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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Triebwerke und insbesondere Puls-Hybrid-Verbrennungsturbinenmaschinen.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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Bei
einer konventionellen Gasturbinenmaschine erfolgt die Verbrennung
in einer konstanten Weise annähernd
bei konstantem Druck (Rankine-Prozess). Eine derartige konventionelle
Gasturbinenmaschinenverbrennung ist relativ ineffizient und hat
zu vielen Anstrengungen geführt,
die Effizienz zu verbessern.
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Es
wurde vorgeschlagen, die effizientere Verbrennung von Pulsdetonationsmaschinen
(PDE – pulse
detonation engine) mit Verbrennung bei annähernd konstantem Volumen auf
Brennkammereinrichtungen anzuwenden. Bei einer generalisierten PDE
werden Brennstoff und Oxidationsmittel (z.B. sauerstoff-haltiges Gas wie
beispielsweise Luft) als eine Mischung typischerweise durch ein
Einlassventil in eine längliche
Brennkammereinrichtung an einem strömungsaufwärtigen Einlassende 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
in Richtung zu dem Auslass mit Überschallgeschwindigkeit
aus und bewirkt eine substanzielle Verbrennung der Brennstoff/Luftmischung,
bevor die Mischung substanziell aus dem Auslass getrieben werden
kann. Das Ergebnis der Verbrennung ist eine rapide Druckerhöhung in
der Kammer, bevor substanziell Gas träge durch den Auslass entkommen
kann. Der Effekt dieser Trägheitsrückhaltung
ist es, eine Verbrennung bei annähernd
konstantem Volumen zu erzeugen.
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Beispielsweise
das US-Patent Nr. 6 442 930 schlägt
die Brennkammerverwendung der PDE-Technologie zusätzlich zur
Verwendung als Schubverstärker
in Triebwerken mit konventionellen Brennkammereinrichtungen vor.
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Das
US-Patent Nr. 3 417 564 beschreibt eine Vorrichtung mit den Merkmalen
der Oberbegriffe der unabhängigen
Ansprüche.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Aspekt der Erfindung betrifft eine Turbinenmaschine mit einem Gehäuse, einem
Verdichterabschnitt und einem Turbinenabschnitt. Eine Brennkammereinrichtung
weist eine Brennstoffquelle und eine umfangsmäßige Anordnung von Brennkammerleitungen
auf und ist strömungsabwärts des
Verdichters und strömungsaufwärts der
Turbine. Die Brennkammereinrichtung weist ferner eine Verzweigungseinrichtung
auf, die positioniert ist, eine Mischung aus Luft von dem Verdichter
und Brennstoff von der Brennstoffquelle zu der Anordnung zu lenken.
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 Ladungszone zum Empfangen einer
Ladung von strömungsaufwärts zu einer
Abgabezone für strömungsabwärtiges Abgeben
von Verbrennungsprodukten der Ladung, zu bringen. Der Strömungsweg
erstreckt sich zwischen einem strömungsabwärtigen Bereich der Verzweigungseinrichtung
und einem strömungsaufwärtigen Bereich
der Anordnung. Der Strömungsweg
ist lokal durch erste Oberflächenbereiche
der Verzweigungseinrichtung und der Anordnung begrenzt. Die ersten
Oberflächenbereiche haben
mindestens eine erste radiale Relativausrichtung, wenn die Anordnung
mit einer ersten Drehzahl rotiert und eine zweite Radialausrichtung,
die enger ist als die erste Radialausrichtung, wenn die Anordnung
mit einer zweiten Drehzahl, die größer als die erste Drehzahl
ist, rotiert.
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In
verschiedenen Realisierungen kann die Maschine eine erste Dichtung
innerhalb des Strömungswegs
und/oder eine zweite Dichtung außerhalb des Strömungswegs
zum Abdichten zwischen der Verzweigungseinrichtung und der Anordnung aufweisen.
Die Dichtungen können
kegelstumpfförmige
Ring-Labyrinthdichtungen sein. Die Dichtungen können jeweils Zähne an der
Anordnung und einen passenden Reibstreifen an der Verzweigungseinrichtung
haben. Der Reibstreifen kann relativ zu einem verbleibenden Bereich
der Verzweigungseinrichtung abradierbar sein. Die Zähne und
der Reibstreifen können
näher beieinander
sein, wenn die Anordnung mit der zweiten Drehzahl statt mit der
ersten Drehzahl rotiert. Die ersten Oberflächen der Verzweigungseinrichtung
und der Anordnung können
jeweils einen inneren Bereich und einen äußeren Bereich mindestens über eine
Erstreckung in Strömungsrichtung
aufweisen, der in Richtung zu einem Übergang zwischen der Verzweigungseinrichtung
und der Anordnung konvergent ist.
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Es
kann eine erste Luftströmung
im Wesentlichen durch den Verdichter und die Turbine geben, und
ein erster Teil der ersten Luftströmung kann durch die Brennkammerleitungen
in die Ladungen gehen, und ein zweiter Teil der ersten Luftströmung kann
an der Verbrennung vorbei strömen.
Ein Massenströmungsverhältnis des
ersten Teils zu dem zweiten Teil 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 an dem Verdichter und der Turbine vorbei strömen. Ein
Massenströmungsverhältnis der
Bypassluftströmung
zu der Kernluftströmung
kann zwischen 3:1 und 9:1 sein. Die Verbrennung kann eine Detonation
aufweisen. Die Turbine und der Verdichter können jeweils eine hohe und
eine niedrige Stufe an entsprechenden hohen und niedrigen Spulen
haben. Die Anordnung kann an einer freien Spule sein, und deren
Rotieren kann angetrieben sein, indem die Verbrennungsprodukte zum
Teil tangential gerichtet sind. Die Leitungen können mindestens zum 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
zum Teil in Tangentialrichtung 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.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Turbobläsermaschine
mit einem Bläser,
einem Verdichter und einer zu dem Verdichter entlang einer Achse
koaxialen Turbine. Eine Pulsverbrennungs-Brennkammereinrichtung
erhält
Luft von dem Verdichter und gibt Verbrennungsgase an die Turbine ab.
Die Brennkamme reinrichtung hat eine Anzahl von Brennkammerleitungen,
die über
eine Anzahl von Positionen rotationsfähig um die Achse gehaltert sind.
Die Positionen können
mindestens eine Ladungsempfangsposition zum Empfangen einer Ladung
von strömungsaufwärts, mindestens
eine Initiierungsposition zum Initiieren der Verbrennung der Ladung
und mindestens eine Abgabeposition zum strömungsabwärts Abgeben der Verbrennungsprodukte
der Ladung aufweisen. Eine Einrichtung lenkt die Ladung zu den Leitungen
in der mindestens einen Ladungsempfangsposition. Die Einrichtung
weist einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich strömungsabwärts von
dem ersten Bereich und zum Rotieren mit den Leitungen während des
Rotierens angeordnet auf. Der erste und/oder der zweite Bereich weist
eine Einrichtung zum Kontrollieren von Leckage der Ladung durch
eine oder mehrere Spalten zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich
durch einen Venturi-Effekt auf.
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In
verschiedenen Realisierungen kann die Einrichtung zum Kontrollieren
eine innere und eine äußere Oberfläche sowohl
der Einrichtung zum Lenken als auch eines vorderen Ringelements
aufweisen, die die Brennkammerleitungen konvergent in Richtung eines Übergangs
zwischen der Einrichtung zum Lenken und dem vorderen Ringelement
verbindet. Die Maschine kann mindestens einen Brennstoffinjektor
zum Injizieren von Brennstoff in Luft aus dem Verdichter zum Bilden
der Ladungen aufweisen. Die Maschine kann mindestens einen Schaufelring aufweisen,
der mit den Leitungen als Einheit rotiert.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Pulsverbrennungsvorrichtung,
aufweisend eine Abstützstruktur
und ein Brennkammereinrichtungskarussell, welches von der Abstützstruktur
abgestützt ist
und relativ zu dieser um eine Achse rotiert. Das Karussell weist
eine Anzahl von Brennkammerleitungen in einer umfangsmäßigen Anordnung
auf, wobei jede zyklisch eine Ladung empfängt und Verbrennungsprodukte
der Ladung abgibt. Das Karussell weist einen nicht-rotierenden Verzweigungseinrichtungsbereich
mit mindestens einem ersten Sektor, der Luft zu einer ausgerichteten
vorübergehenden ersten
Gruppe der Verbrennungsleitungen liefert, und mindestens einen zweiten
Sektor, der strömungsaufwärtige Enden
einer ausgerichteten vorübergehenden
zweiten Gruppe von Verbrennungsleitungen gegen eine Kommunikation
von strömungsaufwärts blockiert.
Erste Oberflächenbereiche
der Anordnung und der Verzweigungseinrichtung schaffen an einem Übergang
zwischen der Anordnung und der Verzwei gungseinrichtung einen Venturi-Effekt, um
Leckage der Ladung durch den Übergang
zu begrenzen.
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In
verschiedenen Realisierungen kann das Karussell eine Einrichtung
zum Antreiben der Rotation aufweisen. Die Einrichtung kann eine
Anzahl von Strömungsprofilen
aufweisen, die positioniert sind, die Ladung von den Verbrennungsleitungen
umzulenken. Die Verbrennung kann Detonation aufweisen. Die Vorrichtung
kann eine Turbinenmaschine mit einem Verdichter strömungsaufwärts des
Karussells und einer Turbine strömungsabwärts des
Karussells sein. Es können
mindestens zehn derartiger Leitungen vorhanden sein. Die Leitungen
können
beispielhafte mittlere Querschnittsflächen zwischen 2 inch2 (13 cm2) und 8
inch2 (52 cm2) haben.
Die Vorrichtung kann zum Antreiben von Flugzeugen verwendet werden.
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Die
Details von einer oder mehreren Ausführungsformen) der Erfindung
sind in den begleitenden Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
Andere Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der
Beschreibung und den Zeichnungen und aus den Ansprüchen ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Teil-Längsschnittansicht
einer Turbobläsermaschine.
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2 ist
eine isolierte isometrische Ansicht einer Brennkammereinrichtung
der Maschine von 1.
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3 ist
eine Teil-Längsschnittansicht
der Maschine von 1 entlang einem Beladungssektor.
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4 ist
eine Längsschnittansicht
einer Verzweigungseinrichtung der Maschine von 1 entlang
dem Beladungssektor.
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5 ist
eine Teil-Längsschnittansicht
der Maschine von 1 entlang einem Abgabesektor.
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6 ist
eine Schnittansicht eines Verbrennungsrohrs der Maschine von 5,
genommen entlang der Linie 6-6.
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7 ist
eine Querschnittansicht einer Kernleitung der Maschine von 1,
die entlang der Linie 7-7 genommen ist.
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8 ist
eine isolierte isometrische Ansicht des Kanals von 7.
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9 ist
eine Querschnittansicht des Kernkanals der Maschine von 1,
genommen entlang der Linie 9-9.
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10 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Verzweigungseinrichtungs-Scheiben-Übergangs
der Maschine von 4.
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11 ist
eine Teilansicht eines strömungsabwärtigen Endes
der Verzweigungseinrichtung, die entlang der Linie 11-11 von 10 genommen
ist.
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12 ist
eine Teilansicht eines strömungsaufwärtigen Endes
der Scheibe, die entlang der Linie 12-12 von 10 genommen
ist.
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13 ist
eine Längsschnittansicht
eines alternativen Verzweigungseinrichtungs-Scheiben-Übergangs.
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14 ist
eine Längsschnittansicht
eines zweiten alternativen Verzweigungseinrichtungs-Scheiben-Übergangs.
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Gleiche
Bezugszeichen und Bezeichnungen in den verschiedenen Zeichnungen
bezeichnen gleiche Elemente.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Statt
der konventionellen Rankine-Prozess-Verbrennung kann eine, oder
es können
mehrere, Pulsverbrennungsvorrichtungen in einem oder mehreren Ringen
um die Maschine angeordnet sein. Der Ring ist bzw. die Ringe sind
an einem rotierenden Karussell angeordnet, dessen Rotation jede
Vorrichtung durch einen ersten Bereich einer Rotation führt, in
dessen Verlauf die Vorrichtung geladen wird und zu einem zweiten
Bereich führt,
in dem sie entladen wird, wobei die Verbrennung dazwischen erfolgt.
Bei vorgegebenen 360° Rotation
kann es mehr als ein Paar von Beladungs- und Entladungsphase geben. Die
Rotation kann von einer der Turbinenspulen angetrieben werden oder
durch tangentiale Ableitung von Gasen, die von den Vorrichtungen
abgegeben werden.
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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 Leitelemente 26 abgestützt. Von in den Kanal gelangender
Einlassluft treibt ein Bläser 28 einen
Bypassanteil entlang einem ersten Strömungsweg 502 radial
zwischen dem Kanal und dem Kern und einem 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 der Strömung aus
dem Mischkanal angetrieben, um wiederum den Verdichter und den Bläser anzutreiben.
Ein Schubverstärker
(nicht gezeigt) kann strömungsabwärts der
Turbine angeordnet sein.
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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 potenziell
mit Pulsflammrohren verwendet werden kann. Die Rohre sind in einer
Karussellstruktur 52 (2) relativ
zur Gehäuseanordnung
um die zentrale Längsachse
der Maschine rotationsfähig
angebracht. Jedes beispielhafte Rohr 50 (3)
hat ein vorderes strömungsaufwärtiges Einlassende 53 und ein
hinteres strömungsabwärtiges Auslassende 54 entlang
einer zentralen Längsachse 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 hin ten auf. In der gezeigten Ausführungsform und wie weiter unten
beschrieben wird, bildet das Karussell eine dritte freie Spule zusätzlich zu der
hohen und der niedrigen Spule der Turbinen/Verdichterkombination.
In der Nähe
ihrer Außenumfänge haben
die Scheiben Öffnungen 78,
in denen die Rohre 50 befestigt sind. Scheibenplattformen 79 wirken zusammen,
um eine zylinderförmige
innere Wand des örtlichen
Kernströmungswegs
zu bilden. In der beispielhaften Ausführungsform teilt die Verzweigungseinrichtung 60 die
Kernströmungentlang
dem Beladungsabschnitt der Verzweigungseinrichtung in drei Bereiche,
in eine innere, mittlere und äußere Verzweigungseinrichtungssektion 80, 82 und 84 (4). Entlang
diesem Beladungssektor hat die Verzweigungseinrichtung eine umfangsmäßige Anordnung von
Brennstoffinjektoren 90, die in einer äußeren Wand 92 des
Kerns angebracht sind und durch die äußere Sektion 84 zu
einer Wand 94 gehen, welche die Sektionen 82 und 84 trennt.
Ein Injektorauslass 96 ist angeordnet, Brennstoff 98 in
die mittlere Sektion 92 einzubringen, wo er sich mit dem
Anteil der Kernluft vermischt, der durch die mittlere Sektion geht.
Entlang dem Beladungssektor ist die Mittelsektion 82 der
Verzweigungseinrichtung in Verbindung mit einer vorübergehend
ausgerichteten Gruppe der Rohre 50. Ein Dichtungssystem 100 ist
an einem strömungsabwärtigen Ende
der Wand 94 und einem strömungsaufwärtigen Ende einer Wand 102,
welche die Sektionen 80 und 88 trennt, vorgesehen.
Das Dichtungssystem kooperiert mit der vorderen Scheibe 70,
um die Brennstoffluftmischung von der Verzweigungseinrichtungssektion 82 in
die Rohre 50 zu führen,
wenn die Rohre mit dem Beladungssektor ausgerichtet sind. In der
gezeigten Ausführungsform führt die
innere Verzweigungseinrichtungssektion 80 einen inneren
Anteil der Kernluft zu dem Karussell, wo er durch innere Öffnungen 104 in
der Scheibe strömen
kann, um an den Rohren 50 vorbei zu strömen. Ähnlich führt die äußere Sektion 84 der
Verzweigungseinrichtungseinrichtung einen äußeren Anteil der Kernluft um
die äußeren Umfänge der Scheiben,
um an den Rohren vorbei zu strömen.
In dem Karussell kann es zu einem Vermischen dieser beiden Umströmungsanteile
zwischen den Scheiben kommen.
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Außerhalb
des Beladungssektors hat die Verzweigungseinrichtung ein Blockierelement 120 (5),
welches mit der vorderen Scheibe 70 kooperiert, um das
Einlassende der Rohre 50 abzudichten, um eine Brennkammer
zu bilden. Das beispielhafte Blockierelement 120 kann durch
ein Verschmelzen und Verdicken der Wände 94 und 102 gebildet
sein. Die beispielhafte Brennkammer ist von einem von dem Rohr 50,
einem kleinen Teil der Scheibe 70 davor und einem hinteren
Blockieroberflächenbereich 121 des
Elements 120 gebildeten Behältnis begrenzt. Wenn jedes
Rohr so abgedichtet ist, können Zündung und
Abgabe erfolgen. Entlang diesem Zündungs-/Abgabesektor separiert
die beispielhafte Verzweigungseinrichtung die Kernluftströmung in
eine innere und eine äußere Strömung, die
an den Rohren vorbei strömen
in einer den vorbei strömenden
Strömungen
des Beladungssektors ähnlichen
Weise. Die Maschine weist eine Einrichtung zum Initiieren der Verbrennung
der Brennstoff/Luftladung in den Brennkammern auf. Eine beispielhafte
Einrichtung initiiert diesen, sobald die Brennkammer am Beginn des Zündungs-/Abgabesektors
verschlossen wird. 5 zeigt eine Einrichtung in
der Form einer einzelnen Zündkerze 130 für jedes
Rohr 50. Wenn eine einzige derartige Zündkerze verwendet wird, ist
sie vorteilhaft in der Nähe
des strömungsaufwärtigen Endes der
Brennkammer angeordnet. 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 Rohr und wird von einem geeigneten Verteilermechanismus
oder Ähnlichem
mit Strom versorgt/kontrolliert, der elektrische Verbindung zwischen
den rotierenden und nicht-rotierenden Teilen der Maschine schafft.
In einer alternativen Ausführungsform
würde man
die Zündkerze 130 in
dem Blockierelement 120 mit dem Arbeitsende in einer Öffnung in
der Oberfläche 121 anbringen.
Eine derartige Befestigung kann die Komplexität der elektrischen Verbindung
zwischen rotierenden und nicht-rotierenden Teilen der Maschine verringern.
Jedoch beinhalten alternative Initiierungssysteme Mehrpunktsysteme,
kontinuierliche Systeme (z.B. Laserstrahl oder anderer Energiestrahl)
oder multikontinuierliche Systeme. Beispiele für solche Systeme findet man
in der US-Patentanmeldung mit der Nummer 10/334 019. Die Brennkammer
hat eine Gesamtlänge
L und ein charakteristisches Quermaß, welches als ein Durchmesser
D identifiziert ist. Ausgelöst
erzeugt die Zündeinrichtung
einen Detonationspuls, der eine Flammenfront von einem zugehörigen Zündungspunkt
an der Zündkerze
mit Überschallgeschwindigkeit
radial nach außen
propagiert (z.B. über
etwa 3000 Fuß/s (fps)
(914 m/s) und typischerweise im Bereich von 4000 bis 6000 fps (1219
bis 1829 m/s). In der Zeit, die die Flammenfront für den Weg
von der Zündkerze zum
Auslass 54 benötigt,
wird eine annähernd
vollständige
Verbrennung erreicht. Mit der Zündkerze
in der Nähe
des strömungsaufwärtigen Endes
der Kammer und mit D deutlich kleiner als L, ist diese Laufstrecke
im Wesentlichen gleich L.
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Ein
beispielhaftes Arbeitsdruckverhältnis (OPR – operating
pressure ratio) für
eine derartige Detonationsverbrennung ist zwischen 2:1 und 6:1.
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Von
den Rohrauslässen 54 abgegebene
Verbrennungsgase treffen auf Dreh-Leitelemente 140, die einstückig mit
der hinteren Karussellscheibe 76 geformt sein können. In
der beispielhaften Ausführungsform
ist eine gleiche Anzahl von Dreh-Leitelementen 140 alternierend
mit den Rohren zwischen diesen angeordnet vorgesehen. Benachbarte
Leitelemente lenken die Abgabeladung von den Rohren um einen Winkel θ (6)
relativ zur Rohrachse 506 und der lokalen Längsmittelebene
der Maschine ab. In der beispielhaften Ausführungsform bringt diese Ableitung
ein ausreichendes Drehmoment auf das Karussell auf, um das Karussell
mit der gewünschten Drehzahl
rotieren zu lassen. Bei einer beispielhaften Drei-Spulen-Maschine
beträgt
eine beispielhafte Dauerbetriebsdrehzahl des Karussells 2.000 bis 18.000
U/min. Der spezielle Betriebsbereich wird von Triebwerksdimensionsüberlegungen
mit Blick auf die strukturelle Integrität des Karussells und die Anzahl von
Ladungs/Entladungszyklen pro Rotation beeinflusst. Ein engerer Bereich
von einem Zielwert von 6.000 bis 12.000 Umdrehungen kann geeignet
sein, wobei das untere Drittel dieses Bereiches wahrscheinlicher
für eine
Maschine mit zwei Zyklen pro Rotation und das obere Drittel für eine Maschine
mit einem Zyklus pro Rotation ist. Bei Betrieb können diese Drehzahlen deutlich
niedriger als die Drehzahl der hohen Spule und etwa gleich oder
ein wenig niedriger als die Drehzahl der niedrigen Spule sein. Der Maschinenanlassermotor
oder ein zugewiesener Anlassermotor für die Brennkammereinrichtung
kann eine Initialrotation liefern.
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Die
Abgabeströmung
wird mit den Brennkammereinrichtungsbypassströmen vermischt, bevor sie auf
die Turbine trifft. In der beispielhaften Ausführungsform kann sich ein äußerer Anteil
der über
die hintere Scheibe 76 strömenden Strömung zumindest teilweise mit
einer Abgabeströmung
entlang der Leitelemente 140 vermischen. Ein innerer Anteil,
der durch die Öffnungen 104 in
der hinteren Scheibe strömt,
kann sich weiter strömungsabwärts in dem Mischkanal 34 mischen.
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Die
Merkmale des Mischkanals können
vorteilhafterweise synergistisch relativ zu den Merkmalen der äußeren Kernwand 92 entlang
der Brennkammereinrichtung ausgelegt sein. Die äußere Kermwand 92 hat
einen lokal radial erhöhten
Ab schnitt oder Buckel 160 (5 und 7),
wobei ein erster Bereich 162 von in der Nähe eines
vorderen Endes des Karussells nach hinten verläuft und ein zweiter Bereich 164 entlang
einem vorderen Bereich des Mischkanals 34 (5 und 8)
weiter nach hinten verläuft.
Bereiche der Außenwand
vor und hinter (z.B. 9) des Bauchs haben eine gleichmäßigere Radialposition
um den Umfang des Kerns. Der Buckel ist dem Entladungssektor zugeordnet.
Der Buckel ist geformt, einen großen Prozentsatz des Kernbypassströmungsvolumens
in die Nähe
der feuernden Brennkammerrohre zu treiben. Der Buckel schafft einen
nicht-gleichförmigen
Querschnitt für eine
vergrößerte Querschnittsströmungsfläche in der feuernden
Entladungszone einer Mischebene. Das große Volumen der relativ kühlen Kernluft,
welche das Brennkammerrohr umströmt,
vermischt sich mit dem Ausströmabgasen
und verringert deren Temperatur. Entlang dem Bereich 164 geht
der Querschnitt des Mischkanals zu einem ringförmigen Querschnitt über, bevor
er die Turbinenfläche
erreicht. Die beispielhafte innere Kernwand 165 (9)
ist entlang im Wesentlichen der gesamten Länge des Mischkanals ringförmig und
formt einen allmählichen Übergang
von dem durch die Scheibenplatteformen 79 davor geschaffenen
Bereich. 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.
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Die
Geometrie des Buckels und des Mischkanals und das Volumen zwischen
den Dreh-Leitelementen und der Turbinenfläche erfüllen drei Primärfunktionen:
1) Diffundieren der Hochgeschwindigkeits-Abgase von den Brennkammerrohren
zu einem nutzbaren Druckanstieg, der zu den Maschinendurchflussanforderungen
passend ist; 2) Vermischen und Überführen von
lokalem heißem
Abflussabgas und kalter Kernbypassluft zu einer Gasströmung gleichförmiger (oder
annähernd
gleichförmiger)
Temperatur an der Turbinenfläche;
und 3) Wirken als ein Druckpulsdämpfer,
um die der Turbine angebotene Strömung zu glätten. Ein beispielhafter Buckel
kann in Übereinstimmung
mit der schraubenförmigen
Geschwindigkeitskomponente der die Brennkammereinrichtung verlassenden
Abgase (z.B. wie in 8) schraubenförmig angeordnet
sein.
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In
beispielhaften Ausführungsformen
können zwischen
4 und 60 Verbrennungsrohre oder enger 20 und 40 vorgesehen sein.
Beispielhafte Rohrlängen (und
die annähernd ähnlichen
Verbrennungskammerlängen)
betragen zwischen 6 inch (15 cm) und 40 inch (102 cm), genau 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), genauer
2,0 inch2 (12,9 cm2)
und 8 inch2 (51,6 cm2). Ein
beispielhafter Abgabesektor beträgt
zwischen 5° und
120°, enger
10° und
100°. Jedoch
ist die Hauptbeschränkung
hinsichtlich des Beladungssektors die Zeit, die erforderlich ist,
um die Verbrennungsrohre bei einem vorgegebenen Radius von der Maschinenmittellinie
und vorgegebener Drehzahl zu beladen. Das ermöglicht mehrere Baladungs/Abgabe-Zyklen während einer
360°-Rotation
des Karussells. In einer derartigen Situation kann es mehrere Beladungssektoren
und Abgabesektoren, Buckel und Ähnliches
geben.
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Die
Größe der Druckpulse
von den einzelnen Verbrennungsrohren ist durch die offensichtlich
hohe Feuerfrequenz (z.B. 1000 Hz bis 6000 Hz), welche durch das
rotierende Rohrbündel
geliefert wird, verringert. Die Druckpulse können sich bei einem relativ gleichförmigen Spitzenniveau überlappen,
was zu einem quasi gleichmäßigen Ausströmungsdruck
führt. Zusätzliches
viskoses Dämpfen
verbleibender kleiner zyklischer Restdruckvariationen erfolgt in
dem Volumen des Kanals, wenn sich die Kernbypassgase und die Brennkammerrohrabgase
miteinander vermischen. Die vermischten Gase werden dann durch die Turbine
expandiert.
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10 zeigt
den Übergang
der Verzweigungseinrichtung 60 und der vorderen Karussellscheibe 70.
In der Verzweigungseinrichtung ist der Strömungsweg von der Verzweigungseinrichtung
zu dem Karussell an einem (radial) äußeren Extrembereich von einer
inneren Oberfläche 170 der
Wand 94 begrenzt. Innerhalb ist der von der äußeren Oberfläche 172 der
Wand 102 begrenzt. In der beispielhaften Ausführungsform
sind die Oberflächen 170 und 172 entlang
dem Beladungssektor von einer regelmäßigen umfangsmäßigen Anordnung
von in Längsrichtung
und radial verlaufenden Stegen 174 verbunden (11),
welche diskrete Unterteilungen der mittleren Sektion 82 bilden.
Wir kehren zu 10 zurück. Die Oberflächen 170 und 172 konvergieren
entlang einem Bereich in Erstreckungsrichtung strömungsaufwärts/vor
einem strömungsabwärtigen Verzweigungseinrichtungsauslass 176 an
dem Übergang. Der
beispielhafte Auslass 176 ist von einem Einlass 178 zu
einer Strömungspassage 180 vor
dem Einfassende 53 eines Rohrs 50 getrennt. In
der beispielhaften Ausführungsform
sind der Aus lass 176 und der Einlass 178 von einem
Spalt 182 mit einer statischen Längserstreckung L1 getrennt.
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In
der beispielhaften Ausführungsform
sind die äußere und
die innere Oberfläche
der Passage 180 als 184 und 186 gezeigt. 12 zeigt
diese Oberflächen
getrennt durch eine umfangsmäßige Anordnung
von in Längsrichtung
und radial verlaufenden Stegen 188. In der Nähe des Einlasses 178 sind
die Oberflächen 184 und 186 im
Wesentlichen umfangsmäßig, jedoch
haben sie strömungsabwärts davon
einen allmählichen Übergang,
um eine Oberfläche
von kreisförmigem
Querschnitt zu bilden, um einen glatten Übergang zu dem kreisförmigen Querschnitt
des zugehörigen
Rohrs 50 zu schaffen. Wir kehren zu 10 zurück. In der
Nähe des
Einlasses 178 sind die Oberflächen 184 und 186 in
Strömungsrichtung
konvergent in Richtung zu dem Einlass und dem zugehörigen Übergang
zu der Verzweigungseinrichtung. 10 zeigt
weiterhin das Dichtungssystem als aufweisend eine äußere Dichtung 190 und
eine innere Dichtung 192. Die äußere und die innere Dichtung
sind jeweils als beispielhafte Labyrinthdichtungen mit austauschbaren
Zähnen 194,
die von der Scheibe 70 getragen sind, und einem komplementären abradierbaren
Streifen 196, der von der Verzweigungseinrichtung getragen
ist, gebildet. Die beispielhaften Dichtungen 190 und 192 ragen
mit einem Winkel von der Längsrichtung
weg (z.B. beispielhaften 25° bis
40°), wobei
die Zähne
nach außen und
nach vorne gerichtet sind und die zugehörige Fläche des zugehörigen Reibstreifens
nach innen und nach hinten gerichtet ist. Im statischen Zustand sind
an dem Übergang
die Oberflächen 170 und 184 radial
einen Abstand L3 versetzt, wobei die Oberfläche 184 innen
ist. Die Oberflächen 172 und 186 sind einen
radialen Abstand L4 versetzt, wobei die
Oberfläche 186 auch
innen ist. Beispielhaft sind L3 und L4 gleich. Während das Karussell anfangs
hochläuft
und bei einer niedrigen Drehzahl rotiert und bevor es sich aufheizt, ändert sich
dieser jeweilige Versatz möglicherweise
nicht wesentlich. Jedoch ist bei höherer Betriebsdrehzahl die
Scheibe 70 infolge der Zentrifugalwirkung, die mit dem
Rotieren einhergeht, radialer Dehnung ausgesetzt und kann einer
größeren Wärmeausdehnung
ausgesetzt sein als die Verzweigungseinrichtung. Eine oder beide
dieser Faktoren können
die Radialpositionen der Oberflächen 184 und 186 anheben
und diese tendenziell in Ausrichtung mit den Oberflächen 170 und 172 bringen
(d.h. den jeweiligen Versatz relativ zu L3 und
L4 verringern oder eliminieren). Ein radialer
Abstand ähnlich
L3 und L4 kann jeweils
zwischen den Zähnen
und den Reibstreifen der Dichtungen 190 und 192 vorgesehen
sein. Ein beispielhaftes Material für die Zähne 194 ist eine Superlegierung
auf Nickelbasis (z.B. ähnlich
derjenigen der zugehörigen
Scheibe oder anders ausreichend in dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
(CTE – coefficient
of thermal expansion) angepasst), welches optional zum einfacheren
Zusammenbau segmentiert ist. Ein beispielhaftes Material für den abradierbaren
Streifen ist ein aufgebautes Material, beispielsweise eine im Plasmasprühverfahren
hergestellte Nickellegierung (z.B. auch ausreichend anpassend an
den CTE des benachbarten Verzweigungseinrichtungsmaterials). Ein
zusätzliches
Dichtungs-Radialspiel kann wünschenswert sein,
um jegliche dynamische (z.B. schwingungsmäßige) Verlagerungen aufzunehmen,
welche tendenziell die Zähne
und den Reibstreifen enger zueinander bringen. Vorteilhafterweise
lässt der
Reibstreifen die Möglichkeit
eines Kontakts mit den Zähnen
zu. Außerdem
kann die Spaltbreite L1 dimensioniert sein, um
antizipierte Änderungen
durch Wärmeausdehnung
und dynamische Verlagerung zuzulassen. In Anbetracht des zusätzlichen
Spiels in den Dichtungen relativ zum jeweiligen Passagenoberflächenversatz
können
weitere Mittel vorgesehen sein, um das Ausströmen von Brennstoff/Luftladungen
entlang dem Beladungssektor zu verhindern. Ein derartiges Mittel
ist der Venturi-Effekt, der durch das Konvergieren der Oberflächen 170 und 172 einerseits
und 184 und 186 andererseits geschaffen ist. Der
Venturi-Effekt verringert den lokalen Druck in dem Strömungsweg
und reduziert so Druckdifferenz über
den Spalt 182 (wenn er sie nicht gar eliminiert) zwischen
dem Verzweigungseinrichtungs-Rohr-Strömungsweg und jeder der Sektionen 80 und 84.
Der Effekt kann sogar ausreichend sein, eine Leckage von den Sektionen 80 und/oder 84 in
den Verzweigungseinrichtungs-Strömungsweg
zu verursachen. In einer beispielhaften Ausführungsform kann L1 im
kalten/nicht-laufenden Zustand 0,020 bis 0,080 inch (0,51 bis 2,03
mm), genauer 0,030 bis 0,060 inch (0,76 bis 1,52 mm) betragen. Beispielhafte
Werte für L3 und L4 können 0,020
bis 0,100 inch (0,51 bis 2,54 mm), genauer 0,040 bis 0,070 inch
(1,02 bis 1,78 mm) betragen. Bei Reisedrehzahl und -temperatur können L3 und L4 auf null
gehen. Es ist gut möglich, dass
sich der Nominalwert oder durchschnittliche Wert von L1 nicht
signifikant ändert,
er kann jedoch durch eine dynamische Exkursion (z.B. ± 0,010
bis 0,030 inch (0,25 bis 0,76 mm)) infolge zyklischer Impulsbelastung
von den Brennkammerrohren gehen. Die Größe der Exkursion wird von der
in die Rohrbündelspule
und die Lager eingebauten axialen Steifigkeit abhängen. Diese
Steifigkeit bestimmt das erforderliche Nenn-L1 in
dem kalten/nicht-laufenden Zustand.
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13 zeigt
eine alternative Verzweigungseinrichtung 200 und Scheibe 202.
Die Scheibe 202 liefert Einlässe zu einer umfangsmäßigen Anordnung von
Verbrennungsleitungen 204. Die beispielhafte Verzweigungseinrichtung 200 hat
Kanalsektionen 206 und 208, die Luft in die Verbrennungsleitungen bzw.
entlang einem Verbrennungsbypass-Strömungsweg, der außerhalb
der Leitungsanordnung führt,
zu lenken. Wie bei der Ausführungsform
der 10 kann ein Spalt 210 zwischen dem Verzweigungseinrichtungsauslass 212 und
einem Einlass 214 zu Strömungspassagen 216 in
der Scheibe 202 vorhanden sein, die den vorderen Bereich
der zugehörigen
Verbrennungsleitung 204 bildet. Dieser Schnittflächenspalt
an beispielhafter Stelle ist von einem inneren und einem äußeren Labyrinthdichtungssystem 220 und 224 abgedichtet.
Das innere Dichtungssystem 220 hat von einer nach vorne
ragenden Lippe 226 der Scheibe 202 nach außen ragende
Zähne innerhalb
des Passbereiches 228 der Verzweigungseinrichtung, der
seinerseits ein abradierbares Dichtungsmaterial 230 trägt. Die
Zähne des äußeren Dichtungssystems 224 sind
an der Scheibe 202 außerhalb
der Passage 216 gebildet und dichten zu abradierbarem Dichtungsmaterial 232 der
Verzweigungseinrichtung außerhalb
davon ab. Der Kanal 206 und die Passage 216 können einen
in Richtung zu dem Übergang
konvergenten Querschnitt haben, um den Venturi-Effekt zu liefern.
Wie bei der Ausführungsform
der 10 kann eine statische kalte radiale Fehlausrichtung
zu einer heißen
Ausrichtung im Betrieb zwischen benachbarten Oberflächen des
Kanals 206 und der Passage 216 übergehen. 13 zeigt
ferner eine beispielhafte Zündeinrichtung 240, die
durch eine Verkabelung 242 mit einem Kontakt 240 verbunden
ist, der mit der Anordnung rotiert und selektiv mit stationären Kontakten 246 an
einem Flansch 248, der von der Verzweigungseinrichtung nach
innen ragt, kooperiert.
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14 zeigt
eine weitere Ausführungsform, die
generell ähnlich
der Ausführungsform
von 13 gebildet sein kann, bei der jedoch ein Übergang
entlang einem Strömungsweg
zwischen der Verzweigungseinrichtung 260 und der Scheibe 262 in
Längsrichtung
verläuft.
Die Verzweigungseinrichtung hat Kanäle 266 und 268,
die einen Strömungsweg
zu der Leitung 264 bzw. einen Verbrennungsbypass-Strömungsweg
definieren. Ein in Längsrichtung
verlaufender Spalt 270 ist zwischen einem Verzweigungseinrichtungsauslass 272 und
Scheibeneinlässen 274 definiert.
Labyrinthdichtungssysteme 280 und 284 können an
gegenüber
liegenden Seiten des Verbrennungsströmungswegs vorgesehen sein.
Verbrennungsströmungswegseinschnürungen an
dem Übergang
können
den Ventu ri-Effekt liefern. Bei einem derartigen Längsspalt
haben Erwärmung
und Dynamik eine relativ große
Auswirkung auf die Größe des Spalts
zwischen Verzweigungseinrichtung und Scheibe. Bei einem derartigen
Spalt kann es besonders wünschenswert
sein, irgendeine Form aktiver Spaltkontrolle vorzusehen. Beispielsweise
kann in dem kalten statischen Zustand ein relativ großer Spalt
vorgesehen sein, der in einem heißen laufenden Zustand auf ein
Minimalmaß schließt. Bestimmte Übergangsbedingungen
können
auf andere Weise den Spalt vergrößern. Beispielsweise
kann, wenn im heißen
Zustand die Maschine auf eine niedrigere Drehzahl gedrosselt wird,
das den Zentrifugaleffekt verringern und den Spalt vergrößern. In
einem solchen Zustand könnte
ein kontrolliertes Abkühlen
der Verzweigungseinrichtung die Verzweigungseinrichtung thermisch
schrumpfen lassen, um den Spalt zu verringern und so Leckage zu
verringern. Alternativ könnte
ein kontrolliertes zusätzliches
Erwärmen
der Scheibe die Scheibe thermisch ausdehnen lassen, um den Spalt
zu verringern. Kühlen
oder Erwärmen kann
durch kontrolliertes Ablassen von Kühl- oder Heizgas (z.B. Bypassluft
bzw. abgeleitetes Abgas) bewirkt werden.
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Wenn
ein Abdichten der Einlassenden der Leitung für das Abgeben hinsichtlich
Kosten- und Haltbarkeitsüberlegungen
unpraktisch ist, beinhalten alternative Ausführungsformen das Versehen des Blockierbereiches
mit einer U-förmigen
Passage, von der ein Schenkel mit dem Rohreinlass und ein anderer
Schenkel mit einem hilfsweise mindestens teilweise in Längsrichtung
verlaufenden Abgasleitung kommuniziert. Eine solche Abgasleitung
kann an dem Karussell befestigt sein oder fest und extern davon
sein. Nach dem Entzünden
der Ladung in der Verbrennungsleitung werden die Verbrennungsprodukte
sowohl von dem Verbrennungsrohrauslass als auch von dem Einlass
ausgeworfen. Letztere Strömung von
Verbrennungsprodukten kann durch die Abgasleitung strömen und
beispielsweise mit dem Rest an dem Auslass einer derartigen Abgasleitung
in der Nähe
des Verbrennungsrohrauslasses zusammenkommen. Das verringert die
Druckbelastungen auf die Dichtung zwischen der Verzweigungseinrichtung und
dem Karussell.
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Viele
Variationen sind möglich.
Beispielsweise können
die Rohre anders als parallel zur Maschinenmittelachse sein. Das
beinhaltet beispielsweise das Schrägstellen bei im Wesentlichen
gleichem Radius zu der Maschinenachse oder bei einem Radius, der
mit der Längsposition
variiert. Die Rohre können auch
anders als gerade sein. Andere Variationen können Rohe mit einem nicht-kreisförmigen und nicht-konstanten
Querschnitt beinhalten. Während der
kreisförmige
Querschnitt bestimmte strukturelle Vorteile und Herstellungsvorteile
liefert, können
andere Querschnitte gut verwendet werden, um gewünschte Strömungseigenschaften zu liefern.
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Eine
oder mehrere Ausführungsformen)
der vorliegenden Erfindung wurde(n) beschrieben. Dennoch wird man
verstehen, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne
von dem Geist und dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise
beeinflussen Details einer speziellen Anwendung die Konfiguration
der Brennkammereinrichtung. Verschiedene Merkmale der Brennkammereinrichtung
können
vollständig
oder teilweise mit Merkmalen der Turbine oder des Verdichters integriert
werden. Angewandt bei einer Umkonstruktion einer existierenden Turbinenmaschine
können
Details der existierenden Maschine Details der Realisierung beeinflussen.
Die rotierende Brennkammereinrichtung kann alternativ bei Anwendungen
jenseits von Turbinenmaschinen verwendet werden. Folglich sind andere
Ausführungsformen
in dem Umfang der folgenden Ansprüche enthalten.