DE69508441T2

DE69508441T2 - Umhüllung für fan-schaufeln

Info

Publication number: DE69508441T2
Application number: DE69508441T
Authority: DE
Inventors: Allan Penda
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1994-04-29
Filing date: 1995-04-24
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2015-04-25
Also published as: EP0834003B1; DE69508441D1; WO1995030076A1; JPH09512611A; US5482429A; JP3789129B2; EP0834003A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Einschließanordnungen für Bläserlaufschaufeln von Flugzeugtriebwerken.
Die Bedeutung und Schwierigkeit bei Bläserlaufschaufel- Einschließanordnungen hat mit der Einführung von größeren und leistungsstärkeren Turbobläsermaschinen in der Flugzeugindustrie zugenommen. Das Verhindern des Entkommens einer Bläserlaufschaufel im Anschluß daran, daß sich die Laufschaufel von der Rotoranordnung löst, stellt Herausforderungen in struktureller, größenmäßiger und gewichtsmäßiger Hinsicht dar.
Eine typische Einschließanordnung weist eine stabile zylinderförmige Schale auf, die von einer Mehrzahl von Textil-Hüllagen umgeben ist. Die Schale oder das Gehäuse ist aus einem steifen Strukturmaterial gebildet. Die Textil-Hüllagen sind üblicherweise aus einem hochfesten Material gebildet, beispielsweise KEVLAR (KEVLAR ist eine eingetragene Handelsmarke der Dupont Corporation). Eine gelöste Bläserlaufschaufel wird nach außen geschleudert und tritt durch das Gehäuse, wird aber von den Textil-Hüllagen gefangen. Die Textil- Hüllagen verformen sich in Reaktion auf das Auftreffen, halten aber die Bläserlaufschaufel. Das Gehäuse bildet dann eine Lagerfläche zur Abstützung der unbalancierten Anordnung von Bläserlaufschaufeln. Aus Transport- und Handhabungsgründen ist es wünschenswert, daß das Radialprofil des Gehäuses so klein wie möglich ist.
Außerhalb des Gehäuses und der Textil-Hüllagen beabstandet befindet sich die Gondel. Die Hüllagen sind so ausgelegt, daß sie sich in einem Maß verformen, das ausreicht, die Laufschaufel zu halten, aber nicht ausreicht, ein Auftreffen der Laufschaufel auf die Gondel zu erlauben, um eine Beschädigung der Gondel zu vermeiden. Die Größe des radialen Abstands, der zwischen den Hüllagen und der Gondel erforderlich ist, trägt zu dem Radialprofil der Gondel bei. Aus aerodynamischen Überlegungen ist es wünschenswert, daß das Radialprofil der Gondel so klein wie möglich ist. Der Abstand kann verkleinert werden durch ein Erhöhen der Anzahl an Hüllagen, aber auf Kosten des Hinzufügens von Gewicht zu der Einschließanordnung. Das zusätzliche Gewicht beeinflußt negativ die Betriebseffizienz der Kraftmaschine. Folglich gibt es eine Abwägung zwischen dem Radialprofil der Gondel und dem Gewicht der Einschließanordnung.
Zusätzlich zu dem Gehäuse und den Textil-Hüllagen weist die Einschließanordnung auch eine Auskleidung auf, die durch eine Mehrzahl von umfangsmäßig beabstandeten Schalltafeln definiert ist. Die Auskleidung erstreckt sich über die Länge des Gehäuses und weist eine Strömungsoberfläche auf, die nach innen in Richtung zu der Anordnung aus Bläserlaufschaufeln gerichtet ist. Da die Strömungsoberfläche nichtlinear ist, schafft die Auskleidung eine Struktur, die gegenüber dem Gehäuse leicht geformt ist, um die Strömungsoberfläche zu bilden.
Ein Beispiel aus dem Stand der Technik eines Bläsergehäuses mit einer Innenauskleidung ist in der Europäischen Patentanmeldung 0 184 962 gezeigt. Ein Beispiel des Stands der Technik eines Bläsergehäuses mit einem Teil strömungsaufwärts der Bläserlaufschaufeln, der mit einem Befestigungsflansch für das Gehäuse verkleidet ist, ist in der Europäischen Patentanmeldung 0 626 502 A1 gezeigt. Beide dieser Bläsergehäuse des Stands der Technik zeigen Diskontinuitäten, die in jeder Art von Gehäuseverkleidung strömungsaufwärts der Bläserlaufschaufeln inhärent vorhanden sind.
Die Schalltafeln sind typischerweise aus einem Material vom Wabenmaterialtyp, das zu dem Bläser gehörende Geräuschniveaus minimiert. Triebwerksgeräusch ist ein anderes Gebiet, das in seiner Bedeutung in den jüngsten Jahren zugenommen hat. In dieser Hinsicht gibt die Environmental Protection Agency Richtlinien über die zulässigen Geräuschniveaus von Flugzeugtriebwerken heraus.
Nachteiligerweise hat das Schaffen der erforderlichen Menge an Schallbehandlung an der Innenoberfläche des Gehäuses einige Nachteile. Zum einen erhöht es bei einer vorgegebenen Bläserlaufschaufellänge den Durchmesser der Einschließanordnung und dadurch das Radialprofil des Gehäuses und der Gondel. Als zweites erhöht es die Trennung zwischen den Bläserlaufschaufeln und der Innenoberfläche des Gehäuses, die, wie vorangehend beschrieben, als eine Lagerfläche im Fall eines Laufschaufelverlusts wirkt. Je größer die Trennung zwischen den Bläserlaufschaufeln und der Lagerfläche ist, umso größer ist die Radialbewegung der Rotoranordnung und umso größer ist das Risiko einer weiteren Beschädigung der Rotoranordnung in dem Fall, daß die Rotoranordnung unbalanciert wird.
Deshalb ist es ein Ziel der Erfindung, effektive Einschließanordnungen für Flugzeugtriebwerke bereitzustellen, die leicht sind und kleine Radialprofile haben.
Die vorliegende Erfindung basiert zum Teil auf der Erkenntnis, daß Verbindungsanschlußstellen zwischen benachbarten Schalltafeln eine strukturelle Diskontinuität vor der Anordnung von Bläserlaufschaufeln erzeugen. In diesem Bereich können diese Diskontinuitäten Schallenergie in den Außenraum streuen und dazu führen, daß erhöhte Geräuschniveaus mit dem Flugzeugtriebwerk verbunden sind. Das Eliminieren derartiger Diskontinuitäten der Strömungsoberfläche vor den Bläserlaufschaufeln würde die Menge an Schallenergie verringern, die in den Außenraum gestreut wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Flugzeuggasturbinentriebwerk mit einer Bläserlaufschaufel- Einschließanordnung für einen Bläser mit einer Anordnung von Bläserlaufschaufeln bereitgestellt, die um eine Längsachse drehbar sind, wobei die Bläserlaufschaufel-Einschließanordnung ein Gehäuse aufweist, das radial außerhalb der Anordnung von Bläserlaufschaufeln und umfangsmäßig darum angeordnet ist, wobei das Gehäuse einen Innendurchmesser hat, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Schallttafeln, die an dem Innendurchmesser des Gehäuses strömungsabwärts von der Anordnung von Bläserlaufschaufeln angebracht sind und daran angepaßt sind, die mit dem Flugzeugtriebwerk verbundenen Geräuschniveaus zu reduzieren, wobei ein Teil des Innendurchmessers des Gehäuses so gebildet ist, daß strukturelle Diskontinuitäten eliminiert sind, und eine Strömungsoberfläche vor der Anordnung aus Bläserlaufschaufeln definiert, wobei die Strömungsoberfläche gleichförmig und kontinuierlich in der Umfangsrichtung und der Axialrichtung ist.
Vorzugsweise weist die Bläserlaufschaufel-Einschließanordnung eine gleichförmige und kontinuierliche Strömungsoberfläche vor der Anordnung von Bläserlaufschaufeln auf, die aus dem die Anordnung von Bläserlaufschaufeln umgebenden Gehäuse gearbeitet ist.
Das Merkmal des Verwenden des inneren Durchmessers des Gehäuses als Strömungsoberfläche führt zum Minimieren des Außendurchmessers des Gehäuses, was seinerseits erlaubt, daß der Außendurchmesser der Gondel minimiert ist oder die radiale Trennung zwischen dem Gehäuse und der Gondel maximiert ist. Da das Gehäuse als ein Teil der Strömungsoberfläche verwendet wird, besteht nicht länger ein Bedürfnis, Tafeln in diesem Bereich zu installieren, um die Strömungsoberfläche zu schaffen. Das Eliminieren der Tafeln erlaubt es, das Gehäuse radial nach innen zu bewegen, und reduziert so den Außendurchmesser des Gehäuses. Das Gehäuse mit dem kleineren Durchmesser verbessert die Fähigkeit der Maschine, in konventioneller Weise gehandhabt und transportiert zu werden. Außerdem kann als Folge des kleineren Gehäuses entweder die Gondel in ihrem Außendurchmesser kleiner gemacht werden oder die radiale Trennung kann größer gemacht werden oder es kann eine Kombination aus beiden realisiert werden. Die Gondel mit kleinerem Durchmesser ist wegen der größeren Größen moderner Flugzeugtriebwerke bedeutsam. Das Verringern des Außendurchmessers der Gondel verbessert die aerodynamischen Eigenschaften der Gondel.
Eine größere radiale Trennung zwischen dem Gehäuse und der Gondel erlaubt größere Verformungen der Textil-Hüllagen, die verwendet werden, um eine Laufschaufel zu halten, die sch von dem Rotor getrennt hat. Durch das Zulassen von größeren Verformungen können weniger Hüllagen verwendet werden, und das führt zu einer Einschließanordnung mit geringerem Gewicht.
Ein weiterer Vorteil des Gehäuses mit verringertem Durchmesser ist die verstärkte Abstützung des Rotors nach dem Auftreten eines Laufschaufelverlustes. Ein Laufschaufelverlust führt zu einem Ungleichgewicht in dem Rotor und bewirkt ein radial nach außen Bewegen des Rotors. In dieser Situation wirkt die innere Oberfläche des Gehäuses als eine Lagerfläche, die mit den Spitzen der Bläserlaufschaufeln zusammenwirkt, um den Rotor abzustützen. Je größer die anfängliche radiale Trennung zwischen den Bläserlaufschaufeln und der Innenoberfläche des Gehäuses ist, umso größer ist die Menge an Radialbewegung des Rotors, zu der es kommt, bevor das Gehäuse irgendeine Lagerabstützung liefert. Eine Bewegung des Rotors weg von seiner Längsachse kann zu einer zusätzlichen Beschädigung der Rotoranordnung führen. Das Verringern der Menge an Radialbewegung minimiert die Wahrscheinlichkeit, daß es zu einer weiteren Beschädigung kommt.
Ein weiterer Vorteil des Verwendens der maschinell bearbeiteten Oberfläche des Innendurchmessers des Gehäuses als Strömungsoberfläche ist das Eliminieren jeglicher struktureller Diskontinuitäten in der Oberfläche vor der Anordnung von Bläserlaufschaufeln. Diese Diskontinuitäten ändern den Charakter eines Teils der Schallenergie, die durch die Anordnung von Bläserlaufschaufeln erzeugt wird, von einer Nahfeldwelle, die nicht gut in den Außenraum fortschreitet, zu einer Schallwelle, die signifikant in den Außenraum fortschreitet. Eine Quelle dieser Diskontinuitäten bei konventionellen Einschließanordnungen sind die Anschlußstellen zwischen benachbarten Tafeln. Obwohl die Tafeln typischerweise wegen deren Geräuschverringerungsvorteile vorgesehen sind, kann das Entfernen dieser Tafeln und das Eliminieren der Diskontinuitäten zu verringerten Geräuschniveaus führen.
Die vorangehenden und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der folgenden detaillierten Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform davon, wie sie in den begleitenden Zeichnungen gezeigt ist, deutlicher, für die gilt:
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Turbobläsermaschine, teilweise weggeschnitten, um die Einschließanordnung zu zeigen, die eine Anordnung aus Bläserlaufschaufeln umgibt.
Fig. 2 ist eine Seitenschnittansicht der Einschließanordnung und einer benachbarten Bläserlaufschaufel.
In Fig. 1 ist ein großes Turbobläsertriebwerk 12 gezeigt mit einer Anordnung von Bläserlaufschaufeln 14 und einer Einschließanordnung 16, welche die Bläserlaufschaufeln umgibt. Die Bläserlaufschaufeln 14 sind Teil einer Rotoranordnung 18 und sind daran befestigt und rotieren um die Längsachse 22 der Maschine 12.
Die Einschließanordnung 16, die in der Fig. 2 deutlicher gezeigt ist, weist ein Gehäuse 24, eine Mehrzahl von Textil-Hüllagen 26, eine Mehrzahl von umfangsmäßig benachbarten Schalltafeln 28, eine Mehrzahl von umfangsmäßig benachbarten Reibstreifen 32 und eine Strömungsoberfläche 34 auf. Das Gehäuse 24 hat eine generell zylinderförmige Gestalt und hat einen isogitterversteiften Bereich 36, der sich nach vor und nach hinter die Bläserlaufschaufeln 14 erstreckt. Ein vorderer Flansch 38 und ein hinterer Flansch 42 erstrecken sich von dem isogitterversteiften Bereich 36. Das Gehäuse 24 bildet eine stabile Struktur, um die Textil-Hüllagen 26 abzustützen.
Die Textil-Hüllagen 26 sind aus einem hochfesten Material gebildet und sind unter Spannung umfangsmäßig um das Gehäuse 24 gewickelt. Ein vorgeschlagenes Material für die Textil-Hüllagen 26 ist KEVLAR. Die Textil-Hüllagen 26 halten eine Laufschaufel, die sich beim Betrieb gelöst hat.
Die Mehrzahl von Schalltafeln 28 erstreckt sich von den Bläserlaufschaufeln 14 strömungsabwärts zu dem Ende des Gehäuses 24. Die Schalltafeln 28 definieren die Gestalt der Strömungsoberfläche strömungsabwärts der Laufschaufeln 14 und sind aus einem Material vom Wabenmaterialtyp gebildet, das dazu ausgelegt ist, Triebwerksgeräusch zu reduzieren. Die Tafeln 28 sind mit dem Gehäuse 24 verbunden, und es gibt zwischen umfangsmäßig benachbarten Tafeln 28 Verbindungsanschlußstellen. Die Tafeln 28 sind mit einem perforierten Flachmaterial bedeckt, das die Strömungsoberfläche schafft.
Die mehreren Reibstreifen 32 sind umfangsmäßig benachbarte Segmente, die aus einem relativ nachgiebigen Material gebildet sind. Die Reibstreifen 32 erlauben es den Bläserlaufschaufeln 14, in enger Nähe zu der unmittelbar außerhalb davon befindlichen Strömungsoberfläche 34 zu sein, um die Menge an Luft zu minimieren, die um die Bläserlaufschaufeln 14 strömt. Für den Fall, daß die Spitze einer Bläserlaufschaufel die Reibstreifen 32 berührt, eliminiert oder minimiert die Nachgiebigkeit des Reibstreifens 32 das Risiko einer Beschädigung der Bläserlaufschaufel.
Die Strömungsoberfläche 44 vor der Anordnung von Laufschaufeln 14 wird durch maschinelles Bearbeiten der Innenoberfläche 46 des Gehäuses 24 gebildet. Die Innenoberfläche 46 ist bearbeitet, um die Menge an Krümmung zu erzeugen, die für die Strömungsoberfläche 44 gewünscht ist. Da der Bereich vor den Reibstreifen 32 typischerweise eine minimale Krümmung hat, kann dieser Bearbeitungsschritt ohne übermäßige Kosten bewerkstelligt werden.
Als Folge davon, daß die Strömungsoberfläche 44 vor den Bläserlaufschaufeln 14 aus der Innenfläche 46 des Gehäuses 24 gebildet ist, ist diese Strömungsoberfläche 44 axial und umfangsmäßig kontinuierlich und gleichförmig. Das Fehlen von strukturellen Diskontinuitäten in diesem Bereich entfernt einen Mechanismus, der Fernfeldgeräusche erzeugt, die zu dem Triebwerk 12 gehören. Als Folge kann die bearbeitete Strömungsoberfläche 44 Geräuschniveaus reduzieren, verglichen mit einer Einschließanordnung des Stands der Technik mit einer vorderen Strömungsoberfläche, die durch eine Mehrzahl von segmentierten Schalltafeln mit Verbindungsanschlußstellen zwischen benachbarten Schalltafeln definiert ist.

Claims

1. Flugzeuggasturbinentriebwerk (12) aufweisend eine Bläserlaufschaufel-Einschließanordnung (16) für einen Bläser mit einer Anordnung von Bläserlaufschaufeln (14), die drehbar um eine Längsachse (22) sind, wobei die Bläserlaufschaufel- Einschließanordnung (16) ein Gehäuse (24) aufweist, das radial außerhalb der Anordnung von Bläserlaufschaufeln (14) und umfangsmäßig darum angeordnet ist, wobei das Gehäuse (14) einen Innendurchmesser hat, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Schalltafeln (28), die an dem Innendurchmesser des Gehäuses (24) strömungsabwärts von der Anordnung von Bläserlaufschaufeln (14) angebracht sind und daran angepaßt sind, die mit dem Flugzeugtriebwerk (12) verbundenen Geräuschniveaus zu reduzieren, wobei ein Teil des Innendurchmessers des Gehäuses (24) so gebildet ist, daß strukturelle Diskontinuitäten eliminiert sind, und eine Strömungsoberfläche (44) vor der Anordnung von Bläserlaufschaufeln (14) definiert, wobei die Strömungsoberfläche (44) gleichförmig und kontinuierlich in der Umfangsrichtung und der Axialrichtung ist.

2. Flugzeuggasturbinentriebwerk nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (24) aus einer Isogitterstruktur gebildet ist und die Strömungsoberfläche in die Isogitterstruktur gearbeitet ist.

3. Flugzeuggasturbinentriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend eine Mehrzahl von Textil-Hüllagen (26) um den Außendurchmessers des Gehäuses (24), wobei die Textil-Hüllagen (26) daran angepaßt sind, ein Entkommen einer Bläserlaufschaufel (14) im Fall des Lösens der Laufschaufel von der Anordnung von Bläserlaufschaufeln (14) zu vermeiden.