(57)【要約】      （修正有）【課題】エンジンの作動部品におけるクラックなどの状態をリアルタイムで検出する。【解決手段】エンジン１２が動作している間にエンジン部品に存在するクラックを検出することを可能にする。システムは、機械の内部の可動部品に配置され、無線で通信するように構成された無線センサ３２と、プロセッサ３５を含むコントローラ３４と、を含む。プロセッサは、無線センサから内部可動部品の振動の周波数を示す無線信号を受信することにより、無線センサとの通信を開始し、１つまたは複数のデータソースから内部可動部品の振動の許容可能なしきい値範囲を取得し、振動の周波数が内部可動部品の振動の許容可能なしきい値範囲内にあるかどうかを判定し、周波数が許容可能なしきい値範囲内にない場合には予防措置を開始する。【選択図】図１
2016166609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械の内部の可動部品に配置され、無線で通信するように構成された無線センサ（３２
、８４）と、
プロセッサ（３５、７８、１３０）を備えるコントローラ（３４、５４）と、を含み、
前記プロセッサ（３５、７８、１３０）は、
前記無線センサ（３２、８４）から前記内部可動部品の振動の周波数を示す無線信号を
受信することにより、前記無線センサ（３２、８４）との通信を開始し、
１つまたは複数のデータソースから前記内部可動部品の振動の許容可能なしきい値範囲
を取得し、
前記振動の周波数が前記内部可動部品の振動の前記許容可能なしきい値範囲内にあるか
どうかを判定し、
前記周波数が前記許容可能なしきい値範囲内にない場合には予防措置を開始するように
構成される、システム（１０、５０）。
【請求項２】
前記プロセッサ（３５、７８、１３０）は、前記周波数が前記許容可能なしきい値範囲
内である場合には、ネットワークインターフェースを用いて別の無線信号の待ち受けを開
始するように構成される、請求項１に記載のシステム（１０、５０）。
【請求項３】
前記プロセッサ（３５、７８、１３０）は、前記１つまたは複数の予防措置として、前
記機械の動作を停止させるか、前記制御システムのユーザインターフェース画面に表示す
るために警告を送信するか、表示するために局所的または遠隔のワークステーション（３
６、８８）に前記警告を送信するか、あるいはこれらの何らかの組み合わせを行うように
構成される、請求項１に記載のシステム（１０、５０）。
【請求項４】
前記プロセッサ（３５、７８、１３０）は、予防措置を開始する前に前記周波数が前記
許容可能なしきい値範囲内にない場合には、前記無線センサ（３２、８４）から前記内部
可動部品の振動の第２の周波数を示す第２の無線信号を受信することにより前記無線セン
サ（３２、８４）との通信を開始し、振動の前記第２の周波数が前記内部可動部品の振動
の前記許容可能なしきい値範囲内にあるかどうかを判定し、前記第２の周波数が前記許容
可能なしきい値範囲内にない場合には、予防措置を開始するように構成される、請求項１
に記載のシステム（１０、５０）。
【請求項５】
前記無線センサ（３２、８４）は、前記コントローラ（３４、５４）から受信した指示
に基づいて、前記無線信号を連続的に送信するか、周期的に送信するかを決定するように
構成される、請求項１に記載のシステム（１０、５０）。
【請求項６】
前記プロセッサ（３５、７８、１３０）は、
前記無線センサ（３２、８４）から、前記内部可動部品の１つまたは複数の角速度、加
速度、変位、またはこれらの何らかの組み合わせを示す無線信号を受信することにより、
前記無線センサ（３２、８４）との通信を開始し、
１つまたは複数のデータソースから、前記内部可動部品の角速度、加速度、変位、また
はこれらの何らかの組み合わせの許容可能なしきい値範囲を取得し、
前記角速度、前記加速度、前記変位、またはこれらの何らかの組み合わせが前記内部可
動部品の前記許容可能なしきい値範囲内にあるかどうかを判定し、
前記角速度、前記加速度、前記変位、またはこれらのいくつかの組み合わせが前記許容
可能なしきい値範囲内にない場合には予防措置を開始するように構成される、請求項１に
記載のシステム（１０、５０）。
【請求項７】
前記プロセッサ（３５、７８、１３０）は、振動の前記周波数が振動の前記許容可能な
しきい値範囲を超えた場合には、前記内部可動部品にクラックがあるという表示を生成す
るように構成される、請求項１に記載のシステム（１０、５０）。
【請求項８】
前記無線センサ（３２、８４）は、振動の前記周波数を示す電気信号を生成するために
用いられる圧電材料（１３２）を含む加速度計を含む、請求項１に記載のシステム（１０
、５０）。
【請求項９】
プロセッサ（３５、７８、１３０）を含み、前記プロセッサ（３５、７８、１３０）は
、
機械の内部の可動部品に配置された無線センサ（３２、８４）との通信を、前記内部可
動部品の振動の周波数を示す無線信号を受信することにより開始し、
１つまたは複数のデータソースから前記内部可動部品の振動の許容可能なしきい値範囲
を取得し、
前記振動の周波数が前記内部可動部品の振動の前記許容可能なしきい値範囲内にあるか
どうかを判定し、
前記周波数が前記許容可能なしきい値範囲内にない場合には予防措置を開始するように
構成される、装置。
【請求項１０】
前記プロセッサ（３５、７８、１３０）は、前記周波数が前記許容可能なしきい値範囲
内である場合には、ネットワークインターフェースを用いて別の無線信号の待ち受けを開
始するように構成される、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記プロセッサ（３５、７８、１３０）は、前記無線信号が最初に受信された場合に振
動の前記周波数の基準値を設定し、続いて受信された無線信号について、振動の前記周波
数の位相が前記基準値の位相からずれているかどうかを判定するように構成される、請求
項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記許容可能なしきい値範囲を取得することは、前記内部可動部品に関して予め記憶さ
れたテストデータ、設計仕様、またはこれらの何らかの組み合わせにアクセスすることを
含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記プロセッサ（３５、７８、１３０）は、前記１つまたは複数の予防措置として、前
記機械の動作の停止を開始するか、前記制御システム（１０、５０）のユーザインターフ
ェース画面に表示するために警告の送信を開始するか、表示するために局所的または遠隔
のワークステーション（３６、８８）に前記警告の送信を開始するか、あるいはこれらの
何らかの組み合わせを行うように構成される、請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
コンピュータ命令を記憶した非一時的なコンピュータ可読媒体（３７、８０）であって
、前記命令は、プロセッサ（３５、７８、１３０）によって実行された場合に、
機械の内部の可動部品に配置された無線センサ（３２、８４）との通信を、前記無線セ
ンサ（３２、８４）から無線信号を受信することにより開始し、前記無線信号は前記内部
可動部品の振動の周波数を示し、
１つまたは複数のデータソースから前記内部可動部品の振動の許容可能なしきい値範囲
を取得し、
前記振動の周波数が前記内部可動部品の振動の前記許容可能なしきい値範囲内にあるか
どうかを判定し、
前記周波数が前記許容可能なしきい値範囲内にない場合には予防措置を開始するように
構成される、コンピュータ可読媒体（３７、８０）。
【請求項１５】
前記１つまたは複数の予防措置を開始することは、前記機械の停止動作を開始するか、
コントローラ（３４、５４）のユーザインターフェース画面に表示するために警告の送信
を開始するか、表示するためにワークステーション（３６、８８）に前記警告の送信を開
始するか、あるいはこれらの何らかの組み合わせを行うことを含む、請求項１４に記載の
コンピュータ可読媒体（３７、８０）。
【請求項１６】
前記命令は、前記周波数が前記許容可能なしきい値範囲内である場合には、ネットワー
クインターフェースを用いて別の無線信号の待ち受けを開始するように構成される、請求
項１４に記載のコンピュータ可読媒体（３７、８０）。
【請求項１７】
前記通信を開始することは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、無線、赤外線、ＷｉＦ
ｉ、またはＺｉｇＢｅｅを含む無線技術を用いて前記無線信号を受信するためにネットワ
ークインターフェースを用いることを含む、請求項１４に記載のコンピュータ可読媒体（
３７、８０）。
【請求項１８】
前記許容可能なしきい値範囲を取得することは、前記１つまたは複数のデータソースと
して局所的または遠隔のデータソースから前記許容可能なしきい値範囲を取得することを
含む、請求項１４に記載のコンピュータ可読媒体（３７、８０）。
【請求項１９】
前記許容可能なしきい値範囲を取得することは、前記内部可動部品に関して予め記憶さ
れたテストデータ、設計仕様、またはこれらの何らかの組み合わせを読み出すことを含む
、請求項１４に記載のコンピュータ可読媒体（３７、８０）。
【請求項２０】
前記命令は、振動の周波数が振動の前記許容可能なしきい値範囲を超えた場合には、前
記内部可動部品にクラックがあると判定するように構成される、請求項１４に記載のコン
ピュータ可読媒体（３７、８０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、エンジン部品（たとえば、可動エンジン部品）のモニタ
リングに関し、より具体的には、エンジンの作動部品におけるクラックなどの状態をリア
ルタイムで検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
１つまたは複数のクラックが生じているエンジンの可動部品は、クラックが検出されな
いままであると、エンジンの望ましくないメンテナンス事象につながる可能性がある。た
とえば、ガスタービンエンジンのクラックが検出されないタービンブレードは、保持ディ
スクから外れる場合があり、それによって望ましくないメンテナンス事象が発生する可能
性がある。さらに、往復運動内燃エンジンのクラックが検出されない連結ロッドは、ばら
ばらに壊れて、そのキャップから外れる場合があり、それによって望ましくないメンテナ
ンス事象が発生する可能性がある。
【０００３】
しばしば、クラックのある可動部品を有するエンジンを作動させるという可能性のある
結果を防止するために、オペレータは、エンジンに含まれる可動部品のスケジュールに基
づくモニタリングを用いる。スケジュールに基づくモニタリングは、可動部品の状態に関
わらず、一定期間が経過した後に可動部品を交換することを意味することができる。すな
わち、６ヶ月および１年など一定の使用期間の後に、いくつかの可動部品は可動部品の状
態を確認することなく交換される。これは、かなりの残存耐用寿命を有し得る可動部品を
交換することにより、資源を浪費することになり得る。また、スケジュールに基づくモニ
タリングは、望ましくないメンテナンス事象が生じる前に、クラックのある可動部品を遅
れずに見つけることができない。状態に基づくモニタリングが用いられるシナリオでは、
可動部品の種々の特性をモニターするコントローラにデータを伝達するために、センサを
エンジンの可動部品に配置することができる。しかし、センサは、通常、配線を介してコ
ントローラに接続される。可動部品に取り付けられたセンサの配線は、エンジンが動作す
るにつれて絡まって、配線がセンサおよび／またはコントローラから切り離されるおそれ
がある。したがって、クラックがさらに進行する前に、エンジンが動作している間にエン
ジンの内部可動部品の状態に基づくモニタリングを強化することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７６９６８９３号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本開示の範囲に相応する特定の実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は特許
請求される開示の範囲を限定しようとするものではなく、むしろ、これらの実施形態は本
開示の可能性がある形式の概要を提供しようとするものにすぎない。実際、本開示は、以
下に記載する実施形態に類似してもよく、あるいは異なってもよい様々な形態を含むこと
ができる。
【０００６】
一実施形態では、システムは、機械の内部の可動部品に配置され、無線で通信するよう
に構成された無線センサと、プロセッサを含むコントローラと、を含む。プロセッサは、
無線センサから内部可動部品の振動の周波数を示す無線信号を受信することにより、無線
センサとの通信を開始し、１つまたは複数のデータソースから内部可動部品の振動の許容
可能なしきい値範囲を取得し、振動の周波数が内部可動部品の振動の許容可能なしきい値
範囲内にあるかどうかを判定し、周波数が許容可能なしきい値範囲内にない場合には予防
措置を開始するように構成される。
【０００７】
別の実施形態では、装置はプロセッサを含む。プロセッサは、内部可動部品の振動の周
波数を示す無線信号を受信することにより、機械の内部の可動部品に配置された無線セン
サとの通信を開始し、１つまたは複数のデータソースから内部可動部品の振動の許容可能
なしきい値範囲を取得し、振動の周波数が内部可動部品の振動の許容可能なしきい値範囲
内にあるかどうかを判定し、周波数が許容可能なしきい値範囲内にない場合には予防措置
を開始するように構成される。
【０００８】
別の実施形態では、非一時的なコンピュータ可読媒体は、コンピュータ命令を記憶する
。命令は、プロセッサによって実行された場合に、機械の内部の可動部品に配置された無
線センサとの通信を、無線センサから無線信号を受信することにより開始し、無線信号は
内部可動部品の振動の周波数を示し、１つまたは複数のデータソースから内部可動部品の
振動の許容可能なしきい値範囲を取得し、振動の周波数が内部可動部品の振動の許容可能
なしきい値範囲内にあるかどうかを判定し、周波数が許容可能なしきい値範囲内にない場
合には予防措置を開始するように構成される。
【０００９】
本開示のこれらの、ならびに他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照しつつ以
下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたっ
て、類似する符号は類似する部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】開示された状態に基づくモニタリング技術を用いた往復運動エンジンシステムの一実施形態のブロック図である。
【図２】開示された状態に基づくモニタリング技術を用いたガスタービンエンジンシステムの一実施形態のブロック図である。
【図３】本技術による、エンジンが動作している間に構成部品の状態（たとえば、クラック）を検出するのに適した処理の一実施形態のフローチャートである。
【図４】本技術による、図１の往復運動エンジンシステムで用いられるセンサを含む連結ロッドを示す図である。
【図５】図３の処理に関連して用いることができる加速度計の一実施形態のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下で、本開示の１つまたは複数の具体的な実施形態を説明する。これらの実施形態の
簡潔な説明を提供しようと努力しても、実際の実施のすべての特徴を本明細書に記載する
ことができるというわけではない。エンジニアリングまたは設計プロジェクトのような実
際の実施の開発においては、開発者の特定の目的を達成するために、たとえばシステム関
連および事業関連の制約条件への対応等実施に特有の決定を数多くしなければならないし
、また、これらの制約条件は実施毎に異なる可能性があることが理解されるべきである。
さらに、このような開発作業は複雑で時間がかかるかもしれないが、にもかかわらず、こ
の開示の利益を得る当業者にとっては、設計、製作、および製造の日常的な仕事であるこ
とが理解されるべきである。
【００１２】
本開示の様々な実施形態の要素を導入する場合に、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ
）」、「前記（ｔｈｅ）」および「前記（ｓａｉｄ）」は１つまたは複数の要素があるこ
とを意味するものである。「備える」、「含む」、および「有する」という用語は、包括
的なものであって、列挙された要素以外の付加的な要素があり得ることを意味するもので
ある。
【００１３】
エンジンの様々な構成部品は、使用の結果として、クラックを含む劣化が生じるおそれ
がある。たとえば、劣化が生じるおそれのある構成部品は、往復運動内燃エンジンの連結
ロッドおよびガスタービンエンジンのタービンブレードを含む。連結ロッドおよびタービ
ンブレードは、動作中に静的な力および動的な力、温度変化、ならびに他のストレス要因
を経験することがあり得る。構成部品が適正に保守されていないか、またはクラックが検
出されないままになっていると、劣化要因は、望ましくないメンテナンス事象を引き起こ
す可能性がある。したがって、状態が悪化する前にクラックなどの状態を検出するために
、可動部品の特定の特性をモニターすることが望ましい場合があり得る。
【００１４】
したがって、本開示の実施形態は、望ましくないメンテナンス状態を検出するために、
および／またはいつメンテナンスをエンジンに対して実行するべきかを予測するために、
リアルタイムのエンジン部品モニタリングを提供することに関する。一実施形態では、エ
ンジンが動作している間に内部可動部品のクラックを検出するために、無線ベースのセン
サ（たとえば、加速度計）をエンジンの内部可動部品に取り付けることができる。加速度
計は、部品が動く際の部品の周波数を連続的または周期的にモニターし、コントローラに
データを無線で送信することができる。コントローラは、振動周波数は、振動限界の知識
データベースから得られた許容可能なしきい値から外れているかどうか、あるいはその周
波数が基準から外れているかどうかを判定することができる。偏差が検出された場合には
、コントローラは、１つまたは複数の予防措置、たとえば、エンジンを停止するか、コン
トローラのユーザインターフェース画面（たとえば、ヒューマンマシンインターフェース
）に表示するために警告を送信するか、１つまたは複数のリモートワークステーションに
表示するために警告を送信するか、あるいはこれらの何らかの組み合わせなどを実行する
ことができる。いくつかの実施形態では、偏差が検出された場合には、偏差が一貫してい
ることを保証するために、１つまたは複数の測定値を再び取得することができる。後続の
チェックが一貫した偏差を示している場合には、コントローラは上述した１つまたは複数
の予防措置を実行することができる。開示される無線加速度計を用いた状態に基づくモニ
タリングの利点は、検出されたクラックのある可動部品を修理する際の時間とコストを節
約することを含み、本技術はまた、望ましくないメンテナンス事象を防止することができ
る。商業的には、これは、エンジンの信頼性を向上させる可能性により、エンジンオペレ
ータに対して価値を付加することができる。
【００１５】
図面を見ると、図１は、開示された状態に基づくモニタリング技術を用いた往復運動エ
ンジンシステム１０の一実施形態のブロック図を示す。システム１０は、１つまたは複数
の燃焼室１４（たとえば、１、２、３、４、５、６、７、８、１０、１２、１４、１６、
１８、または２０以上の燃焼室１４）を有するエンジン１２（たとえば、往復運動内燃エ
ンジン）を含む。例示的なエンジン１２は、たとえば、ゼネラルエレクトリック社のＪｅ
ｎｂａｃｈｅｒエンジン（たとえば、Ｊｅｎｂａｃｈｅｒタイプ２、タイプ３、タイプ４
、タイプ６、またはＪ９２０ＦｌｅＸｔｒａ）またはＷａｕｋｅｓｈａエンジン（たとえ
ば、Ｗａｕｋｅｓｈａ  ＶＧＦ、ＶＨＰ、ＡＰＧ，２７５ＧＬ）などの輸送用エンジンを
含むことができる。空気供給１６は、空気、酸素、酸素を多くした空気、酸素を少なくし
た空気、またはこれらの任意の組み合わせ等の加圧酸化剤１８を各燃焼室１４に供給する
ように構成される。燃焼室１４はまた、燃料供給２２から燃料２０（たとえば、液体およ
び／または気体燃料）を受け取るように構成され、空気燃料混合気は、各燃焼室１４内で
点火され燃焼する。理解されるように、エンジン１２は、液体燃料および気体燃料の組み
合わせを使用するように構成されたデュアル燃料エンジンであってもよい。いくつかの実
施形態では、加圧酸化剤１８および燃料２０を吸気マニホールドに供給し、その中で混合
することができ、吸気マニホールドは空気燃料混合気を燃焼室１４に供給する。また、い
くつかの実施形態では、酸化剤１８および燃料２０の一部は、酸化剤１８および／または
燃料２０が燃焼室に直接供給される個別の供給に加えて、燃焼室１４に供給するためにマ
ニホールド内で予備混合する（たとえば、早期点火のため）ことができる。高温加圧燃焼
ガスは、各燃焼室１４に隣接するピストン２４をシリンダ２６内で直線的に動かし、ガス
によって加えられた圧力を、ピストン２４をクランクに接続する連結ロッド２８を介して
回転運動に変換し、シャフト３０を回転させる。シャフト３０は、負荷３１に結合するこ
とができ、負荷３１はシャフト３０の回転によって駆動される。たとえば、負荷３１は、
発電機などの、システム１０の回転出力によって電力を発生することができる任意の適切
な装置であってもよい。さらにまたは代わりに、負荷３１は、機械的駆動装置、圧縮機、
ポンプなどを含んでもよい。利用可能なエネルギーがシャフト３０の回転に変換されると
、残りの燃料２０および／または酸化剤１８は、排気としてエンジン１２から排出され、
除去される。
【００１６】
エンジン１２の種々の内部構成部品は、コントローラ３４との間で無線通信する１つま
たは複数の取り付けられたセンサ３２（たとえば、加速度計、電流センサ、温度センサ）
を含むことができる。コントローラ３４は、エンジン制御部（ＥＣＵ）であってもよく、
１つまたは複数のワークステーション３６と通信するためにネットワークインターフェー
スに信号を送信するように構成された１つまたは複数のプロセッサ３５を含むことができ
る。さらに、コントローラ３４は、本明細書に開示する技術を実施するためにプロセッサ
３５によって実行されるコンピュータ命令を記憶する１つまたは複数のメモリ３７を含む
ことができる。図示するように、センサ３２は、エンジン１２の内部の任意の部品（たと
えば、可動部品）、とりわけ、連結ロッド２８、燃焼室１４、ピストン２４、シリンダ２
６を含む部品に配置することができる。センサ３２およびコントローラ３４は、それぞれ
の通信構成要素を介して、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｄｕｓｔ  Ｎｅｔｗｏｒｋ
ｓ（登録商標）、Ｚ−ｗａｖｅ（登録商標）、ワイファイ（ＷｉＦｉ）、およびＺｉｇＢ
ｅｅ（登録商標）などの標準的なネットワークプロトコルを使用して通信することができ
る。使用可能な他の無線通信技術は、赤外線および無線である。いくつかの実施形態では
、センサおよびコントローラ３４を含む部品間の距離は、一般に１〜５メートルとするこ
とができるので、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）はその短い送信範囲に対して好適であ
る。また、通信プロトコルとしてＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）を用いることにより、
各送信によって消費される電力量を低減することができ、それは内部電源（たとえば、電
池）を有するセンサ３２を使用する場合に有益であり得る。であろうが、は、センサ３２
からコントローラ３４にデータを中継するために無線通信プロトコルを用いることにより
、配線を通すことが困難なエンジン１２の内部の構成部品にセンサを配置することが可能
になることを理解されたい。さらに、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）ベースのセンサ３
２を用いることにより、連結ロッド２８などの移動および／または回転することができる
エンジン１２の部品にセンサ３２を配置することが可能になる。たとえば、配線が可動部
品上のセンサに接続されていると、配線が絡まって、センサおよび／またはコントローラ
から切り離されるおそれがある。
【００１７】
いくつかの実施形態では、コントローラ３４が起動されると、コントローラ３４は、各
センサ３２との初期化およびハンドシェイク処理を行うことができる。たとえば、コント
ローラ３４は、各センサ３２に個別に連絡をとり、センサ３２を起動するためのコマンド
命令を送信することができる。センサ３２が起動すると、コントローラ３４は、センサ３
２とのペアリングおよび認証ハンドシェイク処理を行うことができる。コントローラ３４
およびセンサ３２が無線で接続され、データを通信することができると、コントローラ３
４はセンサ３２に特定の情報を要求することができ、あるいはセンサ３２がデフォルトで
特定の情報を送信することができる。その情報は、センサ３２の種類（たとえば、加速度
計、温度、電流）、センサ３２により用いられる電源、センサ３２が送信データのタイプ
（たとえば、種類、サイズ）、送信スケジュール、センサ３２が取り付けられた部品等に
関するものとすることができる。
【００１８】
以下に詳細に説明するように、一実施形態では、センサ３２は、クラックなどの可動部
品の望ましくない状態を検出するために、エンジン１２の可動部品の振動の周波数を測定
し、コントローラ３４に連続的にまたは周期的に周波数信号を送信する加速度計とするこ
とができる。コントローラ３４は、特定の可動部品の振動信号の受信周波数を、仕様に提
供されたまたは可動部品のテスト中に決定された可動部品の固有周波数または周波数の許
容可能な範囲を含む知識データベースと比較することができる。周波数がデータベース中
の許容可能な限界を超えている場合には、コントローラ３４は、１つまたは複数の予防措
置、たとえば、エンジン１２を停止させるか、コントローラに含まれるユーザインターフ
ェース画面に表示するための警告を送信するか、ワークステーション３６で表示するため
の警告を送信するか、あるいはこれらの何らかの組み合わせを行うことができる。周波数
が許容可能なしきい値範囲内にある場合には、コントローラ３４は、エンジン１２の連続
運転を可能にし、可動部品の状態をモニタリングし続けることができる。
【００１９】
コントローラ３４は、ワークステーション３６と無線通信または有線通信（たとえばイ
ーサネット（登録商標））することができ、ワークステーション３６に長距離にわたって
データを送信することができる。ワークステーション３６は、システム１０と同じサイト
、プラント、工場など（「場所１」）に配置することができる。しかし、コントローラ３
４は、ネットワーク４０（たとえば、インターネット）を介して、場所１の外部にあるワ
ークステーション３６ならびに他の場所およびシステム３８と通信することができる。コ
ントローラ３４は、ワークステーション３６、「場所２」４２に配置された他の構成要素
、ならびに／または他の場所およびシステム３８と無線通信することができる。様々なワ
ークステーション３６、場所（４２）、ならびに他の場所およびシステム３８は、すべて
互いに通信することができ、各システムに関連するデータは、ネットワーク４０を介して
企業レベル４４に記憶することができる。たとえば、企業レベル４４において、エンティ
ティは、コントローラ３４およびワークステーション３６などから受信したデータをモニ
タリングすることにより、任意の数の場所で動作するエンジンを保守することができる。
【００２０】
図２は、開示された状態に基づくモニタリング技術を用いたガスタービンエンジンシス
テム５０の一実施形態のブロック図である。特定の実施形態では、ガスタービンエンジン
システム５０は、ガスタービン５２、コントローラ５４（たとえば、エンジン制御部）、
および燃料供給システム５６を含むことができる。図示するように、ガスタービン５２は
、圧縮機５８、燃焼システム６０、燃料ノズル６２、タービン６４、および排気部６６を
含むことができる。動作中、ガスタービン５２は、気体（たとえば、空気）６８を圧縮機
５８内に取り入れ、空気６８を圧縮して、燃焼システム６０（たとえば、複数の燃焼器）
に移動させる。燃焼システム６０では、燃料ノズル６２（または複数の燃料ノズル６２）
は、燃料を噴射し、圧縮空気と混合して、空気燃料混合気を生成する。空気燃料混合気は
、燃焼システム６０で燃焼し、高温燃焼ガスを発生させることができ、それは下流側のタ
ービン６４内に流入して１つまたは複数のタービン６４段を駆動する。たとえば、燃焼ガ
スは、タービン６４を通って移動し、タービン６４のブレードの１つまたは複数の段を駆
動して、シャフト７０を回転させる。シャフト７０は、シャフト７０のトルクを用いて電
気を生成する発電機などの負荷７２に接続される。タービン６４を通過した後、高温燃焼
ガスは、排気部６６を通って、排気ガス７４としてボトミングサイクルシステム（たとえ
ば、ＨＲＳＧ）内に排出される。
【００２１】
特定の実施形態では、コントローラ５４は、プロセッサ７８、メモリ８０、アクチュエ
ータ８２およびセンサ８４とインターフェースするのに適したハードウェアインターフェ
ース（図示せず）、ならびにセンサ８４と無線で通信するのに適した通信構成要素（図示
せず）を含むことができる。したがって、コントローラ５４は、任意の適切な無線技術（
たとえば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標））を介してセンサ８４に無線で通信可能に結
合することができ、そのようにして、コントローラ５４は、センサ８４からデータを受信
し、センサ８４にコマンド命令を送信することができる。メモリ８０は、本明細書に開示
する、状態に基づくモニタリング（たとえば、クラック検出）技術を実施する有形の非一
時的なコンピュータ可読媒体に格納されたコンピュータ命令を含むことができる。図示す
るように、無線センサ８４は、システム５０の多くの構成要素、たとえば、燃料供給シス
テム５６、燃焼システム６０、燃料ノズル６２、圧縮機５８および圧縮機の内部部品（た
とえば圧縮機ブレード）、タービン６４およびタービンの内部部品（たとえば、タービン
ブレード）、負荷７２、ならびに排気部６６などに取り付けることができる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、センサ８４は、振動パラメータ（たとえば、振動周波数、速
度、加速度、または変位）信号をコントローラ５４に送信するように構成された加速度計
を含むことができる。たとえば、以下に詳細に説明するように、無線ベースのセンサ８４
は、タービンブレードなどのタービン６４のケーシング内部の可動部品に取り付けること
ができ、センサ８４は、エンジン運転中にタービンブレードが回転するにつれてタービン
ブレードの周波数を送信することができる。このようにして、コントローラ５４は、セン
サ８４のデータに基づいて、動作中にタービンブレードの周波数が許容可能なしきい値を
超えているかどうかを検出し、ブレードにクラックが発生している可能性があることを判
定することができる。その結果、コントローラ５４は、予防措置、たとえば、エンジン５
０を停止させるか、コントローラに含まれるユーザインターフェース画面に表示するため
の警告を送信するか、ワークステーション８８で表示するための警告を送信するか、ある
いはこれらの何らかの組み合わせを行うことができる。上述したように、無線ベースのセ
ンサ８４を使用することにより、エンジン内部に配置された、移動および／または回転す
る部品などの、配線にアクセスできない、および／または配線と不適合であり得る特定の
部品に特有なデータをモニタリングすることが可能になる。さらに、開示する技術は、シ
ステム５０が動作している間に特定の状態を検出することを可能にすることができ、それ
はその状態が悪化すること、および可能性のある望ましくないメンテナンス事象を引き起
こすことを防止することができる。
【００２３】
さらに、センサ８４のデータに応答して、プロセッサ７８は、アクチュエータ８２を介
してガスタービンエンジンシステム５０の構成要素（たとえば、燃料供給システム５６）
を制御するために、メモリ８０に記憶されているに命令を実行することができる。アクチ
ュエータ８２は、制御動作を行う際に有用なバルブ、ポンプ、ポジショナ、入口案内ベー
ン、およびスイッチなどを含むことができる。センサ８４は、たとえば、燃焼システム６
０に供給される燃料８６の量、燃料８６の温度、圧縮機５８の圧力比、および圧縮機５８
の入口温度を含む様々なデータをコントローラ５４に提供することができる。
【００２４】
さらに、往復運動エンジンシステム１０に関連して上述したように、ガスタービンエン
ジンシステムのコントローラ５４は、１つまたは複数のワークステーション８８と無線通
信または有線通信（たとえばイーサネット（登録商標））することができ、長距離にわた
ってワークステーション８８にデータを送信することができる。ワークステーション８８
は、システム５０と同じサイト、プラント、工場など（「場所１」）に配置することがで
きる。しかし、コントローラ５４は、ネットワーク９２（たとえば、インターネット）を
介して、場所１の外部にあるワークステーション８８ならびに他の場所およびシステム９
０と通信することができる。コントローラ５４は、ワークステーション８８、「場所２」
９４に配置された他の構成要素、ならびに／または他の場所およびシステム９０と無線通
信することができる。様々なワークステーション８８、場所（９４）、ならびに他の場所
およびシステム９０は、すべて互いに通信することができ、各システムに関連するデータ
は、ネットワーク９２を介して企業レベル９６に記憶することができる。たとえば、企業
レベル９６において、エンティティは、コントローラ５４およびワークステーション８８
などから受信したデータをモニタリングすることにより、任意の数の場所で動作するエン
ジンを保守することができる。
【００２５】
図３は、本技術による、エンジンが動作している間に構成部品の状態（たとえば、クラ
ック）を検出するのに適した処理１００の一実施形態のフローチャートである。処理１０
０についての以下の説明は、図１の要素を参照しているが、この説明は、同様の要素が同
様の機能を行う図２についても適用することに留意されたい。処理１００は、１つまたは
複数の有形の非一時的なコンピュータ可読媒体（たとえば、メモリ３７）に格納され、コ
ントローラ３４に含まれる１つまたは複数のプロセッサ３５により実行可能なコンピュー
タ命令として実現することができる。処理１００は、加速度計から信号を受信すること（
処理ブロック１０２）、および受信した周波数を許容可能な振動限界の１つまたは複数の
データベース（データベース１０６）と比較することにより、振動周波数が特定の限界内
にあるかどうかを判断すること（判断ブロック１０４）を含むことができる。加速度計は
センサ３２として使用できることに留意されたい。振動周波数が許容可能な限界内である
場合には、処理１００は、加速度計３２から次の信号を受信するために待ち受けに戻るこ
とができる（処理ブロック１０２）。振動周波数が許容可能な振動限界を超えている場合
には、コントローラ３４は、エンジンを停止させるコマンド命令を実行することができる
（処理ブロック１０８）。さらに、コントローラ３４は、ユーザインターフェースに表示
するための警告を送信、またはアラームをトリガすることができ（処理ブロック１１０）
、ワークステーション３６などの１つまたは複数の遠隔モニタリングシステムに信号を送
信することができる（処理ブロック１１２）。
【００２６】
より具体的には、処理ブロック１０２については、いくつかの実施形態では、加速度計
３２は、取り付けられた可動部品の周波数信号を通信可能に結合されたコントローラ３４
に連続的に送信するように構成することができる。他の実施形態では、加速度計３２は、
設定可能な期間において所定の間隔または設定可能な間隔で周波数信号を送信するように
構成することができる。たとえば、加速度計３２は、１時間、２時間、３時間などにわた
って、１０秒、３０秒、１分ごとなどにデータを送信することができる。いくつかの実施
形態では、コントローラ３４はモニタリングスケジュールに基づいてデータを要求するこ
とができ、あるいは、コントローラ３４が過去の測定値の傾向が限界に近づきつつあると
判断し、かつコントローラ３４が可動部品の状態を緊密にモニターすることが望ましいと
判断した場合には、コントローラ３４はより高速の送信を要求することができる。また、
いくつかの実施形態では、コントローラ３４は無線加速度計３２の電池寿命に関するデー
タを得ることができる。加速度計３２の電池寿命が相対的に低い場合には、コントローラ
３４は、加速度計の電力を維持するために、読み出し間隔を長くするように加速度計３２
に命令することができる。
【００２７】
コントローラ３４がモニターされている可動部品の振動の周波数を表す信号を受信する
と（処理ブロック１０２）、コントローラ３４は、振動周波数が許容可能な振動限界デー
タベース１０６から得られた許容可能なしきい値範囲内にあるかどうかを判定する。前に
述べたように、いくつかの実施形態では、１つまたは複数の許容可能な振動限界データベ
ース１０６があってもよい。たとえば、一実施形態では、データベース１０６は、コント
ローラ３４に局所的に配置されている。他の実施形態では、コントローラ３４が振動限界
データを取得するためにアクセスするいくつかのデータベース１０６があってもよい。す
なわち、たとえば、局所的なデータベース１０６が特定の専用の可動部品（たとえば、連
結ロッド）の振動限界を含んでもよく、外部のソースに配置された別のデータベース１０
６が第三者の部品の振動限界を含んでもよい。データベース１０６のいずれも、多くの機
械の多くの部品の振動限界データを含むことができることに留意されたい。また、データ
ベース１０６のデータは、現在の振動限界データを取得するためにウェブサービスを呼び
出すことができる、コントローラのメモリ３７に記憶されたソフトウェアアプリケーショ
ンによって、定期的に更新することができる。他の実施形態では、第三者サービスがデー
タベース１０６へのデータ更新を推進することができる。
【００２８】
許容可能な振動限界に関するデータは、モニターされる可動部品の許容可能な振動、以
前の設計知識（たとえば仕様）、クラックに関連した過去の観測された周波数、またはこ
れらの何らかの組み合わせに関するテストデータから得ることができる。データは、シス
テム１０が起動される前にデータベース１０６に格納することができる。許容可能な振動
限界は、許容可能な周波数のしきい値範囲を意味することができる。加えて、データベー
ス１０６は、モニターされている各部品の正常な振動周波数のためのフィールドを含むこ
とができる。説明のために、データベース１０６は、連結ロッド２８の固有周波数が２０
ヘルツ（Ｈｚ）であり得ることを示すことができる。仕様により得られた、または連結ロ
ッド２８の試験中に得られた周波数の許容可能な範囲は、２０Ｈｚから０〜２Ｈｚの偏差
を含むことができる。その範囲外のいずれの周波数も、クラックが存在することを示すこ
とができる。クラックが生じた部品は、通常、その部品が完全である時の部品の固有周波
数とは異なる（たとえば、より高いかより低い）周波数を生成する。したがって、連結ロ
ッド２８が２５Ｈｚの振動周波数を生成する場合には、コントローラ３４は、クラックが
連結ロッド２８に存在すると判定することができる。他の実施形態では、コントローラ３
４は、始動時に可動部品の振動周波数の基準を取得して、データベース１０６から得られ
た一定量のＨｚの基準からの偏差をモニターすることができる。いくつかの実施形態では
、基準偏差は、取り込まれた周波数間の位相差オフセットの測定を含むことができる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、角速度、加速度、および変位などの他のパラメータを、１つ
または複数のセンサから受信した信号に基づいてコントローラ３４により決定することが
できる。たとえば、位置センサは、角速度を示す信号を送信するために、加速度計３２と
併せて用いることができる。コントローラ３４は、位置センサおよび加速度計３２からの
信号を受信して、信号を角速度に変換するために高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行する
ことができる。また、加速度計によって送信された周波数信号は、加速度およびＨｚの変
位を決定するために、コントローラ３４によってＦＦＴにおいて用いることができる。
【００３０】
コントローラ３４が、可動部品の周波数が許容可能なしきい値範囲の外側であると判定
した場合には、コントローラ３４は、１つまたは複数の予防措置を実行することができる
。その措置は、エンジン１２を停止すること（処理ブロック１０８）、コントローラ３４
によって提供されたユーザインターフェースに信号を送信すること（処理ブロック１１０
）、遠隔モニタリングシステム（たとえば、ワークステーション３６）に信号を送信する
こと、またはこれらの何らかの組み合わせを行うことを含むことができる。エンジン１２
を停止すること（処理ブロック１０８）によって、クラックが成長して、可動部品が分離
し、これにより望ましくないメンテナンス事象につながるおそれがあることを防止するこ
とができる。コントローラ３４のユーザインターフェース（たとえば、ヒューマンマシン
インターフェース）に信号を送信すること（処理ブロック１１０）は、クラックが検出さ
れた可動部品を表示することを含み、フラグを付した部品を交換するためにオペレータに
警告することができる。また、信号は、コントローラ３４の音声サイレンアラームをトリ
ガすることができる。さらに、ワークステーション３６に信号を送信することは、システ
ム１０および影響を受ける可動部品（たとえば、連結ロッド２８）を表示することを含み
、それは、オペレータが、エンジン１２が停止することによって影響される他の機械また
はシステムを停止することを可能にすることができる。また、ワークステーション３６に
警告を送信することは、所有者エンティティがシステムの停止時間を追跡することを保持
し、交換部品を注文し、メンテナンスをスケジュールし、およびシステムのフリートをよ
り効率的に管理することを可能にする。いくつかの実施形態では、コントローラ３４は、
システムの停止時間を低減するために、クラックが生じた可動部品のメンテナンスを行う
時間を自動的にスケジュールすることができる。予防措置がコントローラ３４により行わ
れた後に、処理１００をリセットすることができる。
【００３１】
図４は、本技術による、図１の往復運動エンジンシステム１０で用いられるセンサ３２
を含む連結ロッド２８を示す。図示する実施形態では、センサ３２は、振動周波数を測定
するために使用される加速度計とすることができる。近位端部１２０は、ピストン２４の
ピンに接続することができ、ピンは連結ロッド２８内に圧入することができる。連結ロッ
ドの近位端部１２０は、ピストン２４において旋回することができる。連結ロッド２８の
遠位端部１２２は、クランクスローの軸受ジャーナルに接続することができる。近位端部
１２０および遠位端部１２２は、シャンク１２４によって接続され、分離することができ
る。連結ロッド２８は、動作中に伸長および圧縮などの大きな応力を受けることがある。
近位端部１２０、遠位端部１２２、またはシャンク１２４などの連結ロッド２８のいずれ
の部品がクラックした場合でも、連結ロッド２８はばらばらに壊れて、それによって望ま
しくないメンテナンス事象が発生する可能性がある。図示するように、ロッド２８の振動
の周波数をモニターするために、加速度計３２をシャンク１２４の中心に取り付けること
ができる。上述したように、許容可能なしきい値範囲を超える振動周波数、周波数シフト
、または他のパラメータ（たとえば、速度、加速度、変位）は、ロッド２８のクラックを
示すことができる。加速度計３２は、ロッド２８に沿ってどこに配置してもよく、シャン
ク１２４の中心の配置に限定されないことに留意されたい。さらに、連結ロッド２８が配
線を通すことが困難であり得るエンジンの内部に配置されており、連結ロッド２８が動作
中に複数の方向に急速に移動して、接続された配線が外れたり絡まったりするおそれがあ
るので、無線加速度計を使用することが望ましい。すなわち、連結ロッド２８は、エンジ
ン１２が動作している時に任意に（非直線的に）移動することができる。
【００３２】
図５は、図３の処理に用いることができる加速度計１２８の一実施形態のブロック図で
ある。加速度計は、センサ３２およびセンサ８４のいずれかまたは両方として使用できる
ことに留意されたい。加速度計１２８は、プロセッサ１３０、トランスデューサ１３２、
通信構成要素１３４、および電源１３６を含むことができる。加速度計１２８は、往復運
動エンジンおよびガスタービンエンジンなどの機械に含まれる可動部品の振動の周波数を
検出し測定することを可能にすることができる。トランスデューサ１３２は、１つの形態
から別の形態にエネルギーを変換することができる。たとえば、トランスデューサ１３２
は、振動を電気信号に変換するように構成された圧電材料を含むことができる。すなわち
、振動の周波数は、圧電材料１３２により取得することができ、圧電材料１３２が振動す
ると、圧電材料１３２は周波数を示す電気信号を生成する。圧電材料１３２が機械的応力
（たとえば、振動）を受けると、正および負の電荷中心が材料１３２内でシフトし、それ
によって外部電気信号を生成させる。上述したように、プロセッサ１３０は、その信号を
受信して、通信構成要素１３４がコントローラ（たとえば、符号３４または５４）に周波
数を表す信号を送信するようにさせることができる。通信構成要素１３４は、上述したよ
うに、任意の適切な無線技術（たとえば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＷｉＦｉ（
登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）、無線、赤外線）を介して通信可能な無線カード
を含むことができる。いくつかの実施形態では、電源１３６は、電池、キャパシタ、また
は他の内部電源であってもよく、圧電材料１３２により生成された電荷を蓄積することが
できてもよい。
【００３３】
本開示の技術的効果は、無線ベースのセンサおよび制御システムにより、機械の内部の
可動部品の状態に基づくモニタリングを用いて、クラックなどの特定の状態を検出するこ
とを含むことができる。本技術は、モニターされた可動部品の振動の周波数を示す、無線
加速度計からの信号を受信するコントローラを含むことができる。コントローラは、その
周波数が許容可能なしきい値範囲内にあるかどうかを判定し、そうでない場合には、特定
の予防措置をとることができる。本明細書に開示した技術を用いることにより、エンティ
ティは、完全に分離する前にクラックおよび／または他の可能性のある故障を検出するこ
とが可能になり、それによって望ましくないメンテナンス事象を防止することができる。
クラックが検出された場合には、エンジンを停止し、部品を迅速に交換し、それによりシ
ステムの停止時間を低減することができる。このように、開示した技術は、機械の修理に
おける時間および費用を節約することができ、ならびに検出されない故障に起因する機械
への潜在的な損傷を防止することができる。また、可動部品の状態に基づいて可動部品を
モニターすることによって、スケジュールに基づくモニタリング管理で行われているよう
に部品の状態を考慮せずに部品を交換するのではなく、部品の全寿命を活用することが可
能になる。
【００３４】
この明細書は、本技術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技術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。本開示の特許され得る範囲は、請求項によって定義され、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が特許請求の範囲の文字通りの言
葉と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが特許請求の範囲の文字通りの言
葉と実質的な差異がなく等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請
求の範囲内であることを意図している。
【符号の説明】
【００３５】
１０  往復運動エンジンシステム
１２  エンジン
１４  燃焼室
１６  空気供給
１８  加圧酸化剤
２０  燃料
２２  燃料供給
２４  ピストン
２６  シリンダ
２８  連結ロッド
３０  シャフト
３１  負荷
３２  センサ、加速度計
３４  コントローラ
３５  プロセッサ
３６  ワークステーション
３７  メモリ
３８  他の場所およびシステム
４０  ネットワーク
４２  場所２
４４  企業レベル
５０  エンジン、ガスタービンエンジンシステム
５２  ガスタービン
５４  コントローラ
５６  燃料供給システム
５８  圧縮機
６０  燃焼システム
６２  燃料ノズル
６４  タービン
６６  排気部
６８  気体、空気
７０  シャフト
７２  負荷
７４  排気ガス
７８  プロセッサ
８０  メモリ
８２  アクチュエータ
８４  センサ
８６  燃料
８８  ワークステーション
９０  他の場所およびシステム
９２  ネットワーク
９４  場所２
９６  企業レベル
１００  処理
１０２  処理ブロック
１０４  判断ブロック
１０６  データベース
１０８  処理ブロック
１１０  処理ブロック
１１２  処理ブロック
１２０  近位端部
１２２  遠位端部
１２４  シャンク
１２８  加速度計
１３０  プロセッサ
１３２  トランスデューサ、圧電材料
１３４  通信構成要素
１３６  電源
【図１】
2016166609.tif 000003
【図２】
2016166609.tif 000004
【図３】
2016166609.tif 000005
【図４】
2016166609.tif 000006
【図５】
2016166609.tif 000007
【外国語明細書】
2016166609000001.pdf