KR20030017490A - 터빈 엔진의 외부 물체에 의한 손상 감지 시스템 - Google Patents

터빈 엔진의 외부 물체에 의한 손상 감지 시스템 Download PDF

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KR20030017490A
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Abstract

외부 물체에 의한 손상(FOD) 감지 시스템은 물체가 터빈 엔진의 통풍구멍에 들어가서 엔진의 하나이상의 블레이드를 충격할 때 방출되는 초음파 또는 응력파를 검사하고 분석하기 위해 개시된다. 감지할 때 FOD 감지 시스템은 작업자에게 즉각 정보를 줄 수 있고, 다른 전자 장치(컴퓨터 등)로 전보를 주고/또는 유지보수 부서의 리뷰용으로 정보를 입수한다. 감지 시스템은 일반적으로 하나 이상의 응력파 센서와 센서로부터 수용된 응력파 신호를 처리하는 전자 조립체로 이루어진다. 전자 조립체는 종래 케이블형을 통해 센서와 연통한다.

Description

터빈 엔진의 외부 물체에 의한 손상 감지 시스템 {TURBINE ENGINE FOREIGN OBJECT DAMAGE DETECTION SYSTEM}
외부 물체에 의한 손상("FOD")은 터빈 엔진 제조자 및 사용자들의 항상 주요한 관심사이다. 엔진에서 손상된 팬, 압축기 및 터빈 블레이드는 큰 파손 또는 효율적 작동의 손실을 가져올 수 있다. FOD를 방지하기 위해, 몇몇 터빈 시스템은 필터를 사용한다. 그러나, 이것은 필터에 의해 생성되는 크기, 중량 및 성능 문제로 인해 모든 면에서 실용적이지 않다. 필터가 사용되지 않은 시스템에서, 주기적 수동 검사는 FOD 사건 후에 비공지된 시간에 임의의 손상을 감지하는데 사용된다. 이러한 비공지된 것은 생명 및/또는 장비를 손상시키는 큰 파손으로 번지는 손상에 대해 가능성을 남긴다. 또한, 모든 블레이드를 수동 검사하는 것은 시간 소비적이고 비용이 드는 과정이다. 따라서, 본 기술분야에 필요한 것은 터빈 엔진과 같은 장비에 대한 외부 물질에 대한 손상을 감지하기 위한 시스템이고, 이것은 시간 및 비용 효율적 방법으로 손상을 감지한다. 따라서, 본 발명이 관련된 종래 기술의단점의 효율적 해결책이다.
본 발명은 일반적으로 응력파 분석에 관한 것이고 특히 제한되지는 않지만 제트 항공기와 같은 터빈 엔진에서 외부 물체에 의한 손상(FOD)을 감지하는 응력파의 분석 및 그 사용에 관한 것이다.
도1은 충격에서 외부 물체에 의한 손상을 감지하는 응력파의 증가를 설명하는 그래프이다.
도2는 본 발명의 분석 시스템 및 외부 물체에 의한 손상 감지하기 위한 블록 다이어그램이다.
본 발명은 팬 베어링 하우징, 전자부품을 구비한 센서 인터페이스 연결하는 케이블 및 전자 조립체로부터 전송 경로를 제공하는 위치에서 엔진 상에 장착된 적어도 하나 및 바람직하게는 복수의 응력파 센서로 구성된 FOD 검사 시스템을 제공한다. 전자 조립체는 수용된 신호를 조절하고 상기 신호를 복조하고, FOD 사건이 발생하면 신호를 결정하거나/통지하는 절차를 수행한다. 상기 센서들은 바람직하게는 엔진에 외향으로 장착된다. 따라서, 엔진의 길이에 따라 위치된 다중 센서를 사용함으로써, 시스템은 물체가 파괴되기 전에 물체가 엔진 내부로 이동하는 깊이를 감지할 수 있다.
따라서, 본 발명은 데이타를 분석하는 고도로 훈련된 능숙자 없이도 극도로 높은 에너지 환경에서 낮은 에너지 사건의 감지용으로 제공되고, 또한 FOD 사건이 발생하는 실시간 지시를 한다. 터빈 엔진을 구비한 본 발명의 사용은 그러한 엔진의 안전 효율성 및 신뢰성을 증가시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 터빈 엔진과 같은 하나의 장치 또는 기계류의 외부 물체에 의한 손상을 분석하고 감지하기 위한 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 비교적 시간 및 비용 효율성의 면에서 외부 물체에 의한 손상을 분석하고 감지하기 위한 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 터빈 엔진에서 외부 물체에 의한 손상을 감지하기 위해 응력파 신호를 사용하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 외부 물체의 흡수(ingestion)로부터 터빈 엔진의 손상을 감소시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 터빈 엔진의 신뢰성을 향상시키는 것이다.
이러한 및 다른 목적에 따라서 이하에서 명백하게 되고, 첨부 도면을 참고로 본 발명이 설명된다.
본 발명은 하나 이상의 응력파 센서(20) 및 센서(20)로부터 수신된 응력파 신호를 처리하기 위한 전자 조립체로 구성된다. 전자 조립체는 종래의 케이블을 경유하여 센서(20)와 연통한다. 일 실시예에서, 센서(20)는 감지 요소에서 응력파 신호의 증폭 및 대역 통과 필터링 포함할 수 있다. 선택적으로, 바람직하게 감지 요소 외부보다 큰 응력파 신호 증폭과, 바람직한 증폭 및 필터 센서보다 낮은 소음 플로어를 이용하여 비 증폭 센서(20)가 또한 사용될 수 있다. 바람직하게, 응력파 주파수의 관심 범위는 20 KHz 이상이다. 그러나, 다른 수치 및 범위가 사용될 수 있거나 분석될 수 있으며, 모두는 본 발명의 영역 내에서 고려된다. 응력파 신호 진폭 범위를 감소시키기 위해서는, 신호 조건 전자 감지 센서(20)는 두 개의 특징즉, 증폭기의 이득 및 대역 여파를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 바람직한 관심 주파수는 38KHz이며, 센서(20)는 바람직하게 100 Hz에서 참조된 72dB의 이득을 가질 수 있으며, 대역 여파는 38KHz에서 집중될 수 있다. 이러한 수치들은 실시예에 의해 제공되며, 제한되지 않으며, 다른 수치들이 이용될 수 있으며, 본 발명의 영역 내에서 고려된다.
센서(20)에서 증폭되는 경우에도, 응력파 신호는 부가의 증폭을 필요로 할 수 있다. 이러한 측정은 일반적으로 테스트되어질 엔진의 형태 및 전력 출력의 함수이다. 따라서, 증폭기는 전자 조립체 내에서 요구될 수 있다. FOD 탐지 시스템 설계(10)는 바람직하게 대역 여파를 포함한다. 충격 사고는 충돌 작동을 닮기 때문에, 대역 주파수 신호는 사고에 의해 발생된다. 저 주파수에서, 이러한 신호는 일반적으로 낮은 비율의 총괄적인 신호이며, 탐지에 극한 감도를 필요로 할 수 있다. 그러나, 고 주파수(즉, 20 KHz이상)에서, 충격 신호는 일반적으로 두 개 이상의 인자에 의해 배경 소음을 벗어나 상승한다. 이러한 고 주파수 특성은 실시예에 의해 전술한 38KHz 주파수 등의 관심 주파수의 선택에서 중요하다. 배경 신호로부터 관심 주파수를 분리하기 위해서는, 관심 주파수 주변으로 설계된 대역 필터(30)가 사용될 수 있다. 센서 및 엔진 형태에 따라 대역폭이 변경될 수 있다. 일 실시예에서, 필터는 7KHz 대역 밴드를 갖도록 설계될 수 있다.
응력파 신호 강도에 따라, 증폭기는 최적의 성능을 보장하기 위해 대역 필터(30)와 복조기 사이에서 요구될 수 있다.
진폭 복조기는 최종 단계의 신호 조절을 수행한다. 최종 신호는 응력파 펄스 트레인("SWPT")으로 불려질 수 있으며, 최종 곡선 하에서의 영역은 응력파 에너지("SWE")로 불려질 수 있다.
이러한 지점에서, SWPT는 FOD충격 사고에 의해 발생된 펄스를 탐지하기 위해 아날로그 또는 디지털 수단에 의해 처리되어야 한다. 펄스의 탐지는 FOD 사고를 확인하기 위해 이용된다. 펄스를 탐지하기 위해 이용되는 다수의 종래 방법이 있으며, 당업자에게 명백해질 것이다. 본 발명은 임계치, 바람직하게 소프트웨어 또는 선택적으로 아날로그 하드웨어로 제공된 임계치를 이용하며, (1) 평균 SWPT, (2) 임계치 이상의 SWE를 측정하기 위한 적분기, (3) 입력 신호로부터 의사 소음을 제거하기 위한 SWE 임계치에 근거한다. 임계치를 이용한 바람직한 펄스 탐지 방법은 다양한 형태의 엔진에 대한 넓은 범위의 조절을 허용하는 확고한 피크 탐지를 초래한다. (바람직하게 펄스 탐지 소프트웨어 또는 선택적으로 아날로그 하드웨어로 포함된) 수학적인 정의 및 평가는 다음과 같다.
여기서, Tset= 평균 SWPT에 대한 기준 임계 설정 지점
Tspeak= 임계 전압
Dspeak= Tpeak를 초과하면 1, 그렇지 않으면 0
SWEspeak= Tspeak이상의 피크 에너지
SWE 임계치 탐지기의 출력은 2진수이며 통과 또는 손상 조건을 나타낸다. 출력 신호는 FOD 사건이 탐지되는, 항공기 승무원, 지상 근무원 또는 다른 사람등에게 경고를 제공하는 다양한 지시기를 시동하는데 이용된다. 일실시예에서, 본 발명은 래칭 지시기를 이용하나, 출력은 변화를 탐지하기 위해 실시간이 탐지될 수 있다. 본 발명에 대한 일실시예(10)에서, FOD 탐지 시스템 블록선도는 도2에 도시되어 있다.
응력파의 감지 및 분석은 FOD 발생이 발생되고 FOD가 얼마나 깊이 진행되었는 지를 확인하는데 사용될 수 있다. 항공기 터빈 엔진의 경우에, 이러한 것은 FOD 발생에 의해 개시되는 진행 고장으로 인한 엔진 고장의 위험을 현저하게 감소시킨다. 응력파를 사용함으로써, 본 발명은 시간, 일, 주 또는 월 후가 아닌 충격시에 FOD의 감지를 허용한다(도1 참조).
본 발명은 또한 무해한 것으로 여겨지는 재료들이 잘못된 경고를 제공하는 신호를 생성하지 않음을 나타내었다. 이것은 충격시에 응력파의 진폭이 팬/터빈 블레이드에 전달된 에너지에 비례한다는 사실에 기인한다. 이러한 응력파 신호는 이 때 FOD 발생을 감지하는 아날로그 또는 디지털 수단을 통해 처리될 수 있다.
본 발명의 특정 태양은 다음을 포함한다:(a) 응력파는 터빈 엔진에서 FOD 발생을 감지하는데 사용될 수 있다. (b) FOD 발생을 감지하기 위해 조절된 응력파 신호를 감시하기 위해 피크 감지 방법(디지털 또는 아날로그)이 사용될 수 있다. (c)잘못된 경고를 최소화하기 위해 임계치 감지기에 의해 수반되는 응력파 에너지를 결정하는데 적분기(디지털 또는 아날로그)가 사용될 수 있다. (d) 응력파 신호는 디지털 또는 아날로그 수단을 통해 피크 감지 임계치를 설정하도록 평균화되고 증폭될 수 있다. (e) 응력파 신호는 증폭될 수 있고 배경 신호를 최소화하도록 대역 통과 또는 고 대역 통과로 필터링될 수 있다.
본 발명은 조작 기계에서 충격 작용의 감지를 요구하는 다수의 적용 분야에서 사용하기에 적합하고, 그러한 모든 적용은 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 고려된다. 따라서, 본 발명은 터빈 엔진 내에서, 특히 항공기 제트 엔진 내에서 FOD 사건 의 감지를 위한 전술한 사용으로 제한되지 않는다.
종래의 케이블링 대신에, 센서들은 무선 기술을 통해 시스템의 전자기기와 통신할 수 있다.
본 발명은 가장 실용적이고 바람직한 실시예로서 본 명세서에서 도시되고 설명되었다. 그러나, 본 발명의 범주 내에서의 파생된 것들이 제조될 수 있고 명백한 수정예들은 본 기술분야의 당업자에게 명백하다.

Claims (23)

  1. 하나의 기계류에서 외부 물체에 의한 손상을 감지하기 위한 방법이며,
    (a) 상기 하나의 기계류에 의해 생성된 응력파 신호를 수신하는 단계와,
    (b) 상기 신호가 임계치를 초과하는 지를 결정하기 위해 상기 응력파 신호를 분석하는 단계와,
    (c) 상기 응력파 신호가 상기 임계치를 초과할 때 인디케이터를 발전시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 임계치는 상기 하나의 기계류에 대한 손상 정도에 대응되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수신된 응력파 신호를 증폭시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 배경 신호를 최소화하도록 상기 수신된 응력파 신호를 필터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 배경 신호를 최소하도록 상기 수신된 응력파 신호의 대역 통과 또는 고 대역 통과 필터링의 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 단계 (b)는 수신된 응력파 신호를 응력파 펄스로 복조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 임계치는 다음의 피크 감지 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
    여기서, Tset= 평균 SWPT에 대한 기준 임계 설정 지점
    Tpeak= 임계 전압
    Dpeak= Tpeak를 초과하면 1, 그렇지 않으면 0
    SWEpeak= Tpeak이상의 피크 에너지
  8. 제1항에 있어서, 상기 단계 (b)는 피크 감지 임계치를 설정하기 위해 상기 수신된 응력파 신호를 평균화 및 증폭시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 단계 (b)는 응력파 에너지값을 결정하도록 적분기를 제공하는 단계를 포함하고, 단계 (c)는 허위 경보를 최소화하도록 임계 감지기를 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 물체에 의한 손상을 감지하기 위한 방법.
  10. 하나의 기계류에 외부 물체에 의한 손상을 감지하기 위한 시스템이며,
    상기 시스템은 하나의 기계류와 연관된 하나 이상의 응력파 센서와,
    상기 하나 이상의 응력파 센서와 연통하는 전자 조립체를 포함하고,
    상기 전자 조립체는 흡수된 외부 물체로부터 하나의 기계류에 손상이 생겼는지를 판단하도록 상기 하나 이상의 센서로부터 수용된 응력파 신호를 분석하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 응력파 센서는 20 KHz 이상의 응력파 신호를 감지하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 전자 조립체는 케이블을 통해 상기 하나 이상의 센서와 연통하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제10항에 있어서, 상기 하나의 기계류는 터빈 엔진인 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제10항에 있어서, 상기 전자 조립체는 아날로그계인 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제10항에 있어서, 상기 전자 조립체는 디지탈계인 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제10항에 있어서, 상기 전자 조립체는 상기 센서로부터 수용된 응력파 신호를 증폭하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제10항에 있어서, 상기 전자 조립체는 상기 센서로부터 수용된 응력파 신호를 필터링하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 전자 조립체는 응력파 신호를 필터링하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 센서는 하나의 기계류를 따라 다양한 점에 위치된 복수의 응력파 센서인 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제10항에 있어서, 상기 전자 조립체는 상기 센서로부터 수용된 응력파 신호를 응력파 펄스로 변환하기 위한 파장 복조 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 상기 전자 조립체는 소정의 임계치를 초과하는 응력파 펄스를 감지하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제10항에 있어서, 상기 전자 조립체는 무선 기술을 통해 상기 하나 이상의 센서와 연통하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  23. 하나의 기계류에 외부 물체에 의한 손상을 감지하기 위한 방법이며, 상기 방법은
    (a) 하나의 기계류에 의해 발생된 수용된 응력파 신호를 조절하는 단계와,
    (b) 수용된 응력파 신호를 복조하는 단계와,
    (c) 외부 물체에 의한 손상 사건이 하나의 기계류에 발생되었는지를 판단하도록 복조된 응력파 신호를 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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