Die Erfindung betrifft ein elektronisches Sicherheitssystem zur Vermeidung eines Überdrehzahlzustandes bei einem Wellenbruch durch Detektion des Wellenbruchs und anschließendes Unterbrechen der weiteren Energiezufuhr, bei einem Gasturbinen-Triebwerk.
Beim Bruch einer Welle, die eine Antriebsseite und eine Abtriebsseite, das heißt eine Energie erzeugende und eine Energie verbrauchende Seite hat, besteht grundsätzlich das Problem, dass in einem solchen Fall die Antriebsseite wegen der fehlenden Energieabnahme auf der Abtriebsseite stark beschleunigt wird und dadurch erhebliche Gefahren für Menschen und Material entstehen können. Ein derartiger Überdrehzahlzustand ist besonders dort äußerst problematisch, wo die betreffende Welle Teil eines mit Gasturbinen-Triebwerken angetriebenen Flugzeugs ist. Bei einem Flugzeugtriebwerk stellen insbesondere der Bruch der Niederdruckturbinenwelle und die daraus folgende unkontrollierte Erhöhung der Drehzahl der mit dem Niederdruckturbinenrotor verbundenen Antriebsseite der Niederdruckturbinenwelle, die zu einer Zerstörung des Triebwerks und zu einer Beschädigung des Flugzeugs führen kann, ein erhebliches Gefahrenpotential für Menschen und Sachwerte dar.
Bei Gasturbinen, speziell Gasturbinen-Triebwerken, sind verschiedene Vorrichtungen zum mechanischen oder elektronischen Erfassen eines Wellenbruchs und einer daraufhin ausgelösten Unterbrechung der weiteren Kraftstoffzufuhr zur Vermeidung oder Begrenzung eines gefährlichen Überdrehzahlzustandes bekannt.
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Die bei Gasturbinen-Triebwerken bekannten elektronischen Sicherheitssysteme sind ganz allgemein insofern nachteilig, als der Zeitablauf bis zum Abschalten der Kraftstoffzufuhr relativ lang ist und daraus höhere Festigkeitsanforderungen an die Niederdruckturbinenschaufeln, verbunden mit einem höheren Gewicht und höheren Kosten, resultieren. Ein hoher Aufwand ist weiterhin durch die erforderliche Kühlung bzw. Hitzeabschirmung der im Heißbereich der Niederdruckturbinenwelle liegenden Sensorik und der elektrischen Verbindungen bedingt.
Darüber hinaus sind auch mechanische Abschaltsysteme mit einer der Turbinenwelle koaxial zugeordneten, an deren abtriebsseitigem Ende befestigten Referenzwelle beschrieben. Im Falle eines Wellenbruchs wird die dadurch bedingte Verdrehung der Turbinenwelle relativ zur Referenzwelle zur mechanischen Einwirkung auf das Kraftstoffventil genutzt. Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art sind am antriebs-seitigen Ende der Turbinenwelle und dem entsprechenden Ende der Referenzwelle versetzt angeordnete Aussparungen vorgesehen, die bei einem Wellenbruch zur Deckung kommen und dadurch einen vorgespannten Mitnehmer freigeben. Der radial ausschwenkende Mitnehmer greift in die Drahtschlinge eines Drahtseils ein, das mit dem Kraftstoff-Absperrventil verbunden ist und durch den von dem Mitnehmer der Niederdruckwelle auf das Drahtseil ausgeübten Zug geschlossen wird.
Da der erforderliche Verdrehwinkel zwischen Turbinen- und Referenzwelle bis zum Ausschwenken des vorgespannten Mitnehmers relativ groß ist, ist auch der Zeitraum bis zum Absperren der Kraftstoffzufuhr relativ lang. Zudem ist bei den mechanischen Systemen der Konstruktions- und Montageaufwand sowie der Platzbedarf hoch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sicherheitssystem zum Erkennen eines Wellenbruchs und zur Unterbrechung der weiteren Zufuhr von Energie zum antriebsseitigen Ende der Welle anzugeben, das bei geringem Montage-, Konstruktions- und Platzaufwand zuverlässig und verschleißarm arbeitet und kurze Abschaltzeiten gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Sicherheitssystem gelöst. Aus den Unteransprüchen ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Das Wesen der Erfindung besteht in der festen Zuordnung eines Lichtleiters zum Umfang der zu überwachenden Welle, und zwar in deren Längsrichtung und mit dieser rotierend, sowie der mit einem Wellenbruch verbundenen Durchtrennung des Lichtleiters und der entsprechenden Unterbrechung der Weiterleitung des dem auf diese Art als Messelement dienenden Lichtleiter an seiner Eintrittsseite zugeführten Lichts. Diese Unterbrechung wird am anderen Ende des Mess-Lichtleiters von einem Sensor erfasst und über eine Auswerte- und Steuerelektronik als Signal für die Abschaltung der Antriebsenergiezufuhr genutzt.
Das auf dieser Basis ausgebildete Sicherheitssystem benötigt bei der hier möglichen externen Anordnung der erforderlichen optischen Sensoren und Lichtquellen keine Kühleinrichtungen. Es ist nur eine geringe Anzahl an zudem einfachen Bauteilen notwendig. Der Montage-, Reparatur- und Wartungsaufwand ist dementsprechend gering. Aufgrund der Lichtgeschwindigkeit und der damit verbundenen schnellen Detektion eines Wellenbruchs können kurze Abschaltzeiten für die Energiezufuhr realisiert werden.
In weiterer Ausbildung der Erfindung können mehrere Mess-Lichtleiter vorgesehen sein, die auch als Schleife zur Lichteintrittsseite zurückgeführt sein können.
Die Lichtquelle und die Sensorik können dem/n Mess-Lichtleiter/n unmittelbar vorgeschaltet oder - unter Verwendung zusätzlicher Lichtleiter zur Zuführung und Wegführung des Lichts - extern angeordnet sein.
Die Eintrittseite der Mess-Lichtleiter kann axial zentrisch oder versetzt zur Mitte angeordnet sein. Der Lichtaustritt kann in axialer oder radialer Richtung erfolgen und erfasst werden. Der Zusatzlichtleiter oder die Lichtquelle zur Zuführung von Licht können ringförmig ausgebildet sein, um mehreren in einer Kreislinie angeordneten Mess-Lichtleitern Licht von nur einer Lichtquelle zuzuführen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die feste Zuordnung des Mess-Lichtleiters zu der zu überwachenden Welle und damit die Rotation des Mess-Lichtleiters zusammen mit der Welle durch eine koaxial zur Welle angeordnete, an beiden Enden mit dieser verbundene Messhülse realisiert. Bei einem Wellenbruch wird auch die Messhülse zerstört und dadurch der Mess-Lichtleiter durchtrennt. Das aufgrund der fehlenden Lichtleitung durch den Mess-Lichtleiter am optischen Sender registrierte Signal dient nach entsprechender Auswertung in der Auswerteelektronik zur Steuerung eines Abschaltmechanismus für die Antriebsseite der Welle.
In weiterer Ausbildung der Erfindung besteht die Messhülse aus einem Innenrohr und einem Außenrohr. In dem Innenrohr befinden sich in Längsrichtung verlaufende Haltenuten zur Aufnahme der Mess-Lichtleiter, so dass bei einem mit einem Wellenbruch verbundenen Bruch der Messhülse auch der Mess-Lichtleiter sofort durchtrennt wird. Das Außenrohr, dessen Festigkeit höher als die des Innenrohrs ist, dient zur Abstützung der/des Mess-Lichtleiter/s und des Innenrohrs.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung am Beispiel der Niederdruckturbinenwelle eines mit flüssigem Kraftstoff als Energieträger versorgten Gasturbinen-Triebwerks näher erläutert. Es zeigen:
An der Niederdruckturbinenwelle 1 ist, wie in den
Die Funktion des zuvor beschriebenen Sicherheitssystems ist folgende:
Über das mit seinem Licht emittierenden Ende vor der zentral angeordneten Eingangsbohrung 14 liegende Lichtzuführungskabel (erster Zusatzlichtleiter 16) wird ständig Licht durch den Mess-Lichtleiter 13 geleitet und aufgrund der Umdrehung der Messhülse 4 an der Lichtaustrittsseite (Ausgangsbohrung 15) als sich ständig wiederholender Lichtimpuls empfangen. Bei einem Bruch der Niederdruckturbinenwelle 1 bricht auch die an beiden Enden mit dieser verbundene, ansonsten mit Spiel in der Niederdruckturbinenwelle 1 angeordnete Messhülse 4 und bevorzugt deren eine geringe Festigkeit aufweisendes Innenrohr 7 (Sollbruchrohr). Aufgrund der Fixierung des Mess-Lichtleiters 13 in der Haltenut 11, 12 wird dieses ebenfalls schnell durchtrennt und der Lichtstrahl unterbrochen. Die vom optischen Sensor 19 registrierte Unterbrechung der Lichtzufuhr dient als Signal für die Auswerteelektronik 20 und die elektronische Steuerung 21 zur Anzeige eines Wellenbruchs und zur Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr am Kraftstoff-Absperrventil 22, um die Niederdruckturbinenwelle 1 nicht weiter zu beschleunigen und die aus einer Überdrehzahl resultierenden gefährlichen Folgen einzuschränken bzw. zu verhindern.
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