(57)【要約】      （修正有）【課題】ロータブレードの監視と診断に関連する改善された方法およびシステムを提供する。【解決手段】方法は、ＲＦリーダ１６６を静止面１８２に取り付け、ＲＦタグ１６０をロータブレード１８１に取り付け、ＲＦ監視プロセスを介して信号強度データポイントを収集し、複数の信号強度データポイントが収集されるまでＲＦ監視プロセスを繰り返し、複数の信号強度データポイントから最大信号強度を決定し、ロータブレードの到着時間を最大信号強度に対応する時間として決定する。ＲＦ監視プロセスは、ＲＦリーダ１６６からＲＦ信号１９０を発信し、ＲＦタグでＲＦ信号を受信し、それに応答してＲＦタグによりリターンＲＦ信号１９１を発信し、ＲＦリーダでリターンＲＦ信号を受信し、リターンＲＦ信号の信号強度を測定し、信号強度データポイントが測定された信号強度と等しいと判断する。【選択図】図５
2020097929.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジン（１００）内のロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）の到着時間を決定するための方法であって、前記タービンエンジン（１００）は、前記ロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）を含むロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）の列を備え、前記ロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）は、回転経路に沿って前記タービンエンジン（１００）の動作中に中心軸の周りを回転し、前記方法は、
無線周波数（「ＲＦ」）リーダ（１６６）を前記タービンエンジン（１００）の静止面（１２２，１２３，１２８，１２９，１８２，１８４）に取り付けるステップであって、前記静止面（１２２，１２３，１２８，１２９，１８２，１８４）は、前記ロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）の列に動作的に近接して配置されたステータブレード（１２２，１２８，１８２）またはケーシング（１２３，１２９，１８４）である、ステップと、
無線周波数識別タグ（「ＲＦタグ」）（１６０）を翼形部（１５２）または前記ロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）の外側先端（１５９）に取り付けるステップと、
前記タービンエンジン（１００）の動作中、ＲＦ監視プロセスを介して信号強度データポイントを収集するステップであって、前記ＲＦ監視プロセスは、
前記ＲＦリーダ（１６６）からＲＦ信号（１９０）を発信するステップと、
前記ＲＦタグ（１６０）で前記ＲＦ信号（１９０）を受信し、それに応答して前記ＲＦタグ（１６０）によりリターンＲＦ信号（１９１）を発信するステップと、
前記ＲＦリーダ（１６６）で前記リターンＲＦ信号（１９１）を受信するステップと、
前記ＲＦリーダ（１６６）によって受信された前記リターンＲＦ信号（１９１）の信号強度を測定するステップと、
前記信号強度データポイントが前記測定された信号強度と等しいと判断するステップと、
を含む、ステップと、
複数の信号強度データポイントが収集されるまで、前記ＲＦ監視プロセスを繰り返すステップと、
前記複数の信号強度データポイントから最大信号強度を決定するステップと、
前記ロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）の前記到着時間を前記最大信号強度に対応する時間として決定するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記ＲＦ信号（１９０）が、第１の周波数を含み、
前記ＲＦタグ（１６０）は、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で前記リターンＲＦ信号（１９１）を生成するように構成されたパッシブＲＦタグである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＲＦリーダ（１６６）が、連続的にまたは非常に短い間隔で前記ＲＦ信号（１９０）を発信し、
前記ＲＦリーダ（１６６）は、前記ＲＦタグ（１６０）からの前記リターンＲＦ信号（１９１）を連続的にリスニングする受信機アンテナを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記リターンＲＦ信号（１９１）が前記ＲＦタグ（１６０）を前記リターンＲＦ信号（１９１）のソースであると識別する所定の周波数を含むように、前記ＲＦタグ（１６０）は、前記ＲＦ信号（１９０）の周波数を変更するように構成される、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記複数の信号強度データポイントが少なくとも、
前記ロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）が前記ＲＦリーダ（１６６）に近づく際の複数の前記信号強度データポイントと、
前記ロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）が前記ＲＦリーダ（１６６）から離れる際の複数の前記信号強度データポイントと、
前記回転経路に沿った前記ロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）の単一回転の一部の間に連続して取得された一連の前記信号強度データポイントと、
を含むように、前記監視プロセスが繰り返される、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記複数の信号強度データポイントから前記最大信号強度を決定する前記ステップが、
時間領域で前記複数の信号強度データポイントをプロットすることにより、最初のプロット（１９６）を作成するステップと、
前記最初のプロット（１９６）から前記最大信号強度を数学的に推定するステップと、
前記複数の信号強度データポイントの中から最高値を有する前記信号強度データポイントを選択するステップと
含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
信号強度データセットを収集するために前記方法を繰り返すステップであって、前記信号強度データセットは、それぞれ前記回転経路についての前記ロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）の異なる回転に対して計算された複数の前記到着時間を含む、ステップと、
前記ロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）の振動応答を計算するために、前記信号強度データセットを使用するステップと
をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
タービンエンジン（１００）内のロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）の到着時間を決定するためのシステム（１８０）であって、前記システム（１８０）は、
前記ロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）を含むロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）の列を有する前記タービンエンジン（１００）であって、前記ロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）は、回転経路に沿って前記タービンエンジン（１００）の動作中に中心軸の周りを回転する、タービンエンジン（１００）と、
前記タービンエンジン（１００）の静止面（１２２，１２３，１２８，１２９，１８２，１８４）に取り付けられた無線周波数（「ＲＦ」）リーダ（１６６）であって、前記静止面（１２２，１２３，１２８，１２９，１８２，１８４）は、前記ロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）の列に動作的に近接して配置されたステータブレード（１２２，１２８，１８２）またはケーシング（１２３，１２９，１８４）である、ＲＦリーダ（１６６）と、
翼形部（１５２）または前記ロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）の外側先端（１５９）に取り付けられた無線周波数識別タグ（「ＲＦタグ」）（１６０）と、
を備え、
前記ＲＦリーダ（１６６）および前記ＲＦタグ（１６０）は、前記タービンエンジン（１００）の動作中、ＲＦ監視プロセスを介して信号強度データポイントを収集するように構成され、前記ＲＦ監視プロセスは、
前記ＲＦリーダ（１６６）からＲＦ信号（１９０）を発信するステップと、
前記ＲＦタグ（１６０）で前記ＲＦ信号（１９０）を受信し、それに応答して前記ＲＦタグ（１６０）によりリターンＲＦ信号（１９１）を発信するステップと、
前記ＲＦリーダ（１６６）で前記リターンＲＦ信号（１９１）を受信するステップと、
前記ＲＦリーダ（１６６）によって受信された前記リターンＲＦ信号（１９１）の信号強度を測定するステップと、
前記信号強度データポイントが前記測定された信号強度と等しいと判断するステップと、
を含む、システム（１８０）。
【請求項９】
前記ＲＦリーダ（１６６）および前記ＲＦタグ（１６０）が、
複数の信号強度データポイントが収集されるまで、前記ＲＦ監視プロセスを繰り返し、
前記複数の信号強度データポイントから最大信号強度を決定し、
前記ロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）の前記到着時間を、前記最大信号強度に対応する時間として決定する
ように構成される、請求項８に記載のシステム（１８０）。
【請求項１０】
前記ＲＦ監視プロセスが、到着時間データセットを収集するために繰り返され、前記到着時間データセットは、それぞれ前記回転経路についての前記ロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）の異なる回転に対して計算された複数の前記到着時間を含み、
前記ＲＦ監視プロセスは、前記到着時間データセットを使用して前記ロータブレード（１２０，１２６，１５０，１８１）の振動応答を計算するステップをさらに含む、請求項９に記載のシステム（１８０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、一般に、本明細書で使用する場合、ガスタービン、蒸気タービンエンジンなどを含むあらゆるタイプのタービンまたは回転エンジンを含むことを意味する、タービンエンジンの効率および動作を改善するための方法およびシステムに関する。より具体的には、限定ではないが、本出願は、ブレードタイミングを介したロータブレードの振動応答を含む、ロータブレードを監視するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンエンジンは、ブレードを中心軸の周りで回転させる高速作動流体と相互作用するロータブレードの列を含む。このようなブレードは、エンジン内の過酷な条件にさらされ、エンジン動作中の極端な機械的および熱的負荷に耐えなければならない。このため、ロータブレードの設計は厳しい課題である。新しいロータブレードの設計は、厳密な事前試験を通じて効果的に検証する必要がある。さらに、使用中は、ロータブレードの健全性を注意深く監視する必要がある。動作中のロータブレードの故障は、タービンエンジンに壊滅的な損傷を引き起こす可能性がある。このようなブレードの故障は、ブレードの劣化または欠陥を正確に検出する厳密な事前試験および／または健全性監視によって予測でき、回避できる。例えば、動作条件に対するロータブレードの振動応答の異常は、ブレードの高ひずみレベルまたは亀裂形成の指標になり得る。
【０００３】
動作中にロータブレードの振動応答を測定するための一般的なアプローチの１つは、ブレード先端タイミング、すなわち本明細書で使用する「ブレードタイミング」として知られている。ただし、一般に、そのような試験の可用性は、それに伴う高いコストのために、ある程度制限されている。さらに、ブレードタイミングを測定する既知の方法に関連する制限を考慮すると、データはしばしば信頼できない場合がある。もちろん、１つの選択肢は、タービンエンジンをシャットダウンして、ロータブレードの欠陥を視覚的に検査することである。ただし、このタイプの検査には、動作中に発生するストレスに関する情報を提供せず、信頼性が低く、労働要件とエンジンを停止する必要があるため、コストがかかるという欠点がある。結果として、特にブレードタイミング技術の費用対効果と信頼性の改善に関係するため、ロータブレードの監視と診断に関連する改善された方法およびシステムが引き続き必要とされている。
【発明の概要】
【０００４】
したがって、本出願は、タービンエンジンの静止面に取り付けられたＲＦリーダと、ロータブレードに取り付けられたＲＦタグとを有すること含む、ロータブレードの到着時間を決定するための方法およびシステムを説明する。タービンエンジンの動作中、信号強度データポイントは、ＲＦ監視プロセスを介して収集され得、このプロセスは、ＲＦリーダからＲＦ信号を発信すること；ＲＦタグでＲＦ信号を受信し、それに応答してＲＦタグによりリターンＲＦ信号を発信すること；ＲＦリーダでリターンＲＦ信号を受信すること；ＲＦリーダで受信したリターンＲＦ信号の信号強度を測定すること；信号強度データポイントを、測定された信号強度と等しいと判断すること、を含む。複数の信号強度データポイントが収集されるまで、ＲＦ監視プロセスを繰り返すことができる。次に、複数の信号強度データポイントから最大信号強度を決定することができ、ロータブレードの到着時間は、最大信号強度に対応する時間であると決定することができる。
【０００５】
本出願のこれらのおよびその他の特徴は、図面および添付した特許請求の範囲と併せて、以下の好ましい実施形態の詳細な説明を検討することにより明らかになろう。
【０００６】
本発明のこれらのおよびその他の目的および利点は、以下の添付の図面と併せて、本発明の例示的な実施形態についての以下のより詳細な説明を慎重に検討することによって、より完全に理解され認識されよう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本出願の実施形態を使用することができる例示的なガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】本出願の実施形態を使用することができるガスタービンエンジンの圧縮機の断面図である。
【図３】本出願の実施形態を使用することができるガスタービンエンジンのタービンの断面図である。
【図４】本出願の例示的な実施形態による、ＲＦタグの配置およびＲＦリーダの相対位置を示す例示的なロータブレードの概略図である。
【図５】本願の例示的な実施形態によるＲＦシステムの概略図である。
【図６】本出願による方法を示す例示的な時間領域プロットを示す図である。
【図７】本出願による代替方法を示す例示的な時間領域プロットを示す図である。
【図８】本出願の代替実施形態による、ＲＦタグの配置およびＲＦリーダの相対位置を示す例示的なロータブレードの概略図である。
【図９】本願の実施形態による例示的なコンピュータシステムまたはコントローラを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
背景として、図１は、ガスタービンエンジン１００の概略図を示している。一般に、ガスタービンエンジンは、圧縮空気のストリームにおける燃料の燃焼により生成される加圧高温ガス流からエネルギーを抽出することによって動作する。図１に示すように、ガスタービンエンジン１００は、共通シャフトまたはロータにより下流側のタービンセクションすなわちタービン１１０に機械的に結合される軸流圧縮機１０６と、圧縮機１０６とタービン１１０との間に配置された燃焼器１１２と、を有するように構成され得る。以下の開示の発明は、ガスタービンエンジン、蒸気タービンエンジン、航空機エンジンなどを含むあらゆるタイプのタービンエンジンで使用できることに留意されたい。以下、本発明をガスタービンエンジンに関連して説明する。この説明は単なる例示であり、決して限定することを意図したものではない。
【０００９】
図２は、ガスタービンエンジンで使用され得る例示的な多段軸流圧縮機１１８を示している。図示するように、圧縮機１１８は複数の段を含むことができる。各段は、圧縮機ロータブレード１２０の列と、その後に続く圧縮機ステータブレード１２２の列と、を含むことができる。このように、第１段は、中心シャフトの周りに回転する圧縮機ロータブレード１２０の列と、それに続いて動作中に静止したままである圧縮機ステータブレード１２２の列と、を含むことができる。圧縮機ステータブレード１２２は、一般に、互いに円周方向に間隔をおいて配置され、かつ回転軸の周りに固定されている。圧縮機ステータブレード１２２は、一般に、圧縮機ケーシング１２３とのアタッチメントから延びている。圧縮機ロータブレード１２０は、動作中にシャフトが回転すると圧縮機ロータブレード１２０がその周りを回転するように、円周方向に間隔を空けてシャフトに取り付けられる。当業者が理解するように、圧縮機ロータブレード１２０は、シャフトの周りで回転すると、圧縮機１１８を流れる空気または作動流体に運動エネルギーを与えるように構成される。圧縮機１１８は、図２に示される段を超える多くの他の段を有し得る。追加の段は、複数の円周方向に間隔を空けた圧縮機ロータブレード１２０と、それに続く複数の円周方向に間隔を空けた圧縮機ステータブレード１２２を含むことができる。
【００１０】
図３は、ガスタービンエンジンで使用され得る例示的なタービンセクションまたはタービン１２４の部分図を示している。タービン１２４はまた、複数の段を含むことができる。３つの例示的な段を示しているが、これより多くの段またはこれより少ない段がタービン１２４に存在してもよい。第１段は、動作中にシャフトの周りに回転する複数のタービンバケットまたはロータブレード１２６と、動作中に静止したままである複数のノズルまたはタービンステータブレード１２８と、を含む。タービンステータブレード１２８は、一般に、互いに円周方向に間隔をおいて配置され、かつ回転軸の周りに固定されている。タービンステータブレード１２８は、一般に、周囲のタービンケーシング１２９とのアタッチメントから延びている。タービンロータブレード１２６は、中心軸またはシャフト（図示せず）の周りで回転するために、タービンディスクまたはホイール（図示せず）に取り付けることができる。タービン１２４の第２段および第３段も同様に示されており、それぞれが円周方向に間隔をおいて配置された複数のタービンステータブレード１２８と、これに続く円周方向に間隔をおいて配置された複数のタービンロータブレード１２６と、を含み、タービンロータブレード１２６はまた回転するためにタービンホイールに取り付けられている。タービンステータブレード１２８およびタービンロータブレード１２６はタービン１２４の高温ガス経路内にあることが理解されよう。高温ガス経路を通る高温ガスの流れの方向を矢印で示す。当業者が理解するように、タービン１２４は、図３に示されるものを超える多くの他の段を有し得る。
【００１１】
使用中、軸流圧縮機１１８内の圧縮機ロータブレード１２０の回転が、空気の流れを圧縮することができる。燃焼器１１２では、圧縮空気が燃料と混合され、点火されて、エネルギーが放出され得る。次いで、燃焼器１１２からの高温ガスの結果として生じる流れを、タービンロータブレード１２６上に導くことができ、これにより、シャフト周りのタービンロータブレード１２６の回転を誘発することができ、したがって、高温ガス流のエネルギーを回転ブレードの、およびシャフト内のロータブレード間の接続のため、回転シャフトの機械的エネルギーに変換する。次いで、圧縮空気の必要な供給が生成されるように、シャフトの機械的エネルギーを使用して、圧縮機ロータブレード１２０の回転、および例えば、電気を生成する発電機を駆動することができる。
【００１２】
上記のように、ブレードの健全性はエンジンの効率と性能に影響を与え、１枚のブレードの故障でも深刻な損傷を引き起こす可能性があるため、ロータブレードを厳密に試験および監視することが重要である。ひずみレベル、亀裂形成、およびその他のロータブレードの欠陥を示すデータを正確に収集して監視できれば、このような結果を回避できる。ただし、一般に、そのようなデータの可用性は、収集にかかる費用のために制限される。さらに、従来の収集方法を考えると、データの信頼性が低い場合がある。その結果、特にブレードタイミング技術の費用対効果と信頼性の改善に関連するため、ロータブレードの監視と診断に関連する強化された方法とシステムが引き続き必要とされている。
【００１３】
この目的に向けて、本開示は、無線周波数識別（または「ＲＦＩＤ」）技術の特定の態様を、例えばガスおよび蒸気タービンなどのタービンエンジンの回転ブレードを監視するための特定の方法およびシステムに統合することを提案する。背景として、無線周波数識別またはＲＦＩＤタグ付けは識別の既知の方法であり、さまざまなＲＦＩＤ構造、回路、およびプログラミングプロトコルが当技術分野で知られており、市販されている。初期のＲＦＩＤシステムは比較的大きなパッケージサイズを使用して開発されたため、使用できる製品が制限されていたが、最近のＲＦＩＤタグは非常に小さくなり、さまざまな製品やアプリケーションに簡単に組み込むことができる。従来のＲＦＩＤシステムは、質問フィールドを作成するためにＲＦ信号を生成または発信する無線周波数（または「ＲＦ」）リーダを含んでもよい。ＲＦＩＤシステムはまた、１つまたは複数のＲＦタグを含み、その各々は、ＲＦ回路、ロジック、メモリ、および／またはアンテナを有する半導体チップを含んでもよい。ＲＦタグは、ＲＦリーダから発信されるＲＦ信号に応答して機能する。つまり、ＲＦタグがＲＦリーダによって作成された質問フィールドに入ると、ＲＦタグ内のＲＦインレイが刺激され、ＲＦタグがＲＦリーダによって受信されるリターンＲＦ信号を発信するように誘導する。リターンＲＦ信号は、ＲＦタグに保存された情報を回復するためにＲＦリーダによって復調されてもよい。
【００１４】
ＲＦタグは、「アクティブ」または「パッシブ」として特徴付けられてもよい。アクティブＲＦタグは、内部バッテリを使用して回路に電力を供給する。アクティブタグはまた、バッテリを使用して電波をＲＦリーダにブロードキャストする。アクティブタグは通常、８５０ＭＨｚ〜５．８ＧＨｚの高周波をブロードキャストし、ＲＦリーダで１００フィート以上離れて読み取ることができる。パッシブＲＦタグは、電源としてＲＦリーダに依存している。パッシブＲＦタグは通常、より近い距離で読み取られ、生産コストが低くなる。一般に、どちらのタグも同じように機能する：１）ＲＦタグのマイクロチップ内に保存されたデータは、読み取りを待機する；２）タグのアンテナは、ＲＦＩＤ  ＲＦリーダのアンテナから電磁エネルギーを受け取る；３）その内部バッテリからの電力を使用するか（アクティブタグの場合）、またはＲＦリーダから発信されるＲＦ信号によって生成される電磁場から取得した電力を使用し（パッシブタグの場合）、ＲＦタグは電波をＲＦリーダに送り返す；４）ＲＦリーダはＲＦタグからのリターン信号を受信し、周波数を意味のあるデータとして解釈する。
【００１５】
本出願は、本明細書で「ブレードタイミング」と呼ばれる、ブレード先端タイミングとして知られるタイプのロータブレードの試験または監視に関する。ブレードタイミングは、ロータブレードがエンジン内で作る回転経路の所定の位置に到達したときに、ロータブレードの正確な到着時間（ｔｉｍｅ  ｏｆ  ａｒｒｉｖａｌ）（または単に「到着時間（ａｒｒｉｖａｌ−ｔｉｍｅ）」）を測定する技術である。一般に、ブレードタイミングは、ロータブレードが定められた位置に「到着」するのにかかる時間の小さな変動を検出することで機能する。これらの小さな変動から、ロータブレードの振動応答を計算できる。
【００１６】
到着時間を測定するために、従来のブレードタイミング技術は、一般に、通過するロータブレードを検出できるセンサに依存し、そこからロータブレードが定められた位置に到着する正確な時間を決定する。成功するには、これを非常に高い時間分解能で実行する必要がある。最も一般的なアプローチではレーザまたは光プローブを使用するが、他の既知の技術では静電容量プローブ、磁気ピックアップ、リラクタンスプローブ、または通過するロータブレードの存在を検出できるその他のセンサを使用する。したがって、従来のブレードタイミング方法は、一般に、ロータブレードを検出する静止感知装置またはプローブを利用して、その到着のタイミング、すなわちその到着時間を決定する。このようなセンサのアレイを使用して、収集された到着時間データを既知のアルゴリズムで後処理して、タービンエンジンの動作中に周波数と振幅を含むロータブレードの振動応答を計算できる。
【００１７】
ただし、従来のブレードタイミング技術にはいくつかの欠点がある。例えば、実装が困難でコストがかかり、生成されるデータの信頼性が低くなる場合がある。この理由の１つは、ロータブレードに明確なトリガ特徴が頻繁にないことである。すなわち、既知のブレードタイミング技術は、通過するロータブレード上の特定の認識可能な部分または特徴（すなわち、「トリガ特徴」）の到着を検出することによりロータブレードの到着を検出することで機能する。このようなトリガ特徴は、各ロータブレードに存在し、高時間分解能でセンサによって検出可能な明確で紛れもない表面特徴であることが必要であることが理解されるであろう。これが必要なのは、時間領域信号を後処理するために、データストリームに、アルゴリズムで使用できる特徴的で速効性のある多くのバリエーションが必要であるためである。多くの場合、ロータブレードにはこのタイプの特徴がない。各ロータブレードの複数のエリアの到着時間を測定すると、ブレードタイミングデータを改善できることが多いため、各ロータブレードに複数のそのようなトリガ特徴が必要な場合、これはさらに悪化する。
【００１８】
適切なトリガ特徴がロータブレードで使用できない場合、トリガ特徴を作成するためにブレードを変更する必要がある場合がある。ただし、このような変更は通常、費用がかかり、生産に時間がかかり、ロータブレードの物理的劣化をもたらし、その寿命を短くする可能性がある。したがって、これらのタイプの変更は望ましくないが、利用可能な代替手段がないため、多くの場合避けられない。
【００１９】
さらに、従来のブレードタイミングシステムで一般に使用されるレーザプローブおよびその他のセンサは、一般に高価で、アプリケーション固有である（つまり、互換性がなく、再利用できない）。さらに、タービンエンジン内の極端な温度と動作条件のため、動作中にセンサハードウェアを空冷する必要があり、これにより、実装コストが増加し、長時間の使用が実用的ではなくなる。
【００２０】
本開示によれば、ブレードタイミングを実行するためにＲＦＩＤ技術の態様を使用するシステムおよび方法が提案される。本開示の実施形態は、データ精度および信頼性を改善する方法で、標準の後処理アルゴリズムで使用可能な到着時間データを収集することができることが理解されるであろう。さらに、本開示のシステムおよび方法は、高価なプローブおよび空冷の必要性、ならびにトリガ特徴の必要性を排除するため、ブレードタイミングは、より費用効果が高く、異なるタービンエンジンのサイズおよびタイプにわたって柔軟に適用され得る。
【００２１】
既知のシステムの従来のプローブおよびトリガ特徴の代わりに、本開示は、ロータブレードにＲＦタグを取り付け、次にＲＦリーダを介して特定の方法でＲＦタグを監視することを提案する。例として、図４は、タービンエンジン内、例えば圧縮機セクション内で使用できるロータブレード１５０を概略的に示している。ロータブレード１５０は一般に、ルート１５５から半径方向に延びる翼形部１５２を含むいくつかの配向特徴を有する。翼形部１５２は、凹状の正圧側壁または正圧面１５３と、円周方向または横方向に対向する凸状の負圧側壁または負圧面１５４とを含む。正圧面１５３および負圧面１５４の両方は、前縁１５６と後縁１５８との間で軸方向に延びる。さらに、正圧面１５３および負圧面１５４は、ルート１５５と半径方向外側のブレード先端（または単に「外側先端」）１５９との間で半径方向に延びる。
【００２２】
本開示の例示的な実施形態によれば、ＲＦタグ１６０は、従来の手段によりロータブレード１５０上の１つまたは複数の位置に取り付けまたは結合される。図４に示すように（縮尺通りには描かれていないが）、ＲＦタグ１６０は２つの異なる位置に適用される：１）翼形部１５２の負圧面のほぼ中央領域；２）前縁１５６付近の翼形部１５２の負圧面の外側半径方向縁付近。これらの位置は例示であり、これらのタグによって収集され得る情報を監視することが有利な場合があるロータブレード上の他の位置がある。説明したように、ＲＦタグ１６０は、従来の回路と、データを送受信するためのアンテナ１６２とを含むことができる。一例として、ＲＦタグ１６０の電子的特徴がタービンエンジン内の状態から保護されるように、ＲＦタグ１６０を外側シートまたは層またはコーティングの間に積層することにより、ロータブレード１５０に取り付けすることができる。溶射堆積など、ＲＦタグ１６０をロータブレード１５０に取り付ける他の方法も可能である。
【００２３】
圧縮機またはタービン内で、特定の列のロータブレードのそれぞれにＲＦタグ１６０を適用することができ、または他の実施形態によれば、選択されたブレードのみを列の全体的な健全性を表す列で監視することができる。以下により詳細に説明するように、ＲＦリーダ１６６は、回転ブレード上のＲＦタグ１６０が通過するときにそれを読み取ることができるように、圧縮機またはタービン内に距離をおいて適切に設けられ得る。好ましい実施形態によれば、ＲＦタグ１６０はパッシブＲＦタグであるため、内部電源を必要とせずにＲＦリーダ１６６と通信する。ＲＦタグ１６０は小さく、侵入が最小限でありかつ適切な持続時間にわたって厳しいタービン環境に耐えることができるように構成され得る。ＲＦタグ１６０は、ＲＦリーダ１６６のアンテナによって送信されたＲＦ波を受信することを可能にする回路を含むことが理解されるであろう。ＲＦタグは、ＲＦ波を受信すると、その周波数を既知のまたは予想される周波数に変更して、リターン信号が特定のＲＦタグを識別するように構成され得る。ＲＦリターン信号のソースを識別する他の従来の方法も使用され得る。
【００２４】
ここで図５を参照すると、本開示の態様による例示的なＲＦシステム１８０が提供されている。ＲＦブレードタイミングシステムとも呼ばれるＲＦシステム１８０は、例えば、ステータブレード１８２およびロータブレード１８１の列を含むタービンエンジン環境で動作し得る。ステータブレード１８２はケーシング１８４に取り付けられて静止したままであるが、ロータブレード１８１はロータディスクに取り付けられ、エンジンの中心軸の周りを回転する。例示的な実施形態によれば、ＲＦシステム１８０は、１つまたは複数のロータブレード１８１に取り付けられた１つまたは複数のＲＦタグ１６０を含む。ＲＦタグ１６０は受動的であってもよい。ＲＦシステム１８０はさらに、１つまたは複数のＲＦリーダ１６６を含んでもよい。ＲＦリーダ１６６の各々は、従来の手段により、動作中に回転ＲＦタグ１６０から適切な距離にあるタービンエンジン内の任意の非回転面に取り付けられてもよい。示されるように、例えば、ＲＦリーダ１６６は、例えば、図１から図３に示される圧縮機ステータブレード１２２またはタービンステータブレード１２８の１つなどのステータブレード１８２に取り付けられてもよい。あるいは、ＲＦリーダ１６６は、ケーシング１８４、例えば、図１から図３に示される圧縮機ケーシング１２３またはタービンケーシング１２９に取り付けられてもよい。
【００２５】
上述のように、ＲＦリーダ１６６は、電磁質問フィールドを生成するＲＦ波またはＲＦ信号１９０を生成することにより機能し得る。ＲＦリーダはまた、ＲＦタグ１６０からリターンＲＦ信号１９１を受信するように構成されてもよい。本開示のＲＦリーダ１６６は、ＲＦ信号を生成するデバイスとリターンＲＦ信号を受信する別のデバイスなど、異なる位置の複数のデバイスを介してＲＦリーダ１６６の説明した機能が達成される場合を含み、ＲＦリーダ１６６としての単一のデバイスの説明および図は例示にすぎないことを理解されたい。ＲＦタグ１６０は、ＲＦリーダ１６６によって作成された質問フィールドに入ることに応答して、リターンＲＦ信号１９１を生成するように構成され得る。
【００２６】
図６も参照すると、本開示の例示的な実施形態は、上記のＲＦシステム１８０などのＲＦシステムを含み、これは以下のように機能する。明確にするために、この実施形態の例示的な動作は、単一の「ロータブレード」に取り付けられた単一の「ＲＦタグ」に関連して機能する単一の「ＲＦリーダ」に関して説明される。ただし、使用時に、例示的なＲＦシステムは典型的には、いくつかのＲＦリーダと複数のロータブレードに取り付けられた複数のＲＦタグを含み、複数のＲＦタグのそれぞれは、いくつかのＲＦリーダのそれぞれに関して、単一のＲＦリーダに関して単一のＲＦタグについて説明したものと同じ方法で機能することを理解されたい。また、説明目的のために、ロータブレードは、「回転経路」に沿ってタービンエンジンの中心軸の周りを回転するものとして説明される場合がある。
【００２７】
例示的な実施形態によれば、ＲＦリーダは、ＲＦタグを監視するためにタービンエンジンの静止面上に適切に配置され得る。好ましい実施形態によれば、ＲＦリーダは、２つの動作モード、すなわち、信号生成モード（または単に「シグナリングモード」）およびリターン信号リスニングモード（または単に「リスニングモード」）を交互に切り替えるように構成される。例示的な実施形態によれば、ＲＦリーダは最初にシグナリングモードで動作する。具体的には、ＲＦリーダは、離散バーストまたはｐｉｎｇでＲＦ信号を生成または発信する。このＲＦ信号またはｐｉｎｇは、既知または所定の周波数を有するＲＦ波を構成する。生成されると、ｐｉｎｇはＲＦリーダからロータブレードに取り付けられたＲＦタグに向かって移動する。このｐｉｎｇを生成した後、ＲＦリーダはシグナリングモードからリスニングモードに切り替わる。
【００２８】
例示的な実施形態によれば、ＲＦタグはパッシブＲＦタグである。したがって、ｐｉｎｇのＲＦ波がＲＦタグに到達すると、ＲＦタグからリターンＲＦ信号が発信される。ＲＦタグは、リターンＲＦ信号内のｐｉｎｇのＲＦ波の周波数を変更するように構成され得る。例示的な実施形態によれば、ＲＦタグは、固有の方法でＲＦ波の周波数を変更するので、リターンＲＦ信号の変更された周波数は、ＲＦタグから来たものとしてそれを識別する。前述のように、ｐｉｎｇの生成後、ＲＦリーダは、ＲＦタグから予期されるリターンＲＦ信号を受信するために、シグナリングモードからリスニングモードに切り替えた。ＲＦリーダはリスニングモードで待機し、到着すると、ＲＦタグからリターンＲＦ信号を受信する。
【００２９】
例示的な実施形態によれば、次のステップは、ＲＦリーダからＲＦタグへと往復するＲＦ波の「飛行時間」を計算することである。したがって、本明細書で使用する飛行時間とは、ｐｉｎｇがＲＦリーダによって送信されてから、対応するリターンＲＦ信号がＲＦリーダによってＲＦタグから受信されるまでの間に発生する時間である。これを行うために、ｐｉｎｇがＲＦリーダによって生成された正確な時刻と、対応するリターンＲＦ信号がＲＦリーダによって受信された正確な時刻が記録される。これらの２つの記録されたイベントから、飛行時間はそれらの間に発生する遅延として決定される。したがって、飛行時間は、ｐｉｎｇのＲＦ波がＲＦリーダからＲＦタグに移動する持続時間と、リターン信号がＲＦタグからＲＦリーダに移動する持続時間の合計を表す。別の言い方をすれば、飛行時間とは、ｐｉｎｇの生成からリターンＲＦ信号の受信までに発生する持続時間のことである。例示的な実施形態によれば、飛行時間は、ＲＦリーダ、例えば、図９に関連して以下に説明するコントローラ２００などの、通信リンクを介してＲＦリーダと動作可能に接続されたコンピュータ実装コントローラ、または例えば、ローカルまたはリモート統合された図９のコントローラ２００などの、ＲＦリーダ内に統合されたコンピュータ実装コントローラ、またはそれらの何らかの組み合わせによって計算され得る。
【００３０】
この方法は、非常に短い時間間隔でこの「ｐｉｎｇ  ａｎｄ  ｌｉｓｔｅｎ」プロセスを繰り返すことにより継続される。これにより、ＲＦタグの飛行時間データを収集し、時間領域でプロットできる。この飛行時間データを時間領域で観察すると、ロータブレードのＲＦタグが静止ＲＦリーダに近づくにつれて飛行時間が短くなり、それに続いてＲＦタグが静止ＲＦリーダから離れるにつれて飛行時間が長くなることが理解されるであろう。例示的な実施形態によれば、ＲＦタグの飛行時間が最小に達するポイントは、ロータブレードが通過する際にＲＦタグがＲＦリーダに最も近づいた時点を表す。例示的な実施形態によれば、この時点は、ロータブレードの「到着時間」、またはより具体的には、ＲＦタグが取り付けられているロータブレードの特定部分の到着時間と見なされる。
【００３１】
ＲＦタグの「到着時間」は、ＲＦタグ／ロータブレードがタービンの作動流体流路を中心に回転するため、ＲＦリーダのように動作するように構成された複数のＲＦリーダで記録できる。次に、複数のＲＦリーダによって収集された「到着時間」データを標準のブレードタイミングアルゴリズムに入力して、動作中のロータブレードの振幅や周波数などの振動応答を決定できる。
【００３２】
例えば、図６は、それぞれ静止ＲＦリーダを通過する３つのＲＦタグを有する３つのロータブレードの到着時間データのプロット１９５を含む。上記の「ｐｉｎｇ  ａｎｄ  ｌｉｓｔｅｎ」プロセスは、ＲＦリーダによって繰り返され得、３つのロータブレードの結果の飛行時間データが時間領域にプロットされ得る。示されるように、プロット１９５では、Ｘ軸は「時間」を表し、Ｙ軸は「飛行時間」を表す。３つのロータブレードのそれぞれについて、ＲＦタグが静止ＲＦリーダに最も近くなる時点を、最小飛行時間に対応する時点として決定できる。一般に、時間領域にプロットされた飛行時間データは一般的な「Ｕ」または「Ｖ」の形をしており、ロータブレードが静止ＲＦリーダに近づくと減少して最小値に達し、その後ロータブレードが離れるにつれて増加する。例示的な実施形態によれば、最小飛行時間は、時間領域プロットの性質を考慮して、最小飛行時間を数学的に推定することにより決定され得る。あるいは、最小飛行時間を決定するステップは、収集された飛行時間データポイントの中から最小値を有する飛行時間を選択するステップを含んでもよい。
【００３３】
最小飛行時間が見つかると、Ｘ軸上の対応する時間は、特定のロータブレードの到着時間と見なすことができる。これから、ロータの速度信号または他の手法を使用して、各ロータブレードの到着時間が「時間通り」、「早い」、または「遅い」のいずれであるかを判断でき、また、後者の２つに関しては、ロータブレードがどの程度早いか遅いかを示す。ロータブレードごとにそのような到着時間データがわかったら、それを業界標準のアルゴリズムに入力し、そこからロータブレードの振動応答を導き出して、それがブレードの健全性の指標として機能したり、欠陥の存在を検出したりできることが理解されるであろう。
【００３４】
例示的な実施形態によれば、複数のＲＦタグが使用される場合、それぞれがＲＦ信号波をリターンＲＦ信号の異なる周波数に変更するように構成され得、これを使用して複数のリターン信号を区別し、それぞれのソースＲＦタグを確認できる。ＲＦリーダは、異なるロータブレードに配置された複数のＲＦタグおよび／または同じロータブレードの異なる領域に配置された複数のＲＦタグから発せられる複数のリターン信号を区別できる。したがって、図６に示すように、ＲＦリーダは、同じｐｉｎｇに応答して複数のＲＦタグから送信された複数のリターン信号を受信し、それぞれに対応する特定のＲＦタグを識別することができる。リターン信号の周波数シフトのもう１つの利点は、ＲＦリーダがｐｉｎｇと同じ周波数のＲＦ信号（つまり、ＲＦリーダによって生成されたＲＦ信号）を受信した場合、これは、タービン内で発生する単なる反射であり、複数のタグの１つからのリターンＲＦ信号ではないと想定できることである。
【００３５】
したがって、例えば、ロータブレードの到着時間を決定するための例示的な方法およびシステムは、静止面に取り付けられたＲＦリーダおよびロータブレードに取り付けられたＲＦタグとともに「飛行時間」基準を使用することを含み得る。タービンエンジンの動作中、飛行時間データポイントは、ＲＦ監視プロセス（「飛行時間ＲＦ監視プロセス」とも呼ばれる）を介して収集され得、このプロセスは、ＲＦリーダからのＲＦ信号の発信すること；ＲＦリーダからＲＦ信号が発信された第１の時刻を記録すること；ＲＦタグでＲＦ信号を受信し、それに応答してＲＦタグによりリターンＲＦ信号を発信すること；ＲＦリーダでリターンＲＦ信号を受信すること；リターンＲＦ信号がＲＦリーダで受信された第２の時刻を記録すること；および飛行時間データポイントを、第１の時刻と第２の時刻との間に発生する持続時間として決定すること、を含む。複数の飛行時間データポイントが収集されるまで、ＲＦ監視プロセスを繰り返すことができる。次いで、複数の飛行時間データポイントから最小飛行時間を決定することができ、最小飛行時間から、ロータブレードの到着時間は、最小飛行時間に対応する時間として決定される。例示的な実施形態によれば、監視プロセスは、複数の飛行時間データポイントが少なくとも、ロータブレードがＲＦリーダに近づく際の複数の飛行時間データポイント、およびロータブレードがＲＦリーダから遠ざかる際の複数の飛行時間データポイントを含むように繰り返されてもよい。複数の飛行時間データポイントは、回転経路に沿ったロータブレードの単一回転の一部の間に連続して取られた一連の飛行時間データポイントを含んでもよい。最後に、一連の到着時間データセットが収集されるように、この方法を繰り返してもよく、データセットは、それぞれ回転経路についてのロータブレードの異なる回転に対して計算された複数の到着時間を含む。次に、到着時間データセットを使用して、ロータブレードの振動応答を計算できる。
【００３６】
ここで図７を参照して、本開示の代替実施形態を説明する。この実施形態では、上述のＲＦシステム１８０などのＲＦシステムは、通過するロータブレードの到着時間データを収集するために異なる方法で動作することが理解されるであろう。ここでも、明確にするために、この実施形態の例示的な動作を、単一のロータブレードに取り付けられた単一のＲＦタグに関連して機能する単一のＲＦリーダに関連して説明する。ただし、いくつかのＲＦリーダと複数のロータブレードに取り付けられた複数のＲＦタグを使用できることも理解されたい。
【００３７】
本実施形態によれば、ＲＦリーダは、ロータブレードを監視するためにタービンエンジンの静止面に適切に配置される。ただし、この場合、ＲＦリーダは、シグナリングモードとリスニングモードを交互に切り替えるように構成されているのではなく、ＲＦリーダは、ＲＦ信号を連続的に、または非常に短い時間間隔で発信しながら、同時に、以前のように、パッシブＲＦタグでもよいＲＦタグからのリターンＲＦ信号を連続的にリスニングするように構成される。ＲＦリーダからの連続または短間隔のＲＦ信号は、ＲＦタグから同様のフォーマットのリターンＲＦ信号を誘発し、これを上述のように連続的にリスニングするＲＦリーダが受信する。上述の実施形態と同様に、ＲＦタグは、リターンＲＦ信号内のＲＦ波の周波数を変更して、リターンＲＦ信号のソースがＲＦリーダによって決定され得るように構成されてもよい。
【００３８】
「飛行時間」の変動を使用して到着時間を決定する代わりに、本実施形態は、リターンＲＦ信号の大きさまたは信号強度（ｓｉｇｎａｌ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ）（「信号強度（ｓｔｒｅｎｇｔｈ−ｏｆ−ｓｉｇｎａｌ）」とも呼ばれる）の変動を使用する。リターンＲＦ信号の信号強度は、主にＲＦタグとＲＦリーダとの間の距離を含むいくつかの要因の関数であることが理解されるであろう。回転の過程で、ＲＦリーダはリターンＲＦ信号の信号強度の変化を監視し、その値を記録する。例えば、ロータブレードがＲＦリーダの近くに移動すると、リターンＲＦ信号の信号強度が増加し、ロータブレードがＲＦリーダから離れると、信号強度が減少する。信号強度を時間領域でプロットすると、曲線の形状は上下逆の「Ｕ」または「Ｖ」に似ており、これは、上記の図６の「飛行時間」プロットの逆である。
【００３９】
本実施形態によれば、最大信号強度は、ロータブレードの到着時間を示すために使用される。つまり、ＲＦタグの信号強度が最大に達するポイントは、ロータブレードが通過するときにＲＦタグがＲＦリーダに最も近づく時点を表す。この時点は、ロータブレードの「到着時間」になり、より具体的には、ＲＦタグが取り付けされているロータブレードの特定の領域の到着時間になる。前と同様に、このような「到着時間」データは、作動流体流路の周りに配置された複数のＲＦリーダによってロータブレードについて測定および記録できる。この方法で複数のＲＦリーダによって収集された「到着時間」データは、標準ブレードタイミング後処理アルゴリズムに入力して、ロータブレードの振動応答を決定できる。
【００４０】
図７を特に参照すると、静止ＲＦリーダを通過する３つのＲＦタグをそれぞれ有する３つのロータブレードの到着時間データのプロット１９６が示されている。上記のように、連続的に（または非常に短い間隔で）発信およびリスニングするプロセスをＲＦリーダで実行することができ、得られた３つのＲＦタグのリターンＲＦ信号強度の信号強度データを時間領域にプロットすることができる。プロット１９６に示されるように、Ｘ軸は「時間」を表し、Ｙ軸は「リターンＲＦ信号強度」を表す。３つのＲＦタグのそれぞれについて、それぞれが静止ＲＦリーダに最も近づいた時点を、リターンＲＦ信号強度の最大値に対応するＸ軸上の時間として決定できる。いずれの場合も、リターンＲＦ信号の最大信号強度が見つかると、Ｘ軸上の対応する時間が到着時間と見なされる。これから、ロータの速度信号または他の手法を使用して、ロータブレードの到着時間が「時間通り」、「早い」、または「遅い」のいずれであるかを判断でき、また、後者の２つに関しては、ロータブレードがどの程度早いか遅いかを示す。そして、上記の例のように、ロータブレードごとにそのような到着時間データがわかったら、それを業界標準のアルゴリズムに入力し、そこから各ロータブレードの振動応答を導き出し、それがブレードの健全性の指標として機能したり、欠陥の存在を検出したりできる。最後に、例示的な実施形態によれば、複数のＲＦタグが使用される場合、それぞれがＲＦ信号波を異なる周波数に変更するように構成され得、これを使用して複数のリターン信号を区別し、それぞれのソースＲＦタグを確認できる。
【００４１】
したがって、例えば、ロータブレードの到着時間を決定するための例示的な方法およびシステムは、静止面に取り付けられたＲＦリーダおよびロータブレードに取り付けられたＲＦタグとともに「信号強度」基準を使用することを含み得る。タービンエンジンの動作中、信号強度データポイントは、ＲＦ監視プロセス（「信号強度ＲＦ監視プロセス」とも呼ばれる）を介して収集され得、このプロセスは、ＲＦリーダからＲＦ信号を発信すること；ＲＦタグでＲＦ信号を受信し、それに応答してＲＦタグによりリターンＲＦ信号を発信すること；ＲＦリーダでリターンＲＦ信号を受信すること；ＲＦリーダで受信したリターンＲＦ信号の信号強度を測定すること；信号強度データポイントを、測定された信号強度と等しいと判断すること、を含む。複数の信号強度データポイントが収集されるまで、ＲＦ監視プロセスを繰り返すことができる。次に、複数の信号強度データポイントから最大信号強度を決定することができ、最大信号強度から、ロータブレードの到着時間は、最大信号強度に対応する時間であると決定される。例示的な実施形態によれば、監視プロセスは、複数の信号強度データポイントが少なくとも、ロータブレードがＲＦリーダに近づく際の複数の信号強度データポイント、およびロータブレードがＲＦリーダから遠ざかる際の複数の信号強度データポイントを含むように繰り返されてもよい。複数の信号強度データポイントは、回転経路に沿ったロータブレードの単一回転の一部の間に連続して取られた一連の信号強度データポイントを含んでもよい。最後に、到着時間データセットが収集されるように、この方法を繰り返してもよく、到着時間データセットは、それぞれ回転経路についてのロータブレードの異なる回転に対して計算された複数の到着時間を含む。次に、到着時間データセットを使用して、ロータブレードの振動応答を計算できる。
【００４２】
ここで図８を参照すると、本開示の別の実施形態が示されており、これは、例えば、ガスタービンまたは蒸気タービンエンジンのタービンセクションで使用されるロータブレードであり得るロータブレード１５０に関して説明される。この場合、ＲＦシステムには、到着時間データ収集に関する特定の側面を改善するためにシステムに追加される１つまたは複数の基準ＲＦタグが含まれていることが理解されるであろう。
【００４３】
上記の例と同様に、ロータブレード１５０は、ルート１５５と外側先端１５９との間で半径方向に延びる翼形部１５２を含む同じ一般的な配向特徴を有することができる。翼形部１５２はまた、前縁１５６と後縁１５８との間に延びる正圧面１５３および負圧面１５４を含むことができる。図８にも示されるように、ロータブレード１５０のルート１５５を、ロータホイール１９７に接続することができる。さらに、ルート１５５は、翼形部１５２がそこから延びる実質的に平坦な表面であるプラットフォーム１９８を含む。隣接するロータブレード１５０のプラットフォーム１９８は、作動流体流路の内側半径方向境界を画定するように当接することが理解されるであろう。
【００４４】
本実施形態によれば、１つまたは複数のＲＦタグ１６０は、ロータブレード１５０上の１つまたは複数の位置に取り付けられてもよい。好ましい実施形態によれば、１つまたは複数のＲＦタグ１６０は、翼形部１５２の剛性が低く、動作中により大きく撓む翼形部１５２の領域に配置される。例えば、図示されるように、ＲＦタグ１６０は、１）後縁１５８付近の翼形部１５２の正圧面１５３のほぼ中央領域、および２）前縁１５６付近の翼形部１５２の正圧面１５３の外側先端１５９付近に固定されてもよい。追加のＲＦタグを介した監視が有利な場合があるロータブレード上の他の位置があるため、これらの位置は例示である。
【００４５】
本実施形態によれば、本明細書で「基準ＲＦタグ１９９」と呼ばれる１つまたは複数の追加のＲＦタグは、上記に開示されたブレードタイミングシステムおよび方法の性能を改善する目的で、ＲＦタグ１６０付近の１つまたは複数の回転部品に取り付けられる。好ましい実施形態によれば、基準ＲＦタグ１９９は、ロータブレード１５０のより剛性の高い部分および／またはＲＦタグ１６０のポジションの近くにある他の剛性の回転構造に取り付けられてもよい。一般に、基準ＲＦタグ１９９は、他のＲＦタグ１６０の到着時間と比較され得るベースラインまたは基準到着時間を提供するために使用され得ることが理解されるであろう。
【００４６】
概して、基準ＲＦタグ１９９は、ＲＦタグ１６０の１つの近くの任意の回転構造上に配置され得る。言及したように、基準ＲＦタグ１９９の好ましい位置に関して、これらは、ＲＦタグ１６０の位置の近くの剛性回転構造を含むことができる。例えば、図８の例示的な実施形態に示されるように、基準ＲＦタグ１９９の第１の可能な位置は、翼形部１５２の内側半径部分である。翼形部１５２の剛性は、ルート１５５に近づくにつれて増大し、ルートに近いこのポジションを望ましいものにすることが理解されるであろう。基準ＲＦタグ１９９の第２の可能な位置は、ロータブレード１５０のルート１５５上のポジションである。図示されるように、例えば、基準ＲＦタグ１９９は、ルート１５５のプラットフォーム１９８に取り付けられ得る。プラットフォーム１９８の下側、またはプラットフォーム１９８とロータブレード１５０をロータホイール１９７に取り付けるために使用されるダブテールコネクタとの間に延びるシャンク部分など、ルート１５５上の他の位置も可能である。基準ＲＦタグ１９９の第３の可能な位置は、ロータホイール１９７上にある。この場合、図示のように、基準ＲＦタグ１９９は、ロータホイール１９７の外周に配置され得、ＲＦタグが配置されたロータブレード１５０とほぼ円周方向に一致または整列する。使用中、基準ＲＦタグ１９９は、ＲＦタグ１６０に関して上記で説明したのと同じ一般的な方法で利用され得る。すなわち、「飛行時間」または「信号強度」のいずれかの方法を使用して、基準ＲＦタグ１９９の到着時間データを収集することができる。
【００４７】
（従来のプローブまたは本明細書で説明したＲＦシステムのいずれかによって）翼形部の外側先端などのロータブレードの特定の領域の到着時間が決定されると、比較のためにロータブレードの実際の到着時間を知るという追加の要件が残る。このようにして、特定の領域の到着時間が「時間通り」、「早い」、または「遅い」であるかどうかを判断でき、これからロータブレードの振動応答を導き出すことができる。従来のブレードタイミング技術は、一般に、ロータ速度パラメータ、すなわちロータブレードが取り付けられているロータホイールの測定速度を参照することにより、ロータブレードの実際の到着時間を決定する。ただし、これにはいくつかの欠点がある。第一に、タービンエンジンの個別の制御システムの一部であるセンサを介してロータ速度が測定され、ブレードタイミングの目的でロータ速度値にアクセスするには、何らかのセットアップと再構成が必要である。第二に、そのような通信の再構成が達成された場合でも、ロータ速度の測定は、ブレードのタイミングに遅延すなわち遅れをもたらすより遅いプロセスである。第三に、ロータ速度の測定は一般に、ブレードのタイミングの目的に必要なほど正確ではないため、結果に不確実性のレベルが生じる。
【００４８】
基準ＲＦタグの提案された使用により、ロータ速度または他のセンサ測定値を参照してロータブレードの実際の到着時間を決定する必要がなくなる。具体的には、ロータブレードの実際の到着時間（他のＲＦタグの到着時間と比較できる）は、基準ＲＦタグによって決定される。これを行うために、基準ＲＦタグは、他のＲＦタグ付近の剛性回転構造上に配置されるため、基準ＲＦタグの到着時間は、ロータブレード自体のリアルの、すなわち本明細書で使用する「実際の到着時間」と見なすことができる。上述のように、基準ＲＦタグの好ましい位置には、翼形部の内側半径部分、プラットフォームもしくはルート、および／またはロータホイールが含まれる。
【００４９】
本実施形態によれば、本開示のＲＦブレードタイミングシステムは、１つまたは複数のＲＦリーダおよび１つまたは複数のロータブレードを含むことができ、それぞれが１つまたは複数のＲＦタグおよび１つまたは複数の基準ＲＦタグを含み、これらは、分かりやすくするために、単一のＲＦリーダ、ロータブレード、ＲＦタグ、および基準ＲＦタグを参照して説明され得る。使用中、基準ＲＦタグとＲＦタグの到着時間は、前述のように、飛行時間ＲＦ監視プロセス、信号強度ＲＦ監視プロセスのいずれか、あるいは他の何らかを介してＲＦリーダによって計算され得る。基準ＲＦタグについて計算された到着時間は、ロータブレードの実際の到着時間に指定され得る。次に、これをＲＦタグについて計算された到着時間と比較することにより、ＲＦタグが時間通りに到着したか、または到着がどの程度早いか遅いか、または別の言い方をすれば、ロータブレードの到着時間に対して先行しているか遅れているかを判断できる。例えば、ＲＦタグが外側先端に位置する場合、早いまたは遅い到着は、動作振動に応答して翼形部を介して生じる撓みを示すことができることが理解されるであろう。このような到着時間データがわかったら、つまり、ＲＦタグが基準ＲＦタグに対してどの程度早い、時間通り、または遅いかがわかったら、データをロータブレードの振動応答を導出する業界標準アルゴリズムに入力できる。さらに、基準ＲＦタグを同様に使用して、任意の２つの異なる回転部品間または回転部品の異なる領域間の到着時間データを比較できることを理解されたい。
【００５０】
したがって、例えば、ロータブレードの到着時間を決定するための例示的な方法およびシステムは、静止面に取り付けられたＲＦリーダおよびロータブレードに取り付けられたＲＦタグとともに基準ＲＦタグを使用することを含み得る。ＲＦタグは、ロータブレードの第１の領域に取り付けられてもよく、一方、基準ＲＦタグは、ＲＦタグの近くの回転構造に取り付けられてもよい。使用中、例えば、タービンエンジンの動作中に発生するロータブレードの最初の回転に関して、ＲＦタグと基準ＲＦタグのそれぞれの到着時間は、ＲＦ監視プロセスを介してＲＦリーダで収集され得、ＲＦ監視プロセスは、飛行時間ＲＦ監視プロセスまたは信号強度ＲＦ監視プロセスを含んでもよい。ＲＦタグの到着時間を基準ＲＦタグの到着時間と比較して、最初の回転に対するロータブレードの第１の領域の到着時間試験結果を決定することができる。例示的な実施形態によれば、ＲＦタグと基準ＲＦタグの両方が受動的であってもよい。上述のように、基準ＲＦタグの到着時間は、ロータブレードの実際の到着時間として指定されてもよい。したがって、ロータブレードの第１の領域の到着時間試験結果は、ロータブレードの第１の領域の到着時間が、ロータブレードの指定された実際の到着時間に先行または遅れる量を示し得る。この方法は、エンジン動作中のロータブレードの他の複数の回転について、ロータブレードの第１の領域の到着時間試験結果を収集するためにステップを繰り返すことをさらに含み得る。これらは到着時間試験結果のデータセットにまとめられ、ロータブレードの振動応答を計算するために使用され得る。
【００５１】
本開示の上記で開示された実施形態は、新しいロータブレード設計の事前検証試験およびその場での長期のロータブレード健全性監視を含むブレードタイミング研究に使用され得ることが理解されるであろう。本開示のブレードタイミングシステムおよび方法は、圧縮機ロータブレードと、蒸気および燃焼タービンエンジンのタービンロータブレードを含むタービンロータブレードまたはバケットの両方、ならびに任意の他の回転部品で使用され得る。従来のブレードタイミング技術のレーザプローブおよび他のセンサに関連するハードウェアとは異なり、本開示の実施形態に必要なＲＦデバイスは安価で用途に依存せず、再利用可能になり、実装コストをさらに下げる。さらに、ＲＦリーダやＲＦタグを含む必要なＲＦデバイスは、冷却空気を必要とせずに過酷なタービン環境内に実装できるため、定期的な長期試験が可能になる。追加の関連する利点には、ブレードタイミング用のＲＦベースのシステムが、より少ない初期投資で現場に簡単に設置および実装できることが含まれる。最後に、本開示のシステムは、コンテンツが豊富で信頼性が高い、はるかに多いデータを提供できる。
【００５２】
ここで図９を参照すると、本開示のＲＦブレードタイミングシステムは、本開示の特定の実施形態またはそれらの実施形態の構成要素もしくは態様を実装するために使用され得るコンピュータ実装制御システムまたはコントローラ２００などのコンピューティングおよび処理リソースを含み得る。例えば、示されるように、コントローラ２００は、ＲＦリーダに通信可能にリンクおよび／または統合され、それにより、ＲＦシステムの一部である各ＲＦタグおよび／または基準ＲＦタグの到着時間データ、飛行時間データ、および／または信号強度を含み得る、ＲＦリーダによって収集されたデータを受信することができる。次に、コントローラ２００は、そのようなデータを処理して、ＲＦタグが取り付けられているロータブレードに関する振動応答、性能、または健全性の特性を導き出すことができる。コントローラ２００は、ロータブレードの設計および／または動作に関連する所定のユーザの少なくとも１つのコンピュータシステムを含む１つまたは複数の他のコンピュータシステムに導出されたロータブレード特性を自動的に出力するように構成され得るため、そのようなユーザによる動作は、適切なときに取得され得る。
【００５３】
図示されるように、コントローラ２００は、プログラムされたロジック２０４（例えば、ソフトウェア）およびデータ２０６を格納するメモリ２０２を含むことができる。メモリ２０２はまた、オペレーティングシステム２０８を含むことができる。プロセッサ２１０は、オペレーティングシステム２０８を利用してプログラムされたロジック２０４を実行することができ、その際、データ２０６も利用することができる。制御およびデータバス２１２は、メモリ２０２とプロセッサ２１０との間の通信を提供することができる。ユーザは、キーボード、マウス、タッチスクリーン、ジェスチャ制御デバイス、ウェアラブルコンピュータ、コントロールパネル、またはコントローラ２００とデータをやり取りできる他のデバイスなど、少なくとも１つのユーザインタフェースデバイス２１４を介してコントローラ２００とインタフェースできる。コントローラ２００は、動作中に、センサまたはそのようなセンサから記録されたデータを含むＲＦ機器およびその関連デバイスと、オンラインで通信することができ、また、動作していない間に、入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース２１６を介して、機器およびその関連デバイスと、オフラインで通信することができる。より具体的には、コントローラ２００は、本明細書で提供されるＲＦリーダおよび／またはその関連デバイスを含む特定のデバイスにコマンドを提供し、ＲＦリーダおよび／またはその関連デバイスからデータを受信するための命令の実行することができるが、これに限定されない。コントローラ２００およびそれによって実現されるプログラムされたロジック２０４は、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、またはそれらの任意の組み合わせを含むことができる。
【００５４】
例示的な実施形態によれば、含まれる図は、システム、方法、プロセス、装置、およびコンピュータプログラム製品を参照してもよい。それらの少なくともいくつかは、少なくとも部分的に、汎用コンピュータ、コントローラ２００、専用コンピュータ、専用ハードウェアベースのコンピュータ、またはマシンを生成するための他のプログラム可能なデータ処理装置にロードすることができるコンピュータプログラム命令によって実装され得、これにより、コンピュータまたは他のプログラム可能なデータ処理装置上で実行される命令は、本明細書で説明する方法の少なくともいくつかの機能を実装するための手段を作成することを理解されたい。本明細書で述べられたこれらのコンピュータプログラム命令は、コンピュータまたは他のプログラム可能なデータ処理装置を特定の方法で機能するように命令することができるコンピュータ可読メモリに格納することもでき、そのようにして、コンピュータ可読メモリに格納された命令が１つまたは複数のブロックで指定される機能を実現する命令手段を含む製品を生産する。コンピュータプログラム命令は、一連の動作ステップをコンピュータまたは他のプログラム可能な装置で実行させてコンピュータ実行処理を生成するために、コンピュータまたは他のプログラム可能なデータ処理装置にロードすることもでき、そのようにして、コンピュータまたは他のプログラム可能な装置で実行する命令が１つまたは複数のブロックで指定される機能を実現するためのステップを提供する。本明細書に記載した、システムの１つまたは複数の構成要素および方法の１つまたは複数の要素は、コンピュータのオペレーティングシステム上で動作するアプリケーションプログラムにより実現することができる。それらはまた、ハンドヘルドデバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースのまたはプログラム可能な民生用電子機器、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ等を含む他のコンピュータシステム構成で実施されることができる。
【００５５】
いくつかの例示的な実施形態に関して上述した多くのさまざまな特徴および構成は、本開示の他の可能な実施形態を形成するためにさらに選択的に適用することができることが当業者には理解されるであろう。簡潔にするため、および当業者の能力を考慮に入れるために、可能な繰り返しのすべてについては詳細に提示または説明しないが、以下のいくつかの請求項に包含されるすべての組み合わせおよび可能な実施形態は本願の一部であることが意図されている。さらに、いくつかの例示的な実施形態の上記の説明から、当業者は、改良、変更、および修正を認識する可能性が高い。添付の特許請求の範囲は、そのような改良、変更、および修正を網羅することを意図している。添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に開示される主題に対して数多くの変更および修正を行うことができることを理解されたい。
【符号の説明】
【００５６】
１００  ガスタービンエンジン
１０６  軸流圧縮機
１１０  タービン
１１２  燃焼器
１１８  多段軸流圧縮機
１２０  圧縮機ロータブレード
１２２  圧縮機ステータブレード
１２３  圧縮機ケーシング
１２４  タービン
１２６  タービンロータブレード
１２８  タービンステータブレード
１２９  タービンケーシング
１５０  ロータブレード
１５２  翼形部
１５３  正圧面
１５４  負圧面
１５５  ルート
１５６  前縁
１５８  後縁
１５９  外側先端
１６０  ＲＦタグ
１６２  アンテナ
１６６  ＲＦリーダ
１８０  ＲＦシステム
１８１  ロータブレード
１８２  ステータブレード
１８４  ケーシング
１９０  ＲＦ信号
１９１  リターンＲＦ信号
１９５  プロット
１９６  プロット
１９７  ロータホイール
１９８  プラットフォーム
１９９  基準ＲＦタグ
２００  コントローラ
２０２  メモリ
２０４  プログラムされたロジック
２０６  データ
２０８  オペレーティングシステム
２１０  プロセッサ
２１２  データバス
２１４  ユーザインタフェースデバイス
２１６  入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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2020097929000002.pdf
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