DE60307033T2

DE60307033T2 - Apparat mit pulsierender Verbrennung und verteilter Zündung

Info

Publication number: DE60307033T2
Application number: DE60307033T
Authority: DE
Inventors: Craig A. Manchester Nordeen; James W. Lebanon Norris; Jr. Wendell V. Glastonbury Twelves
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 2002-12-30
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2023-12-25
Also published as: EP1435449B1; US7100360B2; DE60307033D1; US7047724B2; US20050000205A1; EP1435449A1; US20040123583A1; ATE334307T1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Pulsverbrennungsvorrichtungen und insbesondere Pulsostrahltriebwerke und Hybridpulsverbrennungs- und -turbinen-Maschinen.
Beschreibung des Stands der Technik
Es gibt diverse Pulsverbrennungstechnologien. Pulsdetonationsmaschinen (PDE's – pulse detonation engines) repräsentieren Bereiche spezieller Entwicklung. Bei einem generalisierten PDE lässt man Brennstoff und Oxidationsmittel (z. B. sauerstoffhaltiges Gas wie beispielsweise Luft) als eine Mischung in eine längliche Brennkammer an einem strömungsaufwärtigen Einlassende, typischerweise durch ein Einlassventil, ein. Nach dem Einbringen dieser Ladung wird das Ventil geschlossen und eine Zündeinrichtung wird verwendet, um die Ladung (direkt oder durch einen Übergang von Entflammung zu Detonation) detonieren zu lassen. Eine Detonationswelle breitet sich in Richtung zu dem Auslass mit Überschallgeschwindigkeit aus und bewirkt eine substantielle Verbrennung der Brennstoff/Luftmischung bevor die Mischung substantiell aus dem Auslass ausgetrieben werden kann. Das Ergebnis der Verbrennung ist das schnelle Erhöhen des Drucks in der Kammer, bevor substantiell Gas träge durch den Auslass entkommen kann. Der Effekt dieser Trägheitsrückhaltung ist es, eine Verbrennung bei annähernd konstantem Volumen im Unterschied beispielsweise zu einer Verbrennung bei konstantem Druck zu erzeugen.
Die Detonationsentzündung hat jedoch einige Nachteile. Das Erzielen einer zuverlässigen Detonation bringt Komplexitätskosten mit sich. Diese ergeben sich aus einem Bedürfnis nach einer engen Kontrolle von Parametern, wie beispielsweise Druck, Temperatur, Brennstofftröpfchengröße und Brennstoffverteilung sowie die damit in Beziehung stehende Verwendung komplexer Initiatoren und Brennkammergeometrie und die Zugabe von Unterstützungs-Beschleunigern, wie beispielsweise Sauerstoff. Es kann Betriebsnachteile geben, einschließlich Ge räusch und Schwingung, hohe Betriebstemperaturen und -drücke und Stickoxidemissionen.
PDE Technologie hat eine Vielzahl von Anwendungen. Eine traditionelle Anwendung sind Pulsostrahltriebwerke. Bestimmte jüngste Anwendungen beinhalten die Verwendung in Turbinen- oder Hybridtriebwerken. Das US Patent Nr. 6 442 930 und frühere Patente bezeichnen einige Hybridanwendungen. Diese beinhalten Verwendungen als Schubverstärker und Ersatz für konventionelle kontinuierliche Konstantdruckturbinenbrennkammereinrichtungen. Ein weiteres Beispiel einer PDE ist in US-A-2557198 beschrieben.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Folglich ist ein Aspekt der Erfindung eine Pulsverbrennungsvorrichtung mit einem Kessel mit einem Gaseinlass und einem Gasauslass. Ein Ventil öffnet und schließt den Einlass, um eine Ladung aus Gas einzulassen. Die Vorrichtung beinhaltet eine Einrichtung zum Erzeugen einer verteilten Entzündung des Gases entlang eines Strömungswegs in dem Kessel. Die Verbrennung erfolgt im Wesentlichen über eine Entflammung. Die Entzündung kann vielpunktartig, kontinuierlich und/oder multi-kontinuierlich sein.
Eine Anzahl derartiger Vorrichtungen kann als eine Brennkammereinrichtung einer Turbinenmaschine verwendet werden.
Andere Aspekte der Erfindung und bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen ausgeführt.
Die Details von einer oder von mehreren Ausführungsformen der Erfindung sind in den begleitenden Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung ausgeführt. Andere 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 schematische Teilschnittansicht einer ersten Pulsverbrennungsvorrichtung.
2 ist eine schematische Teilschnittansicht einer zweiten Pulsverbrennungsvorrichtung.
3 ist eine schematische Teilschnittansicht einer dritten Pulsverbrennungsvorrichtung.
4 ist eine schematische Teilschnittansicht einer vierten Pulsverbrennungsvorrichtung.
5 ist eine Längs-Teilschnittansicht einer Turbobläsermaschine.
6 ist eine erste isolierte isometrische Ansicht einer Brennkammervorrichtung der Maschine von 5.
7 ist eine zweite isolierte isometrische Ansicht der Brennkammervorrichtung der Maschine von 5.
8 ist eine Längsschnittteilansicht der Maschine von 5 entlang einem Beladungssektor.
9 ist eine Längsschnittansicht einer Verzweigungseinrichtung der Maschine von 5 entlang dem Beladungssektor.
10 ist eine Längsschnittteilansicht der Maschine von 5 entlang einem Entladungssektor.
11 ist eine Längsschnittansicht eines Brennkammerrohrs der Maschine von 5 entlang dem Entladungssektor.
Gleiche Bezugszeichen und Bezeichnungen in den verschiedenen Zeichnungen bezeichnen gleiche Elemente.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt eine Vorrichtung 20 mit einem Einschlussrohr 22, welches sich entlang einer zentralen Längsachse 500 von einem Einlassende 24 zu einem Auslassende 26 erstreckt. Das Einlassende ist mit einer Brennstoff/Luftleitung 28 durch ein Ventil 30 gekoppelt. Eine Reihe von Zündeinrichtungen 32 ist an verschiedenen Positionen entlang dem Rohr positioniert. Das Rohr hat eine Gesamtlänge L und die Zündeinrichtungen sind mit einer beispielhaften Teilung P positioniert. Das Rohrinnere hat eine charakteristische Querabmessung, die durch einen Durchmesser D identifiziert ist. Beim Auslösen erzeugt jede Zündeinrichtung einen Entflammungspuls 40, der eine Flammenfront radial nach außen von einem zugehörigen Zündpunkt 42 mit einer Unterschallgeschwindigkeit (z. B. unter etwa 2000 Fuß pro Sekunde (fps) (610 m/s) und typischerweise in der Nähe von 1000 fps (305 m/s)) ausbreitet. Bei mehreren Zündeinrichtungen wird eine annähernd vollständige Verbrennung in der Zeit erzielt, die die Flammenfront benötigen, um sich über die kleinere Strecke von Durchmesser D oder einer Hälfte der Teilung P zu bewegen. Das unterscheidet sich von einer Detonation von einem einzigen Initiierungspunkt mit einer beispielhaften Zündeinrichtung in der Nähe des Einlasses, wobei eine substantielle Verbrennung in dem Zeitintervall erreicht wird, welches eine Überschalldetonationswelle benötigt, um sich über die Länge des Rohrs zu bewegen. Folglich kann man mit einer ausreichend hohen Anzahl von Zündpunkten (und einem ausreichend kleinen Abstand dazwischen) eine substantielle Verbrennung durch Unterschallentflammung in einer ausreichend kurzen Zeit erreichen, die an die des Detonationssystems herankommen kann oder sogar kürzer sein kann. Bei einer ausreichend kurzen Verbrennungszeit ist der anfängliche Einschluss des Gases in dem Rohr (dessen Auslass offen ist) effektiv, um eine Verbrennung bei annähernd konstantem Volumen zu erreichen. Der sich ergebende Effekt kann das Erreichen von Wirkungsgraden sein, die ähnlich dem des Detonationssystems sind, jedoch ohne sämtliche oder manche der begleitenden Nachteile (z. B. enge Betriebsparameter, zusätzlicher Sauerstoff, exotische Kammergeometrien, Geräusch und ähnliches).
1 zeigt ein lediglich rudimentäres Beispiel eines Mehrfach-Punkt-Zündsystems mit Mehrfachzündeinrichtung. Verschiedene Ausgestaltungen können vorgenommen werden, welche das Positionieren der Zündeinrichtungen und deren Auslösetiming beinhalten, um gewünschte Verbrennungsparameter zu erzielen. Zusätzlich zur diskreten Mehrpunktzündung kann es eine kontinuierliche oder multi-kontinuierliche Zündung geben.
2 zeigt eine Vorrichtung 60 mit einem Rohr 62, welches ansonsten ähnlich dem Rohr 22 von 1 sein kann. Das Rohr 62 hat ein Einlassende und ein Auslassende 64 und 66. Das Einlassende ist in selektiver Kommunikation mit einer Brennstoff/Luftleitung 68 über ein Ventil 70. In der beispielhaften Ausführungsform ist ein Initiator 72 auch von dem Ventil 70 getragen oder anders damit gekoppelt, um einen Energiestrahl 74 abzugeben. Der Energiestrahl geht von dem Einlassende über den gesamten Weg bis zu dem Auslassende und darüber hinaus. Da die Geschwindigkeit des Strahls relativ zur Schallgeschwindigkeit extrem hoch sein kann, wirkt der Strahl als eine verteilte lineare Zündquelle entlang der Achse 500. Die sich ergebende Entflammungs-Flammenfront 76 bewegt sich im Wesentlichen radial weg von der Achse 500 und muss sich so lediglich die Hälfte des Durchmessers D ausbreiten, um eine substantielle Verbrennung zu erzielen. Eine derartige Initiierung ist insbesondere nützlich bei Brennkammerkonfigurationen, die dem Strahl einen geraden Weg durch einen substantiellen Teil der Kammer liefern.
3 zeigt eine Vorrichtung 80 mit einem Initiator 82, der mehrere im Wesentlichen parallele Strahlen 84 abgibt, um die relative Verbrennungszeit weiter zu verringern.
4 zeigt eine Vorrichtung 90 mit einem Initiator 92, der einen Strahl 94 ein Volumen der Kammer mit einer ausreichend hohen Schwenkgeschwindigkeit überstreichen lässt, um weiter die charakteristische Verbrennungszeit zu verringern.
Die Vorrichtungen können in einer breiten Leistungseinhüllenden arbeiten. Beispielhafte Betriebsdruckverhältnisse (OPR – operating pressure ratios) können zwischen 2:1 und 30:1 sein. Das niedrige Ende des Spektrums kann typisch für Staudruck-befüllte Anwendungen sein und das hohe Ende für Vor-Kompressionsanwendungen. Grundlegende Anwendungen beinhalten die Verwendung als Pulsostrahltriebwerke. In einem beispielhaften Staudruck versorgten Pulsostrahltriebwerk wird die Einlassluft in die Vorrichtung durch die Bewegung des Fahrzeugs durch die Luft eingebracht und das Abgas als Schub aus dem Auslass ausgeworfen. Anwendungen für solche Pulsverbrennungsvorrichtungen beinhalten außerdem eine Vielzahl von Verwendungen in Turbinen- oder Hybrid-Triebwerken. Ein Bereich der Hybridtriebwerke beinhaltet das Verwenden der Vorrichtungen anstelle von konventioneller Brennkammertechnologie. Bei bestimmten Realisierungen können die Pulsverbrennungsvorrichtungen in einem oder in mehreren Ringen um die Maschine positioniert sein. Die Ringe können an einem rotierenden Karussell positioniert sein, dessen Rotation jede Vorrichtung durch einen ersten Bereich einer Rotation führt, während dem die Vorrichtung beladen wird, und zu einem zweiten Bereich, in dem sie entladen wird, wobei die Verbrennung dazwischen erfolgt. Bei vorgegebenen 360° Rotation kann es mehr als ein Paar von Beladungs- und Entladungsphasen geben. Das Drehen kann durch eine der Spulen der Turbine angetrieben werden oder durch tangentiales Ableiten von von den Vorrichtungen abgegebenen Gasen.
5 zeigt eine Turbobläsermaschine 120 mit einem Kanal 122 und einem Kern 124. Der Kanal ist relativ zu dem Kern durch Leitschaufeln 126 abgestützt. Von der in den Kanal gelangenden Einlassluft treibt ein Bläser 128 einen Bypassanteil entlang einem ersten Strömungsweg radial zwischen dem Kanal und dem Kern und einen Kernanteil entlang einem zweiten Strömungsweg durch den Kern. In dem Kern strömungsabwärts des Bläsers verdichtet ein Verdichterabschnitt 130 mit alternierenden Ringen von Rotorlaufschaufeln und Starterleitschaufeln die Kernluft und liefert sie weiter strömungsabwärts zu einem Brennkammerabschnitt 132, wo sie mit Brennstoff vermischt und verbrannt wird. Ein Brennkammerbypassanteil der Kernluft kann die Brennkammereinrichtung umströmen und in einem Mischkanal 134 strömungsabwärts der Brennkammereinrichtung mit dem Anteil vermischt werden, der durch die Brennkammereinrichtung strömt. Strömungsabwärts des Mischkanals wird ein Turbinenabschnitt 136 von den Abgabeprodukten des Mischkanals angetrieben, um seinerseits den Verdichter und den Bläser anzutreiben. Ein Schubverstärker 138 kann strömungsabwärts der Turbine angeordnet sein.
Die beispielhafte Brennkammereinrichtung beinhaltet einen Ring von Verbrennungsrohren 150, die als Pulsverbrennungsrohre wie die der 1 bis 4 betrieben werden können. Obwohl sie vorteilhafterweise als Pulsentflammungsrohre betrieben werden, kann eine ähnliche Struktur potentiell mit Pulsdetonationsrohren verwendet werden. Die Rohre sind in einer Karussellstruktur 152 (6 und 7) zur Rotation um die zentrale Maschinenlängsachse 510 angebracht. Jedes beispielhafte Rohr 150 (8) hat ein vorderes strömungsaufwärtiges Einlassende 153 und ein hinteres strömungsabwärtiges Auslassende 154. Die Rohreinlassenden sind in der Nähe eines hinteren, strömungsabwärtigen Bereichs einer festen Verzweigungseinrichtung 160. Das beispielhafte Karussell beinhaltet eine Anzahl von Scheiben 170, 172, 174 und 176 von vorne nach hinten. In der gezeigten Ausführungsform und wie nachfolgend weiter 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 178 in denen die Rohre 150 befestigt sind. Scheibenplattformen 180 wirken zusammen, um eine zylinderförmige innere Wand des lokalen Kernströmungswegs zu bilden. In der beispielhaften Ausführungsform teilt die Verzweigungseinrichtung 160 die Kernströmung entlang einem Beladungssektor der Verzweigungseinrichtung in 3 Anteile in den inneren, mittleren und äußeren Verzweigungsabschnitt 180, 182 und 184 (9) auf. Entlang diesem Beladungssektor hat die Verzweigungseinrichtung eine umfangsmäßige Anordnung von Brennstoffinjektoren 190, die in einer äußeren Wand 192 des Kerns angebracht sind und den äußeren Abschnitt 184 zu einer Wand 194 durchdringen, welche die Abschnitte 182 und 184 trennt. Ein Injektorauslass 196 ist positioniert, um Brennstoff 198 in den Mittelabschnitt 182 einzubringen, wo er sich mit dem Anteil der Kernluft vermischt, welche durch den Mittelabaschnitt strömt. Entlang des Beladungssektors ist der Mittelabschnitt 182 der Verzweigungseinrichtung in Kommunikation mit einer vorübergehend ausgerichteten Gruppe der Rohre 150. Ein Dichtungssystem 200 ist an einem strömungsabwärtigen Ende der Wand 194 und einem strömungsabwärtigen Ende einer Wand 202 vorgesehen, welche die Sektionen 180 und 188 separieren. Das Dichtungssystem kooperiert mit der vorderen Scheibe 170, um die Brennstoff/Luftmischung von dem Verzweigungsabschnitt 182 in die Rohre 150 zu leiten, wenn die Rohre mit dem Beladungssektor ausgerichtet sind. In der ge zeigten Ausführungsform leitet der innere Verzweigungsabschnitt 180 einen inneren Anteil der Kernluft zu dem Karussell, wo er durch innere Öffnungen 204 in den Scheiben strömen kann, um die Rohre 150 zu umströmen. Ähnlich leitet der äußere Abschnitt 187 der Verzweigungseinrichtung einen äußeren Anteil der Kernluft um die äußeren Peripherien der Scheiben, um die Rohre zu umströmen.
In dem Karussell kann es zu einem Vermischen dieser zwei Bypassanteile zwischen den Scheiben kommen.
Außerhalb des Beladungssektors hat die Verzweigungseinrichtung ein Blockierelement 220 (10), welches mit der vorderen Scheibe 170 kooperiert, um das Einlassende des Rohrs 150 abzudichten, um eine Brennkammer zu bilden. Die Brennkammer ist von einem Kessel begrenzt, der von dem Rohr 150, einem kleinen Anteil der Scheibe 170 davor und einem hinteren Blockieroberflächenbereich des Elements 220 gebildet ist. Zu einem Entzünden und Entladen kann es kommen, wenn jedes Rohr derart abgedichtet ist. Entlang diesem Entzündungs/Entladungssektor separiert die beispielhafte Verzweigungseinrichtung die Kernluftströmung in eine innere und eine äußere Strömung, welche die Rohre in einer ähnlichen Weise zu den Bypassströmen des Beladungssektors umströmen. Verbrennungsgase, die aus dem Rohrauslass 154 abgegeben werden, treffen Dreh-Leitelemente 240, die mit der hinteren Karussellscheibe 176 einstückig gebildet sein können. In der beispielhaften Ausführungsform ist eine gleiche Anzahl von Dreh-Leitelementen 240 alternierend zwischen den Rohren 150 angeordnet. Benachbarte Leitelemente leiten die Abgabeprodukte von den Rohren um einen Winkel θ (11) relativ zu der Rohrachse und der lokalen Längsmittelebene der Maschine ab. In der beispielhaften Ausführungsform liefert diese Ableitung ausreichend Drehmoment dem Karussell, um das Karussell mit einer gewünschten Drehzahl rotieren zu lassen. In einer beispielhaften Drei-Spulen-Maschine ist eine beispielhafte Dauerdrehzahl des Karussells 2000 bis 18000 U/min. Der spezielle Betriebsbereich wird durch Dimensionsüberlegungen der Maschine hinsichtlich der strukturellen Integrität des Karussells und der Anzahl von Beladungs/Entladungszyklen pro Umdrehung beeinflusst. Ein engerer Bereich einer Zieldrehzahl von 6000 bis 12000 U/min ist wahrscheinlich, wobei das untere Drittel dieses Bereichs wahrscheinlicher für eine Maschine mit zwei Zyklen/Umdrehung und das obere Drittel wahrscheinlicher für eine Maschine mit einem Zyklus/Umdrehung ist. Bei Betrieb werden diese Drehzahlen wahrscheinlich deutlich niedriger sein als die Drehzahl der hohen Spule und in etwa gleich der oder geringfügig niedriger als die Drehzahl der niedrigen Spule. Eine Anfangsrotation kann durch den Anlassermotor der Maschine oder einen zugewiesenen Anlassermotor für die Brennkammereinrichtung bereitgestellt werden.
Die Abgabeströmung wird mit den Brennkammereinrichtungs-Bypassströmungen vermischt, bevor sie auf die Turbine trifft. In der beispielhaften Ausführungsform kann sich ein äußerer Anteil der Strömung, die über die hintere Scheibe 176 strömt mindestens teilweise mit einer Abgabeströmung entlang der Leitschaufeln 240 vermischen. Ein innerer Anteil, der durch die Öffnungen 204 in der hinteren Scheibe strömt, kann sich damit weiter strömungsabwärts in dem Mischkanal 136 vermischen.
Die äußere Kernwand 192 hat einen lokal radial erhöhten Abschnitt oder Buckel 260 (10) mit einem ersten Teil 262, der von in der Nähe eines vorderen Endes des Karussells nach hinten geht, und einen zweiten Bereich 264, der entlang einem vorderen Bereich des Mischkanals 136 weiter nach hinten geht. Bereiche der äußeren Wand vor und nach dem Buckel 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 anzutreiben. Der Buckel liefert einen nicht gleichförmigen Querschnitt für einen vergrößerten Querschnittströmungsbereich in der feuernden Entladungszone einer Mischebene. Das große Volumen von relativ kühler Kernluft, welche das Brennkammerrohr umströmt, vermischt sich mit den Abgasausströmungsprodukten und verringert deren Temperatur. Der Querschnitt des Kanals geht zu einem gleichförmigen Querschnitt über, bevor die Turbinenfläche erreicht wird. Die Übergangsgeometrie erzwingt eine Kernbypass- und Abgasvermischung und eine gleichförmige Verteilung der vermischten Gase um den Umfang des Kanals.
Die Buckel- und Mischkanalgeometrie und das Volumen zwischen den Dreh-Leitelementen und der Turbinenfläche dienen drei primären Funktionen: 1) dem Diffundieren der Hochgeschwindigkeits-Abgas-Gase auf einen nützlichen Druckanstieg, der mit den Maschinen-Durchströmungsanforderungen kompatibel ist; 2) dem Herausmischen und Überführen von lokalen heißen, Hochgeschwindigkeits- Abgas-Ausströmprodukten und kalter Kernbypassluft zu einer gleichförmigen oder annähernd gleichförmigen Druck-Geschwindigkeits- und Temperatur-Gasströmung an der Turbinenfläche; und 3) dem Wirken als ein Druckpulsdämpfer, um die der Turbine dargebotene Strömung zu glätten. Ein beispielhafter Buckel kann schraubenförmig gemäß der schraubenförmigen Geschwindigkeitskomponente der die Brennkammer verlassenden Abgas-Gase sein.
In beispielhaften Ausführungsformen können zwischen 4 und 60 Verbrennungsrohre, enger 20 und 40, vorgesehen sein. Beispielhafte Rohrlängen (und die annähernd ähnlichen 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 10° und 100°. Jedoch ist die Schlüsselbeschränkung hinsichtlich des Beladungssektors die Zeit, die erforderlich ist, um die Verbrennungsrohre bei einem vorgegebenen Radius von der Maschinenmittellinie und einer vorgegebenen Rotationsgeschwindigkeit zu beladen. Wie vorangehend beschrieben, gibt das Anlass zu der Möglichkeit mehrerer Beladungs/Entladungszyklen während einer 360° Drehung des Karussells. In einer solchen Situation könnte es mehrere Beladungs- und Entladungssektoren, Buckel und ähnliches geben. Somit wäre für eine beispielhafte Konfiguration mit einem einzigen Zyklus pro Umdrehung ein beispielhafter Entladungssektor 80 bis 120°, wobei der im Wesentlichen komplementäre Beladungssektor 240 bis 180° wäre.
Die Größe der Druckpulse von den einzelnen Verbrennungsrohren wird durch die offensichtlich hohe Frequenz (z. B. 1000 Hz bis 6000 Hz) minimiert, die durch das rotierende Rohrbündel geliefert wird. Die Druckpulse können sich bei einem relativ gleichförmigen Spitzenniveau überlappen, was zu einem quasi kontinuierlichen Ausflussproduktedruck führt. Zusätzliches viskoses Dämpfen sämtlicher verbleibender kleiner zyklischen Druckvariationen erfolgt in dem Volumen des Kanals, wenn sich die Kernbypass- und Brennkammerrohrabgas-Gase miteinander vermischen. Die vermischten Gase lässt man dann durch die Turbine expandieren.
Wenn das Abdichten der Einlassenden der Leitungen hinsichtlich von Kosten- 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 einem hilfsweise mindestens teilweise in Längsrichtung verlaufende Abgasleitung kommuniziert. Eine derartige Abgasleitung kann an dem Karussell angebracht sein oder extern davon befestigt sein. Nach dem Entzünden der Ladung in der Verbrennungsleitung werden die Verbrennungsprodukte sowohl aus dem Verbrennungsrohrauslass als auch aus dem Einlass ausgeworfen. Die 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 Brennkammerrohreinlasses verbinden. Das verringert die Druckbelastungen an der Dichtung zwischen der Verzweigungseinrichtung und dem Karussell.
Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde beschrieben. Dennoch wird man verstehen, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise werden die Details einer speziellen Anwendung die Konfiguration der Anwendungsvorrichtungen beeinflussen. Verschiedene Merkmale der Brennkammereinrichtung können vollständig oder teilweise mit Merkmalen der Turbine oder des Verdichters integriert werden. Folglich sind andere Ausführungsformen in dem Umfang der nachfolgenden Ansprüche.

Claims

Pulsverbrennungsvorrichtung, aufweisend: einen Kessel (22) mit einem Gaseinlass (24) und einem Gasauslass (26); und ein Ventil (30) zum Öffnen und Schließen des Einlass zum Einlassen einer Ladung von Gas; gekennzeichnet durch eine Einrichtung (32; 72; 82; 92) zum Erzeugen einer verteilten Entzündung des Gases entlang einem Strömungsweg in dem Kessel, wodurch eine Verbrennung im Wesentlichen über Entflammung erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kessel (22) eine Länge entlang einem Strömungsweg zwischen dem Einlass und dem Auslass hat, wobei die Länge mindestens 1,5 mal einer Quadratwurzel einer mittleren Querschnittsfläche ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kessel (22) zu einem Hauptteil aus einem Rohr mit im Wesentlichen gleichförmigen Kreisquerschnitt ist, das eine Länge von mindestens 1,5 mal einen charakteristischen Innendurchmesser hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, die unter einem Betriebsdruckverhältnis von zwischen 2:1 und 30:1 arbeitet.
Turbobläsermaschine (120), aufweisend: einen Bläser (128); einen Verdichter (130); eine Pulsverbrennungsbrennkammereinrichtung (132), die eine Mehrzahl von Pulsverbrennungsvorrichtungen gemäß Anspruch 1 aufweist, die Luft von dem Verdichter erhält und Verbrennungsgase abgibt, wobei jede der Vorrichtungen aufweist: eine längliche Brennkammer (150), wobei jede einen solchen Gaseinlass (153) und einen solchen Gasauslass (154) hat; und wobei die Zündeinrichtung eine verteilte Entzündung des Gases entlang einem Strömungsweg in der Brennkammer erzeugt, wobei die Entzündung ohne Detonation erfolgt; wobei die Maschine ferner eine Turbine (136) aufweist, welche Verbrennungsgase empfängt und den Verdichter und den Bläser antreibt.
Maschine nach Anspruch 5, welche unter Bedingungen eines Betriebsdrucksverhältnis von zwischen 2:1 und 20:1 arbeitet.
Maschine nach Anspruch 5, welche unter Bedingungen eines Betriebsdruckverhältnisses von zwischen 10:1 und 20:1 arbeitet.
Maschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, aufweisend mindestens acht derartiger Brennkammern.
Maschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Brennkammern (150) jeweils ein Rohr aufweisen und wobei die Rohre für arbeitsmäßige Rotation als eine Einheit um eine zentrale Längsachse (510) der Maschine getragen sind.
Pulsverbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zündeinrichtung aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: eine Mehrzahl von Zündeinrichtungen (32), die an einer Mehrzahl von Positionen von strömungsaufwärts nach strömungsabwärts entlang dem Kessel angeordnet sind; und eine Energiequelle (72; 82; 92), die mindestens einen Strahl in einer im wesentlichen strömungsaufwärtigen oder strömungsabwärtigen Richtung lenkt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Zündeinrichtungen (32) elektrische Funken-Zündeinrichtungen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei mindestens eine erste derartige Zündeinrichtung (32) in einem strömungsaufwärtigen 1/3 einer Länge des Kessels und eine zweite derartige Zündeinrichtung (32) in einem strömungsabwärigen 1/3 der Länge des Kessels (22) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, wobei mindestens drei solche Zündeinrichtungen (32) mit Abständen, die nicht größer als 1/2 einer Länge des Kessels (22) sind, angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei mindestens vier derartigen Zündeinrichtungen (32) mit Abständen, die nicht größer als 1/3 einer Länge des Kessels (22) sind, vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Energiequelle (72; 82; 92) aus der Gruppe gewählt ist, die besteht aus Lasern, Mikrowellenquellen, Elektronenstrahlquellen und Plasmastrahlquellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, welche unter Bedingungen eines Betriebsdruckverhältnisses zwischen 2:1 und 20:1 arbeitet.