CN102282450B - 监控燃气涡轮发动机运行中产生的振动现象的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于监控航空燃气涡轮发动机运行过程中产生的振动现象的方法和系统。该方法包括：建立表示发动机及其部件的运行状态的振动信号的频谱；使用多个振动特征，每个所述振动特征对应于一个振动现象，该振动现象在与被监控的发动机同类型的航空发动机的运行过程中产生，并源自发动机部件的缺陷或异常运行；在上述频谱中识别与数学函数相符的曲线上的点，每个所述数学函数限定一个振动特征；对于每个识别的与发动机部件缺陷对应的曲线，相对于预定义振幅值对与所述曲线上的点相关的振幅进行分析，所述预定义振幅值对应于缺陷的严重程度；当一个或多个振幅值被超过或者异常运行被检测到时，发出与振动特征相关的消息。

Description

监控燃气涡轮发动机运行中产生的振动现象的方法和系统
发明背景 
本发明大体上涉及对飞行器，例如飞机或直升机的燃气涡轮发动机进行监控。更具体地，本发明涉及用于监控飞机燃气涡轮发动机运行过程中产生的振动现象的方法和系统。 
公知的是，在飞机发动机中安装加速计类型的振动传感器，以监控发动机运行过程中一个或多个特定发动机部件产生的振动。收集的振动信号被分析以将其振幅与限定的阀值相比较，其中每个阀值对应于被监控的特定部件的缺陷运行。因此，如果被监控的发动机部件产生缺陷，该部件的运行会引起特定的振动现象，这种现象可以通过分析振动信号被检测到。 
EP1970691描述了一种方法，该方法用于监控航空涡轮机中轴间轴承的滚动元件的磨损。在该发明中，收集到的振动信号被转换为频谱，以获得成倍于由对轴承滚动元件的损坏所产生的理论频率排列的谱线(与该损坏的理论频率对应的是，滚动元件带缺陷运行)。然后将根据理论频率的倍数而识别的最大幅值与预定义阀值相比较，以确定轴承的滚动元件是否受损。 
尽管有效，上述现有技术中的监控方法在应用中有一定的局限性。对发动机的所有部件进行理论缺陷运行频率计算是非常复杂的，甚至是不可能完成的。即使对于某些部件是可能的，这种计算只是模拟，因此可靠性不能得到保证。因此，由于在飞机飞行过程中发动机部件缺陷会产生大量的振动现象，但是这些振动现象未被检测到，或者不能很好地对振动现象进行解释，要承担发动机可能被损坏的风险。 
此外，现有技术中的监控方法不能检测出发动机部件的异常运行，例如，轴承的滚动元件在轴承沟道中打滑。不幸的是，这种不一定与发动机部件的结构性缺陷相关的异常运行会损坏这些部件。 
发明目的和发明内容 
因此，本发明的一个主要目的是提供一种对有待改进的飞机燃气涡轮发动机进行监控的方法和系统，以减少上述缺点。 
根据本发明，上述目的通过包括以下步骤的监控方法实现： 
a)在发动机的运行预定义周期中获得振动信号，该振动信号代表发动机及其部件的运行状态； 
b)在所述预定义周期中建立所述振动信号的频谱； 
c)使用多个振动特征，每个所述振动特征对应于一个振动现象，该振动现象在与被监控的发动机同类型的航空发动机的运行过程中产生，并源自于至少一个发动机部件的缺陷或异常运行，每个所述振动特征由具有系数的特定数学函数限定，该系数根据发动机的运行参数预定； 
d)在上述频谱中，识别与数学函数相符的曲线上的点，以检测发动机部件的缺陷和异常运行，其中每个所述数学函数限定一个振动特征； 
e)对于每个在所述频谱中识别的，且与源自于发动机部件缺陷的振动特征相对应的曲线，相对于预定义振幅值对与所述曲线上的点相关的振幅进行分析，每个所述预定义振幅值对应于缺陷的严重程度；以及 
f)由于一个或多个振幅值被超过或者发动机部件的异常运行被检测到，发出与所述振幅值被超过，或者异常运行被检测到的振动特征相关的消息。 
借助于限定振动特征的特定数学函数，能够涵盖所有的产生于发动机中，并源自于发动机部件的缺陷或异常运行的振动现象，而不用考虑这些震动现象是否有序，或是否理论上可预测。由此，飞行过程中引起特定振动现象的发动机部件的所有缺陷和异常运行都能够被监控。这改进了对发动机的监控。 
根据本发明的有益方面，上述方法还包括：在多次飞行中，或在多个相同飞行阶段中，或在发动机以相同速度运行的多个周期中，如果重复发出相同消息，则产生发动机维护通知。由此，能够追踪一定时期内特定振动现象的变化，并在损坏发生前发出维护通知以防止对发动机的损坏。这极大地改善了维护操作，以及对产生特定振动特征的有问题部件的维修。 
优选地，维护通知包括开始出现异常振动现象时的发动机部件的特性，上述消息针对异常振动现象而被发出。 
根据本发明的另一个有益方面，限定振动特征的数学函数存储于数据库中，该数据库可以更新。在需要时，使用这种数据库，能够更新与振动特征相关的数学函数的系数，以及增加新的函数。特别是，更新操作可以在飞行后通过连接数据库直接进行。因此，上述方法具有极大的使用和适应灵活性。 
对与在频谱中识别的给定曲线上的点相关的振幅进行的分析可以包括：将与所述曲线上的每一个点相关的振幅与至少一个预定义阀值进行比较；或将与所述曲线上的点相关的振幅的平均值与预定义平均阀值进行比较；或对与所述曲线上的点相关的振幅和预定义阀值之间的标准偏差进行计算。 
限定振动特征的特定数学函数的系数根据飞机的飞行参数和／或发动机部件的形状预定。 
获得振动信号的预定义发动机运行周期对应于飞行的特定阶段，或整个飞行过程，或发动机以特定速度运行阶段。 
引起振动现象的发动机部件的缺陷和异常运行可能属于：发动机风扇的摆动；支撑发动机的至少一个旋转轴的轴承在旋转过程中的缺陷；发动机的一个转子出现油料失衡；齿轮齿产生机械损伤；轴承的滚动部件打滑；部件开裂或磨损。 
相对应地，本发明还提供一种系统，用于监控飞机燃气涡轮发动机运行过程中产生的振动现象，特征在于该系统包括： 
a)用于在发动机的运行预定义周期中获得振动信号的装置，该振动信号代表发动机及其部件的运行状态； 
b)用于在所述预定义周期中建立所述振动信号的频谱的装置； 
c)数据库，该数据库包括多个振动特征，每个所述振动特征对应于一个振动现象，该振动现象在与被监控的发动机同类型的飞机发动机的运行过程中产生，并源自于至少一个发动机部件的缺陷或异常运行，每个所述振动特征由具有系数的特定数学函数限定，该系数根据发动机的运行参数预定； 
d)用于在频谱中识别与数学函数相符的曲线上的点，以检测发动机部件的缺陷和异常运行的装置，其中每个所述数学函数限定一个振动特征； 
e)用于相对于预定义振幅值对振幅进行分析的装置，所述振幅与以上述方式识别的曲线上的点相关，每个所述预定义振幅值对应于与振动特征相关的发动机部件的，或每个发动机部件的缺陷的严重程度； 
f)用于由于一个或多个振幅值被超过或者发动机部件的异常运行被检测到，发出与所述振幅值被超过或者异常运行被检测到的振动特征相关的消息的装置。 
附图说明
本发明的其他特征和优点借助附图进行描述，这些附图示出了非限制性的实施方式。在这些附图中： 
图1为流程图，示出了本发明的监控方法的各个步骤； 
图2示出了本发明的监控方法的一个步骤中获得的频谱；以及 
图3示出了本发明的监控方法的一个步骤中获得的另一个频谱。 
具体实施方式
本发明的监控方法和系统应用于装配在飞行器，例如飞机和直升机上的任意类型的燃气涡轮发动机。在当前描述的实施例中，更具体地涉及具有两个转子的飞机燃气涡轮发动机。当然，本发明不局限于双转子发动机，而是可以应用到具有一个或多个转子的任意飞机燃气涡轮发动机。 
本发明的监控方法和系统自动识别特定的振动现象，这些特定的振动现象产生于发动机的运行过程中，且源自发动机部件(包括辅助设备)的缺陷或异常运行。被监控的缺陷包括，例如，轴承滚动元件的磨损，(涡轮机中的)风扇的摆动等。对于发动机部件的异常运行，可能涉及，例如，轴承的滚动元件在轴承沟道中打滑。 
本发明的监控方法和系统依赖于对来自于通常安装在发动机中的(加速计类型的)振动传感器的振动信号进行的分析。以公知的方式，这些振动传感器被连接至发动机监控单元(EMU)以进行信号处理，该发动机监控单元可能位于飞机中(例如，电子舱)，或者直接安装到发动机上。 
参考图1，本发明的监控方法包括：在发动机运行中在预定测量周期T中，获得振动信号SV，该振动信号代表发动机及其部件的运行状态(即，发动机部件的振动水平，步骤E10)，并代表发动机的运行参数或飞行参数(步骤E20)。 
在当前描述的实施例中，步骤E20中获得的参数为发动机的两个转子的转速N1和N2。但是，也可能是发动机的其他运行参数(例如，油温)，或者甚至是飞行参数(例如，飞行速度和高度，机外温度等)。 
获得上述振动信号SV和参数的测量周期T对应于飞机飞行的特定阶段(如起飞或降落)，或飞机的完整飞行过程，或甚至是发动机在特定条件下运行(如全速运行，或巡航)。因此，发动机一运行就可以持续进行监控。 
如上所述，振动信号SV来自安装在发动机中的加速计。该信号传输至EMU，并存储于EMU的存储器中，以在飞机飞行过程中，或落地后进行分析。 
当步骤E20包括获得发动机转子的转速N1和N2时，上述过程可以与振动信号SV同步进行，并包括，例如，转换来自于转速计探针的信号，该转速计探针安装在发动机转子上(这些探针可能已经安装于发动机上)。这些信号也被传输至EMU，并存储于EMU的存储器中。 
接下来的步骤(E30)包括：在周期T中为振动信号SV建立频谱(或谱图)。以公知的方式，频谱通常根据发动机转子的转速N1和N2，或根据时间建立。 
此外，频谱还通过傅里叶变换建立，以获得三维图(时间或转速/频率/振幅)。图2示例出了从具有两个转子的飞机燃气涡轮发动机中获得的频谱，其中频率沿横坐标轴绘制，时间沿纵坐标轴绘制。 
建立频谱的步骤E30本身对于本领域技术人员而言是公知的，此处不再赘述。该步骤通过EMU的计算软件进行。 
在步骤E40中，本发明的监控方法包括对频谱中的点进行识别，这些点属于与如上定义的振动特征相对应的曲线。 
每个所述振动特征对应于一个特定振动现象，该振动现象在与被监控的发动机同类型的发动机的运行过程中产生，并源自于至少一个发动机部件的缺陷或异常运行。 
每个振动特征还被具有预定系数的特定数学函数F限定，具体地，所述系数根据发动机的运行参数(转子转速，油温，等)限定，以及，可选地，根据飞机的飞行参数(速度，高度，机外温度，等)限定。 
限定振动特征的数学函数F的形式可以为多项式函数，指数函数，对数函数等。举例来说，特定的数学函数的形式可以为发动机转子转速的预定多项式组合。 
下面详述获得振动特征，特别是对应的数学函数F的系数的方法。 
步骤E40通过EMU的计算软件进行。本步骤使用本领域技术人员公知的计算方法，包括：在频谱中识别属于由上述特定数学函数限定的曲线，并与振动特征相关的各个点，所述点根据所要建立的频谱模型而使用频率，时间，和/或转子转速作为坐标。 
图2所示的频谱例子中，点P1都属于具有由预定特定数学函数限定的形状的曲线。点P2都属于具有由另一个预定特定数学函数限定的形状的另一个曲线。 
因此，步骤E40能够检测在测量周期T中，一个或多个发动机部件是否有缺陷，或是否以异常(或退化)模式运行。 
当然，频谱的频率范围自身可以通过合适的设置进行调整，在频谱中，属于由特定数学函数限定的曲线的点被识别。与由特定数学函数限定的曲线在坐标中的频率方面有细微差别(即，不超过预定值)的点被认为属于该曲线。 
此外，可以将由特定数学函数限定的每条曲线与频率范围相联系，在该频率范围中属于所述曲线的点被识别。 
如果在与源自于发动机部件的缺陷的振动特征相对应的频谱中检测到曲线，接下来的步骤(E50)包括相对于预定义振幅值对与上述曲线上的点相关的振幅进行分析。每个振幅值对应于考虑中的缺陷的严重程度。 
上述分析步骤同样可以通过EMU的软件进行。可以通过本领域技术人员公知的各种计算方法进行：可以将与所述曲线上的每一个点相关的振幅与至少一个预定义阀值进行比较；或可以将与所述曲线上的点相关的振幅的平均值与预定义平均阀值进行比较；或甚至对与所述曲线上的点相关的振幅和预定义阀值之间的标准偏差进行计算。 
当一个或多个振幅值被超过，发出与所述振幅值被超过的振动特征相关的消息(步骤E60)。 
步骤E60还包括：如果在步骤E40中检测到发动机部件的异常运行，则发出消息，该消息也与异常运行被检测到的振动特征相关。 
当监控方法在飞行途中执行，上述消息可以被存储于EMU的存储器中，以备后续分析，或者可以通过公知的传输装置直接传输到地面。 
此外，有利的是，将在给定飞行中发出的消息存储在存储器中，以便能够随后任选地产生发动机维护通知。这种维护通知尤其在针对发动机的诊断规则的应用过程时产生，以及，在多次飞行中，或在多个相同飞行阶段中，或在发动机以相同速度运行的多个周期中，如果重复发出特定的消息，则产生上述维护通知。 
因此，能够在一定时间内追踪特定振动现象的变化，并通过预先发出维护通知而防止对产生振动现象的发动机部件的任何损坏。为此，维护通知当然包括开始出现振动现象时的发动机部件的特性，所述消息针对所述振动现象发出。通过对发动机部件的机械健康进行追踪，能够预测在需要采取维护之前发动机还能够运行多长时间。 
应用于识别涡轮机轴承滚动元件缺陷的实施例 
参考图3，接下来对本发明应用于监控轴承滚动元件的方法的实施进行描述。在该实施例中，发动机为CMF56型旁通双路航空涡轮机，被监控的轴承为涡轮机高压转子的上游轴承。 
图3所示的频谱为由安装在涡轮机固定部分上的加速计收集的振动信号的频谱，其中转速沿横坐标轴绘制，频率沿纵坐标轴绘制。转速N1和N2分别为涡轮机的低压线轴和高压线轴的转速。 
上述频谱在发动机从空转到全速运行期间建立。 
本实施例中使用两个振动特征。这些振动特征中的一个对应于轴承滚动元件的缺陷，其余的则对应于同样的轴承滚动元件的异常运行。 
对应于轴承滚动元件的异常运行的振动特征由多项式组合F限定，其中 
F = - 0.0001 N 2 2 + 3.3071 N 2 - 22507
在图3中由曲线C所示。 
对应于轴承滚动元件的缺陷的振动特征由线性函数F′限定为正常运行，其中 
F′＝9.5N2
当然，缺陷和异常运行可能同时发生，例如，滚动元件的破裂可能伴随着打滑。这种破裂可能由异常运行引起。 
用考虑到频谱中的所有点(转速沿横坐标轴绘制，频率沿纵坐标轴绘制)的数学计算，频谱中的点P3被确定为(在给定近似值范围内)属于曲线C，该曲线C对应于由多项式组合F限定的振动特征。 
借助由曲线C代表的数学函数，能够在预定义频率范围内对频谱进行询问，以恢复振动信号的振幅及相关信息。 
在恢复并存储所有这些与频率范围相关的发动机速度或时间范围的结果后，进行比较振幅和预定义阀值的步骤。 
获得振动特征的方法 
接下来描述如何获得振动特征，具体地，如何确定与所述振动特征相对应的特定数学函数的各个系数。 
对于给定家族的飞机发动机，即，主要特征相同的发动机，确定振动特征。具体到图3所示的示例频谱，涡轮机家族为CFM56家族。 
振动特征还根据发动机部件的形状确定，这些部件形成该家族的一部分。例如，在监控涡轮机轴承滚动元件的缺陷时，与该缺陷相关的振动特征特别依赖于滚动元件的形状，滚动元件的数量，以及轴承所支撑的轴的旋转速度。 
此外，借助部件的形状，能够使用多种方法来确定与所述振动特征相对应的特定数学函数的系数。 
应用时，这些方法中的一者包括通过理论计算来计算特定数学函数的系数。例如，当监控涡轮机中的轴间滚子轴承的缺陷时，公知地，与轴承滚动元件的缺陷运行相对应的理论多项式组合可以写为： 
F＝[D(/(2d)]×(N2-N1)×[1-(d/D)2] 
其中D为轴承的标称直径，d为滚子的直径，N1和N2分别为轴承所支撑的轴的旋转速度。 
另一种可以用来计算特定数学函数的变量的方法依赖于经验，这些经验基于来自于运行过程中发生的事件的反馈，或来自于开发过程中测试的反馈。这包括在识别出本发明部件的缺陷后使用发动机振动传感器收集的振动数据。特别是，该方法通常需要从理论计算开始，该理论计算对应于发动机部件的缺陷运行，或异常运行，然后通过使用来自经验的反馈对计算进行完善，上述数学函数可以与其他现象结合起来，例如，滚动元件打滑。 
应用到航空涡轮机时，这些特定的数学函数可以对应于例如下列的涡轮机缺陷和各种异常运行：涡轮机风扇的摆动；支撑涡轮机的至少一个旋转轴的轴承在旋转过程中的缺陷；涡轮机的一个转子出现油料失衡；齿轮齿产生机械退化；轴承的滚动部件打滑；部件开裂或磨损等。 
一旦确定了所有的数学函数，将它们与产生特定振动现象的飞机部件的缺陷或异常运行联系起来。然后将数学函数以配置表的形式存储于EMU的存储器的数据库中。 
使用数据库的优点在于它可以更新。可以理解的是，通过“更新”存储有数学函数的数据库，可以向配置表中加入与新的振动特征相关的新的数学函数，或者对配置表进行修改，所述修改通过调整数学函数的现有系数，或调整数学函数本身来实现。 
因此，可以在随后识别发动机运行过程中产生的，引起各种特定振动现象的发动机部件的其他缺陷和其他各种异常运行，并且相应的振动特征可以被增加到数据库中。通过在识别出新的缺陷和新的异常运行时将新的振动特征增加至数据库，数据库得到丰富。更新数据库是很简单的，因为可以通过将其连接至EMU在飞机上直接进行。 
因此，本发明的方法展现出极大的使用和适应灵活性。特别是可以在飞机上直接采取行动来应对运行危机，例如，不需要将EMU返厂进行重新配置。 

Claims (10)

1.用于监控航空燃气涡轮发动机运行过程中产生的振动现象的方法，特征在于该方法包括：
a)在发动机的运行预定义周期中，获得振动信号(E10)，该振动信号代表发动机及其部件的运行状态；
b)在所述预定义周期中，建立所述振动信号的频谱(E30)；
c)使用多个振动特征，每个所述振动特征对应于一个振动现象，该振动现象在与被监控的发动机同类型的飞机发动机的运行过程中产生，并源自于至少一个发动机部件的缺陷或异常运行，每个所述振动特征由具有系数的特定数学函数限定，该系数根据发动机的运行参数预定；
d)在上述频谱中，识别与所述特定数学函数相符的曲线上的点(E40)，以检测发动机部件的缺陷和异常运行，其中每个所述数学函数限定一个振动特征；
e)对于每个在所述频谱中识别的，且与源自于发动机部件缺陷的振动特征相对应的曲线，相对于预定义振幅值对与所述曲线上的点相关的振幅进行分析(50)，每个所述预定义振幅值对应于缺陷的严重程度；以及
f)由于一个或多个振幅值被超过或者发动机部件的异常运行被检测到，发出与振幅值被超过或者异常运行被检测到的振动特征相关的消息(E60)。
2.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：在多次飞行中，或在多个相同飞行阶段中，或在发动机以相同速度运行的多个周期中，如果重复发出相同消息，则产生发动机维护通知。
3.根据权利要求2所述的方法，其中维护通知包括开始出现振动现象时的发动机部件的特性，所述消息针对异常振动现象而被发出。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其中限定所述振动特征的所述数学函数存储于可更新的数据库中。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其中对与在频谱中识别的给定曲线上的点相关的振幅进行的所述分析包括：将与所述曲线上的每一个点相关的振幅与至少一个预定义阀值进行比较；或将与所述曲线上的点相关的振幅的平均值与预定义平均阀值进行比较；或对与所述曲线上的点相关的振幅和预定义阀值之间的标准偏差进行计算。
6.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其中限定所述振动特征的所述特定数学函数的系数还根据飞机的飞行参数和／或发动机部件的形状确定。
7.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其中获得振动信号的发动机运行的所述预定义周期对应于飞行的特定阶段，或整个飞行过程，或发动机以特定速度运行的阶段。
8.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其中引起振动现象的发动机部件的缺陷和异常运行属于：发动机风扇的摆动；支撑发动机的至少一个旋转轴的轴承在旋转过程中的缺陷；发动机的一个转子出现油料失衡；齿轮齿产生机械损伤；轴承的滚动部件打滑；部件开裂或磨损。
9.用于监控航空燃气涡轮发动机运行过程中产生的振动现象的系统，特征在于该系统包括：
a)用于在发动机的运行预定义周期中获得振动信号的装置，该振动信号代表发动机及其部件的运行状态；
b)用于在所述预定义周期中建立所述振动信号的频谱的装置；
c)数据库，该数据库包括多个振动特征，每个所述振动特征对应于一个振动现象，该振动现象在与被监控的发动机同类型的航空发动机的运行过程中产生，并源自于至少一个发动机部件的缺陷或异常运行，每个所述振动特征由具有系数的特定数学函数限定，该系数根据发动机的运行参数预定；
d)用于在频谱中识别与所述特定数学函数相符的曲线上的点，以检测发动机部件的缺陷和异常运行的装置，其中每个所述数学函数限定一个振动特征；
e)用于相对于预定义振幅值对振幅进行分析的装置，所述振幅与以上述方式识别的曲线上的点相关，每个所述预定义振幅值对应于与振动特征相关的发动机部件的，或每个发动机部件的缺陷的严重程度；以及
f)用于由于一个或多个振幅值被超过或者发动机部件的异常运行被检测到，发出与所述振幅值被超过或者异常运行被检测到的振动特征相关的消息的装置。
10.根据权利要求9所述的系统，其中存储有限定所述振动特征的所述数学函数的数据库存储于发动机的电子监控单元的存储器中，并可以更新。
CN201080004533.7A 2009-01-13 2010-01-12 监控燃气涡轮发动机运行中产生的振动现象的方法和系统 Active CN102282450B (zh)

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