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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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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;
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2 eine
Längsquerschnittansicht
eines Flugzeuggasturbinentriebwerks wie dem in 1 ist, welches
ein Puls-Detonationssystem
mit einer ersten exemplarischen Ausführungsform enthält;
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3 eine
vergrößerte Längsquerschnitts-Teilansicht
des in 2 dargestellten Puls-Detonationssystems ist;
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4 eine
Vorderansicht des in den 2 und 3 dargestellten
ersten drehbaren Ringelementes ist.
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5 eine
Schnittansicht eines Gasturbinentriebwerks ähnlich dem in 1 dargestellten
ist, das ein Puls-Detonationssystem mit einer zweiten exemplarischen
Ausführungsform
enthält;
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6 eine
vergrößerte Längsquerschnitt-Teilansicht
des in 5 dargestellten Puls-Detonationssystems ist;
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7 eine
Vorderansicht des in den 5 und 6 dargestellten
Puls-Detonationssystems ist;
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8 eine
vergrößerte schematische
Ansicht von einem der Detonationskanäle für die drehbaren Zylinder des
in den 5 bis 7 dargestellten Puls-Detonationssystems
ist;
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9 eine
vergrößerte schematische
Ansicht einer alternativen Konfiguration für einen von den Detonationskanälen des
in den 5 bis 7 dargestellten Puls-Detonationssystems
ist; und
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10 eine
Teilschnittansicht einer zweiten alternativen Konfiguration für einen
der Detonationskanäle
des in den 5 bis 7 dargestellten Puls-Detonationssystems
ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine
exemplarische Ausführungsform
für das
Puls-Detonationssystem 46 ist im Wesentlichen in der '027 Patentanmeldung
beschrieben, welche hierdurch durch Bezugnahme beinhaltet ist.
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Insbesondere
enthält,
wie es in den 2–4 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.