DE3814954A1 - Berstschutzring fuer ein triebwerksgehaeuse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Berstschutzring für ein Triebwerksgehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs l.

Beim Betrieb von Turbotriebwerken besteht die Gefahr, daß durch Auf­ treffen von Fremdkörpern auf die Schaufeln oder durch Materialermüdung Teile vom schnell drehenden Rotor abgetrennt und abgeschleudert wer­ den. Bei den in Flugtriebwerken herrschenden Bedingungen ist es aus Gewichtsgründen nicht sinnvoll, die Wandstärke an den gefährdeten Stel­ len derart zu verstärken, daß ein Austreten des Bruchstückes mit Si­ cherheit vermieden werden kann. Dies ist jedoch unbedingt erforder­ lich, da die Bruchstücke nach Durchtritt durch das Triebwerksgehäuse bei Flugzeugen schwere Schäden anrichten können, insbesondere Menschen verletzten oder das Flugzeug durch Beschädigung wichtiger Teile zum Absturz bringen können.

Es ist zu diesem Zweck bekannt, Berstschutzringe aus leichten und zug­ festen Werkstoffen an den gefährdeten Stellen um das Triebwerksgehäuse zu legen, die ein Abfangen der Bruchstücke gewährleisten sollen. Als Werkstoffe für derartige Berstschutzringe eigenen sich insbesondere faserverstärkte Werkstoffe, die in Form von Rovings oder Geweben um das Triebwerksgehäuse gewickelt sind.

Die DE-OS 29 50 752 und die DE-OS 35 15 835 zeigen derartige Berst­ schutzringe, bei denen Gewebelagen aus Aramidfasern mehrlagig aufge­ wickelt und miteinander verwebt sind. Nachteilig bei diesen Ausfüh­ rungsformen ist, daß eine sehr starke Aufweitung der hochelastischen Fasern erfolgt, was dazu führen kann, daß Triebwerksteile, die sehr dicht am Triebwerksgehäuse vorgesehen sind, trotz Zurückhaltung des Bruchstückes beschädigt werden können. Diese starke Aufweitung ist andererseits erforderlich, um eine möglichst große Zurückhaltewirkung durch Dehnung der hochelastischen Faser zu erzielen.

Ein weiterer Nachteil dieser Ausführung ist darin zu sehen, daß durch die frei am Rand des Berstschutzringes endenden Fasern keine Kräfte übertragen werden können. Damit sinkt das an der Energieaufnahme be­ teiligte Volumen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß eine in der Nähe des Randes austretende Schaufel den Rand aufbiegt und darüber hinweggleited. Um dies zu verhindern, muß der Berstschutzring sehr viel breiter gemacht werden, was hohes Gewicht zur Folge hat.

Die FR-PS 25 14 823 offenbart eine gattungsgemäße Ausführung, bei der ein oder mehrere steife Ringe das Triebwerksgehäuse umgeben und an einem aus laminiertem Fasergewebe bestehenden schildartigen Abschnitt befestigt sind. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß infolge der hohen Scherbeanspruchung des Laminats eine im Verhältnis zur Faser­ festigkeit geringe Energieaufnahme der Struktur erfolgt. Weiterhin hat das Laminat den Nachteil eines hohen Gewichtes.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Berstschutzring derart zu verbessern, daß eine hohe Energieaufnahme bei gleichzeitig geringer radialer Aufweitung und niedrigem Gewicht erzielbar ist, insbesondere die hohe Festigkeit von Faserwerkstoffen optimal zu nutzen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Kennzeich­ nungsteils von Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 17.

Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, daß die um die Stützringe gewickelten Gewebelagen im gefährdeten Bereich zwi­ schen den Stützringen nicht durch Harzlaminate fixiert sind, so daß bei Auftreffen von Bruchstücken keine für Fasern ungünstigen Schubbe­ anspruchungen auftreten. Hierdurch läßt sich die hohe Faserfestigkeit optimal ausnutzen. Durch die Umschlingung der Stützringe sowie durch eine abgestufte Orientierung der Gewebelagen wird weiterhin eine gün­ stige Krafteinleitung in den Stützringen ermöglicht. Diese ergeben eine Art Rahmenwirkung, wodurch bei radialer Verformung einer Ringzone alle in dieser Zone liegenden Faserstränge unabhängig von ihrer Orien­ tierung eine Zugbeanspruchung erfahren. Hierdurch werden erheblich mehr Fasern und mehr Faservolumen in den Energieumsetzungsvorgang einbezogen als bei herkömmlichen Anordnungen. Hierdurch wird eine wesentliche Verringerung des Ringgewichtes erzielt. Weiterhin wird, je nach Steifigkeit der Stützringe, die radial gerichtete Verformung des Berstschutzes verringert, wodurch auch gehäusenahe stoßempfindliche Triebwerksteile geschützt sind. Die Sicherheit gegen Versagen der Struktur, beispielsweise durch Delaminierung in den Randschichten wird reduziert. Durch die Randversteifung wird außerdem vorteilhafterweise ein Abgleiten abgeschleuderter Teile über den Rand vermieden.

Die nicht laminierten Gewebelagen reduzieren die Schlagbeanspruchung quer zur Faser, wobei gleichzeitig der Anteil vorwiegend zugbean­ spruchter Gewebefasern ansteigt und somit eine Steigerung der Arbeit­ saufnahme gegenüber laminierten Strukturen erfolgt. Dadurch erübrigen sich Pufferschichten zur Aufnahme der Stoßenergie wie beispielsweise Sandwich-Wabenstrukturen, wodurch wiederum Gewichtseinsparungen er­ zielbar sind.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung besteht weiterhin darin, daß ein das Turbinengehäuse durchschlagendes Schau­ felbruchstück aufgrund seines großen tangentialen Geschwindigkeitsan­ teiles nach dem Abbremsen durch den elastischen Berstschutzring nicht wieder durch die Durchschlagsöffnung nach innen zurück in den Rotorbe­ reich gedrückt wird, wo ansonsten weitere Schaufeln geschädigt werden könnten, sondern das Bruchstück in Umfangsrichtung versetzt von der Durchschlagsöffnung eingefangen bleibt (Mausefalleneffekt). Durch die beiden Stützringe wird dabei vermieden, daß das Bruchstück seitlich herausrutschen kann.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung besteht jeder Stützring aus einem Schaumkern, der von harzdurchdrängtem Fasermaterial in Um­ fangsrichtung umwickelt ist. Hierdurch ist bei geringstmöglichem Ge­ wicht eine hohe Ringsteifigkeit der Stützringe erzielbar. Vorzugsweise weist dabei das Fasermaterial der Stützringe einen hohen E-Modul auf, wodurch eine weitere Erhöhung der Steifigkeit der Stützringe erzielt wird. Durch Wahl eines geeigneten E-Moduls oder der Anzahl von Wick­ lungen ist die Steifigkeit jedes Stützringes in weiten Grenzen ein­ stellbar.

Alternativ können die Stützringe als Hohlprofile ausgebildet sein. Als Werkstoffe kommen hierfür neben faserverstärkten Kunststoffen Leicht­ metalle wie Titan, Aluminium oder Legierungen davon in Frage. Vorzugs­ weise haben die Stützringe rechteckigen Querschnitt wodurch eine große Steifigkeit sowohl in triebwerksaxialer, als auch in radialer Richtung erzielbar ist und mithin die radiale Aufweitung des Berstschutzringes gering bleibt.

Das Fasergewebe besteht aus einer Anzahl miteinander vernähter, recht­ eckiger Gewebsbänder.

Die Gewebelagen bestehen vorzugsweise aus Geweben, die derart um die Stützkerne gewickelt sind, daß 3 Gewebelagen gebildet sind, und die Ränder des Fasergewebes im Bereich der Stützringe liegen. Das Faserge­ webe hat somit etwa die dreifache Breite des Berstschutzringes. Durch das Laminieren der Gewebelagen im Bereich der Stützringe werden die Enden des Fasergewebes zwischen übereinanderliegenden Gewebelagen gut fixiert. Dies bewirkt eine gute Krafteinleitung von belasteten Fasern auf den Stützring.

In einer Ausführungsform sind die Gewebelagen in einigen Bereichen mit einem elastischem Kleber verklebt, wodurch ein verfahrensökonomisches, punktuelles Verbinden der Gewebelagen ermöglicht wird.

Eine besonders hohe Belastbarkeit des Berstschutzringes ergibt sich durch Verwendung von Aramidfasern, beispielsweise von unter den Han­ delsnamen Kevlar 29 oder Kevlar 49 bekannten Fasern.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind die Gewebelagen im Bereich der Stützringe mit Harz versehen. Damit ist eine gute Anbin­ dung der Fasern an die Stützringe gewährleistet, und insbesondere die Enden der Fasergewebsbänder ausreichend fixiert. Zusätzlich wird da­ durch eine weitere Versteifung der Stützringe erzielt. Insbesondere gegenüber der FR-PS 25 14 823 ist von Vorteil, daß der versteifende Ring durch das Laminat gebildet wird und somit kein getrennter Stütz­ ring benötigt wird. Hierdurch ergibt sich somit eine weitere Gewichts­ einsparung.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die ra­ dial äußersten Gewebelagen mit einer Harzmatrix versteift. Hierdurch wird eine Versteifung des gesamten Berstschutzringes erzielt, das bei Belastung durch ein Bruchstück ein Verwinden oder ein Gleiten der Stützringe verhindert. Die Versteifung kann alternativ oder zusätzlich dadurch erfolgen, daß auf die Gewebelagen außen in Umfangsrichtung verlegte, harzdurchtränkte Faserstränge aufgewickelt sind.

Weiterhin von Vorteil ist es, die Gewebelagen so aufzubringen, daß die Winkel zwischen den Faserrichtungen verschiedener Gewebelagen 30° betragen. Dadurch wird eine Vielzahl von Fasern gleichzeitig belastet und die Länge der belasteten Fasern und somit die maximale Energieauf­ nahme infolge des großen an der Verformung beteiligten Volumens wird erhöht. Dieser Zwischenwinkel ist dadurch zu erhalten, daß die Gewebe­ lagen um 30° gegeneinander verdreht aufgebracht werden. Bei höheren Festigkeitsforderungen ist der Zwischenwinkel 15° zu wählen, während in unkritischeren Fällen größere Zwischenwinkel, beispielsweise 45° zur Anwendung gelangen können, wodurch die Herstellung vereinfacht wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist darin zu sehen, daß Mittel vorgesehen sind, die ein axiales Zusammenbewegen der Stützkerne verhindern. Hierdurch wird ausgeschlossen, daß durch Zu­ sammenrücken der Stützringe bei Einschlagen eines Bruchstückes eine zu große Aufweitung erfolgt. Vorzugsweise sind die Mittel als auf dem Triebwerksgehäuse angebrachte Ringflansche ausgebildet.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß zwischen einzelnen Gewebelagen ringabschnittartige Keramikplatten vorgesehen sind. In besonders gefährdeten Bereichen oder bei Vorhandensein triebwerksnaher empfindlicher Teile wird dadurch die Aufweitung des Berstschutzringes an dieser Stelle weiter reduziert. Dabei ist es möglich, daß die Kera­ mikplatten den gesamten Umfang bedecken oder auf einem oder mehreren Umfangsabschnitten vorgesehen sind.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß die Stützringe unterschiedliche Durchmesser haben und der Berstschutzring konische Form hat. In dieser Ausführungsform wird die kinetische Energie von Bruchstücken nicht durch den Berstschutzring voll aufgenommen, sondern durch die Schräglage der Berstschutzwandung erfolgt eine Ablenkung des aufprallendes Bruchstückes in eine Richtung, in der keine Gefahr der Schädigung von Triebwerksteilen besteht (Reflektor- bzw. Deflektorwir­ kung). Diese Anordnung gewährleistet auch noch bei beschädigter Struk­ tur eine hohe Energieaufnahme, und somit wird die Sicherheit gegen Durchschlagen von mehreren Bruchstücken bei Einschlag an derselben Stelle erhöht. Weiterhin ist vorteilhafterweise eine Gewichtsreduzie­ rung für den Berstschutzring erzielbar. Insbesondere im Bereich der zweiten Verdichterstufe von Gasturbinen ist diese Ausführung wegen der dort vorliegenden günstigen geometrischen Verhältnisse anwendbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 Einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Berstschutzringes,

Fig. 2 eine schematische Ansicht der Faserrichtungen,

Fig. 3 eine konische Ausführung des Berstschutzringes.

In dem in Fig. 1 gezeigten Querschnitt eines Berstschutzringes 1 sind zwei axial beabstandete Stützringe 2 a und 2 b dargestellt, die ein Triebwerksgehäuse 9 im Bereich von Rotorschaufeln 13 derart umgehen, daß die Stützringe 2 a, 2 b axial beidseitig des durch Schaufelbruch gefährdeten Abschnittes liegen. Die Stützringe 2 a, 2 b bestehen aus Schaumkernen 5 a, 5 b, die von Harz durchdrängtem Fasermaterial 3 a, 3 b umwickelt sind. Die Gewebelagen 4 a, 4 b, 4 c sind aus einem Fasergewebe 4 dadurch aufgebracht, daß beide Enden der etwa die dreifache Breite des Berstschutzringes 1 ausmachenden Fasergewebes 4 übereinander nach innen geschlagen sind. So liegen deren Enden 6 a, 6 b jeweils im Bereich eines der Stützringe 2 a, 2 b. Wie durch Linien 12 angedeutet, ist das Fasermaterial im Bereich der Stützringe 2 a, 2 b mit einer Harzmatrix versehen. Durch Übereinanderlegen einer Anzahl Fasergewebes 4, vor­ zugsweise zwischen 15 und 30 Stück, wird eine dichte Packung Gewebela­ gen 4 a, 4 b, 4 c erhalten, deren Anzahl der dreifachen Zahl der Faserge­ webes 4 entspricht.

Der Berstschutzring ist an seinem äußeren Umfang mit in Umfangsrich­ tung verlegtem Laminat 7 umgeben, die einen Schutz und eine Stabili­ sierung bewirken. Es ist auch möglich, dieses Laminat 7 a nur im Be­ reich der Stützringe 2 a, 2 b vorzusehen, um den Bereich zwischen den Stützringen 2 a, 2 b elastisch zu erhalten.

Zwischen dem Berstschutzring 1 und dem innen liegenden Triebwerks­ gehäuse 9 sind Mittel 8 vorgesehen, die ein axiales Zusammenbewegen der Stützringe 2 a, 2 b verhindern. Diese sind in der gezeigten Ausfüh­ rungsform als sie mit dem Triebwerksgehäuse 9 verbundene Ringflansche 10, 11 ausgeführt, die einen größeren Außendurchmesser haben, als die Innendurchmesser der umwickelten Stützringe 2 a, 2 b.

In Fig. 2 ist eine schematische Ansicht gezeigt, in welcher die Faser­ richtungen verlegt sein können. Der Winkel α zwischen einzelnen Fa­ serrichtungen beträgt hier 30°, und wird dadurch erzielt, daß mehrere Gewebslagen 4 a, b, c um jeweils 30° gegeneinandert verdreht übereinan­ der verlegt werden.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Berst­ schutzring 1 konische Form aufweist. Dabei hat der Stützring 2 a einen größeren Durchmesser als der Stützring 2 b. Zwischen einzelnen Gewebe­ lagen 4 a,4 b sind ringabschnittartige Keramikplatten 12 eingebracht.

Die Stützringe 2 a, 2 b bestehen aus metallischen Hohlprofilen mit etwa rechteckigem Querschnitt.

Claims (17)

1. l. Berstschutzring für ein Triebwerksgehäuse, der zumindest teilweise aus Faserverbundwerkstoffen besteht, gekennzeichnet durch zwei im Bereich der Ränder axial beabstandete biegesteife Stützringe (2 a, 2 b), die gemeinsam von Fasergewebe (4) mehrlagig umschlungen sind, wobei das Fasergewebe (4) im Bereich der Stützringe mit Harz (12) durchtränkt ist und in verschiedenen Gewebelagen unterschiedlich orientiert ist und das Fasergewebe (4) im Bereich zwischen den Stützringen (2 a, 2 b) matrixfrei gehalten ist.
2. 2. Berstschutzring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stützring (2 a, 2 b) aus einem Schaumkern (5 a, 5 b) besteht, der von harzdurchtränktem Fasermaterial (3 a, 3 b) in Umfangsrichtung umwic­ kelt ist.
3. 3. Berstschutzring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial der Stützringe (2 a, 2 b) einen hohen E-Modul auf­ weist.
4. 4. Berstschutzring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützringe (2 a, 2 b) als Hohlprofile ausgebildet sind.
5. 5. Berstschutzring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stützringe (2 a, 2 b) im Querschnitt rechteckig sind.
6. 6. Berstschutzring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Fasergewebe (4) aus einer Anzahl miteinander vernähter Gewebsbänder besteht.
7. 7. Berstschutzring nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Fasergewebe (4) etwa die dreifache Breite des Berstschutzrings (1) aufweist und um die Stützringe (2 a, 2 b) zur Bildung von drei Gewebelagen (4 a, 4 b, 4 c) gelegt sind, wobei die Ränder (6 a, 6 b) im Bereich der Stützringe (2 a, 2 b) liegen.
8. 8. Berstschutzring nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gewebelagen (4 a, 4 b, 4 c) punktuell mit einem elastischen Kleber verklebt sind.
9. 9. Berstschutzring nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gewebelagen (4 a, 4 b, 4 c) aus Aramidfasern bestehen.
10. 10. Berstschutzring nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die radial äußersten Gewebelagen (4 a) mit Harz durchtränkt sind.
11. 11. Berstschutzring nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gewebelagen (4 a, 4 b, 4 c) außen von in Um­ fangsrichtung verlegten, harzdurchtränkten Fasersträngen (7) um­ wickelt sind.
12. 12. Berstschutzring nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gewebelagen (4 a, 4 b, 4 c) so aufgebracht sind, daß die Winkel α zwischen den Faserrichtungen verschiedener Gewebelagen (4 a, 4 b, 4 c) 30° betragen.
13. 13. Berstschutzring nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gewebelagen (4 a, 4 b, 4 c) so aufgebracht sind, daß die Winkel α zwischen den Faserrichtungen verschiedener Gewebelagen (4 a, 4 b, 4 c) 15° betragen.
14. 14. Berstschutzrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (8) vorgesehen sind, die ein axiales Verrutschen der Stützringe (2 a, 2 b) verhindern.
15. 15. Berstschutzring nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (8) als auf dem Triebwerksgehäuse (9) angebrachte Ring­ flansche (10, 11) ausgebildet sind.
16. 16. Berstschutzring nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen einzelnen Gewebelagen (4 a, 4 b, 4 c) ringabschnittartige Keramikplatten (2) vorgesehen sind.
17. 17. Berstschutzring nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stützringe (2 a, 2 b) unterschiedliche Durchmesser haben und der Berstschutzring (1) konische Form hat.