專利名稱：透平發(fā)動(dòng)機(jī)外來物損傷檢測系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明一般地針對(duì)應(yīng)力波分析，特別是針對(duì)使用和分析應(yīng)力波，以檢測在透平發(fā)動(dòng)機(jī)中的外來物損傷(FOD)。所述透平發(fā)動(dòng)機(jī)例如，但不局限于，噴氣式飛機(jī)中的透平發(fā)動(dòng)機(jī)。
2.相關(guān)技術(shù)的說明外來物損傷(“FOD”)一直是透平發(fā)動(dòng)機(jī)制造商和用戶最擔(dān)心的事情。在一部發(fā)動(dòng)機(jī)中，被損壞的風(fēng)扇、壓縮機(jī)和透平發(fā)動(dòng)機(jī)葉片可能導(dǎo)致災(zāi)難性的失效或者降低工作效率。為了防止FOD，某些透平發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)采用過濾器。然而，由于過濾器所產(chǎn)生的大小、重量和性能問題，使得它并不是在所有場合中都適用的。在非過濾的系統(tǒng)中，使用定期的人工檢查來檢出在發(fā)生FOD事件之后的一個(gè)未知的時(shí)間內(nèi)所出現(xiàn)的任何損傷。這個(gè)未知數(shù)留下了一個(gè)窗口，使得這種損傷得以傳播，并且演變?yōu)槲＜吧?或設(shè)備安全的災(zāi)難性的失效。同樣，用人工方法去檢查所有的葉片是一種費(fèi)時(shí)和昂貴的處理過程。相應(yīng)地，在本領(lǐng)域中需要有一種用于檢測對(duì)設(shè)備(例如透平發(fā)動(dòng)機(jī))的外來物損傷的系統(tǒng)，它能以及時(shí)和廉價(jià)的方式對(duì)損傷進(jìn)行檢測。正因?yàn)檫@樣，本發(fā)明針對(duì)克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)的有效的解決方案。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一個(gè)FOD檢測系統(tǒng)，包括至少一個(gè)、最好是多個(gè)應(yīng)力波傳感器，它們被安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)中能從(各)風(fēng)扇罩處提供傳輸路徑的位置上，一根用以連接(各)傳感器和電子設(shè)備的電纜，以及一個(gè)電子組件。電子組件對(duì)已接收的信號(hào)進(jìn)行修整，對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并且對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理以便確定/通知是否發(fā)生了FOD事件。最好是從外部將各傳感器安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上。這樣一來，通過使用沿著發(fā)動(dòng)機(jī)長度方向設(shè)置的多個(gè)傳感器，就能在外來物被損毀之前檢測該物體已經(jīng)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的深度。
相應(yīng)地，本發(fā)明在不需要由高度熟練的專業(yè)人士來分析數(shù)據(jù)的條件下，提供了在極高能量的環(huán)境中對(duì)低能事件進(jìn)行檢測的方法，同時(shí)給出關(guān)于已經(jīng)發(fā)生了FOD事件的實(shí)時(shí)指示。將本發(fā)明用于透平發(fā)動(dòng)機(jī)將提高發(fā)動(dòng)機(jī)的安全效率和可靠性。
相應(yīng)地，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)就是提供一個(gè)用于對(duì)一部設(shè)備或機(jī)器(例如透平發(fā)動(dòng)機(jī))的外來物損傷進(jìn)行檢測和分析的系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)就是提供一個(gè)能以相對(duì)及時(shí)和廉價(jià)的方式，對(duì)外來物損傷進(jìn)行檢測和分析的系統(tǒng)。
本發(fā)明的又一個(gè)目標(biāo)就是使用應(yīng)力波信號(hào)來檢測在透平發(fā)動(dòng)機(jī)中的外來物損傷。
本發(fā)明的再一個(gè)目標(biāo)就是減輕因攝入外來物而導(dǎo)致對(duì)透平發(fā)動(dòng)機(jī)的損傷。
本發(fā)明還有一個(gè)目標(biāo)就是提高透平發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。
針對(duì)將在下文中變得更加明顯的這些以及其他目標(biāo)，下面具體參照諸附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。


圖1是一份圖，表示在受到?jīng)_擊時(shí)應(yīng)力波的增加，可用于檢測外來物損傷；以及圖2是示出本發(fā)明的外來物損傷檢測與分析系統(tǒng)的一份方框圖。
本發(fā)明的詳細(xì)說明本發(fā)明一般地含有一個(gè)或多個(gè)應(yīng)力波傳感器20以及一個(gè)用于處理從(各)傳感器20接收的應(yīng)力波信號(hào)的電子組件。電子組件經(jīng)由常規(guī)的電纜布線與傳感器20進(jìn)行通信。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器20可能在傳感單元包括對(duì)應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行放大和帶通濾波。可供選擇地，也可以使用一個(gè)非放大的傳感器20，最好比優(yōu)選的具備放大及濾波的傳感器使用在傳感單元以外的更大的應(yīng)力波信號(hào)放大倍數(shù)以及一個(gè)更低噪聲背景。最好是，感興趣的應(yīng)力波頻率在20kHz以上。然而，可以使用和/或分析其他的數(shù)值和范圍，并且所有這些都被認(rèn)為屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。為了縮小應(yīng)力波信號(hào)的幅度范圍以及降低信號(hào)處理電子組件的靈敏度，傳感器20可以包括兩項(xiàng)功能增益和帶通濾波。在一個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)選的感興趣的頻率可能是38kHz，傳感器20在參照于100Hz的優(yōu)選頻率處可能具有72dB的增益，并且?guī)V波可能以38kHz為中心頻率。再有，這些數(shù)值是借助于實(shí)例而提供的，并且不被認(rèn)為是限制性的，也可以使用其他數(shù)值，并且被認(rèn)為處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
即使在傳感器20處具有放大作用，但是應(yīng)力波信號(hào)可能還需要附加放大。這種確定典型地取決于被測試的引擎的類型和功率輸出。因此，在電子組件中可能需要一個(gè)放大器。FOD檢測系統(tǒng)設(shè)備10最好是還包括帶通濾波功能。由于一個(gè)沖擊事件類似于一個(gè)脈沖作用，所以該事件產(chǎn)生一組寬頻帶信號(hào)。在低頻段，這些信號(hào)典型地在整個(gè)信號(hào)中占很低的百分比，并且為了進(jìn)行檢測，需要極高的靈敏度。但是在較高的頻率(即，高于20kHz)上，沖擊信號(hào)典型地比背景噪聲高出兩倍或更多倍。在選擇感興趣的頻率時(shí)，這種高頻特性是很重要的，例如上面借助于實(shí)例討論的38kHz頻率。為了進(jìn)一步地從背景信號(hào)中分離出感興趣的頻率，可以使用針對(duì)感興趣的頻率而設(shè)計(jì)的帶通濾波器30?？梢愿鶕?jù)傳感器和引擎的類型來改變帶寬。在一個(gè)實(shí)施例中，濾波器可以被設(shè)計(jì)成具有7kHz的通帶。
根據(jù)應(yīng)力波信號(hào)的強(qiáng)度，可能在帶通濾波器30與解調(diào)器之間需要一個(gè)放大器，以保證最佳的性能。
一個(gè)幅度解調(diào)器成為信號(hào)修整的最后一級(jí)。所得到的信號(hào)可以被稱為應(yīng)力波脈沖系列(“SWPT”)，并且在所得到的曲線下面的面積可以被稱為應(yīng)力波能量(“SWE”)。
在這一點(diǎn)上，應(yīng)當(dāng)通過模擬或數(shù)字方法來處理SWPT，以便檢出由于外來物損傷沖擊事件而產(chǎn)生的脈沖。脈沖檢測被用來識(shí)別一個(gè)FOD事件。為了檢測脈沖，有多種常規(guī)方法可供使用，對(duì)專業(yè)人士來說這是顯而易見的。本發(fā)明使用一個(gè)閾值，最好是作為軟件來提供，或者可供選擇地作為模擬硬件來提供，該閾值基于(1)SWPT的平均值，(2)一個(gè)積分器，用以測定在閾值以上的SWE，以及(3)一個(gè)SWE閾值，用以消除來自輸入信號(hào)的偽噪聲。優(yōu)選的使用閾值的脈沖檢測方法導(dǎo)致一種牢靠的峰值檢測方法，它允許對(duì)各種類型的引擎進(jìn)行充分的調(diào)節(jié)。數(shù)學(xué)定義和方程式(最好是被納入到脈沖檢測軟件，或者可供選擇地被納入到模擬硬件)如下Tpeak＝SWPT*Tset SWEpeak＝Dpeak*∫(SWPT-Tpeak) 其中，Tset＝參照于SWPT平均值的閾值設(shè)置點(diǎn)。
Tpeak＝閾值電壓。
Dpeak＝超過Tpeak時(shí)等1，否則等于0。
SWEpeak＝在Tpeak以上的峰值能量。
SWE閾值檢測器的輸出為二進(jìn)制數(shù)，并且表示通過或失敗狀態(tài)。輸出信號(hào)可以被用來掠過多種顯示器，以便向機(jī)組乘員、地勤人員或其他人發(fā)出警告稱已經(jīng)檢測到一次FOD事件。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明使用一個(gè)鎖存顯示器，然而，可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測其輸出，以檢出(各次)轉(zhuǎn)變。在圖2中，示出了用于本發(fā)明的FOD檢測系統(tǒng)實(shí)例10的方框圖。
應(yīng)力波的檢測和分析可以被用來識(shí)別一次FOD事件是否已經(jīng)發(fā)生以及FOD進(jìn)入引擎有多深。在飛機(jī)透平發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，這將極大地降低開始于FOD事件的累進(jìn)失效而導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)失效的風(fēng)險(xiǎn)。在使用應(yīng)力波的情況下，本發(fā)明允許在發(fā)生沖擊的當(dāng)時(shí)就檢出FOD事件，而不是在幾個(gè)小時(shí)，幾天，幾星期或幾個(gè)月之后(見圖1)。
本發(fā)明還表明，那些被認(rèn)為沒有出現(xiàn)損傷的材料不會(huì)產(chǎn)生可能給出虛警的信號(hào)。這是由于應(yīng)力波的幅度跟發(fā)生沖擊時(shí)被轉(zhuǎn)移到風(fēng)扇/透平發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的能量成正比。然后，可以通過模擬或數(shù)字方法對(duì)應(yīng)力波進(jìn)行處理，以檢出FOD事件。
本發(fā)明的特定方面包括下列各項(xiàng)(a)應(yīng)力波可以被用來檢出在透平發(fā)動(dòng)機(jī)中的FOD事件；(b)峰值檢測法(數(shù)字或模擬)可以被用來監(jiān)測已修整的應(yīng)力波信號(hào)，以檢出FOD事件；(c)積分器(數(shù)字或模擬)可以被用來測定應(yīng)力波能量，其后跟隨著一個(gè)閾值檢測器，以便使虛警最小化；(d)可以求出應(yīng)力波信號(hào)的平均值，然后進(jìn)行放大，以便通過數(shù)字或模擬方法來設(shè)置一個(gè)峰值檢測閾值；(e)可以對(duì)應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行放大，以及帶通或高通濾波，以便使背景信號(hào)最小化。
本發(fā)明適用于需要在正在運(yùn)行的機(jī)器中檢出沖擊事件的許多應(yīng)用場合，并且所有這些應(yīng)用都被認(rèn)為屬于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。相應(yīng)地，本發(fā)明并不局限于上述用于檢出在透平發(fā)動(dòng)機(jī)(特別是飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī))中的FOD事件。
取代常規(guī)的電纜布線，各傳感器可以通過無線電技術(shù)跟系統(tǒng)的電子設(shè)備進(jìn)行通信。
本發(fā)明已經(jīng)通過被認(rèn)為是最實(shí)用和最優(yōu)選的實(shí)施例來說明。然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，對(duì)專業(yè)人士來說，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以有所變動(dòng)以及作出明顯的修改。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測在一部機(jī)器中的外來物損傷的方法，所述方法包括下列各步驟(a)接收由該機(jī)器產(chǎn)生的應(yīng)力波信號(hào)；(b)分析所述應(yīng)力波信號(hào)，以確定該信號(hào)是否超過一個(gè)閾值；以及(c)當(dāng)所述應(yīng)力波信號(hào)超過所述閾值時(shí)，產(chǎn)生一項(xiàng)指示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于檢測外來物損傷的方法，其中，所述閾值對(duì)應(yīng)于該機(jī)器的損傷程度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于檢測外來物損傷的方法，還包括對(duì)所述接收的應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行放大的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于檢測外來物損傷的方法，還包括對(duì)所述已接收的應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行濾波的步驟，以便使各種背景信號(hào)最小化。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于檢測外來物損傷的方法，還包括對(duì)所述已接收的應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行帶通或高通濾波的步驟，以便使各種背景信號(hào)最小化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于檢測外來物損傷的方法，其中，步驟(b)包括將已接收的應(yīng)力波信號(hào)解調(diào)為應(yīng)力波脈沖的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于檢測外來物損傷的方法，其中，由下列峰值檢測方程式來確定所述閾值。Tpeak＝SWPT*Tset SWEpeak＝Dpeak*∫(SWPT-Tpeak) 其中，Tset＝參照于SWPT平均值的閾值設(shè)置點(diǎn)。Tpeak＝閾值電壓。Dpeak＝超過Tpeak時(shí)等于1，否則等于0。SWEpeak＝在Tpeak以上的峰值能量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于檢測外來物損傷的方法，其中，步驟(b)包括對(duì)已接收的應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行求平均值和放大的步驟，以便設(shè)置一個(gè)峰值檢測閾值。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測外來物損傷的方法，其中，步驟(b)包括采用一個(gè)積分器以確定應(yīng)力波能量值的步驟，并且步驟(c)包括使用閾值檢測器以便使虛警最小化的步驟。
10.一種用于檢測在一部機(jī)器中的外來物損傷的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括附屬于該機(jī)器的至少一個(gè)應(yīng)力波傳感器；以及與所述至少一個(gè)應(yīng)力波傳感器進(jìn)行通信的一個(gè)電子組件，所述電子組件對(duì)從所述至少一個(gè)應(yīng)力波傳感器接收的應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行分析，以確定一個(gè)已攝入的外來物是否已經(jīng)使該機(jī)器發(fā)生損傷。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述應(yīng)力波傳感器檢測20kHz或20kHz以上的應(yīng)力波信號(hào)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述電子組件通過電纜布線跟所述至少一個(gè)傳感器進(jìn)行通信。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述機(jī)器是透平發(fā)動(dòng)機(jī)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述電子組件基于模擬技術(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述電子組件基于數(shù)字技術(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述電子組件包括用于對(duì)從所述傳感器接收的應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行放大的裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述電子組件包括用于對(duì)從所述傳感器接收的應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行濾波的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述電子組件包括用于對(duì)應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行濾波的裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)傳感器是在沿著該機(jī)器的不同點(diǎn)上進(jìn)行設(shè)置的多個(gè)應(yīng)力波傳感器。
20.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述電子組件包括幅度解調(diào)裝置，用于將從所述傳感器接收的應(yīng)力波信號(hào)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力波脈沖。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中，所述電子組件還包括用于檢測超過預(yù)定閾值電平的應(yīng)力波脈沖的裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述電子組件通過無線電技術(shù)跟所述至少一個(gè)傳感器進(jìn)行通信。
23.一種用于檢測在一部機(jī)器中的外來物損傷的方法，所述方法包括下列各步驟(a)修整由該機(jī)器產(chǎn)生的已接收的應(yīng)力波信號(hào)；(b)對(duì)已接收的應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)；以及(c)對(duì)已解調(diào)的應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行處理，以確定該機(jī)器是否已經(jīng)發(fā)生了外來物損傷事件。
全文摘要
一種外來物損傷(FOD)檢測系統(tǒng)，用于當(dāng)一個(gè)物體進(jìn)入透平發(fā)動(dòng)機(jī)的入口并沖擊該發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)或多個(gè)葉片時(shí)，對(duì)所發(fā)出的超聲或應(yīng)力波進(jìn)行檢測和分析。在檢測之后，F(xiàn)OD檢測系統(tǒng)就立即通知操作員，通知另一個(gè)電子裝置(計(jì)算機(jī)等)和/或鎖定該事件以供維修人員重新檢查。本檢測系統(tǒng)通常包括一個(gè)或多個(gè)應(yīng)力波傳感器以及一個(gè)電子組件，后者用來處理從傳感器接收的應(yīng)力波信號(hào)。電子組件經(jīng)由常規(guī)的電纜布線與傳感器進(jìn)行通信。
文檔編號(hào)G01M15/14GK1427949SQ01808834
公開日2003年7月2日 申請(qǐng)日期2001年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月4日
發(fā)明者戴維·B·鮑爾德, 克萊格·E·休斯 申請(qǐng)人:斯萬泰克有限責(zé)任公司