发动机清洗系统及方法 技术领域 本文所述的技术主要涉及燃气涡轮发动机， 并且更具体地涉及用于清洗燃气涡轮 发动机的系统和方法， 以及用于确定燃气涡轮发动机的清洗间隔的方法。
背景技术 至少一种公知的燃气涡轮发动机组件包括安装在核心燃气涡轮发动机上游的风 扇组件。 在操作期间， 从风扇组件排出的一部分空气流向下游引导至核心燃气涡轮发动机， 在其中， 空气流进一步受到压缩。压缩的空气流然后引导到燃烧器中， 与燃料相混合， 且经 点燃而产生热燃烧气体。燃烧气体然后引导至涡轮， 该涡轮从燃烧气体中获取能量以向压 缩机提供动力， 以及产生有用功来推进飞行中的飞行器。从风扇组件排出的另一部分空气 流经由风扇流喷嘴离开发动机。
在操作中， 特别是在飞行器靠近地面如起飞和着陆操作期间时， 燃气涡轮发动机 可摄入各种形式的外来物质， 如灰尘、 污垢、 昆虫等。即使这些物质其尺寸足够小或十分易
碎而在不造成破坏的情况下进入和穿过发动机， 但这些物质可在发动机内的内表面上留下 残余物。 穿过发动机的燃烧副产物和各种构件的氧化也可在发动机内表面上产生或留下残 余物。随着时间的推移， 这些残余物可累积， 且对发动机性能产生副作用。
已经研发出了各种系统和方法， 以利用清洗溶液″清洗″或清洁这些燃气涡轮发 动机的内表面， 从而除去残余物以恢复性能。然而， 这些系统很多都使用麻烦， 包括使许多 构件和 / 或大型挠性结构围住清洗的发动机。许多系统还不能在使用之后充分地捕获残余 物和清洗溶液， 导致溶液再使用的损失以及残余物和清洗溶液对外部环境表面的污染。
因此， 仍然需要一种用于清洗燃气涡轮发动机的改进系统和方法， 其改善对残余 物和清洗溶液的捕获。
此外， 许多燃气涡轮发动机操作人员依靠基于操作状态或操作持续时间的公布建 议来确定何时需要清洗发动机。其它的一些则基于一定的操作节奏或频率来执行清洗操 作。还有的一些则依靠发动机性能水平的一定变化。然而， 确定何时需要清洗的这些方法 可导致相对于最佳性能而言清洗操作过多地执行或执行不足。
因此， 仍然需要一种改进的方法来确定对于最佳性能而言何时需要发动机清洗。 发明内容 一方面， 描述了一种用于清洗燃气涡轮发动机的系统， 该燃气涡轮发动机具有入 口和排出装置 (exhaust)， 该排出装置具有内表面和外表面。该系统包括 ： 用于捕获自发动 机中形成的气态材料、 液体材料和固体材料的容纳结构 ； 用于分离气态材料、 液体材料和固 体材料的过滤系统 ； 以及用于将容纳结构固定到所述排出装置上的保持环 ； 其中， 保持环 的尺寸和形状中的至少一个是可调整的， 以便密封地接合排出装置的内表面。
另一方面， 描述了一种清洗燃气涡轮发动机的方法， 该方法包括以下步骤 ： 提供燃 气涡轮发动机， 该发动机具有入口和排出装置， 该排出装置具有内表面和外表面 ； 提供用于
清洗燃气涡轮发动机的系统， 该系统包括容纳结构 ； 通过保持环将容纳结构可释放地固定 到该内表面上 ； 将清洗液体引入入口中 ； 以及将清洗液体收集在容纳结构中。
另一方面， 描述了一种确定何时清洗燃气涡轮发动机的方法， 该方法包括以下步 骤： 测量燃气涡轮发动机的发动机性能数据， 该燃气涡轮发动机为区域操作机群 (fleet) 和发动机群族操作机群的一部分 ； 计算区域操作机群的平均性能数据 ； 计算发动机群族操 作机群的平均性能数据 ； 将燃气涡轮发动机的发动机性能数据与区域操作机群的平均数据 相比较 ； 以及在比较步骤显示燃气涡轮发动机性能下降时指示需要清洗燃气涡轮发动机。
另一方面， 描述了一种确定用以清洗燃气涡轮发动机的最佳清洗间隔的方法， 该 方法包括以下步骤 ： 测量燃气涡轮发动机的发动机性能数据， 该燃气涡轮发动机为区域操 作机群和发动机群族操作机群的一部分 ； 在燃气涡轮发动机整个寿命周期通过测得的数据 和发动机制造商的开发和测试来计算燃气涡轮发动机的关键发动机性能特性 ； 计算源于发 动机制造商算法和对未清洗和清洗的发动机的模拟的关键性能特性的平均机群变化率 ； 基 于关键的发动机制造商开发出的燃气涡轮发动机性能特性计算平均清洗益处保持时间且 基于机群数据和操作考虑因素计算其变化率 ； 采集特定区域操作机群的平均区块 (block) 燃料燃烧数据 ； 计算由发动机清洗影响的其它拥有成本量度， 包括对维护成本和大修 ( 或 检修 ) 间隔的影响 ； 采集特定区域操作机群的燃料成本和发动机清洗成本数据 ； 以及基于 为独立的特殊航线定制的特定区域操作机群的经济成本利益分析来计算最佳清洗间隔。 附图说明
图 1 为示例性燃气涡轮发动机和发动机清洗系统的侧面正视图 ； 图 2 为图 1 中所示的燃气轮发动机和发动机清洗系统的平面顶视图 ； 图 3 为沿线 3-3 截取的图 1 中所示发动机清洗系统的截面正视图， 示出了主集雾 图 4 为适于在图 1 至图 3 中所示的发动机清洗系统中使用的集雾器的分解视图。器； 以及
具体实施方式
图 1 为具有纵轴线的示例性燃气涡轮发动机组件 10 的正视图。燃气涡轮发动机 组件 10 包括风扇组件和核心燃气涡轮发动机。核心燃气涡轮发动机包括高压压缩机、 燃烧 器以及高压涡轮。在示例性实施例中， 燃气涡轮发动机组件 10 还包括低压涡轮、 多级增压 压缩机， 以及大体上外接增压器的分离器。
风扇组件包括从转子盘沿径向外向延伸的风扇叶片阵列。 燃气涡轮发动机组件 10 具有入口侧和排出装置侧。 风扇组件、 增压器和涡轮通过第一转子轴联接在一起， 而压缩机 和涡轮通过第二转子轴联接在一起。
在操作中， 空气流过风扇组件， 且空气流的第一部分经引导穿过增压器。 从增压器 排出的压缩空气经引导穿过压缩机， 在其中， 空气流进一步受到压缩且输送至燃烧器。 来自 于燃烧器的热燃烧产物用于驱动涡轮， 且一个涡轮用于通过轴的方式来驱动风扇组件和增 压器。空气流的第一部分连同燃烧产物一起经由喷嘴 15 排放至大气。燃气涡轮发动机组 件 10 在设计操作条件和非设计操作条件之间的操作条件范围内是可操作的。
从风扇组件排出的空气流的第二部分经引导穿过旁通导管， 以使得来自于风扇组件的部分空气流围绕核心燃气涡轮发动机绕过。更具体而言， 旁通导管延伸在风扇壳体或 护罩与分离器之间。 因此， 如上文所述， 来自于风扇组件的空气流的第一部分经引导穿过增 压器， 且然后进入压缩机中， 而来自于风扇组件的空气流的第二部分经引导穿过旁通导管 以向例如飞行器提供推力。燃气涡轮发动机组件 10 还包括风扇构架组件以向风扇组件提 供结构支承以及还用于将风扇组件联接到核心燃气涡轮发动机上。
图 1 中还示出了发动机清洗系统 20。 示为示例性水清洗拖车 (WWT) 单元形式的发 动机清洗系统 20 包括拖车 30 或其它适合的运输装置、 挠性套管 (boot)40、 环形夹具 45、 捕 获装置 50 如滴盘、 收集系统 60、 可选的存储箱 70， 以及可为市售系统的清洗液体喷射系统 ( 未示出 )。
发动机清洗系统 20 设计成用以在发动机清洗操作执行期间收集废水和来自排气 喷嘴 15 的发动机排气颗粒， 同时燃气涡轮发动机组件 10 保持安装在飞行器上。自燃气涡 轮发动机中形成 ( 或出现自燃气涡轮发动机 ) 的通常为气态材料、 液体材料和固体材料的 组合， 如空气、 水或清洁溶液以及颗粒材料。
挠性套管 40 通过为环形夹具 45 形式的保持环而安装在排气喷嘴 15 内， 该环形夹 具 45 为特别设计成为此目的且其尺寸和构造形成为用以接合排气喷嘴 15 的内表面。环形 夹具 45 因此使挠性套管能够固定到排气喷嘴上而不需要在燃气涡轮发动机组件 10 上有任 何附加硬件或任何特别设计的特征。为了将套管 40 固定到喷嘴 15 上， 环形夹具 45 其尺寸 减小到比排气喷嘴 15 更小的直径， 且插入喷嘴 15 中充分的距离， 举例来说， 例如距离排气 喷嘴 15 的出口有大约 3 英寸。环形夹具 45 然后通过任何适合的机构扩张， 如图 1 的实施 例中所示的手动曲柄螺丝， 从而确保挠性套管 40 与喷嘴 15 内表面之间围绕它们的圆周的 接触。这种接合确保了主动密封接合， 以便有助于确保对离开喷嘴 15 的排出空气有较高的 捕获率。环形夹具或保持环除尺寸外或代替尺寸而在形状上是可变的， 以便容许插入排气 喷嘴中且然后与喷嘴内表面接合。
收集系统 60 包括有助于捕获和收集从燃气涡轮发动机组件 10 除去的清洗流体和 材料的特征。如图 1 至图 3 中所示， 收集系统 60 包括用作扩展 ( 或膨胀 ) 腔室以使离开喷 嘴 15 的空气和液滴减速的水收集过渡仓室 62， 以及相应的主集雾器 64 和副集雾器 66。主 集雾器 64 设计成用以从排出空气中截取水或流体雾， 而副集雾器 66 设计成用以捕获穿过 主集雾器 64 的任何雾或微滴。图 3 更为详细地示出了用作集雾器 64 和 / 或 66 的一种适 合的结构， 但很多种其它结构也可证明为适合的。集雾器可为单层结构， 或为如图 3 中所示 的多层结构。
发动机清洗系统 20 的物理细节， 包括各种元件的尺寸和形状， 可适于结合燃气涡 轮发动机组件 10 的一种或多种特定构造使用。此外， 清洗流体可选择为用于特定的清洁特 性和大气环境， 如温度。在一些情形下， 可使用来自于城市供水或其它来源的普通水， 而在 其它情形中， 可使用水和清洁剂如去污剂的混合物。水和酒精的混合物可用于低温条件下 的发动机清洗操作。如果期望的话， 清洗流体还可加热。
发动机清洗系统 20 可为完全的自收容单元， 其分配和收集清洁流体， 或可为收集 单元， 其依靠单独且独立配备和 / 或操作的清洁流体分配系统， 如当前市售的那些。收集型 单元通常包括用于从收集系统除去所收集的液体的抽吸泵、 用于从水中除去颗粒材料和 / 或清洁溶液的过滤器， 以及容量充足的储存容器， 举例来说， 例如 60 加仑， 用以保持在典型发动机清洗程序中所用的用水量。完全的自收容单元将包括供送和分配设备， 包括加热器 或其它预处理设备， 以及上述收集特征。
可包括的其它可选特征为去污剂过滤系统、 冷水储存容器、 具有加热器的热水容 器、 去污剂容器、 用于喷射目的的高压泵、 用于在水容器或去污剂容器之间选择的手动选择 阀、 压力安全阀， 以及溶液喷射管 ( 通常为 Shephard′ s cane( 谢珀德甘蔗 ) 形式 )。
由诸如不锈钢的适合材料构成的过渡仓室 62 从排气喷嘴 15 捕获水雾， 且收集使 用过的清洗水或流体。该仓室设计成使得从喷嘴 15 排出的空气将扩展到仓室中且使空气 速度降低， 从而提高捕获水雾和颗粒的可能性。该仓室和 / 或收集系统可包括用于转动和 / 或减慢空气流而有助于液体分离的导叶。废水向下排入滴盘 50 中， 其中的一个或多个滴 盘用于捕获和收集可从燃气涡轮发动机组件 10 或发动机清洗系统 20 的各种元件中漏出的 任何少量的清洗水或流体。
诸如自吸泵的泵可用于将使用过的清洗水或流体传送到储存容器中， 可选的是经 由水过滤系统。适合的过滤器可提供成用以将使用过的清洗水或流体过滤至所期望的标 准， 包括除去诸如 1 微米的指定尺寸的颗粒材料。尺寸适合的一个或多个水容器可提供成 用以储存经过滤的水以便进一步使用或随后排除。 拖车 30 提供了方便的机构来用于支承、 储存和组织发动机清洗系统 20 的各种元 件。可选的是， 抬升机构 ( 未示出 ) 可提供为发动机清洗系统 20 和 / 或拖车 30 的一部分。 此种抬升机构可用于将发动机清洗系统 20 的元件定位在所期望的高度， 以便结合各种飞 行器和燃气轮机组件构造来使用。此种抬升机构可为发动机清洗系统 20 的组成部分， 或可 为单独的车辆或机构， 且可包括液压泵、 电动马达以及相关的歧管、 阀、 管路和单向阀， 或可 为机械操作和支承的。适合的抬升机构设计和构造成用以支承发动机清洗系统 20 的元件， 且可包括安全特征， 如锁定件、 拉杆等， 用以确保安全操作。 抬升机构或其它机械、 气动或液 压机构可提供为用于调整仓室、 套管或系统的其它元件的对准， 且可通过手动曲柄或其它 方式来人工地操作， 或可由电动马达或其它装置来提供动力。
可包括在发动机清洗系统 20 中或结合发动机清洗系统 20 使用的其它元件包括用 以向系统提供电力的发电机、 用以从排气喷嘴真空抽取和收集任何残余水的真空清洁器或 其它此种吸力产生装置， 以及用以在操作地点处连接到适合的电性接地装置上的接地线。
在操作的准备中， 应当对应于各种类型的在其上执行发动机清洗程序的飞行器来 考虑飞行器操作手册和 / 或飞行器维护手册中的水清洗程序。一个重要考虑因素为燃气涡 轮发动机应当以″干电动回转″模式操作， 其中， 燃气涡轮发动机的核心构件在没有任何 燃料供给至燃料系统 ( 燃料喷嘴等 ) 的情况下由发动机起动器旋转。这不同于″湿电动回 转″ ( 其与″干电动回转″相同， 但有燃料供给至燃料系统 ) 和″地面空转″， 在地面空转 中， 燃气轮机已经起动且在其自身功率下操作， 通常是以最慢的空转速度来维持在地面上 的操作。
在操作发动机清洗系统之前， 建议以下步骤 ： 检查装运中的损坏、 除去和储存罩 盖、 再次检查损坏或异常事件、 打开通向储存封壳的门以确保发电机的汽油箱已填充、 检验 液压系统的泄漏， 以及确保气缸处于适合的位置且开关关闭。 同时， 让飞行器操作人员在地 面空转下运行燃气涡轮发动机大约 5 分钟， 或由飞行器维护手册所推荐的其它方式 ； 停止 发动机 ； 以及将发动机清洗系统拖车定位在发动机中心线的后方， 且人工地接近发动机， 直
到仓室入口远离喷嘴出口大约 3 英尺。确保发动机和仓室的中心线对准， 缓慢地将拖车移 动得更近， 直到仓室入口远离排气喷嘴出口平面大约 20 英寸。挠性套管然后可通过保持环 和所执行的清洗序列的其余部分固定到发动机排气喷嘴上。
为了最大限度地增加燃气涡轮发动机的水清洗方案的益处， 当清洗将提供所期望 的性能益处时， 应当在一定时间且以一定的时间间隔执行该清洗过程， 同时平衡清洗过程 自身的成本和时间。
为了确定何时为适合的时间和适合的时间间隔以便在给定的燃气涡轮发动机上 执行发动机清洗操作， 可使用以下方法， 其包括如下步骤 ： 测量燃气涡轮发动机的发动机性 能数据， 该燃气涡轮发动机为区域操作机群和发动机群族操作机群的一部分 ； 计算用于区 域操作机群的平均性能数据 ； 计算用于发动机群族操作机群的平均性能数据 ； 将所述燃气 涡轮发动机的发动机性能数据与区域操作机群的平均数据相比较 ； 以及在比较步骤显示燃 气涡轮发动机性能下降时指示需要清洗燃气涡轮发动机。
确定何时清洗的该总体方法可通过更详细的方法进一步细化， 如下文所述的方 法。
用于确定在给定燃气涡轮发动机上执行发动机清洗操作的适当的时间和适当的 时间间隔的这种更为详细的方法包括以下步骤 ： 测量燃气涡轮发动机的发动机性能数据， 该燃气涡轮发动机为区域操作机群和发动机群族操作机群的一部分 ； 在整个发动机寿命周 期通过测得的数据和发动机制造商的开发和测试来计算关键发动机性能特性 ； 计算源于发 动机制造商算法和对未清洗和清洗的发动机的模拟的关键性能特性的平均机群变化率 ； 基 于关键的发动机制造商开发出的性能特性计算平均清洗益处保持时间且基于机群数据和 操作考虑因素计算其变化率 ； 采集特定区域操作机群的平均区块燃料燃烧数据 ； 计算由发 动机清洗影响的其它拥有成本量度， 包括对维护成本和大修间隔的影响 ； 采集特定区域操 作机群的燃料成本和发动机清洗成本数据 ； 以及基于为独立的特殊航线定制的特定区域操 作机群的经济成本利益分析来计算最佳清洗间隔。
这些方法可通过附加的考虑因素， 如飞行器类型、 发动机型号和诸如飞行持续时 间和距离的飞行特性来根据需要而细化。 例如， 这些计算可仅使用关于单个飞行器类型、 单 个发动机型号， 或具有相同飞行持续时间和 / 或距离的机群或子机群的数据来产生。
发动机清洗系统的容纳结构和其它元件可使用如本领域所公知的任何适合的制 造方法来由任何适合的材料制成， 且适于预期的构造和操作环境。 同样， 任何适合的液体都 可用作清洗流体， 包括水、 去污剂和 / 或各种溶剂。该系统各种元件的尺寸、 形状和布置可 改为适应任何特定的应用， 或任何特定的考虑因素， 如储存空间、 可运输性等。
尽管已根据各种具体实施例描述了本发明， 但本领域的普通技术人员将认识到， 本发明可利用在权利要求的精神和范围内进行的变型而予以实施。