专利名称：用于监测涡轮发动机的健康的系统和方法
技术领域：
本发明大体上涉及燃气涡轮发动机，更具体地涉及用于监测涡轮发动机的健康 (health)的系统和方法。本发明还涉及航空衍生品的基于模型的健康监测、对传感器故障 的稳定性和成型。背量技术当燃气涡轮发动机操作时，发动机效率和性能可随着时间恶化。这种性能的退化 可起因于诸如发动机磨损或者发动机构件损坏的多种因素。这种性能退化的测量可用于确 定应在涡轮发动机上执行哪种类型的维护以使发动机恢复到其初始的操作效率。然而，错 误的涡轮性能的读数可由涡轮性能测量装置的故障产生。这些涡轮性能测量装置的故障可 导致产生错误的涡轮性能数据，其可导致对涡轮的不必要的维护。此外，用于测量发动机性 能的现有技术对设置和执行来说是令人厌烦的，并且仅仅提供有限的数据。因此，需要减少 错误的效率读数以及产生更多可靠的效率读数的改进的诊断系统和方法。
发明内容
在一个实施例中，提供用于计划发动机修理的方法。该方法包括监测具有多个发 动机模块的涡轮发动机和基于多个发动机参数确定一个或更多个发动机模块的一个或更 多个发动机模块健康估计，其中一个或更多个健康估计包括趋势数据。该方法还包括基于 健康估计确定发动机模块的故障类型和修正具体的故障类型。在另一个实施例中，提供用于监测发动机的系统。该系统包括发动机健康估计器， 其构造成基于多个发动机参数确定一个或更多个发动机模块的一个或更多个健康估计，其 中一个或更多个健康估计包括趋势数据。该系统还包括涡轮分析器，其构造成分析一个或 更多个健康估计以确定发动机模块的故障类型。此外，提供涡轮系统。该涡轮系统包括适合于产生旋转运动的一个或更多个发动 机模块。该涡轮系统还包括适合于测量一个或更多个发动机模块的发动机参数的一个或更 多个传感器。此外，该涡轮系统包括发动机健康估计器，其构造成基于测量的发动机参数确 定一个或更多个发动机模块的一个或更多个健康估计，其中一个或更多个健康估计包括趋 势数据。最后，该涡轮系统包括涡轮分析器，其构造成分析一个或更多个健康估计以确定发 动机模块的故障类型。
当参考附图阅读下列详细说明时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得 更易理解，在整个附图中相同的符号表示相同的部件，其中图1是根据本技术的实施例的涡轮系统的框图；图2是用于监测图1涡轮系统的健康的健康分析构件的框图；以及图3是示出图1涡轮系统的健康监测的流程图。
具体实施例方式下面论述涡轮发动机的健康监测。对应于涡轮发动机的模块的发动机参数可被监 测和测量。然后，这些测量值可合并成各个发动机模块的趋势。该趋势可与可包括表示各 个模块的正确操作水平的模型数值的发动机模型比较。基于测量的与模型数值的数值偏 差，专家工具可预测可导致该偏差的问题类型。该专家工具还可产生可被传送到工作站的 建议，该工作站可允许经由特定修理对导致该偏差的问题进行有效校正。通过这种方式，以 低于可接受的性能水平操作的涡轮发动机可通过修正根源问题的方式修理。现在转到附图并首先参考图1，示出了涡轮系统10的实施例的框图。涡轮系统10 可例如由 Ohio, Evendale 的 General Electric Company 以标识 LM6000 制造。如图所示， 涡轮系统10可包括燃烧器12。燃烧器12可接收已与空气混合的燃料，用于在燃烧器12 内的腔室中燃烧。这种燃烧产生热的增压的排出气体。燃烧器12引导排出气体通过高压 (HP)涡轮14和低压(LP)涡轮16朝向排气口 18。HP涡轮14可以是HP转子的一部分。类 似地，LP涡轮16可以是LP转子的一部分。当排出气体通过HP涡轮14和LP涡轮16时， 气体迫使涡轮叶片沿着涡轮系统10的轴线旋转驱动轴20。如图所示，驱动轴20连接到涡 轮系统10的多个构件，包括HP压缩机22和LP压缩机24。驱动轴20可包括可以是例如同心对齐的一个或更多个轴。驱动轴20可包括将HP 涡轮14连接到HP压缩机22以形成HP转子的轴。HP压缩机22可包括联接到驱动轴20的 叶片。因此，HP涡轮14中的涡轮叶片的旋转致使将HP涡轮14连接到HP压缩机22的轴 旋转HP压缩机22内的叶片。这使空气在HP压缩机22中压缩。类似地，驱动轴20包括将 LP涡轮16连接到LP压缩机24以形成LP转子的轴。LP压缩机24包括联接到驱动轴20 的叶片。因此，LP涡轮16中的涡轮叶片的旋转致使将LP涡轮16连接到LP压缩机24的 轴旋转LP压缩机24内的叶片。HP压缩机22和LP压缩机24中的叶片的旋转压缩经由空 气进口 26接收的空气。压缩空气供应到燃烧器12并与燃料混合以允许较高效率的燃烧。 因此，涡轮系统10可包括双重同心轴系布置，其中，LP涡轮16通过驱动轴20中的第一轴 驱动地连接到LP压缩机24，而HP涡轮14通过驱动轴20中的在第一轴的内部并与第一轴 同心的第二轴类似地驱动地连接到HP压缩机22。轴20还可连接到负载28，其可是车辆或 诸如电厂中的发电机或飞行器上的推进器的固定负载。负载28可以是由涡轮系统10的旋 转输出提供能量的任何合适的装置。发动机涡轮系统10还可包括多个传感器，其构造成监测与涡轮系统10的操作和 性能相关的多个发动机参数。传感器可包括例如进口传感器30和出口传感器32，其例如 分别邻近HP涡轮14、LP涡轮16、HP压缩机22和/或LP压缩机24的进口和出口部分布 置。进口传感器30和出口传感器32例如可测量诸如周围温度和周围压力的环境条件以及 与涡轮系统10的操作和性能相关的多个发动机参数，诸如排出气体温度、转子速度、发动 机温度、发动机压力、气体温度、发动机燃料流量、核心速度、压缩机排出压力和涡轮排气压 力。多个传感器30和32还可构造成监测与涡轮系统10的多种操作阶段相关的发动机参 数。由多个传感器30和32获取的测量值可经由模块线路34-40传送。例如，模块线路34 可用于传送来自LP压缩机24的测量值，而模块线路36可用于传送来自HP压缩机22的测 量值。通过类似的方式，模块线路38可用于传送来自HP涡轮14的测量值，而模块线路40 可用于传送来自LP涡轮16的测量值。因此，模块线路34-40可传送来自涡轮系统10的单独模块的测量值。图2示出可与涡轮系统10 —起使用的健康分析构件42。健康分析构件42可包 括涡轮分析器46的健康估计器44、涡轮分析器46的发动机模型48、专家分析工具50和工 作站52。健康估计器44经由模块线路34-40从涡轮系统10的模块接收测量值。这些测 量值可通过健康估计器44记录和/或处理，该健康估计器44可位于涡轮系统10的外部。 通过这种方式，健康估计器44基于经由模块线路34-40传送的测量值确定涡轮系统10的 一个或更多个模块的一个或更多个具体的模块健康估计。该测量值可包括例如表示涡轮系 统10的燃烧器流量、燃烧器效率、HP压缩机流量、HP压缩机效率、LP压缩机流量、LP压缩 机效率、HP涡轮流量、HP涡轮效率、LP涡轮流量和LP涡轮效率的数据。在一个实施例中，健康估计器44还可利用诸如卡尔曼(Kalman)滤波、跟踪滤波、 回归映射、中性映射、反演模型技术或它们的组合的参数标识技术。滤波可通过改进的卡尔 曼滤波器、扩展的卡尔曼滤波器、或其它滤波算法或可替换的方法执行，滤波可通过比例积 分调节器或其它形式的矩形(n-输入，n-输出)或非矩形(n-输入，m-输出)调节器执行。 参数标识技术还可包括基于从涡轮系统10的模块接收的测量值产生涡轮系统10的瞬时模 型。因此，健康估计器44可求解涡轮系统10的瞬时条件以产生涡轮系统10的初始模型。此外，健康估计器44可例如连续地或以给定的采样率接收对应于模块测量值的 数据。该采样率例如可以是每分钟一次采样。不管数据是否连续地或以给定的采样率被接 收，接收到的数据可用于分析涡轮系统10的健康。例如，基于对应于涡轮系统10中的模块 故障或退化的意外接收到的数据值可发出自动通知和/或警报。此外，这种接收到的数据 可用于计算模块的操作趋势。例如，接收到的数据可与以前接收到的数据综合分析以更新 涡轮系统10的已产生的模型。通过这种方式，可记录涡轮系统10的模块的趋势或随着时 间的变化，用于进行分析。例如，健康估计器44可将HP涡轮的健康表示为HP涡轮叶片健康、HP涡轮转子健 康和HP涡轮喷嘴健康的函数。在另一个例子中，HP涡轮叶片的健康可通过健康估计器44 表示为叶片尖端摩擦和叶片蠕变的函数。如上所述，随着时间的测量值可合并成用于HP涡 轮构件的趋势。健康估计器44可通过这种方式监测涡轮系统10的模块的健康状态。涡轮系统10的模块的健康状态可传送到涡轮分析器46。涡轮分析器46可评价 涡轮系统10的一个或更多个模块的健康状态。在一个实例中，涡轮分析器46可利用例如 基于物理的模型、数据拟合模型(诸如回归模型或神经网络模型)、基于规则的模型和/或 经验模型，以评价从健康估计器44接收的一个或更多个模块的健康状态。基于物理的模型 (由此，涡轮系统10的各个模块单独建模)可用于使涡轮性能退化参数与物理损耗或用途 相关。因此，涡轮系统10的具体模块的性能随着时间的变化，即模块趋势，可与涡轮分析器 46的发动机模型48进行比较，以便发动机模型48可结合如预期起作用的涡轮系统10的经 验模型。因此，发动机模型48可提供基线，涡轮系统10的模块的健康状态可从该基线起进 行测量。因此，在一个实施例中，确定期望的修理水平包括确定需要实现与发动机模型48 相关的期望的发动机性能水平的修理程度。发动机模型48还可构造成包括基于多个最优 化准则的发动机模型需要的修理水平的最优值。最优化准则可包括例如与发动机修理/检 修和/或执行该修理的费用相关的寿命周期成本的总量。涡轮分析器46可将任何已产生的结果传送到分析工具50。分析工具50可以是可分析模块趋势的结果的专家分析工具。这些趋势和/或趋势的结合可被分析工具50利用， 以确定涡轮系统10的模块的健康以及发生在涡轮系统10中的故障类型。例如，HP压缩机 模块可随着时间损失效率。基于HP压缩机模块的趋势与例如来自于发动机模型48的HP压 缩机模块的效率的比较，分析工具50可确定HP压缩机22的效率是否正受到肮脏叶片的影 响。因此，消息可传送到工作站52，以指示应清洗HP压缩机22。在一个实施例中，分析工具 50可以是一个或更多个查找图表，其可以是储存在诸如磁盘驱动器或存储器的机器可读介 质上的计算机程序的一部分。可选地，分析工具50可以是集成电路的一部分。分析工具50可编程以包括警报、修理通知和/或传感器或模块故障的通知。基于 从健康分析器44传送的结果与发动机模型48之间的差异，这些编程在分析工具50内的不 同结果可表示涡轮系统10的预测的故障类型的编程响应。分析工具50还可在涡轮系统10 的寿命期间更新，以根据涡轮系统10的趋势调整分析工具50的预测算法。如上所述，当分析工具50将预测算法应用到来自健康估计器44的接收到的数据 时，诸如故障通知、警报和/或修理通知的结果可发出并传送到工作站52。工作站52可物 理地联接到涡轮分析器46。可选地，工作站52可无线地连接到涡轮分析器。在另一个实施 例中，工作站52可例如经由局域网或互联网连接在线地远程访问涡轮分析器。工作站52 可从涡轮分析器46接收修理通知、警报和/或故障通知。基于这些接收到的数值，涡轮系 统10的一个或更多个模块的期望的修理水平可被执行。例如，基于多个最优化准则，模块 需要的修理水平的最优值可被编程到分析工具50中，以便可改进整体的涡轮系统10的效 率和性能。例如，如果估计LP压缩机24的效率退化趋势在5000个使用小时之后为5%， 那么工作站52可接收列出使LP压缩机24的效率恢复大约5%所必需的预测修理的修理 通知。这允许涡轮系统10的修理被有效地执行。例如，如果通过分析工具50发现HP涡轮 14模块的确定的健康估计正常，那么可不执行对HP涡轮14的修理，即使涡轮系统10的其 它模块需要修理。换句话说，工作站52可接收与需要注意的涡轮模块10的部分有关的信 息，因此减少不必要的修理。图3示出可用于确定是否有必要对涡轮系统10进行任何修理的工艺步骤。在步 骤54中，通过传感器30和32获取关于涡轮系统10的模块的操作参数的测量值。在步骤 56中将这些测量值传送到健康估计器44。基于接收到的测量值，在步骤58中产生涡轮系 统10的模块操作的估计。然后在步骤60中将这些估计传送到涡轮分析器46。该分析可 包括利用诸如专家工具的分析工具50将估计与发动机模块48相比较。基于该比较，在步 骤62中可产生关于可发送到工作站52或发送到例如涡轮系统10的控制器的任何修理或 通知的预测。基于从涡轮分析器46接收到的通知，可完成对涡轮系统10的指定修理。这 些指定的修理或者修正可包括传感器30和/或32的修理或者涡轮系统10的一个或更多 个模块的修理。这些修正可响应于接收到的通知自动完成，例如，联接到涡轮系统10的控 制器可接收该通知并且可执行诸如减少流入燃烧器12的燃料或开启压缩机22和24中的 一个或两个的再循环阀以释放过度压力的修正步骤。该修正也可被分析用于随后执行，诸 如将由例如使用者调整的误置传感器的指示。尽管本文已经阐述和说明了本发明的仅仅某些特征，但是对本领域技术人员将发 生许多修改和变化。因此，应当理解的是，所附权利要求意图涵盖所有这些属于本发明的真 正精神内的修改和变化。
权利要求
一种用于计划发动机修理的方法，其包括监测具有多个发动机模块的涡轮发动机；基于多个发动机参数确定一个或更多个所述发动机模块的一个或更多个发动机模块健康估计，其中，所述一个或更多个健康估计包括趋势数据；基于所述健康估计确定所述发动机模块的故障类型；以及修正具体的故障类型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定故障类型包括预测模块和传感器的故障。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括利用专家分析工具预测所 述模块和传感器的故障并传送所述故障的通知，用于修正具体的故障类型。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发动机参数包括与所述涡轮发动机 相关的排出气体温度、转子速度、涡轮温度、发动机压力、气体温度、发动机燃料流量、核心 速度、压缩机排出压力或涡轮排气压力中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或更多个发动机模块健康估计 包括与所述涡轮发动机相关的燃烧器流量、燃烧器效率、HP压缩机流量、HP压缩机效率、LP 压缩机流量、LP压缩机效率、HP涡轮流量函数、HP涡轮效率、LP涡轮流量函数或LP涡轮效 率中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定一个或更多个发动机模块健康估计 包括确定所述涡轮发动机的一个或更多个所述发动机模块的期望的发动机模块的性能水平。
7.一种用于监测发动机的系统，其包括发动机健康估计器，其构造成基于多个发动机参数确定所述发动机的一个或更多个模 块的一个或更多个健康估计，其中，所述一个或更多个健康估计包括趋势数据；和涡轮分析器，其构造成分析所述一个或更多个健康估计，以确定所述发动机模块的故 障类型。
8.一种涡轮系统，其包括 一个或更多个发动机模块；一个或更多个传感器，其适合于测量所述一个或更多个发动机模块的发动机参数； 发动机健康估计器，其构造成基于测量的发动机参数确定所述一个或更多个发动机模 块的一个或更多个健康估计，其中，所述一个或更多个健康估计包括趋势数据；以及涡轮分析器，其构造成分析所述一个或更多个健康估计，以确定所述发动机模块的故障类型。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述涡轮分析器包括构造成包含以峰值 效率工作的所述涡轮发动机的经验模型的发动机模块。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述涡轮分析器包括分析工具，其构造 成基于所述发动机模块和所述一个或更多个健康估计预测所述发动机模块的故障和所述 传感器的故障。
全文摘要
本发明涉及用于监测涡轮发动机的健康的系统和方法。该方法包括监测具有多个发动机模块的涡轮发动机和基于多个发动机参数确定一个或更多个发动机模块的一个或更多个健康估计，该健康估计可包括趋势数据。该方法还包括确定和传送指示将对涡轮发动机进行修理的适合通知。
文档编号G01M15/04GK101858826SQ20101016520
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月8日 优先权日2009年4月9日
发明者A·E·特雷乔, D·布里斯达勒, D·阿罗拉, H·K·小马修斯, K·T·马卡锡, M·C·马札罗, M·E·格拉哈姆, M·W·阿哈米 申请人:通用电气公司