专利名称：固定的亚音速冲压式喷气发动机的制作方法
技术领域：
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。本发明的实施例提供一种固定的亚音速冲 压式喷气发动机。
背景技术：
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。在本发明的设备 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。
发明内容
鉴于现在冲压式喷气发动机的上述问题，本发明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，本发明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， 本发明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，本发明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。在本发明的上下文中，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。
图1是根据本发明的压缩机、冲压式喷气发动机和膨胀器的实施例的示意图。图2是包括根据本发明的压缩机、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是根据一个本发明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是根据一个本发明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是根据一个本发明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是根据一个本发明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是根据本发明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是本发明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
现在详细地说明本发明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，不能被当作是将本发明限制到所述的实施例。而且，本发明的范围由权 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，比重是其密度除以水的密度。类 似地，抗压强度“比”是耐压强度除以比重。强度比是转子材料的性能系数，因为力与比重 成比例。“马赫”数通常是指局部大气中的音速。音速在冲压式喷气发动机中可以以2以上 的倍数变化。当词语“超音速”和“亚音速”在本文中使用时，它们是指在已被压缩的气体/ 空气中的音速，其还被称作空气/气体中的“局部”音速。温度升高使得声音在大空气/气 体中的速度增大。当在这里使用时，术语“以绝热的方式”是指其常用含义，并且通常用于 表示“没有可察觉的加热或不吸热”，该术语始终仅最多近似于精确。本发明中包括能量产生的装置、系统和方法，本发明包括这样的设备，该设备可选 地没有节流区域，并用于产生临界温度为输入空气或气体的绝对温度的1. 5-10倍的空气 或气体的局部亚音速流，该设备包括压缩机，该压缩机包括转子，该转子可选地没有节流 区域，并且能够将空气或气体加速到具有局部超音速的流动；以及室(可选地没有节流区 域)，该室能够接收局部超音速流并将其减速至局部亚音速，并且将该流动输出通过出口 (可选地没有节流区域)。这里还包括这样的任何设备，其中，转子能够以从大约2000英尺/秒达至大约5400英尺/秒的设计表面速度持续旋转，并且能够将空气或气体流加速到大约于转子的表 面速度。本发明这里附加地包括这样的任何设备的实施例，其中，转子还包括具有高拉伸 屈服强度比材料的轴，该轴以回转轴线(也称作旋转轴线)为中心；结构叶片；以及可选的 高抗压强度比材料的转子侧，该转子侧可选地通过高抗拉强度比的纤维屑与轴可操作地连接。这里以下任意的设备在本发明的范围内，其中静止时，结构叶片在大约50，OOOpsi 至大约500，OOOpsi的压缩下与轴可操作地连接。另外，本发明在这里包括任意设备(诸如压缩机和/或膨胀器)的实施例，该设备 包括高抗拉强度比的纤维屑，该纤维屑可选地涂覆或者渗透有金属或陶瓷，借此形成结合 或连贯的柔性片材或者刚性固体(例如硬片材)。另外，任意设备的实施例在这里可以包括高抗拉强度比的纤维屑，该纤维屑包括 纳米管合 成纤维、碳纤维、玻璃纤维、金属和陶瓷纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维中的至少一 个，或者它们的任意结合。本发明的实施例在这里可以包括任意的设备，包括高抗压强度比的材料，该高抗 压强度比的材料包括α-碳化硅、碳化硼、陶瓷、金刚石类材料、金属和聚合物中的至少一 个，或者它们的任意结合。其它实施例在这里可以包括这样的任意设备，其中，高拉伸屈服强度比的材料包 括以下材料中的至少一个α “碳化硅，该α “碳化硅缠绕有碳纤维，该碳纤维涂覆有金刚 石类材料；钢，该钢通过盘绕在轴的轴线上而作用；钛合金，该钛合金被热处理，以使拉伸 屈服强度最大；以及金属或陶瓷或聚合物；或者它们的任意结合。根据本发明的装置在这里可以包括以下任意设备，这些设备包括轴，该轴具有以 旋转轴线为中心的轴向中空部或孔以及在结构叶片之间的转子径向出口，其中，中空部或 孔和径向出口能够提供用于使空气或气体进入压缩机的通路；可选的多个外壳，该多个外 壳可以与结构叶片的相对边缘可操作地相连，该结构叶片从轴向外延伸，其中，该外壳能够 限制结构叶片之间的空气或气体；可选的绝热壳体，该壳体用于轴和转子的至少一部分，该 壳体包括环带，该环带环绕转子的至少一部分，并且能够接收来自结构叶片和壳体之间的 局部超音速的空气或气体流，以及能够将空气或气体流变成局部亚音速，而没有节流区域， 该壳体还包括室，该室能够接收来自环状空间的局部亚音速流动，其中，该室是螺旋室，其 具有向外螺旋的壁和能够将空气或气体限制在螺旋室内的相对的顶部内表面和底部内表 面，其中螺旋室能够将流动引向出口。在本发明的范围还包括任意这样的设备，该设备在这里能够从室温空气形成在大 约10 1至大约92 1范围内的压缩比。也可以反向操作根据本发明的任意压缩机。例如，本发明的实施例包括任意的压 缩机设备，该压缩机设备在这里当流动和旋转反向时能够作为膨胀器操作，反之亦然。根据本发明的任意设备在这里包括相对的环状空间的内表面，该内表面的形状在 操作期间形成具有与距轴线的距离成反比的周向速度的平滑流；和/或环状空间，该环状 空间具有这样的外径，该外径选择为使得在操作期间在环状空间内局部超音速流变成局部 亚音速；以及/或环状空间没有节流区域。
作为本发明的实施例在这里还包含这样的任意设备，该设备包括可调节的条或 带，该条或带位于环状空间周围的螺旋室的螺旋壁内，该条或带能够移动离开螺旋壁，以随 着流动的自然螺旋形状以及限定径向流。本发明的范围内还包括发动机。根据本发明的发动机可以包括根据本发明的压缩 机和/或膨胀器。例如，包含有冲压式喷气发动机，该冲压式喷气发动机能够作为固定或者 亚音速冲压式喷气发动机操作，该冲压式喷气发动机具有局部超音速输出，该冲压式喷气 发动机包括压缩机，该压缩机能够加速空气或气体至局部超音速流；室，该室能够在无节 流区域的情况下接收局部超音速流，并将其减速到局部亚音速，并且通过出口输出该流；以 及部分输入的德拉瓦尔喷嘴，该喷嘴用于接收来自出口的局部亚音速流，其中，部分输入的 德拉瓦尔喷嘴被构造成使得不存在或者不使用高速流动面积和节流区域；以及可选的燃烧 室，该燃烧室用于接收来自德拉瓦尔喷嘴的流。还包括冲压式喷气发动机，该冲压式喷气发动机包括部分输出的德拉瓦尔喷嘴， 该喷嘴能够接收来自燃烧室的局部亚音速空气或气体，并且能够加速流动，以便以局部亚 音速输入到膨胀器出口，其中，部分输出的德拉瓦尔喷嘴被构造成使得不存在或者不使用 节流区域和较高速的区域；其中，膨胀器出口向能够将所述流引导至环状空间的室供给流， 该环状空间能够接收局部亚音速流并将其加速到局部超音速，而无节流区域；其中，所述环 状空间能够将流引导到膨胀器转子，该膨胀器转子能够将局部超音速流减到局部亚音速， 并且降低温度；以及膨胀器轴，该膨胀器轴能够通过转子利用从燃烧物中得到的高能量驱 动负载。根据本发明的冲压式喷气发动机在这里可以包括任意的冲压式喷气发动机，其中 压缩机、冲压 式喷气发动机和膨胀器中的每个均具有能够被紧固在一起以形成一个壳体的 壳体。另外，根据本发明的冲压式喷气发动机在这里可以包括任意的冲压式喷气发动 机，其中，压缩机、冲压式喷气发动机和膨胀器中的每个均具有能够被附接到常用框架的壳 体。根据本发明的压缩机和/或膨胀器在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这 里包括任意的膨胀器或压缩机，其中，圆环位于叶片的外叶片边缘半径之外，并且与转子可 操作地相连，其中，圆环包括纤维垫、多孔材料或者金属网中的至少一种，并且包括小流动 槽，使得在操作期间，空气或气体流能够穿过结构叶片之间，并且流过所述圆环；以及在转 子内的外叶片边缘半径与圆环之间有环形空间。根据本发明的压缩机和/或膨胀器在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这 里包括任意的膨胀器或压缩机，其中，碳纤维卷绕体围绕外叶片缘周向地布置，其中，碳纤 维卷绕体能够允许径向空气或气体流相对于转子以亚音速从叶片之间穿过而到达环带。在此所述的压缩机和/或膨胀器可以包括这样的实施例，该实施例在这里包括任 意的膨胀器或压缩机，其中，附加的叶片附接到轴的结构叶片之间，并且包括PAN碳纤维 屑，该纤维屑被挤压在一起，并且涂覆或者渗透有金属或者陶瓷以形成结合的柔性片材。另外，根据本发明的压缩机和/或膨胀器在这里可以包括这样的实施例，该实施 例在这里包括任意的膨胀器或压缩机，其中，外壳具有这样的外表面形状，该形状位于大约 1. 5英寸的外壳半径内并且面向壳体；和/或壳体，该壳体还包括环，该环面向外壳的外表面，并且在操作期间与外壳分开大约0. 0002英寸至0. 002英寸的间隙。根据本发明的压缩机和/或膨胀器在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这 里包括任意的膨胀器或压缩机，其中，外壳的外表面形状具有槽，该槽是倾斜的，使得在转 子以马赫速度工作期间，槽和间隙将空气或气体引向较大半径，并由此阻止绕转子沿相反 方向的流动。另外，根据本发明的压缩机和/或膨胀器在这里可以包括这样的实施例，该实施 例在这里包括任意的膨胀器或压缩机，其中，相对的表面具有嵌入在该表面中的短纤维；和 /或其中，该纤维具有直径为大约4-6微米、平滑的且为圆柱形的表面，并且间隔开比它们 的直径大的距离；和/或其中，纤维能够在相对表面之外多于它们的直径大3倍地突出到流 动中，并且当高速的空气或气体流与表面平行时能够朝所述表面弯曲。根据本发明的压缩机和/或膨胀器在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这 里包括任意的膨胀器或压缩机，该实施例还包括转子密封环，该转子密封环布置在转子与 环带之间的壳体中，在转子密封环与转子之间具有大约0. 0002英寸至0. 002英寸的间隙； 和/或定向槽，该定向槽位于转子密封环的表面和外壳的外表面上，以将所述密封环与转 子之间的空气或气体引导至较大的半径，由此阻止沿相反方向的流动。另外，根据本发明的压缩机和/或膨胀器在这里可以包括这样的实施例，该实施 例在这里包括任意的膨胀器或压缩机，其中，燃烧室的长度是其宽度的大约三千至一千倍； 和/或燃烧室被绝缘以防止热损失，而在操作期间提供小于大约的能量或效率损失。 根据本发明的冲压式喷气发动机在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这里 包括任意的冲压式喷气发动机，其中，燃烧室包括增大或减小的内部流动区域，以能够提高 空气或气体向局部音速流动，并且能够将空气或气体的最大温度减小至大约270摄氏度。再者，根据本发明的冲压式喷气发动机可以包括这样的实施例，该实施例包括任 意的冲压式喷气发动机，该任意的冲压式喷气发动机在这里包括一个或多个装置，用于提 供用于通过压缩机以及冲压式喷气发动机循环的、作为发动机的工作气体的惰性气体或者 非反应气体；加热源，该加热源加热燃烧室中的工作气体，该加热源从太阳辐射或者与外部 热源热交换中选择；用于向压缩机再循环排气的装置；用于在输入到压缩机之前将排气冷 却至接近于大气温度或者该大气温度以下的装置。根据本发明的冲压式喷气发动机在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这里 包括任意的冲压式喷气发动机，其中，压缩机和膨胀器位于一个轴上；轴的压缩机和膨胀器 部是分离的，能够允许空气或气体通过轴的中空部的四个端部输入或输出；轴的压缩机或 膨胀器部通过实心轴连接在延伸到各轴中的轴线上，并且由压缩机轴内的径向壁支撑，并 且终止在膨胀器轴的靠近膨胀器转子的中部的实心部处。另外，根据本发明的冲压式喷气发动机在这里可以包括这样的实施例，该实施例 在这里包括任意的冲压式喷气发动机，其中，压缩机和膨胀器位于一个轴上；压缩机的轴是 非中空的，并且直径小于轴的除靠近压缩机转子的中间部之外的扩展部分；压缩机能够允 许通过轴在壳体和外壳内的切除量将空气或气体输入到该压缩机；压缩机轴延伸到膨胀器 轴中，并且与扩展轴的靠近扩展转子的中间部的实心部连接。根据本发明的其它实施例在这里可以包括这样的实施例，该实施例在这里包括任 意的冲压式喷气发动机，其中，所述轴是中空的，并且能够允许大气或气体穿过中空部；压缩机和膨胀器位于同一轴上；轴的压缩机部没有径向出口 ；压缩机能够允许空气或气体通 过轴的在壳体和外壳内的切除量输入到该压缩机；和/或压缩机在壳体和外壳中具有圆形 开口，该圆形开口面向绕轴的壳体，并且能够允许空气或气体穿过开口而进入压缩机中。根据本发明的冲压式喷气发动机的实施例在这里可以包括这样的实施例，该实施 例在这里包括任意的冲压式喷气发动机，其中，压缩机和膨胀器位于一个轴上，该轴是中空 的或者在两端被穿孔，该轴的实心部被分成压缩机和膨胀器的输入流动区域和输出流动区 域。另外，根据本发明的冲压式喷气发动机在这里可以包括这样的实施例，该实施例 在这里包括任意的冲压式喷气发动机，其中，压缩机转子上的外壳包括第一开口，该第一开 口的半径允许空气或气体进入外壳的面向壳体的一侧；压缩机转子上的面向外壳的一侧 的壳体包括半径较小的第二开口 ；在压缩机转子上，由高张力纤维屑卷绕体支撑的多孔材 料或纤维垫占据第一开口，并且位于外壳与轴之间，以及朝壳体延伸，并且能够与轴一起旋 转；压缩机轴和膨胀器轴是中空的，压缩机轴没有径向出口，膨胀器轴中的径向出口具有这 样的区域，该区域被选择为能够容纳通过轴的两个端部来自膨胀器的排气流。本发明还包括组织空气或气体流以形成发动机的方法，该方法包括通过在空气 或者气体上进行作业来加速和压缩环境大气中的空气或气体，以实现目标的空气或气体 流，接着；将空气或气体流减速并压缩至接近临界温度的空气或气体流，而不在空气或气体 流上进行作业，接着，在近似恒定的压力下加热空气或气体流，以保持接近临界温度，接着， 通过不在空气或气体流上进行作业而加速并减压空气或气体流，接着，通过使空气或气体 流进行作业而减速并减压空气或气体流，并且从空气或气体流形成排气，其中，所述排气能 够产生推力。实施例还包括组织空气或气体流的方法，其中上述作用中的一种或多种是可 选的。
本发明的实施例包括减速空气或气体流动的方法和用于执行该方法的装置，该方 法包括将空气或气体沿在两个表面之间的会聚方向引导空气或气体，该两个表面通过弯曲 表面环带的方式在所选择的一段距离上会聚。本发明的实施例包括一种方法和用于执行该方法的装置，该方法用于将超音速流 转变成亚音速流，或者将亚间速流转变成超音速流，该方法包括在没有德拉瓦尔喷嘴或者 节流区域的情况下减速超音速流或者加速亚音速流。为了在温度为TtlK的大气中在冲压式喷气发动机内重新形成马赫速度为M的飞行 条件，在每秒流量速率的质量足以与飞行中的冲压式喷气发动机相配或者超过该冲压式喷 气发动机的情况下，在低热损失下足以将空气压缩至其临界温度TsK与冲压式喷气发动机 内的空气的临界温度相等的点。图1是示出了如何布置具体功能构件的示意图。例如，图 1示出了压缩机、冲压式喷气发动机和膨胀器的一个实施例的示意图。为了易于说明，表1 中提供了的术语涉及图1中的各相关点。
权利要求
1.一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气能够形成在大约10 1至大 约92 1的范围内的压缩比。
11.根据权利要求10所述的设备，当流动和旋转被反向时，所述设备能够作为膨胀器操作。
12.根据权利要求9所述的设备，其中所述环带的相对内表面具有这样的形状，该形状在操作期间形成其周向速度与距轴线 的距离成反比的光滑流；所述环带具有外径，所述外径被选择为在操作期间，局部超音速流在所述环带内改变 成局部亚音速；以及所述环带没有节流区域。
13.根据权利要求9所述的设备，其还包括可调节的条或带，所述可调节的条或带位 于在所述环带周围的所述螺旋室的螺旋壁内，所述可调节的条或带能够移动离开所述螺旋 壁，以遵循所述气体或空气流的自然螺旋形状，并且限制径向流。
14.一种冲压式喷气发动机，其能够作为具有局部超音速输出的固定或亚音速冲压式 喷气发动机来操作，该冲压式喷气发动机包括根据权利要求1所述的设备；局部输入德拉尔喷嘴，用于接收来自所述出口的局部亚音速流，其中所述局部输入德 拉尔喷嘴被构造成使得没有所述高速流动区域和节流区域；以及 燃烧室，用于接收来自所述局部输入德拉尔喷嘴的空气或气体流。
15.根据权利要求14所述的冲压式喷气发动机，其还包括局部输出德拉尔喷嘴，该喷嘴能够接收来自所述燃烧室的局部亚音速空气或气体，并 且能够加速所述空气或气体流，以局部亚音速地输入到膨胀器出口，其中所述局部输出德 拉尔喷嘴被构造成使得没有所述节流区域和更高速度区域；其中所述膨胀器出口将流供应到一室，所述室能够在不具有节流区域的情况下将流引 向一环带，所述环带能够在不具有节流区域的情况下接收局部亚音速流，并将所述局部亚 音速流加速至局部超音速；其中所述环带能够将流引向膨胀器转子，所述膨胀器转子能够在不具有节流区域的情 况下将局部超音速流减速到局部亚音速，并且使温度降低；以及膨胀器轴，其能够用所述转子从燃烧产物除去的高能量来驱动负载。
16.根据权利要求15所述的冲压式喷气发动机，其中，所述压缩机、所述冲压式喷气发 动机和所述膨胀器中的每个均具有能够被紧固在一起以形成一个壳体的壳体。
17.根据权利要求15所述的冲压式喷气发动机，其中，所述压缩机、所述冲压式喷气发 动机和所述膨胀器中的每个均具有能够被附接到共用框架的壳体。
18.根据权利要求9所述的设备，该设备还包括圆环，其布置在所述叶片的外叶片边缘半径之外，并且与所述转子可操作地相联，其中 所述圆环包括纤维垫、多孔材料或者金属网中的至少一个，并且包括小流动导槽，使得在操 作期间，空气或气体流能够穿过所述结构叶片之间，并且流过所述圆环；以及 环形空间，其位于所述转子内，处于所述外叶片边缘半径与所述圆环之间。
19.根据权利要求9所述的设备，该设备包括碳纤维的卷绕体，其围绕所述外叶片边缘周向地布置，其中所述卷绕体能够允许径向 空气或气体流相对于所述转子以亚音速速度从所述叶片之间穿过并到达所述环带。
20.根据权利要求9所述的设备，其中附加的叶片附接到所述结构叶片之间的所述轴， 并且包括PAN碳纤维束，所述碳纤维束被压在一起，并且被金属或陶瓷涂覆或渗透以形成 结合的片材。
全文摘要
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。
文档编号F01D9/02GK102046954SQ200980119198
公开日2011年5月4日 申请日期2009年3月25日 优先权日2008年3月25日
发明者罗伯特·G·霍克黛, 鲁弗斯·G·克雷 申请人:友好发明有限责任公司