DE69503133T2 - Fangvorrichtung für ein turbinenrad - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Turbobläsermaschinen und insbesondere eine Struktur zum Rückhalten gebrochener Bläserlaufschaufeln.
• Turbobläserflugzeugtriebwerke haben große Bläser an dem vorderen Ende. Sie rotieren bei einer hohen Drehzahl von etwa 3000 Umdrehungen pro Minute.
• Fremdkörper wie Vögel, Hagelkörner oder vom Boden aufgenommener Schmutz treffen gelegentlich die Bläserlaufschaufeln. Es ist möglich, daß das einen Bruch der Bläserlaufschaufeln verursacht. Diese Bruchstücke können in der Größenordnung von 7 Kilogramm sein und sich mit etwa 930 Metern pro Sekunde bewegen. Es ist essentiell, die Laufschaufelbruchstücke zurückzuhalten und auch das Gehäuse zu erhalten.
• Eine typische Rückhaltestruktur ist in dem US Patent 4,490,092 mit dem Titel "Containment Structure" beschrieben, das Emile J. Premont erteilt wurde. Eine Abstützstruktur besitzt "c"-förmige Versteifungselemente zwischen einer inneren und einer äußeren Schicht. Diese Struktur umgibt den Bläser und hat mehrere Lagen aus einem ballistischen KEVLAR® Textilgewebematerial (Warenzeichen von Dupont Corporation). Dieses Textilmaterial wird unter Zug gewickelt und dient dazu, Laufschaufelbruchstücke, die durch die Abstützstruktur hindurchgehen, elastisch nachgiebig zurückzuhalten.
• Es ist wesentlich, die gebrochenen Laufschaufeln ohne ein Auflösen oder Kollabieren des Gehäuses gegen die Laufschaufel zurückzuhalten. Es ist wichtig, daß die Rückhaltestruktur leicht ist.
• Isogitterstrukturen sind bekannt, s. beispielsweise US-A-4,012,549, und werden in Raumfahrzeugen und Flugzeugen wegen der hohen Steifigkeit bei geringem Gewicht verwendet. Die Strukturen bestehen aus einer Dreiecksanordnung von Versteifungselementen mit oder ohne einer Deckschicht an einer Seite. Isogitterstrukturen wurden generell als ein Teil von Rückhaltestrukturen für Turbobläser verwendet.
• GB-A-2,114,233 beschreibt eine Bläserrückhaltestruktur mit einer Schale, die eine maximale Dicke hinter der Ebene der Profilsehnenmitte der Bläserlaufschaufeln hat.
• Bei der vorliegenden Erfindung umgibt ein zylinderförmiges Gehäuse die Bläserlaufschaufeln des Turbobläsers eines Flugzeugtriebwerks. Dieses Gehäuse hat eine vordere Rückhaltezone strömungsaufwärts der Laufschaufeln und eine Rückhaltezone in der Ebene im wesentlichen in der Ebene der Laufschaufeln. Eine hintere Rückhaltezone ist strömungsabwärts der Rückhaltezone in der Ebene angeordnet, wobei eine rückwärtige Abstützzone noch weiter strömungsabwärts angeordnet ist. Das Gehäuse ist strömungsabwärts der rückseitigen Abstützzone abgestützt.
• Eine mehrlagige Wicklung aus einem ballistischen Textilgewebematerial, beispielsweise ein KEVLAR Textilmaterial, umgibt das Gehäuse.
• Das Gehäuse ist mit einem Isogittermuster mit einem Gitter aus Flanschrippen in einer isometrischen Dreiecksbeziehung gebildet. Der Flansch befindet sich an dem radial äußeren Rand. Die Rippen verlaufen parallel zu der Achse und mit einem Winkel von 60º zu der Achse des Gehäuses.
• Eine integrale Deckschicht ist an dem radial inneren Rand des Gitters angeordnet, wodurch dreieckförmige Deckschichtsegmente zwischen den Rippen gebildet sind. Die Deckschichtsegmente haben in der Rückhaltezone in der Ebene eine maximale Dicke und eine geringere Dicke sowohl in der vorderen Rückhaltezone als auch in der hinteren Rückhaltezone.
• Vorzugsweise differieren die Dicken der Deckschicht in benachbarten Deckschichtsegmenten in den Rückhaltezonen um nicht mehr als 30%. Die rückwärtige Abstützzone besitzt eine Deckschicht geringerer Dicke, sie unterscheidet sich aber dennoch nicht um mehr als 50% von der benachbarten Deckschicht.
• Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun nur beispielhaft und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine isometrische Ansicht eines Gasturbinenmaschinen- Turbobläsers;
• Fig. 2 ist ein Schnitt durch das Gehäuse, der die Beziehung zu der Bläserlaufschaufel zeigt;
• Fig. 3 ist eine Ansicht des Isogitters;
• Fig. 4 ist der Schnitt 4-4 von Fig. 3, der die Rippe zeigt;
• Fig. 5 ist der Schnitt 5-5 von Fig. 3 durch eine axial verlaufende Rippe; und
• Fig. 6 ist der Schnitt 6-6 von Fig. 3 zwischen axial verlaufenden Rippen.
• Es wird auf die Fig. 1 Bezug genommen. Die Turbobläser- Flugzeuggasturbinenmaschine 10 hat eine Mehrzahl von rotierenden Bläserlaufschaufeln 12 an dem vorderen Ende. Ein Gehäuse 14 von etwa 2,4 m Durchmessern umgibt diese Laufschaufeln und ist durch die Verstrebungen 16 abgestützt. Das Gehäuse hat eine Isogitterstruktur 20 mit einer damit verbundenen Aluminiumblech-Metallplatte 18, die von mehreren Wicklungen aus einem ballistischen Textilgewebematerial 22, beispielsweise einem KEVLAR Textilmaterial, umgeben ist. Es besitzt an einer radial inneren Fläche außerdem einen Verschleißstreifen 24 und ein schalltilgendes Wabenmaterial 26.
• Das Gehäuse hat an dem vorderen Ende einen Flansch zum Befestigen einer (nicht gezeigten) Luftströmungseinlaßverkleidung. Fig. 2 ist ein Schnitt durch das Gehäuse 14, der dessen Beziehung zu der Laufschaufel 12 zeigt.
• An dem vorderen Ende des Gehäuses ist eine vordere Rückhaltezone 30, die sich strömungsaufwärts der Laufschaufel 12 befindet. Es wird empfohlen, daß sich diese Zone bis mindestens 15º vor die Anordnungslinie der Laufschaufel von der Drehachse gemessen erstreckt.
• Strömungsabwärts von der vorderen Rückhaltezone befindet sich die Rückhaltezone 32 in der Ebene. Diese erstreckt sich ein gutes Stück in die Zone der Laufschaufel 12, aber sie muß sich nicht ganz bis zum rückwärtigen Ende der Laufschaufel erstrecken.
• Eine hintere Rückhaltezone 34 folgt dieser, und schließlich folgt die Abstützzone 36.
• Fig. 3 ist eine Ansicht des Isogitters, die die gleichen Zonen zeigt. Das Isogitter ist aus einer Mehrzahl von Rippen 38 in einer isometrischen dreieckförmigen Form gebildet. Diese Rippen in den Rückhaltezonen verlaufen entweder parallel zu der Achse des Gehäuses, so wie die Rippe 40, oder mit einem Winkel von 60º bezogen auf die Achse, wie die Rippen 42. Umfangsmäßig verlaufende Rippen mit einem rechten Winkel zu der Achse des Gehäuses sind in der vorderen Rückhaltezone, der Rückhaltezone in der Ebene und der hinteren Rückhaltezone, wo ein Durchdringen des Gehäuses durch Laufschaufelbruchstücke erwartet werden kann, vermieden. Es hat sich herausgestellt, daß beim Durchdringen des Gehäuses ein Bruch einer umfangsmäßigen Rippe erfolgen kann, was zu einem kompletten Versagen des Gehäuses führt.
• Wie man am besten in Fig. 4 erkennt, ist jede Rippe von einem Flansch 44 flankiert, der an dem radial äußeren Rand des Isogitters angeordnet ist. Eine innere Deckschicht 46 ist mit der Rippenstruktur ingetral.
• Es wird wieder auf die Fig. 3 Bezug genommen. Eine Mehrzahl von Deckschichtsegmenten 48 wird durch die Rippen gebildet. Die Dicke der verschiedenen Deckschichtsegmente variiert, um Gewicht einzusparen und dabei dennoch ein adäquates Rückhalten freigewordener Bruchstücke vorzusehen und die Größe der durch die gelöste Laufschaufel gebildeten Öffnung und das Rißbilden am Gehäuse durch Stoß- und Unwuchtbelastungen zu minimieren. Ein Augenmerk ist auch die adäquate Steifigkeit, um eine Verformung des Gehäuses unter der Last des herumgewickelten Textilmaterials, der Belastung durch das Zurückhalten und der Belastung durch das Zurückschlagen eines Laufschaufelbruchstücks zu vermeiden. Es muß auch eine adäquate Gehäusesteifigkeit für Abstand von der Resonanzgrenze bestehen und, um ein Verformen wegen der auskragenden Belastung von den Abstützstreben 16 zu vermeiden. Die Struktur muß auch eine Auflagefläche für den Bläserrotor mit Unwucht haben, zu der es nach dem Verlust einer Laufschaufel kommen wird. Die Maschine muß in der Lage sein, bis zum Anhalten auszulaufen, ohne Zerstörung des Gehäuses.
• Das vordere Deckschichtsegment 50 ist 3,81 mm dick, wobei das Deckschichtgehäuse 51 4,83 mm dick ist. Beim Annähern an die Bläserrückhaltezone werden die Deckschichtgehäusesegmente 52 5,72 mm dick. Fortschreitend zu dem hinteren Ende des Gehäuses ist das Segment 53 4,83 mm dick, und die Segmente 54 sind 3,81 mm dick. Schließlich sind die Segmente 55 und 56 2,92 bzw. 2,03 mm dick.
• Benachbarte Deckschichtsegmente unterscheiden sich über Rippen in der Dicke von dem benachbarten Segment nicht um mehr als 30% in den Rückhaltezonen, die einem Durchdringen durch Laufschaufeln ausgesetzt sind, diese sind die vordere Rückhaltezone, die Rückhaltezone in der Ebene und die hintere Rückhaltezone. In der rückwärtigen Abstützzone unterscheiden sich benachbarte Dicken nicht um mehr als 50%. Es hat sich herausgestellt, daß übermäßige Dickenunterschiede über eine Rippe bewirkt haben, daß die von einer durchdringenden Laufschaufel gebildeten Öffnungen Bruchlinien folgen und größer als wünschenswert sind.
• An jedem Knoten 60, wo sich die Spitzen der Dreiecke treffen, ist eine Tasche 62 herausgearbeitet, es ist aber eine verbleibende Deckschicht 64 stehengelassen. Die Deckschichtdicke an diesen Taschen ist vorzugsweise die gleiche wie die Deckschichtdicke in den in der Umfangsrichtung längsseitigen Segmenten. Beispielsweise beträgt die Deckschicht 66 der Tasche 68 4,83 mm, das gleiche wie die Dicke des Deckschichtsegements 53.
• Die Fig. 5 zeigt die sich axial erstreckenden Rippen 70 zusammen mit der Mehrzahl von Taschen 62.
• In der Fig. 6 ist ein Schnitt zwischen den sich axial erstreckenden Rippen genommen, und folglich kann man die Rippen 38 und die Flansche 44 erkennen. Die sich ändernde Dicke der Deckschicht ist unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3 gezeigt.
• Die unterschiedlichen Dicken in den einzelnen Zonen zusammen mit dem ballistischen Textilmaterial hält freigewordene Laufschaufelfragmente zurück, und minimiert dabei die Größe der von der losgelösten Laufschaufel gebildeten Öffnung. Ein Rißbilden am Gehäuse unter Stoß- und Unwuchtbelastungen ist minimiert. Es besteht eine ausreichende Gehäusesteifigkeit, um ein Verformen zu verhindern und einen Abstand von der Resonanzgrenze zu schaffen. Eine Anlageoberfläche ist vorgesehen, um während einer Unwucht für den Bläserrotor eine Rotorrotation zu beherrschen.

Claims (7)

1. Flugzeugbläserrückhaltesystem für eine Turbobläsermaschine (10) mit einer Mehrzahl rotierender Bläserlaufschaufeln (12), aufweisend:

ein zylinderförmiges Gehäuse (14), das die Mehrzahl von Bläserlaufschaufeln (12) umgebend angeordnet ist;

wobei das zylinderförmige Gehäuse (14) strömungsaufwärts der Bläserlaufschaufeln (12) eine vordere Rückhaltezone (30), strömungsabwärts von der vorderen Rückhaltezone (30) eine Rückhaltezone (32) in der Ebene, strömungsabwärts von der Rückhaltezone (32) in der Ebene eine hintere Rückhaltezone (34) und strömungsabwärts von der hinteren Rückhaltezone (34) eine rückwärtige Abstützzone (36) hat;

eine mehrlagige Wicklung von ballistischem Fasermaterial (22), die das Gehäuse (14) umgibt;

dadurch gekennzeichnet,

daß das Gehäuse (14) aus einem Isogitter (20) mit einem Gitter aus Flanschrippen (38) in isometrischer Dreiecksbeziehung mit einem Flansch (44) an dem äußeren Rand jeder Rippe gebildet ist, wobei die Rippen zu der Achse des Gehäuses parallel und mit einem Winkel von 60º zu der Achse verlaufen;

wobei eine Deckschicht (46) an dem Innenrand des Isogitters (20) vorgesehen ist, wodurch zwischen den Rippen dreieckförmige Deckschichtsegmente (50-56) gebildet sind; und

wobei die Deckschichtsegmente (52) in der Rückhaltezone (32) in der Ebene maximale Dicke und eine geringere Dicke in der vorderen Rückhaltezone (30) und der hinteren Rückhaltezone (34) haben.

2. Rückhaltesystem nach Anspruch 1, wobei sich die Dicken der Deckschicht (46) in benachbarten Deckschichtsegmenten in den Rückhaltezonen um nicht mehr als 30% unterscheiden.

3. Rückhaltesystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die vordere Rückhaltezone (30) eine Mehrzahl von Deckschichtsegmenten (50, 51) unterschiedlicher Dicke besitzt.

4. Rückhaltesystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die hintere Rückhaltezone (34) eine Mehrzahl von Deckschichtsegmenten (54, 55) unterschiedlicher Dicke besitzt.

5. Rückhaltesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Deckschichtsegmente (56) der rückwärtigen Abstützzone (36) eine geringer Dicke als die Deckschichtsegmente (54) der hinteren Rückhaltezone (34) haben.

6. Rückhaltesystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend:

einen Knoten (60), der an den Spitzen von sich treffenden Dreiecken gebildet ist und eine Dicke besitzt, die gleich der Tiefe der anschließenden Rippen (38) ist;

in jeden Knoten gearbeitet eine Tasche, die eine verbleibende Deckschicht (64) läßt, wobei die Dicke der verbleibenden Deckschicht die gleiche ist wie die Deckschichtdicke der Deckschichtsegmente seitlich der Tasche in der umfangsmäßigen Richtung.

7. Turbobläserflugzeugtriebwerk (10) mit einer Mehrzahl von rotierenden Bläserlaufschaufeln (12) und einem Bläserrückhaltesystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, welches die Mehrzahl von Bläserlaufschaufeln (12) umgibt.