動力生成系統及用于生成動力的方法技術方案

本公開涉及一種動力生成系統(100)以及利用封閉式超臨界流體循環(106)生成動力的相關方法，并且具體地涉及其中可以選擇性地操作多個芯以調節由系統生成的動力水平的動力生成系統以及相關方法，其中每個芯包括壓縮機(110a,110b,110x)和渦輪(114a,114b,114x)。

Power generation system and method for generating power

The invention relates to a power generation system (100) and the use of closed supercritical fluid circulation (106) related to power generation methods, and in particular to the power generation system can selectively operate multiple core to adjust the power level generated by the system and related method, wherein each core comprises a compressor (110A. 110b, 110x (114A, 114b) and turbine, 114x).

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】動力生成系統及用于生成動力的方法相關申請的交叉引用本申請要求于2014年8月22日提交的美國臨時申請No.62/040,988的優先權和權益，該申請的全部內容通過參引并入本申請中。
本公開涉及使用超臨界流體的動力生成系統和相關方法，并且具體地涉及可以選擇性地啟動或停用多個芯以調節所生成的動力的量的動力生成系統和相關方法。
技術介紹
傳統地，熱力學動力生成循環比如布雷頓循環采用諸如大氣空氣之類的理想氣體。這樣的循環是開放式的，具體地，在空氣流動通過循環的部件之后，空氣以相對較高的溫度被排回到大氣中，使得由燃料燃燒所產生的大量的熱從循環中耗散。捕獲和利用布雷頓循環中的余熱的常見方法是使用回熱器以從渦輪廢氣中提取熱，并且經由熱交換器將所述熱傳遞至從壓縮機排出的空氣。由于這種熱傳遞提高了進入燃燒室的空氣的溫度，因此實現期望的渦輪入口溫度需要較少的燃料。因此提高了整個熱力循環的熱效率，并且通常促成高達約40％的效率。具有更先進的葉片空氣動力學設計的更大的渦輪可以實現更高的效率。然而，甚至在這種回收循環中，熱效率由于下述事實而受到限制：渦輪廢氣溫度從未被冷卻到壓縮機排出空氣的溫度以下，這是因為熱僅可以從高溫源流動至低溫散熱器。這由于下述事實而加劇：使用更高的壓力比——這提高了整個渦輪的效率——導致更高的壓縮機排出溫度，并且因此在回熱器中更少的熱回收。另外，壓縮機通常需要多個壓縮機級以實現更高的壓力比。此外，渦輪的部件必須經常由能夠承受非常高的溫度的昂貴材料制造，以便動力生成周期以最大效率操作。因而，效率和動力輸出的增加大大增加了動力生成渦輪機的成本。最近，越來越關注超臨界流體比如超臨界二氧化碳(SCO2)在封閉熱力學動力生成循環中的用途。有利地，超臨界流體——即，處于或高于“臨界點”，在該臨界點處，液相和氣相處于平衡——的流體的密度和壓縮性接近液體的密度和壓縮性，使得將流體壓縮至期望的壓力比所需的功遠低于理想氣體比如空氣所需的功。因此，超臨界流體動力生成循環使用不太昂貴的單級壓縮機和渦輪式渦輪機械。
技術實現思路
需要一種用于在熱力學循環中使用超臨界流體有效地生成足夠的動力以滿足應用的正常操作動力負載，同時還提供增加動力并滿足應用的最大動力需求的能力的系統和方法。本公開的實施方式是一種用于在系統中生成動力的方法，該系統包括超臨界流體循環和空氣呼吸循環，其中，超臨界流體循環具有流動穿過超臨界流體循環的超臨界流體，空氣呼吸循環具有流動穿過空氣呼吸循環且不與超臨界流體流混合的空氣。該方法包括下述步驟：將超臨界流體引導通過沿著超臨界流體循環設置的多個芯中的第一芯，每個芯包括壓縮機和渦輪。該方法包括對第一芯的壓縮機中的超臨界流體進行壓縮，使得超臨界流體作為壓縮的超臨界流體而從第一芯的壓縮機排出。該方法包括在至少一個熱交換器中將熱從空氣呼吸循環中的空氣傳遞至壓縮的超臨界流體，使得壓縮的超臨界流體作為加熱的超臨界流體從至少一個熱交換器排出。該方法包括將來自至少一個熱交換器的經加熱的超臨界流體的至少一部分引導至第一芯的渦輪。該方法包括使第一芯的渦輪中的經加熱的超臨界流體的至少一部分膨脹，使得第一芯在輸出裝置中生成第一水平的動力。并且啟動多個芯中的至少第二芯，使得第二芯將在輸出裝置中生成的第一水平的動力增加至第二水平的動力，該第二水平的動力大于第一水平的動力。本公開的另一實施方式是一種構造成生成動力的系統，該系統至少包括超臨界流體循環，所述至少一超臨界流體循環具有流動通過其中的超臨界流體循環。該系統包括沿著超臨界流體循環設置的多個芯，每個芯包括壓縮機和渦輪。每個芯構造成被選擇性地操作，以便生成動力輸出。該系統還包括沿著超臨界流體循環設置的多個熱交換器，其中，多個熱交換器中的至少一個熱交換器構造成與多個芯中的每個芯流體連通。多個芯中的第一芯構造成當所述第一芯處于操作中時生成第一水平的動力，并且多個芯中的第二芯構造成當第一芯和第二芯均處于操作中時將第一水平的動力增加至第二水平的動力，該第二水平的動力大于第一水平的動力。本公開的另一實施方式是一種發動機，該發動機包括超臨界流體循環和空氣呼吸循環。發動機構造成產生多個水平的動力輸出。發動機包括沿著超臨界流體循環設置的多個芯，每個芯包括壓縮機和渦輪。每個芯構造成被選擇性地操作，以便生成動力輸出。發動機還包括沿著超臨界流體循環設置的多個熱交換器，其中，多個熱交換器中的至少一個熱交換器構造成與多個芯中的每個芯流體連通。發動機構造成調節多個芯中運行中的芯的數量，以便調節動力輸出。附圖說明當結合附圖閱讀時，將更好地理解前述
技術實現思路
以及實施方式的以下詳細描述。出于對本專利技術進行說明的目的，附圖示出了目前優選的實施方式。然而，本專利技術不限于附圖中公開的具體方式。在附圖中：圖1是根據本公開的實施方式的動力生成系統的示意圖；圖2是根據本公開的另一實施方式的動力生成系統的示意圖；圖3是根據本公開的另一實施方式的動力生成系統的示意圖；圖4是根據本公開的另一實施方式的動力生成系統的示意圖；以及圖5是圖示了相對于操作芯的數量的熱交換器效率的圖表。具體實施方式本公開的實施方式包括配置成通過選擇性地啟動包含壓縮機和渦輪的一個或更多個芯來選擇性地增加動力輸出的系統、方法和發動機。典型的熱力學動力生成循環經常用于諸如軍艦推進的應用中，其中，正常所需的動力輸出是動力生成循環的最大動力輸出的15％至20％。然而，典型的熱力學動力生成循環被設計為在100％容量時達到最大效率，這導致當循環在較低負載下操作時的低效率。因此，包括能夠選擇性地啟動或停用的多個芯的超臨界流體循環能夠使效率最大化。所描述的系統可以被設計為在正常負載條件下在單個芯上操作并且配置成通過添加額外的芯來在需要時生成額外的動力來增加動力輸出。使用如本文中所公開的多個芯的系統可以包括如美國專利申請公開No.2013/0180259、(“259公開”)和國際專利申請No.PCT/US2015/017679(“679申請”)中公開的動力生成系統，其公開內容通過參引并入本文。圖1圖示了動力生成系統10，該動力生成系統10包括第一閉合布雷頓循環92和第二開放布雷頓循環94，其中，在第一閉合布雷頓循環92中，工作流體可以是超臨界流體，在第二開放布雷頓循環94中，工作流體可以是環境空氣。第一布雷頓循環92和第二布雷頓循環94分別包括超臨界流體流動路徑96和空氣流體流動路徑98。在一個實施方式中，流動路徑96和流動路徑98是分開的，使得在兩個流動路徑96和98之間的超臨界流體與空氣之間很少或沒有混合發生。動力生成系統10包括沿著超臨界流體流動路徑96設置的多個芯60、70、80。每個芯包括壓縮機62、72、82和渦輪64、74、84。另外，每個芯配置成被選擇性地操作，使得動力生成系統10根據操作芯的數量生成不同水平的動力。動力生成系統10還包括一個或更多個熱源58和沿著流動路徑96和流動路徑98連接的多個熱交換器。熱交換器包括多個交叉循環熱交換器32、36。如本文所使用的，術語“交叉循環熱交換器”指的是下述熱交換器：所述熱交換器接納來自空氣呼吸循環94的空氣或者空氣和燃燒氣體/熱兩者以及來自超臨界流體循環92的超臨界流體，并且在這兩個循環中的流體之間傳遞熱。動力生成系統10還本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于在系統中生成動力的方法，所述系統包括超臨界流體循環和空氣呼吸循環，所述超臨界流體循環具有流動穿過所述超臨界流體循環的超臨界流體，所述空氣呼吸循環具有流動穿過所述空氣呼吸循環且不與超臨界流體流混合的空氣，所述方法包括如下步驟：a.將所述超臨界流體引導通過沿著所述超臨界流體循環設置的多個芯中的第一芯，每個芯包括壓縮機和渦輪；b.在所述第一芯的所述壓縮機中對所述超臨界流體進行壓縮，使得所述超臨界流體作為壓縮的超臨界流體而從所述第一芯的所述壓縮機排出；c.在至少一個熱交換器中將熱從所述空氣呼吸循環中的所述空氣傳遞至所述壓縮的超臨界流體，使得所述壓縮的超臨界流體作為經加熱的超臨界流體而從所述至少一個熱交換器排出；d.將來自所述至少一個熱交換器的所述經加熱的超臨界流體的至少一部分引導至所述第一芯的所述渦輪；e.在所述第一芯的所述渦輪中使所述經加熱的超臨界流體膨脹，使得所述第一芯在輸出裝置中生成第一水平的動力；以及e.啟動所述多個芯中的至少第二芯，使得所述第二芯將在所述輸出裝置中生成的所述第一水平的動力增大至第二水平的動力，所述第二水平的動力大于所述第一水平的動力。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.08.22 US 62/040,9881.一種用于在系統中生成動力的方法，所述系統包括超臨界流體循環和空氣呼吸循環，所述超臨界流體循環具有流動穿過所述超臨界流體循環的超臨界流體，所述空氣呼吸循環具有流動穿過所述空氣呼吸循環且不與超臨界流體流混合的空氣，所述方法包括如下步驟：a.將所述超臨界流體引導通過沿著所述超臨界流體循環設置的多個芯中的第一芯，每個芯包括壓縮機和渦輪；b.在所述第一芯的所述壓縮機中對所述超臨界流體進行壓縮，使得所述超臨界流體作為壓縮的超臨界流體而從所述第一芯的所述壓縮機排出；c.在至少一個熱交換器中將熱從所述空氣呼吸循環中的所述空氣傳遞至所述壓縮的超臨界流體，使得所述壓縮的超臨界流體作為經加熱的超臨界流體而從所述至少一個熱交換器排出；d.將來自所述至少一個熱交換器的所述經加熱的超臨界流體的至少一部分引導至所述第一芯的所述渦輪；e.在所述第一芯的所述渦輪中使所述經加熱的超臨界流體膨脹，使得所述第一芯在輸出裝置中生成第一水平的動力；以及e.啟動所述多個芯中的至少第二芯，使得所述第二芯將在所述輸出裝置中生成的所述第一水平的動力增大至第二水平的動力，所述第二水平的動力大于所述第一水平的動力。2.根據權利要求1所述的方法，其中，啟動步驟響應于所述系統的動力需求。3.根據權利要求1所述的方法，其中，啟動步驟還包括驅使所述超臨界流體流動至所述第二芯的壓縮機、所述至少一個熱交換器和所述第二芯的渦輪，使得所述第二芯的所述渦輪將所述輸出裝置中的所述第一水平的動力增大至所述第二水平的動力。4.根據權利要求3所述的方法，其中，驅使步驟還包括：將超臨界流體引導至沿著所述超臨界流體循環的所述多個芯中的所述第二芯的所述壓縮機；在所述第二芯的所述壓縮機中對所述超臨界流體進行壓縮，使得所述超臨界流體作為壓縮的超臨界流體而從所述第二芯的所述壓縮機排出；使從所述第二芯的所述壓縮機排出的所述壓縮的超臨界流體與從所述第一芯的所述壓縮機排出的所述壓縮的超臨界流體混合，以限定超臨界流體的混合物；將超臨界流體的混合物的至少一部分引導至所述第二芯的所述渦輪；在所述第二芯的所述渦輪中使所述超臨界流體的所述混合物的至少一部分膨脹，使得所述第二芯將所述輸出裝置的所述第一水平的動力增大至所述第二水平的動力。5.根據權利要求3所述的方法，其中，啟動步驟還包括驅使所述超臨界流體流動通過第三芯的壓縮機、所述至少一個熱交換器和所述第二芯的渦輪，使得所述第三芯的所述渦輪將所述輸出裝置中的所述第二水平的動力增大至第三水平的動力。6.根據權利要求5所述的方法，其中，驅使步驟還包括：將超臨界流體引導至沿著所述超臨界流體循環的所述多個芯中的所述第三芯的所述壓縮機；在所述第三芯的所述壓縮機中對所述超臨界流體進行壓縮，使得所述超臨界流體作為壓縮的超臨界流體而從所述第三芯的所述壓縮機排出；使從所述第三芯的所述壓縮機排出的所述壓縮的超臨界流體與超臨界流體的所述混合物混合；將超臨界流體的混合物的至少一部分引導至所述第三芯的所述渦輪；以及在所述第三芯的所述渦輪中使所述超臨界流體的所述混合物的所述至少一部分膨脹，使得所述第三芯將所述輸出裝置的所述第二水平的動力增大至所述第三水平的動力。7.根據權利要求1所述的方法，其中，所述超臨界流體包括二氧化碳。8.根據權利要求1所述的方法，其中，從膨脹的所述超臨界流體傳遞足夠的熱以使所述膨脹的超臨界流體的所述混合物冷卻至大致所述超臨界流體的臨界點。9.根據權利要求3所述的方法，其中，啟動步驟還包括驅使所述超臨界流體流動通過所述多個芯中的至少一個額外的芯的壓縮機、所述至少一個熱交換器、以及所述多個芯中的至少一個額外的芯的渦輪，使得所述至少一個額外的芯的所述渦輪將所述輸出裝置中的所述第二水平的動力增大至等于所啟動的芯的總數的水平的動力。10.根據權利要求9所述的方法，其中，驅使步驟還包括：將超臨界流體引導至沿著所述超臨界流體循環的所述多個芯中的所述至少一個額外的芯的所述壓縮機；在所述至少一個額外的芯的所述壓縮機中對所述超臨界流體進行壓縮，使得所述超臨界流體作為壓縮的超臨界流體而從所述至少一個額外的芯的所述壓縮機排出；使從所述至少一個額外的芯的所述壓縮機排出的所述壓縮的超臨界流體與超臨界流體的所述混合物混合；將超臨界流體的混合物的至少一部分引導至所述至少一個額外的芯的所述渦輪；在所述至少一個額外的芯的所述渦輪中使所述超臨界流體的所述混合物的所述至...

【專利技術屬性】
技術研發人員：大衛·S·斯塔普，羅伯特·布魯克斯，
申請(專利權)人：派瑞格恩渦輪技術有限公司，
類型：發明
國別省市：美國,US