DE60306879T2

DE60306879T2 - Pulsierender Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE60306879T2
Application number: DE2003606879
Authority: DE
Inventors: Bradley C. East Hampton Sammann; Wendell V. Glastonbury Twelves; Harvey L. East Hampton Klein; James E. Jensen Beach Jones; Gary D. Jensen Beach Jones; James W. Lebanon Norris; Stephen K. Cromwell Kramer; Douglas A. Glastonbury Thonebe
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 2002-12-30
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2023-12-25
Also published as: EP1435440B1; DE60306879D1; EP1435440A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Antriebsmaschinen und insbesondere Hybrid-Puls-Verbrennungsturbinenmaschinen.
Beschreibung des Technikgebiets
Bei einer konventionellen Gasturbinenmaschine erfolgt die Verbrennung bei einem Betriebszustand mit einem kontinuierlichen, annähernd konstantem Druck (Rankine-Kreisprozess). Eine derartige konventionelle Kreisturbinenmaschinenverbrennung ist bekanntermaßen ineffizient und das hat zu vielen Anstrengungen zur Verbesserung der Effizienz geführt.
Es wurde vorgeschlagen, die effizientere Verbrennung von Verbrennungspulsdetonationsmaschinen (PDEs – pulse detonation engines) mit einer Verbrennung bei annähernd konstantem Volumen bei Turbinenmaschinenbrennkammereinrichtungen einzusetzen. Generell werden bei einer PDE Brennstoff und Oxidationsmittel (z. B. sauerstoffhaltiges Gas wie beispielsweise Luft) an einem strömungsaufwärtigen Einlassende typischerweise durch ein Einlassventil als eine Mischung in eine längliche Brennkammer eingelassen. Nach dem Einbringen dieser Ladung wird das Ventil geschlossen und eine Zündeinrichtung wird verwendet, um die Ladung detonieren zu lassen (entweder direkt oder über einen Übergang von Entflammung zu Detonation). Eine Detonationswelle breitet sich mit Überschallgeschwindigkeit in Richtung zu dem Auslass aus und bewirkt eine substantielle Verbrennung der Brennstoff/Luftmischung bevor die Mischung im Wesentlichen aus dem Auslass ausgetrieben werden kann. Das Ergebnis der Verbrennung ist ein schnelles Erhöhen des Drucks in der Kammer bevor Gas im wesentlichen Umfang inert durch den Auslass entkommen kann. Der Effekt dieser Trägheits-Rückhaltung ist das Erzeugen einer Verbrennung bei annähernd konstantem Volumen. Das US Patent Nr. 6 442 930 beispielsweise schlägt die Brennkammerverwendung der PDE Technologien zusätzlich zur Verwendung als ein Schubverstärker in Maschinen mit konventionellen Brennkammereinrichtungen vor.
Eine PDE mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und 6 ist in US-A-3417564 beschrieben.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Turbinenmaschine mit einem Gehäuse, einem Verdichterabschnitt und einem Turbinenabschnitt. Eine umfangsmäßige Anordnung von Brennkammerleitungen ist strömungsabwärts des Verdichters und strömungsaufwärts der Turbine. Die Anordnung ist für eine kontinuierliche Rotation relativ zu dem Gehäuse in einer ersten Richtung um die Gehäuseachse abgestützt, um zyklisch jede Leitung von einer Beladungszone zum Empfangen einer Ladung von strömungsaufwärts zu einer Entladungszone zum strömungsabwärtigen Abgeben von Verbrennungsprodukten der Ladung zu bringen, um so das Rotieren der Anordnung anzutreiben.
In verschiedenen Realisierungen kann es eine erste Luftströmung im Wesentlichen durch den Verdichter und die Turbine geben und ein erster Anteil der ersten Luftströmung kann durch die Brennkammerleitungen in den Ladungen gehen und ein zweiter Anteil der ersten Luftströmung kann die Verbrennung umströmen. Ein Massenströmungsverhältnis des ersten Anteils zu dem zweiten Anteil kann zwischen 1:1 und 1:3 sein. Die Maschine kann ein Turbobläser sein und die erste Luftströmung kann eine Kernluftströmung sein. Eine Bypassluftströmung kann den Verdichter und die Turbine umströmen. Ein Massenströmungsverhältnis der Bypassluftströmung zu der Kernluftströmung kann zwischen 3:1 und 9:1 sein. Die Verbrennung kann Detonation aufweisen. Die Turbine und der Verdichter können jeweils eine hohe und eine niedrige Stufe jeweils an einer hohen bzw. einer niedrigen Spule aufweisen. Die Anordnung kann an einer freien Spule sein und deren Rotation kann durch ein teil-tangentiales Lenken der Verbrennungsprodukte angetrieben sein. Die Leitungen können zumindestens teil-tangential gerichtet sein. Die Leitungen können im Wesentlichen in Längsrichtung gerichtet sein und die Maschine kann eine Anzahl von Strömungsprofilen aufweisen, die an der freien Spule angebracht sind, um die Produkte teil-tangential zu lenken.
Die Maschine kann eine Anzahl von Zündeinrichtungen aufweisen, von denen jede relativ zu einer zugehörigen Leitung positioniert ist, um die Verbrennung der Ladung in der zugehörigen Leitung zu entzünden. Die Maschine kann eine Einrichtung zum Starten der Rotation aufweisen.
Die Maschine kann ein Turbobläsertriebwerk mit einem Bläser, einem Verdichter und einer Turbine, die koaxial zu dem Verdichter entlang einer Achse ist, sein. Die Pulso-Verbrennungs-Brennkammereinrichtung erhält Luft von dem Verdichter und gibt Verbrennungsgase an die Turbine ab. Die Brennkammereinrichtung hat eine Anzahl von Brennkammerleitungen, die für eine Rotation um die Achse über eine Anzahl von Positionen gehalten ist. Die Positionen können mindestens eine Ladungsempfangsposition zum Empfangen einer Ladung von strömungsaufwärts, mindestens eine Initiierungsposition zum Initiieren der Verbrennung der Ladung und mindestens eine Entladungsposition zum strömungswärtigen Abgeben der Verbrennungsprodukte der Ladung aufweisen, um so ein Rotieren der Leitung anzutreiben.
In verschiedenen Realisierungen kann die Maschine mindestens einen Brennstoffinjektor zum Injizieren von Brennstoff in die Luft von dem Verdichter aufweisen, um die Ladungen zu bilden. Die Maschine kann mindestens einen Ring aus Strömungsprofilen aufweisen, die mit den Leitungen als eine Einheit rotieren.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Pulsverbrennungsvorrichtung, aufweisend eine Abstützstruktur und ein Brennkammereinrichtungs-Karussell, welches von der Abstützstruktur abgestützt ist und relativ dazu um eine Achse rotiert. Das Karussell weist eine Anzahl von Verbrennungsleitungen in einer umfangsmäßigen Anordnung auf, wobei jede zyklisch eine Ladung empfängt und Verbrennungsprodukte der Ladung abgibt, um so die Rotation des Karussells anzutreiben.
In verschiedenen Realisierungen kann das Karussell eine Einrichtung zum Antreiben der Rotation aufweisen. Die Einrichtung kann eine Anzahl von Strömungsprofilen aufweisen, die positioniert sind, um die Entladungsprodukte von den Verbrennungsleitungen umzulenken. Die Verbrennung kann Detonation aufweisen. Die Vorrichtung kann eine Turbinenmaschine mit einem Verdichter strö mungsaufwärts des Karussells und einer Turbine strömungsabwärts des Karussells sein. Die Vorrichtung kann ein nicht-rotierender Verzweigungseinrichtungsbereich sein, der mindestens einen Sektor zum Befördern von Luft zu einem ausgerichteten vorübergehenden ersten Gruppe der Verbrennungsleitungen und mindestens einen zweiten Sektor zum Blockieren strömungsaufwärtiger Enden einer ausgerichteten zweiten Gruppe der Verbrennungsleitung gegen eine Kommunikation nach strömungsaufwärts hat. Es können mindestens zehn solche Leitungen vorhanden sein. Die Leitungen können mittlere Querschnittsflächen zwischen 12,9 cm² und 51,6 cm² haben. Die Vorrichtung kann zum Antreiben von Flugzeugen verwendet werden.
Die Details von einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung werden in den begleitenden Zeichnungen der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen und aus den Ansprüchen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Längsschnitt-Teilansicht einer Turbobläsermaschine.
2 ist ein isolierte isometrische Ansicht einer Brennkammereinrichtung der Maschine von 1.
3 ist eine Längsschnitt-Teilansicht der Maschine von 1 entlang eines Beladungssektors.
4 ist eine Längsschnitt-Ansicht einer Verzweigungseinrichtung der Maschine von 1 entlang des Beladungssektors.
5 ist eine Längsschnitt-Teilansicht der Maschine von 1 entlang eines Entladungssektors.
6 ist eine Schnittansicht eines Verbrennungsrohrs der Maschine von 5, die entlang der Linie 6-6 genommen ist.
7 ist eine Querschnittsansicht eines Kernkanals der Maschine von 1, die entlang der Linie 7-7 genommen ist.
8 ist eine isolierte isometrische Ansicht des Kanals von 7.
9 ist eine Querschnittsansicht des Kernkanals der Maschine von 1, die entlang der Linie 9-9 genommen ist.
10 ist eine isolierte isometrische Ansicht einer alternativen Brennkammerrohranordnung.
Gleiche Bezugszeichen und Bezeichnungen in den verschiedenen Zeichnungen geben gleiche Elemente an.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Anstelle einer Verbrennung im konventionellen Rankine-Kreisprozess kann eine Anzahl von Pulsverbrennungsvorrichtungen in einem oder mehreren Ringen um die Maschine positioniert sein. Die Ringe sind an einem rotierenden Karussell angeordnet, dessen Rotation jede Vorrichtung durch einen ersten Teil einer Rotation führt, während dem die Vorrichtung beladen wird, und zu einem zweiten Teil, in dem sie entladen wird, wobei die Verbrennung dazwischen erfolgt. Bei einer Rotation um 360° kann es mehr als ein Paar von Beladungs- und Entladungsphasen geben. Die Rotation kann von einer der Spulen der Turbine angetrieben werden oder durch tangentiale Ableitung von Gasen, die von den Vorrichtungen abgegeben werden.
1 zeigt eine Turbobläsermaschine 20 mit einer zentralen Längsachse 500, einem Kanal 22 und einem Kern 24. Der Kanal ist relativ zu einer Gehäuseanordnung 25 des Kerns durch Leitschaufeln 26 abgestützt. Von der in den Kanal gelangenden Einlassluft treibt ein Bläser 28 einen Bypassanteil entlang einem ersten Strömungsweg 502 radial zwischen dem Kanal und dem Kern und einen Kernanteil entlang einem zweiten Strömungsweg 504 durch den Kern. In dem Kern strömungsabwärts des Bläsers verdichtet ein Verdichterabschnitt 30 mit alternierenden Ringen von Rotorlaufschaufeln und Statorleitschaufeln die Kernluft und liefert sie weiter strömungsabwärts zu einem Brennkammerabschnitt 32, wo sie mit Brennstoff vermischt und verbrannt wird. Ein Brennkammer-Bypassanteil der Kernluft kann die Brennkammereinrichtung umströmen und in einem Mischkanal 34 strömungsabwärts der Brennkammereinrichtung mit dem Anteil vermischt werden, der durch die Brennkammereinrichtung strömt. Strömungsabwärts des Mischkanals wird ein Turbinenabschnitt 36 von den Abgabeprodukten des Mischkanals angetrieben, um seinerseits den Verdichter und den Bläser anzutreiben. Ein Schubverstärker (nicht gezeigt) kann strömungsabwärts der Turbine angeordnet sein.
Die beispielhafte Brennkammereinrichtung weist einen Ring von Verbrennungsrohren 50 auf, die als Pulsverbrennungsrohre betrieben werden können. Beispielhafte Rohre werden als Pulsdetonationsrohre betrieben, obwohl eine ähnliche Struktur potentiell bei Pulsentflammungsrohren verwendet werden kann. Die Rohre sind in einer Karussellstruktur 52 (2) für eine Rotation relativ zu der Gehäuseanordnung um die Maschinen-Längsmittelachse angebracht. Jedes beispielhafte Rohr 50 (3) hat ein vorderes strömungsaufwärtiges Einlassende 53 und ein hinteres strömungsabwärtiges Auslassende 54 entlang einer Längsmittelachse 506. Die Rohreinlassenden sind in der Nähe eines hinteren strömungsabwärtigen Bereichs einer festen Verzweigungseinrichtung 60. Das beispielhafte Karussell weist eine Anzahl von Scheiben 70, 72, 74 und 76 von vorne nach hinten auf. In der gezeigten Ausführungsform, und wie nachfolgend beschrieben werden wird, bildet das Karussell eine dritte freie Spule zusätzlich zu der hohen und der niedrigen Spule der Turbinen/Verdichterkombination. In der Nähe von deren Außenumfängen haben die Scheiben Öffnungen 78, in denen die Rohre 50 befestigt sind. Scheibenplattformen 79 wirken zusammen, um eine zylindrische Innenwand des örtlichen Kernströmungswegs zu bilden. In der beispielhaften Ausführungsform teilt entlang einem Beladungssektor der Verzweigungseinrichtung die Verzweigungseinrichtung 60 die Kernströmung in drei Anteile in einen inneren, einen mittleren und einen äußeren Verzweigungseinrichtungsabschnitt 80, 82 und 84 (4). Entlang diesem Beladungssektor hat die Verzweigungseinrichtung eine umfangsmäßige Anordnung von in einer Außenwand 92 des Kerns angebrachten Brennstoffinjektoren 90, welche den Außenabschnitt 84 zu einer Wand 94 durchdringen, welche die Abschnitte 82 und 84 trennt. Ein Injektorauslass 96 ist positioniert, um Brennstoff 98 in den mittleren Abschnitt 82 einzubrin gen, wo er sich mit dem Anteil der Kernluft vermischt, welcher durch den Mittelabschnitt strömt. Entlang des Beladungssektors ist der mittlere Abschnitt 82 der Verzweigungseinrichtung in Kommunikation mit einer vorübergehend ausgerichteten Gruppe der Rohre 50. Ein Abdichtsystem 100 ist an einem strömungsabwärtigen Ende der Wand 94 und einem strömungsabwärtigen Ende einer Wand 102, welche die Abschnitte 80 und 88 trennt, vorgesehen. Das Abdichtsystem kooperiert mit der vorderen Scheibe 70, um die Brennstoffluftmischung von dem Verzweigungseinrichtungsabschnitt 82 in die Rohre 50 zu führen, wenn die Rohre mit dem Beladungssektor ausgerichtet sind. In der gezeigten Ausführungsform führt der innere Verzweigungseinrichtungsabschnitt 80 einen inneren Anteil der Kernluft in das Karussell, wo sie durch innere Öffnungen 104 in den Scheiben strömen kann, um die Rohre 50 zu umströmen. Ähnlich führt der äußere Abschnitt 84 der Verzweigungseinrichtung einen äußeren Anteil der Kernluft um die Außenumfänge der Scheiben, um die Rohre zu umströmen. Sobald sie in dem Karussell sind, kann es zu einem Vermischen dieser zwei Bypassanteile zwischen den Scheiben kommen.
Außerhalb des Beladungssektors hat die Verzweigungseinrichtung ein Blockierelement 120 (5) welches mit der vorderen Scheibe 70 kooperiert, um das Einlassende des Rohrs 150 abzudichten, um eine Brennkammer zu bilden. Das beispielhafte Blockierelement 120 kann durch ein Zusammenlaufen und Verdicken der Wände 94 und 102 gebildet sein. Die beispielhafte Brennkammer ist durch einen Behälter begrenzt, der durch das Rohr 50, einen kleinen Teil der Scheibe 70 davor und einem hinteren Blockieroberflächenbereich 121 des Elements 120 gebildet ist. Zu einem Zünden und zu einem Entladen kann es kommen, wenn jedes Rohr derart abgedichtet ist. Entlang dieses Zünd/Entladungssektors separiert die beispielhafte Verzweigungseinrichtung die Kernluftströmung in eine innere und eine äußere Strömung, welche die Rohre in ähnlicher Weise zu den umströmenden der Strömungen des Beladungssektors umströmen. Die Maschine weist eine Einrichtung zum Initiieren der Verbrennung der Brennstoff/Luftladung in den Brennkammern auf. Beispielhafte Einrichtungen bewerkstelligen das sobald die Brennkammer an dem Beginn des Zünd/Entladungssektors verschlossen wird. 5 zeigt eine Einrichtung in der Form einer einzigen Zündkerze 130 für jedes Rohr 50. Wenn eine einzige derartige Zündkerze verwendet wird, ist sie vorteilhafterweise in der Nähe des strömungsaufwärtigen Endes der Brennkammer positioniert. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Zündkerze in der Seitenwand des Rohrs 50 knapp strömungsabwärts der Scheibe 70 angebracht. Diese beispielhafte Zündkerze rotiert mit dem Rotor und wird mit Strom versorgt bzw. kontrolliert durch einen passenden Verteilermechanismus oder ähnliches, was eine elektrische Verbindung zwischen den rotierenden und nicht rotierenden Teilen der Maschine schafft. Bei einer alternativen Ausführungsform könnte die Zündkerze 130 in dem Blockierelement 120 mit deren Arbeitsende in einer Öffnung in der Oberfläche 121 angebracht sein. Eine derartige Anbringung kann die Komplexität der elektrischen Verbindung zwischen rotierenden und nicht rotierenden Teilen der Maschine verringern. Weitere alternative Initiierungssysteme beinhalten Mehrpunktsysteme, kontinuierliche Systeme (z. B. Laserstrahl oder ein anderer Energiestrahl) oder Mehrfach-kontinuierliche Systeme. Beispielhafte derartige Systeme findet man in der US Patentanmeldung Nr. 10/334,019. Die Brennkammer hat eine Gesamtlänge L und eine charakteristische Querabmessung, die als ein Durchmesser D bezeichnet ist. Nach dem Auslösen erzeugt die Zündeinrichtung einen Detonationspuls, der eine Flammenfront von einem zugehörigen Entzündungspunkt an der Zündkerze mit Überschallgeschwindigkeit (z. b. über etwa 3000 Fuß pro Sekunde (fps) (914 m/s) und typischerweise im Bereich von 4000 bis 6000 fps (1219 bis 1828 m/s) radial nach außen ausbreiten lässt. In der Zeit, welche die Flammenfront benötigt, um von der Zündkerze zu dem Auslass 54 zu wandern, wird eine annähernd vollständige Verbrennung erzielt. Wenn die Zündkerze in der Nähe des strömungsaufwärtigen Endes der Kammer angeordnet ist, und D wesentlich kleiner ist als L, ist diese Bewegungsstrecke im Wesentlichen gleich L. Ein beispielhaftes Betriebsdruckverhältnis (OPR – operating pressure ratio) für eine derartige Detonationsverbrennung ist zwischen 2:1 und 6:1.
Verbrennungsgase, die von den Rohrauslässen 54 abgegeben werden, treffen auf Dreh-Leitelemente 140, die unitär mit der hinteren Karusselscheibe 76 gebildet sein können. In der beispielhaften Ausführungsform ist eine gleiche Anzahl von Dreh-Leitelementen 140 zwischen die Rohre 50 eingesetzt. Benachbarte Leitelemente lenken die Entladungsprodukte von den Rohren um einen Winkel Θ (6) relative zur Rohrachse 506 und der lokalen Längsmittelebene der Maschine ab. In der beispielhaften Ausführungsform bringt diese Umlenkung ausreichend Drehmoment auf das Karussell auf, um das Karussel mit einer gewünsch ten Drehzahl rotieren zu lassen. In einer beispielhaften Maschine mit drei Spulen ist eine beispielhafte Dauerdrehzahl des Karussells 2000 bis 18000 Upm. Der spezielle Betriebsbereich wird durch Dimensionsüberlegungen der Maschine hinsichtlich der strukturellen Integrität des Karussells und der Anzahl von Ladungs/Entladungszyklen pro Rotation beeinflusst. Ein schmalerer Bereich von einem Ziel von 6000 bis 12000 Upm ist wahrscheinlich, wobei das untere Drittel dieses Bereichs für eine Maschine mit zwei Zyklen pro Rotation wahrscheinlicher ist und das obere Drittel für eine Maschine mit einem Zyklus pro Rotation wahrscheinlicher ist. Bei Betrieb werden diese Drehzahlen wahrscheinlich substantiell niedriger sein als die Drehzahl der hohen Spule und etwa gleich der oder geringfügig niedriger als die Drehzahl der niedrigen Spule. Eine Anfangsrotation kann durch den Anlassermotor der Maschine oder durch einen zugewiesenen Anlassmotor für die Brennkammereinrichtung bereitgestellt werden.
Die Entladungsströmung wird mit den Brennkammer-Bypassströmungen vermischt, bevor sie auf die Turbine trifft. In der beispielhaften Ausführungsform kann ein äußerer Anteil der Strömung, der über die hintere Scheibe 76 strömt, sich mindestens teilweise mit einer Entladungsströmung entlang der Leitschaufeln 140 vermischen. Ein innerer Anteil, der durch die Öffnungen 104 in der hinteren Scheibe strömt, kann sich weiter strömungsabwärts in dem Mischkanal 34 mischen.
Die Merkmale des Mischkanals können vorteilhafterweise synergistisch relativ zu Merkmalen der äußeren Kernwand 92 entlang der Brennkammereinrichtung ausgelegt sein. Die äußere Kernwand 92 hat einen lokal radial erhöhten Abschnitt oder Buckel 160 (5 und 7) wobei ein erster Teil 162 von nahe einem vorderen Ende des Karussells nach hinten ragt und ein zweiter Teil 164 entlang einem vorderen Bereich des Mischkanals 34 weiter nach hinten ragt (5 und 8). Bereiche der Außenwand vor und nach dem Buckel (z. B. 9) haben eine gleichmäßigere Radialposition um den Umfang des Kerns. Der Buckel ist dem Entladungssektor zugeordnet. Der Buckel ist geformt, um einen großen Prozentsatz des Kernbypassströmungsvolumens in die Nähe der feuernden Brennkammerrohre zu treiben. Der Buckel schafft einen nicht gleichförmigen Querschnitt für erhöhte Querschnittsstömungsflächen in der feuernden Entladungszone einer Mischebene. Das große Volumen relative kühler Kernluft, welche das Brennkam merrohr umströmt, vermischt sich mit den Abgasströmen und verringert deren Temperatur. Entlang des Bereichs 164 geht der Querschnitt des Mischkanals zu einem ringförmigen Querschnitt über, bevor er die Turbinenfläche erreicht. Die beispielhafte innere Kernwand 165 (9) ist ringförmig entlang im wesentlichen der gesamten Länge des Mischkanals und bildet einen allmählichen Übergang von dem Bereich davor, der mit den Scheibenplattformen 79 versehen ist. Die Übergangsgeometrie erzwingt ein Vermischen des Kernbypassgases und des Abgases, um eine gleichförmige Verteilung der vermischten Gase um den Umfang des Mischkanals an der Turbinenfläche zu schaffen.
Die Buckel- und die Mischkanalgeometrie und das Volumen zwischen den Dreh-Leitelementen und der Turbinenfläche dienen drei Hauptfunktionen: 1) Die Abgase hoher Geschwindigkeit von den Brennkammerrohren auf einen nützlichen Druckanstieg zu diffundieren, der mit den Triebwerksdurchströmungsanforderungn kompatibel ist; 2) Wegmischen und Übergehen lassen von lokaler, heißer Abgasströmung und kalter Kern-Bypassluft zu einer Strömung gleichförmiger (oder annähernd gleichförmiger) Temperatur von Gas an der Turbinenfläche; und 3) Wirken als ein Druckpulsdämpfer, um die der Turbine dargebotene Strömung zu glätten. Ein beispielhafter Buckel kann schraubenförmig gemäß der Schrauben-Geschwindigkeitskomponente der die Brennkammereinrichtung verlassenden Abgase angeordnet sein (z. B. wie in 8).
In beispielhaften Ausführungsformen können zwischen vier und sechzig Verbrennungsrohre, enger zwischen zwanzig und vierzig, vorgesehen sein. Beispielhafte Rohrlängen (und etwa gleiche Brennkammerlängen) sind zwischen 6 inch (15 cm) und 40 inch (102 cm), enger 12 inch (30 cm) und 30 inch (76 cm). Die beispielhaften Rohrquerschnittsflächen sind zwischen 1,0 inch² (6,5 cm²) und 20 inch² (129 cm²), enger 2,0 inch² (12,9 cm²) und 8 inch² (51,6 cm²). Ein beispielhafter Entladungssektor ist zwischen 5° und 120°, enger zwischen 10° und 100°. Jedoch ist die Schlüsseleinschränkung hinsichtlich des Beladungssektors die Zeit, die erforderlich ist, um die Verbrennungsrohre bei einem vorgegebenen Radius von der Maschinenmittellinie und vorgegebener Drehzahl zu beladen. Das gibt Anlass zur Möglichkeit, mehrere Ladungs/Entladungs-Zyklen während einer Rotation des Karussells um 360° zu haben. In einer derartigen Situation können mehrere Beladungs- und Entladungssektoren, Buckel und ähnliches vorhanden sein.
Die Größe der Druckpulse von den einzelnen Verbrennungsrohren wird durch die ersichtliche hohe Feuerfrequenz (z. B. 1000 Hz bis 6000 Hz) minimiert, welche von dem rotierenden Rohrbündel geliefert wird. Die Druckpulse können sich bei einem relativ gleichförmigen Spitzenniveau überlappen, was zu einem Quasi-Dauerausflussdruck führt. Zusätzliches viskoses Dämpfen jeglicher verbleibender, kleiner zyklischer Druckvariationen erfolgt in dem Volumen des Kanals, wenn sich die Kernbypassgase und die Brennkammerrohrabgase miteinander vermischen. Die vermischten Gase lässt man dann durch die Turbine expandieren.
Wenn die Einlassenden der Leitungen hinsichtlich Kostenüberlegungen und Haltbarkeitsüberlegungen unpraktisch ist, beinhalten alternative Ausführungsformen das Vorsehen des Blockierbereichs mit einer U-förmigen Passage, von der ein Schenkel mit dem Rohreinlass und der andere Schenkel mit einer hilfsweisen mindestens teilweise longitudinalen Abgasleitung kommuniziert. Derartige Abgasleitungen können an dem Karussell angebracht sein oder außerhalb davon befestigt sein. Beim Entzünden der Ladung in der Brennkammerleitung werden die Verbrennungprodukte sowohl aus dem Verbrennungsrohrauslass als auch aus dem Einlass ausgeworfen. Letztere Strömung von Verbrennungsprodukten kann durch die Abgasleitung strömen und sich beispielsweise mit dem Rest an einem Auslass einer derartigen Abgasleitung in der Nähe des Brennkammerrohrauslasses vermischen. Das verringert die Druckbelastungen auf die Dichtung zwischen der Verzweigungseinrichtung und dem Karussell.
Viele Variationen sind möglich. Beispielsweise können die Rohre anders als parallel zu der Maschinenmittelachse sein. Das beinhaltet beispielsweise das Schrägstellen bei einem im Wesentlichen gleichen Radius von der Maschinenachse oder bei einem Radius, der mit der Längsposition variiert. Die Rohre können anders als gerade geformt sein. Beispielsweise zeigt 10 eine Anordnung von Rohren 300, von denen jedes einen geraden Zentralabschnitt 302 hat, der parallel zur Maschinenachse sein kann. Jedes Rohr hat einen gekrümmten Vorderbereich 304, der sich zwischen einem Rohreinlass 306 und dem Abschnitt 302 erstreckt. Der Abschnitt 304 kann schräg zu der Maschinenachse gekrümmt sein. Ähnlich hat jedes Rohr einen gekrümmten hinteren Abschnitt 308 zwischen dem Abschnitt 302 und dem Auslass 310. Der beispielhafte Abschnitt 308 kann radial nach außen schräg sein und gerichtet sein, um optimal Abgas in Richtung zu der Turbinenfläche zu lenken in Anbetracht der Relativgrößen der Brennkammeranordnung und der Turbinenfläche. Andere Variationen können Rohre mit nicht-kreisförmigen und nicht-konstanten Querschnitten beinhalten. Während der kreisförmige Querschnitt bestimmte strukturelle Vorteile und Herstellungsvorteile hat, könne andere Querschnitte ebenso verwendet werden, um die gewünschten Strömungseigenschaften zu liefern.
Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden beschrieben. Dennoch versteht man, dass verschiedene Modifikationen gemacht werden können, ohne von dem Geist und dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise werden Details einer speziellen Anwendung die Konfiguration der Brennkammereinrichtung beeinflussen. Verschiedene Merkmale der Brennkammereinrichtung können vollständig oder teilweise mit Merkmalen der Turbine oder des Verdichters integriert sein. Wenn es bei einer Umkonstruktion einer bestehenden Turbinenmaschine eingesetzt wird, können Details der existierenden Maschine Details der Realisierung beeinflussen. Die rotierende Brennkammereinrichtung kann alternativ bei Anwendungen jenseits von Turbinentriebwerken verwendet werden, folglich sind andere Ausführungsformen in dem Umfang der folgenden Ansprüche.

Claims

Turbinenmaschine, aufweisend: ein Gehäuse (25) mit einer Achse (500); einen Verdichter (30); eine Turbine (36); und eine umfangsmäßige Anordnung von Brennkammerleitungen (50), wobei die Leitungen strömungsabwärts des Verdichters (30) und strömungsaufwärts der Turbine (36) sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung für ein kontinuierliches Rotieren relativ zu dem Gehäuse in einer ersten Richtung um die Achse abgestützt ist, um zyklisch jede Leitung (50) von einer Beladungszone zum Empfangen einer Ladung von strömungsaufwärts zu einer Entladungszone zum strömungsabwärtigen Abgeben von Verbrennungsprodukten der Ladung zu bringen, um so das Rotieren der Anordnung anzutreiben.
Maschine nach Anspruch 1, wobei es eine erste Luftströmung im Wesentlichen durch den Verdichter (30) und die Turbine (36) gibt, und wobei ein erster Anteil der ersten Luftströmung durch die Brennkammerleitungen (50) in den Ladungen strömt und ein zweiter Anteil der ersten Luftströmung die Verbrennung umströmt, und ein Massenströmungsverhältnis des ersten Anteils zu dem zweiten Anteil zwischen 1:1 und 1:3 ist.
Maschine nach Anspruch 2, wobei die Maschine ein Turbobläser ist und die erste Luftströmung eine Kernluftströmung ist und eine Bypassluftströmung den Verdichter (30) und die Turbine (36) umströmt, und ein Massenströmungsverhältnis der Bypassluftströmung zu der Kernluftströmung zwischen 3:1 und 9:1 ist.
Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anordnung an einer freien Spule ist und das Rotieren durch teiltangentiale Ausrichtung der Verbrennungsprodukte angetrieben wird.
Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Turbine (36) und der Verdichter (30) jeweils eine hohe und eine niedrige Stufe an einer hohen bzw. an einer niedrigen Spule aufweisen und die Anordnung an einer freien Spule ist.
Puls-Verbrennungsvorrichtung, aufweisend: eine Abstützstruktur (25); und ein Verbrennungseinrichtungskarussell (52), welches von der Abstützstruktur abgestützt ist und relativ dazu um eine Achse (500) rotiert und aufweist: eine Mehrzahl von Verbrennungsleitungen (50) in einer umfangsmäßigen Anordnung, dadurch gekennzeichnet, dass jede zyklisch eine Ladung erhält und Verbrennungsprodukte der Ladung abgibt, um so das Rotieren des Karussells anzutreiben.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Brennkammereinrichtungskarussell ferner eine Mehrzahl von Strömungsprofilen (140) zum Antreiben des Rotierens des Karussells aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Strömungsprofile (140) positioniert sind, um die Abgabeprodukte von den Brennkammerleitungen (50) umzulenken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei diese eine Turbinenmaschine (20) ist, aufweisend: einen Verdichter (30) strömungsaufwärts des Karussells (52); und eine Turbine (36) strömungsabwärts des Karussells (52).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, ferner aufweisend einen nicht rotierenden Verzweigungseinrichtungsbereich (60) mit: mindestens einem ersten Sektor, der Luft zu einer vorübergehend ausgerichteten ersten Gruppe der Verbrennungsleitungen (50) befördert; und mindestens einen zweiten Sektor, der strömungsaufwärtige Enden einer vorübergehend ausgerichteten zweiten Gruppe der Verbrennungsleitungen (50) gegen eine Kommunikation nach strömungsaufwärts blockiert.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jede der Leitungen (50) ein erstes Ende (53) und ein zweites Ende (54) hat und wobei während des Rotierens das zweite Ende während des Verbrennens der Ladung in der Leitung im Wesentlichen offen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei jede der Leitungen (50) ein erstes Ende (53) und ein zweites Ende (54) hat und wobei während des Rotierens das zweite Ende während der Verbrennung der Ladung in der Leitung im Wesentlichen offen ist.