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CN1299435A - 高效率低污染的混合式布雷顿循环燃烧器 - Google Patents

高效率低污染的混合式布雷顿循环燃烧器 Download PDF

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CN1299435A
CN1299435A CN99805893A CN99805893A CN1299435A CN 1299435 A CN1299435 A CN 1299435A CN 99805893 A CN99805893 A CN 99805893A CN 99805893 A CN99805893 A CN 99805893A CN 1299435 A CN1299435 A CN 1299435A
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CN
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combustion chamber
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water
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CN99805893A
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English (en)
Inventor
J·L·金特尔
Original Assignee
Ginter Vast Corp
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Abstract

描述了一种动力产生系统,该系统在高压下运行,使用一种由非可燃的压缩空气组分、燃料燃烧产物和蒸汽组成的混合物的工质。从动力产生系统出来的工质基本上不含NOx和CO。工质是在常压和常温下提供的。燃烧空气由一级或多级压缩供给。燃料是在需要的压力下喷入的。当燃料燃烧时,压缩空气中的全部氧气基本上都消耗掉了。惰性液体在高压下喷入,以便产生一团惰性的高比热稀释蒸气,用于燃烧室的内部冷却。采用非可燃烧液体喷射防止了污染物的形成,提高了系统的效率和可用功率,降低了比油耗。控制系统可以独立控制引入燃烧室中的空气、燃料和非可燃烧液体的数量、温度和压力,从而可以控制燃烧室中的最大温度和平均温度,以及燃烧室的排出温度。系统中所有温度的控制基本上都是由惰性液体的蒸发潜热提供的,其中惰性液体最好是水,蒸发潜热减少了由燃料燃烧产生的热量。如果喷入的水含有无机或有机污染物,则这些污染物作为溶化的或固态的沉积物被收集起来,或者当它们是可燃物时则由火焰点燃。

Description

高效率低污染的混合式布雷顿循环燃烧器
本申请是1994年4月26日递交的美国申请序号08/232047、现在是于1998年4月28颁发的美国专利5743080的一个部分继续申请，而专利5743080是1993年10月27递交的PCT/US93/0280的美国国家阶段申请，并且是1992年10月27日递交的美国专利5617719的一个部分继续申请。所有这些文献都引入此处作为参考。本文中的发明构成了这些申请和专利中没有公开的新内容。
本发明涉及一种蒸气-空气蒸汽发动机，这种发动机利用一种由燃料燃烧产物和蒸汽以及最少量的过量压缩空气的混合物组成的工质，在高压下运行。本发明进一步涉及在一种燃料燃烧系统中在高效率和低燃料消耗的状态下生产电能、有效轴马力(功率)和/或大量蒸汽的方法，同时产生数量极少的环境污染物(NOx、CO、颗粒物、未燃尽的燃料)。本发明还涉及在发电时生产饮用水，而又不污染环境，或者不会大大降低效率或增加燃料消耗。
内燃机一般被分类为等容的或等压的。奥托循环发动机通过使挥发性燃料在一个等容的压缩空气中燃烧而运行，而狄塞尔循环发动机是在一个改型的循环中燃烧燃料，其特征近似为等压燃烧。
外燃机的例子有蒸汽发动机、蒸汽涡轮和燃气涡轮。将一种燃料与压缩空气燃烧所产生的一种气态工质供入一个燃气涡轮，和利用储存在这种高压气流中的能量使各种动力装置运行，这是为人所知的。在这些装置中，温度的控制通常是供入大量的过量压缩空气的结果。
将燃料在一个室中燃烧并将燃烧产物排放到一个工作汽缸或室中，有时还要喷入少量的水或蒸汽，这也是为人所知的。这些也可以归类为外燃机。
人们还提出了一些其它的装置，在这些装置中，燃烧室通过加入从内部或外部提供的水或蒸汽受到冷却。还提出了另一种形式的装置，它是依靠在温度降低时喷入燃烧汽缸中的燃料运行的，它具有在压力达到一个要求的数值时使燃料喷射停止的机构。
这些现有发动机中的每一个都具有一些缺陷，这些缺陷使它们在作为运行原动机的动力源的应用上受到限制。这些缺陷中包括这种发动机不能够满足突然的需求，和/或不能维持一个恒定不变的温度或压力，而为了使这种发动机有效运行时可能要求这样的状态。
此外，对这种发动机的控制是低效率的，燃气发生器维持本身处于备用状态的能力是不够的。在所有实际应用的发动机结构中，对工作汽缸的封闭壁要进行冷却的要求导致效率的损失和内燃机中的一些其它先前固有的缺点。
本发明克服了上述现有技术的缺陷。首先，通过将水直接喷入燃烧室，以控制产生的工质的温度，消除了用大量的过量压缩空气或外部液体进行冷却的需要。当水喷入后，水在燃烧室中被瞬间转变成蒸汽，并且它本身成为工质中的一个组分，因此增加了工质的质量和体积，不需要机械压缩。
在本发明中，通过喷射液态水独立控制a)燃烧火焰温度，b)燃烧室温度分布以及c)燃料与空气的比率，可以使工质的物理特性最佳化，以便高效率地工作。通过减少或消除过量空气，由此限制可以获得的过量氧气，以及控制火焰温度和燃烧温度的分布，也防止了NOx的形成，并且有利于燃烧的燃料完全转变成CO2，使产生的CO达到最少。
本发明也利用高压比作为提高效率和马力同时降低比油耗(“SFC”)的一个途径。当将水喷入本发明的燃烧室并转变成蒸汽时，蒸汽就获得了燃烧室的压力。应该认识到，蒸汽获得了燃烧室的压力与发动机的压比无关。因此，可以在发动机中获得一个更高的压比，而不需要消耗的对新的蒸汽进行压缩或喷入的水额外的功。由于在本发明中喷射了大量的水，因此不需要压缩多于燃烧所需数量的空气，而这些过量空气在现有技术的系统中典型地用于冷却目的。这个要求的消除给系统节省了可观的能量，并且在不增加燃料消耗和不提高涡轮速度下大大增加了有效轴马力。
如本发明中所教导的，相对于现有技术，本发明中水的喷射具有几个优点。首先，将水的压力提高到高于燃烧室压力，需要极少量的附加功。而在蒸汽喷射系统中，将蒸汽的压力提高到高于燃烧室的压力，必须消耗大量的功。同样，过量空气需要消耗额外的功，以便将供入的空气提高到更高的压力，以产生附加的工质质量。此外，在本发明中，当水被喷入和转变成蒸汽后，它就获得了燃烧室的压力而不需要附加的功。该蒸汽也具有恒定的熵和焓。
在本发明中，由燃烧产生的过量的(废)热被用于将喷入的水转变成蒸汽，因此，增加了工质的压力和质量，而不需要对过量空气进行机械压缩。相反，在一个典型的布雷顿(Brayton)循环涡轮中，被机械压缩的空气中的66％-75％被用于稀释燃烧产物，以便将工质的温度降低到要求的涡轮进口温度(“TIT”)。
喷入的水被蒸发而产生的蒸汽至少使燃烧产生的工质的质量增加一倍，并使净马力增加15％或更多。因此，在这种新的热力系统中可以将水看作是一种燃料，因为它给系统提供压力、质量和能量，使得本系统的效率增加。
本发明的循环相对于水可以是开式的或闭式的。这意味着空气和水可以被排出(开式)或被回收并进行再循环(闭式)。咸水脱盐淡化处理或水的纯化处理可以是从一个陆上设备或水上船只发电时的一个副产品，此时，循环对空气而言是开式的，但对淡化水的回收而言是闭式的。海水发电站、工业应用、饮用水和灌溉水的净化和回收系统也是一些可行的应用领域。
本循环也可以用于移动环境中，例如轿车、卡车、公共汽车、火车、船、飞机、一般航空等等中的闭式循环阶段。
本发明的一个目的是提供一个新型的热力动力循环，该循环的运行可以是开式或闭式的，它压缩一个理想配比数量的空气并使燃料与空气燃烧，以便提供有效的、清洁的、无污染的动力。
本发明的另一个目的是通过利用水的蒸发潜热完全控制一个燃烧器中的燃烧温度，而不需要机械地压缩用于冷却的过量(稀释)空气。
本发明的另一个目的是减少与用在发动机中的动力涡轮有关的空气压缩机的负载，以便可以采用一个较小的压缩机，和可以实现低速的空载运转和快速的加速性能。
本发明的另一个目的是根据需要单独地控制涡轮进口温度(TIT)。
本发明的另一个目的是根据需要改变工质的组分和温度。
本发明的再一个目的是给反应物在燃烧室中提供足够的停留时间，以便进行理想配比燃烧、化学键合，以及提供完全反应和冷却的时间，达到化学平衡。
本发明的再一个目的是以一种防止形成烟雾的方式进行燃烧和冷却燃烧产物，防止产生诸如NOx、未燃烧的燃料、CO、颗粒物和CO2分解产物等等。
本发明的再一个目的是提供一种将一磅化学能100％转化成一磅热能的燃烧系统。
本发明的再一个目的是使整个动力系统在尽可能低的温度下运行并且仍然以好的热效率运行。
本发明的再一个目的是提供一种冷凝方法，以便将蒸汽作为冷凝的饮用水进行冷却、冷凝、分离和回收。
本发明的再一个目的是提供一种发电系统，它使用非饮用水作为它的冷却剂而生产出作为发电的一个副产品的饮用水。
本发明的再一个目的是提供一种新的循环，它交替地在发动机运行的一种模式期间提供一种变型的布雷顿循环，在发动机运行的一个第二种模式期间提供一种蒸气-空气蒸汽循环，在一个第三种模式期间提供一种组合的循环。
本发明的再一个目的是提供一种用于任何涡轮动力发生系统的燃烧器，使得该动力系统与采用目前可用的燃烧器的目前可用的系统比较时，它能以更大的效率和降低的比油耗生产电能。
本发明的再一个目的是提供一种燃烧器，它能安装到目前的碳氢燃料燃烧系统中，取代目前使用的燃烧器，并且消除了对用于减轻污染的设备(催化转化、再次燃烧、净化系统)的需要，同时提高了运行效率，减少了排气流中的污染。
本发明的再一个目的是提供一种涡轮动力发生系统，当它与一个燃烧相同数量燃料的布雷顿循环系统比较时，它提供大大增加的可用轴功率(净可用功率)。
本发明的再一个目的是提供一种动力发生系统，它在一个大大高于40％的总效率下生产电能。
本发明的再一个目的是提供一种动力发生系统，它以一种更有效的方式燃烧碳氢燃料，以便产生更少的温室气体(CO2)。
本发明的再一个目的是在要求的任何温度和压力下有效地提供大量的蒸汽。
按照本发明的一个示范性的实施例，称为VAST循环，描述了一种内燃机。这种发动机包含一个压缩机，用于将环境空气压缩成具有大于或等于6个大气压的压力和具有提高的温度的压缩空气。一个连接到压缩机上的燃烧室用于从压缩机向燃烧室分级地输送压缩空气。采用了单独的燃料和液体喷射控制器，以便根据需要和需要的地方分别将燃料和液态水喷入燃烧室中。压缩空气、喷入的燃料和水的数量以及喷入的水的温度和喷入到燃烧室中的部位(点)都被独立地控制。结果，平均燃烧温度和燃料空气比(F/A)也可以独立地控制。喷入的燃料和一部分控制的压缩空气被燃烧，产生的热量将喷入的水转变成一种蒸气。当喷入的水转变成一种蒸气时，水的蒸发潜热降低了从燃烧器排出的燃烧气体的温度。使用了比燃烧的燃料的重量多得多的数量的水。但是，供入系统的空气的质量被大大减少了。结果，由燃烧生成的工质的质量流量可以从在大多数运行条件下使用相同数量的燃料的现有系统的质量流量的50％变化到大于其质量流量的200％。
由此在一个预定的燃烧温度和燃烧器温度分布下进行的燃烧期间，在燃烧室中产生由压缩空气中的不能燃烧的、79％是非氧组分中的一小部分数量、燃料燃烧产物和水蒸气的混合物组成的一种工质。基本上所有的温度控制都是由水的蒸发潜热提供的。任何过量物质都只是用于保证完全燃烧而不是用于冷却目的。这种工质然后可以供入到一个或多个实施有用功的工作发动机中。或者，本身是高温高压蒸汽的工质可以直接应用，例如喷入油井中以增加流量，用作蒸馏塔的或者其它利用蒸汽运转的设备的一个热源。
在本发明的一些更具体的实施例中，采用了一个点火器来启动发动机。发动机既可以在开式循环中运行，也可以在闭式循环中运行；在后者的情况下，可以回收一部分排出的工质。火焰温度和燃烧室温度分布是利用设置在整个燃烧器上的温度探测器和恒温器进行监测的。
此外，可以采用一个计算机反馈控制系统监测排放物流中的气态组分并且可以自动调节工作状态和供给速率。以便使排放物中的NOx和CO最少。
当采用本发明时，通过燃烧控制机构降低燃烧温度，从而在工质中达到理想配比的燃烧和化学反应平衡。喷入的燃料中的全部化学能在燃烧期间都被转化成热能，水的蒸发产生了涡流，它有助于燃料和空气的混合，从而实现更完全的燃烧。喷入的水吸收了全部的过量热能，将工质的温度降低到工作发动机要求的最大运行温度。当喷入的水被转变成蒸汽后，它就具有了燃烧室中的压力，不需要额外的压缩功和额外的熵或焓。仔细控制燃烧温度防止了造成或促使形成大气烟雾的气体和化合物的形成，并且由于运行效率的增加，减少了生产的单位可用能量中生成的温室气体的数量。
在本发明的另一个实施例中，利用非饮用水作为冷却剂进行发电，而饮用水是作为在发电或生产蒸汽中的一个副产品进行生产的。
在本发明的一个第三实施例中(一种新循环)，发动机可以在三个不同的模式下运行。当发动机以超过一个第一预定转速运转(亦即在一个高转速下运转)时，喷入的水和燃烧的压缩空气的数量在发动机转速增加时保持不变。在一个中间转速下，亦即在一个第一(高)预定转速和一个第二(低)预定转速之间的转速下，水与燃料的比率随着过量空气的数量的减少而增加。当发动机以低于第二预定转速(即一个低转速)的各种速度运转时，喷入的水与燃料的比率保持不变，被燃烧的压缩空气的数量保持不变，过量空气基本上被消除。
采用这种新循环使得在较低转速下的马力增加、空载运行变慢、加速迅速并且在低转速下能燃烧掉直到95％的压缩空气。
通过研究附图和以下的详细说明将会更完整的理解本发明和它的其它目的和优点。本发明的范围尤其规定在后面所附的权利要求书中。
图1是一个按照本发明的蒸气-空气蒸汽涡轮发动机的一个方框图；
图2是一个优选燃烧器的示意图；
图3是沿图2中线3-3的横截面视图；
图4是一个蒸气-空气蒸汽涡轮发动机的一个方框图，其中包含按照本发明的用于回收饮用水的机构；
图5是图4中的方框图所示的蒸气-空气蒸汽涡轮发动机的一个
实施例的示意图；
图6是一个具有饮用水回收能力的包含本发明特征的蒸气-空气蒸汽涡轮发动机的一个第二实施例的示意图；
图7是一个说明压比对图1中蒸气-空气蒸汽涡轮发动机的热效率的影响的曲线图；
图8是一个说明压比对图1中蒸气-空气蒸汽涡轮发动机的比油耗的影响的曲线图；
图9是一个说明压比对图1中蒸气-空气蒸汽涡轮发动机的涡轮功率的影响的曲线图；
图10是一个说明压比对图1中蒸气-空气蒸汽涡轮发动机的净功率的影响的曲线图；
A.本系统的基本构造
现在参见图1，图中示意地示出了一个包含了本发明原理的燃气涡轮发动机。环境空气5由压缩机10压缩到一个要求的压力后变成压缩空气11。在一个优选的实施例中，压缩机10是一个典型的公知的两级或三级压缩机，而环境空气5被压缩到一个大于约4个大气压的压力，最好是10个到30个大气压。压缩空气的温度取决于压缩比，当压缩比为30∶1时，压缩空气的温度大约为1424°R(964°F)。
压缩空气11流向一个燃烧器25的流量由一个空气流量控制器27控制。燃烧器在本技术中是公知的，但是，在本发明中，压缩空气11是用空气流量控制器27以一种分级的、沿周向的方式供入图2中所示的燃烧器200中的，对此后面有更全面的说明。通过分级供给空气可以控制和限制整个燃烧室25的燃烧温度(火焰温度)。通常的高峰值温度被减少，同时仍能从燃烧中产生相同的总能量输出。
燃料喷射控制器30使燃料31在压力下喷射。对于技术人员来说，燃料喷射控制器30也是公知的。在本发明中所用的燃料喷射控制器30可以由一组常规的单个燃料供给喷嘴或多个燃料供给喷嘴组成。一个压力燃料供给源(未示出)用于供给燃料，它可以是任何常规的碳氢燃料，例如2号柴油，供暖用燃油，最好是无硫的、井口油，丙烷，天然气，汽油和醇类如乙醇。在某些应用中，乙醇可能是优先选择的对象，因为它包含或者可以与一些水混合，其中的水可以用于冷却燃烧产物，由此降低对喷入的水的要求。同时乙醇水混合物具有非常低的冰点，因此提高了在具有零下32°F的温度的气候中使用发动机的能力。
一个由水喷射控制器40控制的泵使水41在压力下和在一个预先设定的但可以调节的速率下喷射，并且可以通过一个或多个喷嘴进行雾化，进入供给的空气流中，在燃烧的下游进入燃烧室25，或者如果需要的话，喷入火焰中，如后面要解释的那样。
燃烧器25中的温度由燃烧控制器100控制，后者的工作与上面所述的本发明的其它器件是相关联的。燃烧控制器100可以是一个常规编程的配有支持数字逻辑线路的微处理器，一个微型计算机，或者是任何其它公知装置，用于响应来自设置在燃烧室25中，排放物流51(膨胀了的工质21)中的监测器的反馈信号或者与本系统的其它部件有关的反馈信号，进行监测和实施控制。
例如，可以通过空气压缩机10响应发动机转速的变化来维持燃烧器25中的压力。燃烧器25中的温度探测器和恒温器260(为清晰起见，图中只示出了一个)向燃烧控制器100提供温度信息，而燃烧控制器100则按照需要的量，引导水喷射控制器40喷射或多或少的液态水。类似地，燃烧控制器100通过改变燃烧器25中燃烧的燃料、水和空气的混合物控制工质质量。
存在一些支配可以接受的最大燃烧温度的公知的实际的限制条件。其中最主要的是可以被任何系统适应的最大涡轮进口温度(TIT)。为了实现所要求的最大TIT，水喷射控制器40将所需要的水喷射到工质21中，以使燃烧温度保持在可接受的界限内。喷入的水通过它在燃烧器25的压力下转变成蒸汽所产生的蒸发潜热而吸收大量的燃烧火焰热量。
为了点燃喷入燃烧器25中的燃料，需要有一个大于12∶1的压比来实现压缩自燃。但是，在较低的压比下可以使用一个标准的点火火花塞262。
如上所述，燃烧控制器100独立地控制来自空气流量控制器27，燃料喷射控制器30和水喷射控制器40的被燃烧的压缩空气的数量，以便燃烧掉喷入的燃料和压缩空气中基本上全部的氧气，至少燃烧掉压缩空气中95％的氧气。如果少于100％的氧气被燃烧，那么将有足够的氧气来完成理想配比关系的化合和用于加速。当100％的氧气在燃烧过程中都被消耗了而形成CO2时，那么就不存在形成NOx的氧气。燃烧的热量也将喷入的水转变成蒸汽，由此产生一种由被压缩的，空气中不会燃烧的组分，燃料燃烧产物和在燃烧室中产生的蒸汽的混合物构成的工质21。压缩机10可以提供从大约4∶1至100∶1的压比。TIT温度可以从750°F变化到2300°F，其中较高的极限值是由材料的情况限定的。但是，如果涡轮是用诸如陶瓷或其它耐火材料等能够耐高温的材料制造的，那么则可以提供更高的TIT。
一个工作发动机50，典型地，一个涡轮，连接到来自燃烧室25的工质21并接收工质21，以便做有用功(例如使一个轴54旋转)，该有用功又驱动一个负载，例如一个发电机56，发电机56则生产电能58，或者驱动的是空气压缩机10。虽然本发明讨论的是涡轮作为工作发动机的应用情况，但是，技术人员可以认识到，往复式，转子式，凸轮式或其它类型的工作发动机也可以由本发明创造的工质驱动。
由于在燃烧器25内部和涡轮出口之间存在的压力差，工质在通过工作发动机50时会膨胀。被膨胀的工质51在变化的压力下，通常为0.1大气压到大约1大气压，这取决于是采用带真空泵的闭循环还是开循环，由排放控制器60排出。但是，较高的排放压力是可能的。排放控制器60也可以包含一个热交换器63和/或冷凝器62，用于冷凝被膨胀的工质51中的蒸汽61，以及一个再压缩机64，用于耗尽被膨胀的工质51的能量。在冷凝器62中冷凝的蒸汽作为饮用水65排出。
图2示出了一个包含本发明的特征的优选燃烧器200的示意图，它有一个进口端198和一个出口端196。在该实施例中，燃烧器包括三个同心布置的不锈钢管202,206,210和一些空气，水和燃料的进口。内管202是管子中最长的，中间的管子206是最短的管子，外管210是中间长度的管子。在一个具体的实施例中，内管或中央管202具有一个5英寸的内径和一个大约1/2英寸的壁厚。在内管202，中间管206和外管210中每个管之间具有大约1英寸的空气流动间隙(即分别是内空气流动间隙204和外空气流动间隙208)。中间管206和外管210的进口端各有一个半球头224,226，分别与各自的周面相连，构成一个封闭的空间228,230，它们与管子204,208之间的空间相邻接，构成一个下面要描述的流动通道，即从燃烧器200的外部，通过外管210和中间管206之间的空间(外空气流动间隙208)，然后通过中间管206和内管202之间的空间(内空气流动间隙204)和通过烧嘴214。
如图3所示，盖住内管202的进口端或头部212的部件是一个空气供给板232，与之相连接的是包括烧嘴214的管簇。烧嘴214由三个同心管构成，其中内火管216的直径为2英寸，中央火管的直径为大约3英寸，外火管220的直径为大约4英寸。火管216,218,220在长度上是相继地一个比一个长，因此一条连接它们的内端的直线形成一个火焰限制锥222，该锥222的角度为大约50度到90度。
中央火管216的进口端延伸到在中间管206上的半球形头部224和中央管202的进口端之间形成的空气供给室228中。如图3所示，一个其中有孔234的第二空气供给板236盖住内火管216。此外，孔234是围绕和穿过内火管216的外表面的周面分布的，并且内火管216的该有孔的部分延伸到空气供给室228中。一个燃料喷嘴218设置在中央位置上并且穿过半球头部224,226和第二空气供给室236，用于将燃料从燃烧器200的外部输送到其它内火管216的进口端，在此处燃料与进入内火管216的空气混合。
用于燃烧的空气在所要求的压力下通过外半球头部226中的一个或更多的空气进口240进行供给。然后空气沿着中间管206和外管210之间的外空气流动间隙208从进口端198流向出口端196，在出口端196处冲击到出口端板242上，出口端板242密封地将外管210的出口端196连接到内管202的外表面。然后，空气流过内空气流动间隙204，返回到进口端198，在此处，已经被内管202的外表面的辐散能进一步加热的空气进入空气供给室228，以便穿过孔234和进入烧嘴214做进一步的分配。
流入和通过烧嘴的各个部分的空气比例是由进入这些区域的孔234的各自的面积确定的。如最佳地示于图3中的那样，在一个优选实施例中，选择了孔234的数量和每个孔的横截面积，使得第二空气供给室236中和内火管216的侧壁中的孔234包括50％的孔面积，它给第一火第一火区250供给空气，而在给位于内火管216和中央管202的进口端之间的间隙供给空气的空气供给板中的孔构成所分布的剩余的50％，从而25％的敞开面积是在位于内火管216和中间或中央火管218之间的间隙上方的空气供给板中的孔234上，给第二火区252供给空气；12.5％的敞开面积是通过孔234进入位于中间火管218和外火管220之间的间隙，给第三火区254供给空气；剩余的12.5％的敞开面积是通过孔234进入位于外火管220和内管202之间的间隙，给第四火区256供给空气。
因此，一限定数量的燃料通过燃料喷嘴218直接供入第一火区250。一理想配比数量的空气或者稍微过量的空气在所要求的燃烧压力下，和具有由于接受由压缩产生的热量而提高的温度，并且，如果需要的话，在与排出燃烧器的热气体进行逆向热交换后，该空气被供入到封闭空间230中。空气流过外空气流动间隙208和内空气流动间隙204，并在此处进一步吸收在燃烧开始后从内管202辐射的热量。该现在被进一步加热了的空气通过孔进行分配，使得燃料与进入第一火区250的供给空气中的氧气的50％进行燃烧。当缺少氧气的火焰进入第二火区252后，将下一个25％的空气中的附加数量的氧气消耗掉；同样，在下一个12.5％的空气中的氧气被第三区254中的火焰消耗掉；剩余的12.5％的空气中的氧气在第四火区256中被消耗掉，导致以完全的理想配比燃烧状态进入平衡室258。
火焰温度和燃烧室温度分布由分布在整个燃烧器上的热电偶或其它温度传感器监测。在图2中温度传感器的位置只是代表性的，它们可以按照要求位于中央和管壁上的各种不同的位置。
为了控制火焰温度和燃烧室中的温度分布，在几个位置上将液态水(不是蒸汽)通过水喷嘴201喷入燃烧器中。图2和3示出了几个水喷嘴201，用于将液态水从燃烧器的外部输到燃烧器的平衡室258中。如最佳地示于图2中的那样，几组水喷嘴201沿着燃烧器的长度设置。在一个优选实施例中，至少使用了三组喷嘴270,272,274，并且每组包含三个喷嘴201，三个喷嘴201以小于大约180度的周向角度分布，并且至少其中的两组是以不同的180度的周向角度分布，以便在沿着平衡室258的长度上通过的工质中造成一种混合流，有可能是一种涡流。虽然图中示出的喷嘴是沿着燃烧器内管202的径向设置的，以便当水进入平衡室，急骤蒸发成蒸汽并膨胀时产生更多的紊流，但是喷嘴可以设置在相对于燃烧器的中央轴线上的任何不同的角度上，以便生产更多的切向流或者将喷入的物质向下游方向引导。在每个喷嘴201或每组喷嘴270,272,274上的水控制器40与一些控制阀(图中未示出)相协调，控制着通过各个喷嘴201引入到平衡室258中的水的数量和位置，由此控制平衡室258中一些特定点处的温度和其中的温度分布。在正常运行条件下，不是所有的喷嘴201都在一直喷水。图2也示出了至少一个水喷嘴201用于向空气供给室228提供水，以便在空气与燃料反应之前给该空气增加蒸汽，此外，附加的喷嘴可以用于将水供入内空气流动间隙204或外空气流动间隙208中。最终的目标(它已经由燃烧器的实际运行证实)是限制平衡室258中和火区250,252,254,256中的温度，使其不高于大约2200°F到2600°F，由此防止或大大地限制NOx的形成，同时在大约1800°F时提供足够的驻留时间，以便让燃烧着的燃料完全转变成CO2。此外，可以根据需要在更下游处增加更多的水喷嘴，以便补充额外的水，例如如果要求向一台蒸汽涡轮供水而不是向一台燃气涡轮供水时，或者最终目标是产生大量的高温高压蒸汽时。在这种情况下，水对燃料的比率在高达16∶1时没有影响火焰的稳定性或产生污染物的情况已经被实验证实。
虽然一旦燃烧器的内部部件是热的后，喷入燃烧器中的燃料就会自发着火，但是当启动一个冷的燃烧器时，最初还需要提供一个点火火花来产生火焰。这是由位于第一火区250中的点火器262提供的。图3中示出了两个点火器262。但是，实际已经证明一个点火器就足够了。点火器262典型地是一种例如用在高温飞机发动机上的火花塞。但是，一个热线点火塞，电阻加热的高温金属棒或者一个火花点燃的氢气火焰也适合于引起着火。本领域的技术人员将容易确定不同的可替代的点火器。
就运行期间作用在中央管202横向上的机械应力而言，燃烧器的多管结构对此提供了一个独特的好处。在上述优选实施例中，在内管202内的间隙中(平衡室258)的工质是处于可能高达2600°F的提高的温度和从大约4个大气压到大于30个大气压的压力下。一般地，如果没有提供用于降低内管202的壁的温度，或者防止内管202承受在管壁横向上的极大的压力差的手段，这些运行条件可能要损害用于构造管件的材料。但是，如图2所示，从压缩机10出来的空气是在一个与内管202中的压力基本上相同的压力下进入外空气流动间隙208中的。基本上相同的压力存在于内空气流动间隙204中。结果，中央管202除了其出口端196外，在用于任何实际目的时都没有作用到其上的差压。此外，通过内空气流动间隙204流过的压缩空气连续地扫过内管202的整个外表面，因此将内管外直径处的温度保持在低于平衡室258中流动的工质的温度。被暴露给完全差压即在燃烧器中的内压和大气压力之间的压力差的唯一管子，是外管210，它处于三个管子中最低的温度下，最能够承受差压。这种设计保持外管210处于可能的最低温度的能力如此有效，以致于如果将室温下的压缩空气供入到在一个2100°F的TIT下运行的燃烧器中时，外管210冷的程度可以让人在机器运行时触摸。
按照采用VAST循环的应用情况的要求，可以改变压比，涡轮进口温度和水的进口温度。此外，根据所用的燃料类型，燃料/空气比是变化的，以保证理想配比数量，并且采用燃烧器的系统的效率可以通过应用更有效的压缩机和涡轮设计来提高。增加空气供给量同时保持燃料/空气比不变，导致功率输出成比例地增加。
VAST循环是一个压缩空气工作循环和一个蒸汽循环的一种组合，因为空气和蒸汽都是作为一种工质存在的。它们每个都构成在燃烧器中建立起的总压力的一部分。在现在的讨论中，应该认识到术语工质是要包含从喷入的水产生的蒸汽、燃料与输入的压缩空气中的氧气燃烧的产物以及不能燃烧的空气组分和可能存在的任何过量的压缩空气，因此包含全部的燃烧产物，惰性空气组分和蒸汽。术语“蒸汽”表示在液态喷入而变成过热蒸汽的水。所述的方法(过程)利用了由蒸汽，燃烧产物和空气组合的一种工质。
下面简单讨论以下VAST循环中的热力过程。空气在一个压缩机10，一般是一个两级或三级压缩机中被压缩。压缩机10的出口处的出口状态采用等熵压缩关系式进行计算，实际状态采用85％的压缩机效率进行计算。
如上面解释的那样，压缩的空气通过空气流量控制器27进入燃烧室25。
燃烧室25在常压下和也是近似常温燃烧的条件下燃烧燃料。温度是完全可以控制的，因为有独立的燃料，空气和水控制器。启动以后，供入燃烧器的压缩空气是处于常压下。因此，在常压下的空气供给和固定的燃料/空气比的组合并且借助喷水控制TIT，导致在燃烧室中产生一个恒定的压力。在燃烧器中的燃烧是紧随着燃料在高压下喷射后出现的，并且为高效率运行、避免产生空气污染物提供理想的燃烧条件，其中燃料混合物可能开始时要富于用于完全燃烧的混合物，随着燃烧的继续，补充额外的空气，这部分空气是沿着周向围绕着燃烧的燃料加入的，其数量最少等于用于完全燃烧(理论配比)所需的数量，但是最终要超过燃料组分完全燃烧所需的数量。虽然可以引入理想配比数量的空气，但是5％的过量似乎能加强完全燃烧，并且如果要求的话，提供过量的氧气用于加速。
在高压下的水，其中压力可以高达4000psi或更高，由水喷射控制器40喷入。其压力维持在一个水平上，以便防止它在进入燃烧器之前蒸发。由于燃烧室25中的高温和较低的压力，喷入的水瞬间被急骤蒸发成蒸汽，并与燃烧气体混合。加到燃烧室25中的水的数量取决于要求的涡轮进口温度(TIT)和水刚在喷入之前的温度。在燃烧期间释放的热量中的部分热量被用于将来自三级压缩机10的压缩空气中未燃烧的(惰性)部分的温度提高到TIT。剩余的燃烧热量用于将喷射的水转变成蒸汽。
表1中列出了一个使用2号柴油的系统的几组运行状态。例如参见例30，其中列出了一个30/1的压比，一个2050°F的涡轮进口温度，一个0.5大气压的涡轮出口压力和一个598°F的水进口温度。这些由一个模拟该系统的计算机模拟模型预测的结果反映了压缩机和采用一个一流的已公开的92％的涡轮效率的工作发动机的效率。这样产生了760马力，0.31的比油耗(SFC)和0.431的效率。在一个模拟过程的表1中计算的和列于数据表中的例子表明在保持涡轮进口温度(TIT)不变时，改变压比、水的进口温度的结果。
以一种类似的方式，可以改变其它运行状态。例如，可以提高水的温度，其最高温度不高于要求的TIT。最好是，水的温度不要提高到大约大于要求的TIT以下50°F的一个温度。但是，由于实际原因，因为从涡轮出来的工质被用于加热供入的水，所以输入的水通常保持在不高于大约涡轮出口温度以下50°F。水的温度越高，那么将燃烧温度降低到TIT所需的水的数量就越大，因此导致更大质量的气体流到涡轮和更大的功率输出。同样，TIT可以被提高或降低。数据表中的例1-7是在一个等于1800°F的TIT下计算的。对于不采用高温合金或用空气或蒸汽冷却的空心叶片的涡轮，这是一般被接受的最大温度。但是，采用高温和/或耐腐蚀合金，高温复合材料，陶瓷和其它设计用于高温运行的材料，例如用于涡轮喷气发动机中的材料将允许在2300°F或更高温度下运行。例8-13,15-31和14示出了在较高温度下的运行情况，即温度分别为2000°F,2050°F和2175°F。
表1中的例1-5示出了空气压缩比对马力，效率和SFC的影响。降低出口压力的影响(在涡轮效率和压缩机效率为85％下计算)示于例2,6和7中。例8-13示出了空气压缩比对一个具有2000°F的TIT，0.5大气压的涡轮出口压力和大约595°F到大约700°F的水进口温度的系统的影响，其中计算是在假设涡轮效率为90％下进行的。应该认识到，目前可用的空气压缩轴向涡轮和功率涡轮膨胀机组据称有93％的涡轮效率。
例15-24和25-31进一步表示出在两个不同涡轮效率下增加空气压力的影响。
在例1至例31中，燃料是2号柴油，燃料与空气的比率是0.066，这是2号柴油的理想配比比率。采用其它燃料时要求不同的燃/空比，以便维持理想配比条件。例32采用甲烷和一个燃/空比=0.058。因为甲烷比柴油能更有效地燃烧，所以每磅空气所用的燃料较少，因此加入的水较少。
表1VAST循环燃/空比=0.660
例 空压比 涡轮效率％ 水温°F 涡轮进口温度°F 涡轮出口压力(大气压) 涡轮马力     开式循环     闭式循环
马力 效率 比油耗 马力 效率 比油耗
  1  10∶1  85  502  1800  1.0     722  517 .292 .459  517 .292 .459
  2  22∶1  85  566  1800  1.0     891  582 .328 .408  534 .301 .445
  3  30∶1  85  631  1800  1.0   947  590 .333 .403  542 .305 .439
 4  40∶1  85  594  1800  1.0   998  592 .334 .401  544 .307 .436
  5  50∶1  85  564  1800  1.0   1036  591 .333 .402  543 .306 .438
 6  22∶1  85  595  1800  0.5     978  669 .377 .377  549 .309 .433
 7  22∶1  85  512  1800  0.25   1047  738 .416 .322  520 .293 .457
 8  5∶1  90  702  2000  0.5   770  649 .366 .366  515 .290 .461
 9  10∶1  90  702  2000  0.5     966  775 .437 .307  661 .372 .360
 10  15∶1  90  681  2000  0.5   1041  803 .452 .296  691 .389 .344
例 空压比 涡轮效率％ 水温°F 涡轮进口温度°F 涡轮出口压力(大气压) 涡轮马力     开式循环     闭式循环
马力 效率 比油耗 马力 效率 比油耗
11  20∶1  90  650  2000  0.5   1091  816 .460 .291  706 .398 .337
 12  25∶11  90  621  2000  0.5   1128  822 .463 .289  712 .402 .334
 13  30∶1  90  595  2000  O.5   1158  826 .465 .288  716 .403 .332
 14  29∶1  90  663  2175  0.5   1242  914 .515 .260  805 .454 .295
 15  5∶1  85  700  2050  0.5   730  601 .339 .395  439 .248 .541
 16  10∶1  85  700  2050  0.5     918   715 .403 .333  587 .331 .404
  17   15∶1   85   700   2050   0.5   1026 .771 .434 .308  663 .373 .359
 18  20∶1  85  685  2050  0.5   1081   786 .443 .302   665 .375 .357
  19   25∶1   85   670   2050   0.5   1123  795 .448 .299  674 .380 .353
 20  30∶1  85  651  2050  0.5   1154  797 .449 .291  675 .381 .352
 21  35∶1  85  633  2050  0.5   1180  797 .449 .298  676 .381 .352
 22  40∶1  85  617  2050  0.5   1202  797 .449 .298  676 .381 .352
例 空压比 涡轮效率％   水温°F 涡轮进口温度°F 涡轮出口压力(大气压) 涡轮马力     开式循环     闭式循环
马力 效率 比油耗 马力 效率 比油耗
23  45∶1  85  602  2050  0.5   1222  796 .448 .299  675 .380 .352
 24  50∶1  85  588  2050  0.5   1239  794 .447 .299  672 .379 .353
 25  5∶1  92  700  2050  0.5     785  667 .376 .356  529 .298 .449
 26  10∶1  92  700  2050  0.5     984  798 .450 .298  695 .392 .342
 27  15∶1  92  685  2050  0.5   1078  845 .476 .281  737 .416 .322
 28  20∶1  92  655  2050  0.5   1128  860 .484 .276  753 .424 .316
 29  25∶1  92  625  2050  0.5   1166  868 .489 .274  762 .430 .312
 30  30∶1  92  598  2050  0.5   1195  872 .491 .273  760 .431 .310
 31  35∶1  92  574  2050  0.5   1221  874 .493 .272  769 .433 .309
 32  29∶1  93  664  2175  0.5  840 .475 .250
 表2布雷顿循环燃/空=0.020201群空气/秒
       例   空压比   涡轮效率％   水温°F   涡轮进口温度°F 涡轮出口压力(大气压) 涡轮马力     闭式循环
马力 效率 比油耗
33  5∶1  92  2050  1.0  313  200 .369 .363
 34  10∶1  92  2050  1.0  414  234 .431 .311
 35  15∶1  92  2050  1.0  466  239 .440 .304
 36  20∶1  92  2050  1.0  499. 237 .436 .307
 37  25∶1  92  2050  1.0  523  231 .425 .315
 38  30∶1  92  2050  1.0  542  224 .413 .325
 39  35∶1  92  2050  1.0  557  216 .398 .336
 40  40∶1  92  2050  1.0  570  208 .384 .349
例32也是在涡轮效率为93％下计算的，涡轮进口温度为2175°F，这两个数值都据说是作为商业上可获得的涡轮的工作参数(该涡轮没有应用本要求保护的发明)。
在例8-13,15-20和25-30中列出的、改变空气压缩比对系统的闭式循环性能的影响绘制在图7-10中。具体地，图6示出了热效率，图7示出了比油耗SFC，图8示出了涡轮功率，图9示出了净功率。
本发明的燃烧器从根本上不同于现有装置，因为工质质量既可以在常压或者常温下增加，也可以在常压常温下增加。常温是由燃烧控制器100通过水喷射控制器40响应燃烧器25中的温度监测器(恒温器)控制水的喷射来维持的。在燃烧器25中，当压缩机10供给了理想配比数量的或稍微过量的压缩空气后，液态碳氢燃料的典型的燃烧温度达到大约3000至3800°F。较大数量的过量空气降低了合成的涡轮进口温度，但不会很大地影响燃烧的温度或着火温度。
燃烧器的排出温度的实际极限又是由排出温度下工作壁的材料强度、燃烧器壁的耐高温性能、动力涡轮的结构材料，以及涡轮叶片是单独冷却的，是从外部冷却的还是从内部冷却的等因素支配的。通过改变高压水的喷射将该排出温度控制在合适的界限之间，该水喷入后急骤蒸发成蒸汽，蒸发热和过热等于燃烧燃料的燃烧热。(主要是由，如果不是完全的话，当水蒸发和然后加热到TIT时的蒸发热和过热将燃烧的燃料的温度降低到要求的TIT)。因此，喷入的水的数量由要求的工作温度来确定，它少于用于高过热的量，但实际上维持一个固定的工作温度。
工作压力由压缩机10保持恒定，如由任何规定的发动机转速所要求的那样。
由燃烧气体未反应的空气组分(即氮气，二氧化碳)和蒸汽所产生的工质混合物然后被输送到工作发动机50中(典型地是一个如上所述的涡轮)，蒸汽-燃气混合物在这里发生膨胀。在工作发动机50的出口处的出口状态是利用等熵关系和涡轮效率计算的。
从工作发动机50排出的燃气和蒸汽然后通过一个排气控制器60进行输送。排气控制器60包括一个冷凝器，此处温度被降低到对应于排出气体中蒸汽的分压的饱和温度。因此涡轮排出气体中的蒸汽被冷凝，并可以由水喷射控制器40泵送返回到燃烧器25中。然后使剩余的燃烧气体通过一个次级压缩机，将其压力提高，回升到大气压力，如果在涡轮出口处是真空的话，从而可以将其排到大气中。另一种方式是可以直接利用是过热蒸汽流的涡轮排出气体，本领域的技术人员将会认识到这一点。
可以看到，本发明很大程度地利用了水的蒸发潜热。当水喷入一个燃烧室并产生蒸汽时，就出现了几个有用的结果：(1)蒸汽具有它自己的分压；(2)燃烧器中的总压力将是由空气压缩机维持的燃烧室的压力；(3)除了在压力下将水泵入时需要一个小数量的机械功以外，蒸汽压力没有机械费用；(4)除了水以外，获得高水平的压力不需要机械压缩，此时蒸汽处于定熵和定焓状态。水转变成蒸汽也冷却了燃烧气体，导致下面要描述的污染控制。
B.污染和效率控制
任何类型的燃烧都有可能产生这样的产物，它们在空气中反应，形成烟雾，无论是在发动机中还是在工业炉中，尽管种类不同。本发明在下面讨论的几个方面降低或消除了污染产物的形成。
首先，在汽缸壁和汽缸头受冷却的条件下工作的内燃机对燃料-空气混合物具有边界层冷却作用，它足以导致产生在排气冲程期间排出的小百分率的未燃烧的碳氢物。本发明在两个特殊的方面避免燃烧室壁的冷却，以保持燃料的燃烧温度在一个合适的水平上，这两个方面更详细地示于美国专利3651641中。第一，通过空气流动控制器27使热的压缩空气围绕燃烧器25的一个外壁流动，使得燃烧只出现在一个被加热到着火温度以上的小空间中。第二，燃烧火焰用没有与燃料混合的空气隔离。因此，一种热壁燃烧方式(最好在2000°F以上)用于本循环工作的发动机中。
其次，使燃烧器25在限定的温度范围内运行，也抑制了烟雾产物。例如，通过高温燃烧，最好大大高于2000°F，使CO和其它部分燃烧产物减少，并在燃烧开始后使这种产物保留一个相当长的停留时间。但是，当温度太高时，会形成更多的氮和氮氧化物(NOx)。因此，为了减少烟雾，既不能接受极高的温度，也不能接受极低的温度。本发明中的燃烧控制器100借助于烧嘴214中的分级燃烧在控制的低温下开始燃烧燃料和空气，然后在一个相当长的延迟时间内逐渐增大(温度)，然后利用水的喷射而冷却到(在完成燃烧之后)一个预先确定的、防止烟雾生成的温度(TIT)。因此，燃烧先是在一个富混合物中进行；然后加入充足的压缩空气，以便燃料能与最小量的过余氧气完成燃烧，和在燃烧器25中大约一半的停留时间内使燃气冷却到低于大约2500°F。利用水喷射控制器40将水的喷射直接加到烧嘴、燃烧室或上游，以维持一个可以接受的温度，最好在大约2500°F的范围中，它保证在冷却到要求的TIT之前将全部的碳氢化合物完全燃烧。
在典型的发动机中，碳氢燃料常常与空气混合并燃烧，在混合物中，燃料稍微富余些，即至少少于理想配比的比例，以便增加效率。但是这导致过量的CO和更复杂的不完全燃烧产物。但是本发明由于通过空气流量控制器27提供逐渐的空气供给，稀释了燃烧并进一步减少这种烟雾产物。
如上所述，氮氧化物在较高温度时也形成得很快，但是也可以通过用额外的压缩空气有控制地稀释燃烧产物将其减少。
现在的燃烧循环是与完全的和有效的燃料燃烧相一致的，并且消除了不完全燃烧产物和减少了其它燃烧产物如氮氧化物。燃烧控制器100允许燃烧产物在一个相当长的初始停留时间内燃烧，然后燃烧的产物和过量空气被冷却到一个可接受的发动机工作温度，该温度可以在1000°F到1800°F的范围内，或者甚至高达2300°F，如果涡轮中采用了适当的结构材料的话，或者可以低到700°F到800°F。
通过在燃烧室25内将燃烧室25做成至少大约两到四倍于燃烧区域的长度，可以建立起一种平衡状态；但是，可以采用任何恰当设计的燃烧室。
所述的燃烧提供一种减少形成烟雾的元素的方法，同时使燃料能完全转化成流体能。
VAST循环是一种低污染的燃烧系统，因为燃料-空气比率和火焰温度是被独立控制的。对燃料-空气比率的控制，尤其是将压缩空气中的全部氧气燃烧掉的机会(或者是用大量压缩空气进行稀释，如果要求的话)防止了由于不完全燃烧造成的未燃烧的碳氢物和一氧化碳的产生。采用一种惰性稀释剂(水)而不是空气，可以控制氮氧化物的形成和抑制由于二氧化碳在高温下分解产生的一氧化碳的形成。采用高比热的稀释剂，如水或蒸汽，如上所述，减少了用于温度控制所需的稀释剂数量。在氮氧化物的情况下，应该认识到，VAST循环防止了它们的形成，而不是允许它们形成并且在之后企图进行消除它们的困难任务，这在某些系统中确实是这样的。所有这些因素的净结果是，VAST循环在一个宽广的条件范围内运行，具有可以忽略的污染水平，常常低于采用质量光谱技术检测碳氢化合物和氮氧化物的限制值。
其他人曾经试图喷入小量的水，但是他们是在不利于或与零污染的运行不一致的条件下这样做的，导致效率下降。
Kidd的美国专利4733527涉及到在喷入燃料的同时将较小量的水喷入到燃烧室中，并且是明显地喷入到火焰本身中，因此降低了火焰的温度，以企图减少NOx的形成。但是，Kidd以及本领域其他专业人员没有能够获得有意义的NOx降低或防止NOx的形成。由其他人员在不带催化转化器的燃烧室上已经证实的最好的NOx水平是大约25到30ppm。Kidd通过加入数量等于或少于燃料量的水，即WFR(水/燃料比率)=1.0，证实的最好的现有技术控制和降低NOx的水平是不低于30ppm。
与此相反，本申请人已经实际证实了，当压缩空气进口温度大约为400°F时，在WFR为5.57时，NOx水平低到4ppm。这一点在下面做了更充分的说明。假设空气温度为964°F，这是一个两级压缩机在压缩比为30∶1时的标准出口温度，那么WFR将为8.27。输送如此大量的水的能力是运行一个独特的燃烧器的结果，并且燃烧器运行的条件是任何人在过去都说是不能实施的，并且专业人员说在这样的条件下将产生不能接受的低温，燃烧火焰将会被熄灭，其工作效率将使设备不能作为一个工作发动机的动力源来使用。与已经使用大量空气控制温度使系统运行而降低火焰温度的现有技术相反，本申请人利用理想配比数量的空气产生一种被控制的热火焰，然后迅速冷却燃烧产物，以产生所要求的排出组分。
对工质和/或燃烧温度和出口温度(燃烧室出口温度或涡轮进口温度)的所有的冷却基本上都是由喷入液体如液态水的蒸发潜热提供的。其结果是，可以选择燃料/空气比，使得从燃烧观点上来看的最有效的火焰、燃烧产物和热生成是可以选择的，并且不象现有技术的装置中那样，这里的运行不会因为需要提供相当多的用于冷却燃烧产物的过量空气而受到限制。此外，现有技术装置是通过限制火焰温度控制污染物。与之相反，本发明允许采用理想配比的(或近似于理想配比)的空气/燃料混合物，产生完全燃烧的热的分级的火焰，以消除CO残余，随后对燃烧产物进行有控制的冷却和混合，使其温度达到要求的TIT，该燃烧防止了NOx的形成。
此外，本专业技术人员知道，一个动力涡轮产生的功率的量取决于进入涡轮的工质的温度和质量和涡轮上的压力差。当一个热的有效火焰通过提供理想配比的空气/燃料混合物(通常在2300°F以上)，并且基本上所有冷却是由喷入燃烧室的液态水的蒸发潜热提供的，喷入的液体用于减低工质的出口温度，使温度降到现有燃气涡轮的最大TIT(1850°F到大约2100°F)，那么，水的数量是所用燃料的重量的大约5倍到大约8倍，这取决于火焰的温度和进入燃烧器的压缩空气和水的温度。对于一个特定的火焰、水和空气的进口温度，供入的水量可以对所要求的TIT进行精确的确定。由于当工质的TIT在1850-2100°F范围中时燃气涡轮将以极高的效率运行，因此可以通过采用较高的TIT改善效率。目前的限制因素是现有涡轮的结构材料。增加进入涡轮的工质的质量，同时通过喷入大量的水将其温度降低，以产生优选的TIT，将会大大地提高涡轮电能生产的效率。这是通过应用本申请人的发明完成的，其中基本上消除了过量空气，导致产生一个热的火焰。通过喷水而迅速冷却到优选的TIT，使生产有用能的效率得到改善，同时由于几乎完全消除了能够用于氮氧化的过量的氧气，防止形成不希望的污染物，如NO和NO2。
说明书中的表1列出了选择的运行条件和32种不同运行条件下产生的结果。在所有情况下，其效率高于用相同数量的燃料运行的现有发动机的效率，比燃料消耗少于现有发动机。表2中的例33-40示出了用相同数量的空气在空气/燃料比A/F=0.02020下运行的布雷顿循环的模拟结果。计算机模拟表明，与没有采用要求保护的本发明工作的发动机相比，本发明的发动机的工作效率比现有技术高10％，而燃料消耗少10％。
燃烧器在这些条件下的实际运行产生了一种工质，其所含的NOx和CO低于1ppm，并且没有未燃烧的燃料(HC)。获得了99-100％的燃烧效率。燃烧器以一种稳定的方式运行(没有发现火焰不稳定或温度波动现象)，采用的是用于表3中列出的例子的水/燃料比。
表3中列出了从一个VAST燃烧器获得的数据，该燃烧器是按照这里所述的方式制造和运行的，采用2号柴油作为燃料并在例3、13、20和30中列出的条件下运行，除了出口压力是1.0大气压以外。
                       表3
压比/马力  30∶1/770   30∶1/770   30∶1/770   30∶1/770   30∶1/770   30∶1/770   30∶1/770   30∶1/770
空气  1.2314   1.1 6   1.0586   1.1501   1.0918   1.0833   1.2159   1.1493
燃料  0.0658   0.0655   0.0649   0.064   0.0661   0.066   0.066   0.0646
空/燃料  18.71   17.71   16.31   17.97   16.52   16.41   18.42   17.79
水  0.4218   0.409   0.3851   0.3233   0.4361   0.3481   0.3679   0.3655
水/燃料  6.41   6.26   5.93   5.05   6.60   5.27   5.57   5.66
涡轮进口温度  1891   1937   1953   2103   1979   2032   1895   1781
效率％  94.7   94.9   95.1   94.7   94.7   95.1   95.1   96.4
 O2-％  4.3   3.9   3.6   2.4   2.4   3.3   3.6   3.6
 NOX-PPM  23   8   8   7   5   7   4   6
 CO-PPM  758   0   0   0   0   0   0   0
 CO2-％  11   11.2   11.5   12.2   12.2   11.6   11.5   12.7
过量空气％  23   21   19   12   13   18   19   68
可燃物％  0.04   0.03   0.00   0.05   0.04   0.00   0.00   0.05
排出的燃气采用能量有效系统公司提供的Enerac 2000进行了分析，该装置由提供者对O2,NOx,CO和可燃烧物(未燃烧的燃料)进行了校准。Enerac 2000然后用铜管连接到燃烧器中的TIT位置处的一个测试口上。
在表3中列出的是各种运行参数和燃气组分读数。燃料、空气和水的值的单位是磅/秒。TIT对应于涡轮进口温度。还包含空气/燃料比和水/燃料比的计算值。
在表3的下半部上的七格反映了用设备Enerac 2000测量的值(NOx,CO,O2和可燃烧物)和燃烧效率、CO2和过量空气的计算值。Enerac 2000的制造者指出，燃烧效率表面上是低的，因为使用的具体装置是一个较老的装置，对于在环境温度下的测量它在算法上没有进行修正，而是用推荐的温度200°F。燃烧效率的实际值不是从94.4到96.4，而是更靠近100％。测试设备的制造者指出，所测量的值更加可靠，未燃烧的燃料的读数显示为99-100％的燃烧效率。
根据每个测试中的运行条件的不同，NOx低于9ppm，而当记录的NOx的水平低达4ppm和在测试装置的数字读出器上看到的其它数据低达3ppm时，CO则检测不到。
虽然在示出的测试运行中的水/燃料比为从4.75到6.88，但是记录到了高达9.36的水对燃料的比率，而没有影响燃烧室的稳定运行。此外，供入的空气温度大约为400-500°F。当供入时的温度大于900°F时，这是一个两级压缩机在具有30大气压的出口压力时的典型温度，那么每磅燃料至少需要两磅额外的水，以便将火焰温度维持在要求的范围内。
当在表3列出的条件下运行，并显示CO为0ppm时，当用眼观察时，从燃烧室出来的排出燃气是完全清楚透明，没有可以观察到的烟雾、蒸汽或颗粒物质。除了由于排气流的热量造成的视线扭曲外，绝对看不见有显示2号柴油正在燃烧的状况。
燃烧器25代表了一种利用热和水来产生高温工质的机构，它同时避免了为了产生蒸汽通过一个热交换器将热量传递到一个急骤蒸发器或一个锅炉时造成的低效率。向燃烧产物中加入水而不仅仅是加热的燃气代表了一种利用流体源产生燃气的手段，水急骤蒸发成蒸汽，提供一个非常有效的质量和压力源，同时在可以独立控制的温度、容量和其它因素方面提供巨大的灵活性。此外，当喷入的水是直接加到燃烧室中将燃烧过程降温时，那么喷入的水将大大减少从大多数燃烧过程中产生的污染物。
此外，可用于形成NOx的氮的数量被大大地减少。与一个任何形式或式样的通常稀释的开式循环布雷顿发动机相比，只有大约30％的氮在燃烧室25中燃烧燃气中，因为用于冷却的是水而不是过量空气，因此供入燃烧器的空气量被大大减少。具体地说，大约是1/3的空气量供入到燃烧器中。如下面讨论的那样，这一点也大大地减少了消耗在压缩供入的空气上的能量。
此外，喷入的水在其急骤蒸发成蒸汽时迅速膨胀，其容积的增加在30大气压下大于50/1。
C.水的喷射
水喷射控制器40控制通过喷嘴201喷入的水41的压力和容量，布置的这些喷嘴用于在燃烧室中将水喷射成细雾。可以在一个或多个区域将水喷入燃烧室，包含：雾化进入压缩机10前的吸入空气中，喷入由压缩机10产生的压缩空气流中，在一个燃料喷嘴或多个燃料喷嘴周围或内部雾化，雾化到燃烧室25中的燃烧火焰中，或者在任何要求的位置处进入燃烧气体中，或者从下游在燃烧气体进入工作发动机50的通道之前喷入燃烧气体中。专业人员可以很容易地想象到其它的喷射区域。如前面所述，喷入的水的数量是基于燃烧产物的温度和要求的最大温度和在平衡区258中的温度分布，如由燃烧室25中的温度传感器260监测的那样。喷入的水的数量还取决于采用VAST循环的系统。例如，如果水象用于一个机动车中那样要进行再循环，那么水被尽可能低地冷却，以便在所用的全部的水和输出功率之间维持一个可以利用的平衡，亦即，如果进口水的温度是低的和TIT是高的，那么可以用小容量的水将燃烧温度降低到TIT。在另一方面，如果系统的主要目的是在生产电能的同时，从污染的水或咸水中产生饮用水，如下面讨论的那样，那么进口水的温度将被尽可能地提高，而TIT被降低。
D.增加的可用功率
采用带水喷射的VAST系统时，供入的是理想配比数量的空气，或者稍微过量的空气。当与一个按照布雷顿循环运行的(没有水喷射，由过量空气提供冷却)燃烧相同数量燃料的系统相比时，此处供入的空气量被大大地减少了。因此，VAST系统要求的压缩机要比布雷顿循环燃烧器中的压缩机小很多，因此，由涡轮产生的用于驱动压缩机的那部分能量就大大地减少了。例如，如果用了大约1/3布雷顿循环运行的空气量，可以采用一个具有大约1/3的功率要求的较小压缩机。本来要用于驱动较大压缩机的能量现在则变成额外的能量，用于供给用户或驱动附加的设备。
例33-40列出了一个在布雷顿循环下运行的功率系统的计算值。该数据可以与在相同条件下按照VAST系统运行的(在1#/秒空气)例25-31比较。尤其相关的是在可获得的涡轮马力上的巨大差异，即从一个按照采用VAST燃烧器运行的系统可以获得很大的额外数量的马力。
更具体地，当采用NACA表中的2号柴油的燃料要求条件时，布雷顿循环中每磅空气要求0.0202磅/秒的2号柴油。但是，理想配比的要求(没有过量空气，全部的燃料和氧气都消耗了)是每磅空气为0.066磅/秒的柴油。换言之，当燃烧0.0202磅柴油时，那么只消耗了0.306磅空气中的氧气。对于相同数量的燃料，即0.066磅的柴油，VAST消耗1磅空气，而布雷顿循环系统要用3.27磅空气。但是，在TIT为2050°F下运行时，VAST燃烧器要求0.5463磅的水，使其通向涡轮的总质量流量为1.6123磅，而布雷顿循环为3.336磅。由于涡轮的功率输出取决于供入涡轮的质量，为了使涡轮产生相同数量的能量，VAST燃烧器要求整个质量近似于加倍(2.07倍)，按比例地增加所有供入组分，并将空气量增加到2.07磅。将这个数值与布雷顿循环中要求的3.27磅相比，需要的空气少了1.2磅，使用的压缩机是布雷顿循环中的压缩机尺寸的63.3％，并且为了供给所需的空气而驱动压缩机所需的能量减少了36.7％。2号柴油完全燃烧时释放的热量为1936BTU/磅，因此可以计算出0.066磅2号柴油完全燃烧时产生1808燃烧马力。例30，在43.1％的效率下运行，产生766马力。虽然布雷顿循环是在较低的效率下运行，现假设它在相同的效率下运行，需要燃烧马力的差值来驱动压缩机。因此，输送3.27磅的空气的压缩机要求1042马力或者每磅空气需318.65马力。因此，对于同量的燃料，可以计算出，大约可获得额外的723马力，用作额外可用的轴能量。
系统比较的另一种方式：如果运行的是一个现行的单轴压缩机涡轮并且采用VAST燃烧器来代替在布雷顿循环下运行的燃烧器，那么将产生足够的质量，以与过去相同的方式驱动涡轮。但是，由于必须燃烧额外的燃料，以消耗全部输入的氧气和为了控制额外的燃烧燃料的温度而加入的额外的水，因此在要求的TIT下产生了足够的过量质量，以驱动一个尺寸至少为第一个涡轮的大约50％的第二个涡轮，或者可以获得一个可以用于其它动力应用的额外的较高温度、高压蒸汽。
D.本发明的其它实施例
1.包含水净化的发电厂
在利用海水、微咸水或被污染的地下水或井水作为冷却剂进行发电的情况下，对于电力和所用的水来说，循环可以是开式的，如图4和5中所示。由泵42驱动的供给水41在它相对于排出的热工质51逆流地通过冷凝器62和热交换器63时被加热，并且在燃烧器25或200中被急骤蒸发，如前所述。通过增加燃烧室的直径还可以降低工质的速度，由此可以更容易地除去水中物质或溶解物。
燃烧器运行的典型温度是1500°F到2300°F。当咸水或微咸水是供给源时，该温度是在熔点之上但大大低于盐在海水中的沸点(85％的海盐是NaCl(氯化钠)；另外14％是MgCl2，MgSO4，CaCl2和KCl)。当水急骤蒸发成蒸汽时，溶解的无机污染物以一种液体形式清除出去，有机污染物则被燃烧掉。例如，NaCl在1473°F溶化，在2575°F沸腾，其它的盐具有较低的溶点和较高的沸点。结果，溶化的盐可以沿着燃烧器的底壁很容易地收集起来，液态的盐可以用一个装在燃烧器底部上的螺旋组件除去，通过一个挤出机和压模输送，可以在此将其成型成棒或丸形，或者利用燃烧器中的压力作为驱动力，通过喷嘴喷射到一个冷却室中，使废物质沉淀在一个废物收集容器中，通过选择适当的喷嘴尺寸和结构，使废物变成任何所要求的大小和形状的小片、粉末或小球。因为咸水被暴露给燃烧室中的极高的温度，回收的盐是无菌的，不含有机物。
重量是燃料的6-12倍数量级的水被雾化到燃烧火焰中并在几毫秒中蒸发。卷入蒸汽中的盐或杂质被从蒸汽中分离出去，然后被结晶、沉淀和/或过滤而从清洁的蒸汽后面离开。
从燃烧室25中收集和除去盐或废物的机构80可以用任何一些公知的手段来实现，例如用一个旋转的纵向螺旋钻。该钻是密封的，使得它在旋转和清除沉淀物时不会让高压的工作燃气绕行。如上所述，另一种方式是通过喷嘴将溶化的废物或盐喷入一个收集塔里或将盐81挤压成线条或棒，然后可以将它们切割成所要求的尺寸。还有一种方式是将溶化的盐直接排入到模子中，形成盐块81，它们然后能容易地运输和用于化学处理过程，进行回收再处理或进行其它处理。
生成的工质现在包含了干净的水蒸汽，可以供入到一个或多个标准的蒸汽或燃气涡轮中。在由蒸汽和燃气的混合气膨胀而产生功之后，一个冷凝器62使蒸汽61冷凝，产生可用的饮用水65的水源。在压比为10∶1到50∶1或更高下采用这种开式循环可以在好的效率和比燃料消耗下生产电能。
图6示出了一个采用VAST循环的装置的一个第二实施例。在该实施例中，通过捕获来自燃烧室25的额外的废热，系统的效率得到进一步的提高。燃烧室25被封闭在一个双层壳的热交换器90中。在所示的这种结构中，从压缩机10出来的热的压缩空气11在它进入燃烧器25之前穿过直接围绕着燃烧室25的壳92。冷水41被供入一个围绕着第一壳92的第二壳94中。这样空气11吸收从燃烧器25正常损失的附加热量，进入的水41从压缩空气11吸收一些热量。因为空气11是处于一个提高的压力下，因此一个附加的好处是，在燃烧室25的壁上的压力差(亦即，在燃烧器内部和环境条件之间的差，如图5中，或者在燃烧器内部和压缩空气11之间的差)被大大降低了，因此降低了高温高压的组合对燃烧器壁作用的应力。水41在流过了燃烧室外壳94后，继续通过冷却器62和热交换器73，以便获得所要求的喷入温度。要注意将水维持在尽可能高达4000psi，以便它在被喷入燃烧室25之前不会转变成蒸汽，因为它是被加热的，处于较高的温度并且在多数情况下处于一个比过热水41要低的压力下。
净化被污染的废弃产物或者处理从商业过程中产生的固态、液态或气态废弃产物，产生可用的产品，作为能量生产时的一种副产品，也都是采用VAST循环的发动机的一些潜在的应用。来自被干燥的固态废弃产物的废水可以用于本发明中，产生作为一种副产品的过滤的可以用的水。可燃烧物是用于在燃烧器25中燃烧的附加的燃料，干燥的无机废弃产物则可以用于产生肥料。显然，利用本发明可以从固态和液态产物中提取其它化学物。污水处理也是一种应用。其它应用包括水的软化，与油田钻探和打井有关联的蒸汽源，具有从土壤中沥出的化肥和矿物质的灌溉水的回收和再循环，城市固态废物，等等。
2.飞机发动机
上述讨论的VAST循环，特别是用再循环水运行时，当用于通常在30000到40000英尺高空运行的商业飞机上时，是非常有效的并且具有相当低的燃料消耗。在这种高度上，环境压力是0.1到0.25大气压或更低，环境温度更低于0°F。例5-7的开式循环数据表明降低涡轮出口压力的好处。为了产生低于大气压力的涡轮出口压力，例如当在海平面处运行该系统时，在涡轮出口处需要一个真空泵。这个消耗由系统产生的能量的泵降低了可以利用的能量和系统的效率。
通过在一个压力低于大气压力的环境中运行，例如在大于30000英尺的高度上，消除涡轮出口真空泵，可以增加系统的可用的输出功率，因此减少燃料消耗。此外，如果系统中的水被再循环使用，环境空气温度可以利用来冷凝和冷却排出的燃气流，分离出用于再循环的水，减少用于回收热量的能量数量。
3.蒸汽的生产和蒸汽/能量的共同生产
也设想到可以利用燃烧器和它的控制系统以及一个合适的压缩机在没有动力涡轮的情况下，只用于生产高温高压蒸汽，生产饮用水，或者回收溶解在水中的有价值的无机物。或者，设计各种尺寸的一个或多个燃气和/或蒸汽涡轮，用于生产一个要求的数量的电能，这些涡轮可以与燃烧器连接起来，既输送电能，又输送从燃烧器直接流出的高温高压蒸汽的混合侧流。
虽然为了说明目的示出了本发明的各种实施例。但是本发明的保护范围将仅仅由下面的权利要求书来限定，所附的权利要求书的精神和范围不应该局限于这里所包含的优选实施例的说明。

Claims (16)

1．一种动力产生系统，包括，
a)一个燃烧室；
b)一个与燃烧室相连的工作发动机；
c)用于将燃料输送给燃烧室的燃料供给机构；
d)用于将在提高了的温度和常压下的压缩空气输送到燃烧室的空气输送机构，选择的空气数量，使得当空气和燃料燃烧时，至少空气中大约90％的氧气被消耗掉，燃料和空气是在燃烧室中混合的；
e)用于改变供给燃烧室的空气的数量和调节供给燃烧室的燃料的数量以便使燃料与空气的比率保持恒定的控制机构；
f)一个用于点燃燃料和空气的混合物，以产生燃烧蒸汽流的燃料点燃器；
g)用于将过热非可燃液体在压力下输送到燃烧室的液体供给机构，其中液体基本上在进入燃烧室的瞬间被转变成蒸气，蒸气的输送和形成产生紊流，在燃烧室中的混合导致产生一种由蒸气、燃烧产物和在空气和燃料中的非可燃烧物质构成的工质，该工质被输送到工作发动机；
h)一个燃烧室温度控制器，该控制器将过热的非可燃烧液体输送到燃烧室，其数量足以将工质的温度维持在要求的水平上，对燃烧室中的温度的全部控制基本上都通过引入到燃烧室中的非可燃烧液体的蒸发潜热获得的；
i)用于将从工作发动机出来的工质的热量传递给非可燃烧液体的热交换机构，该热量提高了非可燃烧液体的温度，即从一个供入温度提高到要输送到燃烧室中时要求的温度。
2．按照权利要求1的方法，也包含在将空气引入燃烧室中之前将附加的非可燃烧液体输送给压缩空气的步骤。
3．按照权利要求1的方法，其中压缩空气至少分两级与燃料混合，即一部分空气与燃料混合，点燃该燃料，然后将剩余的空气在燃料点燃器的下游的一点处加入到燃料中。
4．按照权利要求3的方法，其中大约50％的压缩空气在燃烧室一端处的一个烧嘴的一个第一区域中与燃料混合，该空气和燃料的混合物被点燃，以产生一个富燃料火焰，大约25％的空气在位于第一区域下游的烧嘴的一个第二区域中加入到富燃料火焰中，大约12.5％的空气在位于第二区域下游的烧嘴的一个第三区域中加入到火焰中，剩余的空气在位于第三区域下游的烧嘴的一个第四区域中加入到火焰中。
5．按照权利要求4的方法，其中数量被控制的非可燃物从燃烧室中的多个位置处从烧嘴的第四区域喷入到燃烧室中。
6．按照权利要求4的方法，其中数量被控制的非可燃物也在空气与燃料混合之前喷入压缩空气中。
7．按照权利要求3的方法，在将空气与燃料混合之前，使压缩空气通过一个位于燃烧室外部的通道，至少通道的一个壁是燃烧室的一个外壁，用燃烧室辐射的热量加热压缩空气。
8．按照权利要求4的方法，其中在将空气与燃料混合之前，使压缩空气通过一个位于燃烧室外部的通道，至少通道的一个壁是燃烧室的一个外壁，用燃烧室辐射的热量加热压缩空气。
9．按照权利要求8的方法，其中从工作发动机出来的工质含有低于3ppm的NOx。
10．按照权利要求8的方法，其中从工作发动机出来的工质含有低于3ppm的CO。
11．按照权利要求8的方法，其中从工作发动机出来的工质含有低于3ppm的CO和低于3ppm的NOx。
12．一种动力产生系统，包括，
a)一个燃烧室；
b)用于将燃料输送给燃烧室的燃料供给机构；
c)用于将在提高了的温度和常压下的压缩空气输送到燃烧室的空气输送机构，选择的空气数量，使得当空气和燃料燃烧时，至少空气中大约90％的氧气被消耗掉，燃料和空气是在燃烧室中混合的；
d)用于改变供给燃烧室的空气的数量和调节供给燃烧室的燃料的数量以便使燃料与空气的比率保持恒定的控制机构；
e)一个用于点燃燃料和空气的混合物，以产生燃烧蒸汽流的燃料点燃器；
f)用于将过热的水在压力下输送到燃烧室的液体供给机构，其中水基本上在进入燃烧室的瞬间被转变成蒸汽，蒸汽的输送和形成产生紊流，在燃烧室中的混合导致产生一种由蒸汽、燃烧产物和在空气和燃料中的非可燃烧物质构成的工质，该工质是一种高温蒸汽流，可以在设备的一个外部部件要求的控制压力下输送到该设备的外部部件上；
g)一个燃烧室温度控制器，该控制器将过热的水输送到燃烧室，其数量足以将工质的温度维持在要求的水平上，对燃烧室中的温度的全部控制基本上都来自引入到燃烧室中的水的蒸发潜热；
h)用于将从工作发动机出来的工质的热量传递给水的热交换机构，该热量提高了水的温度，即从一个供入温度提高到要输送到燃烧室中时要求的温度。
13．按照权利要求12的动力产生系统，其中，水是非饮用水，其方法进一步包含在燃烧室中收集溶解在非饮用水中无机物质和将无机物质转变成一种固态形式，和燃烧掉溶解在水中的或水中带有的有机物质。
14．按照权利要求12的动力产生系统，进一步包含至少一个热量传递机构，它设置在燃烧室的外部和周向上，并且沿着燃烧室的一个相当大的部分延伸，使得压缩空气在进入燃烧室之前在燃烧室的外表面上流动，使压缩空气的温度通过该外表面辐射的热量而被提高。
15．按照权利要求12的动力产生系统，其中热量传递机构包括至少两个邻接的周向室。
16．按照权利要求12的动力产生系统，也包含在将压缩空气引入燃烧室之前将附加的水输送到压缩空气中的机构。
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