[发明专利]用于清洁涡轮风扇燃气涡轮发动机的方法和设备

说明书

本申请是2005年5月19日提交的、名称为“用于清洁涡轮风扇 燃气涡轮发动机的方法和设备”、申请号为200480001287.4的中国 专利申请的分案申请。

技术领域

本发明总体上涉及清洁燃气涡轮发动机的领域，并且更具体地， 涉及用于清洁安装在飞行器内的涡轮风扇燃气涡轮发动机的方法和 设备。

背景技术

被安装作为飞行器发动机的燃气涡轮包括压缩周围的空气的压 缩机、将燃料与压缩空气一起燃烧的燃烧室及为压缩机提供动力的涡 轮。膨胀的燃烧气体驱动涡轮并且也导致用于推动飞行器的推力。

燃气涡轮发动机消耗大量的空气。空气包含以浮质为形式的外来 的颗粒，该颗粒随气流进入燃气涡轮。大多数外来的颗粒沿着气路行 进并且随排出的气体离开发动机。然而，有的颗粒具有粘在在压缩机 的气路内的部件上的性质。象用于产生动力的燃气涡轮那样的固定的 燃气涡轮可以配备用于过滤到压缩机的空气的过滤器。然而，安装在 飞行器内的燃气涡轮不能配备过滤器，因为它可能使压力显著下降， 因此将燃气涡轮更多地暴露给空气沾染物。典型地，在飞机场环境中 发现的沾染物为花粉、昆虫、发动机排出物、泄漏的发动机油、来自 工业活动的碳氢化合物、来自附近海洋的盐、来自飞行器除冰的化学 物质及象灰尘那样的机场地面物质。

优选地，象压缩机叶片及桨片那样的发动机部件应该是抛光的并 且是有光泽的。然而，在运转一段时间后，外来的颗粒的覆盖层逐步 增加。作为压缩机污垢，这也是已知的。压缩机污垢导致部件的边界 层气流的性质发生变化。沉积物导致部件表面粗糙度的增加。当空气 在部件表面之上流动的时候，表面粗糙度的增加导致边界层气流变 厚。边界层气流的变厚对于压缩机空气动力学具有负面影响。在叶片 尾缘，气流形成了尾流。尾流是一种涡流类型的湍流，对气流具有负 面作用。边界层越厚，在尾流中的湍流越强烈。与较厚的边界层在一 起的尾流湍流具有减小通过发动机的质量流的结果。减小的质量流是 压缩机污垢的最意义深远的影响。另外，较厚的边界层及形成在叶片 尾缘的较强的尾流湍流导致减小的压缩压力增益，该减小的压缩压力 增益接下来导致发动机以减小的压力比例运转。在热发动机工作循环 领域中的任何技术人员明白，减小的压力比例导致发动机的热力学效 率降低。压力增益的减小是来自压缩机污垢的第二最显著的影响。压 缩机污垢不但减小质量流及压力增益，而且减小压缩机等熵效率。减 小的压缩机效率意味着压缩机需要更多的动力用于压缩相同量的空 气。减小的质量流、压力比例及等熵效率使发动机推力能力减小。通 过轴从涡轮得到用于驱动压缩机的动力。由于涡轮需要更多的动力以 驱动压缩机，用于推进的推力是更少的。对于飞行器飞行员，这意味 着他必须调节更多的动力以补偿失去的推力。调节更多的动力意味着 增加燃料消耗并因此增加运转费用。

压缩机污垢对环境也具有负面影响。由于增加燃料消耗，随之而 来的是象二氧化碳那样的温室气体的释放的增加。典型地，燃烧1kg 航空燃料导致3.1kg二氧化碳的形成。

由于压缩机污垢引起的性能损失也使发动机的耐用性减小。当不 得不燃烧更多的燃料用于获得所需的推力的时候，随之而来的是在发 动机燃烧室腔中的温度的增加。当飞行员调节在跑道上的起飞的时 候，在燃烧腔中的温度是非常高的。温度不是很远离材料能够承受的 限度。控制这个温度是在发动机性能监测中的关键事项。用在热气路 部分中的传感器测量温度，该热气路部分在燃烧室输出的下游。这作 为排出的气体温度(EGT)是已知的，并且被仔细地监测。将暴露时 间及温度记入日志。在发动机寿命期间，经常检查EGT日志。在EGT 记录的某个点，为了检修，不得不停止使用发动机，这是必须的。

高燃烧室温度对环境具有负面影响。由于燃烧室温度的增加，随 之而来的是NOx形成的增加。NOx形成在很大程度上有赖于燃烧器的 设计。然而，对于给定的燃烧器，任何增长的温度导致NOx增长的增 加。

因此，压缩机污垢对象增加的燃料消耗、减小的发动机寿命、增 加的二氧化碳和NOx的排放那样的航空发动机性能具有显著的负面 影响。