DE2844137C2

DE2844137C2 - Schutzvorrichtung für Axialverdichter

Info

Publication number: DE2844137C2
Application number: DE2844137A
Authority: DE
Inventors: Alain Marie Joseph Melun Lardellier
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1977-10-11
Filing date: 1978-10-10
Publication date: 1986-10-16
Also published as: GB2009332A; DE2844137A1; GB2009332B; US4197052A; FR2406074A1; FR2406074B1

Description

Die Erfindung trifft eine Schutzvorrichtung, die den äußeren Bereich der bruchgefährdeten Schaufeln der Rotorstufe eines Axialverdichters, insbesondere eines Fans für ein Strahltriebwerk, umschließt, und das Entweichen eines Bruchstücks aus dem Schaufelbereich der betroffenen Rotorstufe bewirkt, gemäß dem Oberbe-

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Bei einer bekannten Schutzvorrichtung (GB-PS 69 229) wird ein Bruchstück der Schaufel aufgrund aerodynamischer Reaktion entgegen dem Gasstrom nach vorne aus dem Schaufelbereich ausgeworfen. Die Schutzvorrichtung besteht aus einer ringförmigen Ausnehmung in der Innenwand des Gehäuses, die durch einen Vorsprung stromauf der Schaufeln, d. h. am Lufteintritt, begrenzt ist Dabei wird bezüglich der Wirkungsweise angenommen, daß das Bruchstück aufgrund seiner Form zu dem Vorsprung wandert, durch die Wand des Gehäuses gebremst wird, und durch Aufschlag der intakten Schaufeln in kleine ungefährliche Bruchstücke aufgebrochen wird, die durch den Vorsprung dann aufgefangen werden.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die bekannte Schutzvorrichtung nicht stets zufriedenstellend arbeitet, insbcsondere nicht sicher vermeiden kann, daß Bruchstücke einer zerbrochenen Schaufel andere noch intakte Schaufeln zerschlagen, was zur vollständigen Zerstörung der Rotorstufe und möglicherweise auch des gesamten Axialverdichters führen kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Schutzvorrichtung so auszugestalten, daß Schaufel-Bruchstücke rasch aus dem kritischen Bereich, d. h. dem Schaufelbereich der betroffenen Rotorstufe entfernt werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird durch die Merkmale der Unteransprüche weitergebildet.

Die Erfindung geht dabei von bei Vorversuchen gewonnenen Erkenntnissen aus, bei denen die Wirkungen aufgezeichnet wurden, die unmittelbar durch einen Bruch einer Schaufel auftreten. Dabei wurde festgestellt, daß zwischen dem Bruch der Schaufel und der vollständigen Zerstörung der betroffenen Rotorstufe eine Gesamtzeitspanne von lediglich wenigen 10 ms verstreicht, daß jedoch der Vorgang der Zerstörung selbst erst in den letzten Millisekunden dieser Zeitspanne auftritt. Bei einer Gesamtzeitspanne von etwa 5O ms wirkt lediglich während der letzten IO ms ein Schaufelbruchstück, das sich starr im Gehäuse abstützt, der Drehung folgender Schaufeln entgegen und bewirkt deren Bruch der Reihe nach.

Wesentlich bei der Erfindung ist das Vorsehen einer schraubenförmigen Leiteinrichtung an der Innenwand des die Schaufeln der betroffenen Rotorstufe umgebenden Teils des Gehäuses. Die Steigung der schraubenförmigen Leiteinrichtung ist dabei derart, daß noch vor Beginn der erwähnten kritischen Phase der Gesamtzeitspanne das Schaufel-Bruchstück aus dem Bereich der rotierenden intakten Schaufeln der betroffenen Rotorstufe sicher herausgeführt ist (und außerhalb der Rotorstufe entfernt werden kann). Die Neigung der Schraubenlinie wird dabei so bestimmt, daß sie ausreichend groß ist, damit das Schaufel-Bruchstück bei mindestens einer Umdrehung des Rotors aus der Ebene des Schaufelbereiches herausgeführt ist, zumindest jedoch innerhalb einer Zeit herausgeführt ist, die sicher geringer als diejenige ist, während der die erwähnte Abstützung erfolgt. Gleichzeitig ist erreicht, daß das Schaufel-Bruchstück keine solche axiale Geschwindigkeit erreicht, daß kinetische Eigenenergie vorliegt, aufgrund der zusätzliche Schäden entstehen können, etwa dadurch, daß das Bruchstück auf Schaufeln einer nachfolgenden Rotorstufe auftrifft. Die schraubenförmige Leiteinrichtung beeinflußt das Profil der Innenwand nur in geringem Maße. Andererseits wird das losgelöste Schaufel-Bruch-

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fenen Rotorstufe etwa nach Art von Schienen herausgeführt, die sich aufgrund des schraubenförmigen Verlaufes der Leiteinrichtung ergeben. Die Leiteinrichtung ist dabei vorteilhaft durch aus der Masse des Gehäuses herausarbeitbar vorspringende Rippen gebildet, deren Breite deutlich geringer als die Steigung der schraubenförigen Leiteinrichtung (bzw. deren Schraubenlinie) ist.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es ^eigt

F i g. 1 im Axialschnitt einen Umfangsbereich der Rotorstufe eines Axialverdichters eines Strahhriebwerks, deren Schaufelbereich durch Schaufeln mit äußeren Plattformen gebildet ist, wobei eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung vorgesehen ist,

F i g. 2 in Aufsicht eine Schaufel, deren Ende in F i g. 1 dargestellt ist,

F i g. 3,4 und 5 schematisch Schnittansichten des gleichen Bereiches der betroffenen Rotorstufe mit Steilungen, die nacheinander von einem Bruchstück einer Schaufel gem. F i g. 1 nach einem Bruch eingenommen werden, wobei der Schnitt jeweils durch die Axialebene geführt ist, die von der Schaufel in dem jeweiligen Augenblick eingenommen wird.

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

- ein Umfangsbereich 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.

Ferner kann eine abriebfähige Beschichtung 30 an sich bekannter Art im Ringraum zwischen der Innenwand 11 und dem durch die äußeren Plattformen 22 befestigt sein, die sich stromab der Schaufeln 20 bis zum Eintritt in den konvergierenden Teil 14 erstreckt.

Jede äußere Plattform 22 weist in an sich bekannter Weise Umfangsvorsprünge 23 auf, die in einer Querschnittsebene liegen und im Ruhezustand der Beschichtung 30 so ausreichend geringe Abstände aufweisen, daß im Betrieb die Umfangsvorsprünge 23 Rillen in der Beschichtung 30 ziehen und Leisten bilden, die einer Rückführung eines Teils des Luftstroms durch den Umfang der Stufe entgegenwirken.

In Fig.2 ist außer dem Flügel 21, der Schaufel 20, deren äußere Plattform 22 und deren Umfangsvorsprünge 23 eine 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 verschachteln, derart, daß die äußeren Plattformen 22 aller Schaufeln 20 einen zusammenhängenden Kranz bilden.

Die Auswerfvorrichtung der Schutzvorrichtung ist gemäß F i g. 1 durch eine schraubenförmige Leiteinrichtung in Form einer Rippe 15 gebildet, die mit der Innenwand ti des Teils des Gehäuses 10 fest verbunden ist, der sich um die Schaufeln 20 herum und stromab erstreckt. Wesentlich ist bei dieser Ausführungsform die Steigung der schraubenförmigen Leiteinrichtung, d. h.

der Schrauben!!!!!? d<?r Rinn? IS »linksuanoriiT«. wp.nn die Schaufeln 20, von stromauf gesehen, sich gemäß dem Pfeil R drehen.

Die F i g. 3, 4 und 5 zeigen nur den äußeren Teil des Schaufelbruchstücks 20a, das durch einen Bruch freigesetzt ist. Die dargestellten Ansichten zeigen die Bewegungskomponenten des Bruchstücks 20a in einer Axialebene, jedoch nicht in einer Querschnittsebene.

In Fig.3 tritt das Bruchstück 20a nach dem Bruch aus. Der Pfeil »c« symbolisiert die Radialkomponente des Zentrifugalschubes, der ihm unter der Wirkung seiner Drehung mitgeteilt wird, welcher durch Trägheit und durch den Schub der folgenden Schaufel (nicht dargestellt) aufrechterhalten wird. Die Beschichtung 30 der F i g. 1 wird natürlich zerstört, sobald sie von dem Bruchstück 20a erreicht wird. Sie ist aus diesem Grunde in den F i g. 3,4 und 5 nicht dargestellt.

Unter der Wirkung der Drehung wird die äußere Plattform 22 des Bruchstückes 20a fest gegen die Innenwand 11 des Gehäuses 10 gedruckt, und die Vorsprünge 23 kommen mit den Windungen der Rippe 15 in Eingriff, die das Bruchstück 20a stromabwärts treiben. Die axiale Komponente der schraubenförmigen Bewegung der Bruchstücke 20a ist durch den Pfeil »a« in F i g. 4 angedeutet, welche das Bruchstück 20a in dem Augenblick zeigt, in welchem es gerade aus dem Schaufelbereich austritt.

Sodann wird in F i g. 5 die Drehung des Bruchstückes 20a nicht mehr aufrechterhalten. Es wird durch die Reibung gegen die Innenwand 11 des Gehäuses 10 gebremst Das Bruchstück 20a wird jedoch durch den Luftstrom stromabwärts geführt, wo es durch den Leitapparat (nicht dargestellt) der folgenden Verdichterstufe angehalten wird.

Vorteilhaft tritt das Bruchstück 20a aus dem Schaufelbereich am Ende einer einzigen Drehung aus. Die Teilung der schraubenförmig verlaufenden Rippe 15 muß daher zumindest gleich der Breite der Schaufel 20 sein. Da jedoch die äußeren Plattformen 22 drei Umfangsvorsprünge 23 bei dem dargestellten Fall haben, wird das Auswerfen der äußeren Plattform 22 des Bruchstücks 20a besser sichergestellt, wenn der zwischenliegende Umfangsvorsprung 23 ebenfalls in Eingriff kommt. Die,Rippe 15 in Fig. 1 bis 5 ist daher doppelt und bildet praktisch eine doppelte Schraubenlinie, wobei die Teilung jeder einzelnen Schraubenlinie (jedes Gewindeganges) etwa gleich dem Abstand zwischen dem stromaufwärts und dem stromabwärts randseitigen Umfangsvorsprung 23 ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der jede äußere Plattform 22 eine Anzahl N von gleichbeabstandeten Umfangsvorsprüngen 23 aufweist besitzt die schraubenförmige Leiteinrichtung die Form einer Mehrfachschraubenlinie mit N Gewindegänge. Andererseits kann die Zahl der Windungen, über welche sich jede einfache schraubenförmige Leiteinrichtung erstreckt, einen Windungsbruchteil, beispielsweise eine halbe Windung oder eineinhalb Windungen, betragen. Diese Zahl ist charakteristisch für jede erwähnte Triebwerkbauart Bei einem gegebenen Wert der kritischen Schwelle, die der Gesamtperiode entspricht, die in der Einleitung erwähnt wurde, der unter einem Winkel verlaufenden Flugbahn ist es zunächst nur erforderlich, daß das Bruchstück 20a unabhängig von seiner Stellung mit der schraubenförmigen Leiteinrichtung in Eingriff kommen kann, und es ist dann erforderlich, daß während der verbleibenden Zeit aufgrund der kritischen Schwelle das Bruchstück 20a der Bahn folgt, die für sein Auswerfen aus der F.hene der Schaufeln 20 notwendig ist. Es läßt sich leicht vorstellen, daß eine äußere Plattform mit einer großen Anzahl von leistenförmigen Umfangsvorsprüng°n ihren Eingriff in sehr kurzer Zeit erreicht, wenn die schraubenförmige Leiteinrichtung N Gewindegänge aufweist.

Nachfolgend werden lediglich beispielsweise einige Zahlenangaben gemacht

Der Außendurchmesser der Schaufeln des Ausführungsbeispiels betrage 1730 mm und die Breite der Schaufeln betrage 80 mm (der Abstand zwischen den stromaufseitigen und den stromabseitigen Umfangsvorsprüngen ist von der gleichen Größenordnung): der Neigungswinkel der beiden durch Doppelrippen 15 gebildeten schraubenförmigen Leiteinrichtung ist dann etwa 2°. Für eine Umfangsgeschwindigkeit am Umfang der Schaufeln von etwa 430 m/s, beträgt die axiale Ausstoßgeschwindigkeit aufgrund dieser Leiteinrichtung dann etwa 15 m/s. Die kinetische Energie des Bruchstückes 20a ist dann, wenn dessen Drehung gebremst ist, weit niedriger als die gefährliche Schwelle. Die erwähnte Axialgeschwindigkeit ist jedoch ausreichend, damit die Dauer des Aufenthalts des Bruchstückes 20a im Schaufeibereich sehr gering äst (etwa 5 ms bei dem vorliegenden Beispiel) und bei deren Ablauf weit niedriger als die 40 ms ist, bei denen die Gefahr der Zerstörung der Schaufeln eintritt.

Allgemein zeigen einfache Berechnungen, daß für die Mehrzahl der rotierenden Maschinen axialer Bauart die Neigung der Schraubenlinie der Leiteinrichtung, die in Abhängigkeit von dem Schaufeldurchmesser, der Breite der Schaufeln und der zulässigen Aufenthaltsdauer für die Bruchstücke bestimmt wird, vorzugsweise zwischen 1° und 4° beträgt

Bei einer anderen Ausführungsform ist die schraubenförmige Leiteinrichtung im Gehäuse in Form einer Nute von geringer Länge in Längsrichtung herausgearbeitet Es kann ferner vorgesehen werden, daß der erhabene Teil und der vertiefte Teil gleiche Längsabmessungen haben.

Ferner ist (wie im Falle der vorangehend näher beschriebenen Ausführungsform) die Steigung der Schraubenlinie derart, daß sie das Auswerfen des Schaufel-Bruchstückes zum hinteren Ende der Bruchzone der Schaufeln des Triebwerkes bewirkt, wobei die Reaktion der Leiteinrichtung der aerodynamischen Reaktion auf die Schaufel überwiegt.

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Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Schutzvorrichtung, die den äußeren Bereich der bruchgefährdeten Schaufeln der Rotorstufe eines Axialverdichters, insbesondere eines Fans für ein Strahltriebwerk umschließt, und das Entweichen eines Bruchstücks aus dem Schaufelbereich der betroffenen Rotorstufe bewirkt, gekennzeichnet durch eine schraubenförmige Leiteinrichtung (15) an der Innenwand (11) des Gehäuses (10), wobei die Steigung der Schraubenlinie derart ist, daß dann, wenn das durch den Bruch einer Schaufel (20) ausgeworfene Bruchstück (2Oa^ mit der Leiteinrichtung (15) in Kontakt kommt, die Bewegungskomponente in Umfangsrichtung das Auswerfen des Bruchstücks (20a) sus der Ebene der betroffenen Rotors'ufe bewirkt.

2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schraubenförmige Leiteinrichtung durch eine vorspringende Rippe (15) gebildet ist, deren Breite wesentlich geringer als die Steigung der Schraubenlinie ist

3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der Schraubenlinie zwischen 1 ° und 4° liegt

4. Schutzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der Schraubenlinie 2° beträgt.

5. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung der schraubenförmigen Leiteinrichtung (15) etwa gleich der axialen Erstreckung der Schaufeln (20) ist.

6. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (20) jeweils äußere Plattformen (22) aufweisen mit mindestens einem Umfangsvorsprung (23) stromaufwärts und stromabwärts, wobei der axiale Abstand zwischen den Umfangsvorsprüngen (23) annähernd gleich der Teilung der schraubenförmigen Leiteinrichtung (15) ist.

7. Schutzvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede äußere Plattform (22) mit N gleichbeabstandeten Umfangsvorsprüngen (23) versehen ist, und die Leiteinrichtung (15) die Form einer Mehrfachschraubenlinie mit N Gewindegängen hat, wobei die Teilung jedes Gewindeganges annähernd gleich dem Abstand zwischen den stromaufwärts und stromabwärts randseitigen Umfangsvorsprüngen (23) ist.