CN107787256A - 用于清洗喷气式发动机的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用包含固体材料的清洗介质清洗喷气式发动机的方法，该固体材料经由至少一个排出装置(11)引入到发动机中。根据本发明提出，将清洗介质以80m/s或更小的输出速度从排出装置(11)中输出。本发明还涉及一种用于执行该方法的设备。

Description

用于清洗喷气式发动机的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种利用包含固体材料的清洗介质清洗飞机喷气式发动机的方法和设备，该固体材料经由至少一个排出装置引入到发动机中。
背景技术
飞机喷气式发动机具有一个或者多个压缩机级、一个燃烧室、以及一个或者多个涡轮级。在涡轮级中，来自燃烧室的热的燃气释放出其部分的用于驱动压缩机级的热能和机械能。商业交通飞机的喷气式发动机目前主要具有所谓的涡轮风扇，其布置在压缩机级的上游并且通常具有相比压缩机级明显更大的直径。涡轮风扇通常也由涡轮级驱动，并且能够让穿流过该发动机的全部气体的大部分作为所谓的旁路气流流经压缩机级、燃烧室和涡轮级。通过所谓的旁路气流能够显著提升发动机的效率，此外还能够确保改进发动机的降噪。
飞机喷气式发动机变脏能够导致效率下降，这会导致更高的燃料消耗和因此的更严重的环境污染。变脏例如能够由昆虫、灰尘、盐雾或者其他环境污染引起。发动机的部件能够因为燃烧室的燃烧残余而受污染。这些不清洁物在飞机发动机的被气体穿流过的部件上形成一个覆层，并且损坏表面品质。因此，发动机的热动力效率受到损害。在此尤其要指出压缩机级中的轮叶，这些轮叶变脏对整个发动机的效率有很大的影响。
为了去除不清洁物，已知的是利用清洗液体、通常是热水来清洗发动机。由WO2005/120953中公知一种装置，其中多个清洗喷嘴布置在涡轮风扇的或者压缩机级的上游。清洗液体然后被喷射到发动机中。发动机在此能够在所谓的干起动(Dry-Cranking)中转动，也就是发动机的轮叶在燃烧室内不燃烧燃油的情况下旋转。通过引入发动机中的清洗液体，应该将脏污从发动机组件的表面上洗掉。
作为使用水作为清洗介质的替选，还已知的是使用煤尘。煤尘在此像水一样通过喷嘴引入发动机，并且基于摩损效应将不清洁物从表面去除。然而通过煤尘也会损害发动机部件的表面，因此像煤尘这样的清洗介质不适合用于飞机发动机的常规清洗。此外，在用煤尘进行清洗时，发动机中会留下不希望的清洗材料残余。
WO 2009/132847 A1公开了一种用于在使用固态的二氧化碳作为清洗介质的情况下清洗喷气式发动机的设备和方法。
发明内容
本发明的目的在于，提出更好地清洗飞机发动机的方法以及设备。
该目的通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求17所述的设备实现。有利的改进方案由从属权利要求得出。
因此，本发明涉及一种利用包含固体材料的清洗介质清洗喷气式发动机的方法。该固体材料经由至少一个排出装置引入到发动机中。该固体材料能够是在使用温度下稳定的固体材料，像例如塑料珠、玻璃珠、沙或者煤尘。然而，优选地使用不耐热的固体材料，像例如固态的二氧化碳和/或冰(水制冰)。在本发明的范畴内能够使用一个或者多个排出装置，接下来总是使用单数并且应该将使用复数的情况包含在内。
根据本发明提出，将清洗介质以80m/s或更小的输出速度从排出装置中输出。
本发明的核心理念是，清洗介质(优选地在低压下或者在最大1bar的小的过压下)在发动机入口的区域内被从排出装置中释放，从而利用至多小的基本推力以最大80m/s的速度输出到发动机前方的气流中，并且通过该气流输送穿过发动机。
本发明的意义上的排出装置是能够在所述条件下(优选地是低压或者至多以小的过压)实现期望的释放的任何装置。排出装置例如能够具有一个开口，该开口的横截面与要输送的软管或管道系统的横截面相比扩大了，而不是变窄或者略微变窄。略微变窄在本发明的意义上是让开口的直径缩小50％或更少。优选地由此避免的是，因为排出装置的出口区域内的大的变窄而产生过高的流速，从而产生输出的清洗介质的不希望的大推力。
排出装置根据本发明能够具有一个或者多个出口，它们能够或者静态地或者共同旋转地布置在发动机的入口前方。
本发明认为，通过要求的方法参数能够有效地清洗尤其是发动机的压缩机或增压机。根据本发明，清洗介质跟随增压机中的流动体，并且实现增压机的所有级中的清洗效果，尤其是在最后方的几个级中也实现。根据本发明尤其实现的是，不耐热的固体材料、像尤其是二氧化碳或者冰不会在增压机的前几个级中就已经释放全部的动能，和/或因为过高的动能而在碰撞到构件上时碎裂/破裂、升华或者融化。作为代替，通过根据本发明的参数只能为这些固体材料提供一个基本推力，该基本推力将固体材料输送到发动机中。穿流过发动机的气流的相对速度根据本发明优选是低的。由此形成与发动机构件、尤其是增压机构件的更长的接触时间，这引起更好的清洗效果。固体材料被气流携带到发动机中，并且因此也被输送到最后方的几个增压机级。
输出速度的优选范围是5m/s至50m/s，进一步优选地为10m/s至30m/s。
在本发明的一种可能的变化方案中，清洗介质(固体材料)被机械地输送给排出装置。机械地输送表示与合适的机械输送装置有直接的接触，例如像蜗杆输送器或者螺旋输送器。
优选地，清洗介质能够被气动地输送至排出装置。气动的输送包括使用载气、优选空气，例如使用鼓风机。在气动输送时，以相对于环境压力至多略微高一点的、低于1bar的压力或低压工作。由此应该避免的是，清洗介质从排出装置中以过高的推力或以过高的、明显高于流入发动机入口的空气流速的速度输出。清洗介质相对于发动机入口中的气流的相对速度因此应该尽可能低或者为零。压力的优选的绝对范围是0.5bar至2bar，进一步优选地为0.7bar至2bar，进一步优选地为0.9bar至2bar。
为了能够通过增压机中的气流理想地携带固体材料，而不让这些固体材料提前地冲撞内部的或者外部的增压机壁，应该让排出装置的输出方向(在本发明的范畴内该概念是指主输出方向)尽可能地深入到增压机中，同时不让该输出方向或其设想的轴碰触到增压机的壁。为了这个目的根据本发明提出，将输送单元的输出开口与发动机的旋转轴线存在一定的径向间距地布置，该径向间距对应于第一压缩机级的朝向上游的入口的半径的0.5倍到1.2倍、优选为0.6倍到1倍。因此，与发动机的或增压机的旋转轴线相比，出口在径向上更加靠近外部的增压机壁。
优选地，排出装置的主输出方向水平地指向发动机入口(与发动机的旋转轴线平行)。作为替选，该输出方向与发动机的旋转轴线形成夹角，该夹角基本上对应于发动机的风扇叶片的迎角。这让清洗介质能够更加轻易地穿过风扇并且进入到布置在后方的核心引擎中。
根据本发明，固体材料的颗粒(例如粒状物)能够具有不同的大小。它能够或者是一种宽的大小分布，或者也是两种或者多种不同极值的大小分布，这例如能够通过混合两个料仓或者多个料仓的、不同大小或不同大小分布的颗粒获得。能够使用一个或者多个具有大小不同的固体材料的颗粒的储备容器，作为替选，在根据本发明的方法运行时，能够在从排出装置中输出以前完成对至少一部分的固体材料的颗粒的粉碎。
固体材料根据本发明优选地从固态的二氧化碳和水制冰构成的组中选择。特别优选地是用固态的二氧化碳。二氧化碳和/或水制冰能够特别优选地以粒状物的形式使用。同样可行的是使用水制冰作为粉碎的冰(所谓的碎冰)。
粒状物能够在所谓的制粒状物机中由液态的二氧化碳制成，并且能够很好地存储。能够提出，供应装置已经向排出装置输送预制的粒状物。但是也可行的是，供应装置具有由液态的二氧化碳制造固态的二氧化碳粒状物或固态的二氧化碳雪的设备，并且将它们输送至排出装置。在这两种情况下，固态的二氧化碳输出并且进入到要清洗的发动机中。
在美国军方的文档“二氧化碳爆破作业”中描述了一种制造二氧化碳粒状物的技术。这些粒状物例如通过在制粒状物机或类似物中压缩固态的二氧化碳(例如絮)获得。制造冰粒状物(水制冰)对于专业技术人员是常见的，在这里不需要详尽阐述。尽管其易挥发，以根据本发明提出的小的输出速度使用二氧化碳粒状物能够实现穿过核心引擎的整个轴向长度并且有良好的清洗效果。
在根据本发明的方法的一种变化方案中，清洗介质能够具有质量比例为5:1到1:5的、优选地为1:2到2:1的固态的二氧化碳和水制冰。这两种清洗介质的优点因此组合了起来。原则上，虽然已经公知(WO 2012/123098 A1)，提出二氧化碳和冰的粒状物的混合作为用于清洗表面的、固态的喷射剂。然而事实证明，这种混合物能够以特别有利的方式用于清洗喷气式发动机，因为固态的二氧化碳的较大部分已经在压缩机的前部区域中升华了并且一方面通过碰撞的动能并且通过热效应清洗了压缩机。基于通过二氧化碳引起的冷热张力，使得不清洁物从发动机部件的表面上脱落。相比固态的二氧化碳，根据本发明被添加到这个混合物中的冰具有较高的硬度和更长久的耐久性。由此一方面通过碰撞的动能提升了机械清洗效果，并且能够更好地在总体上更深入地进入到压缩机的后方的级中，并且还在那里仍然发挥清洗作用。根据本发明使用的混合物一方面起到尽可能完全地并且均匀地清洗压缩机的所有级的作用，并且另一方面仅仅向发动机中引入少量的水。引入的水通过在干起动时穿流过发动机的气流大部分都从发动机中排出。
所使用的粒状物的平均尺寸优选地在0.5mm到10mm的范围内，其优选地能够为大约1.5mm到6mm。如果使用长形的粒状物，它的纵长能够例如为2mm到6mm，横向于纵向延长线的尺寸例如为大约3mm。一种在清洗期间达到不同的粒状物大小的、可能的实施方式是使用加扰器(Scrambler)，通过其在输送期间粉碎这些粒状物。另一种实施方式能够是向储备容器中直接添加不同的粒状物大小。
优选地，以500kg/h到2500kg/h、进一步地优选1000kg/h到2500kg/h、进一步优选地1200kg/h到2000kg/h、进一步优选地1500kg/h到2000kg/h的质量流量引入固体材料。
清洗过程的持续时间(不包括停顿的纯喷射时间)优选地为1分钟到15分钟，进一步优选地为2分钟到10分钟，进一步优选地为4分钟到7分钟。
在清洗过程期间能够向发动机中引入例如10kg到600kg、优选地35kg到400kg、进一步优选地40kg到250kg的固体材料。
喷气式发动机的干起动或开始旋转在清洗过程期间优选地以50min-1到500min-1、优选地100min-1到300min-1、进一步优选地120min-1至250min-1的风扇转速实现。特别优选地，风扇转速在150min-1到250min-1之间。这种清洗也能够在发动机的空转运行状态下发生。转速由此优选地为500min-1到1500min-1。
本发明的另一个内容是用于执行根据本发明的方法的设备。其具有：
a)用于产生气流的装置，
b)用于将固体材料引入到气流中的混合装置，
c)用于清洗介质的排出装置。
根据本发明提出，该设备设计用于以80m/s或更小的输出速度将清洗介质从排出装置中排出。因此，根据本发明其不是常见的、以高的输出速度将清洗介质从喷嘴中释放出去的喷射装置。
优选地，使用鼓风机或者类似物作为产生气流的装置。能够使用任何对于专业技术人员常见的、用于将固体材料的颗粒引入气流的装置作为混合装置。
混合装置能够布置在气流速度升高的区域内，这个速度升高的区域例如能够通过文丘里效应(Venturi-Effekt)实现。
为了这个目的，能够在混合装置的上游布置喷嘴，其提升混合装置的区域中的流速。
在混合装置的下游能够布置扩散器，通过其来降低流速。
根据本发明的设备能够具有至少一个用于将不同的固体材料输送至混合装置的输送装置。因此能够存在至少一个储备容器，作为替选能够将来自储备容器的部分流体在粉碎装置中粉碎。同样也能够存在两个或者多个输送装置和/或储备容器。
固体材料的颗粒的部分流体或全部流体能够被输送至布置在根据本发明的设备中的粉碎机，其例如能够构造为加扰器(例如用于干冰)。加扰器对于专业技术人员是常见的，并且例如在WO 2008/113497A1中已描述。
附图说明
本发明的实施例在下面借助附图阐述。图中示出：
图1示意性地示出了根据本发明的清洗设备；
图2示出根据本发明的设备内部的压力变化。
具体实施方式
根据本发明的设备具有鼓风机1，其例如能够构造为旁路流增压机。
空气穿过管道2流至喷嘴3，该喷嘴使气流在一个T形块4中消减压力并且在此提升流速。一个输送管道5通入该T形块4，该输送管道输送来自示意性示出的储备容器6的干冰粒状物。通过T形块4中减小的压力使得粒状物被抽吸并混合到气流中。该T形块因此用作混合装置。
在T形块4的下游布置一个扩散器7，其再次降低了气流的和被它携带的粒状物的速度。
带有粒状物的气流通过管道8输送至(可选地存在的)加扰器9，其中完成部分粉碎以实现不同的粒状物大小。作为替选，加扰器也能够布置在储备容器和T形块之间。通过管道10将来自气流和粒状物的清洗介质输送至布置在发动机入口前方的排出装置11。该清洗介质基本上平行于发动机的旋转轴线地向外输出，并且被气流携带到发动机中，从而在那里实现希望的清洗效果。排出装置11例如能够具有圆形的或者多角形的出口横截面。
根据本发明的设备能够静态地布置在发动机的入口的前方。同样也可行的是，将多个清洗设备布置在发动机前方，从而例如将不同的或者大小不同的固体材料的颗粒在发动机入口区域中混合。
作为替选可行的是，例如借助软管连接将出口共同旋转地布置在发动机前方。
鼓风机1在所示例子中布置在混合装置4的上游，但是作为替选也能够布置在其下游，例如布置在扩散器7的下游。
图2示出了根据本发明的设备中的压力变化(以kPa为单位测量)。压力刻度的零点对应于环境压力(大气压)。
在示例性地示出的实施方式中，鼓风机1首先产生过压，该过压在喷嘴3和T形块4中下降到略微的低压，从而让粒状物的吸入更容易。在扩散器7中然后再次实现压力的升高，粒状物的流速相应地下降到根据本发明的低于80m/s(米/秒)的值。在排出装置11的出口区域中，压力则下降至环境压力。

Claims (22)

1.一种利用包含固体材料的清洗介质清洗喷气式发动机的方法，所述固体材料经由至少一个排出装置(11)引入到所述发动机中，其特征在于，将所述清洗介质以80m/s或更小的输出速度从所述排出装置(11)中输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输出速度为5m/s至50m/s、优选地为10m/s至30m/s。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在0.5bar到2bar的压力下、优选地在0.7bar到2bar的压力下、进一步优选地在0.9bar到2bar的压力下机械地和/或利用载气输送所述清洗介质。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述清洗介质机械地输送至所述排出装置(11)，其中，输送装置包括蜗杆输送器或者螺旋输送器。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述清洗介质气动地输送至所述排出装置(11)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，将至少一个所述排出装置(11)的出口与所述发动机的旋转轴线存在一定的径向间距地布置，所述径向间距对应于第一压缩机级的朝向上游的入口的半径的0.5倍到1.2倍、优选地0.6倍到1倍。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述排出装置(11)的主输出方向与所述发动机的所述旋转轴线形成夹角，所述夹角基本上对应于所述发动机的风扇叶片的迎角。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述固体材料的颗粒具有不同的大小。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述固体材料从由固态的二氧化碳和水制冰构成的组中选择。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳和/或所述水制冰以粒状物的形式或者以被粉碎的另外的形式存在和使用。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述清洗介质具有质量比例为5:1到1:5、优选地1:2到2:1的固态的二氧化碳和水制冰。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述固态的二氧化碳和/或所述水制冰具有0.5mm到10mm的、优选地1.5mm到6mm的粒状物大小。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，以500kg/h到2500kg/h、进一步地优选1000kg/h到2500kg/h、进一步优选地1200kg/h到2000kg/h、进一步优选地1500kg/h到2000kg/h的质量流量引入所述固体材料。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，在1分钟到15分钟的、优选地在2分钟到10分钟的、进一步优选地在4分钟到7分钟的时间段内执行对所述喷气式发动机(50)的清洗。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，在清洗过程期间将10kg到600kg、优选地35kg到400kg、进一步优选地40kg到250kg的固体材料引入到所述发动机中。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于，将所述喷气式发动机以50min-1到500min-1、优选地100min-1到300min-1、进一步优选地120min-1到250min-1的风扇转速旋转。
17.一种用于执行根据权利要求1至16中任一项所述的方法的设备，所述设备具有：
a)用于产生气流的装置(1)，
b)用于将固体材料引入到所述气流中的混合装置(4)，
c)用于所述清洗介质的排出装置(11)，
其特征在于，所述设备设计用于以80m/s或更小的输出速度将所述清洗介质从所述排出装置中排出。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述混合装置(4)能够布置在气流速度升高的区域内。
19.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，在所述混合装置(4)的上游能够布置喷嘴(3)。
20.根据权利要求18或19所述的设备，其特征在于，在所述混合装置(4)的下游能够布置扩散器(7)。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备具有至少一个用于将不同的固体材料输送至所述混合装置的输送装置。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备具有用于粉碎固体材料的颗粒的装置(9)。
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