CN112543681B - 用于清洁喷气发动机的核心发动机的装置、方法和总成 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于清洁喷气发动机的核心发动机的装置，包括：喷嘴单元，该喷嘴单元设计成用于将清洁介质引入核心发动机，并具有用于旋转固定到喷气发动机的风扇的轴上的机构；并且包括用于供应清洁介质的管路连接装置(10)，该管路连接装置经由旋转联接件(8)连接至喷嘴单元。根据本发明，喷嘴单元具有至少一个扁平喷嘴和至少一个全锥形喷嘴或中空锥形喷嘴。

Description

用于清洁喷气发动机的核心发动机的装置、方法和总成

技术领域

本发明涉及一种用于清洁喷气发动机的核心发动机的装置和方法，该装置具有：喷嘴设施，该喷嘴设施构造成用于将清洁介质引入核心发动机；用于以旋转固定的方式连接至喷气发动机的风扇的轴的构件；并且具有用于供应清洁介质的管路连接装置，该管路连接装置通过旋转联接件连接至喷嘴设施。

本发明的主题还涉及这种装置和喷气发动机的总成。

背景技术

现在商用亚音速客机的喷气发动机主要是涡轮风扇喷气发动机(turbofan jetengine)。这种涡轮风扇喷气发动机具有一个核心发动机，煤油在核心发动机中进行实际燃烧过程。已知的是，核心发动机具有一个或多个压缩机级、燃烧室以及一个或多个涡轮机级，在这些涡轮机级中，热燃烧气体排放其部分机械能。一方面，驱动压缩机级需要这种机械能，另一方面，驱动设置在核心发动机上游的涡轮风扇也需要这种机械能，该涡轮风扇的直径通常比核心发动机大得多，并且允许流过发动机的总空气的很大一部分作为旁路气流或辅助气流流过发动机。通过这种旁路气流，涡轮风扇产生了发动机推力输出的很大一部分。高比例的旁路气流进一步确保了发动机具有更好的环境兼容性，特别是在亚声速下效率更佳，并且提高了核心发动机的热排气流的噪音抑制效果。

喷气发动机在运行时会分别受到核心发动机燃烧残余物的污染以及燃烧空气或旁路空气吸入的空气污染物的污染，例如灰尘、昆虫、盐雾或其他环境污染物。这些污染物形成一层污染物，特别是还在核心发动机的压缩机的转子叶片和/或定子叶片上形成一层污染物，这影响了表面质量，并因此最终影响了发动机的热力学效率。

因此，需要清洁喷气发动机来清除污染物。为此，从WO 2005/077554A1可知，涡轮风扇发动机的风扇的上游设置有多个清洁喷嘴，以便清洁风扇和核心发动机。

WO 2008/113501公开了一种在开始时所提类型的装置，该装置放置在风扇上，并在清洁操作期间一起旋转。

发明内容

本发明的目的是实现一种在开始时所提类型的具有良好清洁性能的装置、方法和总成。

为了实现该目的，根据本发明，提供了一种喷嘴设施，该喷嘴设施具有至少一个扁平喷嘴和至少一个全锥形喷嘴或中空锥形喷嘴。

首先解释本发明上下文中使用的一些术语。术语喷气发动机是指应用于航空航天领域的任何移动式燃气轮机。在本发明的上下文中，该术语特别指涡轮风扇发动机，其中实际的燃气轮机形成所谓的核心发动机，并且核心发动机的上游设置有涡轮风扇，该涡轮风扇就直径而言较大并在核心发动机周围产生旁路气流。术语核心发动机是指喷气发动机中的实际燃气轮机，燃料(尤其是煤油)在核心发动机中燃烧。这种核心发动机通常具有一个或多个压缩机级、燃烧室以及一个或多个由热废气驱动的涡轮机级。

喷嘴设施具有用于清洁介质的多个喷嘴，以及用于以旋转固定的方式将该喷嘴设施且因此将喷嘴连接至喷气发动机的风扇的轴的机构，下文中将更详细地对该机构进行解释。

清洁介质通过管路连接装置和旋转联接件供应到喷嘴设施。在本发明的上下文中，术语“管路连接装置”应广义地来理解，并且还可以包括例如旋转联接件上的固定(不共同旋转)连接件。

本专利权利要求中未包括提供清洁介质(例如在一个或多个罐中)的供应设施，并且该供应设施可以设置有操作和驱动设施、泵、蓄能器等。该供应设施优选构造成可移动的、特别是可行驶的单元。

锥形喷嘴具有基本旋转对称的喷射流，并且具有中空锥形(中空锥形喷嘴)或全锥形(全锥形喷嘴)的形状。主出口方向对应于圆锥体的对称轴线。

扁平射流喷嘴具有扁平喷射流，该扁平喷射流在垂直于主出口方向的第一空间方向上分别具有喷射角或开口角，该喷射角或开口角显著大于垂直于主出口方向和第一空间方向的第二空间方向上的喷射角或开口角。小(锐角)开口角可以是例如1°到5°。

根据本发明，在锥形喷嘴中，优选全锥形喷嘴。

本发明已经认识到，扁平射流喷嘴和锥形喷嘴(特别是全锥形喷嘴)的组合显著提高了核心发动机中的清洁性能。扁平射流喷嘴在前部压缩机区域(位于上游)中具有良好的清洁效果。锥形喷嘴在核心发动机的后部区域(位于下游)中具有提高的清洁效果，因为在其他相同的操作条件(清洁介质的供应速率和压力)下锥形喷嘴允许液体清洁介质更精细地雾化并且更缓慢地排出。通过这种方式，清洁介质可以更好地跟随流穿过核心发动机，并且作为精细分布的液滴，渗透得更深。

根据本发明的装置优选地在每种情况下具有至少一个，优选地在每种情况下具有两个扁平射流喷嘴和两个全锥形喷嘴。两个扁平射流喷嘴和两个全锥形喷嘴的组合产生了非常好的清洁性能。

优选每个喷嘴的喷射角为20至120°，优选60至90°。术语“喷射角”指喷射锥或喷射风扇各自的最大开口角。

根据本发明的另一个优选实施方式，每个喷嘴的主出口方向与装置的旋转轴线共同围成-45°至45°的角度α，优选为-5°至30°。在每种情况下，该角度优选适于必须进行清洁的发动机类型。清洁操作过程中设备的旋转轴线对应于发动机的旋转轴线。角度的负代数符号是指：向外远离旋转轴线指向的主出口方向。角度的正代数符号是指向内指向旋转轴线的主出口方向，这通常是优选的。

本发明的另一主题涉及一种通过根据本发明的装置清洁喷气发动机核心发动机的方法。在该方法中，喷嘴的出口开口与核心发动机的入口导向叶片的入口平面之间的间距为1至25cm，优选为4至15cm。

本发明已经认识到，该间距的选择能够明显有助于喷射流在进入核心发动机之前分别达到期望的分布程度或期望的液滴尺寸，使得一方面喷射流能够扫过入口开口或核心发动机的入口导向叶片各自的整个宽度和高度，而另一方面，喷射流分别以期望的分布程度或破碎程度进入，从而获得期望的清洁效果。

在该方法的上下文中，该间距范围与在装置的上下文中已经定义的角度α的优选范围的组合是特别有利的。在这种情况下，优选的是，喷嘴与入口导向叶片的入口平面的间距在所述范围内选择，使得以所提供的开口角度(喷射角度)α可以覆盖入口导向叶片的整个区域。在本文中，喷射锥形的中心轴线优选以基本居中的方式朝向入口导向叶片对准。

在根据本发明的方法的另一优选实施方式中，每个喷嘴的主出口方向与核心发动机的入口导向叶片的叶型弦线(profile chord)共同围成-75°至75°、优选-35°至35°的角度β。主出口方向相对于入口导向叶片的叶型弦线的这种调整允许喷雾更好地分别穿过核心发动机的前部区域或前压缩机级。

相应的角度可以替代地以旋转轴线来定义，而不是以叶型弦线来定义。例如，在CF6-50型发动机中，就叶型弦线而言，角度β优选为-27°；就旋转轴线而言，这对应于0°角。

根据本发明，优选的是，液体清洁介质以平均尺寸为10至500μm的液滴离开喷嘴。

根据本发明的一个变型，液体清洁介质以0.5至100巴，优选30至80巴的压力供应到喷嘴。

每个喷嘴的液体清洁介质的通过量可以是1至200L/min，优选3至20L/min。

在清洁过程中，可以允许喷气发动机以50至500min^-1，优选100至300min^-1，进一步优选120至250min^-1的风扇转速旋转。

液体(优选水)在气体介质(优选空气)中的分散体优选用作清洁介质。该分散体可以在喷嘴出口开口之前例如通过将气体介质(例如空气)加入清洁液中而已经产生。然而，优选的是，仅将液体清洁介质引导至喷嘴出口开口，并通过从喷嘴出口开口处离开而受压力雾化，使得混合物由液体和气体介质组成。然后，该分散体或气溶胶被携带通过核心发动机。优选将清洁介质(或气溶胶的液体部分)的温度控制在20至100℃，进一步优选30至80℃，进一步优选50至70℃。

本发明的另一个主题涉及一种喷气发动机和根据本发明的附接至该喷气发动机以清洁核心发动机的装置的总成，所述总成具有以下特征：

a.喷嘴设施以旋转固定的方式连接至喷气发动机的风扇的轴上；

b.喷气发动机的风扇的旋转轴线和喷嘴设施的旋转轴线设置成基本同心；

c.在轴向方向上喷嘴的出口开口设置在风扇平面的后面，和/或喷嘴设置在风扇叶片的中间空间中或朝向风扇叶片的中间空间对准，使得喷嘴射流能够基本上不受阻碍地穿过风扇平面；

其特征为，喷嘴的出口开口与核心发动机的入口导向叶片的入口平面的间距为1至25cm，优选为4至15cm。

每个喷嘴的主出口方向与核心发动机的入口导向叶片的叶型弦线共同围成优选-75°至75°的角度β，优选-15°至15°。

喷嘴设施的喷嘴的出口开口优选地设置成与发动机的旋转轴线相隔一径向间隔，该径向间隔对应于第一压缩机级的指向上游的入口开口的半径的0.6至1.2倍，优选0.6至1倍。

以下将公开根据本发明的装置和总成的其它有利实施方式，所述示例性实施方式在操纵和操作方面提供了特别的优点。

喷嘴设施优选具有用于轴向支撑在风扇叶片上的第一接触面。当将喷嘴设施放置在喷气发动机的旋转器上时，这些限定的第一接触面形成止动器(detent，棘爪)，该止动器以限定的方式相对于喷气发动机至少在轴向上定位喷嘴设施。当第一接触面被放置在风扇叶片上时，这些第一接触面在轴向方向上承靠在风扇叶片上，从而停止放置运动。喷嘴设施随后被紧固到风扇叶片上，如下文更详细地所解释。本文中用于以旋转固定方式连接的机构施加沿轴向方向作用的力(张力)，使得清洁操作中所限定的轴向定位由于风扇叶片上的接触而得以保持。

第一接触面优选构造成具有缓冲性和/或弹性，例如作为橡胶缓冲器。存在多个接触面，优选三个或更多个接触面，这些接触面优选以均匀的角度间隔分布在周缘上。接触面在径向方向和周向方向上的范围优选足够大，以使放置在其上的喷嘴设施牢固地定位并吸收喷嘴设施的力。

本发明的这个方面已经认识到，在根据WO 2008/113501A1的现有技术中，喷嘴设施仅通过接触或承靠在旋转器上来定位通常导致喷嘴设施相对于喷气发动机以非限定和/或偏心的方式定位。这将导致在清洁操作中旋转联接件不平衡和/或磨损高。相比之下，根据本发明提供的风扇叶片上的轴向接触允许以限定方式定位，这确保喷嘴设施的轴线(以及旋转联接件的轴线)总是与喷气发动机的轴线在同一方向上延伸。

第一接触面优选设置在喷嘴设施的第一环形区域上。优选地，该环形区域可以构造成闭合环，该闭合环设置在喷嘴设施的端部区域上，该端部区域在所放置状态下指向下游。根据本发明，该环形区域在轴向方向上指向下游的面可以构造成跨越整个周缘或跨越周缘的子段的(缓冲的)第一接触面。

在根据本发明的总成中，第一环形区域的内直径优选等于或略大于旋转器的外直径(风扇叶片前边缘所在的轴向平面中的外直径)。这有助于喷嘴设施相对于喷气发动机不仅轴向地而且径向地精确定位。在本文中，略大意味着第一环形区域相对于处于放置状态的喷气发动机仅具有径向游隙，使得期望的中心配合(如果有的话)仅略微受到损害。

在一个有利的实施方式中，喷嘴设施还具有用于承靠在喷气发动机的旋转器上的第二接触面。该第二接触面可以设置在喷嘴设施的第二环形区域上，例如，该第二环形区域上在轴向方向上设置在第一环形区域和旋转联接件之间。这些第二接触面同样可以具有弹性/缓冲性。优选地，第二接触面可以有助于将放置在喷气发动机上的喷嘴设施定心在旋转器的面向上游的尖端和风扇叶片的前边缘之间的径向平面内。

总的来说，因此，第一接触面和第二接触面可以共同构造成用于将该装置定心在喷气发动机的旋转器上。

在处于放置状态的根据本发明的装置中，以及在根据本发明的总成中，喷嘴设施的质量分布优选地关于本发明总成的旋转轴线旋转对称。

在本发明的一个优选实施方式中，用于以旋转固定的方式连接至喷气发动机的风扇的轴的机构包括至少两条、优选三条或更多条张紧绳，和用于将张紧绳紧固到风扇叶片的紧固机构。该紧固机构构造为可以单独锁定的单独的紧固机构。紧固机构和/或张紧绳在周向方向上的分布可以对应于第一接触面的相应分布，或者在周向方向上可以设置在这些接触面之间。

张紧绳优选能够紧固到风扇叶片上，优选紧固到风扇叶片的后边缘上(通过钩子或夹爪)。这些钩或夹爪可以分别具有足够软的塑料材料或橡胶涂层或外壳。

与WO 2008/113501A1中公开的中央夹紧装置相比，根据本发明的作为可单独锁定的单独紧固机构的紧固机构的设计实施方式具有显著的优点。在该现有技术中，必须以复杂的方式偏转张紧绳并将其引导至旋转联接件；在该现有技术中提供了一种中心夹紧环，通过该中心夹紧环，所有张紧绳被同时张紧，从而导致喷嘴设施的定位相对不精确。

根据本发明提供的接触面以及由此产生的喷嘴设施的定位允许提供单独的紧固机构，这些紧固机构基本上更容易操纵，并且可以按顺序紧固和锁定，因为已经通过接触面确保了定位。此外，单独紧固允许使用短的张紧绳，从而使得夹紧系统简单且稳健。

各个紧固机构优选具有用于锁定和张紧这些张紧绳的曲柄杆(bell cranklever)。在曲柄杆的情况下，所施加的力和合成力之间的传动比，或者主投放和次投放之间的传动比在启动过程中分别连续变化。在启动到闭合(锁定)状态期间，(施加在张紧绳上的)投放速率以恒定的启动速率降低，而相反，施加在张紧绳上的张力增大。

根据本发明的单独紧固机构的该设计实施方式允许以简单、牢固和限定的方式将喷嘴设施紧固到喷气发动机上，而无需借助工具。

各个紧固机构优选地具有弹簧元件，以用于设定张紧绳的预定预载荷，以便通过限定的力来压缩喷嘴设施。

根据本发明，可以提供的是，用于在闭合状态下固定的、具有固定设施的单独紧固机构。例如，处于闭合状态的曲柄杆可以用开口销或安全销锁定。

根据本发明，可以提供的是，旋转联接件具有冲击保护作用。例如，这可以是衬垫(例如，配置为塑料材料环)，其特别指向径向方向，并且特别是在放置时保护旋转联接件免受冲击。

附图说明

下面将通过附图解释本发明的示例性实施方式，在附图中：

图1：示意性地示出了根据本发明的组装在喷气发动机上的装置的视图；

图2：示意性地示出了发动机的轴向截面，该发动机上放置有根据本发明的装置；

图3：示意性地示出了喷嘴总成及其相对于入口导向叶片的间距X；

图4：示意性地示出了旋转轴线和喷嘴的主出口方向之间的角度α的确定；

图5：示意性地示出了核心发动机的入口导向叶片的叶型弦线和喷嘴的主出口方向之间的角度β的确定；

图6：示出了通过曲柄杆进行紧固的详细视图；以及

图7：示出了第一接触面的设计实施方式的详细视图。

具体实施方式

喷嘴设施分别具有两个环形区域或环形元件1、2，借助于这两个环形区域或环形元件，喷嘴设施各自放置在喷气发动机的风扇的轴毂或旋转器3上(见图1)。在放置状态下，环形元件1、2以基本上形状配合的方式包围旋转器3。就轴向而言，设置在下游的环形元件1的内直径在风扇叶片3的前边缘所在的轴向平面中略大于旋转器3的外直径。

分布在第一环形元件1的周缘上的橡胶缓冲器5形成第一接触面，环形元件1通过该第一接触面轴向承靠在风扇叶片4的前边缘上。

分布在第二环形元件2的周缘上的橡胶缓冲器6形成第二接触面，环形元件2通过该第二接触面承靠在旋转器3上。

两个环形元件1、2通过径向撑条7彼此连接。旋转联接件整体上由附图标记8表示并具有冲击保护装置9，以及喷嘴设施的指向上游(就发动机的流动方向而言)的尖端上的管路连接装置的连接件10。

向四个喷嘴(未示出)供给清洁介质的四个压力管路11从该旋转联接件延伸。压力管路11在与环形元件1、2的交点处固定到这些环形元件1、2上，从而形成整个喷嘴设施的支撑结构的一部分。

为了将喷嘴设施紧固在风扇上，设置了张紧绳12，张紧绳12可通过钩(未示出)钩在风扇叶片4的后边缘上。在锁定位置可以通过安全销14固定的曲柄杆13设置为用于固定张紧绳12的单独紧固机构。弹簧15确保张紧绳12的所限定的张紧。

为了清洁核心发动机，喷嘴设施以特别是可以从图1中得到的方式放置在风扇上，并通过张紧绳12固定到风扇叶片上。发动机设定为处于旋转状态(干起动(drycranking))。通过连接管路10、旋转联接件8和压力管路11从供应设施(未示出)向喷嘴供给清洁介质。

这种清洁介质在核心发动机的整个周缘上扫过核心发动机的入口，从而进行清洁。

图3示意性地示出了压力管路11和全锥形喷嘴16以及该全锥形喷嘴16的喷射锥17，该全锥形喷嘴16设置在压力管路11的端部上并且位于风扇叶片4之间。喷嘴16的出口开口与核心发动机的入口导向叶片18的入口平面的轴向间距由附图标记X示意性地表示。

图4示意性地示出了喷嘴(此处未示出)的主出口方向与平行于旋转轴线的轴线之间的角度α。在该实施方式的变型中，角度α近似于发动机的旋转轴线和第二直线之间的角度，该第二直线作为在核心发动机的压缩机的进气口的径向向外周边上和在流动方向上设置在其后面的流动管道的凸曲面上延伸的切线。

图5示意性地示出了喷嘴16的主出口方向和核心发动机的入口导向叶片18的叶型弦线19(或其假想延伸部分)之间的角度β。

Claims (21)

1.一种用于清洁喷气发动机的核心发动机的装置，包括：喷嘴设施，构造成用于将清洁介质引入所述核心发动机，以及用于以旋转固定的方式连接至所述喷气发动机的风扇的轴的机构；并且包括用于供应清洁介质的管路连接装置，所述管路连接装置通过旋转联接件(8)连接至所述喷嘴设施，其特征在于，所述喷嘴设施包括喷嘴，每个喷嘴具有60至90°的喷射角，所述喷嘴包括至少一个扁平射流喷嘴和至少一个全锥形喷嘴或中空锥形喷嘴，每个喷嘴的主出口方向与所述装置的旋转轴线共同围成-5°至30°的角度α。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置在每种情况下均具有至少一个扁平射流喷嘴和至少一个全锥形喷嘴。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置在每种情况下均具有两个扁平射流喷嘴和两个全锥形喷嘴。

4.一种通过根据权利要求1至3中任一项所述的装置来清洁喷气发动机的核心发动机的方法，其特征在于，所述喷嘴的出口开口与所述核心发动机的入口导向叶片的入口平面的间距为1至25cm。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，每个喷嘴的主出口方向与所述核心发动机的所述入口导向叶片的叶型弦线共同围成-75°至75°的角度β。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，液体清洁介质以平均尺寸为10至500μm的液滴离开所述喷嘴。

7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，以0.5至100巴的压力向所述喷嘴供应液体清洁介质。

8.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，每个喷嘴的液体清洁介质的通过量为1至200L/min，和/或，允许所述喷气发动机以50至500min^-1的风扇转速旋转。

9.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，将液体在气体介质中的分散体用作清洁介质。

10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述喷嘴的出口开口与所述核心发动机的入口导向叶片的入口平面的间距为4至15cm。

11.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，每个喷嘴的主出口方向与所述核心发动机的所述入口导向叶片的叶型弦线共同围成-15°至15°的角度β。

12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，以30至80巴的压力向所述喷嘴供应液体清洁介质。

13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，每个喷嘴的液体清洁介质的通过量为3至20L/min。

14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，允许所述喷气发动机以100至300min^-1的风扇转速旋转。

15.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，允许所述喷气发动机以120至250min^-1的风扇转速旋转。

16.一种喷气发动机和根据权利要求1至3中任一项所述的装置的总成，所述装置附接至所述喷气发动机以用于清洁所述核心发动机，所述总成具有以下特征：

a.所述喷嘴设施以旋转固定的方式连接至所述喷气发动机的所述风扇的轴上；

b.所述喷气发动机的所述风扇的旋转轴线和所述喷嘴设施的旋转轴线设置成基本同心；

c.在轴向方向上所述喷嘴的出口开口设置在所述风扇的平面的后面，和/或所述喷嘴设置在所述风扇的叶片的中间空间中、或朝向所述风扇的叶片的中间空间对准，使得喷嘴射流能够基本上不受阻碍地穿过所述风扇的平面；

其特征在于，所述喷嘴的出口开口与所述核心发动机的入口导向叶片的入口平面的间距为1至25cm。

17.根据权利要求16所述的总成，其特征在于，每个喷嘴的主出口方向与所述核心发动机的入口导向叶片的叶型弦线共同围成-75°至75°的角度β。

18.根据权利要求16或17所述的总成，其特征在于，所述喷嘴设施的所述喷嘴的出口开口设置成与所述喷气发动机的旋转轴线相距一径向间隔，所述径向间隔对应于第一压缩机级的指向上游的入口开口的半径的0.6至1.2倍。

19.根据权利要求16所述的总成，其特征在于，所述喷嘴的出口开口与所述核心发动机的入口导向叶片的入口平面的间距为4至15cm。

20.根据权利要求17所述的总成，其特征在于，每个喷嘴的主出口方向与所述核心发动机的入口导向叶片的叶型弦线共同围成-15°至15°的角度β。

21.根据权利要求18所述的总成，其特征在于，所述径向间隔对应于第一压缩机级的指向上游的入口开口的半径的0.6至1倍。

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