DE7403536U

DE7403536U - Mehrschichtige verbundschutzplatte fuer flugzeug-turbinentriebwerke

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Publication number: DE7403536U
Application number: DE7403536U
Authority: DE
Original assignee: Norton Co
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1973-02-02
Filing date: 1974-02-01
Publication date: 1976-01-22
Also published as: IT1004855B; GB1453873A; FR2216174A1; JPS5855040B2; FR2216174B1; JPS49111400A; DE2404939A1

Description

V Mehrschichtige Verbundschutzplatte für Flugzeug-Turbinentriebwerke

Die Neuerung betrifft eine mehrschichtige Verbundschutzplatte für Flugzeug-Turbinentriebwerke zum Schützen lebenswichtiger Flugzeugteile gegen Beschädigung durch weggeschleuderte Bruchstücke eines zerstörten umlaufenden Turbinentriebwerkbauteils.

Bei Turbinentriebwerken besteht die Gefahr des Auftretens von Schäden, z_oB. des Bruchs eines umlaufenden Triebwerkbauteils, beispielsweise eines Läufers oder einer Läuferschaufel, die vielfach mit einer Drehzahl von etwa 40 000 U/min umlaufen. Wenn ein solches Turbinentriebwerkbauteil bricht, besteht die Gefahr, daß ein Bruchstück z.B. einer Läuferscheibe von der Welle mit einer Geschwindigkeit von 150 bis 240 m/sec weggeschleudert wird. Die kinetische Energie eines solchen Bruchstücks kann einen Wert von etwa 23 mkg erheblich überschreiben.

Ein solches Vorkommnis führt regelmäßig zu einer mehr oder weniger erheblichen Beschädigung des Triebwerks. Eine noch größere Gefahr besteht jedoch in der hohen Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung

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des durch das Triebwerk anzutreibenden Flugzeugs oder eines anderen Fahrzeugs und der Verletzung von Insassen des Flugzeugs. Natürlich besteht eine besondere Gefahr auch darin, daß das Flugzeug während des Fluges beschädigt werden kann. Beispielsweise kann bei Flugzeugen, bei denen ein oder mehrere Triebwerke in der Nähe des Leitwerks angeordnet sind, der Bruch eines Turbinenläufers katastrophale Folgen für die hydraulischen Betätigungseinrichtungen für die waagerechten und senkrechten Flossen haben» Bei Flugzeugen^ bei denen die Triebwerke an den Tragflügeln angebracht sind, besteht eine ähnliche Gefahr einer Beschädigung von Steuereinrichtungen; ferner können in den Tragflügeln untergebrachte Kraftstoffbehälter aufgerissen werden, und Bruchstücke von Triebwerksteilen können in den Rumpf des Flugzeugs eindringen und zu Verletzungen bei den Insassen führen.

Es würde als naheliegend erscheinen, Schutzschirme oder -gehäuse aus Stahlplattan auf dem Turbinentriebwerk selbst oder an einer passenden Stelle zwischen dem Triebwerk und denjenigen Flugzeugteilen anzuordnen, die gegen weggeschleuderte Bruchstücke geschützt werden sollen. Diese Lösung ist jedoch bei Flugzeugen mit Turbinenbzw. Turbostrahltriebwerken nicht annehmbar, da sich eine erhebliche Gewichtsbelastung ergeben würde, wenn man Stahlplatten verwendete, deren Dicke ausreicht, um ein sich mit hoher Geschwindigkeit bewegendes Bruchstück eines zerstörten Turbinenläufers oder einer Verdichterläuferscheibe aufzufangen.

Daher ist in der US-PS 3 203 180 eine Schutzvorrichtung beschrieben, die aus einer mehrschichtigen Schutzplatte gefertigt ist. Sie ist nicht als einfache kräftige Platte aus Stahl ausgebildet, sondern aus einem aufgewickelten Streifen aus nichtrostendem Stahl,' der die Prallschicht bildet und einer Stützschicht aus Blech, die als das die Prallschicht umschließendes Gehäuse geformt ist und mit der Prallschicht eine Verkleidung bildet, die den Teil des Triebwerks umschließt, in dem sich die beschaufelten Turbinenläuferscheiben befinden.

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In der US-PS 3 357 657 ist ein Brandschott beschrieben, das auf dem Triebwerk oder je nach der Lage des Triebwerks zwischen diesem und dem Rumpf oder einem Tragflüge], angeordnet ist. Dieses Brandschott ist als dünne Verbundplatte mit einer Stärke von etwa 1,6 mm ausgebildet, deren Werkstoffschichten aus Kohlenstoff-, Graphit- oder Glasfasern unter Verwendung eines organischen Polymerisats, das als Füllstoff ein pulverisiertes keramisches Material enthält, zu einem Laminat vereinigt sind. Selbst bei richtiger Anordnung könnte eine solche Brandschutzplatte nicht ein Geschoß auffangen, das die gleiche kinetische Energie hat wie ein Bruchstück einer Turbinenläuferscheibe.

Ferner ist aus der US-PS 3 167 914 ein Gasturbinentriebwerksgehäuse aus einer Wärmeisolationsplatte aus keramischem Material bekannt, die auf bestimmten Stützschichten aus Stahlblech angebracht ist. Diese keramische Verbundplatte ist jedoch nicht so ausgebildet, daß sie ausreichenden Schutz gegen wegfliegende Bruchstücke zerstörter Triebwerksteile bieten könnte. Bestenfalls würde das Vorhandensein einer aus einer solchen Platte gebildeten Auskleidung dazu führen, daß das "Geschoß" in Form eines sich schnell bewegenden Metallstücks durch ein abgeschleudertes Stück der keramischen Schicht ersetzt wird, das beim Auftreffen des Metallstücks zu Bruch geht.

Durch die Neuerung soll eine leichte Verbundschutzplatte zum Abfangen oder Umlenken von energiereichen Triebwerksbruchstücken zum Schutz lebenswichtiger Teile eines Flugzeugs gegen eine Beschädigung durch diese Bruchstücke geschaffen werden. Die neuerungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht bei der eingangs genannten Verbundschutzplatte darin, daß die Prallschicht aus keramischem Material und die Stützschicht aus mit einem organischen Polymerisat gebundenen Fasern mit einer gemeinsamen, Bruchstücke mit einer kinetischen Energie von mindestens etwa 11,50 mkg auffangenden oder umlenkenden Festigkeit besteht» Bevorzugte Ausgestaltungen der neuen Schutzplatte ergeben sich aus den Unteransprüchen »

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Mit der neuerungsgemäßen Verbundschutzplatte lassen sich voll wirksame Schutzschirme und -gehäuse zum Auffangen oder Umlenken von einen hohen Energieinhalt aufweisenden Bruchstücken eines Turbinentriebwerksbauteils herstellen, die wegen ihres geringen Gewichts insbesondere zur Verwendung in Flugzeugen geeignet sind»

Wird eine Schutzplatte nach der Neuerung zwischen einem Turbinentriebwerk und einem zu schützenden Flugzeugteil angeordnet, ist es möglich, die Gefahr einer Verletzung von Personen und einer Beschädigung lebenswichtiger Flugzeugteile durch den Aufprall der sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Bruchstücke vollständig auszuschalten. Die Schutzplatte wird in einer Schutzvorrichtung so angeordnet, daß die Prallfläche aus keramischem Material dem Triebwerk bzw. der Richtung, aus der die Bruchstücke zu erwarten sind, zugewandt ist.

Wenn ein umlaufendes Bauteil eines Turbinentriebwerks zu Bruch geht, so daß Bruchstücke des Bauteils aus dem Triebwerksgehäuse nach außen gelangen, trifft das bzw. jedes Bruchstück auf die keramische Prallschicht, wodurch dessen Bewegung in Richtung auf das Flugzeug oder Teile des Flugzeugs unterbunden wird. Beim Auftreffen auf die keramische Prallschicht wird diese Fläche gegebenenfalls zersplittert, wenn die kinetische Energie des Bruchstücks hierzu ausreicht, wodurch diese Energie unschädlich gemacht wird. Wenn die Prallschicht tatsächlich zersplittert, kommt die Stützschicht zur Wirkung, die aus den Fasern und dem Polymerisat besteht, um die jetzt über einen großen Bereich verteilte kinetische Energie aufzunehmen, die vorher in dem herausgeschleuderten Bruchstück des zerstörten Triebwerkbauteils konzentriert war.

Die Prallschicht kann aus den meisten keramischen Materialien hergestellt sein, vorzugsweise jedoch aus Borkarbid, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder dergleichen. Hierbei wird insbesondere dann, wenn an eine Verwendung in Flugzeugen gedacht ist, vorzugsweise Borkarbic¹ verwendet, da es ein niedriges spezifisches Gewicht hat.

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Bei der Stützschicht handelt es sich vorzugsweise um ein Laminat aus Glasfaserstoffschichten und einem organischen Polymerisat, z. B. aus mehreren Schichten, die aus einem zusammenhängenden Glasfaser-Vorgespinst gewebt und mit Hilfe eines ungesättigten Polyesterharzes zu einem Laminat vereinigt sind. Der Faserbestandteil braucht hierbei nicht einen Stoff im üblichen Sinne zu bilden, sondern es kann ein sogenanntes Faserflies in Form einer Matte vorhanden sin, oder es kann sich sogar um geschnittene Fasern handeln, die mit einem organischen Polymerisat so gebunden sind, daß sie ein zusammenhängendes Flachmaterial bilden„ Das organische Polymerisat braucht kein bestimmtes Polymerisat zu sein, wenn die Schutzplatte nicht an einer solchen Stelle angeordnet werden soll, daß sie relativ hohen Temperaturen ausgesetzt ist, z.B, im Gehäuse des Triebwerks_β Im letzteren Fall muß das organische Polymerisat unter Berücksichtigung der höhsten Temperatur gewählt werden, der es ausgesetzt werden kann. Die thermische Stabilität der organischen Polymerisate variiert zwischen sehr hohen Werten bei Polyimiden und Polybenzimidazolen über Materialien wie Phenol-, Polyester- und Epoxyharze bis zu niedrigen Werten bei thermoplastischen Klebstoffen. Die zuletzt genannten Materialien sind die am wenigsten brauchbaren.

Die Prallschicht aus keramischem Material und die zusammengesetzte Stützschicht werden vorzugsweise miteinander verklebt₀ Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, denn es ist auch möglich, die beiden Flächen mechanisch miteinander zu verbinden.

Die Neuerung wird im folgenden mit weiteren Einzelheiten anhand

schematischer Zeichnungen von Ausführungsbeispielen erläuterte Es zeigts

Fig« 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Verbundschutzplatte aus keramischem Material und Glasfasern;

Fig_o 2 einen Schnitt durch die Verbundschutzplatte nach Fig„ 1, die gerade von einem abgeschleuderten, kuchenfcrmigen Bruchstück eines Turbinenläufers getroffen wird;

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Pig. 3 einen waagerechten Schnitt durch das mit einem Turbinenstrahltriebwerk ausgerüstete Leitwerk eines Flugzeugs; und

Fig. 4 einen teilweise als verkürzte Seitenansicht gezeichneten senkrechten Schnitt durch ein Turbinenstrahltriebwerk mit einer zylindrischen Verkleidung aus einer neuerungsgemäßen Verbundschutzplatte.

Bei der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 1 gehören zu der dargestellten Schutzplatte 2 eine heißgepreßte Prallschicht 4 aus Borkarbid und eine damit mittels eines Klebstoffs verbundene Laminat-Stützschicht 6 aus Glasfaserstoffschichten, die mit einem organischen Polymerisat gebunden sind. Die Verbundschutzplatte, die eben ist, wird zwischen einem Turbinentriebwerk und der Zone angeordnet, die gegen wegfliegende, sich mit hoher Geschwindigkeit bewegende Bruchstücke eines umlaufenden Triebwerkbauteils geschützt werden soll, wenn ein derartiger Schaden auftritt. Die Prallschicht 4 aus keramischem Material ist hierbei dem Triebwerk zugewandt.

Fig. 2 veranshaulicht schematisch, was geschieht, wenn ein Bruchstück eines Turbinenläufers auf die Schutzplatte 2 auftrifft:. Ein allgemein dreieckiges Bruchstück 8 des Turbinenläufers, das eine kinetische Energie von etwa 11,50 bis etwa 36 mkg oder darüber aufweist, trifft auf die Prallfläche 4 der Schutzvorrichtung auf. Hierbei zerspringt der betreffende Teil der Prallschicht, wobai die Bewegungsenergie des nach Art eines Geschosses zur Wirkung kommenden Läuferbruchstücks aufgenommen wird. Die gesamte Energie des abgeschleudertenLäuferbruchstücks wird auf zahlreiche kleinere Teilchen des keramischen Materials von geringerem spezifischem Gewicht übertragen. Diese größere Anzahl von Teilchen oder Stücken, die erheblich geringere Energiemengen enthalten, können dann leicht von der Stützfläche 6 aufgefange werde^die aus den mit einem organischen Polymerisat gebundenen Glasfasern besteht,,

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Fig. 3 zeigt die Anwendung der Schutzplatte an einer kritischen Stelle am in einem waagerechten Schnitt dargestellten Leitwerk eines Stahltriebwerkflugzeugs, bei dem ein Hilfstriebwerk 12 im Leitwerk untergebracht ist. Der Einfachheit halber sind von den arbeitenden Teilen des Triebwerks nur die Welle 20 und die Läufer 18 der ersten und der zweiten Stufe dar gestellt. Auf den Innenwänden des Rumpfes sind hydraulische Einrichtungen 14 zum Betätigen der Höhenflossen 16 angeordnet. Bei der Konstruktion nach Fig_e 3 ist das Triebwerk 12 ein nicht in ein festes Gehäuse eingeschlossenes Hilfstriebwerk_e Daher ist das Triebwerk nur von einem dünnwandigen Gehäuse 10 aus Titan umgeben, das ein Brandschott bildet. In die Wände dieses Gehäuses sind Schutzplatten 2 nach der Neuerung so eingebaut, daß sie zwischen dem Trieb werk 12 und den hydraulischen Einrichtungen 14 zum Betätigen der Höhenflossen liegen. Natürlich würde außerdem eine dritte hydraulische Einrichtung zum Betätigen der Seitenflosse und eine zugehörige, ähnlich angeordnete Schutzvorrichtung vorhanden sein, doch sind diese Teile in Fig. 3 nicht dargestellt. Sollte einer der Läufer 18 während des Betriebs zu Bruch gehen, würden die abgeschleuderten Bruchstücke auf die keramische Prallfläche 4 der Schutzplatte 2 treffen. Ist die kinetische Energie der Bruchstücke groß genug, wird die Prallschicht zum Zersplittern gebracht. Die jeweils nur wenig Energie enthaltenden Teilchen der zersplitterten Prallschicht werden durch die Stützschicht 6 aus dem Glasfaserlaminat zurückgehalten, so daß eine anderenfalls zu einer Katastrophe führende Beschädigung der hydraulischen Betätigungseinrichtungen 14 der Höhenflossen verhindert wird.

Bei einem nicht durch ein Gehäuse geschützten Triebwerk der in Fig. 3 dargestellten Art könnte man das Gehäuse 10 aus Titan vollständig durch ein Gehäuse aus einer neuerungsgemäßen Verbundschutzplatte ersetzen. Dieses Gehäuse würde dann gleichzeitig ein Brandschott und eine Schutzvorrichtung gegen abgeschleuderte Bruchstücke umlaufender Triebwerksbauteile bilden»

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Bei in die Tragflügel eingebauten Triebwerken eines Flugzeugs, bei dem Kraftstoffbehälter in den Flügeln untergebracht sind, kann man neuerungsgemäße Verbundschutzplatten in den Tragflügeln zwischen den Kraftstoffbehältern und den Triebwerken so anordnen, daß die Kraftstoffbehälter gegen auf beliebigen Bahnen fliegenden Bruchstücken eines umlaufenden Triebwerksbauteile geschützt sind.

Fig, 4 zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Neuerung. Auch hier sind der Eir;fa±iheit halber nur die Läufer 26 und die Welle 34 eines Triebwerks 22 dargestellt. Die Schutzvorrichtung 24 aus einer neuerungsgemäßen Verbundschutzplatte bildet einen Teil des Gehäuses für das Triebwerk 22 und hat die Form einer Verkleidung, bei der sich die Prallschicht aus keramischem Material auf der den Läufern 26 zugewandten Innenseite befindet. Bei einer Beschädigung eines Läufers oder beider Läufer werden die Bruchstücke im Inneren des Triebwerks zurückgehalten.

Als Werkstoff für die Prallschicht wird heißgepreßtes Borkarbid bevorzugt, da es ein niedriges spezifisches Gewicht-von nur 2,52 hat. Auf diese Weise ist es möglich, eine wirksame Schutzvorrichtung herzustellen, deren Gewicht bei gleicher Schutzwirkung nur etwa einem Viertel des Gesamtgewichts einer Schutzvorrichtung aus Stahl entspricht„ Zwar sind andere keramische Materialien wie Siliziumkarbid, Aluminiumoxid und Siliziumnitrid ebenso wirksam wie Borkarbid, doch haben sie ein höheres spezifisches Gewicht als Bromkarbid. Die Wirksamkeit von Siliziumkarbid und Aluminiumoxid sowie von Borkarbid als Panzerung gegen ballistische Geschosse ist in dec-US-PS 3 516 898 beschrieben. Außerdem ist zu bemerken, daß die keramische Prallfläche nicht im Wege des Keißpressens hergestellt zu werden braucht, sondern daß es auch möglich ist, sie mit Hilfe eines Sinterverfahrens, eines Reaktionsbindeverfahrens oder dergleichen herzustellen.

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Die Stützschicht 6 setzt sich vorzugsweise aus 12 bis 24 Glasstoff schichten zusammen, die mit einem ungesättigten Polyesteroder Epoxyharz gebunden sind. Soll die Schutzvorrichtung höheren Temperaturen standhalten, würde man in höherem Maße wärmefeste Polymerisate verwenden, z.B. Phenolformaldehydharze oder sogar "ausgefallenere", hohen Temperaturen standhaltende Polymerisate wie Polyimide oder Polybenzimidazole. Der Ausdruck "Stoff" bezeichnet in allen Fällen nicht nur einen Stoff im üblichen
Sinne, und es ist auch nicht in allen Fällen erforderlich, daß die in dem Material vorhandenen Fasern aus Glas bestehen. Der
sogenannte Stoff kann aus einem ungewebten Vorgespinst oder
sogar aus sogenannten Vliesen oder Matten aus Fasern bestehen. Solange die Schutzvorrichtung keinen hohen Temperaturen ausgesetzt ist, könnte man in vielen Fällen auch synthetische und
natürliche organische Fasern verwenden.

Die Dicke der Prallschicht 4 und die Dicke der Stützschicht 6
kann in weiten Grenzen variieren und sich jeweils nach der
maximalen kinetischen Energie eines Bruchstücks richten, das
aufgefangen oder umgelenkt werden muß. Die Dicke der Prallschicht liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 6,35 bis 15,2 mm, während die Dicke der Stützschicht 6 vorzugsweise im Bereich
von etwa 6,35 bis 12,7 mm liegt. Ist mit einer relativ geringen kinetischen Energie der Bruchstücke zu rechnen, oder sollen
die Bruchstücke nur in Richtung auf eine Zone umgelenkt werden, in der sie ungefährlich bleiben, kann man Schutzplatten von
geringerer Dicke verwenden_o Das bevorzugte Verhältnis zwischen der Dicke der Prallschicht und der Dicke der Stützschicht beträgt 1:1.

Die Schutzplatten können flach oder gekrümmt ausgebildet
oder verwendet sein. Eine Verkleidung, z.B. die Verkleidung 24 nach Fig. 4, läßt sich aus einem Satz gekrümmter Platten aufbauen. Ferner weisen die Schutzplatten vorzugsweise noch Mittel zum Befestigen der Schutzvorrichtungen an Wänden des Flugzeugs oder an dem Turbinentriebwerk selbst auf. Diese Befestigungsmittel können bekannten Befestigungsmitteln für Flachmaterialien entsprechen, d.h. es kann sich um Löcher zum Aufnehmen von
Schrauben, Halteteile aus Metall, Nut- und Federanordnungen an den Rändern oder dergleichen handeln.

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Es wurden mehrere Schutzplatten aus heißgepreßten Borkarbidplatten und Flachmaterialstücken hergestellt, welch letztere als Laminate aus 12 bis 24 mit einem ungesättigten Polyester gebundenen Glasfaserstoffschichten aufgebaut waren. Die Prallschicht aus keramischem Material wurde mit Hilfe eines PoIysulfidklebstoffs mit dem Glasfaserstofflaminat verbunden. Die Gesamtdicke der verschiedenen zu Versuchszwecken hergestellten Schutzplatten lag zwischen etwa 15,4 + 0,76 mm und etwa 28,7 Hh 1,52 mm, wobei die Dicke der keramischen Prallschicht annähernd gleich der Dicke der Stützschicht aus dem Glasfaserstofflaminat war.

Diese zu prüfenden Schutzplatten wurden starr an Tragkonstruktionen befestigt und der Stoßwirkung von sich über einen Winkelbereich von 120° erstreckenden Stücken von Turbinenscheiben ausgesetzt, deren kinetische Energie zwischen etwa 14 und etwa 36 mkg lag. Die Schutz- oder Auffangplatten fingen diese Bruchstücke bei jeder in diesem Bereich liegenden kinetischen Energie einwandfrei ab.

/Schutzansprüche

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Claims

Schutzansprüche

1. Mehrschichtige Verbundschutzplatte für Flugzeugturbinentriebwerke zum Schützen lebenswichtiger Plugzeugteile gegen Beschädigung durch Bruchstücke eines zerstörten umlaufenden Turbinentriebwerkbauteils mit einer Prallschicht und einer Stützschicht unterschiedlichen Werkstoffs, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallschicht (4) ausfceramischem Material und die Stützschicht (6) aus mit einem organischen Polymerisat gebundenen Fasern mit einer gemeinsamen, Bruchstücke (8) mit einer kinetischen Energie von mindestens etwa 11,50 mkg auffangenden oder umlenkenden Festigkeit besteht.

2. Verbundschutzplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Prallschicht (4) und die Stützschicht (6) miteinander verklebt sind.

3. Verbundschutzplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das keramische Material der Prallschicht (4) aus einem Borkarbid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid und/oder Siliziumnitrid enthält.

4. Verbundschutzplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Stützschicht (6) aus mit einem organischen Polymerisat zu einem Laminat verklebten Glasfaserstoff schichten besteht.

5. Verbundschutzplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der Prallschicht (4)

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etwa 6,35 bis 15,2 mm und die Dicke der Stützschicht (6) etwa H~ 6,35 bis 12,7 mm beträgt.

6. Verbundschutzplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Prallschicht (4) und die Stützschicht (6) etwa gleich dick sind.

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