JP3786688B2 - タービン・エアフォイルの効率的洗浄方法 - 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、オーバーホールや修復時におけるエアフォイルの洗浄に関する。
背景技術
通常、ガス・タービン・エンジンは、圧縮器、燃焼器及びタービンを有する。
圧縮器、タービンともに、回転翼と静翼との列が交互に設けられている。エンジンの軸方向には空気が流される。従来からよく知られているように、圧縮器から吐出される圧縮ガスは、燃焼器内で燃料と混合され、この燃焼器内で燃焼される。燃焼による高温生成物は、高圧状態で燃焼器から吐出されてタービンに入る。タービンでは、高温ガスがエンジンの推進力となるスラスト力を生起してタービンを駆動し、さらにその後に圧縮器を駆動する。
ガス・タービン・エンジンは、振動及び高温による非常に苛酷な環境で作動する。タービン内のエアフォイルは、燃焼器からの高温ガスが流入することにより、エアフォイル自体が燃焼してしまうおそれがある。これらタービン・エアフォイルを適切に冷却するために、種々の冷却技術が存在する。これらの冷却手法の多くは、複雑な内部流路、例えば、空気を流通させる曲がりくねった流路を有し、その内部に冷却空気を流通させる。冷却技術は、エアフォイルの壁面構造に小さな冷却ホールを有し、空気がこのホールを流通することを可能としている。
エアフォイルを循環する空気には、特に地上での動作においては、エンジンから取り込まれたサンド即ち砂粒、ダスト、及びその他の混入異物が含まれる。サンド及びダストは、温度及び圧力が極度に高いことから、エアフォイルのキャビティ内面に付着して、これらの堆積物即ちクラストを形成する。このクラストは、エアフォイル内で空気が流通する上記ホールや内部流路の口径を小さくし、または完全に塞いでしまうことから、冷却効率を低くする要因となっている。内部キャビティで冷却空気を確実に流通させるためには、エアフォイルの使用可能期間中に定期的にクリーニング即ち洗浄や清浄化処理を行うか、またはエアフォイル自体を交換する必要がある。
一方、エアフォイルは、高温や振動に耐性を有する高価な材質で製造されていることから、エアフォイルを頻繁に交換すると、非常にコストが高くなってしまう。従って、エアフォイルを洗浄することが好ましい。さらに、各エンジンは、数百ものエアフォイルを有する。各エアフォイルの洗浄時間を短縮すると、全体としての節減時間は非常に大きなものとなり、従って、コスト面でも非常に有利となる。
ＶＥＲＳＥＮＥ（登録商標）溶剤、即ち、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）の四ナトリウム塩は、航空産業ではよく知られた洗浄剤である。ＶＥＲＳＥＮＥは、Dow Chemical Companyの登録商標で、金属キレート剤として知られており、通常、エアフォイルに対する腐食性はない。
しかし、ＶＥＲＳＥＮＥ溶剤は、エアフォイルの内部キャビティからの堆積物の除去自体に関しては効力がないことが知られている。ＶＥＲＳＥＮＥ溶剤は、上記クラストを溶解または除去させるわけではなく、単に化学反応におけるクラストの特性を変えるだけである。
エアフォイルの内部キャビティの洗浄プロセスとして知られている他のプロセスとして、オートクレーブプロセスが挙げられる。このオートクレーブプロセスは、エアフォイルを高温高圧の流体に所定時間さらす工程を有する。このプロセスによって、サンドやダストの層の付着力が弱くなる。このオートクレーブ処理の後に、直接内部キャビティに対して高圧水流噴射がなされ、上記付着力が弱められたサンド及びダスト層の除去がなされる。各エアフォイルは、効率的に洗浄を行うための多くのオートクレーブサイクルに耐え得なければならない。各サイクルは、時間がかかるうえにコストが高い。さらに、オートクレーブプロセスは、クラスト堆積物が微小であるか、または内部通路が複雑でない場合には、クラストの除去に効果がある。しかし、この方法は、ダスト層が厚いときや、内部通路が複雑な形状をとる場合には、効果はあがらない。
航空産業一般、特に、オーバーホール及び修復の現場では、複雑な内部冷却通路を有するエアフォイルを効率的に洗浄する技術が求められている。現在使用されているエアフォイルの洗浄プロセスを向上することで、エアフォイルの交換によるコストを劇的に削減することが可能である。以上のように、エアフォイルの構造は既に非常に洗練されているが、航空産業全体では、エアフォイルの洗浄技術の向上が求められている。
発明の開示
本発明によれば、ガス・タービン・エンジンの内部キャビティを備えたエアフォイルの洗浄方法には、オートクレーブプロセスでエアフォイルを洗浄するステップと、キレート剤溶液でエアフォイルをソーキング即ち浸漬させるステップとが含まれる。
キレート剤溶液による洗浄の後、及びオートクレーブ洗浄の後に、水によるリンシングプロセス、即ち、すすぎプロセスを追加することも可能である。エアフォイルの内部キャビティからのクラスト残留物の除去には、このエアフォイルの内部キャビティの高圧ジェット水流ステップをその後に行うことが有効である。好適な洗浄がなされるに必要な回数だけ、全プロセスを繰り返すことができる。本発明の好適実施形態では、キレート剤には、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）の四ナトリウム塩を用いる。
オートクレーブプロセスとキレート剤溶液洗浄とを組み合わせた洗浄方法によって相乗効果が得られ、その結果、エアフォイルの洗浄が大きく向上する。このプロセスの主な利点は、エアフォイルの洗浄に要する時間が非常に減少する点である。特に、キレート剤溶液洗浄とオートクレーブ洗浄との組み合わせを有した、この新規な方法によれば、オートクレーブ洗浄のみによるエアフォイルの洗浄に必要とされるサイクル数に比較して、オートクレーブサイクル数が半減する。キレート剤溶液洗浄のみでは、クラストは全く除去されない。時間の節減によって、コストも非常に節減される。
本発明の上記及びその他の利点は、以下の例示のための詳細な実施形態、及び添付の図面を参照して、一層明瞭とされる。
【図面の簡単な説明】
図１は、ガス・タービン・エンジンの部分断面正面図である。
図２は、エアフォイルの拡大断面正面図である。
図３は、本発明に係る洗浄プロセスと従来技術におけるプロセスとの効率とを比較したグラフである。
発明を実施するための最良の形態
図１に圧縮器１２、燃焼器１４及びタービン１６を有するガス・タービン・エンジン１０を示す。空気１８は、エンジン１０を軸方向に流通する。従来からよく知られているように、空気１８は、圧縮器１２内で圧縮される。その後、圧縮器からの空気は燃料と混合され、燃焼器１４内で燃焼される。高温の燃焼生成物は、タービン１６に流入し、この高温ガスは膨脹してエンジン１０の推進力を生成してタービン１６を駆動し、その後に圧縮器１２を駆動する。
圧縮器１２とタービン１６の双方は、交互に配置された回転翼と静翼３０との列を有する。図２に示されるように、各エアフォイル３０は、エアフォイル部位３２と内部直径プラットフォーム３６とを有する。タービンエアフォイル３０は、精密な内部通路３８−４０を有し、これらの通路は、エアフォイル壁４８を冷却するように、冷却空気を流通させる。エアフォイル壁４８は、複数のフィルムホール５０を有し、このホール５０によって、低温の内部空気がエアフォイル３０の内部通路３８〜４０から流出することが可能となる。
冷却空気が内部通路３８〜４０を高温、高圧で通過するにつれて、エンジン１０から侵入したダスト及びサンドの粒子は、通路３８〜４０の内壁４８に付着する。これらの粒子は、クラスト層を形成し、内部通路３８〜４０の口径を減少させ、かつフィルムホール５０を塞ぐにいたるおそれがある。内部通路３８〜４０が部分的または完全に塞がれると、エンジン性能が低下し、また、エアフォイル壁自体が燃焼するおそれがある。エアフォイルは、定期的にエンジンから取り外されて洗浄が行われていた。
この洗浄プロセスにおいて、エアフォイル３０は、オートクレーブプロセスにさらされる。４０〜５０％のＫＯＨ溶液（水酸化カリウムまたは灰汁、アルカリ液）は、３２５〜４５０°Ｆに過熱される。エアフォイルは、３２５〜４５０°Ｆ、２００〜３００ｐｓｉで２４時間浸漬される。オートクレーブプロセスによって、クラストが内壁面から浮いた状態となる。エアフォイルは、その後に水によりリンシング即ちすすぎ処理される。
エアフォイル３０は、その後、キレート剤溶液に浸漬される。このキレート剤溶液は、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）の四ナトリウム塩を９９％含有するＶＥＲＳＥＮＥ（登録商標）２２０ Ｃｒｙｓｔａｌキレート剤である。この濃度は、５２リットルの水に５．２ＫｇのＶＥＲＳＥＮＥと１３０ｍｌのＴｒｉｔｏｎ ｘ−１００（ウェッティングエージェント即ち湿潤剤あるいは界面活性剤）が含まれるものとなっている。
エアフォイルは、１４０〜１６０°Ｆで１〜４時間超音波撹拌される。ＶＥＲＳＥＮＥによる洗浄によって、内部通路３８〜４０の内壁４８に付着したクラスト層の特性が化学的に変化し、水への溶解性が高められる。その後、エアフォイルは水でのすすぎ処理がなされる。その後、エアフォイルに対して高圧（５，０００〜１０，０００ｐｓｉ）のジェット水流が噴射される。このジェット水流噴射によって、内部通路からクラスタ等の異物が除去される。
このプロセスによって相乗効果が得られ、エアフォイルの洗浄方法における効率が劇的に向上する。このプロセスは、航空産業において必要とされ長年待ち望まれていた効率的なエアフォイル洗浄の要求をも満たすものである。
図３のグラフは、エアフォイルから除去されたクラストの百分率を、それに要するサイクル数に対して示したものである。黒丸のプロットのグラフは、オートクレーブのみを用いた洗浄プロセスを示し、白丸は、ＶＥＲＳＥＮＥのみを用いた洗浄を示す。また、十字型のプロットは、ＶＥＲＳＥＮＥとオートクレーブとを組み合わせた洗浄プロセスを示す。
例えば、９７％クリーンなエアフォイルを得るには、オートクレーブのみのサイクルが６回必要となるが、本発明のプロセスを用いた場合、僅か３回で９５％クリーンなエアフォイルが得られる。ＶＥＲＳＥＮＥ洗浄のみでは、クラストは全く除去されない。必要なサイクルが半分にまで減少することは、所要時間が非常に削減されることを示し、この時間の節減によって、コストが大きく節減される。このような節減の重要性は、各ガス・タービン・エンジンが数百のエアフォイルを有するという事実によって、更に強調され得る。各エアフォイルの洗浄に要する時間が半減することは、また、エンジンのすべてのエアフォイルを洗浄する時間が半減することを意味する。

Claims (8)

1. ガス・タービン・エンジンのエアフォイルの内部キャピティの洗浄方法であって、
   前記エアフォイルのオートクレーブ洗浄プロセスによる洗浄ステップと、
   前記エアフォイルのキレート剤溶液による浸漬ステップと、を有することを特徴とする方法。
2. 前記オートクレーブ洗浄プロセスによる洗浄ステップの後と、前記キレート剤溶液による浸漬ステップの後と、において、水による前記エアフォイルのすすぎ処理ステップをそれぞれ行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記内部キャビティから残留物を除去するために、高圧ウォータージェットを用いる後続ステップを有することを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記キレート剤は、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）の四ナトリウム塩であることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記キレート剤溶液は、５２リットルの水に対して５．２ｋｇのエチレンジアミン四酢酸の四ナトリウム塩と１３０ｍｌの湿潤剤とを含有することを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記キレート剤溶液による浸漬時間は、３８〜７１℃で１〜４時間であることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記エアフォイルは、前記キレート剤溶液による浸漬の間に超音波撹拌を受けることを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記オートクレーブプロセスは、４０〜５０％のＫＯＨ（水酸化カリウム）によって、温度１６３〜２３２℃、圧力１．４〜２．１ＭＰａで２４時間前記エアフォイルを浸漬するステップを有することを特徴とする請求項１記載の方法。

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