DE3407946A1 - Einrichtung zur verhinderung der ausbreitung von titanfeuer bei turbomaschinen, insbesondere gasturbinen- bzw. gasturbinenstrahltriebwerken - Google Patents
Einrichtung zur verhinderung der ausbreitung von titanfeuer bei turbomaschinen, insbesondere gasturbinen- bzw. gasturbinenstrahltriebwerkenInfo
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Description
sr/si
MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH
MÜNCHEN GMBH
München, den 17.2.1984
Einrichtung zur Verhinderung der Ausbreitung von Titanfeuer bei Turbomaschinen, insbesondere
Gasturbinen- bzw. Gasturbinenstrahltriebwerken
*5 Die Erfindung bezieht sich auf .eine Einrichtung zur Verhinderung
der Ausbreitung von Titanfeuer, für Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen- bzw. Gasturbinenstrahltriebwerke,
bei denen mindestens eine Turbokomponente, z.B. der Verdichter, einschließlich statischer
innerer und äußerer Bauteilstrukturen sowie des Rotors im wesentlichen oder gänzlich aus Titan bzw. einer Titanlegierung
angefertigt ist.
Bei Gasturbinentriebwerken, vornehmlich Fluggasturbinentriebwerken,
werden u.a. Titanlegierungen z.B. für Gehäuse, Rotoren und die Beschaufelung eingesetzt. Im Falle
von Triebwerksschäden, bei denen ein triebwerksfremdes oder ein z.B. abgebrochenes 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 Schaufel- und Gehäuseüberhitzungen
kommen. Das gleiche kann passieren, wenn z.B. Titan-Laufschaufeln oder andere Rotorteile aus Titan
infolge aufgebrauchtem Axial- oder Radialspiel statische 35
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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 wegfliegende, brennende Titanteilchen durch
mehrere Gehäusewandungen - auch aus Stahl - durchfraßen, bis nach Wegfall der genannten Umgebungsbedingungen das
sogenannte "Titan-Feuer" von selbst ausging. Nur günstige Umstände konnten nach bisher vorliegenden Erkenntnissen
Katastrophen in der Luftfahrt verhindern. 10
Um die Vorteile des Titans - geringes spezifisches Gewicht bei ausgezeichneter Festigkeit bis etwa 4 50 C - ausnützen
zu können, wurden u.a. 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 im 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.
Aus diesen Maßnahmen resultieren der Reihe nach im wesentlichen folgende Nachteile:
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Ι - Aerodynamisch nachteilige Schaufelprofile mit
höherem Gewicht,
- ungünstig große Spalte mit entsprechenden Leck- C) luf tverlusten,
- aus aerodynamischen Gründen nur teilweise Beschichten möglich, ohne hiermit den genannten
Gefahren durchgi-eifend Einhalt gebieten zu können,
- unverhältnismäßiges Mehrgewicht,
- Matten nur bis max. 260 C Betriebstemperatur einsetzbar,
also nicht z.B. für einen Hochdruckverdichter, direkt an der möglichen Entzündungsquelle,
zu verwenden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mit den vorgeschlagenen Schutzmaßnahmen einhergehenden Nachteile
zu beseitigen und mit vergleichsweise einfachen Mitteln
einer Ausbreitung eventuell entstehenden Titanfeuers optimal begegnen zu können.
Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch den Kennzeichnungsteil
des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei der angegebenen Lösung wird im Extremfall ein Durchbrennen der dem Rotor bzw. den Laufschaufeln unmittelbar
zugekehrten statischen inneren Bauteilstruktur bzw. Ge-QQ
häusewand in Kauf genommen, indem sichergestellt ist, daß das abgebrochene glühende Titanteil auf die hoch-wärmeleitfcihige
Schicht ein der nächstfolgenden äußeren Bauteilstruktur
bzw. an der Außengehäusewarid auftrifft; die
hoch-würmeleitfähige Schicht ermöglicht es, die punkt-
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weise anfallende Wärmeenergie den betreffenden glühenden
Titanteils rasclvest möglich so zu verteilen, daß die Entzündungstemperatur der normalerweise stark gefährdeten
äußeren statischen Gehäusebauteilstruktur bzw. der Außengehäusewand
gar nicht erst erreicht wird. Ohne Titanfeuerausbreitungsgefahr
kann somit ein derartiger Schaden auf die innere statische Gehäusestruktur begrenzt werden; die
Gefahr eines Durchbrennens von übrigen Gehäusestrukturbauteilen - u.a. bis hin zur Flugzeugzelle - ist somit auf
IQ jeden Fall verhindert. Hiermit geht u.a. 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 in Kaufnehmen zu müssen. Mit anderen Worten kann
2Q also die betreffende Turbokomponente, z.B. Verdichter,
von vorn herein auf den aero-thermodynamisehen Kreißprozeß
optimal abgestimmt werden, ohne das Risiko einer Titanfeuerausbreitung
in Kauf nehmen zu müssen.
Zudem wird insbesondere in Verbindung mit der in Anspruch angegebenen Ringraumgestaltung eine gezielte Auffangmöglichkeit
abgebrochener Titanpartikel geschaffen.
Eine weitere zusätzliche Sicherheit.sal ternative ergibt
gQ sich im Wege der doppelten Ringraumqostaltung gemäß
Anspruch 3, die insbesondere für Gehäunckonzeptionen vorteilhaft
ist, bei denen konstruktiv vorgegebene festigkeitsmäßige Schwächungen der inneren statischen Bauteilstruktur
bzw. des Innengehäuses unumgänglich sind, wie z.B. durch das Vorhandensein von Luftabblaseschlitzen
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] oder -Öffnungen bei Triebwerksverdjentern. Hierbei wäre
nämlich nicht auszuschließen, daß ein abgeschleudertes Titanteilchen die betreffende statische Innenstruktur
fast mühelos durchdringt und anhand der ihm noch innewohnenden, vergleichsweise hohen Geschwindigkeitsenergie
die nächstliegende, hier also erste äußere statische Bauteilstruktur bzw. Gehäusewand nebst zugehöriger
hoch-wärmeleitfähigen Schicht durchschlägt; im Wege
der vorhandenen weiteren äußeren statischen Bauteilstruktur bzw. Gehäusewand nebst hoch-wärmeleitfähiger
Schicht kann auf jeden Fall dann mit der beabsichtigten Temperaturdämpfung zur Verhütung weiterer Ausbreitung
von Titanfeuer gerechnet werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes
gehen aus den übrigen Patentansprüchen 4 bis 13 hervor.
Anhand der Patentzeichnung ist die Erfindung beispielsweise im Rahmen eines Teillängsschnitts eines Axialverdichters
eines Gasturbinenstrahltriebwerks näher erläutert. Bei der vorliegenden Einrichtung zur Verhinderung
der Ausbreitung von Titanfeuer soll hier z.B. der Axialverdichter des Gasturbinenstrahltriebwerks einschließlich
statischer innerer und äußerer Bauteilstrukturen sowie einschließlich des Rotors im wesentlichen aus Titan
bzw. einer Titanlegierung gefertigt sein. Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung soll dabei also der dem Rotor
bzw. de si; en Laufschaufeln 1, 2, 3, 4 der einzelnen Verdichterstuf
en unmittelbar benachbarten inneren statischen Bauteilstrukturen A eine äußere, entlang deren Innenfläche
mit einer hoch-wärmeleitfähigen Schicht S versehene,
statische Bauteilstruktur B radial beabstandet nachgeschaltet sein.
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Vom Grundsatz her kann dabei die innere,A, und die äußere statische Bauteilstruktur B wenigstens einen in
sich geschlossenen Ringraum 5 einschließen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung verkörpert die Patentzeichnung die Möglichkeit, innerhalb des einen
Ringraums 5 einen separaten weiteren Ringraum 6 vorzusehen, wobei ein Teil der hoch-wärmeleitfähigen Schicht
S des einen Ringraums 5 im wesentlichen parallel zur Außenwandstruktur
7 des weiteren Ringraums 6 verläuft, die mit einer weiteren hoch-wärmeleitfähigen Schicht S'
auf der dem Rotor mittelbar zugekehrten Seite versehen sein soll.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die innere, A, und
äußere Bauteilstruktur B jeweils aus einzelnen inneren und äußeren Gehäusebauteilen zusammengesetzt, von denen
die inneren - 8, 9, 10, 11 - als zugleich die äußere Strömungskanalwand bildender Träger für die Leitschaufeln
12, 13, 14 ausgebildet sind, während die erfindungswesentlichen
äußeren Bauteile 15 und 16 hier z.B. in Form eines Stützrings und eines mit diesem verknüpften Triebwerksgehäuseteils
ausgebildet sind. Die schützende, hochwärmeleitf ähige Schicht, z.B. S, kann auf die statische
äußere Bauteilstruktur B bzw. auf die äußeren Bauteile, z.B. 15, 16, in axialer und radialer Richtung aufgebracht
werden.
Die hoch-wärmeleitende Schicht kann ferner als streich- oder sprühbare, farbähnliche Flüssigkeit oder als pastenförmige
Masse aufgebracht werden.
Der Schichtwerkstoff kann vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung
gefertigt sein. Dabei kann der Schichtwerkstoff zu 94% aus Aluminium und zu 6% aus Silber bestehen.
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-ΙΟΙ ferner kann der Schichtwerkstoff aus einer Kupferlegierung
bestehen.
Weiter kann der Schichtwerkstoff aus einer Kupfer-,
° Zink-, Silberlegierung bestehen. Dabei kann der Schichtwerkstoff zu 38% aus Kupfer, zu 32% aus Zink und
zu 30!6 aus Silber bestehen.
Beim Ausführungsbeispiel nach der Patentzeichnung sind
*0 beispielsweise sämtliche statischen inneren - A - bzw.
äußeren Gehäusebauteilstrukturen B sowie deren Einzelbauteile 8, 9, 10, 11 bzw. 15, 16, die Laufschaufeln
1, 2, 3, 4 sowie die Laufradscheiben 17, 18, 19 nebst
zugehörigen Zwischenringelementen 20, 21, 22 des Rotors aus Titan bzw. einer Titanlegierung gefertigt, während
die Leitschaufeln 12, 13 und 14 aus einem metallischen Werkstoff, hier einer Nickellegierung, gefertigt sind.
Anhand der Patentzeichnung ist ferner die grundsätzliche Wirkungsweise der Erfindung beispielhaft erläutert;
im Falle eines Bruches z.B. einer der Leitschaufeln 12
an der Stelle 23 ware es denkbar, daß sich das Bruchstück über einer der Laufschaufeln 2 an der Stelle 24
verklemmt und in Umfangsrichtung mitgerissen wird, wodurch
infolge der dadurch entstehenden Reibungshitze Titanfeuer entstehen kann. Die beim Durchbrennen z.B. des
Gehäusebauteils 10 radial nach außen wegfliegenden,glühenden
Titanteilchen treffen nun erfindungsgemäß auf die Schicht S aus hoch-wärmeleitendem Material, das auf die nächstfolgenden
Gehäuseteile, z.B. das als Stützring ausgebildete Gehäuseteil 15 radial innen liegend aufgebracht
ist.
Mit dieser Schicht ist es möglich, die punktweise anfallende Wärmeenergie der glühenden Titanteilchen schnell
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, so abzuleiten, daß deren hohes Temperaturniveau rapide
reduziert wird. Dadurch wird die Entzündungstemperatur z.B. des als Stützring ausgebildeten Gehäuseteils nicht
erreicht. Der Schaden wird somit auf die inneren Gehäuse
c begrenzt, ein weiteres Durchbrennen von Gehäusen - u.U.
bis zur Flugzeugzelle - wird verhindert.
Die zuvor beschriebene Wirkungsweise wäre sinngemäß auch unter Zugrundelegung eines anderweitigen, z.B.
,Q vom.Verdichter angesaugten Fremdbruchstückes bzw.
eines Rotorbruchstückes, insbesondere aus Titan oder einer Titanlegierung, vorsttllbar.
Aus der Patentzeichnung ist ferner ein zwischen zwei
,c Verdichterstufen befindlicher Abblaseschlitz 25 erkennb
bar, der zu einer Unterbrechung, und damit zu einer festigkeitsmäßigen Schwächung der inneren statischen
Bauteilstruktur A am Gehäusebauteil 11 führt. Die entsprechenden
Gefahrensvorkehrungen aus Anspruch 3 sind on hierin eingangs ausführlich erläutert.
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-U-
- Leerseite
Claims (13)
- MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBHMünchen, den 17.2.1984PatentansprücheEinrichtung zur Verhinderung der Ausbreitung von Titanfeuer für Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen- bzw. Gasturbinenstrahltriebwerke, bei denen mindestens eine Turbokomponente, z.B. der Verdichter, einschließlich statischer innerer und äußerer Bauteilstrukturen sowie des Rotors im wesentlichen oder gänzlich aus Titan bzw. einer Titanlegierung gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß einer dem Rotor unmittelbar benachbarten inneren statischen Bauteilstruktur (A) eine äußere, entlang deren Innenfläche mit einer hochwärmeleitfähigen Schicht (S) versehene, statische Bauteilstruktur (B) radial beabstandet nachgeschaltet ist. - 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere (A) und die äußere statische Bauteilstruktur (B) wenigstens einen in sich geschlossenen Ringraum (5) einschließen.
- 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch qekennzeichnet, daß innerhalb eines Ringraums (5) mindestensESP-762! ein separater weiterer Ringraum (6) angeordnet ist, wobei ein Toil dor hoch-warmeleitfähiqcn Schicht (B) des einen Kiiu.iraumr. (!j) im woiienl. liehen parallel zur Außenwandstruktur (7) des weiteren Ringraums (6) verläuft, die ebenfalls mit einer hoch-wärmeleitfähigen Schicht (S") auf der dem Rotor mittelbar zugekehrten Seite versehen ist.
- 4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch jQ gekennzeichnet, daß die innere (A) und äußere Bauteilstruktur (B) aus einzelnen inneren und äußeren Bauteilen (8,9,10,11) bzw. (15,16) zusammengesetzt ist, von denen die inneren (8,9,10,11) als zugleich die äußere Strömungskanalwand bildender Leitschaufel-jr träger ausgebildet sind, während die äußeren Bauteile (15,16) aus wenigstens einem Stützring und einem Außengehäuseabschnitt bestehen.
- 5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2Q 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die schützende hoch-wärmeleitfähige Schicht auf die statische äußere Bauteilstruktur bzw. auf die äußeren Bauteile in axialer und radialer Richtung aufgebracht wird.
- 6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch-wärmeleitfähige Schicht eine Metallspritzschicht ist, die durch Flamm- oder Plasmaspritzen aufgebracht wird.rQ
- 7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch-wärmeleitende Schicht als streich- oder sprühbare, farbähnliche Flüssigkeit oder als pastenförmige Masse aufgebracht wird.ESP-76217.2.1984
- 8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtwerkstoff aus einer Aluminiumlegierung besteht.
- 9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtwerkstoff zu 94% aus Aluminium und zu 6% aus Silber besteht.
- 10. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtwerkstoff aus einer Kupferlegierung besteht.
- 11. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schicht-5 Werkstoff aus einer Kupfer-, Zink-, Silberlegierung besteht.
- 12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtwerkstoff zu 38% aus Kupfer, zu 32% aus Zink und zu 30% aus Silber besteht.
- 13. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, in der Anwendung bei einem oder mehreren Axial- oder Radialverdichtern eines stationären oder Fluggasturbinentriebwerks, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche statischen inneren (A) bzw. äußeren Bauteilstrukturen (B)/deren Einzelbauteile (8,9,10,11 bzw. 15,16), die Laufschaufeln (1,2,3,4) sowie die Laufradscheiben (17,18,19) nebst gegebenenfalls zuge-g0 hörigen Zwischenringelementen (20,21,22) des Rotors aus Titan bzw. einer Titanlegierung gefertigt sind, während die Leitschaufeln (12,13,14) aus einem metallischen Werkstoff, z.B. einer Nickellegierung, gefertigt sind.ESP-762
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