專利名稱：旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種噴氣推進(jìn)的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機，它的轉(zhuǎn)子由從噴射部件噴 出的物質(zhì)的反作用力旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。
背景技術(shù)：
用噴射物質(zhì)的反作用力產(chǎn)生原動力早已為人所知。例如，Goddard的美國 專利2， 637， 166揭示了一種渦輪機，其中用高速噴射物質(zhì)的反作用力實現(xiàn)渦輪 機的旋轉(zhuǎn)。Howard的美國專利2， 603， 947揭示了一種用于在一種連續(xù)燃燒型發(fā) 生器中旋轉(zhuǎn)的沖壓式噴氣發(fā)動機結(jié)構(gòu)。Goddard的美國專利2，544，420揭示了 一種用于在推進(jìn)裝置，諸如在驅(qū)動螺旋槳軸的裝置中提供旋轉(zhuǎn)動力的燃燒室。 Hart的美國專利2， 499， 863揭示了一種噴射物質(zhì)推動的旋轉(zhuǎn)式馬達(dá)。
最近，本發(fā)明人在旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機領(lǐng)域進(jìn)行了研發(fā)，為此，本發(fā)明人已 收到了 1995年4月25日授予的美國專利5， 408， 824和1996年10月1日授予 的美國專利5,560， 196。這些專利揭示的內(nèi)容將被本文引用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各優(yōu)點中最明顯的是提供一種改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機及其使用 方法。
在本發(fā)明的一個方面，噴氣推動的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機包括定子和可操作地接合 于定子的轉(zhuǎn)子，用于使轉(zhuǎn)動相對于定子繞轉(zhuǎn)子軸線旋轉(zhuǎn)。該轉(zhuǎn)子包括至少第一 和第二推力物質(zhì)噴射部件，第一噴射部件限定第一收縮流動區(qū)域(convergingflow region)、位于第一收縮流動區(qū)域下游的第一擴張流動區(qū)域(diverging flow region)以及第一排出口。第二噴射部件限定第二收縮流動區(qū)域、位于第 二收縮流動區(qū)域下游的第二擴張流動區(qū)域以及第二排出口 。轉(zhuǎn)子還包括至少第 一和第二蒸汽噴射部件，第一蒸汽噴射部件限定第一蒸汽收縮流動區(qū)域、位于 第一蒸汽收縮流動區(qū)域下游的第一蒸汽擴張流動區(qū)域以及第一蒸汽排出口 ，第 二蒸汽噴射部件限定第二蒸汽收縮流動區(qū)域、位于第二蒸汽收縮流動區(qū)域下游 的第二蒸汽擴張流動區(qū)域以及第二蒸汽排出口 ，旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機適于并構(gòu)造成使 蒸汽引導(dǎo)通過第一和第二蒸汽噴射部件的蒸汽排出口。該旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機還包括 有上游部分的燃燒區(qū)域。旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機適于使氧一燃料混合物在燃燒區(qū)域發(fā)生 燃燒反應(yīng)而生成燃燒反應(yīng)產(chǎn)物，燃燒反應(yīng)產(chǎn)物包括將要通過第一和第二噴射部 件的排出口噴出的至少一部分推力物質(zhì)。該旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機適于使至少一些氧一 燃料混合物在燃燒區(qū)域的上游部分內(nèi)燃燒，使得至少一部分燃燒反應(yīng)發(fā)生在燃 燒區(qū)域的上游部分，并且構(gòu)造成使燃燒區(qū)域的上游部分生成的至少一些推力物 質(zhì)引導(dǎo)通過第一和第二噴射部件的排出口 。
在本發(fā)明的再一個方面， 一種方法包括提供噴氣推動的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機，該 旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機包括定子、轉(zhuǎn)子和燃燒區(qū)域。轉(zhuǎn)子可操作地接合于定子，用于使 轉(zhuǎn)子相對于定子繞轉(zhuǎn)子軸線旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子包括至少一個推力物質(zhì)噴射部件和至少 一個蒸汽噴射部件，推力物質(zhì)噴射部件限定收縮流動區(qū)域、位于收縮流動區(qū)域 下游的推力物質(zhì)擴張流動區(qū)域以及推力物質(zhì)排出口。蒸汽噴射部件限定蒸汽收 縮流動區(qū)域、位于所述蒸汽收縮流動區(qū)域下游的蒸汽擴張流動區(qū)域以及蒸汽排 出口。燃燒區(qū)域至少部分地由轉(zhuǎn)子形成。旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機適于使氧一燃料混合物 在燃燒區(qū)域發(fā)生燃燒反應(yīng)而生成燃燒反應(yīng)產(chǎn)物，該燃燒反應(yīng)產(chǎn)物包括將要通過 推力物質(zhì)排出口噴出的至少一部分推力物質(zhì)。這種方法還包括以使推力物質(zhì)的 噴射流以超音速從推力物質(zhì)排出口噴出的方式使噴氣推動的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機運 轉(zhuǎn)，以及，以使蒸汽的噴射流以超音速從蒸汽排出口噴出的方式使噴氣推動的 旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機運轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的其它特點和優(yōu)點將在下面的說明中部分地顯現(xiàn)出來和部分地被指出。


圖1是本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機的立體視圖。
圖2是從大致相反的方向看的圖1所示旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機的立體視圖。 圖3是通過轉(zhuǎn)子軸線所在平面截取的、圖1所示旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機的主機 部件的剖視圖。
圖4是通過圖3中的線"4-4"所在平面截取的、圖1所示旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機 的轉(zhuǎn)子的剖視圖。
圖5是圖l所示旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機的轉(zhuǎn)子的側(cè)視圖。
圖6是通過包括轉(zhuǎn)子軸線的一個平面截取的、圖1所示旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機 的局部放大剖視圖，表示出了轉(zhuǎn)子的徑向最外部分及其鄰近的環(huán)形管道。 圖7是類似于圖6的視圖，它表示出了環(huán)形管道的一個可替代實施例。 圖8是圖l所示的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機的工作流程圖。 在所有這些附圖中，對應(yīng)的標(biāo)號表示對應(yīng)的零件。
具體實施例方式
參閱各圖，特別是先看圖1，本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機整體地以標(biāo)號"2(T 表示。該旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機20適合于燃燒各種類型的燃料，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的機械動 力，隨后將機械動力最好是轉(zhuǎn)換成電功率。
旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機20總的包括主機部件22 (示于圖3但在圖1和2中被遮蓋 了)、機殼24、發(fā)電機26、空氣供應(yīng)部件28、過熱器30和沸騰板式熱交換器 32?？諝夤?yīng)部件28可取地采用電力驅(qū)動的增壓器來為主機部件22供應(yīng)加壓 的空氣。加壓空氣隨后與燃料混合并在主機部件22內(nèi)燃燒而通過排氣物質(zhì)的 噴射噴出的反作用力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的機械動力。旋轉(zhuǎn)的機械動力驅(qū)動發(fā)電機26最 好是耦合于逆變器的直流發(fā)電機來發(fā)出電功率。排氣物質(zhì)從主機部件22流出， 流經(jīng)過熱器30，繼而進(jìn)入熱交換器32，然后從旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機20排出。
圖3所示的主機部件22包括轉(zhuǎn)子36和定子38。轉(zhuǎn)子36安裝成可相對于 定子38旋轉(zhuǎn)，以便把燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子相對于定子的、繞自身 軸線X的旋轉(zhuǎn)運動。
圖4和5示出的轉(zhuǎn)子36包括多個(4個為較佳)推力物質(zhì)噴射部件40和多個沿徑向間隔于轉(zhuǎn)子軸線X的蒸汽噴射部件42。每一推力物質(zhì)噴射部件40 成形有推力物質(zhì)通道44的下游部分，每一通道下游部分又包括推力物質(zhì)收縮 區(qū)域46、位于推力物質(zhì)收縮區(qū)域46下游的推力物質(zhì)擴張區(qū)域48以及推力物質(zhì) 排出口 50。每一推力物質(zhì)通道44可取的是部分地由推力物質(zhì)管52形成，推力 物質(zhì)管52從位于中央的推力物質(zhì)室54以垂直于轉(zhuǎn)子軸線X的角度沿徑向向外 延伸，并且然后轉(zhuǎn)向為繞轉(zhuǎn)子軸線X向著與轉(zhuǎn)子的設(shè)計轉(zhuǎn)向相反的方向周向地 延伸，并構(gòu)造成推力物質(zhì)排出口，該排出口構(gòu)造成使推力物質(zhì)沿轉(zhuǎn)子軸線X的 大致切線方向噴出。推力物質(zhì)管52最好是圓形截面的，并且最好是用鈦合金 制成，以使其重量輕，強度高，又耐熱。
轉(zhuǎn)子36還包括多個(4個為較佳)蒸汽管56，每一蒸汽管56圍繞著對應(yīng) 的一個推力物質(zhì)管52。蒸汽管56的內(nèi)徑大于推力物質(zhì)管52的外徑，而在其間 形成蒸汽通道58。與推力物質(zhì)管52相似，蒸汽管56最好也由鈦合金制成并具 有圓形截面。每一蒸汽管56最好沿其長度和圓周在幾個間隔的部位用鎢極惰 性氣體保護(hù)焊(tigwelded)焊接于其對應(yīng)的推力物質(zhì)管52，以便固定兩者間的 相對位置。每一蒸汽通道58與一個蒸汽噴射部件42連通，使得各蒸汽噴射部 件構(gòu)成蒸汽通道的下游。與推力物質(zhì)噴射部件40相似，每一蒸汽噴射部件42 包括蒸汽收縮區(qū)域60、位于蒸汽收縮區(qū)域60下游的蒸汽擴張區(qū)域62以及蒸汽 排出口 64。
轉(zhuǎn)子36的推力物質(zhì)室54可取地具有大致的圓柱形內(nèi)部容積66，它由對中 于轉(zhuǎn)子軸線X的圓柱形氣室壁68限定。圓柱形氣室壁68的第一軸向端部70 從轉(zhuǎn)子36的其余部分沿軸向伸出并可取地敞開于轉(zhuǎn)子36的外部。氣室的相反 的第二軸向端部72由端壁74封閉，該端壁74最好是向氣室54的內(nèi)部容積66 內(nèi)拱凸的。多個引導(dǎo)葉片76較佳地從圓柱形氣室壁68沿徑向向內(nèi)伸入推力物 質(zhì)室54的內(nèi)部容積66，并且在軸向是從推力物質(zhì)室端壁74伸出。引導(dǎo)葉片 76和端壁74的拱凸形狀構(gòu)造成適合于在旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機20工作過程中轉(zhuǎn)子36 繞其軸線旋轉(zhuǎn)時增大氣流從推力物質(zhì)室54進(jìn)入推力物質(zhì)管52的效率。
中央蒸汽管78沿軸向?qū)χ杏谵D(zhuǎn)子軸線X并在推力物質(zhì)室54的內(nèi)部容積66 內(nèi)延伸，中央蒸汽管78的軸向一端固定于推力物質(zhì)室54的端壁74，而另一端 延伸超出圓柱形氣室壁68的軸向端部70。鄰接于推力物質(zhì)室54的端壁74的多個蒸汽導(dǎo)管80將中央蒸汽管78連接于多個蒸汽管56，使得中央蒸汽管和蒸 汽導(dǎo)管構(gòu)成轉(zhuǎn)子36的蒸汽通道58的組成部分。
這一較佳實施例的轉(zhuǎn)子36還包括多個腹板82、多個喉部密封板84、 一對 平圓形的阻力板86以及驅(qū)動軸88。每一腹板82定向為垂直于轉(zhuǎn)子軸線X并且 較佳地沿軸向?qū)χ杏谡羝?6的中心，使得每一腹板82把鄰接的一對蒸汽管 互相連接起來。每一喉部密封板84的軸向?qū)挾?，在其鄰接于一個推力物質(zhì)排 出口 50的終止處可取地等于蒸汽管56的直徑，而在鄰接于一個蒸汽噴射部件 42的終止處它變成更窄了 (如圖5所示)。阻力板86定向成垂直于轉(zhuǎn)子軸線 X，并固定于蒸汽管56的沿軸向兩個相對的側(cè)面。驅(qū)動軸88沿軸向?qū)χ杏谵D(zhuǎn) 子軸線X，并從轉(zhuǎn)子沿軸向向推力物質(zhì)室54和中央蒸汽管78的相反方向延伸。 驅(qū)動軸88構(gòu)造成能將旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機20的轉(zhuǎn)子36發(fā)出的旋轉(zhuǎn)機械動力傳遞給 發(fā)電機26，以便產(chǎn)生電功率。
主機部件22的定子38較佳地圍繞著轉(zhuǎn)子36的一部分。有多個空氣軸承把 轉(zhuǎn)子36安裝成可相對于定子38旋轉(zhuǎn)。第一空氣軸承90支承轉(zhuǎn)子36的氣室壁 68的第一軸向端70，而第二空氣軸承92支承轉(zhuǎn)子36的驅(qū)動軸88。還有，第 三空氣軸承94支承轉(zhuǎn)子36的中央蒸汽管78?？諝廨S承可較佳地用于減少旋轉(zhuǎn) 摩擦及其產(chǎn)生的熱量，若是用一般的滾子或球軸承，在旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機20的工 作過程中，由于轉(zhuǎn)子36相對于定子38的高速旋轉(zhuǎn)，摩擦和生熱就會較嚴(yán)重。
主機部件22的定子38較佳地包括筒狀的燃燒室96、環(huán)狀的空氣室98、蒸 汽通道100以及環(huán)狀的管道102。燃燒室96較佳地對中于轉(zhuǎn)子軸線X并且是圓 柱形的，其半徑遠(yuǎn)小于R，這個R是轉(zhuǎn)子軸線X和推力物質(zhì)噴射部件40的噴射 流中心線CL之間的距離。較佳的是，燃燒室穿過氣室壁68的第一軸向端70 部分地延伸進(jìn)轉(zhuǎn)子36的推力物質(zhì)室54。定子38的空氣進(jìn)口室98圍繞著轉(zhuǎn)子 軸線X并限定一個空氣通道，該通道連通于旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機20的空氣供應(yīng)部件 28、定子38的燃燒室96以及燃燒室96和轉(zhuǎn)子36的氣室壁68之間的區(qū)域。 定子38的蒸汽通道100連通于旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機20的過熱器30和轉(zhuǎn)子36的中央 蒸汽管78。
定子較佳地還包括燃料供應(yīng)管路104、多個火花鎢絲(tungusten spark wire) 106以及多個混合葉片108。燃料供應(yīng)管路構(gòu)造成適合于從燃料源(未示)向燃燒室96提供燃料?；鸹ㄦu絲構(gòu)造成能點燃供應(yīng)到燃燒室96的燃料?；旌?葉片108設(shè)置在燃燒室內(nèi)并構(gòu)造成能與向燃燒室供應(yīng)的燃料和空氣相混合。
定子38的環(huán)形管道102圍繞著轉(zhuǎn)子36的推力物質(zhì)噴射部件40和蒸汽噴射 部件42，并且通過定子38的阻力板110固定于定子的其余部分，該定子阻力 板110定位成沿軸向鄰接于轉(zhuǎn)子的阻力板86。這一較佳實施例的環(huán)形管道102 詳細(xì)地示于圖6，并且較佳地包括環(huán)形收縮區(qū)域112、圍繞著環(huán)形收縮區(qū)域的 環(huán)形擴張區(qū)域114以及圍繞著環(huán)形擴張區(qū)域的環(huán)形端壁116。環(huán)形端壁116較 佳地是弧形斷面的，并且較佳地被環(huán)形外壁118包圍著，該環(huán)形外壁118也是 弧形斷面的，并且與管道102的環(huán)形端壁116之間有間隔，而在其間形成了環(huán) 形第一蒸汽通道120。還有一對環(huán)形第二蒸汽通道122設(shè)置在管道102的沿軸 向相對的兩側(cè)。
圖7示出了可替代的管道124，它包括環(huán)形喉部區(qū)域126，該喉部區(qū)域的軸 向?qū)挾冉频扔谵D(zhuǎn)子36的推力物質(zhì)排出口 50的寬度。與圖6所示的管道102 的較佳實施例類似，這一可替代管道124也包括圍繞著環(huán)形喉部區(qū)域126的環(huán) 形擴張區(qū)域128、圍繞著環(huán)形擴張區(qū)域的環(huán)形端壁130以及環(huán)形外壁132，該 環(huán)形外壁132間隔于管道的環(huán)形端壁130，而在其間形成了環(huán)形蒸汽通道134。
旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機20的工作示意地表示于圖8。在運轉(zhuǎn)時，空氣供應(yīng)部件28 通過多級離心風(fēng)機增壓器抽進(jìn)空氣，并把空氣較佳地以60-70磅每平方英寸之 間的壓力提供給主機部件22?；蛘?，添加氧或用氧替代供應(yīng)給旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機 20的空氣(本說明書中把空氣和/氧統(tǒng)稱為空氣)。 一旦在定子38的空氣室 98內(nèi)的空氣被引導(dǎo)而使空氣流的一部分進(jìn)入定子38的燃燒室96，以及使一部 分空氣流繞過燃燒室而在燃燒室96與轉(zhuǎn)子36的氣室壁68之間流動，在燃燒 室96與氣室壁68之間流動的空氣流就起著冷卻燃燒室96的壁的作用，并將 靠近主機部件22的第一空氣軸承90的氣室壁68保持在相對低的溫度。
旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機20構(gòu)造成適合于燃燒各種類型的燃料，諸如甲垸、丙垸、天 然氣、汽油、柴油以及煤油。如圖8所示以及下面還將詳細(xì)說明，可將提供給 轉(zhuǎn)子36的一些過熱蒸汽混合于燃料使燃料在進(jìn)入燃燒室96之前羥基化。燃燒 室96內(nèi)的混合葉片108可確保由燃料供應(yīng)管路104供應(yīng)的燃料和空氣室98提 供的空氣在燃燒室內(nèi)充分混合?；鸹ㄦu絲106用于初始點燃燃料和空氣混合物。但是，在旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機20的運轉(zhuǎn)過程中， 一旦空氣和燃料混合物被點燃，燃 燒就會一直進(jìn)行直到停止燃料供應(yīng)。
一些被引入推力物質(zhì)室54的未反應(yīng)的物質(zhì)，例如氮、過量的和旁通的空氣、
氧、水等，混合在燃燒反應(yīng)的產(chǎn)物中，但它們不是燃燒反應(yīng)的一部分。燃燒反
應(yīng)產(chǎn)物和未反應(yīng)的物質(zhì)(將它們統(tǒng)稱為"推力物質(zhì)")從推力物質(zhì)室54流入 轉(zhuǎn)子36的推力物質(zhì)管52。雖然空氣和燃料混合物的燃燒初始發(fā)生在定子38的 燃燒室96內(nèi)，但是在空氣和燃料混合物進(jìn)入轉(zhuǎn)子36的推力物質(zhì)室54以及流 過推力物質(zhì)通道44的其他部分過程中，燃燒將繼續(xù)進(jìn)行。這樣，燃燒既在定 子38內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行也在轉(zhuǎn)子36內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行。推力物質(zhì)室54內(nèi)的引導(dǎo)葉片 76幫助使推力物質(zhì)轉(zhuǎn)向進(jìn)入轉(zhuǎn)子36的推力物質(zhì)管52。通過將旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機20 的燃燒區(qū)域定位在轉(zhuǎn)子36的推力物質(zhì)排出口 50的上游，可以減少推力物質(zhì)噴 射部件40的燃燒中斷現(xiàn)象，甚至可能消除。
主機部件22的定子38構(gòu)造成可使通過定子38的蒸汽通道100供應(yīng)的蒸汽 擴張進(jìn)入轉(zhuǎn)子36的中央蒸汽管78。來自定子38的蒸汽通道100的蒸汽在進(jìn)入 轉(zhuǎn)子36的中央蒸汽管78之前較佳地先過熱至800。 F左右，這一點下面還將 討論。當(dāng)蒸汽流過轉(zhuǎn)子的中央蒸汽管78的內(nèi)部進(jìn)入蒸汽管56時，蒸汽被熱的 推力物質(zhì)進(jìn)一步加熱。
流過轉(zhuǎn)子36的推力物質(zhì)通道44的推力物質(zhì)最終到達(dá)推力物質(zhì)噴射部件40。 隨著推力物質(zhì)流經(jīng)推力物質(zhì)噴射部件40的推力物質(zhì)收縮區(qū)域46，推力物質(zhì)的 流速增加到近似馬赫數(shù)l，隨后推力物質(zhì)進(jìn)入推力物質(zhì)擴張區(qū)域48，在那里它 進(jìn)一步被加速，最終以較佳地近似馬赫數(shù)2. 7的速度從推力物質(zhì)排出口 50噴 出。同樣，隨著蒸汽在蒸汽通道58內(nèi)流動，它最終流經(jīng)轉(zhuǎn)子36的蒸汽噴射部 件42，在那里蒸汽流經(jīng)蒸汽收縮區(qū)域60和蒸汽擴張區(qū)域62時被加速到馬赫數(shù) 3. 3的超音速，并且就以這樣的速度從轉(zhuǎn)子36的蒸汽排出口 64噴出。本技術(shù) 領(lǐng)域的人應(yīng)該理解，通過調(diào)整氣流流經(jīng)的通道的截面面積和/或相對于氣流將 排放入的環(huán)境的總壓力或總溫度改變氣流的總壓力或總溫度，可以控制可壓縮 氣流的噴出速度。
從推力物質(zhì)噴射部件40和蒸汽噴射部件42噴出的推力物質(zhì)和蒸汽的反作 用力驅(qū)動轉(zhuǎn)子36較佳地以18， 000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。定子38的阻力板110與轉(zhuǎn)子36的阻力板86之間的空氣由于轉(zhuǎn)子相對于定子的旋轉(zhuǎn)運動被從其間抽
出，從而造成部分真空，它可以降低作用在轉(zhuǎn)子上的阻力。
蒸汽噴射部件42較佳地行走圍繞轉(zhuǎn)子軸線X走過一個環(huán)形路徑，它沿徑向 處在推力物質(zhì)噴射部件40行走的環(huán)形路徑的外面。在圖6所示的定子38的環(huán) 形管道102的結(jié)構(gòu)中，蒸汽噴射部件42行走的環(huán)形路徑相對于轉(zhuǎn)子軸線X是 沿徑向定位為使蒸汽噴射部件42位于環(huán)形管道102的環(huán)形收縮區(qū)域112內(nèi)， 接近環(huán)形擴張區(qū)域114。轉(zhuǎn)子36的喉部密封件84的漸窄性質(zhì)使喉部密封件具 有類似于環(huán)形管道102的輪廓的輪廓，并且允許喉部密封件84有效地起到環(huán) 形管道102的徑向內(nèi)邊界的作用。這樣，從推力物質(zhì)噴射部件40和蒸汽噴射 部件42噴出的推力物質(zhì)和蒸汽(統(tǒng)稱為排氣物質(zhì))必須通過環(huán)形管道102的 環(huán)形收縮區(qū)域112，在其中排氣物質(zhì)的流動截面收縮因而流動減速。環(huán)形管道 102的環(huán)形收縮區(qū)域112構(gòu)造成可使排氣物質(zhì)的流速減速至馬赫數(shù)1. 0，然后， 推力物質(zhì)流(exhaust matter flow)進(jìn)入環(huán)形管道102的環(huán)形擴張區(qū)域114，它 使流動速度進(jìn)一步降低到亞音速。這樣，環(huán)形管道102的環(huán)形收縮區(qū)域112和 環(huán)形擴張區(qū)域114起到降低排氣物質(zhì)的流速的作用，使得轉(zhuǎn)子的路徑內(nèi)不會產(chǎn) 生強烈的沖擊波。與從推力物質(zhì)噴射部件40噴出的排氣物質(zhì)的速度相比，從 蒸汽噴射部件42噴出的蒸汽的相對較高的速度可使作用于從推力物質(zhì)噴射部 件40噴出的推力物質(zhì)的背壓降低，這樣可提高發(fā)動機的效率，同時又能防止 噴射部件40、 42走過的環(huán)形路徑內(nèi)形成強烈沖擊波。隨著排氣物質(zhì)流被減速， 物質(zhì)流的動能損失由靜態(tài)壓力和溫度的升高來補償，這將增加可用于過熱器中 的放熱的熱量(到底的循環(huán)(bottoming cycle))。
一旦排氣物質(zhì)流流過環(huán)形管道102的環(huán)形擴張區(qū)域114，排氣物質(zhì)流就沿 著環(huán)形管道102的環(huán)形端壁116沿周向流動，直到它最終流經(jīng)延伸穿過環(huán)形管 道102的環(huán)形端壁116的排出口 (未示)被排入旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機20的過熱器30。 這樣，環(huán)形管道102就構(gòu)成排氣物質(zhì)流經(jīng)過的排出區(qū)域的一部分。為了回收排 氣物質(zhì)流的一些熱量，用流經(jīng)環(huán)形外壁118與環(huán)形端壁116之間形成的第一蒸 汽通道120的蒸汽冷卻環(huán)形管道102的環(huán)形端壁116。另外，讓蒸汽流經(jīng)環(huán)形 管道102的第二蒸汽通道122，讓它去冷卻形成環(huán)形管道102的環(huán)形收縮區(qū)域 112和環(huán)形擴張區(qū)域114的壁面，這樣進(jìn)一步從排氣物質(zhì)流回收熱量。在圖7所示的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機實施例中， 一個可替代的管道124具有環(huán)形喉 部區(qū)域126，其軸向?qū)挾冉频扔谵D(zhuǎn)子的推力物質(zhì)噴射部件40的推力物質(zhì)排出 口50的寬度。這樣，從轉(zhuǎn)子36流出的排氣物質(zhì)流流經(jīng)替代管道124的環(huán)形喉 部區(qū)域126時速度將降低很少。隨著排氣物質(zhì)流到達(dá)替代管道124的環(huán)形擴張 區(qū)域128，它遇到不連續(xù)性，這促生一個波，該波通過管道124的環(huán)形擴張區(qū) 域128內(nèi)的駐定沖擊波使排氣物質(zhì)流降速至亞音速。從這一觀點來看，可替代 管道的作用與這一實施例的環(huán)形管道102相同。
從轉(zhuǎn)子36噴出的排氣物質(zhì)， 一流出主機部件22的環(huán)形管道102就進(jìn)入過 熱器30。該過熱器30包括大致的筒形通道，該通道具有許多充滿蒸汽的小管 子(未示)從中穿過。在過熱器的這些蒸汽管內(nèi)流動的蒸汽與主機部件22的 環(huán)形管道102的第一蒸汽通道120連通。同時，在過熱器30內(nèi)熱量被從排氣 物質(zhì)流傳遞給流經(jīng)過熱器的蒸汽管的蒸汽。
從過熱器流出的排氣物質(zhì)進(jìn)入沸煮板式熱交換器32，使交換器內(nèi)的水轉(zhuǎn)變 成蒸汽，這樣進(jìn)一步降低排氣物質(zhì)流的溫度并從其回收熱量。最后，排氣物質(zhì) 經(jīng)由排氣管從熱交換器32和旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機20排出。排氣管構(gòu)造成可將排氣物 質(zhì)排入旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機的外部環(huán)境，或者排入一個可將排氣物質(zhì)從旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機 輸送出去的廢氣系統(tǒng)。
如上所述和圖8所示，應(yīng)該理解，用從轉(zhuǎn)子出來的排氣物質(zhì)流使蒸汽過熱， 而蒸汽最終供應(yīng)給轉(zhuǎn)子36的中央蒸汽管78。隨著水供應(yīng)到旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機20的 沸煮板式熱交換器32，水被轉(zhuǎn)變成蒸汽，隨后蒸汽又進(jìn)入旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機20的 過熱器32，在其中水被加熱到遠(yuǎn)高于其沸點的溫度。蒸汽在流經(jīng)過熱器30之 后進(jìn)入環(huán)形管道102的第一和第二蒸汽通道120、 122，在其中蒸汽被進(jìn)一步加 熱。可選擇性地將從環(huán)形管道102出來的一部分過熱蒸汽用于使向定子38的 燃燒室96供應(yīng)的燃料烴基化，而其余的過熱蒸汽進(jìn)入轉(zhuǎn)子36的中央蒸汽管78。 在轉(zhuǎn)子內(nèi)，熱量被進(jìn)一步地從推力物質(zhì)通道44內(nèi)的排氣物質(zhì)流經(jīng)由推力物質(zhì) 管52的熱傳導(dǎo)傳遞給蒸汽通道58內(nèi)的蒸汽流。這樣，在本發(fā)明的這一實施例 的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機20內(nèi)，蒸汽的作用是作為到底的循環(huán)的一部分，在這種循環(huán) 中排氣的盡可能多的熱能被通過用蒸汽冷卻排氣來回收。
鑒于上述，應(yīng)能認(rèn)識到，本發(fā)明的幾個目的和其它優(yōu)良效果都可以達(dá)到。還應(yīng)理解，本發(fā)明的各個目的及其優(yōu)點可以互相獨立地實現(xiàn)。例如，本發(fā)明的 許多原理可用在不包括任何燃燒室的蒸汽噴射旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機中(即轉(zhuǎn)子只由蒸 汽驅(qū)動)。這樣，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，在上述構(gòu)造中可以做出各種各樣的改變， 所以，應(yīng)該認(rèn)識到，以上描述的和附圖表示的全部內(nèi)容都是示例性的，而沒有 限制本發(fā)明的意思。
權(quán)利要求
1. 一種噴氣推動的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機，包括定子；可操作地接合于所述定子的轉(zhuǎn)子，用于使所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子繞轉(zhuǎn)子軸線旋轉(zhuǎn)，所述轉(zhuǎn)子包括至少第一和第二推力物質(zhì)噴射部件，所述第一推力物質(zhì)噴射部件限定第一收縮流動區(qū)域、位于第一收縮流動區(qū)域下游的第一擴張流動區(qū)域以及第一排出口，所述第二推力物質(zhì)噴射部件限定第二收縮流動區(qū)域、位于第二收縮流動區(qū)域下游的第二擴張流動區(qū)域以及第二排出口，所述轉(zhuǎn)子還包括至少第一和第二蒸汽噴射部件，所述第一蒸汽噴射部件限定第一蒸汽收縮流動區(qū)域、位于第一蒸汽收縮流動區(qū)域下游的第一蒸汽擴張流動區(qū)域以及第一蒸汽排出口，所述第二蒸汽噴射部件限定第二蒸汽收縮流動區(qū)域、位于第二蒸汽收縮流動區(qū)域下游的第二蒸汽擴張流動區(qū)域以及第二蒸汽排出口，旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機適于并構(gòu)造成使蒸汽引導(dǎo)通過所述第一和第二蒸汽噴射部件的蒸汽排出口；以及有上游部分的燃燒區(qū)域，旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機適于使氧—燃料混合物在所述燃燒區(qū)域發(fā)生燃燒反應(yīng)而生成燃燒反應(yīng)產(chǎn)物，該燃燒反應(yīng)產(chǎn)物包括將要通過所述第一和第二推力物質(zhì)噴射部件的排出口噴出的至少一部分推力物質(zhì)，該旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機適于使至少一些氧—燃料混合物在所述燃燒區(qū)域的所述上游部分內(nèi)燃燒，使得至少一部分燃燒反應(yīng)發(fā)生在所述燃燒區(qū)域的所述上游部分，旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機適于并構(gòu)造成使所述燃燒區(qū)域的所述上游部分生成的至少一些推力物質(zhì)引導(dǎo)通過所述第一和第二推力物質(zhì)噴射部件的排出口。
2. 如權(quán)利要求l所述的噴氣推動的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機，其特征在于，所述燃燒 區(qū)域的所述上游部分至少部分地由所述定子形成。
3. 如權(quán)利要求l所述的噴氣推動的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機，其特征在于，旋轉(zhuǎn)式發(fā) 動機構(gòu)造成并適于使所述推力物質(zhì)以第一超音速從所述第一和第二推力物質(zhì) 噴射部件的排出口噴出，該旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機還構(gòu)造成并適于使蒸汽以第二超音速 從所述第一和第二蒸汽噴射部件的蒸汽排出口噴出，所述第二超音速高于所述 第一超音速。
4. 如權(quán)利要求3所述的噴氣推動的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機，其特征在于，所述第一推力物質(zhì)噴射部件的第一排出口定位成沿徑向處于所述第一蒸汽噴射部件的 第一蒸汽排出口以內(nèi)，所述第二推力物質(zhì)噴射部件的第二排出口定位成沿徑向 處于所述第二蒸汽噴射部件的第二蒸汽排出口以內(nèi)。
5. 如權(quán)利要求l所述的噴氣推動的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機，其特征在于，在所述推 力物質(zhì)被從所述第一推力物質(zhì)噴射部件的所述排出口噴出時，所述第一推力物 質(zhì)噴射部件適于使所述推力物質(zhì)的噴射流以超音速從所述第一推力物質(zhì)噴射 部件的所述排出口噴出，并且所述燃燒區(qū)域的所述上游部分至所述轉(zhuǎn)子軸線的 間隔距離不超過R的90%，這里R是所述轉(zhuǎn)子軸線與所述噴射流中心線之間的 最短距離。
6. 如權(quán)利要求5所述的噴氣推動的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機，其特征在于，所述燃燒 區(qū)域的所述上游部分至所述轉(zhuǎn)子軸線的間隔距離不超過R的75%。
7. 如權(quán)利要求6所述的噴氣推動的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機，其特征在于，所述燃燒 區(qū)域的所述上游部分至所述轉(zhuǎn)子軸線的間隔距離不超過R的50%。
8. 如權(quán)利要求7所述的噴氣推動的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機，其特征在于，所述燃燒 區(qū)域的所述上游部分至所述轉(zhuǎn)子軸線的間隔距離不超過R的25%。
9. 一種方法，包括提供噴氣推動的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機，該旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機包括定子、轉(zhuǎn)子和燃燒區(qū) 域，所述轉(zhuǎn)子可操作地接合于所述定子，用于使所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子繞轉(zhuǎn) 子軸線旋轉(zhuǎn)，所述轉(zhuǎn)子包括至少一個推力物質(zhì)噴射部件和至少一個蒸汽噴射部 件，所述推力物質(zhì)噴射部件限定推力物質(zhì)收縮流動區(qū)域、位于所述推力物質(zhì)收 縮流動區(qū)域下游的推力物質(zhì)擴張流動區(qū)域以及推力物質(zhì)排出口 ，所述蒸汽噴射 部件限定蒸汽收縮流動區(qū)域、位于所述蒸汽收縮流動區(qū)域下游的蒸汽擴張流動 區(qū)域以及蒸汽排出口，所述燃燒區(qū)域至少部分地由所述轉(zhuǎn)子形成，旋轉(zhuǎn)式發(fā)動 機適于使氧一燃料混合物在所述燃燒區(qū)域發(fā)生燃燒反應(yīng)而生成燃燒反應(yīng)產(chǎn)物， 該燃燒反應(yīng)產(chǎn)物包括將要通過所述推力物質(zhì)排出口噴出的至少一部分推力物 質(zhì)；以使推力物質(zhì)的噴射流以超音速從所述推力物質(zhì)排出口噴出的方式使所述 噴氣推動的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機運轉(zhuǎn)；以及以使蒸汽的噴射流以超音速從所述蒸汽排出口噴出的方式使所述噴氣推動 的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機運轉(zhuǎn)。
全文摘要
一種噴氣推動的旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機包括定子和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子可操作地接合于定子，用于使轉(zhuǎn)子相對于定子繞定子軸線旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子包括至少第一和第二推力物質(zhì)噴射部件，第一推力物質(zhì)噴射部件限定第一收縮流動區(qū)域、位于第一收縮流動區(qū)域下游的第一擴張流動區(qū)域以及第一排出口，第二推力物質(zhì)噴射部件限定第二收縮流動區(qū)域、位于第二收縮流動區(qū)域下游的第二擴張流動區(qū)域以及第二排出口。旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機還包括有上游區(qū)域的燃燒區(qū)域，并適于使氧—燃料混合物在燃燒區(qū)域發(fā)生燃燒反應(yīng)而生成燃燒反應(yīng)產(chǎn)物，該燃燒反應(yīng)產(chǎn)物包括將要通過第一和第二推力物質(zhì)噴射部件的排出口噴出的至少一部分推力物質(zhì)。旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機適于使至少一些氧—燃料混合物在燃燒區(qū)域的上游部分內(nèi)燃燒，使得至少一部分燃燒反應(yīng)發(fā)生在燃燒區(qū)域的上游部分，旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機構(gòu)造成使燃燒區(qū)域的上游部分生成的至少一些推力物質(zhì)引導(dǎo)通過第一和第二推力物質(zhì)噴射部件的排出口。
文檔編號F01D1/32GK101413439SQ200810173318
公開日2009年4月22日 申請日期2002年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月20日
發(fā)明者A·施羅特 申請人:創(chuàng)新能量股份有限公司