DE3529979A1 - Einrichtung zur verhinderung der ausbreitung von titanfeuer bei turbomaschinen, insbesondere gasturbinen- bzw. gasturbinenstrahltriebwerken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Ver­ hinderung der Ausbreitung von Titanfeuer, für Turbo­ maschinen, insbesondere Gasturbinen- bzw. Gasturbinen­ strahltriebwerke, bei denen mindestens eine Turbokompo­ nente, z.B. der Verdichter, einschließlich statischer innerer und äußerer Bauteilstrukturen sowie der Rotor im wesentlichen oder gänzlich aus Titan bzw. einer Titan­ legierung angefertigt ist.

Bei Gasturbinentriebwerken, vornehmlich Fluggasturbinen­ triebwerken, werden u.a. Titanlegierungen z.B. für Ge­ häuse, 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 Gehäuseüber­ hitzungen kommen. Das gleiche kann passieren, wenn z.B. Titan-Laufschaufeln oder andere Rotorteile aus Titan infolge aufgebrauchtem Axial- oder Radialspiel statische Teile aus Titan berühren. Bei entsprechenden Umgebungs­ bedingungen 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.

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

• - Stärkere Dimensionierung von Lauf- und Leit­ schaufeln, 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:

• - Aerodynamisch nachteilige Schaufelprofile mit höherem Gewicht,
• - ungünstig große Spalte mit entsprechenden Leck­ luftverlusten,
• - aus aerodynamischen Gründen nur teilweise Be­ schichten möglich, ohne hiermit den genannten Gefahren durchgreifend Einhalt gebieten zu können,
• - unverhältnismäßiges Mehrgewicht,
• - Matten nur bis max. 260°C Betriebstemperaturen einsetzbar, also nicht z.B. für einen Hochdruckver­ dichter, 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 Kenn­ zeichnungsteil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der angegebenen Lösung wird im Extremfall ein Durch­ brennen der dem Rotor bzw. den Laufschaufeln unmittelbar zugekehrten statischen inneren Bauteilstruktur bzw. Ge­ häusewand in Kauf genommen, indem sichergestellt ist, daß - im Wege der erfindungsgemäßen Materialschicht - z.B. etwaige abgebrochene glühende Titanteilchen nicht mit besagter äußerer Bauteilstruktur bzw. Gehäusewand in Berührung kommen, sie also nicht entzünden können. Außerdem wird durch die Elastizität der Material­ schicht die Bewegungsenergie der glühenden Titan­ teilchen reduziert, wodurch ein weiteres Abprallen der Teilchen auf anderweitige, noch nicht betroffene Ge­ häusepartien weitestgehend vermieden werden kann.

Ausgestaltungsgemäß gelingt es insbesondere im Wege der zusätzlichen Metallbeschichtungsvorkehrungen (Alu­ minium, Alu-Folie) nicht nur einen gegenüber Titan entzündungsfeindlichen "Inhibitor" in die Wege zu leiten, sondern auch einen Teil der anfallenden Wärme­ energie des betreffenden glühenden Titanteils raschest möglich flächenmäßig so zu verteilen, daß die örtliche Entzündungstemperatur der normalerweise stark gefährdeten äußeren statischen Gehäusebauteilstruktur bzw. der Außen­ gehäusewänd weiter drastisch reduziert wird. Ohne Titan­ feuerausbreitungsgefahr kann somit ein derartiger Schaden auf die innere statische Gehäusestruktur begrenzt werden; die Gefahr eines Durchbrennens von übrigen Gehäusestruktur­ bauteilen - u.a. bis hin zur Flugzeugzelle - ist somit auf 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 Schaufelanstreif­ beläge - aerodynamisch einwandfrei gestaltbar bleibt. Auch für den betreffenden Rotor bleibt fernerhin der weitestgehend mögliche Einsatz von Titan als Bauteil­ werkstoff erhalten, ohne weitere aerodynamische sowie gewichtliche Einbußen in Kaufnehmen 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 Titanfeuerausbreitung in Kauf nehmen zu müssen.

Zudem wird insbesondere in Verbindung mit der in Anspruch 2 angegebenen Ringraumgestaltung eine gezielte Auffangmöglichkeit abgebrochener Titanpartikel geschaffen.

Eine weitere zusätzliche Sicherheitsalternative ergibt sich im Wege der doppelten Ringraumgestaltung gemäß Anspruch 3, die insbesondere für Gehäusekonzeptionen vorteilhaft ist, bei denen konstruktiv vorgegebene festig­ keitsmäßige Schwächungen der inneren statischen Bauteil­ struktur bzw. des Innengehäuses unumgänglich sind, wie z.B. durch das Vorhandensein von Luftabblaseschlitzen oder -öffnungen bei Triebwerksverdichtern. Hierbei wäre nämlich nicht auszuschließen, daß ein abgeschleudertes Titanteilchen die betreffende statische Innenstruktur fast mühelos durchdringt und anhand der ihm noch inne­ wohnenden, vergleichsweise hohen Geschwindigkeitsenergie die nächstliegende, hier also erste äußere statische Bauteilstruktur bzw. Gehäusewand nebst zugehöriger Materialschicht durchschlägt; im Wege der vorhandenen weiteren äußeren statischen Bauteilstruktur bzw. Ge­ häusewand nebst Materialschicht kann auf jeden Fall dann mit der beabsichtigten Verhütung einer weiteren Aus­ breitung von Titanfeuer gerechnet werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegen­ standes gehen aus den übrigen Patentansprüchen 4 bis 16 hervor.

Anhand der Patentzeichnung ist die Erfindung beispiels­ weise im Rahmen eines Teillängsschnitts eines Axialver­ dichters eines Gasturbinenstrahltriebwerks näher er­ läutert. Bei der vorliegenden Einrichtung zur Verhinderung der Ausbreitung von Titanfeuer soll hier z.B. der Axial­ verdichter 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. dessen Laufschaufeln 1, 2, 3, 4 der einzelnen Verdichterstufen unmittelbar benachbarten inneren statischen Bauteilstrukturen A eine äußere statische Bauteilstruktur B radial beabstandet nachgeschaltet sein, deren Innen­ fläche mit einer schlagfesten, Aufprallenergie aufzehrenden, temperatur- bzw. hoch-temperaturbeständigen Materialschicht S ausgekleidet ist.

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 vorzu­ sehen, wobei ein Teil der Materialschicht S des einen Ringraums 5 im wesentlichen parallel zur Außenwand­ struktur 7 des weiteren Ringraums 6 verläuft, wobei die Wandstruktur 7 auf der dem Rotor mittelbar zuge­ kehrten Seite, also innen, mit einer weiteren der­ artigen Materialschicht S′ 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 erfindungs­ wesentlichen äußeren Bauteile 15 und 16 hier z.B. in Form eines Stützrings und eines mit diesem verknüpften Triebwerksgehäuseteils ausgebildet sind. Die schützende Materialschicht, 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.

Beim Ausführungsbeispiel nach der Patentzeichnung sind beispielsweise sämtliche statischen inneren - A - bzw. äußeren Gehäusebauteilstrukturen B sowie deren Einzel­ bauteile 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 wäre es denkbar, daß sich das Bruch­ stück über einer der Laufschaufeln 2 an der Stelle 24 verklemmt und in Umfangsrichtung mitgerissen wird, wo­ durch 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 betreffende Materialschicht S auf, die auf die nächstfolgenden Gehäuseteile, z.B. das als Stützting ausgebildete Gehäuseteil 15, radial innenliegend, auf­ gebracht ist. Im eingangs erwähnten Sinne wird nun eine weitere Titanfeuerausbreitung verhindert. Der Schaden wird somit auf die inneren Gehäuse 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. vom Verdichter angesaugten Fremdbruchstückes bzw. eines Rotorbruchstückes, insbesondere aus Titan oder einer Titanlegierung, vorstellbar.

Aus der Patentzeichnung ist ferner ein zwischen zwei Verdichterstufen befindlicher Abblaseschlitz 25 erkenn­ bar, der zu einer Unterbrechung, und damit zu einer festigkeitsmäßigen Schwächung der inneren statischen Bauteilstruktur A am Gehäusebauteil 11 führt. Die ent­ sprechenden Gefahrensvorkehrungen aus Anspruch 3 sind eingangs bereits ausführlich erläutert worden.

Im folgenden werden Materialschichten bzw. geeignete Materialschichtkombinationen vorgeschlagen, die zu­ mindest teilweise bei Hoch-Temperatur-Brandbekämpfung als Hand- und Körperschutzmaterialien in Betracht ge­ zogen worden sind.

Dabei zusätzlich vorgeschlagene Metallschichten bzw. Metallegierungen oder Aluminium-Folien sind stets in der Patentzeichnung durch ein einheitliches weiteres Bezugszeichen, nämlich M, verdeutlicht.

Gemäß Anspruch 5 kann die Materialschicht S, S′ ein entlang der Außen- bzw. Aufprallfläche metallisch (M) beschichtetes Asbestgewebe sein.

Gemäß Anspruch 6 kann dieses Asbestgewebe entlang der Außen- bzw. Aufprallseite vakuum-metallisiert sein.

Bevorzugt im Sinne eines sogenannten "Inhibitors" kann das betreffende metallische Schichtmaterial M aus Alu­ minium oder einer Aluminiumlegierung bestehen (Anspruch 7).

Bezüglich des Aufprallenergieaufzehrungseffektes sowie also auch hinsichtlich einer einfachen Handhabung kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die Materialschicht S, S′ eine gewebeartig aufgebaute Matte ist (Anspruch 8). Derartige Matten könnten dann wiederum außen- bzw. auf­ prallseitig metallisiert (M) werden, indem sie durch die aufsteigenden Dämpfe des flüssigen metallischen Werkstoffs, z.B. Aluminium, gezogen werden.

Nach Anspruch 8 kann das Gewebe der Matte aus Kevlar­ bzw. aromatischen Polyamid- bzw. Aramidfasern gefertigt sein (Zugebelastung etwa 600g/m²).

Nach Anspruch 9 kann das zuvor genannte Faser-Gewebe an der Rückseite aus Baumwolle gefertigt sein, wobei die Baumwolle den Energieaufzehrungseffekt unterstützen soll.

Gemäß Anspruch 11 sowie insbesondere in Verbindung mit Merkmalen aus den Ansprüchen 1 bis 4 sowie 7 und/oder 8 kann ferner die Materialschicht S, S′ ein Mischgewebe aus Kevlar- bzw. aromatischen Polyamid- bzw. Aramid­ fasern und Glasfasern sein, das entlang der Außen­ fläche bzw. Aufprallseite vakuum-metallisiert (M) ist.

Nach Anspruch 11 besteht durchaus die Möglichkeit, die in zuvor genannter Weise als Mischgewebe ausgebildete Materialschicht S, S′ anstelle einer aus Vakuum- Metallisierung gewonnenen Aufprallbeschichtung mit einer Aluminiumfolie (M) auszustatten.

Als Einrichtung insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4 sowie 7 und/oder 8 kann die Materialschicht S, S′ ferner ein Mischgewebe aus Kevlar- bzw. aromatischen Polyamid- bzw. Aramidfasern und Kohlenstoffasern sein, das entlang der Außen- bzw. Aufprallfläche vakuum-metallisiert (M) ist (Anspruch 13).

Die Materialschicht S, S′ kann ausgestaltungsgemäß (Anspruch 14) ein temperatur- und feuerresistentes Spezialleder sein.

Insbesondere in der Ausbildung als Matte kann die be­ treffende Materialschicht S, S′ leicht durch Verklebung oder klammerartige Halterungen oder dergleichen an den statischen Bauteilstrukturen A, B befestigt werden (Anspruch 15).

Claims (16)

1. Einrichtung zur Verhinderung der Ausbreitung von Titanfeuer für Turbomaschinen, insbesondere Gas­ turbinen- bzw. Gasturbinenstrahltriebwerke, bei denen mindestens eine Turbokomponente, z.B. der Verdichter, einschließlich statischer innerer und äußerer Bauteil­ strukturen sowie der Rotor im wesentlichen oder gänzlich aus Titan bzw. einer Titanlegierung gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß einer dem Rotor unmittelbar benachbarten inneren statischen Bauteil­ struktur (A) eine äußere Bauteilstruktur (B) radial beabstandet zugeordnet ist, deren Innenfläche mit einer schlagfesten, Aufprallenergie aufzehrenden, hoch-temperaturbeständigen Materialschicht (S) ausgekleidet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere (A) und die äußere statische Bauteil­ struktur (B) wenigstens einen in sich geschlossenen Ringraum (5) einschließen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß innerhalb eines Ringraums (5) mindestens ein separater weiterer Ringraum (6) angeordnet ist, wobei ein Teil der Materialschicht (S) des einen Ringraums (5) im wesentlichen parallel zur Außen­ wandstruktur (7) des weiteren Ringraums (6) verläuft, die ebenfalls mit einer derartigen Materialschicht (S′) auf der dem Rotor mittelbar zugekehrten Seite ausgekleidet ist.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere (A) und äußere Bau­ teilstruktur (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 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 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Material­ schicht (S, S′) ein entlang der Außen- bzw. Aufprall­ fläche metallisch beschichtetes Asbestgewebe ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Asbestgewebe entlang der Außen- bzw. Auf­ prallseite vakuum-metallisiert ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das metallische Schichtmaterial Alu­ minium oder eine Aluminiumlegierung ist.

8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Material­ schicht (S, S′) eine gewebeartig aufgebaute Matte ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe der Matte aus Kevlar- bzw. aromatischen Polyamid- bzw. Aramidfasern besteht.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Gewebe an der Rückseite aus Baumwolle besteht.

11. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 sowie 7 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialschicht (S, S′) ein Mischgewebe aus Kevlar- bzw. aromatischen Polyamid- bzw. Aramid­ fasern und Glasfasern ist, das entlang der außen­ fläche bzw. Aufprallseite vakuum-metallisiert ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die als Mischgewebe ausgebildete Materialschicht (S, S′) anstelle einer aus Vakuum-Metallisierung gewonnenen Aufprallbeschichtung mit einer Aluminiumfolie ausge­ stattet ist.

13. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 sowie 7 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialschicht (S, S′) ein Mischgewebe aus Kevlar- bzw. aromatischen Polyamid- bzw. Aramidfaser und Kohlenstoffasern ist, das entlang der Außen- bzw. Aufprallfläche vakuum-metallisiert ist.

14. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Material­ schicht (S, S′) aus einem temperatur- und feuer­ resistenten Spezialleder gefertigt ist.

15. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Material­ schicht (S, S′) durch Verklebung oder klammerartige Halterungen oder dergleichen an den statischen Bauteilstrukturen (A, B) befestigt ist.

16. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, 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 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.