[0001] 本
申請要求于2005年9月29日遞交的美國臨時申請序列號60/721,521的利益，其全部內容在此以引用方式并入。
[0002] 本
發(fā)明涉及內燃發(fā)動機，并且更具體地涉及使用一種氫
燃料熱動
力G循環(huán)(hydrogen fuel thermodynamic G-cycle)的旋轉
葉片發(fā)動機。
背景技術
[0003] 全球內的各個國家對于石油的增長的需求導致較高的
能源價格，其可能會增加通貨膨脹以及競爭同樣有限的石油儲備的國家之間的地緣政治緊張。即使石油供應可能會增加來滿足需要，這樣做也可能會進一步產生更多的CO2排放以及具有更快的全球
氣候變暖的可能性。
[0004] 當今許多運輸、石油、以及能源公司和政府正在為與氫相關的研究及開發(fā)項目投入上億美元來生產一種將會逐漸代替
化石燃料的燃料資源。例如，許多
汽車公司已經(jīng)開發(fā)了氫
燃料電池汽車。然而，
燃料電池的持久力、效率、燃料純度要求、氫儲存、及成本限制是主要的實現(xiàn)障礙。
[0005]
汽車制造商也開發(fā)了混合電氣/內燃發(fā)動機推進系統(tǒng)作為現(xiàn)今內燃發(fā)動機汽車和未來燃料電池汽車之間的過渡階段。然而，并不明確混合電氣推進系統(tǒng)是否能夠為用戶提供足夠高的效率增加值來證明其較高的花費是正確的。
[0006] 將已有內燃發(fā)動機系統(tǒng)轉變?yōu)橛脷鋪磉\行也不是沒有問題。氫的燃燒
溫度比
汽油的燃燒溫度高得多，這就導致形成了大量的NOX排放。使用稀氫燃料混合物來減少可能的NOX排放，但是也極大地減少了動力輸出性能
水平。直接的氫噴射能夠改進此問題，但是噴射器是極其昂貴的并且需要高的壓力和耐力。噴射脈沖提供了有限量的氫燃料使得其對于較大動力應用是不夠的。氫氣的干燥也使得脈沖噴射器的工作更困難并增加了噴射器磨損。而且，氫氣的高擴散能力經(jīng)常引起氫氣經(jīng)過發(fā)動機密封系統(tǒng)進入
曲軸區(qū)，引起能夠損傷發(fā)動機和/或點燃油類
潤滑劑的非常不期望的燃燒。
發(fā)明內容
[0007] 高效的氫G循環(huán)、旋轉葉片內燃發(fā)動機最大化了熱動力學
能量優(yōu)勢以提供改進的熱
制動效率，用于較高燃料經(jīng)濟性，較高的功率
密度與發(fā)動機
質量和體積比，并具有較低的NOX。發(fā)動機也被優(yōu)化以最大化旋轉葉片發(fā)動機的機械優(yōu)勢來為G循環(huán)的運行補充改進的密封、
轉子以及殼體系統(tǒng)來最小化
熱損失、可用能能量損耗以及減少摩擦來改進可靠性、運行壽命和噪音、振動與舒適性(NVH)。
[0008] 通過去除熱和使用鈉
蒸汽室、室水噴射以及幾何結構室過量膨脹將熱再次插入來控制G循環(huán)和旋轉葉片內燃發(fā)動機中的熱動力熱損失，從而利用否則將會浪費到冷卻系統(tǒng)和大氣中的熱和排氣熱
焓。主動水冷卻系統(tǒng)俘獲來自殼體和排氣的熱，并且將其噴射回發(fā)動機循環(huán)。組合所有這些熱傳遞流產生了具有非常高的功率密度和處于65％到80％的總制動熱效率的發(fā)動機，其理想地適合于功率產生和推進應用。
[0009] 本發(fā)明的氫發(fā)動機實現(xiàn)了上述目的，其使用一種來自改進的燃燒過程、改進的熱傳遞冷卻以及較低的排熱損失的氫高效率熱動力G循環(huán)，利用改進的氫燃料傳輸，可變水壓縮率，較寬的燃料/空氣等效操作范圍，改進的氫點燃，擴大的燃燒/膨脹室，較長的燃燒持續(xù)時間，具有早期和后期水噴射的能量可逆的鈉蒸汽室熱傳遞系統(tǒng)。
[0010] 本發(fā)明的氫發(fā)動機具有一種改進的密封系統(tǒng)，包括分離葉片
密封件(split vane seal)、獅子鼻形尖端(snub nose tip)、動態(tài)軸向分離葉片密封件、葉片密封氣體通道、動態(tài)轉子軸向密封件、葉片葉面密封件、葉片結構、葉片
熱管槽冷卻/熱傳遞，及葉片反離心傳動帶系統(tǒng)(belting system)。發(fā)動機具有使用水蒸汽室冷卻/熱傳遞的轉子熱控制的改進的轉子結構以及減少的來自改進的葉片切向
軸承系統(tǒng)的葉片摩擦。發(fā)動機具有使用扭曲的橢圓形內殼體
定子尺寸的改進的殼體，用于較大膨脹，較高殼體運行溫度、固體潤滑劑、主動水冷卻/熱傳遞減少氫
泄漏、外部水蒸汽室、及絕緣蓋。
[0011] 本發(fā)明還提供了一種改進的來自位于鈉蒸汽室的
堿金屬熱電轉換器(AMTEC)的直接電功率。
[0012] 本發(fā)明的進一步目的是提供一種改進的具有較低的排熱損失、冷卻系統(tǒng)熱損失、及較低的摩擦熱損失的熱動力循環(huán)，產生在已有的內燃發(fā)動機上的增加的總熱制動效率。
[0013] 根據(jù)熱動力學第二定律，任何熱與功的轉變由卡諾循環(huán)效率最大化，并且一定量的熱需要被送至冷卻
散熱器。然而，卡諾循環(huán)效率僅僅在單室反應時有效。G循環(huán)通過使用多室反映循環(huán)克服了卡諾循環(huán)效率的限制，其使用整個發(fā)動機的聯(lián)合熱動力學和機械系統(tǒng)作為反應熱動力循環(huán)。鈉蒸汽室將多個室反映沿著燃燒/膨脹區(qū)連接或交迭在一起。鈉蒸汽室允許來自燃燒區(qū)的過量的熱量沿著膨脹區(qū)被傳遞回
燃燒室。
[0014] G循環(huán)發(fā)動機是在燃燒/膨脹循環(huán)中控制和保持熱動力熱傳遞特性來實現(xiàn)最大化功率和節(jié)能性能的自動的，動態(tài)平衡系統(tǒng)。發(fā)動機使用比進氣/壓縮區(qū)較大的燃燒/膨脹區(qū)，其中燃燒氣體能夠膨脹，并且產生最大的功直到室壓力等于旋轉摩擦損失為止。沿著燃燒/膨脹區(qū)
定位的鈉蒸汽室被用來點燃氫/水預混和料，并且去除來自燃燒區(qū)的過量的的
燃燒熱以及沿著過量膨脹的膨脹區(qū)將該熱傳遞回旋轉室的燃燒腔中。沿著燃燒/膨脹路徑進入燃燒室的早期水噴射進一步吸收了過量的燃燒熱和沿著擴大的燃燒/膨脹區(qū)的來自鈉蒸汽室的熱。沿著燃燒/膨脹的后期水噴射降低了燃燒氣體溫度來最小化排熱損失和冷卻用于下一步進氣循環(huán)的燃燒室表面。
[0015] 來自主動冷卻系統(tǒng)的水被用在早期和后期進入燃燒腔內的水噴射。主動冷卻系統(tǒng)所吸收的熱將水的溫度提高至大約250℃到350℃或523K到623K。該溫度正好低于水蒸汽的沸點，并且允許水在高壓下作為液壓油被抽吸到燃燒腔中。由于燃燒溫度大約在1800K，噴射水顯著地降低了燃燒氣體的溫度。這
加速了將來自鈉蒸汽室的熱傳遞回燃燒室，直到達到溫度平衡時停止傳遞。
[0016] G循環(huán)發(fā)動機具有很大可能來改進燃料經(jīng)濟性并且減少已有技術的內燃發(fā)動機(ICE)的廢氣排放。對于燃料經(jīng)濟性改進的極大可能來自使用來自汽缸壁的另外的廢熱和排氣來產生加熱的水并且將其噴入汽缸，在此加熱的水從液
相變為氣相以用于另外的膨脹功率。G循環(huán)發(fā)動機的循環(huán)效率不限于卡諾循環(huán)效率，這是因為這樣一個事實，在G循環(huán)中，產生膨脹功率的工作介質的質量在循環(huán)中增加，并且具有比壓縮率(消耗功率)較高的膨脹比(產生功率)的額外優(yōu)勢，而在卡諾循環(huán)中，工作介質的質量和壓縮比/膨脹比是固定的。同樣，在G循環(huán)發(fā)動機中的高循環(huán)效率沒有依賴高燃燒溫度(如卡諾循環(huán)推薦的)，但是依賴在循環(huán)中的轉移或傳遞熱。這樣就突破了在常規(guī)ICE中的NOX/煙/發(fā)動機循環(huán)效率折中的障礙。
[0017] G循環(huán)不僅利用整個燃燒發(fā)動機熱，而且其亦利用冷卻系統(tǒng)中俘獲的并且傳遞回燃燒室的機械摩擦熱，產生了一種可逆的能量系統(tǒng)。
[0018] 以下是主要的G循環(huán)處理事件，如圖71所描述的：
[0019] 1.轉子室旋轉經(jīng)過進氣端口，在進氣端口其吸滿自然送氣的或優(yōu)選
渦輪推進的新鮮空氣。
[0020] 2.一旦轉子室已經(jīng)經(jīng)過進氣端口并且到達其最大進氣量，殼體幾何結構將開始壓縮吸進的氣體。來自主動冷卻系統(tǒng)的大約在250℃到350℃或523K到623K的可變量的加熱水在壓縮階段被噴入室腔內。這是第一次可變水噴射。加熱的水在燃燒室中沿著轉子室的側面和后半部被分層，增加了有效的室壓縮比。加熱的水被看作一種不可壓縮的
流體，并且加熱的水的量能夠變化來控制和調節(jié)室壓縮比。轉子室用前半部中的新鮮空氣和后半部中的噴入的水分層。
[0021] 3.加熱的氫氣在壓縮后期被直接噴入轉子室腔內。通過利用將氫直接噴入轉子室腔，消除了預點火
鎖定的問題。氫的密度比空氣和水的密度小并且趨向于在轉子室的前部附近分層，保持容易與新鮮的進入空氣混合的氫的相對同質的濃度，其中新鮮的進入空氣也朝向室的前半部分層。產生的同質的氫/空氣濃度混合物容易被點燃。
[0022] 4.
火花塞能夠點燃氫，或，取決于有效的壓縮比，受控的自燃能夠發(fā)生。氫自燃溫度是585℃或585K。
[0023] 5.當轉子室旋轉經(jīng)過
上止點(TDC)時，高于600℃或873K的燃燒熱經(jīng)過在外部定子殼體的內表面上的
鈣鈦礦熱障涂層(TBC)保護，并且被傳遞至鈉蒸汽室(SVC)。該
鈣鈦礦TBC保護殼體免受在1800K的持續(xù)的燃燒點燃。SVC中的鈉從液相變?yōu)闅庀嗖⑶伊鹘?jīng)膨脹通道。
[0024] 6.鈣鈦礦TBC的表面溫度能夠匹配1800K的峰值氣體溫度。這個高溫表面區(qū)域充分高于氫的自燃溫度585℃或858K，并且將進一步改進整個燃燒反應。
[0025] 7.大約在250℃到350℃或523K到623K的來自主動冷卻系統(tǒng)的加熱的水的第二次水噴射被噴入早期燃燒/膨脹反應中，來部分地熄滅或冷卻燃燒反應，以控制大約1800K的峰值溫度，并且將室氣體和水的溫度降低至大約600℃或783K溫度，來加速沿著膨脹通道從較高溫度鈉蒸汽室返回至轉子室的熱傳遞。加熱的水將從液相變?yōu)闃O大膨脹的
過熱蒸汽，增加了室的平均有效壓力(MEP)來執(zhí)行工作。
[0026] 8.鈉蒸汽室將繼續(xù)將熱傳遞回旋轉室，以使室溫保持在大約600℃或873K。當轉子室氣體和水冷卻時，
離心力將會促使較冷的和較重的水滴壓在外部殼體表面壁上，這將會有助于吸收來自SVC的熱，并且加速熱從SVC傳遞回轉子室，而且進一步保持用于執(zhí)行工作的高
蒸汽壓力和MEP。
[0027] 9.在第三次水噴射中，來自主動冷卻系統(tǒng)的在30℃或303K的較冷的水正好在排氣端口之前被噴入后期燃燒/膨脹，以冷卻燃燒反應和燃燒室轉子、葉片和密封部件，以及防止下一次進氣時的熱節(jié)流(thermalthrottling)。
冷卻水幫助增加了室蒸汽壓力和密度。冷卻水也有助于冷凝水蒸氣，使其更容易復原。
[0028] 10.高壓、高速度、較低的溫度以及水密集的排氣然后通過可變幾何結構的
增壓器渦輪(turbo charger turbine)，并且驅動進氣
壓縮機。
[0029] 11.來自排氣的水是被冷凝的、過濾的、并且再循環(huán)回至主動冷卻系統(tǒng)中。
[0030] 低熱損失熱管理
[0031] 在G循環(huán)發(fā)動機中，散發(fā)的熱通過早期和后期水噴射被送至鈉蒸汽室以及主動冷卻系統(tǒng)。這些系統(tǒng)是可逆的以及能夠將熱流再循環(huán)回至發(fā)動機室來改進熱動力效率。通常沒有可用能值或做功能力的來自主動冷卻系統(tǒng)的水被噴回至發(fā)動機室，在發(fā)動機室中，其能夠執(zhí)行正的(positive)可用能做功。被吸入SVC的熱量被排出或傳遞回發(fā)動機室來執(zhí)行可用能做功。來自主動水冷卻系統(tǒng)和SVC的熱將協(xié)同地互相作用，并且能夠將熱傳遞至每一個另外的系統(tǒng)或傳遞來自每一個另外的系統(tǒng)的熱。這允許大部分熱被通過發(fā)動機連續(xù)地傳遞回來，以提供正的可用能做功的優(yōu)勢。但是，會在每一次傳遞中損失一部分的熱。
[0032] 通過調節(jié)被噴回至轉子燃燒室的水量來降低燃燒氣體溫度是非常容易的。關鍵在于平衡水噴射以同時最大化在室中和發(fā)動機系統(tǒng)內的發(fā)動機的功和焓。如果加入太多的水，反應會太早的熄滅或冷卻，并且沒有足夠的焓來完全排放氣流。如果噴入太少的水，則將不能復原所有可能的熱，并且可能具有高的排氣熱損失和/或冷卻熱損失。
[0033] 鈉蒸汽室和熱傳遞
[0034] 在G循環(huán)發(fā)動機中，鈉蒸汽室(SVC)的工作類似兩相熱管，吸收來自燃燒熱區(qū)域的熱，并且在膨脹行程中將其傳遞回旋轉室。
[0035] SVC使用鈉作為
工作流體。由發(fā)動機燃燒釋放的熱被傳遞至SVC的
蒸發(fā)器區(qū)域，在該
蒸發(fā)器區(qū)域中，流體鈉吸收所傳遞的熱，并且從液相變?yōu)闅庀嗾羝ｂc氣體蒸汽然后以音速沿著SVC向
冷凝器區(qū)域移動，在該冷凝器區(qū)域中鈉氣體將其熱沿著膨脹區(qū)域傳遞回旋轉燃燒室中，并且鈉從氣相蒸汽變?yōu)橐合唷Ｒ幌盗械耐ㄟ^毛細作用傳送的網(wǎng)提供毛細作用來均勻地通過毛細作用向上朝向SVC蒸發(fā)器區(qū)域傳送回液相鈉，在SVC蒸發(fā)器區(qū)域，鈉被再次蒸發(fā)并且該循環(huán)被重復。
[0036] 在熱被吸入主動冷卻系統(tǒng)和鈉蒸汽室系統(tǒng)時以及熱被傳遞回發(fā)動機的膨脹循環(huán)時，存在熱流延遲。然而，因為連續(xù)的熱流，該延遲對工作G循環(huán)的意義不大。延遲僅僅在啟動中當燃燒熱主要被進入SVC和主動冷卻系統(tǒng)來使其增加至其
工作溫度范圍時明顯。
[0037] 當發(fā)動機改變rpm速度時，瞬時熱負載按比例地變化。這改變了旋轉室的熱傳遞延遲比。然而，SVC是一個自平衡系統(tǒng)，其自動地適應較高負載的情況。當rpm速度增加時，載入SVC的熱傳遞增加，并且轉子運動也增加了對于將熱傳遞回轉子室的可能延遲。SVC鈉溫度越高，熱的鈉蒸發(fā)器區(qū)域與冷凝器區(qū)域的溫差越大。這增加了SVC內部的熱傳遞。當燃燒熱加載繼續(xù)時，蒸發(fā)器和冷凝器區(qū)域的SVC平均工作溫度會增加。這引起了一種狀況，在SVC和旋轉室之間沿著膨脹通道的較大的溫差，從而更多的熱被以更高的速率傳遞回來。同樣在較高的rpm下，具有較短地傳遞至以及來自SVC的熱傳遞持續(xù)時間。這將限制過量的熱加載進入SVC。
[0038] 鈉是極易與水反應的，并且會產生能夠點燃的加熱的氫氣。為了減少鈉和水的互相作用和反應：首先，甚至對于非常大體積的發(fā)動機，鈉的量被保持的相對少來產生有限的損傷；第二，發(fā)動機蓋由非常堅固的高溫
合金材料制成以使其不易破裂；第三，SVC蓋幾何結構設計的
曲率也提供了極大的強度來傳遞碰撞力以防止破裂；第四，外部蓋由同時保護鈉蒸汽室免于碰撞的一層非常厚的金屬絕緣
泡沫或地毯材料進一步保護；第五，內部SVC壓力調節(jié)系統(tǒng)用來幫助優(yōu)化內部鈉運行熱流，吸收高碰撞壓力，以及減少破裂的機會；及第六，在破裂的情況下，鈉與水的互相反應通常非常局部化，并且反應速度慢，所以可能會有一些火，但是一定不存在將會引起金屬崩飛(flying)的爆炸。
[0039] 外部SVC絕緣蓋
[0040] 外部SVC表面用一種絕緣蓋蓋住，有助于減少通過SVC到周圍環(huán)境的熱損失。絕緣蓋亦有助于顯著減少G循環(huán)發(fā)動機的噪音水平。絕緣蓋可以由一種陶瓷材料或泡沫金屬或陶瓷材料的絕緣毯制成。這些材料也極大地保護SVC免受來自可能破裂SVC的意外事件的碰撞損傷。
[0041] 堿金屬熱電轉換器
[0042] 本發(fā)明的又一目的是提供一種直流電源。本發(fā)明提供了用于去除來自沿著燃燒區(qū)域的過量的熱并且將其沿著膨脹區(qū)域傳遞的鈉蒸汽室系統(tǒng)。鈉工作流體的循環(huán)熱傳遞輪廓對于使用堿金屬熱電轉換器(AMTEC)來產生
電流是同等的。AMTEC使用鈉作為一種加熱的并且加壓在β
氧化
鋁固體
電極上的工作流體，其中鈉從液相轉變?yōu)闅庀嗖⑶意c離子經(jīng)過BASE產生電流。
[0043] 轉子冷卻
[0044] 轉子表面
覆蓋一種能夠在高到1400℃運行的一種
缺陷簇TBC。該TBC有助于保護轉子免受燃燒熱損傷，并且最小化傳遞至轉子的表面熱。來自轉子室經(jīng)過轉子的TBC的熱將會被吸進位于轉子表面下的水蒸汽室。轉子的頂部水蒸汽室是蒸發(fā)器區(qū)域，其中水工作流體從液相變?yōu)闅庀啵⑶覍⑺羝覂炔康臒醾鬟f至位于轉子兩邊的冷凝器。當轉子旋轉吸收冷凝器熱時，主動水冷卻系統(tǒng)在轉子冷凝器上潑濺水，從而轉子蒸汽室水冷卻，并且從氣相變?yōu)橐合啵缓笃溆筛逩離心力朝著蒸汽器區(qū)域再循環(huán)回。轉子水蒸汽室也有助于在整個轉子表面上進行等溫熱分布。這有助于改進貫穿室中的均勻燃燒，并且防止在轉子結構中的熱點和
變形。
[0045] 高制動熱動力效率
[0046] 由于其鈉蒸汽熱傳遞、水噴射以及延長的膨脹行程，G循環(huán)發(fā)動機能夠實現(xiàn)較高的制動熱動力效率?？赡軙p失到殼體和冷卻系統(tǒng)的熱從鈉蒸汽室系統(tǒng)中恢復。被傳遞至主動冷卻系統(tǒng)的熱被再循環(huán)回燃燒/膨脹循環(huán)中。具有水噴射的膨脹的燃燒/膨脹室允許最大量的燃燒熱可以被轉變?yōu)镸EP和做功，減少了排放溫度損失。來自壓縮沖程的摩擦損失以及來自滑動葉片和轉子的熱被主動冷卻系統(tǒng)的水俘獲，并且噴射回燃燒室和運行循環(huán)中。使用整個發(fā)動機作為循環(huán)減少了來自燃燒、熱傳遞冷卻、排放以及摩擦的總的熱損失，這推進最大化功率和制動熱動力效率到達65-80％的水平。
[0047] G循環(huán)能夠適用于汪克爾(Wankel)發(fā)動機和其他
轉子發(fā)動機，但是優(yōu)選實施方式是特別為本發(fā)明的G循環(huán)發(fā)動機設計的，其具有許多被設計為優(yōu)化G循環(huán)的熱動力學和機械運行的獨特的機械系統(tǒng)。
[0048] 高度平衡的功率密度
[0049] 本發(fā)明的進一步目的是提供更好的平衡的功率分布，同時也具有較高發(fā)動機功率與體積和質量之比的性能。
[0050] 該發(fā)動機的目的是優(yōu)化四個發(fā)動機循環(huán)沖程的每一個，并且將其運行綜合成一個完全集成的發(fā)動機系統(tǒng)實現(xiàn)高發(fā)動機效率，以及高的功率與發(fā)動
機體積和質量密度之比。優(yōu)選的發(fā)動機配置是旋轉葉片類發(fā)動機，其中轉子位于
傳動軸中部。旋轉類發(fā)動機是理想的，因為其能夠將四個發(fā)動機循環(huán)的每一個獨立分開。其也允許所有的燃燒和機械力連續(xù)工作，并且被對齊僅僅在一個與
往復式發(fā)動機相反的方向旋轉。這建立了更平穩(wěn)、更平衡的具有更少振動和
應力的旋轉。在本發(fā)明的發(fā)動機內使用的室相對較小，其允許燃燒反應更好地得到控制，以使發(fā)動機能夠用僅僅一個轉子平穩(wěn)運行。
[0051] 發(fā)動機也能夠具有連接到相同傳動軸上的可變數(shù)量的轉子來增加發(fā)動機系統(tǒng)的總功率能力。轉子的數(shù)量限于傳動軸的長度和強度來處理所有轉子的運行負載。本發(fā)明的發(fā)動機也能夠具有6、8、9或12個燃燒室。然而，優(yōu)選實施方式是8室的發(fā)動機。具有6、8、9、12或更多室，取決于發(fā)動機每360度CA旋轉的范圍(scale)，發(fā)動機能夠在一個小發(fā)動機體積和質量內產生非常高的位移功率和轉矩。
[0052] 例如，對于在轉子中具有8個燃燒室的發(fā)動機，發(fā)動機將會提供每360度曲軸轉動的8功率脈沖(power pulse)。
[0053] 可變水噴射壓縮率
[0054] 盡管在氫G循環(huán)發(fā)動機中使用SVC將允許從發(fā)動機中完全去除燃燒腔，但是這樣的腔確實幫助控制氫和水的分層特性來改進點燃并且對產生用于增強的燃燒反應混和的
湍流。然而，燃燒腔凹槽的使用產生了更多的室體積，基于轉子幾何結構與外部殼體定子表面相互作用，通過增加不易被壓縮的室體積負面影響了室壓縮比。在G循環(huán)發(fā)動機中，水噴射與燃料噴射幾何地分開。兩個水噴射處于壓縮沖程的早期，處于當牽引的(trailing)轉子室葉片通過進氣端口時。這允許在水噴射發(fā)生前吸滿新鮮進氣空氣。在此時刻，來自主動冷卻系統(tǒng)的加熱的水由在轉子定子殼體側面的兩個水噴射被噴入轉子室。水噴射被以轉子旋轉的方向向前引導，并且每個噴射器在軸向密封附近的轉子和轉子室的每個側面噴水。水溫在250℃到350℃接近蒸汽點。當轉子繞著內殼體定子旋轉時，被噴入的水受離心力和
慣性力分層進入轉子室的后半部。轉子室然后在前半部用新鮮空氣分層，并且在后半部被噴入水。在此時刻，水被認為是一種不可壓縮流體，并且極大地減少了有效室體積。氫燃料然后被直接噴入轉子室的中間前半部。增加的水有助于控制峰值燃燒溫度，同時也增加了有效壓縮比來幫助點燃燃料。在室中的水和燃料的分層也有助于燃料在沒有水的稀釋下被更快地點燃，改進了燃燒性能。水和燃料的分層也保持了在轉子室的前部的燃燒反應。這進一步改進了燃燒力的前向杠桿作用。如果沒有這個分層，燃料將也會在室中趨向于向著轉子室后半部分層，最小化所期望的燃燒矢量力。一旦氫燃料被點燃，則需要非常小量的燃燒熱量來將水蒸發(fā)為
過熱蒸汽。這個過熱蒸汽迅速以旋轉的方向向前傳遞，伴有非常強的爆炸運動產生極大的室湍流來與燃燒燃料混合。這個過熱的非常劇烈的燃料/水反應然后在鈉蒸汽室的燃燒表面?zhèn)鬟f，表面溫度為1800K或1526℃。G循環(huán)發(fā)動機的這個幾何結構部分具有非常高的殼體表面面積與室體積之比，并且有助于改進燃燒率和燃料的完全燃燒。被噴入壓縮沖程的水量能夠變化來改變有效壓縮比以優(yōu)化發(fā)動機在不同rpm情況下的性能和效率。
[0055] 例如一個400cc的幾何結構進氣體積能夠被壓縮至40cc，具有壓縮比為10∶1。然而，如果20cc的不可壓縮的水被噴射，有效氣體壓縮體積是20cc，具有20∶1的壓縮比。
水量能夠被調節(jié)來將有效壓縮比調節(jié)至理想發(fā)動機運行情況。
[0056] 逆轉的燃燒損失
[0057] 壓縮比被調節(jié)以使氫/水/空氣預混溫度非常接近585℃，即，自燃溫度。氫是非常易于擴散的燃料，并且快速形成與水的均勻充滿。來自鈉蒸汽室的熱點燃氫/水/空氣混和物。通過使用殼體表面區(qū)域來點燃此混合物，整個燃燒室被同時點燃。由于氫/水/空氣預混溫度與自燃溫度相等，因此損失了很少的燃燒能量。因為整個殼體被用來點燃混合物，有非常少量的來自火焰前鋒與非反應的燃料和空氣交換的燃燒能量損失。因為燃燒混合物僅僅是氫、水和空氣，產物和反應物僅僅限于這些成分。這減少了與制動較大
碳氫化合物鏈燃料的分子鍵有關的燃燒
動能損失。在均勻的氫/水/空氣混和物中，水非常接近氫，并且將有助于限制燃燒反應，將
熱能量轉變?yōu)楦哒羝麎毫x能的能量來執(zhí)行工作。在燃燒反應中加熱水蒸汽是一個更可逆的反應，其中燃燒熱量能夠在其他水分子之間被傳遞或傳導，具有很少能量損耗。
[0058] 改進的氫燃料傳輸
[0059] 本發(fā)明的進一步目的是對已有的發(fā)動機提供改進的氫燃料運輸和點燃性能。G循環(huán)發(fā)動機不僅使用和再循環(huán)所有的燃燒反應熱，而且其也使用俘獲來自發(fā)動機的機械摩擦、循環(huán)壓縮和排氣流中的熱的主動水冷卻系統(tǒng)。來自主動冷卻系統(tǒng)的加熱的水被用來在噴射，早期和后期水噴入燃燒/膨脹區(qū)域之前與氫氣預混。壓縮的氫存儲系統(tǒng)使用能夠承受10,000psi到15,000psi壓力的容器。G循環(huán)發(fā)動機使用調解器來將氫加壓噴射進正在旋轉的燃燒腔。當壓縮的氣體從高壓變?yōu)榈蛪簳r，有來自氣體膨脹被吸入的熱。如果壓差和氣體使用率足夠高，其能夠引起結
冰以及調節(jié)器和系統(tǒng)失效。G循環(huán)發(fā)動機使用來自主動冷卻系統(tǒng)的在氫氣進入發(fā)動機的燃燒室以前與氫氣預混的加熱的水，并且提供氣體膨脹所需的熱量來防止調節(jié)器結冰。由于氫具有高的自燃溫度585℃，快速升高其溫度到較高對于適當燃燒是非常重要的。
[0060] 高度壓縮
[0061] 本發(fā)明的進一步目的是提供具有較高運行進氣壓縮的發(fā)動機。氫能具有非常高的壓縮率，能夠高至33∶1。通過將氫與水預混，本發(fā)明的發(fā)動機能產生較高的壓縮率，大于14∶1，暴震或預點燃發(fā)生的可能降低。本發(fā)明使用將氫/水/空氣預混物帶至接近585攝氏溫度，在自燃溫度附近的溫度的壓縮比。這個燃燒平衡有助于減少動力學燃燒反應熱量損失來點燃預混燃料。
[0062] 較寬燃料/空氣等值運行范圍
[0063] 本發(fā)明的進一步目的是提供能夠在Phi燃料與空氣混和物之比的較寬范圍成功運行的氫發(fā)動機，其能夠被從非常稀薄調節(jié)到化學劑量(stoichiometric)或(從＞＝0.4到＜＝1.0)來優(yōu)化燃燒反應以達到高燃料效率或高功率性能。氫和進氣空氣被集中到一起，以甚至在低當量比時也能極好的點燃。水噴射能夠產生改進點燃性能的高度壓縮。內部定子表面的高溫將進一步改進稀薄的燃料混合物點燃和完全燃燒。
[0064] 較低NOX排放
[0065] 本發(fā)明的進一步目的是對已有內燃發(fā)動機提供改進的具有較高功率輸出性能的較低NOX排放。將氫與水預混稀釋了燃料混合物，并且將峰值溫度減少和控制至大約1800K，此時形成了很少NOX排放。
[0066] 氫點燃、燃燒持續(xù)時間、及平均有效壓力
[0067] 本發(fā)明的另一目的是為已有發(fā)動機系統(tǒng)提供使用較少
電能，并且提供更多瞬時和完全燃燒的點燃系統(tǒng)。
[0068] 本發(fā)明的進一步目的是為已有內燃發(fā)動機提供改進完全燃燒性能、改進燃燒反應湍流、改進燃燒反應速率以及改進燃燒持續(xù)時間的燃燒反應。
[0069] 本發(fā)明的進一步目的是為已有發(fā)動機系統(tǒng)提供具有較高平均有效壓力(MEP)的燃燒循環(huán)。
[0070] 氫具有低熄滅
閾值，并且當氫通過殼體表面區(qū)域損失太多的熱時，燃燒反應將會熄滅或結束。本發(fā)明的旋轉葉片發(fā)動機設計有膨脹的燃燒/膨脹區(qū)域，其產生具有高表面與體積比的燃燒腔。在典型發(fā)動機中，這將產生通過殼體表面的高度燃燒燃料損失，引起未完全燃燒的燃燒反應熄滅、差的燃料性能以及純燃料排放。在本發(fā)明的發(fā)動機中，由于鈉蒸汽室沿著燃燒/膨脹區(qū)域的集成，高的表面面積與體積比是一個很大的優(yōu)勢。一個或兩個火花塞在啟動過程中點燃氫/空氣/水預混物。一旦發(fā)動機表面到達運行溫度，火花塞關閉來節(jié)省電量，同時通過內部殼體表面來自鈉蒸汽室的熱被用來點燃燃料混合物。氫具有585℃的自燃溫度，并且鈉蒸汽室具有600℃的運行溫度。一旦氫/空氣/水預混物旋轉進入鈉蒸汽室所在的燃燒/膨脹區(qū)域，其將立刻點燃燃料混合物。由于內部殼體定子表面的剪切力，這種高的表面積與體積之比也造成強氣體湍流。這引起進一步改進的鈉蒸汽室的完全燃燒性能和熱傳遞。水蒸汽具有比空氣更高的密度，并且在高旋轉離心力作用下趨向于沿著鈉蒸汽室所在的內部殼體定子的表面移動。沿著內部殼體定子的高表面區(qū)域的水移動改進了從鈉蒸汽室至燃燒腔的熱傳遞。這也繼續(xù)保持了在膨脹的燃燒/膨脹區(qū)域的整個長度上的高的水蒸汽壓力和MEP工作。高水蒸汽壓力也有助于防止氫在密封系統(tǒng)后滲透至發(fā)動機的內部隔間中。
[0071] 燃燒室密封系統(tǒng)
[0072] 本發(fā)明的又一目的是提供一種用于密封旋轉葉片內燃發(fā)動機的燃燒室的裝置，其實現(xiàn)了相對于已有密封的增加的
密封性能、減少的摩擦磨損、減少的摩擦熱積累以及增加的強度和耐久性。
[0073] 本發(fā)明的進一步目的是提供一種燃燒室密封件，其對內部殼體定子的熱變形尺寸變化起作用，使用燃燒室氣體來保持密封力，快速對空氣/氣體壓力起作用，并且在不同動態(tài)的燃燒室力下獨立保持理想的前部和后部燃燒室密封，以提供相對于已有密封的改進的密封性能。
[0074] 本發(fā)明的進一步目的是提供一種改進的燃燒室密封
接口系統(tǒng)，其提供相對于已有密封的改進的在滑動分離葉片密封件、軸向密封件及葉片葉面密封件之間的密封接口。
[0075] 本發(fā)明的進一步目的是提供一種改進的燃燒室密封件，其對已有密封件減少了葉片撓曲變形。
[0076] 本發(fā)明的進一步目的是提供一種改進的燃燒室密封件，其對已有密封件最小化了對內部殼體定子表面的密封顫動痕跡損傷，并且減少了運行振動和不適的壓力(harshness stress)。
[0077] 本發(fā)明的進一步目的是提供一種改進的燃燒室密封件，其產生燃燒室氣體湍流來對已有密封件改進燃燒反應。
[0078] 燃燒室密封件是本發(fā)明的重要的一方面?；瑒尤~片必須維持高壓縮和燃燒壓力來防止通過所有循環(huán)的通過其前向和后向撓曲變形的泄漏。密封摩擦在本發(fā)明的發(fā)動機效率中起了非常關鍵的作用。然而，生成更多密封力通常也產生較高的摩擦能量損失和磨損。燃燒室密封件的設計解決了與持續(xù)變化的室體積有關的復雜幾何結構表面接口的問題。燃燒室密封系統(tǒng)由3個主要密封子系統(tǒng)組成：滑動葉片和發(fā)動機殼體之間的密封、滑動葉片和轉子之間的密封以及轉子和發(fā)動機殼體之間的密封。這個密封系統(tǒng)的質量對于發(fā)動機功率、效率、耐久性及排放很重要。
[0079] G循環(huán)發(fā)動機系統(tǒng)使用特別的葉片分離密封系統(tǒng)，其中每一個葉片包括兩個分離密封件。旋轉離心力和氣體壓力有助于將密封壓在內部殼體的定子表面上。每一個葉片分離密封件具有氣體通道穿孔，其允許少量氣體在密封下滲透來將密封件向外壓在內部殼體定子表面上。葉片密封件的氣體填充允許來自每一個室的密封力去平衡密封力，而不產生過量的磨擦。每一個葉片使用兩個密封件提供了進一步減少室竄漏損失的雙密封系統(tǒng)。然而，在室之間的室竄漏對于發(fā)動機循環(huán)是非寄生的。任何發(fā)生的氣體竄漏將依舊肯定被使用在那個室中。
[0080] 葉片分離密封件被在葉片葉面表面和轉子之間密封的葉片葉面彎曲的密封件以及在轉子和側面殼體之間密封的側面軸向密封件連接。葉片分離密封件、葉面密封件和軸向密封件共同密封每一個轉子室。
[0081] 葉片葉面和軸向密封件也用
波形彈簧(corrugated spring)預先加載。一旦發(fā)動機開始運行，室氣體將也會對密封件施壓。葉片葉面和軸向密封件也包括沿著其密封表面的小密封條。任何強烈的振動這些封條的燃燒振動會引起氣體泄漏。這些小的封條將提供額外的密封保護。
[0082] 分離葉片密封件
[0083] 進一步根據(jù)上述的目的，本發(fā)明提供了沿著旋轉葉片內燃發(fā)動機內部的通常半圓U形滑動葉片的外圍，可滑動地固定的分離葉片密封件。每一個分離葉片密封件包括兩個葉片密封件，其具有最大化與發(fā)動機的定子殼體的內部表面
接觸的表面面積的輪廓。每一個密封環(huán)的大輪廓表面提供了比已有的薄邊定點密封系統(tǒng)更大的接觸密封的表面面積。因此，其在高燃燒壓力和旋轉速度下提供了更好的密封性能。當分離葉片密封件在定子的內部表面掃過時，每一個葉片密封件的大輪廓表面也將密封接觸力分布在每一個葉片密封件的整個前表面、頂表面和后表面。密封接觸力的這種分布最小化了在任何一個點上的持續(xù)磨損，并且有助于極大地延長葉片密封件的使用壽命、耐久性以及密封性能。
[0084] 本發(fā)明的進一步目的是提供葉片密封件，其做來回的肘節(jié)運動，以提供與內部殼體定子的不斷變化的表面接觸
角的最優(yōu)化的密封接觸。
[0085] 每一個葉片密封件的肘節(jié)運動由位于葉片軸承槽內部的滾子軸承推動，其夾在每一個分離葉片密封件內部的兩個葉片密封件之間，也夾在每一個葉片密封件和其相鄰的轉子部分之間。當這些嵌在葉片密封件內部表面和外部表面中的小的滾子軸承在定子內部旋轉時，其有助于使葉片密封件做來回的肘節(jié)運動。
[0086] 獅子鼻形密封尖端
[0087] 葉片密封件尖端包括獅子鼻形尖端，其在葉片密封件的頂部提供小輪廓的圓形的尖端，其能夠在內部殼體定子表面輪廓平穩(wěn)滑動。小獅子鼻形尖端是更集中的類似
活塞環(huán)，來最小化額外的表面密封接觸。在燃燒中引起大應力和振動力。密封氣體通道將有助于吸收和補償這些力。然而，獅子鼻形密封件可能會從內部殼體定子表面上被震掉。這一動作會引起對定子表面的顫動痕跡損傷。然而，通過使鼻子尖密封稍寬，碰撞力將會分布在稍大的表面面積上，并且將更少可能引起顫動痕跡損傷。獅子鼻形尖端也使用氧化物潤滑劑涂層，而且在擴大的密封尖端表面的其他地方使用熱障涂料涂層。獅子鼻形密封尖端的優(yōu)勢是其能夠從葉片的頂部中心轉移到葉片部分的下部分的外部側面上，有利于與軸向密封件和葉片葉面密封件的理想的平坦的接觸連接表面。
[0088] 擴大的尖端邊緣
[0089] 除此之外，每一個葉片分離密封邊緣的側面表面在頂部附近張開(flareout)或擴大，為燃燒氣體提供了表面來朝著定子的內部表面向外推動每一個葉片密封件。該擴大的尖端將作為一種I形
鋼梁葉片尖端結構加強件，以當其在內部殼體輪廓四周旋轉并且受到燃燒力的影響時來幫助防止葉片密封件扭曲或變形。
[0090] 葉片密封氣體通道
[0091] 每一個葉片密封件將跨在葉片脊的頂部，當其在內部殼體定子表面上移動時有助于防止每一個葉片密封件扭轉離開原位。每一個葉片密封件也能夠垂直于轉子的軸線沿著每一個滑動葉片的側面以肘節(jié)運動移進或移出。當其在內部殼體定子表面四周移動具有變化的接觸點時，這就提供了改進的與內部殼體定子表面的表面接觸。當葉片密封件在每一個滑動葉片的頂部上肘節(jié)運動地移進和移出的時候，位于每一個葉片密封件內部的氣體通道槽允許來自燃燒室的氣體在葉片脊上的每一個葉片密封部分的下面流動，從而促使每一個葉片密封件與定子的內部表面較近地接觸，同時，用燃燒室的氣體壓力平衡所需的密封力。葉片脊彈簧密封件將會被布置在下部密封側面部分的底部附近，來幫助保持適當?shù)臍怏w通道壓力，并且防止氣體從葉片密封件底部泄漏。
[0092] 動態(tài)軸向分離葉片密封件
[0093] 葉片密封件的另一個動態(tài)方面是其被分成上部半圓形的中心部分和兩個下部直的側面段，并且每一個側面段具有在特定方向上運動的自由以使燃燒室保持緊緊地密封。兩個段都可以沿著轉子的旋轉平面自由地快速移進或移出。下部側面段也可以軸向的自由移進或移出，在與轉子的軸線稍微平行的方向。一個小氣體槽貫穿(run down)每一個下部側面段的內部。氣體槽與氣體通道在上部半圓中心部分連接。來自燃燒室的氣體通過葉片密封氣體通道來幫助徑向地沿著內部殼體表面的壓力平衡密封。氣體然后沿著下部側面的氣體槽流動，以徑向地沿著側面內部殼體定子表面壓力平衡密封。氣體槽彈簧密封件有助于保持適當?shù)臍怏w槽壓力，并且防止氣體從葉片密封件的底部泄漏。中心和側面葉片密封段的動態(tài)運動提供了額外的運動密封范圍以及對熱非對稱殼體輪廓的
熱膨脹變化反應的能力。這些新穎的設計提供了有效密封每一個燃燒室的方法。
[0094] 動態(tài)轉子軸向密封件
[0095] 動態(tài)轉子軸向密封件沿著轉子的側面以及內部殼體定子表面密封。每一個動態(tài)轉子軸向密封件包括主要軸向密封件和次要密封條，其位于沿著與內部殼體定子接觸的密封接觸表面的主要軸向密封件內的小凹槽中。主要軸向密封件分成中心部分和兩個末端部分。這兩個部分沿著有角度的表面對接在一起，其中中
心軸向密封部分使用舌狀延伸，并且末端軸向部分使用有槽的凹進部分。中心軸向密封部分由燃燒室氣體壓力和波形彈簧從轉子向外偏置，來構成與內部殼體定子表面的密封接觸。由于氣體壓力和波形彈簧使主要密封件向外偏置，其也將軸向末端部分向外偏置或同徑向偏置來將密封壓力施加到內部殼體定子表面以及滑動葉片密封件的下部分。小的次要密封條適合于在主要軸向的中心和末端部分延伸的小凹槽。次要密封條在主要軸向密封段上提供了連續(xù)的密封表面，并且有助于防止在主要軸向密封件四周的任何氣體竄漏。主要軸向密封件的密封面表面用固態(tài)潤滑劑涂層來減少摩擦和密封磨損。
[0096] 葉片葉面密封件
[0097] 進一步根據(jù)上述的目的，本發(fā)明提供了葉片葉面密封件，其在轉子和每一個滑動葉片的葉面之間建立了緊密的密封，同時提供了對于主要軸向末端密封件的支承。葉片葉面密封件構成為一個兩級結合的主要密封件和次要密封條。主要葉片葉面密封件由燃燒室氣體壓力和位于該封條后的波形彈簧向外偏置反向于葉片葉面表面來使主要密封受壓。次要密封條提供了主要葉片葉面密封段上的連續(xù)密封表面，并且?guī)椭乐菇?jīng)過主要葉片葉面密封件的任何氣體竄漏。主要葉片葉面密封件的密封葉面表面用固態(tài)潤滑劑涂層來減少摩擦和密封磨損。
[0098] 葉片結構
[0099] 本發(fā)明的進一步目的是提供較輕和更強的葉片結構，其更不易受
熱應力和機械變形的影響。
[0100] 徑向內部殼體定子、轉子及葉片使用半圓形的幾何結構輪廓代替典型的方形幾何結構輪廓。這允許葉片從轉子延伸，并且能夠使轉子提供對葉片中心強有力的
支撐，匹配葉片半圓形的彎曲輪廓。這對葉片的周邊提供了極好地支撐，其中密封件被壓在內部殼體定子表面。在葉片上的這個轉子支撐有助于最小化燃燒力和密封力造成的葉片和密封件變形。
[0101] 減少葉片的質量極大地減少了沿著內部殼體定子的能夠引起變形的離心滑動力。葉片的形狀是具有半圓型的頂部邊緣的倒轉的U形結構，其中的葉片密封件存在以沿著內部殼體定子表面密封。葉片的中心用僅僅垂直和水平對接的支撐
橫桿取代(cut out)。大的孔布置在水平的支撐桿部分中來進一步減少葉片的材料質量。
[0102] 葉片優(yōu)選由高強度輕質量也耐高溫的材料制成，例如Haynes 230。葉片的前部和后部葉面優(yōu)選用熱障涂料涂層，來防止能夠引起過量熱膨脹或變形的對葉片結構的熱損傷。
[0103] 葉片熱管冷卻/熱傳遞
[0104] 葉片也包括熱管槽系統(tǒng)，其在周邊密封表面下面。熱管槽優(yōu)選是倒置的U形的葉片輪廓，并且優(yōu)選使用水作為工作流體。熱管主要通過高G離心力運行。離心力引起水向著在蒸發(fā)器區(qū)域內部的密封件下面的葉片尖端移動。來自密封件的熱被傳遞至熱管槽中，同時水被加熱，并且從液相變?yōu)闅庀唷怏w然后通過熱管槽流至兩個側面末端之一，其中其將熱傳遞至冷凝器，并且再次從氣相變?yōu)橐合?。液體然后循環(huán)回葉片的尖端或蒸發(fā)器區(qū)域來再次啟動循環(huán)。主動冷卻系統(tǒng)將水潑濺至轉子和外部葉片冷凝器上，來將葉片的熱傳遞至主動冷卻系統(tǒng)的水中。加熱的水然后被噴射，并且再循環(huán)回發(fā)動機循環(huán)中。多孔倒置的U形毛細結構優(yōu)選在熱管槽中，來有助于毛細作用或傳遞熱管內的水和氣體，并且也為水膨脹提供了冷溫保護來防止結冰。葉片熱管槽極大地減少了葉片和密封結構的溫度，以便其保持其結構完整和最優(yōu)性能。
[0105] 葉片反離心傳動帶系統(tǒng)
[0106] 進一步根據(jù)上述的目標，本發(fā)明提供了葉片反離心系統(tǒng)來減少在滑動葉片上的分離葉片密封件和定子的內部表面之間產生的摩擦。葉片
向心力系統(tǒng)包括葉片傳動帶系統(tǒng)，其施加向心力來抵消由快速旋轉的滑動葉片產生的離心力。弓形的葉片傳動帶板可以被用來減少葉片傳動帶上的應力。
[0107] 本發(fā)明的進一步目的是對已有的葉片向心系統(tǒng)提供改進的滑動葉片反離心力傳動帶系統(tǒng)，其具有增加的運行移動范圍和增加的運行rpm速度范圍。
[0108] 本發(fā)明的進一步目的是對已有的滑動葉片向心系統(tǒng)提供改進的滑動葉片反離心力傳動帶系統(tǒng)，其具有減少的摩擦磨損、減少的摩擦熱累積，以及減少的運行振動，以及改進的強度和耐久性。
[0109] 當葉片在內部殼體定子周圍旋轉時，離心力將葉片和密封件壓在內部殼體定子表面上。當rpm速度增加時，離心力增加并且引起高
摩擦力，此摩擦力非常大，以至于摩擦力可以等于或變得大于驅動發(fā)動機的燃燒室壓力。這種情況極大地限制了發(fā)動機的功率密度和制動熱效率。有多種方式來抵消葉片離心摩擦。一種方式是減少葉片和密封件的大質量。這減少了離心力的總的力
載荷。另一種方式是使用環(huán)和將葉片連接到主要傳動軸的
連接桿。這允許葉片在離內部殼體定子表面固定的或恒定的距離處旋轉。這種方法有助于解決葉片和密封件離心摩擦的問題，但是僅僅對橢圓形的內部殼體定子幾何結構輪廓起作用。
這將燃燒/膨脹持續(xù)時間限制到從TDC點燃僅僅90度CA旋轉。另外一種方法使用連接到葉片底部的菱形連接。菱形連接系統(tǒng)的優(yōu)勢是葉片和密封件離心力通過該連接被轉換為向心力來平衡或抵消離心力。菱形連接類似剪切系統(tǒng)運行，當葉片在內部殼體定子輪廓周圍旋轉時自動地調節(jié)。當兩個相對的葉片流過輪廓，并且向外擴張時，其引起另外兩個葉片向內縮進。菱形連接的問題再次在于內部殼體定子必須具有橢圓形輪廓引起僅僅90度燃燒/膨脹持續(xù)時間。菱形連接也使用易于磨擦和磨損的大量的銷和
鉸鏈。當磨損發(fā)生時，銷和鉸鏈也不能被調節(jié)或再拉緊而引起系統(tǒng)失效。另一種方法是在葉片的底部增加大量
凸輪，并且在內部殼體切出遵循旋
轉輪廓的凸輪凹槽。離心摩擦從葉片和密封的尖端傳遞至凸輪槽中的凸輪上。葉片凸輪和凸輪槽用油類潤滑劑充分潤滑，并且甚至能夠使用精細的滾子軸承系統(tǒng)。這便于葉片使用擴大的幾何結構輪廓，具有大于從TDC的90度CA的燃燒/膨脹持續(xù)時間。這個系統(tǒng)的問題在于其難于密封和給凸輪槽上油。由于系統(tǒng)磨損，這個凸輪槽系統(tǒng)也不允許任何類型的調節(jié)。其通過將載荷力傳遞至設計來降低高摩擦負載的凸輪和凸輪槽，而僅僅稍微地改進了離心摩擦問題。葉片凸輪將大質量加到葉片并增加凸輪槽內的額外摩擦，抵消其嘗試去減少的摩擦水平。
[0110] 本發(fā)明的葉片和密封件反離心系統(tǒng)使用一系列連接到肘節(jié)系統(tǒng)的傳動帶，肘節(jié)系統(tǒng)連接到每一個葉片的底部。兩組傳動帶在交替的葉片之間的兩個傳動帶分開的
位置形成。一個傳動帶沿著發(fā)動機的徑向中心以及圍繞傳動軸延伸，同時另外一個傳動帶被分成兩半，并且在中心傳動帶外面延伸。每一個外部傳動帶是中心傳動帶的寬度的一半。傳動帶系統(tǒng)的運行工作類似于細繩/
手指貓的搖籃游戲(string/finger cat’s eradle game)，其中玩家通過使用其手指扭曲繩環(huán)來利用繩環(huán)做出創(chuàng)新的繩的形狀。為了保持該創(chuàng)新的繩的形狀，玩家必須使用兩只手并且將其拉開來對繩施加拉緊力。玩家通過用手指調節(jié)繩能夠改變繩的形狀或位置，但是必須用所有的手指保持對繩的持續(xù)的拉緊力。本發(fā)明以一種類似的方式運行。在八葉片發(fā)動機系統(tǒng)中，四個交替的葉片被連接到中心傳動帶系統(tǒng)，同時四個葉片被連接到外部傳動帶系統(tǒng)。在每一個傳動帶系統(tǒng)中，當兩個葉片遵循內部定子輪廓，并且開始從轉子的中心延伸時，其將另外兩個葉片拉回至轉子中。這個系統(tǒng)的運行通過平衡離心葉片和密封力和其他葉片和密封的向心力也非常類似菱形連接系統(tǒng)。本發(fā)明的優(yōu)勢在于其也使用葉片傳動帶肘節(jié)系統(tǒng)和異型帶，允許葉片和密封遵循對稱的內部殼體輪廓，其中燃燒/膨脹比從TDC的90度CA大。肘節(jié)允許葉
片段擴大或縮短來適應內部殼體輪廓扭曲。異型帶系統(tǒng)是第三種傳動帶系統(tǒng)，包括兩個較小的傳動帶，所述較小的傳動帶在兩個內部傳動帶系統(tǒng)的外圍運轉。該異型帶系統(tǒng)將中心和外部傳動帶系統(tǒng)連接到一起作為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，并且類似于動態(tài)凸輪槽作用，以當其圍繞對稱的或扭曲的橢圓內部殼體定子輪廓旋轉時，有助于保持葉片和密封件在對于內部殼體定子表面的合適的位置。所提出的發(fā)明的另外一個優(yōu)勢是每一個葉片肘節(jié)系統(tǒng)被連接到可調拉桿，可調拉桿能夠調節(jié)來自任何系統(tǒng)磨損或拉緊的傳動帶的傳動帶拉力。
[0111] 通過使用主動冷卻系統(tǒng)來將水潑濺到轉子中心，在傳動帶系統(tǒng)周圍的溫度能夠被保持在大約100℃或212F。在這個溫度，多種不同的材料能夠被用作傳動帶材料。這些材料包括編織的Nextel 610和AGY的933-S2玻璃、玻璃
纖維、
碳纖維或
不銹鋼金屬絲。優(yōu)選的傳動帶材料是高拉力強度纖維，其被編入平坦的傳動帶段并且連接到葉片肘節(jié)。葉片傳動帶將跨在位于兩個連接的葉片之間的傳動帶拱形結構上。傳動帶拱形結構將包括滾子軸承，來進一步協(xié)助傳動帶在葉片拱形結構上的運轉。滾子軸承也被連接到彈簧系統(tǒng)，其在高于1000rpm的高rpm速度時壓縮。在這些速度時，滾子軸承斷開與葉片傳動帶的接觸，并且該傳動帶在已經(jīng)用固體潤滑劑涂層的傳動帶拱形結構的較小的圓形表面上滑過。固體潤滑劑允許在傳動帶拱形結構上的具有非常低的摩擦和磨損的非常高速的葉片傳動帶運動。
[0112] 轉子結構
[0113] 本發(fā)明的進一步目的是提供比其他轉子系統(tǒng)更質輕并且強度更高的改進的轉子結構。
[0114] 發(fā)動機轉子由八個或六個段組成，數(shù)量取決于發(fā)動機轉子的體積和發(fā)動機配置。傳動軸優(yōu)選是八邊形或六邊形的，來分別地匹配八個或六個轉子段。每一個轉子段的底部優(yōu)選放置在傳動軸的平坦表面之一上。圓形
鎖板在傳動軸的每一個末端上滑動，并且將所有不同的轉子段鎖在一起來形成單個轉子。轉子優(yōu)選具有匹配內部殼體輪廓的頂部半圓形的形狀。轉子頂部被連接到使得轉子進入反置的U形葉片，并且來自在轉子表面下的大的開放空間的兩個側板。頂部半圓形的形狀類似堅固的弧形結構作用，并且對轉子提供極大地強度，同時允許在下面有大的開放空間。這減少了發(fā)動機的重量以及制造轉子的材料成本。其也提供了用于葉片反離心傳動帶系統(tǒng)運行的空間。
[0116] 燃燒腔形成了一種月牙形狀，并且比通常的燃燒室窄。氫具有比汽油和柴油燃料更高的火焰速度。這產生了室氣體和水對于外部殼體表面的表面剪切，來產生混合湍流來改進貫穿整個室的火焰前鋒傳播。在高的內部殼體表面溫度下，跨過這個加熱表面的燒灼(sear)湍流將進一步加速燃燒和火焰前鋒傳播。
[0117] 燃燒凹槽主要將氫和水稍微分層。這有助于提供從水分離的將會在側面或后部的稍微氫均勻的燃燒部分。燃燒槽的彎曲也有助于產生室湍流來改進氫燃燒，并且然后與水混合。
[0118] 一旦在室前部的氫被點燃，水朝著室的后部分分層。當轉子旋轉通過90CA度TDC時，燃燒槽的彎曲允許水被更容易和平穩(wěn)地被壓入，并且通過這個壓縮點噴出，而不在室后部的壓縮鎖定的位置。水也高速向前傳播來改進氣體湍流，并且與燃燒室的氫混合。
[0119] 轉子熱控制和水蒸氣室冷卻/熱傳遞
[0120] 本發(fā)明的進一步目的是最小化滲透到轉子中的熱，并且來提供改進的轉子冷卻系統(tǒng)來去除任何這樣的熱滲透。轉子的頂部表面以及三個燃燒腔槽的表面優(yōu)選用類似釔穩(wěn)定鋯(YSZ)的熱障涂層(TBC)。TBC防止熱由于燃燒滲透到轉子表面并且進入內部轉子部件。位于轉子表面以下的水蒸汽室俘獲任何經(jīng)過表面TBC并且滲透到轉子中的熱。轉子水蒸汽室有助于使表面與轉子等溫，并且在表面上提供更均勻的熱分布，來幫助穩(wěn)定燃燒反應。轉子蒸汽室的運行類似于葉片熱管系統(tǒng)。轉子蒸汽室使用水作為工作流體升高到202℃。水蒸汽室是重力循環(huán)系統(tǒng)，其使用高G轉動力來使水在轉子外部燃燒腔表面之下的蒸發(fā)器部分和兩個側面冷凝器之間循環(huán)。轉子蒸汽室也優(yōu)選使用細的和粗糙的毛細網(wǎng)層來改進在轉子整個表面區(qū)域的水分布，并且改進在蒸發(fā)器和冷凝器之間的
水循環(huán)。兩個多孔的毛細管也被布置在轉子蒸發(fā)器室中，來改進工作流體循環(huán)，并且有助于防止對于轉子和/或水蒸汽室的水的冷凍膨脹損傷。一個多孔的毛細結構從一側冷凝器到另一側冷凝器軸向地纏繞在轉子的半圓形部分上。另一個多孔的毛細部分徑向地穿過水蒸汽室的中心。來自主動冷卻系統(tǒng)的水從發(fā)動機殼體的兩側，并且跨過轉子側面冷凝器被潑濺到發(fā)動機殼體中。來自轉子水蒸汽室的熱被傳遞通過來自主動冷卻系統(tǒng)的水中的冷凝器。加熱的水然后被循環(huán)出發(fā)動機的殼體，并且被噴回燃燒腔中或與氫混合作為預混物。
[0121] 葉片切向的軸承系統(tǒng)
[0122] 本發(fā)明的進一步目的是相對于已有的滑動葉片切向的軸承系統(tǒng)提供一種具有增加的運行速度、減少的摩擦磨損、減少的摩擦熱量積累以及改進的強度和耐久性的改進的滑動葉片切線的軸承系統(tǒng)。
[0123] 在沿著轉子面表面的
轉子葉片通道中，稍微凸起的優(yōu)選用氧化潤滑劑涂層的Z字型表面被用來幫助葉片相對滑動(slide against)，并且將其俘獲的燃燒力傳遞至轉子。凸起的Z字型表面最小化了接觸表面面積，并且氧化潤滑劑最小化了滑動摩擦。凸起的Z字型表面也作為小的蒸汽槽。來自內部轉子冷卻系統(tǒng)的水進入Z字型槽，并且當其通過葉片通道被伸縮回轉子時被轉變?yōu)閬碜匀~片的高壓蒸汽。蒸汽建立了壓力，這種壓力促使一些葉片卸下凸起的表面，來最小化葉片滑動摩擦。伴隨蒸汽在所有的方向等同施加壓力，其也將一些葉片的燃燒力傳遞至轉子來驅動發(fā)動機。位于旋轉葉片通道內的槽中的小的滾子軸承將葉片的燃燒力傳遞至轉子中，并最小化葉片滑動摩擦。滾子軸承主要在處于或低于1000rpm的較低rpm運行中使用。在較高的rpm速度時，滾子軸承被連接到由于旋轉離心力而壓縮的小的軸承彈簧，將滾子軸承縮回至轉子軸承通道中。此時，葉片從轉子擴張，并且縮回如此之快以致于滾子軸承將僅被增加慣性摩擦，并且降低發(fā)動機的效率。當發(fā)動機的rpm速度低于1000rpm時，滾子軸承彈簧不被壓縮，并且壓住滾子軸承，來使其與滑動葉片表面直接接觸，并且產生積極有效的優(yōu)勢來減少滑動葉片摩擦，并且將葉片燃燒力傳遞到轉子中。
[0124] 本發(fā)明的進一步目的是相對于已有滑動葉片切向軸承阻尼系統(tǒng)提供一種具有改進的振動吸收能力的改進的滑動葉片切向軸承阻尼系統(tǒng)。
[0125] 凸起的Z字型水/蒸汽槽和滾子軸承的組合不僅減少了葉片滑動摩擦，并且將葉片燃燒力傳遞至轉子，其也極大地減少了來自燃燒脈沖的不適(harsh)振動和葉片的擴張(extension)和收縮運動。這最小化了對所有其他發(fā)動機部件的NVH應力，并且改進了發(fā)動機的運行和耐久性。
[0126] 發(fā)動機殼體
[0127] 因為本發(fā)明的發(fā)動機在比標準發(fā)動機高的多的溫度下運行，其并入了以下部件的獨特組合來最小化在關鍵區(qū)域的熱積累：氧化潤滑劑、熱障涂層、蒸汽室系統(tǒng)以及主動水冷卻系統(tǒng)來有效地傳輸過量的熱，以使外部發(fā)動機殼體等溫。發(fā)動機殼體和部件使用抗熱應力和抗變形的
高溫合金和熱障涂層制造。外部發(fā)動機殼體優(yōu)選用厚的熱毯覆蓋，來最小化熱損失和減少發(fā)動機噪音。
[0128] 扭曲的橢圓內部殼體定子幾何結構
[0129] 本發(fā)明的進一步目的是提供一種最大化或過度膨脹燃燒/膨脹區(qū)域和最小化進氣/壓縮區(qū)域的幾何結構輪廓，同時實現(xiàn)相對于已有發(fā)動機系統(tǒng)的最優(yōu)的熱動力循環(huán)性能。
[0130] 本發(fā)明的進一步目的是相對于已有發(fā)動機系統(tǒng)提供一種最小化葉片和密封件變形的改進的內部殼體定子幾何結構。
[0131] 本發(fā)明使用一種內部殼體定子幾何輪廓，其中燃燒/膨脹區(qū)域在從TDC大約145
曲柄角從TDC逐漸膨脹至最大體積，也是膨脹點末端。這相對于已有旋轉葉片發(fā)動機提供了61％更多的燃燒/膨脹持續(xù)時間，并且允許更多的熱動力學熱被轉變?yōu)闄C械功。當室的后部葉片到達膨脹點末端時，排氣端口將位于同樣室的前部滑動葉片附近。通過使燃燒/膨脹區(qū)域逐漸膨脹，其極大地減少了在葉片和密封部件上的燃燒應力。就在TDC位置之后，燃燒力和壓力處于其最高值。在這個位置，葉片和密封被凹進轉子中，以使其不會極大地受到能夠引起葉片和密封件變形和損傷的強力的影響。當葉片在燃燒/膨脹區(qū)域附近旋轉時，其從轉子沿著內部殼體定子表面逐漸延伸到密封件。葉片當其到達膨脹點末端時達到其從轉子開始的最大伸展。在該點，燃燒室壓力非常小，并且葉片和密封件變形的
風險也非常低。在膨脹點末端之后，內部殼體幾何結構迅速收縮來改進排氣排出。排氣端口沿著發(fā)動機的軸徑向地定位，來允許旋轉離心力被用于通過排氣端口容易地和完全地排放較重的水蒸汽氣體。在排氣端口附近的室的后部葉片和進氣端口附近的前部葉片之間有單個燃燒室長度間隙。進氣端口也沿著發(fā)動機的軸徑向地定位，來允許新鮮進氣直接進入旋轉的燃燒室。在
進氣沖程，當室的后部葉片完成了經(jīng)過進氣端口時同樣的室的前部葉片將到達其最大進氣膨脹點。一旦達到這個點，內部殼體定子輪廓沿著壓縮區(qū)域就被快速地減少。當壓縮沖程啟動，以及燃燒室壓力開始升高時，葉片開始收縮回轉子。這有助于最小化來自
壓縮力的葉片和密封件變形。
[0132] 較高殼體運行溫度
[0133] 本發(fā)明的又一目的是相對于已有內燃發(fā)動機提供一種運行在較高燃燒運行溫度的燃燒反應。盡管不同發(fā)動機的燃燒氣體溫度可能類似于本發(fā)明的發(fā)動機的燃燒氣體溫度，但是使用的發(fā)動機材料需要被冷卻到350至450F的溫度。這個冷卻引起大約27％來自燃燒的熱動力熱損失到冷卻系統(tǒng)中。
柴油發(fā)動機由于較大的汽缸體積與表面積比僅僅將大約20％的燃燒熱損失到冷卻系統(tǒng)，并且更多的
燃燒熱能被轉變?yōu)楣?。本發(fā)明的發(fā)動機使用抗高溫合金，例如Haynes 230，允許峰值殼體溫度升到900℃。然而，大約600℃的殼體膨脹運行溫度被用來優(yōu)化鈉蒸汽室的熱動力循環(huán)性能。在溫度高于600℃時，更多的熱被傳遞通過外部殼體和鈉蒸汽室，并且可能損失到外圍環(huán)境中。也有更多的熱應力被施加到發(fā)動機殼體和機械部件中，其能夠引起熱動力變形、磨損以及損傷。
[0135] 本發(fā)明的又一目標是消除油類潤滑劑的使用，并且完全利用固體潤滑劑。二元氧化物潤滑劑、自潤滑的固體潤滑劑、鉆石狀涂層以及幾乎無摩擦的碳涂層將被用在各種發(fā)動機部件上，來相對于使用油潤滑的發(fā)動機減少摩擦、改進部件耐久性以及減少HC排放。
[0136] G循環(huán)發(fā)動機不用油類潤滑劑。所有的密封接觸表面優(yōu)選用氧化物潤滑劑涂層，例如由NASA Glemn開發(fā)的Plasma Spray PS 304。PS 304氧化物潤滑劑提供了與上油表面同水平的
摩擦系數(shù)以用于升到900℃的溫度?？蛇x擇地，可以使用由阿貢國家實驗室(Argonne national laboratory)開發(fā)的超硬納米復合材料(SHNC)潤滑劑涂層。PS 304和SHNC都提供了低的摩擦系數(shù)、加上數(shù)百萬次滑動循環(huán)的優(yōu)秀的耐久性。
[0137] 或是PS 304或是SHNC的層優(yōu)選
等離子噴涂在所有的密封接觸表面上。對于葉片分離密封件，一個特別厚的PS 304或SHNC層優(yōu)選地被形成來建立圓形獅子鼻形密封表面。葉片分離密封件的外部表面遭到最高的密封力和摩擦力。這個較厚的圓形獅子鼻形密封件提供了最小化摩擦的集中的密封表面和抵抗密封磨損的較長時間的密封運行性能。
[0138] 主動水冷卻/熱傳遞
[0139] 本發(fā)明的進一步目的是提供相對于已有內燃發(fā)動機改進的下部外部殼體熱損失。
[0140] 本發(fā)明的進一步目的是提供相對于已有內燃發(fā)動機轉子冷卻/熱傳遞系統(tǒng)改進的轉子和葉片冷卻/熱傳遞。
[0141] 主動水冷卻/熱傳遞系統(tǒng)被用來冷卻壓縮沖程的外部殼體、主要傳動軸軸承區(qū)域、以及用于轉子和葉片的發(fā)動機殼體內部。來自壓縮和摩擦的熱從這些系統(tǒng)傳遞至循環(huán)的水中。加熱的水將熱噴回反應循環(huán)用于與氫預混，以及早期和晚期燃燒/膨脹區(qū)域噴射。將會損失到冷卻系統(tǒng)和摩擦中的熱大約分別在20％和10％，其被水俘獲并且在回到發(fā)動機循環(huán)中再次使用。這不僅極大地改進了發(fā)動機的制動熱效率大約30％，而且通過將熱轉變?yōu)橘x能的水蒸汽，水增加了大量的燃燒室壓力來改進MEP功。被噴射的水也有助于減少了大約30％的排放熱損失，冷卻來自燃燒腔內部的燃燒反應引起低排放溫度，但是具有非常高的速度和高的壓力。排放中的水能夠被冷凝并且循環(huán)回發(fā)動機的主動冷卻系統(tǒng)中。
[0142] 氫泄漏
[0143] 本發(fā)明的進一步目的是減少室密封后在內部轉子部件位置或通過發(fā)動機向外排放的氫氣的點燃。來自主動冷卻系統(tǒng)的水被潑濺至發(fā)動機的中心來冷卻轉子和葉片。這個水的大部分通過Z字型冷卻槽和在轉子密封下面發(fā)送。水有助于改進密封性能和防止任何氫通過密封。任何通過密封的氫被水稀釋，并且由主動冷卻系統(tǒng)收集，并且從
閉環(huán)系統(tǒng)的發(fā)動機中去除。任何收集的氫氣通過將其噴回具有水噴射的室中被再次使用。
[0144] 減少的NVH
[0145] 本發(fā)明的進一步目標是提供相對于已有內燃發(fā)動機的減少燃燒功率脈沖振動的燃燒反應。
[0146] 通過用水預混氫，并且將水噴入燃燒腔，峰值燃燒溫度被降低。其使峰值壓力輪廓變形，以至于其峰值壓力水平更低，并且平穩(wěn)地分布在更多曲柄角，從而增加了平均有效壓力來實現(xiàn)做功(MEP)。這減少了引起對發(fā)動機部件的強烈震動和應力的高功率脈沖尖峰，并且產生了更平穩(wěn)的發(fā)動機運行。
[0147] 鈉蒸汽室通過吸收在燃燒區(qū)域中的峰值燃燒溫度，并且將熱沿著膨脹區(qū)域傳遞回燃燒室使得燃燒/膨脹區(qū)域等溫。這也穩(wěn)定了殼體溫度，從而最小化了殼體變形。
[0148] 本發(fā)明的進一步目的是提供相對于已有內燃發(fā)動機的改進的外部殼體降噪系統(tǒng)。
[0149] 沿著燃燒/膨脹區(qū)域在鈉蒸汽室上的外部發(fā)動機殼體將用厚的
隔熱毯或泡沫金屬覆蓋，來最小化熱損失，并且有助于減少發(fā)動機噪音。
[0150] 具有葉片密封件支撐肋的進氣/排氣端口
[0151] 本發(fā)明的進一步目的是當葉片和密封件經(jīng)過進氣和排氣端口時最小化葉片和密封件變形。
[0152] 進氣和排氣端口關于轉子的旋轉和葉片和密封件徑向地定位。端口開口軸向地纏繞在半圓形殼體上。這對氣體交換提供了最好的方向，并且考慮到大端口尺寸的開口。端口被發(fā)動機兩個半部分的
螺栓緊固部分沿著中心徑向地分離。額外的支撐肋橫跨每個半個端口的中間，并且在端口開口稍微成一角度。中心螺栓緊固部分和兩個支撐肋當其經(jīng)過端口開口時，對葉片和密封件提供了支撐來防止變形。在端口中使支撐肋成角度在較大的區(qū)域上分布了與葉片和密封件的接觸點，所以其不經(jīng)常在相同位置發(fā)生。端口開口被稍微成角度以至于葉片和密封剪切(scissor over)端口邊緣。如果葉片和密封件與端口開口一致，這就防止了任何損傷和發(fā)生的任何變形以及葉片和密封與端口開口邊緣的碰撞。轉動速度引起了進一步改進氣體排放的離心氣體力。當其經(jīng)過排氣端口時，內部殼體定子幾何結構輪廓窄的幾乎沒有空間。這有助于改進完全的排出，并且確保所有的燃燒室氣體通過排氣端口排放。內部殼體定子幾何結構輪廓在進氣端口后充分打開。這提供了文丘里(venturri)吸力效應，其極大地有助于將進入的新鮮空氣通過進氣端口引至燃燒室。
[0153] 殼體水蒸汽室
[0154] 本發(fā)明的進一步目標是相對于已有系統(tǒng)來最小化殼體熱變形。
[0155] 鈉蒸汽室穩(wěn)定了燃燒/膨脹區(qū)域附近的殼體溫度，并且主動水冷卻系統(tǒng)有助于穩(wěn)定其他主要殼體部分的溫度。在這兩個系統(tǒng)之間有大的溫度間隙。鈉蒸汽室運行在600℃，并且主動冷卻系統(tǒng)運行在25℃到98℃。這個溫差可能引起損傷內部轉子、密封件和葉片部件的殼體熱變形。具有低
熱膨脹系數(shù)的抗高溫合金例如Haynes 230優(yōu)選用于鈉蒸汽室部分?？馆^低溫度的水和氫的合金例如不銹鋼316L或330優(yōu)選用于發(fā)動機殼體的其他部分。熱障涂層也是在兩個螺栓緊固部分之間的
等離子噴涂，來最小化從鈉蒸汽室部分到發(fā)動機殼體的其他部分的熱傳遞。水蒸汽室也用在主要殼體部分橋接兩個溫度區(qū)域之間的間隙。
水蒸汽室運行在202℃，并且有助于殼體溫度的等溫或穩(wěn)定，來最小化在鈉蒸汽室和具有主動冷卻系統(tǒng)的主要殼體區(qū)域之間的殼體熱變形。鈉蒸汽室和主要殼體部分的穩(wěn)定的等溫允許精確的熱膨脹模型來計算對鈉蒸汽室和主要殼體幾何結構的調節(jié)，其能夠將這些熱膨脹考慮在內來最小化在發(fā)動機運行中的殼體變形。
[0156] 輕重量材料、耐久性和成本
[0157] 本發(fā)明的又一目標是提供一種功率強大的、輕重量的、耐久的和可靠的能夠經(jīng)濟制造的氫旋轉葉片內燃發(fā)動機。
[0158] 隨著發(fā)動機體積和質量的顯著減小，G循環(huán)發(fā)動機能夠使用更高級的和更昂貴的合金。G循環(huán)發(fā)動機優(yōu)選使用基于鈷/鎳的合金，例如Haynes230用于高溫區(qū)域部件。不銹鋼合金例如316L、330，以及鋁優(yōu)選用于較低溫度部件。這些高級合金的使用進一步降低了發(fā)動機質量，并且極大地改進了發(fā)動機強度、耐久性以及最小化了熱變形。這些合金也是抗氫滲透和脆化的。通過聰明地和戰(zhàn)略上地使這些合金的優(yōu)勢適用于G循環(huán)發(fā)動機的特定的關鍵結構區(qū)域和部件，進一步減少了這些合金的使用量，最小化了成本，并且最大化了其對于發(fā)動機的材料特性優(yōu)點。
[0159] 發(fā)動機耐久性與高級材料的使用和部件設計有關。超合金例如Haynes230，能夠對付高溫和高壓，具有大約30,000小時的壽命。其通過在關鍵區(qū)域的熱障涂層保護。氧化物潤滑劑能夠應付數(shù)百萬次滑動，實質上沒有磨損。密封件被設計為使其考慮潤滑劑磨損和動態(tài)調節(jié)，以保持密封性能。
熱機械分析和失效分析是研究的重要方面。對這些合金和氧化物的
納米材料的額外研究將進一步該進其性能和耐久性。
[0160] 堿金屬熱電轉換器
[0161] 本發(fā)明的進一步目標是提供直流電源。本發(fā)明提供了鈉蒸汽室系統(tǒng)以用于去除來自沿著燃燒區(qū)域的過量的熱，并且將其沿著膨脹區(qū)域傳遞。鈉工作流體的循環(huán)熱傳遞輪廓對于使用堿金屬熱電轉換器(AMTEC)來產生電流是相同的。AMTEC使用鈉作為工作流體，其被加熱的和對著β氧化鋁固體電極(BASE)加壓，其中鈉從液相轉變?yōu)闅庀?，并且鈉離子經(jīng)過BASE產生電流。
附圖說明
[0162] 根據(jù)下述詳細的
說明書、隨附的
權利要求，以及附圖的研究，將會理解實施方式的特征和優(yōu)勢，以及操作方法和相關部分的功能，所有這些附圖形成本申請的一部分。在附圖中：
[0163] 圖1是氫G循環(huán)發(fā)動機的側面正視圖。
[0164] 圖2是氫G循環(huán)發(fā)動機的頂部透視圖。
[0165] 圖3是氫G循環(huán)發(fā)動機的局部剖面透視圖。
[0166] 圖4是顯示曲柄角度附近的轉子和發(fā)動機室的G循環(huán)發(fā)動機殼體的側面橫截面視圖。
[0167] 圖5描述了具有分解的水返回部件的內部發(fā)動機殼體水返回通道。
[0168] 圖6描述了氫G循環(huán)發(fā)動機的剖面平面視圖。
[0169] 圖7描述了燃燒室密封件的透視圖。
[0170] 圖8至10描述了燃燒室密封件的詳細的側面、頂部、和底部透視圖。
[0171] 圖11至13描述了連接有分離葉片密封件的前部、底部、和后部滑動葉片組件。
[0172] 圖14描述了分離葉片密封件、滑動葉片、和葉片葉面密封件的側面詳細的橫截面剖面。
[0173] 圖15至17描述了滑動葉片和具有兩個分解的葉片密封件的分離葉片密封件的前部、側面和頂部透視圖。
[0174] 圖18至21描述了滑動葉片和分離葉片密封件組件的前部、頂部、底部、和側面透視圖。
[0175] 圖22和23描述了滑動葉片、分離葉片密封件和葉片傳動帶肘節(jié)組件的頂部橫截面視圖。
[0176] 圖24描述了滑動葉片和分離葉片密封件的底部橫截面視圖。
[0177] 圖25和26描述了滑動葉片和分離葉片密封件的側面橫截面視圖。
[0178] 圖27描述了滑動葉片和分離葉片密封件的前部橫截面視圖。
[0179] 圖28描述了滑動葉片和分離葉片密封件組件的分解視圖。
[0180] 圖29描述了具有滑動葉片和反離心傳動帶系統(tǒng)的發(fā)動機殼體的剖面透視圖。
[0181] 圖30和31描述了轉子和滑動葉片反離心傳動帶系統(tǒng)的側面透視圖。
[0182] 圖32至37描述了滑動葉片反離心傳動帶和傳動帶拱形結構系統(tǒng)的詳細的透視圖。
[0183] 圖38和39描述了單一的和雙重的傳動帶拱形結構組件的側面透視圖。
[0184] 圖40描述了組裝的轉子段的側視圖。
[0185] 圖41和42描述了轉子段組件的側面和
正面視圖。
[0186] 圖43描述了轉子段組件的正面橫截面視圖。
[0187] 圖44描述了偏心的轉子段組件的橫截面正視圖。
[0188] 圖45描述了轉子段組件的側面橫截面視圖。
[0189] 圖46描述了葉片異型帶限位彈簧(vane profile belt limit spring)的詳細視圖。
[0190] 圖47描述顯示葉片切線滾子軸承組件的轉子段組件的側面橫截面視圖。
[0191] 圖48和49描述了轉子段組件的底部橫截面視圖。
[0192] 圖50和51描述了轉子段組件的頂部和底部分解視圖。
[0193] 圖52描述了鈉蒸汽室和AMTEC的頂部外部透視圖。
[0194] 圖53至55描述了鈉蒸汽室和堿金屬熱電轉換器組件的內部頂部和側面視圖。
[0195] 圖56至61描述了鈉蒸汽室和堿金屬熱電轉換器組件的外部側面、側面橫截面、和正面橫截面視圖。
[0196] 圖62至64描述了鈉蒸汽室和堿金屬熱電轉換器組件的側面、底部、頂部分解視圖。
[0197] 圖65至67描述了具有分解的水蒸氣室部件的下部發(fā)動機殼體的頂部、側面、和底部視圖。
[0198] 圖68描述了具有鈉蒸汽室和分解的堿金屬熱電轉換器絕緣蓋的發(fā)動機組件的側面透視圖。
[0199] 圖69和70描述了整個發(fā)動機組件的側面和正面橫截面視圖。
[0200] 圖71描述了G循環(huán)旋轉葉片發(fā)動機的處理過程。
具體實施方式
[0201] 發(fā)動機運行概述
[0202] G循環(huán)發(fā)動機1包括外部殼體2，具有扭曲的橢圓形形狀的內部殼體表面37，在內部殼體表面37內，轉子組件183順
時針旋轉。見圖3和4。殼體2包括鈉蒸汽室229，與分別是發(fā)動機1的壓縮、燃燒和膨脹區(qū)域31、32和33分離并且不相通。從而殼體2的內部表面37朝著傳動軸18彎曲地向內傾斜，轉子183圍繞該傳動軸18從處于大約0°曲柄角的進氣端口6旋轉約105°至鄰近鈉蒸汽室229起點的圓周位置。殼體2的鄰近鈉蒸汽室229的起點以及鄰近膨脹區(qū)域33的起點的內部表面37彎曲地向外移動遠離傳動軸18，以在超過膨脹區(qū)域33起點的約147°處獲得離傳動軸18中心的最大幾何距離。從距離傳動軸18的中心最大距離的點開始，殼體2的內部表面37逐漸朝著傳動軸18的中心彎曲地向內延伸通過剩余的曲柄角，即，通過壓縮區(qū)域31。因此，殼體2的內部形狀形成扭曲的橢圓形或圓環(huán)面，并且鈉蒸汽室229放置在燃燒腔34的膨脹區(qū)域33上。
[0203] 如圖3所示，轉子183包括八個可徑向向內和向外移動的的轉子葉片116，用于與殼體2的內部表面37密封接觸。葉片116圓周地互相間隔，并且轉子葉片段310在相鄰葉片116之間延伸。葉片116具有雙葉片密封件80，以用于緊靠殼體2的內部表面37密封，貫穿分別為31和33的壓縮區(qū)域和膨脹區(qū)域，并且側面葉片葉面密封件111用于緊靠轉子段310密封。
[0204] 鈉蒸汽室229是閉合的室，包括鈉、
鉀或硫磺，但是鈉是優(yōu)選的，因為其最大化了熱傳遞能力。在室229內分別是精細的、中等的和粗糙的毛細網(wǎng)230、231和232(圖3)。從鈉蒸汽室的起點至膨脹區(qū)域33的最大膨脹點，即，鄰近鈉蒸汽室的末端，鈉蒸汽室229位于燃燒區(qū)域和膨脹區(qū)域32和33之上。當發(fā)動機運行時，鈉蒸汽室229流動來自轉子燃燒腔186的熱，并且當鈉持續(xù)地從接近燃點的液相變?yōu)檎羝麜r，將熱充分均勻地分布在蒸汽室
229中。在進氣端口6，空氣被提供至發(fā)動機1中。當轉子燃燒腔186處于鄰近上面的鈉蒸汽室229的起點的燃燒區(qū)域32中時，在轉子燃燒腔186中，空氣、水和氫燃料被快速地壓縮和自燃。因為在增加的曲柄角下，燃燒區(qū)域的體積增加，所以在離心力下，葉片116緊靠殼體2的內部表面37接合和密封。因此，鈉蒸汽室229吸收在燃燒后經(jīng)過鈉蒸汽室229和燃燒區(qū)域32之間的內部殼體傳遞至鈉蒸發(fā)器區(qū)域379和膨脹區(qū)域33的燃燒熱，而實質上沒有熱損失，即，熱沿著鈉蒸汽室冷凝器區(qū)域380被送回到燃燒腔34系統(tǒng)中。通過這個等溫過程，熱被持續(xù)地傳遞至鈉蒸汽室229，并且被傳遞回燃燒膨脹反應中。
[0205] 葉片傳動帶系統(tǒng)被用來減少離心力，并且因此減少在葉片116和殼體2的內部表面37之間的密封磨損，也被用來當兩個葉片在延伸，而其他葉片在縮短或收縮時平衡葉片116。由于殼體2的扭曲的橢圓形本質，葉片密封件80緊靠殼體表面37的不均勻的壓力通過傳動帶系統(tǒng)的使用而被最終得到平衡。
[0206] 參考圖32和34，認識到轉子183優(yōu)選具有八個葉片116，單葉片傳動帶系統(tǒng)(圖32)被用來使第一組四個
正交相關的葉片的離心力最小化，而如圖34所示，雙葉片傳動帶系統(tǒng)被用于剩余的第二組四個正交相關的葉片。參考圖32和11，以及單葉片傳動帶系統(tǒng)，每一個葉片116包括一對末端葉片傳動帶桿
固定器(vane belt rod holder)151，沿著其分叉的內部末端安裝一單肘節(jié)棒系統(tǒng)(toggle bar system)142，該單肘節(jié)棒系統(tǒng)142被樞軸地安裝在固定器151之間。肘節(jié)142包括一對葉片傳動帶棒146(圖11)，其安裝在樞軸地安裝到固定器151的葉片傳動帶桿145上。如圖32所示，單葉片傳動帶拱形軸承156由轉子端板樞軸地支撐在固定到轉子段的轉子183的相對面。四個單葉片傳動帶137在相對端被固定到相鄰葉片116的葉片傳動帶棒146，并且沿著在那些葉片之間的拱形軸承156的內部表面延伸。因此，正交相關的葉片能夠延伸或收縮，以使內部殼體表面的扭曲的橢圓形幾何結構與扭曲的橢圓形幾何結構的偏心率相匹配，該偏心率由樞軸的肘節(jié)和拱形軸承調節(jié)。
[0207] 參考圖34，雙葉片傳動帶系統(tǒng)被用于其余四個正交相關的葉片116。每一個雙傳動帶葉片包括雙肘節(jié)棒系統(tǒng)143，其安裝在由葉片116的固定器151樞軸地運載的傳動帶桿上。一對拱形軸承158(圖34)軸向地相互間隔，并且被安裝來用于到轉子端板的樞軸運動。一對葉片傳動帶138被固定在相鄰葉片肘節(jié)的葉片傳動帶棒143的相對端，并且沿著拱形軸承158的內部延伸。關于這四個葉片，實現(xiàn)與用于使葉片與內部殼體定子壁表面的扭曲的橢圓形輪廓匹配的單葉片傳動帶系統(tǒng)相同的動作。注意到，單組或雙組葉片傳動帶系統(tǒng)的葉片傳動帶被軸向地互相間隔，各個肘節(jié)和拱形軸承也一樣。
[0208] 參考圖29和36，在單葉片傳動帶系統(tǒng)和雙葉片傳動帶系統(tǒng)的軸向相對側，單葉片傳動帶系統(tǒng)和雙葉片傳動帶系統(tǒng)通過一對異型帶139連接在一起。正如在圖36中最佳所示，一對軸向間隔的異型帶139被圍繞單葉片傳動帶系統(tǒng)中的傳動帶銷365安裝，其安裝了拱形軸承156、和銷159，其在雙葉片傳動帶系統(tǒng)中安裝了一對拱形軸承158。如圖36所示的，此對異型帶139圍繞銷365和159的末端部分在限端板157(limit end plate)內延伸。板157固定到葉片116之間的轉子段310。
[0209] 將在下文中以及在參考以下描述的附圖中公開發(fā)動機的細節(jié)，包括鈉蒸汽室和燃燒室之間的相互作用，以及使得葉片能夠徑向延伸和收縮的同時保持密封緊靠殼體的內部表面的傳動帶系統(tǒng)。
[0210] 氫G循環(huán)發(fā)動機1使用加熱的水和氫氣噴射。參考圖1、2和3，兩個水噴射調節(jié)器57將把加熱的水提供至處于壓縮區(qū)域31的起點處的發(fā)動機轉子燃燒腔34。兩個氫噴射調節(jié)器26將氫提供至處于壓縮區(qū)域31中的發(fā)動機轉子燃燒腔34。兩個火花塞29點燃氫/空氣/水的混合物。主動冷卻系統(tǒng)使去離子的水從冷水儲存容器中循環(huán)通過發(fā)動機1的下部殼體2、進氣端口30和壓縮區(qū)域31、傳動軸軸承/膨脹區(qū)域19以及內部轉子183和滑動葉片52，并且進入熱水儲存容器中(未顯示)。在早期燃燒/膨脹室噴射60期間，在壓縮區(qū)域31的起點處，加熱的水被用水噴射器57噴入到發(fā)動機中，而冷水在后期燃燒/膨脹室冷卻水噴射61期間噴射。轉子燃燒室34中的所有水蒸汽從發(fā)動機1通過排氣端口9和排氣管10排出，并且進入排放水冷凝器(未顯示)，在排放水冷凝器中，水蒸汽從氣體冷凝為液體，并被返回到冷水儲存容器中，并且空氣被排出冷凝器排放管。為了防止對發(fā)動機1和其所有部件造成水冷凍膨脹損傷，在發(fā)動機關閉期間，當溫度低于32F時，存儲在
乙醇存儲容器(未顯示)中的乙醇以水/乙醇混合物而在發(fā)動機1中循環(huán)。
電子控制單元(ECU)(未顯示)控制所有的調節(jié)器和可變速度
泵(未顯示)。ECU還監(jiān)控許多溫度和水位
傳感器來幫助控制所有的調節(jié)器和可變速度泵，來確保發(fā)動機1總是適當運行。
[0211] 氫/水噴射
[0212] 在G循環(huán)發(fā)動機1的運行中，水通過水噴射調節(jié)器57和水管308噴入發(fā)動機1的燃燒腔34。氫氣通過氫噴射調節(jié)器293和氫管294噴入發(fā)動機1的燃燒腔34，并且進入氫調節(jié)器280。從調節(jié)器280，氫氣經(jīng)過氫管28和27進入氫/水噴射調節(jié)器26，并且在壓縮區(qū)域31的噴射位置38進入燃燒室34。
[0213] 當氫氣從高壓膨脹到較低噴射壓力時，其吸收熱能量，這能夠引起對氫噴射調節(jié)器293、氫管294及氫調節(jié)器280的冷凍損傷。為了抵消可能的由熱造成的冷凍，加熱的去離子的水被泵入在氫調節(jié)器280附近，圍繞氫管294纏繞的管中。由水吸收的熱被釋放，并且傳遞到氫管中的膨脹的氫氣中，來幫助防止對氫調節(jié)器280及氫噴射調節(jié)器26的冷凍損傷。氫調節(jié)器適當?shù)仄胶鈿涞幕旌衔锊⑶覍涞幕旌衔锿ㄟ^氫管28和27噴射并進入到氫噴射調節(jié)器26中，并且在壓縮區(qū)域31的噴射位置38噴入到燃燒腔34中。
[0214] 主動水冷卻系統(tǒng)
[0215] 存儲在冷水存儲容器(未顯示)中的去離子的水被用來冷卻處于進氣/壓縮區(qū)域2中的發(fā)動機外部殼體、傳動軸軸承和膨脹區(qū)域19以及內部轉子183和滑動葉片116。使用去離子的水是因為其是一種較純的水的形式，沒有能夠進入發(fā)動機1的部件的污染物，并且因為其具有低的表面
張力，當其通過管被抽吸時，在內部轉子腔363的內部并且沿著殼體定子2和4的內部殼體定子表面37移動時，來最小化摩擦力。對于發(fā)動機1外部殼體2、進氣30和壓縮區(qū)域31，冷卻的去離子
冷卻液的水被可變速度水泵從冷水存儲容器中抽吸，通過水冷卻液管321和T型管路接頭56和分離水冷卻液管48以及殼體90度接頭
5(housing 90-degree fitting)4進入殼體進氣/壓縮區(qū)域冷卻液入口62，并且通過進氣/壓縮區(qū)域冷卻液通道63和通過進氣/壓縮出口64，然后通過殼體90度接頭54，然后通過分離返回冷卻液管49，通過T型管路接頭56，以及通過單返回冷卻液管322，然后通過熱水
過濾器接著進入熱水存儲容器。
[0216] 為了冷卻發(fā)動機1的轉子傳動軸軸承19和膨脹區(qū)域31，去離子的冷卻液水由可變速度泵從冷水存儲容器抽吸通過水冷卻液管323和T型管路接頭56，然后通過分離水冷卻液管50和殼體直通接頭55，進入傳動軸軸承/膨脹區(qū)域水冷卻液入口65，并且通過傳動軸軸承/膨脹區(qū)域水冷卻液通道66和通過傳動軸軸承/膨脹區(qū)域水冷卻液通道出口67，然后通過殼體直通接頭55，然后通過分離返回冷卻液管51，通過T型管路接頭56以及接著通過單個返回冷卻液管324接著通過熱水過濾器，進入熱水存儲容器中。
[0217] 為了冷卻內部轉子組件183和滑動葉片116，去離子的冷卻液水由可變速度泵從冷水存儲容器中抽吸，通過水冷卻液管325和T型接頭56以及然后通過分離水冷卻液噴射管52并且進入殼體90度接頭54，以及通過內部轉子/葉片水噴射入口334，跨過外部轉子冷凝器302和滑動葉片冷凝器132。水被移動滑動的葉片116沿著內部殼體定子表面37的側面收集，并且被促使經(jīng)過內部殼體水返回凹槽44和在水返回蓋45上的水返回槽47，水返回蓋45由水返回蓋
螺絲釘46旋進水返回蓋凹槽276中，如圖5所顯示。
[0218] 水然后返回通過內部轉子/葉片水出口335進入殼體90度接頭56中，以及通過分離水冷卻液返回管53和通過T型管路接頭56并且然后通過單個返回冷卻液管326，以及然后通過熱水過濾器進入熱水存儲容器中。
[0219] 后期燃燒/膨脹室水噴射61使用去離子的水320，去離子的水320被存儲在冷水存儲容器中，并且由高壓水泵抽吸通過高冷水壓管328進入高壓T型管路接頭59，并且進入高壓分離管279和進入高壓90度殼體接頭58，并且在后期壓縮/膨脹噴射位置61排出后期冷水潑濺
噴嘴337，進入轉子燃燒腔34。
[0220] 在主動水冷卻系統(tǒng)中使用的所有可變速度泵是被電控制的，并且被調節(jié)來使用所需的最小量的電能來抽吸水。
[0221] 熱水噴射
[0222] 在發(fā)動機1的運行中，熱水被噴入具有熱水噴射調節(jié)器57和早期燃燒/膨脹燃燒室噴射60的壓縮區(qū)域31的起點處。對于熱水壓縮區(qū)域噴射，加熱的去離子水320由高壓水泵從熱水存儲容器中抽吸，通過熱水噴射管308進入水噴射調節(jié)器57中。水噴射調節(jié)器57調節(jié)將被噴入在壓縮區(qū)域31的轉子燃燒腔34中的加熱的水量。噴入壓縮區(qū)域31的去離子的水320將調節(jié)有效壓縮比率，并且與噴入的氫氣336部分混合。對于早期燃燒/膨脹熱水噴射，加熱的去離子的水由另一個高壓水泵從熱水存儲容器抽吸，進入熱水高壓
管接頭59，并且進入高壓分離管278和高壓90度殼體接頭58，以及通過殼體熱水噴射通道42和連接管43，以及在早期壓縮/膨脹噴射位置60排出早期熱水潑濺噴嘴40進入轉子燃燒室34。在早期60、轉子燃燒室34內的燃燒/膨脹熱水噴射與氫燃燒互相作用來幫助調節(jié)峰值燃燒溫度。被噴射的去離子水也互相作用和吸收來自鈉蒸汽室沿著鈉蒸汽室殼體定子表面4的熱，并且當其移動越過內部殼體定子表面37時，也對滑動葉片116和分離葉片密封件79提供一些潤滑和密封性質。
[0223] 去離子的水蒸汽比其他燃燒室34的氣體具有較重的質量。轉子183的旋轉速度和離心力迫使較重的去離子的水蒸汽沿著內部殼體定子表面37徑向地向外，并且向外經(jīng)過徑向排氣端口9以及經(jīng)過排氣管10。這有助于去離子的水與鈉蒸汽室定子4的良好接觸和熱傳遞，同時也對通過排氣端口9和排氣管10完全排放所有去離子的水蒸汽非常有利。
[0224] 扭曲的橢圓殼體定子幾何結構
[0225] 圖4顯示了本發(fā)明的旋轉葉片發(fā)動機1的側面橫截面視圖。圖3描述了發(fā)動機1的剖面透視圖。發(fā)動機1包括定子37、轉子183和多個滑動葉片116，滑動葉片116從旋轉葉片通道184延伸和收縮。下部定子殼體2和上部鈉蒸汽室定子4形成扭曲的橢圓形幾何結構，其具有通常光滑的內部表面37。下部定子殼體2和上部蒸汽室定子殼體4由金屬
墊圈5分離，來幫助確保在不同發(fā)動機殼體段之間均勻地配合和密封?；瑒尤~片116使用包括前部和后部葉片密封件80的分離葉片密封件79來沿著內部定子表面37密封滑動葉片116。燃燒室34由兩個相鄰的滑動葉片116和兩個轉子軸向密封件102界定。發(fā)動機1也包括用于空氣進氣供應的進氣端口6。當前部燃燒室葉片116的后部葉片密封件80開始經(jīng)過位于0度曲柄角的進氣端口30時，進氣區(qū)域30開始，并且沿著旋
轉軸線繼續(xù)，直到前部葉片密封件80完成經(jīng)過進氣端口30為止，在大約60度的進氣曲柄旋轉角處。在大約60度曲柄角處，內部定子殼體37處于其離轉子表面185的進氣最遠距離并且朝著轉子表面185急劇地向內向后傾斜來形成壓縮區(qū)域31。壓縮區(qū)域31提供大約總共45度的旋轉曲柄角直到在105度曲柄角處的火花塞29的位置。上死點(TDC)位于110度曲柄角處。燃燒區(qū)域
32從火花塞位置29開始延伸，直到在大約145度曲柄角處的早期水噴射60。膨脹區(qū)域33從該點繼續(xù)，直到前部滑動葉片115的后部葉片密封件80開始經(jīng)過在270度曲柄角處的最大膨脹點，提供總共大約160度曲柄角的燃燒和膨脹位移。內部殼體定子37逐漸沿著燃燒區(qū)域32和膨脹區(qū)域33遠離定子表面185向外傾斜，直到其達到其在大約270度曲柄角處的最遠距離。在該點，內部殼體定子表面37朝著定子表面185急劇地向后傾斜至在338度曲柄角處的下死點(BDC)。后期水噴射61也發(fā)生在大約275度曲柄角處，其中內部殼體定子表面37處于距離轉子表面185的最遠距離。燃燒室34的排氣發(fā)生在前部燃燒室滑動葉片116的后部葉片密封件80開始經(jīng)過在大約280度曲柄角處的排氣端口9時，并且繼續(xù)直到后部燃燒室葉片116的前部葉片密封80完成經(jīng)過在大約360度曲柄角處的排氣端口9，其對于燃燒室34的排氣提供總共80度曲柄角。一旦燃燒室34完成排放室氣體，前部燃燒室葉片116的后部葉片密封件80就能夠穿過進氣端口7，并且開始下一個循環(huán)。
[0226] 上部鈉蒸汽室定子4沿著燃燒區(qū)域32和膨脹區(qū)域33定位，從110度曲柄角處的TDC點開始，并且繼續(xù)直到225度曲柄角處。熱障涂層36從正好在85度曲柄角處的氫/水噴射位置之前被應用至內部殼體定子表面37，并且繼續(xù)僅僅經(jīng)過在大約60度曲柄角處的早期水噴射60的位置。
[0227] 具有轉子和葉片的內部殼體定子
[0228] 圖3描述了殼體定子2的底部的一半部分。鈉蒸汽室定子4的頂部橫截面的一半，底部定子2的一半的鏡像，被去除來顯示位于殼體定子2和4內的部分。轉子183具有通常的圓形盤的形狀，其具有外部表面185和沿著其周邊垂直切開的多個葉片槽184(圖4)。每個滑動葉片116安裝在葉片槽184內。轉子183能夠具有六、八、九或十二個葉片槽184和滑動葉片116，取決于發(fā)動機1的尺寸。優(yōu)選的實施方式具有八個葉片槽184，其固定住八個相應的滑動葉片116。這樣的配置建立了八個獨立的燃燒室34，這些燃燒室34由轉子183的外部轉子表面185、殼體定子2和4的內部表面37以及滑動葉片116界定。每個滑動葉片116具有一般的變平的前部和后部表面，具有對應于定子2和4的內部表面37的形狀的外部半橢圓形。在運行中，轉子183圍繞傳動軸18旋轉，迫使滑動葉片116沿著定子2和4的內部表面37以持續(xù)的圓周運動掃過。該運動持續(xù)地使燃燒室34圍繞轉子183旋轉?；瑒尤~片116肘節(jié)運動地移進和移出葉片槽184來保持在通常環(huán)形布置的滑動葉片
116和通常橢圓形的殼體定子2和4的內部表面37之間的持續(xù)的表面接觸。
[0229] 燃燒室密封件
[0230] 為了發(fā)動機1能有效地和有效率地運行，燃燒室34必須保持轉子183和側面殼體定子37之間、轉子183和滑動葉片116之間，以及滑動葉片和內部殼體定子表面37之間的密封。圖7顯示了用于隔離每個單獨的燃燒室34并且?guī)椭诿總€燃燒腔34內保持適當?shù)娜紵龤怏w壓力的燃燒室密封件78。燃燒室密封件78包括軸向密封件102、葉片葉面密封件111以及分離葉片密封件79。
[0231] 軸向密封件
[0232] 在圖3和7中顯示的軸向密封件102確保在轉子183和側面殼體定子37之間的緊密的密封。軸向密封件102通常是拱形的段。軸向密封件102也確保在沿著葉片密封件的軸向密封接觸表面95的下部葉片分離密封段82和轉子183之間的緊密的密封。軸向密封件102包括中心軸向密封部分103和兩個軸向密封件末端部分104，其沿著軸向中心和末端密封件連接部分105連接到一起，其
中軸向中心部分103包括舌狀連接件106，并且軸向末端部分104包括有槽連接件107。軸向中心和末端密封件連接部分105與前部密封表面成角度。這允許軸向中心段103和軸向末端段104沿著連接部分105自由移動，并且仍然保持與內部定子表面37的接觸密封。軸向末端段104的連接槽107與軸向中心段103的舌狀連接表面106相接，而舌狀連接表面106由包括用于高溫潤滑和耐久性的氧化物的固體潤滑劑35涂層，來最小化沿著軸向中心和末端段連接部分105的滑動摩擦，并且增加其密封運動的速度。
[0233] 軸向密封件102的頂部表面358是輕微錐形的，因為其從軸向密封件的前部密封表面返回。這允許燃燒室34受壓的氣體沿著這個頂部錐形表面358移動，來幫助使軸向密封件向外偏置，產生與內部殼體定子表面37的密封接觸。
[0234] 波形彈簧110位于軸向密封件102的中心軸向段103之后。波形彈簧110最初被用于將壓力施加到中心軸向密封段103，其沿著中心和末端軸向密封連接部分105施加滑動力，來促使軸向密封末端段104軸向向外緊靠內部殼體定子表面37，并且徑向緊靠下部分離葉片密封件82的下部葉片密封段表面95。波形彈簧110施加僅僅有限數(shù)量的力來在主要軸向密封件102之間建立初始密封。燃燒室34氣體壓力是決定其密封性能的主要的力，來平衡軸102的軸向中心密封件103和軸向末端密封段104的所必須的力，以保持緊靠內部殼體定子2和4的內部殼體定子表面37的適當?shù)拿芊鈼l件。
[0235] 小軸向密封條102位于穿越軸向中心段103和軸向末端密封件104的密封表面的全部長度的軸向密封條槽108中。軸向密封條109有助于密封任何經(jīng)過軸向密封條槽107上方的頂部軸向
密封唇口的燃燒室氣體。軸向密封條109的頂部后邊緣具有在軸向密封條109的整個長度上延伸的小的斜面109，其將有助于將軸向密封條109向外偏置緊靠內部殼體定子表面37。軸向密封件102和軸向密封條109接觸密封表面用包括用于高溫運行和耐久性的氧化物的固體潤滑劑涂層。
[0236] 軸向密封件103的軸向中心段103和軸向末端段104、密封條109和波形彈簧110被彎曲來匹配轉子183的輪廓。
[0237] 葉片葉面密封件
[0238] 圖8顯示了具有分解的葉片葉面密封條113的燃燒室密封系統(tǒng)78的燃燒室密封系統(tǒng)的側面透視圖。
[0239] 葉片葉面密封件111位于旋轉葉片通道184內來確保轉子183和滑動葉片116之間的緊密密封。葉片葉面密封件111通常是半橢圓反置U形，大致地對應于滑動葉片116的尖端的彎曲的形狀輪廓。因此在優(yōu)選實施方式中，有十六個葉片葉面密封件111，每一個鄰近于八個滑動葉片116的葉片葉面349的每一側。葉片葉面密封件111具延伸到密封件111的后邊緣的輕微錐形的頂部表面359。這允許燃燒室34的氣體壓力有助于將葉片葉面密封件111向外偏置，從而緊靠葉片葉面表面349密封。
[0240] 葉片葉面密封件111也由位于旋轉葉片葉面密封彈簧槽189內的波形彈簧114向外偏置。葉片葉面密封件111也包括密封條113，其位于穿過葉片葉面密封表面111的整個長度延伸的小密封條槽112內，來幫助提供沿著葉片葉面表面349的額外的密封。葉片葉面密封條113的頂部后邊緣具有在葉片葉面密封條113的整個長度上延伸的小斜面352，其有助于向外偏置葉片葉面密封條113緊靠葉片葉面表面349。葉片葉面密封件111的接觸密封表面和葉片葉面密封條113用包括用于高溫潤滑和耐久性的潤滑氧化物的固體潤滑劑35涂層。葉片葉面密封件115的末端從主要葉片葉面密封件111以90度向
外延伸，來幫助連接和密封跨過下部分離葉片軸向密封段82，與表面95進行密封接觸，并且套在軸向密封段件104上和有助于支撐軸向密封段件104。
[0241] 葉片葉面密封件111、葉片葉面密封條113和葉片葉面密封波形彈簧114通常是半橢圓反置U形，大致地對應于每個滑動葉片116的尖端的形狀。
[0242] 分離葉片密封件
[0243] 參考圖8和11，一個分離葉片密封件79沿著每個滑動葉片116的外部邊界350可滑動地固定。分離葉片密封件79確保在滑動葉片116和殼體定子2和4的內部定子表面37之間的緊密地密封。分離葉片密封件79通常是半橢圓反置U形，類似于葉片葉面密封件
111的整體形狀，但是稍微大于葉片葉面密封件111。每個分離葉片密封件79具有兩個互相鏡像的葉片密封件80。因此在優(yōu)選實施方式中，有十六個葉片密封件80，八個滑動葉片
116的每個有兩個葉片密封件80。通過對每個滑動葉片116使用兩個葉片密封件80，提供了對于燃燒室34的雙重密封性能，并且最小化了葉片密封件80的竄漏。這也允許兩個鄰近于每個滑動葉片116的燃燒室34具有其最優(yōu)化的和平衡的密封力，以用于每個室的特定密封要求來最大化發(fā)動機1的性能和最小化過量的摩擦和磨損。
[0244] 分段的葉片密封件
[0245] 參考圖11至18，每個分離葉片密封件87內的兩個葉片密封件80中的每一個在滑動葉片116的頂部上做來回的肘節(jié)運動，來匹配殼體定子2和4的內部表面37的輪廓，以保持適當?shù)拿芊鈼l件。然而，由于具有持續(xù)的較冷進氣-壓縮區(qū)域和較熱的燃燒-膨脹區(qū)域的兩極的發(fā)動機熱輪廓，下部葉片密封段82或每個分離葉片密封件87的側面直部分需要向外膨脹來保持沿著滑動葉片116的軸向側的適當?shù)拿芊鈼l件。為了實現(xiàn)這個目的，每個分離葉片密封件87被分段為頂部中心段81和兩個側面下部段82。頂部中心葉片密封部分在每個末端具有兩個傾斜成角度的梯形失真連接槽(slant angled keystone interface groove)84。每個下部段82具有匹配的傾斜成角度的梯形失真形狀的舌狀連接延伸部分85。每個葉片密封件80的頂部葉片密封中心段81和兩個下部段82用傾斜成角度的梯形失真舌狀和槽連接部分83交織在一起。這個傾斜成角度的葉片密封段接口83允許下部段
82沿著傾斜有角度的葉片密封連接部分83稍微地滑進和滑出，從而密封稍微收縮的和膨脹的內部定子表面37，當其旋轉時，由滑動葉片116掠過(swept out)。下部葉片密封段82的側面氣體槽97使用燃燒室34氣體壓力來將每一個下部葉片密封段82壓在內部定子表面37上。將葉片密封80分段不僅有助于改進滑動葉片82防止內部定子表面37的輪廓中的振動、燃燒振動的密封性能，其也改進了葉片密封件80由于磨損的運行耐久性。因為下部葉片密封段的外部表面可能會由于與內部殼體定子表面37的滑動摩擦而磨損，所以下部葉片密封段82能夠沿著葉片密封段連接部分83向外滑動，來繼續(xù)與內部殼體定子表面
37進行密封接觸。這極大地增加了葉片密封件的運行耐久性，并且減少了密封失效的可能性。
[0246] 成型的(contoured)獅子鼻形葉片密封件尖端
[0247] 參考圖9和14，葉片密封件80尖端包括獅子鼻形尖端90，其提供了能夠在內部殼體定子表面的輪廓上平穩(wěn)滑動的小的成型的圓形尖端。小獅子鼻形尖端90是更集中的來最小化過量的表面密封接觸件。在燃燒中，產生了大應力和振動力。然而，獅子鼻形密封件可能會從內部殼體定子表面震掉。這個行為將引起對于內部殼體定子表面37的顫動痕跡損傷。然而，通過使獅子鼻形密封件90稍微變寬，碰撞力被分布在稍微較大的表面區(qū)域上，并且更不易于引起顫動痕跡損傷。當滑動葉片116和轉子183圍繞內部殼體定子2和4旋轉時，獅子鼻形尖端90的被彎曲的輪廓與內部殼體定子表面37的變化的角度進行良好的接觸。這也將接觸密封點分布在獅子鼻形尖端90的被彎曲的成型表面上，這就有助于延長葉片密封件80的運行耐久性，并且最小化密封失效。獅子鼻形密封尖端90圍繞葉片密封件80的中心葉片密封段81的頂部中心輪廓彎曲，并且沿著葉片密封件80的下部葉片密封部分82轉移到外部葉片密封側面92。側面獅子鼻形密封件92提供了下部葉片密封段82和定子殼體2和4的側面內部定子表面37的良好的軸向密封。其也允許葉片密封件80與軸向密封件102和葉片葉面密封件111產生密封連接。平坦的下部葉片密封段葉面表面95提供了與軸向密封件末端段104和葉片葉面密封連接延伸部分115的平面接觸連接表面。為了防止氣體從獅子鼻形密封尖端90竄漏以及在兩個葉片密封80之間流通來防止進入轉子183的內部部分，獅子鼻形密封表面將繼續(xù)纏繞在葉片密封件80的底部邊緣93上。獅子鼻形密封表面90然后也沿著內部葉片密封邊緣94返回向上纏繞，這里兩個葉片密封件
80接觸并一起滑動。這個短的內部獅子鼻形密封邊緣94是足夠長的，以至于當葉片密封件
80肘節(jié)運動時，其仍然互相交疊來防止任何內部葉片密封氣體從葉片密封件80的底部的間隙中漏出。來自主動冷卻系統(tǒng)和水噴射的水在獅子鼻形密封尖端90之間移動，并且有助于對獅子鼻形密封件和內部殼體定子表面2和4提供滑動潤滑。一部分水也轉變?yōu)檎羝?，其填充和加壓兩個獅子鼻形密封件90之間的空間。這有助于防止在相鄰燃燒室34之間的竄漏。
[0248] 獅子鼻形葉片頂部密封尖端90、側面邊緣92、底部邊緣93、內部邊緣94，以及葉片密封件80的平坦面表面95用包括用于高溫潤滑和耐久性的氧化物的固體潤滑劑35涂層。
[0249] 葉片密封氣體偏置
[0250] 參考圖14，在發(fā)動機1的運行中，在燃燒室34中的燃燒氣體趨向于推進至在葉片密封80和內部定子表面37之間的氣體間隙355中，促使葉片密封件80遠離內部表面37，從而危害燃燒室34的密封。為了有效地抵消這些非常強的燃燒力，每個葉片密封件80優(yōu)選是氣體偏置的(gas-biased)，用于快速利用燃燒氣體來平衡使葉片密封件80從內部定子表面37分離的力。在優(yōu)選的實施方式中，這個氣體偏置以兩種方式實現(xiàn)，通過使用具有成角度的表面256和底部257的延伸的葉片密封件尖端91，以及通過使用葉片密封件80的葉片密封氣體通道96。
[0251] 成角度的延伸的葉片密封件尖端
[0252] 再次參考圖14，用于抵消在氣體間隙355中的氣體力的第一種氣體偏置方法使用在每個葉片密封件80上具有成角度的外部側面356和底部表面357的延伸的葉片密封尖端91。當每個葉片密封件80移動更接近內部定子表面37時，成角度的外部側面356增加了每個葉片密封件80的寬度。延伸的葉片密封件尖端91與外部側面356和底部表面357成角度，從而提供向外成角度的表面區(qū)域，以使膨脹的燃燒氣體趨向于將葉片密封件80朝著定子2和4的內部定子表面37推動，從而更有效地密封每個燃燒室34。
[0253] 熱障涂層(TBC)36被應用于延伸的葉片密封件尖端91的頂部表面和葉片密封件80的成角的外部側面356上，來最小化分離葉片密封件79的熱應力和變形，以改進分離葉片密封件79與內部殼體定子表面37的密封性能，并且延伸其運行耐久壽命。
[0254] 葉片密封氣體通道
[0255] 進一步參考圖14，用于抵消在氣體間隙355中的燃燒氣體力的第二種方法是使用氣體通道96。多個氣體通道96從葉片密封件成角度的表面356穿通每個葉片密封件80，至葉片密封件80接觸滑動葉片116的支承脊118上方的內部葉片密封表面354的位置。氣體通道96滑動葉片116的支承突出部分(ledge)118，因此建立用于燃燒氣體朝著內部定子表面37向上偏置葉片密封件80的表面，并且從而更有效地密封燃燒室34。氣體通道96沿著葉片密封件80的整個彎曲的中心葉片密封部分81分布，如圖11至13所顯示。可以使用這些氣體偏置方法的之一或全部。
[0256] 軸向氣體槽97插進葉片密封件80，來引導燃燒氣體通過在滑動葉片116的下部葉片密封段82之后的葉片支承脊118的側面的頂部。這促使下部葉片密封段82向外緊靠內部殼體定子表面37的側面，產生滑動葉片116的葉片密封件82和殼體定子2和4的內部定子表面37之間的更緊密的密封接觸。該更緊密的密封接觸有助于最小化通過分離葉片密封件87的燃燒氣體泄漏。其也建立了少量的摩擦力，有助于減少分離葉片密封件87由于來自燃燒氣體的快速、高能量爆發(fā)引起的突然移動。
[0257] 使用具有氣體通道96和側面氣體槽97的分離葉片密封件87的優(yōu)勢在于其不僅提供出眾的密封性能，而且其允許在分離葉片密封件87內的每個葉片密封件80與每個鄰近的燃燒室34隔離，并且基于單獨燃燒室34的壓力狀況提供密封力。因此，每個滑動葉片116前面的和后面的燃燒室34可以有不同的壓力和密封要求，并且具有氣體通道96和側面氣體槽97的分離葉片密封件87自動地調節(jié)密封力來匹配那些壓力和密封要求。將室密封力與燃燒室34氣壓平衡確保了恰好對內部殼體定子表面37施加足夠的密封力，來適當?shù)孛芊馊紵?4，但是不能施加太大的力，因為會引起能夠減少發(fā)動機1的可能性能并且增加葉片密封件80和內部殼體定子表面37磨損的過量密封力。葉片密封件80氣體通道
96和軸向氣體槽97將有助于吸收和補償劇烈的燃燒點燃力，這種力能夠引起在內部殼體定子表面37上的顫動痕跡也能夠損傷葉片密封件80。葉片密封件80的氣體偏置有助于最優(yōu)化燃燒室34密封性能與平穩(wěn)滑動運行，這就延長了葉片密封件80以及殼體定子2和
4的內部殼體定子表面37的耐久性。
[0258] 葉片密封肘節(jié)運動
[0259] 在運行中，當每個分離葉片密封件79內的兩個葉片密封件80在通常盤型轉子183的平面內相對于轉子183側向地肘節(jié)進出時，這兩個葉片密封件80關于彼此以往復運動緊靠彼此滑動。這個肘節(jié)運動補充了滑動葉片116自身的肘節(jié)運動，通過更好地匹配內部表面37的幾何輪廓來提供額外的燃燒室34的密封能力。
[0260] 分離葉片滾子軸承
[0261] 圖15顯示了具有分解的分離葉片密封件79的葉片密封件80的滑動葉片組件116，從而顯示了內部葉片密封組件351和外部葉片密封組件352。為了有助于促進分離葉片密封件79的葉片80的肘節(jié)運動，使用了內部葉片密封軸承組件351和外部葉片密封組件352。對于內部軸承，組件351包括小的滾子軸承98，其位于沿著內部葉片密封表面353嵌在分離葉片密封79內的內部葉片密封滾子軸承槽99內，其中在每個分離葉片密封件79內的兩個葉片密封件80接觸并且一起肘節(jié)運動。外部葉片密封軸承組件352包括小的滾子軸承100，其比內部滾子軸承98小，并且位于沿著外部葉片密封表面354的分離葉片密封件79內的外部葉片密封軸承槽101內，與滑動葉片116的內部葉片有槽表面117進行接觸。
[0262] 內部滾子軸承98和內部滾子軸承槽99的位置從葉片密封件80上的外部滾子軸承100和外部滾子軸承槽101偏移，以便不削弱葉片密封件80的結構強度。
[0263] 葉片密封件80的內部葉片密封表面353用包括用于高溫潤滑和耐久性的氧化物的固體潤滑劑35涂層。固體潤滑劑35通過減少沿著其內部葉片密封接觸表面353的摩擦，也有助于葉片密封件80的肘節(jié)運動。固體潤滑劑35包括氧化物，其也被應用于滑動葉片116和分離葉片密封支承脊118的外部側面表面，來進一步減少葉片密封件80和滑動葉片
116之間的摩擦。
[0264] 葉片密封支承脊
[0265] 如圖14、15和16所顯示，兩個葉片密封支承脊118由分離葉片密封槽117分離，該兩個葉片密封支承脊118沿著每個滑動葉片116的外部邊界350定位。支承脊118沿著每個滑動葉片116的細長的半橢圓U型外部邊界350的整個長度，有助于保持每個分離葉片密封件79沿著每個滑動葉片116的外部邊界350可滑動地固定。如果沒有支承脊118，當分離葉片密封件79沿著定子殼體2和4的內部定子表面37掃過時，分離葉片密封件79將會趨于扭轉而不在適當?shù)奈恢谩?/div>
[0266] 葉片密封槽和脊彈簧密封
[0267] 參考圖22、24和27，在運行中，葉片密封件80的下部葉片密封段82的底部邊緣必須被封閉，來防止位于分離葉片槽117內的葉片密封件80下和葉片密封脊118的頂部的任何燃燒氣體較深地滲透到發(fā)動機1中。因此，下部葉片密封段82的底部內部邊緣包括彈簧密封件86，其嵌在彈簧密封凹槽87中。彈簧密封件86朝著滑動葉片116向內壓入來幫助密封底部分離葉片槽117。葉片槽彈簧密封件86的前部密封表面用包括用于高溫潤滑和耐久性的氧化物的固體潤滑劑35涂層。滑動葉片116的底部葉片密封支承脊118用嵌在位于葉片密封支承脊118的底部附近的脊彈簧凹槽120內的脊彈簧密封件119密封。脊彈簧密封件119從靠近下部葉片密封件82的內部表面密封的葉片脊118向外推，封閉軸向氣體槽97來防止來自氣體槽97的燃燒氣體從下部葉片密封件82的底部出來并且進入轉子183的內部部分。脊彈簧密封件119的密封表面也用包括用于高溫運行和耐久性的氧化物的固體潤滑劑35涂層。
[0268] 排水通道
[0269] 參考圖18，分離葉片密封件79的滑動葉片80的底部邊緣朝著滑動葉片116向后成角度。這有助于確?；瑒尤~片密封件80保持固定在滑動葉片116上并且不延伸超出滑動葉片116的頂部。這也建立了排水通道125，其中來自內部定子和主動冷卻系統(tǒng)362的葉片冷卻區(qū)域361的少量的去離子的水320可以沿著葉片支承脊118到達葉片密封80的底部下方，直到其到達葉片脊彈簧密封119為止，其中葉片脊彈簧密封件119密封頂部表面上的燃燒氣體和來自底部的去離子水320。來自排水通道125內的主動冷卻系統(tǒng)362的去離子水320也有助于消除由于燃燒力的分離葉片密封件79的葉片密封件80內的沖擊和振動，并且當葉片密封件做來回的肘節(jié)運動時，與殼體定子2和4的內部殼體定子表面37滑動接觸。這引起更平穩(wěn)的發(fā)動機運行，并且改進葉片密封件80的密封性能和耐久性。
[0270] 固體潤滑劑
[0271] 參考圖8至28，基于氧化物材料的固體潤滑劑被應用于所有燃燒室密封78的載荷接觸表面。這有助于減少在有所移動部件之間的摩擦，從而減少熱積累。其也提供了一種不會混合或污染燃燒室34內部的燃燒反應的潤滑系統(tǒng)。在阿貢國家實驗室開發(fā)的特殊二元氧化物和超硬納米復合材料(SHNC)潤滑劑涂層可以用于本發(fā)明。優(yōu)選的一種等離子噴涂氧化物PS 304的氧化物固體潤滑劑可以被使用，該潤滑劑具有最大900℃的運行范圍。
[0272] 滑動葉片結構
[0273] 參考圖18至27，滑動葉片116通常是半橢圓反置U型，類似于內部殼體定子2和3的內部殼體定子表面37的幾何結構輪廓的整體形狀?；瑒尤~片具有分離葉片槽117，來容納分離葉片密封件79的密封葉片80以及支承葉片密封件的支承脊118，以幫助防止分離葉片密封件79的葉片密封件80扭曲和/或變形而離開與殼體定子2和4的內部殼體定子表面37的適當密封接觸位置。
[0274] 反置U型中心部分
[0275] 參考圖18，滑動葉片116的中心反置或顛倒的U型部分360被
切除來減輕滑動葉片的材料質量。當滑動葉片116繞著內部殼體定子表面37旋轉時，滑動葉片的質量能夠對分離葉片密封79和內部殼體定子表面37施加相當大的離心力，這種離心力能夠引起過量的摩擦力，造成發(fā)動機1的性能下降，滑動葉片116的變形以及分離葉片密封件78的磨損。去除滑動葉片116的這個中心顛倒的U型部分360極大地減少了不必要的滑動葉片116的大的質量以及過量的摩擦力，以改進發(fā)動機1的性能、葉片116的耐久性以及分離葉片密封件78的密封性能和耐久性。為了確?；瑒尤~片結構116將不會由于大的顛倒的U型段360的去除而變形，小的垂直支承棒121和水平支承棒122被布置在滑動葉片結構116的顛倒的U型開口360上?；瑒尤~片116的水平支承棒122具有多個鉆通其表面的孔123，來減少水平支承結構123的大的質量，并且也允許內部轉子和主動水冷卻系統(tǒng)362的滑動葉片區(qū)域361的去離子的水320自由移動?；瑒尤~片的底部末端表面126從滑動葉片116的中心朝著側面定子殼體2和4向外成角度或傾斜，這允許來自轉子183的內部中心的主動冷卻系統(tǒng)362的去離子的水320朝著側面內部殼體水返回凹槽44向外轉移，并且然后進入熱水存儲容器300中，其中水返回凹槽44位于下部內部殼體定子2的兩側。
[0276] 熱障涂層
[0277] 參考圖18至28，熱障涂層(TBC)36被應用于滑動葉片116的前部和后部葉面349。TBC 36保護滑動葉片免受來自燃燒室34的高溫燃燒氣體的影響，該氣體能夠損傷或
軟化滑動葉片116并且引起熱變形。由于來自燃燒室34的燃燒力以及來自滑動葉片與殼體定子2和4的內部殼體定子表面37的接觸的燃燒力，滑動葉片116的熱變形可能會更嚴重。
這能夠引起葉片密封件80與內部殼體表面37不對準，并且引起對葉片密封件80和/或內部殼體定子表面37的損傷，或密封失效。TBC 36有助于保護滑動葉片116免受可能會引起熱變形的高溫燃燒氣體的影響。這有助于改進燃燒室34沿著殼體定子2和4的內部殼體定子表面37的滑動葉片116的密封分離葉片密封件79的葉片密封件80的密封性能。
[0278] 熱障涂層36也有助于防止基底材料的氧化。選擇由釔穩(wěn)定鋯(YSZ)制成的摻雜額外氧化物的低熱傳導系數(shù)熱障涂層，以建立熱動力學穩(wěn)定的、具有定制范圍的缺陷簇尺寸的高度偏斜的(deflective)格子結構，來減少熱傳導系數(shù)，并且改進與轉子表面的結合附著(bonding adhesion)。缺陷簇YSZ TBC在400℃和1400℃之間具有1.55至1.65瓦每米攝氏度的熱傳導系數(shù)。
[0279] 熱管槽
[0280] 參考圖18至27，每個滑動葉片116包括內部熱管槽127，其是顛倒的U型，并且類似于滑動葉片的周邊350，并且正好位于葉片密封槽117的下面。葉片內部熱管槽127稍微填充了水作為工作流體，該工作流體將來自葉片熱管蒸發(fā)器區(qū)域129的熱從滑動葉片的周邊350附近傳遞到葉片熱管內部冷凝器130中。通過允許工作流體水連續(xù)的從液體變?yōu)闅怏w并且然后再次變回液體來允許大量的熱可以按音速傳遞。葉片熱管槽127在24℃和202℃之間，或75K和397K之間運行，并且在葉片熱管蒸發(fā)器區(qū)域129和內部冷凝器130之間的溫度差越大，熱傳遞的速率就越快。
[0281] 熱管蒸發(fā)器區(qū)域有助于吸收和傳遞來自燃燒室34的熱，該熱影響滑動葉片116的滑動葉片周邊350、分離葉片密封件79的葉片密封件80、葉片密封脊118，以及葉片分離密封槽117。其也有助于傳遞沿著滑動葉片116的前部和后部葉面表面349經(jīng)過TBC 36的熱。使熱傳遞遠離這些部件有助于防止能夠損傷滑動葉片116和分離葉片密封件78、內部殼體定子表面37，并且引起密封和部件失效的熱損傷和變形。
[0282] 在葉片熱管槽127的運行中，來自燃燒室34的熱被沿著滑動葉片116的彎曲的葉片周邊350部分的頂部的熱管室蒸發(fā)器區(qū)域129吸收，其中來自滑動葉片116前部和后部葉面表面349、分離葉片密封件79、葉片支承脊118，以及分離葉片密封槽117的熱被傳遞至熱管槽127，以使水工作流體沿著葉片熱管蒸發(fā)器區(qū)域129的表面從液相變?yōu)闅庀?。加熱的氣體蒸汽通過葉片熱管槽傳遞至位于滑動葉片116的底部拐角的兩個內部冷凝器126之一，其中來自氣體的熱被傳遞至內部熱管冷凝器，并且氣體變回液相，并且循環(huán)回到熱管蒸發(fā)器區(qū)域129。在內部葉片熱管冷凝器中的熱通過傳導傳遞至外部葉片熱管冷凝器，其中其將熱通過傳導傳遞至從主動冷卻系統(tǒng)362潑濺到內部轉子和葉片區(qū)域361的去離子的水320。加熱的水320在內部殼體水返回槽44中被收集，并且通過內部轉子和葉片返回管326循環(huán)至熱水存儲容器300中。
[0283] 去離子的水320是優(yōu)選用于葉片熱管槽127的內部的工作材料。熱管通常通過利用引力或毛細系統(tǒng)運行。在引力系統(tǒng)中，熱在底部葉片熱管槽蒸發(fā)器中被吸收，引起內部工作材料從固體或液體變?yōu)闅怏w蒸氣，該氣體蒸氣通過
對流升高到頂部葉片熱管槽蒸發(fā)器，從而傳遞和釋放其熱。然而，在本發(fā)明的滑動葉片116中，葉片熱管槽127在轉子183中旋轉，這就產生很強的離心力，從而產生顛倒在葉片熱管槽127中的熱傳遞的引力運行方向的高G力，以使理想的熱傳遞方向能夠從滑動葉片116的外部周邊或頂部表面350沿著葉片熱管蒸發(fā)器區(qū)域129并且朝向滑動葉片116的內部側面底部末端，朝向葉片熱管槽內部冷凝器130，也朝向在傳動軸18上方的轉子183的中心發(fā)生。
[0284] 葉片熱管槽127纏繞在滑動葉片116的周邊表面349上，其中來自燃燒和與內部定子表面37接觸的很強的力能夠引起沿著這個周邊表面349的熱應力和機械應力。葉片熱管槽不僅有助于通
過冷卻滑動葉片116來控制熱應力，而且還對葉片熱管槽127加壓來對滑動葉片116增加結構強度。當在葉片熱管內部的水被加熱時，其將相態(tài)改變?yōu)檩^高壓力的氣體，這升高了葉片熱管槽127的內部壓力來更好的匹配外部燃燒室壓力34。這允許通過包括葉片熱管槽而不損失任何結構完整性地進一步減少滑動葉片116的額外質量。
[0285] 內部和外部葉片熱管槽冷凝器
[0286] 參考圖27，內部葉片槽冷凝器130優(yōu)選由高熱傳導系數(shù)的材料制成，比如鋁，其也抗水和氫氧化并且在葉片熱管槽的末端被蒸(braise)來完全密封和包圍葉片熱管槽系統(tǒng)127。內部葉片槽冷凝器130將熱通過傳導傳遞至外部葉片熱管冷凝器132。外部葉片熱管槽冷凝器132的前部葉面表面用成角度的脊和槽134覆蓋。熱然后被傳遞至主動冷卻系統(tǒng)
362的去離子的水320中。
[0287] 外部葉片熱管槽冷凝器也優(yōu)選由高傳導系數(shù)的材料制成，例如鋁，其被蒸到內部葉片熱管冷凝器的脊和槽部分131。外部葉片冷凝器132的底部表面朝著內部殼體定子2和4的側面向外成角度或傾斜。這有助于將來自轉子183的內部中心部分內的主動冷卻系統(tǒng)362的去離子的水320朝著內部定子2和4的兩個側面轉向，以由位于下部內部殼體定子2上的殼體水返回凹槽44收集。這個葉片熱管外部冷凝器的底部成角度的表面匹配滑動葉片116的底部成角度的表面126，以使去離子的水320能夠在兩個表面上平穩(wěn)地連續(xù)地轉向至兩個側面內部殼體定子2和4。
[0288] 葉片熱管槽多孔毛細/凍結管
[0289] 再次參考圖27，置于在葉片熱管槽127內部的是多孔毛細/凍結管128，其圍繞葉片熱管槽127的整個長度纏繞，從一個內部熱管冷凝器130到另一個熱管冷凝器130。多孔毛細/凍結管128由不銹鋼網(wǎng)制成，或優(yōu)選由
銅鋅鋁(CuZnAl)合金制成的成形金屬合金(SMA)制成，該合金被編織在一起并且被蒸或
點焊為管形。因為葉片熱管槽127用其內部的工作流體水完全密封，當發(fā)動機1被暴露在32F溫度或更低時其傾于受到寒冷天氣水冷凍膨脹損傷。為了抵消水冷凍膨脹，多孔管隔離多孔毛細/凍結管128的中心內部的一些水工作流體。當工作流體開始凍結和膨脹時，在多孔毛細/凍結管中心的未凍結的水工作流體沿著多孔毛細/凍結管128通過毛細作用上升。這允許水工作流體由于內爆向內膨脹，而不是向外膨脹，并且消除能夠引起對葉片熱管槽127或滑動葉片116的損傷的膨脹壓力。通過對多孔毛細/凍結管128使用SMA，當水工作流體膨脹并且內爆多孔毛細/凍結管127時，多孔毛細/凍結管128的下部部分可能變形。一旦葉片熱管室127的溫度上升至大約
32F，并且工作流體從冰相變回液相時，多孔毛細/凍結管重新變回其原來的形狀。
[0290] 當轉子183處于停止的位置時，滑動葉片116指向不同角度，將水工作流體匯聚在兩個位置之一中。第一個位置沿著底部兩個葉片內部熱管冷凝器130而另外一個位置沿著熱管蒸發(fā)器區(qū)域129的表面。通過使多孔毛細/凍結管129圍繞葉片熱管槽127的整個長度纏繞，多孔毛細/凍結管的末端控制由兩個內部葉片熱管冷凝器匯聚的任何凍結的工作流體。當多孔毛細管圍繞葉片熱管槽127纏繞，其與熱管蒸發(fā)器區(qū)域129的中間的頂部或外部表面進行直接接觸。這控制了沿著熱管蒸發(fā)器區(qū)域129匯聚的任何凍結的工作流體從多孔毛細/凍結管128的中心朝向兩個多孔毛細/凍結管128的末端在兩個方向被通過毛細作用吸走。這允許由多孔毛細/凍結管128控制在轉子183上的任何方向角匯聚的凍結的工作流體水。
[0291] 葉片傳動帶肘節(jié)系統(tǒng)
[0292] 參考圖18、25、27、以及29，在滑動葉片116上的底部部分的U型開口包括葉片傳動帶肘節(jié)棒系統(tǒng)363，其可以或是用于葉片傳動帶系統(tǒng)136的單中心葉片傳動帶137的單傳動帶肘節(jié)棒系統(tǒng)142，或是用于葉片傳動帶系統(tǒng)136的兩個外部葉片傳動帶138的雙傳動帶肘節(jié)棒系統(tǒng)143。單傳動帶肘節(jié)棒系統(tǒng)142或雙傳動帶肘節(jié)棒系統(tǒng)143將葉片傳動帶系統(tǒng)136的單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138連接到滑動葉片。單肘節(jié)棒系統(tǒng)142和雙肘節(jié)棒系統(tǒng)143的肘節(jié)運動為葉片傳動帶系統(tǒng)136提供了更寬范圍的單傳動帶142和雙傳動帶143的延伸和收縮，來更好地匹配殼體定子2和4的內部殼體表面輪廓37的內部幾何結構扭曲的橢圓形狀。葉片傳動帶肘節(jié)棒系統(tǒng)363包括中心支承傳動帶桿145，其通過中心肘節(jié)棒孔144固定單組或是雙組傳動帶肘節(jié)連接器(toggle link)147。肘節(jié)連接器通過位于每個肘節(jié)棒連接器147末端的葉片傳動帶棒孔148固定連接到肘節(jié)連接器147的兩個較小的葉片傳動帶棒146。肘節(jié)棒襯套149在葉片傳動帶棒146上滑動。金屬棒襯套149，而不是單葉片傳動帶136和雙葉片傳動帶138的傳動帶環(huán)形連接367，承受了大部分肘節(jié)動作磨損。中心肘節(jié)棒孔144以及較小的葉片傳動帶棒146用固體潤滑劑涂層，其優(yōu)選包括幾乎無摩擦的碳或金剛石型碳潤滑劑，來進一步改進高速肘節(jié)運動，并且減少葉片傳動帶連接器147的磨損以及金屬葉片棒襯套148的旋轉運動。
[0293] 將單葉片傳動帶段140和雙葉片傳動帶段141連接到交替的滑動葉片116的葉片傳動帶棒襯套148上，就將其連接到一起來建立單傳動帶閉環(huán)傳動帶系統(tǒng)137或雙葉片傳動帶閉環(huán)傳動帶系統(tǒng)138，以在滑動葉片116與內部定子表面37內的轉子183旋轉時，有助于控制滑動葉片116的位置。單葉片傳動帶肘節(jié)系統(tǒng)142和雙葉片傳動帶肘節(jié)系統(tǒng)143允許葉片傳動帶段的末端連接為連續(xù)的傳動帶系統(tǒng)，而不需要傳動帶構造為僅僅一個傳動帶段。這將要求單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138在窄的旋轉葉片通道184內部的每個滑動葉片116的下面產生非?？嚲o的彎曲，這可能會引起傳動帶應力和破損。
[0294] 葉片傳動帶張力調節(jié)系統(tǒng)
[0295] 再次參考圖18、27和29，為了保持葉片傳動帶系統(tǒng)136的單葉片傳動帶137或雙葉片傳動帶138的適當?shù)貜埩?，在滑動葉片116內部顛倒U型開口360上的底部側面部分包括葉片傳動帶張力調節(jié)系統(tǒng)150，其能夠調節(jié)主要傳動帶桿的位置，并且從而調節(jié)連接的單葉片傳動帶136或雙葉片傳動帶138的張力。主要葉片傳動帶桿145通過支承葉片傳動帶桿孔152連接到兩個末端支承葉片傳動帶桿固定器151。兩個葉片傳動帶桿固定器151被固定在位于滑動葉片116的內部底部中心倒轉U型開口360的兩側的葉片傳動帶張力調節(jié)槽的底部。兩個張力調節(jié)螺絲釘153通過張力調節(jié)螺孔154插在滑動葉片116、葉片傳動帶桿，以及末端葉片傳動帶桿固定器的底部。葉片張力調節(jié)螺絲釘155在沒有
螺紋的滑動葉片116螺孔154內自由轉動，但是使用在葉片傳動帶桿145以及末端葉片傳動帶桿固定器151中的有螺紋的螺孔154來向上或向下調節(jié)其在葉片傳動帶張力調節(jié)槽124內部的位置。一旦設置適當?shù)膫鲃訋埩?，用張力螺絲釘防松螺帽155將張力調節(jié)螺絲釘153鎖定在適當位置。一種可替代葉片傳動帶張力調節(jié)系統(tǒng)將會使用不同組的具有不同設置的葉片傳動帶桿145張力位置的末端葉片傳動帶桿固定器151。小的薄
墊片能夠放置在傳動帶桿固定器151的下面來進一步將張力鎖定在適當位置。
[0296] 葉片反離心系統(tǒng)
[0297] 葉片傳動帶系統(tǒng)
[0298] 參考圖29，反離心葉片傳動帶
傳動系統(tǒng)136提供了能夠繞著內部殼體定子表面37的不對稱的或扭曲的橢圓形幾何結構輪廓旋轉并且最小化過量的滑動葉片116密封離心力的能力。與發(fā)動機1的rpm速度無關，滑動葉片116緊靠內部殼體定子表面37的密封力圍繞整個周邊上保持相對恒定。
[0299] 此葉片傳動帶系統(tǒng)136包括單中心傳動帶137、雙外部傳動帶138，以及異型帶139系統(tǒng)。參考圖44，單中心葉片傳動帶137連接到四個交替的滑動葉片116的單傳動帶肘節(jié)系統(tǒng)142的葉片傳動帶棒襯套148。參考圖46，雙外部葉片傳動帶138是單中心葉片傳動帶137寬度的一半，并且連接到其它四個交替的滑動葉片116的葉片雙傳動帶肘節(jié)系統(tǒng)143的葉片傳動帶棒襯套148。在葉片傳動帶系統(tǒng)136的運行中，單中心葉片傳動帶137在轉子138徑向旋轉的中心延伸，并且外部兩個葉片傳動帶138在內部中心葉片傳動帶137的兩個側面外部運行，以使單中心葉片傳動帶137和雙外部葉片傳動帶138不相互干擾并且保持適當?shù)钠胶狻?/div>
[0300] 葉片傳動帶系統(tǒng)136在匹配內部殼體定子表面37幾何結構旋轉扭曲的橢圓形輪廓上變化很快。葉片單傳動帶肘節(jié)142以及葉片雙傳動帶肘節(jié)143分別地允許單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138具有從轉子開始的較寬運行范圍的傳動帶延伸，并且有助于將葉片收縮回至轉子，減少滑動葉片116的應力。
[0301] 參考圖29至36，在單中心傳動帶系統(tǒng)137或外部雙傳動帶系統(tǒng)138的運行中，當連接滑動葉片116的四個傳動帶中的一個或更多從轉子183的中心向外延伸時，連接滑動葉片116的其它傳動帶被朝著轉子183的中心向內拉回，平衡滑動葉片116的外部離心力和向內向心力，來獲得相對恒定的緊靠內部殼體定子表面37的向外密封力。然而，高峰值離心力仍然會在滑動葉片116延伸到離轉子183最遠的點產生，發(fā)生在最大膨脹位置33。為了有助于最小化這個峰值力點，兩個小的異型帶139被連接到異型帶軸承175，異型帶軸承175連接在交替的單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138的拱形支承棒159的外部側面末端，如圖41和48所顯示。兩個異型帶139將單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138系統(tǒng)連接到一起，作為一個統(tǒng)一的葉片傳動帶系統(tǒng)136。其仍然允許兩個傳動帶獨立運行，通過延伸和收縮滑動葉片116來匹配內部殼體定子表面37，但是是以一個更平穩(wěn)匹配內部殼體定子表面37輪廓的扭曲的橢圓形的更受限制的或更平均的方式。代替使用僅僅四個交替的滑動葉片116來匹配內部殼體定子表面37，異型帶139能夠連接和使用單傳動帶系統(tǒng)
173和雙傳動帶系統(tǒng)138的所有的八個滑動葉片116，來更好地匹配內部殼體定子表面37輪廓。這極大地減少了在最遠的延伸位置的峰值離心力。然而，峰值離心力可能仍然足夠強來拉或扭曲整個傳動帶系統(tǒng)136至其最遠的延伸位置。參考圖29，為了控制這個問題，傳動帶拱形限位彈簧212嵌在與異型帶側面拱形部分176排在一起的內部轉子腔363中，異型帶側面拱形部分176連接在每個傳動帶拱形支承棒159的末端。當滑動葉片116在內部殼體定子表面37上旋轉和滑動時，傳動帶拱形限位彈簧169處于相應于滑動葉片116的最大延伸點的一個固定的位置。每個異型帶側面拱形部分176在每個傳動帶拱形支承棒159上具有兩個傳動帶拱形限位彈簧212，對于每個傳動帶拱形支承棒159總共有四個傳動帶拱形限位彈簧212。在每個滑動葉片116的下面有一個導向的傳動帶拱形支承棒159。當旋轉的滑動葉片116到達膨脹區(qū)域33內的最遠的延伸點時，兩個異型帶側面拱形部分176壓縮匹配的四個傳動帶拱形限位彈簧212，來限制傳動帶拱形支承棒159以及相應的滑動葉片116的延伸。這保持了在整個轉子183旋轉中，所有的滑動葉片116與沿著殼體定子
2和4的內部殼體定子表面37均勻施加的恒定的離心力的平衡，而不考慮發(fā)動機的rpm速度。這個恒定的離心力顯著地減少了滑動葉片116關于內部殼體定子表面37的總的滑動摩擦，這在后期的燃燒膨脹中，當氣體壓力下降并且滑動葉片116向外延伸到離轉子183最遠，離心力處于其最高水平時，特別有用。
[0302] 傳動帶拱形限位彈簧212也有助于吸收并且消除在葉片滑動葉片116和葉片傳動帶系統(tǒng)136中的劇烈的振動力。
[0303] 拱形的葉片傳動帶支承
[0304] 參考圖32和34，將交替的滑動葉片116連接到一起，單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138必須在兩個鄰近連接的滑動葉片116之間彎曲90度。與葉片傳動帶概念有關的問題之一是傳動帶材料需要在高速時在拐角附近彎曲。為了實現(xiàn)這個目的，單拱形軸承系統(tǒng)156和雙拱形軸承系統(tǒng)157被分別地用于單葉片傳動帶系統(tǒng)137和雙葉片傳動帶系統(tǒng)138。
[0305] 參考圖38和39，單拱形的葉片傳動帶軸承系統(tǒng)137和雙拱形的葉片傳動帶軸承系統(tǒng)138優(yōu)選包括中心拱形的葉片傳動帶支承158、一系列的多葉片傳動帶滾子軸承178和滑動脊161。
[0306] 中心拱形支承
[0307] 每個單和雙葉片傳動帶拱形支承158的頂部表面彎曲具有一個大的弧形，其具有最小化單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138在交替的滑動葉片116之間的90度角上的急劇彎曲的角度。每個拱形支承也包括三個滾子軸承凹槽160以及排水孔，該滾子軸承凹槽160固定傳動帶滾子軸承178和在每個滾子軸承178之間的四個葉片傳動帶滑動脊161，來排出來自主動冷卻系統(tǒng)362的內部轉子腔363的去離子的水320，來防止水在滾子軸承凹槽160中的積累。去離子的水320對葉片傳動帶系統(tǒng)136和葉片傳動帶滾子軸承提供了一些潤滑和冷卻。這有助于減少傳動帶摩擦并且增加傳動帶的耐久性和強度。
[0308] 側面拱形鎖板
[0309] 每個葉片傳動帶拱形支承158具有通過四個貫穿葉片傳動帶拱形支承158的
鉚釘166固定至葉片傳動帶拱形支承158兩個側面拱形鎖板163。側面拱形鎖板163和鉚釘166對支承拱形部分158增加了結構強度。側面拱形鎖板163的頂部邊緣延伸的比葉片傳動帶拱形支承表面158更高，來形成圓形的葉片傳動帶齒尖164，以幫助保持移動的單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138當其在葉片傳動帶支承拱形部分158上移動時處于適當?shù)膶饰恢谩?br>
[0310] 葉片傳動帶拱形滾子軸承
[0311] 在傳動帶拱形支承158的頂部使用葉片傳動帶滾子軸承178將會改進葉片傳動帶136的運動。葉片傳動帶滾子軸承178包括滾子軸承180，其具有小的直徑，減少了質量加速度和減速慣性力來幫助改進在傳動帶拱形支承158上的傳動帶運動。外部滾子軸承180具有鉆通軸承的小孔181來允許去離子的水320幫助潤滑和冷卻葉片傳動帶滾子軸承180以及滾子軸承心軸179。心軸179也使用類似幾乎無摩擦的碳或金剛石型碳潤滑劑的固體潤滑劑35涂層。心軸179末端被旋進滾子軸承彈性支承182，滾子軸承彈性支承182固定在位于葉片傳動帶拱形支承158的每個側面上的側面拱形鎖板163上的軸承彈簧支承開口
165內。軸承彈簧支承開口165被定位在側面拱形鎖板163上，來適當?shù)囟ㄏ驖L子軸承180在滾子軸承凹槽160內，并且與單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138進行良好接觸。
[0312] 在發(fā)動機運行中，在低于或等于大約1000rpm的低rpm速度下，葉片傳動帶系統(tǒng)136的單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138與葉片傳動帶滾子軸承180進行接觸，來有助與改進運動速度并且減少單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138在葉片傳動帶拱形軸承支承158上的向前向后的運動摩擦。葉片傳動帶軸承心軸彈簧支承182也有助于消除在單葉片傳動帶137或雙葉片傳動帶138上的任何振動，以用于平穩(wěn)的運轉運動。
[0313] 在高于約1000rpm的較高的運行速度下，滾子軸承的質量引起大的加速度以及慣性力，這限制了單葉片傳動帶137和雙8葉片傳動帶13的運動。然而，在較高的發(fā)動機運行速度期間，葉片傳動帶滾子軸承心軸彈簧支承由于轉子183較高的離心旋轉力而壓縮，并且允許單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138在葉片傳動帶拱形支承158上移動，而不與滾子軸承180進行任何接觸。在高速運行中，葉片傳動帶滾子軸承180保持在拱形支承158滾子軸承凹槽160內壓縮，直到發(fā)動機的運行速度降低到低于或等于大約1000rpm，其中葉片傳動帶滾子軸承重新獲得與移動的葉片傳動帶系統(tǒng)136的單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138的有力接觸。為了繼續(xù)改進單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138的運動并且減少在葉片傳動帶拱形支承158上的摩擦，使用了葉片傳動帶滑動脊161。
[0314] 葉片傳動帶滑動脊
[0315] 參考圖38和39，當單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶在葉片傳動帶拱形支承158的頂部高速運轉時，葉片傳動帶滾子軸承80在滾子軸承凹槽160中被壓縮并且單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138在滑動脊161上移動?；瑒蛹?61用包括幾乎無摩擦的碳或金剛石型碳的固體潤滑劑涂層以用于潤滑，或可以優(yōu)選使用在阿貢國家實驗室開發(fā)的超硬納米復合材料(SHNC)潤滑劑涂層。滑動脊161和滾子軸承凹槽產生了湍流的氣流，其又在單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138和拱形支承158的頂部表面之間產生了空氣墊。這允許葉片單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138以甚至更高的速度和非常低的接觸摩擦在葉片傳動帶滑動脊161上移動。
[0316] 動態(tài)拱形支承棒
[0317] 拱形支承棒159固定單葉片傳動帶拱形軸承156或雙葉片傳動帶拱形軸承157。單葉片傳動帶拱形軸承156和雙葉片傳動帶拱形軸承157通過拱形夾凹槽173內的拱形支承夾172固定在拱形支承棒159上的適當位置，拱形夾凹槽173位于單葉片傳動帶拱形軸承支承156或雙葉片傳動帶拱形軸承支承157的兩側。
[0318] 每個拱形支承棒159的末端固定一個異型帶墊圈174，來幫助在沿著異型帶軸承175的內部邊緣的位置固定異型帶139，其允許異型帶139在異型帶軸承表面175上徑向地自由移動。異型帶拱形176在沿著異型帶軸承175的外部邊緣的位置固定異型帶139。
[0319] 在發(fā)動機1的高速運行中，其中轉子183的rpm等于或大于大約1000rpm，傳動帶拱形支承彈簧169壓縮并且拱形支承棒158在側面拱形支承板163的拱形支承棒開口168中和拱形支承棒槽368內向下移動，允許單葉片傳動帶拱形支承156和雙葉片傳動帶拱形支承157向外延伸，來允許葉片傳動帶滑動脊161保持與單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138的適當接觸。當發(fā)動機1的運行速度低至大約1000rpm或更低時，傳動帶拱形支承彈簧169拉長，葉片傳動帶滾子軸承支承彈簧182也拉長，并且拱形支承棒159在側面拱形支承板163的拱形支承棒開口168內和拱形支承棒槽368內向上移動，允許葉片傳動帶滾子軸承180與單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138進行初步接觸。傳動帶拱形支承彈簧169也有助于消除劇烈的運行振動并且有助于提供葉片傳動帶系統(tǒng)136的平穩(wěn)運行。
[0320] 葉片傳動帶材料
[0321] 參考圖36，葉片傳動帶137和138優(yōu)選地由織入傳動帶的纖細的高
抗拉強度的纖維制成。Nextel 610和AGY的933-S2玻璃是可能被使用的纖維。纖維被織入平坦光滑表面的傳動帶，并且在每個末端367具有兩個環(huán)，來與單傳動帶142和雙傳動帶143肘節(jié)系統(tǒng)的分離葉片116肘節(jié)葉片傳動帶襯套148連接。伴隨著主動冷卻系統(tǒng)262將去離子的水320循環(huán)至內部轉子腔363中，葉片傳動帶系統(tǒng)136具有大約250F的峰值運行溫度。這有助于保持纖維強度并且最小化纖維熱膨脹?？蛇x擇性的，纖維玻璃或Kevlar纖維能夠被織入葉片傳動帶系統(tǒng)136的傳動帶。這些材料是輕質量的并且具有高抗拉強度、低伸長率，以及最大450K的持續(xù)運行溫度。
[0322] 為了改進傳動帶的性能和耐久性，葉片傳動帶137和138優(yōu)選用多層纖維構成，并且然后被縫制在一起。主要頂部層是強度層169，其包括較大尺寸的纖維，并且因此具有較粗糙的填充和纏繞編織紋理。當該紋理在支承拱形脊結構161上滑動時，產生較大量的摩擦、振動和磨損。為了改進滑動性能，材料的底部精細(sheer)層171優(yōu)選與頂部強度層縫制在一起。這個底部精細層優(yōu)選具有較細的纖維尺寸，并且因此具有較細的填充和纏繞編織紋理。
[0323] 傳動帶纖維也能夠用固體潤滑劑涂層，例如聚四氟乙烯(Teflon)或幾乎無摩擦的碳，來進一步減少其摩擦和磨損。聚四氟乙烯PTFE涂層具有0.06的摩擦系數(shù)。幾乎無摩擦的碳具有0.02的摩擦系數(shù)。
[0324] 葉片傳動帶銷鉸接合(pin hinge seam)
[0325] 參考圖32至36，拱形葉片傳動帶軸承158產生了大的平坦的弧形表面，用于單葉片傳動帶137或雙葉片傳動帶138在其上的行進。這極大地減少了葉片傳動帶傳動帶材料上的彎曲應力。為了進一步改進單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138以及異型帶的彈性，具有鉸鏈接合366的
連桿銷(link pin)365能夠被布置在單140和雙141，以及異型364葉片傳動帶段中。連接銷365能夠是不銹鋼或非金屬的材料。銷能夠用聚四氟乙烯、幾乎無摩擦的碳、或金剛石型碳的固體潤滑劑涂層，來減少銷365的磨損，并且改進鉸鏈366的移動速度同時減少磨損。為了改進額外的耐久性，銷鉸鉸鏈366可以優(yōu)選由不銹鋼制成。
[0326] 參考圖33、35、和37，當傳動帶包括銷鉸鉸鏈366時，其增加了不與傳動帶齊平的小的連接表面。這個連接表面能夠引起不平滑的傳動帶運行。為了解決這個誤差，可以增加與銷鉸鉸鏈366的厚度匹配的另一個精細填充層170。該層170可以位于頂部強度層169和底部精細層171之間，并且所有三個層能夠被縫制在一起。這便于底部精細層在拱形支承脊161上非常平穩(wěn)地運行。
[0327] 傳動帶和肘節(jié)襯套連接
[0328] 為了將單葉片傳動帶137和雙葉片傳動帶138連接到單肘節(jié)142和雙肘節(jié)143上，復合材料傳動帶圍繞金屬滾子襯套149纏繞，并且借助于傳動帶襯套
鎖蓋369固定在適當位置。為了最小化傳動帶圍繞傳動帶襯套149的彎曲，小的三角形傳動帶襯套楔370(未顯示)被插入來使傳動帶連接角度更緩和，并且在傳動帶上具有更少的應力。
[0329] 轉子結構
[0330] 參考圖3，轉子組件183包括六個或八個轉子段組件310，數(shù)量取決于發(fā)動機1的配置。發(fā)動機1的優(yōu)選實施方式是采用八個轉子段組件310?；瑒尤~片116位于每個轉子段組件310之間，并且形成用于滑動葉片116進入的葉片通道184。所有的轉子段組件310由側面鎖板215固定在一起來形成轉子183。
[0331] 轉子段組件
[0332] 參考圖40，每個轉子段組件310包括頂部轉子燃燒段311、轉子熱控制系統(tǒng)、轉子側板209、鎖定片(lock tab)208、內部板蓋210、滑動葉片116切向軸承223、葉片葉面密封件111、轉子軸向密封件102，以及葉片異型帶限位彈簧212。
[0333] 轉子燃燒段
[0334] 轉子185的外部表面和轉子燃燒凹槽186也涂以熱障涂層。熱障涂層有助于防止來自燃燒的熱滲透到轉子燃燒段311、轉子水蒸汽室190，以及內部轉子腔363中，防止引起對轉子183、滑動葉片116，或滑動葉片傳動帶系統(tǒng)136的熱損傷和變形。
[0335] 轉子軸向和葉片葉面密封件
[0336] 參考圖40和50，轉子燃燒段311也包括軸向葉片密封凹槽187和軸向彈簧凹槽378，軸向彈簧凹槽378沿著轉子燃燒段311的側面表面彎曲來固定軸向密封件102和軸向密封彈簧110。葉片葉面密封凹槽188和葉片密封彈簧凹槽189位于轉子燃燒段311的前部和后部轉子滑動葉片葉面371上，固定葉片葉面密封件111和葉片葉面密封彈簧114。
[0337] 滑動葉片切向軸承系統(tǒng)
[0338] 參考圖40和47，為了改進滑動葉片116從轉子183的滑進和滑出運動，貫穿轉子燃燒段311的前部和后部轉子滑動葉片葉面371嵌入小的滾子軸承223，來形成轉子滑動葉片槽184。每個滾子軸承223包括滾子軸承心軸227，其由用于高溫潤滑和耐久性的氧化物制成的固體潤滑劑涂層。外部滾子軸承225是中空的，而且被布置在軸承心軸227上來進行直接接觸，并且伴隨著滑動葉片116向前向后移動的葉面表面349旋轉。外部滾子軸承也具有貫穿其表面的小孔226，以使來自主動冷卻系統(tǒng)362的水/蒸汽320能夠有助于潤滑和冷卻外部切向軸承225和內部軸承心軸227。心軸227優(yōu)選由高強度合金制成，并且使用氧化物潤滑劑涂層。滾子軸承心軸彈簧支承228連接到滾子軸承心軸227的每個末端。
[0339] 滾子軸承223被定向在轉子183旋轉的45至90度之間，但是優(yōu)選45度，并且滾子軸承223能夠被用于幫助滑動葉片116在轉子183的滑動葉片通道184中向前向后移動。在發(fā)動機運行中，當轉子183rpm低于或等于大約1000rpm時，外部滾子軸承225將與滑動葉片116的前部和后部葉面表面349直接接觸，以當其在旋轉葉片通道184內向前向后移動時來減少其滑動摩擦和磨損。在發(fā)動機的高速運行中，當轉子183rpm高于大約1000rpm時，滾子軸承225的加速度和旋轉慣性力更加顯著并且對移動的滑動葉片116增加了更多的摩擦。然而，在該點，葉片切向滾子軸承彈簧支承壓縮和收縮葉片切向滾子軸承223進入葉片切向滾子軸承凹槽224中，斷開了外部葉片切向滾子軸承225表面與滑動葉片116的移動葉面表面349的接觸。這允許滑動葉片116以高得多的速度和更低的摩擦，沿著凸起的Z字形葉片滑動脊221在旋轉葉片通道184內移動。
[0340] Z字形葉片滑動脊
[0341] 再次參考圖40，為了進一步改進滑動葉片116在葉片槽184內的滑進和滑出運動，Z字形脊221垂直地貫穿前部和后部旋轉葉片滑動葉面表面371延伸。這些Z字形脊的頂部用包括用于高溫潤滑和耐久性的氧化物的固體潤滑劑涂層。可選擇性的，可以使用超硬納米復合材料(SHNC)潤滑劑涂層。氧化物潤滑劑產生低于或等于0.2的摩擦系數(shù)，并且具有非常低的磨損率。
[0342] 水/蒸汽槽
[0343] 進一步參考圖40，在Z字形脊之間的是水/蒸汽槽222。當滑動葉片116在轉子183的滑動葉片通道184內移進和移出時，Z字形脊221在水/蒸汽槽222內部建立了強湍流，這又在接觸表面之間產生了空氣墊。這進一步提高了滑動葉片116的運動，并且減少了其摩擦。當來自主動冷卻系統(tǒng)362的內部轉子和滑動葉片區(qū)域361的去離子的水320進入并且流經(jīng)水/蒸汽槽222時，其也緊靠滑動葉片116的前部和后部葉面表面349流動，該滑動葉片116由于暴露在燃燒室34的燃燒中而已經(jīng)被加熱，從而將去離子的水320變?yōu)檎羝?。當去離子的水320幫助冷卻滑動葉片116的熱的前部和后部葉面表面349時，去離子的水320相變至高壓蒸汽。該高壓蒸汽進一步在水/蒸汽槽222中膨脹，來輕微地提升滑動葉片116的前部和后部葉面表面349離開Z字形滑動脊221，允許其在滑動葉片通道184內部更自由地移動，并且具有減少的摩擦和磨損。水蒸汽320也有助于吸收劇烈振動來進一步減少損傷和磨損，提供了發(fā)動機1的更平穩(wěn)地運行。加熱的蒸汽和/或冷凝的蒸汽水將被循環(huán)至轉子183的外部側面，沿著內部殼體定子側面2和4，并且被迫使通過水/蒸汽返回凹槽44而進入主動冷卻系統(tǒng)362的熱水儲存容器。
[0344] 轉子熱控制系統(tǒng)
[0345] 在燃燒過程中，熱經(jīng)過轉子表面183，并且滲透至轉子的燃燒段311，并且進入轉子中心腔363中，這能夠引起對葉片傳動帶系統(tǒng)136和轉子組件段310部件的熱損傷。為了有效地去除來自燃燒轉子段311和內部轉子腔363的過量的熱，與主動水冷卻系統(tǒng)362一同使用轉子蒸汽室系統(tǒng)190。
[0346] 轉子高溫合金
[0347] 抗高溫合金材料，例如Haynes 230或180，優(yōu)選使用在燃燒轉子段311的構造中。這些材料在高溫下和在600攝氏度時長期暴露于燃燒環(huán)境時，保留了其強度特性。這些合-6
金具有大約8.2*10 每華氏溫度的低的熱膨脹系數(shù)。這有助于最小化熱變形和熱失效。
[0348] 轉子熱障涂層
[0349] 熱障涂層36也有助于防止襯底材料的氧化。低熱量傳導熱障涂層由摻雜額外氧化物的YSZ制成，氧化物被選擇用于建立熱動力學穩(wěn)定、具有定制的缺陷簇尺寸范圍的高度偏斜的格子結構，來減少熱量傳導并且改進與轉子表面的結合附著。
[0350] 釔穩(wěn)定鋯(YSZ)的缺陷簇TBC在400℃和1400℃之間具有1.55至1.65瓦每米攝氏度的熱傳導率。
[0351] 轉子蒸汽室系統(tǒng)
[0352] 參考圖43、44、45、47、48、49、50和51，使用高溫合金構造直接暴露于高燃燒溫度的發(fā)動機1的部件，如轉子燃燒段311，并且用熱障涂層36對其進行涂層，這極大地減少了熱損傷，同時減慢了熱滲透至內部轉子腔363。然而，仍然有必要來去除最終滲透轉子表面183并且導入轉子段組件310的內部轉子腔363中的過量的熱。轉子水蒸發(fā)室190用在轉子183的每個轉子段內部。轉子水蒸汽室190正好位于頂部轉子表面185和轉子燃燒段311的燃燒腔凹槽186的下方。滲透這些表面的熱沿著頂部或外部蒸發(fā)表面191加熱轉子水蒸汽室190內部的水，該蒸發(fā)表面徑向地和軸向地匹配頂部轉子表面183輪廓彎曲形狀。當水沿著轉子蒸汽室蒸發(fā)器表面191加熱時，其從液相變?yōu)闅庀啵樟藖碜哉舭l(fā)器表面191的大量熱，并且將其傳遞至水蒸汽中。內部室壓力將加熱的水蒸汽循環(huán)至位于轉子段組件
310的兩個軸向側面的內部轉子冷凝器，其中加熱的水蒸汽將熱傳遞至內部冷凝器200，并且變回液相，而且被循環(huán)回至轉子蒸汽室蒸發(fā)器表面191。
[0353] 去離子的水320是用于轉子蒸汽室190內部優(yōu)選的工作材料。通過允許工作流體水連續(xù)地從液相變?yōu)闅庀?，并且然后再次變回液相，就允許大量的熱量被以音速傳遞。轉子水蒸汽室190運行在24℃和202℃，或75華氏度和397華氏度之間，并且轉子蒸汽室蒸發(fā)器區(qū)域191和轉子內部冷凝器200之間的溫差越大，熱傳遞的速度越快。
[0354] 轉子水蒸汽室的運行正好類似熱管，其中引力或毛細系統(tǒng)被用來循環(huán)工作流體。在引力系統(tǒng)中，熱沿著蒸發(fā)室的底部蒸發(fā)器表面被吸收，使得內部工作材料從固體或液體變?yōu)闅怏w蒸汽，該氣體蒸汽通過對流上升至頂部蒸氣室冷凝器以傳遞和釋放其熱。然而，在本發(fā)明的轉子183中，轉子蒸汽室190在轉子183內部旋轉，這就產生了引起高G-力的強的離心力，該高G-力使水蒸汽室190內的熱傳遞的引力運行方向倒向。該熱傳遞倒向的方向對于本發(fā)明的發(fā)動機1是理想的，允許理想熱傳遞從轉子蒸發(fā)室190頂部蒸發(fā)器表面191開始剛好在轉子外部表面185下進行，并且將所吸收的熱朝著轉子蒸汽室190的下部側面底部末端傳遞到達轉子內部冷凝器200。在轉子蒸汽室內部冷凝器200，當內部工作水蒸汽將熱傳遞至轉子內部冷凝器200時，其從氣相變?yōu)橐合唷Ｋ后w然后朝著轉子蒸汽室蒸發(fā)器表面191向外循回以再次重新循環(huán)。
[0355] 參考圖44和50，為了改進水工作流體在轉子水蒸汽室190的外部蒸發(fā)器表面區(qū)域191附近的毛細流動，優(yōu)選使用精細的毛細網(wǎng)層192。這允許高壓的小的液體水滴沿著外部轉子蒸發(fā)器表面191容易地流動，并且從液相變?yōu)闅庀?。從末端轉子內部冷凝器200沿著轉子蒸汽室190的側面使用粗糙的毛細網(wǎng)層193，來與精細的毛細網(wǎng)層193連接。這允許低壓的較大的液體水滴容易地流動至工作流體的外部精細的毛細網(wǎng)層193，并且沿著外部蒸發(fā)器表面區(qū)域191流動到轉子蒸汽室190內的任何位置。粗糙的毛細網(wǎng)193在精細的毛細網(wǎng)192下在網(wǎng)連接369處稍微地延伸。這允許較大的水滴移動更接近轉子蒸汽室蒸發(fā)器表面191。其也允許較小的水滴被向上通過毛細作用返回到更接近轉子蒸汽室內部冷凝器
200。精細的毛細網(wǎng)192和粗糙的毛細網(wǎng)193由精細的邊界網(wǎng)194圍繞。邊界毛細網(wǎng)194有助于在轉子水蒸汽室190的所有表面上分布工作流體。其也有助于沿著轉子段組件310的前部和后部葉面表面保留工作流體，來幫助冷卻在滑動葉片通道184內傳遞的以及來自葉片葉面密封111的熱。
[0356] 為了改進工作流體氣體循環(huán)，在底部轉子蒸汽室蓋195的內部表面?zhèn)让嬷械恼羝已由旒?96固定精細的192和粗糙的193毛細網(wǎng)層，并且將其壓在一起。其也在延伸脊196之間建立了大的轉子蒸汽室空穴或凹槽197，以便工作流體氣體易于流動。
[0357] 轉子水蒸汽室有助于將轉子表面183和燃燒腔184保持在良好的運行溫度下。其也有助于使這些表面溫度等溫來最小化任何熱點，最小化熱損傷，并且穩(wěn)定燃燒室134內的燃燒反應狀況。
[0358] 內部和外部轉子蒸汽室冷凝器
[0359] 參考圖41、43、和50，內部轉子蒸汽室冷凝器200優(yōu)選由高熱傳導材料，例如鋁構成，并且在轉子燃燒段311的末端被蒸來完全地密封和封閉轉子水蒸汽室系統(tǒng)190。內部轉子蒸汽室冷凝器200的外部表面也優(yōu)選由高度熱傳導的材料例如鋁構成，并且包括垂直脊和凹槽201，其被用來與外部轉子蒸汽室冷凝器202的脊和凹槽203連接。外部轉子蒸汽室冷凝器202的前部葉面表面也用彎曲的脊和凹槽204和徑向直的脊和凹槽205的組合覆蓋。彎曲的脊和凹槽204和徑向直的脊和凹槽205增加了與去離子的水320接觸的用于熱傳遞的表面區(qū)域，來吸收來自外部轉子蒸汽室冷凝器202的熱。
[0360] 轉子水蒸汽室多孔毛細/凍結管
[0361] 參考圖43和45，軸向定向的多孔毛細/凍結管198和徑向定向的多孔毛細/凍結管199將被布置在轉子水蒸汽室190的內部。軸向多孔毛細/凍結管纏繞在轉子水蒸汽室190的整個長度上，從一個內部轉子蒸汽室冷凝器200至另一側的內部轉子蒸汽室冷凝器200。徑向多孔毛細/凍結管199在內部轉子水蒸汽室190的頂部中心部分徑向地延伸。軸向多孔毛細/凍結管198和徑向多孔毛細/凍結管199由不銹鋼金屬絲網(wǎng)制成，或優(yōu)選由銅鋅鋁(CuZnAl)合金制成的成型金屬合金(SMA)制成，其被編織在一起并且蒸或點焊為管的形狀。徑向多孔管199有助于在轉子水蒸汽室190的頂部表面上徑向地毛細吸收水。
更重要的是，因為轉子水蒸汽室190被完全地用內部的工作流體水密封，當發(fā)動機1被暴露在32華氏度的溫度或更低溫度時其易于水冷凍膨脹損傷。為了抵消水冷凍膨脹，多孔管隔離了在軸向多孔毛細/凍結管198和徑向多孔毛細/凍結管199內部的一些水工作流體。
當工作流體開始凍結和膨脹時，在多孔毛細/凍結管中心的未凍結的水工作流體沿著軸向多孔毛細/凍結管198和徑向多孔毛細/凍結管199通過毛細作用向上。這允許水工作流體通過在多孔毛細/凍結管上的向內內爆而不是向外外爆而膨脹，這產生了能夠對轉子水蒸汽室190或轉子183的轉子組件310引起損傷的膨脹壓力。通過對軸向多孔毛細/凍結管198和徑向多孔毛細/凍結管199使用SMA，當水工作流體凍結并且膨脹內爆軸向多孔毛細/凍結管198和徑向多孔毛細/凍結管199中時，其較低的部分可能會變形。一旦轉子水蒸汽室的溫度上升到大約32華氏度，并且工作流體從冰變回為液相，軸向多孔毛細/凍結管198和徑向多孔毛細/凍結管199變回其原來的形狀。
[0362] 軸向多孔毛細/凍結管198和徑向多孔毛細/凍結管199被布置在精細的毛細網(wǎng)192、粗糙的毛細網(wǎng)193以及邊界毛細網(wǎng)194的槽軸向開口和穿孔264和徑向開口和穿孔
265中。這有助于在發(fā)動機1的運行中將所有不同的毛細材料和管固定在其適當?shù)奈恢谩?br>其也允許軸向管198和徑向管199一直進入水工作流體將在此匯集的底部拐角和表面中。
[0363] 轉子水蒸汽室蓋
[0364] 參考圖50，轉子水蒸汽室蓋195適合轉子燃燒段311的底部。轉子的內部表面包括脊延伸部分196，其形成允許轉子水蒸汽室190內部的水蒸汽快速移動的轉子水蒸汽室空穴197。內部表面脊也有助于在發(fā)動機1的運行中將內部精細的毛細網(wǎng)192和粗糙的毛細網(wǎng)193固定在適當?shù)奈恢谩?/div>
[0365] 轉子水蒸汽室蓋195的轉子水蒸汽室脊196和槽197的內部表面被涂以熱障涂層36。熱障涂層36有助于將熱保持在轉子水蒸汽室190內部，并且限制熱通過水蒸汽室蓋
195傳遞并進入內部轉子腔區(qū)域363。
[0366] 內部轉子蓋板
[0367] 參考圖42、45、和69，內部轉子蓋板210被
焊接至燃燒腔段311的底部，該燃燒腔段311在鎖定片208上的轉子水蒸汽室197蓋上延伸，并且內部轉子蓋板210沿著轉子側面板209的內部表面焊接。轉子蓋210對轉子段組件310增加了一些結構強度。其也被用來建立熱隔離空穴來防止來自轉子表面185和轉子水蒸汽室190的熱滲透到內部轉子腔363中。其也被用于封閉內部轉子腔363內部的大的開口區(qū)域。這有助于限制來自主動冷卻系統(tǒng)362的去離子的水沿著滑動葉片通道184的前部和后部轉子滑動葉片葉面371流動至水/蒸汽槽222的關鍵區(qū)域。其也由移動的滑動葉片116和葉片傳動帶系統(tǒng)136的運動在轉子腔363內部中建立強湍流槽。該強湍流槽有助于將來自主動冷卻系統(tǒng)362的去離子的水320和蒸汽平均地分布在轉子腔363的整個內部。
[0368] 內部轉子蓋板210的外部表面211將從內部轉子腔363中心向外部轉子183的側面成角度。
[0369] 葉片異型帶限位彈簧
[0370] 參考圖42、48、和46，葉片異型帶限位彈簧212具有適合于梯形失真凹槽214的梯形失真延伸部分213，其中梯形失真凹槽214位于內部轉子腔363區(qū)域內的內部轉子側板209的表面上。葉片異型帶限位彈簧梯形失真延伸部分213被平頭焊接(tack-welded)在適當?shù)奈恢茫瑏韺⑵淅喂痰毓潭ㄔ趦炔哭D子側板209的梯形失真凹槽214中。葉片傳動帶限位彈簧212限制了側面輪廓葉片傳動帶拱形部分176的最大延伸，來幫助保持異型帶139以及葉片傳動帶系統(tǒng)136的其余部分和滑動葉片116與殼體定子2和4的內部殼體定子表面37的適當?shù)貙省?br>
[0371] 鈉蒸汽室系統(tǒng)
[0372] 參考圖3、6和71，發(fā)動機1使用鈉蒸汽室熱傳遞系統(tǒng)229來將來自高溫燃燒區(qū)32的熱傳遞至膨脹區(qū)33的中期和后期。鈉蒸汽室229使用鈉作為工作流體，并且運行在600℃至1000℃之間，但是優(yōu)選是900℃。對于發(fā)動機1，鈉蒸汽室229使燃燒區(qū)32和膨脹區(qū)33內的鈉蒸汽室定子4上的溫度等溫至大約600℃的運行溫度。在燃燒中，氫/水/空氣混合物在燃燒室32中點燃并且達到大約1800K或1526℃的最大溫度。熱障涂層36沿著鈉蒸汽室定子4的前部內部定子37的表面被應用于熱障涂層凹槽277，來保護鈉蒸汽室免受持續(xù)的過熱加載溫度的影響。一部分燃燒熱將經(jīng)過熱障涂層36和鈉蒸汽室定子4沿著蒸發(fā)器部分379滲透至鈉蒸汽室229，在這里鈉工作流體從液相變?yōu)闅庀唷Ｔ谂蛎浭?3區(qū)域的中期和后期燃燒-膨脹過程中，膨脹時的氣體溫度能夠變得低于鈉蒸汽室229的溫度，同時鈉工作流體從氣相變?yōu)橐合?，將其熱從鈉蒸汽室229沿著冷凝區(qū)域380通過鈉蒸汽室定子4傳遞，并且傳遞回燃燒室34中來幫助保持高的后期氣體壓力。鈉液體然后通過毛細作用和毛細壓力被返回蒸發(fā)器區(qū)域379。
[0373] 鈉蒸汽室毛細網(wǎng)
[0374] 參考圖57至62，鈉蒸汽室系統(tǒng)229使用一系列的毛細網(wǎng)來幫助移動鈉工作流體。為了改進鈉工作流體在鈉蒸汽室229的外部蒸發(fā)器表面區(qū)域379附近的毛細作用流動，使用了200目精細的毛細網(wǎng)層230。這允許高壓的小的液體鈉滴沿著外部鈉蒸汽室蒸發(fā)器表面379容易地的流動，并且從液相變?yōu)闅庀?。在沿著冷凝區(qū)域380的鈉蒸汽室229的另一端使用了100目的粗糙毛細網(wǎng)層232。這允許低壓的較大的液體鈉滴朝著蒸發(fā)器區(qū)域379容易地流回。為了進一步改進鈉工作流體的毛細作用，中等的150目毛細網(wǎng)層231被布置在精細的230和粗糙的232毛細網(wǎng)段之間來對中等大小的液體鈉滴提供過渡毛細網(wǎng)。
[0375] 所有三個網(wǎng)部分，即精細的毛細網(wǎng)230、中等的毛細網(wǎng)231以及粗糙的毛細網(wǎng)232由中等的150目外圍毛細網(wǎng)234圍繞。外圍毛細網(wǎng)234有助于在鈉蒸汽室229的所有表面上分布工作流體。其也有助于通過在蒸發(fā)器區(qū)域379中提供液鈉的小量匯集而改進鈉凍結啟動條件。蒸汽室啟動問題和損傷可能會因為在蒸發(fā)器區(qū)域沒有足夠的工作流體而發(fā)生，這引起可能過熱的干燥點。在發(fā)動機1中，鈉蒸汽室229的彎曲的形狀將鈉工作流體匯集在鈉蒸汽室229的兩端附近，朝著蒸發(fā)器末端379以及冷凝器末端380。這允許一些鈉在啟動中在蒸發(fā)器區(qū)域379中隨時可用，并且通過使用中等的外圍毛細網(wǎng)就允許將一些鈉工作流體分布在鈉蒸汽室蒸發(fā)器區(qū)域379的周圍，而且與鈉蒸汽室定子4直接接觸。
[0376] 參考圖圖57、61、和62，為了改進鈉工作流體氣體循環(huán)，鈉蒸汽室脊252從外部鈉蒸汽室蓋251的內部表面?zhèn)让嫜由?。鈉蒸汽室脊延伸部分252也有助于將精細的毛細網(wǎng)部分230、中等的毛細網(wǎng)部分231以及粗糙的毛細網(wǎng)部分232固定在鈉蒸汽室229內的適當?shù)奈恢?。脊延伸部?52也在脊延伸部分252之間建立了大的鈉蒸汽室空穴或槽253，以便于鈉工作流體氣體容易地流動。
[0377] 參考圖52和59至64，鈉蒸汽室蓋251的外部表面具有一系列的軸向和徑向支承肋257，支承肋257對外部鈉蒸汽室蓋251增加了結構加強強度。加強脊257也在鈉蒸汽室蓋251和外部隔離材料258之間建立了空穴空間，來進一步幫助建立
熱封閉來防止通過鈉蒸汽室系統(tǒng)229的外部蒸汽室蓋251的熱損失。
[0378] 鈉蒸汽室壓力調節(jié)破裂室
[0379] 參考圖52、57、60、以及62至64，鈉與水劇烈反應，并且當由于發(fā)動機1的運行而被加熱時，其將在鈉蒸汽室229內部產生高壓。為了幫助防止鈉蒸汽室由于意外事故產生的大的撞擊，或由于鈉蒸汽室229內部的太大的壓力而破裂，鈉蒸汽室蓋251的外部表面包括破裂室系統(tǒng)245。這提供了一個安全的系統(tǒng)來釋放鈉蒸汽室內部的壓力，并且防止鈉蒸汽室229破裂和釋放鈉。鈉蒸汽室破裂系統(tǒng)245包括破裂汽缸246、氣室248、鈉壓力調節(jié)盤247、破裂
信號盤249以及破裂信號旗(flag)250。壓力調節(jié)破裂汽缸246被旋進頂部鈉蒸汽室蓋251中，其中壓力調節(jié)盤247被暴露在內部工作鈉蒸汽室229中。破裂汽缸246的頂部由破裂信號盤249封閉，在壓力調節(jié)盤和破裂信號盤249之間建立了氣體空間248。氣體空間248充滿可壓縮的惰性氣體例如氬或優(yōu)選氪。如果外部鈉蒸汽室229表面具有高的沖擊，或者內部壓力變得非常高，其將把壓力調節(jié)盤壓入氣體空間248中并且壓縮氣體。鈉蒸汽也將進入破裂汽缸246的壓力調節(jié)室248中，降低整個內部鈉蒸汽室229的壓力來防止通過鈉蒸汽室的外部蓋251的鈉破裂。如果氣體壓力變得很高，其將在中期促使破裂信號盤249向外，這將迫使破裂信號旗250通過在外部隔離材料258中的破裂信號孔267，作為破裂盤247已經(jīng)損壞并且需要被替換的信號。由于鈉接近破裂室系統(tǒng)245的
真空室248的增加的體積，因此鈉蒸汽室將仍然運行，但是在較安全的較低的壓力下運行。
[0380] 鈉蒸汽室壓力調節(jié)系統(tǒng)245將通過調節(jié)內部鈉蒸汽室壓力，來幫助保持理想的內部蒸汽室運行狀況。因為熱被傳遞至鈉蒸汽室229，溫度和壓力將會上升。為了保持理想的蒸汽流，較低的壓力會更有利。為了實現(xiàn)該目的，壓力調節(jié)盤247將延伸至破裂汽缸246中，并且壓縮氣體248，從而減少鈉蒸汽室229的相對的內部工作壓力。
[0381] 堿金屬熱電轉換器(AMTEC)
[0382] 參考圖62至64，在鈉蒸汽室229內部的鈉工作流體、運行溫度以及鈉循環(huán)輪廓對于堿金屬熱電轉換器(AMTEC)235所需的運行是同等重要的。鈉是一種能夠在鈉蒸汽室229內部從液相變?yōu)闅庀嗖⑶以僮兓匾合嗟囊簯B(tài)金屬。鈉也能夠傳遞其離子經(jīng)過β氧化鋁固體
電解質(BASE)236來產生電。BASE 236是一個具有波形表面的
馬鈴薯
塊(potato chip)U型結構，以增加BASE 236的表面面積以及其產生電的能力。BASE 236的末端被沿著外部表面381封閉，以幫助在BASE 236下包括高的鈉氣體壓力，來幫助鈉離子經(jīng)過BASE 236的正的底部
陰極表面237到達BASE 236的頂部
陽極表面238。BASE 236通過BASE螺絲釘241連接到鈉蒸汽室蓋251的內部表面，螺絲釘241旋轉穿過BASE 236，并且進入鈉蒸汽室蓋251內的螺孔241。
[0383] 為了電氣地和電離地絕緣BSAE 236，BASE螺絲釘241由例如鋯的電氣和電離惰性的材料組成，防止
短路BASE 236。鈉蒸汽室的內部表面也
用例如釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)的TBC 36覆蓋，也有助于電氣地和電離地絕緣BASE 236的頂部陽極238表面。為了電氣地和電離地絕緣BASE 236的底部陰極237，由
石英纖維233制成的類似薄的毛細網(wǎng)被直接布置在BASE 236下面以及精細的毛細網(wǎng)部分230和中等的毛細網(wǎng)部分231上方。外部外圍毛細網(wǎng)234也由類似石英纖維或氈制品的電氣和電離惰性的材料制成，來絕緣BASE 236。通過電氣地和電離地絕緣BASE 236，可以產生最高數(shù)量的電能，而不會由于接觸電氣的或電離的傳導材料表面損失或短路。
[0384] 參考圖53、54和59，內部電氣連接器242滑入在BASE 236的外部邊緣381上的槽244。底部陰極238和頂部陽極237的層進入槽244，內部電氣連接器242的底部邊緣將進行與陰極層238的接觸，以及內部電氣連接器242的上部部分與陽極層237接觸，產生與BASE
236的電氣
電路。內部電氣連接器通過在鈉蒸汽室蓋251內的BASE連接器孔239，并且在適當位置被焊入或蒸來密封鈉蒸汽室229。外部BASE電氣連接器244與內部BASE電氣連接器244連接。外部BASE電氣連接器244然后通過在外部鈉蒸汽室隔離(insulation)258內的連接器孔266。金屬絲然后連接到外部BASE電氣連接器，連接到電功率轉換器370來產生BASE的電路，并且調節(jié)由堿金屬熱電轉換器系統(tǒng)235的BASE 236產生的電功率。
[0385] 外部鈉蒸汽室蓋和隔離
[0386] 參考圖56至64，為了進一步減少來自鈉蒸汽室229的可能的熱損失到外圍大氣中，鈉蒸汽室蓋251的內部表面與脊延伸部分252和槽253一起用YSZ熱障涂層35來涂層。鋯也將提供氫獲取操作，以吸收任何可能從殼體定子4或經(jīng)過殼體定子4分離的自由氫。另外，鈉蒸汽室蓋251的外部用厚的熱隔離材料258覆蓋，例如隔熱毯、金屬或陶瓷泡沫、或由外部殼體包括的絕緣球或小球。該隔離材料也有助于吸收任何可能經(jīng)過鈉蒸汽室蓋251的噪音和振動。
[0387] 參考圖53至64，外部鈉蒸汽室蓋251被焊接至鈉蒸汽室定子4上。小的金屬墊圈254配合在鈉蒸汽室229的外部周邊延伸的金屬墊圈槽255中。金屬墊圈有助于防止任何來自鈉蒸汽室蓋251的鈉泄漏。
[0388] 外部殼體水蒸汽室
[0389] 參考圖67和70，由于分段的進氣-壓縮和燃燒-膨脹區(qū)域，存在一個貫穿發(fā)動機1的兩極的熱/冷熱梯度，其可能會引起殼體定子2和4的嚴重的熱變形。上部鈉蒸汽室定子4的溫度運行在大約600℃至900℃。下部定子殼體2由主動冷卻系統(tǒng)冷卻，并且運行在最大溫度為98℃。熱障涂層被沿著上部鈉蒸汽室定子4的閂住表面布置，來最小化傳遞到下部殼體定子2的熱。為了幫助最小化下部殼體定子2的熱變形，兩個殼體水蒸汽室系統(tǒng)
68被沿著與上部鈉蒸汽室定子4的連接表面布置在下部定子殼體2中。
[0390] 水蒸汽室有助于使下部殼體定子2的表面沿著與上部鈉蒸汽室定子4的閂住部分等溫。這有助于沿著閂住表面保持一致的溫度，最小化能夠引起熱變形的任何可能熱點。
[0391] 在殼體水蒸汽室68內的水工作流體吸收來自沿著頂部蒸發(fā)器表面69的熱，該熱從鄰近鈉蒸汽室定子4沿著閂住表面滲透穿過TBC 36，并且將其傳遞至其底部側面冷凝器表面77，該表面77鄰近主動冷卻水循環(huán)系統(tǒng)262的進氣/壓縮63和轉子軸承/膨脹66水循環(huán)通道。當水被沿著殼體蒸汽室蒸發(fā)器表面69加熱時，其從液相變?yōu)闅庀?，吸收來自蒸發(fā)器表面69的大量的熱，并且將其傳遞至水蒸汽。內部室壓力將加熱的水蒸汽循環(huán)至殼體水蒸汽室冷凝器表面77。在加熱的水蒸汽將熱傳遞至冷凝器表面區(qū)域77的地點，其變回液相，并且循環(huán)回殼體水蒸汽室蒸發(fā)器表面69。殼體水蒸汽室68運行在24℃和202℃之間，或75華氏度和397華氏度之間。在沿著鈉蒸汽室定子4的水蒸汽室蒸發(fā)器表面69和沿著主動水冷卻系統(tǒng)262的進氣/壓縮63及轉子軸承/膨脹66水循環(huán)通道之間的溫差越大，熱傳遞的速率越快。
[0392] 殼體水蒸汽室69具有相對長的和窄的形狀。盡管其對于將來自在窄殼體水蒸汽室上的蒸發(fā)器表面區(qū)域69的熱傳遞至冷凝器表面區(qū)域77很重要，但是其對于沿著殼體水蒸汽室68的長度傳遞熱來等溫下部殼體定子2來保持均勻的下部殼體定子2并且防止熱點和熱變形也很重要。為了改進水工作流體的毛細流動，U型外圍毛細網(wǎng)72包圍精細的毛細網(wǎng)層71和粗糙的毛細網(wǎng)層72。U型外圍毛細網(wǎng)被布置為與殼體水蒸汽室蒸發(fā)器表面區(qū)域69直接接觸，并且沿著殼體水蒸汽室68的兩側末端表面。U型外圍毛細網(wǎng)由精細的網(wǎng)制成來允許高壓小的液態(tài)水滴沿著殼體水蒸汽室蒸發(fā)器表面69的長度容易地流動，以允許水工作流體從液相變?yōu)闅庀?。精細的毛細網(wǎng)層71沿著殼體水蒸汽室凹槽270的底部表面使用。這允許高壓小的液態(tài)水滴沿著殼體水蒸汽室68的長度容易地流動，并且流動至外部轉子蒸發(fā)器表面69來允許水工作流體從液相變?yōu)闅庀?。粗糙毛細網(wǎng)層70被布置在精細的毛細網(wǎng)層71的上方。這允許低壓的較大的液態(tài)水滴沿著殼體水蒸汽室68的長度容易地流動并且流動至底部精細的毛細網(wǎng)層71。
[0393] 參考圖67，為了改進工作流體氣體循環(huán)，在殼體蒸汽蓋73的內部表面?zhèn)让娴臍んw水蒸汽室延伸脊74在延伸脊74之間建立殼體水蒸汽空穴或槽75，用于工作流體氣體容易地流動。殼體蒸汽室脊74也將精細的毛細網(wǎng)層71和粗糙的毛細網(wǎng)層70一起固定和壓在適當?shù)奈恢谩んw延伸脊74具有朝著殼體水蒸汽室冷凝器表面?zhèn)让娴妮^大的脊延伸邊緣382，造成輕微的L型的整體脊延伸部分。這個較大的脊延伸邊緣382也在精細的毛細網(wǎng)層
71和粗糙的毛細網(wǎng)層70以及殼體水蒸汽室冷凝器表面77之后建立了空穴區(qū)域。這允許加熱的水蒸汽與殼體水蒸汽室冷凝器表面區(qū)域77容易地接觸，并且釋放其熱量以及從氣相變?yōu)橐合唷?br>
[0394] 殼體水蒸汽室毛細/凍結管
[0395] 參考圖65至67，因為水蒸氣室76被內部工作流體水完全密封，當發(fā)動機1被布置在32F以及更低的溫度時，其傾向于受到水冷凍膨脹損傷。為了抵抗水冷凍膨脹，多孔毛細/凍結管76被布置在殼體水蒸汽室68的內部。多孔毛細/凍結管76由成型金屬合金(SMA)制成，其被織在一起、纏繞為管型和蒸或點焊在一起。多孔管隔離了多孔毛細/凍結76的中心內部的一部分水工作流體，以使當工作流體開始凍結和膨脹時，在多孔毛細/凍結管中心的未凍結的水工作流體被沿著多孔毛細/凍結管76通過毛細作用上升。這允許水工作流體通過向內內爆而不是向外外爆來膨脹，從而消除了可能會引起對殼體水蒸汽室
68或下部殼體定子2的損傷的膨脹壓力。通過使用用于多孔毛細/凍結管76的SMA，當水工作流體膨脹和內爆多孔毛細/凍結管76時，多孔毛細/凍結管76的下部部分可能會變形。一旦殼體水蒸汽室68的溫度升高到大約32F并且水工作流體從冰變回液相，則多孔毛細/凍結管76變回其原來的形狀而沒有受到任何損傷。
[0396] 多孔毛細/凍結管被固定在粗糙毛細網(wǎng)70的槽開口268中。粗糙毛細網(wǎng)70更可能包括將凍結和膨脹的大的水滴。多孔毛細/凍結管的末端也滲透在孔穿孔269內的外圍毛細網(wǎng)，來更接近于水工作流體將在此匯集的殼體水蒸汽室268的底部表面邊緣。
[0397] 內部殼體熱障涂層
[0398] 再次參考圖67，由于在燃燒室34內的高的運行溫度，熱障涂層36被沿著燃燒區(qū)域32和膨脹區(qū)域33的邊緣用在下部殼體定子2的內部定子表面37上，來最小化傳遞到下部殼體定子2以及殼體水蒸汽室系統(tǒng)68內的過量的熱。外部熱絕緣蓋258在其外圍260附近具有小的槽開口，來適合(fit over)殼體定子2和4連接螺栓13、螺帽14以及墊圈15的頂部。外部熱隔離蓋258通過一系列的六角形螺絲釘16固定至發(fā)動機1，該六角形螺絲釘16經(jīng)過外部隔離蓋258內的螺孔262，并且沿著兩個下部殼體定子2邊緣的外圍進入螺孔17中。在外部絕緣蓋258內的螺絲釘凹槽261允許六角形螺絲釘16與外部隔離蓋表面齊平。
[0399] 盡管已經(jīng)結合現(xiàn)在被認為是最實際而且最優(yōu)選的實施方式一起描述了本發(fā)明，但是應理解本發(fā)明并不限于所公開的實施方式，而相反地，本發(fā)明旨在覆蓋被包括在隨附的權利要求的精神和范圍內的各種
修改和等同的布置。
