DE3003765A1

DE3003765A1 - Vorrichtung zum zurueckhalten der fragmente eines elementes eines rotors

Info

Publication number: DE3003765A1
Application number: DE19803003765
Authority: DE
Inventors: Jean Georges Bouiller; Marcel Robert Soligny
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1979-02-08
Filing date: 1980-02-01
Publication date: 1980-08-21
Also published as: US4521160A; FR2448626B1; FR2448626A1; GB2041459A; DE3003765C2; GB2041459B

Description

1. Februar T98o

SOCIETE NATIONALE D^rETUDE ET DE
CONSTRUCTION DE MOTEURS D'AVIATION
(S.N.E.C.M.A.)

2, boulevard Victor
75o15 PARIS

Vorrichtung zum Zurückhalten der Fragmente eines Elements eines Rotors

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung an Rotoren von umlaufenden Maschinen. Sie ist insbesondere anwendbar auf Strahlturbinen und andere Luftfahrt-Turbomaschinen.

Das Zerspringen oder Explodieren von Scheiben oder Ringen "des Rotors stellt die schwerste Beschädigung dar, die an einer solchen Maschinen an Bord eines Flugzeugs auftreten kann. In den meisten Fällen durchschlagen die Fragmente der Scheibe oder des Rings das den Rotor enthaltende Gehäuse; wenn sie solche.Organe, wie etwa die Steuerungen oder die Kraftstoffleitungen, beschädigen, kann ein solcher Unfall zur Zerstörung des Flugzeugs führen. Es wurde schon vorgeschlagen, die Insassen und die lebenswichtigen Organe des Flugzeugs dadurch zu schützen, daß man an der Stelle der Rotoren Panzerungen anbringt, die im Falle des Zerspringens die Fragmente zurückhalten können. Diese Panzerungen weisen den Nachteil auf, daß sie das Gewicht des Flugzeugs beträchtlich erhöhen. Auch sind sie bei Triebwerken jüngerer Konstruk-

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tion, deren Rotoren einen großen Durchmesser aufweisen und mit hohen Drehzahlen umlaufen, nur mittelmäßig wirksam.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaffung einer Vorrichtung zu ermöglichen, die in der Lage ist, in wirksamer Weise die Fragmente eines Rotors bei dessen Zerplatzen zurückzuhalten und dementsprechend zu vermeiden, daß die kinetische Energie dieser Fragmente frei wird, ohne hierzu eine Verstärkung des Gehäuses erforderlich zu machen.

Erfindungsgemäß trägt die Scheibe bzw. das Element des Rotors, welches der Gefahr des Zerspringens ausgesetzt ist, zwei ringförmige, in axialem Abstand zueinander liegende Flächen, die rsdial innerhalb von zwei Halteringen angeordnet sind, welche eine hohe Zugfestigkeit in Umfangsrichtung besitzen und mit zwei Bauteilen des Rotors im Eingriff stehen₃ die zu beiden Seiten cer Scheibe oder des entsprechenden Elements liegen.

Im Falle des Zerspringens der Scheibe oder des entsprechenden Eotoreleirients unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte werden die Fragmente in Radialrichtung von den beiden Kalteringen zurückgehalten. Vorzugsweise ist ein geringes radiales Spiel, das mehrere Millimeter betragen kann, zwischen den ringfc'rrdgen Flächen und den Halteringen vorgesehen, wobei letztere vorteilhafterweise mit leichter Reibung in Ausbohrungen der Bauteile des Rotors eingreifen.

Wenn das Rotorelement einen ringförmigen Abschnitt ₉ wie etwa eine Turbinenscheibe oder einen Gebläse- bzw. einen Verdichterring, aufweist, der auf seinem Umfang eine Mehrzahl von kranzförmig angeordneten Organen trägt, beispielsweise Turbinen-., Gebläse- oder Verdichterschaufeln, so können die ringförmigen Flächen erfindungsgemäß mit dem ringförmigen Abschnitt fest ν erb und en sein.

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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbe.i spiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung.

Die einzige Figur zeigt einen axialen Halbschnitt eines Rotor-Abschnitts einer Luftfahrt-Strahlturbine mit einer Gebläsescheibe.

Der teilweise auf der Zeichnung dargestellte Rotor umfaßt von vorne nach hinten eine vordere Verkleidung 1, deren rückwärtige³⁰ Abschnitt dargestellt ist, ein Gebläserad 2, das an der Verkleidung 1 und am vorderen Ende einer zum Teil dargestellten Hohlwelle 3 befestigt ist, einen Verdichter-Rotor mit nicht dargestellten Schaufeln, die auf dem Umfang einer Trommel 4 sitzen, deren vorderer Abschnitt an dem Gebläserad 2 befestigt ist, und einen nicht dargestellten Tarbinen-Rotor, der am rückwärtigen Ende der Hohlwelle 3 sitzt.

Das Gebläserad 2 umfaßt einen Kranz von Schaufeln 5, die auf dem Umfang eines Gebläseringes 6 sitzen, welcher vorne einen Ringfortsatz 7 mit zylindrischer Außenfläche 7a aufweist, der "an seinem vorderen Ende einen Flansch 8 trägt. Hinten ist der Gebläsering 6 mit einem zweiten Ringfortsatz 9 mit zylindrischer Außenfläche 9a versehen, der an seinem rückwärtigen Ende einen Flansch 10 trägt. Ferner weist der Gebläsering 6 vorne ei.nen dritten Ringfortsatz 11 auf, der an seinem vorderen Ende einen Flansch 12 bildet, welcher, beispielsweise durch schematisch dargestellte Bolzen 13, an einem Flansch 14 befestigt ist, der das vordere Ende der Hohlwelle 3 bildet.

Die Verkleidung 1 trägt hinten einen Flansch 15, der durch schematisch dargestellte Bolzen 16 mit dem Flansch 8 des Gebläserings 6 in Verbindung steht, und ferner eine Lippe 17

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rait eerier Ausdrehung l8, die die Außenfläche Ja mit einem bestimmter. Each" alabstand umgibt. Gleichermaßen trägt die Trommel H des Verdichters vorne einen Flansch 19, der durch Bolzen 20 mit dem Flansch 10 des Gebiäserings 6 verbunden ist, sowie ferner eine Lippe 21 mit einer Ausdrehung 22, die die Außenfläche 9a mit einem bestimmten Radialabstand umgibt.

In die Ausdrehungen 18 und 22 greifen mit geringer Reibung zwei Halteringe 23 und 24 ein, von denen jeder aus mehreren Schichten aus schraubenförmig gewickelten Bordrähten besteht, die in einer Matrize aus Aluminium eingebe ttes sind, und zwar unter Anwendung des Verfahrens, welches in der auf die Anmelderin zurückgehenden französischen Patentanmeldung 7^ 36209 (veröffentlicht unter Nr. 2 289^25) beschrieben ist. Die radiale Dicke der Halteringe 23 und 2k ist so gewählt, daß ein Spiel j in der Größenordnung von Millimetern zwischen jedem der Halteringe und der zugehörigen zylindrischen Außenfläche 7a bzw. 9a verbleibt.

Ferner sind Mittel zur Verbindung der Halteringe 23 und 2k mit dem Rotor vorgesehen, um die Halteringe trotz des vorhandenen Spiels an einer Drehung innerhalb ihrer Ausbohrungen zu hindern.

Im linken Teil der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dieser Mittel gezeigt, und zwar in Anpassung an die dargestellten gewickelten Halteringe. Ein U-förmiger Flansch 25, der mit der Vorderfläche 26 des Halterings 23 verklebt oder verlötet ist, trägt eine Reihe von Vorsprüngen 27, die in gleichmäßigen Abständen über dem Umfang verteilt sind. Jeder Vorsprung 27 weist eine radiale Ausfräsung 28 auf, in die ein Fortsatz 29 eingreift, welcher von einem Flansch 30 getragen wird. Der Flansch 30 ist zwischen den Flanschen 15 und 8 der Verkleidung bzw. des Gebläserings eingespannt und verbolzt.

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Es sei darauf hingewiesen, daß die im linken Teil der Zeichnung dargestellte Ausführungsform lediglich ein Beispiel bilden soll. Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, den Haltering 23 direkt mit der Ausdrehung der Lippe 17 zu verkleben oder zu verlöten=

Wenn der Gebläsering 6 unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte bei hoher Drehzahl zerspringt oder explodiert, legen sich die Abschnitte der Außenflächen 7a und 9a jedes Fragments an die zugehörigen Haiteringe 23 und 24 an, die die kinetische Energie der Fragmente absorbieren und letztere zurückhalten, wodurch gleichzeitig eine Zerstörung des nicht dargestellten Gehäuses verhindert wird, welches das Gebläserad umgibt und lediglich die beim Zerplatzen freigesetzten Schaufeln 5 zurückhält«

Es sei darauf hingewiesen, daß die Halteringe 23 und 2k, auch wenn sie nach dem in der obigen französischen Patentanmeldung beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines Bandes oder einer Frette gefertigt worden sind, keine Bänder darstellen. Die Funktion.eines Bandes liegt tatsächlich darin, das Zerplatzen zu verhindern oder zu verzögern. Wären die Ringfortsätze 7 und 9 als Bänder oder Fretten ausgebildet, so würde das Zerplatzen des Gebläserings 6 verzögert, jedoch würde es trotzdem mit einer gewissen Geschwindigkeit ablaufen. Im Gegensatz dazu bewegen sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Fragmente des zerplatzten Gebläserings durch den radialen Abstand j hindurch und kommen an den Halteringen 23 und 2k zum Stillstand. Anders ausgedrückt, nehmen die Halteringe nicht am Ausgleich der auf die Schaufeln einwirkenden Zentrifugalkräfte teil; ihre Funktion besteht darin, das Zurückhalten der großen Fragmente des Gebläserings sicherzustellen, wenn einer oder mehrere Risse, die in der Ausbohrung des Gebläseringes anfangen, dessen Umfang erreichen.

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Die Halteringe 23 und 2k sind aufgrund ihrer Zugfestigkeit ~'.n Urnfang.? richtung dazu in der Lage, die Fragmente zum Stillstand zu bringen und zurückzuhalten. Diese Zugfestigkeit wird bei der beschriebenen Ausführungsform durch das Verfahren nach der erwähnten französischen Patentanmeldung erzielt. Bei anderen Ausführungsformen können die Bordrähte ersetzt werden durch Drähte aus einem anderen Material hoher Zugfestigkeit, beispielsweise .aus Siliciumcarbid oder Stahl, und die die Matrige, die die Einbettung bildet, kann aus einem anderen Material als Aluminium bestehen, beispielsxtfeise aus einer Leichtmetalllegierung oder aus einem Epoxyharz. Auch verläßt man nicht den Rahmen der Erfindung, wenn man die Halteringe aus Stahl herstellt, beispielsweise aus der Stahlsorte Z 2 NKDT 18.

In diesem Falle weisen die Mittel zum Verbinden der Halteringe mit dem Rotor Vorsprünge entsprechend den dargestellten Vorsprüngen 27 auf, jedoch sind diese direkt aus dem Ringmaterial herausgearbeitet.

Die Montage des Gebläserades geschieht folgendermaßen. Gemäß _dem Ausführungsbeispiel, bei dem die Verbindungsmittel einen Flansch mit Fortsätzen aufweisen, beginnt man mit dem Einstecken des Halterings 2k. Hierzu fügt man die Fortsätze des entsprechenden rückviärtigen Flansches in die Ausfräsungen des U-förmigen Flansches ein, der mit der stromabwärts gerichteten Fläche des Halterings 2k verklebt oder verlötet ist, und man steckt die aus dem Haltering 2k und dem mit Fortsätzen versehenen Flansch bestehende Baugruppe derart ein, daß der Haltering in die Ausdrehung 22 eingeschoben wird. Anschließend wird der mit Fortsätzen versehene Flansch zwischen dem Flansch 10 des Gebläserades und dem Flansch 19 der Trommel k eingeklemmt und verbolzt, und zwar durch die Bolzen 20.

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Man verbindet sodann den Flansch 12 des Gebläserades mit dem Flansch 1*1 der Hohlweile 3, und zwar durch die Bolzen 13·

Anschließend fährt man mit der Montage auf der Seite der vorderen Verkleidung fort, indem man den mit seinen Fortsätzen versehenen Flansch 30 gegen den mit dem Haltering 23 verklebten Flansch 25 setzt, und zwar derart, daß jede radiale Ausfräsung 28 einen Fortsatz 29 des Flansches 30 umgreift. Man montiert diese Baugruppe sodann derart, daß der Haltering 23 in die Ausdrehung 18 eingesteckt wird. Der Flansch 30 wird daraufhin unter Verwendung der Bolzen 16 zwischen dem Flansch 15 der vorderen Verkleidung und dem Flansch 8 des Gebläserings eingespannt und verbolzt.

Man befestigt schließlich die vordere Spitze der Verkleidung auf der Verkleidung 1 unter Verwendung von nicht dargestellten Schrauben.

Im Falle des abgewandelten Ausführungsbeispiels, bei dem die Halteringe direkt mit den Ausdrehungen 18 und 22 verlötet sind, vereinfachen sich die Montagevorgänge, wobei das Ver-"löten im Ofen durchgeführt wird.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen stellen lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele dar, die man durch Austausch äquivalenter Mittel ändern kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Auch ist die Anwendung der Erfindung nicht auf einen Gebläsering beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung anwendbar auch auf eine Turbinenscheibe oder ein anderes Rotorelement, welches mit hoher Drehzahl umläuft, beispielsweise auf eine Schwungscheibe.

Zusammenfassend schafft die Erfindung eine Vorrichtung zum

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Zurückhalten der Fragmente eines Gebläserings 6 im Falle des Zerplatzens oder Expiodierens.

Der Gebläsering trägt zwei zylindrische, axial beabstandete Flächen 7a und 9a, die radial innerhalb von zwei Halteringen 23 und 2k sitzen, weiche eine hohe Zugfestigkeit in Umfangsrichtung aufweisen. Die Halteringe greifen in zwei Ausdrehungen 18 und 22 in zwei Bauteilen 1,4 des Rotors ein, welche zu beiden Seiten des Gebläserings liegen.

Die Erfindung umfaßt ferner die Anwendung auf Luftfahrt-Strahltriebwerke.

Patentanwalt

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NACHQEREtCHT

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PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zum Zurückhalten der Fragmente einer Scheibe, eines Ringes oder eines entsprechenden Elements eines Rotors im Falle des Zerspringens, dadurch gekennzeichnet,

daß die Scheibe, der Ring (6) oder das entsprechende Element des Rotors zwei ringförmige, in axialem Abstand •zueinander liegende Flächen (7a, 9a) trägt, die radial innerhalb von zwei Halteringen (23,24) liegen,' welche eine hohe Zugfestigkeit in Umfangsrichtung besitzen und mit zwei Bauteilen (17,21) des Rotors im Eingriff stehen, die zu beiden Seiten der Scheibe, des Rings oder des entsprechenden Elements angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das der Gefahr des Zerspringens ausgesetzte Element des Rotors einen ringförmigen Abschnitt, wie etwa eine Turbinenscheibe oder einen Gebläse- bzw. einen Verdichterring, aufweist, der auf seinem Umfang eine Mehrzahl von kranzförmig angeordneten Organen trägt, beispielsweise Turbinen-, Gebläse- oder Verdi cht erschaufein _,
dadurch gekennzeichnet,

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daß die ringförmigen Flächen (7a,9a) mit dem ringförmigen Abschnitt (6) fest verbunden sind.

3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2₃ dadurch gekennzeichnet,

daß ein geringes Spiel (J)₃ das mehrere Millimeter betragen kann, zwischen den ringförmigen Flächen (7a,9a) und den Halteringen (23,24) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Halteringe (23,2.H) mit leichter Reibung in Ausbohrungen (18,22) der Bauteile (Π ₃21) des Rotors eingreifen.

5- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet

daß jeder Haltering (23,24) aus mehreren Lagen von Fasern oder Drähten eines Materials mit hoher Zugfestigkeit, beispielsweise Bor, Siliciumcarbid oder Stahl, aufgebaut ist, die in einer Matrize aus einem Material, wie etwa Aluminium, einer Leichtmetallegierung oder einem Epoxyharz, eingebettet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Halteringe (23,24) aus hochfestem Stahl hergestellt sind, beispielsweise aus der Sorte Z 2 NKDT 18.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch

Einrichtungen (27 bis 30) zum Verbinden-der Rückhalteringe (23,24) mit dem Rotor, um deren Relativdrehung zu verhindern.

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