亜音速および定常ラムジェット・エンジン

专利摘要:
マッハ３で飛行するラムジェット・エンジン（３、４、５）には６４％効率、およびマッハ４では７６％効率が得られる。ラムジェット・エンジンは現在、超音速飛行でのみ利用されており、機械出力を備えた固定エンジンとしては使用されてこなかった。本発明は、亜音速飛行に加えて、定常エンジンとして作動でき、車両、動力装置、大きな建物内の発電機、住宅、および業界で機械出力用ラムジェット・エンジンの使用を拡大できる。本発明は、最高約９２：１の（反）圧縮比が可能なラムジェット・エンジンによって必要とされる高エネルギー気体／空気を供給するための、ほぼ断熱的な圧縮機（１、２、１２、１３、１４、１５）および膨張機（６、７、８、９、１０、１１）による定常エンジンとしてラムジェット・エンジンを使用する方法を提供し、デラバルノズルを、超音速流を亜音速流に変換する音波変換機（４９、５０、５１）、および閉塞領域なく亜音速流を超音速流に変換する変換機（４５、４６、４７）で置き換える方法を示す。
公开号:JP2011515625A
申请号:JP2011502019
申请日:2009-03-25
公开日:2011-05-19
发明作者:クレイ，ルーファス・ジー；ホッカディ，ロバート・ジー
申请人:アミカブル・インベンションズ・エルエルシー；
IPC主号:F02C3-05

专利说明:

[0001] ［０００１］ 本出願は、米国仮出願番号６１／０３９，４０６（２００８年３月２５日出願）の出願日の利益の開示に頼り、その利点を請求し、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。
［０００２］ 本発明は動力装置に関連する。より具体的には、本発明は機械ドライブを含むさまざまな用途の熱エンジン分野で使用される装置および方法に関連する。本発明の実施態様は、亜音速および定常ラムジェット・エンジンを提供する。]
背景技術

[0002] ［０００３］化石燃料の節約そして二酸化炭素（ＣＯ２）の世界的生産の低下にあたって、最も効果的な方法は自動車エンジンや別の燃料燃焼エンジンの効率を高めることである。路上での平均的な自動車エンジンの効率は、米国では約２１％である。効率が２１％の自動車エンジンは、効率が６３％の自動車エンジンと比較して三倍も多くの燃料を燃焼する。ラムジェット・エンジンは６３％以上の効率を備える。
［０００４］ ラムジェット・エンジンは５０年ほどの歴史があり、効率が高いことで知られているが、今日、ラムジェットは軍隊以外での商業的応用はほぼ皆無と言える。その理由は幾つかある。超音速は衝撃波を生じさせ、衝撃波はエネルギーを浪費する。空気の密度が遥かに低い相当に高い高度で航空機が飛行しない限り、航空機は超音速で飛行することで大量の燃料を消費する。そのため、商業的な超音速航空機に対する経済的需要はあまりない。ただし、ある程度の需要は存在し、タービンエンジンよりも遥かに効率が高いにもかかわらず、ラムジェット・エンジンによってその需要は満たされていない。
［０００５］ 超音速および亜音速という言葉は通常、周囲の雰囲気中の音速を意味する。本発明の装置内において、音速は温度によって変更し、超音速および亜音速という言葉は通常、こうした条件下の空気中または気体中の局所音速を意味する。音速は、装置を進む同一の空気中または気体中でも二倍変化する可能性がある。マッハ速度はほぼすべて、大気中の音速を意味する。]
発明が解決しようとする課題

[0003] ［０００６］ラムジェットは、超音速空気を亜音速に、またはその逆の変換を行うのにデラバルノズルを使用し、流れはノズル中で逆転される。デラバルノズルは一世紀以上も知られている効率の高い装置である。入力デラバルノズルは、閉塞領域として知られる領域に流れを封じ込める管領域を低下させることで超音波空気を減速させ、ここで空気は局所音速に到達する。閉塞領域を超えると、ノズルは流量範囲を高め、空気をさらに減速させる。ノズルに対する空気の高運動エネルギーはデラバルノズル中でより高温、高密度に変換されるため、ノズルが空気中を速く進むほど、より大量の空気が同一の閉塞領域を通過することができる。しかし、それぞれの対気速度について、空気が閉塞領域を通過できる比率は固定されている。閉塞領域は、空気のあらゆるエネルギーレベルにおいて流速を制御する。ラムジェット・エンジンへのインプットノズルには閉塞領域があり、エンジンからのアウトプットノズルにも閉塞領域がある。これらの領域はどちらも、空気／気体の流速を制御する。そしてここに問題があるのである。その両方が、超音速で調整される必要があるからである。これは不可能ではないにしても、極めて困難である。超音速から亜音速へのアウトプット用デラバルノズルが十分な流れを受け取らない場合には、超音速への等エントロピー転換が行われず、排気口からの推力が減少する。受け取る流れが多すぎると、気体の一部は押し返され、燃焼室の圧力が上昇する。燃焼室の圧力が上昇すると、前面またはインプット用デラバルノズルが詰まる。
［０００７］ ラムジェット・エンジンに関する別の問題は、このエンジンは超音速でしか機能しない、ということである。ラムジェット・エンジンでは、超音速飛行にエンジンの耐え抜き能力よりも早い回転が必要となるため、非常に長いアームで保持されているとしても、普通の室では使用できない。超音速風洞でのラムジェット・エンジンの静的試験は可能であるが、これはラムジェット・エンジンから機械力を得る実用的な方法とは言えない。さらに、対のデラバルノズルを使用することが、航空機でのラムジェット・エンジンの幅広い使用を妨げる一つの制限要因となっている。]
課題を解決するための手段

[0004] ［０００８］ 前述された現在のラムジェット・エンジンに関する問題を鑑みると、機械力を得るために定常ラムジェット・エンジンを作動させる方法を示すことが本発明の好適な実施態様の一部の目的である。さらに、本発明の開示された実施態様の一部は、閉塞領域を持たない超音速から亜音速への変換機によってデラバルノズルを置き換える方法を示している。本発明の実施態様の一部はさらに、ラムジェット・エンジンを高い効率で作動させる、空気および別の気体のエネルギーの流れを同一大気からほぼまたはおよそ断熱的に生み出す方法を示している。「断熱的に」という用語は通常、空気または気体を出入りする熱流量がないことを意味するが、これは近似でのみ可能である。またさらに、本発明の実施態様の一部は、ラムジェット・エンジンの力を機械的作用として出力する方法を示す。さらに、これらの方法によってラムジェット・エンジンを使用することで、好適な実施態様の一部においては、過程からの全ての大きな衝撃波を排除し、浪費的な抗力を解消させることが可能であるため、有益なエネルギーが浪費されない。超音速飛行における衝撃波の一部はラムジェット・エンジンを排除できないが、エンジンの前縁にある衝撃波の一部はエンジンを定常化することで排除することができる。残りの衝撃波は些少なはずである。
［０００９］ この説明で使用される場合の閉塞とは、より小さな固定領域を通る流れの全面において、局所的な超音速から局所的な亜音速に移行する、または局所的な亜音速から局所的な超音速に移行する流れの制約、誘導および／または抑制を意味する。本発明の文脈において、閉塞のない領域と言う場合は、局所音速を移行している空気流または気体流が構造によって全面に境界が形成され固定領域を通るように強制されないことを意味する。例えば、ローターによって全ての流れが一つまたはそれ以上のデラバルノズルを通るよう強制されることはなく、渦巻外向き流のある環によって局所音速を移行する空気流または気体流が放射状に広がり必要な領域を占拠することが可能となり、通気口は音速移行を含まない。音速移行する流れを制約する領域はなく、つまり、流れは少なくとも一つの方向に広がることができる。
［００１０］機械工学および物理以外に、本特許に応用される科学は部分的に高速気体力学の科学を使用している。例えば、Ｇａｓ Ｄｙｎａｍｉｃｓ（気体力学）（Ｊａｍｅｓ Ｅ．Ａ． Ｊｏｈｎ、Ｔｈｅｏ Ｇ． Ｋｅｉｔｈ著、２００５年）が主題について幅広く使用されている教本である。]
図面の簡単な説明

[0005] ［０００１１］図１は、本発明に従った圧縮機、ラムジェット、および膨張機の一つの実施態様の模式図である。
［０００１２］図２は、本発明に従った圧縮機、ラムジェット、および膨張機を含む、エンジンの実施態様の断面図である。
［０００１３］図３は、ローターの回転軸に対して垂直に航空機を断面した、圧縮機についての一つの本発明の実施態様の断面図である。
［０００１４］図４は、ローターの回転軸に対して垂直に航空機を断面した、膨張機についての一つの本発明の実施態様の断面図である。
［０００１５］図５は、ローターの回転軸に対して垂直に航空機を断面した、圧縮機および膨張機についての一つの本発明の実施態様の拡大断面図であり、運動用シールの詳細を示すために拡大されている。
［０００１６］図６は、ローターの回転軸に対して垂直に航空機を断面した、圧縮機および膨張機についての一つの本発明の実施態様の拡大断面図であり、代替の羽根および経路構造の詳細を示すために拡大されている。
［０００１７］図７は、渦巻室の半径に逆比例した放射状流速を達成するための半径を持つ、環状流渦巻室の隙間形状を示すグラフである。
［０００１８］図８は、渦巻室の半径と一定の放射状流速を達成するための半径を持つ、環状流渦巻室の隙間形状を示すグラフである。
［０００１９］図９は、渦巻室の半径に比例した放射状の流速を達成するための半径を持つ、環状流渦巻室の隙間形状を示すグラフである。
［０００２０］図１０は、ローターの回転軸に対して垂直に航空機を断面した、本発明に従った圧縮機および膨張機の一つの実施態様の拡大断面図であり、小さな効率費用で力を二倍にできる構成である、入力流れおよび中空軸の出力流れの詳細を示すために拡大されている。
［０００２１］図１１は、ローターの回転軸に対して垂直に航空機を断面した、本発明の環の実施態様の拡大断面図であり、境界層の形成を最小限に抑えることのできる表面繊維を示す。] 図１ 図１０ 図１１ 図２ 図３ 図４ 図５ 図６ 図７ 図８
実施例

[0006] ［０００２２］ 以降で本発明のさまざまな例示的な実施態様の詳細に言及する。下記の詳細な説明は、特定の実施態様を詳細に説明する目的で提示され、それゆえ、本発明を記載する実施態様を制限するとは見なされないものとする。むしろ、本発明の範囲は請求項で定義される。
［０００２３］ 本明細書における温度は通常、絶対温度ケルビンで、時折は摂氏で表示され、室温は約２９４ Ｋである。大気空気または気体は、周囲圧力および温度での空気または気体である。大気温度がＴ０Ｋの場合、そしてその空気または気体が何らかの手段で淀み点温度ＴｓＫを持つように断熱的に変化された場合、淀み点温度ＴｓＫがＴ０Ｋの三倍以上であれば、この結果は本明細書において「高エネルギー」の空気または気体であると呼ばれる。高エネルギーの空気／気体の比エネルギーは、温度および圧力の大気条件での空気／気体の比エネルギーの約Ｔｓ／Ｔ０倍である。温度Ｔ０Ｋであっても、普通の大気空気／気体にはマッハ３．１６２で進む淀み点温度ＴｓＫ ＝ ３ Ｔ０Ｋがあり、ＴｓＫはマッハ数の二乗で増加する。
［０００２４］素材の「比」引張強度は、その引張強度をその比重で割った数値であり、これはその密度を水の密度で割った数値でもある。同様に、「比」圧縮強度は、圧縮強度を比重で割った数値である。力は比重に比例することから、比強度はローター素材の性能指数である。
［０００２５］ 「マッハ」数は通常、局所大気中の音速を意味する。音速はラムジェット・エンジンにおいて二倍以上で変化する可能性がある。「超音速」および「亜音速」という言葉がこの文脈で使用される場合は、圧縮された気体／空気中の音速を意味し、空気／気体中の「局所」音速とも呼ばれる。温度上昇によって、空気／気体中の音速も増加する。本明細書で使用される場合、「断熱的に」という用語はその一般的な意味を指し、通常は「相当量の熱が追加または差引されることなく」を意味するために使用される。この用語は常に、せいぜい近似的な正確さしかない。
［０００２６］ 本発明には、装置、システム、およびエネルギーを生成する方法が含まれ、随意に閉塞領域なしで入力空気または気体の絶対温度の１．５〜１０倍の淀み点温度を持つ空気または気体の局所的な亜音速流を生成する装置を含み、当該装置は圧縮機から成り、当該圧縮機は随意に閉塞領域なしで局所的な超音速流に空気または気体を加速できるローター、および随意に閉塞領域なしで局所的な超音速流を受け取り局所的な亜音速に減速し、随意に閉塞領域なしで通気口を通って流れを出力できる室から成る。
［０００２７］ さらに、ローターが設計表面速度約２０００フィート／秒から最高約５４００フィート／秒で持続的に回転でき、空気流または気体流をローターのおよそ表面速度にまで加速できる、本明細書の装置も含まれる。
［０００２８］ 本発明にはまた、ローターがさらに、旋回軸（回転軸とも呼ばれる）の中心にある高い比引張降伏強度素材で製作されたシャフト、構造羽根、および随意に高い比引張強度繊維束によってシャフトに操作可能に接続された高い比圧縮強度素材で製作されたローター側面から成る、本明細書の装置の実施態様が含まれる。
［０００２９］ 圧縮が約５０，０００ ｐｓｉ〜約５００，０００ ｐｓｉの下で静止時に構造羽根がシャフトに操作可能に接続された本明細書の装置もまた、本発明の範囲内である。
［０００３０］ またさらに、本発明には圧縮機および／または膨張機などの本明細書の装置の実施態様も含まれ、これは金属またはセラミックで随意に被覆または浸透させることで結合または密着した柔軟なシートまたは剛性の固体（例：堅いシート）が形成される、高い比引張強度繊維束から成る。
［０００３１］ さらに、本明細書の装置の実施態様は、ナノチューブ合成繊維、炭素繊維、ガラス繊維、金属およびセラミック繊維、セラミック繊維、およびポリマー繊維の少なくとも一つ、またはその組み合わせから成る高い比引張強度繊維束から構成されうる。
［０００３２］ 本発明の実施態様は、α型炭化ケイ素、炭化ホウ素、セラミック、ダイヤモンド状素材、金属、およびポリマーの少なくとも一つ、またはその組み合わせから成る、高い比圧縮強度素材から成る本明細書の装置から構成されうる。
［０００３３］ さらなる実施態様には、高い比引張降伏強度素材がダイヤモンド状素材で被覆された炭素繊維で巻装されたα型炭化ケイ素、シャフト軸上の撚りにより加工された鋼鉄、最大引張降伏強度のために熱処理されたチタン合金熱、および金属またはセラミックまたはポリマーの少なくとも一つ、またはその組み合わせから成る、本明細書の装置も含みうる。
［０００３４］ 本発明に従った装置には、中空または穴および半径方向通気が空気または気体の圧縮機への流入路を提供できる、回転軸の中心にある軸中空または穴のあるシャフトおよび構造羽根間のローターの半径方向通気、および、シェルが構造羽根間で空気または気体の抑制できる、随意にシャフトから外向きに伸びた構造羽根の対縁に操作可能に接続される複数のシェル、および、ローターの少なくとも一部分を取り囲み、局所的な超音速の空気流または気体流を構造羽根とシェルの間から受け取ることができ、閉塞領域なしで流れを局所的な亜音速に修正できる環から成る、シャフトとローターの少なくとも一部分が随意に熱絶縁されたハウジング、および、室は外向き渦巻壁と渦巻室内で空気または気体を抑制できる上から下までの対向内表面を持つ渦巻室であり、通気口への流れを誘導できる、環から局所的な亜音速流を受け取ることができる室から成る、本明細書の装置を含みうる。
［０００３５］室温空気から約１０：１〜約９２：１の範囲での圧縮比を生む能力のある本明細書の装置に従った装置も、本発明の範囲に含まれる。
［０００３６］ 本発明に従った圧縮機の動作を逆順に行うことも実行可能である。例えば、本発明の実施態様には、流れと回転が逆順（またはその逆）の時に膨張機として動作できる本明細書の圧縮機装置を含む。
［０００３７］ 本発明に従った本明細書の装置は、動作中に軸からの距離と逆比例した円周速度での円滑な流れを生む形状を持つ環の対向内表面、および／または動作中に、環内で局所的な超音速流が局所的な亜音速に修正されるように選ばれた外半径を持つ環、および／または閉塞領域がない環から成りうる。
［０００３８］ また本発明の実施態様には、流れの自然な渦巻形状に従って放射状流を制限するために、環周囲の渦巻室の渦巻壁内部に存在し渦巻壁から遠ざかることのできる、調整可能なストリップまたはベルトから成る本明細書の装置も含まれる。
［０００３９］ エンジンもまた、本発明の範囲内に含まれる。本発明に従ったエンジンは、本発明に従った圧縮機および／または膨張機から成る。例えば、局所的な超音速流へと空気または気体を加速できる圧縮機、および、閉塞領域なしで、局所的な超音速流を受け取り局所的な亜音速に減速し、通気口から流れを出力できる室、および、高速流量範囲および閉塞領域がないか使用されないように部分的な入力デラバルノズルが構成された、通気口から局所的な亜音速流を受け取るための部分的な入力デラバルノズル、および、随意に入力デラバルノズルから流れを受け取るための燃焼室から成る、局所的な超音速出力を伴う定常または亜音速のラムジェット・エンジンとして動作できるラムジェット・エンジンが含まれる。
［０００４０］ さらには、閉塞領域および高速領域がないか使用されないように部分的な出力デラバルノズルが構成された、燃焼室から局所的な亜音速の空気または気体を受け取り、流れを加速して局所的な亜音速で膨張機の通気口に入力できる部分的な出力デラバルノズルから成るラムジェット・エンジンが含まれ、ここで膨張機の通気口は閉塞領域なしで局所的な亜音速流を受け取り局所的な超音速へと加速できる環に流れを誘導できる室に流れを送り、ここで環は局所的な超音速流から局所的な亜音速そして低下した温度へと減速できる膨張機ローターに流れを誘導することができ、膨張機シャフトはローターにより燃焼生成物から排除された高エネルギーによって荷重を駆動することができる。
［０００４１］ 本発明に従ったラムジェット・エンジンは、圧縮機、ラムジェットおよび膨張機の各々が一つのハウジングを形成するように固定されることのできるハウジングを持つ、本明細書のラムジェット・エンジンを含みうる。
［０００４２］ また、本発明に従ったラムジェット・エンジンは、圧縮機、ラムジェットおよび膨張機の各々が共通のフレームに取り付けられることのできるハウジングを持つ、本明細書のラムジェット・エンジンを含みうる。
［０００４３］ 本明細書の本発明に従った圧縮機および／または膨張機は、円環が羽根の羽根外縁の半径を越えて配置され、操作可能にローターに接続される本明細書の膨張機または圧縮機から成る実施態様を含むことができ、ここで円環は繊維マット、多孔質素材、または金属メッシュの少なくとも一つから成り、動作中に空気流または気体流が構造羽根の間を通過してリングに流れるような小さな流路から成り、環状空間が羽根外縁の半径とリングの間のローター内部に存在する。
［０００４４］ 本発明に従った本明細書の圧縮機および／または膨張機は、炭素繊維の巻装が羽根外縁周囲に円周的に配置され、ここで巻装によってローターに対して亜音速で放射状の空気流または気体流が羽根の間から環に通過できる、本明細書の膨張機または圧縮機から成る実施態様を含みうる。
［０００４５］ 本明細書に記載された圧縮機および／または膨張機は、追加的な羽根が構造羽根間のシャフトに取り付けられ、結合された柔軟なシートを形成するために押し付けられ金属またはセラミックで被覆または浸透させたＰＡＮ炭素繊維束から成る、本明細書の膨張機または圧縮機から成る実施態様を含みうる。
［０００４６］ さらに、本明細書の本発明に従った圧縮機および／または膨張機は、シェルの外表面形状がシェル半径の約１／２インチであってハウジングに面し、および／またはさらにシェルの外表面に面するリングから成り、動作中に約０．０００２インチ〜０．００２インチの隙間でシェルから分離されるハウジングから成る、本明細書の圧縮機または膨張機から成る実施態様を含みうる。
［０００４７］ 本明細書の本発明に従った圧縮機および／または膨張機は、マッハ速度でのローターの動作中に溝および隙間によって空気または気体がより大きな半径に向かい、ローター周囲での反対方向への流れを阻むような角度でシェルの外表面形状に溝がある、本明細書の膨張機または圧縮機から成る実施態様を含みうる。
［０００４８］ さらに、本明細書の本発明に従った圧縮機および／または膨張機は、対面には表面に埋め込まれた短い繊維があり、および／またはここで繊維の直径は約４〜６ミクロンであり、滑らかな円柱面であり、その直径よりも大きな距離で間隔が開いており、および／または繊維は対面から直径の約三倍以上も流れに突出することができ、高速の空気流または気体流が表面と並行して発生した時には表面向きに湾曲できる、本明細書の膨張機または圧縮機から成る実施態様を含みうる。
［０００４９］ 本明細書の本発明に従った圧縮機および／または膨張機は、ローターのシールリングとローター間の隙間が約０．０００２インチ〜０．００２インチでハウジング内のローターと環の間に配置されたローターのシールリング、および／またはリングやローターの間の空気または気体をより大きな半径向きに送って反対方向への流れを阻むローターのシールリングの表面とシェルの外表面上の配向溝からさらに成る、本明細書の膨張機または圧縮機から成る実施態様を含みうる。
［０００５０］ またさらに、本明細書の本発明に従った圧縮機および／または膨張機は、燃焼室の長さがその幅の約三〜千倍であり、および／またはエネルギーまたは効率の損失が約１％未満となるように燃焼室が熱損失から絶縁されている、本明細書の膨張機または圧縮機から成る実施態様を含みうる。
［０００５１］ 本明細書の本発明に従ったラムジェット・エンジンは、局所音速に向けて空気流または気体流を増加させる、あるいは空気または気体の最大温度を最高約摂氏２７０度にまで減少させることができる内部流量範囲の加速または減少から燃焼室が成る、本明細書のラムジェット・エンジンから成る実施態様を含みうる。
［０００５２］ そしてさらに、本明細書の本発明に従ったラムジェットは、圧縮機を通り循環させる不活性ガスまたは非反応性気体を提供する一つまたはそれ以上の手段、およびエンジンの作動気体としてのラムジェット・エンジン、外部熱源の太陽放射または熱交換から選ばれる燃焼室内での作動気体の加熱のための熱供給、排ガスを圧縮機に再循環させる手段、圧縮機への入力前の排ガスを大気温度近くまたはその温度以下に冷却する手段から成る、本明細書のラムジェット・エンジンから成る実施態様を含みうる。
［０００５３］ 本明細書の本発明に従ったラムジェットは、圧縮機および膨張機がシャフト上にあり、シャフトの圧縮機と膨張機の部分が別々であり、シャフト上の中空部分の四つの端部を通って空気または気体の出入りが可能であり、シャフトの圧縮機と膨張機の部分が軸上のソリッドシャフト（中実軸）によって接続し、各シャフトに伸びて圧縮機シャフト内部の放射状壁によって支えられ、膨張機ローターの中間点近くの膨張機のシャフトの中実部分で終わる、本明細書のラムジェット・エンジンから成る実施態様を含みうる。
［０００５４］ さらに、本明細書の本発明に従ったラムジェットは、圧縮機および膨張機が一つのシャフト上にあり、圧縮機のシャフトは中空ではなく、圧縮機ローターの中間近くを除いてシャフトの膨張機の部分よりも小さな直径であり、ハウジングとシェル内部のシャフトの切断体積を通して圧縮機に空気または気体を入力させることができ、圧縮機のシャフトが膨張機のシャフトに伸びて、膨張機ローターの中間点近くの膨張機シャフトの中実部分に接続されている、本明細書のラムジェット・エンジンから成る実施態様を含みうる。
［０００５５］ 本明細書の本発明に従ったラムジェットの別の実施態様は、シャフトが中空であり、中空を通って出力する空気または気体を通過させることができ、圧縮機および膨張機が同一シャフト上にあり、シャフト中空の圧縮機の部分には半径方向通気がなく、圧縮機はハウジングおよびシェル内部のシャフトの切断体積を通って圧縮機に空気または気体を入力させることが可能であり、および／または圧縮機は開口部から圧縮機へと空気または気体を通過させることができるシャフト周囲のハウジング内およびハウジングに面したシェル内に円形の開口部がある、本明細書のラムジェット・エンジンから成る実施態様を含みうる。
［０００５６］ 本明細書の本発明に従ったラムジェット・エンジンの実施態様は、圧縮機および膨張機は両端から中空または穴のあるシャフト上にあり、シャフトの中実部分が圧縮機および膨張機の各々の流量範囲の出入りを分割している、本明細書のラムジェット・エンジンから成る実施態様を含みうる。
［０００５７］ そしてさらに、本明細書の本発明に従ったラムジェット・エンジンの実施態様は、圧縮機ローター上のシェルがハウジングに面するシェルの側面に空気または気体を流入させることができる半径での第一の開口部から成り、圧縮機ローター上のシェルの側面に面したハウジングはより小さな半径の第二の開口部から成り、圧縮機ローター上では高い張力繊維束の巻装で支えられた多孔質素材または繊維マットが第一の開口部およびシェルとシャフトの間を占拠してハウジングに向かって伸び、シャフトによって回転することができ、圧縮機シャフトおよび膨張機シャフトは中空であり、圧縮機シャフトには半径方向通気がなく、膨張機シャフトの半径方向通気にはシャフトの二つの端部を通って膨張機からの排気流を収容できるように選ばれた領域がある、本明細書のラムジェット・エンジンから成る実施態様を含みうる。
［０００５８］ また本発明には、空気流または気体流を体系化してエンジンを作成する方法が含まれ、当該方法は、目標の空気流または気体流を達成するための空気または気体への作業を行うことでの周囲の雰囲気中の空気または気体の加速および圧縮、その後に、流れへの作業を伴わない淀み点温度流れ近くまでの空気流または気体流の減速および圧縮、その後に、淀み点温度近くに留まりつつおよそ定圧での空気流または気体流の加熱、その後に、流れへの作業を伴わない空気流または気体流の加速および減圧、その後に、流れへの作業を伴う空気流または気体流の減速および減圧、そして空気流または気体流からの排気の生成から成り、ここで排気は推力を生み出すことができる。実施態様はまた、上記の一つまたはそれ以上が随意である、空気流または気体流を体系化する方法も含む。
［０００５９］ 本発明の実施態様 は、曲面環という方法によって、選ばれた距離で収束する二つの表面間での空気または気体の収束方向への誘導から成る、空気流または気体流の減速方法、および当該方法を実行するための装置を含む。
［０００６０］ 本発明の実施態様は、デラバルノズルまたは閉塞領域なしで超音速流を減速する、または亜音速流を加速することから成る、超音速流を亜音速流に変換する、または亜音速流を超音速流に変換する方法、および当該方法を実行するための装置を含む。
［０００６１］ ラムジェット・エンジン内部に温度Ｔ０Ｋの大気中でマッハ速度Ｍでの飛行条件を再現するには、飛行中のラムジェット・エンジンに一致するかそれを上回る十分な秒流速当たり質量で、空気を淀み点温度ＴｓＫがラムジェット・エンジン内部の空気の淀み点温度に等しくなるまで熱損失の低い形で圧縮するので十分である。図１は、特定の機能部品をどのように配置できるかを示す模式図である。例えば、図１は圧縮機、ラムジェット、および膨張機の一つの実施態様の模式図を示している。
［０００６３］ 圧縮機１、１２、１３、１４、１５は、入口デラバルノズル３に空気／気体２を出力する。空気／気体は加熱領域４を通過するが、ここは通常、燃焼室と呼ばれる。加熱された空気／気体は後部デラバルノズル５を通って吐出し、膨張機６に入る。上記を行うさまざまな方法が存在するが、好適な方法を図２〜図１０に示す。図１では、圧縮機１、１２、１３、１４、１５の出力２が超音速である場合、出力は入力デラバルノズルにおける空気流が一致する地点でラムジェット・エンジン３、４、５の前面にあるデラバルノズル３に直接送られうる。例えば、圧縮機から外に出る超音速流は、超音速流を収容できるデラバルノズル内の地点で入力デラバルノズルによって受け取られる。圧縮機２の出力が亜音速の場合は、ノズルのより高速なセクションが排除された後に、デラバルノズル３の亜音速部分に送られうる。ラムジェット・エンジン３、４、５中の燃焼室４の状態は、同じ大気中でのマッハＭでの飛行と同じであり、ラムジェット・エンジンは飛行効率を達成する。本発明のさまざまな実施態様において、ラムジェット・エンジン３、４、５は定常式または可動式でありえる。
［０００６４］ ラムジェット・エンジン３、４、５をジェットとして使用するには、燃焼室４中の気体に燃料を添加して燃焼させる、または加熱して、ラムジェット・エンジンの後部にあるデラバルノズル５が亜音速流を超音速に変換して、膨張機に入らないジェット出力（非表示）を生み出す。
［０００６５］ ラムジェット・エンジン３、４、５を機械エンジンとして使用するには、ジェット出力６の一部または全てをディフューザまたは膨張機７、８、９、１０、１１への入力に制限することができ、これはシャフト７上に機械エネルギーを出力し、排気（非表示）を出力する。ラムジェット・エンジンの後面デラバルノズル５は、出力が膨張機６への入力の入力速度と一致する断面で切断されうる。
［０００６６］ 下記には、約２０００フィート／秒〜最高５４００フィート／秒の周速１４で進む羽根１２間に入る空気／気体によってシャフトに取り付けた羽根１３をシャフト１が回転させる一段式圧縮機であり、その流れはハウジング１５中で外向きに渦巻状になり、ノズル中の流速と一致した状態で超音速流の出力２として通気口を通ってラムジェット・エンジンの前部デラバルノズル３に出るものを記載しており、また、羽根によって減速した空気／気体６、１１によって駆動される羽根１０によってシャフト７が回転される一段式膨張機も記載されており、これは約２０００フィート／秒〜最高５４００フィート／秒の周速９で進む超音速ローター１０、１１を形成し、ラムジェット・エンジンの後面デラバルノズル５から超音速入力６を受け取り、羽根に対して内向きに渦巻状となり、排気を伴う機械出力を生み出すものを記載している。
［０００６７］ さらに、ラムジェット・エンジンの前面つまり入力であるデラバルノズル３を閉塞領域のない超音速から亜音速への変換機によって置き換え、ラムジェット・エンジンの後面つまり出力であるデラバルノズル５を閉塞領域のない亜音速から超音速への変換機によって置き換える手段を記載している。
［０００６８］ また、同一回転速度で動作している超音速ローター圧縮機１２、１３を、閉塞領域を経験する流れがない状態で、同一の合計高エネルギーを持つ出力亜音速流に修正し、同一ｒｐｍで動作している超音速膨張機７、８、９、１０、１１を、閉塞領域を経験する流れがない状態で同一の合計高エネルギーを持つ入力亜音速流に変換する方法も示されている。
［０００６９］ これらの説明を開始するにあたり、約２０００フィート／秒〜約５４００フィート／秒の周速で動作しうるシャフト上のローターのほか、かかる装置を製造する方法も説明される。かかるローターを構築するために、高い比引張降伏強度から製作される素材がシャフト用に得られる。本明細書でシャフトについて使用される場合、「高い比引張降伏強度」の比引張降伏強度の範囲は約４６，０００〜４７，０００ ｐｓｉである。一つの実施態様において、高い比引張降伏強度の比引張降伏強度は４６，０００ ｐｓｉ以上である。例えば、鋼鉄ピアノ線および報告済みの一つの種類のチタニウムβ−Ｃは金属の中でも極めて高い比引張降伏強度を持つ。しかし、これらの素材は比引張降伏強度が約１０倍も大きい一部の炭素繊維と同じレベルにはない。高い比引張強度繊維束もまた、随意には高い張力の下で、ローター部品を保持するために得られる。将来的には、炭素ナノチューブから製造される繊維から作られる束がより優れている場合があるが、現在のところ、好適な高い比引張強度素材は炭素繊維である。大多数の炭素繊維の比重はおよそ同じであり、その一部は１，０００，０００ ｐｓｉという最大引張強度で利用できるが、これは本発明の実施態様で必要な強度よりも高い。炭素繊維については、本明細書で使用される場合、「高い比引張強度」の比引張強度の範囲は約４００，０００ 〜 ４６５，０００ ｐｓｉである。一つの実施態様において、高い比引張強度素材の引張強度は約４００，０００ ｐｓｉ以上である。炭素繊維は硬くなく、炭素繊維自体を含めた大多数の素材により摩耗する可能性がある。ローターの摩耗または変形を減少または解消するために、繊維は金属またはセラミックなどの高温耐性素材の薄い層で被覆されうる。例えば、炭素繊維に基づくもので通常は「ＰＡＮ炭素繊維」と呼ばれるＰｏｌｙＡｃｒｙｌｏＮｉｔｒｉｌｅ（ＰＡＮ）の弾性特性は、金属の弾性特性とは大きく異なる。ＰＡＮ炭素繊維は変形することなく最高約２％まで弾性伸張する。本発明の実施態様で繊維が晒される温度よりも遥かに高い温度においても、繊維は金属のように降伏、クリープ、変形しない。大多数の金属はＰＡＮ炭素繊維よりも約１／１０の弾性伸張限界がある。
［０００７０］ ＰＡＮ炭素繊維は、ローターのオン／オフサイクル全体にわたり、ＰＡＮ炭素繊維は繊維を被覆している素材の弾性限界以上には長さを変えないように、ある意味吊橋で使用される銅線のように、ローターにおける張力構築素材として使用される。その低い比重が高い圧縮強度、その高い弾性係数や優れた高温度強度および耐酸化性と組み合わされることから、α型炭化ケイ素のような高い比圧縮強度素材が使用される。本明細書で使用される場合、「高い比圧縮強度」の素材の圧縮強度の範囲は約８０，０００〜１８０，０００ ｐｓｉである。一つの実施態様において、高い圧縮強度素材の圧縮強度は約１６０，０００ ｐｓｉ以上である。使用できる高い圧縮素材の例示的な種類が下記で詳述される。ＳｉＣはラムジェット・エンジンにおける最大温度に近い温度には晒されない。上記を達成する一つの方法は、装置が最大速度で作動している時にはＳｉＣが圧縮下で固定され定常圧縮から多少しか膨張しないように、装置が作動していない間にＰＡＮ炭素繊維を用いて最大速度で遠心力として行使するのとおよそ同じ動力である高い圧縮下にＳｉＣを置くことである。この多少の膨張は、例えば、マッハ速度４で約０．２％〜０．３％の範囲でありうる。設計速度では、シャフト上の部品の圧力は約１０，０００ ｐｓｉ以上でもありえる。部品は、遠心力に対するシャフトの強化に役立つ。非常に堅い組み合わせにおいて、α型ＳｉＣが強力な骨の役目を果たす一方、ＰＡＮ炭素繊維は強力な腱の役目を果たす。ＰＡＮ炭素繊維はまた、主に放射方向で繊維形状に巻装された繊維を用いて柔軟な羽根を製作するのにも使用されうる。繊維形状はローターおよびローター上の堅い壁に、またはローター周囲に伸張された繊維に結合されうる。金属被覆またはキャスタブルセラミックなどの結合素材を、繊維の保護のために繊維に被覆または浸透させることができる。
［０００７１］ 巻装の前に、ＰＡＮ炭素繊維を金属またはセラミックの薄い膜で被覆して、柔らかい繊維に耐摩耗性の被覆を提供することができる。次に柔らかい繊維は１％以上に伸張されるが、これはその最大張力のおよそ半分であり、ＳｉＣ部品を圧縮するために巻装される間はその張力下に保持される。被覆は、互いによる摩耗や被膜塗布中の硬いＳｉＣによる摩耗から柔らかい炭素繊維を保護する。被覆は金属または恐らくセラミックであり、ポリマーが繊維の遭遇する温度に耐え抜くことができないと予想される状況において、動作中に繊維に保護を与える。第一の繊維被覆は繊維の伸張後に塗布できる。繊維に塗布された後、さらに結合被覆および／または充填用素材を塗布して、被覆された繊維の相対運動を減少させる、または繊維を通る空気流または気体流を阻止してもよい。構造強度繊維は、被覆および結合素材の弾性制限以下の量で、ローターのオン／オフサイクル中に伸縮する。閉じた放射状経路を伴う放射状の遠心圧縮機において、より高い円周マッハ速度に達するにつれて経路中の空気／気体は経路に関してより一層ゆっくり移動するが、これは大きな半径では経路がより大きくなり、より大きな半径では空気または気体がより圧縮されるためである。これは、経路に閉じ込められた空気／気体は経路に関して低亜音速の放射状流を経験しており、流れは内部に衝撃波を生み出したり、経路を摩耗させたりする傾向がないことを意味する。圧縮機内の気体／空気が十分濾過されていると仮定すると、炭素繊維は何千回もの開始／停止サイクルでも摩擦摩耗を経験することは多少または皆無である。ＳｉＣもまた、何千回のサイクルでも摩耗を経験することは多少または皆無であるが、これはＳｉＣが接触する別の部品に比べてあくまでも定常的だからである。ローターおよびシャフトの相対運動は些少であり、圧縮機および膨張機の唯一の動きの速い部品であるため、ローターおよびシャフトの寿命を延伸させることが、装置の寿命の延伸にもつながる。
［０００７２］ ローターおよびシャフトは、小さな比率で弾性伸縮する堅い形状を形成する。回転軸上でゆっくりと回転しつつ、羽根は「羽根体積」と呼ばれる空間を一掃する。羽根体積は、外半径で二部に分離された軸方向に包囲されうる。実施態様においては、例えば、複数のローター壁をローターとともに含むことができる。特に、例えば、二つのα型ＳｉＣ円環から成るローター壁は軸中心に存在することができ、これには回転対称性があり、ＰＡＮ炭素繊維で同様に羽根を補強し、ローターの一部である。ＰＡＮ炭素繊維には、ローターのリムが約２０００フィート／秒〜最高約５４００フィート／秒の範囲で動く状態において、ローターを保持するのに十分過ぎるほどの強度がある。二部はまた、本明細書ではローター壁または「シェル」と呼ばれ、ローターの「シェル」と呼ぶこともできる。
［０００７３］ この時点では、放射状の圧縮機および膨張機は独特の構築方法と素材を伴う共通の形状をしている。α型ＳｉＣは高圧縮強度の素材に使用されうる幾つかのセラミック素材の一つであり、より優れた素材でもありうる。炭化ホウ素およびダイヤモンド状素材をＳｉＣの代わりに使用できる可能性もある。シャフトを取り囲む使い捨て部品の周囲に炭素繊維を伸張させて羽根を形成することができ、次にその繊維には炭素などのさらなる素材が追加され、これがケイ素、またはキャスタブルセラミック、または別の素材との高温反応によってＳｉＣへと変換され、密閉された堅く中実がある予圧ローターが形成される。次に使い捨て部品を排除する。
［０００７４］ 過去の放射状の圧縮機に対する改善は下記の通りである。ローターにおいて、羽根はシェルのリム寸前で止まる。被覆されたＰＡＮ炭素繊維は、羽根にわたり幾つかの深い層に、羽根の外縁周囲に円周的に巻装され、設計速度において繊維が羽根間に隣接する傾向が高くなるように縁に結合される。これにより、各羽根の圧力差異を理由とする羽根縁部での効率を浪費する衝撃波や渦の形成が止まり、羽根を越えるとシェルでの乱流が低くなる。羽根素材の予圧または予圧縮のない柔軟な羽根もまた使用できる。
［０００７５］ 過去の放射状の圧縮機に対する別の改善は下記の通りである。羽根はシェルのリム寸前で止まる。環状空間が羽根周囲に存在する。回転軸の中心にある繊維または多孔質セラミックまたは金属メッシュまたは溝のある素材で製作された円筒環は、上記の環状空間の外側にあり、シェル内部の二つの半径間にある環状流量を充填して、全てのローターの流れが多孔質素材を通過するようにさせる。素材のリングによって放射状流は止まらないが、早期の流れにおいて生じうる乱流は解消される。リングは繊維または多孔質セラミックの塊、または恐らくは放射状の六角形セル、六角溝のある金属メッシュでもよい。その外表面は炭素繊維の巻装によって取り囲まれ、これが遠心力に対してリングを保持する強度を提供し、リングの流れ制御を補完し、リングの一部と見なされてもよい。リングによって、それを通過する放射状流は肉眼ではほぼ均一となり、流れがリングから生じるリングと円周流速が厳密に一致するようになる。同一体積でも数多くの放射状羽根であるかのようにリングは流れを加速または減速するため、リング自体も円周力を経験する。過去においては放射状の遠心圧縮機または膨張機ではこの点は実行されてこなかったと我々は考えている。リングの外表面は、その表面速度によって圧縮機および膨張機の遠心マッハ速度を定義する。
［０００７６］ 一つの実施態様において、ローターを越えた流れを抑制するために、ローター半径を越えた圧縮機のハウジングまたはハウジング内の別の素材は随意に、放射状に流れを制限または阻止する渦巻壁を含み、これはおよそ一回の旋回に対してローターから外向き渦巻になる気体／空気を受け取り、ハウジングまたはウジング内の別の素材における出力通気口へとつながる。壁は気体の自然な渦巻と一致する。渦巻壁の軸方向幅は半径の増加につれても不変である。壁または壁の一部分は最小半径で固定されてもよく、異なる質量流量によって生じる異なる渦巻形状と一致するように再配置されうる。
［０００７７］ 放射状の求心膨張機に同一の構築技法を用いる、および／または酷似させることができ、膨張機への入力についてハウジングおよび絶縁に同一の形状を使用してもよい。
［０００７８］ 定常ハウジングおよび／またはハウジング内の素材は、シェルのリム近くにある二つの半径間でローターシェル外表面と結合する表面を持つローターのシールリングから成り、作動中には表面間に小さな隙間が存在する。隙間の隣に、回転羽根シェルの外表面にはリムに向けて空気／気体を移動させるように角度付けられた随意の溝があり、ローターのシールリングの内表面にはリムに向けて空気／気体を移動させるように逆の角度が付けられた随意の溝がある。高速では、小さな隙間および溝はラジアルポンプとしての役目を果たし、これがローターのマッハ速度においてローター周囲の逆流を効果的に阻止する。
［０００７９］ 被覆された炭素繊維で覆われたシェルなどの表面には、金属被覆を追加して、圧延などの一般的製造技法により外表面を滑らかにすることができる。
［０００８０］ 下記は超音速流を出力する圧縮機について説明している。マッハＭ／√２がローターのマッハ速度とすると、ローターそしてその後に出力通気口を出る空気／気体のマッハＭでの飛行中のラムジェットの淀み点温度はＴｓＫである。例えば、ラムジェット・エンジンの速度がマッハ４であれば、ラムジェット・エンジンに送り込むローターの速度はマッハ４／√２、つまりマッハ２．８２８である。ローターから出る圧縮空気／気体には、同一大気条件においてマッハＭで飛行するラムジェット・エンジンに入り込む圧縮機周囲の空気／気体を置換するのに十分な高エネルギーがある。しかし、ローターで到達する最大温度は、Ｔ０Ｋと淀み点温度ＴｓＫの間の中間点でしかない。膨張機は圧縮機と同じ種類の構築でもよく、通常はより大きなサイズであり、膨張機ローター内で到達できる最大温度は、加熱室での最大淀み点温度ＴｂＫと大気中の排気温度のおよそ中間点である。
［０００８１］タービン型エンジンの中では、この本発明の実施態様が圧縮温度または燃焼温度に近い温度に晒される動きの速い部品が存在しない唯一のエンジンである点に留意されたい。動きの速い部品の温度が相当に低いことがエンジン設計の重要な特徴であるが、これはＰＡＮ炭素繊維など燃焼領域のより高温に耐え抜くことができないローター素材の使用が可能になるからである。本発明の実施態様には、マッハＭで進む飛行中のラムジェット・エンジンに入り込む空気または気体と同じ淀み点温度で圧縮空気または気体を生むことができ圧縮機ローターから成る放射状の遠心圧縮機および膨張機エンジンを含み、その一方でローターはＴ０Ｋと淀み点温度ＴｓＫ間のおよそ中間点の最大温度に晒され、マッハＭで進む飛行中のラムジェット・エンジンから出る空気または気体と同じ淀み点温度で圧縮空気または気体を受け取ることができる膨張機ローターから成り、一方でローターはＴｂＫと排気温度の間のおよそ中間点の最大温度に晒される。
［０００８２］ ハウジングまたはハウジング内の素材および回転シャフト上の部品は、より大きな半径に空気／気体をポンプ注入する表面上の溝のある小さな隙間によって分割されうる。ローター外側のハウジング中の空気／気体の密度を減少するために、外部真空ポンプを使用することができる。管の一端はローター外側のハウジング空間に存在して下流に向いた管で高マッハ速度の流れに送ることができ、これが管内の空気／気体をメインの高速流に吸い込み、小さな衝撃波のみが生じることとなる。ハウジング内に真空を形成しようとすることなく、ラムジェット・エンジン中で燃焼される燃料に追加されてローターへの抗力を低下させるという理由から水素などの低密度気体を圧縮機のローター外側のハウジングの部分に送ることができる。これらの真空および抗力低下手順は、効率に多少の割合を加える可能性がある。
［０００８３］ 出力デラバルノズルは、両方が出会う部分での膨張機の入力通気口速度の流速とその排気口が一致するように切断されうる。
［０００８４］ これにより、定常ラムジェット・エンジンに超音速流を供給して、ラムジェット・エンジン内にマッハＭ飛行と同じ内部条件を再現するのに十分な新しい設計改善が完了する。
［０００８５］ ラムジェット・エンジンに圧縮機からの亜音速流の場合と同じ淀み点温度を供給するために、ハウジング内の環状空間またはハウジング内の別の素材が圧縮機ローターをより大きな半径に取り囲み、その環状空間はどのようなマッハ速度であっても軸からローター外半径の１．８倍以上伸びる必要はない。圧縮機環のローターを越えると、空気／気体の円周速度は旋回軸（回転軸とも呼ばれる）からの半径方向距離とは反比例に減速する。これはさらに空気／気体を圧縮する。空気／気体の放射状速度は低い亜音速である１００フィート／秒程度であり、環状空間の幅を各半径に設定することで制御することができる。渦巻となる外向きの空気／気体は減速するため、放射状速度が過剰に減速しない限り環内の軸隙間が半径の増加につれて小さくなるように圧縮的である。一例として、空気を圧縮機内の気体として使用した場合、ローターのマッハ速度に関係なく、流れがローター半径の１．７３１倍の半径に達する前に流れは局所音速に到達するが、これが流れ内部での実際の音速である。ローターのより低いマッハ速度の流れは、より小さな半径で局所音速に到達する。局所音速での半径を越えると、流れは減速し続ける。流れが設計速度にまで減速すると、流れは環状室の外に出て、以前と同様に通気口から抜け出る。亜音速での衝撃波発生を回避する上での設計上の難関は、超音速よりも一桁分低い。例えば、出力通気口への流れが亜音速であれば、衝撃波を発生させることなく、ほぼあらゆるパターンで通気口全体の領域を滑らかかつ漸次的に高めることで減速でき、超音速で四角形のデラバルノズルを設計することに等しい。出力通気口に入り込む流れが局所的な超音速である場合は、ハウジング内部で衝撃波を発生させないことは設計上の課題である。
［０００８６］ 圧縮機は亜音速流を出力して前面デラバルノズルに送り込み、流速が一致する地点で切断される。デラバルノズルのより高速部分が排除されるが、これにはデラバルノズルの閉塞領域も含まれる。この点は、ラムジェット・エンジンへの入力には閉塞領域がない、という重要な効果がある。音速での流れは固定領域を通るように強制されないため、圧縮機にも閉塞領域がない。この流れは放射状に広がることはできる。これは、ラムジェット・エンジンの入力側では調整されるべき閉塞領域がないことを意味し、流れの条件は高速での精密な調整を必要とすることなく、多様でありえる。少なくとも一つの閉塞領域を解消することが、ラムジェットの信頼性を高める上で一つの重要な点である。
［０００８７］ 環状空間には流れの近くに滑らかな表面がある。絶縁への気体流／空気流を阻止するために表面が絶縁に付加され、滑らかにされる。繊維が垂直方向または流れの方向で低い角度で表面から突出するように表面に短い繊維を埋め込むことで、超音速流中に発達する大きな境界層を解消するために表面を処理してもよい。繊維は一つまたはそれ以上の直径分、表面で別の繊維から分離される。マッハ速度の気体／空気が繊維に吹出する時には、繊維は表面から３以上の直径に伸びる。繊維の厚さは数ミクロンのみであり、例えば、ＰＡＮ炭素繊維では直径のばらつきが１／３０ミクロン以下の滑らかな円柱面として利用できる。境界層は個々の繊維上に形成され、流れの方向での繊維に沿って広くなるが、繊維が終了すると境界層の発達も止まる。繊維は、厚い境界層を支えることのできる表面を示すものではない。
［０００８８］ 小さな管は、およそ流れの方向を向いた環状空間に入ることができ、表面と同一平面に製作できる。かかる管では、マッハ速度の流れとの相互作用によって空気／気体が吸込される。管は絶縁およびハウジング内の別の素材を通って継続し、ハウジングとローターの間から現れ、ローターの隣の圧力を引き下げることができる。これは、ローターへの抗力を低下させることでエネルギーを節約するが、これは非常に高いｒｐｍでは無駄が多い。追加的な外部真空ポンプをローター周囲の空間に接続することができる。
［０００８９］ ラムジェット・エンジンは、出力超音速流を膨張機に、および／または完全なデラバルノズルを通してジェットとして出力し続けることができる。
［０００９０］ ローター周囲に成形された環状流領域の追加という同じ設計原則によって、亜音速流を環の外側リムに受け取り環内部で超音速流に変換できる膨張機も、そのリムでのローター速度と一致させられる。亜音速流はラムジェット・エンジンの後部にあるデラバルノズルから得られ、ここで当該亜音速流は膨張機の設計亜音速入力速度と一致する。その断面は流れがデラバルノズルの閉塞領域に到達する前であり、閉塞領域およびノズルのより高速部分はバイパス、欠如、または除去して、ラムジェット・エンジンの出力流れから閉塞部分を解消している。圧縮機に閉塞領域がないのと同じ理由で、膨張機にも閉塞領域がない。これにより、設計者はジェットとして使用されない出力流れから閉塞領域を解消することができるが、これは過去のラムジェット設計には見られない重要な設計改善である。
［０００９１］ 流れを超音速に変換する膨張機環へとラムジェット・エンジンからの亜音速流を吸入し、環内径からの超音速流を受け取り、デラバルの閉塞領域を越えたデラバルノズルの超音速部分を通して出力させることで、ジェットとして使用される流れから閉塞領域を取り除くこともまた可能である。これにより、亜音速から超音速へと移行させる環がジェットとして使用されるデラバルノズルの閉塞領域に置き換わることが可能となる。
［０００９２］ 閉塞領域の解消は、定常動力または車両動力の機械出力エンジンとしてラムジェット・エンジンを実用的なものとするために必要な改善の一つである。対の閉塞領域には、荷重が変化する中での機械制御がほぼ不可能に近い調整が必要である。
［０００９３］ ラムジェット・エンジンの燃焼室は一つ以上の出力流れを持ちうる。これはデラバルノズル出力を保持することができ、膨張機に一つまたはそれ以上の出力を有することもできる。閉塞のない追加的出力があることで、その閉塞領域に大きな調整を行わずともデラバル出力ノズルはジェットとして作用することが可能となる。ノズルの閉塞はジェット出力を制限するが、残りの排気出力は燃焼室で停滞せずに膨張機に進む。エンジン中の膨張機は、そのシャフトを通って動作し機械動力を出力する時には、圧縮機と同じシャフト上で作動し圧縮機を駆動するように設計することができる。
［０００９４］ 膨張機からの排気口は、熱電併給の加熱に使用できる。
［０００９５］図２は、圧縮機、ラムジェット、および膨張機を含むエンジンの実施態様の断面図である。
［０００９７］図２において、回転軸の中心にありＴｉ β−ＣＥＺ、またはより高強度のチタニウムで製作される円形チタニウムシャフト４０、６６は、その軸上の中心にある一方の端部から突通されて、壁７０および中空空洞３８、６４を残す。シャフトの例示的な素材は、約５％アルミニウム、２％クロム、１％鉄、４％モリブデン、２％スズ、８２％チタニウム、および４％ジルコニウムから成りうる。素材は比重４．６９の２２０，０００ ｐｓｉ降伏引張強度にするために熱処理でき、それゆえ比引張降伏強度は４６，９０８ ｐｓｉである。半径方向の穴３５、３７、６２は膨張機領域および圧縮機領域においてシャフト壁４０、６６を通るように製作される。圧縮機５２、５３、６９は、シャフトやＳｉＣシェルの側壁に対して炭素繊維を被着したＳｉＣ羽根を備えたシャフト６６上に形成される。ＳｉＣ羽根５３、４４は、シャフトそしてＴｉシャフト内の開口部３５の間にあるブリッジ３６に圧縮される。ＳｉＣ羽根の側面に、羽根の片側上のシェル６８、６９が配置され、炭素繊維がシェルの外部に被着される。ＳｉＣシェルの外側では、各ローターの側面の周りとその側面間のリム空間の上、またその反対側面の上から下がってシャフトに戻るように、炭素繊維３０が被着される。この被着により羽根の組立が固定され、シェルおよび多孔質外輪がシャフトにきちんと固定される。シェル、羽根およびシャフトを通る穴を組み合わせることで、圧縮機の軸から半径方向に広がる経路が形成される。圧縮機の羽根への巻線を越えると、圧縮機ローターから流出する流れがより均一で低い乱流となるように、経路へと誘導する多孔質素材またはメッシュまたは放射状流を配置することができる。巻線のために余地を残して圧縮機から多少空間を開けて置かれたシャフトに、炭素繊維２８、２９で被着されたより大きな部品を持つ膨張機４４、６８が同様に構築される。これらの羽根は、定常な間に炭素繊維の被着の張力を通して開口部３７の間のシャフト３６、およびブリッジ３９、６３に圧縮される。羽根の片側に、ＳｉＣシェル６８がシャフト上に半径方向に配置され、半径方向に閉じた経路が形成される。ＳｉＣシェルの外側に、ローター流れのリム入口にわたり反対側面の上から下がってシャフトに戻るように、シェル周囲に炭素繊維３０が被着される。この被着によりシャフトへの羽根およびシェルの組立がきちんと固定され、多孔質のリングが抑制される。シェルと羽根を組み合わせることで、膨張機の軸から放射状経路が形成されるが、これはディフューザまたは反圧縮機とも呼ばれる。Ｔｉシャフト上に、圧力ハウジング３１の二つのシャフトポートで、二つの運動ガスシールリングまたは円環３３、４３、６５が配置される。これらの二つの運動用シールリングは、エンジン走行時の高い円環速度を理由として、リング３３とハウジング３１の間の隙間における気体を取り込み、ローターとハウジングの間の空洞３２からこの気体を半径方向に外向きに駆動する。これは、ローターへの抗力を低下させる結果につながる。シャフトの一方の端部に、空気軸受３４、４１、６１、６７が配置される。空気軸受を操作するための高圧空気流４２は、当初は耐圧瓶タンクまたは空気ポンプから流入させることができる。作動中は、空気軸受のための高圧ガス供給は圧縮気体流から加圧気体４８、５４を引き入れて流入させることができる。これらの高圧ガス管は、圧力タンク３１の内表面および圧力タンク内の熱絶縁２６の外に沿わせることができる。圧縮機からの断熱的に圧縮された気体４８は熱いため、中心軸に向けて壁に沿ってより冷たい気体を走行させることで、空気軸受３４、６１に進む前の入口燃料２０および外部圧力容器２１での熱交換により高圧ガスを冷却することができる。空気軸受は回転シャフトを軸方向に保持できるように円錐型である。パルス電流がダイナモ５６の電磁石に追加されるとエンジンの起動に使用できるシャフトに沿って、電磁ダイナモ５５、５６、５７、５９が示されている。エンジンが始動すると、ダイナモはエンジンからパルス電気エネルギーを抽出するために使用される。ダイナモは、高強度炭素繊維によりＴｉシャフトに被着された永久磁石５９、６０から成る。銅コイル５５で被着された強磁性炉心板固定子５６に接続されることで磁場回路は完了する。シャフトが回転すると磁場の強度と極が変わり、銅コイル５５において電気パルスが生まれる。このエンジンの有益なバージョンは、一分当たり１５０，０００回の旋回で作動し、高周波の交流電流出力を生む。この高周波の交流電流出力は、直流電流に変換された後、直流から用途に一致した周波はまた一致する配電網に戻ることが予想されうる。これらの条件付け用エレクトロニクスは表示されていない。放射状の圧縮機および放射状の膨張機の外側には、圧縮機から外向き渦巻の放射状流を受け取り、内向き渦巻の放射状流を膨張機に送るために、環状経路４５、４６、４７、４９、５０、５１が形成される。圧縮機ローターでは終了口、反圧縮機では放射状経路の入口の片側に、環状の超音速移行領域の入口／排気の出入りを定義するために、３０４ステンレススチールなどのＳｉＣまたは金属から製作されたローターシールリング７１、または密度の高いセラミック素材が形成される。設計ｒｐｍ中に、リム近くのローターの側面に密接な隙間を保つように、ローターシールリングが設計される。ローターと環状ノズル入口の間のこの隙間は、空洞からの流れをより半径の大きい環流空洞に取り込むことで真空ポンプを生む。ローターとそれを取り囲む定常部品の間の気体空洞７２を真空にすることで、ローターへの抗力が低下する。圧縮機ローターの外側にあるエンジンのこの実施態様では、回転軸周囲の旋回量である環状の音速変換機の空洞は、成形モリブデン管またはシリカフォーム（Ｃｏｔｒｏｎｉｃｓ Ｍ３１０など）の耐火金属またはセラミックの壁で形成され、超音速から亜音速流への周方向流移行について、図７、８、および９（下記で詳述）で推奨される放射状の外形または別の外形を使用し、その一方で放射状流のパターンを定義する。環状空洞内において、流れは超音速５１で圧縮機の羽根周囲の多孔質リングまたは空虚な環状空間から流入し、局所音速にまで減速させ５０、より大きな半径では流れはさらに亜音速４９となる。環状流が亜音速領域に入ると、流れの外形は衝撃波を誘引することなく漸次的に変化２４し、減速し、これが流れの運動エネルギーを流れにおける高温および圧力に変換する。予想される圧縮温度は、約１２８大気圧力での約１２００ Ｋ（９２７°Ｃ）〜２７９大気圧力での約１５００ Ｋである。環状室の外半径は、放射状流を阻止する外壁を収縮させる第一のポイントで発生する。環状の音速移行変換機の外半径を越えると、一定の軸幅の最終旋回が出口通気口２４、２７につながり、これが石英などの密閉素材から製作されうる絶縁中の渦巻管に接続し、通気口が一つの渦巻流旋回において環状領域に送る、圧縮機２４から膨張機２７へとつながる。燃焼室でもあるこの渦巻管内で、熱は気流に対するさまざまな手段により追加できるが、多くの場合は、燃料経路２２を通って高圧および高温空気に燃料を追加して燃焼させる。燃料経路２３、２５は、圧力容器壁からの熱をすくい取り随意には燃料を蒸発させるために使用することができる。燃焼室において気流を熱に追加する別の方法は、太陽などの放射加熱、空気／気体の加熱のために管からより熱い流体を循環させることによる熱交換、極めて高温の蒸気などの流れに投入される熱い物資、粒子発生器からの高エネルギー粒子による室での粒子反応、および別の方法がある。
［０００９８］図３は、圧縮機の一つの実施態様の断面図であり、断面はローターの回転軸に対して垂直である。
［０００１００］図３において、軸に沿った図は、軸に対して垂直な断面における圧縮機の羽根８６を示す。ローター９７内の流れはローターに対して半径方向であるが、円周速度７９は放射状流よりも遥かに高い。ハウジング８０は熱絶縁８１を含み、絶縁の内側に隠れているのは膨張機に渦巻状に進む燃焼室の管８２である。環８８の縁部は、出口通気口へと移行８８している渦巻外向き８３の亜音速流９５、９９の一つの旋回の隣にある（断面でのみ表示）。空気流／気体流は図２に示す通り、シャフト８５の穴９４を通ってローターに流入する。空気流／気体流は、圧縮とより広い流量範囲を理由に流れが減速する９７、シャフト壁からローター内側を通るトンネルまたは穴８４を流れる９６。羽根には、穴８４間のシャフト９３上に縁部がある。羽根の外縁には、直線８７として示される周方向の高圧巻線がある。放射状の巻線９０もまた、羽根に圧力をかける。シェルは表示されていないがその外半径８９は表示されている。ローターの回転方向９８は表示されている。また、圧縮空気を空気軸受に供給する管９１も表示されている。また、燃料または蒸気を燃焼室に供給する管９２も表示されている。
［０００１０１］図４は、膨張機の一つの実施態様の断面図であり、断面がローターの回転軸に対して垂直である。
［０００１０３］図４において、膨張機または反圧縮機が表示されている。これは図３の圧縮機よりも大きく、逆流１１３で作動する。羽根１０６はシャフト１１１を取り囲み、経路１０８を通るシャフト１１２の穴に空気流／気体流が進む半径方向の巻線１０５によってシャフトに押し付けられる。周方向の炭素繊維巻線１０３もまた、シャフトの軸向きに羽根をシャフトに押し付け、衝撃波および渦が羽根の外縁に現れるのを阻止する。羽根は、外半径１０４が羽根半径よりも大きいローターシェルまたはシェルの両側で取り囲まれている。空気／気体は、熱絶縁１０１から生じる通気口１０７を通って亜音速流１１８で渦巻形回路１０２に流入する。流れの渦巻は太線で示され、流れは軸周囲の一つの回路において環状領域の外半径に入る。流れは環の外側では引き続き亜音速１１６だが、超音速１１５に到達するまで半径がより狭小化するのにつれて速度が増す。羽根１１７の回転は、ローター１０４の縁部での空気／気体１１５の円周速度に一致する。ローター内の流れ１１３はローター室に関してはほぼ純粋に半径方向であり、最大半径での最鈍速度から最小半径１１４での最速に進み、シャフト中空１１２に入る。羽根がシャフトで超音速１１５を亜音速またはほぼ亜音速に減速させるように、回転速度１１７は半径に比例している。外側の多孔質リング （非表示） からシャフト１０８内の経路に至るまで円周速度を制限するローターのあらゆる部分は、流れの円周速度を減速させることで羽根の仕事をする。この減速は、回転方向に羽根様の部品に対する力を生み、その全てがシャフトに到達する高張力の巻線を通してシャフトに運ばれる。圧力容器またはハウジング１００は、空気軸受のために圧縮空気を搬送する管１１０に接触する。シャフトの内表面上の開口部１０９も表示されている。
［０００１０４］図５は、圧縮機および膨張機の拡大断面図であり、ローターの回転軸を含む断面を示し、運動用シールの詳細を示すために拡大されている。
［０００１０６］図５において、エンジンのシャフト軸に沿った断面によって、運動用シールを伴う圧縮機および膨張機の拡大断面図が表示されている。図は対称性であり、質量回転部品は、エンジンのおよそシャフト軸１４１で均衡が保たれている。エンジンのシャフトには、チタニウムなどの高い強度素材１４４で形成された二つの中空の円筒空洞１２９、１４１がある。シャフト１４４に、シャフト１２９の端部を通って流入し圧縮機の羽根１３７近くを放射状に進む吸入の空気流／気体流のためのシャフト１４４内の経路１２７、１４３が形成される。開口部１４０の間にある残りの素材は、素材のブリッジ１４２を形成し、これに対して羽根１３７および円環１４８の圧縮機の部品が押し付けられる。吸入空洞および吹空洞の間のシャフトの中心近くに、吸入流量と吹出流量を分離するためのシャフト壁１３９が形成される。シャフトの吹出側に、中空空洞１２９には吹出穴があり、膨張機／反圧縮機の出口からより高い気体流量を収容するための流れにとってより大きな断面積がある、吸入側に類似した経路１２７および開口部１２８が存在する。ローター組立（圧縮機および反圧縮機）１２２、１２４、１２５、１３２の片側には、運動用シール１２６、１３１、１３８、１４５、１４６、１４７がある。これらの運動用シールは、シャフト１４４に取り付けられた一つまたはそれ以上の円環１４５から成り次に各円環１４５の片側に隣接するのは、非可動式または遥かに動きの遅い圧力容器壁の円環１４７である。作動中にシャフト１４４が回転する時、気体は両側の円環１４５によって取り込まれ、求心加速によって円環１４５の外半径に駆動され、圧力容器壁１２０の外側に出る。ポンプ作用および運動用シーリングは、圧力容器１２０に流入する外部気体を隙間１４６に取り込まれた気体に戻らせない、圧力容器壁の円環１４７近くに小さな隙間１４６がある円環側によって達成される。円環１４５の外側にいる間、気体は循環して周囲の圧力レベルで滞留することが可能である。そのため、運動用シールはローター１３２、１４８周囲の空間１４９、１５３から気体を引き出し、気体がこの空間に流入することを阻止してローター外部の気体抗力を低下させる。
［０００１０７］ この図において、圧縮機のローター１３７、１４８、および反圧縮機のローター１２４、１３２は、シャフト１４４および当該部品への求心力に対してシェル１３２、１４８および羽根１２４、１３７を保持するために、炭素繊維の被着または巻線１２３、１２４、１３５、１３６を施した状態で表示されている。羽根は、エンジン内の気体流の動作温度において高い比圧縮強度を持つ素材から製作される。追加的な柔軟な羽根は、主に被覆のある繊維束から形成されうる。適当な素材の例は、数例挙げるだけでもα型炭化ケイ素、炭化ホウ素、および酸化アルミニウムがある。例えば、圧縮強度５６０，０００ ｐｓｉおよび比重３．１を持つ構造的圧縮素材としてＨｅｘｏｌｏｙ ＳＡを使用することができ、それゆえ比圧縮強度は１８０，６４５ ｐｓｉである。Ｈｅｌｏｘｙ ＳＡはニューヨーク州ナイアガラフォールのＳａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓから取得できる。羽根およびシェルは、シャフトから羽根体積を細分する放射状の空洞を形成する。炭素繊維またはガラス繊維などの別の高強度繊維は、羽根のベース部分がシャフトと開口部の間あるシャフト内のブリッジ１３０に押し付けられる形で羽根先端１３４に巻装され、シャフトに、および／またはシャフトを通って戻る。炭素繊維の巻線は、高温エポキシ、ケイ素／ＳｉＣ反応、金属ロウ付け、または繊維束の端部の摩耗機械固定でシャフトに巻装・固定される中、巻装される繊維への張力を保った状態で行われる。炭素繊維には、より高い耐摩耗性、耐酸化性および耐腐食性を提供するために被覆が施されている場合があり、繊維の表面を固定または融合させるためのロウ付けまたは化学反応が可能である。可能な適当な被覆は、Ｂ２Ｏ３、ニッケルめっき、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、ＺｒＣ、ＺｒＢ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＨｆＢ２、およびＳｉＣと混合させたＨｆＢ２である。繊維への外部被覆は、エンジンで使用される範囲で弾性伸張できる繊維に層を形成するように形成されうる。ローターの二つの側で、圧縮機、および膨張機、囲いのあるシェルまたは円環は、α型炭化ケイ素などの高い比圧縮強度素材から形成される。これらのシェルは、羽根間の空洞に流入する気体を保持し、定常真空された空洞１５３から羽根を分離するために使用される。本発明の高いローター速度では、定常壁を伴う開いた羽根の気体せん断相互作用はかなりの抗力を生む可能性がある。シェルは、シェルとシャフトの周りに炭素巻線を施した状態で羽根の両側に固定される。シャフトの周りに羽根を均一に位置付けるために、指標のある溝または隆起をつけてシェルを形成することも可能である。羽根先端１２２を越えると、多孔質または溝のある素材が羽根の周りの円形空洞のリムを覆う。この多孔質または溝のある素材は乱流を吸収し、羽根の間から経路を通るより均一な放射状流を確立する。多孔質リングは、多数の羽根として空気／気体に作用する。圧縮機および反圧縮機が回転中でも高い遠心力に対して繊維を保持するために、炭素または高強度繊維は多孔質のリム素材のリム周りに被着される。半径方向に圧縮機の先端を越えると、３０４ステンレススチール、タンタル、モリブデン、溶融シリカ、アルミナおよび施釉された発泡二酸化ケイ素などの高強度耐火素材のローターシールリング１５２が、エンジン内での環状超音速１５１から亜音速流に移行する流れ領域の入口を定義する。開口部またはローターシールリングおよびシェルにはその間に狭い隙間１５０があり、これが空気／気体をより大きな半径にポンプ送入する。環状流領域のより大きな環状領域は、キャスタブルセラミックまたは融合ガラスまたはモリブデンなどの金属を用いて滑らかな表面に形成することができる。このより滑らかな環状ローターシールリングの裏面は、熱絶縁され、溶融された、発泡二酸化ケイ素１３３または別の剛性絶縁である。半径方向に反圧縮機ローターの先端を越えると、環状亜音速から超音速に転換する環状流領域１２１は圧縮機で使用されるのと同じまたは類似した高強度耐火素材で定義される。圧縮機および反圧縮機の両方において、円環１３１はローター１５３周囲の低圧とハウジング外側の大気圧力の圧力差を圧力容器壁に対して保持・密閉する必要がある場合がある。ローターリム近くのリング１５２およびその間にある小さな隙間およびローター１３２および巻線１２５は、環状空間１５３からローターリム周囲の圧力が２４大気以上であるより大きな半径に空気／気体をポンプ注入する役目を果たす。
［０００１０８］図６は、圧縮機および膨張機の実施態様の拡大断面図であり、ローターの回転の軸を含む断面を伴い、代替の羽根および経路構造の詳細を示すために拡大されている。
［０００１１０］図６において、圧縮機ローター１９０、１９１、１９２、１９３、１９４および膨張機ローター１７９、１８０、１８１、１８２の拡大図が、代替の羽根１８１、１８２、１９３、１９４および経路１８４構造とともに表示されている。この図では、被覆された炭素繊維および随意の補強および／または硬化素材から直接製作された羽根の代替の構築が表示されている。中空１７０シャフト１７１、流れ開口部１８４、１９５および圧力容器１７５への運動用シール１７２、１７３、１７４の部品が、図５に記載された内容の重複として表示されている。圧縮機では環状超音速１７６から亜音速流の環状空洞、反圧縮機では亜音速から超音速流１７８の空洞は、絶縁１７７、開口部１８５、中空シャフト１８７、低圧環１８８、圧縮機環１８９内の渦巻外向き流、および穴内で壁１９６を分離する領域を含めて、図５に記載された内容の重複である。この代替の本発明の実施態様における羽根は、炭素束をループ型に吊るすかまたはブラシとして、またはシャフト、その開口部およびブリッジおよび別のローター部品から恐らくは予圧・被覆された伸張束の周辺に巻装される繊維として形成される。炭素繊維は、結束、高温エポキシ、ロウ付け、またはシャフトとの表面相互作用によってシャフトに固定される。吊るした繊維はシャフトに巻装されうる。別の可能な繊維固定機構は、吊るした繊維の上に繊維を機械的に固定、被着、または織り込むことである。望ましい羽根におけるバスケット、放射状の気体流路１８３、１９４および気体流路への側壁１９２を模倣した構造に、炭素繊維１８１、１９３を織り込むことができる。化学反応または蒸着またはスパッタリングによりこの織り込んだ構造内に炭化ケイ素などの補強素材を浸透させるか、またはキャスタブルセラミックを繊維間に強制させることができる。放射状の気体流路のリムにおいて、多孔質または放射状の溝があるリング１８０、１９１が配置され、指圧以上に堅い、適正な特定の空気比圧縮強度素材から形成される。このリングの適当な素材は、溶融された二酸化ケイ素発泡体、炭素繊維網、繊維上にＳｉＣ被覆を形成し繊維間を結合させるようにケイ素と反応させた炭素繊維網などがある。炭素繊維の巻線は、空気流／気体流の放射状出口１７９、１９０が圧縮機および反圧縮機ローターのリム中心で配分されるように、または流れ開口部１７６、１７８、１８９近くを除き多孔質リングの外表面が密閉されるように配置される。回転の遠心力によって半径方向に剛性となるよう製作された圧縮機の羽根に入射する周方向に加速された気体流は、これらの開口部から流れ、超音速から亜音速への移行領域１７６の環状領域に入る。反圧縮機側で、超音速放射状の流入は衝突し、繊維巻線１９２と部分的に密閉された多孔質１８０、１９１または溝のあるリング素材の間にある開口部から流出する。反圧縮機の渦巻放射状流１７８は、リングおよび回転の遠心力によって保持される炭素繊維の羽根に対して減速し、回転エネルギーを反圧縮機に提供する。反圧縮機からの機械エネルギーは、シャフト１７１、１８６を通って圧縮機に、また図２または図１０に表示されるように機械回転エネルギーとしてダイナモまたは別の用途に送られる。圧縮機および反圧縮機の羽根の片側には、高温結合素材、ＳｉＣまたはその保護被覆によって結合された、巻装済み炭素繊維のシェル１９２がある。これらのシェルは、羽根によって形成された放射状の気体流路１８２、１９４からの側方流動に対する密閉された障壁を形成する。炭素繊維１９２は円環をシャフトに固定し、円環を圧縮機および反圧縮機の剛性の羽根に引き込むため、シャフトから円環縁の上にかけて巻装される。
［０００１１１］図７は、環状渦巻室の半径と反比例した放射状流の速度を達成するための半径を持つ、環状流渦巻室の隙間形状を示すグラフである。図７において、半径の環状流空洞の軸幅は、環状空洞の半径に反比例した放射状流を達成することが示されている。プロットの水平軸は、ローター半径が１に、ローター端部での隙間が１と設定された、シャフトの軸を基準とする半径である。この外形は、気体の定圧熱容量：定容量熱容量が７：５での理想的な等エントロピーの超音速／亜音速流、および中程度の亜音速放射状流の速度を仮定して計算された。
［０００１１２］図８は、環状渦巻室の半径と一定した放射状流の速度を達成するための半径を持つ、環状流渦巻室の隙間形状を示すグラフである。図８において、半径の環状流空洞の軸幅は、環状空洞全体にわたり一定の中程度の亜音速放射状流を達成することが示されている。プロットの水平軸は、ローター半径が１に、ローター端部での隙間が１と設定された、シャフトの軸を基準とする半径である。この外形は、気体の定圧熱容量：定容量熱容量が７：５での理想的な等エントロピーの超音速／亜音速流、および中程度の亜音速放射状流の速度を仮定して計算された。
［０００１１３］図９は、環状渦巻室の半径と比例した放射状流の速度を達成するための半径を持つ、環状流渦巻室の隙間形状を示すグラフである。図９において、半径の環状流空洞の軸幅は、環状空洞の半径に比例した中程度の亜音速放射状流を達成することが示されている。プロットの水平軸は、ローター半径が１に、ローター端部での隙間が１と設定された、シャフトの軸を基準とする半径である。この外形は、気体の定圧熱容量：定容量熱容量が７：５での理想的な等エントロピーの超音速／亜音速流、および中程度の亜音速放射状流の速度を仮定して計算された。
［０００１１４］図１０は、ローターの回転軸を含む断面を伴う圧縮機および膨張機の実施態様の拡大断面図であり、小さな効率費用で動力を二倍にできる構成である、入力流れおよび中空シャフト出力流れの詳細を示すために拡大されている。
［０００１１６］図１０においては、エンジンの軸を含む断面図として典型的な本発明の実施態様が図説されている。回転軸の中心にあり、Ｔｉ β−ＣＥＺまたはより高強度のチタニウム、または高引張強度繊維／金属または繊維／ポリマー合成から製作される円形チタニウムシャフト２６８は、厚い壁から離れる軸の中心に中空がある。上記図２に関して言及されたシャフト素材は、図１０のシャフトにも使用されうる。半径方向の穴２６３、２７１は、圧縮領域ではなく膨張機領域２７２のシャフト壁２６８、２７１を通過する。穴または内径とも呼ばれる中空は、シャフト全体を通過する。シャフトの外側の圧縮機２８４および膨張機２７２の領域は、膨張機羽根２７２の外半径を越えて到達するシャフトに対して垂直な放射状の環状α型ＳｉＣ円環２８２、２８３によって分割され、上記円環２６２、２５４、２８２、２８３は巻線２８８、２８９によってシャフト向きに圧縮され、両方のローターの片側に形成される。膨張機ローターの反対側には、シャフトから始まるＳｉＣ円環板２６２と同じサイズである。羽根、円環、およびシェルは、繊維を被覆、硬質化または硬化させる素材で浸透された伸張式の炭素繊維から主に製作されており、密閉性のある剛性形態となっている。羽根はまた、シャフトおよび別のローター部品に結び付いた柔軟な繊維でもありうる。
［０００１１７］ 圧縮機ローター２５３、２５４、２８３、２８４、２８７、２８８の反対側には、軸の中心にあるがシャフト表面を越えた距離から始まり圧縮機羽根２８４の外半径よりも大きな半径へと続くＳｉＣ円環板２５４がある。円環板は個々に炭素繊維に巻装される。ＳｉＣ羽根２８４、２７２は、流れ領域を抑制する円環間の空間にわたり、円環に対して垂直であり、シャフトから放射状に伸びる。
［０００１１８］ 圧縮機側では、羽根とハウジング２５７間の空間に、多孔質マット２５３が円環の下と羽根２８４の隣の空間を充填し、ハウジングに向けて伸びる。これは、ＨｅｘｃｅｌＩＭ６ほど強力ではないとしても、回転下でもその形状をおよそ保つ強力な炭素繊維で製作されている。
［０００１１９］ ハウジング２５７には、シャフトから軸穴２６８の半径を差引いた距離である環状開口部がシャフト周囲にあり、ここから空気／気体２５１が圧縮機に流入する。多孔質マット２５３はシャフトおよびローターにより回転し、シャフト２６３周囲のシェル２５４におけるより大きな開口部を通って空気／気体２８５を羽根領域に流入させる。空気／気体は高い軸流速度かつ最高局所音速で流入し、ハウジング内部に広がり、軸流速度で減速し、圧縮機羽根２８４に到達する前に多孔質マットからの回転速度に上昇するが、これはシャフトの表面さえでも既に超音速で移動している。これにより、空気／気体２８５は超音速の相対速度以下で羽根２８４に遭遇することとなり、衝撃波は生まれない。動きの速いローターに対して空気流／気体流２７３は反対方向かつ緩慢であり、衝撃波を生み出す可能性は低い。
［０００１２０］ シャフトの両端部は、排気２６９、２８６を膨張機ローター２８９、２９０、２６２、２６３、２７１、２７２、２８２から出力する。圧縮機および膨張機のローターは、平らな羽根２８４、２７２が回転軸を含む断面にほぼ横たわる形でα型ＳｉＣから製作され、上記羽根の内縁はシャフトおよび随意の柔軟な羽根に対して押し付けられている。ＳｉＣ領域の全ての鋭角は、０．０２インチ幅以上に面取りされている。三つ以上の膨張機の羽根がシャフト壁を通って穴２６４、２７１間の空間上のシャフトに存在し、三つ以上の圧縮機の羽根も同様の空間が開いている。繊維が１％歪みまたは約最大引張応力の半分で張力下にある中で、薄い被覆、随意にはニッケル電気めっきで被覆されたＰＡＮ炭素繊維２８９、１２，０００繊維／束でのＨｅｘｃｅｌ ＩＭ６、または１２０００繊維／束での東邦テナックスＩＭＳ６０の被着は、同じ１％の張力以上でシャフトに羽根を押し付けつつ羽根周囲に巻装されている。繊維が接触する全ての硬い部品の縁部は、少なくとも０．０５インチの半径以上の縁半径がある。巻線はシャフト向きに羽根を約２００，０００ ｐｓｉに圧縮する。一部の巻線は羽根の近くにない穴を使用するか、羽根を横転させようとする横方向の力に抵抗するためにシャフトに巻装される。羽根外縁周囲の巻線は、２００，０００ ｐｓｉの半径方向力／羽根を提供し、シャフトを含む巻線は、約２０，０００ ｐｓｉの半径方向力／羽根を提供する。これらは構造羽根の巻線である。巻線はさらに、さらに随意にニッケル電気めっきにより薄く被覆されうる。高い圧縮強度素材を巻装することなく製作された柔軟な羽根を使用することもできる。高い引張強度束の例には、Ｈｅｘｃｅｌ ＩＭ６ １２０００繊維束、最大引張強度８２７，０００ ｐｓｉ、比重１．７６、またはＨｅｘｃｅｌ ＩＭ９ １２０００繊維束、最大引張強度８８７，０００ ｐｓｉ、比重１．８、または東邦テナックスＩＭＳ６０、最大引張強度８８５，０００ ｐｓｉ、比重１．７９、またはＡｍｏｃｏ Ｔ１０００、最大引張強度１，００２，０００ ｐｓｉ、またはＡｍｏｃｏ Ｔ４０がある。Ｈｅｘｃｅｌ素材は、ユタ州ウェスト・バレー市にあるＨｅｘｃｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのソルトレーク・シティ繊維工場から入手できる。東邦の素材は、カリフォルニア州アーバイン、ジョージア州ブラセルトン、ノースカロライナ州モアーズビルに販売事務所を置くＴｏｈｏ Ｔｅｎａｘ Ａｍｅｒｉｃａ， Ｉｎｃ．から入手できる。Ａｍｏｃｏ 素材は、オハイオ州のパルマ技術センターのＡｍｏｃｏ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ， Ｉｎｃ．から入手できる。
［０００１２１］ 繊維マット、金属メッシュ、または小さな流路または膨張したハニカムを提供できる発泡溶融Ｓｉ、シリカエアロゲル、炭素繊維または金属メッシュなどの多孔質セラミックから製作されたリング２８７、２９０は、羽根２８４、２７２周囲のシャフトに同心であり、羽根から約０．００５〜０．１インチ離れ、リング内部の羽根周辺に開いた環がある。リングには指圧以上の相当の圧縮強度があり、その厚さは回転がトップ速度になった時に処理できる以上の圧縮力を形成するものではない。リングの外表面のトップ速度は約３１５７フィート／秒である。炭素繊維２８９は、リングの回転遠心力と等しい圧力で円周方向にリングを取り囲む。リングはローターがスピン運動する時にその作動半径を占める。リング２８７、２９０は、リングをシャフトに固定するＰＡＮ炭素繊維があり（非表示）、それを通過する空気／気体から相当の円周力を受ける。リングによって、空気／気体２７３は約１００フィート／秒で半径方向に流れることができる。周方向流は、リングの中を進む中でおよそのリング速度に到達する。リングは、小さな経路または膨張したハニカムを持つ多孔質セラミックまたは繊維マットまたは金属メッシュから成り、ローターの最大半径に近い半径を越えてローター内に放射状流経路を占め、圧縮された気体または空気が全てリングから現れ、リング内で空気または気体乱流および円周圧力勾配を失い、ローターからほぼ均一な超音速の円周速度として現れるように、ローターによって回転する。リングは、ローターの最後の羽根として働き、その超音速の円周速度としてローターのマッハ速度を定義するが、これは吹出する空気／気体２８１および吸入する空気／気体２７４の円周速度と一致するはずである。リングが勢いを吸収して空気／気体中の温度を上昇または低下させることから、速度２７４とのより小さな不一致は容認される。
［０００１２２］ 構造羽根全体にわたる圧力損失を低下させるために、非構造羽根が追加される。非構造羽根は、３０度または1/2弧度以下の小さな角度で横断するほぼ放射状の繊維から製作される薄い結合されたシートでもよく、さらに薄い軸繊維量が当該シートに結合されている。これらの羽根は、シャフトに固定されたＰＡＮ炭素繊維の紐からシャフト付近で開始し、構造羽根周囲の高張力の巻線に到達し、および／または羽根周囲の高張力の巻線で、構造羽根周囲の環に到達する。
［０００１２３］ ハウジング２５７の形状は、シャフト軸に沿って回転軸を持つ厚壁のスズ缶のようなものであり、穴は両側を通ってシャフトを通過している。小さな円環２６４はシャフトから伸びて、膨張機側では全ての場合に、圧縮機側では真空が圧縮機ローターの外側に生じる時に、ハウジングから空気／気体を排除する放射状ポンプとして機能しつつハウジング外表面の隣のシャフトによって回転する。ローターシールリング２５５、２９３の間には小さな隙間があり、空気／気体をより大きな半径にポンプ注入する回転環２５４、２６２は、環２７９、２７６からの逆流を阻止する。小さな隙間の隣にある表面には、ポンプ注入を促進するための溝があってもよい。水素などの低密度気体をローターシールリング２５５、２９３の内半径近くに導入して、隙間内の抗力を低下させることができる。エンジンが燃料を燃焼する場合は水素も燃焼するため、水素は浪費されない。
［０００１２４］ 超音速２８１から亜音速２７９への移行２８０を圧縮機側で、亜音速２７６から超音速２７４への移行２７５を膨張機側で提供するローター周囲の環２７６、２７９は、ローターの極めて近くから亜音速流を伴うより大きな半径へと伸びる。これらは作動中に、その最大内半径からローターの外半径へとハウジングを充填する絶縁に刻まれる。絶縁または絶縁への被覆は、環２７７、２７８内での圧力を抑制しうる。ローターの縁部にあるリングの外表面は、環への開口部に近いストリップを除いて密閉される。
［０００１２５］ 各環はその外半径において、絶縁における通気口２５８、２６０へと渦巻状に出る壁近くに到達する。膨張機側の環は、圧縮機側の環よりも大きい。圧縮機環からの出口は、流出通気口におよそ一回渦巻旋回した形状であり、開始時点では四角形でもよく、短い距離において、より大きな半径に進むハウジング内部の絶縁内部周囲で渦巻を描き、内向きに渦巻運動して入口と一致する形状に変わりおよそ四角形となる膨張機環への入口の断面に向けて漸次的に移動する、円形管２５９に変換する場合がある。
［０００１２６］ 管２５９は、ラムジェット・エンジンの燃焼室であり、環がラムジェット・エンジンのデラバル音速変換機に置き換わり、二つのローター間のほぼ全ての流量が閉塞領域のないラムジェット・エンジン中に存在することになる。管２５９内の流れは所々で超音速に到達することができるため、管の長さには、燃料の完全燃焼または加熱交換に十分な時間を保証するための軸周囲の十分なループを含む。横長の薄い燃焼室は、別のエンジンには見受けられない特徴である。絶縁２５６を通る別の管は燃料２９１を燃焼室／管に供給し、その出口には注入ノズルがある。空気軸受への空気／気体線２９２は、逆流によって燃料線と並行になり、流入する燃料を加熱することができる。
［０００１２７］ 環には表示された（図７、８、９）形状の一つがあり、より密度の高い密閉キャスタブルでの同一素材２７７、２７８で内部被覆してさらに補強された、絶縁２５６、発泡溶融シリカまたは別の絶縁（例えばＣｏｔｒｏｎｉｃｓ Ｍ３１０）によって取り囲まれている。シリカ２５６は、優れた熱絶縁と極めて高い熱ショック耐性そして熱膨張の低い係数を持つ素材である。Ｃｏｔｒｏｎｉｃｓ Ｍ３１０には良質の圧縮強度があるが、補強素材の圧縮強度は五倍も高い。補強材は、環表面と環間の管を覆い、構造強度を高めるために環の一次絶縁に入り込む薄い溝を充填する。より密度が高いのはキャスタブルであり、補強用の構造Ｔビームを絶縁に鋳造するために使用される。
［０００１２８］鋳造素材は、流れ中に横たわりその流れ中の厚い境界層の発達を妨げる短い毛皮としての役目を果たすように追加された炭素繊維を備えうる。ＰＡＮ炭素繊維の厚さは４−６ミクロンであり、約１／３０ミクロン未満以内の滑らかな円形である滑らかな表面を持つ。全体的な毛皮覆いは、繊維が流れによって歪曲した時には約１／１０００インチでもよい。毛皮は、流れが最高速度の時に有益であるが、これは環のより冷たい部分でもある。温度が１０００°Ｃ以上の表面領域には、温度に耐え抜くことのできる石英ファイバーなどの異なる繊維を供給するべきである。
［０００１２９］ シャフトは、ハウジングの外側にハウジングに取り付けられるＮｅｗ Ａｇｅ Ｂｅａｒｉｎｇｓなどのパッド形状の空気軸受２５０、２６５によって保持され、外部圧縮機によって駆動される。これらは、シャフトが回転する開始させるのが好適である。圧力には、燃焼室からの小さな管により動作中にラムジェット・エンジンから供給されうるが、圧力および温度は高く、その流れは閉塞によって制限され、燃料がある場合にはその加熱によって冷却されうる。高周波発電機２６６、２６７などの荷重を回転シャフト上に置くことができる。外部真空ポンプを開始して、膨張機側のハウジングから空気２６４を排除することができる。
［０００１３０］ エンジンを開始するには、特定の用途において、ローターが開始速度へと加速中に空気または気体が循環するのを防ぐために、ハウジングを通るシャフトおよび入力通気口２５２の終端部を阻止するのが有益な場合があるが、これは燃焼を支える速度であり、次に圧力が膨張機の排気口２７０、２７１に現れるまでゆっくりとシャフトの圧縮機側のみを開き、次に燃焼を開始して入力通気口をゆっくりと開く。エンジン内の温度は空気流／気体流とはおよそ関係ない。
［０００１３１］図１１は、環状渦巻室の実施態様の拡大断面図であり、ローターの回転軸を含む断面であり、境界層の形成を最小限に抑える能力のある表面繊維を示している。
［０００１３３］図１１は、境界層の発達を最小限に抑える目的で表面繊維を示す、環状流経路の拡大断面図である。圧縮機３０５および反圧縮機３０４周囲の環状流経路３０３、３０７、３０８の壁から突出した繊維３００、３０２は、境界層を最小限に抑える役目を果たすために配置される。繊維３００、３０２は滑らかで、表面粗さは０．０３０ミクロン未満である。繊維の直径は約４〜６ミクロンであり、流路の壁表面から直径の六倍以上も突出している。繊維は直径一つ分またはそれ以上、表面で別の繊維から離れている。流れが生じると繊維が曲がり、超音速流３０７、３０３、および亜音速流３０８に直径三つ分未満で突出する。これらはＰＡＮ炭素繊維から形成され、壁素材３０１に埋め込まれる。作動中、流れによって個々の繊維上に境界層が生じ、当該境界層の直径は流れ方向の長さに沿って大きくなる。境界層が大きいほど、繊維は表面向きにより湾曲し、境界層は繊維が終わる地点で終わる。またこの拡大図は、圧縮機３０６の羽根、ならびに反圧縮機と圧縮機の多孔質リング３０４、３０５も表示している。これらは、艶のない炭素繊維または多孔質基質から製作されうる。
［０００１３４］延性金属の中でも最高の比引張降伏強度を持つという点以外には、シャフトについてあまり説明されてこなかった。そのため、シャフトは補強なく金属から構築できるほぼ最大のものである。シャフトの中空半径は、設計の動力制限要因の一つを提供する。当該半径がより大きい場合は、内表面はマッハ１以上で動く。圧縮機への空気流／気体流がシャフトを通る場合は、シャフト内に流入と流出を分離する壁が存在し、空気／気体をシャフトの回転速度にまで上昇させるための薄壁がシャフトに配置される。シャフトによる排気口の回転を止めるために、定常の薄壁はシャフトの流出セクションに配置される。
［０００１３５］ しかしながら、高強度炭素繊維の巻線で補強される場合は、より大きなシャフトを熟考することもできる。これを行う一つの方法は、深さは浅く軸に対して並行に表面線に４５度の角度で、経路の外表面にＳｉＣなどの高圧縮強度で製作されたシリンダーを切り入れて、正方ダイヤモンド形の外表面が接触されない状態にすることである。シャフト壁を通る穴は、正方ダイヤモンド形の内側に、シャフト壁を通る形で開けられる。被覆された炭素繊維は１％以上伸張でき、経路に巻装され、シャフトの一端部から出て別の経路を通ってループ型に元の場所に戻り、シャフトの反対側の端部から出るようになっており、巻線は経路が充填されるまで繰り返される。４５度の被着は、必要なシャフトのトルク容量を提供する。より重要な点としては、被着は高速回転に必要なフープ強度を提供する。これにより、シャフトの合計膨張もより小さくなる。
［０００１３６］ 追加的な本発明の特定の実施態様が下記で説明されている。本明細書で説明された特徴は、特定の用途および／または望ましい結果次第で随意なものである。例えば、実施態様は、動作中に空気または気体をローターの角速度に加速または減速することができ、約２０００フィート／秒〜約５４００フィート／秒の表面速度が可能な超音速ローターから成り、当該ローターは、旋回軸の中心にある高い比引張降伏強度素材、望ましい構成でシャフト上またはその周囲に高い比圧縮強度を持つ構造的圧縮素材（随意には羽根の形状）、およびシャフト回転中に望ましい構成における圧縮素材をより小さく保つための高い比引張強度繊維束から成る。
［０００１３７］ 動作中のシャフトとローターの回転前に、軸方向の力を伴う約１／２の最大引張強度で、高い張力を受けている圧縮素材周囲にループ型の束の巻線で圧縮素材と、部品の相対運動に抵抗し大幅に移動しなくても円周方向に部品に向く一平方インチ当たり何十ポンドもの力を吸収する巻線を予圧縮することができ、ここで、マッハ速度で回転中、部品への軸方向への力は動作中に部品により生じる最大遠心力にほぼ近く、回転により圧縮が低下して繊維束が膨張し圧縮素材への最大遠心力以上の力がかかって圧縮素材を固定させるため、圧縮素材の弾性伸張を理由に、圧縮素材は予圧縮された構成のままである。
［０００１３８］ 実施態様は随意に、高い張力を受ける巻線なく圧縮強度素材によって、随意には結合素材またはセラミックまたは繊維に塗布された金属によって補強された繊維束から成るさらに剛性かつ柔軟な部品から成り、当該部品は動作中にローター表面速度を変更することなくサイズを拡大縮小できる。
［０００１３９］ 本発明に従った装置は、高い比引張強度繊維束がナノチューブ合成繊維、炭素、繊維、ガラス繊維、金属およびセラミック繊維、セラミック繊維、およびポリマー繊維の少なくとも一つから成り、および／または構造的圧縮素材はα型炭化ケイ素、炭化ホウ素、セラミック、ダイヤモンド状素材、金属およびポリマーの少なくとも一つから成り、および／またはシャフトの高い比引張降伏強度素材は、ダイヤモンド状素材で被覆された炭素繊維で巻装されたα型炭化ケイ素、シャフト軸上の撚りにより加工された鋼鉄、最大引張降伏強度のために処理されたチタン合金熱、および金属またはセラミックまたはポリマーの少なくとも一つ、またはその組み合わせから成る、ローターを備えることができる。
［０００１４０］ 本発明の範囲にはまた、本発明に従った超音速ローターから成るほぼ断熱の一段式遠心圧縮機も含まれ、シャフトに取り付けられシャフトの回転中に速い動きが可能な部品は、高い比引張強度繊維束から製作するか保持され、および／またはシャフトは随意にはローターのほぼ中間点に中実部分を持つ回転軸を中心とする軸中空または穴から成り、シャフト上またはその周囲にベース部分がある軸を含む断面上にほぼ存在する随意に構造的かつ随意に柔軟な羽根の羽根体積にシャフト壁を通って入るローターの放射状排気口から成り、ここで羽根は羽根体積を一掃することができ、随意に構造的圧縮素材および高い比引張強度束から成り、ここで羽根体積は、空気流または気体流が羽根の間そしてシェルの間にある羽根体積をほぼ半径方向に通過できるように、シャフトから外向きに伸びほぼ羽根外縁の半径の外側シェル半径へと伸びるほぼ羽根縁近くの羽根体積の反対側に配置され二つのシェルにより形成されるローター壁によって随意にさらに定義され、シャフトとローターの少なくとも一部分のハウジングはシャフトとローターの少なくとも一部を取り囲みシャフトに近い内半径を持つ環を持つ熱絶縁から成り、当該環は軸周辺で回転対称性があり、羽根体積から空気流または気体流を受け取ることができ、環の外半径から始まって放射状流を阻止する外向き渦巻壁と渦巻室内で空気または気体を抑制する反対面から成る渦巻室は、超音速でのローター動作中に外向きに渦巻を描く空気流または気体流を環から受け取り、流れを排気口に供給することができ、室温空気から約１０：１〜最高９０：１以上の圧縮比を生む能力があり、随意に流れと回転が逆転した時には膨張機として動作できる。
［０００１４１］ 本発明の範囲にはまた、動作中に超音速ローターの局所的な亜音速流の出力を生み出すことのできる圧縮機が含まれ、ここで、渦巻室の反対表面は、軸から半径と反比例した滑らかな周方向流を動作中に生むために随意には図７、図８、図９の形状に比例した形状であり、渦巻室は、ローター外半径近くの第一の半径と、動作中に超音速流速が第一の半径に存在し流れの望ましい局所亜音速が第二の半径で到達されるように選ばれた第二の半径の間に伸び、渦巻室には閉塞領域がなく、動作中に流れが局所音速に到達する流れに対する半径方向の制約もなく、動作中に、渦巻室を越えると、流れは渦巻室の渦巻外壁に一致する自然な渦巻流から成り、亜音速で通気口へと続き、随意にはハウジングから通気され、随意に流れと回転が逆転して閉塞領域がない時には局所的な亜音速流を入力する膨張機としても動作できる。
［０００１４２］ 本発明に従った圧縮機の実施態様は、渦巻室の渦巻壁内部の調整可能なストリップまたはベルトから成る、質量流量の変更を調整するための手段から成り、当該ストリップまたはベルトは流れの自然な渦巻形と一致するように渦巻壁から移動させることができ、最大以下のさまざまな質量流量に合わせて調整を行う。
［０００１４３］ 本発明に従った圧縮機の実施態様は、二つのローターシェルがシャフトに到達し、空気または気体に同様の作業を行わせるために空気流または気体流を抑制し中空軸から流れを排気させることができる膨張機の効率を高める手段から成り、ここで膨張機の効率はシェルを通るシャフト周囲の環状開口部を通る空気または気体の排気と比較され、これにより一部の空気または気体は別の空気または気体よりも大きな半径かつ高温で流出することができ、効率のある程度の損失が保証される。
［０００１４４］ 本発明の範囲内にはまた、随意には閉塞領域のない、最速部分を最高エンジン温度から隔離する定常または亜音速または超音速のラムジェット・エンジンを含めたラムジェット・エンジンの実施態様も含まれ、当該ラムジェット・エンジンは特定の空気または気体大気においてマッハＭ速度（マッハＭは７４００フィート／秒以下）で空気中または別の気体中での超音速飛行が可能な入力デラバルノズル、燃焼室、および排気デラバルノズルから成るラムジェット・エンジンと、マッハＭ／√２の円周速度での空気または気体出力が可能なローターから成りラムジェット・エンジンよりも大きな質量流量を生む大きさであり局所的な亜音速通気口からの出力速度Ｓ１を持つ本明細書に記載の放射状圧縮機から成り、ここで亜音速流速はおよそＳ１であるノズルの断面から始まって燃焼室へと続く入力デラバルノズルの部分は、圧縮機出力を受け取り、圧縮機出力をラムジェット・エンジンに供給することができ、閉塞領域を含めてより高速での流れが可能な入力デラバルノズルの部分は排除され、動作中に、圧縮機に流入する空気または気体は流入領域を阻止することでラムジェット・エンジンの質量流量にまで低下し、圧縮機の渦巻流出領域の調整可能なストリップまたはベルトが変化する質量流量に合わせて調整され、随意には本明細書に記載される適切な大きさの膨張機から成り、シャフトと排気口の機械動きを生むために、より大きな流量容量で、燃焼室からの気体または空気の流出のエネルギーレベルを伴う気体または空気について局所的な亜音速設計入力速度Ｓ２を有し、ここで随意に局所的な亜音速流速がおよそＳ２であるノズルの断面で終わる排気デラバルノズルの部分はラムジェット・エンジンから膨張機に排気を供給することができ、ここで随意により高速の流れが可能である排気デラバルノズルの部分は、閉塞領域を含めて排除されているか存在せず、ここで随意に膨張機の渦巻室の調整可能なストリップまたはベルトは変化する質量流量に合わせて調整され、ここで随意に圧縮機ローターとシャフト内の最大温度は燃焼室内の大気温度と圧縮淀み点温度のおよそ平均であり、随意に膨張機ローターとシャフト内の最大温度は大気での排気温度および燃焼室での加熱後淀み点温度の排気温度のおよそ平均であるため、一つの好適な実施態様では圧縮機ローターは淀み点圧縮温度よりも約４５０°Ｃ低く、また随意の膨張機ローターは淀み点燃焼温度よりも約６７５°Ｃも低く、エンジンの動きの速い部品をエンジンの最高温度から遥かに離れて隔離させ、ここで各圧縮機、残りのラムジェット・エンジン、および随意の膨張機には、一つのハウジングを形成するためにしっかり固定されうるハウジングがあり、またはここでハウジングは共通のフレームに取り付けることができ、定常または亜音速または超音速である能力があり、膨張機を使用することなく、入力デラバルノズル閉塞領域または別の入力閉塞領域もなしで完全な排気デラバルノズルを持つ超音速ジェット出力が可能であり、純推力は些少かつ閉塞領域なく随意に膨張機シャフトから全出力を提供することができ、随意に推力を生み出す排気口に対する亜音速から超音速への変換機としての出力シャフト動力と燃焼室からの追加された排気デラバルノズルから成り、随意に完全なラムジェット・エンジンから開始することなく別の素材を使用して同一設計を建築する。
［０００１４５］ 圧縮機および／または膨張機の実施態様は、ローターの外縁で円環から成り、ローターによって回転することができ、繊維マット、多孔質素材、または金属メッシュの少なくとも一つから成り、乱流とリング中の円周圧力勾配を失いほぼ均一な超音速円周速度およびローターからほぼ均一な亜音速の半径方向速度として現れつつ、壁間またはシェル間にある羽根体積を通過しリングを通って流れるように、小さな流路から成り羽根外縁の半径を越えたローターの放射状の気体流または空気流に配置され、環状空間はローター内部の軸中心にあり、リングは羽根周囲に配置される。
［０００１４６］ 圧縮機および／または膨張機の実施態様は、巻線によって半径方向での空気流または気体流が亜音速で通過できるように、羽根外縁において構造的強度の羽根そして羽根体積を取り囲みシャフト向きに各羽根を押し付けた炭素繊維から製作される構造的強度の巻線から成り、ここで巻線は各羽根の羽根外縁幅にわたって配分され、動作中に圧力駆動の高速の空気流または気体流が羽根の片側から羽根縁のもう一方の側に進むのを阻止するために、羽根外縁から外向きに伸び、羽根外縁における衝撃波の発生を阻むことができる。
［０００１４７］ 圧縮機および／または膨張機の実施態様は、以下により形成されるＰＡＮ炭素束から成る極軽量の羽根から成ることができる：束を長く平らなストリップに広げる、ストリップが両側において大部分の四角形または多角形を覆う二枚の繊維シートを形成し、ストリップの二つの端部が羽根外縁として指定された側から羽根外縁に垂直に近い方向で伸びるように、片側が羽根外縁と指定されたおよそ羽根の大きさで四角形または多角形の四つの滑らかなサポートの周りに被覆された炭素繊維を被着することで製作された四角形の伸張性フレームの周囲にストリップを被着する、二枚の繊維シートをフレーム内部に押し付けて一枚の薄いシートを形成する、随意には電気めっきにより薄い被覆をシートに塗布する、フレームから滑らかなサポートを排除することから形成され、ここで極軽量の羽根は、指定された外縁が最大半径に向くようにフレームの角を通るループという形で、構造羽根の間にあるシャフトまたはローターの別の部品に取り付けられる。
［０００１４８］ 圧縮機および／または膨張機の実施態様は、ローター周りの環状室からの内向きの流れを止める手段から成り、それにより、シェルはシェル外半径から約１／２インチ以上の軸周辺での旋回の回転対称性があり、絶縁またはハウジングはシェルの外表面に面し、動作中に約０．０００２インチ〜０．００２インチの隙間で分離されるリングから成り、表面は随意にローターの動作中にマッハ速度で溝と隙間がより大きな半径方向に空気または気体をポンプ注入して、ローター周囲の反対方向への流れを阻止するような角度の付いた溝から成り、ここで溝は随意に巻線の配置により形成される。
［０００１４９］ 圧縮機および／または膨張機の実施態様は、超音速流において大きな境界層を解消する手段から成ることができ、それにより、環状室内で抑制することのできる反対面は、高速の空気流または気体流が表面と並行に生じる時に繊維が流れに突通し表面向きに湾曲するように埋め込まれた短い繊維から成り、繊維には極めて滑らかで均一性の高い円柱面があり直径は約４〜６ミクロンであり、繊維はその直径よりも大きな距離で分離されており、繊維は環状室内の反対面から直径の約三倍以上の長さで流れに突通する能力があり、ここで動作中に繊維上に形成され個々の繊維に沿って流れ方向に幅広になりうる流れの小さな境界層は、曲がった繊維によって近くの反対面の方向に再び方向付けられ、繊維の終り部分で止まり、表面の繊維覆いが厚い境界層を支援できなくなっている。
［０００１５０］ 圧縮機および／または膨張機の実施態様は、小さな隙間がローターシールリングとローターの間に存在する、ローターと環状室の間のハウジングまたはハウジング内の別の素材に配置されるローターシールリングと、低密度ガス（随意に水素）がハウジング内部とローターの外側に放出され、または一つまたはそれ以上のローターにはローターを通る空気または気体の軸流を阻止できるがローターの外半径を通る放射状流は阻止できない一つまたはそれ以上の外側シェルを備え、シェルとハウジングまたはハウジング内の別の素材または絶縁の間の不完全真空にシェルが取り囲まれ、シェルはローターの外羽根半径からの短距離である半径Ｒに伸びるハウジングまたはハウジング内の別の素材とは近くなく、半径Ｒを越えるとシェルの外表面は軸周辺での回転面であって溝から成り、マッハ速度ではＲを越えたシェルの外表面はローターシールリングからの短距離であり、シェルのローターシールリングと外表面は十分密接であり、より大きな半径へとリングとローター間にある空気または気体をポンプ注入して反対方向への流れを阻止し動作中のハウジングとローター間の真空を補強するための方向性のある溝がある抗力を低下させる手段と、ｉ）シャフトに取り付けられた別の表面がハウジングの外表面近くにありハウジングの外に空気または気体をポンプ注出するように配置され随意に溝が付けられ、ｉｉ）ローターを越えて超音速流中に下流に向けられた管には、反対面と同一平面上であり、ハウジング内部の絶縁とハウジングまたはハウジング内部の素材を通って同一真空容量に伸び、超音速流は管中で極めて低い圧力を生み、ｉｉｉ）ローターへの抗力が低下しローターの効率が多少の割合だけ向上するように、外部真空ポンプが同一真空容量に接続されるものから選ばれる真空を補強する手段から成りうる。
［０００１５１］ 本発明に従ったラムジェット・エンジンの実施態様は、燃焼室が長期燃焼に適してその幅よりも最高千倍も長く、燃焼を取り除くと流れは燃焼室中でほぼ断熱的なベンチュリ流であり、温度エネルギーと運動エネルギーは不変であり、運動エネルギーから熱エネルギーへの変換および熱エネルギーの運動エネルギーへの変換はエネルギー損失ではないため、粘性加熱を理由に動作中に些少なエネルギー損失または効率を提供するために、熱損失から絶縁されている、燃焼室中での燃焼を延長する手段から成る。
［０００１５２］ 本発明に従ったラムジェット・エンジンの実施態様は、長い燃焼室は室を漸次的に上昇／下降する内部流量範囲から成り、当該燃焼室は動作中の燃料の追加に伴い、局所音速に向けて空気流または気体流を漸次的に上昇させ、空気または気体の最大温度を最高で約摂氏２７０度にまで低下させることができる、燃料／空気の一定比率を保ちつつ動作中に燃焼室中での亜音速流速で燃焼室中の最大温度を低下させる手段から成る。
［０００１５３］ 本発明に従ったラムジェット・エンジンの実施態様は、エンジンの作動気体として圧縮機、ラムジェット・エンジンおよび膨張機を通る空気の代わりに循環用の不活性ガスまたは非反応性気体を提供する手段、作動気体を加熱するために燃焼室への化学反応なく熱を放射、伝導または供給する手段、排ガスを入口に戻す前に大気温度近くまたはそれ以下の温度に排ガスを再循環・冷却させる手段、周囲大気よりも重い気体や随意により高い圧力を用いて出力を上昇させる手段から成り、加熱手段が太陽放射または外部燃焼過程または別の熱生成反応からの熱交換である、空気または燃料がなくとも定常ラムジェット・エンジンとして動作できるラムジェットから成りうる。
［０００１５４］ 定常または亜音速または超音速ラムジェット・エンジンもまた含まれ、これは圧縮機と膨張機を同一シャフト上に持たせて膨張機が圧縮機を駆動する手段から成り、圧縮機と膨張機のシャフトは軸上に配置され、中空軸部分の四つの端部全てで空気を流入・流出できるように分離され、各シャフトに伸びる軸上の小さな直径の中実シャフトで接続され、圧縮機シャフト内の放射状壁によって支えられ膨張機ローターの中間点近くの膨張機シャフトの中実部分で終るか、または圧縮機シャフトは中空ではないが圧縮機ローターの中間点近くを除いてより小さな直径であり、空気または気体はハウジングとシェル内部のシャフトの切断体積を通って流入されることができ、圧縮機シャフトは膨張機シャフトに伸び、膨張機ローターの中間点近くの膨張機シャフトの中実部分に接続されるか、またはシャフト壁を通って圧縮機ローター領域に通る半径方向の穴がない形で随意にはより低い外半径で圧縮機は膨張機のシャフト部分を共有し、空気または気体はハウジングとシェルを通るシャフト周囲の円形開口部を通って流入されることができ、膨張機は膨張機中空軸の両端部を通って流出できるか、または圧縮機と膨張機の両方が一つの中空軸上に存在しシャフトの中実部分がその流入・流出領域を分割する。
［０００１５５］ 定常または亜音速または超音速ラムジェット・エンジンもまた含まれ、圧縮機ローター上のシェルは空気または気体がハウジングに面するシェル側に流入できる半径での第一の開口部、より小さな半径で第二の開口部を構成する圧縮機ローター上のシェル側に面するハウジング、圧縮機ローター上で高い張力繊維束の巻線で支えられた多孔質素材または繊維マットが第一の開口部そしてシェルとシャフト間を充填し、ハウジングに向けて伸び、シャフトによって回転でき、圧縮機ローターと膨張機ローターのシャフトには完全に穴が突通され、膨張機の羽根体積からの半径方向通気は流量範囲において増加し、圧縮機の羽根体積への半径方向通気は存在せず、動作中に膨張機からの流れはシャフトの両端部を通って排気できる、動力を高める手段から成る。
［０００１５６］ 本発明に従った圧縮機および膨張機から成るエンジンもまた含まれ、これは圧縮強度が５６０，０００ ｐｓｉ、比重３．１の構造的圧縮素材から成る圧縮機ローターと、２２０，０００ ｐｓｉの降伏引張強度、比重４．６９を持つように熱処理されたＴｉ β−ＣＥＺ、および１２０００繊維束の高い引張強度束、最大引張強度８２７，０００ ｐｓｉ、比重１．７６の、または１２０００繊維束、最大引張強度８８７，０００ ｐｓｉ、比重１．８の、または最大引張強度８８５，０００ ｐｓｉ、比重１．７９の、または最大引張強度１，００２，０００ ｐｓｉから成るシャフトから成り、ここで圧縮機ローターと膨張機ローターは同一シャフト上にあり、半径方向通気はシャフト穴中の流れを膨張機ローターの羽根体積には接続するが圧縮機ローターには接続せず、圧縮機ローターへの流路を提供するために圧縮機領域のシャフト壁の一部分はシャフト穴への開口部なく切断され、圧縮機ローターのシェルと圧縮機近くのハウジングは両方とも、シェルよりも小さな穴がハウジング上にあるシャフト内およびその周囲の圧縮機ローター領域に軸流を流入させるためのシャフト周囲の開いた円形穴から成り、構造羽根はシェルよりも多少短く、ここで回転前に羽根は、羽根への１９０，０００ ｐｓｉ圧縮でシャフトから羽根の上を通ってシャフトに戻る巻線から成り、羽根外縁を覆うための羽根への５，０００ ｐｓｉ圧縮での円周的な巻線から成り、ここで外羽根縁は金属的に巻線に結合され、羽根外縁の半径と外側シェル半径の間で、ローターは繊維マット、金属メッシュ、または多孔質セラミックから製作されたフロースルーリングから成り、外側シェル半径から１００分の数インチ以内そしてシェルの間に配置され、環状の開いた空間分羽根から約０．００５〜０．１インチで分離され、ここでリングは巻線によってローターの上そしてシャフト周囲に所定位置に維持されるか、またはシェルをシャフトに保持する巻線によって所定位置に維持され、ここでリングは一秒当たり数百フィートでリングから空気または気体の放射状流を通過させることができ、繊維マットまたは多孔質素材がシャフトの外側の圧縮機シェルの開いた円形穴を充填し、ハウジングに向けて伸び、シャフトとローターによって回転し、動作中に圧縮機の流入空気または気体に回転速度を加速させることができ、ハウジングに面する圧縮機と膨張機のローターそれぞれのシェル表面は外側シェル半径から約1/2インチ以内の軸周辺での回転面であり、動作中に約０．０００２インチ〜０．００２インチの隙間がシェルとリングを分離するように、表面が一致し回転面に面して配置される表面を伴うリングはハウジングまたはハウジング内の別の素材に配置され、ここでマッハ速度でのローターの動作中に隙間と溝がより大きな半径へと空気または気体をポンプ注入してローター周囲での反対方向への流れを阻止するように、表面は随意に溝の付いた角度から成り、ここで膨張機側面の環はハウジング外側や近くでシャフト周囲に配置される随意の溝を伴う表面から成る隙間と円環という方法で真空にポンプ注入され、ここでローターを越えて超音速流において下流に向けられた管は反対面と同一平面であり、ハウジング内部の絶縁を通ってまたはハウジングもしくはハウジング内の別の素材を通って同一真空へと伸び、超音速流は管中で低圧を生み、圧縮機と膨張機の環状室はシャフト周囲で別々の旋回体積であり、各環状室の反対面は滑らかな表面から成り、随意には動作中に千分の数インチ分流れに伸びることができる小さな直径でのひげ状繊維という方法で境界層の形成を最小限に抑えるように処理され、動作中に、空気または気体はマッハＭの円周速度と低い視線速度で圧縮機を去り環状室へと渦巻状に流れ、失速して環状室内での半径で局所音速に達し、環状室内での半径を越えると局所亜音速に進み、絶縁において一回の渦巻旋回で環状室を去って絶縁内の通気口に達し、動作中に、空気または気体は通気口を進み、通気は短い距離で、通気口内で円形管に変わり、管は圧縮機の通気環状室の外半径周囲で半径方向に外向きの渦巻を描き、膨張機の環状室よりも大きな半径に進み、次に半径方向に内向きの渦巻を描いて膨張機を取り囲む環周囲の渦巻内向き領域へと入力通気口に接続し、動作中に、空気または気体は燃焼または蒸気の添加、または太陽からの熱伝導、または熱交換機により提供される外部燃焼、または粒子衝突、または別の熱生成反応により管中で加熱され、動作中に、膨張機への入力通気領域は流れが膨張機の入力に適切な速度を持たせ、入力通気口と渦巻における可動壁によって設定された渦巻形状を持たせ、次に環状室の最小半径からの出口ではマッハＭよりも高いローター円周速度に流速が一致する膨張機の環状室に流入させ、環状室内の滑らかな反対面は上記圧縮機の環状室と同様な処理が施され、構造羽根と存在する場合は外側被着、そして随意には追加の軽量羽根を通ってローターに流入して内向き渦巻を描かせ、最終的にはシャフト壁を通る穴に達して中空軸に流入させ、ここで、動作中に、中空軸においてシャフト中に固定され膨張機ローターの内側そして上記ローターを越えて中空軸の長さに伸びる平らな羽根により流れの回転が阻止され、ここで回転を阻止する平らな羽根は空気または気体がシャフトの二つの端部から最高局所音速で流出させる空気または気体の排気温度を上昇させ、シャフトはハウジングに取り付けられた空気軸受によって配置され、シャフトはジェネレーターの電源入力などの有益な機械的作用を行い、随意に排熱は燃料の予熱、建物の暖房または水の加熱に使用される、または熱作動する冷房システムに入力されるか、または装置をより有益なものにする別の加熱使用がある。
［０００１５７］ エンジンの実施態様はまた、超音速流に空気または気体を加速できる圧縮機、超音速流を受け取り亜音速に減速できる室、亜音速流を受け取り超音速に加速できる室、空気または気体を亜音速流に減速できる膨張機から成るエンジンを含み、ここで圧縮機ローターと膨張機ローターは一つのシャフト上にあり、半径方向通気はシャフトの膨張機部分にあるが圧縮機部分にはなく、ここで圧縮機ローターは圧縮強度５６０，０００ ｐｓｉおよび比重３．１の高い比圧縮強度素材であり、シャフトは２２，０００ ｐｓｉ降伏引張強度で比重 ４．６９となるように熱処理されたＴｉ β−ＣＥＺ、または繊維／金属合成または繊維／ポリマー合成、および高い引張強度束が１２０００繊維束、最大引張強度が７９０，０００ ｐｓｉ〜１，００２，０００ ｐｓｉ、比重が１．７６〜１．８の素材から製作されている。
［０００１５８］ エンジンおよび圧縮機の実施態様はまた、圧縮機がハウジングとシェル内部のシャフトの切断体積を通って空気または気体を圧縮機に流入させることができる装置を含み、および／または圧縮機には空気または気体が開口部を通って圧縮機へと通過させることのできる圧縮機のハウジング内およびシャフト周囲のハウジングに面するシェルに円形開口部があり、ここでハウジングの開口部はシェルの開口部よりも小さく、および／または構造羽根はシェルの半径よりも短く、シャフト向きに１９０，０００ ｐｓｉ圧縮、円周巻線からは５，０００ ｐｓｉ圧縮を提供する巻線があり、ここで羽根外縁は巻線に金属結合され、および／または羽根外縁の半径と外側シェル半径の間で、圧縮機ローターは繊維マット、金属メッシュ、または多孔質セラミックから製作されるフロースルーリングから成り、これは外側シェル半径の百分の数インチ以内そしてシェル間の空間に配置され、環状の開いた空間分だけ羽根から約０．００５〜０．１インチで分離され、ここでリングはローターの上そしてシャフト周囲への巻線によって所定位置に維持されるか、またはシェルをシャフトに保持する巻線によって所定位置に維持され、ここでリングは一秒当たり数百フィートでリングから空気または気体の放射状流を流入させることができ、および／または繊維マットまたは多孔質素材はシャフトの外側にある圧縮機シェル内の円形開口部を占拠し、ハウジングに向いて伸び、シャフトとローターによって回転し、圧縮機の動作中に流入空気または気体の回転速度を追加することができ、および／またはハウジングに面する圧縮機と膨張機のローターそれぞれのシェル上の表面は外側シェル半径の約１／２インチ以内の軸周辺での回転面であり、動作中に約０．０００２インチ〜０．００２インチの隙間がリングとシェルを分離するように表面が一致し回転面に面して配置される表面を伴うリングはハウジングまたはハウジング内の別の素材に配置され、ここでマッハ速度でのローターの動作中に隙間と溝がより大きな半径へと空気または気体をポンプ注入してローター周囲での反対方向への流れを阻止するように、表面は随意に溝の付いた角度から成り、ここで膨張機の環はハウジング外側や近くでシャフト周囲に配置される随意の溝を伴う表面から成る隙間と円環という方法で真空にポンプ注入され、ここでローターを越えて超音速流において下流に向けられた管は反対面と同一平面であり、ハウジング内部の絶縁を通ってまたはハウジングもしくはハウジング内の別の素材を通って同一真空へと伸び、超音速流は管中で低圧を生み、および／または圧縮機と膨張機の環状流室はシャフト周囲で別々の旋回体積であり、各環の反対面は動作中に千分の数インチ分流れの中に伸びることができる直径約４〜６ミクロンのひげ状繊維から成り、および／または動作中に、空気または気体はマッハＭの円周速度と低い視線速度で圧縮機を去り環状室へと渦巻状に流れ、失速して環状室内での半径で局所音速に達し、環状室内での半径を越えると局所亜音速に進み、絶縁において一回の渦巻旋回で環状室を去って絶縁内の通気口に達し、および／または動作中に、空気または気体は通気口を進み、通気は短い距離で、通気口内で円形管に変わり、管は圧縮機の外半径周囲で半径方向に外向きの渦巻を描き、膨張機周囲の半径に進み、次に半径方向に内向きの渦巻を描いて膨張機を取り囲む環周囲の渦巻内向き領域へと入力通気口に接続する。
［０００１５９］ 本発明の目標には、自動車からジェット、プロペラ航空機から発電までのあらゆるエンジン用途における燃料使用の節約、およびＣＯ２排出の生産削減、およびタービン様のエンジンの費用の大幅削減が含まれる。効率の改善は、自動的に燃料使用を低減する。効率を二倍にすることで燃料の使用は半分になる。効率を三倍にすると燃料使用は２／３低減する。今日、石炭燃焼工場は一メガワット電力時間当たりピーク効率で２０００ポンドものＣＯ２を生んでいる。天然ガスで走行する動力ガスタービンの効率を二倍にすると、ＣＯ２生産は石炭と比較して一メガワット時間当たりエンジンは１４５０ポンドの削減となり、建物で使用する天然ガスに替わってエンジン生成熱が建物の暖房に使用される場合、ＣＯ２の減少は一メガワット時間当たり１６３３ポンドとなり、石炭燃焼による電力から得られるＣＯ２の８２％にあたる。一年間において、熱併給のある一メガワットの天然ガス発電機は、石炭の使用を相殺することで、１４，３０５，０８０ポンドものＣＯ２の大気中への放出を防止することができる。エンジンの費用を理由に自動車でのエンジンの使用が実用的になるが、ガスタービンは費用が高いため、ガスタービンは自動車エンジン平均の効率を大幅に高める思われるものの過去においてガスタービンでは達成されてこなかった点である。本発明には、端から端まで開かれた連続的流れ、それゆえタービン様の回転エンジンが含まれるが、伝統的なタービンではない。特に、いかなる場合でもエンジン中の空気または気体で必ずしも乱流が高まるのではなく、事実、生み出されうる乱流を設計によって減少することができる。乱流の減少は、より高い効率を達成しうる基準の一つである。
［０００１６０］ 本発明は、さまざまな特徴を持つ特定の実施態様に関して記載されている。当該分野の当業者にとっては、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、さまざまな修正および変形を本発明の実践に行えることが明らかであろう。当該分野の当業者であれば、任意の用途または設計の要件および仕様に基づきこれらの特徴は単一または組み合わせて使用できることを認識できるであろう。当該分野の当業者にとっては、本発明の仕様および実践を検討することから、別の本発明の実施態様が明らかであろう。本発明の記載内容は、例示的な性質を提供するに過ぎず、それゆえ、本発明の真髄から逸脱しない変形も本発明の範囲内に入ることが意図される。] 図１ 図１０ 図１１ 図２ 図３ 図４ 図５ 図６ 図７ 図８
[0007] １圧縮機の軸
２ 圧縮機からの超音速流
３ デラバルノズル-超音速から亜音速への変換機
４ 熱付加された亜音速流／燃焼室
５ デラバルノズル - 亜音速から超音速への変換機
６膨張機への超音速流
７ 反圧縮機／膨張機の軸
８渦巻内向き流
９放射状経路
１０放射状羽根
１１ 膨張機の放射状経路
１２ 圧縮機の放射状経路
１３ 圧縮機の放射状羽根
１４ 放射状経路
１５ 渦巻外向き流
２０燃料または蒸気供給
２１ 燃料または蒸気供給の圧力壁
２２ 燃料または蒸気管
２３ 熱の圧力壁との伝熱接触
２４ 開始時の渦巻経路
２５ 燃料または蒸気吸気ライン
２６熱絶縁
２７渦巻流経路の終り
２８羽根外縁に巻装された繊維
２９ 羽根に巻装された繊維
３０シェルに巻装された繊維
３１圧力容器壁の運動用シール表面
３２ 運動用シールの外向き放射状流
３３ 運動用シール円環
３４空気軸受
３５排気口での空気流／気体流の経路
３６ 穴と穴の間のシャフト壁
３７シャフト内の排気経路
３８ 排気口向き中空軸
３９ シャフトの壁
４０軸受内のシャフト
４１ 空気軸受
４２ 空気軸受への加圧吸気
４３ シャフトに取り付けられた運動用シール円環
４４ 膨張機の羽根
４５ 膨張機ローターに超音速流を送るための環
４６周方向流経路の移行領域
４７ 亜音速流経路
４８高圧圧縮空気排気
４９ 圧縮機からの亜音速流
５０ 領域超音速から亜音速流への移行
５１ 超音速の周方向流
５２ 羽根外縁
５３ 羽根
５４ 軸受への圧縮空気流管
５５ジェネレーター／モーターへのワイヤラップ
５６ ジェネレーターの強磁性板
５７ ジェネレーター上の炭素繊維巻装
５８図２には非表示
５９永久磁石のＮ極
６０ 永久磁石のＳ極
６１ 空気軸受
６２ シャフト内の空気流入経路
６３ シャフト内のブリッジ
６４ 中空軸空気吸気
６５ 運動用シール円環
６６ シャフト空気軸受
６７ 空気軸受
６８ 膨張機ローターシェル壁
６９圧縮機ローターシェル壁
７０内部シャフト壁
７１環状ノズル入口
７２回転シェルの外にある環状真空領域
７９ 超音速周方向流
８０ 圧力容器壁
８１ 熱絶縁
８２ 環縁
８３ 環を越えた通気口への外向き渦巻
８４ シャフトＩＤにおける流れ開口部
８５ 圧縮機のシャフト
８６ 羽根
８７ 羽根への炭素繊維の周方向被着
８８排気管に移行する周方向流経路
８９ 圧縮機ローターシェル外半径
９０ 羽根への放射状の被着
９１ 空気軸受への圧縮気体
９２ 燃料および／または蒸気管
９３ シャフト内の穴間のブリッジ
９４ シャフトの中空
９５ 亜音速渦巻流の減速
９６ シャフト壁開口部を通る放射状流
９７ ローターの放射状経路における放射状流
９８ 放射状の圧縮機の回転方向
９９ 大きな半径での局所的な亜音速周方向流
１００ 圧力容器壁
１０１ 熱絶縁
１０２ 環の外側の渦巻形
１０３ 羽根に周方向に被着された炭素繊維
１０４ ローターシェルの外半径
１０５ 羽根に半径方向に被着された炭素繊維
１０６ 羽根
１０７ 渦巻流通気口の入口
１０８ シャフト壁を通る流路
１０９ シャフトＩＤ内の開口部
１１０ 空気軸受への圧縮空気／気体
１１１ シャフト内の穴間のブリッジ
１１２ 中空軸穴
１１３羽根間の経路の放射状流
１１４シャフト開口部を通る放射状流
１１５ 超音速周方向流
１１６ 亜音速周方向流
１１７ 羽根およびローターの回転方向
１１８ 亜音速の渦巻流の入口環
１２０ 圧力容器壁
１２１ 超音速経路の排気
１２２ 膨張機の羽根先端
１２３ 羽根に放射状に巻装された炭素繊維
１２４ 羽根
１２５ ローターシェルに被着された炭素繊維
１２６ 円環運動用シール
１２７ シャフト排気流内の経路
１２８ 排気流のシャフトＩＤ内の開口部
１２９ 中空軸排気口
１３０ 経路間のシャフト内壁
１３１ 運動用シールの円環
１３２ ローターシェル
１３３ 熱絶縁
１３４ 羽根外縁
１３５ ローターシェルへの炭素繊維の巻線
１３６ 羽根への炭素繊維の放射状の巻線
１３７ 羽根
１３８ 円環運動用シール
１３９ シャフト内壁
１４０ 圧縮機へのシャフト内の開口部
１４１シャフト軸
１４２ シャフト内のブリッジ
１４３ シャフト内の流路
１４４ シャフト壁
１４５運動円環シール
１４６ 運動用シール内の流路
１４７ 運動用シール内の圧力容器壁
１４８ ローターシェル
１４９ハウジングとシェル間の環
１５０狭小化する経路
１５１ 圧縮機の超音速流環
１５２ローターシールリング
１５３ローター周囲の環状の真空領域
１７０シャフト穴
１７１ シャフト壁
１７２ シャフト運動用シールへの円環
１７３ 運動用シール内の流路
１７４ 運動用シール内のハウジング壁
１７５圧力容器
１７６ 圧縮機の超音速環
１７７絶縁
１７８ 膨張機の超音速環
１７９ 膨張機の流入範囲
１８０ 膨張機ローター縁での多孔質リング
１８１ 羽根内または羽根上の炭素繊維
１８２ 羽根内の充填素材
１８３ シャフトへの運動用シール円環
１８４ シャフトを通る経路
１８５ シャフトＩＤにおける開口部
１８６ 経路間のシャフト壁
１８７ 中空軸の排気口
１８８ ローターの外にある低圧環
１８９ 圧縮機からの渦巻外向き流
１９０ 圧縮機ローターからの環状流領域
１９１ ローター縁での多孔質リング
１９２ 炭素繊維および充填材から製作されたローターシェル
１９３ 羽根の炭素繊維
１９４ 羽根の充填材
１９５ 空気／気体の中空軸内の開口部
１９６ 流入と流出を分離する壁
２５０ 空気軸受
２５１ 空気／気体の流入
２５２ 圧力容器およびローター間の隙間
２５３ 羽根に到達する前に空気／気体に回転を追加する素材
２５４ ローターシェル
２５５ ローターシールリング
２５６ 熱絶縁
２５７ 圧力容器壁
２５８ 通気口に向かう渦巻気体
２５９気体経路への加熱領域
２６０ 膨張機への高温気体通気口
２６１ 壁隙間の素材
２６２ 膨張機上のローターシェル
２６３ シャフト内の穴間の壁
２６４ 壁隙間および真空領域および運動気体シール
２６５ 空気軸受
２６６強磁性コアおよび銅線
２６７ シャフトに被着された永久磁石
２６８ シャフト
２６９ シャフト中空の排気流
２７０排ガス流
２７１ シャフト穴を通る排ガス流れ
２７２ 羽根
２７３ 羽根上の放射状流
２７４環状空洞における羽根への超音速流
２７５ 亜音速流から超音速流への移行
２７６ 環内の亜音速流
２７７ 環の空洞壁
２７８ 圧縮機の環状空洞壁
２７９ 環状空洞における亜音速流
２８０ 亜音速から超音速への移行
２８１ 超音速流
２８２ 放射状の円環壁− シェル
２８３ 放射状の円環壁 − シェル
２８４ 圧縮機の羽根
２８５ 羽根に対する放射状流
２８６ 排ガス流
２８７ 流路を持つ多孔質リング
２８８ 炭素繊維の被着
２８９ 炭素繊維の被着
２９０ 流路のある多孔質リング
２９１燃料源
２９２ 空気／気体線
２９３ ローターシールリング
３００ 圧縮機の環状流経路の壁から突出した繊維
３０１ 熱絶縁
３０２ 反圧縮機の環状流経路の壁から突出した繊維
３０３ 反圧縮機の環状流経路の超音速流領域
３０４ 反圧縮機の多孔質リング
３０５ 圧縮機の多孔質リング
３０６ 圧縮機の羽根
３０７圧縮機周囲の環状経路の超音速流領域
３０８ 圧縮機周囲の環状経路の亜音速流領域] 図２

权利要求:

請求項1
入力空気または気体絶対温度の１．５〜１０倍の淀み点温度を持つ空気または気体の局所的な亜音速流を生むための閉塞領域のない装置で、空気または気体を局所的な超音速の流れへと加速できる閉塞領域のないローターと、閉塞領域なしで局所的な超音速流を受け取り局所的な亜音速へと減速し、閉塞領域のない通気口を通って流れを出力できる室から成る圧縮機から成る装置。
請求項2
請求項１に記載の装置において、・ローターが約２０００フィート／秒〜最高約５４００フィート／秒の表面速度で持続的に回転でき、ローターのおよそ表面速度にまで空気流または気体流を加速できる、装置。
請求項3
請求項２に記載の装置において、回転軸の中心にある高い比引張降伏強度素材で製作されたシャフト、高い比引張強度繊維束によりシャフトに操作可能に接続された高い比圧縮強度素材で製作された構造羽根およびローターからさらに成る、装置。
請求項4
請求項３に記載の装置において、約５０，０００ｐｓｉ〜約５００，０００ｐｓｉの圧縮下で、停止時に構造羽根が操作可能にシャフトに接続されている、装置。
請求項5
請求項３に記載の装置において、金属またはセラミックで被覆または浸透されることで結合または密着した柔軟性のあるシートまたは剛性の固体が形成される、高い比引張強度繊維束から成る、装置。
請求項6
請求項３に記載の装置において、高い比引張強度繊維束がナノチューブ合成繊維、炭素繊維、ガラス繊維、金属およびセラミック繊維、セラミック繊維、およびポリマー繊維の少なくとも一つ、またはその組み合わせから成る、装置。
請求項7
請求項３に記載の装置において、高い比圧縮強度素材がα型炭化ケイ素、炭化ホウ素、セラミック、ダイヤモンド状素材、金属、およびポリマーの少なくとも一つ、またはその組み合わせから成る、装置。
請求項8
請求項３に記載の装置において、高い比引張降伏強度シャフト素材がダイヤモンド状素材で被覆された炭素繊維で巻装されたα型炭化ケイ素、シャフト軸上の撚りにより加工された鋼鉄、最大引張降伏強度のために処理されたチタン合金熱、および金属またはセラミックまたはポリマーの少なくとも一つ、またはその組み合わせから成る、装置。
請求項9
請求項３に記載の装置において、回転軸と構造羽根間のローターの半径方向通気の中心にある軸中空または穴を持つシャフトで、中空または穴および半径方向通気が圧縮機に入る空気または気体の通路を提供でき、シャフトから外向きに伸びる構造羽根の反対側の縁と操作可能に接続された複数のシェルで、当該シェルは構造羽根間の空気または気体に抑制することができ、シャフトおよびローターの少なくとも一部分の熱絶縁されたハウジングが構造羽根とシェルの間からの局所的に超音速空気流または気体流を受け取ることができ、閉塞領域なしで流れを局所的な亜音速に修正できるローターの少なくとも一部分を取り囲む環と、局所的な亜音速流を環から受け取ることができ、当該室が渦巻室内で空気または気体に抑制できる外向き渦巻壁と反対側の上下内表面を持つ渦巻室である室から成り、当該渦巻室は流れを通気口へと誘導できる、装置。
請求項10
請求項９に記載の装置において、室温空気から約１０：１〜約９２：１の範囲で圧縮比を生む能力がある、装置。
請求項11
請求項１０に記載の装置において、流れと回転が逆転すると膨張機として動作できる、装置。
請求項12
請求項９に記載の装置において、環の反対側の内表面が動作中に軸からの距離と反比例した円周速度を持つ滑らかな流れを生む形状をしており、動作中に、局所的な超音速流が環内で局所的な亜音速に修正され、環には閉塞領域がないように環の外径が選択される、装置。
請求項13
請求項９に記載の装置において、流れの自然な渦巻形状に沿って放射状流を制限するために渦巻壁から移動されうる、環周囲の渦巻室の渦巻壁内部に位置する調整可能なストリップまたはベルトからさらに成る、装置。
請求項14
局所的な超音速出力を伴い、定常または亜音速ラムジェット・エンジンとして動作できるラムジェット・エンジンで、請求項１に記載の装置と、部分的な入力デラバルノズルが高速流量範囲と閉塞領域がないように構成された、局所的な亜音速流を通気から受け取るための部分的な入力デラバルノズルと、入力デラバルノズルから流れを受け取るための燃焼室から成るラムジェット・エンジン。
請求項15
請求項１４に記載のラムジェット・エンジンであって、部分的な出力デラバルノズルが閉塞領域とより高速領域がないように構成された、局所的な亜音速空気または気体を燃焼室から受け取ることができ、局所的な亜音速で膨張機通気口に流入させるために流れを加速できる部分的な出力デラバルノズルから成り、膨張機通気口は、閉塞領域なしで局所的な亜音速流を受け取り、閉塞領域なしで局所的に超音速に加速することができる環に流れを誘導できる室に流れを注入し、環は閉塞領域がなく低下した温度で局所的な超音速流を局所的な亜音速に減速する膨張機ローターに流れを誘導でき、ローターによる燃焼生成物から排除された高エネルギーによって荷重を駆動できる膨張機シャフトから成る、ラムジェット・エンジン。
請求項16
請求項１５に記載のラムジェット・エンジンであって、圧縮機、ラムジェット、および膨張機には一つのハウジングを形成するためにしっかり固定されうるハウジングがある、ラムジェット・エンジン。
請求項17
請求項１５に記載のラムジェット・エンジンであっって、圧縮機、ラムジェット、および膨張機には共通のフレームに取り付けられる能力のあるハウジングがある、ラムジェット・エンジン。
請求項18
請求項９に記載の装置であって、羽根の羽根外縁の半径を越えてローターに配置され操作可能に接続される円環で、動作中に空気流または気体流が構造羽根の間を通過してリングを流入できるように、繊維マット、多孔質素材、または金属メッシュの少なくとも一つから構成され、小さな流路から成る円環と、羽根外縁の半径とリングの間にあるローター内部の環状空間から成る、装置。
請求項19
請求項９に記載の装置であって、羽根外縁周囲に周方向に巻装された炭素繊維で、当該巻装はローターに対して亜音速放射状の空気流または気体流が羽根から環に流れるようにさせる能力を持つ、装置。
請求項20
請求項９に記載の装置であって、さらなる羽根が構造羽根の間のシャフトに取り付けられ、結合されたシートを形成するために金属またはセラミックで押し付けおよび被覆または浸透されたＰＡＮ炭素繊維束から成る、装置。