ДОЗВУКОВЫЕ И СТАЦИОНАРНЫЕПРЯМОТОЧНЫЕ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ Российский патент 2014 года по МПК F02K7/10 F02C6/18 F01D5/28 

Ссылки на родственные заявки

[0001] Данная заявка опирается на описание сущности изобретения и претендует на приоритет даты подачи предварительной заявки на патент США №61/039406, поданной 25 марта 2008 года, описание сущности изобретения указанной заявки включено в настоящий документ посредством ссылки во всей полноте.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники изобретения

[0002] Настоящее изобретение относится к сфере силовых установок, В частности, настоящее изобретение относится к устройствам и методам, используемым в тепловых двигателях для различных применений, включая механические приводы. Варианты конструктивного исполнения настоящего изобретения представляют собой дозвуковые и стационарные прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД).

Предшествующий уровень техники

[0003] Самым эффективным методом сохранения ископаемых топлив и снижения выработки углекислого газа (CO₂) во всем мире является повышение эффективности автомобильных двигателей и других двигателей, работающих на топливе. КПД среднестатистического автомобильного двигателя на дорогах Соединенных Штатов Америки составляет приблизительно 21%. Автомобильный двигатель с КПД сжигания топлива 21% потребляет в три раза больше топлива, чем автомобильный двигатель с КПД 63%. ПВРД обладают КПД 63% и выше.

[0004] ПВРД существуют уже порядка 50 лет и известны благодаря своему высокому КПД, однако на сегодняшний день они фактически не имеют коммерческого применения, кроме как в военной технике. Для этого имеется ряд причин. При сверхзвуковой скорости образуются ударные волны, которые тратят энергию бесполезно. Если летательный аппарат не летит на очень большой высоте, где воздух намного разреженней, то он будет потреблять большой объем топлива при полете в сверхзвуковом режиме. Таким образом, в коммерческом отношении применение сверхзвуковых самолетов не имеет большого экономического спроса. Тем не менее, некоторый спрос существует, но ПВРД не удовлетворяют его, несмотря на то, что они намного эффективнее газотурбинных двигателей (ГТД).

[0005] Термины «сверхзвуковой» и «дозвуковой» обычно относятся к скорости звука в окружающей среде. Внутри аппарата, описанного в настоящем изобретении, скорость звука изменяется в зависимости от температуры, поэтому слова «сверхзвуковой» и «дозвуковой» обычно относятся к местной скорости звука в воздухе или газе в таких условиях. Скорость звука может отличаться в два раза в одном и том же воздухе или газе, проходящем через аппарат. Скорости Маха почти всегда относятся к скорости звука в атмосфере.

[0006] В ПВРД применяются сопла Лаваля для преобразования сверхзвуковой скорости воздуха в дозвуковую скорость и наоборот, при наличии обратного потока воздуха в сопле. Сопла Лаваля - высокоэффективные устройства, известные уже в течение более чем столетия. Входное сопло Лаваля снижает сверхзвуковую скорость воздуха посредством уменьшения сечения канала, через который проходит воздушный поток, до размеров так называемого дроссельного отверстия, в котором воздух достигает местной скорости звука. После дросселя сечение потока в сопле увеличивается, что еще больше снижает скорость воздуха. Чем быстрее сопло перемещается в воздухе, тем больше воздуха проходит через один и тот же дроссель по той причине, что высокая кинетическая энергия воздуха по отношению к соплу преобразуется в более высокую температуру и более высокую плотность в сопле Лаваля. Но для каждой скорости воздушного потока секундный расход воздуха через дроссель является величиной фиксированной. Дроссель регулирует расход на каждом уровне энергии воздуха. В ПВРД имеется дроссель во входном сопле, а также дроссель в выходном сопле двигателя. Оба этих дросселя регулируют расход воздуха/газа. Именно в этом и заключается проблема. Их необходимо координировать при сверхзвуковой скорости. Это возможно, но весьма сложно. Если при преобразовании дозвуковой скорости в сверхзвуковую выходное сопло Лаваля не получает достаточного потока, то преобразование в сверхзвуковую скорость не будет являться изэнтропическим, и при этом снижается реактивная тяга. Если сопло получает слишком большой поток, то часть газа нагнетается обратно, что приводит к увеличению давления в камере сгорания. С ростом давления в камере сгорания создается подпор в переднем, или входном, сопле Лаваля.

[0007] Другая проблема ПВРД заключается в том, что они работают только на сверхзвуковых скоростях. ПВРД не может устанавливаться внутри обычного моторного отсека по той причине, что полеты на сверхзвуковых скоростях требуют более высоких оборотов, чем может выдержать двигатель, даже если его будет удерживать очень длинное плечо. Испытания ПВРД в стационарном режиме возможны в сверхзвуковой аэродинамической трубе, но это не является практичным способом получать механическую энергию из ПВРД. Более того, использование парных сопл Лаваля является еще одним ограничивающим фактором, из-за которого ПВРД не используются повсеместно в авиации.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0008] В свете описанных выше проблем, имеющих отношение к существующим ПВРД, цель некоторых предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения заключается в том, чтобы показать, как использовать стационарный ПВРД для получения механической энергии. Далее, некоторые раскрытые варианты реализации настоящего изобретения показывают, как заменить сопло Лаваля преобразователем сверхзвуковых скоростей в дозвуковые скорости, который не имеет дросселя. Более того, некоторые варианты реализации настоящего изобретения показывают, каким образом из окружающей атмосферы создавать приближенные к адиабатным или почти адиабатные высокоэнергетические потоки воздуха и газов, которые позволяют ПВРД работать с высоким КПД. Термин «адиабатный» обычно обозначает процесс без потока тепла в или из воздуха или газа, что достижимо только на приблизительном уровне. Более того, некоторые варианты реализации настоящего изобретения показывают, как извлекать энергию из ПВРД в виде механической работы. Помимо этого, использование ПВРД посредством данных методов создает возможность в некоторых предпочтительных способах реализации устранить все значительные ударные волны из процесса и избежать сопротивления, приводящего к потерям, чтобы энергия не расходовалась бесполезно. Некоторые ударные волны при сверхзвуковом полете невозможно устранить, но некоторые ударные волны на передних кромках двигателя устраняются посредством использования именно стационарного двигателя. Остальные ударные волны незначительны.

[0009] Используемое в настоящем описании понятие дросселя относится к устройству, ограничивающему, направляющему и/или сдерживающему поток при переходе с локально сверхзвуковой на локально дозвуковую скорость или при переходе с локально дозвуковой на локально сверхзвуковую скорость, со всех сторон сечения потока, через более узкий фиксированный канал. В контексте настоящего изобретения, когда упоминается участок без дросселя или область без дроссельного отверстия, то имеется в виду конструкция, которая не вынуждает поток воздуха или газа при переходе величины скорости через местную скорость звука проходить сквозь фиксированный участок, ограниченный со всех сторон. Например, ротор не вынуждает проходить весь поток через одно или более сопел Лаваля, а кольцевое пространство со спирально выходящим потоком позволяет потоку воздуха или газа при переходе через местную скорость звука распространяться радиально для заполнения нужной области, причем на выпуске не происходит перехода через скорость звука. Сечение потока не ограничивается при переходе через скорость звука, то есть поток может распространяться, по крайней мере, в одном направлении.

[00010] Помимо инженерной механики и физики, научная основа, использованная в настоящем патенте, частично использует основы динамики высокоскоростных газовых потоков. Например, такой источник, как «Динамика газов», авторами которого являются Джеймс Е.А. Джон, Тео Г. Кит (2005), часто используется в настоящем патенте.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[00011] На фиг.1 изображена принципиальная схема одного из вариантов реализации компрессора, ПВРД и детандера в соответствии с настоящим изобретением.

[00012] На фиг.2 изображен разрез одного из вариантов реализации двигателя, в том числе компрессора, ПВРД и детандера, в соответствии с настоящим изобретением.

[00013] На фиг.3 изображен разрез одного изобретенного варианта компрессора в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора.

[00014] На фиг.4 изображен разрез одного изобретенного варианта детандера в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора.

[00015] На фиг.5 представлено увеличенное изображение разреза одного изобретенного варианта компрессора и детандера в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, с увеличенным изображением деталей уплотнений подвижных соединений.

[00016] На фиг.6 представлено увеличенное изображение разреза одного изобретенного варианта компрессора и детандера в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, с увеличенным изображением деталей конструкций чередующихся лопаток и каналов.

[00017] На фиг.7 представлена диаграмма профиля зазора спиральной камеры радиального потока с радиусом, который обеспечивает, чтобы скорость радиального потока была обратно пропорциональна радиусу спиральной камеры.

[00018] На фиг.8 представлена диаграмма профиля зазора спиральной камеры радиального потока с радиусом, который обеспечивает, чтобы скорость радиального потока была постоянной при заданном радиусе спиральной камеры.

[00019] На фиг.9 представлена диаграмма профиля зазора спиральной камеры радиального потока с радиусом, который обеспечивает, чтобы скорость радиального потока была прямо пропорциональна радиусу спиральной камеры.

[00020] На фиг.10 представлено увеличенное изображение разреза одного варианта компрессора и детандера в соответствии с настоящим изобретением в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, с увеличенным изображением деталей входящего потока и выходящего потока полого вала - конфигурации, позволяющей в два раза увеличить мощность при небольших потерях КПД.

[00021] На фиг.11 представлено увеличенное изображение разреза одного варианта кольцевой камеры настоящего изобретения в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, с изображением поверхностных волокон, позволяющих минимизировать развитие пограничного слоя.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

[00022] Далее приводится подробная ссылка на различные примеры реализации настоящего изобретения. Приведенное ниже подробное описание предназначено для объяснения конкретных вариантов реализации настоящего изобретения, и поэтому его не следует рассматривать в качестве описания, ограничивающего данное изобретение приведенными вариантами реализации. Истинный объем изобретения определяется пунктами патентной формулы.

[00023] Температуры в данном документе обычно приводятся в градусах абсолютной шкалы Кельвина, иногда в градусах по Цельсию, за комнатную температуру обычно принимается приблизительно 294 градусов Кельвина (К). Атмосферным воздухом или газом считается воздух или газ при давлении и температуре окружающей среды. Если атмосферная температура равна Т₀ К, и воздух или газ адиабатически изменяется каким-либо способом до тех пор, пока температура торможения не станет равной T_s К, то результат этого изменения называется в данном документе «высокоэнергетическим» воздухом или газом при условии, что температура торможения потока T_s К в три или более раз превышает Т₀ К. Высокоэнергетический воздух/газ обладает удельной энергией, равной приблизительно отношению T_s/T₀, умноженному на удельную энергию воздуха/газа при атмосферной температуре и давлении. Даже при температуре T₀ К обычный атмосферный воздух/газ имеет температуру торможения, равную T_s К = 3 Т₀ К при скорости Маха 3,162, при этом T_s К повышается пропорционально квадрату числа Маха.

[00024] «Удельный» предел прочности материала равен его пределу прочности на разрыв, поделенному на его удельную плотность, которая, в свою очередь, равна отношению плотности материала к плотности воды. Аналогично, «удельная» прочность на сжатие равна отношению прочности на сжатие к удельной плотности. Удельная прочность является показателем качества материалов ротора, поскольку силы пропорциональны удельной плотности.

[00025] «Числа Маха» обычно относятся к скорости звука в местной атмосфере. Скорость звука в ПВРД может изменяться в 2 раза или более. Термины «сверхзвуковой» и «дозвуковой» в данном тексте относятся к скорости звука в воздухе/газе, которые были сжаты, что также называется «местной» скоростью звука в воздухе/газе. Увеличение температуры вызывает рост скорости звука в воздухе/газе. Используемый в данном документе термин «адиабатный» относится к его общепринятому значению, обычно он используется для обозначения процесса, при котором «не происходит значительного получения или отдачи тепловой энергии». Данный термин всегда является лишь приблизительно точным.

[00026] В настоящее изобретение включены устройства, системы и методы выработки энергии, в том числе аппарат, не имеющий дросселя (в качестве одного из вариантов), для создания локально дозвукового потока воздуха или газа с температурой торможения в 1,5-10 раз выше абсолютной температуры входящего воздуха или газа, в состав которого входят: компрессор, состоящий из: ротора (без дросселя в качестве варианта исполнения), способного ускорять воздух или газ до потока с локально сверхзвуковой скоростью; и камеры, способной получать и затормаживать (без дросселя в качестве варианта исполнения) локально сверхзвуковой поток до локально дозвуковой скорости, и выпускать исходящий поток через выходное отверстие (без дросселя в качестве варианта исполнения).

[00027] Кроме того, настоящее изобретение включает в себя любой аппарат, описанный в данном документе, ротор которого позволяет поддерживать устойчивое вращение при расчетной окружной скорости, равной от приблизительно 2000 футов в секунду до приблизительно 5400 футов в секунду, который также способен ускорять поток воздуха или газа до примерно окружной скорости ротора.

[00028] Изобретение дополнительно включает в себя варианты конструктивного исполнения любого аппарата, описанного в данном документе, ротор которого дополнительно состоит из: вала, изготовленного из материала с высоким удельным пределом прочности на разрыв, центрированного на оси вращения, которая также называется осью поворота; рабочих лопаток и, дополнительно, сторон ротора, изготовленных из материала с высокой удельной прочностью на сжатие, функционально соединенных с валом посредством специального жгута из волокна с высоким удельным пределом прочности на разрыв.

[00029] Любой аппарат, описанный в данном документе, рабочие лопатки которого в состоянии покоя функционально присоединены к валу под действием сжимающих сил от приблизительно 50000 фунтов на квадратный дюйм до приблизительно 500000 фунтов на квадратный дюйм, также входит в объем настоящего изобретения.

[00030] Кроме того, в настоящее изобретение входят варианты конструктивного исполнения любых аппаратов, описанных в данном документе, в частности, компрессоров и/или детандеров, которые содержат жгуты из волокна с высоким удельным пределом прочности на разрыв, которые дополнительно могут быть покрыты или пропитаны металлами или керамикой, в результате чего образуются склеенные или сцепленные гибкие или жесткие прочные листы.

[00031] Помимо этого, варианты исполнения любого аппарата, описанного в данном документе, могут включать в себя жгуты из волокна с высоким удельным пределом прочности на разрыв, в состав которого входят, по крайней мере, один из приведенных типов волокон: нанотрубчатое композитное волокно, углеродное волокно, стекловолокно, металлокерамическое волокно, керамическое волокно и полимерные волокна или любые их сочетания.

[00032] Варианты конструктивного исполнения изобретения могут состоять из любых аппаратов, описанных в данном документе, включающих в себя материал с высокой удельной прочностью на сжатие, в состав которого входит, по крайней мере, один из приведенных компонентов: альфа карбид кремния, карбид бора, керамические материалы, алмазоподобные материалы, металл, полимер или любые их сочетания.

[00033] Другие варианты исполнения могут включать в себя любые аппараты, описанные в данном документе, изготовленные из материалов с высоким пределом прочности на разрыв, в состав которых входит, по крайней мере, один из приведенных компонентов: альфа карбид кремния, свитый с углеродным волокном с покрытием из алмазоподобных материалов; сталь, обработанная посредством скручивания на оси вала; титановый сплав, термически обработанный для обеспечения максимального предела прочности на разрыв; металл, керамический материал или полимер или любые их сочетания.

[00034] В соответствии с изобретением устройства могут включать в себя любые аппараты, описанные в данном документе, состоящие из вала с осевыми полостями или отверстиями, центрированными на оси вращения, и радиальных воздухоотводящих каналов ротора между рабочими лопатками, при этом полости или отверстия и радиальные воздухоотводящие каналы обеспечивают проход для нагнетания воздуха или газа в компрессор; в качестве варианта исполнения, многочисленные оболочки, функционально связанные с противоположными кромками рабочих лопаток, которые выступают за пределы вала, при этом оболочки способны удерживать воздух или газ между рабочими лопатками; в качестве варианта исполнения, термически изолированный кожух для, по крайней мере, некоторой части вала и ротора, в состав которого входят: кольцевая камера, окружающая, по крайней мере, некоторую часть ротора и способная принимать локально сверхзвуковой поток воздуха или газа из пространства между рабочими лопатками и оболочками и трансформировать его в поток с локально дозвуковой скоростью без дросселя; и камера, способная принимать локально дозвуковой поток из кольцевой камеры, при этом данная камера является спиральной, имеющей снаружи спиральную стенку и противоположные верхние и нижние внутренние поверхности, способные удерживать воздух или газ в спиральной камере, при этом данная спиральная камера способна подводить поток к точке выпуска.

[00035] Аппарат, соответствующий любому аппарату в этом документе, способному обеспечить степень сжатия от приблизительно 10:1 до приблизительно 92:1 для воздуха комнатной температуры, также входит в объем настоящего изобретения.

[00036] Эксплуатация любого компрессора в соответствии с настоящим изобретением в режиме реверса также практически осуществима. Например, варианты исполнения настоящего изобретения включают в себя любые компрессорные аппараты, описанные в данном документе, способные выступать в роли детандеров, когда поток и вращение реверсированы и наоборот.

[00037] Любой аппарат, описанный в данном документе в соответствии с изобретением, может содержать противоположные внутренние поверхности кольцевой камеры особой формы, позволяющей во время работы получать плавный поток с окружной скоростью, обратно пропорциональной расстоянию до оси; и/или кольцевую камеру с внешним диаметром, подобранным таким образом, чтобы во время работы локально сверхзвуковой поток трансформировался в локально дозвуковой поток в пределах кольцевой камеры; и/или кольцевую камеру без дросселя.

[00038] Также в качестве одного из вариантов осуществления настоящего изобретения включен любой аппарат, описанный в данном документе, содержащий регулируемую ленту или ремень, расположенный внутри спиральной стенки спиральной камеры вокруг кольцевой камеры, способный перемещаться по направлению от спиральной стенки в соответствии с естественной спиральной формой потока для ограничения радиального потока.

[00039] Также в объем настоящего изобретения входят двигатели. Двигатели в соответствии с настоящим изобретением могут включать в себя компрессор и/или детандер настоящего изобретения. Например, в настоящее изобретение включен ПВРД, способный работать в качестве стационарного или дозвукового ПВРД с локально сверхзвуковым выходом, в состав которого входят: компрессор, способный ускорять воздух или газ до локальной сверхзвуковой скорости; камера без дросселя, способная принимать и затормаживать локально сверхзвуковой поток до уровня локально дозвуковой скорости и направлять выходящий поток на выпуск; и частичное входное сопло Лаваля для приема локально дозвукового потока из выпуска, при этом частичное входное сопло Лаваля устанавливается таким образом, чтобы участки потока высокой скорости и дросселя отсутствовали или не использовались; и, в качестве одного из вариантов, камера сгорания для приема потока с входного сопла Лаваля.

[00040] Также в настоящее изобретение входит ПВРД, содержащий частичное выходное сопло Лаваля, способное принимать локально дозвуковой воздух или газ из камеры сгорания и способное ускорять поток для входа при локально дозвуковых скоростях в выпуск детандера, при этом частичное выходное сопло Лаваля имеет такую конфигурацию, что участки потока высокой скорости и дросселя отсутствуют или не используются; при этом с выпуска детандера поток подается в камеру, способную направлять поток в кольцевую камеру, способную принимать и ускорять локально дозвуковой поток до локально сверхзвуковой скорости без дросселя; при этом кольцевая камера способна направлять поток на ротор детандера, способный затормаживать локально сверхзвуковой поток до локально дозвуковой скорости и пониженной температуры; и вал детандера, способный приводить нагрузки посредством использования ротором большой энергии продуктов сгорания.

[00041] ПВРД в соответствии с изобретением может заключать в себе любой указанный ПВРД, в котором каждый из компрессоров, ПВРД, детандеров имеет корпуса, которые можно объединить в единый корпус.

[00042] Также в соответствии с изобретением ПВРД может заключать в себе ПВРД, в котором каждый из компрессоров, ПВРД, детандеров, имеет корпуса, которые можно присоединить к общей раме.

[00043] В соответствии с изобретением, компрессор и/или детандер могут включать варианты исполнения, содержащие любые детандеры или компрессоры, в которых круговое кольцо расположено за пределами радиуса внешних кромок лопаток и функционально связано с ротором, причем в состав кругового кольца входит, по крайней мере, один из приведенных компонентов: фибролит, пористый материал или металлическая сетка, и оно включает небольшие каналы потока, так что во время работы поток воздуха или газа может проходить между рабочими лопатками и через кольцо; причем образуется кольцевое пространство внутри ротора, между радиусом внешних кромок лопаток и кольцом.

[00044] В соответствии с изобретением, компрессор и/или детандер могут включать варианты исполнения, имеющие в своем составе любые детандеры или компрессоры, в которых витки из углеродного волокна расположены по окружности внешних кромок лопаток, причем виток позволяет радиальному потоку воздуха или газа проходить из пространства между лопатками в кольцевое пространство при дозвуковых скоростях по отношению к ротору.

[00045] Описанные в данном документе компрессор и/или детандер могут включать варианты исполнения, имеющие в своем составе любой детандер или компрессор, в которых дополнительные лопатки присоединены к валу между рабочими лопатками и содержат жгут из углеродного волокна на основе полиакрилонитрила (ПАН), сжатого и покрытого или пропитанного металлом или керамикой, для образования связанной гибкой пластины.

[00046] Кроме того, компрессор и/или детандер в соответствии с изобретением могут включать варианты исполнения, содержащие любой детандер или компрессор, в которых оболочки имеют фасонные части на наружной поверхности в пределах примерно полутора дюймов от радиуса оболочки, направленные в сторону корпуса; и/или корпус, содержащий кольца, обращенные к наружным поверхностям оболочек и отделенные от оболочек во время работы зазором, приблизительно равным от 0,0002 дюйма до 0,002 дюйма.

[00047] Компрессор и/или детандер в соответствии с изобретением могут включать варианты исполнения, содержащие любой детандер или компрессор, в которых форма наружных поверхностей оболочек имеет канавки, расположенные под таким углом, что во время работы ротора при скоростях Маха воздух или газ направляется канавками и зазором к большим радиусам, чтобы удерживать поток в противоположном направлении вокруг ротора.

[00048] В дополнение, компрессор и/или детандер в соответствии с изобретением могут включать варианты исполнения, содержащие любой детандер или компрессор, в которых на наружных поверхностях имеются внедренные в поверхности короткие волокна; и/или в которых волокнам имеют диаметры примерно 4-6 микрон, гладкие и круговые цилиндрические поверхности, расстояние между которыми больше их диаметров; и/или в которых волокна, способны выступать в поток на расстояние, более чем в 3 раза превышающее их диаметры, из противоположных поверхностей и способны загибаться по направлению поверхностей, когда высокоскоростной поток воздуха или газа проходит параллельно поверхностям.

[00049] В соответствии с изобретением, компрессоры и/или детандеры могут включать варианты исполнения, содержащие любые детандеры или компрессоры, в которых уплотнительное кольцо вала расположено в корпусе между ротором и кольцевой камерой с зазором от примерно 0,0002 дюйма до 0,002 дюйма между уплотнительным кольцом ротора и ротором; и/или направленные канавки на поверхности уплотнительного кольца ротора и наружной поверхности оболочек, которые направляют воздух или газ между кольцом и ротором к большим радиусам, таким образом, удерживая поток в противоположном направлении.

[00050] Кроме того, компрессор и/или детандер в соответствии с изобретением могут включать варианты исполнения, содержащие любой детандер или компрессор, в которых отношение длины камеры сгорания к ее ширине составляет примерно от трех до тысячи раз; и/или камера сгорания защищена от тепловых потерь для обеспечения менее 1% потерь энергии или КПД во время работы.

[00051] В соответствии с изобретением ПВРД может включать любой ПВРД, в котором камера сгорания содержит участки сужения или расширения внутреннего потока, способные увеличивать скорость потока воздуха или газа по направлению к локальной скорости звука и снижать максимальную температуру воздуха или газа до примерно 270 градусов Цельсия.

[00052] Кроме того, в соответствии с изобретением ПВРД может включать варианты исполнения, содержащие любой ПВРД, имеющие в своем составе одно или более средств для обеспечения циркуляции инертного газа или газа, не вступающего в химические реакции, через компрессор и ПВРД в роли рабочего газа двигателя; источник тепла для подогрева рабочего газа в камере сгорания, выбранный из вариантов: солнечное излучение или внешний источник тепла с теплообменником; средства для рециркуляции выхлопных газов обратно в компрессор; средства для охлаждения выхлопных газов до температуры, близкой к температуре окружающей среды или ниже ее, до подачи в компрессор.

[00053] В соответствии с изобретением ПВРД может включать любой ПВРД, в котором компрессор и детандер находятся на одном валу; компрессорный и детандерный участки вала являются раздельными, способными направлять воздух или газ на вход или выход через четыре конца полых участков вала; компрессорный и детандерный участки вала соединяются посредством сплошного вала на оси, входящего в каждый вал, поддерживаемого радиальными стенками внутри вала компрессора и заканчивающегося у сплошного участка вала детандера, вблизи середины ротора детандера.

[00054] В дополнение, в соответствии с изобретением ПВРД может включать варианты исполнения, содержащие любой ПВРД, в котором компрессор и детандер находятся на одном валу; вал компрессора не является полым, его диаметр меньше, чем диаметр вала детандера, за исключением участка около середины ротора компрессора; воздух или газ в компрессор может поступать через вырез в валу внутри корпуса и оболочек; вал компрессора входит в вал детандера и присоединен к сплошному участку вала детандера около середины ротора детандера.

[00055] Другие варианты исполнения ПВРД в соответствии с изобретением могут включать варианты, содержащие любой ПВРД, в котором вал является полым и позволяет выходному воздуху или газу проходить через полость; компрессор и детандер находятся на одном валу; компрессорная часть полости вала не имеет радиальных выпускных каналов; воздух или газ в компрессор может поступать через вырез в валу внутри корпуса и оболочек; и/или компрессор имеет круглые отверстия вокруг вала в корпусе и оболочках, обращенных к корпусу, что позволяет воздуху или газу проходить через отверстия в компрессор.

[00056] Варианты исполнения ПВРД в соответствии с изобретением могут включать варианты, содержащие любой ПВРД, в котором компрессор и детандер расположены на одном валу, имеющем полости или проточки с каждого конца, а сплошной участок вала разделяет участки входа и выхода потока компрессора и детандера.

[00057] Кроме того, варианты исполнения ПВРД в соответствии с изобретением могут включать варианты, содержащие любой ПВРД, в котором оболочка ротора компрессора содержит первое отверстие, выполненное на таком радиусе, который позволяет впускать воздух или газ со стороны оболочки, обращенной к корпусу; корпус, обращенный к стороне оболочки ротора компрессора, содержит второе отверстие на меньшем радиусе; на роторе компрессора пористый материал или фибролит, удерживаемый при помощи витков жгута из волокон с высоким пределом прочности на разрыв, заполняет первое отверстие, находится между оболочкой и валом, простирается в направлении корпуса и способен вращаться вместе с валом; вал компрессора и вал детандера являются полыми, вал компрессора не имеет радиальных выпускных каналов, а радиальные выпускные каналы вала детандера имеют площадь, выбранную из условия пропуска потока выхлопных газов из детандера через два конца вала.

[00058] Также изобретение включает в себя метод направления потока воздуха или газа для создания двигателя, содержащего: ускорение и сжатие воздуха или газа в окружающей атмосфере посредством выполнения действий с воздухом или газом для достижения необходимого потока воздуха или газа; затормаживание и сжатие потока воздуха или газа до температуры, почти равной температуре торможения потока без какой-либо работы над потоком; подогрев потока воздуха или газа при приблизительно постоянном давлении и при температуре полного торможения; ускорение и снижение давления потока воздуха или газа без какой-либо работы над потоком; затормаживание и снижение давления потока воздуха или газа таким образом, чтобы поток выполнял работу, и производство выхлопа из потока воздуха или газа, при котором выхлоп способен создавать тягу. Варианты исполнения также включают в себя такие методы направления потока воздуха или газа, при которых одно или более из вышеуказанных действий являются необязательными.

[00059] Варианты исполнения изобретения включают в себя метод затормаживания потока воздуха или газа, предусматривающий продвижение воздуха или газа в направлении стыка между двумя поверхностями, которые сходятся вместе на выбранном расстоянии посредством криволинейной поверхности кольцевой камеры, и приспособления для реализации данного метода.

[00060] Варианты исполнения изобретения включают в себя метод трансформирования сверхзвукового потока в дозвуковой поток или трансформирования дозвукового потока в сверхзвуковой поток, заключающийся в затормаживании сверхзвукового потока или ускорении дозвукового потока без применения сопла Лаваля или дросселя, а также приспособления для реализации данного метода.

[00061] Для воссоздания внутри ПВРД условий полета при скорости Маха М в атмосфере при температуре Т₀ К достаточно сжать воздух с низкой потерей тепла до уровня, при котором его температура полного торможения T_s К равна температуре полного торможения воздуха внутри ПВРД, при надлежащем массовом расходе для соответствия или превышения потребностей ПВРД в полете. Фиг.1 представляет собой принципиальную схему, показывающую возможную компоновку конкретных, функциональных узлов. Например, фиг.1 изображает принципиальную схему одного из вариантов компрессора, ПВРД и детандера. Для простоты различные узлы, представляющие интерес, указаны на фиг.1 при помощи терминов, содержащихся в таблице 1.

[00062]

Таблица 1: Справочный список узлов, отмеченных на фиг.1 1. Ось компрессора 2. Сверхзвуковой поток из компрессора 3. Сопло Лаваля - преобразователь сверхзвукового потока в дозвуковой 4. Дозвуковой поток с подводом тепла/камерой сгорания 5. Сопло Лаваля - преобразователь дозвукового потока в сверхзвуковой 6. Сверхзвуковой поток, поступающий в детандер 7. Ось декомпрессора/детандера 8. Спиральный поток, направленный вовнутрь 9. Радиальный канал 10. Радиальные лопатки 11. Радиальные каналы детандера 12. Радиальные каналы компрессора 13. Радиальные лопатки компрессора 14. Радиальный канал 15. Спиральный выходящий поток

[00063] Узлы компрессора 1, 12, 13, 14, 15 подают воздух/газ 2 на вход сопла Лаваля 3. Воздух/газ пропускается через участок подогрева 4, который обычно называется камерой сгорания. Нагретый воздух/газ выходит через заднюю часть сопла Лаваля 5 и поступает в детандер 6. Существуют различные способы осуществления этого процесса, предпочтительные способы будут показаны на фиг.2-10. На фиг.1, если выход 2 из узлов компрессора 1, 12, 13, 14, 15 является сверхзвуковым, то поток может подаваться напрямую в сопло Лаваля 3 в передней части ПВРД 3, 4, 5, в точку входного сопла Лаваля, в которой совпадают скорости потока воздуха. Например, сверхзвуковой поток, выходящий из компрессора, принимается входным соплом Лаваля в такой его точке, которая способна принимать сверхзвуковой поток. Если выход из компрессора 2 дозвуковой, он может подаваться в дозвуковую часть сопла Лаваля 3 после демонтажа секций высоких скоростей сопла. Условия в камере сгорания 4 в ПВРД 3, 4, 5 будут такими же, как при полете со скоростью Маха М в той же атмосфере, таким образом, ПВРД достигнет эффективности действия в полете. В различных исполнениях настоящего изобретения ПВРД 3, 4, 5 может быть либо стационарным, либо движущимся.

[00064] Для использования ПВРД 3, 4, 5 в качестве реактивного двигателя добавляется и сжигается топливо, либо же добавляется тепло в газ в камере сгорания 4, а сопло Лаваля 5 в задней части ПВРД преобразует дозвуковой поток в сверхзвуковой, создавая выхлопную струю реактивного двигателя, не показанную на фиг., которая не поступает в детандер.

[00065] Для использования ПВРД 3, 4, 5 в качестве механического двигателя, выхлопная струя 6 полностью или частично может подаваться на вход диффузора или детандера 7, 8, 9, 10, 11, который выдает механическую энергию на валу 7 и выбрасывает выхлопные газы, не показанные на фиг.. Распложенное в задней части ПВРД сопло Лаваля 5 может быть обрезано по сечению в том месте, где выход совпадает со скоростью на входе в детандер 6.

[00066] Ниже приводится описание одноступенчатого компрессора с валом 1, который вращает лопатки 13, присоединенные к валу, причем воздух/газ проходит между лопатками 12 с окружной скоростью от примерно 2000 футов в секунду до 5400 футов в секунду, 14, поток которых проходит по спирали наружу в корпус 15, выходит через выпускные каналы в качестве сверхзвукового потока 2 и поступает на вход расположенного в передней части ПВРД сопла Лаваля 3, соответствуя скорости потока в сопле. Также приводится описание одноступенчатого детандера с валом 7, который вращается лопатками 10, приводимыми в действие воздухом/газом 6, 11, который затормаживается под действием лопаток, образующими сверхзвуковой ротор 10, 11, движущийся с окружной скоростью 9, равной от примерно 2000 футов в секунду до 5400 футов в секунду, который принимает сверхзвуковой вход 6 от заднего ПВРД сопла Лаваля 5 и по спирали закручивает его вовнутрь, в направлении лопаток, что приводит к получению механической энергии и образованию выхлопных газов.

[00067] Далее описываются средства для замены переднего, или входного, сопла Лаваля 3 ПВРД на преобразователь сверхзвуковой скорости в дозвуковую без дросселя, и для замены заднего, или выходного, сопла Лаваля 5 ПВРД, на преобразователь дозвуковой скорости в сверхзвуковую без дросселя.

[00068] Также показано, как модифицировать компрессор со сверхзвуковым ротором 12, 13, работающий при той же скорости вращения, для получения выходного дозвукового потока с тем же высоким общим количеством энергии без необходимости пропускать поток через дроссель, а также то, как преобразовать сверхзвуковой детандер 7, 8, 9, 10, 11, работающий при том же числе оборотов, для создания дозвукового потока с тем же высоким общим количеством энергии без необходимости пропускать поток через дроссель.

[00069] Для того, чтобы приступить к данным описаниям, будет сначала описан ротор на валу, который может работать с окружной скоростью от примерно 2000 футов в секунду до примерно 5400 футов в секунду, а также будут описаны методы изготовления такого устройства. Для производства такого ротора для вала берется материал с высоким пределом прочности на разрыв. Термин «высокий предел прочности на разрыв», используемый в данном документе для вала, обозначает удельный предел прочности на разрыв в диапазоне примерно от 46000 до 47000 фунтов на квадратный дюйм. В одном конструктивном исполнении высокий предел прочности на разрыв составляет свыше 46000 фунтов на квадратный дюйм. Например, стальная струна и один известный тип титана «бета C» обладают очень высоким пределом прочности на разрыв среди металлов. Но эти материалы не находятся в том же диапазоне, как некоторые углеродные волокна, которые имеют пределы прочности на разрыв примерно в 10 раз выше. Жгуты из волокна с высоким пределом прочности на разрыв также используются для скрепления частей ротора, в том числе, при высоких механических напряжениях. В будущем жгут, изготовленный из углеродных нанотрубок, может быть лучшим вариантом; в настоящее время предпочтительным вариантом является углеродное волокно. Большинство углеродных волокон обладают примерно одинаковым удельным весом, некоторые такие волокна обладают пределом прочности на разрыв около 1000000 фунтов на квадратный дюйм, что выше, чем требуемый предел для применений настоящего изобретения. Используемый в данном документе термин «высокий предел прочности на разрыв» для углеродного волокна означает предел прочности в диапазоне примерно 400000-465000 фунтов на квадратный дюйм. В одном из вариантов у материала имеется предел прочности на разрыв свыше 400000 фунтов на квадратный дюйм. Углеродное волокно не является твердым, оно может истираться многими материалами, включая само это волокно. Для уменьшения или исключения износа или деформации ротора волокно может покрываться тонким слоем высокотемпературного износостойкого материала, такого как металл или керамика. Эластичные свойства, например, полиакрилонитрила, или ПАН, в составе углеродного волокна, который обычно называют «углеродное волокно на основе ПАН», сильно отличаются от эластичных свойств металлов. Углеродное волокно на основе ПАН может эластично растягиваться примерно на 2% без деформирования. При температурах, намного превышающих температуры, действующие на волокно в рамках реализации настоящего изобретения, волокно не разрывается, удлиняется или деформируется, как это делают металлы. Большинство металлов имеют предел эластичного растяжения, который составляет примерно 1/10 от величины для углеродного волокна на основе ПАН.

[00070] Углеродное волокно на основе ПАН используется в качестве конструкционного материала в роторе так же, как трос используется в подвесных мостах, таким образом, что во время циклов включения/выключения ротора изменение длины углеродного волокна на основе ПАН не будет превышать предел эластичности материалов покрытия волокна. Применяется материал с высоким пределом прочности на сжатие, такой как альфа карбид кремния, благодаря его низкому удельному весу наряду с высоким пределом прочности на сжатие, его высокому модулю упругости и отличной устойчивости к действию высоких температур и сопротивляемости окислению. Применяемый в данном документе термин материал с «высоким пределом прочности на сжатие» означает материал с пределом прочности на сжатие в диапазоне примерно от 80000 до 180000 фунтов на квадратный дюйм. В одном из вариантов материал с высоким пределом прочности на сжатие обладает пределом прочности свыше 160000 фунтов на квадратный дюйм. Примеры материалов с высоким пределом прочности на сжатие, которые могут применяться, подробно описаны ниже. Карбид кремния не подвергается воздействию температур, близких к максимальным температурам в ПВРД. Одним из способов достижения этого является подвергание карбида кремния действию высокого сжатия, то есть приблизительно той нагрузке, которую на него будет оказывать центробежная сила при максимальной скорости, при помощи углеродного волокна на основе ПАН на неработающем устройстве, чтобы во время его работы при максимальной скорости карбид кремния оставался на месте под действием сжатия и лишь немного расширялся под действием стационарного сжатия. Данное незначительное расширение, например, может быть в диапазоне примерно от 0,2% до 0,3% при скорости M=4. При расчетной скорости давление детали на вал может составлять около 10000 фунтов на квадратный дюйм или выше. Эта деталь помогает усилить вал для восприятия действия центробежных сил. Углеродное волокно на основе ПАН выступает в роли сильных сухожилий, а альфа карбид кремния выступает в роли сильных костей, образуя очень жесткую комбинацию. Углеродное волокно на основе ПАН может также использоваться для изготовления упругих лопаток посредством намотки волокна на фасонную основу из волокна с преимущественно радиальной ориентацией. Фасонная основа может крепиться к ротору и прочным стенками ротора или к волокну, натянутому по окружности ротора. Связующие материалы, такие как металлические покрытия или литейная керамика могут применяться для покрытия или пропитывания волокон для обеспечения их защиты.

[00071] До намотки углеродное волокно на основе ПАН можно покрыть тонким слоем металла или керамики для обеспечения износостойкого покрытия для мягких волокон. Мягкие волокна затем растягиваются до удлинения в 1% или более, что составляет примерно половину их максимального растяжения, с сохранением данного натяжения во время намотки для сжатия деталей из карбида кремния. Покрытие защищает мягкие углеродные волокна от взаимного истирания и истирания твердым карбидом кремния во время соединения. Покрытие должно быть металлическим или, возможно, керамическим, и может обеспечить защиту волокон во время работы в таких ситуациях, когда полимеры не выдержали бы воздействия присутствующих там температур. Первое покрытие волокна может наноситься после растяжения волокон. После наложения волокон дополнительное скрепляющее покрытие и/или материалы-заполнители могут быть использованы для уменьшения относительного движения покрытых волокон или для блокирования потока газа или воздуха сквозь волокна. Волокна для увеличения конструктивной прочности удлиняются и сокращаются во время циклов работы ротора на величину, которая не превышает предел эластичности покрытий и связующих материалов. В радиальном центробежном компрессоре с закрытыми радиальными каналами потока воздух/газ в каналах движется все медленнее относительно канала при достижении более высокой окружной скорости Маха по той причине, что каналы становятся больше на больших радиусах, а газ или воздух подвергаются большему сжатию на больших радиусах. Это значит, что находящийся в канале воздух/газ участвует в радиальном потоке с низкой дозвуковой скоростью относительно канала, поэтому поток не будет создавать ударные волны внутри и не будет изнашивать канал. Предполагая, что газ/воздух в компрессоре подвергаются тщательной фильтрации, можно утверждать, что углеродные волокна подвергаются небольшому или нулевому фрикционному истиранию на протяжении тысяч циклов запуска/останова. Карбид кремния также подвергается небольшому или нулевому износу на протяжении тысяч циклов по той причине, что он остается жестко неподвижным по отношению к другим частям, с которыми он соприкасается. Ротор и вал имеют ничтожно малое относительное движение, они являются единственными быстродвижущимися частями компрессора и детандера, так что достижение долговечности ротора и вала приведет к обеспечению долговечности самого устройства.

[00072] Ротор и вал образуют жесткую структуру, которая расширяется и сжимается эластично и незначительно. Медленное вращение вокруг оси приводит к тому, что лопатки отметают пространство, называемое «лопаточным объемом». Лопаточный объем может содержаться в осевых направлениях в двух частях, разделенных по их внешним радиусам. В вариантах исполнения, например, в ротор могут быть включены его многочисленные стенки. В частности, например, стенки ротора, состоящие из двух дисковых пространств из альфа карбида кремния, могут быть отцентрированы по оси, будут осесимметричными и усиленными подобно лопаткам с углеродным волокном на основе ПАН, и будут являться частью ротора. Углеродное волокно на основе ПАН обладает более чем достаточной прочностью для удерживания частей ротора на его ободе, которые двигаются в диапазоне скоростей от примерно 2000 футов в секунду до примерно 5400 футов в секунду. В данном документе данные два узла называются стенками ротора или также называются «оболочками» ротора.

[00073] На данном этапе радиальный компрессор и детандер имеют обычную конфигурацию с применением необычных конструкционных материалов и методов изготовления. Альфа карбид кремния является одним из керамических материалов, который может использоваться для материала с высоким пределом прочности на сжатие, и он может стать более подходящим материалом. Карбид бора и алмазоподобные материалы можно использовать вместо карбида кремния. Лопатки могут быть сформированы посредством растягивании углеродного волокна вокруг одноразовых деталей, окружающих вал, причем на эти волокна затем наносится дополнительный материал, такой как углерод, который превращается в карбид кремния в результате высокотемпературной реакции с кремнием, литейной керамикой или другими материалами, для получения газонепроницаемого, жесткого, сплошного и предварительно напряженного ротора. После этого одноразовые детали удаляются.

[00074] Улучшением, отличающим настоящее изобретение от предыдущих радиальных компрессоров, заключается в следующем. В роторе лопатки немного не доходят до обода оболочки. Углеродное волокно на основе ПАН с покрытием обматывается в несколько слоев вокруг наружных кромок лопаток и скрепляется с кромками таким образом, чтобы при расчетных скоростях волокна стремились оставаться бок о бок между лопатками. Это препятствует созданию ударных волн, снижающих КПД, и вихрей на кромках лопаток из-за перепадов давления на каждой лопатке, что делает поток в оболочке за лопатками менее турбулентным. Также можно использовать упругие лопатки без предварительного растягивания или сжатия материала лопаток.

[00075] Другим улучшением по отношению к предыдущим радиальным компрессорам является следующее: лопатки немного не доходят до обода оболочки. Вокруг лопаток имеется кольцеобразное открытое пространство. Цилиндрическое кольцо из волокна, или пористой керамики, или металлической сетки, или гофрированного материала, центр которого расположен на оси вращения, находится снаружи упомянутого кольцеобразного отрытого пространства и заполняет кольцеобразный объем потока внутри оболочки между двумя радиусами, что заставляет весь поток ротора проходить через пористый материал. Кольцо материала не останавливает радиальный поток и не исключает турбулентности, которая может возникнуть в более раннем потоке. Кольцо может быть сделано из волокна или пористой керамики или, возможно, из металлической сетки с радиальными шестиугольными ячейками, шестиугольными каналами. Его наружная поверхность закрыта намоткой углеродного волокна, которое обеспечивает удержание кольца против действия центробежных сил, дополнительно способствует управлению потоком и может считаться частью кольца. Кольцо делает проходящий через него радиальный поток однородным почти на макроскопическом уровне и способствует соответствию скорости кругового потока скорости того места кольца, откуда он и появляется. Кольцо ускоряет или затормаживает поток так, как это делали бы многочисленные радиальные лопатки в том же объеме, поэтому оно также испытывает действие центробежных сил. Мы полагаем, что такого решения в области радиальных центробежных компрессоров и детандеров ранее не предлагалось. Наружная поверхность кольца определяет радиальную скорость Маха компрессора и детандера посредством своей окружной скорости.

[00076] В одном из вариантов конструктивного исполнения для удержания потока за пределами ротора корпус компрессора или другие материалы в корпусе за пределами радиуса ротора могут включать ограничение спиральной стенкой или радиальное блокирование потока, которое принимает спирально выходящий газ/воздух из ротора на протяжении примерно одного оборота и отправляет их к выходному выпуску в корпусе или другим материалам корпуса. Стенка подобрана для соответствия естественному спиралеобразному движению газа. Ширина спиральной стенки в осевом направлении остается постоянной с увеличением радиуса. Стенка, или часть стенки, может быть закреплена на самом малом радиусе, ее можно переставить для соответствия разным спиральным конфигурациям, появляющимся в результате различий в массовом расходе.

[00077] Те же технологии изготовления могут быть использованы и/или повторены в радиальном центростремительном детандере, теми же геометрическими принципами можно воспользоваться для корпуса и изоляции входа в детандер.

[00078] Стационарный корпус и/или материал внутри корпуса включает в себя уплотнительное кольцо ротора с поверхностью, которая соответствует наружной поверхности оболочки ротора между двумя радиусами около обода оболочки, с малым зазором между поверхностями во время работы. Рядом с зазором наружная поверхность оболочки вращающейся лопатки имеет дополнительные канавки, выполненные под таким углом, что воздух/газ перемещается в направлении обода, а внутренняя поверхность уплотнительного кольца ротора имеет канавки под обратным углом для движения воздуха/газа по направлению к ободу. При высоких скоростях малый зазор и канавки выступают в роли радиального насоса, что эффективно блокирует обратный поток вокруг ротора при вращении ротора на скоростях Маха.

[00079] Поверхности, такие как поверхности оболочек, покрытые углеродным волокном с покрытием, могут быть сделаны гладкими путем добавления металлической обшивки и сглаживания наружной поверхности посредством общепринятых технологий, таких как прокатка.

[00080] Ниже приводится описание выпуска сверхзвукового потока из компрессора. При вращении ротора со скоростью Маха M/√2 воздух/газ, выходящий из ротора, а затем из выпускного отверстия, имеет температуру торможения T_s К ПВРД при полете на скорости Маха M. Например, если скорость ПВРД составляет М=4, то скорость ротора, подводящего воздух/газ к ПВРД, равна скорости (М=4)√2, или 2,828 M. Сжатый воздух/газ, выходящий из ротора, обладает достаточно высокой энергией для того, чтобы заместить воздух/газ при аналогичных атмосферных условиях вокруг компрессора, который поступает в ПВРД, летящий со скоростью Маха М. Однако максимальная температура воздуха/газа в роторе находится лишь примерно посредине между T₀ К и температурой торможения T_s К. Детандер может иметь такую же конструкцию, что и компрессор, обычно отличаясь только большим размером, а максимальная температура, достигаемая в роторе детандера, находится примерно посредине между максимальной температурой торможения Tb К в камере подогрева и температурой выхлопа в атмосферу.

[00081] Следует отметить, что из всех двигателей турбинного типа данный вариант исполнения настоящего изобретения является единственным двигателем, у которого никакие быстродвижущиеся части не подвергаются воздействию температур, близких к температуре сжатия или температуре сгорания. Значительно более низкие температуры быстро движущихся частей являются основной особенностью конструкции двигателя, поскольку в этом случае ротор может быть изготовлен из материалов, которые бы не выдержали воздействия более высоких температур в зоне горения, например, из углеродного волокна на основе ПАН. Варианты исполнения настоящего изобретения включают в себя двигатель радиального центробежного компрессора и детандера, который состоит из ротора компрессора, производящего сжатый воздух или газ при тех же температурах торможения, что и у воздуха или газа, поступающего в ПВРД, летящий со скоростью Маха M, в то время как ротор подвергается максимальной температуре с величиной, лежащей примерно посередине между T₀ К и температурой торможения T_s К, а также состоит из ротора детандера, способного принимать сжатый воздух или газ при тех же температурах торможения, что и у воздуха или газа, исходящего из ПВРД, летящего со скоростью Маха M, в то время как ротор подвергается максимальной температуре с величиной, лежащей примерно посередине между Tb К и температурой выхлопных газов.

[00082] Корпус, или материалы, из которого изготовлен корпус, и детали на вращающемся вале может разделять небольшой зазор с канавками на поверхностях, позволяя нагнетать воздух/газ на участки большего радиуса. Внешние вакуумные насосы могут использоваться для уменьшения плотности воздуха/газа в корпусе за пределами ротора. Один конец труб может находиться в пространстве внутри корпуса за пределами ротора и нагнетать воздух/газ в поток, движущийся с высокой скоростью Маха, труба при этом направлена по направлению потока, благодаря чему воздух/газ в трубе будет нагнетаться в основной высокоскоростной поток, создавая при этом лишь небольшие ударные волны. Если не пытаться создавать вакуум внутри корпуса, в часть корпуса за пределами ротора компрессора можно подавать газ низкой плотности, например, водород, поскольку он послужит дополнительным топливом, сжигаемым в ПВРД, и снизит сопротивление ротора. Этот прием, препятствующий образованию вакуума и снижающий сопротивление ротора, может немного повысить КПД.

[00083] Выходное сопло Лаваля может быть усечено для того, чтобы скорость его выхлопного потока соответствовала скорости притока в детандере в точке их соприкосновения.

[00084] Этим завершаются инновационные усовершенствования конструкции, обеспечивающие подвод сверхзвукового потока к стационарному ПВРД, тем самым воссоздавая в ПВРД те же самые внутренние условия, что и при полете со скоростью Маха M.

[00085] Для обеспечения в ПВРД такой же температуры торможения дозвукового потока, поступающего из компрессора, кольцевое пространство в корпусе или другие материалы в корпусе окружают ротор компрессора, создавая больший радиус, при этом кольцевое пространство не должно простираться дальше, чем 1,8 внешнего радиуса ротора от его оси для любой скорости Маха. В кольцевом пространстве компрессора за пределами ротора окружная скорость воздуха/газа снижается обратно пропорционально радиальному расстоянию от оси вращения, которая также называется осью поворота. Благодаря этому происходит дополнительное сжимание воздуха/газа. Радиальная скорость воздуха/газа является низкой дозвуковой скоростью порядка 100 футов в секунду и может регулироваться путем задания ширины кольцевого пространства для каждого радиуса. Спирально выходящий поток воздуха/газа замедляется, и вследствие этого сжимается, поэтому, если только радиальная скорость не станет слишком низкой, осевой зазор в кольцевой камере уменьшится при больших радиусах. В качестве примера, при использовании воздуха в качестве газа в компрессоре, независимо от скорости Маха ротора, прежде чем поток достигнет расстояния от оси, которое в 1,731 раз превосходит радиус ротора, скорость потока достигнет местной скорости звука, которая является фактической скоростью звука внутри потока. Потоки с более низкой скоростью Маха достигают местной скорости звука при меньших радиусах. Поток продолжает замедляться и при дальнейшем удалении от оси, после достижения местной скорости звука. После того как скорость потока снизится до расчетной, поток может покинуть кольцевую камеру по спирали через выпускное отверстие, как описано выше. Сложность конструкции, позволяющей избежать возникновения ударных волн при дозвуковых скоростях, на порядок меньше той, которая существует для сверхзвуковых скоростей. Например, как только поток, поступающий в выпускное отверстие, становится дозвуковым, его скорость можно еще снизить, плавно и постепенно увеличивая площадь поперечного сечения выпускного отверстия, практически по любой необходимой схеме без образования ударных волн; при сверхзвуковых скоростях это равнозначно конструированию квадратного сопла Лаваля. Если поток, поступающий в выпускное отверстие, имеет локально сверхзвуковую скорость, то разработка конструкции, позволяющей избежать образования ударных волн внутри корпуса, представляется трудной задачей.

[00086] Компрессор выпускает дозвуковой поток и подает его в переднее сопло Лаваля, усеченное в том месте, где скорости потоков совпадают. Более высокоскоростные части сопла Лаваля удалены, в том числе дроссельный участок сопла. Это является принципиально важным решением: на входе в ПВРД отсутствует дроссель. В компрессоре отсутствует дроссель, поскольку поток, движущийся со скоростью звука, не вынужден проходить сквозь ограниченный канал. Он может распространяться радиально. Это означает, что с входной стороны ПВРД отсутствует дроссель, требующий регулировки, а состояния потока могут изменяться, не требуя при этом точной регулировки высокоскоростных параметров. Устранение, по крайней мере, одного дросселя является основным фактором, повышающим надежность ПВРД.

[00087] Кольцевые пространства, соприкасающиеся с потоком, имеют гладкие поверхности. Поверхности накладываются на изоляцию для того, чтобы не допустить попадания газа/воздуха в изоляцию, и сглаживаются. Для того чтобы исключить развитие значительных пограничных слоев в сверхзвуковом потоке в поверхности могут быть внедрены короткие волокна так, чтобы они выступали из поверхности перпендикулярно или под небольшим углом в направлении потока. Волокна на поверхности расположены на расстоянии одного или более диаметров друг от друга. Под воздействием потока газа/воздуха, движущегося со скоростью Маха, волокна выступают на расстояние до 3 или более диаметров над поверхностью. Толщина волокон составляет всего лишь несколько микрон, сами волокна имеют гладкие цилиндрические поверхности, при этом их диаметры различаются не более, чем на 1/30 микрона, например, могут использоваться углеродные волокна на основе ПАН. Пограничные слои образуются на отдельных волокнах и утолщаются вдоль волокна в направлении потока, но на конце волокна рост пограничного слоя прекращается. Волокна не представляют поверхность, способную поддерживать толстый пограничный слой.

[00088] Небольшие трубки могут выдаваться в кольцевое пространство примерно в направлении потока, и они могут быть изготовлены заподлицо с поверхностью. При взаимодействии с потоком, движущимся со скоростью Маха, газ/воздух будет вытягиваться из такой трубки. Трубка может проходить сквозь изоляцию и другие материалы корпуса, а ее конец может выходить между корпусом и ротором для снижения давления в области около ротора. Такой прием позволяет сберегать энергию, снижая сопротивление ротора, которое при очень высоких оборотах является причиной потерь. Помимо этого, к пространству вокруг ротора может быть подведен внешний вакуумный насос.

[00089] ПВРД может продолжать выпускать сверхзвуковой поток в детандер и/или в виде реактивной струи полное сопло Лаваля.

[00090] Тот же самый принцип конструкции, с добавлением кольцевой области потока вокруг ротора позволяет детандеру принимать дозвуковой поток на внешнем краю кольцевого пространства и преобразовывать его внутри кольцевого пространства в сверхзвуковой поток, соответствующий скорости ротора на его ободе. Дозвуковой поток берется из сопла Лаваля в задней части ПВРД, скорость которого соответствует расчетной дозвуковой входной скорости детандера. Это сечение расположено до того места, в котором выходной поток достигает дросселя в сопле Лаваля, а дроссель и высокоскоростные участки сопла обходятся, отсутствуют или удалены, и тем самым исключается присутствие дросселя в выходном потоке ПВРД. В детандере не используется дроссель по той же самой причине, по которой дроссель не используется в компрессоре. Это позволяет конструктору исключить дроссели из выходных потоков, которые не используются в качестве реактивной струи, что является главным моментом усовершенствования конструкции, отсутствующим в предшествующих конструкциях ПВРД.

[00091] Кроме того, дроссели могут быть исключены из потоков, используемых в качестве реактивной струи, вводя дозвуковой поток из ПВРД в кольцевое пространство детандера, в котором он преобразуется в сверхзвуковой поток, и отбирая сверхзвуковой поток из области внутреннего радиуса кольцевого пространства с выпуском его через сверхзвуковую часть сопла Лаваля, минуя дроссель сопла Лаваля. Это позволяет для преобразования дозвукового потока в сверхзвуковой использовать кольцевое пространство вместо дросселя сопла Лаваля, работающего в качестве источника реактивной струи.

[00092] Устранение дросселей из конструкции является необходимым усовершенствованием для практического применения ПВРД в качестве двигателей, вырабатывающих механическую энергию на стационарных силовых установках или транспортных средствах. Парные дроссели требуют регулировки, которую трудно или невозможно осуществить на оборудовании с переменными нагрузками.

[00093] В камере сгорания ПВРД может быть более одного выходящего потока. В ней может оставаться выход в сопло Лаваля, а также иметься один или более выходящих потоков в детандеры. Наличие дополнительных недросселируемых выходов позволяет использовать выходное сопло Лаваля в качестве реактивной струи без необходимости регулировать его дроссель. Дроссель сопла ограничивает выход струи, но остальные выхлопные газы поступают в детандеры без создания подпора в камере сгорания. Детандер в двигателе может быть сконструирован таким образом, чтобы он работал на одном валу с компрессором и в процессе работы приводил в движение компрессор, к тому же вырабатывая при этом механическую энергию вращения вала.

[00094] Выхлопные газы из детандера могут одновременно использоваться для производства тепловой энергии,

[00095] На фиг.2 представлен разрез конструктивного исполнения двигателя, включающего компрессор, ПВРД и детандер. Для простоты различные элементы узлы представляющие интерес, указаны на фиг.2 при помощи терминов из таблицы 2.

[00096]

Таблица 2: Справочный список узлов, отмеченных на фиг.2 20. Подача топлива или пара 45. Кольцевая камера со сверхзвуковым потоком, поступающим в ротор детандера 21. Напорная стена подачи топлива или пара 22. Трубка, подводящая топливо или пар 46. Переходный участок окружного проточного канала 23. Теплопередача при контакте с напорной стеной для подогрева 47. Канал дозвукового потока 48. Выпуск сжатого газа высокого давления 24. Спиральный канал в начале 25. Впускной трубопровод для подачи топлива или пара 49. Дозвуковой поток из компрессора 50. Участок преобразования сверхзвукового потока в дозвуковой 26. Термоизоляция 27. Выход из канала спирального потока 51. Сверхзвуковой окружной поток 52. Внешняя кромка лопаток 28. Намотка из волокна вокруг внешних кромок лопатки 53. Лопатка 54. Трубка с потоком сжатого воздуха, направленного в подшипники 29. Намотка из волокна вокруг лопатки 30. Намотка из волокна вокруг оболочки 55. Проволочная обмотка на генераторе/двигателе

31. Поверхность уплотнения подвижного соединения стенок камеры высокого давления 56. Ферромагнитные пластины генератора 57. Намотка из углеродного волокна на генераторе 32. Выходящий радиальный поток уплотнения подвижного соединения 58. Не изображено на фиг.2 59. Северный полюс постоянных магнитов 33. Диск уплотнения подвижного соединения 60. Южный полюс постоянных магнитов 34. Воздушный подшипник 35. Проточный канал отработанного воздуха/газа 61. Воздушный подшипник 62. Впускной канал в валу 36. Стенка вала между отверстиями 63. Мост в валу 37. Выпускной канал в валу 64. Впуск воздуха полого вала 38. Выпускной тракт полого вала 65. Диск уплотнения подвижного соединения 39. Стенка вала 40. Вал в подшипнике 66. Воздушный подшипник вала 41. Воздушный подшипник 67. Воздушные подшипники 42. Впускное отверстие в воздушный подшипник под высоким давлением 68. Стенка оболочки ротора детандера 69. Стенка оболочки ротора компрессора 43. Диск уплотнения подвижного соединения, присоединенные к валу 70. Внутренняя стенка вала 71. Входы в кольцевое сопло 44. Лопатка детандера 72. Кольцевая область разреженного газа за пределами вращающихся оболочек

[00097] На фиг.2 круглый титановый вал 40, 66 центрирован относительно оси вращения; он изготовлен из Ti beta-CEZ или из титана более высокой прочности и имеет расточенное отверстие с любого конца в центре оси, оставляя разделяющую перегородку 70 и полости 38, 64. Например, материал для изготовления вала может содержать приблизительно 5% алюминия, 2% хрома, 1% железа, 4% молибдена, 2% олова, 82% титана и 4% циркония. Материал может быть термически обработан для обеспечения прочности на разрыв 220000 фунтов на квадратный дюйм при удельном весе 4,69, а следовательно, удельный предел прочности на разрыв составит 46908 фунтов на квадратный дюйм. Радиальные отверстия 35, 37, 62 проделаны через стенки вала 40, 66 на участке детандера и на участке компрессора. Компрессор 52, 53, 69 установлен на валу 66 с лопатками из карбида кремния с обмоткой из углеродного волокна, направленными против вращения вала, и боковых стенок оболочек из карбида кремния. Лопатки 53, 44 из карбида кремния прижаты к валу и проходят через мосты 36 между отверстиями 35 на титановом валу. На сторонах лопаток из карбида кремния оболочка 68, 69 размещается с каждой стороны лопаток, а с внешней стороны оболочки наматываются углеродные волокна. С внешней стороны оболочки из карбида кремния углеродные волокна 30 наматываются вокруг сторон каждого ротора, поверх обода между сторонами, поверх противоположной стороны и назад к валу. Такая обмотка закрепляет систему лопаток с оболочками и пористым внешним кольцом на валу. Сочетание оболочки с лопатками и отверстиями сквозь вал образует каналы, которые простираются радиально от оси компрессора. За пределами намотки вокруг лопаток компрессора пористый материал, сетка или направляющие каналы радиального потока могут быть размещены таким образом, чтобы поток, выходящий из ротора компрессора, был более равномерным и менее турбулентным. На валу, расположенном на небольшом расстоянии от компрессора, предусмотренном для намотки, детандер 44, 68 имеет похожую конструкцию с компрессором, при этом он сконструирован из деталей более крупного размера, которые имеют намотку из углеродного волокна 28, 29. Эти лопатки прижаты к валу 36 и к мостам 39, 63 между отверстиями 37 за счет натяжения витков углеродного волокна при стационарном режиме. С другой стороны лопаток из карбида кремния оболочки 68 расположены радиально на валу и образуют замкнутые радиальные каналы. С внешней стороны оболочек из карбида кремния углеродные волокна 30 наматываются вокруг оболочек, проходя над входными отверстиями обода ротора, по противоположной стороне и назад к валу. Такая обмотка закрепляет конструкцию из лопаток и оболочек на валу и ограничивает пределы пористого кольца. Сочетание оболочки с лопатками образует радиальные каналы вокруг оси детандера, называемого также диффузором или декомпрессором. На титановом валу два газонепроницаемых уплотнительных кольца подвижных соединений или дисковые пространства 33, 43, 65 размещаются на двух отверстиях вала корпуса 31, выдерживающего высокое давление. За счет высокой скорости вращения диска при работающем двигателе эти два уплотнительных кольца подвижных соединений будут увлекать газ в зазор между кольцом 33 и корпусом 31 и будут вытеснять газ в радиальном направлении из полости 32, находящейся между роторами и корпусом. Это приведет к снижению сопротивления роторов. На конце вала размещаются воздушные подшипники 34, 41, 61, 67. Первоначально воздушный поток высокого давления 42, необходимый для работы воздушных подшипников, может поступать из баллона сжатого газа или нагнетателя воздуха. Во время работы газ высокого давления может поступать в воздушные подшипники из потока сжатого газа 48, 54. Эти газовые каналы высокого давления могут проходить по внутренней поверхности напорного бака 31 за пределами термоизоляции 26 внутри напорного бака. Адиабатически сжатый газ 48, выходящий из компрессора, имеет высокую температуру; проведя эти каналы вдоль стенки по направлению к центральной оси, имеющей более низкую температуру, перед поступлением в воздушные подшипники 34, 61 газ высокого давления может быть охлажден за счет теплообмена с входящим топливом 20 и внешней камерой высокого давления 21. Воздушные подшипники имеют коническую форму для того, чтобы удерживать вращающийся вал в осевом направлении. Вдоль вала изображен электромагнитный генератор 55, 56, 57, 59, который может быть использован для запуска двигателя, если к электромагнитам генератора 56 подвести импульсный электрический ток. После приведения в движение двигателя генератор используется для извлечения импульсной электроэнергии из двигателя. Генератор состоит из постоянных магнитов 59, 60 с обмоткой из высокопрочного углеродного волокна, установленных на титановом валу. Магнитная цепь замыкается на статоре ферромагнитной пластины 56 с обмоткой из медного провода 55. При вращении вала изменяется напряженность и полярность магнитного поля, вырабатывая электрические импульсы в витках медной обмотки 55. В практическом применении этот двигатель может развивать скорость вращения 150000 оборотов в минуту, вырабатывая на выходе высокочастотный переменный ток. Можно предположить, что этот высокочастотный переменный ток может быть преобразован в постоянный ток, а затем из постоянного тока обратно в ток необходимой частоты, отвечающих его применению или соответствующих электросетей. Электронные схемы, удовлетворяющие заданным условиям, здесь не приводятся. За пределами радиального компрессора и радиального детандера кольцевые каналы 45, 46, 47, 49, 50, 51 образуются для впуска радиального потока, спирально выходящего из компрессора, и подачи в детандер радиального потока, движущегося спирально вовнутрь. С каждой стороны выхода из ротора компрессора и входа в радиальные каналы декомпрессора уплотнительные кольца ротора 71, выполненные из карбида кремния или металла, например, из нержавеющей стали 304 или плотного керамического материала, образуют вход/выход в/из кольцевых сверхзвуковых переходных участков. Уплотнительные кольца ротора сконструированы таким образом, чтобы при расчетных оборотах в минуту поддерживался малый зазор со сторонами ротора вблизи обода. Этот зазор между роторами и входами в кольцевое сопло создает вакуумный насос, вынуждая газ вытекать из полости в полости кольцевого потока большего радиуса. При выкачивании газа из полости 72 между роторами и окружающими их стационарными компонентами снижается сопротивление ротора. В этом конструктивном исполнении двигателя за пределами ротора компрессора кольцевые полости для перехода потока через скорость звука, то есть объем вращения вокруг оси вращения, образованы с помощью стенок из тугоплавких металлов или керамики, таких как фасонные молибденовые трубы или пенокерамика на основе двуокиси кремния, например, Cotronics M310, и имеют конфигурацию радиального профиля, как предложено на фиг.7, 8 и 9 (более подробное описание приводится ниже), или другие профили, для преобразования окружного потока из сверхзвукового в дозвуковой, определяя при этом структуру радиального потока. Внутри кольцевой полости поток поступает из пористого кольца или пустого кольцевого пространства вокруг лопаток компрессора со сверхзвуковой скоростью 51, замедляется до местной скорости звука 50, а затем на больших радиусах достигает дозвуковых скоростей 49. Когда кольцевой поток достигает дозвукового участка, профиль потока может быть постепенно изменен 24 без образования ударных волн, а его скорость снижена, при этом кинетическая энергия потока преобразуется в высокую температуру и давление потока. Предполагаемые температуры в конце сжатия составляют от приблизительно 1200 К, или 927°C, при давлении приблизительно 128 атмосфер, до приблизительно 1500 К при давлении приблизительно 279 атмосфер. Внешний радиус кольцевой камеры появляется в первом узле, сжимая внешнюю стенку, блокирующую радиальный поток. За пределами внешнего радиуса кольцевого перехода через скорость звука последний оборот с постоянной осевой шириной ведет к выходу через выпускное отверстие 24, 27, которое соединяется со спиральной трубкой в изоляции, выполненной из газонепроницаемых материалов, таких как кварц, и ведет из компрессора 24 в детандер 27, где из другого выпуска газ подается в кольцевой участок за один спиральный оборот потока. Внутри спиральной трубки, которая является камерой сгорания, газовый поток может подогреваться различными способами, но чаще всего путем подачи топлива по топливопроводу 22 к воздуху высокого давления и высокой температуры с последующим сжиганием. Топливопровод 23, 25 может использоваться для поглощения тепла со стенок камеры высокого давления, для подогрева и, дополнительно, для выпаривания топлива. К другим методам подогрева газового потока в камере сгорания относятся: радиационный нагрев, такой как солнечное излучение, теплообмен за счет циркуляции более горячей жидкости по трубам для подогрева воздуха/газа, впрыскивание горячего материала в поток, такого как пар очень высокой температуры, реакции частиц в камере с высокоэнергетическими частицами из генератора частиц, и другие способы.

[00098] На фиг.3 изображен разрез одного варианта конструктивного исполнения компрессора в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора. Для простоты различные узлы, представляющие интерес, указаны на фиг.3 при помощи терминов, содержащихся в таблице 3.

[00099]

Таблица 3: Справочный список узлов, отмеченных на фиг.3 79. Сверхзвуковой окружной поток 80. Стенка камеры высокого давления 81. Термоизоляция 82. Кромка кольцевой камеры 83. Выходящий спиральный поток, направляющийся к выпуску за пределами кольцевой камеры 84. Проточные отверстия во внутреннем диаметре вала 85. Вал компрессора 86. Лопатка

87. Поперечная намотка из углеродного волокна на лопатках 88. Окружной проточный канал, переходящий в выпускную трубку 89. Внешний радиус оболочки ротора компрессора 90. Радиальная обмотка на лопатке 91. Сжатый газ, подаваемый в воздушные подшипники 92. Трубка, подводящая топливо и/или пар 93. Мост между отверстиями в валу 94. Полость вала 95. Замедление дозвукового спирального потока 96. Радиальный поток через отверстие в стенке вала 97. Радиальный поток в радиальном канале ротора 98. Направление вращения радиального компрессора 99. Локально дозвуковой окружной поток при большом радиусе

[000100] На фиг.3 представлен вид вдоль оси, на котором изображены лопатки 86 компрессора в сечении, перпендикулярном оси. Поток в роторе 97 направлен радиально по отношению к ротору, но при этом окружная скорость 79 значительно выше скорости радиального потока. Корпус 80 включает в себя термоизоляцию 81, внутри которой скрыты трубки 82 камеры сгорания, спирально подводящие к детандеру. Кромка кольцевого пространства 88 расположена рядом с одним витком спирально выходящего 83 дозвукового потока 95, 99, перемещающегося 88 к выпускному отверстию, показана только в разрезе. Поток воздуха/газа поступает в ротор через отверстие 94 вала 85, как показано на фиг.2. Поток по каналам или через отверстия 84 проникает 96 сквозь стенку вала во внутреннюю часть ротора, где он замедляется 97 за счет сжатия и расширения проходного сечения. Кромки лопаток размещаются на валу 93 между отверстиями 84. Круговые витки обмотки на внешних кромках лопаток, способные выдерживать высокое давление, изображены в виде прямых линий 87. Радиальные витки обмотки 90 также оказывают давление на лопатки. Оболочки не изображены на фиг., но их внешний радиус 89 изображен. Показано направление вращения 98 ротора. Кроме того, изображена трубка 91, подводящая сжатый воздух к воздушным подшипникам, и трубка 92, подводящая топливо или пар к камере сгорания.

[000101] На фиг.4 изображен разрез одного варианта конструктивного исполнения детандера в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора. Для простоты различные узлы, представляющие интерес, указаны на фиг.4 при помощи терминов, содержащихся в таблице 4.

[000102]

Таблица 4: Справочный список узлов, отмеченных на фиг.4 100. Стенка камеры высокого давления 101. Термоизоляция 102. Внешнее кольцевое пространство спиральной формы 103. Поперечная намотка из углеродного волокна на лопатках 104. Внешний радиус оболочки ротора 105. Радиальная обмотка из углеродного волокна на лопатке 106. Лопатка 107. Вход в выпускное отверстие спирального потока 108. Проточный канал через стенку вала 109. Проточное отверстие во внутреннем диаметре вала 110. Сжатый воздух/газ, подаваемый в воздушные подшипники 111. Мост между отверстиями в валу 112. Отверстие полого вала 113. Радиальный поток по каналам между лопатками 114. Радиальный поток через отверстие в валу 115. Сверхзвуковой окружной поток 116. Дозвуковой окружной поток 117. Направление вращения лопаток и ротора 118. Дозвуковой спиральный поток, поступающий в кольцевое пространство

[000103] На фиг.4 изображен детандер или декомпрессор. Он имеет более крупные размеры, чем компрессор, изображенный на фиг.3, и работает в режиме реверса 113. Лопатки 106 окружают вал 111 и прижаты к валу при помощи радиальных витков обмотки 105, которые проходят через каналы 108, предназначенные для перемещения воздушного/газового потока через отверстие в валу 112. Поперечная намотка из углеродного волокна 103 также прижимает лопатки к валу в направлении оси вала, и предотвращает возникновение ударных волн и вихрей на внешних кромках лопаток. Лопатки заключены в оболочку или оболочки ротора с обеих сторон, внешние радиусы 104 которых больше, чем радиусы лопаток. Воздух/газ поступает в контур 102 спиральной формы одновременно с дозвуковым потоком 118, выходящим 107 через выпуск из термоизоляции 101. Спираль потока изображена жирной линией, поток поступает на внешний радиус кольцевой участка одного витка вокруг оси. За пределами кольцевого пространства скорость потока остается дозвуковой 116, и увеличивается при меньших радиусах до тех пор, пока не достигнет сверхзвукового значения 115. Вращение лопаток 117 соответствует круговой скорости воздуха/газа 115 на кромке ротора 104. Поток 113 в роторе имеет почти в точности радиальное направление по отношению к камерам ротора, его скорость изменяется от самого низкого значения при наибольшем радиусе до самого высокого при наименьшем радиусе 114, когда он поступает в полость вала 112. Частота вращения 117 пропорциональна радиусу, поэтому лопатки снижают сверхзвуковую скорость 115 до дозвукового или близкого к дозвуковому значению в валу. Каждый участок ротора, который ограничивает окружную скорость, начиная от внешнего пористого кольца (не изображено) и заканчивая каналами в валу 108, исполняет роль лопаток, снижая окружную скорость потока. Это торможение вызывает появление сил, действующих на все детали, подобные лопаткам, в направлении вращения, все они передаются валу через высокопрочные обмотки, доходящих до вала. Камера высокого давления или корпус 100 касается трубки 110, по которой сжатый воздух поступает к воздушным подшипникам. Изображены отверстия 109 на внутренней поверхности вала.

[000104] На фиг.5 представлено увеличенное изображение разреза компрессора и детандера в плоскости оси вращения ротора, с увеличенным изображением деталей уплотнений подвижных соединений. Для простоты различные узлы, представляющие интерес, указаны на фиг.5 при помощи терминов, перечисленных в таблице 5.

[000105]

Таблица 5: Справочный список узлов, отмеченных на фиг.5 120. Стенка камеры высокого давления 121. Выпускное отверстие сверхзвукового канала 122. Законцовка лопасти детандера 123. Радиальная обмотка из углеродного волокна на лопатке 124. Лопатка 125. Обмотка из углеродного волокна на оболочке ротора 126. Уплотнение подвижного соединения диска 127. Канал в потоке выхлопных газов вала 128. Проточное отверстие во внутреннем диаметре вала для потока выхлопных газов 129. Выхлоп полого вала 130. Стенка в валу между каналами 131. Диск уплотнения подвижного соединения 132. Оболочка ротора 133. Термоизоляция 134. Внешняя кромка лопаток 135. Обмотка из углеродного волокна на оболочке ротора 136. Радиальная обмотка из углеродного волокна на лопатке 137. Лопатка 138. Уплотнение подвижного соединения диска 139. Стенка в валу 140. Отверстие в валу для компрессора 141. Ось вала 142. Мост в валу 143. Проточный канал в валу 144. Стенка вала 145. Уплотнение подвижного соединения диска 146. Проточный канал в уплотнении подвижного соединения

147. Стенка камеры высокого давления в уплотнении подвижного соединения 148. Оболочка ротора 149. Кольцевое пространство между корпусом и оболочкой 150. Сужающийся канал 151. Кольцевое пространство сверхзвукового потока компрессора 152. Уплотнительное кольцо ротора 153. Кольцевые области разреженного газа вокруг ротора

[000106] На фиг.5 представлено увеличенное изображение разреза компрессора и детандера с уплотнениями подвижных соединений в плоскости оси вала двигателя. Чертеж является симметричным, а элементы вращающейся инерционной массы уравновешены относительно оси вала 141 двигателя. Вал двигателя имеет две пустые цилиндрические полости 129, 141, выполненные из высокопрочного материала 144, такого как титан. Каналы 127, 143 в валу 144 для впуска воздушного/газового потока, который поступает через конец вала 129 и перемещается радиально вблизи лопаток компрессора 137, образованы в валу 144. Остальной материал между отверстиями 140 образует мосты 142 из материала, к которым прижимаются элементы лопаток 137 компрессора и диски 148. Вблизи центра вала между полостью впуска и полостью выпуска образована стена 139 вала для разделения входящего и выходящего потоков. На стороне выпускного отверстия вала в полости 129 имеется выпускное отверстие, а также каналы 127 и отверстия 128, как и на стороне впускного отверстия, но с большей площадью поперечного сечения потока для того, чтобы вместить больший объем газового потока, выходящего из детандера/декомпрессора. С каждой стороны роторных систем (компрессор и декомпрессор) 122, 124, 125, 132 размещены уплотнения подвижных соединений 126, 131, 138, 145, 146, 147. Эти уплотнения подвижных соединений состоят из одного или нескольких дисковых пространств 145, присоединенных к валу 144, и с одной стороны каждого дискового пространства 145 к нему примыкает неподвижное или движущееся гораздо медленнее дисковое пространство стенки камеры высокого давления 147. Во время работы при вращении вала 144 газ увлекается дисковым пространством 145 с обеих сторон и под действием центростремительного ускорения устремляется к внешнему радиусу диска 145, а затем выходит с наружной стороны стенки камеры высокого давления 120. Откачивающее действие и динамическое уплотнение достигаются с помощью стороны диска, имеющей небольшой зазор 146 рядом с диском стенки камеры высокого давления 147, который не позволяет внешнему газу проникать в камеру высокого давления 120 и двигаться в обратном направлении против увлеченного газа в зазоре 146. При этом с внешней стороны диска 145 газ может циркулировать при давлении окружающей среды. Таким образом, уплотнение подвижного соединения будет вытягивать газ из области 149, 153 вокруг роторов 132, 148 и предотвращать поступление газа в эту область, тем самым снижая сопротивление внешней стороны роторов.

[000107] На этой фигуре роторы компрессора 137, 148 и декомпрессора 124, 132 изображены с обмоткой или витками из углеродного волокна 123, 125, 135, 136, предназначенными для удержания оболочек 132, 148 и лопаток 124, 137 на валу 144 против воздействия центростремительных сил, действующих на них. Лопатки выполнены из материала, имеющего высокую удельную прочность на сжатие при рабочей температуре газового потока в двигателе. Дополнительные гибкие лопатки могут быть выполнены в основном из волоконного жгута с покрытиями. Примерами подходящих материалов являются аморфный карбид кремния, карбид бора и оксид алюминия. Например, в качестве конструкционного компрессионного материала может быть использован Hexoloy SA, прочность на сжатие 560000 фунтов на квадратный дюйм и удельный вес 3,1, и, следовательно, удельная прочность на сжатие составляет 180 645 фунтов на квадратный дюйм. Hexoloy SA можно приобрести в компании Saint-Gobain Ceramics Structural Ceramics, г. Ниагара-Фолс, штат Нью-Йорк. Лопатки и оболочки образуют радиальные выемки, разделяя лопаточный объем из вала. Углеродные волокна или другие высокопрочные волокна, такие как стекловолокно, наматываются вокруг законцовки лопасти 134 и назад к валу и/или через вал, при этом основания лопаток прижимаются к валу и мостам 130 в валу между отверстиями. Витки обмотки из углеродного волокна наматываются с натяжением волокон и закрепляются на валу с помощью высокотемпературной эпоксидной смолы, реакции кремния/карбида кремния, пайкой твердым припоем металлов или с помощью механического фрикционного зажима концов волоконных жгутов. Углеродное волокно может иметь покрытие для повышения его стойкости к окислению, абразивной и коррозионной стойкости, а также для обеспечения возможности пайки твердым припоем и химических реакций для крепления или соединения поверхностей волокон вместе. Возможные подходящие покрытия включают в себя B₂O₃, никелирование, SiC, SiO₂, ZrC, ZrB₂, Si3N4, HfB₂ и смесь HfB₂ с карбидом кремния. Внешнее покрытие волокна может быть нанесено таким образом, чтобы оно образовывало слой поверх волокна, способного эластично растягиваться в диапазоне, в котором оно используется в двигателе. С двух сторон роторов, компрессора и детандера, ограничивающие оболочки или диски выполнены из материала с высокой удельной прочностью на сжатие, такого как аморфный карбид кремния. Эти оболочки используются для удержания потока газа в полостях между лопатками и для изолирования лопаток от стационарной вакуумированной полости 153. При высоких скоростях ротора, представленного в настоящем изобретении, сдвиговое течение газа из открытых лопаток со стационарными стенками может создать значительное сопротивление. Оболочки прикреплены к сторонам лопаток с обмоткой из углеродного волокна вокруг оболочки и вала. Оболочки могут быть выполнены с установочными канавками или бороздками для равномерного расположения лопаток вокруг вала. За пределами законцовок лопаток 122 пористый или гофрированный материал покрывает обод круглой полости вокруг лопаток, Этот пористый или гофрированный материал поглощает турбулентность и способствует более равномерному радиальному выходу потока через каналы между лопатками. Пористое кольцо действует на воздух/газ как большое количество лопаток. Углеродные или другие высокопрочные волокна наматываются вокруг обода из пористого материала для обеспечения прочности против действия больших центробежных сил, возникающих при вращении компрессор и декомпрессора. В радиальном направлении от кромки компрессора уплотнительное кольцо ротора 152 из высокопрочного тугоплавкого материала, например, из нержавеющей стали 304, тантала, молибдена, аморфного кварца, оксида алюминия и глазурованного вспененного диоксида кремния, образует вход в кольцевую область двигателя для преобразования потока из сверхзвукового 151 в дозвуковой. Отверстие или уплотнительное кольцо ротора и оболочка имеют узкий зазор 150 между ними, через который воздух/газ нагнетается на участки большего радиуса. Кольцевой участок большего радиуса может быть иметь гладкую поверхностью из литейной керамики, или плавленого стекла, или металлов, например, из молибдена. Позади этого более гладкого кольцевого участка уплотнительное кольцо ротора выполнено из теплоизоляционного аморфного вспененного диоксида кремния 133 или другой жесткой изоляции. В радиальном направлении от кромки ротора декомпрессора кольцевой участок трансформации дозвукового потока в сверхзвуковой 121 образован из таких же или аналогичных высокопрочных тугоплавких материалов, как и материалы вокруг компрессора. Как для компрессора, так и для декомпрессора кольцевые диски 131 должны обеспечивать герметичность стенок камеры высокого давления и выдерживать разницу между низким давлением вокруг роторов 153 и атмосферным давлением снаружи корпуса. Кольца 152 вблизи обода роторов и небольшой зазор между ними, роторами 132 и витками обмотки 125 закачивают воздух/газ из кольцевого пространства 153 на участки большего радиуса, где давление вокруг обода ротора может составлять 24 атмосферы или выше.

[000108] На фиг.6 представлено увеличенное изображение разреза одного варианта конструктивного исполнения компрессора и детандера в плоскости оси вращения ротора, с увеличенным изображением деталей конструкций чередующихся лопаток и каналов. Для простоты различные узлы, представляющие интерес, указаны на фиг.6 при помощи терминов, перечисленных в таблице 6.

[000109]

Таблица 6: Справочный список узлов, отмеченных на фиг.6 170. Отверстие вала 171. Стенка вала 172. Диск уплотнения подвижного соединения на валу 173. Проточный канал в уплотнении подвижного соединения 174. Стенка корпуса в уплотнении подвижного соединения 175. Камера высокого давления 176. Кольцевое пространство сверхзвукового потока компрессора 177. Изоляция 178. Кольцевое пространство сверхзвукового потока детандера 179. Впускной участок детандера 180. Пористое кольцо на кромке ротора детандера

181. Углеродное волокно внутри или на лопатке 182. Материал-заполнитель внутри лопатки 183. Диск уплотнения подвижного соединения на валу 184. Канал через вал 185. Проточное отверстие во внутреннем диаметре вала 186. Стенка вала между каналами 187. Выхлоп в полом валу 188. Кольцевое пространство низкого давления за пределами ротора 189. Спиральный выходящий поток из компрессора 190. Участок кольцевого потока, выходящего из ротора компрессора 191. Пористое кольцо на кромке ротора 192. Оболочка ротора, сделанная из углеродного волокна и наполнителя 193. Углеродное волокно лопатки 194. Наполнитель лопатки 195. Отверстие в полом валу для воздуха/газа 196. Стенка, разделяющая приток и отток

[000110] На фиг.6 увеличенное изображение ротора компрессора 190, 191, 192, 193, 194 и ротора детандера 179, 180, 181, 182 показывает конструкции чередующихся лопаток 181, 182, 193, 194 и каналов 184. На этой фигуре представлены чередующиеся конструкции лопаток, выполненных непосредственно из углеродного волокна с покрытием и, по желанию, из материалов, придающих жесткость и прочность волокнам. Элементы полого 170 вала 171, проточные отверстия 184, 195 и уплотнения подвижных соединений 172, 173, 174 камеры высокого давления 175 полностью воспроизводят фиг.5. Кольцевое пространство компрессора для преобразования сверхзвукового потока 176 на дозвуковой и пространство декомпрессора для преобразования дозвукового потока на сверхзвуковой 178 в точности повторяют изображение, представленное на фиг.5, включая изоляцию 177, отверстия 185, полый вал 187, кольцевое пространство низкого давления 188, спирально выходящий поток в кольцевом пространстве компрессора 189 и стенку, разделяющую участки 196 внутри отверстия. В данном варианте конструктивного исполнения настоящего изобретения лопатки образованы из свисающих углеродных жгутов в виде петель или щеток, или в виде волокон, намотанных по периметру растянутого жгута, при этом они могут быть предварительно напряженными и покрытыми оболочкой, которые свисают с вала, его отверстий и мостов, и других частей ротора. Углеродное волокно крепится к валу при помощи обвязки, высокотемпературной эпоксидной смолы, пайки твердым припоем или поверхностным взаимодействием с валом. Свисающие волокна могут быть намотаны на вал. Другие возможные механизмы крепления волокон включают механический зажим, навивку или переплетение волокон поверх свисающих волокон. Углеродные волокна 181, 193 могут быть вплетены в структуру, подобную плетению корзины, в требуемых лопатках, радиальных каналах газового потока 183, 194 и боковых стенках 192 каналов газового потока. Плетеная структура может быть пропитана материалом, придающим жесткость, таким как, например, карбид кремния, путем химических реакций, или осаждения из паровой фазы, или напылением, или литейной керамикой, проникающей между волокнами. На ободе радиальных каналов газового потока размещено пористое или радиально-гофрированное кольцо 180, 191, которое выполнено из материала с достаточно высокой удельной прочностью на сжатие, нажатия пальца и выше. Подходящими материалами для этого кольца являются вспененный аморфный диоксид кремния, углеродные волокнистые сети, углеродные волокнистые сети, вступившие в реакцию с кремнием, в результате чего на волокнах образовалось покрытие из карбида кремния, а между волокнами - связи. Обмотка из углеродного волокна скомпонована таким образом, что радиальные выходы 179, 190 для воздушного/газового потока распределены в центре обода роторов компрессоров и декомпрессоров, или внешняя поверхность пористых колец может быть герметизирована везде за исключением участка рядом с проточным отверстием 176, 178, 189. Окружной ускоренный входящий газовый поток на лопатках компрессора, которые выполнены радиально жесткими и устойчивыми к центробежным силам вращения, будет проходить через эти отверстия и поступать на кольцевой участок преобразования сверхзвуковой скорости потока в дозвуковую 176. На стороне декомпрессора сверхзвуковой радиальный входящий поток будет наталкиваться и просачиваться в отверстия между витками обмотки из волокон 192 и частично герметичным пористым 180, 191 или гофрированным материалом кольца. Радиальный поток, спирально движущийся вовнутрь 178 в декомпрессоре, будет затормаживаться за счет кольца и лопаток из углеродного волокна, развевающихся в стороны под действием центробежных сил вращения, и передавать вращательную энергию декомпрессору. Механическая энергия будет передаваться от декомпрессора через вал 171, 186 на компрессор и в виде механической вращательной энергии на электрогенераторы, как показано на фиг.2 и на фиг.10, или на другие устройства. С каждой стороны лопаток компрессора и декомпрессора имеются оболочки 192 из витков углеродных волокон, соединенных между собой посредством высокотемпературного связующего материала, карбида кремния, или посредством их защитных покрытий. Эти оболочки образуют газонепроницаемые барьеры для бокового потока, входящего из радиальных каналов газового потока 182, 194, образованных лопатками. Углеродные волокна 192 наматываются от вала вверх поверх кромок дисков, чтобы закрепить диски на валу и притянуть диски к жестким лопаткам компрессора и декомпрессора.

[000111] На фиг.7 представлена диаграмма профиля зазора спиральной камеры радиального потока с радиусом, который обеспечивает, чтобы скорость радиального потока была обратно пропорциональна радиусу спиральной камеры. На фиг.7 показана осевая ширина полости кольцевого потока для радиуса, при которой скорость радиального потока обратно пропорциональна радиусу кольцевой полости. Горизонтальная ось графика представляет радиус оси вала по отношению к радиусу ротора, принятому за единицу, с зазором, принятому за единицу на кромке ротора. Этот график был рассчитан, исходя из предположения, что сверхзвуковой/дозвуковой поток является идеальным изэнтропическим при соотношении теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме газа, равном 7/5, и умеренных дозвуковых скоростях радиального потока.

[000112] На фиг.8 представлена диаграмма профиля зазора спиральной камеры радиального потока с радиусом, который обеспечивает, чтобы скорость радиального потока была постоянной при заданном радиусе спиральной камеры. На фиг.8 показана осевая ширина полости кольцевого потока для радиуса, при которой достигается постоянная умеренная дозвуковая скорость радиального потока во всей кольцевой полости. Горизонтальная ось графика представляет радиус оси вала по отношению к радиусу ротора, принятому за единицу, с зазором, принятому за единицу на кромке ротора. Этот график был рассчитан, исходя из предположения, что сверхзвуковой/дозвуковой поток является идеальным изэнтропическим при соотношении теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме газа, равном 7/5.

[000113] На фиг.9 представлена диаграмма профиля зазора спиральной камеры радиального потока с радиусом, который обеспечивает, чтобы скорость радиального потока была прямо пропорциональна радиусу спиральной камеры. На фиг.9 показана осевая ширина полости кольцевого потока для радиуса, при которой умеренная дозвуковая скорость радиального потока пропорциональна радиусу кольцевой полости. Горизонтальная ось графика представляет радиус оси вала по отношению к радиусу ротора, принятому за единицу, с зазором, принятому за единицу на кромке ротора. Этот график был рассчитан, исходя из предположения, что сверхзвуковой/дозвуковой поток является идеальным изэнтропическим при соотношении теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме газа, равном 7/5.

[000114] На фиг.10 представлено увеличенное изображение разреза одного варианта конструктивного исполнения компрессора и детандера в плоскости оси вращения ротора, с увеличенным изображением деталей входящего потока и выходящего потока полого вала - конфигурации, позволяющей в два раза увеличить мощность при небольших потерях КПД. Для простоты различные узлы, представляющие интерес, указаны на фиг.10 при помощи терминов, перечисленных в таблице 7.

[000115]

Таблица 7: Справочный список узлов, отмеченных на фиг.10 250. Воздушный подшипник 251. Входящий поток воздуха/газа 252. Зазор между камерой высокого давления и ротором 253. Материал, увеличивающий скорость вращения воздуха/газа перед попаданием на лопатки 254. Оболочка ротора 255. Уплотнительное кольцо ротора

256. Термоизоляция 257. Стенка камеры высокого давления 258. Газ, двигающийся по спирали по направлению к выпуску 259. Участок подвода тепла к газовым каналам 260. Выпуск горячего газа в детандер 261. Материал зазора между стенками 262. Оболочка ротора детандера 263. Стенка между отверстиями в валу 264. Зазор между стенками, вакуумированный участок и динамическое газонепроницаемое уплотнение 265. Воздушный подшипник 266. Ферромагнитный сердечник и медные обмотки 267. Постоянный магнит, установленный на валу 268. Вал 269. Поток выхлопных газов в полости вала 270. Поток выхлопных газов 271. Поток выхлопных газов через отверстие вала 272. Лопатка 273. Радиального потока через лопатки 274. Сверхзвуковой поток к лопаткам в кольцевой полости 275. Преобразование сверхзвукового потока в дозвуковой 276. Дозвуковой поток в кольцевом пространстве 277. Стенка кольцевой полости 278. Стенка кольцевой полости компрессора 279. Дозвуковой поток в кольцевой полости 280. Преобразование дозвукового потока в сверхзвуковой 281. Сверхзвуковой поток 282. Стенки радиальных дисков - оболочки 283. Стенки радиальных дисков - оболочки 284. Лопатка компрессора 285. Радиального потока относительно лопатки

286. Поток выхлопных газов 287. Пористое кольцо с проточными каналами 288. Обмотка из углеродного волокна 289. Обмотка из углеродного волокна 290. Пористое кольцо с проточными каналами 291. Источник топлива 292. Воздушная/газовая линия 293. Уплотнительное кольцо ротора

[000116] На фиг.10 приводится иллюстрация конструктивного исполнения данного изобретения в виде поперечного сечения с указанием оси двигателя. Круглый титановый вал 268 центрован по оси вращения. Он выполнен из Ti beta-CEZ или из титана более высокой прочности, или из композитного металлического или полимерного волокна с высокой прочностью на растяжение, имеет полость в центре оси, оставляя толстую стенку. Материал вала, упомянутый относительно фиг.2 выше, может также быть использован для вала на фиг.10. Радиальные отверстия 263, 271 проделаны через стенку вала 268, 271 на участке детандера 272; они не затрагивают участок компрессора. Полость, иногда называемая проходным или внутренним диаметром, проходит по валу насквозь. Участки компрессора 284 и детандера 272 за пределами вала разделяются радиальным кольцевым диском из альфа карбида кремния 282, 283 перпендикулярными валу, выходящим за пределы внешнего радиуса лопаток детандера 272, а указанный диск 262, 254, 282, 283 обжимается по направлению к валу витками 288, 289, и образует одну сторону обоих роторов. На противоположной стороне ротора детандера находится кольцевой диск 262 из карбида кремния такого же размера, начинающийся от вала. Лопатки, диски и оболочки могут быть сделаны в основном из растянутого углеродного волокна, пропитанного материалами, создающими покрытие, придающими жесткость и прочность волокнам, создавая из них жесткие газонепроницаемые конструкции. Лопатки также могут быть из гибкого волокна, прикрепленного к валу и другим деталям ротора.

[000117] На противоположной стороне ротора компрессора 253, 254, 283, 284, 287, 288 находится кольцевой диск 254 из карбида кремния, центрованный на оси, но начинающийся на некотором расстоянии за поверхностью вала, и простирающийся до радиуса, превышающего внешний радиус лопаток компрессора 284. Кольцевые диски имеют индивидуальную намотку из углеродного волокна. Лопатки из карбида кремния 284, 272 проходят через пространство между дисками, связывая участки потока, и находятся перпендикулярно к дискам, простираясь радиально от вала.

[000118] Со стороны компрессора, в промежутке между лопатками и корпусом 257, пористая подушка 253 заполняет пространство под кольцом диска и рядом с лопатками 284 и простирается в сторону корпуса. Она сделана из прочного углеродного волокна, не обязательно такого же прочного, как Hexcel IM6, со структурой, приблизительно сохраняющей форму при вращении.

[000119] В корпусе 257 имеется кольцевое отверстие вокруг вала, находящееся на некотором расстоянии от вала, меньшем чем радиус осевого проходного отверстия 268, пропускающее воздух/газ 251 в компрессор. Пористая подушка 253 вращается вместе с валом и роторами и пропускает воздух/газ 258 на участок лопаток через более крупное отверстие в оболочке 254 вокруг вала 263. Воздух/газ поступает на высокой осевой скорости, вплоть до локальной скорости звука, рассредоточивается внутри корпуса, замедляет скорость осевого движения и приобретает окружную скорость от пористой подушки до того, как они попадут на лопатки компрессора 284, которые уже движутся со сверхзвуковыми скоростями даже на поверхности вала. Это приводит к тому, что воздух/газ 285 встречается с лопатками 284 на скоростях менее относительных сверхзвуковых, таким образом не возникает никаких ударных волн. Относительно быстро движущегося ротора, поток воздуха/газа 273 течет радиально и медленно, что также очевидно не приведет к образованию ударных волн.

[000120] С обоих концов вала выходит отработанный газ 269, 286 от ротора детандера 289, 290, 262, 263, 271, 272, 282. Роторы компрессора и детандера сконструированы из альфа карбида кремния с плоскими лопатками 284, 272, приблизительно лежащими в плоскостях оси вращения - внутренние кромки указанных лопаток прижаты к валу и добавочным гибким лопаткам. Все острые углы карбида кремния закруглены до 0,02 дюйма или менее по ширине. Три или более лопаток детандера лежат на валу в пространствах между отверстиями 264, 271 через стенку вала, а три или более лопаток компрессора расположены сходным образом. Обмотка из углеродного волокна на основе ПАН, Hexcel IM6 289 при 12000 волокон на жгут, или Toho Tenax IMS60 при 12000 волокон на жгут, покрытые тонким покрытием, добавочным электролитическим никелированием при натяжении волокон 1% деформации, что составляет приблизительно половину предела прочности при растяжении, наматываются вокруг лопаток, прижимая лопатки к валу при том же самом натяжении в 1% или более. Все твердые кромки, с которыми соприкасается волокно, имеют закругления не менее чем на 0,05 дюймов по радиусу или менее. Витки обмотки прижимают лопатки давлением приблизительно 200000 фунтов на квадратный дюйм в сторону вала. Для некоторых витков используются отверстия, не граничащие с лопаткой, или они наматываются вокруг вала, чтобы придать лопатке сопротивляемость против боковых усилий, стремящихся опрокинуть лопатку. Намотка вокруг внешних кромок лопатки обеспечивает радиальное усилие в 200000 фунтов на квадратный дюйм на лопатку, и обмотки, захватывающие вал обеспечивают приблизительно 20000 фунтов на квадратный дюйм радиального усилия на лопатку. Это обмотки конструкционных лопаток. Далее обмотки могут быть дополнительно покрыты тонким слоем гальванического никелевого покрытия. Могут использоваться гибкие лопатки из материалов с высокой прочностью на сжатие без обмотки. Примеры жгутов с высокой прочностью на сжатие включают волоконный жгут Hexcel IM6 12000, предел прочности на разрыв 827000 фунтов на квадратный дюйм, удельный вес 1,76, или волоконный жгут Hexcel IM9 12000, предел прочности на разрыв 887000 фунтов на квадратный дюйм, удельный вес 1,8, или Toho Tenax IMS60, предел прочности на разрыв 885000 фунтов на квадратный дюйм, удельный вес 1,79, или Amoco T1000, предел прочности на разрыв 1,002,000 фунтов на квадратный дюйм, или Amoco T40. Материалы Hexcel поставляются с камвольного комбината корпорации Hexcel в Солт-Лейк Сити, расположенном в г. Вест-Вэлли-Сити, шт. Юта. Материалы фирмы Toho можно приобрести в Toho Tenax America, Inc., отделы сбыта которой находятся в г. Ирвин, шт. Калифорния, г. Брэзелтон, шт. Джорджия, и г. Мурисвил, шт. Северная Каролина. Материалы фирмы Amoco можно приобрести в компании Amoco Performance Products, Inc. в техническом центре «Парма» в шт. Огайо.

[000121] Кольцо 287, 290, сделанное из волоконной подушки, металлической сетки или пористой керамики, такой как вспененный аморфный кварц, силикагель, углеродное волокно или металлическая сетка, способное обеспечить небольшие проточные каналы или расширенную сотовую структуру, лежит концентрически относительно вала вокруг лопаток 284, 272, и примерно от 0,005 до 0,1 дюйма от лопаток, с открытым кольцевым пространством вокруг лопаток внутри кольца. Кольцо обладает значительной прочностью на сжатие, нажатия пальца или выше, а его толщина не создает большей силы сжатия, чем та которую оно может выдержать при вращении на высшей скорости. Высшая скорость на внешней поверхности кольца составляет приблизительно 3157 футов в секунду. Углеродное волокно 289 окружает кольцо по окружности, с давлением, равным центробежной силе вращения кольца. Кольцо займет свой рабочий радиус при раскрутке ротора. Кольцо 287, 290 имеет крепление из углеродного волокна на основе ПАН, не показанное на чертеже, и будет подвергаться значительному окружному усилию воздуха/газа, проходящего через него. Кольцо дает возможность протекания воздуха/газа 273 через него на скорости примерно 100 футов в секунду. Окружной поток достигает приблизительно скорости кольца по мере прохождения через кольцо. Кольцо представляет собой пористую керамическую или волоконную подушку или металлическую сетку с небольшими проточными каналами, или расширенную сотовую структуру, и занимает пути радиального движения потока в роторе за пределами радиуса, близкого к большему радиусу ротора, и вращается вместе с ротором так, что весь сжимаемый газ или воздух выходит через кольцо и теряет турбулентность воздуха или газа, и градиенты окружного давления в кольце, выходя на почти равномерных сверхзвуковых окружных скоростях, с почти равномерными дозвуковыми радиальными скоростями из ротора. Кольцо работает в качестве последней лопатки ротора, и определяет скорость ротора по Маху на сверхзвуковой окружной скорости, что должно совпадать с окружной скоростью выходящего воздуха/газа 281 и входящего воздуха/газа 274. Небольшое несовпадение со скоростью 274 допустимо, кольцо поглотит кинетический момент, поднимая или понижая температуру воздуха/газа.

[000122] Неконструкционные лопатки добавлены для снижения перепада давления на конструкционных лопатках. Неконструкционные лопатки могут быть тонкими клееными листами из близких к радиальным волокон, которые будут пересекать на малых углах менее 30 градусов или ½ радиан, при еще меньших количествах осевых волокон, приклеенных к ним. Эти лопатки могут начинаться недалеко от вала, изготавливаться из шнуров углеводородного волокна на основе ПАН, закрепленных на валу, и доходить до высокопрочных обмоток вокруг конструкционных лопаток и/или высокопрочных обмоток вокруг всех лопаток и доходить до кольцевого пространства вокруг конструкционных лопаток.

[000123] Корпус 257 имеет форму толстостенной консервной банки с осью вращения вдоль оси вала, с отверстиями, проходящими через вал с обеих сторон. Небольшие диски 264 простираются от вала, и вращаются вместе с валом рядом с внешней поверхностью корпуса, действуя как центробежные насосы, удаляя воздух/газ из корпуса во всех случаях на стороне детандера, а на стороне компрессора при создании вакуума за пределами ротора компрессора. Уплотнительные кольца ротора 255, 293 имеют небольшой зазор между собой и вращающимися кольцами 254, 262, также закачивающими воздух на большие радиусы, блокируя обратный поток из кольцевых пространств 279, 276. Поверхности рядом с небольшим зазором могут быть канавками для улучшения накачки. Газ низкой плотности, такой как водород, можно вводить вблизи внутреннего радиуса уплотнительного кольца ротора 255, 293 для снижения сопротивления в зазоре. Водород не будет потрачен впустую, если двигатель сжигает топливо, он сгорит.

[000124] Два кольцевых пространства 276, 279 вокруг роторов, обеспечивающих переходы скоростей 280 от сверхзвуковых 281 на дозвуковые 279 со стороны компрессора, и переход 275 с дозвуковых скоростей 276 на сверхзвуковые 274 со стороны детандера, простираются от очень близкого к ротору положения до большего радиуса в дозвуковом потоке. Они врезаны в изоляцию, заполняющую корпус от своего минимального внутреннего радиуса до внешних радиусов работающих роторов. Изоляция или покрытие на изоляции может сдерживать давление в кольцевых пространствах 277, 278. Внешняя поверхность кольца на кромке ротора герметизирована за исключением полоски рядом с отверстием в кольцевом пространстве.

[000125] Каждое кольцевое пространство на внешнем радиусе подходит близко к стенке, спирально выходящей наружу для выпуска 258, 260 в изоляцию. Кольцевое пространство на стороне детандера имеет больший размера, чем кольцевое пространство на стороне компрессора. Выход из кольцевого пространства компрессора сделан в форме приблизительно одного витка спирали до выходного отверстия, которое может быть прямоугольным в начале, и может, после небольшого участка, трансформироваться в круглую трубку 259, которая идет по спирали внутри изоляции внутри корпуса, переходя на большие радиусы, и постепенно продвигается по направлению плоскости входа в кольцевое пространство детандера, где она движется по спирали внутрь, и меняет форму на соответствующую входу, становясь приблизительно прямоугольной.

[000126] Трубка 259 является камерой сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя; кольцевые пространства сменяют расширяюще-сжимающие сопла Лаваля прямоточного воздушно-реактивного двигателя, так что приблизительно весь объем потока между двумя роторами лежит вне дроссельного участка прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Скорость потока в трубке 259 может местами подходить к сверхзвуковой, поэтому на длину трубки содержится достаточно витков вокруг оси, гарантирующих, что будет достаточно времени для полного сгорания топлива или завершения теплообмена. Длинная тонкая камера сгорания является конструкционной особенностью, не встречающейся в других двигателях. Другие трубки, проходящие через изоляцию 256, подают топливо 291 в камеру сгорания/трубку, и имеют впрыскивающие сопла на выходах. Воздушная линия 292 на воздушные подшипники может идти параллельно топливопроводу с противотоком, и подогревать поступающее топливо.

[000127] Кольцевые пространства имеют одну из показанных форм (фиг.7, 8, 9) и окружены изоляцией 256 из вспененного аморфного кварца или другого материала, например, Cotronics M310, имеющей покрытие внутри и дополнительно усиленной газонепроницаемым литьевым вариантом того же материала 277, 278. Кварц 256 является материалом, обладающий прекрасными термоизоляционными свойствами и высокой устойчивостью к тепловому удару плюс низким коэффициентом теплового расширения. Материал Cotronics M310 обладает хорошей прочностью на сжатие, но армирующий материал имеет в 5 раз большую прочность на сжатие. Армирование покрывает поверхность кольцевых пространств и трубки между кольцевыми пространствами и заполняет тонкие канавки, вырезанные в первичной изоляции кольцевого пространства для увеличения конструкционной прочности. Более плотный вариант литьевой, поэтому он используется для отливки усиливающих конструкционных тавровых балок в изоляции.

[000128] Материалом корпуса может служить добавленное в него углеродное волокно, так чтобы оно работало как короткий меховой подшерсток, лежащий в потоке, и препятствующий развитию утолщенных граничных слоев в потоке. Углеродное волокно на основе ПАН имеет толщину 4-6 микрон, и гладкую поверхность, являющуюся гладко округлой до приблизительно 1/30 микрона или менее. Общее меховое покрытие может быть примерно толщиной в одну тысячную дюйма, когда волокна пригибаются потоком. Меховое покрытие полезно в местах с наивысшей скоростью потока, которые одновременно являются самой холодной частью кольцевого пространства. Участки поверхности, имеющие температуру свыше 1000°C, должны быть снабжены другим волокном, таким как кварцевое волокно, способное выдержать такие температуры.

[000129] Вал удерживается подушкообразными воздушными подшипниками 250, 265, такими как подшипники New Age, вне пределов корпуса, смонтированными на корпусе, приводимыми в действие внешним компрессором. Предпочтительно запускать их до начала вращения вала. Давление можно подавать от работающего прямоточного воздушно-реактивного двигателя через маленькую трубку из камеры сгорания - несмотря на высокое давление и температуру, ее расход можно ограничить дросселем, а охладить путем нагревания масла, если таковое имеется. Нагрузка, такая как высокочастотный электрогенератор 266, 267, может быть размещена на вращающемся валу. Внешним вакуумным насосом можно начать удаление воздуха 264 из корпуса на стороне детандера.

[000130] Для запуска двигателя в некоторых сферах применения может пригодиться блокировка концов вала и входного отверстия 252 для предотвращения циркуляции воздуха или газа в процессе раскрутки роторов до скорости запуска, которая является скоростью поддержки сгорания, затем медленного открытия вала только с компрессорной стороны до тех пор, пока давление не возникнет в выпуске детандера 270, 271, затем запустить сгорание и медленно открыть входное отверстие. Температуры в двигателе приблизительно независимы от уровня расхода воздуха/газа.

[000131] На фиг.11 показано увеличенное поперечное сечение конструктивного исполнения кольцевых спиральных камер, где поперечное сечение в плане содержит ось вращения ротора, показывающее поверхностные волокна, способные минимизировать развитие граничного слоя. Для простоты различные узлы, представляющие интерес, указаны на фиг.11 при помощи терминов, содержащихся в таблице 8.

[000132]

Таблица 8: Справочный список узлов, отмеченных на фиг.11 300. Волокна, выступающие из стенки кольцевого проточного канала компрессора

301. Термоизоляция 302. Волокна, выступающие из стенки кольцевого проточного канала декомпрессора 303. Участок сверхзвукового потока кольцевого проточного канала декомпрессора 304. Пористое кольцо декомпрессора 305. Пористое кольцо компрессора 306. Лопатка компрессора 307. Сверхзвуковой участок потока кольцевого канала вокруг компрессора 308. Дозвуковой участок потока кольцевого канала вокруг компрессора

[000133] На фиг.11 представлен увеличенный вид поперечного сечения кольцевых проточных каналов, показаны поверхностные волокна для целей минимизации развития граничного слоя. Выступающие волокна 300, 302 из стенки кольцевых проточных каналов 303, 307, 308 вокруг компрессора 305 и декомпрессора 304 расположены так, чтобы работать в качестве минимизатора граничного слоя. Волокна 300, 302 гладкие, с шероховатостью поверхности менее 0,030 микрона. Волокна диаметром примерно от 4 до 6 микрон и выступают более чем на 6 величин своего диаметра над поверхностью стенки проточного канала. Волокна отделены друг от друга на поверхности на расстояние одного или более диаметров. При возникновении потока волокна сгибаются и выступают менее чем на три диаметра в сверхзвуковом потоке 307, 303, а в дозвуковом потоке 308. Их можно отформовать из углеродного волокна на основе ПАН, и внедрить в материал стенки 301. В процессе работы на каждом индивидуальном волокне потоком создается граничный слой, растущий в диаметре по их длине в направлении потока. Чем большего размера граничный слой, тем сильнее волокно пригибается к поверхности, и граничный слой оканчивается там, где кончается волокно. Также на данной фигуре показан увеличенный вид лопатки компрессора 306 и пористых колец 304, 305 декомпрессора и компрессора. Их можно отформовать из матированного углеродного волокна или пористых матричных материалов.

[000134] Мало что было сказано про вал, кроме того что он имеет наивысший удельный предел текучести на разрыв из ковких металлов. Соответственно, размер вала является наибольшим возможным для изготовления из металла без армирования. Радиус полости вала является одним из факторов ограничения мощности конструкции. При больших размерах внутренняя поверхность двигалась бы со скоростью выше скорости Маха 1. Если поток воздуха/газа поступает в компрессор через вал, тогда существует стенка, разделяющая приток в вал и отток из вала, а в валу размещаются тонкие стенки для того, чтобы довести воздух/газ до скорости вращения вала. Стационарная тонкая стенка размещается внутри выходной секции вала для остановки вращения выпуска вместе с валом.

[000135] Возможно проектирование более крупных валов, но, только в случае армирования высокопрочными обмотками из углеродного волокна. Одним из способов добиться этого является прорезание каналов в цилиндре из материала с высокой прочностью на сжатие, таком как карбид кремния, на внешней поверхности под углом 45 градусов к линиям поверхности, параллельным оси на небольшую глубину, оставляя квадратные граненые внешние поверхности нетронутыми. Отверстия в валу прорезаются внутри граненых квадратов через стенку вала. Облицованное углеродное волокно растягивается до 1% растяжения или более, и наматывается в каналы, из одного конца вала, и закольцовывается для возврата в следующий канал, выходя наружу на противоположном конце вала - обмотка повторяется до заполнения всех каналов. Витки под 45 градусов обеспечат необходимую несущую способность вала по крутящему моменту. Гораздо более важно, что витки обеспечивают скрепляющую муфту, необходимую для высокоскоростного вращения. Также это уменьшит общее расширение вала.

[000136] Дополнительные целевые варианты конструктивного исполнения изобретения представлены ниже. Функции, описываемые в настоящем документе, могут быть дополнительными в зависимости от конкретной области применения и/или желаемого результата. Например, конструктивные исполнения могут включать сверхзвуковой ротор, способный разгонять или замедлять воздух или газ до угловой скорости ротора в ходе работы, и способный развивать скорости на поверхности от примерно 2000 футов в секунду до примерно 5400 футов в секунду в составе: вала, состоящего из материала с высоким удельным пределом текучести на разрыв, центрованным по оси вращения; конструкционного компрессионного материала с высокой удельной прочностью на сжатие на валу или вокруг него в желаемой конфигурации, в форме лопаток (в качестве одного варианта); и волоконного жгута с высоким удельным пределом текучести на разрыв для удержания компрессионного материала в желаемой конфигурации в ходе вращения меньшего вала.

[000137] Перед вращением вала и ротора в ходе работы компрессионный материал может быть предварительно обжат витками жгута кольцами вокруг компрессионного материала с высоким натяжением на примерно половине предела прочности на разрыв с усилием вдоль оси, и способности некоторых обмоток сопротивляться относительному движению деталей и поглощать десятки фунтов силы на квадратный дюйм, направленной по окружности против деталей без значительного движения, при котором, при вращении со скоростями Маха, сила на детали по направлению к оси приближается к максимальной центробежной силе, генерируемой деталью в ходе работы, а компрессионный материал остается в предварительно обжатой конфигурации за счет эластичности компрессионного материала на расширение, потому что вращение снижает обжатие, что заставляет волоконный жгут расширяться, добавляя большее усилие, чем максимальная центробежная сила на компрессионный материал, прочно удерживая компрессионный материал на месте.

[000138] В варианты конструктивного исполнения могут по желанию включаться дополнительные, менее жесткие и более гибкие, детали, состоящие из волоконного жгута, армированного прочным на сжатие материалом без обмотки при высоком натяжении, по желанию с клеящими материалами, или керамикой, или металлом, введенным в волокно, и детали, способные масштабироваться по размеру без изменения поверхностной скорости вала в ходе работы.

[000139] Устройства, соответствующие изобретению, могут иметь ротор, в котором волоконный жгут с высокой удельной прочностью на разрыв представлен по крайней мере одним из приведенных волокон: композитное волокно из нанотрубок, углеродное волокно, стекловолокно, металлическое и керамическое волокно, и полимерные волокна; и/или в котором конструкционный компрессионный материал состоит из, по крайней мере, одного из перечисленных компонентов: альфа-карбид кремния, карбид бора, керамика, алмазоподобный материал, металл и полимер; и/или в котором материал с высокой удельной прочностью на разрыв представлен, по крайней мере, одним из следующих компонентов: альфа-карбид кремния, свитый с углеродным волокном с покрытием из алмазоподобного материала, сталь, обработанная посредством скручивания на оси вала, титановый сплав, термически обработанный до достижения максимального предела прочности на разрыв, металл, керамика или полимер в любом сочетании вышеперечисленного.

[000140] Также в состав изобретения включен одноступенчатый, практически адиабатический, радиальный центробежный компрессор, состоящий из сверхзвукового ротора согласно изобретению, в котором закрепленные на валу детали, способные быстро двигаться в ходе вращения, изготовлены или удерживаются волоконным жгутом с высокой удельной прочностью на разрыв; и/или в котором вал представлен осевыми полостями или проходными диаметрами, центрованными по оси вращения, имеющими, при желании, сплошную часть ближе к середине ротора, и состоящую из радиальных выходных отверстий через стенки вала в лопаточный объем по желанию конструкционных, и по желанию гибких лопаток, лежащих приблизительно в плоскостях, включающих ось, с основаниями на валу или вокруг него, когда лопатки способны к продувке лопаточного объема, а по желанию являющимися конструкционным компрессионным материалом и жгутом с высокой удельной прочность на разрыв; в котором лопаточный объем далее определяется стенками ротора, составленными из двух оболочек, расположенных на противоположных сторонах лопаточного объема рядом с кромками лопаток, простирающимися вовне от вала и до внешнего радиуса оболочки примерно до радиуса внешних кромок лопаток, так что поток воздуха или газа способен проходить почти радиально через лопаточный объем между лопатками и оболочками; корпус по крайней мере части вала и ротора, состоящий из термоизоляции, имеющий: кольцевое пространство, окружающее по крайней мере часть ротора, имеющее внутренний радиус близкий к валу, в котором кольцевое пространство вращательно симметрично относительно оси, и способно принимать поток воздуха или газа из лопаточного объема; спиральная камера, начинающаяся на внешнем радиусе кольцевого пространства, и представляющая собой спирально раскручивающуюся стенку, способную блокировать радиальный поток, и противоположных поверхностей для связывания воздуха или газа внутри спиральной камеры которая, в ходе работы ротора на сверхзвуковых скоростях способна принимать поток спирально закрученного наружу воздуха или газа из кольцевого пространства, и доставлять поток к выходному отверстию; способного создавать степени сжатия от примерно 10:1 до 90:1 и выше на воздухе комнатной температуры; по желанию способного работать как детандер при обращении направления потока.

[000141] Также в состав изобретения включены компрессоры, способные давать выход потока на локальной дозвуковой скорости в ходе работы сверхзвукового ротора, в которых: противоположные поверхности спиральной камеры представляют формы, по желанию пропорциональные формам на фиг.7, 8 или 9 для создания, в ходе работы, плавного кольцевого потока, обратно пропорционального радиусу от оси; спиральная камера простирается между первым радиусом около внешнего радиуса ротора, и вторым радиусом, выбранным так, что в ходе работы скорость сверхзвукового потока существует в первом радиусе, а желаемая локальная дозвуковая скорость потока достигается на втором радиусе, у спиральной камеры нет дроссельного участка, и она не производит радиального торможения потока где, в ходе работы, поток достигает локальной скорости звука; в ходе работы, за пределами спиральной камеры, поток представляет собой естественную спиральную форму потока, совпадающую с внешней спиральной стенкой спиральной камеры, далее выходящий через выходное отверстие на дозвуковой скорости, по желанию покидающего корпус; по желанию способный работать как детандер с поступлением локального дозвукового потока при смене направления потока и вращения, и при отсутствии дросселя.

[000142] Конструктивное исполнение компрессора согласно изобретению может представлять собой средство регулировки массовой скорости потока, состоящее из регулируемой полосы или пояса внутри спиральной стенки спиральной камеры, способная отделяться от спиральной стенки и выравниваться по естественной спиральной форме потока, что регулирует различные массовые скорости потока до значения ниже максимума.

[000143] Конструктивные исполнения компрессора в соответствии с изобретением могут представлять собой средство для повышения коэффициента полезного действия детандера, в котором две оболочки ротора достигают вала, и способны вместить поток воздуха или газа и выпустить поток через полый вал, что послужит причиной выполнения сходной работы всем объемом воздуха или газа; отличающийся тем, что коэффициент полезного действия детандера сравнивается с выпуском воздуха или газа через кольцевые отверстия вокруг вала через оболочку, что дает возможность некоторому количеству воздуха или газа выходить по большему радиусу и при более высокой температуре чем другой воздух или газ, что гарантированно дает некоторую потерю коэффициента полезного действия.

[000144] Также в состав изобретения включены варианты конструктивного исполнения прямоточных воздушно-реактивных двигателей, включая стационарный или дозвуковой, или сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель с изоляцией наиболее быстродвижущихся деталей от самых высоких температур двигателя, и, по желанию, без дросселя, включающий в себя: прямоточный воздушно-реактивный двигатель, включающий в себя входное сопло Лаваля, камеру сгорания, и выходное сопло Лаваля, способный к сверхзвуковому полету в воздухе или другом газе на скоростях Мах M в частной воздушной или газовой атмосфере, где число Маха M ниже 7400 футов/сек; любой радиальный компрессор, описанный в настоящем документе, включающий в себя ротор, способный к выходу газа на окружных скоростях Маха ML√2 и размером, производящим массовый расход больший, чем прямоточный воздушно-реактивный двигатель, и имеющий скорость локального дозвукового выпуска S1; в котором часть входного сопла Лаваля начинается на поперечном сечении сопла, где скорость дозвукового потока составляет приблизительно S1, и который, проходя далее в камеру сгорания, способен получать выход с компрессора и доставлять выход с компрессора на прямоточный воздушно-реактивный двигатель; в котором часть входного сопла Лаваля, допускающая более высокую скорость потока удалена, включая дроссельный участок; в ходе работы воздух или газ на входе в компрессор редуцируется до массового расхода прямоточного воздушно-реактивного двигателя путем блокировки площади входного потока, а регулируемая полоса или пояс спиральной выходной области компрессора регулируется по измененному массовому расходу; по желанию представляя собой любой из описанных здесь детандеров надлежащего размера, имеющий проектную локальную дозвуковую входную скорость S2 для газа или воздуха с уровнем энергии на выходе газа или воздуха из камеры сгорания при большей объемной емкости потока для производства механического движения вала и выпуска; в котором, по желанию, часть выпускного сопла Лаваля, начинающегося у камеры сгорания и заканчивающегося на поперечном сечении сопла где локальная дозвуковая скорость потока составляет приблизительно S2, способный доставить выпуск из прямоточного воздушно-реактивного двигателя до детандера; в котором, по желанию, часть выходного сопла Лаваля, допускающая более высокую скорость потока удалена или отсутствует, включая дроссельный участок; в котором, по желанию, регулируемая полоса или пояс спиральной камеры детандера регулируется по изменениям массового расхода; в котором максимальная температура в роторе компрессора и в валу составляет приблизительно среднюю температуры атмосферы, а температура торможения потока в камере сгорания и максимальная температура в добавочном роторе и валу детандера составляет приблизительно среднюю температуру на выходе в атмосферу и температуры торможения потока в камере сгорания, что снижает температуру ротора приблизительно на 450°С ниже температуры торможения потока при сжатии в другом предпочтительной конструктивном исполнении, а добавочный ротор детандера примерно на 675°С температуры торможения потока при сжатии, что вызывает изоляцию быстродвижущихся деталей двигателя далеко от участков наивысшей температуры двигателя; в котором каждый компрессор, оставшаяся часть прямоточного воздушно-реактивного двигателя и добавочный детандер имеют корпус, который возможно скрепить вместе, и сформировать единый корпус, или в котором корпуса можно закрепить на общей раме; способный быть стационарным, или дозвуковым, или сверхзвуковым; способным выдавать реактивную струю на выходе при помощи полного выпускного сопла Лаваля без использования детандера и без наличия дроссельного участка в сходном сопле Лаваля или иного входного дроссельного участка; по выбору способного обеспечить полную выходную мощность с вала детандера с ничтожно малой суммарной тягой, и без дроссельных участков; по выбору включающему выходной силовой вал и дополнительные выходные сопла Лаваля из камеры сгорания в качестве преобразователей дозвукового потока в сверхзвуковой для выпуска, создавая тягу; по выбору та же конструкция может быть построена из других материалов, не начиная с полного прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

[000145] Конструктивные исполнения компрессоров и/или детандеров могут включать в себя круговое кольцо на внешней кромке ротора, способное вращаться вместе с ротором, включающее в себя не менее одной волоконной подушки, пористый материал или металлическую сетку, и включающее в себя небольшие проточные каналы, выполненные радиальными путями движения воздуха или газа роторе за пределами радиуса внешних кромок лопаток, так чтобы поток воздуха или газа мог проходить через лопаточный объем между стенками или оболочками, и протекать через кольцо, в процессе утрачивая турбулентность и выходя на почти равномерных сверхзвуковых окружных скоростях и близких к равномерным дозвуковых радиальных скоростях из ротора; а кольцевое пространство центровано по оси внутри ротора, а кольцо выполнено вокруг лопаток.

[000146] Конструктивные исполнения компрессора и/или детандера могут включать в себя конструкционную армирующую обмотку из углеродного волокна вокруг конструкционных силовых лопаток на внешних кромках лопаток и окружающих лопаточный объем, и прижимающих каждую лопатку к валу так, что намотка позволяет радиальному потоку воздуха или газа проходить на дозвуковых скоростях; при котором обмотка распределена по ширине наружной кромки лопатки каждой лопатки, и простирается по направлению наружу от внешней кромки лопатки для блокировки, в ходе работы, нагнетаемого высокоскоростного потока воздуха или газа с одной стороны лопатки на другую сторону через кромки лопатки; способные остановить образование ударных волн на внешних кромках лопатки.

[000147] Конструктивные исполнения компрессора и/или детандера могут включать в себя очень легкие лопатки, состоящие из жгута углеродного волокна на основе ПАН, формованного путем: растягивания жгута на длинные плоские полосы; намотки полосы на прямоугольную вытяжную раму, сделанную путем намотки облицованного углеродного волокна вокруг четырех гладких стоек в форме прямоугольника или многоугольника со стороной примерно размером с длину лопатки, с маркировкой одной стороны как внешней кромки лопатки, так чтобы полосы из двух полотен составили два полотна волокна, покрывающие большую часть прямоугольника или многоугольника с обеих сторон, с двумя концами полос выступающими со стороны, обозначенной как внешняя кромка лопатки, и в направлении, близком к перпендикулярному к внешней кромке лопатки; спрессовав два полотна волокна внутри рамы, чтобы две полосы составили единое тонкое полотно; с нанесением, по желанию, тонкого покрытия на полотно посредством гальванизации, и удалив гладкие опоры из рамы; тогда очень легкие лопатки будут прикреплены к валу или другим деталям ротора между конструкционными лопатками посредством витков через углы рамы с отмеченной внешней кромкой ориентированной в сторону большего радиуса.

[000148] Конструктивные исполнения компрессора и/или детандера могут включать в себя средства остановки потока из кольцевой камеры внутрь вокруг ротора, в силу чего: оболочки составляют внешние поверхности, обращенные к корпусу, являющиеся вращательно симметричными поверхностями вокруг оси в пределах примерно полудюйма или более от внешнего радиуса оболочки; изоляция или корпус включает в себя кольца, обращенные к внешним поверхностям оболочек, и отделенные от оболочек в ходе работы зазором примерно от 0,0002 до 0,002 дюйма; а поверхности, по желанию, включают в себя канавки, расположенные под углом так, что в ходе работы ротора на скоростях Маха, канавки и зазор накачивают воздух или газ в сторону больших радиусов больших радиусов, задерживая поток в противоположном направлении вокруг ротора, и в котором канавки формуются по желанию размещением намоток.

[000149] Конструктивные исполнения компрессоров и/или детандеров могут включать в себя средства для устранения больших граничных слоев в со сверхзвуковой скоростью, при которых: противоположные поверхности, способные связывать воздух или газ внутри кольцевой камеры включают в себя короткие волокна, так что волокна способны выступать в потоке и сгибаться в сторону поверхностей при возникновении высокоскоростного потока воздуха или газа параллельно поверхностям, волокна имеют очень гладкие и однородные круглые цилиндрические поверхности и диаметры примерно 4-6 микрон, волокна отделены расстояниями большими, чем их диаметры, волокна способны выступать в потоке более чем на 3 диаметра из противоположных поверхностей внутри кольцевой камеры; при этом в ходе работы небольшие граничные слои в потоке способны формироваться на волокнах и расширяться между индивидуальных волокон в направлении потока - они направляются в сторону ближайшей противоположной поверхности согнутыми волокнами и заканчиваются на конце волокон; что делает волокно, покрывающее поверхность неспособной поддерживать толстый граничный слой.

[000150] Конструктивные исполнения компрессоров и/или детандеров могут включать в себя уплотнительное кольцо ротора, расположенное в корпусе или другие материалы в корпусе между ротором и кольцевой камерой, в котором лежит небольшой зазор между уплотнительным кольцом и ротором; средство для снижения сопротивления, при котором: газ низкой плотности, по желанию водород, выпускается внутри корпуса и снаружи ротора; или один или более роторов имеют один или более внешних оболочек, способных блокировать осевой поток воздуха или газа через ротор, но не радиальный поток через внешний радиус ротора; оболочка окружена частичным вакуумом между оболочкой и корпусом, или другими материалами в корпусе или изоляции, и не расположен близко к корпусу или другим материалам в корпусе к радиусу R, небольшое расстояние от внешнего радиуса лопаток ротора; за пределами радиуса R внешняя поверхность оболочки является поверхностью вращения вокруг оси, и включает в себя канавки; на скоростях Маха внешняя поверхность оболочки за пределами R лежит на небольшом расстоянии от уплотнительного кольца ротора; уплотнительное кольцо ротора и внешняя поверхность оболочки достаточно близко расположены друг к другу, и имеют ориентированные канавки для закачки воздуха или газа между кольцом и ротором на большие радиусы, блокируют поток в противоположном направлении и углубляя вакуум между корпусом и ротором при работе; средства углубления вакуума выбираются из: i) другие поверхности, смонтированные на валу, находятся близко к внешним поверхностям в корпусе, и позиционированы, и имеют дополнительные канавки для выкачивания воздуха или газа из корпуса; ii) трубки, направленные вниз по потоку в сверхзвуковом потоке далее ротора имеют отверстия заподлицо с противоположными поверхностями, которые тянутся через изоляцию внутри корпуса, и через корпус или материалы внутри корпуса в тот же самый вакуумный объем, а сверхзвуковой поток создает очень низкое давление в трубке; iii) внешний вакуумный насос подключен к тому же самому вакуумному объему так, что сопротивление ротору снижается, а коэффициент полезного действия ротора увеличивается на небольшой процент.

[000151] Конструктивные исполнения прямоточного воздушно-реактивного двигателя в соответствии с изобретением могут представлять собой средства для продления сгорания в камере сгорания, при которых: камера сгорания имеет длину до нескольких тысяч раз превосходящую ее ширину, соответствующую продленному сгоранию; камера сгорания изолирована от потери тепла так, чтобы в ходе работы обеспечивать ничтожно малые потери энергии или коэффициента полезного действия из-за теплоты внутреннего трения, потому что поток в камере сгорания, за исключением горения, является приблизительно адиабатическим потоком Вентури, в котором температурная энергия плюс кинетическая энергия остаются постоянными, а превращение кинетической энергии в тепловую энергию, и тепловой в кинетическую не являются потерями энергии.

[000152] Конструктивные исполнения прямоточного воздушно-реактивного двигателя в соответствии с изобретением могут включать в себя средства снижения максимальной температуры в камере сгорания в ходе работы при дозвуковой скорости потока в камере сгорания, в то же самое время поддерживая постоянный топливно-воздушный коэффициент, при котором: длинная камера сгорания включает в себя внутреннее проходное сечение, постепенно увеличивающееся или уменьшающееся по длине камеры, которое, при поступлении топлива в ходе работы, способно постепенно увеличивать поток воздуха или газа в сторону локальной скорости звука, и способной снижать максимальную температуру воздуха или газа примерно на 270 градусов Цельсия.

[000153] Конструктивные исполнения прямоточного воздушно-реактивного двигателя в соответствии с изобретением могут включать в себя инерционный наддув, способный эксплуатироваться в качестве стационарного прямоточного воздушно-реактивного двигателя без воздуха или топлива, включая в себя: средства для подачи инертного газа или нереакционноспособного газа для циркуляции вместо воздуха через компрессор, прямоточный воздушно-реактивный двигатель и детандер в качестве рабочего газа двигателя; средство излучения или проведения или подачи тепла без химической реакции в камеру сгорания для подогрева рабочего газа; средства для рециркуляции и охлаждения отходящего газа до температуры близкой к атмосферной или ниже до возвращения отходящего газа на подачу; средства увеличения выходной мощности и, по желанию, под более высоким давлением чем окружающая атмосфера; при котором средством подогрева является солнечное излучение или теплообмен от внешнего процесса сгорания или иного теплогенерирующего источника.

[000154] Также включены стационарные или сверхзвуковые или дозвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели, включающие в себя средства для приведения компрессора в действие детандером путем размещения компрессора на одном и том же валу; при котором вал компрессора и детандера расположены на оси, разделены так, что все четыре конца полых участков вала могут принимать или отдавать воздух, и соединены сплошным валом небольшого диаметра, который по оси протянут в каждый вал и поддерживается радиальными стенками внутри компрессорного вала, закачиваясь у сплошной части вала детандера рядом с серединой ротора детандера; или вал компрессора не полый, но меньшего диаметра за исключением места возле середины ротора компрессора, в воздух или газ может подаваться через разрез в объеме вала внутри корпуса и оболочек, а вал компрессора вытягивается внутрь вала детандера и соединяется со сплошной частью вала детандера возле середины ротора детандера; или в компрессоре используется часть вала детандера, по желанию с уменьшенным внешним радиусом, без радиальных отверстий через стенку вала на участок ротора компрессора, а воздух или газ имеет возможность подаваться через круглые отверстия вокруг вала через корпус и оболочки, а в детандере имеется возможность выпуска через оба конца полого вала детандера; или как компрессор, так и детандер находятся на одном полом валу, а сплошная часть вала разделяет из участки подачи и выпуска.

[000155] Также включены дозвуковые или сверхзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели, включающие в себя средство увеличения мощности, при которых: оболочка на роторе компрессора представляет собой первое отверстие на радиусе, позволяющее газу или воздуху входить со стороны оболочки, обращенной к корпусу; корпус, обращенный к стороне оболочки на роторе компрессора представляет собой второе отверстие меньшего радиуса; на роторе компрессора пористый материал или волоконная подушка, поддерживаемые намоткой из высоко-напряженного волоконного жгута заполняет первое отверстие и пространство между оболочкой и валом, и простирается в сторону корпуса, и способно вращаться вместе с валом, вал ротора компрессора и ротор детандера полностью высверлены, а радиальные выпускные отверстия из лопаточного объема детандера увеличены в проходном сечении, а радиальные выпускные отверстия в лопаточный объем компрессора не присутствуют; при этом в ходе работы поток из детандера имеет возможность выпуска через оба конца вала.

[000156] Также были учтены двигатели, включающие в себя компрессор и детандер согласно изобретению, которые могут включать в себя ротор компрессора, включающий в себя конструкционный компрессионный материал с прочностью на сжатие 560000 фунтов на квадратный дюйм и удельную плотность 3,1, и вал, включающий в себя термически обработанный Ti beta-CEZ, имеющий предел текучести на разрыв 220000 фунтов на квадратный дюйм с удельной плотностью 4,69, и волоконный жгут 12000 волокон на жгут с высокой прочностью на разрыв, предел прочности на разрыв 827000 фунтов на квадратный дюйм, удельная плотность 1,76, или жгут на 12000 волокон, предел прочности на разрыв 887000 фунтов на квадратный дюйм, удельная плотность 1,8, или предел прочности на разрыв 885000 фунтов на квадратный дюйм, удельная плотность 1,79, или предел прочности на разрыв 1002000 фунтов на квадратный дюйм; в которых ротор компрессора и ротор детандера находятся на одном валу; радиальные выпускные отверстия соединяют поток в просвете вала с лопаточным объемом ротора детандера, но не с ротором компрессора; участки стенки вала в районе компрессора могут быть срезаны без выхода в просвет вала, чтобы предоставить путь движения в ротор компрессора; оболочка ротора компрессора и корпус рядом в компрессором вместе включают в себя открытые круглые отверстия вокруг вала, дающие возможность осевому потоку поступать на участок ротора компрессора в вал и вокруг него при меньших отверстиях в корпусе, чем в оболочке; конструкционные лопатки немного короче чем оболочки, в чем, перед вращение, лопатки включают в себя намотки от вала и через лопатки и обратно на вал на сжатие 190000 фунтов на квадратный дюйм в лопатках, и включают в себя намотки по окружности на сжатие 5000 фунтов на квадратный дюйм в лопатках, покрывающие внешние кромки лопаток, и при которых внешние кромки лопаток металлически связаны с намотками; между радиусом внешних кромок лопаток и внешним радиусом оболочки, ротор включает в себя проходное кольцо, сделанное из волоконной подушки, металлической сетки или пористой керамики, расположенное на несколько сотых дюйма от внешнего радиуса оболочки, в пространстве между оболочками, отделенный приблизительно на 0,005-0,1 дюйма от лопаток открытым кольцевым пространством, в котором кольцо удерживается на месте намотками на роторе и вокруг вала, или намотками, удерживающими оболочки на валу, и в котором кольцо, имеет возможность пропуска радиального потока воздуха или газа через кольцо на скорости в сотни футов в секунду; волоконная подушка или пористый материал заполняют открытое круглое отверстие в оболочке компрессора за пределами вала, простирается в сторону корпуса, вращается вместе с валом и ротором, и способна добавить дополнительную скорость поступающему воздуху или газу в ходе работы компрессора; поверхность оболочки каждого ротора компрессора и детандера, обращенного к корпусу является поверхностью вращения вокруг оси в пределах примерно ½ дюйма от радиуса внешней оболочки, а кольца с совпадающей поверхностью, расположенные по направлению к поверхности вращения расположены в корпусе или других материалах в корпусе таким образом что, в ходе работы, зазор примерно от 0,0002 дюйма до 0,002 дюйма отделяет оболочки от колец, при котором поверхности представляют, по желанию, канавки под таким углом что, в ходе работы ротора на скоростях числа Маха, зазоры и канавки закачивают воздух или газ по направлению к большим радиусам, замедляя поток в противоположных направлениях вокруг ротора, и при котором в кольцевом пространстве со стороны детандера откачивается вакуум посредством зазора и кольцевого пространства, представляющими собой поверхность с опциональными канавками, расположенное вокруг вала за пределами и рядом с корпусом, и в котором трубки, нацеленные вниз по течению сверхзвукового потока за пределами ротора расположены заподлицо с противолежащими поверхностями, и простираются через изоляцию внутри корпуса или через корпус или другой материал внутри корпуса к тому же вакууму, а сверхзвуковой поток создает пониженное давление в рубке; кольцевые камеры компрессора и детандера являются раздельными объемами вращения вокруг вала, а противолежащие поверхности каждой кольцевой камеры образуют гладкие поверхности, по желанию обработанные для минимизации развития граничного слоя посредством щетины из волокон небольшого диаметра, способной выступать на несколько тысячных дюйма в потоке в ходе работы; в ходе работы, воздух или газ покидают компрессор на окружной скорости Маха М и низкой радиальной скорости, и по спирали выходят в кольцевую камеру, теряя скорость и достигая локальной скорости звука на радиусе в пределах кольцевой камеры, и выходя за радиус в пределах кольцевой камеры при локальной дозвуковой скорости, и выходят из кольцевой камеры, проделывая единственный виток по спирали в изоляции, ведущий к выходному отверстию в изоляции; в ходе работы воздух или газ проходит через выходное отверстие, и отверстие изменяется, становясь короткой трубкой на небольшое расстояние в отверстии, и трубка делает спираль радиально наружу вокруг внешнего радиуса выходного отверстия кольцевой камеры компрессора, и выходит на радиус больший чем кольцевая камера детандера, а затем проходит по спирали радиально внутрь и соединяется с входным отверстием на участок внутренней спирали вокруг кольцевого пространства, окружающего детандер; в ходе работы воздух или газ подогревается в трубке сгоранием или добавлением пара, или через теплопроводность от солнца или внешнего сгорания, проведенную теплообменником, или путем бомбардировки частицами, или другими реакциями, генерирующими тепло; в ходе работы, площадь входного отверстия в детандер приводит поток к скорости, соответствующей входной скорости в детандер, и иметь спиральную форму, заданную подвижной стенкой во входном отверстии и спирали, а затем войти в кольцевую камеру детандера, где поток разгоняется до соответствия окружной скорости ротора выше скорости Маха M на выходе из меньшего радиуса кольцевой камеры с гладкими противолежащими поверхностями внутри кольцевой камеры, обработанными сходным образом с упомянутой выше кольцевой камерой компрессора, и поступить в ротор по внутренней спирали через конструкционные лопатки и их внешние намотки, если таковые имеются, и опциональные дополнительные легкие лопатки в роторе, чтобы наконец достичь отверстий в стенке вала и поступить в полый вал; в котором, в ходе работы, в полом валу вращение потока блокируется плоской лопаткой, стационарно расположенной на валу, и захватывает всю длину полого вала внутри ротора детандера и за пределами упомянутого ротора; при котором плоская лопатка, останавливающая вращение повышает температуру выпускаемого воздуха или газа, что приводит к выпуску воздуха или газа на скоростях вплоть до локальной скорости звука из двух концов вала, вал позиционируется воздушными подшипниками, смонтированными на корпусе; вал производит полезную механическую работу, такую как вращение генератора; по желанию отходящее тепло используется для предварительного подогрева топлива, отопления зданий или воды, или подается в систему кондиционирования воздуха, работающую на тепле, или применяется в других способах отопления, что делает устройство более полезным.

[000157] Конструктивные исполнения двигателя также включают двигатель, включающий в себя: компрессор, способный разгонять воздух или газ до сверхзвуковой скорости потока, камера, способная принять и затормозить сверхзвуковой поток до дозвуковой скорости; камера, способная принять и разогнать дозвуковой поток до сверхзвуковой скорости; детандер, способный затормозить поток воздуха или газа до дозвуковой скорости; в которых ротор компрессора и ротор детандера находятся на одном валу; радиальные отверстия находятся в расширительной части вала, а не в компрессорной части; при котором ротор сделан из материала с высокой удельной прочностью на сжатие с прочностью на сжатие 560000 фунтов на квадратный дюйм и удельной плотностью 3,1 а вал из термически обработанного Ti beta-CEZ, имеющего 220000 фунтов на квадратный дюйм предел текучести на разрыв с удельной плотностью 4,69, или волоконный/металл-композитный или волоконно-полимерный композитный, и волоконный жгут с высокой прочностью на разрыв в 12000 волокон, пределом прочности на разрыв от 790000 фунтов на квадратный дюйм до 1002000 фунтов на квадратный дюйм, удельной плотностью от 1,76 до 1,8.

[000158] Конструктивные исполнения двигателя и компрессора также включают устройства, в которых компрессор способен пропускать воздух или газ на вход компрессора через срезанные объемы вала внутри корпуса и оболочек; и/или в компрессоре имеются кольцевые отверстия в корпусе и оболочке, обращенные к корпусу вокруг вала, способные пропускать воздух или газ для прохода через отверстия в компрессор, когда отверстия на корпусе меньше, чем отверстия на оболочке; и/или конструкционные лопатки короче, чем радиус оболочек, и имеют намотки, обеспечивающие обжатие на 190000 фунтов на квадратный дюйм по направлению к валу, и обжатие в 5000 фунтов на квадратный дюйм от окружных намоток, при котором внешние кромки лопаток металлически связаны с намотками; и/или между радиусом внешней кромки лопаток и внешним радиусом оболочки, ротор компрессора включает в себя проходное кольцо, сделанное из волоконной подушки, металлической сетки или пористой керамики, которые располагаются в пределах нескольких сотых долей дюйма от внешнего радиуса оболочки в пространстве между оболочками, и отделен примерно на 0,005-0,1 дюйма от лопаток открытым кольцевым пространством, в котором кольцо удерживается намотками на роторе и на валу или намотками, удерживающими оболочки на валу, и при котором кольцо способно пропускать радиальный поток воздуха или газа через кольцо на сотнях футов в секунду; и/или волоконная подушка или пористый материал занимает кольцевые отверстия в оболочке компрессора за пределами вала, простирается в сторону корпуса, вращается вместе с валом и ротором, и способно добавить скорости вращения поступающему воздуху или газу в ходе работы компрессора; и/или поверхность на оболочке каждого ротора компрессора и детандера, обращенная к корпусу, является поверхностью вращения вокруг оси в пределах примерно ½ дюйма от внешнего радиуса оболочки, и кольца с совпадающими поверхностями, расположенные в направлении поверхности вращения расположены в корпусе или других материалах в корпусе так, что в ходе работы, зазор от примерно 0,0002 дюйма до 0,002 дюйма отделяет оболочки от колец, при котором поверхность, по желанию, включает в себя канавки под таки углом, который, в ходе работы ротора на скоростях Маха, заставляет зазор и канавки накачивать воздух или газ в направлении больших радиусов, замедляя поток в противоположном направлении вокруг ротора, и при котором из кольцевого пространства детандера откачивается вакуум посредством зазора и кольцевого пространства, представляющего поверхность с опциональными канавками, расположенную вокруг вала снаружи и поблизости от корпуса, и при котором трубки, направленные вниз по течению сверхзвукового потока за пределами ротора расположены заподлицо с противолежащими поверхностями и выступают через изоляцию внутри корпуса или через корпус или другой материал внутри корпуса в тот же самый вакуум, а сверхзвуковой поток создает низкое давление в трубке; и/или кольцевые проточные камеры компрессора и детандера являются раздельными объемами вращения вокруг вала, а противолежащие поверхности в каждом кольце представляют собой щетину диаметром примерно от 4 до 6 микрон, способную выступать на несколько тысячных долей дюйма в потоке в ходе работы; и/или в ходе работы, воздух или газ покидает компрессор на окружной скорости Маха М и низкой радиальной скорости, и по спирали уходит в кольцевое пространство компрессора, теряя скорость и достигая локальной скорости звука на радиусе в пределах кольцевого пространства компрессора, и выходит за радиус внутри кольцевого пространства компрессора на локальную дозвуковую скорость, и выходит из кольцевого пространства компрессора, чтобы сделать один спиральный виток в камере в изоляции, ведущей к отверстию в изоляции; и/или в ходе работы, воздух или газ проходят через отверстие, а отверстие может превратиться в круглую трубку на протяжении небольшого расстояния в отверстии, и трубка совершает спираль радиально внутрь вокруг внешнего радиуса компрессора и выходит на радиус вокруг детандера, а затем делает спираль радиально внутрь, и соединяется с входным отверстием в спиральную внутреннюю область вокруг детандера.

[000159] Цели изобретения включают снижение потребления топлива во всех сферах применения двигателей - от автомобилей до реактивных и винтовых воздушных судов и генерации электрической энергии, и снижение производства выбросов CO₂, и радикальное снижение стоимости двигателей на принципах турбин. Повышение коэффициента полезного действия автоматически снижает потребление топлива. Удвоение коэффициента полезного действия снижает расход топлива наполовину. Утроение коэффициента полезного действия снижает расход топлива на две трети. Сегодня станции, работающие на угле производят 2000 фунтов CO₂ при максимальном коэффициенте полезного действия на один мегаватт-час электроэнергии. Двигатель, удваивающий коэффициент полезного действия газовых турбин электростанции, работающей на природном газе снижает производство CO₂ на 1450 фунтов на мегаватт-час по сравнению с углем, а если тепло, производимое двигателем, используется для обогрева домов взамен использования природного газа в здании, снижение CO₂ составляет 1633 фунтов на мегаватт-час, что составляет 82% от CO₂ от электрической генерации на угле. В течение одного года электрогенератор на один мегаватт на природном газе с комбинированным отоплением может остановить выброс 14305080 фунтов CO₂ в атмосферу за счет замещения использования угля. Стоимость двигателя делает его использование практичным в качестве автомобильного двигателя, что не было достигнуто газовыми турбинами в прошлом, хотя газовые турбины значительно повысили коэффициент полезного действия среднего автомобильного двигателя, по причине высокой стоимости газовых турбин. Данное изобретение включает роторный двигатель со сквозным непрерывным потоком, поэтому однотипному с турбиной, но не является традиционной турбиной. В частности, ни в коем случае турбулентность воздуха или газа в двигателе не повышается, в действительности конструкция снижает турбулентность, которая могла бы возникнуть. Пониженная турбулентность является одним из критериев, по которому можно добиться более высокого коэффициента полезного действия.

[000160] Данное изобретение было описано относительно частных конструктивных исполнений, выполняющих различные функции. Для людей, сведущих в данной области будет очевидно, что можно создать различные переделки и варианты практического применения данного изобретения без расхождений с составом или духом изобретения. Сведущие люди признают, что эти функции можно использовать самостоятельно или в любом сочетании на основании требований и технических условий конкретной сферы применения или конструкции. Другие конструктивные исполнения двигателя будут очевидны для сведущих людей при рассмотрении технических характеристик и практики изобретения. Предоставленное описание изобретения лишь имеет лишь иллюстративную природу, таким образом варианты, не расходящиеся с сутью изобретения предполагаются для включения в состав изобретения.

Аппарат для взаимодействия с воздухом или газом, способный выполнять функцию компрессора или детандера, содержит корпус, вал для передачи крутящего момента, ротор. Вал для передачи крутящего момента проходит через корпус с возможностью вращения вокруг оси и функционально соединен с ротором. Ротор позволяет поддерживать его устойчивое вращение при окружной скорости обода, составляющей приблизительно от 2000 до 5400 футов в секунду. Кольцевая область вокруг ротора и внутри корпуса образует проход для потока. Корпус также включает выпускное отверстие для потока, образующее проход для вытекания высокоэнергетического газа или воздуха наружу из кольцевой области или его втекания в кольцевую область. Вал содержит материал с высокой удельной прочностью на сжатие или растяжение и имеет проходы для потока, обеспечивающие прохождение потока воздуха или газа к ротору или от ротора. Некоторые части вала обмотаны намотками из волоконного жгута из материала с высокой удельной прочностью на растяжение, натягиваемыми примерно до половины их предела прочности на разрыв. Ротор окружает часть вала внутри корпуса и имеет проходы для потока газа или воздуха, пропускающие поток в радиальных направлениях и задерживающие поток от ротора в осевом направлении. Ротор содержит материал с высокой удельной прочностью на растяжение и компрессионный материал, сжатый намотками из волоконного жгута с высокой удельной прочностью на растяжение, натягиваемыми примерно до половины их предела прочности на разрыв. Материал с высокой удельной прочностью на сжатие функционально соединен с валом сжатием или, по меньшей мере, одной намоткой из волоконного жгута. Аппарат, способный выполнять функции компрессора, в функции компрессора содержит кольцевую область вокруг ротора и внутри корпуса, выполненную с возможностью формирования в процессе работы прохода для воздуха или газа от ротора к выпускному отверстию для потока в корпусе, внутри которого воздух или газ проходит по спирали в радиальном направлении от ротора наружу через кольцевую область и с уменьшением скорости. При этом кольцевая область обеспечивает в процессе работы выход потока воздуха или газа в радиальном направлении от ротора наружу. Реактивный и механический двигатели содержат описанный выше аппарат в качестве компрессора. Изобретение направлено на уменьшение расхода топлива, повышение кпд, снижение выбросов CO₂ и снижение стоимости двигателя. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 11 ил., 8 табл.

1. Аппарат для взаимодействия с воздухом или газом, способный выполнять функцию компрессора или детандера, в состав которого входят:
корпус;
вал для передачи крутящего момента, проходящий через корпус с возможностью вращения вокруг оси и функционально соединенный с ротором;
ротор, позволяющий поддерживать его устойчивое вращение при окружной скорости обода, составляющей приблизительно от 2000 до 5400 футов в секунду;
кольцевая область вокруг ротора и внутри корпуса, образующая проход для потока;
причем корпус также включает выпускное отверстие для потока, образующее проход для вытекания высокоэнергетического газа или воздуха наружу из кольцевой области или его втекания в кольцевую область;
вал содержит материал с высокой удельной прочностью на сжатие или растяжение, некоторые части вала обмотаны намотками из волоконного жгута из материала с высокой удельной прочностью на растяжение, натягиваемыми примерно до половины их предела прочности на разрыв, и вал имеет проходы для потока, обеспечивающие прохождение потока воздуха или газа к ротору или от ротора;
ротор окружает часть вала внутри корпуса и имеет проходы для потока газа или воздуха, пропускающие поток в радиальных направлениях и задерживающие поток от ротора в осевом направлении, и содержит материал с высокой удельной прочностью на растяжение и компрессионный материал, сжатый намотками из волоконного жгута с высокой удельной прочностью на растяжение, натягиваемыми примерно до половины их предела прочности на разрыв, причем материал с высокой удельной прочностью на сжатие функционально соединен с валом сжатием или по меньшей мере одной намоткой из волоконного жгута.

2. Аппарат по п.1 в функции компрессора, в котором:
кольцевая область вокруг ротора и внутри корпуса выполнена с возможностью формирования в процессе работы прохода для воздуха или газа от ротора к выпускному отверстию для потока в корпусе, внутри которого воздух или газ проходит по спирали в радиальном направлении от ротора наружу через кольцевую область и с уменьшением скорости;
при этом кольцевая область обеспечивает в процессе работы выход потока воздуха или газа в радиальном направлении от ротора наружу.

3. Аппарат по п.2, способный обеспечить степень сжатия приблизительно от 10:1 до 92:1 для воздуха комнатной температуры.

4. Реактивный двигатель, содержащий:
аппарат по п.2 в качестве компрессора;
входное сопло, обеспечивающее в процессе работы получение высокой температуры сжатия в потоке;
участок подогрева, обеспечивающий в процессе работы прием потока от входного сопла и в котором поток может быть нагрет теплопередачей; и
выходное сопло, обеспечивающее в процессе работы прием потока от участка подогрева и увеличение скорости потока в локально сверхзвуковом потоке с выдачей выходного потока для создания тяги.

5. Реактивный двигатель по п.4, в котором:
входное сопло, в которое в процессе работы входит локально дозвуковой высокоэнергетический высокотемпературный поток и из которого выходит более медленный дозвуковой поток с более высокой температурой;
участок подогрева выполнен с возможностью в процессе работы приема локально дозвукового потока от входного сопла, нагрева потока и выдачи потока с более высокой энергией в выходное сопло; и
выходное сопло способно принимать нагретый локально дозвуковой поток от участка подогрева и преобразовывать локально дозвуковой поток в локально сверхзвуковой поток для его выдачи в виде локально сверхзвуковой реактивной струи.

6. Реактивный двигатель по п.4, в котором:
входное сопло представляет собой сопло Лаваля, способное принимать высокоэнергетический высокотемпературный локально сверхзвуковой поток и преобразовывать локально сверхзвуковой поток в локально дозвуковой поток;
участок подогрева выполнен с возможностью в процессе работы приема локально дозвукового потока от сопла Лаваля, нагрева потока и выдачи потока в выходное сопло; и
выходное сопло представляет собой сопло Лаваля, способное принимать нагретый локально дозвуковой поток из участка подогрева и преобразовывать локально дозвуковой поток в локально сверхзвуковой поток для его выдачи в виде локально сверхзвуковой реактивной струи.

7. Реактивный двигатель по п.4, в котором:
входное сопло способно в процессе работы принимать локально сверхзвуковой высокоэнергетический поток с повышенной температурой, так что поток замедляется, оставаясь локально сверхзвуковым, а его температура увеличивается до необходимой температуры, и выдается локально сверхзвуковой поток;
участок подогрева обеспечивает в процессе работы прием локально сверхзвукового потока от входного сопла, нагрев потока и выдачу локально сверхзвукового потока в выходное сопло; и
выходное сопло способно в процессе работы принимать подогретый локально сверхзвуковой поток от участка подогрева и преобразовывать локально сверхзвуковой поток в локально сверхзвуковой поток с более высокой скоростью для его выдачи в виде локально сверхзвуковой реактивной струи.

8. Механический двигатель, содержащий:
аппарат по п.2 в качестве компрессора;
трубку, функционально соединенную с выпускным отверстием для потока в корпусе для приема потока воздуха или газа из этого выпускного отверстия, при этом трубка содержит устройство или функционально соединена с устройством, способным использовать по крайней мере часть потока или взаимодействовать с ним, которое может добавлять энергию потоку и затем извлекать энергию из потока для получения механической работы вращения;
при этом устройство для получения механической работы вращения включает:
входное сопло, обеспечивающее в процессе работы поступление потока воздуха или газа от трубки и замедление его до необходимой скорости для получения высокой температуры сжатия в потоке;
участок подогрева, обеспечивающий в процессе работы прием потока от входного сопла и нагрев потока теплопередачей или инжектирование в поток материала для получения экзотермической реакции и добавления энергии потоку; и
детандер, обеспечивающий в процессе работы прием потока от участка подогрева и извлечение энергии из потока для выдачи вращательной механической энергии, причем часть механической выходной энергии используется для вращения вала и ротора компрессора.

9. Механический двигатель по п.8, в котором:
входное сопло может принимать высокоэнергетический высокотемпературный локально дозвуковой поток и выдавать более медленный локально дозвуковой поток с более высокой температурой; и
участок подогрева обеспечивает в процессе работы прием локально дозвукового потока от входного сопла, подогрев потока и выдачу потока с более высокой энергией в детандер.

10. Механический двигатель по п.8, в котором входное сопло может принимать высокоэнергетический локально сверхзвуковой поток с повышенной температурой и преобразовывать локально сверхзвуковой поток в локально дозвуковой поток и выдавать этот поток в участок подогрева.

11. Механический двигатель по п.8, в котором:
входное сопло способно в процессе работы принимать высокоэнергетический локально сверхзвуковой поток с повышенной температурой, так что поток замедляется, оставаясь локально сверхзвуковым, а его температура увеличивается до необходимой температуры, и выдавать локально сверхзвуковой поток;
участок подогрева обеспечивает в процессе работы прием локально сверхзвукового потока от входного сопла, нагрев потока и выдачу локально сверхзвукового потока в детандер.

12. Аппарат по п.1, в котором жгут из волокна с высоким удельным пределом прочности на разрыв покрыт или пропитан металлами или керамикой, в результате чего образуются склеенные или сцепленные гибкие листы или жесткая поверхность.

13. Аппарат по п.1, в котором жгут из волокна с высоким удельным пределом прочности на разрыв содержит по меньшей мере одно из группы, включающей нанотрубчатое композитное волокно, углеродное волокно, стекловолокно, металлокерамическое волокно, керамическое волокно, полимерные волокна или любые их сочетания.

14. Аппарат по п.1, в котором материал с высокой удельной прочностью на сжатие содержит по меньшей мере одно из группы, включающей альфа-карбид кремния, карбид бора, керамику, алмазоподобные материалы, металл, полимер или любые их сочетания.

15. Аппарат по п.1, в котором при работе с внешним потоком воздуха или газа ротор включает:
лопатки, расходящиеся от вала радиально наружу и имеющие внешние кромки лопаток;
кольцевое пространство, представляющее собой кольцевую полость, расположенную по радиусу снаружи кромок лопаток, между наружными кромками лопаток и пористым кольцом, при этом кольцевое пространство обеспечивает в процессе работы придание приблизительной однородности давления в потоке даже при наличии какой-либо турбулентности потока; и
пористое кольцо, расположенное по радиусу за пределами кольцевого пространства и лопаток и обеспечивающее в процессе работы прохождение потока наружу из области между лопаток сквозь пористое кольцо, одновременно задерживая осевой поток из кольца, при этом наружная поверхность пористого кольца образует обод ротора так, что во время работы воздух или газ могут протекать от вала, между лопаток, сквозь кольцевое пространство к пористому кольцу, через которое воздух или газ могут проходить, вместе с которым могут вращаться и из которого могут выходить со скоростью, приблизительно равной окружной скорости обода, с формированием приблизительно однородного потока.

16. Аппарат по п.1 в функции детандера, в котором:
кольцевая область формирует в процессе работы проход для потока воздуха или газа от выпускного отверстия корпуса внутрь к ротору, внутри которого адиабатически расширяющийся воздух или газ движется по спирали по радиусу внутрь к ротору через кольцевую область, с увеличением скорости и снижением температуры;
при этом кольцевая область выполнена так, что в процессе работы поток на ободе ротора имеет окружную скорость вращения, примерно равную локально сверхзвуковой окружной скорости обода ротора, и радиальную скорость, являющуюся локально дозвуковой по отношению в валу и ротору; и
кольцевая область выполнена так, что отношение внешнего радиуса к внутреннему радиусу обеспечивает локально сверхзвуковой поток к ротору, а когда поток в кольцевой области изменяется от локально дозвукового к локально сверхзвуковому, максимальное отношение внешнего радиуса к внутреннему радиусу близко к 1,5.