DE60203870T2

DE60203870T2 - Gebläseschaufel mit zerbrechlicher Spitze

Info

Publication number: DE60203870T2
Application number: DE60203870T
Authority: DE
Inventors: Valerio Gerez; Edouard Jadczak
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2001-11-14
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2022-11-15
Also published as: US20050106002A1; EP1312762B1; EP1312762A1; WO2003042504A1; DE60203870D1; FR2832191B1; FR2832191A1; CA2465837A1; CA2465837C; JP4058000B2; JP2005509775A; US7114912B2

Description

Diese Erfindung betrifft ein Turbotriebwerk für Luftfahrzeuge, das nach Auftreten einer durch einen Schaden bedingten Unwucht an einem Rotor, die beispielsweise durch einen Bruch einer Gebläseschaufel durch Auftreffen eines Fremdkörpers verursacht wird, in eingeschränktem Betrieb gehalten werden kann.
Insbesondere betrifft sie ein Turbotriebwerk für Luftfahrzeuge mit einem Gebläse, dessen Nabe von einer Welle angetrieben wird, die von mindestens einem Lager gehalten wird, das mit dem festen Aufbau des Turbotriebwerks durch eine Lagerhalterung mit einer dazwischen angeordneten Entkoppelungsvorrichtung verbunden ist, wobei die genannte Nabe an ihrem Außenumfang eine Vielzahl von Schaufeln aufweist, die sich im Inneren eines Traggehäuses mit einem radialen Spiel E zwischen den Spitzen dieser Schaufeln und der Innenwand des Traggehäuses bewegen, wobei diese Innenwand mit einer Schicht eines abriebfähigen Materials beschichtet ist, welches durch die Spitzen der sich drehenden Schaufeln abgeschabt werden kann.
Der Stand der Technik ist in FR 2 749 883 dargestellt. In dieser Schrift wird die Entkoppelungsvorrichtung durch Sollbruchverbindungen gebildet, und das radiale Spiel E zwischen den Schaufelspitzen und der Innenwand des Gehäuses ist ausreichend groß bestimmt, damit der Rotor von dem Lager auch nach einem Bruch der Sollbruchelemente noch immer in einer Drehbewegung geführt wird und nicht mit dem Gehäuse in Berührung kommt, zumindest bei normalen Drehzahlen des Turbotriebwerks in dessen Flug-Drehzahlbereich und bei einem vorbestimmten Beschädigungsgrad, so dass verhindert wird, dass die Spitzen der Schaufeln an dem Traggehäuse reiben, was möglicherweise einen Brand bewirken könnte und den Betrieb des Rotors selbst in Richtung hoher Drehzahlen verschieben könnte.
Auf Grund der relativ großen Stärke des Abriebmaterials und der Tatsache, dass die Innenseite des Abriebmaterials sich aus aerodynamischen Gründen in der Verlängerung der Luft-Eintritts- und -Austrittsbereiche des Gebläses befindet, ist die Geometrie des Traggehäuses relativ kompliziert, was hohe Herstellungskosten und eine große Masse und großen Platzbedarf bedeutet.
Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, ein Turbotriebwerk wie in der Einleitung definiert vorzuschlagen, bei dem das für die Funktion der Entkoppelungsvorrichtung notwendige Spiel größer ist als die Stärke der Abriebmaterialschicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Spitzen der Schaufeln im Falle eines Stoßes als Folge einer Unwucht, die das Entkoppeln des Lagers nach sich gezogen hat, geeignet sind, durch die Innenwand des Traggehäuses zu zerfallen, damit ein Spiel J > E hergestellt wird, das für die Funktion der Entkoppelungsvorrichtung notwendig ist.
Vorteilhafterweise weisen die Schaufeln nahe bei ihrer Spitze einen Sollbruch-Bereich auf, der ausreichend fest ist, dass die Spitzen dieser Schaufeln ihre Bahn in dem Abriebmaterial des Traggehäuses verfolgen können, und ausreichend brüchig ist, dass er bei Eintreten einer gewaltsamen Berührung der Spitzen dieser Schaufeln mit der Innenwand des Traggehäuses bricht.
Daher entsteht das für die Funktion der Entkoppelungsvorrichtung notwendige Spiel nicht nur durch Zerfallen des Abriebmaterials des Traggehäuses, sondern auch und vor allem durch Zerfallen der Spitze mindestens einiger Schaufeln des Gebläses.
Die Stärke des Abriebmaterials kann daher stark reduziert werden, wodurch die Geometrie des Traggehäuses einfacher wird, seine Masse und Herstellungskosten verringert werden.
Außerdem ist zu bemerken, dass das Zerfallen der Spitzen im Prinzip an den Schaufeln erfolgt, die entgegengesetzt zu der beschädigten und die Unwucht verursachenden Schaufel angeordnet sind. Daraus folgt, dass die Unwucht infolge des Zerfallens jener Schaufelspitzen verringert wird.
Vorteilhafterweise wird der Sollbruch-Bereich mittels einer Rille hergestellt, die parallel zur Spitze an einer Seite jeder Schaufel in dem Basismaterial, aus dem diese Schaufel besteht, ausgeführt ist, wobei der Hohlraum dieser Rille mit einem Harz gefüllt wird, um die aerodynamische Kontinuität dieser Seite zu wahren.
Diese mit Harz gefüllte Rille ermöglicht es ferner, das Gewicht der Schaufel für den Fall eines Bruchs zu verringern.
Die Tiefe der Rille ist dergestalt berechnet, dass die übrigbleibende Wand dünn und ausreichend fest ist, um das Abschleifen des Abriebmaterials zu ermöglichen, und dabei gleichzeitig ausreichend brüchig ist, um im Falle eines Stoßes der Schaufelspitze gegen die Innenwand des Traggehäuses zu zerbrechen.
Die Rille wird vorzugsweise an der Saugseite der Schaufel ausgeführt.
Vorzugsweise weist die Innenwand des Traggehäuses im Wesentlichen axial verlaufende Rippen auf, die eine Raspel bilden, um das Zerfallen der Schaufelspitzen bei einer schadenbedingten Unwucht nach Abrieb des Abriebmaterials durch die Schaufelspitzen zu erleichtern. Diese Raspel weist ferner den Vorteil auf, dass das Abriebmaterial besser festgehalten wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die als Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, wobei
1 in einem axialen Halbschnitt eine Gebläseschaufelspitze nahe bei dem Traggehäuse in einem Turbotriebwerk ohne Entkoppelungsvorrichtung nach dem Stand der Technik zeigt,
2 in einem axialen Halbschnitt eine Gebläseschaufelspitze nahe bei dem Traggehäuse in einem Turbotriebwerk mit Entkoppelungsvorrichtung nach dem Stand der Technik zeigt,
3 das Ende einer Gebläseschaufel und den dem Traggehäuse nahe kommenden Teil in einem Turbotriebwerk gemäß dieser Erfindung zeigt,
4 eine Schnittansicht gemäß der Linie IV-IV von 3 zeigt,
5 eine seitliche Schnittansicht der Saugseite des erfindungsgemäßen Schaufelendes gemäß der Linie V-V von 7 zeigt,
6 in einem axialen Schnitt gemäß der Linie VI-VI von 5 zeigt, und
7 einen Schnitt durch die Außenumfangslinie des Sollbruch-Bereichs des Schaufelendes gemäß der Linie VII-VII von 5 zeigt.
Die 1 und 2 zeigen den radial äußeren Teil einer Gebläseschaufel 1 eines Zweikreis-TL-Triebwerks, deren Spitze 2 in die Nähe der Innenwand 3 eines das Gebläse umgebenden Traggehäuses 4 kommt.
Der ringförmige, zylindrische Teil 5 der Innenwand 3, der sich gegenüber den Spitzen 2 der Schaufeln 1 befindet, ist mit einer Schicht 6 eines abriebfähigen Materials beschichtet, deren Innenwand 7 durch die Spitzen der Schaufeln 1 bei den ersten Drehungen des Gebläses abgeschabt werden kann, wobei diese Wand 7 jedoch annähernd in der Verlängerung der Innenwand 3 des Traggehäuses 4 bleibt.
Mit dem Bezugszeichen E wurde das Spiel zwischen den Spitzen 2 der Schaufeln 1 und der Innenwand 5 des Traggehäuses 4 bezeichnet, wobei dieses Spiel E während des Normalbetriebs des Turbotriebwerks durch die Schicht 6 aus abriebfähigem Material verdunkelt ist.
Die Schicht 6 aus abriebfähigem Material hat zwei Grundfunktionen. An erster Stelle wird im Normalbetrieb des Turbotriebwerks, d. h. ohne schadensbedingte Unwucht des Gebläses, der Zwischenraum zwischen den Spitzen 2 der Schaufeln 1 und der Innenwand 7 der Schicht 6 aus abriebfähigem Material, der durch Hobeln hergestellt wird, so weit wie möglich verringert, so dass Lecks durch diesen Zwischenraum und damit eine Verschlechterung der Leistung des Gebläses vermieden werden können.
Die zweite Funktion der Schicht 6 besteht darin, nach Auftreten einer durch einen Schaden bedingten Unwucht infolge des Brechens einer Schaufel, die eine radiale Verschiebung D der sich drehenden Achse des Gebläses aus der ursprünglichen Drehachse bewirkt, einen eingeschränktem Betrieb zu ermöglichen. Diese Verschiebung D bewirkt ein Abhobeln der Schicht 6 aus abriebfähigem Material durch die Spitzen 2 der intakten Schaufeln.
Die Stärke E des Abriebmaterials wird in Abhängigkeit von der Verschiebung D bestimmt, die für einen vorbestimmten Schaden an einer Schaufel 1 berechnet wird, wobei diese Verschiebung D eine Funktion der Steife der Halterungen des Lagers ist, welches die Antriebswelle der Nabe des Gebläses hält.
Es ist zu sehen, dass das in 1 gezeigte Spiel E deutlich kleiner ist als das in 2 gezeigte Spiel E. In der Tat betrifft 1 ein klassisches Turbotriebwerk ohne Entkoppelungsvorrichtung, d. h. dass das Lager der Welle immer starr mit dem festen Aufbau des Stators verbunden ist.
2 hingegen betrifft ein Turbotriebwerk mit einer Entkoppelungsvorrichtung, d. h. dass die Lagerhalterung mit dem festen Aufbau durch eine Entkoppelungsvorrichtung verbunden ist, die beispielsweise aus brüchigen Befestigungen bestehen, die beim Auftreten einer Unwucht brechen, wodurch die Starrheit des Lagers verringert wird. Die geometrische Achse des Gebläses verschiebt sich dabei um eine Distanz D der neuen Drehachse des Gebläses, wobei diese Distanz D größer ist als die entsprechende Distanz, die sich bei den gleichen Ursachen bei einem Turbotriebwerk ohne Entkoppelungsvorrichtung einstellt. Aus diesem Grund ist das radiale Spiel E zwischen den Spitzen 2 der Schaufeln 1 und der Innenwand 5 des Gehäuses 4 in dem Beispiel von 2 größer als in dem Beispiel von 1.
Die Erfindung betrifft ein Turbotriebwerk mit Entkoppelungsvorrichtung.
Wie in den 3 bis 7 gezeigt, reichen die Spitzen 2 der Schaufeln 1 des Gebläses eines Turbotriebwerks mit Entkoppelungsvorrichtung gemäß dieser Erfindung bis in die Nähe der Innenwand 3 des Traggehäuses 4, das das Gebläse umgibt. Der ringförmige, zylindrische Teil 5 der Innenwand 3, der sich gegenüber den Spitzen 2 der Schaufeln 1 befindet, ist mit einer Schicht 6 eines abriebfähigen Materials beschichtet, deren Innenwand 7 durch die Spitzen 2 der Schaufeln bei den ersten Drehungen des Gebläses abgeschabt wird, wobei diese Wand 7 annähernd in der Verlängerung der Innenwand 3 des Traggehäuses 4 bleibt.
Wie in 3 zu sehen, ist die Stärke E der abriebfähigen Beschichtung im Wesentlichen gleich der in 1 dargestellten, die ein klassisches Turbotriebwerk ohne Entkoppelungsvorrichtung betrifft und für die Funktion der Entkoppelungsvorrichtung im Falle einer schadensbedingten Unwucht nicht ausreicht.
Um das Spiel J > E zu erhalten, das für den eingeschränkten Betrieb des Turbotriebwerks im Falle einer schadensbedingten Unwucht erforderlich ist, sieht die Erfindung vor, dass die Spitzen 2 der Schaufeln 1 durch die Einwirkung der Innenwand 5 des Gehäuses 4 nach einem totalen Abhobeln der Schicht 6 aus abriebfähigem Material infolge des Auftretens der schadensbedingten Unwucht, die das Abkoppeln des Lagers zur Folge hat, weiches die Antriebswelle der Nabe 8 des Gebläses 9 hält, zerfallen können.
Zu diesem Zweck weist jede Schaufel 1, wie in den 5 bis 7 dargestellt, nahe bei ihrer Spitze 2 einen Sollbruch-Bereich 10 auf, der mittels einer Rille 11 erzielt wird, die parallel zu ihrer Spitze 2 an der Saugseite 12 ausgeführt ist. Diese Rille 11 ist mit einem Harz 13 gefüllt, das die aerodynamische Kontinuität der Saugseite 12 im Bereich der Spitze 2 gewährleistet. Die Rille 11 ist in dem Basismaterial der Schaufel 1 mit einer Tiefe dergestalt ausgeführt, dass die übrigbleibende Basismaterial-Wand des Sollbruch-Bereichs an der Vorderkante 14, der Druckseite 15 und der Hinterkante 16 eine ausreichende Festigkeit aufweist, um das Abschleifen der Abriebmaterialschicht 6 zu ermöglichen, und dabei ausreichend brüchig ist, um bei Auftreten eines Stoßes zwischen der Schaufelspitze 2 und der Innenwand 5 des Traggehäuses 4 zu zerbrechen.
Wie in 4 dargestellt, weist die Innenwand 5 des Traggehäuses 4 eine Vielzahl von im Wesentlichen axial verlaufenden Rippen 17 auf, die eine Raspel bilden und das Brechen der Sollbruch-Bereiche 10 im Falle einer Unwucht nach Abrieb des Abriebmaterials erleichtern.
In 3 wird mit E die Stärke der Schicht 6 des Abriebmaterials und mit J das Spiel, das durch das Zerfallen der Schaufelspitzen hergestellt wird, bezeichnet. Vorzugsweise ist das Spiel E kleiner als ein Drittel des Spiels J.
Dadurch, dass mit dieser Erfindung die Stärke E des Abriebmaterials relativ gering ist, wird die Geometrie des Traggehäuses vereinfacht, desgleichen seine Masse und seine Abmessungen um das Gebläse herum.
Das Harz 13 wird nach einem Brechen des Sollbruch-Bereichs abgerissen, wodurch das Gewicht der Schaufel 1 bei einem Zerfallen ihrer Spitze 2 verringert werden kann.
In Betrieb erfolgt das Zerfallen der Spitzen 2 an den Schaufeln 1, die entgegengesetzt zu der beschädigten Schaufel, die die schadenbedingte Unwucht verursacht hat, an der Nabe 8 angeordnet sind. Daraus folgt, dass sich der Schwerpunkt des Gebläses nach dem Zerfallen dieser Spitzen seiner Geometrieachse annähert, wodurch die Unwucht verringert wird.

Claims

Turbotriebwerk für Luftfahrzeuge mit einem Gebläse (9), dessen Nabe (8) von einer Welle angetrieben wird, die von mindestens einem Lager gehalten wird, das mit dem festen Aufbau des Turbotriebwerks durch eine Lagerhalterung mit einer dazwischen angeordneten Entkoppelungsvorrichtung verbunden ist, wobei die genannte Nabe an ihrem Außenumfang eine Vielzahl von Schaufeln (1) aufweist, die sich im Inneren eines Traggehäuses (4) mit einem radialen Spiel E zwischen den Spitzen (2) dieser Schaufeln (1) und der Innenwand (5) des Traggehäuses (4) bewegen, wobei diese Innenwand (5) mit einer Schicht (6) eines abriebfähigen Materials beschichtet ist, welches durch die Spitzen der sich drehenden Schaufeln abgeschabt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitzen (2) der Schaufeln (1) geeignet sind, im Falle eines Stoßes als Folge einer Unwucht, die das Entkoppeln des Lagers nach sich gezogen hat, durch die Innenwand (5) des Traggehäuses (4) zu zerfallen, um ein Spiel J > E herzustellen, das für die Funktion der Entkoppelungsvorrichtung notwendig ist.
Turbotriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (1) nahe bei ihrer Spitze (2) einen Sollbruch-Bereich (10) aufweisen, der ausreichend fest ist, dass die Spitzen (2) dieser Schaufeln (1) ihre Bahn in dem Abriebmaterial des Traggehäuses (4) verfolgen können, und ausreichend brüchig ist, dass er bei Eintreten einer gewaltsamen Berührung der Spitzen (2) dieser Schaufeln (1) mit der Innenwand (5) des Traggehäuses (4) bricht.
Turbotriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollbruch-Bereich (10) mittels einer Rille (11) hergestellt wird, die parallel zur Spitze (2) an einer Seite jeder Schaufel in dem Basismaterial, aus dem diese Schaufel besteht, ausgeführt ist, wobei diese Rille (11) mit einem Harz (13) gefüllt wird, um die aerodynamische Kontinuität dieser Seite zu wahren.
Turbotriebwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rille (11) an der Saugseite (12) der Schaufel (1) ausgeführt ist.
Turbotriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (5) des Traggehäuses (4) im Wesentlichen axial verlaufende Rippen (17) aufweist, um das Zerfallen der Spitzen (2) der Schaufeln (1) im Fall einer Unwucht nach dem Abrieb des Abriebmaterials durch die Schaufelspitzen zu erleichtern.
Turbotriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiel E kleiner ist als ein Drittel des Spiels J.