用于提取动力的轴向流体机械和方法技术

用于通过轴向流体机械、在环形管道内提取动力的方法和装置，所述环形管道至少包括可旋转的内壁(308，408，501)和/或可旋转的外壁(409，502)，涡旋流体以一定速度(420)流过所述内壁和外壁。根据本方法，所述流体在轴向流体机械的所述可旋转壁(308，408；501和502)中的至少一个壁上产生切向力(417)，并且产生所述轴(309，414，505和/或506)的动力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种通过轴向流体机械提取动力的方法。
技术介绍
涡轮是一类能够通过工作流体的膨胀过程连续地提取机械能的流体机械。涡轮包括限定流动通道的多个翼或叶片。翼或叶片的两侧之间的压力差产生压力，引起传递到机械的轴上的转矩。超音速涡轮每单位体积传送更多的动力。但是，由于与超音速管道中的启动问题和激波两者均有关的高损耗，因此高超音速通道不用在惯常的流体机械中。不存在关于以高超音速轴向入流运行的涡轮的设计和性能方面的公开文献。尽管如此还是具有暴露在超音速条件下、但是具有轴向亚音速组件的转子的翼(既用于涡轮又用于压缩机)方面的经验。LichtfussH.J.和StarkenH.在“超音速叶栅流”(航天科学进展，第15卷，第37-149页，1974年)中示出了超音速引入与亚音速轴向速度流动条件的组合(这种转子的翼的特征)会强加限制流动通道的操作范围的独特入射角的条件。在20世纪70年代，Breugelmans，Gallus和Wennerstrom利用超音速压缩机级开展了实验，实现了单级介于2.8和3.5之间的压力比。近来Ramgen在美国开发出一轴向超音速压缩机级，其传送7.8的压力比。首次尝试设计超音速涡轮是在20世纪20年代为高压多级工业蒸汽涡轮做出的。但是，由于无法处置涡轮出口处的高温蒸汽，研究被中断至20世纪中叶。在20世纪50年代前后，用于蒸汽涡轮、喷气式推进器和火箭推进器的超音速涡轮研究被重启。超音速涡轮吸引了来自工业界的兴趣，因为它们能提供高的比功率，使得能够减少低压级的数量，从而导致更轻的涡轮以及更低的生产和操作成本。VerneauA.在“用于从3至1300千瓦的有机流体朗肯循环的超音速涡轮”(冯卡门研究所关于“小型高压力比涡轮”的讲座系列，1987年6月)中提出了设计用于太阳能发电厂、废能回收和从内燃机的废气提取能量的各种超音速涡轮。JergeusH.在“用于Vulcain火箭发动机的超音速涡轮的气动设计和测试性能”(冯卡门研究所关于“小型高压力比涡轮”的讲座系列，1987年6月)中、以及WahlenU.在第3届“涡轮机械：流体动力学和热力学”欧洲会议(伦敦，英国，1999年3月)发布的“供火箭发动机应用的超音速涡轮的气动设计和测试”中提出了用于Vulcain火箭发动机的LH2和LOX超音速涡轮。VerdonkG.和DufournetT.在“用于发电机和机械驱动的具有200的单级压力比的超音速蒸汽涡轮的开发”(冯卡门研究所关于“小型高压力比涡轮”的讲座系列，1987年6月)中描述了一种包括单级超音速涡轮的涡轮发电机。所有前述超音速涡轮级均包括收缩-扩张喷嘴，之后是笔直的抽吸表面段，以便在非常低反应的转子入口处实现相对均匀的超音速流动条件。根据GoldmanL.在“涡轮设计与应用”的第9章：超音速涡轮(NASASP-290，1994年)中所述，为了在超音速流域中实现最小的激波损失，应该在喉部上游的收缩部分完成整个流动的转向。采用与整个边界层计算相联的特征的方法来设计超音速定子，以确保如Goldman.L和VancoM.在“具有边界层修正的、用于设计两维锐利边缘喉部的超音速喷管的计算程序”(NASATMX-2343，1971年)中描述的无激波流场。所有过去的超音速设计尝试都由于以下原因而经历了降低的可操作性：超音速启动问题；激波边界层相互作用；独特的入射条件。在径向涡轮中，TeslaN.在GB191024001(A)中提出利用一系列转动的圆盘使用剪应力来提取动力。现有技术最近在超音速燃烧过程的进展激起了对用于发电和航空运输的新型热循环的兴趣。实际实施基于这些新型循环的能量转换的基本挑战是缺乏足以有效地应付燃烧室出口超音速流动的流体机械。惯常的叶片式涡轮机械与由爆震型燃烧器提供的超音速脉动条件的相互作用已经由VanZanteD.,EnviaE.,TurnerM.在“由飞机发动机轴向涡轮级引起的爆震波的衰减”(第18届ISABE会议，北京，中国，2007年9月。ISABE2007-1260)的文中进行了数值研究，证实该流体机械设计的气动性能具有不可接受的缺陷。航空发动机与爆震型燃烧的结合已在美国专利7,328,570中提出，其中，涡轮风扇使用旋转脉冲爆震系统而不是高压和/或低压涡轮，以便驱动风扇和压缩机。若干个管以顺序的方式起爆，并且管的转向使得能够产生转矩。这种构造的出口条件具有存在强激波的脉动超音速特征。此外，由于脉冲爆震管所产生的转向，流动显示出一定量的涡旋。这些极端的流动条件使得任何惯常流体机械均不能被包括在该系统的下游。由于脉冲爆震发动机的可操作性限制以及其难以集成到推进系统中，专利EP2525071A1提出将连续爆震波发动机用于航空航天应用。在这种不同类型的燃烧概念中，新鲜混合物被连续地注入到环形燃烧室和一系列高频旋转的爆震阵面(detonationfronts)中，从而产生以脉动方式超音速排出的热气体。出口的特征还在于存在倾斜激波(其向燃烧器的下游传播)和可能存在切向速度分量。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过轴向机械从流体流中提取能量。工作流体是由轴向布置的环形管道限制的高速流体。所述工作流体呈现围绕该管道的轴线的旋转运动(涡旋)，且其负责曳力的产生，所述曳力由在流体与环形壁之间的界面上的粘性相互作用引起。所产生的力的基本特征在于切向分量，所述切向分量使管道的环形壁旋转。该构造允许产生一定量的被传递到至少一个轴上的转矩。具有相关联的激波的超音速工作流体增强了壁上的曳力，而这通常被认为对有效操作具有负面影响。但是，我们可利用该影响作为一种替代方式，以通过将在工作流体与固壁之间的接触表面所产生的粘性力转化成围绕流体的管道的旋转运动来提取动力。燃烧室的最近构造可提供超音速流出条件(爆震型发动机和超燃冲压发动机燃烧器)。但是，由这样的极端输出条件强加的热-机械约束阻碍了传统叶片式涡轮的实施。尽管如此，可用的切向剪应力提供了由旋转的环形管道有效提取这些力来实施本专利技术的机会。该概念设计将更轻、更简单、并更容易清洁。考虑到在叶片式机械中，压缩机质量流量的相当大一部分被转移用于冷却/清理叶片本身的目的，因此本专利技术将大量地减少冷却剂，这能够提高发动机性能、并减少排放。本专利技术还涉及包括超音速/跨音速涡轮级的喷气式发动机和燃气轮机，以及涉及由这些燃气轮机或喷气式发动机提供动力的运载工具(比如飞机或船舶)、发电厂和气体管道泵站。特别地，本专利技术涉及一种轴向流体机械，用于从工作流体提取机械动力，所述轴向流体机械包括同心环形管道，其中所述工作流体在进入口注入、行进通过由内壁和外壁限定的所述同心环形管道，所述工作流体具有至少一个轴向速度分量和一个切向速度分量，其中粘性相互作用排它地发生在所述工作流体与所述内壁和所述外壁之间，其中所述粘性相互作用负责产生粘性的曳力，其中由于所述内端壁和/或所述外端壁的旋转运动，曳力的切向分量被转换成转矩，然后工作流体通过出口/排出口离开所述轴向流体机械。所述工作流体是(例如)：等离子体，气体，液体或它们的多相组合。有利地是，所述内壁和所述外壁具有光滑的表面或表面为粗糙的(分布式或局部化)、多孔的、涟漪状的、波浪状的或它们的多相组合，这改变了在所述工作流体与所述内壁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轴向流体机械，所述轴向流体机械从以超音速运动的工作流体中提取动力以便驱动轴，所述轴向流体机械包括：‑具有中心轴线的环形管道，所述环形管道由内壁(308，408，501)和同心的外壁(409，502)限定，在所述管道的第一端部处具有用于注入所述工作流体的进入口(301，401，508)并且在所述管道的相对端部处具有排出口(410)；‑至少一个转子，所述至少一个转子与所述环形管道同轴并具有转子表面，所述转子表面与所述内壁或所述外壁大致齐平，使得所述内壁或所述外壁至少部分地由所述转子表面形成，其中，所述转子操作地连接到轴上，用于将旋转运动传递到该轴上；其中，自由空间在所述转子表面与所述环形管道的相对内壁或外壁之间的距离的至少75％上延伸，其特征在于，所述进入口(301，401，508)存在用于所述工作流体的流动方向，所述流动方向至少主要地平行于所述中心轴线延伸，其中所述进入口(301，401，508)直接通向所述环形管道。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.04 EP 13191486.31.一种轴向流体机械，所述轴向流体机械从以超音速运动的工作流体中提取动力以便驱动轴，所述轴向流体机械包括：-具有中心轴线的环形管道，所述环形管道由内壁(308，408，501)和同心的外壁(409，502)限定，在所述管道的第一端部处具有用于注入所述工作流体的进入口(301，401，508)并且在所述管道的相对端部处具有排出口(410)；-至少一个转子，所述至少一个转子与所述环形管道同轴并具有转子表面，所述转子表面与所述内壁或所述外壁大致齐平，使得所述内壁或所述外壁至少部分地由所述转子表面形成，其中，所述转子操作地连接到轴上，用于将旋转运动传递到该轴上；其中，自由空间在所述转子表面与所述环形管道的相对内壁或外壁之间的距离的至少75％上延伸，其特征在于，所述进入口(301，401，508)存在用于所述工作流体的流动方向，所述流动方向至少主要地平行于所述中心轴线延伸，其中所述进入口(301，401，508)直接通向所述环形管道。2.如权利要求1所述的轴向流体机械，其中所述进入口(301，401，508)具有环形的横截面、并且直接连接至所述环形管道，其中所述进入口(301，401，508)与所述环形管道同轴。3.如权利要求1或2所述的轴向流体机械，其中所述转子表面是无叶片的。4.如权利要求1至3中的任意一项所述的轴向流体机械，其中所述转子表面具有表面纹理，所述表面纹理是光滑的、分布式或局部化粗糙的、多孔的、涟漪状的、波浪状的或这些表面纹理的任意组合，以便改变在所述工作流体与所述转子表面之间的粘性相互作用。5.如权利要求1至4中的任意一项所述的轴向流体机械，其中所述转子表面设置在所述环形管道的所述外壁中，其中所述转子表面的自由侧面向所述内壁。6.如权利要求1至5中的任意一项所述的轴向流体机械，其中所述转子表面设置在所述环形管道的所述内壁中，其中所述转子表面的自由侧面向所述外壁。7.如权利要求1至6中的任意一项所述的轴向流体机械，其中至少设置第一转子，所述第一转子具有沿着所述内壁延伸的转子表面，并且其中至少设置第二转子，所述第二转子具有沿着所述外壁延伸的转子表面。8.如权利要求1至7中的任意一项所述的轴向流体机械，其中在所述转子表面的上游，所述环形管道至少包括用于燃料的喷射器和优选地用于启动包括所述燃料的工作流体...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·F·达科斯塔维尼亚，G·帕尼亚瓜，J·F·洛佩斯德索萨，B·H·萨拉科格鲁，
申请(专利权)人：MBDA法国简易股份公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR