专利名称：独立于外部环境的高效动力单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种生态推进装置，能以高精度获得最优的推力，并独立于外部环境。
背景技术：
在18世纪，人类通过分离水分子(加热蒸发)产生机械能。这就是蒸汽机或外燃机的起源。19世纪末出现了内燃机或火花点火机。此时，取代分离水分子，它们通过氧化(燃烧)而完全破碎(可燃地)以便产生机械能。应该注意到，在蒸汽机中，燃料分子(煤)也在燃烧过程中破碎，以便加热和蒸发(分离)水分子。技术的突破发生在20世纪中期，这完全改变了人类的命运取代破坏水分子，原子被破坏，或者确切地说，是可裂变元素(U235)的原子核释放出巨大的能量。这就是核裂变。
不幸的是，所有的这些能量产生模式都不可避免地伴随着声名狼藉的温室气体、辐射废气、对我们环境有害的CO2的产生，这严重影响可持续发展。而可持续发展需要能源的发展。为了应对困境、打破这种恶性循环，解决方案就是不破坏材料(燃料分子或可裂变元素)；非対称是从自然界的对称产生的，如果破坏其対称性，既不会改变性质也不会改变材料的状态。非対称原则应用是为了在产生对称力(作用和反作用)的机械系统中产生推力。因而本发明就是为了设计ー种根据上述原理操作的机械系统，其会在下文中掲示。
发明内容
事实上，根据第一特征的动カ单元包括弗朗西斯型反作用涡轮，但是该涡轮具有特殊的设计和操作，其轴向地与直线径向泵下游接合，且上游接合到变速电动机。涡轮泵单元形成闭合管路，其由该变速马达控制，用于启动和补充水力和机械能的损失。该动カ単元的涡轮不同于弗朗西斯涡轮之处在于，系统的中心件由直线径向泵驱动，在叶轮出口处恢复，流体具有最小且与周向速度r X Co (r为涡轮半径，Co为以弧度/秒为单位的角速度)相等的相对轴向速度W2t，因而具有非轴向的绝对速度。C2t = W2t V 2，并且不是可以忽略的。因此，流体经过叶轮后仍然留有可用的能量。一方面为了确保相应转速的给定流速，另ー方面为了克服流体旋转所施加的离心力，要计算绝对速度的方向模量Clt，以及叶轮进ロ处的相对压カPlt。Clt的角度a保持固定，并约为45°，且与流动无关。然而，除了入口处的半径与出口半径相同，通道的形状(顶部和带部)与弗朗西斯涡轮相同。这是由洛桑理工大学的教授博维特先生(Mr. Bovet)提出的方法从速度图(參见图表)中确定的。涡轮的叶片具有与通道轮廓相适应的半勺形，其被弯曲以增强入口处的速度矢量，Clt以90°正交于旋转轴线，并在出口处径向直线延伸。因此，在出口处，这些速度矢量平行于涡轮轴线。圆筒形套筒环绕的组件形成带部的外壁。根据流动条件，另ー个类似于弗朗西斯涡轮的叶片变型为扭曲和弯曲的梯形板，从而保证相同的前述恢复功能。叶片的数量是特定速度的函数，在11到17之间。在涡轮出ロ处，叶片会与泵并排设置，因而形成用于流体连续流动的实心件。最后，为了最佳地确保轴与外部环境的密封，涡轮的底部装备有翅片以便通过离心作用使流体远离轴。涡轮致动的直线径向泵恢复流体在后者出ロ处的相対速度Wlp = w2t。泵出ロ处的轴向速度也是轴向的，其模量为W2p = RX CO (R为泵的外部半径)。泵的外部半径R大约为涡轮的2倍。泵的翅片为带有径向扩大的直L形的涡轮叶片延伸部的板。翅片由两个隔开的带轮廓冠部保持和加强，形成引导流体流动的单元。为了更好地输送流体，这些单元采用了流线型边界。从涡轮出口侧看，其结构为带有指数曲线的截锥形，从相对侧看，为发生器与流线相切的截直锥形，在后面对流动的数学研究中我们会看到。在轮毂与离心流体之间设有自由空间(没有离心流体)，其形状为超越泵入口的锥形基部的截抛物面。该自由空间的形状和容积在我们后面将看到的动カ单元的设计和操作中会起到很重要的作用。为避免在泵入口处产生流线之间的重叠，轮毂的半径不低于涡轮半径的37%。在泵出口处，流体获得最大的能量，轴向通过静止的箱体。该箱体的位于泵和涡轮之间的轴线处的间隔件用于引导流体流入后者入口以便重新供应。泵出ロ由该间隔件的外径限定，形成厚度决定流率的环。在操作中，能量在涡轮与泵之间交換。自由空间中泵的底部具有两个冷却端ロ，其开度由两个电磁阀控制。冷却管路只有在涡轮泵单元过热时运行。在离心流体存在的区域中，设置用于测定离心流体在给定点的静压的端ロ，能从其推导出自由空间的容量，以便通过增加或减小离心流体的必要容量对其进行调节。离心流体的冠状宽度决定涡轮入口处的相对压カPlt。由于泵出口处的速度以同心圆均匀分布，流体在作为弗朗西斯涡轮的壳体的环形、非螺旋形箱体中引导。我们已经看到泵出口处的相对轴向速度W2p = RX CO，那么其绝对速度C2p = V 2W2p，沿旋转方向相对于轴线方向偏离45°。具有平底碗形式的箱体与间隔件构成通过导流器将流体引导到涡轮的通道。导流器的轮廓为具有最小流体阻力的拉长水滴。导流器的中线在涡轮入口处形成Clt大约为45°角a。为了减小振动，导流器的翅片数量应不为涡轮叶片数量的倍数。在涡轮泵単元的共用轴的端部处安装有轴向止动件，并与用干支撑动カ单元产生 的推力的密封轴承合作。涡轮泵箱体単元的组件由圆筒体结构包围形成封闭腔室，允许共用轴横向接合到驱动马达。制造流体涡轮机械所使用的材料及其技术完全适用于该动カ単元的实施。最后，带有频率调制的变速驱动马达能够启动、在泵与涡轮之间交換能量的过程中维持旋转并且以高精度控制推力。关于操作，请返回到我们的涡轮机。在将其叶轮中的能量转移到出口，也就是说，到泵自由空间中的直接入口，流体保持其相对最小轴向速度，其与半径成比例(W2t =rX )。考虑与涡轮关联的坐标XOY，OX为旋转轴线，OY为表示涡轮半径r的出口底部。我们可得出W2t = rX w =YXo = Wlp在泵进ロ处，流体的流体质量dm受到离心力f = dmXr W2 = dmXY w2的影响,而f = dmX Y = dmXY" (t);因此 Y" (t) = Y(t) X 2。通过整合这些不同的等式，可得到Y = Y0expwt (I)
在OX 轴上得到 X = Wlp X t = Y。X t 或 X/Y。= t通过在公式⑴中将wt置换为X/Y。，可得到Y = Y^xpX/Y。这些流线因而与《无关而只与Y。有夫。我们证实了它们与固定的线Y = eX(e=2. 7182..)相切。也就是说，无论其速度如何，从涡轮喷射出的流体不会通过线Y = eX,而是转移到自由空间的外部。该自由空间由旋转容积限定，该旋转容积由该切线和抛物线截面等式X= (r2X 2)/2g的项确定，g表示重力加速度。因此，抛物线截面超过前面已经提到的锥形底部。因此也确定了其容积。在该自由空间的区域中，运动流体施加了不平衡(非対称)力。因此喷射出的流体不会到达自由空间区域中泵的底部。该底部似乎转换到无限大。因而涡轮泵单元必须部分地充满离心流体。现在我们来看动カ单元产生的推力。由于对称，抵消了运动流体施加在轴向自由空间区域外部的壁上的推力。只剩下涡轮在与自由空间相对的轴向区域中施加的推力。我们首先计算最大流率Q (轮毂半径^ = 0，忽略叶片相对涡轮的部分)。 我们知道出ロ处具有线性的速度分布V = rX Co。dQ = Vds 且 ds = 2 n rdr因而可得到0= p.み=\rco.27rr.dr^{2/3) 7toor3质量流率q = pXQ= (2/3) P Ji cor3，P为流体密度。根据线性动量定理，流体从涡轮中喷射出，施加在涡轮上的流体推力P为P= W.pdQ = r2(o22nr.dr =(l/2)p7tco2r4可以说存在于泵中的自由空间产生非対称性，这是在密封旋转涡轮上产生推力P的来源。这是因为，如果涡轮泵单元完全充满离心流体，运动流体施加的所有力将是对称的且自身抵消。因此，自由空间的有限容积打破了自然对称，在前面提到的推力系统中产生了重要作用。另外，由于巨大的有益的负载承受容量[(1/2) P 2r4]，该动カ単元独立于外部环境且对于环境友好，由于其灵活性和可加工性而确保了最佳且无价的人身安全。为了提高该动カ単元的性能，可以通过在流体接触的表面覆盖ー层聚四氟こ烯(Teflon)以减小摩擦力，并用四氯化碳(CCl4)取代水用作离心流体，这是因为假定推力与离心流体的密度成比例，则四氯化碳具有更大的密度和大体相同的动カ粘度。轮毂半径rQ(非零)等于37%倍的前述的涡轮半径r，并没有实际地改变推力P的大小，这是因为[(1/2) P ^2(37% T)4]相对于[(1/2) P 2r4]是可忽略的。最終，具有变速频率模量的驱动马达允许以高精度任何控制推力。可以使用动カ单元推进整个空间以产生机械能，因而该能量通常用于飞行器，甚至是垂直起降的飞行器。例如，具有涡轮半径r= 10厘米、转速为3000rev/分、使用水作为离心流体的动カ单元，产生大约1550kg的推力P。该推力足以推动超过I吨的飞行器升空。
图I示出了沿动カ单元旋转中心轴线的截面图。图2示出了涡轮(I')叶片的透视图。图3示出了涡轮(I")叶片的变型的透视图。图4示出了泵入口的流线(13)。
图5示出了从上方看到的导流器(12)。
具体实施例方式參见这些附图 ，装置包括特殊类型的弗朗西斯涡轮(1)，其叶轮(I’ )的叶片调整进ロ处的速度矢量，Clt (图5)以90°正交于旋转轴线，以轴向最小相対速度径向直线延伸到出口，其等于周向速度rX (r为涡轮半径，《为角速度)。在出口处，流体汇集于直线径向泵⑵限定的自由区域MADQ(MNBCPQ为净自由区域)，为了保持流动连续性，该泵的翅片(2’ )形成与涡轮叶片(I’ )联合。翅片(2’ )被两个空间流线冠状结构(3’ )保持和加强，形成引导流体流动的单元
(3)。为更好地输送流体，这些单元(3)顺应固定的流线Yi的边界(图4)，而与转速无关。泵出口处的相対速度W2p也是轴向的，且等于周向速度RX Co (R为泵的半径)。在图5中见，流体接着通过容纳在箱体(4)中的导流器(12)引入涡轮入口。涡轮(I)因而会被驱动从而操作泵并在封闭的涡轮泵中进行循环。因此，涡轮和泵之间发生能量交換。涡轮泵単元固定于共用的驱动轴(7)，该驱动轴安装在轴向止动件的两端上，并与用干支撑动カ单元产生的推力的密封轴承(6)合作。涡轮泵箱体组件容纳在密封腔室内，该腔室被圆筒形结构(11)包围以使驱动轴能够接合到马达(10)。具有变速和频率调制的马达(10)启动，该马达以高精度控制动力単元的推力。涡轮(顶部和带部)通道的形状与弗朗西斯涡轮相同，除了入口处半径与出口半径相同。图2中叶轮(r)的叶片形状为弯曲的半勺状，以使相对出口的速度矢量w2t如我们上面所述那样轴向直线延伸。在流动的条件下，另ー个近似弗朗西斯涡轮的叶片变型是图3中的扭曲和弯曲的梯形板(I”)，从而保证相同的恢复功能。涡轮底部装备有密封翅片(5)，以便通过离心カ将流体与轴分离，其确保更好地提供相对于外部环境的密封。遵循叶轮(I’)，泵(2’ )的翅片具有径向扩大的直L形，以便满足前述的流动条件。泵的底部包括在自由空间区域与冷却管路(9)连通的两个端ロ，其开度由只在闭合管路的涡轮泵过热的情况下才运行的两个电磁阀控制。离心流体(L)的冠部宽度决定涡轮入ロ处的相对压カPlt。根据压カ计测得的静压移除或添加离心流体，从而通过第三端ロ(8)控制该參数。流速取决于泵的出口宽度(E)。箱体(4)内村有间隔件(4’)，其形状为平底碗状，通过中心线形成Clt大约为45°角a的导流器(12)来划分间隔(图5)。导流器的轮廓为具有最小水动阻カ的拉长的水滴。考虑到操作，众所周知流体的能量密度在涡轮入口处最大，在出ロ处最小。在将其能量转移到涡轮的叶轮(I’ )叶片之后，流体以相对轴向和最小速度W2t = rX Co = Wlp在泵的自由空间MADQ汇集，在泵入口处的相対速度受到离心加速度rX 2的影响。考虑到在涡轮中建立坐标X0Y(图4)，0X由涡轮轴线绘制，OY由表示半径的基座绘制，流线的公式为Y = YtjexpXzX,而与角速度《无关，这些流线与固定的线Yt = eX(e = 2.7182..)相切。这种相切起到几个作用，阻止从涡轮喷出的离心流体到达自由空间区域中泵的底部的虚拟屏障，这产生运动流体施加的不平衡力。而且，它使得流体朝向泵出口的方向能够再次供应涡轮，因而形成闭合回路。已知润轮出ロ处的相对轴向速度分布，可以计算质量流速q = (2/3)p (r[ち3)，れ为涡轮轮毂半径，P为离心流体密度。我们现在研究动カ单元的推力。由于对称，抵消了运动流体施加在轴向自由空间区域外部的壁上的推力。通过从涡轮喷射，根据线性动量定理，流体施加了动カ推力P = (1/2) P 2r4(忽略涡轮轮毂半径rQ以及叶片相对于涡轮的部分)。在涡轮轮毂半径&为上述涡轮半径巧的37%的情况下，计算表明新的推力P' =P的98%。最后，为了提高动カ单元的性能，与流体流动接触的表面涂覆有一层聚四氟こ烯(Teflon)来降低摩擦，在使用时，用四氯化碳(CCl4)取代水用作离心流体，这是由于CCl4具有更大的密度和大体相同的动カ粘度。 该动カ単元被设计用于产生机械能，而该能量通常不释放CO2和辐射废物，尤其是用于推动飞行器，甚至是垂直起降的飞行器，在通过空间时保护环境和确保能源领域可持 续发展。
权利要求
1.一种生态动カ单元，其特征在于，包括特殊的弗朗西斯型涡轮(I)，流体从所述涡轮以相对速度W2t轴向喷射到叶片(I')的出口，并且流体汇聚到直线径向泵⑵的自由空间(没有离心流体)，以便以相対速度W2p轴向重新注入固定的箱体(4)，从而通过分配器(12)以绝对速度Clt和压カPlt重新供给到涡轮⑴，因而在密封壁中形成封闭管路，涡轮泵単元通过接合到共用轴(7)的马达(10)致动。
2.如权利要求I所述的动力単元，其特征在干，相对轴向速度W2t(或在泵入ロ处的相对速度Wlp)与周向速度!'X Co相等，并与泵出口处的相对轴向速度W2p相同。
3.如权利要求I和2所述的动力単元，其特征在干，涡轮入口处的绝对速度Clt和压强Plt确保了 第一，给定的流率；第二，克服流体的相应旋转产生的离心力。
4.如权利要求3所述的动力単元，其特征在于，为了避免在泵自由空间区域中的流线之间发生重叠，涡轮出口处的轮毂半径A等于或大于涡轮出口半径r的37%。
5.如权利要求4所述的动力単元，其特征在于，涡轮(I')的叶片具有根据流体流动条件的形式(I")。
6.如权利要求I所述的动力単元，其特征在于，为了将离心流体从与外部连通的共用轴(7)分离出来，涡轮的底部设置有密封翅片(5)。
7.如权利要求I和6所述的动力単元，其特征在于，泵的底部包括用于吸收离心流体静压的端ロ(8)，在需要时对其进行调节。
8.如权利要求7所述的动力単元，其特征在于，泵的底部在自由空间区域中包括两出ロ的端ロ，这些出口由与通向外部的冷却管路(9)连通的两个电磁阀控制。
9.如权利要求I所述的动力単元，其特征在干，为了减小摩擦，与流体流动接触的表面涂覆有一层聚四氟こ烯(Teflon)。
全文摘要
本发明涉及一种能够提供独立于外部环境的最优推力的生态推力装置。包括特殊的弗朗西斯型涡轮(1)，流体从涡轮中以相对速度W2t轴向喷射到叶片(1′)的出口，并且流体汇聚到直线径向泵(2)限定的自由空间。在离心力的作用下，流线的限制形成了固定的虚拟屏障Yt，从而避免了离心流体到达泵自由空间区域MNBCPQ中的泵底部，藉此消除了施加在所述区域上的反向力。结果，流体施加在涡轮上的推力保留完整。当流体离开泵时，其以相对速度W2p轴向重新注入箱体(4)，以便重新供给涡轮。因此，泵与涡轮之间的能量交换形成闭合管路，整个系统由马达(10)驱动。推力P＝(1/2)ρπω2r4，ρ为离心流体的密度，单位为Kg/m3；ω为涡轮的角速度，单位为rad/s；r为半径，单位为米；P的单位为牛顿。计算表明所生成的推力数量很大，所述动力单元可用于在任何空间生成机械能，尤其用来驱动高效的飞行器。
文档编号F03G7/10GK102844526SQ201080064919
公开日2012年12月26日 申请日期2010年12月29日 优先权日2009年12月31日
发明者吉尔伯特·里 申请人:吉尔伯特·里