(57)【要約】【課題】１つまたは複数のロータリー部材を有する装置の回転計のデータおよび振動応答のデータを分析する方法を提供する。この方法は、前記装置のロ−タリー部材の回転速度が変化する期間に渡り、装置の振動応答データおよび回転計のデータを用意するステップであって、回転計のデータは部材に対応する、データを用意するステップと、前記期間渡って、回転計のデータから部材のフォーシング周波数を求め、かつ振動応答データから装置の振動応答周波数を求めるサブステップと、フィーシング周波数と振動応答周波数とを比較して、これらの周波数間の相対位相差を求めるサブステップと、振動応答データから振動応答の振幅を求めるサブステップと、を定期的に繰り返し実行するステップと、極線図上に相対位相差および振動振幅をプロットするステップと、を含む。プロットした軌線は前記期間における装置の動作の特徴を示す。【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つまたは複数のロータリー部材を有する装置の回転計のデータおよび振動応答データを分析する方法であって、
前記装置のロ−タリー部材の回転速度が変化する期間に渡り、前記装置の振動応答データおよび回転計のデータを用意するステップであって、前記回転計のデータは前記部材に対応する、データを用意するステップと、
前記期間渡って、
前記回転計のデータから前記部材のフォーシング周波数を求め、かつ前記振動応答データから前記装置の振動応答周波数を求めるサブステップと、
前記フィーシング周波数と前記振動応答周波数とを比較して、これらの周波数間の相対位相差を求めるサブステップと、
前記振動応答データから振動応答の振幅を求めるサブステップと、
を定期的に繰り返し実行するステップと、
極線図上に前記相対位相差および前記振動振幅をプロットするステップと、
を含み、プロットした軌線は前記期間における前記装置の動作の特徴を示すことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記装置の回転速度の変化が同じになる周期に渡り、前記プロットした軌線とリファレンス軌線とを比較するステップを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記振動応答データおよび前記回転計のデータは、個別に取得されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記装置はガスタービンエンジンであることを特徴とする先行する請求項の何れか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記ロータリー部材は前記エンジンのタービンドライブシャフトであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記回転計のデータは、前記部材の絶対ロータリー位置を提供しないことを特徴とする先行する請求項の何れか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記フォーシング周波数と前記振動応答周波数の前記相対位相差を求めるために、これらの周波数を時間領域で比較することを特徴とする先行する請求項の何れか１項に記載の方法。
【請求項８】
請求項１ないし７の何れか１項に記載の方法を実行するように動作可能に構成されたコンピュータシステム。
【請求項９】
請求項１ないし７の何れか１項に記載の方法を実行するためのコンピュータコードを搭載したコンピュータ可読媒体。
【請求項１０】
請求項１ないし７の何れか１項に記載の方法を実行するためのコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つまたは複数のロータリー部材を有する装置の回転計のデータおよび振動データを分析する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンなどのロータリー部材を有する装置には、これらの部材の角速度、それゆえエンジン速度に関係した周波数で振動する力が作用する。この周波数は、従来からエンジン次数フォーシング周波数（engine order forcing frequencies）として知られており、各エンジン次数は特定の部材の回転周波数（あるいは基本周波数の低調波または高調波）に対応し、振動する力をエンジンに加えている。
【０００３】
この力により、例えば、エンジンが特定のシャフト上で不均衡になるため、エンジン部材の強度が不規則になる可能性があり、更に（ガスタービンエンジンの場合には特に）エンジンのブレード間に空力干渉が発生する恐れがある。
【０００４】
所定のエンジン速度において、一般にエンジン次数は活発に作用し、エンジン内に振動という形態で反応し、ひずみや加速などの測定可能な事象を生ずる。通常、応答時の振動周波数は、エンジン次数フォーシング周波数と同一である。しかしながら、エンジン速度が変わると、特にエンジン次数がエンジンの共振周波数を跨って変化する場合には、振動応答とそれに対応するエンジン次数との相対位相差が変わる可能性がある。実際、エンジン次数がこのような共振周波数に近づいたり、離れたりするだけで位相差が生じる。
【０００５】
エンジン部材（例えばシャフト）のフォーシング周波数と振動応答との間の位相関係を特定するための従来のアプローチとしては、振動ごとに専用の回転計を部材に取り付けることが挙げられる。この回転計は構成部品の回転位置（位相等）を求め、振動を測定した値を収集するためのトリガとしても機能する。このアプローチを図１に示す。この図はデータ収集および分析の事象の手順を示すフロー図である。
【０００６】
上述のアプローチの概念は比較的単純であり、回転計の測定値と振動の測定値を同期させることによって、部材の回転位置と振動応答との絶対位相差を求めることができる。しかしながら、このアプローチは正確で、かつ頑丈な専用回転計を対象となる部材に取り可能か否かに依存する。つまり、ガスタービンエンジンのシャフトのような複雑な部材に常に取り付けられるとは限らない。更に、このアプローチは、検査員が別の振動測定のトリガとなる追加の専用回転計を取り付けられない場合には、他の部材（すなわち、ガスタービンの他のシャフト）に対する位相情報を同時に入手することが困難となる。すなわち、ガスタービンエンジンに対して、このアプローチは概して絶対位相情報が必要なシャフト平衡動作のみに使用される。
【０００７】
しかし、米国特許第６，４５６，９４５号明細書は絶対位相情報の測定値を使用して、ローター内のクラック等の異常を識別する方法を開示している。この方法において、振動周波数に同期する振動信号を振動測定値からフィルタリングし、次いで、この振動信号から背景振動ベクトルを抽出して振動差信号を生成する。この振動差信号の位相および振幅を測定および評価し、異常が起きているかどうかを判断する。しかし、この方法はローターが単一で、かつ一定のトリガ速度で回転することを前提としており、好適なトリガ速度を事前に知る必要があるという不都合が生じてしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、フォーシング周波数と振動応答との絶対位相差ではなく、相対位相差でエンジンの状態に関する有益な情報を得ることができるという認識に一部基づいている。ある態様において、本発明は、回転速度の変化に対してフォーシング周波数および振動応答データがどのように反応するかを分析することによって有用な情報を得られるという理解にも一部基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
概して、本発明は、１つまたは複数のロータリー部材を有する装置の回転計のデータおよび振動応答データを分析する方法およびコンピュータシステムを提供する。この方法は、装置の振動応答データおよび回転計のデータを用意するステップであって、回転計データは装置のロータリー部材に対応する、データを用意するステップと、回転計のデータから部材のフォーシング周波数を求め、かつ振動応答データから装置の振動応答周波数を求めるステップと、フィーシング周波数と振動応答周波数とを比較してこれらの周波数間の相対位相差を求めるステップと、を含む。この位相差を用いることによって、装置の状態の判定または装置に起こる事象の識別をすることが可能となる。
【００１０】
振動応答の振幅も振動応答データから求めることが好ましい。周波数間の位相差θおよび振動振幅ａは極線図上に例えば、ベクトル成分ｒ＝ｒ（ａ、θ）＝（ａ  ｃｏｓθ）ｉ＋（ａ  ｓｉｎθ）ｊのようにプロットしてよい。ここで、ｉおよびｊはそれぞれｘおよびｙ方向の単位ベクトルである。
【００１１】
第１の態様において、本発明は、１つまたは複数のロータリー部材を有する装置の回転計のデータおよび振動応答データを分析する方法を提供する。この方法は、装置のロ−タリー部材の回転速度が変化する期間に渡って、装置の振動応答データおよび回転計のデータを用意するステップであって、前記回転計のデータは前記部材に対応する、データを用意するステップと、前記期間渡って、回転計のデータから前記部材のフォーシング周波数を求め、かつ振動応答データから装置の振動応答周波数を求めるサブステップと、フィーシング周波数と振動応答周波数とを比較してこれらの周波数間の相対位相差を求めるサブステップと、振動応答データから振動応答の振幅を求めるサブステップと、を定期的に繰り返し実行するステップと、極線図上に相対位相差および振動振幅をプロットするステップと、を含み、プロットした軌線は前記期間における前記装置の動作の特徴を示すことを特徴とする。
【００１２】
極線図上で、各時間間隔で求められた相対位相差θおよび対応する振幅ａは、ベクトルｒの成分（ａ、θ）であるため、プロットした軌線は、種々の異なる速度に対する連続したベクトルの軌跡となる。好都合にも、軌線は１つのレンジの速度を効率良くサンプリングするため、特に装置の特性の変化に影響されやすい位相差／振幅ベクトルを生成する回転速度を事前に知る必要はない。
【００１３】
便利なことに、この極線図を、例えばプリントする、あるいはモニタに表示するなどの方法で視覚的に表示することが可能である。
【００１４】
概して、ガスタービンエンジンなどの装置は、例えばエンジンの加速時、減速時またはクルージング速度における走行時に、相対位相差および／または振動振幅においてその特徴を示す動作をする。これらの動作からの逸脱が「異常な」エンジン動作を示す可能性がある。このような極線図上に表示される上述の軌線の形状は、特に動作の変化に影響を受けやすいため、極線図によりこの逸脱を容易に識別可能となる。たとえ極線図を視覚的に表示しなくても、部材の回転速度が変化する期間に得られ、かつベクトル成分ｒで示される相対位相差および振動振幅を用いて、「異常」動作が生じた際に、例えば警告を作動させることができる。
【００１５】
位相差および振動振幅を用いて、装置の状態の診断または装置に起こる事象の識別をすることが可能であり、それにより例えば、装置の動作状態の把握、装置のモデルの確認、装置のトラブルシューティング、装置の「健全性」の監視、異常な事象の監視などが可能となる。そのため、例えば装置の状態を診断または装置に起こる事象を識別するために、前記方法は前記装置の回転速度の変化が一定になる周期に渡って、プロットした軌線とリファレンス軌線とを比較するステップを更に含むことが好ましい。例えば、リファレンス軌線は健全な装置に関連した標準軌線を示してよい。
【００１６】
装置はガスタービンエンジンであることが好ましい。ロータリー部材はエンジンのタービンドライブシャフトであってよい。
【００１７】
回転計のデータと振動応答データとは個別に取得してよい。これは、回転計を振動応答データの取得のトリガに使用しないことが好ましいことを意図している。このことは、上述の従来のアプローチに比べてより順応性のあるデータ収集構成を採用することができることを意味する。例えば、回転計のデータがマルチシャフトのガスタービンエンジンの各シャフトに利用可能である場合に、対応する振動応答周波数は振動応答データの同一ソースから入手することができる。このソースとして、例えば単一の振動トランジューサを用いてよい。
【００１８】
回転計のデータから、部材の絶対回転位置を得ることができるが、それは必須ではなく、代わりに単に部材の相対回転位置を入手してもよい。例えば、回転計は複数の極性を有する、または他の汎用の位置インジケータを用いて回転位置を測定してもよい。あるいは、既知のギア比で対象の部材に連結されている一式のギアの出力の回転位置を測定してもよい。それゆえ、専用の回転計を部材に取り付ける際に生じる問題を回避することができる。特に、ガスタービンエンジンなどの複雑な機械類に関し、エンジンの異なるドライブシャフトなどの複数の部材から相対位相情報をより簡単に得ることができる。
【００１９】
好適な実施形態において、フォーシング周波数と振動応答周波数の相対位相差を求めるために、これらの周波数を時間領域で比較することが好ましい。
【００２０】
信号間の位相を周波数領域で比較する場合には、直交変換（cross transform）において適正なレベルで整合をとる必要がある。しかしながら、ロータリー部材のフォーシング周波数と、回転計が振動測定値の収集のトリガとなる振動応答との位相関係を求める上述の従来のアプローチでは、回転計からの信号は通常狭いパルスの形態をとる。概して、これらのパルスは、適切な整合性を保持するのに十分なエネルギーを含んでいない。各パルスの持続時間を長くするためにはマークスペース比を大きくすることが可能な解決策となる。しかし、これは部材の特定の速度レンジにおいてのみ実現可能となる。一方、時間領域で位相の測定を行うと、これらの問題点は解決される。更なる利点としては、相対位相差は、リファレンス部材の回転速度の分数倍数となる、またはギア列等を介して機構的に連結される部材次数と共に、複数の独立部材（シャフト等）に関して測定することができる。
【００２１】
便利なことに、前記方法は以前に測定したデータに関して行うことができる。あるいは、この方法は、前記期間に渡って、装置の振動応答と部材の回転速度とを測定し、振動応答データおよび回転計データを取得するステップを更に含むことができる。
【００２２】
本発明の関連した態様は、（ａ）第１の態様の方法を実行するように動作可能に構成されたコンピュータシステムと、（ｂ）第１の態様の方法を実行するためのコンピュータコードを搭載したコンピュータ可読媒体と、（ｃ）第１の態様の方法を実行するためのコンピュータプログラムとを提供することである。
【００２３】
本発明の第１の態様の任意かつ／または好適な特徴を、上述の関連した態様に適用してもよい。それゆえ、例えば、前記コンピュータシステムには、装置の状態を診断するまたは装置に起こる事象を識別するシステムを用いてよい。
【００２４】
１実施形態において、１つまたは複数のロータリー部材を有する装置の回転計のデータおよび振動応答データを分析するコンピュータシステムは、装置から振動応答データおよび回転計データを格納するデータストレージであって、回転計のデータは装置のロータリー部材に対応し、振動応答データおよび回転計データは好ましくは相互に取得される、データストレージと、（ａ）回転計のデータから部材のフォーシング周波数と、振動応答データから装置の振動応答周波数とを求め、（ｂ）フォーシング周波数と振動応答周波数とを比較して、これらの周波数の相対位相差を求めるプロセッサと、を備える。
【００２５】
より詳細には、データストレージは、装置のロータリー部材の回転速度が変化する期間に渡り、装置から振動応答データおよび回転計のデータを格納することが可能で、回転計のデータは前記部材に対応する。同様に、プロセッサは、前記期間に渡って、定期的に（ａ）回転計のデータから部材のフォーシング周波数および振動応答データから装置の振動応答周波数を求め、（ｂ）フォーシング周波数と振動応答周波数とを比較して、これらの周波数の相対位相差を求め、（ｃ）振動応答データから振動応答の振幅を求め、（ｄ）極線図上に相対位相差および前記振動振幅を（ベクトルとして）プロットする、ことを繰り返すように構成され、（ベクトルを）プロットした軌線は前記期間における装置の動作の特徴を示す。コンピュータシステムはプロットした軌線を表示するディスプレイを備えてよい。
【００２６】
本発明者は、位相差測定値および振動振幅測定値を示す極線図を新規の方法で使用して、エンジンの動作をモデル化し、かつエンジンの異常を監視することも実現している。
【００２７】
それゆえ、本発明の第２の態様は、少なくとも１つのロータリー部材を有する装置の標準動作のモデルを構成する方法である、該方法は、部材の回転速度に対して、（ａ）部材に対するフォーシング周波数と装置の振動応答周波数との間の位相差と、（ｂ）応答周波数の振動振幅と、を測定するステップと、測定した位相差θと振動振幅ａとを用いて、回転速度に対して、その速度における標準動作の限界を設定する境界線を決定するステップとを含み、この境界線は位相差および振動振幅を示す極線図上にプロットさせる。
【００２８】
それゆえ、境界線は、極座標上にその速度に対するベクトルｒ（ａ、θ）の先端の周りにプロットされる。
【００２９】
境界線によって囲まれた極線図上の（通常円形の）領域の中心は、同一の回転速度での位相差および振動振幅の測定値から構成される連続したベクトルｒの平均位置であることが好ましい。半径の大きさを、位相差および振動振幅測定値から構成される連続したベクトルｒの位置間の分散量で表すことができる（分散量は連続するベクトルの種々の位置の標準偏差σとして定量化することができる）。このようにして、前記方法により、標準の動作における統計に基づいたモデルを各回転速度で断続的にのみ動作する状態で求めることができる。例えば、標準の運行条件での航空ガスタービンエンジンは、通常０％〜１００％速度のスムーズな加速および減速が行われずに、各速度における時間は一定ではない。しかしながら、本発明の態様による方法を各速度（速度の全レンジを網羅することが好ましい）に適用することによって、全レンジを渡る動作における標準のモデルは、専用の加速および減速運動の必要なしに徐々に蓄積される。この種のモデルは、ゆっくりと進行するエンジンの異常を識別する場合に特に有用である。
【００３０】
代替的に、モデルは装置の動作中に頻繁に更新されてよい。境界線によって囲まれた極線図上の領域の中心は、位相差および振動振幅の測定値から構成される現行のベクトルｒの位置であり得る。次いで、例えば測定におけるノイズ量を示す境界線の半径を設定する。位相差および振動振幅の測定値から構成される次のベクトルｒの位置が境界線の外にある場合には、エンジンに異常が発生している可能性がある。勿論、意図的に速度を変えて、次の位相差および振動振幅測定値の位置を移動させる場合がある。しかし、このような変化が生じる場合には、境界線の半径はそれを補償するために即座に大きくなる。この種のモデルは比較的ゆっくり起こるエンジンの異常を識別する場合に特に有用である。
【００３１】
装置はガスタービンエンジンであることが好ましい。ロータリー部材はエンジンのタービンドライブシャフトであってよい。
【００３２】
本発明の第１の態様の方法を用いて、位相差および振動振幅の測定値を供給してよい。しかしながら、それは必須ではなく、例えば振動応答データを、回転計が制御された状態（例えば図１に準拠した状態）で取得し、次いで位相差および振動振幅の測定に使用してもよい。
【００３３】
本発明の関連した態様によって、第２の態様に従って構成された標準の運動のモデルを搭載したコンピュータ可読媒体が提供され、このようなモデルを少なくとも１つのロータリー部材を有する装置の異常動作を監視するために使用することができる。
【００３４】
「コンピュータシステム」とは、前記態様の方法を実行するために用いられるハードウェア、ソフトウェア、データストレージデバイスを意味する。例えば、本発明のコンピュータシステムは、中央処理装置（ＣＰＵ）と、入力手段と、出力手段と、データストレージとを備えてよい。コンピュータシステムは、例えば極線図などの視覚出力表示を提供するためのモニタを有することが望ましい。データストレージはＲＡＭまたは他のコンピュータ可読媒体を備えてよい。
【００３５】
「コンピュータ可読媒体」とは、コンピュータまたはコンピュータシステムによって直接読み出しおよびアクセス可能な１つまたは複数の任意の媒体を意味する。媒体は、それに限定するものではないが、フロッピーディスク、ハードディスク記憶媒体、磁気テープなどの記憶媒体と、光ディスクまたはＣＤ−ＲＯＭなどの光記憶媒体と、磁気／光記録媒体などの組み合わせとを含む。
【００３６】
本発明の様々な態様は、添付の図面を参照した例示によってより容易に理解できるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図２は、ロールスロイスにおけるマルチシャフトガスタービンエンジンの３本の同軸シャフトの長手方向概略断面を示している。低圧（ＬＰ）シャフト１が中心に位置し、その周りに中圧（ＩＰ）シャフト２および高圧（ＨＰ）シャフト３が配置されている。ＬＰシャフト１には、通常シャフト平衡動作に用いられる単一極の回転計４が配置されている。ＩＰシャフト２には、エンジン制御の用途で標準のシャフト速度の測定で通常用いられる６０極の回転計５が配置されている。ＨＰシャフト３は、傘歯車６および横側（step aside）ギアボックス７を介してメイン（外部）ギアボックス８に連結している。メインギアボックスの出力には回転計９が連結されている。
回転計４は、ＬＰシャフトの各回転に対してパルス信号を生成するため、この信号のパルスの周期の逆数からＬＰシャフトの回転周波数（すなわちシャフト速度）を求めることができる。回転計５は、ＩＰシャフトの各回転に対して６０極のパルス信号を生成するため、６０×（パルスの周期）の逆数からＩＰシャフトの回転周波数を求めることができる。
【００３８】
回転計９は、メインギアボックスの出力の回転周波数を測定する。しかしながら、メインおよび横側ギアボックス７および８と、傘歯車６とのギア比は既知のため、ＨＰシャフトの回転周波数は回転計９から推測することができる。回転計によって測定された回転周波数により、それぞれのシャフトに対するフォーシング周波数（基本波、低調波、高調波成分）を得ることができる。
【００３９】
回転計４によりシャフトの回転位置の絶対測定値が得られ、回転計５および９によって、シャフトの回転位置の相対測定値が得られる。
【００４０】
エンジンには振動トランスデューサ（図２に示していない）が取り付けられ、個別に振動応答データを取得する。
【００４１】
振動応答データは対象の帯域幅に対して適切な比率でサンプリングされ、ＦＦＴで既知の方法を用いて処理され、実数成分および虚数成分となる。それぞれの実数および虚数のペアから導かれた位相は、変換ウィンドウ内の第１の周波数ビンの位相角度に相当する。
【００４２】
エンジンの加速期間における（回転計４、５または９によって測定される）エンジン次数フォーシング周波数に応答する典型的な振動における時間に対する振動振幅を、概略的に図３に示す。エンジン速度が増すと（それゆえフォーシング周波数が高くなると）、対応する振動応答の振幅は変化する。このようなプロットを本明細書において「振動振幅プロット」と定義する。
【００４３】
回転計からの信号は、振動応答データよりも高い周波数でサンプリングされる。シャフト回転周波数（およびそれゆえ基本フォーシング周波数）は、従来パルス信号の正の立ち上がり過渡期の位置を求めることによって計算できる。これを図４に示す。この図は回転計５から受け取った信号を概略的に示している。各パルス２０は、６０極のうち１極が通過することによって生成される。正の立ち上がり過渡期を矢印で示す。
【００４４】
それぞれの回転計からの信号によって得られた位相情報は、変換ウィンドウの中心に最も近い正の立ち上がり過渡応答の位置を求めることによって得られる。中心からこの過渡応答位置までの距離は、回転計からの信号の過渡応答とシャフトの応答信号の間の遅延時間ｔで表される。シャフトの位相（および基本フォーシング周波数）は、式２πｆｔから求めることができる。ここで、ｆは事前に計算したシャフトの回転周波数である。図５は第１の周波数ビン２１に対する振動信号と、回転計からの信号２０と、遅延時間ｔとを示す変換ウィンドウの例である。このウィンドウの中心を垂直な点線で示す。
【００４５】
このようにして、フォーシング周波数と振動応答周波数との相対位相差を求めるために、同一の事象における各振動応答の位相測定値とフィーシング周波数の位相測定値とを比較した。本質的に、フォーシング周波数および振動応答周波数は時間領域で比較される。低調波、高調波および位相は、基本フォーシング周波数から算出でき、同一の方法で振動応答周波数と比較することができる。一体になっていない周波数次数に関係する部材（ラジアルドライブシャフト、ギア、ポンプ等）に対する相対位相差も算出することができる。これらの部材は、メインシャフトに直接または間接的に連結し、その回転速度とモニタした回転計からの信号との関係は一定である。
【００４６】
図６は、本発明の実施形態に係るデータ取得および分析事象の手順を示すフロー図である。図１に比べ、データ取得ステップが互いに独立していることに留意されたい。
【００４７】
図７Ａは、図３の振動振幅と、図３の振動応答とその応答を生成したエンジン次数フォーシング周波数間の相対位相差と、をプロットした極線図またはナイキスト図を概略的に示す。振動振幅は原点からの距離ａとして示され、位相差は角度位置θで示される。それゆえ、各位相差と振幅のペアは、ベクトルｒ＝ｒ（ａ、θ）の（ａ、θ）成分を形成し、すべてのベクトルの軌跡は図上に軌道または軌線を描く。エンジン速度が上昇する方向を矢印で示す。このような図を本明細書で「極線図」と定義する。
【００４８】
エンジンの速度が増すにつれて、プロットは特性を示す軌線を描く。特に、振動応答とフォーシング周波数との相対位相差は、エンジン速度が増すにつれて変化する。この変化は主にエンジンの共振周波数への横切りによって生じる。軌道の全体のループ形状はエンジンの共振によって形成される。図３の複数の極大点において共振が起こっていると思われる。エンジンがクルージング速度に達したときは、相対位相差および振動振幅はあまり変化しない。そして、プロットは、図７Ａの点線の円による比較的厳密に確定した領域内に収まる傾向を示す。
【００４９】
エンジンが一連の連続する加速／減速運動（manoeuvre）（運動とはエンジンシャフトの回転速度か変わる期間を示す）を行った場合、同一の特性形状の軌線が極線図の上に形成される。
【００５０】
しかしながら、エンジンが運動間でシャットダウンした場合に、振動応答とエンジン次数フォーシング周波数の相対位相差の測定値がシフトする可能性がある。このシフトは、極線図内に原点の周りを回転する軌線で示されている。図７Ｂは、図７Ａのフォーシング周波数と同一だが、上述のように回転する概略極線図である。このシフトが起きた場合には、振動応答とエンジンオーダフォーシング周波数との間の位相のシフトを考慮して相対位相差の測定値を調整しなくてはならない場合がある。これにより、良好な特性の軌線を描く１つまたは複数の速度サブレンジ（例えば５０〜７０％のレンジ）をリファレンスとして用いることで行うことができる。
【００５１】
図８Ａおよび図８Ｂは、それぞれ減速するロールスロイス・トレントエンジンから取得した実数データに対するトラッキングしたエンジン次数のプロットおよび極線プロットを示す。トラッキングした基本周波数の次数およびそれに対応する極線図上のプロットはそれぞれＬＰ、ＩＰ、ＨＰで分類している。この極線図のプロットは図７の概略図と比べて「ノイズ」が多いが、図の特徴、特にＬＰプロットの特徴は認識することができる。
【００５２】
このような極線図は、異常な、または有害なエンジンの動作の兆候を識別する場合は特に有用である。特に、正常なエンジンの動作からの逸脱（deviation）は、相対位相差および／または振動振幅の変化として表れる。これにより、極線図の軌道特性における逸脱によって、異常な、または有害なエンジンの動作の兆候を明確に識別することができる。
【００５３】
ユークリッド距離を用いて軌道（例えば、同一の回転速度における位相差および振幅の測定値から構成された軌道上のベクトル）上の対応するポイント間の距離を測定し、次いで、速度レンジ全体に渡ってその距離を合計することで軌道を比較してよい。良好な特性を示す軌道を描く速度サブレンジ（例えば、５０〜７０％レンジ）は、この距離における最大重み付け（greater weighting）で求めてよい。
【００５４】
図９は、ガスタービンエンジンのロータリー部材を試験し、かつ認証するために用いられる回転ディスクリグから得られた４つの振動振幅プロットを示す。このリグを用いて、数日に渡ってディスクを試験し、２００３年３月１７、１９、２１、２４日を選択し、これらの日におけるプロットを示している。試験プログラムにより、連続的にディスクをアイドル状態から最高速度まで加速し、最高速度で保持し、減速して再びアイドル状態にした。常に同一の加速および減速プロファイルを用いている。ディスク振動応答の振幅（ディスクドライブシャフト上の加速度計を用いてモニタを行った）と、ディスクフォーシング周波数と振動応答との相対位相差を、試験の繰り返し毎に測定した。プロットのＸ軸はアイドル状態から最高速度までのディスク回転速度を表し、３６０速度ビンに分割される。各速度ビンにおいて、振動振幅は、各試験の加速および減速部分に渡って測定した値の平均値である。更に、各プロットは、所定の日に行った試験の約１０００回の繰り返しの平均である。時々、リグが正常な使用状態であることを確認する検査を行った（リグまたは部材が試験中に著しく劣化した場合は、リグに著しい破損が生じている可能性がある）。これらの検査は、試験の再現性に悪影響を及ぼしていないと思われる。
【００５５】
図９の個々の試験における目的は、ディスク内のクラックを大きくし、劣化の始まりを検出することである。４日間に渡る振動振幅のプロットは、ほぼ一定であった。唯一の際立った相違点は、３月２４日における速度ビン９０あたりでの２番目の振動振幅ピークがそれ以前の日のピーク群よりも大きくなっていることである。
【００５６】
図１０Ａ〜１０Ｃは、それぞれ３月１７、２１、２４日の試験に対する位相差／振幅ベクトルの平均軌線をプロットした極線図である。振動振幅プロットと同様に、それぞれの軌線は、試験の加速した部分と減速した部分とを結んでいる。３月１７日および２１日の軌線は非常に類似しているが、３月２４日の軌線は際立って相違している。実際、３月２４日の試験はディスクにクラックが広がり始め、それがリグの応答を著しく変化させているようであった。致命的な故障を避けるために試験はこの時点で中止した。
【００５７】
総体的にみて、この試験プログラムは、正常の動作からの逸脱を識別するためのベクトル軌跡表示の有用性を実証している。
【００５８】
考察すると、振動振幅プロットの９０速度ビンにおけるピークからも、正常動作からの逸脱（例えばクラックの広がり）を確認することができる。これは、単一のクリティカルな速度で振動振幅および相対位相差を測定すれば十分であることを示唆している。しかしながら、実際の状態において、特にガスタービンエンジンなどの複雑な機械部品に関し、常にクリティカルな速度を事前にはわからない場合がある。更に、クリティカルな速度は、部材が通常状態から逸脱する様相によって変わることがあり得る。例えば、ガスタービンエンジンドライブシャフトの場合に、鳥がエンジンに衝突ことにより起こる位相差／振幅ベクトルの変化が顕著になる速度と、クラックがタービンブレードの表面でゆっくりと広がることより生ずるベクトル変化が明らかなるに速度とは異なる可能性がある。
【００５９】
図１１Ａは、ガスタービンエンジン内（この場合、外れたブレード）の「質量の再分布（mass redistribution）」事象に対するシャフト振動振幅の４つ（１４ａ〜１４ｄ）の概略プロットを示す。事象の前後でエンジンは一定の速度で走行する。従来の検出システムにおいて、図１１Ａに点線で示した閾値レベルを振動振幅が超えた場合に警告を発する。図１１Ａに示す４つの事象において起こり得るシナリオはすべて同様に注目すべきものであるが、しかしながらそのうち１つのみが著しく振動振幅が上昇しているとして、警告が発せられる。
【００６０】
図１１Ｂは、図１１Ａと同一の事象に対する４つ（１５ａ〜１５ｄ）の概略極線図を示す。事象の起こる前には、すべてのプロットが図の同一の部分にある点線の小円の中に集まっている。事象の後に、それぞれのプロットは起こり得る結果であるシナリオを示す大円上の位置に位置している。
【００６１】
プロット１５ｂで示したような、振動振幅が変化していない事象でさえ、極座標上（図１１Ａで相当するプロットは１４ｂである）で容易に識別することができることに留意されたい。プロット１５ａで示したような、振動振幅が減少し、かつよりスムーズに走行しているエンジンの様相を呈する事象（図１１Ａで対応するプロットは１４ａ）もエンジン異常として容易に識別することができる。
【００６２】
図１２Ａおよび図１２Ｂは、実際のブレードが外れる事象が起きた、安定した状態で動作するロールスロイス・トレントエンジンから収集した実数データに対する振動振幅および極座標表示をそれぞれ示す。振動振幅およびそれに対応する相対位相差は、シャフトの基本波の次数のトラッキングに対応し、それぞれＬＰ、ＩＰ、ＨＰとして示す。この場合に、ＨＰシャフトから外れたブレードは、実際に振動の急上昇に反応している。ＬＰおよびＩＰ振動振幅変化はわずかであるがが、その一方でそれらの相対位相が著しくシフトしていることに留意されたい。
【００６３】
それゆえ、極線図を用いたエンジン異常用または異常動作用警告システムを提供することができる。ユークリッド距離を用いて軌線を比較して、ある速度サブレンジにより大きな重み付けをしてもよい。一方、安定状態で動作していると考えられる期間の段階変化の検出を、以下の擬似コードで実施してもよい。
2006523834.tif 000002
【００６４】
このシステムは、振動の応答データのノイズのために推定した変化を連続的に更新する。事実上、システムは振動振幅および相対位相差が所与のエンジン速度でランダムにプロットされた図の上に円を描く。この円は、異常動作領域を確定しており、その外側で異常動作が起こる。振動振幅および相対位相差は、エンジン速度に応じて変わることが予想されるので、プロットにおける許容される変化は、速度の変化の割合によって決定される。全体的な効果は円の半径に相当し、速度が変化している期間は大きくなる。
【００６５】
疑義コードは安定状態における段階変化検出器として発達したが、部材の回転速度が例えば繰り返し加速／減速試験に対して反復して変化している場合に使用することもできる。その場合、ｋおよびＣの値は、それぞれの速度または速度サブレンジに相当する。それぞれの速度でのノイズ半径は、前の繰り返しでの位置測定値（例えばベクトル位置）に基づく。
【００６６】
実際、このような検出器は、図９および１０に関連する上述の試験の間に使用される。図１３Ａは、２００４年３月２４日の一連の加速／減速試験における時間対回転速度のグラフである。図１３Ｂは、変化検出器からの出力を示している。ピークは検出器が正常時からの著しい逸脱を検出した時点を示す。このピークにおける高さは、逸脱の量に相当する。
【００６７】
このようなシステムで検出可能な事象の他の例としては、外部の物体からの損傷のよって起こる段階変化が挙げられる。図１４Ａおよび１４Ｂは、ガスタービンエンジンに外部の物体が損傷を与えた（この場合は鳥の衝突）事象に対するＬＰ振動振幅プロットおよびそれに対応する極線図をそれぞれ概略的に示している。鳥の衝突により振動振幅プロット上に（約５秒間の）小さな一時的な振れが生じ、この振れは容易に見過ごすまたは見落とす恐れがある。しかし、極線図において、鳥の衝突は容易に、かつ完全に検出可能であり、相対位相差が著しく変化する。
【００６８】
図１５Ａおよび１５Ｂは、実際に鳥が衝突した、正常状態で動作するロールスロイス・トレントエンジンから収集した実数データに対する振動振幅プロットおよび極座標プロットをそれぞれ示している。上述のように、振動振幅およびそれに対応する相対位相差は、シャフトの基本周波数の次数のトラッキングに相当し、それぞれＬＰ、ＬＰ、ＨＰで示されている。予期していたかもしれないが、ＬＰシャフトの振動振幅が急激に上昇している。しかしながら、衝突後にＩＰシャフトの振動振幅が実際に小さくなり、ＨＰシャフトの振動振幅の特性がそれほど変化していないことに留意されたい。一方、３つのシャフトに対する相対位相差は、極座標で示すように鳥の衝突によって何れも乱れている。
【００６９】
図９〜１５の例は、どのようにしてフォーシングおよび振動応答周波数の相対位相差と、その極座標上の表示を用いて安定状態動作または繰り返し速度変化の期間に段階変化を起こす事象を検出するかを示している。しかしながら、類似のアプローチがよりゆっくり起こるエンジンの異常を検出し、かつモニタすることにも有用である。
【００７０】
第１のステップとして、ゆっくりと起こるエンジン変化をトラックするために対象となる正常な適当なモデルを確立する。航空エンジンにおいては、点検時に前述の図面で示した極線プロットを作成した加速／減速運動が通常行われていない。その代わりに、航空エンジンを種々の異なる速度で時間量を変えて動作させる。それゆえ、例えば最大エンジン速度を１００％とした場合には、大部分のエンジンにおいて、７０〜９５％の速度レンジで長時間動作が行われる。
【００７１】
通常のモデルを確立するために、エンジンレンジ全体を小さなサブレンジ（例えば１％）に分割する。エンジンの動作時間がサブレンジを通過する度に相対位相差および振動振幅を記録する。更なるフライトに渡って追加のデータを取得しながら、極線図上の（位相差および振動振幅によって決定された）平均位置およびその平均位置からの標準偏差と、各サブレンジとの関連付けを行う。通常、このように速度レンジの全体に渡って正確に特徴をつかむために十分なデータを得るためには、例えば１００飛行時間または２５飛行サイクルが必要である。エンジンは飛行の間にシャットダウンするため、測定した相対位相差を、振動に対する応答とエンジン次数フォーシング周波数との間の位相シフトを考慮するように調整しなくてはならない。それには、１つまたは複数の良好な特性を示す速度におけるサブレンジ（例えば５０〜７０％レンジ）を標準として用いることで行うことができる。
【００７２】
図１６Ａは、典型的な加速／減速運動に対する極線プロットを示している。プロット上に３つの円３０が重なっている。各円の中心は、１００飛行時間のデータから得た特定の速度におけるサブレンジに対する平均測定位置である。各円の半径は、測定した位置データに対する３σ（３×標準偏差）値である。それゆえ、各円の半径は、それぞれの速度サブレンジにおける標準動作の限界を設定している。
【００７３】
図１６Ｂは、図１６Ａのプロットの高速の端部の詳細を示している。９７％および９８％速度の中心の速度サブレンジに対する平均位置をそれぞれドット３１ａおよび３１ｂで示し、３σを示す円３０ａおよび３０ｂも同様に示す。ドット３２の列は９８％速度に対するリアルタイムでの平均位置であり、矢印は平均位置が測定された時間順序を示している。９８％速度の平均位置の観測した列は、進行する故障モードの特性を示している。９８％速度の平均位置が３σ限界を超えた時が故障の合図である。
【００７４】
以下の例は、このアプローチを用いた進行する故障モードの検出を示す。図１７Ａはロールスロイス・トレントガスタービンエンジンに対するＨＰ振動振幅プロットを概略的に示している。時間Ａにおいてエンジンはクルージング速度に達している。その後およそ４分間でＨＰ振動振幅はほぼ０に減少している。この減少の表面上の解釈としては、エンジンがよりスムーズに走行していると考えられる。しかしながら、その後の６分間に振動振幅が上昇し、時間ＢでＨＰ位置がベアリングの故障を示している。それゆえ、考察すると、振動振幅の減少および増加は、ベアリングの故障が進行していることを示していることが明白である。
【００７５】
図１７Ｂは対応するＨＰ極線図を示している。時間Ａまでは極座標の軌道が標準モデルの軌道を示している。その後、クルージング速度に達した時に、軌道は静止状態を持続せずに直線に変わる。それゆえ極線図よって、クルージング速度に対する３σ限界を超えた時点で（すなわち、超えるとすぐに）、正常からの逸脱が明らかにあり、それによりエンジン操作者はより早い段階で改善アクションを行うことが可能となる。原点に最も近接する直線上の点が、図１７Ａに示したＨＰ振動振幅の最低値に相当することに留意されたい。
【００７６】
図１８Ａおよび１８Ｂは、加速後にクルージング速度で動作するガスタービンエンジンに対する振動振幅プロットおよびそれに対応する極線図を概略的に示している。この場合、比較的都合良く成長したスキンクラックのあるファンブレードがエンジン内に配置されている。クラックはエンジンが加速している間はそれほど成長しない。エンジンが時間Ａでクルージング速度まで加速するまでは、振動振幅プロットおよび極座標は正常な軌道を示す。しかし、クルージング速度の期間にクラックはブレードが故障するまで成長し続ける。この期間に振動に対する応答の振幅はほとんど変化しないため、振動振幅プロットは初期の故障に対する警告をほとんど発さない。それに比べて、成長するクラックは、極座標においては相対位相差が顕著な変化を示めすためすぐに識別可能である。
【００７７】
相対位相差の挙動の変化および／または極線図から識別可能なガスタービンエンジンの他の課題としては、不均衡、スクイーズ膜に係る問題、摩擦、間接運動、ドラムのオイル、１／２速度の回転、不安定性、ブレードのばらつきなどが挙げられる。もちろん、極線図の形状から前記問題の原因を突き止めることか可能な場合もある。例えば、摩擦への典型的な反応として、一定の相対位相差で応答振動振幅が上昇する。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】フォーシング周波数と振動応答の位相関係を求めるための従来のアプローチにおけるデータ取得および分析事象の手順を示すフロー図である。
【図２】ロールスロイス・マルチシャフトガスタービンエンジンの同軸シャフトの長手方向の断面図を概略的に示す図である。
【図３】エンジンの加速中に、エンジン次数フォーシング周波数に応答する典型的な振動に対する振動振幅プロットを概略的に示す図である。
【図４】図２の回転計５から受け取った信号を概略的に示す図である。
【図５】変換ウィンドウの例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に関わる、エンジンフォーシング周波数と振動応答の位相関係を求めるためのアプローチにおけるデータ取得および分析事象の手順を示すフロー図である。
【図７Ａ】図３と同一のエンジンの加速における概略極線図である。
【図７Ｂ】同一のエンジンによる異なる加速における別の概略極線図である。
【図８Ａ】減速するロールスロイス・トレントエンジンから取得した実数データに対するトラッキングしたエンジン次数のプロット図である。
【図８Ｂ】減速するロールスロイス・トレントエンジンから取得した実数データに対するトラッキングしたエンジン次数の極線プロット図である。
【図９】２００３年３月１７、１９、２１、２４日に行われた回転ディスクリグの試験から得られた４つの振動振幅プロット図である。
【図１０Ａ】２００４年３月１７日に行われた回転ディスクリグの試験に対する位相差／振幅ベクトルの平均軌道をそれぞれプロットした極線図である。
【図１０Ｂ】２００４年３月２１日に行われた回転ディスクリグの試験に対する位相差／振幅ベクトルの平均軌道をそれぞれプロットした極線図である。
【図１０Ｃ】２００４年３月２４日に行われた回転ディスクリグの試験に対する位相差／振幅ベクトルの平均軌道をそれぞれプロットした極線図である。
【図１１Ａ】ガスタービンエンジン内の質量の再分布事象に対するシャフト振動振幅の４つ（１４ａ〜１４ｄ）の概略プロットである。
【図１１Ｂ】図１１Ａと同じ事象に対する概略極線図（１５ａ〜１５ｄ）である。
【図１２Ａ】ブレードが外れる事象が起きた、安定した状態で動作するロールスロイス・トレントエンジンから収集した実数データに対する振動振幅プロット図である。
【図１２Ｂ】ブレードが外れる事象が起きた、安定した状態で動作するロールスロイス・トレントエンジンから収集した実数データに対する極線図である。
【図１３Ａ】図９および図１０の２００４年３月２４日の一連の加速／減速試験における時間対回転速度のグラフである。
【図１３Ｂ】図９および図１０の２００４年３月２４日の一連の加速／減速試験における変化検出器からの出力を示す。
【図１４Ａ】鳥が衝突したガスタービンエンジンに対するＬＰ振動振幅プロットを概略的に示す。
【図１４Ｂ】図１４Ａのプロットに対応する極線図を概略的に示す。
【図１５Ａ】鳥が衝突した、正常状態で動作するロールスロイス・トレントエンジンから収集した実数データに対する振動振幅プロット図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａのプロットに対応する極線図である。
【図１６Ａ】１００飛行時間のデータから決定したそれぞれの速度サブレンジにおける平均位置および３σ限界値に相当する３つの円が重なった典型的な加速／減速運動に対する極線プロットである。
【図１６Ｂ】図１６Ａのプロットの高速の端部の詳細を示す図である。
【図１７Ａ】故障が進行する、ロールスロイス・トレントガスタービンエンジンに対するＨＰ振動振幅をプロットする概略図である。
【図１７Ｂ】図１７Ａに対応するＨＰ極線図である。
【図１８Ａ】加速後にクルージング速度で動作するガスタービンエンジンのシャフト（１つのブレードはスキンクラックが成長している）に対する振動振幅をプロットした概略図である。
【図１８Ｂ】図１８Ａのプロットに対応する極線図である。
【図１】
2006523834.tif 000003
【図２】
2006523834.tif 000004
【図３】
2006523834.tif 000005
【図４】
2006523834.tif 000006
【図５】
2006523834.tif 000007
【図６】
2006523834.tif 000008
【図７Ａ】
2006523834.tif 000009
【図７Ｂ】
2006523834.tif 000010
【図８Ａ】
2006523834.tif 000011
【図８Ｂ】
2006523834.tif 000012
【図９】
2006523834.tif 000013
【図１０Ａ】
2006523834.tif 000014
【図１０Ｂ】
2006523834.tif 000015
【図１０Ｃ】
2006523834.tif 000016
【図１１Ａ】
2006523834.tif 000017
【図１１Ｂ】
2006523834.tif 000018
【図１２Ａ】
2006523834.tif 000019
【図１２Ｂ】
2006523834.tif 000020
【図１３Ａ】
2006523834.tif 000021
【図１３Ｂ】
2006523834.tif 000022
【図１４Ａ】
2006523834.tif 000023
【図１４Ｂ】
2006523834.tif 000024
【図１５Ａ】
2006523834.tif 000025
【図１５Ｂ】
2006523834.tif 000026
【図１６Ａ】
2006523834.tif 000027
【図１６Ｂ】
2006523834.tif 000028
【図１７Ａ】
2006523834.tif 000029
【図１７Ｂ】
2006523834.tif 000030
【図１８Ａ】
2006523834.tif 000031
【図１８Ｂ】
2006523834.tif 000032
【国際調査報告】
2006523834.tif 000033
2006523834.tif 000034