DE102007042767A1

DE102007042767A1 - Mehrschichtiger Abschirmungsring für einen Flugantrieb

Info

Publication number: DE102007042767A1
Application number: DE102007042767A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Weidmann
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2009-03-12
Also published as: US20100202872A1; WO2009030197A1; CA2698283A1; EP2191105A1

Abstract

Eine Abschirmung (6) eines Turbinengehäuses (3) eines Flugtriebwerks gegen radialen Austritt von Schaufeltrümmern, insbesondere für eine schnelllaufende Niederdruckturbine, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (6) als starres ringförmiges Bauteil aus mehreren Schichten (8) ausgebildet ist. Durch die Entkopplung der Containmentfunktion von der Auslegung des Turbinenabgaskanals, der als Gussteil gefertigt ist, werden die Nachteile des Standes der Technik vermieden. Insbesondere kann die Auslegung des Turbinenabgaskanals Kosten- und Gewichts-optimiert erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abschirmung eines Turbinengehäuses eines Flugtriebwerks gegen radialen Austritt von Schaufeltrümmern nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei konventionellen, langsamlaufenden Niederdruckturbinen ist der so genannte Containment Schutz, d. h. die Abschirmung des Gehäuses gegen eventuell radial herausdringende Schaufelbestandteile oder Schaufeltrümmer, bei der Gehäusegestaltung mit zu überprüfen. Insbesondere für die Anbindung der Niederdruckturbine (LPT) an das Turbinenabgasgehäuse (Turbine Exhaust Case TEC), die in der Regel als Gussteil ausgestaltet ist, ist häufig nur eine Überprüfung der Wandstärke nötig. Diese Überprüfung ergibt in der Regel, dass die Wandstärke der Anbindung LPT/TEC auch als Containment Schutz ausreichend stark dimensioniert ist.
Eine derartige Abschirmung vom Stand der Technik ist ausschnittsweise in 2 gezeigt. Dabei ist die Niederdruckturbine 1 mit Turbinenschaufeln 2 gezeigt, die innerhalb eines Turbinengehäuses 3 angeordnet sind. Die Turbinenschaufeln sind dabei einem nicht gezeigten Verdichter und einer nicht gezeigten Brennkammer axial nachgeordnet und befinden sich auf einer Turbinenscheibe, die um die Triebwerksachse rotiert. Das Turbinengehäuse 3 ist über einen Flansch 5 mit dem Turbinenabgaskanal 10 verbunden. Der Turbinenabgaskanal 10 vom Stand der Technik ist als Gussteil ausgestaltet, welches aufgrund der vorhandenen Materialdicke auch eine Containmentfunktion aufweist. D. h., im unwahrscheinlichen Fall eines Triebwerksschadens mit Verlust von Turbinenschaufeln oder Schaufelteilen, dient der Turbinenabgaskanal mit Containmentfunktion dazu, das Austreten der Schaufelteile aus dem Triebwerksgehäuse zu verhindern und dadurch mögliche Schäden an der Flugzeugzelle zu vermeiden. In 2 ist der für die Auslegung maßgebende Einschlagbereich durch die einen Winkel α einschließende Geraden gekennzeichnet.
Zukünftige Triebwerkskonzepte benötigen zur Erfüllung der geforderten Spezifikationen Niederdruckturbinen mit hohem AN², hohen Turbineneintrittstemperaturen und kompakter kurzer Bauweise.
Bei schnell laufenden Niederdruckturbinen für derartige moderne Triebwerkskonzepte, ist der Containment Schutz jedoch ein besonderes Auslegungskriterium, da aufgrund des höheren Impulses loser Schaufelteile die reguläre Gussteildicke des Turbinenabgaskanals nicht mehr ausreicht, um ein mögliches Hindurchtreten der Schaufelteile zu verhindern. Deshalb ist nach derzeitigem Stand keine Material-, Kosten- und Gewichtsoptimierte Niederdruckturbinen/Turbinenabgaskanal (LPT/TEC) – Anbindung möglich. Vielmehr wird die Materialwahl und Materialdicke der LPT/TEC-Anbindung durch die erforderliche Containment Dicke und nicht durch die optimierte LPT/TEC -Anbindung bestimmt. Auch die Materialwahl wird durch die höheren Anforderungen an den Gusswerkstoff im Containmentbereich bestimmt und dadurch verteuert.
Zwar ist aus der US 5,328,324 eine Containmentlösung im Bereich der Niederdruckturbine bekannt. Dabei wird ein Glasfasergewebeschlauch vorgeschlagen, der mehrfach gefaltet quasi als Kragen auf ein Trägerelement aufgelegt wird, das sich an der Außenseite des Turbinengehäuses über der Niederdruckturbine befindet. Das Glasfasergewebe ist dabei aus einer kontinuierlichen Faser hergestellt und hitzebeständig. Für das Funktionieren dieses Containment-Schutzes ist die Unversehrtheit der kontinuierlichen Faser ausschlaggebend. Der Glasfasergewebeschlauch ist dabei so dimensioniert, dass er auf dem Trägerelement eng anliegt. Allerdings wird hier keine spezielle Lösung für die Niederdruckturbine/Turbinenabgaskanal-Anbindung vorgestellt. Nachteilig bei dieser Lösung ist zum einen der unfixierte Aufbau des Kragens, der gegen äußere Einflüsse, z. B. mechanische Einflüsse, Feuchtigkeit, etc. hoch empfindlich ist. Ein weiterer Nachteil ist es, dass Beschädigungen an der kontinuierlichen Faser des Glasfasergewebeschlauchs nicht ohne weiteres bemerkt werden und zu einem Totalausfall des Containmentschutzes im Bedarfsfall führen können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Lösungen des Standes der Technik zu vermeiden und eine verbesserte Lösung für einen Containmentschutz an der LPT/TEC Anbindung insbesondere von schnell laufenden Niederdruckturbinen zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine mehrschichtige Abschirmung für ein Flugtriebwerk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Abschirmung eines Turbinengehäuses eines Flugtriebwerks gegen radialen Austritt von Schaufeltrümmern, insbesondere für eine schnelllaufende Niederdruckturbine, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung als starres ringförmiges Bauteil aus mehreren Schichten ausgebildet ist. Dabei kann die ringförmige Abschirmung radial innerhalb oder außerhalb des Turbinengehäuses angeordnet sein. Beim Anbringen auf dem Turbinengehäuse kann durch die Abschirmung auch gezielt Kühlluft, beispielsweise aus der Fanströmung, auf die Außenhaut des Gehäuses geleitet werden. Ferner ist es möglich, dass die ringförmige Abschirmung aus mehreren Segmenten besteht, wodurch Herstellung und Montage erleichtert werden. Durch die steife Ausführung ist die Abschirmung gegen äußere Einflüsse geschützt und kann selbsttragend ausgeführt sein.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abschirmung sieht vor, dass die Abschirmung am Turbinen Abgaskanal angeordnet ist. Durch die Entkopplung der Containmentfunktion von der Auslegung des Turbinenabgaskanals, der als Gussteil gefertigt ist, werden die Nachteile des Standes der Technik vermieden. Insbesondere kann die Auslegung des Turbinenabgaskanals Kosten- und Gewichtsoptimiert erfolgen, d. h. hier können kostengünstigere Materialien und Materialstärken verwendet werden, als dies bei integrierter Containment-Funktion der Fall wäre. Die Containment-Funktion wird dann allein durch die ringförmige mehrschichtige Abschirmung wahrgenommen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abschirmung sieht vor, dass die Abschirmung als Schmiedebauteil ausgebildet ist. Dies ermöglicht einen mehrschichtigen Aufbau unter Auswahl von geeigneten Materialschichten. Dabei ist zum einen die Festigkeit definierender Faktor als auch die im Bereich der Niederdruckturbine am Gehäuse bzw. an der LPT/TEC Anbindung vorhandenen Temperaturen. Bei einem in Umfangsrichtung mehrteiligen Abschirmungsring ist dabei die Möglichkeit der Temperaturdehnung zu berücksichtigen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abschirmung sieht vor, dass die Abschirmung innerhalb des Turbinengehäuses angeordnet ist. Dies verhindert zum einen störende Aufbauten außerhalb des Turbinengehäuses und zum anderen wird hierdurch verhindert, dass bei einem Schaufelschaden das Gehäuse bzw. die LPT/TEC Anbindung durchschlagen wird, wodurch die Kosten eines Triebswerksausfalls weiter steigen.
Noch eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abschirmung sieht vor, dass die Abschirmung als Strömungsleitelement ausgebildet ist. Dies kann sowohl bei Einsatz der Abschirmung innerhalb oder außerhalb des Gehäuses der Fall sein. Dabei können zusätzliche Strömungsleitelemente auf der Abschirmung angebracht sein oder aber die Abschirmung selbst ist strömungsgünstig geformt bzw. montiert.
Noch eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abschirmung sieht vor, dass die Abschirmung als Hitzeschild ausgestaltet ist. Dies ist insbesondere bei Einbau im Strömungskanal, d. h. innerhalb des Turbinengehäuses erforderlich. Allerdings kann dies auch bei Montage am Außenumfang des Turbinengehäuses zweckdienlich sein, um bei Wartungsarbeiten Verletzungen durch Verbrennungen an heißen Triebwerksteilen zu verhindern.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abschirmung sieht vor, dass die Schichten aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut sind. Als Materialien kommen beispielsweise schmiedbare hochwarmfeste Legierungen in Frage. Dadurch lassen sich die Festigkeitseigenschaften, Temperaturdehnung und Gewicht der Abschirmung im gewünschten Maße beeinflussen. Dies ist insbesondere im Sinne einer Gewichts- und Kostenoptimierung sinnvoll.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abschirmung sieht vor, dass die Schichten unterschiedliche Dicken aufweisen. Wie die Materialwahl kann auch durch die Wahl der Schichtdicke die Festigkeit und das Gewicht der Abschirmung optimiert und damit die Kosten des Bauteils gesenkt werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abschirmung sieht vor, dass die Schichten schwingungsoptimiert aufeinander abgestimmt sind. Dabei werden die Schichten des mehrschichtigen Abschirmrings im Abschirmungsgehäuse resonanzfrei verbunden. Hierbei können sowohl die Schwingungseigenschaften der Abschirmung allein als auch die Schwingungseigenschaften der mit der Abschirmung gekoppelten Bauteile Berücksichtigung finden. Ferner kann auch die Veränderung der Schwingungseigenschaften durch Anströmung und Temperaturdehnung bei der Auslegung und Abstimmung der Schichten berücksichtigt werden.
Schließlich sieht eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abschirmung vor, dass die Abschirmung eine Einfassung für unterschiedliche Funktionsschichten aufweist. Dabei kann unter Einfassung auch ein Abschirmungsgehäuse fallen, mit welchem unterschiedliche Schichten fügetechnisch verbunden sind. Dabei können die ringförmigen Schichten quasi von drei Seiten eingefasst bzw. umfasst sein und ggf. auch innerhalb der Einfassung schwimmend aufgenommen sein.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
1 ausschnittsweise schematisch eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein schematische ausschnittsweise Darstellung einer Abschirmung vom Stand der Technik.
Bei den abgebildeten Figuren sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Richtungsangaben beziehen sich auf die Achsen des Flugantriebs.
1 zeigt ausschnittsweise schematisch eine vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abschirmung 6 an einer schnell laufenden Niederdruckturbine 1. In der Zeichnungsebene linkerhand, d. h. strömungsaufwärts, befinden sich dabei der in der Zeichnung nicht gezeigte Verdichter und die Brennkammer, sowie die ebenfalls nicht dargestellte Hoch- und Mitteldruckturbine. Die 1 zeigt dabei einen Ausschnitt eines Halbschnittes.
In 1 ist ein Teil einer Turbinenschaufel 2 dargestellt, die innerhalb eines die Turbinenstufe in Umfangsrichtung umgebenden Turbinengehäuses 3 angeordnet ist. Das Turbinengehäuse 3 ist über eine materialtechnisch optimierte Flanschverbindung 5 mit dem Turbinenabgaskanal 4 verbunden bzw. an diesen angebunden.
Die Abschirmung 6 ist an der Anbindung von der Niederdruckturbine 1 zum Turbinenabgaskanal 4 innerhalb des Turbinengehäuses 3 angeordnet. Am Turbinenabgaskanal 4 steht in radialer Richtung nach innen ein Flansch 9 hervor, an dem die Abschirmung 6 bzw. das Abschirmungsgehäuse 7 angeflanscht ist.
Die im Schnitt L-förmig dargestellte und in Umfangsrichtung ringförmige Abschirmung 6 bzw. der Containmentring ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als mehrsichtiges Schmiedeteil ausgebildet. Dabei sind die beiden Schichten 8 der Abschirmung 6 in einem Abschirmungsgehäuse 7 aufgenommen und mit diesem schmiedetechnisch verbunden. Sowohl die Art der Legierung als auch die Schichtdicke/Schichtanzahl unterscheiden sich bei den im Ausführungsbeispiel gezeigten beiden Schichten 8. Dabei weist die resonanzfreie Abschirmung 6 im vorliegenden Ausführungsbeispiel neben der Containmentfunktion auch integrierte Hitzeschild- und Strömungsleitfunktion auf. Die Containmentfunktion ist vorliegend nicht in der Anbindung Niederdruckturbine 1/Turbinenabgaskanal 4 integriert, wodurch diese Anbindung als gewichtsoptimiertes Gussteil ausgestaltet werden kann.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der in den Patentansprüchen beanspruchten Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

1: Niederdruckturbine
2: Turbinenschaufel
3: Turbinengehäuse
4: Turbinenabgaskanal
5: Flansch
6: Abschirmung
7: Abschirmungsgehäuse
8: Schichten Abschirmung
9: Befestigungsflansch Abschirmung
10: Turbinenabgaskanal mit Abschirmfunktion

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5328324 [0006]

Claims

Abschirmung (6) eines Turbinengehäuses (3) eines Flugtriebwerks gegen radialen Austritt von Schaufeltrümmern, insbesondere für eine schnelllaufende Niederdruckturbine (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (6) als starres ringförmiges Bauteil aus mehreren Schichten (8) ausgebildet ist.
Abschirmung (6) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung am Turbinen Abgaskanal angeordnet ist.
Abschirmung (6) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (6) als Schmiedebauteil ausgebildet ist.
Abschirmung (6) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (6) innerhalb des Turbinengehäuses (3) angeordnet ist.
Abschirmung (6) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (6) als Strömungsleitelement ausgebildet ist.
Abschirmung (6) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (6) als Hitzeschild ausgestaltet ist.
Abschirmung (6) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (8) aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut sind.
Abschirmung (6) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (8) unterschiedliche Dicken und/oder Anzahl aufweisen.
Abschirmung (6) nach Patentanspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (8) schwingungsoptimiert aufeinander abgestimmt sind.
Abschirmung (6) nach Patentanspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (6) eine Einfassung (7) für unterschiedliche Funktionsschichten aufweist.