在外部加热和内部燃烧中各自具有从外围到中心的流以及从中心到外围的流的离心式膨 ...的制作方法
【专利说明】在外部加热和内部燃烧中各自具有从外围到中心的流以及从中心到外围的流的离心式膨胀机和压缩机
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]以下仅仅是用于审查员的信息，并且在本申请说明书中没有被引用，并且与本申请没有法律或者优先权关系。
[0003]涉及申请号US13/342，773，它显示使用单原子气体和离心泵的旋转外热式发动机。审查员还没有指定。
[0004]也涉及申请号12,291，148，其现为专利8，087，247，它是作为专利号7，874，175发布的、申请号12/152,437的部分继续申请。也涉及现在在南非共和国作为专利发布的、PCT/US2009/002910的独立权利要求，其要求作为膨胀机被使用在逆流中的离心泵的权利。在先申请US13/342，773的离心式压缩机和膨胀机是本发明的部分。在在先申请或专利中没有多级压缩机或膨胀机。一些新的单级压缩机和膨胀机没有被显示在在先申请或上面参考的专利中。
[0005]联邦政府资助的研宄
[0006]不适用
[0007]共同研宄者
[0008]不适用
[0009]参考“序列表”、表格等
[0010]不适用
[0011]本发明的背景
[0012]本发明的领域
[0013]广义上讲，一个领域是内燃机，尤其是涡轮型内燃机。第二个领域是多级离心式压缩机。第三个领域是目前没有实施的多级离心式膨胀机。第四个领域是外热式发动机。第五个领域是改变流向的导向件。第六个领域是没有显著涡流的流动路径的弯曲。子领域是现有技术多级离心泵和轴承系统和喷气发动机设计。
[0014]在这些种类中，一个领域是多级离心式压缩机，该多级离心式压缩机包括以传统方式作用、具有从中心到外围移动的流的压缩机，紧随其后的是随着从外围到中心的流运转的新技术的离心式压缩机。在应用第二级离心式压缩机之前，现有技术将流返回至中心。这就是被应用到压缩机的传统使用的发明。
[0015]需要说明的是，词语“膨胀机”包括流动穿过其中的气流中热能和宏观速度被转换为机械能的概念。在离心式膨胀机的情况中，机械能通过转子接收，转子由穿过膨胀机的气流推动。转子可以通过另一个机械装置替代，比如活塞。气体的温度经常在进入和离开膨胀机间的期间内下降。气体经常在膨胀机中膨胀。气体速度通常在进入和离开膨胀机间的期间内增加。离心式膨胀机被定义为随着新技术流动方向运转以作为膨胀机的离心泵。在以前的技术中，离心泵主要被当作压缩机。
[0016]鲜为人知的多级离心式膨胀机在发动机(无论是内热式或外热式)中的使用是本发明的另一个领域。多级离心式膨胀机可以是相对于流向后运行的旧技术的离心式压缩机。多级离心式膨胀机可以、但不必要的包括新技术离心式膨胀机，新技术离心式膨胀机通过流运转，该流从外围向中心流动并且冲击转子叶片，该转子叶片通过膨胀机从紧随其后的流退回，同时流从中心向外围流动、再一次冲击转子叶片，该转子叶片从流退回。上述多级可以在中心处或者在外围处开始流动，并且使用多于两级。在相同轴上的四个级将被显示在图1中。转子可以全部在或者可以不全部在相同的轴上。使用新膨胀机的各个级具有被保持在一对盘形件之间的叶片。盘形件不需要是平坦的，而可以是凹入的或凸起的。一对盘形件之间的间距可以在外围较大或较小，以引起由于压降、或由于速度改变、或由于温度改变、或任意组合造成的流体的膨胀或者收缩。在膨胀机中，后一级可以具有比前一级盘形件进一步远离的盘形件。在压缩机中，后一级可以具有更靠紧在一起的盘形件。
[0017]本发明也特别适用于上述多级膨胀机，上述多级膨胀机作为在内燃机或热气喷射发动机中的膨胀机。新技术的发动机包括加压热气源，例如，喷射发动机的排气、或者燃烧器的排气、或者简单地通过太阳能加热的压缩空气。加压的热气将被施加在作为膨胀机的尚心式压缩机的中心，或者被施加作为膨胀机的这样的压缩机的外围。即使是喷射发动机和燃烧器，所有三个可能的热气源也需要前端压缩机。在喷射发动机中，空气被吸入和压缩，然后燃料被添加和燃烧，不仅产生COjPH 20，也产生压缩N2。空气的80%是N2。相同的产物在燃烧器中产生。在被太阳能加热的压缩空气的情况中，热气的成分是o2Wn2。队的相对量可以通过燃烧贫燃料混合物而被增加。在所有情况中，双原子气体N2多于膨胀机输入的一半。这意味着，大约8级膨胀是必要的，在泵中使用标准钢以将输出温度改变到输入温度的一半，提供50%效率。为了在由Ell1tt-turb0.com提供的计算器中计算插入空气的必要的级数，以及用于绝热压缩空气的适宜的压力比，以获得2:1温度比。
[0018]如果输入气体被施加在中心处、轴附近，以用于第一级螺旋运动，则叶片由具膨胀的流体推动，该叶片具有指向中心的、从常态到被推动的表面的构件。当向外螺旋运动时，叶片向推动流体呈凹形。这对于任何螺旋运动都是正确的，很像由于流而旋转的风车。因为角动量守恒，所以在叶片组件系统和推动流体中，在螺旋运动的流体中引起的旋转与叶片旋转相反。
[0019]如果输入气体被施加在外围，则叶片通过流体推动。通常从常态到被推动的表面的构件将指向外围。在此情况中，当向内螺旋运动时，叶片向推动流呈凸形。叶片旋转以致它们绕轴的角动量与进入的流体绕相同轴的角动量的方向相同。叶片可以是直的或者甚至稍微弯曲的其他形式，但是这会降低效率。
[0020]包括上述内容的一些不同的连结在说明书中通过附图被显示和讨论。如果流体从中心向外围移动，则流体具有与叶片角动量相反的角动量。如果下一级在沿着相同的方向(顺时针方向或逆时针方向)旋转的另一个轴上，则通过两个轴之间延续的连接路径(参见图5)，流体可以直接从一级的外围流出，并且进入下一级的外围。如果下一级在沿着相反方向(顺时针方向或逆时针方向)旋转的另一个轴上，则通过两个轴的相同侧延续的连接路径(参见图6)，流体可以直接从一级流出，并且进入下一级。如果在相同的轴上，则在进入下一级的外围之前，流体必须在外围处转向180度。叶片的螺旋运动继而最好从外围到中心发生、与前面一级叶片的螺旋运动相反，该叶片的表面被推动、具有指向外围的构件。
[0021 ] 假设在一级中，流体向内螺旋运动，这被称为前级，则流体必须在下一级中向外螺旋运动。在将流体导入下一级离心式膨胀机的中心之前，流体必须从径向到轴向运动、离开此前级。这种转换将被显示和讨论。流体将继而从轴向被改变回径向、进入下一级(也将被讨论)。使用可能被附接到轴的流体导向件的转换方法将在权利要求中要求权利。通过具有指向中心的构件的被推动的叶片表面，从中心到外围的螺旋运动将继而产生。
[0022]本发明也适用于使用如上描述的多级膨胀机和多级压缩机的外热式发动机。在膨胀机的情况中，在向外的流体行程和向内的流体行程中均发生膨胀。在压缩机的情况中，在向外的流体行程和向内的流体行程中均发生压缩。工作流体的热交换加热在压缩后被施加。工作流体的热交换冷却在膨胀后被施加。
[0023]申请人的在先申请的发动机的一方面是压缩机转子从膨胀机转子沿着公共的轴接收转矩。转矩通过转子的公共轴被最佳的传送，但是可以通过替代的联接机构被传送。如果多于一个轴被使用将是有益的，并且申请人在先申请的扩展是在各个轴上将膨胀机和压缩机平衡。
[0024]第二方面是压缩机(无论离心泵还是容积式泵)可以从膨胀机接受机械扭矩。压缩机和膨胀机的移动部件以及它们之间的机械连接可以都被工作流体围绕，并且被围绕和容纳工作流体的容器围绕。如同申请人的在先申请那样，也可以有同样被相同的工作流体槽围绕的发电机。
[0025]由于工作流体在非常缓慢移动的容器中(可能在移动的车辆或地板上)，但是轴旋转非常快，并且由于轴不能从容器内部向外部延伸，因此能量可以通过一个或多个发电机获取，发电机具有在与工作流体相同的容器中的磁体和输出线圈。来自线圈的电线将经过工作流体容器、从被浸在流体中到处于发动机的相对较慢移动的周围中。因此，当磁体在容器内旋转时，线圈相对于容器应该是静止的。
[0026]相关技术的描述
[0027]对于申请人的新的多级离心式压缩机，最接近的相关技术是现有的多级离心式压缩机。在现有技术中，所有的压缩级中的流从转子的轴附近开始，并且在离心泵的外围附近停止。在申请人的发明中，当流从外围移动到轴附近时，申请人添加了压缩。
[0028]对于申请人的新的多级膨胀机，最接近的相关技术可能是现有多级离心式压缩机，其被使用在逆流中(虽然实际上并未实施)。实际上并未实施的现有技术的所有膨胀级中的流从离心泵的外围附近开始，并且在转子的轴附近停止。在申请人的发明中，当流从轴附近向外围附近移动时，申请人添加了膨胀。
[0029]另一个相关的在先技术是轴向膨胀机和轴向压缩机。它们使用很多较小的、像羽毛似的叶片，并且因此在叶片附近产生涡流。它们是最接近的相关技术。作为膨胀机的轴向涡轮看似它们有两个同心轴，一个顺时针方向运转并且另一个逆时针方向运转。通过各个涡轮叶轮的许多叶片，流在旋转方向上剧烈变化。这是为了适应下一级的相反的旋转。同样叶片非常迅速地经过彼此。由于气体穿过叶片组和叶片组的接近的通道间的方向变化以及使用具有边缘的叶片，许多涡流被产生。申请人的新技术的叶片具有更少的边缘。例如，因为没有气体垂直于这些边缘经过，所以申请人的叶片连接到支撑它们的盘形件的边缘不是有效边缘。在轴附近和在外围附近的这些聚集和释放边缘是仅有的有效边缘，并且它们各自可以提供在边缘处相遇的、平行于叶片的侧面的平缓的流。在先的轴向涡轮被用于能量产生中的膨胀，并且反过来用于压缩，例如，喷射发动机的空气收集和压缩。
[0030]关于申请人的新的内燃机，紧密相关的是冲击波发动机，目前由ARPA-E资助用于概念证明。它在某种程度上相当于具有从膨胀机中心向外围行进的流的申请人的发动机之一的单个级。膨胀机类似于冲击波室，但是通过连续的恒定速度的流运行。冲击波发动机的问题在于，相比申请人的发明，它们排出很高温度的