JP5512693B2 - 回転要素のひずみ測定 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレスの屈曲動作測定に関連する方法および装置に関し、特に、しかし非排他的に、たとえばガスタービンエンジンのシャフトの安定および／または振動のトルク測定に関連する方法および装置に関する。

従来のワイヤレスセンサは、たとえば、ほんの２、３例をあげるとエンジン開発作業、処理プラント、および薬剤のような機器の領域で幅広い用途がある。ワイヤレスセンサは、特に振動および回転の監視へのはっきりとしたポテンシャルを示してきた。ガスタービンエンジンの開発の機器に適用される場合、ワイヤレスセンサは、高価なワイヤの低減、複雑さの低減、監視のためのセットアップ時間の低減、および接続不良の除去のような多数の利点がある。

ワイヤレスセンサの１つの応用は、回転シャフトのトルクの測定である。多数のトルクセンサはひずみゲージを採用し、また、データ転送に、スリップリング、誘導リンクまたは光学リンクを用いる。

このような１つのトルクセンサ装置３０が図１に示され、これは、金属ワイヤ３６を備えるシャフト３４に向けられるエミッタ／トランシーバ３２を有する。金属ワイヤは、シャフト上の２つのポイントの間に回転軸３８に対して所定角度で取り付けられる。トルクが付与されていない場合、シャフトの共通の動作中の振動は、ストリングを励起し、共振周波数ｆ_０で振動させる。共振周波数ｆ_０は、ストリングの幾何学的および材料的なパラメータにより決定される。シャフトへのトルクの付与は、ストリングの張力を変化させ、共振周波数の対応する変化を生じさせる。検知ワイヤ４４に向けられるマイクロ波トランシーバ３２は、ワイヤ４４で反射されるＲＦ信号を放射する。戻り信号５４の大きさは、ワイヤの振動により変調される。振幅の変化は、シャフト３４に付与されるトルクの指標である。

しかし、この従来技術のトルクセンサは、信号がシャフトの一回転ごとに１回だけ記録されという欠点があり、それゆえ、シャフトの動作のスナップショットだけが観測される。この方法は、受信される信号の量を制限し、平均信号強度は弱くなる。

それゆえ、本発明の目的は、上述の問題を克服する新しいトルクセンサ装置およびトルクの測定方法を提供することである。

本発明によれば、回転シャフトのためのひずみセンサ装置が提供され、これは、放射エミッタ／レシーバと、シャフトに取り付けられる振動素子と、シャフトおよび振動素子を囲む放射反射性環部と、を有する。

好ましくは、導波路がエミッタ／レシーバと環部内に画定される開口との間を延びる。

好ましくは、エミッタ／レシーバは、環部の半径方向外側に位置決めされる。

代替的に、２つの振動素子は、一方から他方へ放射を反射するように位置決めされる。

好ましくは、２つの振動素子は、互いに離間され約９０度で傾斜する。

代替的に、反射器は、放射を振動素子上に反射するように位置決めされる。

好ましくは、反射器は凹状であり、放射を振動素子の最大振幅のところに反射させるように位置決めされる。

好ましくは、振動素子はワイヤである。

本発明は、以下で、例として添付図面を参照しながらより完全に説明される。添付図面は以下の通りである。

従来技術によるシャフトに適用されるトルクセンサ装置の概略図である。 従来技術による３シャフトダクトファンガスタービンエンジンの概略断面図である。 本発明による、シャフトに適用されるひずみセンサ装置の概略側面図である。 本発明による、ひずみセンサ装置の実施形態の概略レイアウトを示す図である。 本発明による、ひずみセンサ装置のさらなる実施形態を示す図である。 本発明によるひずみセンサ装置の信号処理ステップを示す図である。 本発明によるひずみセンサ装置の信号処理ステップを示す図である。

図２を参照すると、ダクトファンガスタービンエンジンが全体として符号１０で示され、これは、主軸である回転軸ｘ−ｘを備える。エンジン１０は、軸方向の直列流れにおいて、空気吸気部１１、推力ファン１２、中間圧力コンプレッサ１３、高圧力コンプレッサ１４、燃焼装置１５、高圧力タービン１６、中間圧力タービン１７、低圧タービン１８、およびコアエンジン排気ノズル１９を有する。

ガスタービンエンジン１０は従来のように動作し、吸気部１１に入る空気は、ファン１２により加速され２つの空気の流れを生成する。第１空気は、中間圧力コンプレッサ１４に流れ込み、第２空気は、バイパスダクト（図示せず）を通って流れ推力を提供する。中間圧力コンプレッサ１３は、高圧コンプレッサ１４に空気を送る前に流れ込む空気の流れを圧縮する。高圧コンプレッサ１４ではさらなる圧縮が行われる。高圧コンプレッサ１４から排出される圧縮された空気は、燃焼装置１５内に導かれる。ここで、圧縮空気は燃料と混合され、混合物が燃焼される。結果として生じる熱い燃焼物は膨張し、それにより、ノズル１９を通って排出される前に高圧、中圧、低圧タービン１６、１７、１８を駆動し、追加の推力を提供する。高圧、中圧、低圧タービン１６、１７、１８はそれぞれ、シャフト２０、２１、２２にそれぞれ接続されることにより、高圧、中圧コンプレッサ１４、１３、およびファン１２を駆動し、それにより、高圧、中圧、低圧のスプールを形成する。

図３、５ａを参照すると、新規なひずみセンサ装置４０は、振動素子４４に向けられるエミッタ／トランシーバ４２を有し、この例では、振動素子４４はシャフト３４に取り付けられる金属ワイヤであり、たとえば２つのフランジ３３、３５の間に取り付けられる。導波路４８は、それ自身で放射を反射するものであり、エミッタ／トランシーバ４２と環４６内に画定される開口部５０との間を延びる。

エミッタ／トランシーバ４２は、マイクロ波を放射し（実線５２）、これは導波路４８を通って伝搬し、開口部５０を通り、シャフト３４と環部４６との間の概ね環状の空間４１に入る。重要なことにシャフト３４および環部４６の両方は、（マイクロ波）放射に対して実質的に不透過性であり、これらの表面は放射を反射する。マイクロ波放射の出力５２は、回転シャフト３４と環部４６との間で導かれ、振動ワイヤ４４にぶつかる。振動素子により反射された放射、すなわち戻り信号は、破線５４で示される。シャフト３４が回転しているとき、従来技術の構成のような一回転ごとの間隔ではなく、振動素子４４はマイクロ波放射を常に「見る」ことができるようになる。この新規なトルクセンサ装置４０は、それゆえ、検出されるより高い平均信号レベルが得られ、これは、より改善された量および質のデータを与える。

本発明のさらなる利点は、一回転毎の「スナップショット」の事象ではなく戻り信号の連続的な可視性であり、これは、フラッタのような動作不良の検出を可能にする。換言すれば、シャフトの１回転の回転内で生じる振動特性は、従来技術の構成では検出することができず、説明できないか、または明らかでない現象により影響を受けることがあった。以下で説明されるように、これは本発明の構成では生じない。

単一のつるされる振動ワイヤをシャフト３４に使用する代わりに、典型的には互いに垂直に中心で交差するように配置される２つの振動ワイヤを用いることが知られている。これは、単に、シャフトのねじれ変位の変化の２つの測定値を与えるものである。この構成は、２つのワイヤの周波数の差をとることにより、温度および曲げの効果を実質的に取り除く。一方のストリングが、ひずみの増加を受けると、他方は減少する。各ワイヤから直接的に反射された放射は、２つのひずみ成分を与えるために独立に記録される。

図４を参照すると、この新規なトルクセンサ装置４０のさらなる改良は、２つの振動素子４４ａ、４４ｂを、互いに約９０°の角度で備える。しかし、図４ａにおいては、一方の振動素子から他方の振動素子へ放射を反射するように配置され、これは、単一ワイヤよりも強い戻り信号を生成する。

従来技術の２ワイヤ構成は、おもに、最適な構成、すなわち４５°、においてシャフトのトルクを測定するためのものであり、シャフトの特定の位置における正および負のトルク変化を比較するためだけに効果的に用いられる。図４ａにおける本発明のワイヤ４４ａ、４４ｂの構成は、一方のワイヤから他方のワイヤの中心に放射が導かれ、ここで振幅、それゆえ伝達される信号が最大になる。放射がストリング４４ａで反射されると、いくらかのエネルギーを失い始めるが、ワイヤ４４ｂの中心にぶつかり、戻り振動は、最大信号強度のために非常に増強される。

図４ｂに示される他の実施形態において、トルクセンサ装置４０は、最適な信号条件を達成するために、２つの反射器５６ａ、５６ｂを互いに約１３５°の角度で備え、振動素子４４ａ、４４ｂは、反射器に向かい合ってシャフト軸に対して４５°の位置にある。入るおよび戻る放射の経路５２、５４は、同一のラインに沿うことに注意されたい。図４ｂは、図４ａに比べた改良である。それは、放射が反射器５６ａ、５６ｂにそれぞれ反射され、それぞれストリング４４ａまたは４４ｂに至るからである。反射の後のエネルギー損失は、反射器が剛直である前の構成と比較して少ないであろう。

図４ｃに示される実施形態において、２つの反射器５６ａ、５６ｂは、約９０°で配置され、単一の振動素子４４に隣接している。一方の反射器５６ａは、マイクロ波を振動素子に導き、他の反射器５６ｂは、振動素子から反射された信号を検出器４２へ導く。これは、検出器での強い信号を達成する。それは、反射器５６ａが、発された放射５２を振動素子上に集束させることができるからである。第３の改良は、図４ｃを参照して説明され、ここで、パラボラ反射器は、放射をストリングの中心に集束させ、反射は、レシーバに戻るように導かれる。パラボラ反射器は、放射の伝達を最大化することができる。上の説明は、ストリングの幾何形状に好適であるが、これは図５で提案されるプレート６０に幾分大きな影響を提供する。特に、パラボラ反射器を備える図４ｃの構成は、プレートの中心ポイント上に放射を導くことができる。

図４ｂを参照して説明される実施形態において、反射器５６ａ、５６ｂは、平面形状または凹形状のいずれともすることができる。特に、凹形状は、放射を振動素子４４の中心に集束させることができ、ここで振幅が最大になり、それゆえ、反射応答がさらに改善される。

本発明の信号処理およびその利点を説明するために、まず、図１の従来技術を参照する。振動素子３６からマイクロ波レシーバ３２に戻る信号３５は、典型的にはＧＨｚのオーダーのマイクロ波エネルギーのバーストの形態である。これは、振幅または周波数変調により処理され、ワイヤの振動周波数の測定としての信号またはデータを提供し、これは、中断されたサイン波の形態である。定常な条件下では（すなわち振動がない条件）、サイン波は一定の周波数である。シャフトのねじれまたは屈曲振動が発生すると（すなわち、非定常状態）、受信信号の周波数は、シャフト３４の一回転の間に変化する。典型的なシャフトの回転周波数は５ｋＨｚを超え、シャフトの一回転内のひずみの一時解（temporal solution）を生じるためのさらなるデータを引き出すための機会が存在する。

ここで、図５ａ−ｃに示される本発明の信号処理を参照すると、ワイヤ上の定常状態および定常ひずみの間、ワイヤは一定の周波数で振動するであろう。受信したマイクロ波信号（ＧＨｚの周波数）は、約５ｋＨｚのワイヤの振動周波数において変調されるであろう（図５ｄ）。標準の変調方法（ＦＭまたはＡＭ）は、サイン波に近似する信号（図５ｂ）を提供し、これは、ワイヤの振動およびシャフト３４の回転によるドップラーシフトを表わす。２つのワイヤが用いられる場合、トルクは周波数の差に関連し、ドップラーシフトは相殺される。しかし、振動素子４４が開口部５０を通ってマイクロ波トランシーバ４２に至る時間ごとに位相の不連続がある。Hanning、Hamming、または他の公知のタイプの「窓関数」を使用することで、そのような不連続を取り除くことが知られている。本発明に適用することに問題が生じることがあり、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）のような非同期周波数測定の使用は、使用されるべきではない。これは、信号にランダムに適用されると、結果は有意に損失し、または、いくつかのシャフトの回転にわたって平均をとると、信号の完全な相殺が生じ得るからである。

この問題を回避するために、受信信号は、図５ｃに示されるような形状処理「窓」６４が掛け算される。窓６４は、シャフト３４に関連付けられる一回転の指標を起点とすることにより、または、信号５４における位相変化６２を認識することにより、信号５４に同期される。

信号５４に窓関数６４が掛け算され、出力／ひずみ６６を与える。出力信号６６の周波数は、回転シャフトのひずみの指標であり、従来技術で説明したような単純な「見通し線（line of sight）」方法に対して大きな改良を与える。

非定常状態において、上述したように、ひずみ信号６６は、シャフトの一回転にわたって大きく変化することがある。これは、ねじれまたは屈曲振動により生じることがあり、両者は、回転機械に有意なものである。この変動は、典型的には、ひずみにおけるシヌソイド変化で近似できる。これらの条件下で、より短いHanning窓が必要とされ、いくつかの窓が一回転にわたって用いられるとともに、ＦＦＴ６８のような周波数測定が続く。実際、複数のシャフト共振により複数の周波数が受信されることがあり、これらはＦＦＴにより分離される。信号の完全性（integrity）を改良するために、シャフトの一回転の指標を用いることができる。一回転内のＦＦＴ信号７０は、振幅および位相に関して平均化され、周波数７２を与え、シャフトに関するピークひずみおよび位相に関し、シャフトの回転一に対する振動の最大偏位の位置を与える。この振幅の増加およびノイズの低減は、シャフトの異なる回転にわたってのみＦＦＴ信号７０の振幅を平均化することにより達成される。

代替周波数決定方法は、「ゼロ交差」アプローチを用いる。ゼロ交差アプローチにより、前として、マイクロ波信号（６ａ）は変調され、ワイヤの振動を表わす信号（図６ｂ）を提供し、予期されるワイヤ振動の周りの追加のバンドパスフィルタを適用することができる（図６ｃ）。信号はゼロ（または他の都合のよいレベル）と交差する各時間で、交差は記録される（図６ｄ）。このゼロと交差するレートはワイヤの張力およびそれゆえトルクを表わす。

変化するトルクが存在するとき、引き出されるワイヤの信号（図６ｆ）は、このトルクに応じて変化するであろう。対応するゼロ交差（図６ｇ）およびレート（図６ｈ）は、トルクの変動を示す。ゼロ交差法は、潜在的に、実行するのがより簡単であり、また、より低コストである。複雑な電子機器をあまり必要とせずに、よりノイズ耐性があり、より頑強な方法である。

マイクロ波信号の周波数変調がある場合、復調ステップ（図６ａ−６ｂ）は、省略することができ、未加工のマイクロ波信号に直接的にゼロ交差を適用することができる。

Claims (8)

1. 回転シャフト（３４）のためのひずみセンサ装置（４０）であって、放射エミッタ／レシーバ（４２）と、前記シャフト（３４）に取り付けられる振動素子（４４、６０）と、前記シャフトおよび前記振動素子を囲む放射反射性環部（４６）と、を有する、ひずみセンサ装置。
2. 請求項１に記載のひずみセンサ装置（４０）であって、導波路（４８）が、前記エミッタ／レシーバ（４２）と前記環部（４６）内に画定される開口部（５０）との間に延びる、ひずみセンサ装置。
3. 請求項１に記載のひずみセンサ装置（４０）であって、前記エミッタ／レシーバ（４２）は、前記環部（４６）の半径方向外側に位置決めされる、ひずみセンサ装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のひずみセンサ装置（４０）であって、２つの振動素子（４４ａ、４４ｂ）が、一方から他方へ放射を反射するように位置決めされる、ひずみセンサ装置。
5. 請求項４に記載のひずみセンサ装置（４０）であって、前記２つの振動素子（４４ａ、４４ｂ）は、互いに離間し約９０°で傾斜する、ひずみセンサ装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のひずみセンサ装置（４０）であって、反射器（５６ａ、５６ｂ）が、前記振動素子（４４ａ、４４ｂ）上に放射を反射するように位置決めされる、ひずみセンサ装置。
7. 請求項６に記載のひずみセンサ装置（４０）であって、前記反射器（５６ａ，５６ｂ）は、凹状であり、前記振動素子の最大振幅となる部分に放射を反射するように位置決めされる、ひずみセンサ装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載のひずみセンサ装置（４０）であって、前記振動素子はワイヤ（４４）である、ひずみセンサ装置。

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