(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ギヤボックス（３９）を備えるガスタービンエンジン（１０）内の音響信号（１０４）を監視するためのシステム（１００）であって、
前記音響信号（１０４）を放射するギヤボックス部品（３９）と、
前記音響信号（１０４）を検出し、かつ前記音響信号（１０４）の１つまたは複数の特性を示すマイクロフォン信号（１０６）を生成するマイクロフォン（１０２）と、
前記マイクロフォン信号（１０６）を受信するコントローラ（１０８）と、を含み、
前記コントローラ（１０８）は、
ギヤボックス・イベント・ピークを識別するために前記マイクロフォン信号（１０６）を解析し、
前記ギヤボックス・イベント・ピークが存在する場合には、前記ギヤボックス・イベント・ピークの振幅を定量化し、
前記ギヤボックス（３９）が保守を必要とするかどうかを判定するために、前記ギヤボックス・イベント・ピークの振幅をしきい値と比較するように構成され、
前記システムは、１つまたは複数の特定の周波数の音響信号を増幅する音響共振デバイス（１２８）をさらに含む、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステム（１００）であって、前記マイクロフォン（１０２）は、前記ギヤボックス（３９）から離間している、システム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステム（１００）であって、前記マイクロフォン（１０２）は、前記ガスタービンエンジン（１０）のケーシング（１８）に取り付けられている、システム。
【請求項４】
請求項２に記載のシステム（１００）であって、前記マイクロフォン（１０２）は、前記コントローラ（１０８）に直接取り付けられている、システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシステム（１００）であって、前記マイクロフォン信号（１０６）は、広帯域信号である、システム。
【請求項６】
ＬＰシャフト（３６）および／またはファンシャフト（３８）の回転速度を判定するようさらに構成された、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシステム（１００）
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のシステム（１００）であって、前記音響共振デバイス（１２８）は、前記ギヤボックス（３９）に直接取り付けられている、システム。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシステム（１００）であって、前記コントローラ（１０８）は、ＦＡＤＥＣ（全自動デジタル電子制御装置）（１０８）である、システム。
【請求項９】
ギヤボックス（３９）を備えるガスタービンエンジン（１０）内の音響信号（１０４）を監視するための方法（２００）であって、
前記ギヤボックス（３９）により放射された音響信号（１０４）をマイクロフォン（１０２）により検出するステップ（２０２）と、
音響共振デバイス（１２８）で１つまたは複数の特定の周波数の音響信号を増幅するステップと、
前記音響信号（１０４）の１つまたは複数の特性を示すマイクロフォン信号（１０６）を前記マイクロフォン（１０２）により生成するステップ（２０４）と、
ギヤボックス・イベント・ピークを識別するためにコントローラ（１０８）により前記マイクロフォン信号（１０６）を解析するステップ（２１８）と、  前記ギヤボックス・イベント・ピークが存在する場合には、前記コントローラ（１０８）により前記ギヤボックス・イベント・ピークの振幅を定量化するステップ（２２０）と、
前記ギヤボックス（３９）が保守を必要とするかどうかを判定するために、前記コントローラ（１０８）により前記ギヤボックス・イベント・ピークの振幅をしきい値と比較するステップ（２２２）と、を含む方法。
【請求項１０】
ＬＰシャフト（３６）および／またはファンシャフト（３８）の回転速度を判定するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的にはガスタービンエンジンに関する。より具体的には、本開示は、ガスタービンエンジンの１つまたは複数のギヤボックスの状態を監視するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、一般的に、流れの順に、圧縮機部、燃焼部、タービン部、および排気部を含む。動作時には、空気が圧縮機部の入口に入り、空気が燃焼部に到達するまで、１つまたは複数の軸流圧縮機が徐々に空気を圧縮する。燃料が圧縮空気と混合され、燃焼部内で燃焼し、それによって燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、タービン部内で画定された高温ガス流路を通って燃焼部から流れ、その後排気部を経由してタービン部から出る。
【０００３】
ガスタービンエンジンは、通常、シャフトおよび／または付属品の間で動力を伝達する１つまたは複数のギヤボックスを含む。たとえば、タービン部の低圧部分は、低圧シャフトを介して圧縮機部の低圧部分を駆動する。動力ギヤボックスまたは他の適切な減速ギヤボックスは、低圧シャフトからファンシャフトに動力を伝達して、ファンを駆動することができる。ガスタービンの動力ギヤボックスおよび他のギヤボックスは、種々のギヤ、シャフト、バルブ、ベアリング、締結具、および／または他の機械部品を含むことができる。この点で、保守または修理が必要かどうかを判定するために、ガスタービンエンジンの種々のギヤボックスを監視することが望ましい。
【０００４】
ガスタービンエンジンのギヤボックスの機械的健全性を監視するために、１つまたは複数のセンサを使用することができる。ギヤボックスの動作中に、これらのセンサは、ギヤボックスの動作によって放射される振動の音響放射の固有振動数（すなわち、スペクトル）を記録する。保守が必要とされない場合には、これらのセンサは、ギヤボックス動作中にベースライン周波数スペクトルを記録する。しかし、保守を必要とするギヤボックスの動作中には、保守を必要とする状態（たとえば、摩耗した部品）は、音響放射もしくは振動のバーストまたは連続、あるいは音響放射または振動振幅の増加を生成する場合がある。これらの状態は、保守を必要としないギヤボックスとは異なる固有振動数（「ギヤボックス・イベントピーク」）を示す。ギヤボックス・イベント・ピークの振幅の経時的な変化は、保守の必要性の程度を定量化するために使用することができる。残念なことに、固有振動数のスペクトルは、元の発生源から急速に減衰する場合がある。したがって、できるだけギヤボックスの近くに振動センサを配置することが一般に望ましい。この点で、特定のギヤボックスおよび他の部品を監視するための振動センサの能力は、熱暴露、スペース要件、および配線制約によって制限される。
【０００５】
さらに、他の音響放射から固有振動数および振幅を分離することは困難であり得る。通常、振動センサによって生成される信号は、広帯域の周波数コンテンツ（すなわち、広い周波数範囲にわたる多くの周波数）を含んでいる。固有振動数は、広帯域コンテンツ内の多くの周波数と混ざり合っている。固有振動数におけるギヤボックス・イベント・ピークはまた、必ずしも最大振幅を有しておらず、通常自明ではない。加えて、固有ギヤボックス振動数を放射する他の振動源が誤検出を導く可能性がある。たとえば、ガスタービンエンジンにおけるシャフトの回転速度の変動は、このような収差を引き起こす可能性がある。
【０００６】
したがって、振動センサを必要とすることなく広帯域信号から保守を必要とするギヤボックスの状態の固有振動数信号を確実に検出し分離する、ギヤボックスを監視するためのシステムおよび方法は。当該技術において歓迎されるであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第８８４３３４８号明細書
【発明の概要】
【０００８】
本発明の態様および利点は、その一部を以下の説明に記載しており、あるいはその説明から明らかになり、あるいは本発明の実施により学ぶことができる。
【０００９】
一態様では、本開示は、ガスタービンエンジン内の音響信号を監視するためのシステムを対象とする。システムは、音響信号を放射するガスタービンエンジン部品を含む。マイクロフォンは、音響信号を検出し、かつ音響信号の１つまたは複数の特性を示すマイクロフォン信号を生成する。コントローラは、マイクロフォン信号を受信し、ギヤボックス・イベント・ピークを識別するためにマイクロフォン信号を解析するように構成される。ギヤボックス・イベント・ピークが存在する場合には、コントローラは、ギヤボックス・イベント・ピークの振幅を定量化する。コントローラは、ガスタービンエンジン部品が保守を必要とするかどうかを判定するために、ギヤボックス・イベント・ピークの振幅をしきい値と比較する。
【００１０】
本開示の別の態様は、圧縮機部と、燃焼部と、タービン部と、を含むガスタービンエンジンを対象とする。ギヤボックスは、音響信号を放射する。マイクロフォンは、音響信号を検出し、かつ音響信号の１つまたは複数の特性を示すマイクロフォン信号を生成する。コントローラは、マイクロフォン信号を受信し、ギヤボックス・イベント・ピークを識別するためにマイクロフォン信号を解析するように構成される。ギヤボックス・イベント・ピークが存在する場合には、コントローラは、ギヤボックス・イベント・ピークの振幅を定量化する。コントローラは、ギヤボックスが保守を必要とするかどうかを判定するために、ギヤボックス・イベント・ピークの振幅をしきい値と比較する。
【００１１】
本開示のさらなる態様は、ガスタービンエンジン内の音響信号を監視するための方法を対象とする。本方法は、ガスタービンエンジン部品により放射された音響信号をマイクロフォンにより検出するステップを含む。マイクロフォン信号は、音響信号の１つまたは複数の特性を示し、マイクロフォンにより生成される。マイクロフォン信号は、ギヤボックス・イベント・ピークを識別するために、コントローラにより解析される。ギヤボックス・イベント・ピークが存在する場合には、ギヤボックス・イベント・ピークの振幅は、コントローラにより定量化される。ギヤボックス・イベント・ピークの振幅は、ガスタービンエンジン部品が保守を必要とするかどうかを判定するために、コントローラによりしきい値と比較される。
【００１２】
本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照して、より良く理解されよう。添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成するものであるが、本発明の実施形態を例示し、また説明とともに本発明の原理を説明する働きをする。
【００１３】
本発明の完全かつ可能な開示は、その最良の形態を含み、当業者に向けられて、本明細書に記載されており、それは以下の添付の図面を参照している。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本明細書で開示する実施形態による、例示的な高バイパスターボファン型ガスタービンエンジンの概略的な断面図である。
【図２】図１に示すターボファンの一部の拡大断面図であり、音響信号監視システムの位置特定部品を示す。
【図３】図２に一部を示す音響信号監視システムの模式図であり、その動作を示す。
【図４】動力ギヤボックスの模式図であり、それに直接取り付けられた音響共振デバイスを示す。
【図５】本明細書に開示する実施形態による、ギヤボックスにより放射される音響信号を監視するための方法を示すフローチャートである。
【図６】ギヤボックスによって放射される音響信号を検出するマイクロフォンによって生成されたマイクロフォン信号の例示的なグラフ表示である。
【図７】経時的なギヤボックス・イベント・ピーク値の振幅の例示的なグラフ表示である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本明細書および図面における符号の反復使用は、本発明の同じまたは類似の特徴もしくは要素を表すことを意図している。
【００１６】
ここで本発明の実施形態を詳細に参照するが、それの１つまたは複数の実施例を図面に示す。各実施例は本発明の説明のために提供するものであって、本発明を限定するものではない。実際、本発明の範囲または趣旨を逸脱せずに、様々な修正および変更が本発明において可能であることは、当業者にとって明らかであろう。たとえば、一実施形態の一部として図示または記載する特徴は、別の実施形態と共に用いて、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本発明は、添付の請求の範囲およびそれらの等価物の範囲に入るこのような修正および変更を包括することが意図されている。
【００１７】
本明細書で使用される「送信する」および「送信」という用語は、有線方式、無線方式、またはこれらの任意の組み合わせにより電子的に実行することができる任意のタイプの送信を意味する。本開示の範囲内の典型的な電子的送信は、多様な遠隔電子的送信方法、たとえばローカルもしくはワイドエリアネットワーク（ＬＡＮまたはＷＡＮ）ベースの、インターネットベースの、またはウェブベースの送信方法、ケーブルテレビまたは無線通信ネットワーク、あるいはその他の任意の適切な遠隔送信方法などを使用することにより行うことができる。
【００１８】
本明細書では、「ソフトウェア」という用語は、ロードされまたはインストールされた場合に、それらの命令を読み取ることができる装置、たとえばコンピュータまたは他のコンピュータプログラム読み取り装置などに動作命令を提供するプログラムされた機械可読言語または命令（たとえば、オブジェクトコード）の任意の形態を意味する。本明細書に開示する実施形態において有用なソフトウェアは、１つもしくは複数のＣＤ−ＲＯＭディスク、ハードディスク、または適切な不揮発性電子記憶媒体の他の形態に格納または常駐することができ、ならびに、それからロードまたはインストールすることができる。本明細書に開示する実施形態において有用なソフトウェアはまた、ダウンロードまたは遠隔送信の他の形態によってインストールすることができる。
【００１９】
本明細書に開示するギヤボックスを監視するためのシステムおよび方法は、ギヤボックスによって放射される音響信号を検出するためのマイクロフォンを含む。マイクロフォンは、ギヤボックスから離間している（すなわち、それから離れて置かれる）。マイクロフォンは、音響信号の特性を示すマイクロフォン信号を生成する。全自動デジタルエンジン制御装置は、ギヤボックスが保守を必要とするかどうかを判定するためにマイクロフォン信号を解析する。これに関して、本明細書に開示するシステムおよび方法は、振動センサを必要とすることなく広帯域音響信号から保守を必要とするギヤボックスの状態の固有振動数信号を確実に検出し分離する。
【００２０】
ここで図面を参照すると、図面全体を通して同じ符号は同じ要素を示しており、図１は、本明細書で開示する様々な実施形態を組み込むことができる、例示的な高バイパスターボファン型ガスタービンエンジン１０（「ターボファン１０」）の概略的な断面図である。図１に示すように、ターボファン１０は、参照のために、それを貫通して延びる長手方向または軸方向中心線１２を規定する。一般に、ターボファン１０は、ファン部１６の下流側に配置されたコアタービンまたはガスタービンエンジン１４を含むことができる。
【００２１】
コア・タービン・エンジン１４は、一般的に、環状入口２０を画定する実質的に管状の外側ケーシング１８を含むことができる。外側ケーシング１８は、単一のケーシングまたは複数のケーシングから形成することができる。外側ケーシング１８は、直列の流れの関係で、ブースタもしくは低圧圧縮機２２（「ＬＰ圧縮機２２」）および高圧圧縮機２４（「ＨＰ圧縮機２４」）を有する圧縮機部と、燃焼部２６と、高圧タービン２８（「ＨＰタービン２８」）および低圧タービン３０（「ＬＰタービン３０」）を有するタービン部と、排気部３２と、を取り囲む。高圧シャフトまたはスプール３４（「ＨＰシャフト３４」）は、ＨＰタービン２８とＨＰ圧縮機２４とを連結して駆動する。低圧シャフトまたはスプール３６（「ＬＰシャフト３６」）は、ＬＰタービン３０とＬＰ圧縮機２２とを連結して駆動する。ＬＰシャフト３６はまた、ファン部１６のファンスプールまたはシャフト３８（「ファンシャフト」）に結合することができる。いくつかの実施形態では、ＬＰシャフト３６は、動力ギヤボックスまたは減速ギヤ３９（「ＰＧＢ３９」）を介して間接駆動またはギヤ駆動構成でファンシャフト３８に結合することができる。代替的な構成では、ＬＰシャフト３６は、ファンシャフト３８に直接結合することができる（すなわち、直接駆動構成）。
【００２２】
図１に示すように、ファン部１６は、ファンシャフト３８に結合され、それから半径方向外向きに延在する複数のファンブレード４０を含む。環状ファンケーシングまたはナセル４２は、ファン部１６および／またはコアタービン１４の少なくとも一部を円周方向に囲む。ナセル４２は、円周方向に離間した複数の出口ガイドベーン４４によってコアタービン１４に対して支持され得る。さらに、ナセル４２の下流側部４６は、コアタービン１４の外側部分を囲み、その間にバイパス空気流路４８を画定することができる。
【００２３】
図１に示すように、空気５０は、動作中にターボファン１０の入口部分５２に入る。空気５０の第１の部分５４は、バイパス流路４８に流入し、空気５０の第２の部分５６は、ＬＰ圧縮機２２の入口２０に流入する。ＬＰシャフト３６に連結されたＬＰ圧縮機ステータベーン７０およびＬＰ圧縮機ロータブレード７２の１つまたは複数の連続した段は、ＨＰ圧縮機２４への途中でＬＰ圧縮機２２を通って流れる空気５０の第２の部分５６を段階的に圧縮する。次に、ＨＰシャフト３４に連結されたＨＰ圧縮機ステータベーン７４およびＨＰ圧縮機ロータブレード７６の１つまたは複数の連続した段は、ＨＰ圧縮機２４を通って流れる空気５０の第２の部分５６をさらに圧縮する。これによって燃焼部２６に圧縮空気５８を提供し、燃焼部２６では圧縮空気５８が燃料と混合されて燃焼し、燃焼ガス６０を提供する。
【００２４】
燃焼ガス６０は、ＨＰタービン２８を通って流れ、ＨＰシャフト３４に連結されたＨＰタービン・ステータ・ベーン６６およびＨＰタービン・ロータ・ブレード６８の１つまたは複数の連続した段は、それから運動エネルギーおよび／または熱エネルギーの第１の部分を抽出する。このエネルギー抽出は、ＨＰ圧縮機２４の動作を助ける。次に燃焼ガス６０は、ＬＰタービン３０を通って流れ、ＬＰシャフト３６に連結されたＬＰタービン・ステータ・ベーン６２およびＬＰタービン・ロータ・ブレード６４の１つまたは複数の連続した段は、それから熱エネルギーおよび／または運動エネルギーの第２の部分を抽出する。このエネルギー抽出によってＬＰシャフト３６が回転し、ＬＰ圧縮機２２の動作および／またはファンシャフト３８の回転を助ける。燃焼ガス６０は、次に排気部３２を通ってコアタービン１４から流出する。
【００２５】
ターボファン１０と共に、陸上用ガスタービン、空気５０の第２の部分５６に対する空気５０の第１の部分５４の比がターボファンよりも小さいターボジェットエンジン、およびファン部１６がナセル４２を欠いているアンダクテッドファンエンジンにおいて、コアタービン１４は同様の目的を果たし、また同様の環境を見ている。ターボファン、ターボジェット、およびアンダクテッドエンジンの各々では、減速装置（たとえば、ＰＧＢ３９）を任意のシャフトとスプールとの間に含むことができる。たとえば、ＰＧＢ３９は、ファン部１６のＬＰシャフト３６とファンシャフト３８との間に配置することができる。
【００２６】
図２および図３は、ターボファン１０に使用される音響信号監視システム１００を示す。より具体的には、図２は、ターボファン１０の一部の拡大断面図であり、音響信号監視システム１００の位置特定部品を示す。図３は、音響信号監視システム１００の模式図であり、その動作を示す。
【００２７】
音響信号監視システム１００について、ＬＰシャフト３６とファンシャフト３８とを連結するＰＧＢ３９によって生成された音響信号１０４を監視する文脈で以下に説明する。音響信号１０４は、動作中にＰＧＢ３９により放射される、保守の必要性を示すことができるノイズ、振動、または他の可聴信号である。しかし、代替的な実施形態では、音響信号監視システム１００は、補機ギヤボックス（図示せず）またはターボファン１０の他の任意のギヤボックスによって生成された音響信号を監視することができる。さらに、音響信号監視システム１００は、可動部品（たとえば、軸受）を有する任意の適切な部品によって生成された音響信号を監視することができる。
【００２８】
図２および図３を参照すると、音響信号監視システム１００は、ＰＧＢ３９によって放射される音響信号１０４を検出するマイクロフォン１０２を含む。マイクロフォン１０２は、音響信号１０４をマイクロフォン信号１０６に変換し、マイクロフォン信号１０６は、音響信号１０４の様々な特性（たとえば、周波数、振幅など）を示すデジタルまたはアナログの電子信号である。図２に示す実施形態では、マイクロフォン１０２は、ＨＰ圧縮機２４の前方部分近くの外側ケーシング１８に装着される。代替的な実施形態では、マイクロフォン１０２は、ナセル４２に装着されてもよい。にもかかわらず、マイクロフォン１０２は、ターボファン１０の任意の適切な部品に装着することができる。いかなる点においても、マイクロフォン１０２は、ＰＧＢ３９から離間している。したがって、マイクロフォン１０２は、ＰＧＢ３９に直接接触することなく、ＰＧＢ３９によって生成された音響信号１０４を検出することができる。マイクロフォン１０２は、任意の適切なタイプのマイクロフォン（たとえば、圧電マイクロフォン）であってもよい。
【００２９】
いくつかの実施形態では、音響信号監視システム１００は、音響信号１０４を増幅するための音響共振デバイス１２８を含むことができる。より具体的には、マイクロフォン１０２は、音響信号１０４を確実に検出するために、特定の実施形態ではＰＧＢ３９からあまりにも遠く離れて配置することができる。この点で、音響共振デバイス１２８は、関心のある１つまたは複数の特定の周波数の音響信号１０４を増幅する受動的機械デバイスであり、それによってマイクロフォン１０２は音響信号１０４を確実に検出することができる。図４に示す実施形態では、音響共振デバイス１２８はコーン１３０を有するスピーカである。別の実施形態では、音響共振デバイス１２８は、音叉または他の適切な受動的機械的増幅器とすることができる。音響共振デバイス１２８は、好ましくは、図４に示すようにＰＧＢ３９に直接装着される。ただし、音響共振デバイス１２８は、任意の適切な場所にも装着することができる。いくつかの実施形態は、複数の音響共振デバイス１２８を含むことができるが、他の実施形態は、１つまたは複数の音響共振デバイス１２８を含まなくてもよい。
【００３０】
音響信号監視システム１００はまた、マイクロフォン１０２からマイクロフォン信号１０６を受信する全自動デジタルエンジンコントローラまたはエンジン制御部１０８（「ＦＡＤＥＣ  １０８」）を含む。ＦＡＤＥＣ１０８は、プロセッサ１１０、ランダム・アクセス・メモリ１１２（「ＲＡＭ１１２」）および不揮発性記憶装置１１４（たとえば、ハードディスク、ソリッドステートドライブなど）を含む。ＦＡＤＥＣ１０８は、プロセッサ１１０によりリアルタイムでマイクロフォン信号１０６を解析し、記憶装置１１４にこの解析を格納することができる。あるいは、ＦＡＤＥＣ１０８は、マイクロフォン信号１０６を遠隔システム（たとえば、航空機がまだ空気中）に送信し、あるいは遠隔システムへの後の送信および／またはダウンロードのために（たとえば、航空機が着陸した後に）マイクロフォン信号１０６を格納することができる。いくつかの実施形態では、マイクロフォン信号１０６は、ポータブルコンピュータ（図示せず）に送信またはダウンロードすることができる。
【００３１】
プロセッサ１１０は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）もしくはその他のプログラマブルロジックデバイス、ディスクリートゲートもしくはトランジスタロジック、ディスクリートハードウェア構成要素、あるいは本明細書で説明する機能の性能を実行するまたは生じさせるように設計されプログラムされたそれらの任意の組み合わせを含むことができる。プロセッサはまた、マイクロプロセッサ、または上述したデバイス（たとえば、ＤＳＰとマイクロプロセッサとの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと併用する１つまたは複数のマイクロプロセッサ、あるいは他の任意のそのような構成）の組み合わせを含むことができる。
【００３２】
さらに、メモリデバイスは、一般に、限定はしないが、コンピュータ可読媒体（たとえば、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ））、コンピュータ可読不揮発性媒体（たとえば、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ、ＮＶＲＡＭ、またはＦＲＡＭ（登録商標））、コンパクトディスク読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、光磁気ディスク（ＭＯＤ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、および／または他の適切なメモリ素子を含むメモリ素子を含むことができる。メモリは、プロセッサにより実行することができる命令を含む、プロセッサによりアクセス可能な情報を格納することができる。たとえば、命令は、プロセッサによって実行された場合にプロセッサに動作を実行させるソフトウェアまたは任意の命令セットであってもよい。特定の実施形態では、命令は、たとえば、図５を参照して以下に説明する例示的な方法を実行するためにシステムを動作させるように構成されたソフトウェアパッケージを含む。
【００３３】
図２に示す実施形態では、ＦＡＤＥＣ１０８は、ＨＰ圧縮機２４の前方部分近くの外側ケーシング１８に装着される。この実施形態では、ＦＡＤＥＣ１０８は、ＦＡＤＥＣ１０８とマイクロフォン１０２とを電気的に結合するのに必要な配線長を短くするためにマイクロフォン１０２に近接して装着される。実際には、マイクロフォン１０２は、いくつかの実施形態ではＦＡＤＥＣ１０８に直接装着してもよい（図４）。にもかかわらず、ＦＡＤＥＣ１０８は、ターボファン１０のファンケーシング４２または他の任意の適切な部品に装着することができる。
【００３４】
いくつかの実施形態では、音響信号監視システム１００は、ＬＰシャフト３６および／またはファンシャフト３８の回転速度を判定することができる。この点では、図３に示す音響信号監視システム１００の実施形態は、ＬＰシャフト速度センサ１１４およびファンシャフト速度センサ１１６を含み、これらはＬＰシャフト３６およびファンシャフト３８の回転速度をそれぞれ測定する。ＬＰシャフト速度センサ１１４は、ＬＰシャフト３６の速度を示すＬＰシャフト速度信号１１８をＦＡＤＥＣ１０８に送信する。同様に、ファンシャフト速度センサ１１６は、ファンシャフト３８の速度を示すファンシャフト速度信号１２０をＦＡＤＥＣ１０８に送信する。ＬＰシャフト速度センサ１１４およびファンシャフト速度センサ１１６は、任意の適切なセンサ（たとえば、誘導ベースのセンサ）であってもよい。
【００３５】
マイクロフォン信号１０６は広帯域信号（たとえば、通常０〜約４０００Ｈｚ）なので、ＰＧＢ３９の関係するギヤボックス・イベント・ピークを直接識別することは通常困難であるかまたは不可能である。たとえば、マイクロフォン信号１０６における最も高い振幅を有するピークが常にギヤボックス・イベント・ピークであるとは限らない。したがって、ＦＡＤＥＣ１０８は、通常、広帯域マイクロフォン信号１０６を、ギヤボックス・イベント・ピークを含むことができる周波数のうちの１つまたは複数の狭帯域幅にフィルタリングする。より狭い帯域幅は、通常、ギヤボックス・イベント・ピークをより容易に識別し定量化することができる。広帯域信号および狭帯域信号の範囲は、ＰＧＢ３９内の動く部品（たとえば、ギヤ、軸受など）の数およびＬＰシャフト３６とファンシャフト３８との相対速度などの、種々の関連する要因に応じて上方または下方に変化することができる。
【００３６】
ＬＰシャフト速度信号１１８およびファンシャフト速度信号１２０は、ＬＰシャフト３６およびファンシャフト３８の速度をそれぞれ示し、ＰＧＢの健全性に関連するそれらの周波数に広帯域信号をフィルタリングするのを支援する。より具体的には、マイクロフォン信号１０６は、エンジン速度（すなわち、過渡的なエンジン速度状態）を変化させる期間中、あるいは一定または安定したエンジン速度（すなわち、定常状態のエンジン速度状態）の期間中に収集することができる。過渡的および定常状態の両方の条件下で収集されたマイクロフォン信号１０６の解析は、ＰＧＢ３９が保守を必要とするか否かを判定する際に有用であり得る。この判定は、通常、異常現象ではなく、データの十分なサンプルからの反復的かつ客観的な決定に基づいて、ＰＧＢ３９が保守を必要とすると判定されることを保証するために、ある期間にわたってマイクロフォン信号１０６の収集および解析を必要とする。
【００３７】
図５は、本明細書で開示する実施形態による、ＰＧＢ３９によって生成された音響信号１０４を監視する方法（２００）を示す。
【００３８】
ステップ（２０２）では、マイクロフォン１０２は、ＰＧＢ３９によって放射された音響信号１０４を検出する。ステップ（２０２）は、ＬＰシャフト速度センサ１１４およびファンシャフト速度センサ１１６を用いて、ＬＰシャフト３６の速度および／またはファンシャフト３８の速度をそれぞれ検出するステップを含むことができる。
【００３９】
ステップ（２０４）では、マイクロフォン１０２は、音響信号１０４の１つまたは複数の特性（たとえば、周波数、振幅など）を示すマイクロフォン信号１０６を生成する。ステップ（２０４）は、ＬＰシャフト速度センサ１１４およびファンシャフト速度センサ１１６を用いて、ＬＰシャフト速度信号１１８および／またはファンシャフト速度信号１２０をそれぞれ生成するステップを含むことができる。
【００４０】
ＦＡＤＥＣ１０８は、ステップ（２０６）においてマイクロフォン信号１０６のサンプルを受信する。いくつかの実施形態では、ＦＡＤＥＣ１０８はまた、ＬＰシャフト速度信号１１８およびファンシャフト速度信号１２０のサンプルをステップ（２０６）の一部として受信することができる。
【００４１】
ステップ（２０８）では、ＦＡＤＥＣ１０６は、サンプルが適切な過渡条件下で得られたかどうかを判定する初期クエリを実行する。サンプルが適切な過渡条件下で得られなかった（すなわち、ステップ（２０８）における「適切な過渡か？」に対する答えが「いいえ」である）場合には、ＦＡＤＥＣ１０８は、サンプルが適切な定常状態条件下で得られたかどうかを判定するために、ステップ（２１０）で別のクエリを実行する。サンプルが適切な過渡条件下で得られた（すなわち、ステップ（２０８）における「適切な過渡か？」に対する答えが「はい」である）場合には、以下でより詳細に説明するように、ＦＡＤＥＣ１０８は、ステップ（２１４）にしたがってサンプルを処理する。サンプルが適切な定常状態条件下で得られなかった（すなわち、ステップ（２１０）における「適切な定常状態か？」に対する答えが「いいえ」である）場合には、サンプルが信頼できるまたは同等の結果を提供しないので、ＦＡＤＥＣ１０８はステップ（２１２）でこれ以上サンプルを処理しない。サンプルが適切な定常状態条件下で得られた（すなわち、ステップ（２１０）における「適切な定常状態か？」に対する答えが「はい」）である）場合には、ＦＡＤＥＣ１０８は、ステップ（２１４）にしたがってサンプルを処理する。
【００４２】
ステップ（２１４）では、ＦＡＤＥＣ１０８は、高速フーリエ変換（「ＦＦＴ」）解析技術を使用してサンプルを解析し、マイクロフォン信号１０６のスペクトルまたはグラフィック表示を作成する。マイクロフォン信号１０６などの広帯域周期信号は、通常、多くの周波数の寄与を含む。ＦＦＴ解析は、広帯域信号内に存在する個々の周波数のスペクトルを提供し、各周波数の寄与の強さを示す。
【００４３】
典型的には、ターボファン１０の通常のＦＦＴは、固定周波数現象だけでなく、ＬＰシャフト３６およびファンシャフト３８に対応する整数および特定の非整数高調波などの予測可能なコンテンツを含む。１つまたは複数の固有振動数は、ギヤボックスの幾何学的形状およびシャフト速度に基づいてほぼ予測可能である。にもかかわらず、固有振動数は、ＰＧＢ３９のギヤの摩耗または他の状態に起因して変化し得る。さらに、固有振動数は、１次固有振動数より振幅が高い周波数側波帯を含む場合がある。したがって、通常、固有振動数を評価する必要があり、それは固有振動数および予測される変動および可能な側波帯を含んでいる。固有振動数範囲内のＦＦＴの一部は、さらなる評価のために抽出される。図６は、符号１２２で示す最も高い振幅を有するピークがギヤボックス・イベント・ピークに対応する例示的なＦＦＴのグラフ表示を示す。にもかかわらず、常にこのようになるとは限らない。
【００４４】
この点で、ＦＡＤＥＣ１０８は、ステップ（２１６）において広帯域マイクロフォン信号１０６をフィルタリングして、１つまたは複数のギヤボックス・イベント・ピークを含む狭帯域マイクロフォン信号を生成する。より具体的には、ギヤボックス・イベント・ピークの振幅が他の周波数成分より低い場合には、ＦＡＤＥＣ１０８は、他の周波数からギヤボックス・イベント・ピークを分離する。したがって、ＦＡＤＥＣ１０８は、ステップ（２１６）においてＦＦＴからＰＧＢ３９に関連付けられていない予測可能なすべてのコンテンツ（たとえば、ＬＰおよびファンシャフト速度に対応する周波数の整数および特定の非整数高調波、固定周波数現象など）を除去またはフィルタリングして、ギヤボックス・イベント・ピーク周波数を含む周波数の狭い帯域幅範囲を提供することにある。
【００４５】
ステップ（２１６）で既知の非ギヤボックス関連周波数をフィルタリングした後に、ＦＡＤＥＣ１０８は、ステップ（２１８）で狭帯域マイクロフォン信号を解析して、１つまたは複数のギヤボックス・イベント・ピークを識別する。ＦＡＤＥＣ１０８は、次にステップ（２２０）において固有振動数範囲の残りの最も高いピークの振幅および周波数を測定して、ギヤボックス・イベント・ピークの振幅を決定する。ステップ（２２０）は、振幅をギヤボックス・イベント・ピークとして、および周波数を固有振動数として記録するステップを含んでもよい。ギヤボックス・イベント・ピークの振幅を定量化した後に、ＦＡＤＥＣ１０８は、記憶装置１１４に定量化の結果をコンパイルし、格納することができる。
【００４６】
ステップ（２２２）では、ＦＡＤＥＣ１０８は、ギヤボックス・イベント・ピークの振幅をしきい値と比較して、ＰＧＢ３９が保守を必要とするかどうかを判定する。一実施形態では、ＦＡＤＥＣ１０８は、ギヤボックス・イベント・ピークの振幅が一貫した固有振動数での所定の場合の数についてのしきい値に達したか、またはそれを超えたかどうかを判定する。これは、通常、しきい値が一貫して到達または超えていることを示す反復された判定を含む。しきい値頻度基準に一貫して到達またはそれを超えている（すなわち、ステップ（２２２）に対する答えが「はい」である）場合には、適切なアクション（たとえば、ＰＧＢ３９の保守または修理）をとることができるようにメッセージ（たとえば、アラーム）がステップ（２２４）で発行される。しきい値頻度基準に一貫して到達またはそれを超えていない（すなわち、ステップ（２２２）に対する答えが「いいえ」である）場合には、方法（２００）は、ステップ（２１２）で終了する。所望であれば、ＦＡＤＥＣ１０８は、ステップ（２２４）において保守の必要度に応じて異なるレベルのメッセージ（たとえば、アラーム）のための複数のステップを含むことができる。
【００４７】
通常、ＦＡＤＥＣ１０８は、方法（２００）で多くのサンプルを解析して、ある期間にわたってギヤボックス・イベント・ピークの振幅値のプロットを得る。図７は、保守の必要度ならびに適切な保守作業、およびこの作業をいつ行うべきかを示す種々のしきい値基準線を含む例示的なグラフプロットを示す。たとえば符号１２４で示すラインは、警告しきい値（たとえば、ＰＧＢ３９が比較的早期に保守または修理を必要とする）を表し、符号１２６で示すラインは、警報しきい値（たとえば、ＰＧＢが直ちに保守または修理を必要とする）を表している。実際には、経時的に振幅値をプロットすることによって、ギヤボックスの保守の傾向を監視することが可能になり、適切な修正措置を取る際に十分な警告を提供することができる。
【００４８】
上でより詳細に説明したように、ＦＡＤＥＣ１０８は、ＰＧＢ３９の状態を監視し、保守または修理が望ましい時または必要とされる時を決定する。いくつかの実施形態では、ＦＡＤＥＣ１０８では、ステップ（２２４）において、特定の保守作業を実行するためのしきい値に到達したかまたはそれを超過したかどうかを示すメッセージを表示することができる。ＦＡＤＥＣ１０８はまた、収集または処理されたデータ（たとえば、マイクロフォン信号１０６）が別のシステム（たとえばポータブルコンピュータ）にダウンロードまたは送信されたというメッセージを発行することができる。あるいは、ＦＡＤＥＣ１０８は、収集または処理されたデータを単に格納することができる（すなわち、ステップ（１０８）において）。この収集または処理されたデータは、続いて、さらなる解析のためにダウンロードまたは送信されて、しきい値基準に到達またはそれを超える可能性が高い（ステップ（２１８））時、ならびに１つもしくは複数のレベルの保守または修理メッセージを発行すべき（ステップ（２２０））時を予測するために可能性のある傾向を判定することができる。たとえば、保守要員は、解析のためにポータブルコンピュータに収集または処理されたデータをダウンロードすることができる。保守要員は、このデータを他のＦＡＤＥＣからダウンロードされた他のデータと比較して、種々の航空機またはエンジンの保守の必要性を比較することができる。多数のエンジンおよび／または航空機からのデータを比較することにより、保守要員は保守の必要性をより良く予測することができる。
【００４９】
音響信号監視システム１００は、方法（２００）を実行するために、ＦＡＤＥＣ１０８へのインストールおよび使用のためにダウンロード可能なまたはインストール可能なソフトウェアを含むことができる。このソフトウェアは、ＦＡＤＥＣ１０８にダウンロードまたはインストールするための、および／またはＦＡＤＥＣ１０８でソフトウェアを使用するための命令セットが供給され、またはそれに関連付けることができ、それは、多ページマニュアルの１つまたは複数の紙に記載または印刷されたものであって、ソフトウェアが遠隔ダウンロードやインストールのために配置される場所（たとえば、サーバベースのウェブサイト）において、ソフトウェアが提供または販売されるパッケージング上またはその内部にあり、ならびに／あるいはソフトウェアがロードまたはインストールされる電子媒体（たとえば、ＣＤ−ＲＯＭディスク）、あるいはソフトウェアをどのようにロード、インストール、および／または使用するかに関する指示を提供するための他の任意の適切な方法である。
【００５０】
航空機ガスタービンエンジンのギヤボックスを監視する際に特に有用であるが、本明細書に開示する方法およびシステムはまた、蒸気タービンエンジン、ヘリコプタのギヤボックス、ガスタービン発電機、ポンプ、電気モータ、レシプロエンジンなどの他の機械に用いられる回転軸に取り付けられたギヤボックスおよび他の装置を監視するために使用することができ、この場合には、マイクロフォンは監視されているギヤボックスから離れて配置される。
【００５１】
本明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にある。
［実施態様１］
ガスタービンエンジン（１０）内の音響信号（１０４）を監視するためのシステム（１００）であって、
前記音響信号（１０４）を放射するガスタービンエンジン部品（３９）と、
前記音響信号（１０４）を検出し、かつ前記音響信号（１０４）の１つまたは複数の特性を示すマイクロフォン信号（１０６）を生成するマイクロフォン（１０２）と、
前記マイクロフォン信号（１０６）を受信するコントローラ（１０８）と、を含み、
前記コントローラ（１０８）は、
ギヤボックス・イベント・ピークを識別するために前記マイクロフォン信号（１０６）を解析し、
前記ギヤボックス・イベント・ピークが存在する場合には、前記ギヤボックス・イベント・ピークの振幅を定量化し、
前記ガスタービンエンジン部品（３９）が保守を必要とするかどうかを判定するために、前記ギヤボックス・イベント・ピークの振幅をしきい値と比較するように構成される、システム。
［実施態様２］
実施態様１に記載のシステム（１００）であって、前記マイクロフォン（１０２）は、前記ガスタービンエンジン部品（３９）から離間している、システム。
［実施態様３］
実施態様２に記載のシステム（１００）であって、前記マイクロフォン（１０２）は、前記ガスタービンエンジン（１０）のケーシング（１８）に取り付けられている、システム。
［実施態様４］
実施態様２に記載のシステム（１００）であって、前記マイクロフォン（１０２）は、前記コントローラ（１０８）に直接取り付けられている、システム。
［実施態様５］
実施態様１に記載のシステム（１００）であって、前記マイクロフォン信号（１０６）は、広帯域信号である、システム。
［実施態様６］
実施態様１に記載のシステム（１００）であって、音響共振デバイス（１２８）をさらに含むシステム。
［実施態様７］
実施態様６に記載のシステム（１００）であって、前記音響共振デバイス（１２８）は、前記ガスタービンエンジン部品（３９）に直接取り付けられている、システム。
［実施態様８］
実施態様１に記載のシステム（１００）であって、前記ガスタービンエンジン部品（３９）は、ギヤボックスを含む、システム。
［実施態様９］
実施態様１に記載のシステム（１００）であって、前記コントローラ（１０８）は、ＦＡＤＥＣ（全自動デジタル電子制御装置）（１０８）である、システム。
［実施態様１０］
ガスタービンエンジン（１０）であって、
圧縮機部（２２、２４）と、
燃焼部（２６）と、
タービン部（２８、３０）と、
音響信号（１０４）を放射するギヤボックスと、
前記音響信号（１０４）を検出し、かつ前記音響信号（１０４）の１つまたは複数の特性を示すマイクロフォン信号（１０６）を生成するマイクロフォン（１０２）と、
前記マイクロフォン信号（１０６）を受信するコントローラ（１０８）と、を含み、前記コントローラ（１０８）は、
ギヤボックス・イベント・ピークを識別するために前記マイクロフォン信号（１０６）を解析し、
前記ギヤボックス・イベント・ピークが存在する場合には、前記ギヤボックス・イベント・ピークの振幅を定量化し、
前記ギヤボックスが保守を必要とするかどうかを判定するために、前記ギヤボックス・イベント・ピークの前記振幅をしきい値と比較するように構成される、ガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１１］
実施態様１０に記載のガスタービンエンジン（１０）であって、前記マイクロフォン（１０２）は、前記ギヤボックスから離間している、ガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１２］
実施態様１１に記載のガスタービンエンジン（１０）であって、前記マイクロフォン（１０２）および前記コントローラ（１０８）は、前記ガスタービンエンジン（１０）のケーシングに取り付けられている、ガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１３］
実施態様１０に記載のガスタービンエンジン（１０）であって、前記ギヤボックスに直接取り付けられた音響共振デバイス（１２８）をさらに含むガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１４］
実施態様１０に記載のガスタービンエンジン（１０）であって、前記ギヤボックスは、低圧シャフト（３６）およびファンシャフト（３８）を結合する動力ギヤボックスを含む、ガスタービンエンジン（１０）。
［実施態様１５］
ガスタービンエンジン（１０）内の音響信号（１０４）を監視するための方法（２００）であって、
前記ガスタービンエンジン部品（３９）により放射された音響信号（１０４）をマイクロフォン（１０２）により検出するステップ（２０２）と、
前記音響信号（１０４）の１つまたは複数の特性を示すマイクロフォン信号（１０６）を前記マイクロフォン（１０２）により生成するステップ（２０４）と、
ギヤボックス・イベント・ピークを識別するためにコントローラ（１０８）により前記マイクロフォン信号（１０６）を解析するステップ（２１８）と、
前記ギヤボックス・イベント・ピークが存在する場合には、前記コントローラ（１０８）により前記ギヤボックス・イベント・ピークの振幅を定量化するステップ（２２０）と、
前記ガスタービンエンジン部品（３９）が保守を必要とするかどうかを判定するために、前記コントローラ（１０８）により前記ギヤボックス・イベント・ピークの振幅をしきい値と比較するステップ（２２２）と、を含む方法。
［実施態様１６］
実施態様１５に記載の方法であって、前記マイクロフォン信号（１０６）は、広帯域マイクロフォン信号（１０６）を含む、方法。
［実施態様１７］
実施態様１６に記載の方法であって、
前記ギヤボックス・イベント・ピークを含む狭帯域マイクロフォン信号（１０６）を生成するために、前記コントローラ（１０８）により前記広帯域マイクロフォン信号（１０６）をフィルタリングするステップをさらに含む方法。
［実施態様１８］
実施態様１５に記載の方法であって、
高速フーリエ変換解析技術を用いて、コントローラ（１０８）により前記マイクロフォン信号（１０６）のグラフィック表示を生成するステップをさらに含む方法。
［実施態様１９］
実施態様１５に記載の方法であって、
前記ギヤボックス・イベント・ピークの前記振幅が前記しきい値を超える場合には、前記コントローラ（１０８）によりメッセージを発行するステップをさらに含む方法。
［実施態様２０］
実施態様１５に記載の方法であって、前記ガスタービンエンジン部品（３９）は、ギヤボックスを含む、方法。
【符号の説明】
【００５２】
１０  ターボファン・ジェット・エンジン
１２  長手方向または軸方向中心線
１４  コアタービン、ガスタービンエンジン
１６  ファン部
１８  外側ケーシング
２０  環状入口
２２  低圧（ＬＰ）圧縮機
２４  高圧（ＨＰ）圧縮機
２６  燃焼部
２８  高圧（ＨＰ）タービン
３０  低圧（ＬＰ）タービン
３２  ジェット排気部
３４  高圧（ＨＰ）シャフトまたはスプール
３６  低圧（ＬＰ）シャフトまたはスプール
３８  ファンスプールまたはシャフト
４０  ファンブレード
４２  環状ファンケーシングまたはナセル
４４  出口ガイドベーン
４６  下流側部
４８  バイパス空気流路
５０  空気
５２  入口部分
５４  空気の第１の部分
５６  空気の第２の部分
５８  圧縮空気
６０  燃焼ガス
６２  ＬＰタービン・ステータ・ベーン
６４  ＬＰタービン・ロータ・ブレード
６６  ＨＰタービン・ステータ・ベーン
６８  ＨＰタービン・ロータ・ブレード
７０  ＬＰ圧縮機ステータベーン
７２  ＬＰ圧縮機ロータブレード
７４  ＨＰ圧縮機ステータベーン
７６  ＨＰ圧縮機ロータブレード
７８−９９  使用せず
１００  音響信号監視システム
１０２  マイクロフォン
１０４  音響信号
１０６  マイクロフォン信号
１０８  全自動デジタルエンジン制御装置
１１０  プロセッサ
１１１  ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）
１１２  記憶ドライブ
１１４  ＬＰシャフト速度センサ
１１６  ファンシャフト速度センサ
１１８  ＬＰシャフト速度信号
１２０  ファンシャフト速度信号
１２２  最大振幅を有するピーク
１２４  警告ライン
１２６  警報ライン
１２８  音響共振デバイス
１３０  コーン
【図１】
0006397523.tif 000002
【図２】
0006397523.tif 000003
【図３】
0006397523.tif 000004
【図４】
0006397523.tif 000005
【図５】
0006397523.tif 000006
【図６】
0006397523.tif 000007
【図７】
0006397523.tif 000008