专利名称：旋转式热力发动机的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种喷气推进的旋转式热力发动机，它的转子由从喷射部件喷出的物质的反作用力旋转驱动。
用喷射物质的反作用力产生原动力早已为人所知。例如，Goddard的美国专利2,637,166揭示了一种涡轮机，其中用高速喷射物质的反作用力实现涡轮机的旋转。Howard的美国专利2,603,947揭示了一种用于在一种连续燃烧型发生器中旋转的冲压式喷气发动机结构。Goddard的美国专利2,544,420揭示了一种用于在推进装置，诸如在驱动螺旋桨轴的装置中提供旋转动力的燃烧室。Hart的美国专利2,499,863揭示了一种喷射物质推动的旋转式马达。
最近，本发明人在旋转式热力发动机领域进行了研发，为此，本发明人已收到了1995年4月25日授予的美国专利5,408,824和1996年10月1日授予的美国专利5,560,196。这些专利揭示的内容将被本文引用。
发明概要本发明的各优点中最明显的是提供一种改进的旋转式热力发动机及其使用方法。
在本发明的一个方面，一种喷气推动的旋转式发动机包括一个定子和一个可操作地耦合于定子并能相对于定子绕自身轴线旋转的转子。该转子包括至少第一和第二两个喷射部件，第一喷射部件成形有第一收缩流动区域、位于第一收缩流动区域(converging flow region)下游的第一扩张流动区域(divergingflow region)以及第一排出口。第二喷射部件成形有第二收缩流动区域、位于第二收缩流动区域下游的第二扩张流动区域以及第二排出口。这种旋转式发动机还包括一个有上游部分的燃烧区域。这种旋转式发动机构造成能使氧-燃料混合物在燃烧区域发生燃烧反应而生成燃烧反应产物，燃烧反应产物至少包括一部分将通过第一和第二喷射部件的排出口喷出的推力物质。这种旋转式发动机构造成能使至少某些氧-燃料混合物在燃烧区域的上游部分内燃烧，使得至少一部分燃烧反应发生在燃烧区域的上游部分，并且构造成有通道使至少某些在燃烧区域的上游部分生成的推力物质流动通过第一和第二喷射部件的排出口。
在本发明的另一方面，一种喷气推动的旋转式发动机包括一个定子和一个可操作地耦合于定子并能相对于定子绕自身轴线旋转的转子。该转子包括至少一个喷射部件，该喷射部件成形有收缩流动区域、位于收缩流动区域下游的扩张流动区域以及排出口。这种旋转式发动机具有包括一个上游部分的燃烧区域，并能使氧-燃料混合物在所述燃烧区域发生燃烧反应而生成燃烧反应产物，燃烧反应产物至少包括一部分将通过所述排出口喷出的推力物质。这种旋转式发动机还构造成能使至少某些氧-燃料混合物在燃烧区域的上游部分内燃烧。喷射部件构造成在推力物质被从排出口喷出时使推力物质的喷射流以超音速从所述排出口喷出，而且所述喷射流有一喷射流中心线(jet streamcenterline)。燃烧区域的上游部分至转子轴线的间隔距离不超过R的90％，这里R是转子轴线与上述喷射流中心线之间的最短距离。
在本发明的再一个方面，一种喷气推动的旋转式发动机包括一个定子和一个可操作地耦合于定子并能相对于定子绕自身轴线旋转的转子。该转子包括至少一个成形有收缩流动区域、位于收缩流动区域下游的扩张流动区域以及排出口的喷射部件。该喷射部件构造成在转子绕转子轴线旋转时走过一个环形路径。一个燃烧区域至少部分地由转子形成并有一个上游部分。这种旋转式发动机构造成能使氧-燃料混合物在燃烧区域发生燃烧反应而生成燃烧反应产物，燃烧反应产物至少包括一部分将通过喷射部件的排出口喷出的推力物质。这种旋转式发动机还构造成能使至少某些氧-燃料混合物在燃烧区域的上游部分内燃烧，使得至少一部分燃烧反应发生在燃烧区域的上游部分。这种旋转式发动机还构造成有通道，使至少某些在燃烧区域的上游部分生成的推力物质流动通过喷射部件的排出口，并且还包括围绕着喷射部件走过的环形路径的大致的环形管道。该管道有大致为环形的管道扩张区域和环形的管道端壁。管道的扩张区域随着其径向向外延伸而扩张，而管道端壁的内表面围绕着管道的扩张区域。
在本发明的再一个方面，一种喷气推动的旋转式发动机包括一个定子和一个可操作地耦合于定子并能相对于定子绕自身轴线旋转的转子。该转子包括至少第一和第二两个喷射部件。第一喷射部件成形有第一收缩流动区域、位于第一收缩流动区域下游的第一扩张流动区域以及第一排出口。第二喷射部件成形有第二收缩流动区域、位于第二收缩流动区域下游的第二扩张流动区域以及第二排出口。这种旋转式发动机还包括一个燃烧区域，该燃烧区域具有由定子形成的上游部分。这种旋转式发动机构造成能使氧-燃料混合物在燃烧区域发生燃烧反应而生成燃烧反应产物，燃烧反应产物至少包括一部分将通过所述第一和第二喷射部件的排出口中的至少一个喷出的推力物质。这种旋转式发动机还构造成能使至少某些氧-燃料混合物在燃烧区域的上游部分内燃烧，使得至少一部分燃烧反应发生在燃烧区域的上游部分。
在本发明的再一个方面，一种喷气推动的旋转式发动机包括一个定子和一个可操作地耦合于定子并能相对于定子绕自身轴线旋转的转子。该转子包括至少一个蒸汽通道，该蒸汽通道成形有蒸汽进口、蒸汽收缩流动区域、位于蒸汽收缩流动区域下游的蒸汽扩张流动区域以及蒸汽排出口。蒸汽排出口构造成在转子绕转子轴线旋转时走过一个环形的路径。蒸汽通道隔开于转子的任何燃烧区域，并构造成能使蒸汽以超音速经蒸汽排出口喷出。这种旋转式发动机还包括围绕着蒸汽排出口走过的环形路径的大致的环形管道，该管道具有大致为环形的管道扩张区域，该管道扩张区域是随着其径向地向外延伸而扩张。
在本发明的再一个方面，一种方法包括提供一种具有定子、转子、燃烧区域和大致的环形管道的喷气推动的旋转式发动机。转子可操作地耦合于定子并能够相对于定子绕自身轴线旋转。转子包括至少一个喷射部件，该喷射部件成形有收缩流动区域、位于收缩流动区域下游的扩张流动区域以及排出口。喷射部件构造成在转子绕转子轴线旋转时走过一个环形的路径。燃烧区域至少部分地由转子形成并有上游部分。这种旋转式发动机构造成能使氧-燃料混合物在燃烧区域发生燃烧反应而生成燃烧反应产物，该燃烧反应产物至少包括一部分将通过喷射部件的排出口喷出的推力物质。这种旋转式发动机还构造成能使至少某些氧-燃料混合物在燃烧区域的上游部分内燃烧，使得至少一部分燃烧反应发生在燃烧区域的上游部分。这种旋转式发动机还构造成有通道，使至少某些在燃烧区域的上游部分生成的推力物质流动通过喷射部件的排出口。管道围绕着由喷射部件走过的环形路径。这种方法还包括使冷却流体贴着环形管道流动以冷却管道。
在本发明的再一个方面，一种方法包括提供一种具有定子、转子和燃烧区域的喷气推动的旋转式发动机。转子可操作地耦合于定子并能够相对于定子绕自身轴线旋转，并且包括至少一个推力物质喷射部件和至少一个蒸汽喷射部件。推力物质喷射部件成形有推力物质收缩流动区域、位于推力物质收缩流动区域下游的推力物质扩张流动区域以及推力物质排出口。蒸汽喷射部件成形有蒸汽收缩流动区域、位于蒸汽收缩流动区域下游的蒸汽扩张流动区域以及蒸汽排出口。燃烧区域至少部分地由转子形成。这种旋转式发动机构造成能使氧-燃料混合物在燃烧区域发生燃烧反应而生成燃烧反应产物，该燃烧反应产物至少包括一部分将通过所述推力物质排出口喷出的推力物质。这种方法还包括以使推力物质的喷射流以超音速从推力物质排出口喷出的方式使这种喷气推动的旋转式发动机运转，以及，以使蒸汽的喷射流以超音速从蒸汽排出口喷出的方式使这种喷气推动的旋转式发动机运转。
本发明的其它特点和优点将在下面的说明中部分地显现出来和部分地被指出。
附图简要说明
图1是本发明的旋转式热力发动机的立体视图。
图2是从大致相反的方向看的图1所示旋转式热力发动机的立体视图。
图3是通过转子轴线所在平面截取的、图1所示旋转式热力发动机的主机部件的剖视图。
图4是通过图3中的线″4-4″所在平面截取的、图1所示旋转式热力发动机的转子的剖视图。
图5是图1所示旋转式热力发动机的转子的侧视图。
图6是通过包括转子轴线的一个平面截取的、图1所示旋转式热力发动机的局部放大剖视图，表示出了转子的径向最外部分及其邻近的环形管道。
图7是类似于图6的视图，它表示出了环形管道的一个可替代实施例。
图8是图1所示的旋转式热力发动机的工作流程图。
在所有这些附图中，对应的标号表示对应的零件。
最佳实施例的描述参阅各图，特别是先看图1，本发明的旋转式热力发动机整体地以标号″20″表示。该旋转式发动机20适合于燃烧各种类型的燃料，以产生旋转的机械动力，随后将机械动力最好是转换成电功率。
旋转式发动机20总的包括主机部件22(示于图3但在图1和2中被遮盖了)、机壳24、发电机26、空气供应部件28、过热器30和沸腾板式热交换器32。空气供应部件28可取地采用电力驱动的增压器来为主机部件22供应加压的空气。加压空气随后与燃料混合并在主机部件22内燃烧而通过排气物质的喷射喷出的反作用力产生旋转的机械动力。旋转的机械动力驱动发电机26最好是耦合于逆变器的直流发电机来发出电功率。排气物质从主机部件22流出，流经过热器30，继而进入热交换器32，然后从旋转式发动机20排出。
图3所示的主机部件22包括转子36和定子38。转子36安装成可相对于定子38旋转，以便把燃料燃烧产生的热能转换成转子相对于定子的、绕自身轴线X的旋转运动。
图4和5示出的转子36包括多个(4个为较佳)推力物质喷射部件40和多个沿径向间隔于转子轴线X的蒸汽喷射部件42。每一推力物质喷射部件40成形有推力物质通道44的下游部分，每一通道下游部分又包括推力物质收缩区域46、位于推力物质收缩区域46下游的推力物质扩张区域48以及推力物质排出口50。每一推力物质通道44可取的是部分地由推力物质管52形成，推力物质管52从位于中央的推力物质室54以垂直于转子轴线X的角度沿径向向外延伸，并且然后转向为绕转子轴线X向着与转子的设计转向相反的方向周向地延伸，并构造成推力物质排出口，该排出口构造成使推力物质沿转子轴线X的大致切线方向喷出。推力物质管52最好是圆形截面的，并且最好是用钛合金制成，以使其重量轻，强度高，又耐热。
转子36还包括多个(4个为较佳)蒸汽管56，每一蒸汽管56围绕着对应的一个推力物质管52。蒸汽管56的内径大于推力物质管52的外径，而在其间形成蒸汽通道58。与推力物质管52相似，蒸汽管56最好也由钛合金制成并具有圆形截面。每一蒸汽管56最好沿其长度和圆周在几个间隔的部位用钨极惰性气体保护焊(tig welded)焊接于其对应的推力物质管52，以便固定两者间的相对位置。每一蒸汽通道58与一个蒸汽喷射部件42连通，使得各蒸汽喷射部件构成蒸汽通道的下游。与推力物质喷射部件40相似，每一蒸汽喷射部件42包括蒸汽收缩区域60、位于蒸汽收缩区域60下游的蒸汽扩张区域62以及蒸汽排出口64。
转子36的推力物质室54可取地具有大致的圆柱形内部容积66，它由对中于转子轴线X的圆柱形气室壁68限定。圆柱形气室壁68的第一轴向端部70从转子36的其余部分沿轴向伸出并可取地敞开于转子36的外部。气室的相反的第二轴向端部72由端壁74封闭，该端壁74最好是向气室54的内部容积66内拱凸的。多个引导叶片76较佳地从圆柱形气室壁68沿径向向内伸入推力物质室54的内部容积66，并且在轴向是从推力物质室端壁74伸出。引导叶片76和端壁74的拱凸形状构造成适合于在旋转式发动机20工作过程中转子36绕其轴线旋转时增大气流从推力物质室54进入推力物质管52的效率。
中央蒸汽管78沿轴向对中于转子轴线X并在推力物质室54的内部容积66内延伸，中央蒸汽管78的轴向一端固定于推力物质室54的端壁74，而另一端延伸超出圆柱形气室壁68的轴向端部70。邻接于推力物质室54的端壁74的多个蒸汽导管80将中央蒸汽管78连接于多个蒸汽管56，使得中央蒸汽管和蒸汽导管构成转子36的蒸汽通道58的组成部分。
这一较佳实施例的转子36还包括多个腹板82、多个喉部密封板84、一对平圆形的阻力扳86以及驱动轴88。每一腹板82定向为垂直于转子轴线X并且较佳地沿轴向对中于蒸汽管56的中心，使得每一腹板82把邻接的一对蒸汽管互相连接起来。每一喉部密封板84的轴向宽度，在其邻接于一个推力物质排出口50的终止处可取地等于蒸汽管56的直径，而在邻接于一个蒸汽喷射部件42的终止处它变成更窄了(如图5所示)。阻力板86定向成垂直于转子轴线X，并固定于蒸汽管56的沿轴向两个相对的侧面。驱动轴88沿轴向对中于转子轴线X，并从转子沿轴向向推力物质室54和中央蒸汽管78的相反方向延伸。驱动轴88构造成能将旋转式发动机20的转子36发出的旋转机械动力传递给发电机26，以便产生电功率。
主机部件22的定子38较佳地围绕着转子36的一部分。有多个空气轴承把转子36安装成可相对于定子38旋转。第一空气轴承90支承着转子36的气室壁68的第一轴向端70，而第二空气轴承92支承着转子36的驱动轴88。还有，第三空气轴承94支承着转子36的中央蒸汽管78。空气轴承可较佳地用于减少旋转摩擦及其产生的热量，若是用一般的滚子或球轴承，在旋转式发动机20的工作过程中，由于转子36相对于定子38的高速旋转，摩擦和生热就会较严重。
主机部件22的定子38较佳地包括筒状的燃烧室96、环状的空气室98、蒸汽通道100以及环状的管道102。燃烧室96较佳地对中于转子轴线X并且是圆柱形的，其半径远小于R，这个R是转子轴线X和推力物质喷射部件40的喷射流中心线CL之间的距离。较佳的是，燃烧室穿过气室壁68的第一轴向端70部分地延伸进转子36的推力物质室54。定子38的空气进口室98围绕着转子轴线X并限定一个空气通道，该通道连通于旋转式发动机20的空气供应部件28、定子38的燃烧室96以及燃烧室96和转子36的气室壁68之间的区域。定子38的蒸汽通道100连通于旋转式发动机20的过热器30和转子36的中央蒸汽管78。
定子较佳地还包括燃料供应管路104、多个火花钨丝(tungusten sparkwire)106以及多个混合叶片108。燃料供应管路构造成适合于从燃料源(未示)向燃烧室96提供燃料。火花钨丝构造成能点燃供应到燃烧室96的燃料。混合叶片108设置在燃烧室内并构造成能与向燃烧室供应的燃料和空气相混合。
定子38的环形管道102围绕着转子36的推力物质喷射部件40和蒸汽喷射部件42，并且通过定子38的阻力板110固定于定子的其余部分，该定子阻力板110定位成沿轴向邻接于转子的阻力板86。这一较佳实施例的环形管道102详细地示于图6，并且较佳地包括环形收缩区域112、围绕着环形收缩区域的环形扩张区域114以及围绕着环形扩张区域的环形端壁116。环形端壁116较佳地是弧形断面的，并且较佳地被环形外壁118包围着，该环形外壁118也是弧形断面的，并且与管道102的环形端壁116之间有间隔，而在其间形成了环形第一蒸汽通道120。还有一对环形第二蒸汽通道122设置在管道102的沿轴向相对的两侧。
图7示出了可替代的管道124，它包括环形喉部区域126，该喉部区域的轴向宽度近似等于转子36的推力物质排出口50的宽度。与图6所示的管道102的较佳实施例类似，这一可替代管道124也包括围绕着环形喉部区域126的环形扩张区域128、围绕着环形扩张区域的环形端壁130以及环形外壁132，该环形外壁132间隔于管道的环形端壁130，而在其间形成了环形蒸汽通道134。
旋转式发动机20的工作示意地表示于图8。在运转时，空气供应部件28通过多级离心风机增压器抽进空气，并把空气较佳地以60-70磅每平方英寸之间的压力提供给主机部件22。或者，添加氧或用氧替代供应给旋转式发动机20的空气(本说明书中把空气和/氧统称为空气)。一旦在定子38的空气室98内的空气被引导而使空气流的一部分进入定子38的燃烧室96，以及使一部分空气流绕过燃烧室而在燃烧室96与转子36的气室壁68之间流动，在燃烧室96与气室壁68之间流动的空气流就起着冷却燃烧室96的壁的作用，并将靠近主机部件22的第一空气轴承90的气室壁68保持在相对低的温度。
旋转式发动机20构造成适合于燃烧各种类型的燃料，诸如甲烷、丙烷、天然气、汽油、柴油以及煤油。如图8所示以及下面还将详细说明，可将提供给转子36的一些过热蒸汽混合于燃料使燃料在进入燃烧室96之前羟基化。燃烧室96内的混合叶片108可确保由燃料供应管路104供应的燃料和空气室98提供的空气在燃烧室内充分混合。火花钨丝106用于初始点燃燃料和空气混合物。但是，在旋转式发动机20的运转过程中，一旦空气和燃料混合物被点燃，燃烧就会一直进行直到停止燃料供应。
一些被引入推力物质室54的未反应的物质，例如氮、过量的和旁通的空气、氧、水等，混合在燃烧反应的产物中，但它们不是燃烧反应的一部分。燃烧反应产物和未反应的物质(将它们统称为“推力物质”)从推力物质室54流入转子36的推力物质管52。虽然空气和燃料混合物的燃烧初始发生在定子38的燃烧室96内，但是在空气和燃料混合物进入转子36的推力物质室54以及流过推力物质通道44的其他部分过程中，燃烧将继续进行。这样，燃烧既在定子38内的区域进行也在转子36内的区域进行。推力物质室54内的引导叶片76帮助使推力物质转向进入转子36的推力物质管52。通过将旋转式发动机20的燃烧区域定位在转子36的推力物质排出口50的上游，可以减少推力物质喷射部件40的燃烧中断现象，甚至可能消除。
主机部件22的定子38构造成可使通过定子38的蒸汽通道100供应的蒸汽扩张进入转子36的中央蒸汽管78。来自定子38的蒸汽通道100的蒸汽在进入转子36的中央蒸汽管78之前较佳地先过热至800°F左右，这一点下面还将讨论。当蒸汽流过转子的中央蒸汽管78的内部进入蒸汽管56时，蒸汽被热的推力物质进一步加热。
流过转子36的推力物质通道44的推力物质最终到达推力物质喷射部件40。随着推力物质流经推力物质喷射部件40的推力物质收缩区域46，推力物质的流速增加到近似马赫数1，随后推力物质进入推力物质扩张区域48，在那里它进一步被加速，最终以较佳地近似马赫数2.7的速度从推力物质排出口50喷出。同样，随着蒸汽在蒸汽通道58内流动，它最终流经转子36的蒸汽喷射部件42，在那里蒸汽流经蒸汽收缩区域60和蒸汽扩张区域62时被加速到马赫数3.3的超音速，并且就以这样的速度从转子36的蒸汽排出口64喷出。本技术领域的人应该理解，通过调整气流流经的通道的截面面积和/或相对于气流将排放入的环境的总压力或总温度改变气流的总压力或总温度，可以控制可压缩气流的喷出速度。
从推力物质喷射部件40和蒸汽喷射部件42喷出的推力物质和蒸汽的反作用力驱动转子36较佳地以18,000转/分钟的转速旋转。定子38的阻力板110与转子36的阻力板86之间的空气由于转子相对于定子的旋转运动被从其间抽出，从而造成部分真空，它可以降低作用在转子上的阻力。
蒸汽喷射部件42较佳地行走围绕转子轴线X走过一个环形路径，它沿径向处在推力物质喷射部件40行走的环形路径的外面。在图6所示的定子38的环形管道102的结构中，蒸汽喷射部件42行走的环形路径相对于转子轴线X是沿径向定位为使蒸汽喷射部件42位于环形管道102的环形收缩区域112内，接近环形扩张区域114。转子36的喉部密封件84的渐窄性质使喉部密封件具有类似于环形管道102的轮廓的轮廓，并且允许喉部密封件84有效地起到环形管道102的径向内边界的作用。这样，从推力物质喷射部件40和蒸汽喷射部件42喷出的推力物质和蒸汽(统称为排气物质)必须通过环形管道102的环形收缩区域112，在其中排气物质的流动截面收缩因而流动减速。环形管道102的环形收缩区域112构造成可使排气物质的流速减速至马赫数1.0，然后，推力物质流(exhaust matter flow)进入环形管道102的环形扩张区域114，它使流动速度进一步降低到亚音速。这样，环形管道102的环形收缩区域112和环形扩张区域114起到降低排气物质的流速的作用，使得转子的路径内不会产生强烈的冲击波。与从推力物质喷射部件40喷出的排气物质的速度相比，从蒸汽喷射部件42喷出的蒸汽的相对较高的速度可使作用于从推力物质喷射部件40喷出的推力物质的背压降低，这样可提高发动机的效率，同时又能防止喷射部件40、42走过的环形路径内形成强烈冲击波。随着排气物质流被减速，物质流的动能损失由静态压力和温度的升高来补偿，这将增加可用于过热器中的放热的热量(到底的循环(bottoming cycle))。
一旦排气物质流流过环形管道102的环形扩张区域114，排气物质流就沿着环形管道102的环形端壁116沿周向流动，直到它最终流经延伸穿过环形管道102的环形端壁116的排出口(未示)被排入旋转式发动机20的过热器30。这样，环形管道102就构成排气物质流经过的排出区域的一部分。为了回收排气物质流的一些热量，用流经环形外壁118与环形端壁116之间形成的第一蒸汽通道120的蒸汽冷却环形管道102的环形端壁116。另外，让蒸汽流经环形管道102的第二蒸汽通道122，让它去冷却形成环形管道102的环形收缩区域112和环形扩张区域114的壁面，这样进一步从排气物质流回收热量。
在图7所示的旋转式发动机实施例中，一个可替代的管道124具有环形喉部区域126，其轴向宽度近似等于转子的推力物质喷射部件40的推力物质排出口50的宽度。这样，从转子36流出的排气物质流流经替代管道124的环形喉部区域126时速度将降低很少。随着排气物质流到达替代管道124的环形扩张区域128，它遇到不连续性，这促生一个波，该波通过管道124的环形扩张区域128内的驻定冲击波使排气物质流降速至亚音速。从这一观点来看，可替代管道的作用与这一实施例的环形管道102相同。
从转子36喷出的排气物质，一流出主机部件22的环形管道102就进入过热器30。该过热器30包括大致的筒形通道，该通道具有许多充满蒸汽的小管子(未示)从中穿过。在过热器的这些蒸汽管内流动的蒸汽与主机部件22的环形管道102的第一蒸汽通道120连通。同时，在过热器30内热量被从排气物质流传递给流经过热器的蒸汽管的蒸汽。
从过热器流出的排气物质进入沸煮板式热交换器32，使交换器内的水转变成蒸汽，这样进一步降低排气物质流的温度并从其回收热量。最后，排气物质经由排气管从热交换器32和旋转式发动机20排出。排气管构造成可将排气物质排入旋转式发动机的外部环境，或者排入一个可将排气物质从旋转式发动机输送出去的废气系统。
如上所述和图8所示，应该理解，用从转子出来的排气物质流使蒸汽过热，而蒸汽最终供应给转子36的中央蒸汽管78。随着水供应到旋转式发动机20的沸煮板式热交换器32，水被转变成蒸汽，随后蒸汽又进入旋转式发动机20的过热器32，在其中水被加热到远高于其沸点的温度。蒸汽在流经过热器30之后进入环形管道102的第一和第二蒸汽通道120、122，在其中蒸汽被进一步加热。可选择性地将从环形管道102出来的一部分过热蒸汽用于使向定子38的燃烧室96供应的燃料烃基化，而其余的过热蒸汽进入转子36的中央蒸汽管78。在转子内，热量被进一步地从推力物质通道44内的排气物质流经由推力物质管52的热传导传递给蒸汽通道58内的蒸汽流。这样，在本发明的这一实施例的旋转式发动机20内，蒸汽的作用是作为到底的循环的一部分，在这种循环中排气的尽可能多的热能被通过用蒸汽冷却排气来回收。
鉴于上述，应能认识到，本发明的几个目的和其它优良效果都可以达到。还应理解，本发明的各个目的及其优点可以互相独立地实现。例如，本发明的许多原理可用在不包括任何燃烧室的蒸汽喷射旋转式发动机中(即转子只由蒸汽驱动)。这样，在本发明的范围内，在上述构造中可以做出各种各样的改变，所以，应该认识到，以上描述的和附图表示的全部内容都是示例性的，而没有限制本发明的意思。
权利要求
1.一种喷气推动的旋转式发动机包括一个定子；一个可操作地耦合于所述定子并能相对于所述定子绕自身轴线旋转的转子，所述转子包括至少第一和第二两个喷射部件，所述第一喷射部件成形有第一收缩流动区域、位于第一收缩流动区域下游的第一扩张流动区域以及第一排出口，所述第二喷射部件成形有第二收缩流动区域、位于第二收缩流动区域下游的第二扩张流动区域以及第二排出口；以及一个有上游部分的燃烧区域，所述旋转式发动机构造成能使氧一燃料混合物在所述燃烧区域发生燃烧反应而生成燃烧反应产物，该燃烧反应产物至少包括一部分将通过所述第一和第二喷射部件的排出口喷出的推力物质，所述旋转式发动机构造成能使至少某些氧一燃料混合物在所述燃烧区域的所述上游部分内燃烧，使得至少一部分燃烧反应发生在所述燃烧区域的所述上游部分，所述旋转式发动机构造成有通道使至少某些在所述燃烧区域的所述上游部分生成的推力物质流动通过所述第一和第二喷射部件的排出口。
2.如权利要求1所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述旋转式发动机构造成能使所述推力物质以超音速从所述第一和第二喷射部件的排出口喷出，所述第一和第二喷射部件设置成在所述转子绕转子轴线旋转时走过一个环形路径，所述旋转式发动机还包括围绕着所述环形路径的大致为环形的管道，所述管道具有环形扩张区域，所述管道的所述扩张区域沿径向向外扩张。
3.如权利要求2所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述管道具有大致为环形的收缩区域，所述管道的所述扩张区域围绕着所述管道的所述收缩区域，所述管道的所述收缩区域沿径向向外收缩。
4.如权利要求2所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述管道还包括环形端壁，所述环形端壁的内表面围绕着所述管道的所述扩张区域。
5.如权利要求4所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述端壁的所述内表面在沿一个包含所述转子轴线的平面截取的横剖面内看是凹形的。
6.如权利要求4所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述管道还包括供冷却所述管道的冷却流体从中流过的流体通道。
7.如权利要求1所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述燃烧室的所述上游部分至少部分地由所述定子形成。
8.如权利要求1所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述第一和第二喷射部件构成第一和第二推力物质喷射部件，以及，所述转子还包括至少第一和第二蒸汽喷射部件，所述第一蒸汽喷射部件成形有第一蒸汽收缩流动区域、位于第一蒸汽收缩流动区域下游的第一蒸汽扩张流动区域以及第一蒸汽排出口，所述第二蒸汽喷射部件成形有第二蒸汽收缩流动区域、位于第二蒸汽收缩流动区域下游的第二蒸汽扩张流动区域以及第二蒸汽排出口，所述旋转式发动机构造成有通道使蒸汽能流动通过所述第一和第二蒸汽喷射部件的蒸汽排出口。
9.如权利要求8所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述旋转式发动机构造成能使所述推力物质以第一超音速从所述第一和第二推力物质喷射部件的排出口喷出，所述旋转式发动机还构造成能使蒸汽以第二超音速从所述第一和第二蒸汽喷射部件的蒸汽排出口喷出，所述第二超音速高于所述第一超音速。
10.如权利要求9所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述第一推力物质喷射部件的第一排出口定位成沿径向处于所述第一蒸汽喷射部件的第一蒸汽排出口以内，所述第二推力物质喷射部件的第二排出口定位成沿径向处于所述第二蒸汽喷射部件的第二蒸汽排出口以内。
11.一种喷气推动的旋转式发动机包括一个定子；一个可操作地耦合于所述定子并能相对于所述定子绕自身轴线旋转的转子，所述转子包括至少一个喷射部件，所述喷射部件成形有收缩流动区域、位于收缩流动区域下游的扩张流动区域以及排出口；一个有上游部分的燃烧区域，所述旋转式发动机构造成能使氧—燃料混合物在所述燃烧区域发生燃烧反应而生成燃烧反应产物，该燃烧反应产物至少包括一部分将通过所述排出口喷出的推力物质，所述旋转式发动机构造成能使至少某些氧—燃料混合物在所述燃烧区域的所述上游部分内燃烧；所述喷射部件适用于在所述推力物质被从所述排出口喷出时所述推力物质的喷射流从所述排出口以超音速喷出，而且所述喷射流有一喷射流中心线；所述燃烧区域的所述上游部分至所述转子轴线的间隔距离不超过R的90％，这里R是所述转子轴线与所述喷射流中心线之间的最短距离。
12.如权利要求11所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述燃烧区域的所述上游部分至所述转子轴线的间隔距离不超过R的75％。
13.如权利要求12所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述燃烧区域的所述上游部分至所述转子轴线的间隔距离不超过R的50％。
14.如权利要求13所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述燃烧区域的所述上游部分至所述转子轴线的间隔距离不超过R的25％。
15.如权利要求11所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述喷射部件是一个第一喷射部件，所述转子还包括一个成形有第二收缩流动区域、位于第二收缩流动区域下游的第二张流动区域以及第二排出口的第二喷射部件，所述第二喷射部件适用于在所述推力物质被从所述排出口喷出时所述推力物质的第二喷射流从所述第二排出口以超音速喷出，而且所述第二喷射流有一第二喷射流中心线，所述第二喷射流中心线至所述转子轴线的间隔距离等于R。
16.如权利要求11所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述喷射部件构造成在所述转子绕所述转子轴线旋转时走过一个环形路径，所述旋转式发动机还包括一个围绕着所述环形路径的大致为环形的管道，所述管道有大致为环形的扩张区域，所述管道的所述扩张区域沿径向向外扩张。
17.如权利要求11所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述燃烧区域的所述上游部分至少部分地由所述定子形成。
18.一种喷气推动的旋转式发动机包括一个定子；一个可操作地耦合于所述定子并能相对于所述定子绕自身轴线旋转的转子，所述转子包括至少一个喷射部件，所述喷射部件成形有收缩流动区域、位于收缩流动区域下游的扩张流动区域以及排出口，所述喷射部件构造成在所述转子绕所述转子轴线旋转时走过一个环形路径；一个至少部分地由所述转子形成的燃烧区域，所述燃烧区域有一上游部分，所述旋转式发动机构造成能使氧—燃料混合物在所述燃烧区域发生燃烧反应而生成燃烧反应产物，该燃烧反应产物至少包括一部分将通过所述喷射部件的所述排出口喷出的推力物质，所述旋转式发动机构造成能使至少某些氧—燃料混合物在所述燃烧区域的所述上游部分内燃烧，使得至少一部分燃烧反应发生在所述燃烧区域的所述上游部分，所述旋转式发动机构造成有通道使至少某些在所述燃烧区域的所述上游部分生成的推力物质能流动通过所述喷射部件的排出口；以及一个围绕着由所述喷射部件走过的所述环形路径的大致为环形的管道，所述管道有大致为环形的管道扩张区域和环形管道端壁，所述管道扩张区域沿径向向外扩张，所述管道端壁有围绕着所述管道扩张区域的内表面。
19.如权利要求18所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述管道还包括环形管道收缩区域，所述管道的扩张区域围绕着所述管道的收缩区域，所述管道的收缩区域沿径向向外收缩。
20.如权利要求18所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述管道端壁的所述内表面在沿一个包含所述转子轴线的平面截取的横剖面内看是大致凹形的。
21.如权利要求18所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述管道还包括供冷却所述管道端壁的冷却流体从中流过的流体通道。
22.如权利要求18所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述喷射部件构成推力物质喷射部件，以及，所述转子还包括至少一个蒸汽喷射部件，所述蒸汽喷射部件成形有蒸汽收缩流动区域、位于蒸汽收缩流动区域下游的蒸汽扩张流动区域以及蒸汽排出口，所述旋转式发动机构造成有通道使蒸汽能流动通过所述蒸汽喷射部件的蒸汽排出口。
23.如权利要求22所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述旋转式发动机构造成能够使所述推力物质以第一超音速从所述推力物质喷射部件的排出口喷出，所述旋转式发动机还构造成能够使蒸汽以第二超音速从所述蒸汽喷射部件的蒸汽排出口喷出，所述第二超音速高于所述第一超音速。
24.如权利要求22所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述环形管道还包括环形管道收缩区域，所述管道扩张区域围绕着所述管道收缩区域，所述管道收缩区域沿径向向外收缩，所述蒸汽喷射部件构造成在所述转子绕所述转子轴线旋转时走过一个环形蒸汽喷射路径，所述蒸汽喷射路径至少部分地处在所述管道收缩区域内。
25.一种喷气推动的旋转式发动机包括一个定子；一个可操作地耦合于所述定子并能相对于所述定子绕自身轴线旋转的转子，所述转子包括至少第一和第二两个喷射部件，所述第一喷射部件成形有第一收缩流动区域、位于所述第一收缩流动区域下游的第一扩张流动区域以及第一排出口，所述第二喷射部件成形有第二收缩流动区域、位于所述第二收缩流动区域下游的第二扩张流动区域以及第二排出口；以及一个有由所述定子形成的上游部分的燃烧区域，所述旋转式发动机构造成能使氧—燃料混合物在所述燃烧区域发生燃烧反应而生成燃烧反应产物，该燃烧反应产物至少包括一部分将通过所述第一和第二喷射部件的排出口中的至少一个喷出的推力物质，所述旋转式发动机构造成能使至少某些氧—燃料混合物在所述燃烧区域的所述上游部分内燃烧，使得至少一部分燃烧反应发生在所述燃烧区域的所述上游部分。
26.如权利要求25所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述喷射部件构造成在所述转子绕所述转子轴线旋转时走过一个环形路径，所述旋转式发动机还包括一个围绕着所述环形路径的大致为环形的管道，所述管道具有大致为环形的扩张区域，所述管道的所述扩张区域沿径向向外扩张。
27.如权利要求26所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述管道还包括大致为环形的收缩区域，所述管道的扩张区域围绕着所述管道的收缩区域，所述管道的收缩区域沿径向向外收缩。
28.如权利要求26所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述管道还包括环形端壁和流体通道，所述环形端壁具有围绕着所述管道的所述扩张区域的内表面，所述流体通道适合于冷却流体从其中流过以冷却所述管道。
29.如权利要求25所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述第一和第二喷射部件构成第一和第二推力物质喷射部件，以及，所述转子还包括至少第一和第二蒸汽喷射部件，所述第一蒸汽喷射部件成形有第一蒸汽收缩流动区域、位于所述第一蒸汽收缩流动区域下游的第一蒸汽扩张流动区域以及第一蒸汽排出口，所述第二蒸汽喷射部件成形有第二蒸汽收缩流动区域、位于所述第二蒸汽收缩流动区域下游的第二蒸汽扩张流动区域以及第二蒸汽排出口，所述旋转式发动机构造成有通道使蒸汽能流动通过所述蒸汽喷射部件的蒸汽排出口。
30.如权利要求29所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述旋转式发动机构造成能使所述推力物质以第一超音速从所述第一和第二推力物质喷射部件的排出口喷出，所述旋转式发动机还构造成能使蒸汽以第二超音速从所述第一和第二蒸汽喷射部件的蒸汽排出口喷出，所述第二超音速高于所述第一超音速。
31.如权利要求30所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述第一推力物质喷射部件的第一排出口定位成沿径向处于所述第一蒸汽喷射部件的第一蒸汽排出口以内，所述第二推力物质喷射部件的第二排出口定位成沿径向处于所述第二蒸汽喷射部件的第二蒸汽排出口以内。
32.一种方法包括提供一种包括定子、转子、燃烧区域和大致为环形的管道的喷气推动的旋转式发动机，所述转子可操作地耦合于所述定子并能相对于所述定子绕自身轴线旋转，所述转子包括至少一个喷射部件，所述喷射部件成形有收缩流动区域、位于收缩流动区域下游的扩张流动区域以及排出口，所述喷射部件构造成在所述转子绕所述转子轴线旋转时走过一个环形路径，所述燃烧区域至少部分地由所述转子形成，所述燃烧区域有上游部分，所述旋转式发动机构造成能使氧—燃料混合物在所述燃烧区域发生燃烧反应而生成燃烧反应产物，该燃烧反应产物至少包括一部分将通过所述喷射部件的排出口喷出的推力物质，所述旋转式发动机构造成能使至少某些氧—燃料混合物在所述燃烧区域的所述上游部分内燃烧，使得至少一部分燃烧反应发生在所述燃烧区域的所述上游部分，所述旋转式发动机构造成有通道使至少某些在所述燃烧区域的所述上游部分生成的推力物质流动通过所述喷射部件的所述排出口，所述管道围绕着由所述喷射部件走过的环形路径；以及使冷却流体贴着所述环形管道流动以冷却所述管道。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述使冷却流体贴着所述环形管道流动的步骤包括使蒸汽贴着所述环形管道流动而冷却所述管道。
34.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述提供一种喷气推动的旋转式发动机的步骤包括提供一种喷气推动的旋转式发动机，该旋转式发动机的管道具有大致的环形扩张区域，并且所述管道的扩张区域沿径向向外扩张。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述提供一种喷气推动的旋转式发动机的步骤包括提供一种喷气推动的旋转式发动机，该旋转式发动机的管道还包括大致的环形收缩区域，所述管道的所述扩张区域围绕着所述管道的所述收缩区域，并且所述管道的收缩区域沿径向向外收缩。
36.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述提供一种喷气推动的旋转式发动机的步骤包括提供一种喷气推动的旋转式发动机，该旋转式发动机的管道包括环形端壁，所述环形端壁的内表面围绕着所述管道的所述扩张区域，所述管道的所述内表面在沿一个包含所述转子轴线的平面截取的横剖面内看是大致凹形的。
37.一种方法包括提供一种喷气推动的旋转式发动机，该旋转式发动机包括定子、转子和燃烧区域，所述转子可操作地耦合于所述定子并能相对于所述定子绕自身轴线旋转，所述转子包括至少一个推力物质喷射部件和至少一个蒸汽喷射部件，所述推力物质喷射部件成形有推力物质收缩流动区域、位于所述推力物质收缩流动区域下游的推力物质扩张流动区域以及推力物质排出口，所述蒸汽喷射部件成形有蒸汽收缩流动区域、位于所述蒸汽收缩流动区域下游的蒸汽扩张流动区域以及蒸汽排出口，所述燃烧区域至少部分地由所述转子形成，所述旋转式发动机构造成能使氧—燃料混合物在所述燃烧区域发生燃烧反应而生成燃烧反应产物，该燃烧反应产物至少包括一部分将通过所述推力物质排出口喷出的推力物质；以使推力物质的喷射流以超音速从所述推力物质排出口喷出的方式使所述喷气推动的旋转式发动机运转；以及以使蒸汽的喷射流以超音速从所述蒸汽排出口喷出的方式使所述喷气推动的旋转式发动机运转。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于所述以使推力物质的喷射流以超音速从所述推力物质排出口喷出的方式使所述喷气推动的旋转式发动机运转的步骤包括以使推力物质的喷射流以第一超音速从所述推力物质排出口喷出的方式使所述喷气推动的旋转式发动机运转；以及所述以使蒸汽的喷射流以超音速从所述蒸汽排出口喷出的方式使所述喷气推动的旋转式发动机运转的步骤包括以使蒸汽的喷射流以第二超音速从所述蒸汽排出口喷出的方式使所述喷气推动的旋转式发动机运转；所述第二超音速高于所述第一超音速。
39.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述提供一种喷气推动的旋转式发动机的步骤包括提供一种喷气推动的旋转式发动机，该旋转式发动机的推力物质喷射部件的推力物质排出口定位在所述蒸汽喷射部件的蒸汽排出口与所述转子轴线之间。
40.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述蒸汽流从所述蒸汽排出口喷出与所述推力物质从所述推力物质排出口喷出是同时进行的。
41.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述提供一种喷气推动的旋转式发动机的步骤包括提供一种喷气推动的旋转式发动机，该旋转式发动机的转子成形有推力物质流动通道和蒸汽流动通道，所述推力物质流动通道至少部分地由所述燃烧区域、所述推力物质收缩流动区域以及所述推力物质扩张流动区域形成，所述转子构造成能把热量从推力物质流动通道传递到蒸汽流动通道，所述蒸汽流动通道构造成在氧—燃料混合物在所述燃烧区域燃烧时在蒸汽流动通道内流动的蒸汽被推力物质流动通道加热。
42.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述以使推力物质的喷射流从所述推力物质排出口喷出的方式使所述喷气推动的旋转式发动机运转的步骤包括以将推力物质的喷射流排入一个排气区域的方式使所述喷气推动的旋转式发动机运转，所述方法还包括以在所述排气区域用推力物质加热蒸汽的方式使所述喷气推动的旋转式发动机运转；以使被加热了的蒸汽随后流过蒸汽收缩流动区域、蒸汽扩张流动区域以及蒸汽排出口而使被加热了的蒸汽构成蒸汽喷射流的至少一部分的方式使所述喷气推动的旋转式发动机运转。
43.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述以使推力物质的喷射流从所述推力物质排出口喷出的方式使所述喷气推动的旋转式发动机运转的步骤包括以将推力物质的喷射流排入一个排气区域的方式使所述喷气推动的旋转式发动机运转，所述方法还包括以使推力物质的喷射流在被从所述排出口喷出之后在流过所述排气区域时先收缩随后又扩张的方式使所述喷气推动的旋转式发动机运转。
44.一种喷气推动的旋转式发动机包括一个定子；一个可操作地耦合于所述定子并能相对于所述定子绕自身轴线旋转的转子，所述转子包括至少一个蒸汽通道，所述转子的所述蒸汽通道成形有蒸汽进口、蒸汽收缩流动区域、位于所述蒸汽收缩流动区域下游的蒸汽扩张流动区域以及蒸汽排出口，所述蒸汽排出口在所述转子绕所述转子轴线旋转时走过一个环形路径，所述转子的所述蒸汽通道隔开于所述转子的任何燃烧区域，所述蒸汽通道构造成能使蒸汽以超音速经蒸汽排出口喷出；以及围绕着所述蒸汽排出口走过的环形路径的大致的环形管道，所述管道具有大致为环形的管道扩张区域，所述管道扩张区域沿径向向外扩张。
45.如权利要求44所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述管道具有大致的环形管道收缩区域，所述管道的所述扩张区域围绕着所述管道的所述收缩区域，所述管道的所述收缩区域沿径向向外收缩。
46.如权利要求44所述的喷气推动的旋转式发动机，其特征在于，所述管道还包括环形端壁，所述环形端壁的内表面围绕着所述管道的所述扩张区域。
全文摘要
一种喷气推动的旋转式发动机包括定子和转子，转子可操作地耦合于定子并能相对于定子绕自身轴线旋转。转子包括至少第一和第二两个喷射部件，其中第一喷射部件成形有第一收缩流动区域、位于第一收缩流动区域下游的第一扩张流动区域以及第一排出口，第二喷射部件成形有第二收缩流动区域、位于第二收缩流动区域下游的第二扩张流动区域以及第二排出口。所述旋转式发动机还包括具有上游区域的燃烧区域并构造成能使氧－燃料混合物在燃烧区域发生燃烧反应而生成燃烧反应产物，该燃烧反应产物至少包括一部分将通过所述第一和第二喷射部件的排出口喷出的推力物质。旋转式发动机构造成能使至少某些氧－燃料混合物在燃烧区域的上游部分内燃烧，使得至少一部分燃烧反应发生在燃烧区域的上游部分，旋转式发动机构造成有通道使至少某些在燃烧区域的上游部分生成的推力物质流动通过第一和第二喷射部件的排出口。
文档编号F02C3/22GK1653252SQ02819114
公开日2005年8月10日 申请日期2002年8月20日 优先权日2001年8月20日
发明者A·施罗特 申请人:创新能量股份有限公司