检测和追踪航空引擎风机的损坏或异物对其的冲击的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于检测航空引擎的风机(1)的变形的系统，该风机包括具有由包括机织纤维的复合材料制成的多个叶片(3)的转子(2)。该系统是显著的在于，叶片(3，13)的每一个中的纤维的至少一个是包括限定了布拉格光栅的至少一部分的光纤(4)，所述系统还包括收发器(6)，其连接至光纤(4)且适合于把光学信号发送到光纤(4)中以及接收来自于光纤(4)的响应中的光学信号；以及检测模块(7,17)，其连接至收发器以便当接收的光学信号表示与对以确定旋转速度的叶片的阻尼冲击的预定标志关联时检测风机(1,11)的变形。此变形可以是异物冲击风机叶片的结果或者它可以因内部缺陷的变化引起。
【专利说明】检测和追踪航空引擎风机的损坏或异物对其的冲击
【技术领域】
[0001]本发明涉及航空引擎领域。本发明更特别涉及检测例如由于在飞行时航空器涡轮喷气发动机摄入物体而造成的风机叶片的变形。
【背景技术】
[0002]在飞行中，从涡轮喷气发动机分离的异物或部件可能被该涡轮喷气发动机摄入，并且在它内部可能导致损坏。对于制造缺陷而言可能随时时间的推移导致叶片分层。总之，冲击风机叶片的物体有把叶片损坏的风险。
[0003]对于由于涡轮喷气发动机摄入异物(例如，鸟)的原因而引起的损坏，所使用的术语是异物损坏(FOD)。对于由于涡轮喷气发动机摄入分离出的部件(例如，铆钉、螺栓等)的原因而引起的损坏，术语是内部物体损坏(DOD)。摄入异物(FOD)构成了航班延迟或取消的主要原因，这是因为一般情况下在飞行期间飞行员感知不到该冲击，并且仅在航空器再次起飞之前立即对它进行检查才能在叶片上观察到。
[0004]已经存在检测FOD或DOD存在的各种已知解决方案。这些解决方案寻求播报何时需要执行检查和维护操作以便改善航空器的操作有效性。
[0005]以本 申请人:的名义的文档FR 2937079中描述了一种用于检测FOD的已知解决方案。该文档依靠在引擎上永久性地安装加速仪并且识别对风机的冲击采用由这样的加速仪递送的时间变化信号的波形的形式的特性标志。
【发明内容】
[0006]本发明寻求改善检测由于对航空引擎风机的叶片的冲击或损坏而引起的变形。
[0007]为此，本发明提供了一种用于检测航空引擎的风机的变形的系统，该风机包括具有由包括机织纤维的复合材料制成的多个叶片的转子。
[0008]该系统是显著的在于，所述叶片的每一个中的所述纤维的至少一个是包括限定了布拉格光栅的至少一部分的光纤，所述系统还包括收发器，其连接至所述光纤且适合于把光学信号发送到所述光纤中以及接收来自于所述光纤的光学信号；以及检测器模块，其连接至所述收发器以便当所述接收的光学信号表示与对以确定旋转速度的叶片的阻尼冲击的预定标志关联时检测所述风机的变形。
[0009]借助这些特性，通过分析从光纤接收的信号能够检测因内部损坏或因对风机的冲击引起的变形，以及检测异物的质量。这不需要使用用于通过所谓的叶尖定时技术进行分析的加速仪或者电容的或光学的或微波的传感器。
[0010]有利地，所述叶片的至少一个中的多个所述纤维是光纤。
[0011]换言之，所述叶片的每一个具有多个光纤。在这样的环境下，对从叶片的各种光纤接收的信号进行分析能够定位叶片受到冲击的位置，因而能够预测维护操作。
[0012]在一实施例中，检测器模块可以并入电子单元中。在这样的环境下，电子单元可以包括所述收发器，该系统还包括定子至转子光学耦合器，以便把所述收发器连接至所述光纤。
[0013]在一变体中，所述收发器可以由转子承载，检测器模块适合于通过无线连接经由通信单元与所述收发器通信。
[0014]在该变体中，不需要定子至转子光学耦合器。
[0015]检测器模块优选并入电子单元中，所述电子单元适合于存储与所检测变形有关的信息、识别所述叶片以及把所述变形和识别信息传送至维护系统。
[0016]优选地，提供了接收器装置，其用于接收所述变形和识别信息；以及分析装置，其用于使所述变形信息经受模态分析或者与引擎速度同步的谐振的分析，以便识别出于与每个叶片有关的模态参数，以及以便追踪所述参数的变化，从而检测缺陷的存在和它们在所述风机的叶片上的进展。
[0017]本发明还提供了包括依据本发明的系统的航空引擎。
[0018]本发明还提供了一种监视航空引擎风机的方法，该风机包括具有由包括机织纤维的复合材料制成的多个叶片的转子。
[0019]此监视方法是显著的在于，它包括把光学信号发送到所述叶片的每一个中的所述纤维的至少一个中，所述纤维是光纤，接收来自所述光纤的光学信号，以及把所述接收的光学信号和对以确定旋转速度的叶片的阻尼冲击的预定标志相关联以便检测所述风机的变形。
[0020]有利地，该方法还包括通过分析所述接收的光学信号确定所述异物的质量和所述异物对所述风机的所述冲击的位置。它还可以包括使所述信号中的每一个经受模态分析或者与引擎速度同步的谐振的分析，以便识别出与每个叶片有关的模态参数和以便追踪所述模态参数的变化，从而检测缺陷的存在和它们在所述叶片上的进展。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]根据参考附图所做的下面描述，本发明的其它特性和优点将显现出来，附图示出了没有限制性特征的实施例。在图中:
[0022]图1是本发明第一实施例的系统的图示；以及
[0023]图2是本发明第二实施例的系统的图示。
【具体实施方式】
[0024]图1是本发明第一实施例的系统的图示，该系统包括用于航空引擎的风机。
[0025]风机I包括具有叶片3的转子2。
[0026]举例来说，引擎是涡轮喷气发动机，其包括风机1、低压压缩机、高压压缩机、燃烧室、高压涡轮以及低压涡轮。在一实施例中，风机I是非导管风机(也称为开式转子)。
[0027]叶片3由机织复合材料制成。它们因此包括机织纤维。本领域技术人员知道如何制作这样的叶片，因此本文不对叶片进行详细描述。此外，本领域技术人员知道在机织期间使光纤能够并入以便在树脂被注入模具中时能够监视树脂的温度的技术。在风机I中，叶片3因此包括光纤4。
[0028]该系统还包括电子单元5，其包括收发机6和检测模块7。该系统优选通过利用航空器的数据传输系统经由SATCOM或GSM类型的传输与地面上的处理器单元10交互。
[0029]收发机6经由光纤9和耦合器8连接至叶片3的光纤4以便在转子和定子之间提供传输。收发机6典型地包括激光发射器和光电二极管接收器，并且它适合于经由耦合器8和光纤9把光学信号发送至光纤4中以及从光纤4接收光学信号。
[0030]当根据要监视的区域设计叶片3时可以选择与叶片3中的光纤连接的类型、定位和数目。例如，在叶片根部，可以对光纤4进行多路复用。
[0031]检测模块7适合于促使光学信号被收发器6发送，以及适合于分析由收发器6接收的光学信号。
[0032]举例来说,信号分析可以基于使用布拉格光栅(Bragg grating)作为运动检测器。在没有对布拉格光栅给出精确定义的情况下，遵循用于使用此技术的原理的直观想法。布拉格光栅是光栅光刻在光纤中，且更简单地在已经经受给它新颖性属性的修改的光纤的一部分中。要测量的物理现象(这里是因由冲击引起的移动或分层而造成叶片的内部损坏)的影响修改了光栅的属性，且因而修改了信号的光谱。
[0033]由于异物的冲击引起了叶片3的至少暂时的移动或变形，因此可以理解的是，对所接收的光学信号进行分析使得能够检测到这样的冲击。其适用于引起不同变形反应的内部损坏。更精确地，对所接收光学信号的分析能够:
[0034].识别被冲击或损坏的(多个)叶片3;
[0035].定位叶片3上的冲击处或损坏处；
[0036].估计引起冲击的异物的质量；以及
[0037].识别出该叶片(在实践中是一对叶片)以便更换。
[0038]检测对给定叶片的冲击或损坏依赖于在来自该叶片中的布拉格光栅的信号的自由振荡中对阻尼冲击的特性波形的自动识别。检测模块7接收关于引擎旋转速度的信息(例如，通过叶尖定时常规地)和叶片变形信号这二者，如果存在叶片变形信号，则仅仅从在冲击或损坏的作用下叶片中存在的(多个)光纤的光纤属性的修改得到。为了执行检测，检测模块包括关联装置，用于把这些变形信号与先前存储的对以考虑中的速度旋转的叶片的阻尼冲击的预定标志。如例如专利FR 2937079中所公开的，预定标志由伪小波构成，该伪小波具有振荡波形且以O开始的振幅，这在短的时间段期间增加直到最大振幅，然后减小以便逐渐地且交替地返回至O。因此，在变形信号和冲击的标志之间存在关联的任何信号指示出对风机的冲击，而不管该冲击是否被飞行员感测到。冲击或损坏所涉及的叶片的位置仅仅通过识别出揭示因变形得到的信号的布拉格光栅来确定。
[0039]当叶片具有多个光纤时，如上面所提及的，叶片自身上的冲击或损坏的区域通过识别出哪个纤维受到冲击来定位。
[0040]基于冲击叶片的异物的冲击能量或速度来估计该质量。冲击能量根据叶片的最大变形(对应于上面提及的阻尼冲击信号的最大振幅)通过从所述能量的初步模型导出来获得，以及物体相对于叶片的速度通过航空器的速度和引擎速度获得(假定物体相对于叶片的速度等于航空器的速度，就第一数量级而言它为真)。
[0041]最后，用于检查的叶片仅仅通过向先前检测的信号应用阈限值来识别以便仅保留真正有意义的且从能够导致引擎故障的那些。这不是因为受到冲击的叶片必定被损坏且因而需要更换。相反，如果叶片呈现出可能导致随着循环次数的增加而进展的分层的裂纹开裂或损坏，该叶片自然需要移除(以便丢弃或以便修理)并且替换为一对中的部件，即，与相对叶片一起，这是因为它们的静矩非常相似。
[0042]上面提及的信息通过电子单元5存储，该电子单元可以并入特定单元中，否则，由于板上处理被限制到因变形得到的信号，所以该电子单元可以形成诸如引擎监视单元(EMU)之类的已有单元的一部分，然后传送到地面至维护系统或至处理单元10以供另外处理。
[0043]处理器单元10包括接收装置100、分析装置102和数据库类型的存储装置104。接收装置被配置为接收由电子单元5的板上检测模块7发送的、因变形产生的信号，该单元因而自然需要被提供有对应的发送器装置。在接收到该信号之后，分析装置向这些信号中的每一个应用模态分析以便识别出与每个受冲击的叶片有关的模态参数。模态分析(典型是普龙尼(Prony)或等价类型)用于确定每个变形的阻尼和谐振频率。分析装置于是进行到在把针对每个叶片识别的模态参数存储在特定于风机I的数据库中之前，对其进行验证。分析装置还被配置为追踪因冲击(伪谐振频率)或因叶片对谐波激励(多个引擎速度同步的谐振频率)的反应而起的模态参数的变化，以便检测指示出在风机叶片中正进展的损坏的可能振动(例如，频移)。特别地，这些分析装置对模态参数和声音叶片的数据库进行比较以便估计阻尼和/或频移。此比较优选针对伪谐振频率、或者针对同步谐振的引擎周期之后的引擎周期一个冲击一个冲击地执行(例如，使用趋势监视算法)，以便分析模态参数的变化、冲击的数目、以及与冲击有关的可能的其它特性。因而，小的且渐进的漂移指示了缺陷是变化的，而相对于参考声音状态的突然改变指示了缺陷的突然出现。当检测到缺陷时，分析装置102生成针对该引擎的维护消息或警告，该引擎包括识别(多个)缺陷叶片的数据。
[0044]举例来说，电子单元5呈现了计算机的硬件架构且特别包括微处理器、非易失性存储器和易失性存储器。在这样的环境下，检测模块7可以对应于执行存储在非易失性存储器中的计算机程序的微处理器，并同时使用易失性存储器。
[0045]电子单元5可以特定监视叶片3和检测它们的劣化，如果存在的话。在一变体中，电子单元5可以执行针对引擎的其它监视和/或控制功能。
[0046]图2示出了本发明第二实施例中的包括用于航空引擎的风机的系统。对与图1系统中的元素等同或类似的元素给出了相同的附图标记加上10，并且不再对它们进行详细描述。
[0047]因而，风机11包括具有叶片13的转子12，叶片13包括光纤14，并且该系统包括电子单元15,电子单元15包括检测模块17。
[0048]该系统还包括由转子12承载的辅助电子单元20。电子单元20包括连接至光纤14的收发器16和通信单元21，该通信单元21适合于通过无线连接(例如无线电连接)与电子单元15中的通信单元22通信。通信单元22还可以提供与地面上的远程处理器单元23的连接，该远程处理器单元23具有模态分析和追踪从模态分析得到的模态参数的功能，以便以它们变化的方式检测揭露风机叶片的缺陷的不规则行为，从而针对该引擎发出维护敬生目口 ο
[0049]与图1的实施例相比较，图2的系统不要求定子至转子光学耦合器，这是因为收发器16由转子承载。
【权利要求】
1.一种用于检测航空引擎的风机(1，11)的变形的系统，所述风机包括具有由包括机织纤维的复合材料制成的多个叶片(3，13)的转子(2，12)，所述系统的特征在于，所述叶片(3，13)的每一个中的所述纤维的至少一个是包括一根其中至少一部分限定了布拉格光栅的光纤(4，14)，所述系统还包括收发器(6，16)，其连接至所述光纤(4，14)且适合于把光学信号发送到所述光纤(4，14)中以及接收来自于所述光纤(4，14)的响应中的光学信号；以及检测模块(7，17)，其连接至所述收发器以便当所述接收的光学信号与确定旋转速度的叶片所受的阻尼冲击的预定标志呈现关联时检测所述风机(1，11)的变形。
2.依据权利要求1所述的系统，其中，所述变形由异物对所述风机的冲击造成。
3.依据权利要求2所述的系统，其中，所述检测模块适合于通过分析所接收的光学信号确定所述异物的质量。
4.依据权利要求3所述的系统，其中，所述叶片(3，13)的每一个中的多个所述纤维是光纤(4，14)。
5.依据权利要求4所述的系统，其中，所述检测模块适合于通过分析所接收的光学信号确定针对所述异物的冲击的位置。
6.依据权利要求1至5中任一项所述的系统，还包括一个把所述收发器(6)连接至所述光纤(4)的定子至转子光纤耦合器(8)。
7.依据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述收发器(16)由所述转子(12)承载，所述检测模块(17)适合于通过无线连接经由通信单元(22)与所述收发器(16)通?目。
8.依据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述检测模块(7，17)并入电子单元(5，15)中，所述电子单元(5，15)适合于存储与所检测变形有关的信息、识别所述叶片以及把所述变形和识别信息传送至维护系统。
9.依据权利要求8所述的系统，还包括接收装置(100)，其用于接收所述变形和识别信息；以及分析装置(102，104)，其用于使所述变形信息经受模态分析或者与引擎速度同步的谐振的分析，以便识别出于与每个叶片有关的模态参数，以及以便追踪所述参数的变化，从而检测缺陷的存在和它们在所述风机的叶片上的进展。
10.一种航空引擎，其包括依据权利要求1至9中任一项所述的系统。
11.一种检测航空引擎的风机(1，11)的变形的方法，所述风机包括具有由包括机织纤维的复合材料制成的多个叶片(3，13)的转子(2，12)，所述方法的特征在于，它包括把光学信号发送到所述叶片(3，13)的每一个中的所述纤维的至少一个中，所述纤维是光纤(4，14)接收来自所述光纤(4，14)的光学信号、以及把所述接收的光学信号和确定旋转速度的叶片所受的阻尼冲击的预定标志相关联以便检测所述风机(1，11)的变形。
12.依据权利要求11所述的检测方法，其中，所述变形是异物对所述风机的冲击的结果O
13.依据权利要求12所述的检测方法，还包括通过分析所述接收的光学信号确定所述异物的质量和所述异物对所述风机的所述冲击的位置。
14.依据权利要求11所述的检测方法，还包括使所述信号中的每一个经受模态分析或者与引擎速度同步的谐振的分析，以便识别出与每个叶片有关的模态参数和以便追踪所述模态参数的变化，从而检测缺陷的存在和它们在所述叶片上的进展。
【文档编号】F01D5/28GK104204414SQ201380015595
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月19日 优先权日:2012年3月20日
【发明者】大卫·托林, 皮埃尔·费尔迪南德, 瓦莱里奥·杰雷斯, 安德鲁·莱罗克斯 申请人:斯奈克玛