Область техники
Настоящее изобретение относится в основном к области очистки газотурбинных двигателей и, в частности к способу и устройству очистки турбовентиляторного газотурбинного двигателя, установленного на воздушном судне.
Уровень техники
Газовая турбина, установленная в качестве авиационного двигателя, содержит компрессор, сжимающий окружающий воздух, камеру сгорания, в которой сжигается топливо вместе со сжатым воздухом, и турбину для питания компрессора. Расширяющиеся газообразные продукты сгорания приводят в действие турбину и также создают тягу, которая используется для движения воздушного судна.
Газотурбинные двигатели потребляют большое количество воздуха. Воздух содержит посторонние частицы в форме аэрозолей, которые попадают в компрессор газовой турбины вместе с воздушным потоком. Большинство посторонних частиц будет следовать по газовому тракту и покидать двигатель вместе с выхлопными газами. Однако существуют частицы, способные прилипать к компонентам газового тракта компрессора. Стационарные газовые турбины типа газовых турбин, применяемых при выработке электроэнергии, могут быть оборудованы фильтром для фильтрации воздуха, поступающего в компрессор. Однако газовые турбины, установленные на воздушном судне, не оборудуются фильтрами, поскольку они создают значительное падение давления и поэтому в большей мере открыты воздействию загрязнений из воздуха. Обычными загрязнениями, которые наблюдаются в аэродромной среде, являются пыльца, насекомые, выхлопы двигателей, утечки моторного масла, углеводороды, связанные с промышленной деятельностью, морская соль, химикаты антиобледенительных средств и материал аэродромного грунта, такой как пыль.
Предпочтительно компоненты двигателя, такие как лопасти и лопатки компрессора, должны быть отполированными и блестящими. Однако, в процессе эксплуатации на них происходит накопление слоя из посторонних частиц. Это явление известно как загрязнение компрессора. Загрязнение компрессора ведет к изменению характеристик граничного слоя воздушного потока компонентов. Осаждения приводят к повышению шероховатости поверхности компонента. При прохождении воздуха по поверхности компонента повышение шероховатости поверхности приводит к увеличению толщины граничного слоя воздушного потока. Увеличение толщины граничного слоя воздушного потока оказывает отрицательное воздействие на аэродинамические свойства компрессора. На задней кромке лопасти воздушный поток образует турбулентный след. След обладает турбулентностью вихревого типа с отрицательным воздействием на воздушный поток. Турбулентность следа наряду с более толстым граничным слоем имеют своим следствием уменьшение массового расхода в двигателе. Уменьшение массового расхода является наиболее важным результатом загрязнения компрессора. Кроме того, более толстый граничный слой и более сильная турбулентность следа, образуемого на задней кромке лопасти, приводят к уменьшению усиления по давлению сжатия, что, в свою очередь, приводит к работе двигателя при пониженной степени повышения давления. Любой специалист в области рабочих циклов теплового двигателя понимает, что понижение степени повышения давления ведет к снижению термодинамической эффективности двигателя. Понижение степени повышения давления является вторым наиболее важным следствием загрязнения компрессора. Загрязнение компрессора не только снижает массовый расход и степень повышения давления, но и уменьшает также изоэнтропическую эффективность компрессора. Снижение эффективности компрессора означает, что компрессору требуется больше мощности для сжатия того же количества воздуха. Уменьшение массового расхода, степени повышения давления и изоэнтропической эффективности понижает тяговые возможности двигателя. Мощность для привода компрессора отбирается от турбины через вал. Когда турбина требует больше мощности для привода компрессора, снижается тяга для поступательного движения. Для пилота самолета это означает, что он должен прибавить газ с целью компенсировать потерю тяги. Увеличение газа означает повышение расхода топлива и, таким образом, повышение эксплуатационных затрат.
Загрязнение компрессора оказывает также отрицательное влияние на окружающую среду. Увеличение расхода топлива влечет за собой увеличение выброса газов сухой перегонки, таких как диоксид углерода. Обычно сжигание 1 кг авиационного топлива приводит к образованию 3,1 кг диоксида углерода.
Ухудшение рабочих характеристик, вызванное загрязнение компрессора, также приводит к снижению долговечности двигателя. Увеличение сжигания топлива для достижения нужной тяги сопровождается повышением температуры в камере сгорания двигателя. Когда пилот прибавляет газ для отрыва от взлетной полосы, температура в камере сгорания очень высока. Эта температура не слишком далека от того предельного значения, которое может выдержать материал. Контроль этой температуры является ключевым фактором при наблюдении за работой двигателя. Температуру измеряют датчиком на участке тракта горячего газа ниже по потоку выхода из камеры сгорания. Она известна как температура выходящих газов (ТВГ) и тщательно отслеживается. Регистрируют как длительность воздействия, так и температуру. В течение срока службы двигателя записи значений ТВГ часто анализируют. В определенный момент записи значений ТВГ показывают, что двигатель требуется снять с эксплуатации для ремонта.
Высокая температура камеры сгорания оказывает отрицательное воздействие на окружающую среду. За повышением температуры в камере сгорания следует увеличение образования NOx. Образование NOx в значительной степени зависит от конструкции горелки. Однако любое приращение температуры на данной горелке приводит к приращению образования NOx.
Поэтому загрязнение компрессора оказывает значительное отрицательное воздействие на рабочие характеристики авиационного двигателя, такое как увеличение расхода топлива, уменьшение срока службы двигателя, увеличение выбросов диоксида углерода и NOx.
Реактивные двигатели имеют много различных конструкций, но перечисленные выше проблемы возникают во всех них. Типичными небольшими двигателями являются турбореактивные, турбовальные и турбовинтовые двигатели. Другими вариантами этих двигателей является двухкомпрессорный турбореактивный и форсированный турбовальный двигатели. Среди более крупных двигателей можно указать турбовентиляторный двигатель со смешанным потоком и турбовентиляторный двигатель с несмешанным потоком, которые оба могут быть сконструированы как одно-, двух- или трехвальные машины. Принципы работы этих двигателей здесь не описываются.
Турбовентиляторный двигатель сконструирован для создания большой тяги для самолета, летающего на дозвуковых скоростях. Поэтому он находит широкое применение в качестве двигателей для коммерческих пассажирских воздушных судов. Турбовентиляторный двигатель содержит вентилятор и внутренний контур двигателя. Привод вентилятора осуществляется от внутреннего контура двигателя. Внутренний контур двигателя является газотурбинным двигателем, сконструированным таким образом, что мощность для привода вентилятора отбирается от вала внутреннего контура двигателя. Вентилятор установлен выше по потоку компрессора двигателя. Вентилятор состоит из одного роторного диска с лопастями ротора и, как вариант, из комплекта лопаток статора, расположенных после ротора. Начальный воздух поступает в вентилятор. Как показано выше, вентилятор подвержен загрязнению насекомыми, пыльцой, а также остатками от столкновений с птицами и т.д. Загрязнения вентилятора можно удалить только путем промывки с использованием холодной или горячей воды. Этот процесс промывки осуществляется относительно легко.
Ниже по потоку вентилятора располагается компрессор внутреннего контура двигателя. Для компрессора значение имеет то, что он осуществляет сжатие воздуха в высокой степени. За сжатием следует повышение температуры. Повышение температуры в компрессоре высокого давления может достигать 500°С. Было обнаружено, что компрессор подвергается иному типу загрязнения по сравнению с вентилятором. Высокая температура приводит к тому, что частицы более легко «пригорают» к поверхности и их будет трудно удалить. Анализ показывает, что загрязнениями, которые обнаруживаются в компрессорах внутреннего двигателя, обычно являются углеводороды, остатки антиобледенительных жидкостей, соль и т.п. Эти загрязнения труднее удалить. Иногда этого можно добиться только путем промывки холодной или горячей водой. Кроме того, может практиковаться применение химических средств.
В течение многих лет был разработан ряд технологий очистки или промывки. В принципе, промывка авиационного двигателя может осуществляться путем использования садового шланга и распыления воды в сопле двигателя. Однако этот способ имеет ряд ограничений из-за простоты процесса. Другим способом является чистка вручную лопаток и лопастей компрессора щеткой и жидкостью. Этот способ имеет ряд ограничений, поскольку не позволяет чистить внутренние лопасти компрессора. Кроме того, он требует больших затрат времени. В патенте США № 6394108 описан тонкий гибкий шланг, один конец которого пропущен от входа к выходу компрессора между лопастями компрессора. На вставленном конце шланга имеется сопло. Шланг медленно выводят из компрессора при закачивании в шланг жидкости и ее разбрызгивании через сопло. Патент описывает, каким образом осуществляется промывка. Однако эффективность промывки ограничивается тем, что ротор компрессора не может вращаться во время промывки. В патенте США № 4059123 описана подвижная тележка, предназначенная для промывки турбины. Однако в патенте не описано, каким образом осуществляется процесс очистки. В патенте США № 4834912 описан чистящий состав, предназначенный для химического удаления наслоений в газотурбинном двигателе. В патенте описано впрыскивание этой жидкости в двигатель реактивного истребителя. Однако не приводится никакой информации о процессе промывки. В патенте США № 5868860 описано использование трубопровода в авиационных двигателях с входными направляющими лопатками и другого трубопровода в двигателях без направляющих лопаток. Далее в патенте описано применение высокого давления жидкости как средства достижения высокой скорости жидкости, что улучшает эффективность очистки. Однако патент не касается специальных проблем, связанных с загрязнением и промывкой турбовентиляторных авиационных двигателей.
Конструкция, описанная далее со ссылкой на фиг.1, рассматривается как общеизвестная в данной области техники. На фиг.1 показано поперечное сечение турбореактивного двигателя с одним валом. Стрелками показано направление массового расхода в двигателе. Двигатель 1 построен вокруг вала ротора 17, который своим передним концом соединяется с компрессором 12, а своим задним концом - с турбиной 14. Перед компрессором 12 размещается конус 104, предназначенный для разделения воздушного потока. Конус 104 не вращается. Компрессор имеет вход 18 и выход 19. Топливо сжигают в камере сгорания 13, где горячие отходящие газы вращают турбину 14.
Моющее устройство состоит из трубопровода 102 в форме трубки, одним концом соединенной с соплом 15, а другим концом - с муфтой 103. Шланг 101 одним концом соединяется с муфтой 103, в то время как другой конец соединяется с насосом (не показан). Трубопровод 103 находится на конусе 104 и занимает, таким образом, прочное положение во время процедуры очистки. Насос накачивает моющую жидкость в сопло 15, где она распыляется и образует струю 16. Геометрическая форма отверстия сопла 15 определяет форму струи. Струя может принимать в зависимости от конструкции различную форму, такую как круглая, эллиптическая или прямоугольная. Например, круглая струя имеет круговое распределение капель, типичное для струи, имеющей форму конуса. Эллиптическая струя отличается тем, что одна из осей эллипса длиннее другой. Прямоугольная струя подобна эллиптической струе, но имеет углы, соответствующие определению прямоугольника. Квадратная струя подобна круглой струе в том отношении, что две геометрические оси имеют равную длину, но струя квадратной формы имеет углы, соответствующие определению квадрата.
Жидкость распыляют перед ее поступлением в компрессор с целью улучшения проникновения в компрессор. Сразу же внутри компрессора капли сталкиваются с компонентами газового тракта, такими как лопасти ротора и лопатки статора. Соударение капель приводит к смачиванию поверхности и образованию пленки жидкости. Частицы, осажденные на компонентах газового тракта, отделяются за счет механического и химического воздействия жидкости. Проникновение жидкости в компрессор дополнительно улучшается за счет возможности вращения вала ротора во время промывки. Это достигается путем вращения ротора стартером двигателя, благодаря чему через двигатель пропускается воздух, несущий жидкость от входа компрессора по направлению к выходу. Дополнительное улучшение чистящего эффекта за счет вращения ротора заключается в том, что смачивание лопастей создает пленку жидкости, которая подвергается при промывке действию движущих сил, таких как центробежных сил.
То, что сказано о чистке компрессора, справедливо также для чистки всего газотурбинного двигателя. Когда чистящая жидкость поступает в компрессор двигателя при вращении ротора, моющая жидкость поступит в камеру сгорания и далее через турбинное отделение, очищая таким образом весь двигатель.
Однако этот способ не эффективен по ряду причин для турбовентиляторного турбинного двигателя. Во-первых, поскольку загрязнение различных компонентов турбовентиляторных двигателей может иметь сильно различающиеся характеристики, относящиеся, например к его липкости, оно потребует вращения вентилятора и его конуса для разделения воздушного потока, так что конус не может использоваться для поддержания трубопровода. Возможна установка трубопровода на стенде или раме перед вентилятором, но такая компоновка не может обеспечить эффективной очистки двигателя, поскольку основная часть чистящей жидкости, выбрасываемой из сопел, будет ударяться со стороны всасывания лопастей вентилятора.
Краткое описание изобретения
Таким образом, целью настоящего изобретения является создание устройства и способа удаления различных видов загрязнений, обнаруженных на вентиляторе и в компрессоре внутреннего контура двигателя турбовентиляторного двигателя и уменьшение таким образом отрицательного влияния загрязнения на показатели работы авиационного двигателя, такие как повышение расхода топлива, сокращение срока службы двигателя, увеличение выбросов диоксида углерода и NOx.
Дополнительной целью настоящего изобретения является создание устройства и способа, позволяющих очистить вентилятор и компрессор внутреннего контура двигателя за одну операцию промывки.
Эти и другие цели достигаются согласно настоящему изобретению путем создания способа и устройства, имеющих признаки, описанные в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны в зависимых пунктах.
Для ясности термины «радиальное направление» и «осевое направление» относятся к радиальному относительно осевой линии двигателя направлению и направлению вдоль осевой линии двигателя, соответственно.
В контексте настоящего изобретения термин «тангенциальный угол» относится к углу, направленному по касательной, если смотреть от осевой линии двигателя.
Согласно первому объекту настоящего изобретения создано устройство очистки газотурбинного двигателя, включающего в себя, по меньшей мере, один вал двигателя, вентилятор, установленный с возможностью вращения на первом валу и содержащий множество лопастей вентилятора, установленных на ступице и проходящих по существу в радиальном направлении, причем каждая лопасть имеет сторону нагнетания и сторону всасывания, и внутренний контур двигателя, включающий в себя компрессорный блок и турбины для привода компрессорного блока и вентилятора, содержащее множество сопел, предназначенных для распыления чистящей жидкости в воздушном потоке в воздухозаборнике двигателя выше по потоку вентилятора. В устройстве в соответствии с первым объектом настоящего изобретения первое сопло размещено в положении относительно осевой линии двигателя выше по потоку вентилятора и установлено так, что чистящая жидкость, испускаемая из первого сопла, ударяется о поверхности лопастей по существу со стороны нагнетания; второе сопло размещено в положении относительно осевой линии двигателя выше по потоку вентилятора и установлено так, что чистящая жидкость, испускаемая из второго сопла, ударяется о поверхности лопастей по существу со стороны всасывания; и третье сопло размещено в положении относительно осевой линии двигателя выше по потоку вентилятора и установлено так, что чистящая жидкость, испускаемая из третьего сопла, проходит по существу между лопастями и поступает на вход внутреннего контура двигателя.
Согласно второму объекту создан способ очистки газотурбинного двигателя, включающего в себя, по меньшей мере, один вал двигателя, вентилятор, установленный с возможностью вращения на первом валу и содержащий множество лопастей вентилятора, установленных на ступице и проходящих по существу в радиальном направлении, причем каждая лопасть имеет сторону нагнетания и сторону всасывания, и внутренний контур двигателя, включающий в себя компрессорный блок и турбины для привода компрессорного блока и вентилятора (25), множество сопел, предназначенных для распыления чистящей жидкости в воздушном потоке в воздухозаборнике двигателя выше по потоку вентилятора. В соответствии со способом согласно второму объекту настоящего изобретения наносят чистящую жидкость, испускаемую из первого сопла, по существу на сторону нагнетания; наносят чистящую жидкость, испускаемую из второго сопла, по существу на сторону всасывания; и направляют чистящую жидкость, испускаемую из третьего сопла, таким образом, что чистящая жидкость проходит по существу между лопастями и поступает на вход внутреннего контура двигателя.
Таким образом, настоящее изобретение основывается на понимании того, что загрязнения различных компонентов двигателя имеют различные характеристики и поэтому требуют различных подходов при очистке. В качестве примера можно указать, что загрязнения внутреннего компрессора имеют характеристики, отличные, например, от характеристик загрязнений лопастей вентилятора, что связано с более высокой температурой компрессоров. Высокая температура приводит к тому, что частицы легче «пригорают» к поверхности и их труднее удалить. Анализ показывает, что загрязнениями, которые находят в компрессорах внутреннего контура двигателя, обычно являются углеводороды, остатки антиобледенительных жидкостей, соль и т.п. Поэтому такие загрязнения труднее удалить чем загрязнения на лопастях вентилятора.
Это техническое решение обеспечивает несколько преимуществ по сравнению с существующими решениями. Одно из преимуществ заключается в том, что очистка деталей двигателя, подвергнутых загрязнению, приспособлена к определенным характеристикам загрязнения каждой детали. Соответственно возможно индивидуальное приспособление очистки различных компонентов вентилятора и внутреннего двигателя. Это приводит к более эффективной и сберегающей время очистке двигателя по сравнению с известными способами, в которых применяется однородный процесс очистки. Таким образом, можно добиться снижения затрат по сравнению с известными способами за счет снижения расхода топлива.
Другое преимущество заключается в том, что чистящая жидкость может достичь как стороны нагнетания, так и стороны всасывания лопастей вентилятора. Поэтому очистка вентилятора является более полной и эффективной по сравнению с известными способами, не допускающими очистки стороны нагнетания.
Дополнительное преимущество чистящего устройства согласно настоящему изобретению может использоваться во многих различных типах турбинных двигателей, включая турбовентиляторные газотурбинные двигатели с одним, двумя, тремя и более валами, и двигатели, в которых для разделения воздушного потока вращаются вентилятор и конус.
Дополнительное преимущество заключается в том, что можно повысить долговечность двигателя, поскольку эффективное удаление загрязнений обеспечивает снижение температуры в камере сгорания. Это оказывает также благоприятное воздействие на окружающую среду благодаря сокращению образования NOx.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления настоящего изобретения первое сопло и второе сопло установлены таким образом, что чистящая жидкость, испускаемая из первого сопла и второго сопла, соответственно, образует струю, которая при соударении с лопастью имеет ширину вдоль оси, по существу параллельной радиальной протяженности лопастей вентилятора, по существу равную длине передней кромки лопасти. Таким образом, струя подаст жидкость на лопасть по всей ее длине от кончика до ступицы, повышая эффективность очистки или промывки стороны нагнетания и стороны всасывания лопастей соответственно.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления настоящего изобретения третье сопло установлено таким образом, что чистящая жидкость, испускаемая из третьего сопла, образует струю, которая на входе имеет ширину вдоль оси, по существу параллельной радиальной протяженности лопастей вентилятора, по существу равную расстоянию между разделителем и указанной точкой на ступице.
Другие цели и преимущества настоящего изобретения будут рассмотрены ниже на приведенных в качестве примеров вариантах осуществления настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты осуществления изобретения будут теперь описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - вид в поперечном разрезе авиационного газотурбинного двигателя;
фиг.2 - вид в поперечном разрезе турбовентиляторного газотурбинного двигателя;
фиг.3 - вид в поперечном разрезе турбовентиляторного газотурбинного двигателя и предпочтительного варианта осуществления изобретения с двумя соплами, предназначенными для очистки вентилятора двигателя, и одним соплом, предназначенным для очистки внутреннего двигателя;
фиг.4 - детали установки сопел;
фиг.5 - вид установки сопла, предназначенного для очистки стороны нагнетания лопасти вентилятора;
фиг.6 - вид установки сопла, предназначенного для очистки стороны всасывания лопасти вентилятора; и
фиг.7 - вид установки сопла, предназначенного для очистки внутреннего двигателя.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Далее со ссылкой на фиг.2 будет описан двухвальный несмешанный турбовентиляторный авиационный двигатель. Двухвальный несмешанный турбовентиляторный двигатель является одной из нескольких возможных конструкций турбовентиляторного двигателя. Это изобретение не ограничивается вариантом воплощения, раскрытым в описании и показанным на чертежах, поскольку очевидно, что изобретение может быть применено к другим вариантам конструкций турбовентиляторных двигателей с одним, тремя или более валами. Особенностью турбовентиляторного двигателя, пригодного для применения настоящего изобретения, является то, что его вентилятор и конус для разделения воздушного потока вращаются.
Как показано на фиг.2, двигатель 2 содержит вентиляторный блок 202 и блок 203 внутреннего контура двигателя. Двигатель построен вокруг вала ротора 24, который своим передним концом соединен с вентилятором 25, а задним концом - с турбиной 26. Турбина 26 вращает вентилятор 25. Второй вал 29 имеет форму, соосную с первым валом 24. Вал 29 соединен своим передним концом с компрессором 27, а задним концом - с турбиной 28. Турбина 28 осуществляет привод компрессора 27. Стрелки показывают прохождение воздуха через двигатель. Как вентиляторный блок 202, так и блок 203 внутреннего контура двигателя создают тягу для движения воздушного судна.
Двигатель 2 имеет вход 20, через который воздух поступает в двигатель. Поступающий воздух втягивается вентилятором 25. Часть поступающего воздуха уходит через выход 21. Остальная часть поступающего воздуха поступает во внутренний контур двигателя через вход 23. Воздух, поступивший во внутренний контур двигателя, затем сжимается компрессором 27. Сжатый воздух вместе с топливом (не показано) сжигается в камере 201 сгорания, в результате чего получаются горячие газообразные продукты сгорания. Сжатые горячие газообразные продукты сгорания расширяются в направлении выхода 22 внутреннего контура двигателя. Расширение горячих газообразных продуктов сгорания происходит в два этапа. На первом этапе газообразные продукты сгорания расширяются до достижения промежуточного давления, осуществляя при этом привод турбины 28. На втором этапе газообразные продукты сгорания расширяются до достижения атмосферного давления, осуществляя при этом привод турбины 26. Газообразные продукты сгорания покидают двигатель на выходе 22 с большой скоростью, создавая тягу. Газ из выхода 22 вместе с воздухом из выхода 21 создают тягу двигателя.
На фиг.3 показано поперечное сечение двухвального несмешанного турбовентиляторного авиационного двигателя. Аналогичные детали обозначены теми же ссылочными позициями, что и на фиг.2. Фиг.3 является только примером, проиллюстрированные на котором основные положения относятся к другим авиационным газотурбинным двигателям, таким как смешанный турбовентиляторный двигатель или турбовентиляторные двигатели с одним, двумя или более валами.
Вентиляторы турбореактивного двигателя сконструированы с комплектом лопастей, установленных на ступице вентилятора и проходящих наружу в основном в радиальном направлении. Каждая лопасть имеет сторону нагнетания и сторону всасывания, которые определяются направлением вращения вентилятора. Моющее устройство компрессора состоит из сопел трех типов, каждое из которых распыляет чистящую жидкость с установленной целью. Сопло одного типа служит для подачи чистящей жидкости для очистки стороны нагнетания вентилятора. Сопло другого типа служит для подачи чистящей жидкости для очистки стороны всасывания вентилятора. Сопло еще одного типа служит для подачи чистящей жидкости для очистки внутреннего двигателя. Сопла расположены перед вентилятором 25. Сопла имеют различные характеристики распыления и производительности по жидкости.
Моющее устройство для промывки вентилятора 25 состоит из жесткой трубы 37 в форме трубопровода, который одним концом соединен с соплами 31 и 35. Сопла 31 и 35 фиксируются жестким трубопроводом 37. Другой конец трубопровода 37 соединен с муфтой (не показана), которая далее соединяется со шлангом (не показан), который далее соединяется с насосом (не показан). Чистящая жидкость в трубопроводе 37 может состоять из воды или воды с химическими реагентами. Температура жидкости может соответствовать температуре в источнике подачи жидкости, или же жидкость может нагреваться в нагревательном устройстве (не показано). Насос прокачивает моющую жидкость к соплам 31 и 35. Жидкость, покидающая сопла, распыляется и образует струи 32 и 36, соответственно. Струи 32 и 36 направляются к вентилятору 25.
Давление жидкости в трубопроводе 37 составляет от 35 до 220 бар. Это высокое давление приводит к высокой скорости прохождения жидкости через сопло. Скорость жидкости составляет от 50 до 180 м/с. Скорость жидкости придает каплям инерцию, достаточную для того, чтобы капли переместились от кончика сопла до вентилятора. При попадании на вентилятор скорость капли значительно превышает скорость вращения вентилятора, обеспечивая таким образом промывку как стороны нагнетания, так и стороны всасывания вентилятора, как будет описано далее. Капли соударяются с вентилятором и смачивают поверхность вентилятора. Загрязнения будут отделяться под химическим воздействием реагентов или воды. При процессе очистки вентилятору 25 позволяют вращаться с помощью стартера двигателя или других средств. Вращение служит нескольким целям. Во-первых, вращение создает воздушный поток, проходящий через вентилятор, который улучшает перемещение струи в направлении вентилятора. Воздушный поток увеличивает таким образом скорость соударения на поверхности вентилятора. Более высокая скорость соударения улучшает эффективность очистки. Во-вторых, вращение вентилятора способствует смачиванию всей площади вентилятора при использовании только одного сопла, поскольку охват струей распространяется от ступицы вентилятора до наконечника вентилятора. В-третьих, вращение вентилятора улучшает удаление отделившихся загрязнений, когда воздушный поток будет отрывать жидкость от поверхности лопасти. В-четвертых, вращение вентилятора улучшает удаление отделившихся загрязнений, поскольку центробежные силы будут отрывать жидкость от поверхности лопасти.
Моющее устройство для промывки внутреннего двигателя состоит из жесткого трубопровода 38 в форме канала, который одним концом соединен с соплом 33. Сопло 33 фиксируется жестким трубопроводом 38. Другой конец трубопровода 38 соединен с муфтой (не показана), которая далее соединяется со шлангом (не показан), который далее соединяется с насосом (не показан). Чистящая жидкость в трубопроводе 38 может состоять из воды или воды с химическими реагентами. Температура жидкости может соответствовать температуре в источнике подачи жидкости, или же жидкость может нагреваться в нагревательном устройстве (не показано). Насос прокачивает моющую жидкость к соплу 33. Жидкость, покидающая сопла, распыляется и образует струю 34. Струя 34 направляется к вентилятору 25. Давление жидкости в трубопроводе 38 составляет от 35 до 220 бар. Это высокое давление приводит к высокой скорости прохождения жидкости через сопло. Скорость жидкости составляет от 50 до 180 м/с. Скорость жидкости придает каплям инерцию, достаточную для того, чтобы капли переместились от кончика сопла через вентилятор (в пространство между лопастями) на вход 23. При попадании на вход 23 жидкость поступает в компрессор.
Внутри компрессора капли соударяются с компонентами компрессора, такими как лопасти и лопатки. Загрязнения будут отделяться под химическим воздействием реагентов или воды. Во время процесса очистки компрессору 27 позволяют вращаться с помощью стартера двигателя или других средств. Вращение служит нескольким целям. Во-первых, вращение создает воздушный поток, идущий через компрессор, который улучшает перемещение капель в направлении выхода компрессора. Воздушный поток увеличивает таким образом скорость соударения на поверхности компрессора. Более высокая скорость соударения улучшает эффективность очистки. Во-вторых, вращение вентилятора улучшает удаление отделившихся загрязнений, когда воздушный поток будет отрывать жидкость от поверхности лопасти. В-третьих, вращение вентилятора улучшает удаление отделившихся загрязнений, поскольку центробежные силы будут отрывать жидкость от поверхности лопасти.
Геометрическая форма отверстия в сопле 31, 35 и 33 определяет форму струи. Форма струи имеет большое значение для результатов промывки. Струе можно придать различные формы, такие как круглая, эллиптическая или прямоугольная. Этого достигают с помощью соответствующего конструирования и операций по механической обработке отверстия сопла. Круглая струя имеет круговое распределение капель и характеризуется как коническая струя. Эллиптическая струя подобна конической струе, однако отличается тем, что одна ось круга длиннее другой. Можно указать, что эллиптическая струя имеет распределение капель по ширине и по толщине, причем направление по ширине соответствует длинной оси эллипса, а направление по толщине соответствует короткой оси эллипса. С помощью соответствующего конструирования и операций по механической обработке отверстия сопла можно создать прямоугольную струю. Струя с прямоугольной формой имеет распределение по ширине и по толщине, сходное с эллиптической струей. Круглая струя имеет равное распределение по ширине и по толщине. Квадратная струя имеет равное распределение по ширине и по толщине.
На фиг.4 показан участок поперечного сечения несмешанного турбовентиляторного двигателя. На фиг.4 показаны детали установки и ориентации сопла относительно осевой линии 400 двигателя. Аналогичные детали обозначены теми же ссылочными позициями, что и на фиг.2 и 3. Вентилятор 25 имеет лопасть 40 с передней кромкой 41 и задней кромкой 42. Лопасть 40 имеет кончик 43 и расширение 44 на ступице вентилятора 25. Согласно конструкции несмешанного турбовентиляторного двигателя, воздушный поток 20 после прохождения через вентилятор 25 делится на два потока. Одна часть воздушного потока 20 покидает вентиляторный участок двигателя на выходе 21. Другая часть воздушного потока поступает в участок внутреннего двигателя на входе 23 для подачи воздуха во внутренний двигатель. Струя воздуха делится на две струи делителем 45. Проем входа 23 ограничивается с одной стороны делителем 45, а с другой стороны - точкой 46 на ступице.
Согласно изобретению моющая система состоит из трех сопел, каждое из которых предназначено для выполнения определенной задачи. Сопло первого типа служит для промывки стороны нагнетания лопасти вентилятора. Сопло первого типа создает струю эллиптической или прямоугольной формы. Сопло второго типа служит для промывки стороны всасывания лопасти вентилятора. Сопло второго типа создает струю эллиптической или прямоугольной формы. Сопло третьего типа служит для промывки внутреннего двигателя. Сопло третьего типа создает струю эллиптической или прямоугольной формы. Моющий блок согласно изобретению выполнен из одного или нескольких сопел каждого из трех типов.
На фиг.4 показано сопло первого типа, сопло 31, с его проекцией по ширине. Сопло 31 служит для подачи моющей жидкости для промывки стороны нагнетания лопасти 40. Передняя кромка 41 лопасти 40 имеет длину, равную расстоянию между кончиком 43 и расширением 44. Сопло 31 располагается в осевом направлении в точке, предпочтительно находящейся в более чем 100 мм, и более предпочтительно более чем 500 мм и менее чем в 1000 мм выше по потоку передней кромки 41 вентилятора. Сопло 31 расположено в радиальном направлении в точке, меньшей чем диаметр вентилятора и меньшей чем диаметр ступицы вентилятора. Сопло 31 обращено к вентилятору 25. Сопло 31 распыляет моющую жидкость, образуя струю 32. Сопло 31 создает эллиптический или прямоугольный рисунок струи. Сопло ориентировано таким образом, что ось по ширине рисунка струи параллельна передней кромке 41 лопасти 40. С одной стороны рисунка струи распределение по ширине ограничивается линией 75 обтекания. С противоположной стороны рисунка струи распределение по ширине ограничивается линией 76 обтекания. От точки отверстия сопла размер струи 32 на передней кромке 41 будет равен длине передней кромки 41. Таким образом, струя подает жидкость на лопасть по всей ее длине от кончика до ступицы.
На фиг.5 показано сопло 31, если смотреть в проекции от периферии ротора по направлению к центру вала. На фиг.5 сопло 31 показано в его проекции по толщине. Сопло 31 предназначено для подачи моющей жидкости для промывки стороны нагнетания лопасти 40. Вентилятор 25 состоит из множества лопастей вентилятора, установленных на ступице вентилятора и проходящих в основном в радиальном направлении. Вид показывает обычный шаг лопастей относительно осевой линии 400 двигателя. Вентилятор вращается в направлении, указанном стрелкой. Лопасть 40 имеет переднюю кромку 41 и заднюю кромку 42. Лопасть 40 имеет сторону 53 нагнетания и сторону 54 всасывания. Сопло 31 располагается в точке перед вентилятором 25. Сопло 31 распыляет моющую жидкость, образуя струю 32. Сопло 31 обращено к вентилятору 25. На фиг.5 показан тангенциальный угол Х сопла относительно осевой линии 400 двигателя. Тангенциальный угол Х предпочтительно превышает 40 градусов, и более предпочтительно составляет более 60 градусов и менее 80 градусов относительно осевой линии 400 двигателя. Сопло 31 создает эллиптический или прямоугольный рисунок струи. Сопло 31 ориентировано вокруг оси сопла таким образом, что ось рисунка струи по ширине ограничивается с одной стороны рисунка струи линией 51 обтекания, а с другой стороны рисунка струи - линией 52 обтекания.
Кроме того, на фиг.4 показано сопло второго типа, сопло 35, и его проекция по ширине. Сопло 35 предназначено для подачи моющей жидкости для промывки стороны всасывания лопасти 40. Лопасть 40 имеет кончик 43 и расширение 44. Передняя кромка 41 лопасти 40 имеет длину, равную расстоянию между кончиком 43 и расширением 44. Сопло 35 располагается в осевом направлении в точке, предпочтительно находящейся в более чем 100 мм, и более предпочтительно более чем 500 мм и менее чем в 1000 мм выше по потоку передней кромки вентилятора. Сопло 35 расположено в радиальном направлении в точке, меньшей диаметра вентилятора и меньшей диаметра ступицы вентилятора. Сопло 35 обращено к вентилятору 25. Сопло 35 распыляет моющую жидкость, образуя струю 36. Сопло 35 создает эллиптический или прямоугольный рисунок струи. Сопло ориентировано таким образом, что ось по ширине рисунка струи параллельна передней кромке 41 лопасти 40. С одной стороны рисунка струи распределение по ширине ограничивается линией 75 обтекания. С противоположной стороны рисунка струи распределение по ширине ограничивается линией 76 обтекания. От точки отверстия сопла размер струи 36 на передней кромке 41 будет равен длине передней кромки 41. Таким образом, струя подает жидкость на лопасть по всей ее длине от кончика до ступицы.
На фиг.6 показано сопло 35, если смотреть в проекции от периферии ротора по направлению к центру вала. На фиг.6 сопло 35 показано в его проекции по толщине. Сопло 35 предназначено для подачи моющей жидкости для промывки стороны всасывания лопасти 40. Вентилятор 25 состоит из множества лопастей вентилятора, установленных на ступице вентилятора и проходящих в основном в радиальном направлении. Вид показывает обычный шаг лопастей относительно осевой линии 400 двигателя. Вентилятор вращается в направлении, указанном стрелкой. Лопасть 40 имеет переднюю кромку 41 и заднюю кромку 42. Лопасть 40 имеет сторону 53 нагнетания и сторону 54 всасывания. Сопло 35 расположено в точке перед вентилятором 25. На фиг.5 показан тангенциальный угол Z сопла относительно осевой линии 400 двигателя. Тангенциальный угол предпочтительно превышает 20 градусов и составляет менее -20 градусов, и предпочтительно составляет нуль градусов относительно осевой линии 400 двигателя. Сопло 31 распыляет моющую жидкость, образуя струю 32. Сопло 31 обращено к вентилятору 25. Сопло 35 создает эллиптический или прямоугольный рисунок струи. Сопло 35 ориентировано вокруг оси сопла таким образом, что ось рисунка струи по ширине ограничивается с одной стороны рисунка струи линией 61 обтекания, а с другой стороны рисунка струи - линией 62 обтекания.
На фиг.4 показано сопло третьего типа, сопло 33, и его проекция по ширине. Сопло 33 предназначено для подачи моющей жидкости для промывки внутреннего двигателя. Сопло 33 расположено в осевом направлении в точке, предпочтительно находящейся в более чем 100 мм, и более предпочтительно более чем 500 мм и менее чем в 1000 мм перед передней кромкой вентилятора. Сопло 33 расположено в радиальном направлении в точке, меньшей половины диаметра вентилятора и превышающей диаметр ступицы вентилятора. Сопло 33 ориентировано так, чтобы позволить жидкости проникнуть через вентилятор между лопастями. Сопло 33 создает эллиптический или прямоугольный рисунок струи. Сопло ориентировано таким образом, что ось по ширине рисунка струи параллельна передней кромке 41 лопасти 40. С одной стороны рисунка струи распределение по ширине ограничивается линией 47 обтекания. С противоположной стороны рисунка струи распределение по ширине ограничивается линией 48 обтекания. Воздухозабор внутреннего двигателя имеет отверстие, соответствующее расстоянию между делителем 45 и точкой 46. Размер по ширине струи 34 на входном отверстии внутреннего двигателя будет соответствовать расстоянию между делителем 45 и точкой 46. Таким образом, струя 34 подает жидкость для поступления во вход 23.
На фиг.7 показаны детали обычной установки сопла 33, если смотреть в проекции от периферии ротора по направлению к центру вала. На фиг.7 сопло 33 показано в его проекции по толщине. Вентилятор 25 состоит из множества лопастей вентилятора, установленных на ступице вентилятора и проходящих в основном в радиальном направлении. Вид показывает обычный шаг лопастей относительно осевой линии 400 двигателя. Вентилятор вращается в направлении, указанном стрелкой. Лопасть 40 имеет переднюю кромку 41 и заднюю кромку 42. Сопло третьего типа, сопло 33, расположено в точке перед вентилятором 25. На фиг.7 показан тангенциальный угол Y сопла относительно осевой линии 400 двигателя. Тангенциальный угол Y предпочтительно превышает 20 градусов, более предпочтительно 25 градусов, и составляет менее 30 градусов относительно осевой линии 400 двигателя. Сопло 33 распыляет моющую жидкость, образуя струю 34. Струя из сопла 33 направлена таким образом, чтобы позволить жидкости проникнуть через вентилятор, между лопастями, в направлении от передней кромки 41 к задней кромке 42. Сопло 33 создает эллиптический или прямоугольный рисунок струи. Сопло 33 ориентировано вокруг оси сопел таким образом, что ось рисунка струи по толщине ограничивается со одной стороны рисунка струи линией 71 обтекания, а с противоположной стороны рисунка струи - линией 72 обтекания. Сопло 33 ориентировано относительно осевой линии 400 вала таким образом, чтобы позволить жидкости проходить между лопастями вентилятора.
Хотя здесь с целью иллюстрации и пояснения примером показаны и описаны конкретные варианты осуществления изобретения, специалисту в данной области техники понятно, что конкретные варианты реализации могут быть заменены самыми различными альтернативными и/или эквивалентными вариантами выполнения без отклонения от объема настоящего изобретения. Настоящая заявка охватывает любые изменения или варианты рассмотренных здесь вариантов осуществления изобретения. Следовательно, настоящее изобретение ограничено только лишь прилагаемой формулой изобретения и их эквивалентами.
Изобретение относится к способу и устройству для очистки газотурбинного двигателя и, в частности двигателя турбовентиляторного типа. Устройство содержит множество сопел, предназначенных для распыления чистящей жидкости в воздушном потоке в воздухозаборнике двигателя выше по потоку вентилятора двигателя. Первое сопло установлено так, что чистящая жидкость, испускаемая из него, ударяется о поверхности лопастей по существу со стороны нагнетания, второе сопло установлено так, что чистящая жидкость, испускаемая из него, ударяется о поверхности лопастей по существу со стороны всасывания, и третье сопло установлено так, что чистящая жидкость, испускаемая из него, проходит по существу между лопастями и поступает на вход внутреннего контура двигателя. Представлен также способ очистки двигателя. Изобретение обеспечивает эффективное удаление различных видов загрязнений, обнаруженных на вентиляторе и компрессоре внутреннего двигателя турбовентиляторного двигателя. 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 7 ил.
направляют чистящую жидкость, испускаемую из второго сопла (35), под вторым тангенциальным углом (Z) относительно осевой линии (400) двигателя (2), и/или
направляют чистящую жидкость, испускаемую из третьего сопла (33), под третьим тангенциальным углом (Y) относительно осевой линии (400) двигателя (2).
| US 5273395 А, 28.12.1993 | |||
| Устройство для промывки газовоздушного тракта двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом и охлаждением наддувочного воздуха | 1988 |
|
SU1687824A1 |
| Способ возведения свайного фундамента в вечномерзлом грунте | 1972 |
|
SU522306A1 |
