內(nèi)爆震引擎、包含內(nèi)爆震引擎之復(fù)合式引擎及其制造與使用方法
【專利說(shuō)明】?jī)?nèi)爆震引擎、包含內(nèi)爆震引擎之復(fù)合式引擎及其制造與使 用方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)案之互相引用 本申請(qǐng)案主張?jiān)?012年7月24日與在2012年11月30日所申請(qǐng)之美國(guó)臨時(shí)專利申 請(qǐng)案第61/741，661號(hào)與第61/797, 161號(hào)之優(yōu)先權(quán)，其系藉由引用形式而整體并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明一般是與氣體潤(rùn)輪機(jī)技術(shù)領(lǐng)域有關(guān)。更具體而言，本發(fā)明之具體實(shí)施例是 與一種新穎的內(nèi)爆震引擎、包含該內(nèi)爆震引擎之復(fù)合式引擎(例如復(fù)合式內(nèi)爆震-氣體潤(rùn) 輪引擎）W及其制造和使用方法有關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0003] 潤(rùn)輪引擎是已用于推進(jìn)車輛(例如噴射流)，W及用于產(chǎn)生工業(yè)電力與中也發(fā)電。 一般而言，氣體潤(rùn)輪機(jī)是由依序配置的壓縮機(jī)、燃燒室、W及潤(rùn)輪機(jī)所組成。流入的空氣是 于壓縮機(jī)中被壓縮為高壓，并W高速與高壓饋送至燃燒室中，其中空氣系與燃料混合，并經(jīng) 燃燒W產(chǎn)生熱的、加壓氣流，該氣流系進(jìn)入到潤(rùn)輪機(jī)區(qū)段中，氣體系于該處膨脹并驅(qū)動(dòng)潤(rùn)輪 機(jī)。潤(rùn)輪機(jī)將氣體的能量(例如烙）轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，用W驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)和禪接至該氣體潤(rùn)輪機(jī) 的可選的其他裝置。
[0004] 最近的技術(shù)進(jìn)展已經(jīng)能夠生產(chǎn)比大部分汽車所使用之汽油燃燒引擎重量更輕且 更便宜的小型氣體潤(rùn)輪引擎。該種潤(rùn)輪引擎也會(huì)產(chǎn)生較少的污染。兩種傳統(tǒng)的氣體潤(rùn)輪引 擎的圖式系繪示于圖1與圖2中。
[000引圖1繪示了一種傳統(tǒng)的氣體潤(rùn)輪引擎10,其一般系用于發(fā)電。圖1的氣體潤(rùn)輪引 擎10包括壓縮機(jī)區(qū)段14 (其具有多個(gè)階段）W增加流入的空氣(例如在空氣進(jìn)氣口 12處） 的壓力與溫度；燃燒區(qū)段或腔室16,其具有位于引擎周邊附近的多個(gè)燃燒腔室，燃料是在 其中被點(diǎn)燃W進(jìn)一步增加流入的空氣的溫度與壓力；W及潤(rùn)輪機(jī)區(qū)段18,熱的、加壓空氣 或排放氣體20系傳送至其中W驅(qū)動(dòng)潤(rùn)輪機(jī)的轉(zhuǎn)子并產(chǎn)生機(jī)械能，W使?jié)欇啓C(jī)的中也軸旋 轉(zhuǎn)并廣生動(dòng)力。
[0006] 圖2說(shuō)明了一種用于飛行器推進(jìn)之傳統(tǒng)潤(rùn)扇潤(rùn)輪引擎50。該傳統(tǒng)潤(rùn)扇潤(rùn)輪引擎 50包括在引擎50前方處的大型風(fēng)扇52,其加速流入的空氣并使其通入低壓壓縮機(jī)60和/ 或高壓壓縮機(jī)62,而進(jìn)入沿著引擎50的外部通過(guò)之風(fēng)扇導(dǎo)管80中。潤(rùn)扇引擎50的壓縮 機(jī)60與62、燃燒腔室70W及高壓與低壓潤(rùn)輪機(jī)區(qū)段72、74系W類似于圖1之氣體潤(rùn)輪引 擎10類似的方式作業(yè)。潤(rùn)扇引擎50的運(yùn)作與氣體潤(rùn)輪引擎10的不同處在于，"旁通流量 (bypassflow)"(由風(fēng)扇52進(jìn)行加速并通過(guò)風(fēng)扇導(dǎo)管80的空氣）系對(duì)引擎所產(chǎn)生的總推 力有貢獻(xiàn)。
[0007] 幾乎所有的傳統(tǒng)噴射引擎和大部分的火箭引擎都會(huì)在燃料爆燃(亦即燃料的快 速、次音速之燃燒)時(shí)運(yùn)作。在傳統(tǒng)氣體潤(rùn)輪機(jī)與潤(rùn)扇引擎的燃燒腔室中之燃料燃燒會(huì)對(duì)潤(rùn) 輪機(jī)葉片產(chǎn)生作用力并產(chǎn)生機(jī)械功率。在該類引擎中，燃燒腔室系開(kāi)放系統(tǒng)，且燃料的燃燒 是不間斷的。燃燒腔室中的點(diǎn)燃來(lái)源(點(diǎn)引器)會(huì)在引擎啟動(dòng)時(shí)點(diǎn)火，但然后停止，因?yàn)樵谝?擎運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，燃料與來(lái)自壓縮機(jī)的加壓空氣系持續(xù)饋送至燃燒腔室中，因而可維持燃料的點(diǎn) 燃。
[000引雖然最近的技術(shù)進(jìn)展已經(jīng)能夠使用比其他引擎類型(例如燃燒引擎）更有效率且 更低污染之更小、更輕的氣體潤(rùn)輪機(jī)，但氣體潤(rùn)輪機(jī)的效率則可再被提升。舉例而言，傳統(tǒng) 的天然氣點(diǎn)火之潤(rùn)輪發(fā)電機(jī)系僅能將介于25%至35%之天然氣熱值轉(zhuǎn)化為可用電力。因此， 為能推進(jìn)車輛及產(chǎn)生電力，對(duì)于更有效率的氣體潤(rùn)輪機(jī)技術(shù)仍存有需求。
[0009] 此"【背景技術(shù)】"段落系僅用于說(shuō)明背景信息。在"【背景技術(shù)】"中的陳述并非承認(rèn)在 "【背景技術(shù)】"中所掲露的標(biāo)的內(nèi)容即構(gòu)成本發(fā)明之現(xiàn)有技術(shù)，且在"【背景技術(shù)】"中沒(méi)有任何部 分是用于承認(rèn)本申請(qǐng)案的任何部分(包括此"【背景技術(shù)】"）即構(gòu)成本發(fā)明之現(xiàn)有技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明是關(guān)于一種新穎的內(nèi)爆震引擎，進(jìn)一步整合有一爆震或脈沖引擎技術(shù)(例 如該內(nèi)爆震引擎）的新穎復(fù)合式氣體潤(rùn)輪引擎W及其制造與使用方法。因此，本發(fā)明提供 了一種復(fù)合式氣體潤(rùn)輪引擎系統(tǒng)，其系利用雙重動(dòng)力來(lái)源(單位為m/s或m/V)，即氣體潤(rùn)輪 (或潤(rùn)扇）沖力與脈沖式引擎沖力。該復(fù)合式氣體潤(rùn)輪引擎可適用作為飛行器、船與地面車 輛之一動(dòng)力系統(tǒng)。復(fù)合式氣體潤(rùn)輪技術(shù)也可適用于其他應(yīng)用，例如有效率的發(fā)電或機(jī)械驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)。
[0011] 一方面，本發(fā)明系與內(nèi)爆震引擎有關(guān)，其包括內(nèi)有燃料點(diǎn)引器的爆震腔室、在該爆 震腔室的一端部處之的定子、與該定子相鄰的轉(zhuǎn)子W及配置W將從點(diǎn)燃或引爆燃料所產(chǎn)生 的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。該爆震腔室與燃料點(diǎn)引器系配置W點(diǎn)燃或引爆該爆 震腔室中的燃料。該第一定子具有至少一個(gè)第一開(kāi)口W接收該燃料。定子或爆震腔室中任 一系具有一第二開(kāi)口，W排放爆震氣體。轉(zhuǎn)子中具有一或多個(gè)第H開(kāi)口，其系配置用于在轉(zhuǎn) 子旋轉(zhuǎn)時(shí)與至少該第一開(kāi)口重迭。
[0012] 本發(fā)明之內(nèi)爆震引擎的各種具體實(shí)施例進(jìn)一步包括了進(jìn)氣腔室，其具有（i)燃料 進(jìn)氣口，其系間歇性連通于該第一開(kāi)口，及（ii)排放口，其系間歇性連通于該第二開(kāi)口。該 進(jìn)氣腔室與該定子系密封地圍繞該轉(zhuǎn)子，并使該轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)于該進(jìn)氣腔室與該定子之間。此 夕F，本發(fā)明之內(nèi)爆震引擎系進(jìn)一步包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其系配置W接收該機(jī)械能。該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)系 包括，例如，（1)連接至該能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的一或多個(gè)桿件，及（2)自該一或多個(gè)桿件中至少 其一接收該機(jī)械能的曲軸。曲軸系能驅(qū)動(dòng)齒輪或輪軸，該齒輪或輪軸接著驅(qū)動(dòng)一或多個(gè)軸 桿或皮帶。本發(fā)明之內(nèi)爆震引擎的其他具體實(shí)施例系進(jìn)一步包括一定時(shí)齒輪，其系配置W (i)自該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)接收該機(jī)械能，及（ii)直接或間接旋轉(zhuǎn)該轉(zhuǎn)子。
[0013] 在某些具體實(shí)施例中，爆震腔室系包括汽缸與汽缸罩，且該能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)包括連 結(jié)至該桿件的活塞，該活塞系配置W可滑動(dòng)地匹配于該汽缸內(nèi)。該汽缸罩中具有第一與第 二開(kāi)口。優(yōu)選地，潤(rùn)滑劑和/或表面涂層系位于轉(zhuǎn)子與其外殼之間(例如進(jìn)氣腔室和定子)， 例如在轉(zhuǎn)子的表面上。該表面涂層和/或潤(rùn)滑劑一般可減少轉(zhuǎn)子與定子之間的摩擦。舉例 而言，該表面涂層系包括氮化娃或由氮化娃組成，其系進(jìn)一步作用W機(jī)械性保護(hù)轉(zhuǎn)子。
[0014] 在某些具體實(shí)施例中，本發(fā)明之內(nèi)爆震引擎進(jìn)一步包括第二定子與第二轉(zhuǎn)子。該 第二開(kāi)口系位于該第二定子中，且該第二定子系位于該爆震腔室的一相對(duì)端部處。該第二 轉(zhuǎn)子中一般系具有一或多個(gè)第四開(kāi)口，其系配置用于與該第二開(kāi)口重迭。
[0015] 本發(fā)明的另一方面是關(guān)于一種復(fù)合式內(nèi)爆震潤(rùn)輪引擎，其包括內(nèi)爆震引擎；軸桿； 一或多個(gè)旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇，其可旋轉(zhuǎn)地固定至該軸桿、在該第一定子與第一轉(zhuǎn)子的上游處；W及一 或多個(gè)潤(rùn)輪風(fēng)扇，其可旋轉(zhuǎn)地固定至該軸桿、在該內(nèi)爆震引擎的下游處。潤(rùn)輪風(fēng)扇與軸桿一 般系配置W驅(qū)動(dòng)該等旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇的空氣壓縮功能。
[0016] 在進(jìn)一步之構(gòu)想中，本發(fā)明也關(guān)于一種轉(zhuǎn)換能量的方法，包括經(jīng)由在定子中的至 少一第一開(kāi)口注入燃料至爆震腔室中，該定子系位于該爆震腔室的一端部處；點(diǎn)燃或引爆 該爆震腔室中的燃料；經(jīng)由在該定子或該爆震腔室中的第二開(kāi)口而排放爆震氣體；在一或 多個(gè)軸桿、輪軸或齒輪處將從點(diǎn)燃或引爆該燃料所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；W及旋轉(zhuǎn)與 該定子相鄰的轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子中具有一或多個(gè)第H開(kāi)口，其系配置W于該轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)與至少 該第一開(kāi)口重迭，否則則在該等第H開(kāi)口未與該第一開(kāi)口重迭時(shí)密封該第一開(kāi)口。
[0017] 本發(fā)明藉由將脈沖式爆震的組件整合至一般的潤(rùn)輪引擎設(shè)計(jì)中而增進(jìn)了現(xiàn)有潤(rùn) 扇與氣體潤(rùn)輪引擎的性能，產(chǎn)生了一種新穎的復(fù)合式氣體潤(rùn)輪引擎。相較于現(xiàn)有的氣體潤(rùn) 輪機(jī)技術(shù)，該新穎的復(fù)合式氣體潤(rùn)輪引擎具有提升之效率，且因此具有減少之燃料消耗和/ 或較大的功率產(chǎn)生。在一脈沖式爆震引擎中，在爆震腔室中的空氣與燃料之易燃性混合物 系于超音速爆震中被點(diǎn)燃。爆震會(huì)使腔室中的氣體壓力增加至大約50atm至大約150atm 的范圍。該熱的、加壓氣體接著會(huì)經(jīng)由噴嘴而噴出，W驅(qū)動(dòng)潤(rùn)輪機(jī)轉(zhuǎn)子和/或產(chǎn)生推力。本 發(fā)明之新穎復(fù)合式氣體潤(rùn)輪引擎系于引擎的爆震區(qū)段中包括一脈沖式爆震腔室。該新穎氣 體潤(rùn)輪機(jī)系另外包括傳統(tǒng)的氣體潤(rùn)輪燃燒腔室。
[0018] 整合于氣體潤(rùn)輪機(jī)設(shè)計(jì)中的脈沖式爆震腔室的新穎燃燒提高了每單位石化燃料 或生質(zhì)燃料所能利用的機(jī)械能與推力的大小。更具體而言，相較于傳統(tǒng)的氣體潤(rùn)輪和潤(rùn)葉 引擎而言，脈沖式爆震腔室的加入會(huì)增加傳送至潤(rùn)輪區(qū)段的作用力與沖力（與特殊沖力）。 因此，本發(fā)明之復(fù)合式氣體潤(rùn)輪機(jī)可利用相同量、或更少量的燃料而產(chǎn)生比傳統(tǒng)氣體潤(rùn)輪 機(jī)更大的功率量。本發(fā)明之技術(shù)也可用于多種燃料來(lái)源，包括天然氣、合成氣、煤炭產(chǎn)生 之氨氣、石油燃料產(chǎn)品（例如汽油、煤油、噴射燃料、柴油燃料等)、硝酸饋、氧化亞氮、硝基甲 焼、己醇、生質(zhì)燃料W及其他燃料?？捎肳產(chǎn)生本發(fā)明之復(fù)合式氣體潤(rùn)輪機(jī)的其他材料來(lái)源 包括火藥、銀屑、稻草、紙張(例如磨碎的、截片的、切條的等)和/或其他不昂貴的、可再生之 燃料來(lái)源。在某些具體實(shí)施例中，可于該復(fù)合式氣體潤(rùn)輪引擎中使用燃料組合W使性能優(yōu) 化。舉例而言，可使用汽油來(lái)發(fā)動(dòng)引擎，然后在引擎達(dá)到運(yùn)轉(zhuǎn)速度時(shí)W天然氣或噴射燃料來(lái) 替代汽油。
[0019] 在其他具體實(shí)施例中，新穎之氣體潤(rùn)輪引擎可適用于發(fā)電或其他機(jī)械驅(qū)動(dòng)應(yīng)用 (例如地面車輛)。舉例而言，本發(fā)明系有利地提供了一種可用于傳統(tǒng)發(fā)電的復(fù)合式氣體潤(rùn) 輪引擎。潤(rùn)輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸桿可用W驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。因此，該新穎氣體潤(rùn)輪機(jī)系可整合于傳統(tǒng) 的發(fā)電系統(tǒng)中，而不需特殊的設(shè)計(jì)變更或過(guò)多成本。
[0020] 此外，新穎的復(fù)合式氣體潤(rùn)輪機(jī)系可利用與傳統(tǒng)氣體潤(rùn)輪機(jī)所使用之相同材料與 部件而制成，因此其制造成本系實(shí)質(zhì)上等同于傳統(tǒng)氣體潤(rùn)輪機(jī)的制造成本。從下述較佳具 體實(shí)施例之詳細(xì)說(shuō)明即可直接清楚理解本發(fā)明的該些與其他優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1是一傳統(tǒng)氣體潤(rùn)輪引擎的截面圖。
[0022] 圖2是一傳統(tǒng)潤(rùn)扇氣體潤(rùn)輪引擎的截面圖。
[0023] 圖3是根據(jù)具體實(shí)施例之復(fù)合式氣體潤(rùn)扇潤(rùn)輪引擎的截面圖。
[0024] 圖4是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例的定子平板與對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子的圖式。
[0025] 圖5是提供了根據(jù)本發(fā)明的對(duì)分定子的前視圖與側(cè)視圖之圖式。
[0026] 圖6A是提供了根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例之成對(duì)的定子與轉(zhuǎn)子的前視圖之圖式。
[0027] 圖6B是提供了根據(jù)本發(fā)明的另一具體實(shí)施例的另一對(duì)定子與轉(zhuǎn)子的前視圖之圖 式。
[002引圖7是說(shuō)明在一四步驟爆震程序中前口裝置與后口裝置的轉(zhuǎn)子位置之圖式。
[0029] 圖8是說(shuō)明在一四步驟爆震程序中另一前口裝置與一后口裝置的轉(zhuǎn)子位置之圖 式。
[0030] 圖9是根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例的爆震腔室之圖式。
[0031] 圖10是說(shuō)明適用于本發(fā)明的爆震腔室之四個(gè)定子與轉(zhuǎn)子的配置之圖式。
[0032] 圖11提供了用于說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例的另外一種爆震腔室之圖式。
[0033] 圖12是根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例的曲軸裝置之圖式。
[0034] 圖13是根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例之復(fù)合式潤(rùn)扇氣體潤(rùn)輪引擎的截面圖。
[0035] 圖14是根據(jù)本發(fā)明之另一具體實(shí)施例之復(fù)合式潤(rùn)扇氣體潤(rùn)輪引擎的截面圖。
[0036] 圖15是根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施