CN103026006B - 燃气涡轮发动机吸入至少一个异物的自动检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃气涡轮发动机吸入至少一个异物的自动检测方法，在该方法中：测量转子的瞬时速度(R(t))；对转子的速度信号(R(t))进行滤波，以分离速度信号的静态分量(Rs(t))和动态分量(Rd(t))；对滤波出的动态分量(Rd(t))与标准谐波(e(t))进行比较，以获得吸入指示(TING)，标准谐波(e(t))对应于转子的振动冲击响应；对获得的吸入指示(TING)和检测阈值(S)进行比较；以及当吸入指示(TING)高于所述检测阈值(S)时，发出异物吸入检测信号。

Description

燃气涡轮发动机吸入至少一个异物的自动检测方法
技术领域
本发明涉及一种检测对燃气涡轮发动机的冲击的方法和装置，特别是检测对鼓风机轮叶片的冲击的方法和装置。
背景技术
安装在飞机上的燃气涡轮发动机在使用时会被发动机吸入的物体所损坏。这种物体可以具有不同的形状，例如，飞鸟、石块或冰。
在物体被吸入后，物体在发动机中从上游向下游循环，在这个过程中会撞击到各种发动机部件。本领域技术人员把这种现象称之为“异物吸入”。
根据发动机所吸入的物体的性质、密度和相对速度，发动机的有些部件会或多或少地受到损坏。
为了保持发动机在使用时的高度安全性和可靠性，必须检测这种吸入所产生的损坏，以在发动机部件被损坏时进行修复或替换。
对于商业飞行的在机乘客而言，在每次飞行之前会对燃气涡轮发动机进行视觉检查。不过，这种检测有一些缺点。首先，由于操作人员不能看到非常小的损坏，小的损坏难以被注意到，这种视觉检查不能进行完全可靠的检测。其次，当检测到损坏时，有必要立即进行维修操作，从而需要飞机处于固定状态，因此会延迟飞机的起飞。从而，吸入异物的损坏效果的后续检测会为飞机上的在机乘客带来麻烦。
斯奈克玛所提出的专利申请FR 2840358 A1提供了飞机发动机损坏检测系统，该系统包括确定航班上的转子的速度和振动的测量装置。不过，这种系统并不具有所需的检测吸入异物的精度。
莱斯莱斯提出的专利申请EP 1312766 A2提供了转子叶片的冲击检测方法，其中，测量转子的速度跌落，以发出警报。这种检测方法的一个缺点是区分度较低。实际上，在发动机泵吸的过程中，在没有吸入物体时，转子速度也会降低并发出警报。为了克服这个缺点，专利申请EP 1312766 A2认识到添加传感器来测量发动机的扭转角，从而改善测量方法的精度。这种方法采用大量的传感器，并不尽如人意，不能以精确和可靠的方式检测吸入的异物。
发明内容
为了排除上述缺陷，本发明涉及一种包括转子的燃气涡轮发动机所吸入的至少一种异物的自动检测方法，在该方法中：
测量转子的瞬时速度；
对转子的速度信号进行滤波，以分离速度信号的静态分量和动态分量；
对滤波出的动态分量与标准谐波进行比较，以获得吸入指示，标准谐波对应于转子的振动冲击响应；
对获得的吸入指示和检测阈值进行比较；以及
当吸入指示高于所述检测阈值时，发出异物吸入检测信号。
发动机的振动响应组成了关于碰撞的特征，也就是说关于冲击的特征。标准谐波表示在转子上测得的关于转子吸入物体的振动冲击响应。
根据本发明，将转子速度的瞬时动态分量与该冲击特征进行比较，以检测吸入。根据本发明的方法比现有技术中只基于转子速度R(t)的动态分量的幅值的阈值的方法具有更高的分辨力，高幅值的动态分量可以具有不同的成因。
根据本发明，当转子速度R(t)的动态分量的形式不对应于标准谐波中的一个时，可以忽略重要幅值的振动(例如泵吸)。而且，可以检测所谓的“小能量”体(质量小，速度小)吸入，这种检测是不能用现有技术中的方法进行的。
有利地，在不添加传感器或对结构做出改动的情况下就可以实施这种方法。
优选地，转子的标准谐波对应于该转子的第一扭转模式的冲击响应。
有利地，对该转子的第一扭转模式的冲击响应的滤波出的动态分量的研究使能够获得适用于合乎标准的振动的吸入率，而这种滤波出的动态分量是现有技术中已知的特征。
实际上，第一扭转模式的冲击响应只会关于转子的扭转瞬时刺激而出现，而这种扭转瞬时刺激是典型的异物吸入。从而，可以以可靠和精确的方式进行吸入检测。
仍然优选的是，对滤波出的动态分量和标准谐波进行卷积，以获得吸入指示。
根据第一变型实施例，在实施检测方法的发动机的转子上直接测量标准谐波。
因此，用试验的方法确定转子的第一扭转模式的冲击响应的特征(频率，缓冲)。
根据第二变型实施例，在理论上将标准谐波定义为转子的第一扭转模式的冲击响应的特征(频率，缓冲等)的函数。
优选地，转子是燃气涡轮发动机的低压转子，将滤波出的动态分量与低压转子的标准谐波进行比较，以获得吸入指示，标准谐波对应于低压转子的振动冲击响应。
附图说明
通过附图可以更好地理解本发明，其中：
图1表示了低压转子速度对时间的测量结果；
图2表示了图1中的低压转子速度的动态分量；
图3表示了低压转子的标准谐波；
图4表示了对应于转子速度的动态分量和所述转子的标准谐波之间的相似处的摄入指标。
具体实施方式
本发明涉及包括低压转子轴和高压转子轴的双体燃气涡轮机摄入的异物的精确检测方法，鼓风机与低压转子一体安装。
参照图1，通过本领域技术人员公知的音轮测量低压转子对时间的旋转速度R(t)，音轮被布置来测量低压转子轴的角速度。不言而喻，还可以通过其他方法来测量低压转子速度，特别是通过布置在引擎中的加速度计。
另外，对于这种测量，可以围绕低压转子的静态速度R(s)获得获得对时间的基本上为常量的曲线1。在图1中，关于低压转子速度对旋转速度R(t)进行标准化。在图1中，低压转子的静态速度R(s)大约是最大速度的85％。
在这个测量周期，引擎摄入了小质量体(大约50克)。表示鼓风机速度R(t)的曲线1呈现了由于引擎摄入了质量体而产生的波动，这种波动非常小，大约为静态速度R(s)的值的0.5％。另外，对于低压转子速度R(t)的测量结果，不能直接检测到这种波动。实际上，这种波动可以涉及噪声测量或其他现象，特别是引擎泵吸现象，而不是摄入。
已知音轮测得的低压转子速度R(t)具有静态分量Rs和动态分量Rd(t)，并可用下式表示：
R(t)＝Rs+Rd(t)    (1)
为了突出波动2，例如，通过中心频点为标准谐波频率的带通滤波器对低压转子速度R(t)进行滤波，以便只保留信号的动态分量Rd(t)。
申请人观察到，关于吸入物，当物体击打鼓风机进时，连接到鼓风机的低压转子根据它的第一扭转模式(torsion mode)通过振动做出响应，有点像钟，发出谐波，谐波的频率和形状为低压转子所独有。就瞬态冲击而言，这种振动是低压转子的第一扭转模式的冲击响应。由于这种特征响应，关于吸入物体的振动故障与关于噪声或外部现象的故障不同，尽管从全局观点来看，吸入物体和噪声以及外部现象对低压转子速度R(t)的影响是基本相同的。
实际上，吸入或泵吸导致振动的出现，对发动机速度进行分析时整个进展是相似的。不过，只有形状和幅值与低压转子的冲击响应的形状和幅值相似的波动对应于外部物体的吸入。
关于外部物体的吸入，可以用下列公式从整体上表示低压转子R(t)的动态分量Rd(t)：
Rd(t)＝C(t)·cos(WT(t)*t+Ф)    (2)
在该公式中，cos(WT(t)*t+Ф)是由于低压转子关于吸入物的振动响应而产生的故障。这种故障取决于对应于低压转子的第一扭转模式的幅值参数C(t)、相位参数Ф以及脉动参数WT。
低压转子具有多个低频扭转模式。在吸入外部物体时，只有第一扭转模式会充分响应。从而，后者的冲击响应组成了吸入物的典型特征(signature characteristic)。关于吸入物，C(t)会按照下式显著变化：
C(t)＝C.exp(-t/τT)    (3)
C是故障的幅值，是吸入物的“严重性”的函数，故障幅度相对于静态速度Rs的值非常小。缓冲参数τT是低压转子的第一扭转模式的缓冲的函数，而且是这种模式的特有频率的函数。
从而，根据发动机吸入的异物，低压转子的动态分量Rd(t)非常类似于图3所示的低压转子的第一扭转模式e(t)的冲击响应。对转子的第一扭转模式e(t)的冲击响应和低压转子的速度R(t)的动态分量Rd(t)进行比较，以确定发动机是否吸入了物体。换句话说，对过滤出的动态分量与低压转子的标准谐波e(t)进行比较，以获得对应于标准谐波e(t)和被测速度信号的动态分量Rd(t)之间的相似度量度的吸入指示TING。
为了进行比较，有必要预先确定标准谐波e(t)。
根据本发明的第一实施例，这种标准谐波对应于低压转子的第一扭转模式的冲击响应。
根据第一变型，低压转子的第一扭转模式是一种“特定的”模式，可以在要进行吸入物检测的低压转子上直接测量第一扭转模式的特征(频率，缓冲)，然后，将低压转子的第一扭转模式中的振动冲击响应作为标准谐波，执行吸入物检测。用特定的模式配置检测方法使得可以进行适用于所述低压转子的精密检测。实际上，每个转子都有其独有的第一扭转模式的冲击响应。换句话说，不同的转子模型具有不同的冲击响应。
根据第二变型，通过计算分析，确定低压转子的第一扭转模式的冲击响应。
根据第二变型，标准谐波e(t)对应于同一低压转子的多个扭转模式的和，优选是低压转子的两个或三个扭转模式的和。包括多个扭转模式的标准谐波e(t)使得可以增大检测的可靠性和检测的精度。
例如，为了进行比较，对低压转子的动态分量Rd(t)和标准谐波e(t)进行卷积，以获得吸入指示TING。
TING(t)＝∫e(u)·R(t-u)·du    (4)
不言而喻，其他的比较算法也是很方便的。优选地，对这些比较算法进行参数化，把标准谐波的失真(延迟、噪声等)考虑进来。
图4所示的吸入指示TING使得可以描述低压转子速度R(t)的测量结果中检测到的可疑波动2。低压转子的动态响应Rd(t)与作为冲击响应(本文中为吸入异物)的特征值的理论冲击响应越相似，吸入指示TING的值就越高。
在计算吸入指示TING之后，将其与预定值的检测阈值S比较，当吸入指示TING超过了所述检测阈值S时，发出吸入警报。
确定检测阈值S的值，以便不对对应于发动机正常工作的吸入指示TING的值发出警报。从而，通过对“噪声”Sb的平均水平施加一个裕度，可以获得这种检测阈值。这种裕度是“噪声”信号的特征值以及期望达到的检测可靠性级别的函数。参照图4，根据平均噪声水平，70％的裕度共享检测阈值。
由于在没有吸入时，第一扭转模式的冲击响应没有出现在信号中，噪声信号的吸入指示TING非常小，这种方法非常具有选择性。噪声信号与第一扭转模式的冲击响应并不相似。
当检测到吸入时，产生的警报可以直接发送到安装了发动机的飞机的飞行员以被实时查阅，或者，例如考虑到发动机的检修，存储在存储器中以备随后查阅，或者，实时发送到航空公司的维修部门，使得维修部门在下一个停机阶段参与和组织被冲击的发动机的详细检修以及每一个必要的维修过程。
不言而喻，可以定义不同的警报阈值，以区分不同种类的吸入(或多或少的能量吸入，或多或少的剧烈吸入)。
在这里公开了本发明用于双体涡轮发动机，但不言而喻的是，本发明可以同样应用于具有一个转子或多于两个转子的发动机。

Claims (6)

1.燃气涡轮发动机吸入至少一个异物的自动检测方法，该燃气涡轮发动机包括转子，在该方法中：
测量转子的瞬时速度(R(t))；
对转子的瞬时速度(R(t))信号进行滤波，以分离速度信号的静态分量(Rs(t))和动态分量(Rd(t))；
对滤波出的动态分量(Rd(t))与转子的标准谐波(e(t))进行比较，以获得吸入指示(TING)，标准谐波(e(t))对应于转子的振动冲击响应；
对获得的吸入指示(TING)和检测阈值(S)进行比较；以及
当吸入指示(TING)高于所述检测阈值(S)时，发出异物吸入检测信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，转子的标准谐波(e(t))对应于转子的第一扭转模式的冲击响应。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在理论上将标准谐波(e(t))定义为转子的第一扭转模式的冲击响应的特征的函数。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，在实施检测方法的发动机的转子上直接测量标准谐波(e(t))。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，对滤波出的动态分量(Rd(t))与标准谐波(e(t))进行卷积。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，转子是燃气涡轮机的低压转子，对滤波出的动态分量(Rd(t))和低压转子的标准谐波(e(t))进行比较，以获得吸入指示(TING)，所述标准谐波(e(t))对应于低压转子的振动冲击响应。
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