JP2016529442A - 燃焼タービンエンジンの高温環境下の遠隔測定システム用のワイヤレス受電アセンブリ - Google Patents

Abstract

燃焼式のタービンエンジン（１０）の高温環境下にある遠隔測定システム（１００）において、ワイヤレス式の受電コイルアセンブリ（１１６）を当該タービンエンジンの可動部品（１０４）に取り付ける場合がある。受電コイルアセンブリ（１１６）は、開口（１３２）を有する無線周波数透過性の筐体（１３０）を備えることができる。筐体の開口を閉じるために蓋部（１３４）を設けることができる。蓋部（１３４）は、可動部品の表面（１２０）に対する支持部を提供するように配置することができる。筐体内に誘導コイル（１３３）が前記蓋部から離隔した場所に配置され、かつ、ポッティング接着剤の第１層（１３６）と最後の層（１４０）との間に挟まれている。蓋部（１３４）は、前記可動部品（１０４）の表面（１２０）と、前記誘導コイルを挟む前記層との間で振動緩衝を実現するように配置されている。

Description

連邦政府支援の開発に関する陳述
本発明に係る開発の一部は、米国エネルギー省により付与された契約番号 DE-FE0005666 で支援を受けたものである。よって、米国政府は本発明において所定の権利を享受することがある。

技術分野
本発明は一般的には、高温環境下における遠隔測定システム、たとえば燃焼タービンエンジンの遠隔測定システムに関し、具体的には、遠隔測定システムの給電回路用のワイヤレス受電アセンブリ、たとえば、タービンエンジンの可動部品に配置できるワイヤレス受電アセンブリに関する。

背景技術
たとえばガスタービンエンジン等のタービンエンジンは、種々の用途にて使用することができ、たとえば発電プラントにおける発電機の駆動、または船舶もしくは航空機の推進に使用することができる。燃焼効率の向上の要求に応じるため、現在のガスタービンエンジンのタービン入口温度は上昇し続けている。

たとえば、タービンのタービンブレード等の各部品の動作温度のモニタリングまたはエンジン動作中のタービンの各部品における熱機械的応力のモニタリング等、エンジンの動作パラメータをモニタリングするのに使用できるワイヤレス受電アセンブリ、たとえば、遠隔測定システムの給電回路に使用できるワイヤレス受電アセンブリを用いることが望ましい場合がある。本発明の複数の対象が、タービンエンジンの高温かつ高振動の環境下において動作するアセンブリについて改良したものを示している。

発明の概要
以下、図面を参照して本発明を説明する。

一例の燃焼タービンエンジンの断面図である。 本発明の対象を具現化する一実施形態のワイヤレス遠隔測定システムのブロック図であり、当該実施形態は本発明を限定するものではない。 本発明の複数の対象を具現化する実施形態の受電アセンブリの断面図であり、当該受電アセンブリは、タービンエンジンの可動部品（たとえば回転ブレード）に取り付けることができるものである。当該実施形態は本発明を限定するものではない。 図３に示したような受電アセンブリについての具体的構成を示す断面図であり、同図中、当該受電アセンブリの筐体上に取り付けられる前の蓋部を示す。 図３に示したような受電アセンブリについての具体的構成を示す断面図であり、同図中、振動緩衝を実現するために受電アセンブリの筐体に取り付けられた状態の蓋部を示す。 受電アセンブリの一部品である誘導コイルを概略的に表現した斜視図であり、当該誘導コイルは平面コイルとして形成することができる。

発明の詳細な説明
図１に燃焼タービンエンジン１０の一例を示しており、これはたとえば、発電用に用いられるガスタービンエンジン等である。ここで開示する本発明の実施形態は、燃焼タービン１０と共に使用することができ、または、他の数多くの動作環境下において、種々の目的で用いることができる。燃焼タービンエンジン１０は圧縮器１２と、少なくとも１つの燃焼器１４（抜粋のみ）と、タービン１６とを含むことができる。圧縮器１２と燃焼器１４とタービン１６とを総括的に、「ガスタービンエンジン１０」または「燃焼タービンエンジン１０」と称する場合がある。タービン１６は複数の回転ブレード１８を有し、これらは回転可能な中心軸２０に固定されている。ブレード１８間には複数の静翼２２を配置することができ、当該静翼２２は、ブレード１８の一端から他端まで空気を案内するための寸法および構成となっている。ブレード１８および静翼２２は典型的には、ニッケル基合金製とすることができ、また、これに遮熱コーティング（「ＴＢＣ」）２６を被覆することができる。この遮熱コーティング２６は、たとえばイットリア安定化ジルコニア等である。圧縮器１２も同様に、各翼２３間に配置された複数の回転ブレード１９を具備する。

動作時には、空気が圧縮器１２によって引き込まれ、当該圧縮器１２において圧縮されて燃焼器１４へ向かう方向に送られる。燃焼器１４はこの空気を燃料と混合してこれに点火することにより、作動ガスを生成する。この作動ガスの温度は典型的には、約１３００℃を上回る。このガスはタービン１６によって膨張し、静翼２２によってブレード１８の一端から他端まで案内される。ガスがタービン１６を通過すると、ブレード１８および軸２０を回転させ、これにより、軸２０を介して、使用可能な機械的仕事を伝達する。燃焼タービン１０は冷却システム（図示されていない）も含むことができ、これは、たとえば蒸気または圧縮空気等の冷媒をブレード１８および静翼２２へ供給するための寸法および構成となっている。

タービンブレード１８および静翼２２が動作する環境は、典型的には苛酷であり、高い動作温度と腐食性の大気とにさらされ、このことは、ブレード１８および静翼２２に深刻な劣化を生じさせる原因となり得る。これは特に、ＴＢＣ ２６が剥離または他の劣化を起こしたときに生じやすい。ブレードおよび／または静翼の状態を検出するために複数のセンサ５０を使用することができる。ここで開示している本発明の実施形態が有利であるのは、遠隔測定回路が、燃焼タービン１０の動作中の部品の状態を示すリアルタイムまたはほぼリアルタイムのデータを送信できるからである。

図２は、本発明の対象を具現化する一実施形態のワイヤレス遠隔測定システム１００を概略的に表現したブロック図であり、当該実施形態は本発明を限定するものではない。タービンエンジンの可動部品１０４（たとえば回転タービンブレード）上に、センサ１０２を設けることができる。センサ１０２から、可動部品１０４の状態を示す信号を受信するため、当該センサ１０２に遠隔測定送信回路１０６を接続することができる。前記可動部品上の回路へ、たとえば遠隔測定送信回路１０６、センサ１０２等へ電力をワイヤレスで供給するため、誘導電力システム１０８を配置することができる。誘導電力システム１０８は、少なくとも１つの送電コイルアセンブリ１１０を具備することができ、これは、タービンエンジンの固定部品１１２に取り付けられるものである。固定部品１１２は、可動部品１０４の付近に配置できるものである。送電コイルアセンブリ１１０は、電源１１４から電力を受け取り、可動部品１０４上の回路へ電力を供給するために配置された回転可能な受電コイルアセンブリ１１６に電気エネルギーを誘導結合できるように振動電磁界を生成すべく、接続することができる。本発明を限定しない１つの実施形態では、受電コイルアセンブリ１１６をタービンブレード１０４の付け根１２２の一端面１２０（図３）に取り付けることができる。

図４の断面図から分かるように、受電コイルアセンブリ１１６は、開口１３２を有する無線周波数透過性の筐体１３０を含むことができる。筐体１３０の開口１３２を閉じるために蓋部１３４が設けられている。図４は、筐体１３０上に取り付けられる前の状態の蓋部１３４を示しており、図５は、開口１３２を閉じるために筐体１３０上に取り付けられた後の蓋部１３４を示している。

本発明を限定しない１つの実施形態では、蓋部１３４は、可動部品の表面（たとえばタービンブレードの付け根１２２の一端面１２０（図３））に対する支持を提供するように配置される。筐体１３０の内部には誘導コイル１３３（本発明を限定しない一実施形態では、プリント配線基板技術を用いてセラミック基板またはプリント配線基板１３５に構成されたものとすることができる）を、蓋部１３４から離隔した場所に、ポッティング接着剤の複数の層間に（たとえば層１３６，１３８，１４０間に）挟むように（たとえば、当該ポッティング接着剤の第１層１３６と最後の層１４０との間に挟むように）配置することができる。前記ポッティング接着剤は、本発明を限定しない一実施形態ではセラミックセメントとすることができる。

組立作業中の筐体１３０の向きが、開口１３２が上向きとなるような向きになっていると仮定すると、セラミック基板またはセラミックボード１３５に埋め込まれた誘導コイル１３３に、比較的薄い取り付け下地層を設けるため、筐体１３０の内側底面にポッティング接着剤の第１層１３６を被着することができる。本発明を限定しない１つの実施形態では、ポッティング接着剤の第１層１３６を第１の温度（たとえば常温）で硬化させ、その後、第２の温度（たとえば約５００℃）で焼成することができる。次に、ポッティング接着剤の第２層１３８を設けて、筐体１３０の内部にて比較的小さい厚さでコイル１３３を封止することができる。第２層１３８を適切に硬化および焼成してから、ポッティング接着剤の層１４０を筐体１３０内部に被着することができ、たとえば実際には、筐体１３０内部の残りの厚さに当該層１４０を充填することができる。ポッティング接着剤の層１４０を適切に硬化および焼成してから、蓋部１３４を取り付けて筐体１３０の開口１３２を閉じるため、微細なボンディング層（図示されていない）を被着することができる。本発明を限定しない１つの実施形態では、ポッティング接着剤の熱膨張係数の値を、筐体１３０のセラミック材料の熱膨張係数の値と、誘導コイル１３３を埋め込んだセラミック基板またはセラミックボード１３５の熱膨張係数の値との間とすることができる。

蓋部１３４は、可動部品の対応する表面（たとえば、タービンブレードの付け根１２２の端面１２０）と、誘導コイル１３３を覆う各層（たとえば層１３６，１３８，１４０）との間にて振動緩衝を実現するように配置される。本発明を限定しない１つの実施形態では、筐体１３０をセラミック材料製とし（たとえば、比較的硬質かつ耐温度性の構造を実現するため）、蓋部１３４をセラミックマトリクス複合材料製とすること（たとえば、比較的高コンプライアンスおよび耐温度性の構造を実現するため）ができる。

可動部品１０４（たとえば、タービンブレードの付け根の端面）に、回転可能なアンテナ１４２（図２）を取り付けることができる。この回転可能なアンテナ１４２に遠隔測定送信回路１０６を接続することにより、可動部品（たとえばタービンブレード）の状態を示す信号を送信できるようにすることができる。固定部品１１２に固定のデータアンテナ１４４を取り付けることにより、遠隔測定送信回路１０６から送信された信号を回転可能なアンテナ１４２によってワイヤレス受信できるようにすることができる。

本発明を限定しない１つの実施例では、図６を見ると分かるように、誘導コイル１３３は少なくとも１つの平面巻線１５０を含むことができ、この平面巻線１５０はセラミック基板またはセラミックボード１３５に埋め込まれている。このセラミック基板またはセラミックボード１３５は、高温同時焼成セラミック（ＨＴＣＣ）または低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）製とすることができる。平面巻線１５０を形成するため、導電性材料のトレース、たとえば金、銀、白金および／またはこれらの合金のトレースを使用することができる。本発明を限定しない１つの実施形態では、低温同時焼成セラミックテープ、たとえば、デュポン社により製造されている９５１グリーンテープ等を、巻線１５０の形成に用いることができる。上述の金属および／または金属合金とＬＴＣＣとを共に用いることにより、最大約８００℃の温度で高信頼性で動作するコイルを実現することができる。その上、ＬＴＣＣは典型的には、１，０００Ｖを超える絶縁耐力を有し、かかる絶縁耐力により、従来の誘導コイルより比較的多くの電力を生成することができる。１つのボードまたは基板のみを備えたものとして誘導コイル１３３の構造的構成を示したが、かかる構造的構成は、複数のセラミック誘電体層と複数の導電層とを積層して多数の積層平面巻線を形成したものを含む構成とすることも可能である。一般的な技術背景の情報を知りたい方には、米国特許出願公開第１３／５２９，０３１号明細書（出願日：２０１２年６月２１日、発明の名称：「A Wireless Telemetry System Including An Induction Power System」）を参照されたい。同刊行物の記載内容は、参照により本願の開示内容に含まれることとする。

図４および図５に示されているように、筐体１３０を貫通して延在する１つまたは複数のコネクタ１５６に１つまたは複数の電気リード１５４をソルダリングまたはろう付けできるようにすべく、セラミック基板またはセラミックボード１３５上に導電構造体１５２（たとえば導電性パッド）を形成することができる。本発明を限定しない１つの実施形態では、導電構造体１５２とコネクタ１５６との間に鋭角の曲げ部を実際に有さないループ形（たとえば徐々に曲がるリード）を形成するように、電気リード１５４を配置することができる。この１つまたは複数の電気リード１５４によって形成されたループを、ポッティング接着剤の複数の層のうち少なくとも１層（たとえば層１４０）によって覆うことができる。かかるループ状の配置により、受電アセンブリにおいてリード１５４により形成された電気的接続部の構造的完全性を向上することができる。

本発明の種々の実施形態を図示および説明したが、これらの実施形態は単なる一例であることは明らかであり、本発明から逸脱することなく、数多くの変形、変更および置換が可能である。したがって、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

Claims (20)

1. 燃焼式のタービンエンジンの高温環境下にある遠隔測定システムにおける、当該タービンエンジンの可動部品に取り付けられるワイヤレス式の受電コイルアセンブリであって、
   開口を有する無線周波数透過性の筐体と、
   前記筐体の開口を閉じるための蓋部であって、前記可動部品の表面に対する支持部を提供するように配置される蓋部と、
   前記筐体内に前記蓋部から離隔した場所に配置され、かつ、ポッティング接着剤の第１層と最後の層との間に挟まれた誘導コイルと
   を備えており、
   前記蓋部は、前記可動部品の表面と、前記誘導コイルを挟む前記両層との間で振動緩衝を実現するように配置されている
   ことを特徴とする受電コイルアセンブリ。
2. 前記筐体はセラミック材料製であり、
   前記蓋部はセラミックマトリクス複合材料製である、
   請求項１記載の受電アセンブリ。
3. 前記ポッティング接着剤はセラミックセメントを含む、
   請求項１記載の受電アセンブリ。
4. 前記誘導コイルは、少なくとも１つの平面巻線をセラミック基板に埋め込んだものを含む、
   請求項１記載の受電アセンブリ。
5. 前記少なくとも１つの平面巻線は、少なくとも１つまたは複数のリードを用いて、前記可動部品上に配置された前記遠隔測定システムの１つまたは複数の回路に給電するように接続されており、
   前記リードは、前記セラミック基板上に形成された少なくとも１つの導電構造体と、前記筐体を貫通して延在するコネクタとの間に鋭角の曲げ部を有さないループを形成するように配置されている、
   請求項４記載の受電アセンブリ。
6. 前記１つまたは複数の電気的なリードにより形成されたループは、前記ポッティング接着剤の層のうち少なくとも１層により覆われている、
   請求項５記載の受電アセンブリ。
7. 前記セラミック基板は、高温同時焼成セラミックと低温同時焼成セラミックとから成る群から選択されている、
   請求項４記載の受電アセンブリ。
8. 前記ポッティング接着剤の熱膨張係数の値は、前記セラミック材料の熱膨張係数の値と、前記誘導コイルの少なくとも１つの平面巻線が埋め込まれたセラミック基板の熱膨張係数の値との間である、
   請求項２記載の受電アセンブリ。
9. 燃焼式のタービンエンジンにて用いるための遠隔測定システムであって、
   タービンブレード上に設けられるセンサと、
   前記タービンブレードの状態を示す信号を前記センサから受け取るように接続された遠隔測定送信回路と、
   前記タービンブレード上に配置される前記遠隔測定システムの１つまたは複数の回路に給電するための誘導電力システムと
   を有し、
   前記誘導電力システムは、
   前記タービンブレード付近の固定部品に取り付けられる少なくとも１つの送電コイルアセンブリと、
   前記タービンブレードの付け根の端面に取り付けられるワイヤレス式の受電コイルアセンブリと
   を有し、
   前記受電コイルアセンブリは、
   開口を有する無線周波数透過性の筐体と、
   前記筐体の開口を閉じるための蓋部であって、前記タービンブレードの前記付け根の端面に対する支持部を提供するように配置された蓋部と、
   前記筐体内に前記蓋部から離隔した場所に配置され、かつ、ポッティング接着剤の第１層と最後の層との間に挟まれた誘導コイルと
   を有し、
   前記蓋部は、前記タービンブレードの前記付け根の端面と、前記誘導コイルを挟む前記両層との間で振動緩衝を実現するように配置されており、
   前記遠隔測定システムはさらに、
   前記タービンブレードの前記付け根の端面に取り付けられる回転可能なアンテナと、
   固定アンテナと
   を有し、
   前記遠隔測定送信回路は、前記タービンブレードの状態を示す前記信号を送信するため、前記回転可能なアンテナに接続されており、
   前記固定アンテナは、前記タービンブレードの状態を示す前記信号を受信するように前記固定部品に取り付けられる
   ことを特徴とする遠隔測定システム。
10. 前記筐体はセラミック材料製であり、
    前記蓋部はセラミックマトリクス複合材料製である、
    請求項９記載の遠隔測定システム。
11. 前記ポッティング接着剤はセラミックセメントを含む、
    請求項９記載の遠隔測定システム。
12. 前記誘導コイルは、少なくとも１つの平面巻線をセラミック基板に埋め込んだものを含む、
    請求項９記載の遠隔測定システム。
13. 前記少なくとも１つの平面巻線は、１つまたは複数のリードによって前記遠隔測定送信回路に接続されており、
    前記リードは、前記セラミック基板上に形成された少なくとも１つの導電構造体と、前記筐体を貫通して延在するコネクタとの間に鋭角の曲げ部を有さないループを形成するように配置されている、
    請求項１２記載の遠隔測定システム。
14. 前記１つまたは複数の電気的なリードにより形成されたループは、前記ポッティング接着剤の層のうち少なくとも１層により覆われている、
    請求項１３記載の遠隔測定システム。
15. 前記セラミック基板は、高温同時焼成セラミックと低温同時焼成セラミックとから成る群から選択されている、
    請求項１２記載の遠隔測定システム。
16. 前記ポッティング接着剤の熱膨張係数の値は、前記セラミック材料の熱膨張係数の値と、前記２次側誘導コイルの少なくとも１つの平面巻線が埋め込まれたセラミック基板の熱膨張係数の値との間である、
    請求項１０記載の遠隔測定システム。
17. 燃焼式のタービンエンジンの高温環境下にある遠隔測定システムにおける、当該タービンエンジンの可動部品に取り付けられるワイヤレス式の受電アセンブリであって、
    開口を有する無線周波数透過性の筐体と、
    前記筐体の開口を閉じるための蓋部であって、前記可動部品の表面に対する支持部を提供するように配置される蓋部と、
    前記筐体内に前記蓋部から離隔した場所に配置され、かつ、セラミックセメントを含むポッティング接着剤の第１層と最後の層との間に挟まれた誘導コイルと
    を有し、
    前記筐体はセラミック材料製であり、かつ、前記蓋部はセラミックマトリクス複合材料製であり、
    さらに、前記蓋部は、前記可動部品の表面と、前記誘導コイルを挟む前記両層との間で振動緩衝を実現するように配置されており、
    前記誘導コイルは、少なくとも１つの平面巻線をセラミック基板に埋め込んだものを含む
    ことを特徴とする受電アセンブリ。
18. 前記少なくとも１つの平面巻線は、少なくとも１つまたは複数のリードを用いて、前記可動部品上に配置された前記遠隔測定システムの１つまたは複数の回路に給電するように接続されており、
    前記リードは、前記セラミック基板上に形成された少なくとも１つの導電構造体と、前記筐体を貫通して延在するコネクタとの間に鋭角の曲げ部を有さないループを形成するように配置されており、
    前記１つまたは複数の電気的なリードにより形成されたループは、前記ポッティング接着剤の層のうち少なくとも１層により覆われている、
    請求項１７記載の受電アセンブリ。
19. 前記セラミック基板は、高温同時焼成セラミックと低温同時焼成セラミックとから成る群から選択されている、
    請求項１７記載の受電アセンブリ。
20. 前記ポッティング接着剤の熱膨張係数の値は、前記セラミック材料の熱膨張係数の値と、前記誘導コイルの少なくとも１つの平面巻線が埋め込まれたセラミック基板の熱膨張係数の値との間である、
    請求項１７記載の受電アセンブリ。

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