专利名称：监测涡轮喷气发动机的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及监测涡轮喷气发动机的通常领域，更具体说，其涉及一种方法和系统， 使其可自动探测到飞行中的飞机涡轮喷气发动机吸入一个物体。
背景技术：
在飞行中，外来物体或飞机涡轮喷气发动机的零件可能被涡轮喷气发动机吸入并在其内部造成危险。具体说，物体对风扇叶片的冲击造成其损坏的风险。在由于吸入涡轮喷气发动机的外来物体(例如鸟)造成损坏的情况下，所使用的术语为外来物体损坏(FOD)。 在由于吸入涡轮喷气发动机的零件(例如铆钉、螺栓等)而造成损坏的情况下，所使用的术语为自身物体损坏(DOD)。现有各种已知的探测FOD或DOD出现的方案。其中一个方案是基于测量涡轮喷气发动机转子的振动以探测在由于吸入物体而造成其损害后出现的失衡。在探测到失衡的情况下，涡轮喷气发动机在地面上进行可视检查(例如通过内窥镜检查)冲击痕迹、飞鸟羽毛或在冲击位置的叶片穿孔的出现可诊断FOD或DOD的出现。然而，此方案存在许多缺点。具体说，无法探测到不导致任何涡轮喷气发动机转子失衡(或失衡情况太小以至于探测不到)的FOD或DOD的存在。而且，涡轮喷气发动机的可视检查要求在地面上介入，这需要实现计划，并耗费时间。另一个已知的方案在于在飞机上使用测量仪器(例如雷达)，以探测FOD或DOD的存在。然而此方案存在额外的要求相对于储蓄较为昂贵的仪器，以及使飞机更重的缺点。文件US 2007/0250245公开了一种监控涡轮喷气发动机的方法，该方法可几乎同时探测到是否外来物体损坏了该涡轮喷气发动机。该方法提供了涡轮喷气发动机转子与预先限定的阈值之间的实时对比。在越过该阈值一预定期限的情况下，发布一维修警报。然而，该方法具有许多缺点。具体说，其限定为探测至少暂时产生风扇叶片变形的那些种类的FOD或DOD (该方法仅处理减小的振动数据)。不使风扇叶片变形(无论是暂时或永久)的物体吸入导致的简单冲击因而无法通过该方法探测。而且，为了发布维修警报， 必须越过阈值一最小期限。因而存在特定种类的FOD或DOD无法通过该方法探测的风险。 最后，该方法并不通过从信号消除电子干扰而为避免错误警报预作准备。文件US 6907368公开了一种通过对工作中的涡轮喷气发动机噪音的信号表现应用傅里叶变换分析探测吸入零部件(DOD)的方法。尽管有效地探测DOD的存在，但该方法存在无法避免由并非由于吸入零部件导致的干扰造成的错误警报的缺点。
发明内容
本发明的一个主要目的为通过建议自动地和可靠地探测FOD和DOD来减轻这些缺点，即使FOD和DOD并未引起涡轮喷气发动机的其中一个转子的失衡或风扇叶片的变形。此目的通过一监测涡轮喷气发动机的方法实现，该方法包括获得涡轮喷气发动机工作期间转子的振动级别的信号样本；
获得转子在工作中的旋转速度；将该信号的振幅与至少一个振动阈值对比，该振动阈值作为转子旋转速度的函数而预定；以及在振幅峰值越过该阈值的情况下，通过一限定的时间窗口在该振幅峰值的两侧分析该信号，以确定该产生振幅峰值的现象是对涡轮喷气发动机转子的机械冲击还是该信号的电子干扰。本发明的方法包括在探测到一振幅峰值越过该振动阈值后分析该信号的步骤。此步骤用于确定该产生振幅峰值的现象确实是对涡轮喷气发动机转子的机械冲击，而不仅仅是该信号的电子干扰。这用来避免任何错误警报。而且，本发明的方法使得可以探测到较宽范围的可能产生振幅峰值的现象因此， 无需被涡轮喷气发动机吸入的物体导致失衡或风扇叶片变形(即使是暂时变形)，以便进行探测。更广泛说，本发明的方法可发布维修信息，以使真正由涡轮喷气发动机吸入物体导致的损坏被可视地检查到(例如在飞行结束时)，而不需要等待事先计划好的维修检查。 这从而可以通过尽可能快地鉴别由于吸入物体而造成的损坏而避免涡轮喷气发动机性能的长期衰退。最后，本发明的方法可利用已存在于大多数飞机或涡轮喷气发动机自身的测量仪器(特别是加速计)和数据获得系统(特别是电子计算机)实现。经过时间窗口分析信号的步骤可包括分析信号的对称性。可选择地或另外，经过时间窗口分析信号的步骤还可包括模拟在信号幅峰后的减少。当模拟在信号中的减少时， 经过时间窗口分析信号的步骤在于通过该曲线的指数模型，计算在经过时间窗口的每个瞬间描绘信号光谱图的振幅平均值的曲线之间的差。有利地，该预定的振动阈值包括经过转子旋转速度的不同范围信号的高值和低值。根据一优选装置，该方法包括，在确定存在一针对涡轮喷气发动机转子的机械冲击之后，确定是否在该机械冲击之后，在转子中出现不平衡的状态。在这种情况下，确定在转子中出现不平衡状态的步骤可包括制作经过该时间窗口的信号的光谱图；计算在各个瞬间该光谱图的振幅平均值；计算在幅峰前后平均水平的差；通过预定水平的阈值对比水平的差异。优选地，获得信号和转子旋转速度的步骤在涡轮喷气发动机的一个操作周期内持续进行。同样优选地，获得信号和转子旋转速度的步骤，以及对比信号振幅的步骤实时进行，同时分析信号的步骤随后进行。同样优选地，如果确定产生振动事件的现象是针对涡轮喷气发动机的转子的机械冲击，则发布一维修信息。该维修信息可在飞往飞机目的地的维修人员期间发布。因此，可事先准备在机械冲击检测之后的可视检查，以使为进行检查的飞机着陆时间的长度可被优化。本发明还提供一种用于监测涡轮喷气发动机的系统，该系统包括用于获得代表在工作中涡轮喷气发动机转子的振动水平和旋转速度的信号的装置，用于通过至少一个预定为转子旋转速度函数的振动阈值比较信号振幅的装置，用于分析经过时间窗口的信号的装置，所述装置在一幅峰越过所述阈值的情况下被激活，以确定产生幅峰的现象是针对涡轮喷气发动机转子的机械冲击，还是信号的电子扰动。本发明还提供包括以上限定的监测系统的涡轮喷气发动机。
以下参照附图的描述呈现出本发明的其他特征和优点，附图显示不具有限制特征的仪器。在附图中图1是显示本发明方法主要步骤的流程图；和图2、3、4A、4B、5A、5B、6A、6B、7和8显示本发明方法的仪器。
具体实施例方式本发明的监视方法和系统使得当一飞机涡轮喷气发动机在飞行中吸入一物体 (外来物体或涡轮喷气发动机的零件)时进行自动探测成为可能。该方法依靠分析来自(加速计型)振动传感器的原始时间信号，所述振动传感器典型安装在一涡轮喷气发动机中，以执行传统的振动监测功能。以已知的方式，这样的振动传感器用于测量在涡轮喷气发动机工作时由涡轮喷气发动机的一个转子发出的振动水平。它们为信号处理目的而连接到一已知为引擎监测单元 (EMU)的电子计算机上，其可出现在飞机上(例如机舱中)或其可直接安装在涡轮喷气发动机上。参照图1，本发明的监测方法最初包括在飞行中实时地获得来自振动传感器的信号(步骤E10)，以及转子的旋转速度(步骤E20)。来自振动传感器的信号据称实时获得，显示在飞行中由传感器接收的所述信号立刻传送到用于处理的涡轮喷气发动机电子计算机上，然而其可具有在振动发生的时刻与信号由用于处理的电子计算机转换的时刻之间残留的一个小的时间偏差。在飞行中转子的旋转速度通过例如转换来自安装在转子上的转速计探针的信号而获得(该探针可已安装在涡轮喷气发动机上)(步骤E20)。特别是，此获得可在大大低于用于来自振动传感器信号的采样频率的采样频率下进行。以此方法获得的数据(来自振动传感器的信号和转子的旋转速度)随后在飞行时临时储存到一连续的基础上(步骤E30)。随后的步骤(E40)为将来自振动传感器的信号的振幅与至少一个预定为转子转速函数的振动阈值进行对比。此步骤也在飞行中实时进行。如果幅峰超过该阈值，则提供步骤E50来分析经过在幅峰附近限定的时间窗口的信号。此分析步骤E50用来确定产生幅峰的现象确实是由于涡轮喷气发动机转子吸入物体而遭受到的机械冲击，而不是仅为信号的电子扰动(E60)。在转子遭受到机械冲击的情况下，可发布一维修信息(步骤E70)，例如发给地面上的维修人员，以要求涡轮喷气发动机的可视检查来估计涡轮喷气发动机可能遭受的损失。在接近信号的电子干扰的情况下，不用采取行动，该方法继续。
信号分析步骤(E50)，确定幅峰起源的步骤(E60)和发布维修信息的步骤(E70)优选由具有适当的信号处理工具的EMU电子计算机执行。然而，它们可由计算机在地面上执行。在此情况下，信号数据需要在飞行过程中或在飞机着陆后被传送到地面上的计算机中。而且，信号分析步骤E50随后进行(与实时分析不同)。这最好在飞机飞行中着陆前的任何时候进行，并与信号和转子旋转速度的获得，以及该信号与预定振动阈值的对比同时发生。本发明的监测方法的特定步骤的实施描述如下。图2表示时间信号10的一个例子，时间信号10代表涡轮喷气发动机工作时转子的振动水平，其由一振动传感器传递。图2显示由电子计算机EMU转换后的信号。信号10在飞行中连续记录，经过一移动的时间窗口 12，例如大约10秒数量级的持续时间。当获得该信号时，一移动时间窗口以已知方式用于“追踪”该信号，并经过一固定期间连续记录它。此移动窗口储存在形成该电子计算机EMU—部分的存储器中。图2还显示两条代表用于转子的一些特定转速的信号的高值Ss和低值Sis的线。这些值限定根据涡轮喷气发动机的“正常”工作，即根据并未遭受任何物体吸入的涡轮喷气发动机的工作的信号的预定阈值。它们基于取自一个或多个形成相同系列或几个不同系列的一部分的涡轮喷气发动机的振动数据而估值，而且它们在在地面上或飞行中测试期间获得。优选地，这些值取自记录在单一系列的涡轮喷气发动机在飞行中的数据。如图3中所示，限定阈值的最大值Ss*最小值Sis取决于涡轮喷气发动机转子的旋转速度。在此图中，这些值跨过转子转速的不同短范围而限定。在该方法的步骤E40期间(图1)，经过该移动时间窗口而记录的该信号的振幅连续(即不间断地)与所考虑的限定用于转子转速的信号的预定阈值的高值和低值进行对比。此对比步骤由用于探测任何该信号的幅峰跨过该预定阈值的电子计算机EMU执行。在图3中，信号跨过Ss (正值)和Sis (负值)的幅峰必须立即探测。在阈值被幅峰跨越的情况下，电子计算机EMU使阈值跨越前的时间窗口和紧跟阈值跨越的时间窗口被储存。因此，如图4A和4B所示的那样，对中在幅峰(分别为16或18) 上的时间窗口 14被储存(该窗口的期限例如为20秒的数量级)。图4A和4B显示两种不同类型的阈值跨越图4A的幅峰16代表对信号的电子扰动(例如与其他电子装置干涉的结果)，然而图4B中的幅峰18代表吸入物体(外来物体或涡轮喷气发动机的零件)的涡轮喷气发动机。以下描述的分析步骤用于在这两种类型的事件之间区分。可能使用到两个方法(二选一或一个接一个)，以在转子所遭受的机械冲击与仅为信号的电子扰动(也已知为“异常值”，即非典型的观察)之间进行区分。这些方法使用电子计算机EMU的计算工具来实施。这些方法中的一个在于自动研究幅峰相对于所观察信号的对称轴的对称性。不同的测试揭示了针对涡轮喷气发动机转子的机械冲击通常产生基本上对称的幅峰，然而信号的电子扰动并不必然对称。研究幅峰的对称性可例如在于，核实是否满足下条件
其中“Μ”为由幅峰获得的正最大值，“m”为由幅峰获得的最小负值，“C”为由制造商预定的参数。如果上述条件满足，则可以考虑幅峰对阈值的跨越可能不是由于信号的电子扰动。自然地，可设计估值的其他条件，使得自动确定幅峰是否对称成为可能。适合区分针对转子的机械冲击和仅为信号的电子干扰的其他方法在于确定是否该信号在幅峰后呈现衰减。一个代表针对转子机械冲击的信号总是在幅峰后呈现衰减，而对于信号的电子扰动则不是这样。为此目的，一个信号在幅峰后减小的模型从经过该时间窗口而记录的窗口的光谱图(图中未示出)而估算。光谱图的振幅在各瞬间的平均值随后被计算，于是可获得如图 5A和5B中所示的曲线20和22，它们分别对应于信号的电子扰动和针对转子的机械冲击。此后，通过代表一衰减冲击的指数型函数做曲线X(其中X表示曲线20或22)相似性的分析。为此，假定曲线20、22可由形式为Y = A.e_tA的渐减指数型函数模拟，做系数“a”和“b”的研究，使直线In⑴=In(A) + (-1/ x)Xt = a+bXt代表一良好的线性模拟，例如，在最小平方的意义上，代表曲线In(X)的线性模拟。在图6A和6B中，线20’和22’于是对应于曲线 In(X)在最小平方的意义上的线性模拟，分别为信号的电子扰动和针对转子的机械冲击。在使用最小平方方法计算线性模拟的时候，确定衰退线的系数是曲线X与一指数曲线相似性的测量标准确定系数的最小阈值使得可以决定是否曲线X足够接近指数，是否该信号足以表示机械冲击。在本发明的一有利设置下，该方法还在于，在确定涡轮喷气发动机的转子受到机械冲击后，确定在冲击后在转子中是否出现失衡。这样的失衡可由于一个或多个叶片被吸入物撞到而部分或完全损失所造成。其也可能是相同叶片被穿孔后的结果。图7显示表示涡轮喷气发动机的转子在机械冲击后失衡状态的时间信号10。在此图中，可以看到，在紧随针对转子的机械冲击后信号10’的形状与在幅峰之前信号10的形状不同。在例子中，自动确定是否出现失衡的方法在于，产生一个经过对中于幅峰18上的时间窗口的振动信号的光谱图。于是计算该光谱图的振幅的各瞬间的平均值，于是使获得图8中所示的曲线M成为可能。构成曲线M的在幅峰18前后的期间的各点的振幅平均值(也指平均水平)随后被计算。这些平均值产生图8中所示的线沈和观，分别为幅峰前曲线的部分和幅峰后曲线的部分。计算这两个水平之间的差30，并与预定的水平阈值对比。如果该差值超过水平阈值，则可得出在涡轮喷气发动机的转子在机械冲击后出现了失衡状态，此信息可加到维修信息中，其被发布，以警告FOD或DOD的存在。通过使用振动阈值，用于确定失衡状态是否出现的水平阈值基于取自一个或多个属于相同系列或多个不同系列并在地面或飞行中执行测试期间获得的涡轮喷气发动机的振动数据而被估算。
权利要求
1.一种监测涡轮喷气发动机的方法，该方法在于获得(Eio)表示在涡轮喷气发动机工作期间转子振动水平的信号； 获得(E20)工作中转子的转速；对比(E40)该信号的振幅与至少一个作为转子转速的函数预定的振动阈值；和在幅峰越过该阈值的情况下，在该幅峰的任一侧分析(E50)经过一限定的时间窗口的信号，以确定(E60)产生该幅峰的现象是针对涡轮喷气发动机转子的机械冲击还是该信号的电子扰动。
2.如权利要求1所述的方法，其中分析经过该时间窗口的信号的步骤包括分析该信号的对称性。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中分析经过该时间窗口的信号的步骤包括模拟该信号在幅峰后的衰减。
4.如权利要求3所述的方法，其中分析经过该时间窗口的信号的步骤在于计算描绘在经过该时间窗口的各瞬间该信号的光谱图的振幅平均值的曲线与该曲线的指数模型之间的差。
5.如权利要求1至4中任何一项所述的方法，其中该预定振动阈值包括该信号经过转子转速不同范围的高值和低值。
6.如权利要求1至5中任何一项所述的方法，进一步包括，在确定存在一个针对涡轮喷气发动机转子的机械冲击之后，确定是否在该机械冲击后转子中出现失衡。
7.如权利要求6所述的方法，其中确定转子中出现失衡的步骤包括 制作该信号经过该时间窗口的光谱图；计算在各瞬间光谱图的振幅平均值； 计算该平均值的水平在幅峰前后的差；和将该水平的差与一预定水平的阈值进行对比。
8.如权利要求1至7中任何一项所述的方法，其中获得信号和转子转速的步骤(E10， E20)在该涡轮喷气发动机的工作周期过程中连续进行。
9.如权利要求1至8中任何一项所述的方法，其中获得信号和转子转速的步骤(E10， E20)，以及对比该信号振幅的步骤(E40)实时进行，而分析该信号的步骤(E50)延缓进行。
10.如权利要求1至9中任何一项所述的方法，其中如果确定产生振动情况的现象是针对该涡轮喷气发动机转子的机械冲击，则发布一维修信息(E70)。
全文摘要
本发明涉及一种监测涡轮喷气发动机的方法和系统。该方法在于获得(E10)表示在涡轮喷气发动机工作期间转子振动水平的信号；获得(E20)工作中转子的转速；对比(E40)该信号的振幅与至少一个作为转子转速的函数预定的振动阈值；和在该阈值被幅峰越过的情况下，在该幅峰的任一侧分析(E50)经过一限定的时间窗口的信号，以确定(E60)产生该幅峰的现象是针对涡轮喷气发动机转子的机械冲击还是该信号的电子扰动。
文档编号F01D21/00GK102177313SQ200980139910
公开日2011年9月7日 申请日期2009年10月9日 优先权日2008年10月10日
发明者朱利恩·格里菲通, 格雷戈里·吉尔曼德, 瓦莱里奥·盖尔兹 申请人:斯奈克玛