水蒸汽-空气蒸汽机
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1.一种内燃机，其特征在于，其包括：
一台结构便于将周围空气压缩成具有大于至少4个 大气压并且温度升高的压缩空气的压缩机；
一个与该压缩机连接在燃烧室，其中燃烧器的结构 制成使得其便于从压缩机中逐渐导入压缩空气流的形式；
将燃油喷入燃烧室的燃油喷射装置；
将流体喷入燃烧室中的流体喷射装置；
一台独立地控制压缩空气、燃油喷射装置及流体喷 射装置的燃烧控制装置，从而使喷射之燃油以及至少部 分压缩空气燃烧，并且使喷射之流体转化为蒸汽，因此 在以预定的燃烧温度燃烧期间在燃烧室中产生由压缩空 气，燃油燃烧产物及蒸汽构成的混合物；
一台与燃烧室中形成的工作流体连接并向其供给该 工作流体的工作发动机。
2.如权利要求1所述发动机，它还包括由将喷射 之燃油及压缩空气点燃而起动该发动机的电火花点火器。
3.如权利要求1所述发动机，其中该发动机以开 式循环工作，并且还包括从工作流体中冷凝所需的部分 蒸汽的冷凝装置及使剩余部分工作流体形成废气排出的 排气装置。
4.如权利要求1所述发动机，其中该发动机以闭 式循环工作，并且还包括从工作流体中冷凝蒸汽的冷凝 装置及使剩余的工作流体以废气形式排出至压缩机的排 气装置。
5.如权利要求1所述发动机，还包括一个或多个 从一个或多个压缩机中接收压缩空气的附加燃烧室，从 而使工作流体输送至一个或多个工作发动机。
6.如权利要求1所述发动机，其中接收工作流体 的工作发动机是透平机或往复发动机或汪克尔(Wan kel)发动或凸轮发动机。
7.如权利要求1所述发动机，其中压缩机和工作 发动机都是透平型的装置，并且其中之透平由至少一根 轴连接。
8.如权利要求1所述发动机，其中燃烧控制器根 据位于燃烧室中的温度传感器及恒温器来的信号控制燃 烧温度。
9.如权利要求1所述发动机，其中燃烧控制装置 在燃烧阶段控制流体喷射装置及燃油喷射装置，以使喷 射的流体重量为喷射的燃油重量的大约两倍或更多倍， 使得工作流体之质量增加，从而让平均温度保持在所需 的工作发动机的工作温度上。
10.如权利要求9所述发动机，其中燃烧控制装 置控制空气流及燃油喷射装置，以使在燃烧阶段喷射的 燃油之重量与喷射之空气重量之比为大约0.03至0. 06。
11.如权利要求10所述发动机，其中燃烧控制 器独立控制平均燃烧温度及燃/空比。
12.如权利要求9所述发动机，其中借助于燃烧 控制装置减少燃烧温度，从而在工作流体中获得化学当 量燃烧及化学平衡。
13.如权利要求9所述发动机，其中至少40％ 的压缩空气在燃烧室中燃烧。
14.如权利要求9所述发动机，其中压缩空气之 压力保持在4至100个大气压而发动机的熵保持约为 常数。
15.如权利要求1所述发动机，其中压缩空气压 力维持常数而燃烧温度及工作流体量由燃烧控制器改变。
16.如权利要求1所述发动机，其中喷射的燃油 中的所有化学能在燃烧阶段转化成热能，并且水蒸发成 水蒸汽产生出涡旋扰动，从而帮助燃油与空气的分子混 合以便获得化学当量的燃烧。
17.如权利要求1所述发动机，其中液体喷射装 置是位于燃烧室中由压力液体供给装置供给液体的至少 一个喷嘴的一组。
18.如权利要求1所述发动机，其中喷入燃烧室 中的液体是水，该水通过其汽比潜热之方式转化为水蒸 汽并冷却燃烧产物。
19.如权利要求18所述发动机，其中喷射的水 吸收热能从而使工作流体之温度减少至工作发动机的最 大工作温度。
20.如权利要求18所述发动机，其中喷射的水 通过迅速蒸发过程在燃烧室的压力下蒸发成水蒸汽，而 不需要另外的压缩功也不要另外的熵。
21.如权利要求18所述发动机，其中该发动机 为由工作流体驱动的蒸汽透平，该工作流体包括大约2 5％的蒸汽，65％的未氧化氮及10％的二氧化碳。
22.如权利要求18所述发动机，其中喷射的水 是用于控制燃烧温度及工作机的最大工作温度的，以防 止引起或有助于大气烟雾形成的气体及混合气之形成。
23.如权利要求1所述发动机，其中燃油喷射装 置包括至少一个位于燃烧室中的喷咀，所述喷咀由压力 油供给装置供给燃油。
24.如权利要求21所述发动机，其中供给的燃 油包括乙醇，所述乙醇包含有用于冷却工作流体的水。
25.如权利要求1所述发动机，其中喷射的流体 是海水，并且还包括从海水中脱盐并从燃烧器中收集这 些盐的脱盐装置。
26.如权利要求24所述发动机它还包括在海水 由脱盐装置处理后收集可饮用水的冷凝器。
27.如权利要求1所述发动机，其中在发动机于 预定转速下的工作期间，水的喷射及部分压缩空气的 燃烧随发动机转速的升高而相对于燃油为常数，而在发 动机处于第1和第2预定转速间的工作期间，水/油比 及空/油比增加，在低于第2预定转速下，水/油比和空 /油比保持常数。
28.如权利要求27所述发动机，其中喷射的水 重量与喷射的油重量之比随发动机转速增加处于大约8∶ 1至1∶1之范围内。
29.一种使内燃机工作的方法，包括下列步骤：
将周围空气压缩成最至少4个大气压的压力并且具 有升高了的温度的压缩空气；
将压缩空气流导入压缩机；
将受控量之燃油喷入燃烧室；
将受控量的流体喷入燃烧室；
独立地控制压缩空气量，喷射的燃油量及喷射的流 体量，以使喷射的燃油及至少部分压缩空气燃烧并使喷 射的水转化成水蒸汽；其特征在于：
其中由压缩空气、燃油燃烧产物及水蒸汽之混合物 构成的工作流体在以预定之燃烧温度燃烧期间产生于燃 烧室中。
30.如权利要求29之方法，还包括在起动时用 电火花点火器点燃发动机之步骤。
31.如权利要求29之方法，其中发动机按开式 循环工作，并包括从工作流体中将所需部分的蒸汽冷凝 并排出剩余部分工作流体之步骤。
32.如权利要求29之方法，其中发动机按闭式 循环工作，并还包括从工作流体中将蒸气冷凝并排出剩 余之工作流体以便再压缩的步骤。
33.如权利要求29所述方法，还包括将工作流 体输送至至少一个工作发动机之步骤。
34.如权利要求29之方法，其中燃烧温度是根 据从位于燃烧室中的温度传感器及恒温器来的信号控制。
35.如权利要求29之方法，其中喷射的流体及 燃油量在燃烧阶段是受控制的，以便使喷射的液体重量 与喷射的燃油重量之比为至少大约2∶1，从而增加工 作流体之质量，以将平均温度保持于工作发动机之所需 工作温度。
36.如权利要求35所述方法，其中空气流及燃 油喷射被控制得使喷射的燃油重量与喷射的空气的重量 之比在燃烧期间为大约0.03至0.066。
37.如权利要求36之方法，其中平均燃烧温度 及燃油与空气之比是被独立控制的。
38.如权利要求37之方法，其中燃烧温度减少 以便在工作流体中取得化学计量结合的化学平衡。
39.如权利要求35之方法，其中至少有40％ 的压缩空气在燃烧室中被燃烧掉。
40.如权利要求35之方法，其中压缩空气之压 力保持于4至100个大气压，而发动机的熵保持大约 为常数。
41.如权利要求29之方法，其中压缩空气压力 保持常数而燃烧产物之温度及工作流体量则被改变。
42.如权利要求29之方法，其中喷射的燃油的 所有化学能在燃烧期间均转化为热能并且水的蒸发产生 出涡旋扰动以帮助燃油和空气的分子混合，以便获得化 学当量的燃烧。
43.如权利要求29之方法，其中喷射入燃烧室 中的液体为水，该水通过它的汽比潜热的方式转化为水 蒸汽并冷却燃烧产物。
44.如权利要求43之方法，其中喷射的水吸收 掉全部的热能，以便将工作流体之温度降低至低于工作 发动机之最高工作温度。
45.如权利要求43所述方法，其中喷射水通过 迅速蒸发过程在燃烧室压力下转化为水蒸汽而不需另外 之压缩功，并且不需另外的熵或焓。
46.如权利要求43之方法，其中工作流体包括 大约25％的蒸汽，65％之示氧化氮及10％的二氧 化碳。
47.如权利要求43之方法，其中喷射的水是用 于控制燃烧温度并防止引起或帮助形成大气烟雾的气体 及混合物的生成的。
48.如权利要求29之方法，其中喷射的流体为 海水，并且包括处理海水以便收集并脱去海水中的盐的 步骤。
49.如权利要求48之方法，还包括在海水被处 理后冷凝可饮用水的步骤。
50.如权利要求29之方法，其中在发动机高于 预定转速工作期间，随发动机转速的增加，喷射的水和 燃烧的压缩空气的一部分相对于燃油为常数，在发动机 于第一和第二预定转速之间工作期间，水/油比及空/油 比增加，并且在低于第二预定转速时，水/油比和空/油 比保持常数。
51.如权利要求43之方法，其中发动机之冷却 是用水而不是由稀释空气完成的。
52.一种连续地将工作流体传送至发动机燃烧室 出口的过程，当将其与由只用燃油和供给的空气工作的 发动机产生的工作流体比较时，该工作流体具有增加所 产生的动机的能力，其特征在于，该过程包括：
a)通过将压力燃油与燃烧室中压缩空气连续结合 而产生可燃混合气，以固定的比例向空气中供给燃油， 该固定之比例至少为空气提供了化学当量的量；
b)点燃可燃混合气以形成一连续燃烧的火焰，该 火焰产生了由燃烧产物形成的热气流，该产物之压力超 过了压缩空气之压力；
c)将可蒸发的惰性液体喷入热气流中以减低热气 流的温度，当该液体处于一个大气压以下时其温度处于 或高于其沸点温度，当该液体处于大于一个大气压下时， 它处于超过需要维持该惰性气体于液体状态的压力下， 作用于液体上的该压力超过燃烧室中的压力，喷射的惰 性液体迅速蒸发直接进入燃烧室，热气流与水蒸汽之结 合构成了工作流体，惰性液体的量及温度被选择成便于 在燃烧室之出口处于工作流体中产生预定的温度的形式；
控制燃烧产物热气流的温度及滞留时间以使燃油产 生基本上完全的燃烧，而工作流体之温度被控制成使得 形成的氮氧化物最少，二氧化碳最多，该过程继续进行 直至停止输送工作流体为止。
53.如权利要求52之过程，其中进入燃烧室的 压缩空气量稍稍超过化学当量的量，因此在可燃混合全 燃烧时，至少大约95％的空气被消耗。
54.如权利要求52之过程，其中发动机中工作 流体的温度通过喷射液体水控制到大约750°F和大 约2300°F之间的一选定温度上。
55.如权利要求52之过程，其中发动机中的工 作流体之温度通过喷射液体水而控制到大约1800° F和大约2200°F之间的一选定温度上。
56.如权利要求54或55之过程，其中刚要喷 射之前的惰性流体的温度处于不高于比工作流体的温度 低的大约50°F的温度。
57.如权利要求52之过程，它还包括：在步骤c) 之后，将工作流体引入透平式发动机中，透平中的工作 流体用于加热处于喷入工作流体中之前的惰性液体。
58.如权利要求57所述过程，其中燃油为2 号柴油，燃/空比为 0.066，对于每秒1磅的空气供给量，透平发动机 产超过650马力的功率，其燃油效率超过大约36％ 并且比油耗小于约0.36。
59.如权利要求52之过程，其中燃油从由2号 柴油，乙醇及脱硫加热机油构成的组中选取。
60.如权利要求57之过程，其中对每秒1磅空 气供给量，透平发动机以超过约45％的燃油效率产生 超过800马力的功率，并且比油耗小于约0.30。
61.如权利要求52之过程，其中惰性液体为海 水，并且该过程还包括对燃烧室中熔化的盐的收集及让 熔化盐向固体形式的转化。
62.一种从海水中回收盐及可饮用水的过程，该 回收的盐最好是固体形式的，该过程包括：
a)借助于将碳基燃油与化学当量的空气混合并燃 烧在燃烧室中产生一火焰，从而产生燃烧产物的热气流；
b)由向热气流中喷射海水而减少热气流的温度， 该热气流所减少的温度处于海水中的盐熔点与沸点之间， 喷射之海水因被喷入热气流而使其转化为水蒸汽，并且 海水中的盐以液体形式集存于燃烧室中；
c)通过设置将液体盐转化最佳形式及大小的固体 盐的装置以从燃烧室中将液体盐去除；
d)从燃烧室中去除蒸汽及燃烧产物，使该去除的 蒸汽及燃烧产物通过冷凝装置，从而将蒸汽转化为水， 从蒸汽中分离燃烧产物并收集由此而产生的水。
63.如权利要求62之过程，其中在蒸汽和燃烧 产物通过冷凝装置之前先通过透平发动机。
64.如权利要求62或63之过程，其中基本上 燃油中的所有碳均被转化为CO2并且基本上所有存在 于空气流中进入燃烧室的氮气仍然以氮气形式离开燃烧 室，从N2中产生的NOx基本上为零。
65.如权利要求63之过程，其中当燃/空比基本 上是化学当量的量时，对每秒1磅的空气供给率，通过 透平发动机的蒸汽及燃烧产物所产生的功超过500马 力。
66.如权利要求63之过程，其中当燃/空比基本 上为化学单量之量时，对每秒1磅的空气供给率，通过 透平发动机的蒸汽及燃烧产物所产生的功率超过650 马力。
67.如权利要求63之过程，其中当燃/空比基本 上为化学当量的量时，对每秒1磅的空气供给率，通过 透平发动机的蒸汽及燃烧产物产生出超过800马力的 功率。
68.一种内燃机，其特征在于，包括：
a).一燃烧室；
b).一与燃烧室相连的工作机；
c).空气供给装置，其用于将压缩空气在与需要 这种燃烧室工作发动机成比例的高温并在常压下输送；
d)用于将燃油供给燃烧室的燃油供给装置，燃油 与空气则在燃烧室中混合；
e)改变供给燃烧室的空气量并调节供给燃烧室的 燃油量的控制装置，以便使燃/空比保持常数；
f)用于将燃油空气混合物点燃以产生燃烧蒸汽流 的燃油点火器；
g)用于将压力水供入燃烧室的供水装置，以使水 在进入燃烧室时基本上是瞬间地转化为水蒸汽，水蒸汽 的形成及传送会在燃烧室中产生扰动及混合，从而致使 工作流体由水蒸气、燃烧蒸汽及未到达的空气成份构成；
h)一燃烧室温度控制器，所述控制器将过热水按 足以维持工作流体的温度的量供给燃烧室；
i)将热量从排出工作发动机的工作流体传递给水 的热交换装置，所述热量将水的温度从供给温度升高至 供给燃烧室所需的温度。
本发明涉及一种在高压下工作并利用由压缩空气、 燃油燃烧产物及蒸汽的混合物构成的工作流体的蒸汽— —空气蒸汽机。本发明进一步涉及一种在燃料燃烧系统 中以高效率及低比油耗产生电能的方法。本发明还涉及 一种产生电力时在不明显减低效率或增加油耗的情况还 同时能产生可饮用的水。
内燃机(ICES)通常分为定容或定压两种。奥 托循环发动机由爆燃的挥发性燃油(即汽油)在上死点 附近之定容的压缩空气状态下工作，而狄塞尔循环发动 机则按改进的循环燃烧燃油，即燃烧特征大致为定压过 程。
外燃机(ECES)之例子如蒸汽机，透平及某些 形式的燃气透平。将热的压力流体从外部流体供给源供 给燃气透平并利用存在于这些压缩气体中的能量使各种 马达装置工作，这一过程已是公知的知识。
人们还知道在燃烧室中燃烧燃油并将燃烧产物排到 工作缸中，有时还根据升高的温度而需要伴随着水或蒸 汽的喷射。这些发动机也被划为外燃机。
人们还提出了一些其它的装置，其中燃烧室由内部 加入的水或蒸汽冷却而不是采用外部冷却。人们还提出 了另外一些形式的装置，它在温度下降时将燃油喷入燃 烧气缸中，而且带有当压力达到理想值时终止喷油的装 置。
这些现有发动机中的每种都遇到了阻碍它们通常用 作驱动原动机工作的动力源的困难。在这些困难中，在 遇到突然情况和/或要保持一定的工作温度或压力而需 要发动机有效工作时发动机对此显得无能为力。
此外，对这些发动机的控制不是很有效，并且将气 体发生器本身维持于稳定条件下之能力总体上不够充分。 在所有实用的发动机结构中，因对限定工作缸缸壁的冷 却需求而导致了效率的损失以及先前内燃机中许多其它 的内在缺点。
本发明克服了上述的先有技术的限制。首先，通过 将水喷入燃烧过程而控制所产生的工作流体的温度从而 消除了对空气或液体外部冷却的需要。当水喷入并转化 为水蒸汽时，该水蒸汽本身成为工作流体的一部分，因 此，不需机械压缩就可增加工作流体的体积。当过高的 燃烧气体温度转换为蒸汽压力时工作流体便增加了。
在本发明中，为了满足工作发动机的要求采用了燃 烧火焰温度和燃油空气比的独立控制。控制火焰温度也 防止了NOx的形成及下文所述的CO2的分解物。
本发明也采用高压缩比作为增加效率及功率同时降 低比油耗(sfc)的措施。当水喷入并在本发明之燃 烧室内转化为水蒸汽时，这产生燃烧室压力。应该注意 到该燃烧室压力是由水蒸汽产生的而与发动机的压缩比 无关。因此，不需消耗额外的压缩功就可因新的水蒸汽 或水的喷入而在发动机中获得更高的压缩比。由于在本 发明中采用大量喷射水的方式，因此无需压缩先有技术 系统中为冷却目的而专用的稀释空气。这一要求之取消 导致该系统节约了大量的能量。
由于在本发明所述的采用喷水的装置中的压缩比增 加了，因而显露出其几个方面的优点。首先，当水或水 蒸汽开始被压缩后，不需要另外的功去对其进行继续压 缩。换句话说，当压缩水蒸汽至2个大气压后，不需要 另外的功将其压缩至更高的压力。这不同于空气，例如 空气必须要消耗另外的功才能将其压缩至更高的压力以 便获得另外的工作流体质量。此外，在本发明中，当水 被喷入并转化为水蒸汽时，它不消耗另外的功就会产生 燃烧室压力。该蒸汽还具有恒定的熵与焓。
在本发明中，剩余的燃烧热转化为水蒸汽压力并且 不需机械压缩便被用作工作流体的附加质量。做为比较， 典型的Brayton循环透平中，66％～75％的 机械压缩过的空气是为了满足将工作流体之温度降至透 平进口温度(TIT)的要求而用作对燃烧产物进行稀 释的空气。
由于水蒸汽加倍了或增加了燃烧产生的工作流体并 产生15％或更多的净功率，因此水在本发明新的热力 系统中可被认为是一种燃烧，因为它给本系统提供了压 力，功率及效率。
本发明的循环根据喷射的是空气或是水或是兼有两 者的情况可分为开式的或闭式的。脱盐水或净化水可以 是来自发电厂或运水船发电的副产品，此时，该循环对 空气来说是开式的，对脱盐水回收来说是闭式的。海水 发电厂或灌溉水净比系统也是可行的环境。
本循环也可用于活动环境中的闭式循环状态中，即 用于汽车，卡车，公共汽车，班机、普通军用飞机及类 似物中。
本发明的目的之一是提供一种新的热力循环，该循 环可以是开式的或闭式的，而且压缩空气并按照化学当 量燃烧燃油和空气，从而提供高效低污染的受控功率。
本发明另一目的是通过利用水的汽比潜热而不必机 械地压缩稀释空气从而在发动机内完全控制住燃烧温度。
本发明再一目的是减少与发动机中用的功率透平相 关的空气压缩机负荷，从而可取得放慢怠速并加快加速 的成果。
本发明的还有一个目的是根据需要分别控制透平进 口温度(TIT)。
本发明的再一目的是根据需要改变工作流体的组成。
本发明的还有一目的是提供以毫秒计的足够的停止 时间，从而允许按化学当量配比进行燃烧、结合并且有 完全冷却并且平衡的时间。
本发明的再一目的是使燃烧物燃烧并冷却，以便防 止形成诸如Nox、HC-、CO-粒子、CO2分解 物等等成份引起的烟雾。
本发明的再一目的是提供一种能将1磅化学热量1 00％地转化为1磅热能的燃烧系统。
本发明的还有一目的是使整个动力系统在尽可能的 冷却下仍然用高的热效率工作。
本发明的再一目的是为了冷却，冷凝，分离及使水 蒸汽再生成冷凝水而产生某种程度的真空而提供一种冷 凝过程。
本发明的另一目的是提供一种用海水作冷却液的电 力生成系统并且产生脱盐的饮用水作为发电的产物。
本发明的再一目的是提供一种新的循环，该循环将 在发动机工作的上半部分期间的改进的Braytor 循环和发动机工作下半部分期间的水蒸汽空气蒸汽循环 结合起来。
本发明的另一目的是提供一种与现行可获得的系统 比较具有更高的效率并且有降低的比油耗的产生电能的 透平动力生成系统。
本发明的再一目的是提供一种以大大地大于40％ 的总效率产生电能的动生成系统。
根据本发明的一个实施例描述了一内燃机。该发动 机包括一个将周围空气压缩至具有大于或等于6个大气 压的压力并且有升高的温度的压缩空气的压缩机。一个 连接到该压缩机上的燃烧室，构成导引压缩空气从压缩 机向前流的形式。单独的燃油和流体喷射控制被用于将 燃油和水根据需要分别喷入燃烧室中。压缩空气、燃油 和流体的喷射量以及所喷射水的温度每项都是独立地控 制的。因此，平均燃烧温度及燃/空比也能独立地控制。 喷射的燃油与压缩空气的受控部分进行了燃烧，并且所 生成的热量将喷射的流体转化成蒸汽。喷射的流体借助 于汽化潜热转化成蒸汽从而减小了处于燃烧温度的气体 的排出温度。所用的流体重量比燃油的重量大得多。因 此，在大多数工况下燃烧生成的工作流体的质量流可加 倍或更大。
工作流体由压缩空气，燃油燃烧产物及水蒸汽之混 合物构成，它是以预定的燃烧温度在燃烧期间生成于燃 烧室中的。然后，可将该工作流体供给一个或多个工作 发动机以产生有用功。
在本发明的更具体的实施例中，用一电火花点火器 使发动机启动。该发动机也可处于开式或闭式方式下工 作。在闭式情况下，部分排出的工作流体可以再利用。 燃烧室温度是根据来自温度传感器及位于燃烧室中的恒 温器的信息决定的。
当应用本发明时，由于借助燃烧控制装置减少了燃 烧温度，所以在工作流体中会获得化学当量的结合及平 衡。喷入的燃油中所有的化学能在燃烧阶段都转化为热 能，并且水蒸发成水蒸汽产生旋涡湍流从而帮助了燃油 与空气之混合，所以实现了更大化学当量的燃烧。喷入 的水吸收全部的剩余热量，从而使工作流体之温度减小 至工作发动机的最大工作温度以下。当喷入的水变成水 蒸汽时，其表现为燃烧室之压力而不需要另外的压缩功 并且不具额外的熵或焓。燃烧温度的仔细控制防止了引 起烟雾的成份及气体的生成。
在本发明的另一实施例中，则用海水作冷却液而产 生电力，并且作为产生电力的附产品可产生脱盐的饮用 水。
在本发明的第三实施例中，描述了用一发动机的新 的循环，因而以当该发动机工作超过其一预定的转速( rpm)时，喷射水及压缩空气燃烧的部分随发动机转 速(rpm)增加而保持常量。在第一和第二预定转速 之间时，水/油增加，燃烧的空气百分数增加，并且燃 烧了的空气产生了变化。当发动机在第二预定转速以下 工作时，喷射的水与油成正比，并且当燃烧的压缩空气 百分比保持常量时它也为常数。
这一循环的利用导致了功率的增加，低转速(rp m)，低怠速，快加速；并且在低转速时高达95％的 压缩空气被燃烧掉。
本发明的更完整地理解以及更进一步的目的和优点 将参照所附附图及以下详细说明的变得更为清楚。本发 明的范围是由其后所附的权利要求专门表现出来的。
图1是本发明之水蒸汽—空气蒸汽透平机的方框图；
图2是描述本发明中用的热力过程的压力与容积的 关系图；
图3是描述本发明中用的热力过程温度与熵之间的 关系图；
图4是本发明的包括对海水脱盐以获得可饮用水的 装置的水蒸汽—空气蒸汽透平机之方框图；
图5是图4方框图中所示水蒸汽—空气蒸汽透平机 的一个实例例之示意图；
图6是具有脱盐能力并结合有本发明之特征的水蒸 汽—空气蒸汽透平机的第二实施例之示意图；
图7是一个表示压缩比对图1之水蒸汽—空气蒸汽 透平机的热效率之影响的曲线；
图8是一个表示压缩比对图1所示水蒸汽—空气透 平机的比油耗之影响效果的曲线。
图9是一个表示压缩比对图1之水蒸汽—空气蒸汽 透平机的透平功率的影响的曲线；
图10是一个表示压缩比对图1所示之水蒸汽—空 气蒸汽透平机的净功率之影响的曲线。
A.本系统之基本结构
参见图1，其示意性地示出了本发明所述的燃气透 平机的实施例。周围空气6由压缩机10压缩至所希望 的压缩比，从而形成压缩空气11。在最佳实施例中， 压缩机10是公知的三级式压缩机，并将周围空气以大 约1400°R的温度压缩至高于4个大气压之压力， 最好是22个大气压。
该压缩空气11由空气流控制器27供给燃烧器2 5。在本发明以及先有技术中燃烧器都是公知的。压缩 空气11可由类似于美国专利NO.3651641( Ginter)示出的空气流控制器27控制按分级的 圆周方式供给。该美国专利NO.3651641在此 作为本文之参考。压缩空气11是由空气流控制器27 控制分级供给的，从而保持燃烧室25中低的燃烧(火 焰温度)温度。
燃油31在燃油喷射控制器30的控制下于压力下 喷射。燃油喷射的控制对本领域之熟练专业人员来说也 是公知的，因此本发明所用的燃油喷射控制器30可由 一系列常规的单个或多个燃油喷嘴组成。高压燃油供给 系统(未示出)是用来供给燃油的，该燃油可是常规的 碳氢化合物燃油，如加热机油的2号柴油，最好是脱硫 的且象乙醇一类的酒精。乙醇最好是在某些应用场合中 使用，因为它包括或者可与至少一些可用于冷却燃烧产 物的水混合，从而减少对喷水的需求。此外乙醇水混合 物具有低得多的凝固点，因而增加了该发动机用于温度 低于32°下的天气的能力。
水41由喷水控制器40按压力喷射，并且通过一 个或多个喷嘴在燃烧期间及燃烧后期喷入燃烧室25而 雾比。正如下面详细说明的那样。
燃烧器25内之温度由与本发明上面详述的其它部 件相应工作的燃烧控制器100控制。燃烧控制器10 0可是常规的供给数字逻辑程序微处理器、微机或任何 其它公知的用于跟踪并响应于来自位于燃烧室25或该 系统的其它相关部件中的跟踪器的反馈信号从而实现控 制的装置。
例如，燃烧器25内之压力可由空气压缩机10按 发动机转速度变化维持。燃烧器25内的温度传感器及 恒温器(未示出)提供燃烧控制器100的温度信号， 然后指示喷水控制器40根据需要喷入或多或少的水。 相似地，借助于改变燃烧器25中油、水及空气的混合 物而由燃烧控制器100控制工作流体的质量。
还有一些公知的实际限制，它规定出了可接受的燃 烧温度的上限值。在这些考虑中首先考虑的是可对任何 系统适应的最高透平进口温度(TIT)。为了获得理 想的最高的透平进口温度，喷水控制器40根据让工作 流体将燃烧温度保持于可接受的极限之内之需要来喷射 水。该喷入的水在其以燃烧器25之压力转化为蒸汽时 因其汽比潜热而吸收相当数量的燃烧火焰热量。
为便于点燃喷入燃烧器25中的燃油，大于12∶ 1的压缩比是必要的，以便实现自燃。然而在低压缩比 下则可用标准的电火花器(未示出)。
如上所述，燃烧控制器100独立地控制来自空气 流控制器27、燃油喷射控制器30及喷水控制器40 的燃烧的压缩空气量，从而使喷射的燃油与部分压缩空 气燃烧。至少95％的压缩空气被燃烧掉。如果小于1 00％的O2燃烧，那么就会留下足够的O2完成化学 当量结合并用于加速。当100％的空气在燃烧过程中 消耗掉时，形成CO2，故没有O2可用来形成NOx。 燃烧热也可将喷入的水转化为水蒸汽，因此导致了工作 流体21由压缩的未燃烧的空气成份、燃油燃烧产物及 燃烧气中生成的水蒸的混合物构成。借助于压缩机10 可提供从4∶1至100∶1的压缩比。透平进口温度可 在750°F至2300°F内变化，较高的温度极限 是由于材料方面的考虑而规定的。
工作机50(典型地为透平)连接至并接收从燃烧 室25来的工作流体，以完成有用之工作(如驱动轴5 4旋转作功)，它依次驱动产生电能58的发电机56。 当本发明讨论透平作为工作机时，熟练的专业人员将注 意到由本发明产生的工作流体也可驱动往复式工作机、 汪克尔工作机、凸轮或其它形式的工作机。
该工作流体在其通过工作机50时膨胀。膨胀之后， 工作流体51以变化的压力(无论怎样都在0.1个大 气压以上)由废气控制器60排出，该变化之压力取决 于是用带真空泵的闭式循环还是开式循环。废气控制器 60还可包括一热交换器63和/或用以将来自工作流 体51的蒸汽61冷凝的冷凝器62以及用以排出工作 流体51的再压缩机64。在冷凝器62中冷凝的所述 蒸汽被排出用作饮用水65。
B.本循环中采用的热力过程。
1.总的解释。
当如上所述之燃烧器用于实际发动机中时，可获得 许多热力学优点。这些优点将参照本发明用的循环热力 过程可得到最好的了解。正如图2和图3中的P-V和 T-S示意图所示。本发明采用与工作透平相关的水蒸 汽、空气及蒸汽，该循环称之为“VAST”循环。V AST是一个由申请人拥有的商标。
在绘制示于图2和3中的图时用到了下列参数：
压缩比＝22/1；
压缩机10为3级；
透平进口温度—1800°F；
燃油—空气比＝0.066；
每秒1磅空气；
水进口温度—212°F；
用于压缩机10中的压缩机效率＝85％；
工作机(透平)50的效率＝85％。
然而，如下所述，这些工作参数仅仅代表结合本发 明之特征的实施例。压缩比、透平进口温度及进水温度 可根据其中所用VAST循环应用场合的需要而改变。 另外，燃/空比之变化取决于所用燃料的类型，从而保 证化学当量，并且压缩机及透平效率可通过使用更有效 之设计而提高。此外，图2和3是由每秒1磅空气计算 出来的。当燃/空比不变时增加空气供给则导致成正比 地增加功率输出。
VAST循环是压缩空气作功循环和蒸汽循环的结 合，因为空气与水蒸汽都用作工作流体，并且其中每个 都在燃烧器中形成总压力的一部分。在本发明之论述中， 将可看出术语“空气”意在包括由进入的压缩空气与任 何可能存在的过剩压缩空气一道进行燃烧的燃油，并且 包括所有燃烧产物，而术语“蒸汽”是指液态喷入的水 变成的过热水蒸汽，但它也可带有变化之状态用于工作 循环中，环在该状态下部分蒸汽变回为液体水。燃烧燃 油的新循环或过程利用空气和蒸汽之混合物做为工作流 体，但压缩过程除外，在该过程中只涉及空气。
下面讨论VAST循环中的热力过程。如图2和3 所示，过程1-2和2-3表示在三级压缩机10中的压 缩。在压缩机10出口处的出口条件是用等熵压缩关系 计算而得，而真实的条件是用85％的压缩机效率计算 而得的。
如上面所解释的那样，压缩空气通过空气流控制器 27进入燃烧室25。燃烧室中的过程在图2和3中为 过程3-4。
燃烧室25在恒压且大约恒温之条件下燃烧燃油， 因为具有独立的燃油、空气以及水的控制；因此温度可 完全得到控制。启动之后，压缩空气在恒压下输入燃烧 器。因此，恒压下供给的空气与固定的燃/空比之混合 气的混合再结合由喷水对透平进口温度的控制从而导致 了在燃烧室内形成恒压。紧随着在高压下喷射燃油而在 燃烧室中发生燃烧，并为效率提供了理想的燃烧条件， 且避免了因燃油混合物初始浓于完全燃烧的混合物而产 生的空气污染。随着燃烧之继续，额外加入了空气，该 空气沿燃料的圆周方向加入，其量为最小等于完全燃烧 的量，即化学当量之空气，但最终能超过燃油成份完全 燃烧所需的空气量。为了留下足够的O2完成化学当 量结合并用于加速，压缩空气的最小量约95％被燃烧。
水以高压(可高达4000Psi或更高)由喷水 控制器40喷射。由于燃烧室25中之高温，喷射的水 马上蒸发成水蒸汽并与燃烧气体混合。此外，喷入燃烧 室25中的水的量取决于所述之透平进口温度及刚刚喷 入的水温。在燃油燃烧阶段释放的部分热量用于将来自 三级压缩机10的压缩空气之温度提高至透平进口温度 (TIT)。燃烧的剩余热量用于将喷入之水转化为水 蒸汽。这一过程表示于图2和3中，在这些图中由标号 为3—4的部分表示。
随后之总的解释说明了对于使用2号柴油的系统的 单独一套工作条件单一。尤其是它指出了压缩比为22 /1，透平进口温度为1800°F，透平出口压力为 1个大气压，进水温度为212°F。此外，压缩机及 工作机之效率都适度地设置为85％。这就导致了45 5.11马力的净功率，0.523的比油耗(SFC) 及0.251(数据表)的效率。在所连接的计算机中 计算出的例子打印出了一模拟过程并被列于数据表中， 它显示出了将压缩比从10至50内变化而燃/空比， 水温及透平进口温度保持不变的结果。
依相同的方式，也能改变其它工作条件。例如可增 加水温，最高温度不大于理想的TIT温度。水温最好 不要增加至高于比理想的TIT温度低的50°F程度。 然而，因实际原因，由于工作流体排出透平是用来加热 所供给的水的，因此进水温度通常保持不高于此透平排 出温度低的大约50°F的程度。水温越高，将燃烧温 度减小至TIT温度所需的水的体积就越大。因此导致 了更大的气体容积流过透平及更大的功率输出。相似地 TIT温度也可升高或降低。数据表中示例1-10是 按TIT为1800°F计算出来的。这一温度对没有 利用高温合金或用空气或蒸汽冷却的空心叶片的透平而 言是通常可接受的最高温度。然而，用耐高温和/或腐 蚀的合金，高温复合材料，陶瓷及其它材料则可执行高 温工作，诸如用于透平喷射的发动机将允许以高达23 00°F的温度工作。示例11—16示出以更高的温 度工作的数据。
表1的示例1—5示出了增加空气压缩比对功率， 效率及比油耗的影响。增加进水温度并减少排出压力( 按85％的透平效率和压缩机效率计算)的影响示于示 例6—10中。示例11—16示出了空气压缩比对具 有TIT为2000°F的系统的影响。当以假设的透 平效率为90％进行计算时，透平出口压力为0.5大 气压，H2O的进入温度为大约625至大约700° 下。应该注意到由现行可获得的空气压缩轴向透平及功 率透平膨胀机组可将透平效率取为93％。
在示例1—16中，燃油为2号柴油，燃/空比为 0.66，这是2号柴油的化学当量比。用不同的其它 燃油，则要求不同的燃/空比以保持化学当量条件。示 例17用甲烷，其燃/空比为0.058。由于甲烷可 比柴油更有效地燃烧，因此每磅空气则用了更少的燃油， 所以加入的水也更少。
表1
闭环 空气压 进水 透平出口 透平效率 TIT 示例 缩比 ％ 温度°F °F 压力atm 功率HP 效率 比油耗 1 10∶1 85 212 1800 1 376.53 .208 .631 2 22∶1 85 212 1800 1 455.11 .251 .522 3 30∶1 85 212 1800 1 477.97 .267 .497 4 40∶1 85 212 1800 1 495.94 .274 .479 5 50∶1 85 212 1800 1 507.51 .280 .468 6 22∶1 85 410 1800 1 490.89 .271 .484 7 22∶1 85 410 1800 .5 543.09 .300 .437 8 22∶1 85 410 1800 .25 556.39 .307 .427 9 22∶1 85 600 1800 .5 612.59 .338 .388 10 22∶1 85 665 1800 .5 656.96 .363 .362 11 5∶1 90 700 2000 .5 611.76 .334 .388 12 10∶1 90 704 2000 .5 754.69 .412 .315 13 15∶1 90 697 2000 .5 813.72 .444 .292 14 20∶0 90 677 2000 .5 832.78 .455 .285 15 25∶0 90 653 2000 .5 843.07 .460 .282 16 30∶0 90 629 2000 .5 848.41 .464 .280 17 29∶0 93 664 2175 .5 840.31 .475 .250
示例17也是在透平效率为93％并且2175° F的透平进口温度时计算出来的，这两者都是可作为商 业应用的透平(其没有应用所述之发明)的工作参数。
改变空气压缩比对系统性能之影响列于示例11— 16中，其影响图绘于图7—10中。
本发明的燃烧器在基本原理方面不同于先有技术的 装置，这是因为工作流体可以在常压或在常温时或在两 者同时之情况下增加。常温是由燃烧控制器100根据 燃烧器25中的温度跟踪器(恒温器)的响应通过由喷 水控制器40控制的水喷射而维持的。在燃烧器25内， 当压缩机10供给化学当量的或剩余较少的压缩空气时， 液态碳氢燃油的典型燃烧温度达到大约3000°F至 3800°F。当然更大量的过剩空气将会减少最终的 燃烧温度，但不会对实际燃烧温度或点火温度有较大影 响。
来自燃烧器25中的排出温度的实际极限依次是由 在排气温度处的容器壁之材料强度，燃烧器壁之高温许 可值，动力透平之结构的材料以及透平叶片是分开冷却 或外冷或内冷这些因素来决定的。该排气温度通过改变 迅速蒸发成水蒸汽的高压水的喷射而控制于适当的极限 之间。其汽化及过热的热量等于燃烧的燃油的燃烧热。 (燃烧燃油之温度通过水的蒸发而后加热至TIT时的 汽化和过热的热量来减小对理想之TIT)。因此喷入 的水量是由理想的工作温度(对高的过热温度来说它更 小，但实际上保持为一固定的工作温度)决定的。
工作压力正如任何给定发动机的转速而需要的一样 由压缩机10保持为常数。
燃气和蒸汽的最终工作流体混合物然后流入工作发 动机50中(典型的是如上所述为透平机)，在此蒸汽 —燃气混合物发生膨胀。在工作发动机50出口处的排 出条件是用等熵关系和透平效率计算出来的。这一过程 由4—5显示在图1和2中。
从工作发动机50来的废气和蒸汽然后通过废气控 制器60。废气控制器60包括一冷凝器，在此温度减 至对应于废气中蒸汽分压力的保和温度。因此，透平废 气中的蒸汽被冷凝并由喷水控制器40泵回至燃烧室2 5中。然后，残余燃烧气体通过第二压缩机，在此压力 升回至大气压力，以使它能排入大气中。
可以看出本发明具有产生小的汽化潜热的显著优点。 当水喷入燃烧室并且产生水蒸汽时，会产生几个有用的 结果：(1)水蒸汽具有自身之分压力；(2)燃烧器 中的总压力将象由空气压缩机保持的那样是燃烧室的压 力；(3)除用少量的泵入压力水的功外，水蒸汽压力 花费不需机械代价；(4)在高水平的水蒸汽压力无需 机械压缩就可获得，但是除了水以及处于等熵及等焓的 蒸汽外。水转化为水蒸汽还冷却了燃烧气体，从而导致 了下文所述的污染控制。
2.污染控制
不管是在发动机中还是在工业锅炉中，尽管种类不 同，但任何燃烧都会在空气中产生构成烟雾的反应产物。 本发明按下面要讨论的几种方法减少污染产物的形成。
首先，用冷却了的缸壁和缸盖工作的内燃机具有燃 空混合物的边界层冷却，这足以导致在排气冲程排出很 小百分比的未燃碳氢化合物。本发明在两个明显的方面 避免了燃烧室壁冷却，从而保持燃油之燃烧温度是高的， 这两方面都在前述的美国专利NO3651641中更 详细地作了叙述。首先，借助于空气流控制器27使热 压缩空气绕燃器25之外壁流动，以使燃烧只在加热到 高于点火温度的小空间内发生。第二，燃烧火焰被没有 与燃油混合的空气挡住。因此，在按本循环工作的发动 机中采用的是热壁燃烧，最好高于2000°F。
其次，借助于使燃烧器25在一限定的温度范围内 工作而阻止了烟雾产物的成形。例如，CO和其它部分 燃烧的产物由高温燃烧(最好高于2000°F)得以 限制，并且通过将这些产物于燃烧开始后保持一个相当 长的滞留时间而得以限制。然而温度太高会形成更多的 氮及氮氧化合物。因此，为了减少烟雾产物而可被接受 的温度不宜太高也不宜太低。本发明中的燃烧控制器1 00在高温下开始燃油与空气的燃烧，然后将温度减少 一个相当长的滞留时间，然后用喷水进行冷却(当空气 燃烧后)至预定的阻止烟雾形成的温度。因此，燃烧首 先是在富混合物中进行的；然后足够的压缩空气加入以 允许燃油完全燃烧且具有最少的剩余氧，并在滞留于燃 烧室25中的大约一半滞留时间内将燃气冷却到低于大 约3000°F；然后由喷水控制器40喷射水直接加 入燃烧或在燃烧前加入，从而维持一个确保全部碳氢化 合物完全燃烧的可接受温度。
在典型的发动机中，碳氢化合物燃料常常是在与空 气混合并且稍稍较浓一点时燃烧，即为了增加效率以小 于化学当量比进行燃烧。然而，这就产生了过量的CO和更复杂的未完全燃烧产物。然而，本发明由于通过空 气流动控制器27渐进地提供空气，稀释了燃烧，因而 进一步减少这种烟雾产物。
如上所解释的那样，在高温时氧化氮会更迅速地形 成，但也能通过另加压缩空气控制燃烧产物的稀释而减 少。
本发明之燃烧循环与完全的高效燃油燃烧是一致的， 并且消除了不完全燃烧产物，减少了诸如氧化氮之类的 其它产物。当燃烧产物或剩余空气冷却至一个可接受的 发动机工作温度之后(该温度可以在1000°F至1 800°F之范围内，在透平机的结构中采用适当的材 料时甚至可高达2300°F，或者也可以低到700° F至800°F)，燃烧控制器100在相当长的初始 滞留时间内烧掉燃烧产物。
借助于将燃烧室25的长度设计成是燃烧室25内 的燃烧区的2倍至4倍则可产生一种平衡条件；然而任 何设计适当的燃烧室都可采用。
所述之燃烧提供了一种减少烟雾元素的形成而在此 同时使燃油能量完全转化为流体能的方法。
由于燃/空比及火焰温度是独立控制的，因此VA ST循环是一种低污染燃烧系统。燃/空比的控制，尤 其是烧掉全部压缩空气的机会(如果需要，则由大量的 压缩空气稀释)阻止了因不完全燃烧而产生的未燃碳氢 化合物及一氧化碳。使用惰性稀释剂而不用空气可以控 制氮氧化物之形成并抑制因在高温时二氧化碳分解而形 成的一氧化碳。利用高比热的稀释剂，如上所述的水或 蒸汽，减少了温度控制所需的稀释剂量。对于氮氧化物 的情况，应该注意到VAST循环阻止了其形成，而不 象确实在某些系统中出现的那样允许它的形成，然后再 试图进行消除它们这一艰巨任务。所有这些因素之综合 结果则使VAST在宽范围的工作条件下工作并具有可 忽略不计的污染水平，常常是处在用质量光谱技术所感 应的氮氧化物和碳氢化物的极限以下。
燃烧器25代表一个用热和水产生高温工作流体的 机构，并且当热量必须通过热交换器传递至迅速蒸发器 或锅炉时不存在低效这样的结果。在燃烧产物中加入水 而不仅仅加入热的气体表现为一台让气体使用流体源的 装置，水迅速蒸发成水蒸汽提供出一极为有效的质量及 压力源并且在此同时，提供了根据温度、容积及能独立 控制的其它因素而决定的巨大机动性。通过加入水而另 外增加了自由度。在燃烧过程中加水或要冷却燃烧过程 时水的喷射大大减少了大多数燃烧过程所产生的污染。
由于用水而不是剩余空气进行冷却，因此供给的空 气量大大减少，所以与任何形式或型号的通常用空气稀 释的开式循环Brayton发动机相比较只有大约3 0％的氮气存在于燃烧室25的燃气中。水随着其形成 水蒸汽而周期性地膨胀，并且产生控制内部燃烧最卓越 的分子作用。
3.水喷射
喷水控制器40控制通过喷嘴的水41的喷射，该 喷嘴布置得便于将细微的水雾喷入燃烧室内。水可以喷 入发动机中一个或多个区域，其包括：在压缩机10将 由其本身产生的蒸汽喷成雾状进入到压缩空气中之前在 进气中雾化；在一个燃油喷咀或多个燃油喷咀周围或其 中雾化；雾化入燃烧室25中的燃烧火焰中；或雾化入 在任何所需压力下的燃烧气体中；或在它们流入工作发 动机50之前进入燃烧气体中。其它区域可由熟练的专 业人员容易地想到。如前所述，喷射水的量是由燃烧室 25中通过恒温度检测所得到的燃烧产物的温度为依据 的，所喷水的量也取决于所用的VAST循环的系统。 例如，如果水象在机动车中所用的那样要再循环，那么 水就应尽可能地冷却以获得所用的总水量和功率输出之 间的有用的平衡，即，如果进水温度低并且TIT高， 则可用少量的水将燃烧温度减少至TIT。在另一方面， 如果系统的主要目的是从海水中产生可饮用水，如下所 讨论的一样，在产生电能之同时，进水温度将升至尽可 能高，而TIT则降低。
C.本发明的其它实施例
1.包括有水脱盐处理的发电厂
在用海水作冷却液发电的情况下，对于如空气、电 力及图4和5所用的水循环是开式的。海水41由泵4 2驱动，并且在它通过冷凝器62和热交换器63逆， 着排出的热工作流体51而流动时被加热，并在上述的 大容量燃烧室25中迅速蒸发。为了保证更好的去掉盐， 而要增加燃烧室的直径，同时减小工作流体之速度。
燃烧器的典型工作温度(1500°F至2300° F)高于海水中盐的熔点但大大低于其沸点(海盐的8 5％是NaCl，另外14％是MgCl2，MgSO4，CaCl2及KCl的混合物)。因此，当海水迅 速蒸发为水蒸汽时，盐象液体那样被清除出去。例如， NaCl在1473°F熔化而在2575°F汽化， 其它的盐具有更低的熔点及更高的沸点。因此，熔化的 盐很容易集结干燃烧室的底壁处并且该液态盐可由燃烧 器底部上的螺帽装置排出，供给一挤压机或金属模，在 此可将它成形为杆或小球形，或通过喷嘴利用燃烧器内 之压力作为驱动力而喷入冷却腔，在此借助于选择适当 的雾嘴尺寸及形状它能沉积为任何希望的尺寸或形状如 薄片状、粉末状或小球形。由于盐水是暴露在燃烧室内 极高的温度中的，因此回收的盐是消毒的，且没有有机 物。
燃油重量的6至12倍数量级的水雾化进入燃烧火 焰中并在若干毫秒内蒸发。含在蒸汽中的盐的杂质通过 结晶，沉积和/或过滤与蒸汽分离，直到蒸汽成纯的为 止。
盐的收集和去除机构80可由缘于燃烧室25的许 多公知装置的任何一种来实现，如由旋转的纵向螺旋进 料器实现。该螺旋进料器是密封的，因而不会因其旋转 并去除沉积盐而旁通漏掉大量的受压的工作汽体。如上 所述，另一方案是将熔化的盐通过喷咀喷入集结塔或将 盐81挤压成线束或杆状，然后将其切成所需之尺寸。 还有另一个方案是直接将熔化的盐排入模子中以形成盐 块81。该盐块很容易运输并用于化学处理中。
包含有纯的水蒸汽的最终工作流体可用于一个标准 的蒸汽透平或多级透平中。随之由膨胀水蒸汽—燃气混 合而产生功，冷凝器62将水蒸汽61冷凝，形成有用 的可饮用水源65。用该开式循环，以10∶1或50∶ 1或更高的压缩比可高效并且低比油耗地产生电力。
图6示出了用VAST循环的脱盐装置的第二个实 施例。在该实施例中，通过将另外的废热从燃烧室25 中捕集到而进一步提高了系统的效率。燃烧室25被包 围在一台双壳热交换器90中。在所示的方案中，从压 缩机10出来的热的压缩空气11在其进入燃烧器25 之前流过直接包围燃烧器10的壳体92。冷的海水4 1供入包围第一壳体92的第二壳体94。按这种方式， 空气11吸收通常从燃烧器25中损失的另外的热量而 正在进入的海水41吸收从压缩空气11来的一些热量。 由于空气11处于升压点，因此，另外的好处是燃烧室 壁两侧的压差大大减小(即如图5那样的燃烧器内部分 环境条件之间的压差或燃烧器内部与压缩空气11之间 的压差)，因此减少了因高温与高压联合作用于燃烧器 壁上的应力。通过燃烧室外壳94之后海水41流过冷 凝器62及热交换器73，以获得所需的喷水温度。小 心地将水保持在尽可能高达4000Psi的压力下， 所以当水被加热时，它不会转化为水蒸汽，直至它喷入 燃烧室25中为止。该燃烧室则处于更高的温度下，并 且在大部情况下其具有比过热海水41更低的压力。
按商业处理过程对污染废物的净化，对固体、液体 及气体废物的处理以获得可用之产品并且产生动力作为 副产品也均是用VAST循环的发动机很有潜力的一种 应用。由干燥固体废物而产生的废水在本发明中可利用， 最终形成过滤的可用水作为一种副产品。用于燃烧器2 5中燃烧的另外的燃油和无机的干燥废物都是可燃材料， 它们可用于生产肥料。很明显，用本发明可从固体和液 体产物中提炼出其它化学物质。也可用于污水处理。其 它的应用包括水的软化、与油用钻井工作及钻井生产相 关的蒸汽源、含有从土壤中滤取的肥料和矿物质的灌溉 水的回收与再循环等等。
2.混合的Brayton和VAST循环。
本发明之一实施例利用混合的Brayton—V AST循环。基本上在超过20000rpm的转速时， 喷射水在量上是常数，大约等于燃油重量，而燃烧的压 缩空气部分随发动机转速增加而成比例地减少。低于2 0000rpm转速时，喷射的水及燃烧的压缩空气部 分则成比例地增加。例如，在20000至10000 rpm之间的交叉处，燃烧空气部分增加大约25％至 95％。低于10000rpm时，燃烧空气的量保持 常数，而喷水量增加至燃油重量的7至12倍的水平。
因此，在从20000rpm至最大约45000 rpm或更高的转速的上半部工作中采用Brayto n循环，而在该过程的下半部分采用由水进行内部冷却 的VAST循环。交叉点发生于20000rpm，此 时正常的Brayton循环开始损失功率。该交叉过 程在20000至10000rpm的范围内继续进行。 在10000rpm处，发动机纯粹为VAST循环， 完全由水冷却。
在这样的系统中，随着转速从20000rpm减 至10000rpm，由于发动机在20000rpm 处从Brayton循环转化至VAST循环，其削减 空气稀释并增加更多的用于冷却的水，因此应乘上一个 系数即3加到1上的系数。在10000rpm以下， 发动机只按VAST循环工作，由水冷却而至少95％ 的压缩空气燃烧。它的一些优点是：增加功率，降低转 速，放慢怠速，加快加速以及在所有转速水平上基本上 对所述的压缩空气燃烧进行完全的污染控制。
3.飞机发动机
上述之VAST循环，特别是用再生水工作时，在 将其用于通常在30000至40000英寸高空飞行 的商业性飞机时特别有效并且有相当低的燃油消耗。在 这样的高空，环境压力为0.1至0.25大气压或更低， 并且环境温度远远低于0°F。示例6—8示出了降低 透平出口温度的好处。然而，当该系统在海平面工作时， 为了产生低于大气压的环境温度，因而在透平出口需要 一真空泵。该泵消耗该系统所产生出的能量，减小了其 可用能力，从而降低了系统的效率。不考虑由真空泵消 耗的能量的话，该系统的效率及功率是增加的并且油耗 被减少。
通过在压力低于大气压的环境中工作而取消透平出 口的真空泵，例如在大于大约3000英尺的高度工作， 则会增加该系统的可用功率输出，由此减少油耗。再者， 如果系统中的水是再生的，则用周围的空气温度可对出 口气流进行冷凝及冷却，并使水分离再生。
D.数据表
以下列出的是包含有按本发明技术设计的发动机性 能的详细资料的数据表。这些数据表是用计算机模拟程 序产生的。
表中用的一些缩写包括：
f/a比＝燃油与空气之比；
透平出口压力＝1大气压；
压缩机的γ＝Cp/Cv；
所有的温度都是兰金(绝对华氏)温度＝(R)；
cpmix＝空气加水蒸汽的混合Cp值；
sfc＝比油耗；
eff＝效率；
在数据表中压缩比为22∶1的示例是上述表1的 示例1。用于模拟发动机工作的计算机程序正文具体定 出了进水温度为212°F(672°R)，透平进口 温度(TIT)为1800°F(2260°R)，进 入另一级压缩机的温度是60°F(520°R)并且 每级压缩机及透平都以85％的效率工作。
以压缩比10∶1工作的VAST循环 f/a比＝0.066； 压缩比＝10.00； 压缩级数＝3； 进水温度＝672.000°R； 透平出口压力＝1.00； 带透平进口温度＝2260.000(°R)的空气流率为11b/s； 压缩机1的γ＝1.395088723469110
583.127002349018800 压缩机2的γ＝1.393245781855153
749.390666288273000 压缩机3的γ＝1.382644396697381
960.403717287130800 燃烧器中的CPGAS＝3.048731265150463E-001
1678.944055144487000 压缩机进口温度T1＝520.00； 第一级出口温度T2d＝668.53(°R)； 第二级出口温度T3D＝858.78(°R)； 第三级出口温度T4d＝1097.89(°R)； 水的质量流率(lb/s)＝0.442； 透平中的γ＝1.274667679410808
1818.013006841559000 水蒸汽分压(大气压)＝5.885070348102550； 空气分压力(大气压)＝8.814929461162587； 透平出口保和温度＝591.701098285192200(°R)； 第二级压缩的γ＝1.346058430899532
633.271250898951400 第二级压缩的cpmix＝3.253198837676842E-001
633.271250898951400 透平进口温度T5(R)＝2260.00； 透平出口温度T6D(R)＝1508.62； 透平两端的温降DT＝751.38； 透平功率HP＝624.28； 压缩机功率Hpcomp＝199.735； 总质量流率(lb/s)＝1.5077； 净功率(开式)HP＝424.54； 比油耗(开式)＝0.560 效率(开式)＝0.234； T7＝674.84； T7D＝689.51 第二压缩的DT＝97.81； 第二压缩的功率HP＝48.00； 水泵功率HP＝0.017； 净功率(闭式)HP＝376.53； 比油耗(闭式)＝0.631； 效率2(闭式)＝0.208； 废气的组成(按体积计)： CO2的百分数＝10.8 H2O的百分数＝25.8 N2的百分数＝63.4
以压缩比22∶1工作的VAST循环 f/a比＝0.066； 压缩比＝22.00； 压缩机级数＝3； 进水温度＝672.000； 透平出口压力＝1.000； 带透平进口温度＝2260.000(°R)的空气流率为1lb/s； 压缩机1的γ＝1.39480952089263
698.043650004366800 压缩机2的γ＝1.392157497682254
849.596261682560700 压缩机3的γ＝1.369677999652017
1177.990796008891000 燃烧器中燃气的CPGAS＝3.101676106439402E-001
829.089319349098000 压缩机进口温度T1＝520.00 第一级出口温度T2d(R)＝727.16； 第二级出口温度T3D(R)＝1015.24； 第三级出口温度T4d(R)＝1398.18； 水的质量流率(lb/s)＝0.505； 透平中的γ＝1.278767591503703
1706.015578042335000 透平中的cpmix＝3.906654117917358E-001
1706.015578042335000 水蒸汽分压力(大气压)＝6.361387976418345； 空气分压力(大气压)＝8.338611832846791； 透平出口处的保和压力(R)＝593.171968080811400 第二级压缩中的γ＝1.344309728848165
639.522982616262100 第二级压缩中的cpmix＝3.316760835964484E-001
639.522982616262100 透平进口温度T5(R)＝2260.00； 透平出口温度T6D(R)＝1318.23； 透平两端的温降DT＝941.77； 透平功率HP＝817.80 压缩机功率HP＝308.108； 总质量流率(lb/s)＝1.5708； 净功率HP(开式)＝509.69； 比油耗(开式)＝0.466； 效率(开式)＝0.281； T7＝685.87； T7D＝702.23； 压缩机2的温降DT＝109.06； 压缩机2的功率HP＝54.57； 水泵功率HP＝0.018； 净功率(闭式)＝455.11； 比油耗(闭式)＝0.522； 效率2(闭式)＝0.251； 废气组分(按体积计)： CO2的百分数＝10.8； H2O的百分数＝25.8； N2的百分数＝63.4。
以压缩比30∶1工作的VAST循环 f/a比＝0.066； 压缩比＝30.000； 压缩机级数＝3； 进水温度＝672.000； 透平出口压力＝1.000； 带透平进口温度＝2260.000的空气流率为1lb/s； 压缩机1的γ＝1.394694290256920
618.355140835066100 压缩机2的γ＝1.389029752150665
891.837744705560000 压缩机3的γ＝1.366209070734794
1273.898681933465000 燃烧器中燃气的CPGAS＝3.124320900049776E-001
1896.892037142618000 压缩机进口温度T1＝520.00 第一级压缩出口温度T2d(R)＝751.42； 第二级压缩出口温度T3D(R)＝1081.81； 第三级压缩出口温度T4d(R)＝1533.78 水的质量流率(lb/s)＝0.534； 透平中的γ＝1.280208955027821
1666.7472321510066000； 透平中的cpmix＝3.916002625082443E-001
1666.747232151006000； 水蒸汽分压力(大气压)＝6.562762207406494； 空气分压力(大气压)＝8.137237601858644； 透平出口处的保和温度(R)＝593.793812111702800； 第二级压缩中的γ＝1.343572354850198
642.266214292339600； 第二级压缩中的cpmix＝3.344248062769462E-001
642.266214292339600； 透平进口温度T5(R)＝2260.00； 透平出口温度T6D(R)＝1251.47； 透平两边的温降DT＝1008.53； 透平功率HP＝894.00 压缩功率HP＝358.471； 总质量流率(lb/s)＝1.5996； 净功率HP(开式)＝535.53； 比油耗(开式)＝0.444； 效率(开式)＝0.296； T7＝690.74； T7D＝707.85； 压缩机2的DT＝114.05； 压缩机2的功率HP＝57.54； 水泵功率HP＝0.019； 净功率(闭式)＝477.97； 比油耗(闭式)＝0.497； 效率2(闭式)＝0.264； 废气成份(以体积计)： CO2的百分数＝10.8； H2O的百分数＝25.8； N2的百分数＝63.4。
以压缩比40∶1工作的VAST循环 f/a比＝0.066； 压缩比＝40.000； 压缩机级数＝3； 进水温度＝672.000； 透平出口压力＝1.000； 带透平进口温度＝2260.000(R)的空气流率为1(lb/s)； 压缩机1的γ＝1.3945845821122682
628.187703506602900； 压缩机2的γ＝1.385229573509871
932.452934382434300； 压缩机3的γ＝1.360860939314250
1366.979659174880000 燃烧器中燃气的CPGAS＝3.145343519546454E-001
1962.926186235099000 压缩机进口温度T1＝520.00； 第一级压缩出口温度T2d(R)＝774.56； 第二级压缩出口温度T3D(R)＝1146.07； 第三级压缩出口温度T4d(R)＝1665.85； 水的质量流率(lb/s)＝0.562； 透率中γ＝1.281335192214647
1632.71703670625000； 透平中cpmix＝3.925796903477528E-001
1632.717036740625000； 水蒸汽分压力(大气压)＝6.750831994487843； 空气分压力(大气压)＝7.949167814777294； 透平出口保和温度(R)＝594.374571993012600； 第二级压缩的γ＝1.342884542206362
644.886243238150400； 第二级压缩的cpmix＝3.370260274627372E-001
644.8862432381 透平进口温度T5(R)＝2260.00； 透平出口温度T6D(R)＝1193.62； 透平两端的温降DT＝1066.38； 透平功率HP＝964.40； 压缩机功率HP＝408.011； 总质量流率(lb/s)＝1.6279； 净功率HP(开式)＝556.38； 比油耗(开式)＝0.427； 效率(开式)＝0.307； T7＝695.40； T7D＝713.23； 压缩机2的DT＝118.85； 压缩机2的HP＝60.42； 水泵功率HP＝0.019； 净功率HP(闭式)＝495.94； 比油耗(闭式)＝0.479； 效率2(闭式)＝0.274； 废气的容积成份： CO2的百分数＝10.8； H2O的百分数＝25.8； N2的百分数＝63.4。
以压缩比50∶1作的VAST循环 f/a比＝0.066； 压缩比＝50.000； 压缩机级数＝3； 进水温度＝672.000； 透平出口压力＝1.000； 带透平进口温度＝2260.000(°R)的空气流泫为1(lb/s)； 压缩机1的γ＝1.394497572254039
635.996556562169400； 压缩机2的γ＝1.382215305172556
965.068507644903400； 压缩机3的γ＝1.356615282102378
1442.860640297455000 燃烧器中燃气的CPGAS＝3.162590285087881E-001
2017.100000649888000 压缩机进口温度T1＝520.00； 第一级压缩机出口温度T2d(R)＝792.93； 第二级压缩机出口温度T3D(R)＝1197.96； 第三级压缩机出口温度T4d(R)＝1774.20； 水的质量流率(lb/s)＝0.585； 透平中的γ＝1.282120028863920
1607.786622664966000； 透平中的cpmix＝3.934720408020952E-001
1607.786622664966000； 水蒸汽分压力(大气压)＝6.900293693691603； 空气他压力(大气压)＝7.799706115573533； 透平出口处保和温度(R)＝594.8361100293700； 第二级压缩机的γ＝1.342338420102895
647.010415983017100； 第二级压缩机的cpmix＝3.391172383199348E-001
647.010415983017100； 透平进口温度T5(R)＝2260.00； 透平出口温度T6D(R)＝1151.24； 透平两端的温降DT＝1108.76； 透平功率HP＝1019.48； 压缩机功率HP＝449.150； 总的质量流率(lb/s)＝1.6514； 净功率HP(开式)＝570.33； 比油耗(开式)＝0.417； 效率(开式)＝0.315； T7＝699.18； T7D＝717.60； 压缩机2的DT＝122.76； 压缩机2的功率HP＝62.80； 水泵功率HP＝0.020； 净功率HP(闭式)＝507.51； 比油耗(闭式)＝0.469； 效率2(闭式)＝0.280； 废气之容积成份： CO2的百分数＝10.8； H2O的百分数＝25.8； N2的百分数＝63.4。
用于模拟采用本发明的发动机工作的计算机程序正 文见附录1。 E.结论
当本发明之不同实施例作为示意性目的而示出时， 本发明之保护范围只限制在与下述权利要求一致的程度， 并且所附权利要求的精神实质及范围并不限制在本文所 包含有的优化形式的说明上。
附录1 用于模拟采用本发明的发动机工作的计算机程序正文
IMPLICIT REAL*8 (A-H，O--Z) DIMENSION PAIR(17)，TT(17)，VAIR(17)，vn2(17) ，pn2(17)， * pco2(17)，vco2(17)，ph20(17)，vh20(17) open(unit＝11，file＝′1′) open(unit＝22，file＝′2′) open(unit＝33，file＝′3′) open(unit＝44，file＝′4 ′) open(unit＝1，file＝′a1′) DO 5 I＝1，17 READ(11，*)TT(I)，PAIR(I)，VAIR(I) read(22，*)tt(i)，pn2(i)，vn2(i) read(33，*)tt(i)，ph20(i)，vh20(i) read(44，*)tt(i)，pco2(i)，vco2(i) TT(I)＝TT(I)＋460.0 5 CONTINUE
(R)＝ ′，f8.3 * ，/，/，/) T1＝520.DO PRS＝(PR)**(1.DO/FLOAT(NS)) COMPRESSOR1 GA＝1.4 DO 10 I＝1，10 WRITE(*，*) ′gamma compr.1＝′，ga，tav T2＝T1*(PRS)**((GA－1.0)/GA) TAV＝(T1＋T2)/2.DO GA＝CpAIR(TAV，pair，vair，tt)/CVAIR(TAV，pair，vair，tt) ga＝1.406 10 CONTINUE WRITE(1，*)′gamma compr.1＝′，ga，tav T2D＝T1＋(T2－T1)/0.85 HPC1＝1.O*(T2D－T1)*CpAIR(TAV，PAIR，VAIR，TT)*778.3/550.0
COMPRESSOR2 GA＝1.4
HPC＝HPC1＋HPC2 C COMPRESSOR3 GA＝1.4 DO 25 I＝1，10 T4＝T3D*(PRS)**((GA－1.O)/GA) TAV＝(T4＋T3D)/2.DO GA＝CpAIR(TAV，pair，vair，tt)/CVAIR(TAV，pair，vair，tt) c ga＝1.406 25 CONTINUE write(1，*)′gamma compr.3＝′，ga，tav T4D＝T3d＋(T4－T3D)/0.85 HPC3＝1.0*(T4D－T3D)*CpAIR(TAV，PAIR，VAIR，TT)*778.3/550.0 HPC＝HPC1＋HPC2＋hpc3 BURNER tav＝(t4d＋2260.dO)/2.0 TBURN＝FA/0.066*3600.DO＋T4D a1＝CpCo2(tav，pco2，vco2，tt) a2＝cpn2(tav，pn2，vn2，tt) a3＝cph20(tav，ph20，vh20，tt) write(*，*)tav，cpgas，a1，a2，a3 cpgas＝(352.O*a1＋162.O*a3＋1263.36*a2)/1777.36 WRITE(1，*)′CPGAS in the burner＝′，cpgas，tav WRITE(*，*)CPGAS
(R)＝ ′，SAT GA＝1.4 DO 70 I＝1，10 T7＝sat*(14.7/Pa)**((GA－1)/GA) TAV＝(T7＋sat)/2.DO write(*，*)′gamma in sec.comp＝′，ga，tav write (*，* )′cpmix in SEC.COMP＝′，cpmix， tav write(*，*)′t6，sat＝′，t7，sat a1＝cpco2(tav，pco2，vco2，tt) a2＝cpn2(tav，pn2，vn2，tt) a3＝cph20(tav，ph2c，vh20，tt) cpgas＝(352.O*a1＋162.O*a3＋1263.36*a2)/1777.36 CPMIX＝(AMW*A3＋(1.DO＋FA)*CPGAS)/(AMT) WRITE(*，*)′CPMIX＝′，CPMIX a1＝cVco2(tav，pco2，vco2，tt) a2＝cVn2(tav，ph2，vn2，tt) a3＝cVh20(tav，ph20，vh20，tt) cVgas＝(352.0*a1＋162.0*a3＋1263.36*a2)/1777.36 CVMIX＝(AMW*A3＋(1.DO＋FA)*CVGAS)/(AMT) GA＝CPMIX/CVMIX
＝′，5X，F6.4，/， * ′NET HP (open cycle)＝′，5X，F7.2，/ * ，′sfc (open cycle) ＝ ′，5X，F7.3，/， * ′eff(open cycle＝′，5x，f7.3，/，/) WRITE(1,400)T7，T7D，DTT1，HPS，hppump，HPN2，SFC2，eff2 400 FORMAT(′T7＝′，5X，F7.2，/，′T7D＝′，5X，F7.2， * /，′DT COMP.2＝′，5X，F7.2，/，′HP COMP.2 ＝′，5X，F7.2，/， * ′HP water pump＝′，f7.3，/ * ，′NET HP(closed cycle)＝ ′，5X，F7.2，/ * ，′sfc(closed cycle)＝ ′，5X，F7.3，/， * ′eff2(closed cycle)＝′，5x，f7.3，/，/，/) write(1，*)′composition of exhaust by volume′ write(1，*)′～
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