CN103299165A - 用于监控转子的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮机（13）转子（31）的监控装置（19）的领域。本发明的监控装置（19）包括声传感器（25）和用于将所述声传感器（25）连接到靠近所述涡轮机（13b）的转子（31）的传感点的声波导管（24）。声传感器（25）适于检测当转子（31）叶片（20）经过所述传感点附近时，由转子（31）叶片（20）的吸入侧（20b）和压力侧（20a）之间的压力差所引起的压力波动作为声波。本发明还涉及一种监控涡轮机（13b）的转子（31）的方法，其中，由经过传感点附近的转子叶片（20）的吸入侧（20b）和压力侧（20a）之间的压力差所引起的压力波动通过声波导管（24）被传送到声传感器（25）以作为声波被采集。

Description

用于监控转子的装置及方法

本发明涉及用于监控涡轮机转子的装置、方法和系统。

认证涡轮发动机需要高水平的完整性被证明用于旋转组件，其中术语“旋转组件”指引起其旋转并在发动机工作时包含动能的所有组件，如涡轮机和压气机的转子，以及连接和传动轴。更准确地，特别地在航空领域，认证规章通常要求没有机械故障可导致危险的影响。这就是为什么重要的是能监控与旋转组件相关，更特别地，与涡轮机转子相关，包括特定的旋转速度的一组参数。通过这种方式，发动机在可能另外导致其进入超速的故障时立即被停止。

然而，涡轮机的环境，特别是其温度，可能大约为1500℃，使得很难直接地监控其转子的参数，特别监控其速度。通常，通过可变磁阻传感器和由固定在涡轮机转子上的轴所驱动的发音轮，由此涡轮机转子的速度在远离涡轮机的冷区被间接地测量。传统解决方案的缺点是，如果在涡轮机转子和发音轮之间提供机械连接的轴发生断裂，该间接地监控转子的装置可标明少于转子的真正速度的速度，并且如果发动机基于该错误的速度测量被调整，因此引起发动机开始超速，后果潜在地非常严重。

涡轮发动机的认证规章趋向于越来越安全，并且驱动发音轮的轴破裂的任何风险，即使非常小，也不再可接受。

因此已经考虑了替代方案，使得特别地有可能直接地测量涡轮机转子的速度。为此，电容传感器和光学传感器都已被提出。

电容传感器是近程传感器，当它们处于传感器的检测领域内时，通过修改形成电容器的传感器的两个电极之间的耦合电容，电容传感器可以检测物品，特别是如涡轮机叶片的金属物品。然而，尽管能在这种涡轮机的核心内发现的温度下操作的电容传感器存在，但是通过这种传感器传递的信号能量非常低，达到几皮法拉的数量，这使得可靠的测量变得困难。

光学传感器为，通过中断或反射光线，特别是激光光束，使物品，如涡轮机叶片能被检测的传感器。然而，对于在高温涡轮机的艰难环境中使用来说，光学传感器通常太脆弱。

可替代地，在美国专利号5479826中提出建议使用传感器，该传感器包括在转子叶片附近通过波导连接到传感点的微波收发器。在本说明书的上下文中，术语“波导”用来表示一种结构，该结构用于在至少一个预定方向上引导波的传播。因此，这种微波波导用于从收发器朝传感点引导微波的传播，并且在移过传感点附近时在叶片上被反射后，反过来引导它们返回收发器。因此，传感器在它们修改波导的阻抗的过程中可以检测叶片的通道。然而，该装置仍相对复杂，具有所涉及到的成本和可靠性方面的缺点。

然而，监控涡轮机转子的另一装置在美国专利申请号2010/0011868中公开。该现有技术的监控装置具有声传感器和用于连接所述声传感器与在所述涡轮机转子附近的传感点的第一声波导管。在本公开的上下文中，术语“声波”用于指由于其弹性通过流体或固体介质传播的任何一种纵向机械波，这独立于其频率范围。术语“声波导管”因此用来指适于引导这种纵向机械波传播的结构。通常，这种声波导管为在所期望的声波传播的方向上伸长的空心管的形式。在操作中，通过声信号的振幅的调制，声传感器检测转子叶片的通道，其中声发射器通过平行于第一波导的第二声波导管朝着也位于涡轮机转子附近的发射点发射该声信号。由于发射点和传感点之间的叶片通道阻碍了发射点和传感点之间的声信号的传输，声传感器从而接收当转子旋转时由叶片通道振幅调制的的信号。

尽管现有技术的装置能采用相对简单且位于冷区的传感器进行直接测量涡轮机转子的速度，但是仍然需要两个声波导管和声波发射器。此外，通过声波的振幅调制检测叶片的通道仅仅适用于具有相对有限数量叶片的转子。调制频率等于转子的转速乘以叶片的数量。如果转速为20000转/分钟（rpm）到40000转/分钟，那么带有十个叶片的转子将在达到3.3千赫（kHz）至6.7kHz的数量级的频率下调制声信号的振幅。由于携带振幅调制信号的波必须具有显著高于调制频率的频率，当这种类型装置应用到其中转子具有大量叶片的涡轮机中，如通常用于航空领域的可能通常具有50到100个叶片的轴流式涡轮机中，该类型的装置需要高的频率（例如高于80kHz）。

在本公开中，目的是提出一种用于监控涡轮机转子的装置，该涡轮转子也具有声传感器和用于连接所述声传感器与在所述涡轮机转子附近的传感点的声波导管，但是其可监控具有大量叶片的涡轮机转子，同时仍特别地简单并因此可靠，并且其也相对便宜。

该目的通过以下的事实来实现，在至少一个实施例中监控装置的声传感器适于检测对应于转子叶片在它们移过所述传感点附近时的转子吸入侧和压力侧之间的压力差的压力波动作为声波。

声传感器具有灵敏度，不再有任何需求发出载波信号以检测叶片的通过，因为转子本身作为声发射器工作以与叶片数量和转子转速成正比的频率发送信号。因此，具有60个叶片和在20000rpm到40000rpm范围内速度旋转的转子将发出保持在20kHz至40kHz的频率范围内的声信号。

有利地，该装置可包括连接到所述声传感器的计算单元。该计算单元因此可分析转子所发出的通过声波导管传送并被声传感器所采集的声学信号，以计算一组关于转子工作的参数。特别地，计算单元可被配置为基于所述声波的频率计算转子的旋转速度，所述转速与所述频率成正比并与所述转子叶片的数量成反比。然而，该计算单元可以可替换地地或附加地被配置成计算关于转子工作的其他参数。

因此，计算单元也可被配置为基于所述声波的振幅估测转子离传感点的距离，因此使得可例如确定转子相对于围绕着它的环的间隙且传感点位于其中，并且如果有带有传感点的多个监控装置，且传感点在环周围的不同角位置，也可检测到环的可能劣化，如磨损或椭圆化。计算单元也可被配置为表示叶片劣化，如果被声传感器所采集的声波呈现明显不同于多个前述声波的平均值、不同于预定的参考值、不同于预定范围的参考值和/或不同于被相同类型的装置在不同位置采集的声波的振幅，从而表示一个或多个被损坏或另外地劣化的叶片。

有利地，所述声波导管在与所述传感点相对的端具有消声终端，声传感器位于传感点和消声终端之间。该消声终端例如可是螺旋，螺线，螺旋形楼梯，或辫子的形式，并且其截面可能也可改变。因此可避免驻波建立在某种频率下的声波的波导内。然而，特定地，如果对应于转子的工作范围的频率范围不包括波导的任何共振频率，也有可能仅仅设想将声传感器定位在波导的终端。

本公开还涉及一种涡轮机级，包括带有叶片的转子，该叶片在工作中在压力侧和吸入侧之间呈现压力差，并且为了监控所述转子，至少一个监控装置包括声传感器和用于连接所述声传感器与在所述涡轮机转子附近的传感点的声波导管，所述声传感器适合检测对应于转子叶片在它们移过所述传感点附近的转子叶片的吸入侧和压力侧之间的压力差的压力波动作为声波。

有利地，传感点为围绕转子的内侧壁中的孔。特别地，它可面对叶片轮廓的中央截面，其中由于经过传感点前方的叶片的压力侧和吸入侧之间的压力差是最明显的所引起的压力波动的位置。为了确保这些波动被确定为良好的，所述孔可呈现一小于叶片轮廓厚度的直径。

本公开还涉及一种包括这种涡轮机级的涡轮发动机和一种监控涡轮机的转子的方法，其中，由于经过传感点附近的转子叶片的吸入侧和压力侧之间的压力差所引起的压力波动通过声波导管被传送到声传感器以作为声波被采集。

在阅读以下对通过非限制性实施例给出的实施例的详细描述后，本发明可以被很好的理解，并且其优点变得更好。该所描述参考附图，其中：

·图1为在一个实施例中的包括监控装置的涡轮轴发动机的示意图；

·图2为涡轮机叶片轮廓的图表，也示出了在吸入侧和压力侧之间的压力差；

·图3为在一个实施例中在纵剖面内的带有监控装置的涡轮机级的图示；

·图3A是在线A-A处图3涡轮机级的叶片的截面，示出了监控装置的传感点；

·图4示出了另一种实施例的细节；

·图5为示出了由经过图3监控装置附近的叶片引起的压力波动的图示；

·图6示出了当分布在涡轮机环周围时，多个监控装置，如图3中示出的装置，如何可以检测环的椭圆化；以及

·图7示出了被图3的监控装置采集的声波如何能表明转子叶片的劣化。

一种涡轮发动机10，更具体地说，一种旋转翼航空器的涡轮轴发动机在图1中被示意性地示出。发动机10包括压气机11，燃烧室12和两个相互解耦的涡轮机13a和13b，压气机11和涡轮机13a通过共同轴14被连接在一起。在工作中，空气被吸入并被压气机11压缩，燃料被注入到在其中燃烧的燃烧室12中。通过涡轮机13a和13b的燃烧气体的膨胀不仅经由涡轮机13a的转子和轴14a致动压气机11，而且也经由涡轮机13b的转子，致动轴14b和连接到轴14b，连接到旋转翼，以及连接到航空器的次级部件（未示出）上的传动15。

为了调节涡轮机10的工作，用于向燃烧室12输入燃料的系统17被连接到控制单元18，其依次连接用于监控涡轮机13b转子的装置19以接收表示转子速度的信号。因此，为了使转子的速度安全，在发生转子超过最大允许速度或最大允许加速度的情况下，控制单元18切断燃料的流动。出于安全原因，因此非常重要的是确保被控制装置接收的速度信号是可靠的。特别地，低估速度的监控装置19可导致发动机10超速。这就是为何由监控装置19的速度测量与通常由发音轮32实施的速度测量相关的原因。

涡轮机13b为带有转子的轴流涡轮机，转子具有多个围绕轴14b径向定向的叶片20。每个叶片20呈现如图2所示的具有压力侧20，吸入侧20b和厚度D的翼型轮廓。流过该轮廓的燃烧气体流产生在同一幅图中用曲线21表示的压力差Δp，其中该压力差被绘制为在燃烧气体流动方向上距离x的函数。从中可以看出，该压力差Δp在叶片20轮廓的中央段C上特别明显。

图3描述了涡轮机13b的级的纵截面。该涡轮机级具有在转子31中被径向地布置在轴14b周围的多个叶片20。涡轮机环22围绕涡轮机13b的叶片的远端20c，而不触碰它们。在图3所示的实施例中，在涡轮机环22内的孔23形成了传感点，该传感点经由穿过涡轮机环22的声波导管24被连接到位于冷区域内的声传感器25，因为它不适合承受在涡轮机13b的封闭环境中存在的温度。该声波导管24为在传感点的第一端和另一端之间的伸长的空心管形式。在其与传感点相对的一端，声波导管24具有螺旋的消声终端26。可以考虑其他可替换形状的消声终端，如螺旋，螺旋梯，或辫子形式的终端。它们也可具有变化的截面。在图4详细示出的一个变型中，声传感器25可被放置以终止波导管24，代替消声终端，如果在可能导致共振在波导管24中产生驻波的被监控的频率范围内不存在共振的风险。孔23，波导管24和传感器25一起形成监控装置19。如图3可以看出，孔23面对叶片20的轮廓的中央截面C，其中在吸入侧20b和压力侧20a之间存在最大的压力差Δp。孔23优选地在该截面中呈现小于叶片20轮廓的厚度D的直径d，以这种方式以避免吸入侧20b和压力侧20a同时重叠。

声传感器25被连接到可被结合在控制单元18中或者可替代地监控装置19中的计算单元27。当涡轮机13工作时，依次通过传感点的叶片在传感点产生压力波动，该波动被作为声波在与叶片经过的频率下传送，该声波沿声波导管24传送到声传感器25。传感器25被配置成感测这些声波并将它们以电信号的形式传送到计算单元27。在传感点的压力波动，以及因此也由声传感器25采集的声波和由此产生的电信号，具有图5中以示例方式示出的类型的形式。该曲线包括在对应于叶片经过的频率f下分别对应于叶片20的压力侧20a和吸入侧20b的一连串的最大值28和最小值29，通过这种方式，通过用声传感器25所传送的信号的频率f除以转子31的叶片数量，计算单元可估算转子31的转速。

至于转子31的速度，涡轮机13的其他操作参数可从该信号推断出来。例如，由于在传感点的压力波动的振幅随着叶片20顶端和吸入点20之间的距离增加而减小，该距离，或至少它随时间变化的路程，也可由计算单元27基于在由声传感器25传送的信号内波的振幅A推断出来。因此，特别有可能测量叶片20和涡轮机环22之间的间隙，并且因此检测涡轮机环22或叶片20的任何劣化。特别地，由于多个监控装置19被布置在转子31周围的涡轮机环22内，因此可能以图6所示的方式检测涡轮机环22的椭圆化。每个监控装置19产生不同振幅A，A’，A”的信号30。由于信号30的更大振幅表示在转子和环22之间的较小间隙以及更小的振幅表示更大的间隙，信号之间的这种振幅差表示转子31和环22之间的间隙在环22的周围变化，以及因此该环呈现如图所示（以高度夸张的方式）的椭圆化。计算单元27因此可被配置成基于监控装置19所传送的信号表示这种椭圆化。

监控装置19也可单独地或整体地用于检测叶片20的劣化。在本说明书的上下文中，术语“劣化”用于表示可改变其性能的叶片20的任何改变，如延长，或实际上磨损，并包括叶片20的全部或部分的破裂。例如，在超速的特定情况下，叶片20的加热和离心力会导致叶片20延长，这样它们的远端20c更接近涡轮机环22和监控装置19的传感点。当这种伸长的叶片20经过时，在传感点的压力波动的振幅因此高于标定的参考值。相反，在单个叶片20发生全部或部分破裂的情况下，叶片的吸入侧20b和压力侧20a之间的压力差将更小，这在振幅A”’的波的信号30中更明显，该振幅A”’明显地小于先前信号的振幅A，如图7所示。

基于由一个或多个监控装置19传送的信号，计算单元27因此也可被配置为表示这种椭圆化和/或劣化。

监控涡轮机13a的速度的技术可以通过与上述相同的方式被调换到涡轮机13b，特别是对于监控承受更高的温度的涡轮机13a的叶片的延长。

同样，基于在叶片的压力侧和吸入侧之间的压力差的测量技术也可用于在压气机内实施测量，不管它是轴向的，径向的或离心式的。

尽管参照上述的具体实施例描述了本发明，但是很明显，在不超出由权利要求所确定的本发明的通常范围的情况下，可对这些实施例做出各种修改和变化。因此，说明书和附图应该被视为示例性的而不是限制性的。

Claims (10)

1.一种用于监控涡轮机转子（13b）的监控装置（19），所述监控装置（19）包括：

·声传感器（25）；和

·声波导管（24），用于将所述声传感器（25）连接到在所述涡轮机转子（13b）附近的传感点；以及

该装置的特征在于：声传感器（25）适于检测转子（31）叶片（20）移过所述传感点附近时由转子（31）叶片（20）的吸入侧和压力侧（20b，20a）之间的压力差所引起的压力波动作为声波。

2.根据权利要求1所述的监控装置（19），进一步包括连接到所述声传感器（25）的计算单元（27）。

3.根据权利要求2所述的监控装置（19），其中所述计算单元（26）被配置为基于所述声波的频率计算转子（31）的转速，所述转速与所述频率成正比，并且与所述转子（31）的叶片（20）的数量成反比。

4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的监控装置（19），其中所述声波导管（24）在与所述传感点相对的一端具有消声终端（26），声传感器（25）位于传感点和消声终端（26）之间。

5.一种涡轮机级（13b），包括带有叶片（20）的转子（31），在工作中，叶片（20）在压力侧（20a）和吸入侧（20b）之间具有压力差，以监控所述转子（31），以及根据权利要求1到4中任一权利要求所述的至少一个监控装置（19）。

6.根据权利要求5所述的涡轮机级（13b），其特征在于：它为轴向涡轮机级（13b），并且传感点为在围绕转子（31）的内侧壁内的孔（23）。

7.一种涡轮发动机（10），包括根据权利要求5或6所述的至少一个涡轮机级（13b）。

8.根据权利要求7所述的涡轮发动机（10），其中所述涡轮机级（13b）处于涡轮发动机（10）的热区内，并且声传感器（25）位于冷区域内。

9.一种监控涡轮机（13b）转子（31）的方法，其中由于经过传感点附近的转子（31）叶片（20）的吸入侧和压力侧（20b，20a）之间的压力差所引起的压力波动通过声波导管（24）被传送到声传感器（25）以作为声波被采集。

10.根据权利要求9所述的监控方法，其中通过将声波的频率除以转子（31）叶片（20）的数量，转子（31）的转速由被连接到所述声传感器（25）的计算单元（27）计算。

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