TWI467087B - 與空氣或氣體交互作用的設備及其噴射發動機 - Google Patents

Description

與空氣或氣體交互作用的設備及其噴射發動機

本申請案享有本申請人之另一相關之美國專利臨時申請案，請參考於西元2008年3月25日所申請之美國專利臨時申請號第61/039,406號之揭露內容，而其所揭露的內容在此全部合併包含於本申請案。

本發明係有關於發電廠之領域。更特別的是，本發明係有關於使用在熱力發動機領域中包含機械裝置的各種應用之裝置和方法。

為了保護化石燃料並減少全球性的二氧化碳CO₂ 的產生，最有效的方法是提高汽車發動機與其它燃料燃燒發動機的效能。在美國的馬路上的汽車發動機之平均效能概略是21%。而具有21%效能的汽車發動機所燃燒的燃料比起具有63%效能的汽車發動機有三倍之多。沖壓空氣噴射發動機(Ramjet engines)則具有63%效能甚至更高。

沖壓空氣噴射發動機已經存在大約50年，並且在現今以具有高效能而知名，然而，沖壓空氣噴射發動機在實務上除了軍事用途之外並沒有應用在商業。其理由如下。亞音速的速度會產生震波(shockwaves)以及震波耗能。除非飛機飛在很高的高度，在那樣高的地方空氣的密度小的多，由於是超音速飛行，所以會消耗大量的燃料。因此，很少有商業用超音速飛機的經濟需求。但是，即使沖壓空氣噴射發動機比渦輪發動機更有效率，沖壓空氣噴射發動機還是無法滿足一些需求。

這兩個字超音速(supersonic)與亞音速(subsonic)通常是指在大氣環境中的音速。在本發明的設備之內，音速會隨著溫度而變化，並且這兩個字超音速和亞音速通常是指在那些條件下的空氣或氣體中的局部音速。音速可以隨著在通過設備之相同的空氣或氣體中兩個因子中的一個而有所不同。馬赫(Mach)速度幾乎都是指在大氣環境下的 音速。

沖壓空氣噴射發動機使用德拉瓦爾噴嘴(de Laval nozzles)去轉換超音速空氣為亞音速，反向來作也是可行的，則在噴嘴中的流動會反向變化。超過一個世紀，德拉瓦爾噴嘴以高度效率的設備著名。藉由減少容納流體的管子之所謂的氣門區域(choke area)的面積，輸入德拉瓦爾噴嘴會將超音速空氣減緩，使得空氣達到局部音速。此外，噴嘴的氣門區域會增加流體的面積，以進一步減緩空氣。噴嘴穿過空氣越快，則越多的空氣可以通過同樣的氣門區域，因為對應於噴嘴的高動能之空氣會在德拉瓦爾噴嘴中轉化為較高的溫度和密度更高的空氣。但是，對於每一氣流速度，可以通過氣門區域之空氣的比率是固定的。氣門區域會調節每一能階的空氣之流動速率(the rate of flow)。在沖壓空氣噴射發動機的輸入噴嘴中具有一氣門區域，並且在沖壓空氣噴射發動機的輸出噴嘴具有一氣門區域。這兩個氣門區域都會調節空氣/氣體的流動速率。而這是一個問題。它們必須協調-以超音速的速度，雖然這不是不可能，但卻非常困難。如果輸出亞音速到超音速的德拉瓦爾噴嘴沒有得到足夠的流體，將不會使熵(isentropic)轉化為超音速，並將來自排氣口的推力減少。如果它接收到太多流體，一些氣體會被推回，使燃燒腔體的壓力提高。如果燃燒腔體的壓力提高，前面或輸入德拉瓦爾噴嘴會堵塞。

沖壓空氣噴射發動機的另一個問題是它們只運作於超音速的速度下。沖壓空氣噴射發動機不能使用於一般的房間內，因為以超音速飛行需要的轉動比一般發動機所能提供的更快，即使沖壓空氣噴射發動機具有一個很長的控制臂。沖壓空氣噴射發動機的固定檢測(stationary testing)是可能的，要在超音速風洞(supersonic wind tunnel)中進行，但這樣子要得到沖壓空氣噴射發動機之機械動力卻不是一個切合實際的方式。進一步而言，使用成對的德拉瓦爾噴嘴將成為沖壓空氣噴射發動機被更廣泛地應用於飛機上的限制因子。

有鑑於上述關於目前沖壓空氣噴射發動機所存在的問題，本發明之較佳實施例的一個目的是說明如何執行一種固定式沖壓空氣噴射發動機來獲得機械動力。再者，本發明所揭露的一些實施例將說明如何更換進行超音速到亞音速轉換之德拉瓦爾噴嘴，而不會有氣門區域。本發明所揭露的一些實施例，甚至更進一步，將說明如何產生接近或概略將高能量的空氣流體和其它氣體從同一大氣環境中絕熱(adiabatically)，讓沖壓空氣噴射發動機高效率地工作。詞彙「絕熱(adiabatically)」通常是指沒有任何熱流進或流出空氣或氣體，這可能只是大約的。再進一步而言，本發明所揭露的一些實施例，將說明如何輸出沖壓空氣噴射發動機於機械操作時的功率。此外，藉由以這些方法使用沖壓空氣噴射發動機，在某些較佳實施例中有可能得以消除所有過程中明顯的震波以及消除造成浪費的阻力，所以有用的能源都不會被浪費。在超音速飛機中的一些震波無法消除，但是在發動機前緣的一些震波會藉由具有發動機穩態而消除。而其餘的震波應當微不足道。

除了機械工程和物理學，適用於本專利中的科學部分是使用高速氣體動力學科學。例如，James E.A.John，Theo G.Keith(2005年)之氣體動力學，本發明以文字廣泛地說明這門學科。

為使對本發明的目的、特徵及其功能有進一步的了解，茲配合圖式詳細說明如下：

以下藉由圖式符號說明本發明所揭露之各種實施態樣，以下所呈現的實施方式乃是為了說明本發明之若干實施態樣，並非用以限定本發明之範圍。實際本發明之範圍當以申請專利範圍為準。

溫度一般可用絕對溫度(Kelvin)來表示，有時也可以用攝氏溫度(Centigrade)，一般室溫大約為294k，大氣空氣或氣體乃為具有周遭 環境壓力、溫度的空氣或是氣體，假如大氣溫度為T0 K，且空氣或是氣體於絕熱過程藉由一些方法改變至具有Ts K的滯止溫度(stagnation temperature)，如果其滯止溫度TsK是大氣溫度T0 K的三倍，在此則稱為高能量氣體或空氣。因此，高能量空氣或氣體具有概略為Ts/T0倍的大氣狀態之壓力、溫度的氣體或溫度之能量，縱使在T0 K的一般大氣具有滯止溫度TsK為3倍的T0 K於Mach值3.162下，其滯止溫度TsK會隨著Mach值的平方而增加。

材料的比拉伸強度乃是其拉伸強度藉由它的比重來除，且其密度藉由水的密度來除。相同的，「比」壓縮強度乃是其壓縮強度藉由它的比重來除。因為力量正比於比重，要估算轉子材料的優點則要利用比強度。

「Mach」值通常用來表示地區大氣之音速，音速可在沖壓空氣噴射發動機(ramjet engine)中被2個或是更多的因子的一個因子而改變。以下所稱的超音速、亞音速乃是針對被壓縮後之氣體、空氣之音速，且又可稱為氣體、空氣的「局部」音速。隨著溫度的增加，將可使氣體、空氣的音速也相對增加，而在此所稱的「絕熱」，其一般用意乃指「並無添加或去除熱能」，此些詞彙都僅是盡可能予以精確的詮釋。

本發明包含能量產生方法、裝置與系統，具有用來產生局部亞音速流體之氣體或空氣的設備，使其具有輸入氣體之絕對溫度1.5~10倍的滯止溫度，此設備包含有壓縮機，而此壓縮機包含有轉子、腔體，轉子用以加速氣體或空氣，而成為具有局部超音速的流體，而腔體在不具備有氣門區域(choke area)而用以接收、減速具有局部超音速流體之流體至局部亞音速，並將流體透過排氣口輸出。

而本發明更包含有任何設備，使轉子以表面速度概略為2000英呎/秒~5400英呎/秒的速度持續轉動，並且可加速流體至概略等同於表面速度。

本發明更包含有任何設備之實施例，其中轉子更包含一轉軸，藉 由高的比拉伸降伏強度材料所構成，並中心定位一旋轉軸心，也就是指一轉動軸心；以及將多個結構性葉片與可選擇地由高比壓縮強度材質組成的轉子，藉由高比拉伸強度纖維拖繩而操作地連接轉軸。

在本發明之任何設備中，其中結構性葉片於靜止時，是以預先以50000~500000每平方英呎-磅(psi)的壓縮來操作地連接在轉軸，而這也包含在本發明之範圍內。

再者，本發明更包含任何設備之實施例，譬如壓縮機和/或膨脹器，其更包含高比拉伸強度的一纖維拖繩，且鍍有或是滲入金屬或是陶瓷，藉此形成一結合的或黏合的彈性薄板或堅硬固體。

此外，本發明之任何設備之實施例中，可包含高比拉伸強度纖維拖繩，其包含有至少一奈米碳管組合纖維、一碳纖維、一玻璃纖維、一金屬與陶瓷纖維、一陶瓷纖維、一聚合物纖維、或其組合物。

本發明之實施例中，可包含任何設備包含有高比壓縮強度的材料，其至少包含有α碳化矽、碳化硼、陶瓷、類鑽石材料、金屬、以及聚合物、或其組合物。

本發明之另外的實施例中，也可包含任何設備中的高比拉伸降伏強度之材料包含有至少一鍍有類鑽石材料之碳纖維纏繞於α碳化矽、捲繞於轉軸之軸心的鋼、熱處理而具有最大拉伸降伏強度的鈦合金、以及金屬、陶瓷或聚合物、及其組合。

根據本發明之裝置，可包含任何設備包含有一轉軸，具有複數個中心定位於轉動軸心的中空或鑿孔、以及位於結構性葉片之間的複數個轉子徑向排氣口，其中這些中空或是鑿孔與徑向排氣口可提供給予空氣或氣體進入壓縮機之通道；可選擇地將複數個外殼操作地連結於結構性葉片之相對應邊緣，並由轉軸向外延伸，其中外殼可限制空氣或氣體於結構性葉片之間；可選擇地將一熱絕緣殼體用以容納轉軸與轉子之至少一部分，其包含有：一環狀物，圍繞於至少一部份轉子，並可接收來自於結構性葉片、與外殼之局部超音速流體，以及可在無 須一氣門區域下調整流體至局部亞音速流速；以及一腔體，可接收來自於環狀物之局部亞音速流體，其中腔體為螺旋狀腔體而具有一向外螺旋壁體以及相對應的一頂面內表面與一底面內表面，而可限制空氣或氣體於螺旋狀腔體內，同時螺旋狀腔體可導引流體至一排氣口。

根據任何設備之一種設備，可將室溫空氣壓縮至壓縮比為10：1至92：1的空氣，而這也在本發明之範圍內。

根據本發明操作任何壓縮機，反向來作也是可行的。舉例而言，本發明之實施例可包含任何壓縮設備，能夠當流體與轉動反向進行時，可作為一膨脹器操作。

根據本發明之任何設備，可包含環狀物之複數相對內表面，於操作時，其具有產生一平滑流體之形狀，並具有周圍流速反比於一相對於軸心的距離；環狀物具有一外徑，於操作時，一局部超音速流體於環狀物內被調整至局部亞音速流體；以及/或環狀物不具備有氣門區域。

本發明也包含一實施例，其任何設備中更包含有一調整帶體或皮帶，位於環繞在環狀物之螺旋狀腔體的螺旋壁體，而由著流體的自然螺旋形狀而從螺旋壁體移開，並可限制徑向的流動。

本發明之範圍內也包含有沖壓空氣噴射發動機。根據本發明之沖壓空氣噴射發動機包含一壓縮機和/或膨脹器。舉例而言，本發明所包含之沖壓空氣噴射發動機為可操作於一固定或具有局部超音速流體輸出的亞音速流體沖壓空氣噴射發動機，其包含有：一壓縮機，可加速氣體或空氣，而成為具有局部超音速的流體，而腔體在不具備有氣門區域(choke area)而用以接收、減速具有局部超音速流體之流體至局部亞音速，並將流體透過排氣口輸出；以及一部分輸入德拉瓦爾噴嘴，用以接收來自於排氣口之局部亞音速流體，其中部份輸入德拉瓦爾噴嘴是被設置而省略或不具有高速流體區域以及氣門區域。

本發明更包含有沖壓空氣噴射發動機，其包含一部分輸出德拉瓦 爾噴嘴，可由燃燒腔體接收局部亞音速空氣或氣體，並加速流體輸入至一膨脹器排氣口的局部亞音速流速，其中部份輸出德拉瓦爾噴嘴設置而省略或不具有高速流體區域以及氣門區域；其中膨脹器排氣口將流體饋入一腔體，而可導引流體至一可接收並加速局部亞音速流體至局部超音速流速而不需要一氣門區域；其中環狀物可導引流體至一膨脹器轉子，而可減速局部超音速流體至局部亞音速流速並降低溫度；以及一膨脹器轉軸，可驅動高能量負載藉由轉子由燃燒產品移除。

根據本發明之沖壓空氣噴射發動機，可包含任何沖壓空氣噴射發動機，其中每一壓縮機、沖壓空氣噴射發動機、膨脹器具有一殼體，而可固定在一起而形成單一殼體。

並且，根據本發明之沖壓空氣噴射發動機，可包含任何沖壓空氣噴射發動機，其中每一壓縮機、沖壓空氣噴射發動機、膨脹器具有一殼體，而可附著至一共同的框架。

根據本發明之壓縮機和/或膨脹器，可包含複數實施例包含有任何膨脹器或壓縮機，其中一圓形環狀物設置於葉片之外葉片邊緣半徑之下，並可操作地連結於轉子，其中圓形環狀物包含有至少一纖維墊、一多孔性材質、或金屬篩網，並包含有複數個小流體通道，藉此於操作過程中，空氣或氣體流體可透過環狀物穿過結構性葉片之間；以及一環狀物空間，位於轉子內、以及環狀物、外葉片邊緣半徑之間。

根據本發明之壓縮機和/或膨脹器，可包含複數實施例包含有任何膨脹器或壓縮機，其中碳纖維線圈周圍地設置圍繞在外葉片邊緣，其中線圈可允許一徑向空氣或氣體流體，以相對於轉子的亞音速流速而由葉片之間進入環狀物。

根據本發明之壓縮機和/或膨脹器，可包含複數實施例包含有任何膨脹器或壓縮機，其中額外葉片可附著於結構性葉片之間的轉軸上，並包含有壓合之聚一丙烯腈碳纖維(PAN carbon fiber)拖繩，且鍍上或滲入金屬、或是陶瓷來形成一結合彈性薄板。

根據本發明之壓縮機和/或膨脹器，可包含複數實施例包含有任何膨脹器或壓縮機，其中轉軸之外表面形狀具有大約半英吋之內的轉軸半徑，並相對於殼體；以及/或殼體更包含環狀物，其相對於轉軸的外表面並在操作期間和轉軸隔開一個間隙，此間隙大約為0.0002英吋至0.002英吋。

根據本發明之壓縮機和/或膨脹器，可包含複數實施例包含有任何膨脹器或壓縮機，其中轉軸之外表面形狀具有有角度的溝槽，使得在轉子以Mach速度的操作期間，溝槽與間隙導引空氣或氣體朝向較大的半徑，並且藉此阻止流體以相反方向圍繞於轉子周圍。

另外，根據本發明之壓縮機和/或膨脹器，可包含複數實施例包含有任何膨脹器或壓縮機，其中反面具有短纖維設置在表面上；以及/或其中這些纖維的直徑約4-6微米，且具有平滑與圓柱表面，並由大於纖維直徑的間隙來隔開；以及/或其中這些纖維能夠突出至流體，從反面往外超過大約為纖維直徑的3倍，並能夠在發生高速空氣或氣體流體平行於表面時，朝向表面彎曲。

根據本發明之壓縮機和/或膨脹器，可包含複數實施例包含有任何膨脹器或壓縮機，其中更包含有一轉子密封環狀物，設置於介於轉子和環狀物之間的殼體上，並具有大約0.0002英吋至0.002英吋間隙於轉子密封環狀物和轉子之間；以及/或在轉子密封環的表面上與轉軸的外表面_上之取向性的溝槽會導引在環狀物與轉子之間的空氣或氣體朝向較大的半徑，藉此阻止流體在反向的方向。

再進一步，根據本發明之壓縮機和/或膨脹器，可包含複數實施例包含有任何膨脹器或壓縮機，其中燃燒腔體之長度大約為它的寬度的三至一千倍；以及/或燃燒腔體是被隔絕以防止熱的損失，藉此在操作期間可以達到少於大約1%的能量或效率損失。

根據本發明之沖壓空氣噴射發動機可包含數個實施例，其包含有任何沖壓空氣噴射發動機，其中燃燒腔體包含一增加的或減少的內部 流體區域，能夠提高空氣或氣體朝向局部音速來流動，並能夠使空氣或氣體的高達大約270攝氏度的最高溫度降低。

再更進一步，根據本發明之沖壓空氣噴射發動機可包含數個實施例，其包含有任何沖壓空氣噴射發動機，其包含一個或更多個手段來提供鈍氣或非反應氣體用以流通於壓縮機，且作為沖壓空氣噴射發動機的工作氣體；一熱供應器從太陽輻射或從外部熱源之熱交換選擇，用來加熱在燃燒腔體中的工作氣體；用以重新循環排出的氣體至壓縮機之手段；用以在輸入到壓縮機之前，冷卻排出的氣體至一接近或低於大氣溫度的溫度。

根據本發明之沖壓空氣噴射發動機可包含數個實施例，其包含有任何沖壓空氣噴射發動機，其中壓縮機和膨脹器是在一個轉軸上；壓縮機和膨脹器的轉軸部份是分開的，能夠允許空氣或氣體經由轉軸的中空部份之四個末端來輸入或輸出；壓縮機和膨脹器的轉軸部份是藉由實心轉軸來連接於軸心上延伸到每個轉軸，並由位於壓縮機轉軸之內側的徑向壁來支撐，且以在膨脹器轉子的中央附近的膨脹器轉軸之實心部分來結束。

另外，根據本發明之沖壓空氣噴射發動機可包含數個實施例，其包含有任何沖壓空氣噴射發動機，其中壓縮機和膨脹器是在一殼體上；壓縮機的轉軸不是中空的，但除了靠近壓縮機轉子的中央部份外具有小於轉軸的直徑；壓縮機能夠使空氣或氣體通過在殼體和外殼內側的轉軸之截去體積而輸入壓縮機；壓縮機或轉軸延伸到膨脹器的轉軸，並且連接到靠近膨脹器轉子中央的膨脹器轉軸之實心部分。

根據本發明之沖壓空氣噴射發動機之其它數個實施例中，可包含有任何沖壓空氣噴射發動機，其中轉軸是中空的並且允許空氣或氣體通過中空而輸出；壓縮機和膨脹器是在同一轉軸上；中空轉軸的壓縮機部份不具有徑向排氣口；壓縮機能夠允許空氣或氣體經由殼體和外殼內側的轉軸之截開體積而輸入壓縮機；以及/或壓縮機具有多個圓形 開口於殼體上且外殼相對於圍繞於轉軸周圍之殼體，能夠允許空氣或氣體經由這些開口而進入壓縮機。

根據本發明之沖壓空氣噴射發動機之數個實施例中，可包含有任何沖壓空氣噴射發動機，其中壓縮機和膨脹器是在一個具有中空或從每個末端鑿孔以及具有實心部分的轉軸之一個轉軸上，而將每個壓縮機和膨脹器之輸入和輸出流體區域分開。

甚至更進一步，根據本發明之沖壓空氣噴射發動機的數個實施例中，可包含數個實施例包含有任何沖壓空氣噴射發動機，其中在壓縮機轉子上之殼體包含一第一開口，其具有一半徑使得空氣或氣體得以進入相對殼體之外殼一側；在壓縮機轉子上相對外殼一側之殼體包含一第二開口，其具有較小的半徑：在壓縮機轉子上，多孔材料或纖維墊是由高拉伸纖維托繩線圈來支撐，其具有第一開口並且位於外殼和轉軸之間，並朝著殼體延伸，且能夠隨著轉軸旋轉；壓縮機轉軸和膨脹器轉軸為中空的，壓縮機轉軸不具有徑向排氣口，且在膨脹器轉軸上的徑向排氣口具有一個區域，選擇來作為能夠適合從膨脹器經由外殼的兩個末端來排出流體。

本發明也包含一種方法，用以組織空氣或氣體流體以建立一發動機，此方法包含有：藉由執行在空氣或氣體，而在周圍大氣壓下加速與壓縮空氣或氣體，來達到目標的空氣或氣體流體；接著，沒有執行在流體上，而減速和壓縮的空氣或氣體流體到接近停滯溫度之流體；接著，加熱空氣或氣體流體以大約為固定的壓力保持接近停滯溫度；接著，沒有執行在流體上，而加速和解壓縮空氣或氣體流體；接著，減速和解壓縮空氣或氣體流體藉由具有流體的執行運作，並促使來自空氣或氣體流體之排氣，其中，排氣能夠產生推力。數個實施例也包括組織空氣或氣體流體之方法，其中可選擇一個或一個以上的上述步驟。

本發明之數個實施例包括一種方法，用以減速空氣或氣體的流 體，包含藉由一種曲面的環狀物之方法，導引空氣或氣體以兩個表面交會的方向而集中超過一選擇的距離，和用以實現該方法之裝置。

本發明之數個實施例包括一種方法，用以集中超音速流體到亞音速流體或集中亞音速流體到超音速流體，包含減速超音速流體或加速亞音速流體，而不用德拉瓦爾噴嘴，或氣門區域，以及用以實現該方法之裝置。

為了於沖壓空氣噴射發動機內重新建立在Mach速度M、大氣壓力T0 K的飛行狀態下，必須滿足於低熱損耗的壓縮流體至具有滯止溫度Ts K等同於沖壓空氣噴射發動機內部流體之滯止溫度的點，使足夠質量的每秒流速能夠配合或是超過飛行的沖壓空氣噴射發動機，第1圖係繪示各個作用的元件之配置示意圖，舉例來說，第1圖所繪示之實施例包含有壓縮機、沖壓空氣噴射發動機、以及膨脹器，為了使第1圖之各元件能更加清楚，請參閱以下表一之第1圖的元件符號說明。

壓縮機1、12、13、14、15輸出空氣/氣體2至德拉瓦爾噴嘴3的入口，空氣/氣體通過加熱區域4，其中加熱區域4一般稱為燃燒腔體。加熱後的空氣/氣體離開德拉瓦爾噴嘴後端5，並進入膨脹器6，此部份有數種方法可以達成，而較佳者繪示於第2-10圖。如第1圖所示，如 果壓縮機1、12、13、14、15的輸出2是超音速，則其可直接饋入沖壓空氣噴射發動機3、4、5前端的德拉瓦爾噴嘴3，且於德拉瓦爾噴嘴輸入處，流體流速是匹配的。舉例來說，超音速流體由壓縮機離開而進入德拉瓦爾噴嘴輸入端，而德拉瓦爾噴嘴可以容納超音速流體。假如壓縮機2的輸出是亞音速，在取下噴嘴之高速區段後則可直接饋入德拉瓦爾噴嘴3的亞音速部，位於沖壓空氣噴射發動機3、4、5內的燃燒腔體4的狀況等同於在相同大氣中具有Mach值M的飛行，而沖壓空氣噴射發動機則可以達到飛行之效能，在本發明所提出的各種實施例中，沖壓空氣噴射發動機3、4、5可以是固定式或是可移動式。

為了使用沖壓空氣噴射發動機3、4、5作為噴嘴，必須添加燃料並予以燃燒，或是直接加熱位於燃燒腔體4的氣體，使得位於沖壓空氣噴射發動機末端之德拉瓦爾噴嘴5將亞音速流體轉換為超音速流體，而建立噴射輸出(圖中未示)而不需要進入膨脹器。

而如果將沖壓空氣噴射發動機3、4、5作為機械發動機使用，部份或全部的噴射輸出端6則被侷限至擴散器或膨脹器7、8、9、10、11的輸入端，並輸出機械能量至轉軸7以及排出排氣(圖中未示)。沖壓空氣噴射發動機末端的德拉瓦爾噴嘴5可以被截短至輸出匹配於膨脹器6的輸入端的輸入速度之截面積處。

以下描述具有轉軸1的單級壓縮機(single stage compressor)，轉動葉片13附著於轉軸1並具有空氣/氣體於葉片12之間流過，而具有2000英呎/秒~5400英呎/秒的邊緣速度，並於殼體15內螺旋狀向外流動，並通過排氣口離開而作為超音速流體2輸入至沖壓空氣噴射發動機前端的德拉瓦爾噴嘴3。同時以下並描述具有轉軸7的單級膨脹器而匹配噴嘴的流速，且透過空氣/氣體6、11的驅動而帶動葉片10使轉軸7轉動，藉以使空氣/氣體6、11緩速，以形成超音速轉子10、11而具有2000英呎/秒~5400英呎/秒的邊緣速度，轉子10、11由沖壓空氣噴射發動機末端的德拉瓦爾噴嘴5接收超音速流體輸入6，並且螺旋向內行 進至葉片而產生機械輸出以及排氣。

同時更揭露一種取代沖壓空氣噴射發動機前端(輸入端)之裝置，德拉瓦爾噴嘴3係為不具有氣門的超音速流體至亞音速流體的轉換器，而取代沖壓空氣噴射發動機末端(輸出端)，德拉瓦爾噴嘴5為不需佔有氣門區域的亞音速流體至超音速流體的轉換器。

同時亦揭示如何調整超音速轉子壓縮機12、13，使其操作於相同的轉速並輸出具有總高能量的亞音速流體，而無需流經氣門區域；同時揭示如何轉換超音速膨脹器7、8、9、10、11，使其操作於相同的轉速而輸入具有總高能量的亞音速流體，而無需流經任何一般的氣門區域。

以下開始此部份的揭露描述，轉子設於轉軸上而可操作於2000英呎/秒~5400英呎/秒的邊緣速度，同時以下並揭露了製造此一裝置的製造方法。為了建立如此的轉子，轉軸需具備有包含高比拉伸降伏強度的材料，此處所謂的高比拉伸降伏強度乃是指範圍約為46000~47000每平方英呎-磅(psi)的拉伸降伏強度，在其中一個實施例中，高比拉伸降伏強度為46000每平方英呎-磅(psi)的拉伸降伏強度。舉例來說，鋼琴線以及一種稱為β-C的鈦金屬就是在金屬中具有相當高的比拉伸降伏強度，然而這些材料並沒有具有相同的概略數字，譬如一些碳纖維就可以具有約為10倍甚至更高的比拉伸降伏強度；高比拉伸強度的纖維拖繩也可以用來支撐轉子部件，較佳者為具有高張力，未來，拖繩藉由奈米碳管所構成之纖維所構成者為佳，而目前較佳的高比拉伸強度材料為碳纖維。大部分的碳纖維概略都具有相同的比重，而部份的碳纖維則可以具有更佳的拉伸強度，大約為一百萬每平方英呎-磅(psi)，此數據大於本發明實施例所需求的規格。在此所使用的碳纖維，其高比拉伸強度大約為在40萬~46萬5每平方英呎-磅(psi)的範圍，在其中一個實施例中，高比拉伸強度為40萬每平方英呎-磅(psi)。碳纖維並不堅硬，其可能會在對抗大部分材料時(包括本身) 磨耗。為了降低、甚至消弭轉子的磨耗、以及變形，所使用的纖維可以鍍上一層譬如為金屬、陶瓷等耐高溫磨耗的材料薄層。以聚丙烯腈(PolyAcryloNitrile；PAN)為基礎的聚丙烯腈碳纖維(PAN carbon fiber)之彈性特性與一般的金屬彈性特性並不相同，聚丙烯腈碳纖維可以彈性地拉伸約2%而不永久變形，在遠高於本發明之實施例中纖維所暴露之溫度的情況下，纖維並不會如同金屬一般降伏、潛變、變形，大部分的金屬彈性拉伸的限制僅為聚丙烯腈碳纖維的1/10th。

轉子使用聚丙烯腈碳纖維作為拉伸結構性材料，就如同一些懸吊式橋樑使用繩索一般；如此一來，在於轉子之轉動週期間，聚丙烯腈碳纖維的改變長度量並不會超過其上所鍍材料之彈性限度。譬如為α碳化矽(alpha silicon carbide)等高比壓縮強度材料的使用，因為其高壓縮強度以及低的比重的緣故，因此具備了高彈性模數(modulus of elasticity)、良好的高溫強度、以及抗氧化性。而在此所指的「高比壓縮強度材料」，乃指範圍約為80000~180000每平方英呎-磅(psi)的壓縮強度；在其中一個實施例中，高比壓縮強度為160000每平方英呎-磅(psi)的壓縮強度。以下將詳細論述可能可以作為高壓縮強度材料的使用範例態樣，碳化矽並未暴露接近於沖壓空氣噴射發動機的最高溫度之下，達成的其中一種方式乃是將碳化矽處於高壓縮下，概略為承受最大轉速下的離心力的力量，然後於裝置尚未運轉的狀態下使用聚丙烯腈碳纖維，如此一來，當裝置運轉於最高速度時，碳化矽仍舊處於壓縮下，且僅為由固壓縮的狀態些微膨脹而已；舉例來說，此一些微的膨脹於Mach速度下為4下，可能蓋為在0.2%~0.3%的範圍內。在設計的運轉速度下，轉軸上的部件的承受壓力可能為10000每平方英呎-磅(psi)或是更高，此一部件將可幫助強化轉軸來對抗離心力。當α碳化矽於非常拉緊的結合作為強力的骨架時，聚丙烯腈碳纖維將可扮演強力的支柱，另外聚丙烯腈碳纖維也可藉由主要徑向方向纏繞為纖維狀，而用來作為彈性葉片，此纏繞的纖維狀可以結合於轉子， 以及轉子的剛性牆上、或是沿著轉子拉直，譬如為金屬鍍層、或是鑄造陶瓷(castable ceramic)等結合材料可以鍍、或是滲透於纖維內，來保護纖維。

而於纏繞前，聚丙烯腈碳纖維也可以鍍上一層金屬、或是陶瓷等薄膜，用來提供較軟纖維磨耗抗性的鍍層，接著，軟性纖維將拉伸1%或是更多的伸長量，蓋略為最大伸長量的一半，並維持此伸長狀態來纏繞而壓縮碳化矽部件，同時鍍層也可以於軟性碳纖維於運作過程中提高保護，避免彼此之間、或是受到較硬碳化矽的磨損，鍍層較適合為金屬、或是陶瓷，以於操作過程中提供保護，而聚合物則因為可能會於纖維所承受溫度下損壞，所以並不適合。第一層纖維鍍層可以在纖維拉伸後鍍上。接著並可施予結合鍍層以及/或是填充材料，來降低鍍層纖維的相互運動、或是阻擋空氣、或氣體穿過纖維，結構性強度的纖維在轉子的運轉週期之間，將會重複的被拉伸、壓縮，而其拉伸、壓縮的次數會少於鍍層、結合材料的彈性限度。在具有上流體的述徑向通道之徑向離心式壓縮機中，因為通道具有越來越大的半徑，而空氣/氣體將會越受到壓縮，因此空氣/氣體於通道內的相對於通道的流動速度，當到達較高的周圍Mach速度時，將會越來越慢。此意謂著所揭露的通道內之空氣/氣體會相對於通道遭遇低的亞音速半徑流，且流體將不會於內部產生衝擊波、或是易於磨耗通道。假設壓縮機內的氣體/空氣已經經過良好的過濾，碳纖維將可在數千運轉週期內視為沒有摩擦力，且因為碳化矽相對於其它所接觸的部件較為堅固固定，因此也可以在數千運轉週期視為沒有磨耗。轉子與轉軸之間的相對運動可以忽略，且僅為壓縮機、膨脹器內可高速移動的部件，因此轉子、轉軸的壽命相當長，並且可以達成整體裝置長壽的目的。

轉子與主軸形成堅硬的模型，且僅藉由微小摩擦力來彈性膨脹、壓縮，沿著轉動軸心的緩慢轉動，葉片所掃過得空間可稱為「葉片空間」(blade volume)，葉片空間可以在轉軸方向被兩個於其外徑分開的 部件所圍繞，舉例來說，在實施例中轉子可以包涵有複數個轉子牆，舉例來說，特別是轉子牆包含有兩個可中心定位於轉軸α碳化矽碟環帶物，而可對稱地轉動並相同地強化具有聚丙烯腈碳纖維的葉片，而作為轉子的部件。聚丙烯腈碳纖維具有足夠的強度來支撐其邊緣速度範圍在2000英呎/秒，到概略為5400英呎/秒的轉子部件。此兩部件在此可為轉子牆，或稱為殼體、較佳者可定義為轉子的殼體。

根據此點，徑向壓縮機、膨脹器具有與一般壓縮機、膨脹器相同的形狀，但是卻有不一樣的製造方法與材料，α碳化矽是眾多陶瓷材料中的一種，可作為高壓縮強度材料來使用，並且是較佳的材料，碳化硼(Boron Carbide)或是其它類鑽石材料也可能可以用來取代碳化矽。葉片可以藉由拉伸的碳纖維環繞設置在轉軸周圍的部件來加以形成，且纖維中可以添加額外的材料，譬如為碳，而可藉由與矽高溫下的反應轉變為碳化矽、或是鑄造陶瓷等其它材料，而產生氣密、堅固、預壓應力的轉子，然後設置的部件接下來則可以去除。

以下闡述增進前述徑向壓縮機方式。於轉子中，葉片會在殼體的邊緣中途停止，聚丙烯腈碳纖維纏繞於葉片外部邊緣的周圍，而形成深深交錯於葉片的數層，並結合於其邊緣，因此，於預定的速度下，纖維仍舊會維持在葉片間緊鄰排列。由於壓力分佈於每一葉片的不同，使得於葉片邊緣所產生的震動波或是渦流(vortexes)將不會浪費，並於葉片下的殼體_上減少流體擾流的發生；沒有預先施加應力、或是壓力的彈性葉片的葉片材料同樣也可以使用。

而前述之徑向壓縮機的另一項改良是葉片會在殼體的邊緣中途停止環狀的開口空間設置於環繞葉片，圓柱形的纖維環狀物、或是多孔性陶瓷、或金屬篩網、輸送材料(channeled material)中心定位於轉動的軸線，並位於環狀的開口空間之外圍，且於兩個半徑之間填入環狀流體空間，而使的所有的轉子流體會流經多孔性材料。環狀物的材料並不會停止徑方向的流體運動，且會降低較早流體發生擾流的機 會。環狀物可以是一團纖維或是多孔性陶瓷、甚至可能是具有徑向六角形篩孔、通道的金屬篩網等，而其外部受到碳纖維的纏繞包覆，因此提供支撐原狀物對抗離心力的強度、增強環狀物對於流體的控制、以及可是為環狀物的一個組成部件。環狀物使得徑方向的流體運動穿過環狀物並於宏觀上來看接近均勻流動，並使由環狀物露出的流體之周圍流體速度接近於環狀物，儘管具有相當多半徑的葉片置於相同的空間，環狀物仍可加速、減速流體，因此環狀物會承受周圍的力量；我們相信於前述徑向離心壓縮機、膨脹器是無法達成，環狀物的外表面藉由其表面速度來定義出壓縮機、膨脹器的離心Mach速度。

在其中一個實施例中，為了於轉子之下保留有流體，壓縮機殼體、或是其它在轉子輻射物之下的機殼材料，可選擇性包含有螺旋狀壁，並限制、阻擋徑方向流體，而可接收由轉子螺旋向外的氣體/空氣，而使得概略朝向殼體之輸出排氣口、或是其它殼體之工具來旋轉。而側壁匹配氣體的自然旋轉方向，隨著半徑的增加，螺旋側壁之旋轉軸方向寬度依舊維持固定，側壁、或是側壁的一個部件可以固定在其最小的半徑上，而因為不同的流體之流量可定位在匹配於不同的螺旋形狀。

相同的建構技術也可以使用且/或鏡射在徑向離心膨脹器，而殼體也可以使用相同的幾何圖案，並可於膨脹器的輸入端絕熱。

固定殼體以及/或殼體內的工具包含有轉子密封環，其具有一個匹配於轉子殼體兩相鄰的半徑的外表面之表面，並鄰近於殼體的外緣，而於操作運轉中在兩個平面之間具有小間隙。緊鄰於間隙，轉動葉片殼體之外表面具有選擇性的溝槽，其具有推動空氣/氣體朝向邊緣的角度，而轉子密封環之內表面具有相對於溝槽的角度而用以推動空氣/氣體朝向邊緣。於高速下，此小間隙以及溝槽會扮演徑向幫浦的角色，有效地阻擋流體於轉子之Mach速度下的反向流動。

譬如為殼體之覆蓋有碳纖維塗層的表面可以藉由增加金屬鍍層來使其平滑，並可藉由一般譬如為滾壓(rolling)等製造技術來使外表面 光滑。

以下闡述壓縮器輸出超音速流體的方式，假如轉子的Mach速度為Mach M/√2，空氣/氣體離開轉子以及稍後的輸出排氣口將具有沖壓空氣噴射發動機於Mach值M之飛行的滯止溫度Ts K。舉例來說，假如沖壓空氣噴射發動機的速度是Mach值4，則轉子饋入沖壓空氣噴射發動機的速度為Mach值4/√2、或是Mach值2.828，被壓縮的空氣/氣體離開轉子時，具有足夠高的能量來取代環繞於壓縮機進入沖壓空氣噴射發動機飛行於Mach值M之相同大氣狀態的空氣/氣體。然而，轉子最大的溫度將僅可達到T0 K以及滯止溫度Ts K的一半。膨脹器可具有與壓縮機相同的建構型態，一般於較大尺寸下的膨脹器轉子之最大溫度可以達到概略為燃燒腔體之最大滯止溫度Tb K以及於大氣內排氣溫度的一半。

在所有的渦輪機型態的發動機中，本發明實施例所使用的僅是發動機，而不具備有快速移動的部件曝露於接近壓縮溫度、或是燃燒溫度的溫度之下。此一快速移動部件的非常低的溫度乃為本發明設計的發動機之關鍵技術特徵，因為此低溫將允許轉子所選用的材料並無法存在於較高的溫度，譬如為聚丙烯腈碳纖維等材料。本發明所揭露的實施例中，包含有徑向離心壓縮機以及膨脹器發動機，其包含有壓縮機轉子、膨脹器轉子，當轉子暴露在T0 K以及滯止溫度TsK之間一半的最高溫度下時，壓縮機轉子可以在空氣或氣體進入一個以Mach值M的飛行狀態之沖壓空氣噴射發動機時，而於相同的滯止溫度下產生壓縮空氣或氣體；而當轉子暴露在Tb K以及排氣溫度之間一半的最高溫度下時，膨脹器轉子可以在空氣或氣體離開一個以Mach值M的飛行狀態之沖壓空氣噴射發動機時，而於相同的滯止溫度下接收壓縮空氣或氣體。

殼體或是殼體內的工具、以及位於轉軸的部件可以藉由具有溝槽的小間隙來予以隔開，並且將空氣/氣體灌注到較大的尺寸，外部的真 空幫浦可以用來降低殼體內、轉子外的空氣/氣體之密度，管道一端可位於轉子外的殼體空間內，並且饋入高Mach值速度的流體而沿著管道向下流動，接著拉動管道內的空氣/氣體進入主要高速的流體而僅產生小的震動波。在沒有試圖於殼體內建立真空的情況下，因為譬如為氫氣的低密度氣體會增加沖壓空氣噴射發動機的燃料燃燒、以及降低位於轉子的拖曳，因此可將其饋入壓縮機的轉子外部之殼體的部件內；此些真空以及降低拖曳的程序將可些微的提昇整體的效率。

德拉瓦爾噴嘴的輸出端可以截短，來使其排氣的流體速度可以匹配所接觸的膨脹器之輸入排氣口的速度。

藉此可以確實完成新穎的設計來將超音速流體供應至固定的沖壓空氣噴射發動機，並於Mach值M飛行狀態下重新建立沖壓空氣噴射發動機內相同之狀態。

為了由壓縮機、殼體之環狀空間、或是環繞於壓縮機轉子的殼體之內部的工具至較大的半徑，而供應具有相同的滯止溫度之亞音速流體到沖壓空氣噴射發動機，環狀空間需要延伸超過任何Mach速度的轉動軸至轉子外徑的1.8倍，在位於壓縮機之環狀物的轉子之下，空氣/氣體的周圍速度將會降低，並與轉動軸心的徑向距離成反比。因此將進一步壓縮空氣/氣體，空氣/氣體的徑向速度為低亞音速，並概略為100英呎/秒的等級，而可藉由設定每一個半徑的環狀物空間之寬度來加以控制因為空氣/氣體螺旋朝向的減速，因此將會壓縮；除非徑向速度變成過度的慢，否則環狀物的軸向間隙將會小於最大的半徑。舉例來說，在壓縮機內使用空氣作為工作氣體，不管轉子的Mach速度，流體將會達到局部的音速，此為流體內真實的因素。在較小的半徑下，較低的轉子Mach速度流體會達到局部的音速。在局部音速的半徑之下，流體將持續的減速，當流體減速到預定的速度，將可以離開環狀腔體並螺旋轉動離開至先前的排氣口。要避免亞音速流體內建立震動波的設計難度在於其量值小於超音速的速度，舉例來說，一旦流體進 入輸出排氣口為亞音速流體時，可以藉由平滑且逐漸地增加排氣口的橫截面積來進一步減低速度，並且在幾乎任何的模型下，都不會產生震動波；而在超音速速度下，藉由設計方形德拉瓦爾噴嘴來平衡。如果流體進入輸出排氣口為局部亞音速流體，則在殼體內部不產生震動波為設計上的挑戰。

壓縮機輸出亞音速流體，並饋入截短的德拉瓦爾噴嘴，使其速度匹配。德拉瓦爾噴嘴的較高速區域被去除，且包含德拉瓦爾區域的氣門區域，如此設計具有重大的效果，使得輸入沖壓空氣噴射發動機而不具備有氣門區域。因為壓縮機沒有氣門區域，流體在音速的狀態而不會被迫穿過一個修正區域(fixed area)，並可以徑向的向外噴灑；此意謂著在沖壓空氣噴射發動機輸入端內部，並不具備有氣門區物可供調整，流體狀態可以在不需要高速精準的調整下變化；因此，去除至少一個氣門區域是使沖壓空氣噴射發動機可據以實施的關鍵。

環狀空間鄰接於流體為光滑的平面，且此表面增加有絕緣性，以隔絕氣體/空氣流體至絕緣狀態以及平滑性，藉由嵌入短纖維於表面上，此表面可以視為消除大的邊界層來發展為超音速流體，因此，纖維垂直於此表面或是相對於流體的方向為低角度。藉由一個或是更多的直徑，纖維可以在表面上讓其它纖維予以分隔，當氣體/空氣以Mach速度吹拂過表面時，纖維於表面上延伸3個以上的直徑，纖維僅具有幾微米的厚度，且於直徑上方向上，具有不會超過1/3微米的變化，舉例來說，可為聚丙烯腈碳纖維。邊界層形成於每一條各別的纖維，並於流體的方向上沿著纖維變廣，但是纖維末端以及邊界層的成長並非連續性，纖維並不會存在於可以支撐較厚邊界層的表面上。

小管道可以進入環狀物空間並概略指向於流體的方向，而可產生具有表面的噴流，如此的管道將會使空氣/氣體在Mach速度流下相互之間拉動，管道可以接續於通過絕熱物或是殼體的其它工具，並且在殼體以及轉子之間顯露而拉下相鄰於轉子的壓力，如此可以藉由降低 轉子的拖曳來節省能量，因為在高速轉到下是相當浪費能量。此外，外部真空幫浦也可以連接於環繞轉子的空間上。

沖壓空氣噴射發動機可以接續在超音速流體輸出端至膨脹器，以及/或作為噴嘴來通過完整的德拉瓦爾噴嘴。

相同的設計原理，增加環狀流動區域形狀而環繞在轉子，得膨脹器可以接收亞音速流體至環狀物的外邊緣，並且將其在環狀物內轉換為超音速流體，而匹配位於轉子的邊緣速度。亞音速流體會由沖壓空氣噴射發動機邊緣的德拉瓦爾噴嘴被帶走，且此處乃設計匹配於膨脹器的亞音速流體輸入速度。此截面積在達到德拉瓦爾噴嘴之氣門區域前流出，且氣門區域以及噴嘴的高速部份被忽略、遺漏、去除，而將氣門省略於沖壓空氣噴射發動機的輸出流體之外。膨脹器不具備有氣門區域，如同壓縮機不具備有氣門區域相同的原理，如此允許設計者無須使用噴嘴而在輸出流體時省略氣門區域，此乃為前述沖壓空氣噴射發動機不具備的改良設計重點。

同時，使用噴嘴的流體也可能可以藉由將亞音速流體由沖壓空氣噴射發動機置放到膨脹器環狀物，而加以去除氣門區域，並將流體轉換至超音速流體，而將超音速流體由環狀物內半徑輸出穿過德拉瓦爾氣門區域之外的德拉瓦爾噴嘴的超音速部件。如此一來將可允許亞音速至超音速的環狀物來取代德拉瓦爾噴嘴的氣門區域，而如同噴嘴一般使用。

省去氣門區域的設計使得沖壓空氣噴射發動機的改良需求予以可實行，如同提供給予固定或車輛動力的機械輸出發動機。一對氣門區域的調整相當困難，幾乎不可能在變動負載下控制機械性。

沖壓空氣噴射發動機燃燒腔體可以具有一個以上的輸出流體，其可具有一個德拉瓦爾噴嘴輸出，以及一個以上的輸出至膨脹器，由於不具備有氣門的輸出，使得德拉瓦爾輸出噴嘴可以作為噴射器般操作，而不需要進行氣門區域關鍵性的調整。噴嘴的氣門限制了噴射器 的輸出，但是保留的排氣輸出則進入膨脹器而不需要回到燃燒腔體。在發動機上的膨脹器可以設計工作於與壓縮機相同的轉軸，並且於操作時驅動壓縮機，且仍舊藉由其轉軸來輸出機械動力。

由膨脹器排出的排氣可以被利用來共同產生熱能。

第2圖係繪示發動機的一個實施例的剖面圖，其包含有壓縮機、沖壓空氣噴射發動機以及膨脹器，為了使第2圖之各元件能更加清楚，請參閱以下表二之第2圖的元件符號說明。

如第2圖所示，圓形鈦轉軸40、66中心定位於轉動的軸心，係是利用beta-CEZ鈦金屬或是具有更高強度的鈦金屬所構成，並且由任一端沿著中心軸鑿穿，而留下分隔牆以及中空穴38、64。轉軸的其中一個實施態樣的材質可以包含有概略為5%鋁、2%鉻、1%鐵、4%鉬、2%錫、82%鈦、以及4%鋯；此一材料可以利用熱處理的方式而具有220000每平方英呎-磅(psi)的拉伸強度、以及4.69的比重(specific gravity)，因此其比拉伸降伏強度為46908每平方英呎-磅(psi)。徑向的排氣口35、37、62於膨脹器區域以及壓縮機區域內穿過轉軸牆40、66來加以設置。壓縮機52、53、69乃是藉由碳纖維纏繞於碳化矽的葉片並抵靠於轉軸以及碳化矽外殼之側壁所形成，碳化矽葉片53、44被壓縮到轉軸，並橫跨位於鈦轉軸上開口35之間的架橋36。位於碳化矽葉片另外一側，於葉片任一側設置有外殼68、69，且碳纖維就纏繞在外殼的外部。而位於碳化矽外殼，碳纖維30係纏繞於每一個轉子、沿著側邊穿過側邊之間的邊緣空間、相對的側邊、然後回到轉軸。如此的纏繞使得葉片、殼體以及多孔性外環狀物的組合物固定於轉軸的適當位置，外殼以及葉片的組合物、以及穿過轉軸的排氣口一同成成通道，而由壓縮機的軸向來徑向延伸。在纏繞穿過壓縮機葉片之下，可以設置一種多孔性材料、篩網、或是徑向流體指引通道，來使流出壓縮機轉子的流體更加均勻、減少紊流。在轉軸略為離開壓縮機來形成供纏繞的空間，而膨脹器44、68也是類似的結構，具有叫大的部份來供碳纖維28、29纏繞。當固定時，纏繞之碳纖維張力使得這些葉片被壓縮至轉軸36、以及位於排氣口37之間的架橋39、63。在葉片碳化矽外殼69的其中一側徑向設置於轉軸，而形成徑向封閉的通道。在碳化矽外殼的外側，碳纖維30沿著外殼穿過轉子流體邊緣入口來纏繞，並穿過相對側而再回到轉軸，如此的纏繞使得葉片、外殼的組合物固定於轉軸，並限制了多孔性還體。外殼與葉片的組合物形成了環繞於 膨脹器之軸心的徑向通道，亦可稱為擴散器或是解壓縮器(de-compressor)。在鈦轉軸上，兩個動態氣密環狀物、碟片、環形物33、43、65設置於壓力殼體31之兩個轉軸部上，由於高碟片速度，當發動機運轉時，此兩動態密封環將會夾帶氣體至環狀物33以及殼體31之間的空隙，並驅動氣體徑向朝外離開位於轉子、殼體之間的洞穴32；如此將可降低轉子的拖曳現象。而在轉軸的任一端則設置有氣體軸承34、41、61、67，用來初始操作氣體軸承的高壓空氣流體42可由壓力儲存瓶或是空氣幫浦來供應。操作時，供應至氣體軸承的高壓氣體則可藉由將加壓氣體45、54由壓縮氣體流體中擷取出來。高壓氣體線可沿著壓力槽31的內表面以及絕熱體26位於壓力槽內的外表面來移動，來自於壓縮機的絕熱壓縮氣體乃為高溫，因此藉由沿著朝向中心軸的外牆移動，其溫度低於高壓絕熱氣體，因此可將其進入氣體軸承34、61前，藉由具有進入燃料20以及外部壓力導管21的熱交換器予以降溫。氣體軸承可為圓錐狀，而可支撐固定軸向轉動的轉軸，沿著轉軸係繪示有電磁發電機55、56、57、59，藉由增加脈衝電流至發電機56的電磁鐵而可用以啟動發動機，一旦發動機啟動了，則發電機可以反向由發動機萃取脈衝電流，發電機包含有永久磁鐵59、60，其係藉由高強度碳纖維予以纏繞在鈦轉軸上磁場電路可以藉由纏繞有銅線圈55的強磁性電樞片定子56來加以完成。當轉軸轉動時，磁場的密度、磁極就會跟著改變，並於銅線圈55上產生電磁脈衝，較佳的發動機將可操作於每分鐘15萬轉，此高頻電流可被轉換至直流電，然後再由直流電轉換至頻率匹配程序、或是匹配電柵，這部份電子學上的處理並未顯示於圖式上。徑向壓縮機以及徑向膨脹器之外形成有環狀物通道45、46、47、49、50、51，而用以接收由壓縮機螺旋徑向朝外的流體，並以螺旋徑向向內而進入膨脹器。在壓縮機轉子的出口、以及解壓縮機的徑向通道之入口的其中一側，轉子密封環狀物71乃藉由碳化矽或是譬如為304不鏽鋼等金屬、緻密陶瓷材料所形成，並限制來 自/或到環狀物超音速緩衝區域的入口、出口。在設定的轉速下，轉子密封環狀物乃設計為來持轉子接近於其邊緣的一側具有密合的間隙，此位於轉子、環狀物噴嘴入口的間隙藉由攜帶空氣來向外流動離開洞穴，玵進入具有較大半徑的環狀物流體洞穴。藉由排空外於轉子、周圍固定元件之間的洞穴72內的空氣，轉子的拖曳現象可予以降低。在此一實施例中，發動機設置於壓縮機轉子外，環狀物音速轉換器洞穴係為沿著轉動軸予以旋轉的空間，其藉由由耐火金屬、譬如為成型管狀的鉬等陶瓷、譬如為Cotronics M310的矽泡沫的壁面所形成，並且使用譬如為第7、8、9圖所繪示的實施例之徑向外觀形狀(以下詳述)、或是其它任何種形狀，於限制徑向流體之型態時，來將周圍流體由超音速流體轉換至亞音速流體。在環狀物洞穴內，流體由多孔性環狀物或是環繞於壓縮機之葉片之空的環狀物空間，在超音速速度51下減緩50而至局部的音速，然後在較大的半徑下更進一步降至亞音速流體49。一旦環狀物流體降低至亞音速流體，流體的外觀會逐漸地改變，其係將流體之動能予以轉和為流體的高溫、高壓，而不會導致震動波或是變緩慢，期望的壓縮溫度大約在1200k(或是927℃)、壓力大約為128大氣壓，到溫度1500k、壓力279大氣壓的範圍。環狀物腔體的外徑在此第一點縮小，使得外牆可以阻擋徑向流體，在環狀物的外徑，音速緩衝轉換器藉由固定軸心寬度的最終轉換而流至出口排氣口24、27，此出口排氣口24、27以絕熱方式連接到螺旋管道，其中可藉由譬如為石英等氣密材料組成；並且可將其由壓縮機24導引至膨脹器27，並在螺旋狀流體轉動下，由另外一個排氣口饋入環狀物區域。在此為燃燒腔體的環狀物管道內，可以藉由各種的方式來加熱至氣體蒸氣，但是一般乃藉由燃料管路22添加燃料至高溫、高壓空氣，並予以燃燒。其它將熱添加入燃燒腔體的氣體蒸氣的方法有：以輻射加熱的方式，譬如為太陽能、藉由較熱流穿過管路的循環方式來以熱交換方式加熱空氣/氣體、將高熱材料灌注入流體內，譬如為高溫蒸氣、由粒子產生 器將高能量粒子加入腔體產生粒子反應、以及其它任何方式等。

第3圖係為本發明所揭露壓縮機之一個實施例的剖面示意圖，其係為垂直於轉子之轉動軸心的平面來加以橫剖。為了使第3圖之各元件能更加清楚，請參閱以下表三之第3圖的元件符號說明。

第3圖所繪示，為沿著壓縮機之葉片86的垂直軸的剖面示意圖，轉子97內的流體徑向相對於轉子，但是周圍速度79乃遠高於徑向流，殼體80包含絕熱體81，而絕熱體81內部埋藏有螺旋朝向膨脹器的燃燒腔體之管道82，環狀物88的邊緣鄰近於螺旋向外83之亞音速流體95、99過渡88至出口排氣口的轉動，僅繪示有剖面圖。如第2圖所示，空氣/氣體流體透過轉軸85之鑿孔94而進入轉子，其顯示96穿過隧道或排氣口84，而穿過轉軸壁進入轉子內部，由於壓縮以及較大的流體區域使流體減速97，葉片於排氣口84之間的轉軸93上具有邊緣，在葉片的外邊緣上，具有周圍高壓線圈，其乃以直線87繪示。徑向線圈90同樣也施加壓力於葉片上，外殼並無繪示而僅繪示其外徑89，而圖 式中繪示有轉動89的方向，同樣的，供應壓縮空氣至氣體軸承的管道91亦有繪示，而供應燃料或蒸氣至燃燒腔體的管道92也同樣有繪示。

第4圖係根據本發明所揭露之膨脹器之一個實施例的剖面圖，其垂直於轉子之轉動軸心的平面來加以橫剖。為了使第4圖之各元件能更加清楚，請參閱以下表四之第4圖的元件符號說明。

如第4圖中所繪示之膨脹器或解壓縮機(de-compressor)。它比第3圖中的壓縮機大，並且操作在反向流體113。葉片106環繞轉軸111並由徑向線圈105施壓於轉軸，其中徑向線圈105通過通道108以供空氣/氣體流入軸孔112。周圍碳纖維線圈103也壓向轉軸上的葉片且朝向轉軸之軸心，避免震波和漩渦出現在葉片的邊緣。葉片包覆在轉子外殼或外半徑104大於葉片半徑之外殼兩側。空氣/氣體通過從熱絕緣101露出的排氣口107進入螺旋形電路102與亞音速流體118。螺旋形的流體以加粗線條表示，流體流入圍繞著軸心的一個電路的環形區域的外部半徑。流體在環形外面保持著亞音速116，但隨著半徑越小而提高速度，直到達到超音速115。葉片117的旋轉和在轉子104邊緣的空 氣/氣體115之圓周速度相匹配。在轉子上的流體113相對於轉子腔體幾乎純粹為徑向的，並且由在最大半徑處之最慢速度提高到在最小半徑114處之最快速度，然後流進到空心轉軸112。轉速117和半徑成正比，因此，葉片是由超音速115放慢至在軸上的亞音速或接近亞音速。轉子的每個部份會限制圓周速度，從外部的多孔環狀物(圖中未顯示)到轉軸108上的通道係可藉由減緩流體的圓周速度來執行葉片的工作。減速的發生會影響在旋轉方向上所有類似葉片的部份，這些全部都會透過高拉伸線圈來傳達到轉軸。The觸碰管體110之壓力容器或殼體100會將壓縮空氣運載給空氣軸承。在轉軸的內表面上的排氣口109並未顯示。

第5圖係為本發明壓縮機與膨脹器之剖面放大示意圖，其橫剖面包含有轉子之轉動軸心的平面，且將動態密封體的部份予以放大。為了使第5圖之各元件能更加清楚，請參閱以下表五之第5圖的元件符號說明。

第5圖係繪示具有動態密封體之壓縮機、膨脹器的放大剖視圖，繪示有沿著發動機轉動軸心之剖面圖。圖中係繪示對稱且旋轉質量元件對稱於發動機之轉動軸心141，發動機之轉軸具有兩個空心圓柱洞穴38、63，其乃藉由譬如為鈦金屬等高強度材料所構成144，位於轉軸144上的通道62為供空氣/氣體流體進入之入口，空氣/氣體流體徑向地靠近壓縮機葉片53、通道35來排出，並經由轉軸38之末端離開，並形成於轉軸144上，保留於排氣口140之間的材料形成了架橋63而抵靠於葉片53、外殼68等壓縮機元件被壓縮的位置。靠近轉軸位於入口洞穴、以及出口洞穴之間的中心，轉軸的壁體70分隔開入口流體以及出口流體，在轉軸的外側，中空洞穴38具有出口鑿孔；通道35與排氣口37類似入口側提供給流體較大的橫截面面積，而由膨脹器/解壓縮機之出口來容納較高的氣體流體空間。在轉子組合物(壓縮機或解壓縮機)122、44、30、68的任一側具有動態密封體33、43、138、65、146、147；這些動態密封體包含有一個以上的附著於轉軸144之環狀碟片65，而相鄰於每一個碟片65的一側係為不可移動、或是移動相當緩慢的壓力通道壁體之環狀物碟片147。操作時，當轉軸144轉動而氣體被環狀碟片65的兩側夾帶，並受到向心加速的驅動至碟片65的外徑，而離開壓力通道壁體碟片147的外側出口。藉由碟片一側靠近壓力通 道壁體碟片147具有小餘隙間隙146，而可達成幫浦作用以及動態密封，同時不允許外界氣體進入壓力通道31、以及流回在間隙146中抵抗受到夾帶的空氣。當位於碟片65外側時，允許氣體循環並處於周圍壓力之下，因此，動態密封體將會拖曳氣體離開環繞於轉子68的空間149、72，並且避免氣體流入此一空間而降低氣體於轉子外部的拖曳性。

在此一圖式中，壓縮機53、68以及解壓縮機44、68的轉子具有纏繞的碳纖維、或是線圈29、30、135、136來支撐外殼68以及葉片44、53來抵抗轉軸144以及這些元件上的向心力。葉片係由在發動機內的氣體流體的工作溫度下，具有高比壓縮強度的材料所構成，此外，彈性葉片也可以藉由具有鍍層的纖維拖繩主要來構成；適合的材料範例，可譬如為α矽化鈣、碳化硼、氧化鋁。舉例來說，Hexoloy SA可以被用來作為結構用具有壓縮強度560000每平方英呎-磅(psi)的壓縮材料、比重為3.1，換句話說具有180645每平方英呎-磅(psi)的比壓縮強度，可由紐約尼加拉瓜瀑布的聖高拜陶瓷結構陶瓷公司(Saint-Gobain Ceramics Structural Ceramics of Niagara Falls,NY)所提供。葉片以及外殼將分割轉軸之外的葉片空間，以形成許多徑向洞穴，碳纖維或是其它譬如為玻璃纖維等高強度纖維，可以纏繞於葉片尖端52、然後回到轉軸下、以及/或穿過轉軸，且使葉片被壓縮而抵靠轉軸以及位於轉軸之排氣口之間的架橋36、63；當碳纖維線圈纏繞、固定於轉軸上時，其係其有高溫環氧樹脂(epoxies)、矽/碳化矽反應、金屬硬銲、或是機械摩擦地鉗緊於纖維拖繩的一端等方式，而使其上具有張力。碳纖維上可具有鍍層來賦予高磨耗抗性、抗養化性、抗腐蝕性、以及允許硬銲、或化學反應來將纖維的表面固定、熔接在一起，可能的適當鍍層材料可為氧化硼、鍍鎳、碳化矽、氧化矽、碳化鋯、硼化鋯、氮化矽、硼化鉿以及混有碳化矽的硼化鉿。纖維外部形成有鍍層，因此將於纖維上形成一層可以使用於發動機上具有彈性拉伸的能力。 在轉子的兩側、壓縮機、膨脹器、圍繞的外殼68、碟片係由譬如為α碳化矽等高比壓縮強度材料所構成。此些外殼用來將流動的氣體保持於葉片之間的洞穴，並將葉片由固定的排出洞穴72、149予以分隔。在本發明之轉子高速轉動下，氣體在具有固定壁體的開放葉片上的切應力反應會產生特殊的拖曳現象；外殼藉由碳線圈纏繞於外殼、以及轉軸而固定於葉片的側邊，因此，外殼可以形成有加上標示的溝槽、或是屋脊，而來均勻地定位葉片相對於轉軸的位置。於葉片44尖端之下，多孔性或是具多通道的材料122覆蓋於環繞於葉片的洞穴之邊緣，此多孔性或是具多通道的材料122會吸收紊流並使流出葉片之間通道的流體建立更均勻的徑向流，多孔性環狀物可作為空氣/氣體的較大數量的葉片。碳或高強度纖維纏繞於多孔性邊緣材料的邊緣，而能於壓縮機或解壓縮機轉動時抵抗高的向心力。於壓縮機之徑向尖端下，轉子密封環狀物71為高強度、耐火材質所構成，其可譬如為304不鏽鋼、鉭(tantalum)、鉬(molybdenum)、融化的矽、鋁、以及發泡覆蓋之二氧化矽，而限制位於發動機之環狀物超音速流體51至壓音速流體緩衝區的入口。排氣口、或是轉子密封環狀物以及外殼具有狹窄間隙150，藉以推動空氣/氣體至較大的半徑位置，環狀物流體區域中較大的環狀物區域可以藉由鑄造陶瓷、或是熔融玻璃、譬如為鉬的金屬等來形成有平滑的表面，於此光滑環狀物的背面，轉子密封環狀物係為熔接、發泡二氧化矽26的熱絕緣體或是其它實體的絕緣。解壓縮機轉子之徑向尖端之下，環狀亞音速至超音速轉換環狀物流區域45乃藉由與環繞在壓縮機相同、或是類似的高強度、耐火材料所構成。針對壓縮機、解壓縮機，環狀碟片43可能需要針對壓力通道牆予以固定以及密封，來對抗環繞於轉子72的較低壓力以及殼體外之大氣壓力之間的壓力差。轉子靠近邊緣的環狀物71以及位於環狀物71之間的間隙、轉子68、線圈30可用來推動空氣/氣體由環狀空間72至較大半徑處，而環繞於轉子邊緣的壓力可能高達24大氣壓或是更高。

第6圖為本發明之壓縮機、膨脹器之剖面放大示意圖，其橫剖面包含有轉子之轉動軸心的平面，且將葉片、通道結構的部份予以放大。為了使第6圖之各元件能更加清楚，請參閱以下表六之第6圖的元件符號說明。

如第6圖所示，係為壓縮機轉子190、191、192、193、以及膨脹器轉子179、180、181、182的放大示意圖，且其具有葉片181、182、193、194以及通道184結構，如圖中所繪示，葉片可直接由具有鍍層、或是堅硬、堅固材料的碳纖維所構成。中空170轉軸171、流體排氣口184、195、動態密封體172、173、174至壓力通道175等元件係完全相同於第5圖以及相關描述。壓縮機之環狀超音速流體176至亞音速流體環狀洞穴以及解壓縮機之亞音速流體至超音速流體178洞穴，同樣 也完全相同於第5圖以及相關描述，包含絕緣體177、排氣口185、中空轉軸187、低壓環狀物188、壓縮器環狀物189內的螺旋向外流體、以及鑿孔內之區域分隔牆198。在本發明之此一實施例中，葉片葉片藉由排成迴圈之懸吊碳拖繩、或是刷體、纏繞於拉直繩體的纖維，外圍施加預壓力、鍍層，而由轉軸之排氣口到架橋、以及其它轉子部件。藉由捆綁、高溫環氧樹脂、硬銲、或是其它表面處理而將碳纖維固定於轉軸，懸吊的纖維可以纏繞於轉軸上，其它可能的纖維固定機構可如機械式嵌合、捲繞、編織纖維到懸吊纖維等。碳纖維181、193可以編織到模仿籃子形狀，到預定葉片、徑向氣體流體通道183、194、以及到氣體流體通道的側壁192的結構體。強化的材料也可以滲入編織的結構，譬如為藉由化學反應、蒸鍍、噴濺、或是鑄造陶瓷的碳化矽，而可強制進入纖維之間。在徑向氣體流體通道的邊緣，設置有多孔性材質、或是具徑向多通到的環狀物180、191，且係由良好比壓縮強度材料、指壓(finger pressure)等方式構成。對於此環狀物，適合可使用的材料有熔接發泡碳化矽、碳纖維網路等，其中碳纖維網路與矽反應而形成碳化矽鍍層於纖維上，並結合於纖維之間。碳纖維纏繞的排列使得空氣/氣體流體的徑向出口179、190，分佈於壓縮機、解壓縮機之轉子的邊緣中心，或是多孔性環狀物外表面除了接近流體開孔176、178、189之外皆予以密封。藉由轉動向心力，使得周圍加速的氣體伴隨著壓縮機葉片流動，而透過此開孔進入超音速至亞音速緩衝區176的環狀區域。而在解壓縮機側，超音速徑向流入將會產生衝突，而流經位於纖維線圈192、部份密封之多孔性材料180、191、或是具有多通道環狀體材料之開孔。解壓縮機內螺旋徑向流體178對抗於環狀物、碳纖維葉片將會減速，而可藉由轉動的向心力來支撐，並將轉動能量傳遞至解壓縮機，來自解壓縮機的機械能將可透過轉軸171、186傳遞至壓縮機，如同繪示於第2、10圖的機械轉動能量傳遞至發電機、或是其它任何裝置。在壓縮機、解壓縮機葉片的任一側設有纏繞碳纖維 的外殼192，碳纖維藉由高溫結合材料，譬如為碳化矽、或是其它保護用鍍層來加以結合在一起。這些外殼形成有氣密的阻障，阻隔由葉片所形成之徑向氣體流體通道182、194之側面相外流動之流體，碳纖維192由轉軸向上穿過碟片的邊原來加以纏繞，而固定碟片至轉軸上，並且拉動碟片至壓縮機、解縮機的堅固葉片上。

第7圖繪示具有半徑之環狀螺旋流體腔體間隙中，徑向流體速度反比於環狀螺旋狀腔體之半徑之示意圖。於第7圖中，繪示有半徑之環狀流體洞穴之軸向寬度，而使徑向流體反比於環狀洞穴之半徑，圖式中，水平x軸係為半徑，由具轉子半徑之轉軸的軸線，到轉子邊緣的間隙。此圖式乃是假設理想等熵(isentropic)的超音速/亞音速流體，具有7/5的等壓熱容量至等體積熱容量之比，以及適度的徑向流體速度。

第8圖繪示具有半徑之環狀螺旋流體腔體間隙中，徑向流速係與環狀螺旋狀腔體之半徑成常數之示意圖，於第8圖中，繪示有半徑之環狀流體洞穴之軸向寬度，而使平穩常數亞音速徑向流體穿過環狀洞穴，圖式中，水平x軸係為半徑，由具轉子半徑之轉軸的軸線，到轉子邊緣的間隙。此圖式乃是假設理想等熵(isentropic)的超音速/亞音速流體，具有7/5的等壓熱容量至等體積熱容量之比，以及適度的徑向流體速度。

第9圖繪示具有半徑之環狀螺旋流體腔體間隙中，徑向流體速度正比於環狀螺旋狀腔體之半徑之示意圖，於第9圖中，係繪示具有半徑之環狀螺旋流體腔體間隙中，徑向流體速度正比於環狀螺旋狀腔體之半徑之示意圖，圖式中，水平x軸係為半徑，由具轉子半徑之轉軸的軸線，到轉子邊緣的間隙。此圖式乃是假設理想等熵(isentropic)的超音速/亞音速流體，具有7/5的等壓熱容量至等體積熱容量之比，以及適度的徑向流體速度。

第10圖係繪示本發明所提供壓縮機、膨脹器之實施例橫剖面放大 示意圖，其橫剖面包含有轉子之轉動軸心的平面，且將輸入流體、空間轉軸輸出流體、以及可在低成本下兩倍功率之配置的部份予以放大。為了使第10圖之各元件能更加清楚，請參閱以下表七之第10圖的元件符號說明。

第10圖中，繪示本發明典型的實施例具包含有發動機軸線的橫剖面示意圖，圓柱狀鈦金屬轉軸268中心定位在轉動軸線上，並且利用β-CEZ鈦金屬或是更高強度鈦所構成，而於中心沿著軸線鑿孔而留下厚牆，對應於第2圖中所描述的轉軸材料同樣也可以應用到第10圖的轉軸，徑向排氣口263、271穿過膨脹器區域272的轉軸壁體268、271設置，但並未到達壓縮器區域。鑿孔則整個穿過轉軸，轉軸外的壓縮機284與膨脹器272區域藉由徑向環狀並垂直於轉軸的α碳化矽碟片282、283所分隔，並達到膨脹器葉片272的外徑之下，而此碟片262、254、282、283會被線圈288、289朝向轉軸壓縮，形成兩個轉子的一側。膨脹器轉子的相對一側也是利用相同尺寸碳化矽環狀物碟片262來啟動轉軸，葉片、碟片、外殼可藉由拉直的碳纖維，滲入有鍍層、或是堅硬、堅固材料的碳纖維所構成，且纖維可是其牢固並且氣密，而葉片同樣也可以利用綁緊於轉軸以及其它轉子部件的彈性纖維構成。

而壓縮機轉子253、254、283、284、287、288係由碳化矽碟片254中心對準於軸線設置，但是於轉軸表面起始具有一段距離，並延伸至具有大於壓縮機葉片284外徑之半徑。環狀碟片個別纏繞有碳纖維，碳化矽葉片284、272穿過碟片限制流體區域之間所形成的空間，並且垂直於碟片、由轉軸徑向延伸。

於壓縮機一側，位於葉片與殼體257之間的空間，多孔性墊253充填入位於環狀物碟片之下、緊鄰於葉片284的空間，並且朝向殼體方向延伸，如此建構下的強力碳纖維，不需要如同Hexcel IM6一般的強固，而在轉動下概略能夠依舊保有其形狀的型態。

殼體257具有環繞於轉軸的環狀開口，且由轉軸的距離小於軸向 鑿孔268的半徑，而使空氣/氣體251能夠進入壓縮機，多孔性墊253相對於轉軸、轉子來轉動，使得空氣/氣體285進入葉片區域、穿過環繞於轉軸263之外殼254的較大開口處，空氣/氣體進入高軸向速度、達到局部音速、於殼體內噴濺、軸向速度減緩、由多孔性墊進入壓縮機葉片284前達到轉動的速度，而甚至於轉軸的表面也達到了超音速速度的移動。如此一來，空氣/氣體285以低於超音速速度時遭遇葉片284，因此不會有震動波產生。相對於轉子快速的移動，空氣/氣體流體273徑向流動緩慢，也不會產生震動波。

轉軸的兩端由膨脹器轉子289、290、262、263、271、272、282輸出排氣269、286，壓縮機與膨脹器轉子由具有平面葉片284、272的α碳化矽所構成，而橫躺於包含有轉軸軸線、葉片、轉軸受壓力之內邊緣以及選擇性的彈性葉片的平面上。所有碳化矽的邊角形狀接予以利用0.02英吋寬或更大尺寸來加以截角，位於排氣口264、271穿過轉軸壁體之間的空間，轉軸上具有一個以上的膨脹器葉片，於相同的空間內也具有一個以上的壓縮機葉片。纏繞的聚丙烯腈碳纖維289、每一拖繩具有12000條纖維的Hexcel IM6、Toho Tenax IMS60材質的每一拖繩具有12000條纖維、Toho Tenax IMS60材質的每一拖繩具有12000條纖維、鍍上薄鍍層、選擇性電鍍鎳等，而使纖維在1%應變或是概略為最佳張力應力之下的一半，來纏繞於葉片，並將葉片以相同1%或是更大的張力壓縮至轉軸。纖維接觸到的所有部件的邊緣，都具有至少0.05英吋或是更大半徑的圓弧導角。線圈以概略200000每平方英呎-磅(psi)將葉片朝向轉軸壓縮，部份線圈使用不相鄰於葉片的排氣口、或是繞著轉軸纏繞而使葉片具有側向抗力而試著去掉葉片的尖端，繞著葉片外邊緣的線圈提供每一個葉片200000每平方英呎-磅(psi)的徑向力，包含有轉軸的線圈提供每一頁片概略20000每平方英呎-磅(psi)的徑向力，這些都是結構性葉片的線圈。而線圈也可利用譬如為電鍍鎳來更進一步選擇性薄薄地鍍上鍍層。同樣地，也可以使用沒有纏繞高壓 縮強度材料的彈性葉片，舉例來說，高拉伸強度的拖繩包含有HexcelIM6 12000纖維拖繩、最佳拉伸強度為827000每平方英呎-磅(psi)、比重為1.76、或是HexcelIM9 12000纖維拖繩、最佳拉伸強度為887000每平方英呎-磅(psi)、比重為1.8、或是Toho Tenax IMS60纖維拖繩、最佳拉伸強度為885000每平方英呎-磅(psi)、比重為1.79、或是Amoco T1000纖維拖繩、最佳拉伸強度為1002000每平方英呎-磅(psi)、甚至是Amoco T40等。這些Hexcel材料可以由位於猶它州西瓦利城的Hexcel公司之鹽湖城纖維工廠(Hexcel Corporation’s Salt Lake City Fibers Plant,located in West Valley City,UT)來取得，而Toho材料可以由Toho Tenax美國有限公司(Toho Tenax America,Inc.)在加州爾灣市(Irvine,CA)、喬治亞州的布雷壽頓(Braselton,GA)、以及北卡羅萊納州摩斯維爾市(Mooresville,NC)的銷售據點取得，而Amoco材料則可由來自俄亥俄州的帕爾馬技術中心之阿莫科高性能產品公司(Amoco Performance Products,Inc.)取得。

環狀物287、290可藉由纖維墊、金屬篩網、或是多孔性陶瓷，譬如為發泡熔融矽、矽氣凝膠體、碳纖維或是可以提供較小流體通道、或擴展為蜂巢狀等材料所構成，而位於環繞葉片284、272之轉軸的心中，距離葉片概略0.005~0.1英吋，並具有環繞葉片於環狀物內的環狀物開口。環狀物具有特定的壓縮強度、指壓或是更高，當轉動於極速時，其厚度並不會建立更多超過它所能處理的壓縮力量，環狀物外表面之極速概略為每秒3157英呎。碳纖維289環繞於環狀物周圍，並具有等同於環狀物轉動向心力的壓力，當轉子轉動時，環狀物將會佔據它所工作的半徑，環狀物287、290具有固定至轉軸的聚丙烯腈碳纖維(圖中未示)，並將會來自於空氣/氣體通過所帶來的特殊向心力，環狀物允許空氣/氣體273以概略每秒100英呎的速度徑向流經，周圍的流體當經過環狀物時，可達到接近於環狀物的速度。環狀物包含有多孔性陶瓷、纖維狀墊體、或是具有小流體通道或延伸至蜂巢狀的金 屬篩網，且佔據了轉子上徑向的流體流動路徑，其半徑概略接近於轉子的最大半徑，並隨著轉子而轉動；如此一來，所有的氣體或空氣將可被壓縮至通過環狀物，且喪失空氣或氣體的紊流以及環狀物上周圍壓力的梯度變化，同時，浮現來自轉子近似均勻超音速周圍速度以及亞音速徑向流體。環狀物作為轉子的最後葉片，並於周圍超音速流速下，限制了轉子的Mach速度，而此速度需要匹配空氣/氣體281出去與進入的周圍速度，而微小的速度274之不匹配是允許的，環狀物將會吸收此動量、提昇或降低空氣/氣體的溫度。

增加非結構性的葉片可降低橫跨結構性葉片的壓力拖曳現象，此非結構性的葉片可以是相鄰徑向纖維的薄黏結薄板，以小於30度或是二分之一半徑橫跨，甚至小於軸向結合纖維的總和。此些葉片可以起始於鄰近轉軸，由聚丙烯腈碳纖維的繩索固定至轉軸，並達到環繞於結構性葉片的高拉伸強度線圈，以及/或在環繞於所有葉片的高拉伸線圈下，達到環繞於結構性葉片的環狀物。

殼體257係具有類似厚牆罐頭形狀，而可沿著轉軸之軸心來轉動，且具有由兩側穿過轉軸的排氣口，小碟片264由轉軸延伸，並鄰近於殼體外表面而轉動，當於膨脹器一側、壓縮機一側的真空於壓縮機轉子外建立時，而可作為徑向幫浦來由殼體移除空氣/氣體，轉子密封環狀物255、293於其與轉動環形物254、262之間具有小間隙，而可推動空氣/氣體至較大半徑、阻擋由環形物279、276回流，鄰接於此小間隙的表面可具有溝槽來強化幫浦的作用。譬如為氫等低密度氣體可以鄰近轉子密封環狀物255、293的內徑來導入，而降低此間隙的拖曳現象，而此氫氣也不會浪費，當發動機燃燒燃料時，氫氣也可以一同燃燒。

環繞於轉子的兩個環形物276、279在壓縮機一側提供超音速281至亞音速279的緩衝280，在膨脹器一側提供了亞音速276至超音速274的緩衝275，並由非常接近於轉子到具有亞音速流體的較大半徑延伸。操作上，其充填有絕緣體至殼體，而由轉子的最大內徑絕緣充填至外 徑，而絕緣體或電鍍絕緣體可以包含在環狀物277、278的壓力，位於轉子邊緣的環狀物外表面，除了鄰近於進入環狀物開口的帶狀之外，皆被予以密封。

每一個環狀物在其外徑達到接近於螺旋向外排氣口258、260的側壁乃為絕緣，膨脹器一側的環狀物大於壓縮機一側的環狀物，由壓縮機環狀物的出口係由概略為螺旋狀至流出排氣口的方式來轉動，初始可為長方形，而在經過一小段距離則轉換為圓柱狀管道259，並且沿著絕緣、螺旋狀的殼體內側至較大的半徑，同時，逐漸地朝向膨脹器環狀物的入口平面移動，其中膨脹器環狀物螺旋向內且配合入口的形狀而變為長方形。

管道259是沖壓空氣噴射發動機的燃燒腔體，環狀物取代了沖壓空氣噴射發動機的德拉瓦爾音速轉換器，因此兩個轉子之間的所有流體空間概略位於沖壓空氣噴射發動機沒有氣門的區域。管道259內的流體可以迫近超音速，因此管道的長度包含了足夠環繞軸線的迴圈，來確保足夠的時間將燃料完全燃燒或進行熱交換；在其它發動機中，皆並未見過細長的燃燒腔體的特徵。穿過絕緣體256之其它管道傳遞燃料291至燃燒腔體/管道，並於其出口具有噴射噴嘴，空氣/氣體線292至氣體軸承可以平行於燃料管線但卻反性，而可加熱進入的燃料。

環狀物具有如第7、8、9圖所繪示之形狀，並且受到絕緣體259的環繞，發泡熔融矽、或是其它絕緣材料，譬如為Cotronics M310可以電鍍於其內，而更進一步強化具有氣密性燒結密集態樣的相同材料277、278。矽256係為一種優秀的熱絕緣材料，並且具有相當高的抗熱震性，加上低的熱膨脹係數，Cotronics M310具有相當好的壓縮強度，但強化材料卻具有5倍高的壓縮強度，強化物覆蓋於環狀物的所有表面、環狀物之間的管道，並於主要為絕緣體的環狀物上添加有切入的溝槽，來增加結構性的強度，鑄造是密集的態樣，因此用來於絕緣體上安排強化結構性的T型樑。

鑄造材料可以添加有碳纖維，而使得其可類似短毛皮般，設至於流體之下，並阻礙流體中較厚的邊界層的發展，聚丙烯腈碳纖維為4~6微米厚，並具有平滑的表面，其平滑度(smooth circular)大約在1/30微米或是更低，整體毛皮覆蓋當纖維受到流體而彎曲向下時，大約每一英呎厚有1000根。當流體於最大速度時，毛皮更加有用，並且也係為環狀物中的較冷部件，表面大約為1000℃的區域應被不同的纖維來被覆，譬如為石英纖維，而可存在於此一溫度之下。

轉軸藉由墊狀的氣體軸承250、265所支撐，譬如為新時代軸承(New Age Bearings)，位於殼體之外並固定於殼體而可受到內部的壓縮機的驅動。較佳者為當轉軸起始轉動前來加以啟動。於操作期間，藉由來自燃燒腔體的小管道而可補充沖壓空氣噴射發動機所需的壓力，儘管壓力、溫度都很高，但是仍其流動仍舊受到譬如氣門的限制，且可能藉由加熱燃料而加以冷卻。譬如為高頻電動發電機266、267等負載也可以置於轉動的轉軸上，外部的真空幫浦也可以啟動來去除來自膨脹器一側之殼體的空氣264。

為了起始發動機，針對部份裝置阻擋轉軸的底部是有作用的，當轉子加速到起始速度時，穿過殼體的輸入排氣口252可以保留來自循環的空氣或氣體，而此一速度乃藉由燃燒所支撐，接著僅於轉軸之壓縮機一側緩慢開啟，直到膨脹器排氣270、271顯現出壓力，然後才開始燃燒以及緩慢開啟輸入排氣口。發動機的溫度概略獨立於空氣/氣體的流速。

第11圖係繪示本發明所提供環形螺旋狀腔體之實施例橫剖面放大示意圖，其橫剖面包含有轉子之轉動軸心的平面，且將可以降低邊界層發展的表面纖維的部份予以放大。為了使第11圖之各元件能更加清楚，請參閱以下表八之第11圖的元件符號說明。

第11圖所繪示係為環狀流體通道之剖面放大示意圖，繪示有可將邊界層發展最小化的表面纖維。環繞於壓縮機305、解壓縮機304之環狀流體通道303、307、308的壁體的突出纖維300、302，用以將邊界層最小化。纖維300、302具有表面粗糙度小於0.030微米的平滑表面，纖維的直徑大概4~6微米，並且以超過其直徑的6倍長度，由流體通道的壁體表面向外突出，而纖維以及位於表面上的其它纖維相互以一個直徑以上的距離隔開。當流體使纖維彎曲時，其突出入超音速流體307、303以及亞音速流體308的高度少於3倍的直徑。這些纖維可以利用聚丙烯腈碳纖維來形成，並嵌入壁體材料301，於操作時，流體於每一個別纖維上產生邊界層，此邊界層係沿著流動的方向而以其長度之半徑來成長。邊界層越大，則纖維越靠近表面彎曲，且邊界層截止於沒有纖維的地方。如圖中所繪示的放大示意圖，繪示有壓縮機306的葉片以及解壓縮機、壓縮機的多孔性環狀物304、305，其可藉由纏結碳纖維或是多孔性陣列材質所形成。

關於轉軸並無太多的陳述，除了轉軸具有軟性金屬之高比拉伸降伏強度，因此，轉軸可在無須強化下概略最大的尺寸，轉軸中空的半徑提供了此設計的功率限制因子，其越大，則內表面會移動至約為Mach值1，假如空氣/氣體流入壓縮機是經過轉軸，則必須於轉軸上具有可以分隔入口與出口的壁體，且薄壁體設置於轉軸上而可帶動空氣/氣體達到轉軸的轉動速度；固定的薄壁體設至於轉軸之出口段內，來使排氣停止相對轉軸的轉動。

假如藉由纏繞高強度碳纖維來強化，當然也可以設計更大的轉軸，達成的其中之一個方法，乃是藉由將高壓縮強度圓柱材料，譬如 為碳化矽，於外表面以箱對於平行於中空深度之軸線的表面角度約45度角來切割形成通道，並留下未受損之方形鑽石狀外表面積，設置於轉軸壁體上的排氣口係切割為方形鑽石形狀，並穿過轉軸壁體，鍍層碳纖維被拉長1%或更多，並且纏繞入此通道，沿著轉軸一端而纏繞回到穿過另外一個通道位於轉軸對端，然後不斷重複纏繞直到所有的通道都填滿，而45度的包覆提供轉軸所需的扭力容量(torque capacity)。更重要的，此包覆提供了高速旋轉所需的環狀強度，同樣的，其也可擴展延伸至較小尺寸的轉軸。

本發明另一實施態樣係描述如下，在此所描述的特徵係為依照特殊裝置、預定結果來加以選用，舉例來說，實施例可以包含有一個超音速轉子，於操作時用以將空氣或氣體加速、或減速至轉子的角速度，並可使表面速度達到每秒2000英呎到每秒5400英呎，其包含有轉軸、以及結構性壓縮材料、高比拉伸強度纖維拖繩，轉軸包含有中心定位在轉動軸線的高比降伏強度材料，而結構性壓縮材料具有高比壓縮強度並以預定的設置環繞於轉軸，譬如以葉片的型態。而高比拉伸強度纖維拖繩在較小轉軸轉動時，用來維持固定壓縮材料於預定的配置。

在轉軸轉動前、而轉子操作時，壓縮材料可以藉由拖繩的線圈以朝向軸線之力，並為最大拉伸強度一半的力量而迴圈纏繞於壓縮材料，使其受到預壓力。部份線圈具有相對運動部件的抗性，且可吸收每一平方英吋10磅的力而直接周圍抵靠此部件而不發生特殊的移動。而當於Mach速度轉動時，朝向軸線作用於一部件的力接近此元件操作時所產生的最大向心力，同時，由於轉動造成壓縮力的降低，使得壓縮材料可彈性地膨脹，因此壓縮材料仍舊處於預壓狀態；因而使得纖維拖繩膨脹並提供大於最大向心力的力量於壓縮材料，而穩固地支撐壓縮材料於此一位置。

實施例中，可選擇地包含額外低固幸而高彈性的部件，此部件包含具壓縮強度材料的強化纖維拖繩，而沒有在高張力下纏繞；同時也 可選擇性地具有結合材料、或陶瓷、或金屬等應用於纖維；且此部件於操作過程中，可於轉子表面速度下而不改變外型尺寸。

根據本發明所揭露的裝置可以具有一轉子，其中高比拉伸強度纖維拖繩包含有至少一奈米碳管組合纖維、一碳纖維、一玻璃纖維、一金屬與陶瓷纖維、一陶瓷纖維、一聚合物纖維；以及/或其中轉子的高比拉伸降伏強度的材料包含有鍍有類鑽石材料之碳纖維纏繞於α碳化矽、捲繞於該轉軸之軸心的鋼、熱處理而具有最大拉伸降伏強度的鈦合金、以及金屬、陶瓷或聚合物、及其組合。

另外本發明所包含之範圍係為一級、接近絕熱徑向向心壓縮機，根據本發明包含有一超音速轉子，其中附著於轉軸上的部件在轉軸轉動過程中高速運動，並藉由高比強度纖維拖繩所構成或是支撐；以及/或其中轉軸具有複數個中心定位於該轉動軸心的中空或鑿孔，選擇性地於轉子的中央部位具有一實心部位、以及包含複數個轉子徑向排氣口，並於選擇性地結構上穿過轉軸壁體進入葉片空間，而選擇性地彈性葉片位於包含有以轉軸為基礎或是圍繞轉軸的軸心之平面，其中葉片可掃過葉片空間，選擇性地包含結構性壓縮材料以及高比拉伸強度拖繩；其中葉片空間選擇性地更藉由轉子側壁來加以定義，轉子側壁乃是藉由附著於葉片空間的相對兩側，且靠近葉片邊緣之兩外殼所構成；而由轉軸向外延伸，並延伸至外葉片邊緣半徑之外殼之外的半徑，如此一來，空氣或氣體流體可以徑向鄰近地穿過位於葉片間、以及外殼間的葉片空間；一熱絕緣殼體，用以容納該轉軸與該轉子之至少一部分，並包含有：一環狀物圍繞於該轉子之此部份，並具有鄰近於轉軸的內徑，其中環狀物係可以軸線對稱地轉動，並可接收來自葉片空間的空氣或氣體流體；一螺旋狀腔體，係起始於一環狀物的外徑，包含有一向外螺旋壁體以及相對應的一頂面內表面與一底面內表面，而可限制空氣或氣體於螺旋狀腔體內，同時在轉子處於超音速速度的操作時，可接收來自於環狀物之螺旋朝外的空氣或氣體，並導引流體至 排氣口，可用以將室溫空氣壓縮至壓縮比為10：1至92：1或更高的空氣，當流體與轉動反向時，可選擇性地作為膨脹器來操作。

在本發明之範圍內還包括能夠在超音速轉子的操作過程中產生局部亞音速流體輸出的壓縮機，其中：螺旋室的對應表面所組成之形狀，可從第7圖、第8圖或第9圖的形狀來選擇比例，用以生產，在操作過程中，平滑的圓周流體會和軸心的半徑成反比；螺旋室會延伸於轉子外半徑附近的第一個半徑和第二個半徑之間，這種的選擇，在操作過程中，超音速流體速度存在於第一個半徑，而理想的局部亞音速流體速度是達成於第二個半徑；螺旋室沒有氣門區域而且沒有流體的徑向阻塞情況，在操作過程中，流體會達到局部音速；在操作過程中，超越了螺旋室，流體包含一個自然的螺旋流體形狀和螺旋室的螺旋外壁相匹配，並以亞因速持續到出口，可選擇從殼體排出；可選擇能夠操作為一種膨脹器，當流體與旋轉被反向時可輸入局部亞因速流體，且沒有氣門區域。

本發明之壓縮機的實施例可以包括用來調整以改變流體之質量流率的裝置，包括位於螺旋室之螺旋壁內側之可調整帶或帶子，能夠從螺旋壁移走，以符合流體自然的螺旋形狀，從而調節不同質量流率的流體，使其低於最高的質量流率。

根據本發明之壓縮機的實施例可以包含用以提高膨脹器效率的裝置，藉此兩個轉子殼會達到軸且具有容納空氣或氣體之流體的能力，並消耗經由空心軸之流體去促使所有的空氣或氣體做類似的工作；其中膨脹器效率是比較通過殼體並通過在軸周圍的環形開口的排出空氣或氣體，使一些空氣或氣體比其它空氣或氣體以較大的半徑和較高的溫度來離開，以確保一定的效率損失。

在本發明之範圍內還包括沖壓空氣噴射發動機之實施例，其中包括固定式或亞音速或超音速沖壓空氣噴射發動機，可將最快的部份隔絕避免於最高的發動機溫度，並可選擇性地且沒有氣門區域，其包括 有：一沖壓空氣噴射發動機，包括一個輸入德拉瓦爾噴嘴、燃燒腔體和排氣德拉瓦爾噴嘴，它能夠超音速飛行在空氣或其它氣體中，以馬赫(Mach)M速度在特定的空氣或氣體環境中，其中馬赫M是低於7400英尺/秒(ft/s)；在此所描述之任何徑向壓縮機包含一轉子，它能夠達到空氣或氣體以馬赫/√2的圓周速度來輸出，以及能夠達到產生一個大於沖壓空氣噴射發動機的質量流率，並具有局部亞音速排氣輸出速度S1；其中的一部分輸入德拉瓦爾噴嘴開始於噴嘴的截面處，其亞音速氣流速度大約是S1且持續到進入燃燒腔體，而能夠接受壓縮機輸出和提供壓縮機輸出到沖壓空氣噴射發動機；其中一部分輸入德拉瓦爾噴嘴能夠移除較高速流體，包括其氣門區域；在操作過程中，進入壓縮機的空氣或氣體是藉由輸入流體區域的阻擋而降低到沖壓空氣噴射發動機的質量流率，且壓縮機的可調整帶或帶子之螺旋狀流出區域會進行調整，以改變質量流率；可選擇地包括如本文所述的具有適當規模並具有局部亞音速設計輸入速度S2之氣體或空氣的任何膨脹器，其以一能階氣體或空氣從燃燒腔體輸出，以更大的流量能力，用以產生軸和排氣室的機械運動；其中可選擇地一部份的排氣德拉瓦爾噴嘴開始在燃燒腔體並結束在噴嘴的一個橫截面，其局部亞音速氣流速度大約為S2，它能夠提供排氣從德拉瓦爾沖壓空氣噴射發動機傳送給膨脹器；其中可選擇地一部分的排氣德拉瓦爾噴嘴能夠將較高速流體移除或忽略，包括其氣門區域；其中可選擇地膨脹器的螺旋室之可調整帶或帶子會藉由調整以改變流體的質量流率；其中在壓縮機轉子和軸的最高溫度大約是大氣溫度和燃燒腔體的壓縮停滯溫度之平均溫度，且在可選擇的膨脹器轉子和軸的最高溫度大約是大氣中的排氣溫度和在燃燒腔體的後熱停滯溫度(post heating stagnation temperature)之平均溫度，使壓縮機轉子約低於停滯壓縮溫度450℃，在一個較佳實施例中，可選擇的膨脹器轉子約低於停滯燃燒溫度675℃，並造成發動機快速移動的部份和發動機的最高溫區域遠遠隔絕；其中壓縮機、剩下 的沖壓空氣噴射發動機、和可選擇的膨脹器，每一個都具有外殼，能夠固定在一起而形成一個殼體，或者其中的外殼可以被連接到一個共同的框架；能夠作為固定的或亞音速或超音速；能夠具有完整的排氣德拉瓦爾噴嘴之超音速噴射輸出，不必使用膨脹器也無須輸入德拉瓦爾噴嘴氣門區域或其它輸入氣門區域；可選擇地能夠提供來自膨脹器軸的所有的輸出功率具有微不足道的淨推力而且沒有任何氣門區域；可選擇地包括輸出軸功率和從燃燒腔體增加的排氣德拉瓦爾噴嘴作為亞音速到超音速的轉換，以排氣創造推力；可選擇地以其它材料相建立相同的設計，而不需以一個完整的沖壓噴氣發動機來開始。

壓縮機和/或膨脹器之實施例可以包括一個圓形環在轉子的外緣，可隨著轉子旋轉，包括至少有一個纖維墊、多孔材料、或金屬網，並包括小的流體通道和設置在超過外葉片邊緣的半徑處之轉子上的徑向氣體或空氣流動路徑，使得空氣或氣體流體能夠通過位於牆壁或軸之間的多個葉片，並流過環，同時在環上不產生紊流和圓周壓力梯度並在轉子出現接近一致的超音速的圓周速度和接近一致的亞音速的逕向速度；且環形空間以在轉子內側之軸線為中心，而環設置在葉片周圍。

實施例中的壓縮機與/或膨脹器可以包含有結構性強度碳纖維線圈，在外葉片邊緣環繞於結構性強度葉片，並環繞於葉片空間，將每一頁片施壓朝向轉軸，因此線圈允許徑向空氣或氣體流體以亞音速速度流過；其中線圈分佈於每一葉片之外葉片邊緣的寬度，並由外葉片邊緣向外延伸，而阻擋於操作壓力驅動的高速空氣或氣體流體，由葉片一側橫跨葉片邊緣至另一側；並可停止於葉片之外邊緣產生震動波。

本發明實施例的壓縮機與/或膨脹器可以包含有相當輕的葉片，其係包含聚丙烯腈碳纖維拖繩，且係下列方式形成；將拖繩伸展為長平坦帶狀；環繞於一長方形拉伸框架來纏繞，此長方形拉伸框架乃由纏繞鍍碳纖維環繞於一長方形或六角形、概略等同於葉片尺寸的四個平 滑的支撐柱，並具有如同外葉片邊緣之預定的一側，藉此，帶狀體形成兩纖維薄板，並於兩側覆蓋大多數的長方形或六角形，而帶狀體的兩端由如同外葉片邊緣之預定的一側向外延伸，並以靠近垂直於外葉片邊緣的方向；共同施壓此兩纖維薄板於框架內，而形成單一薄板；施加一薄鍍層於此薄板，而選擇性地可用電鍍的方式；以及由框架上去除平滑的支撐柱；其中此非常輕的葉片乃附著於轉軸或是其它位於結構性葉片之間的轉子之其它部件，藉由迴圈纏繞於框架的邊緣使預定的外邊緣朝向最大的半徑。

本發明實施例的壓縮機與/或膨脹器可具有將流體由環狀腔體向內還於轉子的停止裝置，其中：外殼包含有朝向殼體的外表面，對應於旋轉軸線其係為轉動地對稱表面，並具有1.5英吋或是更大的外殼外徑；絕緣體或殼體，包含面相外殼之外表面的環狀物，並且於操作過程中，藉由概略為0.0002~0.002英吋的間隙予以由外殼分隔；以及選擇性地表面，包含有具角度的溝槽，如此在轉子於Mach速度操作下，溝槽與間隙會推動空氣或氣體朝向最大半徑移動，並防止流體繞著轉子以反向流動；且其中溝槽乃選擇性地藉由置入線圈來加以形成。

本發明實施例的壓縮機與/或膨脹器可包含有在超音速速度流體下消除最大邊界層的裝置，其中：相對的表面可以在環狀腔體內限制空氣或氣體，包含有嵌入的短纖維，因此，纖維可以突出至流體內，並於空氣或氣體流體高速平行於表面流動時朝向表面彎曲；纖維具有非常平滑、均勻圓形、圓柱狀的表面，直徑概略為4~6微米；纖維係藉由大於其直徑的距離來分隔；纖維係可突出入流體內超過其3倍的直徑，並在環形腔體的範圍內朝向相對表面；其中在操作過程中，流體內的小邊界層可以形成於纖維，並沿著個別的纖維、朝向流體流動的方向成長更寬廣，並藉由彎曲的纖維而朝向相鄰的相對表面重新改變方向，而截止於纖維截止處；放棄纖維覆蓋於表面而可提供較厚的邊界層。

本發明實施例的壓縮機與/或膨脹器可包含有一轉子密封環狀物，設置於殼體或是其它殼體上、轉子與環狀腔體之間的材料，其中一小間隙位於轉子以及轉子密封環狀物之間；降低拖曳現象的裝置係為：低密度氣體，選擇性為氫氣，釋放入殼體內、轉子外；或一個以上的轉子具有一個以上的外殼，而可阻擋空氣或氣體軸向流動穿過轉子，而可徑向流動穿過轉子的外徑；外殼在外殼以及殼體之間受到局部真空所環繞，或是其它殼體內材料、或絕緣體，並未靠近於殼體，或其它位於殼體之材料以較短的距離半徑R隔開轉子的外葉片半徑；在此半徑R之下，外殼之外表面是相對於旋轉軸線的表面，並具有溝槽；在Mach速度下，外殼之外表面在R之外存在有距離轉子密封環狀物一短距離；轉子密封環狀物以及外殼的外表面係足夠靠近而具有方向性的溝槽，來推動空氣或氣體於環狀物以及轉子之較大半徑之間，阻擋流體於反向流動並且於操作時強化位於殼體以及轉子之間的真空；而強化真空的裝置可選自i)其它固定於轉軸的表面靠近殼體的外表面定加以定位，選擇性地溝槽來推動空氣或氣體離開殼體；ii)於超音速流體中用以順流的管道，在轉子夏具有開口而可沖洗相對的表面，並由殼體內部延伸穿過絕熱體，穿過殼體或是殼體內的材料而進入相同的真空空間，且超音速流體於管道內建立非常小的壓力；iii)一外部真空幫浦連結在相同的真空空間，如此一來，轉子的拖曳現象會降低，同時轉子的效率也可些微增進些許個百分點。

本發明所提供的實施例，沖壓空氣噴射發動機可以包含有延長燃燒的裝置於燃燒腔體內，藉由：燃燒腔體具有一長度適當足以延長燃燒，長度達到數千倍於其寬度；燃燒腔體對於熱散逸絕緣，因為流體撇除燃燒的因素，於燃燒腔體內係為概略絕熱的文氏流體，因而產生黏性加熱，因此於操作中提供可忽略的能量或是效率之損耗；其中溫度能量與動能依舊維持常數，而轉換動能至熱能以及轉換熱能至動能並不會造成能量損耗。

本發明所提供的實施例，沖壓空氣噴射發動機可以包含有於操作在亞音速流體的流率於燃燒腔體內，且當維持固定的燃料/空氣比而降低燃燒腔體的最大溫度之的裝置，藉由：長燃燒腔體包含有一內流體區域，當操作中添加燃料而逐漸地增加或降低至腔體，而可逐漸地增加空氣或氣體流體朝向局部音速，並藉由達到概略攝氏270度，而可降低空氣或氣體最大溫度。

本發明所提供的實施例，沖壓空氣噴射發動機(ramjet)可以在不需要空氣或燃料下作為固定沖壓空氣噴射發動機來操作，包含有：提供惰性氣體或是非反應氣體的裝置，使氣體穿過壓縮機、沖壓空氣噴射發動機以及膨脹器，如同發動機的工作氣體般循環；輻射或傳導或提供熱能的裝置，在不需要化學反應下進入燃燒腔體來加熱工作氣體；重新循環以及排氣冷卻裝置，在回到排氣至入口前，將其降低至接近或低於大氣溫度的溫度；增加輸出功率的裝置，藉由使用較重氣體以及轉則性高於環境壓力的高壓；其中加熱裝置可為太陽能輻射、或是由外部燃燒程序的熱交換、或是其它熱產生反應。

固定或亞音速、或超音速沖壓空氣噴射發動機可以包含膨脹器來驅動壓縮機，其係為使壓縮機與膨脹器具有相同的轉軸；其中，壓縮機與膨脹器的轉軸設置於一軸線，並且加以分隔使得中空轉軸部份的四個端點都可以輸入、輸出空氣，且在連接於較小直徑的實心轉軸並延伸至每一轉軸的軸線上，而藉由壓縮機轉軸內的徑向壁體支撐，而於接近膨脹器轉子的中央部份的膨脹器轉軸之實心部位截止；或壓縮機的轉軸不具有中空，但除了接近壓縮機轉子的中央部份外具有較小直徑，空氣或氣體可以藉由殼體或外殼內轉軸的截去體積輸入；且壓縮機轉軸延伸至膨脹器轉軸，而連接在膨脹器轉軸、靠近膨脹器轉子的中央部份之實心部份；或壓縮機與膨脹器共享轉軸上的一部分，選擇性地降低外徑，而不需要徑向排氣口，穿過轉軸壁體而進入壓縮機轉子區域，且空氣或氣體可以經由環繞於轉軸的圓形開口、而穿過殼 體與外殼；且膨脹氣可穿過膨脹器中空轉軸的兩端輸出；或壓縮機與膨脹器都位於具有實心部份之中空轉軸，而驅動其輸入、輸出流體區域。

本發明亦包含有固定式、或亞音速、或超音速沖壓空氣噴射發動機，其包含有增加功率的裝置，藉由：一位於壓縮機轉子的外殼，包含有第一開口，具有一允許空氣或氣體進入外殼面向殼體之一側的半徑；殼體面向壓縮機轉子之外殼一側，並包含有具有較小半徑的第二開口；在壓縮機轉子上，一多孔性材料或是纖維墊可藉由高拉伸強度纖維拖繩線圈，充填於第一開口以及外殼與轉軸之間，而朝向殼體延伸並可相對於轉軸轉動；壓縮機轉子與膨脹器轉子的轉軸係完全鑿穿，且在流體區域來自膨脹器葉片空間的徑向出口係增加，且壓縮機葉片空間的徑向出口不存在；其中在操作過程中，來自膨脹器之流體可藉由轉軸的兩端予以排出。

根據本發明所揭露的發動機包含有一壓縮機與一膨脹器，其係可包含一壓縮機轉子，包結構性壓縮材料而具有560000每平方英呎-磅(psi)的壓縮強度、以及3.1的比重；以及一包含有beta-CEZ鈦金屬經由熱處理而具有220000每平方英呎-磅(psi)的拉伸降伏強度、以及4.69的比重；以及12000纖維拖繩構成的高拉伸強度拖繩，而可達到最佳827000每平方英呎-磅(psi)的拉伸強度、以及1.76的比重或是12000纖維拖繩，而達到極限為887000每平方英呎-磅(psi)的拉伸強度、以及1.8的比重；或是最佳885000每平方英呎-磅(psi)的拉伸強度、以及1.79的比重、或甚至極限達到1002000每平方英呎-磅(psi)；其中壓縮機轉子與膨脹器轉子係位於相同轉軸；徑向出口連接於膨脹器轉子葉片空間的轉軸槽孔的流體，但卻沒有連接到壓縮機轉子；位於壓縮機區域的轉子的部份可以予以切除，而沒有開口位於轉軸鑿空以避免流體流入壓縮機轉子；壓縮機轉子的外殼與鄰近於壓縮機的殼體都具有開放、圓形排氣口，圍繞於轉軸而允許軸向流體進入壓縮機 轉子區域，並進入且環繞轉軸，而殼體上具有小於外殼的一較小排氣口；結構性葉片略短於外殼，其中在轉動前，葉片包含有由轉軸、穿過葉片而又回到轉軸的線圈，而使葉片具有190000每平方英呎-磅(psi)的壓縮強度；且包含周圍線圈而於葉片上具有5000每平方英呎-磅(psi)壓縮強度，並覆蓋於外葉片邊緣，同時其中此外葉片邊緣實體連接於線圈；位於外葉片邊緣半徑以及外殼體半徑之間，轉子包含有流體流經的環狀物，係由纖維墊、金屬篩網、或多孔性陶瓷，其係在外殼外半徑的每一英吋下具有數個百分點地設置，且在外殼之間的空間，藉由環狀開口空間的距離葉片概略為0.005~1英吋予以分隔，且其中，藉由纏繞轉子以及環繞轉軸來將環狀物予以固定，或是藉由纏繞來將外殼支撐於轉軸、以及其中環狀物係可允許在每秒數百英呎的速度下的空氣或氣體摻過環狀物之徑向流；一纖維墊或是多孔性材料充填到轉軸之外的壓縮機外殼之圓形開孔內，朝向殼體延伸，相對於轉軸與轉子轉動，以及可以在壓縮機操作中，使進入的空氣或氣體增加轉動速度；每一壓縮機與膨脹器轉子的殼體上之一表面，係朝向殼體並為相對於軸線旋轉而在外殼體半徑1/2英吋的範圍內的一個表面，且環狀物具有匹配的表面，並設置相對於旋轉的表面，而設置於殼體或是其它殼體上的材料，藉此，在操作過程中，概略為0.0002英吋~0.002英吋的間隙分隔外殼以及環狀物，其中選擇性的表面包含有具角度的溝槽，因此在轉子於Mach速度下操作，間隙與溝槽導引空氣或氣體朝向較大半徑處，並阻止流體以環繞著轉子的反向流動，且其中位於膨脹器一側的環狀物藉由一間隙被推動至真空狀態，而環狀碟片包含有一具有選擇性溝槽的表面，設置於環繞轉軸外側以及鄰近殼體處。以及其中管道係於超音速流體以順流設至於轉子之下，由具有相對表面、以及穿過殼體內部絕熱體而延伸、或穿過殼體或其它殼體內部材料，而形成相同的真空；以及超音速流流體僅會於管體內建立低壓力；壓縮機與膨脹器的環狀腔體被沿著轉軸旋轉的空間分隔，且每一環狀腔 體相對表面係包含有平滑表面，藉由小直徑纖維殘株而可在操作時，於每一英吋延伸有數千個纖維進入流體，而選擇性將邊界層的發展最小化，在操作過程中，空氣或氣體以Mach值M的周圍速度、低徑向速度、以及螺旋向外進至環狀腔體而離開壓縮機，而在環狀腔體內的一個半徑下，失去速度達到局部音速，並且在環狀腔體於此半徑下達到局部亞音速的速度，並於絕熱下留下單一螺旋旋轉於環狀腔體內，而導引至絕熱體的出口；在操作過程中，空氣或氣體穿過出口，且出口經過一小段距離後改變為圓形管道，且管道使得螺旋向外環繞著排氣口的外徑、壓縮機的環狀腔體，而進入半徑大於膨脹器之環狀腔體的半徑，接著使螺旋狀徑向朝內而連接到進入螺旋向內區域的輸入開口，並環繞於圍繞在膨脹器的環狀物；於操作中，空氣或氣體藉由燃燒或是添加蒸氣的方式予以在管道內加熱，或是由太陽能的熱傳導、或是熱交換器傳遞來的外部燃燒、或是粒子轟炸、或是其它反應所產生的熱；在操作中，輸入開口至膨脹器的區域引起流體具有適當的速度至膨脹器入口，並於螺旋與輸入入口藉由一可移動壁體而具有螺旋狀形狀組，然後進入膨脹器環狀腔體，其中流體速度達到匹配轉子周圍速度，並在環狀腔體之最小半徑離開而大於Mach值M，在環狀腔體內具有平滑相對的兩表面，視同近似於上述壓縮機環狀腔體，並進入轉子以及螺旋向內穿過結構性葉片以及任何具有的外部纏繞，以及選擇性轉子上特別輕的葉片，且最終達到穿過轉軸壁體的排氣口而進入中空轉軸；其中在操作中，中空轉軸內，流體藉由平坦葉片而被阻擋轉動，其乃固定於轉軸並在膨脹器轉子之內、轉子之下而全長為中空轉軸的長度；其中平坦的葉片停止轉動並提高空氣或氣體的排氣溫度，而使得空氣或氣體在達到局部音速的速度由轉軸的兩端離開；轉軸乃藉由附著在殼體的氣體軸承所定位；轉軸可應用於譬如為轉動發電機等機械功的使用；選擇性地，一個空調系統轉動至加熱、或是其它加熱方式使用來使本裝置更有效。

實施例之發動機也包含有發動機，其包含有：一壓縮機用以加速空氣或氣體達到具有局部超音速流速；一腔體用以接收、減速一具有局部超音速流體之流體至局部亞音速；一腔體用以接收、加速一具有亞音速流體之流體至超音速的速度；一膨脹器，用以減速空氣或氣體達到具有亞音速流速；其中壓縮機轉子與膨脹器轉子位於同一轉軸；於轉軸之膨脹器部份具有徑向出口，但壓縮機部份沒有；其中壓縮機轉子係為高比壓縮強度材料，而具有560000每平方英呎-磅(psi)的壓縮強度、以及3.1的比重，以及一包含有beta-CEZ鈦金屬經由熱處理而具有220000每平方英呎-磅(psi)的拉伸降伏強度、以及4.69的比重，以及12000纖維拖繩構成的高拉伸強度拖繩，而可達到最佳827000每平方英呎-磅(psi)的拉伸強度、以及1.76的比重，或是12000纖維拖繩，而達到極限為790000每平方英呎-磅(psi)至1002000每平方英呎-磅(psi)的拉伸強度、以及1.76~1.8的比重。

實施例之發動機與壓縮機包含有裝置，且壓縮機可允許空氣或氣體透過殼體或外殼內轉軸的截去體積輸入壓縮機；以及/或壓縮機於殼體，以及外殼朝向殼體而環繞於轉軸上具有圓形開口，而可允許空氣或氣體穿過此開口而進入壓縮機，其中位於殼體上的開口係小於外殼上的開口；以及/或結構性葉片短於外殼的半徑，並具有提供190000每平方英呎-磅(psi)朝向轉軸的壓縮強度，以及包含周圍線圈而於葉片上具有5000每平方英呎-磅(psi)壓縮強度，並覆蓋於外葉片邊緣，同時，其中此外葉片邊緣實體連接於線圈；位於外葉片邊緣半徑以及外殼體半徑之間，轉子包含有流體流經的環狀物，係由纖維墊、金屬篩網、或多孔性陶瓷，其係在外殼外半徑的每一英吋下具有數個百分點地設置，且在外殼之間的空間，藉由環狀開口空間的距離葉片概略為0.005~1英吋予以分隔，且其中，藉由纏繞轉子以及環繞轉軸來將環狀物予以固定，或是藉由纏繞來將外殼支撐於轉軸，以及其中環狀物係可允許在每秒數百英呎的速度下的空氣或氣體摻過環狀物之徑向 流；以及/或一纖維墊或是多孔性材料充填到轉軸之外的壓縮機外殼之圓形開孔內，朝向殼體延伸，相對於轉軸與轉子轉動，以及可以在壓縮機操作中，使進入的空氣或氣體增加轉動速度；每一壓縮機與膨脹器轉子的殼體上之一表面，係朝向殼體並為相對於軸線旋轉而在外殼體半徑1/2英吋的範圍內的一個表面，且環狀物具有匹配的表面，並設置相對於旋轉的表面，而設置於殼體或是其它殼體上的材料，藉此，在操作過程中，概略為0.0002英吋~0.002英吋的間隙分隔外殼以及環狀物，其中選擇性的表面包含有具角度的溝槽，因此在轉子於Mach速度下操作，間隙與溝槽導引空氣或氣體朝向較大半徑處，並阻止流體以環繞著轉子的反向流動，且其中位於膨脹器一側的環狀物藉由一間隙被推動至真空狀態，而環狀碟片包含有一具有選擇性溝槽的表面，設置於環繞轉軸外側以及鄰近殼體處。以及其中管道係於超音速流體以順流設至於轉子之下，由具有相對表面、以及穿過殼體內部絕熱體而延伸、或穿過殼體或其它殼體內部材料，而形成相同的真空；以及超音速流流體僅會於管體內建立低壓力；壓縮機與膨脹器的環狀流體腔體被沿著轉軸旋轉的空間分隔，且每一環狀腔體相對表面係包含有平滑表面，纖維的直徑大概4~6微米，由流體通道的壁體表面向外突出，藉由小直徑纖維殘株而可在操作時，於每一英吋延伸有數千個纖維進入流體，而選擇性將邊界層的發展最小化，在操作過程中，空氣或氣體以Mach值M的周圍速度、低徑向速度、以及螺旋向外進至環狀腔體而離開壓縮機，而在環狀腔體內的一個半徑下，失去速度達到局部音速，並且在環狀腔體於此半徑下達到局部亞音速的速度，並於絕熱下留下單一螺旋旋轉於環狀腔體內，而導引至絕熱體的出口；以及/或操作中，空氣或氣體通過出口或是經過一小段距離後，出口可改變為圓形管道，以及管道使環繞於壓縮機外徑並螺旋徑向朝外，而至環繞於膨脹器的一個半徑，然後使其螺旋徑向朝內而連接於環繞在膨脹器的螺旋向內區域的一個輸入出口。

本發明的目的包括減少所有在發動機的應用上所使用的燃料，從汽車到飛機和螺旋槳飛機到發電機，並減少產生的二氧化碳排放量，大大降低類渦輪發動機的成本。本發明藉由提高效率而自動減少燃料的使用，加倍的效率會減少一半燃料的使用，而三倍的效率則會減少三分之二燃料的使用。今日燃煤發電廠在峰值效率時為每小時1兆瓦的電力，會產生2000英鎊的二氧化碳。發動機幫助使用天然氣運作燃氣渦輪機的發電廠之效率加倍，和使用煤炭相比，其減少了產生每小時1450英鎊兆瓦的二氧化碳。而且，如果發動機所產生熱量的用來加熱建築物，取代建築物在天然氣的使用，則可以減少每小時1633英鎊兆瓦的二氧化碳，這是來自燃煤發電廠所產生的二氧化碳之82%。在一年內，若是藉由減少煤炭的使用，1兆瓦的以汽電共生加熱(cogeneration heating)的天然氣發電機可以停止14305080磅的二氧化碳釋放到大氣中。儘管燃氣渦輪機將大大提高汽車發動機的平均工作效率，但由於燃氣渦輪機的成本過高，實際應用於汽車，在過去一直沒有採用燃氣渦輪機。本發明包含具有連續流體的轉子發動機，由一端開放至另一端而類似渦輪機，但它不是一個傳統的渦輪機。更特別的是，在任何時候發動機內的空氣或氣體不需要增加紊流的需求，實際上已經可以生產設計來降低紊流的產生。減少紊流是一種實現較高效率的標準。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1‧‧‧壓縮機的軸

2‧‧‧由壓縮出輸出之超音速流體

3‧‧‧德拉瓦爾噴嘴，超音速至亞音速的轉換器

4‧‧‧加熱之亞音速流體/燃燒腔體

5‧‧‧德拉瓦爾噴嘴，亞音速至超音速的轉換器

6‧‧‧至膨脹器的超音速流體

7‧‧‧減壓器/膨脹器之軸

8‧‧‧螺旋向內之流道

9‧‧‧徑向通道

10‧‧‧徑向葉片

11‧‧‧膨脹器之徑向通道

12‧‧‧壓縮機之徑向通道

13‧‧‧壓縮機之徑向葉片

14‧‧‧徑向通道

15‧‧‧螺旋向外之流道

20‧‧‧燃料或補充蒸氣

21‧‧‧燃料或補充蒸氣的壓力牆

22‧‧‧燃料或蒸氣管

23‧‧‧接觸於壓力牆的熱傳輸

24‧‧‧初始螺旋通道

25‧‧‧燃料或蒸氣入口線

26‧‧‧絕熱體

27‧‧‧螺旋流通道之出口

28‧‧‧纏繞於葉片外部邊緣的纖維

29‧‧‧纏繞於葉片的纖維

30‧‧‧纏繞於外殼的纖維

31‧‧‧壓力導管牆之動態密封表面

32‧‧‧動態密封之徑向朝外的流體

33‧‧‧動態密封碟片

34‧‧‧氣體軸承

35‧‧‧排出空氣/氣體流體通道

36‧‧‧排氣口間的轉軸牆

37‧‧‧轉軸上的輸出通道

38‧‧‧中空轉軸之排氣通道

39‧‧‧轉軸之牆

40‧‧‧位於軸承之轉軸

41‧‧‧氣體軸承

42‧‧‧氣體軸承之加壓入口

43‧‧‧附著於轉軸之動態密封碟片

44‧‧‧膨脹器之葉片

45‧‧‧具有超音速流體至膨脹器轉子的環狀物

46‧‧‧周圍流體通道的過渡區域

47‧‧‧亞音速流體通道

48‧‧‧高壓的壓縮空氣出口

49‧‧‧來自壓縮機的亞音速流體

50‧‧‧超音速流體至亞音速流體的緩衝區域

51‧‧‧超音速周圍流體

52‧‧‧葉片外部邊緣

53‧‧‧葉片

54‧‧‧管道至軸承的壓縮空氣流體

55‧‧‧纏繞於發電機/馬達的繩索

56‧‧‧發電機的強磁性板

57‧‧‧纏繞於發電機的碳纖維

59‧‧‧永久磁鐵的北極

60‧‧‧永久磁鐵的南極

61‧‧‧氣體軸承

62‧‧‧轉軸上空氣流入的通道

63‧‧‧轉軸上之架橋

64‧‧‧中空轉軸氣體入口

65‧‧‧動態密封之碟片

66‧‧‧氣體軸承之轉軸

67‧‧‧氣體軸承

68‧‧‧膨脹器轉子外殼牆

69‧‧‧壓縮機轉子外殼牆

70‧‧‧轉軸之內牆

71‧‧‧環狀物噴嘴入口

72‧‧‧於轉動外殼之外的環狀物排氣區域

79‧‧‧超音速周圍流體

80‧‧‧高壓通道牆

81‧‧‧絕熱體

82‧‧‧環狀物之邊緣

83‧‧‧於環狀物之下螺旋向外至排氣口

84‧‧‧轉軸編號的流體排氣口

85‧‧‧壓縮機的轉軸

86‧‧‧葉片

87‧‧‧周圍纏繞於葉片的碳纖維

88‧‧‧過渡至離開管道的周圍流體通道

89‧‧‧壓縮機轉子外殼之外徑

90‧‧‧徑向纏繞於葉片

91‧‧‧壓縮空器至氣體軸承

92‧‧‧燃料與/或蒸氣管道

93‧‧‧轉軸之排氣口間的架橋

94‧‧‧轉軸之中空

95‧‧‧減速中的亞音速螺旋流體

96‧‧‧穿過轉軸壁排氣口之徑向流

97‧‧‧轉子徑向通道的徑向流

98‧‧‧徑向壓縮機的轉動方向

99‧‧‧於較大半徑下的局部亞音速周圍流體

100‧‧‧壓力容器壁

101‧‧‧熱絕緣

102‧‧‧螺旋狀外環狀物

103‧‧‧周圍纏繞於葉片的碳纖維

104‧‧‧轉子殼體外徑

105‧‧‧徑向纏繞於葉片的碳纖維

106‧‧‧葉片

107‧‧‧螺旋流體排氣入口

108‧‧‧穿過轉軸壁之流體通道

109‧‧‧轉軸之排氣口編號

110‧‧‧壓縮空氣/氣體的空氣軸承

111‧‧‧轉軸之排氣口之間的橋樑

112‧‧‧空心轉軸鑿孔

113‧‧‧在葉片之間的通道上之徑向流體

114‧‧‧穿過轉軸之排氣口的徑向流體

115‧‧‧超音速周圍流體

116‧‧‧亞音速周圍流體

117‧‧‧葉片和轉子的旋轉方向

118‧‧‧進入環狀物的亞音速螺旋流體

122‧‧‧膨脹器之葉片尖端

135‧‧‧纏繞於轉子外殼的碳纖維

136‧‧‧纏繞於葉片的徑向碳纖維

138‧‧‧動態密封碟片

140‧‧‧轉軸上至壓縮機的排氣口

141‧‧‧轉軸之軸心

144‧‧‧轉軸壁體

146‧‧‧動態密封體之流體通道

147‧‧‧動態密封體上之壓力通道

149‧‧‧殼體與外殼之間的環狀物

150‧‧‧狹窄通道

170‧‧‧轉軸鑿孔

171‧‧‧轉軸壁體

172‧‧‧轉軸動態密封體上的碟片

173‧‧‧動態密封體上的流體通道

174‧‧‧動態密封體上的殼體牆

175‧‧‧壓力通道

176‧‧‧壓縮機之超音速環狀物

177‧‧‧絕緣體

178‧‧‧膨脹器之超音速環狀物

179‧‧‧膨脹器之流入區

180‧‧‧位於膨脹器轉子邊緣的多孔性環狀物

181‧‧‧位於葉片之碳纖維

182‧‧‧位於葉片之填充材料

183‧‧‧轉軸上之動態密封碟片

184‧‧‧穿過轉軸之通道

185‧‧‧轉軸編號之排氣口

186‧‧‧於通道間的轉軸壁體

187‧‧‧中空轉軸之排氣

188‧‧‧轉子外的低壓環狀物

189‧‧‧由壓縮機之螺旋向外流體

190‧‧‧由壓縮機轉子之環狀物流體區域

191‧‧‧位於轉子邊緣的多孔性環狀物

192‧‧‧藉由碳纖維或是充填物構成的轉子外殼

193‧‧‧葉片之碳纖維

194‧‧‧葉片之充填物

195‧‧‧空氣/氣體之中空轉軸的排氣口

196‧‧‧分隔流入、流出的壁體

250‧‧‧氣體軸承

251‧‧‧空氣/氣體進氣

252‧‧‧壓力通道與轉子之間的間隙

253‧‧‧於達到葉片前增加旋轉的材料

254‧‧‧轉子外殼

255‧‧‧轉子密封環狀物

256‧‧‧絕熱體

257‧‧‧壓力通道壁體

258‧‧‧朝向排氣口之螺旋氣體

259‧‧‧氣體通道之加熱區域

260‧‧‧至膨脹器的熱氣體通孔

261‧‧‧壁體餘隙材料

262‧‧‧於膨脹器的轉子外殼

263‧‧‧轉軸上排氣口間的壁體

264‧‧‧排氣區域以及動態氣體密封體之間的壁體餘隙

265‧‧‧氣體軸承

266‧‧‧強磁性軸心以及銅線圈

267‧‧‧纏繞於轉軸的永久磁鐵

268‧‧‧轉軸

269‧‧‧轉軸之空心的排氣流體

270‧‧‧排氣流體

271‧‧‧穿過轉軸排氣口的排氣流體

272‧‧‧葉片

273‧‧‧橫跨葉片的徑向流體

274‧‧‧於環狀洞穴內至葉片的超音速流流體

275‧‧‧由亞音速流體至超音速流體的緩衝

276‧‧‧環狀物內的亞音速流體

277‧‧‧環狀物洞穴壁體

278‧‧‧壓縮機的環狀物洞穴壁體

279‧‧‧環狀物洞穴內的亞音速流體

280‧‧‧亞音速至超音速流體緩衝

281‧‧‧超音速流體

282‧‧‧徑向碟片壁體-外殼

283‧‧‧徑向碟片壁體-外殼

284‧‧‧壓縮機之葉片

285‧‧‧相對於葉片之徑向流

286‧‧‧排氣流體

287‧‧‧具流體通道的多孔性環狀物

288‧‧‧纏繞的碳纖維

289‧‧‧纏繞的碳纖維

290‧‧‧具流體通到的多孔性環狀物

291‧‧‧燃料源

292‧‧‧空氣/氣體線

293‧‧‧轉子密封環狀物

300‧‧‧由壓縮機環狀流體通道之壁體突出的纖維

301‧‧‧絕熱體

302‧‧‧由解壓縮機環狀流體通道之壁體突出的纖維

303‧‧‧解壓所機之環狀流體通到的超音速流體區域

304‧‧‧解壓縮機的多孔性環狀物

305‧‧‧壓縮機的多孔性環狀物

306‧‧‧壓縮機之葉片

307‧‧‧環繞於壓縮機的環狀通道之超音速流體區域

308‧‧‧環繞於壓縮機的環狀通道之亞音速流體區域

第1圖係繪示根據本發明之一個實施例之壓縮機、沖壓空氣噴射發動機與膨脹器之示意圖。

第2圖係繪示根據本發明所揭露發動機之一個實施例的剖面圖，其包 含有壓縮機、沖壓空氣噴射發動機與膨脹器。

第3圖係根據本發明所揭露壓縮機之一個實施例的示意圖，其係繪示為垂直於轉子之轉動軸心並穿過轉子葉片的剖面。

第4圖係根據本發明所揭露之膨脹器之一個實施例的示意圖，其係繪示為垂直於轉子之轉動軸心並穿過轉子葉片的剖面。

第5圖係為本發明如第2圖所繪示之發動機的壓縮機與膨脹器區域之剖面放大示意圖，其橫剖面包含有轉子之轉動軸心的平面，且將動態密封體的部份予以放大。

第6圖為本發明之壓縮機、膨脹器之剖面放大示意圖，其橫剖面包含有轉子之轉動軸心的平面，且將可替換式葉片、通道結構的部份予以放大。

第7圖繪示具有半徑之環狀螺旋流體腔體間隙中，徑向流體速度反比於環狀螺旋狀腔體之半徑之示意圖。

第8圖繪示具有半徑之環狀螺旋流體腔體間隙中，徑向流速係與環狀螺旋狀腔體之半徑成常數之示意圖

第9圖繪示具有半徑之環狀螺旋流體腔體間隙中，徑向流體速度正比於環狀螺旋狀腔體之半徑之示意圖。

第10圖係繪示本發明所提供壓縮機、膨脹器之實施例橫剖面放大示意圖，其橫剖面包含有轉子之轉動軸心的平面，且將輸入流體、中空轉軸輸出流體、以及可在低成本下兩倍功率之配置的部份予以放大。

第11圖係繪示本發明所提供環形螺旋狀腔體之實施例橫剖面放大示意圖，其橫剖面包含有轉子之轉動軸心的平面，且將可以降低邊界層發展的表面纖維的部份予以放大。

1‧‧‧壓縮機的軸

2‧‧‧由壓縮出輸出之超音速流體

3‧‧‧德拉瓦爾噴嘴，超音速至亞音速的轉換器

4‧‧‧加熱之亞音速流體/燃燒腔體

5‧‧‧德拉瓦爾噴嘴，亞音速至超音速的轉換器

6‧‧‧至膨脹器的超音速流體

7‧‧‧減壓器/膨脹器之軸

8‧‧‧螺旋向內之流道

9‧‧‧徑向通道

10‧‧‧徑向葉片

11‧‧‧膨脹器之徑向通道

12‧‧‧壓縮機之徑向通道

13‧‧‧壓縮機之徑向葉片

14‧‧‧徑向通道

15‧‧‧螺旋向外之流道

Claims (16)

1. 一種與空氣或氣體交互作用的設備，其可作為一壓縮機或一膨脹器來操作，包含有：一殼體；一轉軸，藉以傳輸該殼體向外延伸的力矩，該轉軸可相對於一軸心轉動，並可操作地連接於一轉子；該轉子，係可以支撐轉動的邊緣速度概略為2000英呎/秒~5400英呎/秒的速度轉動，可操作地設定使空氣或氣體於轉軸內朝向該轉子的邊緣朝外徑向流動、或由該轉子邊緣朝向該轉軸之朝內徑向流動，使得該轉子之該空氣或氣體於任一半徑範圍內接近匹配於該轉子的速度；一環狀區域，圍繞於該轉子並於該殼體內具有提供該流體之一通道；其中該殼體更具有一流體排氣孔，藉以提供高能量空氣或氣體向外或是向內進入該環狀區域的一通道；其中該轉軸包含有高比壓縮或比拉伸強度材料，且部份之該轉軸受到高比拉伸強度纖維拖繩所纏繞，其捲繞至拉伸大約一半最大拉伸強度，並複數個流體通道來允許該空氣或氣體流體進入或離開該轉子；其中該轉子於該殼體內圍繞一部份之該轉軸，包含有空氣或氣體通道來允許徑向方向的流體，並阻擋由該轉子軸向的流體，其包含有：高比拉伸強度材料；以及結構性材料，其係為高比壓縮強度材料藉由高比拉伸強度纖維拖繩纏繞並拉伸至其最佳拉伸強度的一半來壓縮，其中該高比壓縮強度材料藉由壓縮或是一個或是一個以上纖維拖繩纏繞壓縮而可操作地連接至該轉軸。
2. 如申請專利範圍第1項所述之與空氣或氣體交互作用的設備，當其 作為該壓縮機操作時，其中：該環狀區域環繞該轉子並於該殼體內可操作設定地提供給予該空氣或氣體一由該轉子至該殼體之該流體排氣孔之通道，而絕熱地由該轉子通過該環狀區域螺旋徑向朝外地壓縮該空氣或氣體，且降低其速度並增加其溫度；其中該環狀區域可操作地設定使得該空氣或氣體之流體由該轉子朝外出現，並於該轉子邊緣具有一轉動速度以及一徑向速度，該轉動速度接近該轉子之局部超音速轉動邊緣速度，而該徑向速度相對於該轉軸與該轉子係為局部亞音速；其中該環狀區域可操作地設定使得該空氣或氣體之流體由該環狀區域出現，並於當該環狀區域之一外徑內徑比概略為1時達到局部超音速，並於當該環狀區域之一外徑內徑比概略為1.5或更大時達到局部亞音速。
3. 如申請專利範圍第1項所述之與空氣或氣體交互作用的設備，更包含高比拉伸強度的一纖維拖繩，且鍍有或是滲入金屬或是陶瓷，藉此形成一結合的或黏合的彈性薄板或堅硬固體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之與空氣或氣體交互作用的設備，其中該高比拉伸強度纖維拖繩包含有至少一奈米碳管組合纖維、一碳纖維、一玻璃纖維、一金屬與陶瓷纖維、一陶瓷纖維、一聚合物纖維、或其組合物。
5. 如申請專利範圍第1項所述之與空氣或氣體交互作用的設備，其中該高比壓縮強度的材料至少包含有α碳化矽、碳化硼、陶瓷、類鑽石材料、金屬、以及聚合物、或其組合物。
6. 如申請專利範圍第2項所述之與空氣或氣體交互作用的設備，係可將室溫空氣壓縮至壓縮比為10：1至92：1的空氣。
7. 一種噴射發動機，係包含有：如申請專利範圍第2項所述當作為該壓縮機之設備； 一文式管，可操作地連接於該殼體之該流體排氣孔，藉以由該排氣孔接收一空氣或氣體之流體，其中該文式管包含或可操作地連接於一裝置，而可使用或交互作用於至少一部份之該流體，且該裝置可增加該流體的能量，然後由該流體移除能量來產生轉動機械功，其中至少部份被用來驅動該轉軸，且該裝置可輸出該流體作為部份超音速噴流來產生推力；其中藉以產生該推力之該裝置包含有：一輸入噴嘴，可操作地設定使得該空氣或氣體之流體由該文式管進入，並使其降低至一目標速度而於該流體內產生一高壓縮溫度；一加熱區段，可操作地設定使得其可由該輸入噴嘴接收該流體，其中該流體可藉由傳導來加熱或是於該流體內注射入一可產生放熱反應的材料，而增加該流體之能量；以及一輸出噴嘴，可操作地設定使得其可由該加熱區段接收該流體，並提高該流體的速度至局部超音速而能輸出而產生該推力。
8. 一種機械發動機，係包含有：如申請專利範圍第2項所述當作為該壓縮機之設備；一文式管，可操作地連接於該殼體之該流體排氣孔，藉以由該排氣孔接收一空氣或氣體之流體，其中該文式管包含或可操作地連接於一裝置，而可使用或交互作用於至少一部份之該流體，且該裝置可增加該流體的能量，然後由該流體移除能量來產生轉動機械功；其中藉以產生該轉動機械功之該裝置包含有：一輸入噴嘴，可操作地設定使得該空氣或氣體之流體由該文式管進入，並使其降低至一目標速度而於該流體內產生一高壓縮溫度；一加熱區段，可操作地設定使得其可由該輸入噴嘴接收該流體，其中該流體可藉由傳導來加熱或是於該流體內注射入一可產生放熱反應的材料，而增加該流體之能量；以及 一膨脹器，可藉以設定使得其可由該加熱區段接收該流體，並可由該流體移除能量而輸出該轉動機械功，而可用以轉動該壓縮機之該轉子與該轉軸。
9. 如申請專利範圍第1項所述之與空氣或氣體交互作用的設備，其中於操作過程中具有一朝外之空氣或氣體流體的轉子包含有：一葉片，由該轉軸徑向朝外延伸，且具有一外葉片邊緣；一環狀物，係為一環狀中空物，由該葉片邊緣徑向朝外設置，並位於該外葉片邊緣以及一多孔性環狀物之間，其中即便該流體內存在有任何紊流的狀況下，該環狀物可操作地設定使得該流體之壓力接近於均勻；以及一該多孔性環狀物，徑向設置於該環狀物與該葉片之下，並可操作地允許該流體由該葉片間通過該多孔性環狀物而朝外流出，且該多孔性環狀物可阻擋軸向的流體，其中該多孔性環狀物具有一外表面而形成該轉子邊緣，藉此於操作過程中，該空氣或氣體之流體可由該轉軸、該些葉片之間、透過該環狀物至該多孔性環狀物，其中該空氣或氣體可以該轉動邊緣速度穿過、轉動、或流出於該多孔性環狀物，而產生概略為一均勻流體。
10. 如申請專利範圍第7項所述之噴射發動機，其中：該輸入噴嘴係為一發散噴嘴，可由該文式管接收一高能量高溫局部亞音速流體，並於高溫下輸出為一較慢局部亞音速流體；該加熱區段可操作地設定使其由該發散噴嘴接收該局部亞音速流體，並加熱該流體而輸出一較高能量流體至該輸出噴嘴；以及該輸出噴嘴係為一德拉瓦爾噴嘴，可由該加熱區段接收該加熱後之局部亞音速流體，並將該局部亞音速流體轉換為一局部超音速流體，而作為一局部超音速噴流輸出。
11. 如申請專利範圍第8項所述之機械發動機，其中：該輸入噴嘴係為一發散噴嘴，可由該文式管接收一高能量高溫局部 亞音速流體，並於高溫下輸出為一較慢局部亞音速流體；該加熱區段可操作地設定使其由該發散噴嘴接收該局部亞音速流體，並加熱該流體而輸出一較高能量流體至該膨脹器。
12. 如申請專利範圍第8項所述之機械發動機，其中：該輸入噴嘴係為一德拉瓦爾噴嘴，可由該文式管接收一高能量升溫局部超音速流體，並將該局部超音速流體轉換為一局部亞音速流體，而輸出至該加熱區段。
13. 如申請專利範圍第8項所述之機械發動機，其中：該輸入噴嘴係為一收斂噴嘴，可由該文式管接收一高能量升溫局部超音速流體，並於維持局部超音速的情況下降低該流體速度，增加該流體溫度至一目標溫度，並輸出該局部超音速流體；以及該加熱區段可操作地設定使其由該收斂噴嘴接收該局部超音速流體，並加熱該流體而輸出該局部超音速流體至該膨脹器。
14. 如申請專利範圍第7項所述之噴射發動機，其中：該輸入噴嘴係為一德拉瓦爾噴嘴，可由該文式管接收一高能量升溫局部超音速流體，並將該局部超音速流體轉換為一局部亞音速流體；該加熱區段可操作地設定使其由該德拉瓦爾噴嘴接收該局部超音速流體，並加熱該流體而輸出該流體至該輸出噴嘴；以及該輸出噴嘴係為一德拉瓦爾噴嘴，可由該加熱區段接收該加熱後之局部亞音速流體，並將該局部亞音速流體轉換為一局部超音速流體，而作為一局部超音速噴流輸出。
15. 如申請專利範圍第7項所述之噴射發動機，其中：該輸入噴嘴係為一收斂噴嘴，可由該文式管接收一高能量升溫局部超音速流體，並於維持局部超音速的情況下降低該流體速度，增加該流體溫度至一目標溫度，並輸出該局部超音速流體；該加熱區段可操作地設定使其由該收斂噴嘴接收該局部超音速 流體，並加熱該流體而輸出該局部超音速流體至該輸出噴嘴；以及該輸出噴嘴係為一發散噴嘴，可由該加熱區段接收該加熱後之局部超音速流體，並增加該局部超音速流體轉至一較高速局部超音速流體，而作為一局部超音速噴流輸出。
16. 如申請專利範圍第1項所述之與空氣或氣體交互作用的設備，當其作為該膨脹器操作時，其中：該環狀區域可操作設定地提供給予該空氣或氣體一由該殼體之該流體排氣孔至該轉子之通道，而絕熱地使該空氣或氣體朝向該轉子並通過該環狀區域螺旋徑向地朝內膨脹，且增加其速度並降低其溫度；其中該環狀區域可操作地設定使得該空氣或氣體之流體於該轉子邊緣具有一轉動速度以及一徑向速度，該轉動速度接近匹配於該轉子之局部超音速轉動速度，而該徑向速度相對於該轉軸與該轉子係為局部亞音速；以及其中該環狀區域可設定該環狀區域之一外徑內徑比，而可來提供局部超音速流體至該轉子，且當該流體於該環狀區域內由局部亞音速變化至局部超音速時，該環狀區域之一最大外徑內徑比接近於1.5。