DE2844137A1 - Sicherheitsvorrichtung fuer umlaufende maschinen axialer bauart - Google Patents

Description

SOCIETE NATIONALE D¹ETUDE
ET DE CONSTRUCTION DE MOTEURS
D¹AVIATION (S.N.E.C.M.A.)
2, Boulevard Victor
F-75015 Paris / Frankreich

Sicherheitsvorrichtung für umlaufende Maschinen axialer Bauart.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die dazu bestimmt ist, die gefährlichen Folgen des Bruches einer Schaufel einer umlaufenden Maschine der axialen Bauart zu vermeiden, vor allem einer Gebläseschaufel von Turboluftstrahltriebwerken für Flugzeuge.

Die internationalen Bestimmungen für die Sicherheit von Luftfahrzeugen machen den Motoren- oder Triebwerkbauern sowie den Zellen- oder Rumpfbauern beträchtliche technische Beschränkungen zur Auflage. Sie schreiben insbesonderevor, daß die Bruchstücke, die durch den Bruch einer Schaufel eines Turboluftstrahltriebwerks abgestoßen werden, im Gehäuse der Maschine gehalten werden müssen, damit durch ein radiales Auswerfen derselben kein lebenswichtiges Organ des Flugzeugs beschädigt und keine Gefahr der Verletzung von Passagieren besteht.

Für die Triebwerke der ersten Generation mußte der Erbauer

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anhand von wirklich repräsentativen Versuchen unter Betriebsbedingungen beweisen, daß der Aufbau des Triebwerks in der Lage ist, die kinetische Energie von Bruchstücken des Rotors, die infolge eines Schaufel- oder Scheibenbruches ausgeschleudert werden, aufzunehmen. Diese Forderung führte zur Verwendung von Panzerungen um die kritischsten Stellen des Rotors. Ein solcher Schutz ist für die modernen Triebwerke und insbesondere für die Zweistrom-Turboluftstromtriebwerke der neuesten Generation nicht mehr ausreichend. Bei diesen haben bestimmte Beschaufelungen große Abmessungen erhalten und daher eine große Masse. Die kinetische Energie einer zerbrochenen Schaufel wird beträchtlich und die zur Dämpfung notwendige Panzerung ergibt ein prohibitives Gewicht. Ausserdem wird es unerläßlich, zu verhindern, daß eine gebrochene Schaufel mehr als zwei unbeschädigte Schaufeln beschädigt, da die Unwucht rasch die Grenzen des mechanischen Widerstandes der Befestigungen des Triebwerks überschreiten würde, so daß dieses von seiner Halterung losgerissen wird. Aus diesem Grunde kann sich der Bruch einer Schaufel mit einer äusseren Plattform in dem Turbogebläse, das oft die erste Stufe eines Verdichters des Turboluftstrahltriebwerks bildet, als besonders gefährlich wegen der Masse und des mechanischen Widerstandes der äusseren Plattform erweisen.

Die Erfindung beruht auf den Ergebnissen von Versuchen, die auf dem Prüfstand durchgeführt wurden und bei denen durch Hochfrequenzkinematographie die Wirkungen aufgezeichnet wurden, die unmittelbar nach dem hervorgerufenen Bruch einer Schaufel auftreten. Diese Versuche haben es ermöglicht, festzustellen, daß die aufeinanderfolgenden Phänomene, die zwischen dem Reissen der Schaufel und der Endkatastrophe (beispielsweise das Explodieren des Triebwerks) eine Gesamtperiode von einigen IO Millisekunden beanspruchen, jedoch die Katastrophenphänomene sich in

den letzten Millisekunden dieser Periode ereigneten. Wenn die erwähnte Periode beispielsweise 50 Millisekunden dauert, ereignet sich kein wirklich gefährliches Phänomen während der 40 Millisekunden, die dem Abbrechen folgen. Nur während der letzten 10 Millisekunden wirkt die abgebrochene Schaufel, die sich starr im Gehäuse abstützt, der Drehung der folgenden Schaufeln entgegen und bewirkt deren Bruch der Reihe nach und schließlich die Zerstörung des Triebwerks.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ausgerissene Schaufel oder ein Schaufelbruchstück rasch aus dem kritischen Bereich, d.h. aus der Beschaufeiungszone, zu beseitigen.

Nach der kürzesten und damit allgemeinsten Definition besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung aus einer spiralförmigen Rampe, die an der Innenwand des die Beschaufelung umgebenden Teils des Gehäuses vorgesehen ist, wobei die Steigung der Spirale der Rampe derart ist, daß, wenn ein tangential abgestoßener Körper als Folge eines Schaufelbruches in Berührung mit der erwähnten Innenwand kommt, seine Drehung gegen diese Wand seinen Eingriff mit der Rampe und sein Ausschieben ausserhalb der Ebene der Beschaufelung bewirkt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Rampe, um den Eingriff zu erleichtern, durch eine abstehende Rippe gebildet (die vorzugsweise durch Herausarbeiten aus der Masse des Gehäuses geformt wird), deren Breite sehr wesentlich geringer als die Steigung der Spirale bzw. Schraubenlinie ist.

Der Winkel der Schraubenlinie bzw. Spirale wird unter Berücksichtigung der beiden folgenden Bedingungen be-

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rechnet: Er muß ausreichend groß sein, damit das Schaufelbruchstück aus der Ebene der Beschaufelung heraus bei mindestens einer Umdrehung des Rotors oder auf alle Fälle in einer Zeit ausgeworfen wird, die geringer als diejenige ist, während welcher die Abstützung erfolgt. Gleichzeitig muß darauf geachtet werden, daß das Schaufelbruchstück nicht eine solche axiale Geschwindigkeit erhält, daß sie eine kinetische Eigenenergie erwirbt, welche beträchtliche zusätzliche Schäden verursachen kann.

Es wurde bereits eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der u.a. vorgesehen ist, daß ein Schaufelbruchstück aus der Beschaufelungsebene ausgetrieben wird. Sie besteht aus einer ringförmigen Ausnehmung, die in der Innenwand des Gehäuses vorgesehen und durch einen Vorsprung begrenzt ist, der stromaufwärtsseitig der Beschaufelung, d.h. am Lufteinlauf, angeordnet ist. Von dem losgelösten Bruchstück wird wegen seiner Form angenommen, daß es zu diesem Vorsprung wandert, durch die Wand des Gehäuses gebremst und durch den Schlag der intakten Schaufeln in kleine ungefährliche Stücke gebrochen wird, die durch den Vorsprung aufgefangen werden.

Eine solche Vorrichtung ist jedoch nicht frei von ernsten Nachteilen; einerseits ermöglicht in der Tat die ringförmige Ausnehmung wegen der beträchtlichen radialen Tiefe, die sie haben muß, nicht, den Bedingungen einer ausreichenden Abdichtung Rechnung zu tragen, die für einen guten Wirkungsgrad der umlaufenden Maschine (Beispielsweise eines Verdichters) erfüllt werden müssen. Andererseits kann man sich vorstellen, daß das losgelöste Bruchstück die nachfolgende Schaufel des Rotors beschädigen kann, wenn die Schaufel durch dieses Bruchstück beaufschlagt wird, was ein Ansammlungsphänomen hervorrufen kann, durch welches

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das Austreiben über die Beschaufelungsebene hinaus verhindert wird.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind diese Nachteile vermieden. Die schraubenförmige Rampe, die in der Innenwand des Gehäuses vorgesehen ist, beeinflußt nur in einem sehr geringen Maße das Profil dieser Wand und stört daher nicht die Rolle des Damms gegen Entweichen, die den Vorsprüngen zugeordnet ist, mit welchem der Aussenring der Beschaufelung versehen sind. Andererseits wird gemäß einem sehr wichtigen Betriebsmerkmal die losgelöste Schaufel bzw. das losgelöste Schaufelbruchstück zwangsläufig durch einen Schienenwirkung aus der Beschaufelungsebene heraus infolge des spiraligen Verlaufs der Rampe geführt, wodurch jede' Gefahr einer Zerstörung intakter Schaufeln vermieden wird.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer beispielsweisen Ausführungsform in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert und zwar zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht im Axialschnitt eines ümfangsbereichs einer Gebläsestufe des Turboluftstrahltriebwerks, welche Stufe eine Beschaufelung aufweist, die durch Schaufeln mit äusseren Plattformen gebildet wird, und durch ein mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüstetes Gehäuse;

Fig. 2 eine Draufsicht der Schaufel, deren Ende in Fig. 1 dargestellt ist;

Fig. 3, 4 und 5 in schematischer Darstellung Schnittansichten des gleichen Stufenbereiches, welche die Stellungen zeigen sollen, die aufeinanderfolgend durch die Schaufeln in Fig. 1 nach dem

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Bruch eingenommen werden, wobei der Schnitt in jeder Figur durch die Axialebene geführt ist, die von der Schaufel in dem jeweiligen Augenblick eingenommen wird.

In Fig. 1 bezeichnet der Pfeil F die Richtung des Luftstroms und der Pfeil R in Fig. 2 den Drehsinn der Beschaufelung. In Fig. 1 ist dargestellt:

- ein ümfangsbereich des Gehäuses 10 mit seiner Innenwand 11, seinen Befestigungsflanschen 12, seinem Lufteinlaß 13 und dem Beginn seines konvergierenden Verbindungsteils 14 mit den nachfolgenden Stufen, die nicht dargestellt sind, ebenso wie die vorausgehenden Leitschaufeln nicht gezeigt sind;

- das Ende einer Schaufel 20 mit einem Teil ihres Flügels 21 und ihre äussere Plattform 22;

- eine abriebfähige Beschichtung 30 an sich bekannter Art (Sinterkuchen oder FiIs oder Schaumstoff), die an der Innenwand 11 des Gehäuses 10 befestigt ist und den Ringraum zwischen der Wand 11 und dem durch die ausseren Plattformen 22 gebildeten Ring einnimmt, wobei sie sich stromaufwärtsseitig der Beschaufelung bis zum Eintritt in den konvergierenden Teil 14 erstreckt.

Jede äussere Plattform 22 weist in an sich bekannter Weise Vorsprünge 23 auf, die in diametralen Ebenen gerichtet sind und sich im Ruhezustand der Schicht 30 in solchen Abständen befinden, die ausreichend gering sind, damit im Betrieb die erwähnten Vorsprünge Rillen in der Schicht ziehen und Leisten bilden, die einer Rückführung eines Teils des Luftstroms durch den Umfang der Stufe entgegenwirken.

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In Fig. 2 ist ausser dem Flügel 21, der Schaufel 20, deren äussere Plattform 22 und deren VorSprünge 23 sowie die innere Plattform 24 erkennbar. Die Seitenflanken 25 der äusseren Plattform 22 sind so geformt, daß sie sich beim Einbau mit den entsprechenden Flanken der äusseren Plattformen der benachbarten Flügel ineinander schachteln derart, daß die äusseren Plattformen aller Schaufeln einen zusammenhängenden Kranz bilden.

Die erfindungsgemäße Auswerfvorrichtung wird bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform durch eine spiralige Rippe 15 gebildet, die mit der Innenwand des Teils des Gehäuses 10 fest verbunden ist. der sich um die Beschaufelung herum und stromabwärtsseitig derselben erstreckt. Es ist wichtig, zu erwähnen, daß bei dieser Ausführungsform die Steigung der Schraubenlinie der Rippe eine "linksgängige" Steigung ist, während, wie dies der Pfeil R zeigt, die Beschaufelung, stromaufwärtsseitig gesehen, sich im direkten trigonometrischen Sinn erstreckt.

Was die Figuren 3, 4 und 5 betrifft, so zeigen diese nur den äusseren Teil des Schaufelbruchstücks 20a, das durch den Bruch freigesetzt worden ist. Wie erwähnt, zeigen die Fig. 3, 4 und 5 alle Ansichten im Schnitt nach der Axialebene, in der sich das erwähnte Bruchstück in den verschiedenen Auswurfphasen befinden, d.h., sie ermöglichen die Bewegungskomponenten des Bruchstücks 20a in einer Axialebene zu zeigen, jedoch nicht in einer Diametralebene.

In Fig. 3 tritt das Bruchstück 20a nach dem Bruch aus. Der Pfeil "c" symbolisiert die Radialkomponente des Zentrifugalschubes, der ihm unter der Wirkung seines Umlaufes mitgeteilt wird, welcher durch seine Trägheit und durch den Schub der folgenden Schaufel (nicht dargestellt) aufrechterhalten wird. Die Schicht 30 der Fig. 1 wird na-

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türlieh zerstört, sobald sie durch das Bruchstück 20a erreicht wird. Sie ist aus diesem Grunde in den Fig. 3, 4 und 5 nicht dargestellt.

Unter der Wirkung der Drehung wird die äussere Plattform des Bruchstückes 20a fest gegen die Innenwand 11 des Gehäuses 10 angedrückt und die VorSprünge 23 kommen mit den Windungen der Rippe 15 in Eingriff, die das Bruchstück stromabwärtiftreiben. Die axiale Komponente der spiraligen Bewegung der Bruchstücke 20a ist durch den Pfeil "a" in Fig. 4 angedeutet, welche das Bruchstück in dem Augenblick zeigt, in welchem es aus der Beschaufelungszone auszutreten begonnen hat.

Sodann wird in Fig. 5 der Umlauf des Bruchstückes 20a nicht mehr aufrechterhalten. Es wird durch die Reibung gegen die Innenwand des Gehäuses gebremst. Das Bruchstück wird jedoch durch den Luftstrom in stromabwärtsseitiger Richtung mitgeführt, wo es durch den Leitapparat (nicht dargestellt) der folgenden Verdichtungsstufe angehalten wird.

Es ist wünschenswert, daß das Bruchstück aus der Beschaufelungszone am Ende einer einzigen Drehung austritt. Die Steigung der Rippe 15 muß daher zumindest gleich der Breite der Beschaufelung sein. Da jedoch die äusseren Plattformen drei Vorsprünge 23 bei dem dargestellten Fall haben, wird das Auswerfen der äusseren Plattform der gebrochenen Schaufel besser sichergestellt, wenn der zwischenliegende Vorsprung ebenfalls in Eingriff kommt. Die Rippe 15 in Fig. bis 5 ist daher doppelt und bildet praktisch eine doppelte Schraubenlinie (15), wobei die Steigung jeder Schraubenlinienkomponente etwa gleich dem Abstand zwischen dem stromaufwärtsseitigen und dem stromabwärtsseitigen Vorsprung ist.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform, wenn jede äussere Plattform eine Anzahl N von in gleichen Abständen voneinander befindlichen Leisten bildende Vorsprünge aufweist, besitzt die schraubenförmige Mehrfachverrippung N Gewindegänge. Andererseits kann die Zahl der Windungen, über welche sich jede einfache Schraubenlinie erstreckt, einen Windungsbruchteil, beispielsweise eine halbe Windung oder eineinhalb Windungen, betragen. Diese Zahl ist charakteristisch für jede erwähnte Triebwerkbauart. In der Tat ist es bei einem gegebenen Wert der kritischen Schwelle der winkeligen Laufbahn, die der Gesamtperiode entspricht, die in der Einleitung erwähnt wurde, vor allem erforderlich, daß das Bruchstück unabhängig von seiner Stellung mit der spiraligen Rampe in Eingriff kommen kann, und es ist sodann erforderlich, daß während der Zeit, welche ihm durch die kritische Schwelle zugeteilt wird, das Bruchstück der Bahn folgt, die für sein Auswerfen aus der Ebene der Beschaufelung notwendig ist. Es lässt sich leicht vorstellen, daß eine äussere Plattform mit einer großen Zahl von Vorsprüngen, die Leisten bilden, ihren Eingriff in einer sehr kurzen Zeit erreicht, wenn die spiralige Mehrfachrippe N Gewindegänge aufweist.

Nachfolgend werden lediglich beispielsweise einige Zahlenangaben gemacht.

Der Aussendurchmesser der Beschaufelung des Ausführungsbeispiels beträgt 1.730 mm und die Breite der Beschaufelungszone 80 mm. (Der Abstand zwischen den stromaufwartsseitigen und den stromabwärtsseitigen Vorsprüngen ist von der gleichen Größenordnung), die Neigung der beiden durch Doppelrippen 15 gebildeten zwei Schraubenlinien beträgt etwa 2°. Für eine Umfangsgeschwindigkeit des Umfangs der Beschaufelung von etwa 430 m/s, die axiale Ausstoßgeschwindigkeit, die durch die Rippen mitgeteilt wird, beträgt dann etwa 15 m/s. Die kinetische Energie

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des Bruchstückes 20a ist dann, wenn ihr Umlauf gebremst wird, weit niedriger als die gefährliche Schwelle. Die erwähnte Axialgeschwindigkeit ist jedoch ausreichend, damit die Dauer des Aufenthalts des Bruchstückes in der Beschaufelungszone sehr gering ist (etwa 5 m/s bei dem vorliegenden Beispiel) und weit niedriger als 40 m/s, bei deren Ablauf, wie erwähnt, die Gefahr der Zerstörung der Beschaufelung eintritt.

Allgemein zeigen einfache Berechnungen, daß für die Mehrzahl der umlaufenden Maschinen axialer Bauart die Neigung der Schraubenlinie der Rippe, die in Abhängigkeit von dem Beschaufelungsdurchmesser, der Breite der Beschaufelungszone und der zulässigen Aufenthaltsdauer für die Bruchstücke bestimmt wird, vorzugsweise zwischen 1 und betragen soll.

In den Rahmen der Erfindung fallen natürlich die zahlreichen Varianten, die abweichend von der vorangehend näher beschriebenen Ausführungsform sein können. Beispielsweise kann die spiralige Rampe im Gehäuse in Form einer Nute von geringer Länge in der Längsrichtung herausgearbeitet werden. Es kann ferner vorgesehen werden, daß der erhabene Teil und der eingetiefte Teil gleiche Längsabmessungen haben.

Ferner kann, wenn dies im allgemeinen wünschenswert ist (wie im Falle der vorangehend näher beschriebenen Ausführungsform) die Steigung der Schraubenlinie derart sein, daß sie das Auswerfen des Schaufelbruchstückes zum hinteren Ende des Triebwerkes bewirkt (wobei die Rampe weitgehend die aerodynamische Reaktion auf die Schaufel ausgleicht) , es sich in bestimmten Fällen als vorteilhaft erweisen, daß die Wirkung der Steigung der Schraubenlinie

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dagegen zur aerodynamischen Reaktion auf die Schaufel hinzugefügt wird und dazu beiträgt, daß das Bruchstück nach vorne ausgeworfen wird.

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Claims (9)

1. Ansprüche :

   (1.)Vorrichtung zum Verhindern der gefährlichen Folgen des Bruches einer Schaufel der umlaufenden Beschaufelung einer Stufe einer umlaufenden Maschine axialer Bauart, insbesondere einer Schaufel mit einer äusseren Plattform für ein Gebläse eines Turboluftstrahltriebwerks, gekennzeichnet durch eine schraubenförmige Rampe, die zwischen der Innenwand (11) desjenigen Teils des Gehäuses (10), der die Beschaufelung umgibt, vorgesehen ist, wobei die Steigung der Schraubenlinie derart ist, daß, wenn das durch den Bruch einer Schaufel tangential ausgeworfene Bruchstück mit der erwähnten Innenwand in Kontakt kommt, sein Umlaufen an der erwähnten Wand seinen Eingriff mit der Rampe und sein Auswerfen aus der Ebene der Beschaufelung bewirkt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schraubenlinienförmige Rampe durch eine erhabene Rippe (15) gebildet wird, deren Breite sehr wesentlich geringer als die Steigung der Schraubenlinie ist.

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3. 3.) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der Schraubenlinie zwischen 1 und 4° liegt.
4. 4.) Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der Neigung der Schraubenlinie etwa 2° beträgt.
5. 5.) Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Schraubenlinie etwa gleich der Breite der Beschaufelungszone ist.
6. 6.) Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln der Beschaufelung von äusseren Plattformen gebildet sind, wobei die Nebeneinanderanordnung der äusseren Plattformen einen zusammenhängenden Ring ergibt, jede äussere Plattform (22) mit mindestens einem stromaufwartsseitigen ümfangsvorsprung (23) und einem stromabwärtsseitigen Umfangsvorsprung (23) versehen ist, und wobei jede Folge von Vorsprüngen die Rolle von Leisten spielt und die Steigung der Schraubenlinie annähernd gleich dem Abstand zwischen den VorSprüngen ist.
7. 7.) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede äussere Plattform mit N Vorsprüngen von gleichen Abständen voneinander versehen ist, die Rampe die Form einer Mehrfachschraubenlinie mit N Gewindegängen hat, wobei die Steigung jeder Schraubenlinie annähern gleich dem Abstand zwischen dem stromaufwärtsseitigen Vorsprung und dem stromabwärtsseitigen Vorsprung ist.

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8. 8. Gehäuse für eine umlaufende Maschine axialer Bauart, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 7.
9. 9. Gehäuse für ein Turboluftstrahltriebwerksgebläse, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach Anspruch 6 oder nach Anspruch 7.

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