CN111487045A - 轴监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“轴监测系统”。该系统包括第一音轮、第一传感器和处理器单元，该第一音轮同轴地安装到轴以与轴一起旋转并且包括周向齿排，该第一传感器被配置为通过生成第一交替测量信号来检测第一音轮的齿排的通过，该处理器单元被配置为确定连续的第一速度样本的持续时间。当第一传感器定位在第一音轮的至少一个轴向位置处并且处于第一音轮的任何给定旋转速度时，连续的第一速度样本的持续时间显示出相对于连续的第一速度样本的平均持续时间更长和更短的样本持续时间的特征重复模式。该处理器单元根据特征重复模式监测与旋转轴相关联的特性。

Description

轴监测系统
背景技术
技术领域
本公开涉及轴监测系统，并且具体地涉及用于监测气体涡轮引擎的旋转轴的监测系统。
相关技术的描述
在气体涡轮引擎中，轴的轴向运动可能伴随该轴的即将发生的或实际的故障或该轴的轴向定位轴承的即将发生的或实际的故障。因此，希望监测此类轴的轴向位置，以便能够执行合适的自动或机组启动的校正动作，例如引擎关闭，以防止故障发展。
常规上，音轮和相关联的传感器用于测量轴速。例如，图17示意性地示出了具有周向齿排的音轮1和可变磁阻传感器2，该可变磁阻传感器通过生成交替测量信号来检测该齿排的通过。当音轮的每个齿靠近传感器的极片的正面时，围绕极片缠绕的导线所经历的磁通量发生变化，这是由于磁路的磁阻的变化，该磁路由极片、音轮和两者之间的气隙组成。
本发明至少部分地基于可适用于监测轴的轴向位置和实际上与轴相关联的其他特性(诸如轴弯曲和扭矩)的此类布置结构的实现。
发明内容
根据第一方面，提供了一种用于监测与旋转轴相关联的一个或多个特性的监测系统，该系统包括：
第一音轮，该第一音轮同轴地安装到轴以与轴一起旋转，该第一音轮包括周向齿排；
第一传感器，该第一传感器被配置为通过生成第一交替测量信号来检测第一音轮的齿排的通过；和
处理器单元，该处理器单元被配置为确定连续的第一速度样本的持续时间，每个第一速度样本是第一交替测量信号的n个连续周期的块，其中n是整数，并且其中每个周期的开始是自前一个周期的零交叉点，并且每个周期的结束是与后一个周期对应的零交叉点；其中，
在第一音轮的至少一个轴向位置处，第一音轮的齿排中的每第m个齿的周向厚度不同于第一音轮的其他齿的周向厚度，其中m是整数，m≠n，并且m既不是n的因子也不是n的倍数，由此当第一传感器定位在第一音轮的所述轴向位置处并且处于第一音轮的任何给定旋转速度时，连续的第一速度样本的持续时间显示出相对于连续的第一速度样本的平均持续时间更长和更短的样本持续时间的特征重复模式，更长和更短的样本持续时间与平均持续时间相差的量与在第一音轮的所述轴向位置处第m个齿的周向厚度与其他齿的周向厚度相差的量成比例；并且，
处理器单元根据特征重复模式监测与旋转轴相关联的特性。
有利地，采用这种方法来监测旋转轴允许系统使用通常已经在引擎电子控制器(EEC)中可用的电子电路来进行旋转速度测量。因此，实施该系统的障碍和成本很低。
现在将阐述该监测系统的可选特征部。这些可单独使用或以任何组合使用。
处理器单元可为引擎的EEC的一部分。
通常，第一音轮的其他齿可彼此相同。
通常，第一音轮的其他齿可包括随着轴的轴向方向上的距离的变化而恒定的周向厚度。例如，当在径向方向上观察时，它们可包括矩形形状。
第一音轮的第m个齿的周向厚度可随着轴的轴向方向上的距离的变化而变化。例如，在至少一个轴向位置处，第一音轮的第m个齿的周向厚度可与在该轴向位置处的第一音轮的其他齿的周向厚度相同。一种可能性是，第一音轮的第m个齿包括在给定的轴向位置处周向厚度的阶跃变化。因此，在台阶的一侧，它们可与其他齿具有相同的周向厚度，而在另一侧，它们可具有不同的周向厚度。另一种可能性是，第一音轮的第m个齿的周向厚度随着轴的轴向方向上的距离的变化而连续变化。
与旋转轴相关联的监测特性可包括轴的轴向位置。例如，这允许系统监测轴的失效或产生在轴的轴向位置上的显著移位的其他条件，诸如风扇叶片脱落。
与旋转轴相关联的监测特性可包括轴的弯曲。
与旋转轴相关联的监测特性可包括轴的旋转速度。
监测系统还可包括：
第二传感器，该第二传感器被配置为通过生成第二交替测量信号来检测第一音轮的齿排的通过；其中，
处理器单元还被配置为确定连续的第二速度样本的持续时间，每个第二速度样本是第二交替测量信号的n个连续周期的块，其中每个周期的开始是自前一个周期的零交叉点，并且每个周期的结束是与后一个周期对应的零交叉点，由此当第二传感器定位在第一音轮的所述轴向位置处并且处于第一音轮的任何给定旋转速度时，连续的第二速度样本的持续时间也显示出特征重复模式；并且，
处理器单元根据由连续的第一速度样本的持续时间和连续的第二速度样本的持续时间显示的特征重复模式来监测与旋转轴相关联的特性。
通过基于第一速度样本和第二速度样本的持续时间来监测特性，可实现测量精度的改善。此外，第二传感器在一个传感器失效或有故障时提供冗余。方便地，可将第二传感器定位在第一音轮与第一传感器相对侧上。
监测系统还可包括：
第二音轮，该第二音轮同轴地安装到轴以与轴一起旋转，第二音轮包括周向齿排，并且第二音轮沿着轴与第一音轮轴向间隔开；和
第三传感器，该第三传感器被配置为通过生成第三交替测量信号来检测第二音轮的齿排的通过；其中，
处理器单元还被配置为确定来自第三传感器的连续的第三速度样本的持续时间，每个第三速度样本是第三交替测量信号的n个连续周期的块，其中每个周期的开始是自前一个周期的零交叉点，并且每个周期的结束是与后一个周期对应的零交叉点；
在至少一个轴向位置处，第二音轮的齿排中的每第m个齿的周向厚度不同于第二音轮的其他齿的周向厚度，由此当第三传感器定位在第二音轮的所述轴向位置处并且处于第二音轮的任何给定旋转速度时，连续的第三速度样本的持续时间也显示出特征重复模式；并且，
处理器单元还被配置为确定第一速度样本的特征重复模式和第三速度样本的特征重复模式之间的相对相位，由此与旋转轴相关联的监测特性包括根据相对相位确定的轴的扭曲。
方便地，第二音轮的n和m分别与第一音轮的n和m相同。类似地，方便的是，第二音轮具有与第一音轮相同的直径和/或相同的总齿数。
与第一音轮相关的可选特征(例如，齿形、另外的传感器)也与第二音轮相关。
根据第二方面，提供了一种用于飞行器的气体涡轮引擎，该气体涡轮引擎包括：
引擎核心，所述引擎核心包括涡轮、压缩机和将所述涡轮连接到所述压缩机的芯轴；以及
根据第一方面的监测系统，其用于监测芯轴，该或每个音轮同轴地安装到芯轴以与芯轴一起旋转。
根据第三方面，提供了一种用于飞行器的气体涡轮引擎，该气体涡轮引擎包括：
引擎核心，该引擎核心包括涡轮、压缩机和将涡轮连接到压缩机的芯轴；
风扇，该风扇位于引擎核心的上游，该风扇包括多个风扇叶片；
和
齿轮箱，该齿轮箱从芯轴接收输入并且经由输出轴将驱动输出至风扇，以便以比芯轴低的旋转速度来驱动风扇；
推力轴，该推力轴延伸穿过齿轮箱以将风扇连接到安装在芯轴上的轴向定位轴承，从而减轻输出轴相对于芯轴轴向定位风扇的责任；
以及
根据第一方面的监测系统，其用于监测推力轴的轴向位置，该第一音轮同轴地安装到推力轴以与推力轴一起旋转。
在第二方面或第三方面的气体涡轮引擎中，涡轮可为第一涡轮，压缩机可为第一压缩机，并且芯轴可为第一芯轴。引擎核心则还可包括第二涡轮、第二压缩机和将第二涡轮连接到第二压缩机的第二芯轴。第二涡轮、第二压缩机和第二芯轴可被布置成以比第一芯轴高或低的旋转速度旋转。
如本文其他地方所述，本公开可涉及气体涡轮引擎。此类气体涡轮引擎可包括引擎核心，该引擎核心包括涡轮、燃烧器、压缩机和将该涡轮连接到该压缩机的芯轴。此类气体涡轮引擎可包括位于引擎核心的上游的(具有风扇叶片的)风扇。
本公开的布置结构可以特别但并非排他地有益于经由齿轮箱驱动的风扇。因此，该气体涡轮引擎可包括齿轮箱，该齿轮箱接收来自芯轴的输入并将驱动输出至风扇，以便以比芯轴低的旋转速度来驱动风扇。至齿轮箱的输入可直接来自芯轴或者间接地来自芯轴，例如经由正齿轮轴和/或齿轮。芯轴可将涡轮和压缩机刚性地连接，使得涡轮和压缩机以相同的速度旋转(其中，风扇以更低的速度旋转)。
如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮引擎可具有任何合适的通用架构。例如，气体涡轮引擎可具有将涡轮和压缩机连接的任何所需数量的轴，例如一个轴、两个轴或三个轴。仅以举例的方式，连接到芯轴的涡轮可以是第一涡轮，连接到芯轴的压缩机可以是第一压缩机，并且芯轴可以是第一芯轴。该引擎核心还可包括第二涡轮、第二压缩机和将第二涡轮连接到第二压缩机的第二芯轴。该第二涡轮、第二压缩机和第二芯轴可被布置成以比第一芯轴高的旋转速度旋转。
在此类布置结构中，第二压缩机可轴向定位在第一压缩机的下游。该第二压缩机可被布置成(例如直接接收，例如经由大致环形的管道)从第一压缩机接收流。
齿轮箱可被布置成由被配置为(例如在使用中)以最低旋转速度旋转的芯轴(例如上述示例中的第一芯轴)来驱动。例如，该齿轮箱可被布置成仅由被配置为(例如在使用中)以最低旋转速度旋转的芯轴(例如，在上面的示例中，仅第一芯轴，而不是第二芯轴)来驱动。另选地，该齿轮箱可被布置成由任何一个或多个轴驱动，该任何一个或多个轴例如为上述示例中的第一轴和/或第二轴。
该齿轮箱可以是减速齿轮箱(因为风扇的输出比来自芯轴的输入的旋转速率低)。可以使用任何类型的齿轮箱。例如，齿轮箱可以是“行星式”或“恒星”齿轮箱，如本文别处更详细地描述。该齿轮箱可以具有任何期望的减速比(定义为输入轴的旋转速度除以输出轴的旋转速度)，例如大于2.5，例如在3到4.2、或3.2到3.8的范围内，例如，大约或至少3、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4、4.1或4.2。例如，齿轮传动比可以介于前一句中的任何两个值之间。仅以举例的方式，齿轮箱可以是“恒星”齿轮箱，其具有在3.1或3.2到3.8的范围内的齿轮传动比。在一些布置结构中，该齿轮传动比可在这些范围之外。
在如本文所述和/或所要求保护的任何气体涡轮引擎中，燃烧器可被轴向设置在风扇和一个或多个压缩机的下游。例如，在提供第二压缩机的情况下，燃烧器可直接位于第二压缩机的下游(例如在其出口处)。以另一个示例的方式，在提供第二涡轮的情况下，可将燃烧器出口处的流提供至第二涡轮的入口。该燃烧器可设置在一个或多个涡轮的上游。
该压缩机或每个压缩机(例如，如上所述的第一压缩机和第二压缩机)可包括任何数量的级，例如多个级。每一级可包括一排转子叶片和一排定子轮叶，该排定子轮叶可为可变定子轮叶(因为该排定子轮叶的入射角可以是可变的)。该排转子叶片和该排定子轮叶可彼此轴向偏移。
该涡轮或每个涡轮(例如，如上所述的第一涡轮和第二涡轮)可包括任何数量的级，例如多个级。每一级可包括一排转子叶片和一排定子轮叶。该排转子叶片和该排定子轮叶可彼此轴向偏移。
每个风扇叶片可被限定为具有径向跨度，该径向跨度从径向内部气体洗涤位置或0％跨度位置处的根部(或毂部)延伸到100％跨度位置处的尖端。该毂部处的风扇叶片的半径与尖端处的风扇叶片的半径的比率可小于(或大约为)以下中的任何一个：0.4、0.39、0.38、0.37、0.36、0.35、0.34、0.33、0.32、0.31、0.3、0.29、0.28、0.27、0.26或0.25。该毂部处的风扇叶片的半径与尖端处的风扇叶片的半径的比率可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如，在0.28到0.32的范围内。这些比率通常可称为毂部-尖端比率。毂部处的半径和尖端处的半径都可以在叶片的前缘(或轴向最前)部分处测量。当然，毂部-尖端比率指的是风扇叶片的气体洗涤部分，即径向地在任何平台外部的部分。
可在引擎中心线和风扇叶片的前缘处的尖端之间测量该风扇的半径。风扇直径(可能只是风扇半径的两倍)可大于(或大约为)以下中的任何一个：220cm、230cm、240cm、250cm(约100英寸)、260cm、270cm(约105英寸)、280cm(约110英寸)、290cm(约115英寸)、300cm(约120英寸)、310cm、320cm(约125英寸)、330cm(约130英寸)、340cm(约135英寸)、350cm、360cm(约140英寸)、370cm(约145英寸)、380cm(约150英寸)、390cm(约155英寸)、400cm、410cm(约160英寸)或420cm(约165英寸)。风扇直径可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如在240cm至280cm或330cm至380cm的范围内。
风扇的旋转速度可以在使用中变化。一般来讲，对于具有较大直径的风扇，旋转速度较低。仅以非限制性示例的方式，风扇在巡航条件下的旋转速度可小于2500rpm，例如小于2300rpm。仅以另外的非限制性示例的方式，对于风扇直径在220cm至300cm(例如240cm至280cm或250cm至270cm)范围内的引擎，在巡航条件下风扇的旋转速度可在1700rpm至2500rpm的范围内，例如在1800rpm至2300rpm的范围内，例如在1900rpm至2100rpm的范围内。仅以另外的非限制性示例的方式，对于风扇直径在330cm至380cm范围内的引擎，在巡航条件下风扇的旋转速度可在1200rpm至2000rpm的范围内，例如在1300rpm至1800rpm的范围内、例如在1400rpm至1800rpm的范围内。
在使用气体涡轮引擎时，(具有相关联的风扇叶片的)风扇围绕旋转轴线旋转。该旋转导致风扇叶片的尖端以速度U尖端移动。风扇叶片13对流所做的功导致流的焓升dH。风扇尖端负载可被定义为dH/U尖端2，其中dH是跨风扇的焓升(例如1-D平均焓升)，并且U尖端是风扇尖端的(平移)速度，例如在尖端的前缘处(可被定义为前缘处的风扇尖端半径乘以角速度)。巡航条件下的风扇尖端负载可大于(或大约为)以下中的任何一者：0.28、0.29、0.30、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.39或0.4(所有值都是无量纲的)。风扇尖端负载可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如在0.28至0.31或0.29至0.3的范围内。
根据本公开的气体涡轮引擎可具有任何期望的旁路比率，其中该旁路比率被定义为在巡航条件下穿过旁路管道的流的质量流率与穿过核心的流的质量流率的比率。在一些布置结构中，该旁路比率可大于(或大约为)以下中的任何一个：10、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5、14、14.5、15、15.5、16、16.5、17、17.5、18、18.5、19、19.5或20。该旁路比率可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如在12至16的范围、或13至15的范围、或13至14的范围内。该旁路管道可以是基本上环形的。该旁路管道可位于核心引擎的径向外侧。旁路管道的径向外表面可以由短舱和/或风扇壳体限定。
本文中描述和/或要求保护的气体涡轮引擎的总压力比可被定义为风扇上游的滞止压力与最高压力压缩机出口处的滞止压力(进入燃烧器之前)之比。以非限制性示例的方式，如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮引擎在巡航时的总压力比可大于(或大约为)以下中的任何一个：35、40、45、50、55、60、65、70、75。总压力比可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如在50至70的范围内。
引擎的比推力可被定义为引擎的净推力除以穿过引擎的总质量流量。在巡航条件下，本文中描述和/或要求保护的引擎的比推力可小于(或大约为)以下中的任何一个：110Nkg-1s、105Nkg-1s、100Nkg-1s、95Nkg-1s、90Nkg-1s、85Nkg-1s或80Nkg-1s。该比推力可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如在80Nkg-1s至100Nkg-1s，或85Nkg-1s至95Nkg-1s的范围内。与传统的气体涡轮引擎相比，此类引擎可能特别高效。
如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮引擎可具有任何期望的最大推力。仅以非限制性示例的方式，如本文所述和/或受权利要求书保护的气体涡轮可产生至少为(或大约为)以下中的任何一个的最大推力：160kN、170kN、180kN、190kN、200kN、250kN、300kN、350kN、400kN、450kN、500kN或550kN。最大推力可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。仅以举例的方式，如本文所述和/或受权利要求书保护的气体涡轮可能够产生在330kN至420kN，例如350kN至400kN范围内的最大推力。上面提到的推力可为在标准大气条件下、在海平面处、加上15℃(环境压力101.3kPa，温度30℃)、引擎静止时的最大净推力。
在使用中，高压涡轮的入口处的流的温度可能特别高。该温度，可被称为TET，可在燃烧器的出口处测量，例如紧接在自身可被称为喷嘴导向轮叶的第一涡轮轮叶的上游。在巡航时，该TET可至少为(或大约为)以下中的任何一个：1400K、1450K、1500K、1550K、1600K或1650K。巡航时的TET可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。引擎在使用时的最大TET可以是，例如，至少为(或大约为)以下中的任何一个：1700K、1750K、1800K、1850K、1900K、1950K或2000K。最大TET可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如在1800K至1950K的范围内。可以例如在高推力条件下发生最大TET，例如在最大起飞(MTO)条件下发生最大TET。
本文中描述和/或要求保护的风扇叶片和/或风扇叶片的翼面部分可由任何合适的材料或材料组合来制造。例如，风扇叶片和/或翼面的至少一部分可至少部分地由复合材料来制造，该复合材料为例如金属基质复合材料和/或有机基质复合材料，诸如碳纤维。以另外的示例的方式，风扇叶片和/或翼面的至少一部分可以至少部分地由金属来制造，该金属为诸如基于钛的金属或基于铝的材料(诸如铝锂合金)或基于钢的材料。风扇叶片可包括使用不同材料制造的至少两个区域。例如，风扇叶片可具有保护性前缘，该保护性前缘可使用比叶片的其余部分更好地抵抗(例如，来自鸟类、冰或其他材料的)冲击的材料来制造。此类前缘可以例如使用钛或基于钛的合金来制造。因此，仅以举例的方式，该风扇叶片可具有碳纤维或具有带钛前缘的基于铝的主体(诸如铝锂合金)。
如本文所述和/或所要求保护的风扇可包括中央部分，风扇叶片可从该中央部分例如在径向方向上延伸。该风扇叶片可以任何期望的方式附接到中央部分。例如，每个风扇叶片可包括固定件，该固定件可与毂部(或盘状部)中的对应狭槽接合。仅以举例的方式，此类固定件可以是燕尾形式的，其可以插入和/或接合毂部/盘状部中对应的狭槽，以便将风扇叶片固定到毂部/盘状部。以另外的示例的方式，该风扇叶片可与中央部分一体地形成。此类布置结构可以称为叶片盘状部或叶片环。可以使用任何合适的方法来制造此类叶片盘状部或叶片环。例如，风扇叶片的至少一部分可由块状物来加工而成，以及/或者风扇叶片的至少部分可通过焊接(诸如线性摩擦焊接)来附接到毂部/盘状部。
本文中描述和/或要求保护的气体涡轮引擎可能或可能不设有可变面积喷嘴(VAN)。此类可变面积喷嘴可允许旁路管道的出口面积在使用中变化。本公开的一般原理可应用于具有或不具有VAN的引擎。
如本文所述和/或要求保护的气体涡轮的风扇可具有任何期望数量的风扇叶片，例如14、16、18、20、22、24或26个风扇叶片。
如本文所用，巡航条件具有常规含义并且将易于被技术人员理解。因此，对于飞行器的给定气体涡轮引擎，技术人员将立即识别巡航条件是指该气体涡轮引擎被设计用于附接到飞行器的引擎在给定任务(其在行业中可被称为“经济任务”)的中间巡航的操作点。就这一点而言，中间巡航是飞行器飞行周期中的关键点，在该点处，在上升最高点和开始降落之间燃烧的总燃料的50％已燃烧(其在时间和/或距离方面可近似于上升最高点和开始降落之间的中点。因此，巡航条件定义气体涡轮引擎的操作点，该操作点在考虑提供给气体涡轮引擎被设计用于附接到的飞行器的引擎数量的情况下，提供将确保该飞行器在中间巡航时的稳态操作(即，保持恒定的高度和恒定的马赫数)的推力。例如，如果引擎被设计为附接到具有两个相同类型的引擎的飞行器上，则在巡航条件下，引擎提供该飞行器在中间巡航时稳态运行所需的总推力的一半。
换句话讲，对于飞行器的给定气体涡轮引擎，巡航条件被定义为在中间巡航大气条件(在中间巡航高度下由根据ISO 2533的国际标准大气定义)下提供指定推力的引擎的操作点(需要在给定中间巡航马赫数下，与飞行器上的任何其他引擎相结合，提供气体涡轮引擎被设计用于附接到的飞行器的稳态操作)。对于飞行器的任何给定气体涡轮引擎而言，中间巡航推力、大气条件和马赫数是已知的，因此在巡航条件下，引擎的操作点是明确定义的。
仅以举例的方式，巡航条件下的前进速度可为从0.7马赫至0.9马赫的范围内的任何点，例如0.75至0.85、例如0.76至0.84、例如0.77至0.83、例如0.78至0.82、例如0.79至0.81、例如大约0.8马赫、大约0.85马赫或0.8至0.85的范围内。这些范围内的任何单一速度可以是巡航条件的一部分。对于某些飞行器，巡航条件可能超出这些范围，例如低于0.7马赫或高于0.9马赫。
仅以举例的方式，巡航条件可对应于在以下范围内的高度处的标准大气条件(根据国际标准大气ISA)：10000m至15000m，例如在10000m至12000m的范围内、例如在10400m至11600m(约38000英尺)的范围内、例如在10500m至11500m的范围内、例如在10600m至11400m的范围内、例如在10700m(约35000英尺)至11300m的范围内、例如在10800m至11200m的范围内、例如在10900m至11100m的范围内、例如大约11000m。巡航条件可对应于这些范围内的任何给定高度处的标准大气条件。
仅以举例的方式，巡航条件可对应于提供在前向马赫数0.8下的已知的所需推力水平(例如，在30kN至35kN范围内的值)和在38000ft(11582m)的高度下的标准大气条件(根据国际标准大气)的引擎的操作点。仅以另一个示例的方式，巡航条件可对应于提供在前向马赫数0.85下的已知的所需推力水平(例如，在50kN到65kN范围内的值)和在35000ft(10668m)的高度下的标准大气条件(根据国际标准大气)的引擎的操作点。
在使用中，本文中描述和/或要求保护的气体涡轮引擎可在本文别处定义的巡航条件下操作。此类巡航条件可通过飞行器的巡航条件(例如，巡航中期条件)来确定，至少一个(例如2个或4个)气体涡轮引擎可以安装在该飞行器上以提供推进推力。
根据一个方面，提供了一种飞行器，该飞行器包括如本文所述和/或受权利要求书保护的气体涡轮引擎。根据该方面的飞行器为气体涡轮引擎已被设计用于附接到的飞行器。因此，根据该方面的巡航条件对应于飞行器的中间巡航，如本文其他部分所定义的。
根据一个方面，提供了一种操作如本文所述和/或受权利要求书保护的气体涡轮引擎的方法。该操作可在如本文其他部分所定义的巡航条件(例如，就推力、大气条件和马赫数而言)下进行。
根据一个方面，提供了一种操作包括如本文所述和/或受权利要求书保护的气体涡轮引擎的飞行器的方法。根据该方面的操作可包括(或可以是)在飞行器的中间巡航处的操作，如本文其他部分所定义的。
本领域的技术人员将理解，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面描述的特征或参数可应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文中描述的任何特征或参数可应用于任何方面以及/或者与本文中描述的任何其他特征或参数组合。
附图说明
现在将参考附图仅以举例的方式来描述实施方案，其中：
图1是气体涡轮引擎的截面侧视图；
图2是气体涡轮引擎的上游部分的特写截面侧视图；
图3是用于气体涡轮引擎的齿轮箱的局部剖视图；
图4示意性地示出了使用音轮和速度探测器的速度测量系统；
图5示意性地示出了由速度探测器产生的交替测量信号；
图6示意性地示出了音轮的周向齿排的一部分，左侧是在轴失效之前的正常操作期间速度探测器遇到的轮的部段，而右侧是在轴失效时探测器遇到的轮的部段；
图7示意性地示出了引擎的转轴以及用于测量转子弯曲的相关联的音轮和速度探测器；
图8示意性地示出了由于停机回浸而弯曲的图7的转轴；
图9示意性地示出了音轮的周向齿排的一部分；
图10示意性地示出了对于转轴的不同旋转位置的图8的音轮和速度探测器的相对取向；
图11示意性地示出了引擎的风扇、输出轴、动力齿轮箱和低压转轴，以及用于测量轴扭曲的相关联的音轮和速度探测器；
图12示意性地示出了图11的音轮的周向齿排的部分；
图13示出了在扭矩作用下的图12的周向排齿的部分；
图14示出了在温度升高之前和之后位于风扇和低压涡轮处的音轮的周向齿排的部分；
图15示意性地示出了在顶部处来自低压压缩机的一系列速度样本和在底部处来自低压涡轮的对应一系列速度样本；
图16在顶部和底部处示意性地示出了两个变型齿，每个变型齿包括分开的梯度周向厚度配置；并且，
图17示意性地示出了包括周向齿排的常规音轮和可变磁阻传感器。
具体实施方式
图1示出了具有主旋转轴线9的气体涡轮引擎10。引擎10包括进气口12和推进式风扇23，该推进式风扇产生两股气流：核心气流A和旁路气流B。气体涡轮引擎10包括接收核心气流A的核心11。引擎核心11以轴流式串联包括低压压缩机14、高压压缩机15、燃烧设备16、高压涡轮17、低压涡轮19和核心排气喷嘴20。短舱21围绕气体涡轮引擎10并限定旁路管道22和旁路排气喷嘴18。旁路气流B流过旁路管道22。风扇23经由轴26和周转齿轮箱30附接到低压涡轮19并由该低压涡轮驱动。
在使用中，核心气流A由低压压缩机14加速和压缩，并被引导至高压压缩机15中以进行进一步的压缩。从高压压缩机15排出的压缩空气被引导至燃烧设备16中，在该燃烧设备中压缩空气与燃料混合，并且混合物被燃烧。然后，所得的热燃烧产物在通过喷嘴20排出之前通过高压涡轮和低压涡轮17、19膨胀，从而驱动高压涡轮和低压涡轮17、19以提供一些推进推力。高压涡轮17通过合适的互连轴27来驱动高压压缩机15。风扇23通常提供大部分推进推力。周转齿轮箱30是减速齿轮箱。
图2中示出了齿轮传动风扇气体涡轮引擎10的示例性布置结构。低压涡轮19(参见图1)驱动轴26，该轴26联接到周转齿轮布置结构30的太阳轮或太阳齿轮28。在太阳齿轮28的径向向外处并与该太阳齿轮相互啮合的是多个行星齿轮32，该多个行星齿轮通过行星架34联接在一起。行星架34约束行星齿轮32以同步地围绕太阳齿轮28进动，同时使每个行星齿轮32绕其自身轴线旋转。行星架34经由连杆36联接到风扇23，以便驱动该风扇围绕引擎轴线9旋转。在行星齿轮32的径向向外处并与该行星齿轮相互啮合的是齿圈或环形齿轮38，其经由连杆40联接到固定支撑结构24。
需注意，本文中使用的术语“低压涡轮”和“低压压缩机”可分别表示最低压力涡轮级和最低压力压缩机级(即，不包括风扇23)，和/或通过在引擎中具有最低旋转速度的互连轴26(即，不包括驱动风扇23的齿轮箱输出轴)连接在一起的涡轮级和压缩机级。在一些文献中，本文中提到的“低压涡轮”和“低压压缩机”可被另选地称为“中压涡轮”和“中压压缩机”。在使用此类另选命名的情况下，风扇23可被称为第一或最低压力的压缩级。
在图3中以举例的方式更详细地示出了周转齿轮箱30。太阳齿轮28、行星齿轮32和环形齿轮38中的每一者包括围绕其周边以用于与其他齿轮相互啮合的齿。然而，为清楚起见，图3中仅示出了齿的示例性部分。示出了四个行星齿轮32，但是对本领域的技术人员显而易见的是，可以在要求保护的发明的范围内提供更多或更少的行星齿轮32。行星式周转齿轮箱30的实际应用通常包括至少三个行星齿轮32。
在图2和图3中以举例的方式示出的周转齿轮箱30是行星式的，其中行星架34经由连杆36联接到输出轴，其中环形齿轮38被固定。然而，可使用任何其他合适类型的周转齿轮箱30。以另一个示例的方式，周转齿轮箱30可以是恒星布置结构，其中行星架34保持固定，允许环形齿轮(或齿圈)38旋转。在此类布置结构中，风扇23由环形齿轮38驱动。以另一个另选示例的方式，齿轮箱30可以是差速齿轮箱，其中环形齿轮38和行星架34均被允许旋转。
应当理解，图2和图3中所示的布置结构仅是示例性的，并且各种另选方案都在本公开的范围内。仅以举例的方式，可使用任何合适的布置结构来将齿轮箱30定位在引擎10中和/或用于将齿轮箱30连接到引擎10。以另一个示例的方式，齿轮箱30与引擎10的其他部件(诸如输入轴26、输出轴和固定结构24)之间的连接件(诸如图2示例中的连杆36、40)可具有任何期望程度的刚度或柔性。以另一个示例的方式，可使用引擎的旋转部件和固定部件之间(例如，在来自齿轮箱的输入轴和输出轴与固定结构诸如齿轮箱壳体之间)的轴承的任何合适的布置结构，并且本公开不限于图2的示例性布置结构。例如，在齿轮箱30具有恒星布置结构(如上所述)的情况下，技术人员将容易理解，输出连杆和支撑连杆以及轴承位置的布置结构通常不同于图2中以举例的方式示出的布置结构。
因此，本公开延伸到具有齿轮箱类型(例如恒星或行星齿轮)、支撑结构、输入和输出轴布置结构以及轴承位置中的任何布置结构的气体涡轮引擎。
可选地，齿轮箱可驱动附加的和/或另选的部件(例如，中压压缩机和/或增压压缩机)。
本公开可应用的其他气体涡轮引擎可具有另选配置。例如，此类引擎可具有另选数量的压缩机和/或涡轮和/或另选数量的互连轴。以另外的示例的方式，图1中所示的气体涡轮引擎具有分流喷嘴18、20，这意味着穿过旁路管道22的流具有自己的喷嘴18，该喷嘴与核心引擎喷嘴20分开并径向地在该核心引擎喷嘴的外部。然而，这不是限制性的，并且本公开的任何方面也可应用于如下引擎，在该引擎中，穿过旁路管道22的流和穿过核心11的流在可被称为混流喷嘴的单个喷嘴之前(或上游)混合或组合。一个或两个喷嘴(无论是混合的还是分流的)可具有固定的或可变的面积。虽然所描述的示例涉及涡轮风扇引擎，但是本公开可应用于例如任何类型的气体涡轮引擎，诸如开放式转子(其中风扇级未被短舱围绕)或例如涡轮螺旋桨引擎。在一些布置结构中，气体涡轮引擎10可不包括齿轮箱30。
气体涡轮引擎10的几何形状及其部件由传统的轴系限定，包括轴向(与旋转轴线9对准)、径向(在图1中从下到上的方向)和周向(垂直于图1视图中的页面)。轴向、径向和周向相互垂直。
在图2所示的用于齿轮传动风扇气体涡轮引擎10的示例性布置结构中，来自周转齿轮布置结构30的输出轴50通过多组滚柱轴承52径向地定位在每个端部处。这些滚柱轴承允许轴向风扇23传递扭矩，但不提供显著的轴向保持功能。为了轴向地保持输出轴50和风扇23，单独的推力轴54从附接到互连轴26的一组滚珠轴承56延伸穿过太阳齿轮28的中心以接合到输出轴50。因此，扭矩传递和轴向保持责任在输出轴50和推力轴54之间被分离。
推力轴54或滚珠轴承56的故障可危及引擎，因此期望能够尽早检测轴54的任何轴向位移。因此，引擎还具有用于监测轴的轴向位置的监测系统。该系统包括第一音轮56。方便地，其可与推力轴54同轴安装在输出轴50的前部。在该位置，其与风扇23、输出轴50和推力轴54的整个组件共同旋转。
第一音轮56具有周向齿排，其通过安装到引擎的固定结构上的第一可变磁阻速度探测器60来检测其通过。
速度测量
在图4中示意性地示出了使用第一音轮56和第一速度探测器60的速度测量系统。尽管图2中未示出，但该系统可包括定位在第一音轮56的相对侧上的第二可变磁阻速度探测器60’。音轮具有多个规则间隔的方形边缘齿和直径d。如果轮上的齿相同且具有均匀的周向厚度，对于探测器相对于轮的任何轴向位置，音轮经过每个探测器的旋转将感应出具有正弦波模式的相应交替测量信号，如图5所示。速度测量系统(通常呈现为引擎电子控制器(EEC)的一部分)具有信号调节功能，其检测零交叉并且使用参考时钟来测量n个连续完整周期的速度样本的时间(每个周期的开始是自前一个周期的零交叉点，并且每个周期的结束是与后一个周期对应的零交叉点)。然后，EEC的处理器使用该定时信息来导出推力轴54和风扇23的旋转速度。在图5中，示出了每个速度样本，其由n＝3个连续周期组成。两个探测器60、60’提供冗余，并且在其他设置中可能对轴弯曲检测(下面讨论)有用。
轴向位置检测
对于速度测量，音轮的轴向厚度可设置为在引擎操作范围内适应旋转和静态引擎结构的正常膨胀和收缩。
然而，推力轴54的失效导致音轮56相对于探测器60、60’向前移动。因此，为了检测此类事件，可通过增加轮的轴向厚度来修改速度测量系统，使得在轴向移动超过预定阈值距离时，速度探测器暴露于探测器通常不会遇到的音轮的新部段。图6示意性地示出了周向齿排，左侧是在轴失效之前的正常操作期间每个探测器遇到的轮的部段，而右侧是在轴失效时每个探测器遇到的轮的部段。在右侧部段中，轮的每第m个齿的周向厚度增加，其中m≠n，既不是n的因子，也不是n的倍数。在图6的示例中，n＝3且m＝4。
轮56的右侧部段的齿的周向厚度变化的结果是，当零交叉点与加厚齿的边缘重合时，周期之间的该零交叉点移位。因此，在轮的任何给定旋转速度下，由每个探测器60、60’检测的连续速度样本的持续时间显示出相对于样本的平均或“标称”持续时间更长和更短的样本持续时间的特征重复模式，更长和更短的样本持续时间与平均持续时间相差的量与第m个齿的周向厚度与其他齿的周向厚度相差的量成比例。
特别地，对于由n＝3个连续周期组成并且轮的每第m＝4个齿的周向厚度增加的速度样本的示例，样本持续时间遵循任何给定速度下的特征重复模式：标称、标称、较慢、较快、标称。无论模式开始的相位是什么，这个模式都会表现出来，如图6所示。
轮的两个部段之间的第m个齿的周向厚度的阶跃变化可被设置成使得“标称”和“较慢”之间以及“标称”和“较快”之间的持续时间差异对应于超过速度测量系统的速度测量值的精度极限的速度测量值。通过这种方式，特征重复模式不会被测量精度的限制所隐藏。
为了进一步确保可靠地检测到特征重复模式，由标称持续时间和较慢持续时间之间以及标称持续时间和较快持续时间之间的转换所表示的测量速度的变化可被设置为大于引擎在n个齿数内可物理加速或减速的速率。
如果轴54在瞬态操纵期间失效，系统可通过确定较慢和较快持续时间读数两侧的标称持续时间读数之间的梯度来校正瞬态分量。较慢和较快持续时间读数的均值可预期位于标称持续时间读数之间的梯度线上。该均值提供了实际的速度测量值，并可作为校正在轴向位移计算中应用于较慢和较快持续时间读数。
话虽如此，瞬态操纵通常是次要影响。典型的速度样本序列是在0.2圈旋转内(例如，在60齿音轮上)采集的，这表示物理轴速度相对于每秒5％轴速度的典型瞬变的小变化。
弯曲检测
当转轴(即，给定的涡轮-轴-压缩机组合)具有均匀的温度时，则该转轴是平衡的。实现平衡对于高压转轴尤其重要，诸如图1所示的引擎10的压缩机15、轴27和涡轮17，它们强烈暴露于来自燃烧设备16的停机回浸。如果音轮56安装在此类转轴的端部上，则平衡转轴的轮和相对的顶部速度探测器60和底部速度探测器60’之间的相对位置如图7所示，两个探测器在轮的相同轴向位置处检测轮的齿。
在停机后，回浸使转轴弯曲，如图8中以夸张的形式所示。这种弯曲导致音轮56相对于探测器60、60’的位移。特别地，探测器中的一个检测在轮的轴向更前部处的齿，而另一个探测器检测在轮的轴向更后部处的齿。
因此，如果第m个齿(在由n个连续周期组成的速度样本的背景下)的周向厚度随着轴的轴向方向上的距离的变化而变化，则每个探测器60、60’处的位移可通过速度测量值的变化来检测。对于m＝4和n＝3，第m个齿的变化的周向厚度在图9中示出。
图10中示出了音轮56上连续90°旋转对由探测器60、60’检测到的音轮的第m个齿的轴向位置的影响，竖直虚线指示第m个齿在探测器上的交叉位置。从图10可以明显看出，以下特性可用于指示由弯曲引起的失衡的幅度。
a)在不旋转的情况下，引擎稳定，音轮56相对于静态结构在顶部轴向向前偏移(图10中为0°旋转)。第m个齿的较薄部分被顶部探测器60检测到。
b)此外，音轮的底部轴向向后偏移。第m个齿的较厚部分被底部探测器60’检测。
c)当旋转通过90°和270°(该角度可从齿计数导出，因为音轮的齿数是已知的)时，两个速度探测器都检测第m个齿的标称厚度。
d)在旋转通过180°时，特性a)和b)颠倒。
因此，两个探测器都表现出速度样本持续时间的特征重复模式，但是被调整，使得在来自任何给定探测器的重复模式中，0°旋转时的较快持续时间(tf)变为180°旋转时的较慢持续时间(ts)，相反，0°旋转时的较慢持续时间变为180°旋转时的较快持续时间，通过经历标称持续时间(tn)，在90°旋转和270°旋转时发生从较快到较慢和较慢到较快的转换。在给定旋转速度下，tn在所有旋转位置都相同，在给定旋转位置等于(tf+ts)/2。
音轮56相对于速度探测器60、60’的位置的移动和轮的物理特性提供了失衡(OOB)量的指示。实际上，音轮56具有已知的直径d，并且由探测器60、60’拾取的轴向位置的变化(偏移)允许逼近中心点从其标称位置的移动，其中探测器60、60’形成一对直角三角形的相反且相邻的测量值。
为了计算由弯曲引起的OOB量，音轮56可被视为实心元件，与由弯曲引起的轴向位移相比，轮在转轴的端部处的位置允许由转轴的顶部处的热膨胀引起的轴向位移被视为次要影响。对于给定的探测器60、60’，轮的标称位置(即，当tf＝ts＝tn时)每圈旋转给出两次(在图10中的90°和270°处)。了解系统的以下参考特性：
第m个齿的周向厚度的梯度(厚度mm/偏移mm)＝k
音轮上的齿数＝N
音轮的直径＝d(mm)
速度样本中的齿数＝n
控制系统参考时钟的频率＝F(Hz)
允许计算OOB。特别地，Xn rpm＝Xn/60rps的轮的旋转速度意味着以mm/sec计的齿极限的旋转速度R为：
Figure BDA0002374467480000191
这意味着标称样本的时间tn由下式给出：
Figure BDA0002374467480000192
这表示音轮旋转经过每个探测器60、60’三个齿的距离所需的时间。
然而，存在期间EEC可检测到零交叉的最小时间间隔，使得任何小于该间隔的时间变化都不会被检测为任何平衡差，该时间分辨率tr由下式给出：
Figure BDA0002374467480000193
其结果是，在低速时，对tr的敏感性可能很大，因为作为样本一部分的行程持续时间可能难以与位移区分开来。
其中：
分辨率＝Rtr
这表示系统可检测的相对于旋转速度以及对每个时钟样本的灵敏度的最小偏移。然而，在这种模式下，测量的差异是标准的较慢和较快采样时间之间的差异，这表示在平衡旋转期间测量的偏移。
因此，给定时间差Δt＝tn-tf＝ts-tn，Δt显示最大OOB位置(图10中的0°和180°)和最小OOB位置(图10中的90°和270°)的周期。控制软件监测捕获的数据的周期，以确定一圈旋转内的最大差值Δtmax，该差值允许将探测器处的轮最大轴向偏移确定为：
Figure BDA0002374467480000201
勾股定理，OOB可计算为：
OOB＝(0.25xd2+偏移2)1/2
另外，OOB在Xn速度下以mm为单位的OOB的最小分辨率MinOOB由下式给出：
Min OOB＝(0.25xd2+分辨率2)1/2
因此，在引擎起动期间，EEC可读取由一个探测器60检测到的较快和较慢样本持续时间之间的差异作为音轮旋转时的旋转相位的周期。与第一探测器相隔180°的第二探测器60’应该提供相同的读数，但具有180°的相差。因此，可在闭环中控制起动，以实现热稳定。当转轴达到热平衡时，OOB量减少，从而允许持续加速。此外，来自两个探测器的读数之间的相位差减小，进一步表明平衡正在恢复，并且转轴可被加速而不会过度振动。
扭曲测量
在引擎运行期间，互连轴26、27上存在扭曲，该扭曲来自于在相应涡轮17、19上做的功和由相应压缩机14、15(在互连轴26的情况下也由风扇23)做的功的阻力。通过使用在图1和图2的风扇23、输出轴50、动力齿轮箱30、低压压缩机14、互连轴26和低压涡轮19的背景下如图11所示的测量系统，可配置扭曲(因此扭矩)测量系统。
更特别地，类似于图2和图4所示的速度测量系统，第一音轮56和相应的相对速度探测器60、60’设置在风扇系统的前面。然而，此外，第二音轮156和相应的相对的第三速度探测器160和第四速度探测器160’安装在低压涡轮附近。第二音轮可位于低压涡轮的前面或后面，而不会影响测量。可选地，第三音轮256和相应的相对的第五速度探测器260和第六速度探测器260’可安装在低压压缩机14附近，以提高测量精度。
每个音轮56、156、256具有相同数量的齿，每个轮的每第m个齿的周向厚度明显不同于该轮的其他齿的周向厚度，以便产生较长和较短速度样本持续时间的特征重复模式。
在引擎操作期间，由低压涡轮19所做的功产生扭矩来驱动低压压缩机14、动力齿轮箱30和风扇23。由于轴26、50的弹性特性，扭矩在每个轴中引起由kθ给出的a，其中k是轴扭曲的相应弹性常数，并且θ是轴扭曲引起的旋转角度。
测量系统通过捕获每个音轮56、156、256上的第m个齿样本之间的相对时间差并且从轴和齿轮箱的已知机械特性来操作。音轮的已知几何特征可用来测量扭曲，并且也可用来区分扭曲和由于热膨胀产生的影响。EEC记录了组装时和无扭矩或极低扭矩下音轮之间的相对取向，这为后续测量提供参考(即θ＝0)。这在图12中示出。然后在图13中示出了扭矩对LP压缩机、动力齿轮箱和风扇系统的反作用力的影响。
沿着轴的温度变化可使扭曲测量复杂化。这种变化产生k的变化(k随着温度的升高而降低)。此外，它导致轴膨胀或收缩。然而，音轮可被配置为能够补偿这些影响。因此，图14在左侧示出了风扇23处的轮56和涡轮19处的轮156之间的相位超前t2。右侧是在沿着轴的温度升高之后的相同的轮。这种升高导致LP涡轮音轮156轴向移位，并且探测器检测位置位于轮上轴向更靠前的位置。当第m个齿的周向厚度随着轴的轴向方向上的距离的变化而变化时(如图14所示)，探测器位置的这种移位可由Δt＝tn-tf＝ts-tn的变化来确定。同时，由温度升高导致的k的降低导致轴在给定扭矩下进一步扭曲，从而导致t2增加。通过Δt变化测量的热膨胀通常可以与其他温度测量结合使用，以确定沿着轴的温度分布，从而确定沿着轴的k变化，进而确定扭矩。
虽然热膨胀的主要影响在轴26上，但是保持速度探测器60、60’、160、160’、260、260’的静态引擎结构也在引擎操作条件的范围内受到热膨胀。然而，此类特性可以在引擎开发计划和适当应用于扭矩测量的补偿过程中捕获。附加地或另选地，在引擎停止时，可针对试验台推力测量系统捕获某一速度下的引擎扭矩的校准曲线，并且可捕获轴和静态结构膨胀的设置作为引擎特定的校准。
当在轴26不是机械刚性部件的动力条件下操作时，它将具有影响每次速度测量的时间和扭矩测量的量值的扭转振荡分量。对低压压缩机14和低压涡轮19之间的一系列速度样本的影响在图15中示出，图15在顶部示意性地示出了来自低压压缩机14的音轮256的一系列五个速度样本(三个具有标称持续时间tn，一个具有较快持续时间tf，一个具有较慢持续时间ts)，并且在底部示意性地示出了来自低压涡轮19的音轮156的对应的一系列五个速度样本。速度样本的预期持续时间用虚线表示，并且速度样本的实际测量持续时间用实线表示。当使用相同的音轮且没有轴振荡时，在相同样本时间采集的具有持续时间tn的成对速度样本在LP压缩机和LP涡轮数据之间应相同。然而，轴振荡的影响导致此类对的测量速度样本彼此不同，例如，在图15中，样本1的测量tn高于LP压缩机数据的预期线，但低于LP涡轮数据的线。
以上分析假设相同的音轮。当音轮156、256在齿数或m对n比率上不同时，信号需要缩放以对准标称速度样本。
扭转振荡的影响表现为测量扭矩的变化。这可以通过使用tn＝(tf+ts)/2的特性来补偿，因为相对于tn的误差指示扭转振荡或其他噪声源引起的量值。概括地说，扭转振荡或其他噪声源从预期标称持续时间改变较快和较慢持续时间，使得噪声可通过取多个样本的均值来减轻。
该系统可用于测量扭曲，可用于测量单个轴内的扭曲，诸如输出轴50或互连轴26。另选地，它可以测量从风扇23到低压涡轮19的扭曲，即通过轴26、50两者且跨过齿轮箱30的扭曲。在这种情况下，可通过包括低压压缩机速度测量来改进系统，以允许确定轴26内的扭矩。
一般优点
上面讨论的所有检测/测量方法可有利地利用电子电路，该电子电路通常已经在用于旋转速度测量的EEC中可用。此外，音轮和相关联的速度探测器都是经过验证的技术，其操作可靠、稳健且准确。
变型
在图6中，第m个齿的周向厚度在轮的右侧部段相对于其他齿示出为增加。然而，替代方案是减小第m个齿的厚度，将稳态测量的重复速度测量模式变为：标称、标称、较快、较慢、标称。
在图6、图7和图11中，速度探测器显示在测量平面的顶部和底部。然而，由于引擎静态结构也受到弯曲效应的影响(尽管小于高压转轴受到的影响)，另一种选择是将速度探测器定位在引擎的中点，以消除静态结构热弯曲的影响。
事实上，在侧面以及顶部和底部位置安装速度探测器允许通过与侧面测量的差异来确定静态结构弯曲，以支持引擎开发期间的特征化。特别地，在侧面位置进行的偏移测量可以与在顶部和底部位置进行的偏移测量进行比较。然而，存在与测量系统的灵敏度相关联的分辨率极限，低于该极限静态结构弯曲将不可检测。
测量灵敏度可以通过多种方式提高，诸如：
·增加第m个齿的周向厚度随轴向距离变化的量。例如，这可以在不显著增加齿的最大周向厚度的情况下通过在第m个齿的厚度中采用分割梯度配置来实现，如图16中例如以两种可能的变型所示。
·增加音轮的直径，以增加相同齿数的齿的周向厚度。然而，这具有重量增加和齿通过速度增加的缺点。
·减少音轮上的齿数。然而，这具有信号可用的最小速度增加的缺点。
·在起动周期期间增加参考时钟频率，以提高失衡的分辨率。
如果第m个齿中的一个或多个相对于其他第m个齿的周向厚度进一步变化，这可以用于提供参考信号框架，从该参考信号框架可以测量其他位移。
应当理解，本发明不限于上述实施方案，并且在不脱离本文中描述的概念的情况下可进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (14)

1.一种用于监测与旋转轴相关联的一个或多个特性的监测系统，所述系统包括：
第一音轮，所述第一音轮同轴地安装到所述轴以与所述轴一起旋转，所述第一音轮包括周向齿排；
第一传感器，所述第一传感器被配置为通过生成第一交替测量信号来检测所述第一音轮的所述齿排的通过；和
处理器单元，所述处理器单元被配置为确定连续的第一速度样本的持续时间，每个第一速度样本是所述第一交替测量信号的n个连续周期的块，其中n是整数，并且其中每个周期的开始是自前一个周期的零交叉点，并且每个周期的结束是与后一个周期对应的零交叉点；其中，
在所述第一音轮的至少一个轴向位置处，所述第一音轮的所述齿排中的每第m个齿的周向厚度不同于所述第一音轮的其他齿的周向厚度，其中m是整数，m≠n，并且m既不是n的因子也不是n的倍数，由此当所述第一传感器定位在所述第一音轮的所述轴向位置处并且处于所述第一音轮的任何给定旋转速度时，所述连续的第一速度样本的所述持续时间显示出相对于所述连续的第一速度样本的平均持续时间更长和更短的样本持续时间的特征重复模式，所述更长和更短的样本持续时间与所述平均持续时间相差的量与在所述第一音轮的所述轴向位置处所述第m个齿的所述周向厚度与所述其他齿的所述周向厚度相差的量成比例；并且，
所述处理器单元根据所述特征重复模式监测与所述旋转轴相关联的所述特性。
2.根据权利要求1所述的监测系统，其中，所述第一音轮的所述其他齿彼此相同。
3.根据权利要求1所述的监测系统，其中，所述第一音轮的所述其他齿包括随着所述轴的轴向方向上的距离的变化而恒定的周向厚度。
4.根据权利要求1所述的监测系统，其中，所述第一音轮的所述第m个齿的周向厚度随着所述轴的所述轴向方向上的距离的变化而变化。
5.根据权利要求4所述的监测系统，其中，在至少一个轴向位置处，所述第一音轮的所述第m个齿的所述周向厚度与在所述轴向位置处的所述第一音轮的所述其他齿的所述周向厚度相同。
6.根据权利要求4所述的监测系统，其中，所述第一音轮的所述第m个齿包括在给定的轴向位置处周向厚度的阶跃变化。
7.根据权利要求4所述的监测系统，其中，所述第一音轮的所述第m个齿的周向厚度随着所述轴的所述轴向方向上的距离的变化而连续地变化。
8.根据权利要求1所述的监测系统，其中，与所述旋转轴相关联的所述监测特性包括所述轴的所述轴向位置。
9.根据权利要求1所述的监测系统，其中，与所述旋转轴相关联的所述监测特性包括所述轴的弯曲。
10.根据权利要求1所述的监测系统，其中，与所述旋转轴相关联的所述监测特性包括所述轴的旋转速度。
11.根据权利要求1所述的监测系统，还包括：
第二传感器，所述第二传感器被配置为通过生成第二交替测量信号来检测所述第一音轮的所述齿排的所述通过；其中，
所述处理器单元还被配置为确定连续的第二速度样本的持续时间，每个第二速度样本是所述第二交替测量信号的n个连续周期的块，其中每个周期的开始是自前一个周期的零交叉点，并且每个周期的结束是与后一个周期对应的零交叉点，由此当所述第二传感器定位在所述第一音轮的所述轴向位置处并且处于所述第一音轮的任何给定旋转速度时，所述连续的第二速度样本的持续时间也显示出所述特征重复模式；并且，
所述处理器单元根据由所述连续的第一速度样本的所述持续时间和所述连续的第二速度样本的所述持续时间显示的所述特征重复模式来监测与所述旋转轴相关联的所述特性。
12.根据权利要求1所述的监测系统，还包括：
第二音轮，所述第二音轮同轴地安装到所述轴以与所述轴一起旋转，所述第二音轮包括周向齿排，并且所述第二音轮沿着所述轴与所述第一音轮轴向间隔开；和
第三传感器，所述第三传感器被配置为通过生成第三交替测量信号来检测所述第二音轮的所述齿排的通过；其中，
所述处理器单元还被配置为确定来自所述第三传感器的连续的第三速度样本的持续时间，每个第三速度样本是所述第三交替测量信号的n个连续周期的块，其中每个周期的开始是自前一个周期的零交叉点，并且每个周期的结束是与后一个周期对应的零交叉点；
在至少一个轴向位置处，所述第二音轮的所述齿排中的每第m个齿的周向厚度不同于所述第二音轮的其他齿的周向厚度，由此当所述第三传感器定位在所述第二音轮的所述轴向位置处并且处于所述第二音轮的任何给定旋转速度时，所述连续的第三速度样本的所述持续时间也显示出所述特征重复模式；并且，
所述处理器单元还被配置为确定所述第一速度样本的所述特征重复模式和所述第三速度样本的所述特征重复模式之间的相对相位，由此与所述旋转轴相关联的所述监测特性包括根据所述相对相位确定的所述轴的扭曲。
13.一种用于飞行器的气体涡轮引擎，所述气体涡轮引擎包括：
引擎核心，所述引擎核心包括涡轮、压缩机和将所述涡轮连接到所述压缩机的芯轴；以及
根据权利要求1所述的监测系统，所述监测系统用于监测所述芯轴，所述或每个音轮同轴地安装到所述芯轴以与所述芯轴一起旋转。
14.一种用于飞行器的气体涡轮引擎，所述气体涡轮引擎包括：
引擎核心，所述引擎核心包括涡轮、压缩机和将所述涡轮连接到所述压缩机的芯轴；
风扇，所述风扇位于所述引擎核心的上游，所述风扇包括多个风扇叶片；和
齿轮箱，所述齿轮箱从所述芯轴接收输入并且经由输出轴将驱动输出至所述风扇，以便以比所述芯轴低的旋转速度来驱动所述风扇；
推力轴，所述推力轴延伸穿过所述齿轮箱以将所述风扇连接到安装在所述芯轴上的轴向定位轴承，从而减轻所述输出轴相对于所述芯轴轴向定位所述风扇的责任；以及
根据权利要求8所述的监测系统，所述监测系统用于监测所述推力轴的轴向位置，所述第一音轮同轴地安装到所述推力轴以与所述推力轴一起旋转。
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