(57)【要約】【課題】  機械の構成部品に対する損傷を評価する方法７００が提供される。【解決手段】  この方法は、第１のパラメータ値インジケータに基づいて予測パラメータ値を計算する段階７０２と、第１のパラメータ値インジケータとは異なる第２のパラメータ値インジケータに基づいて実パラメータ値の推定値を計算する段階７０４と、該計算された予測パラメータ値が該実パラメータ値の計算された推定値と所定の範囲だけ異なるかどうかを判断する段階７０６と、比較の結果に基づいて損傷フラグを生成する段階７０８とを含む。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械の構成部品に対する損傷を評価する方法（７００）であって、
損傷症候に対応する第１のパラメータ値インジケータ（２０４）に基づいて予測パラメータ値を計算する段階（７０２）と、
前記第１のパラメータ値インジケータとは異なる第２のパラメータ値インジケータに基づいて実パラメータ値の推定値を計算する段階（７０４）と、
前記計算された予測パラメータ値が前記実パラメータ値の前記計算された推定値と所定の範囲だけ異なるかどうかを判断する段階（７０６）と、
前記比較の結果に基づいて損傷フラグを生成する段階（７０８）と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
実パラメータ値の推定値を計算する前記段階が、複数のパラメータ値インジケータに基づいて実パラメータ値の推定値を計算する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記機械が、可変面積排気ノズル（３０）を備えたガスタービンエンジン（１０）を含んでおり、予測パラメータ値を計算する前記段階が、有効排気ノズル面積の最大予測値を計算する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
実パラメータ値の推定値を計算する前記段階が、エンジンサイクル・データ入力値（２１２）に基づいて実有効ノズル面積の推定値を計算する段階を含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
実有効ノズル面積の推定値を計算する前記段階が、ロータ速度、ガス圧力、及び排気温度のうちの少なくとも１つに基づいて実有効ノズル面積の推定値を計算する段階を含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
実有効ノズル面積の推定値を計算する前記段階が、前記エンジンサイクル・データ入力値の線形関数、前記エンジンサイクル・データ入力値のニューラル・ネットワーク関数、及び前記エンジンサイクル・データ入力値の非線形関数のうちの少なくとも１つを演算する推定器（２０６）を使用して実有効ノズル面積の推定値を計算する段階を含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
無損傷エンジンからの実物エンジン・データ、損傷エンジンからの実物エンジン・データ、及び無損傷エンジンからのシミュレーテッド・エンジン・データのうちの少なくとも１つと、無損傷エンジンからのシミュレーテッド・エンジン・データとを使用して、前記推定器をトレーニングする段階を更に含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
推定器を使用して実有効ノズル面積の推定値を計算する前記段階が、入力値として上流パラメータ値インジケータを含む有効ノズル面積の物理学ベースのモデルを備えた推定器を使用して実有効ノズル面積の推定値を計算する段階を含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、エンジンに対する損傷を評価するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、航空機エンジンとしての推力の提供、及び／又は、陸上設置式動力システム及び／又は海上輸送用動力システムの両方における動力の発生のような、様々な環境で使用される。正常運転時に、ガスタービンエンジンは、周囲温度、圧力及び出力レベルにおいて大きな変化を受ける場合があり、そのような変化が通常運転時に発生した場合であっても、そのような変化は、エンジンダイナミックスに望ましくない変化をもたらす可能性がある。
【０００３】
エンジン効率を維持するのを可能にするために、少なくとも一部の公知のタービンエンジンは、制御装置を含み、この制御装置が、エンジンを絶えずモニタしてターボ機械の機械的限界、空力的限界、熱的限界、及び流量限界が維持されることを保証する。しかしながら、タービンエンジンの絶え間ないモニタにもかかわらず、制御装置による検出がなされないままに望ましくないエンジン性能を生じる場合がある。例えば、誤ったアクチュエータ位置フィードバック、又はアフタバーナダクト内の妨害物が原因となって、ガスタービンエンジンの可変排気ノズル（ＶＥＮ）が、該ＶＥＮの物理的検査が行われるまでは検出可能でない異常な挙動を示すようになる場合がある。しかしながら、異常な挙動を伴った状態で運転が続けられると、エンジンの運転性能に悪影響を与える可能性がある。
【０００４】
ガスタービンエンジンにおける可変面積排気ノズル（ＶＥＮ）は一般的に、エンジン内の圧力比を調整するように操作される。物理的には、ノズルの両側における圧力降下は、有効ノズル面積の変化に対応して変化し、そのことが、例えばファン作動線、及びコアエンジンの圧力比に影響を及ぼすことになる。公知のＶＥＮ制御論理は、位置センサの故障又はアクチュエータの故障を検出することができる。しかしながら、弾道損傷により生じる穴のようなより微妙な損傷シナリオは、ＶＥＮ位置を操作することによって補償されることになるが、その損傷は、必要とされる補償がＶＥＮの物理的限界値を超えない限り、制御論理によって検出されない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの態様において、機械の構成部品に対する損傷を評価する方法が提供される。この方法は、第１のパラメータ値インジケータに基づいて予測パラメータ値を計算する段階と、第１のパラメータ値インジケータとは異なる第２のパラメータ値インジケータに基づいて実パラメータ値の推定値を計算する段階と、該計算された予測パラメータ値が該実パラメータ値の計算された推定値と所定の範囲だけ異なるかどうかを判断する段階と、比較の結果に基づいて損傷フラグを生成する段階とを含む。
【０００６】
別の態様において、ガスタービンエンジンにおける損傷を検出するための装置が提供される。この装置は、プロセッサと該プロセッサに対して通信可能に連結されたメモリとを含む演算装置を含み、該プロセッサは、検出境界モジュール（ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｂｏｕｎｄａｒｙ  ｍｏｄｕｌｅ）と推定器と比較器とを含むソフトウエア製品コードセグメントを実行するようにプログラムされており、該演算装置が、エンジン内部の損傷を評価するようにプログラムされるようになる。
【０００７】
更に別の態様において、ガスタービン組立体が提供される。この組立体は、入口側と出口側とを含む可変面積排気ノズルと、プロセッサ及び該プロセッサに対して通信可能に連結されたメモリを含む演算装置とを含み、該プロセッサは、検出境界モジュールと推定器と比較器とを含むソフトウエア製品コードセグメントを実行するようにプログラムされており、該演算装置が、ガスタービン組立体内部の損傷を評価するようににプログラムされるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、ガスタービンエンジン１０の概略図であり、該ガスタービンエンジン１０は、ファン組立体１２、高圧圧縮機１４、及び燃焼器１６を含む。１つの実施形態において、エンジン１０は、オハイオ州シンシナチ所在のＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手できるＦ４１４型軍用航空機エンジンである。エンジン１０は更に、高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。ファン組立体１２とタービン２０とは、第１のシャフト２４によって連結され、また圧縮機１４とタービン１８とは、第２のシャフト２６によって連結される。
【０００９】
運転中、空気はファン組立体１２を通って流れ、加圧された空気は、ファン組立体１２から高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に供給される。燃焼器１６からの空気流は、回転タービン１８及び２０を駆動し、排気システム２８を通ってガスタービンエンジン１０から流出する。排気システム２８は、可変面積排気ノズル（ＶＥＮ）３０を含む。
【００１０】
図２は、図１に示すガスタービンエンジン１０で使用することができる可変面積排気ノズル損傷検出装置２００の例示的なブロック図である。損傷検出装置２００は、エンジン１０に連結され、かつ以下に説明するプロセスを実行するように構成されたプロセッサとして具体化することができる。本明細書で使用する場合、プロセッサという用語は、当該技術においてプロセッサと呼ばれるそれら集積回路だけに限定されるものではなく、広く、コンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラム可能な論理制御装置、特定用途向け集積回路、及びその他のプログラム可能な回路を意味する。例示的な実施形態においては、損傷検出装置２００は、オハイオ州シンシナチ所在のＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手できる全機能デジタル電子式制御装置（ＦＡＤＥＣ）として具体化される。損傷検出装置２００は、穴、タービン下流の物理的面積の増大及び／又は閉塞を引き起こすその他の損傷、誤った位置フィードバック信号、或いはタービン下流の物理的面積減少を引き起こすその他の損傷を含む潜在的な損傷ケースを識別するために使用される。損傷検出装置２００は、パラメータ値インジケータ（パラメータ値指標）２０４に対して通信可能に連結された検出境界モジュール２０２を含む。例示的な実施形態においては、ガスタービンエンジン１０は、ＶＥＮ２８を含み、またパラメータ値インジケータ２０４は、ノズルアクチュエータ位置フィードバック２０４である。別の実施形態においては、パラメータ値インジケータ２０４は、ノズルアクチュエータ位置フィードバックを推測するために使用されるエンジン行程パラメータを含むことができる。
【００１１】
有効面積推定器２０６は、エンジンサイクル・データを利用し、実ノズル面積によって影響を受けるエンジン行程パラメータによって暗に示されたノズル面積を判断する。比較器２０８は、検出境界モジュール２０２及び推定器２０６から信号を受信し、その受信した信号を互いに対してかつ所定の限界値に対して比較する。比較の結果が所定の限界値を超える場合には、損傷フラグ２１０が生成される。例示的な実施形態においては、有効ノズル面積の最大予測値が、パラメータ値インジケータ２０４に基づいて計算される。更に、他の運転条件情報を使用して、所望のパラメータ値インジケータが推測されることができる。より具体的には、最大予測値は、検出境界を示す。次ぎに、実有効ノズル面積の推定値が、例えばロータ速度、ガス圧力又は温度、エンジン出力、高度、マッハ数、及び燃料流量を含むエンジンサイクル・データ２１２を使用して、推定器２０６において計算される。有効ノズル面積の最大予測値と実有効ノズル面積の推定値とは、比較器２０８において比較され、推定された有効面積が検出境界よりも大きい場合、損傷フラグ２１０が生成される。
【００１２】
有効面積推定器２０６は、エンジンサイクル・データ２１２の関数として有効ノズル面積の推定値を生成する。例示的な実施形態においては、この関数は、入力値の単純線形関数である。別の実施形態においては、この関数は、ニューラル・ネットワークである。更に別の実施形態においては、この関数は、入力値の非線形関数である。更に、推定器２０６は、損傷を受けたエンジン１０及び損傷を受けていないエンジン１０両方の、実物エンジン・データ又はシミュレーテッド（シミュレーションされた）・エンジン・データを使用してトレーニングされることができる。更に別の実施形態においては、この関数は、入力値として上流パラメータを使用する、有効ノズル面積の物理学ベースのモデルとすることができる。
【００１３】
検出境界における有効ノズル面積の最小予測値を使用する類似の論理を使用して、ＶＥＮ又はアフタバーナダクトの閉塞又は誤った位置フィードバック信号を検出することができる。そのような条件の間には、有効ノズル面積は、アクチュエータ位置フィードバック値２０４に基づいて予測されたものよりも小さい。このような論理は、上述の「最大面積」論理と併せて使用することができ、またそのように使用することは、両タイプの論理の意図及び動作と整合している。
【００１４】
図３は、損傷検出装置２００がオハイオ州シンシナチ所在のＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手できる軍用航空機エンジン用ソフトウエアとして実行されるエンジン試験の例示的なトレース線を示すグラフ３００である。この試験は、エンジンサイクル・データとエンジン試験データとを含む。エンジン試験の間、アフタバーナダクト部分の側部内の既存の穴が露出され、それにより、タービン１８及び２０の下流の有効面積を増大させた。第１の穴は、４０秒（ｔ＝４０）の経過時間に先だって、試験初期段階における部分出力時に露出された。従って、グラフ３００に示すデータは、アフタバーナがシミュレーションされた既存のＶＥＮ損傷を含む状態を示す。エンジン１０が最大ドライ出力（ＩＲＰ）に達した後に、かつほぼ４７秒（ｔ＝４７）が経過した後に、エンジン１０によりアフタバーナ部分の後部近くに、付加的な穴が露出された。ファン速度トレース線３０２は、第２の穴の露出による有効ノズル面積の突然の増大に対するファン速度（ＱＮ２）の対応を示す。ＬＰタービン出口温度（ＱＴ５）のトレース線３０４は、ファン速度３０２における初期増大に対するＬＰタービン出口温度の対応を示す。トレース線３０６に示すように、ＬＰタービン出口圧力（ＱＰ５６）は、増大した排気面積に対応して最初は減少する。トレース線３０８は、排気ノズルアクチュエータ位置フィードバック（ＱＡ８Ｘ）の対応を示す。ＦＡＤＥＣが、増大した有効排気ノズル面積を検出し、次いで該増大した有効排気ノズル面積を補償するとき、制御システムが排気ノズルに閉鎖を指令する。排気ノズルが閉じると、トレース線３０２に示すようなファン速度と、トレース線３０４に示すようなＬＰタービン出口温度と、トレース線３０６に示すＬＰタービン出口圧力とが、それらの事象発生前の値近くの値に戻ることが分かるであろう。とりわけ、例示的なケースにおいては、シミュレーションされた損傷は、排気ノズル２８のその損傷を補正する能力限界を超えるほどには大きくなく、従って、その損傷は、物理的な検査が行われるまで検出されないままとなるであろう。
【００１５】
図４は、エンジン１０のアフタバーナダクト内に生じた穴のコンピュータシミュレーション試験の例示的なトレース線を示すグラフ４００である。図４は、アフタバーナダクト又はノズル面積中に２０ｉｎ２に等価な穴を投入した場合のシミュレーション結果を示す。運転条件は、図３に示すエンジン試験の条件と同様である。損傷は、５秒のマーク（ｔ＝５）のところで投入され、対応するトレース線４０２で示されたファン速度の増大と、トレース線４０４で示されたＬＰタービン出口温度の減少と、トレース線４０６で示されたＬＰタービン出口圧力の減少とが、ＦＡＤＥＣによって指令されたトレース線４０８に示した排気ノズル実面積の減少によって補償される。
【００１６】
図５は、エンジン試験データに対しての損傷検出装置２００の例示的な結果を示すグラフ５００である。グラフ５００は、スロットル位置（ＰＬＡ）のトレース線５０２と、有効排気ノズル面積（ＡＥ８）の推定値トレース線５０４と、ＡＥ８のマージントレース線５０６とを含む。トレース線５０４は、検出境界トレース線５０８を示し、この検出境界トレース線５０８は、Ａ８アクチュエータ位置フィードバックに基づいて計算された有効ノズル面積の推定値である。例示的な実施形態においては、検出境界トレース線５０８は、その中に組み込まれた付加的なマージンを含む。推定されたＡＥ８トレース線５１０は、エンジンサイクル・データ２１２に基づいた有効ノズル面積の推定値である。試験の初期段階（ｔ＝４０）においては、推定されたＡＥ８トレース線５１０は、第１の穴の露出により検出境界トレース線５０８よりも大きい。しかしながら、ほぼ４７秒の時間マーク（ｔ＝４７）のところで、第２の穴が露出される。推定されたＡＥ８トレース線５１０は、穴によってもたらされた付加的な排気面積により、最初は増大するように応答する。ＦＡＤＥＣが補償を開始すると、ＡＥ８推定値トレース線５１０と検出境界トレース線５０８とは、減少する。第２の穴が露出されると、推定されたＡＥ８トレース線５１０と検出境界トレース線５０８との間の差は、グラフ５０６によって示されるように、ほぼ３０ｉｎ２だけ変化する。ＡＥ８マージントレース線５０６は、ＡＥ８推定値トレース線５１０と検出境界トレース線５０８との間の差を示す。例示的な実施形態においては、ＡＥ８マージンのグラフによって示された信号は、損傷フラグ２１０を設定するために使用される。ノズル又はアフタバーナダクトの閉塞の場合には、ＡＥ８推定値グラフ５０６は、逆の方向に移動するトレース線を示すことになり、推定されたＡＥ８トレース線５１０と検出境界トレース線５０８との間の差が、正の基準方向に増大することになる。
【００１７】
図６は、シミュレーション・データに対して適用された損傷検出装置２００の結果のグラフ６００である。グラフ６００は、２０ｉｎ２の穴により生じることになる損傷トレース線６０２と４０ｉｎ２の穴により生じることになる損傷トレース線６０４とを示す。トレース線６０２及び６０４の各々は、検出境界トレース線６０６及び６０８と、推定されたＡＥ８トレース線６１０及び６１２と、ＡＥ８トレース線６１４及び６１６とを含む。シミュレーション結果は、シミュレーションされた既存の損傷が存在していないことを除いて、図５に示したエンジン試験データと類似の挙動を示し、従って、推定されたＡＥ８トレース線６１０、６１２は、ＡＥ８トレース線６１４、６１６にほぼ等しい。シミュレーションの間にほぼ５秒の時間が経過した後に、２０ｉｎ２の穴及び４０ｉｎ２の穴に対応する、エンジンに対する損傷が、それぞれトレース線６０２及び６０４に示されるようにシミュレーションされる。それぞれのシミュレーションにおいて、推定されたＡＥ８トレース線６１０、６１２及びＡＥ８トレース線６１４、６１６は、シミュレーションされた損傷がエンジン１０を通るより多くの流量を可能にするような大きなノズル面積を示すので、急激に増大する。ＦＡＤＥＣは、排気ノズル２８を閉じ、ノズル面積を減少させ、エンジン１０を通る流量を制限することによってエンジンを通る増大した流量を補償する。
【００１８】
図７は、図２に示す損傷検出装置の損傷評価プロセス７００についてのプロセス流れ図である。プロセス７００は、損傷症候に対応する第１のパラメータ値インジケータ２０４に基づいて、予測パラメータ値を計算７０２する。例示的な実施形態においては、第１のパラメータ値インジケータ２０４は、ガスタービンエンジンの排気ノズルアクチュエータに対する位置フィードバック信号である。別の実施形態においては、第１のパラメータ値インジケータ２０４は、任意のモニタされたパラメータ又は他のモニタされたパラメータから推測できるパラメータとすることができる。エンジンのアフタバーナダクトの壁における穴のような、１つの公知の損傷シナリオにおいては、エンジンＦＡＤＥＣが排気ノズルを閉鎖させることによって穴に対する補償を行うので、ガスタービンエンジン排気ノズルアクチュエータの位置フィードバック信号を選択することができる。位置フィードバック信号は、エンジンに対する損傷に対応してノズルを再配置することを示す。実パラメータ値の推定値は、第２のパラメータ値インジケータに基づいて計算７０４される。例示的な実施形態においては、第２のパラメータ値インジケータは、機械パラメータをモニタする複数のセンサであり、該機械パラメータは、実パラメータ値の推定値を推測するために組み合わされることができる。別の実施形態においては、第２のパラメータ値インジケータは、第１のパラメータ値インジケータと同一のパラメータをモニタする冗長センサとすることができる。計算された予測パラメータ値の結果は、所定の限界値に基づいて、実パラメータ値の計算された推定値と比較７０６される。比較の結果がその限界範囲を超える場合には、損傷フラグが生成７０８される。損傷フラグ７０８は、穴又はその他の過剰流量状態を示すことができるか、或いはアフタバーナダクトの閉塞又は誤ったアクチュエータ位置フィードバックを示すことができる。損傷フラグ７０８は、自動補正動作を開始するために、視覚的及び／又は音響の警告を合図するために、また故障記録への記入事項を書き込むために使用されることができ、或いは、損傷フラグ７０８を他のフラグと協働させて使用して、エンジン問題を診断し、及び／又は、監視制御システム及び／又は人間であるオペレータに対して該エンジン問題を報告することができる。
【００１９】
上述の損傷検出システムは、費用効果がありかつ高い信頼性がある。各システムは、パラメータ値インジケータに対して通信可能に連結された検出境界モジュールと、ノズル面積を求めるための有効面積推定器と、検出境界モジュール及び推定器から信号を受信してその受信した信号を互いに対してかつ所定の限界値に対して比較する比較器とを含む。比較の結果が限界範囲を超える場合には、損傷フラグが生成される。従って、損傷検出システムは、費用効果がありかつ信頼性がある方法で、機械、特にガスタービンエンジンの運転及び保守を可能にする。
【００２０】
損傷検出システムの構成要素の例示的な実施形態を上に詳細に説明した。構成要素は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各システムの構成要素は、本明細書に記載した他の構成要素とは独立してかつ個別に利用することができる。各損傷検出システムの構成要素はまた、他の損傷検出システムの構成要素と組み合わせて使用することもできる。
【００２１】
特許請求の範囲に示した参照符合は、本発明の技術的範囲を狭めることを意図するものではなく、それらを容易に理解するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ガスタービンエンジンの概略図。
【図２】図１に示すガスタービンエンジンで使用することができる可変面積排気ノズル損傷検出装置の例示的なブロック図。
【図３】エンジン試験の例示的なトレース線を示すグラフ。
【図４】エンジンのアフタバーナダクト内に生じた穴のコンピュータシミュレーション試験の例示的なトレース線を示すグラフ。
【図５】エンジン試験データに対しての損傷検出装置の結果の例示的なトレース線を示すグラフ。
【図６】シミュレーション・データに適用された損傷検出装置の結果の例示的なトレース線を示すグラフ。
【図７】図２に示す損傷検出装置の損傷評価プロセスについてのプロセス流れ図。
【符号の説明】
【００２３】
２０２  検出境界
２０４  パラメータ値インジケータ
２０６  有効面積推定器
２０８  判断論理
２１０  損傷フラグ
２１２  エンジンサイクル・データ
【図１】
2004263692.tif 000003
【図２】
2004263692.tif 000004
【図３】
2004263692.tif 000005
【図４】
2004263692.tif 000006
【図５】
2004263692.tif 000007
【図６】
2004263692.tif 000008
【図７】
2004263692.tif 000009
【外国語明細書】
2004263692000001.pdf