JP2006010064A - ベアリング組立体を組み立てるための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ベアリング破損を予測する方法を提供する。
【解決手段】 本方法では、ベアリング（６０）は、内側レース（６２）と、外側レース（６６）と、内側及び外側レース間の複数の転動体（７０）とを含む。本方法は、少なくとも１つの温度センサ（１０４）と少なくとも１つの音響センサ（１０２）とを含むセンサ組立体（１００）を外側レースに結合する段階と、センサ組立体から受信した初期信号に基づいてベアリング性能モデルを作成する段階と、センサ組立体から第２の信号を受信する段階と、第２の信号をベアリング性能モデルと比較してベアリング破損を予測する段階とを含む。
【選択図】 図２

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンロータ組立体に関し、より具体的にはガスタービンエンジンロータ組立体で用いるベアリング組立体に関する。

ガスタービンエンジンは、一般的にファンロータ組立体、圧縮機及びタービンを含む。タービンは、ロータシャフトに結合されたロータディスクから半径方向外向きに延びるロータブレードの列を含む。ロータシャフトは、タービンから圧縮機に出力及び回転運動を伝達し、かつ複数のローラベアリング組立体によって長手方向に支持されまた少なくとも１つのスラストベアリング組立体によって軸方向に支持される。公知のローラベアリング組立体は、一対のレースの内部に支持された転動体を含む。

作動時、ベアリング組立体の破損は、飛行中停止（ＩＦＳＤ）及び／又は計画外エンジン取卸（ＵＥＲ）をもたらすおそれがある。少なくとも１つの公知のガスタービンエンジンは、それに限定されないが、微細スポーリング、ピーリング、スキッド、インデンテーション及び／又はスミアリングのようなベアリング接触疲労破損時に生じる金属削り屑を吸引する磁石を含む磁気チップ検出システムを含む。より具体的には、磁気チップ検出器は、ガスタービン潤滑油排出系路内の金属チップの存在及び量を特定するのを可能にする。加えて、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて金属削り屑の出所を判定することができる。しかしながら、公知の磁気チップ検出システム及びＳＥＭ分析システムは、既に発生したベアリングスポーリングしか検出できない。

少なくとも１つの公知のガスタービンエンジンはまた、ベアリングを通して比較的高い周波数の音響エミッションを送信して、ベアリング接触疲労によって引き起こされるベアリング破損が発生したことを確認する振動測定システムを含む。しかしながら、公知の振動測定システムは、送信した信号がベアリングを潤滑するのに用いる潤滑油フィルムを通過したときに劣化した場合には、ベアリング破損を成功裏に特定することができない場合がある。従って、複数のエンジン作動周波数の中でベアリング構成部品の周波数を特定することは、比較的困難である可能性がある。従って、公知のシステムは、一般的に、ベアリングスポーリングを生じる可能性がある初期ベアリング傷及び／又は欠陥を検出するのに、ベアリング損傷及び／又はスポーリングの伝搬を監視するのに、或いは多層スポーリングの発生及び進行を含む全体的なベアリング損傷を評価するのには有効ではない。
米国特許６，３６３，３０３号公報 米国特許６，６３７，９３２号公報

１つの態様では、内側レースと、外側レースと、内側及び外側レース間の複数の転動体とを含むベアリングの破損を予測する方法を提供する。本方法は、少なくとも１つの温度センサと少なくとも１つの音響センサとを含むセンサ組立体を外側レースに結合する段階と、センサ組立体から受信した初期信号に基づいてベアリング性能モデルを作成する段階と、センサ組立体から第２の信号を受信する段階と、第２の信号をベアリング性能モデルと比較してベアリング破損を予測する段階とを含む。

別の態様では、ロータ用ベアリング組立体を提供する。本ベアリング組立体は、内側レースと、外側レースと、内側及び外側レース間の複数の転動体と、少なくとも１つの温度センサ及び少なくとも１つの音響センサを含む、外側レースに結合されたセンサ組立体とを含む。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを提供する。本ガスタービンエンジンは、ロータシャフトと、ロータシャフトを支持するように構成されたベアリング組立体とを含む。ベアリング組立体は、内側レースと、外側レースと、内側及び外側レース間の複数の転動体と、各々が少なくとも１つの温度センサ及び少なくとも１つの音響センサを含む、外側レースに結合された複数のセンサ組立体とを含む。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１０の断面側面図である。１つの実施形態では、エンジン１０は、オハイオ州シンシナティ所在のゼネラル・エレクトリック社から入手可能なＦ１１０型エンジンである。エンジン１０は、ほぼ長手方向に延びる軸線又は前方向１６及び後方向１８に延びる中心線１４を有する。エンジン１０は、全て直列軸流関係に配列された高圧圧縮機３４、燃焼器３６、高圧タービン３８及び出力タービンすなわち低圧タービン３９を備えたコアエンジン３０を含む。別の実施形態では、コアエンジン３０は、直列軸流関係に配列された圧縮機、デトネーションチャンバ及びタービンを含む。エンジン１０はまた、コアエンジン３０を囲み、コアエンジン３０を通さないで流体流をコアエンジン３０の下流に送ることを可能にするバイパスダクト４４を含む。別の実施形態では、エンジン１０は、コアファン組立体（図示せず）を含む。環状のセンタボデー５０が、コアエンジン３０から可変形態排気ノズル５４に向かって下流方向に延びる。

作動時、空気流がエンジン１０に流入し、また燃料がコアエンジン３０に導入される。空気及び燃料は、コアエンジン内で混合されかつ点火されて、高温燃焼ガスを発生する。具体的には、高圧圧縮機３４からの加圧空気は、燃焼器３６内で燃料と混合されかつ点火され、それによって燃焼ガスを発生する。このような燃焼ガスは、高圧タービン３８を駆動し、高圧タービン３８は高圧圧縮機３４を駆動する。燃焼ガスは、高圧タービン３８から低圧タービン３９内に吐出される。コア空気流は、低圧タービン３９から吐出されて、吐出ノズル５４に向けて後方に導かれる。

図２は、図１に示すエンジン１０のようなガスタービンエンジンに用いることができるスラストベアリング組立体６０の例示的な実施形態の断面図である。この例示的な実施形態では、スラストベアリング組立体６０は、高圧タービン３８のスラストベアリング組立体である。スラストベアリング組立体６０は、高圧タービン３８と高圧圧縮機３４との間で延びるロータシャフト６４に固定された回転内側レース６２を含む。スラストベアリング組立体６０はさらに、ガスタービンエンジン１０の静止支持構造体６８に固定された静止外側レース６６と、それぞれ内側及び外側レース６２及び６６間に配置された複数のベアリング７０と含む。この例示的な実施形態では、ベアリング７０は、ボールベアリングである。

図３は、それに限定されないが、スラストベアリング組立体６０（図２に示す）のようなガスタービンエンジンベアリングを監視するために用いることができるベアリング監視システム８０である。この例示的な実施形態では、システム８０は、センサ組立体８４に結合されたデータ収集／制御システム８２を含む。センサ組立体８４は、データ収集／制御システム８２に電気的に接続されて、センサ組立体８４及びデータ収集／制御システム８２間でスラストベアリング組立体６０から収集したデータを相互に送信することができるようになっている。データ収集／制御システム８２は、コンピュータインタフェース８６、パーソナルコンピュータなどのコンピュータ８８、記憶装置９０及びモニタ９２を含む。コンピュータ８８は、ファームウェア（図示せず）に格納された命令を実行する。コンピュータ８８は、本明細書に記載した機能を実行するようにプログラムされており、本明細書で用いる場合、コンピュータという用語は、当技術分野でコンピュータと呼ばれるような集積回路そのものに限定されず、広くコンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジック制御装置、専用集積回路及び他のプログラマブル回路を意味し、これらの用語は本明細書では互換性をもたせて用いている。

記憶装置８０は、別個に示さないが、当業者が精通している１つ又はそれ以上の揮発性及び／又は不揮発性記憶装置を意味することを意図している。多くの場合コンピュータ８８と共に用いられるこのような記憶装置の実例には、ソリッドステート記憶装置（例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）及びフラッシュメモリ）、磁気記憶装置（例えば、フロッピディスク及びハードディスク）、光学記憶装置（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＷ及びＤＶＤ）等が含まれる。記憶装置９０は、コンピュータ８８の内部又は外部に設けることができる。この例示的な実施形態では、データ収集／制御システム８２はまた、それに限定されないが、コンピュータ８８及びセンサ組立体８４の少なくとも１つに電気的に接続された、ストリップチャートレコーダ、Ｃ−スキャン及び電子レコーダのような記録装置９４を含む。

図４は、ベアリング監視システム８０（図３に示す）で用いることができる例示的なセンサ組立体１００の断面図である。センサ組立体１００は、少なくとも１つの音響エミッションマイクロホンセンサ１０２と少なくとも１つの熱電対１０４及び／又は抵抗温度検出器（ＲＴＤ）１０４とを含む。１つの実施形態では、ＲＴＤ１０４は、ベアリング組立体６０の温度変化に基づいて抵抗の変化を生じる巻き線又は薄いフィルム型巻きテープの少なくとも１つである。さらに、ＲＴＤ１０４は、熱電対１０４と比較すると、大きな相対感度、直線性及び安定性を有する。この例示的な実施形態では、センサ組立体１００は、１つの音響エミッションマイクロホンセンサ１０２と２つの熱電対１０４とを含む。センサ組立体１００はまた、ベアリング外側レース（図５に示す）に対して音響エミッションマイクロホンセンサ１０２を相対固定位置に固定するのを可能にする第１のハウジング１０６を含む。センサ組立体１００はまた、音響エミッションマイクロホンセンサ１０２及び熱伝対１０４をベアリング監視システム８０（図３に示す）のようなベアリング監視システムに電気的に接続するのを可能にするワイヤハーネス１０８を含む。センサ組立体１００はさらに、第１のハウジング１０６から半径方向外側に配置された第２のハウジング１１０を含む。

図５は、外側レース６６の第２の側面１３４の斜視図である。図６は、外側レース６６の第１の側面１３２の斜視図である。この例示的な実施形態では、複数のセンサ組立体１００が、ベアリング組立体６０の破損を予測するのを可能にするために外側レース６６に結合される。より具体的には、外側レース６６は、複数の部分１２０を外側レース６６の外面１５０から除去するように製作されるか又は機械加工される。各それぞれの部分１２０は、断面輪郭１２６をもつ外部表面１２４を含み、また各センサ組立体１００は、断面輪郭１２６にほぼ同じ断面輪郭１３０をもつ外部表面１２８を有する。従って、複数のセンサ組立体１００は、外側レース外面１５０を大きく変更せずに外側レース６６に結合することができる。

この例示的な実施形態では、外側レース６６は、およそ８つのセンサ組立体１００を含む。４つのセンサ組立体１００は、外側レース６６の第１の側面１３２に結合され、また４つのセンサ組立体は、第１の側面１３２に対向する第２の側面１３４に結合される。この例示的な実施形態では、各それぞれのセンサ組立体１００は、各それぞれ他のセンサ組立体１００から約９０度で半径方向に配置されて、センサ組立体１００が外側レース６６の各それぞれの側面１３２、１３４を取り囲むようになる。

図７は、外側レース６６の一部分の斜視図である。ベアリング組立体６０の組み立て時に、外側レース６６は、外側レース外面１５０から部分１２０を除去して、それによってそれに対して各それぞれのセンサ組立体１００を結合する複数のほぼ平坦な面１５２が露出するように機械加工及び／又は製作される。さらに、外側レース６６は、複数の熱伝対１０４が外側レース６６内部に埋め込まれるように製作される。次にワイヤハーネス１０８が、音響エミッションマイクロホンセンサ１０２及び熱伝対１０４に電気的に接続される。

より具体的には、またこの例示的な実施形態では、８つの部分１２０が、外側レース外面１５０から機械加工されて、８つのセンサ組立体１００が、外側レース６６の外周部１５４の周りで円周方向に配置された８つのそれぞれの平坦面１５２に結合されるようになる。各それぞれのセンサ組立体１００は、少なくとも１つの音響エミッションマイクロホンセンサ１０２と外側レース６６内部に埋め込まれた少なくとも２つの熱伝対１０４とを含み、それらは、ワイヤハーネス１０８に、次にベアリング監視システム８０に電気的に接続される。各それぞれの音響エミッションマイクロホンセンサ１０２と各それぞれの平坦面１５２上に形成したパッド１５８との間に潤滑油１５６の薄層を付加して、マイクロホンセンサ１０２と平坦面１５２との間の空気ギャップを埋め、各それぞれの音響エミッションマイクロホンセンサ１０２の音響性能を向上させるのを可能にする。次にセンサ組立体１００は、外側レース６６に結合される。音響エミッションセンサは外側レースに非接触であるので、これらセンサはハウジング及びスパナナット６７で固定支持されることになる。この例示的な実施形態では、外側レース６６は、スパナナット６７によって固締されて、ベアリング組立体６０が前又は後方向のいずれかの方向に荷重を受けた場合に、外側レース６６の軸方向の移動を減少させるのを可能にする。

エンジン作動時に、抵抗温度検出器（ＲＴＤ）１０４は、外側レース６６の外周部１５４の周りの複数のほぼ等間隔を置いた円周方向位置において外側レース６６の温度を測定するのを可能にする。この例示的な実施形態では、各それぞれのセンサ組立体１００から収集したデータは、例えばコンピュータ８８にインストールされたアルゴリズムを用いて、スラストベアリング６０に対する発生ベアリング荷重を判定するために公知のベアリングデータと比較される。より具体的には、外側レース６６の温度は、ベアリング荷重、ベアリング速度、ベアリング潤滑油タイプ、ベアリング潤滑油量及びベアリングの作動環境の関数である。従って、外側レース６６の温度は、それに限定されないが、スラストベアリング６０のような任意の高ＤＮボールベアリング（ここで、Ｄはミリメートルで表したベアリングボアの直径として定義され、またＮは毎分回転数で表したベアリングの最高速度として定義される）に対する荷重変化の指標として利用することができる。さらに、第１の側面１３２及び第２の側面１３４の両方における外側レース６６の温度の相対変化を利用して、スラストベアリング６０の荷重方向及びクロスオーバ発生を判定してスラストベアリング６０のスキッド損傷の可能性を評価するのを可能にする。

この例示的な実施形態では、アルゴリズムは、それに限定されないが、ベアリング６０の粘性摩擦熱、ベアリング６０の回転摩擦熱及びベアリング６０の荷重摩擦熱を含むスラストベアリング６０から発生した総熱量を示すパラメーターを利用する。従って、スラストベアリング６０の微細スポーリングした粗面の存在によって、スラストベアリング６０の摩擦トルクが増大し、従って関連する温度が上昇し、それによって作動時間の関数として外側レース６６のより急な温度勾配を示す。さらに、スポーリングの進行によっても、外側レース６６の比較的急速な温度上昇が生じることになる。従って、外側レース６６の温度は、コンピュータ８８に入力され、公知の作動温度と比較されてスラストベアリング６０の破損を予測するのを可能にする。さらに、またこの例示的な実施形態では、アルゴリズムは、ベアリング寸法形状、ベアリング潤滑油量、ベアリング潤滑油特性、ベアリングレース速度（ＲＰＭ）、測定ベアリング温度変化（ΔＴ）及びベアリング音響エミッションのベアリング両側面での大きさ及び周波数の両方を示す入力を受信することによって、ベアリング損傷、ベアリング損傷の伝搬及び／又は発生ベアリング荷重及び方向を定量化することを可能にする。

エンジン作動時、外側レース６６に結合した音響エミッションセンサ／マイクロホン１０２は、ベアリング組立体６０内での割れ又はスポーリングのいずれかの発生開始及び／又は伝搬を「傾聴する」のを可能にする。より具体的には、正常作動時には、ベアリング組立体６０は、今後は基準線周波数と呼ぶ第１の周波数で音響信号を発する。従って、音響エミッションセンサ／マイクロホン１０２により、基準線周波数を検知し、次にその周波数を、例えばコンピュータ８８のようなコンピュータに格納することが可能になる。作動中、ベアリング組立体６０内部での損傷した接触面の相互作用により、ベアリング組立体６０の材料内部のエネルギーが急速に放出されることによって発生する過渡弾性応力波が生じる。これらの比較的高い周波数の音響エミッション信号は、次に音響エミッションセンサ／マイクロホン１０２によって受信されかつ基準線音響信号と比較されて、ベアリング組立体６０の破損が予測される。

さらに、エンジン作動時、音響エミッションセンサ／マイクロホン１０２は、荷重方向とベアリング組立体６０に供給される潤滑油フィルムの量とを判定するのを可能にする。例えば、ベアリング組立体６０から少なくとも１つの音響エミッションセンサ／マイクロホン１０２により受信した、基準線信号よりも弱い信号は、ベアリング組立体６０の一部分に掛かる荷重の増大を示すことになる。さらに、ベアリング組立体６０は複数の音響エミッションセンサ／マイクロホン１０２を含むので、ベアリングのいずれかの側面において円周方向に信号の強度が一様でないことは、ベアリングのミスアラインメント及び／又は非均一ベアリング荷重分布を示すのに用いることができる。

本明細書に説明したベアリングセンサは、大きな損傷が発生する前にスラストベアリングに対する損傷を予測するのを可能にする。さらに、センサ組立体はまた、スラストベアリングに対する現在の損傷を判定し、次にピッチング、ピーリング、インデンテーション又はスミアリングのようなベアリングに対する損傷の進行を予測することも可能にする。本明細書に説明したセンサ組立体は、ベアリングの音響識別特性が基準線識別特性とは異なるので、ボールと損傷したレース軌道面との間の潤滑油フィルムが金属対金属接触を生じる時期を判定するのに有効である。さらに、センサ組立体の音響エミッション感度は、転動体が徐々に伝搬するスポーリング区域の上を通過する間の潤滑油フィルムの更なる破壊につれて向上する。

上述のセンサ組立体は、費用効果がありかつ高い信頼性がある。センサ組立体は各々、ベアリング外側レースに結合された少なくとも１つの音響エミッションセンサと少なくとも２つの温度センサとを含む。センサ組立体は、ベアリングスポーリングを生じる可能性がある初期ベアリング傷及び／又は欠陥を検出し、ベアリング損傷及び／又はスポーリングの伝搬を監視し、並びに／又は多層スポール発生開始及び進行を含む全体的なベアリング損傷を評価することを可能にする。その結果、センサ組立体は、飛行中停止及び／又は計画外エンジン取卸を少なくするのを可能にする。

音響センサ及び温度センサの両方から受信した情報は、スラストベアリングを監視するのを可能にするためにほぼ同時に利用される。より具体的には、音響センサ及び温度センサの両方によって供給された情報は、互いに相補的関係にあり、従って、ベアリング損傷の伝搬を評価又は定量化するために利用することができるスラストベアリング作動の比較的完全な指標を提供するのを可能にする。温度データは、ベアリングの発生荷重を評価しかつ監視するのを可能にする。例えば、ベアリング荷重及び／又はその予期した方向における何らかの急激な変化は、スラスト荷重バランス及びこれに影響を与えるシステム構成部品を示すことができる。スラストベアリングからの音響エミッションの変化は、小さいけれども発生初期のスポーリング又はベアリング損傷の存在を示すことができ、それは、その後将来の損傷の進行に対して監視されることができる。従って、外側レースの両側面から収集した温度及び音響エミッション変化の組合せデータは、正常ベアリング性能、発生ベアリング荷重変化、デブリ又は複数の要因よって生じる可能性があるベアリングに対する初期損傷の存在、及びベアリング内での損傷の伝搬を監視するために利用することができる。

以上、ベアリングセンサ組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。センサ組立体は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各センサ組立体の構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品とは独立してかつ別個に利用することが可能である。各センサ組立体はまた、広範な様々のベアリングと組合せて用いることができる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施できることは、当業者には明らかであろう。

ガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンで用いることができるスラストベアリング組立体の例示的な実施形態の断面図。 図２に示すスラストベアリングを監視するために用いることができるベアリング監視システムを示す図。 図３に示すベアリング監視システムで用いることができる例示的なセンサ組立体の断面図。 図２に示すスラストベアリング組立体で用いることができる外側レースの斜視図。 図５に示す外側レースの斜視図。 図５及び図６に示す外側レースの一部分の斜視図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
６０ スラストベアリング組立体
６２ 内側レース
６４ ロータシャフト
６６ 外側レース
６７ スパナナット
６８ 静止支持構造体
７０ 転動体
１００ センサ組立体
１０２ 音響センサ
１０４ 温度センサ

Claims (10)

1. 内側レース（６２）と、
   外側レース（６６）と、
   前記内側及び外側レース間に配置された複数の転動体（７０）と、
   前記外側レースに結合されたセンサ組立体（１００）と、
   を含み、
   前記センサ組立体が、少なくとも１つの温度センサ（１０４）と少なくとも１つの音響センサ（１０２）とを含む、
   ロータ（６４）用ベアリング組立体（６０）。
2. 前記ベアリング組立体が、高ＤＮボールベアリングを含み、ここで、Ｄはベアリング直径でありまたＮは毎分回転数で表したベアリング作動速度である、請求項１記載のベアリング組立体（６０）。
3. 前記ベアリング組立体がスラストベアリングを含む、請求項１記載のベアリング組立体（６０）。
4. 前記外側レース（６６）の第１の側面（１３２）に結合された少なくとも３つのセンサ組立体（１００）と前記外側レースの対向する第２の側面（１３４）に結合された少なくとも３つのセンサ組立体とをさらに含み、前記センサ組立体が、前記外側レース第１及び第２の側面の外周部の周りにほぼ等間隔で配置されるようになっている、請求項１記載のベアリング組立体（６０）。
5. 前記温度センサ（１０４）が各々、スラストベアリング荷重方向を判定するために利用される信号を出力するように構成されている、請求項４記載のベアリング組立体（６０）。
6. 前記センサ組立体（１００）が、ベアリング荷重、ベアリング速度、ベアリング潤滑油タイプ、ベアリング潤滑油量及びベアリング温度の少なくとも１つを判定するために利用される信号を出力するように構成されている、請求項１記載のベアリング組立体（６０）。
7. 前記センサ組立体（１００）が、ベアリングミスアラインメント及び不均一ベアリング荷重分布の少なくとも１つを判定するために利用される信号を出力するように構成されている、請求項１記載のベアリング組立体（６０）。
8. ロータシャフト（６４）と、
   前記ロータシャフトを支持するように構成されたベアリング組立体（６０）と、
   を含み、前記ベアリング組立体が、
   内側レース（６２）と、
   外側レース（６６）と、
   前記内側及び外側レース間に配置された複数の転動体（７０）と、
   各々が少なくとも１つの温度センサ（１０４）と少なくとも１つの音響センサ（１０２）とを含む、前記外側レースに結合された複数のセンサ組立体（１００）と、を含む、
   ガスタービンエンジン（１０）。
9. 前記ベアリング組立体（６０）が、高ＤＮボールベアリングを含み、ここで、Ｄはベアリング直径でありまたＮは毎分回転数で表したベアリング作動速度である、請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。
10. 前記ベアリング組立体（６０）が、外側レース第１の側面（１３２）に結合された少なくとも３つのセンサ組立体（１００）と対向する外側レース第２の側面（１３４）に結合された少なくとも３つのセンサ組立体とをさらに含み、前記センサ組立体が、前記外側レース第１及び第２の側面の外周部の周りにほぼ等間隔で配置されるようになっている、請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。

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