KR101060062B1 - 내연 터빈 작동 환경에서 상태를 모니터링하는 전기 장치 조립체 - Google Patents

내연 터빈 작동 환경에서 상태를 모니터링하는 전기 장치 조립체 Download PDF

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Abstract

내연 터빈(10)의 케이싱과 같은 다양한 작동 환경에 사용하기 위한 전기 장치 조립체가 제공된다. 상기 조립체는 케이싱 내부에 존재하는 에너지 형태를 전기 에너지로 변환시키도록 터빈 케이싱 내부의 부품에 배열되는 전기 에너지 회수 장치(51)를 포함할 수 있다. 상기 회수 장치는 외측 전력 소오스로부터의 도움없이 내부의 하나 또는 그보다 많은 전기 장치에 전력을 공급하기에 충분한 전력을 생성하도록 구성된다. 상기 에너지 회수 장치에 의해 전체적으로 전력을 공급받는 전기 장치의 하나의 예는 내연 터빈의 작동 중에 케이싱 내부의 부품의 상태를 감지하도록 연결되는 센서(50)일 수 있다. 상기 에너지 회수 장치에 의해 전체적으로 전력을 공급받는 전기 장치의 다른 하나의 예는 상기 데이터 신호를 케이싱 외측으로 무선 전송하기 위해 센서와 통신하는 송신기일 수 있다.

Description

내연 터빈 작동 환경에서 상태를 모니터링하는 전기 장치 조립체 {ELECTRICAL ASSEMBLY FOR MONITORING CONDITIONS IN A COMBUSTION TURBINE OPERATING ENVIRONMENT}
본 발명은 일반적으로, 내연 터빈과 같은 고온 작동 환경 하의 상황을 무선으로 모니터링하기 위한 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 그러한 작동 환경하에 있는 하나 또는 그보다 많은 모니터링 센서 및 그와 관련된 전자 장치에 전기를 공급하기 위한 직접 변환식 에너지 회수(energy-harvesting) 장치에 관한 것이다.
내연 터빈은 발전소 내의 전기 발전기의 구동 또는 선박이나 항공기의 추진과 같은 다양한 적용 분야에 사용된다. 현대의 가스 터빈 엔진에서의 점화 온도는 고효율 엔진에 대한 요구에 응답하여 지속적으로 증가하고 있다. 가스 터빈 엔진 내에 존재하는 부식성 고온 환경에 견디는 초합금(super alloy) 재료가 발전되어 왔다. 그러나, 몇몇 형태의 냉각 및/또는 열 절연 없이 현 세대의 가스 터빈 엔진의 고온 연소 가스에 대한 장기간 노출에 견딜 수 있는 보다 강력한 초합금 재료는 존재하지 않는다.
열 장벽(barrier) 코팅은 가스 터빈 엔진의 다수의 고온 가스 통행 부품을 보호하기 위해 폭 넓게 사용된다. 그러한 코팅의 신뢰도는 기계의 전체 신뢰도에 중요하다. 그러한 코팅의 설계상의 한계는 연구 자료에 의해 주로 결정된다. 그러나, 실제 가스 터빈 환경의 응력과 온도에 노출될 때 열 장벽 코팅 거동에 대한 입증은 코팅 한계에 대한 더욱 상세한 이해를 위해 필요하다. 특히, 터빈의 회전 날개와 같은 엔진 작동 중에 이동하는 부품에 대한 그러한 실제 상황에서의 작동 환경 자료는 얻기가 매우 어렵다.
상업용 및 군사용 항공기 엔진 또는 전기 발생을 위한 가스 터빈과 같은 현대의 터빈 엔진이 상당히 복잡함에도 불구하고, 설계자와 조작자는 작동 중에 터빈 엔진 부품의 내부 상황에 관해 상당히 제한된 정보만을 갖고 있다. 이는 열악한 작동 환경으로 인해, 중요한 엔진 부품에 대한 신뢰성 있는 정보를 수집하기 위한 통상적인 센서의 사용에 지장을 받게 된다.
많은 현대의 터빈들은 배기 가스 통로 온도 측정, 화염 검출 및 기본적인 터빈 작동 상황과 같은 다소 제한된 기능을 할 수 있는 센서를 갖추고 있다. 이러한 정보에 기초하여, 기업체와 같은 터빈 조작자는 소형 엔진의 종래의 이력에 기초하여 보수 유지가 수행되는 수동(passive) 모드에서 엔진을 작동시킨다. 엔진 개조와 통상적인 보수 유지는 개별 부품에 대한 나머지 수명 또는 이미 사용된 수명에 대한 사전 지식 없이 수행된다. 특정 부품에 대한 정보 부족은 초기 고장의 검출을 매우 어렵게 하며, 갑작스런 부분 고장으로 인한 치명적인 엔진 고장을 종종 초래한다. 이는 비효율적인 사용, 불필요한 작동 정지 및 막대한 작동 비용의 증가를 초래한다.
현재, 가스 터빈 산업에서의 접근 방법은 엔진 종류에 관한 경험과 이력에 기초하여 특정 부품 문제에 다시 적용시키는, 가스 통로 온도의 측정에 의존한다. 이러한 접근 방법은 상당히 주관적이며 단지, 엔진에 관한 이미 심각해진 상황만을 측정할 수 있게 한다. 이는 긴급 손상에 대한 징후 또는 이벤트(event) 진행에 대한 통찰력을 제공하지 못해 부품의 열화 또는 고장으로 인한 엔진 손상을 초래 또는 유발한다.
스팀 터빈 내에 블레이드 또는 베인과 같은 부품의 설치에는 통상적으로, 블레이드 에어포일에 연속적인 와이어 리드를 밸런스 휠 상에 위치시키는 것을 포함한다. 와이어 리드는 통상적으로 에폭시에 의해 함께 유지된다. 이들 와이어는 상기 부품 내부에서부터 터빈 케이싱으로 연결된다. 상기 부품의 압력 경계(presure boundary)는 열전쌍과 같은 센서를 도입하도록 틈이 형성될 수 있으며 땜납이 열전쌍을 제위치에 유지시키도록 다시 채워질 수 있다. 각각의 열전쌍 센서는 진단 유닛에 다시 연결되는 상기 부품으로부터 나오는 와이어 리드를 가진다. 이러한 방식으로 터빈에 복수의 부품을 설치하는 것은 단지 온도의 단일 작동 상황만을 모니터링하기 위한 와이어 네트워크의 대형화를 초래한다. 이러한 기술을 사용하는 부품(instrumenting component)들은 고가이며 단일 터빈에 다수의 부품을 사용하는데 장애를 초래한다. 또한, 와이어 리드와 데이터 전송기는 빈번히 파손되어 높은 보수 비용과 데이터 분석에 결함을 초래한다.
무선 원격 측정법과 함께 내장형 및/또는 표면 장착형 센서 기술은 요구 조건에 부합하기 위해 현대 터빈 엔진 내의 중요 부품에 대한 실시간 구조 건전성 모니터링(Structural Health Monitoring) 및 예측하는데 그 사용이 증대되고 있다. 그러나, 이들 무선 센서와 관련 전자 부품(예를 들어, 송신기, 수신기, 송수신기 등)들은 이들 전자 부품 자신이 감지하는 동안 지속되는 전력 소오스를 필요로 한다. 가스 터빈 내의 물리적 제약과 작동 환경으로 종래의 전기공급 방식, 예를 들어 배터리 전기공급 방식과 갈바닉 전기 커플링이 충분히 효율적으로 사용되는 것을 어렵게 하기 때문에, 내연 터빈의 작동 환경에서 이용될 수 있는 하나 또는 그보다 많은 에너지 형태의 소기(scavenging) 또는 회수 전력을 통해 무선 센서/원격 측정 시스템이 전력을 공급하기 위한 능동형 전력 발생 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
도 1은 내연 터빈으로부터의 부품 데이터를 수집하고 분석하기 위한 예시적인 모니터링 및 제어 시스템을 갖춘 본 발명의 실시예와 함께 사용될 수 있는 예시적인 내연 터빈의 횡단면도이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예를 갖춘 예시적인 내연 터빈 베인의 사시도이며,
도 3은 도 2 터빈 베인의 개략도이며,
도 4는 무선 원격 측정 시스템에 전력을 공급하는데 사용될 수 있는 에너지 회수 장치의 예시적인 실시예의 블록 선도이며,
도 5는 서모파일(thermopile)을 사용하여 열 에너지를 전기로 직접 변환하기 위한 열전 회수 장치의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이며,
도 6은 서모파일이 단열 코팅 상에 증착될 수 있는 열전 회수 장치의 예시적인 일 실시예를 도시하는 횡단면도이며,
도 7은 주어진 터빈 부품의 상이한 위치에서 전개될 수 있는 열 구배 효과를 개선하기 위해 상이한 모드에서 작동하도록 복수의 열전쌍이 연결될 수 있는 열전 회수 장치의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이며,
도 8은 열 에너지를 전기로 직접 변환하기 위한 열태양전지(thermophovoltaic) 회수 장치의 예시적인 실시예를 도시하는 블록 선도이며,
도 9는 하나 또는 그보다 많은 기계적 에너지를 전기로 직접 변환시키기 위한 압전기 회수 장치의 예시적인 실시예를 도시하는 블록 선도이며,
도 10은 도 1의 압축기의 개력적인 횡단면도이다.
도 1은 본 기술 분야의 당업자들에게 이해될 수 있듯이 전기 발전을 위해 사용되는 가스 터빈과 같은 예시적인 내연 터빈(10)을 도시한다. 본 발명의 실시예들은 내연 터빈(10) 또는 다른 내연 터빈에 사용될 수 있다. 예를 들어, 실시예들은 항공기 엔진에 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 내연 터빈(10)은 압축기(12), 하나 이상의 연소기(14: 도시않음) 및 터빈(16)을 포함한다. 압축기(12), 연소기(14) 및 터빈(16)은 때때로, 가스 터빈 엔진으로 통칭된다. 터빈(16)은 회전가능한 중앙 샤프트(20)에 고정되는 복수의 회전 블레이드(18)를 포함한다. 복수의 고정 베인(22)은 블레이드(18) 들 사이에 위치되며, 고정 베인(22)는 공기를 블레이드(18) 위로 안내할 수 있는 크기로 구성된다. 블레이드(18)와 베인(22)은 통상적으로 니켈 또는 코발트 합금으로 제조되며, 이트리아 안정화 지르코니아(yttria stabilized zirconia)와 같은 단열 코팅(26)으로 증착될 수 있다. 유사하게, 압축기(12)는 각각의 베인(23)들 사이에 위치되는 복수의 회전 블레이드(19)를 포함한다.
작동시, 공기는 압축기(12)를 통해 흡인되며, 압축되어 연소기(14) 쪽으로 구동된다. 연소기(14)는 공기와 연료를 혼합하여 이를 점화시킴으로써 작동 가스를 형성한다. 이러한 작동 가스는 통상적으로 1300 ℃ 이상이다. 이러한 가스는 터빈(16)을 통해 팽창되며 베인(22)에 의해 블레이드를 가로지르도록 안내된다. 상기 가스가 터빈을 통과할 때, 블레이드(18)와 샤프트(20)를 회전시킴으로써 유용한 기계적인 일을 샤프트(20)를 통해 전달한다. 내연 터빈(10)은 또한 냉각제 예를 들어, 스팀 또는 압축 공기를 블레이드(18)와 베인(22)으로 공급할 수 있는 크기로 구성되는 냉각 시스템(도시 않음)을 포함할 수 있다.
블레이드(18)와 베인(22)이 작동하는 환경은 높은 작동 온도 하에 놓이며 특히 블레이드(18)와 베인(22)의 심각한 열화를 초래할 수 있는 특히 가혹한 환경이다. 이는 단열 코팅(26)이 깨지거나 열화되는 경우와 매우 유사하다. 본 발명의 실시예들은 내연 터빈(10)의 작동 중에 부품의 상황을 나타내는 데이터를 부품들이 전송할 수 있게 하기 때문에 유리하다. 예를 들어, 블레이드(18,19), 베인(22,23), 및 코팅(26)은 작동 중에 각각의 부품에 대한 별도의 상황을 결정하며 예측 보수 유지 계획을 수립할 수 있도록 직접 모니터링될 수 있는 특정 테이터를 전솔하도록 구성될 수 있다.
도 1은 또한, 본 발명의 다양한 일면들에 따라 사용될 수 있는 예시적인 모니터링 및 제어 시스템(30)의 개략도이다. 시스템(30)은 안테나(32), 수신기(33), 프로세서 또는 중앙 처리 유닛(CPU: 34), 데이터베이스(36) 및 디스플레이(38)를 포함할 수 있다. 프로세서(34), 데이터베이스(36) 및 디스플레이(38)는 적절하게 구성된 종래의 부품들을 포함할 수 있으며 안테나(32)와 수신기(33)는 본 발명의 다양한 실시예에 따라 조절될 수 있는 성능 명세를 가질 수 있다. 예를 들어, 안테나(32)와 수신기(33)는 더욱 상세히 후술하는 바와 같이 내연 터빈(10) 전체에 걸친 다양한 위치에 배치되는 복수의 송신기로부터 전송되는 무선 원격 데이터를 수신하도록 선택될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서는 복수의 센서가 내연 터빈(10) 내의 복수의 부품들의 각각의 코팅 내에 함침될 수 있게 한다. 다른 실시예에서는 부품 특히, 압축기와 같은 단열 코팅을 필요로 하지 않는 영역 내에 포함되는 부품들에, 상기 센서들이 표면에 장착 또는 증착되게 한다. 센서의 예시적인 실시예들은 부품의 물리적 특징 및/또는 부품의 코팅에 대한 특징뿐만 아니라 다른 부품 또는 코팅의 특정 정보와 관련하여 데이터를 시스템(30)에 제공하는데 사용될 수 있다. 전술한 내용들은 센서용 전력 소오스에도 적용될 수 있다. 따라서, 명세서에 달리 표현하지 않는 한, "센서" 또는 "센서들"와 관련하여 설명한 일면들도 그들의 전력 소오스(예를 들어, 하나 또는 그보다 많은 에너지 회수 장치)를 포함할 수 있다.
예시적인 센서들은 두 부품들 사이의 마모를 검출하며, 부품 코팅 전반에 걸친 열 플럭스를 측정하며, 코팅의 깨짐을 검출하며, 부품의 영역 전반에 걸친 변형을 측정하거나 부품 또는 코팅 내의 크랙 형성을 결정하는데 사용될 수 있다. 기술 분야의 당업자들은 본 발명의 일면들에 따라 측정 및/또는 검출될 부품 또는 부품 코팅의 다른 특성 및/또는 특징들을 이해할 것이다.
본 발명의 일면들은 터빈(16)의 블레이드(18) 또는 베인(32)의 단열 코팅(26)과 같은 코팅 내에 다양한 센서 구성이 함침될 수 있게 한다. 본 발명에 구체적으로 참조된 미국 특허 제 6,838,157호에는 본 발명의 일면들에 따라 센서를 증착하는데 이용될 수 있는 블레이드(18)와 베인(22)과 같은 가스 터빈 부품들을 사용하는 방법에 대한 다양한 실시예들이 설명되어 있다. 상기 특허에는 단열 코팅에 트렌치를 형성하며, 코팅 내에 센서를 형성하며 코팅 위의 트렌치 내에 재충전 재료를 증착하는 다양한 방법들이 설명되어 있다. 이들 방법들에 대한 실시예들은 상기 특허에서 설명된 바와 같이 스마트 부품(smart component)들을 사용하는데 사용될 수 있다.
본 발명에 구체적으로 참조된 미국 특허 제 6,576,861호는 본 발명의 일면들에 따른 송신기와 전력 소오스를 갖춘 센서들과 센서 커넥터들의 실시예들을 증착하는데 사용될 수 있는 방법과 장치를 설명한다. 이와 관련하여, 설명된 방법과 장치들은 마스크의 사용 필요성 없이 약 100μ 내지 500μ 범위의 미세한 센서 및/또는 커넥터 피쳐의 패턴화에 사용될 수 있다. 다층 전기 회로와 센서들은 전도성 재료, 저항 내료, 유전체 재료, 절연 재료 및 다른 특정 적용 재료를 사용하여 피쳐들을 증착함으로써 형성될 수 있다. 본 발명의 일면에 따라 다른 방법들이 다층 전기 회로와 센서들을 증착하는데 사용될 수 있다고 이해해야 한다. 예를 들어, 열 스프레이, 기상 증착, 저온에서 스프레이된 재료의 레이저 소결 및 경화 증착법이 사용될 수 있을 뿐만 아니라 다른 적합한 기술들도 사용될 수 있다고 본 기술 분야의 당업자들에게 이해될 것이다.
본 발명의 실시예들은 부품 또는 코팅에 대한 특정 상황을 모니터링할 뿐만 아니라 내연 터빈(10)의 작동 또는 성능에 관한 다른 데이터를 수집하기 위해 내연 터빈(10) 내의 다수의 위치에 복수의 센서(50) 및 전력 소오스(예를 들어, 하나 또는 그보다 많은 에너지 회수 장치: 51)가 배치될 수 있게 한다. 예를 들어, 도 1은 하나 또는 그보다 많은 센서(50)가 터빈(16)의 하나 또는 그보다 많은 블레이드(18)의 각각의 단열 코팅(26) 내에 함침될 수 있음을 도시한다. 이는 부품 및/또는 코팅 특정 데이터를 획득할 수 있게 하는 센서(50)가 터빈(16) 내의 다른 부품의 단열 코팅 내에 함침될 수 있다고 이해해야 한다.
도 2는 압축기(12)로부터 제거된 한 쌍의 베인(23)을 도시하며, 여기서 하나의 베인은 베인(23)의 상태를 검출하기 위해 베인(23)에 장착 또는 연결되는 센서(50)를 가진다. 커넥터(52)는 데이터 신호를 송수신기(56)로 무선 전송하도록 구성된 송신기(54)로 센서(50)로부터의 데이터 신호를 라우팅(routing)하기 위한 수단으로서 제공될 수 있다. 커넥터(52)는 센서(50)로부터의 신호를 표면 장착된 송수신기(54)로 신호를 안내하기 위한 하나 또는 복수의 전기 리드일 수 있다. 다른 실시예들은 다양한 형태의 커넥터(52)들이 특정 적용에 따라 센서(50)로부터 송신기(54)로 데이터 신호를 라우팅하는 수단으로서 사용될 수 있게 한다. 예를 들어, 하나 또는 복수의 광 섬유 커넥터가 단일 또는 가변 광 파장을 사용하여 신호를 라우팅(routing)하는데 사용될 수 있다.
실시예들은 송신기(54)를 다중 채널로 구성할 수 있게 하며 내연 터빈(10)의 케이싱 내에 위치에 따라 다양한 상세를 가진다. 송신기(54)는 약 80 내지 120 ℃ 범위의 작동 온도에 노출되는 압축기(12) 케이싱 내에서 기능을 하도록 구성될 수 있다. 송신기는 또한 보다 높은 약 300 내지 350 ℃ 범위의 작동 온도에 노출되는 터빈(12) 케이싱 내에서 기능을 하고 산화 분위기에의 노출에 저항하도록 구성될 수도 있다.
도 3은 압축기 베인에 연결되는 센서 및 센서(50)를 송신기(54)에 연결하는 커넥터(52)를 구비한 압축기 베인(23)의 개략적인 평면도이다. 본 발명의 일면들을 구현한 에너지 회수 장치(51)는 송신기(54)에 전력을 제공할 수 있다.
본 발명의 발명자들은 전력이 열 에너지, 기계적 에너지(변형, 진동, 음파 등) 및 방사선 에너지와 같은, 작동 환경에 존재하는 하나 또는 그보다 많은 형태의 에너지(198)로부터 회수될 수 있는(도 4) 도전적인 작동 환경에서의 모니터링 전력 필요성을 전반적으로 부합하기 위한 매력적인 해결책일 수 있다는 것을 창조적으로 인식하였다. 이러한 방법은 안테나(208)를 통해 무선 전송하기 위한 발진기(206)로 복조된(demodulated) 신호를 공급하도록 연결되는 센서(202)를 포함하는 전기 장치 조립체를 포함할 수 있듯이, 상대적으로 낮은 전력의 무선 원격 측정 시스템(200)을 위한 거의 비제한적이고 환경적으로 깨끗한 전력을 제공할 수 있다고 생각된다. 하나 또는 그보다 많은 직접 변환 장치로 구성될 수 있는 바와 같은 에너지 회수 장치(209)(예를 들어, 한 형태의 에너지를 전기로 직접 변환하는 에너지 회수 장치)가 외부 전력 소오스로부터의 보조가 없는 무선 원격 측정 시스템(200) 전체에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 그러한 장치는 이러한 에너지 회수를 수행하도록 구성되는 열전, 열-광발전(thermophotovoltaic) 및 피에조 특징을 갖는 재료를 사용할 수 있다.
이후, 실행될 수 있는 가능한 전력 발생 기술의 예들을 개략적으로 설명한다.
열전 전력 발생 : 이러한 예시적인 기술은 열 에너지를 전기로 직접 변환하는 효율적이고 환경적으로 청정한 수단을 제시한다. 도 5에서 볼 수 있는 예시적인 일 실시예에서는 제베크 효과(Seebeck effect)에 기초하여 전력을 발생하도록 연결되는 서모파일(210 : 예를 들어 열전쌍 라인의 직렬 회로)의 이용을 포함한다. 서모파일은 플라즈마 스프레이, 전자 비임(EB) 증착, 물리 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD), 펄스 레이저 증착, 미니-플라즈마, 직접 기록(direct write), 미니-고속 순산소 연소기술(Oxy-fuel)(hvof) 또는 솔루션 플라즈마 스프레이와 같은 임의의 다양한 제작 기술에 의해 증착될 수 있는 세라믹 또는 금속 열전쌍으로 구성될 수 있다. 이러한 기술은 표면으로부터 코팅으로(예를 들어, 온도(T1)를 갖는 제 1 영역과 온도(T2)를 갖는 제 2 영역 사이로) 단열 코팅(TBC)에서 발생하는 상당히 큰 열 구배를 갖는 장점이 있다. 예를 들어, 이러한 열 구배는 열전쌍의 출력 터미날 전반에 걸쳐서 전압(V)를 발생시킬 수 있다.
일 실시예에서, 서모파일은 두 개의 서모파일 라인(212)을 볼 수 있는 도 6의 횡단면도에 도시한 바와 같이, TBC 상에 증착될 수 있다. 일반적으로, 두 개의 접합부는 상이한 온도에 노출되므로, 제베크 전압이 생성된다. 이러한 전압(V)은 대략 V = αAB(Thot-Tcold)로 표현되며, 여기서 αAB는 서모파일에 대응하는 재료(A, B)의 상대적인 제베크 계수를 나타낸다. (종래의 금속 재료(예를 들어, K, N 등의 형태)에 부가하여)서모파일 전력 생성에 적합한 재료의 예에는 독특한 열 및 전자 특성과 높은 온도 안정성으로 인해 열전 재료로서의 잠재성을 갖는 것으로 여겨지는 실리콘-게르마늄 합금과 FeSi2와 같은 다양한 반도체 재료, 및 알루미늄계 준결정(quasicrystal) 합금, 예를 들어 Al-Cu-Fe, Al-Pd-Mn, Al-Pd-Re 등과 같은 준결정 계열 재료가 포함될 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 복수의 열전쌍이 에어 포일(220)과 같은 주어진 터빈 부품의 상이한 위치들에서 전개될 수 있는 열 구배 효과를 개선하기 위해 상이한 모드에서 작동되도록 연결될 수 있다. 예를 들어, 제 1 열전쌍(222)은 제 1 온도에서 작동하는 에어포일에 배열될 수 있으며, 제 2 열전쌍(224)은 제 1 온도와 상이한 제 2 온도에서 작동하는 에어포일을 위한 플랫폼에 배열될 수 있으며, 제 3 열전쌍(226)은 제 1 및 제 2 온도와 상이한 제 3 온도에서 작동하는 에어포일의 기저부에 배열될 수 있다. 상이한 작동 모드에서, 별도의 열구배 효과를 얻는 대신에 그러한 열 구배 효과를 조합함으로써 보다 큰 제베크 전압을 얻을 수 있다.
열-광 발전: 직접 변환을 통한 전력 생성의 이러한 다른 예에서, 하나 또는 그보다 많은 열광발전(TPV) 장치가 열을 전기로 변환하도록 제공될 수 있으며, 여기서 반도체는 따뜻한 물체로부터 복사되는 장파장의 가시 적외 복사선으로 지향된다. 이러한 기술은 적합한 이미터(300), 예를 들어 에너지 소오스에 의해 가열되는 세라믹 복사선 이미터를 포함할 수 있으며, 이는 도 8에 도시한 바와 같이 하나 또는 그보다 많은 열-광발전 전지(302)에 의해 흡수되어 직접적으로 전기로 변환될 수 있는 열을 외측으로 복사시킴으로써 TPV에 열적으로 연결된다. 상대적으로 얇은 필름 전지는 실리콘 또는 진보된 낮은 밴드갭(bandgap) 도프된 안티몬화물(GaSb, GaInSb, GaInAsSb 등)으로 제조될 수 있다. 통상적으로, 낮은 밴드갭 다이오드는 낮은 방열기 온도에서의 스펙트럼 제어 및 전력 밀도를 개선한다. 이들 필름은 플라즈마 스프레이, EB PVD, CVD, 펄스 레이저 증착, 미니-플라즈마, 직접 기록, 미니-hvof 또는 솔루션 플라즈마 스프레이에 의해 증착될 수 있다.
예시적인 일 실시예에서, 연소 가스는 (예를 들어, 에르비아(Erbia), 마그네시아 등으로, 또는 SiC로 제조될 수 있는)방열기로서 작동하는 베인의 표면을 가열하는데 사용될 수 있음으로써, 베인의 표면은 이러한 가열에 의해 열 복사선 스펙트럼을 생성하게 된다. 열 복사는 복사선을 흡수하여 흡수된 복사선(예를 들어, 반도체 밴드갭 내의 방사선보다 높은 에너지 레벨을 갖는 방사선) 부분을 유용한 전력으로 변환하는 TPV 전지로 전달한다. 이미터와 광발전 전지 사이에는 높은 레벨의 에너지를 TPV 전지로 전달하고 낮은 레벨의 에너지를 회수하여 시스템 효율을 증가시키도록 재반사시키도록 구성될 수 있는 필터(304)(예를 들어, 스펙트럼 제어 장치)가 배열된다.
압전기 발전: 이러한 예시적인 기술에는 기계적 에너지를 가할 될 때 전하를 전개하는 압전기 장치(310)를 포함한다. 따라서, 이러한 방법은 도 9에 도시한 바와 같이, 전기를 생성하는 터빈 환경에 존재하는 다양한 형태의 기계적 에너지(312: 예를 들어, 진동, 응력, 음파 등)에 대해 장점이 있다. 초고온 환경으로 인해, 상당히 높은 퀴리 온도를 갖는 압전기 재료(예를 들어, 변성 리튬 니오브산염, 또는 비스므스 티탄산염)의 필름이 사용될 수 있다.
터빈 환경에서, 응력이 압전기 필름에 가해지면 압전 효과에 의해 기계적으로 응력을 받을 때 재료의 양면 사이에서 전하를 발생시킨다. 전극이 단락되지 않으면, 전하와 관련된 전압이 나타난다. 이러한 전하는 진동/응력 세기에 비례하며, 따라서 압력을 측정하는데 사용될 수 있다. 압전기 소자는 전기장(전기 에너지)과 변형(기계적 에너지)과 같은 두 가지 형태로 에너지를 저장한다. 그러므로, 압전기는 전기와 기계적 에너지 사이와 기계적 에너지와 전기 사이의 변환을 가능하게 하는 재료이다. 따라서, 이러한 특성은 주위 환경으로부터 에너지를 회수하는데 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 송신기(54)는 베인(23)으로부터 이격되게 위치될 수 있으며 계속해서 송수신기(56)로 무선 전송되는 센서(50)로부터 커넥터(52)를 경유하는 신호를 수신할 수 있다. 송수신기(56)는 도 1에 도시한 바와 같은 예시적인 위치 와 같은 압축기(12) 외측 표면 또는 허브(58)에 장착될 수 있다. 송수신기(56)는 송신기(54)로부터의 RF 신호와 같은 무선 데이터 전송을 수신하도록 송신기(54)에 충분히 가까운 곳에 제공되는 다양한 위치에 장착될 수 있다. 송수신기(56)는 압축기 베인(23)의 상태를 모니터링하기 위해 신호가 처리될 수 있는 시스템(30)의 안테나(32)로 RF 신호를 전송할 수 있다.
도 2 및 도 3과 관련하여, 하나 또는 그보다 많은 센서(50)가 센서(50)를 베인(23)의 표면 상에 직접 조립함으로써 하나 또는 그보다 많은 압축기 베인(23)에 연결될 수 있다. 커넥터(52)는 베인(23)의 표면 상에 직접 증착될 수 있다. 다른 실시예에서 트렌치 또는 리세스가 증착된 센서(50)와 커넥터(52)를 수용할 수 있는 크기로 베인(23)의 표면 내에 형성될 수 있다. 센서(50)와 커넥터(52)는 리세스 내에 증착될 수 있으며 센서(50)와 커넥터(52) 위의 베인(23)의 표면 상에 적합한 재료의 코팅을 증착함으로써 보호될 수 있다. 다른 실시예에서 코팅은 베인(23)의 표면 상에 증착될 수 있으며, 트렌치는 코팅과 센서(50) 내부에 형성될 수 있으며, 커넥터(52)는 트렌치 내부에 증착될 수 있다. 보호 코팅은 센서(50) 및/또는 커넥터(52) 위에 증착될 수 있다.
커넥터(52)는 센서(50)로부터 베인(23)의 주변 에지와 같은 종단 위치로 연장하여 커넥터(52)의 말단부(53)가 송신기(54)와의 연결을 위해 노출된다. 센서(50)와 커넥터(52)는 베인(23)의 공기역학에 관한 악영향을 최소화하도록 베인(23) 상에 위치될 수 있다.
일 실시예에서, 예를 들어 응력 게이지 또는 열전쌍과 같은 하나 또는 그보다 많은 센서(50)가 하나 또는 그보다 많은 터빈 또는 압축기 블레이드(18,19) 상에 증착될 수 있다.
도 10은 압축기(12)과 관련된 실시예를 도시한다. 커넥터(52)는 각각의 센서(50)를 블레이드(18,19)에 연결된 하나 또는 그보다 많은 송신기(54)에 연결하도록 증착될 수 있다. 예시적인 실시예에 의해 복수의 센서(50)가 각각의 커넥터(52)를 경유하여 단일 전송기(54)에 연결되게 할 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 센서(50)는 복수의 블레이드(18,19) 각각에 증착될 수 있다. 커넥터(52)는 각각의 센서(50)로부터의 신호를 단일 송신기(54)로 제공하도록 증착될 수 있다.
송신기(54)와 회전 안테나(55)는 블레이드(18,19)의 기저부 근처에 장착될 수 있다. 커넥터(52)는 커넥터(52a)를 경유하여 송신기(54)에 차례로 연결되는 회전 안테나(55)에 센서(50)를 연결하도록 센서(50)로부터 블레이드(18,19)의 기저부로 연결될 수 있다. 고정 안테나(57)는 각각의 블레이드(18,19)의 기저부의 후미에서 터빈 또는 압축기 베인(22,23) 상에 장착될 수 있다. 리드 와이어(57a)는 고정 안테나(57)로부터 압축기(12) 또는 터빈(16)으로 연장되어 신호를 시스템(30)으로 전파한다.
하나 또는 그보다 많은 센서(50)가 스프레이 증착과 같은 방법에 의해 증착될 수 있으며, 일 열의 블레이드(19) 내에 있는 각각의 압축기 블레이드(19)가 압축기(12) 내부의 디스크 상에 장착될 수 있다는 것을 본 기술 분야의 당업자들에게 이해될 수 있을 것이다. 각각의 커넥터(52)는 각각의 센서(50)를 상기 열 내부의 각각의 블레이드(19) 기저부 근처에 장착되는 각각의 송신기(54)에 연결될 수 있다. 회전 안테나(55)는 각각의 블레이드(19)의 기저부 근처에 있는 디스크를 감쌀 수 있으며 각각의 커넥터(52a)를 경유하여 각각의 송신기(54)에 연결될 수 있다. 하나 또는 그보다 많은 고정 안테나(57)는 압축기 블레이드(19)의 열 후방에 있는 압축기 베인(23) 상에, 또는 신호의 전파와 수신을 위해 회전 안테나(55)에 충분히 근접한 압축기 허브와 같은 다른 위치에 설치될 수 있다. 고정 안테나(57)는 또한 블레이드(19) 열을 감쌀 수도 있다. 터빈(16) 내의 블레이드(18) 열도 유사하게 구성될 수 있다.
예시적인 일 실시예에서, 터빈(16) 내의 베인과 같은 비 회전 부품은 그 상부에 단열 코팅을 가질 수 있다. 센서(50) 및/또는 에너지 회수 장치(51)는 단열 코팅의 상부 표면 아래에 매설될 수 있다. 일 실시예에서, 송신기는 코팅 내에 매설되거나 베인 상에 장착되는 표면일 수 있다. 다른 실시예는 본 기술 분야의 당업자들에게 이해될 수 있듯이, 예를 들어 냉각제 유동 채널 내에 또는 베인이 연결되는 플랫폼과 같은 그 밖의 장소에 송신기가 위치될 수 있게 한다.
본 발명의 실시예들은 특정 부품 상태 데이터를 수집하고 이들 데이터를 무선 원격 계측 장치를 사용하여 모니터링 및 제어 시스템(30)에 전송하도록 각각의 부품 단열 코팅 내에 센서들을 함침시키거나 센서를 부품의 어느 한 표면에 장착시킴으로써 내연 터빈(10) 전반에 걸쳐서 복수의 센서(50)를 배치할 수 있게 한다. 이러한 방법은 내연 터빈(10)의 작동 중에 특정 부품의 상태에 기초하여 교체, 보수 및 유지에 대한 결정을 할 수 있게 한다는 점에서 유리하다.
이와 관련하여, 특정 부품의 상태에 관한 테이터는 안테나(32)와 수신기(33) 에 의해 수집되어 CPU(34)에 의해 데이터베이스에 저장될 수 있다.
실시예들은 특정 부품의 상태에 관한 데이터가 수집되어 디스플레이(38)를 통해 실시간으로 작업자에게 제시될 수 있게 한다. 이는 특정 부품 또는 부품들의 상태에 반응하여 내연 터빈(10)의 작동에 관한 즉각적인 결정을 작업자가 내릴 수 있게 한다.
과거 이력 데이터(historical data)는 부품에 대한 보수, 교체 또는 유지 결정을 위해 각각의 부품에 대해 편집 및 분석될 수 있다. 내연 터빈(12)의 특정 부품들에 대한 작동 상태들은 모니터링될 수 있으며, 보수 또는 교체될 필요가 있는 부품 또는 부품들 표시하는 작동 상태, 또는 가스 터빈의 작동과 관련하여 교정 작용이 취해져야 함을 표시하는 작동 상태로 분리된다. 이러한 일면들은 예측 보수 계획에 있어서 상당한 개선을 제공할 수 있다.
본 발명의 양호한 실시예가 도시되고 설명되었지만, 그러한 실시예들은 단지 예시적으로 제공된 것이다. 다수의 변경, 변형 및 대체 예들이 본 발명으로부터 이탈함이 없이 본 기술분야의 숙련자들에게 수행될 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 다음의 청구의 범위의 사상과 범주에 의해서만 한정될 수 있다고 이해해야 한다.

Claims (19)

  1. 작동 중에 내연 터빈의 상태를 모니터링하기 위한 전기 장치 조립체로서,
    상기 내연 터빈의 케이싱 내부의 부품에 배열되는 하나 이상의 에너지 회수 장치, 및
    상기 하나 이상의 에너지 회수 장치에 의해 생성되는 전력을 수용하도록 연결되는 하나 이상의 센서를 포함하며,
    상기 하나 이상의 에너지 회수 장치는 상기 케이싱 외측에 있는 전력 소오스로부터의 추가 전력에 대한 필요없이 내부의 하나 또는 그보다 많은 전기 장치 모두에 전력을 공급하기에 충분한 전력을 생성하도록 상기 터빈의 케이싱 내에 포함된 에너지 형태를 회수하도록 구성되며,
    상기 센서는 상기 내연 터빈의 작동 중에 케이싱 내부의 부품 상태를 감지하도록 구성되며, 상기 하나 이상의 센서는 내부의 상기 전기 장치 중의 하나를 구성하는,
    작동 중에 내연 터빈의 상태를 모니터링하기 위한 전기 장치 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 회수 장치는 상기 부품의 표면 상에 배열되는 박막 코팅을 포함하는,
    작동 중에 내연 터빈의 상태를 모니터링하기 위한 전기 장치 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 회수 장치는 상기 부품의 기판 상에 배열되는 박막 코팅을 포함하는,
    작동 중에 내연 터빈의 상태를 모니터링하기 위한 전기 장치 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 회수 장치는 반도체 장치를 포함하는,
    작동 중에 내연 터빈의 상태를 모니터링하기 위한 전기 장치 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 회수 장치는 열전 회수 장치, 열광발전 회수 장치, 압전기 회수 장치, 및 이들 회수 장치의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는,
    작동 중에 내연 터빈의 상태를 모니터링하기 위한 전기 장치 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 회수 장치는 단열 코팅의 두께를 따라 전개되는 열 구배에 반응하도록 부품의 기판 상에 증착되는 단열 코팅 상에 배열되는 하나 이상의 서모파일을 포함하는 열전 회수 장치인,
    작동 중에 내연 터빈의 상태를 모니터링하기 위한 전기 장치 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 회수 장치는 상이한 열 부하에 노출되는 상기 부품의 각각의 영역 상에 배열되는 두 개 또는 그보다 많은 열전쌍 라인을 포함하는 열전 회수 장치이며, 상기 두 개 또는 그보다 많은 열전쌍 라인은 각각의 영역에서의 두 개 또는 그보다 많은 열구배 효과를 조합함으로써 회수된 전력의 전압 레벨을 증가시키도록 상이한 모드에서 작동하게 서로 연결되는,
    작동 중에 내연 터빈의 상태를 모니터링하기 위한 전기 장치 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 회수 장치로부터의 전력을 수용하도록 연결되는 송신기를 더 포함하며, 상기 송신기는 내부의 전기 장치 중의 다른 하나를 구성하는,
    작동 중에 내연 터빈의 상태를 모니터링하기 위한 전기 장치 조립체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 송신기는 상기 센서에 의해 공급되는 데이터 신호를 수신하고 상기 데이터 신호를 상기 케이싱 외측으로 무선 전송하도록 상기 센서와 통신하도록 구성되는,
    작동 중에 내연 터빈의 상태를 모니터링하기 위한 전기 장치 조립체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전송된 데이터 신호를 수신하도록 상기 케이싱의 외측에 위치되는 송수신기를 더 포함하는,
    작동 중에 내연 터빈의 상태를 모니터링하기 위한 전기 장치 조립체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 내연 터빈의 작동 중에 상기 부품의 상태에 관한 정보를 드러내도록 상기 데이터 신호의 처리를 위해 상기 송수신기와 통신하는 프로세서를 더 포함하는,
    작동 중에 내연 터빈의 상태를 모니터링하기 위한 전기 장치 조립체.
  12. 내연 터빈의 작동 중에 상태를 모니터링하는 방법으로서,
    상기 내연 터빈의 케이싱 외측에 있는 전력 소오스로부터 추가 전력에 대한 필요없이 내부의 하나 또는 그보다 많은 전기 장치 모두에 전력을 공급하기에 충분한 전력을 생성하도록 상기 케이싱 내부에 포함된 에너지 형태를 회수하는 단계와,
    회수된 전력을 상기 전기 장치 중의 하나를 구성하는 하나 이상의 센서에 공급하는 단계와,
    상기 내연 터빈의 작동 중에 상기 케이싱 내부의 부품 상태를 상기 하나 이상의 센서에 의해 감지하는 단계와,
    회수된 전력을 상기 전기 장치 중의 다른 하나를 구성하는 송신기에 공급하는 단계, 및
    상기 하나 이상의 센서에 의해 상기 송신기에 공급되는 데이터 신호를 상기 케이싱의 외측으로 무선 전송하는 단계를 포함하는,
    내연 터빈의 작동 중에 상태를 모니터링하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 에너지 형태를 회수하는 단계는 상기 내연 터빈 케이싱 내부의 부품에 배열되는 하나 이상의 에너지 회수 장치에 의해 수행되는,
    내연 터빈의 작동 중에 상태를 모니터링하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 에너지 형태를 회수하는 단계는 열 에너지, 기계적 에너지 및 이들의 조합 중에서 하나 이상을 포함하는,
    내연 터빈의 작동 중에 상태를 모니터링하는 방법.
  15. 내연 터빈으로서,
    케이싱과,
    상기 케이싱 내부에 존재하는 에너지 형태를 전기 에너지로 변환하도록 상기 내연 터빈 케이싱 내부의 부품에 배열되는 하나 이상의 전기 에너지 회수 장치와,
    상기 내연 터빈의 작동 중에 케이싱 내부의 부품 상태를 감지하도록 연결되며, 내부의 전기 장치 중의 하나를 구성하는 하나 이상의 센서, 및
    상기 센서에 의해 공급되는 테이터 신호를 수신하고 무선 전송하도록 상기 센서에 연결되며, 내부의 전기 장치 중의 다른 하나를 구성하는 송신기를 포함하며,
    상기 에너지 형태에는 열 에너지, 기계적 에너지, 및 이들의 조합 중에 하나 이상의 에너지 형태를 포함하며, 상기 하나 이상의 전기 에너지 회수 장치는 상기 케이싱 외측에 있는 전력 소오스로부터의 추가 전력에 대한 필요없이 내부의 하나 또는 그보다 많은 전기 장치 모두에 전력을 공급하기에 충분한 전력을 생성하도록 구성되는,
    내연 터빈.
  16. 제 15 항에 있어서,
    허브 및 상기 허브로부터 반경 방향으로 연장하는 복수의 터빈 블레이드를 포함하는 하나 이상의 터빈 블레이드 조립체를 더 포함하며, 상기 터빈 블레이드의 하나 이상에는 하나 이상의 회수 장치와 하나 이상의 센서 및 송신기 중의 하나 이상이 배열되는,
    내연 터빈.
  17. 제 15 항에 있어서,
    허브 및 상기 허브로부터 반경 방향으로 연장하는 복수의 압축기 블레이드를 포함하는 하나 이상의 압축기 블레이드 조립체를 더 포함하며, 상기 압축기 블레이드의 하나 이상에는 하나 이상의 회수 장치와 하나 이상의 센서 및 송신기 중의 하나 이상이 배열되는,
    내연 터빈.
  18. 제 15 항에 있어서,
    하나 이상의 연소기를 더 포함하며, 상기 하나 이상의 연소기의 표면에는 하나 이상의 회수 장치와 하나 이상의 센서 및 송신기 중의 하나 이상이 배열되는,
    내연 터빈.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 터빈 케이싱 내부에 하나 이상의 고정 조립체를 더 포함하며, 상기 하나 이상의 고정 조립체에는 하나 이상의 회수 장치와 하나 이상의 센서 및 송신기 중의 하나 이상이 배열되는,
    내연 터빈.
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