계층 최소화기로서 기능하도록 배치된다. 상기 섬유들(300, 302)은 0.030 마이크로미터 미만의 매끄러운 표면 거칠기를 갖는다. 상기 섬유들은 약 4 내지 6 마이크로미터의 직경을 갖고 상기 흐름 채널의 벽의 표면으로부터 자신들의 직경의 6배보다 많이 돌출된다. 상기 섬유들은 하나 이상의 직경에 의해 표면에서 다른 섬유들로부터 분리된다. 흐름이 발생하면, 섬유들은 휘어져 세 개보다 적은 직경으로 초음속 흐름(307, 303) 내로 돌출되어 아음속 흐름(308) 내로 돌출된다. 상기 섬유들은 PAN 탄소 섬유로 형성되어 벽 물질(301) 내에 매립될 수 있다. 동작시, 흐름은 각 개별적 섬유 상에 흐름 방향으로 상기 섬유의 길이를 따라 직경이 증가되는 경계 층을 생성하게 된다. 경계 층이 커질수록, 섬유가 표면을 향하여 더 많이 휘어지고 섬유가 종단되는 곳에서 경계 층이 종단된다. 동 확대도에는 상기 감압기와 압축기의 다공성 링들(304, 305) 및 압축기(306)의 블레이드도 도시되어 있다. 이들은 얽힌 탄소 섬유들 또는 다공성 매트릭스 물질들로 형성될 수 있다.
샤프트가 연성 금속의 최고의 비인장 항복 강도를 갖는다는 점을 제외하고는 상기 샤프트에 대하여 많이 언급하지 않았다. 결국, 상기 샤프트는 강화 없이 금속으로 제조될 수 있는 대략 가장 큰 것이다. 상기 샤프트 중공 반경은 설계의 전력 한계 인자들 중 하나를 제공한다. 샤프트가 크다면, 상기 내면은 마하 1을 초과하여 이동할 것이다. 상기 압축기 내로의 공기/가스 흐름이 상기 샤프트를 통과하는 경우, 상기 샤프트에서 유입을 유출로부터 분리하는 벽이 있으며, 얇은 벽들이 상기 샤프트에 배치되어 공기/가스를 상기 샤프트의 회전 속도까지 끌어올린다. 얇은 고정식 벽은 상기 샤프트의 유출부 내에 배치되어 상기 샤프트에 의한 배기부의 회전을 정지시킨다.
그러나, 고 강도 탄소 섬유 권선에 의해 강화된다면 보다 큰 샤프트를 고려할 수 있다. 이를 행하기 위한 한 가지 방식은, SiC와 같은 물질의 고 압축 강도 실린더 물질로 절단된 채널들을 얕은 깊이에 대한 축에 평행한 표면 라인에 대하여 45도로 상기 외면 상에 배치하여, 정사각형 다이아몬드 외면들을 그대로 두는 것이다. 상기 샤프트 벽을 관통하는 구멍들은 상기 정사각형 다이아몬드 형상 내에서 그리고 상기 샤프트 벽을 통해 절단된다. 코팅된 탄소 섬유는 1% 이상으로 길게 신장되고, 상기 채널들 내로 권취되며, 상기 샤프트의 일단 밖으로 나오게 되어 다른 채널을 통해 회수되도록 고리형으로 감겨 상기 샤프트의 타단 밖으로 나오게 되며, 모든 채널들이 채워질 때까지 권선이 반복된다. 45도로 권취함으로써 상기 샤프트의 필요로 하는 토크 용량을 제공하게 된다. 더욱 중요하게는, 이러한 권취는 고속 회전을 위해 필요한 후프 강도를 제공한다. 또한, 이러한 권취는 상기 샤프트의 총 확장을 더욱 작게 한다.
이하에서 본 발명의 추가 특정 실시예들을 개략적으로 설명한다. 본 명세서에서 설명하는 특징들은 구체적 응용 및/또는 필요로 하는 결과에 따라 선택 사항일 수 있다. 예를 들어, 실시예들은, 동작 동안 공기 또는 가스를 로터의 각속도 및 약 2000 ft/sec 내지 약 5400 ft/sec의 표면 속도로 가속 또는 감속시킬 수 있는 초음속 로터를 포함할 수 있고, 이러한 초음속 로터는, 공전 축 상에 집중된 높은 비인장 항복 강도 재료를 포함하는 샤프트와, 상기 샤프트 위 또는 둘레에 필요한 구성으로 선택 사항으로는 블레이드의 형태로 배치된 높은 특정 압축 강도를 갖는 구조적 압축 물질과, 상기 샤프트의 회전 동안 필요로 하는 구성으로 그 압축 물질을 보다 작게 유지하기 위한 높은 비인장 강도 섬유 토우를 포함할 수 있다.
동작 동안 상기 샤프트와 로터의 회전 전에, 상기 압축 물질은 상기 축을 향하는 힘에 의한 최대 인장 강도의 약 1/2인 고 장력 하에서 상기 압축 물질 둘레의 루프들의 상기 토우의 권선 및 상당한 이동 없이 부분들에 대하여 원주 방향으로 향하는 평방 인치당 수십 파운드의 힘을 흡수할 수 있고 그 부분들의 상대 운동에 저항할 수 있는 일부 권선과 함께 미리 압축될 수 있고, 여기서 마하 속도로 회전하는 경우, 상기 축을 향하는 부분 상의 힘은 동작 동안 그 부분에 의해 발생되는 최대 원심력에 가깝게 되고, 상기 압축 물질은 회전이 압축을 저감시키기 때문에 탄성적으로 확장됨으로 인해 미리 압축된 구성으로 유지되어, 상기 섬유 토우를 확장시켜 최대 원심력보다 많은 힘을 상기 압축 물질에 가하여, 상기 압축 물질을 제 위치에 단단히 유지하게 된다.
선택 사항으로, 실시예들은, 상기 섬유에 바른 결합 물질이나 세라믹 또는 금속을 선택 사항으로 이용하여, 고 장력 하에서 권선 없이 압축 강도 물질로 강화된 섬유 토우를 포함하는 덜 강성이며 더욱 유연성있는 추가 부분들, 및 동작 동안 로터 표면의 변화 없이 크기를 변경할 수 있는 부분들을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 장치들은 로터를 구비할 수 있고, 여기서, 상기 높은 비인장 강도 섬유 토우는 나노튜브 합성 섬유, 탄소 섬유, 유리 섬유, 금속 및 세라믹 섬유, 세라믹 섬유 및 고분자 섬유 중 적어도 하나를 포함하고, 그리고/또는 상기 구조적 압축 물질은 알파 실리콘 탄화물, 보론 탄화물, 세라믹, 다이아몬드형 물질, 금속 및 고분자 중 적어도 하나를 포함하고, 그리고/또는 상기 샤프트를 위한 상기 높은 비인장 항복 강도 물질은 다이아몬드형 물질들로 코팅된 탄소 섬유로 권취된 알파 실리콘 탄화물, 상기 샤프트 축 상에서 트위스트됨으로써 기능하는 강철, 최대 인장 항복 강도를 위해 열 처리된 티타늄, 금속이나 세라믹이나 고분자 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함한다.
또한, 본 발명의 범위 내에 있는 것은 본 발명에 따른 초음속 로터, 하우징, 및 나선형 챔버를 포함하는 단일 단의 거의 단열적 방사상 원심 압축기이며, 여기서, 상기 샤프트의 회전 동안 상기 샤프트에 부착되며 빠르게 이동할 수 있는 부분들은 상기 높은 비인장 강도 섬유 토우로 형성되거나 이러한 토우에 의해 유지되며, 그리고/또는 상기 샤프트는 상기 회전축 상에 집중되며 선택 사항으로는 상기 로터의 거의 중심 근처에 고체 부분을 가질 수 있는 축 중공 또는 보어를 포함하고, 상기 샤프트 벽들을 통해 상기 샤프트 위에 또는 상기 샤프트 위 둘레에 베이스를 갖는 축을 포함하는 면들에 대략 놓인 선택 사항으로 구조적이며 선택 사항으로 유연성있는 블레이드들의 블레이드 체적 내부로 이어지는 로터 방사형 벤트를 포함하고, 여기서 상기 블레이드들은 상기 블레이드 체적을 쓸어낼 수 있고 선택 사항으로는 구조적 압축 물질 및 높은 비인장 강도 토우를 포함하고, 상기 블레이드 체적은 선택 사항으로 상기 샤프트로부터 외측으로 연장되며 대략 외측 상기 블레이드 에지 반경의 외측 쉘 반경으로 연장되는 상기 블레이드 에지들 근처의 블레이드 체적의 대향측들에 배치된 두 개의 쉘에 의해 형성된 로터 벽들에 의해 더 정의되고, 이때 공기 또는 가스 흐름은 상기 블레이드들 사이 및 쉘들 사이의 블레이드 체적을 통해 거의 방사상으로 전달될 수 있으며, 상기 샤프트와 상기 로터의 적어도 일부를 위한 상기 하우징은 로터의 적어도 일부를 둘러싸며 상기 샤프트에 가까운 내경을 갖는 환형체를 구비하는 열적 절연체를 포함하고, 여기서 상기 환형체는 축에 대하여 회전 대칭되며 상기 블레이드 체적으로부터 공기나 가스 흐름을 수용할 수 있고, 상기 나선형 챔버는 환형체의 외경에서 시작되며, 방사상 흐름을 차단할 수 있는 외향 나선형 벽 및 나선형 챔버 내에 공기나 가스를 속박할 수 있는 대향면들을 포함하고, 초음속 속도에서의 로터의 동작 동안, 환형체로부터의 외향 나선형 공기나 가스 흐름을 수용할 수 있고 그 흐름을 벤트에 전달할 수 있으며, 실온 공기로부터 약 10:1 내지 최대 90:1 이상의 압축률을 생성할 수 있고, 선택 사항으로는 흐름 및 회전이 역으로 될 때 팽창기로서 동작할 수 있다.
또한, 본 발명의 범위 내에 있는 것은 상기 초음속 로터의 동작 동안 아음속 흐름 출력을 국부적으로 생성할 수 있는 압축기이며, 여기서 상기 나선형 챔버의 대향면들은 동작 동안 축으로부터의 반경에 반비례하는 매끄러운 원주 방향 흐름을 생성하도록 선택 사항으로는 도 7, 도 8, 또는 도 9에 도시한 형상들을 포함하며, 상기 나선형 챔버는 상기 로터 외경 근처의 제1 반경 및 동작 동안 제1 반경에서 초음속 유속이 존재하고 제2 반경에서 필요로 하는 국부적인 아음속 속도에 도달하도록 선택되는 제2 반경 사이에서 연장되고, 상기 나선형 챔버는 초크 영역을 갖지 않으며 동작 동안 소리의 국부적 속도에 도달하는 흐름의 방사상 제한도 없으며, 동작 동안, 나선형 챔버를 벗어나, 상기 흐름은 상기 나선형 챔버의 나선형 외벽과 일치하는 자연스러운 상기 나선형 흐름 형상을 포함하고, 아음속 속도로 계속해서 벤트로 이어지며, 선택 사항으로는 흐름과 회전이 역으로 될 때 아음속 흐름을 국부적으로 입력하며 초크 영역을 갖지 않는 팽창기로서 기능할 수 있는 하우징으로부터의 벤트로 이어진다.
본 발명에 따른 압축기 실시예들은, 상기 흐름의 자연스러운 나선 형상과 일치하도록 상기 나선형 벽으로부터 멀어지며 이동될 수 있는 상기 나선형 챔버의 나선형 벽 내에 조절가능 스트립 또는 벨트를 포함하는 질량 흐름률을 변경하기 위한 수단을 포함할 수 있으며, 서로 다른 질량 흐름률들을 최대값 미만으로 조절한다.
본 발명에 따른 압축기 실시예들은 팽창기 효율을 증가시켜 두 개의 로터 쉘 각각이 상기 샤프트에 도달하고 공기나 가스 흐름을 포함할 수 있으며 상기 중공 샤프트를 통해 상기 흐름을 배기하여 모든 공기나 가스가 유사한 기능을 행하게 하기 위한 수단을 포함할 수 있고, 여기서 팽창기 효율은 일부 공기나 가스가 다른 공기나 가스보다 높은 온도와 보다 큰 반경으로 배기되게 할 수 있는 쉘을 통해 상기 샤프트 둘레의 환형 개구부를 통해 배기되는 공기 또는 가스와 비교되어, 효율의 일부 손실을 보장한다.
또한, 본 발명의 범위 내에 속하는 것은 램제트 엔진의 실시예들로서, 최고온 엔진 온도로부터 가장 빠른 부분들을 분리하며 선택 사항으로는 초크 영역 없는 정치식 또는 아음속 또는 초음속 램제트 엔진을 포함하고, 상기 램제트 엔진은, 특정한 공기나 가스 분위기에서 마하 M 속도로 공기 또는 기타 가스에서 초음속 비행이 가능한, 입력 드 라발 노즐, 연소 챔버, 및 배기 드 라발 노즐을 포함하고, 여기서 M은 7400 ft/s 미만이고, 여기서 설명하는 임의의 방사형 압축기는 마하 M/√2의 원주 방향 속도로 공기 또는 가스를 출력할 수 있고 상기 램제트 엔진보다 큰 질량 흐름률을 생성하는 크기를 갖고 국부적으로 아음속 벤트 출력 속도 S1을 갖는 로터를 포함하고, 아음속 흐름 속도가 대략 S1인 노즐의 단면에서 시작되며 연소 챔버 내로 계속되는 상기 입력 드 라발 노즐의 일부는 압축기 출력을 수용하여 상기 램제트 엔진에 전달할 수 있으며, 초크 영역을 포함하여 보다 높은 속도의 흐름이 가능한 상기 입력 드 라발 노즐의 일부가 제거되고, 동작 동안, 압축기에 유입되는 공기 또는 가스는 입력 흐름 영역을 차단함으로써 상기 램제트 엔진의 질량 흐름률로 감소되고, 압축기 나선형 유출 영역의 조절가능 스트립이나 벨트를 변경된 질량 흐름률로 조절하며, 선택 사항으로는 본 명세서에서 설명한 바와 같이 샤프트와 배기부의 기계적 운동을 생성하도록 보다 큰 흐름 체적 용량으로 연소 챔버로부터 출력되는 공기 또는 가스의 에너지 레벨로 공기 또는 가스를 위한 국부적으로 아음속 설계 입력 속도 S2를 갖고 적절한 크기의 임의의 팽창기를 포함하고, 선택 사항으로, 연소 챔버에서 시작되며 국부적 아음속 유속이 대략 S2인 노즐의 단면에서 종단되는 배기 드 라발 노즐의 일부는 상기 램제트 엔진으로부터의 배기를 팽창기에 전달할 수 있고, 선택 사항으로, 보다 빠른 흐름이 가능한 배기 드 라발 노즐의 일부는 초크 영역을 포함하여 제거되거나 누락되고, 선택 사항으로, 팽창기의 나선형 챔버의 조절가능 스트립이나 벨트를 변경된 질량 흐름률로 조절하고, 압축기 로터 및 샤프트의 최대 온도는 대기 온도와 연소 챔버의 압축 정체 온도의 대략 평균이고, 선택 사항인 팽창기 로터와 샤프트의 최대 온도는 대기의 배기 온도와 연소 챔버의 후 가열 정체 온도의 대략 평균이어서, 바람직한 일 실시예에서, 압축기 로터를 약 450℃ 미만의 정체 압축 온도로 되게 하고 선택 사항인 팽창기 로터를 약 675℃ 미만의 정체 연소 온도로 되게 하며, 엔진의 빠르게 이동하는 부분들을 엔진의 최고온 영역들로부터 멀어지도록 분리하며, 압축기, 상기 램제트 엔진의 나머지 및 선택 사항인 팽창기의 각각은 함께 고착되어 하나의 하우징이 형성되게 하는 하우징을 구비하고, 또는 이러한 하우징들은 공통 프레임에 부착될 수 있으며, 정적 또는 아음속이나 초음속일 수 있으며, 팽창기를 이용하지 않고 입력 드 라발 노즐 초크 영역이나 기타 입력 초크 영역을 갖지 않고 완전 배기 드 라발 노즐에 의해 초음속 제트를 출력할 수 있고, 선택 사항으로, 무시해도 될 정도의 순 추진력으로 그리고 어떠한 초크 영역 없이 팽창기 샤프트로부터의 모든 출력 전력을 제공할 수 있으며, 선택 사항으로, 추진력을 생성하는 배기부를 위한 아음속 대 초음속 변환기로서의 출력 샤프트 전력 및 추가 배기 드 라발 노즐들을 포함하며, 선택 사항으로는, 완전한 램제트 엔진으로 시작하지 않고서 기타 물질들과 동일한 설계를 구축한다.
압축기 및/또는 팽창기 실시예들은, 상기 로터의 외측 에지에서 로터와 함께 회전할 수 있으며, 섬유 매트, 다공성 물질 또는 금속 메쉬 중 적어도 하나를 포함하며 소형 흐름 채널들을 포함하며 상기 외측 블레이드 에지들의 반경을 벗어나 상기 로터의 방사상 가스 또는 공기 흐름 경들에 배치된 원형 링을 포함할 수 있고, 이때, 공기 또는 가스 흐름은 상기 벽들 또는 쉘들 사이의 상기 블레이드 체적을 통과할 수 있으며 링을 통해 흐를 수 있는 한편, 난기류 및 원주 압력 구배들을 잃어 로터로부터 거의 균일한 초음속 원주 속도 및 거의 균일한 아음속 방사상 속도를 얻고, 블레이드들 둘레에 배치된 링과 로터 내의 상기 축 상에 집중된 환형 공간을 포함한다.
압축기 및/또는 팽창기 실시예들은 상기 외측 블레이드 에지들에서 구조적 강도 블레이드들을 둘러싸고 상기 블레이드 체적을 둘러싸며 각 블레이드를 샤프트를 향해 가압하는 탄소 섬유의 구조적 강도 권선을 포함할 수 있고, 이에 따라 권선에 의해 방사상 공기 또는 가스 흐름이 아음속 속도로 전달될 수 있으며, 여기서, 권선은 각 블레이드의 외측 블레이드 에지의 폭에 걸쳐 분포되고, 상기 블레이드 에지들에 걸쳐 블레이드의 일측으로부터 타측으로의 압력 구동 고속 공기 또는 가스 흐름의 동작 동안 차단을 위해 외측 블레이드 에지로부터 외측으로 연장되며, 상기 블레이드의 외측 에지들에서의 충격파 발생을 방지할 수 있다.
압축기 및/또는 팽창기 실시예들은 PAN 탄소 섬유 토우를 포함하는 매우 가벼운 블레이드들을 포함할 수 있고, PAN 탄소 섬유 토우는, 토우를 길고 평평한 스트립들로 펼치고, 상기 스트립들이 양측 상에서 직사각형 또는 다각형의 대부분을 피복하는 두 개의 시트의 섬유를 형성하고 스트립들의 두 개의 단부가 상기 외측 블레이드 에지에 대하여 거의 수직하는 방향으로 상기 외측 블레이드 에지로서 지정된 측으로부터 연장되도록, 일측이 상기 외측 블레이드 에지로서 지정된 대략 블레이드 크기의 직사각형이나 다각형의 4개의 매끄러운 지지부 둘레로 코팅된 탄소 섬유를 감싸 형성된 직사각형 신장 프레임 둘레로 스트립들을 감싸고, 프레임 내의 그 두 개의 시트의 섬유를 함께 가압하여 얇은 단일 시트를 형성하고, 선택 사항으로 전기 도금에 의해 얇은 코팅을 시트에 바르고, 프레임으로부터 매끄러운 지지부들을 제거함으로써 형성되고, 여기서 매우 가벼운 블레이드들은 지정된 외측 에지가 가장 넓은 반경을 향하는 프레임의 코너를 통한 루프에 의해 상기 구조적 블레이드들 사이의 상기 샤프트 또는 상기 로터의 기타 부분들에 부착된다.
압축기 및/또는 팽창기 실시예들은 환형 챔버로부터 상기 로터 둘레에서 내측으로 향하는 흐름을 중단시키기 위한 수단을 포함할 수 있고, 이에 의해 쉘들은 상기 쉘 외측 반경의 약 1/2 인치 이상 내에서의 축에 대하여 공전의 회전 대칭면들인 상기 하우징을 대면하는 외면들을 포함하고, 상기 절연체 또는 하우징은 상기 쉘들의 상기 외면들을 대면하며 약 0.0002 인치 내지 0.002 인치의 갭에 의해 동작 동안 상기 쉘들로부터 분리된 링들을 포함하고, 선택 사항으로, 상기 외면들은 마하 속도에서의 로터의 동작 동안 홈들과 갭이 공기나 가스를 보다 큰 반경을 향해 펌핑하여 로터 둘레로 반대 방향으로의 흐름을 중단시키도록 경사진 홈들을 포함하고, 상기 홈들은 선택 사항으로 권선 배치에 의해 형성된다.
압축기 및/또는 팽창기 실시예는 초음속 유속에서의 많은 경계 층들을 제거하기 위한 수단을 포함할 수 있고, 이에 의해 공기나 가스를 상기 환형 챔버 내에 속박할 수 있는 대향면들은 고속 공기 또는 가스 흐름이 대향면들에 평행하게 발생할 때 흐름 내에 돌출되어 대향면들을 향해 아래로 휘어질 수 있도록 매립된 짧은 섬유들을 포함할 수 있고, 상기 섬유들은 매우 매끄럽고 매우 균일한 원형의 실린더면들 및 약 4 내지 6 마이크로미터의 직경을 갖고, 이들의 직경보다 큰 거리에 의해 분리되며, 환형 챔버 내의 대향면들로부터 이들의 직경보다 약 3배만큼 흐름 내에 돌출될 수 있으며, 동작 동안, 상기 섬유들 상에 형성될 수 있으며 흐름 방향으로 개별적인 섬유들을 따라 넓게 성장할 수 있는 흐름의 작은 경계 층들은 아래로 휘어진 섬유들에 의해 근처의 대향면을 향하여 경로 설정되고 상기 섬유들의 끝에서 단절되어, 표면을 덮는 섬유가 두꺼운 경계 층을 지지할 수 없게 된다.
압축기 및/또는 팽창기 실시예들은, 로터 밀봉 링과 로터 사이에 작은 갭이 존재하며, 상기 하우징에 배치된 상기 로터 밀봉 링 또는 상기 로터와 환형 챔버 사이에 상기 하우징의 기타 물질을 포함할 수 있고, 드래그를 감소시키기 위한 수단을 포함할 수 있고, 이에 의해 저 밀도 가스, 선택 사항으로 수소가 상기 하우징 내에 그리고 상기 로터 외부에 방출되며, 또는 하나 이상의 로터는 상기 로터를 통한 공기 또는 가스의 축방향 흐름은 차단할 수 있지만 상기 로터의 외측 반경을 통한 방사상 흐름은 차단할 수 없는 하나 이상의 외측 쉘을 갖고, 상기 쉘은 쉘과 상기 하우징 또는 상기 하우징이나 절연체 내의 기타 물질들 사이의 부분 진공에 의해 둘러싸이고, 상기 로터의 외측 블레이드 반경으로부터의 짧은 거리인 반경 R의 하우징이나 상기 하우징의 기타 물질들에 가깝지 않으며, 반경 R을 넘어서는 쉘의 외면은 축에 대한 공전 면이며 홈들을 포함하고, 마하 속도에서, 반경 R을 넘어선 쉘의 외면은 로터 밀봉 링으로부터 짧은 거리에 위치하며, 로터 밀봉 링과 쉘의 외면은 서로 충분히 가깝고, 상기 링과 상기 로터 사이의 공기 또는 가스를 펌핑하도록 배향된 홈들을 구비하여, 반대 방향으로의 흐름을 차단하고 동작시 상기 하우징과 상기 로터 사이의 진공을 향상시키고, i) 상기 샤프트 상에 놓인 다른 면들이 상기 하우징 상의 외면들에 가깝고 상기 하우징 외부로 공기나 가스를 펌핑하도록 배치되고 선택 사항으로 홈을 갖는 것, ii) 상기 로터를 벗어난 초음속 흐름의 하류를 위한 관들은 대향면들과 높이가 같은 개구부들을 갖고 상기 하우징 내의 절연체를 통해 그리고 상기 하우징이나 상기 하우징 내의 물질들을 통해 동일한 진공 체적 내로 연장되며, 초음속 흐름이 관에서 매우 낮은 압력을 생성하는 것, iii) 상기 로터 상의 드래그가 감소되고 로터의 효율성이 작은 퍼센트만큼 증가되도록 외부 진공 펌프를 동일한 진공 체적에 연결하는 것으로부터 선택되는 진공을 향상시키기 위한 수단을 포함한다.
본 발명에 따른 램제트 엔진 실시예들은 상기 연소 챔버의 연소를 연장하기 위한 수단을 포함할 수 있고, 이에 의해 상기 연소 챔버는 연소를 연장하는 데 적절한, 자신의 폭의 최대 수천 배에 달하는 길이를 갖고, 상기 연소 챔버는 동작 동안 점성 가열로 인한 무시해도 될 정도의 에너지나 효율 손실을 제공하도록 열 손실에 대하여 절연되며 그 이유는 연소를 제외시킨 흐름이 상기 연소 챔버에서의 적절하게 단열적인 벤투리 흐름이기 때문이며, 여기서 온도 에너지 더하기 운동 에너지는 일정하게 유지되며 운동 에너지의 열 에너지로의 변환 및 열 에너지의 운동 에너지로의 변환은 에너지 손실이 아니다.
본 발명에 따른 램제트 엔진 실시예들은 연료/공기 비율을 유지하는 한편 상기 연소 챔버의 아음속 유속에서의 동작 동안 상기 연소 챔버의 최대 온도를 감소시키기 위한 수단을 포함할 수 있고, 이에 의해, 상기 긴 연소 챔버는, 동작 동안 연료가 추가될 때, 소리의 국부적 속도를 향하여 공기 또는 가스 흐름을 점진적으로 증가시키고 최대 약 270℃까지 공기 또는 가스 최대 온도를 감소시킬 수 있는, 상기 챔버를 점진적으로 증가 또는 감소시키는 내부 흐름 영역을 포함한다.
본 발명에 따른 램제트 엔진 실시예들은 공기나 연료 없는 정치식 램제트 엔진으로서 동작할 수 있는 램제트를 포함할 수 있고, 이러한 램제트 엔진은, 상기 압축기, 램제트 엔진, 팽창기를 통해 공기 대신에 순환을 위한 비활성 가스 또는 비반응 가스를 상기 엔진의 동작 가스로서 제공하기 위한 수단과, 화학 반응 없이 열을 상기 연소 챔버 내에 방출하거나 전도하거나 공급하여 상기 동작 가스를 가열시키기 위한 수단과, 배기 가스를 상기 입력부로 복귀시키기 전에 상기 배기 가스를 재순환시키고 대기 온도에 가깝거나 대기 온도 미만의 온도로 냉각시키기 위한 수단과, 보다 무거운 가스를 이용하고 선택 사항으로 주변 대기보다 높은 압력을 이용함으로써 출력 전력을 증가시키기 위한 수단을 포함하고, 여기서 상기 가열 수단은 태양 방사이거나 외부 연소 프로세스나 기타 열 생성 반응으로부터의 열 교환에 의한 것이다.
정치식 또는 아음속이나 초음속 램제트 엔진들도 포함되며, 이들은 압축기와 상기 팽창기를 동일한 샤프트 상에 구비함으로써 상기 팽창기에 의해 압축기를 구동하기 위한 수단을 포함하고, 여기서 상기 팽창기와 압축기의 샤프트는 한 축 상에 배치되고 분리되어 상기 중공 샤프트 부분들의 모든 네 개 단부가 공기를 입력 또는 출력할 수 있으며 각 샤프트 내로 연장되며 압축기 샤프트 내의 방사형 벽들에 의해 지지되고 상기 팽창기 로터의 중간 근처의 상기 팽창기 샤프트의 고체 부분에서 종단되는 그 축 상의 작은 직경의 고체 샤프트에 의해 연결되고, 또는 상기 압축기의 샤프트는 중공이 아니며 압축기 로터의 중간 근처를 제외하고는 작은 직경을 갖고, 공기나 가스는 상기 하우징과 상기 쉘들 내의 샤프트의 결절부 체적을 통해 입력될 수 있고, 상기 압축기 샤프트는 상기 팽창기 샤프트 내로 연장되고 상기 팽창기 로터의 중간 근처에서 상기 팽창기 샤프트의 고체 부분에 연결되고, 또는 상기 압축기는 상기 팽창기의 샤프트의 일부를 공유하고, 선택 사항으로, 이 일부는 샤프트 벽을 통해 상기 압축기 로터 영역 내로의 방사상 구멍들 없이 외경이 감소되며, 공기나 가스는 상기 하우징과 쉘들을 통해 상기 샤프트 둘레의 원형 개구부를 통해 입력될 수 있으며, 상기 팽창기는 팽창기의 중공 샤프트의 양측 단부를 통해 출력될 수 있고, 또는 상기 압축기와 팽창기 모두는 상기 샤프트의 고체 부분이 상기 압축기와 팽창기의 입력과 출력 흐름 영역들을 나누면서 하나의 중공 샤프트 상에 위치한다.
정치식 또는 아음속이나 초음속 램제트 엔진들도 포함되며, 상기 엔진들은 전력을 증가시키기 위한 수단을 포함하고, 이에 의해 상기 압축기 로터 상의 쉘은 상기 하우징을 대면하는 상기 쉘의 일측 상에서 공기나 가스가 유입될 수 있게 하는 제1 개구부를 포함하고, 상기 압축기 로터 상에서 상기 쉘의 일측을 대면하는 하우징은 반경이 보다 작은 제2 개구부를 포함하고, 상기 압축기 로터 상에는, 고 인장 섬유 토우 권선에 의해 지지되는 섬유 다공성 물질이나 섬유 매트가 제1 개구부를 채우고 상기 쉘과 샤프트 사이를 채우며 상기 하우징을 향해 연장되며 상기 샤프트와 함께 회전할 수 있으며, 상기 압축기 로터와 상기 팽창기 로터의 샤프트는 완전히 뚫리며, 상기 팽창기 블레이드 체적으로부터의 방사형 벤트들은 흐름 영역에서 증가되고, 상기 압축기 블레이드 체적으로의 방사형 벤트들은 존재하지 않으며, 여기서 동작 동안, 상기 팽창기로부터의 흐름은 상기 샤프트의 양단을 통해 배기될 수 있다.
본 발명에 따른 압축기와 팽창기를 포함하는 엔진들도 포함되며, 이 엔진들은, 압축 강도가 560,000 psi이며 비중이 3.1인 구조적 압축 물질을 포함하는 압축기 로터, 및 4.69의 비중과 220,000 psi 항복 인장 강도, 12000의 섬유 토우의 고 인장 강도 토우, 827,000 psi의 최대 인장 강도, 1.76의 비중, 또는 12000의 섬유 토우, 887,000 psi의 최대 인장 강도, 1.8의 비중, 또는 885,000 psi의 최대 인장 강도, 1.79의 비중, 또는 1,002,000 psi의 최대 인장 강도를 갖도록 베타-CEZ 열 처리된 Ti를 포함하는 샤프트를 포함할 수 있고, 여기서 압축기 로터와 팽창기 로터는 동일한 샤프트 상에 있으며, 방사형 벤트들은 샤프트 보어의 흐름을 압축기 로터가 아닌 팽창기 로터 블레이드 체적에 연결하고, 압축기 영역의 샤프트 벽의 일부들은 압축기 로터 내로의 흐름 경로를 제공하도록 샤프트 보어 내로의 개구부 없이 결절될 수 있고, 압축기 근처의 하우징 및 압축기 로터의 쉘 모두는 쉘 상에서보다 하우징 상에서 구멍들이 작은 샤프트 내의 그리고 샤프트 둘레의 압축기 로터 영역 내로의 축방향 흐름을 허용하도록 샤프트 둘레로 개방된 원형 구멍들을 포함하고, 구조적 블레이드들은 쉘들보다 약간 짧고, 회전 전에, 블레이드들은 샤프트로부터 블레이드들에 걸쳐 블레이드들의 190,000 psi 압축으로 다시 샤프트로 향하는 권선을 포함하고, 블레이드들에서의 5,000 psi 압축으로 그리고 외측 블레이드 에지들을 피복하도록 원주 방향으로의 권선을 포함하며, 외측 블레이드 에지들은 권선에 금속성으로 결합되고, 외측 블레이드 에지 반경과 외측 쉘 반경 사이에서, 로터는 외측 쉘 반경의 수백 인치 내에 그리고 쉘들 간의 공간에 배치되어 있으며 환형 개방 공간에 의해 블레이드들로부터 약 0.005 내지 0.1 인치만큼 분리된 섬유 매트, 금속 메쉬 또는 다공성 세라믹으로 형성된 관통형 링을 포함하고, 이 링은 로터에 걸쳐 그리고 샤프트 둘레의 권선에 의해 또는 샤프트에 대하여 쉘들을 유지하는 권선에 의해 제 위치에 유지되고, 이 링은 초당 수백 피트로 링을 통한 공기 또는 가스의 방사상 흐름을 허용할 수 있고, 섬유 매트 또는 다공성 물질은 샤프트 외부의 압축기 쉘의 개방된 원형 구멍을 채우고, 하우징을 향해 연장되며, 샤프트 및 로터와 함께 회전하고, 압축기의 동작 동안 유입되는 공기나 가스에 회전 속도를 추가할 수 있으며, 하우징과 대면하는, 압축기와 팽창기 로터들의 각각의 쉘 상의 표면은 외측 쉘 반경의 약½ 인치 내에서의 축에 대한 공전의 면이며, 공전 면과 대면하여 배치되고 이 공전 면과 일치하는 면을 갖는 링들은 하우징 또는 하우징의 기타 물질들 내에 배치되고, 이에 따라, 동작 동안, 약 0.0002 인치 내지 0.002 인치의 갭에 의해 쉘들을 링들로부터 분리하고, 선택 사항으로, 이 면들은, 마하 속도에서의 로터 동작 동안, 갭과 홈들이 공기나 가스를 보다 넓은 반경을 향하여 펌핑하여 로터 둘레의 반대 방향으로의 흐름을 중단시키도록 경사진 홈들을 포함하고, 팽창기의 측면에 있는 환형체는 선택 사항으로 하우징 근처에서 그리고 하우징 외부의 샤프트 둘레에 배치된 홈들을 갖는 면을 포함하는 디스크 환형체 및 갭에 의해 진공으로 펌핑되며, 로터를 벗어난 초음속 흐름에서의 하향을 위한 관들은 대향면들과 높이가 같고 하우징 내의 절연체를 통해 또는 하우징이나 하우징의 기타 물질을 통해 동일한 진공 내로 연장되고, 초음속 흐름은 관에서 낮은 압력을 생성하고, 압축기와 팽창기의 환형 챔버들은 샤프트 둘레의 공전의 별도의 체적들이며, 각 환형 챔버의 대향면들은, 선택 사항으로, 동작 동안 흐름 내로 수천 인치 연장될 수 있는 작은 직경의 섬유 스터블에 의해 경계 층 성장을 최소화하도록 처리된 매끄러운 표면들을 포함하고, 동작 동안, 공기 또는 가스는 마하 M의 원주 방향 속도와 낮은 방사상 속도로 압축기로부터 배기되고 환형 챔버 내로 나선형으로 유입되어, 환형 챔버 내의 반경에서 속도를 잃고 소리의 국부적 속도에 도달하게 되며, 환형 챔버 내의 반경을 벗어나 국부적인 아음속 속도로 되고, 절연체의 단일 나선형 공전을 위해 환형 챔버로부터 유출되어, 절연체의 벤트에 이르게 되며, 동작 동안, 공기 또는 가스는 벤트를 통해 이동하고, 벤트는 벤트에서의 짧은 거리에 걸쳐 원형 관으로 변경되며, 이 관은 압축기의 벤트 환형 챔버의 외경 둘레로 나선형 방사상 외측으로 향하여 팽창기의 환형 챔버보다 큰 반경으로 된 후 나선형 방사상 내측으로 향하여 팽창기를 둘러싸는 환형체 둘레의 나선형 내측 영역 내로 입력 벤트에 연결되고, 동작 동안, 공기 또는 가스는 연소에 의해, 또는 스팀을 추가함으로써, 또는 태양으로부터의 열 전도에 의해, 또는 열 교환기에 의해 전달되는 외부 연소에 의해, 또는 입자 충돌에 의해, 또는 기타 열 발생 반응에 의해 관에서 가열되고, 동작 동안, 팽창기로의 입력 벤트의 영역으로 인해, 그 흐름이 팽창기 입력에 적절한 속도를 갖게 되고, 입력 벤트와 나선형의 이동가능 벽에 의해 설정되는 나선 형상을 갖게 되고, 이어서 환형 챔버 내의 매끄러운 대향면들은 전술한 압축기 환형 챔버와 마찬가지로 처리되면서 환형 챔버들의 최소 반경으로부터의 출구에서 마하 M보다 큰 로터 원주 방향 속도와 일치하도록 흐름이 가속되는 팽창기 환형 챔버에 유입될 수 있고, 로터 및 나선이 구조적 블레이드들을 통해 그리고 이들의 외측 래핑이 존재하는 경우 이 래핑을 통해 그리고 선택 사항인 로터의 추가 경량 블레이드들을 통해 내측으로 들어갈 수 있고, 결국 샤프트 벽을 통한 구멍들에 도달하여 중공 샤프트에 들어갈 수 있으며, 동작 동안, 중공 샤프트에서, 흐름은 샤프트에서 정지되어 있는 평평한 블레이드에 의해 회전 차단되고 팽창기 로터 내부와 상기 로터를 벗어난 중공 샤프트의 길이를 늘리며, 회전을 중단시키는 이러한 평평한 블레이드는 공기나 가스 배기 온도를 상승시켜 공기나 가스가 샤프트의 두 개의 단부로부터 소리의 최대 국부 속도까지 배기되게 하며, 샤프트는 하우징 상에 장착된 에어 베어링에 의해 배치되고, 샤프트는 발전기를 돌리는 것처럼 유용한 기계적 기능을 수행하며, 선택 사항으로, 배기 열은 연료를 예열하고, 빌딩이나 물을 가열하는 데 사용되고, 또는 열에 대하여 동작하는 공기 조절 장치에 입력되거나, 장치를 더욱 유용하게 하는 다른 가열 용도를 갖는다.
엔진 실시예들은 엔진도 포함하며, 이 엔진은, 초음속 속도로 공기나 가스를 가속시킬 수 있는 압축기와, 초음속 흐름을 수용하고 아음속 흐름으로 감속시킬 수 있는 챔버와, 아음속 흐름을 수용하고 초음속 속도로 가속시킬 수 있는 챔버와, 공기나 가스를 아음속 속도의 흐름으로 감속시킬 수 있는 팽창기를 포함하고, 상기 압축기 로터와 상기 팽창기 로터는 하나의 샤프트 상에 있으며, 방사형 벤트들은 압축기 부분이 아니라 상기 샤프트의 팽창기 부분에 있고, 상기 압축기 로터는 압축 강도가 560,000 psi고 비중이 3.1인 고 비압축 강도 물질이며, 상기 샤프트는 220,000의 psi 항복 인장 강도, 4.69의 비중, 또는 섬유/금속 합성물이나 섬유/고분자 합성물을 갖는 베타-CEZ 열 처리된 Ti이고, 고 인장 강도 토우는 12000의 섬유 토우, 790,000 psi 내지 1,002,000 psi의 최대 인장 강도, 1.76 내지 1.8의 비중을 갖는다.
엔진 및 압축기 실시예들은 공기 또는 가스를 상기 하우징과 쉘들 내의 샤프트의 결절부 체적을 통해 압축기에 유입시킬 수 있는 장치들도 포함하고, 그리고/또는 압축기는 공기나 가스가 개구부들을 통과하여 상기 압축기 내로 유입될 수 있게 하는, 상기 샤프트 둘레에 하우징 및 상기 하우징을 대면하는 쉘의 원형 개구부들을 구비하고, 여기서 상기 하우징 상의 개구부들은 상기 쉘 상의 개구부들보다 작고, 그리고/또는 구조적 블레이드들은 상기 쉘들의 반경보다 짧고 상기 샤프트를 향하여 190,000 psi 압축 및 원주 방향 권선으로부터 5,000 psi 압축을 제공하는 권선을 갖고, 상기 외측 블레이드 에지들은 권선에 금속성으로 결합되고, 그리고/또는 상기 외측 블레이드 에지 반경과 외측 쉘 반경 사이에서, 상기 압축기 로터는 외측 쉘 반경의 수백 인치 내에 그리고 상기 쉘들 간의 공간에 배치되어 있으며 환형 개방 공간에 의해 블레이드들로부터 약 0.005 내지 0.1 인치만큼 분리된 섬유 매트, 금속 메쉬 또는 다공성 세라믹으로 형성된 관통형 링을 포함하고, 상기 링은 로터에 걸쳐 그리고 상기 샤프트 둘레의 권선에 의해 또는 상기 샤프트에 대하여 쉘들을 유지하는 권선에 의해 제 위치에 유지되고, 상기 링은 초당 수백 피트로 링을 통한 공기 또는 가스의 방사상 흐름을 허용할 수 있고, 그리고/또는 섬유 매트 또는 다공성 물질은 상기 샤프트 외부의 압축기 쉘의 개방된 원형 구멍을 점유하고, 상기 하우징을 향해 연장되며, 상기 샤프트 및 로터와 함께 회전하고, 상기 압축기의 동작 동안 유입되는 공기나 가스에 회전 속도를 추가할 수 있으며, 그리고/또는 상기 하우징과 대면하는, 상기 압축기와 팽창기 로터들의 각각의 쉘 상의 표면은 외측 쉘 반경의 약 ½ 인치 내에서의 축에 대한 공전의 면이며, 공전 면과 대면하여 배치되고 상기 공전 면과 일치하는 면을 갖는 링들은 상기 하우징 또는 상기 하우징의 기타 물질들 내에 배치되고, 이에 따라, 동작 동안, 약 0.0002 인치 내지 0.002 인치의 갭에 의해 상기 쉘들을 링들로부터 분리하고, 선택 사항으로, 상기 면들은, 마하 속도에서의 로터 동작 동안, 갭과 홈들이 공기나 가스를 보다 넓은 반경을 향하여 펌핑하여 로터 둘레의 반대 방향으로의 흐름을 중단시키도록 경사진 홈들을 포함하고, 팽창기의 환형체는 하우징 근처에서 그리고 하우징 외부의 샤프트 둘레에 배치된 홈들을 갖는 면을 포함하는 디스크 환형체 및 갭에 의해 진공으로 펌핑되며, 로터를 벗어난 초음속 흐름에서의 하향을 위한 관들은 대향면들과 높이가 같고 하우징 내의 절연체를 통해 또는 상기 하우징이나 상기 하우징의 기타 물질을 통해 동일한 진공 내로 연장되고, 초음속 흐름은 관에서 낮은 압력을 생성하고, 그리고/또는 상기 압축기와 팽창기의 환형 흐름 챔버들은 상기 샤프트 둘레의 공전의 별도의 체적들이며, 각 환형체의 대향면들은 동작 동안 흐름 내로 수천 인치까지 연장될 수 있는 약 4 내지 6 마이크로미터 직경의 섬유 스터블을 포함하고, 그리고/또는 동작 동안, 공기 또는 가스는 마하 M 원주 방향 속도와 낮은 방사상 속도로 상기 압축기로부터 배기되고 상기 압축기 환형체 내로 나선형으로 유입되어, 상기 압축기 환형체 내의 반경에서 속도를 잃고 소리의 국부적 속도에 도달하게 되며, 상기 압축기 환형체 내의 반경을 벗어나 국부적인 아음속 속도로 되고, 절연체의 챔버의 단일 나선형 공전을 위해 상기 압축기 환형체로부터 유출되어, 절연체의 벤트에 이르게 되며, 그리고/또는 동작 동안, 공기 또는 가스는 벤트를 통해 이동하고, 벤트는 벤트에서의 짧은 거리에 걸쳐 원형 관으로 변경될 수 있으며, 상기 관은 압축기의 외경 둘레로 나선형 방사상 외측으로 향하여 상기 팽창기 둘레의 반경으로 향한 후 나선형 방사상 내측으로 향하여 입력 벤트에 연결되어 팽창기 둘레의 나선형 내측 영역 내부로 연결된다.
본 발명의 목적에는 자동차에서 제트 및 프로펠러 항공기와 전력 생산에 이르는 모든 엔진 용도에서 연료 사용을 절감하고, CO2 배출 생산을 절감하고, 터빈 유사 엔진의 경비를 대폭 줄이는 것이 해당된다. 개선된 효율성으로 연료 사용은 자동적으로 줄어든다. 효율성을 두 배로 만들면 연료 사용을 반으로 줄인다. 효율성을 세 배로 만들면 연료 사용을 3분의 2로 줄인다. 오늘날 석탄을 태우는 플랜트는 1MW 시간 전력에 대해 최대 효율성에서 2000 파운드의CO2 를 생성한다. 천연가스로 가동되는 발전소 가스 터빈의 효율성을 배가시키는 엔진은 석탄에 비해서CO2 생산을 MW 시간 당 1450 파운드까지 줄이고, 만약 상기 엔진에 의해 생산된 열이 빌딩 난방에 사용된다면, 상기 빌딩에 의해 천연가스 사용을 교체하면서, 상기CO2 감소가 MW 시간 당 1633 파운드가 되는데, 이는 석탄 연소 전력 생산에서의CO2의 82%이다. 1년 만에, 1 MW 천연가스 발전기는 석탄 사용을 상쇄함으로써 14,305,080 파운드의 CO2가 대기 속으로 방출되는 것을 멈추게 할 수 있다. 상기 엔진의 비용은 상기 엔진을 자동차에 사용하는 것을 실행하게 하는데, 비록 가스 터빈이 평균적인 자동차 엔진의 효율성을 엄청나게 증대시킬 것임에도 불구하고, 가스 터빈이 고가이기 때문에, 과거에는 이것이 가스 터빈으로 달성되지 않았다. 본 발명에는 끝에서 끝으로 개방된 연속 흐름을 가짐으로써 터빈과 유사하지만, 과거의 터빈이 아닌 로터리 엔진이 포함된다. 특히, 결코 상기 엔진 내 상기 공기 또는 가스에 반드시 증가되는 난기류가 없는데, 사실 상기 디자인이 만들어질 수도 있었던 난기류를 줄인다. 난기류를 줄이는 것이 보다 높은 효율성이 달성될 수도 있는 기준 중 하나이다.
본 발명은 다양한 특징을 가지는 특정한 실시예들을 참조하여 설명되었다. 당업계의 기술을 가진 자들에게는 본 발명의 범위 또는 사상으로부터 벗어나지 않고 다양한 변형 및 변화가 본 발명을 실시함에 있어서 가능하다는 것이 명백할 것이다. 당업계의 기술자라면 이러한 특징들이 주어진 용도 또는 디자인의 요건 및 세부사항에 기초해서 하나 또는 조합 형태로 이용될 수도 있다는 것을 인정할 것이다. 본 발명의 상기 세부사항 및 실시를 감안하면서 본 발명의 다른 실시예들이 당업계의 기술자들에게 명백할 것이다. 제공된 본 발명의 설명은 단지 본래의 예시적인 것일 뿐이며, 이에 따라 본 발명의 진수로부터 벗어나지 않는 변화들이 본 발명의 범위 이내에 있다.
1. 압축기의 축 3. 드 라발 노즐 - 초음속에서 아음속으로 변환기
7. 감압기 / 팽창기의 축 9. 방사형 채널
10. 방사형 블레이드 33. 동적 밀봉 디스크
34. 공기 베어링 38. 배기 경로 중공 샤프트
41. 공기 베어링 44. 팽창기의 블레이드
45. 팽창기 로터로의 초음속 흐름을 갖는 환형체
53. 블레이드 80. 압축 용기 벽
104. 로터 쉘 외부 반경 122. 팽창기의 블레이드 팁

Claims (20)

  1. 압축기로서, 또는 흐름 및 회전이 역전되는 경우 팽창기로서 동작할 수 있는 장치로서,
    공기 또는 가스를 국지성 초음속의 속도을 갖는 흐름으로 가속시킬 수 있는 초크 영역이 없는 로터(rotor)와,
    구조적 블레이드(structural blades)와 로터 면(rotor sides)을 갖는 샤프트 - 상기 구조적 블레이드와 로터 면은 섬유 토우(fiber tow)에 의해 상기 샤프트에 연결되며, 상기 샤프트는 상기 구조적 블레이드 사이에 있는 로터 반경방향 벤트(rotor radial vents) 및 회전 축 상의 중심에 위치하는 축방향 중공 또는 구멍(axially hollows or bores)을 가지며, 상기 중공 또는 구멍 및 상기 반경방향 벤트는 상기 압축기로의 공기 또는 가스의 통로를 제공할 수 있음 - 와,
    상기 샤프트로부터 외측으로 연장하는 상기 구조적 블레이드의 대향 에지와 동작 가능하게 연결되는 다수의 쉘 - 상기 쉘은 상기 구조적 블레이드 사이의 공기 또는 가스를 속박할 수 있음 - 과,
    상기 샤프트와 로터의 적어도 일 부위를 위한 단열 하우징(thermally insulated housing)을 포함하고,
    상기 단열 하우징은,
    상기 로터의 적어도 일부를 둘러싸고, 상기 구조적 블레이드와 쉘 사이로부터 국지성 초음속의 공기 또는 가스의 흐름을 받을 수 있고, 초크 영역 없이 흐름을 국지성 아음속의 속도로 변경할 있는 환형체(annulus)와,
    상기 환형체로부터 상기 국지성의 아음속 흐름을 받을 수 있는 챔버(chamber) - 상기 챔버는 나선형 챔버(spiral chamber)이고, 상기 나선형 챔버는, 상기 나선형 챔버 내에서 공기 또는 가스를 속박할 수 있는 대향하는 상부 및 하부 내표면(inner surfaces)과 외측방향의 나선형 벽(outwardly spiral wall)을 구비하고, 상기 나선형 챔버는 벤트(vent)로 흐름을 유도할 수 있음 - 를 포함하는
    장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로터는 2000 ft/sec 내지 5400 ft/sec 의 표면 속도(surface speed)로 지속적인 회전(sustained rotation)을 할 수 있고, 상기 로터의 상기 표면 속도로 공기 또는 가스의 흐름을 가속시킬 수 있는
    장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    정지시에 상기 구조적 블레이드는 50,000 psi 내지 500,000 psi의 압축 하에서 상기 샤프트에 동작 가능하게 연결되는
    장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유 토우는 금속 또는 세라믹으로 코팅되거나 침투된 것으로, 그에 의해 결합되거나 합착된 가요성 시트(flexible sheet) 또는 강성 솔리드(rigid solid)가 형성되는
    장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유 토우는, 나노 튜브 복합 섬유(nanotube composite fiber), 탄소 섬유(carbon fiber), 유리 섬유(glass fiber), 금속 및 세라믹 섬유(metal and ceramic fiber), 세라믹 섬유(ceramic fiber), 및 폴리머 섬유(polymer fiber) 중 적어도 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진
    장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조적 블레이드 및 로터 면은, 알파 실리콘 카바이드(alpha silicon carbide), 보론 카바이드(boron carbide), 세라믹(ceramic), 다이아몬드 유사 재료(diamond like material), 금속(metal) 및 폴리머(polymer) 중 적어도 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진
    장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤프트는, 다이아몬드 유사 재료로 코팅된 탄소 섬유로 감겨진 알파 실리콘 카바이드(alpha silicon carbide), 상기 샤프트의 축 상으로 비틀기(twisting)에 의해 가공된 강(steel), 최대 인장 항복 강도를 위해 열처리된 티탄늄 합금(titanium alloy) 및 금속 또는 세라믹 또는 폴리머 중 적어도 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 소재를 포함하는
    장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    실온의 공기 또는 가스로부터 10:1 내지 92:1 범위의 압축율(compression ratios)을 생성할 수 있는
    장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형체의 대향하는 내표면은, 동작 중에 상기 축으로부터의 거리에 반비례하는 원주 속도를 갖는 매끄러운 흐름을 생성하는 형상을 가지고,
    상기 환형체는, 동작 중에 국지성 초음속 흐름이 상기 환형체 내에서 국지성 아음속의 속도로 변경되도록 선택되는 외경을 가지고,
    상기 환형체는 초크 영역을 갖지 않는
    장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름의 자연스러운 나선 형상을 따르도록 하고, 반경방향 흐름을 제한하기 위해 상기 나선형 벽으로부터 이동될 수 있는, 상기 환형체 주위에 상기 나선형 챔버의 상기 나선형 벽의 내부에 위치하는 조절가능형 스트립 또는 밸트(adjustable strip or belt)를 더 포함하는
    장치.
  11. 국지성 초음속 출력의 정지식 또는 아음속 램제트 엔진으로서 동작할 수 있는 램제트 엔진으로서,
    제1항에 따른 장치와,
    상기 벤트로부터 국지성 아음속 흐름을 받는 부분적 입력 드 라발 노즐(partial input de Laval nozzle) - 상기 부분적 입력 드 라발 노즐은 고속 흐름 구역 및 초크 영역이 없도록 구성됨 - 과,
    상기 부분적 입력 드 라발 노즐로부터 흐름을 받는 연소 챔버와,
    상기 연소 챔버로부터 국지성 아음속의 공기 또는 가스를 받을 수 있고, 흐름을 가속시켜 국지성 아음속의 속도로 팽창기 벤트로 유입시킬 수 있는 부분적 출력 드 라발 노즐(partial output de Laval nozzle) - 상기 부분적 출력 드 라발 노즐은 초크 영역 및 고속 지역이 없도록 구성됨 - 과,
    상기 로터에 의한 연소 생성물로부터 제거된 고 에너지(high energy)로 하중(loads)을 구동할 수 있는 팽창기 샤프트(expander shaft)를 포함하고,
    상기 팽창기 벤트는, 초크 영역 없이 국지성 아음속 흐름을 받아 국지성 초음속의 속도로 가속시킬 수 있는 환형체로 초크 영역 없이 흐름을 유도할 수 있는 챔버로 흐름을 주입하고,
    상기 환형체는, 초크 영역이 없고 감소된 온도로 국지성 초음속 흐름을 국지성 아음속의 속도로 감속시킬 수 있는 팽창기 로터(expander rotor)로 흐름을 유도할 수 있는
    램제트 엔진.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 압축기, 상기 램제트 및 상기 팽창기의 각각은 하나의 하우징을 형성하도록 묶여 있을 수 있는 하우징을 구비하는
    램제트 엔진.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 압축기, 상기 램제트 및 상기 팽창기의 각각은 공통의 프레임(common frame)에 부착될 수 있는 하우징을 구비하는
    램제트 엔진.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드의 외측 블레이드 에지 반경(outer blade edge radius)을 너머에 배치되고, 상기 로터와 동작 가능하게 연결되는 환형 링(circular ring) - 상기 환형 링은, 섬유 매트(fiber mat), 다공성 재료(porous material) 또는 금속 메쉬(metal mesh) 중 어느 하나로 이루어지고, 소형 흐름 채널(small flow channels)을 포함함으로써, 동작 중에 공기 또는 가스 흐름이 구조적 블레이드 사이를 통과하고 상기 링을 통해 흐를 수 있음 -과,
    상기 외측 블레이드 에지 반경과 상기 링 사이에 있는 상기 로터 내부의 환형체 공간(annular space)을 더 포함하는
    장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 외측 블레이드 에지의 주위에 원주 방향으로 배치되는 탄소 섬유 권선(carbon fiber windings) - 상기 권선은, 방사상 공기 또는 가스의 흐름을 상기 로터에 대해 아음속의 속도로 상기 블레이드 사이로부터 상기 환형체로 통과하도록 함 - 을 포함하는
    장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    추가적인 블레이드는, 상기 구조적 블레이드 사이의 상기 샤프트에 부착될수 있고, 결합 시트(bonded sheet)를 형성하도록 금속 또는 세라믹으로 코팅되거나 침투되고, 압착되는 PAN 탄소 섬유 토우(PAN carbon fiber tow)를 구비하는
    장치.
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