CN117365682A - 一种机匣结构、燃气涡轮发动机及其清洗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种机匣结构、燃气涡轮发动机及其清洗方法。其中，燃气涡轮发动机包括：压气机以及包容所述压气机的机匣；其中，所述机匣具有多个清洗孔，所述压气机的每一级对应设置至少一个所述清洗孔，所述清洗孔垂直于所述机匣的壁面，且所述清洗孔在轴向的上游端位于对应一级的转子叶片的进流侧叶尖的轴向位置的上游，所述清洗孔在轴向的下游端位于对应一级转子叶片的进流侧叶根的轴向位置的下游。保证高效地清洗转子叶片，并且不影响机匣的结构强度及功能性。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机领域，具体涉及一种机匣结构、燃气涡轮发动机及其清洗方法。
背景技术
航空发动机在实际商业服役中，风扇增压级转子叶片和压气机转子叶片表面、叶型前缘会附着污染物并形成致密积灰层，降低发动机压气机效率、燃气温度裕度和燃油经济性。发动机制造商建议航空公司每300-500循环开展周期性的发动机在翼清洗(对于空气质量差的区域清洗周期为250循环)清除增压级及高压压气机转子叶片表面的积灰层，恢复发动机性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃气涡轮发动机。
本发明的另一目的是提供一种燃气涡轮发动机的清洗方法。
本发明的又一目的是提供一种机匣结构。
根据本发明一方面的一种燃气涡轮发动机，包括：压气机；以及包容所述压气机的机匣；其中，所述机匣具有多个清洗孔，所述压气机的每一级对应设置至少一个所述清洗孔，所述清洗孔垂直于所述机匣的壁面，且所述清洗孔在轴向的上游端位于对应一级的转子叶片的进流侧叶尖的轴向位置的上游，所述清洗孔在轴向的下游端位于对应一级转子叶片的进流侧叶根的轴向位置的下游。
本发明的技术方案针对转子叶片前缘、叶型位置，通过每级对应设置清洗孔，清洗孔与机匣壁面垂直且其上游端位于进流侧叶尖轴向位置的上游，其下游端位于进流侧叶根轴向位置的下游，可保证干冰喷射角度和喷射速度，直线射入机匣，覆盖转子叶片前缘及部分叶身，充分地与需要清洗的转子叶片接触作用，保证高效地清洗转子叶片，发挥干冰清洗的优势，取得良好的清洗效果，并且不影响机匣的结构强度及其他功能。另外，清洗孔还可作为孔探孔，对转子叶片的可达性好，便于检查维修。
在所述的燃气涡轮发动机的一个或多个实施例中，所述清洗孔的直径为8-12mm，所述清洗孔在轴向的上游端位于对应该级的转子叶片的进流侧叶尖的轴向位置的上游1-2mm，所述清洗孔在轴向的下游端位于对应该级的转子叶片的进流侧叶根的轴向位置的下游1-3mm。
在所述的燃气涡轮发动机的一个或多个实施例中，所述清洗孔沿着其径向向外对应设置有外螺纹孔段，用于同喷射清洗剂的喷射管头可拆卸地连接。
在所述的燃气涡轮发动机的一个或多个实施例中，所述燃气涡轮发动机包括清洗状态以及运行状态：在所述清洗状态，所述清洗孔连通所述喷射管头，所述压气机旋转受到电机驱动而转动；在所述运行状态，所述清洗孔被堵头封堵，所述压气机受由燃气驱动而转动，所述堵头的径向内端完全封闭所述清洗孔的径向内端，且与所述机匣的内壁平齐而构成流线结构。
根据本发明另一方面的一种燃气涡轮发动机的清洗方法，所述燃气涡轮发动机为如上所述的燃气涡轮发动机，所述清洗方法包括：拆除封堵所述清洗孔的堵头，将干冰清洗管连接至所述清洗孔，在每个清洗孔喷射干冰以清洗对应级的转子叶片；喷射结束后，重新连接堵头以封堵所述清洗孔。
在所述的清洗方法的一个或多个实施例中，燃气涡轮发动机的附件齿轮箱连接外部的电机驱动核心机交替地顺时针、逆时针旋转，同时在每个清洗孔喷射干冰以清洗对应级的转子叶片。
在所述的清洗方法的一个或多个实施例中，干冰清洗机喷射10-100μm粒径的高速干冰颗粒流，并持续干冰喷射10-30分钟，所述高速干冰颗粒流的流速为0.5kg/min至2kg/min。
在所述的清洗方法的一个或多个实施例中，干冰清洗机接入压缩空气以及电源，单个干冰清洗机通过连接分管的结构连接多个清洗孔。
根据本发明又一方面的一种机匣结构，所述机匣具有多个清洗孔，所述机匣对应压气机的每一级的位置具有至少一个所述清洗孔，所述清洗孔垂直于所述机匣的壁面，且所述清洗孔在轴向的上游端位于对应该级的转子叶片的进流侧叶尖的轴向位置的上游，所述清洗孔在轴向的下游端位于对应该级转子叶片的进流侧叶根的轴向位置的下游。
在所述的机匣结构的一个或多个实施例中，所述清洗孔的直径为8-12mm，所述清洗孔在轴向的上游端位于对应该级的转子叶片的进流侧叶尖的轴向位置的上游1-2mm，所述清洗孔在轴向的下游端位于对应该级的转子叶片的进流侧叶根的轴向位置的下游1-3mm。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，需要注意的是，这些附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：
图1A为一实施例的双层机匣堵头结构示意图；
图1B为一实施例的单层机匣堵头结构示意图；
图2A为一实施例的清洁孔与转子叶片的关系结构示意图；
图2B为一实施例的喷射管头的结构示意图；
图3A为一实施例的外螺纹孔段的结构示意图；
图3B为一实施例的螺纹连接转接头的结构示意图；
图4为一实施例的燃气涡轮发动机的部分结构示意图。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的各个实施方案，这些实施方案的实例被显示在附图中并描述如下。尽管本发明将与示例性实施方案相结合进行描述，但是应当意识到，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等效形式及其它实施方案。
在随后的描述中，“上游”、“下游”、“轴向”、“径向”、“内”、“外”或者其他方位术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，“上游”、“下游”以气流流动方向为标准进行区分，具体的，气流由上游流向下游。
同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”和/或“一实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
随着对发动机清洗的要求日益提高，需要进一步改善发动机结构。
目前，发动机传统的水洗、泡沫清洗方法均存在设备、清洗工装复杂，清洗效率低、单次清洗时间长(4-6小时)。且需要采购发动机专用清洗液(泡沫清洗液定制成本高)、加热清洗液、处理清洗废液，清洗后24小时内需启动发动机，以蒸发残余清洗剂，无法实现高速的转子叶片表面清洗。而且，化学清洗剂对环境及操作人员均有危害，清洗场地受限。
干冰清洗，其为固态干冰颗粒在压缩空气的驱动下，高速撞击待清洗零件表面。由于零件表面温度比干冰气化温度高，干冰颗粒接触零件表面后在几千分之一秒内气化，其体积膨胀600-800倍，发生“微爆炸”现象，将附着在零件表面的污染物剥离，干冰清洗后不会留下污染液，无毒无害，且清洗过程对零件无任何损害，相比传统的化学清洗方式，其有几倍甚至几十倍清洗效率提升，属于新型的高效率、低成本、绿色的清洗技术，其在汽车、模具行业被广泛应用。干冰清洗需有较优的直射喷射角度和较大的喷射速度才能保证清洗效果。
发明人发现，发动机增压级或高压压气机的机匣构型设计没有专用清洗接口，仅能利用风扇增压级的入口或压气机机匣上的孔探孔，制约了发动机的清洗方法选择，无法使用高效的清洗技术，例如干冰清洗，会导致清洗效果不佳。
发明人经过深入研究发现，导致干冰清洗效果不佳的原因在于，无法保证干冰喷射角度和喷射速度，干冰无法充分地与需要清洗的转子叶片接触作用，导致清洗效果不佳，无法发挥干冰清洗的优势。
基于以上考虑，发明人经过深入研究，设计了一种机匣结构，相比传统机匣，通过清洗孔结构的设置，在满足机匣强度及功能性基础上，清洗孔与机匣壁面垂直且其上游端位于进流侧叶尖轴向位置的上游，其下游端位于进流侧叶根轴向位置的下游，保证了干冰喷射角度和喷射速度，使得干冰充分地与需要清洗的转子叶片接触作用，发挥干冰清洗的优势，取得了良好的清洗效果。
虽然本申请实施例公开的机匣结构适用于航空发动机以达到快速清洗压气机转子叶片的效果，但不以此为限，也可以适用于其他的应用场合，只要是发动机为便于高效清洗转子叶片可以应用本申请实施例公开的机匣结构即可。
参考图2A结合图4所示，在一个实施例中，燃气涡轮发动机的具体结构可以是，包括压气机100以及包容压气机100的机匣200。其中，机匣200具有多个清洗孔1，压气机100的每一级对应设置至少一个清洗孔1，清洗孔1垂直于机匣200的壁面，且清洗孔1在轴向的上游端101位于对应一级的转子叶片2的进流侧叶尖201的轴向位置的上游，清洗孔1在轴向的下游端102位于对应一级转子叶片2的进流侧叶根202的轴向位置的下游。
此处的“进流侧”的含义是指气流流经转子叶片时首先经过的转子叶片的一侧，结合对上游、下游的区分定义，进流侧亦可称为上游侧。
本实施例的有益效果在于，针对转子叶片前缘、叶型位置，通过每级对应设置清洗孔，清洗孔与机匣壁面垂直且其上游端位于进流侧叶尖轴向位置的上游，其下游端位于进流侧叶根轴向位置的下游，可保证干冰喷射角度和喷射速度，直线射入机匣，覆盖转子叶片前缘及部分叶身，充分地与需要清洗的转子叶片接触作用，保证高效地清洗转子叶片，发挥干冰清洗的优势，取得良好的清洗效果，并且不影响机匣的结构强度及其他功能。另外，清洗孔还可作为孔探孔，对转子叶片的可达性好，便于检查维修。
参考图2A所示，在一些实施例中，清洗孔1的具体结构可以是，清洗孔1的直径为8-12mm，清洗孔1在轴向的上游端101位于对应该级的转子叶片2的进流侧叶尖201的轴向位置的上游1-2mm，清洗孔1在轴向的下游端102位于对应该级的转子叶片2的进流侧叶根202的轴向位置的下游1-3mm。具体的，如图2A所示，d1为叶尖A点与叶根B点间的轴向距离，e1为上游端101与叶尖A点件的轴向距离，e2为下游端102与叶根B点间的轴向距离，清洗孔1的直径即为e1+d1+e2，根据不同级转子叶片大小，e1约为1-2mm，e2约为1-3mm，例如若转子叶片较大则e1可为2mm，e2可为3mm，若转子叶片较小则e1可为1mm，e2可为1mm，保证转子叶片清洗覆盖率的同时，保证机匣结构强度。如此设置的有益效果在于，机匣专设清洗孔，可根据转子叶片进流侧弯曲程度设计清洗孔的孔径，保证清洗剂的转子叶片覆盖率，极大提高清洗效果，又保证机匣结构强度及其他功能不受影响。
参考图2B至图3B所示，在一些实施例中，清洗孔1的具体结构可以是，清洗孔1沿着其径向向外对应设置有外螺纹孔段103，用于同喷射清洗剂的喷射管头3可拆卸地连接。具体的，如图3A结合图2B所示，外螺纹孔端103位于机匣200的外壁，与喷射管头3采用螺纹连接；如图3B结合2B所示，外螺纹孔段103还可连接转接头104，喷射管头3通过与转接头104连接固定对接清洗孔1，转接头104为快拆卡扣，可使喷射管头3的拆装更加快速便利。如此设置结构简单，保证喷射管头与清洗孔的稳固连接，又便于连接拆卸。
参考图1A、图1B、图4所示，在一些实施例中，燃气涡轮发动机1000的具体结构可以是，包括清洗状态以及运行状态：
在清洗状态，清洗孔1连通喷射管头3，压气机100旋转受到电机(图中未示出)驱动而转动。承上所述的，如图3A至图4所示，喷射管头3与清洁孔1通过外螺纹孔段103或转接头104快速连接，清洁剂由清洗孔1喷射至对应级的转子叶片2覆盖待清洗的转子叶片前缘和叶身。
在运行状态，清洗孔1被堵头4封堵，压气机100受由燃气驱动而转动，堵头4的径向内端401完全封闭清洗孔1的径向内端105，且与机匣200的内壁2001平齐而构成流线结构。具体的，如图1A结合图3B所示的实施例，堵头4由外螺纹孔段103插入清洁孔1，机匣200为双层机匣；如图1B结合图3A所示的实施例，堵头4由外螺纹孔段103插入清洁孔1，机匣200为单层机匣。堵头4封堵清洗孔1，以恢复流道壁。
如此设置的有益效果在于，增加了发动机在翼清洗维护的便捷性，并可有效防止清洗孔影响运行状态下的压气机的气动效率。
进一步的，在一些实施例中，堵头4为螺栓堵头，如图1A、1B所示，堵头4具有头部402，头部402与外螺纹孔段103的径向端部接触贴合，封闭清洁孔1并对堵头4的深入长度进行限位，使封闭效果更好，同时提升操作便捷性。头部402的周向边缘向径向内侧延伸包围外螺纹孔段103的周向外侧，对堵头4起到限位作用，防止发动机工作过程中振动引起堵头4脱落。
参考图1A至图4所示，在一个实施例中，对上述燃气涡轮发动机1000进行清洗的方法的具体步骤可以是，包括：拆除封堵清洗孔1的堵头4，将干冰清洗管5连接至清洗孔1，在每个清洗孔1喷射干冰以清洗对应级的转子叶片2；喷射结束后，重新连接堵头4以封堵清洗孔1。承上所述的，如图1A至图4所示，干冰清洗管5通过喷射管头3与外螺纹孔段103或转接头104快速连接固定，干冰经清洁孔1直喷至转子叶片前缘或部分叶身，进行转子叶片清洁。采用本实施例的清洗方法的有益效果在于，增加了发动机在翼清洗维护的便捷性，干冰成本低廉、易于获得，无需采购发动机专用清洗液、无需加热清洗液、无需进行废液处理，清洗成本低；通过多级转子叶片的多个清洗孔同时喷射干冰，清洗效率高；干冰对航空发动机零件不产生损伤，清洗方法绿色环保，对环境/人员影响小，清洗后发动机无残留化学清洗液，无需在24小时内启动发动机。
进一步的，在一些实施例中，如图4所示，干冰清洗管5为柔性。
参考图4所示，在一些实施例中，清洗方法的具体步骤还包括，燃气涡轮发动机1000的附件齿轮箱(图中未示出)连接外部的电机(图中未示出)驱动核心机交替地顺时针、逆时针旋转，同时在每个清洗孔1喷射干冰以清洗对应级的转子叶片2。干冰经清洗孔直线喷射入机匣，覆盖转子叶片前缘、部分叶身，配合核心机旋转，即可实现整圈压气机转子叶片的精准快速清洗，操作简单，清洗时间短，效率高。
继续参考图4所示，在一些实施例中，清洗方法的具体步骤还包括，干冰清洗机6喷射10-100μm粒径的高速干冰颗粒流，并持续干冰喷射10-30分钟，干冰颗粒流的流速为0.5kg/min至2kg/min。如此设置的有益效果在于，配合常规干冰清洗机即可完成清洗，无需复杂辅助工装和特殊装置，清洗成本低，操作简单，效率高。
继续参考图4所示，在一些实施例中，清洗方法的具体步骤还包括，干冰清洗机6接入压缩空气(图中未示出)以及电源(图中未示出)，单个干冰清洗机6通过连接分管501的结构连接多个清洗孔1。如此设置的有益效果在于，只需一台干冰清洗剂即可实现多级转子叶片的同时清洗，清洗效率高，清洗成本低。
参考图2A结合图4所示，在一个实施例中，机匣结构的具体结构可以是，机匣200具有多个清洗孔1，机匣200对应压气机100的每一级的位置具有至少一个清洗孔1，清洗孔1垂直于机匣200的壁面，且清洗孔1在轴向的上游端101位于对应该级的转子叶片2的进流侧叶尖201的轴向位置的上游，清洗孔1在轴向的下游端102位于对应该级转子叶片2的进流侧叶根202的轴向位置的下游。如此设置的有益效果在于，针对转子叶片前缘、叶型位置，通过每级对应设置清洗孔，清洗孔与机匣壁面垂直且其上游端位于进流侧叶尖轴向位置的上游，其下游端位于进流侧叶根轴向位置的下游，可保证干冰喷射角度和喷射速度，直线射入机匣，覆盖转子叶片前缘及部分叶身，充分地与需要清洗的转子叶片接触作用，保证高效地清洗转子叶片，发挥干冰清洗的优势，取得良好的清洗效果，并且不影响机匣的结构强度及其他功能。另外，清洗孔还可作为孔探孔，对转子叶片的可达性好，便于检查维修。
继续参考图2A结合图4所示，在一些实施例中，机匣结构的具体结构可以是，清洗孔1的直径为8-12mm，清洗孔1在轴向的上游端101位于对应该级的转子叶片2的进流侧叶尖201的轴向位置的上游1-2mm，清洗孔1在轴向的下游端102位于对应该级的转子叶片2的进流侧叶根202的轴向位置的下游1-3mm。如此设置的有益效果在于，机匣专设清洗孔，可根据转子叶片进流侧弯曲程度设计清洗孔的孔径，保证清洗剂的转子叶片覆盖率，极大提高清洗效果，又保证机匣结构强度及其他功能不受影响。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括：
压气机；以及
包容所述压气机的机匣；
其中，所述机匣具有多个清洗孔，所述压气机的每一级对应设置至少一个所述清洗孔，所述清洗孔垂直于所述机匣的壁面，且所述清洗孔在轴向的上游端位于对应一级的转子叶片的进流侧叶尖的轴向位置的上游，所述清洗孔在轴向的下游端位于对应一级转子叶片的进流侧叶根的轴向位置的下游。
2.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述清洗孔的直径为8-12mm，所述清洗孔在轴向的上游端位于对应该级的转子叶片的进流侧叶尖的轴向位置的上游1-2mm，所述清洗孔在轴向的下游端位于对应该级的转子叶片的进流侧叶根的轴向位置的下游1-3mm。
3.如权利要求1或2所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述清洗孔沿着其径向向外对应设置有外螺纹孔段，用于同喷射清洗剂的喷射管头可拆卸地连接。
4.如权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述燃气涡轮发动机包括清洗状态以及运行状态：
在所述清洗状态，所述清洗孔连通所述喷射管头，所述压气机旋转受到电机驱动而转动；
在所述运行状态，所述清洗孔被堵头封堵，所述压气机受由燃气驱动而转动，所述堵头的径向内端完全封闭所述清洗孔的径向内端，且与所述机匣的内壁平齐而构成流线结构。
5.一种燃气涡轮发动机的清洗方法，其特征在于，所述燃气涡轮发动机为权利要求1-4任意一项所述的燃气涡轮发动机，所述清洗方法包括：拆除封堵所述清洗孔的堵头，将干冰清洗管连接至所述清洗孔，在每个清洗孔喷射干冰以清洗对应级的转子叶片；喷射结束后，重新连接堵头以封堵所述清洗孔。
6.如权利要求5所述的清洗方法，其特征在于，燃气涡轮发动机的附件齿轮箱连接外部的电机驱动核心机交替地顺时针、逆时针旋转，同时在每个清洗孔喷射干冰以清洗对应级的转子叶片。
7.如权利要求6所述的清洗方法，其特征在于，干冰清洗机喷射10-100μm粒径的高速干冰颗粒流，并持续干冰喷射10-30分钟，所述高速干冰颗粒流的流速为0.5kg/min至2kg/min。
8.如权利要求7所述的清洗方法，其特征在于，干冰清洗机接入压缩空气以及电源，单个干冰清洗机通过连接分管的结构连接多个清洗孔。
9.一种机匣结构，其特征在于，所述机匣具有多个清洗孔，所述机匣对应压气机的每一级的位置具有至少一个所述清洗孔，所述清洗孔垂直于所述机匣的壁面，且所述清洗孔在轴向的上游端位于对应该级的转子叶片的进流侧叶尖的轴向位置的上游，所述清洗孔在轴向的下游端位于对应该级转子叶片的进流侧叶根的轴向位置的下游。
10.如权利要求9所述的机匣结构，其特征在于，所述清洗孔的直径为8-12mm，所述清洗孔在轴向的上游端位于对应该级的转子叶片的进流侧叶尖的轴向位置的上游1-2mm，所述清洗孔在轴向的下游端位于对应该级的转子叶片的进流侧叶根的轴向位置的下游1-3mm。
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| CN202210762931.XA CN117365682A (zh) | 2022-06-30 | 2022-06-30 | 一种机匣结构、燃气涡轮发动机及其清洗方法 |
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