CN1846238A - 无线发动机监控系统 - Google Patents

Abstract

一种无线发动机监控系统(WEMS)，包括直接安装在飞机发动机上的发动机监控模块，其记录、存储、加密并传送全飞行发动机数据。系统优选地被连接到全权数字发动机控制器/发动机控制单元(FADEC/ECU)，并可以以优选的大约一秒的采样频率记录几百个发动机参数。发动机监控模块优选地被形成为被直接安装在飞机发动机的发动机罩内的微型模块，并具有共形天线。监控模块还可以上载供机上处理的数据。

Description

无线发动机监控系统

背景技术

联邦航空管理局和其他国际航空管理机构要求商业航空公司监控飞机发动机的健康与状态。任何健康与状态信息都被用于确定飞机发动机的当前性能以及确定是否需要维修。由于数据延迟，现有技术受到了限制，并且所收集的有限数据量限制了分析。一般而言，使用现有技术监控系统来测量总量指示符。任何所导致的维修行为都是反应性的。例如，当飞机在起飞后已升至1000英尺时，一些现有技术系统仅取基本发动机参数的“瞬像”。该数据仅限于飞行期间内的一个时隙，且并非实时的。该数据从不提供对飞行期间发动机性能的完整状态的分析。因此，现有技术发动机分析系统无法使用先进的预测和诊断技术。

许多喷气式发动机原始设备制造商(OEM)、受发动机每小时维修成本(MCPH)协定制约的喷气式发动机服务提供商、航空运输公司以及军事和商业航空公司都需要一种系统和方法，以实时监控飞机发动机的性能并存档该数据。截至当前，现有技术系统被限制在其对现有技术数据“瞬像”的分析，并未超越总量指示符和反应性维修技术。在一些现有技术中，航空公司使用若干种不同的监控系统来满足管制要求。在一种监控系统中，有限的发动机参数(例如N1、N2、EGT和W_f)被飞行员记入飞机飞行日记。如前所述，自动的发动机数据也被在起飞/在1000英尺处巡航时被记录为“瞬像”，其被记录于“机上”或利用VHF通信数据链路经由ACARS下载。该发动机数据带来了有限的发动机分析，因为仅使用发动机性能的一个“瞬像”，“瞬像”始终无法真实显示飞机飞行期间的发动机性能。

Florida，Melbourne的Harris Corporation已设计了一种使用地面数据链路单元来记录飞机发动机性能的系统和方法，所述地面数据链路单元与飞机的多个部件连接，包括DFDAU、飞机数字化飞行数据记录器DFDR以及数据复用系统，所述数据复用系统对于较大喷气式涡轮发动机来说通常称为全权数字发动机控制器(FADEC)，对于用在较小飞机上的较小喷气式涡轮发动机，包括生成小于15000磅推力的涡轮螺旋桨发动机或其他发动机，则有时被称为发动机控制单元(ECU)。在下文中，术语“FADEC/ECU”被用于对应于该行业中所使用的术语“FADEC”或“ECU”。

Harris Corporation地面数据链路单元的实例在共同转让的美国专利No.6047165中公开，使用地面数据链路单元的发动机监控系统在美国专利No.6148179和6353734内公开，在此将其全部引入作为参考。

在所引入作为参考的’179和’734专利中，所公开的系统和方法可以通过例如在地面数据链路单元内收集发动机运行期间的发动机数据，并通过宽带扩频通信信号将所收集的发动机数据下载到地面扩频接收机，从而提供飞机发动机性能的记录。所述信号被在地面扩频接收机内解调，以得到所述发动机数据供进一步处理。也可以将数据上载到地面数据链路单元，例如算法、飞行管理文件、视频和娱乐文件以及其他数据文件。尽管在这些被引入作为参考的专利中所公开的地面数据链路单元是对发动机监控的现有技术解决方案的重要改善，但所公开的地面数据链路单元通常是较大单元，并如上文所述与许多机载系统连接。有利的是，无需采用与多个系统连接的较大地面数据链路单元，或通过在所述地面数据链路单元不可用时借助较小单元来实时监控发动机。

发明内容

根据本发明，本发明的无线发动机监控系统(WEMS)克服上述现有技术的缺点，是一种直接安装在飞机发动机上的发动机上安装的发动机监控模块。它并非安装在航空电子设备部分或类似机身位置处，诸如用于在被引入作为参考的’179和’734专利中所公开的连接到许多机载单元的地面数据连接单元的优选位置。WEMS模块被连接到发动机上的全权数字发动机控制器(FADEC)/发动机控制单元(EDU)。WEMS是大约2×2×4英寸的小模块，它可以记录、存储、加密和传送“全飞行”发动机数据。作为一个非限制性的实例，它直接连接到FADEC/EDU，并以一秒采样频率记录几百个发动机参数。它是一个微型模块，带有优选的共形天线和RF收发信机，以使用包括任何其他扩频技术的RF/802.11/蜂窝技术来下载(和上载)数据。

“全飞行”发动机数据允许先进的预测与诊断技术，并增加了发动机“在翼时间”，降低了发动机维修成本。WEMS数据可经由RF/(802.11)扩频/蜂窝下载到机场服务器以便处理，和/或通过互联网、PSTN、蜂窝系统或其他通信网络被传输到另一工作站做实时分析。数据可被上载到无线发动机监控系统模块，包括用于机上处理的算法。

本发明的系统和方法是直接安装在发动机上的自动无线解决方案。它记录大小涡轮发动机的全飞行发动机数据，并具有较大的兆字节文件，利用高速数据链路来提取。系统可以使用根据802.11标准的宽带扩频通信信号，例如在被引入作为参考的’165和’734专利内所公开技术。

根据本发明，所述系统和方法提供了飞机发动机性能的记录。发动机监控模块被安装在飞机发动机上，并收集与飞机发动机的运行相关的发动机数据。发动机监控模块包括用于通过无线通信信号传送发动机数据的发射机。接收机接收所传送的发动机数据。

在本发明的一个方面中，发射机优选地包括用于经由宽带扩频通信信号传送发动机信号的扩频发射机。诸如片状天线的共形天线优选地被安装在无线通信信号被传送到的发动机监控模块上。处理器用于从接收机接收发动机数据，并进一步处理发动机数据。发动机数据可利用互联网、公共交换电话网、蜂窝网或其他通信网被从接收机传输到处理器。

在本发明的又一方面中，FADEC/ECU与飞机发动机一起工作，以收集发动机数据。发动机监控模块电子地连接到FADEC/ECU，以收集发动机数据。优选地，数据地址被分配给发动机监控模块，并将数据地址链接到发动机序列号以跟踪飞机发动机。所述数据地址优选地包括互联网地址。发动机监控模块也可以包括作为收发信机一部分的接收机，以便上传用于机上处理的数据，包括各种用于发动机监控的算法。

附图说明

借助附图和下文中对本发明的详述，本发明的其他目的、特征和优点将变得清晰，在附图中：

图1是根据本发明的喷气式发动机的局部不完整等距图，示出了FADEC/ECU和安装在发动机上的WEMS模块，WEMS模块与FADEC/ECU连接以下载发动机监控数据。

图2是方框图，示出了飞机发动机和飞机，本发明的WEMS模块与FADEC/ECU连接，以下载全飞行发动机数据文件并上载算法和其它数据。

图3是不完整的方框图，示出了可下载到机场服务器、并可被PSTN、互联网或蜂窝基础设施传输到实时分析工作站或其他处理器的WEMS发动机数据。

图4是示出了可用于本发明的基本单元的方框图。

图5是示出了可用于本发明的WEMS模块的基本部件的方框图。

图6是喷气式发动机实例的截面图，喷气式发动机生成将被收集并被从本发明的WEMS模块传送的发动机事件。

图7示出了可由本发明的WEMS模块监控的发动机启动时的各种喷气式发动机事件报告。

具体实施方式

以下将参照示出本发明优选实施例的附图详细描述本发明。但是，本发明可以实现为多种不同形式，不可将其理解为仅限于所述的实施例。与此相反，提供这些实施例是使得本文详尽全面，将本发明的范围全部传达给本领域技术人员。相同的附图标记在全文中表示相同的单元，加撇符号用于指示可选实施例内的类似单元。

本发明是一种无线发动机监控系统(WEMS)，可使用被引入作为参考的’165、’179和’734专利内公开的地面数据链路单元的基本部件。本发明的系统减少了WEMS模块的功能和大小，被直接安装在喷气式发动机上，且优选地与FADEC/ECU连接。本发明用于以与上述被引入作为参考的’165、’179和’734专利内所公开的基于无线地面链路飞机数据通信系统相同的方式，使用无线通信信号，优选地使用宽带扩频通信信号来下载数据。数据也可以经由任何RF连接被下载。

图1示出了WEMS模块10，其被直接安装在喷气式发动机12上，并电子地连接到FADEC/ECU控制单元14，FADEC/ECU控制单元14同样被安装在喷气式发动机上。喷气式发动机12示出了涡轮机16的基本单元和其他部件。喷气式发动机罩18以虚线示出，而WEMS模块10被设置在机罩内。本发明的WEMS模块10包括基本功能RF和存储部件，诸如被引入作为参考的’165、’179和’734专利的地面数据链路单元内所公开的。WEMS模块可依据优选共形天线的类型以及用于喷气式发动机的发动机罩18的性质，被安装在发动机上的不同位置处。

图2示出了FADEC/ECU 14的基本方框图，FADEC/ECU 14用作用于到/来自喷气式发动机12的信号的双向复用器。信号包括模拟和数字信号，FADEC/ECU 14将指令从飞机22的驾驶舱20提供到发动机。信号还传送发动机状态和健康信号。许多信号被FADEC/ECU14处理，在这个非限制性实例中，FADEC/ECU 14然后经由ARINC429总线24，将信号以通常10千位每秒的速度传入和传出飞机驾驶舱20。

本发明的WEMS模块10具有独立的IP地址(对于每个模块)，IP地址被链接到发动机的序列号。WEMS模块被安装在发动机上，并与FADEC/ECU连接，诸如通过FADEC/ECU上的另一端口或直接进入ARINC 429总线。射频收发信机能力被装入了WEMS模块，用于记录、压缩和加密全飞行数据文件。它通常将使用例如安装在形成WEMS模块10保护性外罩的外壳31上的、被形成为邮票大小的小片状天线的共形天线。尽管共形天线是优选的，但也可以根据WEMS模块10被安装到的发动机外罩和发动机类型而使用独立天线。独立天线可被安装在机身的独立位置或其他位置上以增强通信。

WEMS模块10可以使用存档数据存储器，用于记录、存储和加密、并然后传送“全飞行”发动机数据。本发明的WEMS模块10可以以优选为一秒采样频率来记录几百个发动机参数。因而，WEMS模块允许先进的预测和诊断技术，以提高“在翼时间”，降低发动机维修成本。例如，WEMS模块10可与喷气式发动机诊断元件一起工作，诸如与预测和健康管理应用一起使用，包括由Rochester，New York的Impact Technologies，LLC设计的那些应用。WEMS模块10可借助几乎任何类型的射频信号，包括扩频调制技术，来下载发动机数据。WEMS模块10可与蜂窝网、互联网或PSTN通信基础设施一起工作，以下载全飞行发动机数据文件，和上载算法或其他文件或程序。每个WEMS模块通常包括独立的IP地址，使得它可以被独立地寻址，以识别以及上载和下载数据。

图3示出了飞机22的高级方框图，飞机22包括WEMS模块10，WEMS模块10将发动机数据下载到机场服务器32和/或从机场服务器32上载用于机上处理的数据，机场服务器32可与诸如公共交换电话网(PSTN)、互联网或蜂窝基础设施的通信网34一起运行。机场服务器32包括接收机和发射机，并通过通信网34通信到实时分析工作站或其他类似处理器38，在实时分析工作站或其他类似处理器38中，可分析发动机数据，以确定发动机的最优维修程序，并因此延长发动机在飞机内保持的时间无需移除发动机。根据本发明，实时分析工作站38可直接连接到机场服务器，或可以直接从WEMS模块10接收数据。

如上所述，WEMS模块10在以下方面可与地面数据链路单元一样运行，即它存储数据和使用优选为扩频或其他无线通信信号来传送数据。但是，WEMS模块10要小很多，且直接被安装在飞机发动机上。它具有的功能少于大规模地面数据链路单元所要求的功能，该大规模地面数据链路单元与多个飞机部件一起运行，包括DFDAU、DFDR和发动机传感器。

现在参照图4，示出了用于可与本发明的WEMS模块10一起使用的无线扩频数据通信系统的整个通信系统体系结构的典型实例。本例中的体系结构具有三个互连子系统：(1)发动机WEMS子系统100；(2)地面子系统200(通常是基于机场的但并不必在机场内)；以及(3)用于分析任何下载的发动机数据的远程发动机数据控制中心300。用于一架飞机22的WEMS系统100可包括多个WEMS模块10，每个WEMS模块被安装在发动机100a-d上。两架飞机22和22’被示为分别具有各自的WEMS模块10、10’。每个WEMS模块10、10’包括机载单元(AU)102、102’，每个机载单元包括处理器、收发信机、存储器和其他必需的部件。每个WEMS模块10、10’用于通过无线通信链路120与地面子系统200的无线路由器(WR)部分201通信。为了说明的目的，以下的描述参考一架飞机22和WEMS模块10。

在该非限制性实例中，无线路由器部分201将其从WEMS模块10接收的发动机数据文件或者经由有线以太网LAN 207直接路由到机场基站202，或者通过局域网207和机场内无线网桥部分203间接路由。无线通信链路120可以是扩频射频(RF)链路，具有处于电磁波频谱的不需注册部分内的载频，作为一个非限制性的例子，例如在2.4-2.5 GHz S波段内。无线通信链路120也可以是RF、互联网、蜂窝网或其他链路。

本例中的地面子系统200包括多个地面和/或机场内无线路由器部分201，它们中的一个或多个被分布在系统所服务的各个机场的环境内。各个地面和/或机场无线路由器201用于接收从WEMS模块10下行链路无线传送的发动机数据。每个地面子系统无线路由器201可将发动机数据转发到基站202的服务器/存档计算机终端204，其可在位于机场或其它位置处的地面子系统200的局域网207上。

基站202可经由远程网关(RG)部分206通过通信路径230所接口到的本地通信路径207，耦合到分析来自各个机场的发动机数据文件的远程发动机数据控制中心300的中央网关(CG)部分306。作为一个非限制性的实例，通信路径230可以包括ISDN电话公司(Telco)陆线，并且网关部分可包括标准LAN接口。可使用其他通信网络，例如蜂窝网、互联网或其他无线通信。应当注意，可将诸如卫星链路或蜂窝网的其他通信媒介用于地面子系统到控制中心的通信，而并不脱离本发明的范围。

远程发动机数据控制中心300可包括系统控制器(SC)部分301，以及多个经由局域网305互连到系统控制器301的工作站(WS)303。发动机安全、维修和监控分析器位于远程发动机数据控制中心300处，以评估从地面子系统200的机场基站部分202传送到远程发动机数据控制中心300的发动机数据文件。各个工作站303可被分配用于不同目的。

系统控制器301可具有服务器/存档终端单元304，其优选地包括用于在从地面子系统检索所下载的文件时，提供发动机数据文件的有效传输和分析的数据库管理软件。作为非限制性实例，一旦现有文件已被检索，则这样的数据库管理软件可从基站部分的存储器中删除该文件。

如在上文中简述并在图5中示出的，每个WEMS模块10可以包括双向无线(基于射频载波)子系统，该双向无线(基于射频载波)子系统包含诸如微处理器132的处理单元、以及相关存储器或数据存储器134，存储器134既作为存档数据存储器134a，又作为用于包含分组通信的通信的缓存器134b。存储器134被耦合到FADEC/ECU。处理单元132可接收和压缩发动机数据，并将压缩后的数据存储在其相关存储器134内。可由处理单元132生成包括多项发动机数据的报告。

发动机数据和报告可经由RF收发信机136及其优选共形天线30被下载。为了提供双向RF通信能力，收发信机136与无线路由器201一起运行，以上载和下载数据。

如果RF通信链路是扩频的，且优选为802.11链路，则该非限制性实例中的感兴趣的不需注册的2.4-2.5GHz S波段部分的多个子频段信道中的每一个可用并优选被使用。也可以使用其他不需注册的或被许可的波段。无线路由器201可连续广播包含代表飞机的传送功率电平限制的信息的询问信标。利用其收发信机内的自适应功率单元，WEMS模块10可通过将其传送功率电平调整为不超过管理机场的权限所强制的通信限制的电平，从而响应该信标信号。无线(RF)收发信机136然后存取存储在存储器134内的发动机数据文件，加密发动机数据并将发动机数据文件经由无线地面通信链路的被选择子信道传送给无线路由器201。

接收无线路由器201将数据文件暂时转发到基站部分，直至文件可通过通信路径230被自动传送到用于分析的远程发动机数据控制中心300。相关部件的其他细节在上文中所指出的且被引入作为参考的专利中有所描述。

在本发明中，无线发动机监控系统(WEMS)使用与被引入作为参考的’165、’179和’734专利内所描述的GDL单元类似的部件，但缩小了尺寸、减少了功能，以与FADEC/ECU连接并安装在发动机上。WEMS模块被安装在发动机上，通常是在发动机罩之下，并在一个提供最优天线和收发信机功能的位置，但优选地相邻或靠近FADEC/ECU。可将WEMS模块和FADEC/ECU集成起来。WEMS模块记录、存储、加密和传送“全飞行”发动机数据，并直接连接到FADEC/ECU。作为一个实例，它可以以一秒采样频率记录几百个发动机参数，并且是具有共形天线的微型模块。它获得“全飞行”发动机数据，并允许机上的或优选在远程工作站内的先进预测和诊断技术，以增加“在翼时间”、降低发动机维修成本。它是一种直接安装在发动机上的自动无线解决方案，并记录大型涡轮发动机的全飞行发动机数据，并生成使用高速数据链路的大的兆字节文件，如上所述。它是对那些仅记录少量发动机数据“瞬像”、结果导致有限的数据和有限的分析的系统的一种改进。

为了参考起见，参照图6和7描述了一种喷气式发动机，其中可安装本发明的无线发动机监控系统(WEMS)模块10。每个发动机可具有一个安装在发动机上的WEMS模块，且每个WEMS模块可具有特定数据地址，例如互联网地址或其他IP地址，以允许业务提供商近乎实时地存取WEMS模块及其数据，并执行“智能”维修。该地址链接到发动机序列号，并将被用于存储例行程序和关键发动机信息。因此，本发明可以降低发动机每小时维修成本(MCPH)。

图6示出了以400指示的喷气式发动机的一个截面，显示了基本部件和可用于实时监控发动机事件的进出喷气式发动机的发动机气流FADEC/ECU控制402。这些事件可在初始起飞的第一分钟左右被下载到远程发动机数据控制中心300，或被存储到WEMS模块的存储器内并在以后下载，以确定在目的地处是否授权“在翼”维修。

为了清楚起见，描述该喷气式发动机的参考数字从400开始。如图6所示，发动机气流FADEC/ECU控制402可以包括核心舱放气(core compartment bleeding)；油箱加压(sump pressurization)；油箱排空(sump venting)；有效间隙控制(active clearance control)；低压和高压补偿(recoup)；以及通风和放油(draining)功能。如本领域技术人员所知，这些功能可通过基本FADEC/ECU控制系统402来监控。图6所示的发动机实例对应于通用电气CF6-80C2先进设计，其带有具有N1推力管理的FADEC/ECU或PMC控制和通用涡轮机。尽管示出了该喷气式发动机，但如本领域技术人员所知，自然也可以使用其他用于不同喷气式发动机的控制系统。

所示出的发动机具有6个可变级和一个耐震级，一个叶片(blade)具有低喷射燃烧器、30个加压喷嘴和改善的喷射。它具有凯夫拉尔外壳，以提供较低的外壳重量和复合风扇OGV。它带有具有一个叶片材料的DS级的增强型HPT，以及具有先进冷却和有效间隙控制的TBC。

风扇模块包括铝/凯夫拉尔外壳404和93英寸改进型航空/叶片406。它具有复合OGV 408，该复合OGV 408具有铝/复合后风扇箱410和钛风扇架412以减少损耗。它另外还在风扇支柱(具有12个位置)416之间具有四级正交增压器和可变旁通气阀(VBV)。发动机包括压缩机进气温度(CIT)探针418。

高压压缩机包括IGV护罩密封420和具有级3-14槽形外壳424的叶片鸠尾型密封422。压缩机包括轮叶平台密封426、短软线级低损耗放气系统428、改进的降低涂层摩擦间隙430。

压缩机后架包括燃烧器430以及带有燃料喷嘴434和OGV 436的火花塞432。它包括放气密封438和4R/A/O密封440，以及4R轴承442和4B轴承444。它还包括5R轴承446、5R/A/O密封448、扩散器450和压力平衡密封452。压缩机后架还包括级1喷嘴454。

高压涡轮区包括用于控制级1和2的有效间隙，以及456处指示的涂覆护罩。它还包括定向固化级1叶片和阻尼叶片458以及冷空气传送系统。高压涡轮包括热量匹配支持结构、有效间隙控制、简化的具有支架叶轮支持和线形升限的撞击。改进的内部结构加载路径具有改进的圆度控制、固体护罩以及改善的升限。这些部件位于高压涡轮区的460区域内。

低压涡轮技术区包括间隙控制462、360°外壳464、消除出气漩涡的空气动力学支柱466以及形成为一块铸件的涡轮后架468。

多个所述部件可具有在初始起飞期间内生成信号的传感器和结构力传感器，使得信号经由WEMS模块被中继给地面维修人员和/或具有其自己的处理器的独立远程发动机数据控制中心。

图7示出了一个实例中在发动机启动期间被监控的部件，包括发动机液压系统、油压(psi)、发动机切断开关、油温(deg c)、燃料流量(lb/hr)、百分比形式的N2L和N1L、摄氏温度的油温和EGT以及W_f。一部分范围在该图的纵轴上显示，时间则在该图的横轴上显示。

该信息可被经由本发明的WEMS模块下载到地面处理器，远程发动机数据控制中心可以确定在目的地站是否授权在翼维修。

Claims (10)

1、一种用于提供飞机发动机的性能记录的系统，包括：

安装在所述飞机发动机上的发动机监控模块，用于收集与所述飞机发动机的运行相关的发动机数据，所述发动机监控模块还包括用于通过无线通信信号传送所述发动机数据的发射机；以及

用于接收所述传送的发动机数据的接收机。

2、根据权利要求1的系统，其中所述发射机包括用于通过宽带扩频通信信号传送所述发动机数据的扩频发射机。

3、根据权利要求1的系统，还包括安装在所述发动机监控模块上的共形天线，其中所述无线通信信号通过所述共性天线被传送。

4、一种无线发动机监控系统，包括：

飞机发动机；以及

安装在所述飞机发动机上的发动机监控模块，用于收集与所述飞机发动机的性能相关的发动机数据，所述发动机监控模块还包括用于通过无线通信信号传送所述发动机数据的发射机。

5、根据权利要求4的无线发动机监控系统，还包括FADEC/ECU，所述FADEC/ECU与所述飞机发动机一起运行以从所述飞机发动机收集发动机数据，其中所述发动机监控模块与所述FADEC/ECU一起运行以从所述FADEC/ECU收集发动机数据。

6、根据权利要求4的无线发动机监控系统，还包括安装在所述发动机监控模块上的共形天线，其中所述无线通信信号通过所述共性天线被传送。

7、根据权利要求4的无线发动机监控系统，其中所述发动机监控模块具有分配的数据地址，所述数据地址链接到所述飞机发动机的序列号，用以跟踪所述发动机。

8、一种提供飞机发动机的性能记录的方法，包括步骤：

在安装在所述飞机发动机上的发动机监控模块内，收集飞机发动机数据；以及

将在所述发动机监控模块内已经收集的发动机数据经由无线通信信号下载到接收机。

9、根据权利要求8的方法，还包括步骤：经由宽带扩频通信信号下载所述发动机数据。

10、根据权利要求8的方法，还包括步骤：经由安装在所述发动机监控模块上的共形天线传送所述无线通信信号。

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