JP6872499B2 - ジェットエンジンを洗浄するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの排出装置を介してエンジンに導入される固体材料を含む洗浄媒体で航空機ジェットエンジンを洗浄するための方法および装置に関する。

航空機ジェットエンジンは、１つまたは複数の圧縮機段、燃焼室、および１つまたは複数のタービン段を有する。タービン段にて、燃焼室からくる高温の燃焼ガスは、圧縮機段を駆動するために利用される熱エネルギーおよび機械エネルギーの一部を放出する。商用旅客機のジェットエンジンは、現在、圧縮機段の上流に配置され、一般に圧縮機段よりもかなり大きな直径を有するターボファンとして知られているものを主に備える。さらに、ターボファンは、タービン段を介して駆動され、ターボファンによってエンジン全体を通って流れる空気の相当の部分が、公知の補助空気流として、圧縮機段、燃焼室およびタービン段を通過できる。このような種類の補助流によって、エンジンの効率の程度を大幅に向上させることができ、さらに、エンジンの改良された騒音減衰を保証することができる。

航空機ジェットエンジンの汚染は効率の低下を招く可能性があり、その結果、燃料消費量が増加し、したがって環境汚染が増加する。汚染は、例えば、昆虫、ほこり、塩水噴霧または他の環境汚染物質によってもたらされる可能性がある。エンジンの一部は、燃焼室の燃焼残留物によって汚染される可能性がある。そのような汚染物は、空気が流れる航空機エンジンの部品上に層を形成し、表面品質を損なう。このようにして、エンジンの熱力学的効率が低下する。ここでは、特にその汚染がエンジン全体の効率の程度に大きな影響を及ぼすこととなる圧縮機段のブレードについて言及する。

汚染物質をなくすために、一般に高温水である洗浄液でエンジンを洗浄することが知られている。国際公開第２００５／１２０９５３号は、複数の洗浄ノズルがターボファンおよび／または圧縮機段の上流に配置される構成を開示している。次に、洗浄液がエンジン内に噴霧される。ここでは、ドライクランキングとして知られているものを使用してエンジンを回転させることができ、すなわち、灯油が燃焼室内で燃焼されることなく、エンジンのブレードは回転する。汚染物質は、エンジンに導入される洗浄液によってエンジン構成要素の表面から洗い落とされる。

洗浄媒体として水を使用する代わりに、粉炭を使用することが知られている。ここで、粉炭は、水と同様にノズルを通ってエンジンの中に導入され、研磨効果のために、表面から汚染物質を除去する。しかしながら、エンジン部品の表面が粉炭によっても腐食されるので、粉炭のような洗浄媒体は、航空機エンジンの定期的な洗浄には適していない。さらに、洗浄材料の望まぬ残留物が、粉炭による洗浄中にエンジン内に残る。

国際公開第２００９／１３２８４７号は、洗浄媒体として固体二酸化炭素を使用するジェットエンジンを洗浄するための装置および方法を開示している。

本発明は、航空機エンジンの改良された洗浄を可能にする方法および装置を提供することを目的とする。

上記目的は、請求項１に記載の方法および請求項１７に記載の装置によって達成される。有利な発展は、従属請求項から生じる。

したがって、本発明は、固体材料を含む洗浄媒体でジェットエンジンを洗浄する方法に関する。固体材料が、少なくとも１つの排出装置によってエンジン内に導入される。固体材料は、プラスチックビーズ、ガラスビーズ、砂、または粉炭など、使用温度で安定的な固体材料であり得る。しかし、固体二酸化炭素および／または氷（水氷）のような熱不安定性固体材料を使用することが好ましい。本発明の文脈内では、１つまたは複数の排出装置を使用することができる。以下の文脈では、単数形が常に使用されるが、複数形の使用を含むことが意図されている。

本発明によれば、洗浄媒体は、８０ｍ／ｓ以下の出口速度で排出装置から排出される。

本発明の中心概念として、洗浄媒体が、エンジン入口の領域において（好ましくは、負圧またはせいぜい１バールのせいぜい僅かな正圧未満で）排出装置から放出され、したがって、エンジンの前方の空気流中に最大８０ｍ／ｓの速度で、せいぜい小さい基本的な衝撃で出力され、上記空気流によってエンジンを通して搬送される。

本発明の文脈内では、排出装置は、記載された条件（好ましくは負圧またはせいぜい低い正圧）下で所望の放出を可能にするあらゆる装置である。排出装置は、例えば、供給ホースまたはパイプシステムの断面と比較して、断面が広げられており、狭窄されておらず、または少しだけ狭窄された開口を有してもよい。本発明の文脈内では、開口の直径における減少はわずか５０％以下に抑制される。これが好ましく意図することには、排出装置の出口開口部の領域における過度に大きな狭窄によって、流出する洗浄媒体の流速が過度に高く、したがって望ましくないほど高い衝撃が生成される状況を回避する。

排出装置は、本発明による１つまたは複数の出口開口部を有することができ、この出口開口部は、エンジンの入口の前で静的に、または共に回転する方式で配置され得る。

本発明が認めることには、特に、エンジンの圧縮機の効果的な洗浄が、特許請求の範囲に記載の方法のパラメータによって可能である。本発明によれば、洗浄媒体は、圧縮機内の流れに追従し、圧縮機の全ての段階、特に最後の段階で洗浄効果を達成する。特に、二酸化炭素または氷のような熱不安定性固体材料は、圧縮機の前方段において全ての運動エネルギーをまだ出力しておらず、および／または爆発／粉砕されておらず、過度に高い運動エネルギーのために、衝撃中に構成要素上で昇華または溶解するということが、本発明により達成される。その代わりに、固体材料は、単に本発明によるパラメータによって基本衝撃を与えられ、その衝撃によってそれらをエンジン内に搬送する。エンジンを通って流れる空気流に対する相対速度は、本発明によれば低いことが好ましい。エンジン構成要素、特に圧縮機構成要素との接触時間が比較的長くなることによって、その結果、接触時間によって改良された洗浄効果がもたらされる。固体材料は、エンジン内のガス流に同伴し、したがって、最後の圧縮機段にも搬送される。

本発明による上記方法パラメータの組み合わせによって、ジェットエンジンの圧縮機（コアエンジン）をその全長にわたり、特に流れ方向の後段においても効果的に洗浄できる。

出口速度の好ましい範囲は５〜５０ｍ／ｓ、より好ましくは１０〜３０ｍ／ｓである。

本発明の１つの可能な変形形態では、洗浄媒体（固体材料）は機械的に排出装置に搬送される。機械的搬送とは、適切な機械的搬送装置と直接接触することを意味し、ウォームコンベアまたはスパイラルコンベアが例として挙げられる。

洗浄媒体は、好ましくは空気圧で排出装置に搬送され得る。空気圧搬送は、キャリアガス、好ましくは空気の使用、例えばファンの使用を含む。空気圧搬送の場合、操作は、１バール未満の圧力または真空で実施され、この圧力は、大気圧に比べてせいぜいわずかに増加されただけである。これは、過度に高い衝撃またはエンジンの入口に流入する空気の流速をかなり上回る過度の高速で、洗浄媒体が排出装置から出る状況を回避することを意図している。したがって、エンジン入口における前記空気流と比較した洗浄媒体の相対速度は、可能な限り低いか、またはゼロに等しくなければならない。圧力の好ましい絶対範囲は、０．５〜２バール、より好ましくは０．７〜２バール、より好ましくは０．９〜２バールである。

固体材料が圧縮機内壁または外壁と早期に接触することなく、圧縮機内の空気流によって固体材料の所望の同伴を可能にするためには、排出装置の出口方向（本発明の文脈では、この用語は主出口方向を指す）は、この出口方向またはその仮想軸が圧縮機の壁と接触することなく、可能な限り圧縮機内に到達すべきである。この目的のために、本発明によれば、搬送ユニットの出口開口部は、エンジンの回転軸線からの半径方向に間隔を置いて配置され、半径方向の間隔は、入口開口部の半径の０．５〜１．２倍、好ましくは０．６〜１倍に相当し、入口開口部は第１の圧縮機段の上流に向けられている。したがって、出口は、エンジンまたは圧縮機の回転軸線よりも外側の圧縮機壁に対して半径方向により接近して位置する。

排出装置の主出口方向は、好ましくは、エンジン入口に水平に（エンジンの回転軸に平行に）配向されている。代替として、出口方向は、エンジンの回転軸線との角度を囲むことができ、その角度はエンジンのファンブレードの迎え角に実質的に相当する。これは、ファンを通る洗浄媒体の通過を容易にし、ファンの背後に配置されるコアエンジンへの流入を容易にする。

本発明によれば、固体材料粒子（例えばペレット）は異なるサイズを有し得る。これは、広範なサイズ分布であってもよいし、あるいは、例えば、異なるサイズまたはサイズ分布の粒子の２つ以上のバッチを一緒に混合することによって得ることができる２つ以上の異なる最大値を有するサイズ分布であってもよい。異なるサイズの固体材料粒子を有する１つまたは複数の貯蔵容器を使用でき、代替として、固体材料粒子の少なくとも一部の粉砕は、排出装置から出る前に、本発明による方法の過程で行うことができる。

本発明によれば、固体材料は、好ましくは、固体二酸化炭素および水氷からなる群から選択される。特に好ましくは、固体二酸化炭素である。二酸化炭素および／または水氷は、特に好ましくはペレットの形態で使用されてもよい。粉砕された氷（いわゆる粉砕氷）としての水氷の使用も同様に可能である。

ペレットは、ペレタイザとして公知の液体ＣＯ_２から製造することができ、十分に保存可能である。供給装置によって、予め製造されたペレットを排出装置に搬送できる。しかし、供給装置は、液体の二酸化炭素から固体二酸化炭素ペレットまたは固体二酸化炭素の雪を生成するための装置を有し、排出装置に後者を搬送することもできる。いずれの場合も、固体二酸化炭素が出てきて、エンジンに流入して浄化される。

米軍の「二酸化炭素発破作業」の文書には、ＣＯ_２ペレットの製造技術が記載されている。ペレットは、例えばペレタイザなどの中で固体ＣＯ_２（例えばフレーク）を圧縮することによって得られる。氷ペレット（水氷）の製造は、当業者によく知られており、ここでより詳細な説明を要するものではない。本発明により提供される低い出口速度でのＣＯ_２ペレットの使用によって、上記ＣＯ_２ペレットの変わりやすい性質にもかかわらず、コアエンジンの軸方向全長にわたって満足できる洗浄効果がもたらされる。

本発明による方法の一変形例では、洗浄媒体は固体二酸化炭素と水氷を５：１〜１：５、好ましくは１：２〜２：１の質量比で含むことができる。このように２つの洗浄媒体の利点が、組み合わされている。表面を洗浄するための固体研磨材として二酸化炭素および氷を含むペレットの混合物を提供することは基本的には既に知られているが（国際公開第２０１２／１２３０９８号）、固体二酸化炭素の大部分が、圧縮機の前方領域内で既に昇華し、衝突の運動エネルギーによって、および熱的効果によって最初に上記領域を洗浄するので、前記混合物が、ジェットエンジンの洗浄のために特に有利に使用され得ることが示されてきた。汚染物質は、二酸化炭素によって誘発される高温／低温ストレスのために、エンジン部品の表面から分離される。本発明による混合物に添加される氷は、固体二酸化炭素よりも高い硬度、およびより長い耐久性を有する。その結果、衝撃の運動エネルギーによる機械的洗浄効果が最初に改善され、後段まで圧縮機全体により入り込むことができ、さらにそこでもやはり洗浄効果が得られる。本発明により使用される混合物は、第１に圧縮機の全段階の大部分が完全かつ均一に洗浄され、第２にエンジン内に導入される水の量はかなり少量にすぎない。上記の導入された水の最大部分が、ドライクランキング中にエンジンを通って流れる空気流によってエンジンから外へ運搬される。

使用されるペレットの平均サイズは、好ましくは０．５〜１０ｍｍの範囲にあり、好ましくは約１．５〜６ｍｍであり得る。細長いペレットが使用される場合、その長さは、例えば、２〜６ｍｍであり得、その長手方向の範囲に対して横方向の寸法は、例えば約３ｍｍである。洗浄中に異なるペレットサイズを達成するための１つの可能な実施形態は、搬送中にペレットが粉砕されるスクランブラの使用である。追加の実施形態は、異なるペレットサイズを貯蔵容器内に直接加えることで可能になる。

固体材料は、好ましくは５００〜２５００ｋｇ／ｈ、より好ましくは１０００〜２５００ｋｇ／ｈ、より好ましくは１２００〜２０００ｋｇ／ｈ、より好ましくは１５００〜２０００ｋｇ／ｈの質量流量で導入される。

洗浄作業の持続時間（中断のない純粋なブラスト時間）は、好ましくは１〜１５分、より好ましくは２〜１０分、より好ましくは４〜７分である。

浄化作業中、例えば１０〜６００ｋｇ、好ましくは３５〜４００ｋｇ、より好ましくは４０〜２５０ｋｇの固体材料がエンジンの中に導入され得る。

洗浄作業中のドライクランキングまたはジェットエンジンの回転は、５０〜５００ｍｉｎ^−１、好ましくは１００〜３００ｍｉｎ^−１、より好ましくは１２０〜２５０ｍｉｎ^−１のファン回転速度で行われることが好ましい。１５０〜２５０ｍｉｎ^−１のファン回転速度が、特に好ましい。洗浄は、エンジンのアイドル運転中にも行うことができる。そのとき回転速度は、好ましくは５００〜１５００ｍｉｎ^−１である。

本発明の追加の主題は、本発明による方法を実施するために構成される装置である。それは以下の特徴：
ａ）ガス流を発生させる装置と、
ｂ）ガス流中に固体材料を導入する混合装置と、
ｃ）洗浄媒体用の排出装置と、を備える。

本発明によれば、装置は、排出装置から８０ｍ／ｓ以下の出口速度で洗浄媒体を排出するように構成されている。したがって、本発明によれば、これは、媒体が高い出口速度でノズルから出力される通常のブラスト装置ではない。

ガス流を発生させるための装置としては、ファン等が用いられることが好ましい。ガス流中に固体材料粒子を導入するための、当業者によく知られているあらゆる装置が、混合装置として使用され得る。

混合装置は、増加したガス流速の領域に配置することが可能であり、上記増加した速度の領域は、例えば、ベンチュリ効果によってもたらされ得る。

この目的のために、混合装置の領域における流速を増加させるノズルが混合装置の上流に配置されてもよい。

流速を低減させるディフューザが混合装置の下流に配置されてもよい。

本発明による装置は、異なる固体材料を混合装置に供給するための少なくとも１つの供給装置を有してもよい。少なくとも１つの貯蔵容器が存在し得るが、代替として、貯蔵容器からの部分流を粉砕装置内で粉砕してもよい。同様に、２つ以上の供給装置および／または貯蔵容器が存在してもよい。

固体材料粒子の部分流または全体流は、本発明による装置の中に配置された、例えばスクランブラ（例えば、ドライアイス用）として構成され得る粉砕機に供給されもてよい。スクランブラは、当業者によく知られており、例えば、国際公開第２００８／１１３４９７号に記載されている。

本発明の１つの例示的な実施形態を、図面を使用して以下の本文の中で説明する。

本発明による洗浄装置の概略図である。 本発明による装置内の圧力勾配を示す図である。

本発明による装置は、例えば補助流圧縮機として構成することができるファン１を有する。

空気はチューブ２を通ってノズル３に流れ、空気流をＴ字形部品４に逃がし、プロセス中の流速を増加させる。概略的に示された貯蔵容器６からドライアイスペレットを供給する供給チューブ５は、Ｔ字形部品４内に開口している。Ｔ字形部品４内の減圧によって、ペレットはガス流中に吸入され、混合される。したがって、Ｔ字形部品は混合装置として機能する。

ディフューザ７は、Ｔ字形部品４の下流に配置され、ディフューザ７は、ガス流とそれに同伴するペレットの速度を再び低下させる。

ペレットを伴うガス流は、チューブ８を通ってスクランブラ９（場合により存在する）に供給され、そこでは、異なるペレットサイズを達成するために部分的な粉砕が行われる。代替として、スクランブラを貯蔵容器とＴ字形部品との間に配置することもできる。ガス流およびペレットを含む洗浄媒体は、チューブ１０を通って、エンジン入口の前方に配置された排出装置１１に供給される。上記洗浄媒体は、上記排出装置１１からエンジンの回転軸線に実質的に平行に出て、そこで所望の洗浄作用を発達させるために、エンジンへのガス流に同伴する。排出装置１１は、例えば、円形または多角形断面の出口開口部を有し得る。

本発明による装置は、エンジンの入口の前方に固定的に配置され得る。同様に、エンジン入口の領域で異なる固体材料粒子またはサイズの異なる固体材料粒子を混合するために、エンジンの前方に複数の洗浄装置が配置され得る。

代替として、出口開口部をエンジンの前方に、例えばホース連結部によって共に回転する方式で配置することもできる。

示されている実施例では、ファン１は混合装置４の上流に配置されているが、しかし代替として、その下流に、例えばディフューザ７の下流に配置することもできる。

図２は、本発明による装置における圧力勾配（ｋＰａで測定される）を示す。圧力目盛りのゼロ点は、周囲圧力（大気圧）に相当する。

実施例として示されている実施形態では、最初に、ファン１は、ペレットの取り込みを容易にするために、ノズル３およびＴ字形部品４内に可能な限り微かな負圧まで低下する正圧を生成する。次いで、ディフューザ７内で再び圧力の上昇が発生し、ペレットの流速は、本発明による値に対応して、８０ｍ／ｓ以下に低下する。次いで圧力は、排出装置１１の出口開口部の領域内の大気圧まで低下する。

１ ファン（装置）
２ チューブ
３ ノズル
４ Ｔ字形部品（混合装置）
５ 供給チューブ
６ 貯蔵容器
７ ディフューザ
８ チューブ
９ スクランブラ（装置）
１０ チューブ
１１ 排出装置
５０ ジェットエンジン

Claims (21)

1. 少なくとも１つの排出装置（１１）を介してエンジンに導入される固体材料を含む洗浄媒体でジェットエンジンを洗浄する方法であって、前記洗浄媒体が、出口速度８０ｍ／ｓ以下で前記排出装置（１１）から排出され、
   前記出口速度が５〜５０ｍ／ｓであり、
   前記固体材料が、粉砕された形態の水氷を含むことを特徴とする、方法。
2. 前記洗浄媒体が、機械的に、および／または、０．５バール〜２バールの圧力のキャリアガスによって搬送されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記洗浄媒体が、前記排出装置（１１）に機械的に搬送され、前記搬送の装置が、ウォームコンベアまたはスパイラルコンベアを含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記洗浄媒体が、前記排出装置（１１）に空気圧で搬送されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
5. 前記少なくとも１つの排出装置（１１）の出口が、前記エンジンの回転軸線から半径方向に間隔をあけて配置され、前記半径方向の間隔が、第１段の圧縮機段の上流に向けられた入口開口部の半径の０．５〜１．２倍に相当することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記排出装置（１１）の主出口方向が、前記エンジンのファンブレードの迎え角に実質的に相当する、前記エンジンの回転軸線との角度を取り囲むことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記固体材料の粒子が異なるサイズであることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記固体材料が、固体二酸化炭素および水氷からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記固体二酸化炭素および／または水氷が存在し、ペレットの形態で使用されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記洗浄媒体が、固体二酸化炭素と水氷とを、５：１〜１：５の質量比で含むことを特徴とする、請求項８または９に記載の方法。
11. 固体二酸化炭素および／または水氷が、０．５〜１０ｍｍのペレットサイズを含むことを特徴とする、請求項８から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記固体材料が、５００〜２５００ｋｇ／ｈの質量流量で導入されることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記ジェットエンジン（５０）の前記洗浄が、１〜１５分間にわたって実施されることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. １０〜６００ｋｇの固体材料が、洗浄作業中に前記エンジンの中に導入されることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記ジェットエンジンが、５０〜５００ｍｉｎ^−１のファン回転速度で回転され得ることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. ａ）ガス流を生成するための装置（１）と、
    ｂ）前記ガス流に固体材料を導入するための混合装置（４）と、
    ｃ）前記洗浄媒体用の排出装置（１１）と
    をいう特徴を含む装置であって、
    前記排出装置から洗浄媒体を排出する前記装置が、８０ｍ／ｓ以下の出口速度で構成され、
    前記出口速度が５〜５０ｍ／ｓであり、
    前記固体材料が、粉砕された形態の水氷を含むことを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載の前記方法を実施するための装置。
17. 前記混合装置（４）が、増加したガス流速の領域内に配置され得ることを特徴とする、請求項１６に記載の装置。
18. 前記混合装置（４）の上流に、ノズル（３）が配置され得ることを特徴とする、請求項１７に記載の装置。
19. 前記混合装置（４）の下流に、ディフューザ（７）が配置され得ることを特徴とする、請求項１７または１８に記載の装置。
20. 異なる固体材料を前記混合装置に供給するための少なくとも１つの供給装置を含むことを特徴とする、請求項１６から１９のいずれか一項に記載の装置。
21. 固体材料の粒子を粉砕するための装置（９）を含むことを特徴とする、請求項１６から２０のいずれか一項に記載の装置。

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