JP3703842B2 - タービンエアフォイルの超音波洗浄の方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特にガスタービンエンジンのエアフォイルのオーバホール及び修理時の洗浄に関する。
従来の技術
ガスタービンエンジンは一般に、圧縮機、燃焼機及びタービンを備える。圧縮機とタービンには回転及び固定エアフォイルの列が交互に設けられている。空気はエンジンを軸方向に沿って流れる。周知の通り、圧縮機で圧縮されたガスは、燃焼機で燃料と混ざり、そこで燃焼される。燃焼機より発生する高圧の高温生成物は、タービンに入り、そこでエンジン及びタービンを駆動するための推力を生み出す。タービンの回転はまた、圧縮機の駆動力となる。ガスタービンエンジンは、振動や高温を特徴とする非常に苛酷な環境で運転される。タービン内のエアフォイルは、燃焼機より発生する熱ガスによって燃えてしまうおそれがある。これらのタービンエアフォイルを十分に冷却するために様々な冷却方法がとられている。これらの冷却方法の多くは、冷却空気を通す波状路などの複雑な内部流路を用いている。また、エアフォイルの壁面構造に形成された冷却孔に冷却空気を通過させる冷却方法もある。
特に地上での運転時には、エアフォイルを通って循環する空気には、エンジンによって吸入された砂やほこり、その他汚染物質の粒子が含まれる。砂やほこりは、非常に高い温度及び圧力の影響により、エアフォイルの内部空間に付着しクラスト層を形成する。このクラスト層は、空気孔や内部流路の大きさを縮小、または完全に閉塞するおそれがある。そして、結果的にエアフォイルの冷却効率が低減する。冷却空気が内部空間を確実に通過可能とするために、エアフォイルを使用期間中定期的に洗浄するか、または交換しなければならない。エアフォイルは、高温、振動や空気循環に耐えられるように高価な材料で製造されているため、全てのエアフォイルを頻繁に交換することは大変コストがかかる。従って、エアフォイルの洗浄の方が望まれる。
洗浄処理においては、クラスト層付着物はたとえ少量であっても、エアフォイルの付着箇所が燃焼してしまわないように取り除く必要がある。更に、各エンジンは、何百個ものエアフォイルを備える。従って、個々のエアフォイルの洗浄にかかる時間をわずかでも短縮すると、結果として多大な時間の節約に結び付くことが期待でき、よって多大なコストの節約にもつながる。
エアフォイルの内部空間を洗浄する周知の方法の一つに、オートクレーブ処理がある。オートクレーブ処理では、エアフォイルを高温高圧の流体にある一定時間さらす工程が行われる。この工程の結果、砂とほこりの層が緩む。オートクレーブ処理に続いて、内部流路に高圧の水流を噴射して、ゆるんだ砂とほこりの層を取り除く。各エアフォイルは、洗浄が実際に終了するまでに複数回のオートクレーブサイクルを経なければならない。各サイクルは、時間もコストもかかる。そのうえ、オートクレーブ処理はエアフォイルの積層した粒子が細かいか、または内部空間が複雑でない時に限って、上記層の除去に効果がある。しかし、ほこりの層が厚かったり、流路が複雑な場合はこの方法は有効ではない。
もう一つの周知のエアフォイル洗浄方法に超音波洗浄がある。超音波洗浄では、一回の洗浄分のエアフォイルを弱アルカリ溶液で満たされたタンクに浸し、超音波によって撹拌して内部空間に堆積したクラスト層をゆるめる。ヨーロッパ特許公報ＥＰ−Ａ−２０５３５５は、超音波によって液体洗剤内の物体を洗浄する技術を開示している。変換器は液体の下部に配置される。また、超音波を集中させるための手段が設けられている。
続く水のジェット噴射によって、内部空間よりクラスト層片が取り除かれる。超音波撹拌に使用される一般的な変換器は、出力密度が一平方メートル当たり１．５５×１０³−１５．５×１０³ワット（一平方インチ当たり１−１０ワット）である。商業用に生産されている最も高出力の超音波洗浄機は、出力密度が一平方メートル当たり１５５×１０⁶ワット（一平方インチ当たり１００ワット）である。洗浄溶液で満たされたタンク内に複数の変換器を所定のパターンに配置することによって、上記のような高出力の超音波が得られる。エアフォイルの超音波洗浄は全体的には効果があるが、複雑な内部流路を有したり、強固なクラスト層片が付着している部分については効果がない。よりよい効果を出すために、超音波洗浄はしばしば複数サイクルで使用され、各サイクル後に高圧の水噴射が行われる。しかし、複数サイクルで使用しても強固に堆積したクラスト層をゆるめるのに不十分なことがある。
エアフォイルは一般的に、各洗浄サイクル後に残存する汚物による閉塞がないかどうかＸ線で検査される。Ｘ線によりエアフォイル内の一部にでも残存するクラスト層片があれば、エアフォイル全体の超音波洗浄がもう一サイクル行われる。多くの場合、追加されたサイクルでも全てのクラスト層を除去することができない。内部流路に微量でもクラスト層片が残存する場合には、エアフォイルは破棄されなければならない。
現在の超音波撹拌の技術では、いまのところ、より高い出力密度による洗浄を行うことはできないので、エアフォイルの洗浄を制限する要因になっている。出力密度は、変換器の物理的特性によって制限されている。変換器を酷使した場合には、過熱したり機能が低下したりする傾向がある。また、洗浄溶液内に超音波変換器を多く配置しすぎると、超音波はお互いに打ち消しあって超音波洗浄の効果を低減させてしまう。更に、洗浄サイクルを複数回行うことは、時間も費用もかさむ。また、エアフォイル全体よりも一部分のみの洗浄が必要な場合の方が多い。従って、エアフォイル全体を洗浄することは不経済である。
航空宇宙産業一般、特に航空宇宙産業用のオーバホール及び修理施設では、複雑な内部冷却流路を有するエアフォイルの効果的な洗浄技術は見いだされていない。使用済みのエアフォイルの洗浄方法が改良されれば、エアフォイルの交換に関して多大なコストを節約できる可能性がある。エアフォイルの構造が非常に複雑になってきたため、産業全体でエアフォイルの洗浄方法の改良が求められている。
発明の開示
本発明によると、ガスタービンエンジンのエアフォイルの内部空間を洗浄する方法は、エアフォイルを洗浄溶液に浸し、溶液内に沈められた超音波撹拌機で増強した超音波エネルギーをエアフォイルのクラスト層が付着した一部分に集中させる方法を含む。超音波エネルギーのエアフォイルの特定部分に集中させることにより、超音波撹拌のレベルは増強されて、その特定部分に集中される。本発明の洗浄方法は従来に比較して、エアフォイルの汚物により閉塞された部分に作用する出力密度を４００％以上増大させる。
本発明による方法は、先に全体的な洗浄を行い、その後にＸ線によりエアフォイルの特定部分に残存する汚物の付着物を検出した上で、残存付着物を除去するために使用すると特に有用である。エアフォイルの特定部分に集中することによって、その特定部分のみを洗浄することができ、エアフォイル全体に不要な洗浄処理を施さなくてもよい。この方法により、効果的な洗浄を提供でき、多大なコストと時間も削減できる。
本発明による利点の一つは、洗浄方法が環境上安全であることである。
本発明の前述及びその他の利点は、後述の本発明の実施例の詳細な説明と図面を参照することによってより明らかになる。
【図面の簡単な説明】
図１は、部分的に区分されたガスタービンエンジンの立面図の略図である。
図２は、エアフォイルの部分的な拡大立面図である。
図３は、本発明によるエアフォイル洗浄システムの概略図である。
発明の最良の実施形態
図１を参照すると、ガスタービンエンジン１０は圧縮機１２、燃焼機１４、タービン１６を備える。空気１８は、エンジン１０を軸方向に沿って流れる。周知のように空気１８は圧縮機１２で圧縮される。続いて、圧縮空気は燃料と混ざり燃焼機１４で燃焼される。燃焼による高温生成物は、タービン１６に入りそこで膨張して推力を生み出す。その推力が、エンジン１０及びタービン１６を駆動する。タービン１６の回転はまた圧縮機１２の駆動力となる。
圧縮機１２とタービン１６には、回転及び固定エアフォイル３０の列が交互に設けられている。図２に示す各エアフォイル３０は、エアフォイル部３２と内径プラットフォーム３６とを備える。各タービンエアフォイル３０は、精巧な内部流路３８−４０を有し、内部流路３８−４０を通る冷却空気によってエアフォイル壁４８が冷却される。エアフォイル壁４８は複数の薄膜孔５０を有し、冷却空気は各薄膜孔５０を通じてエアフォイル３０の内部空間３８−４０より排出される。
冷却空気が冷却用の内部流路３８−４０を高温及び高圧で通過するのに伴って、エンジン１０より吸入されたほこりや砂の粒子が流路３８−４０の内壁４８に付着する。ほこりと砂の粒子は、外層（クラスト層）を形成して内部流路３８−４０の大きさを縮小し、薄膜孔５０を閉塞するおそれもある。流路３８−４０及び薄膜孔５０の閉塞は、部分的な閉塞であってもエンジンの非効率化を招き、エアフォイル壁の燃焼を引き起こす可能性がある。エアフォイルは、洗浄のために定期的にエンジンより取り外される。
エアフォイル３０は、まず従来の方法によって全体的に洗浄される。エアフォイルは続いてＸ線で検査され、残存する汚物による閉塞箇所がないかどうかの確認が行われる。エアフォイルの最低一箇所にでも汚物による閉塞があることが判明した時点で、エアフォイル３０は洗浄溶液５４で満たされたタンク５２に沈められる。エアフォイル３０は、エアフォイル３０内の内部流路３８−４０が溶液５４で確実に満たされるようにタンク５２に沈むように操作される。電源５６は、電力ケーブル５９によって変換器５８に電力を供給する。変換器５８は、電源５６によって供給された電力を機械エネルギーに変換する。
溶接ホーン６０は第一端部６２と第二端部６４を有する。ホーン６０の第一端部６２は、変換器５８に取り付けられている。ホーン６０の第二端部６４は溶液５４で満たされたタンク５２に挿入されており、エアフォイル３０のクラスト層付着箇所上に配置されている。エアフォイル３０の汚物付着箇所は、溶接ホーン６０より発生した超音波によって約３０分間超音波撹拌される。エアフォイル３０は、続いて高圧水噴射によって洗浄され、内部流路よりクラスト層片が取り除かれる。エアフォイル３０をＸ線で検査し、クラスト層片が全て取り除かれたかを確認することもできる。Ｘ線によって、エアフォイルの一部がなおクラスト層を含むことが判明すれば、エアフォイルのその部分をホーン６０によって再度撹拌することができる。
本発明による洗浄処理では、クラスト層を有して洗浄が必要とされるエアフォイルの特定部に、超音波エネルギーを集中させる。この洗浄方法では、エアフォイルの特定部に集中することにより、洗浄が必要とされる部分のエアフォイルへ向けられる超音波エネルギーの出力密度を上げることができる。出力密度の増加した超音波エネルギーにより、エアフォイルのクラスト層を緩める効果が高まる。溶接ホーンは、一平方メートル当たり４００×１０⁶ワット（一平方インチ当たり６２０ワット）の出力密度を発生する。これは、従来に比較して４００％の向上である。本発明による洗浄方法は、以前であれば破棄するしかなかったエアフォイルの洗浄を可能とする。また、本発明の洗浄方法では、エアフォイル全体ではなく洗浄を必要とするエアフォイルの部分のみを洗浄するので効率が上がる。溶接ホーンはまた、従来の超音波洗浄処理よりもかなり安価である。
更に、本発明の洗浄方法は、所要時間をかなり短縮でき、このことは直接コスト削減につながる。このような削減は、各ガスタービンエンジンが数百個ものエンジンを備えることを考え合わせるといかに重要かがわかる。各エアフォイルの洗浄時間を短縮することは、全エアフォイルの洗浄時間短縮につながるのである。また、本発明による洗浄方法は、環境上安全でもある。
施錠溶液５４は、どの種類の湿潤剤溶液でも弱アルカリ溶液でもよい。例えば、溶液５２は２％−２５％のブルーゴールド（Ｂｌｕｅ Ｇｏｌｄ：登録商標）水溶液を含んでもよい。ブルーゴールド（登録商標）は、テキサス州、ガーランドのキャロル カンパニー（Ｃａｒｒｏｌｌ Ｃｏｍｐａｎｙ：Ｇａｒｌａｎｄ，Ｔｅｘａｓ）によって生産されキャロル カンパニーの登録商標である。溶接ホーンは、洗浄用途に最適な周波数である約２０，０００ヘルツが達成できれば、異なる容量、形状及び密度を有するどのような種類の超音波撹拌機であってもよい。

Claims (3)

1. ガスタービンエンジンのエアフォイルの内部空間を洗浄する方法であって、前記エアフォイルは内部空間を有し、前記エアフォイルの部分は内部空間にクラスト層を有し、
   前記エアフォイルを洗浄溶液に浸して前記液体洗浄溶液が前記内部空間に流入するようにさせ、
   超音波撹拌機を前記洗浄溶液内に挿入する工程を有する方法において、前記超音波撹拌機を前記エアフォイルに隣接して配置し、高出力密度の超音波エネルギーを、前記エアフォイルのクラスト層を含む部分に集中させることを特徴とする洗浄方法。
2. 前記エアフォイルを前記洗浄溶液に浸して前記液体洗浄溶液が前記内部空間を満たすようにさせることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジンのエアフォイルの内部空間の洗浄方法。
3. 約２０，０００ヘルツの可能出力を有する溶接ホーンを前記超音波撹拌機として用いることを特徴とする請求項１及び２記載の洗浄方法。

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