用于开式循环发动机的转子组件和开式循环发动机制造技术

一种用于发动机的转子组件，包括：转子，其支承在轴承上以轴向旋转，转子的一部分形成压缩通道，压缩通道从轴线向外延伸，气体通过轴线处的入口进入转子并且通过压缩通道向外流动；燃烧室，其支承在转子的最大半径附近的压缩通道内，燃烧室具有封闭外端部和燃烧室气体入口，气体通过燃烧室气体入口进入燃烧室，每个燃烧室均具有燃料入口；以及一个或多个膨胀通道，其与压缩通道内的燃烧室流体连接并且从燃烧室径向向内延伸，并且在转子轴线处或转子轴线附近流体连接至燃烧气体出口管，燃烧气体出口管沿着转子轴线延伸，通过燃料与入口气体在燃烧室内的燃烧而产生的燃烧气体随着燃烧气体向内流动通过膨胀通道而膨胀。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于开式循环发动机的转子组件和开式循环发动机
本专利技术涉及一种开式循环燃气涡轮发动机。更具体地，本专利技术涉及一种用于开式循环燃气涡轮发动机的压力增益转子(下文为“转子”)组件，该压力增益转子组件具有至少一个转子，所述至少一个转子在风阻减小壳体内绕转子轴线旋转，并且该转子包含至少一个压缩通道和膨胀通道，所述至少一个压缩通道提供使空气从位于转子轴线处或转子轴线附近的一个或多个空气入口流动至远离转子轴线的至少一个燃烧室的管道，在该管道中，空气通过借助燃料的燃烧而被加热，该膨胀通道连接至每个所述燃烧室，所燃烧的气体通过该膨胀通道膨胀以通过转子轴线处或转子轴线附近的一个或多个燃烧气体出口以相对于转子空气入口升高的压力离开转子，转子的燃烧气体出口能够连接至外部涡轮，燃烧气体通过该外部涡轮可以膨胀以产生功，转子与外部涡轮结合形成燃气涡轮发动机。
技术介绍
热力发动机利用经受连续或循环的热力学过程的工作流体比如空气来产生机械功输出。在大多数发动机中，工作流体被压缩，随后在该工作流体膨胀以产生净功输出之前向该工作流体添加热能。使压缩量或所添加的热能的量增大通常用作增大效率。通常，对该热力发动机而言，最期望的组合特性为具有紧凑的尺寸、较小的质量、较低的成本以及较高的效率。此外，对各种燃料操作的能力对一些应用而言可能是有利的。下文将给出典型的热力发动机的示例。内燃发动机最为常见的发动机为内燃发动机(IC)，其中，工作流体空气或空气燃料混合物通过活塞运动在封闭的容积中被压缩并且随后在抵靠活塞膨胀以提取功之前通过点燃空气燃料混合物(火花点燃)或通过引入并燃烧燃料(柴油)而被加热。尽管无损耗内燃发动机的理论效率可能较高，但实际上存在有使其效率降低的许多损耗机理，包括：从气体至发动机壁部的不期望的热传递、移动部件之间的摩擦力、由高流速和湍流引起的阀和通道中的流动损失。柴油发动机通常是最具效率的内燃发动机，并且在汽车中效率高达大约40％、在货车中为45％并且在非常大的轮船发动机中稍高于50％。然而，柴油机同样具有许多严重的缺点：柴油机通常需要振动和噪音抑制系统，柴油机产生了要被重且大的冷却器消散的许多废热，柴油机可能产生需要排放处理系统处理的不可接受的排放，柴油机通常还是大且重的，使得它们对许多应用而言是不适用的。因此，本专利技术的目的是提供一种发动机，该发动机与IC发动机相比是高效率的、相对较安静的并且是无振动的，同时该发动机与内燃发动机相比不需要或仅需要相对较少的废气排放处理。频繁地开发内燃发动机以利用诸如柴油、乙醇或天然气之类的特定燃料制剂，但这些内燃发动机在一些情况下可能不能运行于其他燃料、即使在这些其他燃料出于成本、可得性或降低排放的原因而可能是更优选的情况下。因此，本专利技术的目的是提供一种发动机，该发动机在进行最小修改的情况下具有允许以多种燃料运行的可能性或者至少向公众提供有用的选择。燃气涡轮简单的循环燃气涡轮(GT)发动机基于理想的热力学布雷顿循环，其中，气体经受绝热压缩、接着经受等压加热、绝热膨胀和最终的等压放热。实际上，GT发动机通常使用涡轮压缩机来压缩周围空气并且将周围空气在压力下传送至燃烧室，燃料在燃烧室中以近似恒定的压力燃烧从而产生燃烧气体，燃烧气体随后通过涡轮而膨胀，在该涡轮处提取功以驱动压缩机并且提供外部载荷。GT发动机的效率通常在增大压缩机的压力比的情况下增大，但材料温度限制以及压缩机和涡轮的低效限制了实际的最大压力比和效率。实际上，GT发动机可以在大型发动机(高于10MW)中实现大约40％的效率，而在小型发动机中的更低的压缩机和涡轮的效率通常明显降低效率、可能以100kW的亚范围中的功率级降低，除非GT发动机比如在回热布雷顿循环中与重且大的高温热交换器结合。GT发动机被广泛采用在飞行器、轮船和发电站中，其中，GT发动机与IC发动机相比具有一些主要的优点，包括：较高的功率与质量的比——在需要较少的外部冷却或者不需要外部冷却的情况下可以超过10kW/kg。但GT发动机在与具有类似功率的IC发动机相比时也具有许多缺点：GT发动机通常效率较低并且由于具有由昂贵的材料制成的高度精密部件而更昂贵。GT发动机的转子还具有较大的角动量，这通常使得GT发动机起动较慢并且对于需求变化的响应相对较慢。GT发动机还通常具有相对有限的最大效率与最低功率输出的比。这些缺点严重限制GT发动机的常见用途的应用。因此，本专利技术的目的是提供一种发动机，该发动机享有GT发动机的许多优点，同时减少了所列举的缺点，并且因此增大应用范围，对于这些应用范围，本专利技术的发动机适于或至少向公众提供有用的选择。在GT发动机中，气体的连续压缩及膨胀通常是利用一个或多个压缩机和涡轮级来分别实现的。压缩机和涡轮级为GT发动机低效的主要来源。在每个压缩机级中，通常为空气的工作流体的压力由于功输入而增大，该功输入通常产生速度增大随后产生扩散过程以将所增大的流体速度转换成增大的压力。该过程在轴流式或离心式压缩机(涡轮压缩机)中连续执行，该压缩机具有相对彼此旋转的部件，从而赋予工作流体连续的速度和压力变化。GT压缩机通常具有相对较小范围的流率，GT压缩机在该流率范围上由于叶片失速和声波窒息(sonicchoking)而可以保持接近于其最大压力比。这用作限制功率输出的范围，在该功率输出的范围上可以保持高GT发动机效率。因此，本专利技术的目的为提供一种用于实现连续压缩过程的方法，在该方法中，可以以在小型发动机和大型发动机两者中的非常高的效率在更大范围的流率内保持高压力比，并且在该方法中，可以有效地获得发动机的较大范围的功率输出或至少向公众提供有用的选择。在每个GT涡轮级中，工作流体——通常大多数为与燃料燃烧产品结合的空气——随着膨胀气体产生功输出而经受压力和温度的降低。该过程可以在具有相对彼此旋转的部件的轴流式或径向流入式涡轮中连续地执行，从而赋予工作流体连续的速率和压力变化。为了实现高效率，一些具有大于10MW输出的GT发动机以高达1600℃的涡轮入口温度——该温度远远超过制成GT发动机的材料的熔化温度——操作，并且GT发动机依赖于非常错综复杂的冷却方法以允许GT发动机继续使用。由于许多经济和物理因素，这些冷却方法通常不适用于较小的发动机，从而通常在相对较小的燃气涡轮发动机(小于1MW输出)中将最大燃烧温度限至小于1000℃，并且因此，限制了可实现的效率。因此，本专利技术的目的是提供一种用于使燃烧气体连续膨胀的方法，其允许在相对较低功率输出的发动机中利用高燃烧气体温度或者至少向公众提供有用的选择。传统的GT压缩机和涡轮通常使气体以每秒几百米的速度流动通过GT压缩机和涡轮，并且经受在常规的涡轮机内可能降低整体压缩及膨胀效率的许多低效和损耗机理。这些损耗包括：密封件和轴承中的机械摩擦、由于气体粘性而主要与高流速和/或小横截面流动通道流体摩擦相关联的粘性气体损失、使压力消散的扰动、从高压区域至低压区域的气体泄漏，比如，气体在叶片的端部上从高压侧向低压侧泄漏的叶片末端损失以及流体速度的降低未完全转换成压力增大以及不期望的热传递的扩散损失，该不期望的热传递为在压缩期间增加热量或者在膨胀期间提取热量。大多数这些损失在较小的压缩机和涡轮中通常是更大的，导致小型燃气涡轮发动机相对于具有类本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于发动机的转子组件，包括：转子，所述转子支承在一个或多个轴承上，所述一个或多个轴承构造成允许所述转子绕转子轴线旋转，所述转子的一部分形成至少一个压缩通道，所述至少一个压缩通道从所述转子轴线向外延伸，气体通过位于所述转子轴线处或所述转子轴线附近的转子气体入口进入所述转子，并且所述气体随着所述转子旋转而从所述转子气体入口向外流动通过一个或多个压缩通道从而经受压缩；一个或多个燃烧室，所述一个或多个燃烧室各自位于并支承在位于所述转子的距所述转子轴线的最大半径处或最大半径附近的压缩通道内，每个燃烧室均具有封闭的径向最外端部和围绕所述燃烧室分布的一个或多个燃烧室气体入口，气体通过所述一个或多个燃烧室气体入口进入所述燃烧室，每个燃烧室还具有至少一个燃料入口，所述至少一个燃料入口适于允许燃料进入所述燃烧室并且在所述燃烧室中与所述气体混合并燃烧；一个或多个膨胀通道，所述一个或多个膨胀通道各自与所述压缩通道内的所述燃烧室流体连接并且从所述燃烧室径向向内延伸，并且所述一个或多个膨胀通道在所述转子轴线处或所述转子轴线附近流体连接至沿着所述转子轴线延伸的燃烧气体出口管，在使用中，通过所述燃料与入口气体在所述燃烧室内的燃烧而产生的燃烧气体随着所述燃烧气体径向向内流动通过所述膨胀通道而膨胀。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.04.29 NZ 6099481.一种用于发动机的转子组件，包括：转子，所述转子支承在一个或多个轴承上，所述一个或多个轴承构造成允许所述转子绕转子轴线旋转，所述转子的一部分形成至少一个压缩通道，所述至少一个压缩通道从所述转子轴线向外延伸，气体通过位于所述转子轴线处或所述转子轴线附近的转子气体入口进入所述转子，并且所述气体随着所述转子旋转而从所述转子气体入口向外流动通过一个或多个压缩通道从而经受压缩；一个或多个燃烧室，所述燃烧室各自位于并支承在位于所述转子的距所述转子轴线的最大半径处或最大半径附近的压缩通道内，每个燃烧室均具有封闭的径向最外端部和围绕所述燃烧室分布的一个或多个燃烧室气体入口，气体通过所述燃烧室气体入口进入所述燃烧室，每个燃烧室还具有至少一个燃料入口，所述至少一个燃料入口适于允许燃料进入所述燃烧室并且在所述燃烧室中与所述气体混合并燃烧；一个或多个膨胀通道，所述一个或多个膨胀通道各自与所述压缩通道内的所述燃烧室流体连接并且从所述燃烧室径向向内延伸，并且所述一个或多个膨胀通道在所述转子轴线处或所述转子轴线附近流体连接至沿着所述转子轴线延伸的燃烧气体出口管，在使用中，通过所述燃料与入口气体在所述燃烧室内的燃烧而产生的燃烧气体随着所述燃烧气体径向向内流动通过所述膨胀通道而膨胀。2.根据权利要求1所述的转子组件，其中，至少一个所述燃烧室的所述径向最外端部的外表面结合有外部凹槽，气体通过所述外部凹槽流动至所述燃烧室气体入口。3.根据权利要求1或权利要求2所述的转子组件，其中，至少一个所述燃烧室在距所述转子轴线大致恒定半径处具有绕所述燃烧室间隔开的多个燃烧室气体入口孔。4.根据权利要求1或权利要求2所述的转子组件，其中，至少一个所述燃烧室还包括位于所述径向最外端部的部分内表面或全部内表面上的隔热层。5.根据权利要求1或权利要求2所述的转子组件，其中，每个燃烧室均具有圆顶形最外端部。6.根据权利要求5所述的转子组件，其中，至少一个所述燃烧室的内端部从凸状的圆顶形最外端部过渡至横截面面积比所述燃烧室的最大横截面面积小的膨胀通道。7.根据权利要求5所述的转子组件，其中，所述压缩通道与所述膨胀通道是大致径向对准的。8.根据权利要求1或权利要求2所述的转子组件，其中，至少一个所述燃烧室是至少部分地由陶瓷材料制成的。9.根据权利要求8所述的转子组件，其中，至少一个所述燃烧室是至少部分地由碳化硅、氮化硅、多铝红柱石和氧化铝中的至少一者制成的。10.根据权利要求1或权利要求2所述的转子组件，其中，所述转子的形成所述至少一个压缩通道的所述部分是至少部分地由纤维加强聚合物复合材料制成的。11.根据权利要求1或权利要求2所述的转子组件，其中，所述至少一个压缩通道的至少径向最外部分包括金属内衬。12.根据权利要求11所述的转子组件，其中，所述金属内衬是由径向重叠的箔片环中的至少一层箔片环形成的，所述径向重叠的箔片环各自在其径向最内端部处结合至所述压缩通道的所述内衬。13.根据权利要求11所述的转子组件，其中，在所述至少一个压缩通道的壁部内嵌有用于形成冷却剂流体歧管的多个冷却剂流动通道，所述冷却剂流动通道沿着所述压缩通道延伸并延伸到所述径向最外端部之上及周围并且由纤维加强聚合物复合材料支承。14.根据权利要求13所述的转子组件，其中，所述冷却剂流动通道结合至所述至少一个压缩通道的所述金属内衬。15.根据权利要求11所述的转子组件，其中，接合在包覆有纤维加强聚合物复合材料的张紧结构内的多个内衬锚定件结合至并分配在下述清单中的一者或多者的外表面上，该清单包括：所述压缩通道的所述内衬、冷却剂流动通道和箔片环，所述内衬锚定件构造成对结合至壁部锚定件的部件提供结构性支承。16.根据权利要求1或权利要求2所述的转子组件，其中，所述至少一个膨胀通道的径向外部部段形成为所述燃烧室的一部分，所述膨胀通道的径向内部部段与所述膨胀通道的所述径向外部部段分开地形成并且通过径向膨胀接合部流体连接至所述径向外部部段，所述径向膨胀接合部调节所述径向内部部段与所述径向外部部段之间的相对径向运动的同时还提供部分的或完全的流体密封，从而限制燃烧气体泄露到所述压缩通道中。17.根据权利要求16所述的转子组件，其中，所述膨胀通道的所述径向外部部段的至少内表面在其径向延伸的至少一些部分上朝向所述转子轴线向内渐缩。18.根据权利要求1或权利要求2所述的转子组件，其中，所述转子具有单个燃烧室和与所述单个燃烧室在直径方向上相对的配重元件，所述配重元件的外半径小于所述转子的最大半径。19.根据权利要求1或权利要求2所述的转子组件，其中，所述转子组件还包括转子壳体，所述转子壳体形成回转外壳，所述转子在所述回转外壳内旋转，所述转子壳体于所述转子壳体的在所述转子轴线上的一个轴向端部或两个轴向端部处具有转子壳体开口，流体能够通过所述转子壳体开口进入和/或离开所述转子。20.根据权利要求19所述的转子组件，其中，所述转子壳体填充有相对于环绕所述转子壳体的环境大气具有较低密度的转子壳体气体，所述转子壳体气体被转子真空密封件保持成在转子运行期间与环境大气部分地或完全地流体隔离，所述转子真空密封件在所述转子壳体开口处或所述转子壳体开口附近提供所述转子与所述转子壳体之间的旋转密封。21.根据权利要求20所述的转子组件，其中，所述转子真空密封件中的至少一个转子真空密封件为阻隔液体类型的密封件。22.根据权利要求21所述的转子组件，其中，所述转子真空密封件中的至少一个转子真空密封件为位于所述转子壳体与所述转子之间的动态密封件，所述转子壳体还包括环形腔，所述转子真空密封件的至少一部分在所述环形腔内带间隙地旋转，所述环形腔至少部分地填充...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·格利弗·林恩，
申请(专利权)人：谢塞尔有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港;81