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図面 (18)

課題

パルス列振幅変調又は周波数変調を使用して振動を検出する方法を提供する。

解決手段

ガスタービンエンジン(203)などの機械歯車(4)を支持する回転子(208)を含む。付近に位置するセンサ(8)は、歯車(4)の歯(16)が通過するにつれてパルスの列(72)を発生する。パルス列(72)の周波数は回転子の回転速度を示す。更に、回転子(208)の振動は歯車(4)を別の中心に関して軌道運動させる。この軌道運動はパルス列(72)の振幅変調又は周波数変調、あるいはその双方を生じさせる。変調の検出は振動の存在を指示する。このように、1つのセンサ(4)により発生される1つのパルス列(72)を使用して速度と、振動の有無の双方を指示する。

概要

背景

ガスタービンエンジンは一般に振動を検出するための1つ以上の加速度計具備している。加速度計は誤動作を生じることがあるため、バックアップ加速度計が設けられている場合が多い。加速度計の使用により、エンジンの重量は増加する。また、製造、設計及び保守に要する費用も増大する。更に、加速度計の中には壊れやすいものもあり、容易に損傷してしまう。

概要

パルス列振幅変調又は周波数変調を使用して振動を検出する方法を提供する。

ガスタービンエンジン(203)などの機械歯車(4)を支持する回転子(208)を含む。付近に位置するセンサ(8)は、歯車(4)の歯(16)が通過するにつれてパルスの列(72)を発生する。パルス列(72)の周波数は回転子の回転速度を示す。更に、回転子(208)の振動は歯車(4)を別の中心に関して軌道運動させる。この軌道運動はパルス列(72)の振幅変調又は周波数変調、あるいはその双方を生じさせる。変調の検出は振動の存在を指示する。このように、1つのセンサ(4)により発生される1つのパルス列(72)を使用して速度と、振動の有無の双方を指示する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

機械を動作させる方法において、a)回転する構成要素からパルス列を取り出すことと、b)パルス列を使用して、i)前記構成要素の回転速度を計算し、且つii)前記構成要素における振動推論することとから成る方法。

請求項2

前記機械はガスタービンエンジンである請求項1に記載の方法。

請求項3

前記回転する構成要素は、センサの検出領域と順次交差する歯である請求項1又は請求項2に記載の方法。

請求項4

前記センサはパルスの列を発生し、前記構成要素の振動はパルスの変調を生じさせ、変調から振動が推論される請求項3に記載の方法。

請求項5

前記構成要素の振動は前記構成要素の回転によって発生されるパルスの列の変調から推論される請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の方法。

請求項6

a)周囲に複数の歯が配分されている円板を含む、ガスタービンエンジンの1つの構成要素を回転させる過程と、b)前記円板の付近にセンサを維持し、前記センサはi)前記円板が第1の位置にあるとき、1つの歯が通過した時点で1つの種類のパルスを発生し、且つii)前記円板が第2の位置にあるとき、1つの歯が通過した時点で第2の種類のパルスを発生する過程と、c)パルスの周波数に基づいて、前記構成要素の回転速度を計算する過程と、d)パルスの変調に基づいて、前記構成要素の振動を推論する過程とから成る方法。

請求項7

前記構成要素の振動はパルスの振幅変調を生じさせ、振幅変調が限界を越えたときに振動が推論される請求項6に記載の方法。

請求項8

前記構成要素の振動はパルスの周波数変調を生じさせ、周波数変調が限界を越えたときに振動が推論される請求項6又は請求項7に記載の方法。

請求項9

前記センサは歯の通過により発生する磁気抵抗の変化を感知する請求項6ないし請求項8のいずれか1項に記載の方法。

請求項10

a)回転子を含むガスタービンエンジン(203)と、b)前記回転子の回転に応答して信号の列を発生する手段(216)と、c)信号の列に基づいて前記回転子の回転速度を計算する手段(220)と、d)i)信号の列の変調を検索し、ii)変調が見出されたときに、その変調を指示する警告信号を発生する検出手段(224)とを具備するシステム

請求項11

警告信号は振幅変調の量を指示する請求項10記載のシステム。

請求項12

警告信号は周波数変調の量を指示する請求項10又は請求項11に記載のシステム。

請求項13

警告信号は変調が限界を超えたことを指示する請求項10ないし請求項12のいずれか1項に記載のシステム。

請求項14

前記検出手段(224)は、信号の列のフーリエ係数を取り出すシステムを具備する請求項10ないし請求項13のいずれか1項に記載のシステム。

請求項15

前記検出手段(224)は、フーリエ係数の変化を検出するシステムを更に具備する請求項14記載のシステム。

請求項16

a)軸(82)に関して回転自在である少なくとも1つの構成要素(208)を含むガスタービンエンジン(203)と、b)i)周囲に沿って複数の歯(16)を有し、ii)前記構成要素(208)に装着され、iii)軸(82)と同軸である円板(4)と、c)歯の列が通過するにつれて信号の列を発生するセンサ(8)と、d)i)前記信号の列の変調を検出し、ii)変調が検出されたときに信号を発生する検出手段(216)とを具備するシステム。

請求項17

前記検出手段(216)は振幅変調を検出する請求項16に記載のシステム。

請求項18

前記検出手段(216)は周波数変調を検出する請求項16又は請求項7に記載のシステム。

請求項19

前記検出手段(216)は信号の列からフーリエスペクトルを取り出す請求項16ないし請求項19のいずれか1項に記載のシステム。

請求項20

前記検出手段(216)はフーリエスペクトルの変化を検出する請求項16ないし請求項19のいずれか1項に記載のシステム。

技術分野

0001

本発明は振動感知に関する。

背景技術

0002

ガスタービンエンジンは一般に振動を検出するための1つ以上の加速度計具備している。加速度計は誤動作を生じることがあるため、バックアップ加速度計が設けられている場合が多い。加速度計の使用により、エンジンの重量は増加する。また、製造、設計及び保守に要する費用も増大する。更に、加速度計の中には壊れやすいものもあり、容易に損傷してしまう。

発明の概要

0003

本発明は以上確認した欠点のいくつか又は全てを軽減する。本発明の1つの形態は、既存のセンサにより発生され、現時点では速度測定の用途で使用されている既存のパルス列解析することにより振動を検出する。本発明によれば、既存のパルス列を使用して速度と振動の双方を指示する。

発明を実施するための最良の形態

0004

本発明はセンサにより発生されるパルス列を利用する。数多くの種類のセンサを使用できるが、簡単にするため、一般的なリラクタンスセンサに関して以下に説明する。

0005

図1は、歯車4と、リラクタンスセンサ8と、電子回路12とを含む従来のシステムを示す。電子回路12は各々の歯16がリラクタンスセンサ8を通過するのを検出する。電子回路12は各々の歯16に応答して出力端子17から1つのパルス(図示せず)を発生する。

0006

「リラクタンス」は磁気抵抗である。一般に、磁気抵抗は破線20で囲んだ領域の内部に位置する物質の(1)量と、(2)透磁率によって決まる。例えば、図2の歯16は基準線24の上方に位置している。センサ8が検出したリラクタンスは特性図38に点28により示されている。

0007

第2の例として、図3の歯16は基準線24の上にある。このときのリラクタンスは点32により示されている。第3の例として、図4の歯16は基準線24の下方に位置している。このときのリラクタンスは点36により示されている。

0008

図5は、リラクタンスと位置との関係を一般化して表した特性図39である。特性図は基準線24に関して対称であり、図3の点32に対応する最小点40を有する。

0009

電子回路12は必ずしもリラクタンスそれ自体を測定するのではなく、リラクタンスに関連するパラメータを測定する場合が多い。例えば、図6陰影を付けた歯16を示す。陰影を付けた歯16はセンサ8を通過して、図7に示す位置まで動く。この動きに対応して、電子回路12は図8に示す信号に類似した信号41を発生する。利用する測定技法の関係上、信号41はリラクタンス自体と比較して、図5のリラクタンスの特性図39の傾きより大きな傾きを示す。

0010

簡単にするため、図8の特性図は図5の特性図39の全ての点の傾きを厳密に示してはおらず、その一般的な特徴のみを示している。図8では、負である領域48は負の傾きを有する図5の領域52に相当する。正である図8の領域56は、正の傾きを有する図5の領域60に相当する。0の値を有する図8の点64は0の傾きを有する図5の点40に相当する。

0011

歯16が次々図7のリラクタンスセンサ8を通過するにつれて、図9に示すようなパルス74の列72が発生される。傾きではなく、実際のリラクタンスを測定するリラクタンスセンサを使用する場合には、パルス列(図示せず)は図5の特性図39が連続したものを含むことになる。

0012

理想的なケースでは、図9のパルス列72のパルス74は全く同一の形状であり、且つ隣接するパルスの時間間隔76は等しい。理想的なケースにおいては、図7の歯車4が完全に対称形であり、完全に等しい透磁率を有し、且つ図6の固定された中心82に関して一定の速度で回転していることが必要である。

0013

しかし、振動が起こると、この理想的な状態は現れなくなる。歯車4は中心82に関して回転するばかりでなく、中心82が別の中心に関して軌道運動するようになる。図10はそのような状況を示す。円板86は図6の歯車4を表している。図10の円板86はシャフト88により支持されており、軸90に関して回転する。中心82が示されている。

0014

更に、軌道運動を示すため、シャフト88は第2の円板94により支持されている。第2の円板94は第2の軸98に関して回転する。図11は、図10の構成要素が互いに組み合わされて回転及び軌道運動を行う間に各構成要素が占める位置を順を追って示す。

0015

図11の特性図100は初期基準時間における各構成要素の相対的配置を示す。リラクタンスセンサ8と、シャフト88が示されている。円板94がシャフト88を支持するときにクランクアームとして作用することを示すため、アーム107を重ねて示してある。アーム107は中心98に関して回転する。また、円板86が図1の歯16を表す基準ボックス106を支持するときにクランクアームとして作用することを示すため、第2のアーム105も示されている。図11において、アーム105はシャフト88を中心として回転する。

0016

簡単にするため、2つの円板86及び94と、2つのクランクアーム105及び107は同じ角速度で回転するものと仮定する。

0017

図11は7つの特性図を示している。以下の表1は各特性図において起こる回転の量を示す。前述のように、2つのクランクアーム105及び107は中心は異なるが、同じ角速度で回転するため、表1では特性図ごとに1つの回転量が示されている。

0018

どの時点においても同じ速度で回転するため、特性図100の初期位置からの角変位は同一になる。すなわち、どの時点においても、クランクアーム105及び107は共に回転の中心は異なるが、同じ総回転量ずつ回転している。

0019

0020

図11の組み合わせ回転には2つの重要な特徴がある。その1つは、回転が起こるにつれて円板86とリラクタンスセンサ8との距離が変化することである。特定の例を挙げると、特性図124における距離128は特性図108における距離132より大きい。距離の変化はセンサ8により発生されるリラクタンス信号を変化させる。

0021

第2の特徴は、組み合わせ回転及び軌道運動が起こるにつれて、円板86がリラクタンスセンサ8を通過するときの速度が変化することである。図12はこの変化を示し、図11の特性図100及び124をそのまま含む。全ての回転は反時計回り方向である。説明を簡単にするため、図12では垂直方向の速度の成分のみを考慮する。図の中央に「上」及び「下」の表示が付されている。

0022

特性図100において、ベクトル140は垂直方向のシャフト88の速度を表す。シャフト88は円板86の回転の中心の軸であるので、ベクトル140も円板86全体の上向き方向の並進速度を表す。基準ボックス106は円板86に装着されているので、ベクトル140は上向き方向のボックス106の1つの速度成分も表している。

0023

加えて、ベクトル144は、円板86がシャフト88に関して回転することによるボックス106の追加速度を表す。上向き方向のボックス106の正味速度はベクトル140とベクトル144とのベクトル和である。正味速度は以下で考慮する特性図124の場合の正味速度と比較して相対的に速い。

0024

特性図124では、シャフト88は軸98に関して反時計回り方向に回転するために下方へ動いている。ベクトル148はその下向きの速度成分を表す。円板86はシャフト88に装着されているので、ベクトル148は円板86全体の下向きの並進速度をも表す。従って、ボックス106は、円板86の下向きの並進による、矢印148により指示するような下向き方向の速度成分を有することになる。

0025

加えて、円板86がシャフト88に関して回転することによって、ボックス106は上向き方向の速度成分を有する。ベクトル152はその成分を表す。垂直方向のボックス106の正味速度はベクトル148とベクトル152とのベクトル和である。特性図124におけるベクトル148とベクトル152は相互に反対方向であるので、この正味速度は特性図100の場合の正味速度と比較して相対的に遅くなる。

0026

従って、図10の円板86の振動はシャフト又は中心88の軸98を中心とする軌道運動の形態をとることができる。円板86は図6の歯車4を表している。この軌道運動は、図6のセンサ8及び電子回路12により測定されるパラメータに2つの事象を生じさせる。

0027

1つの事象は、軌道運動によりセンサ8が感知するリラクタンスが変化するために、リラクタンス信号に変化が生じることである。第2の事象は、軌道運動により、図11における円板86の周囲がセンサ8を通過するときの接線速度が変化することである。図6の歯16はその周囲に位置しているため、軌道運動が起こるにつれて歯16の速度も変化する。

0028

図13及び図15は、図9のパルス列72にこれらの事象がどのような影響を及ぼすかを示す。図13はある種の振幅変調を示す。すなわち、点160における振幅は点164における振幅より大きくなっている。この振幅変化は、図11において円板86がセンサ8に対して接離運動をすることが原因となって起こる。軸98を中心とする軌道運動がこの運動を生じさせる。振幅は0から160のような点まで測定される。

0029

図13に示すパルスの大半はゼロ振幅軸163に関して対称ではない。その理由は複雑であり、1つには図示されているパルス列を発生するために使用される技法によって決まる。しかし、対称性欠如に影響する要因の1つは図14に示されている。

0030

図14において、特性図170、174、175及び179は基準ブロック165の4つの連続する位置を示す。これら4つの位置を特性図183に重ね合わせて示し、対応する特性図番号を付してある。

0031

特性図183は、ブロック165の経路が軸24に関して対称ではないことを示す。対称性が欠如する理由は、1つには、図13に示すようなゼロ振幅軸163に関する対称性の欠如に求められる。例えば、非常に一般的な意味で言えば、図13の点160は図14の特性図170におけるブロック165の位置に相当すると考えても良く、この場合、リラクタンスは幾分高い。図13の点161は図14の特性図179におけるブロック165の位置に相当し、この場合のリラクタンスは幾分低い。図14の特性図183はそれら2つの位置を1つの特性図で示しており、リラクタンスの差がより明確にわかる。

0032

図15はある種の周波数変調を示し、時点184における周波数は時点188より高くなっている。この周波数の増加、すなわち、隣接するパルスの時間間隔の短縮は、例えば、図11の特性図100で起こるであろう。特性図100では、図12を参照して説明したように接線速度は相対的に速い。

0033

周波数の減少、すなわち、隣接するパルスの時間間隔の増加は図11の特性図124で起こるであろう。特性図124では、接線速度は相対的に遅い。

0034

従って、図10で円板86が回転し且つ軌道運動するにつれて2つの変化が起こる。1つの変化は図11の円板86とセンサ8との間隔の変化である。その変化はリラクタンスの変化を生じさせる。リラクタンスの変化は、図13に示すようなパルス列の振幅変調を生じさせる。

0035

第2の変化は円板86の接線速度の変化である。速度変化図15に示すような周波数変調を生じさせる。

0036

図16は、図13及び図15に示す振幅変調と周波数変調を検出するために使用される論理フローチャートである。ブロック190は、図9のパルス列のようなパルス列が受信されることを示す。このパルス列は図13及び図15に示す振幅変調又は周波数変調を含んでいる場合もあり、含まない場合もある。

0037

図16のブロック192は、図1の歯車4の回転速度が計算されることを示す。例えば、歯車の歯16の間隔が10度であると仮定する。0.01秒間に15個のパルスがカウントされると、回転速度は、(15×10)度/0.01秒として計算される。この商は毎秒150000度、すなわち、およそ41rpmに相当する。

0038

ブロック194は振幅変調が検出されたことを示す。そのような検出は良く知られており、多数の異なる技法を使用できる。単純な例としては、図9の各パルス74の振幅をスタックメモリに格納することができる。スタックメモリは1000の記憶場所を含むものであっても良い。スタック一杯になると、スタックに最も早い時点で格納された振幅が失われる。

0039

特定の例として、スタックに振幅1から1000が順次格納される場合を考える。この時点でスタックは一杯になる。振幅1001が追加されると、振幅1が失われる。振幅1002が追加されると、振幅2が失われることになり、以下同様である。

0040

検出ルーチンはスタックに格納されている振幅の偏差検索する。単純な例として、検出ルーチンはスタックを走査して、最大振幅最小振幅を共に発見しても良い。最大振幅と最小振幅の差が閾値を越えた場合に、許容不可能な振動が存在すると推論する。

0041

図16のブロック196は、周波数変調が検出されたことを示す。そのような検出は良く知られており、多数の異なる技法を使用できる。単純な例として、第1のスタックに格納されている1000個の振幅の中で隣接する振幅をそれぞれ一対とし、各振幅対の時間間隔を格納する第2のスタックを使用しても良い。検出ルーチンは第2のスタックを走査し、最大間隔最小間隔を検索する。最大間隔と最小間隔の差が閾値を越えた場合に、許容不可能な振動が存在すると推論する。

0042

ブロック198は、許容不可能な振動が発見された場合に警告が発せられることを示す。例えば、振幅変調又は周波数変調のいずれかが限界を越えた場合に、航空機操縦室警告信号を送信することができる。

0043

あるいは、周波数変調の量及び振幅変調の量を指示する数値パイロットなどのオペレータに対して表示することも可能である。通信業務においては、搬送波変調は一般に50%変調などの百分率として表現される。本発明では、この規約を使用することができる。

0044

変調の検出に、より複雑な他の方法を採用することも可能である。例えば、測定パルス列の理想のパルス列からの周波数及び振幅における過剰偏差を検出することを1つの目標にしても良い。偏差を識別するため、パルス列の高速フーリエ変換FFTを求める。

0045

パルス列が相互に等間隔の全く同一のパルスを含む理想のパルス列であれば、そのパルス列はフーリエ項の所定の分布を示す。更に、パルスが真の正弦波であれば、単一のフーリエ項が存在することになる。

0046

パルス列の振幅又は周波数いずれかの変調はフーリエ級数の項を変化させる。その変化が閾値を越えた場合に、許容不可能な振動が存在すると推論する。単純な例として、基本周波数項と3つの最低調波がそれぞれ10パーセント変化した場合に、許容不可能な振動が存在すると推論する。更に一般的には、初めのN個の調波のいずれかがそれぞれXパーセント変化した場合に、許容不可能な振動が存在すると推論する。

0047

図17は本発明の1つの形態を示す。高圧圧縮機200と、高圧タービン204と、ファン208と、低圧タービン212とを含むターボファン航空機エンジン203が示されている。歯車4はファン208の速度を測定するために使用される。歯車4は現実に歯車として機能する必要はなく、パルスを発生するという唯一の目的のために歯車として使用できるにすぎない。

0048

ブロック216は、図9のパルス列72を発生するリラクタンスセンサ及びその関連電子回路を表す。

0049

図16のフローチャートにより指示される計算は図17のブロック220により表される装置により実行される。あるいは、デジタルエンジン制御装置224によりブロック220の計算を実行することも可能である。

0050

デジタルエンジン制御装置224は当該技術において知られており、構成要素の速度、気流及び圧力などの様々な動作パラメータを測定する。それらのパラメータに基づいて、デジタルエンジン制御装置は燃料空気比ブレード冷却及び固定子羽根角度などの他のパラメータをスケジューリング又は制御する。デジタルエンジン制御装置224は、図16に関連して先に説明した計算を実行できるマイクロプロセッサ(図示せず)を含む。

0051

以上、リラクタンスセンサに限って説明したが、リラクタンスセンサは必要ではない。その他のセンサでも、歯車の歯の通過に応答して図9のパルス列を発生できる。使用されるセンサは、歯までの距離が変化したときに大きさの異なるパルスを発生すべきである。また、センサは、歯の通加速度が変化したときにパルス周波数が変化するように、図1の歯16の通過に応答してパルスを発生すべきである。センサのいくつかの例としては、ホール効果センサ光学近接センサ及びマイクロ波近接センサなどがある。

0052

本発明の真の趣旨から逸脱せずに数多くの置き換え及び変形を実施することができる。特許証により保証することが望まれるものは特許請求の範囲において定義される発明である。

図面の簡単な説明

0053

図1歯車4及び従来のリラクタンスセンサを示す図。
図2歯16の3つの異なる部分と、それらに対応する、センサ8により検出されたリラクタンスとを示す図。
図3歯16の3つの異なる部分と、それらに対応する、センサ8により検出されたリラクタンスとを示す図。
図4歯16の3つの異なる部分と、それらに対応する、センサ8により検出されたリラクタンスとを示す図。
図5センサ8により検出された図4のリラクタンスと、角位置との関係を示す特性図。
図61つの歯16がセンサ8を通過する様子を示す図。
図71つの歯16がセンサ8を通過する様子を示す図。
図8歯16がセンサ8を通過するときに図6及び図7の電子回路12により発生される1つのパルスを示す図。
図9歯がセンサ8を繰り返し通過するときに図6の電子回路12により発生されるパルス列72を示す図。
図10図1の歯車4を表す円板86の振動を軸98を中心とするシャフト88の軌道運動としてどのように表現できるかを示す図。
図11図10の装置のいくつかの異なる回転位置を示す図。
図12速度変化を示すために使用される、図11軌道100及び124を示す図。
図13図9のパルス列72の振幅変調を示す図。
図14図1の歯16を示す基準ブロック165が円板86の軌道運動が起こったときに非対称の経路をたどることにより、図13の振幅変調を発生させる様子を示す図。
図15図9のパルス列72の周波数変調を示す図。
図16本発明の1つの形態により実現される手順を示すフローチャート。
図17本発明の1つの形態を示す図。

--

0054

4…歯車、8…リラクタンスセンサ、12…電子回路、16…歯、72…パルス列、82…軸、203…ターボファン航空機エンジン、208…ファン、224…デジタルエンジン制御装置

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