NO881262L - Anordning for aa paavise inntak av fremmedlegemer i en motor - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår overvåkning av fremmedlegeme-inntak i motorer og gjelder særlig, skjønt ikke utelukkende, overvåkning av inntak av fremmedlegemer i gassturbinmotorer, slik som f. eks. jetmotorer.

Samtidig løpende britiske patentansøkninger nr. 8702553 og 8620239 beskriver og søker patentbeskyttet fremgangsmåter for å måle elektrostatiske ladninger i avgasstrømmen fra en gassturbinmotor i den hensikt å fastlegge eventuelle begynnende feil samt alminnelig forringelse av motorens driftsfunksjon. De.tte oppnås ved å anordne et antall følere i motorens avgasskanal for å avgi forskjellige signaler, idet tidsforskyv-ningen og amplitydevariasjonen av signalene registreres slik de utledes fra de forskjellige følere, for derved å gi en anvisning om det hovedområde av motoren hvori vedkommende feil eller problem ligger, samt den type feil som har fremkommet.

Disse samtidig løpende ansøkninger beskriver særlig ring-formet sammenstilling av følere som omfatter flere krumme plater med et isolerende lag av keramikkmaterial påført plate-overflaten, idet den keramiske overflate videre bærer et ledende sjikt for påvisning av passasje av ladede partikler inne i motorens avløpskanal.

Det vil forstås at noe av det avfallsmaterial som avføles på denne måte i en motors avgasstrøm godt kan skrive seg fra materialet som er suget inn gjennom motorens driftinnløp og således har passert gjennom hele motoren. " I" jetmotorer kan innføring av fremmedlegemer i luftinntaket ha katastrofale følger, og det er kjent at f. eks. metallgjenstander har frem-bragt alvorlige strukturfeil i motorer, særlig under avtak og landing. Andre gjenstander, slik som små gjenstander og støv, kan passere gjennom motoren uten vesentlig virkning og likevel gi elektrostatiske signaler i avgasstrømmen.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er det derfor utviklet et apparat for å overvåke inntak av fremmedlegemer i en motor, idet apparatet i henhold til oppfinnelsen omfatter en eller flere følere som er anordnet ved eller nær motorens inntak samt detektorutstyr for å påvise en indusert elektrostatisk ladning på nevnte følere ved passasje av vedkommende fremmedlegemer forbi disse.

Utstyret for å påvise en elektrisk ladning kan omfatte midler for å måle forandringstakten av den ladning som induseres på følerne. Alternativt kan påvisningsutstyret omfatte midler for å måle størrelsen av vedkommende ladning.

Foreliggende oppfinnelse gjelder også en motor som omfatter følere og detektorutstyr i samsvar med foreliggende oppfinnelse. Ved en foretrukket utførelse av oppfinnelsen, kan følerne være anordnet omkring inntaket for en motor og kan utgjøres av en enkelt ringføler eller flere krumme følere.

Det er funnet at avfallsmaterialet som suges inn i inntaket for en motor, særlig en jetmotor, faktisk er bærer av en elektrisk ladning. Denne kan registreres av en inntaksføler som en enkelt begivenhet. Sådant avfall kan omfatte stener, nagler og annet partikkelmaterial av substansiell art i tillegg til sand, salt, grus og små smusspartikler. Alt avfall vil bli avfølt i større eller mindre grad og vil så passere enten gjennom forbiføringskanalen for en jetmotor, eller gjennom motorens indre kjerne for å utstøtes fra avgass-systemet.

Apparatet i henhold til foreliggende oppfinnelse kan derfor anvendes i sammenheng med det apparat som er gjenstand for de samtidig løpende britiske ansøkninger nr. 8620239 og 8702553. Spesielt kan en tilstandsovervåkning av en gassturbinmotor utføres ved å anordne en eller flere følere ved eller nær inntaket for vedkommende motor, samt en eller flere følere i av-løpet for motoren, idet ytterligere utstyr er anordnet for å påvise induserte elektriske ladninger i hver av nevnte sen- sorer og å utføre en analyse av de således frembragte signaler.

I tillegg til det foregående, kan følere også være anbragt i forbiføringskanalen for å påvise avfall som suges inn i motoren og føres gjennom forbiføringskanalen ut av denne, såvel som det som passerer gjennom motorens høytemperatur-områder.

Følerne i henhold til foreliggende oppfinnelse kan være krumme følere eller punktfølere. Krumme følere kan fordeles rundt strømningskanaler inne i motoren, mens punktfølere kan være anordnet i en siksakring rundt en motorkanal eller på andre hensiktsmessige steder i motoren.

To parametre bestemmer arbeidsfunksjonen for hver føler, disse er henholdsvis følerens lengdeutstrekning i kanalen og det totale overflateareal. Virkningen av følerens lengde i ret-ning av gasstrømmen på signalets form og varighet har vist at signalamplityden har sammenheng med følerens overflateareal og at ladet avfall oppretter et ladningsfelt som har lang ut-strekning sammenlignet med forandringstakten betraktet langs følerens aksiallengde. Som en følge av dette kan følerens signalvarighet ikke utledes, og følerens aksiale léngde synes derfor ikke å påvirke en følers frekvensfølsomhet innenfor et rimelig lengdeområde. I praksis er det derfor å foretrekke at den minste lengde av enhver føler er begrenset til omkring 10 mm, vanligvis av det problem som ligger i å frembringe til-strekkelige inngangskoblinger. Den største lengde av en føler er begrenset av den tilgjengelige plass samt av betraktninger med hensyn til dens kapasitans. Overflatearealet av en føler bør således gjøres størst mulig samtidig som dens kapasitans bør nedsettes til minst mulig verdi. I praksis må det derfor gjøres et kompromiss, da kapasitansen faktisk er porposjonal med overflateområdet for ethvert fastlagt dielektrisk material. Ved å gjøre overflatearealet så stort som mulig kan derfor kapasitansen øke til en verdi som ikke kan godtas. Som en kompromiss er en nominell verdi på 50 mm en foretrukket største lengde for en føler i henhold til foreliggende oppfinnelse. Det vil imidlertid forstås at valg av andre dielek-triske materialer vil gjøre det mulig å forbedre følerkon-struksjonen.

Hver føler i henhold til oppfinnelsen kan omfatte et isolerende lag, et heftelag for å binde nevnte isolerende lag til en bæreflate, samt et ledende sjikt som bæres av det isolerende lag, idet hver av disse lag hensiktsmessig påføres ved på-sprøytning eller belegning. I det tilfelle vedkommende føler skal arbeide i høytemperaturomgivelser, er det isolerende lag et kermikksjikt, og påsprøytningen eller belegningen kan ut-føres ved plasma- eller flammepåsprøytning.

Ved en utførelse av oppfinnelsen som gjelder en høytemperatur-føler kan bindingsbelegget ha en tykkelse innenfor området 0,5 til 1,5 mm, mens det keramiske sjikt kan ha en tykkelse på 0,5 til 1,6 mm og det ledende belegg kan ha en tykkelse på 0,01 til 0,05 mm.

Ved en typisk utførelse av en høytemperaturføler for anvendelse i samsvar med foreliggende oppfinnelse, kan bindesjiktet omfatte en nikkel/kromlegering som inneholder 6 % aluminium. Keramikklaget kan velges fra en materialgruppe bestående av magnesiumzirkonat eller en materialsammensetning som inneholder aluminiumoksyd, titanoksyd, silisiumoksyd og jern-oksyd. Det ledende sjikt kan utgjøres av et rustfritt stål som inneholder 17 vekt% krom og 12 vekt% nikkel sammen med opptil 3,5 % molybden og 1,5 % silisium, eller kan være et nikkelsjikt med 99 %+ renhet.

Hver føler kan være utformet direkte på motorhylsteret eller alternativt være utført på en bæreplate innrettet for å festes til motorhylsteret. Ved en spesiell utførelse av foreliggende oppfinnelse kan motorhylsteret være forsynt med uttak for å motta hver sin føler, således at følerflaten hovedsakelig følger innsiden av motorhylsteret, således at det gir

minst mulig avbrudd eller forstyrrelse av gasstrømmen.

Som angitt ovenfor er det å foretrekke at følerne har hovedsakelig segmentform og foreligger i et antall som er omkrets-fordelt rundt vedkommende strømningskanal inne i motoren.

For lavtemperaturfølere som skal anordnes i inntak og forbi-føringskanaler, må den geometriske form samt følertypen være i vesentlig grad den samme som for de ovenfor beskrevne høy-temperaturfølere. Det anvendte material vil imidlertid av-henge av de lokale arbeidsomgivelser, slik som f. eks. med hensyn til temperatur og fuktighet. For ethvert monterings-sted er det ønskelig at materialets varmeutvidelse bør til-passes forholdene så nær som mulig for å sikre at sprekk-dannelser og materialtap ved degradering ikke finner sted.

Ved inntaket vil omgivelseforholdene innebære forholdsvis lav temperatur med relativ fuktighet innenfor et stort område. Følermaterialene bør derfor ikke være følsomme for vann-absorpsjon. Keramikkmaterialene vil ha en tendens til å være porøse og vil derfor ikke være fullstendig tilfredsstillende for inntaksomgivelser. Ved en spesiell utførelse av foreliggende oppfinnelse kan en lavtemperaturføler omfatte en epoksybasert isolator med et påført epoksyledersjikt. Det isolerende lag kan da være en ren epoksyharpiks mens det ledende sjikt kan være en sølvbelagt epoksyharpiks. Dette kan være dekket av et isolerende sjikt for å oppnå vannsikring og beskyttelse mot anslag.

Fordelene ligger i at sådanne materialer vil ha liten deformasjon på grunn av varmepåvirkning og derfor har ned-satte muligheter for å skades ut i fra vekselvirkninger innenfor de betingelser som omgivelsene fastlegger. De er relativt lette å tilpasse uregelmessig formede områder, slik som inntakskanaler, og således utformede følere vil utgjøre liten hindring for den strømning som passerer følerne.

I henhold til en annen aspekt av foreliggende oppfinnelse kan oppnådde data av inntaksfølerne sammenlignes med andre motor-og fluktdata for å gi informasjon om enhver spesiell inntaks-hendelse og også informasjon med hensyn til mulig sekundær skade.

Utstyret for å påvise en indusert ladning på en føler vil sannsynligvis være basert på en direkte måling av ladningen på vedkommende avfall, da dette synes å være en mer følsom teknikk .

I det følgende vil oppfinnelsen bli nærnere beskrevet ved hjelp av utførelseeksempler og under henvisning til de ved-føyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 er en prinsipiell fremstilling av en anordning for å påvise inntak av et fremmedlegeme i driftskombinasjon med en avgassdetektoranordning som anvendes ved gass-turbin jetmotorer . Fig. 2 er et skjema av en laboratorieenhet for å bestemme ladningen på partikler som passerer en inntaksføler eller et sondesystem. Fig. 3 er en kurveopptegning som viser et typisk ladningssignal fra en liten sten som er avfølt i de£ angitte apparat i fig. 2. Fig. 4 er et skjema for en simulert motor innrettet for å

avføle innsugning av fremmedlegemer.

Fig. 5 er en signalopptetning for en avfølt gjenstand i det

viste apparat i fig. 4.

Det skal først henvises til fig. 1, hvor en prinsipielt vist jetmotor har et inntak 11 og et varmt avløp 12 med en forbi-kjøring 13 mellom inntaket 11 og avløpet 12.

Inntaket til motoren omfatter en kanal med hovedsakelig sirku-lær indre overflate utstyrt med en omkretstilpasset inntaks-føler 14 som omfatter fire segmentformede følerelementer, som hver er montert på innsiden av inntakskanalen 11. Hver av disse segmentformede følere omfatter et isolerende lag av epoksyharpiks av størrelseorden 0,5 mm tykkelse sammen med et ladningsoppsamlende sjikt påført over dette lag og bestående av sølvbelastet epoksyharpiks i en tykkelse på omtrent 0,05 mm. Hvert av de ladningsoppsamlende sjikt er forsynt med en elektrisk tilkobling som omfatter en sentral sylinderformet tapp med frekvensformet hode innrettet for å bringe det ledende sjikt i hver føler i kontakt med nevnte tapp som er ført gjennom veggen av inntakskanalen ved hjelp av en isolerende pakning for forbindelse med en behandlingsenhet for inn-takssignalet og som i sin helhet er angitt ved henvisningstallet 15.

Et lignende periferisk følersystem 17 er anordnet innenfor forbiføringskanalen 13 og tilkoblet behandlingsutstyr 18 for forbiføringssignalet og som er tilsluttet en signalbehand-lingsstasjon som i sin helhet er angitt ved henvisningstallet 20.

Avgasskanalen 12 bærer fire segmentformede følere 21 som er fordelt langs omkretsen og på innsiden av avgasskanalen samt elektrisk forbundet med signalbehandlingsutstyr 22 som i sin tur også er tilsluttet signalprosessoren 20. Følerne 21 i motorens avgasskanal er i samsvar med hvert og ett av eksem-plene 1, 2 eller 3 i den samtidig løpende britiske ansøkning 8702553.

Signalbehandlingsutstyret 20 mottar videre inngangsdata 24 fra motoren og fluktdata 24 fra luftfartøyets løpende oppsamlede data ved hjelp av de foreliggende systemer ombord.

Signalprosessoren 20 avgir avgir flere utgangssignaler 25 til et hendelseregister 26 som registrerer påviste hendelser for påfølgende analyse ved fullført fluktopplegg for motoren. En alarmdetektor 27 kan også være koblet til prosessoren 20 for å trekke flymannskapets oppmerksomhet til eventuelle vesentlige påviste hendelser.

Anvendbarheten av den foreliggende teknikk i henhold til den

foreliggende oppfinnelse avhenger av det forhold at avfall som passerer inn i motoren er ladet. For å undersøke dette ble et laboratorieforsøk utført ved utnyttelse av det viste apparat i fig. 2.

En sentrifugalsugeenhet 40 ble anordnet med et utoverrettet innløp 41 samt et hovedsakelig horisontalt lavere utløp 42. Innløpet 41 ble utstyrt med et oppragende sylinderformet rør 42 som dannet en innløpskanal. Røret 42 ble nær sin nedre ende 43 forsynt med en ring av omkretssegmenter 44 anordnet på rørets innside og dannet av et isolerende lag av epoksyharpiks samt et ledende sjikt av sølvbelastet epoksyharpiks av tyk-kelsedimensjoner omtrent som beskrevet ovenfor.

Innløpsrøret 42 hadde omtrent 150 mm indre diameter samt en lengde på omtrent 400 mm. Den øvre ende 45 befinner seg inntil en skråstilt plate 46, hvis helningsvinkel kan innstilles. Avfallsgjenstandene 47 anbringes på oversiden av den skrå-stilte platen 46 og frigjøres en av gangen eller i grupper mot innløpsenden 45 av innløpsrøret 42.

Viften er i stand til å frembringe en luftstrømning i inn-løpsrøret 42 på 12 m pr. sekund. Utslipp av en avfallsgjen-stand 47 til innløpet av røret fører til at vedkommende av-fallsgjenstand vil passere hovedsakelig midt gjennom føler-ringen 44 med en hastighet på omtrent 5 m pr. sekund. Føler-ringen 44 er koblet til en avfallsdetektorenhet 50 samt derpå gjennom et oscilloskop 51 til en kurveopptegningsenhet 52.

Små stener av forskjellig størrelse fra en nominell 2 mm diameter opp til en nominell 20 mm diameter ble utprøvet hver for seg. For å unngå enhver utilsiktet foroppladning av avfallet ble metallplaten koblet direkte til sonderøret, avfalls-detektorenheten, oscilloskopet samt kurveopptegneren.

Det ble bemerket at hvert avfallsstykke som passerte føleren frembragte en indusert ladning i denne. Typisk ladningssignal er vist i fig. 3, som angir det avgitte signal for en sten med nominell diameter på 6 mm.

Fig. 4 viser en prøveoppstilling for å utprøve foreliggende oppfinnelse. Prøveoppstillingen omfatter et luftinntak 61 som munner ut i en avfallsseparator 62. Avfallsseparatoren er tilkoblet en forbrenningsenhet 63 som avgir sin avgass til en forgrening 64 og munner ut i et avløp 65. Innløpet 61 er forsynt med et munnstykke 66 inntil en dreieskiveanordning 67.

En avfallsakselerator omfatter en kanal 68, med en avgrening 69 som står i forbindelse med forgreningen 64 og derved danner en forbiføringsseksjon 70. Inntaket 64 er forsynt med tre følere 71, 72 og 73 av innbyrdes forskjellig konstruksjon for å tillate relativ utprøvning av effektiviteten av de forskjellige følere og materialer. Følerne er forsynt med signalbehandlingsutstyr tilordnet hver føler, og behandlingssig-nalene overføres ved hjelp av ledere 70 gjennom en kabelkanal 75 til et kontrollrom 76, hvor signalene overvåkes og registreres.

I drift tennes forbrenningsenheten 63 ved tilførsel av brensel til forbrenningskanalene. Luft trekkes inn i systemet gjennom innløpet 66 og ytterligere luft suges gjennom avfallsakselera-torrøret 68 og forbiføringen 69 for å gjengi de vanlige foreliggende betingelser i en jetmotor.

Dreiebordenheten er innstillbar og tillater utvalgte kompo-nenter eller faste gjenstander som skal føres inn i motoren og kanalen å tilføres innløpet 66, således at deres passasje forbi følerne 71, 72 og 73 kan overvåkes ved hjelp av de signaler som induseres i hver av disse følere.

Ved et spesielt forsøk omfattet føleren 71 et isolasjonslag av bøyelig epoksy 25 mm bredt, et ledende sjikt av sølvbelastet epoksy 13 mm bredt og et øvre isolasjonslag av bøyelig epoksy-material 25 mm bredt. Følerne 72 og 73 omfattet hver et isolasjonslag av bøyelig polymermaterial, et ledende sjikt av sølvbelastet epoksy og ovenpå dette et isolerende lag av bøyelig polymermaterial. De totale dimensjoner var like for alle tre følere. Overføringsforbindelsen til signalbehand-lingen ble oppnådd ved anvendelse av en kabel som ble forbundet med et ledende lag ved anvendelse av ledende epoksy. De enkelte signalbehandlingsenheter er i drift tilsluttet hver sin føler i arbeidsseksjonen på inntakssiden.

Avfall innføres i arbeidsseksjonen på inntakssiden ved anvendelse av dreiebordenheten for å simulere så realistisk som mulig innsugning av gjenstander i et jetmotorinntak, slik det vil finne sted ved virkningen av rettet eller motsatt skyve-kraft fra en jetmotor. Avfallet oppsamles i en avfallsseparator for å sikre at prøvemotoren ikke skades.

Den vedføyde fig. 5 viser et typisk signal fra dette test-utstyr og som forårsakes av at en bolt passerer gjennom inn-taksseksjonen.

Claims (9)

1. Apparat for å overvåke inntak av fremmedlegemer i en motor (10), karakterisert ved at det omfatter følere (21) som er anordnet ved eller nær motorens inntak samt detektorutstyr for å påvise en indusert elektrostatisk ladning på nevnte følere ved passasje av vedkommende fremmedlegemer forbi disse.

2. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at detektorutstyret (20) for å påvise en elektrostatisk ladning omfatter midler for å måle forandringstakten for den ladning som induseres på nevnte følere.

3. Apparat som angitt i krav 1, karakterisert ved at detektorutstyret (20) for å påvise nevnte elektrostatiske ladning omfatter midler for å måle størrelsen av nevnte ladning.

4. Apparat som angitt i hvilket som helst tidligere krav, karakterisert ved at fø lerne (21) er utformet langs en ring omkring luftinntaket (12) for vedkommende motor (10).

5. Apparat som angitt i krav 4, karakterisert ved at føleren (21) omfatter en ringføler eller flere krumme følerenheter.

6. Apparat som angitt i hvilket som helst tidligere krav, karakterisert ved at motoren (10) er en gassturbinmotor hvor følerne (17) inngår i en forbiføring (13) for å påvise avfall som suges inn i motoren, og nevnte forbi-kjøring bringer avfallet forbi motorens høytemperaturpartier.

7. Apparat som angitt i hvilket som helst tidligere krav, karakterisert ved at det omfatter signalbehandlingsutstyr (20) for å sammenligne signaler som er oppnådd fra inntaksfølerne (21) med andre motor- og fluktdata.

8. Apparat som angitt i hvilket som helst tidligere krav, karakterisert ved at følerne (21, 14) er anordnet såvel i motorens inntakskanal som dens avgasskanal, idet de forskjellige signaler som påvises av hver føler over-føres til signalbehandlingsutstyr (15, 22) hvor signalene behandles for påfølgende signalbehandling og sammenligning.

9. Apparat som angitt i krav 8, karakterisert ved at nevnte signalbehandlingsutstyr (20) omfatter midler for å skille mellom hendelser som avføles i avløpskanalen og har sin opprinnelse fra innsugd material som er avfø lt i innløpskanalen, samt hendelser som avføles i avløpskanalen og som ikke er blitt avfølt i inn-løpskanalen .