DE69504437T2

DE69504437T2 - Dauerzustandssensor

Info

Publication number: DE69504437T2
Application number: DE69504437T
Authority: DE
Inventors: Stephen Gareth Bristol Bs9 4Rp Morgan; Michael John Nottingham Ng9 3Ft Provost
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1994-07-09
Filing date: 1995-07-03
Publication date: 1999-04-01
Anticipated expiration: 2015-07-04
Also published as: EP0691631A1; EP0691631B1; GB2291199A; GB9413896D0; DE69504437D1; US5680310A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen des Zustands eines Flugzeugtriebwerks. Mehr im einzelnen betrifft die Erfindung das Erfassen stationärer Zustände von Signalen, welche den Betrieb eines Gasturbinentriebwerks überwachen, um Aufschluß über den Verschleißzustand des Triebwerks zu erhalten.
Bei Betrieb und Wartung von Gasturbinentriebwerken ist es wünschenswert, eine Prüfung des Triebwerkszustands durchzuführe, so daß Brennstoffverbrauch und Ausgangsleistung auf annehmbaren Werten gehalten werden können. Dadurch können Ausfälle aufgrund von Verschleiß vorhergesehen und vermieden werden. Dies erfolgt durch Messen einer Anzahl von Triebwerksbetriebsparametern. Sie können mit einem Bezugswert oder mit zuvor aufgezeichneten Werten verglichen werden, so daß die Änderungen in den relativen Werten der Parameter zum Ableiten des augenblicklichen Triebwerkszustands benutzt werden können. Typische überwachte Parameter sind die Triebwerkswellendrehzahl, verschiedene Temperaturen und Drücke an mehreren Punkten innerhalb des Triebwerks.
Damit die gezogenen Schlüsse Gültigkeit haben, werden die Messungen erst genommen, wenn das Triebwerk einen stationären Laufzustand erreicht hat. Die relativen Werte der Parameter können sich radikal verändern, wenn der Triebwerkszustand sich ändert, so daß auf der Grundlage von Übergangszuständen ungültige Schlüsse gezogen würden.
Das US-Patent Nr. 4 467 640 beschreibt eine Anordnung zum Berechnen der Ausgangsleistung eines Gasturbinentriebwerks auf der Basis einer Anzahl von Triebwerksbetriebsparametermessungen, um dadurch eine Messung der "Gesundheit" bzw. des Zustands des Triebwerks zu erhalten. Zur Genauigkeit ist es notwendig, daß das Triebwerk im oder nahe dem stationären Zustand betrieben wird, und eine Anzeige dieses Zustands wird durch Vergleich der ersten Ableitung eines aktuell gemessenen Gasgeneratordrehzahlsignals und eines entsprechenden Grenzwerts für den stationären Zustand behalten. Wenn diese beiden Größen um weniger als eine signifikante Differenz differieren, wodurch eine augenblickliche Anzeige gegeben wird, daß das Triebwerk weder beschleunigt noch verzögert, werden die Triebwerksmeßdaten in einen Speicher zum Aktualisieren einer Grundlinienaufzeichnung für Änderungen der Triebwerksleistung eingegeben. Obwohl die Anordnung einen Wendepunkt des Drehzahlsignals feststellt, berücksichtigt sie jedoch nicht den Gesamttrend.
Kommerzielle Langstreckenflugzeugtriebwerke können über mehrere Stunden bei einer einzigen Reiseflugeinstellung laufen, weshalb reichlich Zeit für ihre Einstellung in einen stationären Zustand verfügbar ist. Bei einigen kommerziellen Kurzstreckenflugzeugtriebwerken und manchen Militärflugzeugtriebwerken werden aber die Leistungseinstellungen zu häufig verändert, als daß ein Triebwerk auf einem normalen Flug einen stationären Zustand erreichen könnte. Die Triebwerke werden dann oftmals speziell am Boden laufen gelassen, um ihren Zustand festzustellen. Diese Notwendigkeit eines besonderen Testlaufs ist kostspielig, zeitraubend und eindeutig unerwünscht.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Überwindung dieser Nachteile durch Schaffung eines Verfahrens zur Ausnutzung verfügbarer Triebwerksparamterinformationen ohne Laufenlassen der Triebwerke über längere Perioden.
In der allgemeinsten Form schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen des Triebwerkszustands unter Anwendung eines Fremdalgorithmus zur Erzeugung einer Schätzung von Stationärzustands-Parameterwerten auf der Basis verfügbarer Übergangsparameterinformation.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Überwachen des Zustands eines Triebwerks vorgesehen, das mit einer Anzahl von Wandlern zum Erfassen einer Mehrzahl von Triebwerksparametern instrumentiert ist, welches umfaßt: Messen der Ausgangswerte der Triebwerksparameter-Wandler, Berechnen augenblicklicher Änderungsarten der Wandlerausgangswerte, Vergleichen jeder berechneten Änderungsrate mit einem entsprechenden Parameter- Schwellenwert, um zu bestimmen, wenn das Triebwerk einen angenommenen stationären Betriebszustand erreicht oder sich ihm angenähert hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Vergleichens jeder berechneten Änderungsrate entsprechend einem Trendalgorithmus nach der Formel ausgeführt wird:
Trend = alter Trend + (K²/(2 - K) · Delta)
wobei
Delta = Obs - alter Wert - alter Trend
alter Wert = Schätzwert bei vorhergehendem Zyklus
Wert = Schätzwert
alter Trend = Trendschätzwert beim vorhergehenden Zyklus
Trend = Trendschätzwert
Wert = alter Wert + alter Trend + (K · Delta)
K = Konstante
Obs = beobachteter Parameterwert
Jeder der gemessenen Triebwerksparameter wird unter Verwendung dieses Algorithmus verarbeitet, um eine Anzeige der Rate zu erzeugen, mit welcher sich der Parameterwert verändert.
Die erste Zeitableitung wird zum Erfassen von Perioden verwendet, in welcher der Änderungswert eines Parameters Null ist.
Wenn sämtliche Parameter gleichzeitig einen Wert der ersten Ableitung von Null für eine begrenzte Periode haben, befindet sich das Triebwerk in einem stationären Zustand. Natürlich ist es unwahrscheinlich, daß die Änderungsgeschwindigkeiten jeweils genau Null sind, so daß das Triebwerk als im stationären Zustand befindlich angesehen wird, wenn alle Werte der ersten Ableitung unterhalb eines gewissen Schwellenwerts liegen. Wenn das Triebwerk sich in einem solchen Zustand befindet, werden die Triebwerksparameterwerte aufgezeichnet.
Diese aufgezeichneten Parameterwerte können dann später zum Ableiten des Triebwerkszustands ausgenützt werden.
Es ist ein systembedingter und unvermeidlicher Fehler vorhanden, weil die ersten Ableitungen der Parameterwerte nicht exakt Null wären. Jedoch kann die Größe dieses Fehlers durch Einstellen geeigneter Schwellenwerte und Abtastzeiten minimiert werden.
Ein rekursiver Algorithmus der oben erwähnten Form wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zur Durchführung der Trendoperation eingesetzt. Im wesentlichen umfaßt der Algorithmus die folgenden drei Gleichungen:
Delta = Obs - alter Wert - alter Trend (1)
Wert = alter Wert + alter Trend + (K · Delta) (2)
Trend = alter Trend + ((K²/(2 - K)) · Delta) (3)
dabei ist
Obs = beobachteter Parameterwert
Wert = Schätzwert
alter Wert = Schätzwert beim letzten Zyklus
Trend = Trendschätzwert
alter Trend = Trennschätzwert beim letzten Zyklus
K = Konstante
Delta = Vorhersage Fehlergrad
Alle drei Gleichungen (1), (2) und (3) werden bei jedem rekursiven Zyklus unter Verwendung des neuen beobachteten Parameterwerts und des Schätzwerts und des Trennschätzwerts vom letzten Zyklus berechnet. Die Gleichung (1) ist zur Berechnung eines "Delta"-Werts muß natürlich zuerst ausgewertet werden.
Beim Start wird das System mit der Annahme initialisiert, daß der "alter Wert"-Wert gleich dem gemessenen Wert "Obs" ist und daß der "alter Trend"-Wert eine kleine Konstante, gewöhnlich Null, ist.
Die Triebwerksparameterwerte können zeitweise Stabilität anzeigen, während das Triebwerk sich in einem Teil seines Betriebsbereichs befindet, wo eine Leistungsüberwachung nicht brauchbar ausgeführt werden kann. In diesem Fall kann eine Entscheidung getroffen werden, die Parameterwerte nicht aufzuzeichnen. Wenn der Aufzeichnungsprozeß nicht mit einer Sperre belegt ist, sollte er nur durchgeführt werden, wenn die aktuellen Parameterwerte innerhalb vorgegebener annehmbarer Bereiche liegen und eine zeitweise Stabilität angedeutet ist. Dieser Vergleichsschritt kann in jeder geeigneten Phase des zyklischen Vorgangs durchgeführt werden. Für große Effizienz wird er bevorzugt durchgeführt, bevor irgendwelche Schritte zur Auswertung des Algorithmus vorgenommen werden. Wenn die Parameter nicht innerhalb der Aufzeichnungsgrenzen liegen, ist jede Berechnung der Änderungsraten vergeudet.
Lediglich beispielshalber zeigt die einzige Figur der Zeichnung in Form eines Blockschaltbilds ein Triebwerkszustands- Überwachungssystem auf der Basis eines Computerprozessors. In der Zeichnung ist ein schematisch dargestelltes Gasturbinentriebwerks 2 mit einer Mehrzahl von Fühlern bzw. Wandlern 4a, 4b, 4c, 4d und 4e instrumentiert. Diese Fehler bzw. Wandler überwachen eine Anzahl variabler Parameter wie beispielsweise Druck, Temperatur, Düsenposition, Brennstoffdurchsatz usw. Typischerweise erhält ein Triebwerksregelsystem Eingangssignale von verschiedenen Fühlern, beispielsweise von den erwähnten, um die normalen Triebwerkssteuerfunktionen zu berechnen. Bei dem vorliegenden Vorschlag wird weiterer Gebrauch von mindestens einigen dieser Variablen zum Diagnostizieren des "Gesundheitszustands" des Triebwerks gemacht. Es versteht sich daher, daß hier nicht vorgeschlagen wird, daß zusätzliche Fühler oder Wandler notwendig sind, um die Erfindung auszuführen. Andererseits wird diese Möglichkeit hier nicht ausgeschlossen.
In dem Triebwerk, auf welchem dieses Beispiel beruht, sind unter den überwachten und zur Feststellung des Gesundheitszustands des Triebwerks verwendeten Parametern die folgenden:
P2 - Verdichterauslaßdruck
T2 - Verdichterauslaßtemperatur
NH - Hochdruckwellendrehzahl (zwei Wellentriebwerk)
NL - Niederdruckwellendrehzahl
PLD - Gashebeleinstellung
PIGV - Leitschaufelstellung am Brennkammereinlaß
PS3 - Turbineneinlaßdruck
TBT - Turbinentemperatur
Es können weitere Parameter benutzt werden, und die obige Liste soll nicht erschöpfend sein. Des weiteren werden diese Parameter normalerweise in einer digitalen Triebwerkssteuereinheit 6 (DECU) zur Steuerung des Triebwerksbetriebs verwendet.
Die in Rede stehende DECU 6 weist zwei parallele redundante Systeme auf, die die gleichen Eingangssignale empfangen, die gleichen Steuerfunktionen ausführen, und unabhängige Ausgangssignale erzeugen, die zum Erhalt des endgültigen Ausgangssignals verglichen werden. Falls die beiden DECU-Kanäle Voneinander abweichen, werden die Ausgangssignale nicht berücksichtigt. Eine solche Situation würde auftreten, wenn einer der Kanäle einen Fehler erzeugt. Dann wird die Fehleranalyse in normalerweise ausgeführt, um den fehlerhaften Kanal zu identifizieren und zu isolieren. Anzumerken ist, daß für die Zwecke der hier gegebenen Erläuterung des Triebwerksüberwachungssystems die DECU-Steuereinheitsausgangssignale nicht von Interesse sind und in der anliegenden Zeichnung der Klarheit halber weggelassen sind.
Die erwähnten Signale, die den Zustand des Triebwerks beschreiben, werden über eine Datenleitung 10 von der DECU 6 einem Prozessor 12 und parallel dazu einer Abfrageschnittstelle 14 zugeführt. Die beobachteten Signale auf der Daten leitung 10 werden zyklisch vom Prozessor 12 unter Anwendung des oben erwähnten Algorithmus verarbeitet, um die Schätzwertsignale und die Trennschätzwertsignale zu erzeugen. Zweckmäßigerweise wird der Prozessorbetrieb mit dem DECU- Betrieb synchronisiert und die Verarbeitung der beobachteten Signale erfolgt jeweils einmal bei jedem größeren DECU- Zyklus. Andere DECU-Verarbeitungszyklen erfolgen einmal pro Signalabfrage, wenn diese anders ist.
Wenn ein stabiles Signalfenster identifiziert worden ist, d. h. wenn jedes der Signale innerhalb vorgegebener Toleranzen für eine vorgegebene Zeitspanne auf einem stationären Wert bleibt, wird bei 16 ein Auslössignal erzeugt und an den Abfrageschnittstellen-Auslöseeingang 18 angelegt. Dadurch werden die Abfrageschnittstellenkreise 14 ausgelöst, um die gewählten Schnittstelleneingangssignale abzufragen und sie in die Aufzeichnungseinheit 20 des Triebwerkszustands-Überwachungssystems einzulesen. Diese gewählten Schnittstelleneingangssignale umfassen die beobachteten Werte 22, die Schätzwerte 24, und die Trennschätzwerte 26 für alle Signale. Die abgefragten Signale können entweder seriell oder parallel in das Überwachungssystem 20 eingelesen werden.

Claims

1. Verfahren zur Überwachung des Zustands eines Triebwerks, das mit einer Anzahl von Wandlern zum Erfassen einer Mehrzahl von Triebwerksparametern instrumentiert ist, welches umfaßt: Messen der Ausgangswerte der Triebwerksparameter-Wandler, Berechnen augenblicklicher Änderungsraten der Wandlerausgangswerte, Vergleichen jeder berechneten Änderungsrate mit einem entsprechenden Parameter-Schwellenwert, um zu bestimmen, wenn das Triebwerk einen angenommenen stationären Betriebszustand erreicht oder sich ihm angenähert hat, und, in Abhängigkeit von der positiven Identifizierung eines stationären Zustands oder nahezu stationären Zustands, das Aufzeichnen der Ausgangswerte der Triebwerksparameter-Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Vergleichens jeder berechneten Änderungsrate gemäß einem Trendalgorithmus nach der Formel ausgeführt wird:

Trend = alter Trend + K²/(2-K) · Delta)

wobei

Delta = Obs - alter Wert - alter Trend

alter Wert = Schätzwert beim vorhergehenden Zyklus

Wert = Schätzwert

alter Trend = Trendschätzwert bei vorhergehendem Zyklus

Trend = Trendschätzwert

Wert = alter Wert + alter Trend + (K · Delta)

K = Konstante

Obs = beobachteter Parameterwert

2. Gerät zur Ausführung des Verfahrens zur Überwachung des Zustands eines Triebwerks nach Anspruch 1, mit: einer Mehrzahl von an Triebwerksstellen angebrachten Wandlern zum Erfassen einer Mehrzahl von Triebwerksparametern, Mitteln zum periodischen Festhalten der Ausgangswerte der Triebwerksparameter-Wandler, Prozessormitteln zum Berechnen von augenblick lichen Änderungsraten der Wandlerausgangswerte, weiter zum Vergleichen jeder berechneten Änderungsrate mit einem entsprechenden Parameter-Schwellenwert zur Bestimmung, wann das Triebwerk einen stationären Betriebszustand erreicht oder sich ihm angenähert hat, gemäß einem Trendalgorithmus nach der Formel: