DE102018128446A1

DE102018128446A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung des Zustandes mindestens einer Zahnpaarung und / oder mindestens eines Zahnes in einem mechanischen System

Info

Publication number: DE102018128446A1
Application number: DE102018128446.2A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Nowoisky; Noushin MOKHTARI MOLK ABADI; Mateusz GRZESZKOWSKI
Original assignee: Technische Universitaet Berlin; Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Technische Universitaet Berlin; Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2018-11-13
Filing date: 2018-11-13
Publication date: 2020-05-14
Also published as: WO2020099336A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Zustandes mindestens einer Zahnpaarung und / oder mindestens eines Zahnes in einem mechanischen System, insbesondere in einem Zahnradgetriebe (30) oder einer Keilwelle, dadurch gekennzeichnet, dassa) Schwingungsdaten (a(t)) des mechanischen Systems von mindestens einem Schwingungssensor (50) aufgenommen werden (101), wobeib) die Schwingungsdaten (a(t)) mittels Drehwinkeldaten (φ(t), φ) kinematisch oder geometrisch der mindestens einen Zahnpaarung und / oder dem mindestens einen Zahn als Quelle mindestens eines Schwingungsmusters (V) zugeordnet wird (102, 103), wobei das mindestens eine Schwingungsmuster (V) charakteristisch für einen mechanischen Schaden an der mindestens einen Zahnpaarung und / oder am mindestens einen Zahn ist undc) mittels eines Rechnermodells (M) festgestellt wird (104), welcher Art der Schaden ist, und ein entsprechendes Signal, insbesondere die Wahl eines Schadensmodells (107), zur Charakterisierung des Ist-Zustandes (111) der mindestens einen Zahnpaarung und / oder des mindestens einen Zahnes abgegeben wird.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung des Zustandes mindestens einer Zahnpaarung und / oder mindestens eines Zahnes in einem mechanischen System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Zustandes mindestens einer Zahnpaarung und / oder mindestens eines Zahnes in einem mechanischen System mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Zahnverbindungen in mechanischen Systemen, z.B. in Zahnradgetrieben oder Keilwellenverbindungen, unterliegen insbesondere aufgrund der mechanischen Belastungen einem erhöhten Verschleiß. Dieser zeigt sich insbesondere an den Zahnflanken und / oder am Zahnfuß.
Es besteht daher die Aufgabe, Vorrichtungen und Verfahren zu schaffen, die den Zustand der Zähne insbesondere im Betrieb des mechanischen Systems erfassen. Ein mögliches Anwendungsgebiet sind dabei Gasturbinentriebwerke, insbesondere in Fangetriebe-Triebwerkwerken von Flugzeugen. Dabei werden Umlaufgetriebe (Planetengetriebe) verwendet, um die relativ hohen Drehzahlen einer Turbine zum Antrieb eines Fans des Triebwerks herabzusetzen.
Dabei werden in einem Verfahren zur Ermittlung des Zustandes mindestens einer Zahnpaarung und / oder mindestens eines Zahnes in einem mechanischen System, insbesondere in einem Zahnradgetriebe oder einer Keilwelle, zunächst Schwingungsdaten des mechanischen Systems von mindestens einem Schwingungssensor aufgenommen. Die Schwingungsdaten umfassen hier unterschiedliche Frequenzbereiche von mechanischen Schwingungen oder Vibrationen, wie z.B. auch Körperschall.
Anschließend werden die Schwingungsdaten mittels Drehwinkeldaten kinematisch oder geometrisch der mindestens einen Zahnpaarung und / oder dem mindestens einen Zahn als Quelle mindestens eines Schwingungsmusters zugeordnet, wobei das mindestens eine Schwingungsmuster charakteristisch für einen mechanischen Schaden an der mindestens einen Zahnpaarung und / oder am mindestens einen Zahn ist. Die Drehwinkeldaten können dabei z.B. an einer antreibenden Welle der Zahnpaarung gewonnen werden. Im Ergebnis ist dann damit bekannt, zu welchem Zeitpunkt sich welcher Zahn wo im mechanischen System befindet.
Dann wird mittels eines Rechnermodells festgestellt, welcher Art der Schaden ist und ein entsprechendes Signal, insbesondere die Auswahl eines Schadensmodells, zur Charakterisierung des Ist-Zustandes der mindestens einen Zahnpaarung und / oder des mindestens einen Zahnes, abgegeben. Damit kann festgestellt werden, welcher Schaden an einer bestimmten Zahnpaarung und / oder an einem bestimmten Zahn vorliegt.
In einer Ausführungsform wird das Rechnermodell mittels maschinellen Lernens anhand von mechanischen Schadensfällen trainiert. Unterschiedliche Schäden an den Zähnen des mechanischen Systems rufen unterschiedliche Schwingungsmuster hervor, die mittels einer Klassifikation des maschinellen Lernens ermittelt und unterschieden werden können.
In einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine Schwingungssensor als Beschleunigungssensor oder Körperschallsensor ausgebildet, wobei diese den jeweilig relevanten Frequenzbereichen angepasst sind.
Dabei kann die Zuordnung eines Schwingungsmusters zu einem bestimmten Schaden anhand der Frequenz der Schwingungen erfolgen. Insbesondere kann bei der Zuordnung des Schwingungsmusters zu mindestens einer Zahnpaarung und / oder mindestens einem Zahn ein Getriebeparameter, insbesondere die Öltemperatur, die Getriebetemperatur und / oder das Drehmoment bei einer Signalanalyse berücksichtigt werden. Diese Getriebeparameter haben sämtlich einen Einfluss auf mögliche Schäden, so dass damit eine verbesserte Klassifikation möglich ist. Auch ist es möglich die Signalanalyse im Zeit- und / oder Frequenzbereich, sowie im Drehwinkel- und / oder Ordnungsbereich durchzuführen. Es ist z.B. bekannt, dass Pitting oder auch Scuffing zu massiven Veränderungen in den Amplituden der Seitenbänder führt. Bei der Signalanalyse z.B. durch die Anwendung des RMS Wertes kann ein Schwellenwert definiert werden, welcher die nichtlineare Temperaturabhängigkeit der Ölviskosität als Einflussgröße ausgleicht. Im Zeitbereich sind Konditionsindikatoren denkbar, wie z.B. Peak2Peak, Kurtosis, Residual RMS, Crest Faktor. Die Vergleichbarkeit der Signalanalysen wird durch ähnliche Betriebsbedingungen z.B. ähnliches Drehmoment und Temperaturen erreicht.
Auch kann die Signalanalyse einen Schätzalgorithmus verwenden, insbesondere einen extended Kalman-Filter zur Schätzung der dominierenden Schwingungs-Harmonischen und zur Separation von nichtlinearen Schwingungseinflüssen, welche aus lokalen Schäden resultieren.
Alternativ oder zusätzlich kann zum Schadensmodell in einer Ausführungsform eine Gradientenabschätzung aus historischen Daten verwendet werden, um den Fortschritt des Schadens an den Zähnen zu bestimmen. So ist aus vergleichbaren mechanischen Systemen und / oder Belastungsprofilen bekannt, mit welcher Dynamik sich bestimmte Schäden ausbreiten, insbesondere wann bestimmte Grenzwerte überschritten werden.
Ferner ist es mit einer Ausführungsform des Verfahrens möglich, mit dem Ist-Zustand der mindestens einen Zahnpaarung und / oder des mindestens einen Zahnes und mit historischen Daten und einer anschließenden Trendanalyse automatisch ein Lebenszeitmodell des mechanischen Systems zu ermitteln. Damit kann z.B. eine Vorhersage unter Verwendung des Lebenszeitmodells adaptiv zur Steuerung oder Regelung des mechanischen Systems, insbesondere eines Getriebes, vorgenommen werden. Es ist z.B. möglich, dass ein drohender Bruch an einem Zahn ermittelt wird und präventiv automatisch eine Wartung des entsprechenden Zahnrades veranlasst wird.
Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst, die insbesondere in Verbindung mit einem Gasturbinentriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 12 verwendet wird.
Wie hier an anderer Stelle angeführt wird, kann sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk, z.B. ein Flugzeugtriebwerk, beziehen. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann ein Kerntriebwerk umfassen, das eine Turbine, eine Brennervorrichtung, einen Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle umfasst. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann einen Fan (mit Fanschaufeln) umfassen, der stromaufwärts des Kerntriebwerks positioniert ist.
Anordnungen der vorliegenden Offenbarung können insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Getriebe-Fans, die über ein Getriebe angetrieben werden, von Vorteil sein. Entsprechend kann das Gasturbinentriebwerk ein Getriebe umfassen, das über die Kernwelle angetrieben wird und dessen Abtrieb den Fan so antreibt, dass er eine niedrigere Drehzahl als die Kernwelle aufweist. Der Eingang für das Getriebe kann direkt von der Kernwelle oder indirekt über die Kernwelle, beispielsweise über eine Stirnwelle und/oder ein Stirnzahnrad, erfolgen. Die Kernwelle kann mit der Turbine und dem Verdichter starr verbunden sein, so dass sich die Turbine und der Verdichter mit derselben Drehzahl drehen (wobei sich der Fan mit einer niedrigeren Drehzahl dreht).
Das Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige geeignete allgemeine Architektur aufweisen. Beispielsweise kann das Gasturbinentriebwerk eine beliebige gewünschte Anzahl an Wellen aufweisen, die Turbinen und Verdichter verbinden, beispielsweise eine, zwei oder drei Wellen.
Lediglich beispielhaft kann die mit der Kernwelle verbundene Turbine eine erste Turbine sein, der mit der Kernwelle verbundene Verdichter kann ein erster Verdichter sein und die Kernwelle kann eine erste Kernwelle sein. Das Kerntriebwerk kann ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine zweite Kernwelle, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfassen. Die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle können dahingehend angeordnet sein, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle zu drehen.
Bei einer solchen Anordnung kann der zweite Verdichter axial stromabwärts des ersten Verdichters positioniert sein. Der zweite Verdichter kann dahingehend angeordnet sein, eine Strömung von dem ersten Verdichter aufzunehmen (beispielsweise direkt aufzunehmen, beispielsweise über einen generell ringförmigen Kanal).
Das Getriebe kann dahingehend ausgebildet sein, dass es von der Kernwelle angetrieben wird, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen (beispielsweise die erste Kernwelle in dem obigen Beispiel). Beispielsweise kann das Getriebe dahingehend ausgebildet sein, dass es lediglich von der Kernwelle angetrieben wird, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen (beispielsweise nur von der ersten Kernwelle und nicht der zweiten Kernwelle bei dem obigen Beispiel). Alternativ dazu kann das Getriebe dahingehend ausgebildet sein, dass es von einer oder mehreren Wellen angetrieben wird, beispielsweise der ersten und/oder der zweiten Welle in dem obigen Beispiel.
Bei einem Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine Brennvorrichtung axial stromabwärts des Fans und des Verdichters (oder der Verdichter) vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Brennervorrichtung direkt stromabwärts des zweiten Verdichters (beispielsweise an dessen Ausgang) liegen, wenn ein zweiter Verdichter vorgesehen ist. Als ein weiteres Beispiel kann die Strömung am Ausgang des Verdichters dem Einlass der zweiten Turbine zugeführt werden, wenn eine zweite Turbine vorgesehen ist. Die Brennervorrichtung kann stromaufwärts der Turbine (der Turbinen) vorgesehen sein.
Der oder jeder Verdichter (beispielsweise der erste Verdichter und der zweite Verdichter gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen, bei denen es sich um variable Statorschaufeln handeln kann (d.h. der Anstellwinkel kann variabel sein). Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial zueinander versetzt sein.
Die oder jede Turbine (beispielsweise die erste Turbine und die zweite Turbine gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen. Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial zueinander versetzt sein.
Jede Fanschaufel kann eine radiale Spannweite aufweisen, die sich von einem Fuß (oder einer Nabe) an einer radial innenliegenden, von Gas überströmten Stelle oder sich von einer Position einer Spannweite von 0 % zu einer Spitze mit einer Spannweite von 100 % erstreckt. Das Verhältnis des Radius der Fanschaufel an der Nabe zu dem Radius der Fanschaufel an der Spitze kann bei weniger als (oder in der Größenordnung von): 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 oder 0,25 liegen. Das Verhältnis des Radius der Fanschaufel an der Nabe zu dem Radius der Fanschaufel an der Spitze kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei Werten im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Diese Verhältnisse können allgemeinhin als das Nabe-Spitze-Verhältnis bezeichnet werden. Der Radius an der Nabe und der Radius an der Spitze können beide an der vorderen Kante (oder der axial am weitesten vorne liegenden Kante) der Schaufel gemessen werden. Das Nabe-Spitze-Verhältnis bezieht sich natürlich auf den von Gas überströmten Abschnitt der Fanschaufel, d. h. den Abschnitt, der sich radial außerhalb jeglicher Plattform befindet.
Der Radius des Fans kann zwischen der Mittellinie des Triebwerks und der Spitze der Fanschaufel an ihrer vorderen Kante gemessen werden. Der Durchmesser des Fans (der allgemein das Doppelte des Radius des Fans sein kann) kann größer als (oder in der Größenordnung von): 250 cm (etwa 100 Inch), 260 cm (etwa 102 Inch), 270 cm (etwa 105 Inch), 280 cm (etwa 110 Inch), 290 cm (etwa 115 Inch), 300 cm (etwa 120 Inch), 310 cm (etwa 122 Inch), 320 cm (etwa 125 Inch), 330 cm (etwa 130 Inch), 340 cm (etwa 135 Inch), 350 cm (138 Inch), 360 cm (etwa 140 Inch), 370 cm (etwa 145 Inch), 380 cm (etwa 150 Inch) oder 390 cm (etwa 155 Inch) sein (liegen). Der Fandurchmesser kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Die Drehzahl des Fans kann im Betrieb variieren. Allgemein ist die Drehzahl geringer für Fans mit einem größeren Durchmesser. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen weniger als 2500 U/min, beispielsweise weniger als 2300 U/min, betragen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann auch die Drehzahl des Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Fandurchmesser im Bereich von 250 cm bis 300 cm (beispielsweise 250 cm bis 280 cm) im Bereich von 1700 U/min bis 2500 U/min, beispielsweise im Bereich von 1800 U/min bis 2300 U/min, beispielsweise im Bereich von 1900 U/min bis 2100 U/min, liegen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Fandurchmesser im Bereich von 320 cm bis 380 cm in dem Bereich von 1200 U/min bis 2000 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1300 U/min bis 1800 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1400 U/min bis 1600 U/min, liegen.
Im Gebrauch des Gasturbinentriebwerks dreht sich der Fan (mit zugehörigen Fanschaufeln) um eine Drehachse. Diese Drehung führt dazu, dass sich die Spitze der Fanschaufel mit einer Geschwindigkeit U_Spitze bewegt. Die von den Fanschaufeln an der Strömung verrichtete Arbeit resultiert in einem Anstieg der Enthalpie dH der Strömung. Eine Fanspitzenbelastung kann als dH/U_Spitze ² definiert werden, wobei dH der Enthalpieanstieg (beispielsweise der durchschnittliche 1-D-Enthalpieanstieg) über den Fan hinweg ist und U_Spitze die (Translations-) Geschwindigkeit der Fanspitze, beispielsweise an der vorderen Kante der Spitze, ist (die als Fanspitzenradius am vorderen Rand multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit definiert werden kann). Die Fanspitzenbelastung bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann mehr als (oder in der Größenordnung von): 0,3, 0,31, 0,32, 0,33, 0,34, 0,35, 0,36, 0,37, 0,38, 0,39 oder 0,4 betragen (liegen) (wobei alle Einheiten in diesem Abschnitt Jkg^-1K^-1/(ms^-1)² sind). Die Fanspitzenbelastung kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Gasturbinentriebwerke gemäß der vorliegenden Offenbarung können ein beliebiges gewünschtes Bypassverhältnis aufweisen, wobei das Bypassverhältnis als das Verhältnis des Massendurchsatzes der Strömung durch den Bypasskanal zu dem Massendurchsatz der Strömung durch den Kern bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen definiert wird. Bei einigen Anordnungen kann das Bypassverhältnis mehr als (oder in der Größenordnung von): 10, 10,5, 11, 11,5, 12, 12,5, 13, 13,5, 14, 14,5, 15, 15,5, 16, 16,5 oder 17 betragen (liegen). Das Bypassverhältnis kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Bypasskanal kann im Wesentlichen ringförmig sein. Der Bypasskanal kann sich radial außerhalb des Kerntriebwerks befinden. Die radial äußere Fläche des Bypasskanals kann durch eine Triebwerksgondel und/oder ein Fangehäuse definiert werden.
Das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann als das Verhältnis des Staudrucks stromaufwärts des Fans zu dem Staudruck am Ausgang des Höchstdruckverdichters (vor dem Eingang in die Brennervorrichtung) definiert werden. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, bei Konstantgeschwindigkeit mehr als (oder in der Größenordnung von): 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 betragen (liegen). Das Gesamtdruckverhältnis kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Der spezifische Schub eines Triebwerks kann als der Nettoschub des Triebwerks dividiert durch den Gesamtmassenstrom durch das Triebwerk hindurch definiert werden. Bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann der spezifische Schub eines Triebwerks, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, weniger als (oder in der Größenordnung von): 110 N kg^-1 s, 105 N kg^-1 s, 100 N kg^-1 s, 95 Nkg^-1s, 90 Nkg^-1 s, 85 N kg^-1 s oder 80 N kg^-1 s betragen (liegen). Der spezifische Schub kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Solche Triebwerke können im Vergleich zu herkömmlichen Gasturbinentriebwerken besonders effizient sein.
Ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen beliebigen gewünschten Höchstschub aufweisen. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann eine Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, zur Erzeugung eines Höchstschubs von mindestens (oder in der Größenordnung von): 160 kN, 170 kN, 180 kN, 190 kN, 200 kN, 250 kN, 300 kN, 350 kN, 400 kN, 450 kN, 500 kN oder 550 kN in der Lage sein. Der Höchstschub kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Schub, auf den oben Bezug genommen wird, kann der Nettohöchstschub bei standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen auf Meereshöhe plus 15 °C (Umgebungsdruck 101,3 kPa, Temperatur 30 °C) bei statischem Triebwerk sein.
Im Gebrauch kann die Temperatur der Strömung am Eingang der Hochdruckturbine besonders hoch sein. Diese Temperatur, die als TET bezeichnet werden kann, kann an dem Ausgang zur Brennvorrichtung, beispielsweise unmittelbar stromaufwärts der ersten Turbinenschaufel, die wiederum als eine Düsenleitschaufel bezeichnet werden kann, gemessen werden. Bei Konstantgeschwindigkeit kann die TET mindestens (oder in der Größenordnung von): 1400 K, 1450 K, 1500 K, 1550 K, 1600 K oder 1650 K betragen (liegen). Die TET bei Konstantgeschwindigkeit kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET im Gebrauch des Triebwerks kann beispielsweise mindestens (oder in der Größenordnung von): 1700 K, 1750 K, 1800 K, 1850 K, 1900 K, 1950 K oder 2000 K betragen (liegen). Die maximale TET kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET kann beispielsweise bei einer Bedingung von hohem Schub, beispielsweise bei einer MTO-Bedingung (MTO - Maximum Take-Off thrust - maximaler Startschub), auftreten.
Eine Fanschaufel und/oder ein Blattabschnitt (aerofoil) einer Fanschaufel, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann aus einem beliebigen geeigneten Material oder einer Kombination aus Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Fanschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Verbundstoff, beispielsweise einem Metallmatrix-Verbundstoff und/oder einem Verbundstoff mit organischer Matrix, wie z. B. Kohlefaser, hergestellt werden. Als ein weiteres Beispiel kann zumindest ein Teil der Fanschaufel und/oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Metall, wie z. B. einem auf Titan basierendem Metall oder einem auf Aluminium basierenden Material (wie z. B. einer Aluminium-Lithium-Legierung) oder einem auf Stahl basierenden Material hergestellt werden. Die Fanschaufel kann mindestens zwei Bereiche umfassen, die unter Verwendung verschiedener Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann die Fanschaufel eine vordere Schutzkante aufweisen, die unter Verwendung eines Materials hergestellt wird, das dem Aufschlagen (beispielsweise von Vögeln, Eis oder anderem Material) besser widerstehen kann als der Rest der Schaufel. Solch eine vordere Kante kann beispielsweise unter Verwendung von Titan oder einer auf Titan basierenden Legierung hergestellt werden. Somit kann die Fanschaufel lediglich als ein Beispiel einen auf Kohlefaser oder Aluminium basierenden Körper (wie z. B. eine Aluminium-Lithium-Legierung) mit einem vorderen Rand aus Titan aufweisen.
Ein Fan, der hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen mittleren Abschnitt umfassen, von dem sich die Fanschaufeln, beispielsweise in einer radialen Richtung, erstrecken können. Die Fanschaufeln können auf beliebige gewünschte Art und Weise an dem mittleren Abschnitt angebracht sein. Beispielsweise kann jede Fanschaufel eine Fixierungsvorrichtung umfassen, die mit einem entsprechenden Schlitz in der Nabe (oder Scheibe) in Eingriff gelangen kann. Lediglich als ein Beispiel kann solch eine Fixierungsvorrichtung in Form eines Schwalbenschwanzes vorliegen, der zur Fixierung der Fanschaufel an der Nabe/Scheibe in einen entsprechenden Schlitz in der Nabe/Scheibe eingesteckt und/oder damit in Eingriff gebracht werden kann. Als ein weiteres Beispiel können die Fanschaufeln integral mit einem mittleren Abschnitt ausgebildet sein. Solch eine Anordnung kann als eine Blisk oder ein Bling bezeichnet werden. Ein beliebiges geeignetes Verfahren kann zur Herstellung solch einer Blisk oder solch eines Bling verwendet werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Fanschaufeln aus einem Block maschinell herausgearbeitet werden und/oder mindestens ein Teil der Fanschaufeln kann durch Schweißen, wie z. B. lineares Reibschweißen, an der Nabe/Scheibe angebracht werden.
Die Gasturbinentriebwerke, die hier beschrieben und/oder beansprucht werden, können oder können nicht mit einer VAN (Variable Area Nozzle - Düse mit variablem Querschnitt) versehen sein. Solch eine Düse mit variablem Querschnitt kann im Betrieb eine Variation des Ausgangsquerschnitts des Bypasskanals erlauben. Die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung können auf Triebwerke mit oder ohne eine VAN zutreffen.
Der Fan einer Gasturbine, die hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige gewünschte Anzahl an Fanschaufeln, beispielsweise 16, 18, 20 oder 22 Fanschaufeln, aufweisen.
Gemäß der hier erfolgenden Verwendung können Konstantgeschwindigkeitsbedingungen die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen eines Luftfahrzeugs, an dem das Gasturbinentriebwerk angebracht ist, bedeuten. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können herkömmlicherweise als die Bedingungen während des mittleren Teils des Flugs definiert werden, beispielsweise die Bedingungen, denen das Luftfahrzeug und/oder das Triebwerk zwischen (hinsichtlich Zeit und/oder Entfernung) dem Ende des Steigflugs und dem Beginn des Sinkflugs ausgesetzt wird bzw. werden.
Lediglich als ein Beispiel kann die Vorwärtsgeschwindigkeit bei der Konstantgeschwindigkeitsbedingung bei einem beliebigen Punkt im Bereich von Mach 0,7 bis 0,9, beispielsweise 0,75 bis 0,85, beispielsweise 0,76 bis 0,84, beispielsweise 0,77 bis 0,83, beispielsweise 0,78 bis 0,82, beispielsweise 0,79 bis 0,81, beispielsweise in der Größenordnung von Mach 0,8, in der Größenordnung von Mach 0,85 oder in dem Bereich von 0,8 bis 0,85 liegen. Eine beliebige Geschwindigkeit innerhalb dieser Bereiche kann die Konstantgeschwindigkeitsbedingung sein. Bei einigen Luftfahrzeugen können die Konstantgeschwindigkeitsbedingung außerhalb dieser Bereiche, beispielsweise unter Mach 0,7 oder über Mach 0,9, liegen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer Höhe entsprechen, die im Bereich von 10.000 m bis 15.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.000 m bis 12.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.400 m bis 11.600 m (etwa 38.000 Fuß) beispielsweise im Bereich von 10.500 m bis 11.500 m, beispielsweise im Bereich von 10.600 m bis 11.400 m, beispielsweise im Bereich von 10.700 m (etwa 35.000 Fuß) bis 11.300 m, beispielsweise im Bereich von 10.800 m bis 11.200 m, beispielsweise im Bereich von 10.900 m bis 11.100 m, beispielsweise in der Größenordnung von 11.000 m, liegt. Die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer beliebigen gegebenen Höhe in diesen Bereichen entsprechen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen Folgendem entsprechen: einer Vorwärts-Mach-Zahl von 0,8; einem Druck von 23.000 Pa und einer Temperatur von -55 °C.
So wie sie hier durchweg verwendet werden, können „Konstantgeschwindigkeit“ oder „Konstantgeschwindigkeitsbedingungen“ den aerodynamischen Auslegungspunkt bedeuten. Solch ein aerodynamischer Auslegungspunkt (oder ADP - Aerodynamic Design Point) kann den Bedingungen (darunter beispielsweise die Mach-Zahl, Umgebungsbedingungen und Schubanforderung), für die der Fanbetrieb ausgelegt ist, entsprechen. Dies kann beispielsweise die Bedingungen, bei denen der Fan (oder das Gasturbinentriebwerk) konstruktionsgemäß den optimalen Wirkungsgrad aufweist, bedeuten.
Im Betrieb kann ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und/oder beansprucht wird, bei den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen, die hier an anderer Stelle definiert werden, betrieben werden. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können von den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen (beispielsweise den Bedingungen während des mittleren Teils des Fluges) eines Luftfahrzeugs, an dem mindestens ein (beispielsweise zwei oder vier) Gasturbinentriebwerk(e) zur Bereitstellung von Schubkraft befestigt sein kann, bestimmt werden.
Für den Fachmann ist verständlich, dass ein Merkmal oder Parameter, das bzw. der in Bezug auf einen der obigen Aspekte beschrieben wird, bei einem beliebigen anderen Aspekt angewendet werden kann, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Des Weiteren kann ein beliebiges Merkmal oder ein beliebiger Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, bei einem beliebigen Aspekt angewendet werden und/oder mit einem beliebigen anderen Merkmal oder Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:

1 eine Darstellung von Schwingungsanregungen unter einer globalen Abnutzung (links) und einem lokalen Pittingschaden (rechts);
2 Beispielsignale für Schwingungssignale eines unbeschädigten Zahnkontaktes (links) und eines Zahnkontaktes mit Pittingschaden (rechts);
3 eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zur Ermittlung des Zustandes einer Zahnpaarung und / oder eines Zahnes eines mechanischen Systems;
4A bis 4D schematische Darstellungen unterschiedlicher Stellungen von Planetenrädern in einem epizyklischen Planetengetriebe;
5 eine Darstellung einer drehwinkelsynchronen Fensterung der Vibrationssignale;
6 eine zweite Ausführungsform insbesondere mit einer Lebensdauerschätzung eines mechanischen Systems;
7 eine Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks;
8 eine Seitenschnittgroßansicht eines stromaufwärtigen Abschnitts eines Gastu rbi nentriebwerks;
9 eine zum Teil weggeschnittene Ansicht eines Getriebes für ein Gasturbinentriebwerk;
10 Beispiel für Berechnung von Zustandsindikatoren mittels einer Residual Analysis aus dem Seitenbandspektrum.

Bevor auf mögliche Anwendungen von Ausführungsformen der Vorrichtung und des Verfahrens zur Ermittlung, insbesondere der Überwachung des Zahnzustandes in mechanischen Systemen, wie z.B. in einem Getriebe 30 (siehe 7 bis 9) oder einer Keilwellenverbindung, eingegangen wird, werden zunächst Grundlagen der Ausführungsformen beschrieben. Dabei geht es insbesondere um die Erkennung von Schäden an Zähnen, wie dem Pitting, dem Spalling, oder Rissen am Zahnfuß.
Unter Pitting wird hier insbesondere ein Materialausbruch unter wechselnder Belastung verstanden, der durch oberflächennahe Mikrorissbildung hervorgerufen wird. Unter Spalling wird das Abplatzen von Partikeln unter mechanischer Einwirkungen verstanden. Eine weitere Schadensart ist das Scuffing, die Erzeugung von Abrieb im Bereich von Zahnflanken.
In den Ausführungsformen wird mindestens ein Schwingungssensor 50 eingesetzt, der die Beschleunigung, den Körperschall und / oder mechanische Veränderungen, wie z.B. Dehnungen, im mechanischen System erfasst.
Dabei werden Schwingungen a(t) (Vibrationen) mittels des mindestens einen Schwingungssensors 50 (Beschleunigungssensor und / oder Körperschallsensor) erfasst.
Hierbei unterscheiden sich diese beiden Sensortypen darin, dass der Beschleunigungssensor im Gegensatz zum Körperschallsensor eine träge Masse besitzt und für geringere Schwingungsbandbreiten z.B. unterhalb von 50 kHz spezifiziert ist. Der Körperschallsensor ist für höherfrequente Signalanregungen z.B. oberhalb von 50 kHz geeignet und besitzt keine träge Masse und muss entweder in das zu untersuchende Material fest eingebettet oder auf der Materialoberfläche verklebt werden, so dass elastische Wellen an der Materialoberfläche den Körperschallsensor verformen können und die hierdurch induzierte Ladungsänderung von außen abgegriffen werden kann. Die genannten Bauformen der Schwingungssensoren 50 sind lediglich beispielhaft zu verstehen.
Die vom mindestens einen Schwingungssensor 50 erfassten mechanischen Schwingungen werden in Signale umgewandelt, die dann einer Signalverarbeitung unterzogen werden. Dabei unterscheiden sich die erfassten Frequenzen und Muster der Schwingungen je nach dem Schadensfall an den Zahnflanken oder am Zahn selbst.
So wird z.B. das hochfrequente Schwingungsspektrum durch einen lokal begrenzten Pitting-Schaden an einzelnen Zahnflanken verstärkt angeregt.
Durch ein zunehmendes Zahnflankenspiel (beispielsweise durch gleichmäßig über alle Zähnen auftretenden Zahnflankenverschleiß) wird eine verstärkte niederfrequente Schwingungsanregung im Bereich der Zahnraddrehzahl hervorgerufen, welche zu einer Amplitudenmodulation der Schwingungssignale führt.
Bei den Schadensarten können lokale Schäden (z.B. Pitting, Spalling, Tooth root crack) und global verteilte Schäden (z.B. Scuffing, Abnutzung) unterschieden werden.
Dabei treten auch Mischformen beider Schadensarten auf.
Lokal verteilte Schäden führen im Gegensatz zu global verteilten Schäden zu einer verstärkten Anregung von tieffrequenten Schwingungsereignissen im Bereich der Drehzahl und somit zu Amplitudenmodulationseffekten. Diese können u.a. durch eine Zunahme von Seitenbändern im Schwingungsspektrum von global verteilten Schäden differenziert werden. Demnach eignet sich die Auswertung von Seitenbändern, um zunächst zu klassifizieren, ob es sich beim diagnostizierten Schaden um einen globalen oder lokalen Schaden handelt.
Innerhalb der lokalen Schäden gestaltet sich die Differenzierung des Schwingungsverhaltens schwieriger, da die schadensbedingte zusätzliche Schwingungsanregung meist von Zahnflankenoberflächenveränderungen (Pitting, Spalling) ausgeht. Je nach Größe der Zahnflankenoberflächenschäden (z.B. in Form unterschiedlich großer Materialausbrüche) werden elastische Wellen im Material mit unterschiedlich hohen Frequenzbereichen angeregt. Zur Erfassung dieser elastischen Wellen ist ein Körperschallsensor besser geeignet als ein Beschleunigungssensor. Demnach kann der Frequenzbereich der zusätzlichen Anregung ebenfalls für eine Schadensbestimmung eingesetzt werden.
Da Spalling über der gesamten Zahnflankenfläche auftritt, wobei hingegen Pitting meist nur im Zahnfuß- oder Zahnkopfbereich auftritt, könnten diese beiden Schadensarten über eine zahneingriffsabhängige Merkmalsbestimmung aus den Körperschallsignalen, wie sie nachfolgend erläutert wird, voneinander unterschieden werden.
Der lokal auftretende Schaden eines Zahnfußrisses führt hingegen zu einer Abnahme der Zahnfedersteifigkeit eines einzelnen Zahnes und somit zur Anregung von tieffrequenten Schwingungsereignissen im Bereich der Drehzahl. Demnach lässt sich das Anregungsverhalten durch einen Zahnbruch vom Anregungsverhalten von Pitting oder Spalling aufgrund der unterschiedlichen Schadenseffekte unterscheiden.
In 1 links ist beispielhaft dargestellt, wie der global verteilte Schaden der Abnutzung zu einer Zunahme des Zahnflankenspiels und somit zu einer gestörten Schwingungsanregung führt, die sich in einer Unwucht einer Zahnradwelle zeigt. Dabei werden die Schwingungen a(φ) über die Drehwinkel φ aufgetragen. Der Drehwinkel ist insbesondere ein Maß dafür, welche Eingriffsstellung eine Zahnpaarung aufweist.
Der lokal verteilte Pitting-Schaden in 1 rechts hingegen führt zu einer zusätzlichen hochfrequenten Anregung, wenn der Pitting-behaftete Zahnradzahn sich im Eingriff befindet.
In der linken Seite der 1 ist die seitliche Verschiebung der Peaks des Schwingungssignals a(t) ein Schwingungsmuster V, das charakteristisch für Abnutzungsschäden ist. Auf der rechten Seite der 1 ist das überlagerte, hochfrequente Schwingungsmuster V charakteristisch für Pitting. Analog können auch für andere Schadensarten ähnliche Schwingungsmuster V ermittelt werden.
In 2 sind Körperschallsignale ohne jeglichen Zahnflankenschaden (links) und mit Zahnflankenschaden durch Pitting (rechts) dargestellt. Hierbei zeigt sich, dass lokal bei einem Zahneingriff beschädigter Zähne eine hochfrequente Anregung von Körperschallsignalen erfolgt. Der gezeigte Ausschnitt zeigt nur den Zahneingriff, nicht aber die niederfrequente Anregung durch die Welle. Der Zahneingriffs-Grundfrequenz (2, links) sind zusätzlich noch die höherharmonischen Anteile bis etwa zur 10. Harmonischen überlagert, wodurch kein rein monofrequentes Schwingungssignal erzeugt wird.
Da sich das Schwingungsmuster über dem Zahneingriffszustand verändert, kann eine Trennung der Schwingungsmuster nach den einzelnen Zahneingriffskontaktstellungen (z.B. Einzeleingriff und Doppeleingriff) mit Hilfe der zuvor bestimmten absoluten Drehwinkeldaten erfolgen. Einzelne Zahneingriffspunkte werden hierbei in Quantile unterteilt. Das Vibrations- bzw. Körperschallsignal wird ausgewertet und dann den einzelnen Quantilen zugeordnet. Die Quantile sind dabei über dem absoluten Drehwinkel definiert.
Mittels einer drehwinkelbasierten Signaltrennung sollen insbesondere Körperschallereignisse, welche infolge eines lokalen Zahndefektes angeregt werden, besser lokalisiert und mittels Fehlerisolation mit höherer Genauigkeit einem bestimmten Fehlerfall zugeordnet werden können. Dies wird in der Folge näher erläutert.
Dies unterscheidet sich vom Stand der Technik, da bisher z.B. im Falle von Planetengetrieben nur eine Trennung nach Vibrationsmustern, die einer bestimmten Planetenzahnradpaarung, Sonnenradzahn-Planetenradzahn oder Planetenradzahn-Hohlradzahn, zuordbar sind, vorgenommen wird (D'Elia, G.; Mucchi, E.; Cocconcelli, M. (2017): On the identification of the angular position of gears for the diagnostics of planetary gearboxes. In: Mechanical Systems and Signal Processing 83, S. 305-320. DOI: 10.1016/j.ymssp.2016.06.016, McFadden, P. D. (1991): A technique for calculating the time domain averages of the vibration of the individual planet gears and the sun gear in an epicyclic gearbox. In: Journal of Sound and Vibration 144 (1), S. 163-172. DOI: 10.1016/0022-460X(91)90739-7.).
In 3 ist eine erste Ausführungsform eines Verfahrens dargestellt, mit dem der Zahnzustand mit Hilfe eines Schwingungssensors 50 ermittelt wird. Dabei stellt der mindestens eine Schwingungssensor 50 Schwingungsdaten a(t) bereit. Ein Drehwinkelsensor 51 stellt Drehwinkeldaten φ(t) bereit.
In einem ersten Schritt 101 wird eine drehwinkelsynchrone Nachabtastung der Schwingungsdaten a(t) unter Verwendung der Drehwinkeldaten φ(t) vorgenommen.
Anhand der 4A bis 4D soll zunächst die drehwinkelsynchrone Nachabtastung anhand eines epizyklischen Planetengetriebes 30 (siehe auch 7 bis 9) dargestellt werden.
Die 4A bis 4D zeigen jeweils schematisch ein an sich bekanntes epizyklisches Planetengetriebe 30 mit festem Hohlrad 38 (siehe Darstellung in der 4A) und Planetenräder P₁ , P₂ , P₃ . Der Carrier 34 (auch Planetenträger oder Steg genannt), der die Planetenräder P₁ , P₂ , P₃ untereinander fest verbindet, ist hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Ein Planetenrad P₁ , P₂ , P₃ des Getriebes 30 besitzt jeweils die Drehfrequenz f_P = ω_P/ 2π. Die mit dem Carrier 34 verbundene Welle weist die Abtriebsfrequenz fc = ω_C/2π auf. Das Sonnenrad S weist die Drehfrequenz fs = ω_S/ 2π auf.
Die Verwendung eines epizyklischen Planetengetriebes 30 mit drei Planetenrädern P₁ , P₂ , P₃ ist hier rein beispielhaft gewählt. Es können auch mehr, insbesondere fünf Planetenräder verwendet werden. Auch ist es nicht zwingend, dass bei festem Hohlrad H der Antrieb über das Sonnenrad S und der Abtrieb über den Carrier 34 erfolgt. Grundsätzlich können der Antrieb oder der Abtrieb auch jeweils durch eine Paarung von Hohlrad H, Sonnenrad S oder Carrier 34 vorgenommen werden. Auch ist es grundsätzlich möglich, dass jeweils Hohlrad H, Sonnenrad S oder der Carrier 34 fest angeordnet sind.
Der Schwingungssensor 50 dient der Erfassung des Körperschalls im epizyklischen Planetengetriebe 30. Der Körperschall sind die Schwingungen a(t), die sich im Festkörper des epizyklischen Planetengetriebes 30 ausbreiten, so dass im Folgenden auch von Schwingungsdaten gesprochen wird. Eine mögliche Ausführungsform einer Sensorvorrichtung 1 weist einen piezoelektrischen Sensor auf, mit dem Körperschall erfassbar ist.
Ausgangspunkt für die Ausführungsformen, die im Folgenden dargestellt werden, ist die Auswertung des am oder im epizyklischen Planetengetriebes 30 detektierten Körperschalls.
Viele Zahnschäden in epizyklischen Planetengetrieben 30 beeinflussen die Körperschallanregung am Zahneingriffspunkt der Verzahnung. Damit wirkt sich ein Getriebeschaden auf das Schwingungsverhalten des Planetengetriebes 30 aus.
Aus diesem Grund sind Beschleunigungsaufnehmer zur Erfassung des Zahnzustandes geeignet. Allerdings empfängt ein Beschleunigungsaufnehmer auf Grund der um das Sonnenrad S rotierenden Planetenräder P₁ , P₂ , P₃ und mehrerer gleichzeitiger Planetenzahneingriffe ein komplexes amplitudenmoduliertes Schwingungssignal.
Es ist aber möglich - wie im Folgenden gezeigt wird - die aus den Schäden resultierenden Signaturen, d.h. Muster, in den erfassten Schwingungssignalen mittels bestimmter Mustererkennungsverfahren und Vorrichtungen zur Mustererkennung den Schäden zuzuordnen.
Ein Verfahren, um stochastische Vibrationssignalanteile gegenüber deterministischen Vibrationssignalanteilen einzelner Planetenräder P₁ , P₂ , P₃ (d.h. den potentiellen Schadenssignalen) zu dämpfen, ist das Time-Synchronous-Averaging-Verfahren (TSA), welches erstmals von McFadden (Technique for calculating the time domain averages of the vibration of the individual planet gears and the sun gear in an epicyclic gearbox. In: Journal of Sound and Vibration 144 (1991), Nr. 1, 163-172), entwickelt wurde.
Nachfolgend wird das TSA Verfahren anhand der 5 genauer erläutert, wobei auf die Kinematik des epizyklischen Planetengetriebes 30 gemäß den 4A bis 4D Bezug genommen wird.
Angenommen, alle Zahnradzähne des Planetengetriebes 30 befinden sich - wie in 4A dargestellt - zum Zeitpunkt T_C=0 in der Initialwinkelstellung G₀ = f(ω_S ⁽⁰⁾, ω_C ⁽⁰⁾, ω_P ⁽⁰⁾). Damit kann genau festgelegt werden, welche Zahnradzähne in der Initialwinkelstellung G₀ genau ineinandergreifen.
Treibt nun das Antriebszahnrad (im Beispiel der 4A bis 4D das Sonnenrad S) die Planetenräder P₁ , P₂ , P₃ und somit die Stegwelle in Antriebs-Drehrichtung an, dann befindet sich die Stegwelle bei Tc=1 (4D) wieder in ihrer Initialwinkelstellung.
In den 4A bis 4D ist das erste Planetenrad P₁ durch eine dunkle Farbgebung hervorgehoben. Auf dem ersten Planetenrad P₁ ist jeweils ein Zahn R_P1 hervorgehoben. Auf dem Sonnenrad S jeweils ein Zahn R_S .
Die Planetenräder P₁ , P₂ , P₃ und das Sonnenrad S besitzen jedoch in diesem Winkelpunkt gegenüber der Initialstellung eine andere absolute Drehwinkelstellung, wie in 4D bei T_c=1 anhand der Zahnmarkierungen R_P1 , R_S auf dem Planetenrad P₁ und dem Sonnenrad S abgelesen werden kann.
Demnach wird die Initialwinkelstellung G₀ erst nach n_c,spr Stegwellenumdrehungen (siehe unten) erreicht. Diese als „Zahneingriffs-Periodizität“ beschriebene Umdrehungszahl berechnet sich mithilfe der kleinsten gemeinsamen Vielfachen (kgV) der Zähnezahlen (nach D'Elia, Mucchi, Cocconcelli, On the identification of the angular position of gears for the diagnostics of planetary gearboxes. Mechanical Systems and Signal Processing 83, (2017), S. 305-320): $n_{c, s p r} = \frac{k g V (k g V (z_{P}, z_{H}), k g V (z_{S}, z_{P}))}{z_{H}}$
mit

z_H:: Anzahl Zähne Hohlrad H
z_S: Anzahl Zähne Sonnenrad S

z_P: Anzahl Zähne Planetenräder P₁, P₂, P₃.

Bei einem beispielhaften Planetengetriebe 30 mit z_H=120, z_P=35 und zs=50 ergibt sich ein ncspr = 35.
Beim oben erwähnten TSA-Verfahren werden die kontinuierlich aufgezeichneten Sensorsignale (d.h. die Vibrationssignale des Körperschalls) zunächst drehwinkelsynchron nachabgetastet und anschließend in Segmente geteilt, so dass die Segmentlänge der Umdrehungsperiode eines zu untersuchenden Zahnrades entspricht.
Wird das Verfahren auf ein Planetenrad P₁ , P₂ , P₃ mit der relativen Drehfrequenz f_C+f_P angewendet, dann entspricht die Länge eines Segments der Periode (f_C-f_P)-1 (nach Yu, Early Fault Detection for Gear Shaft and Planetary Gear Based on Wavelet and Hidden Markov Modeling, Dissertation, University of Toronto, 2011).
Hierbei werden die Signaldaten x in jedem Segment mit einer geeigneten Fensterfunktion w_win multipliziert, $x_{w i n} = x w_{w i n}$
wobei das Maximum der Fensterfunktion mit dem Stegdrehwinkelpunkt zusammenfällt, wenn sich das betrachtete k-te Planetenzahnrad direkt unterhalb der Sensorvorrichtung 1 für die Vibrationen befindet. Diese Segmentierung wird für jedes Planetenrad P₁ , P₂ , P₃ durchgeführt; so dass die Segmente eines Planetenrades P₁ , P₂ , P₃ wie folgt der jeweiligen Segmentmenge ν_k zugeordnet werden können. $v_{1} = {x_{w i n} (T_{C} = 0), x_{w i n} (T_{C} = 1), \dots, x_{w i n} (T_{C} = n_{s p r})}$
$v_{2} = {x_{w i n} (T_{C} = 1 / 3), x_{w i n} (T_{C} = 4 / 3), \dots, x_{w i n} (T_{C} = n_{s p r} + 1 / 3)}$
$v_{3} = {x_{w i n} (T_{C} = 2 / 3), x_{w i n} (T_{C} = 5 / 3), \dots, x_{w i n} (T_{C} = n_{s p r} + 2 / 3)}$
Bei ausreichend umfangreichen Messdaten liegen Messreihen mehrerer Zahneingriffs-Periodizitäten bei konstanten Getriebeparametern (Drehzahl, Abtriedrehmoment, Temperatur) vor, so dass zu jedem x_win (T_C=n * 1/3) mit n ∈ ℕ mehrere gefensterte Vibrationssignale vorhanden sind.
Unter der Annahme, dass die Vibrationssignalmuster innerhalb gleicher Verzahnungssegmentmengen ν₁ für gleiche T_C im Idealfall gleich sind, werden die Signale x_win (T_C=n * 1/3) für jedes n = 0, ... , n_spr anschließend gemittelt.
Mithilfe des TSA-Verfahrens wird demnach der Zeitbereich der Vibrationsschwingungssignale, wenn sich ein Planetenrad P₁ , P₂ , P₃ in der Nähe der Sensorvorrichtung 1 befindet, isoliert ausgewertet von den Zeitbereichen, wenn sich kein Planetenrad P₁ , P₂ , P₃ in der Nähe der Sensorvorrichtung 1 aufhält (siehe Ha et al., Autocorrelation-based time synchronous averaging for condition monitoring of planetary gearboxes in wind turbines. In Mechanical Systems and Signal Processing, 70-71 (2016), S. 161-175 und McFadden op. cit.).
Damit ist es möglich, die absolute Winkelstellung φ_0,C des Planetenträgers 34, die absolute Winkelstellung φ_0,P der Planetenräder P₁ , P₂ , P₃ und / oder die absolute Winkelstellung φ_0,S des Sonnenrades S rechnerisch zu bestimmen. Alternativ können die absoluten Drehwinkeldaten φ₀ auch durch einen Drehwinkelgeber (z.B. an der Antriebswelle) ermittelt werden.
Dies alles (4 und 5) erfolgt in 3 der Schritt 102.
Somit können aus den gemessenen Schwingungsdaten a(t), winkelabhängige Schwingungsdaten a(cp) bestimmt werden (siehe Schritt 101 in 3), die dann dazu dienen, die gemessenen Schwingungsdaten mittels Schritt 102 einzelnen Zahnpaarungen zuzuordnen. Dies ist in 3 als Ergebnis des Schrittes 103 dargestellt.
Nun kann festgestellt werden, welche Art von Schäden an einer einzelnen Zahnpaarung vorliegt.
Dazu wird ein Rechnermodell M verwendet, das mittels maschinellem Lernen ermittelt wurde (z.B. Support-Vector-Machine, artificial neuronal networks, Markovketten oder vergleichbare Algorithmen). In Versuchen werden Schwingungsdaten mit Schwingungsmustern V (siehe 1) erhoben, die von bekannten Schäden an Zähnen erzeugt werden. Damit können durch entsprechendes Training Klassen von Schäden, d.h. anhand der Klassifikation der Schwingungsmuster V, ermittelt werden, welche sich an bestimmten Mustern in den Schwingungsdaten zeigen.
Somit kann in Schritt 104 der 3 eine Fehlerklassifikation und -zuordnung, und zwar zahngenau, durchgeführt werden, so dass insbesondere online erkannt (d.h. im Betrieb) werden kann, an welcher Zahnpaarung oder welchem einzelnen Zahn ein Schaden vorliegt. Als Ergebnis des Schritts 104 wird ein Signal 111 mit einer Statusinformation für die mindestens eine Zahnpaarung und / oder den mindestens einen Zahn abgegeben.
Es sei angemerkt, dass die Ausführungsform des Verfahrens hier am Beispiel eines Planetengetriebes dargestellt wurde (siehe auch 7 bis 9). Grundsätzlich ist es auch möglich Zähne und / oder Zahnpaarungen in anderen Maschinenteilen so zu untersuchen. So können z.B. Zahnwellen, Keilwellen oder Welle-Nabe Verbindung mit Schwingungssensoren 50 gekoppelt werden, um aus den Schwingungsdaten a(t) Rückschlüsse auf mögliche Schäden zu ziehen. Auch dabei erfolgt zunächst eine winkelabhängige Trennung der Signale für eine kinematische (oder geometrische) Zuordnung der Schwingungsursache. Anschließend kann dann mit dem Rechnermodell M anhand der ermittelten Schwingungsmuster V festgestellt werden, welcher Art der Schaden ist.
In der 6 ist eine zweite Ausführungsform dargestellt, die auf der Ausführungsform gemäß 3 beruht. Auf die entsprechende Beschreibung kann daher Bezug genommen werden.
Bei dieser Ausführungsform ist der Schritt 104 der ersten Ausführungsform in mehrere Schritte 104a, 104b aufgespalten. Die Ermittlung des Schadensmodells 107 wird hier ebenfalls als gesonderter Schritt dargestellt.
Die aufgetrennten Signale aus dem Schritt 103 werden hier in einer Signalanalyse 104a noch weiter aufbereitet. So werden unter Hinzuziehung weiterer Getriebeparameter, wie der Öltemperatur ϑ_Oil, der Getriebetemperatur ϑ_PGB und / oder dem anliegenden Drehmoment M(t) Signalanalysen im Zeit- und / oder Frequenzbereich, sowie im Drehwinkel- und Ordnungsbereich durchgeführt. Im anschließenden Schritt 104b erfolgt dann die Klassifizierung der Schadensereignisse unter Verwendung des Rechnermodells M, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben.
Möglichkeiten für Methoden in der Signalanalyse 104b sind:

• Rauschunterdrückungsverfahren: drehwinkelsynchrone Mittelung (TSA), Blinde Quellentrennung.
• Zeit-Frequenz-Transformationen: CWT, STFT, Wigner-Ville-Verteilung.
• Schätzalgorithmen: Extended-Kalman-Filter zur Schätzung der dominierenden Schwingungs-Harmonischen und Separation von nichtlinearen Schwingungseinflüssen, welche aus lokalen Schäden resultieren können.

Die Auswertung erfolgt dabei zahnabhängig. Mittels der Signalanalyse 104a werden Merkmale (beschreiben u.a. Lastspitzen und Signalabnormalitäten auf den Zahnflanken) des Zahneingriffs erzeugt, um diese anschließend an die Fehlerklassifikations- und Fehlerdiagnose 104b zu übergeben, welche den Zweck haben, Schäden zu erkennen, zu separieren und zu beschreiben. Hierzu muss das verwendete Rechenmodell M zuvor mittels geeigneten Versuchen an Komponentenprüfständen antrainiert werden.
Dabei kann z.B. ein Biegebalkenmodell verwendet werden. Im Rahmen physikalisch sinnvoller Modellvariationen wird das Verhalten des realen schwingfähigen Systems mit Hilfe eines Biegebalkenmodells durch Approximation der Zahngeometrie und Anregung als Punktlast abgebildet. Die Anregung wird hervorgerufen durch die wirkenden Zahnnormalkräfte während des Zahneingriffs. Mit Hilfe des Modells werden dann die Deformation und der gedämpfte Schwingungsvorgang berechnet. Zahnschäden führen hierbei u.a. zu einer Verschiebung der Zahneingriffsschwingung (inklusive der Oberwellen) in ihrer Mittenfrequenz und Amplitude. Wird das Schwingungsverhalten im fehlerfreien Fall durch das Biegebalkenmodell hinreichend genau beschrieben, ist dann im Rahmen einer modellbasierten Zustandsüberwachung ein Beobachter in der Lage Abweichungen vom fehlerfreien Schwingungsverhalten bei auftretenden Zahnschäden zu detektieren.
In Abhängigkeit vom diagnostizierten Schadensfall, wird in der Versagensfehlerklassifikation 104 ein geeignetes Schadensmodell 107 (z.B. Verschleißmodell, Pittingmodell, Risswachstumsmodell) ausgewählt. Hierdurch kann die Degradierung auf den Zahnflanken in Abhängigkeit der generierten Schadensmerkmale beschrieben werden.
Aus der Fehlerklassifikation 104b und dem Schadensmodell 107 wird eine Abschätzung zum aktuellen Zustand der Verzahnung abgeleitet und diese Information zu Indikationszwecken im Verarbeitungsblock „Status“ 111 weiterverarbeitet. Dieser beschreibt den aktuellen Ist-Zustand der Verzahnung. Es wird z.B. ein Zustandsindikator (0-100%) ausgegeben.
Wenn das Schadensmodell 107 nicht vorhanden ist, dann kann eine Gradientenabschätzung mit den historischen Daten eingesetzt werden, um den Fehlerfortschritt zu quantifizieren und mit der Fehlererkennung die Lebensdauerprognose zu adaptieren.
Beispiele für geeignete Merkmale für die Fehlerklassifikation sind:

• Zeitbasierte Zustandsindikatoren: Residual Analysis, Energy Ratio, Energy Operator, FM0, FM4, AM Analysis, FM Analysis, NB4, NA4, NA4*.

Quellen:

• Zhu, Junda; Nostrand, Tom; Spiegel, Cody; Morton, Brogan (2014): Survey of Condition Indicators for Condition Monitoring Systems. In: ANNUAL CONFERENCE OF THE PROGNOSTICS AND HEALTH MANAGEMENT SOCIETY 2014.
• Antoliek et al., Evaluation of Gear Condition Indicator Performance on Rotorcraft Fleet, https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20100023278.pdf
• Delgado et al., Continued Evaluation of Gear Condition Indicator Performance on Rotorcraft Fleet, NASA / TM - 2013-277876, 2013
•Zakrajsek, An Investigation of Gear Mesh Failure Techniques, NASA TM 10234, 1989
• Zhang et al., Features for Fault Diagnosis and Prognosis of Gearbox, Chemical Engineering Transactions, Vol. 33, 2013, S. 1027ff
• Statistische Merkmale: RMS, Peak, Peak to Peak, Kurtosis, Crest Factor, Skewness.
• Frequenzbasierte Merkmale: Statistische Kenngrößen aus CWT- oder Wavelet-Koeffizienten

Darüber hinaus soll insbesondere die Fehlererkennung durch bestimmte Ereignisse, welche beispielsweise infolge einer Überschreitung vordefinierter Grenzwerte ausgelöst werden, unterstützt werden.
Beispielsweise (siehe 10) können hierzu Zustandsindikatoren mittels einer Residual Analysis aus dem Seitenbandspektrum berechnet werden. Der RMS-Wert des Seitenbandspektrums bildet dann einen eindimensionalen Zustandsindikator, welcher in 10 für einen mit der Zeit fortschreitenden Pittingschaden dargestellt ist. Hierbei zeigt sich, dass mit zunehmendem Schaden ein vordefinierter Grenzwert T überschritten wird.
Neben der Signalanalyse 104a und der Fehlerklassifikations- und Fehlerdiagnose 104b umfasst die zweite Ausführungsform noch eine weitere Erweiterung gegenüber der ersten Ausführungsform, die zusätzlich (wie in 6 dargestellt) eingesetzt werden kann.
Dabei werden die Ergebnisse der Signalanalyse 104a und der Fehlerklassifikations- und Fehlerdiagnose 104b für eine Lebensdauervorhersage 109, 110 oder für Offline-Analysen (106) genutzt.
Die Rohdaten α(φ) und A(f) aus der Signalanalyse 104a werden zusätzlich an einen Ringspeicher 105 übergeben, um einen Trend 108 der Merkmalsveränderungen des Zahneingriffsmusters zu ermöglichen und darüber hinaus werden die Rohdaten in ein Schadensmodell 107 eingespeist. Die berechneten Quantile können hierbei über den Lebenszyklus hinaus (aus historischen Daten 105 und Flugzeug-Flottendaten) zur Trendanalyse 108 verwendet werden.
Zusätzlich wird a-Priori Knowledge 120, 121 verwendet. Dies ist hier Wissen über die Zahneingriffsfrequenz und die theoretischen Seitenbänder im Gut-fall. Weiteres Vorwissen ist z.B. notwendig um die Grenzen bzw. die Schadensfallausprägung im Schwingungssignal zu kennen (z.B. Pitting = Erhöhung der Amplituden in den Seitenbändern, Zahnanriss sichtbar in den Verschiebungen der Seitenbänder).
In Schritt 105 werden Kurzzeit-Daten gespeichert und in Schritt 106 für die Offline-Diagnose von der Engine auf eine Bodenstation transferiert. Die Langzeit-Trenddaten sowie Flotteninformationen werden in Schritt 105 empfangen und in Schritt 108 für eine Trendanalyse bereitgestellt.
In der 6 ist ferner dargestellt, dass das Schadensmodell 107 und das Ergebnis der Klassifikation 104b dazu verwendet werden, um ein Lebenszeitmodell 109 aufzubauen.
Im Lebenszeitmodel („Lifetime Prediction Model“) 109 wird die Abschätzung zwischen dem aktuell geschätzten Ist-Zustand 111 der Verzahnung und dem Vergleich historischer Merkmale (als Trend-Analyse 107) vom Zahneingriff vorgenommen, um die verbleibende Lebensdauer des mechanischen Systems, insbesondere eines Getriebes, (RUL) 110 zu bestimmen und an den tatsächlichen Operationsbetrieb (adaptiv) anzupassen.
Optional kann unter Hinzuziehung weiterer externer Datenquellen, wie Wetterdaten, die Restlebensdauerschätzung 111 noch weiter verbessert werden.
Die in 3 und 6 dargestellten Ausführungsformen können zur Realisierung der Funktionen Softwarebausteine und / oder speziell programmierte Prozessoren verwenden.
In den 7 bis 9 wird als Beispiel eines mechanischen Systems, das mithilfe einer der Ausführungsformen auf Zahnschäden überwacht, ein Planetengetriebe 30 in einem Gasturbinentriebwerk 10 beschrieben. Diese Planetengetriebe 30 müssen über sehr lange Zeit zuverlässig funktionieren, so dass eine Überwachung auf Zahnschäden im Betrieb und auch eine Lebensdauerschätzung sinnvoll ist.
7 stellt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9 dar. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und ein Fan 23, der zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypassluftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Kern 11, der den Kernluftstrom A aufnimmt. Das Kerntriebwerk 11 umfasst in Axialströmungsreihenfolge einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 15, eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kernschubdüse 20. Eine Triebwerksgondel 21 umgibt das Gasturbinentriebwerk 10 und definiert einen Bypasskanal 22 und eine Bypassschubdüse 18. Der Bypassluftstrom B strömt durch den Bypasskanal 22. Der Fan 23 ist über eine Welle 26 und ein epizyklisches Planetengetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird durch diese angetrieben.
Im Betrieb wird der Kernluftstrom A durch den Niederdruckverdichter 14 beschleunigt und verdichtet und in den Hochdruckverdichter 15 geleitet, wo eine weitere Verdichtung erfolgt. Die aus dem Hochdruckverdichter 15 ausgestoßene verdichtete Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 16 geleitet, wo sie mit Kraftstoff vermischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte breiten sich dann durch die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 17, 19 aus und treiben diese dadurch an, bevor sie zur Bereitstellung einer gewissen Schubkraft durch die Düse 20 ausgestoßen werden. Die Hochdruckturbine 17 treibt den Hochdruckverdichter 15 durch eine geeignete Verbindungswelle 27 an. Der Fan 23 stellt allgemein den Hauptteil der Schubkraft bereit. Das epizyklische Planetengetriebe 30 ist ein Untersetzungsgetriebe.
Eine beispielhafte Anordnung für ein Getriebe-Fan-Gasturbinentriebwerk 10 wird in 8 gezeigt. Die Niederdruckturbine 19 (siehe 7) treibt die Welle 26 an, die mit einem Sonnenrad 28 des epizyklischen Planetengetriebes 30 gekoppelt ist. Mehrere Planetenräder 32, die durch einen Planetenträger 34 miteinander gekoppelt sind, befinden sich von dem Sonnenrad 28 radial außen und kämmen damit. Der Planetenträger 34 führt die Planetenräder 32 so, dass sie synchron um das Sonnenrad 28 kreisen, während er ermöglicht, dass sich jedes Planetenrad 32 um seine eigene Achse drehen kann. Der Planetenträger 34 ist über Gestänge 36 mit dem Fan 23 dahingehend gekoppelt, seine Drehung um die Triebwerksachse 9 anzutreiben. Ein Außenrad oder Hohlrad 38, das über Gestänge 40 mit einer stationären Stützstruktur 24 gekoppelt ist, befindet sich von den Planetenrädern 32 radial außen und kämmt damit.
Es wird angemerkt, dass die Begriffe „Niederdruckturbine“ und „Niederdruckverdichter“, so wie sie hier verwendet werden, so aufgefasst werden können, dass sie die Turbinenstufe mit dem niedrigsten Druck bzw. die Verdichterstufe mit dem niedrigsten Druck (d. h. dass sie nicht den Fan 23 umfassen) und/oder die Turbinen- und Verdichterstufe, die durch die verbindende Welle 26 mit der niedrigsten Drehzahl in dem Triebwerk (d. h. dass sie nicht die Getriebeausgangswelle, die den Fan 23 antreibt, umfasst) miteinander verbunden sind, bedeuten. In einigen Schriften können die „Niederdruckturbine“ und der „Niederdruckverdichter“, auf die hier Bezug genommen wird, alternativ dazu als die „Mitteldruckturbine“ und „Mitteldruckverdichter“ bekannt sein. Bei der Verwendung derartiger alternativer Nomenklatur kann der Fan 23 als eine erste Verdichtungsstufe oder Verdichtungsstufe mit dem niedrigsten Druck bezeichnet werden.
Das epizyklische Planetengetriebe 30 wird in 9 beispielhaft genauer gezeigt. Das Sonnenrad 28, die Planetenräder 32 und das Hohlrad 38 umfassen jeweils Zähne an ihrem Umfang, um ein Kämmen mit den anderen Zahnrädern zu ermöglichen. Jedoch werden der Übersichtlichkeit halber lediglich beispielhafte Abschnitte der Zähne in 9 dargestellt. Obgleich vier Planetenräder 32 dargestellt werden, liegt für den Fachmann auf der Hand, dass innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung mehr oder weniger Planetenräder 32 vorgesehen sein können. Praktische Anwendungen eines epizylischen Planetengetriebes 30 umfassen allgemein mindestens drei Planetenräder 32.
In 9 ist schematisch ein Schwingungssensor 50 dargestellt, der außen am Gehäuse des Getriebes 30 angeordnet ist. Dabei kann dieser Schwingungssensor 50 z.B. einen Körperschallsensor und einen Beschleunigungssensor umfassen, um bereitere Frequenzbereiche abzudecken. Die antreibende Welle ist mit einem Drehwinkelsensor 51 gekoppelt, mit dem eine kinematische oder geometrische Zuordnung der Zähne der Planetenräder 32, der Zähne im Hohlrad 38 und der Zähne des Sonnenrades 28 möglich ist. Die Sensoren 50, 51 sind mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung 60 gekoppelt, die die z.B. in den 3 und 6 beschriebenen Funktionen ausführen kann.
Das in 8 und 9 beispielhaft dargestellte epizyklische Planetengetriebe 30 ist ein Planetengetriebe, bei dem der Planetenträger 34 über Gestänge 36 mit einer Ausgangswelle gekoppelt ist, wobei das Hohlrad 38 festgelegt ist. Jedoch kann eine beliebige andere geeignete Art von Planetengetriebe 30 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel kann das Planetengetriebe 30 eine Sternanordnung sein, bei der der Planetenträger 34 festgelegt gehalten wird, wobei gestattet wird, dass sich das Hohlrad (oder Außenrad) 38 dreht. Bei solch einer Anordnung wird der Fan 23 von dem Hohlrad 38 angetrieben. Als ein weiteres alternatives Beispiel kann das Getriebe 30 ein Differenzialgetriebe sein, bei dem gestattet wird, dass sich sowohl das Hohlrad 38 als auch der Planetenträger 34 drehen.
Es versteht sich, dass die in 8 und 9 gezeigte Anordnung lediglich beispielhaft ist und verschiedene Alternativen in dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung liegen. Lediglich beispielhaft kann eine beliebige geeignete Anordnung zur Positionierung des Getriebes 30 in dem Gasturbinentriebwerk 10 und/oder zur Verbindung des Getriebes 30 mit dem Gasturbinentriebwerk 10 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel können die Verbindungen (z. B. die Gestänge 36, 40 in dem Beispiel von 8) zwischen dem Getriebe 30 und anderen Teilen des Gasturbinentriebwerks 10 (wie z. B. der Eingangswelle 26, der Ausgangswelle und der festgelegten Struktur 24) einen gewissen Grad an Steifigkeit oder Flexibilität aufweisen. Als ein weiteres Beispiel kann eine beliebige geeignete Anordnung der Lager zwischen rotierenden und stationären Teilen des Gasturbinentriebwerks 10 (beispielsweise zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle des Getriebes und den festgelegten Strukturen, wie z. B. dem Getriebegehäuse) verwendet werden, und die Offenbarung ist nicht auf die beispielhafte Anordnung von 8 beschränkt. Beispielsweise ist für den Fachmann ohne Weiteres erkenntlich, dass sich die Anordnung von Ausgang und Stützgestängen und Lagerpositionierungen bei einer Sternanordnung (oben beschrieben) des Getriebes 30 in der Regel von jenen, die beispielhaft in 8 gezeigt werden, unterscheiden würden.
Entsprechend dehnt sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk mit einer beliebigen Anordnung der Getriebearten (beispielsweise sternförmig oder epizyklisch planetenartig), Stützstrukturen, Eingangs- und Ausgangswellenanordnung und Lagerpositionierungen aus.
Optional kann das Getriebe Neben- und/oder alternative Komponenten (z. B. den Mitteldruckverdichter und/oder einen Nachverdichter) antreiben.
Andere Gasturbinentriebwerke, bei denen die vorliegende Offenbarung Anwendung finden kann, können alternative Konfigurationen aufweisen. Beispielsweise können derartige Triebwerke eine alternative Anzahl an Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl an Verbindungswellen aufweisen. Als ein weiteres Beispiel weist das in 7 gezeigte Gasturbinentriebwerk eine Teilungsstromdüse 20, 22 auf, was bedeutet, dass der Strom durch den Bypasskanal 22 seine eigene Düse aufweist, die von der Triebwerkskerndüse 20 separat und davon radial außen ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend und ein beliebiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke zutreffen, bei denen der Strom durch den Bypasskanal 22 und der Strom durch den Kern 11 vor (oder stromaufwärts) einer einzigen Düse, die als eine Mischstromdüse bezeichnet werden kann, vermischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (ob Misch- oder Teilungsstrom) kann einen festgelegten oder variablen Bereich aufweisen. Obgleich sich das beschriebene Beispiel auf ein Turbofantriebwerk bezieht, kann die Offenbarung beispielsweise bei einer beliebigen Art von Gasturbinentriebwerk, wie z. B. bei einem Open-Rotor- (bei dem die Fanstufe nicht von einer Triebwerksgondel umgeben wird) oder einem Turboprop-Triebwerk, angewendet werden. Bei einigen Anordnungen umfasst das Gasturbinentriebwerk 10 möglicherweise kein Getriebe 30.
Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 10 und Komponenten davon wird bzw. werden durch ein herkömmliches Achsensystem definiert, das eine axiale Richtung (die auf die Drehachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung (in der Richtung von unten nach oben in 7) und eine Umfangsrichtung (senkrecht zu der Ansicht in 7) umfasst. Die axiale, die radiale und die Umfangsrichtung verlaufen senkrecht zueinander.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese.
Bezugszeichenliste

9: Hauptdrehachse
10: Gasturbinentriebwerk
11: Kerntriebwerk
12: Lufteinlass
14: Niederdruckverdichter
15: Hochdruckverdichter
16: Verbrennungseinrichtung
17: Hochdruckturbine
18: Bypassschubdüse
19: Niederdruckturbine
20: Kernschubdüse
21: Triebwerksgondel
22: Bypasskanal
23: Fan
24: stationäre Stützstruktur
26: Welle
27: Verbindungswelle
28: Sonnenrad
30: Getriebe
32: Planetenräder
34: Planetenträger
36: Gestänge
38: Hohlrad
40: Gestänge
50: Schwingungssensor
51: Drehwinkelsensor
60: Datenverarbeitungsvorrichtung
a(t): Schwingungsdaten
(p(t): Drehzahlsensordaten
A: Kernluftstrom
B: Bypassluftstrom
M: Rechnermodell für Schadensklassen
P_i: Planetenräder (i=1, ..., 3)
S: Sonnenrad
V: Schwingungsmuster

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Zhu, Junda; Nostrand, Tom; Spiegel, Cody; Morton, Brogan (2014): Survey of Condition Indicators for Condition Monitoring Systems. In: ANNUAL CONFERENCE OF THE PROGNOSTICS AND HEALTH MANAGEMENT SOCIETY 2014 [0107]
Delgado et al., Continued Evaluation of Gear Condition Indicator Performance on Rotorcraft Fleet, NASA / TM - 2013-277876, 2013 [0107]
Zakrajsek, An Investigation of Gear Mesh Failure Techniques, NASA TM 10234, 1989 [0107]
Zhang et al., Features for Fault Diagnosis and Prognosis of Gearbox, Chemical Engineering Transactions, Vol. 33, 2013, S. 1027ff [0107]

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Zustandes mindestens einer Zahnpaarung und / oder mindestens eines Zahnes in einem mechanischen System, insbesondere in einem Zahnradgetriebe (30) oder einer Keilwelle, dadurch gekennzeichnet, dass a) Schwingungsdaten (a(t)) des mechanischen Systems von mindestens einem Schwingungssensor (50) aufgenommen werden (101), wobei b) die Schwingungsdaten (a(t)) mittels Drehwinkeldaten (φ(t), φ₀) kinematisch oder geometrisch der mindestens einen Zahnpaarung und / oder dem mindestens einen Zahn als Quelle mindestens eines Schwingungsmusters (V) zugeordnet wird (102, 103), wobei das mindestens eine Schwingungsmuster (V) charakteristisch für einen mechanischen Schaden an der mindestens einen Zahnpaarung und / oder am mindestens einen Zahn ist und c) mittels eines Rechnermodells (M) festgestellt wird (104), welcher Art der Schaden ist, und ein entsprechendes Signal, insbesondere die Wahl eines Schadensmodells (107), zur Charakterisierung des Ist-Zustandes (111) der mindestens einen Zahnpaarung und / oder des mindestens einen Zahnes abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechnermodell (M) mittels maschinellen Lernens anhand von mechanischen Schadensfällen trainiert wurde.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schwingungssensor (50) als Beschleunigungssensor oder Körperschallsensor ausgebildet ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung eines Schwingungsmusters (V) zu einem Schaden anhand der Frequenz erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Zuordnung des Schwingungsmusters (V) zu mindestens einer Zahnpaarung und / oder mindestens einem Zahn Getriebeparameter, insbesondere die Öltemperatur (ϑ_Oil), die Getriebetemperatur (ϑ_PGB) und / oder das Drehmoment (M(t)), bei einer Signalanalyse berücksichtigt werden (104a).
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalanalyse (104a) im Zeit- und / oder Frequenzbereich, sowie im Drehwinkel- und / oder Ordnungsbereich durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalanalyse (104b) einen Schätzalgorithmus verwendet, insbesondere einen extended Kalman-Filter zur Schätzung der dominierenden Schwingungs-Harmonischen und zur Separation von nichtlinearen Schwingungseinflüssen, welche aus lokalen Schäden resultieren.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ oder zusätzlich zum Schadensmodell (107) eine Gradientenabschätzung aus historischen Daten verwendet wird, um den Fortschritt des Schadens zu bestimmen.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Ist-Zustand der mindestens einen Zahnpaarung und / oder des mindestens einen Zahnes (111) und historischer Daten (105) mit einer anschließenden Trendanalyse (108) automatisch ein Lebenszeitmodell (109, 110) des mechanischen Systems ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorhersage unter Verwendung des Lebenszeitmodells (109, 110) adaptiv zur Steuerung oder Regelung des mechanischen Systems, insbesondere eines Getriebes 30, verwendet wird.
Vorrichtung zur Ermittlung des Zustandes mindestens einer Zahnpaarung und / oder mindestens eines Zahnes in einem mechanischen System, insbesondere in einem Zahnradgetriebe oder einer Keilwelle, gekennzeichnet durch a) mindestens einen Schwingungssensor (50) zur Aufnahme von Schwingungsdaten (a(t)) des mechanischen Systems, b) ein Mittel zur kinematischen oder geometrischen Zuordnung (102, 103) der Schwingungsdaten (a(t)) mittels Drehwinkeldaten (φ(t), φ₀) der mindestens einen Zahnpaarung und / oder dem mindestens einen Zahn als Quelle mindestens eines Schwingungsmusters (V), wobei das mindestens eine Schwingungsmuster (V) charakteristisch für einen mechanischen Schaden an der mindestens einen Zahnpaarung und / oder am mindestens einen Zahn ist und c) einem Mittel zur Bestimmung des Schadens (104, 107) mittels eines Rechnermodells (M) und zur Abgabe eines entsprechendes Signals, insbesondere die Wahl eines Schadensmodells (107), zur Charakterisierung des Ist-Zustandes (111) der mindestens einen Zahnpaarung und / oder des mindestens einen Zahnes.
Gasturbinentriebwerk (10) für ein Luftfahrzeug, das Folgendes umfasst: ein Kerntriebwerk (11), das eine Turbine (19), einen Verdichter (14) und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle (26) umfasst; einen Fan (23), der stromaufwärts des Kerntriebwerks (11) positioniert ist, wobei der Fan (23) mehrere Fanschaufeln umfasst; und ein Getriebe (30), das von der Kernwelle (26) antreibbar ist, wobei der Fan (23) mittels des Getriebes (30) mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle (26) antreibbar ist, mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 11.