CN118049317A - 用于确定涡轮机中的扭矩的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于涡轮机的动力传输齿轮箱系统。该动力传输齿轮箱系统包括具有一个或多个旋转部件的传动系统。该系统进一步包括与一个或多个旋转部件接合的至少一个静态部件。该系统进一步包括设置在至少一个静态部件上并配置成提供指示静态部件中的应变的数据的传感器。该系统进一步包括通信地联接到传感器的控制器。控制器包括处理器和存储器。处理器被配置为执行多个操作。多个操作包括监视来自传感器的指示静态部件中的应变的数据。这些操作进一步包括至少部分地基于指示静态部件中的应变的数据来确定传动系统的一个或多个旋转部件中的扭矩。

Description

用于确定涡轮机中的扭矩的系统和方法

技术领域

本公开涉及用于确定涡轮机的动力传输齿轮箱系统中的扭矩的系统和方法。

背景技术

燃气涡轮发动机通常包括布置成彼此流动连通的风扇和核心，其中核心在穿过燃气涡轮的流动方向上布置在风扇的下游。燃气涡轮发动机的核心通常包括按串联流动顺序的压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段以及排气区段。对于多轴燃气涡轮发动机，压缩机区段可包括设置在低压压缩机(LP压缩机)的下游的高压压缩机(HP压缩机)，并且涡轮区段可类似地包括设置在高压涡轮机(HP涡轮机)的下游的低压涡轮(LP涡轮)。通过这种配置，HP压缩机经由高压轴(HP轴)与HP涡轮联接，并且LP压缩机经由低压轴(LP轴)与LP涡轮联接。

在操作中，风扇上方的至少一部分空气被提供至核心的入口。这部分空气逐渐由LP压缩机压缩，然后由HP压缩机压缩，直到压缩空气到达燃烧区段。燃料与压缩空气混合并在燃烧区段内燃烧以提供燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段被输送通过HP涡轮，然后通过LP涡轮。通过涡轮区段的燃烧气体流驱动HP涡轮和LP涡轮，每个涡轮又经由HP轴和LP轴驱动HP压缩机和LP压缩机中的相应一个。然后燃烧气体通过排气区段输送到例如大气中。

LP涡轮驱动LP轴，LP轴又驱动LP压缩机。除了驱动LP压缩机外，LP轴还可以通过齿轮箱驱动风扇，这使得风扇每单位时间的转速低于LP轴的转速，用于提高效率。LP轴为齿轮箱提供输入，而风扇则联接到输出轴。齿轮箱可包括联接至输入轴和输出轴(其共同限定齿轮箱的传动系统)的一个或多个齿轮。

用于确定传动系统中的部件所经历的扭矩的系统和方法将在本领域中被理解。

附图说明

在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本公开的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其参考了附图，其中：

图1示出了根据本公开的示例性方面的燃气涡轮发动机的横截面视图。

图2示出了根据本公开的示例性方面的动力传输齿轮箱系统的横截面视图；

图3示出了根据本公开的示例性方面的动力传输齿轮箱系统的一个或多个静态部件的立体视图；

图4示出了根据本公开的示例性方面的图3中所示的一个或多个静态部件的横截面视图；

图5示出了根据本公开实施例的动力传输齿轮箱系统；

图6示出了根据本公开的示例性方面的动力传输齿轮箱系统的静态部件的立体视图；

图7示出了根据本公开的示例性方面的动力传输齿轮箱系统的静态部件的平面视图；

图8是示出了根据本公开的示例性方面的指示发动机扭矩的第一传感器、第二传感器和第三传感器之间的应变测量的图表；

图9是示出了根据本公开的示例性方面的指示发动机弯曲的第一传感器、第二传感器和第三传感器之间的应变测量的图表；

图10示出了根据本公开的示例性方面的控制逻辑图；

图11示出了根据本公开的示例性方面的相对于实时绘制的扭矩数据的图表；

图12示出了根据本公开的示例性方面的与传动系统中的旋转部件的一种或多种扭转操作模式相对应的各种频率下的扭矩数据的幅值的FFT图表；和

图13示出了根据本公开的示例性实施例的用于测量涡轮机的动力传输齿轮箱系统中的扭矩的方法的流程图。

具体实施方式

现在将详细参考本公开的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细说明使用数字和字母标号来指代附图中的特征。在附图和说明书中的相似或类似标号被用于指代本发明的相似或类似部分。

本文使用“示例性”一词来表示“用作示例、实例或图示”。本文中描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为比其他实施方式更优选或有利。另外，除非另外特别指明，否则本文描述的所有实施例都应当被认为是示例性的。

详细说明使用数字和字母标号来指代附图中的特征。在附图和说明书中的类似或相似的标号被用于指代本发明的类似或相似的部分。如本文所使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换地用于将一个部件与另一个部件区分开来，并且不旨在表示单个部件的位置或重要性。

术语“流体”可以是气体或液体。术语“流体连通”是指流体能够在指定区域之间建立连接。

如本文所使用的，术语“上游”(或“向前”)和“下游”(或“向后”)是指相对于流体流路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，“下游”是指流体向其流动的方向。术语“径向”指的是基本上垂直于特定部件的轴向中心线的相对方向，术语“轴向”指的是基本上平行于和/或同轴对准于特定部件的轴向中心线的相对方向，术语“周向”是指围绕特定部件的轴向中心线延伸的相对方向。

近似术语，例如“大体”，当在角度或方向的上下文中使用时，此类术语包括比所述角度或方向大或小十度以内。例如，“大体竖直”包括在竖直十度以内任何方向上的方向，例如，顺时针或逆时针。

术语“联接”、“固定”、“附接”等指直接联接、固定或附接，以及通过一个或多个中间部件或特征的间接联接、固定或附接，除非本文另有规定。

在此以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，除非上下文或语言另有说明，否则此类范围被标识并包括其中包含的所有子范围。例如，本文公开的所有范围都包括端点，并且端点可以相互独立地组合。

本公开大体上涉及通过利用动力传输齿轮箱系统的静态部件上的非旋转应变测量装置/传感器来测量传动系统扭矩。该传感器的实施将使控制器能够确定静态扭矩以及通过齿轮箱传动系统的动态扭矩。一旦通过控制器确定静态扭矩和动态扭矩，这些参数可用于确定低压涡轮扭矩和/或风扇扭矩。静态扭矩和动态扭矩还可用于评估齿轮箱健康状况(例如，提供剩余硬件寿命的评估)、提供备用扭矩测量、和/或提供用于发动机推力控制的附加反馈参数。

现在参考附图，其中在所有附图中相同的附图标记表示相同的元件，图1是根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性横截面视图。更具体地，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机是高旁通涡轮风扇喷气发动机10，在本文中被称为“涡轮风扇发动机10”。如图1所示，涡轮风扇发动机10限定了轴向方向A(平行于供参考的纵向中心线12延伸)、垂直于轴向方向A的径向方向R以及围绕纵向中心线12延伸的周向方向C。一般来说，涡轮风扇10包括风扇区段14和设置在风扇区段14下游的核心涡轮发动机16。

所示的核心涡轮发动机16通常包括，基本上管状的外壳体18，其限定环形入口20。如图1示意性地示出，外壳体18，以串联流动关系包绕压缩机区段，该压缩机区段包括增压器或低压(LP)压缩机22，紧邻下游的是高压(HP)压缩机24；燃烧区段26；涡轮区段，该涡轮区段包括高压(HP)涡轮28，紧邻下游的是低压(LP)涡轮30；和喷射排气喷嘴区段32。高压(HP)轴或线轴34将HP涡轮28驱动地连接至HP压缩机24。低压(LP)轴或线轴36将LP涡轮30驱动地连接至LP压缩机22以使它们一致旋转。压缩机区段、燃烧区段26、涡轮区段和喷嘴区段32一起限定核心空气流路。

图1所示的实施例，风扇区段14包括变桨距风扇38，其具有以间隔开的方式联接至盘42的多个风扇叶片40。如图1所示，风扇叶片40大体上沿着径向方向R从盘42向外延伸。借助于风扇叶片40可操作地联接到合适的致动构件44，每个风扇叶片40能够相对于盘42围绕桨距轴线P旋转，该致动构件44被配置成共同一致地改变风扇叶片40的桨距。风扇叶片40、盘42以及致动构件44经由风扇轴45一起绕纵向轴线12旋转，风扇轴45由跨齿轮箱46的LP轴36提供动力。齿轮箱46包括用于调整风扇轴45的旋转速度的多个齿轮，以及因此风扇38相对于LP轴36达到更有效的旋转风扇速度。

仍然参考图1的示例性实施例，盘42被可旋转前轮毂48覆盖，该前轮毂48具有空气动力学轮廓以促进气流通过多个风扇叶片40。此外，示例性风扇区段14包括环形风扇壳体或外机舱50，其周向围绕风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。应当理解的是，机舱50可配置成由多个周向间隔开的出口导向轮叶52相对于核心涡轮发动机16支撑。可选地，机舱50也可由结构风扇框架的支柱支撑。此外，机舱50的下游区段54可在核心涡轮发动机16的外部分上方延伸，以便在其间限定旁通气流通道56。

在涡轮风扇发动机10的操作期间，一定量的空气58通过机舱50和/或风扇区段14的相关入口60进入涡轮风扇10。当一定量的空气58穿过风扇叶片40时，第一部分空气58如箭头62所示被导向或引导到旁通气流通道56中，并且第二部分空气58如箭头64所示被导向或引导到核心空气流路的上游区段中，或者更具体地进入到LP压缩机22的入口20中。第一部分空气62和第二部分空气64之间的比率通常被称为旁通比。然后，当第二部分空气64被传送通过高压(HP)压缩机24并进入燃烧区段26时，其压力增加，在燃烧区段26中，第二部分空气64与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体66。

燃烧气体66被输送到HP涡轮28中并通过HP涡轮28膨胀，其中来自燃烧气体66的一部分热能和/或动能经由联接至外壳体18的HP涡轮定子轮叶68和联接至HP轴或线轴34的HP涡轮转子叶片70的连续级提取，从而引起HP轴或线轴34旋转，从而支持HP压缩机24的操作。然后燃烧气体66被引导到LP涡轮30中并通过LP涡轮30膨胀，其中，第二部分热能和动能经由联接至外壳体18的LP涡轮定子轮叶72和联接至LP轴或线轴36的LP涡轮转子叶片74的连续级从燃烧气体66提取，从而引起LP轴或线轴36旋转，从而经由齿轮箱46支持LP压缩机22的操作和风扇38的旋转。

燃烧气体66随后被引导通过核心涡轮发动机16的喷射排气喷嘴区段32以提供推进推力。同时，当第一部分空气62在从涡轮风扇10的风扇喷嘴排气区段76排出之前被引导通过旁通气流通道56时，第一部分空气62的压力显著增加，也提供推进推力。HP涡轮28、LP涡轮30以及喷射排气喷嘴区段32至少部分地限定用于引导通过核心涡轮发动机16的燃烧气体66的热气体路径78。

然而，应当理解的是，图1所示的示例性涡轮风扇发动机10仅作为示例，并且在其他示例性实施例中，涡轮风扇发动机10可具有任何其他合适的配置。例如，在其他示例性实施例中，风扇38可以以任何其他合适的方式配置(例如，作为固定桨距风扇)并且还可以使用任何其他合适的风扇框架配置来支撑。此外，还应当理解的是，在其他示例性实施例中，可以利用任何其他合适的LP压缩机22配置。还应当理解，在另外的示例性实施例中，本公开的各方面可并入任何其他合适的燃气涡轮发动机中。例如，在其他示例性实施例中，本公开的各方面可并入，例如，涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮核心发动机、涡轮喷气发动机等中。

现在参照图2，示出了根据本公开的实施例的动力传输齿轮箱系统200的横截面视图。如图2所示，动力传输齿轮箱系统200可包括齿轮箱46(诸如上面参考图1讨论的齿轮箱46或不同的齿轮箱)。齿轮箱46可包括传动系统202，其包括一个或多个旋转部件204，并且齿轮箱46可包括可围绕旋转部件204的一个或多个静态部件206。静态部件206可与旋转部件204接合，例如经由一个或多个滚子220和/或一个或多个轴承221。如本文所使用，术语“静态部件”可包括相对于齿轮箱46的旋转部件204的任何非旋转部件或静止部件。例如，齿轮箱46的静态部件206不相对于齿轮箱46的旋转部件204移动。相比之下，术语“旋转部件”可以包括齿轮箱46的相对于齿轮箱46的静态部件206旋转的任何部件。

一个或多个旋转部件204可包括输入轴208、输出轴210以及联接至输入轴208和输出轴210的一个或多个齿轮212。具体地，一个或多个齿轮212可包括太阳齿轮234、一个或多个行星齿轮236和环形齿轮238。每个行星齿轮236可设置在环形齿轮238和太阳齿轮234之间，并且可旋转地联接至环形齿轮238和太阳齿轮234。在一些实施例中，如图所示，输入轴208可以联接至太阳齿轮234，并且输出轴210可以联接至环形齿轮238。具体地，输入轴208可以在第一端处联接至太阳齿轮214并且在第二端处联接至LP轴36(图1)。输出轴210可在第一端处联接至环形齿轮238并且在第二端处联接至风扇轴45(图1)。虽然图2示出了具有特定齿轮布置的齿轮箱46的一个实施例，但是应当理解的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可以利用可选的齿轮布置，并且本公开不应限于任何特定的齿轮布置，除非在权利要求中特别指出。

一个或多个静态部件206可包括载体214、载体支撑件216(或柔性安装件)和销218。图3和图4示出了与齿轮箱46的旋转部件204隔离的齿轮箱46的一个或多个静态部件206的单独视图。例如，图3示出了齿轮箱46的载体214、载体支撑件216和销218的立体视图，并且图4示出了图3中所示的载体214、载体支撑件216和销218的横截面视图。

现在一起参照图2至图4，在许多实施例中，一个或多个齿轮212可围绕销218，并且销218可延伸穿过载体214和/或一个或多个齿轮212。例如，销218可从附接到载体214的第一端大体轴向地延伸，通过行星齿轮236，到达附接到载体214的第二端。销218可以经由一个或多个滚子220(例如，圆柱滚子)与行星齿轮236连接或接合。一个或多个行星齿轮236和销218可至少部分地设置在载体214内并联接至载体214。载体支撑件216可大体围绕(例如，周向地围绕)载体214和一个或多个齿轮212。另外，载体支撑件216可以从载体214延伸。在许多实施例中，载体支撑件216可以从发动机框架223延伸到载体214。例如，载体支撑件216可以从联接至发动机框架223的第一凸缘222延伸到联接至载体214的第二凸缘224(例如，经由一个或多个螺栓接头)。在许多实施例中，载体支撑件216可以是将载体214联接至发动机框架223(例如，固定支撑件和/或发动机框架)的大体柔性或顺应性构件。以此方式，载体支撑件216(或柔性安装件)可经受来自齿轮箱46中的一个或多个齿轮212的力的反作用扭矩，这导致载体支撑件216中的应变。

在示例性实施例中，当载体支撑件216从第一凸缘222轴向延伸至第二凸缘224时，载体支撑件216可以径向向内会聚。在这样的实施例中，载体支撑件216可以包括一个或多个锥形区段或部分226，其相对于轴向方向A和径向方向R两者成角度、倾斜或以其他方式倾斜。

在示例性实施例中，动力传输齿轮箱系统200可包括设置在至少一个静态部件206上的传感器240。传感器可与控制器106通信并被配置为向控制器106提供指示至少一个静态部件206中的应变的数据。在各种实施例中，传感器240可以设置在载体214、载体支撑件216和/或销218上。例如，在示例性实施例中，传感器240可以设置在载体支撑件216上并且被配置为感测指示载体支撑件216中的应变的数据。在特定实施例中，传感器240可设置在载体支撑件216的锥形区段226上，由于锥形区段226中的载体支撑件216所经历的应变场的总体均匀性，这可能是有利的。

在各种实施例中，传感器240可以是应变计、表面声波(SAW)传感器、箔片计或被配置为感测指示应变的数据的任何其他合适的传感器之一。传感器240可以直接应用于要测量应变的部件(例如，与这样的部件接触)。例如，传感器240可以直接应用于载体支撑件216的外表面，使得传感器240与载体支撑件216的外表面接触，以测量表示载体支撑件216中的应变的数据。

图5示出了根据本公开实施例的动力传输齿轮箱系统200的立体视图。如图5所示，动力传输齿轮箱系统200可以包括静态部件206，其可以是载体支撑件216。传感器240可以设置在载体支撑件216上，例如，设置在载体支撑件216的锥形区段226上。传感器240可以与控制器106通信，使得传感器240向控制器106提供指示载体支撑件216中的应变的数据。

仍然参考图5，控制器106被示出为框图以说明可以包括在控制器106内的合适的部件。如图所示，控制器106可以包括一个或多个处理器114以及相关联的存储器装置()116被配置为执行各种计算机实现的功能(例如，执行本文所公开的方法、步骤、计算等并存储相关数据)。另外，控制器106可以进一步包括通信模块118以促进控制器106和系统的各个部件之间的通信。例如，通信模块可以包括传感器接口120(例如，一个或多个模数转换器)以允许从传感器240发送的信号被转换成可以被处理器114理解和处理的信号。应当理解的是，传感器240可以使用任何合适的手段通信地联接到通信模块118。例如，如图5所示，传感器240可以经由有线连接联接到传感器接口120。然而，在其他实施例中，传感器240可以经由无线连接联接到传感器接口120，诸如通过使用本领域已知的任何合适的无线通信协议。

如本文所使用的，术语“处理器”不仅指本领域中被包括在计算机中的集成电路，而且还指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其他可编程电路。另外，存储器装置116通常可以包括存储器元件，包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪存))、软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能光盘(DVD)和/或其他合适的存储器元件。这样的存储器装置116通常可以被配置为储存合适的计算机可读指令，当由处理器114实现时，这些指令配置控制器106以执行各种功能、操作和/或计算，包括监视从传感器240获取指示静态部件206中的应变的数据，并且至少部分地基于指示静态部件中的应变的数据来确定传动系统202的一个或多个旋转部件204中的扭矩。

分别根据本公开的示例性方面，图6示出了动力传输齿轮箱系统200的静态部件206的立体视图，并且图7示出了动力传输齿轮箱系统200的静态部件206的平面视图。具体地，图6和图7分别示出了载体支撑件216。如图6和图7所示，传感器240可以是多个传感器240，每个传感器240与控制器106通信并且在静态部件206上彼此周向间隔开。例如，多个传感器240可以包括彼此间隔开的第一传感器246、第二传感器248和第三传感器250。然而，应当理解的是，系统可以包括任何数量的传感器240，并且本公开不应限于任何特定数量的传感器，除非在权利要求中具体指出。

在示例性实施例中，多个传感器240中的每个传感器246、248和250可以彼此等距地间隔开(相对于周向方向C)，这可以有利地减少传感器噪声。附加地，如图6和图7所示，传感器246、248和250中的每一个可以设置在相同的轴向位置处，使得传感器246、248和250中的每一个位于共同的轴向-径向平面中。例如，每个传感器246、248和250可以沿着周向投影线241定位，该周向投影线241沿着载体支撑件216的外表面延伸。这可以有利地减少传感器噪声，向控制器106提供清晰的信号，并且有利于来自多个传感器240中的每个传感器246、248和250的传感器数据的比较。

附加地，如图6和图7所示，载体支撑件216可经受发动机扭矩242和发动机弯曲244。发动机扭矩242可以是围绕载体支撑件216(和/或燃气涡轮发动机10)的轴向中心线的力矩，并且发动机弯曲244可以是围绕从载体支撑件216(和/或燃气涡轮发动机10)的轴向中心线的径向投影的力矩。

在动力传输齿轮箱系统200的示例性实施方式中，可以比较(例如，由控制器106)来自多个传感器240中的每个传感器240的指示应变的数据，以确定载体支撑件216是什么类型的发动机力，且控制器可以响应地实施一种或多种控制动作(即，调整涡轮机的一种或多种操作状况)。

图8示出了第一图表252，其示出了第一传感器246、第二传感器248和第三传感器250之间的应变测量值，其指示发动机扭矩242。例如，每个应变测量值在第一图表252中基本相等(例如，在10％内、或在5％内、或在2％内)，从而向控制器106表示载体支撑件216正在经受发动机扭矩242。相比之下，图9示出了显示第一传感器246、第二传感器248和第三传感器250之间的指示发动机弯曲244的应变测量值的第二图表254。例如，第二图表254中的每个应变测量值具有高方差。尤其是，控制器106可被配置为检测应变测量值的方差何时超过预定阈值，从而指示载体支撑件216正经受发动机弯曲244。例如，当应变测量值中的一个或多个与所有应变测量值的均值或平均值相差大于5％时(或大于10％，或大于15％，或大于20％)，则控制器可确定载体支撑件216正在经历发动机弯曲244。

图10示出了控制逻辑图300，其可以由控制器106实现。例如，控制逻辑图300中的各个步骤、功能和/或计算可以储存在存储器116中和/或由控制器106的处理器114执行。具体地，控制逻辑图300可以由控制器106实现，以收集和处理来自动力传输齿轮箱系统200的数据，例如，收集和处理来自联接至上述的动力传输齿轮箱系统200的载体支撑件216的传感器240的数据。

首先，控制逻辑图300可包括数据采集步骤302。数据采集步骤302可包括接收指示在动力传输齿轮箱系统200的一个或多个静态部件206中的应变的数据。在许多实施方式中，数据采集步骤302可进一步包括：至少部分地基于指示一个或多个静态部件206中的应变的数据来确定指示动力传输齿轮箱系统200的传动系统202中的一个或多个旋转部件204中的扭矩的数据。例如，传感器240和/或控制器106可被校准，使得静态部件206中的测量应变与传动系统202中的一个或多个旋转部件204中的扭矩相关。

一旦通过控制器106接收到指示传动系统202的旋转部件204中的扭矩的数据，控制逻辑图300可以进一步包括信号处理步骤304。例如，信号处理步骤304可包括从给定时间段的扭矩数据提取静态扭矩。附加地，信号处理步骤304可包括通过对扭矩数据执行快速傅立叶变换(FFT)来识别一个或多个动态扭矩大小，即，将扭矩信号从其原始域转换为频域中的表示。

简要参考图11和图12，图11示出了相对于实时(t)绘制的扭矩数据1102的图1100，并且图12示出了与在传动系统202中旋转部件204的一个或多个操作模式1108(例如，模式1、模式2和模式3)相对应的在各种频率(ω)处的扭矩数据1102的幅度1103的FFT图1200。一个或多个扭转操作模式1108可以与风扇系统(例如，模式1)、齿轮箱(例如，模式2)，和/或低压涡轮系统(例如，模式3)相关联，其各自可具有单独的扭矩阈值1110。在传动系统202中的旋转部件204的一种或多种扭转操作模式1108可以通过控制器106基于扭矩数据1102来识别。如图11所示，扭矩数据1102可以包括动态扭矩1104和静态扭矩1106两者。动态扭矩1104可以是由控制器106在一段时间内接收到的扭矩数据1102的范围，并且静态扭矩1106可以是动态扭矩1104在该时间段上的平均值。也就是说，动态扭矩1104可以随时间变化，并且静态扭矩可以是动态扭矩1104在一段时间内的平均值。如图12所示，在许多实施例中，至少部分地基于扭矩数据1102，控制器106可确定动力传输齿轮箱系统200的一种或多种扭转操作模式1108。一种或多种扭转操作模式1108可与在传动系统202中的一个或多个旋转部件204的固有频率相对应。附加地，如图12所示，控制器可以至少部分地基于数字孪生模型(或燃气涡轮发动机10的基于物理的模型)生成用于一种或多种扭转操作模式1108中的每一种的扭矩阈值1110。

发动机数字孪生模型可以虚拟地代表推进系统的状态。发动机数字孪生模型可包括其物理孪生的参数和尺寸的参数和尺寸，其提供测量值并经由嵌入在物理孪生中的传感器的输出通过接收和更新值来保持这些参数和尺寸的值是最新的。数字孪生可以具有对应于推进系统的基本上所有物理和操作组件的相应虚拟部件。

发动机数字孪生模型可以储存在控制器106的存储器116内并且可以由处理器114执行。一般来说，发动机数字孪生模型可以设置有一个或多个输入，并且至少部分地基于一个或多个输入，发动机数字孪生模型可以生成一个或多个输出。例如，发动机数字孪生模型可接收每个扭转操作模式1108下的扭矩数据1102、动态扭矩1104、静态扭矩1106和/或扭矩数据1102的幅度1103中的一个或多个作为输入。至少部分地基于接收到的输入，控制器106可利用发动机数字孪生模型来生成一种或多种扭转操作模式1108中的每一种的扭矩阈值1110。

返回参考图10，信号处理步骤304可以包括(经由控制器106)提取给定时间段的静态扭矩1106和动态扭矩1104。附加地，信号处理步骤304可进一步包括对动态扭矩数据1102执行FFT，以识别每个扭转操作模式1108的扭矩幅度1103。如图10所示，控制逻辑图300可以进一步包括推力控制步骤306。例如，静态扭矩1106可由控制器106用来计算发动机推力，其随后可用于燃气涡轮发动机10的反馈控制。例如，利用静态扭矩1106连同风扇速度以确定风扇功率，风扇功率可用于确定发动机推力。

附加地，控制逻辑图300可包括诊断步骤308。例如，如上所述，诊断步骤308可包括至少部分地基于动态扭矩1104，(经由控制器106)确定动力传输齿轮箱系统200的一种或多种扭转操作模式1108。一种或多种扭转操作模式1108可与一个或多个旋转部件204的固有频率相对应。附加地，诊断步骤308可包括至少部分地基于数字孪生模型(或燃气涡轮发动机10的基于物理的模型)，生成用于一个或多个扭转操作模式1108中的每一个的扭矩阈值1110。

在许多实施例中，控制逻辑图300可以进一步包括预测步骤310。预测步骤310可以包括识别扭矩过载状况的步骤312。扭矩过载状况可包括当旋转部件204正经历大于给定扭转操作模式1108的任何扭矩阈值1110的扭矩时。进一步，扭矩过载状况可包括鸟击或其他发动机吸入，使得控制器106可基于动态扭矩1104确定这样的状况。例如，控制器106可通过确定动态扭矩1104何时超过预定过载阈值(诸如与发动机吸入(例如，鸟击)相关的预定过载阈值)来检测涡轮机中的过载状况。

附加地，预测步骤310可以包括如果满足扭矩过载条件则更新数字孪生模型的步骤314。例如，如果控制器106确定旋转部件204正在经历具有幅度1103大于扭矩阈值1110的扭矩时，则控制器106可更新数字孪生模型以减少旋转部件204的疲劳循环寿命。附加地，预测步骤310可以包括评估具有已经经历扭矩过载状况的任何旋转部件的剩余使用寿命(例如，硬件寿命)的步骤316。

响应于预测步骤310，控制逻辑图300可以进一步包括维护和/或操作决策步骤318。步骤318可包括基于所识别的过载状况调整涡轮机的一个或多个操作状况。例如，如果控制器106确定已经发生发动机吸入，或者一个或多个旋转部件204已经在扭矩阈值1110之上操作超过时间阈值的时间段，则控制器106可以调整涡轮机的操作状况。调整操作状况可包括调整(增加或减少)流向燃烧区段的燃料流量、调整风扇速度、调整可变定子、调整可变入口导向轮叶、致动一个或多个阀或其他调整以减轻过载状况。在一些实施例中，步骤318可包括响应于检测到涡轮机中的过载状况而启动发动机停机，例如用于燃气涡轮发动机10的维护。

现在参照图13，示出了根据本主题的各方面的用于测量涡轮机的动力传输齿轮箱系统200中的扭矩的方法1300的一个实施例的流程图。一般来说，方法1300将在本文中参照燃气涡轮发动机10和上文参照图1至图12描述的动力传输齿轮箱系统200来描述。然而，本领域普通技术人员将理解的是，所公开的方法1300通常可与任何合适的燃气涡轮发动机一起使用和/或可与具有任何其他合适的系统配置的系统结合使用。另外，虽然图13出于说明和讨论的目的描绘了以特定顺序执行的步骤，但是本文讨论的方法不限于任何特定顺序或布置，除非权利要求中另外指定。使用本文提供的公开内容的本领域技术人员将理解，可以以各种方式省略、重新布置、组合和/或采用本文公开的方法的各个步骤，而不背离本公开的范围。

如图13所示，方法1300可包括在(1302)处经由设置在动力传输齿轮箱系统200的一个或多个静态部件206上的传感器240监测指示静态部件206中的应变的数据。例如，传感器可以是应变仪、表面声波(SAW)传感器或被配置为测量部件中的应变的其他合适的传感器。附加地，方法1300可包括，在(1304)处，至少部分地基于指示静态部件206中的应变的数据来确定指示动力传输齿轮箱系统200的传动系统202中的一个或多个旋转部件204的扭矩的数据。例如，传感器240可以被校准，使得静态部件206中的每个测量的应变值与旋转部件204中的扭矩值相对应。可选地或附加地，指示在静态部件206中的应变的数据可以是储存在控制器106内的查找表或方程组的输入，并且控制器106可以被配置为输出指示在旋转部件204中的扭矩的数据。例如，静态部件206中的扭矩一旦基于指示静态部件206中的应变的数据计算静态部件206中的扭矩(参见下面的方程)，则可以使用代数方程来计算风扇和低压涡轮的扭矩。以此方式，静态部件206(例如，载体支撑件216或柔性安装件)和旋转部件204之间的扭矩相关性不必彼此校准。然而，仅静态部件206的应变与扭矩的相关性可能必须经过校准程序。

具体地，低压涡轮中的扭矩可以使用以下等式计算：

LPT_T是低压涡轮扭矩。CT是静态部件206中的扭矩(即，载体扭矩)，其可以基于指示在静态部件206中的应变的数据来确定。例如，传感器240可以测量指示在静态部件206中的应变的数据，并且传感器240可以被校准以输出在静态部件206中的扭矩(即，CT值)。GR是齿轮箱46的齿轮比(其通常在约6与约10之间，或诸如在约7与约9之间，或诸如在约7.5与约8.5之间等)。

在示例性实施例中，方法1300可进一步包括，在(1306)处，基于所确定的传动系统202中的一个或多个旋转部件204的扭矩来调整涡轮机的一种或多种操作状况。例如，调整一个或多个(1306)处的操作状况可包括调整(增加或减少)流向燃烧区段的燃料流、调整风扇速度、调整可变定子、调整可变入口导向轮叶、致动一个或多个阀门、或基于一个或多个旋转部件204所确定的扭矩的其他调整。例如，如果所确定的扭矩低于预定操作阈值，则控制器106可增加风扇速度。相反，如果所确定的扭矩高于预定操作阈值，则控制器106可以降低风扇速度。

在附加实施例中，方法1300可以进一步包括对指示扭矩的数据执行信号处理，以生成动态扭矩1104和静态扭矩1106。静态扭矩1106可以是动态扭矩1104在一段时间内的平均值。换句话说，静态扭矩1106可以是动态扭矩1104在一段时间内的平均值，并且动态扭矩可以随时间变化。以这种方式，动态扭矩1104可随时间变化并且可经历幅度峰值，这可向控制器106表示对涡轮机的操作状况的调整是必要的或有保证的。

在许多实施例中，方法1300可以进一步包括至少部分地基于静态扭矩1106，确定(例如，利用控制器)表示涡轮机的发动机推力的数据。例如，控制器可以利用静态扭矩1106连同风扇速度来确定发动机推力。附加地，方法1300可包括基于确定的发动机推力，调整涡轮机的一种或多种操作状况。调整一种或多种操作状况可包括调整(增加或减少)流向燃烧区段的燃料流量、调整风扇速度、调整可变定子、调整可变入口导向轮叶、致动一个或多个阀门、或基于确定的发动机推力的其他调整。例如，如果所确定的发动机推力低于期望的发动机推力值，则控制器可调整涡轮机的一个或多个操作状况以将发动机推力增加到期望的发动机推力值。相反，如果所确定的发动机推力高于期望的发动机推力值，则控制器可调整涡轮机的一个或多个操作状况以将发动机推力减小到期望的发动机推力值。例如，如果确定的发动机推力比期望推力值高约30％(或诸如高约20％、或诸如高约10％、或诸如高约5％等)，则控制器可以调整涡轮机的一种或多种操作状况以将发动机推力减小到期望的推力值。

在许多实施例中，方法1300可以进一步包括确定(例如，利用控制器)动力传输齿轮箱系统200的一种或多种扭转操作模式1108。一种或多种扭转操作模式1108可与一个或多个旋转部件204的固有频率相对应。例如，控制器可至少部分地基于动态扭矩1104确定旋转部件204的一种或多种扭转操作模式1108。随后，方法1300可包括至少部分地基于数字孪生模型和/或其他基于物理的模型，生成用于一个或多个扭转操作模式1108中的每一个的扭矩阈值1110。发动机数字孪生模型可以虚拟地代表推进系统的状态。发动机数字孪生模型可包括其物理孪生的参数和尺寸的参数和尺寸，其提供测量值并经由嵌入在物理孪生中的传感器的输出通过接收和更新值来保持这些参数和尺寸的值是最新的。数字孪生可以具有对应于推进系统的基本上所有物理和操作部件的相应虚拟部件。发动机数字孪生模型可以储存在控制器106的存储器116内并且可以由处理器114执行。一般来说，发动机数字孪生模型可以设置有一个或多个输入，并且至少部分地基于一个或多个输入，发动机数字孪生模型可以生成一个或多个输出。例如，发动机数字孪生模型可接收每个扭转操作模式1108下的扭矩数据1102、动态扭矩1104、静态扭矩1106和/或扭矩数据1102的幅度1103中的一个或多个作为输入。至少部分地基于接收到的输入，控制器106可以利用发动机数字孪生模型来生成用于一种或多种扭转操作模式1108中的每一种的扭矩阈值1110。

发动机数字孪生模型可以虚拟地代表推进系统的状态。发动机数字孪生模型可以包括其物理孪生的参数和尺寸的参数和尺寸，这些参数和尺寸提供测量值，并经由嵌入在物理孪生(即，燃气涡轮发动机)中的传感器的输出通过接收和更新值来保持这些参数和尺寸是新的。数字孪生可以具有对应于推进系统的基本上所有物理和操作部件的相应虚拟部件。

用于在传动系统202中的旋转部件204的每个扭转操作模式的扭矩阈值1110可以至少部分地基于疲劳循环寿命来确定。例如，如果传动系统202中的旋转部件204受到超过扭矩阈值1110的扭矩，则旋转部件204的循环寿命(或有用的硬件寿命)可能由于施加的过大的力而缩短。因此，方法1300可以进一步包括确定一个或多个旋转部件204的动态扭矩1104何时超过一种或多种扭转操作模式1108的扭矩阈值1110。在一些实施方式中，方法1300可包括确定旋转部件204的动态扭矩1104超过扭矩阈值1110的时间量，并且控制器106可以基于该时间量借记或减少旋转部件204的可用硬件寿命(例如，花费超出扭矩阈值1110的时间越多，借记到旋转部件204的循环寿命的就越长)。在一些实施方式中，控制器106可以确定旋转部件204的动态扭矩1104何时超出扭矩阈值1110达到过载时间段(诸如10秒，或诸如30秒，或诸如1分钟，或诸如5分钟，或例如10分钟)。在示例性实施例中，方法1300可以进一步包括评估一个或多个旋转部件的剩余硬件寿命(例如，基于旋转部件204动态扭矩1104花费的超过扭矩阈值1110的时间量)。方法1300可以进一步包括基于传动系统202中的一个或多个旋转部件204的评估的剩余硬件寿命来调整涡轮机的一种或多种操作状况。例如，基于旋转部件204的评估的剩余硬件寿命，控制器106可以在限制(或保护)模式下操作燃气涡轮发动机，其中传动系统202受到减小的扭矩，以便节省或增加一个或多个旋转部件204的硬件寿命。

在附加的实施例中，方法1300可包括通过确定传动系统202的一个或多个旋转部件204中的动态扭矩1104何时超过预定过载阈值来检测涡轮机中的过载状况。过载状况可包括鸟击、其他发动机吸入等。例如，控制器106可通过确定动态扭矩1104何时超过预定过载阈值(诸如与发动机吸入(例如，鸟击)相关联的预定过载阈值)来检测涡轮机中的过载状况。在各种实施例中，在1306处调整一种或多种操作状况可以进一步包括响应于检测到涡轮机中的过载状况而启动发动机停机。例如，如果检测到发动机吸入或鸟击，则控制器106可启动关闭程序和/或可安排燃气涡轮发动机10进行维护。

在许多实施例中，传感器240可以是在至少一个静态部件206上沿周向彼此间隔开的多个传感器(如图6和图7所示)。在这样的实施例中，方法1300可以进一步包括比较来自多个传感器240中的两个或更多传感器的指示应变的数据。基于比较来自多个传感器240中的两个或更多传感器的数据，方法1300可以进一步包括确定静态部件206是否正在经历发动机扭矩242和/或发动机弯曲244。例如，比较来自每个应变传感器的指示应变的数据可以包括确定来自每个应变传感器的指示应变的数据。如果比较显示来自每个应变传感器的指示应变的数据基本上相等(例如，彼此在10％以内，或彼此在5％以内等)，则控制器106可以确定载体支撑件216主要承受发动机扭矩242(例如，围绕燃气涡轮发动机10的轴向中心线的力矩)。可选地或附加地，如果比较显示来自每个应变传感器的指示应变的数据基本上不相等(或不同，使得这些值不在彼此的10％之内)，则控制器106可以确定载体支撑件216主要经历发动机弯曲244(例如，关于从燃气涡轮发动机10的轴向中心线的径向投影的力矩)。换句话说，当来自每个传感器的指示应变的数据的差异超过阈值增量时，则控制器106可确定载体支撑件216(和/或整个燃气涡轮发动机)正在经历发动机弯曲244而不是发动机扭矩242。阈值增量(例如，多个应变传感器中的任意两个应变传感器的指示应变的数据之间的差)可以在1％和15％之间，或者诸如在1％和10％之间，或诸如在5％和10％之间等。当控制器106确定已经超过阈值增量(即，多个应变传感器中的任意两个应变传感器的指示应变的数据之间的差值大于阈值增量)时，则控制器106可确定载体支撑件216(和/或整个燃气涡轮发动机)正在经历发动机弯曲244。作为响应，控制器106可调整燃气涡轮发动机10的一个或多个操作状况或可以改变飞行器的飞行路径。

上述系统和方法有利地促进通过利用动力传输齿轮箱系统的静态部件上的非旋转应变测量装置/传感器来测量传动系统扭矩。该传感器的实施将使控制器能够确定静态扭矩以及通过齿轮箱传动系统的动态扭矩。一旦控制器确定静态扭矩和动态扭矩，这些参数可用于确定低压涡轮扭矩和/或风扇扭矩。静态扭矩和动态扭矩还可用于评估齿轮箱健康状况(例如，提供剩余硬件寿命的评估)、提供备用扭矩测量、和/或提供用于发动机推力控制的附加反馈参数。

以下条项的主题提供了进一步的方面：

一种用于涡轮机的动力传输齿轮箱系统，动力传输齿轮箱系统包括：传动系统，传动系统包括一个或多个旋转部件；至少一个静态部件，至少一个静态部件与一个或多个旋转部件接合；传感器，传感器设置在所述至少一个静态部件上并被配置为提供指示静态部件中的应变的数据；和控制器，控制器通信地联接到传感器，控制器包括处理器和存储器，处理器被配置为执行多个操作，多个操作包括：监测来自传感器的指示所述静态部件中的应变的所述数据；和至少部分地基于指示所述静态部件中的所述应变的数据，来确定传动系统的一个或多个旋转部件中的扭矩。

根据前述的一个或多个条项所述的动力传输齿轮箱系统，其中传感器是在至少一个静态部件上周向地彼此间隔开的多个传感器。

根据前述的一个或多个条项所述的动力传输齿轮箱系统，其中传感器是应变计、表面声波(SAW)传感器或箔片计中的一种。

根据前述的一个或多个条项所述的动力传输齿轮箱系统，进一步包括载体、延伸穿过载体的销、以及围绕载体并从载体延伸的载体支撑件，其中静态部件包括载体、载体支撑件或所述销中的一个。

根据前述的一个或多个条项所述的动力传输齿轮箱系统，其中载体支撑件从发动机框架延伸至载体。

根据前述的一个或多个条项所述的动力传输齿轮箱系统，其中一个或多个齿轮围绕销，并且其中载体支撑件围绕一个或多个齿轮。

根据前述的一个或多个条项所述的动力传输齿轮箱系统，其中传感器设置在载体支撑件上。

根据前述的一个或多个条项所述的动力传输齿轮箱系统，其中载体支撑件进一步包括锥形区段，并且其中传感器设置在载体支撑件的所述锥形区段上。

一种用于测量涡轮机的动力传输齿轮箱系统中的扭矩的方法，动力传输齿轮箱系统包括在传动系统中的一个或多个旋转部件以及一个或多个静态部件，所述方法包括：经由设置在动力传输齿轮箱系统的一个或多个静态部件上的传感器监测指示所述静态部件中的应变的数据；和至少部分地指示表示静态部件中的所述应变的数据来确定指示所述动力传输齿轮箱系统的所述传动系统中的所述一个或多个旋转部件的扭矩的数据；和基于所确定的所述传动系统中的所述一个或多个旋转部件的扭矩来调整所述涡轮机的一种或多种操作状况。

根据前述的一个或多个条项所述的方法，进一步包括对指示扭矩的所述数据执行信号处理以生成动态扭矩和静态扭矩，静态扭矩是动态扭矩在一段时间内的平均值。

根据前述的一个或多个条项所述的方法，进一步包括至少部分地基于静态扭矩来确定指示涡轮机的发动机推力的数据。

根据前述的一个或多个条项所述的方法，进一步包括基于所确定的发动机推力来调整涡轮机的一种或多种操作状况。

根据前述的一个或多个条项所述的方法，进一步包括：

确定动力传输齿轮箱系统的一种或多种扭转操作模式，一种或多种扭转操作模式对应于一个或多个旋转部件的固有频率；和至少部分地基于数字孪生模型生成用于所述一种或多种扭转操作模式中的每一种的扭矩阈值。

根据前述的一个或多个条项所述的方法，进一步包括：确定所述一个或多个旋转部件的所述动态扭矩何时超出所述一种或多种扭转操作模式的所述扭矩阈值；和评估所述一个或多个旋转部件的剩余硬件寿命。

根据前述的一个或多个条项所述的方法，进一步包括基于传动系统中的所述一个或多个旋转部件的所评估的剩余硬件寿命来调整涡轮机的一种或多种操作状况。

根据前述的一个或多个条项所述的方法，进一步包括通过确定一个或多个旋转部件中的所述动态扭矩何时超出预定过载阈值来检测涡轮机中的过载状况。

根据前述的一个或多个条项所述的方法，其中基于所确定的扭矩来调整涡轮机的一种或多种操作状况进一步包括：响应于检测到涡轮机中的所述过载状况而启动发动机停机。

根据前述的一个或多个条项所述的方法，其中传感器是在一个或多个静态部件上周向地彼此间隔开的多个传感器，并且其中方法进一步包括：比较来自所述多个传感器中的两个或更多传感器的指示所述应变的所述数据；和基于所比较的来自所述多个传感器中的所述两个或更多传感器的数据来确定静态部件是否正在经历发动机扭矩或发动机弯曲。

一种通信地联接至用于测量涡轮机的动力传输齿轮箱系统中的扭矩的传感器的控制器，动力传输齿轮箱系统包括在传动系统中的一个或多个旋转部件以及一个或多个静态部件，控制器包括处理器和存储器，处理器被配置为执行多个操作，包括：经由设置在动力传输齿轮箱系统的一个或多个静态部件上的传感器，监测指示静态部件中的应变的数据；至少部分地基于指示静态部件中的所述应变的所述数据来确定指示动力传输齿轮箱系统的传动系统中的一个或多个旋转部件的扭矩的数据；和基于所确定的所述传动系统中的一个或多个旋转部件的扭矩来调整所述涡轮机的一种或多种操作状况。

根据前述的一个或多个条项所述控制器，进一步包括对指示扭矩的所述数据执行信号处理以生成动态扭矩和静态扭矩，静态扭矩是动态扭矩在一段时间内的平均值。

该书面描述使用示例来公开本发明的方面，包括最佳模式，并且还使得本领域技术人员能够实践本发明的方面，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本公开的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求书的文字语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的文字语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例旨在落入权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于涡轮机的动力传输齿轮箱系统，其特征在于，所述动力传输齿轮箱系统包括：

传动系统，所述传动系统包括一个或多个旋转部件；

至少一个静态部件，所述至少一个静态部件与所述一个或多个旋转部件接合；

传感器，所述传感器设置在所述至少一个静态部件上并被配置为提供指示所述静态部件中的应变的数据；和

控制器，所述控制器通信地联接到所述传感器，所述控制器包括处理器和存储器，所述处理器被配置为执行多个操作，所述多个操作包括：

监测来自所述传感器的指示所述静态部件中的应变的所述数据；和

至少部分地基于指示所述静态部件中的所述应变的所述数据来确定所述传动系统的所述一个或多个旋转部件中的扭矩。

2.根据权利要求1所述的动力传输齿轮箱系统，其特征在于，其中所述传感器是在所述至少一个静态部件上周向地彼此间隔开的多个传感器。

3.根据权利要求1所述的动力传输齿轮箱系统，其特征在于，其中所述传感器是应变计、表面声波(SAW)传感器或箔片计中的一种。

4.根据权利要求1所述的动力传输齿轮箱系统，其特征在于，进一步包括载体、延伸穿过所述载体的销、以及围绕所述载体并从所述载体延伸的载体支撑件，其中所述静态部件包括所述载体、所述载体支撑件或所述销中的一个。

5.根据权利要求4所述的动力传输齿轮箱系统，其特征在于，其中所述载体支撑件从发动机框架延伸至所述载体。

6.根据权利要求4所述的动力传输齿轮箱系统，其特征在于，其中一个或多个齿轮围绕所述销，并且其中所述载体支撑件围绕所述一个或多个齿轮。

7.根据权利要求4所述的动力传输齿轮箱系统，其特征在于，其中所述传感器设置在所述载体支撑件上。

8.根据权利要求4所述的动力传输齿轮箱系统，其特征在于，其中所述载体支撑件进一步包括锥形区段，并且其中所述传感器设置在所述载体支撑件的所述锥形区段上。

9.一种用于测量涡轮机的动力传输齿轮箱系统中的扭矩的方法，所述动力传输齿轮箱系统包括在传动系统中的一个或多个旋转部件以及一个或多个静态部件，其特征在于，所述方法包括：

经由设置在所述动力传输齿轮箱系统的所述一个或多个静态部件上的传感器监测指示所述静态部件中的应变的数据；和

至少部分地基于指示所述静态部件中的所述应变的所述数据来确定指示所述动力传输齿轮箱系统的所述传动系统中的所述一个或多个旋转部件的扭矩的数据；和

基于所确定的所述传动系统中的所述一个或多个旋转部件的扭矩来调整所述涡轮机的一种或多种操作状况。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括对指示所述扭矩的所述数据执行信号处理以生成动态扭矩和静态扭矩，所述静态扭矩是所述动态扭矩在一段时间内的平均值。