DE2404939A1

DE2404939A1 - Schutzvorrichtung fuer turbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2404939A1
Application number: DE2404939A
Authority: DE
Inventors: Paul Byron Gardner; Eldon William Hauck
Original assignee: Norton Co
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1973-02-02
Filing date: 1974-02-01
Publication date: 1974-08-15
Also published as: JPS49111400A; IT1004855B; FR2216174A1; FR2216174B1; GB1453873A; JPS5855040B2; DE7403536U

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schützen lebenswichtiger Teile eines Flugzeugs gegen Beschädigung durch umherfliegende Bruchstücke oder zerstörte umlaufende Bauteile eines Turbinentriebwerks.

Bei Turbinentriebwerken besteht die Gefahr des Auftretens von Schäden, z.B. des Bruchs eines umlaufenden Bauteils, beispielsweise eines Läufers oder einer Läuferschaufel, die bei typischen Triebwerken mit einer Drehzahl von etwa 4-0 000 U/min umlaufen können. Wenn ein solches Bauteil eines Turbinentriebwerks bricht, besteht die Gefahr, daß z.B. ein Stück einer Läuferscheibe von der zugehörigen Welle abgeschleudert wird und sich hierbei mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 150 bis 240 m/sec bewegt. Die kinetische Energie eines solchen Bruchstücks kann einen Wert von etwa 2300 cmkg erheblich überschreiten.

Ein solches Vorkommnis führt regelmäßig zu einer mehr oder weniger erheblichen Beschädigung des Triebwerks. Eine noch größere Gefahr besteht jedoch in· der hohen Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung des durch das Triebwerk

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anzutreibenden Flugzeugs oder eines anderen Fahrzeugs und der Verletzung von Insassen des Fahrzeugs. Natürlich besteht eine besondere Hefahr auch darin, daß das Flugzeug während des Fluges beschädigt werden kann» Beispielsweise kann bei Flugzeugen, bei denen ein oder mehrere Triebwerke in der Mähe des Leitwerks angeordnet sind, der -Bruch eines Turbinenläufers katastrophale Folgen für die hydraulischen Betätigungseinrichtungen für die waagerechten und senkrechten Flossen haben. Bei Flugzeugen, bei denen die Triebwerke an den Tragflügeln angebracht sind, besteht eine ähnliche Gefahr einer Beschädigung von Steuereinrichtungen; ferner können in den Tragflügeln untergebrachte Kraftstoffbehälter aufgerissen werden, und Bruchstücke von Triebwerksteilen können in den Rumpf des Flugzeugs eindringen und zu Verletzungen bei den Insassen führen.

Es würde als naheliegend erscheinen, Schutzvorrichtungen oder Abschirmungen aus Stahl auf dem Turbinentriebwerk selbst oder an einer passenden Stelle zwischen dem Triebwerk und denjenigen Teilen anzuordnen, die gegen herumfliegende Bruchstücke eines zerstörten Triebwerksteils geschützt werden sollen. Diese Lösung ist jedoch bei Flugzeugen mit TurboStrahltriebwerken nicht annehmbar, da sich eine erhebliche Gewichtsbelastung ergeben würde, wenn man Stahlplatten verwendete, deren Dicke ausreicht, um ein sich mit hoher Geschwindigkeit bewegendes Bruchstück eines zerstörten Turbinenläufers oder einer Verdichterläuferscheibe aufzufangen.

Eine derartige Anordnung ist in der U.S.A.-Patent*- schrift 3 203 180 beschrieben. In diesem Fall ist die Schutzvorrichtung nicht als einfache kräftige Platte aus Stahl ausgebildet, sondern es handelt sich um einen aufgewickelten Streifen aus nichtrostendem Stahl, der in ein Gehäuse aus Blech eingeschlossen ist und zusammen mit ihm eine Verkleidung bildet, die den Teil des Triebwerks umschließt, in dem sich die beschaufelten Turbinenläuferscheiben befindene

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In der U.S.A.-Patentschrift 3 357 657 ist ein Brandschott beschrieben, das auf dem Triebwerk oder je nach der Lage des Triebwerks zwischen diesem und dem Rumpf oder einem Tragflügel angeordnet ist. Dieses Brandschott ist als dünnes zusammengesetztes Material mit einer Stärke von etwa 1,6 mm ausgebildet, das aus Stoffschichten besteht, die aus Kohlenstoff-, Graphit- oder Glasfasern hergestellt sind, welche unter Verwendung eines organischen Polymerisats, das als Füllstoff ein pulverisiertes keramisches Material enthält, zu einem Laminat vereinigt sind. Selbst bei richtiger Anordnung könnte dieses zusammengesetzte Material nicht ein Geschoß auffangen, das die gleiche kinetische Energie enthält wie ein Bruchstück einer Turbinenläufer scheibe .

Ferner ist in der U.SjAo-Patentschrift 3 167 914 ein Gasturbinentriebwerksgehäuse beschrieben, das eine Yifärmeisolationsschicht aus keramischem Material aufweist, die auf bestimmten Innenwänden aus Stahlblech angeordnet ist. Diese keramische Auskleidung ist ist jedoch nicht so angeordnet, daß sie eine Schutz- oder Auffangvorrichtung für umherfliegende Bruchstücke zerstörter Triebwerksteile bildet. Selbst wenn die isolierende Auskleidung so angeordnet wäre, daß sie als Schutzvorrichtung zur Wirkung kommen könnte, dürfte sie keine ausreichende Schutzwirkung haben. Bestenfalls würde das Vorhandensein dieser Auskleidung dazu führen, daß das "Geschoß", das durch ein sich schnell bewegendes Metallstück gebildet wird, durch ein weggeschleudertes Stück des keramischen Materials ersetzt wird, das beim Auftreffen des Metallstücks zu Bruch geht.

Durch die Erfindung ist nunmehr eine Vorrichtung zum Schützen lebenswichtiger Teile eines Flugzeugs gegen eine Beschädigung durch Bruchstücke eines umlaufenden Bauteils eines Turbinentriebwerks geschaffen worden, bei der es sich um ein zusammengesetztes Bauteil handelt, zu dem eine Prallfläche aus keramischem Material und eine damit verbundene Stützfläche aus mit einem organischen

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Polymerisat gebundenen Fasern gehören, und dessen lestigkeit ausreicht, um ein Bruchstück eines Bauteils aufzufangen oder umzulenken, dessen kinetische Energie im Bereich von mindestens etwa 1150 cmkg liegt.

Somit ist durch die Erfindung eine voll wirksame Vorrichtung zum Aufffangen oder Umlenken von einen hohen Energieinhalt aufweisenden Bruchstücken eines Turbinentriebwerksbauteils geschaffen worden, die wegen ihres geringen Gewichts insbesondere zur Verwendung in Plugzeugen geeignet isto

Wird eine Schutzvorrichtung nach der Erfindung zwischen einem Turbinentriebwerk und einer zu schützenden Zone angeordnet, ist es möglich, die Gefahr einer Verletzung von Personen und einer Beschädigung lebenswichtiger Flugzeugteile durch den Aufprall von sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Bruchstücken eines umlaufenden Turbinentriebwerkbauteils vollständig auszuschalten. Hierbei wird die Schutzvorrichtung so angeordnet, daß die Prallfläche aus keramischem Material dem Triebwerk zugewandt ist.

Wenn ein umlaufendes Bauteil eines Turbinentriebwerks zu Bruch geht, so daß Bruchstücke des Bauteils aus dem Triebwerksgehäuse nach außen gelangen, trifft das bzw. jedes Bruchstück auf die keramische Prallfläche, wodurch die Bewegung der Bruchstücke in Richtung auf das Flugzeug oder Teile des Flugzeugs beendet wird. Beim Auftreffen auf die keramische Fläche wird diese Fläche gegebenenfalls zersplittert, wenn die kinetische Energie des Bruchstücks' hierzu ausreicht, wodurch diese Energie unschädlich gemacht wird. Wenn die keramische Fläche tatsächlich zersplittert, kommt die Stützfläche zur Wirkung, die aus den Fasern und dem Polymerisat besteht, um die jetzt über einen großen Bereich verteilte kinetische Ener-. gie aufzunehmen, die vorher in dem herausgeschleuderten Bruchstück des zerstörten Triebwerksbauteils konzentriert war.

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Die Prallfläche kann praktisch, aus jedem beliebigen keramischen Material hergestellt sein, z.B. aus Borkarbid, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, SiliziumnitriÄ oder dergleichen. Hierbei wird insbesondere dann, wenn an eine Verwendung in Flugzeugen gedacht ist, vorzugsweise Borkarbid verwendet, da es ein niedriges spezifisches Gewicht hat.

Bei der Stützfläche handelt es sich vorzugsweise um ein laminat aus Glasfaserstoffschichten und einem organischen Polymerisat, z.B. aus mehreren Schichten, die aus einem zusammenhängenden Glasfaser-Vorgespinst gewebt und mit Hilfe eines ungesättigten Polyesterharzes zu einem Laminat vereinigt sind. Der Faserbestandteil braucht hierbei nicht einen Stoff im üblichen Sinne zu bilden, sondern es kann ein sogenanntes Faserflies in Form einer Matte vorhanden sein, oder es kann sich sogar uin geschnittene Fasern handeln, die mit einem organischen Polymerisat so gebunden sind, daß sie ein zusammenhängendes Flachmaterial bilden. Das organische Polymerisat braucht kein bestimmtes Polymerisat zu sein, wenn die Schutzvorrichtung nicht an einer solchen Stelle angeordnet werden soll, daß sie relativ hohen Temperaturen ausgesetzt ist, z.B. im Gehäuse des Triebwerks. Im lezteren Fall muß das organische Polymerisat unter Berücksichtigung der höchsten Temperatur gewählt werden, der es ausgesetzt werden kann. Die thermische Stabilität der organischen Polymerisate variiert zwischen sehr hohen Werten bei Polyimiden und Polybenzimidazolen über Matrialien wie Phenol-, Polyester- und Epoxyharze bis zu niedrigen Werten bei thermoplastischen Klebstoffen. Die zuletzt genannten Materialien sind die am wenigsten brauchbaren.

Die Prallfläche aus keramischem Material und die zusammengesetzte Stützfläche werden vorzugsweise miteinander verklebt. Dies ist Jedoch nicht unbedingt erforderlich, denn es ist auch möglich, die beiden Flächen mechanisch miteinander zu verbinden.

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Die Erfindung wird im folgenden mit weiteren Einzelheiten anhand schematischer Zeichnungen von Ausführungsbeispielen erläutert. Ls zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Schutzvorrichtung aus keramischem Material und Glasfasern;

Eig. 2 einen Schnitt durch die zusammengesetzte Schutzvorrichtung nach Eig. 1, die gerade von einem abgeschleudertn, kuchenstückförmigen Bruchstück eines Turbinenläufers getroffen wird;

Eig. 3 einen waagerechten Schnitt durch das mit einem Turbinenstrahltriebwerk ausgerüstete Leitwerk eines Elugzeugs; und

Eig. 4 einen teilweise als verkürzte Seitenansicht gezeichneten senkrechten Schnitt durch ein Turbinenstrahltriebwerk mit einer Schutzvorrichtung in Eorm einer Verkleidung·

Bei der bevorzugten Ausführungsform nach Eig„ Λ gehören zu der dargestellten Schutzvorrichtung 2 eine heißgepreßte Prallfläche 4 aus Borkarbid und ein damit mittels eines Klebstoffs verbundenes Laminat 6 aus Glasfaserstoffschichten, die mit einem organischen Polymerisat gebunden sind. Die zusammengesetzte Schutzvorrichtung, die die Eorm eines Elachmaterials hat, wird zwischen einem Turbinentriebwerk und der Zone angeordnet, die gegen umherfliegende, sich mit hoher Geschwindigkeit bewegende Bruchstücke eines umlaufenden Triebwerksbauteils geschützt werden soll, wenn ein derartiger Schaden auftritt. Die Prallfläche 4 aus keramischem Material ist hierbei dem Triebwerk zugewandt.

Eig. 2 veranschaulicht schematisch, was geschieht, wenn ein Bruchstück eines Turbinenläufers auf die Schutzvorrichtung 2 auftrifft. Ein allgemein dreieckiges Bruchstück 8 des Turbinenläufers, das eine kinetische Energie

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von etwa 1150 bis etwa 3600 cmkg oder darüber aufweist, trifft auf die Prallfläclie 4· der Schutzvorrichtung auf. Hierbei zerspring^ der betreffende Teil der Prallfläche, wobei die Bewegungsenergie des nach Art eines Geschosses zur Yiiirkung kommenden Läuferbruchstücks aufgenommen wird. Die gesamte Energie des abgeschleuderten Läuferbruchstücks wird auf zahlreiche kleinere Teilchen des keramischen Materials von geringerem spezifischem Gewicht übertragen. Diese größere Anzahl von Teilchen oder Stücken, die erheblich geringere Energiemengen enthalten, können dann leicht von der Stützfläche 6 aufgefangen werden, die aus den mit einem organischen Polymerisat gebundenen Glasfasern besteht ·

Fig. 3 zeigt die Anwendung der Erfindung in einem kritischen lall, d.h. bei dem in einem waagerechten Schnitt dargestellten Leitwerk eines Stahltriebwerkflugzeugs, bei dem ein Hilfstriebwerk 12 im Leitwerk untergebracht ist, Der Einfachheit halber sind von den arbeitenden Teilen des Triebwerks nur die Welle 20 und die Läufer 18 der ersten und der zweiten Stufe dargestellt. Auf den Innenwänden des Rumpfes sind hydraulische Einrichtungen 14 zum Betätigen der Höhenflossen 16 angeordnet. Bei der Konstruktion nach Fig. 3 ist das Triebwerk 12 ein nicht in ein festes Gehäuse eingeschlossenes HiIfstriebwerk. Daher ist das Triebwerk nur von einem dünnwandigen Gehäuse 10 aus Titan umgeben, das ein Brandschott bildet, In die Wände dieses Gehäuses sind Schutzvorrichtungen 2 nach der Erfindung so eingebaut, daß sie zwischen dem Triebwerk 12 und den hydraulischen Einrichtungen 14 zum Betätigen der Höhenflossen liegen. Natürlich würde außerdem eine dritte hydraulische Einrichtung zum Betätigen der Seitenflosse und eine zugehörige, ähnlich angeordnete Schutzvorrichtung vorhanden sein, doch sind diese Teile in Fig. 3 nicht dargestellt. Sollte einer der Läufer 18 während des Betriebs zu Bruch gehen, wurden die abgeschleuderten Bruchstücke auf die keramische Prallfläche 4 der Schutzvorrichtung 2 treffen. Ist die kinetische Energie der Bruchstücke groß genug, wird die Prall-

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fläche zum Zersplittern gebracht. Die jeweils nur wenig Energie enthaltenden Teilchen der zersplitterten Prallfläche werden durch die Stützfläche 6 aus dem Glasfaserlaminat zurückgehalten, so daß eine anderenfalls zu einer Katastrophe führende' Beschädigung der hydraulischen Einrichtungen 14 zum Betätigen der Höhenflossen verhindert wird«

Bei einem nicht durch ein Gehäuse geschützten Triebwerk der in Fig. 3 dargestellten Art könnte man das Gehäuse 10 aus Titan vollständig durch ein Gehäuse ersetzen, das aus einem mit einem Glasfaserlaminat verbundenen keramischen Material besteht. Dieses Gehäuse würde dann gleichzeitig ein Brandschott und eine Schutzvorrichtung gegen abgeschleuderte Bruchstücke umlaufender Triebwerksbauteile bilden.

Bei in die Tragflügel eingebauten Triebwerken eines Flugzeugs, bei dem Kraftstoffbehälter in den Flügeln untergebracht sind, kann man Schutzvorrichtungen nach der Erfindung in den Tragflügeln zwischen den Kraftstoffbehältern und den Triebwerken so anordnen, daß die Kraftstoffbehälter gegen Bruchstücke eines umlaufenden Triebwerksteils geschützt sind, die sich längs beliebiger Bahnen bewegen.

Fig. 4 zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Erfindung. Auch hier sind der Einfachheit halber nur die Läufer 26 und die Welle 34 des Triebwerks 22 dargestellt. Die Schutzvorrichtung 24 bildet einen Teil des Gehäuses für das Triebwerk 22 und hat die Form einer Verkleidung, bei der die Prallfläche aus keramischem Material auf der den Läufern 26 zugewandten Innenseite angeordnet ist. Bei einer Beschädigung eines Läufers oder beider Läufer werden die Bruchstücke im Inneren des Triebwerks zurückgehalten.

, Als Werkstoff für die Prallfläche wird heißgepreßtes Borkarbid bevorzugt, da es ein niedriges spezifisches Gewicht von nur 2,52 hat. Auf diese Weise ist es möglich,

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eine wirksame Schutzvorrichtung herzustellen, deren Gewicht bei gleicher Schutzwirkung nur etwa einem Viertel des Gesamtgewichts einer Schutzvorrichtung aus Stahl entspricht. Zwar sind andere keramische Materialien wie Siliziumkarbid, Aluminiumoxid und Siliziumnitrid ebenso wirksam wie Bmrkarbid, doch haben sie ein höheres spezifisches Gewicht als Bromkarbid. Die Wirksamkeit von Siliziumkarbid und Aluminiumoxid sowie von Borkarbid als Panzerung gegen ballistische Geschosse ist in der U.S.A.-Patentschrift 5 516 898 beschrieben. Außerdem ist zu bemerken, daß die keramische Prallfläche nicht im Wege des Heißpressens hergestellt zu werden braucht, sondern daß es auch möglich ist, sie mit Hilfe eines Sinterverfahrens, eines Reaktionsbindeverfahrens oder dergleichen herzustellen.

Die Stützfläche 6 setzt sich vorzugsweise aus 12 bis 24 Glasstoffschichten zusammen, die mit einem ungesättigten Polyester- oder Epoxyharz gebunden sind. Soll die Schutzvorrichtung höheren Temperaturen standhalten, würde man in höherem Maße wärmefeste Polymerisate verwenden, z.B. Phenolformaldehydharze oder sogar "ausgefallenere", hohen Temperaturen standhaltende Polymerisate wie Polyimide oder Polybenzimidazole. Der Ausdruck "Stoff" bezeichnet in allen Fällen nicht nur einen Stoff im ühlichen Sinne, und es ist auch nicht in allen Fällen erforderlich, daß die in dem Material vorhandenen Fasern aus Glas bestehen. Der sogenannte Stoff kann aus einem ungewebten Vorgespinst oder sogar aus sogenannten Vliesen oder Matten aus Fasern bestehen. Solange die Schutzvorrichtung keinen hohen Temperaturen ausgesetzt ist, könnte man in vielen Fällen auch synthetische und natürliche organische Fasern verwenden.

Die Dicke der Prallfläche 4 und die Dicke der Stützfläche 6 kann in weiten Grenzen variieren und sich jeweils nach der maximalen kinetischen Energie eines Bruchstücks richten, das aufgefangen oder umgelenkt werden muß. Die Dicke der Prallfläche liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 6,55 bis 15»2 mm, während die Dicke der

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Stützfläche 6 vorzugsweise im Bereich von etwa 6,35 bis 12,7 mm liegt. Ist mit einer relativ geringen kinetischen Energie der Bruchstücke zu rechnen, oder sollen die Bruchstücke nur in Richtung auf eine Zone umgelenkt werden, in der sie ungefährlich bleiben, kann man Schutzvorrichtungen von geringerer Dicke verwenden«, Das bevorzugte Verhältnis zwischen der Dicke der Prallfläche und der Dicke der Stützfläche beträgt 1:1.

Die Schutzvorrichtungen können als flache oder gekrümmte Platten ausgebildet sein« Eine "Verkleidung, z.B. die Verkleidung 24 nach Fig. 4, läßt sich aus einem Satz gekrümmter Platten aufbauen. Ferner weisen die Schutzvorrichtungen vorzugsweise Einrichtungen zum Befestigen der Schutzvorrichtungen an Wänden des Flugzeugs oder an dem Turbinentriebwerk selbst auf. Diese Eefestigungseinrichtungen können bekannten Einrichtungen zum Befestigen von Flachmaterialien entsprechen, d.h. es kann sich um Löcher zum Aufnehmen von Schrauben, Halteteile aus Metall, Hiit- und Federanordnungen an den Rändern oder dergleichen handeln.

Es wurden mehrere Schutzvorrichtungen oder Auffangplatten aus heißgepreßten Borkarbidplatten und Flachmaterialstücken hergestellt, welch letztere als Laminate aus 12 bis 24 mit einem ungesättigten Polyester gebundenen Glasfaserstoffschichten aufgebaut waren. Die Prallflächen aus keramischem Material wurden mit Hilfe eines PoIysulfidklebstoffs mit dem Glasfaserstofflaminat verbunden. Die Gesamtdicke der verschiedenen zu Versuchszwecken hergestellten Schutzvorrichtungen lag zwischen etwa 15» 4- + 0»76 mm und etwa 28,7 + 1»52 mm, wobei die Dicke der keramischen Prallfläche annähernd gleich der Dicke der Stützfläche aus dem Glasfaserstofflaminat war.

Diese zu prüfenden Schutzvorrichtungen wurden starr an Iragkonstruktionen befestigt und der Stoßwirkung von sich über einen Winkelbereich von 120 erstreckenden Stücken

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von I'urbinenscheiben ausgesetzt, deren kinetische Energie zwischen etwa 1400 und etwa 5600 cmkg lag. Die Schutzoder Auffangvorrichtungen fingen diese Bruchstücke bei jeder in diesem Bereich liegenden kinetischen Energie einwandfrei auf.

Ansprüche; 409833/0330

Claims

ANSPRÜCHE

Schutz- bzw. Auffangvorrichtung zum Schützen lebensfchtiger Flugzeugteile gegen Beschädigung durch Bruchstücke eines zerstörten umlaufenden Turbxnentriebwerkbauteils, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (2; 24) als zusammengesetztes Bauteil aus einer Prallfläche (4) aus keramischem Material und einer damit verbundenen Stützfläche (6) aus mit einem organischen Polymerisat gebundenen Fasern mit einer gemeinsamen Festigkeit, die Bruchstücke (8) mit einer kinetischen Energie von mindestens etwa 1150 cmkg aufzufangen oder umzulenken gestattet, ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Prallfläche (4) aus keramischem Material und die Stützfläche (6) miteinander verklebt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Prallfläche (4) aus einem keramischen Material besteht, zu dem Borkarbid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid oder Siliziumnitrid gehören.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß Stützfläche (6) Glasfaserstoff schichten aufweist, die mit Hilfe eines organischen Polymerisats zu einem Laminat vereinigt sind.
5* Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der

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Prallfläche (4) aus keramischem Material im Bereich von etwa 6,35 his 15>2 mm und die Dicke der Stützfläche (6) im Bereich von etwa 6,35 his 12,7 nra liegt.
6. Turbinentriebwerk, auf dem eine Schutz- bzw» Auffangvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Prallfläche (4) aus keramischem Material dem Triebwerk zugewandt ist.
7. Flugzeug mit einem Turbinentriebwerk und einer Schutz- bzw. Auffangvorrichtung nach einem der Ansprüche bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzvorrichtung (2) zwischen dem Triebwerk und den zu schützenden Teilen (14) des Flugzeugs so angeordnet ist, daß die Prallfläche (4) aus keramischem Material dem Triebwerk zugewandt ist.

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