[发明专利]动力生成系统及用于生成动力的方法

说明书

本公开涉及一种动力生成系统(100)以及利用封闭式超临界流体循环(106)生成动力的相关方法，并且具体地涉及其中可以选择性地操作多个芯以调节由系统生成的动力水平的动力生成系统以及相关方法，其中每个芯包括压缩机(110a,110b,110x)和涡轮(114a,114b,114x)。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年8月22日提交的美国临时申请No.62/040,988的优先权和权益，该申请的全部内容通过参引并入本申请中。

技术领域

本公开涉及使用超临界流体的动力生成系统和相关方法，并且具体地涉及可以选择性地启动或停用多个芯以调节所生成的动力的量的动力生成系统和相关方法。

背景技术

传统地，热力学动力生成循环比如布雷顿循环采用诸如大气空气之类的理想气体。这样的循环是开放式的，具体地，在空气流动通过循环的部件之后，空气以相对较高的温度被排回到大气中，使得由燃料燃烧所产生的大量的热从循环中耗散。捕获和利用布雷顿循环中的余热的常见方法是使用回热器以从涡轮废气中提取热，并且经由热交换器将所述热传递至从压缩机排出的空气。由于这种热传递提高了进入燃烧室的空气的温度，因此实现期望的涡轮入口温度需要较少的燃料。因此提高了整个热力循环的热效率，并且通常促成高达约40％的效率。具有更先进的叶片空气动力学设计的更大的涡轮可以实现更高的效率。然而，甚至在这种回收循环中，热效率由于下述事实而受到限制：涡轮废气温度从未被冷却到压缩机排出空气的温度以下，这是因为热仅可以从高温源流动至低温散热器。这由于下述事实而加剧：使用更高的压力比——这提高了整个涡轮的效率——导致更高的压缩机排出温度，并且因此在回热器中更少的热回收。另外，压缩机通常需要多个压缩机级以实现更高的压力比。此外，涡轮的部件必须经常由能够承受非常高的温度的昂贵材料制造，以便动力生成周期以最大效率操作。因而，效率和动力输出的增加大大增加了动力生成涡轮机的成本。

最近，越来越关注超临界流体比如超临界二氧化碳(SCO2)在封闭热力学动力生成循环中的用途。有利地，超临界流体——即，处于或高于“临界点”，在该临界点处，液相和气相处于平衡——的流体的密度和压缩性接近液体的密度和压缩性，使得将流体压缩至期望的压力比所需的功远低于理想气体比如空气所需的功。因此，超临界流体动力生成循环使用不太昂贵的单级压缩机和涡轮式涡轮机械。

发明内容

需要一种用于在热力学循环中使用超临界流体有效地生成足够的动力以满足应用的正常操作动力负载，同时还提供增加动力并满足应用的最大动力需求的能力的系统和方法。

本公开的实施方式是一种用于在系统中生成动力的方法，该系统包括超临界流体循环和空气呼吸循环，其中，超临界流体循环具有流动穿过超临界流体循环的超临界流体，空气呼吸循环具有流动穿过空气呼吸循环且不与超临界流体流混合的空气。该方法包括下述步骤：将超临界流体引导通过沿着超临界流体循环设置的多个芯中的第一芯，每个芯包括压缩机和涡轮。该方法包括对第一芯的压缩机中的超临界流体进行压缩，使得超临界流体作为压缩的超临界流体而从第一芯的压缩机排出。该方法包括在至少一个热交换器中将热从空气呼吸循环中的空气传递至压缩的超临界流体，使得压缩的超临界流体作为加热的超临界流体从至少一个热交换器排出。该方法包括将来自至少一个热交换器的经加热的超临界流体的至少一部分引导至第一芯的涡轮。该方法包括使第一芯的涡轮中的经加热的超临界流体的至少一部分膨胀，使得第一芯在输出装置中生成第一水平的动力。并且启动多个芯中的至少第二芯，使得第二芯将在输出装置中生成的第一水平的动力增加至第二水平的动力，该第二水平的动力大于第一水平的动力。