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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen eines Strahltriebwerks, mit einer Versorgungseinrichtung für Kohlendioxid, einer Einrichtung zum Speisen einer Reinigungslanze mit Kohlendioxid, und einer Reinigungslanze zum Ausbringen des Kohlendioxids in fester Form auf die zu reinigenden Flächen. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Reinigungsverfahren unter Verwendung der Vorrichtung.
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Flugzeugstrahltriebwerke besitzen in der Regel eine oder mehrere Kompressorstufen, eine Brennkammer, sowie eine oder mehrere Turbinenstufen. In den Turbinenstufen geben die aus der Brennkammer stammenden heißen Verbrennungsgase einen Teil ihrer thermischen und mechanischen Energie ab, die zum Antrieb der Kompressorstufen genutzt wird. Strahltriebwerke von kommerziellen Verkehrsflugzeugen weisen heute weit überwiegend einen sogenannten Turbofan auf, der stromaufwärts von den Kompressorstufen angeordnet ist und in der Regel einen erheblich größeren Durchmesser als die Kompressorstufen aufweist. Der Turbofan wird ebenfalls durch die Turbinenstufen angetrieben und lässt einen erheblichen Teil der das Triebwerk insgesamt durchströmenden Luft als sogenannten Nebenluftstrom an den Kompressorstufen, der Brennkammer und den Turbinenstufen vorbeiströmen. Durch einen solchen Nebenstrom kann der Wirkungsgrad eines Triebwerks erheblich gesteigert und außerdem noch für eine verbesserte Geräuschdämmung des Triebwerks gesorgt werden.
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Eine Verschmutzung eines Flugzeugstrahltriebwerks kann zu einer Reduktion des Wirkungsgrades führen, was einen erhöhten Kraftstoffverbrauch und damit eine erhöhte Umweltbelastung zur Folge hat. Die Verschmutzung kann beispielsweise durch Insekten, Staub, Salznebel oder sonstigen Umweltverunreinigungen hervorgerufen werden. Teile des Triebwerks können durch Verbrennungsrückstände der Brennkammer kontaminiert werden. Diese Verunreinigungen bilden einen Belag auf den mit Luft durchströmten Teilen eines Flugzeugtriebwerks und beeinträchtigen die Oberflächengüte. Damit wird der thermodynamische Wirkungsgrad des Triebwerks beeinträchtigt. Hierbei sind insbesondere die Schaufeln in den Kompressorstufen zu nennen, deren Verschmutzung einen erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad des gesamten Triebwerks hat.
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Zur Beseitigung von Verunreinigungen ist bekannt, ein Triebwerk mit einer Reinigungsflüssigkeit, in der Regel heißem Wasser, zu reinigen. Aus
WO 2009/132847 A1 ist bekannt festes Kohlendioxid als Reinigungsmedium zu verwenden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die bzw. das ein sicheres und in der Handhabung einfaches Reinigen von Strahltriebwerken ermöglicht.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Reinigungslanze im Bereich des Austritts eine Einrichtung zur Umkehr der Strömungsrichtung des Kohlendioxids aufweist.
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Zunächst seien einige im Rahmen der Erfindung verwendete Begriffe erläutert.
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Die Versorgungseinrichtung für Kohlendioxid kann Kohlendioxid in flüssiger Form oder in fester Form (vorzugsweise als Pellets) enthalten. Es kann sich um einen geeigneten Vorratsbehälter handeln.
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Die Einrichtung zum Speisen der Reinigungslanze mit Kohlendioxid umfasst üblicherweise geeignete Fördereinrichtungen (beispielsweise Pumpen) und Verbindungen wie beispielsweise Schläuche.
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Die Reinigungslanze dient dem gezielten Einbringen der Austrittsöffnungen für Kohlendioxid an die gewünschte Position innerhalb des zu reinigenden Strahltriebwerks. Sie ist in der Regel im Wesentlichen starr, ihre Austrittsöffnung kann eine geeignete Düse aufweisen.
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Der Bereich des Austritts ist dasjenige Ende bzw. derjenige Endbereich der Lanze, wo bzw. in dessen Nähe die Austrittsöffnung bzw. Düse angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Reinigungslanze im Bereich des Austritts eine Einrichtung zur Umkehr der Strömungsrichtung des Kohlendioxids aufweist. Umkehr der Strömungsrichtung bedeutet, dass das durch die Reinigungslanze in Richtung der Austrittsöffnung strömende Kohlendioxid in eine Richtung austreten gelassen wird, die von der Strömungsrichtung durch die Lanze (im wesentlichen entsprechend der Längsachse der Lanze) um mehr als 90°, vorzugsweise etwa 150–180°, abweicht.
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Beim Reinigen eines Strahltriebwerks kommt es insbesondere darauf an, die so genannten Kompressorstufen vor der Brennkammer zu reinigen, da Verunreinigungen an dieser Stelle besonders nachteilig für den Wirkungsgrad des Triebwerks sind. Ein gezieltes Applizieren von Reinigungsmedium in den Kompressor ist problematisch, da dessen in Stromrichtung vorne gelegener Einlass von vorne (durch den Fan des Triebwerks hindurch) nur schwer zu erreichen ist.
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Die Erfindung hat erkannt, dass sich eine erfindungsgemäß gestaltete Reinigungslanze einfach und sicher von hinten der Gestalt im Bereich des Einlasses des Kompressors positionieren lässt, dass dieser gezielt mit Kohlendioxid als Reinigungsmedium angeströmt werden kann. Es war überraschend, dass sich Kohlendioxid als Reinigungsmedium in einer Lanze in der Strömungsrichtung umkehren lässt, ohne dabei beispielsweise bereits zu sublimieren oder ansonsten die Eignung als Reinigungsmedium zu verlieren. Überraschend ist dies insbesondere bei der Verwendung fester Pellets aus Kohlendioxid als Reinigungsmedium.
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Das feste Kohlendioxid kann in der Versorgungseinrichtung in Form von Pellets bereitgestellt werden, die mit Hilfe eines Treibgases aus der Reinigungslanze gesprüht werden. Es ist aber auch möglich, flüssiges Kohlendioxid als Vorstufe des Reinigungsmediums in der Versorgungseinrichtung vorzusehen. Das flüssige Kohlendioxid erstarrt beim Austritt aus der Reinigungslanze wenigstens teilweise und bildet eine feste Komponente in Form von Kohlendioxidflocken.
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Kommt flüssiges Kohlendioxid mit Umgebungsluft in Kontakt, in dem es z. B. durch eine Düse austritt, so nimmt ein Teil sogleich Gasform an. Ein anderer Teil des Kohlendioxids wird in Form von Flocken fest. Dies rührt daher, dass der aus der flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehende Teil des Kohlendioxids sehr viel Wärme bindet, welche dem übrigen noch flüssigen Teil entzogen wird, wodurch die Temperatur desselben bis zu dem Erstarrungspunkt des Kohlendioxids sinkt. Das feste Kohlendioxid erhält man auf diese Weise als weiße, schneeartige Flocken, welche sich an der Luft lange halten, und zwar unabhängig von der Temperatur der Luft. Wegen der schlechten Leitfähigkeit für Wärme und der sehr niedrigen Temperatur des festen Kohlendioxids findet nur ein sehr langsames Sublimieren statt. Das aus den Flocken fortwährend gasförmig entweichende Kohlendioxid bildet eine Schutzschicht um die Flocken, die in der Regel einen direkten Kontakt mit den festen Flocken verhindert.
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Pellets können in einem sog. Pelletiser aus flüssigem CO2 hergestellt werden und sind gut lagerungsfähig. Es kann vorgesehen sein, dass die Versorgungseinrichtung bereits vorgefertigte Pellets mit Hilfe eines Treibgases zur Reinigungslanze befördert. Es ist aber auch möglich, dass die Versorgungseinrichtung eine Vorrichtung aufweist, um aus flüssigem Kohlendioxid Kohlendioxidpellets zu formen, und diese mit einem Treibgas (Druckluft) zur Reinigungslanze befördert. In beiden Fällen tritt das feste Kohlendioxid aus den Düsen der Reinigungslanze aus und gelangt in das zu reinigende Triebwerk.
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In dem Dokument „Carbon Dioxide Blasting Operations” der US-Streitkräfte ist die Technik zur Herstellung von CO2-Flocken und Pellets beschrieben. CO2-Flocken entstehen bei Austritt von flüssigem und/oder gasförmigen CO2 aus einer Düse durch die Verdampfungskälte des austretenden CO2. Pellets weisen eine höhere Dichte als Flocken auf und werden bspw. durch eine Verdichtung von festem CO2 (bspw. Flocken) in einem Pelletiser oder dergleichen gewonnen.
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Gegenüber Wasser bietet Kohlendioxid als Reinigungsmedium den Vorteil, dass es bei beliebigen Außentemperaturen eingesetzt werden kann, d. h. auch bei Temperaturen unter 5°C. Deshalb kann es ganzjährig zum Einsatz kommen. Außerdem sublimieren die Kohlendioxidflocken nach einiger Zeit vollständig, so dass es zu keinen Rückständen im Triebwerk kommt. Durch die angesprochene Schutzschicht durch das aus den Flocken entweichende Gas wirken die Kohlendioxidflocken auch nicht abrasiv, wie z. B. das bereits bekannte Reinigungsmedium Kohlenstaub. Vielmehr kommt die Reinigungswirkung im Wesentlichen durch thermische Effekte zu Stande. Aufgrund der durch die Kohlendioxidflocken induzierten Wärme-Kälte-Spannungen werden die Verunreinigungen von den Oberflächen der Triebwerksteile abgelöst.
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Wie angesprochen bleiben nach einer Reinigung mit Kohlendioxid keinerlei Rückstände, welche den Betrieb beeinträchtigen könnten, im Motor, da die Kohlendioxidflocken oder Pellets vollständig sublimieren. Der Betrieb des Triebwerks und damit des gesamten Flugzeugs ist durch den Wegfall von möglichen Rückständen, und damit einer möglichen Stör- bzw. Fehlerquelle, noch sicherer.
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Die Versorgungseinrichtung stellt das Reinigungsmedium zur Verfügung (beispielsweise in einem oder mehreren Tanks) und kann mit Bedienungs- und Antriebseinrichtungen, Pumpen, Energiespeichern oder dergleichen versehen sein. Sie ist vorzugsweise als mobile, insbesondere fahrbare Einheit ausgebildet.
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Die Reinigungslanze weist eine oder mehrere Düsen für das Reinigungsmedium auf. Die Düsen sind bei Verwendung von flüssigem Kohlendioxid vorzugsweise so ausgebildet, dass die Bildung von Flocken bei Austritt von Kohlendioxid durch die Düsen gefördert wird. Um eine möglichst große Reinigungswirkung zu erzielen, können die Düsen als Flachstrahldüsen ausgeführt sein.
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Erfindungsgemäß ist die Einrichtung zur Umkehr der Strömungsrichtung des Kohlendioxids bevorzugt als Krümmung der Reinigungslanze vor deren Austrittsöffnung ausgebildet. Radius und Durchmesser des gekrümmten Abschnitts können insbesondere bei der Verwendung fester Pellets so ausgebildet sein, dass deren Durchtritt durch diesen gekrümmten Abschnitt ohne weiteres erfolgen kann. Bevorzugt wird die Strömungsrichtung um einen Winkel von 150–180° umgekehrt.
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Die Reinigungslanze weist bevorzugt eine Befestigungseinrichtung zum Befestigen an einem Triebwerksbauteil auf. Bei diesem Triebwerksbauteil kann es sich beispielsweise um die Cowling oder andere geeignete Bauteile handeln. Sofern die Lanze durch eine geöffnete Schubumkehrtür eingeführt wird, kann sie beispielsweise im Randbereich der Türöffnung auf geeignete Weise befestigt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit flüssigem Kohlendioxid betrieben werden, dass gasförmig aus der Lanze Austritt und durch den Druckabfall zu Kohlensäureflocken oder Kohlensäureschnee ausfriert.
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Alternativ ist es möglich, dass die Vorrichtung mit festem, stückigem Kohlendioxid betrieben wird, bevorzugt Pellets aus Kohlendioxid, die beispielsweise einen Durchmesser von etwa 3 mm aufweisen können. Die Herstellung und Lagerung solcher Pellets ist dem Fachmann geläufig. Bei der Verwendung von Pellets ist es bevorzugt, wenn zusätzlich ein Treibgas, insbesondere Druckluft, verwendet wird. In diesem Fall ist bevorzugt eine Druckluftquelle vorgesehen.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Reinigen eines Strahltriebwerks unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- a) Einbringen der Reinigungslanze von der Auslassseite her in das Triebwerk,
- b) Beaufschlagen der Reinigungslanze mit Kohlendioxid als Reinigungsmedium,
- c) Durchführen der Reinigung dergestalt, dass Kohlendioxid aus dem Auslass der Reinigungslanze in Richtung auf den Triebwerksauslass austritt und auf die zu reinigenden Flächen auftrifft.
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Die Reinigungslanze wird von der Auslassseite her in das Triebwerk eingeführt. Es ist im Rahmen der Erfindung möglich, die Lanze zu diesem Zweck vom hinteren Gasaustritt her in das Triebwerk einzuführen. Häufig wird es vorteilhaft sein, stattdessen eine Schubumkehrtür zu öffnen und die Lanze durch diese Öffnung einzuführen, da sie dann kürzer gebaut sein kann. Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, dass die Lanze unter Umständen auch von der Einlassseite her in das Triebwerk eingeführt werden kann, um beispielsweise die rückseitigen Flächen von Fanblades o. ä. zu reinigen.
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Die Austrittsöffnung bzw. Düse der Lanze wird bevorzugt so positioniert, dass sie vor den so genannten Guide Vanes (Leitschaufeln) des Kompressors zu liegen kommt und austretendes Kohlendioxid somit in den Kompressor eintritt und diesen reinigt. Der Durchsatz von Kohlendioxid und etwaigen Treibgas (Druckluft) wird bevorzugt so gewählt, dass Menge und Geschwindigkeit des austretenden Mediums sämtliche Stufen des Kompressors beaufschlagen und reinigen können.
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Bevorzugt wird festes Kohlendioxid (Pellets) mit Druckluft als Treibgas verwendet. Der Druck der verwendeten Druckluft kann erfindungsgemäß beispielsweise 1,4–9,7 bar betragen. Der Volumenstrom der verwendeten Druckluft (bezogen auf einen Druck von 5,5 bar) kann beispielsweise 1,4–6,1 m3/min betragen.
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Bei der Verwendung von festem Kohlendioxid kann dessen Massenstrom bevorzugt 0,1–3,2 kg/min betragen. Die Dauer eines Reinigungsvorgangs kann erfindungsgemäß bevorzugt 1–15 min, weiter vorzugsweise 2–10 min, weiter vorzugsweise 3–7 min betragen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
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2 schematisch die Positionierung einer Reinigungslanze zur Reinigung der Core Engine eines Triebwerks.
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Mit 1 ist in 1 eine Versorgungseinrichtung für Kohlendioxid in der Form eines fahrbaren Wagens gekennzeichnet. Dieser Wagen enthält wenigstens einen Vorratsbehälter mit festem (Pellets) oder flüssigem Kohlendioxid sowie (insbesondere bei der Verwendung von festem Kohlendioxid) eine Druckluftpumpe.
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Die Versorgungseinrichtung 1 ist mittels eines Schlauches 2 und einer Schlauchkupplung 3 mit der Reinigungslanze 6 verbunden. Die Reinigungslanze 6 weist eine bei 4 angedeutete Befestigungseinrichtung mit einem Betätigungshebel 5 auf. Diese Befestigungseinrichtung 4 dient der Befestigung beispielsweise im Bereich der Öffnung einer Schubumkehrtür eines Triebwerks.
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Die Reinigungslanze 6 weist in ihrem zum Auslass 8 weisenden Endbereich eine Krümmung 7 um etwa 160° auf und endet in einer Auslassöffnung bzw. Düse 8. In 1 ist dieser Winkel schematisch dargestellt. Der Winkel α beträgt 20° und ist derjenige Winkel, den Lanze 6 und der Endbereich vor dem Austrittsende 8 miteinander einschließen. Der Winkel β ist die Differenz von α zu 180°, beträgt demnach 160° und ist der Umlenkwinkel der Strömungsrichtung.
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Zur Reinigung des Kompressors eines Triebwerks wird wenigstens eine Schubumkehrtür geöffnet und eine oder eine Mehrzahl von Reinigungslanzen 6 werden durch die entsprechenden Öffnungen eingeführt. Die Austrittsöffnungen 8 werden so positioniert, dass deren Strahlrichtung von vorne in den Kompressor hinein weist. Bevorzugt werden zur Reinigung des Kompressors eines Triebwerks zwei Reinigungslanzen 6 gleichzeitig montiert.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Reinigungslanze in einer Reinigungsposition. Die Lanze ist zwischen Leitschaufeln (guide vanes) 9 der Mantelstufe eines Triebwerks positioniert. Die Krümmung 7 weist über den sog. Booster-Fan-Splitter 10 in den Eingang der Kompressorstufe zwischen dessen Leitschaufeln (guide vanes) 11. Bei 12 sind schematisch Schaufeln des Fans (Fanblades) dargestellt.
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Die Reinigungslanzen 6 werden mithilfe der Befestigungseinrichtung 4, 5 an geeigneter Stelle befestigt. Mittels der Schlauchkupplung 3 wird der Schlauch 2 angeschlossen.
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Die Versorgungseinrichtung 1 wird in Betrieb genommen und speist die Reinigungslanzen 6 mit flüssigem oder festem Kohlendioxid. Das feste Kohlendioxid reinigt die Oberflächen und sublimiert rückstandsfrei.
