CN114867994A - 用于检测叶轮叶片角度位置的模块化自主组件和用于检测涡轮发动机叶轮叶片损坏的模块化自主组件 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测叶轮叶片的角度位置的模块化自主组件(1)，所述组件拟安装在涡轮发动机(10)上，所述组件(1)包括至少一个电源(711b、71b、72b)，所述电源允许所述检测组件(1)的元件独立于拟承载它的涡轮发动机进行操作，至少一个拟与第一叶轮相关联的第一传感器(71)，至少一个拟与第二叶轮相关联的第二传感器(72)，以及包括处理单元(711e)和存储装置(711c)的主壳体(711)。

Description

用于检测叶轮叶片角度位置的模块化自主组件和用于检测涡 轮发动机叶轮叶片损坏的模块化自主组件
技术领域
本发明涉及航空发动机监测领域，更具体地说，涉及叶片装置(blading)组中叶片的单独识别，特别是用于检测航空发动机一个或多个叶轮上一个或多个活动叶片上可能存在的损坏或不平衡。
背景技术
新一代航空发动机的风扇配备了复合材料叶片。将这些叶片集成到风扇中可以大大改善其性能，并节省不可忽略的质量。
然而，监测复合材料叶片的健康状态已被证明是复杂的。
虽然对金属叶片来说，用肉眼进行简单的检查就可以直接检测出它们可能的损坏，但这种类型的检测被证明对复合材料叶片是有限的。例如，复合材料叶片上的冲击可能导致肉眼无法观察到的分层和内部损坏，因此更难检测。
复合材料叶片作为具有较大附加值的产品，非常希望能够提前计划其有条件的维护，以减少航空器地面维护的延误和成本。因此，这种维修计划需要对叶片的任何可能的损坏进行高性能的检测和识别。
一种已知的检测叶片损伤的方法包括使用叶尖定时传感器。这些传感器检测并计算叶片相对于时间基准的通过情况。然后，叶尖定时传感器的测量结果被用来计算每个叶片的自然频率，自然频率提供了有关叶片健康状态的信息。
在实践中，这种方法需要大量的叶尖定时传感器来进行测量，以及大量的计算资源，以确定每个叶片的自然频率。因此，这种解决方案只适用于测试台，测试台的集成约束(例如：体积、质量、可用计算资源)较小。然而，考虑到集成的限制和所需的计算资源，这种类型的解决方案不能转用于飞行器上携带的系统。因此，如果不把飞行器的发动机固定在地面上，就不可能对叶片的健康状态进行飞行监测。
另一个已知的检测损坏的解决方案包括通过“Ping测试”来监测每个叶片的固有频率。在该测试中，每个叶片都通过冲击型脉冲激励，测量每个叶片的脉冲频率响应可以检测到可能的损坏。然而，在这里，这种类型的方法也需要将飞行器的发动机固定下来才能实施。
有必要在飞行器上提供一种机载解决方案，允许检查每个叶片的健康状态，并提供对其飞行健康状态的监测。一般来说，这种需求涉及所有类型的叶片，后者可以由复合材料以及任何其他材料制成，例如金属。
叶片装置组中叶片的单独识别对于平衡叶片装置和监测叶片装置健康状态的功能都至关重要。这种识别可以通过检测称为“Top-Turn”的信息来进行。
Top-Turn是相对于旋转元件(例如低压轴或高压轴)的固定参考点，例如发动机壳体。通过这个位置可以知道低压轴相对于壳体的角度位置(在固定参考系中)。
事实上，飞行器发动机的转子有必要进行平衡，以确保良好地遵守发动机的振动限制。为此，有必要通过将一个或多个质量块定位在固定参考系中的精确角度位置来补偿测量的不平衡或未对齐。然后，Top-Turn可以定义这些质量的连接位置。人工识别必须与支持的机器(机载系统)识别一致。
通常，检测Top-Turn的一种方法包括使用传感器，称为Top-Turn传感器，该传感器检测齿或面对它的叶片的通过情况，特别是面对它的叶片装置(这里是叶轮)的单齿的通过情况。这种链轮被称为音轮，其特征在于它具有奇异性，该奇异性可以是链轮上存在过量物质或局部缺失物质。这种异常现象可以通过诸如电容式传感器或霍尔效应传感器等手段来检测。检测到这种异常情况就可以知道整个链轮的参考角度位置。
音轮除了提供这个角度参考，并用作测量其所连接的旋转部分的旋转速度的一个点之外，没有其他功能。
音轮不会看到流动。它没有所谓的空气动力功能，因此不参与发动机的推进。
然而，这个音轮对飞行器的质量有影响，尤其是在它旋转的时候，而且考虑到这个特定部件添加在发动机的低压轴上，并且有必要将传感器集成到音轮上，特别是与实施公差有关的困难，这个音轮对集成也有影响。
因此，不集成音轮并通过其他方法获得Top-Turn信息是有利的。
从文献US2012/148400可知，基于对除音轮以外的叶片装置组中叶片上的奇异性的检测，可以检测到Top-Turn，以便能够消除它。
从文献EP2661611还已知一种系统，用于替代通过音轮进行速度测量的系统。当轴被剖切时，位于断裂处上游的音轮无法转换涡轮机的旋转速度。该信息对于调节至关重要，因此涡轮机不会超速。
在该方法中，为了获得信息，一个叶片必须具有不同的轮廓，以便产生不同的压力曲线。
从文献US8528317还已知一种使用Top-Turn信息监测涡扇发动机FOD的方法：音轮的“每转蜂鸣声”。
另一种已知的方法是通过音轮齿分布的差异来识别Top-Turn。事实上，接近度的差异将影响Top-Turn传感器检测到的通过时间。通过算法处理，时间增量的这种奇异性可以识别叶片装置分布的奇异性，从而识别角度参考。
上述所有已知和提到的解决方案都建议通过在叶片装置或音轮上创建奇异性来实现Top-Turn。
在涡轮发动机中引入单一叶片具有不同的缺点，例如开发特定部件的必要性，以及为不同的叶片提供生产管理，与涡轮发动机的其他叶片相比，会导致不同的行为。涡轮发动机的认证问题和涡轮发动机维护的复杂性增加，以及由于奇异叶片的奇异性而产生的空气动力和振动扰动，以及因此而产生的性能下降，这些问题都存在。
上述已知方法还具有产生叶片的不均匀分布定位的缺点，即相对于其他叶片的角度不规则。叶片装置组中叶片的分布可能不均等，但这也会导致制造方面的限制和对发动机性能产生负面影响的空气动力学扰动。
上述已知方法还具有缺点，即对于所采用的所有速度范围，传感器必须具有足够的带宽来检测所有叶片的通过。事实上，如果速度太快或叶片数量过多，电容传感器将无法区分叶片，例如需要使用光学传感器。
最后，上述已知方法和系统还有缺点，即需要通过可以进行处理的计算机返回与Top-Turn相关的信息。这就产生了所提出的相对于FADEC(全权限数字发动机控制)类型的系统，特别是数字发动机控制装置ECU(发动机控制单元)或用于监测发动机健康状态的装置EMU(发动机电机单元)的监测独立性问题，以及其他的集成问题，以及相应的质量影响问题，因为所提出的解决方案都打算永久性地集成在涡轮发动机上。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种独立于涡轮发动机的计算机和涡轮发动机的电源的可拆卸的解决方案来纠正上述缺点，并允许生成Top-Turn的角度参考，并且存储生成的信号。
为此，本发明提出了一种用于检测叶轮叶片的角度位置的模块化自主组件，该组件拟安装在涡轮发动机上。
根据本发明的一般特征，该组件包括至少一个电源，所述电源允许检测组件的元件独立于拟承载它的涡轮发动机进行操作，以及至少一个拟与第一叶轮相关联的第一传感器，至少一个拟与第二叶轮相关联的第二传感器，以及包括主处理单元和存储装置的主壳体。
本发明还允许以独立于任何涡轮发动机的套件的形式提供解决方案，所述套件具有主壳体和不同的传感器。因此，根据本发明的组件可以机械地连接到涡轮发动机上，以完成其检测角度位置的任务，同时由于电源而在电力供应方面和由于主处理单元而在信息处理能力方面保持独立于涡轮发动机，换句话说，保持独立于涡轮发动机的计算机。这不会对涡轮发动机的运行产生影响。
由电源供电的模块化测量组件的自主性允许在涡轮发动机上间歇安装模块化组件，从而随着时间的推移减少质量影响。
根据自主模块化检测组件的第一方面，所述主壳体、所述至少一个第一传感器和所述至少一个第二传感器可各自包括可逆的手动连接装置，允许它们可拆卸地安装在涡轮发动机上。
手动连接装置指的是允许在不使用任何工具的情况下连接涡轮发动机的装置。因此，无需任何工具即可在涡轮发动机上轻松安装和拆卸组件的每个元件。
此类检测组件的质量小于1千克。由于其可拆卸性，组件的模块化允许在长期内仅对涡轮发动机产生间歇性的质量影响，并且通过扩展对飞行器产生影响，这与涡轮发动机上这种类型的组件的承载有关。事实上，涡轮发动机叶片装置的监测不一定要连续进行。待识别叶片装置的健康状态的退化是永久性的，间歇性检查，在飞行后或飞行中，例如每三次飞行或在事件(例如摄入异物)后，就足够了。在从涡轮发动机中取出之前，组件承载检查期间监测所需的整个装置。
此外，作为即插即用套件的机载组件的模块化使其能够间歇性地安装在至少一台涡轮发动机上，从而避免在同一架飞行器上安装两个机载系统。
组件的模块化还允许选择仅在地面使用组件，这避免了组件认证的需要，组件认证对于飞行中携带的任何设备都是必要的。
存储装置允许存储传感器收集的数据，以便主壳体的处理单元在飞行中对其进行处理。存储装置还允许携带必要且合适的信息，以使参考基准适合于被监测叶片装置的每一级，从而允许在飞行中进行检测。
例如，使用四个传感器和一个主壳体，可以监测同一转轴或两个不同转轴的四级。
根据自主模块化检测组件的第二方面，每个第一和第二传感器可以包括检测模块、本地处理模块和通信装置，所述通信装置被配置为将相应传感器的测量值传送到主处理单元。
传感器可以具有不同的配置，以适应涡轮发动机的不同环境。涡轮机机身后部位置与压缩机位置之间的温差约为200至250℃。因此，某些传感器可以配置为抵抗预期的最高温度。
根据第二方面的优选实施方式，每个第一和第二传感器还包括用于传感器的电源，并且通信装置是无线通信装置。
为每个传感器和主壳体使用无线通信装置和电源，可以方便地安装组件的不同元件，因为这样可以将传感器连接到主壳体上，从而在不同元件之间传递电缆。
根据自主模块化检测组件的第三方面，其中该组件拟安装在涡轮发动机上，该涡轮发动机含有包括第一数量叶片的第一叶轮和包括第二数量叶片的第二叶轮，两个叶轮中的每一个都有气流通过，并直接或间接地相互耦合，所述第一叶轮的第一数量叶片和所述第二叶轮的第二数量叶片是不同的，并且互为质数，每个所述传感器被配置为在所述传感器前面的叶轮的叶片每次通过时生成信号，并且所述主处理单元可以被配置为确定所述第一叶轮的叶片检测与所述第二叶轮的每个叶片检测之间的时间间隔。
因此，这种配置允许在没有音轮的情况下检测涡轮发动机叶轮叶片的角度位置，这可以节省旋转质量和体积，或者在叶轮叶片上没有奇异性的情况下，可以避免在涡轮发动机的气流中引入气动扰动。这种检测是通过使用两个叶片装置的时间信息来完成的，这两个叶片装置具有不同数量的叶片。
此外，这种检测可以在飞行器在地面和飞行时完成。
这种配置有利地使用了涡轮发动机轴上已经存在的、专用于推进的叶片装置。因此，通过比较两个叶片装置之间的时间信号，可以获得Top-Turn类型的角度参考。事实上，根据两个相对移动的叶轮的叶片节距，可以形成一个角度参考。
更具体地说，将第一叶轮的叶片的通过时间与第二叶轮的叶片的通过时间进行连续比较，可以识别模式，即识别标志。该识别标志允许识别每个特定叶片，并将其定义为Top-Turn。
如果第一和第二叶轮由相同的轴驱动，则是直接驱动。如果第一和第二叶轮分别由第一轴和第二轴驱动，第一轴和第二轴通过减速装置机械连接，则两个叶轮由同一轴间接驱动。
此外，该组件可包括确定模块，用于确定轴或驱动两个叶轮的轴的旋转速度，确定相对角度位置时考虑到所确定的旋转速度。
识别标志根据轴的速度而变化。间隙与叶片的分布有关，它们可以通过已知数量叶片的旋转速度而归一化。从这个意义上讲，Top-Turn的检测逻辑也不取决于轴的旋转速度。
根据第三方面的优选实施方式，该组件可包括拟安装在涡轮发动机第一叶轮上的第一传感器和第二传感器，以及拟安装在涡轮发动机第二叶轮上的第三传感器和第四传感器，第一和第二传感器为两种不同类型，并且第三和第四传感器为两种不同类型，传感器的类型特别在光学、磁性和电容型中选择。
包括圆盘的叶片数量和轴的速度的这对参数决定了传感器的技术，以确保对通过时间的采集和对检测到的叶片的区分有良好的分辨率。
根据自主模块化检测组件的第四方面，主壳体还可以包括时钟模块，所述至少一个第一传感器和至少一个第二传感器在所述时钟模块上同步。
传感器在同一时基上的同步可以提高检测叶片通过时间间隔的测量精度。
根据自主模块化检测组件的第五方面，所述至少一个第一传感器和至少一个第二传感器可以具有与检测叶片的轴的旋转速度相对应的频率带宽。
在本发明的另一个方面中，提出了一种用于检测涡轮发动机叶轮叶片损坏的组件，该组件包括用于检测上述叶轮叶片角度位置的模块化自主组件和警告装置。
在本发明的另一个方面中，提出了一种涡轮发动机，该涡轮发动机配置为接收模块化自主组件，用于检测如上所述的叶轮叶片的角度位置，该涡轮发动机包括用于所述组件的所述主外壳、所述至少一个第一传感器和所述至少一个第二传感器中的每个元件的凹槽和用于进入所述凹槽的舱口。
涡轮发动机上提供的组件的元件或凹槽的连接区域保证了易于进入，并允许在与LRU(轻型可更换单元)部件相同的数量级内安装和拆卸套件(即组件)，即20分钟，不包括对覆盖物的操作。
根据涡轮发动机的第一方面，涡轮发动机可含有包括第一数量叶片的第一叶轮和包括第二数量叶片的第二叶轮，两个叶轮中的每一个都有气流通过，并直接或间接地相互耦合，所述第一叶轮的第一数量叶片和所述第二叶轮的第二数量叶片是不同的，并且互为质数。
根据涡轮发动机的第二方面，第一数量叶片优选至少等于两个叶片，第二数量叶片至少等于三个叶片。
本发明的另一个目的是提出一种飞行器，其包括至少一个如上所述的涡轮发动机。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明一个实施方式的用于检测叶轮叶片角度位置的模块化自主组件。
图2示意性地示出了根据本发明一个实施方式的涡轮发动机，其上安装了模块化自主组件，用于检测图1叶轮叶片的角度位置。
图3示意性地示出了用于检测具有第一配置的航空涡轮发动机叶轮的活动叶片损坏的组件。
图4示意性地示出了用于检测具有第二配置的航空涡轮发动机叶轮的活动叶片损坏的组件。
图5示出了检测涡轮发动机叶轮叶片角度位置的方法的流程图。
图6示出了检测构成航空发动机叶轮的一个或多个活动叶片损坏的方法的流程图，该方法包括根据本发明的一个实施方式检测叶轮叶片的角度位置。
具体实施方式
本发明通常适用于飞行器发动机制造商完成的预测性维护服务范围内。
图1示意性地示出了根据本发明一个实施方式的用于检测叶轮叶片角度位置的模块化自主组件1，检测组件1拟安装在涡轮发动机10上。
在图1所示的实施方式中，模块化自主检测组件或套件1包括主壳体711、第一传感器71和第二传感器72。在一种变体中，组件可能包含两个以上的传感器。
主壳体711包括通信单元711a、主电源电池711b、存储单元711c、两个可逆连接夹711d和主处理单元711e。
存储单元711c的一部分是专用于计算的RAM类型的随机存取存储器，存储单元711c的另一部分是NVRAM类型的只读存储器，用于存储诸如处理器的主处理单元711e的结果和配置参数。
可逆手动连接夹允许在不使用工具的情况下以易于拆卸的方式将主壳体711连接到涡轮发动机10上。连接夹711d是用于机械连接到涡轮发动机10的物理多点连接。
每个传感器71和72包括分别表示为71a和72a的检测模块，例如电容式、光学式、电感式或压力式的叶尖定时传感器，分别表示为71b和72b的本地电池，分别表示为71c和72c的通信模块，允许与主壳体71的通信单元711a通信，分别表示为71d和72d的两个可逆连接夹，以及分别表示为71e和72e的本地处理单元，例如处理器。
可逆手动连接夹71d或72d允许在不使用工具的情况下以易于拆卸的方式将传感器71或72连接到涡轮发动机10上。连接夹71d或72d是用于机械连接到涡轮发动机10的物理多点连接。
由传感器71或72的检测模块71a或72a采集的信息被传送到本地处理单元71e或72e，本地处理单元71e或72e在信号被通信模块71c或72c传送到主壳体711的通信单元711a之前准备信号。本地处理器71e或72e能够将以几十kHz的频率从检测模块71a或72a采集的原始信息转换为可传输信号(数字化、压缩、预处理、叶片通过检测)。
在图1所示的实施方式中，传感器71和72的通信模块71c或72c适于信息的无线发送和接收，并且主壳体711的通信单元711a被配置并适于接收经由无线通信网络发送的信息。
在一种变体中，检测组件1可以包括位于主壳体711中的单个电源，例如电池，并通过有线连接向传感器71和72提供电能。
图2中示意性地示出了根据本发明一个实施方式的涡轮发动机10，其上安装了用于检测图1叶轮叶片角度位置的自主模块化组件。
在图2所示的实施方式中，仅包括第一传感器71和第二传感器72的检测套件1安装在涡轮发动机10上。第一传感器71安装在涡轮发动机10的机舱上，面向风扇11，以允许其监测风扇11叶片装置的健康状况。第二传感器72安装在涡轮发动机10的机舱上，面向低压压缩机级的叶片装置12。主壳体711自身安装在涡轮发动机10风扇的壳体上，位于低温区。
第一传感器71和第二传感器72安装在涡轮发动机上的凹槽70中，凹槽70为此设置有用于从机舱进入的舱口，可以很容易地打开和关闭进入凹槽的通道以安装或拆除传感器71和72。
主壳体711也可以安置在为此目的提供专用检修舱口的位置。检修舱口也可以与专用于接收涡轮发动机另一个元件的凹槽共用，例如用于检修燃油的舱口。
在图2所示的实施方式中，涡轮发动机10包括三个其他位置70，用于接收与第一和第二传感器71和72类似的传感器。
三个其他位置70中的第一个和第二个，在图2中是自由的，位于涡轮发动机10的后部，其中一个位置朝向低压涡轮级13，另一个位置朝向高压涡轮级22。其他三个自由位置70中的第三个位于涡轮发动机10的机舱上，面向高压压缩机级21。
由于这些位置70，在另一种配置中，可以设置另外两个传感器来监测由传动轴19耦合的高压压气机级21和高压涡轮级22。
图3示意性地示出了用于检测具有第一配置的航空涡轮发动机10的带叶片叶轮11或叶轮的活动叶片损坏的组件20。
用于检测损坏的组件20包括用于检测图1中叶轮叶片位置的套件1和警告装置9。
为了提高图3的易读性，未显示套件1的所有元件。套件1包括图1中描述的所有元件，即主壳体711，主壳体尤其包括主处理单元711e和存储单元711c，其形式为一个或多个数据库D1、D2、第一传感器71和第二传感器72。
除了用于检测Top-Turn外，用于检测叶片位置的组件1的第一传感器71和第二传感器72还形成用于采集组件20的数据以检测损坏的装置7。
当用于检测叶片位置的套件1集成到用于检测损坏的组件20中时，主处理单元711e包括用于完成损坏检测的附加装置。因此，主处理单元被配置为执行包括代码指令的计算机程序，该代码指令被设计用于实施根据本发明的损伤检测方法的采集、信号处理、分析和报警算法。
采集装置7被配置为获取与叶轮11(例如风扇的叶轮或发动机10的任何其他叶轮)的活动叶片111至115有关的时间信号S1。
有利地，采集装置7使用“叶尖定时”技术来测量活动叶片111至115的通过时间/瞬间TOA(“到达时间”)。
如图2所示，采集装置7的第一传感器71是叶尖定时传感器，安装在发动机10的壳体上，与风扇的叶轮11对齐，以便采集特定于第一传感器71的时间信号S1。
更具体地说，叶尖定时传感器71相对于时基检测并计数叶片111至115的叶尖的通过。因此，叶尖定时传感器71可以测量叶片111至115之间相对于参考点(也称为“Top-Turn”)的当前通过时间。对于叶尖定时传感器71，每个叶片111至115特定的通过时间(TOA)然后可以通过主处理单元711e从测量数据中推导出来，这里是通过主处理单元711e内部的计算模块713。
换言之，叶尖定时传感器71允许获取与每个活动叶片111至115的叶尖的通过时间/瞬间相关的测量值，该测量值与叶轮11的参考区域一致。此外，在同一叶轮上使用多个传感器71的情况下，为了限制叶尖定时传感器71丢失的风险，可以定位传感器71，以便最大化其方位距离，以便尽可能地将它们彼此分离。因此，在传感器71局部故障的情况下(例如：碎屑对叶片111的影响、传感器71的污染)，所有传感器71将受到影响的风险降至最低。
在正常操作中，叶片111至115将定期通过同一叶尖定时传感器71的前面。在给定速度下，传感器71将测量两个连续叶片通过之间的时间间隔Δt。
另一方面，叶片状态的改变，例如由于摄入异物FOD导致的磨损(“异物损坏”)，可以转化为叶片在经过至少一个传感器71前面时位置的改变。
为了能够独立于每个叶片111到115的状态来识别它们，主处理单元711e被配置为分析相对于角度参考的不同时间信号S1。
在本实施方式中，角度参考由套件1提供，用于检测图1的“Top-Turn”，这特别允许避免使用音轮。
用于检测“Top-Turn”的组件1被配置为第一叶轮(如风扇的叶轮11)和第二叶轮12的叶片的相对角度位置，第一叶轮的叶片损坏是通过第一传感器71监测的，相同的气流穿过第一和第二叶轮11和12，在图3所示的实施方式中，由涡轮发动机10的同一轴19驱动。
第二叶轮12的叶片的损坏也可以通过安装在第二叶轮12对面的其他叶尖定时传感器，如第二传感器72，以与第一叶轮11相同的方式进行监测。
第一叶轮11包括第一数量的叶片数N1，第二叶轮12包括第二数量的叶片数N2，第一叶轮11的第一数量叶片数N1和第二叶轮12的第二数量叶片数N2是不同的，没有公约数。因此，第一和第二数量的叶片数N1和N2互为质数。叶片规则地分布在每个叶轮11和12上。因此，在相同的叶轮11或12上，两个相邻的叶片以相同的角度间隔分开。
第一和第二传感器71和72通过相同的时钟在时间上同步，并且被配置为在第一和第二叶轮11或12的叶片在相应传感器71或72前面每一次通过时生成信号。
检测套件1的主处理单元711e被配置为确定第一叶轮11的叶片检测与第二叶轮12的每个叶片检测之间的时间间隔。
当第一叶轮11的叶片每次经过其前方时，第一机载传感器71返回第一时间信号S1。当第二叶轮12的叶片每次经过其前方时，第二机载传感器72返回第二时间信号S2。每次检测之间的时间间隔，即第一叶轮11的ΔT1和第二叶轮12的ΔT2，取决于轴19的旋转速度以及叶轮11或12上各自的叶片数量。
图4示意性地示出了用于检测具有第二配置的航空涡轮发动机10的叶轮11的活动叶片损坏的组件20。
图4所示的涡轮发动机10的第二配置与图3所示的涡轮发动机10的第一配置不同，因为气流(可能不一样)分别通过第一和第二叶轮11和12，它们由两个不同的轴190和195驱动，通过减速齿轮198相互连接。
图5所示为根据本发明一个实施方式的用于检测涡轮发动机叶轮叶片角度位置的方法的流程图。用于检测Top-Turn的组件1可以实施这种检测Top-Turn的方法。
该方法包括第一步骤200，其中第一传感器71检测第一叶轮11的每个叶片111至115的通过情况。
同时，在第二步骤210中，第二传感器72检测第二叶轮12的每个叶片121至127的通过情况。
一个圆盘相当于2π个弧度。因此，通过与轴的旋转速度进行联系，我们得到1rpm＝2π/60rad.s-1。
对于固定的旋转速度，下面表示为RPM，在与叶轮相关的传感器前面有N个叶片的同一个叶轮的两个连续的叶片通过的时间间隔由以下公式确定。
【数学式1】
Figure BDA0003690334320000121
因此，对于第一叶轮11和面对它的第一专用传感器71，我们得到：
【数学式2】
Figure BDA0003690334320000122
对于第二叶轮12和面向它的第二专用传感器72，我们得到：
【数学式3】
Figure BDA0003690334320000123
因此，第一和第二传感器在轴的同一旋转中不会有相同数量的通过检测。
在图3和图4所示的实施方式中，第一叶轮11包括5个叶片，或N1＝5，标记为111至115，第二叶轮12包括7个叶片，或N2＝7，标记为121至127。为了便于计算，轴的速度被认为等于每分钟60/2π转，或RPM＝60/2π转。
有了这些特征，并考虑到为了简化，传感器具有相同的角度位置，就可以得到以下叶片在第一步骤200和第二步骤210完成时的通过时间列表：
【表1】
第一传感器71 第二传感器72
0.100 0.050
0.300 0.192
0.500 0.335
0.700 0.478
0.900 0.621
1.100 0.764
1.300 0.907
需要注意的是，叶片最初不一定面向传感器，这会在第一次检测之前引入延迟。
在第三步骤220中，主处理单元711e计算第一叶轮11的一个叶片与第二叶轮12的每个叶片121至127的通过之间的时间间隔πt。
如果在图3所示的第一实施方式中，两个叶轮11和12由同一轴19驱动，第一叶轮11的叶片111至115的到达时间与第二叶轮12的叶片121至127的到达时间进行比较，就可以得到这个矩阵：
【表2】
Figure BDA0003690334320000131
矩阵的值对应于第一叶轮11的叶片111至115的到达时间与第二叶轮12的叶片121至127的到达时间之间的差值，即表示为ΔT的时间间隔。
在一个变体中，时间间隔ΔT的计算可以考虑减速装置198(如果存在)的减速系数。
例如，在图4所示的第二实施方式中，两个叶轮11和12不位于同一个轴上，而是由两个不同的轴190和195驱动，这两个轴通过一个具有系数C减速的减速装置耦合在一起。因此，对于第一叶轮11和第一专用传感器71，我们得到：
【数学式4】
Figure BDA0003690334320000141
对于第二叶轮12和面向它的第二专用传感器72，我们得到：
【数学式5】
Figure BDA0003690334320000142
如果在第二实施方式中进行了类似比较，但这次是通过计算对应于系数C减速与第一叶轮11的叶片111至115的到达时间的乘积的第一时间与对应于第二叶轮12的叶片121至127的到达时间的第二时间之间的差异，得到相同的矩阵，如表2所示。
因此，矩阵表提供了所需的尽可能多的角度参考。如矩阵表所示，叶片也不再从一个叶轮对齐另一个叶轮。如果两个叶轮对齐，使每个叶轮的一个叶片与另一个对齐在一起，则表中有一个单元格的差值为零。
然后，算法可以使用这种类型的数据库。
在一个变体中，时间间隔ΔT的计算可以相对于驱动两个叶轮11和12的轴19的旋转速度进行归一化，这样计算就与旋转速度无关。
然后，在第四步骤230中，主处理单元711e根据时间间隔ΔT的值以及第一和第二叶轮11和12的速度值，确定第一叶轮11的每个叶片111至115相对于第二叶轮12的叶片121至127的角度位置的相对角度位置。
在图1和图2以及上面的表格中说明的示例中，在转弯(turn)结束处要检测的是具有最小时间间隔Δt的最后两个叶片115和127。但这个结果仍然是随机的，因为它与第一次检测的偏移量有关。两个叶轮11和12之间的偏移差异，就其本身而言，将与第一和第二叶轮11和12在轴19上的安装，以及与第一和第二传感器71和72的角度位置有关。因此，这种偏移与涡轮发动机10的生产和装配有关。
随着第一和第二传感器71和72对齐相同的角度参考，偏移只与叶轮11和12在轴19上的装配和它们的相对对齐有关。
这种偏移是涡轮发动机10的特点，由此产生的一个叶轮的叶片与另一个叶轮之间的对齐是涡轮发动机10所固有的。这种对齐，在此显示为相对于叶片面对叶尖定时传感器的通过时间，它最终是叶片这种对齐的时间特征。
最后，在第五步骤240中，主处理单元711e将与第二叶轮12的叶片具有最小时间间隙Δt的第一叶轮11的叶片指定为角度参考，即Top-Turn。
如上所述，第一叶轮11的第五个叶片115和第二叶轮12的第七个叶片127是最对齐的。
这种特殊的排列方式可以任意决定将第一叶轮11的第五个叶片115视为Top-Turn，即作为角度参考。根据上述矩阵表的分析，第一叶轮11的另一个叶片可以被任意地指定为Top-Turn。
一个叶轮的叶片与另一个叶轮的对齐仍然是相同的，因为它与装配以及叶轮各自的叶片数量有关。对Top-Turn的识别只需要通过部署的算法来识别一个转弯(turn)。
因此，在包括涡轮发动机10的飞行器的每次飞行中，发动机10的第一转弯(turn)可以重构Top-Turn。然后，对被选为Top-Turn的叶片的每次检测将给出时间参考(在叶尖定时意义上)和Top-Turn的角度参考。
用于检测叶片损坏的系统20寻求检测与损坏相关的一个或多个叶片111至115的性能的持续退化，而不是信号S1上可观察到的简单临时扰动。因此，上述角度参考(Top-Turn T12)仅用于相对于其他叶片识别每个叶片111至115。因此，下文将描述的叶片损坏检测不包括简单观察或检测每个叶尖定时传感器71在叶片111之间测量的脉冲间隔Δt的变化。
至少一个叶尖定时传感器71可用于测量飞行器发动机10的转速。
每个叶尖定时传感器71可以是电容型、电感型、傅科(Foucault)电流型，甚至是光学探头，这些不同类型的传感器耐用、准确，并且需要很少的空间。
现在描述由用于检测损坏的组件20实现的用于检测构成叶轮的一个或多个活动叶片111损坏的方法的一个实施方式。
如图6所示，该方法包括通过采集装置7测量E1发动机10转速的步骤。如上所述，发动机10转速的测量可通过叶尖定时传感器71完成。
同时，叶轮11或12的叶尖定时传感器71或72执行与传感器对齐的每个活动叶片顶部的通过时间/瞬间相关的测量。然后，处理装置11对源自叶尖定时传感器71或72的测量值进行调节。该调节包括在通过角度参考测量的时间信号中实时识别每个叶片，从时间信号中提取与已识别叶片相关的通过时间(TOA)，将其提取的通过时间以及与其turn数相关的信息与已识别的叶片相关联(步骤E2)。
对于每次获取叶片的通过时间(TOA)，主处理单元711e通过计算模块713计算该叶片叶尖的偏转(步骤E3)，即叶片叶尖111相对于其静止理论位置的空间间隙。
然后，在步骤E4期间，主处理单元711e经由图3所示的提取模块712提取每个计算出的偏转的动态分量，即将其与静态分量隔离。动态分量的提取通过现有技术中已知的隔离方法完成(例如：平均，或使用高通滤波器提取高频分量)。
主处理单元711e还通过选择模块714完成选择(S)一个或多个发动机10转速范围的步骤，假设叶轮11的所有叶片都是同步的，即假设在相同的发动机10转速范围内具有相同的振动行为。此处相对于参考数据库(例如数据库D1)预先确定发动机10转速范围，以确保所有叶片在通过叶尖定时传感器71或72时具有相同的振动行为。
为了在选择步骤S期间识别发动机10转速的每个选定范围内一个或多个叶片的可能损坏，处理装置11还包括处理模块715，将选择模块714选择的动态分量作为其输入。
处理模块715被配置为通过确定每个叶片的动态分量的变化，并通过将这些变化与参考数据库相关联，来确定(步骤E5)每个叶片的动态行为的可能变化。此外，将确定步骤E5的结果添加到监控数据库中，这里是数据库D2。因此，确定步骤E5可视为在选择步骤S期间选择的每个发动机转速范围内分析每个叶片的动态振动行为的步骤。
然后，主处理单元711e经由比较器716在确定步骤E5之后进行比较步骤E6。比较步骤E6包括将叶片111偏转的动态分量的每个检测到的变化，即其动态行为的每个变化，与参考数据库D1中的一个或多个预先记录的阈值进行比较。
在该步骤E6期间，特别将针对叶片111检测到的动态分量的每个变化(因此动态行为的变化)与间接对应于叶片健康状态的第一变化阈值进行比较。该第一阈值与第二阈值相关联，该第二阈值与叶片111的固有频率的变化有关，达到这个阈值就相当于叶片111损坏。
确定第一和第二阈值，然后在初始学习阶段E9将其记录在参考数据库D1中。
因此，对叶片111偏转的动态分量变化的检测，即其动态行为的变化，在此与该叶片111的自然频率的偏差的间接检测相联系，该偏差超过预定阈值，就会转化为对它的损坏。
因此，如果叶片111的偏转/动态行为的动态分量的变化大于第一变化阈值，这意味着叶片111的自然频率本身有偏差，从而转化为叶片111的损坏。事实上，叶片111的损坏导致其自然频率的偏差，因此导致其偏转的动态分量的偏差。
因此，当比较器716检测到叶片111的偏转的动态分量/动态行为的变化大于或等于第一阈值时，叶片111被识别(步骤E7)为损坏。
然后，指示叶片111损坏的警告被传送(步骤E8)到警告装置9(例如通过声音和/或显示装置)。同样，在传输警告的过程中，可以触发要发送或可用于维护的消息。

Claims (12)

1.一种用于检测叶轮叶片的角度位置的模块化自主组件(1)，所述组件拟安装在涡轮发动机(10)上，特征在于，所述组件(1)包括至少一个电源(711b、71b、72b)，所述电源允许所述检测组件(1)的元件独立于拟承载它的涡轮发动机(10)进行操作，拟与第一叶轮(11)相关联的至少一个第一传感器(71)，拟与第二叶轮(12)相关联的至少一个第二传感器(72)，以及包括主处理单元(711e)和存储装置(711c)的主壳体(711)。
2.根据权利要求1所述的模块化自主组件(1)，其中，所述主壳体(711)、所述至少一个第一传感器(71)和所述至少一个第二传感器(72)各自包括可逆的手动连接装置(711d、71d、72d)，允许它们可拆卸地安装在所述涡轮发动机(10)上。
3.根据权利要求1或2所述的模块化自主组件(1)，其中，所述每个第一和第二传感器(71、72)包括检测模块(71a、72a)、本地处理模块(71e、72e)和通信装置(71c、72c)，所述通信装置被配置为将相应传感器(71，72)的测量值传递给所述处理单元(711e)。
4.根据权利要求3所述的模块化自主检测组件(1)，其中，每个第一和第二传感器还包括用于所述传感器的电源(71b)，并且所述通信装置是无线通信装置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的模块化自主检测组件(1)，所述组件拟安装在涡轮发动机(10)上，所述涡轮发动机含有包括第一数量叶片(111至115)的第一叶轮(11)和包括第二数量叶片(121至127)的第二叶轮(12)，两个叶轮(11、12)中的每一个都有气流通过，并直接或间接地相互耦合，所述第一叶轮(11)的第一数量叶片数和所述第二叶轮(12)的第二数量叶片数是不同的，并且互为质数，每个所述传感器(71、72)被配置为在所述传感器前面的叶轮的叶片每次通过时生成信(S1,S2)号，并且所述主处理单元(711e)被配置为确定所述第一叶轮(11)的叶片(111至115)检测与所述第二叶轮(12)的每个叶片(121至127)检测之间的时间间隔。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的模块化自主检测组件(1)，其中，所述主壳体还包括时钟模块，所述至少一个第一传感器(71)和至少一个第二传感器(72)在所述时钟模块上同步。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的模块化自主检测组件(1)，其中，所述至少一个第一传感器(71)和至少一个第二传感器(72)具有与检测叶片的轴的旋转速度相对应的频率带宽。
8.一种用于检测涡轮发动机叶轮叶片损坏的组件(20)，包括根据权利要求1至7中任一项所述的用于检测叶轮叶片角度位置的模块化自主组件(1)和警告装置(9)。
9.一种涡轮发动机(10)，配置为接收根据权利要求1至7中任一项所述的用于检测叶轮叶片的角度位置的自主模块化组件(1)，或根据权利要求8所述的用于检测涡轮发动机叶轮叶片损坏的组件(20)，所述涡轮发动机(10)包括用于所述组件(1)的所述主外壳(711)、所述至少一个第一传感器(71)和所述至少一个第二传感器(72)中的每个元件的凹槽(70)和用于进入所述凹槽(70)的舱口。
10.根据权利要求9所述的涡轮发动机(10)，含有包括第一数量叶片(111至115)的第一叶轮(11)和包括第二数量叶片(121至127)的第二叶轮(12)，两个叶轮(11、12)中的每一个都有气流通过，并直接或间接地相互耦合，所述第一叶轮(11)的第一数量叶片数和所述第二叶轮(12)的第二数量叶片数是不同的，并且互为质数。
11.根据权利要求9或10所述的涡轮发动机(10)，包括根据权利要求1至7中任一项所述的自主模块化检测组件(1)或根据权利要求8所述的用于检测涡轮发动机叶轮叶片损坏的组件(20)。
12.一种飞行器，包括至少一个根据权利要求9至11中任一项所述的涡轮发动机(10)。
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