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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Ausbildung
von Berstschutzringen für Gasturbinentriebwerke.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Ausbildung von Berstschutzringen,
die dazu dienen, eine Fanschaufel innerhalb des Triebwerks aufzunehmen,
wenn eine Fanschaufel bricht.
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Turbofan-Gasturbinentriebwerke
sind gewöhnlich
mit einem Fan-Rotor im vorderen Teil des Triebwerks ausgerüstet. Der
Rotoraufbau besteht aus einer Rotorscheibe und einer Anzahl von Fan-Rotor-Laufschaufeln.
Die Fan-Rotor-Laufschaufeln erstrecken sich von der Scheibe über einen
Strömungspfad
für die
Arbeitsmittelgase nach außen. Diese
Laufschaufeln sind stärker
gewölbt
und beträchtlich
größer als
die Laufschaufeln der Axialströmungs-Kernkompressoren
und der Turbinen, die bei diesen Triebwerken benutzt werden.
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Die
Fan-Rotor-Laufschaufeln werden mit hohen Drehzahlen um eine Drehachse
angetrieben, um in einer ersten Stufe die Arbeitsmittelgase zu verdichten
und einen Antriebsschub zu erzeugen. Dabei können Fremdkörper, beispielsweise Vögel, Hagelkörner oder
andere Gegenstände,
die gelegentlich in das Triebwerk zusammen mit den Arbeitsmittelgasen eingesaugt
werden, eine Laufschaufel derart treffen, dass die Schaufel im Schaufelfußbereich
der Fan-Laufschaufel dort bricht, wo sie an der Rotorscheibe festgelegt
ist. Die Laufschaufel kann auch aus anderen Gründen im Schaufelfußbereich
brechen. Bei einem derartigen Bruch einer Rotorlaufschaufel kann
diese von dem Rotoraufbau mit einer beträchtlichen Energie und mit hoher
Geschwindigkeit nach außen
geschleudert werden.
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Wegen
der großen
Abmessungen der Fan-Laufschaufeln und wegen der hohen Geschwindigkeiten
mit denen sie bei einem Bruch freigesetzt werden, bilden Fan-Laufschaufeln ein
schwerwiegendes Problem im Hinblick auf einen Berstschutz. Es ist
klar, dass es erwünscht
ist, eine abgeschleuderte Fanschaufel innerhalb des Triebwerks zu
behalten, so dass eine weitere Beschädigung des Flugzeugs oder umgebender
Objekte nicht erfolgen kann.
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Eine
bekannte Ausbildung eines Berstschutzrings ist in der US-A-4,417,848
beschrieben. Gemäß dieser
Patentschrift umgibt ein ringförmiger Berstschutzring
die äußeren Teile
der Fanschaufeln. Die Dicke dieses Rings vergrößert sich axial in Richtung
nach hinten, so dass der Berstschutzring eine maximale Dicke hinter
einer Ebene besitzt, die den Mittelsehnenpunkt der Rotorschaufeln
durchläuft. Diese
Vergrößerung in
der Dicke verstärkt
selektiv den Ring gegen einen vorhersehbaren Aufschlag von Schaufelfragmenten
derart, dass die Schaufel den Ring nicht durchdringen kann und in
diesem aufgehalten wird.
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Ein
Problem bei dieser Ausbildung besteht darin, dass die Dicke des
Berstschutzrings beträchtlich
sein muß und
dieser Dickenbereich sich über
einen großen
Teil des Rings erstrecken muß,
damit dieser den großen
Fanschaufeln und/oder den hohen Aufschlag-Geschwindigkeiten widerstehen kann. Dies
erhöht
in unerwünschter
Weise beträchtlich
das Gewicht des Triebwerkgehäuses.
Weiter ist eine solche Ausbildung eines Berstschutzrings nicht optimal und
kann weiter verbessert werden.
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Es
ist daher erwünscht
einen Berstschutzring herzustellen, der die vorerwähnten Probleme löst und/oder
Verbesserungen allgemeiner Art für derartige
Berstschutzringe schafft.
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Die
US-A-52529724 beschreibt ein Fangehäuse aus einer Stahlstruktur,
die als erste Berstschutzstruktur wirkt und die Fanschaufeln umschließt. Das
Fangehäuse
scheint eine Rippe benachbart zu den Vorderkanten der Fanschaufeln
und eine Rippe benachbart zu den Hinterkanten der Fanschaufeln aufzuweisen.
Die Rippen erstrecken sich radial nach außen und in Umfangsrichtung
um das Fangehäuse.
Eine der Rippen ist im Querschnitt T-förmig
ausgebildet.
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Die
US 5486086 beschreibt ein
Fan-Berstschutzgehäuse,
das die Fanschaufeln umschließt. Eine äußere Hülse erstreckt
sich um das Fan-Berstschutzgehäuse,
um eine Kammer oder einen Ruhebereich zu bilden, der einen Honigwabenaufbau
besitzt. Ein ballistisches Material ist um den Honigwabenaufbau
herum angeordnet, um eine abgeschleuderte Fanschaufel in der Kammer
zu halten. Das Fan-Berstschutzgehäuse besitzt axial und in Umfangsrichtung
verlaufende Rippen, um die Ausbreitung von Rissen in Umfangsrichtung
und in Axialrichtung zu begrenzen, wenn das Fan-Berstschutzgehäuse durchschlagen wird. Die
Rippen sind im Querschnitt nicht T-förmig und haben eine Höhe von dem 8-
bis 10-fachem der Dicke des Gehäuses
und die Rippen verhindern nicht, dass eine abgeschleuderte Fanschaufel
das Gehäuse
durchschlägt.
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Die
US-A-5403148 beschreibt einen Fan-Berstschutzring, der die Fanschaufeln
umschließt.
Der Fan-Berstschutzring hat eine mechanische und strukturelle Ausbildung
derart, dass eine schwerwiegende Beschädigung vermindert wird. Der hintere
Abschnitt des Fan-Berstschutzrings scheint Vorsprünge zu besitzen,
die sich radial hiervon nach außen
erstrecken. Die Vorsprünge
sind im Querschnitt nicht T-förmig
ausgebildet.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung betrifft diese einen Berstschutzring für ein Gasturbinentriebwerk
mit einer im wesentlichen starren Gehäusehülse, die im Betrieb koaxial
zu einer Drehachse des Gasturbinentriebwerks liegt, und sich in
Umfangsrichtung um einen Aufbau von Fan-Rotorschaufeln, die sich
um die Triebwerksachse drehen, und um einen Bereich mit vorhersehbarem
Schaufel-Aufschlag im Fall eines Fanschaufelbruchs erstreckt, wobei
wenigstens zwei Verstärkungsrippen
vorgesehen sind, die im wesentlichen radial von der Gehäusehülse vorstehen
und den äußeren Umfang
der Gehäusehülse umschließen, und
wobei die erste Rippe koaxial um die Gehäusehülse zwischen einer senkrecht zur
Gehäuseachse
durch die Arbeitspositionen der Hinterkantenränder der Fanschaufeln verlaufenden Ebene,
und einer Ebene positioniert ist, die senkrecht zur Gehäuseachse
steht und durch die Arbeitspositionen der mittleren Sehnenpunkte
der Fanschaufeln verläuft,
wobei die zweite Rippe koaxial um die Gehäusehülse zwischen der Ebene, die
durch die Arbeitspositionen der mittleren Sehnenpunkte der Fanschaufeln
verläuft
und einer Ebene positioniert ist, die senkrecht zur Gehäuseachse
steht und durch die Arbeitspositionen der Vorderkanten der Fanschaufeln verläuft, dadurch
gekennzeichnet, dass jede der Rippen einen allgemein T-förmigen Querschnitt besitzt und
jede Rippe einen sich im wesentlichen radial erstreckenden Stegabschnitt
und einen Randabschnitt aufweist, wobei das Verhältnis der axialen Breite des Verstärkungsrippen-Randabschnitts
zur Dicke der Gehäusehülse radial
benachbart zur Arbeitsposition der Hinterkantenabschnitte der Fanschaufeln
in einem Bereich zwischen 1 und 6 liegt, und wobei das Verhältnis der
radialen Höhe
des Verstärkungs-Stegabschnitts
von der Gehäusehülse zur
Dicke der Gehäusehülse radial
benachbart zur Arbeitsposition der Hinterkantenabschnitte der Fanschaufeln
in einem Bereich zwischen 1 und 6 liegt, und wobei das Verhältnis der
Dicke des Verstärkungsrippen-Randabschnitts
zur Dicke der Gehäusehülse radial
benachbart zu der Arbeitsposition der Hinterkantenabschnitte der
Fanschaufeln in einem Bereich zwischen 0,4 bis 2,0 liegt, und wobei
das Verhältnis der
axialen Dicke des Verstärkungsrippen-Stegabschnitts zur
Dicke der Gehäusehülse radial
benachbart zur Arbeitsposition der Hinterkantenabschnitte der Fanschaufeln
in einem Bereich zwischen 0,4 und 2,0 liegt.
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Die
Rippen verstärken
und versteifen selektiv die zylindrische Hülse des Berstschutzringes,
wodurch die Hülse
verstärkt
wird. Die Benutzung von Rippen ist sehr viel wirksamer als eine
einfache Erhöhung
der Dicke der Hülse.
Infolgedessen kann die Hülse
aus einem dünneren
Abschnitt bestehen, als es der Fall wäre ohne Anordnung von Rippen,
so dass eine leichtere, mehr optimale Berstschutzringstruktur geschaffen
wird. Außerdem
verteilen die Rippen die Stoßenergie
einer abgeschleuderten Fanschaufel über einen größeren Bereich
des Berstschutzrings, so dass das Gehäuse in die Lage versetzt wird,
die Stoßenergie
einer abgeschleuderten Fanschaufel besser zu absorbieren.
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Die
Positionierung der Rippen ergibt eine Verstärkung des Berstschutzrings,
wo es erforderlich ist, und dadurch kann die Dicke des Rings in
anderen Bereichen verringert werden. Dadurch ergibt sich eine verbesserte
gewichtsmäßig leichtere
Ausbildung.
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Vorzugsweise
ist eine dritte Rippe vorgesehen und diese dritte Rippe ist so angeordnet,
dass sie axial um den Ring vor einer Ebene senkrecht zur Gehäuseachse
liegt, die durch die Arbeitspositionen der Vorderkanten der Fanschaufeln
verläuft.
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Weiter
liegt das Verhältnis
zwischen radialer Dicke des Rings im Bereich der Verstärkerrippen
und der Dicke der Gehäusehülse radial
benachbart zu den Arbeitspositionen der Hinterkantenabschnitte der
Fanschaufeln in dem Bereich zwischen 0,4 und 2,0.
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Das
Verhältnis
der Dicke der Gehäusehülse axial
hinter den Arbeitspositionen der Fanschaufeln zu der Dicke der Gehäusehülse radial
benachbart zu den Arbeitspositionen der Fanschaufeln liegt in einem
Bereich zwischen 0,5 und 1,5.
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Vorzugsweise
liegt das Verhältnis
von Dicke der Gehäusehülse axial
hinter der Arbeitsposition der Fanschaufeln zur Dicke der Gehäusehülse radial
benachbart zu den Arbeitspositionen der Fanschaufeln in einem Bereich
zwischen 0,4 und 1,5.
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Vorzugsweise
liegt das Verhältnis
zwischen Dicke der Gehäusehülse axial
hinter dem Bereich der Gehäusehülse des
vorhersehbaren Hauptschaufelwurzelbruchs im Fall eines Schaufelbruchs
zur Dicke der Gehäusehülse radial
benachbart zu den Arbeitspositionen der Fanschaufeln in einem Bereich
zwischen 0,3 und 1,5.
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Es
kann ein Fan-Fänger
bestehend aus einem Flansch, der radial nach innen von einer inneren Oberfläche der
Gehäusehülse vorsteht,
vorgesehen werden. Der Fan-Fänger
ist axial bis zur Hälfte
einer Sehnenlänge
der Fanschaufeln vor einer Ebene angeordnet, die senkrecht zur Gehäuseachse
steht und die Arbeitspositionen der Vorderkanten der Fanschaufeln
durchsetzt.
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Das
Verhältnis
der Dicke der Gehäusehülse vor
dem Fan-Fänger
zu der radialen Dicke der Gehäusehülse radial
benachbart zu den Arbeitspositionen der Hinterrandabschnitte der
Fanschaufel, kann im Bereich zwischen 0,25 und 0,75 liegen.
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Vorzugsweise
liegt das Verhältnis
von Dicke der Gehäusehülse vor
dem Fan-Fänger
zu der radialen Dicke der Gehäusehülse radial
benachbart zu den Arbeitspositionen der Hinterkantenabschnitte der
Fanschaufeln, im Bereich zwischen 0,1 und 0,75.
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Die
dritte Rippe kann zwischen einer Ebene, die durch die Vorderkanten
der Fanschaufeln läuft und
einem Punkt bis zur halben Sehnenlänge der Fanschaufeln vor den
Vorderkanten der Fanschaufeln angeordnet sein.
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Vorzugsweise
liegt die erste Rippe benachbart zu den Hinterkanten der Fanschaufeln,
die zweite Rippe liegt benachbart zu den mittleren Sehnenpunkten
der Fanschaufeln und die dritte Rippe ist benachbart zu den Vorderkanten
der Fanschaufeln angeordnet.
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ist eine schematische
Ansicht eines Turbofan-Gasturbinentriebwerks, das im Bereich des Fangehäuses aufgebrochen
ist, um schematisch ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung darzustellen;
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2 ist eine in größerem Maßstabe gezeichnete
Schnittansicht des Ausführungsbeispiels gemäß 1;
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3 ist eine der 2 entsprechende Schnittansicht
eines zweiten Ausführungsbeispiels der
Erfindung.
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Wie
in der Zeichnung dargestellt, weist das Turbofan-Gasturbinentriebwerk 10 in
Strömungsrichtung
hintereinander einen Fan 12, einen Zwischendruck-Kompressor 14,
einen Hochdruckkompressor 15, eine Verbrennungseinrichtung 16 und
eine Hochdruckturbine 17, eine Zwischendruckturbine 18 und eine
Niederdruckturbine 19 auf. Das Triebwerk 10 endet
in einer Schubdüse 20.
Ein primärer
Strömungspfad 7 für die Arbeitsmittelgase
erstreckt sich nach hinten durch den Fan 12, die Kompressoren 14, 15,
die Verbrennungseinrichtung 16, die Turbinen 17, 18, 19 und
die Düse 20.
Ein sekundärer
Strömungspfad 8,
radial außerhalb
des primären
Strömungspfades 7,
erstreckt sich von dem Fan 12 innerhalb des Fankanals 21 nach
hinten.
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Der
Fan 12, die Kompressoren 14, 15 und die
Turbinen 17, 18, 19 sind sämtlich als
Axialströmungsmaschinen
in herkömmlicher
Weise ausgebildet, und sie weisen ringförmige Anordnungen von Rotorschaufeln
auf, die an einer Scheibe oder einer Trommel festgelegt sind, um
eine Anzahl von Rotoraufbauten zu schaffen. Im Betrieb drehen sich
dieser Fan 12, die Kompressoren 14, 15 und
die Turbinen 17, 18, 19 um eine gemeinsame
Achse 1, wobei die Hochdruckturbine 17 antriebsmäßig mit
dem Hochdruckkompressor 15, die Zwischendruckturbine 18 antriebsmäßig mit
dem Zwischendruckkompressor 14 und die Niederdruckturbine 19 antriebsmäßig mit
dem Fan 12 verbunden ist. Nicht dargestellte Wellen werden
benutzt, um die jeweiligen Antriebsverbindungen zwischen den jeweiligen
Turbinen 17, 18, 19 und den Kompressoren/dem
Fan 14, 15, 12 herzustellen. Die im Betrieb
erforderliche Energie zum Antrieb des Fan 12 und der Kompressoren 14, 15 wird
durch den Hochenergiegasstrom geliefert, der innerhalb der Verbrennungseinrichtung 16 erzeugt
wird, indem Brennstoff in Luft verbrannt wird, die durch die stromaufwärtigen Kompressoren 14, 15 und
den Fan 12 verdichtet wurde.
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Der
Fanmantel 21 ist radial außerhalb des Fan 12 vorgesehen
und mit dem übrigen
Triebwerk über
in der Zeichnung nicht dargestellte radial verlaufende Streben verbunden.
Innerhalb des Fanmantels 21 ist ein im wesentlichen zylindrischer
Berstschutzring 22 radial außerhalb des Fan 12 angeordnet.
Der Berstschutzring 22 ist so angeordnet, dass im Fall
eines Bruchs einer Schaufel 12' die abgeschleuderte Schaufel 12' innerhalb des
Triebwerks 10 gehalten wird, oder es wird die Energie der
abgeschleuderten Schaufel 12' auf
einen annehmbaren Wert verringert.
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Auf
der inneren Oberfläche
des Rings 22, radial zwischen den Spitzen der Fanschaufeln 12' und dem Ring 22 befindet
sich ein Abstandshalter 38. Dieser besteht aus einer von
Gewicht leichten Honigwabenstruktur. Der Abstandshalter 38 vermindert
einen Leckstrom des Arbeitsfluid über die Spitzen der Fanschaufeln 12', indem der
Zwischenraum zwischen den Spitzen der Fanschaufeln 12' und dem Ring 22 ausgefüllt wird.
Ein solcher Zwischenraum ist erforderlich, um zu gewährleisten,
dass beim normalen Lauf des Fan 12 dieser den Ring 22 auch
in Folge eines thermischen und zentrifugalen radialen Wachstums
der Schaufeln 12' nicht
berührt.
In diesem Zusammenhang ist eine Abriebschicht 36 auf der
radial inneren Oberfläche
des Abstandshalters 38 angeordnet, damit sich die Spitzen
des Fan 12 ihren Zwischenraumpfad durch den Abstandshalter 38 einschneiden
können.
Der Abstandshalter 38 besitzt jedoch eine geringe Festigkeit
und im Fall eines Bruchs einer Schaufel 12' unterstützt er das Auffangen der Fanschaufel 12' nur in geringem
Maß. Eine
abgeschleuderte Fanschaufel 12' wird daher direkt durch den Abstandshalter 38 auf
den Berstschutzring 22 auftreffen.
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Die
Konstruktion eines geeigneten Berstschutzrings 22 basiert
auf einem Verständnis
des Bruchs einer Fanschaufel 12', auf der voraussichtlichen Energie,
die eine derartige abgeschleuderte Schaufel 12' haben wird,
auf dem wahrscheinlichen Trajektor einer derartigen abgeschleuderten
Schaufel 12' und
auf einer Analyse des Zusammenwirkens zwischen abgeschleuderter
Schaufel 12' und
Berstschutzring 22. Ein derartiges Verständnis wird
von analytischen Modellen und aus experimentellen Ergebnissen abgeleitet.
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Der
Berstschutzring 22 besteht aus einer allgemein zylindrischen
Hülse 24,
die im wesentlichen koaxial mit der Triebwerksachse 1 angeordnet
ist. Der Ring 22 kann aus irgendeinem Metall, beispielsweise
aus Aluminium, aus Stahllegierungen oder Titan bestehen, wie dies üblicherweise
zur Erzeugung bekannter Berstschutzringe 22 benutzt wird.
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Der
Berstschutzring 22 kann funktionell in drei getrennte Zonen
aufgeteilt werden, nämlich
eine Hauptberstschutzzone 30, eine Schaufelfuß-Auftreffzone 34 und
eine vordere Zone 32. Die Hauptberstschutzzone 30 liegt
im Bereich des Fan 12, wo voraussichtlich der Hauptaufschlag
einer abgeschleuderten Fanschaufel 12' auftreten wird. Die Schaufelfuß-Aufprallzone 34,
wo voraussichtlich der Schaufelfußabschnitt einer abgeschleuderten
Fanschaufel 12' den
Ring 22 trifft, erstreckt sich stromab der Hauptberstschutzzone 34,
stromab der Laufposition des Fan 12. Die vordere Zone 32 ist
jener Teil des Rings 22 stromauf der Hauptberstschutzzone 30.
Es ist klar, dass der Ring 22 nicht nur eine abgeschleuderte
Fanschaufel 12' aufnimmt,
sondern auch eine strukturelle Abstützung für andere Teile des Triebwerks 10 bewirkt.
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Die äußere Umfangsfläche des
Rings 22 innerhalb der Hauptberstschutzzone 30 wird
von drei Verstärkungsrippen
oder -flanschen 2, 4, 6 umschlossen.
Diese Rippen 2, 4, 6 sind integral mit
der Ringhülse 24 hergestellt
und jede Rippe weist einen Steg 42, der radial von der
Gehäusehülse 24 vorsteht und
einen Randabschnitt 40 am radial distalen Ende des Stegabschnitts 24 auf.
Der Randabschnitt 40 liegt allgemein senkrecht zu dem Stegabschnitt 42 und
erstreckt sich axial nach beiden Seiten des Stegabschnitts 42,
so dass die Rippen 2, 4, 6 einen allgemein
T-förmigen
Querschnitt besitzen, wie dies aus 2 ersichtlich
ist.
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Die
erste Rippe 2 liegt axial um den Gehäusering 22 in einem
Bereich, der durch die Dimension L, gekennzeichnet ist, zwischen
einer Ebene 50, die senkrecht zur Triebwerksachse 1 liegt
und die Hinterkante 47 der Fanschaufeln 12' durchsetzt,
und einer ähnlichen
Ebene 48, die den mittleren Sehnenpunkt 45 der
Fanschaufeln 12' durchsetzt.
Der mittlere Sehnenpunkt ist als Mittelpunkt der Sehne zwischen der
Vorderkante 49 und der Hinterkante 47 der Fanschaufel 12 definiert.
Die zweite Rippe 4 ist axial um den Gehäusering 22 in einem
Bereich gelegt, der durch die Dimension L2 gekennzeichnet
ist, und zwar zwischen der Ebene 48, die durch den mittleren
Sehnenpunkt 45 der Schaufeln 12 führt und
einer ähnlichen
Ebene 46, die durch die Vorderkante 49 der Fanschaufeln 12' läuft. Die
dritte Rippe 6 ist in einem Bereich angeordnet, der durch
die Dimension L3 gekennzeichnet ist; und
dieser Bereich liegt zwischen der Ebene 46, die durch die
Vorderkante 49 der Fanschaufeln 12' läuft und einem Punkt bis zur
Hälfte
einer Sehnenlänge
der Schaufeln vor der Vorderkante der Fanschaufeln 12'. Im typischen
Fall bis zu 130 mm vor der Vorderkante der Fanschaufeln 12'.
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Die
Positionen des mittleren Sehnenpunkts 45 der Schaufeln 12,
der Vorderkante 49 und der Hinterkante 47 der
Fanschaufeln 12',
wie sie benutzt werden, um die axialen Stellen der Verstärkungsrippen 2, 4, 6 am
Gehäusering
zu definieren, sind jene die durch den Fan 12 im Betrieb
eingenommen werden. Außerdem
werden all diese Positionen 45, 47, 49 zum
Zweck der Lokalisierung der Verstärkungsrippen 2, 4, 6 sämtlich als
jene Posistionen definiert, die sich an den radial äußeren Spitzen 23 der
Schaufeln 12' finden.
Es ist klar, dass die Gehäuseringkonstruktion
auf Gasturbinentriebwerke angewandt werden kann, die von einer unterschiedlichen
Bauart der Fanschaufeln 12' sind.
Beispielsweise kann die Erfindung in Verbindung mit Triebwerken
benutzt werden, die gepfeilte Fanschaufeln aufweisen, bei denen
die Positionen von mittlerem Sehnenpunkt 45, Nachlaufkante 47 und
Vorderkante 49 sich über
die radiale Länge
der Schaufeln ändern.
Die Fanschaufeln 12' können auch
von der üblichen
Bauart oder der Bauart mit breiter Sehne sein und sie können entweder
hohl ausgebildet sein oder massiv.
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Wie
aus den 2 und 3 ersichtlich sind die Rippen 2, 4, 6 im
typischen Fall axial aufeinanderfolgend angeordnet, wobei die erste
Rippe 2 benachbart zur Hinterkante 47 der Fanschaufeln 12', die zweite
Rippe 4 benachbart zum mittleren Sehnenpunkt 45 der
Schaufeln 12 der Fanschaufeln 12' und die dritte Rippe 6 benachbart
zur Vorderkante 49 der Fanschaufeln 12' liegt.
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Die
Dicke tw der Stegteile 42 der Rippen 2, 4, 6,
die Höhe
h der Rippen 2, 4, 6, die axiale Breite
w der Randabschnitte 40 der Rippen 2, 4, 6 und
die Dicke d der Randabschnitte 40 sind auf die Dicke t1, t2, t3 der
Gehäusehülse 24 im
Bereich der Rippen 2, 4, 6 bezogen. Die
Abmessungen tw, w und d sowie h sind in 2 und 3 für
die anderen Rippen 4 und 6 der Übersichtlichkeit
wegen nicht dargestellt. Die Dicke der Gehäusehülse 24 innerhalb der
Hauptberstschutzzone 30 und im Bereich der Rippen 2, 4, 6 wird ebenfalls
optimiert und verändert.
Diese Dimensionen sind sämtlich
optimiert und sie liegen innerhalb der folgenden Verhältnisse:
t2 : t1 = 0,4 bis
2,0; t3 : t1 = 0,4
bis 2,0; tw : t1 =
0,4 bis 2,0; d : t1 = 0,4 bis 2,0 und h
: t1 = 1,0 bis 6,0; w : t1 =
1,0 bis 6,0.
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Um
zu gewährleisten,
dass eine abgeschleuderte Fanschaufel 12' das Ringgehäuse 22 wie vorgesehen
innerhalb der Hauptberstschutzzone 30 trifft, kann ein
Fan-Fänger 26 stromauf
der Vorderkante 49 des Fan 12 angeordnet werden.
Der Fan-Fänger 26 definiert
das axial stromaufwärtige Ende
der Hauptberstschutzzone 30. Der Fan-Fänger 26 verhindert
oder verringert die Gefahr, dass eine abgeschleuderte Fanschaufel 12' sich axial
stromauf bewegt, nachdem die abgeschleuderte Fanschaufel 12' den Ring 22 getroffen
hat. Die Benutzung eines solchen Fan-Fängers 26 ist im einzelnen
in UK-Patent 1,369,229 beschrieben. Wie in 2 dargestellt, kann der Fan-Fänger 26 die
Form eines Hakens haben und aus einem im wesentlichen L-förmigen Flansch
bestehen, der sich radial von der inneren Oberfläche des Gehäuse 22 nach innen
erstreckt und über den
inneren Umfang verläuft.
Stattdessen kann der Fan-Fänger 26a aus
einem einfachen radial nach innen stehenden Flansch bestehen, wie
dies in 3 dargestellt
ist.
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Innerhalb
der vorderen Zone 32 vor dem Fan-Fänger 26 und der Hauptberstschutzzone 30 kann
die Dicke t6 der Gehäusehülse 24 vermindert werden,
damit sie in das Verhältnis
zwischen t6 : t1 = 0,25
bis 0,75 fällt.
Eine weitere Prüfung
und Analyse hat ergeben, dass t6 : t1 vorzugsweise innerhalb des Verhältnisses
von t6 : t1 = 0,1
bis 0,75 liegen sollte. Durch Verminderung der Dicke t6 der
Gehäusehülse 24 in
diesem Bereich wird nicht nur das Gesamtgewicht des Gehäuserings 22 vermindert,
sondern auch die Belastung und Auslenkung am Fan-Fänger 26 und
am stromaufwärtigen
Abschnitt der Hauptberstschutzzone 30 wird vermindert.
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Innerhalb
der Schaufelfußauftreffzone 34 wird
die Dicke t4, t5 der
Gehäusehülse 24 auf
im wesentlichen den gleichen Wert optimiert, wie in der Hauptberstschutzzone 30,
mit einer Gehäusehülsedicke
t4, t5 mit einem
Verhältnis
von t4 : t1 = 0,5
bis 1,5 und t5 : t1 =
0,5 bis 1,5. Die Dicke t4, t5 der
Gehäusehülse vermindert
sich im typischen Fall in Richtung stromab, wie in den 2 und 3 dargestellt ist. Weitere Versuche und
Analysen haben gezeigt, dass t4 : t1 vorzugsweise im Verhältnis von t4 :
t1 = 0,4 bis 1,5 liegen sollte. Weiter stromab,
weg von dem Bereich des Auftreffens des Schaufelfußes, kann
das Gehäuse
dünner
gestaltet werden, mit einem Verhältnis
von t5 : t1 = 0,3
bis 1,5. Es können
auch Rippen innerhalb dieser Zone 34 vorgesehen werden,
um selektiv den Gehäusering 22 zu
verstärken,
damit dieser dem Aufprall eines abgeschleuderten Fanschaufelfußes 12' widerstehen
kann. Jedoch ist die dem Fanschaufelfuß 12' Aufschlag zugeordnete Energie
beträchtlich kleiner
als jene die der Haupt-Fanschaufel 12' zugeordnet ist, deren Aufschlag
von der Hauptberstschutzzone 30 aufgenommen wird. Insofern
werden Verstärkungsrippen
im allgemeinen an dieser Schaufelfußaufprallzone 34 nicht
erforderlich sein.
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Weitere
Flansche 44 oder andere ähnliche Merkmale können auch
auf dem Gehäusering 22 aus anderen
Gründen
vorgesehen werden, beispielsweise zur Dämpfung von Vibrationen oder
zur Lagerung anderer Bauteile. Diese Flansche sind jedoch keine Verstärkungsrippen 2, 4, 6 und
sie verbessern nicht die Festigkeit des Gehäuserings 22.
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Auch
können
derartige Flansche keine Verminderung der Dicke der Gehäusehülse 24 ermöglichen,
da dies die Funktion der Rippen 2, 4, 6 der
Erfindung ist.
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Gemäß einem
weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel fällt die
dritte, das heißt
die vorderste Rippe 6 weg. Bei dieser Ausführungsform
ergeben die erste Rippe 4 und die zweite Rippe 6 eine genügende Verstärkung für den Gehäusering 22,
damit dieser einem Schaufelaufprall widerstehen kann. Durch Wegfall
der dritten Rippe kann das Gesamtgewicht des Gehäuses weiter vermindert werden.
Die Positionierung der ersten Rippe 2 und der zweiten Rippe 4 in
Bezug auf die Arbeitsposition der Fanschaufel 12' ist jedoch
die gleiche. Die Verhältnisse der
verschiedenen Dimensionen h, d, w, tw der
Rippen 2, 4 und der Dicke der Gehäusehülse 24 t1, t2, t3, t4, t5, t6 sind
ebenfalls die gleichen. Die Gehäusedicke t2 wird die Dicke des Gehäuserings vor der zweiten Rippe 4 anstatt
der Dicke der Gehäusehülse 24 zwischen
der zweiten Rippe 4 und der dritten Rippe 6.
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Als
Beispiel für
die Erfindung lediglich wurde ein Berstschutzring 22 mit
nur zwei Rippen 2, 4 wie oben beschrieben und
allgemein in 2, mit
Ausnahme der dritten Rippe 6, dargestellt, überprüft und zeigte
zufriedenstellende Berstschutzergebnisse. Das Ringgehäuse, das
aus einer Stahllegierung hergestellt wurde, hatte einen mittleren
Durchmesser am Fan von 1,2 m. Die Hülsendicke t6 der
Gehäusehülse in der
vorderen Zone 32 betrug etwa 2 mm. In der Hauptberstschutzzone 30 variierte
die Dicke etwa von t2 mit 3,2 mm, t1 mit 5,2 mm auf t3 mit
3,2 mm. In der Schaufelfußaufprallzone 34 variierte
die Dicke der Gehäusehülse 24 zwischen
t4 mit 3,2 mm auf t5 mit
2,8 mm. Die erste Rippe 2 lag axial so, dass sie in der
gleichen Radialebene 50 wie die laufende Position der Hinterkante 47 der
Fanschaufeln 12' liegt.
Die zweite Rippe 4 wurde axial in der gleichen Radialebene 48 wie
die Laufposition des mittleren Sehnenpunktes 45 der Schaufeln 12 45 der
Fanschaufeln 12' positioniert.
Die Rippen hatten eine radiale Höhe
h von etwa 17,5 mm und die Stegbreite tw betrug
etwa 4,0 mm. Der Randabschnitt der Rippen hatte eine Axialbreite
w von etwa 15 mm und eine Randdicke von etwa 4,3 mm. Der vordere
Fan-Fänger 26 war
axial kurz vor der Radialebene 46 angeordnet, die durch
die Laufposition der Vorderkante 49 der Fanschaufeln 12' hindurchläuft. Der
Fan 12 wies eine Anordnung von 24 einzelnen Fanschaufeln 12' auf, die sämtlich in
herkömmlicher
Weise auf einer einzigen Fan-Scheibe montiert waren. Jede Fanschaufel 12' hatte eine
hohle Konstruktion mit breiter Sehne, wie dies im Stand der Technik
bekannt ist, und die Fanschaufel hatte eine individuelle Masse von
etwa 2 kg und eine mittlere radiale Länge von etwa 0,5 m. Der Fan 12 war
so konstruiert und geprüft,
dass er sich mit einer Drehzahl bis zu 7750 U/min drehen konnte.
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Für den Fachmann
ist es klar, dass sich die genaue Konstruktion des Berstschutzrings
gemäß 2 und 3 in gewisser Hinsicht ändern kann,
ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise könnte eine
einzelne Verstärkungsrippe
oder stattdessen irgendeine andere Zahl von Verstärkerrippen
benutzt werden. Zusätzliche
Verstärkungsrippen
können
auch auf der Gehäusehülse 24 vorgesehen
werden, um den Berstschutzring 22 weiter zu verstärken, aber
dies geschieht auf Kosten eines zusätzlichen Gewichts. Die Dicke
der Gehäusehülse 24 kann
auch gegenüber
dem beschriebenen Optimum vergrößert werden,
obgleich dies natürlich
wieder ein zusätzliches
Gewicht für
das Gehäuse
bedingen würde.
Weiter kann diese Gehäusekonstruktion
kombiniert werden mit anderen bekannten Berstschutzsystemen, um
eine verbesserte Berstschutzfunktion für die Fanschaufel 12' herzustellen.