(57)【要約】【課題】本明細書に記載した実施形態は、総括的には航空機エンジン（１０）の振動を測定する方法に関する。【解決手段】本明細書における１つの実施形態では、航空機エンジン（１０）に接続された及び／又は該航空機エンジン（１０）に近接近して配置されたエンジン監視システム（７５）が設けられる。また、エンジン監視システム（７５）内に間隙測定装置（４０）が設けられる。測隙計（４０）は、後で振動データに変換される間隙データを収集する。第１の部材と、第２の部材と、間隙測定装置（４０）を有する監視システムとを含む装置における振動を測定する方法は、前記第１及び第２の部材間の間隙を表す間隙データを収集する段階と、前記間隙データを振動データに変換する段階と、を含む。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材と、第２の部材と、間隙測定装置（４０）を有する監視システムとを含む装置における振動を測定する方法であって、
前記第１及び第２の部材間の間隙を表す間隙データを収集する段階と、
前記間隙データを振動データに変換する段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記装置が回転エンジン（１０）であり、前記第１の部材が、ブレード先端（２８）を含む少なくとも１つのロータブレード（２４）を有するロータ（２６）であり、また前記第２の部材が、前記ロータ（２６）及びブレード（２４）を囲むように該ロータ（２６）及びブレード（２４）の周りに配置されたケーシング（３３）であり、
前記収集する段階が、前記ブレード先端（２８）が前記間隙測定装置（４０）に近接して位置した時に前記間隙データを収集する段階をさらに含む、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記収集データが、該データを変換する前に、信号の形態で処理装置に通信される、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記変換する段階が、前記間隙データにアルゴリズムを適用する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記間隙データが、アナログ信号（８０）の形態になっており、前記変換する段階が、
前記アナログ信号（８０）を線形化ＡＣ信号（９０）に変換する段階と、
前記ＡＣ信号（９０）をＤＣ信号（１００）に変換する段階と、
前記ＤＣ信号（１００）にアルゴリズムを適用する段階と、を含む、
請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記変換する段階が、前記間隙データにフーリエ変換型のアルゴリズムを適用する段階を含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
第１の部材と第２の部材とを含む装置の振動を測定するための監視システム（７５）であって、
ａ）前記第１及び第２の部材間の間隙距離を表しかつアナログ信号（８０）の形態になった間隙データを収集するための、好ましくは測隙計である間隙測定装置（４０）と、
ｂ）前記間隙データを振動データに変換するための変換装置と、
を含むシステム。
【請求項８】
前記変換装置が、前記間隙データを振動データに変換するためのアルゴリズムをさらに含み、
前記アルゴリズムが、好ましくはフーリエ変換型、より好ましくは離散型フーリエ変換型、さらに好ましくは離散型高速フーリエ変換型のアルゴリズムである、
請求項７記載の監視システム（７５）。
【請求項９】
ロータ（２６）と、
前記ロータ（２６）上に配置されかつブレード先端（２８）を有する少なくとも１つのブレード（２４）と、
前記ロータ（２６）及びブレード（２４）を囲むケーシング（３３）と、
前記ケーシング（３３）及び少なくとも１つのロータブレード（２４）間の間隙を信号の形態で測定するための、好ましくは測隙計である間隙測定装置（４０）を含む監視システム（７５）と、
前記間隙データ信号をＤＣ信号に変換しかつ次に前記ＤＣ信号から振動データを抽出するための処理装置と、
を有するガスタービンエンジン（１０）。
【請求項１０】
前記間隙データが、各前記ブレード先端（２８）が前記間隙測定装置（４０）に接近した時に、各該ブレード（２４）について収集される、請求項９記載のガスタービンエンジン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動を監視するためのシステム及び方法に関する。より具体的には、本発明は、間隙データを収集する装置を使用しかつその間隙データを振動データに変換して振動が存在するか否か及びどの程度まで振動が存在するかを判定するようになった振動を監視するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械振動は、機械運転の共通の副生成物である。多くの機械では、適切な機械機能発揮と関連した許容振動の容認可能範囲が存在する。そのことは、特に、例えば回転エンジンのような回転部品を有する機械に当てはまる。機械、特に回転エンジンを適切に機能させるためには、その様々な内部部品間の適正間隙を維持しなければならない。様々な回転エンジンでは、ロータ又は回転部材は、外側ハウジング又はケーシング内に近接して収容されている。ロータ及びケーシング間の距離は一般的に、極めて小さい。運転間隙と呼ばれるこのケーシング及び回転部材間のギャップ又は距離は、連続的かつ効率的な機械の運転を保証するために、所定の許容可能限界値の範囲内に維持されることが重要である。
【０００３】
上述のような回転エンジンの実例には、高温ガスタービンエンジンがある。本明細書に記載したタイプの例示的な高温ガスタービンエンジンは、航空機ガスタービンエンジンである。そのようなエンジンでは、それから延びかつ間隔を置いて配置されたブレードの円周方向に延びる列を有するタービンホイール又はロータは、近接してケーシング内に収容されている。ケーシングは、ロータを囲んで、ブレードと共に高温ガス流路を形成する。高温ガスは、流路に沿って流れかつブレードに衝突して、タービンホイールを回転させ、この回転が次に、タービンホイールを回転させる。
【０００４】
ガスタービンエンジンの実例では、ブレードがケーシング内で回転する時に、ブレードとケーシングとの間の回転接触を回避するために、エンジン運転時に最小間隙ギャップを維持することが必要である。間隙が小さ過ぎる場合には、ブレードはケーシングに接触することになる。そのような接触は、構成要素部品の損傷、エンジン破損及び出力損失を発生させる可能性がある。それとは反対に、間隙が大き過ぎる状態になるのを許容した場合には、ガスタービンの燃料消費量が、増大することになる。従って、その運転時に、タービンホイールの運転間隙を厳密に監視することが必要である。
【０００５】
典型的な民間航空機エンジンは、エンジン振動を監視するために、加速度計及び関連する信号調整システムを使用し、これらのシステムは、そのような振動の表示を航空機搭乗員に提供する。殆どの最新式航空機振動監視システムは、航空機の本体内の電子機器室内に振動監視コンピュータを設置すると同時に、エンジン上に、一般的にはエンジンの外側ケーシング上に、加速度計を設置している。また、エンジン上に、エンジンストラット内に又は航空機電子機器室内に、増幅器のような初期信号調整ユニットを設置することができる。
【０００６】
一般にエンジン振動を追跡しかつ記録するために加速度計が使用されるが、それらの使用には、幾つかの欠点が付随する。加速度計は、直接ロータにおいてではなく、エンジンケーシングにおいて、振動を測定する。加速度計は、エンジンケーシングにおいて加速度を測定する。ケーシングは、２次振動源である。２次振動源においてよりも、回転エンジンの１次振動源において振動を測定することがより望ましい。また、加速度計を使用することは、エンジンに重量を付加する付加的なシステム構成要素となる。重量を考慮することは、エンジン燃料消費量及び効率に対してそれらが直接悪影響を与えるために、航空機にとって常に最も重要なものとなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
必要なものは、エンジン又は他の検知対象装置の運転効率に悪影響を与えないような、振動をより正確に追跡するためのシステムである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
１つの実施形態では、本発明は、装置における振動を測定する方法を含む。本方法は、振動用の監視システムを設ける段階を含み、監視システムは、振動データに変換される間隙データを収集する間隙測定装置を有する。
【０００９】
別の実施形態では、本発明は、回転エンジンの振動を測定するためのエンジン監視システムを提供する。本エンジン監視システムは、間隙データを収集するための測隙計を含む。間隙データは、アナログ信号の形態になっている。本システムは、アナログ信号を線形化するマイクロプロセッサを含む。線形化されると、このアナログ信号は、ＤＣ信号に変換される。次に、振動データは、このＤＣ信号から抽出される。
【００１０】
さらに別の実施形態では、本発明は、エンジン監視システムを含むガスタービンエンジンを提供する。エンジン監視システムは、間隙データを収集する測隙計を含む。間隙データは、アナログ信号の形態をとっている。エンジン監視システムは、アナログ信号を線形化する間隙コンピュータを有する。線形化されると、このアナログ信号は、ＤＣ信号に変換される。次に、振動データは、このＤＣ信号から抽出される。
【００１１】
ブレード先端及びエンジンケーシング間の間隙を測定しかつ次にそのデータを振動データに変換する間隙測定装置をエンジン監視システムの一部分として使用することによって、幾つかの利点が実現される。第１に、本発明のシステムは、従来型の加速度計ベースのシステムよりも重量が軽い。ガスタービンエンジンがまた、振動を測定するための加速度計を使用している場合には、本発明により、加速度計及びその付随装置の重量を排除することができる。第２に、本システムは、１つではなく２つの機能、すなわち振動監視及び間隙監視を提供する。第３に、間隙測定装置により収集したデータは、エンジン振動を監視するより正確な手段を提供する。間隙測定装置は、加速度計によって測定されるロータを囲むケーシングではなく、振動源であるロータの振動を直接測定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本明細書は、本発明を具体的に特定しかつ明白に特許請求した特許請求の範囲を伴っているが、本明細書に記載した実施形態は、同じ参照番号が同様の要素を示す添付の図と併せて以下の説明から一層良く理解されることになると信じている。
【００１３】
本明細書に記載した実施形態は総括的には、機械、具体的には回転エンジンまたより具体的には航空機エンジンの振動を測定するためのシステム及び方法に関する。１つの実施形態は、例えば高圧ガスタービンなどの航空機エンジンに接続された及び／又は該航空機エンジンに近接近して配置されたエンジン監視システムを設ける段階を含む。間隙測定装置は、エンジン監視システム内に設けられ、エンジンの相互関連部品に関連する間隙に関するデータを収集する。本明細書における本発明で使用する間隙測定装置は、測隙計であるのが好ましく、測隙計は、当業者には周知のタイプのものである。間隙測定データは、アナログ信号の形態で収集される。間隙データは、タービンブレード先端及びエンジンケーシング間の距離を表す。収集されると、間隙データを含むアナログ信号は処理され、その間隙データは、少なくとも１つの中央処理装置による１つ又はそれ以上のアルゴリズムによって振動データに変換される。次に、この振動データは、保存するか又は出力装置上に表示することができる。例えば、振動データは、コンピュータによって読み取りかつパイロット、エンジンオペレータ又は整備員による精査のために表示することができる。
【００１４】
本発明の１つの実施形態は、高圧ガスタービンについての振動監視システムの使用に関するものであるが、多数の装置、より具体的には相対可動部品を有する装置に本発明を直接適用することができることが、当業者には分かるであろう。また、本発明が、回転装置、具体的には回転タービンエンジンを使用した広範囲の産業にわたって、適用可能であり、それらの産業には、それに限定されないが航空、エネルギ、海運、化学製造及び工業生産が含まれることは、当業者には容易に分かるであろう。
【００１５】
一般に、本発明は、回転エンジンのような機械内の部品間の間隙を検知することによって振動測定を行うことができるあらゆる用途で使用することができる。図１は、そのような機械、より具体的にはガスタービンエンジン１０の概略図である。ガスタービンエンジン１０は、ファン組立体１２と、コアエンジン１３と、高圧圧縮機１４と、燃焼器１６とを含む。エンジン１０はまた、高圧タービン１８と、低圧タービン２０と、ブースタ２２とを含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４の配列を含む。各ファンブレードは、ブレード先端２８を有する。エンジン１０は、それを通して空気がエンジン内に流入する吸気側２７と、それを通して空気がエンジンから流出する排気側２９とを有する。エンジンロータ２６は、実質的にファンケース３２によって囲まれる。本明細書に記載したタイプの例示的なガスタービンエンジンは、オハイオ州シンシナティ所在のＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＧＥ９０−１１５Ｂ型である。ファン組立体１２とタービン２０とは、第１のロータシャフト３１を使用して連結される。圧縮機１４とタービン１８とは、第２のロータシャフト３３を使用して連結される。
【００１６】
運転時に、空気は、ファン組立体１２を通って、エンジン１０を貫通して延びる中心軸線３４にほぼ平行な方向に軸方向に流れる。空気は、ブースタ２２によって加圧され、この初期加圧空気は次に、高圧圧縮機１４によってさらに加圧される。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に送給され、燃焼器１６において、空気は燃料と混合される。燃焼器１６からの燃焼ガス（図１には図示せず）は、タービン１８及び２０を駆動し、タービン２０は、シャフト３１によってファン組立体１２を駆動する。
【００１７】
図２は、本発明の監視システムの１つの実施形態の概略図を示している。図２では、エンジン振動を監視するためのシステムは、参照符号７５で特定している。本システムは、ロータ周辺部に近接して設置された間隙測定装置４０を含む。本発明の好ましい実施形態を説明する目的では、間隙測定装置は、測隙計である。説明を進める場合に、装置４０は、測隙計又は間隙測定装置のいずれかとして呼ぶことができる。測隙計４０は、ケーシング３２内に少なくとも部分的に設置され、各ブレード先端２８が測隙計４０を通過する時に、各ブレード先端２８及び内側ケーシング壁３３間の距離を測定する。測隙計４０は、２つの相対可動部品間の間隙を測定するためのあらゆる適切な装置を含むことができる。
【００１８】
実際には、タービンブレード２４の先端２８の各通過と同時に、測隙計４０によって信号が生成される。運転時に、あらゆる数の信号を生成することができる。例えば、ロータ２６の各完全回転により、１つの信号を生成することができる。また、ブレード２４の各々は、測隙計４０を通過し、従ってそれ自体の信号を生成することができる。或いは、選択したブレード先端が測隙計を通過した時に、ブレードの全てよりも少ない数のブレードによって、信号を生成することができる。運転時に複数信号を生成することができるが、説明を進める場合に明瞭にする目的で、１つのブレード及び信号について説明することにする。測隙計４０によって生成された信号は、交流（ＡＣ）の形態のアナログ信号である。このアナログ信号は、測隙計４０から電源装置１５に移動する。システム７５の電源装置１５は、測隙計４０と信号受信関係で配置される。電源装置１５はまた、アナログ信号を安定化及び／又は強化する積分信号調整器を含むのが好ましい。信号調整器は、電源装置１５と一体形にするのではなく、電源装置１５とは別個の構成要素とすることができることを理解されたい。調整されると、アナログ信号は、間隙コンピュータ５０に移動させる。
【００１９】
間隙コンピュータ５０は、従来型のかつ公知のマイクロプロセッサを含み、電源装置１５によって給電される。電源装置はまた、測隙計にも給電する。コンピュータ５０は、測隙計４０及び電源ユニット１５と信号受信関係で設置される。使用時に、間隙データを含む信号は、間隙コンピュータ５０に通信され、間隙コンピュータ５０において、この信号は処理される。実際には、この処理は、各ブレード先端２８により生成されたアナログ信号を線形化する間隙コンピュータ５０を含む。電源ユニット１５から間隙コンピュータ５０に入力されるアナログ信号は、ケーシング３２及びタービンブレード先端２８間の間隙距離に線形比例していない。従って、間隙コンピュータ５０は、アナログ信号の電圧を変更して、その信号を線形にする。さらに、間隙コンピュータ５０は、フィルタ処理し、又は必要に応じて、それに限定されないが、増幅による信号強化のような付加的な従来型の信号処理を行うことができる。処理されても、間隙コンピュータ５０を出る信号は、依然としてアナログ形態であり、線形化交流（ＡＣ）信号である。
【００２０】
この線形化アナログ信号は、間隙コンピュータ５０から第２のマイクロプロセッサベースのシステム３０に通信される。システム３０において、線形化ＡＣ又はアナログ信号は、直流（ＤＣ）信号に変換される。システム３０は、所望のＡＣ−ＤＣ信号変換を行うようにプログラムされた第２のコンピュータである。また、システム３０内にプログラムされたアルゴリズムは、線形化アナログ信号によって表された間隙データを振動データに変換する。より具体的には、システム３０は、アナログＡＣ信号をＤＣ信号に変換しかつこのＤＣ信号から振動データを抽出する。この変換は、システム３０がそのコンプリケーティッド形態でのアナログ信号を受信しかつ低圧ロータ振動数、高圧ロータ振動数及び他のあらゆる関心がある振動数におけるロータ振動の振幅をその信号から抽出した時に達成される。「コンプリケーティッド」という用語は、多くのタイプの振動ノイズをアナログ信号上に重ねて置くことができることを意味する。
【００２１】
システム３０は、好ましくは、１つ又はそれ以上のフーリエ変換計算を使用して、適当なロータ振動数における振幅を抽出し、振動データを導き出す。上に示したように、測隙計４０によって生成された信号は、システム３０内で、アルゴリズムによって処理され、従ってＡＣ信号からＤＣ信号に変換される。測隙計４０から受信したアナログ信号に適用することができる適切なアルゴリズムには、それに限定されないが、高速フーリエ変換及び／又は離散型フーリエ変換が含まれる。そのようなアルゴリズムは、コンピュータプログラムにより容易に適用され、従って当技術分野において公知の適切な中央処理ユニットによって処理される。
【００２２】
測隙計４０からのデータを変換するのに有用である適切なフーリエ変換は、有限フーリエ変換とも呼ばれる離散型フーリエ変換（ＤＦＴ）である。この離散型フーリエ変換は、サンプル信号に含まれる周波数を解析するために、信号処理及び関連分野において広く使用されているフーリエ変換である。このＤＦＴは、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムを使用して計算することができる。例示的な離散型フーリエ変換式は、以下の通りであり、
【００２３】
【数１】
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ここで、ｅは自然対数の底、ｉは虚数単位（ｉ２＝−１）、及びπはＰｉ（すなわち、３．１４２）である。この変換は、Ｘ＝Ｆ（ｘ）又はＦｘとしてのように、記号Ｆによって示される場合がある。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）は、離散型フーリエ変換（ＤＦＴ）及びその逆変換を計算するアルゴリズムである。ＦＦＴは、デジタル信号処理、偏微分方程式の解法、又は大きな整数を迅速に乗算するアルゴリズムを含む、各種の応用において有用である。
【００２４】
図３は、測隙計４０によって生成されかつ次に振動データに変換される信号の変換過程を示すエンジン監視システムの概略図を示す。図示するように、測隙計４０により収集された未処理アナログ信号８０は、間隙コンピュータ５０に通信される。アナログ信号８０は、本明細書において先に説明したように、線形化されかつ次に線形化アナログ信号９０として航空機監視システム３０に通信される。航空機監視システム３０において、線形化アナログ信号９０は、例えばフーリエ変換型のアルゴリズムなどの１つ又はそれ以上のアルゴリズムによってＤＣ信号に変換される。この変換されたＤＣ信号１００は次に、振動データとして読取装置に通信される。
【００２５】
別の実施形態では、アナログ信号のＡＣ信号からＤＣ信号への変換及びそれからの振動データの抽出は、間隙コンピュータ５０のような単一のコンピュータ内で行うことができる。
【００２６】
間隙コンピュータ５０及びシステム３０は各々、それら装置を互いにバックアップとして動作させた状態で信号変換及びデータ抽出タスクを実施することができる。例えば、万一、間隙コンピュータ５０又はシステム３０のいずれかが故障した場合に、いずれかのシステムは、それ自体で別個に、ＡＣ信号をＤＣ信号に変換しかつ次にＤＣ信号から振動データを抽出することができる。データが抽出されると、いずれかのシステムは次に、このデータを、航空機監視システム或いは１人又はそれ以上のシステムオペレータに通信することができる。データ通信を測定対象の航空機の外部に行う場合には、そのような通信は、それに限定されないが衛星通信による無線通信、電波通信、赤外線通信、又はその他の公知の適切な通信方法を含む当技術分野における幾つかの公知の方法のいずれか１つにより行うことができる。
【００２７】
また、間隙コンピュータ５０によって通信する場合に、間隙データは、完全自動式デジタル電子制御システム２５（すなわち、ＦＡＤＥＣ）に通信し、さらに変換せずにそのアナログ形態に保つことができる（図２を参照）。ＦＡＤＥＣ２５は、航空機エンジン動作の全ての態様を制御するデジタルコンピュータ（いわゆるＥＥＣ（電子エンジン制御装置）又はＥＣＵ（電子制御装置））とその関連する付属品とを含むシステムである。例えば、ＦＡＤＥＣ２５は、可変ステータベーン（ＶＳＶ）及び可変抽気弁（ＶＢＶ）の制御、客室の通気、エンジンの始動及び再始動、タービンブレード及びベーンの冷却、ブレード先端間隙の制御、逆推力装置の制御、エンジン健全性の監視、オイルデブリの監視、並びに振動の監視などのような多数の制御を行いかつ機能を監視することができる。
【００２８】
間隙データは、リアルタイムに又はほぼリアルタイムに振動データに変換することができる。「リアルタイム」という用語は、現在起こっている事象が現時点におけるものである時間を意味する。或いは、履歴間隙データは、振動データに変換することができる。履歴間隙データとは、１つ又はそれ以上のアルゴリズムにより即時に振動データに変換されずに、間隙コンピュータ５０内に収集されかつ保存された間隙データのことである。この間隙データは、その後にユーザの選択で或いは間隙コンピュータ５０内又はシステム３０内の他の場所での事前計画機能によって、振動データに変換することができる。
【００２９】
本発明の特定の実施形態を図示しかつ説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から離れることなく、他の様々な変更又は修正を加えることができることは、当業者には自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】高圧ガスタービンの概略図。
【図２】図１の高圧タービンと組合せた測隙計を含むエンジン監視システムの概略図。
【図３】測隙計によって生成されかつ次に振動データに変換される信号の変換過程を示すエンジン監視システムの概略図。
【符号の説明】
【００３１】
１０  ガスタービンエンジン
１２  ファン組立体
１３  コアエンジン
１４  高圧圧縮機
１５  電源装置
１６  燃焼器
１８  高圧タービン
２０  低圧タービン
２２  ブースタ
２４  ファンブレード
２５  ＦＡＤＥＣ
２６  ロータディスク
２７  吸気側
２８  ブレード先端
２９  排気側
３０  システム
３１  第１のロータシャフト
３２  ファンケース
３３  第２のロータシャフト
３４  中心軸線
４０  間隙測定装置
５０  間隙コンピュータ
７５  システム
８０  未処理アナログ信号
９０  線形化アナログ信号
１００  変換ＤＣ信号
【図１】
2008180697.tif 000004
【図２】
2008180697.tif 000005
【図３】
2008180697.tif 000006
【外国語明細書】
2008180697000001.pdf