技术领域
[0001] 本
申请涉及外加热引擎。更具体地，本申请涉及在低温低压下工作的外加热引擎的效率和性能的改进。
背景技术
[0002] 外加热引擎，尤其是类似于气体或液体
涡轮类引擎的外加热引擎，通常具有极大的前景。这是因为这样的引擎相当高效、操作相对简单，且可灵活使用
工作流体作为媒介。然而，与此同时，外加热引擎在许多应用中受到了重大的限制。
[0003] 使用液态流体流的涡轮类引擎受到的限制最大。除非与其后具有大量的
水的
水坝或与高处大量下落且特别快速流动的水流连通，外加热引擎不能产生大量的
能量。在没有水坝或水流的情况下，充分加热液体或将其升高足够多而不使用太多的花费以获得有用的网络输出则是不可行的或无效的。同样，例如一些
蒸汽船中使用的桨轮类结构需要单独的动力源（例如，蒸汽机）来进行操作。
[0004] 使用气态流体流的涡轮类引擎具有更大的前景。其可使用气相流体为引擎（例如，蒸汽
机车）提供动力。其它类型的热气涡轮也是本领域公知的，并可有效地工作。然而，事实上，在全部这些情况中，气体需要非常高的
温度和压力。这些引擎难以达到几百华氏度的温度并同时在几百PSI的压力下工作。通常，这意味着必须为引擎专
门提供燃烧源与之结合工作，以达到所需要的工作水平。
[0005] 旧式蒸汽机车和固定的蒸汽机例如依靠大量的
煤火运行，与升压
泵结合工作，以产生所需要的水平。这样的引擎会在不合适的时间爆炸。
[0006] 燃气涡轮引擎（例如在发电站使用的）也使用非常高的温度和压力。喷射式涡轮引擎（例如在飞机上使用的）也在其燃烧腔内产生极高温度，并且还使用多级压缩以达到期望的压力和温度。
[0007] 本
发明旨在提供这样的热力引擎和功率生成系统，其避免高温高压，并依赖于相对低温的热源和低压工作流体来产生能量。该系统无需专用的燃烧源来工作，并将相对高效地工作，且产生足够多的能量。该引擎被设计为依赖于其它处理剩余的低温废热工作，或依赖于低温
太阳能、
地热能、
发电厂废热或可从诸如
空调或
冰箱装置获得的废热工作。
[0008] 现有的许多
专利公开了涡轮发电装置的配置，具体地包括，旋转元件上的涡轮
叶片、
机架结构、工作流体入口和排气口。
[0009] Scalzo的第3,501,249号美国专利针对涡轮
转子，尤其针对用于
锁定位于叶片
支撑盘的外围的涡轮
转子叶片的结构。
[0010] Basmajian的第4,073,069号美国专利公开了这样的装置，其包括中心圆盘制成的涡轮转子轮和
定子机架，绕中心圆盘的外围以接近的规则间隔安装并结合有弧形弯曲板状涡轮叶片，定子机架上具有用于包围该涡轮转子轮的透明盖，支撑一个或多个馈送
喷嘴，并提供喷嘴的定子反应底座，该轮及其机架安装在器具底盘上，该底盘包括参数调节装置和涡轮输出调节测量装置，以提供涡轮操作的紧凑经济的指示器。
[0011] Miller等人的第4,400,137号美国专利公开了转子组件和用于将转子叶片在该转子组件内固定和移除的方法。该转子组件包括转子盘和多个转子叶片，转子盘限定多个叶片槽，并包括位于叶片槽之间的多个
榫，多个榫限定从榫的外表面向内径向延伸的多个销槽，每个叶片包括位于叶片槽内、保护叶片不径向移动的根部，并包括
覆盖榫且限定径向延伸销孔的叶片平台。转子组件还包括多个锁定销，锁定销径向延伸穿过销孔并进入销槽，以保护转子叶片不径向移动，每个销包括头部和底部以限定销的径向移动。
[0012] Wosika的第4,421,454号美国专利公开了全周进气径向冲击式涡轮和具有全周进气径向冲击级的涡轮。该涡轮为单轴、双压式涡轮。在包含轴向流涡轮级的低压部分利用从径向冲击级所在的高压部分排出的工作流体。双压涡轮的径向冲击级（或每个径向冲击级）具有转子或轮，转子或轮的桶或袋的方向与轮旋转的方向横切并在轮的外围开口。经由形成或支撑在喷嘴环上的喷嘴将工作流体提供至桶，喷嘴环围绕涡轮的轮并与桶的入口端对准。
[0013] Miller等人的第4,502,838号美国专利公开了涡轮轮子的叶片（bucket），上述叶片形成为轮坯边缘内的一系列等间隔重叠的U形通道。在加工过程中，岛状物被遗留为U形的弯曲部的内部部分，并与迷宫式密封结合用来提供每个叶片的入口和出口之间的流体密封。
[0014] Violette的第5,074,754号美国专利公开了转子叶片的保持系统，其利用固定保持
法兰和具有闭侧保持件的可移动保持板的组合。这个系统可以快速更换或移除叶片以进行检查、维修或更换，而无需移除周围的主要引擎部件或结构件。通过将转子叶片的成形叶片根部的向
外延伸部分插入到位于保持件结构内部的周边的、向内径向突出成形的法兰的下方，转子叶片安装在可旋转毂（未示出）中的保持件中。可释放地安装并配合于保持件的可移动成形保持板则捕获并用可释放
紧固件固定转子叶片的成形根部的另一向外延伸部分。成形根部固定在保持件内而不使用直接的螺钉连接。预载紧固件产生系统组件中的压缩负载，从而使其各组件表面的磨损减小或消除。
[0015]
现有技术包括尝试从主热源获取废热然后在次级能量系统中再利用该能量的能量系统的许多
实施例。
[0016] Kelly的第3,822,554号美国专利公开了在温度T1（低）和T2（高）之间工作的热力引擎，其包括在T1和T2温度下的换热关系中的、单独的蒸汽闭合循环
电机和泵系统，并包括所述系统的冷凝剂之间的换热器。
[0017] Cheng等人的第3,953,973号美国专利公开了一种热力引擎或
热泵，其中，工作媒介交替地受到
凝固和
熔化操作。一种工作媒介称为S/L型工作媒介，其受到循环操作，每个循环包括第一压力下的高温熔化步骤和第二压力下进行的低温凝固步骤。每个热泵循环包括第一压力下进行的高温凝固步骤和第二压力下进行的低温凝固步骤。当使用非水媒介时，第一压力和第二压力分别为相对高压和相对低压。当使用水媒介时，两个压力分别为相对低压和相对高压。热泵的操作为热力引擎的反操作。
[0018] 的第4,292,809号美国专利公开了用于将低级热能转化为涡轮的机械能以进一步利用的方法。该方法的特征在于，在换热器中将低级加热媒介和第一冷却媒介
蒸发。将蒸汽运送至涡轮进行能量转换，并将潮湿的蒸汽运送至换热器进行冷凝。将冷凝物抽回换热器。换热器由蒸汽涡轮
电路和热泵电路以这样的方式共用，以使换热器包括蒸汽涡轮电路的
冷凝器和热泵电路中的
蒸发器。通
过冷凝去除的热可由第二
蒸发冷却媒介吸收，其蒸汽由热泵抽至由冷却的媒介冷却过的换热器，在第二蒸发冷却媒介处进行冷凝。当从换热器出去的冷却后的媒介整体加热至低于处理开始时的原始温度、或部分的流被重新加热至等于或高于处理开始时的原始温度并返回换热器时，冷凝物经由膨胀
阀被运送回换热器。热泵的热气用于对提供至涡轮的输入的第一蒸发冷却媒介进行额外
过热。
[0019] Dibelius等人的第4,475,343号美国专利公开了利用热泵生成热的方法，其中，载热流体由换热器加热并通过之后的
压缩机内的温度升高而压缩，热量由此传递至热接纳（heat-admitting）处理；然后流体在气体涡轮中膨胀以工作，然后残留的热被传输至热能处理，为压缩机提供运转的能量源的最高温度低于热传递的温度。主热源可由发热的化学或核反应构成，热接纳处理可为煤的
气化处理。压缩机内的工作基本由气体涡轮和热能量处理提供。
[0020] Rosenblatt的第4,503,682号美国专利公开了一种引擎系统，其包括与吸收冷却子系统结合的合成低温
散热器，该子系统的输入来自外部低级热能供应和冷却流体的外部源。低温引擎包括与外部热
能源换热连通的高温端、和与吸收冷却子系统提供的合成
散热器换热连通的低温端。冷却温度可根据需要而改变，包括低于
环境温度（例如外部冷却源的温度）的温度。这一特性使得能够利用非常低级的外部热输入源，因为可选择有利的低的散热温度。
[0021] Rosenblatt的第5,421,157号美国专利公开了低温引擎系统，其具有换热器形式的升温恢复器，该恢复器的第一入口连接于位于涡轮热力引擎的高温入口和低温出口之间的中间
位置的
抽取点，该恢复器的出口通过到第二入口的
导管连接于涡轮的高温端和低温端之间、抽取点的下游处。在恢复器中，来自抽取点的热力媒介与从涡轮单元的低温排气端经由水冷却冷凝器得到的热力媒介为热交换关系，并在制冷冷凝器中与流进吸收冷却子系统的冷凝剂为热交换关系。离开恢复器返回涡轮的热力媒介被引导穿过返回导管以与吸收冷却子系统的冷凝剂进一步热交换，并由外部热源在换热器中加热，并通过导管返回涡轮的高温端，从而完成循环。例如水的冷却剂通过热力媒介冷凝器导入以与从涡轮的低温排气端排除并穿过其中的热力媒介进行换热。
[0022] Vogel的第5,537,823号美国专利公开了组合循环热力热流处理，用于将热能高效转换为机械轴动力。这一处理对于提供电力的高效能量转换系统（以及热服务的适当情况）特别有用。还公开了高效能量转换系统。优选的系统包括两个闭合Brayton循环系统，一个用作热力引擎，另一个用作热泵，二者的闭合工作流体系统在公共的间接换热器处连接。热力引擎优选为由于能拒绝来自公共的换热器的膨胀的涡轮工作流体的热而能够特别高效工作的气体涡轮，公共的换热器通过热泵系统保持在低温。热泵系统有用地使用气体涡轮技术，但由从热力引擎的输出部分获取能量的电机驱动。
[0023] Rosenblatt的第6,052,997号美国专利公开了一种改进的组合循环低温引擎系统，其具有循环膨胀涡轮媒介，该媒介用于当其与涡轮路径横切时恢复热量。热恢复是通过提供一系列换热器并提供膨胀的涡轮媒介而完成的，从而与吸收冷却循环中的循环冷却剂热交换连通。吸收冷却子系统的先前的热恢复被限制为在到其加热器的路径中冷却从ORC涡轮的冷凝器返回的冷凝物
[0024] Saranchuk等人的第7,010,920号美国专利公开了一种低温热力引擎，其使废热通过换热器流回主动力入口。该专利公开了用于利用在系统中循环的工作流体产生动力以驱动负载的方法，该系统包括具有入口的主动力和容纳流出主动力的流体的聚积器。加热的蒸汽流体流以相对高压被提供至主动力入口，并通过主动力膨胀至低压排放侧，以使排出的流体进入聚积器。排出的流体通过经过具有压力差的膨胀装置而蒸发到具有小于主动力排放侧压力的压力。从主动力排放的排出流体中
液化的潜在热量通过换热器传递至穿过膨胀装置的排出流体。受到从主动力排放的流体传递的热的、蒸发的排出流体可通过压缩机和蒸汽鼓返回主动力入口。蒸发的排出流体可通过压缩机从聚积器直接移除，在压缩机处使其受压为压力略高于其直接传递至的蒸汽鼓内的压力，或者可使其在到蒸汽鼓的路径中离开压缩机之后经过换热器将来自压缩流体的热传递至外部媒介。将来自聚积器的液态排出流体抽至加热液体鼓中，然后经由换热器到达蒸汽鼓。液态排出流体可通过换热器处从外部源吸热的孔而膨胀，并根据离开换热器时的温度排放至蒸汽鼓或聚积器内。
[0025] Stinger等人的第7,096,665号美国专利公开了级联闭合回路循环（Cascading Closed Loop Cycle，CCLC）和超级联闭合回路循环（Super-CCLC），上述系统用于从蒸汽涡轮系统的废热恢复机械能或
电能形式的动力。通过蒸发多个间接换热器中的丙烷或其它轻质
烃流体、在多个级联的膨胀涡轮中膨胀蒸发的丙烷以生成有用的能量、并利用冷却系统将其冷凝为液体，恢复来自加热器和蒸汽冷凝器的废热。然后，用泵对液体丙烷加压，并使其返回间接换热器，以在闭合的密封处理中重复蒸发、膨胀、液化和加压循环。该系统可用于从低温热源产生动力。
[0026] 尽管做出了大量的尝试希望从主热源获得废热并将能量在次级能量系统中再利用，但是全部这些尝试都具有
缺陷。因此，需要一种高效、可靠且低成本的、利用低温废热并能利用低温低压工作流体操作的能量系统和热力引擎。
发明内容
[0027] 简而言之，本发明包括容纳于
外壳中的外部加热引擎。旋转部件安装在
轴承上的外壳内，轴通过
密封件延伸至引擎的外部。安装在旋转部件上的是一个或多个叶片。气流通过一个或多个固定喷嘴的作用而导向至叶片的表面上。叶片上的气体的作用使得力施加在叶片上。这导致旋转部件旋转，且当旋转部件转动时
扭矩施加在轴上。
[0028] 旋转部件能够进行工作，这是通过将轴耦合至发电装置以产生电功率来完成的。在本发明中，通过利用诸如制冷剂的工作流体很容易在低温下产生大量的、有益的、适度的压缩气体。例如，制冷剂R134就是工作流体的一种可能的类型。许多其他标准类型的制冷剂也是适用的。该液态形式的制冷剂在低温低压下很容易
汽化并在加热后产生大量的热气。R134气体尤其适合于该目的，并完全避免了对高压和高温的需求。
[0029] 安装在本发明的旋转部件上的叶片不是传统的设计。现有技术的叶片倾向于制造为用于高压高温气流（例如在喷气
发动机中），或用于液体流，尤其是水（例如在水力发电设备中）。这些叶片对于低压低温气体不能很好地起作用。本发明通过将独特的叶片设计与特殊设计相结合克服了现有技术的限制，从而在所需条件下有效地获取功率。
[0030] 如所配置的那样，喷嘴将气流几乎垂直地引导至叶片的表面上。这在叶片的上游侧比下游侧产生了更高的压强，并且由于这种影响的效果，压差（ΔP）产生了在所需方向上叶片上的净力。如果叶片表面积足够大并且旋转部件的直径较大，则一定量的ΔP能够产生较大的扭矩。
[0031] 此外，叶片设计额外的优点是：由热气工作流体流和叶片的几何配置产生的气流的动量的变化。通过使工作流体流倒转，使得在叶片上得到的反作用力将较大并且处于所需的方向。气流的动量与其速率的平方成正比，所以喷嘴被设计为在气流到达叶片之前，极大地
加速气流的速率。
[0032] 由气流的速率产生的力是矢量，所以方向的变化可以和速度的变化一样有效果。所以，叶片表面是弯曲的，这要好于使气流冲击抵靠在叶片表面上，然后气流的方向还转变几乎180度。这产生的动量变化几乎两倍于将气流抵靠于叶片上。很高的速率（甚至超声）和方向的彻底改变相结合导致了很大的动量变化。因此，在叶片上施加了较大的反作用力。
[0033] 精细导向气体的作用和乘法效果的两种类型的结合产生在该压强和温度下的气体不能产生的力水平。
[0034] 此外，为了从整个系统中获取均衡的、更好的性能，在输入和功率系统的涡轮回路的排放中重获能量。在引擎的输入端，将热量从外部源传递至服务于涡轮回路的换热器。这是通过将热传输流体从热源循环至换热器而完成的。显然，并不是热传输流体流中的所有可用热量都将被吸收至单个流通中的引擎内。如果在该点排出流体，那么将损失未被吸收的热量。该系统利用了泵和回路将流体再循环至源，然后循环回到引擎。这样，未浪费热量，并且将热量反复提供给引擎，而且最终几乎将热量全部利用上。甚至将操作泵所需的能量提供给气流，从而将这些能量在围绕最终应用的过程中获取和循环。
[0035] 在涡轮回路的排放端，采用类似的过程。未在引擎中转变为电力的热量聚集在换热器中，并且传递至回收回路。该回收回路本质上是热泵，用于回升抬高工作流体的温度，然后将工作流体提供至另一个换热器。然后，该换热器用于在适当的点将热量注回至引擎的主回路。甚至，用于使热泵中的压缩机工作的能量也吸收至工作流体中，并且注入引擎加以利用。在引擎的输入端和排放端均结合了热量回收和热量再利用是极为有效的，并且产生的可用功率输出远大于具有给定热源的情况。
[0036] 可选地，将外部热源引至系统的回路可针对包括热泵系统的回收回路，而非涡轮回路。将热从外部热源引至热泵回路使得能够利用比外部热源与涡轮回路直接连通的布置低的温度范围中的废热。对相对低温废热的利用极大地扩展了回收实际上通常未被使用的废热的机会。
[0037] 因此，本发明的一个目的是，在无需为了操作而使用专用燃烧源的情况下使功率系统工作。
[0038] 本发明的另一个目的是，在由发电厂涡轮冷凝器或空调单元废弃的低温废热下使功率系统工作。
[0039] 本发明的又一个目的是，在低温太阳能能量或地热能量下使功率系统工作。
[0040] 本发明的又一个目的是，能够有效地利用低温热源和低压工作流体产生大量能量。
[0041] 本发明的又一个目的是，提供具有一个或多个叶片的高效热力引擎，叶片安装在旋转部件上，旋转部件利用了高速气流以将力施加在旋转部件上。
[0042] 通过本发明的图例、示例和一些实施方案，根据结合
附图的以下描述，将理解本发明的其他目的和优点。本发明的每一幅附图都是
说明书的一部分，且包含了本发明的示例性实施方案，并且图示了实施方案的各种目的和特征。
附图说明
[0043] 图1是示出主要组件的涡轮的核心的分解图，包括叶片、喷嘴、旋转件和围绕物；
[0044] 图2A是具有叶片安装槽的旋转件的前视图；
[0045] 图2B是具有叶片安装槽的旋转件的侧视图；
[0046] 图3A是叶片之一的顶视图；
[0047] 图3B是叶片之一的侧视图；
[0048] 图4分层地示出了一个端板、旋转件、叶片和喷嘴，从而可看出上述组件的关系；
[0049] 图5A示出了一个端板，其具有喷嘴和用于该板的安装定位孔；
[0050] 图5B是图5A所示装置的顶视图；
[0051] 图6A是围绕物的中心部分或环的前视图；
[0052] 图6B是图6A所示的中心部分或环的顶视图；
[0053] 图7A是具有排气端口的相对端板的前视图；
[0054] 图7B是具有排气端口的相对端板的顶视图；
[0055] 图8A示出了与叶片对准的收缩喷嘴，和得到的流的方向；
[0056] 图8B示出了具有替换图8A所示形状的形状的与叶片对准的收缩喷嘴；
[0057] 图9示出了与叶片对准的收缩-张开喷嘴，和得到的流的方向；
[0058] 图10A是收缩喷嘴的截面图；
[0059] 图10B是图10A的喷嘴的透视图；
[0060] 图11A是收缩-张开喷嘴的截面图；
[0061] 图11B是图11A的喷嘴的透视图；
[0062] 图12示出了整个系统的视图，其中，在输入回路具有缓冲换热器，并利用一般的废热源。这有利于当需要时在
输入侧设置热泵；
[0063] 图13示出了整个系统的视图，其中，在输入回路具有缓冲换热器，并利用太阳能阵列作为热源。这有利于当需要时在输入侧设置热泵；
[0064] 图14示出了整个系统的视图，其中，在输入回路不具有缓冲换热器，并利用一般的废热源；
[0065] 图15示出了整个系统的视图，其中，在输入回路不具有缓冲换热器，并利用太阳能阵列作为热源；
[0066] 图16示出了图12所示的整个系统视图的替代实施方式，其中，外部热回路与热泵回路为间接热交换的关系；
[0067] 图17示出了图13所示的整个系统视图的替代实施方式，其中，外部热回路与热泵回路为间接热交换的关系；
[0068] 图18示出了图14所示的整个系统视图的替代实施方式，其中，外部热回路与热泵回路为间接热交换的关系；
[0069] 图19示出了图15所示的整个系统视图的替代实施方式，其中，外部热回路与热泵回路为间接热交换的关系；
[0070] 图20示出了与图16所示的整个系统类似但具有涡轮回路中的子冷却器的替代形式的整个系统；
[0071] 图21示出了与图17所示的整个系统类似但具有涡轮回路中的子冷却器的替代形式的整个系统；
[0072] 图22示出了与图18所示的整个系统类似但具有涡轮回路中的子冷却器的替代形式的整个系统；
[0073] 图23示出了与图19所示的整个系统类似但具有涡轮回路中的子冷却器的替代形式的整个系统；
[0074] 图24示出与图20所示的整个系统类似的整个系统，其还包括热气旁路和
截止阀，用于启动的辅助膨胀阀以及电功率发生的替代形式；
[0075] 图25示出与图21所示的整个系统类似的整个系统，其还包括热气旁路和截止阀，用于启动的辅助膨胀阀以及电功率发生的替代形式；
[0076] 图26示出与图22所示的整个系统类似的整个系统，其还包括热气旁路和截止阀，用于启动的辅助膨胀阀以及电功率发生的替代形式；
[0077] 图27示出与图23所示的整个系统类似的整个系统，其还包括热气旁路和截止阀，用于启动的辅助膨胀阀以及电功率发生的替代形式。
具体实施方式
[0078] 图1到11描述了热力引擎。图12到15描述了完整的热力系统。
[0079] 从热力引擎开始，图1示出了热力引擎组件的分解图。如图所示，热力引擎包括左端钟状件6、右端钟状件7和环状件4，上述三个部件共同用于包围、密封、和支撑引擎。旋转件1安装在轴3上，轴3由安装在左端钟状件6和右端钟状件7内的轴承5支撑。轴3操作为连接于发电机或其他机械设备，以从旋转件1得到运转。左端机架包括入口端口16，每个入口端口16支撑一个喷嘴8。右端钟状件7包括排气端口17。尽管本发明示出了四个入口喷嘴，但是入口端口和对应喷嘴的数量可从一个到多个变化。左端钟状件6、环状件4和右端钟状件7由多个紧固件以流体密封的关系牢固地紧固在一起，所述的紧固件例如为螺钉、
螺母或密封件（未示出）。孔15以圆周的形式间隔地设置在左端钟状件6、右端钟状件7和环状件4的周围，且其大小被设置为允许多个螺钉中的每个穿过。
[0080] 叶片2安装在旋转件1上。应该理解，示出的叶片和喷嘴的数量并不是唯一可能的数量。例如，这些数量可变化用来增加热力引擎的功率输出。同样，尽管轴承5示出为
滚珠轴承，但是应该理解，也可使用其它类型的轴承，例如，
滚针轴承、滚柱轴承、
径向轴承、磁力轴承等。旋转件1具有靠近左端钟状件6的第一平坦表面51和靠近右端钟状件7的第二平坦表面53。外围表面55与第一和第二平坦表面都邻接。叶片2的宽度近似等于第一和第二平坦表面之间的距离，叶片2的高度从外围表面55向外延伸。
[0081] 图2A、2B、3A和3B示出了旋转件和叶片附件的一些其它细节。旋转件1具有燕尾形安装槽9，叶片2可从侧面滑进安装槽9中。叶片2包括具有安装孔13的楔形
基座10，销钉和螺钉穿过安装孔13安装，从而在叶片滑进安装槽9内之后将叶片保持在适当位置。结合的效果是防止了叶片由于旋转力而从旋转件移开，还防止了叶片从一侧移动到另一侧从而在围绕物的
侧壁上摩擦。每个叶片2都在叶片的第一侧面上具有凹表面12，并在叶片
2的第二侧面上具有凸表面11。
[0082] 在工作中，喷嘴8将高速气体导向每个叶片2的凹表面12。喷嘴的
角度和叶片的形状提供了大量的优势。图10A和11A示出了喷嘴的截面。气体从左进入，并穿过图10A所示的收缩喷嘴、或图11所示的收缩-张开喷嘴，以达到非常高的气流速度。每个喷嘴都紧固并密封在各自的入口端口16内，以便于根据需要移除或替换。此外，可使用不同的喷嘴设计来在需要改变流体性质的不同环境中对引擎进行操作。喷嘴形成为细长中空体，用于容纳工作气体并将其运送至准确的位置并以希望的方向流动。喷嘴出口处的锥形末端将离开的流置于安装在旋转件1上的叶片2附近的期望位置。
[0083] 与离开喷嘴的非常高速的气流速度结合的、大的总体流（集中的）导致集中流的非常大的动量。因而，与现有引擎相比，该流具有明显优势。
[0084] 图8A、8B和图9示出了
导向叶片的该流。图8A示出了叶片2的一个实施方式，图8B示出了叶片2’的替换实施方式。如图所示，气流在气流入口与叶片2和2’之间以非常小的角度（例如，10度）被引入。如该设计中实现的，该流几乎笔直地进入叶片2的凹表面
12。由于越过叶片的高速气流，因此在叶片安装之后，两个重要的力被施加于叶片和旋转件。当流直接冲击叶片时，叶片的上游侧或凹表面12上的压力变为大于叶片的下游侧或凸表面11上的压力。这就产生了叶片2上的压力差（ΔP）。ΔP乘以叶片的表面积得到一个力，该力然后向旋转件1施加旋转力。第二个重要的力是大的动量变化的结果。流几乎竖直向上地进入（如图8A所示），并几乎竖直向下地流出，这意味着得到几乎完全反向的流（几乎180度）。在图8B所示的实施方式中，流几乎竖直向上地进入叶片2’但非竖直向下地流出，而是产生大致120度的反向的流。如图8B所示，叶片2’的下游边缘以比图8A所示的叶片2大的角度引导排出的气流。叶片2’的下游边缘的配置将防止在涡轮中产生过量的背压。
[0085] 由于速度和动量是矢量，输入的动量“M”变为输出的几乎为“-M”的动量。这就得到了总共为M-(-M)=2M的动量变化。精确的值当然依赖于精确的叶片角度。相对于现有技术中仅将流引入为靠在叶片上、或使流通过稍微弯曲的叶片而得到的动量变化而言，这都带来了极大的改进。每个叶片上的合力是以上两个重要的力结合的结果。
[0086] 图4是左端钟状件6、旋转件1、叶片2和喷嘴8在单一视图中分层示出的透视图。
[0087] 如图1和图4所示，本发明特别提供了多个叶片和多个喷嘴，从而使多个力的脉冲并行地应用于旋转件1。当旋转件完成完整旋转时，会产生更大数量的力脉冲。并行地提供多个脉冲增大了在给定时刻可用的转矩。每个旋转提供多个脉冲增大了每个旋转产生的能量。应该理解，本领域技术人员可改变叶片和喷嘴的数量，从而改变引擎可产生的能量。图示的数量仅用于示例性目的，而不作为限制。
[0088] 图10A是收缩喷嘴8A的截面图，图10B是收缩喷嘴8A的透视图。
[0089] 图11A是收缩-张开喷嘴8B的截面图，图11B是收缩-张开喷嘴8B的透视图。
[0090] 应该理解，本领域技术人员可想到这些安装特征的变体。示出的特征说明了结构但并不作为限制。具有更大直径的涡轮将从相同的压力差产生更大转矩也在本发明的范围内。同样地，具有更宽叶片的涡轮将导致反应表面区域增大，且因此产生比具有较小宽度叶片的涡轮更大的力和转矩。在下面系统中利用的换热器可为多种类型，并且本领域技术人员可预想到可选择类型且合适数量的单元来实现最大的工作效率。
[0091] 接下来，我们分析如图12至15所示的总的热力系统。上述附图示出了可能的可选配置。本领域技术人员可预想基本配置的其它变体，上述基本配置并不作为限制。
[0092] 如图12所示，三个热力回路构成该系统。这三个热力回路为：从源引进热的外部回路，直接运行引擎的内部回路，和将引擎的废热再利用于系统的热泵回路。下面详细描述。
[0093] 外部回路或热源回路从热源18开始。该源可为任何低温热的源，任何低温热包括来自任何数量的废热源或太阳能热源和地热源的废热。在该实施方式中，外部热源可供应低至250°F的温度。在该回路的操作模式中，通过第一热传递流体将来自源18的热传送至泵21。第一热传递流体可为Paratherm NF 或许多商用等同中的一种。泵21的速度由控制单元22控制，以达到期望的压力和流速。可将
安全阀并入该回路以避免形成破坏性过压。然后，可将热传递流体传送至储热箱23，利用
相变材料保持。储热箱23内的材料在被加热到期望温度时，其相从固态变为液态。这种材料熔化的热非常大并且能在小体积内保持非常大的热量。储存的热可在之后当外部热源可能变得暂时不可用时使用。氮箱20用来将例如氮气的惰性气体保持在膨胀箱的顶部，以防止抽吸压力降至太低而产生泵
气穴现象，并用来防止
腐蚀。
[0094] 一旦储存了期望的热量且达到期望的温度，则启动次级泵25。该泵使来自储存箱23的第二热传递流体循环至主换热器24。次级速度
控制器26控制泵25并
维持期望的压力和流速。提供至主换热器24的热现在则可使用。还提供了旁路阀47，在出现且必须丢弃到环境中的过热的情况下，旁路阀用来在需要时允许热源绕过主换热器24，并且还允许将热旁路至卸载负载（dump load）19中。
[0095] 内部回路或涡轮回路以下述方式工作。
[0096] 内部回路或涡轮回路将来自主换热器24的热由作为制冷剂的热传递流体传送至热力引擎27。热力引擎27以图1至11公开的方式构造和操作。制冷剂将在低于300°F的低温和小于200磅/平方英寸（psig）的压力下工作。在工作中，涡轮回路中的热传递流体在低至80°F的温度下液化，并且当在热力引擎中使用时在大约70°F汽化。热力引擎27接着工作并将能量传送至发电机单元28。发电机单元28产生传导至换流器29的电力。
换流器29对能量进行处理并使其可在外部使用。在变热的过程中，离开换热器24的制冷剂通过孔口44绕过热力引擎。这就使得内部回路能变热而不将热气提供给冷的热力引擎，否则其将液化并产生问题。非常少量的热气在这个时候通过热力引擎，将使其升温但不会使气体过度液化至液体。
[0097] 在离开引擎27之后，气态的制冷剂通入换热器30，换热器30用来将气体液化回液体。在此处理中，热被释放至现在将要讨论的热泵回路。内部回路制冷剂（现在为液体）在离开换热器30之后，穿过压力
控制阀46，压力控制阀46防止压力降至过低而影响回路功能。仅在系统可能安装在凉爽
气候的情况下需要压力控制阀46。在这种情况下，从冷凝器出来的被液化的液体的压力可能降至过低。没有足够的压力存在，制冷剂将不会以充足的量循环，因为需要压力来迫使循环。压头控制阀通过暂时且自动地降低冷凝器的能力而保持高压来避免这种压力损失。然后，将制冷剂存储在接收器45中，等待进一步的循环需求。一旦要求更多的流体，制冷剂则离开接收器45并穿过子冷却器38，正好充分冷却以防止在液体中过早形成任何气泡。然后，该流继续延伸至泵41。除了将液体绕回路循环之外，泵还用来将液体压力升高至操作所需的水平。流量计42测量由泵速控制的流速。
[0098] 高压液体然后流至阀40。该阀通常为开启的，但在引擎关闭时关闭，以防止淹没下游组件。
[0099] 在通过阀40之后，该流到达换热器39。此时，该流获取从热泵回路回收的热，现在将对此进行讨论。这使得液体的温度上升并使其汽化从而形成气体。自此，该流行进回到换热器24，并在换热器处接收所需的热的平衡，并且循环再次开始。事实上，系统回收的热量为使得从换热器39得到操作引擎所需的大部分热量。每次绕回路仅从换热器24增加少量的热。这对整个系统的效率来说是重要的，并且与现有引擎完全不同。
[0100] 下面介绍热泵回路或热回收回路。
[0101] 从接收器36开始，在压力下将液态的热回收传递流体（制冷剂）提供至膨胀阀31。此时，压力以受控的方式迅速下降，并将下降的压力提供至换热器30。在此过程中，制冷剂开始汽化并变为非常冷的气体。冷气通过换热器30从内部回路吸热，并将吸收的热带走以便被回收。冷气现在行进至压力控制阀32，在压力控制阀处对压力的降低进行调节。压力控制阀32被认为是任选的并且用于防止系统中的蒸发器变得太冷。实际上这很少发生。气体压力保持足够高以使气体温度不会下降到低于期望温度。自此，气体行进至聚积器34，在聚积器34处，任何无意残留的液滴都被临时保存，从而防止其到达并损坏压缩机。
[0102] 仍然为冷气的流然后行进至压缩机35。尽管可使用各种类型的压缩机，但是应该认识到，本领域技术人员将选择类型和合适数量的单元以实现最大的工作效率。例如，可使用多单元涡旋式压缩机。此时，气体被极大地压缩，到达高得多的压力和温度水平。然后，该流行进至换热器39，在换热器39处，温度足够高从而可将热有效地重新注入内部回路或涡轮回路处理。这样，该热以及从压缩机的压缩工作获得的热一起被回收。
[0103] 在穿过换热器39的过程中，热泵回路制冷气体充分冷却，从而再次液化为液体。然后，其穿过子冷却器37，将任何残留液体液化，并将液体稍微再冷却。然后，该流穿过防止压力降至太低而影响回路功能的压力控制阀33，并最终返回接收器36，在接收器36处再次开始热泵回路处理。使用过滤/干燥元件来去除回路中的杂散颗粒和杂散湿气，从而防止全部组件结冰、损坏和腐蚀。
[0104] 此外，提供了系统控制器和显示器43。利用为此创建的
软件提供了对整个系统的自动控制。应该认识到，如此复杂的系统只能在自动控制下现场操作。
[0105] 图13是图12所示的能量系统的图示，其中，在输入回路中具有缓冲换热器，太阳能阵列替代作为热源。这有利于根据需要在输入侧使用热泵。
[0106] 图14是图12所示的能量系统的图示，然而，在图14的情况下，在输入回路不具有缓冲换热器，且使用一般的废热源。
[0107] 图15是与图14所示的系统类似的系统，其在输入回路不具有缓冲换热器，并用太阳能阵列替代作为热源。
[0108] 如图16至图19所示，三个热力回路构成能量系统的替换实施方式。这三个热力回路为：从源引进热的外部回路，直接运行引擎的内部回路，和将引擎的废热再循环于系统的热泵回路。在此实施方式中，来自外部回路的热被引导至热泵回路，而非如之前实施方式那样被引导至涡轮回路，从而能够使用温度低于之前实施方式中所使用的废热。理论上，能够使用低至约50°F温度的废热，但是流输入热的体积将非常大以在每小时捕获足够大的BTU，足够大的BTU可能使装置不切实际地变大。已经发现，从产生约150°F废热的传统空调单元产生的废热尤其适用于此系统。同样地，来自产生120°F范围内的废热的发电厂涡轮冷凝器的废热也尤其适用于此系统。
[0109] 图16至图19所示的系统共享图12至图15所示的系统中示出且描述的系统的大部分的相同组件。
[0110] 外部回路或热源回路从热源18开始。该源可为任何低温热的源，任何低温热包括来自任何数量的废热源诸如空调单元或发电厂涡轮冷凝器的废热。外部热源可供应低至50°F的温度，但是优选地供应120°F至150°F范围内的温度。在该回路的操作模式中，通过第一热传递流体将来自源18的热传送至泵21。第一热传递流体可为Paratherm NF 或许多商用等同中的一种。泵21的速度由控制单元22控制，以达到期望的压力和流速。可将安全阀并入该回路以避免形成破坏性过压。然后，可将热传递流体传送至储热箱23，利用
相变材料保持。储热箱23内的材料在被加热到期望温度时，其相从固态变为液态。
这种材料熔化的热非常大并且能在小体积内保持非常大的热量。储存的热可在之后当外部热源可能变为暂时不可用时使用。氮箱20用来将例如氮气的惰性气体保持在膨胀箱的顶部，以防止抽吸压力降至太低而产生泵气穴现象，并用来防止腐蚀。
[0111] 一旦储存了期望的热量且达到期望的温度，则启动次级泵25。该泵使来自储存箱23的第二热传递流体循环至主换热器24。次级速度控制器26控制泵25并维持期望的压力和流速。提供至主换热器24的热现在则可使用。还提供了旁路阀47，在出现必须丢弃到环境中的过热的情况下，旁路阀用来在需要时允许热源绕过主换热器24，并允许将热旁路至卸载负载19中。
[0112] 内部回路或涡轮回路以下述方式工作。
[0113] 热力引擎27以图1至11公开的方式构造和操作。制冷剂将在低于300°F的低温和小于200psig的压力下工作。在工作中，涡轮回路中的热传递流体在低至80°F的温度下液化，并且当在热力引擎中使用时在大约70°F汽化。热力引擎27接着工作并将能量传送至发电机单元28。发电机单元28产生传导至换流器29的电力。换流器29对能量进行处理并使其可在外部使用。在变热的过程中，离开换热器24的制冷剂通过孔口44绕过热力引擎。这使得内部回路变热，而不将热气提供给冷的热力引擎，否则将液化并产生问题。
[0114] 在离开引擎27之后，气态的制冷剂通入换热器30，换热器30用来将气体液化回液体。在此处理中，热被释放至现在将要讨论的热泵回路。内部回路制冷剂（现在为液体）在离开换热器30之后，穿过压力控制阀46，压力控制阀46防止压力降至过低而影响回路功能。仅在系统可能安装在凉爽的气候的情况下需要压力控制阀46。在这种情况下，从冷凝器出来的被液化的液体的压力可能降至过低。没有足够的压力存在，制冷剂将不会以充足的量循环，因为需要压力迫使循环。压头控制阀通过暂时且自动地降低冷凝器的能力而保持高压来避免这种压力损失。然后，将制冷剂存储在接收器45中，等待进一步的循环需求。一旦要求更多的流体，制冷剂则离开接收器45并穿过子冷却器38，正好充分冷却以防止在液体中过早形成任何气泡。然后，该流继续延伸至泵41。除了将液体绕回路循环之外，泵还用来将液体压力升高至操作所需的水平。流量计42测量由泵速控制的流速。
[0115] 高压流体然后流至阀40。该阀通常为开启的，但在引擎关闭时关闭，以防止淹没下游组件。
[0116] 在通过阀40之后，该流到达换热器39。此时，该流获取从热泵回路以及外部或外热回路回收的热，现在将对此进行讨论。这使得液体的温度上升并使其汽化从而形成气体。自此，该流行进到热力引擎27。减热器54紧接着位于热力引擎27的下游。减热器54的功能是处理存在于涡轮排气中的过热。在涡轮内，
焓被转换为机械功。然而，并非所有的焓都可有效地转换成涡轮内的功，因此相当大量的焓将留在排气中。如果所有的焓被传递至热泵回路进行回收，则将会盖过热泵的容量。如果热泵足够强大以避免被盖过，则热泵自身将消耗的能量多于其所能产生的能量。减热器54使用气冷换热器将过剩的焓抽送至环境。
减热器54不会将热气液化为液体而仅从热气移除一些过剩能量。事实上系统回收许多热量，并且这对总系统的效率极为重要，并且与现有引擎完全不同。
[0117] 下面描述热泵回路或热回收回路。
[0118] 从接收器36开始，在压力下将液态的热回收传递流体（制冷剂）提供至膨胀阀31。此时，压力以受控的方式迅速下降，并将下降的压力提供至换热器30。在此过程中，制冷剂开始汽化并变为非常冷的气体。冷气通过换热器30从内部回路吸热，并将吸收的热带走以便被回收。冷气现在行进至压力控制阀32，在压力控制阀处对压力的降低进行调节。压力控制阀32及被设计成EPR阀的其它阀可被认为是任选的，并且用于防止系统中的蒸发器变得过冷。事实上这很少发生。此时热回收流体已经通过换热器24并且通过管路50传送至流中。此时来自外部回路的热被加到热泵回路。气体压力保持足够高以使气体温度不会下降到低于期望温度。自此，气体行进至聚积器34，在聚积器34处，任何无意残留的液滴都被临时保存，从而防止其到达并损坏压缩机。
[0119] 流然后行进至压缩机35。此时，气体被极大地压缩，到达高得多的压力和温度水平。然后，该流行进至换热器39，在换热器39处，温度足够高从而可将热有效地重新注入内部回路或涡轮回路处理。因此热回收回路包含已经回收的来自涡轮回路的热、来自外部回路的热以及从压缩机的压缩工作获得的热。
[0120] 在穿过换热器39的过程中，热泵回路制冷气体充分冷却，从而再次液化为液体。优选地，
水冷冷凝器56紧接着位于换热器39的下游，水冷冷凝器56仅在系统操作的启动和调节阶段使用。水冷冷凝器56在主冷凝器还未提升到其期望容量时（例如启动时）为热泵回路中的热气提供液化功能。如果水冷冷凝器56不存在，则热气可能不能完全液化，从而导致热泵回路功能的故障。在一些特定参数下，水冷冷凝器56可被认为是任选的。热泵制冷剂然后穿过子冷却器37，将任何残留液体液化，并将液体稍微再冷却。然后其穿过防止压力降至太低而影响回路功能的压力控制阀33，并最终返回接收器36，在接收器36处再次开始热泵回路处理。连接在膨胀阀31上游的
回流管路52将制冷剂的一部分传送至换热器
24。使用过滤/干燥元件来去除回路中的杂散颗粒和杂散湿气，从而防止全部组件结冰、损坏和腐蚀。
[0121] 此外，提供了系统控制器和显示器43。利用为此创建的软件提供了对整个系统的自动控制。应该认识到，如此复杂的系统只能在自动控制下现场操作。
[0122] 图17是图16所示能量系统的图示，其中在输入回路中具有缓冲换热器，太阳能阵列替代作为热源。这有利于根据需要在输入侧使用热泵。
[0123] 图18是图16所示的能量系统的图示，然而在图18的情况下，在输入回路不具有缓冲换热器，且使用一般的废热源。
[0124] 图19是图18所示的系统类似的系统，其在输入回路不具有缓冲换热器，并且太阳能阵列替代作为热源。
[0125] 图20至图23示出了图16至图19所示的实施方式的替代的系统实施方式。在此系统实施方式中，制冷子冷却器58取代之前实施方式中的气冷子冷却器38。制冷子冷却器58在涡轮中紧挨着位于泵41前。制冷子冷却器能够在给定的环境温度下具有合适的性能。
通过气冷子冷却器38，当气温到达特定值（在约80°F的区域）时，子冷却器会出现故障并且使液体制冷剂闪变为气体。一旦气体到达泵的输入端，泵将不能适当地工作并且涡轮将停止工作。在这些情况下，当环境温度太热时，需要使用制冷剂的可替代的子冷却器设计。
少量的热泵容量通过毛细管分接出并且被传送至换热器使用，如图20至图23所示。该制冷剂的作用是将流入
涡轮泵41的液体温度降低至比环境低若干度的温度。液体将足够冷使其不能闪变为气体。这样会消除泵故障并因此排除涡轮的停止。而且，图20-23的系统实施方式示出了任选的热气旁路阀60。旁路阀60作用为在低流期间增加制冷剂的流量。
当热负载较低时，这可能在启动时发生。被注入的热气使通过系统的流的体积和速度增大，从而防止不期望地形成穿过热泵回路的制冷剂油。
[0126] 图24至图27所示的系统实施方式示出了图20至图23所示的系统的替代实施方式。在此实施方式中，除了主膨胀阀31之外还使用了启动膨胀阀62。主膨胀阀31为被设计为处理施加在引擎的热泵回路上的满负载的非常大容量单元。该阀为按需在铭位值（nameplate value）的20%与铭位值的约120%的最大值之间自控制、调节其输出。不幸地，当单元首次启动并且变热时，所施加的负载显著小于铭位值的20%。因此，不能使用主膨胀阀，因为其远不能节流。结果是过度供给制冷剂，这将使所连接的换热器超载和过填充。该问题通过在两个阀之间具有控制系统
开关来解决。主阀31在变热时关闭并且更小的启动膨胀阀62在该位置打开。该启动膨胀阀62能够充分节流。随后，当压力和温度
传感器检测到启动阀62已经到达其满容量时，启动阀62关闭，系统恢复到使用主膨胀阀31来替代。该实施方式公开了发电机64，发电机64可以是能够将机械功转换为电能的任意配置。应该认识到，这种类型的发生器可用于前述能量系统实施方式中的任一个。一种可能的配置是使用三相电机作为发电机。其是与所施加的
马力成精确比例的自调节产生的电功率。这样完全消除了对昂贵的功率转换和调节部件的需求。三相电机必须具有合适的尺寸，以使最大可用轴马力不会使电机电超载。同样地，热力引擎27的机械输出可用作使用轴马力的任意类型的机械设备的能量输出，该机械设备诸如但不限于泵、压缩机、
磨碎设备等。
[0127] 将认识到，包括压力计量表和服务端口以及未专门讨论的其它元件在内的全部组件可以稍微不同的顺序设置，而仍然在本系统的意图内。示出的附图仅为示意性的，而不作为限制。
[0128] 本文提到的全部专利和公开文献表示本领域技术人员的水平。全部这些专利和公开文件都通过引用并入本文，就好像每篇公开文献被专门和单独指出通过引用并入本文一样。
[0129] 应该理解，尽管说明了本发明的一些形式，但本发明并不限于本文描述和示出的具体形式或设置。对本领域技术人员显而易见的是，可作出多种变化而不偏离本发明的范围，本发明并不限于说明书和附图中描述和示出的内容。
[0130] 本领域技术人员将容易认识到，本发明适用于实现上文提及的和其固有的目的和效果。本文描述的实施方式、方法、处理过程和技术是用来表示优选的实施方式，其趋向为示例性的，而不作为对范围的限制。本发明精神范围内、由
权利要求的范围限定的变化和其他使用对本领域技术人员是显而易见的。尽管结合具体的优选实施方式描述了本发明，但应该理解，要求保护的本发明不应过度地限于这些具体实施方式。实际上，用于实现本发明的、本领域技术人员显而易见的对上述模式的各种
修改也趋向于包含在权利要求的范围内。
