(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアエンジン（１８、２０、２４）と第１及び第２の低圧タービンロータ（３４、３６）とを有するガスタービンエンジン（１０）における振動を監視する方法であって、
前記第１及び第２の低圧タービンロータ（３４、３６）を互いに一致した回転速度で且つ前記コアエンジン（１８、２０、２４）を該第１及び第２の低圧タービンロータ（３４、３６）の回転速度とは異なる回転速度で前記ガスタービンエンジン（１０）を稼働する段階と、
前記第１及び第２の低圧タービンロータ（３４、３６）の回転中に前記ガスタービンエンジン（１０）の第１の全振動（Ｔ１）を測定する段階と、
前記ロータ（３４、３６）の相対位相（Ｐ）をクロック制御する段階と、
前記クロック制御された位相を有した前記第１及び第２の低圧タービンロータ（３４、３６）の回転中に前記ガスタービンエンジン（１０）の第２の全振動（Ｔ２）を測定する段階と、
前記測定された第１及び第２の全振動から前記第１及び第２の低圧タービンロータ（３４、３６）と共通の応答周波数で第１及び第２の全アンバランス（Ｕ１、２）を分解する段階と、
前記第１及び第２の全アンバランスから前記第１及び第２の低圧タービンロータ（３４、３６）それぞれについての第１及び第２のロータアンバランス（Ｒ１、２）を分解する段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記第１及び第２の低圧タービンロータ（３４、３６）における回転位相基準（６６、６８）を測定する段階と、
前記第１及び第２の全振動（Ｔ１、２）をフィルタ処理して、前記第１及び第２の全アンバランス（Ｕ１、２）に対応する、振動振幅及び基準位相を含む同期振動をベクトル形式で得る段階と、
を更に含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１及び第２のロータアンバランス（Ｒ１、２）が最初に未知のベクトルであり、前記クロック制御された相対位相に起因して異なるように組み合わされて、前記第１及び第２の全アンバランス（Ｕ１、２）を形成し、
前記第１及び第２の全アンバランス（Ｕ１、２）及びクロック制御された相対位相が、前記第１及び第２のロータアンバランス（Ｒ１、２）を代数的に分解するのに使用される既知の変数である、
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１及び第２の低圧タービンロータ（３４、３６）の相対位相（Ｐ）が、前記第１及び第２の全振動（Ｔ１、２）の測定の間にオンデマンドでクロック制御される、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ガスタービンエンジン（１０）が、前記第１及び第２の低圧タービンロータ（３４、３６）及びコアエンジン（１８、２０、２４）の回転速度を制御するよう構成されたコントローラ（４６）を更に含み、
前記コントローラ（４６）が、前記第１及び第２の全振動（Ｔ１、２）の測定の間にオンデマンドで前記ロータ（３４、３６）の相対位相をクロック制御するよう更に構成される、
請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１及び第２の低圧タービンロータ（３４、３６）の相対位相（Ｐ）が、前記第１及び第２の全振動（Ｔ１、２）の測定の間にランダムにクロック制御される、
請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記ガスタービンエンジン（１０）の回転運転中に前記第１及び第２の低圧タービンロータ（３４、３６）の位相基準（６６、６８）を監視する段階と、
前記測定された第１の全振動（Ｔ１）を記憶する段階と、
前記第１及び第２の低圧タービンロータ（３４、３６）の監視された位相基準（６６、６８）が所定の範囲内に相対位相がクロック制御されていることを示した後に、前記第２の全振動（Ｔ２）を測定する段階と、
を含む、
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記対応する第１及び第２のロータアンバランス（Ｒ１、２）に対して反対方向に、第１及び第２の補正バランスウェイト（Ｃ１、２）をそれぞれ付加することによって前記第１及び第２の低圧タービンロータ（３４、３６）をバランス調整する段階を更に含む、
請求項３に記載の方法。
【請求項９】
前記バランスウェイト（Ｃ１、２）が、前記第１及び第２のロータアンバランス（Ｒ１、２）の振動振幅に対する前記第１及び第２の低圧タービンロータ（３４、３６）での補正質量に関連する影響係数から導かれる、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１及び第２の測定された全振動（Ｔ１、２）が高速フーリエ変換を用いてフィルタ処理される、
請求項３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンにおける振動に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンでは、空気が圧縮機内で加圧され、燃焼器内の燃料と混合されて高温の燃焼ガスを発生し、高圧タービン（ＨＰＴ）に吐出されて圧縮機に動力を供給する。更にガスは、低圧タービン（ＬＰＴ）を通って吐出され、典型的には、ターボファン航空機エンジン応用において動力を供給する。
【０００３】
ＨＰＴロータブレードは、１つの駆動シャフトを通じて圧縮機の対応するロータブレードに動力を供給し、ＬＰＴロータブレードは、別の駆動シャフトを通じてファンブレードに動力を供給する。駆動シャフト及び関連するロータブレードは、エンジン内の対応するフレームにおいて支持された軸受に好適に装着される。
【０００４】
ＨＰＴ及びその駆動シャフトは、運転中に実質的に高い回転速度で動作し、ＬＰＴ及びその駆動シャフトは、相対的に低い回転速度で動作してファンブレードに動力を供給し、航空機のフライト中の推進効率を最大にするようにする。
【０００５】
タービンエンジンは、長手方向又は軸方向の中心軸の周りで軸対称であり、その多くの構成部品の次元構成において小振動の影響を受けやすい。従って、エンジン内の各回転段の重心は、中心軸から僅かにオフセット又は偏心している可能性があり、その結果、運転速度にわたり運転中のエンジンの対応する振動性アンバランスを生じることになる。
【０００６】
従って、公知の手法を用いてロータのアンバランスを測定し、次いで、エンジン内に補正バランスウェイトを設置して重心を中心軸線に近づけて、望ましくないレベルのアンバランスを低減することができる。
【０００７】
ガスタービンエンジンはロータブレードの多くの段を有するので、種々の段のいずれか１つ又はそれ以上でエンジンバランス調整を行う場合がある。しかしながら実際には、最新のガスタービンエンジンが本質的に複雑であることにより、回転する段のほとんどに対して遮られずにアクセスすることができず、バランス補正は、ファンなどのアクセス可能な段に適用されるのが一般的である。
【０００８】
各ロータ段が結果として生じるエンジンアンバランスの一因となっている可能性があるが、エンジンアンバランスを適切な小さなレベルまで低減するには、通常はエンジン全体を一面バランス調整することで十分である。
【０００９】
ガスタービンエンジンをバランス調整する１つの従来の方法においては、エンジンの振動又は振動性応答を検出するためにいずれか好適な位置に振動感知加速時計が設置される。エンジンのロータアンバランスは、対応するエンジンフレームにおける駆動シャフトを支持する軸受を通じて伝達されるので、振動センサは通常、振動応答を検出するために対応する支持フレームにおける軸受平面の１つに配置される。
【００１０】
従って、エンジンの全振動性応答は単一のセンサで測定することができ、該センサは、エンジン内の振動の種々の周波数を含む単一の振動信号を発生する。
【００１１】
ロータの重心アンバランスは、１回転に１回（１／回転）繰り返されるので、これは、全振動信号の基本又は同期振動成分をその高次高調波と共にもたらす。更に、エンジンの多くの回転成分の他の振動性応答もまた、対応する振動周波数でセンサにより検出される。
【００１２】
次いで、従来の手法を用いて、対応する固有周波数の多くの構成成分を全振動信号からフィルタ処理することができる。例えば、全振動信号の時間領域を共振応答の対応する振幅を有する周波数領域に変換するために、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が一般に使用される。
【００１３】
ファンと圧縮機駆動シャフトとは異なる回転速度で運転されるので、これらからの対応する同期振動が２つの別個の基本周波数にて生じ、従って、これらの対応するロータの対応する振動アンバランスを直接的に示すことになる。
【００１４】
比較的大型のファンは通常、これに応じたエンジン振動の大きな成分をもたらすので、ファン自体は、対応するバランスウェイトを用いてバランス調整し、エンジン振動レベル全体を低減するようにすることができる。
【００１５】
必要なバランス補正は、引用により本明細書に組み込まれる、刊行物「Ａ  Ｌｅａｓｔ■Ｓｑｕａｒｅｓ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ  Ｂａｌａｎｃｅ  Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｓ」Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ、Ａｕｇｕｓｔ  １９６４，  ｐｐ．  ２７３−２７９の論文においてＴｈｏｍａｓ  Ｐ．  Ｇｏｏｄｍａｎにより説明されたような、影響係数を用いた従来の方法で数学的に計算することができる。
【００１６】
このバランス調整技術では、サンプルバランスウェイトすなわち単位補正質量体がロータ上に設置され、ロータ振動に対する影響を測定する。バランスウェイトは、ロータの中心軸線から特定の半径の位置に配置されるので、その影響は質量及び半径で測定され、通常は、オンス−インチ又はｇ−ｃｍで表される。振動センサにより検出されるロータの結果として生じる振動は、例えば、対応する同期周波数においてミル単位の対応する振幅を有することになる。
【００１７】
従って、特定のロータの影響係数が既知となることによって、ロータアンバランスの一因となる測定振動応答をオフセットするための好適な補正バランスウェイトを決定することができる。
【００１８】
実際には、専用コンピュータの形態の振動モニタは、エンジンの振動応答をリアルタイムで自動的に監視するために最新のターボファン航空機エンジンにおいて一般的に使用されている。測定信号は、同期振動に対して周波数領域で分解される全振動を含む。各エンジンは最初に工場でバランス調整されるので、ロータ振動の監視を用いて、エンジン寿命全体にわたりアンバランスを増大させるエンジン変化を検出することができる。
【００１９】
この振動監視手法及び結果として生じるバランス調整において基本となるのは、駆動シャフトの様々な回転速度であり、これは、測定された全振動信号において様々な同期信号を生じる結果となり、これらは容易に識別可能である。
【００２０】
しかしながら、新しいタイプのターボファンエンジンでは、振動監視及び後続のバランス調整を行う上で特定の問題が生じる。アンダクテッドファン（ＵＤＦ）ターボファンエンジンにおいて、ＬＰＴは、対応するＬＰＴロータ上に支持され、アンダクテッドファンブレードの対応する列が半径方向外向きに延びた櫛形ロータブレードを含む特別な構成を有する。
【００２１】
２つのＬＰＴロータは、逆方向の等しい回転速度で反対方向に回転するように設計され、燃料消費率（ＳＦＣ）を改善する高い推進効率という特定の利点を有する。
【００２２】
エンジンは、航空機キャビン内に望ましくないノイズをもたらすことになる望ましくないうなりを低減又は阻止するため、２つのロータの回転速度を一致させるよう構成されたデジタルコンピュータコントローラを含む。
【００２３】
２つのロータは一致した運転速度を有するので、測定される振動応答は同じ周波数で発生することになり、よって、上述の従来の周波数解析手順を用いて２つのロータの個別の振動応答を互いに識別することが不可能になる。
【００２４】
従って、デュアルロータエンジンにおける振動を監視するための新しい周波数解析方法を可能にすることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２５】
【特許文献１】米国特許第４，９７６，１０２号公報
【特許文献２】米国特許第５，０２８，００１号公報
【特許文献３】米国特許第５，０７９，９１６号公報
【特許文献４】米国特許第５，１７２，３２５号公報
【特許文献５】米国特許第５，２１４，５８５号公報
【特許文献６】米国特許第５，７２４，２７１号公報
【特許文献７】米国特許第６，３４１，４１９  Ｂ１号公報
【特許文献８】米国特許第６，３５４，７８０  Ｂ１号公報
【特許文献９】米国特許第６，４４５，９９５  Ｂ１号公報
【特許文献１０】米国特許第６，６８４，６２６  Ｂ１号公報
【特許文献１１】米国特許第６，９０９，９４８  Ｂ２号公報
【特許文献１２】米国特許第６，９８３，１９９  Ｂ２号公報
【特許文献１３】米国特許第７，２４３，０２３  Ｂ２号公報
【非特許文献】
【００２６】
【非特許文献１】GOODMAN, T.P., "A Least-Squares Method for Computing Balance Corrections," Journal of Engineering for Industry, Aug. 1964, pp. 273-279
【発明の概要】
【００２７】
デュアルロータエンジンにおいて振動が監視される。運転中にエンジンの第１の全振動が測定される。次いで、２つのロータの相対位相をクロック制御し、次に、運転中にエンジンの第２の全振動が測定される。次に、第１及び第２の全振動から共通の応答周波数で第１及び第２の全アンバランスが測定される。次いで、第１及び第２の全アンバランスから対応するロータに対して第１及び第２のロータアンバランスが分解される。次いで、対応する補正バランスウェイトは、本方法の特定の種類において分解されたロータアンバランスを相殺ために決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】フライト中の航空機に動力を供給するための例示的なＵＤＦターボファンガスタービンエンジンの等角図。
【図２】エンジンの振動監視及びバランス調整の例示的な方法のフローチャートを含む、図１に示したターボファンエンジンの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明は、添付図面と関連させて行った以下の詳細な説明において、好ましい例示的な実施形態に従ってその更なる目的及び利点と共により具体的に説明する。
【００３０】
図１には、長手方向又は軸方向の中心軸線１２の周りで軸対称であるアンダクテッドファン（ＵＤＦ）ターボファン航空機エンジン１０が示されている。エンジンは、図２に概略的に示されており、最初に周囲空気１６を受け入れて加圧状態にする低圧ファン又はブースター圧縮機１４を含む。
【００３１】
ファン１４の後に多段高圧軸流圧縮機１８が続き、空気１６を更に加圧して、アニュラ型燃焼器内の燃料と混合され、高温の燃焼ガス２２を発生する。
【００３２】
高圧タービン（ＨＰＴ）２４は最初に、燃焼器から高温燃焼ガスを受け入れて、第１の駆動シャフト２６を通じて圧縮機１８に動力を供給する。
【００３３】
ＨＰＴ２４の後に中圧タービン（ＩＰＴ）２８が続き、第１の駆動シャフト２６の内側に同心状に配置された第２の駆動シャフト３０を通じてファン１４を駆動する。
【００３４】
ＩＰＴ２８の後に低圧タービン（ＬＰＴ）３２が続き、燃焼ガスを受け入れる。ＬＰＴは、第１の又は外側ロータ３３４と、第２の又は内側同軸ロータ３６とを含む。
【００３５】
第１のロータブレード３８の複数の段又は列は、第１のロータ３４から半径方向内向きに延びて、第２のロータ３６から半径方向外向きに延びる第２のロータブレード４０の対応する段又は列と互いにかみ合っている。
【００３６】
ロータブレードの各列に先行した対応するステータベーンを含む典型的なＬＰＴとは異なり、ＬＰＴ３２は、第２のロータブレード４０の対応する列に先行して、ステータベーンではなく第１のロータブレード３８を含む。
【００３７】
第１及び第２のロータブレード３８、４０の協働する段は、第１及び第２の支持ロータ３４、３６が逆方向の等しい回転速度（すなわち、Ｓ１＝−Ｓ２）で反対方向に回転するように構成される。
【００３８】
更に、第１のアンダクテッドファンブレードの前方列４２は、第１のＬＰＴロータ３４から半径方向外向きに延びて、該第１のＬＰＴロータ３４により支持される。
【００３９】
同様に、第２のアンダクテッドファンブレードの後方列４４は、第２のロータ３６から半径方向外向きに延びて、該第２のロータ３６により支持される。
【００４０】
ファンブレードの前方列及び後方列４２、４４は、エンジンナセルから半径方向外向きに延びて、これに対応して、逆方向の等しい回転速度による反対方向の回転で２つのＬＰＴロータ３４、３６により駆動される。
【００４１】
このＵＤＦターボファンエンジンは、本発明の出願人に譲受された米国特許第５，０７９，９１６号において最初に説明されており、別の様々な構成において他の登録特許の主題でもある。
【００４２】
ＵＤＦターボファンエンジンにおいて基本となるのは、２つのＬＰＴロータ３４、３６が一致した回転速度で反対方向に回転することである。
【００４３】
詳細には、エンジンは、最小回転速度から最大回転速度までエンジン１０の離陸による始動及び巡航運転を含む運転サイクル全体にわたってエンジンの運転を制御するよう特に構成されたデジタルコンピュータ又はコントローラ４６を含む。
【００４４】
コントローラは、例えば、対応するファンブレード４２、４４のピッチを変化させて、第２のブレード４４の回転速度Ｓ２が第１のブレード４２の回転速度Ｓ１と好適に小さな公差の範囲内で確実に一致するように、２つのＬＰＴロータ３４、３６の反対方向の回転を正確に制御する。例えば、２つのロータ３４、３６の回転速度は、１毎分回転数（ＲＰＭ）未満で制御することができる。
【００４５】
アンダクテッドファンの２つの列４２、４４は、エンジン運転中の推進推力の大部分を発生するほど比較的大きいので、これらはまた、エンジン振動応答及び何らかのアンバランスに大きく関わる可能性がある。
【００４６】
駆動シャフト２６、３０及び２つのロータ３４、３６は、種々のステータフレーム４８〜５４により支持された対応する軸受でエンジン内に好適に装着される。
【００４７】
例えば、第１の前方フレーム４８は、エンジンの入口端部に配置され、第２の駆動シャフト３０の前方端部を支持する。
【００４８】
第２の圧縮機フレーム５０は、低圧及び高圧圧縮機１４、１８間に装着され、第１の駆動シャフト２６の前方端部を支持する。
【００４９】
タービン中間フレーム５２は、ＨＰＴ２４とＩＰＴ２８との間の第３のフレームを提供し、２つの駆動シャフト２６、３０の後方端部を支持する。
【００５０】
更に、タービン後方フレーム５４は、ＩＰＴ２８とＬＰＴ３２との間の第４のフレームを提供し、ＬＰＴロータ３４、３６両方を支持する。
【００５１】
対応するロータブレード及びファンブレードを含む２つのＬＰＴロータ３４、３６は、エンジンの振動アンバランスに大きく関わる可能性があるので、その振動又はアンバランスを監視するのが望ましい。
【００５２】
従って、１つ又はそれ以上の振動センサ５６、５８をエンジン内のアクセス可能な位置に好適に装着又は取り付けて、特に２つのＬＰＴロータ３４、３６の回転に起因する振動を含む、全振動をエンジンの時間（Ｔ）の関数として測定することができる。２つのセンサ５、５８は、正確な加速時計のようなあらゆる従来構成を有することができ、前方フレーム４８及び後方フレーム５４内に好都合に装着し、これらフレームに伝達される全振動を測定することができる。
【００５３】
振動モニタ６０が２つのセンサ５６、５８に動作可能に結合され、エンジン運転中にこれらからの信号を受け取る。モニタ６０は、ハードウェア及びソフトウェアにおいて振動信号を電気的に高速処理するよう具体的に構成された専用デジタルコンピュータの形態が好ましい。モニタ６０は、要求に応じて、エンジン自体、又は支持パイロン、或いは航空機内に配置することができる。モニタ６０は、振動応答の信号強度及び成分に応じて、２つのセンサ５６、５８からの信号のいずれか又は両方を処理することができる。
【００５４】
図２は、例えばフライト状態にある航空機の巡航運転中の定常回転速度時を含む、回転運転中のガスタービンエンジン１０の振動、詳細にはアンバランスを監視する好ましい方法を概略的に示している。
【００５５】
振動モニタ６０は、２つのセンサ５６、５８のいずれか一方を用いて、ＬＰＴロータ３４、３６の回転中の第１の時間間隔（ｔ）にわたるエンジン１０の第１の全振動Ｔ１を最初に測定することができる。対応する測定振動信号により表される全振動は、第１のＬＰＴロータ３４に起因する第１のロータアンバランスＲ１に加えて第２のＬＰＴロータ３６に起因する第２のロータアンバランスＲ２を含み、或いはこれらによってもたらされることになる。
【００５６】
２つのロータ３４、３６は、逆方向の等しい回転速度Ｓ１、２（例えば、１２００ＲＰＭ）で動作するので、２つのロータに対して測定された振動は、同じ周波数（例えば、２０Ｈｚ）で生じることになる。
【００５７】
第１の回転振動Ｔ１は、２つのロータ３４、３６からの成分だけでなく、第１及び第２の駆動シャフ２６、３０からの付加的な成分、並びに測定されている集合的振動による全ての他の成分を含むことになる。
【００５８】
図２はまた、第１のロータ３４におけるあらゆるアンバランスが第１のロータアンバランスについてのベクトルＲ１により表すことができ、該ベクトルは運転中に一方向で第１のロータと共に回転することを概略的に示している。これに対応して、第２のロータ３６におけるあらゆるアンバランスは、第２のロータアンバランスについてのベクトルＲ２により表され、該ベクトルは、第１のロータアンバランスベクトルＲ１に対し反対方向又は逆方向に回転する。
【００５９】
対応する位相角で表されるように、２つのロータ３４、３６の相対位相Ｐをクロック制御することにより、構成されるロータアンバランス成分Ｒ１、２は、周波数応答が同じであるにもかかわらず互いに分解することができる。
【００６０】
２つのロータ３４、３６は、互いに独立して回転するので、これらを相対的にクロック制御して、いずれかの従来の手法で相対位相Ｐをもたらすことができ、この位相変化により、２つのアンバランスベクトルＲ１、２の相対回転位置がこれに応じて変化し、センサ５６、５８によって測定された全振動信号Ｔ（ｔ）に対する寄与度がこれに応じて変化する。
【００６１】
従って、エンジン１０の第２の全振動（Ｔ２）は、位相クロック制御に続いて、この場合もクロック制御された位相を有して２つのロータ３４、３６の連続した回転中にセンサ５６、５８により測定することができる。
【００６２】
第２の全振動Ｔ２は、対応する第２の時間間隔（ｔ）にわたって測定され、第１及び第２の全振動に対する測定された時間間隔は各々およそ数秒である。
【００６３】
構成される第１及び第２のロータアンバランスＲ１、Ｒ２は未知の変数であるので、これらは、測定され又は既知の全振動Ｔ１、２及び既知の相対位相Ｐから容易に解決又は導くことができる。
【００６４】
これは、含まれる好適な信号処理アルゴリズム又はソフトウェアを用いて振動モニタ６０において自動化することができる。
【００６５】
詳細には、共通の応答周波数での第１及び第２の全振動又はアンバランスＵ１、２は、測定された第１及び第２の全振動Ｔ１、２から分解することができる。換言すると、第１及び第２の全振動Ｔ１、２は、時間領域から分解してヘルツ（Ｈｚ）単位の周波数領域にすることができる。
【００６６】
上述のように、第１及び第２のロータアンバランスＲ１、Ｒ２は、例えば２０Ｈｚのような同じ基本又は同期周波数を有することになる。しかしながら、第１の同期全アンバランスＵ１は、構成されるロータアンバランスＲ１、２の１つの組み合わせを有することになり、第２の同期全アンバランスＵ２は、構成されるロータアンバランスＲ１、２の別の組み合わせを有することになるが、但し、これらの間には既知の相対位相角Ｐがある。
【００６７】
よって、第１及び第２のロータ３４、３６それぞれに対して、第１及び第２の成分ロータアンバランスＲ１、２を分解するための十分な情報が、既知の相対位相Ｐ及び測定された全アンバランスＵ１、２において存在する。
【００６８】
従って、振動モニタ６０は、従来通りに、最初に、全エンジン振動Ｔ（ｔ）を経時的に連続して測定し、これに応じて反対方向に回転するロータ３４、３６の関連同期周波数での全アンバランス信号Ｕ（Ｈｚ）を分解するよう構成することができる。このようにして、２つの集合的ロータ３４、３６の全振動又はアンバランスは、所定の最小値又は閾値を超える可能性のあるあらゆる全振動を含む、振動傾向について連続的に監視することができる。
【００６９】
次いで、例えば閾値を超えたときにエンジン１０の構成されるロータアンバランス６０を測定し更に分解するための特別な手法を導入することにより、振動モニタ６０は、運転サイクル全体にわたって稼働運転中の個々のロータ３４、３６のリアルタイム監視の付加的な技術的作用をもたらす。更に、監視される振動はまた、本明細書において以下で説明するように、２つのロータ３４、３６の初期バランス調整及びバランス再調整に利用することができる。
【００７０】
上述のように、エンジンコントローラ４６は、具体的には、２つのＬＰＴロータ３４、３６の一致した回転速度でエンジン１０を稼働するよう構成することができる。コントローラ４６はまた、２つの駆動シャフト２６、３０の動作及び速度も同様に制御することができる。第１の駆動シャフト２６は、圧縮機１８、燃焼器２０、及びＨＰＴ２４を含むコアエンジンで見出され、その回転速度はまた、コントローラ４６によって制御され、２つのＬＰＴロータ３４、３６の共通の回転速度よりも実質的に高速であり、よってこの共通の回転速度とは異なる。
【００７１】
従って、エンジン１０は、第１及び第２の振動測定中に２つのロータ３４、３６の一致した回転速度で稼働され、この測定は、振動応答の対応する周波数又は範囲にわたる回転成分全ての集合的振動信号に対して、第１の駆動シャフト２６の高速回転による振動成分と、第２の駆動シャフト３０の付加的な回転による振動成分とを付加的に含むことになる。
【００７２】
よって、測定される全振動Ｔ１、２は、回転するシャフト及びロータ全てからの振動応答を含むことになる。次いで、全振動はその同期成分に分解することができ、デュアルロータ３４、３６に対する共通の同期成分が、対応する第１及び第２の全振動Ｕ１、２のために選ばれる。
【００７３】
測定された全振動の非選択同期成分は、他の場合には、要求に応じてあらゆる従来の手法で用いることもできる。しかしながら、第１及び第２のロータアンバランスＲ１、２は、２つのロータ３４、３６の一致した回転速度で上述のように容易に分解することができる。
【００７４】
上述の連続した振動測定において基本となるのは、２つのロータ３４、３６間の公知のクロック制御である。モニタ６０は、具体的には、連続する測定時間又は間隔の間に２つのロータ３４、３６のクロック制御された相対位相によって、測定された全振動から第１及び第２の全アンバランスＵ１、２を分解するよう構成される。
【００７５】
従って、図２に示すエンジン１０はまた、好ましくは、２つのロータ３４、３６のそれぞれにおける回転位相インデックス又は基準部６６、６８を測定するため好適に装着され且つモニタ６０に動作可能に結合された対応する基準センサ６２、６４を含む。２つの基準センサ６２、６４は、２つのロータ３４、３６の円周周りの対応する位置にある簡単なノッチの形態とすることができ、２つのセンサ６２、６４は、対応する基準部６６、６８の回転平面に近接してエンジン１０に好適に装着される。
【００７６】
このようにして、１／ｒｅｖ信号は、対応する基準ノッチ６２、６４がセンサを通過するたびにセンサ６３、６４によって生成されて、個々のロータの回転位置の指標並びに検出されたロータアンバランスＲ１、２のそれぞれの位相角Ａ、Ｂに対する対応する基準点を提供する。
【００７７】
２つの基準センサ６３、６４を使用すると、２つのロータ３４、３６の相対位相Ｐは、
第１及び第２の全振動Ｔ１、２の連続した測定間にモニタ６０において予め設定されたようにオンデマンドでクロック制御することができる。オンデマンドでのクロック制御は、モニタ６０内で自動的又は周期的に行うことができ、或いはまた、保守技術者又は航空機パイロットなどのオペレータから手動のオンデマンドリクエストによって行うこともできる。
【００７８】
上述のように、エンジンコントローラ４６は、具体的に、運転中に２つのＬＰＴロータ３４、３６の回転速度を制御及び一致させるように構成される。振動モニタ６０はまた、エンジンコントローラ４６と協働し、連続する振動測定Ｔ１、２の間で２つのロータ３４、３６の所望の相対位相Ｐをオンデマンドでクロック制御するよう構成することができる。
【００７９】
例えば、コントローラは、第２のロータ３６の速度の僅かな増大（数ＲＰＭ）を短い間（数秒）に生じさせ、所望のクロック制御された位相Ｐをもたらすことができ、位相Ｐは、好ましい範囲が９０度から２７０度、全同期アンバランスＵ１、２における差違を最大にする好ましい値は１８０度である。
【００８０】
同様に、最初に測定された全振動Ｔ１、２はまた、増大された差違を有するロータ庵バランスＲ１、２からの成分を含むことになる。
【００８１】
クロック制御位相の導入は、反対方向に回転するファンブレード４２、４４からのあらゆる望ましくないうなりを防止するには十分に短い間であり、従って、航空機に搭乗している乗客には識別できないことになる。全振動Ｔ（ｔ）及びＵ（Ｈｚ）は連続的に監視されるのが好ましいので、オンデマンドクロック制御は、一回のフライトに１度、又は全振動が所定閾値を超えたときに制限することができ、望ましくないうなりが更に回避されることになる。
【００８２】
ロータのクロック制御に続いて、測定される第１及び第２の全振動Ｔ１、２は、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて好適にフィルタ処理され、第１及び第２の全アンバランスＵ１、２に対応するベクトル形式で同期振動を得ることができる。
【００８３】
最初のロータアンバランスＲ１、２は振幅と位相を備えた個々のベクトルであるので、これらは、第１及び第２の全アンバランスＵ１、２の構成する成分を形成する振幅及び位相を備えた対応する振動応答ベクトルをもたらす。換言すると、基礎となるロータアンバランス及び結果として得られた振動応答は、対応する位相角並びに運転中にはこれらの間に相対位相角を備えて、対応する複素ベクトルにより従来的に表すことができる。
【００８４】
従って、全アンバランスＵ１、２のベクトル分解は、対応する単一の処理又はソフトウェアにより振動モニタ６０に好都合に統合することができる。
【００８５】
より具体的には、第１及び第２のロータアンバランスＲ１、２は、最初に未知のベクトルであり、信号処理においてミル単位の振動振幅又はピーク及び対応する位相角として表すことができる。２つのロータアンバランスＲ１、２は、運転中互いに反対方向に回転するので、これらの相対位相に起因して互いに異なるように付加又は組み合わされることになる。
【００８６】
詳細には、これら２つのロータアンバランスＲ１、２は、測定によって得られる２つの既知の第１及び第２の全アンバランスＵ１、２を形成するように特異的に導入された既知の又はオンデマンドのクロック制御相対位相によって異なるように組み合わされる。従って、モニタ６０においてこれら未知のアンバランスＲ１、２を代数的に決定又は計算するために、未知のロータアンバランスＲ１、２に対して十分に既知の変数が利用可能である。
【００８７】
例えば、測定された第１の全アンバランスＵ１は、１つの式においてベクトル形式でロータアンバランスＲ１及びＲ２全てを含む、その構成要素の合計に等しい。
【００８８】
これに応じて、測定された第２の全アンバランスＵ２はまた、第２の式において第１及び第２のロータアンバランスＲ１及びＲ２を含むその同じ構成要素の合計に等しいが、第１の全アンバランスとは異なる位相位置にある。
【００８９】
しかしながら、ロータアンバランスＲ１及びＲ２は、反対方向に回転するベクトルであるので、対応する全アンバランスＵ１、２についての２つの式において異なるように組み合わされることになるが、但し、これらの間の相対位相Ｐは付加的な既知の変数であることを除く。
【００９０】
従って、結果として得られた２つの式及び２つの未知の要素を代数的に容易に決定し、２つのロータアンバランスＲ１、２の対応する値を求めることができる。
【００９１】
簡単な実施例において、第１のアンバランスＲ１は、５ミルの振幅を有することができ、第２のアンバランスＲ２は３ミルの振幅を有することができ、両方のアンバランスは、それぞれのロータ３４、３６上で反対方向に回転する。
【００９２】
２つのアンバランスが同相にある特定の条件において、第１の全アンバランスＵ１は、Ｒ１とＲ２の合計であり、振幅が８に等しい。これに応じて、第２の全アンバランスＵ２から１８０度位相がずれた２つのアンバランスの組み合わせは、Ｒ１とＲ２との間の差違であり、振幅２を有する。
【００９３】
この実施例に対する公知の解は、（Ｕ１＋Ｕ２）／２すなわち５であるとしてＲ１を算出し、（Ｕ１−Ｕ２）／２すなわち３であるとしてＲ２を算出する。
【００９４】
これに応じて、複素ベクトル変数Ｒ１及びＲ２は、測定され及び既知の値を有する対応する全アンバランスＵ１及びＵ２を生じる２つの式において様々な組み合わせからあらゆる既知の相対位相で容易に解決することができる。
【００９５】
従って、特別に構成された図２に示す振動モニタ６０により、反対方向に回転するデュアルＬＰＴロータ３４、３６並びに付加的な駆動シャフト２６、３０を含む、ＵＤＦエンジン１０における実際の稼働条件での振動の現場監視が可能になる。
【００９６】
全振動Ｔ１、２のデュアル測定及び介在ロータクロック制御によって、２つのロータ３４、３６に関連するものを含む、種々の共振振動成分の周波数分解が可能になる。
【００９７】
よって、２つのロータ３４、３６に対応する全振動アンバランスＵ１、２は、構成されるロータアンバランスＲ１及びＲ２に更に分解することができ、これらロータアンバランスは、航空機コックピット内に好都合に配置された対応するディスプレイモニタ７０で好都合に監視することができる。２つのＬＰＴロータ３４、３６の振動応答のリアルタイム監視は容易に行うことができ、振動が時間と共に増大する場合に特に重要であるエンジンの振動傾向の好都合な観測が可能になる。
【００９８】
しかしながら、振動モニタ６０は、製造時に元のターボファンエンジン１０に導入するのが好ましいので、エンジン自体の最初の及び後続のバランス調整に用いることができる。
【００９９】
従って、個々のアンバランスＲ１及びＲ２の算出に続いて、振動モニタ６０は、対応する第１及び第２のロータアンバランスＲ１、Ｒ２を抑制するよう、反対方向に対応する第１及び第２の補正バランスウェイトＣ１及びＣ２を加えることによって第１及び第２のロータ３４、３６をバランス調整するよう更に構成され且つ更に使用することができる。
【０１００】
上述のように、何らかの単一のロータアンバランスベクトルＲ１又はＲ２を用いて、通常は影響係数を含む既知の手順により対応する補正バランスウェイトを決定することができる。
【０１０１】
上記で決定された２つのロータアンバランスベクトルＲ１及びＲ２の各々に対して、対応するバランスウェイトＣ１、Ｃ２は、第１及び第２のロータアンバランスベクトルＲ１、Ｒ２の振動振幅に対する第１及び第２のロータ３４での補正質量に関する好適な影響係数から導出することができる。
【０１０２】
影響係数は、ウェイトＣ１、２の目的とするバランス平面、通常はファンブレードのハブの対応するロータのアクセス可能な位置にて既知のバランスウェイトを一時的に設置することによって決定することができる。次いで、エンジンは、一時的試験ウェイトを用いた速度で運転されて、例えば、対応するセンサ５６、５８での対応する振動の振幅を求める。
【０１０３】
このようにして、試験ウェイトを用いて、バランスウェイトＣ１、２とセンサ５６、５８での結果として生じる振動応答及び振幅との間の直接対応を、従って影響係数を決定することができる。
【０１０４】
更にこれに対応して、既知のロータアンバランスＲ１、２が振動モニタ５６、５８によって決定されると、このようにして決定された影響係数を用いて、必要な補正ウェイトＣ１、２を決定又は算出することができ、該補正ウェイトは、測定されたロータアンバランスＲ１、２と１８０度位相がずれた２つのロータの対応するバランス平面内に位置付けることができる。
【０１０５】
従って、第１及び第２のバランスウェイトＣ１、２が、対応する第１及び第２のロータアンバランスＲ１、２に対して１８０度位相がずれた位置でそれぞれ第１及び第２のロータ３４、３６に好適に取り付けられると、２つのＬＰＴロータ３４、３６が実質的にバランス調整されることになる。
【０１０６】
バランス調整後、振動モニタ６０は、２つのＬＰＴロータ３４、３６を含むエンジン１０の振動応答を連続して監視し、エンジン及びロータの工場製の初期バランス補正の何らかの変化を求めるために、エンジン及び航空機の作動寿命にわたって使用することができる。
【０１０７】
上述の振動監視手順は、一致した速度ＬＰＴロータ３４、３６のクロック制御された回転に依存するので、２つのロータのクロック制御は、自動化された周期的な形でオンデマンドに導入されるのが好ましい。
【０１０８】
しかしながら、２つのロータ３４、３６の相対位相Ｐは、他の場合には、必要に応じて第１及び第２の全振動Ｔ１、２を測定する間にランダムにクロック制御してもよい。
【０１０９】
例えば、２つの基準センサ６２、６４は、エンジン１０の通常回転運動中に２つのロータ３４、３６の対応する位相基準６６、６８を連続的に監視するのに用いることができる。
【０１１０】
エンジンの第１の全振動Ｔ１は、ロータ３４、３６の回転中に周期的に測定され、次いで、振動モニタ６０内部の好適なメモリデバイス内に繰り返し格納することができる。
【０１１１】
エンジンコントローラ４６は、２つのロータ３４、３６の運転速度を正確に制御するので、これらの間の相対位相角は、通常エンジン運転中に実質的に一定に維持され、或いは、僅かではあるがランダムに変化するように修正することができる。
【０１１２】
或いは、２つのロータ間の相対位相角Ｐは、エンジンの連続する運転停止動作の間、例えば、同じ日又は別の日の航空機フライト間で変化する可能性が最も高い。
【０１１３】
経時的に位相基準６６、６８を監視することによって、２つのロータ間の相対位相クロック制御が約９０度から約２７０度までの所定の範囲内、最も好ましくは１８０度であるときにこれら位相基準を求めることができる。
【０１１４】
位相クロック制御の発生を検出すると、運転中のエンジンにおいて第２の全振動Ｔ２が測定され、次いで、これを以前に記憶された第１の全振動Ｔ１と共に用いて、上述のように構成されるロータアンバランスＲ１及びＲ２の分解に続いて、周波数領域での２つの信号の分解を行うことができる。
【０１１５】
振動モニタ６０は、デジタルコンピュータの好ましい形態であるので、該モニタはまた、いずれかの必要な補正バランスウェイトＣ１及びＣ２を決定するための影響係数を適用することを含む、上述のような個々のロータアンバランスＲ１及びＲ２を分解するために、測定された第１及び第２の全振動Ｔ１、Ｔ２並びに協働する全パラメータをデジタル的に格納する好適なメモリデバイスを含むことになる。
【０１１６】
従って、反対方向に回転するＬＰＴロータ３４、３６の一致する速度運転、並びに結果として生じる共通の周波数振動応答にもかかわらず、２つのロータに対応する独立したロータアンバランスＲ１及びＲ２は、振動モニタ６０内に特異的に導入された簡単な２つの等式アルゴリズムに容易に分解することができる。
【０１１７】
また、第１及び第２のロータを有するエンジンにおける振動を監視する方法であって、前記ロータの回転中に前記エンジンの第１の全振動を測定する段階と、前記ロータの相対位相をクロック制御する段階と、前記クロック制御された位相を有した前記ロータの回転中に前記エンジンの第２の全振動を測定する段階と、前記測定された第１及び第２の全振動から共通の応答周波数で第１及び第２の全アンバランスを分解する段階と、前記第１及び第２の全アンバランスから前記第１及び第２のロータそれぞれについての第１及び第２のロータアンバランスを分解する段階と、を含む方法も本発明のひとつである。前記第１及び第２の振動測定中に前記ロータの一致した回転速度で前記エンジンを稼働する段階を更に含むことができる。また、前記測定された第１及び第２の全振動をフィルタ処理して、前記第１及び第２の全アンバランスに対応した同期振動をベクトル形式で得る段階を更に含むことができる。また、前記第１及び第２のロータアンバランスが最初に未知のベクトルであり、前記クロック制御された相対位相に起因して異なるように組み合わされて、前記第１及び第２の全アンバランスを形成し、前記第１及び第２の全アンバランス及びクロック制御された相対位相が、前記第１及び第２のロータアンバランスを代数的に分解するのに使用される既知の変数であってよい。また、前記対応する第１及び第２のロータアンバランスに対して反対方向に、第１及び第２の補正バランスウェイトをそれぞれ付加することによって前記第１及び第２のロータをバランス調整する段階を更に含むことができる。
【０１１８】
また、エンジンにおいて、第１及び第２のロータと、前記ロータの回転による全振動を測定するため前記エンジン内に装着された振動センサと、前記センサに動作可能に結合され、連続した回数で前記センサにより測定された対応する第１及び第２の全振動から共通の応答周波数で第１及び第２の全アンバランスを分解するよう構成され、更に、前記第１及び第２の全アンバランスから前記第１及び第２のロータについて第１及び第２のロータアンバランスを分解するよう構成された振動モニタと、を備えるエンジンも、本発明のひとつである。前記エンジンの運転中に前記ロータの回転速度が一致するよう構成されたコントローラを更に備え、前記モニタが、前記ロータの一致する回転速度で前記第１及び第２のロータアンバランスを分解するよう更に構成されることもできる。前記モニタが、前記連続する回数の間に前記ロータのクロック制御された相対位相により前記測定された振動から前記第１及び第２の全アンバランスを分解するよう更に構成されることもできる。前記モニタが、前記測定された第１及び第２の全振動をフィルタ処理して、前記第１及び第２の全アンバランスに対応した同期振動をベクトル形式で得るように更に構成されていてもよい。また、前記第１及び第２のロータアンバランスが最初に未知のベクトルであり、前記クロック制御された相対位相に起因して異なるように組み合わされて、前記第１及び第２の全アンバランスを形成し、前記第１及び第２の全アンバランス及びクロック制御された相対位相が、前記第１及び第２のロータアンバランスを代数的に分解するのに前記モニタにおいて使用される既知の変数であってもよい。また、前記対応する第１及び第２のロータアンバランスに対して反対方向に、前記第１及び第２のロータにそれぞれ付加される第１及び第２の補正バランスウェイトを更に備えることができる。
【０１１９】
本発明の好ましく例示的な実施形態とみなされるものについて本明細書で説明してきたが、当業者であれば、本明細による教示から本発明の他の修正形態が明らかになるはずであり、よって、全てのこのような変更形態は、本発明の技術思想及び技術的範囲内に属するものとして添付の請求項において保護されることが望まれる。
【０１２０】
従って、本特許出願によって保護されることを望むものは、添付の請求項に記載し且つ特定した発明である。
【符号の説明】
【０１２１】
１０  航空機エンジン
１２  中心軸線
１４  ブースター圧縮機
１６  空気
１８  圧縮機
２０  燃焼機
２２  燃焼ガス
２４  高圧タービン（ＨＰＴ）
２６  第１の駆動シャフト
２８  中圧タービン（ＩＰＴ）
３０  第２の駆動シャフト
３２  低圧力タービン（ＬＰＴ）
３４  外側ロータ
３６  内側ロータ
３８  第１のＬＰＴロータブレード
４０  第２のＬＰＴロータブレード
４２  第１のファンブレード
４４  第２のファンブレード
４６  コントローラ
４８  第１のフレーム
５０  第２のフレーム
５２  第３のフレーム
５４  第４のフレーム
５６  第１の振動センサ
５８  第２の振動センサ
６０  振動モニタ
６２  第１の基準センサ
６４  第２の基準センサ
６６  第１の基準部
６８  第２の基準部
７０  ディスプレイモニタ
【図１】
0005451164.tif 000002
【図２】
0005451164.tif 000003