CN107923256A - 发动机 - Google Patents

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Abstract

一种发动机包括压缩机和与压缩机的输入及输出相连接的闭合流体回路，使得压缩的气体可以通过回路而由压缩机来驱动。压缩机的输出通过流体回路而被连接至涡轮机部件，所述涡轮机部件包括与在使用中充当发动机的输出的转动轴相连接的至少一个涡轮机叶片组。冷凝器接收在流过涡轮机部件的回路中的流体并且被布置为降低压缩的气体的温度和压力，冷凝器的出口被连接至压缩机的入口。

Description

发动机
本发明涉及一种采用循环压缩气体来驱动涡轮机以提供能量输出的发动机。
各种各样的发动机是众所周知的，从传统的内燃机直到由压缩的空气、风力、水力和其他源驱动的发动机。
所有这类发动机受提供能量输出的同时使能量消耗最小化并且还使可能对环境有害的排放物最小化的需求的驱动。此外，这类发动机通常需要具有其输出的简单控制以及期望通过使用最小数量的活动部件和提供具有最小磨损的部件以减少维护需求而具有长的可使用寿命。
本发明力图提供一种发动机，其是高效率的，其在其输出方面是高度可控的，而且其还是简单且易于维护的，并且用最小维护而具有长的可使用寿命。
根据本发明提供了一种发动机，其包括压缩机和与该压缩机的输入和输出相连接的闭合流体回路，使得可以由压缩机通过回路来驱动压缩的气体，压缩机的输出通过流体回路被连接至涡轮机部件，该涡轮机部件包括与在使用中充当发动机的输出的转动轴相连接的至少一个涡轮机叶片组；冷凝器，用于接收流过涡轮机部件的回路中的流体并且被布置为降低压缩的气体的温度和压力，冷凝器的出口被连接至压缩机的入口。
涡轮机可以包括沿着公共轴布置的多个叶片组，在每个组中叶片的数目以及其相对位置被配置为通过涡轮机部件来控制压缩的气体的流动并且控制发动机的输出功率。
止回阀可以位于到压缩机的输入处以控制膨胀的循环气体向压缩机的输入的流动，以提高其效率并优化针对给定负载的发动机的性能。
发动机中的循环气体可以是氨气，更优选地，出于安全和可操作效率原因，可以是二氧化碳。
冷凝器部件可以被附接至用于回收热能的能量回收装置，该热能可以被转换成电能以驱动压缩机并提高发动机的效率。
涡轮机轴可以被连接至发电机，发电机提供生成压缩机为控制发动机的整体性能所需要的一定比例的能量。
现在将参照附图描述本发明的一个示例，其中：
图1是根据本发明的发动机的示意图；以及
图2是示出图1的发动机内的循环气体的流动的示意图。
参照图1，发动机1具有气体回路2以容纳压缩的气体。气体可以是二氧化碳、氨气或者可以以合适的压缩压力容纳的任何其他合适的气体，这取决于发动机中所需的输出以及其他需求，诸如形成回路的部件及发动机的其他部分的整体重量、优选操作压力和温度阈值。
提供了压缩机3，其在使用中压缩回路中的气体并且将其从压缩机出口4朝着涡轮机部件5驱动。此示例中的压缩机是电动的，但可以具有可替选的电源。在压缩的气体到达涡轮机5处时压缩机出口4的直径控制压缩的气体的压力和流动速率。如果在流体回路的此部分中气体的压力和温度处在其临界点则提供了高效率。加热器(未示出)可以邻近于压缩机3而被并入以加热压缩的气体来帮助实现这一点。当气体从压缩机出口4流入到涡轮机部件5中时，气体流过叶片组6、7和8，其在如此流动时膨胀并驱动一系列叶片和中心轴9，叶片组6、7和8附接至中心轴9。在此示例中，已经提供了三个叶片组6、7、8，但是可以依据压力(气体以该压力存在于涡轮机部件5中)以及流动速率来选择组的数目以及每个组中叶片的数目和配置的叶片角度。轴9充当输出，并且可以通过齿轮箱而被连接至要驱动的机械部件。
在此示例中，轴9被示出为连接至发电机10，发电机10被链接至控制部件11和12。这些控制部件可以从发电机10接收电功率以控制轴9上的输出负载和发电机10的操作输出(operating output)，并且还可能控制从发电机10向压缩机3生成的电力的反馈，进而控制发动机的整体操作输出以优化其能量效率。此外或者作为可替选方案，其可以是，发电机10被机械地连接至压缩机3，使得其可以作为电机来操作以启动压缩机3。其还可以是，来自发电机10的部件和涡轮机部件被集成到单一单元中以减小与该两者连接相关联的尺寸和机械损耗。
在一个示例中，发电机以400Hz生成AC以提供高效率，而且还具有步进部件以将其降至50Hz以便与标准电气部件一起使用。
在流过涡轮叶片组6、7、8之后，现在处于非常低压力下的气体通过冷凝器13流出涡轮机部件5。在此示例中，冷凝器是一系列管道并且消散在气体膨胀之后留下的气体中的余热。在一个示例中，冷凝器13可以充当热交换器，使得那里的热能可以被回收并且可能转换成其他形式的能量(可能甚至是电能)以提高发动机的电输出的效率或者甚至向控制部件或向压缩机3提供电源。然后冷凝器13的输出通过另外的减压部件14(其是可选的)并通过止回阀15(其也是可选的)馈送并返回以被压缩机3再次压缩。止回阀15确保气体以单一方向流动并且可以帮助确保尤其是在启动期间通过该系统的气体的正确流动，并且可以被用于通过气体的流动来调节发动机的输出，因此优化发动机的效率。
止回阀15还可以被用于调节跨压缩机3的压力差以优化其操作效率。
如果出于安全原因而有必要的话，可以将安全阀(未示出)放置在流体回路中的合适的位置处以释放累积的不需要的压力。
在操作的一个示例中，在以CO2作为驱动气体情况下，跨压缩机3的压力差被控制在大约22巴(bar)(在压缩机输入处为30巴并且在压缩机输出处为52巴)。
图2以示意性形式示出了通过发动机1的气体的流动，在相关部件内的闭合回路中的气体的位置具有如图1中描绘的对应的标号。从这可以看出，回路内的气体的损失绝对最小，意味着气体可以在发动机中的作为整体的最少活动构件并且极低的环境损害而没有消耗在回路中使用的气体的情况下在长时间段内进行循环。
从上面将理解的是，通过对压缩机3和通过压缩机出口4的其输出的简单控制，发电机10可以被供电以对具有高水平效率和最小数目活动构件的发动机1的输出进行优化，以减少维护并改善操作。该配置使得在操作发动机时发动机的噪声输出被最小化，并且可以通过压缩机3的合适的操作、向压缩机3的生成的电力的反馈和来自交换器13的合适的能量回收以及止回阀15的合适的控制而将发动机控制为以其最小适配而具有多种多样的功率输出。

Claims (7)

1.一种发动机，包括压缩机和与所述压缩机的输入及输出相连接的闭合流体回路，使得压缩的气体能够通过回路而由所述压缩机来驱动，所述压缩机的输出通过所述流体回路而被连接至涡轮机部件，所述涡轮机部件包括与在使用时充当所述发动机的输出的转动轴相连接的至少一个涡轮机叶片组；
冷凝器，其用于接收流过所述涡轮机部件的回路中的流体并且被布置为降低所述压缩的气体的温度和压力，所述冷凝器的出口被连接至所述压缩机的入口。
2.根据权利要求1所述的发动机，其进一步包括止回阀，所述止回阀被放置在所述冷凝器的出口与所述压缩机的入口之间并且被配置为允许气体仅沿着从所述冷凝器到所述压缩机的方向流动。
3.根据前述权利要求中的任意一项所述的发动机，其中，所述涡轮机部件包括多个涡轮机叶片组，每个涡轮机叶片组附接至所述转动轴。
4.根据前述权利要求中的任意一项所述的发动机，其中，所述压缩的气体是二氧化碳或氨气中的一种气体。
5.根据前述权利要求中的任意一项所述的发动机，其进一步包括连接至输出轴的发电机。
6.根据权利要求5所述的发动机，其中，由所述发电机生成的电力中的至少一些被用于激励所述压缩机。
7.根据前述权利要求中的任意一项所述的发动机，其进一步包括与所述冷凝器相关联的能量回收装置，以从其回收热能并且提供来自所述发动机的额外的能量输出。
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