EP3443203A1 - Verfahren und vorrichtung zur reinigung von turbinenschaufeln - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur reinigung von turbinenschaufeln

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Publication number
EP3443203A1
EP3443203A1 EP17717423.2A EP17717423A EP3443203A1 EP 3443203 A1 EP3443203 A1 EP 3443203A1 EP 17717423 A EP17717423 A EP 17717423A EP 3443203 A1 EP3443203 A1 EP 3443203A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cleaning
turbine
engine
jet
lance
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17717423.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tristan LIETZ
Jan SAßMANNSHAUSEN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lufthansa Technik AG
Original Assignee
Lufthansa Technik AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lufthansa Technik AG filed Critical Lufthansa Technik AG
Publication of EP3443203A1 publication Critical patent/EP3443203A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/002—Cleaning of turbomachines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B7/00—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass
    • B08B7/0064—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by temperature changes
    • B08B7/0071—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by temperature changes by heating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/003—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods using material which dissolves or changes phase after the treatment, e.g. ice, CO2
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/08—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for polishing surfaces, e.g. smoothing a surface by making use of liquid-borne abrasives
    • B24C1/086—Descaling; Removing coating films
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C3/00—Abrasive blasting machines or devices; Plants
    • B24C3/32—Abrasive blasting machines or devices; Plants designed for abrasive blasting of particular work, e.g. the internal surfaces of cylinder blocks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C3/00—Abrasive blasting machines or devices; Plants
    • B24C3/32—Abrasive blasting machines or devices; Plants designed for abrasive blasting of particular work, e.g. the internal surfaces of cylinder blocks
    • B24C3/325—Abrasive blasting machines or devices; Plants designed for abrasive blasting of particular work, e.g. the internal surfaces of cylinder blocks for internal surfaces, e.g. of tubes
    • B24C3/327—Abrasive blasting machines or devices; Plants designed for abrasive blasting of particular work, e.g. the internal surfaces of cylinder blocks for internal surfaces, e.g. of tubes by an axially-moving flow of abrasive particles without passing a blast gun, impeller or the like along the internal surface
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23G—CLEANING OR DE-GREASING OF METALLIC MATERIAL BY CHEMICAL METHODS OTHER THAN ELECTROLYSIS
    • C23G5/00—Cleaning or de-greasing metallic material by other methods; Apparatus for cleaning or de-greasing metallic material with organic solvents

Definitions

  • the invention relates to a method for cleaning turbine blades of a turbine stage, in particular a high-pressure turbine stage, of a jet engine. Furthermore, the invention relates to a particularly suitable for carrying out the method device.
  • Aircraft jet engines have in known manner one or more compressor stages, a combustion chamber, and one or more turbine stages. In the turbine stages, the hot combustion gases from the combustion chamber release some of their thermal and mechanical energy, which is used to drive the compressor stages. Contamination of an aircraft jet engine can lead to a reduction of the effect ⁇ degree, which has an increased fuel consumption and thus increased environmental impact. This applies in particular ⁇ when the contaminants form a coating on the air flowed through parts of an aircraft engine and thereby affect the surface quality.
  • the invention has for its object to provide a method for cleaning turbine blades of a turbine stage, in particular a high-pressure turbine stage, as well as a device particularly suitable for this, which are improved over the prior art.
  • This object is achieved by a method according to the main claim and a device according to claim 5.
  • Advantageous developments are the subject of the dependent claims.
  • the invention relates to a method for cleaning turbine blades of a turbine stage of a jet engine, with the successive steps to be performed in chronological order: a. Heating the turbine blades at least in a cleaning area; and then b. Cleaning the turbine blades in the cleaning area by compressed-gas blasting with a cleaning medium comprising solid carbon dioxide, the cleaning area being the blade surface which can be reached directly by the compressed-gas jet.
  • the invention relates to a device particularly suitable for carrying out the method according to the invention for cleaning turbine blades of a turbine stage
  • a jet engine comprising a cleaning lance with an outlet opening for the cleaning medium designed for compressed-gas jetting with a cleaning medium comprising solid carbon dioxide at its one end and a feed connection for supplying cleaning medium at its other end, which is designed for insertion into a jet engine through a lateral opening the outlet opening can be aligned with a turbine blade of a turbine stage.
  • the turbine blades may in particular be the turbine blade of a high-pressure turbine stage.
  • the turbine blades may in particular be the turbine blade of a high-pressure turbine stage.
  • the "cleaning area” is defined as "blade surface accessible by the compressed gas jet". This means that region of the surfaces of the blades of a turbine stage, to which the compressed gas jet can impinge unhindered and directly.
  • the cleaning portion of a turbine stage is dependent from ⁇ particular to shadowing of adjacent turbine blades of the same turbine stage and / or upstream stage, and by the alignment and width of the pressure gas jet.
  • the cleaning area can be determined individually for different cleaning tasks (eg cleaning of the profile nose), for example by changing the compressed-gas jet guide. Ends in the cleaning area of a blade, for example.
  • Cooling air ducts to form a film cooling during operation of the engine or there are other openings provided the compressed gas jet can also get into the cooling air ducts or other openings, which then the inner wall of the cooling air ducts or other openings can be cleaned.
  • the inventive method achieved over the prior art, an improved cleaning effect in the cleaning of turbine blades of a turbine stage of a jet engine. Because of the solid carbon dioxide in a rotatesme ⁇ dium to a cleaning liquid (see FIG. DE 10 2012 002 275 Al) is already achieved increased cleaning effect. The cleaning effect is still further increased by the Temperaturdiffe ⁇ rence is increased between the cleaning medium and the cleaning area by the foregoing heating at least of the cleaning region of the turbine blade, which contributes to breaking and chipping of impurities.
  • the device according to the invention is designed for the use of cleaning medium comprising solid carbon dioxide and in particular enables the cleaning of the turbine show ⁇ feln a turbine stage, while the jet engine remains at the flight ⁇ tool (on-wing).
  • the heating takes place in the inventive method in time before cleaning by compressed gas jets.
  • the two method steps can be carried out immediately one after the other, but not overlapping. But it is also possible that between the two steps a break of a maximum of 10 s, preferably a maximum of 5 s is vorgese ⁇ hen.
  • the turbine blade itself is heated and not (only) the dirt to be removed.
  • the device liquid carbon dioxide is supplied as a precursor of the cleaning medium ⁇ leads.
  • the liquid carbon dioxide then solidifies from ⁇ exits the outlet opening at least partially, and forms a solid component in the form of carbon dioxide flakes. If liquid carbon dioxide comes into contact with ambient air in which it exits, for example, from a nozzle arranged at the outlet opening, a part readily assumes the form of gas. Another part of the carbon dioxide gets stuck in the form of flakes. This is because that binds a lot of heat from the liquid passing into the gaseous state of the carbon dioxide which is withdrawn from the rest of the still liquid part, whereby the temperature thereof to the solidification point of the Koh ⁇ lendioxids decreases.
  • the device supplied to the cleaning medium directly solid carbon dioxide - also called dry ice - which geför ⁇ by a propellant gas is changed.
  • the solid carbon dioxide can be provided in the form of pel ⁇ lets, which are sprayed with the aid of the propellant gas, such as. Air or CO 2, from the outlet opening.
  • Pellets can be produced in a so-called pelletizer from liquid CO 2 and are well storable. It may be vorgese ⁇ hen that prefabricated pellets already be transported by means of the propellant gas to the outlet opening.
  • the pellets be formed immediately prior to use of liquid carbon dioxide to subsequent ⁇ lixd conveyed with the fuel gas to the outlet opening to the ⁇ . In both cases, the solid carbon dioxide escapes from the outlet opening and enters the engine to be cleaned.
  • the outlet opening must be suitably designed for a corresponding cleaning medium comprising solid carbon dioxide as a solid component.
  • the jet pressure during the compressed gas jet is between 6 and 16 bar, preferably between 8 and 12 bar, more preferably between 9 and 10 bar.
  • the cleaning range of the turbine blades is preferably at a temperature of 50 to 450 ° C, more preferably at a Tem ⁇ temperature of 120 to 300 ° C, more preferably to a Tempe ⁇ rature of 180 to 230 ° C.
  • the cleaning medium based on carbon dioxide pellets from the cleaning medium be ⁇ inhaltete dry ice amount is preferably 50 to 200 kg / h, more preferably from 70 to 200 kg / h, more preferably 180 to 200 kg / h.
  • the jet time per cleaning area of a single turbine blade is preferably 0.5 to 20 seconds, more preferably 1 to 10 seconds, more preferably 2 to 4 seconds.
  • the turbine blades of the jet engine can be cleaned one at a time, for which purpose the turbine stage is clocked rotated stepwise so that always a Rei ⁇ nists Society an engine blade is located in the pressure gas jet which is moved in a clock at least once over the entire cleaning area.
  • a stochastic cleaning of all engine blades takes place together, for which purpose the turbine stage continuously rotated and the compressed gas jet is moved continuously back and forth in a direction perpendicular to the axis of rotation of the turbine stage, so that after a determinable period of the compressed gas jet was passed at least once over each cleaning area of each turbine blade of the turbine stage.
  • the gas can be introduced to the turbine blades via a device comparable to the cleaning lance . It is also possible to use this directly the cleaning lance , in which case to ⁇ next warm or hot gas flows through the cleaning lance, before the cleaning medium is supplied. In this case, the hot or hot gas can flow through the same channel in the Rei ⁇ n Trentslanze, then flows through the starsme ⁇ medium.
  • the cleaning lance can also have a separate hot gas duct designed for this purpose. If laser radiation or inductive heating is provided for heating the turbine blades, the light guides or electrical lines required for this purpose can be guided directly along the cleaning lance. Hot gas duct, light guide and / or the electrical lines are designed so that a turbine blade arranged in the region of the outlet opening of the cleaning lance turbine blade can be heated.
  • the method according to the invention can be carried out on a dismantled and possibly partially dismantled jet engine, it is preferred if the method is carried out on a jet engine (on-wing) located on the aircraft.
  • a jet engine on-wing located on the aircraft.
  • the costly disassembly and / or (partial) decomposition of the engine can be omitted.
  • the cleaning lance is preferably designed for insertion into a beam ⁇ engine by a Boroskopö réelle, an opening for receiving a spark plug or an opening for a fuel ⁇ inspritzdüse of the engine, and have preferably ⁇ , a fastening device with which the cleaning lance on the outside of the Jet engine opposite the insertion opening can be attached.
  • Corresponding openings are present on the jet engine, in particular in the region of the combustion chamber housing, and can be used to introduce the cleaning lance after removing a cover or the components respectively arranged in the openings for the operation of the engine, such as spark plugs or injection nozzles.
  • the fixing device may in particular provided on the outside of the engine connecting components, in which basically covers and / or components as those mentioned above, attached, together ⁇ men massage to secure the cleaning lance opposite the insertion ⁇ opening.
  • the cleaning lance preferably comprises a rigid core tube, whereby the cleaning lance itself is rigid. But there are also other versions of a rigid cleaning lance possible.
  • the fastening device preferably comprises a guide mechanism with which the cleaning lance is after Fixed To ⁇ supply of the fastening device on the jet engine at least in the direction of the opening through which the cleaning lance ge ⁇ leads, can be moved.
  • a corresponding movability is common advantageous for the above-described stepwise purification of the individual turbine blade as well as for the stochastic cleaning ⁇ account all engine blades.
  • the guide mechanism further allows movement of the cleaning lance in the direction of the engine axis and / or a Pivoting about an axis perpendicular to the engine axis.
  • the guide mechanism at least for the movement of the cleaning lance in the direction of the opening through which the cleaning lance is guided, one, via a Steuereinrich ⁇ controllable drive.
  • the engine stage can then be rotated by the engine-side starter or a separate, preferably the cleaning device associated drive ⁇ unit in rotation and the control device performs the cleaning lance or its outlet opening so that after a certain period of Compressed gas jet was passed at least once over each cleaning area of each turbine blade of the turbine stage.
  • the cleaning device comprises a drive unit for rotation of the turbine stage with the to-clean ⁇ constricting turbine blades
  • the control means is adapted for driving the controllable drive of the guide mechanism and the drive unit for rotation of the turbine stage of the turbine blades of the jet engine one after another be cleaned by the turbine stage is cyclically rotated clockwise, so that there is always the cleaning area of an engine blade in the compressed gas jet, which is moved in one cycle at least once over the entire cleaning area.
  • the outlet opening of the cleaning lance may have a deflection device with which the compressed gas jet is deflected relative to the axis of the cleaning lance.
  • the Umlenkvor ⁇ direction may include a curved pipe section or a baffle plate.
  • the deflection device may be formed integrally with the cleaning lance. However, it is also possible that the deflection device than on the cleaning lance ⁇ plug cap or as part of a protective coating of the cleaning ⁇ supply lance, which protects the components of the engine before BeCdi ⁇ conditions by the cleaning lance form. In the ⁇ sem case, the deflection device can relatively easily modify and / or replace.
  • a Laval nozzle is integrated, which is preferably arranged near the outlet opening ⁇ .
  • the Laval nozzle already existing solid carbon dioxide particles can be further accelerated ⁇ nigt in the cleaning medium, whereby the cleaning effect is increased.
  • the La ⁇ val nozzle can be adapted to a possible curvature of the cleaning lance and thus also bent or curved out of ⁇ out.
  • an optic is seen on the cleaning lance through which at least the cleaning area of a turbine blade can be seen. If a corresponding optics provided, - in particular in an on-wing purification - for the assessment at least of the cleaning region not geson ⁇ engineered endoscope longer required.
  • the cleaning lance and / or the protective coating of the cleaning lance ⁇ may be formed to at least in partial regions that they are elastically deformable at ambient temperature, said elastic preferably decreases during the supply of the cleaning medium.
  • the same can be achieved by GE ⁇
  • One suitable material which at ambient temperature has the desired elasticity, but at lower Tem ⁇ temperatures that inevitably result in supply of the cleaning medium due to the solid or at least liquid carbon dioxide contained therein, but stiffened.
  • the introduction of the cleaning lance can be simplified in the engine.
  • stiffening the elastic areas of the cleaning lance and / or the protective cover when the cleaning medium is supplied ie, the elasticity decreases
  • vibrations and vibrations in the cleaning lance can nevertheless be kept low during the cleaning process.
  • the apparatus for cleaning turbine blades of a turbine stage of a jet engine further includes preference ⁇ as a dry-ice reservoir or a dry-ice generator for Kohlenstoffdioxidpellets for the cleaning medium.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a device according to the invention for cleaning turbine blades of a turbine stage of a jet engine; a detailed view of the outlet opening of the cleaning lance of the device of Figure 1; a schematic representation of a detail of the cleaning lance of the device of Figure 1; a detailed view of the fastening device of the cleaning device of Figure 1;
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the cleaning of a turbine blade with the cleaning device from FIG. 1;
  • Figure 6a-d variants for the design of the cleaning lance
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device 1 according to Inventive ⁇ for cleaning turbine blades 80 of a turbine stage 81 of a turbofan engine 82 is shown.
  • the jet engine 82 also shown only schematically, is attached directly to the aircraft (not shown). The following statements therefore relate in particular to on-wing cleaning.
  • the device 1 for cleaning turbine blades 80 environmentally summarizes a cleaning lance 2 with a pressurized gas to the jets with a cleaning medium comprising solid carbon dioxide from ⁇ formed outlet opening 3 at one end 4 (see FIG. 2).
  • a supply port 5 is arranged for the supply of cleaning medium.
  • the cleaning lance 2 is inserted through an original for an ignition ⁇ candle provided lateral opening 83 in the housing 84 of the combustion chamber 85, wherein it is so performed one end 4 through the Turbinenleitschaufein 86, that the exit ⁇ opening 3 of the cleaning lance 2 to the turbine blades 80 of the first high-pressure turbine stage 81 is aligned.
  • the cleaning lance 1 is attached via a fastening device 7 to the housing 84 of the combustion chamber 85 (see also Figure 4).
  • the fastening device 7 engages in the thread 87, which is provided for the attachment of the spark plug, a.
  • a drive profile 8 preferably a hexagonal profile with a standard key width, provided.
  • the fastening device 7 comprises a guide mechanism, not shown, with which the cleaning lance can be moved by fastening the fastening device 7 on the jet engine 82 in the direction indicated by the double arrow 90 direction of the opening 83, through which the cleaning lance 2 is guided by a controllable electric drive , whereby also the outlet opening 3 can be moved accordingly.
  • the cleaning lance 2 comprises a core tube 10 which is provided with egg ⁇ nem protective coating 11 to protect ⁇ damage the components of the engine 82 in contact with the cleaning lance 2 before Be (see FIG. 2).
  • a Laval nozzle 12 in the region of the end 4 to the outlet opening 3 is provided to the interior of the cleaning lance 2 is a Laval nozzle 12, which is in Darge ⁇ exemplary embodiment illustrated in a curved portion of the core tube 10 is arranged and thus also curved out ⁇ leads (see FIG. 3 ).
  • the device 1 for cleaning turbine blades 80 further comprises a drive unit 13 for rotation of the
  • Engine 82 and thus also the turbine stage 81 with the turbine blades 80 to be cleaned.
  • the drive unit 13 is connected via an engine-side transmission 14 directly to the engine axis, at the u.a. the turbine stage 81 in question is attached.
  • Both the drive unit 13 for rotation of the turbine stage 81 and the fastening device 7 with the electric drive arranged therein for moving the cleaning lance 6 are coupled to a control device 15 and are controlled by this.
  • Control lines are indicated in Figure 1 as dashed arrows.
  • the device 1 further comprises a controlled by the control device 15 dry ice jet generator 16, based on solid carbon dioxide pellets from the dry ice reservoir 17 and the compressed air compressor 18 made available compressed air, a cleaning medium comprising solid Kohlendi ⁇ oxide can form.
  • the air compressor 18 is also connected to a heater 19, which is also controlled by the controller 15 and which can heat the compressed air to hot gas when needed.
  • the hot gas can be applied directly by the cleaning lance 2 on the drive ⁇ bucket 80.
  • it is pos ⁇ lich to provide a separate hot gas lance (not shown), with which the hot gas in the position of the turbine blade 80 in which the subsequent cleaning is carried out, is applied.
  • hot gas is applied via a hot gas lance (not shown) to a turbine blade 80 in a deviating position and the turbine blade 80 is then moved by rotation of the turbine stage ⁇ 81 via the drive motor 13 in the cleaning position.
  • the turbine blade 80 by Druckgasterah ⁇ len with a cleaning medium generated by the dry ice jet generator 16 comprising solid carbon dioxide and air as
  • FIG. 5 shows by way of example the situation during the cleaning of the turbine blades 80 with the compressed gas jet.
  • the end 4 of the cleaning lance 2 with the outlet opening 3 between the Turbinenleitschaufein 86 is passed, so that the bordered by the in Fig. 5 by dashed lines 70 compressed gas ⁇ jet basically unhindered can hit the turbine blades 80.
  • the cleaning portion 71 of the turbine blade 80 - - depending drawn in Figure 5 ⁇ pressurized gas jet angle directly achievable from the pressure gas jet vane surface may be affected by shadowing benachbar ⁇ ter turbine blades 80 ⁇ .
  • In the cleaning portion 71 ending cooling air ducts 91 can also be ge ⁇ purified.
  • the drawn in Figure 5 distance A Zvi ⁇ rule of the outlet opening 3 and the planar Turbinenworkneingangs- is at least 10 mm.
  • control device 15 is designed to move the cleaning lance 2 via the fastening device 7 in such a way that the entire cleaning region 71 of the turbine blade 80 that can be reached by the compressed gas jet is cleaned of the compressed gas jet.
  • the cleaning lance 2 in the direction 90 of the opening 83, through which the cleaning lance is guided 2 is a ⁇ moves at least once over the entire blade length.
  • the Steue ⁇ approximately device 15 controls the drive motor 13 such that the turbine stage is further rotated by a turbine blade 80 81, so the adjacent to the previously purified turbine blade 80 turbine blade 80 with its cleaning region 71 in the Compressed gas jet is located.
  • the turbine stage 81 is thus getak ⁇ tet rotated stepwise so that always a rotatesbe ⁇ rich 71 of a engine blade 80 is located in the pressure gas jet which is moved in a clock at least once over the entire cleaning area 71st
  • the actual cleaning region 71 of the turbine blade 80 is, inter alia, significantly dependent on the compressed gas jet angle. In this case that (up to max. 90 °) a better cleaning of the pre ⁇ derkante of the turbine blades 80 can be achieved at a higher pressure gas jet angle applies in principle.
  • FIGS. 6 ad show different variants of corresponding deflection devices 21.
  • the deflection device 21 is also inbil ⁇ det as part of the protective coating 11 of the cleaning lance 2 which projects over the core tube 10 and is bent. Also in the variant according to FIG. 6 b, the coating 11 protrudes beyond the core tube 10. However, the coating 11 is in this case only bevelled such that the force resulting from ⁇ opening 3 ⁇ ver ⁇ runs parallel to the turbine stage input level.
  • the core tube 10 to be ⁇ nem one end an impingement plate 22 on which the Umlenkvor ⁇ direction is formed 21st
  • the end of the core tube 10 is bent over in order to form the deflection device 21.
  • a protective cover 11 may also be provided in the embodiment variants according to FIGS. 6c and d.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Turbinenschaufeln (80) einer Turbinenstufe (81), insbesondere einer Hochdruckturbinenstufe, eines Strahltriebwerks (82). Weiter betrifft die Erfindung eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung (1). Das Verfahren zum Reinigen von Turbinenschaufeln (80) einer Turbinenstufe (81) eines Strahltriebwerks (82), umfasst die in zeitlicher Folge nacheinander durchzuführenden Schritte: a. Erwärmen der Turbinenschaufeln (80) zumindest in einem Reinigungsbereich (71); und anschließend b. Reinigen der Turbinenschaufeln (80) durch Druckgasstrahlen mit einem Reinigungsmedium umfassend festes Kohlendioxid im Reinigungsbereich, wobei der Reinigungsbereich (71) die unmittelbar vom Druckgasstrahl erreichbare Schaufeloberfläche ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) zum Reinigen von Turbinenschaufeln (80) einer Turbinenstufe (81) eines Strahltriebwerks (82), insbesondere gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Reinigungslanze (2) mit einer zum Druckgasstrahlen mit einem Reinigungsmedium umfassend festes Kohlendioxid ausgebildeten Austrittsöffnung (3) an ihrem einen Ende (4) und einem Zuleitungsanschluss (5) zur Zufuhr von Reinigungsmedium an ihrem anderen Ende, die derart zum Einführen in ein Strahltriebwerk (82) durch eine seitliche Öffnung (83) ausgebildet ist, dass die Austrittsöffnung (3) auf eine Turbinenschaufel (80) einer Turbinenstufe (82) ausrichtbar ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Turbinenschaufeln
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Turbinenschaufeln einer Turbinenstufe, insbesondere einer Hochdruckturbinenstufe, eines Strahltriebwerks. Weiter betrifft die Erfindung eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung.
Flugzeugstrahltriebwerke besitzen in bekannter Weise 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. Eine Verschmutzung eines Flugzeugstrahltriebwerks kann zu einer Reduktion des Wirkungs¬ grades führen, was einen erhöhten Kraftstoff erbrauch und damit eine erhöhte Umweltbelastung zur Folge hat. Dies gilt ins¬ besondere wenn die Verschmutzungen einen Belag auf den mit Luft durchströmten Teilen eines Flugzeugtriebwerks bilden und dadurch die Oberflächengüte beeinträchtigen.
Insbesondere bei Flugzeugen, die in Wüstenregionen eingesetzt werden, besteht weiterhin das Problem, das Wüstensand (CMAS) , der sich in der Luft befindet, von dem Triebwerk eingesaugt und aufgrund der hohen Temperaturen in der Brennkammer
schmelzflüssig wird. Beim Auftreffen auf die in Strömungsrichtung hinter der Brennkammer angeordneten Hochdruckturbinenschaufeln (HPT Blades) verfestigt sich der aufgeschmolzene Sand wieder. Zusätzlich gelangt extrem feiner Sand in die im Hochdruckkompressor abgezapfte Kühlluft von innen in die internen Kühlkanäle der Hochdruckturbinenschaufeln, die an der Profilnase der Schaufeln zur Bildung einer Filmkühlung münden, und setzt sich dort ab. Beide Effekte führen zu einer Veren¬ gung oder Blockade der Kühlluftkanäle der Hochdruckturbinenschaufeln, sodass diese nicht mehr ausreichend gekühlt werden. In Verbindung mit Erosionseffekten und Oxidationseffekten nutzen die Hochdruckturbinenschaufeln deutlich schneller ab und die Einsatz- und Lebensdauer ist drastisch reduziert, insbesondere im Vergleich zum Einsatz außerhalb von Wüstenregionen.
Zur Reinigung der Hochdruckturbinenschaufeln ist es im Stand der Technik bekannt, dass betroffene Triebwerk vom Flugzeug abzumontieren und einer Triebwerksüberholung zu unterziehen, um dabei die Hochdruckturbinenschaufeln einem eine Reinigung umfassenden Reparaturzyklus zu unterziehen. Diese Triebwerks¬ überholung ist aufwendig und kostenintensiv.
Aus der DE 10 2012 002 275 AI ist weiterhin ein Verfahren bekannt, bei dem das Flugzeugtriebwerk zur Reinigung der Hochdruckturbinenschaufeln am Flugzeug verbleiben kann. Dazu wird über eine seitliche Öffnung des Triebwerks eine Reinigungsvor¬ richtung in die Brennkammer eingebracht, die eine Strahldüse zur Erzeugung eines Druckflüssigkeitsstrahls, mit dem Ablage¬ rungen an den Hochdruckturbinenschaufeln abgetragen werden sollen. Die Ergebnisse eines solchen Verfahrens sind jedoch nicht immer zufriedenstellend.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Reinigen von Turbinenschaufeln einer Turbinenstufe, insbesondere einer Hochdruckturbinenstufe, sowie eine dafür besonders geeignete Vorrichtung zu schaffen, die gegenüber dem Stand der Technik verbessert sind. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 5. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Demnach betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Reinigen von Turbinenschaufeln einer Turbinenstufe eines Strahltriebwerks, mit den in zeitlicher Folge nacheinander durchzuführenden Schritten : a. Erwärmen der Turbinenschaufeln zumindest in einem Reinigungsbereich; und anschließend b. Reinigen der Turbinenschaufeln im Reinigungsbereich durch Druckgasstrahlen mit einem Reinigungsmedium umfassend festes Kohlendioxid, wobei der Reinigungsbereich die unmittelbar vom Druckgasstrahl erreichbare Schaufeloberfläche ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung zum Reinigen von Turbinenschaufeln einer Turbinenstufe eines
Strahltriebwerks umfassend eine Reinigungslanze mit einer zum Druckgasstrahlen mit einem Reinigungsmedium umfassend festes Kohlendioxid ausgebildeten Austrittsöffnung für das Reinigungsmedium an ihrem einen Ende und einem Zuleitungsanschluss zur Zufuhr von Reinigungsmedium an ihrem anderen Ende, die derart zum Einführen in ein Strahltriebwerk durch eine seitliche Öffnung ausgebildet ist, dass die Austrittsöffnung auf eine Turbinenschaufel einer Turbinenstufe ausrichtbar ist.
Bei den Turbinenschaufeln kann es sich insbesondere um die Turbinenschaufel einer Hochdruckturbinenstufe handeln. Zunächst werden einige im Rahmen der Erfindung verwendete Be¬ griffe erläutert.
Der „Reinigungsbereich" ist definiert als „vom Druckgasstrahl erreichbare Schaufeloberfläche". Damit ist derjenige Bereich der Oberflächen der Schaufeln einer Turbinenstufe gemeint, auf den der Druckgasstrahl ungehindert und unmittelbar auftreffen kann. Der Reinigungsbereich einer Turbinenstufe ist dabei insbesondere von Abschattungseffekten benachbarter Turbinenschaufeln derselben Turbinenstufe und/oder vorgelagerter Stufen, sowie von der Ausrichtung und Breite des Druckgasstrahls ab¬ hängig. Der Reinigungsbereich lässt sich für verschiedene Reinigungsaufgaben (bspw. Reinigung der Profilnase) individuell, bspw. durch die Veränderung der Druckgasstrahlführung, bestimmen. Enden im Reinigungsbereich einer Schaufel bspw. Kühlluftkanäle zur Bildung einer Filmkühlung während des Betriebs des Triebwerks oder sind dort andere Öffnungen vorgesehen, kann der Druckgasstrahl auch in die Kühlluftkanäle oder die anderen Öffnungen gelangen, womit dann die Innenwandung der Kühlluftkanäle oder anderer Öffnungen gereinigt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren erreicht gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Reinigungswirkung bei der Reinigung von Turbinenschaufeln einer Turbinenstufe eines Strahltriebwerks. Aufgrund des festen Kohlendioxid im Reinigungsme¬ dium wird bereits eine gegenüber einer Reinigung mit Flüssigkeit (vgl. DE 10 2012 002 275 AI) erhöhte Reinigungswirkung erreicht. Die Reinigungswirkung wird aber noch weiter gesteigert, indem durch das vorhergehende Erwärmen zumindest des Reinigungsbereichs der Turbinenschaufel die Temperaturdiffe¬ renz zwischen Reinigungsmedium und Reinigungsbereich erhöht wird, was zum Aufbrechen und Abplatzen von Verunreinigungen beiträgt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Verwendung von Reinigungsmedium umfassend festes Kohlendioxid ausgebildet und ermöglicht insbesondere die Reinigung von Turbinenschau¬ feln einer Turbinenstufe, während das Strahltriebwerk am Flug¬ zeug verbleibt (on-wing) .
Die Erwärmung erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zeitlich vor dem Reinigen durch Druckgasstrahlen. Die die beiden Verfahrensschritte können dabei unmittelbar nacheinander - jedoch nicht überschneidend - ausgeführt werden. Es ist aber auch möglich, dass zwischen den beiden Verfahrensschritten eine Pause von maximal 10 s, vorzugsweise maximal 5 s vorgese¬ hen ist. Erfindungsgemäß wird die Turbinenschaufel selbst und nicht (nur) die zu entfernende Verschmutzung erwärmt.
Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass der Vorrichtung flüssiges Kohlendioxid als Vorstufe des Reinigungsmediums zuge¬ führt wird. Das flüssige Kohlendioxid erstarrt dann beim Aus¬ tritt aus der Austrittsöffnung wenigstens teilweise und bildet eine feste Komponente in Form von Kohlendioxidflocken. Kommt flüssiges Kohlendioxid mit Umgebungsluft in Kontakt, in dem es bspw. aus einer an der Austrittsöffnung angeordneten 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 Koh¬ lendioxids sinkt.
Es ist aber bevorzugt, wenn das der Vorrichtung zugeführte Reinigungsmedium unmittelbar festes Kohlendioxid - auch Trockeneis genannt - aufweist, welches durch ein Treibgas geför¬ dert wird. Das feste Kohlendioxid kann dabei in Form von Pel¬ lets bereitgestellt werden, die mit Hilfe des Treibgases, wie bspw. Luft oder C02, aus der Austrittsöffnung gesprüht werden. Pellets können in einem sog. Pelletierer aus flüssigem CO2 hergestellt werden und sind gut lagerungsfähig. Es kann vorgese¬ hen sein, dass bereits vorgefertigte Pellets mit Hilfe des Treibgases zur Austrittsöffnung befördert werden. Es ist aber auch möglich, dass die Pellets unmittelbar vor ihrer Verwendung aus flüssigem Kohlendioxid geformt werden, um anschlie¬ ßend mit dem Treibgas zur Austrittsöffnung befördert zu wer¬ den. In beiden Fällen tritt das feste Kohlendioxid aus der Austrittsöffnung aus und gelangt in das zu reinigende Trieb¬ werk. Die Austrittsöffnung muss für ein entsprechendes Reinigungsmedium umfassend festes Kohlendioxid als feste Komponente geeignet ausgebildet sein.
Es ist bevorzugt, wenn der Strahldruck beim Druckgasstrahlen zwischen 6 und 16 bar, vorzugsweise zwischen 8 und 12 bar, weiter vorzugsweise zwischen 9 und 10 bar liegt. Der Reinigungsbereich der Turbinenschaufeln wird vorzugsweise auf eine Temperatur von 50 bis 450°C, weiter vorzugsweise auf eine Tem¬ peratur von 120 bis 300°C, weiter vorzugsweise auf eine Tempe¬ ratur von 180 bis 230°C. Sofern das Reinigungsmedium auf Kohlendioxidpellets beruht, beträgt die vom Reinigungsmedium be¬ inhaltete Trockeneismenge vorzugsweise 50 bis 200 kg/h, weiter vorzugsweise 70 bis 200 kg/h, weiter vorzugsweise 180 bis 200 kg/h. Die Strahlzeit pro Reinigungsbereich einer einzelnen Turbinenschaufel beträgt vorzugsweise 0,5 bis 20 s, weiter vorzugsweise 1 bis 10 s, weiter vorzugsweise 2 bis 4 s.
Die Turbinenschaufeln des Strahltriebwerks können einzeln nacheinander gereinigt werden, wobei hierzu die Turbinenstufe getaktet schrittweise gedreht wird, sodass sich immer ein Rei¬ nigungsbereich einer Triebwerksschaufel im Druckgasstrahl befindet, der in einem Takt wenigstens einmal über den gesamten Reinigungsbereich bewegt wird. Alternativ dazu ist es möglich, dass eine stochastische Reinigung aller Triebwerkschaufeln gemeinsam erfolgt, wobei hierzu die Turbinenstufe kontinuierlich gedreht und der Druckgasstrahl kontinuierlich in eine Richtung senkrecht zur Drehachse der Turbinenstufe hin -und her bewegt wird, sodass nach einem ermittelbaren Zeitraum der Druckgasstrahl wenigstens einmal über jeden Reinigungsbereich jeder Turbinenschaufel der Turbinenstufe geführt wurde.
Die dem eigentlich Reinigen der Turbinenschaufeln vorangehende Erwärmung der Turbinenschaufeln kann durch warmes oder heißes Gas, vorzugsweise Pressluft oder Verbrennungsgas (insbesondere die Abluft eines externen Brenners, wie bspw. eines Propan¬ brenners), Laserstrahlung und/oder durch induktives Erhitzen erreicht werden. Wird warmes oder heißes Gas zum Erwärmen der Turbinenschaufeln genutzt, kann das Gas über eine, mit der Reinigungslanze vergleichbare Vorrichtung an die Turbinen¬ schaufeln herangeführt werden. Es ist auch möglich, hierzu unmittelbar die Reinigungslanze zu verwenden, wobei dann zu¬ nächst warmes oder heißes Gas durch die Reinigungslanze strömt, bevor das Reinigungsmedium zugeführt wird. Dabei kann das warme oder heiße Gas durch den gleichen Kanal in der Rei¬ nigungslanze strömen, durch den anschließend das Reinigungsme¬ dium strömt. Die Reinigungslanze kann aber auch einen hierfür ausgebildeten gesonderten Heißgaskanal aufweisen. Ist für das Erwärmen der Turbinenschaufeln Laserstrahlung oder induktives Erhitzen vorgesehen, können die hierfür erforderlichen Lichtleiter oder elektrischen Leitungen unmittelbar an der Reinigungslanze entlang geführt sein. Heißgaskanal, Lichtleiter und/oder die elektrische Leitungen sind dabei so ausgestaltet, dass eine Turbinenschaufel im Bereich der Austrittsöffnung der Reinigungslanze angeordnete Turbinenschaufel erwärmt werden kann .
Auch wenn das erfindungsgemäße Verfahren bei einem demontierten und ggf. teilzerlegten Strahltriebwerk durchgeführt werden kann, ist bevorzugt, wenn das Verfahren an einem am Flugzeug befindlichen Strahltriebwerk (on-wing) durchgeführt wird. Die aufwendige Demontage und/oder (Teil-) Zerlegung des Triebwerks kann dabei entfallen.
Die Reinigungslanze ist bevorzugt zum Einführen in ein Strahl¬ triebwerk durch eine Boroskopöffnung, eine Öffnung zur Aufnahme einer Zündkerze oder eine Öffnung für eine Kraftstoffe¬ inspritzdüse des Triebwerks ausgebildet, und weist vorzugs¬ weise eine Befestigungsvorrichtung auf, mit der die Reinigungslanze an der Außenseite des Strahltriebwerks gegenüber der Einführungsöffnung befestigt werden kann. Entsprechende Öffnungen sind am Strahltriebwerk, insbesondere im Bereich des Brennkammer-Gehäuses, vorhanden und können, nach Entfernen einer Abdeckung oder der jeweils in den Öffnungen für den Betrieb des Triebwerks angeordneten Komponenten, wie Zündkerzen oder Einspritzdüsen, zum Einführen der Reinigungslanze genutzt werden. Die Fixierungsvorrichtung kann dabei insbesondere mit an der Außenseite des Triebwerks vorgesehenen Verbindungskomponenten, an denen grundsätzlich Abdeckungen und/oder Komponenten, wie die vorstehend genannten, befestigt sind, zusam¬ menwirken, um die Reinigungslanze gegenüber der Einführungs¬ öffnung zu sichern. Die Reinigungslanze umfasst vorzugsweise ein starres Kernrohr, womit die Reinigungslanze selbst starr ist. Es sind aber auch noch andere Ausführungen einer starren Reinigungslanze möglich.
Die Befestigungsvorrichtung umfasst vorzugsweise eine Führungsmechanik, mit der sich die Reinigungslanze nach Befesti¬ gung der Befestigungsvorrichtung am Strahltriebwerk wenigstens in Richtung der Öffnung, durch welche die Reinigungslanze ge¬ führt ist, bewegen lässt. Eine entsprechende Bewegbarkeit ist für die vorstehend beschriebene schrittweise Reinigung der einzelnen Turbinenschaufel sowie für die stochastische Reini¬ gung aller Triebwerkschaufeln gemeinsam vorteilhaft. Vorzugsweise gestattet die Führungsmechanik weiterhin ein Bewegen der Reinigungslanze in Richtung der Triebwerkachse und/oder ein Schwenken um eine Achse senkrecht zur Triebwerksachse. Mit ei¬ ner dadurch erreichbaren Einstellbarkeit der Position der Austrittsöffnung der Reinigungslanze kann der Reinigungsbereich der einzelnen Turbinenschaufeln bzw. die vom Druckgasstrahl erreichbaren Schaufeloberfläche eingestellt werden.
Zur (Teil-) Automatisierung des Reinigungsvorgangs ist bevorzugt, wenn die Führungsmechanik wenigstens für die Bewegung der Reinigungslanze in Richtung der Öffnung, durch welche die Reinigungslanze geführt ist, einen, über eine Steuereinrich¬ tung steuerbaren Antrieb aufweist.
Für eine stochastische Reinigung aller Triebwerkschaufeln einer Triebwerksstufe gemeinsam kann die Triebwerksstufe dann durch den triebwerksseitigen Starter oder eine gesonderte, vorzugsweise der Reinigungsvorrichtung zugeordnete Antriebs¬ einheit in Rotation versetzt werden und die Steuerungseinrichtung führt die Reinigungslanze bzw. deren Austrittsöffnung so, dass nach einem bestimmten Zeitraum der Druckgasstrahl wenigstens einmal über jeden Reinigungsbereich jeder Turbinenschaufel der Turbinenstufe geführt wurde.
Es ist bevorzugt, wenn die Reinigungsvorrichtung eine Antriebseinheit zur Rotation der Turbinenstufe mit den zu reini¬ genden Turbinenschaufeln aufweist, wobei die Steuerungseinrichtung derart zum Ansteuern des steuerbaren Antriebs der Führungsmechanik und der Antriebseinheit zur Rotation der Turbinenstufe ausgebildet ist, dass die Turbinenschaufeln des Strahltriebwerks einzeln nacheinander gereinigt werden, indem die Turbinenstufe getaktet schrittweise gedreht wird, sodass sich immer der Reinigungsbereich einer Triebwerksschaufel im Druckgasstrahl befindet, der in einem Takt wenigstens einmal über den gesamten Reinigungsbereich bewegt wird. Die Austrittsöffnung der Reinigungslanze kann eine Umlenkvorrichtung aufweisen, mit welcher der Druckgasstrahl gegenüber der Achse der Reinigungslanze umgelenkt wird. Die Umlenkvor¬ richtung kann ein gebogener Rohrabschnitt oder eine Prallplatte umfassen. Die Umlenkvorrichtung kann einstückig mit der Reinigungslanze ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass die Umlenkvorrichtung als auf die Reinigungslanze auf¬ steckbare Kappe oder als Teil eines Schutzüberzugs der Reini¬ gungslanze, der die Komponenten des Triebwerks vor Beschädi¬ gungen durch die Reinigungslanze schützt, auszubilden. In die¬ sem Fall lässt sich die Umlenkvorrichtung vergleichsweise einfach verändern und/oder austauschen.
Es ist bevorzugt, wenn in die Reinigungslanze eine Laval-Düse integriert ist, die vorzugsweise nahe der Austrittsöffnung an¬ geordnet ist. Durch die Laval-Düse können im Reinigungsmedium bereits vorhandene feste Kohlendioxidpartikel weiter beschleu¬ nigt werden, womit die Reinigungswirkung erhöht wird. Die La¬ val-Düse kann einem evtl. Krümmungsverlauf der Reinigungslanze angepasst sein und somit ebenfalls gebogen bzw. gekrümmt aus¬ geführt sein.
Es ist bevorzugt, wenn an der Reinigungslanze eine Optik vor¬ gesehen ist, durch die zumindest der Reinigungsbereich einer Turbinenschaufel einsehbar ist. Ist eine entsprechende Optik vorgesehen, ist - insbesondere bei einer On-Wing-Reinigung - zur Begutachtung zumindest des Reinigungsbereichs kein geson¬ dertes Endoskop mehr erforderlich.
Die Reinigungslanze und/oder der Schutzüberzug der Reinigungs¬ lanze können wenigstens in Teilbereichen derart ausgebildet sein, dass sie bei Umgebungstemperatur elastisch verformbar sind, wobei diese Elastizität vorzugsweise bei der Zuführung des Reinigungsmediums abnimmt. Entsprechendes kann durch ge¬ eignetes Material erreicht werden, das bei Umgebungstemperatur die gewünschte Elastizität aufweist, sich bei niedrigeren Tem¬ peraturen, die bei Zuführung des Reinigungsmediums aufgrund des darin enthaltenen festen oder zumindest flüssigen Kohlendioxids zwangsläufig ergeben, aber versteift. Durch die Elas¬ tizität bei Umgebungstemperatur kann das Einführen der Reinigungslanze in das Triebwerk vereinfacht werden. Indem sich die elastischen Bereiche der Reinigungslanze und/oder des Schutzüberzuges bei Zuführung des Reinigungsmediums versteifen (d.h. die Elastizität nimmt ab) , können Vibrationen und Schwingungen in der Reinigungslanze während des Reinigungsvorgangs dennoch gering gehalten werden.
Die Vorrichtung zum Reinigen von Turbinenschaufeln einer Turbinenstufe eines Strahltriebwerks umfasst weiterhin vorzugs¬ weise ein Trockeneisreservoir oder einen Trockeneisgenerator für Kohlenstoffdioxidpellets für das Reinigungsmedium.
Die Erfindung wird nun anhand von vorteilhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Reinigen von Turbinenschaufeln einer Turbinenstufe eines Strahltriebwerks; eine Detaildarstellung der Austrittsöffnung der Reinigungslanze der Vorrichtung aus Figur 1 ; eine schematische Darstellung eines Details der Reinigungslanze der Vorrichtung aus Figur 1 ; eine Detaildarstellung der Befestigungsvorrichtung der Reinigungsvorrichtung aus Figur 1 ; Figur 5: eine schematische Darstellung der Reinigung einer Turbinenschaufel mit der Reinigungsvorrichtung aus Figur 1; und
Figur 6a-d: Varianten zur Ausgestaltung der Reinigungslanze der
Reinigungsvorrichtung aus Figur 1.
In Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung 1 zum Reinigen von Turbinenschaufeln 80 einer Turbinenstufe 81 eines Strahltriebwerks 82 gezeigt. Das ebenfalls nur schematisch dargestellte Strahltriebwerk 82 ist unmittelbar am Flugzeug (nicht dargestellt) befestigt. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich also insbesondere auf eine On-Wing-Reinigung .
Die Vorrichtung 1 zum Reinigen von Turbinenschaufeln 80 um- fasst eine Reinigungslanze 2 mit einer zum Druckgasstrahlen mit einem Reinigungsmedium umfassend festes Kohlendioxid aus¬ gebildeten Austrittsöffnung 3 an ihrem einen Ende 4 (vgl. Figur 2) . An ihrem anderen Ende 6 ist ein Zuleitungsanschluss 5 zur Zufuhr von Reinigungsmedium angeordnet.
Die Reinigungslanze 2 ist durch eine originär für eine Zünd¬ kerze vorgesehene seitliche Öffnung 83 in dem Gehäuse 84 der Brennkammer 85 eingeführt, wobei das eine Ende 4 derart durch die Turbinenleitschaufein 86 geführt ist, dass die Austritts¬ öffnung 3 der Reinigungslanze 2 auf die Turbinenschaufeln 80 der ersten Hochdruckturbinenstufe 81 ausgerichtet ist.
Die Reinigungslanze 1 ist über eine Befestigungsvorrichtung 7 an dem Gehäuse 84 der Brennkammer 85 befestigt (siehe auch Figur 4) . Die Befestigungsvorrichtung 7 greift dabei in das Gewinde 87, welches für die Befestigung der Zündkerze vorgesehen ist, ein. Zur einfachen Montage der Befestigungsvorrichtung 7 ist ein Antriebsprofil 8, vorzugsweise ein Sechskantprofil mit einer Standardschlüsselweite, vorgesehen.
Die Befestigungsvorrichtung 7 umfasst eine nicht näher dargestellte Führungsmechanik, mit der sich durch einen steuerbaren elektrischen Antrieb die Reinigungslanze nach Befestigung der Befestigungsvorrichtung 7 am Strahltriebwerk 82 in die durch den Doppelpfeil 90 angedeutete Richtung der Öffnung 83, durch welche die Reinigungslanze 2 geführt ist, bewegen lässt, womit sich auch die Austrittsöffnung 3 entsprechend bewegen lässt. Die Steuersignale und Stromversorgung für den elektrischen Antrieb erfolgt über die Anschlussleitung 9.
Die Reinigungslanze 2 umfasst ein Kernrohr 10, welches mit ei¬ nem Schutzüberzug 11 versehen ist, um die Komponenten des Triebwerks 82 bei Kontakt mit der Reinigungslanze 2 vor Be¬ schädigungen zu schützen (vgl. Figur 2) . Außerdem ist im Bereich des Endes 4 mit der Austrittsöffnung 3 um Innern der Reinigungslanze 2 eine Laval-Düse 12 vorgesehen, die im darge¬ stellten Ausführungsbeispiel in einem gekrümmten Bereich des Kernrohrs 10 angeordnet und somit ebenfalls gekrümmt ausge¬ führt ist (vgl. Figur 3) .
Die Vorrichtung 1 zum Reinigen von Turbinenschaufeln 80 umfasst weiterhin eine Antriebseinheit 13 zur Rotation des
Triebwerks 82 und somit auch der Turbinenstufe 81 mit den zu reinigenden Turbinenschaufeln 80. Die Antriebseinheit 13 ist über ein triebwerkseitiges Getriebe 14 unmittelbar mit der Triebwerksachse, an der u.a. die fragliche Turbinenstufe 81 befestigt ist, gekoppelt.
Sowohl die Antriebseinheit 13 zur Rotation der Turbinenstufe 81 als auch die Befestigungsvorrichtung 7 mit dem darin angeordneten elektrischen Antrieb zur Bewegung der Reinigungslanze 6 sind mit einer Steuerungseinrichtung 15 gekoppelt und werden von dieser gesteuert. Steuerleitungen sind in Figur 1 als gestrichelte Pfeile angedeutet.
Die Vorrichtung 1 umfasst weiterhin ein von der Steuerungsvorrichtung 15 gesteuerten Trockeneisstrahlgenerator 16, der auf Basis von festen Kohlendioxidpellets aus dem Trockeneisreservoir 17 und vom Druckluftkompressor 18 zur Verfügung gestellter Druckluft ein Reinigungsmedium umfassend festes Kohlendi¬ oxid bilden kann.
Der Druckluftkompressor 18 ist außerdem mit einem Heizgerät 19 verbunden, welches ebenfalls von der Steuerungseinrichtung 15 gesteuert wird und das die Druckluft bei Bedarf zu heißem Gas erhitzen kann.
Sämtliche elektrisch betriebene Komponenten 7, 13, 15, 16, 18, 19 werden von einem Stromgenerator 20 mit elektrischer Leistung versorgt, der einen mobilen, von Stromanschlüssen unabhängigen Einsatz der Vorrichtung 1 ermöglicht (in Figur 1 durch durchgezogene Pfeile ausgehend von Stromgenerator 20 an¬ gedeutet) .
Zur Reinigung einer Turbinenschaufel 80 wird diese zunächst mit heißem Gas vom Heizgerät 19 erwärmt. Dabei kann das heiße Gas unmittelbar durch die Reinigungslanze 2 auf die Trieb¬ werksschaufel 80 aufgebracht werden. Alternativ ist es mög¬ lich, eine dafür gesonderte Heißgaslanze (nicht dargestellt) vorzusehen, mit der das heiße Gas in der Position der Turbinenschaufel 80 in der auch die nachfolgende Reinigung erfolgt, aufgebracht wird. Auch ist möglich, dass heiße Gas über eine Heißgaslanze (nicht dargestellt) auf eine Turbinenschaufel 80 in einer davon abweichenden Position aufgebracht wird und die Turbinenschaufel 80 anschließend durch Drehung der Turbinen¬ stufe 81 über den Antriebsmotor 13 in die Reinigungsposition verfahren wird. Anschließend wird die Turbinenschaufel 80 durch Druckgasstrah¬ len mit einem vom Trockeneisstrahlgenerator 16 erzeugten Reinigungsmedium umfassend festes Kohlendioxid und Luft als
Treibgas gereinigt. In Figur 5 ist exemplarisch die Situation während des Reinigens der Turbinenschaufeln 80 mit dem Druckgasstrahl dargestellt. Wie bereits beschrieben ist das Ende 4 der Reinigungslanze 2 mit der Austrittsöffnung 3 zwischen die Turbinenleitschaufein 86 hindurchgeführt, sodass der durch die in Figur 5 durch gestrichelte Linien 70 eingefasst Druckgas¬ strahl grundsätzlich ungehindert auf die Turbinenschaufeln 80 auftreffen kann. Je nach in Figur 5 eingezeichnete Druckgas¬ strahlwinkel kann die unmittelbar von dem Druckgasstrahl erreichbare Schaufeloberfläche - also dem Reinigungsbereich 71 der Turbinenschaufel 80 - durch Abschattungseffekte benachbar¬ ter Turbinenschaufeln 80 λ beeinträchtigt sein. In dem Reinigungsbereich 71 endende Kühlluftkanäle 91 können ebenfalls ge¬ reinigt werden. Der in Figur 5 eingezeichnete Abstand A zwi¬ schen der Austrittsöffnung 3 und der Turbinenstufeneingangs- ebene beträgt wenigstens 10 mm.
Die Steuerungseinrichtung 15 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet, die Reinigungslanze 2 über die Befestigungsvorrichtung 7 derart zu bewegen, dass der gesamte, von dem Druckgasstrahl erreichbare Reinigungsbereich 71 der Turbinenschaufel 80 von dem Druckgasstrahl gereinigt wird. Dazu wird die Reinigungslanze 2 in Richtung 90 der Öffnung 83, durch welche die Reinigungslanze 2 geführt ist wenigstens ein¬ mal über die gesamte Schaufellänge bewegt.
Ist die eine Turbinenschaufel 80 gereinigt, steuert die Steue¬ rungsvorrichtung 15 den Antriebsmotor 13 derart, dass die Turbinenstufe 81 um eine Turbinenschaufel 80 weiter gedreht wird, also die zur zuvor gereinigten Turbinenschaufel 80 benachbarte Turbinenschaufel 80 sich mit ihrem Reinigungsbereich 71 im Druckgasstrahl befindet. Die Turbinenstufe 81 wird also getak¬ tet schrittweise gedreht, sodass sich immer ein Reinigungsbe¬ reich 71 einer Triebwerksschaufel 80 im Druckgasstrahl befindet, der in einem Takt wenigstens einmal über den gesamten Reinigungsbereich 71 bewegt wird.
Der tatsächliche Reinigungsbereich 71 der Turbinenschaufel 80 ist u.a. maßgeblich von dem Druckgasstrahlwinkel abhängig. Dabei gilt grundsätzlich, dass bei einem höheren Druckgasstrahlwinkel (bis max . 90°) eine bessere Reinigung der Vor¬ derkante der Turbinenschaufeln 80 erzielt werden kann.
Um den Druckgasstrahlwinkel ggf. anzupassen, kann die Aus¬ trittsöffnung 3 der Reinigungslanze 2 eine Umlenkvorrichtung 21 aufweisen. In Figuren 6 a-d sind verschiedene Varianten entsprechender Umlenkvorrichtungen 21 dargestellt.
In der Variante gemäß Figur 6a ist die Umlenkvorrichtung 21 als Teil des Schutzüberzugs 11 der Reinigungslanze 2 ausgebil¬ det, der über das Kernrohr 10 hervorsteht und gebogen ist. Auch bei der Variante gemäß Figur 6b steht der Überzug 11 über das Kernrohr 10 hervor. Allerdings ist der Überzug 11 hierbei lediglich derart angeschrägt, dass die resultierende Aus¬ trittsöffnung 3 λ parallel zur Turbinenstufeneingangsebene ver¬ läuft .
Bei der Variante gemäß Figur 6c weist das Kernrohr 10 an sei¬ nem einen Ende eine Prallplatte 22 auf, mit der die Umlenkvor¬ richtung 21 gebildet wird. In der Variante gemäß Figur 6d ist das Ende des Kernrohrs 10 umgebogen um die Umlenkvorrichtung 21 zu bilden. Wenn auch nicht dargestellt, kann bei den Aus¬ führungsvarianten gemäß Figuren 6c und d auch ein Schutzüberzug 11 vorgesehen werden.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Reinigen von Turbinenschaufeln (80) einer Turbinenstufe (81) eines Strahltriebwerks (82), mit den in zeitlicher Folge nacheinander durchzuführenden Schritten : a. Erwärmen der Turbinenschaufeln (80) zumindest in einem Reinigungsbereich (71); und anschließend b. Reinigen der Turbinenschaufeln (80) durch Druckgasstrahlen mit einem Reinigungsmedium umfassend festes Kohlendioxid im Reinigungsbereich, wobei der Reinigungsbereich (71) die unmittelbar vom Druckgasstrahl erreichbare Schaufeloberfläche ist.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren mit einem, mehreren oder allen der nachfolgenden Parameter durchgeführt wird:
- Strahldruck beim Druckgasstrahlen:
6 - 16 bar, vorzugsweise 8 - 12 bar, weiter vorzugsweise 9 - 10 bar;
- Temperatur des Reinigungsbereichs nach Erwärmen:
50 - 450°C, vorzugsweise 120 - 300°C, weiter vor¬ zugsweise 180 - 230°C;
- Trockeneismenge:
50 - 200 kg/h, vorzugsweise 70 - 200 kg/h, weiter vorzugsweise 180 - 200 kg/h; und/oder - Strahlzeit pro Reinigungsbereich einer einzelnen Turbinenschaufel :
0,5 - 20 s, vorzugsweise 1 - 10 s, weiter vorzugs¬ weise 2 - 4 s.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Turbinenschaufeln (80) des Strahltriebwerks (82) ein¬ zeln nacheinander gereinigt werden, wobei hierzu die Turbinenstufe (81) getaktet schrittweise gedreht wird, so¬ dass sich immer ein Reinigungsbereich (71) einer Triebwerksschaufel (80) im Druckgasstrahl befindet, der in ei¬ nem Takt wenigstens einmal über den gesamten Reinigungs¬ bereich (71) bewegt wird, oder
dass eine stochastische Reinigung aller Triebwerkschau¬ feln (80) gemeinsam erfolgt, wobei hierzu die Turbinen¬ stufe (81) kontinuierlich gedreht und der Druckgasstrahl kontinuierlich in eine Richtung senkrecht zur Drehachse (88) der Turbinenstufe (81) hin- und her bewegt wird, so¬ dass nach einem ermittelbaren Zeitraum der Druckgasstrahl wenigstens einmal vollständig über jeden Reinigungsbe¬ reich (71) jeder Turbinenschaufel (80) der Turbinenstufe (81) geführt wurde.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Turbinenschaufeln (80) mit Hilfe von warmem oder heißem Gas, vorzugsweise Pressluft oder Verbrennungsgas, La¬ serstrahlung und/oder durch induktives Erhitzen erwärmt werden .
5. Vorrichtung (1) zum Reinigen von Turbinenschaufeln (80) einer Turbinenstufe (81) eines Strahltriebwerks (82), insbesondere gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Reinigungslanze (2) mit einer zum Druckgasstrahlen mit einem Reinigungsmedium umfassend festes Kohlendioxid ausgebildeten Austrittsöff¬ nung (3) an ihrem einen Ende (4) und einem Zuleitungsan- schluss (5) zur Zufuhr von Reinigungsmedium an ihrem anderen Ende, die derart zum Einführen in ein Strahltrieb¬ werk (82) durch eine seitliche Öffnung (83) ausgebildet ist, dass die Austrittsöffnung (3) auf eine Turbinenschaufel (80) einer Turbinenstufe (82) ausrichtbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Reinigungslanze (2) zum Einführen in das Strahltrieb¬ werk (82) durch eine Boroskopöffnung, eine Öffnung zur Aufnahme einer Zündkerze oder eine Öffnung für eine
Kraftstoffeinspritzdüse des Triebwerks ausgebildet ist, und vorzugsweise eine Befestigungsvorrichtung (7) aufweist, mit der die Reinigungslanze (2) an der Außenseite des Strahltriebwerks (82) gegenüber der Einführungsöff¬ nung (83) befestigbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Befestigungsvorrichtung (7) eine Führungsmechanik um- fasst, mit der sich die Reinigungslanze (2) nach Befesti¬ gung der Befestigungsvorrichtung (7) am Strahltriebwerk
(82) in Richtung der Öffnung (83) bewegen lässt, wobei die Führungsmechanik vorzugsweise weiterhin ein Bewegen der Reinigungslanze (2) in Richtung der Triebwerkachse
(88) und/oder ein Schwenken um eine Achse senkrecht zur Triebwerksachse (88) gestattet.
Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Führungsmechanik wenigstens für die Bewegung der Rei- nigungslanze (2) in eine Richtung radial zur Triebwerksachse (88) einen, über einer Steuereinrichtung (15) steuerbaren Antrieb aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Reinigungsvorrichtung (1) eine Antriebseinheit (13) zur Rotation der Turbinenstufe (81) mit den zu reinigenden Turbinenschaufeln (80) aufweist, wobei die Steue¬ rungseinrichtung (15) vorzugsweise derart zum Ansteuern des steuerbaren Antriebs der Führungsmechanik und der Antriebseinheit (13) zur Rotation der Turbinenstufe (81) ausgebildet ist, dass die Turbinenschaufeln (80) des Strahltriebwerks (82) einzeln nacheinander gereinigt werden, indem die Turbinenstufe (81) getaktet schrittweise gedreht wird, sodass sich immer der Reinigungsbereich (71) einer Triebwerksschaufel (80) im Druckgasstrahl be¬ findet, der in einem Takt wenigstens einmal über den ge¬ samten Reinigungsbereich (71) bewegt wird.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Austrittsöffnung (3) der Reinigungslanze (2) eine Um¬ lenkvorrichtung (21) zum Umlenken des Druckgasstrahl gegenüber der Achse der Reinigungslanze (2) aufweist, wobei die Umlenkvorrichtung (21) vorzugsweise als aufsteckbare Kappe oder als Teil eines Schutzüberzugs (11) der Reini¬ gungslanze, der die Komponenten des Triebwerks (82) vor Beschädigungen durch die Reinigungslanze (2) schützt, ausgebildet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
in die Reinigungslanze (2) eine Laval-Düse (12) inte¬ griert ist, die vorzugsweise nahe der Austrittsöffnung (3) angeordnet und weiter vorzugsweise gebogen oder ge¬ krümmt ausgeführt ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
an der Reinigungslanze (2) eine Optik vorgesehen ist, durch die zumindest der Reinigungsbereich (71) einer Turbinenschaufel (80) einsehbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
für die Herstellung des Reinigungsmediums ein Trockeneis¬ reservoir (17) oder einen Trockeneisgenerator für Kohlenstoffdioxidpellets vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Reinigungslanze einen gesonderten Heißgaskanal auf¬ weist und/oder entlang der Reinigungslanze Lichtleiter o- der elektrische Leitungen zum Erwärmen der Turbinenschaufeln geführt sind.
EP17717423.2A 2016-04-14 2017-04-13 Verfahren und vorrichtung zur reinigung von turbinenschaufeln Withdrawn EP3443203A1 (de)

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