特許 6203811 航空エンジンのファンへの損傷またはこれに対する異物の衝撃の検出および追跡

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6203811

(24)【登録日】2017年9月8日

(45)【発行日】2017年9月27日

(54)【発明の名称】航空エンジンのファンへの損傷またはこれに対する異物の衝撃の検出および追跡

(51)【国際特許分類】

   F02C 7/00 20060101AFI20170914BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20170914BHJP

   G02B 6/42 20060101ALI20170914BHJP

   G01N 21/892 20060101ALI20170914BHJP

   G01N 21/88 20060101ALI20170914BHJP

   G01N 21/95 20060101ALI20170914BHJP

   G01B 11/16 20060101ALI20170914BHJP

   B64D 33/00 20060101ALI20170914BHJP

【ＦＩ】

   F02C7/00 A

   F01D25/00 V

   F01D25/00 X

   G02B6/42

   G01N21/892 Z

   G01N21/88 J

   G01N21/95 Z

   G01B11/16 G

   B64D33/00 Z

【請求項の数】14

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-500968(P2015-500968)

(86)(22)【出願日】2013年3月19日

(65)【公表番号】特表2015-518535(P2015-518535A)

(43)【公表日】2015年7月2日

(86)【国際出願番号】FR2013050581

(87)【国際公開番号】WO2013140085

(87)【国際公開日】20130926

【審査請求日】2016年2月29日

(31)【優先権主張番号】1252489

(32)【優先日】2012年3月20日

(33)【優先権主張国】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】516227272

【氏名又は名称】サフラン・エアクラフト・エンジンズ

(74)【代理人】

【識別番号】110001173

【氏名又は名称】特許業務法人川口國際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】トゥーラン，ダビド

(72)【発明者】

【氏名】フェルディナン，ピエール

(72)【発明者】

【氏名】ジェレ，バルリオ

(72)【発明者】

【氏名】ルルー，アンドレ

【審査官】 米澤 篤

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０２１９８８３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２０１１−５０３６６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平９−５１０２９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公平６−７０４９（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２０００−３２９６２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３２９６２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５０５３４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２９２０６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３４３２６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２７９４９９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０１８８３２４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２００３−５２９７０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第６４９９３５０（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 米国特許第５８４４６６９（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第５７７０１５５（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｃ ７／００

Ｂ６４Ｄ ３３／００

Ｆ０１Ｄ ２５／００

Ｇ０１Ｂ １１／１６

Ｇ０１Ｎ ２１／８８ − ２１／９５

Ｇ０２Ｂ ６／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

航空エンジンのファン（１、１１）であって、織りファイバーを含む複合材料からできている複数のブレード（３、１３）を有するローター（２、１２）および前記ファンに対する物体の衝撃から生じる変形を検出するためのシステムを備え、前記ブレード（３、１３）のそれぞれの前記ファイバーの少なくとも１つがブラッググレーティングを定義する少なくとも１つの部分を含む光ファイバー（４、１４）であり、ファンはさらに前記光ファイバー（４、１４）に接続され、光信号を前記光ファイバー（４、１４）に送信し、前記光ファイバー（４、１４）から応答の光信号を受信するために適した送受信装置（６、１６）、および前記受信した光信号が決められた回転速度でブレードでの減衰した衝撃の事前設定の性質に対して相関関係を提示する場合、前記ファン（１、１１）の変形を検出するために前記送受信装置に接続された検出モジュール（７、１７）を備えることを特徴とする、ファン。

【請求項2】

前記ファンに衝撃を与える前記物体がＦＯＤまたはＤＯＤである、請求項１に記載のファン。

【請求項3】

前記検出モジュールが受信した光信号を分析することによって前記物体の質量の特定に適している、請求項２に記載のファン。

【請求項4】

前記ブレード（３、１３）のそれぞれの複数の前記ファイバーが光ファイバー（４、１４）である、請求項３に記載のファン。

【請求項5】

前記検出モジュールが受信した光信号を分析することによって前記物体の衝撃の位置の特定に適している、請求項４に記載のファン。

【請求項6】

前記送受信装置（６）を前記光ファイバー（４）に接続するステーターツーローター光カプラー（８）をさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のファン。

【請求項7】

前記送受信装置（１６）がローター（１２）によって担持され、検出モジュール（１７）が通信ユニット（２２）を介した無線接続による前記送受信装置（１６）との通信に適している、請求項１から５のいずれか一項に記載のファン。

【請求項8】

検出モジュール（７、１７）が、検出した変形に関係する情報を保存し、ブレードを識別して、前記変形および識別情報をメンテナンスシステムに送信するために適した電子ユニット（５、１５）に組み込まれる、請求項１から７のいずれか一項に記載のファン。

【請求項9】

不良部分の外見および前記ファンのブレード全体での進み具合を検出する目的で、各ブレードに関係するモードパラメーターを識別し、前記パラメーターの変動を追跡するために、前記変形および識別情報を受信するための受信手段（１００）ならびに前記変形情報をモード分析またはエンジン速度と同期する共振の分析にかけるための分析手段（１０２、１０４）をさらに含む、請求項８に記載のファン。

【請求項10】

請求項１から９のいずれか一項に記載のファンを含む航空エンジン。

【請求項11】

航空エンジンのファン（１、１１）対する物体の衝撃から生じる変形を検出する方法であって、ファンは織りファイバーを含む複合材料からできている複数のブレード（３、１３）を有するローター（２、１２）および変形を検出するためのシステムを備え、方法は光信号を前記ブレード（３、１３）のそれぞれの前記ファイバーの少なくとも１つに送信し、ファイバーは光ファイバー（４、１４）で、前記光ファイバー（４、１４）から来る光信号を受信し、前記ファン（１、１１）の変形を検出するために、前記受信した光信号と決められた回転速度でブレードに対して減衰した衝撃の事前設定の性質を相関させることを含むことを特徴とする方法。

【請求項12】

前記ファンに衝撃を与える前記物体がＦＯＤまたはＤＯＤである、請求項１１に記載の検出方法。

【請求項13】

前記受信した光信号を分析することによって、前記物体の質量および前記ファンに対する前記物体の前記衝撃の位置を判別することもさらに含む、請求項１２に記載の検出方法。

【請求項14】

不良部分の外見および前記ブレード全体での進み具合を検出する目的で、各ブレードに関係するモードパラメーターを識別し、前記モードパラメーターの変動を追跡するために、前記信号のそれぞれをモード分析またはエンジン速度と同期する共振の分析にかけることをさらに含む、請求項１１に記載の検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、航空エンジンの分野に関する。本発明は、より具体的には、例えば、飛行中に物体を吸い込む航空機のターボジェットの結果として、ファンブレードの変形を検出することに関する。

【背景技術】

【0002】

フライト中、ターボジェットから分離した異質な物体または部品がターボジェットによって吸い込まれ、内部に損傷を与える可能性がある。さらに、製造欠陥によって、時間経過につれてブレードの層間剥離をまねく可能性もある。結局、ファンブレードに対して衝撃を与える物体には、ブレードに損傷を与えるリスクがある。

【0003】

異物（例えば、鳥）を吸い込むターボジェットが原因の損傷の場合、使用される用語は、異物損傷（ＦＯＤ）である。分離するようになった部品（例えば、リベット、ボルトなど）を吸い込むターボジェットが原因の損傷の場合、用語は内部物体による損傷（ＤＯＤ）である。異物（ＦＯＤ）の吸い込みはフライトの遅延またはキャンセルの主な原因となる。その理由は、概して、この衝撃の影響がフライト中のパイロットにより認識されず、再度離陸する直前の航空機の点検中にのみ、ブレードで観察されるためである。

【0004】

ＦＯＤまたはＤＯＤの存在を検出するために、知られている種々の解決策が存在する。これらの解決策は、航空機の稼働率を向上するために、いつ点検およびメンテナンス作業が行われることが必要かを予測しようとするものである。

【0005】

ＦＯＤを検出するための知られている一解決策は、出願人の名前で仏国特許第２９３７０７９号明細書の文書に記述されている。この文書は、エンジンに恒久的に加速度計を取り付けることを頼りにしており、このような加速度計によって提供される時変信号の波形でファンに対する衝撃の特性的な性質を認識することに依存している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】仏国特許発明第２９３７０７９号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、航空エンジンのファンのブレードに対する損傷または衝撃の結果として生じる変形の検出を向上させようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明では、航空エンジンのためのファンの変形を検出するためのシステムを提供しており、ファンは織りファイバーを含む複合材料からなる複数のブレードを有するローターを備えている。

【0009】

このシステムは、前記ブレードのそれぞれの前記ファイバーの少なくとも１つがブラッググレーティングを定義する少なくとも１つの部分を含む光ファイバーで、システムはさらに、前記光ファイバーに接続され、光信号を前記光ファイバーに送信し、前記光ファイバーから光信号を受信するために適した送受信装置を備え、前記受信した光信号が決められた回転速度でブレードでの減衰した衝撃の事前設定の性質に対して相関関係を有する場合、前記ファンの変形を検出するために前記送受信装置に接続された検出モジュールが提供されていることが注目に値する。

【0010】

これらの特性によって、光ファイバーから受信される信号の分析から、内部損傷またはファンに対する衝撃から生じる変形の検出、および異物の質量の検出を行うことが可能である。いわゆるチップタイミング技術によって分析のために、加速度計、あるいは静電容量または光またはマイクロ波センサーを使用する必要がない。

【0011】

前記ブレードの少なくとも１つの複数の前記ファイバーが光ファイバーであることは利点となる。

【0012】

言い換えれば、ブレードのそれぞれは複数の光ファイバーを有している。このような環境では、ブレードの種々の光ファイバーから受信される信号を分析することによって、ブレードが衝撃を受けた位置を特定することが可能になり、したがって、メンテナンス作業を予測することが可能になる。

【0013】

一実施形態では、検出モジュールは電子ユニットに組み込まれることができる。このような環境では、電子ユニットには、前記送受信装置を含めることができ、システムにはさらに、前記送受信装置を前記光ファイバーに接続するためのステーターツーローター光カプラーが含まれる。

【0014】

変形形態では、前記送受信装置はローターで実行されることができ、検出モジュールは通信ユニットを介した無線接続による前記送受信装置との通信に適している。

【0015】

この変形形態では、ステーターツーローター光カプラーの必要がない。

【0016】

検出モジュールは、検出された変形に関係する情報を保存するため、ブレードを識別するため、ならびに前記変形および識別情報をメンテナンスシステムに送信するために適した電子ユニットに組み込まれることが好適である。

【0017】

不良部分の外見および前記ファンのブレード全体での進み具合を検出する目的で、各ブレードに関係するモードパラメーターを識別し、前記パラメーターの変動を追跡するために、前記変形および識別情報を受信するための受信手段ならびに前記変形情報をモード分析またはエンジン速度と同期する共振の分析にかけるための分析手段が備えられていることが好適である。

【0018】

本発明はさらに、本発明に従うシステムを含む航空エンジンも提供する。

【0019】

本発明はさらに、航空エンジンのファンを監視するための方法も提供し、ファンは織りファイバーを含む複合材料からなる複数のブレードを有するローターを備える。

【0020】

この監視方法は、前記ブレードのそれぞれでは光信号を少なくとも１つの前記ファイバーに送信し、ここではこのファイバーは光ファイバーで、前記光ファイバーから来る光信号を受信し、前記ファンの変形を検出するため、前記受信した光信号と決められた回転速度でブレードに対する減衰した衝撃の事前定義の性質とを相関させることを含む点で注目に値する。

【0021】

方法にはさらに、前記受信した光信号を分析することによって、前記異物の質量および前記ファンに対する前記異物の前記衝撃の位置を判別することも含めることができることは利点となる。さらに、不良部分の外見および前記ブレード全体での進み具合を検出する目的で、各ブレードに関係するモードパラメーターを識別し、前記モードパラメーターの変動を追跡するために、前記信号のそれぞれをモード分析またはエンジン速度と同期する共振の分析にかけることも含めることができる。

【0022】

本発明の他の特性および利点は、限定されることのない特性を有する一実施形態を示す、添付図面を参照して行われる次の説明から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の第１の実施形態のシステムの図である。

【図2】本発明の第２の実施形態のシステムの図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

図１は、本発明の第１の実施形態の航空エンジンのためのファン１を含むシステムの図である。

【0025】

ファン１はブレード３を有するローター２を備えている。

【0026】

例示的な目的で、エンジンはファン１、低圧コンプレッサー、高圧コンプレッサー、燃焼室、高圧タービン、および低圧タービンを備えるターボジェットである。一実施形態では、ファン１はダクトなしファン（オープンローターとしても知られている）である。

【0027】

ブレード３は織られた複合材料からできている。したがって、織りファイバーを含んでいる。当業者ならば、このようなブレードの製作方法を知っているので、ブレードの製作については、本明細書では詳細に記述されていない。その上、当業者は、金型に注入されている間、樹脂の温度が監視されることを可能にするため、光ファイバーが織る間に組み込まれることを可能にする技術を知っている。したがって、ファン１のブレード３は光ファイバー４を含んでいる。

【0028】

システムはさらに、電子ユニット５を含み、これ自体には送受信装置６および検出モジュール７を備えている。システムは、航空機のデータ伝送システムを利用することによってＳＡＴＣＯＭまたはＧＳＭ（登録商標）タイプの伝送を介して地上のプロセッサーユニット１０と情報をやりとりすることが好適である。

【0029】

送受信装置６は、ローターとステーター間での伝送のために、光ファイバー９とカプラー８を介してブレード３の光ファイバー４と接続されている。送受信装置６は通常、レーザーエミッターおよびフォトダイオード受信装置を備え、カプラー８と光ファイバー９を介して、光信号を光ファイバー４に送信し、光ファイバー４から光信号を受信するために適している。

【0030】

ブレード３の光ファイバー４との接続の数、位置決め、およびタイプは、監視されるゾーンに応じてブレード３の設計時に選択されることができる。例えば、ブレードの根元では、光ファイバー４は多重にされることができる。

【0031】

検出モジュール７は、光信号が送受信装置６によって送信されるようにし、送受信装置６によって受信される光信号を分析するために適している。

【0032】

例示的な目的で、信号分析は、運動検出器としてブラッググレーティングの使用に基づくことができる。ブラッググレーティングの厳密な定義は提供せずに、この技術を使用するための原理の直観的な考え方に従うことにする。ブラッググレーティングとは光ファイバー、より簡単には、新規な特性を付与するため、変更が行われた光ファイバーの一部でフォトインスクライブされたグレーティングである。測定される物理的現象（ここでは、層間剥離から生じるブレードに対する内部の損傷または衝撃が原因のずれ）の影響でグレーティングの特性が変わり、こうして、信号のスペクトルが変わる。

【0033】

異物の衝撃はブレード３に少なくとも一時的ずれまたは変形を生じさせるので、受信した光信号を分析するによってこのような衝撃が検出されることが可能となることは理解されることができる。同じことは、異なる変形応答を発生する内部の損傷に当てはまる。より正確には、受信した光信号の分析によって次のことが可能になる：
衝撃または損傷を受けた／受けるブレード３を識別すること、
ブレード３の衝撃および損傷の位置特定を行うこと、
衝撃を引き起こした異物の質量を推定すること、
交換のためのブレード（実際には、一組のブレード）を識別すること。

【0034】

特定のブレードに対する衝撃または損傷の検出は、当該ブレードのブラッググレーティングから生じる信号の自由振動における減衰した衝撃の特性的波形の自動認識に依存している。検出モジュール７は、エンジンの回転の速度についての情報（例えば、チップタイミングによる従来のもの）とさらにブレード変形信号の両方を受信し、該当する場合、これは単に、衝撃または損傷の影響下のブレードに存在する光ファイバーの光学的特性の変動からもたらされる。検出を行うために、検出モジュールは考慮中の速度で回転するブレードに対する減衰した衝撃の事前に保存されかつ事前に設定された性質とこれらの変形信号を相関させるための相関手段を含んでいる。例えば、仏国特許第２９３７０７９号明細書で開示されているように、事前設定の性質は、振動波形を有する疑似的ウェーブレットから構成され、ゼロから開始し、最大振幅まで短時間で増大し、それから累進的かつ交互にゼロに戻るために減少する振幅からなっている。したがって、変形信号と衝撃の性質間の相関関係を有するいずれかの信号は、衝撃がパイロットにより知覚されるかどうかに関係なく、ファンに対する衝撃を示すものである。衝撃または損傷によって関係されたブレードの位置は、単に、変形から生じる信号を明らかにするブラッググレーティングを識別することによって判別される。

【0035】

ブレードが複数の光ファイバーを有する場合、上述のとおり、ブレード自体の衝撃または損傷のゾーンはどのファイバーが衝撃を受けたかを識別することによって位置が特定される。

【0036】

質量は衝撃のエネルギーおよびブレードに衝突した異物の速度に基づき推定される。衝撃エネルギーはブレードの最大変形に応じて前記エネルギーの予備的モデルからの推測から得られ（上述の減衰した衝撃信号の最大振幅に対応）、そしてブレードに対する異物の速度は航空機の速度およびエンジン速度によって得られる（ブレードに対する異物の速度は航空機の速度に等しいと仮定すると、これは最初の状態に該当する）。

【0037】

最終的に、点検対象のブレードは、単に、しきい値を事前に検出された信号に適用することによって識別され、本当に意味がありエンジン故障をもたらす可能性のある衝撃の結果のもののみを保持する。損傷を受け、したがって、交換されることが必要なのは、必ずしも衝撃を受けたブレードのためだけではない。対照的に、ブレードに増大する回数のサイクルで進む層間剥離になる可能性のあるクラックスターターまたは損傷が存在する場合、当該ブレードは当然、除去され（廃棄または修理のため）そして一組の一部として交換され、すなわち、静モーメントが非常に類似しているので、反対側のブレードとともに交換される。

【0038】

上述の情報は電子ユニット５に保存され、これは特定のユニットに組み込まれたり、またさらに、機内処理が変形から生じる信号に限定されるので、エンジン監視ユニット（ＥＭＵ）などの既存のユニットの一部を形成したりする場合があり、次に、追加の処理のために、地上のメンテナンスシステムまたはプロセッサーユニット１０に送信される。

【0039】

プロセッサーユニット１０には、受信手段１００、分析手段１０２、およびデータベースタイプの保存手段１０４が含まれる。受信手段は電子ユニット５の機内検出モジュール７によって送信される変形から生じる信号を受信するように構成され、したがって、当然、対応する送信手段とともに提供される必要がある。信号の受信後、分析手段は、各衝撃を受けたブレードに関係するモードパラメーターを識別するために、信号のそれぞれにモード分析を適用する。（通常、Ｐｒｏｎｙまたは同等のタイプの）モード分析によって各変形の共振周波数と減衰を特定することができる。次に、分析手段は続けて、ファン１に固有のデータベースに保存する前に、各ブレードで識別されたモードパラメーターを検証する。分析手段はさらに、ファンのブレードで損傷の進み具合を示す可能性のある変動（例えば、周波数シフト）を検出するために、衝撃（擬似的共振周波数）または調和励振に対するブレードの応答（エンジン速度の倍数に同期する共振周波数）から続くモードパラメーターの変動を追跡するように構成される。具体的には、これらの分析手段は、減衰および／または周波数シフトを推定するために、モードパラメーターと正常なブレードのデータベースを比較する。この比較は、モードパラメーターの変動、衝撃の数、および衝撃に関係する可能性のある他の特性を分析するために、疑似共振周波数のためには衝撃から衝撃まで、または同期共振のためにはエンジンサイクル後にエンジンサイクルまで（例えば、傾向監視アルゴリズムを使用して）行われることが好適である。こうして、わずかだが進行性のシフトは不良部分が変動していることを示し、一方、基準となる正常な状態に対する突然の変化は不良の突然の出現を示す。不良が検出されると、分析手段１０２は、不良ブレードを識別するデータを含む、エンジンに対するメンテナンスメッセージまたは警告を生成する。

【0040】

例示的な目的で、電子ユニット５はコンピューターのハードウェアアーキテクチャーを有し、具体的には、マイクロプロセッサー、非揮発性メモリー、および揮発性メモリーを備える。このような環境の下で、検出モジュール７は非揮発性メモリーに保存されたコンピュータープログラムを実行するマイクロプロセッサーに対応することができ、同時に、揮発性メモリーを使用する。

【0041】

電子ユニット５は、該当する場合、ブレード３の監視および劣化の検出専用とすることができる。変形形態では、電子ユニット５は、エンジン向けの他の監視および／または制御機能も行うことができる。

【0042】

図２は、本発明の第２の実施形態の航空エンジンのためのファン１１を含むシステムを示す。図１システムの要素と同一または同様の要素には、同じ参照番号に１０をプラスしたものが付与され、再度詳細には記述されない。

【0043】

したがって、ファン１１は、光ファイバー１４を含むブレード１３を有するローター１２を備え、システムは、検出モジュール１７を含む電子ユニット１５を含んでいる。

【0044】

システムにはさらに、ローター１２によって担持される補助電子ユニット２０も含まれる。電子ユニット２０には、光ファイバー１４、および電子ユニット１５の通信ユニット２２との無線接続（例えば、無線リンク）により通信するために適した通信ユニット２１に接続された送受信装置１６が含まれる。通信ユニット２２はさらに、エンジンのメンテナンス警告を発行する目的で、ファンのブレードの不良点を明らかにする異常を変動する方式で検出するために、当該個所から生じるモードパラメーターのモード分析および追跡を行う機能を有する地上のリモートプロセッサーユニット２３との接続も提供することができる。

【0045】

図１の実施形態と比較すると、図２のシステムは、送受信装置１６がローターによって担持されるので、ステーターツーローター光カプラーが必要とはされない。

【図1】

【図2】