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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung mindestens eines Fremdkörpers aus einem Gaskanal einer Turbomaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Entfernung mindestens eines Fremdkörpers aus einem Gaskanal einer Turbomaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
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In Turbomaschinen, insbesondere Flugzeugtriebwerken, wird Luft angesaugt, die in der Regel aus der Umgebung stammt. Dabei können Fremdkörper in das Innere der Turbomaschine gelangen. Auch können sich Teile der Turbomaschine lösen und als Fremdkörper im Inneren der Turbomaschine auftreten. Wenn Fremdkörper – ungeachtet ihrer Herkunft – in einen Gaskanal geraten, müssen diese im Rahmen einer Wartung entfernt werden. Unter einem Gaskanal wird hier der beschaufelte Bereich der Turbomaschine verstanden, d.h. die Bereiche, in denen die eintretende Luft komprimiert (Kompressorstufen) oder entspannt wird (Turbine).
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Aus der
US 2014063228 A1 ist ein Verfahren zur Reinigung von Oberflächen bekannt, das für schwer zugängliche Orte geeignet ist.
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Es werden daher Verfahren und Vorrichtungen zur Entfernung von mindestens einem Fremdkörper aus einem Gaskanal einer Turbomaschine benötigt.
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Bei dem Verfahren wird ein Inspektionswerkzeug in den Gaskanal eingeführt, wobei aus mindestens einer Düse des Inspektionswerkzeugs der mindestens eine Fremdkörper gezielt mit einem Druckfluid angeströmt wird, so dass er gezielt im Gaskanal, insbesondere entlang des Gaskanals bewegt wird. Das Druckfluid kann somit eine Kraft aus einer oder mehreren Richtungen auf den mindestens einen Fremdkörper aufbringen, so dass er im Gaskanal gezielt bewegt werden kann. Durch eine Bewegung entlang des Gaskanals kann der mindestens eine Fremdkörper zu einer Stelle bewegt werden, an der er entnommen werden kann.
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In einer Ausführungsform wird der mindestens eine Fremdkörper im Gaskanal durch das Druckfluid in Richtung einer Kompressorstufe, in Richtung einer Turbinenstufe, insbesondere der Verdichtereintrittsöffnung oder einer Abblaseluftentnahmestelle bewegt. Die Verdichtereintrittsöffnung ist die Ansaugöffnung des (Hochdruck)verdichters, die bei Strahltriebwerken in der Regel in Flugrichtung vorn angeordnet ist. Die Abblaseluftentnahmestelle ist ein interner Zapfluftentnahmeort am Hochdruckverdichter in der Regel durch Spalte oder Schlitze umlaufend d.h. am gesamten Umfang einer bestimmten Hochdruckstufe. Falls sich der mindestens eine Fremdkörper in einem anderen Bereich des Gaskanals befindet (Brennkammer oder Turbine), so kann das Verfahren auch hier angewandt werden. Der mindestens eine Fremdkörper wird z.B. zur nächstliegenden Inspektionsöffnung oder auch der Austrittsdüse (Austritt Niederdruckturbine) befördert.
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In einer weiteren Ausführungsform weist dass das Druckfluid Druckluft, demineralisiertes Wasser, ein Öl, einen Alkohol und / oder eine Kryoflüssigkeit aufweist oder besteht aus diesen Substanzen. Die Wahl der Substanz kann sich dabei an der Art des Fremdkörpers (hydrophob, hydrophil, etc.) orientieren.
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Für eine flexible Entfernung insbesondere von festsitzenden Fremdkörpern kann in einer Ausführungsform die ausströmende Menge des Druckfluids gesteuert oder geregelt werden. So kann z.B. das Druckfluid pulsierend und / oder drallbehaftet aus der mindestens einen Düse strömen. Auch kann in einer Ausführungsform zusätzlich oder alternativ die Strömungsrichtung des Druckfluids umgeschaltet werden.
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In einer Ausführungsform weist der mindestens eine Fremdkörper eine charakteristische Größe, insbesondere einen mittleren Durchmesser zwischen 4,5 mm und 8 mm, insbesondere zwischen 6,5 mm und 8 mm auf.
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Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Dabei ist an einem Inspektionswerkzeug zur Einführung in den Gaskanal mindestens eine Düse zum gezielten Anströmen des mindestens einen Fremdkörpers mit einem Druckfluid angeordnet.
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Um bei dem Eingriff den mindestens einen Fremdkörper besser handhaben zu können weist in einer Ausführungsform der Vorrichtung die mindestens eine Düse eine Austrittsöffnung im Blickfeld des Inspektionswerkzeugs auf. Damit ist ein gezieltes Einwirken auf den mindestens einen Fremdkörper möglich. So kann z.B. die Anströmrichtung der mindestens einen Düse axial und / oder senkrecht zur Blickrichtung durch das Inspektionswerkzeug sein, insbesondere kann die Anströmrichtung umschaltbar zwischen der axialen oder senkrechten Richtung sein.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist das Inspektionswerkzeug eine optische Vorrichtung auf, mit der der mindestens eine Fremdkörper und / oder der Gaskanal aus mindestens zwei Richtungen betrachtbar ist. Damit kann der Eingriff auf den mindestens einen Fremdkörper gezielt vorgenommen werden.
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Auch ist es möglich, dass das Inspektionswerkzeug mindestens einen Manipulator, insbesondere eine Zange und / oder einen Fräser, für den mindestens einen Fremdkörper aufweist. Mit Hilfe des Manipulators kann die Wirkung des Druckfluides unterstützt werden. Auch ist es möglich, Werkzeuge als Manipulator in einem nachfolgenden Arbeitsschritt einzusetzen, d.h. nach erfolgter Behandlung mittels Druckluft.
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Ferner ist es möglich, dass das Inspektionswerkzeug einen Lichtleiter zur Beleuchtung des Gaskanals und / oder des mindestens einen Fremdkörpers aufweist.
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Damit das Inspektionswerkzeug in das Innere der Turbomaschine eingeführt werden kann, weist der Schaft (Das bezieht sich insbesondere auf das distale Ende des Inspektionswerkzeugs, einschließlich der Vorrichtung zur Einbringung des Druckfluides. Der Schaft kann insbesondere flexible oder gebogenen ausgebildet sein) einen größten Außendurchmesser auf, der kleiner als 6,5 mm ist. Das gesamte Werkzeug muss im gesamten „einfahrbaren“ Bereich einen bestimmten maximalen Durchmesser haben.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Steuerungsvorrichtung auf, mit der der Mengenfluss des Druckfluids, die Strömungsrichtung des Druckfluids und / oder der Drall des Druckfluids einstellbar sind. Die Steuerungsvorrichtung kann teilweise außerhalb des Schaftes angeordnet sein.
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Ausführungsformen der Verfahren und Vorrichtungen werden anhand von Figuren beschrieben. Dabei zeigt
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1 ein Flugzeugtriebwerk als Turbomaschine;
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2 einen schematischen Schnitt durch eine Kompressorstufe mit einem Fremdkörper;
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3 eine vergrößerte Ansicht des Fremdkörpers mit einem Inspektionswerkzeug zur Entfernung des Fremdkörpers;
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4 eine schematische Darstellung des Inspektionswerkzeugs;
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4A eine Anwendung eines Inspektionswerkzeugs in einem Gaskanal;
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5 eine Darstellung einer Ausführungsform eines Inspektionswerkzeugs, bei dem ein Druckfluid senkrecht zur Blickrichtung auf einen Fremdkörper strömt;
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6 eine Darstellung einer Ausführungsform eines Inspektionswerkzeugs, bei dem ein Druckfluid in Richtung der Blickrichtung auf einen Fremdkörper strömt;
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7 eine Darstellung einer Ausführungsform eines Inspektionswerkzeugs, bei dem ein Druckfluid aus zwei Richtungen auf einen Fremdkörper strömt;
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8 eine Darstellung einer Ausführungsform eines Inspektionswerkzeugs mit einem pulsierend austretenden Druckfluid;
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9 eine Darstellung einer Ausführungsform eines Inspektionswerkzeugs mit einem drallbehaftet austretenden Druckfluid;
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10 eine Darstellung einer Ausführungsform eines Inspektionswerkzeugs mit einem austretenden Druckfluid bei dem die Strömungsrichtung umkehrbar ist;
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11 eine Darstellung einer Ausführungsform eines Inspektionswerkzeugs mit einem gebogenen oder biegsamen Schaft.
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In 1 ist als Ausführungsbeispiel ein dreiwelliges Flugzeugtriebwerk 100 in Turbofanbauweise dargestellt. Das Flugzeugtriebwerk 100 weist eine Fanstufe 101, eine Niederdruck-Kompressorstufe 102 und eine Hochdruck-Kompressorstufe 103 auf. Diese werden durch Turbinenstufen 105 in bekannter Weise angetrieben. Ferner weist das Flugzeugtriebwerk 100 noch eine Brennkammer 104 auf.
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Dabei weisen die Fanstufe 101, die Kompressorstufen 102, 103 und die Turbinenstufen 105 jeweils zahlreiche Schaufeln 110 auf, die der im Triebwerk 100 strömenden Luft Arbeit zuführen oder entnehmen.
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Die Stufen 101, 102, 103, 105 werden jeweils von einem Gehäuse 106 umschlossen, das hier in vereinfachender Weise dargestellt ist.
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Der beschaufelte Bereich innerhalb des Gehäuses 106 (Kompressorstufen 101, 102, 103, Turbinenstufen 105) wird hier als Gaskanal 10 betrachtet. Dabei kann der Gaskanal 10 durchaus mehrere Bereiche umfassen. Bei einem Turbofan-Triebwerk umfasst das Gehäuse 106 zwei Teile, so dass auch der Gaskanal 10 zwei Teile umfasst: Den Bereich um die Fanstufe 101 und den Bereich um die anderen Kompressorstufen 102, 103 und die Turbinenstufen 105.
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Der Gaskanal 10 ist jeweils ein Ringraum innerhalb des Gehäuses 106. Insbesondere auf Grund der Schaufeln 110 ist der Zugang zu möglichen Fremdkörpern 1 im Gaskanal 10 u.U. schwierig.
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In 2 ist ein Ausschnitt einer Stufe aus einer Kompressorstufe 102, 103 dargestellt. Dabei ist in Strömungsrichtung zunächst ein Rotor 110a, anschließend ein Stator 110b angeordnet.
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Beispielhaft ist hier ein Fremdkörper 1 im Gaskanal 10, nämlich im Zwischenraum zwischen dem Rotor 110a und dem Stator 110b dargestellt. Die charakteristische Größe des Fremdkörpers 1 beträgt zwischen 6,5 mm und 8 mm, so dass er nicht einfach durch eine hier nicht dargestellte Inspektionsöffnung im Gehäuse 106 entnommen werden kann. Unter der charakteristischen Größe kann hier insbesondere der gemittelte Durchmesser des Fremdkörpers 1 verstanden werden.
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In 3 ist der Bereich um den Fremdkörper 1 vergrößert dargestellt. In schematischer Weise ist hier teilweise ein Inspektionswerkzeug 20 dargestellt, nämlich die Spitze. Ein vollständiges Inspektionswerkzeug 20 (hier ein Boroskop oder Videoskop) ist in 4 dargestellt.
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Seitlich an einem Schaft 25 des Inspektionswerkzeugs 20 ist ein Kanal für ein Druckfluid 22 angeordnet. Dieser Kanal mündet an dem distalen Ende des Inspektionswerkzeuges 20 in einer Düse 21, aus der das Druckfluid 22 gezielt mit vergleichsweise hohem Druck auf den Fremdkörper 1 gerichtet werden kann.
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Das Druckfluid 22 kann z.B. Druckluft, demineralisertes Wasser, Öl oder ein Alkohol sein. Wenn der Fremdkörper 1 aus Kunststoff besteht oder Kunststoff aufweist, kann das Druckfluid 22 auch eine Kryoflüssigkeit (d.h. ein Fluid bei sehr tiefen Temperaturen) sein, da damit der Kunststoff versprödet werden. Mit einem Manipulator 24 (siehe 5) kann dieser Fremdkörper 1 dann mechanisch zerkleinert werden.
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Der Fremdkörper 1 wird in 3 mit dem Druckfluid so angeströmt, dass er in Richtung der Kompressoröffnung, d.h. entgegen der Hauptströmungsrichtung des Flugzeugtriebwerkes 100, bewegt wird (angedeutet durch Pfeil).
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Alternativ ist es auch möglich, den Fremdkörper 1 in die andere Richtung entlang des Gaskanals 10 zu bewegen, was vorzugsweise bei einem Fremdkörper 1 im Gaskanal 10 im Turbinenbereich durchgeführt wird.
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Dabei kann es das Ziel sein, den Fremdkörper 1 in Richtung des sich erweiternden Gaskanals 10 zu bewegen. In den Kompressorstufen 102, 103 ist die entgegen der Hauptströmungsrichtung, in den Turbinenstufen ist die in Hauptströmungsrichtung.
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In 3 ist aus Gründen der Einfachheit nur ein Fremdkörper 1 dargestellt. Es ist aber durchaus möglich, dass mehr als ein Fremdkörper 1 im Gaskanal 10 vorliegt.
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In 4 ist beispielhaft ein Inspektionswerkzeug 20 dargestellt, das mit verschiedenen Einheiten gekoppelt ist. Das eigentliche Inspektionswerkezug 20 mit dem Schaft 25 ist eine Art Endoskop, an dessen Ende u.a. die Düse 21 für das Druckfluid 22 angeordnet ist. Der Schaft ist hier als vollflexibles Endoskop, in der Regel als Videoskop ausgebildet.
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Dies wird in 5 bis 11 noch im Detail dargestellt.
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An dem Inspektionswerkzeug 20 ist eine Stromquelle 26 zur Stromversorgung angeschlossen. Ferner ist eine Steuerungsvorrichtung 27 über ein Verbindungskabel 28 mit dem Inspektionswerkzeug 20 verbunden. Der Raum im Gaskanal 10 und der Fremdkörper 1 können über eine Kameravorrichtung 29 und den angeschlossenen Monitor 30 verfolgt werden.
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Dabei ist es sinnvoll, wenn der größte Außendurchmesser A des Schaftes 25, d.h. der Teil des Inspektionswerkzeugs 20, der durch Öffnungen im Gehäuse 106 in den Gaskanal 10 vordringt, kleiner als 6,5 mm ist.
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Der Schaft 25 umfasst z.B. einen Manipulator (siehe 5), der über einen entsprechenden Kanal betätigt wird. Dieser Teil des Schaftes 25 ist kleiner als 4 mm im Durchmesser. Der Kanal für das Druckfluid 22 mit der Düse 21 am Ende weist einen Außendurchmesser von weniger als 2 mm auf.
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Der Schaft 25 ist hier als ein gerades Bauteil dargestellt, wobei er aber auch eine gekrümmte Form aufweisen und / oder biegsam sein kann (siehe 4A und 11).
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In 4A ist ein Abschnitt eines Gaskanals 10 mit Rotoren 110a und Statoren 110a dargestellt. Durch Öffnungen 107 im Gehäuse 106 wird das Inspektionswerkzeug 20 in den Gaskanal 10 eingeführt. Dabei weist das Inspektionswerkzeug 20 einen Lichtleiter als eine optische Vorrichtung 23 auf, durch den ein Benutzer den Gaskanal 10 mit einem Fremdkörper 1 beobachten kann. In 4A ist schematisch ein Reservoir für das Druckfluid 22 dargestellt, das über die Düse 21 auf den Fremdkörper 1 gerichtet werden kann.
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In den 5 bis 11 sind die Schaft-Spitzen einiger Ausführungsformen von Inspektionswerkzeugen 20 dargestellt.
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In 5 weist der Schaft 25 einen Außendurchmesser A auf, wobei der Schaft 25 hier zwei Teile aufweist. Im rechten Teil des Schaftes 25 ist eine optische Vorrichtung 23 (z.B. eine Kamera oder ein Lichtleiter) angeordnet, über die ein Beobachter den Fremdkörper 1 und den Gaskanal 10 betrachten kann. Die optische Vorrichtung 23 ist hier mit der Kameravorrichtung 29 und dem Monitor 30 gekoppelt (siehe 4). Ein Lichtleiter 31 dient dazu, den Fremdkörper 1 zu beleuchten.
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Im selben Teil des Schaftes 25 ist ein Manipulator 24 angeordnet, der hier im nicht-ausgefahrenen Zustand dargestellt ist. Der Manipulator 24 kann z.B. eine Zange oder ein Fräser sein, mit dem der Fremdkörper 1 bearbeitet, insbesondere zerkleinert, werden kann.
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Im linken Teil des Schaftes 25 ist eine Zuleitung für das Druckfluid 22 angeordnet, wobei die Düse 21 an der Spitze der Zuleitung rechtwinklig in Richtung der optischen Vorrichtung 23 abknickt. Somit ist die Anströmrichtung des Druckfluids 22 aus der Düse 21 rechtwinklig zur Blickrichtung durch das Inspektionswerkzeug 20.
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Die Spitze der Inspektionsvorrichtung 20 ist so positioniert worden, dass das Druckfluid 22 auf die linke Seite des Fremdkörpers 1 wirkt, so dass dieser sich nach rechts bewegen wird, was durch einen Pfeil angedeutet wird.
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In 6 ist eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß 5 dargestellt, so dass Bezug auf die obige Beschreibung genommen werden kann. Hier ist die Düse 21 für das Druckfluid 22 im Schaft 25 selbst angeordnet, wobei die Düse 21 hier parallel zur Blickrichtung durch das Inspektionswerkzeug 20 angeordnet ist. Somit wirkt das Druckfluid 22 hier auf die Unterseite des Fremdkörpers 1, so dass dieser sich in Pfeilrichtung bewegt.
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In der Ausführungsform der 7 werden zwei Druckfluidströme 22a, 22b verwendet, die rechtwinklig zueinander durch Düsen 21a, 21b austreten. Somit kann der Fremdkörper 1 aus zwei unterschiedlichen Richtungen mit Druckfluid 22a, 22b beaufschlagt werden, so dass er sich in Richtung des Pfeils bewegt.
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Die Steuerungsvorrichtung 27 kann den Massenfluss und / oder die Strömungsrichtung durch die Düsen 21a, 22b steuern oder regeln und damit Einfluss auf die resultierende Kraft nehmen, die auf den Fremdkörper 1 wirkt. Auch kann die Steuerungsvorrichtung 23 dazu verwendet werden, die Druckfluidströme 22a, 22b wechselseitig ein- und auszuschalten, so dass der Fremdkörper 1 wechselseitig einmal von der einen Seite, einmal von der anderen Seite mit Druckfluid 22a, 22b beaufschlagt wird. Damit kann ein festsitzender Fremdkörper 1 gelöst werden.
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Wenn z.B. die Querkomponente FQ der Kraft, die auf den Fremdkörper 1 wirkt, kleiner ist als die Kraftkomponente Fax in axialer Richtung, kann auch erreicht werden, dass der Fremdkörper 1 auch schräg von dem Inspektionswerkzeug 20 weg bewegt werden kann, was bei den z.T. beengten geometrischen Verhältnissen in der Turbomaschine 100 sinnvoll sein kann.
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Auch sind im Schaft 25 zwei rechtwinklig zueinander angeordnete optische Vorrichtungen 23a, 23b vorgesehen, so dass der Fremdkörper 1 aus zwei unterschiedlichen Blickwinkeln betrachtet werden kann.
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In 8 ist schematisch eine Spitze des Schaftes 25 dargestellt, aus der das Druckfluid 22 auch pulsierend aus der Düse 21 austreten kann. Durch die Pulsation kann z.B. ein festsitzender Fremdkörper 1 leichter gelöst werden.
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In 9 ist schematisch eine Spitze des Schaftes 25 dargestellt, aus der das Druckfluid 22 mit einem Drall aus der Düse 21 austritt. Durch eine drallbehaftete Strömung des Druckfluides kann ein Moment auf den Fremdkörper 1 gebracht werden.
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In 10 ist schematisch eine Spitze des Schaftes 25 dargestellt, bei der die Strömungsrichtung des Druckfluid 22 durch die Steuervorrichtung 27 umgekehrt wird, d.h. einmal wird angesaugt und einmal wird ausspritzt. Wie bei der Pulsation und / oder der Drallbehaftung kann dies dazu führen, dass ein Fremdkörper 1 besser abgelöst werden kann.
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In 11 ist eine Ausführungsform eines Schaftes 25 dargestellt, die gebogen oder biegsam ausgebildet ist. Die Zuführung für das Druckfluid 22 ist hier an der Außenseite des Schaftes 25 angeordnet.
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Mit jeder der hier dargestellten Ausführungsformen kann der mindestens eine Fremdkörper 1 gezielt durch den Gaskanal 10 befördert werden.
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Die hier dargestellten Ausführungsformen beziehen sich auf ein Flugzeugtriebwerk 100. Die Verfahren und die Vorrichtung lassen sich aber in analoger Weise auch für stationäre Turbomaschinen 100, wie z.B. Gasturbinen einsetzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fremdkörper
- 10
- Gaskanal
- 20
- Inspektionswerkzeug
- 21
- Düse
- 21a
- erste Düse
- 21b
- zweite Düse
- 22
- Druckfluid
- 22a
- erster Druckfluidstrom
- 22b
- zweiter Druckfluidstrom
- 23
- optische Vorrichtung
- 23a
- erste optische Vorrichtung
- 23b
- zweite optische Vorrichtung
- 24
- Manipulator
- 25
- Schaft
- 26
- Stromversorgung
- 27
- Steuervorrichtung
- 28
- Verbindungskabel / Lichtleiter
- 29
- Kamera
- 30
- Monitor
- 31
- Lichtleiter
- 100
- Turbomaschine, Flugzeugtriebwerk
- 101
- Fanstufe
- 102
- Niederdruck-Kompressorstufe
- 103
- Hochdruck-Kompressorstufe
- 104
- Brennkammer
- 105
- Turbinenstufen
- 106
- Gehäuse
- 107
- Öffnungen im Gehäuse
- 110
- Schaufeln
- 110a
- Rotorschaufel
- 110b
- Statorschaufel
- A
- Außendurchmesser
- Fax
- axiale Kraft
- FQ
- Kraft in Querrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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