DE602005001738T2 - Pulsierendes Detonationssystem für eine Gasturbine mit mehreren Wellen - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Wesentlichen ein Puls-Detonationssystem für ein Gasturbinentriebwerk und insbesondere ein Puls-Detonationssystem, welches in der Lage ist, den Kern eines Gasturbinentriebwerks zu ersetzen und getrennt dessen Bläser und Booster-Verdichter anzutreiben.
  • Ein Typ eines Puls-Detonationssystems, welches die Notwendigkeit für ein getrenntes Ventil erübrigt hat, ist in einer Patentanmeldung mit dem Titel "Pulse Detonation Device For A Gas Turbine Engine" mit der Ser. Nr. 10/383,027, veröffentlicht als US 6 928 804 und dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übereignet, offenbart. Es sei her angemerkt, dass eine Puls-Detonationsvorrichtung einen feststehenden Lufteinlasskanal und ein Ringelement aufweist, welches darum herum rotiert. Die verschiedenen Detonationsereignisse finden in dem Ringelement zugeordneten Detonationskanälen statt, sobald Luft und Treibstoff eingespritzt und eine Detonationswelle darin ausgelöst wird. In dieser Konfiguration ist der hintere Abschnitt des drehbaren Ringelementes mit einer Antriebswelle in einer freitragenden Weise verbunden. Die Luftöffnungen, Treibstoffzuführungen und die Zündvorrichtungen sind benachbart zu einer Außenoberfläche des Lufteinlasskanals so angeordnet, dass sie sequentiell zu einem inneren Ende der Detonationskanäle ausgerichtet sind, welche an jedem Ende offen sind, sobald das Ringelement rotiert.
  • Ein zweiter Typ eines Puls-Detonationssystems im Besitz des Rechtsnachfolgers der vorliegenden Erfindung ist in einer Patentanmeldung mit dem Titel "Rotating Pulse Detonati on System For A Gas Turbine Engine" mit der Ser. Nr. 10/422,314, veröffentlicht als US 6 931 858 , offenbart. Dieses System offenbart ein drehbares zylindrisches Element mit einer nach vorne gerichteten Fläche, einer nach hinten gerichteten Fläche und einer Außenumfangsfläche, in welcher mehrere in Abstand angeordnete Detonationskanäle dadurch hindurch angeordnet sind. Insbesondere enthält jeder Detonationskanal wenigstens einen Abschnitt davon mit einer sich dadurch hindurch erstreckenden Längsachse, die in einem Umfangswinkel zu einer Längsmittelachse durch das Gasturbinentriebwerk hindurch ausgerichtet ist. Das Puls-Detonationssystem enthält auch eine Welle, die drehbar mit dem zylindrischen Element verbunden ist, und ein Stator ist in einer beabstandeter Anordnung zu der nach vorne gerichteten Fläche des zylindrischen Elementes und einem Abschnitt der Welle konfiguriert. Der Stator enthält ferner wenigstens eine Gruppe von Öffnungen, die darin ausrichtbar zu den Detonationskanälen ausgebildet sind, sobald sich das zylindrische Element dreht. Auf diese Weise werden Detonationszyklen in den Detonationskanälen so durchgeführt, dass Verbrennungsgase die nach hinten gerichtete Fläche des zylindrischen Elementes verlassen, um ein Drehmoment zu erzeugen, welches das zylindrische Element zu einer Drehung veranlasst.
  • Ein weiteres Puls-Detonationssystem im Besitz des Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung ist in einer Patentanmeldung mit dem Titel "Rotating Pulse Detonation System With Aerodynamic Detonation Passages For Use In A Gas Turbine Engine" mit der Ser. Nr. 10/803,293, veröffentlicht als US 7 124 573 , offenbart. Das darin beschriebene Puls-Detonationssystem enthält ein drehbares zylindrisches Element mit einer nach vorne gerichteten Fläche, einer nach hinten gerichteten Fläche und einer Außenumfangsfläche, wobei wenigstens eine Stufe von den in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Detonationskanälen dadurch hindurch angeordnet ist. Jeder Detonationskanal enthält ferner: einen vorderen Abschnitt, der angrenzend an die nach vorne gerichtete Fläche des zylindrischen Elementes positioniert ist, wobei der vordere Abschnitt eine Mittellinie dadurch besitzt, die in einem bestimmten Winkel zu einer Achse ausgerichtet ist, die sich im Wesentlichen parallel zu der Längsmittelachse innerhalb einer spezifizierten Ebene erstreckt; einen hinteren Abschnitt, welcher benachbart zu der nach hinten gerichteten Fläche des zylindrischen Elementes positioniert ist, wobei der hintere Abschnitt eine Mittellinie dadurch besitzt, die in einem bestimmten Winkel zu der Achse innerhalb der spezifizierten Ebene ausgerichtet ist; und einen mittleren Abschnitt, welcher die vorderen und hinteren Abschnitte verbindet, wobei der mittlere Abschnitt eine Mittellinie dadurch mit einer sich im Wesentlichen konstant ändernden Steigung in der spezifizierten Ebene aufweist. Eine Welle ist drehbar mit dem zylindrischen Element verbunden, und ein Stator ist in einer beabstandeten Anordnung zu der nach vorne gerichteten Fläche des zylindrischen Elementes und einem Abschnitt der Welle konfiguriert. Der Stator enthält ferner wenigstens eine Gruppe von Öffnungen, welche darin abstimmbar zu den vorderen Abschnitten der Detonationskanäle ausrichtbar sind, sobald das zylindrische Element dreht. Auf diese Weise werden Detonationszyklen in den Detonationskanälen so durchgeführt, dass Verbrennungsgase damit zusammenwirken, um ein Drehmoment zu erzeugen, welches eine Rotation des zylindrischen Elementes bewirkt.
  • Ferner offenbart EP 1 435 440 eine gepulste Verbrennungsvorrichtung als ein rotierendes Karussell mit einer Anzahl von Verbrennungskanälen in einer Umfangsanordnung. Das Karussell kann Einrichtungen für einen Antrieb der Drehung des Karussells enthalten. Das Karussell ist ein dritter freier Rotor zusätzlich zu den schnell und langsam drehenden Rotoren der Turbinen/Kompressor-Kombination.
  • In einer zweiten exemplarischen Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum unabhängigen Antreiben getrennter Antriebswellen in einem Gasturbinentriebwerk mittels eines Puls-Detonationssystems offenbart, das die nachstehenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines ersten drehbaren Elementes mit mehreren dazu zugeordneten Detonationsbereichen; Verbinden des ersten drehbaren Elementes mit einer ersten Antriebswelle des Gasturbinentriebwerks; Bereitstellen eines zweiten drehbaren Elementes mit mehreren dazu zugeordneten Detonationsbereichen; Verbinden des zweiten drehbaren Elementes mit einer zweiten Antriebswelle des Gasturbinentriebwerks; Erzeugen eines Drehmomentes auf dem erste drehbare Element über die Ausführung von Puls-Detonationszyklen in dessen Detonationsbereichen während eines ersten bestimmten Zustands des Gasturbinentriebwerks; und Erzeugen eines Drehmoments auf die ersten und zweiten drehbaren Elemente über die Durchführung von Puls-Detonationszyklen in dessen Detonationsbereichen während eines zweiten bestimmten Zustands des Gasturbinentriebwerks.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nun im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 1 eine schematische Längsansicht eines Gasturbinentriebwerks mit einem Bläserabschnitt und einem Booster-Verdichter ist, welche unabhängig durch ein Puls-Detonationssystem gemäß der vorliegenden Erfindung angetrieben werden;
  • 2 eine Längsquerschnittansicht eines Flugzeuggasturbinentriebwerks wie dem in 1 ist, welches ein Puls-Detonationssystem mit einer ersten exemplarischen Ausführungsform enthält;
  • 3 eine vergrößerte Längsquerschnitts-Teilansicht des in 2 dargestellten Puls-Detonationssystems ist;
  • 4 eine Vorderansicht des in den 2 und 3 dargestellten ersten drehbaren Ringelementes ist.
  • 5 eine Schnittansicht eines Gasturbinentriebwerks ähnlich dem in 1 dargestellten ist, das ein Puls-Detonationssystem mit einer zweiten exemplarischen Ausführungsform enthält;
  • 6 eine vergrößerte Längsquerschnitt-Teilansicht des in 5 dargestellten Puls-Detonationssystems ist;
  • 7 eine Vorderansicht des in den 5 und 6 dargestellten Puls-Detonationssystems ist;
  • 8 eine vergrößerte schematische Ansicht von einem der Detonationskanäle für die drehbaren Zylinder des in den 5 bis 7 dargestellten Puls-Detonationssystems ist;
  • 9 eine vergrößerte schematische Ansicht einer alternativen Konfiguration für einen von den Detonationskanälen des in den 5 bis 7 dargestellten Puls-Detonationssystems ist; und
  • 10 eine Teilschnittansicht einer zweiten alternativen Konfiguration für einen der Detonationskanäle des in den 5 bis 7 dargestellten Puls-Detonationssystems ist.
  • Gemäß detaillierter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in welchen identische Bezugszeichen dieselben Elemente durchgängig durch die Figuren bezeichnen, stellt 1 ein bei einem Flugzeug eingesetztes Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Längs- oder Axialmittellinie 12 dadurch hindurch für Bezugszwecke dar. Es dürfte sich aus der exemplarischen Ausführungsform von 2 verstehen, dass das Gasturbinentriebwerk 10 bevorzugt eine Gondel 14 enthält, um bei der Führung eines Luftstroms (dargestellt durch den Pfeil 16) durch einen Einlass 18 zu einem Bläserabschnitt 20, wie es allgemein bekannt ist, zu unterstützen. Der Luftstrom 16 wird dann stromabwärts von dem Bläserabschnitt 20 so aufgeteilt, dass ein (durch den Pfeil 22 dargestellter) erster Anteil durch einen äußeren Kanal 24 strömt, und ein (durch den Pfeil 26 dargestellter) zweiter Anteil einem Booster-Verdichter 28 zugeführt wird. Eine erste Bläserschaufelreihe 44 ist bevorzugt mit einer ersten Antriebswelle 32 verbunden. Es dürfte sich verstehen, dass der Booster-Verdichter 28 bevorzugt wenigstens eine erste Verdichterschaufelreihe 30 enthält, welche bevorzugt feststeht, und eine zweite Kompressorschaufelreihe 34 die mit einer zweiten Antriebswelle 33 verbunden und mit der ersten Verdichterschaufelreihe 30 ineinander greift. Man wird erkennen, dass zusätzliche Verdichterschaufelreihen 36 und 38 ebenfalls mit der zweiten Antriebswelle 33 verbunden sein können, wobei zusätzliche feststehende Verdichterschaufelreihen 40 und 42 jeweils damit verschachtelt sind. Die ersten und zweiten Antriebswellen 32 bzw. 33 werden mittels eines Puls-Detonationssystems 46 gemäß der vorliegenden Erfindung angetrieben.
  • Es dürfte sich verstehen, dass das Puls-Detonationssystem 46 bevorzugt zu Beginn nur die zweite Antriebswelle während eines ersten bestimmten Zustands des Gasturbinentriebwerks antreibt. Da die zweite Antriebswelle 33 dazu dient, die Drehung des Booster-Verdichters 28 zu bewirken, darf das für den Bläserabschnitt 20 benötigte wesentlich höhere Startdrehmoment nicht aus dem Puls-Detonationssystem 46 während dieses bestimmten Zustandes des Gasturbinen triebwerks 10 entnommen werden. Sobald der Booster-Verdichter 28 mit einer vorbestimmten Drehzahl (d.h., bei einem zweiten bestimmten Betriebszustand des Gasturbinentriebwerks 10) rotiert, wird das Puls-Detonationssystem 46 dann bevorzugt dazu genutzt, die erste Antriebswelle 32 anzutreiben und eine Rotation des Bläserabschnittes 20 sowie der zweiten Antriebswelle 33 zu bewirken. Man wird erkennen, dass dadurch, dass die zweite Antriebswelle 33 zuerst angetrieben wird, der Booster-Verdichter 28 die komprimierte Luft liefern kann, die von dem Puls-Detonationssystem 46 benötigt wird, wenn das höhere Startdrehmoment des Bläserabschnittes 20 benötigt wird. Aufgrund ihrer koaxialen Anordnung können die ersten und zweiten Antriebswellen 32 und 33 unabhängig betrieben werden.
  • Obwohl das Puls-Detonationssystem 46 in einer beliebigen von mehreren unterschiedlichen Arten konfiguriert wer den kann, dürfte es sich im Wesentlichen aus 1 verstehen, dass ein erster drehbarer Abschnitt 47 für den Antrieb der zweiten Antriebswelle 33 und ein zweiter drehbarer Abschnitt 49 für den Antrieb der ersten Antriebswelle 32 vorgesehen ist. Der erste drehbare Abschnitt 47 ist typischerweise stromaufwärts vor dem zweiten drehbaren Abschnitt 49 angeordnet, obwohl die Verbindung der ersten und zweiten Antriebswellen 32 und 33 mit dem Puls-Detonationssystem 46 es zulassen können, dass der erste drehbare Abschnitt 47 stromabwärts von dem zweiten drehbaren Abschnitt 49 angeordnet ist.
  • Der erste drehbare Bereich 47 kann im Wesentlichen nur eine einzige Stufe 51 enthalten, kann aber abhängig von den Startanforderungen des Booster-Verdichters 28 und dem von jeder derartigen Stufe des ersten drehbaren Bereichs 47 erzeugten Drehmomentes zusätzliche Stufen enthalten. Angesichts des von dem Bläserabschnitt 20 benötigten höheren Startdrehmoments weist der zweite drehbare Bereich 49 typischerweise mehrere darin eingebaute Stufen 53 auf. Man wird erkennen, dass der zweite drehbare Bereich 49 des Puls-Detonationssystems 46 durch eine Anzahl von Stufen 53 auf die Anforderungen eines arbeitenden Gasturbinentriebwerks 10 während jedes beliebigen Punktes in dem Triebwerkszyklus abgestimmt werden kann, während gleichzeitig der Wirkungsgrad des Puls-Detonationssystems 46 maximiert werden kann. Dieses wird durch die Leistung der Detonationszyklen nur innerhalb derjenigen Stufen des zweiten drehbaren Bereichs 49 (und möglicherweise nur Abschnitten derartiger Stufen) erreicht, die benötigt werden, um das gewünschte Drehmoment im Bläserabschnitt 20 zu erzielen.
  • Obwohl sie nicht erforderlich ist, kann das Gasturbinentriebwerk 10 ferner eine Turbine 55 enthalten, die hinter und in Strömungsverbindung mit dem Puls-Detonationssystem 46 positioniert ist. Eine derartige Turbine 55 würde bevorzugt ebenfalls mit der ersten Antriebswelle 32 verbunden werden, um somit beim Antrieb des Bläserabschnitts 20 zu unterstützen. Die Turbine 55 würde daher bevorzugt durch die Gasprodukte angetrieben, welche das Puls-Detonationssystem 46 verlassen und insbesondere durch den zweiten drehbaren Bereich 49. Die Implementation der Turbine 55 mit dem Puls-Detonationssystem 46 würde zum Erhöhen des Wirkungsgrades des Gasturbinentriebwerks 10 dienen, statt lediglich den Produkten aus dem Puls-Detonationssystem zu ermöglichen, den Ausgang ungenutzt zu verlassen.
  • Eine exemplarische Ausführungsform für das Puls-Detonationssystem 46 ist im Wesentlichen in der '027 Patentanmeldung beschrieben, welche hierdurch durch Bezugnahme beinhaltet ist.
  • Insbesondere enthält, wie es in den 24 zu sehen ist, diese Konfiguration des Puls-Detonationssystems 46 einen Lufteinlasskanal 48, welcher so positioniert ist, dass er mit dem Booster-Verdichter in Strömungsverbindung steht. Der Lufteinlasskanal 48 enthält wenigstens eine darin ausgebildete Öffnung 50, um ein Durchströmen der von dem Booster-Verdichter 28 erhaltenen der komprimierten Luft dadurch zu ermöglichen. Zusätzlich ist eine Treibstoffzuführungseinrichtung 52 auf dem Lufteinlasskanal 48 in einer in Umfangsrichtung beabstandeten Beziehung zu jeder Öffnung 50 befestigt, und eine Vorrichtung 54 ist an dem Lufteinlasskanal 48 in einer in Umfangsrichtung beabstandeten Beziehung zu jeder Treibstoffzuführungseinrichtung 52 zur Auslö sung von Detonationswellen befestigt. Man wird erkennen, dass die Auslösevorrichtung 54 beispielsweise einen Zünder (zum Beispiel eine Hochenergiezündkerze, einen Zündbrenner mit getrenntem Treibstoff und Oxidator, oder einen Plasmastrahlzünder), einen Laser, oder eine Schockfokussierungsvorrichtung enthalten kann.
  • Ein (dem ersten drehbaren Element 47 in 1 entsprechendes) erstes drehbares Ringelement 56 ist bevorzugt in koaxialer Beziehung (in Bezug auf die Mittellinienlängsachse 12) um einen stromaufwärts liegenden Abschnitt des Lufteinlasskanals 48 herum positioniert. Das erste drehbare Ringelement 56 enthält wenigstens eine darin angeordnete Detonationsstufe 58, obwohl zusätzliche Detonationsstufen darin in beabstandeter axialer Beziehung stromabwärts von der Detonationsstufe 58 abhängig von den Drehmomentanforderungen des Booster-Verdichters 28 vorgesehen sein können. In ähnlicher Weist ist ein (dem zweiten drehbaren Element 49 in 1 entsprechendes) zweites drehbares Ringelement 57 ist bevorzugt in koaxialer Beziehung um einen stromabwärts liegenden Abschnitt des Lufteinlasskanals 48 herum positioniert. Das zweite drehbare Ringelement 57 enthält bevorzugt mehrere darin in beabstandeter axialer Beziehung angeordnete Detonationsstufen 59 aufgrund der hohen Startdrehmomentanforderung des Bläserabschnitts 20.
  • Jede Detonationsstufe des ersten drehbaren Ringelementes 56 und des zweiten drehbaren Ringelementes 57 weist mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Detonationskanäle 66 bzw. 67 auf, welche sich tangential von einer Innenoberfläche 74 des ersten drehbaren Ringelementes 56 und einer Innenoberfläche 75 des zweiten drehbaren Ringelementes 57 in einer bestimmten radialen Ebene erstrecken.
  • Bevorzugt sind auch die ersten und zweiten drehbaren Ringelemente 56 und 57 zwischen jedem benachbarten Detonationskanal 66 und jedem benachbarten Detonationskanal 67 hohl, um so Gewicht zu reduzieren, und um dadurch den Detonationskanälen 66 und 67 ein rohrartiges Aussehen zu verleihen. Um zusätzliche Stabilität zu erzeugen, können verschiedene Verbindungen zwischen benachbarten Detonationskanälen 66 und zwischen benachbarten Detonationskanälen 67 vorgesehen sein. Eine alternative Konfiguration kann ein Ringelement mit an seiner Außenoberflächen befestigten Rohren beinhalten.
  • Es dürfte sich verstehen, dass, obwohl die Detonationskanäle 66 und 67 jeder Detonationsstufe 58 bzw. 59 im Wesentlichen senkrecht und versetzt von einer Längsmittellinienachse 12 ausgerichtet sein können, die Detonationskanäle 66 und 67 bevorzugt in einem Winkel nach hinten in Bezug auf eine Achse 68 im Wesentlichen senkrecht zur Längsachsenmittellinie 12 in einem Winkel angeordnet sind. Auf diese Weise ist die Strömung der die Detonationskanäle 66 und 67 verlassenden Verbrennungsgase in der Lage, eine Vorwärtsschubkomponente zu erzeugen, während gleichzeitig Drehverluste minimiert werden. Man wird ferner sehen, dass sich jeder Detonationskanal 66 von einem ersten Ende oder Einlass 72 angrenzend an eine Innenoberfläche 74 des ersten Ringelementes 56 zu einem zweiten Ende oder Auslass 76 benachbart zu einer Außenoberfläche 78 des ersten Ringelementes 56 erstreckt, während sich jeder Detonationskanal 67 von einem ersten Ende oder Einlass 73 benachbart zu einer Innenoberfläche 75 des zweiten drehbaren Ringelementes 57 zu einem zweiten Ende oder Auslass 77 benachbart zu einer Außenoberfläche 79 des zweiten drehbaren Ringelementes 57 erstreckt. Man wird erkennen, dass die Einlässe 72 und 73 aufgrund der tangentialen Anordnung der Detonationskanäle 66 und 67 an den Ringelement-Innenoberflächen 74 und 75 sind, sowie aufgrund der Relativbewegung zwischen den ersten und zweiten drehbaren Ringelementen 56 und 57 und dem Lufteinlasskanal 48 etwas größer. Trotzdem ist jeder von den Detonationskanälen 66 und 67 bevorzugt geradlinig mit einem im Wesentlichen runden Querschnitt mit einem im Wesentlichen konstanten Durchmesser hinter den Einlässen 72 und 73 bis zu den Auslässen 76 und 77. Jeder von den Detonationskanälen 66 und 67 kann einen im Wesentlichen konvergenten Durchmesser für wenigstens einen Abschnitt davon aufweisen, um einen schnellen Übergang zur Detonation zu erreichen. Natürlich kann die Geometrie der Detonationskanäle 66 und 67 auf die spezielle Anwendung (d.h., abhängig von dem Typ des verwendeten Treibstoffs) oder anderen Einschränkungen aufgrund von Platz oder Gewicht zugeschnitten werden.
  • Die Detonationskanäle 66 und 67 für jede Detonationsstufe des ersten und zweiten drehbaren Ringelementes 56 und 57 können im Wesentlichen in Umfangsrichtung ausgerichtet sein, wenn sie entlang der Längslinie 12 betrachtet werden. Obwohl diese Konfiguration die Herstellung und Wartung erleichtern kann, wird es in Betracht gezogen, dass eine Staffelung derartiger Detonationskanäle 66 und 67 in Umfangsrichtung zwischen den Detonationsstufen bei der Reduzierung des durch das Puls-Detonationssystem 46 erzeugten Lärms unterstützen kann.
  • Unabhängig von der für die Detonationskanäle 66 und 67 verwendeten Konfiguration wird man erkennen, dass die Detonationskanäle 66 und 67 jeder Detonationsstufe zu einer Luftöffnung 50, einer Treibstoffzuführung 52 und Detonati onsauslösevorrichtung 54 in einem vorbestimmten Zeittakt und einer Sequenz so ausgerichtet sind, dass eine Detonationswelle darin erzeugt wird. Dieses wird auch durch die Rotationsrichtung für das erste Ringelement 56 gemäß Darstellung durch einen Pfeil 81 in 4 verdeutlicht. Die Verbrennungsgase folgen dann jeder Detonationswelle deren Impuls eine Kraft erzeugt, die ein Drehmoment auf die ersten und zweiten drehbaren Ringelemente 56 und 57 aufgrund der exzentrischen Ausrichtung der Detonationskanäle 66 und 67 erzeugt. Dieses Drehmoment veranlasst die Ringelemente 56 und 57 zum Rotieren. Es wird es jedoch bevorzugt, das vor dem Stattfinden des Detonationszyklus (d.h., der Einspritzung von Treibstoff und der Auslösung einer Detonationswelle in den Detonationskanälen 66 und 67), das erste drehbare Ringelement 56 mit einer vorbestimmten Drehzahl rotiert. Dieses wird durch die Druckluft bewirkt, welche den Detonationskanälen 66 und 67 durch die Luftöffnung 50 zugeführt wird. Bevorzugt stehen die Detonationskanäle 66 und 67 mit dem Lufteinlasskanal 48, während die Detonation (und der sich daraus ergebende Druckanstieg) darin stattfindet, nicht in Verbindung. Auf diese Weise sind der Booster-Verdichter 28 und der Bläserabschnitt 20 von dem Hochdruck darin isoliert und wodurch ein Strömungsabriss oder Drucksprung vermieden wird.
  • Man wird erkennen, dass Druckluft bevorzugt jedem Detonationskanal 66 und 67 zugeführt wird, dass aber eine Treibstoffbefüllung und/Auslösung einer Detonationswelle in jedem aufeinander folgenden Detonationskanal 66 und 67 abhängig von der von dem Puls-Detonationssystem 46 angeforderten Kraft und ob ein Puffer oder eine Verzögerung zwischen den Detonationen gewünscht ist oder nicht, stattfinden kann oder nicht. Demzufolge sind bevorzugt (nicht dar gestellte) Vorrichtungen vorgesehen, um die Zuführung von Treibstoff über einen Verteiler zu den Treibstoffzuführungen 52 und die Auslösung von Detonationswellen in den Detonationskanälen 66 durch eine Zündvorrichtung 54 zu steuern.
  • Um zu verhindern, dass komprimierte Luft oder Treibstoff zwischen benachbarten Detonationskanälen 66 und 67 leckt, sind bevorzugt mehrere Dichtungen 82 (zum Beispiel schwimmende Reibkontaktdichtungen) zwischen dem Lufteinlasskanal 48 und Innenoberflächen 74 bzw. 75 der ersten und zweiten drehbaren Ringelemente 56 und 57 positioniert.
  • Es wird auch bevorzugt, dass mehrere Detonationszyklen in jedem Detonationskanal 66 und 67 der Detonationsstufen 58 und 59 während jeder Umdrehung der drehbaren Ringelemente 56 und 57 erfolgt. Demzufolge ist wenigstens eine zusätzliche Sequenz einer zusätzlichen Luftöffnung 90 in Umfangsrichtung von der Zündvorrichtung 54 beabstandet, einer zusätzlichen Treibstoffzuführung 92 in Umfangsrichtung von der Luftöffnung 90 beabstandet, und einer zusätzliche Vorrichtung 94 in Umfangsrichtung von der Treibstoffzuführung 92 beabstandet zur Auslösung von Detonationswellen in dem oder an dem Lufteinlasskanal 48 montiert vorgesehen. Man wird auch erkennen, dass ein bestimmter Umfangsabstand 96 zwischen der zusätzlichen Luftöffnung 90 und der Zündvorrichtung 94 vorgesehen ist, um so im Wesentlichen eine Symmetrie zwischen den Detonationssequenzen in jeder Detonationsstufe zu erzeugen. Natürlich hängt dieses von der Gesamtanzahl der Detonationssequenzen (mit der zugeordneten Luftöffnung, Treibstoffzuführung und Zündvorrichtung) ab, die in einer gegebenen Detonationsstufe vorgesehen sind.
  • Wie es in 2 in Bezug auf das Gasturbinentriebwerk 10 zu sehen ist, ist eine Düsenkammer 98 bevorzugt in Bezug auf die ersten und zweiten Ringelemente 56 und 57 (und Auslässe 76 und 77 der Detonationskanäle 66 und 67) so positioniert, dass sie mit dem daraus austretenden Verbrennungsgasen in Strömungsverbindung steht. Auf diese Weise wird zusätzlicher Schub durch eine Austrittsdüse 100 erzeugt. Ferner kann wenigstens eine (nicht dargestellte) Turbinenstufe der Düsenkammer 98 in Strömungsverbindung stehen. Eine derartige Turbinenstufe kann mit der Antriebswelle 32 oder mit einer anderen Antriebswelle verbunden sein, um somit zusätzlichen Schub oder Arbeit zu erzeugen.
  • Eine zweite Ausführungsform für das Puls-Detonationssystem ist schematisch in 5 dargestellt. Insbesondere sieht man, dass ein Gasturbinentriebwerk 110 eine Längsmittellinienachse 112 dadurch hindurch besitzt und bevorzugt eine Gondel 114 aufweist, um die Führung einer (durch den Pfeil 116 dargestellten) Luftströmung durch einen Einlass 118 hindurch zu einem Bläserabschnitt 120 zu unterstützen. Der Luftstrom 116 wird dann stromabwärts von dem Bläserabschnitt 120 so aufgeteilt, dass ein (durch den Pfeil 122 dargestellter) erster Anteil durch einen äußeren Kanal 174 strömt, und ein (durch den Pfeil 126 dargestellter) zweiter Anteil einem Booster-Verdichter 128 zugeführt wird. Eine erste Bläserschaufelreihe 144 ist bevorzugt mit einer ersten Antriebswelle 132 verbunden. Es dürfte sich verstehen, dass der Booster-Verdichter 128 bevorzugt wenigstens eine feststehende Kompressorschaufelreihe (siehe Kompressorschaufelreihen 30, 40 und 42 des Booster-Verdichters 28) und wenigstens eine mit einer zweiten Antriebswelle 133 verbundenen und mit den feststehenden Kompressorschaufelreihen ineinander greifende drehbare Kompressorschaufelrei he (siehe Kompressorschaufelreihen 34, 36 und 38 des Booster-Verdichters 28) aufweist. Die ersten und zweiten Antriebswellen 132 bzw. 133 werden mittels eines Puls-Detonationssystems 146 angetrieben.
  • Wie es weiter in 5 und 6 zu sehen ist, enthält das Puls-Detonationssystem 146 bevorzugt ein erstes drehbares zylindrisches Element 147 und ein zweites drehbares zylindrisches Element 149, welche koaxial um eine Längsmittelachse 112 ausgerichtet sind. In der dargestellten Konfiguration ist das erste drehbare zylindrische Element 147 so angeordnet, dass es in einer etwas stromaufwärts befindlichen axialen Position im Vergleich zu dem zweiten drehbaren Element 149, sowie in einer etwas äußeren radialen Position in Bezug auf ein derartiges zweites drehbares Element 149 angeordnet ist. Man wird erkennen, dass das erste drehbare zylindrische Element 147 bevorzugt mit der zweiten Antriebswelle 133 verbunden ist, um so den Booster-Verdichter 128 anzutreiben, während das zweite drehbare zylindrische Element 149 bevorzugt mit der ersten Antriebswelle 132 verbunden ist, um so den Bläserabschnitt 120 anzutreiben. Auf diese Weise wird das zweite drehbare zylindrische Element 149 dazu genutzt, um die das meiste Drehmoment erfordernde Komponente anzutreiben.
  • Es dürfte sich verstehen, dass das Puls-Detonationssystem 146 bevorzugt zu Beginn nur die zweite Antriebswelle 133 während eines ersten bestimmten Zustands des Gasturbinentriebwerks 110 (zum Beispiel während des Starts des Gasturbinentriebwerks 110) antreibt. Da die zweite Antriebswelle 133 dazu dient, die Drehung des Booster-Verdichters 128 zu bewirken, muss das für den Bläserabschnitt 120 benötigte wesentlich höhere Startdrehmoment nicht aus dem Puls- Detonationssystem 146 während dieses ersten bestimmten Zustands des Gasturbinentriebwerks 110 entnommen werden. Sobald der Booster-Verdichter 128 mit einer vorbestimmten Drehzahl (d.h., bei einem zweiten bestimmten Betriebszustand des Gasturbinentriebwerks 110) rotiert, wird dann das Puls-Detonationssystem 146 bevorzugt dazu genutzt, die erste Antriebswelle 132 anzutreiben und eine Rotation des Bläserabschnitts 120 sowie der zweiten Antriebswelle 133 und des Booster-Verdichters 128 zu bewirken. Man wird erkennen, dass dadurch, dass die zweite Antriebswelle 133 zuerst angetrieben wird, der Booster-Verdichter 128 die komprimierte Luft liefern kann, die von dem Puls-Detonationssystem 146 benötigt wird, wenn das höhere Startdrehmoment des Bläserabschnittes 120 benötigt wird. Aufgrund ihrer koaxialen Anordnung können die ersten und zweiten Antriebswellen 132 und 333 unabhängig betrieben werden.
  • Es dürfte sich verstehen, dass die ersten und zweiten drehbaren zylindrischen Elemente 147 und 149 des Gasturbinentriebwerks 110 bevorzugt die Grundkonfiguration haben, die in der U.S. Patentanmeldung 10/802,293 (mit dem Titel "Rotating Pulse Detonation System With Aerodynamic Detonation Passages For Use In A Gas Turbine Engine"), einer U.S. Patentanmeldung 10/422,314 (mit dem Titel "Rotating Pulse Detonation System For A Gas Turbine Engine" mit der Ser. Nr. 10/422,314 oder irgendeiner Kombination davon dargestellt uns beschrieben ist. Jede von diesen Anmeldungen ist hiermit durch Bezugnahme beinhaltet. Demzufolge stellt 6 ein erstes drehbares zylindrisches Element 147 mit einer nach vorne gerichteten Fläche 148, einer nach hinten gerichteten Fläche 150 und einer Außenumfangsfläche 155 dar. Es sei angemerkt, dass das erste drehbare zylindrische Element 147 einen einteiligen mittleren Abschnitt enthält, welcher mit der zweiten Antriebswelle 133 verbunden ist, wobei sich aber verstehen dürfte, dass wenigstens ein getrenntes Scheibenelement 156 vorgesehen sein kann, um das erste drehbare zylindrische Element 147 mit der Antriebswelle 133 zu verbinden.
  • In ähnlicher Weise enthält das zweite drehbare zylindrische Element 149 des Puls-Detonationssystems 146 bevorzugt eine nach vorne gerichtete Fläche 157, eine nach hinten gerichtete Fläche 159 und eine Außenumfangsfläche 160. Die Drehrichtung für das zweite drehbare zylindrische Element 149 ist bevorzugt dieselbe wie für das erste drehbare zylindrische Element 147. Gemäß Darstellung enthält das zweite drehbare zylindrische Element 149 bevorzugt wenigstens ein getrenntes Scheibenelement 161 zum Verbinden des zweiten drehbaren zylindrischen Elementes 149 mit der Antriebswelle 132. Es dürfte sich jedoch verstehen, dass das zweite drehbare zylindrische Element 149 einen einteiligen mittleren Abschnitt enthalten kann, welcher mit der ersten Antriebswelle 132 verbunden ist.
  • In dem Falle, in welchem die erste und/oder zweite drehbaren zylindrischen Elemente 147 oder 149 mit ihrem entsprechenden Scheibenelementen 156 und 161 verbunden sind, wird es bevorzugt, dass ein derartiges drehbares zylindrisches Element (gemäß Darstellung in 7 in Bezug auf das erste drehbare zylindrische Element 147) mehrere in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Schwalbenschwanzelemente 162 enthält, welche mit einer gleichen Anzahl von Schwalbenschwanzschlitzen 163, die in einem derartigen Scheibenelement 156 ausgebildet sind, in Verbindung stehen. Man wird aus 7 erkennen, dass das erste drehbare zylindrische Element 147 bevorzugt von mehreren ringförmigen Segmenten 164 gebildet wird, welche Schwalbenschwanzelemente 162 enthalten. Derartige ringförmige Elemente 164 enthalten im Wesentlichen in Abhängigkeit von dem Umfangsabstand zwischen den Detonationskanälen und der Krümmungslänge der ringförmigen Segmente 164 darin wenigstens einen Detonationskanal 166. Man wird jedoch erkennen, dass nicht jedes ringförmige Segment 164 einen derartigen Detonationskanal enthalten muss, wie zum Beispiel in Bezug auf den Umfangsabstand zwischen Gruppen von Öffnungen, wie es hierin beschrieben wird. In jedem Falle wird die Montage und Demontage des ersten drehbaren zylindrischen Elementes 147 vereinfacht, wenn eine Wartung oder Ersetzung nur von betroffenen Bereichen erforderlich ist.
  • Die ersten und zweiten drehbaren zylindrischen Elemente 147 und 149 enthalten ferner mehrere dadurch hindurch angeordnete Detonationskanäle 166 und 167. Wie es am besten in 8 in Bezug auf das erste drehbare zylindrische Element 147 zu sehen ist, ist jeder Detonationskanal 166 bevorzugt so geformt, dass er einen vorderen Abschnitt 168 enthält, der an einem stromaufwärts liegenden Ende benachbart zur nach vorne gerichteten Fläche 148 positioniert ist, einen hinteren Abschnitt 170, der an einem stromabwärts liegenden Ende benachbart zur nach hinten gerichteten Fläche 150 positioniert ist, und einem mittigen Abschnitt 172, welcher den vorderen Abschnitt 168 mit dem hinteren Abschnitt 170 verbindet. Man wird erkennen, dass eine Strichlinie 174 dargestellt ist, um im Wesentlichen den Übergang zwischen dem vorderen Abschnitt 168 und dem mittleren Abschnitt 172 zu definieren, während eine Strichlinie 176 in ähnlicher Weise dargestellt ist, um im Wesentlichen den Übergang zwischen dem mittleren Abschnitt 172 und dem hinteren Abschnitt 170 zu definieren. Natürlich dürfte es sich verste hen, dass die Detonationskanäle 167 des zweiten drehbaren zylindrischen Elementes 149 dieselbe Konfiguration haben können, wie sie für die Detonationskanäle 166 des ersten drehbaren zylindrischen Elementes 147 beschrieben wurden.
  • Man wird ferner aus der '293 Patentanmeldung erkennen, dass die Detonationskanäle 166 und 167 der ersten und zweiten drehbaren zylindrischen Elemente 147 und 149 so konfiguriert sein können, dass sie innerhalb einer Ebene mit einer tangentialen und/oder radialen Komponente dazu ausgerichtet sind. Unabhängig davon wird man erkennen, dass die Ausrichtung des vorderen Abschnittes 168 so ist, dass eine Mittellinie 178 im Wesentlichen vektoriell zu der Strömung ausrichtbar ist, die aus einer Gruppe von Öffnungen in einem Stator 180 austritt, wie es hierin besonders beschrieben wird. Man wird jedoch erkennen, dass die optimale Winkelausrichtung der vorderen Abschnitte 168 für Detonationskanäle 166 bevorzugt durch eine Analyse der Geschwindigkeitsvektoren für die Einlassluft und den durch die Gruppe von Öffnungen zugeführten Treibstoff angesichts der Rotationsgeschwindigkeit des ersten drehbaren zylindrischen Elementes 147 über einen Bereich von Betriebsbedingungen für das Triebwerk ermittelt wird.
  • Es sei ferner angemerkt, dass eine Mittellinie 182 für den hinteren Abschnitt 170 jedes Detonationskanals 166 ebenfalls bevorzugt in einem bestimmten Winkel so angeordnet wird, dass sie den Verbrennungsgasen ein Verlassen der nach hinten gerichteten Fläche 150 des ersten drehbaren zylindrischen Elementes 147 in einer Weise ermöglicht, dass ein Drehmoment erzeugt wird, welches eine Drehung des ersten zylindrischen Elementes 147 bewirkt. Wie es durch die Figuren dargestellt wird, sind die Detonationskanäle 166 im We sentlichen symmetrisch, so dass der vordere Abschnitt 168 und der hintere Abschnitt 170 in entgegengesetzten Richtungen bei bestimmten Winkeln mit im Wesentlichen derselben Größe ausgerichtet sind. Es dürfte sich jedoch verstehen, dass die Größe derartiger entsprechender Winkel unterschiedlich sein kann und nicht notwendigerweise derselbe sein muss.
  • Jeder Detonationskanal 166 und 167 besitzt bevorzugt im Wesentlichen einen runden Querschnitt über den gesamten Verlauf wenigstens eines Abschnittes davon, obwohl ein derartiger Querschnitt auch nicht rund sein kann. Man wird erkennen, dass der Durchmesser der Detonationskanäle 166 und 167 im Wesentlichen konstant sein kann. Gemäß Darstellung in 8 kann der hintere Abschnitt 170 von derartigen Detonationskanälen 166 einen sich aufweitenden Querschnitt besitzen, so dass er einen zunehmenden Durchmesser vom Durchmesser 184 an einer Strichlinie 176 bis zu einem maximalen Durchmesser 186 an einer nach hinten gerichteten Fläche 150 des ersten drehbaren zylindrischen Elementes 147 besitzt. Es sei auch angemerkt, dass der vordere Abschnitt 168 eine konvergierende Querschnittsfläche haben kann, so dass deren Durchmesser 188 an der nach vorne gerichteten Fläche 148 des ersten drehbaren zylindrischen Elementes 147 größer als der Durchmesser 190 an der Strichlinie 174 ist. Auf diese Weise kann der Durchfluß und der Druck in den Detonationskanälen 186 auf ihre gewünschten Effekte hin gesteuert werden.
  • Man wird ferner sehen, dass der mittige Abschnitt 172 jedes Detonationskanals 166 so konfiguriert ist, dass er eine sich im Wesentlichen konstant ändernde Steigung innerhalb seiner spezifizierten Ebene aufweist, während er die vorderen und hinteren Abschnitte 168 bzw. 170 verbindet. Wie in 8 zu sehen, ist der mittlere Abschnitt 172 so konfiguriert, dass eine Mittellinie 192 dadurch hindurch zu einer Mittellinie 178 des vorderen Abschnittes 168 bei einem ersten Ende ausgerichtet ist. In ähnlicher Weise ist der mittige Abschnitt 172 so konfiguriert, dass die Mittellinie 192 zu der Mittellinie 182 des hinteren Abschnittes 170 an einem zweiten Ende ausgerichtet ist. Da der vordere Abschnitt 168 und der hintere Abschnitt 170 in entgegengesetzten Richtungen ausgerichtet sind, erhält der mittige Abschnitt 172 einen (durch eine Strichlinie 194 definierten) Mittelpunkt, welcher den mittigen Abschnitt 172 von einer Richtung in die andere übergehen lässt, (d.h., dort wo dessen Steigung Null ist). Abhängig von den speziellen Ausrichtungen des vorderen Abschnittes 168 und des hinteren Abschnittes 170 der Detonationskanäle 166 ist die Mittellinie 192 an jeder gegebenen Stelle in einem positiven oder negativen Winkel ausgerichtet. Der Steigungsbereich für den mittigen Abschnitt 172 hängt ebenso von den entsprechend ausgelegten Winkeln des vorderen Abschnittes 168 bzw. des hinteren Abschnittes 170 ab.
  • Man wird erkennen, dass durch Konfigurieren des mittigen Abschnittes 172 in der beschriebenen Weise darin Druckänderungen so auftreten, dass die durch den Detonationsprozess in jeden Detonationskanal 166 und 167 erzeugten Verbrennungsgase gegen deren Innenoberfläche arbeiten, um einen Drehmoment auf erste und zweite drehbare zylindrische Elemente 147 und 149 zu erzeugen und ferner zu deren Rotation beizutragen. Somit ist das durch Drehen der ersten und zweiten drehbaren zylindrischen Elemente 147 und 149 erzeugte Drehmoment eine Funktion der Ausrichtung für den mittigen Abschnitt 172, sowie der Änderung in der Richtung des vorderen Abschnittes 168 und des hinteren Abschnittes 170. Die Konfiguration der Detonationskanäle 166 und 167 ähnelt daher den zwischen benachbarten Schaufeln einer Turbine angeordneten Öffnungen und funktioniert in einer ähnlichen Weise. Ferner ist die Strömung von Luft, Treibstoff und Verbrennungsgasen durch die Detonationskanäle 166 und 167 aufgrund von deren aerodynamischer Konfiguration gleichmäßig verteilt.
  • Ferner sind die Detonationskanäle 166 und 167 jeder Detonationsstufe bevorzugt symmetrisch in Umfangsrichtung beabstandet in den ersten und zweiten drehbaren zylindrischen Elementen 147 und 149 in Umfangsrichtung angeordnet. Die Anzahl der Detonationskanäle 166 und 167, welche in den ersten und zweiten drehbaren zylindrischen Elementen 147 bzw. 149 vorgesehen sind, ist von verschiedenen Faktoren abhängig, welche die Auslegungswinkel des vorderen Abschnittes 168 bzw. des hinteren Abschnittes 170 und einen Durchmesser der ersten und zweiten drehbaren zylindrischen Elemente 147 und 149 beinhalten. Wie hierin angemerkt, sind bevorzugt die mehreren austauschbaren ringförmigen Segmente 164 mit dem ersten drehbaren zylindrischen Element 147 (zum Beispiel mittels in dem Scheibenelement 156 ausgebildeten Schwalbenschwanzschlitzen 163) verbunden, wobei jedes ringförmige Segment 164 typischerweise wenigstens einen darin ausgebildeten Detonationskanal 166 enthält. Natürlich können die Detonationskanäle 166 und 167 alternativ in einem einteiligen drehbaren zylindrischen Element ausgebildet sein.
  • Das Puls-Detonationssystem 146 enthält ferner erste und zweite Statoren 180 und 196, welche in einer beabstandeten Anordnung in Bezug auf die nach vorne gerichteten Flächen 148 und 157 der ersten und zweiten drehbaren zylindrischen Elemente 147 bzw. 159, sowie einem Abschnitt der Antriebswellen 133 und 132 konfiguriert sind. Man sieht, dass jeder Stator 180 und 196 im Wesentlichen ringförmig ist und erste und zweite Dichtungsplatten 198 und 200 bevorzugt zwischen den nach vorne gerichteten Flächen 148 und 157 der ersten und zweiten drehbaren zylindrischen Elemente 147 und 149 bzw. entsprechenden nach hinten gerichteten Flächen 202 und 204 der ersten und zweiten Statoren 180 und 196 positioniert sind, um eine Strömung zwischen den Öffnungen zu verhindern.
  • Wie es in 7 in Bezug auf das erste drehbare zylindrische Element 147 zu sehen ist, enthält der erste Stator 180 ferner wenigstens eine Gruppe von darin ausgebildeten Öffnungen 206. Es dürfte sich verstehen, dass jede Öffnungsgruppe 206 eine Luftöffnung 208 in Strömungsverbindung mit einer Druckluftquelle (zum Beispiel einem Druckluftstrom 130 aus dem Booster-Verdichter 128), eine Treibstofföffnung 210 in Strömungsverbindung mit einer Treibstoffquelle und eine Öffnung 212 mit einer ihr zugeordneten (nicht dargestellten) Vorrichtung zum Auslösen einer Detonation in den Detonationskanälen 166 besitzt. Es wird in Betracht gezogen, dass exemplarische Auslösevorrichtungen eine Zündvorrichtung (zum Beispiel eine Hochenergiezündkerze, eine Brennerzündvorrichtung mit getrenntem Treibstoff und Oxidator oder eine Plasmastrahlzündvorrichtung) oder eine Schockfokusvorrichtung enthalten kann. Die Auslösevorrichtung kann aktiviert, wenn die Öffnung 212 mit jedem Detonationskanal 166 in Verbindung steht, um so bei der Erzeugung einer Detonationswelle in allen Detonationskanälen 166 zu unterstützen, oder gemäß einer vorbestimmten Verzögerung, so dass nur bestimmte Detonationskanäle 166 für diesen Zweck genutzt werden. Eine (nicht dargestellte) Steuervorrichtung ist bevorzugt für die Steuerung der Auslösung der Detonationen innerhalb der Detonationskanäle 166 vorgesehen. Obwohl er nicht speziell durch eine getrennte Figur dargestellt ist, dürfte es sich verstehen, dass der dem zweiten drehbaren zylindrischen Element 149 zugeordnete zweite Stator 196 bevorzugt in gleicher Weise wie der für den ersten Stator 180 beschriebene konfiguriert ist.
  • Es dürfte sich verstehen, dass Detonationszyklen in den Detonationskanälen 166 und 167 so durchgeführt werden, dass den Detonationswellen durch die Detonationskanäle 166 und 167 während derartigen Detonationszyklen folgende Verbrennungsgase sowohl auf eine Innenoberfläche des mittleren Abschnittes 172 treffen als auch die nach hinten gerichteten Flächen 150 und 159 der ersten und zweiten drehbaren zylindrischen Elemente 147 und 149 verlassen, um ein Drehmoment zu erzeugen, dass die ersten und zweiten drehbaren zylindrischen Elemente 147 und 149 zum Drehen bringt.
  • Es dürfte erkennbar sein, dass vor dem Auftreten irgendwelcher Detonationszyklen in den Detonationskanälen 166 und 167 die ersten und zweiten drehbaren zylindrischen Elemente 147 und 149 bevorzugt so angetrieben werden, dass man vorbestimmte Drehzahlen erreicht. Dieses wird durch die Zuführung von Druckluft zu den Detonationskanälen 166 und 167 über die Luftöffnungen 208 bei einem relativ höheren Druck als dem Druck erreicht, bei welcher Luft aus den Detonationskanälen 166 und 167 ausgegeben wird. Sobald die vorbestimmten Rotationsgeschwindigkeiten der ersten und zweiten drehbaren zylindrischen Elemente 147 und 149 erreicht sind, wird dann Treibstoff den Detonationskanälen 166 und 167 ge mäß den hierin vorstehend beschriebenen Triebwerkszuständen zugeführt.
  • Man wird erkennen, dass mehrere Öffnungsgruppen 206 in den ersten und zweiten Statoren 180 und 196 vorgesehen sein können, wobei mehrere Detonationszyklen in jedem Detonationskanal 166 und 167 während einer Umdrehung der ersten und zweiten drehbaren zylindrischen Elementen 147 und 149 erfolgen können. Derartige Öffnungsgruppen 206 sind bevorzugt symmetrisch um die ersten und zweiten Statoren 180 und 196 um den Umfang in Abstand angeordnet, obwohl es nicht erforderlich ist. Ferner können, obwohl die Anzahl von Öffnungsgruppen 206 gleich der Anzahl der auf den ersten und zweiten drehbaren zylindrischen Elementen 147 und 149 vorgesehenen Detonationskanäle 166 und 167 sein kann, beliebig mehr oder weniger vorhanden sein. In jedem Falle wird ein vorbestimmtes Maß an Umfangsabstand zwischen jeder Öffnungsgruppe 206 sowie zwischen jeder einzelnen Öffnung davon bereitgestellt. Ein derartiger Umfangsabstand kann einem auswechselbaren Segment 164 entsprechen, welches keinen Detonationskanal dadurch hindurch enthält.
  • Ein weiterer Aspekt des Puls-Detonationssystems 146 ist die Art, in welcher Treibstoff den Treibstofföffnungen 210 zur Einspritzung in die Detonationskanäle 166 und 167 zugeführt wird. In einer Ausführungsform sind erste und zweite Treibstoffverteiler 216 und 218 stromaufwärts von den ersten und zweiten Statoren 180 und 196 (siehe 5) vorgesehen. Die Treibstoffverteiler 216 und 218 stehen bevorzugt mit einer (nicht dargestellten) Treibstoffversorgung an einem Ende in Strömungsverbindung und auch mit Treibstofföffnungen 210 an einem zweiten Ende in Strömungsverbindung, so dass Treibstoff als Teil des hierin beschriebenen Detonati onszyklusses in den Detonationskanälen 166 und 167 zugeführt wird. Eine Vorrichtung 220 ist vorgesehen, um die Zuführung von Treibstoff aus den Treibstoffverteilern 216 und 218 zu steuern.
  • Es dürfte sich ferner verstehen, dass die Konfiguration der Detonationskanäle 166 und 167 der ersten und zweiten drehbaren zylindrischen Elemente 147 und 149 nicht auf den hierin vorstehend beschriebenen beschränkt sein muss. Stattdessen können gemäß Darstellung in 9 in Bezug auf den Detonationskanal 266 und Beschreibung in der '314 Patentanmeldung die Detonationskanäle 266 des ersten drehbaren zylindrischen Elementes 147 im Wesentlichen geradlinig sein und eine Längsachse 268 haben, die sich durch wenigstens einen Abschnitt davon in einem Umfangswinkel zur Längsmittelachse 112 erstreckt. Ein derartiger Winkel ist bevorzugt ein spitzer Winkel, welcher bevorzugt in dem Bereich von angenähert 20 bis 85° und optimal innerhalb eines Bereiches von angenähert 40 bis 75° liegt. Man wird jedoch erkennen, dass die optimale Winkelausrichtung der Detonationskanäle 266 bevorzugt durch eine Analyse der Geschwindigkeitsvektoren für die durch die Einlassöffnung 208 zugeführte Einlassluft und den Treibstoff aus dem Treibstoffeinlass 210 angesichts der Rotationsgeschwindigkeit des ersten drehbaren zylindrischen Elementes 147 über einen Bereich von Betriebsbedingungen für das Triebwerk ermittelt wird. Demzufolge haben die Detonationskanäle 266 eine exzentrische Ausrichtung in Bezug auf die Längsmittellinienachse 112. Es dürfte sich verstehen, dass die Detonationskanäle 266 auch in einem radialen Winkel zur Längsmittellinienachse 112 angeordnet sein können, sofern der Umfangswinkel beibehalten wird.
  • Die Detonationskanäle 266 können im Wesentlichen nicht geradlinig sein, sofern wenigstens ein Abschnitt davon die exzentrische Ausrichtung in Bezug auf die Längsmittelachse 112 einhält. Diesbezüglich kann man aus 10 ersehen, dass der Detonationskanal 266 einen ersten Abschnitt 270 enthalten kann, der eine sich dadurch hindurch erstreckende Längsachse 272 enthält, die im Wesentlichen parallel zu der Längsmittellinienachse 112 ausgerichtet ist, und einen zweiten Abschnitt 274 in Strömungsverbindung mit dem ersten Abschnitt 270, der eine sich dadurch hindurch erstreckende Längsachse 275 enthält, welche in einem vorbestimmten Umfangswinkel zur Längsachse 272 ausgerichtet ist. Demzufolge ist der zweite Abschnitt 274 der Detonationskanäle 266 in gleicher Weise in einem bestimmten Winkel zur Längsmittelachse 112 ausgerichtet und liegt bevorzugt in einem Bereich von angenähert 20 bis 85° oder optimal in einem Bereich von angenähert 40 bis 75° wie vorstehend beschrieben. Obwohl es nicht dargestellt ist können die Detonationskanäle 266 so gekrümmt sein, dass man eine ähnliche exzentrische Ausrichtung in Bezug auf die Längsmittelachse 112 erzielt. Es dürfte sich verstehen, dass Detonationskanäle mit einer alternativen Konfiguration wie der für die Detonationskanäle 266 beschriebenen anstelle der Konfiguration für die Detonationskanäle 167 in dem zweiten drehbaren zylindrischen Element 149 verwendet werden können.
  • Gemäß der Beschreibung des Puls-Detonationssystems 46 für das Gasturbinentriebwerk 10 wird man erkennen, dass ein Verfahren zum unabhängigen Antreiben getrennter Antriebswellen in einem Gasturbinentriebwerk ebenfalls dazu zugeordnet ist. Ein derartiges Verfahren in Bezug auf das Gasturbinentriebwerk 10 beinhaltet bevorzugt den Schritt der Bereitstellung eines ersten drehbaren Elementes (zum Bei spiel des ersten drehbaren Ringelementes 56) mit mehreren dazu zugeordneten Detonationsbereichen (d.h., wenigstens eine Stufe 58 von um den Umfang in Abstand angeordneten Detonationskanälen 66). Ein weiterer Schritt des Verfahrens ist die Verbindung des ersten drehbaren Elementes mit einer zweiten Antriebswelle 33. Der nächste Schritt beinhaltet bevorzugt die Bereitstellung eines zweiten drehbaren Elementes (zum Beispiel des zweiten drehbaren Ringelementes 57) mit mehreren dazu zugeordneten Detonationsbereichen und die Verbindung eines derartigen zweiten drehbaren Elementes mit einer ersten Antriebswelle 32. Anschließend beinhaltet das Verfahren den Schritt der Erzeugung eines Drehmomentes auf dem ersten drehbaren Element über die Ausführung von Puls-Detonationszyklen in dessen Detonationsbereichen während eines ersten bestimmten Zustands des Gasturbinentriebwerks 10. Ein zusätzlicher Schritt erzeugt ein Drehmoment auf dem zweiten drehbaren Element über die Ausführung von Puls-Detonationszyklen in dessen Detonationsbereichen während eines zweiten bestimmten Zustands des Gasturbinentriebwerks 10.
  • Auf diese Weise wird ein Detonationszyklus in jedem Detonationskanal 66 und 67 durchgeführt, um ein Drehmoment zu erzeugen, welches eine Rotation der Ringelemente 56 und 57 sowie einen Antrieb der Wellen 32 und 33 bewirkt. Die Durchführung des Detonationszyklusses beinhaltet ferner die Schritte der periodischen Zuführung von Druckluft zu den Detonationskanälen 66 und 67, das anschließende Einspritzen von Treibstoff in die Detonationskanäle 66 und 67, und das anschließende Auslösen einer Detonationswelle in den Detonationskanälen 66 und 67. Diese Schritte beinhalten die Ausrichtung der Detonationskanäle 66 und 67 jeder Detonationsstufe in einem vorbestimmten Zeittakt und in einer Se quenz zu einer Luftöffnung 50 in einem Lufteinlasskanal 48, einer Treibstoffzuführung 52 in zu der Luftöffnung 50 in Umfangsrichtung beabstandeten Beziehung und einer Vorrichtung 54 in zu einer Treibstoffzuführung 52 in Umfangsrichtung beabstandeten Beziehung zum Auslösen einer Detonationswelle.
  • Bezüglich des Puls-Detonationssystems 146 eines Gasturbinentriebwerks 110 ist ein ähnliches Verfahren zu unabhängigen Antreiben getrennter Antriebswellen in einem Gasturbinentriebwerk ebenfalls dazu zugeordnet. Ein derartiges Verfahren in Bezug auf das Gasturbinentriebwerk 110 beinhaltet bevorzugt den Schritt der Bereitstellung eines ersten drehbaren Elementes (zum Beispiel des ersten drehbaren zylindrischen Elementes 147) zu mehreren dazu zugeordneten Detonationsbereichen (zum Beispiel wenigstens einer Stufe von in Umfangsrichtung in Abstand angeordneten Detonationskanälen 166). Ein weiterer Schritt des Verfahrens ist die Verbindung des ersten drehbaren zylindrischen Elementes 147 mit einer zweiten Antriebswelle 133. Die nächsten Schritte beinhalten bevorzugt die Bereitstellung eines zweiten drehbaren Elementes (zum Beispiel des zweiten drehbaren zylindrischen Elementes 149) mit mehreren dazu zugeordneten Detonationsbereichen (zum Beispiel wenigstens einer Stufe von in Umfang in Abstand angeordneten Detonationskanälen 167) und die Verbindung eines derartigen zweiten drehbaren zylindrischen Elementes 149 mit der ersten Antriebswelle 132. Danach beinhaltet das Verfahren den Schritt der Erzeugung eines Drehmomentes auf ein erstes drehbares zylindrisches Element 147 über die Durchführung von Puls-Detonationszyklen in dessen Detonationsbereichen während eines ersten bestimmten Zustandes des Gasturbinentriebwerks 110. Ein zusätzlicher Schritt erzeugt ein Drehmoment auf dem zweiten drehbaren zylindrischen Element 149 über die Durchführung von Puls-Detonationszyklen in dessen Detonationsbereichen während eines zweiten bestimmten Zustandes des Gasturbinentriebwerks 110.
  • Auf diese Weise wird ein Detonationszyklus in jedem Detonationskanal 166 und 167 durchgeführt, um ein Drehmoment zu erzeugen, welches eine Drehung der ersten und zweiten drehbaren zylindrischen Elemente 147 und 149 sowie einen Antrieb der ersten und zweiten Wellen 132 und 133 bewirkt. Die Durchführung des Detonationszyklusses beinhaltet ferner die Schritte der periodischen Zuführung von Druckluft zu den Detonationskanälen 166 und 167, anschließend das Einspritzen von Treibstoff in die Detonationskanäle 166 und 167, und anschließend das Auslösen einer Detonationswelle in den Detonationskanälen 166 und 167. Diese Schritte bein halten eine Ausrichtung der Detonationskanäle 166 und 167 jeder Detonationsstufe in einem vorbestimmten Zeitablauf und in einer Sequenz zu einer Luftöffnung 208 in ersten und zweite Statoren 180 und 196, einer Treibstoffzuführung 210 in zu der Luftöffnung 208 in Umfangsrichtung beabstandeten Beziehung, und einer Vorrichtung in der Auslöseöffnung 212 in einer in Umfangsrichtung zu der Treibstoffzuführung 210 in Abstand angeordneten Beziehung zum Auslösen einer Detonationswelle.

Claims (10)

  1. Gasturbinentriebwerk (10, 110) mit einer Längsmittelachse (12, 112), das aufweist: (a) einen Bläserabschnitt (20, 120) an einem vorderen Ende des Gasturbinentriebwerks (10, 110), mit mindestens einer ersten Bläserschaufelreihe (44, 144), die mit einer ersten Antriebswelle (32, 132) verbunden ist; (b) einen Booster-Verdichter (28, 128), der stromabwärts des Bläserabschnittes (20, 120) positioniert ist, wobei der Booster-Verdichter (28, 128) eine erste Kompressorschaufelreihe (30) und eine zweite Kompressorschaufelreihe (34) beinhaltet, die mit einer zweiten Antriebswelle (33, 133) verbunden ist und die mit der ersten Kompressorschaufelreihe (30) überlappt; und (c) eine Puls-Detonationseinrichtung (46, 146), die die erste und die zweite Antriebswelle (32, 33, 132, 133) antreibt.
  2. Gasturbinentriebwerk (10, 110) nach Anspruch 1, worin die Puls-Detonationseinrichtung (46, 146) während ei nes ersten bestimmten Zustands des Gasturbinentriebwerks (10, 110) nur die zweite Antriebswelle (33, 133) antreibt.
  3. Gasturbinentriebwerk (10, 110) nach Anspruch 1, worin die Puls-Detonationseinrichtung (46, 146) während eines zweiten bestimmten Zustandes des Gasturbinentriebwerks (10, 110) sowohl die erste Antriebswelle (32, 132) als auch die zweite Antriebswelle (33, 133) antreibt.
  4. Gasturbinentriebwerk (10, 110) nach Anspruch 1, worin die ersten und die zweiten Antriebswellen (32, 33, 132, 133) unabhängig voneinander durch die Puls-Detonationseinrichtung (46, 146) angetrieben werden.
  5. Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 1, worin die Puls-Detonationseinrichtung (46) ferner einen ersten drehbaren Bereich (47) zum Antreiben der zweiten Antriebswelle (33) aufweist.
  6. Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 1, worin die Puls-Detonationseinrichtung (46) ferner einen zweiten drehbaren Bereich (49) zum Antreiben der ersten Antriebswelle (32) aufweist.
  7. Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 1, das ferner eine Turbine (55) aufweist, die nachfolgend an und in Strömungsverbindung mit der Puls-Detonationseinrichtung (46) positioniert ist, wobei die Turbine (55) ebenfalls dazu verwendet wird, um die erste Antriebswelle (32) anzutreiben.
  8. Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 1, wobei die Puls-Detonationseinrichtung (46) ferner aufweist: (a) einen Lufteinlasskanal (48) in Strömungsverbindung mit dem Boosterverdichter (28), wobei der Lufteinlasskanal (48) mindestens eine darin ausgebildeten Öffnung (50) enthält, um der verdichteten Luft zu erlauben durch diesen zu strömen; (b) eine Treibstoffzuführung (52), die an dem Lufteinlasskanal (48) in Umfangsrichtung von der Öffnung (50) beabstandet montiert ist; (c) eine Einrichtung (54), die an dem Lufteinlasskanal (48) in Umfangsrichtung von der Treibstoffzuführung (52) beabstandet montiert ist, um eine Detonationswelle zu zünden; (d) ein erstes drehbares Ringelement (56), das in koaxialer Beziehung um einem ersten Bereich des Lufteinlasskanals (48) positioniert ist, wobei das erste Ringelement (56) mindestens eine Stufe (58) des in diesem positionierten Detonationskanals (66) enthält, wobei das Ringelement (56) mit der zweiten Antriebswelle (33) verbunden ist; und (e) ein zweites drehbares Ringelement (57), das in koaxialer Beziehung um einen zweiten Bereich des Lufteinlasskanals (48) positioniert ist, wobei das zweite Ringelement (57) mindestens eine Stufe (59) des in diesem positionierten Detonationskanals (67) enthält, wobei das zweite Ringelement (57) mit der ersten Antriebswelle (32) verbunden ist; worin in der ersten Detonationsstufe (58) des ersten drehbaren Ringelements (56) während des ersten bestimmten Zustands des Gasturbinentriebwerks (10) Detonationswellen erzeugt werden, so dass Verbrennungsgase, die auf jede der Detonationswellen folgen, ein Drehmoment erzeugen, das dazu führt, dass das erste Ringelement (56) sich dreht und die zweite Antriebswelle (33) antreibt.
  9. Gasturbinentriebwerk (110) nach Anspruch 1, wobei die Puls-Detonationseinrichtung (146) ferner aufweist: (a) ein erstes drehbares zylindrisches Element (147) mit einer nach vorn gerichteten Fläche (148), einer nach hinten gerichteten Fläche (148) und einer Umfangsfläche (155), wobei das erste drehbare zylindrische Element (147) mindestens eine Stufe der durch es hindurchgehenden in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Detonationsöffnungen (166) enthält, wobei das erste drehbare zylindrische Element (147) mit der zweiten Antriebswelle (133) verbunden ist; (b) ein zweites drehbares zylindrisches Element (149), das benachbart zu dem ersten drehbaren zylindrischen Element (147) angeordnet ist, wobei das zweite drehbare zylindrische Element (149) eine nach vorn gerichtete Fläche (157), eine nach hinten gerichtete Fläche (159) und eine äußere Umfangsfläche (160) aufweist und mindestens eine Stufe der durch es hindurchgehenden in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Detonationsöffnung (167) aufweist, wobei das zweite drehbare zylindrische Element (149) mit der ersten Antriebswelle (132) verbunden ist; (c) einen ersten Stator (180), der zu dem ersten drehbaren zylindrischen Element (147) beabstandet angeordnet ist, wobei der erste Stator (180) mindestens eine Gruppe von darin gebildeten Öffnungen (206) enthält, die zu den ersten Detonationsöffnungen (166) ausrichtbar sind, wenn sich das erste zylindrische Element (147) dreht; und (d) einen zweiten Stator (196), der in beabstandeter Anordnung zu dem zweiten drehbaren zylindrischen Element (149) angeordnet ist, wobei der zweite Stator (196) mindestens eine Gruppe von darin gebildeten Öffnungen (206) enthält, die zu den Detonationsöffnungen (167) ausrichtbar sind, wenn sich das zweite zylindrische Element (149) dreht; wobei die Detonationszyklen in der Detonationsstufe des ersten drehbaren zylindrischen Elements (147) während eines ersten bestimmten Zustandes des Gasturbinentriebwerks (110) durchgeführt werden, um ein Drehmoment zu erzeugen, das dazu führt, das das erste drehbare zylindrische Element (147) sich dreht und die zweite Antriebswelle (133) antreibt.
  10. Gasturbinentriebwerk (110) nach Anspruch 9, worin die Detonationsöffnungen (166, 167) in den ersten und zweiten drehbaren zylindrischen Elementen (147, 149) ferner aufweisen: (a) einen Anströmabschnitt (168), der zu der vorderen Fläche (148, 157) des zylindrischen Elements (147, 149) benachbart positioniert ist, wobei der Anströmabschnitt (168) eine durch ihn führende Mittellinie (178) aufweist, die in einer bestimmten Ebene unter einem bestimmten Winkel zu einer Achse angeordnet ist, die im Wesentlichen parallel zu der Längsmittelachse (112) ausgerichtet ist; (b) einen Abströmabschnitt (170), der zu der hinteren Fläche (150, 159) des zylindrischen Elements (147, 149) benachbart angeordnet ist, wobei der Abströmabschnitt (170) eine durch diesen führende Mittellinie (182) aufweist, die in der bestimmten Ebene unter einem bestimmten Winkel zu der Achse ausgerichtet ist; (c) einen Mittelabschnitt (172), der den Anströmabschnitt und den Abströmabschnitt (168, 170) verbindet, wobei der Mittelabschnitt (172) eine Mittellinie (192) aufweist, die in der bestimmten Ebene einen sich stetig verändernden Anstieg aufweist.
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