ВОДОРОДНЫЙ РОТАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ)
HYDROGEN ROTARY ICE (VERSIONS)

Приоритет этой заявки заявляется по предварительной заявке США №60/721,521, поданной 29 сентября 2005, все содержание которой включено сюда посредством ссылки.
Это изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а более определенно к двигателям с вращающимися лопастями, использующим термодинамический цикл с водородным топливом.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
2
Возрастающие потребности нефти в разных странах во всем мире приводят к более высоким ценам на энергию, что повышает вероятность увеличения инфляции и геополитических напряжений между странами, конкурирующими за одни и те же ограниченные запасы нефти. Даже если поставка нефти может быть увеличена для удовлетворения потребностей, это приводит к потенциальной возможности дальнейшего производства более высоких выбросов CO с возможностью более быстрого глобального потепления.
В настоящее время многие транспортные, нефтяные и энергетические компании и правительства вкладывают миллиарды долларов в научно-исследовательские программы, связанные с водородом для производства источника топлива, который постепенно заменит ископаемое топливо. Например, многие автомобильные компании развивают транспортные средства на водородных топливных элементах. Однако надежность топливных элементов, их к.п.д., требования к чистоте топлива, хранению водорода, и ограничения стоимости - главные барьеры применимости таких элементов.
Автомобилестроители также развивают гибридные системы поступательного движения электрического двигателя / двигателя внутреннего сгорания как переходную стадию между современными транспортными средствами на двигателях внутреннего сгорания и будущими транспортными средствами на топливных элементах. Неясно, однако, обеспечивают ли гибридные электрические системы поступательного движения достаточно высокие дополнительные выгоды к.п.д. для потребителей, чтобы оправдать их более высокую стоимость.
x
x
Конвертация существующих систем двигателя внутреннего сгорания для работы на водороде выполняется не без проблем. Температура сгорания водорода намного выше, чем бензина, что приводит к большому количеству образованных выбросов NO. Использование обедненных водородных топливных смесей уменьшает потенциальные выбросы NO, но также значительно уменьшает уровни рабочих характеристик выходной мощности. Непосредственная инжекция водорода может улучшить эту проблему, но инжекторы очень дороги и требуют высокого давления и допусков. Импульс инжекции обеспечивает ограниченное количество водородного топлива, что недостаточно для применений, где необходима большая мощность. Сухость водородного газа также осложняет работу пульсирующих инжекторов и увеличивает износ инжектора. Кроме того, высокая диффузионная способность водородного газа часто приводит к тому, что водородный газ проходит через системы уплотнения двигателя в области коленчатого вала, что в свою очередь приводит к очень нежелательному сгоранию, которое может повредить двигатель и/или зажечь масляную смазку.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
x
Водородный двигатель внутреннего сгорания с вращающимися лопастями высокой производительности максимизирует термодинамические энергетические выгоды, чтобы обеспечить улучшенный термический эффективный КПД для более высокой экономии топлива, более высокое отношение плотности мощности к весу двигателя и объему, с пониженным содержанием NO. Двигатель также оптимизирован, чтобы максимизировать механические выгоды двигателя с вращающимися лопастями, чтобы дополнить работу с улучшенным уплотнением, ротором и системами кожуха, чтобы минимизировать потери тепла, эксергию разрушения энергии и уменьшить трение, чтобы улучшить надежность, срок службы и шум, вибрацию и низкочастотные вибрации (NVH).
Термодинамическими потерями тепла в двигателе внутреннего сгорания с вращающимися лопастями управляют, удаляя тепло и повторно вводя его, используя камеру паров натрия, камеру инжекции воды и геометрическое сверхрасширение камеры, чтобы, тем самым, использовать энтальпию тепла и выхлопного газа, которая иначе была бы потеряна в системе охлаждения и в атмосфере. Активная система охлаждения воды захватывает тепло от кожуха и выхлопа и вводит это тепло назад в цикл двигателя. Объединение всех этих потоков теплопередачи обеспечивает двигатель с очень большой плотностью мощности и полным термическим эффективным КПД от 65 до 80%, который идеально подходит для производства электроэнергии и применения в поступательном движении.
Предложенный водородный двигатель достигает вышеупомянутых целей, используя водородный высокопроизводительный термодинамический цикл улучшенного процесса сгорания, улучшенного теплопереноса охлаждения и более низких потерь на выбросы тепла, используя улучшенную подачу водородного топлива, переменную степень сжатия воды, более широкий рабочий диапазон эквивалентности топлива/воздуха, улучшенное зажигание водорода, расширенную камеру сгорания/расширения, более длительное сгорание, обратимую по энергии систему теплопередачи камеры паров натрия с ранними и поздними стадиями инжекции воды.
Водородный двигатель настоящего изобретения содержит улучшенную систему уплотнения, состоящую из уплотнений раздвоенной лопасти, тупого кончика, динамических осевых уплотнений раздвоенной лопасти, проходов газа в уплотнении лопасти, динамических осевых уплотнений ротора, уплотнений лицевой поверхности лопасти, конструкции лопасти, охлаждения/теплопередачи канала тепловой трубы лопасти, и антицентробежной системы ременной передачи лопасти. Двигатель имеет улучшенную структура ротора с контролем тепла ротора, используя охлаждение/теплопередачу камеру водяного пара и уменьшенное трение лопасти благодаря улучшенной тангенциальной системе подшипников лопасти. Двигатель содержит улучшенный кожух с искаженной овальной геометрией внутреннего статора кожуха для большего расширения, более высоких рабочих температур кожуха, твердые смазки, активное охлаждение/теплопередачу водой, уменьшающую утечку водорода, внешние камеры водяного пара и изолирующую крышку.
Настоящее изобретение дополнительно дает улучшенную электроэнергию постоянного тока термоэлектрического преобразователя на щелочных металлах (ТЭПЩМ), расположенного в камере паров натрия.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенного термодинамического цикла с более низкими тепловыми потерями выхлопа, тепловыми потерями системы охлаждения, и более низкими тепловыми потерями из-за трения, приводящими к увеличенному полному термическому эффективному КПД по сравнению с существующими двигателями внутреннего сгорания.
Согласно второму закону термодинамики, эффективность любого преобразования тепла в работу максимально в цикле Карно, причем некоторое количество тепла должно быть послано в холодильник. Однако эффективность цикла Карно справедлива только в реакциях с одной камерой. Используемый цикл преодолевает ограничения эффективности цикла Карно путем использования цикла реакции во многих камерах, который использует объединенные термодинамические и механические системы всего двигателя как термодинамический цикл реакции. Камера паров натрия связывает или накладывает друг на друга многочисленные реакции в камере вместе вдоль зоны сгорания/расширения. Камера паров натрия обеспечивает обратный перенос избыточного тепла из зоны сгорания в камеры сгорания вдоль зоны расширения.
Заявляемый двигатель - автоматическая, динамически сбалансированная система, которая управляет и поддерживает термодинамические параметры теплопередачи во всем цикле сгорания/расширения, чтобы достигнуть максимальной мощности и эффективных рабочих характеристик. Двигатель использует большую зону сгорания/расширения, чем зона впуска/сжатия, где газы сгорания могут расширяться и выполнять максимальную работу до тех пор, пока давления в камере не будут равны потерям от трения вращения. Камера паров натрия, расположенная вдоль зоны сгорания/расширения, используется для воспламенения предварительной смеси водород/вода и удаления избыточной теплоты сгорания из зоны сгорания и возвращения этой теплоты в полости сгорания вращающихся камер вдоль сверхрасширенной зоны расширения. Инжекция воды на ранней стадии вдоль пути сгорания/расширения в камеры сгорания дополнительно поглощает избыточную теплоту сгорания и тепло от камеры паров натрия вдоль расширенной зоны сгорания/расширения. Инжекция воды на поздней стадии вдоль сгорания/расширения понижает температуры газа сгорания, чтобы минимизировать потери тепла выхлопа и охладить поверхность камеры сгорания для следующего цикла впуска.
Вода из активной системы охлаждения используется в ранней и поздней стадии инжекции воды в полости сгорания. Тепло, поглощенное активной системой охлаждения, повышает температуру воды приблизительно до 250-350°С, или до 523-623K. Эта температура только слегка ниже точки кипения паров воды, и позволяет воде быть накачанной под высоким давлением, как гидравлическая жидкость, в полости сгорания. При температурах сгорания около 1800K инжекция воды значительно понижает температуру газа сгорания. Это ускоряет теплопередачу от камеры паров натрия назад в камеру сгорания, пока не достигнуто температурное равновесие.
x
Заявляемый двигатель имеет большой потенциал улучшить экономию топлива и уменьшить выбросы отработавших газов в современных двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Большой потенциал для улучшения экономии топлива исходит из использования иначе истраченного впустую тепла от цилиндрических стен и выхлопного газа для получения нагретой воды и ее инжекции в цилиндр, где нагретая вода претерпевает фазовый переход из жидкости в пар для получения дополнительной мощности расширения. Эффективность цикла заявляемого двигателя не ограничена эффективностью цикла Карно вследствие того, что в используемом цикле масса рабочей среды для производства мощности расширения увеличивается во время цикла, вместе с дополнительной выгодой от более высокой степени расширения (производит мощность), чем степень сжатия (потребляет мощность), в то время как в цикле Карно масса рабочей среды и степень сжатия/степень расширения заданы. Кроме того, высокая эффективность цикла в заявляемом двигателе полагается не на высокую температуру сгорания (как рекомендовано в цикле Карно), а на сдвиг или на передачу тепловой энергии по циклу. Таким образом, прорывом является повышение барьера компромисса эффективности цикла NO/дым/двигатель в традиционном ДВС.
Используемый цикл не только использует все тепло сгорания двигателя, но также использует механическое тепло от трения, которое захвачено системой охлаждения и перенесено назад в камеру сгорания, приводя к системе с обратимой энергией.
Следующее являются главными этапами процесса используемого цикла, как изображено на Фиг.71:
1. Камера ротора вращается мимо впускного отверстия, где она принимает полный заряд свежего воздуха, который естественным образом всасывается или предпочтительно вводится с турбонаддувом.
2. Как только камера ротора прошла впуск и достигла своей максимальной зарядки впуска, геометрия кожуха начинает сжимать впущенный воздух. Переменное количество нагретой воды приблизительно до 250-350°С или до 523-623K от активной системы охлаждения вводят в полость камеры во время стадии сжатия. Это является первой переменной инжекцией воды. Нагретую воду стратифицируют в камеру сгорания вдоль сторон и задней половины камеры ротора, увеличивая эффективную степень сжатия камеры. Нагретая вода считается несжимаемой жидкостью, причем количество нагретой воды может быть различным, чтобы управлять и скорректировать степень сжатия камеры. Камера ротора стратифицирована свежим воздухом в передней половине и инжектированной водой в задней половине.
3. Нагретый водородный газ непосредственно вводят в полость камеры ротора во время сжатия на поздней стадии. При использовании непосредственной инжекции водорода во полость камеры ротора устраняется проблема детонации преждевременного зажигания. Водород менее плотен чем воздух и водная масса и будет иметь тенденцию стратифицироваться около передней половины камеры ротора, поддерживая относительно однородную концентрацию водорода, который легко смешивается с новым воздухом впуска, который также стратифицируются к передней половине камеры. Произведенная смесь водорода/воздуха однородной концентрации легко воспламеняется.
4. Свеча зажигания может воспламенить водород, или, в зависимости от эффективной степени сжатия, может произойти управляемое автовоспламенение. Температура автовоспламенения водорода равна 585°С, или 858K.
5. Поскольку камера ротора вращается, проходя через верхнюю мертвую точку (ВМТ), теплота сгорания выше 600°С или 873K проходит через защитное покрытие, создающее тепловой барьер (ПТБ) из перовскита на внутренней поверхности внешнего статора кожуха и переносится в Камеру Паров Натрия (КПН). ПТБ из перовскита защищает кожух от постоянного воспламенения сгорания при 1800K. Натрий в КПН изменяет фазовое состояние из жидкости в газ и протекает вдоль пути расширения.
6. Поверхностная температура ПТБ из перовскита может соответствовать пиковой температуре газа 1800K. Эта область поверхности с высокой температурой находится при температуре, намного большей температуры самовоспламенения водорода 585°С, или 858K, и, таким образом, еще более улучшает реакцию сгорания.
7. Вторую инжекцию нагретой воды приблизительно при 250-350°С, или 523-623K, от активной системы охлаждения выполняют на ранней стадии реакции сгорания/расширения, чтобы частично погасить или охладить реакцию сгорания для управления пиковой температурой приблизительно в 1800K и понизить температуру газ и воды в камере приблизительно до 600°С, или 873K, чтобы ускорить теплопередачу от камеры паров натрия с более высокой температурой обратно в камеры ротора вдоль пути расширения. Нагретая вода изменяет фазовое состояние из жидкости в состояние перегретого водяного пара, который сильно расширяется, увеличивая среднее эффективное давление (СЭД) в камере для выполнения работы.
8. Камера Паров Натрия продолжает перенос тепла обратно во вращающиеся камеры, поддерживая температуру камеры приблизительно при 600°С, или 873K. Поскольку газы в камерах ротора и вода охлаждены, центробежные силы прижимают более холодные и более тяжелые капельки воды к внешней поверхности стенки кожуха, что помогает поглощать тепло от КПН и ускорить теплопередачу обратно в камеру ротора от КПН и далее поддержать высокое давление пара и СЭД для выполнения работы.
9. В третьем охладителе инжекции воды воду от активной системы охлаждения при 30°С, или 303K, инжектируют на поздней стадии реакции сгорания/расширения как раз перед выхлопным отверстием, чтобы охладить реакцию сгорания и ротор камеры сгорания, лопасть и компоненты уплотнения, и чтобы предотвратить тепловое дросселирование при следующем впуске заряда. Холодная вода помогает увеличить давление и плотность пара в камере. Холодная вода также помогает конденсировать водяной пар, облегчая его регенерацию.
10. Высокое давление, высокая скорость, более низкая температура и плотные выхлопные газы воды затем проходят через турбину турбозарядного устройства с переменной геометрией и приводят в действие компрессор впуска. 11. Воду из выхлопа конденсируют, фильтруют и подвергают повторной циркуляции обратно в активную систему охлаждения.
Управление Температурой с Низкой Потерей Тепла
В двигателе с используемым циклом поглощенное тепло посылают в камеру паров натрия и активную систему охлаждения на ранней и поздней стадии инжекции воды. Эти системы обратимы и способны выполнять рециркуляцию тепловых потоков назад в камеры двигателя для улучшения термодинамической эффективности. Воду из активной системы охлаждения, которая в обычном случае не имела бы никакого значения эксергии или способности выполнять работу, вводят обратно в камеру двигателя, где она может выполнять положительную работу эксергии. Тепло, поглощенное в КПН, деабсорбируется или переносится обратно в камеры двигателя для выполнения работы эксергии. Тепло как от активной водной системы охлаждения, так и от КПН, будет взаимодействовать синергистически и может передать тепло как к другой системе, так и от нее. Это позволяет большой части тепла непрерывно быть перенесенной обратно через двигатель для обеспечения выгоды положительной работы эксергии. Хотя некоторая часть тепла теряется во время каждого переноса.
Довольно легко уменьшить температуру газа сгорания, регулируя количество воды, введенной назад в камеру сгорания ротора. Основным моментом здесь является достижение равновесия инжекции воды, чтобы также максимизировать работу и энтальпию двигателя в камере и системе двигателя. Если добавлено слишком много воды, то реакция погаситься или охладиться слишком рано и не будет обладать достаточной энтальпией для должного выпуска потока воздуха. Если введено слишком мало воды, то весь потенциал тепла не будет восстановлен и в этом случае могут иметь место большие потери тепла выхлопа и/или потери тепла охлаждения.
Камера Паров Натрия и Теплоперенос
В двигателе с используемым циклом Камера Паров Натрия (КПН) работает как двухфазная тепловая труба, поглощающая тепло из горячей зоны сгорания и возвращающая это тепло обратно к вращающимся камерам во время такта расширения.
КПН использует натрий в качестве рабочей текучей среды. Тепло, высвободившееся в процессе сгорания в двигателе, передается в зону испарителя КПН, где жидкий натрий поглощает переданное тепло и изменяет фазовое состояние из жидкости в пар газа. После чего пар газа натрия перемещается со звуковыми скоростями вдоль КПН к зоне осаждения, где газ натрия возвращает свое тепло во вращающиеся камеры сгорания вдоль зоны расширения, а натрий опять претерпевает фазовое превращение из пара газа в жидкость. Ряд капиллярных сеток обеспечивает капиллярную активность, чтобы равномерно переместить капиллярно запас жидкого натрия к зоне испарителя КПН, где натрий снова испаряется, и цикл повторяется.
Существует запаздывание теплового потока, заключающееся во времени, которое требуется для поглощения тепла в систему активного охлаждения и систему камеры паров натрия, и во времени, которое требуется для переноса его обратно в цикл расширения двигателя. Однако это запаздывание является незначительным для рабочего цикла из-за непрерывных тепловых потоков. Запаздывание очевидно только во время запуска, когда тепло сгорания в основном поглощается в КПН и в активной системе охлаждения для их зарядки до диапазонов их рабочей температуры.
Когда двигатель изменяет скорости вращения, переходная тепловая нагрузка пропорционально изменяется. Это изменяет коэффициент запаздывания теплопередачи в ротационных камерах. Однако КПН является самобалансирующей системой, которая автоматически приспосабливается к условиям больших нагрузок. При увеличении скорости вращения тепловая нагрузка теплопередачи в КПН увеличивается, и движение ротора также увеличивает возможность запаздывания, чтобы передать тепло обратно в камеры ротора. Чем выше температура натрия в КПН, тем больше температурный градиент от горячей зоны испарения натрия в зону конденсации. Это увеличивает теплопередачу в КПН. Поскольку нагрузка теплоты сгорания продолжается, средняя рабочая температура КПН и зон испарения и конденсации может увеличиться. Это приводит к условию, при котором существует больший температурный градиент между КПН и ротационными камерами вдоль пути расширения так, что больше тепла передается обратно с более высокими скоростями. Также при большей скорости вращения продолжительность теплопередачи к КПН и от него меньше. Это ограничивает чрезмерную тепловую нагрузку в КПН.
Натрий вступает в сильную реакцию с водой и может производить нагретый водородный газ, который может воспламениться. Для уменьшения " взаимодействия и реакции воды и натрия: во-первых, количество натрия поддерживается относительно небольшим, чтобы нанести ограниченный ущерб, даже двигателям очень больших размеров; во-вторых, кожух двигаетля выполнен из сплава высокого качества, который очень прочен на разрыв; в-третьих, криволинейность геометрии кожуха КПН также обеспечивает огромную силу для передачи сил удара, чтобы предотвратить разрыв; в-четвертых, Наружный кожух дополнительно защищен очень толстым слоем изоляции из металлической пены или изолирующего материала, который также защищает камеру паров натрия от удара; в пятых, используется внутренняя система регулятора давления КПН, которая помогает оптимизировать внутренние рабочие тепловые потоки натрия, поглотить высокие ударные давления и снизить вероятность разрыва; и в шестых, в случае разрыва взаимодействие воды и натрия обычно сильно локализовано и скорость реакции низкая, так что существует некоторая возможность воспламенения, но не взрыва, который привел бы к разлетанию металлических частей.
Наружная Изолирующая Крышка КПН
Наружная поверхность КПН покрыта изолирующей крышкой, которая помогает уменьшить потери тепла через КПН в окружающую среду. Изолирующая крышка также помогает значительно уменьшить уровень шумов заявляемых двигателей. Изолирующая крышка может быть выполнена из изолирующего покрытия из керамических материалов, или из металлической пены, или из керамических материалов. Эти материалы также очень хорошо защищают КПН от повреждения при случайном ударе, который мог бы разорвать КПН.
Термоэлектрический Преобразователь из Щелочного Металла
Еще одна цель настоящего изобретения заключается в получении прямого источника электричества. Настоящее изобретение обеспечивает системы камеры паров натрия для удаления избыточного тепла из зоны сгорания и передачи его в зону расширения. Профиль циркуляции теплопередачи рабочей текучей среды натрия идентичен использованию термоэлектрического преобразователя на щелочном металле (ТЭПЩМ) для генерации электричества. ТЭПЩМ использует натрий в качестве рабочей текучей среды, которая нагрета и находится под давлением около твердого электрода из бета оксида алюминия (ТЭБА), где натрий преобразуется из жидкость в газ, а ионы натрия проходят сквозь ТЭБА, генерируя электричество.
Охлаждение Ротора
Поверхность ротора покрыта дефектным кластером ПТБ, который способен работать до 1400°С. ПТБ помогает защитить ротор от повреждения от теплоты сгорания и минимизирует поверхностную теплопередачу в ротор. Тепло из камеры ротора, которое проходит через ПТБ ротора, поглощается в камере водяного пара, расположенной под поверхностью ротора. Верхняя камера водяного пара ротора является зоной испарителя, где рабочая текучая среда - вода претерпевает фазовый переход из жидкости в газ и переносит тепло внутри камеры водяного пара к конденсаторам, расположенным по обеим сторонам ротора. Активная система водяного охлаждения распыляет воду через конденсаторы ротора, пока ротор вращается, чтобы поглотить тела конденсатора, посредством чего вода в паровой камере ротора охлаждается и изменяет фазовое состояние из газа в жидкость и рециркулируется назад в зону испарителя посредством центробежных сил с высоким значением G. Камера водяного пара ротора также помогает обеспечить изотермичность распределения тепла по всей поверхности ротора. Это даже помогает улучшить сгорание во всей камере и предотвратить тепловые горячие пятна и деформации в конструкции ротора.
Высокий Термический эффективный КПД
Из-за теплопередачи паров натрия, инжекции воды и более длительного такта расширения, заявляемый двигатель может достигнуть более высокого термического эффективного КПД. Тепло, которое может быть потеряно на кожухе и системе охлаждения, восстанавливается из системы камеры паров натрия. Тепло, которое передается в активную систему охлаждения, рециркулируется назад в цикл сгорания/расширения. Расширенная камера сгорания/расширения с инжекцией воды позволяет максимальному количеству теплоты сгорания быть преобразованной в СЭД и работу, уменьшая потери температуры выхлопа. Потери трения от такта сжатия и тепла от скользящих лопастей и ротора захватываются в воде активной системы охлаждения и вводятся назад в рабочий цикл и камеры сгорания. Использование всего двигателя, поскольку цикл уменьшает полные потреи тепла от сгорания, охлаждения посредством теплопередачи, выхлоп, и трение, которое повышает максимальную мощность и термический эффективный КПД до уровня, достигающего 65-80%.
Используемый цикл может быть приспособлен для использования с двигателями Ванкеля и другими ротационными двигателями, но предпочтительный вариант выполнения выполнен для заявляемого двигателя, в соответствии с настоящим изобретением, имеющего много уникальных механических систем, разработанных для оптимизации термодинамической и механической работы используемого цикла.
Высокосбалансированная Плотность Мощности
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение лучше сбалансированного распределения мощности, которая также обладает более высокой эффективностью мощности двигателя к объему и весу.
Цель этого двигателя состоит в том, чтобы оптимизировать каждый из четырех тактов цикла и синтезировать их работу в полностью интегрированную систему двигателя, достигающего высокого КПД, а также большое отношение плотности мощности к объему и весу. Предпочтительная конструкцмя двигателя - двигатель с вращающимися лопастями, в котором ротор отцентрован на ведущем вале. Двигатель ротационного типа идеален в том отношении, что он может независимо отделить каждый из четырех циклов двигателя. Это также обеспечивает непрерывную работу всех сил сгорания и механических сил, чтобы обеспечить вращение только в одном направлении, в отличие от возвратно-поступательных двигателей. Это приводит к более ровному, более сбалансированному вращению с меньшей вибрацией и меньшими силами напряжения. Камеры, используемые в двигателе настоящего изобретения, относительно меньше, что обеспечивает лучшее управление реакцией сгорания для того, чтобы двигатель мог ровно работать только с одним ротором.
Двигатель также может иметь различное число роторов, присоединенных к одному и тому же приводному валу, чтобы увеличить полную мощность системы двигателя. Число роторов ограничено длиной и прочностью приводного вала, чтобы справляться со всеми рабочими нагрузками роторов. Двигатель в соответствии с настоящим изобретением может также иметь шесть, восемь, девять или двенадцать камер сгорания. Однако предпочтительный вариант выполнения является двигателем с восемью камерами сгорания. С шестью, восемью, девятью, двенадцатью или большим количеством камер, в зависимости от масштаба двигателя на 360 градусов СА вращения, двигатель может произвести очень высокую мощность смещения и вращающий момент в пределах маленького объема и веса.
Например, для двигателя с восьмью камерами сгорания в роторе, двигатель обеспечивает восемь импульсов на 360 градусов поворота вала.
Переменная Степень Сжатия Инжекции Воды
Хотя использование КПН в водородном двигателе с используемым циклом позволило бы полости сгорания быть полностью исключенной из двигателя, такая полость действительно помогает управлять свойствами стратификации водорода и воды для улучшения зажигания и создания турбулентности для улучшенного смешивания реакции сгорания. Однако использование углубления полости сгорания дает больший объем камеры, что отрицательно сказывается на степени сжатия камеры путем добавления объема камеры, который не может быть легко сжат, основываясь на взаимодействии геометрии ротора с наружной поверхностью статора кожуха. В заявляемом двигателе водная инжекция геометрически отделена от системы инжекции топлива. Два инжекции воды расположены ранее в ходе сжатия в точке, в которой запаздывающая лопасть камеры ротора освобождает впускной канал. Это позволяет провести полную зарядку впуска новым воздухом прежде, чем будет инжектирована вода. В это время нагретая вода из активной системы охлаждения инжектируется в камеру ротора двумя водными инжекторами, выполненными на сторонах статора кожуха ротора. Инжекция воды направлена вперед в сторону вращения ротора при инжекции инжектором воды на каждой стороне ротора и камеры ротора около осевых уплотнений. Температура воды - от 250 до 350°С около точки пара. По мере вращения ротора во внутреннем кожухе статора введенная вода стратифицируется в заднюю половину камеры ротора благодаря центробежной силе и силе инерции. Затем камеру ротора стратифицируют свежим воздухом в передней половине и инжектируют воду в заднюю половину. В этот момент с водой поступают как с несжимаемой текучей средой, что сильно уменьшает эффективный объем камеры. Затем водородное топливо непосредственно инжектируется в переднюю центральную половину камеры ротора. Добавленная вода помогает управлять максимальной температурой сгорания, а также увеличивать эффективную степень сжатия и помогает воспламенить топливо. Стратификация воды и топлива в камере также способствует быстрому воспламенения топлива без растворения воды, улучшающего рабочие характеристики сгорания. Стратификация воды и топлива также удерживает реакцию сгорания в передней части камеры ротора. Это и далее улучшает максимальное использование сил сгорания. Без этой стратификации топливо также имело бы тенденцию стратифицироваться в камере к задней половине камеры ротора, минимизируя желательное направление сил сгорания. Как только водородное топливо воспламенилось, требуется очень небольшое количество теплоты сгорания, чтобы выпарить воду в перегретый водяной пар. Этот перегретый пар мгновенно испаряется вперед в направлении вращения с очень сильным движением от взрыва, производящим огромную турбуляцию для смешивания с воспламенившимся топливом. Эта перегретая сильно турбулентная реакция топлива/воды затем передается по поверхности сгорания камеры паров натрия с поверхностной температурой 1800K или 1526°С. Эта геометрическая секция заявляемого двигателя имеет очень высокое отношение площади поверхности кожуха к объему камеры и помогает улучшить скорость сгорания и полное сгорание топлива. Количество воды, инжектированной в такте сжатия, может изменяться для изменения эффективной степени сжатия, чтобы оптимизировать рабочие характеристики двигателя и КПД при различных числах оборота.
Например геометрический объем впуска 400 ее может сжиматься до 40 сс со степенью сжатия 10:1. Однако, если введено 20 ее несжимаемой воды, то эффективный газовый объем камеры сжатия будет 20 сс со степенью сжатия 20:1. Количество воды может быть отрегулировано, чтобы приспособить эффективную степень сжатия к идеальным рабочим условиям двигателя.
Обратимость Потери Сгорания
Степень сжатия отрегулирована так, что температура предварительной смеси водорода/воды/воздуха очень близко к 585°С, т.е. температуры самовоспламенения. Водород является топливом с большой диффузионной способностью и быстро формирует гомогенную заряд с водой. Тепло от камеры паров натрия воспламеняет смесь водорода/воды/воздуха. При использовании площади поверхности кожуха для воспламенения смеси вся камера сгорания воспламеняется одновременно. Небольшая энергия сгорания теряется из-за температуры предварительной смеси водорода/воды/воздуха, находящейся в равновесии с температурой самовоспламенения. Поскольку для воспламенения смеси используется весь кожух, то теряется очень немного энергии от обмена фронта пламени с непрореагировавшим топливом и воздухом. Так как смесь сгорания состоит только из водорода, воды и воздуха, то продукты реакции и реагенты ограничены только этими элементами. Это уменьшает потери кинетической энергии сгорания, связанные с разрывом молекулярных связей топлива из углеводородов с более длинными цепями. При однородной смеси водорода/воды/воздуха вода находится в непосредственной близости от водорода и помогает ограничить реакцию сгорания, преобразовывая тепловую энергию в энергию высокого давления пара для выполнения работы. Нагревание водяного пара в реакции сгорания является более обратимой реакцией, в которой теплота сгорания может быть перенесена или передана путем проводимости между другими молекулами воды с небольшим разрушением энергии.
Улучшенная Подача Водородного Топлива
2
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенной водородной подачи топлива и рабочие характеристики зажигания по сравнению с существующим двигателям. Заявляемый двигатель не только использует и перерабатывает всю теплоту реакции сгорания, но также использует активную систему охлаждения воды, которая захватывает тепло от механического трения двигателя, сжатия в цикле, и потока выхлопного газа. Нагретая вода из активной системы охлаждения используется для предварительного смешивания с газом водородом перед инжекцией, на ранней и поздней стадии инжекции воды в зоны сгорания/расширения. Системы хранения сжатого водорода используют резервуары с давлениями от 690 до 1030 атм (от 10000 до 15000 фунт/дюйм). Заявляемый двигатель использует регуляторы для инжекции водорода под давлением во вращающиеся полости сгорания. Когда сжатый газ изменяется из состояния с высоким давлением в состояние с низким давлением, тепло поглощается от расширения газа. Если перепад давлений и скорость использования газа достаточно высоки, это может привести к обледенению и к прекращению работы системы и регуляторов из-за неисправности. Заявляемый двигатель использует нагретую воду от активной системы охлаждения, предварительно смешанную с газом водородом прежде, чем она поступит в камеру сгорания двигателя, и поставляет тепло, необходимое в расширении газа, чтобы предотвратить обледенение регуляторов. Поскольку водород имеет высокую температуру самовоспламенения, 585°С, важно быстро поднять его температуру выше этого значения для надлежащего сгорания.
Высокое Сжатие
Еще одной целью настоящего изобретения является выполнение двигателя с более высоким рабочим сжатием впуска. Водород способен подвергаться очень высоким степеням сжатия, которые могут быть столь высокими как 33:1. Путем предварительного смешивания водорода с водой, двигатель согласно настоящему изобретению может создавать более высокие степени сжатия, больше чем 14:1, с уменьшенной вероятностью возникновения детонации или предварительного зажигания. Настоящее изобретение использует степень сжатия, которая доводит предварительную смесь водорода/воды/воздуха до температуры, близкой к 585°С, рядом с температурой самовоспламенения. Это равновесие сгорания помогает уменьшить кинетические потери тепла реакции сгорания для зажигания топливной предварительной смеси.
Более Широкий Рабочий Диапазон Эквивалентности Топлива/Воздуха
Еще одной целью настоящего изобретения является выполнение водородного двигателя, который способен успешно работать с более широким диапазоном значения Phi топлива к смесям воздуха, которые могут быть изменены от очень обедненного до стехиометрического или (от >=0,4 до <=1,0), чтобы оптимизировать реакцию сгорания для получения высокого КПД топлива или рабочих характеристик высокой мощности. Водород и воздух впуска сконцентрированы вместе для создания превосходного зажигания даже при низких отношениях эквивалентности. Инжекция воды может создать высокое сжатие, которое может улучшить рабочие характеристики зажигания. Высокая температура внутренней поверхности статора еще более улучшает зажигание обедненной воздушно-топливной смеси и полное сгорание.
x
Более Низкое Выделение NO
x
x
Еще одной целью настоящего изобретения является получение улучшенное более низкое выделение NO с более высокими рабочими характеристиками выходной мощности по сравнению с существующими двигателями внутреннего сгорания. Предварительное смешивание водорода с водой растворяет воздушно-топливную смесь и уменьшает и управляет максимальной температурой приблизительно до 1800 K, при которой образуется очень мало выделений NO.
Водородное Зажигание, Продолжительность Сгорания и Среднее Эффективное Давление
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение системы зажигания, которая использует меньше электроэнергии и обеспечивает мгновенное и полное сгорание по сравнению с существующими системами двигателя.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение реакции сгорания, которая улучшает рабочие характеристики полного сгорания, улучшает турбулентность реакции сгорания, улучшает скорость реакции сгорания и увеличивает продолжительность горения по сравнению с существующими двигателями внутреннего сгорания.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение более высокого среднего эффективного давления (СЭД) в цикле сгорания по сравнению с существующими системами двигателя.
Водород имеет низкий порог быстрого охлаждения, и реакция сгорания быстро охлаждается или обращается, если она потеряет слишком много тепла через площадь поверхности кожуха. Двигатель с ротационными лопастями согласно настоящему изобретению выполнен с расширенной зоной сгорания/расширения, в результате чего обеспечивается полость сгорания с высоким отношением поверхности к объему. В типичных двигателях это приводит к генерации высоких потерь тепла сгорания через поверхность кожуха, что приводит к подавлению реакции сгорания с неполным сгоранием, низким КПД топлива и выделением чистого топлива. В двигателе в соответствии с настоящим изобретением большое отношение площади поверхности к объему приносит большую выгоду из-за интеграции камеры паров натрия вдоль зоны сгорания/расширения. Одна или две свечи зажигания зажигают предварительную смесь водорода/воздуха/воды во время запуска. Как только поверхности двигателя достигли рабочей температуры, свечи зажигания отключают для экономии электроэнергии, и тепло из камеры паров натрия через внутреннюю поверхность кожуха используют для воспламенения топливной смеси. Водород имеет температуру самовоспламенения, равную 585°С, а рабочая температура камеры паров натрия составляет 600°С. Как только предварительная смесь водорода/воздуха/воды вращается в зону сгорания/расширения, где находится камера паров натрия, это незамедлительно воспламеняет воздушно-топливную смесь. Большое отношение поверхности к объему также создает высокую турбулентность газа из-за сил сдвига, действующих на внутреннюю поверхность статора кожуха. Это дает еще более улучшенные рабочие характеристики полного сгорания и теплопередаче в камере паров натрия. Плотность водяного пара больше, чем у воздуха и поэтому под действием больших центробежных сил вращения имеет тенденцию перемещаться вдоль поверхности внутреннего статора кожуха, где как раз находится камера паров натрия. Вода, проходящая по большой площади поверхности внутреннего статора кожуха, улучшает теплопередачу от камеры паров натрия в полости сгорания. Она также помогает поддерживать высокие давления водяного пара и работу СЭД по всей длине расширенной зоны сгорания/расширения. Высокое давление водяного пара также помогает предотвратить проникновение водорода за систему уплотнения во внутреннее отделение двигателя.
Система Уплотнения Камеры Сгорания
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение средства герметизации камер сгорания двигателей внутреннего сгорания с вращающимися лопастями, которое проявляет улучшенные рабочие характеристики уплотнения, уменьшенный износ при трении, уменьшенное производство тепла из-за трения и увеличенную прочность и износостойкость по сравнению с существующими уплотнениями.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение уплотнения камеры сгорания, которое реагирует с изменениями размера из-за тепловых деформаций внутреннего статора кожуха, использует газы камеры сгорания для поддержания сил уплотнения, быстро реагирует на давления воздуха/газа, и независимо поддерживает идеальное уплотнение передней и задней части камеры сгорания под действием различных динамических сил в камере сгорания, чтобы обеспечить улучшенные рабочие характеристики уплотнения по сравнению с существующими уплотнениями.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенной уплотняющей системы границ камеры сгорания, которая обеспечивает улучшенные границы уплотнения между скользящими уплотнениями раздвоенной лопасти, осевыми уплотнениями, и уплотнениями лицевой поверхности лопасти, по сравнению с существующими уплотнениями.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенной герметизации камеры сгорания, которая уменьшает деформацию изгиба лопасти по сравнению с существующими уплотнениями.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенной герметизации камеры сгорания, которая минимизирует повреждение в виде царапины, из-за вибрирующего уплотнения, внутренней поверхности статора кожуха и уменьшает рабочие вибрации и напряжения, возникающие от резкой вибрации, по сравнению с существующими уплотнениями.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенной герметизации камеры сгорания, которая создает турбулентность газа в камере сгорания для улучшения характеристик реакции сгорания по сравнению с существующими уплотнениями.
Герметизация камеры сгорания является важным аспектом настоящего изобретения. Скользящие лопасти должны выдерживать высокое давление сжатия и сгорания, чтобы предотвратить утечку через их передние и задние деформации изгиба во всех циклах. Трение уплотнения также играет критическую роль в КПД двигателя, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. Однако создание большей уплотняющей силы обычно также приводит к более высоким потери энергии на трение и к износу. Конструкция уплотнения камеры сгорания решает задачи со сложными геометрическими поверхностными интерфейсами, связанными с непрерывными переменными размерами камеры. Система уплотнения камеры сгорания составлена из трех главных уплотняющих подсистем: уплотнения между скользящей лопастью и кожухом двигателя, между скользящей лопастью и ротором, и между ротором и кожухом двигателя. Качество этой системы уплотнения является существенным для мощности двигателя, его КПД, надежности и выхлопа.
Система заявляемого двигателя использует специальную систему уплотнения раздвоенных лопастей, в которой каждая раздвоенная лопасть содержит два уплотнения. Центробежные силы вращения и давление газа помогают прижать уплотнение к внутренней поверхности статора кожуха. У каждого уплотнения раздвоенной лопасти имеются перфорации для прохода газа, которые позволяют небольшим количествам газа проникать под уплотнение для приложения силы наружу к внутренней поверхности статора кожуха. Нагрузка уплотнений лопасти газом позволяет силе уплотнения от каждой камеры уравновесить силы уплотнения, не производя лишнего трения. Использование двух уплотнений для каждой лопасти обеспечивает двойную систему уплотнения, которая далее уменьшает потери из-за прорыва камеры. Однако прорыв газов в камере между камерами не является паразитным по отношению к циклу двигателя. Любой случившийся прорыв газов может использоваться положительно в этой камере.
Уплотнения раздвоенной лопасти соединяются с изогнутыми уплотнениями лицевой поверхности лопасти, которые герметизируют лицевую поверхность лопасти и ротор, и с боковыми осевыми уплотнениями, которые герметизируют боковой кожух и ротор. Все вместе уплотнения раздвоенной лопасти, уплотнения лицевой поверхности и осевые уплотнения герметизируют каждую из камер ротора.
Уплотнения лицевой поверхности и осевые уплотнения лопасти также предварительно нагружены рифленой пружиной. Как только двигатель начинает работу, газы камеры будут оказывать давление на уплотнения. Уплотнения лицевой поверхности и осевые уплотнения лопасти также содержат маленькую полоску уплотнения вдоль их уплотняющих поверхностей. Любые сильные колебания сгорания, которые вибрируют эти уплотнения, могут привести к утечкам газа. Эти маленькие полоски уплотнения обеспечивают дополнительную защиту уплотнения.
Уплотнения Раздвоенной Лопасти
В дальнейшем, в соответствии с вышеупомянутыми целями, настоящее изобретение обеспечивает уплотнения раздвоенной лопасти, прикрепленные с возможностью скольжения вдоль наружных периметров в общем случае полукруглых скользящих лопастей U-образной формы внутри двигателя внутреннего сгорания с ротационными лопастями. Каждое уплотнение раздвоенной лопасти содержит два уплотнения лопасти, которые имеют такую форму, что они максимизируют площадь поверхности контакта с внутренней поверхностью статора кожуха двигателя. Большая форма поверхности каждого уплотнительного кольца обеспечивает большую площадь поверхности контактного уплотнения по сравнению с существующими системами уплотнения вершины с тонкими краями. Таким образом, это обеспечивает лучшие рабочие характеристики уплотнения под действием высоких давлений сгорания и скоростей вращения. Большая форма поверхности каждого уплотнения лопасти также распределяет контактные силы уплотнения через по всем передним, верхним и задним поверхностям каждого уплотнения лопасти, по мере того, как уплотнение раздвоенной лопасти быстро проходит вокруг внутренней поверхности статора. Это распределение контактных сил уплотнения минимизирует постоянный износ из-за трения в любой выбранной точке и помогает значительно увеличить долговечность, надежность и рабочие характеристики уплотнения лопасти.
Еще одной целью настоящего изобретения является выполнение уплотнений лопасти, которые перескакивают взад и вперед для обеспечения оптимального уплотняющего контакта с изменяющимися углами поверхностного контакта с внутренним статором кожуха.
Перескакивающее движение каждого уплотнения лопасти облегчается подшипниками качения, расположенными в каналах подшипника лопасти, находящихся между двумя уплотнениями лопасти в каждом уплотнении раздвоенной лопасти, а также между каждым уплотнением лопасти и его смежной секцией ротора. Эти маленькие подшипники качения, содержащиеся во внутренних и внешних поверхностях уплотнений лопасти, помогают перескакивать уплотнениям лопасти назад и вперед, по мере того как они вращаются вокруг внутренней части статора.
Тупой Кончик Уплотнения
Кончик уплотнения лопасти включает Тупой Кончик, который обеспечивает округленный кончик маленькой формы на вершине уплотнения лопасти, который может гладко скользить через профиль внутренней поверхности статора кожуха. Маленький Тупой Кончик является более сконцентрированным, как кольцо поршня, чтобы минимизировать чрезмерный поверхностный контакт уплотнения. Во время сгорания создаются большое напряжение и силы вибрации. Проходы для газа в уплотнении помогают поглотить и компенсировать эти силы. Однако Тупой Кончик может вибрировать от внутренней поверхности статора кожуха. Это действие может привести к повреждению в виде царапины на поверхности статора из-за вибрирующего уплотнения. Однако, выполняя тупой кончик немного шире, можно получить распределение сил столкновения по немного большей площади поверхности, что с меньшей вероятностью приведет к повреждению в виде царапины из-за вибрирующего уплотнения, тупой кончик также покрыт оксидной смазкой, а остальная часть расширенной поверхности кончика уплотнения покрыта покрытием, создающим тепловой барьер. Другое преимущество тупого кончика уплотнения состоит в том, что он может перейти от верхнего центра лопасти к внешним сторонам нижней секции лопасти, которые способствуют идеальной плоской поверхности интерфейса контакта с осевым уплотнением и уплотнением лицевой поверхности лопасти.
Выступающий Край Кончика
Кроме того, боковые поверхности каждого края уплотнения раздвоенной лопасти становятся шире или выступают около вершины, обеспечивая поверхность для газов сгорания, чтобы вытолкнуть каждое уплотнение лопасти наружу к внутренней поверхности статора. Этот выступающий кончик будет действовать как стальная T'-образная балка для укрепление структуры кончика лопасти, чтобы предотвратить закручивание и деформацию уплотнения лопасти, по мере того как она вращается вокруг внутреннего профиля статора кожуха и на него влияют силы сгорания.
Проходы Газа в Уплотнении Лопасти
Каждое из уплотнений лопасти «едет» сверху гребня лопасти, что помогает предотвратить выкручивание каждого уплотнения лопасти из своего положения по мере перемещения через внутреннюю поверхность статора кожуха. Каждое уплотнение лопасти может также перемещаться внутрь и наружу перпендикулярно к оси ротора вдоль сторон каждой скользящей лопасти скольжения в движении перескакивания. Это обеспечивает улучшенный поверхностный контакт с внутренней поверхностью статора кожуха по мере перемещения лопасти вокруг внутренней поверхности статора кожуха с изменяющейся точкой контакта. Поскольку уплотнения лопасти перескакивают внутрь и наружу сверху каждой скользящей лопасти, каналы для прохода газа, расположенные внутри каждого уплотнения лопасти, позволяют газу проходить от камер сгорания под частями каждого уплотнения лопасти по гребню лопасти, вынуждая, таким образом, каждое уплотнение лопасти вступать в более тесный контакт с внутренней поверхностью статора, а также уравновешивая необходимые силы уплотнения с давлением газа в камере сгорания. Пружинное уплотнение гребня лопасти помещается около основания более низкой стороны секции уплотнения, чтобы помочь поддерживать надлежащие давления в проходах для газа и предотвратить просачивание газа через низ уплотнения лопасти.
Динамические Осевые Уплотнения Раздвоенной Лопасти
Другой динамический аспект уплотнения лопасти - то, что она разделена на верхнюю полукруглую центральную секцию и два нижних прямых боковых сегмента, причем каждый боковой сегмент имеет свободу перемещения в определенных направлениях так, что камеры сгорания остаются герметичными. Оба сегмента могут свободно перемещаться внутрь и наружу радиально вдоль плоскости вращения ротора. Сегменты нижней стороны могут также свободно перемещаться внутрь и наружу в осевом направлении, в направлении, почти параллельном оси ротора. Маленький канал для газа проходит внутри каждого сегмента нижней стороны. Каналы для газа соединяются с проходами для газа в верхней полукруглой центральной секции. Газ из камеры сгорания проходит через проход для газа уплотнения лопасти, чтобы помочь сравнять давление, оказываемое на уплотнение радиально вдоль внутренней поверхности кожуха. После чего газ проходит вдоль каналов для газа нижней стороны, чтобы помочь сравнять давление, оказываемое на уплотнение в осевом направлении вдоль боковых внутренних поверхностей статора кожуха. Пружинное уплотнение канала для газа помогает поддерживать надлежащие давления в канале для газа и предотвращать просачивание газов через низ уплотнения лопасти. Динамическое движение центрального и боковых сегментов уплотнения лопасти обеспечивает дополнительный диапазон уплотнения движения и способность реагировать на изменения теплового расширения температурно несимметричного профиля кожуха. Эти новые конструкции обеспечивают средства эффективного уплотнения каждой камеры сгорания.
Динамические Осевые Уплотнения Ротора
Динамические осевые уплотнения ротора герметизируют вдоль стороны ротора и внутренней поверхности статора кожуха. Каждое динамическое осевое уплотнение ротора содержит главное осевое уплотнение и дополнительную полоску уплотнения, которая находится в маленькой канавке в главном осевом уплотнении вдоль контактной поверхности уплотнения с внутренним статором кожуха. Главное осевое уплотнение разделено на центральную секцию и две концевые секции. Они соединены вместе вдоль наклонной поверхности, где центральная секция осевого уплотнения использует расширение, а концевые осевые секции используют выемку. На центральную секцию осевого уплотнения оказывают влияние направленное наружу от ротора давление газа камеры сгорания и рифленая пружина, чтобы создать уплотняющий контакт с внутренней поверхностью статора кожуха. Поскольку давление газа и рифленая пружина оказывают влияние на главное уплотнение в наружном направлении, они также оказывают влияние на осевые концевые сегменты в наружном направлении, или со-радиально для приложения давления уплотнения на внутреннюю поверхность статора кожуха и на нижнюю секцию уплотнения скользящей лопасти. Маленькая дополнительная полоска уплотнения входит в маленькую канавку, проходящую по поверхности главных осевых центрального и концевых сегментов. Дополнительная полоска уплотнения обеспечивает непрерывную поверхность уплотнения на главных сегментах осевого уплотнения и помогает предотвратить любой прорыв газа вогруг главного осевого уплотнения. Поверхности уплотнения главных осевых уплотнений покрыты твердой смазкой, чтобы уменьшить трение и износ уплотнения.
Уплотнения Лицевой Поверхности Лопасти
В дальнейшем, в соответствии с вышеупомянутыми целями, настоящее изобретение обеспечивает уплотнения лицевой поверхности лопасти, которые создают герметичное уплотнение между ротором и лицевой поверхностью каждой скользящей лопасти, а также поддерживают основные осевые торцевые уплотнения. Уплотнения лицевой поверхности лопасти выполнены в виде двухступенчатого объединенного главного уплотнения и дополнительной полоски уплотнения. На главные уплотнения лицевой поверхности лопасти оказывают влияние направленные наружу в сторону лицевой поверхности лопасти давление газа камеры сгорания и рифленой пружины, расположенной позади них для прижимания главного уплотнения. Дополнительная полоска уплотнения обеспечивает непрерывную поверхность уплотнения на сегментах главного уплотнения лицевой поверхности лопасти и помогает предотвратить любой прорыв газов за главное уплотнение лицевой поверхности лопасти. Лицевая поверхность уплотнения главного уплотнения лицевой поверхности лопасти покрыта твердой смазкой для уменьшения трения и износа уплотнения.
Конструкция Лопасти
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение более легкой и более прочной структуры лопасти, которая менее восприимчива к тепловым напряжениям и механическим деформациям.
Радиальный внутренний кожух статора, ротора и лопасти используют полукруглый геометрический профиль вместо типичного квадратного геометрического профиля. Это позволяет лопасти выступать из ротора, а ротору обеспечивать прочную поддержку центра лопасти, которая соответствует профилю лопасти полукруглой кривизны. Это обеспечивает превосходную поддержку периметра лопасти, вдоль которого уплотнения прижимаются к внутренней поверхности статора кожуха. Эта поддержка ротора на лопасти помогает минимизировать деформации лопасти и уплотнения от сгорания и уплотняющих сил.
Сокращение массы лопасти очень сильно уменьшает центробежные силы скольжения вдоль внутреннего статора кожуха, что может привести к деформациям. Форма лопасти является перевернутой U-образной конструкцией с полукруглым верхним краем, где расположены уплотнения лопасти для герметизации вдоль внутренней поверхности статора кожуха. Центр лопасти выполнен только с вертикальным и горизонтальным соединяющим опорным стержнем. В горизонтальной секции опорного стержня выполнены большие отверстия, чтобы еще больше уменьшить материальную массу лопасти.
Лопасть предпочтительно изготовлена из легкого материала высокой прочности, который также является стойким к высокой температуре, как, например, Haynes 230. Передняя и задняя поверхности лопасти предпочтительно покрыты покрытием, создающим тепловой барьер, чтобы предотвратить тепловое повреждение конструкции лопасти, которая может привести к чрезмерному тепловому расширению или деформации.
Охлаждение/Теплопередача Тепловой Трубы Лопасти
Лопасти также содержат систему канала тепловой трубы под периметрической поверхностью уплотнения. Канал тепловой трубы предпочтительно имеет U-образную перевернутую форму, как и профиль лопасти, и предпочтительно использует воду в качестве рабочей текучей среды. Тепловая труба работает прежде всего с помощью центробежных сил с большим G. Центробежные силы заставляют воду перемещаться к кончику лопасти под уплотнениями в зоне испарителя. Тепло от уплотнений передается в канал тепловой трубы, при этом вода нагревается и изменяет фазовое состояние из жидкости в газ. Затем газ проходит через канал тепловой трубы к одному из двух боковых торцов, где он передает тепло конденсаторам и снова изменяет фазовое состояние из газа в жидкость. Затем жидкость рециркулирует назад к кончику лопасти или в зону испарителя, чтобы начать цикл опять. Активная система охлаждения инжектирует воду в ротор и в наружные конденсаторы лопасти, чтобы передать тепло лопасти воде активной системы охлаждения. Нагретая вода затем вводится и рециркулируется назад в цикл двигателя. Пористая перевернутая U-образная структура капилляра находится предпочтительно в канале тепловой трубы, чтобы помочь капилляру или передать воду и газ внутрь тепловой трубы, а также обеспечить низкотемпературную защиту расширения воды от замерзания. Канал тепловой трубы лопасти значительно уменьшает температуру лопасти и конструкций уплотнения, позволяя им поддержать их структурную целостность и оптимальные рабочие характеристики.
Анти-Центробежная Система Ремня Лопасти
В соответствии с вышеупомянутыми целями, настоящее изобретение обеспечивает антицентробежные системы лопасти для уменьшения трения, создаваемого между уплотнениями раздвоенной лопасти на скользящих лопастях и внутренней поверхности статора. Системы центростремительных сил лопасти включают систему ремня лопасти, которая прикладывает центростремительную силу, чтобы противодействовать центробежной силе, созданную быстро вращающимися скользящими лопастями. Арочные пластины ремня лопасти могут использоваться, чтобы снизить напряжения на ремнях лопасти.
Еще одной целью настоящего изобретения является выполнение улучшенной ременной системы антицентробежной силы скользящей лопасти, имеющей увеличенный рабочий диапазон движения и увеличенный диапазон рабочей скорости вращения по сравнению с существующими центростремительными системами лопасти.
Еще одной целью настоящего изобретения является выполнение улучшенной ременной системы антицентробежной силы скользящей лопасти, имеющей уменьшенный износ при трении, уменьшенное теплообразование из-за трения и уменьшенные рабочие вибрации, а также улучшенную прочность и надежность по сравнению с существующими центростремительными системами лопасти.
По мере того как лопасти вращаются вокруг внутреннего статора кожуха, центробежные силы прижимают лопасти и уплотнения к внутренней поверхности статора кожуха. Поскольку увеличение скорости вращения значительно увеличивает центробежные силы и приводит к большим силам трения, которые настолько большие, что могут быть равны или даже стать больше, чем силы давления в камере сгорания, которые приводят в движение двигатель. Это условие сильно ограничивает плотность мощности двигателя и термический эффективный КПД. Есть много способов противостоять центробежному трению лопасти. Один способ состоит в том, чтобы уменьшить массу лопасти и уплотнений. Это уменьшает полную силу нагрузки центробежных сил. Другой способ состоит в использовании колец и соединительных тяг, которые соединяют лопасти с главным приводным валом. Это обеспечивает вращение лопастей на заданном или постоянном расстоянии от внутренней поверхности статора кожуха. Этот способ помогает решить проблему центробежного трения лопасти и уплотнения, но работает только, если геометрический профиль внутреннего статора кожуха овальный. Это ограничивает продолжительность сгорания/расширения только до 90°С вращения от зажигания ВМТ. Другой способ использует ромбическую связку, которая соединена с низом лопастей. Преимущество ромбической системы связки состоит в том, что центробежные силы лопасти и уплотнения преобразуются в центростремительные силы через связку, чтобы сбалансировать или сместить центробежные силы. Ромбическая связка работает как перекрестная система, которая автоматически регулируется, поскольку лопасти вращаются вокруг внутреннего профиля статора кожуха. По мере того как две противоположные лопасти следуют за профилем и выдвигаются наружу, они вынуждают другие две лопасти втягиваться внутрь. Проблема с ромбической связкой заключается в том, что внутренний статор кожуха опять должен иметь овальный профиль, что приводит только к 90 градусам продолжительности сгорания/расширения. Ромбическая связка также использует большое количество штырей и связок, которые подвержены трению и износу. Они также не могут быть отрегулированы или перетянуты, когда случился износ, приводя к неисправности системы. Другой способ заключается в добавлении больших кулачков к основаниям лопастей и вырезании канавки для кулачка во внутреннем кожухе, который следует за профилем вращения. Центробежное трение передается от кончиков лопастей и уплотнений к кулачкам в канале кулачка. Кулачки лопасти и канал кулачка хорошо смазаны маслом и могут даже использовать сложные системы подшипника качения. Это позволяет лопастям использовать расширенный геометрический профиль с продолжительностью сгорания/расширения, большим, чем 90 градусов СА от ВМТ. Недостатки этой системы состоят в том, что трудно герметизировать и смазать канал кулачка. Эта система канала кулачка из-за износа системы также не позволяет осуществлять какую-либо регулировку. Она только немного улучшает проблему с центробежным трением, передавая силы нагрузки кулачку и каналу кулачка, которые выполнены для снижения высоких нагрузок трения. Кулачок лопасти добавляет массу лопасти и дополнительное трение в канале кулачка, который смещает величину трения, которую они пытаются снизить.
Антицентробежная система лопасти и уплотнения настоящего изобретения использует ряд ремней, которые связаны с системой переключения, прикрепленной к основанию каждой из лопастей. Два ряда ремней выполнены там, где эти два ремня разделены между чередующимися лопастями. Один ремень проходит вдоль радиального центра двигателя и вокруг приводного вала, а другой ремень разделен пополам и проходит снаружи центрального ремня. Каждый из наружных ремней имеет ширину, равную половине ширины центрального ремня. Система ремня функционирует аналогично игре «веревочкой» с помощью нити/пальца, в которой игроки используют петлю нити, чтобы создать творческие формы нити, искажая петлю своими пальцами. Чтобы поддерживать творческую форму нити, игроки должны использовать обе руки и разводить их в стороны, чтобы создать натяжение в нити. Игроки могут изменять форму нити или ее положение, регулируя нить своими пальцами, но должны при этом поддержать постоянное натяжение нити всеми пальцами. Настоящее изобретение работает подобным образом. В системе двигателя с восемью лопастями четыре чередующиеся лопасти связаны с системой центрального ремня, а четыре лопасти связаны с системой наружного ремня. В каждой системе ремня, когда две лопасти следуют за внутренним профилем статора кожуха и начинают выступать из центра ротора, они втягивают другие две лопасти внутрь ротора. Эта система также работает аналогично системе ромбической связки, уравновешивая центробежные силы лопасти и уплотнения центростремительными силами других лопастей и уплотнений. Преимущество настоящего изобретения состоит в том, что оно также использует систему коромысла ремня лопасти и фасонный ремень, которые позволяют лопастям и уплотнениям следовать за асимметричными внутренними профилями кожуха, где сгорание/расширение больше чем 90 градусов СА от ВМТ. Коромысла позволяют сегментам лопасти выдвигаться или втягиваться, чтобы приспособиться к искажениям профиля внутреннего кожуха. Система ремня профиля - третья система ремня, состоящая из двух меньших ремней, которые проходят по наружному периметру двух внутренних систем ремня. Система ремня профиля соединяет вместе систему центрального ремня и систему наружного ремня в объединенную систему и действует как динамический канал кулачка, чтобы способствовать удержанию лопастей и уплотнений в надлежащем положении относительно внутренней поверхности статора кожуха, когда они вращаются вокруг асимметричного или искаженного овального профиля внутреннего статора кожуха. Другое преимущество предложенного изобретения состоит в том, что каждая из систем переключения лопасти связана с регулируемой тягой, которая может отрегулировать натяжение ремня при любом износе системы или растяжении ремня.
При использовании активной системы охлаждения для распыления воды в центр ротора, температура вокруг системы ремня может поддерживаться около 100°С (или 212° F). При этой температуре в качестве материала для ремня может быть использовано большое разнообразие различных материалов. Эти материалы включают тканый Nextel 610 и AGY's 933-S2 из стекла, стекловолокно, углеродистое волокно или проволоку из нержавеющей стали. Предпочтительным материалом для ремня являются волокна с высокой прочностью на растяжение, которые сотканы в плоские сегменты ремня и соединены с коромыслами лопасти. Ремни лопасти проходят по аркам ремня, расположенных между двух соединенных лопастей. Арки ремня содержат подшипники качения, чтобы способствовать перемещению ремней через арки лопасти. Подшипники качения также соединены с системой пружины, которая сжимается при больших скоростях вращения, больших, чем 1000 оборотов в минуту. На этих скоростях подшипники качения прерывают контакт с ремнями лопасти, и ремни скользят по маленьким закругленным поверхностям арки ремня, которые покрыты твердой смазкой. Твердая смазка обеспечивает очень высокое движение ремня лопасти по арке ремня с очень низким трением и износом. Сами ремни также могут быть покрыты твердой смазкой, чтобы еще больше уменьшить трение и износ.
Конструкция Ротора
Еще одной целью настоящего изобретения является выполнение ротора улучшенной конструкции, которая легче и прочнее других систем ротора.
Ротор двигателя выполнен из восьми или шести сегментов, в зависимости от размера и конструкции двигателя. Приводной вал предпочтительно имеет форму восьмиугольника или шестиугольника, чтобы соответствовать восьми или шести сегментам ротора. Основание каждого из сегментов ротора предпочтительно опирается на одну из плоских поверхностей приводного вала. Круглые запорные пластины скользят по каждому из концов приводного вала и запирают все различные сегменты ротора вместе, чтобы образовать единый ротор. Сверху ротора предпочтительно выполнен полукруглой формы, которая соответствует профилю внутреннего кожуха. Верх ротора соединен с двумя боковыми пластинами, которые формируют ротор перевернутой U-образной формы, как и лопасть, и создают большое открытое пространство под поверхностью ротора. Верхняя полукруглая форма действует как прочная арка и придает ротору большую прочность и обеспечивает большое открытое пространство под ним. Она уменьшает вес двигателя и стоимость материалов для производства ротора. Она также обеспечивает пространство для работы антицентробежной система ремня лопасти.
Вихревая Турбулентность Полости Сгорания
Полость сгорания образует серповидную форму и является более узкой, чем обычные камеры сгорания. Водород обладает намного более высокой скоростью распространения пламени, чем бензин и дизельные топлива. Это создает поверхностный сдвиг газов и воды в камере относительно наружной поверхности кожуха и приводит к турбулентности смешивания, чтобы улучшить распространение фронта пламени во всей камере. При высокой температуре поверхности внутреннего кожуха турбулентность сдвига по этой нагретой поверхности еще более ускорит сгорание и распространение фронта пламени.
Углубление сгорания выполнено прежде всего для небольшой стратификации водорода и воды. Это помогает обеспечить немного однородный по водороду секцию сгорания, отдельную от воды, которая будет находиться сбоку и сзади. Кривизна углубления сгорания также помогает создать турбулентность в камере, чтобы улучшить сгорание водорода, а затем и смешивание с водой.
Как только водород воспламенился в передней части камеры, вода стратифицируется к задней секции камеры. Во время вращения ротора на 90СА градусов ВМТ кривизна углубления сгорания позволяет воде завихряться и распыляться через эту точку сжатия более легко и ровно, не находясь в запертом состоянии сжатия в задней части камеры. Вода также перемещается вперед с высокой скоростью, чтобы улучшить турбулентность газа и смешаться с горящим водородом.
Тепловой Управление Ротором и Охлаждение/Теплопередача Камеры Водяного Пара
Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы минимизировать проникновение тепла в ротор и обеспечить улучшенную систему охлаждения ротора для устранения любого такого проникновения тепла.
Верхняя поверхность ротора и поверхность трех углублений полости сгорания предпочтительно покрыты покрытием, создающим тепловой барьер (ПТБ), таким как цирконий, стабилизированный иттрием (ЦСИ). ПТБ предотвращает проникновение теплоты сгорания через поверхность ротора и во внутренние элементы ротора. Камера водяного пара, расположенная под поверхностью ротора, захватывает любое тепло, которое проходит через поверхность ПТБ и проникает в ротор. Камера водяного пара ротора помогает обеспечить изотермичность поверхности ротора и обеспечить более однородное распределение тепла по поверхности, чтобы помочь стабилизировать реакцию сгорания. Камера пара ротора работает аналогично системе тепловой трубы лопасти. Камера пара ротора использует воду в качестве рабочей среды до температуры 202°С. Камера пара - система циркуляции силы тяжести, которая использует большие силы вращения для циркуляции воды между частью испарителя, которая расположена под наружной поврехностью полости сгорания ротора и двумя боковыми конденсаторами. Камера пара ротора также использует предпочтительно мелкоячеистый и крупноячеистый слой капиллярной сетки, чтобы улучшить распределение воды по всей площади поверхности ротора и улучшить циркуляцию воды между испарителем и конденсатором. Две пористые капиллярные трубки также помещены в камеру пара ротора, чтобы улучшить циркуляцию рабочей текучей среды и помощь предотвратить повреждение ротора и/или камеры водяного пара из-за расширения воды при замерзании. Один пористый капилляр в осевом направлении обернут вокруг полукруглой секции ротора от конденсатора одной стороны до конденсатора другой стороны. Другой пористый капилляр проходит радиально по центру камеры водяного пара. Вода из активной системы охлаждения распыляется в кожух двигателя с обеих сторон и через боковые конденсаторы ротора. Тепло от камеры водяного пара ротора передается через конденсатор в воду активной системы охлаждения. После чего нагретая вода выходит из кожуха двигателя и вводится назад в полость сгорания или смешивается с водородом, образуя предварительную смесь.
Система Тангенциального Подшипника Лопасти
Еще одной целью настоящего изобретения является выполнение улучшенной системы тангенциального подшипника скользящей лопасти, обладающей большей рабочей скоростью, пониженным износом из-за трения, уменьшенным теплообразованием из-за трения, и лучшей прочностью и надежностью по сравнению с существующими системами тангенциального подшипника скользящей лопасти.
В проходе лопасти ротора вдоль лицевой поверхности ротора используются маленькие приподнятые зигзагообразные поверхности, предпочтительно покрытые оксидной смазкой, чтобы помочь скольжению лопастей относительно ротора и передачи захваченной ими силы сгорания в ротор. Приподнятые зигзагообразные поверхности минимизируют контактную площадь поверхности, а оксидная смазка минимизирует трение скольжения. Приподнятые зигзагообразные поверхности также действуют как маленькие каналы для пара. Вода от внутренней системы охлаждения ротора поступает в зигзагообразные каналы и преобразуется в пар высокого давления из лопастей, когда они входят обратно в ротор через проход лопасти. Пар создает давление, которое приводит к снятии части нагрузки лопасти с приподнятой поверхности, чтобы минимизировать трение скольжения лопасти. Поскольку пар прикладывает давление одинаково во всех направлениях, он также передает некоторые из сил сгорания лопасти в ротор, чтобы приводить в движение двигатель. Маленькие подшипники качения, расположенные в углублениях в проходах лопасти ротора, передают силы сгорания лопасти ротору и минимизируют трение скольжения лопасти. Подшипники качения прежде всего используются при низких оборотах, или меньше чем 1000 оборотов в минуту. На более высоких оборотах подшипники качения соединены с маленькими пружинами подшипника, которые сжимаются из-за центробежных сил вращения, убирая подшипник качения обратно в проход подшипника ротора. В это время лопасть выходит и убирается обратно в ротор настолько быстро, что подшипники качения только добавляли бы инерционное трение и снижали бы КПД двигателя. Когда же скорости оборота двигателя ниже, чем 1000 оборотов в минуту, пружины подшипника качения разжимаются и надавливают на подшипник качения для осуществления прямого контакта с поверхностью скользящей лопасти и получения положительного выигрыша в КПД, чтобы уменьшить трение скользящей лопасти и передать силы сгорания лопасти ротору.
Еще одной целью настоящего изобретения является выполнение улучшенной системы демпфирования тангенциального подшипника скользящей лопасти, обладающей улучшенной способностью поглощать вибрации по сравнению с существующими системами демпфирования тангенциального подшипника скользящей лопасти.
Комбинация приподнятых зигзагообразных каналов воды/пара и подшипников качения не только уменьшает трение скольжения лопасти и передает силы сгорания лопасти ротору, она также значительно уменьшает резкие вибрации от импульсов сгорания, а также от движений выдвижения и втягивания лопастей. Это минимизирует напряжения NVH во всех других элементах двигателя и улучшает работу двигателя и его надежность.
Кожух Двигателя
Поскольку двигатель настоящего изобретения работает при значительно более высоких температурах, чем обыкновенные двигатели, он включает следующую уникальную комбинацию элементов для минимизации теплообразования в критических местах: оксидные смазки, покрытия, создающее тепловой барьер, системы паровых камер, и активная водная система охлаждения для эффективной передачи избыточного тепла для обеспечения изотермичности наружного кожуха двигателя. Кожух двигателя и элементы изготовлены с использованием высокотемпературных сплавов и покрытий, создающих тепловой барьер, которые являются стойкими к тепловым напряжениям и деформациям. Наружный кожух двигателя предпочтительно покрыт толстым тепловым защитным слоем, чтобы минимизировать потерю тепла и уменьшить шум двигателя.
Искаженная Овальная Геометрия Внутреннего Статора Кожуха
Еще одной целью настоящего изобретения является создание геометрического профиля, который максимизирует или сверхрасширяет зону сгорания/расширения и минимизирует зону впуска/сжатия, обеспечивая оптимальные рабочие характеристики термодинамического цикла по сравнению с существующими системами двигателя.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание улучшенной геометрии внутреннего статора кожуха, которая минимизирует деформации лопасти и уплотнения по сравнению с существующими системами двигателя.
Настоящее изобретение использует геометрический профиль внутреннего статора кожуха, в котором зона сгорания/расширения постепенно расширяется от ВМТ до максимального размера приблизительно в 145 градусов угла поворота вала от ВМТ, который также является концом точки расширения. Это обеспечивает на 61% больше продолжительности сгорания/расширения по сравнению с существующими ротационными двигателями с лопастями и позволяет большему количеству кинетического термодинамического тепла быть преобразованным в механическую работу. Выхлопное отверстие будет расположено у передней скользящей лопасти камеры, когда задняя лопасть этой же самой камеры достигает конца точки расширения. Благодаря постепенно расширяющейся зоне сгорания/расширения, напряжения сгорания на элементах уплотнения и лопасти сильно уменьшаются. Сразу после положения ВМТ, силы сгорания и давления достигают максимума. В этом положении лопасти и уплотнения углублены в ротор, чтобы не быть сильно подверженными мощным силам, которые могут привести к деформации и повреждению лопасти и уплотнения. Когда лопасти вращаются вокруг зоны сгорания/расширения, они постепенно выступают из ротора для обеспечения герметизации вдоль внутренней поверхности статора кожуха. Лопасти достигают своего максимального вытакта из ротора, когда они достигают конца точки расширения. В этой точке давления в камере сгорания намного меньше и риск деформации лопасти и уплотнения намного ниже. После конца точки расширения геометрия внутреннего кожуха быстро сжимается для улучшения продувки выхлопа. Выхлопные каналы расположены радиально вдоль оси двигателя, чтобы можно было использовать центробежные силы вращения для более легкого и полного выпуска более тяжелых газов водяного пара через выхлопной канал. Имеется единственный длинный промежуток камеры сгорания между задней лопастью камеры рядом с выхлопным каналом и передней лопастью рядом с впускным каналом. Впускной канал также расположен радиально вдоль оси двигателя, чтобы свежий воздух впуска мог непосредственно поступать во вращающиеся камеры сгорания. Во время такта впуска передняя лопасть камеры достигает свою максимальную точку расширения впуска, когда задняя лопасть той же самой камеры закончит проходить через впускной канал. Как только эта точка достигнута, профиль внутреннего статора кожуха быстро уменьшается вдоль зоны сжатия. Как только начинается такт сжатия и давления в камере сгорания начинают повышаться, лопасти начинают убираться назад в ротор. Это помогает минимизировать деформации лопасти и уплотнения от сил сжатия.
Более Высокие Рабочие Температуры Кожуха
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение реакции сгорания, которая работает при более высоких рабочих температурах сгорания по сравнению с существующими двигателями внутреннего сгорания. Хотя температура газа сгорания различных двигателей может быть близка к температуре газов в двигателе настоящего изобретения, используемые в двигателе материалы должны быть охлаждены до температуры от 177 до 232°С (от 350 до 450° F). Это охлаждение приводит к потере приблизительно 27% термодинамического тепла от сгорания на систему охлаждения. Дизельные двигатели теряют только приблизительно 20% своего тепла сгорания на систему охлаждения из-за намного большего отношения объема цилиндра к его площади поверхности, и больше тепловое энергии сгорания преобразуется в работу. Двигатель в соответствии с настоящим изобретением использует высокотемпературные сплавы, такие как Haynes 230, которые позволяют иметь максимальную температуру кожуха до 900°С. Однако рабочие температуры расширения кожуха около 600°С используются для оптимизации рабочих характеристик термодинамического цикла в камере паров натрия. При температурах, больших чем 600°С наблюдается передача большего количества тепла через наружный кожух и камеру паров натрия, которое с большой вероятностью теряется на окружающую среду. Также наблюдается большее количество теплового напряжения в кожухе двигателя и в механических элементах, которые могут привести к тепловым деформациям, износу, и повреждению.
Твердооксидные Смазки и Смазки из Супертвердого Нанокомпозита
Еще одной целью настоящего изобретения является исключение использование масляной смазки и полное использование твердых смазок. Бинарные оксидные смазки, самосмазывающиеся твердые смазки, алмазоподобные покрытия и почти безфрикционные углеродные покрытия используются на различных элементах двигателя, чтобы уменьшить трение, улучшить надежность элемента и уменьшить НС выхлоп по сравнению с двигателями, использующими масло.
Заявляемый двигатель не использует масляные смазки. Все контактные поверхности уплотнения предпочтительно покрыты оксидной смазкой, такой как Р1аСЭЗФ Spray PS304, разработанной в НАСА в Гленне. Оксидная смазка PS304 обеспечивает тот же порядок коэффициента трения, что и смазанная маслом поверхность для всех температур, не превышающих 900° Цельсия. В альтернативном варианте может быть использовано смазочное покрытие из Супертвердого Нанокомпозита (СТНК), разработанное в Национальной лаборатории в Аргонне. И PS304, и СТНК обеспечивают низкий коэффициент трения и исключительную надежность на миллионы циклов скольжения.
Слои либо PS304, либо СТНК предпочтительно распыляют плазменным методом на все контактные поверхности уплотнения. Для уплотнения раздвоенной лопасти предпочтительно наносится специальный толстый слой PS304 или СТНК для создания округленной поверхности тупого кончика уплотнения. Наружная поверхность уплотнений раздвоенной лопасти испытывает самые большие силы уплотнения и трения. Эта более толстое округленное уплотнение с тупым кончиком обеспечивает сконцентрированную поверхность уплотнения, чтобы минимизировать трение и обеспечить более длительные рабочие характеристики уплотнения в отношении износа уплотнения.
Активное Водное Охлаждение/Теплопередача
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенной потери тепла нижним наружным кожухом по сравнению с существующими двигателями внутреннего сгорания.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание улучшенного охлаждения/теплопередачи ротора и лопасти по сравнению с существующими системами охлаждения/теплопередачи ротора двигателя внутреннего сгорания.
Активная водная система охлаждения/теплопередачи используется для охлаждения наружного кожуха от такта сжатия, зоны подшипника основного приводного вала, и внутренней части кожуха двигателя для ротора и лопастей. Тепло от сжатия и трения передается от этих систем в циркулирующую воду. Нагретая вода вводит тепло обратно в цикл реакции для предварительного смешивания с водородом, а также в зоны инжекции на ранней и поздней стадии сгорания/расширения. Тепло, которое иначе было бы потеряно на систему охлаждения и трение, что приблизительно составляет соответственно 20% и 10%, захватывается водой и повторно используется в цикле двигателя. Это не только значительно улучшает термический эффективный КПД примерно на 30%, но также вода добавляет большое количество давления в камере сгорания, преобразовывая тепло в энергетический водяной пар для улучшения работы СЭД. Введенная вода также помогает уменьшить тепловые потери выхлопа, которые составляют приблизительно 30%, охлаждая реакцию сгорания изнутри полости сгорания, что дает выхлоп низкой температуры, но с очень высокой скоростью и высоким давлением. Вода в выхлопе может быть сконденсирована и рециркулирована обратно в активную систему охлаждения двигателя.
Просачивание Водорода
Еще одной целью настоящего изобретения является уменьшение воспламенения водородного газа позади уплотнений камеры в местах расположения внутренних компонентов ротора или вывод его через двигатель. Вода от активной системы охлаждения распыляется в центр двигателя для охлаждения ротора и лопастей. Большая часть этой воды направляется через зигзагообразные охлаждающие каналы и под уплотнениями ротора. Вода помогает улучшить рабочие характеристики уплотнения и предотвратить проход любого количества водорода за уплотнения. Любое количество водорода, которое действительно прошло за уплотнения, растворяется в воде, собирается активной системой охлаждения и удаляется из двигателя в системе замкнутого контура. Любой собранный водородный газ используется снова путем ввода его обратно в камеры с инжекцией воды.
Сниженный NVH
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение реакции горения, которая уменьшает колебания импульса мощности сгорания по сравнению с существующими двигателями внутреннего сгорания.
Путем предварительного смешивания водорода с водой и инжекции воды в полость сгорания максимальная температура горения уменьшается. Это преобразует профиль максимального давления так, что уровень максимального давления находится ниже и равномерно распределен по большему углу поворота приводного вала, увеличивая, тем самым, среднее эффективное давление для выполнения работы (СЭД). Это уменьшает выбросы импульса большой мощности, которые приводят к резким вибрациям и напряжениям на элементах двигателя, и обеспечивает более ровную работу двигателя.
Камера паров натрия обеспечивает изотермичность зоны сгорания/расширения, поглощая максимальные температуры сгорания в зоне сгорания и передавая тепло обратно в камеры сгорания вдоль зоны расширения. Это также стабилизирует температуру кожуха, минимизируя, тем самым, деформации кожуха.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенной систему уменьшения шума наружного кожуха по сравнению с существующими двигателями внутреннего сгорания.
Наружный кожух двигателя вдоль зоны сгорания/расширения над камерой паров натрия покрыт толстым теплоизолирующим слоем или металлической пеной, чтобы минимизировать потерю тепла и способствовать уменьшению шума двигателя.
Каналы Впуска/Выхлопа с Опорными Ребрами Уплотнения Лопасти
Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы минимизировать деформацию лопасти и уплотнения, когда они проходят мимо каналов впуска и выхлопа.
Каналы впуска и выхлопа расположены радиально при вращении ротора и лопасти и уплотнений. Отверстия каналов в осевом направлении обходят вокруг полукруглого кожуха. Это обеспечивает лучшую ориентацию для газового обмена и позволяет использовать отверстия каналов большого размера. Ниже центра каналы разделены радиально с привинченными частями двух половин двигателя. Дополнительное ребро поддержки проходит через середину каждой половины канала и слегка повернуто в отверстии канала. Чтобы предотвратить деформацию, центральная привинченная часть и два опорных ребра оказывают поддержку лопасти и уплотнению, когда те проходят над отверстиями канала. Наклон опорных ребер в канале распределяет точку контакта с лопастью и уплотнениями по большей площади, так что это не всегда происходит в одном и том же месте. Отверстия каналов слегка наклонены так, что лопасти и уплотнения перекрещиваются по краям канала. Это предотвращает любое повреждение, когда лопасти и уплотнения были согласованы с отверстиями канала и произошла любая деформация, при этом и лопасти и уплотнения сталкиваются с краями отверстия канала. Скорость вращения создает центробежные силы газа, что еще больше улучшает выхлоп газа. Геометрический профиль внутреннего статора кожуха сужается так, что промежуток отсутствует, когда он проходит мимо канала выхлопа. Это помогает улучшить полную продувку и гарантировать, что все газы камеры сгорания выпущены через канал выхлопа. Геометрический профиль внутреннего статора кожуха сильно открывается после канала впуска. Это обеспечивает эффект всасывания Вентури, который очень помогает втягивать свежий воздух в камеру сгорания через впускной канал.
Кожух Камер Водяного Пара
Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы минимизировать тепловые деформации кожуха по сравнению с существующими системами двигателя.
Камера паров натрия стабилизирует температуру кожуха вокруг зоны сгорания/расширения, а активная водная система охлаждения помогает стабилизировать температуру других основных секций кожуха. Между этими двумя системами сществует большой температурный промежуток. Камера паров натрия работает при температуре 600°С, а активная система охлаждения работает при температуре между 25 и 98°С. Эта разница в температуре может привести к тепловым деформациям кожуха, которые могут повредить внутренние элементы ротора, уплотнения и лопасти. Для секции камеры паров натрия предпочтительно используются высокотемпературные сплавы, такие как Haynes 230, с низким коэффициентом теплового расширения. Для других секций кожуха двигателя предпочтительно используются не столь высокотемпературные сплавы для воды и водорода, такие как Нержавеющая сталь 316L или 330. Покрытие, создающее тепловой барьер, также выполняют методом плазменного напыления между двумя привинченными частями, чтобы минимизировать теплопередачу от секции камеры паров натрия в другие секции кожуха двигателя. Камеры водяного пара также используются в основной секции кожуха для соединения промежутка между двумя температурными зонами. Камеры водяного пара работают при 202°С и помогают обеспечивать изотермичность или стабилизировать температуру кожуха, чтобы минимизировать тепловые деформации кожуха между камерой паров натрия и основной зоной кожуха, и активной системой охлаждения. Устойчивая изотермичность камеры паров натрия и основных секций кожуха позволяет с помощью точных моделей теплового расширения вычислить поправки геометрий камеры паров натрия и основного кожуха, которые могут принять во внимание эти тепловые расширения, чтобы свести к минимуму деформации кожуха во время работы двигателя.
Материалы Низкой Плотности, Надежность и Стоимость
Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать мощные, легкие, износостойкие и надежные водородные двигатели внутреннего сгорания с ротационными лопастями, которые могут быть изготовлены экономно.
Благодаря значительному сокращению объема двигателя и его массы заявляемый двигатель может использовать более совершенные и более дорогие сплавы. Заявляемый двигатель предпочтительно использует сплавы на основе кобальта/никеля, такие как Haynes 230 для элементов высокотемпературных зон. Сплавы из нержавеющей стали, такие как 316L, 330, и алюминий предпочтительно используются для более низкотемпературных элементов. Использование этих совершенных сплавов еще больше уменьшает массу двигателя и значительно улучшает прочность и надежность двигателя и сводит к минимуму тепловые деформации. Эти сплавы являются также стойкими к водородному прониканию и водородной хрупкости. Если грамотно и стратегически применить преимущества сплавов к определенным ключевым конструктивным областям и элементам заявляемого двигателя, то количество этих сплавов может быть еще больше уменьшено, сводя к минимуму затраты и максимизируя их преимущества использования этих материалов для двигателя.
Повышение срока службы двигателя требует использования совершенных материалов и конструкции элементов. Суперсплавы, такие как Haynes 230, могут выдерживать высокие температуры и давления с приблизительно 30000-часовой срок службы. Кроме того, в критических областях они защищены покрытием, создающим тепловой барьер. Оксидные смазки могут выдержать миллионы скольжений с практически нулевым износом. Уплотнения выполнены так, что они учитывают износ смазки и динамически приспосабливаются поддерживать рабочие характеристики уплотнения. Тепловой механический анализ и анализ отказов представляют собой важный аспект исследования. Дополнительные исследования с применением наноматериалов в этих сплавах и оксидах еще больше улучшит их рабочие характеристики и срок службы.
Термоэлектрический Преобразователь на Щелочных Металлах
Еще одной целью настоящего изобретения является получение прямого источника электричества. Настоящее изобретение обеспечивает системы камеры паров натрия для удаления избыточного тепла из области вдоль зоны сгорания и передали его в область вдоль зоны расширения. Профиль циркуляции теплопередачи натриевой рабочей текучей среды идентичен для использования термоэлектрического преобразователя на щелочных металлах (ТЭПЩМ) для генерации электричества. ТЭПЩМ использует натрий в качестве рабочей текучей среды, которая нагрета и находится под давлением у твердого электрода из бета-оксида алюминия (ТЭБА), на котором натрий преобразуется из жидкости в газ, а ионы натрия проходят через ТЭБА, генерируя электричество.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Из следующего подробного описания, прилагаемой формулы изобретения и чертежей, все из которых являются частью этой заявки, будут оценены характерные особенности и преимущества вариантов выполнения, так же, как и способы работы, и функция связанных частей.
На чертежах:
Фиг.1 - вид сбоку водородного двигателя.
Фиг.2 - аксонометрический вид сверху водородного двигателя.
Фиг.3 - частично вырезанный аксонометрический вид водородного двигателя.
Фиг.4 - вид сбоку разреза кожуха водородного двигателя, изображающий ротор и камеры двигателя по углу поворота вала.
Фиг.5 иллюстрирует обратный проход воды во внутреннем кожухе двигателя с элементами возврата воды, показанными в увеличенном виде.
Фиг.6 изображает вырезанный вид сверху водородного двигателя.
Фиг.7 изображает вид в аксонометрии уплотнений камеры сгорания.
Фиг.8-10 изображают подробный аксонометрический вид сбоку, сверху и снизу уплотнений камеры сгорания.
Фиг.11-13 изображают передний, нижний и задний узел лопастей скольжения с присоединенными уплотнениями раздвоенной лопасти.
Фиг.14 изображает подробный боковой разрез прорыва уплотнений раздвоенной лопасти, скользящей лопасти и уплотнений лицевой поверхности лопасти.
Фиг.15-17 изображают виды в аксонометрии спереди, сбоку и сверху скользящей лопасти и уплотнения раздвоенной лопасти с двумя уплотнениями лопасти, показанными в разобранном виде.
Фиг.18-21 изображают виды в аксонометрии спереди, сверху, снизу и сбоку скользящей лопасти и узла уплотнения раздвоенной лопасти.
Фиг.22 и 23 изображает вид сверху в разрезе скользящей лопасти, уплотнения раздвоенной лопасти и узла коромысла ремня лопасти.
Фиг.24 изображает вид снизу в разрезе скользящей лопасти и уплотнения раздвоенной лопасти.
Фиг.25 и 26 изображают вид сбоку в разрезе скользящей лопасти и уплотнения раздвоенной лопасти.
Фиг.27 изображает вид спереди в разрезе скользящей лопасти и уплотнения раздвоенной лопасти.
Фиг.28 изображает узлы скользящей лопасти и уплотнения раздвоенной лопасти в разобранном виде.
Фиг.29 изображает вырезанный вид в аксонометрии кожуха двигателя со скользящей лопастью и антицентробежной системой ремня.
Фиг.30 и 31 изображают виды сбоку в аксонометрии антицентробежной системы ремня ротора и скользящей лопасти.
Фиг.32-37 изображают подробные виды в аксонометрии антицентробежной ременной системы и арочной системы ремня скользящей лопасти.
Фиг.38 и 39 изображают виды сбоку в аксонометрии арочного узла с одинарным и двойным ремнем.
Фиг.40 изображает вид сбоку узла сегмента ротора.
Фиг.41 и 42 изображают виды сбоку и спереди узла сегмента ротора.
Фиг.43 изображает вид спереди в разрезе узла сегмента ротора.
Фиг.44 изображает вид спереди в разрезе не по центру узла сегмента ротора.
Фиг.45 изображает вид сбоку в разрезе узла сегмента ротора.
Фиг.46 изображает подробный вид ограничивающей пружины фасонного ремня лопасти.
Фиг.47 изображает вид сбоку в разрезе узла сегмента ротора, показывающий узел тангенциального подшипника качения лопасти.
Фиг.48 и 49 изображают виды сбоку в разрезе узла сегмента ротора.
Фиг.50 и 51 изображают сверху и снизу узел сегмента ротора в разобранном виде.
Фиг.52 изображает вид в аксонометрии снаружи сверху камеры паров натрия и ТЭПЩМ.
Фиг.53-55 изображают виды изнутри сверху и сбоку камеры паров натрия и узла термоэлектрического преобразователя на щелочных металлах.
Фиг.56-61 изображают наружную сторону, боковой разрез, и разрез спереди камеры паров натрия и узла термоэлектрического преобразователя на щелочных металлах.
Фиг.62-64 изображают виды сбоку, снизу и сверху камеры паров натрия и узла термоэлектрического преобразователя на щелочных металлах в разобранном виде.
Фиг.65-67 изображают вид сверху, сбоку и снизу нижнего кожуха двигателя с элементами камеры водяного пара, показанными в разобранном виде.
Фиг.68 изображает вид сбоку в аксонометрии узла двигателя с камерой паров натрия и уплотняющей крышкой термоэлектрического преобразователя на щелочных металлах, показанными в разобранном виде.
Фиг.69 и 70 изображают вид сбоку и спереди в разрезе всего узла двигателя.
Фиг.71 изображает процессы в двигателе с ротационными лопастями.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обзор Работы Двигателя
Двигатель 1 содержит наружный кожух 2, имеющий внутреннюю поверхность 37 кожуха в форме искаженного овала, внутри которого узел 183 ротора вращается по часовой стрелке, смотрите фиг.3 и 4. Кожух 2 содержит камеру 229 паров натрия, расположенную отдельно и не связанную с зонами 31, 32 и 33, соответственно, сжатия, сгорания и расширения двигателя 1. Таким образом, внутренняя поверхность 37 кожуха 2 наклонена по дуге внутрь к приводному валу 18, вокруг которого вращается ротор 183 от впускного канала 6, находящегося приблизительно при 0 градусах угла поворота вала до приблизительно 105 градусов к положению на окружности вблизи начала камеры 229 паров натрия. Внутренняя поверхность 37 кожуха 2, смежная с началом камеры 229 паров натрия и началом зоны 33 расширения перемещается по дуге наружу и от приводного вала 18, чтобы достичь максимальное геометрическое расстояние от центра приводного вала 18 при приблизительно 147 градусах вне начала зоны 33 расширения. От этой точки максимального расстояния от центра приводного вала 18, внутренняя поверхность 37 кожуха 2 постепенно выступает по дуге внутрь к центру приводного вала 18 через оставшийся угол поворота вала, то есть через зону 31 сжатия. Таким образом, внутренняя форма кожуха 2 образует искаженный овал или тор с камерой 229 паров натрия, расположенной сверху зоны 33 расширения полости 34 сгорания.
Ротор 183 содержит, как показано на фиг.3, восемь лопастей 116 ротора, выполненных с возможностью радиального смещения внутрь и наружу для формирования герметичного контакта с внутренней поверхностью 37 кожуха 2. Лопасти 116 отстоят друг от друга по окружности, при этом между смежными лопастями 116 выступают сегменты 310 лопасти ротора. Лопасти 116 имеют двойные уплотнения 80 лопасти для того, чтобы создать герметичный контакт с внутренней поверхностью 37 кожуха 2 во всех местах зон сжатия и расширения, соответственно, 31 и 33, и боковые уплотнения 111 лицевой поверхности лопасти для создания герметичного контакта с сегментами 310 ротора.
Камера 229 паров натрия представляет собой закрытую камеру, содержащую натрий, калий или серу, хотя натрий предпочтен, поскольку он максимизирует способность теплопередачи. Внутри камеры 229 расположены мелкоячеистые, промежуточные и крупноячеистые капиллярные сетки, соответственно, 230, 231 и 232 (см. фиг.3). Камера 229 паров натрия расположена сверху зон сгорания и расширения, 32 и 33, от начала камеры паров натрия до точки максимального расширения зоны 33 расширения, т.е. вблизи конца камеры паров натрия. При работе двигателя камера 229 паров натрия проводит тепло от полостей 186 сгорания ротора и распределяет это тепло по существу равномерно в паровой камере 229, тогда как натрий непрерывно меняет фазовое состояние из жидкости вблизи точки воспламенения в пар. Воздух подается в двигатель 1 через впускной канал 6. На скорости воздух вода и водородное топливо сжимаются и самовоспламеняются в полости 186 сгорания ротора, когда тот находится в зоне 32 сгорания поблизости от начала расположенной над ним камеры 229 паров натрия. Поскольку зона сгорания увеличивается в объеме при увеличении угла поворота вала, лопасти 116 под действием центробежной силы сцепляются и герметизируют внутреннюю поверхность 37 кожуха 2. Таким образом, камера 229 паров натрия поглощает теплоту сгорания, переданную через внутренний кожух между камерой 229 паров натрия и зоной 32 сгорания в зону 379 испарителя натрия, и в зону 33 расширения после сгорания, по существу без потери тепла, т.е. тепло вводится обратно в систему полостей 34 сгорания вдоль зоны 380 конденсатора камеры паров натрия. Посредством обеспечения изотермичности тепло непрерывно передается в камеру 229 паров натрия и обратно в реакцию расширения сгорания.
Система ремня лопасти используется, чтобы уменьшить центробежную силу и, следовательно, герметизировать износ между лопастями 116 и внутренней поверхностью 37 кожуха 2, а также сбалансировать лопасти 116, когда две лопасти выдвигаются, а другие лопасти укорачиваются или втягиваются. Из-за искаженного овального характера кожуха 2 неравномерное давление уплотнений 80 лопасти, действующее на поверхность 37 кожуха, усредняется при помощи системы ремня.
Со ссылкой на фиг.32 и 34 и принимая во внимание, что ротор 183 предпочтительно имеет восемь лопастей 116, для минимизации центробежных сил для первого набора из четырех ортогонально связанных лопастей используется одинарная система ремня лопасти (фиг.32), а для второго набора оставшихся четырех ортогонально связанных лопастей используется двойная система ремня лопасти, как показано на фиг.34. Со ссылкой на фиг.32 и 11 и одинарную систему ремня лопасти, каждая лопасть 116 содержит пару держателей 151 штыря ремня конца лопасти вдоль своих раздвоенных внутренних концов, для установки одинарной системы 142 коромысла, установленной с возможностью поворота между держателями 151. Коромысло 142 содержит пару стержней 146 ремня лопасти (фиг.11), установленных на штыре 145 ремня лопасти 145, установленном с возможностью поворота в держателях 151. Как показано на фиг.32, одинарный арочный подшипник 156 ремня лопасти с возможностью поворота поддерживаются концевыми пластинами ротора на противоположных сторонах ротора 183, закрепленными на сегментах ротора. Четыре одинарных ремня 137 лопасти на противоположных концах закреплены на стержнях 146 ремня лопасти смежных лопастей 116 и проходят вдоль внутренней поверхности арочного подшипника 156 между этими лопастями. Следовательно, ортогонально связанные лопасти могут выдвигаться или втягиваться, чтобы соответствовать искаженной овальной геометрии внутренней поверхности кожуха, причем эксцентриситеты искаженной овальной геометрии согласуются с поворотными коромыслами и арочными подшипниками.
Со ссылкой на фиг.34, двойная система ремня лопасти используется для оставшихся четырех ортогонально связанных лопастей 116. Каждая из двойных лопастей ремня содержит двойные системы 143 коромысла, установленные на штыре ремня, с возможностью поворота поддерживаемом держателями 151 лопасти 116. Пара арочных подшипников 158 (фиг.34) отстоит друг от друга в осевом направлении и установлена для поворотного движения к концевым пластинам ротора. Пара ремней 138 лопасти закреплена на противоположных концах к стержням 143 ремня лопасти смежных коромысел лопасти и проходит вдоль внутренней части арочных подшипников 158. В отношении этих четырех лопастей достигается действие, аналогичное одинарной системе ремня лопасти для соответствия лопастей искаженному овальному контуру внутренней поверхности стенки статора кожуха. Надо отметить, что ремни лопасти одинарного и двойного набора систем ремня лопасти в осевом направлении отстоят друг от друга так же, как и соответствующие коромысла и арочные подшипники.
Со ссылкой на фиг.29 и 36 одинарная и двойная системы ремня лопасти связаны вместе парой фасонных ремней 139 на противоположных в осевом направлении сторонах одинарной и двойной систем ремня лопасти. Как лучше всего показано на фиг.36, пара отделенных друг от друга в осевом направлении фасонных ремней 139 в одинарной системе ремня лопасти установлены вокруг штифтов 365 ремня, на которых установлены арочные подшипники 156, а в двойной системе ремня лопасти вокруг штифтов 159, на которые установлена пара арочных подшипников 158. Как показано на фиг.36, пара фасонных ремней 139 выходят за концевые части штифтов 365 и 159 внутри ограничивающих концевых пластин 157. Пластины 157 закреплены на сегментах 310 ротора между лопастями 116.
Подробности выполнения двигателя, включая взаимодействие между камерой паров натрия и камерой сгорания, так же, как и обеспечение радиального выдвижения и втягивания лопасти системой ремня, при сохранении герметичности с внутренней поверхностью кожуха, раскрыты ниже, а также и на чертежах, на которые производится ссылка при дальнейшем описании.
Водородный двигатель 1 использует инжекцию нагретой воды и водородного газа. Со ссылкой на фиг.1, 2 и 3 видно, что два регулятора 57 инжекции воды поставляют нагретую воду в полость 34 сгорания ротора двигателя в начале зоны 31 сжатия. Два регулятора 26 инжекции водорода поставляют водород в полость 34 сгорания ротора двигателя в зоне 31 сжатия. Две свечи 29 зажигания воспламеняют смесь водорода/воздуха/воды. Активная система охлаждения обеспечивает циркуляцию деионизированной воды из резервуара хранения холодной воды через нижний кожух 2 двигателя 1, зону 30 впуска, зону 31 сжатия, зону 19 подшипника/расширения приводного вала, внутренний ротор 183 и скользящие лопасти 52, и затем в резервуар хранения горячей воды (не показан). Инжекция 60 в камеру сгорания нагретой воды в двигатель осуществляется в начале зоны 31 сжатия с помощью инжекторов 57 воды на ранней стадии сгорания/расширения, а инжекция 61 холодной воды осуществляется на поздней стадии сгорания/расширения. Весь водяной пар в камере 34 сгорания ротора выпускается из двигателя 1 через выхлопной канал 9 и выхлопную трубу 10 в конденсатор выпущенной воды (не показан), где водяной пар конденсируется из газа в жидкость и возвращается обратно в резервуар хранения холодной воды, а воздух выпускается из выхлопной трубы конденсатора. Чтобы предотвратить повреждение двигателя 1 и всех его элементов от расширения воды при замерзании, в двигателе 1 циркулирует этиловый спирт, хранящийся в резервуаре хранения этилового спирта (не показан), во время остановки двигателя, когда температура меньше, чем 0°С (32° F), в виде смеси этилового спирта и воды. Электронный управляющий блок (ЭУБ)(не показан) управляет всеми регуляторами и регулируемыми насосами (не показаны). ЭУБ также отслеживает показания многочисленных температурных датчиков и датчиков уровня воды для помощи в управлении всеми регуляторами и регулируемыми насосами, чтобы обеспечить надлежащую работу двигателя 1.
Инжекция Водорода/Воды
Во время работы двигателя 1 вода инжектируется в полость 34 сгорания двигателя 1 через регуляторы 57 инжекции воды и трубу 308 для воды. Водород инжектируется в полость 34 сгорания двигателя 1 через регулятор 293 инжекции водорода и трубу 294 для водорода и в водородный регулятор 280. От регулятора 280 водород проходит через трубы 28 и 27 для водорода в регуляторы 26 инжекции водорода/воды и в камеру 34 сгорания в месте 38 инжекции в зоне 31 сжатия.
Поскольку водород расширяется от высокого давления сжатия до низкого давления инжекции, он поглощает тепловую энергию, что может привести к повреждению путем замерзания регулятора 293 инжекции водорода, трубы 294 для водорода и водородного регулятора 280. Чтобы противодействовать возможности теплового замерзания, в трубки, которые по спирали проходят вокруг водородных трубок 294 вблизи водородного регулятора 280, нагнетается нагретая деионизированная вода. Тепло, поглощенное водой, высвобождается и передается в расширяющийся водород в водородной трубке, чтобы помочь предотвратить повреждение водородного регулятора 280 и регулятора 26 инжекции водорода из-за замерзания. Водородный регулятор должным образом компенсирует смесь водорода и инжектирует водородную смесь через водородные трубки 28 и 27 в регуляторы 26 инжекции водорода и в полость 34 сгорания в месте 38 инжекции в зоне 31 сжатия.
Активная Водная Система Охлаждения
Деионизированная вода, хранящаяся в резервуаре хранения холодной воды (не показан), используется для охлаждения наружного кожуха 2 двигателя в зоне впуска/сжатия, подшипников приводного вала, зоны 19 расширения, внутреннего ротора 183 и скользящих лопастей 116. Деионизированная вода используется, потому что она представляет собой более чистую форму воды без загрязнений, которые могли бы попасть в элементы двигателя 1 и потому, что она обладает низким поверхностным натяжением, чтобы свести к минимуму силы трения при прокачке воды через трубы, ее перемещения вдоль внутренней полости 363 ротора и вдоль внутренней поверхности 37 статора кожуха статоров 2 и 4 кожуха. Для зоны 30 впуска и зоны 31 сжатия наружного кожуха 2 двигателя 1 охлаждающая деионизированная вода нагнетается из резервуара хранения холодной воды регулируемым водным насосом через трубки 321 охлаждающей воды, Т-образный трубный штуцер 56, трубки 48 со шлицем охлаждающего средства и 90-градусный штуцер 54 кожуха во вход 62 охлаждающего средства зон впуска/сжатия кожуха и через проход 63 охлаждающего средства зоны впуска/сжатия и через выход 64 впуска/сжатия, а затем через 90-градусный штуцер 54 кожуха, затем обратную трубку 49 со шлицем охлаждающего средства, Т-образный трубный штуцер 56, затем через одинарную обратную трубку 322 охлаждающего средства, а затем через фильтр горячей воды в резервуар хранения горячей воды.
Чтобы охладить подшипник 19 приводного вала и зоны 31 расширения ротора двигателя 1, деионизированная охлаждающая вода нагнетается из резервуара хранения холодной воды регулируемым насосом через трубку 323 охлаждающей воды и Т-образный трубный штуцер 56, затем трубку 50 со шлицем охлаждающего средства и прямой штуцер 55 кожуха во вход 65 охлаждающей воды зоны подшипника/расширения приводного вала, через проход 66 охлаждающей воды зоны подшипника/расширения приводного вала и через выход 67 охлаждающей воды зоны подшипника/расширения приводного вала, затем прямой штуцер 55 кожуха, затем обратную трубку 49 со шлицем охлаждающего средства, Т-образный трубный штуцер 56, а затем через одинарную обратную трубку 324 охлаждающего средства, через фильтр горячей воды в резервуар хранения горячей воды.
Для охлаждения внутреннего узла 183 ротора и скользящих лопастей 116 деионизированная охлаждающая вода нагнетается из резервуара хранения холодной воды регулируемым насосом через трубку 325 охлаждающей воды, Т-образный трубный штуцер 56, затем трубку 52 со шлицем ввода охлаждающей воды в 90-градусный штуцер 54 кожуха и через внутренний инжекционный ввод 334 ротора/лопасти, через наружный конденсатор 202 ротора и конденсатор 132 скользящих лопастей. Вода собирается вдоль боковых сторон внутренней поверхности 37 статора кожуха за счет перемещения скользящих лопастей 116 и под принуждением направляется через внутреннее углубление 44 возврата воды кожуха и паз 47 возврата воды в крышке 45 возврата воды, которая привинчена в углубление 276 крышки возврата воды винтом 46 крышки возврата воды, как показано на фиг.5.
Затем вода возвращается через внутренний выход 335 для воды ротора/лопасти в 90-градусный штуцер 56 кожуха, затем через обратную трубку 53 со шлицем охлаждающей воды и через Т-образный трубный штуцер 56, а затем через единую обратную трубку 326 охлаждающей воды в фильтр горячей воды и в резервуар хранения горячей воды.
Для инжекции 61 воды на поздней стадии в камеру сгорания/расширения используется деионизированная вода 320, хранящаяся в резервуаре хранения холодной воды и нагнетаемая водным насосом высокого давления через трубки 328 высокого давления холодной воды в Т-образный трубный штуцер 59 высокого давления, в трубку 279 со шлицем высокого давления, в 90-градусный штуцер 58 со шлицем высокого давления кожуха, и в распылительную насадку 337 холодной воды в полость 34 сгорания ротора на поздней стадии сжатия/расширения в месте ввода 61.
Все регулируемые насосы, используемые в активной водной системе охлаждения, электрически управляются и регулируются, чтобы использовать минимальное количество электроэнергии, необходимого для нагнетания воды.
Инжекция Горячей Воды
Во время работы двигателя 1 нагретая вода инжектируется 60 в начало зоны 31 сжатия с помощью регулятора 57 инжекции горячей воды на ранней стадии сгорания/расширения в камере сгорания. Для инжекции горячей воды в зону сжатия нагретая деионизированная вода 320 нагнетается из резервуара хранения горячей воды с помощью водного насоса высокого давления через трубку 308 инжекции горячей воды и в регулятор 57 инжекции воды. Регулятор 57 инжекции воды регулирует количество нагретой воды, которое инжектируется в полость 34 сгорания ротора в зоне 31 сжатия. Деионизированная вода 320 инжектируется в зону 31 сжатия для регулировки эффективной степени сжатия и частично смешивается с введенным водородом 336. При инжекции горячей воды на ранней стадии сгорания/расширения деионизированная нагретая вода нагнетается из резервуара хранения горячей воды другим водным насосом высокого давления в трубку 327 горячей воды высокого давления, в Т-образный трубный штуцер 59 высокого давления, в трубку 278 со шлицем высокого давления, в 90-градусный штуцер 58 со шлицем высокого давления кожуха, и через проход 42 инжекции горячей воды кожуха и соединительную трубку 43 в распылительную насадку 40 на ранней стадии горячей воды в камеру 34 сгорания ротора на ранней стадии сжатия/расширения в месте инжекции 60. Инжекция горячей воды на ранней стадии 60 сгорания/расширения в камеру сгорания 34 ротора взаимодействует с горением водорода, чтобы помочь отрегулировать максимальную температуру сгорания. Инжектированная деионизированная вода также взаимодействует и поглощает тепло из камеры паров натрия вдоль поверхности 4 кожуха камеры паров натрия кожуха, а также обеспечивает некоторую смазку и качественное уплотнение для уплотнений 79 раздвоенной скользящей лопасти 116, когда те пересекают внутреннюю поверхность 37 статора кожуха.
Масса деионизированного водяного пара больше, чем масса других газов в камере 34 сгорания. Вращательная скорость и центробежные силы ротора 183 вынуждают более тяжелый деионизированный водяной пар перемещаться радиально наружу вдоль внутренней поверхности 37 статора кожуха и через радиальный выхлопной канал 9 и через выхлопную трубу 10. Это помогает деионизированной воде установить хороший контакт и теплопередачу со статором 4 камеры паров натрия, а также может помочь в полном выхлопе всего деионизированного водяного пара через выхлопной канал 9 и выхлопную трубу 10.
Искаженная Овальная Геометрия Статора Кожуха
Фиг.4 показывает вид сбоку в разрезе двигателя 1 с вращающимися лопастями согласно настоящему изобретению. Фиг.3 изображает вырезанный вид в аксонометрии двигателя 1. Двигатель 1 содержит статор 37, ротор 183 и множество скользящих лопастей 116, которые выдвигаются и втягиваются из проходов 184 лопасти ротора. Нижний статор 2 кожуха и верхний статор 4 камеры паров натрия создают искаженную овальную геометрическую форму, имеющую в целом гладкую внутреннюю поверхность 37. Нижний статор 2 кожуха и верхний статор 4 кожуха паровой камеры отделены металлической прокладкой 5 для обеспечения равномерной посадки и уплотнения между различными сегментами кожуха двигателя. Скользящие лопасти 116 используют уплотнения 79 раздвоенной лопасти, содержащие передние и задние уплотнения 80 лопасти для герметизации скользящих лопастей 116 вдоль внутренних поверхностей 37 статора. Камера сгорания 34 определена двумя смежными скользящими лопастями 116 и двумя осевыми уплотнениями 102 ротора. Двигатель 1 также содержит впускной канал 6 для подачи впускного воздуха. Зона 30 впуска начинается, когда заднее уплотнение 80 лопасти передней лопасти 116 камеры сгорания начинает проходить сверху впускного канала 30 на 0 градусов угла поворота вала и продолжается вдоль оси вращения, пока переднее уплотнение 80 лопасти не закончит проходить сверху впускного канала 30 при примерно 60 градусах угла поворота вала впуска. При приблизительно 60 градусов угла поворота вала внутренний кожух 37 статора находится на максимальном расстоянии впуска от поверхности 185 ротора, а затем резко возвращается обратно внутрь к поверхности 185 ротора для формирования зоны 31 сжатия. Зона 31 сжатия обеспечивает приблизительно 45 полных градусов угла поворота вала до месторасположения свечи 29 зажигания при 105 градусах угла поворота вала. Верхняя мертвая точка (ВМТ) находится при 110 градусах угла поворота вала. Зона 32 сгорания проходит от месторасположения свечи 29 зажигания до места ввода 60 воды на ранней стадии приблизительно при 145 градусах угла поворота вала. Зона 33 расширения продолжается от этой точки до того места, где заднее уплотнение 80 передней скользящей лопасти 116 начинает проходить над максимальной точкой расширения при 270 градусах угла поворота вала, обеспечивая в общей сложности приблизительно 160 градусов угла поворота вала для сгорания и расширения. Внутренний кожух 37 статора постепенно уходит наружу от поверхности 185 ротора вдоль зон сгорания 32 и расширения 33, пока не достигает максимального расстояния при приблизительно 270 градусов угла поворота вала. В этой точке внутренняя поверхность 37 статора кожуха резко возвращается обратно к поверхности 185 ротора в нижней мертвой точке (НМТ) при 338 градусах угла поворота вала. Инжекция 61 воды на поздней стадии также происходит приблизительно при 275 градусах угла поворота вала, где внутренняя поверхность 37 статора кожуха находится на максимальном расстоянии от поверхности 185 ротора. Выхлоп камеры 34 сгорания происходит, когда заднее уплотнение 80 лопасти боковой лопасти 116 передней камеры сгорания начинает проходить над выхлопным каналом 9 при приблизительно 280 градусах угла поворота вала и продолжается до тех пор, пока переднее уплотнение 80 лопасти задней лопасти 116 камеры сгорания не закончит проходить над выхлопным каналом 9 при приблизительно 360 градусах угла поворота вала, обеспечивая в общей сложности 80 градусов угла поворота вала для выхлопа камеры 34 сгорания. Как только камера 34 сгорания заканчивает выхлоп газов камеры, заднее уплотнение 80 передней лопасти 116 камеры сгорания готово пройти над впускныи каналом 7 и начать следующий цикл.
Верхний статор 4 камеры паров натрия расположен вдоль зоны сгорания 32 и расширения 33 от точки ВМТ при 110 градусах угла поворота вала и продолжается до 255 градусов угла поворота вала. Покрытие 36, создающее тепловой барьер, нанесено на внутреннюю поверхность 37 статора кожуха от места инжекции водорода/воды при 85 градусах угла поворота вала и продолжается до места, сразу за местом инжекции 60 воды на ранней стадии приблизительно при 160 градусах угла поворота вала.
Статор Внутреннего Кожуха с Ротором и Лопастями
Фиг.3 изображает нижнюю половину статора 2 кожуха. Верхняя половина разреза статора 4 камеры паров натрия, которая является зеркальным отображением нижней половины статора 2, удалена из чертежа, чтобы показать части, расположенные в статорах 2 и 4 кожуха. Ротор 183 выполнен в целом в форме круглого диска с наружной поверхностью 185 и с множеством пазов 184 для лопастей (фиг.4), прорезанных вертикально вдоль его периметра. Каждая скользящая лопасть 116 точно соответствует пазу 184 лопасти. Ротор 183 может иметь шесть, восемь, девять или двенадцать пазов 184 лопасти и скользящих лопастей 116, в зависимости от размера двигателя 1. В предпочтительном варианте выполнения двигателя имеется восемь пазов 184 лопасти, удерживающих восемь соответствующих им скользящих лопастей 116. Эта конструкция создает восемь отдельных камер 34 сгорания, ограниченных наружной поверхностью 185 ротора 183, внутренней поверхностью 37 статоров 2 и 4 кожуха, и скользящими лопастями 116. Каждая скользящая лопасть 116 имеет в целом сглаженную переднюю поверхность и заднюю поверхность наружной полуовальной формы, которая соответствует форме внутренней поверхности 37 статоров 2 и 4. При работе ротор 183 вращается вокруг ведущего вала 18, принуждая скользящие лопасти 116 проноситься мимо внутренней поверхности 37 статоров 2 и 4 в непрерывном круговом движении. Это движение непрерывно вращает камеры 34 сгорания вокруг ротора 183. Скользящие лопасти 116 перескакивают между состояниями в пазе 184 лопасти и вне паза 184 лопасти, чтобы поддерживать постоянный поверхностный контакт между в целом круглым расположением скользящих лопастей 116 и в целом овальной формой внутренней поверхности 37 статоров 2 и 4 кожуха.
Уплотнения Камеры Сгорания
Чтобы двигатель 1 работал эффективно и с максимальным КПД, камера 34 сгорания должна поддерживать герметичность между ротором 183 бокового статора 37 кожуха, ротором 183 и скользящими лопастями 116, а также между скользящими лопастями и внутренней поверхностью 37 статора кожуха. На фиг.7 показано, что уплотнения 78 камеры сгорания используются для герметизации каждой отдельной камеры 34 сгорания, а также способствуют поддержанию надлежащего давления газа сгорания в каждой полости 34 сгорания. Уплотнения 78 камеры сгорания включают осевые уплотнения 102, уплотнения 111 лицевой поверхности лопасти и уплотнения 79 раздвоенной лопасти.
Осевые уплотнения
Осевые уплотнения 102, показанные на фиг.3 и 7, гарантируют герметичное уплотнение между ротором 183 и боковым статором 37 кожуха. Осевые уплотнения 102 в целом представляют собой сегменты, имеющие форму дуги. Осевое уплотнение 102 также гарантирует герметичное уплотнение между нижним сегментом 82 уплотнения раздвоенной лопасти вдоль поверхности 95 контакта осевого уплотнения лопасти и ротора 183. Осевое уплотнение 102 состоит из центрального участка 103 осевого уплотнения и двух торцевых участков 104 осевого уплотнения, которые соединены вместе вдоль осевого центра и торца границы 105 уплотнения, где центральный участок 103 осевого уплотнения имеет границу 106 с утолщением, а осевой торцевой участок 104 имеет границу 107 с углублением. Осевой центр и торец уплотнения границы 105 расположены под углом относительно передней поверхности уплотнения. Это обеспечивает свободное перемещение центрального участка 103 осевого уплотнения и торцевого участка 104 осевого уплотнения вдоль границы 105, но при этом поддержание непрерывного уплотнения с внутренней поверхностью 37 статора. Поверхности 106 границы с утолщением центрального участка 103 осевого уплотнения, которым соответствует сопряженное углубление 107 торцевого участка 104 осевого уплотнения, покрыты твердой смазкой 35, состоящей из оксидов для высокотемпературной смазки и износостойкости, чтобы свести к минимуму трение скольжения вдоль границы 105 осевого центра и торцевого участка и увеличить скорость их уплотняющих перемещений.
Верхняя поверхность 358 осевого уплотнения 102 немного заострена в направлении от передней поверхности осевого уплотнения. Это обеспечивает проход газов, находящихся под давлением в камере 34 сгорания, вдоль этой верхней заостренной поверхности 358, чтобы помочь сместить наружу осевое уплотнение, устанавливая герметичный контакт с внутренней поверхностью 37 статора кожуха.
Рифленые пружины 110 расположены позади центрального осевого участка 103 осевого уплотнения 102. Изначально рифленые пружины 110 используются для оказания давления на центральный участок 103 осевого уплотнения, который прикладывает силу скольжения вдоль границы 105 центрального уплотнения и торцевого осевого уплотнения, чтобы прижать торцевой участок 104 осевого уплотнения в осевом направлении к внутренней поверхности 37 статора кожуха и радиально к нижней поверхности 95 сегмента уплотнения лопасти нижнего уплотнения 82 раздвоенной лопасти. Рифленые пружины 110 прикладывают только ограниченную силу, чтобы создать только начальное уплотнение между основным осевым уплотнением 102. Давление газа в камере 34 сгорания является доминирующей силой, определяющей рабочие характеристики уплотнения, чтобы уравнять силы, необходимые осевому участку 103 осевого уплотнения и торцевому участку 104 осевого уплотнения 102, чтобы поддерживать надлежащие условия герметичности с внутренней поверхностью 37 статора кожуха статоров 2 и 4 кожуха.
Маленькая полоска 109 осевого уплотнения расположена в углублении 109 полоски осевого уплотнения, которое проходит по всей длине уплотняющей поверхности как осевого центральному участку 103, так и осевому торцевому участку 104 уплотнения. Полоска 109 осевого уплотнения помогает герметизировать любые газы камеры сгорания, которые проходят через верхний выступ осевого уплотнения выше углубления 107 осевого уплотнения. Верхняя задняя кромка полоски 109 осевого уплотнения имеет маленький скос 351, проходящий по всей длине полоски 109 осевого уплотнения, который помогает смещать полоску 109 осевого уплотнения наружу к внутренней поверхности 37 статора кожуха. Контактные уплотняющие поверхности осевого уплотнения 102 и полоски 109 осевого уплотнения покрыты твердой смазкой, состоящей из оксидов для работы при высоких температурах и для износостойкости.
Осевой центральный участок 103 и осевые торцевые участки 104 осевого уплотнения 102, полоска 109 уплотнения и рифленая пружина 110 изогнуты, чтобы соответствовать профилю ротора 183.
Уплотнения Лицевой Поверхности Лопасти
Фиг.8 изображает вид сбоку в аксонометрии системы 78 уплотнения камеры сгорания с полоской 113 уплотнения лицевой поверхности лопасти, показанной в увеличенном виде.
Уплотнения 111 лицевой поверхности лопасти расположены в проходе 184 лопасти ротора для обеспечения герметичного уплотнения между ротором 183 и скользящими лопастями 116. Уплотнения 111 лицевой поверхности лопасти в целом имеют полуовальную перевернутую U-образную форму, приблизительно соответствуя кривой форме профиля кончиков скользящих лопастей 116. Таким образом, в предпочтительном варианте выполнения имеется шестнадцать уплотнений 111 лицевой поверхности лопасти, по одному вблизи каждой стороны лицевой поверхности 349 лопасти восьми скользящих лопастей 116. Уплотнения 111 лицевой поверхности лопасти имеют небольшую суженную верхнюю поверхность 359, которая проходит до задних кромок уплотнений 111. Это обеспечивает смещение уплотнений 111 лицевой поверхности лопасти наружу с помощью давления газа в камере 34 сгорания для создания уплотнения с лицевой поверхностью 349 лопасти.
Уплотнения 111 лицевой поверхности лопасти также смещаются наружу под влиянием рифленой пружины 114, расположенной в углублении 189 пружины уплотнения лицевой поверхности лопасти ротора. Уплотнение 111 лицевой поверхности лопасти также содержит полоску 113 уплотнения, расположенную в маленьком углублении 112 полоски уплотнения, которая проходит по всей длине лицевой поверхности 111 уплотнения лопасти, чтобы обеспечить дополнительное уплотнение вдоль лицевой поверхности 349 лопасти. Верхняя задняя кромка полоски 113 уплотнения лицевой поверхности лопасти имеет маленький скос 352, который проходит по всей длине полоски 113 уплотнения лицевой поверхности лопасти и помогает смещать полоску 113 уплотнения лицевой поверхности лопасти наружу в сторону лицевой поверхности 349 лопасти. Контактная поверхность уплотнения лицевой поверхности 111 лопасти и полоски 113 уплотнения лицевой поверхности лопасти покрыты твердой смазкой 35, которая состоит из смазочных оксидов для высокотемпературной смазки и износостойкости. Концы 115 уплотнения лицевой поверхности лопасти выступают наружу на 90 градусов от основного уплотнения 111 лицевой поверхности лопасти, чтобы помочь состыковаться и образовать уплотнение по нижней части 82 осевого уплотнения раздвоенной лопасти, устанавливая уплотнительный контакт с поверхностью 95, и чтобы согласоваться и поддерживать торцевой элемент 104 осевого уплотнения.
Уплотнение 111 лицевой поверхности лопасти, полоска 113 уплотнения лицевой поверхности лопасти и рифленая пружина 114 уплотнения лицевой поверхности лопасти в целом имеют полуовальную перевернутую U-образную форму, приблизительно соответствующую форме кончиков каждой скользящей лопасти 116.
Уплотнения Раздвоенной Лопасти
Со ссылкой на фиг.8 и 11, одно уплотнение 79 раздвоенной лопасти закреплено с возможностью скольжения вдоль наружного периметра 350 каждой скользящей лопасти 116. Уплотнения 79 раздвоенной лопасти обеспечивают герметичное уплотнение между скользящими лопастями 116 и внутренней поверхностью 37 статора кожухов 2 и 4. Уплотнения 79 раздвоенной лопасти в целом имеют полуовальную перевернутую U-образную форму, приблизительно соответствующую по форме, но немного больше уплотнений 111 лицевой поверхности лопасти. Каждое уплотнение 79 раздвоенной лопасти имеет два уплотнения 80 лопасти, которые являются зеркальными отображениями друг друга. Таким образом, в предпочтительном варианте выполнения имеется шестнадцать уплотнений 80 лопасти, по два для каждой из восьми скользящих лопастей 116. При использовании двух уплотнений 80 лопасти для каждой скользящей лопасти 116, обеспечиваются удвоенные рабочие характеристики уплотнения для камеры 34 сгорания, а потери от прорыва газов через и уплотнение 80 лопасти сводится к минимуму. Это также позволяет двум смежным с каждой скользящей лопастью 116 камерам 34 сгорания оптимизировать свои силы уплотнения и сбалансировать их согласно индивидуальным требованиям уплотнения каждой камеры, чтобы максимизировать рабочие характеристики двигателя 1 и свести к минимуму чрезмерное трение и износ.
Сегментированные Уплотнения Лопасти
Со ссылкой на фиг.11-18, каждое из двух уплотнений 80 лопасти в пределах каждого уплотнения 87 раздвоенной лопасти перескакивает назад и вперед сверху скользящей лопасти 116, чтобы соответствовать профилю внутренней поверхности 37 статоров 2 и 4 кожуха, чтобы поддерживать надлежащие условия герметизации. Однако из-за температурного профиля биполярного двигателя с постоянно более холодной зоной впуска-сжатия и более горячей зоной сгорания-расширения, нижний сегмент 82 уплотнения лопасти или боковая прямая часть каждого уплотнения 87 раздвоенной лопасти должны расширяться наружу, чтобы поддерживать надлежащие условия уплотнения вдоль осевой стороны скользящей лопасти 116. Чтобы добиться этого, каждое уплотнение 87 раздвоенной лопасти разбито на сегменты и состоит из верхнего центрального сегмента 81 и двух боковых нижних сегментов 82. Верхний центральный сегмент уплотнения лопасти на каждом торце имеет две наклонные трапецеидальные канавки 84 границы. Каждый из нижних сегментов 82 имеет соответствующей указанной канавке наклонный трапецеидальный расширяющийся выступ 85. Верхний центральный сегмент 81 уплотнения лопасти и два нижних сегмента 82 каждого уплотнения 80 лопасти чередуются с границей 83 наклонного трапецеидального расширения и наклонной трапецеидальной канавкой. Этот наклонная граница 83 сегмента уплотнения лопасти позволяет нижним сегментам 82 слегка скользить внутрь и наружу вдоль наклонной границы 83 уплотнения лопасти, тем самым, в герметичном состоянии немного уменьшая и расширяя внутреннюю поверхность 37 статора, по которой во время вращения проносятся скользящие лопасти 116. Боковые газовые каналы 97 за нижним сегментом 82 уплотнения лопасти используют давление газа в камере 34 сгорания для прижимания каждого нижнего сегмента 82 уплотнения лопасти к внутренней поверхности 37 статора. Разбивка уплотнения 80 лопасти на сегменты не только помогает улучшить рабочие характеристики уплотнения скользящих лопастей 116 из-за изменений в профиле внутренней поверхности 37 статора, вибраций сгорания, но также улучшает износостойкость уплотнения 80 лопасти. Поскольку наружная поверхность нижнего сегмента уплотнения лопасти может полностью износиться из-за трения скольжения с внутренней поверхностью 37 статора кожуха, нижний сегмент 82 уплотнения лопасти может скользить наружу вдоль границы 83 сегмента уплотнения лопасти, продолжая поддерживать уплотняющий контакт с внутренней поверхностью 37 статора кожуха. Это сильно увеличивает срок службы уплотнения лопасти и уменьшает вероятность повреждения уплотнения.
Профильный Тупой Кончик Уплотнения Лопасти
Со ссылкой на фиг.9 и 14 кончик уплотнения 80 лопасти содержит тупой кончик 90, который обеспечивает маленький профильный закругленный кончик, который может гладко скользить по профилю внутренней поверхности статора кожуха. Маленький тупой кончик 90 является более сконцентрированным для сведения к минимуму чрезмерного уплотняющего поверхностного контакта. Во время сгорания создаются большие напряжения и силы вибрации. Однако уплотнение с тупым кончиком может вибрировать от внутренней поверхности статора кожуха. Это действие может привести к повреждению в виде царапины из-за вибрации на внутренней поверхности 37 статора кожуха. Однако выполняя уплотнение 90 с тупым кончиком немного шире, силы столкновения можно распределить по немного большей площади поверхности, что с меньшей вероятностью приведет к повреждению в виде царапины из-за вибрации. Криволинейный профиль тупого кончика 90 устанавливает хороший контакт с изменяющимися углами внутренней поверхности 37 статора кожуха, поскольку скользящие лопасти 116 и ротор 183 вращаются вокруг внутренних статоров 2 и 4 кожуха. Это также распределяет точку уплотняющего контакта по криволинейной профильной поверхности тупого кончика 90, который помогает продлить срок службы уплотнения 80 лопасти и сводит к минимуму повреждения уплотнения. Тупой кончик 90 уплотнения закругляется вокруг верхнего центрального профиля центрального сегмента 81 уплотнения 80 лопасти, и переходит к наружным сторонам 92 уплотнения лопасти вдоль нижнего участка 82 уплотнения 80 лопасти. Боковое уплотнение 92 с тупым кончиком обеспечивает хорошее осевое уплотнение нижнего сегмента 82 уплотнения лопасти и боковой внутренней поверхности 37 статоров 2 и 4 кожуха. Это также обеспечивает уплотняющую границу уплотнения 80 лопасти с осевым уплотнением 102 и уплотнением 111 лицевой поверхности лопасти. Плоская лицевая поверхность 95 нижнего сегмента уплотнения лопасти обеспечивает плоскую поверхность граничного контакта с торцевыми сегментами 104 осевого уплотнения и граничных расширений 115 лицевой поверхности уплотнения лопасти. Чтобы предотвратить прорыв газов через тупой кончик 90 уплотнения, их проход между двумя уплотнениями 80 лопасти и вход во внутренние части ротора 183, поверхность тупого кончика уплотнения продолжает оборачиваться вокруг нижней кромки 93 уплотнения 80 лопасти. Поверхность уплотнения 90 с тупым кончиком также на всякий случай оборачивается вдоль внутренней кромки 94 уплотнения лопасти, где два уплотнения 80 лопасти встречаются и скользят вместе. Этот короткая внутренняя кромка 94 уплотнения с тупым кончиком является достаточно длинной, так что, когда уплотнение 80 лопасти перескакивает, они все еще накладываются друг на друга, чтобы предотвратить просачивание любых газов внутри уплотнения лопасти через промежутки в нижней части уплотнений 80 лопасти. Вода из активной системы охлаждения и инжектированной воды перемещается между тупыми кончиками 90 и помогает обеспечивать смазку скольжения уплотнениям с тупым кончиком и внутренней поверхности статора 2 и 4 кожуха. Часть воды также преобразуется в пар, который заполняет и создает давление в пространстве между двумя уплотнениями 90 с тупым кончиком. Это помогает предотвратить прорыв газов между смежными камерами 34 сгорания.
Верхние уплотняющие кончики 90 лопасти с тупым кончиком, боковые кромки 92, нижние кромки 93, внутренние кромки 94 и плоские лицевые поверхности 95 уплотнений 80 лопасти покрыты твердой смазкой 35, состоящей из оксидов для высокотемпературной смазки и износостойкости.
Смещение Газом Уплотнения Лопасти
Со ссылкой на фиг.14, во время работы двигателя 1 газы сгорания в камере 34 сгорания имеют тенденцию выходить в газовые промежутки 355 между уплотнениями 80 лопасти и внутренней поверхностью 37 статора, вызывая отход уплотнения 80 лопасти от внутренней поверхности 37, подвергая, тем самым, риску герметичность камер сгорания 34. Чтобы эффективно противостоять этим очень сильным силам сгорания, каждое уплотнение 80 лопасти предпочтительно смещается газом для быстрой утилизации газов сгорания, чтобы уравнять силы, отделяющие уплотнения 80 лопасти от внутренней поверхности 37 статора. В предпочтительном варианте выполнения это смещение газом достигается двумя способами - путем использования выступающего кончика 91 уплотнения лопасти с наклонной поверхностью 256 и основанием 257, и путем использования газовых проходов 96 уплотнения 80 лопасти.
Наклонный Выступающий Кончик Уплотнения Лопасти
Снова со ссылкой на фиг.14, в первом способе смещения газом для противостояния силам газа в газовых промежутках 355 используют выступающий кончик 91 уплотнения лопасти с наклонной наружной боковой поверхностью 356 и нижней поверхностью 357 на каждом уплотнении 80 лопасти. Наклонные наружные стороны 356 увеличивают ширину каждого уплотнения 80 лопасти при перемещении ближе к внутренней поверхности 37 статора. Наклонные наружные стороны 356 и нижняя поверхность 357 выступающих кончиков 91 уплотнения лопасти обеспечивает, таким образом, площади поверхности, которые наклонены наружу, так что расширяющиеся газы сгорания имеют тенденцию прижимать уплотнения 80 лопасти к внутренней поверхности 37 статора статоров 2 и 4, герметизируя тем самым каждую камеру 34 сгорания более эффективно.
Покрытие, создающее тепловой барьер (ПТБ) 36 нанесено на верхние поверхности выступающего кончика 91 уплотнения лопасти и на наклонные наружные стороны 356 уплотнений 80 лопасти, чтобы свести к минимуму тепловые напряжения и деформации уплотнения 79 раздвоенной лопасти, чтобы улучшить рабочие характеристики уплотнения 79 раздвоенной лопасти с внутренней поверхностью 37 статора кожуха и продлить его срок службы.
Газовые Проходы Уплотнения Лопасти
С дальнейшей ссылкой на фиг.14 описан второй способ смещения газом для противостояния силам газа сгорания в газовых промежутках 355, в котором используют газовые проходы 96. Многочисленные газовые проходы 96 пронизывают каждое уплотнение 80 лопасти от наклонной поверхности 356 уплотнения лопасти к месту, где уплотнение 80 лопасти 80 контактирует с внутренней поверхностью 354 уплотнения лопасти выше поддерживающего гребня 118 скользящей лопасти 116. Газовые проходы 96 поддерживают выступ 118 скользящей лопасти 116, создавая, таким образом, поверхность для газов сгорания для смещения уплотнения 80 лопасти вверх к внутренней поверхности 37 статора, и, таким образом, герметизируя камеру 34 сгорания более эффективно. Газовые проходы 96 распределены вдоль всей искривленной центральной части 81 уплотнения 80 лопасти, как показано на фиг.11-13. Может быть использован либо один либо оба из этих способов смещения газом.
Осевые газовые каналы 97 врезаны в уплотнение 80 лопасти для направления газов сгорания через вершину стороны поддерживающих гребней 118 лопасти за нижним сегментом 82 уплотнения лопасти скользящей лопасти 116. Это прижимает нижний сегмент 82 уплотнения лопасти наружу к стороне внутренней поверхности 37 статора кожуха, обеспечивая более герметичный уплотняющий контакт между уплотнениями 82 лопасти скользящей лопасти 116 и внутренней поверхностью 37 статора статоров 2 и 4 кожуха. Этот более герметичный уплотняющий контакт помогает свести к минимуму утечки газа сгорания через уплотнения 87 раздвоенной лопасти. Также создается небольшое количество силы трения, которое помогает уменьшить резкое движение уплотнений 87 раздвоенной лопасти из-за быстрых, высокоэнергетичных выбросов горящих газов.
Преимущество использования уплотнения 87 раздвоенной лопасти с газовыми проходами 96 и боковыми газовыми каналами 97 заключается в том, что они не только обеспечивают превосходные рабочие характеристики уплотнения, но и то, что они позволяют каждому уплотнению 80 лопасти в уплотнении 87 раздвоенной лопасти создавать герметичное уплотнение с каждой смежной камерой 34 сгорания и обеспечивают силу уплотнения, определяемую давлением индивидуальной камеры 34 сгорания. Таким образом, каждая из опережающих и запаздывающих камер 34 сгорания скользящей лопасти 116 может иметь различное давление и требование к уплотнению, при этом уплотнения 87 раздвоенной лопасти с газовыми проходами 96 и боковыми газовыми каналами 97 автоматически регулируют силы уплотнения, чтобы те соответствовали этим давлениям и требованиям герметизации. Баланс сил уплотнения камеры с давленями газа камеры 34 сгорания обеспечивает то, что не больше, чем необходимая величина силы уплотнения будет приложена к внутренней поверхности 37 статора кожуха, чтобы должным образом герметизировать камеру 34 сгорания, поскольку большая величина силы уплотнения приводит к чрезмерному трению уплотнения, которое может уменьшить рабочие характеристики двигателя 1 и увеличить износ уплотнения 80 лопасти и внутренней поверхности 37 статора кожуха. Газовые проходы 96 и осевые газовые каналы 97 уплотнения 80 лопасти помогают поглотить и компенсировать резкие силы зажигания, которые могли привести к царапинам от вибрации на внутренней поверхности 37 статора кожуха 37, а также повредить уплотнения 80 лопасти. Смещение газом уплотнений 80 лопасти помогает оптимизировать рабочие характеристики уплотнения камеры 34 сгорания для ровной работы скольжения, которая продлевает долговечность уплотнения 80 лопасти и внутренней поверхности 37 статора статоров 2 и 4 кожуха.
Перескакивание Уплотнения Лопасти
При работе два уплотнения 80 лопасти в каждом уплотнении 79 раздвоенной лопасти скользят друг по другу в возвратно-поступательном движении относительно друг друга, при этом они перескакивают вбок вперед и назад относительно ротора 183 в плоскости ротора 183, в целом имеющего форму диска. Это перескакивающее действие дополняет перескакивающее действие самих скользящих лопастей 116, обеспечивая дополнительную возможность герметизации камеры 34 сгорания путем лучшего соответствия геометрическому профилю внутренней поверхности 37.
Подшипники Скольжения Раздвоенной Лопасти
На фиг.15 изображен узел 116 скользящей лопасти с уплотнениями 80 лопасти из уплотнения 79 раздвоенной лопасти в разобранном виде, показывая, таким образом, узел 351 внутреннего уплотнения лопасти и узел 352 внешнего уплотнения лопасти. Чтобы облегчить перескакивающее действие уплотнений 80 лопасти из уплотнения 79 раздвоенной лопасти используются узел подшипника 351 внутреннего уплотнения лопасти и узел подшипника 352 внешнего уплотнения лопасти. Что касается внутреннего подшипника, сборка 351 состоит из маленьких подшипников 98 качения, которые расположены во внутренних каналах 99 для подшипника качения уплотнения лопасти, выполненных в уплотнениях 79 раздвоенной лопасти вдоль внутренней поверхности 353 уплотнения лопасти, где встречаются и перескакивают вместе два уплотнения 80 лопасти в каждом уплотнении 79 раздвоенной лопасти. Узел 352 наружного подшипника уплотнения лопасти состоит из маленьких подшипников 100 качения, которые меньше внутреннего подшипника 98 качения и расположены во наружных каналах 101 для подшипника уплотнения лопасти в уплотнениях 79 раздвоенной лопасти вдоль наружной поверхности 354 уплотнения лопасти, которая контактирует с внутренней поверхностью 117 углубления лопасти скользящей лопасти 116.
Положение внутренних подшипников 98 качения и внутренних каналов 99 для подшипника качения смещено относительно наружных подшипников 100 качения и наружных каналов 101 для подшипника качения на уплотнении 80 лопасти так, чтобы не ослабить конструктивную прочность уплотнения 80 лопасти.
Внутренние поверхности 353 уплотнения 80 лопасти покрыты твердой смазкой 35, состоящей из оксидов для высокотемпературной смазки и износостойкости. Твердая смазка 35 также помогает с перескакивающим действием уплотнений 80 лопасти путем уменьшения трения вдоль их внутренних контактных поверхностей 353 уплотнения лопасти. Твердая смазка 35, состоящая из оксидов, также нанесена на наружную боковую поверхность поддерживающих гребней 118 уплотнения раздвоенной скользящей лопасти 116 для дальнейшего уменьшения трения перескакивания между уплотнениями 80 лопасти и скользящей лопастью 116.
Опорные Гребни Уплотнения Лопасти
Как показано на фиг.14, 15 и 16, два опорных гребня 118 уплотнения лопасти отделены канавкой 117 уплотнения раздвоенной лопасти и расположены вдоль наружного периметра 350 каждой лопасти скольжения 116. Опорные гребни 118 оборачиваются по всей длине удлиненного полуовального U-образного наружного периметра 350 каждой скользящей лопасти 116, помогая удерживать каждое уплотнение 79 раздвоенной лопасти закрепленным с возможностью скольжения вдоль наружного периметра 350 каждой скользящей лопасти 116. Без опорных гребней 118 уплотнение 79 раздвоенной лопасти имело бы тенденцию выкручиваться из своего положения, когда оно проносится по внутренней поверхности 37 статора статоров 2 и 4 кожуха.
Канавка Уплотнения Лопасти и Пружинные Уплотнения Гребня
Со ссылкой на фиг.22, 24 и 27, при работе нижняя кромка нижнего сегмета 82 уплотнений 80 лопасти должна быть перекрыта, чтобы предотвратить проникновение любых газов сгорания, находящихся под уплотнениями 80 лопасти в канавке уплотнения 117 раздвоенной лопасти и сверху гребней 118 уплотнения лопасти, еще глубже в двигатель 1. Поэтому нижняя внутренняя кромка нижнего сегмента 82 уплотнения лопасти содержит пружинное уплотнение 86, которое вставлено в канал 87 пружинного уплотнения. Пружинное уплотнение 86 осуществляет нажим внутрь в направлении скользящей лопасти 116, чтобы помочь герметизировать нижнюю канавку 117 уплотнения лопасти. Передняя уплотняющая поверхность пружинного уплотнения 86 канавки лопасти покрыта твердой смазкой 35, состоящей из оксидов для высокотемпературной смазки и износостойкости. Опорные гребни 118 уплотнения нижней лопасти скользящей лопасти 116 герметизированы пружинными уплотнениями 119 гребня, вставленными в углубления 120 пружины гребня, расположенные около основания опорных гребней 118 уплотнения лопасти. Пружинное уплотнение 119 гребня оказывает нажим наружу от уплотнения гребня 118 лопасти на внутреннюю поверхность нижнего уплотнения 82 лопасти, герметизируя осевой газовый канал 97, чтобы газы сгорания в газовом канале 97 не могли выходить из основания нижнего уплотнения 82 лопасти и во внутренние части ротора 183. Уплотняющая поверхность пружинного уплотнения 119 гребня также покрыта твердой смазкой 35, состоящей из оксидов для работы при высокой температуре и для износостойкости.
Проход для Выпуска Воды
Со ссылкой на фиг.18 нижняя кромка скользящих лопастей 80 уплотнения 79 раздвоенной лопасти наклонен назад к той скользящей лопасти 116. Это помогает обеспечить долгосрочную посадку уплотнения 80 лопасти на скользящей лопасти 116, без того, что оно будет выступать сверху скользящей лопасти 116. Это также создает проход 125 для выпуска воды, поскольку небольшое количество деионизированной воды 320 из области охлаждения 361 внутреннего ротора и лопасти активной системы 362 охлаждения могут попасть под низ уплотнения 80 лопасти вдоль опорных гребней 118 лопасти, пока она не достигнет пружинного уплотнения 119 гребня лопасти, которое герметизирует газ сгорания на верхней поверхности, а деионизированную воду 320 снизу. Деионизированная вода 320 из активной системы 362 охлаждения внутри прохода 125 для выпуска воды также помогает смягчить удары и вибрацию в уплотнениях 80 лопасти уплотнений 79 раздвоенной лопасти, возникающие из-за сил сгорания, скользящего контакта с внутренней поверхностью 37 статора кожуха статоров 2 и 4 кожуха, и от перескакивания уплотнений лопасти вперед и назад. Это приводит к более ровной работе двигателя и улучшает рабочие характеристики уплотнения 80 лопасти и его срок службы.
Твердые Смазки
Со ссылкой на фиг.8-28 твердые смазки на основе оксидных материалов, нанесены на контактные поверхности нагрузки всех уплотнений 78 камеры сгорания. Это помогает снизить трение между всеми движущимися частями, уменьшая, таким образом, теплообразование. Это также обеспечивает систему смазки, которая не будет смешиваться с реакцией сгорания или загрязнять ее в камере 34 сгорания. Специальные смазочное покрытие на основе бинарных оксидов и Супертвердого Нанокомпозита (СТНК), разработанное в Национальной Лаборатории в Аргонне, может быть использовано для этого применения. Предпочтительно, могут быть использованы оксидные твердые смазки PS304, полученные методом плазменного напыления, которые имеют максимальный рабочий диапазон 900°С.
Конструкция Скользящей Лопасти
Со ссылкой на фиг.18-27, скользящая лопасть 116 в целом имеет полуовальную перевернутую U-образную форму, полная форма которой аналогична геометрическому профилю внутренней поверхности 37 статора кожуха внутренних статоров 2 и 3 кожуха. Скользящая лопасть имеет канавку 117 раздвоенной лопасти, выполненную для удержания уплотняющих лопастей 80 уплотнения 79 раздвоенной лопасти и поддержки опорных гребней 118, чтобы помочь предотвратить искажение и деформирование уплотнений 80 лопасти уплотнения 79 раздвоенной лопасти из надлежащего положения уплотняющего контакта с внутренней поверхностью 37 статора кожуха статоров 2 и 4 кожуха.
Перевернутая U-образная Центральная Часть
Со ссылкой на фиг.18, центральная перевернутая U-образная часть 360 скользящей лопасти 116 срезана, чтобы уменьшить массу материала скользящей лопасти. Поскольку скользящая лопасть 116 вращается вокруг внутренней поверхности 37 статора кожуха, массовый вес скользящей лопасти может приложить значительную центробежную силу к уплотнениям 79 раздвоенной лопасти и к внутренней поверхности 37 статора кожуха, что может привести к чрезмерным силам трения, следствием чего будут ухудшенные рабочие характеристики двигателя 1, деформация скользящих лопастей 116 и износ уплотнения 78 раздвоенной лопасти. Удаление этой центральной перевернутой U-образной части 360 скользящей лопасти 116 сильно уменьшают ненужный массовый вес скользящей лопасти 116 и чрезмерные силы трения, чтобы улучшить рабочие характеристики двигателя 1, срок службы лопасти 116 и рабочие характеристики и срок службы уплотнения 78 раздвоенной лопасти. Чтобы гарантировать, что конструкция скользящей лопасти 116 не будет искажена из-за удаления большой перевернутой U-образной части 360, маленькие вертикальные 121 и горизонтальные 122 опорные стержни вставлены через перевернутое U-образное отверстие 360 конструкции скользящей лопасти 116. Горизонтальный опорный стержень 122 скользящей лопасти 116 имеет многочисленные отверстия 123, просверленные в его поверхности для уменьшения массового веса горизонтальной поддерживающей конструкции 123, а также для обеспечения свободного перемещения деионизированной воды 320 в области 361 внутреннего ротора и скользящей лопасти активной водной системы 362 охлаждения. Нижние торцевые поверхности 126 скользящей лопасти наклонены или скошены от центра скользящей лопасти 116 по направлению наружу к боковым статорам 2 и 4 кожуха, что обеспечивает отклонение деионизированной воды 320 из активной системы 362 охлаждения внутри центра ротора 183 наружу к углублениям 44 возврата воды бокового внутреннего кожуха, расположенным с обеих сторон нижнего внутреннего статора 2 кожуха, а затем в резервуар 300 хранения горячей воды.
Покрытие, Создающее Тепловой Барьер
Со ссылкой на фиг.18-28, покрытие 36, создающее тепловой барьер (ПТБ) нанесен на переднюю и заднюю поверхности 349 скользящих лопастей 116. ПТБ 36 защищает скользящие лопасти от высоких температур газа сгорания, поступающих из камеры 34 сгорания, которая может повредить или размягчить скользящие лопасти 116 и привести к тепловым деформациям. Тепловые деформации скользящих лопастей 116 могут быть еще более серьезными из-за сил сгорания из камеры 34 сгорания и из-за контакта скользящей лопасти с внутренней поверхностью 37 статора кожуха статоров 2 и 4 кожуха. Это может привести к рассогласованию уплотнений 80 лопасти с внутренней поверхностью 37 кожуха, и привести к повреждению уплотнения 80 лопасти и/или внутренней поверхности 37 статора кожуха, или неисправность уплотнения. ПТБ 36 помогает защитить скользящую лопасть 116 от высоких температур сгорания, которые могли бы привести к тепловым деформациям. Это помогает улучшить герметизацию уплотнения 80 лопасти скользящей лопасти 116, рабочие характеристики уплотнения 79 раздвоенной лопасти камеры 34 сгорания вдоль внутренней поверхности 37 статора кожуха статоров 2 и 4 кожуха.
Покрытия 36, создающие тепловой барьер, также помогают предотвратить окисление материала подложки. Покрытия, создающие тепловой барьер, с низкой теплопроводностью выполнены из Циркония, стабилизированного Иттрием (ЦСИ), легированного дополнительными оксидами, которые выбраны для создания термодинамически устойчивых, сильно отклоняющих структур решетки с рассчитанными диапазонами размеров дефектного кластера, чтобы уменьшить теплопроводность и улучшить адгезию соединения с поверхностью ротора. ЦСИ ПТБ с дефектным кластером имеет теплопроводность, равную от 1,55 до 1,65 ватт на метр на градус Цельсия между 400 и 1400°С.
Канал Тепловой Трубы
Со ссылкой на фиг.18-27, каждая из скользящих лопастей 116 содержит внутренний канал 127 тепловой трубы, который имеет перевернутую U-образную форму, подобен периметру 350 скользящей лопасти и расположен как раз под канавкой 117 уплотнения лопасти. Внутренний канал 117 тепловой трубы лопасти слегка заполнен водой в качестве рабочей жидкости, которая передает тепло из области 129 испарителя тепловой трубы лопасти от периметра 350 всей скользящей лопасти внутреннему конденсатору 130 тепловой трубы лопасти. Путем обеспечения непрерывного изменения рабочей среды - воды из жидкости в газ, а затем снова обратно в жидкость позволяет большому количеству тепла быть переданным на звуковых скоростях. Канал 127 тепловой трубы лопасти работает между 24 и 202°С, или между 75 и 397°F, при этом чем больше разница температур между областью 129 испарителя тепловой трубы лопасти и внутренним конденсатором 130, тем быстрее скорость теплопередачи.
Область испарителя тепловой трубы помогает поглотить и передать тепло из камеры 34 сгорания, которое влияет на периметр 350 скользящей лопасти 116, уплотнения 80 лопасти уплотнения 79 раздвоенной лопасти, гребни 118 уплотнения лопасти и канавку 117 уплотнения раздвоенной лопасти. Она также помогает передать тепло, которое проходит через ПТБ 36 вдоль передней и задней лицевых поверхностей 349 скользящих лопастей 116. Передача тепла от этих элементов помогает предотвратить тепловое повреждение и деформации, которые могут повредить скользящую лопасть 116 и уплотнения 78 раздвоенной лопасти, внутреннюю поверхность 37 статора кожуха, и приводит к неисправности уплотнения и других элементов.
Во время работы канала 127 тепловой трубы лопасти тепло от камеры 34 сгорания поглощается областью 129 испарителя камерой тепловой трубы вдоль вершины искривленной части 350 периметра скользящей лопасти 116, где тепло от передней и задней лицевых поверхностей 349 скользящих лопастей 116, уплотнения 79 раздвоенной лопасти, гребней 118 уплотнения лопасти и канавки 117 уплотнения раздвоенной лопасти передается в канал 127 тепловой трубы так, чтобы рабочая текучая среда - вода изменяет фазовое состояние из жидкости в газ вдоль поверхности области 129 испарителя тепловой трубы лопасти. Нагретый газовый пар передается через канал тепловой трубы лопасти одному из двух внутренних конденсаторов 126, расположенному в нижних углах скользящей лопасти 116, где тепло от газа передается во внутренний конденсатор тепловой трубы, и газ изменяет фазовое состояние обратно в воду и циркулируется обратно в область испарителя 129 тепловой трубы. Тепло во внутреннем конденсаторе тепловой трубы лопасти передается путем проводимости наружному конденсатору тепловой трубы лопасти, который передает это тепло путем проводимости деионизированной воде 320, которая распыляется во внутреннюю область 361 ротора и лопасти из активной системы 362 охлаждения. Нагретая вода 320 собирается во внутреннем канале 44 возврата воды кожуха и циркулирует по внутренней трубке 326 ротора и лопасти, и в резервуар хранения 300 горячей воды.
Деионизированная вода 320 является предпочтительным рабочим материалом для внутренней части канала 127 тепловой трубы лопасти. Тепловые трубы обычно работают с использованием силы тяжести или капиллярной системы. В системе силы тяжести тепло поглощается нижним испарителем канала тепловой трубы лопасти, приводя к преобразованию внутреннего рабочего материала из твердого тела или жидкости в газовый пар, который поднимается к верхнему конденсатору канала тепловой трубы лопасти посредством конвекции, чтобы тем самым передать и высвободить его тепло. Однако в скользящей лопасти 116 в соответствии с настоящим изобретением, канал 127 тепловой трубы лопасти вращается в роторе 183, который создает сильные центробежные силы, создающие большие силы, которые меняют на противоположное направление силы тяжести для действия теплопередачи в канале 127 тепловой трубы лопасти 127 так, что идеальное направление теплопередачи может происходить от наружного периметра или верхних поверхностей 350 скользящей лопасти 116 вдоль области 129 испарителя тепловой трубы лопасти и к внутренним боковым нижним торцам скользящей лопасти 116 к внутренним конденсаторам 130 канала тепловой трубы лопасти, что то же, что и к центру ротора 183 выше приводного вала 18.
Канал 127 тепловой трубы лопасти обертывается по поверхности 349 периметра скользящей лопасти 116, где большие силы от сгорания и поверхностного контакта с внутренней поверхностью 37 статора могут привести к тепловым и механическим напряжениям вдоль этой поверхности 349 периметра. Канал тепловой трубы лопасти помогает контролировать тепловые напряжения путем охлаждения скользящей лопасти 116, но также повышает давление в канал 127 тепловой трубы лопасти, чтобы добавить конструктивной прочности скользящей лопасти 116. Поскольку вода в тепловой трубе лопасти нагрета, она изменяет свое фазовое состояние в газ более высокого давления, что повышает внутреннее давление в канале 127 тепловой трубы лопасти, чтобы лучше согласовываться с внешними давлениями в камере 34 сгорания. Это позволяет еще больше уменьшить дополнительную массу скользящей лопасти 116 путем включения канала тепловой трубы лопасти, не теряя при этом структурной целостности.
Внутренние и Внешние Конденсаторы Канала Тепловой Трубы Лопасти
Со ссылкой на фиг.27, внутренний конденсатор 130 канала лопасти предпочтительно выполнен из материала с высокой теплопроводностью, такого как алюминий, который является также стойким к водному и водородному окислению и запаян в торцах каналов тепловой трубы лопасти, чтобы полностью герметизировать и закрыть систему 127 канала тепловой трубы лопасти. Внутренний конденсатор 130 канала лопасти передает тепло к наружному конденсатору 132 тепловой трубы лопасти путем теплопроводности. Передняя лицевая поверхность наружного конденсатора 132 канала тепловой трубы лопасти покрыта наклонными гребнями и канавками 134. Тепло затем передается в деионизированную воду 320 из активной системы 362 охлаждения.
Наружный конденсатор канала тепловой трубы лопасти также предпочтительно выполнен из высокопроводящего материала, такого как алюминий, который припаян к части 131 гребня и канавки внутреннего конденсатора тепловой трубы лопасти. Нижняя поверхность наружного конденсатора 132 лопасти наклонена или скошена по направлению наружу к сторонам внутренних статоров 2 и 4 кожуха. Это помогает отклонить деионизированную воду 320 от активной системы 362 охлаждения, которая внутри внутренней центральной части ротора 183 должна быть отклонена к обеим сторонам внутренних статоров 2 и 4, чтобы быть собранной углублением 44 возврата воды кожуха, расположенным на нижних внутренних статорах 2 кожуха. Эта нижняя наклонная поверхность наружного конденсатора тепловой трубы лопасти соответствует нижней наклонной поверхности 126 скользящей лопасти 116 так, что деионизированная вода 320 может быть без проблем отклонена через обе поверхности, соприкасающиеся с двумя сторонами внутренних статоров 2 и 4 кожуха.
Пористая Труба Капилляра/Замерзания Канала Тепловой Трубы Лопасти
Снова со ссылкой на фиг.27, внутрь канала 127 тепловой трубы лопасти помещена пористая труба 128 капилляра/замерзания, который оборачивается по всей длине канала 127 тепловой трубы лопасти от одного внутреннего конденсатора 130 тепловой трубы до другого конденсатора 130 тепловой трубы. Пористая труба 128 капилляра/замерзания выполнена из сетки из нержавеющей стали или предпочтительно из металлического сплава с эффектом запоминания формы (СЭЗФ) из сплава меди-цинка-алюминия (CuZnAl), которые переплетены вместе и припаяны или приварены точечной сваркой в форме трубы. Так как канал 127 тепловой трубы лопасти полностью герметизирован с рабочей текучей средой - водой внутри него, он подвержен повреждению от расширения при замерзании воды при холодной погоде, когда двигатель 1 подвержен воздействию температурам ниже 0°С (32°F). Чтобы противодействовать расширению воды при замерзании, пористая труба изолирует часть рабочей текучей среды - воды в центре пористой трубы 128 капилляра/замерзания. Когда рабочая текучая среда начинает замерзать и расширяться, незамерзшая рабочая текучая среда - вода в центре пористой трубы капилляра/замерзания поднимается по капилляру вдоль пористой трубы 128 капилляра/замерзания. Это позволяет рабочей текучей среде - воде расшириться путем врывания внутрь вместо того, чтобы разрываться наружу, и, тем самым, устраняется давления расширения, которые могли бы привести к повреждению канала 127 тепловой трубы лопасти или скользящей лопасти 116. При использовании СЭЗФ для пористой трубы 128 капилляра/замерзания нижняя часть пористой трубы 128 капилляра/замерзания может быть деформирована, поскольку рабочая текучая среда - вода расширяется и врывается внутрь пористой трубу 128 капилляра/замерзания. Когда температура камеры 127 тепловой трубы лопасти повышается приблизительно до 0 градусов С (32 градусов F) и рабочая текучая среда изменяет фазовое состояние от льда обратно в жидкость, тогда пористая труба капилляра/замерзания принимает обратно свою изначальную форму.
Когда ротор 183 находится в остановленном положении, скользящие лопасти 116 ориентированы под разными углами, что объединяют рабочую текучую среду - воду в одном из двух мест. Первое место находится вдоль двух нижних конденсаторов 130 тепловой трубы лопасти, а другое - вдоль поверхности области 129 испарителя тепловой трубы. Посредством пористой трубы 129 капилляра/замерзания, обернутой по всей длине канала 127 тепловой трубы лопасти, торцы пористой трубы капилляра/замерзания управляют любую замерзающую рабочую текучую среду, которая объединяется около двух внутренних конденсаторов тепловой трубы лопасти. Поскольку пористый капилляр оборачивается вокруг канала 127 тепловой трубы лопасти, это обеспечивает непосредственный контакт с верхней или наружной поверхностью середины области 129 испарителя тепловой трубы. Это контролирует любую замерзающую рабочую текучую среду, которая объединяется вдоль области 129 испарителя тепловой трубы, чтобы быть проведенной по капилляру в двух направлениях от центра пористой трубы 128 капилляра/замерзания к двум торцам пористой трубы 128 капилляра/замерзания. Это позволяет с помощью пористой трубы 128 капилляра/замерзания контролировать замерзающую рабочую текучую среду - воду, которая скапливается под любым углом ориентации на роторе 183.
Система Коромысла Ремня Лопасти
Со ссылкой на фиг.18, 25, 27, и 29, нижняя часть U-образного отверстия скользящей лопасти 116 содержит систему 363 стержня коромысла ремня лопасти, которая может быть как одинарной системой 142 стержня коромысла ремня 142 для одинарного центрального ремня 137 лопасти системы 136 ремня лопасти, так и двойной системой 143 стержня коромысла ремня для двух наружных ремней 138 лопасти системы 136 ремня лопасти. Одинарные 142 и двойные 143 системы стержня коромысла соединяют одинарные 137 и двойные 138 ремни лопасти системы 136 ремня лопасти со скользящими лопастями. Перескакивающее действие одинарных 142 и двойных 143 систем стержня коромысла обеспечивает для системы 136 ремня лопасти более широкий диапазон втягивания и выдвижения одинарного 142 и двойного 143 ремней, чтобы лучше соответствовать внутренней геометрической искаженной овальной форме внутреннего профиля поверхности 37 кожуха статоров 2 и 4 кожуха. Система 363 стержня коромысла ремня лопасти состоит из центрального штыря 145 поддержки ремня, который поддерживает либо одинарный, либо двойной комплект связок 147 коромысла ремня через центральные отверстия 144 стержня коромысла. Связки коромысла поддерживают два меньших стержня 146 ремня лопасти, прикрепленные к связкам 147 коромысла через отверстия 148 стержня ремня лопасти, расположенные на концах каждой из связок 147 стержня коромысла. Втулка 149 стержня коромысла скользит по стержням 146 ремня лопасти. Именно втулка 149 металлического стержня, а не границы 367 петли ремня одинарных 137 и двойных 138 ремней лопасти, берут на себя большую часть износа от перескакивающего движения. Центральные отверстия 144 стержня коромысла и меньшие стержни 146 ремня лопасти покрыты твердой смазкой, который предпочтительно состоит из почти невязкой смазки из углерода, или алмазоподобного углерода, чтобы еще улучшить высокоскоростное перескакивающее действие и уменьшить износ связок 147 ремня лопасти и вращающееся движение металлических втулок 148 стержня лопасти.
Прикрепление одинарных 140 и двойных 141 сегментов ремня лопасти к втулкам 148 стержня ремня лопасти чередующихся скользящих лопастей 116 связывает их вместе, чтобы создать либо одинарную 137, либо двойную 138 систему замкнутой петли ремня лопасти для обеспечения управления положениями скользящих лопастей 116, когда они вращаются вместе с ротором 183 внутри внутренней поверхности 37 статора. Одинарные 142 и двойные 143 системы коромысла ремней лопасти обеспечивают соединение концов сегментов ремня лопасти в виде непрерывной системы ремня, без необходимости выполнения ремня в виде только одного сегмента ремня. Это бы значило, что одинарные 137 и двойные 138 ремни лопасти должны делать тугой изгиб под каждой лопастью скольжения 116 внутри узкого прохода 184 лопасти ротора, что может привести к напряжению в ремне и его разрыву.
Система Регулирования Натяжения Ремня Лопасти
Обратимся снова к фиг.18, 27 и 29, где показано, что чтобы поддерживать надлежащее натяжение либо одинарных 137, либо двойных 138 ремней лопасти системы 136 ремня лопасти, нижние боковые части внутреннего перевернутого U-образного отверстия 360 скользящей лопасти 116 содержат систему 150 регулирования натяжения ремня лопасти, которая может регулировать положение основного стержня ремня, и, тем самым, натяжение присоединенных либо одинарных 137, либо двойных 138 ремней лопасти. Основной стержень 145 ремня лопасти соединен с двумя торцевыми держателями 151 стержня через отверстия 152 стержня поддержки ремня лопасти. Два держателя 151 стержня ремня лопасти посажены в основании каналов регулирования натяжения ремня лопасти, расположенных на обеих сторонах внутреннего нижнего центрального перевернутого U-образного отверстия 360 скользящей лопасти 116. Две винта 153 регулировки натяжения вставлены через отверстия 154 винта регулировки натяжения в основании скользящей лопасти 116, стержня ремня лопасти, и торцевом держателе 151 стержня ремня лопасти. Винты 155 регулировки натяжения лопасти свободно поворачиваются в выполненных без резьбы отверстиях 154 винта лопасти скольжения 116, но для регулировки их положения вверх и вниз во внутренней части канала 124 регулировки натяжения ремня лопасти используются отверстия 154 винта с резьбой в стержне 145 ремня лопасти и в торцевом держателе 151 стержня ремня лопасти. Как только установилось надлежащее натяжение ремня, винт 153 регулировки натяжения закрепляется на месте с контргайкой 155 винта натяжения. Альтернативная система регулирования натяжения ремня лопасти может заключаться в использовании отличающихся комплектов торцевых держателей 151 стержня ремня лопасти, которые имеют отличающееся положение стержня 145 натяжения ремня лопасти. Под держатель 151 стержня ремня могут быть проложены маленькие прокладки, чтобы еще сильнее закрепить натяжение.
Антицентробежные Системы Лопасти
Система Ремня Лопасти
Со ссылкой на фиг.29, антицентробежная система 136 ремня лопасти обеспечивает способность лопасти вращаться вокруг асимметричного или искаженного овального геометрического профиля внутренней поверхности 37 статора кожуха и сводит к минимуму чрезмерные центробежные уплотняющие силы лопасти скольжения 116. Независимо от скорости оборота двигателя 1 уплотняющая сила скользящей лопасти 116, действующая на внутреннюю поверхность 37 статора кожуха, остается относительно постоянной по всему периметру.
Эта система 136 ремня лопасти состоит из одинарного центрального ремня 137, двойных наружных ремней 138 и систем 139 фасонного ремня. Со ссылкой на фиг.44, одинарный центральный ремень 137 лопасти присоединен ко втулкам 148 стержня ремня лопасти одинарных систем 142 коромысла ремня из четырех чередующихся лопастей скольжения 116. Со ссылкой на фиг.46, двойные наружные ремни 138 лопасти имеют ширину, равную половине ширины одного центрального ремня 137 лопасти и присоединены ко втулкам 148 стержня ремня лопасти двойных систем 143 коромысла ремня из других четырех чередующихся лопастей скольжения 116. Во время работы системы 136 ремня лопасти одинарный центральный ремень 137 лопасти проходит по центру радиального вращения ротора 183, а два наружных ремня 138 лопасти проходят снаружи обеих сторон внутреннего центрального ремня 137 лопасти, так что одинарный центральный ремень 137 лопасти и двойные наружные ремни 138 лопасти не мешают друг другу и поддерживают надлежащий баланс.
Система 136 ремня лопасти является чрезвычайно динамичной, чтобы соответствовать искаженному овальному профилю геометрии вращения внутренней поверхности 37 статора кожуха. Коромысло 142 одинарного ремня и лопасти и коромысло 143 двойного ремня лопасти обеспечивают более широкий рабочий диапазон вытягивания ремня из ротора для, соответственно, одинарного ремня 137 лопасти и для двойных ремней 138 лопасти, а также помогают втягиванию лопастей обратно в ротор, уменьшая напряжения, действующие на скользящие лопасти 116.
Со ссылкой на фиг.29-36, во время работы систем одинарного центрального ремня 137 или наружного двойного ремня 138, когда по меньшей мере одна из четырех соединенных ремнями скользящая лопасть 116 выступает наружу из центра ротора, другие соединенные ремнями скользящие лопасти 116 втягиваются обратно внутрь к центру ротора 183, уравновешивая центробежные силы, направленные наружу, внутренними центростремительными силами скользящих лопастей 116, чтобы получить относительно постоянную уплотняющую силу, действующую на внутреннюю поверхность 37 статора кожуха. Однако пиковые центробежные силы могут наблюдаться в точке, в которой скользящие лопасти 116 дальше всего выступают из ротора 183, что происходит в месте 33 максимального расширения. Чтобы помочь свести к минимуму эту пиковую силу, два маленьких фасонных ремня 139 прикреплены к подшипникам 175 фасонного ремня, которые прикреплены к наружным боковым торцам арочного стержня 159 поддержки обеих чередующихся одного 137 и двойного 138 ремня лопасти, как показано на фиг.41 и 48. Два фасонных ремня 139 связывают вместе движение обоих систем одинарного ремня 137 лопасти и двойного ремня 138 лопасти как единую объединенную систему 136 ремня лопасти. Это, тем не менее, позволяет обоим ремням работать независимо, выдвигая и втягивая скользящие лопасти 116, чтобы соответствовать внутренней поверхности 37 статора кожуха, но более ограниченным или усредненным способом, который более ровно соответствует искаженному овалу профиля внутренней поверхности 37 статора кожуха. Вместо того, чтобы использовать только четыре чередующиеся скользящие лопасти 116, чтобы соответствовать внутренней поверхности 37 статора кожуха, фасонные ремни 139 в состоянии связать и использовать вместе все восемь скользящих лопастей 116 из систем одинарного ремня 137 лопасти и двойного ремня 138 лопасти, чтобы лучше соответствовать профилю внутренней поверхности 37 статора кожуха. Это значительно уменьшает пиковую центробежную силу в месте самого большого выдвижения. Однако пиковые центробежные силы могут все еще быть достаточно сильными, чтобы тащить и искажать всю систему 136 ремня в этот месте самого большого выдвижения. Со ссылкой на фиг.29, чтобы иметь возможность это контролировать, ограничивающие пружины 212 арки ремня вложены во внутреннюю полость 363 ротора, которая выравнивается с боковой аркой 176 фасонного ремня, который прикреплен к торцам каждого из опорного стержня 159 арки ремня. Ограничивающие пружины 169 арки ремня находятся в неподвижном положении, которое соответствует максимальному выдвижению скользящих лопастей 116, по мере того, как они вращаются и скользят по внутренней поверхности 37 статора кожуха. У каждой боковой арки 176 фасонного ремня есть две ограничивающие пружины 212 арки ремня в каждом опорном стержне 159 арки ремня в общей сложности всего для четырех ограничивающих пружин 212 арки ремня для каждого опорного стержня 159 арки ремня. Один опорный стержень 159 арки ремня ориентирован под каждой скользящей лопастью 116. Когда скользящие лопасти 116 достигают точки самого большого выдвижения в зоне 33 расширения, две боковые арки 176 фасонного ремня сжимают соответствующие четыре ограничивающие пружины 212 арки ремня, чтобы ограничить выдвижение опорного стержня 159 арки ремня и соответствующей скользящей лопасти 116. Это поддерживает все скользящие лопасти 116 в балансе с постоянной центробежной силой, которая равномерно приложена вдоль внутренней поверхности 37 статора кожуха из статора кожухов 2 и 4 во время всего вращения ротора 183, независимо от скорости оборота двигателя. Эта постоянная центробежная сила значительно уменьшает полное трение скольжения скользящих лопастей 116 относительно внутренней поверхности 37 статора кожуха, что особенно полезно во время поздних стадий расширения сгорания, когда давления газа понижаются, а скользящие лопасти 116 максимально вытянуты наружу от ротора 183, где центробежные силы максимальны.
Ограничивающие пружины 212 арки ремня также помогают поглощать и смягчать резкие силы вибрации в скользящих лопастях 116 и в системе 136 ремня лопасти.
Арочная Опора Ремня Лопасти
Со ссылкой на фиг.32 и 34, при соединении чередующихся скользящих лопастей 116 вместе, одинарные 137 и двойные 138 ремни лопасти должны быть согнуты на 90 градусов между двумя смежными соединенными скользящими лопастями 116. Одна из проблем, связанная с концепцией ремня лопасти, заключается в том, что материал, из которого изготовлен ремень, должен быть согнут на углах при высоких скоростях. Чтобы достичь этого, для одинарных 137 и двойных 138 систем ремня лопасти используются, соответственно, одинарные 156 и двойные 157 системы арочного подшипника.
Со ссылкой на фиг.38 и 39, одинарные 137 и двойные 138 системы подшипника арочного ремня лопасти предпочтительно содержат центральную опору 158 арочного ремня лопасти, некоторое число подшипников 178 качения ремня лопасти и скользящие гребни 161.
Центральная Арочная Опора
Каждая верхняя поверхность одинарной и двойной арочной опоры 158 ремня лопасти изогнута с большой дугой, которая минимизирует острый угол изгиба одинарного 137 и двойного 138 ремней лопасти в 90 градусном угле между чередующимися скользящими лопастями 116. Каждая из арочных опор также имеет три углубления 160 подшипника качения, которые удерживают подшипники 178 качения ремня и четыре гребня 161 скольжения ремня лопасти между каждым из подшипников 178 качения, а также отверстия выпуска воды, чтобы выпускать деионизированную воду 320 из внутренней полости 363 ротора из активной системы 362 охлаждения, для предотвращения накапливания воды в углублении 160 подшипника качения. Деионизированная вода 320 обеспечивает некоторую смазку и охлаждение системе 136 ремня лопасти и подшипникам качения ремня лопасти. Это помогает уменьшить трение ремня и увеличить срок службы и прочность ремней.
Боковые Арочные Запорные Пластины
Каждая арочная опора 158 ремня лопасти содержит две боковые арочные запорные пластины 163, которые прикреплены к арочной опоре 158 ремня лопасти четырьмя заклепками 166, проходящими насквозь арочной опоры 158 ремня лопасти. Боковые арочные запорные 163 и заклепки 166 добавляют конструктивную прочность арочной опоре 158. Верхние кромки арочных запорных боковых пластин 163 выступают выше поверхности арочной опоры 158 ремня лопасти для формирования скругленных зубцов 164 ремня лопасти, чтобы помочь удержанию движущимся одинарным 137 и двойным 138 ремням лопасти в надлежащем согласованном положении во время их движения через арочные опоры 158 ремня лопасти.
Арочные Подшипники Качения Ремня Лопасти
Использование подшипников 178 качения ремня лопасти сверху арочной опоры 158 ремня улучшает движение ремней 136 лопасти. Подшипники 178 качения ремня лопасти состоят из подшипника 180 качения, имеющего маленький диаметр, который уменьшает инерциальные силы ускорения и замедления массы, чтобы способствовать улучшению движения ремня через арочную опору 158 ремня. Наружные подшипники 180 качения имеют маленькие отверстия 181, просверленные в подшипнике, чтобы позволить деионизированной воде 320 смазывать и охлаждать подшипник 180 качения ремня лопасти и шпиндель 179 подшипника качения. Шпиндель 179 также покрыт твердой смазкой 35, наподобие почти безфрикционного углерода или алмазоподобной углеродной смазкой. Торцы шпинделя 179 завинчены в пружинные опоры 182 подшипника качения, которые посажены в отверстиях 165 опоры пружины подшипника на боковых арочных запорных пластинах 163, расположенных на каждой стороне арочной опоры 158 ремня лопасти. Отверстия 165 опоры пружины подшипника расположены на боковых арочных запорных пластинах 163, чтобы правильно ориентировать подшипники 180 качения в углублении 160 подшипника качения и установить хороший контакт с одинарными 137 и двойными 138 ремнями лопасти.
Во время работы двигателя, на низких скоростях оборота, меньше чем или равных приблизительно 1000 оборотов в минуту, одинарные 137 и двойные 138 ремни лопасти системы 136 ремня лопасти вступают в контакт с поверхностью подшипников 180 качения ремня лопасти, чтобы помочь увеличить скорость движения и уменьшить кинетическое трение одинарных 137 и двойных 138 ремней лопасти назад и вперед через арочные опоры 158 подшипника ремня лопасти. Шпиндельная пружинная опора 182 подшипника ремня лопасти также помогает смягчить любые вибрации в одинарных 137 или двойных 138 ремней лопасти для гладкого рабочего перемещения.
На более высоких рабочих скоростях, больших, чем приблизительно 1000 оборотов в минуту, масса подшипника качения приводит к большому ускорению и силам инерции, которые ограничивают движение одинарных 137 и двойных 138 ремней лопасти. Однако при более высоких рабочих скоростях двигателя шпиндельные опоры пружины подшипника качения ремня лопасти сжимаются из-за больших центробежных сил вращения ротора 183 и обеспечивает движение одинарных 137 и двойных 138 ремней лопасти по арочной опоре 159 ремня лопасти без контакта с подшипниками 180 качения. Во время работы на высокой скорости подшипники 180 качения ремня лопасти остаются сжатыми в арочной опоре 158 углублений подшипника 160 качения, пока скорость работы двигателя не снизится до величин меньше чем или равных приблизительно 1000 оборотов в минуту, при которых подшипники качения ремня лопасти возвращают себе доминирующий контакт с движущимися одинарными 137 и двойными 138 ремнями лопасти системы 136 ремня лопасти. Чтобы дальше улучшить движение одинарных 137 и двойных 138 ремней лопасти и уменьшить трение по арочной опоре 158 ремня лопасти, используются гребни 161 скольжения ремня лопасти.
Гребни Скольжения Ремня Лопасти
Со ссылкой на фиг.38 и 39, когда одинарные 137 и двойные 138 ремни лопасти перемещаются на высокой скорости по арочной опоре 158 ремня лопасти, подшипники 80 качения ремня лопасти сжимаются в углублениях 160 подшипника качения, а одинарные 137 и двойные 138 ремни лопасти движутся по гребням 161 скольжения. Могут использоваться скользящие гребни 161 покрыты твердой смазкой 35, состоящей из почти безфрикционного углерода или алмазоподобной углеродной смазки, или предпочтительно смазочного покрытия из Супертвердого Нанокомпозита (СТНК), разработанного в Национальной Лаборатории в Аргонне. Скользящие гребни 161 и углубления подшипников качения создают турбулентный воздушный поток, который в свою очередь создает подушку воздуха между одинарными 137 и двойными 138 ремнями лопасти и верхней поверхностью арочной опоры 158. Это обеспечивает движение одинарных 137 и двойных 138 ремней лопасти на еще более высоких скоростях с очень низким контактным трением с гребнями 161 скольжения ремня лопасти.
Динамический Стержень Арочной Опоры
Стержень 159 арочной опоры удерживает либо одинарные 156, либо двойные 157 подшипники арки ремня лопасти. Одинарные 156, либо двойные 157 подшипники арки ремня лопасти удерживаются в надлежащем положении на стержне 159 арочной опоры посредством хомута 172 арочной опоры, который расположен в углублении 173 арочного хомута, которое расположено на обеих сторонах одинарных 156, либо двойных 157 арочных опор подшипника ремня.
Торцы каждого стержня 159 арочной опоры имеют шайбу 174 фасонного ремня, чтобы помочь удерживать фасонные ремни 139 в положении вдоль внутреннего края подшипника 175 фасонного ремня, который позволяет фасонным ремням 139 свободно радиально перемещаться по рабочим поверхностям подшипника 175 фасонного ремня. Арка 176 фасонного ремня удерживает фасонные ремни 139 в положении вдоль наружного края подшипника 175 фасонного ремня.
Во время работы двигателя 1 на высокой скорости, где скорость оборота ротора 183 равна или больше чем приблизительно 1000 оборотов в минуту, пружины 169 арочной опоры ремня сжимаются, и стержень 158 арочной опоры перемещается вниз в отверстии 168 арочной опоры в боковых пластинах 163 арочной опоры и в канале 368 арочной опоры, обеспечивая выдвижение наружу одинарных 156 и двойных 157 арочных опор ремня лопасти, чтобы скользящие гребни 161 ремня лопасти могли поддерживать надлежащий контакт с одинарными 137 и двойными 138 ремнями лопасти. Когда рабочая скорость оборота двигателя 1 падает до приблизительно 1000 оборотов в минуту или меньше, пружины 169 арочной опоры ремня разжимаются, также как и опорные пружины 182 подшипника качения ремня лопасти, при этом стержень 159 арочной опоры перемещается вверх в отверстии 168 арочной опоры в боковых пластинах 163 арочной опоры и в канале 368 арочной опоры, обеспечивая установление первичного контакта подшипниками 180 качения ремня лопасти с одинарными 137 и двойными 138 ремнями лопасти. Пружины 169 арочной опоры ремня также помогают смягчить резкие вибрации при работе, а также помогают обеспечивать ровную работу системы 136 ремня лопасти.
Материалы Ремня Лопасти
Со ссылкой на фиг.36, ремни 137 и 138 лопасти предпочтительно выполнены из тонких волокон с высокой прочностью на растяжение, которые сотканы с образованием ремня. В качестве возможных волокон могут быть использованы стекла Nextel610 и AGY's933-S2. Волокна сотканы в плоские ремни с ровной поверхностью с двумя петлями на каждом торце 367, чтобы состыковываться с втулкой 148 коромысла ремня раздвоенной лопасти 116 одинарного ремня 142 и двойного ремня 143 системы коромысла. Когда деионизированная вода 320 активной системы 262 охлаждения циркулирует во внутренней полости 363 ротора, пиковая рабочая температура системы 136 ремня лопасти составляет приблизительно 121°С (250°F). Это помогает сохранять прочность волокна и свести к минимуму тепловое расширение волокна. В альтернативном варианте, для системы 136 ремня лопасти может быть использовано стекловолокно или волокно из Кевлара, из которых может быть соткан ремень. Эти материалы имеют малый вес и высокий предел прочности, низкое удлинение, с максимальной непрерывной рабочей температурой, равной 232°С (450°F).
Чтобы улучшить рабочие характеристики и срок службы ремней, ремни 137 и 138 лопасти предпочтительно выполнены с многочисленными слоями из волокон, а затем прошиты вместе. Основной верхний слой является прочностным слоем 169, который содержит большеразмерные волокна, и, как результат, имеет более грубое заполнение и намотанную тканую структуру. Эта структура создает большее количество трения, вибрации и износа, когда она скользит по конструкции 161 гребня арочной опоры. Чтобы улучшить рабочие характеристики скольжения, нижний легкий слой 171 материала предпочтительно прошиты вместе с основным прочностным слоем. Этот нижний легкий слой предпочтительно выполнен из более тонких волокон и, как результат, более мелкое заполнение и тонкую намотанную тканую структуру.
Волокна ремня могут также быть покрыты твердой смазкой, такой как Тефлон или почти бесфрикционный углерод, чтобы еще больше снизить их трение и износ. Тефлоновое PTFE покрытие имеет коэффициент трения, равный 0,06. Почти бесфрикционный углерод имеет коэффициент трения, равный 0,02.
Шарниры Ремня Лопасти
Со ссылкой на фиг.32-36, арочный подшипник 158 ремня лопасти создает большую дугообразную поверхность для передвижения одинарного 137 или двойного 138 ремней лопасти. Это сильно уменьшает напряжения сгиба в материале ремня лопасти. Чтобы еще улучшить одинарные 137 и двойные 138 ремни лопасти, а также гибкость фасонного ремня, в сегменты одинарных 140 и двойных 141 и фасонных 364 ремней ремня лопасти могут быть помещены связующие штыри 365 со швами 366 шарнира. Связующие штыри 365 могут быть выполнены из нержавеющей стали или неметаллического материала. Штыри могут быть покрыты твердой Тефлоновой смазкой, почти бесфрикционного водорода, или алмазоподобного углерода, чтобы уменьшить износ 365 штыря и улучшить скорость перемещения шарниров 366 и уменьшить износ. Для продления срока службы шарниры 366 предпочтительно могут быть выполнены из нержавеющей стали.
Со ссылкой на фиг.3З, 35, и 37, когда шарниры 366 включены в ремни, они добавляют небольшую переходную поверхность, которая не находится заподлицо с ремнем. Эта поверхность может привести к неровной работе ремня. Чтобы учесть это смещение, может быть добавлен другой легкий заполняющий слой 170, толщина которого соответствует толщине шарнира 366. Этот слой может быть расположен между верхним прочностным слоем 169 и нижним легким слоем 171, при этом все три слоя могут быть прошиты вместе. Это обеспечивает ровную работу нижнего легкого слоя 171 на гребне 161 арочной опоры.
Ремень и Соединение Втулки Коромысла
Чтобы присоединить одинарные 137 и двойные 138 ремни лопасти к одинарным 142 и двойным 143 коромыслам, составные ремни оборачиваются вокруг металлической втулки 149 скольжения, и удерживаются на месте запирающей крышкой 369 втулки ремня. Чтобы минимизировать изгиб ремня, вокруг металлической втулки 149 вставлен маленький треугольный клин 370 втулки ремня (не показан), чтобы угол прикрепления ремня был более постепенным с меньшим напряжением на ремнях.
Конструкция Ротора
Со ссылкой на фиг.3, узел 183 ротора состоит из шести или восьми сегментных узлов 310 ротора, в зависимости от конструкции двигателя 1. В предпочтительном варианте выполнения двигателя 1 может быть использовано восемь сегментных узлов 310 ротора. Скользящие лопасти 116 помещены между каждым сегментным узлом 310 ротора и формируют проход 184 лопасти для втакта туда скользящих лопастей 116. Все сегментные узлы 310 ротора удерживаются вместе с помощью боковых запорных пластин 215, формируя ротор 183.
Сегментный Узел Ротора
Со ссылкой на фиг.40, каждый сегментный узел 310 ротора состоит из верхнего сегмента 311 сгорания ротора, системы теплового контроля ротора, боковых пластин 209 ротора, запорных планок 208, внутренней крышки 210 пластины, тангенциальных подшипников 223 скользящей лопасти 116, лицевых уплотнений 111 лопасти, осевых уплотнений 102 ротора, и ограничивающих пружин 212 фасонного ремня лопасти.
Сегмент Сгорания Ротора
Наружная поверхность 185 ротора и углубления 186 сгорания ротора также покрыты покрытием, создающим тепловой барьер. Покрытие, создающее тепловой барьер, помогает предотвратить теплоту сгорания от проникновения в сегмент 311 сгорания ротора, камеру 190 водяного пара ротора, и во внутреннюю полость 363 ротора, в результате чего может произойти тепловое повреждение и деформация ротора 183, скользящих лопастей 116, или системы 136 ремня скользящей лопасти.
Осевые Уплотнения Ротора и Лицевые Уплотнения Лопасти
Со ссылкой на фиг.40 и 50, сегмент 311 сгорания ротора также имеет углубление 187 осевого уплотнения лопасти, и углубление 378 осевой пружины, которые изгибаются по боковой поверхности сегмента 311 сгорания ротора для удержания осевого уплотнения 102, и пружины 110 осевого уплотнения. Углубление 188 лицевого уплотнения лопасти и углубление 189 пружины уплотнения лопасти, расположенные на обеих, передней и задней, поверхностей 371 скользящей лопасти сегмента 371 сгорания ротора, удерживают лицевые уплотнения 111 лопасти и пружины 114 лицевого уплотнения лопасти.
Система Тангенциального Подшипника Скользящей Лопасти
Со ссылкой на фиг.40 и 47, для улучшения «возвратно-поступательного» движения скользящих лопастей 116 из ротора 183, по всем передним и задним поверхностям 371 скользящей лопасти ротора сегментов 311 сгорания ротора, которые формируют пазы 184 скользящей лопасти ротора, выполнены небольшие подшипники 223 качения. Каждый подшипник 223 качения содержит шпиндель 227 подшипника качения, который покрыт твердой смазкой, выполненной из оксидов для высокотемпературной смазки и износостойкости. Наружный подшипник 225 качения является полым и помещен над шпинделем 227 подшипника для образования непосредственного контакта и вращения вместе с движущимися передней и задней поверхностями 349 скользящих лопастей 116. Наружный подшипник качения также имеет маленькие отверстия 226, выполненные в его поверхности так, чтобы вода/пар 320 из активной системы 362 охлаждения могли оказать помощь в смазке и охлаждении наружного тангенциального подшипника 225 и шпинделя 227 внутреннего подшипника. Шпиндель 227 предпочтительно выполнен из высокопрочного сплава и покрыт оксидной смазкой. Пружинные опоры 228 шпинделя подшипника качения присоединены к каждому торцу шпинделя 227 подшипника качения.
Подшипники 223 качения ориентированы между сорока пятью и девяноста градусами к направлению вращения ротора 183, но предпочтительно 45 градусов, и могут быть использованы для обеспечения возвратно-поступательного движения скользящих лопастей 116 в проходе 184 скользящей лопасти ротора 183. Во время работы двигателя, когда скорость оборота ротора 183 меньше чем или равна приблизительно 1000 оборотам в минуту, наружные подшипники 225 качения осуществляют непосредственный контакт с передней и задней поверхностями 349 скользящих лопастей 116, чтобы уменьшить их трение скольжения и износ при их возвратно-поступательном движении внутри прохода 184 лопасти ротора. Во время высокоскоростной работы двигателя, когда скорость оборота ротора 183 больше чем приблизительно 1000 оборотов в минуту, силы ускорения и вращательной инерции подшипника 225 качения намного более существенные и добавляют больше трения движущимся скользящим лопастям 116. Однако в это время пружинные опоры тангенциального подшипника качения лопасти сжимаются и втягивают тангенциальные подшипники 223 качения лопасти в углубления 224 тангенциального подшипника качения лопасти, размыкая поверхностный контакт наружного тангенциального подшипника 225 качения лопасти с движущейся лицевой поверхностью 349 скользящей лопасти 116. Это позволяет скользящим лопастям 116 проходить вдоль приподнятых зигзагообразных гребней 221 скольжения лопасти в проходе 184 лопасти ротора с более высокими скоростями и с более низким трением.
Зигзагообразные Гребни Скольжения Лопасти
Снова со ссылкой на фиг.40, чтобы далее улучшить «возвратно-поступательное» перемещение скользящих лопастей 116 внутри пазов 184 лопасти, выполнены зигзагообразные гребни 221, проходящие вертикально по всем передним и задним лицевым поверхностям 371 скольжения лопасти ротора. Вершины этих зигзагообразных гребней покрыты твердой смазкой, состоящей из оксидов для высокотемпературной смазки и износостойкости. В альтернативном варианте может быть использовано смазочное покрытие на основе Супертвердого Нанокомпозита (СТЫК). Оксидная смазка создает коэффициент трения, который меньше или равен 0,2 с очень низкой скоростью износа.
Каналы Воды/Пара
Далее со ссылкой на фиг.40, между зигзагообразными гребнями расположены каналы 222 воды/пара. Когда скользящая лопасть 116 перемещается внутрь прохода 184 скользящей лопасти ротора 183 и из нее, гребни 221, имеющие форму зигзага, создают большую турбулентность в каналах 222 воды/пара, что, в свою очередь, создает подушку воздуха между контактными поверхностями. Это еще больше усиливает движение скользящих лопастей 116 и уменьшает их трение. Когда деионизированная вода 320 из внутренней области 361 ротора и скользящей лопасти активной системы 362 охлаждения поступает и протекает по каналам 222 воды/пара, она также течет по передним и задним лицевым поверхностям 349 скользящих лопастей 116, которые были нагреты из-за того, что были подвержену процессу сгорания в камере 34 сгорания, при этом деионизированная вода 320 превращается в пар. Поскольку деионизированная вода 320 помогает охладить передние и задние лицевые поверхности 349 скользящих лопастей 116, деионизированная вода 320 измененяет фазовое состояние в пар высокого давления. Этот пар высокого давления далее расширяется в каналах 222 воды/пара, чтобы слегка приподнять передние и задние поверхности 349 скользящих лопастей 116 от зигзагообразных гребней 221 скольжения, позволяя им перемещаться более свободно в проходе 184 скользящей лопасти с уменьшенным трением и износом. Водяной пар 320 также помогает поглотить резкие вибрации, чтобы еще больше снизить повреждение и износ, обеспечивая более ровную работу двигателя 1. Нагертый пар и/или сконденсированный водяной пар будут циркулировать к наружным сторонам ротора 183, вдоль внутренних сторон статоров 2 и 4 кожуха, и принуждаются проходить через углубление 44 возврата воды/пара в резервуар хранения горячей воды активной системы 362 охлаждения.
Системы Теплового Контроля Ротора
Во время процесса сгорания тепло проходит через поверхность ротора 183 и проникает в сегмент 311 сгорания ротора и в центральную полость 363 ротора, что может привести к тепловому повреждению элементов системы 136 ремня лопасти и сегмента 310 узла ротора. Чтобы активно удалить избыточное тепло из сегмента 311 сгорания ротора и внутренней полости 363 ротора, используется система 190 паровой камеры ротора совместно с активной водной системой 362 охлаждения.
Высокотемпературные Сплавы Ротора
Высокотемпературные сплавы, такие как Haynes 230 или 188, предпочтительно используются в конструкции сегмента 311 ротора сгорания. Эти материалы сохраняют свои прочностные свойства при высоких температурах и будучи длительное время подвержены условиям сгорания, т.е. более чем 35000 часов при 600 градусах Цельсия. Эти сплавы имеют низкий коэффициент теплового расширения, приблизительно
-6
8,2*10 на градус Цельсия. Это помогает свести к минимуму тепловые деформации и тепловую усталость.
Покрытия, Создающие Тепловой Барьер Ротора
Покрытия 36, создающие тепловой барьер также помогают предотвратить окисление материала подложки. Покрытия с низкой теплопроводностью, создающие тепловой барьер, выполненные из ЦСИ, легированного дополнительными оксидами, которые выбраны для создания термодинамически устойчивых, сильно отклоняющих структур решетки с заданными диапазонами размеров дефекта-кластера, чтобы снизить теплопроводность и улучшить адгезию соединения с поверхностью ротора.
Дефектный кластер ПТБ Циркония Стабилизированного Иттрием (теплопроводность ЦСИ равна от 1,55 до 1,65 Ватт на метр градус Цельсия между 400 и 1400 градусами Цельсия).
Системы Паровой Камеры Ротора
Со ссылкой на фиг.43, 44, 45, 47, 48, 49, 50 и 51, выполнение элементов двигателя 1, которые непосредственно подвержены высоким температурам сгорания, таких как сегмент 311 сгорания ротора, из высокотемпературных сплавов, и покрытие их покрытиями 36, создающими тепловой барьер, сильно уменьшает тепловое повреждение и замедляет проникновение тепла во внутреннюю полость 363 ротора. Однако все еще необходимо удалить избыточное тепло, которое в конечном счете проникает через поверхность 183 ротора и передается путем проводимости во внутреннюю полость 363 ротора узла 310 сегмента ротора. Камера 190 водяного пара ротора используется в каждом сегменте 310 ротора 183. Камеры 190 водяного пара ротора расположены только под верхней поверхностью 185 ротора и углублением 186 полости сгорания сегмента 311 сгорания ротора. Тепло, которое проникает через эти поверхности нагревает воду внутри камер 190 водяного пара ротора вдоль верхней или наружной поверхности 191 испарителя, форма которой в радиальном и осевом направлениях соответствует форме изгибов профиля верхней поверхности 183 ротора. Когда вода нагревается вдоль поверхности 191 испарителя паровой камеры, она изменяет фазовое состояние из жидкости в газ, поглощая большое количество тепла от поверхности 191 испарителя и передавая это тепло газу водяного пара. Посредством внутреннего давления в камере нагретый водяной пар циркулирует ко внутренним конденсаторам ротора, расположенным на обеих осевых сторонах узла 310 сегмента ротора, где нагретый водяной пар передает тепло внутреннему конденсатору 200 и изменяет фазовое состояние обратно в жидкость и циркулирует обратно к поверхности 191 испарителя паровой камеры ротора.
Деионизированная вода 320 является предпочтительной рабочей средой внутри паровой камеры 190 ротора. Путем непрерывного изменения фазового состояния рабочей текучей среды - воды из жидкости в газ, а затем снова обратно в жидкость, обеспечивается передача большого количества тепла на звуковых скоростях. Камера 190 водяного пара ротора работает между 24 и 202°С (между 75 и 397°F), при этом чем больше разница температур между областью 191 испарителя паровой камеры ротора и внутренним конденсатором 200 ротора, тем быстрее скорость теплопередачи.
Камера водяного пара ротора работает точно так же, как и тепловая труба, в которой сила тяжести или капиллярная система используются для циркуляции рабочей текучей среды. В системе силы тяжести тепло поглощается вдоль нижней поверхности испарителя паровой камеры, приводя к преобразованию внутренней рабочей среды из твердого или жидкого состояния в газовый пар, который посредством конвекции поднимается к верхнему конденсатору паровой камеры, чтобы передать и высвободить свое тепло. Однако в роторе 183 настоящего изобретения паровая камера 190 ротора вращается внутри ротора 183, что создает сильные центробежные силы, создающие, в свою очередь, большие силы, которые изменяют направление действия силы тяжести в отношении теплопередачи в камере 190 водяного пара на обратное. Измененное направление теплопередачи на обратное идеально для двигателя 1 настоящего изобретения, поскольку обеспечивает идеальную теплопередачу от верхней поверхности 191 испарителя паровой камеры 190 ротора только под наружной поверхностью 185 ротора, перенося поглощенное тепло в направлении нижних боковых торцов паровой камеры 190 ротора к внутреннему конденсатору 200 ротора. Во внутреннем конденсаторе 200 паровой камеры ротора внутренняя раб7очая среда - водяной пара изменяет фазовое состояние из газа в жидкость в процессе переноса тепла во внутренний конденсатор 200 ротора. Затем вода в жидком состоянии циркулирует обратно наружу в направлении поверхности 191 испарителя паровой камеры ротора, чтобы повторно использоваться в циркуляции.
Со ссылкой на фиг.44 и 50, для улучшения капиллярного потока рабочей текучей среды - воды около наружных зон 191 поверхности испарителя 191 камеры 190 водяного пара ротора предпочтительно используется слой мелкоячеистой капиллярной сетки 192. Это позволяет небольшим жидким капелькам воды высокого давления легко проходить вдоль наружной поверхности 191 испарителя ротора и изменяет фазовое состояние из жидкости в газ. Крупноячеистый капиллярный слой 193 капиллярной сетки используется от конца внутренних конденсаторов 200 ротора вдоль сторон паровой камеры 190 ротора для взаимодействия с мелкоячеистым слоем 193. Это обеспечивает легкое протекание жидких капелек воды большего размера более низкого давления к наружному слою 193 мелкоячеистой капиллярной сетки из рабочей жидкости в любое место в паровой камере 190 ротора вдоль наружной зоны 191 поверхности испарителя. Крупноячеистая капиллярная сетка 193 проходит слегка под мелкоячеистой капиллярной сеткой 192 на границе 369 сетки. Это позволяет большим капелькам воды перемещаться ближе к поверхности 191 испарителя паровой камеры ротора. Это также позволяет меньшим капелькам воды проходить по капилляру ближе к внутреннему конденсатору 200 паровой камеры ротора. И мелкоячеистая 192, и крупноячеистая 193 капиллярные сетки окружены внешней мелкоячеистой сеткой 194. Внешняя мелкоячеистая сетка 194 помогает распределить рабочую текучую среду по всем поверхностям камеры 190 водяного пара ротора. Она также помогает удерживать рабочую текучую среду вдоль передней и задней лицевых поверхностей узла 310 сегмента ротора, чтобы способствовать охладить тепло, перенесенное в проходе 184 скользящей лопасти, и от лицевых уплотнений 111 лопасти.
Для улучшения циркуляции рабочей текучей среды - газа, выступающие гребни 196 паровой камеры на внутренней стороне поверхности нижней крышки 195 паровой камеры ротора, удерживают и прижимают друг к другу мелкоячеистые 192 и крупноячеистые 193 слои капиллярной сетки. Они также создают большие пустоты, или каналы 197, паровой камеры ротора между выступающими гребнями 196 для обеспечения легкого протекания рабочей текучей среды - газов.
Камера водяного пара ротора помогает поддерживать поверхность 183 ротора 183 и полость 184 сгорания при хороших рабочих температурах. Это также помогает обеспечивать постоянную температуру этих поверхностей для сведения к минимуму любых тепловых горячих пятен, сводя к минимуму тепловое повреждение и стабилизируя условия реакции сгорания в камере 34 сгорания.
Внутренние и Внешние Конденсаторы Паровой Камеры Ротора
Со ссылкой на фиг.41, 43, и 50, внутренний конденсатор 200 паровой камеры ротора предпочтительно выполнен из материалов с высокой теплопроводностью, таких как алюминий, и запаян на торцах сегмента 311 сгорания ротора, чтобы полностью герметизировать и закрыть систему 190 камеры водяного пара ротора. Наружная поверхность внутреннего конденсатора 200 паровой камеры ротора также предпочтительно выполнена из материала с высокой теплопроводностью, такого как алюминий, и содержит вертикальные гребни и канавки 201, которые используются для стыковки с гребнями и канавками 203 из наружного конденсатора 202 паровой камеры ротора. Передняя лицевая поверхность наружного конденсатора 202 паровой камеры ротора также покрыта комбинацией изогнутых гребней и канавок 204, а также радиальных прямых гребней и канавок 205. И изогнутые 204 и радиальные прямые 205 гребни и канавки увеличивают площадь поверхностного контакта для теплопередачи с помощью деионизированной воды 320, чтобы поглотить тепло от наружного конденсатора 202 паровой камеры ротора.
Пористая Труба Капилляра/Замерзания Камеры Водяного Пара Ротора
Со ссылкой на фиг.43 и 45, осевые 198 и радиально 199 ориентированные пористые трубы капилляра/замерзания расположены в камере 190 водяного пара ротора. Осевая пористая труба капилляра/замерзания оборачивается по всей длине камеры 190 водяного пара ротора от одного внутреннего конденсатора 200 паровой камеры ротора до другого внутреннего конденсатора паровой камеры ротора 200, расположенного на другой стороне. Радиальная пористая труба 199 капилляра/замерзания проходит радиально через верхнюю центральную часть внутреннюю камеру 190 водяного пара ротора. Осевые 198 и радиальные 199 пористые трубы капилляра/замерзания выполнены из сетки из проволоки из нержавеющей стали или, предпочтительно, из металлических сплавов с эффектом запоминания формы (СЭЗФ), выполненных из сплава медь-цинк-алюминий (CuZnAl), которые сотканы вместе и запаяны или сварены точечной сваркой в форму трубы. Радиальная пористая труба 199 помогает посредством капилляра провести воду радиально через верхнюю поверхность камеры 190 водяного пара ротора. Что еще более важно, поскольку камера 190 водяного пара ротора полностью герметизирована с рабочей текучей средой - водой внутри нее, то она подвержена повреждению при расширении замерзающей воды, когда двигатель 1 подвергается воздействию температур ниже 0°С (32°F). Чтобы противостоять расширению воды при замерзании, пористая труба изолирует часть рабочей текучей среды - воды в осевых 198 и радиальных 199 пористых трубах капилляра/замерзания. Когда рабочая текучая среда начинает замерзать и расширяться, незамерзшая рабочая текучая среда - вода в центре пористых труб капилляра/замерзания проводится капиллярно вдоль осевых 198 и радиальных 199 пористых труб капилляра/замерзания. Это позволяет рабочей текучей среде - воде расшириться, врываясь внутрь в пористые трубы капилляра/замерзания, вместо того, чтобы вырваться наружу, создавая направленное наружу давление расширения, которое может привести к повреждению камеры 190 водяного пара ротора или узла 310 ротора 183. Путем использования СЭЗФ для осевых 198 и радиальных 199 пористых труб капилляра/замерзания, их нижние части могут деформироваться, поскольку рабочая текучая среда - вода замерзает и расширяется, врываясь в осевые 198 и радиальные 199 пористые трубы капилляра/замерзания. Как только температура камеры водяного пара ротора повысится приблизительно до 0°С (32°F) и рабочая текучая среда изменит фазовое состояние из льда обратно в жидкость, осевые 198 и радиальные 199 пористым трубы капилляра/замерзания принимают первоначальную форму.
Осевые 198 и радиальные 199 пористые трубы капилляра/замерзания помещены в осевые 264 и радиальные 265 отверстия канала в мелкоячеистой 192, крупноячеистой 193 и наружной 194 капиллярных сеток. Это помогает удерживать все различные капиллярные материалы и трубы в надлежащих местах во время работы двигателя 1. Это также обеспечивает проход осевых 198 и радиальных 199 труб до самых нижних углов и поверхностей, где собирается рабочая текучая среда - вода.
Крышка Камеры Водяного Пара Ротора
Со ссылкой на фиг.50, крышка 195 камеры водяного пара ротора плотно входит в нижнюю часть сегмента 311 сгорания ротора. На внутренней поверхности ротора имеются выступы 196 гребня, формирующие пустоты 197 камеры водяного пара ротора, которые обеспечивают быстрое перемещение водяного газового пара в камере 190 водяного пара ротора. Гребни внутренней поверхности также помогают удерживать внутренние мелкоячеистые 192 и крупноячеистые 193 капиллярные сетки на своих местах во время работы двигателя 1.
Внутренняя поверхность как гребней 196 камеры водяного пара ротора, так и каналов 197 крышки 195 камеры водяного пара ротора покрыты покрытием 36, создающим тепловой барьер. Покрытие 36, создающее тепловой барьер, помогает удерживать тепло в камере 190 водяного пара ротора и ограничивать перенос тепла через крышку 195 камеры водяного пара и во внутреннюю зону 363 полости ротора.
Внутренняя Закрывающая Пластина Ротора
Со ссылкой на фиг.42, 45, и 69, внутренняя закрывающая пластина 210 ротора приварена к нижней части сегмента 311 полости сгорания, который проходит над крышкой камеры 197 водяного пара ротора над запорной планкой 208 и приварен вдоль внутренних поверхностей боковин пластин 209 ротора. Крышка 210 ротора добавляет некоторую конструктивную прочность узлу 310 сегмента ротора. Она также используется для создания теплоизолирующей пустоты, чтобы предотвратить проникновение тепла от поверхности 185 ротора и камеры 190 водяного пара ротора во внутреннюю полость 363 ротора. Она также используется для закрытия больших открытых зон во внутренней полости 363 ротора. Это помогает ограничить допуск деионизированной воды 320 из активной системы 362 охлаждения к ключевым зонам каналов 222 воды/пара вдоль передних и задних лицевых поверхностей 371 скользящей лопасти проходов 184 скользящей лопасти. Она также способствует созданию каналов с сильной турбулентностью внутри полости 363 ротора из-за движения скользящих лопастей 116 и системы 136 ремня лопасти. Эта сильная турбулентность помогает равномерно распределить деионизированную воду 320 и пар от активной системы 362 охлаждения по всей внутренней части полости 363 ротора.
Наружные поверхности 211 внутренней закрывающей пластины 210 ротора наклонены от центра внутренней полости 363 ротора к наружным сторонам ротора 183.
Ограничивающие Пружины Фасонного Ремня Лопасти
Со ссылкой на фиг.42, 48, и 46, ограничивающие пружины 212 фасонного ремня лопасти содержат трапециевидные выступы 213, которые плотно входят в трапециевидное углубление 214, расположенное на внутренней поверхности боковой пластины 209 ротора в зоне внутренней полости 363 ротора. Трапециевидные выступы 213 ограничивающей пружины фасонного ремня лопасти соединены прихваточным швом, чтобы их надежно удерживать в трапециевидных углублениях 214 внутренних боковых пластин 209 ротора. Ограничивающие пружины 212 фасонного ремня лопасти ограничивают максимальное вытягивание боковых арок 176 фасонного ремня лопасти, чтобы помочь поддерживать фасонные ремни 139, остальную часть системы 136 ремня лопасти и скользящие лопасти 116 правильно совмещенными с внутренней поверхностью 37 статора кожуха статоров 2 и 4 кожуха.
Система Камеры Паров Натрия
Со ссылкой на фиг.3, 6, и 71, двигатель 1 использует систему 229 теплопередачи камеры паров натрия для переноса тепла от зон 32 сгорания с высокой температурой к промежуточным и более поздним стадиям зон 33 расширения. Камера 229 паров натрия использует натрий в качестве рабочей текучей среды и работает от 600 до 1100°С, но предпочтительно до 900°С. В двигателе 1 камера 229 паров натрия обеспечивает постоянную температуру в статоре 4 камеры паров натрия в зонах сгорания 32 и расширения 33, которая при работе приблизительно равна 600°С. Во время сгорания смесь водорода/воды/воздуха воспламенятся в камере 32 сгорания и достигает максимальной температуры, равной приблизительно 1800К или 1526°С. Покрытие 36, создающее тепловой барьер, нанесено на углубление 277 покрытия теплового барьера вдоль передней внутренней поверхности 37 статора из статора 4 камеры паров натрия, чтобы защитить камеру паров натрия от постоянных чрезмерных тепловых нагрузок. Часть теплоты сгорания будет проходить через покрытие 36, создающее тепловой барьер, и статор 4 камеры паров натрия и проникает в камеру 229 паров натрия вдоль части 379 испарителя, где рабочая текучая среда - натрий изменяет свое фазовое состояние из жидкости в газ. Во время промежуточных и более поздних стадий сгорания-расширения в зонах 33 камеры расширения температуры расширяющегося газа могут стать ниже, чем температура в камере 229 паров натрия, при этом рабочая текучая среда - натрий изменяет свое фазовое состояние из газа в жидкость, передавая свое тепло из камеры 229 паров натрия вдоль зоны 380 конденсатора через статор 4 камеры паров натрия, и обратно в камеру 34 сгорания, чтобы способствовать поддержанию высоких давлений газа на поздней стадии. После чего натрий в виде жидкости передается по капилляру к зоне 379 испарителя посредством капилляров и капиллярного давления.
Капиллярные Сетки Камеры Паров Натрия
Со ссылкой на фиг.57-62, система 229 камеры паров натрия использует ряд капиллярных сеток для перемещения рабочей текучей среды - натрия. Чтобы улучшить капиллярный поток рабочей текучей среды - натрия вблизи наружных зон 379 поверхности испарителя камеры 229 паров натрия, используется слой мелкоячеистой капиллярной 230-сетки 200. Это позволяет небольшим жидким капелькам натрия высокого давления легко проходить вдоль наружной поверхности 379 испарителя камеры паров натрия и изменять фазовое состояние из жидкости в газ. Крупноячеистый капиллярный слой 232 капиллярной 100-сетки используется на другом конце камеры 229 паров натрия вдоль зоны 380 конденсатора. Это обеспечивает легкое протекание жидких капелек натрия большего размера более низкого давления назад к зоне 379 испарителя. Чтобы еще больше улучшить проход по капилляру рабочей текучей среды - натрия, промежуточная капиллярная 150-сетка 231 помещена между мелкоячеистыми 230 и крупноячеистыми 232 частями капиллярной сетки, чтобы обеспечить переходную капиллярную сетку для капелек жидкого натрия среднего размера.
Все три части сетки, мелкоячеистая 230, промежуточная 231, и крупноячеистая 232 капиллярные сетки окружены промежуточной наружной 150-сеткой 234. Наружная капиллярная сетка 234 помогает распределить рабочую текучую среду по всем поверхностям камеры 229 паров натрия. Она также помогает улучшить условия начального замерзания натрия, обеспечивая небольшой резерв жидкого натрия в зоне 379 испарителя. Однако могут иметься проблемы запуска паровой камеры и может произойти повреждение, поскольку в зоне испарителя недостаточно рабочей текучей среды, что приводит к сухим пятнам, которые могут перегреться. В двигателе 1 искривленная форма камеры 229 паров натрия собирает рабочую текучую среду - натрий около обоих концов камеры 229 паров натрия, по направлению к испарителю 379, и по направлению к конденсатору 380. Это обеспечивает доступность части натрия в зоне 379 испарителя во время запуска, а путем использования промежуточной наружной капиллярной сетки обеспечивается распределение части рабочей текучей среды - натрия вокруг зоны 379 испарителя камеры паров натрия и достигается непосредственный контакт со статором 4 камеры паров натрия.
Со ссылкой на фиг.57, 61, и 62, для улучшения циркуляции рабочей текучей среды - газа натрия гребни 252 камеры паров натрия выполнены выступающими из внутренней поверхности стороны наружной крышки 251 камеры паров натрия. Выступы 252 гребня камеры паров натрия также помогают удерживать мелкоячеистую 230, промежуточную 231, и крупноячеистую 232 части капиллярной сетки в своих надлежащих местах в камере 229 паров натрия. Выступы 252 гребня также создают большие пустоты, или каналы 253, камеры паров натрия между выступами 252 гребня для обеспечения легкого протекания рабочей текучей среды - газа натрия.
Со ссылкой на фиг.52 и 59-64, наружная поверхность крышки 251 камеры паров натрия имеет ряд осевых и радиальных опорных ребер 257, которые добавляют конструктивную прочность наружной крышке 251 камеры паров натрия. Армирующие гребни 257 также создают пустое пространство между крышкой 251 камеры паров натрия и наружным изолирующим материалом 258, чтобы обеспечить дополнительную тепловую преграду для предотвращения потери тепла через наружную крышку 251 паровой камеры системы 229 камеры паров натрия.
Камера Разрыва для Регулирования Давления в Камере Паров Натрия
Со ссылкой на фиг.52, 57, 60, и 62-64, натрий сильно реактивен с водой, и когда нагревается от работы двигателя 1, это создает высокое давление в камере 229 паров натрия. Чтобы воспрепятствовать разрыву камеры паров натрия, как следствие случайного удара или слишком большого давления в камере 229 паров натрия, наружная поверхность крышки 251 камеры паров натрия включает систему камеры 245 разрыва. Это обеспечивает систему защиты, предназначенную для уменьшения давления в камере паров натрия и предотвращения разрыва камеры 229 паров натрия и выпуска из нее натрия. Система 245 разрыва камеры паров натрия состоит из цилиндра 246 разрыва, газовой камеры 248, диска 247 регулирования давления натрия, диска 249 сигнала разрыва, и флажка 250 сигнала разрыва. Цилиндр 246 разрыва регулирования давления завинчен в верхнюю крышку 251 камеры паров натрия, откуда диск 247 регулирования давления выступает во внутренние рабочие части камеры 229 паров натрия. Верхняя часть цилиндра 246 разрыва закрыта диском 249 сигнала разрыва, создающим область 248 газа между диском регулирования давления и диском 249 сигнала разрыва. Область 248 газа заполнена сжимаемым инертным газом, наподобие аргона или, предпочтительно, криптона. Если наружная поверхность камеры 229 паров натрия испытывает сильный удар, или же внутреннее давление станет слишком большим, то диск регулирования давления вожмется в область 248 газа и сожмет газ. Газ паров натрия также поступит в камеру 248 регулирования давления цилиндра 246 разрыва, понижая полное внутреннее давление в камере 229 паров натрия, чтобы предотвратить прорыв натрия через наружную крышку 251 камеры 229 паров натрия. Если давление газа становится слишком большим, это приведет к вынужденному выходу диска 249 сигнала разрыва наружу в середине, что вызовет появление флажка 250 сигнала разрыва через отверстие 267 сигнала разрыва в наружном 258 материале уплотнения, в качестве сигнала о том, что диск 247 разрыва сломан и должен быть заменен. Камера 229 паров натрия будет продолжать работать, но при более безопасном более низком давлении из-за доступа натрия к добавленному объему вакуумной камеры 248 системы 245 камеры разрыва.
Система 245 регулирования давления камеры 229 паров натрия также помогает сохранить идеальные внутренние эксплуатационные режимы паровой камеры путем регулирования внутреннего давления камеры паров натрия. Поскольку тепло переносится в камеру 229 паров натрия, температура и давление повышаются. При этом более низкое давление способствует идеальному поддержанию потоков пара. Для достижение этого давления диск 247 регулирования давления проходит в цилиндр 246 разрыва и сжимает газ 248, уменьшая, тем самым, относительное внутреннее рабочее давление камеры 229 паров натрия.
Термоэлектрический Преобразователь на Основе Щелочных Металлов (ТЭПЩМ)
Со ссылкой на фиг.62-64, рабочая текучая среда - натрий, рабочая температура, и профиль циркуляции натрия в камере 229 паров натрия идентичны для работы термоэлектрического преобразователя 235 на основе щелочных металлов (ТЭПЩМ). Натрий является жидким металлом, который может изменить фазовое состояние из жидкости в газ и обратно в жидкость внутри камеры 229 паров натрия. Натрий может также передать твердый электрод 236, выполненный из бета оксида алюминия (ТЭБА) для генерации электричества. ТЭБА 236 имеет структуру U-образной «картофельной чипсы» с рифленой поверхностью для увеличения площади поверхности ТЭБА 236 и ее способности генерировать электричество. Концы ТЭБА 236 закрыты вдоль наружной поверхности 381, чтобы способствовать сохранению высокого давления газа натрия под ТЭБА 236, чтобы содействовать ионам натрия проходить через положительную нижнюю поверхность 237 катода ТЭБА 236 к верхней поверхности 238 анода ТЭБА. ТЭБА 236 присоединен к внутренней поверхности крышки 251 камеры паров натрия посредством винта 241 ТЭБА, который завинчен через ТЭБА 236 в отверстие винта 241 в крышке 251 камеры паров натрия.
Чтобы электрически и ионно изолировать ТЭБА 236, винт 241 ТЭБА выполнен из электрически и ионно-инертного материала, наподобие циркония, который предотвращает закорачивание ТЭБА 236. Внутренняя поверхность камеры паров натрия также покрыта ПТБ 36, наподобие Циркония, Стабилизированного Иттрием (ЦСИ), который также помогает электрически и ионно изолировать верхнюю поверхность анода 238 ТЭБА 236. Чтобы электрически и ионно изолировать нижнюю поверхность катода 237 ТЭБА 236, непосредственно под ТЭБА 236 и поверх мелкоячеистых 230 и промежуточных 231 частей капиллярных сеток помещены тонкие капиллярные сетки, выполненные из кварцевых волокон 233. Наружная капиллярная сетка 34 также выполнена из электрически и ионно инертного материал, такого как волокна кварца или войлока, для изоляции ТЭБА 236. Путем изолирования ТЭБА 236 электрически и ионно может быть сгенерировано наибольшее количество электроэнергии без потери или короткого замыкания из-за контакта с электрическими или ионными проводящими поверхностями материала.
Со ссылкой на фиг.53, 54 и 59, внутренний электрический соединитель 242 скользит в углубление 244 паза, выполненного на наружной кромке 381 ТЭБА 236. Слои нижнего катода 238 и верхнего анода 237 входят в углубление 244 паза, нижняя кромка внутреннего электрического соединителя 242 вступает в контакт со слоем катода 238, а верхняя часть внутреннего электрического соединителя 242 вступает в контакт со слоем анода 237, образуя электрическую цепь с ТЭБА 236. Внутренний электрический соединитель проходит через отверстие 239 соединителя ТЭБА 239 в крышке 251 камеры паров натрия, и приварен или припаян, чтобы герметизировать камеру 229 паров натрия. Наружный электрический соединитель 244 ТЭБА стыкуется с внутренним электрическим соединителем 244 ТЭБА. Затем наружный электрический соединитель 244 ТЭБА проходит через отверстие 266 соединителя 266 в наружном уплотнении 258 камеры паров натрия. Затем провода соединяются с наружным электрическим соединителем ТЭБА к инвертору 370 электрической мощности для формирования электрической цепи с ТЭБА и согласования электрической мощности, произведенной ТЭБА 236 системы 235 термоэлектрического преобразователя на основе щелочных металлов.
Наружная Крышка и Уплотнение Камеры Паров Натрия
Со ссылкой на фиг.56-64, чтобы дальнейшего уменьшения возможной потери тепла от камеры 229 паров натрия на окружающую среду, внутренняя поверхность крышки 251 камеры паров натрия, наряду с выступами 252 гребня и каналами 253, покрыта ЦСИ покрытием 35, создающим тепловой барьер. Цирконий также выполняют функцию получения водорода, абсорбируя любой свободный водород, который диссоциирует или проходит через статор 4 кожуха. Кроме того, наружная поверхность крышки 251 камеры паров натрия покрыта толстым теплоизолирующим материалом 258, таким как защитное изолирующее покрытие, металлическая или керамическая пена, или изолирующие гранулы или шарики, которые содержатся в наружной оболочке. Изолирующий материал также помогает поглотить любой шум и вибрации, которые в состоянии пройти через крышку 251 камеры паров натрия.
Со ссылкой на фиг.53-64, наружная крышка 251 камеры паров натрия приварена к статору 4 камеры паров натрия. Небольшая проволочная прокладка 254 плотно входит в канал 255 проволочной прокладки, который проходит по наружному периметра камеры 229 паров натрия. Проволочная прокладка помогает предотвратить любые утечки натрия из под крышки 251 камеры паров натрия.
Наружные Камеры Водяного Пара Кожуха
Со ссылкой на фиг.67 и 70, благодаря наличию сегментированных зон впуска-сжатия и сгорания-расширения, имеется биполярный горячий/холодный температурный градиент во всем двигателе 1, который может привести к сильным тепловым деформациям статора кожухов 2 и 4. Рабочая темпертатура верхнего статора 4 камеры паров натрия равна приблизительно от 600 до 900°С. Нижний статор 2 кожуха охлаждается активной системой охлаждения и работает при максимальной температуре 98°С. Покрытие, создающее тепловой барьер, помещено вдоль привинченной поверхности верхнего статора 4 камеры паров натрия, чтобы свести к минимуму теплоперенос в нижний статор 2 кожуха. Чтобы свести к минимум тепловую деформацию нижнего статора 2 кожуха, две системы 68 камеры водяного пара кожуха помещены в нижний статор 2 кожуха вдоль соединяющейся поверхности с верхним статором 4 камеры паров натрия.
Камеры водяного пара помогают обеспечивать изотермичность нижней поверхности статора 2 кожуха вдоль привинченной части с верхним статором 4 камеры паров натрия. Это помогает поддерживать однородность температуры вдоль привинченной поверхности, чтобы свести к минимуму любые возможные горячие пятна, которые могут привести к тепловым деформациям.
Рабочая жидкость - вода в камере 68 водяного пара кожуха от верхней поверхности 69 испарителя и вдоль нее поглощает тепло, которое проникает через ПТБ 36 вдоль привинченной поверхности от ближайшего статора 4 камеры паров натрия, и переносит его к нижней боковой поверхности 77 конденсатора, ближайшей к проходам циркуляции воды впуска/сжатия 63 и подшипника/расширения 66 ротора системы циркуляции 262 активной водной системы охлаждения. Когда вода нагревается вдоль поверхности 69 испарителя паровой камеры кожуха, она изменяет фазовое состояние из жидкости в газ, поглощая большое количество тепла от поверхности 69 испарителя и передавая это тепло газу водяного пара. Посредством внутренних давлений камеры нагретый водяной пар циркулирует к поверхности 77 конденсатора камеры водяного пара кожуха. Там нагретый водяной пар передает тепло зоне 77 поверхности конденсатора, изменяет свое фазовое состояние обратно в жидкость и циркулирует назад к поверхности 69 испарителя камеры водяного пара кожуха.
Камеры 68 водяного пара кожуха работают при температуре между 24 и 202°С (или между 75 и 397°F). Чем больше разница температур между поверхностью 69 испарителя камеры водяного пара вдоль статора 4 камеры паров натрия и поверхностью 77 конденсатора камеры водяного пара вдоль водных проходов циркуляции впуска/сжатия 63 и подшипник/расширение ротора 66 активной водной системы 262 циркуляции, тем больше скорость теплопереноса.
Камеры 69 водяного пара кожуха имеют относительно длинную и узкую форму. Хотя и важно переносить тепло от площади 69 поверхности испарителя через узкую камеру водяного пара кожуха к площади 77 поверхности конденсатора, также важно переносить тепло вдоль длины камеры 68 водяного пара кожуха, чтобы обеспечить изотермичность нижнего статора 2 кожуха для поддержания тепловой однородности нижнего статора 2 кожуха и предотвращения горячие пятен и тепловых деформаций. Для улучшения капиллярного потока рабочей текучей среды - воды U-образная наружная капиллярная сетка 72 окружает мелкоячеистые 71 и крупноячейистые 72 слои капиллярных сеток. U-образная наружная капиллярная сетка помещена в непосредственном контакте с площадью поверхности 69 испарителя камеры водяного пара кожуха и вдоль обеих боковых торцевых поверхностей камеры 68 водяного пара кожуха. U-образная наружная капиллярная сетка выполнена из мелкоячеистой сетки, чтобы небольшие капельки жикой воды высокого давления могли легко протекать вдоль длины поверхности 69 испарителя камеры водяного пара кожуха, чтобы позволить рабочей текучей среде - воде изменять фазовое состояние из жидкости в газ. Вдоль нижней поверхности углубления 270 камеры водяного пара кожуха выполнен слой мелкоячеистой капиллярной сетки 71. Это позволяет небольшим капелькам жидкой воды высокого давления легко протекать вдоль длины камеры 68 водяного пара кожуха и к наружной поверхности 69 испарителя ротора, чтобы позволить рабочей текучей среде - воде изменять фазовое состояние из жидкости в газ. Крупноячеистый капиллярный слой 70 капиллярной сетки помещен сверху мелкоячеистого слоя 71 капиллярной сетки. Это позволяет большим капелькам жидкой воды низкого давления легко протекать вдоль длины камеры 68 водяного пара кожуха и в нижнюю часть мелкоячеистого слоя 71 капиллярной сетки.
Со ссылкой на фиг.67, для улучшения циркуляции рабочей текучей среды - газа, выступающие гребни 74 камеры водяного пара кожуха, выполненные на внутренней боковой поверхности крышки 73 паровой камеры кожуха, создают пустоты, или каналы 75, камеры водяного пара кожуха между выступающими гребнями 74 для легкого протекания рабочей текучей среды - газов. Гребни 74 паровой камеры кожуха также удерживают и прижимают друг к другу мелкоячеистые 71 и крупноячеистые 70 слои капиллярной сетки. Выступающие гребни 74 кожуха 74 имеют большую кромку 382 выступающего гребня, в направлении к боковой поверхности конденсатора камеры водяного пара кожуха, образуя слегка L-образную форму полного выступа гребня. Этот больший край выступающего гребня 382 также создает зону полости позади мелкоячеистых 71 и крупноячеистых 70 слоев капиллярной сетки и поверхности 77 конденсатора камеры водяного пара кожуха. Это позволяет нагретому водяному пару легко вступать в контакт с площадью поверхности 77 конденсатора камеры водяного пара кожуха, высвобождать свое тепло и изменять свое фазовое состояние из газового пара в жидкость.
Трубы Капилляра/Замерзания Камеры Водяного Пара Кожуха
Со ссылкой на фиг.65-67, поскольку камера 76 водяного пара полностью герметизирована с находящейся внутри рабочей текучей средой - водой, она подвержена повреждению из-за расширения воды при замерзании, когда двигатель 1 подвержен действию температур ниже 0°С (ниже 32°F). Для противостояния расширению воды при замерзании, пористая труба 76 капилляра/замерзания помещена в камеру 68 водяного пара кожуха. Пористая труба 76 капилляра/замерзания выполнена из металлических сплавов с эффектом запоминания формы (СЭЗФ), которые переплетены вместе и свернуты в форму трубы, а затем припаяны или сварены точечной сваркой вместе. Пористая труба герметизирует часть рабочей текучей среды - воды в центре пористой трубы 76 капилляра/замерзания так, что когда рабочая текучая среда начинает замерзать и расширяться, незамерзшая рабочая текучая среда - вода в центре пористой трубы капилляра/замерзания устремляется по капилляру вдоль пористой трубы 76 капилляра/замерзания. Это позволяет рабочей текучей среде - воде расширяться путем врывания внутрь вместо того, чтобы вырваться наружу, устраняя, тем самым, давления расширения, которые могут привести к повреждению камеры 68 водяного пара кожуха 68 или нижнего статора 2 кожуха. Путем использования СЭЗФ для пористой трубы 76 капилляра/замерзания, нижняя часть пористой трубы 76 капилляра/замерзания может быть деформирована по мере того, как рабочая текучая среда - вода расширяется и врывается внутрь пористой трубы 76 капилляра/замерзания. Когда температура камеры 68 водяного пара кожуха повышаются приблизительно 0 градсов С (32 градусов F) и рабочая текучая среда - вода измененяет свое фазовое состояние из льда обратно в жидкость, пористая труба 76 капилляра/замерзания возвращается назад в свою изначальную форму без какого-либо повреждения.
Пористые трубы капилляра/замерзания удерживаются в отверстиях 268 паза, выполненных в крупноячеистой капиллярной сетке 70. Крупноячеистая капиллярная сетка 70 с большой вероятностью содержит большие капли воды, которые замерзают и расширяются. Торцы пористых труб капилляра/замерзания также проникают в наружную капиллярную сетку через отверстия 269, чтобы приблизиться к кромкам нижней поверхности камеры 68 водяного пара кожуха, где рабочая текучая среда - вода может скапливаться.
Внутреннее Покрытие Кожуха, Создающее Тепловой Барьер
Снова со на фиг.67, благодаря высокой рабочей температуры в камере 34 сгорания покрытие 36, создающее тепловой барьер, используется на внутренней поверхности 37 статора нижнего статора 2 кожуха вдоль краев зоны 32 сгорания и зон 33 расширения, чтобы свести к минимуму чрезмерную теплопередачу в нижний статор 2 кожуха и в систему 68 камеры водяного пара кожуха.
Наружная теплоизолирующая крышка 258 имеет небольшой сквозной канал по своему периметру 260, который соответствует крепежным болтам 13, гайкам 14, шайбам 15 в верхней части статора кожухов 2 и 4. Наружная теплоизолирующая крышка 258 прикреплена к двигателю 1 рядом шестигранных винтов 16, которые проходят через отверстия 262 винта в наружной изолирующей крышке 258 и через отверстия 17 винта вдоль периметра кромок двух нижних статоров 2 кожуха. Благодаря углублениям 261 винта, выполненным в наружной изолирующей крышке 258 шестигранные винты могут быть заподлицо с наружной поверхностью изолирующей крышки.
Хотя изобретение описано в связи с наиболее практическим и предпочтительным вариантом выполнения, следует понимать, что изобретение не ограничено описанным вариантом выполнения, а, напротив, предназначено учитывать различные модификации и эквивалентные конструкции, включенные в изобретение в пределах сущности и правовой охраны прилагаемой формулы изобретения.