RU2682228C2 - Вращательный механизм - Google Patents

Abstract

Предложен вращательный механизм, такой как турбокомпрессор, имеющий систему восстановления текучей среды для восстановления протекающей рабочей среды, такой как газообразный гелий в контуре гелия, который протек через уплотнения вала, предусмотрено очистное устройство для удаления загрязняющих веществ из рабочей среды, причем турбокомпрессор может иметь одну текучую среду, такую как гелий или водород, пропускаемую через один турбокомпонент, такой как турбина, и вторую рабочую среду, такую как воздух или гелий, пропускаемую через второй турбокомпонент, такой как компрессор, при этом вращательный механизм выполнен с возможностью установки в двигателе летательного аппарата. Поскольку контур гелия содержит рабочую среду (гелий) в замкнутом контуре, дозаправочный резервуар для пополнения утечки необязателен. Дозаправочный резервуар может быть предусмотрен, но количество текучей среды (газообразного гелия) для пополнения может быть минимизировано. 4 н. и 22 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[1] Настоящая заявка притязает на приоритет согласно разделу 35 Кодекса законов США, § 119(a) по заявке на патент №GB 1318104.5, поданной в Соединенном Королевстве 11 октября 2013 г., которая включена в настоящий документ посредством ссылки, и притязает на приоритет и преимущества ранее поданной заявки согласно разделу 35 Кодекса законов США, §§ 120 и 365 по заявке на патент США №14/296615, поданной 5 июня 2014 г., которая включена в настоящий документ посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[2] Настоящее изобретение относится к вращательным механизмам, таким как турбомашины, и к двигателям и летательным аппаратам, содержащим такие вращательные механизмы, например, летательные аппараты, способные развивать большое число Маха (например, 5 М) атмосферного полета или одной ступени для запусков на орбиту.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[3] Примером двигателя, в котором используют турбомашину, является двигатель SABRE, разработанный Reaction Engines Limited, Оксфордшир, Соединенное Королевство.

[4] Указанный двигатель служит для приведения в действие в таких областях применения, как одноступенчатый космический аппарат, например, летательный аппарат SKYLON, разработанный Reaction Engines Limited. Двигатель SABRE имеет два режима работы. На низких высотах двигатель работает за счет расширения бортового запаса гелия в контуре газообразного гелия, который располагается за турбиной турбокомпрессора для привода в действие компрессора турбокомпрессора, чтобы сжимать всасываемый атмосферный воздух. Сжатый воздух смешивают с водородом из бортового запаса жидкого водорода, и полученную смесь сжигают, а затем выпускают через сопло для получения тягового усилия. На больших высотах и за пределами атмосферы для перемещения в области орбиты двигатель действует в полном реактивном режиме. В данном режиме вместо всасывания атмосферного воздуха двигатель смешивает кислород из бортового запаса жидкого кислорода с водородом и сжигает смесь, которая затем расширяется и выпускается через сопло ракеты для создания тягового усилия. В реактивном режиме турбокомпрессор не используется.

[5] Одной из проблем, подлежащих устранению в подобных конструкциях, является утечка гелия из контура гелия. Указанная утечка является нежелательной, поскольку требуется больший запас гелия на борту, чем в случае отсутствия утечки или меньшей утечки. Хранение меньшего, а не большего количества гелия желательно для сведения к минимуму размера и веса летательного аппарата, в котором установлен такой двигатель. Чрезвычайно трудно предотвратить утечку текучей среды, такой как газообразный гелий, через подшипник вала. На практике всегда существует какая-то утечка.

[6] Настоящий механизм направлен на то, чтобы фактически свести к минимуму утечку путем повторного улавливания и повторного использования утекающей рабочей среды. В качестве альтернативы изобретение направлено на создание полезной турбомашины.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[7] В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложен вращательный механизм, имеющий рабочий компонент для сообщения рабочей среды от впуска до выпуска, при этом рабочий компонент имеет ротор и соединительное устройство для механического сообщения от ротора, и систему восстановления рабочей среды для возврата рабочей среды в область соединительного устройства. Таким образом, рабочая среда (такая как гелий) не должна расходоваться, или расходоваться так быстро во время использования механизма.

[8] Вращательный механизм может быть выполнен с возможностью работы с рабочей средой в замкнутом контуре. Таким образом, дозаправочный топливный резервуар может быть исключен из контура, что экономит вес.

[9] Вращательный механизм может быть выполнен с возможностью работы с такой рабочей средой как газообразный гелий.

[10] Рабочий компонент может быть турбиной или компрессором.

[11] Вращательный механизм может содержать компрессор и соединительное устройство, которое может быть выполнено с возможностью образования по меньшей мере частичного соединения между рабочим компонентом и компрессором.

[12] Компрессор может быть выполнен с возможностью сжатия второй рабочей среды, которой может быть воздух.

[13] Соединительное устройство может содержать вращающийся вал, и может быть предусмотрено уплотнение вала, по существу, для герметизации рабочей среды, чтобы препятствовать ее передаче вдоль вала. Несмотря на фактическую герметизацию, вероятно, еще будет оставаться небольшая величина утечки.

[14] Уплотнение вала может быть расположено с сообщением по текучей среде между ротором и впуском в систему восстановления рабочей среды.

[15] Вращательный механизм может быть выполнен с возможностью работы при давлении на роторной стороне уплотнения, большем, чем давление на стороне низкого давления уплотнения.

[16] Когда рабочий компонент содержит турбину, уплотнение, на сторону которого ориентирован ротор, и может быть выполнен с возможностью того, чтобы подвергаться рабочему давлению, по существу, равному давлению, при котором рабочая среда впускается в турбину.

[17] Рабочее давление может быть больше 50 бар или больше 100 бар, например, выше 200 бар или больше.

[18] Когда вращательный механизм содержит указанный компрессор, он может иметь впускное и выпускное отверстие для второй рабочей среды, причем по меньшей мере одно из впускного и выпускного отверстия выполнено с возможностью работы при давлении на стороне компрессора, меньшем, чем рабочее давление. Таким образом, может быть создан градиент давления, с понижающимся давлением вдоль траектории от рабочего компонента. Когда рабочим компонентом служит турбина, может быть создан градиент давления от сравнительно высокого давления на турбине до сравнительно низкого на компрессоре. Таким образом, в случае, когда вращательный механизм содержит турбокомпрессор, любая утечка может иметь место в направлении от турбины к компрессору, когда рабочая среда выполнена с возможностью прохождения через турбину. Таким образом, рабочая среда (которая может представлять собой газообразный гелий, который может работать в замкнутом контуре гелия) может не загрязняться рабочей средой в компрессоре, которая может быть, например, воздухом, содержащим кислород и другие молекулы или другой текучей средой. В данном случае, когда предусмотрено уплотнение вала для ограничения сообщения между турбиной и компрессором, которые могут иметь роторы на общем валу, даже если уплотнение вала допускает некоторую утечку, рабочая среда в турбине не загрязняется. В некоторых вариантах осуществления механизм может быть переработан таким образом, что гелий или другая рабочая среда в компрессоре или другом компоненте вращательного механизма работает при более высоком давлении, чем другая текучая среда, такая как воздух или водород в турбине, снова таким образом, что градиент давления обеспечивает, чтобы какой-либо поток утечки находился вне контура гелия (или рабочей траектории рабочей среды). Таким образом, градиент давления может быть в направлении турбины в случае, когда рабочая среда приспособлена для прохождения компрессора на том же валу, что и указанная турбина.

[19] Аналогичный механизм может быть выполнен с возможностью приспособления во вращательном механизме другого типа, чем турбомашина, например, в регенераторах теплообменников вращательного типа.

[20] Система восстановления рабочей среды может включать утилизационную (или вспомогательную) турбину.

[21] Утилизационная турбина может иметь впускной канал, выполненный с возможностью извлекать рабочую среду из области впуска рабочего компонента, и/или выпускной канал, выполненный с возможностью подавать рабочую среду в область выпуска рабочего компонента.

[22] Система восстановления рабочей среды может содержать по меньшей мере один утилизационный (или вспомогательный) компрессор. В некоторых вариантах осуществления утилизационный компрессор имеет электрический привод от двигателя, и может быть насосом поршневого типа. В других вариантах осуществления компрессор может приводиться в действие различными другими способами.

[23] Вращательный механизм может содержать вал, выполненный с возможностью передавать крутящий момент от ротора утилизационной турбины к ротору утилизационного компрессора.

[24] Утилизационный компрессор может иметь впускной канал, выполненный с возможностью всасывать текучую среду из восстановительного промежутка, связанного по меньшей мере частично посредством стороны низкого давления уплотнения вала, и/или выпускной канал, выполненный с возможностью подавать рабочую среду в область выпуска рабочего компонента.

[25] Вращательный механизм может содержать второе уплотнение вала, и восстановительный промежуток может находиться между уплотнением вала и вторым уплотнением вала.

[26] Устройство восстановления рабочей среды может содержать очистное устройство для удаления загрязняющих веществ из рабочей среды. Это является крайне выгодным решением, особенно когда рабочая среда работает в замкнутом контуре, даже без дозаправочного резервуара, чтобы можно было не допускать постепенного увеличения загрязнения, которое может привести к повреждению компонентов, и неблагоприятно влияет на термодинамические характеристики.

[27] Следующий аспект настоящего изобретения предусматривает механизм, содержащий контур рабочей среды, включающий очистное устройство для удаления загрязнений из рабочей среды. Контур рабочей среды может представлять собой контур гелия.

[28] Очистное устройство может быть выполнено с возможностью удалять по меньшей мере кислород из рабочей среды.

[29] Очистное устройство может быть выполнено с возможностью удалять по меньшей мере водород из рабочей среды.

[30] Таким образом, когда рабочая среда является гелием, используемым в контуре гелия, который проходит через рабочий компонент, если загрязняющая текучая среда от компрессора или другого элемента в двигателе, например, путем диффузии водорода в гелий в теплообменнике водорода/гелия, достигает входа в систему восстановления рабочей среды (например, если она достигает восстановительного промежутка между уплотнениями, герметизирующими турбину и компрессор вращательной машины), причем загрязняющая текучая среда может содержать кислород или водород, очистное устройство может удалять такие загрязняющие вещества, например, до того как вытекшую рабочую среду вводят обратно в контур гелия, например, на выпуске турбины турбомашины.

[31] Следующий аспект предусматривает механизм, содержащий ротор жидкого гелия, соединенный посредством вала с ротором текучей среды, не являющейся гелием, с возможностью передачи приводного усилия, уплотнение вала между указанными роторами, при этом турбомашина выполнена с возможностью работать при градиенте давления вдоль вала при более высоком давлении на стороне уплотнения вала, обращенной к ротору жидкого гелия, чем на стороне уплотнения вала, обращенной к ротору текучей среды, не являющейся гелием.

[32] Следующий аспект изобретения предусматривает двигатель, который содержит вращательный механизм, как указано в каком-либо одном или больше предыдущих аспектов настоящего изобретения.

[33] Двигатель может иметь контур, выполненный с возможностью циркуляции газообразного гелия, при этом контур проходит через гелиевую турбину турбомашины.

[34] Двигатель может быть выполнен с возможностью сжатия воздуха, например, для использования при сжигании, при этом в двигателе имеется сквозной канал, проходящий через воздушный компрессор турбомашины, приводимый в действие от гелиевой турбины.

[35] Двигатель может быть выполнен с возможностью зажигания двигателя в воздушно-реактивном режиме, в котором он может производить движущее тяговое усилие при непрерывном действии на нулевой воздушной скорости.

[36] Следующий аспект изобретения предусматривает летательный аппарат, содержащий двигатель, выполненный с возможностью создания движущего тягового усилия, при этом двигатель является таким, как указано в предыдущем аспекте настоящего изобретения.

[37] Летательный аппарат может иметь фюзеляж с аэродинамическими рулями, выполненными с возможностью действовать вместе с двигателем для управляемого горизонтального старта от нулевой воздушной скорости при двигателе, работающем в воздушно-реактивном режиме.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[38] Настоящее изобретение может быть выполнено различными способами, и далее будет описан предпочтительный вариант осуществления турбомашины в соответствии с настоящим изобретением только в качестве примера и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

[39] На фиг. 1A-1D изображен, соответственно, вид сверху, вид сбоку, вид спереди и вид сзади предпочтительного варианта осуществления летательного аппарата, содержащего предпочтительные двигатели с предпочтительными турбомашинами в соответствии с настоящим изобретением;

[40] На фиг. 2 показана схематическая диаграмма цикла для каждого из двигателей, показанных на фиг. 1, и

[41] На фиг. 3 приведен схематический вид предпочтительной турбомашины, используемой в двигателях по фиг. 1A-1D и фиг. 2.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[42] На фиг. 1А показан летательный аппарат 100 с фюзеляжем 101, с которым соединены основные крылья 102, 104, переднее цельноповоротное горизонтальное оперение 106, 108 в схеме «утка» и задний цельноповоротный хвостовой стабилизатор 110. Фюзеляж 101 имеет убирающееся трехколесное шасси (не показано), которое убрано на чертежах, и область полезной нагрузки под створками 112, 114 люка отсека полезной нагрузки. Основные крылья имеют элевоны 116, 118 на своих задних кромках и двигатели 120, 122 - на концах 124, 126 крыльев.

[43] Как показано на фиг. 1D, каждый двигатель 120, 122 имеет четыре ориентированных назад ракетных сопла 138. На фиг. 1А показан каждый двигатель в полной конфигурации ракеты, в котором водород и кислород направляют в ракетные сопла 127 камеры сгорания / сопла 128 для сжигания в камерах горения (не показано) для создания тягового усилия. Носовой обтекатель 130 каждого двигателя является вытяжным, чтобы формировать кольцевой воздухозаборник 132 (фиг. 2). Когда летательный аппарат неподвижно установлен на основании на взлетно-посадочной полосе (не показано), носовые обтекатели 130 установлены в указанное втянутое положение, чтобы обеспечить пуск двигателей 120, 122 таким образом, чтобы сжигать водород в воздухе для создания тягового усилия. Летательный аппарат 100 может стартовать горизонтально, убирать шасси и подниматься в воздушно-реактивном режиме до высоты примерно 10 км и скорости 5 М, и переходить в полный реактивный режим, в котором те же ракетные сопла 127 используют для тягового усилия после сжигания водорода в кислороде (перевозимом на борту в контейнере жидкого кислорода), и в котором носовые обтекатели 130 выдвинуты до конфигурации по фиг. 1А, при которой воздухозаборник 132 закрыт. В полном реактивном режиме летательный аппарат может ускоряться за пределами атмосферы на орбиту для выполнения операций на орбите, таких как доставка или получение груза. Летательный аппарат 100 может затем выполнять режим тяги с помощью тормозной двигательной установки (например, за счет использования дополнительных компонентов тяги (на показано)) против направления движения, чтобы войти обратно в атмосферу, после чего он может плавно переходить к горизонтальному приземлению.

[44] Как показано на фиг. 2, когда летательный аппарат 100 действует в атмосфере, в воздушно-реактивном режиме, поступающий поток воздуха, обозначенный стрелкой 134, может поступать в воздухозаборник, после чего поток замедляется (относительно летательного аппарата 100) и, таким образом, нагревается (например, до 1000-1250 градусов Кельвина) перед проходом через теплообменник 136 предварительного охлаждения, затем воздух сжимается в компрессоре 21 турбокомпрессора 10 перед подачей порции в ракетную камеру сгорания / сопло 128.

[45] В то же время поток водорода из источника 138 водорода проходит через водородный насос 140 перед нагреванием в теплообменнике 142, затем проходит через водородную турбину 144 (которая создает крутящий момент вдоль вала 146 к водородному насосу 140). Затем водород течет через следующую водородную турбину 148 в предварительную камеру 150 сгорания, где часть водорода сжигается с порцией воздуха, который выходит из компрессора 21 на пути в камеру сгорания / сопло 128. Нагретые продукты предварительного сжигания, выходящие из предварительной камеры 150 сгорания, содержащие несгоревший водород, затем проходят через теплообменник 152, где они охлаждаются (и передают энергию в контур 41 водорода), затем попадают в камеру сгорания / сопло 128 для сжигания, продукты сгорания выходят из двигателя 120 в виде потока выхлопных газов ракеты, обозначенного стрелкой 154, чтобы создавать тяговое усилие для летательного аппарата 100.

[46] Хотя на фиг. 1D показано, что, фактически, каждый двигатель 120, 122 имеет четыре ракетных сопла, на фиг. 2 показано только одно из них, как часть камеры сгорания / сопла 128, с целью ясности.

[47] В то же время действует контур 41 гелия. В частности, поток 19 гелия (показан на фиг. 3) выходит из выхлопного отверстия 17 турбины турбокомпрессора 10, затем проходит через теплообменник 142 (где он охлаждается и нагревает водород), затем проходит через гелиевый циркуляционный компрессор 156, к которому подается крутящий момент вдоль вала 158 от водородной турбины 148. Затем поток гелия проходит через теплообменник 152, где он нагревается (за счет продуктов сгорания на пути из предварительной камеры 150 сгорания в камеру сгорания / сопло 128), таким образом, энергия вводится в контур гелия. Поток гелия проходит от теплообменника 152 обратно к впуску 13 турбины 9, гелиевую турбину 9, приводящую компрессор 21 воздуха через вал 20.

[48] На фиг. 3 показан один пример настоящего механизма для восстановления гелия. Главный турбокомпрессор двигателя показан в 10. Гелий высокого давления поступает в турбину 9, как схематически показано стрелкой 11 на впуске 13 турбины при давлении примерно 200 бар, расширяется и приводит в действие ротор 15 турбины, а затем выходит через выпуск 17 турбины при давлении примерно 40 бар в направлении, схематически показанном стрелкой 19.

[49] Компрессор 21 засасывает воздух на впуске 271, как схематически показано стрелкой 29, который проходит ротор 31 компрессора и выходит из компрессора 21 на выпуске 33, как схематически показано стрелкой 35.

[50] Вал 20 турбокомпрессора 10 передает привод от турбины 9 к компрессору 21 и имеет уплотнения на обоих концах (уплотнение 23 турбины и уплотнение 25 компрессора), чтобы свести к минимуму утечку газа.

[51] Однако, как должно быть понятно, на практике указанные уплотнения 23, 25 не будут совершенными, и будет происходить некоторая утечка. Чтобы не допустить попадания воздуха и загрязнения контура 41 гелия, механизм таков, что гелий на впуске 13 турбины находится при более высоком давлении, чем воздух на выпуске 33 компрессора 21. Это поддерживает градиент давления вдоль вала от турбины 9 до компрессора 21, так что какая-либо утечка будет обычно происходить от турбины 9 в компрессор 21 мимо уплотнений 23, 25.

[52] Как показано на фиг. 3, гелий, который вытекает из турбины в восстановительный промежуток 43 вокруг вала 20 и между уплотнениями 23, 25, отводится.

[53] Указанный отведенный гелий повторно сжимают в рекомпрессоре 45, используя существующую технологию. Какой-либо воздух и водород (водород используется в другом месте в двигателе), имеющийся в повторно сжатом гелии, удаляют в очистном устройстве 47 через выпуск 49 очистного устройства, как схематически показано стрелкой 51; хотя, как упомянуто, градиент давления, упоминаемый выше, будет означать, что загрязнение гелия находится на низком уровне.

[54] Затем очищенный гелий выкачивают через компрессор 53 вспомогательного турбокомпрессора 30 для сжатия гелия, с выпуском из этого компрессора 53, соединенным через трубопровод 55 с выпуском 17 турбины 9 главного турбокомпрессора 10. Вспомогательный компрессор 53 приводится в действие гелием, отбираемым от впуска 13 турбины 9 главного турбокомпрессора 10, который проходит через вспомогательную турбину 57, с выпуском вспомогательной турбины, также соединенным с выпуском 17 турбины 9 главного турбокомпрессора 10. Вспомогательная турбина 57 имеет ротор 59, соединенный с возможностью привода с ротором 61 вспомогательного компрессора 53 посредством приводного вала 63.

[55] Таким образом, гелий, протекающий в восстановительный промежуток или полость 43 вокруг вала 20 главного турбокомпрессора 10 между уплотнениями 23, 25, повторно улавливается и повторно вводится в главный контур гелия на выпуске 17 турбины 9 главного турбокомпрессора 10.

[56] Аналогичный механизм повторного улавливания гелия также может быть использован в турбокомпрессоре, образуемом водородной турбиной 148, валом 158 и гелиевым циркуляционным насосом / компрессором 156, чтобы не допускать утечки водорода в контур гелия.

[57] Турбокомпрессор 10 может быть модифицирован таким образом, что добавляют дополнительное уплотнение 27 вала (показано пунктирными линиями на фиг. 3). В данном случае давление между уплотнениями 23, 27 может поддерживаться около 2 бар, а давление между уплотнениями 27, 25 - около 1 бар, при давлении на уплотнении 25 стороны компрессора значительно большем, например, 15-100 бар. Таким образом, утечку из компрессора 31 мимо уплотнения 25 отводят через трубопровод 29' (схематически показан пунктирными линиями) в промежуток 31' с давлением 1 бар, и гелий откачивают из промежутка 43 с давлением 2 бара. Существует некоторая небольшая утечка мимо уплотнения 27 из гелия в воздух (слева направо на фиг. 3), так что гелий в контуре гелия не загрязняется.

[58] В следующем варианте осуществления турбина 15 или компрессор 31 может быть заменен, например, генератором переменного тока / генератором или двигателем. Таким образом, в одном варианте осуществления, компоненты справа от уплотнения 25 на фиг. 3 могут быть полностью заменены генератором, выполненным с возможностью приведения в действие от турбины 15, а в другом варианте осуществления компоненты слева от уплотнения 23 на фиг. 3 могут быть заменены двигателем, выполненным с возможностью привода компрессора, при других механизмах, устанавливаемых для очистки рабочей среды и возврата рабочей среды, которую отводят из промежутка 43, в контур гелия.

[59] В другом варианте осуществления, вариант осуществления по фиг. 3 может быть выполнен с возможностью замены средств для повторного сжатия гелия 51 и турбокомпрессора 30 поршневым компрессором, приводимым от электродвигателя. Таким образом, вспомогательный турбокомпрессор 30 не обязателен.

[60] Поскольку контур гелия содержит рабочую среду (гелий) в замкнутом контуре, дозаправочный резервуар для пополнения утечки необязателен. Дозаправочный резервуар может быть предусмотрен, но количество текучей среды (газообразного гелия) для пополнения может быть минимизировано.

[61] Необязательно, чтобы гелий был рабочей средой во всех вариантах осуществления в соответствии с настоящим изобретением, могут быть использованы и другие рабочие среды с аналогичной системой восстановления и/или очистки рабочей среды.

[62] Также как применительно к турбомашинам, таким как турбомашина 10, показанная на фиг. 3, изобретение может быть использовано в других случаях, когда рабочая среда может протекать в области соединительного устройства, такого как вал, например, в случае регенератора или вращающегося теплообменника, такого как теплообменник циркуляционного периодического потока.

[63] Утилизационный компрессор может приводиться в действие многими способами, включая прямой привод от главного вала 20 в других вариантах осуществления или через редуктор.

[64] Очистное устройство 47 может содержать или включать в себя палладиевый фильтр с вакуумным насосом, обеспечивающим возможность откачки водорода, а не гелия из протекающей рабочей среды. Таким образом, гелий может быть очищен. Преимущество использования палладиевых устройств для отделения водорода от гелия заключается в том, что они могут быть использованы повторно, например, в одном полете за другим, когда турбомашину используют как часть компонентов летательного аппарата. Альтернативное очистное устройство включает в себя газопоглотитель, такой как пирофорный уран или титан для извлечения водорода из гелия.

[65] Очистное устройство, по существу, преодолевает проблему утечки/проникновения водорода через теплообменник в двигатель 120 в гелий, поскольку водород может придавать хрупкость другим компонентам в контуре гелия.

[66] Преимущество использования трех уплотнений 23, 27, 25, включая уплотнение 27, заключается в том, что с помощью третьего уплотнения 27 изолируются две рабочих среды турбины и компрессора. Давление в промежутке 31' находится ниже давления в двух соседних промежутках для обеспечения того, чтобы утечка происходила в правильном направлении, из гелия, а не в гелий.

[67] Вместо установки очистного устройства 45 в системе восстановления рабочей среды очистное устройство 45 может быть установлено в главном контуре 41 гелия. Например, очистное устройство 45' (показанное пунктирными линиями на фиг. 2), похожее на очистное устройство 45, может быть установлено в главном контуре гелия за теплообменником 142, поскольку это теплообменник водорода/гелия, в котором может возникать диффузионная утечка водорода в гелий. Аналогично, очистное устройство может быть установлено за гелиевым циркуляционным насосом / компрессором 156 или теплообменником 136 в контуре гелия. Обе указанные позиции находятся перед теплообменником 136, могущим включать в себя сплавы на основе никеля в содержащих гелий трубопроводах 136', теплообменнике 152 и турбине 9, которые могут охрупчиваться под воздействием водорода. Компрессор 156, главным образом, работает при сравнительно низкой температуре, так что он не так чувствителен к водородному охрупчиванию, как другие компоненты в контуре гелия. Таким образом, очистка гелия является весьма полезной, поскольку не допускается охрупчивание компонентов в двигателе из-за загрязнения водородом.

[68] В описанных вариантах осуществления могут быть выполнены различные модификации в пределах объема изобретения.

Claims (35)

1. Вращательный механизм, имеющий рабочий компонент для сообщения рабочей среды от впуска рабочего компонента до выпуска рабочего компонента и содержащий:

турбину, имеющую ротор турбины и компрессор, имеющий ротор компрессора, при этом ротор турбины и ротор компрессора соединены с помощью соединительного устройства; и

систему возврата рабочей среды для возврата первой рабочей среды в области соединительного устройства;

причем соединительное устройство выполнено с возможностью образовывать по меньшей мере часть соединения для передачи момента между турбиной и компрессором;

соединительное устройство содержит вращающийся вал;

первое уплотнение вала, обеспеченное, по существу, для герметизации рабочей среды, чтобы препятствовать ее передаче вдоль вала;

компрессор выполнен с возможностью сжатия второй рабочей среды; и

система возврата рабочей среды содержит по меньшей мере один компрессор возврата.

2. Вращательный механизм по п. 1, который содержит турбомашину, выполненную с возможностью работы с первой рабочей средой в замкнутом контуре.

3. Вращательный механизм по п. 1 или 2, который выполнен с возможностью работы с такой первой рабочей средой как гелий.

4. Вращательный механизм по любому из пп. 1, 2, в котором рабочий компонент содержит турбину или компрессор.

5. Вращательный механизм по п. 1, в котором второй рабочей средой является воздух.

6. Вращательный механизм по п. 1, в котором первое уплотнение вала расположено с сообщением по текучей среде между одним из роторов и впуском в систему возврата рабочей среды.

7. Вращательный механизм по п. 1 или 6, который выполнен с возможностью работать при первом давлении на роторной стороне первого уплотнения, большем, чем второе давление на стороне пониженного давления первого уплотнения.

8. Вращательный механизм по п. 7, в котором первое уплотнение, в сторону которого обращен один из указанных роторов, выполнено с возможностью подвергаться давлению на уплотнение, по существу, равному давлению в области рабочей среды рабочего компонента.

9. Вращательный механизм по п. 8, в котором давление на уплотнение составляет более 50 бар.

10. Вращательный механизм по п. 8 или 9, содержащий второе уплотнение вала и третье уплотнение вала, причем система возврата рабочей среды выполнена с возможностью отсасывания текучей среды, протекшей между первым уплотнением вала и одним из второго или третьего уплотнения вала, а давление в камере между другим из второго или третьего уплотнений вала и первым уплотнением вала может поддерживаться ниже, чем давление между первым уплотнением вала и другим из второго и третьего уплотнений вала.

11. Вращательный механизм по любому из пп. 1, 2, 5, 6, 8, 9, в котором система возврата рабочей среды содержит турбину возврата.

12. Вращательный механизм по п. 11, в котором турбина возврата имеет впускной канал, выполненный с возможностью отсасывания рабочей среды из области впуска рабочего компонента, и/или выпускной канал, выполненный с возможностью подавать рабочую среду в область выпуска рабочего компонента.

13. Вращательный механизм по любому из пп. 1, 2, 5, 6, 8, 9, 12, содержащий по меньшей мере одну турбину возврата, которая содержит вал, выполненный с возможностью передачи крутящего момента от ротора турбины возврата к ротору компрессора возврата.

14. Вращательный механизм по любому из пп. 1, 2, 5, 6, 8, 9, 12, в котором компрессор возврата имеет впускной канал, выполненный с возможностью отсасывания текучей среды из возвратного промежутка, ограниченного по меньшей мере частично стороной низкого давления уплотнения вала, и/или выпускной канал, выполненный с возможностью подачи рабочей среды в область выпуска рабочего компонента.

15. Вращательный механизм по п. 14, содержащий второе уплотнение вала, и в котором возвратный промежуток находится между уплотнением вала и вторым уплотнением вала.

16. Вращательный механизм по любому из пп. 1, 2, 5, 6, 8, 9, 12, 15, в котором система возврата рабочей среды содержит очистное устройство для удаления загрязняющих веществ из рабочей среды.

17. Вращательный механизм по п. 16, в котором очистное устройство выполнено с возможностью удаления по меньшей мере кислорода из рабочей среды.

18. Вращательный механизм по п. 17, в котором очистное устройство выполнено с возможностью удаления по меньшей мере водорода из рабочей среды.

19. Вращательный механизм по п. 17, в котором очистное устройство содержит палладиевый элемент, выполненный с возможностью удаления водорода из гелия.

20. Вращательный механизм по п. 1, в котором:

ротор турбины представляет собой ротор текучего гелия;

ротор компрессора представляет собой ротор текучей среды, не являющейся гелием; вращающийся вал соединяет ротор текучего гелия с ротором текучей среды, не являющейся гелием, с возможностью передачи приводного усилия; и первое уплотнение вала расположено между ротором текучего гелия и ротором текучей среды, не являющейся гелием, при этом вращательный механизм выполнен с возможностью работы при градиенте давления вдоль вала, соединяющего с возможностью передачи приводного усилия ротор текучего гелия с ротором текучей среды, не являющейся гелием, с более высоким давлением на стороне первого уплотнения вала, обращенной к ротору текучего гелия, чем на стороне первого уплотнения вала, обращенной к ротору текучей среды, не являющейся гелием.

21. Двигатель, содержащий вращательный механизм по любому из предшествующих пунктов.

22. Двигатель по п. 21, в котором турбина представляет собой гелиевую турбину, кроме того, имеющий контур, выполненный для обеспечения циркуляции газообразного гелия, при этом контур проходит через гелиевую турбину механизма.

23. Двигатель по п. 22, в котором двигатель выполнен с возможностью сжатия воздуха для использования при сгорании, при этом двигатель содержит воздушный канал, проходящий через компрессор воздуха механизма, приводимый в действие от гелиевой турбины.

24. Двигатель по пп. 21, 22 или 23, выполненный с возможностью зажигания двигателя в воздушно-реактивном режиме, в котором он выполнен с возможностью создания движущего тягового усилия при непрерывном действии на нулевой воздушной скорости.

25. Летательный аппарат, содержащий двигатель, выполненный с возможностью создания движущего тягового усилия, при этом двигатель выполнен по любому одному из пп. 22, 23.

26. Летательный аппарат по п. 25, кроме того содержащий фюзеляж с аэродинамическими рулями, выполненными с возможностью действовать вместе с двигателем, при этом двигатель выполнен с возможностью зажигания двигателя на нулевой воздушной скорости в воздушно-реактивном режиме, причем он выполнен с возможностью создания движущего тягового усилия при непрерывном действии для управляемого горизонтального старта от нулевой воздушной скорости при двигателе, работающем в воздушно-реактивном режиме.

Images