DE60120821T2

DE60120821T2 - Berstschutzeinrichtung für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE60120821T2
Application number: DE60120821T
Authority: DE
Inventors: Stephen John Allestree Booth
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2021-03-10
Also published as: EP1143112B1; US6497550B2; US20010028840A1; GB0008193D0; DE60120821D1; EP1143112A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gehäuse von Gasturbinentriebwerken und insbesondere auf Fan-Gehäuse von Gasturbinentriebwerken und insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Berstschutzeinrichtung, welche in Verbindung mit einem Triebwerksgehäuse eines Gasturbinentriebwerks benutzt wird oder einen Teil des Gehäuses bildet.
Turbofan-Gasturbinentriebwerke zum Antrieb von Flugzeugen weisen traditionell ein Kerntriebwerk auf, das einen Fan antreibt. Der Fan weist eine Anzahl von radial verlaufenden Fan-Laufschaufeln auf, die an einem Fanrotor montiert sind, der von einem allgemein zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Fangehäuse umschlossen ist. Das Kerntriebwerk weist eine oder mehrere Turbinen auf, von denen jede mehrere radial verlaufende Turbinenschaufeln besitzt, die von einem zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Gehäuse umschlossen werden.
Bei derartigen Triebwerken ist es zwar unwahrscheinlich, aber nicht ausgeschlossen, dass ein Teil einer Fanschaufel oder einer Turbinenschaufel oder die Schaufel insgesamt von dem übrigen Fan oder der Turbine abgeschleudert wird. Wenn eine Fanschaufel abgeschleudert wird, kann dies beispielsweise als Folge davon auftreten, dass das Turbofan-Gasturbinentriebwerk einen Vogel oder andere Fremdkörper eingesaugt hat.
Es ist bekannt für Turbofan-Gasturbinentriebwerke Berstschutzringe zu verwenden. Es ist bekannt zu diesem Zweck allgemein zylindrische oder kegelstumpfförmige, relativ dicke, metallische Berstschutzringe anzuwenden. Es ist auch bekannt, allgemein zylindrische oder kegelstumpfförmige, örtlich verdickte, metallische Gitterberstringe zu benutzen. Weiter ist es bekannt, starkes Faserstoffmaterial um ein relativ dünnes metallisches Gehäuse oder um die oben erwähnten Berstschutzringe aufzuwickeln. Falls eine Schaufel abgeschleudert wird, durchdringt sie das Gehäuse und wird durch das Faserstoffmaterial aufgefangen.
Wenn jedoch eine Schaufel abgeschleudert wird, dann trifft sie auf das metallische Gehäuse und es wird eine beträchtliche Belastung von dem Hauptstoßbereich des Metallgehäuses auf einen Zwischenflansch mit einem Einlaßgehäuse ausgeübt.
Es ist die übliche Praxis die Schlagbelastungen längs des metallischen Gehäuses zu verteilen, wobei ein stufenweises im Durchmesser vergrößertes Metallgehäuse Anwendung findet, wie dies beispielsweise in unserer veröffentlichten europäischen Patentanmeldung Nr. EP 0965731A2 beschrieben ist. Die stufenweise Durchmesservergrößerung des metallischen Gehäuses erzeugt eine örtliche Erhöhung der Beanspruchungen, infolge des Biegemomentes an den Stufendurchmesser-Erhöhungen. Den Biegemomenten wird durch örtliche Verdickung des Metallgehäuses an den vergrößerten Durchmesserstufen des Metallgehäuses entgegengewirkt. Die örtlich verdickte stufenweise Durchmesservergrößerung erhöht das Gewicht des Metallgehäuses und das Gewicht kann ganz beträchtlich sein, wenn das Metallgehäuse ein Gehäuse für ein Turbofan-Gasturbinentriebwerk mit hohem Nebenstromverhältnis ist.
Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Gasturbinentriebwerks-Gehäuse zu schaffen, mit dem die oben erwähnten Probleme gelöst werden.
Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung eine Berstschutzeinrichtung für die Rotorschaufeln eines Gasturbinentriebwerks, mit einem allgemein zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Berstschutzgehäuse, das einen stromaufwärtigen Abschnitt, einen Schaufelfangabschnitt und einen Übergangsabschnitt aufweist, wobei der stromaufwärtige Abschnitt einen Flansch besitzt, der das Berstschutzgehäuse mit einem axial benachbarten Gehäuse verbindet und der Schaufelfangabschnitt stromab des stromaufwärtigen Abschnitts liegt, und wobei der Durchmesser des stromaufwärtigen Abschnitts des Gehäuses größer ist als der Durchmesser des Schaufelfangabschnitts und die Dicke des Schaufelfangabschnitts größer ist als die Dicke des stromaufwärtigen Abschnitts, und wobei der Übergangsabschnitt, der den Schaufelfangabschnitt und den stromaufwärtigen Abschnitt verbindet, um Belastungen von dem Schaufelfangabschnitt nach dem stromaufwärtigen Flansch zu übertragen, und der Übergangsabschnitt sich in einer glatten Krümmung im Durchmesser zwischen dem Schaufelfangabschnitt und dem stromaufwärtigen Abschnitt vergrößert, und wobei der Übergangsabschnitt, eine glatt gekrümmte äußere Oberfläche und eine glatt gekrümmte innere Oberfläche derart aufweist, dass die Dicke des Übergangsabschnitts im wesentlichen die gleiche ist wie die Dicke des stromaufwärtigen Abschnitts des Berstschutzgehäuses, wodurch der Übergangsabschnitt in die Lage versetzt wird, sich auszubiegen, um die Aufschlagbelastungen zu vermindern, die auf den stromaufwärtigen Flansch übertragen werden.
Die Dicke des Übergangsabschnitts kann zwischen 75 % und 125 % der Dicke des stromaufwärtigen Abschnitts des Berstschutzgehäuses betragen.
Das Gehäuse kann Rippen und/oder Flansche aufweisen. Es kann eine kontinuierliche Lage oder es können mehrere kontinuierliche Lagen aus einem festen Faserstoffmaterial um das Gehäuse herum gewickelt werden.
Das Gehäuse kann aus irgendeinem geeigneten Metall oder einer Metall-Legierung bestehen. Vorzugsweise besteht das Metallgehäuse aus einer Stahllegierung, aus Aluminium, aus einer Aluminiumlegierung, aus Magnesium, aus einer Magnesiumlegierung, aus Titan, aus einer Titanlegierung, aus Nickel oder einer Nickellegierung.
Innerhalb des Gehäuses kann eine akustische Auskleidung vorgesehen werden.
Der Schaufelfangabschnitt kann einen radial nach innen und axial stromabwärts verlaufenden Flansch aufweisen und der Flansch ist am stromaufwärtigen Ende des Schaufelfangabschnitts angeordnet.
Das Berstschutzgehäuse kann ein Fan-Berstschutzgehäuse sein oder ein Kompressor-Berstschutzgehäuse oder ein Turbinen-Berstschutzgehäuse.
Die glatt-gekrümmte äußere Oberfläche kann durch zwei Radien definiert sein.
Die glatt-gekrümmte innere Oberfläche kann durch einen Radius definiert sein.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ist ein Teilschnitt eines Gasturbinentriebwerks mit einem Fanschaufel-Berstschutzaufbau gemäß der Erfindung;
2 ist in größerem Maßstab gezeichnet der Fanschaufel-Berstschutzaufbau gemäß 1;
3 zeigt in einer weiter vergrößerten Ansicht einen Teil des Fanschaufel-Berstschutzaufbaus gemäß 2.
Ein Turbofan-Gasturbinentriebwerk 10 weist gemäß 1 in Strömungsrichtung hintereinander einen Einlaß 12, einen Fanabschnitt 14, einen Kompressorabschnitt 16, einen Verbrennungsabschnitt 18, einen Turbinenabschnitt 20 und einen Auslaß 22 auf. Der Turbinenabschnitt 20 weist eine oder mehrere Turbinen auf, die einen oder mehrere Kompressoren im Kompressorabschnitt 16 über nicht dargestellte Wellen antreiben. Der Turbinenabschnitt 20 weist außerdem eine Turbine auf, die den Fanabschnitt 14 über eine nicht dargestellte Welle antreibt. Der Fanabschnitt 14 weist einen Fankanal 24 auf, der teilweise durch ein Fangehäuse 26 definiert ist. Der Fankanal 24 weist an seinem axial stromabwärtigen Ende einen Auslaß 28 auf. Das Fangehäuse 26 ist am Kerntriebwerksgehäuse 36 über mehrere radial verlaufende Fanauslaß-Leitschaufeln 30 verbunden. Das Fangehäuse umgibt einen Fanrotor 32, der mehrere in Umfangsrichtung beabstandete, radial verlaufende Fanschaufeln 34 trägt. Der Fanrotor 32 und die Fanschaufeln 34 drehen sich um die Achse X des Gasturbinentriebwerks 10, im wesentlichen in einer Ebene Y senkrecht zur Achse X. Das Fangehäuse 26 weist außerdem eine Fanschaufel-Berstschutzeinrichtung 38 auf, die im wesentlichen in der Ebene der Fanlaufschaufeln 34 angeordnet ist.
Das Fangehäuse 26 und die Fanschaufel-Berstschutzeinrichtung 38 sind deutlicher in den 2 und 3 dargestellt. Die Fanschaufel-Berstschutzeinrichtung 38 weist ein metallisches zylindrisches oder kegelstumpfförmiges Gehäuse 40 auf. Das metallische Gehäuse 40 weist einen stromaufwärtigen Flansch 42 auf, mit dem die Fanschaufel-Berstschutzeinrichtung 38 mit einem Flansch 48 eines Lufteinlaßaufbaus 46 des Fangehäuses 26 verbunden ist. Das metallische Gehäuse 40 weist außerdem einen stromabwärtigen Flansch 44 auf, mit dem die Fanschaufel-Berstschutzeinrichtung 38 mit einem Flansch 52 an einem hinteren Abschnitt 50 des Fangehäuses 26 angeschlossen ist.
Das metallische Gehäuse 40 bildet die Grundlage des Fanschaufel-Berstschutzgehäuses und bildet eine Verbindung zwischen dem Lufteinlaßgehäuse 46 und dem hinteren Gehäuseteil 50.
Das metallische Gehäuse 40 weist einen stromaufwärtigen Abschnitt 56, einen Übergangsabschnitt 58, einen Hauptschaufelfangabschnitt 54 und einen stromabwärtigen Abschnitt 60 auf. Der stromaufwärtige Abschnitt 56 besitzt einen Flansch 42 und der stromabwärtige Abschnitt 60 besitzt einen Flansch 52.
Der stromaufwärtige Abschnitt 56 liegt stromauf der Ebene Y der Fanschaufeln 34 und bildet einen Trümmerschutz für die Fanschaufel-Berstschutzeinrichtung 38. Der Hauptschaufelfangabschnitt 54 liegt im wesentlichen in der Ebene Y, die die Fanlaufschaufeln 34 enthält, und er weist einen sich nach innen und axial stromab erstreckenden Flansch oder Haken 62 am stromaufwärtigen Ende auf. Der Hauptschaufelfangabschnitt 54 kann außerdem einen oder mehrere integrale T-förmige Rippen 55 aufweisen, die sich radial von dem Hauptschaufelfangabschnitt 54 nach außen erstrecken. Die im Querschnitt T-förmigen Rippen 55 erstrecken sich in Umfangsrichtung um den Hauptschaufelfangabschnitt 54, um das Metallgehäuse 40 zu versteifen und die Eigenschaften der Berstschutz-Einrichtung für die Fanschaufeln 34 zu verbessern. Der Übergangsabschnitt 58 verbindet den Hauptschaufelfangabschnitt 54 mit dem stromaufwärtigen Abschnitt 56, um die Belastungen von dem Hauptschaufelfangabschnitt 54 auf den stromaufwärtigen Flansch auf dem stromaufwärtigen Abschnitt 56 zu übertragen. Der stromabwärtige Abschnitt 60 liegt stromab der Ebene Y der Fanschaufeln 34 und bildet einen Schutz für den Fall, dass der Schaufelfuß einer Fanlaufschaufel 34 auf die Fanschaufel-Berstschutzeinrichtung 38 auftrifft.
Der stromaufwärtige Abschnitt 56 des Metallgehäuses 40 besitzt einen Durchmesser D₁, der größer ist als der Durchmesser D₂ des Hauptschaufelfangabschnitts 54. Der Hauptschaufelfangabschnitt 54 besitzt eine Dicke T₂, die größer ist als die Dicke T₁ des stromaufwärtigen Abschnitts 56 des Metallgehäuses 40.
Der Übergangsabschnitt 58 hat einen schwach gekrümmten Durchmesseranstieg zwischen dem Durchmesser D₂ des Hauptschaufelfangabschnitt 54 und dem Durchmesser D₁ des stromaufwärtigen Abschnitts 56. Der Übergangsabschnitt 58 besitzt eine Dicke T₃, die im wesentlichen die gleiche ist wie die Dicke T₁ des stromaufwärtigen Abschnitts 56. Insbesondere ist der glatt-gekrümmte, im Durchmesser in Axialrichtung sich vergrößernde Übergangsabschnitt 58 durch zwei große Durchmesserradien R₁ und R₂ an seiner äußeren Oberfläche und einem einzigen Radius R₃ an seiner inneren Oberfläche definiert.
Es kann in gewissen Fällen zweckmäßig sein, eine Anzahl durchgehender Schichten aus kräftigem Faserstoffmaterial 64 um das Metallgehäuse 40 herumzuwickeln, um weiter die Energieabsorptionsfähigkeit der Fanschaufel-Berstschutzeinrichtung 38 zu erhöhen. Das kräftige Fasermaterial 64 kann beispielsweise aus verwebten, aromatischen Polyamidfasern bestehen, die unter dem Markennamen KEVLAR bekannt sind (KEVLAR ist eine registrierte Marke von Dupont Ltd.). Es kann außerdem eine Anzahl von Schichten aus einzelnen Stücken aus flexiblem Material aus verwebtem KEVLAR zwischen dem Metallgehäuse 40 und den kontinuierlichen Schichten aus Faserstoffmaterial 64 angeordnet werden.
Auf der inneren Oberfläche des Metallgehäuses 40 kann eine akustische Auskleidung 66 angeordnet werden. Die akustische Auskleidung 66 besteht aus einem Honigwabenaufbau 68 und einem perforierten Blech 70. Der Honigwabenaufbau 68 und das perforierte Blech 70 stellen eine übliche Maßnahme dar.
Wenn im Betrieb des Gasturbinentriebwerks 10 eine Fanlaufschaufel 34 oder ein Teil einer Fanlaufschaufel 34 abgeschleudert wird, erfolgt ein Auftreffen auf dem Metallgehäuse 40. Der Hauptschaufelfangabschnitt 54 des Metallgehäuses 40 wird durch die Fanlaufschaufel 34 oder einen Teil der Fanlaufschaufel 34 getroffen und nimmt wirksam Energie von der Fanlaufschaufel 34 oder dem Teil der Fanlaufschaufel 34 auf.
Die Schlagbelastungen werden von dem Hauptschaufelfangabschnitt 54 des metallischen Gehäuses auf den Flansch 42 am stromaufwärtigen Abschnitt 56 des metallischen Gehäuses 40 durch den Übergangsabschnitt 58 des Metallgehäuses 40 übertragen. Der Übergangsabschnitt 58 ist derart ausgebildet, dass er sich beim Aufprall infolge seiner glatt-gekrümmten Form ausbiegt, wodurch die Schlagbelastungen vermindert werden, die auf den stromaufwärtigen Flansch 42 übertragen werden. Der Übergangsabschnitt 58 ist verminderten örtlichen Beanspruchungen ausgesetzt, im Vergleich mit der oben erwähnten konventionellen Anordnung, weil die Dicke des Übergangsabschnitts 58 im wesentlichen gleich ist der Dicke des stromaufwärtigen Abschnitts 56 und wegen der großen Radien R₁, R₂ und R₃, die den Übergangsabschnitt 58 charakterisieren. Der Übergangsabschnitt 58 hat im Vergleich mit der oben erwähnten konventionellen Anordnung ein geringeres Gewicht, wegen der verringerten Materialmasse am Übergangsabschnitt 58.
Das metallische Gehäuse kann aus irgendeinem geeigneten Metall oder einer Metall-Legierung bestehen. Vorzugsweise besteht das Metallgehäuse aus einer Stahllegierung, aus Aluminium, aus einer Aluminiumlegierung, aus Magnesium, aus einer Magnesiumlegierung, aus Titan, aus einer Titanlegierung, aus Nickel oder einer Nickel-Legierung.
Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf ein metallisches Gehäuse beschrieben. Es ist jedoch auch möglich in Verbindung mit der Erfindung andere Gehäusetypen zu benutzen.
Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf eine Fanschaufel-Berstschutzeinrichtung beschrieben, jedoch ist sie in gleicher Weise anwendbar für eine Kompressorschaufel-Berstschutzeinrichtung und eine Turbinenschaufel-Berstschutzeinrichtung.

Claims

Berstschutzeinrichtung (38) für die Rotorschaufeln eines Gasturbinentriebwerks, mit einem allgemein zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Berstschutzgehäuse (40), das einen stromaufwärtigen Abschnitt (56), einen Schaufelfangabschnitt (54) und einen Übergangsabschnitt (58) aufweist, wobei der stromaufwärtige Abschnitt (56) einen Flansch (42) aufweist, der das Berstschutzgehäuse (40) mit einem axial benachbarten Gehäuse (46) verbindet, und der Schaufelfangabschnitt (54) stromab des stromaufwärtigen Abschnitts (56) liegt, und wobei der Durchmesser (D1) des stromaufwärtigen Abschnitts (56) des Gehäuses (40) größer ist als der Durchmesser (D2) des Schaufelfangabschnitts (54) und die Dicke (T2) des Schaufelfangabschnitts (54) größer ist als die Dicke (T1) des stromaufwärtigen Abschnitts (56), und der Übergangsabschnitt (58) den Schaufelfangabschnitt (54) mit dem stromaufwärtigen Abschnitt (56) verbindet, um Belastungen von dem Schaufelfangabschnitt (54) auf den Flansch (42) des stromaufwärtigen Abschnitts (56) zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsabschnitt (58) einen glatt-gekrümmten Übergang aufweist, der sich im Durchmesser zwischen dem Schaufelfangabschnitt (54) und dem stromaufwärtigen Abschnitt (56) vergrößert, dass der Übergangsabschnitt (58) eine glatt-gekrümmte äußere Oberfläche und eine glatt-gekrümmte innere Oberfläche aufweist, derart, dass die Dicke (T3) des Übergangsabschnitt (58) im wesentlichen die gleiche ist, wie die Dicke (T1) des stromaufwärtigen Abschnitts (56) des Berstschutzgehäuses (40), so dass sich der Übergangsabschnitt (58) ausbiegen kann, um die Schlagbelastungen zu reduzieren, die auf den Flansch (42) des stromaufwärtigen Abschnitts (56) übertragen werden.
Berstschutzeinrichtung für die Rotorschaufeln eines Gasturbinentriebwerks nach Anspruch 1, bei welcher die Dicke (T3) des Übergangsabschnitt (58) zwischen 75 % und 125 % der Dicke (T1) des stromaufwärtigen Abschnitts (56) des Berstschutzgehäuses (40) liegt.
Berstschutzeinrichtung für die Rotorschaufeln eines Gasturbinentriebwerks nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welchem das Berstschutzgehäuse (40) Rippen (55) und/oder Flansche aufweist.
Berstschutzeinrichtung für die Rotorschaufeln eines Gasturbinentriebwerks nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, bei welchem eine oder mehrere durchgehende Lagen eines kräftigen Fasermaterials (64) um das Berstschutzgehäuse (40) herum aufgewickelt sind.
Berstschutzeinrichtung für die Rotorschaufeln eines Gasturbinentriebwerks nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das Berstschutzgehäuse (40) aus einer Stahllegierung, aus Aluminium, aus einer Aluminiumlegierung, aus Magnesium, aus einer Magnesiumlegierung, aus Titan, aus einer Titanlegierung, aus Nickel oder aus einer Nickellegierung besteht.
Berstschutzeinrichtung für die Rotorschaufeln eines Gasturbinentriebwerks nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem eine akustische Auskleidung (66) innerhalb des Berstschutzgehäuses (40) angeordnet ist.
Berstschutzeinrichtung für die Rotorschaufeln eines Gasturbinentriebwerks nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem der Schaufelfangabschnitt (54) einen radial inneren und axial stromab verlaufenden Flansch (62) aufweist, der am stromaufwärtigen Ende des Schaufelfangabschnitts (54) angeordnet ist.
Berstschutzeinrichtung für die Rotorschaufeln eines Gasturbinentriebwerks nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem das Berstschutzgehäuse (40) ein Fan-Berstschutzgehäuse, ein Kompressor-Berstschutzgehäuse oder ein Turbinen-Berstschutzgehäuse ist.
Berstschutzeinrichtung für die Rotorschaufeln eines Gasurbinentriebwerks nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem die glatt-gekrümmte äußere Oberfläche durch zwei Radien definiert ist.
Berstschutzeinrichtung für die Rotorschaufeln eines Gasturbinentriebwerks nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem die glatt-gekrümmte innere Oberfläche durch einen Radius definiert ist.