零排放超音速风扇发动机 相关申请的交叉引用 [0001] 本申请要求于2021年9月6日提交的第202141040401号印度临时专利申请的优先权,其全部内容通过引用并入本文。 场地 [0002] 本公开总体上涉及一种用于以比音速更快的速度飞行同时在飞行期间不产生排放物的装置和方法。 背景 [0003] 人们正在尝试制造以亚音速运行的零排放飞行器。 此外,正在尝试以比音速更快的速度操作飞行器。 附图的简要说明 [0004] 现在将参考附图仅通过示例的方式描述本技术的实施方式,其中: [0005] 图1是根据本公开的至少一个实例的具有比音速快的速度的飞行器的电动发动机的侧视图和图解示例; [0006] 图2是根据本公开的至少一个实例的图1的剖视图; [0007] 图3A是根据本公开的至少一个实例的图1的前视图; [0008] 图3B是根据本公开的至少一个实例的图1沿线A-A的剖视图; [0009] 图4是根据本公开的至少一个实例的涡轮机和风扇的示例的详细视图,包括涡轮机叶片和风扇叶片的分解图; [0010] 图5A是根据本公开的至少一个实例的涡轮机示例的侧视图; [0011] 图5B是根据本公开的至少一个实例的图5A的剖视图; [0012] 图6是根据本公开的至少一个实例的径流式压缩机和涡轮机的示意图; 和 [0013] 图7是根据本公开的至少一个实例的示例传动系的图示。 详细说明 [0014] 示例及其各种特征和有利细节参考附图中所示的示例性且因此非限制性示例并在以下描述中详述的示例进行更全面地解释。 可以省略对已知起始材料和工艺的描述,以免不必要地使公开的细节模糊不清。 然而,应当理解,详细描述和具体示例虽然指示了优选示例,但仅以说明的方式给出而非以限制的方式给出。 根据本公开,本领域技术人员在基本发明构思的精神和/或范围内的各种替换、修改、添加和/或重新布置将变得显而易见。 [0015] 如本文所用,术语“包括”、“包括”、“包含”、“包含”、“具有”、“具有”或其任何其他变体旨在涵盖非排他性包含。 例如,包含一系列元素的过程、产品、物品或设备不一定仅限于那些元素,而是可以包括未明确列出或此类过程、过程、物品或设备固有的其他元素。 此外,除非有相反的明确说明,否则“或”指的是包含性或而非排他性或。 例如,条件 A 或 B 满足以下任一条件:A 为真(或存在)且 B 为假(或不存在),A 为假(或不存在)且 B 为真(或存在) ,并且 A 和 B 都为真(或存在)。 [0016] 此外,此处给出的任何示例或说明不应以任何方式视为对使用它们的任何术语的限制、限制或明确定义。 相反,这些示例或插图应被视为是针对一个人进行描述的 具体示例,仅供说明。 本领域的普通技术人员将理解,与这些示例或说明一起使用的任何一个或多个术语涵盖其他示例及其实现和改编,这些示例可以或不可以在说明书的其他地方给出,并且所有此类示例旨在 被包含在该条款或条款的范围内。 指定此类非限制性示例和说明的语言包括但不限于:“例如”、“例如”、“例如”、“在某些示例中”等。 [0017] 尽管术语第一、第二等可在本文中用于描述各种元件、组件、区域、层和/或部分,但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。 这些术语仅用于区分一个元件、组件、区域、层或部分。 因此,在不脱离本发明构思的教导的情况下,下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分。 [0018] 本公开大体上涉及设计用于具有比音速更快的速度的飞行器的零排放发动机。 本发明也可在亚音速下运行,但发动机设计为在超音速下运行。 本公开与传统发动机之间的差异之一是超音速飞行的操作。 本公开与传统发动机之间的另一个区别是动力来源。 在至少一个示例中,当前公开的发动机可操作以依靠压缩空气运行。 如下详述,压缩空气可由电动压缩机产生。 当前公开的发动机可实现至少一个涡轮机,该涡轮机与压缩空气结合或与其分离地联接到相应的风扇。 至少一个涡轮机可以机械地联接到相应的风扇,使得至少一个涡轮机和相应的风扇以相反的方向旋转。 在至少一个示例中,它们可以通过行星齿轮机构或允许涡轮旋转相应风扇的其他反向旋转机构联接。 在至少一个示例中,发动机被设计成在不燃烧且不排放任何污染物的情况下产生比音速更快的速度。 [0019] 在至少一个示例中,产生推力的风扇可以包括圆形外壳内的一系列叶片并且物理地连接到外壳周围的涡轮机叶片。 涡轮机可以根据压缩空气产生的反作用力运行 板使用径流式压缩机。 径流式压缩机可以是离心式压缩机。 在至少一个示例中,本公开使用反向旋转尖端动力涡轮机用于高速推力。 在至少一个示例中,本公开利用不包括任何中空部分的实心风扇叶片。 此外,本发明可包括高反作用涡轮叶片,其也是实心的,没有任何中空部分。 压缩空气可以通过压缩空气的膨胀来驱动涡轮机。 压缩空气可以由电动离心式压缩机产生。 [0020] 如上所述,本技术可实现零污染物排放。 此外,本技术可具有以下优点中的一项或多项:与传统技术相比,更少的热量被添加到大气中,与传统技术相比,发动机操作的复杂性降低,和/或降低爆炸的风险因素 与传统技术相比,具有火灾隐患。 [0021]图1是根据本公开的至少一个实例的能够以比声速更快的速度飞行的飞行器例如喷气式飞机的电动发动机100的侧视图和图解示例。 发动机100包括外壳2、长钉1和排气喷嘴18。长钉1可以是如图所示的圆锥形。 另外,钉1可以是可移动的。 在一个示例中,长钉1可沿轴向移动。 具有可移动的尖头1允许发动机100在亚音速和超音速行驶的操作期间被修改。 锥形可移动尖头1可以改变进气口并调节冲击波位置以确保进入主管道或入口102的空气是亚音速的,即使当发动机100以超音速运行时也是如此。 [0022] 图2是根据本公开的至少一个实例的图1的剖视图。 发动机100可以通过为联接到离心式压缩机7、12中的相应一个的电动机10、13提供动力来启动。在至少一个示例中,电动机10、13可以联接到离心式压缩机中的相应一个中 7、12通过轴19连接,参见图6。在其他示例中,电动机10、13可直接连接到离心式压缩机7、12中的相应一个。电动机10、13可由机载电力驱动 电源,例如燃料电池或电池,如下面将关于图7解释的那样。 离心式压缩机7、12可以充当发动机控制单元。 离心式压缩机 7、12 通过调节流向多个涡轮机中相应涡轮机的空气流量来充当发动机控制单元 120. 离心式压缩机 7、12 配备有用于进气的导流通道 (GFC) 4。 在至少一个示例中,可以有多个离心式压缩机140,并且多个离心式压缩机140中的每个可以具有对应的GFC 4中的一个。多个离心式压缩机7中的相应一个位于出口端 次级流动通道 4 的 172 和来自次级流动通道 4 的空气流过离心式压缩机 7 中的相应一个,然后流向多个涡轮机 122 中的相应一个。多个离心式压缩机 12 中的相应一个位于 在次级流动通道4的出口端174处,空气从次级流动通道4流过离心式压缩机12中的相应一个,然后到达多个涡轮机124中的相应一个。 [0023] 使用可以是空气动力表面的一个或多个坡道门3改变进气。 一个或多个坡道门 3 控制 GFC 4 的进气区域 150 的面积,参见图 3A。进气区域 150 的面积允许控制通过 GFC 4 吸入的空气量,进而控制 由多个径流式压缩机140中的相应一个压缩的空气量。多个径流式压缩机140在每单级产生高压方面可以优于轴流式压缩机并且占用更少的体积来输送相同量的压力。 如图所示,一系列离心式压缩机7、12可以布置在次级流道4的圆周周围。次级流道4可以是单个流道或由多个流道构成。 另外,在至少一个例子中,第一次级流动通道4可以被引导至第一组142离心式压缩机140并且第二次级流动通道4可以被引导至第二组144离心式压缩机140。引导流动通道 (GFC)可以形成在外壳2中并且为每个径流式压缩机7、12创建专用的独立进气口。 [0024] 在图示的示例中,多个风扇108可以是两个风扇,即主风扇和与主风扇相比可以反向旋转的副风扇。 反向旋转是指在与另一个方向相反的方向上旋转。 例如,一次风机可以顺时针旋转,二次风机可以逆时针旋转。 在至少一个示例中,与次级风扇相比,初级风扇更靠近尖峰。 多个固定叶片可位于第一风扇和第二风扇之间。 [0025]对转双转子轴流式压缩机14放置在对转风扇后面以增加质量流的压力。 可以实施行星齿轮箱(未显示)以 确保压缩机有足够的转速。 初级风扇轴164连接到压缩机180的第一阀芯182,第二风扇轴通过同心轴连接到压缩机180的第二阀芯184。 轴流压缩机覆盖有定子外壳 15。高压压缩空气通过排气喷嘴 18 膨胀,产生超音速推力。 发动机100也可以亚音速运行,但主要配置和运行是为超音速推力设计的。 [0026] 废气可以通过排气喷嘴18,在所示示例中排气喷嘴18可以是可变的会聚发散喷嘴。 出口空气速度比声速快,例如在 1 马赫到 10 马赫的范围内。 整个系统轴向布置并由静止结构或叶片5、9、16、17加强。 [0027] 上面的描述提供了空气流如何运行通过发动机。 下面也关于图6给出了一些额外的细节。 本文也提供了关于超音速喷气发动机100的更多细节。 超音速喷气发动机 100 包括具有入口 102 和排气喷嘴 18 的外壳 2。如上所述,空气通过入口 102 进入发动机 100 并在排气喷嘴 18 处离开发动机 100。排气喷嘴 18 是可变的,允许 排气喷嘴18调整形成在排气喷嘴18的出口104处的开口105的尺寸。 [0028] 喷气发动机包括从入口 102 向外延伸的长钉 1。如上所述,长钉 1 可以是圆锥形和/或可移动的。 发动机100包括在壳体2内沿轴向方向110布置的多个风扇108。多个风扇108中的每一个包括多个风扇叶片8。风扇叶片8的形状可如下面关于图4所描述的那样 . 在至少一个示例中,风扇叶片8可以是碳纤维并且具有钛前缘风扇叶片。 在其他示例中,也可以使用不同类型的风扇叶片。 多个静止叶片9可位于第一风扇和第二风扇之间。 [0029] 发动机 100 包括多个涡轮机 120。多个涡轮机 120 中的每一个都具有多个涡轮机叶片 11。多个涡轮机 120 中的每一个都可以径向布置并连接到多个风扇 108 中的相应一个 方向 130. [0030] 发动机100从多个涡轮机120中的每一个径向定位多个离心式压缩机7、12。多个离心式压缩机7、12中的每一个可操作以驱动旋转相应的涡轮机120,涡轮机120又旋转相应的风扇 108. 的 多个涡轮机120可包括第一涡轮机122和第二涡轮机124。多个离心式压缩机7、12包括第一组离心式压缩机7和第二组离心式压缩机12,其中第一组离心式压缩机7是 可操作以旋转第一涡轮机122和第二组离心式压缩机12可操作以旋转第二涡轮机124。与第一涡轮机124和第二组离心式压缩机7相比,第一组离心式压缩机7位于向前的轴向方向110。 与第二涡轮机124相比,离心式压缩机12位于轴向方向110的后方。第一涡轮机122可以在第一方向上旋转并且第二涡轮机124在与第一方向相反的第二方向上旋转。 [0031] 发动机100包括多个电动机10、13。多个电动机10、13中的每一个都可以联接到多个离心式压缩机7、12中的相应一个,并且驱动地旋转相应的离心式压缩机7、12。 发动机100可包括从壳体2的内部160跨越以支撑主轴164的第一组固定叶片5。在至少一个示例中,第一组固定叶片5可从内部160跨越到 外壳2的外部162,但不穿透外壳2的外部162。 [0032]发动机100可包括轴流式压缩机180的一个或多个轴。在至少一个示例中,发动机100可包括轴流式压缩机180的第一轴182和轴流式压缩机180的第二轴184。在至少一个示例中, 轴流压缩机180的第一阀芯182包括多个轴流压缩机级186并且轴流压缩机180的第二阀芯184包括多个轴流压缩机级186。轴流压缩机180的第一阀芯182和轴流压缩机180的第二阀芯184 反方向旋转。 多个静止叶片16位于第一阀芯182和第二阀芯184之间。多个静止叶片17可以在轴向方向110上位于第二阀芯184的后部。 [0033] 图3A是根据本公开的至少一个实例的图1的正视图。 图3B是根据本公开的至少一个实例的图1沿线A-A的剖视图。 GFC 4A 用于第一级风扇,如图所示为初级风扇,GFC 4B 用于二级风扇,如图所示为对转风扇。 壳体2形成多个斜门(见图2)和多个次级流动通道4A、4B,其从多个斜门中的相应一个延伸到多个离心式压缩机中的相应一个(见图2)。 2). 多个坡道门中的每一个都可配置成调节次级流动通道4A、4B中的相应一个的进气面积150。 在至少一个例子中, 一个或多个次级流动通道4A可操作以与与第一涡轮机122相关联的一个或多个离心式压缩机连接。此外,一个或多个次级流动通道4B可操作以与与第一涡轮机122相关联的一个或多个离心式压缩机连接 第二涡轮机 124. [0034] 图4是根据本公开的至少一个实例的涡轮机120和风扇108的示例的详细视图,包括涡轮机叶片11和风扇叶片8的分解图。 图4是根据本公开的至少一个实例的涡轮机120的详细视图。 与从涡轮机 120 传统驱动风扇 108 相比,尖端涡轮机 120 非常高效,因为没有轴,因此在涡轮机 120 的尖端没有任何轴功损失。将遵循所有必要的方法来减少气动损失 通过使用级联、密封件和精确设计在压缩机和涡轮机中。 与传统的高速飞行器发动机相比,噪声抑制设计和燃烧消除提供了约 60% 的噪声降低。 [0035] 图5A是根据本公开的至少一个实例的涡轮机120的示例的侧视图。 连接涡轮叶片 11 和风扇叶片 8 的护罩壳 20 是空气动力学加强件,其通过遵循杠杆臂效应原理在尖端处产生额外的惯性动量来帮助减少驱动风扇 108 所需的能量, 转动风扇108所需的力减小。 风扇叶片 8 是新一代风扇叶片设计,是一种更高效的空气驱动器,在前缘使用碳纤维和钛制造。 这作为风扇108同时向压缩机输送机械能。 [0036] 图5B是根据本公开的至少一个实例的图5A的剖视图。 外壳20罩住风扇叶片8,外壳20为风扇提供刚度,使其结构稳定,并且与传统风扇相比在旋转时提供更大的惯性动量。 为了进一步加速空气流动,发动机配备了反向旋转风扇,该风扇位于主风扇的正后方。 [0037] 图6是根据本公开的至少一个实例的径流式压缩机和涡轮机的示意图。 多个离心式压缩机7中的相应一个位于次级流动通道4的出口端172并且空气从次级流动通道4流过相应的离心式压缩机7然后到达多个离心式压缩机中的相应一个 涡轮机 11. [0038]图6是包括坡道3、用于第一级风扇的GFC 4的次级管道的详细视图。 空气由压缩机 7 移动,压缩机 7 由电动机 10 通过轴 19 驱动,然后压缩空气通过连接到蜗壳 6 的喷射器喷嘴喷射到涡轮机 11 上。压缩空气然后可以通过喷射器喷嘴膨胀,该喷射器喷嘴是 附连到压缩机蜗壳6上的涡轮叶片11上,涡轮叶片11是空气动力学的和/或设计成产生高扭矩和快速空气膨胀。 涡轮叶片11可以固定在风扇外壳20周围。由空气膨胀产生的涡轮11的旋转导致比音速更快的速度。 [0039] 图7是根据本公开的至少一个实例的示例传动系的图示。 如上所述,发动机集成是一个径向驱动的涡轮机,带有反向旋转的风扇、反向旋转的压缩机转子和可变出口喷嘴。 氢燃料源通过多层燃料电池转化为电能,同时使用在发动机压缩机输送之前浓缩的氧气。 离心式压缩机的优点是单级产生高压,可以减少风扇前的阻力,使发动机罩成为细长设计。 从燃料电池系统流出的多余流体随后可被输送到离心式压缩机,这有助于增加入口流体的密度,从而提高压缩机和涡轮机的效率。 [0040] 动力源是电力,例如使用氢作为燃料在船上产生。 其他电源也在本申请的范围内考虑,包括但不限于电池、化学源、核能和/或电容器类型存储。 上述发动机的控制单位是电阻、压缩机每分钟转数(RPM)和入口流体密度。 通过在离心式压缩机出口和涡轮机之间引入燃烧室,也可以将发动机改装为内燃机,即使在这种情况下,燃料也可以是氢气以供燃烧。 如果获得的功率重量比大于传统的轮毂驱动电机 - 螺旋桨/风扇发动机,则经过某些修改的发动机也可用于使用相同原理的气动尖端涡轮发动机系统的亚音速飞行器 [0041] 所示示例提供超音速喷气发动机系统101可以包括氢源200。在至少一个示例中,氢源200可以是氢气压缩罐。 系统101可包括耦合到氢源200的多堆燃料电池210。在一个示例中,多堆燃料电池210可耦合到氢源200。 氢气通过连接到集管204的气体管线202,集管204对于多堆燃料电池210内的每个燃料电池具有单独的管路206。 [0042] 此外,氧气浓缩器 220 可以连接到多层燃料电池 210。在至少一个例子中,氧气浓缩器 220 可以通过一个或多个气体管线 222 连接到多层燃料电池 210。至少在 一个示例中,实现了集管224,其分支成单独的管线226以馈送多堆燃料电池210内的相应燃料电池之一。 [0043] 氧气浓缩器 220 也可以连接到发动机 100。泵 230 还可以位于氧气浓缩器 220 和发动机 100 之间。泵 230 可以施加超过发动机 100 可用的正压。另外,止回阀 和/或可以提供单向阀以防止回流。 过量流体可以通过管线240返回到发动机100用于排出。 在至少一个示例中,过量流体是水和/或水蒸汽的形式。 [0044] 系统101可以包括耦合到多堆燃料电池210的电负载管理系统252。电负载管理系统252可以通过一个或多个电线250耦合到发动机100和多堆燃料电池210。 [0045]系统 101 可以包括超音速喷气发动机 100,可操作以从电力负载管理系统 252 接收电力,其中电力驱动多个电动机旋转超音速喷气发动机的多个径流式压缩机,从而旋转多个 超音速喷气发动机100内的风扇的特征。超音速喷气发动机系统的超音速喷气发动机100可以包括本文描述的发动机100的一个或多个特征。 [0046] 虽然上面的说明是关于基于氢的发电,但可以实施其他车载电源而不是包括上面描述的那些。 [0047] 上面显示和描述的实施例仅是示例。 尽管在前面的描述中已经阐述了本技术的许多特征和优点,连同本公开的结构和功能的细节,但是本公开仅是说明性的,并且可以在细节上进行改变,尤其是在事项上 零件的形状、尺寸和布置完全符合本公开的原则 范围由所附权利要求中使用的术语的广泛一般含义表示。 因此应当理解,可以在所附权利要求的范围内修改上述实施例。 [0048] 披露的说明性例子包括: [0049] 方面 1:一种超音速喷气发动机,包括:具有入口和排气喷嘴的外壳; 从入口向外延伸的长钉; 多个风扇沿轴向排列于壳体内,各风扇包括多个扇叶。 多个涡轮机,所述多个涡轮机中的每一个都具有多个涡轮机叶片并且在径向方向上布置并联接到相应的一个风扇; 多个离心式压缩机从多个涡轮机中的每一个径向定位并且可操作以驱动地旋转相应的涡轮机,这又旋转相应的风扇; 多个电动机,多个电动机中的每一个都联接到多个离心式压缩机中的相应一个并且驱动地旋转相应的离心式压缩机。 [0050] 方面2:方面1的超音速喷气发动机,其中排气喷嘴是可变的,允许排气喷嘴调节形成在排气喷嘴出口处的开口的尺寸。 [0051] 方面3:方面1或2中任一项的超音速喷气发动机,还包括轴流式压缩机的第一转轴和轴流式压缩机的第二转轴。 [0052] 方面4:方面3的超音速喷气发动机,其中轴流式压缩机的第一转轴包括多个轴流式压缩机级并且轴流式压缩机的第二转轴包括多个轴流式压缩机级。 [0053] 方面5:根据方面3-4中任一项所述的超音速喷气发动机,其中轴流式压缩机的第一转轴和轴流式压缩机的第二转轴反向旋转。 [0054] 方面 6:方面 3-5 中任一方面的超音速喷气发动机,还包括位于多个风扇中的第一风扇和第二风扇之间的多个静止叶片。 [0055] 方面 7:方面 3-6 中任一方面的超音速喷气发动机,还包括位于第一阀芯和第二阀芯之间的多个固定叶片。 [0056] 方面8:方面3-7中任一项的超音速喷气发动机,还包括沿轴向方向位于第二阀芯后部的多个固定叶片。 [0057] 方面 9:根据方面 1-8 中任一项所述的超音速喷气发动机,其中外壳形成多个坡道门和从多个坡道门中的相应一个延伸到所述多个坡道门中的相应一个的多个次级流动通道 多个径流式压缩机。 [0058] 方面 10:方面 9 的超音速喷气发动机,其中多个坡道门中的每个坡道门都可配置为调节次级流动通道中的相应一个的进气面积。 [0059]方面 11:方面 9-10 中任一方面的超音速喷气发动机,还包括从外壳内部跨越以支撑主轴的第一组固定叶片。 [0060] 方面 12:方面 9-10 中任一方面的超音速喷气发动机,其中多个离心式压缩机中的相应一个位于次级流动通道的出口端,并且空气从次级流动通道流过相应的一个 径流式压缩机,然后到多个涡轮机中的相应一个。 [0061] 方面 13:方面 12 的超音速喷气发动机,其中多个涡轮机包括第一涡轮机和第二涡轮机并且多个离心式压缩机包括第一组离心式压缩机和第二组离心式压缩机,其中第一组离心式压缩机 离心式压缩机可操作以使第一涡轮旋转并且第二组离心式压缩机可操作以旋转第二涡轮。 [0062] 方面 14:方面 13 的超音速喷气发动机,其中与第一涡轮机相比,第一组离心式压缩机位于轴向前方,并且与第二涡轮机相比,第二组离心式压缩机位于轴向后方。 [0063] 方面 15:方面 13-14 中任一方面的超音速喷气发动机,其中第一涡轮沿第一方向旋转并且第二涡轮沿与第一方向相反的第二方向旋转。 [0064] 方面 16:方面 1-15 中任一项的超音速喷气发动机,其中长钉是圆锥形的。 [0065] 方面 17:方面 1-16 中任一项的超音速喷气发动机,其中长钉是可移动的。 [0066] 方面 18:超音速喷气发动机系统,包括:氢源; 耦合到氢源的多层燃料电池; 氧气浓缩器耦合到多 堆燃料电池; 连接到多堆燃料电池的电力负载管理系统; 超音速喷气发动机,可操作以从电力负载管理系统接收电力,其中电力驱动多个电动机,该电动机使超音速喷气发动机的多个径流式压缩机旋转,从而使超音速喷气发动机内的多个风扇旋转 . [0067] 方面 19:方面 18 的超音速喷气发动机系统,其中超音速喷气发动机还包括方面 1-17 中的一个或多个。