DE69503130T2

DE69503130T2 - Gehäuse mit variabler wanddicke und verstärkungsraster

Info

Publication number: DE69503130T2
Application number: DE69503130T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey P. Ellington Ct 06029 Mccoy; Allan R. Amston Ct 06231 Penda
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1994-04-29
Filing date: 1995-04-24
Publication date: 1999-02-18
Anticipated expiration: 2015-04-25
Also published as: EP0760052A1; EP0760052B1; JPH09512609A; JP3604146B2; US5485723A; WO1995030075A1; DE69503130D1

Description

Die Erfindung betrifft Flugzeugturbobläsermaschinen und insbesondere eine Struktur zum Zurückhalten gebrochener Bläserlaufschaufeln, die für eine effiziente Herstellung ausgelegt ist.
Turbobläserflugzeugtriebwerke haben große Bläser an dem vorderen Ende. Diese rotieren bei einer hohen Drehzahl von etwa 4000 Umdrehungen pro Minute.
Fremdkörper wie Vögel, Hagelkörner oder vom Boden aufgenommener Schmutz kann gelegentlich die Bläserlaufschaufeln treffen. Es ist möglich, daß das ein Brechen der Bläserlaufschaufeln bewirkt, wobei Bruchstücke in der Größenordnung von 7 Kilogramm sich mit 930 Metern pro Sekunde bewegen. Es ist essentiell, diese Laufschaufelfragmente ohne eine völlige Zerstörung des umgebenen Gehäuses zurückzuhalten.
US-A-4,012,549 beschreibt eine Isogitterstruktur, die für Luft- und Raumfahrtanwendungen geeignet ist und ein Gitter aus Flanschrippen in einer isometrischen, Dreiecksbeziehung mit Flanschen an einer Seite jeder Rippe und einer Deckschicht an der anderen Seite, was dreieckförmige Isogittersegmente zwischen den Rippen bildet, aufweist, wobei die Gesamtdicke des Isogitters konstant ist.
Eine Rückhaltestruktur der Isogitterkonstruktion ist in unserer ebenfalls anhängigen Patentanmeldung gezeigt, die als WO 95/30073 veröffentlicht wurde. Die innere Deckschicht der Isogitterstruktur, wie sie dort gelehrt wird, verwendet unterschiedliche Dicken, so daß eine passende Widerstandsfähigkeit gegen Laufschaufeldurchdringung und Anreiben mit einem Minimum an überschüssigem Gewicht erzielt wird. Es wird auch vorgeschlagen, daß die Dickenänderung der Deckschicht nicht zu abrupt sein soll und daß es dort folglich Zwischenflächensegmente mit Zwischendicken gibt.
Bei der üblichen Konstruktion und Herstellung einer solchen Struktur wird ein Großteil jedes dreieckförmigen Segments, wovon es über 1000 gibt, mit einem ersten Werkzeug herausgearbeitet, und es bleibt eine Deckschichtdicke mit dem speziellen Wert übrig. Ein zweites Werkzeug wird verwendet, um das Material unter dem Flansch der Flanschrippen um den Dreiecksumfang wegzuarbeiten. Üblicherweise sind alle Flansche mit der gleichen Dicke ausgelegt, und folglich muß, wenn sich die Deckschichtdicke ändert, ein anderes Werkzeug verwendet werden, um das Material unter dem Flansch wegzufräsen.
Das Herstellungsverfahren beinhaltet das Plazieren des speziellen Werkzeugs in der Fräsmaschine und das Fräsen der Isogittersegmente des ganzen Gehäuses, was das spezielle Maß verwendet. Das etwa drei Meter Durchmesser messende Gehäuse wird komplett rotiert, um Zugang zu all den passenden Segmenten zu erhalten. Das Werkzeug muß dann gewechselt werden, und die Vorrichtung muß für das nächste Werkzeug neu positioniert werden.
Es hat sich gezeigt, daß dieses Erfordernis nach mehreren Werkzeugen einen beträchtlichen Aufwand erfordert und viel Zeit benötigt. Folglich ist es erwünscht, eine modifizierte Konstruktion zu haben, die mit weniger unterschiedlichen Fräswerkzeugen ohne eine substantielle Gewichtserhöhung hergestellt werden könnte.
Zusammengefaßt ist eine zylinderförmige Isogitterstruktur für geringes Gewicht ausgelegt. Die Deckschichtdicke ändert sich wie nötig. Optimal wäre es, wenn die Dicke aller Flansche oder Aufsätze des Isogitters gleich wäre. Das führt zu einem Bearbeitungsvorgang, der mit relativ hohen Kosten verbunden ist.
Gemäß der Erfindung wird ein zylinderförmiges Isogitter-Bläser- Rückhaltegehäuse für eine Turbobläsergasturbinenmaschine geschaffen, bei der das Gehäuse aus einem Isogitter gebildet ist, das ein Gitter mit Flanschrippen in isometrischer Dreiecksbeziehung und mit Flanschen an dem Außenrand jeder Rippe und einer Deckschicht an dem Innenrand des Isogitters hat, wodurch die dreieckförmigen Isogittersegmente zwischen den Rippen gebildet sind, und so eine Mehrzahl von axialen Reihen von dreieckförmigen Segmenten gebildet ist; wobei das Isogitter eine konstante Gesamtdicke hat, die aus der Deckschichtdicke, der Rippenhöhe und der Flanschdicke besteht, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche dreieckförmige Isogittersegmente unterschiedliche Deckschichtdicken und Flanschdicken aber die gleiche Rippenhöhe besitzen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform gehören zu Zwischenflächen- Deckschicht-Dickenabschnitten, von denen es nur ein paar gibt, übermäßig dicke Flansche. Die dünne hintere Zone hat auch eine übermäßige Flanschdicke, hier wird aber eine hohe Steifigkeit benötigt, um den Rückschlagkräften der Laufschaufelbruchstücke zu widerstehen.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun nur beispielhaft und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine isometrische Ansicht eines Gasturbinenmaschinen- Turbobläsers;
Fig. 2 ist ein Schnitt durch das Gehäuse, der dessen Beziehung zu der Bläserlaufschaufel zeigt;
Fig. 3 ist eine Ansicht des Isogitters; und
Fig. 4 ist ein Schnitt 4-4 von Fig. 3, der einige benachbarte Abschnitte zeigt.
Es wird auf die Fig. 1 Bezug genommen. Die Turbobläser- Flugzeuggasturbinenmaschine 10 hat eine Mehrzahl von rotierenden Bläserlaufschaufeln 12 an dem vorderen Ende. Ein Gehäuse 14 von etwa 2,4 Metern Durchmesser umgibt diese Laufschaufeln und ist von Verstrebungen 16 abgestützt. Das Gehäuse hat eine Isogitterstruktur 20 mit einer damit verbundenen Aluminiumblech-Metallplatte 18, die von mehreren Wicklungen aus einem ballistischen Textilgewebematerial 22 umgeben ist. Es hat auch an einer radial inneren Oberfläche einen Verschleißstreifen 24 und ein schalltilgendes Wabenmaterial 26.
Fig. 2 ist ein Schnitt durch das Gehäuse 14. An dem vorderen Ende des Gehäuses ist eine vordere Rückhaltezone 30, die sich strömungsaufwärts der Laufschaufel 12 befindet. Strömungsabwärts von der vorderen Rückhaltezone ist die Rückhaltezone 32 in der Ebene. Diese ragt ein gutes Stück in die Zone der Laufschaufel 12, sie muß sich aber nicht ganz bis zum hinteren Ende der Laufschaufel erstrecken. Eine hintere Rückhaltezone 34 folgt dieser, und schließlich folgt die rückwärtige Abstützzone 36.
Fig. 3 ist eine Ansicht des Isogitters, die die gleichen Zonen zeigt. Das Isogitter ist aus einer Mehrzahl von Rippen 38 in einer isometrischen Dreiecksform gebildet. Jede Rippe ist von einem Aufsatz oder einem Flansch 44 flankiert, der an dem radial äußeren Rand des Isogitters angeordnet ist, wobei eine innere Deckschicht 46 mit der Rippenstruktur integral ist (Fig. 4).
Eine Mehrzahl von Deckschichtsegmenten 48 ist von den Rippen gebildet. Die Dicke der verschiedenen Deckschichtsegmente variiert, um Gewicht einzusparen und dabei dennoch ein adäquates Rückhalten freigewordener Bruchstücke vorzusehen und die Größe der durch die gelöste Laufschaufel gebildete Öffnung und das Rißbilden am Gehäuse durch Stoß- und Unwuchtbelastungen zu minimieren. Ein Augenmerk ist auch die adäquate Steifigkeit, um eine Verformung des Gehäuses unter der Last des herumgewickelten Textilmaterials, der Belastung durch das Zurückhalten und der Belastung durch das Zurückschlagen eines Laufschaufelbruchstücks zu vermeiden. Es muß auch eine adäquate Gehäusesteifigkeit für Abstand von der Resonanzgrenze bestehen und, um ein Verformen wegen der auskragenden Belastung von den Abstützstreben 16 zu vermeiden. Die Struktur muß auch eine Auflagefläche für den Bläserrotor mit Unwucht haben, zu der es nach dem Verlust einer Laufschaufel kommen wird. Die Maschine muß in der Lage sein, bis zum Anhalten auszulaufen, ohne Zerstörung des Gehäuses.
Das vordere Deckschichtsegment 50 ist 3,81 mm dick, wobei das Deckschichtgehäuse 51 4,83 mm dick ist. Beim Annähern an die Bläserrückhaltezone werden die Deckschichtgehäusesegmente 52 5,72 mm dick. Fortschreitend zu dem hinteren Ende des Gehäuses ist das Segment 53 4,83 mm dick, und die Segmente 54 sind 3,81 mm dick. Schließlich sind die Segmente 55 und 56 2,92 bzw. 2,03 mm dick.
Benachbarte Deckschichtsegmente über Rippen unterscheiden sich von dem benachbarten Segment um nicht mehr als 30% in den Rückhaltezonen, die einem Durchdringen durch Laufschaufeln ausgesetzt sind, diese sind die vordere Rückhaltezone, die Rückhaltezone in der Ebene und die hintere Rückhaltezone. In der rückwärtigen Abstützzone unterscheiden sich benachbarte Dicken um nicht mehr als 50%. Es hat sich herausgestellt, daß übermäßige Dickenunterschiede über eine Rippe bewirkt haben, daß die von einer durchdringenden Laufschaufel gebildeten Öffnungen Bruchlinien folgen und größer als wünschenswert sind.
Die Mittellinie 60 der Fig. 3 geht durch eine axiale Reihe von dreieckförmigen Segmenten. Von dem vorderen Ende zu dem hinteren Ende folgend gibt es ein Segment 50 mit 3,81 mm Dicke gefolgt von dem Segment 51 mit 4,83 mm. Drei Segmente 52 folgen mit 5,72 mm und dann ein einziges Segment 53, das 4,83 mm dick ist, was gleich ist wie das Segment 51.
Dem folgt eine Gruppe aus vier Segmenten 54, von denen jedes 3,81 mm Dicke hat, was das gleiche ist wie beim vorderen dreieckförmigen Segment 50. Danach folgt ein einzelnes Segment 55 von 2,92 mm Dicke. Dann folgen fünf dreieckförmige Segmente reduzierter Dicke mit je 2,03 mm.
Fig. 4 zeigt die Isogitterstruktur mit einer Gesamtdicke 62 von 3,45 cm. Der Flansch 64 ist der normal ausgelegte Flansch mit einer Dicke 66 von 0,37 cm basierend auf der Gesamtsteifigkeit, die von der Isogitterstruktur benötigt wird. Bei einer Dicke der Deckschicht 52 von 5,72 mm ist die erforderliche Rippenhöhe 68 2,51 cm. Ein Fräs- Schneidwerkzeug 70 hat diese Höhe und wird verwendet, um die Ränder der Rippen 38 in einer Tasche 72 wegzuarbeiten. Das schafft die Auslegungsanforderungen.
Wenn die konventionelle Konstruktion verwendet würde, hätte der Flansch 74 die gleiche Dicke, nämlich die Dicke 66. In diesem Fall könnte das Fräswerkzeug 70 nicht verwendet werden, sondern müßte durch ein neues Werkzeug ausgetauscht werden. Auf Kosten von ein weniger überschüssigem Gewicht, hat der Flansch 74 eine erhöhte Dicke 76 und zwar in Übereinstimmung mit der verringerten Dicke der Deckschicht 53, so daß die gleiche Rippenhöhe 68 verwendet werden kann.
Es wird wieder auf die Fig. 3 Bezug genommen. Die übermäßige Dicke an einer Seite des Flansches tritt nur in den Übergangssegmenten 51, 53 und 55 auf. Es gibt auch eine übermäßige Stegdicke in den Segmenten 56, aber das ist eine Zone, die wegen der Rückschlagkräfte von der Laufschaufel zusätzliche Steifigkeit benötigt.
In einer Art ähnlich der Tasche 72 ist eine Tasche 80 mit der gleichen Flanschdicke 66 für die verringerte Deckschichtdicke 54 ausgelegt, was zu einem größeren Schneidwerkzeug führt, um die Rippenhöhe 82 zu bearbeiten. Dieses Schneidwerkzeug voller Größe wird auch für die folgenden Segmente verwendet.
Während wegen des minimalen Einsatzes einer Mehrzahl von Schneidwerkzeugen überschüssiges Gewicht toleriert wird, ist dieses Gewicht nur in einer der wenigen Zwischenflächenzonen oder in den hinteren Bereichen angeordnet, wo bereits zusätzliche umfangsmäßige Rippen 82 wegen der Notwendigkeit zusätzlicher Steifigkeit angeordnet werden.

Claims

1. Zylinderförmiges Isogitter-Bläser-Rückhaltegehäuse (14) für eine Turbobläsergasturbinenmaschine (10), bei der das Gehäuse aus einem Isogitter (20) gebildet ist, das ein Gitter mit Flanschrippen (38) in isometrischer Dreiecksbeziehung und mit Flanschen (44) an dem Außenrand jeder Rippe und einer Deckschicht (46) an dem Innenrand des Isogitters hat, wodurch die dreieckförmigen Isogittersegmente (50-56) zwischen den Rippen gebildet sind, und so eine Mehrzahl von axialen Reihen von dreieckförmigen Segmenten gebildet ist; wobei das Isogitter eine konstante Gesamtdicke hat, die aus der Deckschichtdicke, der Rippenhöhe und der Flanschdicke besteht, dadurch gekennzeichnet, daß es unterschiedliche dreieckförmige Isogittersegmente (52, 53) gibt, die unterschiedliche Deckschichtdicken und Flanschdicken (66, 76) aber die gleiche Rippenhöhe (68) besitzen.

2. Bläser-Rückhaltegehäuse nach Anspruch 1, wobei jede axiale Reihe dreieckförmiger Segmente aufweist:

eine erste Mehrzahl benachbarter Segmente (52) mit einer ersten Deckschichtdicke;

eine zweite Mehrzahl benachbarter Segmente (54) mit einer zweiten Deckschichtdicke;

ein Zwischensegment (53) mit einer Deckschichtdicke zwischen der ersten Deckschichtdicke und der zweiten Deckschichtdicke; und

wobei die Rippenhöhe (18) des Zwischensegments (53) gleich der Rippenhöhe (68) von einer Mehrzahl benachbarter Segmente (52) aber verschieden von der Rippenhöhe (82) der zweiten Mehrzahl von benachbarten Segmenten (54) ist.

3. Bläser-Rückhaltegehäuse nach Anspruch 2, ferner aufweisend:

eine Mehrzahl von hinteren Segmenten (56) an einem hinteren Ort mit geringerer Deckschichtdicke als sowohl die erste als auch die zweite Deckschichtdicke; und

wobei die Rippenhöhe der hinteren Segmente ein Minimum von allen Rippenhöhen an vorderen Orten ist.