MX2014004883A - Turbina de reaccion y turbina de reaccion de impulso hibrido. - Google Patents

Abstract

Una turbina de reacción tiene canales formados en la superficie superior de un disco para crear boquillas. Los canales pueden cubrirse por una membrana sellada al disco o mediante el alojamiento extendido de una cámara de combustión. Cada canal puede tener una primera sección que se extiende radialmente de manera externa de una entrada de la turbina de reacción y una segunda sección curva que se extiende de la primera sección a una periferia del disco. Una turbina de reacción también pude recibir entrada de una turbina de impulso entra en una entrada de la turbina de reacción. La turbina de reacción puede tener canales de enfriamiento y aletas de enfriamiento para bajar la temperatura del disco durante la operación. Además los magnetos pueden proporcionar apoyo de y generación de electricidad. Además, la turbina de reacción puede tener una construcción de eje doble, con cada eje concentrado a una turbina de reacción. Una turbina de reacción alimenta una carga a través del segundo eje.

Description

TURBINA DE REACCIÓN Y TURBINA DE REACCIÓN IMPULSO HÍBRIDO REFERENCIA CRUZADA CON SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud reivindica el beneficio en virtud de 35 USC § 119 (e) de las solicitudes provisionales 61/550,727, presentada el 24 de octubre del 2011, a la aplicación provisional 61/636,964, presentada el 23 de abril de 2012 y de su aplicación provisional 61/703,041, presentada el 19 de septiembre de 2012, el contenido de cada una de estas aplicaciones se incorpora en el presente como referencia.

CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a una turbina de alta eficiencia capaz de funcionar con combustibles de baja calidad. Esta turbina es un híbrido de los dos tipos principales de las turbinas existentes: reacción y de impulso .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En general, las máquinas de flujo de extraer energía de un fluido a medida que el fluido fluye desde un estado de energía más alto a un estado de energía más bajo. Hay varios tipos de máquinas de flujo, que van desde simples ruedas de agua hasta las turbinas de gas más avanzados. A pesar de que estas máquinas tienen muchas diferencias, todos ellos seguir varias leyes básicas.

En particular, los inventores de da Vinci de De Laval a Pelton han observado que para obtener el máximo de la rueda de agua, el fluido debe (1) introducir poco a poco y de manera uniforme, o las pérdidas que podrían producirse antes de que el poder puede ser extraído, (2) proceder a través de pasos suaves graduales, o de lo contrario la energía se perderá al entorno en lugar de ser cosechado, y (3) de salida en esencia, sin velocidad, porque ningún resultado velocidades residuales en energía cinética que se encuentra fuera de la máquina y por lo tanto no pueden ser convertida a potencia útil.

Las turbinas modernas dependen de las leyes de la mecánica de fluidos compresibles flujo. El caso más simple de estos flujos de alta velocidad es el cohete.

El empuje de un cohete se desprende de la mecánica de Newton, donde la fuerza F es la velocidad de variación de cantidad de movimiento p, o F = dp / dt Debido a que el momento p = mv, donde m es la masa y v es la velocidad, la ecuación de la fuerza se convierte F = dp / dt = MDV / dt + vdm / dt Para la velocidad constante v, el empuje de este modo reduce a F = mflowv, donde MFLOW = dm / dt es la tasa de flujo de masa.

La potencia P del cohete se deduce de la relación de poder en general = Fuerza xVelocity o P = F ° v, que se convierte en P = mflowv2 para el caso especial de que la velocidad del cohete es igual a la velocidad de escape. En esta condición, los gases de escape cuelgan todavía en el espacio, sin la energía cinética residual.

El uso de los principios generales mencionados, el cohete simple es, pues, con la máxima eficacia sin pérdidas entrantes, la expansión sin problemas, y no hay energía cinética residual perdido en el escape.

Como un cohete, el empuje de un avión se deriva de la expulsión de gases a alta velocidad. A diferencia de un cohete, sin embargo, recibe un chorro de aire circundante, que luego se convierte en la mayor parte del producto agotado; el combustible es una fracción relativamente pequeña del gas de escape. Por consiguiente, la velocidad del aire entrante se debe restar de la velocidad de salida, dejando la relación de poder P = MFLOW (vexhaust - VJET) VJET donde VJET es la velocidad del chorro y vexhaust es la velocidad de escape. Tenga en cuenta que si el aire de entrada se encuentra en el avión, el caso se convierte en un cohete, y la ecuación de la energía del jet se convierte en la ecuación de poder de cohetes .

Por desgracia, la aplicación de la relación general por encima de ninguna energía residual en los gases de escape requiere que la velocidad de escape debe ser igual a la velocidad del chorro. En este caso, el aire entra en el chorro a la misma velocidad que los gases de escape que sale del chorro, y la potencia neta es por lo tanto cero. Por lo tanto, jets prácticas deben funcionar a un compromiso entre el empuje y la eficiencia disponible.

Las turbinas de acción tienen una serie de cubos soportados en una rueda. Un chorro de fluido dirigido a los cubos gira la rueda gira para generar energía. Los primeros investigadores encontraron que el enfoque ideal es para dirigir el flujo entrante en el borde de la cubeta, no en el centro. Así pues, el fluido entrante sigue un recorrido semicircular, dejando el cubo a la misma velocidad a la que el fluido entró. Además, cuando la corriente de entrada entra al doble de la velocidad de las paletas rotatorias, el resultado neto es que el fluido gastado es estacionario en el espacio. Por lo tanto, la eficiencia máxima de una turbina de impulso se produce cuando no hay energía cinética a la izquierda en el escape, como se ha indicado anteriormente para el caso del cohete.

Una vez más el uso de la relación que Potencia = Fuerza x Velocidad, Potencia = mflowVstream x Vbucket o P = ½ MFLOW Vstream2 donde MFLOW es la tasa de flujo de masa, Vstream es la velocidad de la corriente de chorro entrante, Vbucket es la velocidad de cubo, y Vbucket = ½ Vstream. Por lo tanto, para cualquier velocidad de la corriente de chorro dado, un impulso rendimientos de la turbina sólo una mitad de la máxima, de energía ideal de un cohete que funciona a la misma velocidad.

La turbina de reacción es una máquina antigua, originalmente desarrollado por Herón de Alejandría, y observa con mayor frecuencia hoy en día como un aspersor giratorio común. El principio general es que el fluido expulsado tangencialmente desde la periferia de un disco de rotación causa de este disco. A pesar de esta simplicidad inherente, la turbina de reacción nunca ha sido utilizado con éxito para la generación de energía. Las limitaciones se derivan del diseño básico. Aunque los registros y prototipos originales se pierden mucho tiempo, la geometría generalmente aceptada es esencialmente una esfera con 2 chorros opuestos montados en la línea central. Cuando se añade agua a la esfera, y se calienta entonces la esfera, el vapor que se escapa hace girar la máquina.

La relación general de arriba muestra los problemas subyacentes. En primer lugar, la alimentación en agua es obviamente difícil con capacidad de mecanizado limitado. La siguiente preocupación es la conversión de agua en vapor, y la ruta de acceso de este vapor. Idealmente, esta progresión debe ser lisa, pero con una mezcla de hilatura de líquido y gas, combinado con salidas que se mueven en relación con el gas (no hay particiones internas) , el proceso interno es complicado de hecho, que conduce a pérdidas significativas. Por último, no existe ninguna disposición para extraer el gas suavemente a través de y fuera de las boquillas, y ninguna disposición para que coincida con la velocidad de rotación de la máquina a la velocidad de escape. Por lo tanto, no es sorprendente que la turbina héroe no produce energía útil. Similares problemas persisten en los intentos más modernos.

A pesar de estos problemas, las turbinas de reacción son potencialmente útiles debido a que son inherentemente duradera. Específicamente, las turbinas de reacción carecen de las cuchillas delicadas que limitan las turbinas convencionales. Por lo tanto, las turbinas de reacción pueden ser considerados para la energía geotérmica, solar, topping, tocando fondo, y los ciclos similares que tienen grandes cantidades de agua mezcladas con vapor, así como otros sistemas de fase dos.

Sohre ha propuesto uno de tales sistemas, el uso de un separador para dividir el agua y el vapor. Un factor limitante es la relación física simple que la velocidad lineal v = ? r, donde r es el radio y ? es la velocidad angular.

El primer problema de esta relación es que Sohre especifica una velocidad punta supersónico, y muestra el chorro de agua a alrededor de la mitad del radio de la punta. Por lo tanto, usando la ecuación simple de arriba para la velocidad en un radio dado, la velocidad en el chorro de agua es por lo menos cerca sónica, si no supersónico. Esto no es simplemente práctica por múltiples razones: (1) el agua no es compresible, y por lo tanto no sigue las leyes de flujo compresible que gobiernan la fase de gas - los componentes de gas y agua de la unidad por lo tanto, no son compatibles, (2) agua estará sujeto a la bomba de trabajo, como se describe a continuación, y (3) la cantidad de agua en cualquier sistema de dos fases práctica es insuficiente para formar un chorro de utilidad - las pérdidas serían excesivos para un pequeño diámetro de la boquilla, pero una boquilla de diámetro grande haría ser inadecuada para servir como un tapón para el vapor.

[0020] Sohre establece que el vapor expulsado tiene suficiente velocidad radial para fregar las paredes de la cámara. Un problema es que la relación general anterior establece que cualquier velocidad residual disminuye la eficiencia. Además, no sólo existe esta velocidad, es en la dirección radial. Turbinas de reacción, sin embargo, no producen energía de la velocidad radial - sólo tangencial (o angular) los rendimientos de velocidad de potencia útil. La disposición de boquilla muestra la razón de esta pérdida de eficiencia: las boquillas expulsan componentes tanto tangenciales y radiales.

Sin embargo, la unidad de Sohre no muestra la convencional de Laval convergente y divergente boquillas, según sea necesario para alcanzar velocidades supersónicas. Sohre específica que la ubicación y el tamaño real dependen de la caída de presión. Sohre también toma nota de que las turbinas de reacción convencionales comprimen su propio fluido de trabajo durante la rotación.

La ubicación indicada por la sección convergente / divergente y la garganta propuesto (discutido a continuación) es cerca de la periferia. Espec ficamente, la ubicación de la garganta está dentro del 10% de la periferia. Por lo tanto, el flujo debe pasar de subsónicas a supersónicas en sónicos para el último 10% del rotor. Lo anterior relación simple v = r ?, sin embargo, dice que un aumento de velocidad tan rápida simplemente no es posible manteniendo al mismo tiempo las ecuaciones de flujo tangencial especificados. Es decir, el espacio disponible permite a más de un 10% de aumento en la velocidad, no duplicar o triplicar la velocidad.

Procediendo más lejos hacia el interior, hay una zona de flujo que se extiende desde la sección convergente al eje de rotación. Sohre afirma que esta sección puede o no puede tener guías, dependiendo de si el cliente desea pagar por ellos. Con paletas, el fluido gira con el cuerpo del rotor. Sin álabes, el fluido no gira con el cuerpo. El fluido que se acerca a las boquillas, por tanto, tiene totalmente diferentes características de flujo bajo las dos configuraciones sugeridas . Recordando el principio general anterior que el flujo interno debe ser liza para evitar pérdidas excesivas, alguna elección debe hacerse en el presente. Además, existe también el problema de las velocidades tangenciales no coincidentes, que de nuevo se discutirán más detalladamente a continuación.

Por último, progresando hacia el eje revela un último problema que es muy instructivo: conservación de la masa. El principio subyacente es que las máquinas de flujo no pueden almacenar o liberar fluido. Cuantitativamente, la relación de flujo es más FLOW = p A v donde p es la densidad, A es el área de flujo transversal, y v es la velocidad de flujo.

El problema fundamental en el presente es que los flujos compresibles, tales como aire o vapor de agua a alta velocidad, tienen propiedades que limitan los tipos de flujo que son posibles. Específicamente, para conseguir un flujo supersónico, según lo especificado por Sohre, el flujo debe pasar primero a través de una sección convergente, donde la velocidad aumenta. Eventualmente, el flujo alcanza la velocidad del sonido, Mach 1, en el punto más estrecho en el canal. El canal entonces diverge. Con la cabeza suficiente presión, el flujo y luego se acelera más allá de Mach 1 en esta sección supersónica. La condición limitante en el presente es que el punto más estrecho se llama la garganta: no más que el flujo dado puede pasar a través de este "área crítica." Unidad de Sohre, sin embargo, viola este principio porque el eje de entrada es mucho más pequeña que la garganta. Además, el área de la garganta es mucho, mucho mayor que el área de entrada. Por lo tanto, la unidad de Sohre viola la ley de la velocidad de flujo de masa arriba: simplemente no es físicamente posible para cualquier caudal másico dado para satisfacer las condiciones contradictorias en la geometría Sohre.

La patente de E.U. 5,236,349 (Fabris) presenta un enfoque más tarde para turbinas de reacción. Desafortunadamente, la unidad de Fabris comienza con un problema ya citado por la patente de E.U. 4,336,039 (Sohre) : disposiciones de toberas de escape limitados. Específicamente, la unidad de Fabris sólo tiene dos boquillas de salida. Por lo tanto, más del disco se desperdicia espacio. Tal disposición no es simplemente competitiva sobre una base de masa y volumen con las turbinas convencionales.

Otro problema con la unidad de Fabris es la zona de entrada en el eje. Al igual que la unidad Sohre sin particiones, esta zona no está dividido, y por lo tanto sufre de los problemas de distribución desigual que se remontan a Hero. Además, la unidad de Fabris también sufre de excesivas pérdidas de eficiencia debido a altas velocidades de entrada, como se discute más completamente a continuación.

Fabris, sin embargo, reconoce la conservación de los límites de flujo, y la constricción de la garganta es a una distancia radial razonable. Fabris también reconoce los efectos de compresión en el rotor, principalmente en lo que se refiere a la presión relativa a la vaporización instantánea del fluido de dos fases (agua y vapor) .

Sin embargo, el programa de computadora que Fabris utiliza para calcular estos efectos tiene defectos. En primer lugar, Fabris describe un perfil de velocidad lineal y, a continuación, procede a utilizar este perfil para el resto de los cálculos. Esta descripción implica que o bien el perfil lineal es el único perfil posible, o hay alguna preferencia para el perfil lineal. En realidad, hay muchos perfiles posibles, y muchos de ellos proporcionan mejoras significativas sobre la forma lineal especificada por Fabris (descrito más completamente a continuación) .

Más importante aún, Fabris luego utiliza este perfil lineal en un esquema iterativo para determinar los contornos de flujo. El límite de la iteración es la velocidad estimada de gas en el rotor en movimiento, en comparación con la velocidad del gas en un rotor estacionario. Fabris a continuación, utiliza el caso convergido para la prueba.

La dificultad en el presente es que Fabris ha omitido términos cruciales en el modelo de cálculo: las pérdidas y el trabajo realizado por el gas en el rotor en la dirección tangencial antes de la salida. Debido a que estos términos disminuyen la velocidad de salida en el caso de rotación, el algoritmo Fabris de velocidades de salida idénticas mandato converge invariablemente a la solución equivocada. Este tema se trata más completamente a continuación, pero para en el presente, tenga en cuenta que un cambio de 180 grados de la dirección del gas en el plano de rotación tangencial (Fabris. Fig. 3) produce resultados que están en error por lo menos 50%. Tales discrepancias grandes son simplemente inaceptables en el trabajo de la turbina, donde las variaciones de incluso fracciones de un por ciento son importantes .

Más allá de la literatura de patentes, Comfort proporciona el análisis más simple, más completo de los principios de la turbina de reacción. En particular, Comfort cita la omisión del trabajo de la bomba en la mayoría de los libros de texto .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Una turbina integra un componente de impulso y un nuevo componente de reacción. Las turbinas de acción son inherentemente menos eficientes que las turbinas de reacción, pero la combinación de los dos sistemas ofrece múltiples ventajas, incluyendo una alta eficiencia, alta durabilidad, bajo costo, amplia banda de potencia y la capacidad de utilizar una amplia variedad de combustibles. El rango de combustible incluye todos los combustibles de turbinas convencionales, así como los combustibles no convencionales, tales como el carbón, la biomasa, el petróleo crudo sin refinar, y mezclas de dos fases, en particular de vapor de agua y combinaciones .

Las dos turbinas de componentes pueden ser montados en un eje central común o tener una división o de doble eje. A diferencia de los ejes en otras turbinas de reacción, este eje es sólido a maximizar la resistencia y minimizar la vibración. El fluido de trabajo entra en la primera turbina de impulso a velocidad subsónica para pérdidas mínimas. Un sello de laberinto contiene la entrada de alta presión, incluso durante la vibración. Todo lo que se requiere es que los gases de escape tienen casi cero velocidades tangenciales al entrar en la turbina de reacción posterior. El cabezal de presión se pasa entonces a la turbina de reacción, donde cero velocidades tangenciales se mantienen durante todo el recorrido de flujo.

El radio de la turbina de impulso es significativamente menor que el radio de la turbina de reacción. Por consiguiente, la turbina de impulso puede funcionar a velocidades subsónicas para pérdidas mínimas mientras que la turbina de reacción opera a velocidades supersónicas para una máxima eficiencia.

La turbina tiene múltiples boquillas (más de la habitual 2) dispuestos simétricamente para ninguna interferencia mientras produciendo salida máxima en flujo tangencial completamente. El sistema combinado es corta en longitud y diámetro, dando de ese modo la potencia máxima con el mínimo peso . La forma general de la turbina es esencialmente un disco plano. La ventaja de esta geometría es que el sistema es fácil de equilibrar con técnicas dinámicas convencionales. Además, el sistema puede ser montado de manera que es auto-equilibrar a la velocidad, al igual que un rotor de la centrifugadora.

Para el control de calor, el sistema puede incorporar aleaciones de alta temperatura convencionales. Los puertos en el rotor proporcionan una refrigeración activa sin necesidad de vaciar el aire del compresor, manteniendo así una alta eficiencia. Además, las curvas de radio suave, largas pueden ser fácilmente recubiertos por cerámica. La construcción de cerámica completa es también una posibilidad que se disponga de nuevos materiales. Sin las hojas frágiles de las turbinas convencionales, la turbina puede incorporar cerámica y otros materiales avanzados que no se pueden utilizar actualmente.

La base de la turbina de reacción puede contener imanes para orientarse y para la generación de energía eléctrica integrada. El sistema ensamblado es, por tanto, simple y barato de fabricar, incluyendo la opción de fresada sola dimensión para sistemas de bajo costo. El dispositivo resultante es suficientemente durable para operar en ambientes hostiles. Además, esta alta durabilidad permite el uso de regeneradores o recuperadores baratos, sin el riesgo de fallo del sistema debido a la ruptura unidad de recuperación de calor.

El sistema está diseñado para la máxima potencia del eje. En concreto, el sistema no tiene pérdidas de bypass, produciendo de este modo altos niveles de potencia, incluso a las pequeñas escamas que no pueden actualmente ser atendidos por otras turbinas . La salida de potencia en el eje puede ser convertido a empuje simplemente mediante la reducción de la eficacia de la sección de turbina de reacción. Los contornos del sistema combinado son eficaces sólo en rangos específicos, por lo tanto inherentemente la limitación de la velocidad máxima y eliminando así los problemas de surgimiento de las turbinas convencionales .

La combinación de la reacción y turbinas de acción proporciona muchas ventajas con respecto a turbinas de acción que actúan solos. En primer lugar, las turbinas de acción por sí solas no pueden proporcionar las grandes caídas de presión que son necesarias para una alta eficiencia. Además, las turbinas de acción utilizados para la energía geotérmica y otros dos flujos de fase operan a altas velocidades, y por lo tanto están sujetos a daños causados por gotas de agua y los desechos.

Por el contrario, la turbina de impulso en la presente invención funciona a una velocidad relativamente baja, donde los daños por impacto son insignificante. Recordando la relación anterior entre la velocidad de rotación y la velocidad lineal, la turbina de impulso situado cerca del eje es por lo tanto idealmente adaptado a las boquillas de velocidad mucho más altos en el perímetro del disco. Otra ventaja de esta operación única baja velocidad es que el flujo de entrada se puede mantener subsónico, en comparación con el flujo supersónico de los sistemas de mayor velocidad. La ventaja inmediata es que los flujos subsónicos se pueden activar a través de los ángulos requeridos con pérdidas mínimas, en comparación con las pérdidas mucho más grandes que se producen al girar los flujos supersónicos.

La presente invención también se puede configurar como una turbina de reacción sin un componente de impulso, así como un sistema de doble BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 representa la turbina híbrida; La figura 2 representa la disposición de los cubos de la turbina de impulso, en relación con la turbina de reacción subyacente; La Figura 3 representa los cubos con relación a una placa de deflexión; La Figura 4 muestra la turbina híbrido que tiene cubos en la sección de turbina de impulso; La Figura 5 es una vista en planta de un disco de turbina de reacción; La Figura 6a es una vista en planta de un disco de turbina de reacción de la Figura 5 con múltiples canales ; La figura 6b representa diversos perfiles de cuñas en los canales; La Figura 7 es una vista en planta de un disco de turbina de reacción se utiliza con una turbina de impulso; La Figura 8 es una vista en planta de un disco de turbina de reacción que tiene una cámara de compresor y de combustión montado en su superficie superior; La Figura 9a es una vista de extremo de una turbina que tiene cojinetes magnéticos y aletas de refrigeración; La Figura 9b es una vista lateral de la turbina de la figura 9a; y La Figura 10 es una vista en sección transversal de un sistema que tiene dos turbinas de reacción y un eje doble .

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Como se ve en la Figura 1, la turbina híbrida 10 tiene un eje macizo 12 que soporta todos los componentes y alimentado por los componentes de la turbina. Un conducto de entrada 14 suministra fluido de cualquier fuente adecuada, tal como una cámara de combustión. El fluido tiene un movimiento de vórtice, que se muestra por la flecha A medida que el flujo se mueve alrededor del eje sólido 12 y entra en la parte superior de la turbina de impulso 20 a través de la ingesta de 22 que se extienden radialmente desde el eje 12 sobre una pared superior de la turbina de impulso 20. La turbina de impulso es mostrado con una pared lateral cónica, pero la pared lateral puede por cilindrica.

El sistema anterior utiliza un único flujo de entrada de la cámara de combustión, progresando desde la cámara de combustión al rotor. Para obtener la máxima densidad de potencia, el flujo puede venir a partir de dos cámaras de combustión, o una fuente de corriente dividida, etc. En este caso, el tamaño de la cámara de flujo debe duplicarse. El resultado neto es extremadamente alta densidad de potencia para el sector aeroespacial y otras aplicaciones de espacio de trabajo limitadas. Paletas de guía en la toma pueden dirigir el flujo sin problemas en el canal . Tenga en cuenta que estas paletas de guía no contribuyen producción de trabajo, como se hace en una turbina de acción convencional .

El resultado es que el flujo de entrada está suavemente guiada desde la cámara de combustión, a través de la turbina de impulso, y luego en la turbina de reacción. En particular, el flujo que sale de la turbina de impulso es a una velocidad angular cero como se ve desde un observador fijo externo, igualando así el flujo en los canales del rotor. Esta vía de flujo de fluido produce la máxima eficiencia en general.

El fluido de entrada entra a lo largo de los lados de este eje central 12 a través de una junta de laberinto 16. Este sello tolera desequilibrios durante el arranque y la parada. El flujo se dirige parcialmente hacia abajo, con la rotación alrededor del eje central para crear un flujo helicoidal. La red de conductos de alimentación curvada de turbinas de flujo de entrada radial convencionales ya es conocido para proporcionar tales flujos, por lo que, por tanto, este enfoque está probada y también proporciona un mecanismo de conversión directa para instalaciones convencionales. La turbina de impulso dirige el contador de flujo de entrada a la rotación de la turbina de reacción 30.

La turbina de impulso está formada por una pluralidad de cubetas arqueadas 22. El gas a presión entra en la turbina en los espacios entre los cubos, cada uno con la formación de una superficie de dos trayectorias de flujo de cubo, como se puede ver en la Figura 2. Las turbinas de acción son más eficientes cuando la corriente de entrada se mueve al doble de la velocidad angular de los cubos . En esta condición, la velocidad de la corriente de escape parece ser estacionario. Esto proporciona el vínculo necesario para la turbina de reacción, se discute a continuación .

El flujo incide en la curva de cubo exterior, impartir una fuerza en la turbina de impulso para crear una rotación en sentido contrario a las manecillas del reloj de un fluido en sentido contrario a las manecillas del reloj de ser introducido a la turbina. El flujo no sólo se invierte en los cubos, pero dirigida radialmente hacia fuera y hacia abajo. El flujo entra en la etapa de reacción inferior a una distancia significativa desde el eje.

La turbina de impulso en esta configuración se conoce como "flujo axial de admisión parcial". La "admisión parcial" término designa que sólo una parte del área de flujo está abierto en un momento dado. "Flujo axial" significa simplemente que el flujo neto en la sección de turbina de impulso es paralelo al eje de rotación. Esta configuración es la más adecuada para (1) cantidades limitadas de fluido de trabajo, y (2) las velocidades de rotación bajas.

La presente turbina también permite una configuración sencilla de admisión completa, como se muestra en la Figura 3. En el presente los cubos 24 están estrechamente espaciados, frente a los huecos de admisión parciales en la Figura 1. El ángulo de entrada de gas en la figura 3 es de aproximadamente 30 grados a una plano de rotación de la turbina de impulso, y el ángulo de entrada de las cubetas es de unos 20 grados, como es típico de turbinas de acción convencionales. Estos ángulos se seleccionan para proporcionar un movimiento neto a lo largo del eje; de lo contrario, el líquido podría acumularse y bloquear el flujo. Turbinas convencionales aceptan este "entrar y salir" pérdida. Idealmente, el flujo sería todo en la dirección de giro para una máxima eficiencia, pero esto no es posible en unidades de impulso de flujo axial convencionales .

La presente turbina tiene una placa defleetora 26 colocada a la salida de la turbina de impulso. Una forma de esta placa es un disco montado en el eje de rotación. En su forma más simple, el deflector es la superficie exterior de la pared turbina de reacción.

Como este flujo impacta la placa deflectora, que emerge a través de la abertura entre la placa y los cubos se muestra en la Figura 3. Al salir de los cubos 24, no hay movimiento de rotación como se observa desde un punto externo fijo. La geometría se selecciona de modo que el área de flujo anular a lo largo del eje y que sale de la turbina de impulso coincide con el área de flujo en sección transversal cilindrica en la dirección radial hacia los canales de flujo de reacción, que se describirán más adelante. Por supuesto, estas dos áreas no son una coincidencia exacta debido a los efectos en 3 dimensiones, alisando del disco y el eje de la articulación, y otros refinamientos comunes en la mecánica de fluidos. Estos efectos secundarios, sin embargo, son lo suficientemente pequeñas que un análisis unidimensional proporciona un buen punto de partida para el desarrollo experimental y teórico. El resultado física inmediata de esta disposición es que el fluido que sale de la turbina de impulso y el disco deflector tiene un flujo bien caracterizado que consiste de componentes de rotación y radiales especificados.

La Figura 4 representa otra modalidad de la turbina híbrida, en donde los cubos en la sección de turbina de impulso se dividen además por una pared cilindrica 18 que es coaxial al eje. Por tanto, esta pared divide cada cubo en dos secciones . Debido a que estas secciones son aproximadamente iguales en superficie total, la sección exterior está por lo tanto obligado por dos radios que están más cerca entre sí que los dos radios que limitan la sección interior. Las salidas de estas secciones hacia la turbina de reacción siguen siendo el mismo que si el divisor no estaba en su lugar. La entrada, sin embargo, se sangra ligeramente de la configuración original .

Además, estas indentaciones corresponden a modificaciones en la boquilla de entrada 14. Específicamente, la boquilla está igualmente dividida en la dirección radial. La sección exterior de la boquilla sigue siendo como antes. La sección de boquilla interior, sin embargo, está ahora separada de la sección exterior a través de la indentación y vinculado a una coaxial, el anillo anular móvil 60 que actúa como una oclusión. El anillo 60 tiene un diámetro igual al diámetro de la pared cilindrica 18. Cuando desplazado por una varilla de control externo 62, este anillo ocluye parcial o completamente el canal de flujo interno de la turbina de impulso, según sea necesario .

Cuando el anillo está en contacto con la pared cilindrica 18, el sistema funciona como antes: el flujo entrante tiene el doble de la velocidad angular del rotor, y el sistema se comporta como una turbina de impulso convencional. Sin embargo, cuando el anillo está completamente retraído, la velocidad de flujo en sección transversal adicional gotas de la velocidad de entrada por medio . La velocidad angular de entrada ahora es igual a la velocidad angular del rotor. Por tanto, el flujo de entrada no realiza trabajo sobre el componente de impulso. Por supuesto, esta disposición no tiene ningún uso en turbinas de acción convencionales, sin embargo, esta disposición pasa la cabeza de caudal máximo posible a la turbina de reacción más eficiente, mejorando así la eficiencia global del sistema.

Obsérvese que la componente de velocidad axial todavía proporciona las restricciones globales de flujo en sección transversal como se describió anteriormente para la separación de salida. La única diferencia es que cuando el sector interior es ocluido, el flujo que sale de la turbina de impulso separa cuando se gira radialmente a la turbina de reacción, dejando así una zona de estancamiento en la base del sector interno. La curvatura de acuerdo con las técnicas de mecánica de fluidos estándar minimiza las pérdidas de turbulencia a esta zona. Esta disposición también se aplica a la oclusión parcial. Es posible invertir el papel de las dos secciones si se desea. Por ejemplo, los flujos de partículas cargadas fuertemente causan menos erosión del cubo cuando se introduce en el modo de impulso completo cerca del eje, pero este efecto es menor .

Además de la obstrucción disco central móvil, también es deseable ser capaz de cerrar la entrada exterior completamente y de forma independiente. En este caso, la obstrucción se compone de un segundo anillo anular móvil, centrada alrededor del eje de la turbina, y que encierra la obstrucción disco sólido descrito anteriormente. En otras palabras, el segundo anillo anular móvil tiene un diámetro interior igual al diámetro exterior del anillo 60. La ventaja de dos regiones completamente independientes es que las diferentes formas de cubo se pueden utilizar en estas regiones para proporcionar cualquier combinación de flujo deseada. Por ejemplo, el anillo exterior se puede configurar para la máxima eficiencia de impulso, según se desee para flujo bajo, la operación de carga parcial. Tales configuraciones podrían enfatizar pequeños ángulos de incidencia, en el orden de los 20 o 30 grados comúnmente utilizados en turbinas de acción. Además, la velocidad angular de entrada sería de aproximadamente el doble de la velocidad angular de la turbina. A la inversa, el anillo interior sería utilizar ángulos bastante agudos y una velocidad de entrada de aproximadamente igual a la velocidad del rotor. Estas condiciones podrían producir un trabajo de impulso mínima, pero la orientación del flujo ideal para aplicaciones de alto rendimiento.

Después de salir de la turbina de acción, el líquido entra en la turbina de reacción. Las figuras 5-8 muestran diferentes turbinas de reacción. Estas turbinas de reacción se pueden utilizar con o sin una turbina de impulso, como se explicará. Cada una de estas turbinas se puede hacer mediante la formación de canales en una superficie superior de un disco por cualquier método convencional, tal como moldeo o mecanizado. Los canales de servir como boquillas en la turbina de reacción y cada canal tienen una pared lateral interior y exterior. Una vez que los canales se forman en la superficie superior, una membrana plana que tiene una entrada puede ser asegurado a la parte superior del disco para formar la turbina de reacción.

Otra opción es eliminar la cubierta de canal. En esta disposición, la carcasa de la turbina de impulso, o la cámara de combustión si no hay turbina de impulso, se extiende radialmente hacia fuera paralela al disco giratorio, mientras que se mantuvo en estrecho tolerancias del disco, en el orden de un milímetro o menos. Bajo este acuerdo, no se necesita ningún sello de laberinto. En lugar de ello, el gas se ve limitado por la estrecha proximidad de la cubierta fija. Aunque esta configuración permite que algunas pérdidas, estas pérdidas son pequeñas para caídas de presión bajas y estrechas tolerancias. Las ventajas inmediatas incluyen altas velocidades con tensiones mínimas y, operación libre de mantenimiento barato debido a la ausencia del sello de laberinto. Esta disposición se discute en más detalle más adelante con respecto a las figuras 9a y 9b.

En la presente invención, los canales son rectangulares, minimizando de este modo las pérdidas de circulación internos. Además, los canales son todos a la misma profundidad, con la variación requerida en el área de la sección transversal depende por lo tanto únicamente en los cambios en la anchura de los canales. La ventaja inmediata de este enfogue se simplifica en gran medida la construcción debido a una máquina de fresado debe manejar variaciones en sólo una dimensión en lugar de tres. Por otra parte, toda la variación puede ser manejados en un solo disco, en lugar de dos. Así pues, este enfoque reduce el resto de la parte de fresado de la fabricación de esfuerzo en medio.

En cada una de estas figuras, el canal se representa como que se extiende desde una entrada. El círculo exterior denota una circunferencia en la que el componente de velocidad radial se convierte en cero, dejando sólo un componente tangencial. El borde exterior de la turbina de reacción no se muestra, pero, como se mencionó anteriormente, el borde exterior de la turbina es el punto donde la pared lateral exterior del canal se convierte en tangencial a la pared lateral de la turbina de reacción .

La Figura 5 es una vista en planta de un rotor que tiene canales con secciones tanto rectos como curvos . Progresando desde la entrada de orientación axial, el gas entrante tiene una componente tangencial que coincide con la velocidad de rotación del rotor en la apertura del canal. El componente de entrada de velocidad axial de este modo convierte directamente en la velocidad de salida radial. A continuación, el gas se comprime ligeramente a medida que avanza a través de la sección recta de la canal .

La sección recta y luego se une a la segunda sección. En esta sección, la compresión disminuye y comienza el trabajo de empuje interno. Siguiente, la curvatura en los canales llega a ser mayor en el centro del rotor, y la compresión disminuye rápidamente, mientras que empuje aumenta rápidamente. La disminución progresiva de la presión se acompaña de una disminución de la temperatura. Eventualmente, las transiciones de curvatura de canal, a un camino totalmente tangencial. En este punto, no más de compresión se produce, y todo de la cabeza de presión generada previamente se ha convertido a empuje.

[0076] La turbina de reacción 50 tiene una serie de canales 52 , teniendo cada uno una garganta sónica para aumentar la velocidad del fluido y una boquilla de salida que es tangencial a la superficie exterior de la turbina de reacción. La Figura 5 representa sólo uno de los canales 52 de la turbina de reacción para efectos de claridad. El canal tiene una entrada 54 y una primera sección 56 que se extiende radialmente hacia fuera desde la entrada 54. La primera sección tiene un área de sección transversal decreciente. La disminución en el área de la sección transversal puede ser debido a una forma troncoconica, o el canal puede tener una altura constante y disminuir en la distancia circunstancial medida que se extiende radialmente desde el centro. La primera sección 56 transiciones a una segunda sección 58 que define una trayectoria curva de la primera sección 54 a una toma de corriente en el borde de la turbina de reacción. Como se señaló anteriormente, el círculo exterior indica que el componente de velocidad radial del fluido es cero, dejando sólo un componente tangencial. En la salida, el flujo de gas es tangencial a la circunferencia de la turbina de reacción, que no se muestra en la figura para fines de claridad.

En este ejemplo particular, una de cuatro (4) atmósfera compresor produce una velocidad de salida de aproximadamente 500 m / seg para un rotor con ninguna sección recta. En estas condiciones, el sistema es un CBE convencional (donde CBE denota cámara de combustión quemador Expansor como por Wilson y nomenclatura orakianitis ) ciclo Brayton con la eficiencia de aproximadamente 30%. A la inversa, la corriente CBceE (donde CE denota pequeña compresión y expansión en el rotor) del sistema tiene una velocidad de salida de aproximadamente 700 m / seg, dando una eficiencia de alrededor del 60%. Por consiguiente, la presente configuración CBceE tiene el doble de la eficiencia térmica del sistema de CBE. Asimismo, debido a que la eficiencia mecánica depende del cuadrado de la velocidad, el sistema CBceE produce 490.000 m / seg cuadrado de salida, que es aproximadamente el doble de la 250,000 m / seg cuadrado de salida del sistema de CBE.

La Figura 6 representa múltiples canales 52 de un rotor de turbina de reacción no tiene un componente de turbina de impulso. Cada canal tiene una pared lateral exterior 157 y la pared lateral interior 158. Sin un componente de turbina de impulso, la velocidad tangencial de entrada del gas es la misma que la velocidad tangencial del rotor. Además, la velocidad axial del gas entrante se dirige ahora en la dirección radial .

Con esta configuración, el rotor está realizando trabajo de la bomba de gas, a diferencia de los diseños anteriores curvos canales, tales como Fabris, que eliminaron todo el trabajo de la bomba. En cambio, la pequeña cantidad que resulte de trabajo de la bomba supera las pérdidas debidas a la turbulencia, la aplicación no ideal de empuje, etc. El resultado neto es una cabeza de presión ideal, dando así la máxima velocidad de salida que a su vez produce la máxima eficiencia.

Los canales son, por tanto, perpendicular en el cruce con la entrada. La línea de puntos 153 indica la línea central del flujo de fluido. Como antes, el círculo exterior 51 indica la distancia a la que el componente de velocidad radial se convierte en cero. La circunferencia exterior del rotor tendría un diámetro ligeramente más grande, entonces este círculo exterior 51. Seis canales se muestran, pero este número puede ser variado en función del tamaño del rotor y la aplicación del rotor previsto. El rotor está provisto de orificios de refrigeración 70 entre los canales 52. Los orificios de refrigeración conducen a canales que se extienden entre los canales 52 de refrigeración. Además cucharadas 72 puede proporcionarse en los orificios de refrigeración para dirigir el aire hacia los orificios de refrigeración y luego en los canales. Además, aletas de refrigeración se pueden añadir al rotor, como se explicará más adelante.

Como se describe en otro lugar, los canales tienen una profundidad constante para facilitar la fabricación y simple de sellado. La excepción a esta geometría profundidad constante está en la entrada de los canales, donde la profundidad se reduce a través de una región corta (típicamente alrededor de 5 a 10 por ciento de la longitud total del canal) . Para mantener la conservación de la masa sea necesario, un aumento de la anchura acompaña a esta disminución de la profundidad. Como se muestra en la Figura 6, este aumento de la anchura 80 cerca de la entrada continúa hasta que los lados de los canales adyacentes se encuentran en las respectivas entradas de los canales. Esta disposición proporciona una transición uniforme desde la entrada a los canales. De acuerdo con los procedimientos de mecánica de fluidos estándar, paletas de guía opcionales se pueden colocar en esta coyuntura.

Todas las turbinas sufren de limitadas prestaciones fuera de horas punta. El principio físico subyacente es que la geometría de la cámara limita la expansión del gas comprimido. En la teoría de cohetes, los regímenes de expansión se llaman (1) bajo expandida para los casos en los que la boquilla no se expande lo suficiente para capturar todo el potencial de gas, (2)-ampliado ideal para los casos en los que la boquilla capta la totalidad del gas potencial, y (3) sobre-expandído para los casos en los que la boquilla tiene más expansión que la necesaria.

La expansión Ideal es el objetivo obvio, pero esta condición no puede ser satisfecha por cualquier sistema fijo que funciona en un amplio rango de velocidades según sea necesario para el sector aeroespacial , de la automoción, y un montón de servicios públicos. Las geometrías variables, tales como los conductos de extracción piloto controlado de los motores de aviones de combate avanzados, no son prácticos en tecnologías comerciales. La tecnología de control de expansión mejorada de la presente invención consiste por lo tanto de una geometría fija que es capaz de inducir trayectorias de flujo de fluido de múltiples dependiendo de las condiciones de flujo de entrada.

A partir de las condiciones ideales, la geometría de flujo está idealmente ampliado, según sea necesario para una eficiencia óptima. Sin embargo, en condiciones menos que ideales, como existente durante el arranque y en el funcionamiento a carga parcial, la geometría es sobre-expandido. En este punto, algo de separación de flujo se produce, ya que el flujo se separa de las paredes del canal .

Después de los trabajos preliminares de cohetes, la presente invención induce fuertemente la separación en condiciones de poca actividad, lo que reduce de manera efectiva el área de flujo disponible. A diferencia de la obra cohete existente, sin embargo, los modelos informáticos avanzados muestran que la separación en la presente invención se produce preferentemente en el lado más interior del canal de flujo. Por esta razón, la separación cuñas 76 se colocan radialmente a lo largo del canal como se indica en la Figura 6a. Bajo condiciones de baja velocidad del fluido, la separación causada por la separación cuñas 76 causas de los canales a comportarse como si tienen un área de sección transversal reducida, mejorando así el rendimiento. Los diversos perfiles de las cuñas de separación se representan en la Figura 6b.

Cuando el flujo es en condiciones óptimas, estas cuñas producen sólo perturbaciones menores en el campo de flujo, con sólo una pérdida insignificante en la eficacia. En condiciones de poca actividad, sin embargo, estas cuñas inducen una zona de separación estancada que llena la mayor parte de la cámara de flujo aguas abajo. Por tanto, esta zona ocluye parcialmente la corriente de flujo, dando de ese modo la disminución deseada en el área de la sección transversal efectiva. Por supuesto, el patrón de flujo resultante no es tan eficiente como la expansión ideal, y no es completamente eficaz en todas las condiciones de flujo. Este campo de flujo modificado, sin embargo, no proporciona mejores resultados no pico que se puede lograr con geometrías de expansión uniformes.

La Figura 7 muestra la entrada de una turbina de reacción a partir de una turbina de impulso como líneas continuas 253, 254. Debido a que el gas caliente de la turbina de impulso no tiene velocidad angular relativa a un observador fijo, el ángulo de canal en el rotor debe mantener este condición para la condición de trabajo de la bomba a cero se ha descrito anteriormente. Además, como se señaló anteriormente, hay muchos perfiles de velocidad posibles que satisfacen esta condición. El recorrido, ilustrado se basa en una pérdida mínima, el perfil máximo de la eficiencia, pero otros perfiles se puede adaptar para casos particulares .

Como se describió anteriormente, el flujo emergente través de la entrada es totalmente axial, como se ve por un observador fijo. Este flujo a continuación, gira 90 grados, ya que se encuentra con el deflector, o la parte inferior de la turbina de reacción. Conservación de la masa (lo que viene en el debe ser igual a lo que sale) , por lo tanto requiere que la salida de flujo axial área transversal (salida de impulsos) debe ser igual al área de la sección transversal de flujo radial (entrada de reacción) . Es decir, el área de flujo hacia abajo debe ser la misma que el área de flujo radial después de girar 90 grados. Por tanto, esta restricción establece el espaciado entre el extremo de los cubos y el deflector. Como se señaló anteriormente, los refinamientos adicionales incluyen giro gradual para evitar turbulencias, así como otras técnicas de mecánica de fluidos estándar.

El gas que sale de este modo consiste en un flujo de turbulencia (tangencial), junto con una componente radial creado a partir de la de flujo axial de la turbina de impulso, como se ve por un observador en movimiento. Este flujo es continuo y uniforme. El flujo en los canales, sin embargo, se separa. Las figuras ilustran 6 canales, pero en la práctica tan poco como 2 canales se pueden utilizar. Más canales pueden ser utilizados, siendo la única restricción separación igual ángulo para fuerzas equilibradas y pares de torsión.

La preocupación restante, por tanto, es para guiar el flujo continuo que sale de la turbina de impulso en los rotores. Esta separación requiere paletas de guía de acuerdo con los procedimientos estándar de mecánica de fluidos para minimizar la turbulencia y otras pérdidas.

El principio de diseño general, sin embargo, es otra vez la conservación de la masa. En este caso, el área total de la sección transversal del flujo de la salida continua de la turbina de impulso debe ser igual a las áreas de sección transversal combinadas en los puntos de entrada de los 6 canales de la turbina de reacción. Haciendo referencia de nuevo a la Figura 7, cada uno de los seis canales de este modo recibe el flujo de 60 grados (un sexto del total de 360 grados) del flujo continuo emergente. Cuantitativamente, la anchura de la salida de impulso, multiplicada por la longitud de este segmento de salida (los tiempos distancia radial del ángulo de 60 grados subtendido en radianes) produce un área igual al área de entrada del canal Como se describió anteriormente, estos canales son de una profundidad constante, excepto cerca de la entrada. En este punto, la profundidad puede ser disminuida y la anchura aumenta hasta que los canales se encuentran (no mostrado en este caso para mayor claridad) . Además, en la Figura 7 nota que los canales no son ortogonales a la radio del disco de entrada. En este caso, el ángulo se describe por el juego discutido previamente de oponerse a velocidades angulares del rotor y de gas . Como se indica en la Figura 7, los canales se extienden por lo tanto en la corriente de gas entrante. En combinación con la geometría de entrada suave y continua, esta extensión impide la inestabilidad de Helmholtz (fluctuaciones de presión de gas a través de fronteras en movimiento) que limitan Fabris y unidades similares.

Los vectores de momento son por lo tanto coincidir como se ha descrito anteriormente para los componentes de impulso y de reacción. Combinado con áreas de flujo iguales, el resultado neto es una transición suave, altamente eficiente de la salida de turbina de impulso continuo a los canales de flujo discretos de la turbina de reacción. En todas las configuraciones anteriores, la cámara de combustión puede ser un dispositivo presurizado convencional, o la salida de uno o más chorros de impulsos.

Las turbinas de gas convencionales consisten en un compresor, cámara de combustión, y la etapa de potencia. Si bien este enfogue es adecuado para la mayoría de aplicaciones, algunas aplicaciones aeroespaciales requieren espacio y peso mínimos. Para hacer frente a esta necesidad, el compresor se ha descrito previamente, la cámara de combustión, y la etapa de potencia de la nueva turbina se pueden combinar en una sola unidad.

La consideración clave en el presente es que los canales del rotor de la configuración descrita anteriormente están diseñados para evitar la "compresión de auto" del gas en el rotor,- de lo contrario, el movimiento del rotor comprime el gas, lo que resulta en una velocidad de salida más alta, que a su vez provoca una mayor compresión, etc., hasta que el sistema falla a una velocidad excesiva.

La modificación de un único motor de componente por lo tanto requiere el uso de la parte interior del rotor como el compresor para el gas entrante fresco, eliminando así la necesidad de un compresor fuera de placa. La sección del compresor es seguido a continuación por una cámara de cámara de combustión a bordo. Por tanto, esta disposición produce una llama "levantado": la combustión se produce aguas abajo del inyector axial en una región amplia, como un soplete de propano funcionar con un caudal excesivo. El gas de escape de salida a continuación, pasa a través de los canales del rotor como se describió anteriormente. Si se desea una salida de chorro en lugar de potencia en el eje, los canales del rotor se pueden acortar para dejar un cabezal de presión para el empuje. Bajo este acuerdo, sin turbina de acción es necesaria.

La disposición general se muestra en la Figura 8, donde los canales rectos comprenden la sección del compresor 351. Para mayor claridad, sólo un canal recto 351 y dos cámaras de combustión 353 se muestran, pero en la práctica cada par de canales curvos requiere una sección recta (3 en total en este ejemplo que tiene seis canales) y un par de cámaras de cámaras de combustión (6 cámaras en este ejemplo) . La sección del compresor y cámaras de combustión se encuentran en la parte superior del disco del rotor, con un eje que se extiende desde la parte inferior del rotor. Los canales 352 son similares a los canales representados en la Figura 7. Además, las cámaras de combustión pueden estar unidos para formar una cámara de combustión única y común. Por ejemplo, en la figura, el canal de alimentación de la turbina de impulso se ha convertido en una cámara de combustión común.

La Figura 9A es una vista lateral de un rotor 450 soportado por los imanes. Como se mencionó anteriormente, el rotor 450 está provista de canales formados cualquier superficie COP del disco. En lugar de sellar la parte superior del canal con una membrana, un alojamiento de cámara de combustión 414 sella la parte superior del rotor 450, a pesar de que existe un pequeño hueco 432.

El rotor tiene aletas de refrigeración 412 dispuestas a lo largo de un diámetro del rotor 450. Las aletas de enfriamiento se pueden utilizar solos o en combinación con los canales de refrigeración descritos anteriormente. Tanto las aletas de refrigeración y canales de refrigeración dependen para aire ambiente fresco para reducir la temperatura del rotor . Mantener el rotor a una temperatura fresca mantiene la fuerza de la turbina a altas velocidades. Sin embargo, las aletas causan cierta resistencia aerodinámica.

La necesidad de mantener un lugar fresco rotor es especialmente importante cuando se utilizan imanes con el rotor como imanes son sensibles a las temperaturas extremas. Los imanes son imanes de rotor 422 y los imanes de apoyo 424. Los imanes del rotor requieren espacio entre el imán y el disco para el paso de enfriamiento del aire ambiente. Los imanes realizan dos funciones. Los imanes del rotor están moviendo y se oponen a los imanes fijos en la carcasa 428. Los imanes del rotor y los imanes de apoyo actúan como cojinete magnético para reducir la carga sobre los cojinetes convencionales existentes o incluso eliminar la necesidad de cojinetes convencionales. El uso de cojinetes magnéticos en lugar de cojinetes convencionales aumenta la eficiencia y minimiza el mantenimiento. En segundo lugar, los imanes móviles se oponen cableado de cobre fija en una carcasa para dar lugar a un generador eléctrico. Esta disposición tiene menos peso, menos vibración, menos los rodamientos, acoplamientos simples y una mayor eficiencia de los generadores de eje impulsado convencionales .

La configuración final es una "división" o geometría del árbol "doble" representado en la figura 10. En esta disposición, una primera turbina conectada al eje dentro de la cámara de combustión impulsa un compresor, mientras que una segunda turbina proporciona potencia a la carga a través de un segundo eje. En los sistemas convencionales, estas turbinas pueden ser ya sea radial o unidades axiales. Para la presente invención, las turbinas de reacción pueden conducir o bien el compresor o la carga, o ambos. En virtud de esta disposición, el compresor puede ser accionado a sus condiciones preferidas, proporcionando alta presión, alta temperatura de gas a la segunda turbina de potencia de reacción que está operando en condiciones independientes. Además, un recalentador se puede colocar entre estas dos etapas, ampliar aún más la curva de respuesta. Las principales ventajas de los sistemas de eje dual incluyen un arranque más fácil, curva de potencia más amplio, y la eliminación de estancarse. En comparación con ya sea radial convencional o turbinas axiales, la presente turbina de reacción es preferible para los sistemas de eje dual porque tiene: (1) una longitud etapa corta, produciendo de este modo un sistema global compacto para potencia máxima a peso mínimo, (2) un alto par, debido a la eyección del gas de trabajo a la máxima distancia tangencial, y (3) de alta eficiencia debido a la ausencia de pérdidas de bypass.

La configuración global es muestra en la Figura 10, donde el gas desde el compresor 514 unidades de la primera turbina de reacción 550 para alimentar el compresor mediante el primer eje 512. El escape de esta primera etapa, que contiene todavía la mayor parte de la energía disponible, a continuación, se procede a la segunda turbina 560. La segunda turbina 560 poderes la carga a través del segundo eje 515. El segundo eje 515 es coaxial al primer árbol 512.

Tanto de las turbinas ilustradas son unidades de hueco estrecho, pero las unidades cerradas, así como unidades axiales o radiales convencionales, también son aceptables. Unidades de espacio estrecho, sin embargo, son particularmente útiles para sistemas de doble eje, porque las pérdidas de presión en el hueco en la primera etapa pueden ser capturados aguas abajo en la etapa de potencia posterior .

Aunque la invención se ha descrito con referencia a modalidades preferidas, variaciones y modificaciones serán evidentes para un técnico normal en la materia. La invención abarca tales variaciones y modificaciones, y se describe en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Una turbina híbrida, que comprende un eje central; una etapa de turbina de impulso que tiene una entrada y una salida; una etapa de turbina de reacción que tiene una entrada que recibe fluido de la salida de etapa de turbina de impulso, y una salida; un conducto configurado para suministrar una corriente de gas presurizada a la entrada de la etapa de turbina de impulso; en donde el fluido suministrado por el flujo de conducto a través de la etapa de turbina de impulso antes de entrar en la segunda etapa de turbina de reacción.

2. La turbina híbrida de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la etapa de turbina de impulso comprende: una pluralidad de cubos que se extienden radialmente hacia fuera desde el eje central.

3. La turbina híbrida de conformidad con la reivindicación 2, que comprende además una pared cilindrica concéntrica con el conducto, la pluralidad de cubos estando en ambos lados de la pared cilindrica.; y un disco de oclusión móvil en una dirección axial de la pared cilindrica, un diámetro del disco de oclusión que es igual a un diámetro de la pared cilindrica.

4. La turbina híbrida de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la segunda etapa de turbina de reacción comprende: un cuerpo en forma de disco; una pluralidad de canales formados en el cuerpo, cada canal que termina en una salida en una periferia del cuerpo.

5. La turbina híbrida de conformidad con la reivindicación 4, que comprende además las cuñas de separación en los canales, las cuñas de separación que se extienden hacia dentro desde una pared lateral del canal.

6. La turbina híbrida de conformidad con la reivindicación 4, que comprende además al menos un orificio de refrigeración, al menos un orificio de refrigeración formado entre dos canales; y un canal de refrigeración que se extiende entre los dos canales de la orificio de refrigeración a la periferia del cuerpo.

7. La turbina híbrida de conformidad con la reivindicación 6, que comprende además una pala adyacente a al menos un orificio de refrigeración para dirigir el aire en el orificio de refrigeración.

8. La turbina híbrida de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la entrada de la turbina de impulso es una entrada de admisión completa.

9. La turbina de reacción, que comprende: un disco; un eje unido al disco; una fuente de fluidos comprimidos conectados a una entrada en el disco; canales formados en el disco, los canales que se extienden desde la entrada hasta una periferia del disco, los canales formados en una superficie superior del disco, y una tapa para cerrar los canales en la superficie superior de la parte superior del disco.

10. La turbina de reacción de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada porque cada canal comprende : una primera sección que se extiende radialmente hacia fuera desde la entrada de la etapa de turbina de reacción a un primer extremo; y una segunda sección que se extiende desde el primer extremo a una periferia del disco plano, la segunda sección estando arqueada.

11. La turbina híbrida de reacción de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada porque la primera sección tiene un área de sección transversal decreciente a medida que el canal se extiende desde la entrada de la sección de turbina de reacción.

12. La turbina de reacción de conformidad con la reivindicación 11, caracterizada porque la primera sección es troncocónica .

13. La turbina de reacción de conformidad con la reivindicación 11, caracterizada porque la primera sección tiene una altura constante y una extensión circunferencial decreciente en la dirección radial .

14. La turbina de reacción de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada porque un extremo de la segunda sección es tangencial a la periferia del disco.

15. La turbina de reacción de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada porque la fuente de fluidos comprimidos es un cámara de combustión; y en donde una extensión de la carcasa de la cámara de combustión es la tapa para cerrar los canales.

16. La turbina de reacción de conformidad con la reivindicación 9, que comprende además: una carcasa separada del disco; al menos un imán de apoyo en la carcasa; y al menos un imán de rotor en el disco, al menos un imán de soporte y al menos un imán de rotor que funciona como un cojinete magnético.

17. La turbina de reacción de conformidad con la reivindicación 9, que comprende además aletas de refrigeración del disco.

18. La turbina de reacción de conformidad con la reivindicación 9 , que comprende además : una membrana unida al disco como la cubierta para cerrar los canales ; un par de cámaras de combustión montadas en el disco; y un compresor que se extiende entre el par de cámaras de combustión.

19. La turbina de reacción de conformidad con la reivindicación 9, que comprende además: bobinas de recogida colocadas sobre el disco para la generación de energía eléctrica directa.

20. Una turbina de eje doble, que comprende: un compresor, un primer eje que se extiende a través del compresor, una primera turbina unida al primer eje; una segunda turbina adyacente a la primera turbina; y un segundo eje que se extiende desde la segunda turbina, el segundo eje accionado por la segunda turbina.