JP4813341B2 - マイクロ波エネルギーによってロータブレードの到達時間と厚さを測定するシステム - Google Patents

Description

本発明は、タービンエンジンにおけるロータブレードの動作を測定するシステムおよび方法に関する。より詳細には、エンジン運転中にロータブレードの到達時間と厚さを測定することである。

ガスタービンエンジンの運転中、ロータブレードは動作環境による応力下に置かれる。エンジンを適切な動作状態で最良に維持する目的で、ロータブレードを時間の経過に伴う脆弱化を検知するために監視する。具体的には、エンジン運転中のロータブレードのねじれと振動、即ち、フラッターを明らかにするために、ロータブレードの振動モードを監視する。

しかしながら、既知の監視装置は、タービンエンジン環境の熱に耐えるという点で難点を有する。従って、高温下で動作するタービンエンジンのセクションでは、ロータブレードの振動モードを測定することは困難である。振動モードを測定する既知の方法は、光センサ又は渦電流センサの使用を含む。これらの方法は、実際のエンジン運転中におけるロータブレードを正確に示さない低温でのみ、測定と試験を行うことができるにすぎないため、欠点を有する。エンジン運転中の振動モードを測定することができない結果、システムは操作員や整備員に依存してロータブレードの定期試験を計画することになる。

さらに、既知のシステムは、ブレードの通過を監視することによってロータブレードの振動モードを測定する。ブレードが通過するとフラッターに関する情報が得られる。しかしながら、ロータブレードのねじれを計算するにはさらなるデータが必要である。従来技術においては、必要とされるデータを提供するためには、複数のプローブを翼弦に沿って配置しなければならない。

反射信号はタービンブレードの解析においては用いられているが、振動解析には用いられていない。

タービンエンジン運転中にロータブレードの振動モードを測定するシステム並びに方法が必要とされている。

本発明の目的は、タービンエンジン運転中にロータブレードの振動モードを測定するシステムと方法を提供することである。

ロータブレード測定システムは、マイクロ波源とプローブとを含む。プローブは、ロータブレードが回転中にマイクロ波信号の経路を通過するように、マイクロ波信号をロータに向けて送る。ロータブレードが通過するとき、マイクロ波信号はプローブに反射する。方向性結合器と検出器とが発生源とプローブに取り付けられる。方向性結合器は元のマイクロ波信号と反射信号とを分離する。検出器は次いで、反射信号のエネルギーレベルを測定する。

各ロータブレードがマイクロ波信号を通過するとき、反射信号が生成され、そのエネルギーレベルが時間と共に測定される。ロータブレードの到達は、反射信号のエネルギーレベルがしきい値を超えて上昇することによって示される。ロータブレードの離脱は、反射信号のエネルギーレベルがしきい値を下回って減少することによって示される。

ロータブレードのねじれは、反射信号が感知された幅（厚さ）で移動したときに検出することができる。ロータブレードが感知される幅、即ち、感知幅は、プローブに反射した信号のエネルギーレベルがしきい値を超えるまでの時間の長さによって決定することができる。反射信号の長さと形状とから、ロータブレードのねじれの量と方向とを求めることができる。

ロータブレードにおける別の共通する振動モードはフラッターである。フラッターとはロータの回転中におけるロータブレードの振動である。特定の位置におけるロータブレードの到達時間は、反射信号の開始の均等な間隔で示される。ロータブレードがフラッターを生じるとき、反射信号が開始する時点が変動する。予測される信号の到達と実際の信号の到達との間の差異を観測することによって、フラッターの振幅と周波数を計算することができる。

本発明のこれらおよび他の特徴は、次の記述および図面から最適に理解され、図面の簡単な説明は後に示す。

図１はガスタービンエンジン１０を示す。タービンエンジン１０は、ファン１２、圧縮機１４、燃焼室１６、タービン１８を有する。ファン１２は、エンジン１０内に空気を取り入れる。空気は圧縮機１４内で圧縮され、次いで燃料と混合されて燃焼室１６内で燃焼される。燃焼が起こると、空気は急速に膨張して推進力が生じ、タービン１８によってエンジン１０の後部から排出される。タービン１８は、ガス流がエンジン１０の後部から排出されるときに回転するロータ２０を備える。ロータ２０が回転するとファン１２と圧縮機１４が駆動される。ロータ２０は燃焼室１６のすぐ後方に配置されているため、ロータ２０を通過する空気は高温である。ロータ２０はエンジン１０の中心を軸として回転するロータブレード２２を有する。運転中にねじれやフラッターが発生しているかどうかを判定するために、ロータブレード２２の振動モードを監視することができる。

図２は本発明のロータブレード測定システムを概略して示している。マイクロ波発生源２６とプローブ２８とがエンジン１０内に配置されている。プローブ２８は、ロータブレード２２がロータ２０の回転中にマイクロ波信号３０の経路を通過するように、マイクロ波発生源２６からマイクロ波信号３０を送る。プローブ２８は、ある距離にわたってマイクロ波信号３０を送ることができる。従って、プローブ２８は、回転する際のロータブレード２２に対する直接的な見通し線を必要とする。直接的な見通し線を得るためには、プローブ２８をタービン１８の領域内に配置しなければならない。従来技術とは対照的に、プローブ２８は損傷することなくタービン１８の高温領域に耐えられる。プローブ２８は、プローブ２８とロータブレード２２との間に直接的な見通し線が得られる、エンジン１０内の任意の場所に配置することができる。

プローブ２８は、マイクロ波信号３０を送出する。ロータ２０が回転するとき、ロータブレード２２はマイクロ波信号３０を通過し、反射信号３２がプローブ２８に送り返される。プロセッサ３８は検出器３６を含み、さらにメモリ記憶装置３９を含んでよい。方向性結合器３４は、元のマイクロ波信号３０と反射信号３２とを分離する。次いで検出器３６は反射信号３２のエネルギーレベルを測定する。プロセッサ３８は結合器３４および検出器３６からのデータを使用して情報を処理し、ロータブレード２２に対する応力を求める。メモリ記憶装置３９は、検出器３６からの情報を記録するか、あるいはマイクロ波信号３０と反射信号３２とを、後の解析のために記録することができる。

図３Ａはロータブレード２２を有するロータ２０を示している。図に示すロータ２０は、エンジンが動作していないときなどのように、応力下にない。垂直応力下のロータブレード２２の表面４３の幅をｗ₁として示す。図３Ｂは、ロータブレード２２が反時計方向にねじれているロータ２０を示している。このねじれによって、ロータブレード２２はより狭いｗ₂として示される感知幅を有することになる。図からわかるように、この幅ｗ₂は幅ｗ₁よりも狭い。プローブ２８（図２に示す）は、図３Ａ、図３Ｂに示す視点など、マイクロ波信号３０がロータブレード２２の表面４３から反射可能な位置に配置される。プローブ２８がマイクロ波信号３０を送出するとき、より狭い幅ｗ₂により信号３０はより短い期間にわたりプローブ２８に反射される。図３Ｃは、ロータブレード２２が図３Ｂに示すロータブレード２２とは逆方向にねじれていることを示している。図３Ｃにおいて、感知幅ｗ₃は幅ｗ₁よりも広い。ロータブレード２２の表面４３の感知幅を観測することによって、ねじれの量と方向を判定することができる。

図４を参照すると、時間の経過に伴う反射信号Ｒ（ｔ）の図が示されている。通常の反射信号Ｎ（ｔ）は、ロータブレード２２がねじれていない、又は振動していないときの反射信号３２の形状を示している。図を簡略化するために、反射信号Ｎ（ｔ）は時間ｔ＝０で開始している。元の信号３０が送出されるとき、ロータブレード２２が通過するまで反射は存在しない。その間、反射信号３２は受信されないため、反射信号３２はロータブレード２２の通過の間は基本的にゼロである。各ロータブレード２２がマイクロ波信号３０を通過するとき、ロータブレード２２は反射信号３２を生じる。ロータブレード２２の到達は、ロータブレード２２の前縁４０（図３Ａに示す）から信号が反射されたときに示される。ロータブレード２２の到達は、反射信号３２のエネルギーレベルがしきい値よりも高く上昇することによって示され、これは線Ｎ（ｔ）の傾きが増加することによって明らかとなる。ロータブレード２２の離脱は、ロータブレード２２の後縁４２（図３Ａに示す）が通過するときに線Ｎ（ｔ）がしきい値よりも低く減少することによって示され、これは傾きが減少することによって明らかとなる。

振動モードの反射信号Ｖ（ｔ）は、ロータブレード２２がねじれ、かつ、振動しているときの反射信号３２の形状を示す。振動モードの反射信号Ｖ（ｔ）もまた、理解を容易にするため、時間ｔ＝０で開始するものとして示されている。通常並びに振動モードにおけるロータ２０の双方は、同じ毎分回転数で回転している。従って、各信号に対し１回転はｔ_revで示す同じ時間に開始し、終了する。図示したいずれの振動も回転中の振動の結果である。通過するロータブレード２２の間隙は、Ｖ（ｔ）がおおよそゼロとなる場所で示される。各ロータブレード２２が通過するときの反射信号３２は、Ｖ（ｔ）の勾配における上昇と下降によって明らかとなる。

ロータブレード２２の感知幅ｗ₁，ｗ₂，ｗ₃は、信号がどのぐらいの期間にわたってプローブ２８に反射されるかを左右する。ロータブレード２２が時計方向にねじれるとき、感知幅はｗ₁からｗ₃に変化する。グラフからわかるように、信号Ｖ（ｔ）の全時間ｔ₂は、感知幅ｗ₃が増加することにより、信号Ｎ（ｔ）の時間ｔ₁よりも長くなる。ロータブレード２２が逆方向にねじれるとき、感知幅はｗ₁からｗ₂に変化する。これはグラフ上で信号Ｖ（ｔ）の時間が信号Ｎ（ｔ）と比較して減少することによって示される。従って、部分Ｖ（ｔ）の長さと形状から、ロータブレード２２におけるねじれの量と方向とを判定することができる。

図５Ａと図５Ｂを参照すると、ロータブレード２２に共通する別の振動モードはフラッターである。フラッターとは、ロータ２０が回転するときにロータブレード２２が振動することである。回転の特定の位置におけるロータブレード２２の到達時間は、ロータ２０の毎分回転数が既知の場合に測定することができる。図５Ａにおいて、到達の時間は各ロータブレード２２に対して表面４０の到達を測定することによって示されている。到達時間を測定する位置は、各ロータブレードに対して同じ位置を使用する限り、任意に選択することができる。ロータブレード２２の通常の位置は、あるロータブレード２２とその隣のロータブレードとの間隙ｔ₁によって示される。ロータブレード２２は、フラッターが生じるとき、ロータブレード２２ａによって示されるように、後方に移動するように見える。この後方への移動は、ロータブレード２２とブレード２２ａとのより長い間隙ｔ₂によって示される。

ロータブレードは又、図５Ｂでブレード２２ｂで示されるように、前方にフラッターが生じることもある。ロータブレード２２の通常の位置は、あるロータブレード２２とその隣のロータブレードとの間隙ｔ₁によって示される。ロータブレード２２は、フラッターが生じるとき、ロータブレード２２ｂによって示されるように、前方に移動するように見える。この前方への移動は、ロータブレード２２とブレード２２ｂとのより短い間隙ｔ₂によって示される。

図６を参照すると、通常の反射信号Ｎ（ｔ）はロータブレード２２がねじれたり振動したりしていないときの反射信号３２の形状を示している。図を簡単にするために、反射信号Ｎ（ｔ）は時間ｔ＝０で開始している。振動モードの反射信号Ｖ（ｔ）は、ロータブレード２２が振動しているときの反射信号３２の形状を示す。振動モードの反射信号Ｖ（ｔ）もまた、単純化のため、時間ｔ＝０で開始している。通常並びに振動モードのロータ２０の双方は、同じ毎分回転数で回転している。従って、各信号に対し１回転はｔ_revで示す同じ時間に開始し、終了する。図示したいずれの振動も回転中の振動の結果である。

グラフにおいて、ロータブレードがフラッターを生じていないときには各反射信号３２の開始位置の間の間隔は均等である。ロータブレード２２がフラッターを発生し始めると、信号の形状は依然として同じであるが、反射信号３２の開始位置が変動し始める。ロータブレード２２は、ロータブレード２２が図５Ａに示すように後方にフラッターを生じているときには遅れて、あるいは図５Ｂに示すように前方にフラッターを生じている場合には早期に到達することがある。予測される信号の到達と実際の信号の到達との間の差異を観測することによって、フラッターの振幅と周波数を計算することができる。

説明した実施形態はタービンエンジン１０のタービン部１８内で測定システムを使用することを開示しているが、このシステムは、エンジン１０のファン１２や圧縮機１４セクション内でも用いることができる。

本発明の好ましい実施形態を開示したが、一定の変更は本発明の範囲内で可能であることは当業者には理解されよう。このため、本発明の真の範囲及び内容を確認するために特許請求の範囲を検討すべきである。

タービンエンジンの概略図である。 本発明のロータ測定システムの一実施形態の概略図である。 通常状態におけるロータブレードアセンブリの斜視図である。 ロータブレードが応力により反時計方向にねじれているロータブレードアセンブリの斜視図である。 ロータが応力により時計方向にねじれているロータブレードアセンブリの斜視図である。 結果としてねじれた、選択された期間におけるロータブレードの動作を示すグラフである。 ロータブレードが回転中にフラッターに起因して後方に移動したロータブレードアセンブリの斜視図である。 ロータブレードが回転中にフラッターに起因して前方に移動したロータブレードアセンブリの斜視図である。 結果としてフラッターを生じた、選択された期間におけるロータブレードの動作を示すグラフである。

符号の説明

２０…ロータ
２２…ロータブレード
２６…マイクロ波源
２８…プローブ
３０…マイクロ波信号
３２…反射信号
３６…検出器
３８…プロセッサ
３９…メモリ記憶装置

Claims (18)

1. ロータブレードにおいてマイクロ波信号を送るためにマイクロ波発生源に取り付けられたプローブと、
   複数の反射マイクロ波信号を受信しかつ処理するプロセッサと、
   を備え、
   マイクロ波発生源は、ガスタービンエンジン内に配設され、プローブは、ガスタービンエンジンのタービン領域内に配置され、
   マイクロ波信号によりロータブレードの感知幅が検知され、
   通常時のロータブレードの幅と検知したロータブレードの感知幅とを比較することによってロータブレードのねじれを判定することを特徴とする、ガスタービンエンジン測定システム。
2. 前記プロセッサが、前記マイクロ波信号と前記反射マイクロ波信号とを分離するために方向性結合器を含むことを特徴とする、請求項１に記載の測定システム。
3. 前記プロセッサが、前記複数の反射マイクロ波信号のエネルギーレベルを測定するために検出器を含むことを特徴とする、請求項１に記載の測定システム。
4. 前記プロセッサが、ロータブレードの到達時間に基づいてロータブレードの振動モードを判定することを特徴とする、請求項１に記載の測定システム。
5. 前記プロセッサが、前記マイクロ波信号と前記複数の反射マイクロ波信号とを記録するメモリ記憶装置を含むことを特徴とする、請求項１に記載の測定システム。
6. 前記複数のマイクロ波信号を処理することが、複数のロータブレードからの反射信号を比較することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の測定システム。
7. ガスタービンエンジン内に配設されたロータブレードを測定する方法であって、
   ａ）タービンロータブレードの感知幅を検知するためマイクロ波発生源からのマイクロ波信号をプローブによりガスタービンエンジン内のロータに向けて送るステップと、
   ｂ）前記ブレードから反射マイクロ波信号を受けるステップと、
   ｃ）時間の経過に伴う前記反射マイクロ波信号を解析し、通常時のロータブレードの幅と前記感知幅とを比較してタービンロータブレードのねじれを判定するステップと、
   を含み、
   マイクロ波発生源は、ガスタービンエンジン内に配設され、プローブは、ガスタービンエンジンのタービン領域内に配置されることを特徴とする方法。
8. 前記ステップｂ）が、前記マイクロ波信号がロータブレードから反射されるステップを含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記ステップｃ）が、前記元のマイクロ波信号を前記反射マイクロ波信号から分離するステップを含む請求項７に記載の方法。
10. 前記ステップｃ）が、前記反射マイクロ波信号のエネルギーレベルを測定するステップを含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
11. 前記ステップｃ）が、前記ロータブレードの感知幅を判定するために、時間の経過に伴う前記反射マイクロ波信号の前記エネルギーレベルを解析するステップを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ステップｃ）がさらに、所定位置における前記ロータブレードの実際の到達時間を判定するために、時間の経過に伴う前記反射マイクロ波信号の前記エネルギーレベルを解析するステップを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ステップｃ）が、前記プロセッサに取り付けられたメモリ記憶装置に前記マイクロ波信号と前記反射マイクロ波信号とを記録するステップを含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
14. ガスタービンエンジン内に配設されたタービンロータブレードを測定する方法であって、
    ａ）タービンロータブレードの感知幅を検知するためガスタービンエンジン内のロータに向けてマイクロ波発生源からのマイクロ波信号を送るようにプローブを方向付けるステップと、
    ｂ）前記タービンロータブレードから反射されたマイクロ波信号を受けるステップと、
    ｃ）ガスタービンエンジンの運転中に前記反射された信号を解析し、通常時のロータブレードの幅と前記感知幅とを比較して、タービンロータブレードのねじれとフラッターのうちの少なくとも一方を判定するステップと、
    を含み、
    マイクロ波発生源は、ガスタービンエンジン内に配設され、プローブは、ガスタービンエンジンのタービン領域内に配置されることを特徴とする方法。
15. 前記ステップｂ）が、前記マイクロ波信号を前記反射されたマイクロ波信号から分離するステップを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ステップｃ）が、前記反射されたマイクロ波信号のエネルギーレベルを測定するステップを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
17. 前記ステップｃ）が、前記ロータブレードの感知幅と所定位置における前記ロータブレードの実際の到達時間とのうちの少なくとも一方を判定するために、時間の経過に伴う前記マイクロ波信号の前記エネルギーレベルと前記反射されたマイクロ波信号とを解析するステップを含むことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 前記ステップｃ）が、前記プロセッサに取り付けられたメモリ記憶装置に前記マイクロ波信号を記録するステップを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。

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