JP2011095262A - 光ファイバベースのスラスト荷重測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバベースのスラスト荷重測定システムを提供すること。
【解決手段】光ファイバベースのスラスト荷重測定システム（１０）は軸受ハウジング（５０）に連結される。測定システムは、軸受ハウジングに関する１つまたは複数のパラメータを検出するように構成された少なくとも１つの光ファイバセンサ（１２）を含む。光結合器（３０）は、光源（２６）から放射される光信号および光ファイバセンサから反射した光信号を調節するように構成される。検出器システム（３２）は、光結合器（３０）から光信号を受け取るように構成される。プロセッサ（３４）は、検出器システム（３２）からの出力を受け取り、かつ、軸受ハウジング（５０）に関する検出された１つまたは複数のパラメータに基づいて、スラスト軸受（６８）に対するスラスト荷重を決定するように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、全体として、ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジン軸受アセンブリに対する軸受スラスト荷重の測定に関する。

少なくとも一部の既知のガスタービンエンジンは、回転する圧縮機およびタービンを含む。回転する圧縮機およびタービンは、ケース内で軸受アセンブリによって支持される。動作中、そうした軸受アセンブリに損傷を与える、かつ／またはその稼働寿命を短縮するスラスト荷重が軸受アセンブリに生じることがある。したがって、軸受スラスト力を時々モニタし、そのような力が、そうした軸受アセンブリに損傷を与える、かつ／またはその稼働寿命を短縮するのに十分に大きな力であるかどうか判定する。

米国特許第７４３０９２６号公報

軸受スラスト荷重は、軸受アセンブリの軌道輪に固定されたひずみゲージを使用して測定されることがある。例えば、ひずみゲージは、実験室で校正され、その後、軸受軌道輪内に装着されることがある。少なくとも一部の既知の軸受軌道輪は、ゲージを軌道輪にしっかり係合することができるように、再加工を必要とすることがある。しかし、軸受面の再加工と各ひずみゲージの校正は、時間を要し、困難なことがある。

軸受スラスト荷重を測定するための少なくとも一部の既知のひずみゲージ構造は、ガスタービンエンジンの静的構造を経由して電源および測定回路に至るリード線ワイヤを含む。ワイヤが測定回路に誤って接続されている場合、スラストの読取り値が逆になる可能性があり、即ち、スラスト荷重が、実際のスラスト荷重の方向と逆の方向のものとして示されることがある。また、上述のひずみゲージ構造では、エンジン内面に固定されたリード線ワイヤは、時間の経過に伴う疲労によって緩み、または破損し、場合によっては信号の損失に結び付くおそれがある。

さらに、ひずみゲージの読取り値は温度補正に左右されることがある。ゲージに対する温度の影響を補償するため、ひずみゲージの領域に温度センサを取り付けるのが必要なことがあり、そのことによって装着および測定の複雑さが増すことがある。

スラスト軸受の健全性のリアルタイムでのモニタリングは、軸受の故障を予測するための実証された手段である。軸受の故障を防ぐことは、エンジンダウンタイムにおける数百万ドルの価値がある。

１つの態様では、装置が、軸受ハウジングと、軸受ハウジングに取り付けられた光ファイバベースのスラスト測定システムであって、軸受ハウジングに関する１つまたは複数のパラメータを検出するように構成された光ファイバセンサを備える測定システムとを備える。

別の態様では、光ファイバベースのスラスト荷重測定システムが、軸受ハウジングに動作可能に連結される。この測定システムは、軸受ハウジングに関する１つまたは複数のパラメータを検出するように構成された光ファイバセンサと、光源から放射された光信号および光ファイバセンサから反射した光信号を調節するように構成された光結合器と、光結合器から光信号を受け取るように構成された検出器システムと、検出器システムから出力を受け取り、軸受ハウジングに関する検出された１つまたは複数のパラメータに基づいて、スラスト軸受に対するスラスト荷重を決定するように構成されたプロセッサとを備える。

別の態様では、方法は、
光源からの光を軸受ハウジング内に配置された複数の光ファイバセンサに向けて送るステップと、
検出器システムを使用して光ファイバセンサからの反射光を受け取るステップと、
光ファイバセンサから反射した光の波長シフトに基づいて、温度、ひずみ、圧力、振動、あるいはそれらの組み合わせを含む、軸受ハウジングに関する１つまたは複数のパラメータを決定するステップとを含む。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、ならびに利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことで、より一層理解されるであろう。図面全体を通して、同様の符号は同様の部分を表す。

本発明の例示的実施形態による光ファイバ測定システムの概略図である。 図１の態様による、引張ひずみおよび圧縮ひずみを示す傾いた（ひずんだ）光ファイバブラッググレーティングベースのセンサの概略図である。 本発明の例示的実施形態による、４つのファイバブラッググレーティングからの温度センシングアレイの反射電力スペクトルを示す図である。 本発明の例示的実施形態による、ファイバブラッググレーティングベースの温度およびひずみセンサからの反射電力スペクトルを示す図である。 図１に示される光ファイバセンサを利用することができる例示的なエンジン軸受の側面図である。 図５に示されるエンジン軸受に固定された、図１に示される軸受ロータスラストアセンブリの斜視図である。 本発明の例示的実施形態による、光ファイバブラッググレーティングベースのひずみセンサからの動的ひずみ応答を示す図である。 本発明の例示的実施形態による、複数のファイバブラッググレーティングベースのひずみセンサからの動的ひずみ応答を示す図である。 本発明の例示的実施形態による、回転機械のロータ軸受に対するスラスト荷重を測定し制御するシステムの概略図である。

図１は、本発明の例示的実施形態による、光ファイバベースのスラスト荷重測定システム１０の概略図である。システム１０は１つまたは複数の光ファイバセンサ１２を含む。各センサ１２は、非周期的な屈折率変調を有する光ファイバケーブル１４を含む。光ファイバケーブル１４は、コア１６と、コア１６の周囲に配置されるクラッディング１８とを含む。一連のグレーティング素子２０、２２は、予め定められた距離「ｄ」だけ間隔が空けられており、コア１６内に配置され、グレーティング素子２０、２２の回折周期に対応する光の波長を同位相で反射するように構成される。クラッディング１８は、ケーブル１４内の光をほぼ完全に内反射し、それによって、光がケーブル１４によって、かつそこを軸方向に通って透過されることが可能になっている。複数のグレーティング素子２０、２２はコア１６とは異なる屈折率を有する。２つのグレーティング素子２０、２２のみを示しているが、他の実施形態では、２つを超えるグレーティング素子を使用してもよい。動作中、入力光信号２４は光源２６からケーブル１４に供給され、入力光信号４６の一部分は、グレーティング素子２０、２２によって同位相で反射され、特定の光波長に対応しており、一方、残りの波長は透過信号２８によって表されるように透過される。グレーティング素子２０、２２の屈折率、およびグレーティング素子２０、２２の間の距離は、グレーティング素子２０、２２によって同位相で反射される光波長を規定する。

測定システム１０はまた、光源２６から入ってくる光信号４６と、さらにケーブル１４からの反射信号とを調節するように構成された光結合器３０を含む。光結合器３０は、適切な反射信号を、光検出器システムなどの検出器システム３２に向けて送る。検出器システム３２は、ケーブル１４からの反射光信号を受け取り、出力信号をプロセッサ３４に供給する。プロセッサ３４は、検出器システム３２からの出力信号の埋込み情報を解析し、ケーブル１４の複数のグレーティング素子２０、２２から発生した回折ピークに基づいて、軸受ハウジング（図１には図示せず）の複数のパラメータの条件を推定するように構成される。パラメータは、温度、ひずみ、圧力、振動などを含んでもよい。例示的なケーブル１４は複数の強い回折ピークを発生させ、それによって様々なパラメータの分離が容易になる。図示される実施形態では、第１のグレーティング素子２０は光の第１の波長を同位相で反射するように構成される。グレーティング素子２０から反射する光信号は、軸受ハウジングの温度を示してもよい。また、第２のグレーティング素子２２は光の第２の波長を同位相で反射するように構成される。グレーティング素子２２から反射する光信号は、軸受ハウジングに対するひずみを示してもよい。一実施例では、グレーティング素子２２はアポダイズされた短周期グレーティングであってもよい。軸受ハウジングのパラメータを示す出力信号は、プロセッサ３４から、コントローラ、パーソナルコンピュータ、パーソナルデバイス、ラップトップ、またはサーバなどの出力デバイス３６に透過されてもよい。出力情報は、軸受ハウジングにおける問題に対処するか、またはその変更を実現するのに使用されてもよい。

図２を参照すると、本発明の例示的実施形態による光ファイバセンサ１２が示される。図示される実施形態では、センサ３４はグレーティング素子２０を含む。この実施形態では、グレーティング素子２０は、ガウスプロファイルアポディゼーションを用いた、傾けられた短周期グレーティング素子である。一実施形態では、素子は、センサ１２の水平軸線に対して２〜５度傾けられてもよい。別の実施形態では、短周期ブラッググレーティング素子は、ファイバコア軸線に沿って、アポダイズしたプロファイルと周期的な屈折率変調とを有してもよい。上述したように、動作中、入力光信号は光源からセンサケーブルに供給され、その入力光信号の一部分は、ブラッググレーティング素子２０によって同位相で反射され、特定の光波長に対応している。例示的なセンサは、コア１６内での波長エンコーディングを利用して、有効なコア屈折率とグレーティング変調の周期との積によって決定されるブラッグ共振波長シフトに基づいてパラメータを測定する。図示される実施例では、タービンの動作中に軸受ハウジングに引張ひずみがあるとき、グレーティング素子２０を上向きに傾けることができる。この引張ひずみは、素子２０から反射する光の波長に上向きのシフトをもたらすことがある。引張ひずみは、反射光信号の波長における上向きのシフトに基づいて検出することができる。また、タービンの動作中にシールとロータとの境界面に圧縮ひずみがあるとき、グレーティング素子２０を下向きに傾けることができる。この圧縮ひずみは、素子２０から反射する光の波長に下向きのシフトをもたらすことがある。圧縮ひずみは、反射光信号の波長における下向きのシフトに基づいて検出することができる。同様に、他の実施形態では、複数のグレーティング素子から反射した光信号の波長のシフトに基づいて、１つまたは複数のパラメータを検出することができる。例示的なセンサは、複数のパラメータの分散センシングを容易にし、また、例えば高温および高圧など、厳しい環境条件に耐えることができる。本明細書において、温度、ひずみ、圧力、振動などを示すグレーティング素子は、連結された、あるいは個別のセンサケーブルであってもよいことに留意されたい。

図３を参照すると、本発明の例示的実施形態による、４つの短周期ブラッググレーティング素子を有するセンシングアレイによる反射率が示される。図示される図表は、１ミリワットより上のデシベルを単位とする（ｄＢｍ）電力の変動とナノメートル（ｎｍ）単位の波長との関係を表す。例示的な実施形態では、第１のグレーティング素子の中心波長は約１５３０ｎｍであってもよく、グレーティング素子間の間隔は約１０ｎｍであってもよい。温度センシングアレイのダイナミックレンジは約１５ｄＢである。本明細書において、図示される図表は例示的実施形態であり、センサの数およびそれらの波長間隔は用途に応じて変わってもよいことに留意されたい。

図４を参照すると、本発明の例示的実施形態による、２つのファイバブラッググレーティング素子による反射率の測定が示される。図示される図表は、１ミリワットより上のデシベルを単位とする（ｄＢｍ）電力の変動とナノメートル（ｎｍ）単位の波長との関係を表す。図示される実施形態では、一方のグレーティング素子は温度を感知するように構成され、他方のグレーティング素子はひずみまたは振動を感知するように構成される。２つのセンサ間の間隔は約５ｎｍであってもよい。ロータとシールの境界面では、どちらのセンサも熱変化に同時に応答することができるが、ひずみセンサのみが熱ひずみおよび機械的ひずみの両方に応答する。絶対ひずみは、ひずみセンサの応答から、熱による波長シフトを微分することによって計算される。本明細書において、図示される図表はやはり例示的実施形態であり、センサの数およびそれらの波長間隔は用途に応じて変わってもよいことに留意されたい。

図５は、部分的に断面を示し、一部を切り欠いた、光ファイバセンサ１２（図１に図示）をその中で用いることができる例示的なエンジン軸受ハウジング５０の等角側面図である。軸受ハウジング５０は、サンプハウジング５２と、サンプハウジング５２から延在して軸受アセンブリ５６を支持する軸受支持ブラケット５４とを含む。本明細書ではフィンガと称する場合もある複数のフィンガ支持体５８が、ブラケット５４の部分６０および６２の間に延在する。１つのみのそのようなフィンガ５８が図２に示される。軸受アセンブリ５６は、内側軌道輪６４および外側軌道輪６６を含み、玉（またはスラスト）軸受６８が軌道輪６４および６６の間に位置付けられる。回転部品７０が内側軌道輪６４に固定され、部品７０および内側軌道輪６４が回転すると、荷重（例えば、後荷重（aft load）力方向が図５に示される）が軸受アセンブリ５６に働く。いくつかの実施形態では、各光ファイバセンサ１２を光結合器３０に接続する光ファイバケーブル１４を案内するため、複数のガイド（図示せず）が軸受ハウジング５０の周囲に配置されてもよい。

光ファイバセンサ１２は、任意の適切な構成、配置、形式で、かつ／または任意の適切な構造および／もしくは手段によって、軸受ハウジングに取り付けられてもよい。例えば、光ファイバセンサ１２は、軸受ハウジング５０の任意の部分に動作可能に連結することができ、または、軸受ハウジング５０から光ファイバセンサ１２に荷重（もしくは撓み）を伝達することができる、軸受ハウジング５０に動作可能に連結された構造部材および任意の数の中間構造部材に動作可能に連結することができる。換言すると、光ファイバセンサ１２は、軸受ハウジング５０に直接動作可能に連結することができ、または、光ファイバセンサ１２は構造部材に動作可能に連結することができ、それが次に、軸受ハウジング部分６０から光ファイバセンサ１２に荷重（もしくは撓み）を伝達することができる、光ファイバセンサ１２と軸受ハウジング５０との間に配置された任意の数の中間構造部材に動作可能に連結される。

図６は、光ファイバセンサ１２を軸受ハウジング部分６０の隣接したフィンガ５８の間で固定することによって、光ファイバセンサ１２が軸受ハウジング５０に動作可能に連結される例示的実施形態を示す。図示される実施形態では、光ファイバセンサ１２はハウジングのフィンガ５８にほぼ平行である。具体的には、光ファイバセンサ１２の一端は軸受ハウジング部分６０内の開口部７２に隣接して位置付けられ、光ファイバセンサ１２の他端は軸受ハウジング部分６２内の開口部７４に隣接して位置付けられる。光ファイバセンサ１２の長さを調整するための手段が、センサ１２の一端または両端に配置される。図示される実施形態では、調整手段はターンバックル３８である。光ファイバセンサ１２の一端または両端に位置付けられたターンバックル３８を使用して、光ファイバセンサ１２が軸受ハウジング５０の開口部７２、７４内でしっかり固定されるように、光ファイバセンサ１２の長さが調整される。

軸受ハウジング５０に引張荷重または圧縮荷重のどちらかが掛かると、ハウジング５０の軸線方向寸法が、例えば約０〜約±数ミル変わる。軸受ハウジング５０のこの軸線方向寸法の変化によって、光ファイバセンサ１２に対する荷重（または撓み）がもたらされる。光ファイバセンサ１２に対する荷重（または撓み）は、光ファイバセンサ１２によって反射される光の波長シフトをもたらす。光ファイバセンサ１２から反射する光の波長シフトを検出することによって、軸受ハウジング５０に対する荷重を検出器システム３２によって検出し、プロセッサ３４によって決定することができる。

次に図７を参照すると、本発明の例示的実施形態による、ブラッググレーティングベースの光ファイバセンサ１２からの動的ひずみ応答が示される。図示される図表は、ひずみの変動と、約４０００ポンドの軸受スラスト荷重下におけるヘルツ（Ｈｚ）単位の振動周波数との関係を表す。約５０００ｒｐｍ、１００００ｒｐｍ、および１５０００ｒｐｍという軸受ハウジング５０の予め定められた回転速度では、スラスト軸受６８がセンサ１２の近傍を通過するとき、軸受ハウジング５０のひずみに変化がある。図示される実施例では、軸受通過周波数は、それぞれ約１５６８．８Ｈｚおよび約２３２３．８Ｈｚという加速度計の読取り値と比べて、約１００００ｒｐｍでは約１５７２．０Ｈｚ、約１５０００ｒｐｍでは約２３３５．０Ｈｚと光ファイバセンサ１２によって測定された。換言すると、光ファイバセンサ１２によって測定された軸受通過周波数は、軸受ハウジング５０に取り付けられた加速度計による測定値と比べて約１％未満の偏差を有していた。さらに、光ファイバセンサ１２は、約８７Ｈｚ、約１６４Ｈｚ、および約２４１Ｈｚの周波数で励起高調波（excited harmonics）を検出した。本明細書において、図示される実施例は例示的実施形態であり、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきでないことに留意されたい。

次に図８を参照すると、本発明の例示的実施形態による、一対のブラッググレーティングベースの光ファイバセンサ１２からの動的ひずみ応答が示される。図示される図表は、ひずみの変動と、約８０００ポンドの軸受スラスト荷重および約１５０００ｒｐｍの回転速度の下でのヘルツ（Ｈｚ）単位の振動周波数との関係を表す。図示される実施例では、光ファイバセンサ１２は、新品の、即ち破砕（spall）を伴わない軸受６８と破砕を伴う軸受６８との間で、明確に異なる振動サインを検出した。この図から、ファイバベースのスラスト荷重測定システム１０を使用して、軸受ハウジング５０内の軸受６８の健全性をモニタできることが分かる。

次に図９を参照すると、本発明の例示的実施形態による、複数のブラッググレーティングベースの光ファイバセンサ１２からの動的ひずみ応答が示される。図示される図表は、ひずみの変動と、約８０００ポンドの軸受スラスト荷重および約１５０００ｒｐｍ回転速度の下でのヘルツ（Ｈｚ）単位の振動周波数との関係を表す。図示される実施例では、光ファイバセンサ１２は、新品の、即ち破砕を伴わない軸受６８と破砕を伴う軸受６８との間で、明確に異なる振動サインを検出した。図８と同様に、この図から、ファイバベースのスラスト荷重測定システム１０を使用して、軸受ハウジング５０内の軸受６８の健全性をモニタできることが分かる。

上述したように、ファイバベースのスラスト荷重測定システム１０は、ガスタービンエンジンにおける軸受スラスト荷重を測定するのに利用することができ、既知のひずみゲージアセンブリと比べて、エンジンの開発時および生産時両方において装着がより容易になり、かつ／または時間が掛からなくなる可能性がある。例えば、光ファイバセンサ１２は軸受軌道輪ではなく軸受ハウジング５０に直接取り付けられるので、センサを装着するために軸受軌道輪を再加工する必要性をなくすことができる。さらに、光ファイバセンサ１２は、接着剤を使用することなく軸受ハウジング５０に固定することができる。そのため、光ファイバセンサ１２は、軸受スラスト荷重の測定に関連する時間および／またはコストの低減を容易にすることができる。さらに、測定システム１０によって、軸受スラスト荷重の測定に必要ないくつかの電子部品が不要になる。

本明細書にて記載および／または図示したアセンブリ、軸受、ならびに方法は、本明細書では、ガスタービンエンジンの軸受ハウジングに固定するための特定のアセンブリと関連して記載および／または図示している。ただし、そうしたセンシング素子を、多くの代替の固定配置で使用できることを理解すべきである。したがって、センシング素子を軸受ハウジングに固定するやり方は例示的な構成であり、他の固定アセンブリと併せてセンシング素子を使用することができる。

アセンブリ、軸受、および方法の例示的実施形態を、本明細書に詳細に記載および／または図示している。アセンブリ、方法、および軸受は、本明細書に記載および／または図示した特定の実施形態に限定されず、それよりもむしろ、各アセンブリおよび軸受の部品ならびに各方法のステップを、本明細書に記載および／または図示した他の部品および／またはステップとは独立に、かつ別個に利用してもよい。各部品および／またはステップは、他の部品および／またはステップと組み合わせて使用することもできる。

本明細書に記載および／または図示したアセンブリ、軸受、および方法の要素／部品などについて記述するにあたって、冠詞（「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「ｓａｉｄ」）は、１つまたは複数の要素／部品などが存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、および「有する」は、包括的であるものとし、列挙した要素／部品など以外の追加の要素／部品などが存在してもよいことを意味する。

本明細書は、実施例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示するとともに、当業者が本発明を作成し使用することを可能にしている。本発明の特許性を有する範囲は、請求項によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含んでもよい。そのような他の実施例は、請求項の文言と同様の構造要素を有する場合、または請求項の文言とわずかしか違わない等価の構造要素を含む場合、請求項の範囲内にあるものとする。

１０ 荷重測定システム
１２ 光ファイバセンサ
１４ 光ファイバケーブル
１６ コア
１８ クラッディング
２０、２２ グレーティング素子
２４ 光信号
２６ 光源
２８ 送信信号
３０ 光結合器
３２ 検出器システム
３４ プロセッサ
３６ 出力デバイス
３８ ターンバックル
５０ 軸受ハウジング
５２ サンプハウジング
５４ 支持ブラケット
５６ 軸受アセンブリ
５８ フィンガ支持体
６０、６２ 部分
６４ 内側軌道輪
６６ 外側軌道輪
６８ 玉軸受
７０ 回転部品
７２、７４ 開口部

Claims (10)

1. 軸受ハウジング（５０）と、
   前記軸受ハウジングに動作可能に連結された光ファイバベースのスラスト荷重測定システム（１０）であって、前記軸受ハウジングに関する１つまたは複数のパラメータを検出するように構成された光ファイバセンサ（１２）を備える測定システムとを備える、装置。
2. 前記軸受ハウジングが、一対の反対向きの軸受ハウジング部分（６０、６２）間に延在する複数のフィンガ（５８）をさらに備える、請求項１記載の装置。
3. 前記軸受ハウジングが、サンプハウジング（５２）と、前記サンプハウジングから延在して軸受アセンブリを支持する軸受支持ブラケット（５４）とをさらに備える、請求項２記載の装置。
4. 前記光ファイバセンサ（１２）の一端が前記軸受ハウジング部分の一方にある開口部（７２）に隣接して位置付けられ、前記光ファイバセンサの他端が前記軸受ハウジング部分の他方にある開口部（７４）に隣接して位置付けられる、請求項２記載の装置。
5. 前記光ファイバセンサが複数のファイバブラッググレーティング素子（２０、２２）を備える、請求項１記載の装置。
6. 前記光ファイバベースのスラスト荷重測定システムが、光源（２６）から放射された光信号（２４）および前記光ファイバセンサから反射した光信号を調節するように構成された光結合器（３０）をさらに備える、請求項１記載の装置。
7. 前記光ファイバベースのスラスト荷重測定システムが、前記光結合器から光信号（２８）を受け取るように構成された検出器システム（３２）をさらに備える、請求項６記載の装置。
8. 前記光ファイバベースのスラスト荷重測定システムが、前記検出器システム（３２）から出力を受け取り、かつ前記軸受ハウジングに関する検出された前記１つまたは複数のパラメータに基づいて、スラスト軸受（６８）に対するスラスト荷重を決定するように構成されたプロセッサ（３４）をさらに備える、請求項７記載の装置。
9. 前記軸受ハウジングに関する前記１つまたは複数のパラメータが、温度、ひずみ、圧力、振動、あるいはそれらの組み合わせを含む、請求項１記載の装置。
10. 光源（２６）からの光を軸受ハウジング（５０）に連結された複数の光ファイバセンサ（１２）に向けて送るステップと、
    検出器システム（３２）を使用して前記光ファイバセンサからの反射光を受け取るステップと、
    前記光ファイバセンサから反射した光の波長シフトに基づいて、温度、ひずみ、圧力、振動、あるいはそれらの組み合わせを含む、前記軸受ハウジングに関する１つまたは複数のパラメータを決定するステップとを含む、方法。

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