DE102018130389A1

DE102018130389A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung eines Getriebes

Info

Publication number: DE102018130389A1
Application number: DE102018130389.0A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Nowoisky; Peter HACKENBERG
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2020-06-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Getriebes (30) in einem Gasturbinentriebwerk (10), insbesondere in einem Fangetriebe-Triebwerk eines Flugzeugs, gekennzeichnet durch mindestens einen Luftschallsensor (51, 52, 53) zur Detektion von Luftschallemissionen (L) des Getriebes (30) und mit einem Abtastungsmittel (61) für eine Abtastung der detektierten Luftschallemissionen (L) synchron zur Rotation mindestens eines Teils des Getriebes (30). Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Überwachung eines Getriebes.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung eines Getriebes mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Überwachung eines Getriebes mit den Merkmalen des Anspruchs 17.
Die Bestimmung von Schäden oder die Vorhersage von Schäden an Getrieben dient u.a. dazu, die Betriebssicherheit zu erhöhen. In der DE 41 38 603 A1 wird z.B. die Überwachung eines Getriebes mit Körperschall beschrieben. Die Verwendung von Luftschall, allerdings nicht im Zusammenhang mit Getrieben, wird in der EP 2 131 037 B1 beschrieben. Die EP 2 498 076 A1 verwendet Körperschall zur Überwachung eines Getriebes in Windkraftwerken.
In Gasturbinentriebwerken, insbesondere in Fangetriebe-Triebwerken von Flugzeugen werden Umlaufgetriebe (Planetengetriebe/ Sterngetriebe) verwendet, um die relativ hohen Drehzahlen einer Turbine zum Antrieb eines Fans des Triebwerks herabzusetzen. Diese Umlaufgetriebe sind hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt, so dass effektive Überwachungsverfahren und -vorrichtungen benötigt werden.
Dies wird durch eine Vorrichtung zur Überwachung eines Getriebes in einem Gasturbinentriebwerk, insbesondere in einem Fangetriebe-Triebwerk eines Flugzeugs, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 adressiert.
Dabei dient mindestens ein Luftschallsensor zur Detektion von Luftschallemissionen des Getriebes. Ein Abtastungsmittel führt eine Abtastung der detektierten Luftschallemissionen synchron zur Rotation mindestens eines Teils des Getriebes durch. Da Schäden und / oder sich anbahnende Schäden (insbesondere an Zahnflanken) durch unterschiedliche akustische Charakteristiken auszeichnen, kann der mindestens eine Luftschallsensor dazu dienen, den emittierten Luftschall (und Änderungen im Luftschall) zu erfassen. Durch die rotations-synchronisierte Erfassung (z.B. bezogen auf die Rotation der Abtriebswelle des Getriebes) wird sichergestellt, dass z.B. Zahnflankenpaarungen unabhängig von der variablen Drehzahl erfasst werden, mit der das Getriebe betrieben wird.
Die rotations-synchrone Erfassung kann in einer Ausführungsform effizient erfolgen, indem das Abtastungsmittel mit mindestens einem Winkelsignalgeber für das mindestens eine rotierende Teil des Getriebes gekoppelt ist, insbesondere einem phonischen Rad. Das phonische Rad kann z.B. mit der Antriebswelle eines Fans des Triebwerkes gekoppelt sein, der über das Getriebe angetrieben wird.
Ferner ist es möglich, dass ein Mittel zur Bestimmung einer Abweichung der detektierten Luftschallemissionen von Vergleichsdaten, insbesondere von Schwellenwerten für zeit- und oder frequenzbasierte Merkmale der Luftschallemissionen eingesetzt wird. So können z.B. Lautstärkeänderungen (d.h. Schalldruckänderungen) und / oder Frequenzänderungen im Luftschall erfasst werden, wenn sie zulässige Bereiche überschreiten.
Für eine effiziente Erfassung der Luftschallemissionen kann der mindestens eine Luftschallsensor in räumlicher Nähe zum Getriebe angeordnet sein, insbesondere im Kerntriebwerk axial vor dem Einlauf des Niederdruckverdichters. In diesem Bereich befindet sich ausreichend Bauraum für ein Getriebe, mit dem der Fan angetrieben wird. Zusätzlich oder alternativ kann der mindestens eine Luftschallsensor an einem statischen Gehäuseteil des Gasturbinentriebwerks, insbesondere an einer Strebe im Einlaufbereich des Niederdruckverdichters angeordnet sein.
Auch kann der mindestens eine Luftschallsensor in einer Ausführungsform mit einer Leitung für die Luftschallemission des Getriebes gekoppelt sein. Dies kann zum Beispiel mit einem einseitig geschlossenen Trichter realisiert werden, dessen großes offenes Ende zum Getriebegehäuse zeigt und den dort emittierten Luftschall aufnimmt (Hörrohrprinzip). An dem geschlossenen Ende werden der Luftschallsensor und ein Dämpfungselement, welches stehende Wellen verhindert, eingebracht.
In einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine Luftschallsensor mindestens teilweise in der Kavität des Getriebes angeordnet. Damit kann der Luftschall unmittelbar aufgenommen werden. Das eigentliche Sensorelement, kann dabei insbesondere außerhalb der Kavität angeordnet sein, damit es leichter gewartet oder ausgetauscht werden kann. Der Schall kann dann über eine Luftschallführungsvorrichtung, z.B. in Form eines Trichters, aus der Kavität zum Sensorelement geführt werden.
Da in der Nähe des Getriebes und / oder in anderen Teilen eines Gasturbinentriebwerks in der Regel feinverteiltes Getriebeöl in der Luft vorliegt, weist in einer Ausführungsform der mindestens eine Laufschallsensor ein Mittel zur Abtrennung und / oder Filterung des feinverteilten Getriebeöls in der Luft auf, insbesondere eine Membran, ein Sieb und / oder mindestens eine Prallvorrichtung. Wenn die Prallvorrichtungen z.B. in Form eines Mäanders angeordnet sind, kann das eigentliche Sensorelement vor dem feinverteilten Getriebeöl geschützt werden.
In einer anderen Ausführungsform weist der mindestens eine Luftschallsensor eine Bandbreite für Luftschall im Bereich von 4 Hz bis 40 kHz auf.
Wenn in einer Ausführungsform mindestens drei Luftschallsensoren eingesetzt werden, kann mit einem Mittel zur Triangulation der Ursprungsort mindestens einer Luftschallemission des Getriebes ermittelt werden. Bei der Triangulation werden z.B. die Schalllaufzeiten z.B. eines charakteristischen Signals (ein Peak, eine Phasenverschiebung, eine Frequenzänderung etc.) zu den mindestens drei Luftschallsensoren erfasst. Da die räumlichen Positionen der Luftschallsensoren bekannt sind und eine synchronisierte Zeiterfassung vorliegt, kann das Mittel zur Triangulation den Ursprungsort der Luftschallemission berechnen.
Zur Analyse des von den einzelnen auftretenden Zahneingriffen im Getriebe emittierten Schalls kann mittels der Methode der blinden Quellentrennung in einer Ausführungsform der Luftschall jedes Zahneingriffs separiert werden. Dazu ist eine Anzahl räumlich verteilter Luftschallsensoren notwendig, die mindestens der Anzahl der Zahneinsgriffsemission entspricht.
Wenn in einer Ausführungsform ein Mittel zur automatischen Klassifizierung von Luftschallemissionen vorgesehen ist, können Schäden an Zähnen des Getriebes, insbesondere Spalling, Pitting und / oder Zahnfußrisse erkannt werden. Die automatische Klassifizierung kann z.B. im Rahmen eines maschinellen Lernverfahrens gewonnen werden. Ein Rechnermodell kann dabei auf die entsprechenden akustischen Ereignisse trainiert werden.
Dabei kann z.B. auch der Einfluss von Temperatur und Luftdruck berücksichtigt werden, denn diese Zustandsgrößen haben einen Einfluss auf die Schallausbreitung.
Durch Überwachung der Luftschallemissionen des Getriebes über einen gewissen Zeitraum und durch Heranziehung von statistischen Daten des betreffenden Getriebes oder ähnlichen Getrieben, kann ein Rechnermittel eine Schadensprognostik, und / oder Schadensprogression ermittelten. Geeignet ist an dieser Stelle eine Residualanalyse zwischen neuen und aktuellen Daten. Als Methodik bieten sich an Klassifikationsalgorithmen wie z.B. Bayes-Klassifikator, Neuronale Netze, Support Vector Machines. Damit kann z.B. ein Getriebe ausgetauscht werden, wenn auf Grund der Vorhersage ein Zahnschaden vorhergesagt wird.
Auch kann es sinnvoll sein, ein Mittel zur Filterung und / oder Mittelung der detektierten Luftschallemissionen vorzusehen, um bestimmte Bereich des Luftschalls herauszufiltern. Eine Mittelung erlaubt eine Kompensation von verrauschten Luftschallsignalen.
Die Überwachung der Luftschallemissionen kann insbesondere bei Umlaufgetrieben, insbesondere bei einem Planetengetriebe eingesetzt werden.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 adressiert.
Dabei erfolgt eine Detektion von Luftschallemissionen des Getriebes durch mindestens einen Luftschallsensor und eine Abtastung der detektierten Luftschallemissionen mit einem Abtastungsmittel synchron zur Rotation mindestens eines Teils des Getriebes. Insbesondere kann eine Abtastung mittels des Abtastungsmittels synchron zu einem Winkelsignal erfolgen, das mit mindestens einem Winkelsignalgeber für das mindestens eine rotierende Teil des Getriebes ermittelt wird. Damit kann eine winkelgenaue Zuordnung der Luftschallemission vorgenommen werden.
Auch ist es in einer Ausführungsform möglich, die Bestimmung einer Abweichung der detektierten Luftschallemissionen von Vergleichsdaten, insbesondere von Schwellenwerten für zeit- und / oder frequenzbasierte Merkmale der Luftschallemissionen vorzunehmen.
Eine Triangulation des Ursprungsortes mindestens einer Luftschallemission kann vorgenommen werden, wenn mindestens drei Luftschallsensoren eingesetzt werden. Mit einer größeren Anzahl an Luftschallsensoren kann die Genauigkeit verbessert werden. Auch kann die Laufzeit und / oder die Phasenverschiebung der Luftschallemission auf der Strecke zwischen dem Getriebe und dem mindestens einen Luftschallsensor ermittelt werden. Auf diese Weise können z.B. statische Einbauten, die Einfluss auf die Luftschallausbreitung haben, berücksichtigt werden.
Eine Ausführungsform des Verfahrens kann über eine automatische Klassifizierung von Luftschallemissionen, verursacht durch Schäden an Zähnen des Getriebes, insbesondere Spalling, Pitting und / oder eines Zahnfußrisse, verfügen.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erfolgt eine Kompensation von Temperatur- und / oder Luftdruckeinflüssen auf die Luftschallemissionen im oder am Getriebe.
Auch kann in einer Ausführungsform des Verfahrens ein Mittel zur Ermittlung der Schadensprognostik, und / oder Schadensprogression und / oder eine Filterung und / oder Mittelung der detektierten Luftschallemissionen eingesetzt werden.
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^-1 s, 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 dem 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 Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks;
2 eine Seitenschnittgroßansicht eines stromaufwärtigen Abschnitts eines Gastu rb i nentriebwerks;
3 eine zum Teil weggeschnittene Ansicht eines Getriebes für ein Gasturbinentriebwerk;
4 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Überwachung eines Getriebes;
5 eine schematische Darstellung eines Getriebes mit einer Vielzahl von Luftschallsensoren in Form einer Luftschallsensorvorrichtung;
6 eine schematische Schnittansicht eines Luftschallsensors;
7 eine schematische Darstellung von Luftschallsensoren, die in einer Ausführungsform um ein Getriebe herum angeordnet sind
8 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Messwerterfassung und -verarbeitung.

1 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 2 gezeigt. Die Niederdruckturbine 19 (siehe 1) 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 3 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 3 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.
Das in 2 und 3 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 2 und 3 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 2) 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 2 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 2 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 1 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 1) und eine Umfangsrichtung (senkrecht zu der Ansicht in 1) umfasst. Die axiale, die radiale und die Umfangsrichtung verlaufen senkrecht zueinander.
Getriebe 30, insbesondere Planetengetriebe, wie in 1 bis 3 dargestellt, sind erheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt, so dass eine Überwachung, insbesondere auf Schäden an den Zahnflanken und / oder am Zahnfuß sinnvoll ist.
In 4 ist eine erste Ausführungsform dargestellt, bei der ein Getriebe 30 mittels Luftschallemissionen L des Getriebes 30 überwacht wird.
Dabei werden in der dargestellten Ausführungsform drei räumlich verteilte Luftschallsensoren 51, 52, 53 verwendet, um den vom Getriebe 30 abgestrahlten Schall L zu erfassen. Die Luftschallsensoren 51, 52, 53 sind dabei als Mikrofone ausgeführt, die jeweils eine Schallbandbreite von 20 Hz bis 20 kHz haben, wobei technische Details der Luftschallsensoren 51, 52, 53 noch beschrieben werden. Grundsätzlich können auch andere Frequenzbereiche verwendet werden, die an die Bauform des Getriebes 30 und / oder die Betriebsbedingungen angepasst sind.
Das überwachte Getriebe 30 ist in der dargestellten Ausführungsform ein Planetengetriebe, das über das Sonnenrad 28 angetrieben wird. Die Hohlwelle 38 ist demgegenüber statisch ausgebildet. Der Abtrieb des Getriebes 30 erfolgt über den rotierenden Planetenträger 36. Die Drehgeschwindigkeit, d.h. die Änderung des Drehwinkels eines rotierenden Teils des Getriebes wird in der dargestellten Ausführungsform über einen Winkelsignalgeber 70 (z.B. ein phonisches Rad) an der Antriebswelle 71 des Fans 23 (hier nicht dargestellt) erfasst. Ein Rechner 60 zur Messdatenverarbeitung erhält somit die erfassten Signale der Luftschallsensoren 51, 52 und das Winkelsignal 70.
Wenn das Getriebe 30 fünf Planetenräder 32 aufweist, gibt es zu jederzeit insgesamt zehn Zahnflankenkontakte (z.B. 20 Zahneingriffskontakte durch Doppel-Schrägverzahnung). Alle diese Kontakte haben eine bestimmte Luftschallabstrahlcharakteristik, insbesondere, wenn eine Abnutzung, ein Schaden (z.B. Pitting) oder ein bevorstehender Schaden vorliegt. Diese Änderungen in der Luftschallemission L werden im Folgenden verwendet, um z.B. Schäden zu prognostizieren.
Der Umdrehungen des Sonnenrades 32 treiben das Getriebe 30 an, so dass eine Periodizität der Zahnflankenkontakte - und damit auch der Luftschallemissionen L - in Abhängigkeit von den Umdrehungen vorliegt.
Die detektierten Luftschallemissionen L werden mit einem Abtastungsmittel 61 auf dem Rechner 60 synchron zur Rotation mindestens eines Teils des Getriebes 30 abgetastet. Die Synchronisation wird mit Hilfe des Winkelsignals bewirkt, das z.B. jeweils eine Umdrehung von 360° anzeigt.
Damit werden die Luftschallsignale synchron zur Umdrehungsdrehzahl gemappt, was eine drehzahlunabhängiges Schwingungssignal ergibt, was nur vom Drehwinkel der Ausgangswelle 71 abhängt. Dabei werden die Luftschallsignale dem Drehwinkel zugeordnet. Damit wird die Zeit auf der X-Achse (Abszisse) durch die Angabe des Drehwinkels ersetzt. Damit wird eine spätere Mittelung des Signals ermöglicht, wodurch asynchrone Störeinflüsse deutlich reduziert sind. Auch können Luftschallsignale aus unterschiedlicher Drehzahl miteinander verglichen werden.
In der dargestellten Ausführungsform werden drei Luftschallsensoren 51, 52, 53 verwendet, die räumlich um das Getriebe 30 herum angeordnet sind und sich in dessen räumlicher Nähe befinden.
Der erste Luftschallsensor 51 ist in einer Strebe 54 (auch Strut genannt) angeordnet, die im Einlauf des Niederdruckverdichters 14 angeordnet ist. Diese Strebe 54 ist ein statisches Gehäuseteil, das in der räumlichen Nähe des Getriebes 30 angeordnet ist. In axialer Richtung ist der erste Luftschallsensor 51 auf der Höhe des Getriebes 30 angeordnet.
Der zweite Luftschallsensor 52 ist radial außerhalb des Niederdruckverdichters 14, aber immer noch im Kerntriebwerk 11 angeordnet. Axial ist der zweite Luftschallsensor 52 vor dem ersten Rotor des Niederdruckverdichters 14 angeordnet, so dass sich auch der zweite Luftschallsensor 52 in räumlicher Nähe zum Getriebe befindet.
Der dritte Luftschallsensor 53 ist im Inneren einer Kavität 41 angeordnet, in der sich das Getriebe 30 befindet. Anders als die beiden anderen Luftschallsensoren 51, 52, die außerhalb der Kavität 41 angeordnet sind, ist der dritte Luftschallsensor axial auf der Abtriebsseite des Getriebes 30 angeordnet.
Die hier dargestellte Ausführungsform ist lediglich beispielhaft zu verstehen. In anderen Ausführungsformen können alle Luftschallsensoren 51, 52, 53 auch an anderer Stelle angeordnet sein.
Alle drei Luftschallsensoren 51, 52, 53 sind mit dem Rechner 60 gekoppelt, der u.a. über ein Mittel zur Triangulation 65 aufweist. Damit kann ein Raumbereich des Getriebes 30 ermittelt werden, aus dem bestimmte Luftschallemissionen L stammen, die z.B. ein Versagen oder einen Schaden anzeigen.
Der Rechner 60 weist auch ein Mittel 63 zur Berücksichtigung der Laufzeit und / oder der Phasenverschiebung der Luftschallemission L auf der Strecke zwischen dem Getriebe 30 und den Luftschallsensoren 51, 52, 53 auf. Auch weist der Rechner 60 ein Mittel 66 zur Kompensation von Temperatur- und / oder Luftdruckeinflüssen auf die Luftschallemissionen L im oder am Getriebe 30.
Somit verfügt der Rechner 60 über eine Reihe von Mitteln, mit denen die aufgenommen Luftschallemissionen L detektiert und bearbeitet werden können.
Für die Auswertung der detektierten Luftschallemissionen L dient ein Mittel 62 zur Bestimmung einer Abweichung der detektierten Luftschallemissionen L von Vergleichsdaten. In einem einfachen Fall kann z.B. der plötzliche Anstieg der Lautstärke und / oder der Frequenz auf einen Schaden am Getriebe 30 hindeuten, der erkannt würde. Der Rechner 60 würde dann ein Signal S abgeben, das z.B. als Warnung im Cockpit des Flugzeuges angezeigt würde oder das einer automatischen Regelung zugeführt wird, die z.B. die Drehzahl des Gasturbinentriebwerks 10 in Abhängigkeit vom Signal S herabsetzen kann. Insbesondere kann der Mittel 62 zur Bestimmung von Abweichungen Schwellenwerten für zeit- und / oder frequenzbasierte Merkmale der Luftschallemissionen L verwenden.
Ferner weist der Rechner 60 noch ein Mittel 64 zur automatischen Klassifizierung von Luftschallemissionen L auf, die durch Schäden an Zähnen des Getriebes, insbesondere Spalling, Pitting und / oder eines Zahnfußrisses hervorgerufen werden. Dazu kann z.B. ein Modell im Rahmen des maschinellen Lernens verwendet werden, das die für die Schaden charakteristischen Muster in der Luftschallemission L unterscheiden kann.
Die Mittel 61, 62, 63, 64, 65, 66 im Rechner 60 können dabei als Software oder als Hardware, z.B. in Form eines Prozessors, ausgebildet sein. Es ist im Übrigen nicht zwingend, dass alle diese Mittel 61, 62, 63, 64, 65, 66 in allen Ausführungsformen vorhanden sind.
In der in 4 dargestellten Ausführungsform waren drei Luftschallsensoren 51, 52, 53 verwendet worden, um eine Triangulation zu ermöglichen. Grundsätzlich würde aber schon ein Luftschallsensor 51 ausreichen, um z.B. eine Änderung in der abgestrahlten Frequenz oder der Lautstärke zu ermitteln.
Es können aber auch deutlich mehr als drei Luftschallsensoren 51, 52, 53 eingesetzt werden, was beispielhaft in der 5 dargestellt ist.
Hier ist das Getriebe 30 schematisch in einer Seitenansicht dargestellt, wobei insgesamt zehn Luftschallsensoren in Form einer Luftschallsensorvorrichtung 56 angeordnet sind. Zehn Luftschallsensoren befinden sich auf der Abtriebsseite, zehn auf der Antriebsseite des Getriebes 30. Mit einer solchen Anordnung ist eine blinde Schallquellentrennung möglich, bei der die Anzahl der räumlich verteilten Luftschallsensoren mindestens so groß ist, wie die Anzahl der Zahneingriffe im Getriebe 30. Im vorliegenden Fall ist das Getriebe 30 als Planetengetriebe mit fünf Planeten ausgeführt, so dass jeder Planet mit dem Hohlrad 38 und dem Sonnenrad 28 im Eingriff steht. Die Verwendung von zwanzig Luftschallsensoren in der Luftschallsensorvorrichtung 56 reicht somit gerade aus, um eine blinde Schallquellentrennung durchzuführen. Die Luftschallsensoren können z.B. am Umfang des Getriebes 30 angeordnet sein, so dass alle innerhalb der Kavität 55 angeordnet sind.
In 6 ist in schematischer Weise ein Luftschallsensor 51 in einer seitlichen Schnittansicht dargestellt. Das eigentliche Sensorelement 57 ist dabei an einem Ende einer Schallführungsvorrichtung 58 angeordnet, die die Luftschallemission L vom Eingang hin zum Sensorelement 57 führt. Dabei weist der Luftschallsensor 51 Mittel 55 zur Abtrennung und / oder Filterung von Getriebeöl in der Luft auf, das in der Kavität vorhanden ist. Dazu können z.B. insbesondere eine Membran, ein Sieb und / oder Prallvorrichtungen dienen. In der Ausführungsform gemäß der 6 sind Lamellen 55 mäanderförmig im Inneren der Schallführungsvorrichtung 58 angeordnet, an denen Getriebeöltröpfchen abprallen.
Durch die Anordnung des Sensorelements 57 am gegenüberliegenden Ende des Schalleintritts kann das Sensorelement 57 als Line Replaceable Unit ausgewechselt werden, auch wenn z.B. die Schallführungseinrichtung 58 fest mit dem Getriebe 30 verbunden ist oder sich im Inneren der Kavität 55 befindet.
In der 7 ist eines weitere Ausführungsform dargestellt, bei der drei Luftschallsensoren 51, 52, 53 um Umfang der Kavität 55 eines Planetengetriebes 30 angeordnet sind. Die Ansicht der 7 zeigt im Wesentlichen in axialer Richtung, wobei die drei Luftschallsensoren 51, 52, 53 jeweils in Streben 53 (siehe 4) angeordnet sind.
Dabei ragt jeweils die Schallführungseinrichtung 58 mit einem trichterförmigen Ende in die Kavität 55 hinein, um die Schallemissionen L zu den Sensorelementen 57 zu führen. Die trichterförmigen Eingänge haben dabei auch einen Einfluss auf das Frequenzverhalten (Bandbegrenzung).
In 8 wird eine Ausführungsform der Messwerterfassung und der Messwertverarbeitung beschrieben.
Eingangswerte sind die zeitabhängigen Messwerte der Luftschallemission L(t). In einem ersten Schritt 80 erfolgt eine Messerwerterfassung dieser Werte, wobei in an sich bekannter Weise ein Antialiasing, eine Adaption der Sampling-Rate und / oder eine Signalkonditionierung, wie z.B. eine Verstärkung erfolgt.
Es folgt ein Kompensationsschritt 81, in dem u.U. bekannte Einflüsse auf die Signalübertragungsstrecke zwischen Getriebe 80 und Luftschallsensor 51, 52, 53 berücksichtigt werden. Diese Einflüsse können z.B. durch empirische Versuche ermittelt werden, um dann als á priori Informationen (z.B. ein inverses Modell) verwendet werden. Auf diese Art können z.B. Einflüsse auf die Schalllaufzeiten zwischen Getriebe 30 und Luftschallsensoren 51, 52, 53 berücksichtigt werden. So hängt die Schallgeschwindigkeit grundsätzlich von der Temperatur und dem Druck ab, der auf der Messstrecke herrscht. Da die Messtrecke je nach Anordnung der Luftschallsensoren 51, 52, 53 sehr unterschiedlich ausgebildet sein kann, kann eine theoretische Modellierung schwierig werden. Wenn die Schalllaufzeiten in der Messtrecke bei üblichen Betriebsbedingungen bei unterschiedlichem Drücken und Temperaturen in Versuchen gemessen werden, so können die komplexen Versuchsergebnisse in Form einer Lookup-Tabelle im Rechner 60, d.h. im Mittel 66 zur Kompensation von Temperatur und / oder Druckeinflüssen hinterlegt werden.
Auch kann die Bauform der Luftschallsensoren 51, 52, 53 (siehe z.B. 6) und die mechanischen und akustischen Eigenschaften von Bauteilen, wie der Strebe 54, die einen Einfluss auf die Messung haben, durch ein entsprechendes Modell berücksichtigt werden.
Das so aufbereitete Messsignal wird dann der rotorsynchronen Abtastung 82 zugeführt. Dabei wird, wie oben beschrieben ein zeitabhängiges (d.h. rotationsabhängiges) Winkelsignal φ(t) des Winkelsignalgebers 71 berücksichtigt (rotor synchronous resampling). Es erfolgt z.B. ein Mapping des Signals synchron zur Drehzahl. Dadurch wird ein drehzahlunabhängiges Schwingungssignal erhalten, das nur vom Drehwinkel der Welle abhängt.
Das Output-Signal O kann dann vom Rechner 60 dazu verwendet werden, ein Signal S über die Schäden oder prognostizierte Schäden abzugeben.
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
41: Kavität
51: erster Luftschallsensor
52: zweiter Luftschallsensor
53: dritter Luftschallsensor
54: Strebe
55: Mittel zur Abtrennung von Getriebeöl
56: Luftschallsensorvorrichtung
57: Sensorelement
58: Luftschallführungsvorrichtung
60: Rechner
61: Mittel zur rotationsynchronen Abtastung der Luftschallemissionen
62: Mittel zur Bestimmung einer Abweichung von Vergleichsdaten
63: Mittel zur Berücksichtigung der Laufzeit und / oder der Phasenverschiebung
64: Mittel zur automatischen Klassifizierung von Luftschallemissionen
65: Mittel zur Triangulation
66: Mittel zur Kompensation von Temperatur und / oder Druckeinflüssen
70: Winkelsignalgeber
71: Antriebswelle des Fans
80: Messung
81: Kompensationsschritt u.a. von Temperatur und / oder Druck
82: rotorsynchrone Abtastung
A: Kernluftstrom
B: Bypassluftstrom
L: Luftschallemission eines Getriebes
O: Output-Signal
S: Signal des Rechners

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4138603 A1 [0002]
EP 2131037 B1 [0002]
EP 2498076 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Überwachung eines Getriebes (30) in einem Gasturbinentriebwerk (10), insbesondere in einem Fangetriebe-Triebwerk eines Flugzeugs, gekennzeichnet durch mindestens einen Luftschallsensor (51, 52, 53) zur Detektion von Luftschallemissionen (L) des Getriebes (30) und mit einem Abtastungsmittel (61) für eine Abtastung der detektierten Luftschallemissionen (L) synchron zur Rotation mindestens eines Teils des Getriebes (30).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtastungsmittel (61) mit mindestens einem Winkelsignalgeber (70) für das mindestens eine rotierende Teil des Getriebes (30) gekoppelt ist, insbesondere einem phonischen Rad.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Mittel (62) zur Bestimmung einer Abweichung der detektierten Luftschallemissionen (L) von Vergleichsdaten, insbesondere von Schwellenwerten für zeit- und / oder frequenzbasierte Merkmale der Luftschallemissionen (L).
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Luftschallsensor (51, 52, 53) in räumlicher Nähe zum Getriebe (30) angeordnet ist, insbesondere im Kerntriebwerk (11) axial vor dem Einlauf des Niederdruckverdichters (15) und / oder in oder an einem statischen Gehäuseteil des Gasturbinentriebwerks (10), insbesondere an einer Strebe (54) im Einlaufbereich des Niederdruckverdichters (14).
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Luftschallsensor (51, 52, 53) mit einer Leitung für die Luftschallemission des Getriebes koppelbar ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Luftschallsensor (51, 52, 53) mindestens teilweise in der Kavität (41) des Getriebes (30) angeordnet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Laufschallsensor (51, 52, 53) ein Mittel (55) zur Abtrennung und / oder Filterung von Getriebeöl aufweist, insbesondere eine Membran, ein Sieb und / oder mindestens eine Prallvorrichtung.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Luftschallsensor (51, 52, 53) eine Bandbreite für Luftschall im Bereich von 4 Hz bis 40 kHz aufweist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens drei Luftschallsensoren (51, 52, 53) und einem Mittel zur Triangulation (65) des Ursprungsortes mindestens einer Luftschallemission (L) des Getriebes (30).
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Mittel (63) zur Berücksichtigung der Laufzeit und / oder der Phasenverschiebung der Luftschallemission (L) auf der Strecke zwischen dem Getriebe (30) und dem mindestens einen Luftschallsensor (51, 52, 53).
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eines Luftschallsensorvorrichtung (56) zur Ermittlung einer blinden Schallquellentrennung mit einer Anzahl räumlich verteilter Luftschallsensoren (51, 52, 53), die mindestens so groß ist, wie die Anzahl der Zahneingriffe im Getriebe (30).
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Mittel (64) zur automatischen Klassifizierung von Luftschallemissionen (L) verursacht durch Schäden an Zähnen des Getriebes, insbesondere Spalling, Pitting und / oder Zahnfußrisse.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Mittel (66) zur Kompensation von Temperatur- und / oder Luftdruckeinflüssen auf die Luftschallemissionen (L) im oder am Getriebe (30).
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Mittel zur Ermittlung der Schadensprognostik, und / oder Schadensprogression.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Mittel zur Filterung und / oder Mittelung der detektierten Luftschallemissionen (L).
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (30) ein Umlaufgetriebe, insbesondere ein Planetengetriebe ist.
Verfahren zur Überwachung eines Getriebes (30) in einem Gasturbinentriebwerk (10), insbesondere in einem Fangetriebe-Triebwerk eines Flugzeugs, gekennzeichnet durch a) eine Detektion von Luftschallemissionen (L) des Getriebes (30) durch mindestens einen Luftschallsensor (51, 52, 53) und b) einer Abtastung mit einem Abtastungsmittel (61) der detektierten Luftschallemissionen (L) synchron zur Rotation mindestens eines Teils des Getriebes (30).
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung mittels des Abtastungsmittels (61) synchron zu einem Winkelsignal erfolgt, das mit mindestens einem Winkelsignalgeber (70) für das mindestens eine rotierende Teil des Getriebes (30) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch eine Bestimmung einer Abweichung der detektierten Luftschallemissionen (L) von Vergleichsdaten, insbesondere von Schwellenwerten für zeit- und / oder frequenzbasierte Merkmale der Luftschallemissionen (L).
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 19, gekennzeichnet durch eine Triangulation des Ursprungsortes mindestens einer Luftschallemission mittels mindestens drei Luftschallsensoren (51, 52, 53).
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 20, gekennzeichnet durch eine Berücksichtigung der Laufzeit und / oder der Phasenverschiebung der Luftschallemission (L) auf der Strecke zwischen dem Getriebe (30) und dem mindestens einen Luftschallsensor (51, 52, 53).
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 21, gekennzeichnet durch eine automatische Klassifizierung von Luftschallemissionen (L) verursacht durch Schäden an Zähnen des Getriebes, insbesondere Spalling, Pitting und / oder eines Zahnfußrisses.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 22, gekennzeichnet durch eine Kompensation von Temperatur- und / oder Luftdruckeinflüssen auf die Luftschallemissionen (L) im oder am Getriebe (30).
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 23, gekennzeichnet durch ein Mittel zur Ermittlung der Schadensprognostik, und / oder Schadensprogression.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 24, gekennzeichnet durch eine Filterung und / oder Mittelung der detektierten Luftschallemissionen (L).
Gasturbinentriebwerk (10) für ein Luftfahrzeug, das Folgendes umfasst: ein Kerntriebwerk (11), der 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 zur Überwachung des Getriebes (30) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16.