利用振动测量来监测涡轮轴发动机的火花塞的方法与流程

本发明的领域是监测飞行器涡轮轴发动机零件的状况的领域。本发明更特别地涉及监测用于飞行器涡轮轴发动机的燃烧室的火花塞的磨损。

背景技术：

火花塞是在诸如飞行器涡轮轴发动机的火花点火发动机中使用的电气装置，其使气体混合物在燃烧室内点火。火花塞更特别地用于每分钟产生数百个火花，以下称为击穿。

每个火花在两个电极之间产生。因此，每次击穿都会使颗粒从电极脱落，从而导致电极逐渐磨损。此外，火花塞在发动机运行期间位于火焰中，这会导致电极腐蚀和电极上的碳化沉积。此外，在气体混合物中循环的细小颗粒也会引起电极腐蚀。因此，火花塞随着时间的流逝而失效，直到它们不再产生足够的能量来点燃燃烧室中的气体混合物为止。

火花塞磨损不是气体混合物不着火的唯一原因。例如，不着火可以是火花塞的励磁电路故障的结果，该励磁电路在接收到点火命令时向火花塞输出击穿脉冲。因此，必须进行探查工作以查明不着火的原因。

为了防止已经变得无效的火花塞延迟航班起飞且为了识别这种不着火的原因，通常基于固定操作时间以预防的方式更换火花塞。

但是，这种预防性维护并不令人满意。更具体地，如果采用的固定操作时间太长，则不能排除由于火花塞过度磨损而导致点火失败的风险。另一方面，如果采用的固定操作时间太短，则存在在火花塞仍然完全能够确保点火时过早更换火花塞的风险。

为了避开该困难，可以监测火花塞的状况，以便估计磨损程度并由此推断出在建议更换之前的剩余使用寿命。这种状况监测可以包括对火花塞的击穿数量进行计数，以估计磨损指标，并考虑火花塞的操作环境(例如，火花塞环境中的平均温度)以对该指标赋予劣化权重。

为了检测火花塞的击穿和对火花塞的击穿进行计数，文献fr2968143b1提出了使用专用传感器，该传感器对在火花塞击穿期间由火花塞发出的光信号是敏感的。这样的专用传感器不可避免地导致额外的成本和较重的机载重量。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种用于通过检测火花塞的击穿来监测火花塞的状况的技术，该技术不需要使用专门用于执行该检测功能的传感器。

为此，本发明提出了一种用于监测飞行器涡轮轴发动机的方法，该飞行器涡轮轴发动机包括能够输出振动信号的振动传感器和火花塞。该方法包括基于振动传感器输出的振动信号，确定涡轮轴发动机的振动水平以及确定火花塞的磨损指标。

该方法的一些优选但非限制性的方面如下：

-确定火花塞的磨损指标包括以下步骤：

·对由振动传感器输出的振动信号进行滤波；

·对滤波后的振动信号中的击穿峰进行检测；和

·对检测到的击穿峰进行表征；

-对检测到的击穿峰进行表征可以包括以下各项中的一项或全部：对峰进行计数、确定每个峰的振幅、确定峰的频率以及计算峰的非周期性指标；

-该方法包括将点火命令传输至励磁电路，该励磁电路被配置为在接收到点火命令时向火花塞输出击穿脉冲，并且对振动信号进行滤波仅在传输点火命令时实施，和/或对击穿峰进行检测和表征仅在传输点火命令时实施；

-该方法包括基于对检测到的峰进行的表征，来对火花塞中的故障与励磁电路中的故障进行区分，励磁电路被配置为在接收到点火命令时向火花塞输出击穿脉冲；

-该方法包括通过使用火花塞损坏模型来将对击穿峰的表征和用于对涡轮轴发动机进行点火的操作条件进行组合来确定合并的磨损指标，该操作条件例如根据温度、压力、湿度、空气射流流速和燃料喷射流率中的至少一个操作参数的测量值来确定；

-火花塞损坏模型根据点火操作条件确定加权参数，并使用加权参数对火花塞磨损指标进行加权以确定合并的磨损指标。

附图说明

通过参照附图阅读由本发明的非限制性优选实施例给出的以下详细描述，将更好地理解本发明的其他方面、目的、优点和特征，这些实施例出于说明目的而被提供，其中：

-图1是示出根据本发明的一种可能的实施例的用于监测涡轮轴发动机的系统的示意图。

-图2是示出根据本发明的一种可能的实施例的用于监测涡轮轴发动机的方法的步骤的顺序的示意图；

-图3a、图3b和图3c分别示出了加速度计信号，对加速度计信号进行滤波以提取代表火花塞的击穿的信号，并对滤波后的加速度计信号中的击穿峰进行检测。

具体实施方式

本发明涉及一种用于监测飞行器涡轮轴发动机的系统和方法。如图1示意性示出的，涡轮轴发动机m包括燃烧室1，在燃烧室1中安装有一个或多个火花塞2，以便对喷射到燃烧室中的空气/燃料混合物进行点火。一个或多个火花塞2被励磁电路3激励，该励磁电路3被配置为在接收到由点火控制电路4提供的点火命令时向一个或多个火花塞2输出击穿脉冲。

涡轮轴发动机m还配备有一个或多个振动传感器5，通常为两个加速度计以确保冗余。这些加速度计被定位成以及主要用于确定涡轮轴发动机的振动水平。

第一加速度计通常位于涡轮轴发动机的前部，而第二加速度计通常位于涡轮轴发动机的后部，通常在壳体上，以便在维护期间可以被接近。涡轮轴发动机的风扇所附接的低压(lp)轴穿过整个涡轮轴发动机，并且低压不平衡出现在引导该轴的不同轴承上，至少一个轴承在前部，至少一个轴承在后部。加速度计的确切位置因发动机而异。

由这些加速度计输出的信号被发送到飞行器上装载的数据处理单元6(根据应用，该单元可以或可以不集成到控制电路4中)，该数据处理单元负责确定振动水平。这种振动水平会传递到驾驶舱，以显示在仪表板上。因此，飞行员能够访问平衡发动机所需的信息。

加速度计5也可以用于监测发动机部件(例如轴承)的磨损。为此，例如由数据处理单元6来处理由加速度计输出的测量值。如图1所示，数据处理单元6可以确定条件指标(通常是在加速度计信号上进行的统计测试的结果)，而计算机7(通常是地面计算机)则利用这些指标来确定表示发动机部件损坏的信息，并在必要时执行故障诊断。

本发明提出不使用专用传感器来检测火花塞击穿，而是依靠已经用于测量振动水平的一个或多个传感器5来检测该击穿。因此，本发明提出一种方法，该方法包括基于由振动传感器5输出的振动信号，来确定涡轮轴发动机的振动水平以及确定火花塞2的磨损指标。

在一个可能的将在下文中用作示例的实施例中，该方法由飞行器中的机载单元和地面计算机联合实施，该机载单元例如为数据处理单元6，负责检测和表征火花塞的击穿，地面计算机例如为计算机7，负责从对击穿的表征中推导出火花塞磨损指标。

参照图2，数据处理单元6执行以下步骤：获取由加速度计5输出的振动信号的步骤10，对由加速度计5输出的振动信号进行滤波的步骤20，对滤波后的振动信号中的击穿峰进行检测的步骤30，以及对检测到的击穿峰进行表征的步骤40。该表征被发送到地面计算机7，在步骤50期间，地面计算机7由此推导出火花塞磨损指标，磨损指标例如呈推荐更换步骤之前的剩余时间的形式tre。

火花塞击穿会妨碍振动测量，并且对由加速度计输出的振动信号进行滤波的步骤20被设计为从振动信号中提取表示火花塞的击穿的信号。为了说明的目的，图3a示出了振动信号，图3b示出了对振动信号进行滤波的结果。图3a和图3b示出了两个单独的阶段：第一阶段为突发模式，其目的是对气体混合物进行点火，以及在较低击穿频率的第二阶段(正常模式)，其目的是保持火焰直到火焰自维持。

对振动信号进行滤波只能在指示火花塞2击穿的时间段内进行，即在与将点火命令传输到火花塞2的励磁电路3对应的时间段内进行。

在一种可能的特别是当振动传感器5远离燃烧室并因此从火花塞击穿中捕获很少的能量时实施的实施例中，对振动信号进行低通滤波以便仅保留低频信息。举例来讲，可以使用截止频率为5hz的低通滤波器。在一个可替代的实施例中，在低通滤波之前，例如借助于抗混叠滤波器对振动信号进行重新采样。这可以防止低通滤波将失真引入以高频(通常为几十khz)采样的振动信号中。

在另一种可能的特别是当振动传感器5从火花塞击穿中捕获更多的能量时并且当低通滤波因此有破坏有用信息的风险时实施的实施例中，利用标准小波(例如，多贝西(daubechies)小波)或利用专门适配于由加速度计检测到的击穿形式的小波执行小波滤波。

一旦振动信号已经被滤波，数据处理单元6就在滤波后的振动信号中检测击穿峰。该检测是使用常规方法进行的，例如通过改变振动信号的导数的符号或通过阈值过冲来检测局部极值而执行该检测。该检测可以被限制在指示火花塞2击穿的时间段内，即在与将点火命令传输到火花塞2的励磁电路3相对应的时间段内。为了说明目的，图3c示出了对滤波后的振动信号中的峰的检测。在一个实施例中，可以排除振幅低于阈值的虚假峰(picsparasites)，该阈值例如根据所有真峰的中值来计算。

一旦检测到峰，数据处理单元6就对这些峰进行表征(即确定峰的一个或多个特征)。该表征通常包括峰计数。

此计数可以伴随：

-确定每个峰的振幅，从而确定每个击穿阶段(突发模式和正常模式)峰的平均振幅及其标准偏差；和/或

-根据在与点火命令的传输相对应的时间窗期间、特别是针对每个击穿阶段(突发模式和正常模式)每次击穿之间的平均时间来确定峰频率，以及确定针对每个击穿阶段峰频率的标准偏差。

该表征还可包括计算峰的非周期性指标。击穿非周期性代表了励磁电路中的故障，该指标的计算可以区分火花塞磨损问题(火花塞磨损问题特别是通过峰的振幅逐渐下降表征)以及励磁电路问题。非周期性指标的一个示例是两个峰之间的最大时间的示例或两个峰之间的时间超过期望值(可能具有例如25％的公差)的次数的计数的示例。

在防止滤波引入偏差(例如，降低峰的振幅)的一种可能的实施方式中，对振动信号本身进行这种表征，对滤波后的振动信号中的峰进行检测使得可以确定这个峰的日期并识别出未过滤的振动信号中的相应的峰。

例如，在飞行结束时，将对击穿峰的表征从机载单元6下载到地面计算机7。地面计算机7负责通过使用在飞行期间发生的这种击穿的表征且必要时使用在先前飞行中发生的击穿的表征来计算火花塞磨损指标。火花塞磨损与击穿数量直接相关，对击穿的计数可用于估计在建议更换之前的剩余使用寿命。举例来说，非周期性是即将发生故障的征兆，需要尽快更换，而振幅下降则是磨损的征兆，需要事先安排更换。

特别地，计算机7可以被配置为借助于火花塞损坏模型(即，通过磨损物理建模)将对击穿峰的表征与涡轮轴发动机的点火的操作条件相结合，以便综合处理合并的磨损指标。损坏模型特别可以基于点火操作条件确定加权参数，并使用加权参数对火花塞磨损指标进行加权以综合处理合并的磨损指标。加权参数表征了不仅在标称操作条件下而且还在苛刻的操作条件(例如高压或高温)(苛刻的操作条件加剧了对火花塞造成的损坏)下使用火花塞的事实。

可以从对温度、压力、湿度、空气射流流速和燃料喷射速率中的至少一个操作参数的测量值中确定操作条件。这些测量值在图2中由附图标记60表示的步骤中获取，可能由机载单元6进行预处理，并下载到地面计算机7以与磨损指标组合。

举例来说，为了确定合并的磨损指标，损坏模型可以利用：

-击穿峰的表征，

-对燃烧室附近的温度(例如，燃烧室入口处的温度和高压涡轮出口处的温度)进行的测量值，

-对燃烧室附近的压力(例如，燃烧室入口处的压力和燃烧室出口处的压力)进行的测量值，

-湿度信息(例如从metar型气象观测报告中提取)，

-燃烧室内空气射流的流速的计算(可以使用热力学模型根据发动机速度、可变几何形状的位置、在风扇、高压压缩机以及相关的低压压缩机处测得的压力和温度来估算该流速)，

-有关燃料喷射流率的信息，

-可测量时由励磁电路注入的电流，

-当火花塞没有出故障时，在不同温度和不同流率下花费的时间。

上面的段落描述了使用飞行器中的机载数据处理单元来检测并表征点火峰和使用地面计算机来确定火花塞磨损指标而实施的方法。本发明不限于该体系结构，还包括使用机载单元对该方法进行全部实施，使用地面计算机对该方法进行全部实施或根据在机载单元和地面计算机之间分配该方法步骤的实施的不同方式来对该方法进行全部实施。

本发明还涉及一种计算机程序产品，其包括代码指令，当在计算机上执行所述程序时，所述代码指令用于实施所述方法的全部或部分步骤，特别是实施对振动信号进行滤波的步骤以及检测和表征击穿峰的步骤。