使用系统流量控制的无源方法的涡轮机废热回收膨胀机与流程

使用系统流量控制的无源方法的涡轮机废热回收膨胀机
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年3月30日提交的美国专利申请号16/825,765的权益，该美国专利申请通过引用以其全文结合在此。
技术领域
3.本披露总体上涉及一种用于回收内燃发动机的废热的废热回收系统。


背景技术：

4.内燃发动机(ice)在运行期间将化学能转化为轴功，并将热量作为副产品舍弃。废热回收系统将这种废弃的热转化成可以用于减少机动车辆燃料消耗的有用功。
5.有机朗肯循环(orc)废热回收系统可以包括泵、蒸发器、膨胀机和冷凝器。膨胀机将从加压的工作流体中提取的功率输出。常见类型的膨胀机包括：能够被工作流体旋转的涡轮机叶片、联接到涡轮机叶片并且能够被涡轮机叶片旋转并且沿纵向轴线延伸的轴、以及将工作流体引导到涡轮机叶片以用于使涡轮机叶片旋转的通路。
6.orc废热回收系统采用了在闭环热力学循环中将有机流体用作工作流体的朗肯过程。在orc中，液相工作流体被泵送至较高压力，工作流体被蒸发成蒸汽相，高压蒸汽膨胀以提取机械功或电功，随后工作流体被冷凝回到液体、返回到泵。汽车orc循环使用来自ice的通常从发动机舍弃到环境中的热量。
7.标题为“废热回收系统和用于其的涡轮膨胀机”且转让给博格华纳公司(borgwarner inc.)的美国专利公开号2019/0264606披露了一种orc废热回收系统，其中基于传感器反馈由控制器主动致动涡轮机喷嘴。虽然此类型的解决方法具有性能优势，但是带有运动零件的部件数量增大使系统成本增加，并且增加的复杂性可能带来可靠性问题。
8.这样，仍然需要提供一种改进的废热回收系统。


技术实现要素：

9.在本披露的一个描述的实施例中，描述了一种用于基于工作流体输出功率的涡轮膨胀机。所述涡轮机可以包括：能够被工作流体旋转的涡轮机叶片，以及联接到所述涡轮机叶片并且能够被所述涡轮机叶片旋转的轴，所述轴沿纵向轴线延伸。进一步包括喷嘴组件，所述喷嘴组件用于将所述工作流体引导到所述涡轮机叶片、并且用于使所述涡轮机叶片旋转。所述喷嘴组件包括绕所述轴布置并且邻近所述涡轮机叶片的喷嘴壳体、以及用于使所述工作流体加速的喷嘴部件。所述喷嘴部件限定了具有几何构型的喷嘴喉部。无源控制件联接到所述喷嘴部件并且引导所述工作流体。所述无源控制件可以具有与所述喷嘴处于流体连接的通道，并且所述通道包括可以横跨所述通道的内部宽度并置的密封件。所述密封件被构造成从关闭位置移动到打开位置。
10.在本披露的另一个描述的实施例中，提供了一种用于从内燃发动机回收废热的有机朗肯循环废热回收系统。所述废热回收系统包括：用于将内燃发动机所废弃的热量传送
到工作流体的蒸发器、以及用于基于所述工作流体输出功率的涡轮膨胀机。所述涡轮机可以包括：能够被工作流体旋转的涡轮机叶片，以及联接到所述涡轮机叶片并且能够被所述涡轮机叶片旋转的轴，所述轴沿纵向轴线延伸。进一步包括喷嘴组件，所述喷嘴组件用于将所述工作流体引导到所述涡轮机叶片、并且用于使所述涡轮机叶片旋转。所述喷嘴组件包括绕所述轴布置并且邻近所述涡轮机叶片的喷嘴壳体、以及用于使所述工作流体加速的喷嘴部件。所述喷嘴部件限定了具有几何构型的喷嘴喉部。无源控制件联接到所述喷嘴部件并且引导所述工作流体。所述无源控制件可以具有与所述喷嘴处于流体连接的通道，并且所述通道包括可以横跨所述通道的内部宽度并置的密封件。所述密封件被构造成从关闭位置移动到打开位置。所述系统可以进一步具有：与所述涡轮膨胀机处于流体连通以用于将所述工作流体从蒸汽状态冷凝成液体状态的冷凝器，以及使工作流体从所述冷凝器循环到所述蒸发器的泵。
11.在本披露的又另一个描述的实施例中，提供了一种从内燃发动机回收废热的方法。所述方法包括提供用于基于工作流体输出功率的涡轮膨胀机。所述涡轮膨胀机可以包括：能够被所述工作流体旋转的涡轮机叶片，以及联接到所述涡轮机叶片并且能够被所述涡轮机叶片旋转的轴，所述轴沿纵向轴线延伸。进一步包括喷嘴组件，所述喷嘴组件用于将所述工作流体引导到所述涡轮机叶片、并且用于使所述涡轮机叶片旋转。所述喷嘴组件包括绕所述轴布置并且邻近所述涡轮机叶片的喷嘴壳体、以及用于使所述工作流体加速的喷嘴部件。所述喷嘴部件限定了具有几何构型的喷嘴喉部。无源控制件联接至所述喷嘴部件并且引导所述工作流体，所述无源控制件可以具有与所述喷嘴处于流体连接的通道，并且所述通道包括可以横跨所述通道的内部宽度并置的密封件。所述密封件被构造成从关闭位置移动到打开位置。所述方法进一步包括：将所述工作流体的第一部分引导到所述一个或多个无源控制件的第一无源控制件，在所述一个或多个喷嘴部件的第一喷嘴部件处接纳所述工作流体。
附图说明
12.在下文中将结合附图描述本披露的一个或多个实施例，其中，相同的附图标记指示相同的元件，并且在附图中：
13.图1是包括涡轮膨胀机和无源控制件的废热回收系统的示意性图示；
14.图2是根据本披露的一个示例性实施例的涡轮膨胀机的透视图；
15.图3是图1的示例性喷嘴组件的截面视图；
16.图4是图1的示例性涡轮膨胀机的透视图，该示例性涡轮膨胀机包括涡轮膨胀机的喷嘴壳体的底部；
17.图5是图1的示例性涡轮膨胀机的俯视图，其中该涡轮膨胀机包括喷嘴壳体的顶部、联接到以虚线示出的第一喷嘴部件的第一无源控制件、联接到以虚线示出的第二喷嘴部件的第二无源控制件、联接到以虚线示出的第三喷嘴部件的第三无源控制件、以及联接到以虚线示出的第四喷嘴部件的第四无源控制件；
18.图6是沿着图5的线a-a截取的第一喷嘴部件和第四喷嘴部件的截面视图；
19.图7是根据本披露的一个示例性实施例的涡轮膨胀机的透视图；
20.图8是根据本披露的一个示例性实施例的涡轮膨胀机的透视图；
21.图9是描绘了当工作流体的压力增加时，包括无源控制件的涡轮膨胀机的内部的工作流体的可变进入流动特性的图示；并且
22.图10是描绘了当工作流体的压力减小时，包括无源控制件的涡轮膨胀机的内部的工作流体的可变进入流动特性的图示。
具体实施方式
23.参见附图，其中，在全部若干视图中相同的附图标记指示相同的零件，在图1中示意性地示出了一种用于回收内燃发动机(ice)的废热的有机朗肯循环(orc)废热回收系统1。废热回收系统1包括：用于基于工作流体(未示出)输出功率的涡轮膨胀机2、用于在工作流体穿过涡轮膨胀机2后使工作流体从蒸汽状态(未示出)冷凝成液体状态(未示出)的冷凝器4、调节穿过废热回收系统1的工作流体流量的泵6、用于将ice舍弃的热量传送到工作流体的蒸发器8、以及用于将工作流体引导到涡轮膨胀机2的无源控制件38。
24.参见图2至图6且继续参见图1，涡轮膨胀机2包括可被工作流体旋转的涡轮机叶片16。如在图2中最佳示出，涡轮膨胀机2还包括联接到涡轮机叶片16并且可被该涡轮机叶片旋转的轴17。轴17沿纵向轴线a延伸。工作流体使涡轮机叶片16绕轴17的纵向轴线a旋转。
25.继续参见图2，涡轮膨胀机2进一步包括用于将工作流体引导到涡轮机叶片16的喷嘴组件20。喷嘴组件20包括绕轴17布置且邻近涡轮机叶片16的顶部喷嘴壳体21。通常，喷嘴壳体21具有环形构型。然而，喷嘴壳体21可以具有适合于将工作流体引导到涡轮机叶片16的任何构型。喷嘴壳体21可以具有面向轴17的顶部22(如在图2中最佳示出)、以及与顶部22相对面向的底部23(如在图4中最佳示出)。
26.参见图3和图5，喷嘴组件20还包括联接到喷嘴壳体21、用于使工作流体加速的喷嘴部件26。喷嘴部件26限定喷嘴28。在一个实施例中，如图3所示，喷嘴部件26与喷嘴壳体21成一体(即，一件式)。在另一个实施例中，如下面进一步详细描述的，喷嘴部件26可以与喷嘴壳体21分开(即，不与该喷嘴壳体成一体)。
27.喷嘴28具有几何构型。该几何构型可以是汇聚型构型、发散型构型、或de laval(德拉瓦尔)(汇聚-发散型)构型。通常，几何构型是如图3和图5所示的de laval构型。
28.如在图6中最佳示出，当喷嘴28的几何构型为de laval构型时，喷嘴28可以具有工作流体入口29、汇聚区段31、发散区段32、将汇聚区段31与发散区段32分开的喉部区段33、以及工作流体出口35。当存在时，汇聚区段31从工作流体入口29延伸到喉部区段33。当汇聚区段31存在时，喷嘴28的截面面积从工作流体入口29到喉部区段33逐渐减小。当发散区段32存在时，喷嘴28的截面面积从喉部区段33到工作流体出口35逐渐增大。当存在时，喉部区段33是喷嘴28的截面面积最小之处。在本披露的背景下，喷嘴28的最小截面面积称为喉部截面面积36。
29.工作流体穿过喷嘴28的汇聚区段31到达喉部区段33。如果工作流体具有适当的压力，则工作流体速度在喉部区段33处被扼制。工作流体是否具有使工作流体速度在喉部区段33处被扼制的适当压力是基于喉部截面面积36。工作流体在发散区段32中膨胀，使得工作流体速度增加。以此方式，喷嘴28使工作流体加速。
30.如在图3中最佳展示的，工作流体在首先穿过无源控制件38之后，被引导到喷嘴28的工作流体入口29。无源控制件38联接到喷嘴部件26，并且包括与喷嘴28处于流体连通的
通道39。在一个实施例中，如图3中所示，无源控制件38是一体式(即，一件式)的并且由喷嘴部件26限定。在另一个实施例中，如下面进一步详细描述的，无源控制件38可以与喷嘴部件26分开(即，不与喷嘴部件成一体)。
31.在一个示例性实施例中，无源控制件38可以进一步包括无源控制件入口40、横跨通道39的内部宽度并置的密封件41、偏置构件42、以及无源控制件出口43。在示例性实施例中，密封件41可以防止工作流体进入通道39，直到工作流体的压力达到足够大的力而与密封件41接触并使该密封件从关闭位置移动到打开位置。关闭位置是密封件41横跨通道39的内部宽度并置之时从而防止工作流体经过无源控制件入口40进入通道39的位置，打开位置是密封件41离开并置时的位置。在另一个示例性实施例中，偏置构件42向密封件41的底部44施加力以使密封件41保持在关闭位置，并且当来自工作流体的力施加到密封件41的顶部45且该力足够大以克服由偏置构件42施加的力时，密封件41移动到打开位置。在另一个示例性实施例中，偏置构件42是弹簧，但在其他实施例中，密封件41可以包括在阀中发现的部件，该阀作为偏置构件对工作流体温度、工作流体压力或其他输入的变化被动地做出反应。
32.如上所述，无源控制件38可以是一体式的并且由喷嘴部件26限定。在其他实施例中，无源控制件38可以例如通过焊接、螺接、摩擦等方式固定到喷嘴部件26。如图7所示，可移除的无源控制件47可以可移除地联接到独立喷嘴壳体50。当可移除的喷嘴部件52可移除地联接到独立喷嘴壳体50时，独立喷嘴壳体50可以限定孔53，该孔用于选择性地接纳联接到可移除的无源控制件47的可移除的喷嘴部件52。以此方式，可移除的喷嘴部件52可以选择性地布置在孔53中。有利地，当可移除的喷嘴部件52可移除地联接到独立喷嘴壳体50时，可以减小涡轮膨胀机60的制造复杂性。具体地，可移除的喷嘴部件52和独立喷嘴壳体50可以独立地机加工和/或铸造，从而减少制造时间和制造成本。
33.当螺纹无源控制件48可移除地联接到螺纹喷嘴壳体51时，螺纹喷嘴壳体51的螺纹喷嘴部件54也可以包括螺纹(未示出)。螺纹无源控制件48也可以包括螺纹(未示出)，从而螺纹无源控制件48可以可移除地联接到涡轮膨胀机56的螺纹喷嘴部件54。在其他实施例中，螺纹无源控制件48可以通过过渡配合或过盈配合可移除地联接到独立喷嘴壳体51。
34.无源控制件38可以进一步限定为第一无源控制件62，喷嘴部件26可以进一步限定为第一喷嘴部件64。此外，喷嘴部件26的每个区段可进一步限定为第一区段(例如，第一喷嘴、第一喉部区段等)。
35.参见图5，喷嘴组件20也可以包括第二无源控制件68，该第二无源控制件联接到用于引导工作流体的第二喷嘴部件70。如图所示，当存在时，第二喷嘴部件70限定第二喷嘴72。第二无源控制件68可以具有第二通道74、第二密封件75、第二偏置构件76、以及第二无源控制件入口77。
36.第二喷嘴72具有第二几何构型。第二几何构型可以是汇聚型构型、发散型构型、或de laval构型。通常，第二几何构型是如图5所示的de laval构型。当第二几何构型是de laval构型时，第二喷嘴72可以具有第二工作流体入口78、第二汇聚区段79、第二发散区段80、将第二汇聚区段79与第二发散区段80分开的第二喉部区段82、以及第二工作流体出口83。
37.在一个实施例中，当存在时，第二喷嘴72的第二几何构型与第一喷嘴65的第一几何构型不同。在某些实施例中，第一几何构型和第二几何构型可以是不同类型的构型。例
如，第一几何构型可以是汇聚型构型，而第二几何构型可以是de laval构型。在其他实施例中，如图5所示，第一几何构型和第二几何构型可以是相同类型的构型、但具有不同于彼此的对应区段。例如，当第一几何构型和第二几何构型是de laval构型时，第一工作流体入口84、第一汇聚区段85、第一喉部区段66、第一发散区段86、以及第一工作流体出口87中的至少一个与第二喷嘴72的对应的第二工作流体入口78、第二汇聚区段79、第二喉部区段66、第二发散区段80、以及第二工作流体出口83不同。
38.在某些实施例中，如图6所示，当第一几何构型和第二几何构型是de laval构型时，第二喉部截面面积88与第一喉部截面面积89不同。如上所述，工作流体的速度在第一喉部区段66和第二喉部区段82处是否被扼制是由第一喉部截面面积89、第二喉部截面面积88、以及工作流体压力和质量流量确定。在一个实施例中，喷嘴被设计成对于不同的流量而言是最佳的，并且第一喉部截面面积89和第二喉部截面面积88不同。在这个实施例中，工作流体压力和质量流量可以适合于第一喷嘴65和第二喷嘴72中的使工作流体加速的一个喷嘴，而不适合于第一喷嘴65和第二喷嘴72中的另一个喷嘴。在另一个实施例中，喷嘴不一定必须不同，因为工作流体的流量将是累加的。在这个示例性实施例中，当第二喷嘴72打开时，第一喷嘴65将始终打开。
39.进一步，在某些实施例中，当第一无源控制件62和第二无源控制件68都存在时，如以上所述，使第一无源控制件62的第一密封件90从关闭位置移动到打开位置所需的力的大小可以与使第二无源控制件68的第二密封件75从关闭位置移动到打开位置所需的力不同。因为这些力不同，所以工作流体压力和质量流量可以适合于将第一密封件90或第二密封件75(而不是将第一密封件90和第二密封件75中的另一个密封件)从关闭位置移动到打开位置。在ice的运行期间，废热回收系统1所回收的热量可以改变所需的工作流体压力和质量流量，使得第一密封件90和第二密封件75中的任一者或两者(或者两者都不)从关闭位置移动到打开位置。当第一密封件90和第二密封件75移动到打开位置时，它们相应地引导工作流体流动到第一喷嘴65和第二喷嘴72，并且扩大了废热回收系统1可以在具体工作流体压力下运行的工作流体质量流量的范围。如下面进一步详细描述的，这有利地允许废热回收系统1在更大范围的ice运行状态下保持最大的循环效率和功率输出。
40.如图2所示并且如以上所述，第二无源控制件68可以与喷嘴壳体21成一体。在其他实施例中，第二无源控制件68可以例如通过焊接、螺接、摩擦等方式固定到喷嘴壳体21。如图7和图8所示，在另外的实施例中，第二可移除无源控制件92可以可移除地联接到独立喷嘴壳体50。当第二可移除无源控制件92可移除地联接到独立喷嘴壳体50时，独立喷嘴壳体50可以限定第二孔93，该第二孔用于选择性地接纳第二可移除的喷嘴部件92。以此方式，第二可移除无源控制件92可以选择性地布置在第二孔93中。
41.当第二螺纹无源控制件94可移除地联接到螺纹喷嘴壳体51时，第二螺纹无源控制件94也可以包括螺纹，从而第二螺纹无源控制件94可以可移除地联接到螺纹喷嘴壳体51。在其他实施例中，第二螺纹无源控制件94可以通过过渡配合或过盈配合可移除地联接到螺纹喷嘴壳体51。
42.再次参见图5，喷嘴组件20也可以包括第三无源控制件95，该第三无源控制件联接到用于引导工作流体的第三喷嘴部件97。如图所示，当存在时，第三喷嘴部件97限定第三喷嘴98。第三无源控制件95可以具有第三通道99、第三密封件100、第三偏置构件101、以及第
三无源控制件入口102。
43.第三喷嘴98具有第三几何构型。第三几何构型可以是汇聚型构型、发散型构型、或de laval构型。通常，第三几何构型是如图5所示的de laval构型。当第三几何构型是de laval构型时，第三喷嘴98可以具有第三工作流体入口104、第三汇聚区段106、第三发散区段107、将第三汇聚区段106与第三发散区段107分开的喉管区段108、以及第三工作流体出口110。
44.在一个实施例中，当存在时，第三喷嘴98的第三几何构型与第一喷嘴65的第一几何构型和第二喷嘴72的第二几何构型不同。在某些实施例中，第一几何构型、第二几何构型和第三几何构型可以是不同类型的构型。例如，第一几何构型或第二几何构型可以是汇聚型构型，而第三几何构型可以是de laval构型。在其他实施例中，如图5所示，第一几何构型、第二几何构型和第三几何构型可以是相同类型的构型、但具有不同于彼此的对应区段。例如，当第一几何构型、第二几何构型和第三几何构型是de laval构型时，第一工体流体入口84和第二工作流体入口78、第一汇聚区段85和第二汇聚区段79、第一喉部区段66和第二喉部区段82、第一发散区段86和第二分发散区段80、以及第一工作流体出口87和第二工作流体出口83中的至少一个与第三喷嘴98的对应的第三工作流体入口104、第三汇聚区段106、第三喉部区段108、第三发散区段107以及第三工作流体出口110不同。
45.在某些实施例中，当第一几何构型、第二几何构型和第三几何构型是de laval构型时，第三喉部截面面积111与第一喉部截面面积89和第二喉部截面面积88不同。如上所述，工作流体的速度在第一喉部区段66、第二喉部区段82或第三喉部区段108处是否被扼制是由第一喉部截面面积89、第二喉部截面面积88和第三喉部截面面积111、以及工作流体压力和质量流量确定。因为第一喉部截面面积89、第二喉部截面面积88、以及第三喉部截面面积111不同，所以工作流体压力和质量流量可以适合于第一喷嘴65、第二喷嘴72或第三喷嘴98中的使工作流体加速的一个喷嘴，而不是第一喷嘴65、第二喷嘴72和第三喷嘴98中的另一个喷嘴。
46.进一步，在某些实施例中，当存在第一无源控制件62、第二无源控制件68和第三无源控制件98时，如以上所述，使第一无源控制件62的第一密封件90从关闭位置移动到打开位置所需的力的大小可以与使第二无源控制件68的第二密封件75从关闭位置移动到打开位置或使第三密封件100从关闭位置移动到打开位置所需的力不同。因为这些力不同，所以工作流体压力可以适合于使第一密封件90、第二密封件75或第三密封件95(而不是第一密封件90、第二密封件75或第三密封件95中的另一个密封件)从关闭位置移动到打开位置。在ice的运行期间，废热回收系统1所回收的热量可以改变工作流体压力，使得第一密封件90、第二密封件75和第三密封件95中的任一个、两个、三个或没有密封件从关闭位置移动到打开位置。在第一密封件90、第二密封件75和第三密封件95移动到打开位置时，它们相应地引导工作流体流动到第一喷嘴65、第二喷嘴72和第三喷嘴98，并且扩大了废热回收系统1可以在具体工作流体压力下操作的工作流体的质量流量的范围。如下面进一步详细描述的，这有利地允许废热回收系统1在更大范围的ice运行状态下保持最大的循环效率和功率输出。
47.如图2所示并且如以上所述，第三无源控制件95可以与喷嘴壳体21成一体。在其他实施例中，第三无源控制件95可以例如通过焊接、螺接、摩擦等方式固定到喷嘴壳体21。如图7和图8所示，在其他实施例中，第三可移除无源控制件112可以可移除地联接到独立喷嘴
壳体50。当第三可移除无源控制件112可移除地联接到独立喷嘴壳体50时，独立喷嘴壳体50可以限定第三孔113，该第三孔用于选择性地接纳第三可移除无源控制件112。以此方式，第三可移除无源控制件112可以选择性地布置在第三孔113中。
48.当第三螺纹无源控制件114可移除地联接到螺纹喷嘴壳体51时，第三螺纹无源控制件114也可以包括螺纹，从而第三螺纹无源控制件114可以可移除地联接到螺纹喷嘴壳体51。在其他实施例中，第三螺纹无源控制件114可以通过过渡配合或过盈配合可移除地联接到螺纹喷嘴壳体51。
49.再次参见图5，喷嘴组件20也可以包括第四无源控制件95，该第四无源控制件联接到用于引导工作流体的第四喷嘴部件116。如图所示，当存在时，第四喷嘴部件116限定第四喷嘴118。第四无源控制件115可以具有第四通道119、第四密封件120、第四偏置构件121、以及第四无源控制件入口122。
50.第四喷嘴118具有第四几何构型。第四几何构型可以是汇聚型构型、发散型构型、或de laval构型。通常，第四几何构型是如图5所示的de laval构型。当第四几何构型是de laval构型时，第四喷嘴118可以具有第四工作流体入口124、第四汇聚区段126、第四发散区段127、将第三汇聚区段126与第三发散区段127分开的第四喉部区段128、以及第四工作流体出口130。
51.在一个实施例中，当存在时，第四喷嘴118的第四几何构型与第一喷嘴65的第一几何构型、第二喷嘴72的第二几何构型和第三喷嘴98的第三几何构型不同。在某些实施例中，第一几何构型、第二几何构型、第三几何构型和第四几何构型可以是不同类型的构型。例如，第一几何构型、第二几何构型或第三几何构型可以是汇聚型构型，而第四几何构型可以是de laval构型。在其他实施例中，如图5所示，第一几何构型、第二几何构型、第三几何构型和第四几何构型可以是相同类型的构型、但具有彼此不同的对应区段。例如，当第一几何构型、第二几何构型、第三几何构型和第四几何构型是de laval构型时，第一工作流体入口84、第二工作流体入口78和第三工作流体入口104，第一汇聚区段85、第二汇聚区段79和第三汇聚区段106，第一喉部区段66、第二喉部区段82和第三喉部区段108，第一发散区段86、第二发散区段80和第三发散区段107，以及第一工作流体出口87、第二工作流体出口83和第三工作流体出口110中的至少一个与第三喷嘴118的对应的第四工作流体入口124、第四汇聚区段126、第四喉部区段128、第四发散区段127、以及第四工作流体出口130不同。
52.在某些实施例中，当第一几何构型、第二几何构型、第三几何构型和第四几何构型是de laval构型时，第四喉部截面面积131与第一喉部截面面积89、第二喉部截面面积88、以及第三喉部截面面积111不同。如以上所述，工作流体的速度是否在第一喉部区段66、第二喉部区段82、第三喉部区段108或第四喉部区段128处被扼制是由第一喉部截面面积89、第二喉部截面面积88、第三喉部截面面积111和第四喉部截面面积131、以及工作流体压力来确定。因为第一喉部截面面积89、第二喉部截面面积88、第三喉部截面面积111和第四喉部截面面积131不同，所以工作流体压力可以适合于第一喷嘴65、第二喷嘴72、第三喷嘴98或第四喷嘴118中的用于使用工作流体加速的一个喷嘴，而不是第一喷嘴65、第二喷嘴72、第三喷嘴98或第四喷嘴118中的另一个喷嘴。
53.进一步，在某些实施例中，当存在第一无源控制件62、第二无源控制件68、第三无源控制件98或第四无源控制件115时，如上所述，使第一无源控制件62的第一密封件90从关
闭位置移动到打开位置所需的力的大小可以与使第二无源控制件68的第二密封件75从关闭位置移动到打开位置所需的力不同、与使第三无源控制件98的第三密封件100从关闭位置移动到打开位置所需的力不同、或者与使第四无源控制件115的第四密封件120从关闭位置移动到打开位置所需的力不同。因为这些力不同，所以工作流体压力可以适合于使第一密封件90、第二密封件75、第三密封件95或第四密封件120(而不是第一密封件90、第二密封件75、第三密封件95或第四密封件115中的另一个密封件)从关闭位置移动到打开位置。在ice的运行期间，废热回收系统1所回收的热量可以改变工作流体压力和质量流量，使得第一密封件90、第二密封件75、第三密封件95或第四密封件120中的任一个、两个、三个、全部四个或者没有密封件从关闭位置移动到打开位置。当第一密封件90、第二密封件75、第三密封件95或第四密封件120移动到打开位置时，它们相应地引导工作流体流动到第一喷嘴65、第二喷嘴72、第三喷嘴98或第四喷嘴118，并且扩大了废热回收系统1可以在具体工作流体压力下运行的工作流体质量流量的范围。如下面进一步详细描述的，这有利地允许废热回收系统1在更大范围的ice运行状态下保持最大的循环效率和功率输出。
54.如图2所示并且如上所述，第四无源控制件115可以与喷嘴壳体21成一体。在其他实施例中，第四无源控制件115可以固定到喷嘴壳体21。如图7和图8所示，在另外的实施例中，第四可移除无源控制件133可以可移除地联接到独立喷嘴壳体50。当第三可移除无源控制件133可移除地联接到独立喷嘴壳体50时，独立喷嘴壳体50可以限定第四孔135，该第四孔用于选择性地接纳第四可移除无源控制件133。以此方式，第四可移除无源控制件133可以选择性地布置在第四孔135中。
55.当第四螺纹无源控制件136可移除地联接到螺纹喷嘴壳体51时，第四螺纹无源控制件136也可以包括螺纹，从而第四螺纹无源控制件136可以可移除地联接到螺纹喷嘴壳体51。在其他实施例中，第四螺纹无源控制件136可以通过过渡配合或过盈配合可移除地联接到螺纹喷嘴壳体51。
56.应当理解的是，喷嘴组件20可以进一步包括任何数量的附加喷嘴部件，并且关于喷嘴部件26或无源控制件38的描述适于任何附加喷嘴部件或无源控制件。应当进一步理解的是，附加喷嘴部件限定的任何喷嘴的任何几何构型将与喷嘴组件中所包括的喷嘴中的至少一个喷嘴不同。以此方式，通过包括联接到如在此所述的第一喷嘴部件64、第二喷嘴部件70、第三喷嘴部件97和第四喷嘴部件116以外的附加无源控制件的附加喷嘴部件，甚至可以进一步扩大废热回收系统1的操作范围。例如，喷嘴组件20可以包括五个、六个、七个、八个喷嘴部件或少于四个喷嘴部件。
57.再次参见图1，废热回收系统1包括与涡轮膨胀机2处于流体连通、以用于将工作流体引导到涡轮膨胀机2的无源控制件38。在一个实施例中，无源控制件包括有包含在涡轮膨胀机2中的第一无源控制件62、第二无源控制件68、第三无源控制件95和/或第四无源控制件115中的至少一个无源控制件。在另一个实施例中，第一无源控制件62、第二无源控制件68、第三无源控制件95和/或第四无源控制件115与蒸发器8处于流体连通。在另一个实施例中，工作流体的压力可能不是足够大以迫使第一密封件90、第二密封件75、第三密封件95或第四密封件115从关闭位置到打开位置，在这种情况下，工作流体被引导经过工作流体旁路152而绕过涡轮膨胀机2。当工作流体的质量具有可能会使涡轮膨胀机损坏的较低水平时，如在车辆启动期间，绕过涡轮膨胀机可能是有益的。
58.如图1所示，废热回收系统1也可以包括与流量控制装置14和涡轮膨胀机2处于流体连通的蒸发器8。蒸发器8将ice舍弃的热量传送到工作流体，从而使工作流体发生从液体状态到蒸汽状态的相变。当存在时，蒸发器8布置在无源控制件的上游。
59.废热回收系统1也可以包括与涡轮膨胀机22和无源控制件处于流体连通的冷凝器4。在工作流体穿过涡轮膨胀机2之后，冷凝器4将工作流体从蒸汽状态冷凝成液体状态。冷凝器4布置在涡轮膨胀机2的下游。在某些实施例中，当废热回收系统1包括蒸发器8时，冷凝器4布置在涡轮膨胀机2下游并且在蒸发器8上游。
60.为确保废热回收系统1的最大循环效率和功率输出，在使涡轮机叶片16旋转之前，工作流体穿过的第一喷嘴65、第二喷嘴72、第三喷嘴98和第四喷嘴118的组合是基于工作流体压力的功能。如上所述，ice所舍弃的热量由废热回收系统1传送到工作流体，从而工作流体经历液体-蒸汽相变。ice所舍弃的热量是基于ice的速度和负载(即，运行状态)变化。这样，在ice的某些运行状态(例如，启动、加速等)下，如果要保持废热回收系统1的最大循环效率和功率输出，则ice舍弃的且由废热回收系统1回收的热量可能使工作流体压力不适合于第一喷嘴65、第二喷嘴72、第三喷嘴98和第四喷嘴118中的一个或多个。
61.基于工作流体的特性，第一无源控制件62、第二无源控制件68、第三无源控制件95和/或第四无源控制件115或控制装置各自被适配用于对它们的联接的对应的第一喷嘴部件64、第二喷嘴部件70、第三喷嘴部件97和/或第四喷嘴部件116的流量进行控制并且对工作流体进行引导或调节，或者各自被适配用于绕过涡轮膨胀机2。因此，每个无源控制件被构造成当工作流体与其对应的密封件接触且工作流体具有足以超过预定阈值的压力时从关闭位置移动到打开位置。阈值对应于克服偏置构件所需的力，并且在一个实施例中，阈值进一步对应于压力或流量，该压力或流量适合于相应联接喷嘴在不损坏涡轮机叶片16的情况下实现最大效率。以此方式，第一喷嘴65、第二喷嘴72、第三喷嘴98和/或第四喷嘴118的不同几何构型通过使工作流体在更大的工作流体压力、质量流量、温度等范围内加速而有利地扩展了废热回收系统1的操作范围。此外，随着工作流体压力和/或质量流量在ice的运行期间变化，废热回收系统1有利地允许到涡轮机叶片16的工作流体流逐渐增加。
62.例如，在从ice的从低热到高热可用性的过渡期间，工作流体质量流量可以在开始时较低以确保到工作流体的最大热传递用于相变，并且过渡到高流量以限制蒸发器出口温度。为了使涡轮机性能最大化，工作流体压力应保持在由涡轮机叶片的设计所决定的窄运行范围内。对于采用扼制喷嘴的涡轮机，理想的喷嘴截面在初始较低的可用条件下比在较高的可用条件下明显小，以便使压力保持在优选的窄范围内。在这种示例性过渡期间，所提出的无源控制件将首先将工作流体引导到第一喷嘴65、第二喷嘴72、第三喷嘴98和/或第四喷嘴118中的具有较小喉部截面面积的至少一个喷嘴。在过渡期间随着压力增加，无源控制件将使流动能够经过第一喷嘴65、第二喷嘴72、第三喷嘴98和/或第四喷嘴118中的至少一个或多个喷嘴。尽管系统压力增加，但随着喷嘴阀门65、72、98、118由于总的喉部面积阶梯式变化而逐渐地打开，压力增量由于流量与压力关系的变化而明显变小。
63.在另一个示例中，在从ice的从低热到高热可用性的过渡期间，如前面描述的，工作流体质量流量将在开始时较高以调节工作流体温度。随着热可用性减少，通过系统控制器使工作流体质量流量减小，以确保工作流体在过渡期间保持过热的蒸汽状态。再次，工作流体压力应保持在使涡轮机性能最大化所需的窄操作范围内。随着工作流体质量流量和压
力减小，喷嘴上的无源阀门逐渐关闭。尽管系统压力在整个过渡过程中都在降低，但由于流量与压力的关系发生变化而使压力减缩量变小，总的喉部面积的阶梯式变化引起喷嘴阀门65、72、98、118逐渐关闭。
64.再次参见图1，废热回收系统1也可以包括用于使工作流体循环的工作流体回路150。工作流体回路150将涡轮膨胀机2、无源控制件38、蒸发器8、和或冷凝器116流体地联接。工作流体回路120可以进一步包括用于使工作流体循环经过工作流体回路120的泵6。
65.工业实用性
66.所描述的废气回收系统1的实施例可以在可以受益于本披露的多种应用中是有用的。废热回收系统1采用用于从内燃发动机(ice)回收废热的有机朗肯循环(orc)。通过采用独立地引导工作流体到具有不同大小和喉部面积比率的喷嘴的无源控制件，这种能量捕获效率、涡轮膨胀机的可靠性、以及成本得到改善。
67.继续参见图1至图8，图9中的第一示意性图示200描绘了在示例性的增压废气回收系统1中，工作流体(具体为220摄氏度的乙醇)的可变进入流动特性。在图9和图10的示例中，每个列出的无源控制密封件由偏置构件保持并置，当工作流体与密封件接触并且具有足够大的压力以迫使密封件离开并置时，密封件从关闭位置移动到打开位置。如上所示，在另外的示例中，每个无源控制件可以具有密封件，该密封件可以包括在阀中找到的部件，该阀作为偏置构件对工作流体温度、工作流体压力或其他输入被动地做出反应，并且该密封件由于工作流体的例如温度、流量或压力等特性而可以从关闭位置移动到打开位置。
68.在第一示意图200中，工作流体的第一部分(未示出)到达第一无源控制件62的第一密封件90。当工作流体的第一部分201的压力足以克服第一密封件90的阈值压力时，第一无源控制件62在第一点202移动到打开位置，并允许工作流体的第二部分(未示出)流动到第一喷嘴65、并且被引导到涡轮机叶片。工作流体的第三部分205继续流动穿过工作流体回路150。一旦工作流体的压力达到第二密封件75的阈值压力，那么第二无源控制件68从关闭位置移动到打开位置，并且工作流体的第四部分(未示出)流动到第二喷嘴72并且被引导到涡轮机轮叶片16。此外，一旦流体工作回路中的压力达到第三密封件100的压力阈值和第四密封件120的压力阈值，那么第三无源控制件95和第四无源控制件115相应地打开并且工作流体的一部分被引导穿过每个无源控制件到达涡轮机叶片。
69.图10中的第二示意图示212描绘了在示例性的减压废热回收系统1中，工作流体(具体为220摄氏度的乙醇)的可变进入流动特性。在此图示中，随着工作回路150中压力减小，第四无源控制件115在第五点212移动到关闭位置，第三无源控制件95在第六点214移动到关闭位置，第二无源控制件68在第七点216移动到关闭位置，并且第一无源控制件62在第八点218移动到关闭位置。
70.此外，应当理解的是，以上可以是对本披露的仅一个实施例的描述。然而，本披露不限于所披露的一个或多个具体实施例。例如，涡轮机的不同变型例如设计为径向流入式、培尔顿(pelton)式、或反作用式涡轮机。此外，除了可能已经另外明确定义的术语或短语外，说明书中包含的仅涉及具体实施例的陈述不应被解释为对本披露的范围或权利要求中使用的具体术语的限制。各种不同的其他实施例、对所披露的一个或多个实施例的改变和修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且旨在落入所附权利要求的精神和范围内。
71.如在本披露中使用的，多种不同的术语“例如”、“比如”、“譬如”“如”和“像”，以及动词“包括”、“具有”、“包含”和其他动词形式在与一个或多个部件或者其他事项的清单结合使用时，它们应被解释为是开放式的，从而意味着该清单不得被认为是排斥其他的或额外的多个部件或事项。除非在明确要求具体解释的背景中使用，否则所有术语均应被赋予其最广泛的合理含义。