环形边界层气体涡轮机的制作方法

文档序号:9449142阅读:582来源:国知局
环形边界层气体涡轮机的制作方法
【专利说明】环形边界层气体涡轮机
[0001]本申请是申请号为200980142490.6,申请日为2009年10月29日,发明名称为“环形边界层气体涡轮机”的中国专利申请的分案申请。
[0002]本申请要求2008年10月30日提交的序列号为61/109,660的美国临时专利申请的申请日的权益,该申请所公开的内容合并于此作为参考。
技术领域
[0003]本文公开的本发明的实施方案非限制性地涉及涡轮机以及发电的方法。
【背景技术】
[0004]现有技术中的涡轮机和发电机利用边界层效应来发电,例如在美国专利N0.1, 061, 206 (Tesla)以及N0.7,341,424 (Dial)中公开的那样,这样的涡轮机和发电机存在的问题是动力输出和效率受到限制。
[0005]根据Tesla的教导的现有技术的涡轮机和发电机未能利用Tesla设计的简单性来产生最大化的动力输出,在本领域存在对于改进涡轮机和发电机的需求。

【发明内容】

[0006]通过提供围绕圆盘组件的圆周延伸的燃烧室,一种相对简单的构造就能产生相当高的效率和相当大的动力输出。这种配置使得空气和燃料能够围绕燃烧室直接混合,以保证燃料的完全燃烧。这使得空气和燃料能够围绕燃烧室在圆周方向上的多个位置进行混合,从而通过允许更多燃料以有效方式进行消耗以及通过对燃烧产物施加更大的旋转运动而增大动力输出。
[0007]通过使得空气和燃料以相切方向进入燃烧室,由于施加在围绕燃烧室旋转的燃料和空气上的离心力的作用,燃料的燃烧能够遏制在燃烧室的外周边周围。离心力保证了在被排放以进行燃料的最优利用之前,燃烧产物在克服来自圆盘组件的离心力和向外压力之BU基本上完全反应。
[0008]通过捕获涡轮机之外的空气并且使其能够基本上旋转地下落穿过形成于空气入口和燃烧室之间的厚度,可以在燃烧室的外周边周围以垂直于其初始方向的方式提供空气,从而仿效了燃烧室中的旋转流动。
【附图说明】
[0009]图1示出了根据本发明的示例性实施方案的燃烧涡轮机。
[0010]图2示出了根据本发明的示例性实施方案的燃烧涡轮机的剖面图。
[0011]图3示出了根据本发明的示例性实施方案的喷嘴环和圆盘组件的剖面图。
[0012]图4示出了根据本发明的示例性实施方案的喷嘴环和圆盘组件的剖面图。
[0013]图5A至图5B示出了根据本发明的示例性实施方案的空气喷嘴。
[0014]图6示出了根据本发明的示例性实施方案的空气喷嘴和燃烧室的剖面图。
[0015]图7A至图7B示出了根据本发明的空气喷嘴和燃烧室的其它示例性实施方案。
[0016]在附图中,在不同的图中相似的附图标记表示对应的部件。
【具体实施方式】
[0017]图1示出了涡轮机100,该涡轮机100可以包括燃烧外壳10、喷嘴环30以及圆盘组件50。圆盘组件50支持驱动轴60,从而使得驱动轴60承受圆盘组件50的旋转。圆盘组件50经由驱动轴60将动力输出从涡轮机100之内传递至另一设备(例如,发电机或栗)。涡轮机轴线61位于驱动轴60的面的几何中心。涡轮机轴线沿着轴60在纵向方向上延伸。
[0018]燃烧外壳10在其中承载燃烧室3,该燃烧室3位于涡轮机轴线61周围,并且燃烧过的流体穿过该燃烧室从而经由轴60而发电。燃烧外壳10具有外侧表面I和内侧表面
2。根据本发明的示例性实施方案,燃烧外壳10可以由能够承受高热应力和热冲击的任何材料(例如但不限于,氧化铝、石墨、碳化硅(SiC)等等)通过已知的加工和/或模制工艺进行制造或设计。可替代地,对于较小型的应用,本发明的这个示例性实施方案可以由不锈钢通过已知的加工和/或模制工艺进行制造或设计。然而,本领域技术人员将会认识到,用于形成涡轮机100的燃烧外壳10的材料对于本发明而言不是最关键的,并且可以包括服务于在根据本发明的各个实施方案中列举的目的的任何材料或其组合物。
[0019]根据在图1中示出的本发明的示例性实施方案,内侧表面2可以基本上包围燃烧室3。在本发明的另一个示例性实施方案中,内侧表面2可以产生环形燃烧室3。在又一个示例性实施方案中,内侧表面2可以产生环形燃烧室3,该燃烧室3的横截面基本上是圆整的(例如,圆形或椭圆形或具有圆整边缘的任何其它形状)。在另一个示例性实施方案中,内侧表面2可以包围喷嘴环30、圆盘组件50和/或驱动轴60。根据本发明的另一个示例性实施方案,内侧表面2可以基本上与涡轮机100的内部部分接触。本领域技术人员还会认识到,可以存在于燃烧外壳10之内的那些零件可以基本上与燃烧外壳10的内侧表面2接触。
[0020]燃烧外壳10包含布置在燃烧外壳壁之内的开口 6和7,该燃烧外壳壁由表面I和2限定。燃料和空气可以分别通过开口 6和7流动进入通道4和5。在本发明的一个示例性实施方案中,燃料通道4和空气通道5可以通过任何构造放置在燃烧外壳10周围,从燃烧外壳壁之内提供燃料和空气进入燃烧室3。根据在图1中记载的本发明的示例性实施方案,燃料和空气通道4和5可以沿着圆周方向位于涡轮机轴线61周围。在图1中的本发明的进一步示例性实施方案中,燃料和空气通道4和5可以交替围绕燃烧外壳10的圆周进行放置。本领域技术人员可以认识到,根据涡轮机100的所需操作,围绕燃烧外壳10和燃烧室3,燃料和空气通道4和5还有很多其它可替代构造。在根据图1的本发明的示例性实施方案中,燃料和空气通道4和5可以通过多种流动形态提供它们各自的流体,这些流动形态有助于混合物在燃烧室3中进行燃烧。可替代地,燃料和空气通道4和5可以通过多种流动形态提供它们各自的流体,这些流动形态最终将会增大源自这些流体与圆盘组件50的相互作用的传递至驱动轴60的动力。
[0021]现在将参考图2对燃烧外壳10和燃烧室3进行进一步描述。
[0022]再次参考图1,在本发明的一个示例性实施方案中,喷嘴环30布置在燃烧室3和圆盘组件50之间。喷嘴环30由远端表面31、近端表面32以及多个燃烧流体(“CF”)喷嘴33形成。每个CF喷嘴33形成在远端空间40和近端空间41之间。远端表面31基本上包围未被内表面2包围的燃烧室3的剩余部分。未被内表面2或远端表面31包围的燃烧室3的这些部分可以穿过其各自的远端空间40穿过多个CF喷嘴33的任何一个而提供燃烧流体。在根据本发明的示例性实施方案中,来自燃烧室3的燃烧流体在其各自的远端空间40进入多个CF喷嘴33的任何一个,并且经由其各自的近端空间41离开。
[0023]在根据本发明的示例性实施方案中,喷嘴环30可以与燃烧外壳10整体形成,从而基本上形成包围燃烧室3的表面。根据该实施方案,包围燃烧室3的表面可以包括内表面
2、远端表面31以及限定CF喷嘴33的壁。根据该示例性实施方案,可以通过任意数量的多个CF喷嘴33来实现流体从燃烧室3流至圆盘组件50。
[0024]在根据本发明的另一个实施方案中,喷嘴环30是涡轮机100的独立零件,与燃烧外壳10分离并分开。本领域技术人员将会认识到,喷嘴环30与燃烧外壳10整体形成能够影响上文描述的相同燃烧室3的定性。此外,本领域技术人员还会认识到,喷嘴环30与燃烧外壳10分离并不会导致实质上背离本文列举的本发明的各种实施方案的目的。
[0025]根据本发明的示例性实施方案,喷嘴环30可以由承受高热应力和热冲击的任何材料(例如,SiC、不锈钢等等)进行设计。根据本发明的该特别实施方案选择的材料使得喷嘴环30特别适合于获得高温并且允许燃烧流体与其接触从而进一步燃烧。
[0026]根据在图1中示出的本发明的示例性实施方案,圆盘组件50处于喷嘴环30之内。圆盘组件50包含多个圆盘52,其直径和厚度以及圆盘间距导致在通过流体而在流体之内旋转时,边界层效应使得流体能够进一步移动穿过圆盘组件50,从而使得圆盘组件50旋转。板之间的间距典型地选择为直接与流体粘度成比例,从而实现需要的边界层效应。每个圆盘52可以通过多个辐条54连接至轴支架58。可替代地,圆盘组件50可以通过多个辐条54连附至驱动轴60。根据本发明的示例性实施方案,圆盘组件50的旋转可以使得驱动轴60围绕涡轮机轴线61旋转,从而产生动力。根据本发明的另一个示例性实施方案,燃烧流体流动穿过圆盘组件50并越过任意数量的多个圆盘52,从而在燃烧流体流动的方向上驱动驱动轴60。在轴支架58处,驱动轴60可以整体连附至圆盘组件50。在根据本发明的另一实施方案中,圆盘组件50可以使用轴支架58来在由穿过其圆盘52的燃烧流体引起的旋转和驱动轴60之间建立联系。
[0027]根据在图1至图3中示出的本发明的实施方案,排放物70 (在由图2和图3示出的本发明的示例性实施方案中记载)穿过多个圆盘组件出口 56的任意一个在纵向在沿着涡轮机轴线的方向上离开圆盘组件50,多个圆盘组件出口 56由圆盘组件50的辐条54的布置形成。根据本发明的实施方案,在涡轮机出口 8处离开涡轮机100的排放物70可以是在燃烧流体和燃烧室3、喷嘴环30以及圆盘
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