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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Impulsdetonationssystem
für ein
Gasturbinentriebwerk und insbesondere ein Impulsdetonationssystem,
das den Kern eines Gasturbinentriebwerks ohne Verwendung eines extern
betätigten
Ventilsystems ersetzen kann.
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Es
ist allgemein bekannt, dass typische Gasturbinentriebwerke auf dem
Brayton-Zyklus basieren, bei dem Luft adiabatisch komprimiert, Wärme unter konstantem
Druck hinzugefügt,
das resultierende heiße
Gas in einer Turbine expandiert und Wärme unter konstantem Druck
entzogen wird. Die Energiemenge oberhalb derjenigen, die zum Antrieb
des Kompressionssystems erforderlich ist, steht anschließend für den Antrieb
oder eine weitere Arbeit zur Verfügung. Derartige Gasturbinentriebwerke
beruhen allgemein auf der Deflagrationsverbrennung, um ein Brennstoff/Luft-Gemisch
zu verbrennen und Verbrennungsgasprodukte zu erzeugen, die mit verhältnismäßig geringer
Geschwindigkeit und unter konstantem Druck in einer Brennkammer
strömen. Während Triebwerke,
die auf dem Brayton-Zyklus basieren, durch ständige Verbesserungen der Leistungsfähigkeit
von Komponenten und Erhöhungen des
Druckverhältnisses
und der Spitzentemperatur einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad
erreichen, sind weitere Verbesserungen nur unter erhöhten Kosten
zu erzielen.
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Entsprechend
sind Verbesserungen der Triebwerkseffizienz erzielt worden, indem
das Triebwerk derart betrieben wird, dass die Verbrennung als eine
Detonation entweder in einem kontinuierlichen oder in einem gepulsten
Modus stattfindet. Die meisten Impulsdetonationsvorrichtungen verwenden
Detonationsröhren,
die mit einem Brennstoff/Luft-Gemisch gespeist werden, dass anschließend gezündet wird.
Es wird dann eine Verbrennungsdruck welle erzeugt, die in eine Detonationswelle
(d.h. eine sich schnell bewegende Schockwelle, die mit der Reaktionszone
eng gekoppelt ist) übergeht.
Die Verbrennungsprodukte folgen der Detonationswelle und breiten
sich mit der Schallgeschwindigkeit relativ zu der Detonationswelle
aus, während
sie gleichzeitig einen wesentlichen Druckanstieg erzielen. Derartige
Verbrennungsprodukte treten dann durch eine Düse aus, um Schubkräfte zu erzeugen.
Beispiele für
ein Impulsdetonationstriebwerk sind in den US-Patentschriften 5
345 758 von Bussing und 5 901 550 von Bussing et al. beschrieben.
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Einfache
Impulsdetonationstriebwerke weisen mit der Ausnahme verschiedener
Formen von extern betätigten
Ventilen keine bewegten Teile auf. Derartige Ventile werden dazu
verwendet, die Dauer der Brennstoff/Luft-Zufuhr zu steuern und eine
Rückströmung der
Verbrennungsprodukte während
des Detonationsprozesses zu verhindern. Ein Beispiel eines Drehventils,
das für
Impulsdetonationstriebwerke verwendet wird, ist in der US-Patentschrift 6 505
462 von Meholic beschrieben. Während
derartige Impulsdetonationskonfigurationen den Stand der Technik bereichert
haben, sind die Ventile und zugehörige Aktuatoren sehr hohen
Temperaturen und Drücken
ausgesetzt. Dies stellt nicht nur ein Zuverlässigkeitsproblem dar, sondern
kann auch eine schädliche
Auswirkung auf den Turbomaschinenmechanismus des Triebwerks aufweisen.
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Demgemäß wäre es wünschenswert,
ein Impulsdetonationssystem für
ein Gasturbinentriebwerk zu entwickeln, das in der Lage ist, das
Triebwerk ohne die Notwendigkeit eines gesonderten Ventils zu betreiben.
Ferner wäre
es wünschenswert,
wenn ein derartiges Impulsdetonationssystem an ein Gasturbinentriebwerk
sowohl für
Luftfahrtanwendungen als auch für
industrielle Anwendungen anpassbar wäre, um den Kern (d.h. einen
Hochdruckkom pressor, einen Brenner und eine Hochdruckturbine) zu
eliminieren. Es ist ferner wünschenswert,
dass das Impulsdetonationssystem keinen Strömungsabriss oder Pumpstoß in dem
Kompressionssystem, das diesem unter Druck stehende Luft zuführt, herbeiführt.
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In
einer ersten beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung ist ein Impulsdetonationssystem für ein Gasturbinentriebwerk
offenbart, das eine in Längsrichtung
durch dieses verlaufende Mittelachse aufweist. Das Impulsdetonationssystem
enthält
einen Lufteinlasskanal, der mit einer Quelle unter Druck stehender
Luft in Strömungsverbindung
steht, wobei der Lufteinlasskanal wenigstens eine darin ausgebildete Öffnung enthält, um unter
Druck stehender Luft zu ermöglichen
hindurch zu strömen, eine
Brennstoffeinspritzeinrichtung, die an dem Lufteinlasskanal in Umfangsrichtung
von jeder Öffnung beabstandet
montiert ist, und eine an dem Lufteinlasskanal montierte Vorrichtung,
die in Umfangsrichtung von jeder Brennstoffeinspritzeinrichtung
beabstandet angeordnet ist und zur Auslösung einer Detonationswelle
dient. Ferner ist ein drehbares Ringelement in koaxialer Anordnung
um einen Teil des Lufteinlasskanals positioniert, wobei das Ringelement
wenigstens eine darin angeordnete Detonationsstufe enthält. Demgemäß werden
Detonationswellen in jeder Detonationsstufe erzeugt, wobei nach jeder
Detonationswelle folgende Verbrennungsgase ein Drehmoment erzeugen,
die das Ringelement zum Rotieren veranlassen. Jede Detonationsstufe
in dem Ringelement enthält
ferner mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Detonationskanäle, die
sich von einer inneren Oberfläche
des Ringelementes aus in tangentialer Richtung erstrecken, wobei
die Detonationskanäle
mit jeder Öffnung, Brennstoffeinspritzeinrichtung
und Auslösevorrichtung
in Bezug auf einen vorbestimmten Zeitablauf und eine vorbestimmte
Ab lauffolge derart abgestimmt sind, dass die Detonationswelle darin
erzeugt wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform,
die jedoch nicht beansprucht ist, ist ein Verfahren zur Zuführung von
Leistung zu einer Antriebswelle in einem Gasturbinentriebswerk offenbart,
wie es die folgenden Schritte enthält: Zufuhr unter Druck stehender Luft
zu einem Lufteinlasskanal; Bereitstellung eines drehbaren Ringelementes
in koaxialer Anordnung zu dem Lufteinlasskanal, wobei das Ringelement
darin wenigstens eine Stufe in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter
Detonationskanäle
enthält;
Verbindung des Ringelementes mit der Antriebswelle; Durchführung eines
Detonationszyklus in jedem Detonationskanal und Erzeugung eines
Drehmomentes an dem Ringelement, das das Ringelement und die Antriebswelle
veranlasst zu rotieren. Der Detonationszyklus enthält ferner
die Schritte einer periodischen Zufuhr unter Druck stehender Luft
zu den Detonationskanälen,
einer nachfolgenden Injektion von Brennstoff in die Detonationskanäle und einer
anschließenden
Auslösung
einer Detonationswelle in den Detonationskanälen. Das Verfahren enthält ferner
den Schritt einer Abstimmung der Detonationskanäle jeder Detonationsstufe gemäß einer
vorbestimmten Zeitsteuerung und Ablauffolge mit einer Luftöffnung in
dem Lufteinlasskanal, einer Brennstoffeinspritzeinrichtung, die
in Umfangsrichtung von der Luftöffnung
beabstandet angeordnet ist, und einer in Umfangsrichtung von der
Brennstoffeinspritzeinrichtung beabstandeten Vorrichtung zur Auslösung einer Detonationswelle.
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Gemäß einer
noch weiteren Ausführungsform,
die jedoch nicht beansprucht ist, ist ein Gasturbinentriebwerk offenbart,
zu dem gehören:
eine Gebläsegruppe
an einem vorderen Ende des Gasturbinentriebwerks, die wenigstens
eine erste Gebläseschaufelreihe
enthält,
die mit einer Antriebswelle verbunden ist, ein Booster-Kompressor,
der stromabwärts
von der Gebläsegruppe
positioniert ist, wobei der Booster-Kompressor eine erste Kompressorschaufelreihe
und eine zweite Kompressorschaufelreihe enthält, die mit der Antriebswelle
verbunden und mit der ersten Kompressorschaufelreihe hintereinander
abwechselnd angeordnet ist, und ein Impulsdetonationssystem zum
Antreiben der Antriebswelle. Das Impulsdetonationssystem enthält ferner einen
Lufteinlasskanal, der mit dem Booster-Kompressor in Strömungsverbindung
steht, wobei der Lufteinlasskanal wenigstens eine darin ausgebildete Öffnung aufweist,
um unter Druck stehender Luft zu ermöglichen hindurchzuströmen, eine
Brennstoffeinspritzeinrichtung, die an dem Lufteinlasskanal in Umfangsrichtung
von jeder Öffnung
beabstandet angeordnet ist, und eine Vorrichtung, die an dem Lufteinlasskanal
in Umfangsrichtung von jeder Brennstoffeinspritzeinrichtung beabstandet
montiert ist, um eine Detonationswelle auszulösen. Ein drehbares Ringelement
ist ebenfalls koaxial um einen Teil des Lufteinlasskanals herum
positioniert und mit der Antriebswelle verbunden, wobei das Ringelement
wenigstens eine Detonationsstufe enthält, die darin angeordnet ist.
Demgemäß werden
in jeder Detonationsstufe Detonationswellen erzeugt, so dass den
Detonationswellen folgende Verbrennungsgase ein Drehmoment erzeugen,
das das Ringelement veranlasst, umzulaufen und die Gebläsestufe
sowie den Booster-Kompressor
anzutreiben. Jede Detonationsstufe enthält ferner mehrere in Umfangsrichtung
voneinander beabstandete Detonationskanäle, die sich von einer inneren
Oberfläche
des Ringelementes aus tangential erstrecken, wobei die Detonationskanäle mit der Öffnung,
der Brennstoffeinspritzeinrichtung und der Auslösevorrichtung gemäß einer
vorbestimmten Zeitsteuerung und Ablauffolge abgestimmt sind, so dass
darin ein Detonationszyklus durchgeführt wird.
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In
einer noch weiteren Ausführungsform,
die jedoch nicht beansprucht ist, ist ein Gasturbinentriebwerk offenbart,
wie es einen Einlauftrichter an einem vorderen Ende des Gasturbinentriebwerks,
einen Kompressor, der stromabwärts
des Einlauftrichters und in Strömungsverbindung
mit diesem positioniert ist, wobei der Kompressor wenigstens eine
erste Kompressorschaufelreihe und eine zweite Schaufelreihe enthält, die
mit einer Antriebswelle verbunden und mit der ersten Kompressorschaufelreihe
hintereinander abwechselnd angeordnet ist, eine an der Antriebswelle
angeschlossene Last und ein Impulsdetonationssystem zum Antrieb
der Antriebswelle enthält.
Das Impulsdetonationssystem enthält
ferner einen Lufteinlasskanal, der mit dem Booster-Kompressor in
Strömungsverbindung
steht, wobei der Lufteinlasskanal wenigstens eine darin ausgebildete Öffnung enthält, die
unter Druck stehender Luft ermöglicht
hindurchzuströmen,
eine Brennstoffeinspritzeinrichtung, die an dem Lufteinlasskanal
in Umfangsrichtung von jeder Öffnung
beabstandet montiert ist, und eine an dem Lufteinlasskanal in Umfangsrichtung
von jeder Brennstoffeinspritzeinrichtung beabstandet angeordnete
Vorrichtung zur Auslösung
einer Detonationswelle. Es ist ferner ein drehbares Ringelement
in koaxialer Anordnung um einen Teil des Lufteinlasskanals positioniert
und mit der Antriebswelle verbunden, wobei das Ringelement wenigstens
eine Detonationsstufe enthält,
die darin angeordnet ist. Demgemäß werden
in jeder Detonationsstufe Detonationswellen derart erzeugt, dass
Verbrennungsgase, die auf die Detonationswellen hin folgen, ein
Drehmoment erzeugen, das das Ringelement veranlasst, umzulaufen
und den Kompressor sowie die Last anzutreiben. Jede Detonationsstufe enthält ferner
mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Detonationskanäle, die
sich von einer inneren Fläche
des Ringelementes aus in tangentialer Richtung erstrecken, wobei
die Detonationskanäle
mit der Öffnung,
der Brennstoffeinspritzeinrichtung und der Auslösevor richtung gemäß einem
vorbestimmten Zeitablauf und einer vorbestimmten Ablaufsequenz derart
abgestimmt sind, dass darin ein Detonationszyklus ausgeführt wird.
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Spezielle
Ausführungsformen
sind nun zu Beispielszwecken mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen zeigen:
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1 eine
Längsschnittansicht
eines Flugzeuggasturbinentriebwerks, das ein Impulsdetonationssystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält;
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2 eine
vergrößerte, zum
Teil im Längsschnitt
dargestellte Ansicht des in 1 gezeigten Gasturbinentriebwerks,
in der die Zufuhr unter Druck stehender Luft zu dem Impulsdetonationssystem
veranschaulicht ist;
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3 eine
vergrößerte, teilweise
im Längsschnitt
dargestellte Ansicht des in 1 gezeigten Gasturbinentriebwerks,
in der die Zufuhr von Brennstoff zu dem Impulsdetonationssystem
veranschaulicht ist;
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4 eine
vergrößerte, teilweise
im Längsschnitt
dargestellte Ansicht des in 1 gezeigten Gasturbinentriebwerks,
in der die Auslösung
einer Detonationswelle in dem Impulsdetonationssystem veranschaulicht
ist;
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5 eine
Querschnittsansicht der in den 1–4 dargestellten
Impulsdetonationsvorrichtung, geschnitten entlang der Linie 5-5
nach 4, wobei mit Strichlinien Detonationskanäle einer
benachbarten Detonationsstufe veranschaulicht sind, wie sie in Umfangsrichtung
zu den Detonationskanälen
einer ersten Detonationsstufe versetzt angeordnet sind;
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6 eine
ausschnittsweise Querschnittsdarstellung einer modifizierten Konfiguration
des Detonationskanals für
das in den 1–5 dargestellte
Impulsdetonationssystem;
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7 eine
ausschnittsweise Querschnittsdarstellung einer zweiten modifizierten
Konfiguration eines Detonationskanals für das in den 1-5 dargestellte
Detonationssystem, und
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8 eine
Längsschnittansicht
eines industriellen Gasturbinentriebwerks, das ein Impulsdetonationssystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält.
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Indem
nun im Einzelnen auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen
identische Bezugszeichen über
die Figuren hinweg die gleichen Elemente kennzeichnen, veranschaulicht 1 ein
in Verbindung mit einem Flugzeug verwendetes beispielhaftes Gasturbinentriebwerk 10,
das eine durch dieses hindurch führende
Längsachse
oder axiale Mittelachse für
Referenzzwecke aufweist. Das Gasturbinentriebwerk 10 enthält eine
Triebwerksgondel 14, um die Leitung einer (durch einen
Pfeil 16 gekennzeichneten) Luftströmung durch einen Einlass 18 zu
einer Gebläsegruppe 20 zu
unterstützen,
wie dies allgemein bekannt ist. Die Luftströmung 16 wird anschließend stromabwärts der
Gebläsegruppe 20 aufgeteilt,
so dass ein erster Teil (der durch einen Pfeil 22 gekennzeichnet
ist) durch einen äußeren Kanal 24 strömt, während ein
zweiter Teil (der durch einen Pfeil 26 gekennzeichnet ist)
einem Booster-Kompressor 28 zugeführt wird. Es versteht sich,
dass der Booster-Kompressor 28 vorzugsweise wenigstens eine
erste Kompressorschaufelreihe 30, die vorzugsweise stationär angeordnet
ist, und eine zweite Kompressorschaufelreihe 34 enthält, die
an eine Antriebswelle 32 angeschlossen und mit der ersten Kompressorschaufelreihe 30 inein ander
greifend bzw. hintereinander abwechselnd angeordnet ist. Es erschließt sich
auch ohne weiteres, dass weitere Kompressorschaufelreihen 36 und 38 ebenfalls
mit der Antriebswelle 32 verbunden sein können, wobei zusätzliche
stationäre
Kompressorschaufelreihen 40 bzw. 42 mit diesen
ineinander greifend bzw. abwechselnd angeordnet sind. Eine erste
Gebläseschaufelreihe 44 ist
vorzugsweise ebenfalls mit der Antriebwelle 32 verbunden.
Die Antriebswelle 32 ist mittels eines Impulsdetonationssystems 46 gemäß der vorliegenden
Erfindung angetrieben.
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Genauer
gesagt enthält
das Impulsdetonationssystem 46 einen Lufteinlasskanal 48,
der derart positioniert ist, dass er mit dem Booster-Kompressor 28 in
Strömungsverbindung
steht. Wie am besten aus 5 ersichtlich, enthält der Lufteinlasskanal 48 wenigstens
eine darin ausgebildete Öffnung 50,
um unter Druck stehender Luft, die von dem Booster-Kompressor 28 empfangen
wird, zu ermöglichen hindurchzuströmen. Außerdem ist
an dem Lufteinlasskanal 48 eine Brennstoffeinspritzeinrichtung 52 in Umfangsrichtung
von jeder Öffnung 50 beabstandet montiert,
und es ist eine Vorrichtung 54 an dem Lufteinlasskanal 48 in
Umfangsrichtung von jeder Brennstoffeinspritzeinrichtung 52 beabstandet
montiert, um Detonationswellen auszulösen. Es versteht sich, dass
die Auslösevorrichtung 54 beispielsweise
einen Zünder
(z.B. eine Hochenergiezündkerze,
einen Fackelzünder
mit gesondertem Brennstoff und Oxydator oder einen Plasmastrahlzünder), einen
Laser oder eine Stoßkonzentrationsvorrichtung
enthalten kann.
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Ein
drehbares Ringelement 56 ist in koaxialer Anordnung (in
Bezug auf die Mittellinie und Längsachse 12)
um einen Teil des Lufteinlasskanals 48 positioniert. Das
Ringelement 56 enthält
wenigstens eine Detonationsstufe 58, die darin angeordnet
ist, obwohl vorzugsweise weitere Detonationsstufen 60, 62 und 64 in
axialem Abstand stromabwärts
von der Detonationsstufe 58 in Abhängigkeit von den Schubanforderungen
des Triebwerks 10 darin vorgesehen sind. Eine derartige
stufenweise Anordnung berücksichtigt
auch den abnehmenden Anteil des für die Anwendung benötigten Brennstoffs,
wenn er in der Region verbleibt, die durch magere und reiche Detonationsfähigkeitsgrenzwerte
begrenzt ist. Jede Detonationsstufe weist vorzugsweise mehrere in
Umfangsrichtung voneinander beabstandete Detonationskanäle 66 auf,
die sich von einer inneren Oberfläche 74 des Ringelementes 56 aus
in unterschiedlichen radialen Ebenen tangential erstrecken. Es wird
ferner bevorzugt, dass das Ringelement 56 zwischen allen
benachbarten Detonationskanälen 66 hohl
ist, um Gewicht zu reduzieren, wodurch den Detonationskanälen 66 eine
röhrenartige
Erscheinungsform gegeben wird. Um eine erhöhte Stabilität zu erzielen,
können verschiedene
Verbindungen zwischen benachbarten Detonationskanälen 66 vorgesehen
sein. Eine alternative Konfiguration kann ein Ringelement mit an
einer Außenfläche von
diesem befestigten Röhren
umfassen.
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Es
versteht sich, dass, obwohl die Detonationskanäle 66 jeder Detonationsstufe 58, 60, 62 und 64 im
Wesentlichen senkrecht zu der in Längsrichtung verlaufenden Mittelachse 12 und
von dieser versetzt ausgerichtet sein können, es bevorzugt wird, dass
die Detonationskanäle 66 in
Bezug auf eine Achse 68, die im Wesentlichen senkrecht
zu der in Längsrichtung
verlaufenden Mittelachse 12 ausgerichtet ist, nach hinten
abgewinkelt sind. Auf diese Weise ist der Strom der die Detonationskanäle 66 verlassenden
Verbrennungsgase in der Lage, eine Vorwärtsschubkomponente zu liefern,
während Drehverluste
auf ein Minimum reduziert werden. In einer alternativen Konfiguration
(vgl. 7) können die
Detonationskanäle 66 in
wenigstens einem Abschnitt von diesen gekrümmt sein. Es ist ferner ersichtlich,
dass sich jeder Detonationskanal von einem ersten Ende oder Einlass 72,
der an eine Innenfläche 74 des
Ringelementes 56 angrenzt, bis zu einem zweiten Ende oder
Auslass 76 erstreckt, der an einer Außenfläche 78 des Ringelementes 56 angrenzt.
Es ist ohne weiteres erkennbar, dass der Einlass 72 aufgrund
der tangentialen Anordnung der Detonationskanäle an der Innenfläche 74 des
Ringelementes und der relativen Bewegung zwischen dem Ringelement 56 und
dem Lufteinlasskanal 48 etwas größer ist. Dennoch ist jeder
Detonationskanal 66 hinter dem Einlass 72 bis
zu dem Auslass 76 vorzugsweise linear mit einem im Wesentlichen
kreisförmigen
Querschnitt, der einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser 70 aufweist.
Wie jedoch in 6 veranschaulicht, kann jeder
Detonationskanal 66 einen im Wesentlichen zusammenlaufenden Durchmesser 80 für wenigstens
einen Abschnitt desselben aufweisen, um einen schnellen Übergang
zur Detonation zu bewerkstelligen. Natürlich kann die Geometrie der
Detonationskanäle 66 an
die spezielle Anwendung (d.h. in Abhängigkeit von der Art des verwendeten
Brennstoffs) oder andere Randbedingungen aufgrund des Raums oder
Gewichts genau angepasst werden.
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Die
Detonationskanäle 66 für jede Detonationsstufe 58, 60, 62 und 64 können ferner
in Umfangsrichtung bei der Betrachtung entlang der in Längsrichtung
verlaufenden Mittelachse 12 im Wesentlichen ausgerichtet
sein. Während
diese Konfiguration die Herstellung und Instandhaltung erleichtern
kann, wird in Erwägung
gezogen, dass ein Versatz derartiger Detonationskanäle 66 in
Umfangsrichtung zwischen den Detonationsstufen 58, 60, 62 und 64 (wie
dies in 5 in Bezug auf die Detonationsstufen 58 und 60 mit
Strichlinie dargestellt ist) helfen kann, den durch das Impulsdetonationssystem 46 erzeugten
Lärm zu
reduzieren.
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Unabhängig von
der für
die Detonationskanäle 66 verwendeten
Konfiguration versteht es sich, dass die Detonationskanäle 66 jeder
Detonationsstufe 58, 60, 62 und 64 mit
der Luftöffnung 50 (vgl. 2),
der Brennstoffeinspritzeinrichtung 52 (vgl. 4)
und der Auslösevorrichtung 54 (vgl. 5)
in Bezug auf einen vorbestimmten Zeitablauf und eine vorbestimmte
Ablauffolge derart ausgerichtet bzw. abgestimmt sind, dass darin
eine Detonationswelle erzeugt wird. Dies ist auch durch die Drehrichtung
für das
Ringelement 56, wie sie durch einen Pfeil 81 in 5 dargestellt
ist, erwiesen. Die Verbrennungsgase folgen dann jeder Detonationswelle,
wobei ihr Impuls eine Kraft erzeugt, die aufgrund der exzentrischen
Orientierung der Detonationskanäle 66 ein Drehmoment
an dem Ringelement 56 hervorruft. Dieses Drehmoment veranlasst
das Ringelement 56 zu rotieren. Bevor der Detonationszyklus
stattfindet (d.h. vor der Einspritzung des Brennstoffs und der Auslösung einer
Detonationswelle in den Detonationskanälen 66) wird jedoch
bevorzugt, dass das Ringelement 56 mit einer vorbestimmten
Drehzahl rotiert. Dies wird durch die unter Druck stehende Luft
bewirkt, die den Detonationskanälen 66 durch
die Luftöffnung 50 zugeführt wird.
Es wird ferner bevorzugt, dass die Detonationskanäle 66 mit
dem Lufteinlasskanal 48 nicht in Strömungsverbindung stehen, während darin
die Detonation (und der nachfolgende Druckanstieg) stattfindet.
Auf diese Weise sind der Booster-Kompressor 28 und die
Gebläsegruppe 20 von
dem darin befindlichen hohen Druck isoliert, so dass dadurch ein
Strömungsabriss
oder Pumpstoß vermieden
wird.
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Es
versteht sich, dass vorzugsweise jeder Detonationskanal 66 mit
unter Druck stehender Luft versorgt wird, dass jedoch eine Brennstoffzufuhr und/oder
Auslösung
einer Detonationswelle in jedem nachfolgenden Detonationskanal 66 auftreten
kann oder nicht kann, abhängig
von der für
das Impulsdetonationssystem 46 erforderlichen Leistung
und davon, ob zwischen Detonationen ein Puffer oder eine Verzögerung erwünscht ist.
Demgemäß ist vor zugsweise
eine Vorrichtung 82 zur Steuerung der Brennstoffzufuhr
durch ein Sammelrohr 84 zu den Brennstoffeinspritzeinrichtungen 52 vorgesehen
(siehe 3). Ferner ist vorzugsweise eine Vorrichtung 86 zur
Steuerung der Auslösung
der Detonationswellen in den Detonationskanälen 66 mittels der
Auslösevorrichtung 54 vorgesehen
(vgl. 4).
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Um
zu verhindern, dass unter Druck stehende Luft oder Brennstoff zwischen
benachbarten Detonationskanälen 66 entweicht,
sind vorzugsweise mehrere Dichtungen 88 (z.B. Gleitflächendichtungen mit
Reibungskontakt) zwischen dem Lufteinlasskanal 48 und der
Innenfläche 74 des
Ringelementes 56 positioniert.
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Es
wird ferner bevorzugt, dass in jedem Detonationskanal 66 der
Detonationsstufen 58, 60, 62 und 64 mehrere
Detonationszyklen stattfinden. Demgemäß ist wenigstens eine zusätzliche
Folge von einer weiteren Luftöffnung 90,
die von der Auslösevorrichtung 54 in
Umfangsrichtung beabstandet angeordnet ist, einer weiteren Brennstoffeinspritzeinrichtung 92,
die von der Luftöffnung 90 in
Umfangsrichtung beabstandet ist und einer weiteren Vorrichtung 94,
die in Umfangsrichtung von der Brennstoffeinspritzeinrichtung 92 beabstandet
ist, und zur Auslösung
von Detonationswellen dient, in dem Lufteinlasskanal 48 vorgesehen
oder an diesem montiert. Es versteht sich, dass ein gewünschter
Abstand 96 in Umfangsrichtung zwischen der weiteren Luftöffnung 90 und
der Auslösevorrichtung 52 vorgesehen
ist, um im Wesentlichen eine Symmetrie zwischen den Detonationsfolgen
in jeder Detonationsstufe zu erzielen. Natürlich hängt dies von der Gesamtzahl
der Detonationsfolgen (mit der zugehörigen Luftöffnung, Brennstoffeinspritzeinrichtung
und Zündvorrichtung),
die in einer gegebenen Detonationsstufe vorgesehen sind, ab.
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Wie
in 1 mit Bezug auf das Gasturbinentriebwerk 10 ersichtlich,
ist ein Düsenplenum 98 vorzugsweise
in Bezug auf das Ringelement (und die Auslässe 76 der Detonationskanäle 66)
derart positioniert, dass es mit den daraus austretenden Verbrennungsgasen
in Strömungsverbindung
steht. Auf diese Weise wird ein zusätzlicher Schub durch eine Austrittsdüse 100 erzeugt.
Ferner kann wenigstens eine Turbinenstufe 102 in Strömungsverbindung
mit dem Düsenplenum 98 positioniert
sein. Eine derartige Turbinenstufe 102 kann mit der Antriebswelle 32 oder
einer anderen Antriebswelle verbunden sein, um eine zusätzliche
Schubkraft oder Arbeit zu erzeugen.
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Aus 8 ist
ersichtlich, dass ein modifiziertes Gasturbinentriebwerk 104 zur
Verwendung in industriellen Anwendungen oder sonstigen Leistungsaufnahmeanwendungen
(z.B. Schiffs- oder Hubschrauberantrieben) dargstellt ist, wie es
eine in Längsrichtung
verlaufende Mittelachse 105 aufweist. Wie darin zu sehen,
enthält
das Gasturbinentriebwerk 104 eine Triebwerksgondel 106 an
einem Einlass 108 und einen Kompressor 110, der
stromabwärts
von der Triebwerksgondel 106 und in Strömungsverbindung mit dieser
positioniert ist. Der Kompressor 110 enthält wenigstens
eine erste stationäre
Kompressorschaufelreihe 112, die mit der Antriebswelle 114 verbunden
ist, und eine zweite stationäre
Kompressorschaufelreihe 116, die mit der ersten Kompressorschaufelreihe 112 ineinander
greifend angeordnet ist. Es können
weitere Kompressorschaufelreihen 118, 120 und 122 mit
der Antriebswelle 114 verbunden sein, und zwar mit zusätzlichen
stationären
Kompressorschaufelreihen 124 bzw. 126, die jeweils
abwechselnd mit diesen angeordnet sind. An einem stromaufwärtigen Ende
des Kompressors 110 kann eine Einlassleitschaufel 128 positioniert sein,
um den Luftstrom in diesen zu leiten. Mit der Antriebswelle 114 ist
ferner über
eine zweite Antriebswelle 132 eine Last 130 verbunden.
Es ist ein Impulsdetonationssystem 134, wie das vorstehend
beschriebene, vorgesehen, um die Antriebswelle 114 anzutreiben,
wobei ein Auslasskanal 136 derart in Strömungsverbindung
mit dem Impulsdetonationssystem 134 steht, dass Verbrennungsgase
aus diesem austreten können.
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Gemäß der Beschreibung
der Impulsdetonationssysteme 46 und 134 für die Gasturbinentriebwerke 10 bzw. 104 ist
es verständlich,
dass auch ein Verfahren zur Bereitstellung von Leistung an einer Antriebswelle
in einem Gasturbinentriebwerk damit verbunden ist. Ein derartiges
Verfahren in Bezug auf das Gasturbinentriebwerk 10 enthält die Schritte
der Zuführung
unter Druck stehender Luft zu einem Lufteinlasskanal 48 und
der Bereitstellung eines drehbaren Ringelementes 56 in
einer koaxialen Anordnung zu dem Lufteinlasskanal 48. Das
Ringelement 56 enthält
wenigstens eine Stufe 58, 60, 62 und 64 von
darin vorgesehenen in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten
Detonationskanälen 66.
Ein weiterer Schritt des Verfahrens besteht in einer Verbindung des
Ringelementes 56 mit einer Antriebswelle 32. Danach
wird ein Detonationszyklus in jedem Detonationskanal 66 durchgeführt, um
ein Drehmoment zu erzeugen, das das Ringelement 56 und
die Antriebswelle 32 zum Rotieren veranlasst. Die Durchführung des
Detonationszyklus enthält
ferner die Schritte einer periodischen Zuführung unter Druck stehender Luft
zu den Detonationskanälen 66,
einer nachfolgenden Einspritzung von Brennstoff in die Detonationskanäle 66 und
einer nachfolgenden Auslösung
einer Detonationswelle in den Detonationskanälen 66. Diese Schritte
umfassen eine Abstimmung bzw. Ausrichtung der Detonationskanäle 66 jeder
Detonationsstufe 58, 60, 62 und 64 gemäß einer
vorbestimmten Zeitsteuerung und Ablauffolge mit einer Luftöffnung 50 in
dem Lufteinlasskanal 48, einer Brennstoffeinspritzeinrichtung 52,
die in Umfangsrichtung von der Luftöffnung 50 beabstandet
angeordnet ist, und einer Vorrichtung 54, die in Umfangsrichtung
von der Brennstoffeinspritzein richtung 52 beabstandet angeordnet
ist, um eine Detonationswelle auszulösen.
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Nachdem
die bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung veranschaulicht und beschrieben ist, können weitere
Anpassungen des Impulsdetonationssystems durch einen gewöhnlichen Fachmann
mittels geeigneter Modifikationen bewerkstelligt werden. Beispielsweise
können
verschiedene Konfigurationen der Detonationsstufen und Detonationskanäle sowie
eine unterschiedliche Anzahl und verschiedene Abstände der
Detonationsstufen und Detonationskanäle verwendet werden.