CN105531465A - 通过启动器对动态密封件处的结焦程度进行的监控 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监控涡轮发动机的动态密封件处的结焦程度的方法(1000)，该涡轮发动机包括：气体发生器、喷注歧管、动态密封件和启动器，该气体发生器包括旋转轴与安装在所述轴上的喷注轮，该动态密封件用于确保喷注轮与喷注歧管之间的密封；该方法包括下述步骤：在通过启动器使气体发生器的轴的开始旋转的阶段期间，对流过启动器的电流和启动器的端口上的电压进行测量(1500)；根据所测量的电流和电压，确定动态密封件处的结焦程度(1600)。本发明还涉及一种包括用于监控结焦程度的系统的涡轮发动机。

Description

通过启动器对动态密封件处的结焦程度进行的监控

技术领域

本发明的领域是对涡轮发动机中的动态密封件处的结焦程度进行监控的领域，以及配备有能够进行所述监控的系统的涡轮发动机领域。

背景技术

参照图1a，例如为涡轮马达(turbomotor)的某种涡轮发动机1包括气体发生器10，该气体发生器包括旋转轴11，喷注轮12安装在该旋转轴11上，该喷注轮12自身因此是旋转的。

喷注轮具有多个通至燃烧室30中的孔。以这种方式，喷注轮在其旋转期间通过离心作用将燃料喷射到燃烧室中。

参照图1b，涡轮发动机还包括喷注歧管20，该喷注歧管20是围绕气体发生器10的轴11安装的固定的轴对称部件。

喷注歧管输送燃料到喷注轮。燃料在喷注歧管的内导管21中流动，并且在渗入到喷注轮中之前流入(débouche)到腔22中。

为确保喷注轮与喷注歧管之间的密封，设置了多个诸如迷宫式密封件23之类的动态密封件。

现在当前，通常发生的是，在这些密封件的槽中形成焦炭，因此导致了在喷注轮与喷注歧管之间发生摩擦。该摩擦可恶化，直至其导致气体发生器的轴被完全阻滞；于是其将不再能够启动发动机。

在难于启动的情况下，操作人员会执行在涡轮发动机的维护手册中说明的用于搜检故障的操作。这些搜检操作一般时间长并且效率不高，因为有时在探测到启动困难的成因之前耗费了大量的时间，在这种情况下，该成因是在动态密封件处的结焦(实际上，会考虑许多其它的成因)。

进一步地，这些搜检操作意味着涡轮发动机意外的失效，以及因此意味着其中安装有该涡轮发动机的航空器的失效，该失效可能进一步需要将一个或几个计划内的飞行任务取消。这些操作因此代表了相当高的成本。

没有替代的方法使得能够对气体发生器的轴由于动态密封件处的结焦而导致的阻滞进行预测，以及由此给出避免已经提出过的故障搜检操作的可能性。

因此存在对于用于监控动态密封件处的结焦程度的方法的需求。

发明内容

本发明的目的是，通过提出一种用于监控涡轮发动机的动态密封件处的结焦程度的方法，找出本文前面所陈述的问题的解决方法。

本发明的另一个目的是在使用涡轮发动机期间能够监控该结焦的程度，而不会致使涡轮发动机的不能使用。

在这方面，本发明的目的是用于监控涡轮发动机的动态密封件处的结焦程度的方法，该涡轮发动机包括：

-气体发生器，该气体发生器包括旋转轴和安装在所述轴上的喷注轮，该喷注轮适于通过离心作用喷射燃料；以及

-喷注歧管，该喷注歧管适于输送燃料到喷注轮；

-动态密封件，该动态密封件适于确保喷注轮与喷注歧管之间的密封；以及

-启动器，该启动器适于在涡轮发动机的启动阶段期间驱动气体发生器的轴进行旋转；

该方法的特征在于，其包括下述步骤：

-在启动涡轮发动机时通过启动器使涡轮发动机的气体发生器的轴开始旋转的阶段期间，对流过启动器的电流和启动器的端口上的电压进行测量；

-根据所测得的电流和电压确定动态密封件处的结焦程度。

有利地但可选地，根据本发明的方法可进一步包括以下特征中的至少一个：

-用于确定动态密封件处的结焦程度的步骤包括：确定气体发生器的轴的阻扭矩的代表性数据。

-用于确定动态密封件处的结焦程度的步骤包括对来自以下组中的步骤进行应用：

o将所确定的阻扭矩的代表性数据与预先确定的阈值进行比较；

o确定所确定的数据与轴的初始阻扭矩的代表性数据之间的差值，并且将该差值与预先确定的阈值进行比较；以及

o通过阻扭矩的代表性数据的之前的测量值，确定所述数据的取决于涡轮发动机的使用情况的变化，并且将所述变化率与预先确定的阈值进行比较。

-该方法进一步包括：在气体发生器的轴的自转阶段期间，对所述轴的转速进行测量。

-用于确定动态密封件处的结焦程度的步骤通过对流过启动器的电流和启动器端口上的电压进行测量以及通过对气体发生器的轴的转速进行测量而被执行。

本发明的目的还在于用于监控涡轮发动机的动态密封件处的结焦程度的系统，该涡轮发动机包括：

-气体发生器，该气体发生器包括旋转轴和安装在所述轴上的喷注轮，该轮适于通过离心作用喷射燃料；

-喷注歧管，该喷注歧管适于输送燃料直达喷注轮；

-动态密封件，该动态密封件适于确保喷注轮与喷注歧管之间的密封；以及

-启动器，该启动器适于在涡轮发动机的启动阶段期间驱动气体发生器的轴进行旋转；

该监控系统适于应用前文所说明的监控方法，并且包括：

-至少一个用于测量启动器端口上的电压和流过该启动器的电流的设备；

-处理单元，该处理单元包括存储器和适合的处理装置，该适合的处理装置用于处理电流测量值与电压测量值，以确定动态密封件处的结焦程度。

有利但可选地，根据本发明的监控系统进一步具有下述特征中的至少一个：

-测量设备适于以大于或等于10赫兹的频率采集电压测量值和电流测量值。

-该系统进一步包括至少一个用于气体发生器的轴的转速的传感器，该传感器适于以大于或等于2赫兹的频率执行采集。

本发明的目的进一步在于一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括：

-气体发生器，该气体发生器包括旋转轴和安装在所述轴上的喷注轮，该轮适于通过离心作用喷射燃料；

-喷注歧管，该喷注歧管相对于发生器的轴固定地安装，并且适于输送燃料直达喷注轮；

-动态密封件，该动态密封件适于确保喷注轮与喷注歧管之间的密封；以及

-启动器，该启动器适于在涡轮发动机的启动阶段期间驱动气体发生器的轴进行旋转；

涡轮发动机的特征在于，其进一步包括根据前述的说明的监控系统。

由此所提出的监控系统能够评估涡轮发动机的动态密封件处的结焦程度，并检测到不能启动涡轮发动机之前的关键阶段。

这使得如果需要规划用于清洁或更换动态密封件的维护是可行的。

附图说明

本发明的其它特征、目的和优点通过以下的说明来呈现，所述说明是纯说明性和非限制性的并且应当参照附图阅读，在附图中：

已经描述过的图1a和图1b示意性地示出了配备有喷注轮的涡轮发动机的运行原理；

图2a和图2b示出了根据本发明的两个实施例的监控方法的主要步骤；

图3a示出了，针对涡轮发动机的使用情况的不同程度，气体发生器的轴减速的时间段；

图3b示出了气体发生器的轴的取决于涡轮发动机的使用情况的减速随时间的变化；

图4示出了气体发生器的轴的取决于涡轮发动机的使用情况的阻扭矩的代表性数据随时间的变化。

具体实施方式

在图2a和图2b中示出了用于监控涡轮发动机的动态密封件处的结焦的方法的两个实施例。

如同在图1a的表述中，可以是涡轮马达的涡轮发动机1包括气体发生器10，该气体发生器10包括旋转轴11，该旋转轴11驱动安装在其上的喷注轮12进行旋转。

涡轮发动机进一步包括固定的喷注歧管20，该喷注歧管20是围绕气体发生器的轴的轴对称部件。喷注歧管20包括至少一个内导管21，该内导管21通至圆周腔22中。

涡轮发动机还包括燃烧室30，在该燃烧室30中进行燃料的点火，用以推进其中安装有该涡轮发动机的航空器。

喷注轮12包括径向内通道13，该径向内通道13一侧通至圆周腔22中，并且在一侧通至燃烧室30中。

燃料被通过喷注歧管输送到腔22，在该腔22处，该燃料随后从布置在开放的孔中的通道13穿过开放的孔而被驱动进入喷注轮12中。之后燃料通过喷注轮的旋转运动产生的离心作用被喷射到燃烧室中。

为确保运动的喷注轮12与固定的喷注歧管20之间的密封，涡轮发动机进一步包括多个动态密封件23，该动态密封件23有利地是迷宫式的密封类型。

因此，存在于腔22中的燃料不会泄漏到涡轮发动机的其它部分中。

涡轮发动机进一步包括启动器40，该启动器40使得能够在涡轮发动机的启动阶段驱动气体发生器的轴进行旋转。

尤其是具体地，启动阶段包括大约持续4秒的第一时段，在该第一时段期间燃烧室不点火并且气体发生器的轴仅被启动器驱动而进行旋转。该阶段在下文中被称为“气体发生器的轴的旋转的开始阶段”。

启动阶段之后包括第二时段，在该第二时段期间燃烧室点火，并且气体发生器的轴在启动器和涡轮发动机的热动力的同时作用下进行加速。

涡轮发动机最后包括用于监控动态密封件处的结焦程度的系统50。

该系统包括处理单元51，该处理单元连接到一个或几个传感器，并且适于取回传感器的测量值以及以后文所说明的方式处理该测量值，用以由此推定动态密封件处的结焦程度。

处理单元51可集成到涡轮发动机，或替代性地与该涡轮发动机分离，例如安装在航空器中或安装在地面上的监控中央系统中。如果必要的话，传感器与处理单元之间的数据通讯可在涡轮发动机的使用期间通过无线通讯达成，或者偶尔地在涡轮发动机的停车阶段期间通过取回传感器上的数据并且将该数据载入到处理单元中来达成。

处理单元有利地包括存储器52和诸如处理器的用于处理数据的装置53，该存储器52能够存储在涡轮发动机之前的使用期间所得的测量值。

根据对应于图2a的方法的第一实施例，监控系统还包括用于气体发生器的轴的速度的传感器54，该传感器54适于以大于或等于1赫兹(优选地大于或等于2赫兹)的频率测量所述速度。

根据对应于图2b的方法的第二实施例，监控系统50包括用于测量启动器40端口上的电压和流过该启动器端口40的电流的设备55，该设备55适于以大于或等于2赫兹(优选地大于或等于10赫兹)的频率测量这些数据。

为了监控密封件处的结焦程度而使用的两个指标可以相结合，以便验证这它们的结果，监控系统有利地既包括用于轴的转速的传感器54，又包括用于测量启动器的端口上的电压和流过该启动器端口的电流的设备55。

监控系统还可包括：能够提供额外的信息给处理单元以由此推定密封件处的更准确的结焦程度的其它传感器。

通过气体发生器的轴的转速监控动态密封件处的结焦程度

参照图2a，现将描述方法1000的第一实施例，该方法1000用于监控涡轮发动机1的动态密封件处的结焦。

该方法利用了第一指标，该第一指标是轴的自转阶段期间气体发生器的轴的旋转的减速。自转发生在涡轮发动机的停车阶段期间，气体发生器的轴继续其旋转时仅通过其惯性而不再被另一元件驱动旋转。

在该步骤期间，气体发生器的轴的转速降低，但减速或多或少取决于动态密封件处的结焦程度。实际上，动态密封件结焦程度越大，喷注歧管与喷注轮之间存在越大的摩擦，该摩擦使这两个元件之间的相对运动减速。

因此，在显著结焦的情况下，减速愈加显著。

进一步地此外，在低速条件下，摩擦在减速方面的影响相应地(proportionnellement)大于对减速方面具有影响的其它因素(诸如空气动力摩擦力)，该其它因素本身取决于转速并且因此在低速条件下相应地(proportionnellement)较为不显著。

因此，对轴11在低速条件下的减速进行的研究提供了动态密封件处的结焦程度的表征。

因此方法包括步骤1100，该步骤1100用于在轴的自转阶段期间通过传感器54测量涡轮发动机的气体发生器的轴的转速。

参照图3a，针对涡轮发动机的不同使用情况，气体发生器的轴的减速被示出在3000转/分钟(rpm)的转速到600转/分钟的速度之间，所读出的第一测量值和最后一次测量值具有的间隔为大约250次的涡轮发动机使用。

对于最后一次使用而言，转速的斜率的绝对值更高，动态密封件中的结焦的量更大。

回到继续参照图2a，方法之后包括步骤1200，该步骤1200用于根据所采集的转速随时间的变化来确定动态密封件处的结焦的程度。

实际上，因为在轴的减速阶段期间转速已被以大于1赫兹或2赫兹的频率读出，所以能够在两个确定的速度值之间确定速度的斜率，即，轴的减速。

在上文中，指出了结焦产生的摩擦现象在低速条件下更明显。因此，减速在下述速度值之间计算：所述速度值包括介于1000转/分钟到2500转/分钟之间的第一速度(优选地等于1000转/分钟)和介于500转/分钟到1000转/分钟之间的第二转速(优选地等于700转/分钟)。

处理单元因此在步骤1210期间计算这两个速度之间的斜率。在步骤1220期间，该斜率之后会以多种方式推导出动态密封件处的结焦的程度。

根据第一实施例，在步骤1221期间，处理单元将所述转速的斜率与一个或多个预先确定的阈值进行比较，所述一个或几个预先确定的阈值对应于一个或多个确定的结焦程度；例如结焦程度可对应于气体发生器阻塞之前涡轮发动机的使用次数。

阈值可根据大量的参数来建立，该参数取决于涡轮发动机和其使用条件。

根据第二实施例，在步骤1222期间，处理单元以相同的方式来将斜率的值与首次使用或涡轮发动机首次投入运行期间最初确定的值比较。处理单元可计算二者斜率值之间的差值并且将该差值与预先确定的阈值比较，以如同之前那样借此推定密封件处的结焦程度。

最后，根据第三实施例，在步骤1223期间，处理单元取回在相同的条件下计算出的减速数据并且存储在存储器52中，并且确定取决于涡轮发动机的使用情况的所述减速的变化率，所述减速的变化率例如取决于涡轮发动机的使用次数(启动的次数)。

参照图3b，示出了取决于涡轮发动机的使用情况的、3000转/分钟到1000转/分钟之间的减速的平均值的随时间的变化。所见的是，斜率的随时间的变化也趋于增大，即，减速随着密封件处的结焦程度变得显著而逐渐愈发增大。

因此，步骤1223包括：对所计算出的依据于涡轮发动机的使用情况的减速变化率进行测量，并将该变化率与预先确定的阈值比较。

通过启动器消耗的电流和该启动器的端口上的电压来监控动态密封件处的 结焦程度

参照图2b，示出了用于监控动态密封件处的结焦程度的方法1000的另一实施例。

在该实施例中，第一步骤1500包括：在涡轮发动机的启动期间，在气体发生器的轴通过启动器开始旋转的阶段，对启动器所消耗的电流和该启动器端口上的电压进行测量。

实际上，在该步骤期间，可将启动器看作直流电动机，并且因此可认为该电动机的扭矩与该电动机所消耗的电流是成比例的，并且电动机的转速与电动机的电压是成比例的。

因此得到以下等式：

Tq_m＝K₁.I_m

${\mathrm{\ω}}_s=\frac{V_m}{K_1}$

其中：

-Tq_m是电动机的扭矩；

-K₁是常数；

-I_m是电动机所消耗的电流；

-ω_s是启动器的转速。

电动机的扭矩抵消气体发生器的轴的阻扭矩，同时增加该轴的转速。

${\mathrm{Tq}}_m={\mathrm{Tq}}_r+J.\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}$

其中：

-Tq_r是在启动器的轴上的气体发生器的轴的阻扭矩；

-J是启动器的轴上的负载的惯性；以及

-是ω_s的时间导数，即启动器的轴的加速度。

阻扭矩的增加可通过电流的随时间的变化以及电动机(即启动器)的端口上的电压的随时间的变化看出。

${\mathrm{Tq}}_r=K_1.I_m-J.\frac{{\stackrel{\·}{V}}_m}{K_1}$

气体发生器的轴的阻扭矩的与电流是同质的代表性数据可因此被如下计算：

${\mathrm{imageTq}}_r=I_m-\mathrm{\α}.{\stackrel{\·}{V}}_m+offset$

其中：

-imageTq_r是气体发生器的轴的阻扭矩的代表性数据，从启动器所消耗的电流I_m和该启动器端口的电压V_m得到；

-I_m是在启动器的气体发生器的轴开始旋转的阶段期间电动机所消耗的电流的平均值。

-是V_m在气体发生器的轴通过启动器而开始旋转的阶段期间的平均斜率；

-a是常数，该常数被定义为：对于第一测量点，imageTq_r＝offset，即初始的阻扭矩被认为是可以忽略的。

-offset是常数，该常数被用于得到扭矩的恒为正的值而不考虑离差。

因此在用于测量电流和启动器的端口上的电压的步骤之后是步骤1600，该步骤1600用于通过在步骤1610期间根据之前的等式计算数据imageTq_r来根据这些测量值确定动态密封件处的结焦程度，该数据imageTq_r代表气体发生器的轴的阻扭矩。

以测量设备55来实施电流测量和电压测量，该电流测量和电压测量的测量频率有利地大于10赫兹。

对动态密封件处的结焦状况的推导1620能够以不同的方式来达成。

根据第一实施例1621，如同可能的情况，数据imageTq_r的值是该数据imageTq_r开始时间段上的平均值，可将数据imageTq_r的值与一个或多个预先确定的阈值进行比较，这一个或多个预先确定的阈值对应于一个或多个确定的结焦程度；例如结焦程度可对应于在气体发生器阻塞之前涡轮发动机的使用次数。

根据替代的实施例1622，处理单元将扭矩的代表性数据与在涡轮发动机的首次使用或首次投入运行期间确定的初始值进行比较。处理单元可计算二者值之间的差值并且将该差值与预先确定的阈值比较，以如同之前那样借此推定密封件处的结焦程度。

最后，根据第三实施例，在步骤1623期间，处理单元取回数据imageTq_r以及确定所述数据的变化率(所述数据的变化率取决于涡轮发动机的使用情况)，该数据imageTq_r是在相同的条件下被有规律地计算出的并且被存储在存储器52中。

参照图4，示出了取决于涡轮发动机的使用情况的、气体发生器的轴的阻扭矩的代表性imageTq_r的值的随时间的变化。所见的是，该变化的斜率也趋向于增大，即，随着密封件处的结焦程度变得显著，轴的阻扭矩逐渐愈发增大。

因此，步骤1623包括：对取决于涡轮发动机的使用情况的代表性imageTq_r变化的变化率进行测量，并且将该变化率与预先确定的阈值进行比较。

用于监控结焦的几个指标的使用

可同时使用前文中所描述的两个指标，以便验证或指明动态密封件处的结焦程度的信息。

气体发生器的轴的减速指标在使涡轮发动机停车的阶段期间被测量，同时地，轴的阻扭矩的指标在启动阶段期间被测量，随后有利地在涡轮发动机停车之后对比所得到的结果。

处理单元随后将所得到的结果进行比较，并且提供密封件处的结焦程度的最终表征。

此外，根据由前述的方法之一探测到的结焦程度，警报可被触发，以便将对涡轮发动机进行维护的阶段设置就绪。

Claims (9)

1.一种用于监控涡轮发动机(1)的动态密封件处的结焦程度的方法(1000)，所述涡轮发动机(1)包括：

-气体发生器(10)，所述气体发生器包括旋转轴(11)和安装在所述轴上的喷注轮(12)，所述轮适于通过离心作用喷射燃料；

-喷注歧管(20)，所述喷注歧管适于输送燃料到所述喷注轮(12)；

-动态密封件(23)，所述动态密封件适于确保所述喷注轮(12)与所述喷注歧管(20)之间的密封；以及

-启动器(40)，所述启动器适于在涡轮发动机的启动阶段期间驱动所述气体发生器(10)的轴(11)进行旋转；

该方法的特征在于，其包括下述步骤：

-在启动涡轮发动机时通过所述启动器使气体发生器的轴旋转的开始阶段期间，对流过所述启动器的电流和启动器端口上的电压进行测量(1500)；

-通过所测得的电流和电压来确定动态密封件处的结焦程度(1600)。

2.根据权利要求1所述的方法(1000)，其中，用于确定所述动态密封件处的结焦程度的步骤(1600)包括：确定所述气体发生器的轴的阻扭矩的代表性数据(1610)。

3.根据权利要求2所述的方法(1000)，其中，用于确定所述动态密封件处的结焦程度的步骤(1600)包括对来自以下组中的步骤进行应用：

-对在预先确定的阈值处确定的阻扭矩的代表性数据进行比较(1621)；

-确定所确定的数据与所述轴的初始阻扭矩的代表性数据之间的差值，并且将该差值与预先确定的阈值进行比较(1622)；以及

-通过阻扭矩的代表性数据的之前的测量值，确定所述数据的取决于涡轮发动机的使用情况的变化，并且将所述变化率与预先确定的阈值进行比较(1623)。

4.根据前述权利要求中的一项所述的方法(1000)，进一步包括：在所述气体发生器的轴的自转阶段期间，对所述轴的转速进行测量(1100)。

5.根据前一项权利要求所述的方法，其中，用于确定所述动态密封件处的结焦程度的步骤(1200、1600)通过对流过所述启动器的电流和启动器端口上的电压进行测量以及通过对气体发生器的轴的转速进行测量来达成。

6.一种用于监控涡轮发动机(1)的动态密封件处的结焦状况的系统(50)，所述涡轮发动机包括：

-气体发生器(10)，所述气体发生器包括旋转轴(11)和安装在所述轴上的喷注轮(12)，所述轮适于通过离心作用喷射燃料；

-喷注歧管(20)，所述喷注歧管适于输送燃料到所述喷注轮(12)；

-动态密封件(23)，所述动态密封件适于确保所述喷注轮(12)与所述喷注歧管(20)之间的密封；以及

-启动器(40)，所述启动器(40)适于在启动涡轮发动机的阶段期间驱动气体发生器的轴进行旋转；

所述监控系统(50)适于应用根据前述的权利要求中的一项所述的方法，并且包括：

-至少一个用于测量所述启动器端口上的电压和流过所述启动器的电流的设备(55)；

-处理单元(51)，所述处理单元包括存储器(52)和处理装置(53)，所述处理装置(53)适于处理电流测量值和电压测量值，以确定所述动态密封件处的结焦程度。

7.根据前一项权利要求所述的监控系统(50)，其中，测量设备(55)适于以大于或等于10赫兹的频率采集电压测量值和电流测量值。

8.根据权利要求6或7所述的监控系统(50)，进一步包括至少一个用于所述气体发生器的轴(11)的转速的传感器(54)，所述传感器适于以大于或等于2赫兹的频率执行采集。

9.一种涡轮发动机(1)，包括：

-气体发生器(10)，所述气体发生器包括旋转轴(11)和安装在所述轴上的喷注轮(12)，所述轮适于通过离心作用喷射燃料；

-喷注歧管(20)，所述喷注歧管相对于所述发生器的轴固定地安装，并且适于输送燃料到所述喷注轮(12)；

-动态密封件(23)，所述动态密封件适于确保所述喷注轮(12)与所述喷注歧管(20)之间的密封；以及

-启动器(40)，所述启动器适于在涡轮发动机的启动阶段期间驱动所述气体发生器的轴(11)进行旋转；

所述涡轮发动机的特征在于，其进一步包括根据权利要求6至8中的一项所述的监控系统。