DE19719777B4

DE19719777B4 - Vorrichtung zur Begrenzung der Brandgefahr im Inneren einer Turbomaschine

Info

Publication number: DE19719777B4
Application number: DE19719777A
Authority: DE
Inventors: André Beaurain; Pierre-André Baudart; Martin Sion; David Tonon; Marc Aubry
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1997-05-10
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2017-05-11
Also published as: IT1292310B1; DE19719777A1; ITTO970413A1; FR2749348B1; FR2749348A1; ITTO970413A0

Abstract

Vorrichtung zur Begrenzung der Brandgefahr im Inneren einer Turbomaschine, umfassend mindestens einen Hohlraum (70) zur Heißgasversorgung für den Antrieb einer Turbine (20), die fest mit einer Antriebswelle (10) verbunden ist, eine Pumpe (30), die von dieser Antriebswelle angetrieben wird, um ein Ergol unter Überdruck an einen Hauptversorgungskreis eines Motors zu liefern, und ein Dichtheitssystem (50), das mindestens eine erste und eine zweite dynamische Dichtung (51, 52; 53, 54) und eine Heliumgasschranke (55) umfaßt und das nahe der Antriebswelle (10) angeordnet ist, um das unter Überdruck stehende Ergol von den Heißgasen für den Antrieb der Turbine (20) zu trennen, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (70) zur Heißgasversorgung mit einem zweiten Hohlraum (75) zur Heißgasrückgewinnung in Verbindung steht, der in eine erste Ablaßleitung (72) mündet, die mit einem ersten Kalibrierelement (73) versehen ist, daß der Ergolversorgungskreis mit einem Hohlraum (81) zur Ergolrückgewinnung in Verbindung steht, der selbst in eine zweite Ablaßleitung...

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begrenzung der Brandgefahr im Inneren einer Turbomaschine, umfassend mindestens einen Hohlraum für die Heißgasversorgung für den Antrieb einer Turbine, die mit einer Antriebswelle fest verbunden ist, eine Pumpe, die von dieser Antriebswelle angetrieben wird, um ein Ergol unter Überdruck an einen Hauptversorgungskreis eines Motors zu liefern, und ein Dichtheitssystem, das mindestens eine erste und eine zweite dynamische Dichtung und eine Heliumgasschranke umfaßt und das in der Nähe der Antriebswelle angeordnet ist, um das Ergol unter Überdruck von den Heißgasen für den Antrieb der Turbine zu trennen.
Die Erfindung betrifft ganz allgemein eine Turbomaschine für die Raumfahrt, die Luftfahrt oder die Industrie, wo eine Gefahr des Vermischens von reduzierenden Heißgasen, die von einem Leistungsgenerator (Brennkammer) stammen, mit einem oxydierenden Ergol oder die Gefahr des Vermischens von oxydierenden Heißgasen, die von einem Leistungsgenerator stammen, mit einem reduzierenden Ergol besteht.

Vorveröffentlichte Technik

Ein Raketentriebwerk, das mit flüssigen Ergolen gespeist wird, umfaßt Turbopumpen, die dazu bestimmt sind, die Einspritzvorrichtung der Verbrennungskammer des Raketentriebwerkes mit flüssigen Ergolen unter Überdruck zu speisen. Die Turbopumpen umfassen eine oder mehrere Turbinenstufen, die von Heißgasen angetrie ben werden, welche von einem unabhängigen Gasgenerator erzeugt werden oder von einem Heißgasrückgewinnungssystem stammen können.

Auf diese Weise wurden Turbopumpen hergestellt, die dazu dienen, Wasserstoff oder flüssigen Sauerstoff unter Überdruck zu liefern. Eine Sauerstoff-Turbopumpe ist häufig mit einem System von dynamischen Dichtungen ausgestattet, die eine Heliumgasschranke umfassen, um die unter Überdruck stehenden oxydierenden Ergole von den im allgemeinen reduzierenden Heißgasen zu trennen, die dazu dienen, die Turbine der Turbopumpe anzutreiben.

Während des Betriebs der Turbopumpe kann eine Verschlechterung des Systems von dynamischen Dichtungen und insbesondere ein Verlust von Heliumgas eintreten, was zu einem Nachlassen der Wirksamkeit des Systems von dynamischen Dichtungen im Bereich der Heliumschranke führt. In diesem Fall ist die Gefahr des Auftretens eines schweren Zwischenfalls aufgrund eines möglichen Entzündens des Gemisches eines Ergols mit Heißgasen sehr groß.

Die DE 691 12 369 T2 zeigt eine Turbopumpe mit integrierter Einzelfluß-Aufladung. Zwischen einem Rotor und einem Träger sind Fluiddichtungen angeordnet.

Die DE 31 25 642 A1 zeigt eine Dichtungsvorrichtung zwischen einem axial oder drehend bewegbaren Zylinder und einer Wand, die zwei mit Gas oder Flüssigkeit gefüllte Räume unterschiedlichen Drucks trennt. Zwischen zwei Dichtungen ist dabei ein an eine Druckleitung angeschlossener erster Ringraum sowie ein an eine Unterdruckleitung angeschlossener zweiter Ringraum ausgebildet.

Die GB 783,733 A zeigt einen Flammenstopper mit einander überlagernden Schichten von hitzebeständigem Material. Um zu verhindern, daß die Schichten aneinander anliegen, sind Ausbeulungen an den Schichten vorgesehen.

Die US 2,542,016 A zeigt eine dynamoelektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor. Labyrinthdichtungen sind an beiden Enden der Maschine vorgesehen, damit Luft oder Gas über einen langen und kurvenreichen Weg geführt wird, wodurch die Maschine explosionssicher wird.

Gegenstand und Kurzbeschreibung der Erfindung

Die Erfindung hat zum Ziel, die Nachteile der bisherigen Technik zu vermeiden und insbesondere zu verhindern, daß bei einem Verlust der Wirksamkeit eines Dichtheitssystems mit dynamischen Dichtungen ein reaktives Gasgemisch in dem Hohlraum entsteht und einen Brand oder eine Explosion verursacht.

Diese Ziele werden erreicht mit Hilfe einer Vorrichtung zur Begrenzung der Brandgefahr im Inneren einer Turbomaschine, umfassend mindestens einen Hohlraum zur Heißgasversorgung für den Antrieb einer Turbine, die mit einer Antriebswelle fest verbunden ist, eine Pumpe, die von dieser Antriebswelle angetrieben wird, um ein Ergol unter Überdruck an einen Hauptversorgungskreis eines Motors zu liefern, und ein Dichtheitssystem, das mindestens eine erste und eine zweite dynamische Dichtung und eine Heliumgasschranke umfaßt und das nahe der Antriebswelle angeordnet ist, um das unter Überdruck stehende Ergol von den Heißgasen für den Antrieb der Turbine zu trennen; der Hohlraum zur Heißgasversorgung steht mit einem zweiten Hohlraum zur Heißgasrückgewinnung in Verbindung, der in eine erste Ablaßleitung, die mit einem ersten Kalibrierelement versehen ist, mündet, der Ergolversorgungskreis steht mit einem Hohlraum zur Ergolrückgewinnung in Verbindung, der seinerseits in eine zweite Ablaßleitung, die mit einem zweiten Kalibrierelement versehen ist, mündet, und das Dichtheitssystem umfaßt nahe der Antriebswelle zwischen der ersten und der zweiten dynamischen Dichtung eine dynamische Vorrichtung zur Ausdehnung und Einschließung der Flamme, welche im Vorlaufbereich des Hohlraumes zur Ergolrückgewinnung angeordnet ist und welche von Ablenkelementen gebildet wird und Kränze aus porösem Material und dünne Metallplättchen, die abwechselnd übereinandergestapelt sind, umfaßt.

Die dünnen Metallplättchen erstrecken sich über die Kränze aus porösem Material hinaus zu der Umfangsfläche der Antriebswelle, indem sie mit letztgenannter ein ge ringes Spiel aussparen, um eine Ausdehnung und Selbstlöschung jeder Flamme, die möglicherweise im Bereich des Dichtheitssystems entsteht, zu gewährleisten.

Das geringe Spiel zwischen den dünnen Metallplättchen und der Umfangsfläche der Antriebswelle, ausgedrückt in Zehntelmillimetern, ist gegenüber der Umfangsgeschwindigkeit der Antriebswelle im Bereich dieser Umfangsfläche, ausgedrückt in Meter pro Sekunde, sehr gering, was zu einer natürlichen Ausdehnung der potentiell hohen Flamme führt.

Vorteilhafterweise definiert die dynamische Vorrichtung zur Ausdehnung und Einschließung der Flamme eine Aufeinanderfolge von Mikrohohlräumen zwischen den dünnen Metallplättchen, den Kränzen aus porösem Material und der Umfangsfläche der Antriebswelle, und es wird eine langsame Verringerung des Ergolgehalts des möglichen Gemisches zwischen dem Ergol und den Heißgasen sowie eine langsame Verringerung der Temperatur dieses Gemisches in umgekehrter Richtung innerhalb der Aufeinanderfolge von Mikrohohlräumen der dynamischen Vorrichtung zur Ausdehnung und Einschließung der Flamme entlang einer Richtung parallel zur Achse der Antriebswelle verwirklicht, um die Entzündungs- und somit Brandgefahren zu begrenzen.

Der Hohlraum zur Heißgasversorgung steht mit dem zweiten Hohlraum zur Heißgasrückgewinnung über einen Kreis in Verbindung, der mindestens ein Kalibrierelement umfaßt.

Nach einem besonderen Merkmal ist die erste dynamische Dichtung zwischen dem Ergolversorgungskreis und der Vorrichtung zur Ausdehnung und Einschließung der Flamme angeordnet, ist die zweite dynamische Dichtung, die mit der Heliumgasschranke verbunden ist, zwischen dem zweiten Hohlraum zur Heißgasrückgewinnung und der Vorrichtung zur Ausdehnung und Einschließung der Flamme angeordnet, ist der Durchgangsquerschnitt S₂ des zweiten Kalibrierelements, das sich in der zweiten Ablaßleitung befindet, größer als der Durchgangsquerschnitt S₁ des ersten Kalibrierelements, das sich in der ersten Ablaßleitung befindet, wobei der Durchgangsquerschnitt S₁ seinerseits größer als der Durchgangsquerschnitt S₃ ist, der von der zweiten dynamischen Dichtung definiert wird (siehe 7).

Nach einem weiteren besonderen Merkmal ist die erste Ablaßleitung mit einer Flammenfalle ausgestattet, bestehend aus einem ersten thermischen Einschlußgitter, das am Ausgang dieser ersten Ablaßleitung angeordnet ist, um jeglichen Wiedereintritt einer möglichen Flamme, die außen entzündet wurde, in das Innere dieser ersten Ablaßleitung zu verhindern, und ist die zweite Ablaßleitung mit einer Flammenfalle ausgestattet, bestehend aus einem zweiten thermischen Einschlußgitter, das am Ausgang dieser zweiten Ablaßleitung angeordnet ist, um jeglichen Wiedereintritt einer möglichen Flamme, die außen entzündet wurde, in das Innere dieser zweiten Ablaßleitung zu verhindern.

Die thermischen Einschlußgitter sind aus einem porösen Material hergestellt, das aus einem leitenden Material vom Typ Kupferlegierung oder aus einem sehr hitzebeständigen Material dargestellt ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für eine Turbopumpe zur Versorgung eines Raketentriebwerkes mit oxydierendem Ergol, wie beispielsweise flüssigem Sauerstoff, für eine Turbopumpe zur Versorgung eines Motors mit reduzierendem Kohlenwasserstoff, wie beispielsweise Kerosin, oder ganz allgemein für eine Turbomaschine der Luftfahrt oder der Industrie angewandt werden, wenn eine Gefahr der Reaktion zwischen einem von der Turbomaschine gepumpten Ergol und Heißgasen, die für den Antrieb der Turbinen der Turbomaschine verwendet werden, besteht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von besonderen Ausführungsarten hervor, die als Beispiele angeführt sind und sich auf die beiliegenden Zeichnungen beziehen, wobei:
1 ein axialer Halbschnitt von einem Teil der Sauerstoff-Turbopumpe. ist, die mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Begrenzung von Brandgefahren ausgestattet ist;
2 ein Prinzipbild darstellt, das das Prinzip einer Einheit einer erfindungsgemäßen dynamischen Vorrichtung zur Ausdehnung und Einschließung der Flamme zeigt, bestehend aus einer Gesamtheit von Lamellen mit geringem Spiel zu der Welle und einem porösen Material, die eine Aufeinanderfolge von Mikrohohlräumen definieren, die für eine langsame Verringerungen des Mischungsgehalts und der Temperatur vorgesehen sein können;
3 ein Prinzipschema des Weges der Fluide in einer Turbopumpe darstellt, die eine Heliumschranke normaler Funktion umfaßt;
4 ein vereinfachtes Schema eines hinteren Teils der Turbopumpe aus 1 darstellt, bei dem die erfindungsgemäße dynamische Vorrichtung zur Ausdehnung und Einschließung der Flamme weggelassen wurde, bestehend aus einer Heliumschranke normaler Funktion, wie in dem Schema der 3 dargestellt;
5 ein Prinzipschema für den Weg der Fluide in einer Turbopumpe ohne dynamische Vorrichtung zur Ausdehnung und Einschließung der Flamme darstellt, bei der die Heliumversorgung unterbrochen ist;
6 ein vereinfachtes Schema eines hinteren Teils einer Turbopumpe analog zu jenem der 4 ist, bei dem jedoch die Heliumversorgung unterbrochen wurde;
7 ein Prinzipschema für den Weg der Fluide in einer Turbopumpe, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ausdehnung und Einschließung der Flamme ausgestattet ist, im Falle einer Unterbrechung der Heliumversorgung darstellt;
8 ein vereinfachtes Schema eines hinteren Teils einer Turbopumpe analog zu jenem der 4 und 6 ist, der jedoch ferner eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausdehnung und Einschließung der Flamme umfaßt und der Funktion des Prinzipschemas der 7 entspricht; und
9 eine Gesamtheit von Diagrammen darstellt, die für verschiedene Heißgasgehalte ein Beispiel für die Entwicklung der Rate der Gasfreisetzung in Abhängigkeit von der Rate der Ausdehnung einer Flamme in einer Vorrichtung wie jener der 2 anführt.
Detaillierte Beschreibung von besonderen Ausführungsarten der Erfindung
In 1 ist ein Teil einer Turbopumpe zu sehen, der dazu bestimmt ist, ein Ergol unter Überdruck, wie beispielsweise flüssigen Sauerstoff, an eine Einspritzvorrichtung zu liefern, die mit einer Verbrennungskammer eines Raketentriebwerkes mit flüssigen Ergolen verbunden ist. 1 entspricht nur einem besonderen Ausführungsbeispiel, und die Erfindung ist auch für andere Arten der Anbringung am Gehäuseende der Turbopumpe anwendbar.
Die Turbopumpe der 1 umfaßt im wesentlichen eine zentrale Welle 10, die von einer Turbine 20 angetrieben wird, die eine oder mehrere Stufen umfassen kann. Ein Turbinenrad 21 umfaßt Umfangsschaufeln 22, die von einem Heißgasstrom angetrieben werden, der aus einem Hohlraum 70 zur Heißgasversorgung durch eine Öffnung 71 austritt. Die Heißgase, die im allgemeinen reduzierend sind, können durch einen getrennten Generator erzeugt werden oder von einem System zur Rückgewinnung der Heißgase, die durch den Betrieb des Raketentriebwerkes erzeugt wurden, kommen. Im Falle eines Raketentriebwerkes mit flüssigen Ergolen, die von Wasserstoff und Sauerstoff gebildet werden, stammen die in dem Hohlraum 70 befindlichen Heißgase somit von der Verbrennung eines Gemisches von Wasserstoff und Sauerstoff und sind durch einen Mischungsgehalt φ gekennzeichnet, der dem Verhältnis zwischen dem Wasserstoff(H₂)- und Sauerstoff(O₂)-Anteil in dem Gemisch von Heißgasen entspricht, die von Verbrennungsprodukten gebildet werden. Ganz allgemein gilt dieselbe Beschreibung für alle Raketentriebwerke, die mit einem Sauerstoffträger und einem Brennstoff funktionieren.
Die Welle 10, die von der Turbine 20 angetrieben wird, ist in bezug zu einem Gehäuse mit Hilfe von Lagern 40 gehalten. Der vordere Teil der Welle 10 dient zum Antrieb von einem oder mehreren Rotoren (nicht dargestellt) einer Stufe 30 zum Pumpen von flüssigem Ergol, wie beispielsweise Sauerstoff. Das Lager 40, das zwischen der Pumpenstufe und der Turbine 20 angeordnet ist, wird durch einen Strom von flüssigem Ergol geschmiert, d.h. in dem gegebenen Beispiel flüssigem Sauerstoff, wobei der Fluß von Ergol 5, der zur Schmierung des Lagers 40 dient, über eine Leitung 31 rückgewonnen wird.
Das Turbinenrad 21 kann einen Hauptkörper, der im wesentlichen in einer Radialebene senkrecht auf der Welle 10 angeordnet ist und an seinem Umfang die Schaufeln 22 trägt, und eine Manschette 25 zur Befestigung auf der Welle 10 umfassen, wobei die Manschette 25 ihrerseits mit dem Hauptkörper über Verbindungsmittel 24 fest verbunden ist.
Eine kleine Menge 2 an Heißgasen, die aus dem Hohlraum 70 durch die Öffnung 71 austritt, wird nicht für den Antrieb der Schaufeln 22 der Turbine 20 verwendet und wird in einen Zwischenhohlraum 74 abgelenkt, der auf einer Seite von dem Turbinenrad 21 und der Manschette 25 und auf der anderen Seite durch feste Teile 61, 62 begrenzt wird, die mit dem Gehäuse der Turbopumpe fest verbunden sind. Der Körper des Turbinenrades 21 kann Ausstülpungen umfassen, die eine Kalibrieröffnung in Form eines Labyrinths 23 im Vorlaufbereich des Zwischenhohlraums 74 definieren. Ebenso kann die Manschette 25 dazu beitragen, mit einem der festen aneinandergrenzenden Teile 62 einen Durchgang in Form eines Labyrinths 26 im Nachlaufbereich des Zwischenhohlraums 74 zu definieren. Die Heißgase, die das Labyrinth 26 durchquert haben, können sodann in einen zweiten Hohlraum 75 zur Rückgewinnung der Heißgase abgeleitet werden, der in eine Ablaßleitung 72 mündet, die mit einem Kalibrierelement 73 ausgestattet ist.
Das oxydierende Ergol, das dazu gedient hat, das Lager 40 zu schmieren, bildet einen Strom 1, der ein dynamisches Dichtungssystem 50 durchquert, das im Bereich einer Umfangsfläche 11 der Antriebswelle 10 angeordnet ist, an welcher die Turbine 20 befestigt ist. Der Fluß 1 von unter Überdruck stehendem flüssigen Ergol wird in einen Hohlraum 81 zur Rückgewinnung von Ergol abgeleitet, in dem eine Ablaßleitung 82 ihren Ursprung nimmt, die mit einer Kalibrieröffnung 83 versehen ist und die, beispielsweise nachdem sie sich einen Weg entlang des Mischrohres des Raketentriebwerkes gebahnt hat, nach außen mündet.
Um normalerweise einen Kontakt zwischen dem Fluß 1 von oxydierendem Ergol und dem Fluß 2 von im allgemeinen reduzierenden Heißgasen, die in dem Kreis 74 zu der Umfangsfläche 11 der Welle 10 hin zirkulieren, zu vermeiden, ist eine Dichtheitsschranke 55, die einen Strom 3 von Heliumgas aufnimmt, in der Nähe der Umfangsfläche 11 der Welle 10 zwischen dem Kreis 74, in dem die Heißgase zirkulieren können, und dem Kreis, der den Fluß 1 von Ergol zu dem Hohlraum 81 leitet, angeordnet.
Das Dichtheitssystem 50 kann einen ersten schwimmenden Ring 51 oder eine erste Einheit von mehreren schwimmenden Ringen 51, 52 (beispielsweise sind zwei Ringe 51, 52 in 1 dargestellt) umfassen, wobei diese schwimmenden Ringe mit dem Gehäuse der Turbopumpe verbunden sind und einen Beweglichkeitsgrad in Radialrichtung aufweisen und mit der Umfangsfläche 11 der Welle 10 zusammenwirken. Die erste Einheit von schwimmenden Ringen 51, 52 ist zwischen dem Lager 40 und dem Kreis angeordnet, der den Fluß 1 von Ergol zum Schmieren zu dem Hohlraum 81 leitet.
Eine zweite Einheit von schwimmenden Ringen 53, 54, die mit der Heliumschranke 55 zusammenwirkt, ist zwischen dem Kreis, der den Fluß 1 von Ergol zum Schmieren zu dem Hohlraum 81 leitet, und dem Kreis 74 angeordnet, in dem ein Fluß 2 von Heißgasen zu der Umfangsfläche 11 der Welle 10 zwischen der Turbine 20 und den festen Elementen 61, 62 des Gehäuses der Turbopumpe zirkulieren kann.
Solange die Heliumgasschranke 55 richtig funktioniert, kann das Ergol 1, 4, das in dem Zirkulationskreis 81, 82 von Ergol zirkuliert, nicht mit den Heißgasen 2 in Kontakt kommen, die in den Hohlräumen 74 und 75 zirkulieren, und die Betriebssicherheit ist gegeben. Es kann allerdings während des Betriebs der Turbopumpe ein Verlust von Heliumgas 3, welches die Heliumgasschranke 55 versorgt, entstehen, so daß das oxydierende flüssige Ergol unter Überdruck nun in den Kreis von reduzierenden Heißgasen gelangen könnte. Die Gefahr des Auftretens eines Brandes wird nun sehr groß.
Um dem abzuhelfen und diese Gefahr zu beseitigen oder sie zumindest sehr stark zu verringern, werden verschiedene besondere Merkmale im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt.
Ein erster Aspekt der Erfindung wird im wesentlichen in den 1, 2 und 8 dargestellt, die schematisch eine Ablaßleitung 72 zeigen, die mit einem Kalibrierelement 73 ausgestattet ist und den Hauptfluß von Heißgasen aufnimmt, die von dem Hohlraum 70 zur Heißgasversorgung über die Öffnung 71 kommen, mit Hilfe eines Kreises, der den Hohlraum 74 umfaßt, der sich zwischen den beiden Labyrinthen 23, 26 und dem zweiten Hohlraum 75 zur Rückgewinnung der Heißgase befindet. In den 1 und 8 ist auch die Ablaßleitung 82 dargestellt, die mit einem Kalibrierelement 83 versehen ist und in dem Hohlraum 81 ihren Ursprung nimmt.
Nach einem wesentlichen Merkmal, das garantiert, daß im Falle einer Verschlechterung der Heliumgasschranke 55 die Heißgase 2, die das Labyrinth 26 durchquert haben und von der Schranke 55 nicht erfaßt wurden, nicht zu dem Hohlraum 81 für Ergol abfließen, während das Ergol selbst daran gehindert wird, in dem Kreis 74 zu der Turbine 20, dem Hohlraum 70 bzw. der Ablaßleitung 72 für Heißgas zu zirkulieren, sind die Durchgangsquerschnitte S₂ des Kalibrierelements 83, S₁ des Kalibrierelements 73 und S₃ der dynamischen Dichtung 53, 54 folgendermaßen beschaffen: S₃ < S₁ < S₂.
Somit muß der Durchgangsquerschnitt S₃ der dynamischen Dichtung 53, 54 kleiner als der Durchgangsquerschnitt S₁ des Kalibrierelements 73 sein, das sich in der Ablaßleitung 72 für Heißgas befindet, die in dem Hohlraum 75 ihren Ursprung nimmt, wobei der Durchgangsquerschnitt S₁ seinerseits kleiner als der Durchgangsquerschnitt S₂ des Kalibrierelements 83 ist, das sich in der Ablaßleitung 82 befindet, die in dem Hohlraum 81 für Ergol ihren Ursprung nimmt.
Beispielsweise ermöglichten es die folgenden Werte der Durchgangsquerschnitte bei einer besonderen Turbopumpe mit flüssigem Sauerstoff zu überprüfen, ob das jeweilige Abfließen in allen Fällen gemäß dem Schema der 7 und 8 richtig erfolgt: S1 = 10–4m2 S2 = 4·10–4m2 S3 = 10–5m2.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung, der in den 1, 7 und 8 dargestellt ist, ist die Ablaßleitung 82, die dazu bestimmt ist, das flüssige Ergol oder das Gemisch 4 von flüssigem Ergol und Heißgasen, das in dem Hohlraum 81 vorhanden ist, nach außen abzuleiten, mit einer Flammenfalle 84 ausgestattet, die ein thermisches Einschlußgitter 85 umfaßt, das am Ausgang der Ablaßleitung 82 angeordnet ist. Auf diese Weise wird jeglicher Wiedereintritt einer möglichen Flamme, die außen entzündet wurde und zu Explosionen führen könnte, in das Innere der Ablaßleitung 82 verhindert.
Ebenso kann ein thermisches Einschlußgitter 76 am Ausgang der Ablaßleitung 72 für Heißgas angeordnet werden.
Das thermische Einschlußgitter 85 bzw. das Gitter 76 kann vorteilhafterweise eine Maschenweite zwischen 30 und 50 Mikrometer und vorzugsweise von ungefähr 40 Mikrometer (im Falle von Wasserstoff) aufweisen, um wirksam jede möglicherweise auftretende äußere Flamme zu zerstören. Im Falle eines Raketentriebwerkes, das mit an Kohlenwasserstoffen reichen Gasen funktioniert (Kerosin, Methan, ...), beträgt die Maschenweite des Einschlußgitters allerdings zwischen 150 und 350 Mikrometern und vorzugsweise ungefähr 300 Mikrometer.
Das thermische Einschlußgitter 85 bzw. 76 kann aus einem porösen Material hergestellt sein, das aus einem leitenden Material vom Typ Kupferlegierung oder aus einem sehr hitzebeständigen Material gewonnen wurde. Ein Leinengewebe, das als Filter für die Ergole dient, kann auch im Bereich des thermischen Einschlußgitters 85 bzw. 76 verwendet werden.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, in das Dichtheitssystem 50 selbst, das in der Nähe der Umfangsfläche 11 der Welle 10 angeordnet ist, eine dynamische Vorrichtung 90 zur Ausdehnung und Einschließung der Flamme einzugliedern, die sich im Vorlaufbereich des Hohlraumes 81 zur Ergolrückgewinnung befindet und zwischen der ersten und der zweiten dynamischen Dichtungseinheit, die schwimmende Ringe 51, 52 und 53, 54 umfassen, angeordnet ist. Diese dynamische Vorrichtung 90, die einen Kreislauf mit Ablenkelementen umfaßt, ermöglicht es, eine mögliche Flamme, die von einem Funken im Bereich der Berührungsstelle des Stromes 1 von flüssigem Sauerstoff und des Heißgasstromes 2 erzeugt wird, auszudehnen und zu löschen, so daß das Gemisch 4 von flüssigem Sauerstoff und Heißgasen, das in den Hohlraum 81 gelangt, nicht entzündet werden kann.
2 ermöglicht das bessere Verständnis eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 90 zur Flammenausdehnung, die jede Gefahr des ungewollten Entzündens oder der Verbrennung verhindern soll. Im Falle der Ausführung der 2 bildet die dynamische Vorrichtung 90 zur Ausdehnung und Einschließung der Flamme eine innere Falle, die abwechselnd aufeinandergestapelte Kränze aus porösem Material 92 und dünne Metallplättchen 91 gemäß einem Sandwich-Aufbau umfaßt. Diese verschiedenen Hohlräume ermöglichen es überdies, einen Gehaltsgradienten zu verwirklichen, der die Gefahren des Entzündens und somit des Brandes begrenzt.
Die dünnen Metallplättchen 91 können beispielsweise aus Silber, Kupfer oder aus Legierungen dieser Metalle bestehen, es sind jedoch auch andere Materialien möglich.
Wie in 2 zu sehen, erstrecken sich die dünnen Metallplättchen 91 über die Kränze aus porösem Material 92 hinaus und ermöglichen es, jede Flamme zu der Umfangsfläche 11 der Antriebswelle 10 hin einzuschließen. Das Spiel 93 zwischen den dünnen Metallplättchen 91 und der Umfangsfläche 11 der Welle 10 muß verringert werden, um eine Ausdehnung und Selbstlöschung jeglicher Flamme zu ermöglichen, die möglicherweise im Bereich des Dichtheitssystems 50 entsteht, wobei die Ausdehnung durch das kombinierte Vorhandensein eines Spiels 93 mit einer verringerten Dicke j und einer Umfangsgeschwindigkeit V_P der Welle 10 im Bereich der Umfangsfläche 11 erzeugt wird.
Im besonderen wurde festgestellt, daß das verringerte Spiel j zwischen den dünnen Metallplättchen 91 und der Umfangsfläche 11 der Welle 10, ausgedrückt in Zehntelmillimeter, gegenüber der Umfangsgeschwindigkeit V_P der Welle 10 im Bereich dieser Umfangsfläche 11, ausgedrückt in Meter pro Sekunde, sehr gering sein muß, wenn jede Flamme, die möglicherweise durch den Austritt eines Funkens aufgrund von beschädigten schwimmenden Ringen 51, 52, 53, 54 entsteht, wirksam ausgedehnt werden soll.
Die dünnen Metallplättchen 91 übernehmen somit die Rolle von Funkenfängern.
Bei einer Sauerstoff-Turbopumpe beispielsweise, die für eine Drehzahl von ungefähr 240 Umdrehungen/Sekunde vorgesehen ist und eine Welle 10 umfaßt, die so beschaffen ist, daß die Umfangsgeschwindigkeit V_P im Bereich der Umfangsfläche 11 ungefähr 50 bis 60 m/s beträgt, kann das Spiel j ungefähr einen Zehntelmillimeter betragen.
Ganz allgemein wurden bei verschiedenen kryotechnischen Gemischen von Wasserstoff und Sauerstoff, die verschiedene Gehalte φ aufweisen (wobei der Gehalt φ durch das Verhältnis zwischen der Menge Wasserstoff und der Menge Sauerstoff definiert wird) Kurven festgestellt, die unter bestimmten Bedingungen hinsichtlich Temperatur T und Druck p (beispielsweise p = 0,5 Atmosphären, T_P = 100K) die Entwicklung der Wärmefreisetzungsrate in Abhängigkeit von der Ausdehnungsrate Γ der Flamme (ausgedrückt in sek^–1) darstellen.
9 zeigt Kurven 101 bis 105, die Gemischen von Wasserstoff und Sauerstoff entsprechen, bei denen der Gehalt φ 1; 1,5; 2; 3,7 bzw. 5 beträgt. Es ist festzustellen, daß in allen Fällen die Wärmefreisetzungsrate stark sinkt, wenn die Ausdehnungsrate Γ 10⁴ sek^–1 überschreitet, d.h. wenn die Flamme über diesen Wert hinaus verlischt. Dies ist umso stärker, wenn das Mischungsverhältnis φ kleiner ist. Die Kurven der 9 entsprechen somit dem Beispiel einer Verbrennung H₂/O₂, die reich an Wasserstoff ist. Die Kurven wären bei einer Verbrennung Kohlenwasserstoff/O₂ oder Luft unterschiedlich.
Mit der Verwirklichung einer Vorrichtung 90 zur Ausdehnung und Einschließung der Flamme vom Typ mit Ablenkelementen wird vorbehaltlich der Definition eines Spiels j in Abhängigkeit von der Umfangsgeschwindigkeit V_P der Welle 10, die einer Ausdehnungsrate Γ entspricht, die über der kritischen Ausdehnungsrate Γ_C nahe 10^–4 liegt, mit Sicherheit die Flamme, die möglicherweise von einem Funken erzeugt wird, der von der Beschädigung eines schwimmenden Ringes herrührt, derart ausgedehnt, daß sich die Flamme nicht mehr verbreiten kann und verlischt. Das poröse Material 92 weist vorzugsweise eine Maschenweite zwischen 30 und 50 Mikrometern auf. Für Anwendungen, bei denen die Heißgase reich an Wasserstoff sind, können die Kränze aus porösem Material 92 aus einem leitenden Material vom Typ Kupfer- oder Silberlegierung oder aus einem hitzebeständigen Material hergestellt werden. Wenn die Heißgase reich an Kohlenwasserstoffen sind, können die Kränze aus porösem Material 92 aus Metallgewebe hergestellt werden.
Der Einsatz einer Vorrichtung 90 mit Ablenkelementen bietet noch weitere Vorteile und ermöglicht es insbesondere, Hindernisse zu bilden, die mögliche Überdrucke aufnehmen, die Vereisungsgefahr zu begrenzen, die kritischen zündfähigen Volumen zu begrenzen und die Funken in einem Bereich und unter Bedingungen einzufangen, unter denen ein Entzünden schwierig oder unmöglich ist. Die Vorrichtung 90 ermöglicht es auch, eine Abnahme des Gehalts an Ergol innerhalb der Aufeinanderfolge von Mikrohohlräumen 100 zu verwirklichen, die von den Plättchen 91, dem porösen Material 92 und der Welle 10 begrenzt werden, und die verschiedenen Teile 91, 92 durch Wärmeleitung und Konvektion abzukühlen.
In 2 ist die Entwicklung des Sauerstoffgehalts des Gemisches von flüssigem Sauerstoff und Heißgasen innerhalb der Vorrichtung 90 entlang einer Richtung parallel zur Achse der Welle 10 dargestellt, wobei diese Gehaltskurve 201 zwischen den Elementen 91, 92, die sich auf der Seite des Sauerstoffeintritts und den Elementen 91, 92, die sich auf der Seite des Heißgaseintritts befinden, abnehmend ist. In dieser 2 ist auch die steigende Temperaturentwicklung des Gemisches von Sauerstoff und Heißgasen (Kurve 202) zwischen der Sauerstoffeintrittsseite und der Heißgaseintrittsseite dargestellt.
Bezugnehmend auf die 3 und 4 ist die Zirkulation der verschiedenen Fluide innerhalb des hinteren Teils der Turbopumpe zu sehen, wenn die dynamischen Dichtungen 51, 52 und 53, 54 nicht beschädigt sind und die Heliumschranke 55 normal funktioniert. In diesem Fall ist die Funktion auch bei Abwesenheit einer dynamischen Vorrichtung zur Einschließung und Ausdehnung der Flamme zufriedenstellend.
Der Fluß 1 von flüssigem Sauerstoff, der von der Sauerstoffpumpe 30 stammt und die dynamische Dichtung 51, 52 durchquert hat, wird in Form eines Flusses 4 in den Hohlraum 81 zur Rückgewinnung von Ergol eingeführt. Der Fluß 2 von Heißgasen, der von der Versorgungsöffnung 71 der Turbine 20 stammt und das erste Labyrinth 23, den Zwischenhohlraum 74 und das zweite Labyrinth 26 durchquert hat, wird in den Hohlraum 75 zur Rückgewinnung von Heißgasen geführt. Ein Fluß 3 von Helium, der aus dem Kanal 60 stammt, wird ferner im Bereich der dynamischen Dichtung 53, 54 zwischen die schwimmenden Ringe 53 und 54 geführt und verteilt sich auf beiden Seiten dieser dynamischen Dichtung in Form von He-Flüssen, die in die Hohlräume 75 und 81 eindringen, um sich mit dem Fluß 2 von Heißgasen bzw. dem Fluß 4 von flüssigem Sauerstoff zu vermischen. Das Gemisch des Flusses 2 von Heißgasen und von Helium wird durch die Ablaßleitung 72 abgeleitet, die mit dem Kalibrierelement 73 versehen ist. Das Gemisch des Flusses 4 von flüssigem Sauerstoff und Helium wird über die Ablaßleitung 82 abgeleitet, die mit dem Kalibrierelement 83 ausgestattet ist.
Die 5 und 6 zeigen die gefährliche Situation, die in einer Turbopumpe, wie jener der 3 und 4, entstehen kann, wenn keine dynamische Vorrichtung zur Ausdehnung und Einschließung der Flamme vorhanden ist und eine Störung bei der Heliumversorgung eintritt.
In diesem Fall gibt es keinen Heliumfluß mehr, der von dem Kanal 60 stammt, und es entsteht keinerlei Heliumzirkulation im Bereich der dynamischen Dichtung 53, 54. Aufgrund dieser Fehlfunktion der Heliumschranke durchquert ein Teil 2' des Heißgasflusses aus dem zweiten Labyrinth 26 die dynamische Dichtung 53, 54 und dringt in den Hohlraum 4 zur Ergolrückgewinnung ein. Der Fluß von flüssigem Sauerstoff 4 wird somit mit dem Heißgasfluß 2' in der Ablaßleitung 82 vermischt. Dieses Gemisch 2', 4 kann reaktiv sein und einen Brand verursachen.
Die 7 und 8 zeigen, daß unter denselben Bedingungen der Fehlfunktion der Heliumschranke bei Vorhandensein einer dynamischen Vorrichtung 90 zur Ausdehnung und Einschließung der Flamme der Teil 2' des Heißgasflusses, der aus dem zweiten Labyrinth 26 stammt und die dynamische Dichtung 53, 54 durchquert hat, nicht mehr in den Hohlraum 81 zur Rückgewinnung von Ergol eindringen kann, sondern in den Mikrohohlräumen 100 der Vorrichtung 90 gefangen wird, so daß eine Entzündung eines Gemisches von Sauerstoff 4 und Heißgasen 2' nicht mehr vorkommen kann, wie dies bereits oben erwähnt wurde, aufgrund des Bestehens des geringen Spiels j zwischen den Metallplättchen 91 und der Welle 10 und des Vorhandenseins des porösen Materials 92. Die Einhaltung der obenerwähnten Bedingungen für die Querschnitte S₁, S₂, S₃ garantiert, daß ein Fluß von flüssigem Sauerstoff nicht über die dynamische Dichtung 53, 54 zu dem Heißgaskreis zirkulieren kann und daß nur ein Bruchteil von Heißgasen 2' im Falle einer Fehlfunktion der Heliumschranke in die Mikrohohlräume 100 gelangen kann. Das Vorhandensein von thermischen Einschlußgittern 85, 76 am Ausgang der Ablaßleitungen 82, 72 stellt eine zusätzliche Sicherheit bei der Vermeidung des Wiedereintritts einer außen entzündeten Flamme in die Ablaßkreise dar.

Claims

Vorrichtung zur Begrenzung der Brandgefahr im Inneren einer Turbomaschine, umfassend mindestens einen Hohlraum (70) zur Heißgasversorgung für den Antrieb einer Turbine (20), die fest mit einer Antriebswelle (10) verbunden ist, eine Pumpe (30), die von dieser Antriebswelle angetrieben wird, um ein Ergol unter Überdruck an einen Hauptversorgungskreis eines Motors zu liefern, und ein Dichtheitssystem (50), das mindestens eine erste und eine zweite dynamische Dichtung (51, 52; 53, 54) und eine Heliumgasschranke (55) umfaßt und das nahe der Antriebswelle (10) angeordnet ist, um das unter Überdruck stehende Ergol von den Heißgasen für den Antrieb der Turbine (20) zu trennen, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (70) zur Heißgasversorgung mit einem zweiten Hohlraum (75) zur Heißgasrückgewinnung in Verbindung steht, der in eine erste Ablaßleitung (72) mündet, die mit einem ersten Kalibrierelement (73) versehen ist, daß der Ergolversorgungskreis mit einem Hohlraum (81) zur Ergolrückgewinnung in Verbindung steht, der selbst in eine zweite Ablaßleitung (82) mündet, die mit einem zweiten Kalibrierelement (83) versehen ist, und daß das Dichtheitssystem (50) nahe der Antriebswelle (10) zwischen der ersten und der zweiten dynamischen Dichtung (51, 52; 53, 54) eine dynamische Vorrich tung (90) zur Ausdehnung und Einschließung einer Flamme umfaßt, welche im Vorlaufbereich des Hohlraumes (81) zur Ergolrückgewinnung angeordnet ist, von Ablenkelementen gebildet wird, und abwechselnd aufeinandergestapelte Kränze aus porösem Material (92) und dünne Metallplättchen (91) umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die dünnen Metallplättchen (91) über die Kränze aus porösem Material (92) hinaus zu der Umfangsfläche (11) der Antriebswelle (10) hin erstrecken, indem mit letztgenannter ein verringertes Spiel (j) ausgespart wird, um eine Ausdehnung und Selbstlöschung jeglicher Flamme, die möglicherweise im Bereich des Dichtheitssystems (50) entsteht, zu gewährleisten.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das verringerte Spiel (j) zwischen den dünnen Metallplättchen (91) und der Umfangsfläche (11) der Antriebswelle (10), ausgedrückt in Zehntelmillimeter, gegenüber der Umfangsgeschwindigkeit (V_p) der Antriebswelle (10) im Bereich dieser Umfangsfläche (11), ausgedrückt in Meter pro Sekunde, sehr gering ist, was zu einer natürlichen Ausdehnung der potentiell hohen Flamme führt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamische Vorrichtung (90) zur Ausdehnung und Einschließung der Flamme eine Aufeinanderfolge von Mikrohohlräumen (100) zwischen den dünnen Metallplättchen (91), den Kränzen aus porösem Material (92) und der Umfangsfläche (11) der Antriebswelle (10) definiert und daß eine Abnahme des Ergolgehalts innerhalb des möglichen Gemisches zwischen dem Ergol und den Heißgasen sowie eine Abnahme der Temperatur dieses Gemisches in umgekehrter Richtung innerhalb der Aufeinanderfolge von Mikrohohlräumen (100) der dynamischen Vorrichtung (90) zur Ausdehnung und Einschließung der Flamme entlang einer Richtung parallel zur Achse der Antriebswelle (10) verwirklicht wird, um die Entzündungsgefahr zu begrenzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Metallplättchen (91) auch die Rolle eines Funkenfängers spielen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Metallplättchen (91) aus einer Kupfer- oder Silberlegierung gebildet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (70) zur Heißgasversorgung mit dem zweiten Hohlraum (75) zur Heißgasrückgewinnung über einen Kreis in Verbindung steht, der mindestens ein Kalibrierelement (23, 26) umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste dynamische Dichtung (51, 52) zwischen dem Ergolversorgungskreis und der Vorrichtung (90) zur Ausdehnung und Einschließung der Flamme angeordnet ist, daß die zweite dynamische Dichtung (53, 54), die mit der Heliumgasschranke (55) verbunden ist, zwischen dem zweiten Hohlraum (75) zur Heißgasrückgewinnung und der Vorrichtung (90) zur Ausdehnung und Einschließung der Flamme angeordnet ist, daß der Durchgangsquerschnitt S₂ des zweiten Kalibrierelements (83), das sich in der zweiten Ablaßleitung (82) befindet, größer als der Durchgangsquerschnitt S₁ des ersten Kalibrierelements (73) ist, das sich in der ersten Ablaßleitung (72) befindet, wobei der Durchgangsquerschnitt S₁ selbst größer als der Durchgangsquerschnitt S₃ ist, der von der zweiten dynamischen Dichtung (53, 54) definiert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ablaßleitung (72) mit einer Flammenfalle ausgestattet ist, bestehend aus einem ersten thermischen Einschlußgitter (76), das am Ausgang dieser ersten Ablaßleitung (72) angeordnet ist, um jeglichen Wiedereintritt (Rückschlagen) einer möglicherweise außen entzündeten Flamme in das Innere dieser ersten Ablaßleitung (72) zu verhindern, und daß die zweite Ablaßleitung (82) mit einer Flammenfalle (84) ausgestattet ist, bestehend aus einem zweiten thermischen Einschlußgitter (85), das am Ausgang dieser zweiten Ablaßleitung (82) angeordnet ist, um jeglichen Wiedereintritt (Rückschlagen) ei ner möglicherweise außen entzündeten Flamme in das Innere dieser zweiten Ablaßleitung (82) zu verhindern.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite thermische Einschlußgitter (76, 85) aus einem porösen Material hergestellt sind, das aus einem leitenden Material vom Typ Kupferlegierung oder einem sehr hitzebeständigen Material dargestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie für eine Turbopumpe zur Versorgung eines Raketentriebwerkes mit oxydierendem Ergol, wie beispielsweise flüssigem Sauerstoff, eingesetzt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie für eine Turbopumpe zur Versorgung eines Motors mit reduzierendem Kohlenwasserstoff, wie beispielsweise Kerosin, verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie für eine Turbomaschine der Luftfahrt oder der Industrie angewandt wird.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 11, bei der die Heißgase reich an Wasserstoff sind, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite thermische Einschlußgitter (76, 85) eine Maschenweite von ungefähr 30 bis 50 Mikrometern aufweisen.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 12, bei der die Heißgase reich an Kohlenwasserstoff sind, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite thermische Einschlußgitter (76, 85) eine Maschenweite von ungefähr 150 bis 350 Mikrometern aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Heißgase reich an Wasserstoff sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kränze aus porösem Material (92) aus einem leitenden Material vom Typ Kupfer- oder Silberlegierung oder aus einem hitzebeständigen Material hergestellt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Heißgase reich an Kohlenwasserstoff sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kränze aus porösem Material (92) aus Metallgewebe hergestellt sind.