Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, eine Anordnung sowie ein Verfahren zum Reinigen der Core Engine eines Strahltriebwerks.
Strahltriebwerke von kommerziellen Unterschallverkehrsflugzeugen sind heute weit überwiegend sogenannte Turbofan-Strahltriebwerke. Ein solches Turbofan-Triebwerk besitzt eine sogenannte Core Engine, in der der eigentliche Verbrennungsprozess des Kerosins abläuft. Die Core Engine besitzt in bekannter Weise eine oder mehrere Kompressorstufen, eine Brennkammer, sowie eine oder mehrere Turbinenstufen, in denen die heißen Verbrennungsgase einen Teil ihrer mechanischen Energie abgeben. Diese mechanische Energie wird zum einen für den Antrieb der Kompressorstufen benötigt, zum anderen wird ein stromauf vor der Core Engine angeordneter sogenannter Turbofan angetrieben, der in der Regel einen erheblich größeren Durchmesser als die Core Engine aufweist und einen erheblichen Teil der das Triebwerk insgesamt durchströmenden Luft als sogenannten Mantel- oder Nebenluftstrom an der Core Engine vorbeiströmen lässt. Der Turbofan bringt über diesen Mantelluftstrom einen erheblichen Teil der Schubleistung des Triebwerks auf, ferner sorgt der hohe Mantelluftstromanteil für eine bessere Umweltverträglichkeit des Triebwerks, insbesondere einen besseren Wirkungsgrad bei Unterschallgeschwindigkeiten, sowie eine verbesserte Geräuschdämmung des heißen Abgasstroms der Core Engine.
Strahltriebwerke werden im Betrieb durch Verbrennungsrückstände der Core Engine sowie durch mit der Verbrennung bzw. Mantelluft angesaugte Luftverunreinigungen wie beispielsweise Staub, Insekten, Salznebel oder sonstigen Umweltverunreinigungen kontaminiert. Diese Verunreinigungen bilden insbesondere auch auf den Rotor- und/oder Statorblades des Kompressors der Core Engine einen Belag, der die Oberflächengüte und damit letztendlich den thermodynamischen Wirkungsgrad des Triebwerks beeinträchtigt.
Zum Entfernen der Verunreinigungen werden Strahltriebwerke gereinigt. Aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 ein Verfahren gemäß Anspruch 13 und eine Anordnung gemäß Anspruch 11 der eingangs genannten Art zu schaffen, die ein wirksames und effizientes Reinigen der Core Engine eines Strahltriebwerks ermöglichen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Versorgungseinrichtung, die Reinigungsmedium zur Verfügung stellt, eine Düseneinrichtung, die zum Einbringen des Reinigungsmediums in die Core Engine ausgebildet ist, sowie eine Leitungsverbindung zwischen der Versorgungseinrichtung und der Düseneinrichtung auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Düseneinrichtung Mittel zur drehfesten Verbindung mit der Welle des Fans des Strahltriebwerks aufweist, und dass eine
Drehkupplung zwischen der Düseneinrichtung und der Leitungsverbindung vorgesehen ist.
Zunächst seien einige im Rahmen der Erfindung verwendete Begriffe erläutert. Der Begriff Strahltriebwerk bezeichnet jegliche mobilen Gasturbinen für Luftfahrtanwendungen. Im Rahmen der Erfindung bezeichnet der Begriff insbesondere Turbofan-Triebwerke, bei denen die eigentliche Gasturbine eine sogenannte Core Engine bildet und stromauf der Core Engine ein im Durchmesser größerer Turbofan angeordnet ist, der einen Mantelluftstrom um die Core Engine erzeugt. Der Begriff Core Engine bezeichnet die eigentliche Gasturbine des Strahltriebwerks, in der der Verbrennungsprozess des Treibstoffs, insbesondere Kerosins, stattfindet. Eine solche Core Engine weist in der Regel eine oder mehrere Kompressorstufen, eine Brennkammer sowie ein oder mehrere Turbinenstufen auf, die von den heißen Verbrennungsgasen angetrieben werden.
Die Versorgungseinrichtung stellt Reinigungsmedium zur Verfügung (beispielsweise in einem oder mehreren Tanks) und kann mit Bedienungs- und Antriebseinrichtungen, Pumpen, Energiespeichern oder dergleichen versehen sein. Sie ist vorzugsweise als eine mobile, insbesondere fahrbare Einheit ausgebildet.
Die Düseneinrichtung weist eine oder mehrere Düsen für das Reinigungsmedium sowie unten noch näher erläuterte Mittel zur drehfesten Verbindung dieser Düseneinrichtung und damit der Düsen mit der Welle des Fans des Strahltriebwerks auf.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass diese Düsen nicht stationär im Bereich des Einlasses des Strahltriebwerks angeordnet sind, sondern drehfest mit der Welle des Fans verbunden sind und damit bei einem langsamen Durchdrehen des Triebwerks ohne Einspritzen von Kerosin (dem sogenannten dry-cranking) mit dem Fan mitrotieren können.
Die Versorgungseinrichtung und die Düseneinrichtung sind über eine Leitungsverbindung miteinander verbunden. Diese Leitungsverbindung dient insbesondere der Zufuhr des (vorzugsweise unter Druck stehenden und ggf. erwärmten) Reinigungsmediums zu den Düsen der Düseneinrichtung. Die Leitungsverbindung ist bevorzugt flexibel und kann insbesondere einen ggf. druckfesten Schlauch aufweisen.
Die Leitungsverbindung ist mittels einer Drehkupplung an die Düseneinrichtung angeschlossen. Der Begriff Drehkupplung ist funktionell zu verstehen und bezeichnet jegliche Einrichtung, die sich zum Herstellen einer hinreichend stabilen, bevorzugt druckfesten und flüssigkeitsdichten Verbindung zwischen dem stationären Teil der Leitungsverbindung und der mit dem Fan mitrotierenden Düseneinrichtung eignet. Zweck der Drehkupplung ist es, das Reinigungsmedium aus der stationären Versorgungseinrichtung in die mitdrehende Düseneinrichtung zu leiten und dann aus den Düsen austreten zu lassen.
Die Erfindung ermöglicht eine gezielte Reinigung der Core Engine. Die beim dry-cranking mitdrehenden Düsen bestreichen den Einlass der Core Engine gleichmäßig über den gesamten Umfang. Ferner erlaubt die mitdrehende Anordnung der Düsen ein gezieltes Einbringen des Reinigungsmediums in Strömungsrichtung hinter den Blades (Schaufeln) des Fans und damit ein unmittelbares Bestreichen der Core Engine ohne Beeinträchtigung durch den in Strömungsrichtung davor angeordneten Turbofan. Bei der ortsfesten Anordnung der Düsen vor dem Fan im Stand der Technik trifft ein wesentlicher Teil des Reinigungsmediums auf die Blades des Fans und kann daher nicht oder zumindest nicht direkt zur Reinigung der Core Engine beitragen. Die Erfindung hat erkannt, dass die gezielte Reinigung der Core Engine wesentlich ist für die angestrebte Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrads. Die Erfindung hat ferner erkannt, dass eine möglicherweise gewünschte zusätzliche Reinigung der Fanblades wesentlich einfacher durch eine zusätzliche manuelle Reinigung mit Schlauch und Bürste erreicht werden kann. Ein Bestreichen auch der Fanblades, wie im Stand der Technik vorgesehen, kann einen erheblichen Teil der Verunreinigungen der Fanblades nicht abtragen, da diese vermehrt auf der Rückseite (Druckseite) der Fanblades sitzen. Ferner werden bei einem gleichzeitigen Bestreichen der Fanblades mit Reinigungsmedium dort abgetragener Schmutz sowie insbesondere im Bereich der Schaufelwurzel ausgewaschene Schmiermittel in die Core Engine eingetragen und verschmutzen diese zusätzlich.
Die Massenverteilung der Düseneinrichtung ist bevorzugt rotationssymmetrisch um deren Drehachse. Auf diese Weise wird beim Mitrotieren der Düseneinrichtung keine wesentliche zusätzliche Unwucht eingebracht. Die Drehkupplung sitzt zu diesem Zweck bevorzugt im Wesentlichen zentrisch auf der Drehachse der erfindungsgemäßen Vorrichtung im montierten Zustand. Bevorzugt weist die Düseneinrichtung wenigstens zwei oder mehr Düsen auf, die bevorzugt rotationssymmetrisch um die Drehachse verteilt sind.
Die Austrittsöffnung der Düsen ist bevorzugt im von der Drehkupplung wegweisenden axialen Endbereich der Düseneinrichtung angeordnet. Die Drehkupplung befindet sich bevorzugt im vorderen Bereich der Düseneinrichtung, d. h. in demjenigen Bereich, der im montierten Zustand stromauf, also weg vom Eingang des Strahltriebwerks, weist. Die Austrittsöffnung der Düsen ist dementsprechend im davon wegweisenden axialen Endbereich der Düseneinrichtung vorgesehen, also im montierten zustand in dem stromabweisenden Endbereich. Diese Anordnung ermöglicht es, die Düsen bei der Montage auf der Welle des Fans eines Turbofan-Triebwerks entweder durch die Zwischenräume der Fanblades hindurch zu stecken, so dass sie unmittelbar vor der Core Engine angeordnet sind, oder aber zumindest gezielt so auszurichten, dass sie durch Zwischenräume der Fanblades hindurch direkt auf die Core Engine strahlen.
Die Düsen sind bevorzugt Flachstrahldüsen, es können aber auch andere Formen wie beispielsweise Rundstrahldüsen oder eine Kombination verschiedener Düsen verwendet werden. Die Strahlebene ist vorzugsweise in Radialrichtung ausgerichtet, d.h. sie wird von zwei Achsen aufgespannt, von denen eine in Radialrichtung weist. Auf diese Weise kann der rotierende Flachstrahl besonders wirksam im Wesentlichen die gesamte Fläche des Einlasses der Core Engine überstreichen.
Es ist weiter bevorzugt, dass die Strahlebene einen Anstellwinkel mit der Drehachse einschließt. Dies bedeutet, dass die Strahlrichtung nicht parallel zur Drehachse erfolgt, sondern mit dieser Achse einen Winkel einschließt. Die Strahlrichtung weicht um diesen Winkel von der Axialrichtung ab. Bevorzugt ist es, wenn sich dieser Winkel nach dem Anstellwinkel der vorderen Kompressorblades der Core Engine richtet. In der Regel handelt es sich dabei um Statorblades, die bei einer passenden Einstellung des Strahlwinkels zu deren Einstellwinkel von dem Flachstrahl teilweise durchstrichen werden können, so dass es zu einer wirksameren Reinigung der dahinter angeordneten Teile der Core Engine kommt.
Die Mittel zur drehfesten Verbindung mit der Welle des Fans des Strahltriebwerks umfassen bevorzugt Befestigungsmittel zur Befestigung an den Fanblades wie beispielsweise geeignet ausgebildete Haken, mit denen die Düseneinrichtung an der Hinterkante (stromabgewandt) der Fanblades eingehakt werden können.
Die Düseneinrichtung kann zur drehfesten Fixierung mit der Welle des Fans eine Einrichtung zum im Wesentlichen formschlüssigen Aufsetzen auf die Wellennabe des Fans aufweisen.
Turbofan-Triebwerke weisen in der Regel auf dem stromauf gelegenen Wellenende der Welle des Turbofans eine konisch gekrümmte Nabe auf, die das Anströmverhalten der Luft verbessern soll. Auf diese Nabe können die entsprechenden Mittel zur drehfesten Verbindung aufgesetzt werden. "Im wesentlichen formschlüssig" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Form der Wellennabe genutzt wird zur beabsichtigten Positionierung der Düseneinrichtung und zur Fixierung in der gewünschten Position. Es bedeutet nicht, dass die gesamte Fläche der Wellennabe formschlüssig umschlossen sein muss.
Beispielsweise kann die Einrichtung ein oder mehrere Ringteile aufweisen, mit denen sie auf die Wellennabe aufgesetzt werden kann. Bei einer Mehrzahl von Ringteilen weisen diese einen unterschiedlichen Durchmesser auf, der angepasst ist an den Durchmesser der Wellennabe in den entsprechenden Bereichen. Beispielsweise können zwei axial beabstandete Ringe unterschiedlichen Durchmessers vorgesehen sein, mit denen die Düseneinrichtung auf der Wellennabe positioniert und zentriert wird.
Das Material der Einrichtung zum im Wesentlichen formschlüssigen Aufsetzen auf die Wellennabe des Fans wird bevorzugt so ausgewählt, dass es durch eine mögliche Reibung auf der Wellennabe zu keinem oder nur einem unwesentlichen Verschleiß dieser Wellennabe kommt. Beispielsweise kann diese Einrichtung eine hinreichend weiche Kunststoff- oder Gummibeschichtung oder -ummantelung aufweisen.
Spannseile können vorzugsweise zur weiteren Fixierung vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Düseneinrichtung mittels der Ringteile auf der Wellennabe des Fans zentriert werden und dann mit Spannseilen, die an der Hinterkante der Fanblades fixiert werden, verspannt werden. Erfindungsgemäß können Federeinrichtungen zum Vorspannen der Spannseile vorgesehen sein, damit die Düseneinrichtung mit einer definierten Kraft an die Wellennabe angedrückt wird.
Die Spannseile sind bevorzugt (beispielsweise mittels Haken bzw. Spannpratzen) an den Fanblades, bevorzugt an deren Hinterkante, befestigt. Diese Haken bzw. Spannpratzen können ebenfalls eine hinreichend weiche Kunststoff- oder Gummibeschichtung oder -ummantelung aufweisen.
Die Versorgungseinrichtung für das Reinigungsmedium weist bevorzugt wenigstens einen Vorratstank für Reinigungsmedium und wenigstens eine Pumpe zur Druckbeaufschlagung der Düseneinrichtung mit Reinigungsmedium auf. Der Vorratstank kann eine Heizeinrichtung aufweisen, um temperiertes Reinigungsmedium zur Verfügung zu stellen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Versorgungseinrichtung wenigstens zwei Vorratstanks auf, aus denen die Düseneinrichtung wahlweise gespeist werden kann. Dies hat den Vorteil, dass nach einem Reinigungsvorgang in einem Reinigungstank frisch eingefülltes Reinigungsmedium auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt werden kann, während gleichzeitig aus dem zweiten Reinigungstank ein weiterer Reinigungsvorgang gespeist wird.
Als Reinigungsmedium kann bevorzugt eine Flüssigkeit, insbesondere eine wässrige Flüssigkeit, oder eine Dispersion einer Flüssigkeit in einem gasförmigen Medium, insbesondere Luft, verwendet werden. Bevorzugt wird eine wässrige Lösung verwendet, die beim Austritt aus den Düsen zu einer wässrigen Dispersion in Luft zerstäubt wird. Näheres dazu wird unten im Zusammenhang mit der Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Die dort beschriebenen Verfahrensparameter gelten auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Es ist somit Gegenstand der Erfindung, die Vorrichtung so auszubilden, dass die weiter unten beschriebenen Verfahrensparameter eingestellt werden können.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Anordnung aus einem Strahltriebwerk und einer daran zur Vornahme einer Reinigung der Core Engine angebrachten Vorrichtung wie vorstehend beschrieben. Die Anordnung weist weiterhin folgende Merkmale auf:
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Düseneinrichtung drehfest mit der Welle des Fans des Strahltriebwerks verbunden. Dabei sind die Drehachsen des Fans des Strahltriebwerks und der Düseneinrichtung im Wesentlichen konzentrisch angeordnet. Die Drehachse der Düseneinrichtung ist diejenige Achse, um die sich die Düsen im Betrieb konzentrisch drehen. Der radiale Abstand der Düsen der Düseneinrichtung von der gemeinsamen Drehachse des Strahltriebwerks und der Vorrichtung ist so bemessen, dass diese Düsen den Eingang der Core Engine überstreichen. Die Austrittsöffnung der Düsen sind hinter der Ebene des Turbofans oder so vor bzw. zwischen den Fanblades ausgerichtet, dass ein im Wesentlichen ungehindertes Hindurchstrahlen möglich ist.
Bevorzugt ist der Anstellwinkel der Strahlebene der Düsen mit der Drehachse angepasst an den Anstellwinkel der in Strömungsrichtung des Triebwerks vorderen Blades der Core Engine. Auf diese Weise wird die Reinigungswirkung auch im hinteren Teil der Core Engine verbessert.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Reinigen der Core Engine eines Strahltriebwerks unter Verwendung einer Vorrichtung wie vorstehend beschrieben. Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:
Das dry-cranking bzw. Rotierenlassen des Strahltriebwerks während des Reinigungsvorgangs erfolgt bevorzugt mit einer Drehzahl von 50 bis 500 min-1, vorzugsweise 100 bis 300 min-1, weiter vorzugsweise 120 bis 250 min-1. Besonders bevorzugt ist eine Drehzahl zwischen 150 und 250 min-1. Das Reinigen kann auch im Leerlaufbetrieb des Triebwerks stattfinden, die Drehzahl beträgt dann bevorzugt 500 bis 1.500 min-1.
Als Reinigungsmedium wird bevorzugt eine Dispersion einer Flüssigkeit in einem gasförmigen Medium verwendet. Diese Dispersion kann bereits vor der Düsenaustrittsöffnung hergestellt werden, beispielsweise durch den Zusatz von gasförmigen Medium wie beispielsweise Luft zu einer Reinigungsflüssigkeit. Bevorzugt ist es jedoch, wenn bis zur Düsenaustrittsöffnung lediglich flüssiges Reinigungsmedium geführt wird und an der Düsenaustrittsöffnung durch Austritt unter hohem Druck zerstäubt wird, so dass die Mischung aus flüssigem und gasförmigem Medium besteht. Diese Dispersion oder dieses Aerosol wird dann durch die Core Engine hindurchgetragen. Das Reinigungsmedium (bzw. der flüssige Anteil des Aerosols) wird bevorzugt auf einen Bereich von 20 bis 100°C, weiter vorzugsweise 30 bis 80°C, weiter vorzugsweise 50 bis 70°C temperiert. Der Druck, unter dem das Reinigungsmedium an der Düsenöffnung ausgebracht wird, liegt bevorzugt im Bereich 20 bis 100 bar, weiter vorzugsweise 30 bis 80 bar, weiter vorzugsweise 50 bis 70 bar. Durch diesen Druck wird das flüssige Reinigungsmedium an der Düsenöffnung bevorzugt zu Tröpfchen zerrissen, deren mittlere Tröpfchengröße 50 bis 500 µm, weiter vorzugsweise 100 bis 300 µm, weiter vorzugsweise 150 bis 250 µm beträgt.
Der Durchsatz an flüssigem Reinigungsmedium liegt bevorzugt zwischen 10 und 200 l/min, weiter vorzugsweise 20 bis 150 l/min, weiter vorzugsweise 20 bis 100 l/min, besonders bevorzugt zwischen 20 und 60 l/min. Die Dauer des Reinigungsvorgangs beträgt bevorzugt 1 bis 15 min, weiter vorzugsweise 2 bis 10 min, weiter vorzugsweise 3 bis 7 min.
Der Tank oder jeder Tank für Reinigungsmedium der Versorgungseinrichtung kann beispielsweise ein Volumen von 400 1 aufweisen. Dieses Volumen erlaubt beispielsweise ein 5 min. Reinigen mit einem Durchsatz von 80 l/min.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
Die Düseneinrichtung weist zwei Ringelemente 1, 2 auf, mit deren Hilfe die Düseneinrichtung auf eine Wellennabe 3 des Fans eines Strahltriebwerks aufgesetzt wird (siehe
Die Druckleitungen 6 sind an den Kreuzungspunkten mit den Ringelementen 1, 2 an diesen Ringelementen fixiert und somit Teil der Tragstruktur der gesamten Düseneinrichtung.
Zur Befestigung der Düseneinrichtung an der Wellennabe des Fans sind bei 11 angedeutete Spannseile vorgesehen, die mittels Haken 12 an den Hinterkanten des Fanblades eingehakt werden. Wie in
Zum Reinigen der Core Engine eines Turbofan-Strahltriebwerks wird die Düseneinrichtung in der insbesondere aus den
In
Erfindungsgemäß müssen diese Steuerleitungen - anders als im Stand der Technik - vor Beginn der Triebwerkswäsche nicht getrennt bzw. geöffnet werden. Ein Standlauf des Triebwerks nach einer Wäsche und anschließender Wiederverbindung der Steuerleitungen ist daher nicht erforderlich.
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