經由超音速離心泵泵送氣態物質的方法
2023-06-05 11:01:41 1
專利名稱：經由超音速離心泵泵送氣態物質的方法
技術領域：
本發明涉及用於壓縮或排空氣態物質的迴轉式泵。更特別地，本 發明涉及在使迴轉式泵以超音速排出氣態物質的方式下旋轉驅動迴轉
式泵。
背景技術：
採用離心泵壓縮氣態物質已為人們所知曉。這種泵典型地包括轉 子或葉輪，所述轉子或葉輪以在與轉子接觸或包含於轉子內的氣態物 質上產生離心力的方式圍繞著軸線旋轉。作用在氣態物質上的離心力
形成可用於排空或壓縮氣態物質的壓差。
離心泵的轉子典型地包括多個位於轉子葉片之間或者位於轉子內 的沿徑向定向的氣體通道或螺旋式氣體通道。在具有螺旋式氣體通道
的轉子上，隨著氣體通道延伸遠離所述旋轉軸線，所述螺旋典型地沿 著與轉子旋轉的方向相反的方向渦旋。
高壓力比的泵(諸如能產生超過4的壓力比的泵)典型地包括多 個串聯(多級)運行的轉子或者採用活塞式泵代替離心轉子。多轉子 的採用使得多級壓縮機在成本及維護上大於單級壓縮機。對於要求穩 態操作的場合而言，活塞式泵通常並不合適。
發明內容
本發明涉及單級離心泵，其能產生超過2的穩態壓力比，且優選。 在本發明的一個方面，提供了一種泵送氣態物質的方法，包括如 下步驟提供泵轉子，所述泵轉子具有中心軸線、進氣口、排氣口以 及氣體通道。所述氣體通道操作性地將所述進氣口連接於所述排氣口。 所述排氣口比所述進氣口在徑向上更加遠離所述中心軸線。所述方法
6還包括步驟提供定子，所述定子具有與所述泵轉子的所述排氣口氣 體連通的腔室。所述方法還包括步驟相對於所述定子驅動所述泵轉 子繞著所述中心軸線旋轉，使氣態物質經由所述進氣口進入所述泵轉 子的所述氣體通道、獲得能量、並徑向移動遠離所述中心軸線、且從 所述排氣口中排出而進入到所述定子的所述腔室中。所述氣態物質在 排出所述排氣口時相對於所述定子具有超音速。
在本發明的另一個方面，提供了一種泵送氣態物質的方法，包括 如下步驟提供泵轉子，所述泵轉子具有中心軸線、進氣口、排氣口 以及氣體通道。所述氣體通道操作性地將所述進氣口連接於所述排氣 口。所述排氣口比所述進氣口在徑向上更加遠離所述中心軸線。所述 方法還包括如下步驟提供定子，所述定子具有與所述泵轉子的所述 排氣口氣體連通的腔室。所述方法還包括如下步驟相對於所述定子 驅動所述泵轉子繞著所述中心軸線旋轉，使氣態物質經由所述進氣口 進入所述泵轉子的所述氣體通道、獲得能量、並徑向移動遠離所述中 心軸線、且從所述排氣口中排出而進入到所述定子的所述腔室中。旋 轉驅動所述泵轉子還使所述排氣口相對於所述定子沿著前進方向圍繞 著所述中心軸線周向移動，所述氣態物質從所述排氣口中排出且相對 於所述排氣口具有在所述前進方向上的速度分量。
在本發明的又一方面， 一種泵送氣態物質的方法，包括如下步驟 提供泵轉子，所述泵轉子具有中心軸線、進氣口、排氣口以及氣體通 道。所述氣體通道操作性地將所述進氣口連接於所述排氣口。所述排 氣口比所述進氣口在徑向上更加遠離所述中心軸線。所述方法還包括 如下步驟驅動所述泵轉子圍繞所述中心軸線旋轉，使氣態物質經由 所述進氣口進入所述泵轉子的所述氣體通道、獲得能量、並徑向移動 遠離所述中心軸線、且從所述排氣口中排出。旋轉驅動所述泵轉子還 使所述排氣口沿著前進方向圍繞著所述中心軸線周向移動，所述氣態 物質從所述排氣口中排出且相對於所述排氣口具有在所述前進方向上 的速度分量。
儘管上面已經說明了本發明的主要優點和特徵，但是通過下面參照優選實施方式的附圖和詳細說明，可獲得對本發明的更完整和徹底 的理解。
圖l是根據本發明的泵的轉子組件的優選實施方式的立體圖。
圖2是圖1所示的轉子組件從與旋轉軸線平行的視線所看到的視圖。
圖3是圖l和圖2所示的轉子組件的後部的立體圖，所述後部帶 有定位於其上的一些噴嘴，這些噴嘴中的一個噴嘴以剖面示出。 圖4為圖3所示對象從與旋轉軸線平行的視線所看到的視圖。 圖5是圖4所示的剖視噴嘴的詳細視圖。
圖6是結合有根據本發明的泵的迴轉式熱力發動機組件從與旋轉 軸線相垂直的視線所看到的示意圖。
書面說明書中的附圖標記表示在整個附圖中示出的相應部件。
具體實施例方式
圖1示出了轉子10，轉子10形成了根據本發明的離心泵的至少 一部分。轉子IO適於圍繞軸線A-A旋轉且包括進氣口 12，進氣口 12 優選地為圓形並優選地沿軸線A-A方向定向。轉子10還包括多個圍 繞軸線A-A周向間隔開的排氣口 14。各排氣口 14均經由氣體通道16 操作性地連接於進氣口 12。出於製造的目的，轉子10優選地由兩個 主要部分(前部18和後部20)和多個可拆卸的噴嘴21形成。優選地， 各氣體通道16的一半形成於轉子10的前部18中，而另一半形成於後 部20中。各氣體通道16延伸穿過相應的一個噴嘴21。噴嘴21優選 地形成排氣口 14。
圖3和圖4為轉子的後部的視圖，所述後部帶有一些定位於其上 的噴嘴而且這些噴嘴中的一個噴嘴以剖面視圖示出(其詳細示出在圖 5中)。如圖4中明顯示出的，各氣體通道16操作性地連接於進氣室 22。進氣室22優選地大體為柱形，且直接與進氣口12連通。各氣體通道16從進氣室22徑向延伸遠離軸線A-A並朝相應的一個排氣口 14 延伸。在各氣體通道16延伸遠離軸線A-A時，各進氣通道16同時優 選地沿著在轉子10的旋轉方向R (參見圖4)上轉向的路徑彎曲。優 選地，在轉向之後，各氣體通道16延伸穿過一個可拆卸的噴嘴21。 各排氣口 14定向並構造成將來自氣體通道16的提供推力的物質同時 沿著徑向向外的方向以及轉子10的旋轉方向R上的周向排出。
各氣體通道16優選地包括匯聚區24和發散區26，所述匯聚區24 和發散區26優選地由所述噴嘴形成。發散區26位於相應的排氣口 14 和匯聚區24之間。各氣體通道16的在匯聚區24內的橫截面面積隨著 其朝發散區26延伸而減小。相反，各氣體通道16的在發散區26內的 橫截面面積隨著其從匯聚區24的端部朝相應排氣口 14延伸而增加。 各氣體通道16的最窄部分優選地位於各氣體通道16的匯聚區24和發 散區26之間(即，在噴嘴21內的喉部處)、且該最窄部分的面積優 選地最多為該氣體通道的最寬部分的面積的一半。然而，該比例可以 通過採用具有更大或更小喉部面積的噴嘴來替換所述噴嘴而進行調 整。如圖5中最清楚示出的，噴嘴21優選地非對稱，從而各氣體通道 16沿著與其在噴嘴上遊的彎曲方向相反的方向稍微彎曲。這使得從各 排氣口 14出來的氣流中心接近於該排氣口的中心，以順暢地將氣態物 質從排氣口 14排出。
在使用時，轉子10如圖3所示繞著軸線A-A沿著方向R被旋轉 驅動。轉子IO可直接或間接地由電動馬達、內燃發動機、迴轉式熱力 發動機、蒸汽輪機、液壓馬達、氣動馬達或任何其它能將扭矩施加到 轉子上的裝置來驅動。隨著轉子10旋轉，所述轉子的氣體通道16內 的氣態物質經受離心力並由此徑向移動遠離軸線A-A。結果，強制地 將氣態物質經由排氣口 14而排出到轉子IO之外，且經由進氣口 12 將另外的氣態物質抽吸到進氣室22中。假定排氣口 14處的總壓力與 進氣口 12處的總壓力之間的比為常數且轉子10的旋轉速度為常數， 則這將產生從所述進氣口處的較低壓力到所述排氣口處的較高壓力的 氣態物質流動的穩定狀態。優選地，轉子10被驅動的旋轉速度足夠高，以加速氣體通道16 內的氣態物質，使得氣態物質在接近氣體通道16的匯聚區24時達到 比1.0馬赫稍低的速度。這樣，當氣態物質經過氣體通道16的匯聚區 24時，氣態物質進一步加速，且優選地在進入氣體通道的發散區26 時達到超音速，由此在所述發散區內進一步加速。因此，氣態物質相 對於轉子優選地以超音速從轉子10的所述多個排氣口 14中排出。如 上所述，噴嘴21優選地為可拆卸的且可由具有更小或更大喉部面積的 類似噴嘴來替換。這使氣態物質的排出速度能得以控制，以適應各種 進氣壓力、背壓、以及被排放的氣態物質的性能等。
圖6示出了用作壓縮機並用作迴轉式熱力發動機50的部件的轉子 10。所述迴轉式熱力發動機優選地為於2006年1月3日遞交的題為"回 轉式熱力發動才幾(Rotary Heat Engine)"的美國專利申請US 11/324,604或者於2001年8月20日遞交的題為"迴轉式熱力發動機 (Rotary Heat Engine )"的美國專利US 6，668，539所披露的類型, 這兩篇文獻在此通過援引而整個併入本文。如所描述的，轉子10起到 的作用是在空氣與燃料混合併用於燃燒來產生熱以驅動發動機轉子 52旋轉之前壓縮空氣。優選地，離心泵的轉子10固定地連接於發動 機轉子52，從而離心泵的轉子與發動機轉子一起旋轉並由發動機轉子 來驅動。定子54包圍離心泵的轉子10，且包括與轉子的排氣口 14直 接連通且恆定氣體連通的內腔室56。熱力發動機50外部環境的空氣 被抽吸到轉子10中並如上所述從轉子的排氣口 14中排出。定子54 的內腔室56優選地用作擴散器，由此使排出的氣體降低至亞音速並使 其靜壓力增加。然後，所述亞音速空氣通過管道58流向發動機轉子 52的進氣口。
應該理解的是，為了使從轉子10中排出的氣態物質相對於定子 54具有超音速，並非一定要使從轉子10中排出的氣態物質相對轉子 具有超音速。這是因為氣態物質在旋轉方向上排出，因此相對於定子 54的速度等於從轉子IO的排出速度和排氣口 14相對於定子的速度之 和。這樣，為了使排出的氣態物質相對於定子54具有超音速的排出速度，轉子10的氣體通道16不必一定要包括匯聚區24和發散區26。
雖然根據前面的內容已參照具體實施方式
說明了本發明，但是應 該理解的是，在上述說明書中所包含的或者在隨附附圖中所示的所有 內容都應為解釋為示範性的而非限制性的；而且應該理解的是，在不 脫離隨附權利要求所限定的本發明範圍的情況下，可對本發明進行各 種修改和變型。例如，當轉子用作與壓縮機相反的真空泵時，轉子的 排氣口 16無需排氣到定子的任何腔室中，而是可以直接排放到大氣 中。由此，應該意識到其它可能的變型和修改。
此外，應該理解的是，當在權利要求書中或者在本發明優選實施 方式的上述說明中引入本發明的元件時，術語"包括"、"包含"、
"具有，，是開放式的，意味著除了所列元件之外還可能存在有其它元 件。另外，術語"部分"應該解釋為指的是物品或元件的滿足要求的 局部或全部。此外，諸如第一、第二、第三之類的區別詞彙的釆用不 應解釋為在所限定對象之間具有任何相對位置或時間順序。再有，在
按照此順序來進行，除非這些步驟本質上必須以這種順序來執行。
權利要求
1.一種泵送氣態物質的方法，包括提供泵轉子，所述泵轉子具有中心軸線、進氣口、排氣口以及氣體通道，所述氣體通道操作性地將所述進氣口連接於所述排氣口，所述排氣口比所述進氣口在徑向上更加遠離所述中心軸線；提供定子，所述定子具有與所述泵轉子的所述排氣口氣體連通的腔室；以及相對於所述定子以如下方式圍繞所述中心軸線旋轉驅動所述泵轉子，即使氣態物質經由所述進氣口進入所述泵轉子的所述氣體通道、獲得能量、並徑向移動遠離所述中心軸線、且從所述排氣口中排出而進入到所述定子的所述腔室中，所述氣態物質在排出所述排氣口時相對於所述定子具有超音速。
2. 根據權利要求l所述的方法，其中，圍繞所述中心軸線旋轉驅 動所述泵轉子的步驟以如下方式進行，即所述排氣口相對於所述定 子沿著前進方向圍繞著所述中心軸線周向移動，所述氣態物質從所述 排氣口中排出且相對於所述排氣口具有在所述前進方向上的速度分
3. 根據權利要求l所述的方法，其中，所述氣態物質在排出所述 排氣口時相對於所述排氣口具有亞音速。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中，當所述氣態物質從所述進 氣口向所述排氣口移動時，所述氣態物質在所述氣體通道內匯聚。
5. 根據權利要求l所述的方法，其中，當所述氣態物質從所述進 氣口向所述排氣口移動時，所述氣態物質在所述氣體通道內匯聚並隨 後發散。
6. 根據權利要求l所述的方法，其中，所述泵轉子包括多個排氣 口，各排氣口操作性地連接於所述進氣口並與所述定子的所述腔室氣 體連通，且各排氣口均比所述進氣口在徑向上更加遠離所述中心軸線。
7. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述氣態物質在其進入所述進氣口時具有一總絕對壓力，並且在其排出所述排氣口時具有一總 絕對壓力，所述氣態物質在其排出所述排氣口時的總絕對壓力至少兩 倍於所述氣態物質在其進入所述進氣口時的總絕對壓力。
8. 根據權利要求6所述的方法，其中，所述氣態物質在其進入所 述進氣口時具有一總絕對壓力，並且在其排出所述排氣口時具有一總 絕對壓力，所述氣態物質在其排出所述排氣口時的總絕對壓力至少四 倍於所述氣態物質在其進入所述進氣口時的總絕對壓力。
9. 根據權利要求1所述的方法，還包括如下步驟使所述氣態物 質在所述定子內相對於所述定子降速至亞音速。
10. 根據權利要求1所述的方法，還包括如下步驟通過從具有生機械能來操;所i:轉式熱力發動機；、並且，旋轉驅動所述泵轉子的步驟直接由所述機械能來實現。
11. 根據權利要求9所述的方法，其中，所述發動機轉子和所述 泵轉子以所述發動機轉子和所述泵轉子相對彼此位置固定的方式而直 接彼此連接。
12. —種泵送氣態物質的方法，包括提供泵轉子，所述泵轉子具有中心軸線、進氣口、排氣口以及氣體通道，所述氣體通道操作性地將所述進氣口連接於所述排氣口，所 述排氣口比所述進氣口在徑向上更加遠離所述中心軸線；提供定子，所述定子具有與所述泵轉子的所述排氣口氣體連通的 腔室；以及相對於所述定子以如下方式圍繞所述中心軸線旋轉驅動所述泵轉 子，即使氣態物質經由所述進氣口進入所述泵轉子的所述氣體通道、 獲得能量、並徑向移動遠離所述中心軸線、且從所述排氣口中排出而 進入到所述定子的所述腔室中，並且使所述排氣口相對於所述定子沿 著前進方向圍繞著所述中心軸線周向移動，所述氣態物質從所述排氣 口中排出且相對於所述排氣口具有在所述前進方向上的速度分量。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中，所述氣態物質在排出所述排氣口時相對於所述排氣口具有亞音速而相對於所述定子具有超音 速。
14. 根據權利要求12所述的方法，其中，所述氣態物質在其進入 所述進氣口時具有一總絕對壓力，並且在其排出所述排氣口時具有一 總絕對壓力，所述氣態物質在其排出所述排氣口時的總絕對壓力至少 兩倍於所述氣態物質在其進入所述進氣口時的總絕對壓力。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中，所述氣態物質在其進入 所述進氣口時具有一總絕對壓力，並且在其排出所述排氣口時具有一 總絕對壓力，所述氣態物質在其排出所述排氣口時的總絕對壓力至少 四倍於所述氣態物質在其進入所述進氣口時的總絕對壓力。
16. 根據權利要求12所述的方法，其中，當所述氣態物質從所述 進氣口向所述排氣口移動時，所述氣態物質在所述氣體通道內匯聚。
17. 根據權利要求12所述的方法，其中，當所述氣態物質從所述 進氣口向所述排氣口移動時，所述氣態物質在所述氣體通道內匯聚並 隨後發散。
18. 根據權利要求12所述的方法，還包括如下步驟通過從具有生機械能來操作所述迴轉式熱力發動機；並且，旋轉驅動所述泵轉子 的步驟直接由所述機械能來產生。
19. 根據權利要求18所述的方法，其中，所述發動機轉子和所述 泵轉子以所述發動機轉子和所述泵轉子相對彼此位置固定的方式而直 接彼此連接。
20. 根據權利要求12所述的方法，其中，所述泵轉子包括多個排 氣口，各排氣口操作性地連接於所述進氣口並與所述定子的所述腔室 氣體連通，且各排氣口均比所述進氣口在徑向上更加遠離所述中心軸 線。
21. —種泵送氣態物質的方法，包括提供泵轉子，所述泵轉子具有中心軸線、進氣口、排氣口以及氣 體通道，所述氣體通道操作性地將所述進氣口連接於所述排氣口，所述排氣口比所述進氣口在徑向上更加遠離所述中心軸線；以及以如下方式圍繞所述中心軸線旋轉驅動所述泵轉子，即使氣態物質經由所述進氣口進入所述泵轉子的所述氣體通道、獲得能量、並 徑向移動遠離所述中心軸線、且從所述排氣口中排出，並且使所述排 氣口沿著前進方向圍繞著所述中心軸線周向移動，所述氣態物質從所 述排氣口中排出且相對於所述排氣口具有在所述前進方向上的速度分量。
22.根據權利要求21所述的方法，其中，所述氣態物質在其進入 所述進氣口時具有一總絕對壓力，並且在其排出所述排氣口時具有一 總絕對壓力，所述氣態物質在其排出所述排氣口時的總絕對壓力至少 四倍於所述氣態物質在其進入所述進氣口時的總絕對壓力。
全文摘要
一種泵送氣態物質的方法，包括如下步驟提供泵轉子、進氣口、排氣口、以及氣體通道。所述氣體通道操作性地將所述進氣口連接於所述排氣口。所述排氣口比所述進氣口在徑向上更加遠離所述轉子的中心軸線。所述方法還包括提供定子的步驟以及如下步驟相對於所述定子以如下方式旋轉驅動所述泵轉子，即使氣態物質經由所述進氣口進入所述泵轉子的所述氣體通道、獲得能量、並徑向移動遠離所述中心軸線、且從所述排氣口中排出。所述氣態物質在排出所述排氣口時相對於所述定子具有超音速。所述方法可用於排空或壓縮氣態物質。
文檔編號F02K7/08GK101688501SQ200880015448
公開日2010年3月31日 申請日期2008年3月14日 優先權日2007年3月30日
發明者A·施洛特 申請人:創新能量公司