DE3407945A1

DE3407945A1 - Verfahren und mittel zur vermeidung der entstehung von titanfeuer

Info

Publication number: DE3407945A1
Application number: DE19843407945
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl.-Ing. 8060 Dachau Popp
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1984-03-03
Filing date: 1984-03-03
Publication date: 1985-09-05
Also published as: GB2155551B; GB2155551A; US4642027A; DE3407945C2; FR2560640B1; GB8505337D0; FR2560640A1

Description

sr/si

MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH

* München, den 2.3.1984

Verfahren und Mittel zur Vermeidung der Entstehung von Titanfeuer

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie Mittel zur Vermeidung der Entstehung von Titanfeuer an im wesentlichen aus Titan oder Titanlegierungen gefertigten Maschinenaggregaten, bei denen mindestens einem rotierenden Element mindestens ein statisches Titanstrukturbauteil unmittelbar benachbart ist.

Bei Gasturbinentriebwerken, vornehmlich Gasturbinenstrahltxiebwerken für Flugzeuge, werden u.a. Titanlegierungen z.B. für Gehäuse, Rotor und die Beschaufelung eingesetzt. Im Falle von Triebwerksschäden, bei

denen ein triebwerksfremdes oder ein z.B. abgebrochenes 25

Triebwerksteil im Verdichter z.B. von den Titan-Laufschaufeln gegen das Titan-Gehäuse geklemmt und in Umfangsrichtung mitgerissen wird, kann es durch Reibung zu örtlichen überhitzungen von Schaufel und Gehäuse

kommen. Das gleiche kann passieren, wenn z.B. Titan-30

Laufschaufeln oder andere Rotorteile aus Titan infolge aufgebrauchtem Axial- oder Radialspiel statische Teile aus Titan berühren. Bei entsprechenden Umgebungsbedingungen kann es zu explosionsartigem Verbrennen des Titans an der

Reibstelle kommen. Es sind Fälle bekannt, bei denen sich 35

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wegfliegende/ brennende Titanteilchen durch mehrere Gehäusewandungen - auch aus Stahl - durchfraßen, bis nach Wegfall der oben erwähnten Umgebungsbedingungen das sogenannte "Titan-Feuer" von selbst ausging. Nur günstigen Umständen ist es offensichtlich zu verdanken, daß es bezüglich der erwähnten Kriterien bisher nicht zu Katastrophen in der Luftfahrt gekommen ist.

Um die Vorteile des Titans - geringes spezifisches Gewicht bei ausgezeichneter Festigkeit bis etwa 450 C - ausnützen zu können, wurden im allgemeinen folgende Maßnahmen vorgeschlagen:

- Stärkere Dimensionierung von Lauf- und Leitschaufeln, um einen Bruch bei Fremdkörper-Einschlag zu vermeiden,

- größere Axial- oder Radialabstände zwischen rotierenden und statischen Bauteilen aus Titan, um ein Anstreifen i^m Betrieb zu vermeiden,

- Beschichten der statischen Teile als Schutz bei zufälligem Anstreifen,

- statische Bauteile aus Stahl,

- Schutzmatten aus Kohlenstoff/Polyimid-Harz an Bauteilen, die im Falle von Titanfeuer durch wegfliegende, brennende Titanteilchen gefährdet sind.

Diesen Maßnehmen stehen der Reihe nach u.a. folgende Nachteile gegenüber.

- Aerodynamisch nachteilige Schaufelprofile mit höherem Gewicht,

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- ungünstig große Spalte mit entsprechenden Leckluftverlusten,

aus aerodynamischen Gründen nur teilweise Beschichten möglich,

unverhältnismäßiges Mehrgewicht,

Matten nur bis max. 26O°C Betriebstemperatur einsetzbar, also nicht z.B. für einen Hochdruck-Verdichter, direkt an der möglichen Entzündungsquelle, zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zum aufgeführten Maßnahmenkatalog aufgeführten Nachteile zu beseitigen und auf vergleichsweise einfache Weise die Entstehung von Titanfeuer verhindern zu wollen.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß vorrangig im Wege des Kennzeichens aus Patentanspruch 1 vorteilhaft gelöst.

Mit dieser angegebenen Anordnung und Ausbildung der Schicht ist es möglich, die entstehende Reibungswärme extrem rasch so abzuleiten, daß die Entzündungstemperatur des Gehäusematerials Titan gar nicht erst erreicht wird. Die örtlich hohe Wärmeenergie wird also durch Wärmeleitung auf großflächig geringeres Niveau gebracht. Auf diese Art wird die Entstehung von Titanfeuer von vornherein verhindert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes, u.a. bezüglich bevorzugter Schichtauftragsverfahren, -materialien sowie bezüglich einer anwendungsbezogenen Bauteiloptimierung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 13.

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Anhand eines Teillängsschnitts eines Axialverdichters für ein Gasturbinenstrahltriebwerk wird die Erfindung im Rahmen der zugehörigen Patentzeichnung nachstehend näher erläutert. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel des Axialverdichters ist die dem Rotor unmittelbar benachbarte, die äußere Kanalwand des Verdichters bildende statische Gehäusestruktur aus einzelnen Wandabschnitten 1,2, 3 und 4, hier z.B. im Wege flanschseitiger Verschraubungen, zusammengesetzt. Ein weiterer außengehäuseseitig verankerter Stützring ist mit 5 bezeichnet. Wandabschnitte 1, 2, 3 und 4, Stützring 5 sowie weitere in der Zeichnung verkörperte Außengehäusebauteile G,F sollen dabei aus Titan bzw. einer Titanlegierung gefertigt sein, wobei die Wandabschnitte, z.B. 2, 3 und 4 zugleich als Träger der Leitschaufeln 6, 7, 8 fungieren, die gegebenenfalls aus einem metallischen Werkstoff, z.B. einer Nickellegierung, gefertigt sein können. Die Laufradscheiben 9, 10, 11, 12 des Rotors, die zugehörigen Laufschaufeln 13, 14, 15, 16 sowie Zwischenringelemente 17, 18, 19 des Rotors sind aus Titan bzw. einer Titanlegierung gefertigt. Die Laufradscheiben könnten aber auch aus einem geeigneten metallischen Werkstoff gefertigt sein.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht nun darin, daß auf die - unter Bezug auf die betreffende Rotordrehachse radial äußeren Konturen der z.B. die Wandabschnitte 1, 2, 3 und 4 enthaltenden statischen Bauteilstruktur eine Schicht S aus einem hoch-wärmeleitfähigen Material aufgebracht ist.
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Im Falle beispielsweise eines Bruches einer Leitschaufel 6 der ersten Verdichterstufe an der Stelle 17' wäre es also denkbar, daß sich das Bruchstück über einer Laufschaufel 14 an der Stelle 20 verklemmt und in Umfangsrichtung mitgerissen wird. Die dadurch entstehende Reibungswärme soll

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— ο-Ι nun dadurch nicht zur Entzündung des betreffenden Gehäusewandabschnitts 3 führen, indem die Reibungswärme über die betreffende Schicht S extrem rasch auf ein solches Temperaturniveau gebracht wird, daß die Entzündungstemperatur des Titangehäusematerials (Wandabschnitt 3) gar nicht erst erreicht wird. Somit wird die Entstehnung von Titanfeuer von vorn herein verhindert.

Der Erfindungsgegenstand ist selbst dann vorteilhaft einsetzbar, wenn gemäß Ausführungsbeispiel im Bereich zwischen vorletzter und letzter Axialverdichterstufe eine zumindest teilweise zerklüftete, insbesondere im montierten Zustand des Verdichters schwer zugängliche und/oder durch einen oder mehrere Abblaseöffnungen (Schlitz 21) unterbrochene äußere Verdichterkanalwandstruktur zugrunde gelegt ist, wobei der Abblaseschlitz in eine Ringkammer 22 mündet, deren Außenwand 4¹ im wesentlichen parallel, oberhalb des Abblaseschlitzes 21 und der schwer zugänglichen Partie 23 der äußeren Verdichterkanalwand entlanggeführt ist. Hierbei ist es vorteilhaft, die Außenwand 4' auf der Außen- und Innenseite mit einer hoch-wärmeleitfähigen Schicht S bzw. S¹ zu versehen, wobei die Außenwand 4¹ zweckmäßigerweise integraler Bestandteil der äußeren Verdichterkanalwand bzw. hier des Wandabschnittes 4 ist.

Sollte z.B. unter Zugrundelegung der zuvor beschriebenen Anordnung ein glühendes Fremdobjekt oder Titanteilchen über den Abblaseschlitz 21 in die Ringkammer 22 abgeschleudert werden, so kann auch hier, und zwar insbesondere als Folge der durch die Außen- und Innenbeschichtung S und S¹ der Außenwand 4¹ mit jeweils hochwärmeleitfähigem Material verbundene extrem hoch-wärmeleitfähige Gehäuseausgestaltung mit Sicherheit eine Titanfeuerentstehung unterbunden werden.

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Der Erfindungsgegenstand ist selbstverständlich vorteilhaft bei anderweitigen aus Titan bzw. einer Titanlegierung gefertigten Maschinenaggregaten einsetzbar, bei denen mindestens einem rotierenden Element mindestens ein statisches Titanstrukturbauteil unmittelbar benachbart sein kann, wobei dann im Rahmen des Grundgedankens der Erfindung auf die - unter Bezug auf die betreffende Drehachse - radial äußeren Konturen des betreffenden statischen Strukturbauteils eine Schicht aus hoch-wärmeleitfähigem Material aufgebracht werden könnte.

Wichtig für die Wirksamkeit der Erfindung ist es, daß die betreffenden hoch-wärmeleitfähigen Schichten S bzw. S¹ eine möglichst innige bzw. gut haftende Verbindung mit dem betreffenden Titanwerkstoff eingehen. Dies soll u.a. über die Erfindungsmerkmale nach den Patentansprüchen 2 oder 3 oder 4 vorteilhaft in die Wege geleitet werden können, indem die hoch-wärmeleitende Schicht als Metallspritzschicht durch Flamm- oder Plasmaspritzen oder als streich- oder sprühbare farbähnliche Flüssigkeit, z.B. als Metallack oder als pastenförmige Masse aufgebracht werden kann.

Einerseits im Rahmen der betrieblichen Kriterien wie aber auch zur Durchführung der Erfindung bevorzugt geeignete Schichtmaterialien ergeben sich im einzelnen wie aber auch in teilweiser Kombination aus den Merkmalen der Patentansprüche 5 bis 9, wonach

- die Verwendung einer Aluminiumlegierung als hoch-wärmeleitende Schicht vorgesehen ist, die in weiterer Ausbildung zu 94% aus Aluminium und zu 6% aus Silber bestehen kann;

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-10-die Anwendung einer Kupferlegierung oder

- die Anwendung einer Kupfer-, Zink-, Silberlegierung als Schichtwerkstoff besteht, und wobei die letztere zu 38% aus Kupfer, zu 32% aus Zink und zu 30% aus Silber bestehen kann.

Die Erfindung eignet sich für den Einsatz bei stationären Gasturbinenanlagen oder bei Fluggasturbinentriebwerken, insbesondere einem oder mehreren Axial- und/oder Radialverdichtern dieser Triebwerke.

Vorteilhaft soll ferner die hoch-wärmeleitende Schicht in axialer und radialer Richtung aufgebracht werden, damit z.B. bei einer Axialverdichterkonfiguration gemäß der Patentzeichnung sowohl die Radialflanschbereiche und vorgegebene Radialausrundungen wie aber auch die im wesentlichen drehachsparallelen Außenwandperipherien allseitig und homogen mit dem Schichtwerkstoff versehen werden können.

Insbesondere im Hinblick auf eine Axialverdichterkonzeption nach der Patentzeichnung betrachtet, geht u.a. mit der Erfindung der wesentliche weitere Vorteil einher, daß die dem Rotor bzw. dessen Laufschaufelspitzen unmittelbar zugekehrte innere, statische Bauteilstruktur bzw. Gehäusewand - mit Ausnahme gegebenenfalls vorhandener üblicher Schaufelanstreifbeläge - aerodynamisch einwandfrei gestaltbar bleibt. Auch für den betreffenden Rotor bleibt fernerhin der weitestgehend mögliche Einsatz von Titan als Bauteilwerkstoff erhalten, ohne weitere aerodynamische sowie gewichtliche Einbußen bzw. Kompromisse in Kauf nehmen zu müssen. Mit anderen Worten kann also die betreffende Turbokomponente, z.B.

Verdichter, von vorn herein auf den aero-thermodynamischen Kreisprozeß optimal abgestimmt werden, ohne das Risiko einer Titanfeuerentstehung in Kauf nehmen zu müssen.

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Claims

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MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH

München, den 2.3.1984

Patentansprüche 10

Verfahren und Mittel zur Vermeidung der Entstehung von Titanfeuer an im wesentlichen aus Titan bzw. einer Titanlegierung gefertigten Maschinenaggregaten, bei denen mindestens einem rotierenden Element mindestens ein statisches Titanstrukturbauteil unmittelbar benachbart ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf die - unter Bezug auf die betreffende Drehachse - radial äußeren Konturen des statischen Struk-

turbauteils, z.B. (3), eine Schicht (S) aus hochwärmeleitfähigem Material aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch-wärmeleitende Schicht als Metallspritzschicht durch Flamm- oder Plasmaspritzen aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch-wärmeleitende Schicht als streich- oder

sprühbare farbähnliche Flüssigkeit aufgebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch-wärmeleitende Schicht als pastenförmige Masse

aufgebracht wird.
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5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Aluminiumlegierung als hoch-wärmeleitende Schicht.
6. Verfahren nebst Schichtanwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet/ daß der Schichtwerkstoff zu 94% aus Aluminium und zu 6% aus Silber besteht.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1

bis 4/ gekennzeichnet durch die Anwendung einer Kupferlegierung als Schichtwerkstoff.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Anwendung einer Kupfer-, Zink-, Silberlegierung als Schichtwerkstoff.
9. Verfahren nebst Schichtanwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtwerkstoff zu 38% aus Kupfer, zu 32% aus Zink und zu 30% aus Silber besteht.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Anwendung bei stationären oder Fluggasturbinentriebwerken, insbesondere einem oder mehreren Axial- und/oder Radialverdichtern dieser Triebwerke.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch-wärmeleitende Schicht in axialer und radialer Richtung aufgebracht wird.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, in besonderer Anwendung bei einem ein- oder mehrstufigen Axialverdichter, dadurch gekennzeichnet,

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daß das statische Strukturbauteil die äußere, als

Leitschaufelträger fungierende Gehäusewand ist, die gegebenenfalls aus mehreren Wandabschnitten (1,2,3,4) zusammengesetzt ist.
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13. Verfahren, insbesondere im Hinblick auf den Anwendungsfall nach Anspruch 12, unter Zugrundelegung einer zumindest teilweise zerklüfteten,'insbesondere im montierten Zustand des Verdichters schwer zugänglichen und/oder durch einen oder mehrere Abblaseöffnungen unterbrochenen äußeren Verdichterkanalwandstruktur, wobei der oder die Abblaseöffnungen in eine Ringkammer münden, deren Außenwand im wesentlichen parallel, oberhalb der Abblasestelle und/oder der schwer zugänglichen Partie der äußeren Verdichterkanalwand entlanggeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (4¹) auf der Außen- und Innenseite mit einer hoch-wärmeleitfähigen Schicht (S bzw. S¹) versehen und zumindest teilweise integraler Bestandteil der äußeren Verdichterkanalwand bzw. eines Wandabschnittes (4) derselben ist.

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