DE69916343T2

DE69916343T2 - Turbomaschine mit konzentrischen Wellen, die beim Bruch eine Bremswirkung auf einander ausüben

Info

Publication number: DE69916343T2
Application number: DE69916343T
Authority: DE
Inventors: Alain Louis Andre Chevrollier; Philippe Charles Alain Lebiez; Claude Marcel Mons; Pierre Etienne Mosser
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1998-01-09
Filing date: 1999-01-07
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2019-01-08
Also published as: EP0928881B1; DE69916343D1; EP0928881A1; ES2215363T3; JP3790056B2; FR2773586B1; FR2773586A1; US6135712A; JPH11315729A

Description

Diese Erfindung betrifft eine Turbomaschine mit zwei konzentrischen Wellen, die sich bei Beschädigung wechselseitig bremsen.
Ein konkretes Beispiel einer solchen Situation kann anhand 1 erläutert werden, in der ein heute sehr weit verbreitetes Modell eines Flugzeugmotors dargestellt ist. Der Motor umfasst einen Rotor 1, den ein Stator 2 umgibt, und eine Hauptströmungsbahn 3 mit ringförmigem Querschnitt trennt sie voneinander. In der Hauptströmungsbahn 3 sitzen Schaufelstufen, die abwechselnd mit dem Rotor und mit dem Stator fest verbunden sind, um die Gase zu beschleunigen und zu komprimieren, bevor Energie genutzt wird, die sie freisetzen, indem sie sich nach der Verbrennung des Brennstoffs ausdehnen: Hier findet man von vorn nach hinten die Schaufeln eines Niederdruckkompressors 4, die Schaufeln eines Hochdruckkompressors 5, eine Brennkammer 6, die Schaufeln einer Hochdruckturbine 7 und die Schaufeln einer Niederdruckturbine 8. Der Rotor 1 besteht in Wirklichkeit aus zwei Teilen: ein Hochdruckrotorkörper 9 trägt die beweglichen Schaufeln des Hochdruckkompressors 5 und der Hochdruckturbine 7, und ein Niederdruckrotorkörper 10 trägt die beweglichen Schaufeln des Niederdruckkompressors 4 und der Niederdruckturbine 8. Zudem weisen der Hochdruckrotorkörper 9 und der Niederdruckrotorkörper 10 eine Hochdruckwelle 11 bzw. eine Niederdruckwelle 12 auf, durch die sie mittels Lager, die mit dem Stator 2 verbunden sind, gehalten werden können: von vorn nach hinten sind zu sehen ein vorderes Lager 13 für die Niederdruckwelle 12, ein vorderes Lager 14 für die Hochdruckwelle 11, ein hinteres Lager 15 für die Hochdruckwelle 11 und ein hinteres Lager 16 für die Niederdruckwelle 12. diese Lager enthalten als aktives Element ein oder zwei Kugellager oder Wälzlager, die es ermöglichen, dass die Wellen 11 und 12 sich mit großer Geschwindigkeit und unabhängig voneinander drehen; die Wellen 11 und 12 sind konzentrisch zueinander und sind völlig voneinander getrennt, es ist jedoch zu bemerken, dass sie nur durch ein kleines Spiel über einen ziemlich langen Annäherungsbereich 17 getrennt sind, der sich im wesentlichen im Bereich vor dem vorderen Lager 14 der Hochdruckwelle 11 befindet.
Viele moderne Motoren haben ein hohes Verdichtungsverhältnis und ein hohes Nebenstromverhältnis der Verbrennungsgase. Sie sind dann mit einer zusätzlichen Strömungsbahn 18 versehen, die die Hauptströmungsbahn 3 umgibt, und deren durchströmende Luft sich mit den Verbrennungsgasen hinter der Niederdruckturbine 8 vermischt. Die durch diese zusätzliche Strömungsbahn 18 strömende Luft wird durch die Schaufeln eines Gebläses 19 beschleunigt, das fest mit dem Niederdruckrotorkörper 10 verbunden ist und sich vor dem Niederdruckkompressor 4 erstreckt. Die Schaufeln des Gebläses 19 haben einen sehr großen Durchmesser und eine entsprechende Masseträgheit. Außerdem sind sie am meisten einer Bruchgefahr ausgesetzt, wenn ein Fremdkörper wie z. B. ein Vogel durch einen unglücklichen Zufall in dem Motor landet.
Sobald eine Schaufel des Gebläses 19 gebrochen ist, tritt an dem Niederdruckrotorkörper 10 eine starke Unwucht auf, wodurch dieser sehr starken Vibrationskräften ausgesetzt wird, die über das vordere Lager 13 zur Niederdruckwelle 12 und zum Stator 2 übertragen werden. Schäden, die durch diese sehr hohen Kräfte erzeugt werden, können sich im gesamten Motor fortsetzen. Deswegen ist manchmal vorgesehen, dass das vordere Lager 13 der Niederdruckwelle 12 im Falle einer solchen Beschädigung schmelzbar wäre, d. h. dass es bricht oder auf irgendeine andere Weise nachgibt. Im Stand der Technik sind mehrere Arten solcher brechender Lager bekannt, beispielsweise in den amerikanischen Patenten 5417501 und 5433584 oder in der Schrift GB-A-2 046 365; sie weisen im Allgemeinen eine Sollbruchstelle am Stator 2 in der Nähe des vorderen Lagers 13 auf, die das vordere Lager 13 von dem Übrigen des Stators 2 trennt; dabei handelt es sich im Allgemeinen um einen Abschnitt des Ausbaus des Stators 2 mit geringer Dicke oder um Verbindungsbolzen mit kleinem Durchmesser, deren Gewindeschaft einen Einschnitt aufweisen kann. Die Sollbruchstelle ist so berechnet, dass sie reißt oder bricht, wenn die Unwucht auftritt, so dass sich das vordere Lager 13 von dem Stator 2 trennt und die Niederdruckwelle 12 nicht mehr hält, so dass diese dann um das hintere Lager 16 schwenkend frei oszillieren kann, ohne weiterhin starke Kräfte auf den Stator 2 auszuüben. Die Pilot, der eine Meldung über die Beschädigung erhält, stoppt inzwischen den Motor, so dass die Wellen 11 und 12 langsamer werden und nach und nach anhalten können. Man kann hoffen, dass die spätere Reparatur des Motors sich auf das Auswechseln der beschädigten Gebläseschaufeln und des gebrochenen Lagers beschränkt.
Zusätzliche und viel schwerwiegendere Beschädigungen aber können durch das Schwenken der Niederdruckwelle 12 um das hintere Lager 16 verursacht werden, wenn die Wellen 11 und 12 sich in dem Annäherungsbereich 17 berühren, wie in 2 gezeigt, da sich dann durch die Reibung, die bei den sehr unterschiedlichen und sehr hohen Drehgeschwindigkeiten (z. B. 4500 U/min und 17000 U/min ) dieser beiden Wellen 11 und 12 entsteht, eine beträchtliche Erhitzung ergibt. Die auf einen Kontaktbereich 21 mit geringer Winkelausdehnung auf dem Umfang der Wellen konzentrierte Wärmeableitung wäre so stark, dass die langsamere Welle, nämlich die Niederdruckwelle 12, an dieser Stelle beschädigt werden könnte, in einen metallurgischen Zustand übergehen könnte, in dem sie weniger widerstandsfähig wäre, oder sogar brechen oder durch Reibungsschweißen an der Hochdruckwelle 11 festfressen könnte.
Es ergäbe sich also die Gefahr eines Bruchs der Niederdruckwelle und der Verlust des Gebläses oder zumindest die Notwendigkeit, die Niederdruckwelle 12 bei der Reparatur auszuwechseln. Sogar die Hochdruckwelle 11 kann auf diese Weise beschädigt werden, selbst wenn sie auf Grund ihrer größeren Drehgeschwindigkeit, durch die sie sich an dem Kontaktbereich 21 vorbei bewegt und die Erhitzung auf ihren Umfang verteilen kann, weniger gefährdet erscheint.
Diese Erfindung hat zur Aufgabe, diese Gefahren der Beschädigung durch Reibung in dem Annäherungsbereich 17 der Wellen 11 und 12 zu vermeiden. Sie besteht darin, dass, wie in 3 gezeigt wird, die langsamere Welle – hier die Niederdruckwelle 12 -auf ihrer Außenseite, die der rascher drehenden Hochdruckwelle 11 zugewandt ist, in ihrem Annäherungsbereich 17, mit einer Beschichtung 22 mit geringer Wärmeleitfähigkeit überzogen ist. Außerdem muss die Beschichtung 22 gut durch Schleifen oder ähnliche Verfahren bearbeitet werden können, oder mit anderen Worten: sie muss geeignet sein, eine große Energie zu absorbieren, wenn ein mechanisches Teil auf ihr reibt. Diese Eigenschaft steht im Gegensatz zu der der Werkstoffe, aus denen normale Lager bestehen, die einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten besitzen müssen, um Reibungen zu minimieren und die auf ihnen reibenden Teile nicht zu verlangsamen. Ein solches Lager, das dazu vorgesehen ist, eine Welle mit Unwucht zu halten, ohne sie zu verlangsamen, ist in der Schrift US 3 880 479 A beschrieben.
Geeignete Zusammensetzungen oder Werkstoffe für diese Beschichtung sind Zirkonerde, ytterhaltige Zirkonerde, Aluminiumoxid, Boride und Karbide. In der Schrift US 4 269 903 A ist eine Legierung beschrieben, die aus solchen Stoffen gebildet ist, aber zur Anwendung für Labyrinthdichtungen zwischen einem Stator und Rotorschaufelspitzen gedacht ist, um dort Gaslecks zu reduzieren. Diese Beschichtungen nennt man „abriebfähig", da man an ihnen die Eigenschaft schätzt, dass sie weich sind und dadurch beim Einfahren von den Schaufelspitzen leicht und schnell in die passende Form geschliffen werden können, wonach sie dann ihre Form unverändert beibehalten und keine mechanische Wirkung mehr ausüben, insbesondere keine Reibung.
Wenn die Wellen 11 und 12 auf Grund einer Beschädigung, die das vordere Lager 13 zerstört hat, aneinander reiben, dann erfolgt dieses Reiben zwischen der Hochdruckwelle 11 und der Beschichtung 22. Da letztere schlecht Wärme leitet, wird die Niederdruckwelle 12 kaum erhitzt; und das mühelose Abschleifen der Beschichtung 22 trägt dazu bei, dass sich die Geschwindigkeiten der Wellen 11 und 12 rasch aneinander angleichen und so das Erhitzen beendet wird. Die Wellen 11 und 12 verbinden sich also schnell fest miteinander, nachdem der Pilot, der eine Meldung über die Beschädigung erhalten hat, den Motor ausgeschaltet hat, und sie werden dann gemeinsam langsamer, bis sie vollständig zum Stillstand kommen, ohne weitere Schäden zu bewirken. Die Schäden, die letztendlich durch die Reibung entstehen, beschränken sich auf eine Beschädigung der Beschichtung 22 bzw. der Hochdruckwelle 11. Die Niederdruckwelle 12, die den Halt des Gebläses gewährleistet und das Sicherheitsteil darstellt, bleibt intakt.
Eine Sollbruchstelle des Stators 2 nahe bei dem vorderen Lager 13 ist mit der Bezugszahl 23 dargestellt. Es handelt sich um eine verjüngte Stelle des Stators 2.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Turbomaschine mit einer inneren Niederdruckwelle 12 und einer äußeren Hochdruckwelle 11, die konzentrisch zueinander sind und sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten drehen, wobei infolge eines Schadens eine Unwucht an der Niederdruckwelle 12 auftreten kann, wobei die Niederdruckwelle von einem Lager in einem nahe bei der Unwucht befindlichen Bereich gehalten wird, das bricht, wenn die Unwucht auftritt, sowie von einem Lager 16, das weiter von der Unwucht entfernt ist und standhält, wobei die Turbomaschine dadurch gekennzeichnet ist, dass die Niederdruckwelle 12 in einem von dem standhaltenden Lager entfernten Bereich 17, und zwar auf einer Fläche, die der Hochdruckwelle 11 zugewandt ist und sich im wesentlichen gerade vor einem vorderen Lager 14 der Hochdruckwelle 11 befindet, mit einer Beschichtung 22 überzogen ist, die durch Schleifen o. ä. bearbeitet werden kann und eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Es folgt die Liste der Figuren, anhand derer diese Erfindung erläutert wurde, die selbstverständlich auch in anderen Varianten konkret ausgeführt werden kann.
1 zeigt in einer Längsschnittansicht eine Turbomaschine, in die die Erfindung eingebaut ist,
2 zeigt den Fall einer Beschädigung, und
3 zeigt in einer Vergrößerung von 1 den Bereich, in dem die Erfindung eingebaut ist.

Claims

Turbomaschine mit einer inneren Niederdruckwelle (12) und einer äußeren Hochdruckwelle (11), die konzentrisch zueinander sind und sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten drehen, wobei infolge eines Schadens an der Niederdruckwelle (12) eine Unwucht auftreten kann, wobei die Niederdruckwelle von einem Lager gehalten wird, das bricht, wenn die Unwucht in einem nahe bei dem Lager befindlichen Bereich auftritt, sowie von einem Lager (16), das weiter von der Unwucht entfernt standhält, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckwelle (12) in einem von dem standhaltenden Lager entfernten Bereich (17), und zwar auf einer Fläche, die der Hochdruckwelle (11) zugewandt ist und sich im wesentlichen gerade vor einem vorderen Lager (14) der Hochdruckwelle (11) befindet, mit einer Beschichtung (22) überzogen ist, die durch Schleifen o. ä. bearbeitet werden kann und eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Zusammensetzung hat, die unter Zirkonerde, ytterhaltiger Zirkonerde, Aluminiumoxid, den Boriden und den Karbiden gewählt wird.