固定的亚音速冲压式喷气发动机制造技术

一种冲压式喷气发动机（３，４，５），其以３马赫速度飞行具有６４％的效率，以４马赫速度飞行具有７６％的效率。冲压式喷气发动机当前仅用于超音速飞行，并且没有用作具有机械输出的固定发动机。除了亚音速飞行之外，本发明专利技术可以作为固定发动机操作，并且可以将冲压式喷气发动机的使用延伸到车辆、电厂中的机械输出，以及延伸到用于大型建筑物、家庭和工厂的发电机。本发明专利技术通过形成几乎绝热的压缩机（１，２，１２，１３，１４，１５）和膨胀器（６，７，８，９，１０，１１）来提供将冲压式喷气发动机用作固定发动机的装置，该压缩机和膨胀器能够使压缩（减压）比达至９２∶１，以供应冲压式喷气发动机所需的高能量空气／气体，本发明专利技术示出了在无节流区域的情况下，如何用将超音速转换成亚音速流的音速转换器（４９、５０、５１）和将亚音速转换成超音速流的音速转换器（４５、４６、４７）来取代德拉尔喷嘴。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请涉及动力设备。更具体地，本申请涉及在用于各种应用的热力发动机(包 括机械驱动装置)的领域中使用的装置和方法。本专利技术的实施例提供一种固定的亚音速冲 压式喷气发动机。
技术介绍
为了节约矿物燃料并降低全球二氧化碳(CO2)的产生，最有效的方法是提高汽车 发动机和其它燃料发动机的效率。美国目前行驶的汽车发动机的平均效率大约为21%。效 率为21%的汽车发动机燃烧的燃料是效率为63%的汽车发动机燃烧的燃料的三倍。冲压 式喷气发动机的效率为63%以及更高。冲压式喷气发动机已存在约50年，并且以高效率闻名，然而，如今，冲压式喷气发 动机除了军用之外事实上没有商业应用。对此具有多种原因。超音速产生冲击波，而冲击 波浪费能量。除非飞机在空气非常稀薄的极高空下飞行，否则将因超音速飞行而消耗大量 燃料。因此，对于商用超音速飞机的经济需求很小。但是也有一些需求，并且即使冲压式喷 气发动机比涡轮发动机更有效率，也未满足这些需求。词语“超音速”和“亚音速”通常是指声音在环境大气中的速度。在本专利技术的设备 内，声音的速度随温度而改变，词语“超音速”和“亚音速”通常是指声音在这些条件下在空 气或气体中的局部速度。声音的速度在通过设备行进的相同空气或气体中可以以2的倍数 改变。马赫速度几乎均是指声音在大气中的速度。冲压式喷气发动机使用德拉瓦尔喷嘴(de Laval nozzles)将超音速空气转换成 亚音速，并通过将喷嘴中的流动反向而将亚音速转换成超音速。德拉瓦尔喷嘴作为高效率 装置已被公知超过一个世纪。输入德拉瓦尔喷嘴通过减少将包含流动的管的区域减少到所 公知的节流区域而减慢超音速空气，在该节流区域处空气达到局部的声音速度。在节流区 域之外，喷嘴增大流动面积，以进一步减慢空气。喷嘴运动通过空气越快，则可以穿过相同 节流区域的空气也越多，这是因为空气相对于喷嘴的高动能变换成德拉瓦尔喷嘴中的较高 温度和较高密度。但是，对于每个空气速度，空气可以穿过节流区域的速率是固定的。节流 区域调节空气的每个能量级所在的流动速率。在通向冲压式喷气发动机的输入喷嘴中有节 流区域，并且在来自发动机的输出喷嘴中有节流区域。这两个区域均调节空气/气体的流 动速率。并且这是一个问题。它们不得不被调节成超音速速度。这不是不可能的，但是非 常困难。如果输出亚音速向超音速德的拉瓦尔喷嘴没有接收足够的流量，则将不形成向超 音速的等熵变换，并且来自排气的推力降低。如果其接收太多的流量，则一些气体被回推， 使得燃烧室中的压力上升。如果燃烧室中的压力上升，则前或输入德拉瓦尔喷嘴将后退。冲压式喷气发动机的另一个问题在于它们仅在超音速下工作。冲压式喷气发动机 不能在普通室内使用，因为以超音速飞行需要比发动机可以经受得住的更快的转动，即使 其由很长的臂保持时也如此。在超音速风道中可以对冲压式喷气发动机进行固定测试，但 是这不是从冲压式喷气发动机得到机械动力的可行方式。另外，使用成对的拉瓦尔喷嘴是 使冲压式喷气发动机在飞机中更广泛地使用的一个限制因素。
技术实现思路
鉴于现在冲压式喷气发动机的上述问题，本专利技术某些优选实施例的目的在于显示 如何运行固定的冲压式喷气发动机以获得机械能。此外，本专利技术的某些公开的实施例将会 显示如何采用不具有节流区域的超音速至亚音速转换器来替换德拉尔喷嘴。更进一步地， 本专利技术的某些实施例将会显示如何从相同的大气差不多或近似隔热地产生高能量的空气 或其它气体流，该高能量的空气或其它气体流使冲压式喷气发动机高效操作。术语“隔热 地”通常意思是，没有任何热流进入空气或气体或者离开空气或气体(这仅仅是近似可能 的)。更进一步地，本专利技术的某些实施例将会显示如何将冲压式喷气发送机的能量输出为机 械功。此外，通过采用这些方法来利用冲压式喷气发动机，可以在某些优选实施例中从过程 中去除所有很大的冲击波，并且消除浪费的阻力，从而不会浪费有用的能量。超音速飞机中 的某些冲击波不能够被去除，但是位于发送机引导边缘处的某些冲击波通过使发送机固定 而被去除。剩下的冲击波应当无关紧要。 在说明书中使用的节流部是指限制、引导和/或约束从局部超音速转变到局部亚 音速的流动或在通过较小固定区域的流动的所有侧从局部亚音速转变到局部超音速的流 动。在本专利技术的上下文中，当涉及到无节流区域或没有节流区域的区域时，是指结构没有作 用于通过限定在所有侧的固定区域而经历局部音速转变的空气或气体流。例如，转子没有 作用于通过一个或多个德拉瓦尔喷嘴的所有流动，带有螺旋向外流动的环带允许空气或气 体流转变到局部音速以径向展开以占据所需区域，出口没有包括音速转变。对音速转变流 没有任何区域限制，即，流动能够在至少一个方向上展开。除了机械工程学和物理学之外，用于本专利的科学部分地使用高速气体动力学的 科学。例如，气体动力学(James Ε. A. John, Theo G. Keith(2005))是描述该主题的广泛使用文章。附图说明图1是根据本专利技术的压缩机、冲压式喷气发动机和膨胀器的实施例的示意图。图2是包括根据本专利技术的压缩机、冲压式喷气发动机和膨胀器的发动机的实施例 的剖视图。图3是根据一个本专利技术实施例的压缩机的剖视图，剖面位于与转子的旋转轴线垂 直的平面中。图4是根据一个本专利技术实施例的膨胀器的剖视图，剖面位于与转子的旋转轴线垂 直的平面中。图5是根据一个本专利技术实施例的压缩机和膨胀器的放大剖视图，剖面位于与转子 的旋转轴线垂直的平面中，并且被放大成示出动态密封件的细节。图6是根据一个本专利技术实施例的压缩机和膨胀器的放大剖视图，剖面位于与转子 的旋转轴线垂直的平面中，并且被放大到示出可选叶片和导槽结构的细节。图7是示出了环形流螺旋室的间隙与半径的曲线图，以实现与螺旋室的半径的倒 数成正比的径向流速。图8是示出了环形流螺旋室的间隙与半径的曲线图，以实现相对于螺旋室的半径 恒定的径向流速。图9是示出了环形流螺旋室的间隙与半径的曲线图，以实现与螺旋室的半径成正 比的径向流速。图10是根据本专利技术的压缩机和膨胀器的一个实施例的放大剖视图，剖面位于与 转子的旋转轴线垂直的平面中，并且被放大成示出输入流和中空轴输出流的细节，并且具 有能够以小效率成本倍增功率的构造。图11是本专利技术的环带的实施例的放大剖视图，剖面位于与转子的旋转轴线垂直 的平面中，示出了能够使边界层伸展最小化的表面纤维。具体实施方式 现在详细地说明本专利技术的各个示例性实施例。以下的详细说明是为了详细地描述 某些实施例，因此，不能被当作是将本专利技术限制到所述的实施例。而且，本专利技术的范围由权 利要求限定。温度在这里总体上由开氏绝对温度表示，有时也表示摄氏温度，室温是大约294K。 大气空气或气体是处于环境压力和室温下的空气或气体。如果大气温度是TtlK,则使空气或 气体通过一些方式以绝热的方式变成具有TsK的临界温度，如果临界温度TsK是TtlK的3倍 或者更高，该结果在这里被称作“高能”空气或气体。高能空气/气体的比能大约为大气温 度和压力条件下空气/气体比能的TZTtl倍。即使在温度TtlK下，以3. 162马赫行进的大气 空气/气体具有临界温度TsK = 3T0K,并且TsK以马赫数的平方增大。材料的抗拉强度“比”是其抗拉强度除以其比重，比重是其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种没有节流区域的设备，其用于产生局部亚音速的空气或气体流，所述空气或气体流的滞止温度是进入的空气或气体的绝对温度的１．５至１０倍，所述设备包括：　　压缩机，其包括：　　没有节流区域的转子，所述转子能够将空气或气体加速至具有局部超音速的流；以及　　室，所述室能够在不具有节流区域的情况下接收局部超音速的流并将其减速至局部亚音速，并且在不具有节流区域的情况下通过出口输出所述流。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2008-3-25 61/039,4061.一种没有节流区域的设备，其用于产生局部亚音速的空气或气体流，所述空气或气 体流的滞止温度是进入的空气或气体的绝对温度的1. 5至10倍，所述设备包括压缩机，其包括没有节流区域的转子，所述转子能够将空气或气体加速至具有局部超音速的流；以及室，所述室能够在不具有节流区域的情况下接收局部超音速的流并将其减速至局部亚 音速，并且在不具有节流区域的情况下通过出口输出所述流。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述转子能够以从大约2000英尺/秒至大约 5400英尺/秒的表面速度保持旋转，并且能够将所述空气或气体流加速至大约所述转子的 表面速度。3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述转子还包括由高拉伸屈服强度比材料构成的轴，其以旋转轴线为中心；由具有高抗压强度比材料构成的结构叶片和转子侧，所述结构叶片和转子侧通过高抗 拉强度比纤维束可操作地连接到所述轴。4.根据权利要求3所述的设备，其中，在静止时，所述结构叶片在从大约50，OOOpsi至 大约500，OOOpsi的压力下可操作地连接到所述轴。5.根据权利要求3所述的设备，其还包括由金属或陶瓷涂覆或渗透的高抗拉强度比纤 维束，从而形成了结合或粘接的柔性片或刚性实心件。6.根据权利要求3所述的设备，其中，所述高抗拉强度比纤维束包括以下材料中的至 少一个或者它们的任意组合纳米管复合纤维、碳纤维、玻璃纤维、金属和陶瓷纤维、陶瓷纤 维以及聚合物纤维。7.根据权利要求3所述的设备，其中，所述高抗压强度比材料包括以下材料中的至少 一个或者它们的任意组合α碳化硅、碳化硼、陶瓷、金刚石类材料、金属以及聚合物。8.根据权利要求3所述的设备，其中，所述轴的高拉伸屈服强度比材料包括以下材料 中的至少一个或者它们的任意组合α碳化硅，其由被金刚石类材料涂覆的碳纤维卷绕； 通过在轴线上扭转而加工出的钢；经过热处理而使拉伸屈服强度最大的钛合金；以及金属 或陶瓷或者聚合物。9.根据权利要求3所述的设备，该设备还包括轴，其具有以旋转轴线为中心的轴向中空部或孔和在所述结构叶片之间的转子径向出 口，其中，所述中空部或孔和径向出口能够提供使空气或气体进入所述压缩机的通路；多个外壳，其与所述结构叶片的从所述轴向外延伸的相对边缘可操作地相联，其中，各 外壳能够限制在所述结构叶片之间的空气或气体；用于所述轴和转子的至少一部分的绝热壳体，所述壳体包括环带，所述环带围绕所述转子的至少一部分，并且能够从所述结构叶片与外壳之间接 收局部超音速的空气或气体流，并且能够在不具有节流区域的情况下将所述空气或气体流 改变成局部亚音速；以及室，所述室能够接收来自所述环带的局部亚音速的空气或气体流，其中，所述室是螺旋 室，所述螺旋室具有向外螺旋壁和相对的顶部内表面和底部内表面，所述向外螺旋壁、所述 顶部内表面和底部内表面能够将空气或气体限制在所述螺旋室内，并且其中，所述螺旋室 能够将所述空气或气体流引向出口。10.根据权利要求9所述的设备，所述设备对于室温空...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁弗斯G克雷，罗伯特G霍克黛，
申请(专利权)人：友好发明有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]