CN106715840A - 动力生成系统及用于生成动力的方法 - Google Patents

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Abstract

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)。

Description

动力生成系统及用于生成动力的方法
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。
本公开的另一实施方式是一种构造成生成动力的系统，该系统至少包括超临界流体循环，所述至少一超临界流体循环具有流动通过其中的超临界流体循环。该系统包括沿着超临界流体循环设置的多个芯，每个芯包括压缩机和涡轮。每个芯构造成被选择性地操作，以便生成动力输出。该系统还包括沿着超临界流体循环设置的多个热交换器，其中，多个热交换器中的至少一个热交换器构造成与多个芯中的每个芯流体连通。多个芯中的第一芯构造成当所述第一芯处于操作中时生成第一水平的动力，并且多个芯中的第二芯构造成当第一芯和第二芯均处于操作中时将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。
本公开的另一实施方式是一种发动机，该发动机包括超临界流体循环和空气呼吸循环。发动机构造成产生多个水平的动力输出。发动机包括沿着超临界流体循环设置的多个芯，每个芯包括压缩机和涡轮。每个芯构造成被选择性地操作，以便生成动力输出。发动机还包括沿着超临界流体循环设置的多个热交换器，其中，多个热交换器中的至少一个热交换器构造成与多个芯中的每个芯流体连通。发动机构造成调节多个芯中运行中的芯的数量，以便调节动力输出。
附图说明
当结合附图阅读时，将更好地理解前述发明内容以及实施方式的以下详细描述。出于对本发明进行说明的目的，附图示出了目前优选的实施方式。然而，本发明不限于附图中公开的具体方式。在附图中：
图1是根据本公开的实施方式的动力生成系统的示意图；
图2是根据本公开的另一实施方式的动力生成系统的示意图；
图3是根据本公开的另一实施方式的动力生成系统的示意图；
图4是根据本公开的另一实施方式的动力生成系统的示意图；以及
图5是图示了相对于操作芯的数量的热交换器效率的图表。
具体实施方式
本公开的实施方式包括配置成通过选择性地启动包含压缩机和涡轮的一个或更多个芯来选择性地增加动力输出的系统、方法和发动机。典型的热力学动力生成循环经常用于诸如军舰推进的应用中，其中，正常所需的动力输出是动力生成循环的最大动力输出的15％至20％。然而，典型的热力学动力生成循环被设计为在100％容量时达到最大效率，这导致当循环在较低负载下操作时的低效率。因此，包括能够选择性地启动或停用的多个芯的超临界流体循环能够使效率最大化。所描述的系统可以被设计为在正常负载条件下在单个芯上操作并且配置成通过添加额外的芯来在需要时生成额外的动力来增加动力输出。使用如本文中所公开的多个芯的系统可以包括如美国专利申请公开No.2013/0180259、(“259公开”)和国际专利申请No.PCT/US2015/017679(“679申请”)中公开的动力生成系统，其公开内容通过参引并入本文。
图1图示了动力生成系统10，该动力生成系统10包括第一闭合布雷顿循环92和第二开放布雷顿循环94，其中，在第一闭合布雷顿循环92中，工作流体可以是超临界流体，在第二开放布雷顿循环94中，工作流体可以是环境空气。第一布雷顿循环92和第二布雷顿循环94分别包括超临界流体流动路径96和空气流体流动路径98。在一个实施方式中，流动路径96和流动路径98是分开的，使得在两个流动路径96和98之间的超临界流体与空气之间很少或没有混合发生。
动力生成系统10包括沿着超临界流体流动路径96设置的多个芯60、70、80。每个芯包括压缩机62、72、82和涡轮64、74、84。另外，每个芯配置成被选择性地操作，使得动力生成系统10根据操作芯的数量生成不同水平的动力。动力生成系统10还包括一个或更多个热源58和沿着流动路径96和流动路径98连接的多个热交换器。热交换器包括多个交叉循环热交换器32、36。如本文所使用的，术语“交叉循环热交换器”指的是下述热交换器：所述热交换器接纳来自空气呼吸循环94的空气或者空气和燃烧气体/热两者以及来自超临界流体循环92的超临界流体，并且在这两个循环中的流体之间传递热。动力生成系统10还可以包括阀、流量计、混合汇合器以及构造成对系统10的运行进行控制的一个或更多个控制器。
首先，超临界流体流1沿着超临界流动路径96被引导至第一芯60。超临界流体被供给至第一芯压缩机62的入口，该第一芯压缩机62可以是轴流式压缩机、径流式压缩机、回收换热式压缩机或类似类型的压缩机。压缩机62可以被称为第一SCO2压缩机62。压缩机62包括以可操作的方式连接至涡轮64的轴。涡轮64可以被称为第一SCO2涡轮64。沿着流1的流量计可以实施为对供给至第一SCO2压缩机62入口的超临界流体的流量进行测量。流量计有助于控制超临界流体循环92中的总SCO2质量以及瞬态流动行为。在一个实施方式中，如下面所讨论的，超临界流体在其已被冷却并膨胀至接近其临界点的温度和压力之后进入第一SCO2压缩机62的入口。术语“超临界流体”指的是下述流体：在所述流体中，不存在明显的液相和气相，并且术语超临界流体的“临界点”指的是物质可以被认为处于超临界状态中所处的最低温度和最低压力。术语“临界温度”和“临界压力”指的是处于临界点的温度和压力。对于二氧化碳而言，临界点为约304.2°K和7.35MPa。在一个实施方式中，进入压缩机110的超临界流体被冷却至其临界点的至少±2°K内。在另一实施方式中，进入第一SCO2压缩机62的超临界流体被冷却至其临界点的±1°K内。在又一实施方式中，进入第一SCO2压缩机62的超临界流体被冷却至其临界点的±0.2°K内。
在第一SCO2压缩机62中压缩之后，压缩的超临界流体的排出流4被引导至交叉循环热交换器32。在交叉循环热交换器32中，热被从流动路径98中的空气传递至压缩的超临界流体。经加热的超临界流体流14被从交叉循环交换器32排出。
来自循环热交换器32的经加热的超临界流体流14被引导至第一SCO2涡轮64的入口。第一SCO2涡轮64可以是轴流式涡轮、径流式涡轮、混合流式涡轮或类似类型的涡轮。第一SCO2涡轮64使超临界流体膨胀并产生经由连接轴驱动第一SCO2压缩机62的轴动力。另外，第一SCO2涡轮64可以以可操作的方式联接至发电机，以为系统10提供第一水平的输出动力。
膨胀的超临界流体被从第一SCO2涡轮64排出并且被引导至膨胀的超临界流体的排出流17。膨胀的超临界流体的排出流17被引导至交叉循环热交换器36。在交叉循环热交换器36中，膨胀的超临界流体由沿着流动路径98穿过交叉循环热交换器36的空气流冷却。
冷却的超临界流体流被从交叉循环热交换器36排出，并且作为流1被引导至第一SCO2压缩机64的入口。在替代性实施方式中，从交叉循环热交换器36排出的冷却的超临界流体流可以被引导至至少一个冷却器，以在返回至第一SCO2压缩机64的入口之前进一步降低超临界流体的温度。额外的超临界流体可以被引入到流1中，以补偿超临界流体从系统的任何泄漏。在任何情况下，超临界流体流1被引导至第一SCO2压缩机64的入口并且重复压缩-加热-膨胀-冷却的步骤。
在动力生成系统10上的动力需求增加的情况下，可以启动沿着超临界流动路径96的第二芯70以生成第二水平的动力，该第二水平的动力大于当仅第一芯60是可操作的时所生成的第一水平的动力。
为了生成第二水平的动力，超临界流体流1的至少一部分沿着超临界流动路径96被引导至第二芯70。超临界流体被供给至第二芯压缩机72的入口，该第二芯压缩机72可以被称为第二SCO2压缩机72。
在第二SCO2压缩机72中压缩之后，压缩的超临界流体的排出物与从第一SCO2压缩机62排出的压缩的超临界流体混合在压缩的超临界流体流4中。在压缩的超临界流体在交叉循环热交换器32中被加热之后，经加热的超临界流体流14的至少一部分被引导至第二SCO2涡轮74的入口。
第二SCO2涡轮74使超临界流体膨胀并且产生经由连接轴驱动第二SCO2压缩机72的轴动力。另外，第二SCO2涡轮74可以以可操作的方式联接至发电机，使得第二SCO2涡轮74将系统10的输出动力从第一水平增加至第二水平。
膨胀的超临界流体被从第二SCO2涡轮74排出，并且与从第一SCO2涡轮64排出的膨胀的超临界流体混合在膨胀的超临界流体的排出流17中。膨胀的超临界流体的排出流17在交叉循环热交换器36被冷却，并且已冷却的超临界流体的至少一部分作为流1被引导至第二SCO2压缩机74的入口。
在动力生成系统10上的动力需求进一步增加的情况下，可以启动沿着超临界流动路径96的第三芯80以生成第三水平的动力，该第三水平的动力大于当第一芯60和第二芯70是可操作的时所生成的第二水平的动力。
为了生成第三水平的动力，超临界流体流1的至少一部分沿着超临界流动路径96被引导至第三芯80。超临界流体被供给至第三芯压缩机82的入口，该第三芯压缩机82可以被称为第三SCO2压缩机82。
在第三SCO2压缩机82中压缩之后，压缩的超临界流体的排出与从第一SCO2压缩机62和第二SCO2压缩机72排出的压缩的超临界流体混合在压缩的超临界流体流4中。在压缩的超临界流体在交叉循环热交换器32中被加热之后，经加热的超临界流体流14的至少一部分被引导至第三SCO2涡轮84的入口。
第三SCO2涡轮84使超临界流体膨胀并且产生经由连接轴驱动第三SCO2压缩机82的轴动力。另外，第三SCO2涡轮84可以以可操作的方式联接至发电机，使得第三SCO2涡轮84将系统10的输出动力从第二水平增加至第三水平。
膨胀的超临界流体被从第三SCO2涡轮84排出，并且与从第一SCO2涡轮64和第二SCO2涡轮74排出的膨胀的超临界流体混合在膨胀的超临界流体的排出流17中。膨胀的超临界流体的排出流17在交叉循环热交换器36中被冷却，并且已冷却的超临界流体的至少一部分作为流1被引导至第三SCO2压缩机84的入口。
继续参照图1，系统10的空气呼吸循环94部分形成开放式流动路径98。首先，环境空气沿着流动路径98被供给至交叉循环热交换器36。空气随后在热源58中被加热并且沿着流动路径98被引导穿过交叉循环热交换器32。热源58可以是构造成接纳燃料流比如化石燃料或其他类型的燃料的燃烧室。热源58还可以借助于太阳能收集器或核反应堆操作或者一些可以对废料、生物燃料或生物衍生燃料进行燃烧来产生热的其他热源而运行以产生系统热。
虽然在本公开的上述实施方式中描述了仅三个芯，但是动力生成系统10不限于三个芯。动力生成系统10可以包括四个芯、五个芯、六个芯或额外的芯，以生成用于动力生成系统10的所需的最大动力输出。
转向图2，图2是根据本公开的另一实施方式的动力生成系统100的示意图。动力生成系统100类似于动力生成系统10之处在于其包括第一超临界流体循环102和第二或空气呼吸循环104。第一循环102和第二循环104分别包括超临界流体流动路径106和空气流体流动路径108，超临界流体流动路径106和空气流体流动路径108在一个实施方式中彼此分开，使得超临界流体和空气不混合。
动力生成系统100包括沿着超临界流体流动路径106设置的多个芯。每个芯包括具有可操作地连接至涡轮的轴的压缩机。在一个实施方式中，涡轮还包括以可操作的方式连接至输出装置的轴。在替代性实施方式中，芯包含以可操作的方式连接至输出装置的第二涡轮，其中，从以可操作的方式连接至压缩机的涡轮排出的膨胀的超临界流体被循环通过第二涡轮，该第二涡轮产生用于输出装置的轴动力。在任一实施方式中，输出装置可以为系统100提供输出动力。另外，每个芯可以配置成被选择性地操作，使得动力生成系统100根据操作芯的数量而生成不同水平的动力。如本文中所描述的，输出装置可以是涡轮螺旋桨或者涡轮轴、齿轮箱或发电机。
如图2所示，沿着超临界流体流动路径106设置的多个芯中的第一芯包含经由轴112a以可操作的方式连接至涡轮114a的压缩机110a。涡轮114a还包括以可操作的方式连接至输出装置120a的轴117a，该输出装置120a为动力生成系统100提供第一水平的输出动力。沿着超临界流体流动路径106设置的多个芯中的第二芯包含经由轴112b以可操作的方式连接至涡轮114b的压缩机110b。涡轮114b还包括以可操作的方式连接至输出装置120b的轴117b，该输出装置120b为动力生成系统100提供第二水平的输出动力，在第一芯和第二芯是可操作的时候的该第二水平的输出动力大于在仅第一芯是可操作的时候的第一水平的输出动力。在设计动力生成系统100时，沿着超临界流体流动路径106设置的多个芯中的芯的总数不限于芯的任何特定数量。
如图2所示，可以基于特定应用来添加额外的芯，直到达到期望的芯的总数。芯的总数在图2中由沿着超临界流体流动路径106设置的“最后的芯”表示，其包含经由轴112x以可操作的方式连接至涡轮114x的压缩机110x。使用术语“最后的芯”便于描述并且术语“最后的芯”指的是芯的总数或沿着超临界流动路径106设置的多个芯中的所有芯的总数是可操作的条件或情形。涡轮114x还包括以可操作的方式连接至输出装置120x的轴117x，该输出装置120x为动力生成系统100提供额外水平的输出动力。因此，动力生成系统100中的芯的总数限定了动力生成系统100的输出动力水平的数量。因此，可以通过在动力生成系统100中沿着超临界流动路径106选择性地启动和停用运行中的芯的数量来调节动力生成系统100的输出动力。
超临界循环102中的每个芯还可以包含：压缩机输入阀142a、142b、142x；压缩机排出阀144a、144b、144x；涡轮输入阀146a、146b、146x；和涡轮输出阀148a、148b、148x，用以控制超临界流体流沿着超临界流体流动路径106进入和离开每个芯的流动。
动力生成系统100还包括沿着空气流动路径104设置的一个或更多个压缩机、一个或更多个涡轮和一个或更多个燃烧室、以及沿着流动路径106和108设置的多个热交换器。热交换器包括多个交叉循环热交换器132、134、136和138。
动力生成系统100还包括沿着超临界流体流动路径106的回热式热交换器130。如本文所使用的，术语“回热式热交换器”涉及在从多个芯中的至少一个涡轮114a、114b、114x排出的涡轮排出流17中的膨胀的超临界流体与从沿着超临界流体流动路径106设置的多个芯中的至少一个压缩机110a、110b、110c排出的压缩机排出流4中的压缩的超临界流体之间的热传递。动力生成系统100还可以包括阀122、流量计(未示出)、混合汇合器124以及构造成对系统100的运行进行控制的一个或更多个控制器(未示出)。
首先，超临界流体流1沿着超临界流动路径106被引导至第一芯。超临界流体被供给至第一芯压缩机110a的入口。在压缩机110a中压缩之后，压缩的超临界流体被排出至压缩机排出流4。在替代性实施方式中，流1被引导至压缩机输入阀142a，该压缩机输入阀142a将超临界流体流2a引导至第一芯压缩机110a的入口。在压缩机110a中压缩之后，压缩的超临界流体通过流3a被排出至压缩机排出阀144a，该压缩机排出阀144a将压缩的超临界流体引导至压缩机排出流4。
压缩机排出流4可以被分流成第一部分和第二部分作为排出流6和排出流8。排出流6和排出流8可以被称为第一排出流6和第二排出流8。替代性地，排出流6和排出流8可以被称为第一压缩机排出流6和第二压缩机排出流8。分流允许压缩机排出流4的第一部分被回收并且允许剩余部分通过一系列热交换器134和132借助于循环穿过流动路径108的空气流体而被直接加热。如图示的，压缩机排出流4经由可以与控制器(未示出)进行电子通信的阀122a而被分流。该控制器根据需要对阀122a进行操作或致动以引导流穿过流动路径106。在一个实施方式中，阀122a构造成将压缩机排出流4的55％到大约75％引导到第一排出流6中。压缩机排出流4的其余流被引导至第二排出流8。在另一实施方式中，阀122a构造成将压缩机排出流4的大约67％引导到第一排出流6中。
超临界流体的第一排出流6被引导至回热式热交换器130，在回热式热交换器130中，热被从第二涡轮排出流22中的经加热的超临界流体传递至第一压缩机排出流6。从回热式热交换器130排出的经加热的超临界流体流19被引导至汇合器124a并与离开交叉循环热交换器134的经加热的超临界流体流10混合。
第二排出流8被引导至交叉循环热交换器134。在交叉循环热交换器134中，来自流动路径108中的燃烧气体的热被传递至超临界流体的第二排出流8。从热交换器134排出的流10与来自回热式热交换器130的超临界流体流19在汇合器124a处混合，如上面所讨论的。汇合器124a可以是连接至导管的接头或者汇合器124a可以包括混合装置。
混合流12被供给至交叉循环热交换器132。在交叉循环热交换器132中，热被从流动路径108中的燃烧气体传递至超临界流体的混合流。交叉循环热交换器132将经加热的超临界流体涡轮输入流14排出。
经加热的超临界流体涡轮输入流14被引导至第一芯涡轮114a的入口。涡轮114a使超临界流体膨胀并产生经由轴112a驱动压缩机110a的轴动力。涡轮114a进一步驱动输出装置120a以为动力生成系统100提供第一水平的输出动力。在涡轮114a中膨胀之后，膨胀的超临界流体被排出至涡轮排出流17。在替代性实施方式中，经加热的超临界流体涡轮输入流14被引导至涡轮输入阀146a，该涡轮输入阀146a将超临界流体流15a引导至第一芯涡轮114a的入口。涡轮114a使超临界流体膨胀并产生经由轴112a驱动压缩机110a的轴动力。涡轮114a进一步驱动输出装置120a以为动力生成系统100提供第一水平的输出动力。在涡轮114a中膨胀之后，膨胀的超临界流体通过流16a被排出至涡轮排出阀148a，该涡轮排出阀148a将超临界流体引导至涡轮排出流17。
涡轮排出流17可以被分流成第一部分和第二部分作为排出流18和排出流22。排出流18和排出流22可以被称为第一排出流18和第二排出流22。替代性地，排出流18和排出流22可以被称为第一涡轮排出流18和第二涡轮排出流22。如图示的，阀122b可以将涡轮排出流17分流成第一排出流18和第二排出流22。控制器操作或致动阀122b。在一个实施方式中，阀122b构造成将涡轮排出流17的70％至约90％引导到第二排出流22中。涡轮排出流17的其余流被引导至第一排出流18。在另一实施方式中，阀122b构造成将涡轮排出流17的约80％引导到第二排出流22中。不管涡轮排出流17如何分流，第一排出流18被引导至交叉循环热交换器136并且通过沿着流动路径108穿过热交换器136的空气流而冷却。
第二排出流22被引导至回热式热交换器130，在回热式热交换器130中，来自第二涡轮排出流22中的超临界流体的热被传递至第一压缩机排出流6中的压缩超临界流体。换句话说，回热式热交换器130使超临界流体的涡轮排出流22冷却。来自回热式热交换器130的冷却的超临界流体的排出流24与来自热交换器136的进入流20在汇合器124b处混合。混合流26从汇合器124b被引导至交叉循环热交换器138(交叉循环热交换器138可以是可选的)。例如，混合流26可以被直接引导至冷却的超临界流体流28。如上所述，在交叉循环热交换器138中，来自超临界流体的混合流26的热被传递至空气循环104的流动路径108。冷却的超临界流体流28被引导通过冷却器126(冷却器126可以是可选的)并返回至超临界流体流1。来自供给部109的额外的超临界流体可以被引入超临界流体流1中，以补偿超临界流体从系统的任何泄漏。在任何情况下，超临界流体流1返回至第一芯压缩机110a的入口，并且重复压缩-加热-膨胀-冷却的步骤。
在动力生成系统100上的动力需求增加的情况下，可以启动沿着超临界流动路径106的第二芯以产生第二水平的动力，该第二水平的动力大于当仅第一芯是可操作的时所生成的第一水平的动力。
为了生成第二水平的动力，超临界流体流1的至少一部分沿着超临界流动路径106被引导至第二芯。超临界流体被供给至第二芯压缩机110b的入口。在压缩机110b中压缩之后，压缩的超临界流体的排出物被引导至压缩机排出流4，在压缩机排出流4中，该排出物与从压缩机110a排出的压缩的超临界流体混合。在替代性实施方式中，流1的至少一部分被引导至压缩机输入阀142b，该压缩机输入阀142b将超临界流体流2b引导至第二芯压缩机110b的入口。在压缩机110b中压缩之后，压缩的超临界流体通过流3b被排出至压缩机排出阀144a，该压缩机排出阀144a将压缩的超临界流体引导至压缩机排出流4，在压缩机排出流4中，该压缩的超临界流体与从压缩机110a排出的压缩的超临界流体混合。
如上所述，压缩机排出流4被分流并被引导至回热式热交换器130和交叉循环热交换器132、134，在回热式热交换器130和交叉循环热交换器132、134中，超临界流体被加热并作为涡轮输入流14被排出。
经加热的超临界流体涡轮输入流14的至少一部分被引导至第二芯涡轮114b的入口。涡轮114b使超临界流体膨胀并产生经由轴112b驱动压缩机110b的轴动力。涡轮114b进一步驱动输出装置120b以为动力生成系统100提供第二水平的输出动力，该第二水平的输出动力大于仅当第一芯是可操作的时的第一水平的动力。在涡轮114b中膨胀之后，膨胀的超临界流体被排出至涡轮排出流17，在涡轮排出流17中，该膨胀的超临界流体与从涡轮114a排出的膨胀的超临界流体混合。在替代性实施方式中，经加热的超临界流体涡轮输入流14被引导至涡轮输入阀146b，该涡轮输入阀146b将超临界流体流15b引导至第二芯涡轮114b的入口。涡轮114b使超临界流体膨胀并产生经由轴112b驱动压缩机110b的轴动力。涡轮114b进一步驱动输出装置120b以为动力生成系统100提供第二水平的输出动力，该第二水平的输出动力大于仅当第一芯是可操作的时的第一水平的动力。在涡轮114b中膨胀之后，膨胀的超临界流体通过流16b被排出至涡轮排出阀148b，该涡轮排出阀148b将超临界流体引导至涡轮排出流17，在涡轮排出流17中，该膨胀的超临界流体与从涡轮114a排出的膨胀的超临界流体混合。
如上所述，涡轮排出流17被分流并被引导至回热式热交换器130和交叉循环热交换器136、138，在回热式热交换器130和交叉循环热交换器136、138中，膨胀的超临界流体被冷却并且流1中的冷却的超临界流体的至少一部分被引导至第二芯压缩机110b的入口。
在动力生成系统100上的动力需求进一步增加的情况下，可以启动沿着超临界流动路径106的额外的芯以产生额外水平的动力，该额外水平的动力大于当第一芯和第二芯是可操作的时所生成的第二水平的动力。通过以上述方式使超临界流体流动通过额外的芯来生成额外水平的动力。当沿着超临界流动路径106设置的所有芯都是可操作的时，产生动力生成系统100的最大水平的输出动力。
为了生成最大水平的动力，超临界流体流1的至少一部分被沿着超临界流动路径106引导至最后的芯。超临界流体被供给至最后的芯压缩机110x的入口。在压缩机110x中压缩之后，压缩的超临界流体的排出物被引导至压缩机排出流4，在压缩机排出流4中，该排出物与从压缩机110a、压缩机110b和额外的芯压缩机排出的压缩的超临界流体混合。在替代性实施方式中，流1的至少一部分被引导至压缩机输入阀142x，该压缩机输入阀142x将超临界流体流2x引导至最后的芯压缩机110x的入口。在压缩机110x中压缩之后，压缩的超临界流体通过流3x被排出至压缩机排出阀144x，该压缩机排出阀144x将压缩的超临界流体引导至压缩机排出流4，在压缩机排出流4中，该压缩的超临界流体与从压缩机110a、压缩机110b和额外的芯压缩机排出的压缩的超临界流体混合。
如上所述，压缩机排出流4被分流并被引导至回热式热交换器130和交叉循环热交换器132、134，在回热式热交换器130和交叉循环热交换器132、134中，超临界流体被加热并作为涡轮输入流14被排出。
经加热的超临界流体涡轮输入流14的至少一部分被引导至最后的芯涡轮114x的入口。涡轮114x使超临界流体膨胀并产生经由轴112x驱动压缩机110x的轴动力。涡轮114x进一步驱动输出装置120x，以在所有芯都是可操作的时为动力生成系统100提供最大水平的输出动力。在涡轮114x中膨胀之后，膨胀的超临界流体被排出至涡轮排出流17，在涡轮排出流17中，该膨胀的超临界流体与从涡轮114a、涡轮114b和额外的芯涡轮排出的膨胀的超临界流体混合。在替代性实施方式中，经加热的超临界流体涡轮输入流14被引导至涡轮输入阀146x，该涡轮输入阀146x将超临界流体流15x引导至最后的芯涡轮114x的入口。涡轮114x使超临界流体膨胀并产生经由轴112x驱动压缩机110x的轴动力。涡轮114x进一步驱动输出装置120x，以在所有芯都是可操作的时为动力生成系统100提供最大水平的输出动力。在涡轮114x中膨胀之后，膨胀的超临界流体通过流16x被排出至涡轮排出阀148x，该涡轮排出阀148x将超临界流体引导至涡轮排出流17，在涡轮排出流17中，该膨胀的超临界流体与从涡轮114a、涡轮114b和额外的芯涡轮排出的膨胀超临界流体混合。
如上所述，涡轮排出流17被分流并被引导至回热式热交换器130和交叉循环热交换器136、138，在回热式热交换器130和交叉循环热交换器136、138中，膨胀的超临界流体被冷却并且流1中的冷却的超临界流体的至少一部分被引导至最后的芯压缩机110x的入口。
继续参照图2，系统100的空气呼吸循环104部分形成开放式流动路径108。首先，环境空气101被供给至空气呼吸压缩机150，空气呼吸压缩机150可以是轴流式压缩机、径流式压缩机、往复式压缩机或类似类型的压缩机。压缩机150包括以可操作的方式连接至涡轮154的轴152。来自压缩机150的经压缩的空气流30随后在热交换器138(热交换器138可以是可选的)中通过来自从热交换器130和136排出的超临界流体的混合流26的热的传递而被加热，如上面所论述的。经加热的压缩空气流32随后被引导至热交换器136，在热交换器136中，来自第一涡轮排出流18中的超临界流体的热被传递至压缩空气流32。排出流34被引导至燃烧室158。燃烧室158使压缩空气流34的温度升高到涡轮154的涡轮入口处所需的温度以上。压缩机150可以经由由涡轮154供以动力的轴152运行。燃烧室158可以接纳诸如化石燃料或其他类型的燃料之类的燃料流103。燃烧室158可以借助于太阳能收集器或核反应器或者一些可以对废料、生物燃料或生物衍生燃料进行燃烧来产生热的其他热源而运行以产生系统热。来自燃烧室158的燃烧气体的排出流36可以被引导至涡轮154，排出流36在涡轮154中膨胀。膨胀的热燃烧气体流40被引导至热交换器132，在热交换器132中，热被从热燃烧气体传递至上面所论述的超临界流体的混合流12。在离开热交换器132之后，热燃烧气体流41被引导至热交换器134，在热交换器134中，如上面所论述的，热被从热燃烧气体传递至第二压缩机排出流8中的压缩超临界流体。热交换器134的排出流107可以被排放到大气中。
转向图3，图3是根据本公开的另一实施方式的动力生成系统200的示意图。动力生成系统200与动力生成系统100几乎相同，因此，相同元件的附图标记将用于标识相同的部件。动力生成系统200与动力生成系统100的一个差异是动力生成系统200中的每个芯不具有输出装置。相反，动力生成系统200包括经由轴118以可操作的方式连接至输出装置220的动力涡轮116，其中，从每个芯中的涡轮排出的膨胀的超临界流体被循环通过动力涡轮116，该动力涡轮116产生用于输出装置220的轴动力。在动力涡轮116中膨胀之后，膨胀的超临界流体被朝向回热式热交换器和多个交叉循环热交换器排出。
动力生成系统200包括第一超临界流体循环202和第二或空气呼吸循环204。第一循环202和第二循环204分别包括超临界流体流动路径106和空气流体流动路径108，超临界流体流动路径106和空气流体流动路径108在一个实施方式中彼此分开，使得超临界流体和空气不混合。
动力生成系统200包括沿着超临界流体流动路径106设置的多个芯。每个芯包括具有以可操作的方式连接至涡轮的轴的压缩机。另外，每个芯可以配置成被选择性地操作，使得动力生成系统200根据操作芯的数量生成不同水平的动力。
如图3所示，沿着超临界流体流动路径106设置的多个芯中的第一芯包含经由轴112a以可操作的方式连接至涡轮114a的压缩机110a。第一芯涡轮114a在输出装置220中为动力生成系统200提供第一水平的输出动力。输出装置220可以是涡轮螺旋桨或涡轮轴、齿轮箱或发电机。沿着超临界流体流动路径106设置的多个芯中的第二芯包含经由轴112b以可操作的方式连接至涡轮114b的压缩机110b。第二芯涡轮114b在输出装置220中为动力生成系统200提供第二水平的输出动力，当第一芯和第二芯都是可操作的时候的第二水平的输出动力大于当仅第一芯是可操作的时候的第一水平的输出动力。在设计动力生成系统200时，沿着超临界流体流动路径106设置的多个芯中的芯的总数不限于芯的任何特定数量。如图3所示，可以基于特定应用来添加额外的芯，直到达到期望的芯的总数。芯的总数在图3中由沿着超临界流体流动路径106设置的“最后的芯”表示，其包含经由轴112x以可操作的方式连接至涡轮114x的压缩机110x。当所有芯都是可操作的时，最后的芯涡轮114x在输出装置220中为动力生成系统200提供最大水平的输出动力。因此，动力生成系统200中的芯的总数限定了动力生成系统200的输出动力的水平的数量。因此，动力生成系统200的输出动力可以通过下述方式进行动态调节：通过在动力生成系统200中选择性地启动和/或停用沿着超临界流动路径106设置的操作芯的数量，即：从第一个芯至总数量的芯/最后的芯。
超临界循环202中的每个芯也可以包含压缩机输入阀142a、142b、142x；压缩机排出阀144a、144b、144x；涡轮输入阀146a、146b、146x；以及涡轮输出阀148a、148b、148x，用以控制超临界流体流沿着超临界流体流动路径106进入和离开每个芯的流动。
动力生成系统200还包括沿着空气流动路径204设置的一个或更多个压缩机、一个或更多个涡轮、一个或更多个燃烧室、以及沿着流动路径106和108设置的多个热交换器。热交换器包括多个交叉循环热交换器132、134、136和138。
动力生成系统200还包括沿着超临界流体流动路径106的回热式热交换器130。动力生成系统200还可以包括阀122、流量计(未示出)、混合汇合器124、以及构造成对系统200的运行进行控制的一个或更多个控制器(未示出)。
首先，超临界流体流1沿着超临界流动路径106被引导至第一芯。超临界流体被供给至第一芯压缩机110a的入口。在压缩机110a中压缩之后，压缩的超临界流体被排出至压缩机排出流4。在替代性实施方式中，流1被引导至压缩机输入阀142a，该压缩机输入阀142a将超临界流体流2a引导至第一芯压缩机110a的入口。在压缩机110a中压缩之后，压缩的超临界流体通过流3a被排出至压缩机排出阀144a，该压缩机排出阀144a将压缩的超临界流体引导至压缩机排出流4。
压缩机排出流4可以被分流成第一部分和第二部分作为排出流6和排出流8。排出流6和排出流8可以被称为第一排出流6和第二排出流8。替代性地，排出流6和排出流8可以被称为第一压缩机排出流6和第二压缩机排出流8。分流允许压缩机排出流4的第一部分被回收并且允许剩余部分通过一系列热交换器134和132借助于循环穿过流动路径108的空气流体而被直接加热。如图示的，压缩机排出流4经由可以与控制器(未示出)进行电子通信的阀122a而被分流。该控制器根据需要对阀122a进行操作或致动以引导流穿过流动路径106。在一个实施方式中，阀122a构造成将压缩机排出流4的55％到大约75％引导到第一排出流6中。压缩机排出流4的其余流被引导至第二排出流8。在另一实施方式中，阀122a构造成将压缩机排出流4的大约67％引导到第一排出流6中。
超临界流体的第一排出流6被引导至回热式热交换器130，在回热式热交换器130中，热被从第二涡轮排出流22中的经加热的超临界流体传递至第一压缩机排出流6。从回热式热交换器130排出的经加热的超临界流体流19被引导至汇合器124a并与离开交叉循环热交换器134的经加热的超临界流体流10混合。
第二排出流8被引导至交叉循环热交换器134。在交叉循环热交换器134中，来自流动路径108中的燃烧气体的热被传递至超临界流体的第二排出流8。从热交换器134排出的流10与来自回热式热交换器130的超临界流体流19在汇合器124a处混合，如上面所讨论的。汇合器124a可以是连接至导管的接头或者汇合器124a可以包括混合装置。
混合流12被供给至交叉循环热交换器132。在交叉循环热交换器132中，热被从流动路径108中的燃烧气体传递至超临界流体的混合流。交叉循环热交换器132将经加热的超临界流体涡轮输入流14排出。
经加热的超临界流体涡轮输入流14被引导至第一芯涡轮114a的入口。涡轮114a使超临界流体膨胀并产生经由轴112a驱动压缩机110a的轴动力。在涡轮114a中膨胀之后，膨胀的超临界流体被排出至涡轮排出流17。在替代性实施方式中，经加热的超临界流体涡轮输入流14被引导至涡轮输入阀146a，该涡轮输入阀146a将超临界流体流15a引导至第一芯涡轮114a的入口。涡轮114a使超临界流体膨胀并产生经由轴112a驱动压缩机110a的轴动力。在涡轮114a中膨胀之后，膨胀的超临界流体通过流16a被排出至涡轮排出阀148a，该涡轮排出阀148a将超临界流体引导至涡轮排出流17。
涡轮排出流17被引导至动力涡轮116的入口，涡轮排出流17在动力涡轮116中膨胀以产生经由轴118驱动输出装置220的轴动力，进而为动力生成系统200提供第一水平的输出动力。在动力涡轮116中膨胀之后，膨胀的超临界流体被引导至涡轮排出流17a。
涡轮排出流17a可以被分流成第一部分和第二部分作为排出流18和排出流22。排出流18和排出流22可以被称为第一排出流18和第二排出流22。替代性地，排出流18和排出流22可以被称为第一涡轮排出流18和第二涡轮排出流22。如图示的，阀122b可以将涡轮排出流17a分流成第一排出流18和第二排出流22。控制器操作或致动阀122b。在一个实施方式中，阀122b构造成将涡轮排出流17a的70％至约90％引导到第二排出流22中。涡轮排出流17a的其余流被引导至第一排出流18。在另一实施方式中，阀122b构造成将涡轮排出流17a的约80％引导到第二排出流22中。不管涡轮排出流17a如何分流，第一排出流18被引导至交叉循环热交换器136并且通过沿着流动路径108穿过热交换器136的空气流而冷却。
第二排出流22被引导至回热式热交换器130，在回热式热交换器130中，来自第二涡轮排出流22中的超临界流体的热被传递至第一压缩机排出流6中的压缩超临界流体。换句话说，回热式热交换器130使超临界流体的涡轮排出流22冷却。来自回热式热交换器130的冷却的超临界流体的排出流24与来自热交换器136的进入流20在汇合器124b处混合。混合流26从汇合器124b被引导至交叉循环热交换器138(交叉循环热交换器138可以是可选的)。例如，混合流26可以被直接引导至冷却的超临界流体流28。如上所述，在交叉循环热交换器138中，来自超临界流体的混合流26的热被传递至空气循环204的流动路径108。冷却的超临界流体流28被引导通过冷却器126(冷却器126可以是可选的)并返回至超临界流体流1。来自供给部109的额外的超临界流体可以被引入超临界流体流1中，以补偿超临界流体从系统的任何泄漏。在任何情况下，超临界流体流1返回至第一芯压缩机110a的入口，并且重复压缩-加热-膨胀-冷却的步骤。
在动力生成系统200上的动力需求增加的情况下，可以启动沿着超临界流动路径106的第二芯以在输出装置220中产生第二水平的动力，该第二水平的动力大于当仅第一芯是可操作的时候所生成的第一水平的动力。
为了生成第二水平的动力，超临界流体流1的至少一部分沿着超临界流动路径106被引导至第二芯。超临界流体被供给至第二芯压缩机110b的入口。在压缩机110b中压缩之后，压缩的超临界流体的排出物被引导至压缩机排出流4，在压缩机排出流4中，该排出物与从压缩机110a排出的压缩的超临界流体混合。在替代性实施方式中，流1的至少一部分被引导至压缩机输入阀142b，该压缩机输入阀142b将超临界流体流2b引导至第二芯压缩机110b的入口。在压缩机110b中压缩之后，压缩的超临界流体通过流3b被排出至压缩机排出阀144a，该压缩机排出阀144a将压缩的超临界流体引导至压缩机排出流4，在压缩机排出流4中，该压缩的超临界流体与从压缩机110a排出的压缩的超临界流体混合。
如上所述，压缩机排出流4被分流并被引导至回热式热交换器130和交叉循环热交换器132、134，在回热式热交换器130和交叉循环热交换器132、134中，超临界流体被加热并作为涡轮输入流14被排出。
经加热的超临界流体涡轮输入流14的至少一部分被引导至第二芯涡轮114b的入口。涡轮114b使超临界流体膨胀并产生经由轴112b驱动压缩机110b的轴动力。在涡轮114b中膨胀之后，膨胀的超临界流体被排出至涡轮排出流17，在涡轮排出流17中，该膨胀的超临界流体与从涡轮114a排出的膨胀的超临界流体混合。在替代性实施方式中，经加热的超临界流体涡轮输入流14被引导至涡轮输入阀146b，该涡轮输入阀146b将超临界流体流15b引导至第二芯涡轮114b的入口。涡轮114b使超临界流体膨胀并产生经由轴112b驱动压缩机110b的轴动力。在涡轮114b中膨胀之后，膨胀的超临界流体通过流16b被排出至涡轮排出阀148b，该涡轮排出阀148b将超临界流体引导至涡轮排出流17，在涡轮排出流17中，该膨胀的超临界流体与从涡轮114a排出的膨胀的超临界流体混合。
涡轮排出流17被引导至动力涡轮116的入口，涡轮排出流17在动力涡轮116中膨胀以产生经由轴118驱动输出装置220的轴动力，进而为动力生成系统200提供第二水平的输出动力，该第二水平的输出动力大于当仅第一芯是可操作的时候的第一水平的输出动力。在动力涡轮116中膨胀之后，膨胀的超临界流体被引导至涡轮排出流17a。
如上所述，涡轮排出流17a被分流并被引导至回热式热交换器130和交叉循环热交换器136、138，在回热式热交换器130和交叉循环热交换器136、138中，膨胀的超临界流体被冷却并且流1中的冷却的超临界流体的至少一部分被引导至第二芯压缩机110b的入口。
在动力生成系统200上的动力需求进一步增加的情况下，可以启动沿着超临界流动路径106的额外的芯以生成额外水平的动力，该额外水平的动力大于当第一芯和第二芯是可操作的时所生成的第二水平的动力。通过以上述方式使超临界流体流动通过额外的芯来生成额外水平的动力。当沿着超临界流动路径106设置的所有芯都是可操作的时，生成系统200产生最大水平的输出动力。
为了生成最大水平的动力，超临界流体流1的至少一部分被沿着超临界流动路径106引导至最后的芯。超临界流体被供给至最后的芯压缩机110x的入口。在压缩机110x中压缩之后，压缩的超临界流体的排出物被引导至压缩机排出流4，在压缩机排出流4中，该排出物与从压缩机110a、压缩机110b和额外的芯压缩机排出的压缩的超临界流体混合。在替代性实施方式中，流1的至少一部分被引导至压缩机输入阀142x，该压缩机输入阀142x将超临界流体流2x引导至最后的芯压缩机110x的入口。在压缩机110x中压缩之后，压缩的超临界流体通过流3x被排出至压缩机排出阀144x，该压缩机排出阀144x将压缩的超临界流体引导至压缩机排出流4，在压缩机排出流4中，该压缩的超临界流体与从压缩机110a、压缩机110b和额外的芯压缩机排出的压缩的超临界流体混合。
如上所述，压缩机排出流4被分流并被引导至回热式热交换器130和交叉循环热交换器132、134，在回热式热交换器130和交叉循环热交换器132、134中，超临界流体被加热并作为涡轮输入流14被排出。
经加热的超临界流体涡轮输入流14的至少一部分被引导至最后的芯涡轮114x的入口。涡轮114x使超临界流体膨胀并产生经由轴112x驱动压缩机110x的轴动力。在涡轮114x中膨胀之后，膨胀的超临界流体被排出至涡轮排出流17，在涡轮排出流17中，该膨胀的超临界流体与从涡轮114a，涡轮114b和额外的芯涡轮排出的膨胀的超临界流体混合。在替代性实施方式中，经加热的超临界流体涡轮输入流14被引导至涡轮输入阀146x，该涡轮输入阀146x将超临界流体流15x引导至最后的芯涡轮114x的入口。涡轮114x使超临界流体膨胀并产生经由轴112x驱动压缩机110x的轴动力。在涡轮114x中膨胀之后，膨胀的超临界流体通过流16x被排出至涡轮排出阀148x，该涡轮排出阀148x将超临界流体引导至涡轮排出流17，在涡轮排出流17中，该膨胀的超临界流体与从涡轮114a、涡轮114b和额外的芯涡轮排出的膨胀超临界流体混合。
涡轮排出流17被引导至动力涡轮116的入口，涡轮排出流17在动力涡轮116膨胀以产生经由轴118驱动输出装置220的轴动力，进而当所有芯都是可操作的时为动力生成系统200提供最大水平的输出动力。在动力涡轮116中膨胀之后，膨胀的超临界流体被引导至涡轮排出流17a。
如上所述，涡轮排出流17a被分流并被引导至回热式热交换器130和交叉循环热交换器136、138，在回热式热交换器130和交叉循环热交换器136、138中，膨胀的超临界流体被冷却并且流1中的冷却的超临界流体的至少一部分被引导至最后的芯压缩机110x的入口。
继续参照图3，系统200的空气呼吸循环204部分在操作和构型上与上述整个动力生成系统100的空气呼吸循环104部分相同。
参照图4，图4是根据本公开的另一实施方式的动力生成系统300的示意图。动力生成系统300类似于动力生成系统100之处在于动力生成系统300包括第一超临界流体循环302和第二或空气呼吸循环304。第一循环302和第二循环304分别包括超临界流体流动路径306和空气流体流动路径423，超临界流体流动路径306和空气流体流动路径423在一个实施方式中彼此分开，使得超临界流体和空气不混合。然而，与动力生成系统100不同，动力生成系统300在超临界流体循环302中不结合回热式热交换器。
动力生成系统300包括沿着超临界流体流动路径306设置的多个芯。每个芯包括具有以可操作的方式连接至涡轮的轴的压缩机。在一个实施方式中，涡轮还包括以可操作的方式连接至输出装置的轴。在替代性实施方式中，芯包含以可操作的方式连接至输出装置的第二涡轮，其中，从以可操作的方式连接至压缩机的涡轮排出的膨胀的超临界流体被循环通过第二涡轮，该第二涡轮产生用于输出装置的轴动力。在任一实施方式中，输出装置可以为系统300提供输出动力。另外，每个芯可以配置成被选择性地操作，使得动力生成系统300根据操作芯的数量而生成不同水平的动力。如本文所论述的，输出装置可以是涡轮螺旋桨、涡轮风扇、齿轮箱或发电机。
如图4所示，沿着超临界流体流动路径306设置的多个芯中的第一芯包含经由轴312a以可操作的方式连接至涡轮314a的压缩机310a。涡轮314a还包括以可操作的方式连接至输出装置320a的轴317a，该输出装置320a为动力生成系统300提供第一水平的输出动力。沿着超临界流体流动路径306设置的多个芯中的第二芯包含经由轴312b以可操作的方式连接至涡轮314b的压缩机310b。涡轮314b还包括以可操作的方式连接至输出装置320b的轴317b，该输出装置320b为动力生成系统300提供第二水平的输出动力，在第一芯和第二芯是可操作的时的该第二水平的输出动力大于在仅第一芯是可操作的时的第一水平的输出动力。在设计动力生成系统300时，沿着超临界流体流动路径306设置的多个芯中的芯的总数不限于芯的任何特定数量。
如图4所示，可以基于特定应用来添加额外的芯，直到达到期望的芯的总数。芯的总数在图4中由沿着超临界流体流动路径306设置的最后的芯表示，其包含经由轴312x以可操作的方式连接至涡轮314x的压缩机310x。涡轮314x还包括以可操作的方式连接至输出装置320x的轴317x，当所有芯都是可操作的时，该输出装置320x为动力生成系统300提供最大水平的输出动力。因此，动力生成系统300中的芯的总数限定了动力生成系统300的输出动力水平的数量。因此，动力生成系统300的输出动力可以通过下述方式进行动态调节：通过在动力生成系统300中选择性地启动和/或停用沿着超临界流动路径306设置的操作芯的数量，即：从第一个芯至总数量的芯/最后的芯。
超临界循环302中的每个芯也可以包含压缩机输入阀342a、342b、342x；压缩机排出阀344a、344b、344x；涡轮输入阀346a、346b、346x；以及涡轮输出阀348a、348b、348x，用以控制超临界流体流沿着超临界流体流动路径306进入和离开每个芯的流动。
动力生成系统300还包括沿着空气流动路径423设置的一个或更多个压缩机、一个或更多个涡轮、一个或更多个燃烧室、以及沿着流动路径306和423设置的多个热交换器。热交换器包括多个交叉循环热交换器410和418。
首先，超临界流体流1沿着超临界流动路径306被引导至第一芯。超临界流体被供给至第一芯压缩机310a的入口。在压缩机310a中压缩之后，压缩的超临界流体被排出至压缩机排出流4。在替代性实施方式中，流1被引导至压缩机输入阀342a，该压缩机输入阀342a将超临界流体流2a引导至第一芯压缩机310a的入口。在压缩机310a中压缩之后，压缩的超临界流体通过流3a被排出至压缩机排出阀344a，该压缩机排出阀344a将压缩的超临界流体引导至压缩机排出流4。
压缩机排出流4在交叉循环热交换器410中被加热，该交叉循环热交换器410连接至超临界流动路径306和空气呼吸流动路径423。交叉循环热交换器用于排出经加热的超临界流体涡轮输入流14。
经加热的超临界流体涡轮输入流14被引导至第一芯涡轮314a的入口。涡轮314a使超临界流体膨胀并产生经由轴312a驱动压缩机310a的轴动力。涡轮314a进一步驱动输出装置320a以为动力生成系统300提供第一水平的输出动力。在涡轮314a中膨胀之后，膨胀的超临界流体被排出至涡轮排出流17。在替代性实施方式中，经加热的超临界流体涡轮输入流14被引导至涡轮输入阀346a，该涡轮输入阀346a将超临界流体流15a引导至第一芯涡轮314a的入口。涡轮314a使超临界流体膨胀并产生经由轴312a驱动压缩机310a的轴动力。涡轮314a进一步驱动输出装置320a以为动力生成系统300提供第一水平的输出动力。在涡轮314a中膨胀之后，膨胀的超临界流体通过流16a被排出至涡轮排出阀348a，该涡轮排出阀348a将超临界流体引导至涡轮排出流17。
涡轮排出流17被引导至交叉循环热交换器418，在交叉循环热交换器418中，膨胀的超临界流体通过沿着空气呼吸流动路径423穿过热交换器418的空气流而冷却。
冷却的超临界流体流可以被引导通过冷却器(未示出)(该冷却器可以是可选的)并返回至超临界流体流1。来自供给部331的额外的超临界流体可以被引入超临界流体流1中，以补偿超临界流体从系统的任何泄漏。在任何情况下，超临界流体流1返回至第一芯压缩机310a的入口，并且重复压缩-加热-膨胀-冷却的步骤。
在动力生成系统300上的动力需求增加的情况下，可以启动沿着超临界流动路径306的第二芯以产生第二水平的动力，该第二水平的动力大于当仅第一芯是可操作的时所生成的第一水平的动力。
为了生成第二水平的动力，超临界流体流1的至少一部分沿着超临界流动路径306被引导至第二芯。超临界流体被供给至第二芯压缩机310b的入口。在压缩机310b中压缩之后，压缩的超临界流体的排出物被引导至压缩机排出流4，在压缩机排出流4中，排出物与从压缩机310a排出的压缩的超临界流体混合。在替代性实施方式中，流1的至少一部分被引导至压缩机输入阀342b，该压缩机输入阀342b将超临界流体流2b引导至第二芯压缩机310b的入口。在压缩机310b中压缩之后，压缩的超临界流体通过流3b被排出至压缩机排出阀344a，该压缩机排出阀344a将压缩的超临界流体引导至压缩机排出流4，在压缩机排出流4中，该压缩的超临界流体与从压缩机310a排出的压缩的超临界流体混合。
如上所述，压缩机排出流4被引导至交叉循环热交换器410，在交叉循环热交换器410中，超临界流体被加热并作为涡轮输入流14被排出。
经加热的超临界流体涡轮输入流14的至少一部分被引导至第二芯涡轮314b的入口。涡轮314b使超临界流体膨胀并产生经由轴312b驱动压缩机310b的轴动力。涡轮314b进一步驱动输出装置320b以为动力生成系统300提供第二水平的输出动力，该第二水平的输出动力大于仅当第一芯是可操作的时的第一水平的动力。在涡轮314b中膨胀之后，膨胀的超临界流体被排出至涡轮排出流17，在涡轮排出流17中，该膨胀的超临界流体与从涡轮314a排出的膨胀的超临界流体混合。在替代性实施方式中，经加热的超临界流体涡轮输入流14被引导至涡轮输入阀346b，该涡轮输入阀346b将超临界流体流15b引导至第二芯涡轮314b的入口。涡轮314b使超临界流体膨胀并产生经由轴312b驱动压缩机310b的轴动力。涡轮314b进一步驱动输出装置320b以为动力生成系统300提供第二水平的输出动力，该第二水平的输出动力大于仅当第一芯是可操作的时的第一水平的动力。在涡轮314b中膨胀之后，膨胀的超临界流体通过流16b被排出至涡轮排出阀348b，该涡轮排出阀348b将超临界流体引导至涡轮排出流17，在涡轮排出流17中，该膨胀的超临界流体与从涡轮314a排出的膨胀的超临界流体混合。
如上所述，涡轮排出流17被引导至交叉循环热交换器418，在交叉循环热交换器418中，膨胀的超临界流体被冷却并且流1中的冷却的超临界流体的至少一部分被引导至第二芯压缩机的入口310b。
在动力生成系统300上的动力需求进一步增加的情况下，可以启动沿着超临界流动路径306的额外的芯以产生额外水平的动力，该额外水平的动力大于当第一芯和第二芯是可操作的时所生成的第二水平的动力。通过以上述方式使超临界流体流动通过额外的芯来生成额外水平的动力。当沿着超临界流动路径306设置的所有新都是可操作的时，动力生成系统300产生最大水平的输出动力。
为了生成最大水平的动力，超临界流体流1的至少一部分被沿着超临界流动路径306引导至最后的芯。超临界流体被供给至最后的芯压缩机310x的入口。在压缩机310x中压缩之后，压缩的超临界流体的排出物被引导至压缩机排出流4，在压缩机排出流4中，该排出物与从压缩机310a、压缩机310b和额外的芯压缩机排出的压缩的超临界流体混合。在替代性实施方式中，流1的至少一部分被引导至压缩机输入阀342x，该压缩机输入阀342x将超临界流体流2x引导至最后的芯压缩机310x的入口。在压缩机310x中压缩之后，压缩的超临界流体通过流3x被排放至压缩机排出阀344x，该压缩机排出阀344x将压缩的超临界流体引导至压缩机排出流4，在压缩机排出流4中，该压缩的超临界流体与从压缩机310a、压缩机310b和额外的芯压缩机排出的压缩地超临界流体混合。
如上所述，压缩机排出流4被引导至交叉循环热交换器410，在交叉循环热交换器410中，超临界流体被加热并作为涡轮输入流14被排出。
经加热的超临界流体涡轮输入流14的至少一部分被引导至最后的芯涡轮314x的入口。涡轮314x使超临界流体膨胀并产生经由轴312x驱动压缩机310x的轴动力。涡轮314x进一步驱动输出装置320x，以在所有芯都是可操作的时为动力生成系统300提供最大水平的输出动力。在涡轮314x中膨胀之后，膨胀的超临界流体被排出至涡轮排出流17，在涡轮排出流17中，该膨胀的超临界流体与从涡轮314a、涡轮314b和额外的芯涡轮排出的膨胀的超临界流体混合。在替代性实施方式中，经加热的超临界流体涡轮输入流14被引导至涡轮输入阀346x，该涡轮输入阀346x将超临界流体流15x引导至最后的芯涡轮314x的入口。涡轮314x使超临界流体膨胀并产生经由轴312x驱动压缩机310x的轴动力。涡轮314x进一步驱动输出装置320x，以在所有芯都是可操作的时为动力生成系统300提供最大水平的输出动力。在涡轮314x中膨胀之后，膨胀的超临界流体通过流16x被排出至涡轮排出阀348x，该涡轮排出阀348x将超临界流体引导至涡轮排出流17，在涡轮排出流17中，该膨胀的超临界流体与从涡轮314a、涡轮314b和额外的芯涡轮排出的膨胀的超临界流体混合。
如上所述，涡轮排出流17被引导至交叉循环热交换器418，在交叉循环热交换器418中，膨胀的超临界流体被冷却并且流1中的冷却的超临界流体的至少一部分被引导至最后的芯压缩机310x的入口。
在空气呼吸循环304中，首先，环境空气411被供给至压缩机420。来自压缩机420的压缩空气流E随后在热交换器418中通过来自超临界流体涡轮输出流17的热的传递被加热。经加热的压缩空气流F随后被引导至燃烧室424。燃烧室424接纳燃料流427，所述燃料比如为喷气燃料、柴油燃料、天然气或生物燃料并且被燃料控制器428引入并在空气中燃烧以产生热燃烧气体。来自燃烧室424的燃烧气体流G被引导至热交换器410，在热交换器410中，热被传递至压缩机排出流4中的压缩超临界流体，如上所述。在离开热交换器410之后，燃烧气体流H在涡轮426中膨胀，涡轮426产生动力以经由轴421驱动空气压缩机420。在涡轮426中膨胀之后，燃烧气体I被排放到大气中。
参照图5，图5是绘制了包含六个芯的系统中的热交换器的效率的图表，其中，热交换器被设计用于当一个芯是可操作的(15％至20％的动力需求)时的峰值性能。如图5所示，当系统中的所有六个芯都是可操作的时，热交换器仅经历效率的最小降低(大约3％)。因此，这允许经济的热交换器设计，而不会在动力生成系统以最大容量操作时牺牲显着的性能。因此，通常在部分动力下操作的动力生成系统在不牺牲最大动力输出的情况下具有在正常操作条件下减少燃料消耗的潜力。
在本公开的另一实施方式中，交叉循环热交换器132、134、136和138被设计用于当沿着超临界流体循环设置的多个芯中的仅一个芯是可操作的时的峰值性能。
在另一个实施方式中，回热热交换器130被设计用于当沿着超临界流体循环设置的多个芯中的仅一个芯是可操作的时的峰值性能。
在另一替代性实施方式中，如本文中所描述的动力生成系统100、200、300包括超临界流体涡轮组件，超临界流体涡轮组件包括如在259公开中所公开的涡流扭矩耦合件。259公开中的该涡流扭矩耦合件的公开内容通过参引全部并入本申请中。
动力生成系统100、200、300的应用包括但不限于飞行器发动机(比如，涡轮风扇、涡轮螺旋桨或涡轮轴发动机)，基于地面的发电机、船只推进系统、地面运输发动机等。另外，动力生成系统100、200、300可以用于定向能量武器(DEW)发电。此外，其他应用可以包括动力生成和热生成特征比如蒸汽和热水。该系统可以用于需要轴动力的任何其他应用。
提供上述描述用于说明的目的而不应理解为限制本发明。尽管已参考优选实施方式或优选方法对本发明进行了描述，但是应当理解的是，本文所使用的词语是描述和说明的词语，而非限制的词语。此外，尽管在本文中已经参照特定结构、方法和实施方式对本发明进行了描述，但是本发明并不意在限于本文中所公开的细节，因为本发明扩展到所附权利要求范围内的所有结构、方法和用途。那些获得本说明书的教示的益处的相关领域技术人员可以对本文中所描述的本发明实施许多改型，并且可以在不脱离本发明的由所附权利要求限定的范围和精神的情况下作出改变。

Claims (26)

1.一种用于在系统中生成动力的方法，所述系统包括超临界流体循环和空气呼吸循环，所述超临界流体循环具有流动穿过所述超临界流体循环的超临界流体，所述空气呼吸循环具有流动穿过所述空气呼吸循环且不与超临界流体流混合的空气，所述方法包括如下步骤：
a.将所述超临界流体引导通过沿着所述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；
b.在所述第一芯的所述压缩机中对所述超临界流体进行压缩，使得所述超临界流体作为压缩的超临界流体而从所述第一芯的所述压缩机排出；
c.在至少一个热交换器中将热从所述空气呼吸循环中的所述空气传递至所述压缩的超临界流体，使得所述压缩的超临界流体作为经加热的超临界流体而从所述至少一个热交换器排出；
d.将来自所述至少一个热交换器的所述经加热的超临界流体的至少一部分引导至所述第一芯的所述涡轮；
e.在所述第一芯的所述涡轮中使所述经加热的超临界流体膨胀，使得所述第一芯在输出装置中生成第一水平的动力；以及
e.启动所述多个芯中的至少第二芯，使得所述第二芯将在所述输出装置中生成的所述第一水平的动力增大至第二水平的动力，所述第二水平的动力大于所述第一水平的动力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，启动步骤响应于所述系统的动力需求。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，启动步骤还包括驱使所述超临界流体流动至所述第二芯的压缩机、所述至少一个热交换器和所述第二芯的涡轮，使得所述第二芯的所述涡轮将所述输出装置中的所述第一水平的动力增大至所述第二水平的动力。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，驱使步骤还包括：
将超临界流体引导至沿着所述超临界流体循环的所述多个芯中的所述第二芯的所述压缩机；
在所述第二芯的所述压缩机中对所述超临界流体进行压缩，使得所述超临界流体作为压缩的超临界流体而从所述第二芯的所述压缩机排出；
使从所述第二芯的所述压缩机排出的所述压缩的超临界流体与从所述第一芯的所述压缩机排出的所述压缩的超临界流体混合，以限定超临界流体的混合物；
将超临界流体的混合物的至少一部分引导至所述第二芯的所述涡轮；
在所述第二芯的所述涡轮中使所述超临界流体的所述混合物的至少一部分膨胀，使得所述第二芯将所述输出装置的所述第一水平的动力增大至所述第二水平的动力。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，启动步骤还包括驱使所述超临界流体流动通过第三芯的压缩机、所述至少一个热交换器和所述第二芯的涡轮，使得所述第三芯的所述涡轮将所述输出装置中的所述第二水平的动力增大至第三水平的动力。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，驱使步骤还包括：
将超临界流体引导至沿着所述超临界流体循环的所述多个芯中的所述第三芯的所述压缩机；
在所述第三芯的所述压缩机中对所述超临界流体进行压缩，使得所述超临界流体作为压缩的超临界流体而从所述第三芯的所述压缩机排出；
使从所述第三芯的所述压缩机排出的所述压缩的超临界流体与超临界流体的所述混合物混合；
将超临界流体的混合物的至少一部分引导至所述第三芯的所述涡轮；以及
在所述第三芯的所述涡轮中使所述超临界流体的所述混合物的所述至少一部分膨胀，使得所述第三芯将所述输出装置的所述第二水平的动力增大至所述第三水平的动力。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述超临界流体包括二氧化碳。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，从膨胀的所述超临界流体传递足够的热以使所述膨胀的超临界流体的所述混合物冷却至大致所述超临界流体的临界点。
9.根据权利要求3所述的方法，其中，启动步骤还包括驱使所述超临界流体流动通过所述多个芯中的至少一个额外的芯的压缩机、所述至少一个热交换器、以及所述多个芯中的至少一个额外的芯的涡轮，使得所述至少一个额外的芯的所述涡轮将所述输出装置中的所述第二水平的动力增大至等于所启动的芯的总数的水平的动力。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，驱使步骤还包括：
将超临界流体引导至沿着所述超临界流体循环的所述多个芯中的所述至少一个额外的芯的所述压缩机；
在所述至少一个额外的芯的所述压缩机中对所述超临界流体进行压缩，使得所述超临界流体作为压缩的超临界流体而从所述至少一个额外的芯的所述压缩机排出；
使从所述至少一个额外的芯的所述压缩机排出的所述压缩的超临界流体与超临界流体的所述混合物混合；
将超临界流体的混合物的至少一部分引导至所述至少一个额外的芯的所述涡轮；
在所述至少一个额外的芯的所述涡轮中使所述超临界流体的所述混合物的所述至少一部分膨胀，使得所述至少一个额外的芯将所述输出装置的所述第二水平的动力增大至等于所启动的芯的总数的水平的动力。
11.一种构造成生成动力的系统，所述系统至少包括超临界流体循环，所述超临界流体循环具有流动穿过所述超临界流体循环的超临界流体，所述系统包括：
沿着所述超临界流体循环设置的多个芯，每个芯包括压缩机和涡轮，每个芯构造成被选择性地操作以生成动力输出；
沿着所述超临界流体循环设置的多个热交换器，所述多个热交换器中的至少一个热交换器构造成与所述多个芯中的每个芯流体连通；
其中，所述多个芯中的第一芯构造成当所述第一芯处于操作中时生成第一水平的动力，并且所述多个芯中的第二芯构造成当所述第一芯和所述第二芯都处于操作中时将所述第一水平的动力增大至第二水平的动力，所述第二水平的动力大于所述第一水平的动力。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，每个芯的所述压缩机构造成接纳和压缩超临界流体，并且每个芯的所述涡轮构造成接纳超临界流体并使超临界流体膨胀。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述多个热交换器中的至少一个热交换器构造成接纳在所述多个芯中的至少一个芯的所述涡轮中膨胀的超临界流体的至少一部分以及在所述多个芯中的至少一个芯的所述压缩机中压缩的超临界流体的至少一部分。
14.根据权利要求11所述的系统，还包括控制器，所述控制器构造成将超临界流体流选择性地引导通过所述多个芯中的所述第一芯和至少所述第二芯，以调节运行的芯的数量。
15.根据权利要求14所述的系统，还包括一个或更多个阀，所述一个或更多个阀以可操作的方式连接至所述控制器并且所述一个或更多个阀构造成控制超临界流体穿过所述多个芯的流动。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述多个芯中的每个芯还包括压缩机输入阀和压缩机排出阀，所述压缩机输入阀构造成控制超临界流体进入所述压缩机的流动，所述压缩机排出阀构造成控制来自所述压缩机的超临界流体的流动。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述多个芯中的每个芯还包括涡轮输入阀和涡轮排出阀，所述涡轮输入阀构造成控制超临界流体进入所述涡轮的流动，所述涡轮排出阀构造成控制来自超临界流体涡轮的超临界流体的流动。
18.根据权利要求11所述的系统，还包括以可操作的方式联接至所述多个芯中的每个芯的至少一个动力装置。
19.根据权利要求11所述的系统，还包括以可操作的方式联接所述多个芯中的相应的芯的多个动力装置。
20.根据权利要求11所述的系统，其中，所述动力装置是发电机、涡轮螺旋桨、涡轮风扇或齿轮箱中的一者。
21.根据权利要求11所述的系统，还包括构造成降低超临界流体的温度的至少一个冷却器。
22.一种包括超临界流体循环和空气呼吸循环的发动机，所述发动机构造成产生多个水平的动力输出，所述发动机包括：
沿着所述超临界流体循环设置的多个芯，每个芯包括压缩机和涡轮，每个芯构造成被选择性地操作以生成动力输出；
沿着所述超临界流体循环设置的多个热交换器，所述多个热交换器中的至少一个热交换器构造成与所述多个芯中的每个芯流体连通；
其中，所述发动机构造成调节所述多个芯中运行的芯的数量，以调节动力输出的水平。
23.根据权利要求22所述的发动机，其中，所述多个芯中的第一芯构造成生成第一水平的动力，并且所述多个芯中的第二芯构造成当所述第一芯和所述第二芯处于操作中时将所述第一水平的动力增大至第二水平的动力，所述第二水平的动力大于所述第一水平的动力。
24.根据权利要求22所述的发动机，其中，所述多个芯的所述压缩机和所述涡轮中的每一者包括入口和出口，并且所述发动机还包括：
第一输入导管，所述第一输入导管连接至每个芯中的所述压缩机的所述入口；
第一排出导管，所述第一排出导管连接至每个芯中的所述压缩机的所述出口；
第二输入导管，所述第二输入导管连接至每个芯中的所述涡轮的所述入口；
第二排出导管，所述第二排出导管连接至每个芯中的所述涡轮的所述出口；以及
多个热交换器，所述多个热交换器构造成当所述发动机运行时a)接纳来自所述第一排出导管和所述第二排出导管的超临界流体，以及b)将超临界流体排出至所述第一输入导管和所述第二输入导管。
25.根据权利要求24所述的发动机，其中，所述多个热交换器构造成将热从所述空气呼吸循环中的空气传递至来自所述第一排出导管的所述超临界流体的至少一部分，并且将热从来自所述第二排出导管的所述超临界流体的至少一部分传递至所述空气呼吸循环中的空气。
26.根据权利要求21所述的发动机，还包括用以对所述空气呼吸循环中的空气进行加热的装置。
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