KR101695159B1 - 유도 전력 시스템을 포함하는 무선 텔레메트리 시스템 - Google Patents
유도 전력 시스템을 포함하는 무선 텔레메트리 시스템 Download PDFInfo
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- Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
연소 터빈 엔진(combustion turbine engine)(10)에서 사용하기 위한 텔레메트리 시스템(telemetry system)으로서, 상기 연소 터빈 엔진(10)은, 터빈 블레이드(turbine blade)와 같은 회전 컴포넌트(rotating component)와 연결된 센서(428), 및 텔레메트리 송신기 회로(telemetry transmitter circuit)(418)를 포함하고, 상기 텔레메트리 송신기 회로(418)는 상기 터빈 블레이드에 부착되고, 상기 센서(428)로부터 상기 텔레메트리 송신기 회로(418)로 전자 데이터 신호(electronic data signal)들을 라우팅(route)하기 위해 상기 센서(428)와 전기적으로 통신한다. 유도 전력 시스템(induction power system)은, 상기 텔레메트리 송신기 회로(418)에 전력을 공급하기 위해 제공되고, 각각의 세라믹 기판(ceramic substrate)들(404) 상에 형성된 1차 평면형 권선(410)을 각각 포함하는 복수의 1차 유도 코일 어셈블리(induction coil assembly)들(400)을 포함하고, 이들은 고정자(180)의 정적 시일 세그먼트(static seal segment)(323) 상에 단-대-단 장착된다. 상기 유도 전력 시스템은 또한, 세라믹 기판(404) 상에 형성된 2차 평면형 권선(412)을 포함하는 2차 유도 코일 어셈블리(402)를 포함하고, 상기 세라믹 기판(404)은 터빈 블레이드 루트(turbine blade root)(132)의 단부면에 장착된다.
Description
본 발명은 일반적으로, 동작 환경들을 모니터링(monitor)하는 것에 관한 것으로, 특히, 연소 터빈 엔진(combustion turbine engine)의 동작 환경과 같은 동작 환경 내에서 개별 컴포넌트 상태(component condition)를 나타내는 전자 데이터(electronic data)를 무선으로 전송하도록 인에이블(enable)된, 계장화된(instrumented) 컴포넌트들 및 텔레메트리 시스템(telemetry system)들에 관한 것이다.
본 발명의 실시예들은, 연소 터빈 엔진의 특정 섹션(section)들 내에서와 같은, 대략 450℃까지의 또는 그 초과의 동작 온도를 갖는 동작 환경 내에서 회전(rotating) 또는 정지(stationary) 컴포넌트들에 대한 동작을 위해 구성된 고온 무선 텔레메트리 시스템들을 제공한다.
연소 터빈 엔진에서 사용하기 위한 예시적인 고온 텔레메트리 시스템은 터빈 블레이드(blade)와 같은 컴포넌트 상에 증착된 적어도 하나의 센서(sensor)를 포함할 수 있다. 텔레메트리 송신기 회로는 터빈 블레이드에 부착될 수 있고, 연결 재료는 센서로부터 텔레메트리 송신기 회로로 전자 데이터 신호들을 라우팅(route)하기 위해 터빈 블레이드 상에 부착 또는 증착될 수 있고, 전자 데이터 신호들은 터빈 블레이드의 상태를 나타낸다. 유도 전력 시스템은, 터빈 블레이드와 같은 컴포넌트에 부착된 회전 데이터 안테나(antenna); 및 터빈 블레이드에 인접한 정적 시일 세그먼트(seal segment)에 부착된 정지 데이터 안테나를 갖는 텔레메트리 송신기 회로에 전력을 공급하기 위해 제공된다.
텔레메트리 시스템의 실시예에서, 공진 에너지(resonant energy) 시스템이, 회전 데이터 안테나 및 정지 데이터 안테나와 함께 이용된다. 더욱 구체적으로, (프로브(probe) 또는 안테나의 형태일 수 있는) 1차 코일(coil), 또는 전력/에너지(energy) 전송 디바이스(device)는, 회전 컴포넌트들에 부착되는 2차 코일 또는 전력/에너지 수신 디바이스에 가까운 터빈 또는 압축기의 정지 위치에 포지셔닝(position)된다. 1차 코일 또는 안테나는 발진 전류 신호를 전송하고, 2차 코일은, 일반적으로 발진 전류 신호의 전송 주파수와 동일한 주파수에서 공진된다. 2차 코일 및 회전 데이터 안테나는 동일한 기판 상에 제조되며, 이 기판에 텔레메트리 송신기 회로가 제조된다. 대안적으로, 2차 코일 및/또는 회전 데이터 안테나 중 하나 또는 양측 모두는 터빈 또는 압축기 블레이드의 날개(airfoil) 부분 상에 배치될 수 있다. 실시예에서, 1차 코일은, 블레이드의 팁(tip)에 가깝고 상기 블레이드의 팁과 이격된 관계에 있는 압축기 또는 터빈을 위한 케이싱(casing) 또는 정지 컴포넌트에 장착될 수 있다.
압축기 또는 터빈 블레이드와 같은 회전 컴포넌트와 관련하여 센서들은, 회전 컴포넌트의 상태를 나타내는 전자 데이터 신호들을 프로세싱(process)하고 회전 데이터 안테나에 라우팅하는 텔레메트리 송신기 회로에 전기적으로 링크(link)된다. 그 다음으로, 회전 데이터 안테나는 전자 데이터 신호들을 정지 안테나에 전송하고, 상기 정지 안테나는 그 다음으로, 신호들을 수신기 및/또는 프로세서(processor)에 전송한다.
다른 실시예에서, 정지 텔레메트리 송신기 회로는 압축기 및 터빈 내에 배치되고, 블레이드에 장착된 앞서 언급된 회전 텔레메트리 송신기 회로와 함께 이용된다. 정지 컴포넌트들과 관련하여 하나 또는 둘 이상의 센서들은, 정지 컴포넌트를 나타내는 전자 데이터 신호들을 정지 송신기 회로에 전송하고, 상기 정지 송신기 회로는 차례로, 전자 데이터 신호들을 프로세싱하여 정지 데이터 안테나에 라우팅한다. 따라서, 정지 데이터 안테나는 정지 및 회전 컴포넌트들의 동작 상태들을 나타내는 전자 데이터 신호들을, 프로세싱을 위해 수신기에 전송하도록 구성된다.
연소 터빈 엔진에서 사용하기 위한 예시적인 고온 텔레메트리 시스템은 터빈 블레이드(blade)와 같은 컴포넌트 상에 증착된 적어도 하나의 센서(sensor)를 포함할 수 있다. 텔레메트리 송신기 회로는 터빈 블레이드에 부착될 수 있고, 연결 재료는 센서로부터 텔레메트리 송신기 회로로 전자 데이터 신호들을 라우팅(route)하기 위해 터빈 블레이드 상에 부착 또는 증착될 수 있고, 전자 데이터 신호들은 터빈 블레이드의 상태를 나타낸다. 유도 전력 시스템은, 터빈 블레이드와 같은 컴포넌트에 부착된 회전 데이터 안테나(antenna); 및 터빈 블레이드에 인접한 정적 시일 세그먼트(seal segment)에 부착된 정지 데이터 안테나를 갖는 텔레메트리 송신기 회로에 전력을 공급하기 위해 제공된다.
텔레메트리 시스템의 실시예에서, 공진 에너지(resonant energy) 시스템이, 회전 데이터 안테나 및 정지 데이터 안테나와 함께 이용된다. 더욱 구체적으로, (프로브(probe) 또는 안테나의 형태일 수 있는) 1차 코일(coil), 또는 전력/에너지(energy) 전송 디바이스(device)는, 회전 컴포넌트들에 부착되는 2차 코일 또는 전력/에너지 수신 디바이스에 가까운 터빈 또는 압축기의 정지 위치에 포지셔닝(position)된다. 1차 코일 또는 안테나는 발진 전류 신호를 전송하고, 2차 코일은, 일반적으로 발진 전류 신호의 전송 주파수와 동일한 주파수에서 공진된다. 2차 코일 및 회전 데이터 안테나는 동일한 기판 상에 제조되며, 이 기판에 텔레메트리 송신기 회로가 제조된다. 대안적으로, 2차 코일 및/또는 회전 데이터 안테나 중 하나 또는 양측 모두는 터빈 또는 압축기 블레이드의 날개(airfoil) 부분 상에 배치될 수 있다. 실시예에서, 1차 코일은, 블레이드의 팁(tip)에 가깝고 상기 블레이드의 팁과 이격된 관계에 있는 압축기 또는 터빈을 위한 케이싱(casing) 또는 정지 컴포넌트에 장착될 수 있다.
압축기 또는 터빈 블레이드와 같은 회전 컴포넌트와 관련하여 센서들은, 회전 컴포넌트의 상태를 나타내는 전자 데이터 신호들을 프로세싱(process)하고 회전 데이터 안테나에 라우팅하는 텔레메트리 송신기 회로에 전기적으로 링크(link)된다. 그 다음으로, 회전 데이터 안테나는 전자 데이터 신호들을 정지 안테나에 전송하고, 상기 정지 안테나는 그 다음으로, 신호들을 수신기 및/또는 프로세서(processor)에 전송한다.
다른 실시예에서, 정지 텔레메트리 송신기 회로는 압축기 및 터빈 내에 배치되고, 블레이드에 장착된 앞서 언급된 회전 텔레메트리 송신기 회로와 함께 이용된다. 정지 컴포넌트들과 관련하여 하나 또는 둘 이상의 센서들은, 정지 컴포넌트를 나타내는 전자 데이터 신호들을 정지 송신기 회로에 전송하고, 상기 정지 송신기 회로는 차례로, 전자 데이터 신호들을 프로세싱하여 정지 데이터 안테나에 라우팅한다. 따라서, 정지 데이터 안테나는 정지 및 회전 컴포넌트들의 동작 상태들을 나타내는 전자 데이터 신호들을, 프로세싱을 위해 수신기에 전송하도록 구성된다.
도 1은 예시적인 연소 터빈의 단면도이다.
도 2는 예시적인 연소 터빈 베인(vane)의 사시도이다.
도 3은 도 2의 베인의 측면도이다.
도 4는 기판 상에 증착된 예시적인 열유속(heat flux) 센서이다.
도 5는 예시적인 터빈 블레이드, 센서, 및 무선 텔레메트리 디바이스(device)의 사시도이다.
도 6은 예시적인 무선 텔레메트리 디바이스의 개략도이다.
도 7은 예시적인 압축기 블레이드의 부분 사시도이다.
도 8은 도 7의 예시적인 압축기 블레이드의 부분 측면도이다.
도 9는 도 5의 예시적인 터빈 블레이드의 부분 단면도이다.
도 10은 도 9의 예시적인 터빈 블레이드의 사시도로서, 터빈 블레이드 상에 장착된 텔레메트리 송신기 하우징(housing) 및 예시적인 회전 안테나 어셈블리(assembly)의 분해도이다.
도 11은 도 10의 텔레메트리 송신기 하우징의 예시적인 실시예의 분해도이다.
도 12는 예시적인 회전 안테나 어셈블리의 컴포넌트들을 예시한다.
도 13은 터빈 정적 시일에 장착된 정지 안테나 어셈블리의 예시적인 실시예를 갖는 상기 터빈 정적 시일에 대한 부분 사시도이다.
도 14는 도 12의 터빈 정적 시일, 및 터빈 블레이드 어셈블리에 장착된 예시적인 회전 전력 및 안테나 어셈블리를 갖는 상기 터빈 블레이드 어셈블리의 부분 단면도이다.
도 15는 예시적인 텔레메트리 송신기 회로의 블록도(block diagram)이다.
도 16은 예시적인 유도 전력 구동기 회로의 개략도이다.
도 17은 블리스크(blisk) 상에, 센서 및 텔레메트리 디바이스를 포함하는 무선 텔레메트리 컴포넌트들을 갖는 상기 블리스크의 부분 사시도이다.
도 18은 센서에 링크된 텔레메트리 디바이스의 개략도이다.
도 19는 공진 에너지 전달 시스템을 위한 회로들의 개략도이다.
도 20은 회전 데이터 안테나의 개략도이다.
도 21은 고정자(stator) 상의 정지 안테나 및 블리스크 상의 회전 데이터 안테나를 포함하는 블리스크의 회전자(rotor) 상의 텔레메트리 디바이스의 단면 개략도이다.
도 22는 RF 투과성 커버(cover) 내에 하우징(house)된 송신기 디바이스를 예시한다.
도 23은 에너지 수신 코일이 블리스크를 위한 블레이드 상에 있는, 무선 텔레메트리 시스템의 실시예이다.
도 24는 에너지 수신 코일 및 회전 데이터 안테나가 블리스크를 위한 블레이드 상에 있는, 무선 텔레메트리 시스템의 실시예이다.
도 25는 정지 텔레메트리 회로 및 정지 안테나가, 정지 컴포넌트들 및 회전 컴포넌트들에 관한 데이터를 전송하기 위해 이용되는, 무선 텔레메트리 시스템의 실시예이다.
도 26은 고정자의 정적 시일 세그먼트에 장착된 1차 유도 어셈블리들의 사시도이다.
도 27은 세라믹(ceramic) 기판 상의 자기 코어(core) 및 평면형 권선의 개략적 표현의 사시도이다.
도 28은 세라믹 기판 상에 자기 코어를 갖지 않는 평면형 권선의 개략적 표현의 사시도이다.
도 29는 복수의 세라믹 유전체(dielectric) 층들 및 그 위에 형성된 평면형 권선들을 갖는 회로 보드(board)의 개략적 단면도이다.
도 30a는 도 29의 회로 보드의 최상부 또는 제 1 전도성 층의 정면도이다.
도 30b는 도 29의 회로 보드의 제 2 전도성 층의 정면도이다.
도 30c는 도 29의 회로 보드의 제 3 전도성 층의 정면도이다.
도 30d는 도 29의 회로 보드의 바닥부 또는 제 4 전도성 층의 정면도이다.
도 31은 세라믹 보드들 상에 형성된 평면형 권선들을 포함하는 1차 및 2차 유도 전력 어셈블리들을 포함하는 무선 텔레메트리 시스템의 실시예이다.
도 2는 예시적인 연소 터빈 베인(vane)의 사시도이다.
도 3은 도 2의 베인의 측면도이다.
도 4는 기판 상에 증착된 예시적인 열유속(heat flux) 센서이다.
도 5는 예시적인 터빈 블레이드, 센서, 및 무선 텔레메트리 디바이스(device)의 사시도이다.
도 6은 예시적인 무선 텔레메트리 디바이스의 개략도이다.
도 7은 예시적인 압축기 블레이드의 부분 사시도이다.
도 8은 도 7의 예시적인 압축기 블레이드의 부분 측면도이다.
도 9는 도 5의 예시적인 터빈 블레이드의 부분 단면도이다.
도 10은 도 9의 예시적인 터빈 블레이드의 사시도로서, 터빈 블레이드 상에 장착된 텔레메트리 송신기 하우징(housing) 및 예시적인 회전 안테나 어셈블리(assembly)의 분해도이다.
도 11은 도 10의 텔레메트리 송신기 하우징의 예시적인 실시예의 분해도이다.
도 12는 예시적인 회전 안테나 어셈블리의 컴포넌트들을 예시한다.
도 13은 터빈 정적 시일에 장착된 정지 안테나 어셈블리의 예시적인 실시예를 갖는 상기 터빈 정적 시일에 대한 부분 사시도이다.
도 14는 도 12의 터빈 정적 시일, 및 터빈 블레이드 어셈블리에 장착된 예시적인 회전 전력 및 안테나 어셈블리를 갖는 상기 터빈 블레이드 어셈블리의 부분 단면도이다.
도 15는 예시적인 텔레메트리 송신기 회로의 블록도(block diagram)이다.
도 16은 예시적인 유도 전력 구동기 회로의 개략도이다.
도 17은 블리스크(blisk) 상에, 센서 및 텔레메트리 디바이스를 포함하는 무선 텔레메트리 컴포넌트들을 갖는 상기 블리스크의 부분 사시도이다.
도 18은 센서에 링크된 텔레메트리 디바이스의 개략도이다.
도 19는 공진 에너지 전달 시스템을 위한 회로들의 개략도이다.
도 20은 회전 데이터 안테나의 개략도이다.
도 21은 고정자(stator) 상의 정지 안테나 및 블리스크 상의 회전 데이터 안테나를 포함하는 블리스크의 회전자(rotor) 상의 텔레메트리 디바이스의 단면 개략도이다.
도 22는 RF 투과성 커버(cover) 내에 하우징(house)된 송신기 디바이스를 예시한다.
도 23은 에너지 수신 코일이 블리스크를 위한 블레이드 상에 있는, 무선 텔레메트리 시스템의 실시예이다.
도 24는 에너지 수신 코일 및 회전 데이터 안테나가 블리스크를 위한 블레이드 상에 있는, 무선 텔레메트리 시스템의 실시예이다.
도 25는 정지 텔레메트리 회로 및 정지 안테나가, 정지 컴포넌트들 및 회전 컴포넌트들에 관한 데이터를 전송하기 위해 이용되는, 무선 텔레메트리 시스템의 실시예이다.
도 26은 고정자의 정적 시일 세그먼트에 장착된 1차 유도 어셈블리들의 사시도이다.
도 27은 세라믹(ceramic) 기판 상의 자기 코어(core) 및 평면형 권선의 개략적 표현의 사시도이다.
도 28은 세라믹 기판 상에 자기 코어를 갖지 않는 평면형 권선의 개략적 표현의 사시도이다.
도 29는 복수의 세라믹 유전체(dielectric) 층들 및 그 위에 형성된 평면형 권선들을 갖는 회로 보드(board)의 개략적 단면도이다.
도 30a는 도 29의 회로 보드의 최상부 또는 제 1 전도성 층의 정면도이다.
도 30b는 도 29의 회로 보드의 제 2 전도성 층의 정면도이다.
도 30c는 도 29의 회로 보드의 제 3 전도성 층의 정면도이다.
도 30d는 도 29의 회로 보드의 바닥부 또는 제 4 전도성 층의 정면도이다.
도 31은 세라믹 보드들 상에 형성된 평면형 권선들을 포함하는 1차 및 2차 유도 전력 어셈블리들을 포함하는 무선 텔레메트리 시스템의 실시예이다.
도 1은 전기를 발생시키기 위해 이용되는 가스(gas) 터빈과 같은 예시적인 연소 터빈(10)을 도시한다. 본 발명의 실시예들은 연소 터빈(10)과 함께 또는 많은 다른 동작 환경들에서 그리고 다양한 목적들을 위해 이용될 수 있다. 연소 터빈(10)은 압축기(12), 적어도 하나의 연소기(14)(일부만이 도시됨), 및 터빈(16)을 포함한다. 압축기(12), 연소기(14), 및 터빈(16)은 때때로, 집합적으로 가스 또는 연소 터빈 엔진(10)으로 지칭된다. 터빈(16)은 회전가능 중앙 샤프트(shaft)(20)에 고정된 복수의 회전 블레이드들(18)을 포함한다. 복수의 정지 베인들(22)은 블레이드들(18) 사이에 포지셔닝되는데, 베인들(22)은 블레이드들(18)로 공기를 안내하도록 치수화 및 구성된다. 블레이드들(18) 및 베인들(22)은 통상적으로 니켈-기반(nickel-based) 합금들로 이루어질 것이고, 이트리아-안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia)와 같은 열적 배리어 코팅(barrier coating)("TBC")(26)으로 코팅될 수 있다. 유사하게, 압축기(12)는 각각의 베인들(23) 사이에 포지셔닝된 복수의 회전 블레이드들(19)을 포함한다.
사용시에, 공기는 압축기(12)를 통해 인도된다 ― 상기 압축기(12)에서 상기 공기가 압축되어 연소기(14)로 보내짐 ―. 연소기(14)는 공기를 연료와 혼합하고, 이를 점화시키고, 이에 의해, 동작 가스(working gas)를 형성한다. 이러한 동작 가스 온도는 통상적으로 약 1300℃를 초과할 것이다. 이러한 가스는 터빈(16)을 통해 팽창되어서, 베인들(22)에 의해 블레이드들(18)로 안내된다. 가스가 터빈(16)을 통과하면서, 상기 가스는 블레이드들(18) 및 샤프트(20)를 회전시키고, 이에 의해, 유용한 기계적 일(mechanical work)을 샤프트(20)를 통해 전달한다. 연소 터빈(10)은 또한, 냉각재(coolant), 예를 들어, 스팀(steam) 또는 압축 공기를 블레이드들(18) 및 베인들(22)에 공급하도록 치수화 및 구성된 냉각 시스템(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
터빈 블레이드들(18) 및 베인들(22)이 동작하는 환경은 특히 가혹한데, 즉, 높은 동작 온도들 및 부식성 대기에 영향받으며, 이는 블레이드들(18) 및 베인들(22)의 심각한 노후화(deterioration)를 초래할 수 있다. 이는 특히, TBC(26)가 깨지거나 또는 다른 방식으로 노후화되는 경우일 수 있다. 본 발명의 실시예들은, 컴포넌트들이, 연소 터빈(10)의 동작 동안 컴포넌트의 상태를 나타내는 데이터를 실시간 또는 거의 실시간으로 전송할 수 있기 때문에 유리하다.
미국 특허 번호 제 6,576,861호 ― 상기 미국 특허의 개시내용은 인용에 의해 본 명세서에 명확하게 포함됨 ― 는, 센서들을 송신기들과 연결하기 위한 또는 다른 방식으로 데이터 신호들을 라우팅하기 위한 커넥터(connector)들 및 센서들의 실시예들을 증착하기 위해 이용될 수 있는 방법 및 장치를 개시한다. 이와 관련하여, 상기 미국 특허에 개시된 방법들 및 장치는, 마스크(mask)들을 이용할 필요 없이, 약 100 미크론(microns) 내지 500 미크론의 미세 센서 및/또는 커넥터 피처(feature)들의 패터닝(patterning)을 위해 이용될 수 있다. 다층 전기 회로들 및 센서들은, 전도성 재료들, 저항성 재료들, 유전체 재료들, 절연성 재료들, 및 다른 애플리케이션(application) 특정 재료들을 이용하여 피처들을 증착함으로써 형성될 수 있다. 대안적인 방법들, 이를 테면, 열적 스프레잉(spraying), 기상 증착, 레이저 소결(laser sintering)이 다층 전기 회로들, 센서들, 및 커넥터들을 증착하기 위해 이용될 수 있고, 더 낮은 온도들에서 스프레잉된 재료의 증착들을 경화하는 것뿐만 아니라 다른 적합한 기법들이 이용될 수 있다.
도 2는 압축기(12)로부터 제거된 인접한 베인들(23)의 쌍을 예시하는데, 하나의 베인(23)은, 베인의 상태를 검출하기 위해 상기 베인에 장착된 또는 연결된 센서(50)를 갖는다. 리드 라인(lead line) 또는 커넥터(52)는, 센서(50)로부터 송신기(54)로 데이터 신호를 라우팅하기 위한 수단으로서 증착될 수 있고, 상기 송신기(54)는 데이터 신호를 트랜시버(transceiver)(56)로 무선으로 전송하기 위해 구성된다. 커넥터(52)는, 센서(50)로부터 송신기(54)로 신호를 전도하기 위한 하나 또는 복수의 전기 리드들일 수 있다. 대안적인 실시예들은, 특정 애플리케이션에 따라, 다양한 타입(type)들의 커넥터들(52)이, 센서(50)로부터 송신기(54)로 데이터 신호를 라우팅하기 위한 수단으로서 이용되도록 허용한다.
송신기들(54)은 다중-채널일 수 있고, 연소 터빈(10)의 케이싱 내에서의 상기 송신기들(54)의 위치에 따라 다양한 규격들을 가질 수 있다. 송신기들(54)은 압축기(12)의 초기 스테이지(stage)들 내에서 기능하도록 구성될 수 있고, 이들은 약 80℃ 내지 120℃의 동작 온도들을 겪는다. 송신기들(54)은 압축기(12)의 나중 스테이지들 내에서 기능하도록 구성될 수 있고 및/또는 터빈(16)의 스테이지들은 약 120℃ 초과의 그리고 약 300℃까지의 동작 온도들을 겪는다. 송신기들(54)은 SOI(silicon-on-insulator) 기술 및 약 120℃를 초과하는 온도들을 갖는 범위들에서 동작할 수 있는 다른 재료들을 이용하여 제조될 수 있다.
도 3은 압축기 베인(23)의 개략적인 평면도를 예시하며, 압축기 베인(23)은 이에 연결된 센서(50) 및 센서(50)를 송신기(54)와 연결하는 커넥터(52)를 갖는다. 송신기(54)에 전력을 공급하기 위해 적합하게 사이징(size)된 배터리(battery)와 같은 전력원(51)이 제공될 수 있다. 송신기(54)는 커넥터(52)를 통해 센서(50)로부터 신호들을 수신할 수 있고, 상기 신호들은 이후에 트랜시버(56)에 무선으로 전송된다. 트랜시버(56)는 허브(hub)(58) 상에 또는 압축기(12) 외부 표면 상에, 이를 테면, 도 1에 도시된 예시적인 위치들에 장착될 수 있다. 트랜시버(56)가 송신기(54)로부터의 RF 신호와 같은 무선 데이터 송신을 수신하기 위해 송신기(54)에 충분히 가까이 있다면, 상기 트랜시버(56)는 다양한 위치들에 장착될 수 있다.
하나 또는 둘 이상의 센서들(50)은, 센서들(50) 및 커넥터들(52)을 베인(23)의 표면 상에 직접 제조 또는 증착함으로써, 하나 또는 둘 이상의 압축기 베인들(23)과 연결될 수 있다. 커넥터(52)의 원단부(53)가 송신기(54)로의 연결을 위해 노출되도록, 커넥터(52)는 센서(50)로부터 베인(23)의 주변 에지(edge)와 같은 종단 위치로 연장될 수 있다. 센서(50) 및 커넥터(52)는 베인(23)의 공기역학(aerodynamics)에 대한 임의의 유해한 영향을 최소화하기 위해 베인(23) 상에 포지셔닝될 수 있다. 실시예들은 커넥터들(52)의 원단부(53)가 종단 위치에서 노출되는 것을 허용하고, 상기 종단 위치는 컴포넌트의 주변 에지 또는 다른 적합한 위치에 가까울 수 있다. 이는, 현장 기술자가 자신의 위치와 무관하게 커넥터(52)를 송신기(54)에 신속하고 용이하게 연결하는 것을 허용한다.
도 4는 이트리아-안정화 지르코니아일 수 있는 TBC(60)와 같은 배리어 코팅 내에 증착될 수 있는 예시적인 센서(61)를 예시한다. TBC(60)는 본드 코트(bond coat)(62) 상에 증착될 수 있고, 본드 코트는 기판(64) 상에 증착될 수 있다. 기판(64)은 터빈 블레이드(18)와 같은, 터빈(16)에서 사용하기에 적합한 초합금(superalloy)과 같은 다양한 컴포넌트들일 수 있다. 센서(61)는 다양한 목적들을 위해 형성될 수 있고, 종래의 K, N, S, B 및 R-타입 열전쌍(thermocouple) 재료, 또는 그들 각각의 구성 엘리먼트들의 임의의 조합 ― 상기 조합이, 연소 터빈(10) 내에 특정 애플리케이션을 위해 허용가능한 열전기(thermoelectric) 전압 을 발생시키는 경우 ― 을 이용하여 증착된 열전쌍들(66)을 포함할 수 있다.
타입 K 열전쌍 재료들 NiCr 또는 NiAl은 대략 800℃까지의 동작 환경을 갖는 압축기(12)의 섹션(section)들에서 이용될 수 있다. 예를 들어, NiCr(20)은 압축기(12)에 스트레인 게이지(strain gage)를 증착하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, NiCrSi 및 NiSi의 합금들과 같은 타입 N 열전쌍 재료는, 대략 800℃ 내지 1150℃의 동작 환경을 갖는 터빈(16)의 섹션들에 센서들을 증착하기 위해 이용될 수 있다.
타입 S, B 및 R 열전쌍 재료들은, 대략 1150℃ 내지 1350℃의 동작 환경을 갖는 터빈(16)의 섹션들에 센서들을 증착하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, Pt-Rh, Pt-Rh(10) 및 Pt-Rh(13)은 ― 상기 재료가 연소 터빈(10) 내에 특정 애플리케이션을 위해 허용가능한 열전기 전압을 발생시키는 경우 ― 터빈(16) 내에 센서들(50)을 형성하기 위해 증착될 수 있다. Ni 합금들, 예를 들어, NiCr, NiCrSi, NiSi 및 다른 내산화성 Ni-기반 합금들, 이를 테면, MCrAlX ― 여기서, M은 Fe, Ni 또는 Co일 수 있고, X는 Y, Ta, Si, Hf, Ti, 및 이들의 조합들일 수 있음 ― 가, 압축기(12)의 더 깊은 섹션들에서 그리고 터빈(16) 전체에 걸쳐 고온 애플리케이션들을 위해 센싱(sensing) 재료들로서 이용될 수 있다. 이러한 합금들은, 열유속 센서들, 스트레인(strain) 센서들 및 마모 센서들과 같은 센서들을 형성하기 위해 다양한 센싱 구성들로 증착된 센싱 재료로서 이용될 수 있다.
연소 터빈(10) 내의 컴포넌트들, 이를 테면, 블레이드들(18, 19) 및/또는 베인들(22, 23)은, 컴포넌트의 표면에 정합되게 증착된 및/또는 배리어 내에 임베딩(embed)된 애플리케이션 특정 센서들(50) 또는 연소 터빈(10) 내에 증착된 다른 코팅을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 5는 임베딩된 또는 표면 장착된 센서(74)를 무선 텔레메트리 디바이스(76)와 연결하기 위해 증착된 커넥터들(72)과 같은, 내고온성 리드 와이어(wire)들을 갖는 예시적인 터빈 블레이드(70)를 도시하고, 상기 터빈 블레이드(70)는 터빈(16)의 로우 1로부터의 블레이드일 수 있다. 디바이스(76)는, 텔레메트리 컴포넌트들이 비교적 더 낮은 온도들에 노출되는 위치에, 이를 테면, 동작 온도가 통상적으로 약 150℃ 내지 250℃ 및 그 초과인, 블레이드(70)의 루트(78)에 가깝게 장착될 수 있다.
실리콘-기반(silicon-based) 전자 반도체들, 이를 테면, 데이터를 전송하기 위해 이용될 수 있는 전자 반도체들은, 자신들의 동작 온도 제약들로 인해 적용들이 제한될 수 있다. 실리콘 및 SOI 전자 칩(chip) 기술들의 온도 및 성능 특성들은, 그들의 적용들을, 약 200℃ 미만의 동작 환경들로 제한할 수 있다. 본 발명의 양상들은 이러한 전자 시스템들이, 통상적으로 약 100℃ 내지 150℃의 동작 온도를 갖는, 압축기(12) 내의 무선 텔레메트리 디바이스(76)를 위해 배치되는 것을 허용한다.
무선 텔레메트리 센서 시스템들의 실시예들은, 압축기(12)의 나중 스테이지들에 존재하는 더 높은 온도 범위들 내에서 그리고 터빈(16) 내에서 동작하도록 구성될 수 있다. 이러한 구역들은 약 150℃ 내지 250℃ 및 그 초과의 동작 온도들을 가질 수 있다. 이러한 더 높은 온도 범위들에서 동작할 수 있는 온도 및 전기 특성들을 갖는 재료들은, 센서들(50, 74), 커넥터들(52, 72)을 증착하기 위해 그리고 무선 텔레메트리 디바이스들(76)을 제조하기 위해 이용될 수 있다.
센서들(50, 74) 및 고온 상호연결 라인들 또는 커넥터들(52, 72)은, 플라즈마 스프레잉(plasma spraying), EB PVD, CVD, 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition), 미니-플라즈마(mini-plasma), 직접-인쇄(direct-write), 미니-HVOF(mini-HVOF) 또는 솔루션(solution) 플라즈마 스프레잉과 같은 알려진 증착(deposition) 프로세스들을 이용하여 증착될 수 있다. 통상적으로, 동적 압력 측정들, 동적 및 정적 스트레인, 및 동적 가속 측정들이, 컴포넌트 표면 온도 및 열유속 측정들과 함께, 연소 터빈(10)의 정지 및 회전 컴포넌트들 양측 모두 상에서 요구된다. 따라서, 임베딩된 또는 표면 장착된 센서들(50, 74)은 스트레인 게이지들, 열전쌍들, 열유속 센서들, 압력 트랜스듀서( transducer)들, 마이크로-가속도계(micro-accelerometer)들뿐만 아니라 다른 원하는 센서들로서 구성될 수 있다.
도 6은 무선 텔레메트리 디바이스(76)의 대표 실시예의 개략도이다. 디바이스(76)는, 일체형 안테나 및/또는 전력원과 함께 또는 일체형 안테나 및/또는 전력원 없이, 회로 보드 또는 통합형 칩 상에 엠보싱(emboss)된, 표면 장착된 또는 다른 방식으로 증착된, 저항기들, 커패시터(capacitor)들, 인덕터(inductor)들, 트랜지스터(transistor)들, 트랜스듀서들, 변조기들, 오실레이터(oscillator)들, 송신기들, 증폭기들, 및 다이오드(diode)들과 같은 복수의 전자 컴포넌트들을 포함하는 상기 회로 보드 또는 통합형 칩으로서 형성될 수 있다. 무선 텔레메트리 디바이스(76)의 실시예들은 압축기(12) 및/또는 터빈(16)에서 사용하기 위해 제조될 수 있다.
무선 텔레메트리 디바이스(76)는, 상호연결들(98)을 통해 서로 전기적으로 연결된 보드(80), 전자 회로(90), 연산 증폭기(92), 변조기(94) 및 RF 오실레이터/송신기(96)를 포함할 수 있다. 도 6의 실시예는 예시적인 실시예이고, 성능 규격들 및 동작 환경들에 따라 디바이스(76)의 다른 실시예들이 고려된다. 디바이스(76)의 실시예들은 전력원(100), 및 전송 및 수신 안테나(102)가 보드(80) 상에 제조되는 것을 허용하고, 이에 의해, 도 2 및 도 3에 도시된 송신기(54)와 같은 송신기 또는 도 5에 도시된 무선 텔레메트리 디바이스(76)를 형성한다.
도 7은 블레이드 루트(112)를 갖는 블레이드(110)와 같은 예시적인 블레이드의 부분 사시도를 예시하며, 상기 블레이드는 압축기(12) 내의 압축기 블레이드일 수 있다. 하나 또는 둘 이상의 리세스들(recesses) 또는 트렌치들(trenches)(114)이 루트(112) 내에, 이를 테면, 블레이드 루트(112)의 바닥부 내에 형성될 수 있다. 리세스들(114)은 다양한 형상들 또는 치수들로 형성되고, 블레이드 루트(112)의 길이를 따라 다양한 위치들에서 상기 블레이드 루트(112) 내에 로케이팅(locate)될 수 있다. 하나 또는 둘 이상의 리세스들 또는 트렌치들(116)이 블레이드 루트(112)의 하나 또는 둘 이상의 면들(118)에 형성될 수 있다. 리세스들(116)은 다양한 형상들 또는 치수들로 형성되고 면(118) 내의 다양한 위치들에서 블레이드 루트(112) 내에 로케이팅될 수 있다. 리세스들(114, 116)은 다양한 방법들을 이용하여, 이를 테면, 블레이드(110))가 캐스팅(cast)된 후에, 상기 리세스들(114, 116)을 밀링(milling)함으로써, 또는 상기 리세스들(114, 116)을 블레이드(110) 몰드(mold)의 부분으로서 형성함으로써, 형성될 수 있다.
도 8은 블레이드 루트(112) 내에 부착된 무선 텔레메트리 디바이스(76)의 컴포넌트들과 함께 계장화된 압축기 블레이드(110)를 예시한다. 이와 관련하여, 무선 텔레메트리 디바이스(76)의 대안적인 실시예들은, 도 6에 도시된 하나 또는 둘 이상의 전기 컴포넌트들(90, 92, 94, 96, 100, 102)이, 블레이드 루트(112)와 같은 계장화된 컴포넌트와 전기적으로 연결 및 부착되는 별개의 보드들(80) 상에 포함되거나 또는 별도로 장착되는 것을 허용한다. 예를 들어, 도 6에 도시된 전송 및 수신 안테나(102)는 보드(80)와 별도로 장착되고, 상기 보드(80)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 보드(80)는 자신 상에 형성되고 안테나(102)와 전기적으로 연결되는 송신기(122)를 갖는다.
안테나(120)는 리세스(116) 내에 놓일 수 있고, 송신기(122)는 리세스(114) 내에 놓일 수 있다. 이러한 양상에서, 안테나(120) 및 송신기(122)는 보드(80) 상에 장착/엠보싱 또는 증착되지 않는다. 다른 실시예들에서, 안테나(120)는 도 6에 도시된 바와 같이, 무선 텔레메트리 보드(board)(80) 상에 증착될 수 있고, 데이터는 무선 텔레메트리를 이용하여 수신기, 이를 테면, 고정 장착된 트랜시버(56)에 전송될 수 있다. 전력원(100)은 보드(80)와 일체가 될 수 있거나 또는 보드와 별도로 로케이팅되어 별개의 컴포넌트로서 장착될 수 있다.
도 9는 터빈 블레이드들(18) 중 하나와 같은 터빈 블레이드일 수 있는 예시적인 블레이드(130)의 부분도를 예시한다. 터빈 블레이드(130)는, 블레이드(130)가 연소 터빈(10)의 동작을 위해 고정될 수 있는 터빈(16)의 회전자 디스크(disk)와 결합하기 위해 외측 몰드 라인(outer mold line)을 규정하는 루트 부분(132)을 포함한다. 센싱 재료는 센서(134)를 형성하기 위해 블레이드의 표면 상에 증착된 배리어 코팅 내에 또는 블레이드(130) 상에 증착될 수 있다. 연결 재료는, 센서(134)로부터의 데이터 신호들이 송신기(138)에, 그리고 이후에 회전 안테나 어셈블리(142)에 통신될 수 있도록, 커넥터들(140)을 형성하기 위해 증착될 수 있다. 리세스(136)는, 하나 또는 둘 이상의 커넥터들(140)이 블레이드(130)의 외측 표면 아래에 놓이도록, 블레이드(130)의 부분 내에 형성될 수 있다.
송신기(138) 및 안테나 어셈블리(142)는, 루트(132)에 의해 규정된 외측 몰드 라인이 변경되지 않도록, 블레이드(130)와 일체로 고정될 수 있다. 예를 들어, 송신기(138)는 루트(132)의 퍼 트리(fir tree) 부분 위의 전이 영역 또는 플랫폼(platform)에 부착될 수 있고, 안테나 어셈블리(142)는 루트(132)의 면에 부착될 수 있다. 대안적으로, 리세스들은, 송신기(138) 및/또는 안테나 어셈블리(142)의 전부 또는 일부가 블레이드 루트(172)의 외측 몰드 라인의 표면 아래에 놓이도록, 플랫폼 및 면 내에 형성될 수 있다. 송신기(138) 및 안테나 어셈블리(142)는 에폭시(epoxy) 또는 접착제를 이용하여 각각의 리세스들 내에 고정될 수 있고, 백필(backfill) 재료는 고온들 또는 미립자들로부터의 보호를 위해 이들 위에 위치될 수 있다.
도 5와 관련하여, 무선 텔레메트리 디바이스(76)는, 블레이드 루트의 외측 몰드 라인이 현저하게 변경되지 않도록 하는 그러한 방식으로, 블레이드 루트(78) 외부에 부착되거나 또는 임베딩될 수 있다. 디바이스(76)는, 블레이드 루트(78)가 회전자 디스크 내에 삽입될 때, 블레이드 루트(78)와 터빈(16)의 회전자 디스크 사이에 생성되는 공동(cavity) 내에 상기 디바이스(76)가 포함되도록, 블레이드 루트(78) 가까이 부착될 수 있다. 이는, 센서(74), 커넥터들(72), 및 디바이스(76)와 함께 계장화된 터빈 블레이드(70)가, 계장화되지 않은 터빈 블레이드와 동일한 방식으로 터빈(16)의 회전자 디스크의 결합 세그먼트에 설치되는 것을 가능하게 한다. 이와 관련하여, 계장화된 블레이드(70)는, 블레이드(70) 및/또는 상기 블레이드(70) 상에 증착된 배리어 코팅의 다양한 동작 파라미터(parameter)들 또는 상태들을 나타내는 데이터를 무선으로 추출하고, 그러한 데이터를 수신 디바이스에 전송하기 위해 필요한 모든 컴포넌트들을 갖게 제조될 수 있다.
예를 들어, 하나 또는 둘 이상의 리세스들 또는 트렌치들이, 하나 또는 둘 이상의 무선 텔레메트리 디바이스들(76)이 포함될 수 있는 블레이드 루트(78)와 같은, 블레이드(70)의 기판의 부분에 형성될 수 있다. 트렌치들은, 블레이드 루트(78)의 원하는 구역들을 밀링함으로써 형성되고 에폭시 또는 다른 적합한 바인더(binder)를 이용하여 디바이스(76)가 트렌치 내에 고정될 수 있다. 트렌치들은, 디바이스(76)를 보호하기 위해, 적절하게 높은 온도의 시멘트 또는 세라믹 페이스트(paste)로 백 필링(back fill)될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 약 300℃ 내지 500℃의 온도를 갖는 환경에서 동작하는, 블레이드의 루트(132) 상에 로케이팅된 특정 전자 컴포넌트들을 갖는 터빈 엔진 블레이드(130)와 같은 회전 컴포넌트로부터 센서 데이터를 전송하는 것을 허용한다. 본 명세서에서 본원의 목적들을 위해, 부가적인 조건 없이 "고온"이라는 용어는, 약 300℃ 내지 500℃의 최대 동작 온도를 갖는, 연소 터빈(10)의 부분들 내의 동작 환경과 같은 임의의 동작 환경을 나타낼 것이다.
본 발명의 실시예들은, 하나 또는 둘 이상의 센서들, 센서들을 적어도 하나의 텔레메트리 송신기 회로와 연결하는 리드 라인들, 적어도 하나의 전송 안테나, 전력원 및 적어도 하나의 수신 안테나를 포함할 수 있는 텔레메트리 시스템들과 함께 계장화된 연소 터빈(10)에서의 사용을 위해 컴포넌트들을 제공한다. 도 10은 터빈 블레이드(130), 무선 텔레메트리 송신기 어셈블리(150), 및 회전 안테나 어셈블리(142)를 예시한다. 리드 라인들 또는 커넥터들(152)은, 센서들(70, 134)과 같은 하나 또는 둘 이상의 센서들로부터 텔레메트리 송신기 어셈블리(150) ― 블레이드 루트(132) 가까이 장착될 때 ― 로 연장될 수 있다. 리드 라인들(152)은 센서(70, 134)로부터 텔레메트리 송신기 어셈블리(150)로 전자 데이터 신호들을 라우팅할 수 있고, 상기 텔레메트리 송신기 어셈블리(150)에서, 신호들은, 도 11에 도시된 일렉트로닉스 패키지(electronics package)(154) 내에 포함된 회로 보드 상에 형성된 텔레메트리 송신기 회로에 의해 프로세싱된다. 리드 라인들 또는 커넥터들(140)은 텔레메트리 송신기 회로로부터 회전 안테나 어셈블리(142)로 전자 데이터 신호들을 라우팅하기 위해 증착될 수 있다.
도 11은, 고온 회로 보드를 포함하고 텔레메트리 송신기 어셈블리(150)의 일부분을 형성할 수 있는 고온 일렉트로닉스 패키지(154)를 예시한다. 일렉트로닉스 패키지(154)의 주 몸체는 Fe-Ni-Co의 합금인, 코바(Kovar)와 같은 합금들로 제조될 수 있다. 코바의 열팽창 계수는, 정확한 조성에 따라, 약
의 범위이다. 통상적으로 고온 터빈 컴포넌트들, 이를 테면, 터빈 블레이드(130)를 위해 이용되는 Ni-기반 합금들은 약 
의 범위의 열팽창 계수들을 갖는다. 일렉트로닉스 패키지(154)는, 일렉트로닉스 패키지(154)와 터빈 블레이드(130) 사이의 상대적 움직임을 허용하면서 적소에 단단히 부착될 수 있다. 이러한 상대적 움직임은 그들의 상이한 열팽창 레이트(thermal expansion rate)들로부터 초래될 수 있고, 이는 주위 공기 온도와, 블레이드 루트(132) 가까이에서 통상적으로 경험되는 >450℃ 동작 온도 사이에서의 큰 수의 열적 사이클(thermal cycle)들 동안의 시간에 걸쳐 발생한다.
도 11에서 최상으로 도시된 바와 같은 텔레메트리 송신기 어셈블리(150)는, 장착 브래킷(mounting bracket)(156)과 덮개 또는 커버 플레이트(lid or cover plate)(158)와 함께 이들 사이에 포지셔닝된 일렉트로닉스 패키지(154)를 포함할 수 있다. 복수의 연결 핀(connecting pin)들(155)은 패키지(154) 내에 포함된 전자 회로 보드, 이를 테면, 패키지에 제조된 무선 텔레메트리 회로를 갖는 전자 회로 보드와, 다양한 외부 디바이스들, 이를 테면, 데이터 송신 안테나들, 유도 코일 어셈블리들, 및/또는 센서들로부터의 리드 라인들 사이의 연결을 가능하게 한다. 장착 브래킷(156), 커버 플레이트(158), 및 이들을 함께 연결하는 유지 나사(retention screw)들(159)은 모두, 터빈 블레이드(130)와 동일한 재료로 제조될 수 있다. 이는, 터빈 블레이드(130)와 장착 브래킷(156) 사이의 열팽창에 있어서 어떠한 차이도 존재하지 않는다는 것을 보장한다. 결과적으로, 열 천이(thermal transient)들 동안 장착 브래킷(156) 및/또는 터빈 블레이드(130)에서 어떠한 응력(stress)들도 발생되지 않는다.
일렉트로닉스 패키지(154)의 열팽창 계수는 장착 브래킷(156)의 열팽창 계수 ― 이러한 컴포넌트들이 놓이는 동작 시스템이 고온에 있을 때 ― 보다 더 낮을 수 있다. 결과적으로, 일렉트로닉스 패키지(154) ― 그 내부에 포함된 임의의 회로 보드를 구비함 ― 는 장착 브래킷(156) 미만으로 팽창할 것이고, 이는 시스템에서 진동 에너지에 의해 야기되는 손상을 초래할 수 있다. 브래킷(156)과 일렉트로닉스 패키지(154) 사이의 치수 변화 격차를 수용하도록 장착 브래킷(156) 내에 일렉트로닉스 패키지(154)를 고정하기 위해, 세라믹 섬유 직물(160)의 층이 일렉트로닉스 패키지(154)와 장착 브래킷(156)의 내부면 사이에 위치될 수 있다. 직물(160)은, 실리콘 탄화물(carbide), 실리콘 질화물(nitride) 또는 알루미늄 산화물(aluminum oxide)과 같은 섬유들을 포함하는 적합한 세라믹 섬유로 제조될 수 있다. 예를 들어, 3M에 의해 제조된 많은 Nextel™ 알루미늄 산화물 기반 섬유가 섬유(160)를 위해 이용될 수 있다.
텔레메트리 송신기 어셈블리(150)를 형성하기 위해 장착 브래킷(156) 및 커버 플레이트(158)와 함께 어셈블링(assemble)된 일렉트로닉스 패키지(154) 및 세라믹 섬유 직물(160)에 있어서, 장착 브래킷(156)은 부착하기 위한 적합한 수단, 이를 테면, 볼팅(bolting), 용접(welding), 브레이징(brazing)에 의해 또는 천이 액상 본딩(bonding)을 통해 터빈 블레이드(130)에 부착될 수 있다. 도 10은 어셈블리(150)를 수용하기 위해 블레이드 루트(132)에 가까운 터빈 블레이드(130) 내에서 밀링 또는 다른 방식으로 형성될 수 있는 리세스 또는 플랫 포켓(flat pocket)(162)을 예시한다.
커버 플레이트(158)는, 회전 터빈 블레이드(130)가 전속력으로 동작할 때 발생하는 중력하중(G-load force)들에 반대되는 구조적인 지지를 커버 플레이트에 부가하기 위해, 중력(G-force)들의 방향과 수직으로 배향된 플랜지(flange)(164)와 함께 형성될 수 있다. 이는 중력들을 통해 커버 플레이트(158)에 적용된 하중을 버티는(carry) 것으로부터 유지 나사들(159)을 완화시키고, 텔레메트리 송신기 어셈블리(150)가 임의의 인접한 컴포넌트들과의 어떠한 간섭도 없이 비교적 작은 리세스(162)에 피팅(fit)되도록, 상기 유지 나사들(159)이 충분히 작게 제조되도록 허용한다. 유지 나사들(159)이 중력들에 의해 적용된 하중을 버티도록 요구되었다면, 상기 유지 나사들(159)의 요구된 크기는 이용가능한 공간에 피팅되기에는 너무 컷을 것이다.
도 10은 회전 안테나 어셈블리(142)가 루트(132)의 넥(neck) 또는 단부면에 부착될 수 있다는 것을 도시한다. 어셈블리(142)는, 터빈 블레이드(130)의 루트(132)를 포함하는 상기 터빈 블레이드(130)와 같은 터빈 고온 가스 경로 컴포넌트들을 위해 이용된 Ni-기반 합금들의 열팽창 계수들과 상이한 열팽창 계수들을 갖는 전자 어셈블리일 수 있다. 하나 또는 둘 이상의 회전 안테나 어셈블리들(142)은 음속에 가까운 속도의 터빈 블레이드(130)의 회전 동안 윈디지(windage)로부터 보호될 수 있다. 실시예에서, 윈디지 보호 재료는, 이 재료를 통한 전력 및 데이터의 전송을 가능하게 하기 위해 RF 방사 주파수들에 투과적이다.
회전가능 안테나 어셈블리(142)의 실시예들은, 본질적으로 중공 픽스처(hollow fixture)인, 도 10 및 도 12에 도시된 내구성 있는 보호용 RF 투과성 커버(170)를 포함할 수 있고, 상기 중공 픽스처 내에 데이터 안테나 및 유도 전력 컴포넌트들이 포함된다. RF 투과성 커버(170)는 연소 터빈(10)의 동작 동안 자신의 콘텐츠를 윈디지 및 고온 가스 유입으로부터 보호한다. 특정 세라믹들은, 상승된 온도들의 엘리먼트들로부터 RF 송신 장비를 보호하기에 적합하다. 그러나, 많은 세라믹들 및 세라믹 매트릭스 복합물(matrix composite)들은, 연소 터빈(10)의 동작 동안 회전 터빈 블레이드(130)가 경험하는 진동 충격 및 중력하중(G-loading) 하에서 조각나고(chipping) 균열되기(cracking) 쉽다.
본 발명의 발명자들은, RF 투과성 커버(170)가 RF 투과성의 고인성(high toughness) 구조 세라믹 재료들로 제조될 수 있다는 것을 밝혀냈다. 인성강화(toughened) 세라믹들로 알려진 재료군으로부터 선택된 재료뿐만 아니라, 세라믹 매트릭스 복합물들이 하우징(170)을 제조하기 위해 이용될 수 있다. 실리콘 탄화물, 실리콘 질화물, 지르코니아 및 알루미나(alumina)와 같은 재료들이, 특정 프로세싱 접근방식들로부터 초래되는 설계 미세구조들 및/또는 부가적인 엘리먼트들을 이용한 도핑(doping)으로 인해 증가된 인성을 가지고 이용가능하다.
RF 투과적이고, 형성하기 용이하고, 비교적 저렴한 하나의 이러한 재료는, 일반적으로 지르코니아-인성강화 알루미나(zirconia-toughened alumina; ZTA)로 지칭되는 세라믹군으로부터 선택된 재료이다. 이러한 알루미늄 산화물 재료군으로부터 선택된 세라믹 재료는, 종래의 순수 알루미늄 산화물 재료들보다 강도 및 인성이 상당히 더 높다. 이는, 알루미늄 산화물 전체에 걸쳐 균일하게 미세 지르코늄 산화물 입자(fine zirconium oxide particle)들을 포함시킴으로써 달성된 응력-유도 변형 인성강화(stress-induced transformation toughening)로부터 초래된다. 통상의 지르코늄 산화물 함량은 10% 내지 20%이다. 그 결과, ZTA는, 종래의 순수 알루미늄 산화물 재료들에 비해 증가된 컴포넌트 수명 및 성능을 제공한다.
ZTA의 설계 미세구조는, 세라믹이 압축에 로딩될 때, 내파괴성(fracture-resistant)이 있다. 그러나, 장력에 있어서 충분하게 로딩되는 경우, 세라믹은 종래의 세라믹 재료들처럼, 파국적으로 실패할 것이다. 결과적으로, RF 투과성 커버(170)는, 연소 터빈(10)의 동작 동안 세라믹 재료의 인장 응력(tensile stress)들이 최소화되도록 설계된다. 이는, (1) ZTA 컴포넌트들의 모든 코너(corner)들, 에지들, 및 벤드(bend)들에서의 응력 집중 팩터(factor)를 감소시키기 위해, 날카로운 코너들 및 에지들이 제거되게 이러한 위치들이 머시닝(machine)되도록, 그리고 (2) 동작 동안 ZTA 박스(box)에 적용된 중력들이 부착 플랜지(attachment flange)들에서 현저한 벤딩(bending) 응력들을 발생시키기 않게, 회전 안테나 장착 브래킷(174)에서의 ZTA 컴포넌트의 배향 및 피팅이 되도록, 설계 및 제조함으로써 달성된다. 이는, 플랜지들을 중력하중 방향에 수직하게 보다는 중력하중 방향과 평행하게 배향함으로써 달성되고, 그러므로 ZTA 플랜지는 벤딩이 아닌 압축에서 로딩된다.
도 12는, 도 10에서 터빈 블레이드(130)에 부착된 것으로 도시된 바와 같이, 회전 안테나 어셈블리(142)를 형성하기 위해, 회전 안테나 장착 브래킷(174)이 RF 투과성 커버(170)와 함께 어셈블링될 수 있는 것을 예시한다. 회전 안테나 장착 브래킷(174)과 RF 투과성 커버(170) 사이의 인터페이스 로딩(interface loading)은 RF 투과성 커버(170)에서 발생하는 인장 응력들을 최소화한다. 상기 설계는, RF 투과성 커버(170)에서 발생하는 인장 응력들이 최소 파괴 응력 미만이도록 되어, 구조적인 컴포넌트에 대해 긴 수명이 초래되는 그러한 것이다. 장착 브래킷(174)은 터빈 블레이드(130)와 동일한 금속으로 이루어질 수 있는데, 그 이유는 상기 장착 브래킷(174)과 상기 터빈 블레이드(130) 사이의 균일한 열팽창 계수가, 가열 및 냉각 사이클들 동안 부착 구역에서 최소 응력들이 발생되는 것을 초래할 것이기 때문이다.
장착 브래킷(174)은, 연소 터빈(10)의 동작 동안 회전 안테나 어셈블리(142)에 의해 경험되는 모든 중력하중이, 도 12의 화살표 G에 의해 표시된 바와 같이, 브래킷(174)의 상단부(178)를 향하여 연장되는 방향으로 흡수되도록 설계될 수 있다. 장착 브래킷(174)의 어떠한 부분도, RF 송신 데이터 신호를 감쇠시키도록 그 안에 포함된 안테나를 지나 충분히 멀리 연장되지 않는다. RF 투과성 커버(170)는 적소에 고정되고, 그러므로 그의 내부 응력 필드(field)는 주로 압축적이고, 그의 플랜지들 상의 반원형 디벗(semicircular divot)들을 관통하는 나사형(threaded) 핀들(도시되지 않음)을 이용하여 유지될 수 있다.
장착 브래킷(174)은 용접, 브레이징, 본딩, 볼팅 또는 나사고정(screwing)과 같은 종래의 수단을 통해 터빈 블레이드 루트(132)의 면에 부착될 수 있다. 회전 안테나 어셈블리(142)의 실시예는, 원하는 안테나들을 RF 투과성 커버(170)의 중공 몸체에 위치시키고, 안테나들로부터의 리드 와이어들(171)을 커버(170) 내에 형성된 관통 홀(through hole)들 밖으로 공급하고, 그 다음으로, 안테나들을 포함하는 커버(170)의 중공 몸체를 세라믹 포팅(potting) 재료로 필링(fill)함으로써 어셈블링될 수 있다. 그 다음으로, 안테나들을 포함하는 포팅된 RF 투과성 커버(170)는 장착 브래킷(174)으로 슬라이딩(slid)될 수 있고, 상기 장착 브래킷(174)은 사전에 터빈 블레이드 루트(132)에 부착되었을 수 있다. 커버(170)는 장착 브래킷(174)의 홀들에 삽입된 핀들 및 커버(170)의 디벗들을 통해 장착 브래킷(174)에 고정될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 다양한 수단, 이를 테면, 유도 RF 에너지에 의해 및/또는 연소 터빈 엔진(16) 내의 열적 또는 진동 파워(power)를 수확(harvest)함으로써 전력을 공급받을 수 있다. 에너지 수확 파워 모델(model)에서, 동작하는 연소 터빈 엔진(16)에서 이용가능한 에너지로부터 열전기 또는 진동-전기 파워가 발생될 수 있다. 열전쌍열(thermopile)들이 열에너지로부터 전기를 발생시키기 위해 이용될 수 있거나, 또는 압전 재료들이 연소 터빈 엔진(16)의 진동으로부터 전기를 발생시킬 수 있다. 이러한 전력원들의 형태들의 예들은, 2006년 9월 6일 출원된, 출원 번호 제 11/516,338호를 갖는 특허 출원에서 기술되었고, 상기 특허 출원의 전체 개시내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 발명의 실시예들은, 무선 고온 텔레메트리 시스템들의 컴포넌트들에 전력을 공급하기 위해 유도 전력 모드(mode)들을 제공한다. 이러한 시스템들은 공극 변압기들로서 구성될 수 있고, 상기 공극 변압기들에서 변압기 1차 유도 코일 어셈블리(186)는 고정형이고, 2차 유도 코일 어셈블리(195)는 회전한다. 예를 들어, 유도 RF 전력 구성은, 텔레메트리 송신기 어셈블리(150) 내에 포함된 회전 텔레메트리 송신기에 전력을 공급하기 위해 제공된다. 도 13은 연소 터빈(10)의 터빈 엔진(16) 내에서 이용될 수 있는 것과 같은 정적 시일 세그먼트(180)의 일부분을 예시한다. 복수의 정적 시일 세그먼트들(180)은 복수의 터빈 블레이드들(130)에 인접한 터빈 엔진(16)을 둘러쌀 수 있다. 정적 시일 세그먼트들(180)은, 당업자들에 의해 인식되는 바와 같이, 터빈 엔진(16)을 통과하는 고온 가스 경로 내에 고온 가스를 실링(seal)하기 위해 터빈 블레이드들(130)과 협력할 수 있다.
도 13은 아치형 브래킷(arcuate bracket)(182) ― 아치형 브래킷(182)은 그 내부에 형성된 각각의 채널(channel)들 또는 홈(groove)들을 가짐 ― 을 도시하고, 채널 또는 홈 내에 정지 데이터 송신 안테나(184) 및 정지 1차 유도 코일 어셈블리(186)가 고정될 수 있다. 데이터 송신 안테나(184)는, 데이터 송신 안테나(184)를 브래킷(182)과 고정하기 위해 비-전도성 홀더(non-conducting holder)(185)로 삽입될 수 있다. 비-전도성 홀더(185)는, 데이터 송신 안테나(184)가, 금속으로 제조될 수 있는 브래킷(182)과 접촉하지 않는 것을 보장하고, 이에 의해 올바른 동작을 보장한다. 비-전도성 홀더(185)는 RF 투과성 커버(170)를 위해 이용된 동일한 ZTA 인성강화 세라믹 재료로 제조될 수 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 아치형 브래킷(182)에서 안테나(184)를 이용하는 경우, 홀더(185)는 유연성을 제공하기 위해 세그먼트화(segmenting)될 수 있고, 이는 만곡된 브래킷(bracket)(182) 내의 설치를 허용한다. 동일한 세그먼트화 구성이, 만곡된 브래킷(182)에서의 설치를 가능하게 하기 위해 유도 코일 어셈블리(186)에 적용될 수 있다.
1차 유도 코일 어셈블리(186) 및 데이터 송신 안테나 홀더(185)는 브래킷(182)에 대한 부착 구역에 로브(lobe)들로 형성될 수 있다. 브래킷(182)의 연관된 재료 구역들은, 설치부를 수용하기 위해 다소 더 큰 크기로, 동일한 로브 형상으로 제거된다. 로브 형상은, 유도 코일 어셈블리(186) 및 안테나 및 홀더(184, 185)의 포지티브 유지(positive retention)를 가능하게 하는 곡률 반경을 규정하고, 이들은 단부로부터 브래킷(182)으로 위치되어, 제자리(position)로 슬라이딩될 수 있다. 로브 형상은, 인장 응력들이 유도 코일 어셈블리(186) 및 안테나 홀더(185) ― 유도 코일 어셈블리(186) 및 안테나 홀더(185) 모두는 인장 응력들 하에서 구조적인 장애를 겪는 비교적 취약한 재료들로 제조될 수 있음 ― 에서 발생되지 않는 것을 보장하는 동시에, 포지티브 유지가 유지되는 것을 가능하게 한다.
로브들은, 금속 브래킷(182)이 기능성을 방해하지 않는다는 것을 보장하기 위해, 유도 코일 어셈블리(186) 및 데이터 송신 안테나(184)의 전면으로부터 충분히 멀리 포지셔닝될 수 있다. 세라믹 시멘트는, 가열 및 냉각 동안 고정 피팅(secure fit)을 제공하고 열팽창 차이들을 수용하기 위해, 유도 코일 어셈블리(186) 및 안테나 홀더(185)의 표면들과, 브래킷(182)에서의 상기 유도 코일 어셈블리(186) 및 상기 안테나 홀더(185)의 각각의 포켓들 사이에 적용될 수 있다. 얇은 플레이트(도시되지 않음)는, 유도 코일 어셈블리(186) 및 데이터 안테나(184)의 로브화된 구역들을 커버하는 브래킷(182)의 각각의 단부 상에 부착될 수 있어서, 동작 동안의 유지를 보장한다.
하나 또는 둘 이상의 브래킷들(182)은 정적 시일 세그먼트(180)와 동일한 합금, 이를 테면, 인코넬 625(Inconel 625)로 제조될 수 있고, 정적 시일 세그먼트(180)의 내부면과 정합하는 아치형 형상을 가질 수 있다. 브래킷(182)은, 정적 시일 세그먼트(180)의 일그러짐(distortion)을 최소화하기 위해, 단속 용접(interrupted weld)(188)을 이용하여 정적 시일 세그먼트(180)의 내부면에 부착될 수 있다. 유도 코일 어셈블리(186)는, 정지 코어(190)의 부분들을 인케이싱하는 JP Technologies에 의해 판매된 'H Cement'(194)와 함께 적어도 하나의 정지 1차 권선(192) 및 적어도 하나의 정지 코어(190)를 포함할 수 있다.
도 14는 터빈 엔진 블레이드 루트(132) 가까이 장착될 수 있는, RF 투과성 커버(170) 내에 포함된 회전 2차 유도 코일 어셈블리(195)를 갖는 실시예를 예시한다. 회전 유도 코일 어셈블리(195)는 정지 유도 코일 어셈블리(186)와 유사하게 코어(200) 및 권선(201)으로 제조될 수 있다. 회전 데이터 송신 안테나(202)는 정지 데이터 송신 안테나(184)와의 통신을 위해 제공될 수 있다. 데이터 송신 안테나(202)는, 구성에 있어서 비-전도성 홀더(185)와 유사할 수 있는 비-전도성 홀더(203) 내에 인케이싱될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 데이터 송신 안테나(202)는, 비-전도성 홀더(203)를 사용하지 않고서, RF 투과성 커버(170)에 포함될 수 있고, 이러한 경우, 상기 데이터 송신 안테나(202)는 고온 가용 포팅 재료로 제 위치에 홀딩(hold)될 수 있다. 단일의 또는 다수의 정지 1차 유도 코일들(186)은, 연소 터빈(10)이 동작중일 때 회전 2차 유도 코일 어셈블리(195) 및 안테나(202)에 의해 경계가 정해지는(circumscribe) 아크(arc)를 형성하기 위해, 하나 또는 둘 이상의 정적 시일 세그먼트들(180)의 내부면들 상에 배열될 수 있다.
하나 또는 둘 이상의 정지 1차 권선(192)은 고주파, 고전류 전력원들에 의해 에너자이징(energize)될 수 있다. 전력은 각각의 정지 유도 코일 어셈블리(186)에 개별적으로 공급될 수 있거나, 또는 일련의 정지 유도 코일 어셈블리들(186)이 단일 전원에 전기적으로 연결되어 구동될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 5개의 인접한 정지 유도 코일 어셈블리들(186)이 존재할 수 있는데, 상기 5개의 인접한 정지 유도 코일 어셈블리들(186) 각각은 자체 전원에 의해 구동된다. 각각의 정지 1차 권선(192)을 통해 흐르는 전류는 회전 2차 유도 코일 어셈블리(195)에 자기장을 생성하고, 이는 결국 회전 2차 권선(201)에 전류를 생성한다. 회전 2차 권선(201)으로부터의 전류는, 본 명세서 아래에서 더욱 완전하게 기술되는 바와 같이, 무선 텔레메트리 송신기 어셈블리(150) 내에 포함된 무선 텔레메트리 송신기 회로에 전력을 공급한다.
도 14는, 연소 터빈(10)의 시동 이전에 RF 투과성 커버(170)와 정지 코어(190) 사이에 초기 갭(gap) "A"가 존재할 수 있다는 것을 예시한다. 초기 갭 "A"는 연소 터빈(10)의 시동시 약 13㎜일 수 있고, 터빈 블레이드(130) 및 정적 시일 세그먼트(180)가 서로 더 가까워질 때 베이스로드(baseload)에서 약 4㎜로 감소될 수 있다. 자기 코어 재료들은 정지 코어(190) 및 회전 코어(200)를 제조하기 위해 이용될 수 있다. 자기 재료는, 요구되는 전력을, 요구되는 갭 "A"을 가로질러 텔레메트리 송신기 어셈블리(150) 내에 포함된 텔레메트리 송신기 회로에 커플링(couple)하기 위해, 코어 재료로서 이용될 수 있다. 선택된 자기 재료는, 정지 1차 권선들(192)에 의해 생성되고 하나 또는 둘 이상의 회전 2차 권선들(201)에 의해 수신되는 자기장에 초점을 맞추도록 작용한다. 이러한 영향은 정지 엘리먼트와 회전 엘리먼트 사이의 커플링 효율(coupling efficiency)을 증가시킨다.
본 명세서에 개시된 유도 전력 시스템들의 실시예들은, 연소 터빈(10)과 함께 다양한 기하학적 구조들을 수용하기 위해, 다수의 개별적인 1차 및 2차 유도 코일 어셈블리들(186, 195)을 이용할 수 있다. 예를 들어, 정지 유도 코일 어셈블리(186) 및 데이터 송신 1차 안테나(184)는, 시스템 컴포넌트들에 충분한 전력을 유도하고 요구되는 데이터를 전송하기 위해, 정적 시일 세그먼트(180)의 특정 거리에 걸쳐지는 것이 필요할 수 있다. 유도 코일 어셈블리(186) 및 데이터 송신 안테나(184)의 실시예는 길이가 대략 4 피트(feet)가 되는 것이 필요할 수 있다. 이러한 예에서, 제조의 용이함을 위해, 대략 1 피트의 길이를 각각 갖는 4개의 개별 전력/안테나 어셈블리들이 각각의 브래킷들(182)과 함께 제조되어 하나 또는 둘 이상의 정적 시일 세그먼트들(180) 상에 서로 인접하게 설치될 수 있다. 개별 안테나들 사이의 단-대-단 갭 거리가 충분히 작다면, 안테나 어셈블리는, 단일의 4 피트 길이 안테나인 것처럼 기능할 것이다. 이러한 안테나 어셈블리들은 직선 또는 만곡형 엘리먼트들로 형성될 수 있고, 이에 의해, 직선, 곡선, 또는 특정 애플리케이션에 의한 요구에 따라 다른 방식으로 구성되는 가변 길이들의 어셈블리들을 제공한다. 실시예에서, 복수의 이러한 안테나 어셈블리들은, 터빈(16) 내의 하나 또는 둘 이상의 정적 시일 세그먼트들(180)의 최상부 절반에서 대략 112도의 아크에 걸쳐질 수 있다.
본 발명의 발명자들은, 특정 클래스(class)의 자기 코어 재료들이 본 발명의 실시예들의 성능 요건들을 충족 또는 초과한다는 것을 밝혀냈다. 이러한 클래스의 재료들에 대한 일반적인 용어는 나노결정질 철 합금(nanocrystalline iron alloy)이다. 이러한 클래스의 재료의 하나의 조성은, 상표명 NAMGLASS® 라는 이름으로 판매되고, 대략 82% 철의 조성 ― 이때, 밸런스(balance)는 실리콘, 니오븀(niobium), 붕소, 구리, 탄소, 니켈 및 몰리브덴(molybdenum)임 ― 을 갖는다. 이러한 나노결정질 철 합금 재료는, 500℃ 초과의 퀴리 온도(Curie temperature), 매우 낮은 보자력(coercivity), 낮은 와전류 손실(eddy-current loss), 높은 포화 플럭스 밀도(saturation flux density)와 같은 바람직한 특징들을 나타내고, 전체 고온 동작 범위에 걸쳐 투자율(permeability)이 매우 안정적이라는 것을 밝혀냈다.
이러한 나노결정질 철 합금 재료는 "C" 코어 변압기 코어들 또는 토로이드(toroid)들의 형태의 테이프-감겨진(tape-wound) 구성들로 상업적으로 입수가능하다. 본 발명의 실시예들은, 1차 정지 코어(190)를 위해 이용되었던, "I" 코어 형상을 형성하기 위해 이러한 나노결정질 철 합금 재료를 활용한다. "I" 형상은, 이러한 형상이 자기 자신을 고정 장착 브래킷(182) 상의 채널 내의 적소에 홀딩하기 때문에 선택되었다. 각각의 유도 코일 어셈블리(186)의 유도 코어(induction core)(190)는, 길이가 대략 11 인치(inches)인 아크 내로 형성된 나노결정질 철 합금 재료의 복수의 0.007" 두께 라미네이션(lamination)들로 이루어진다. 동일한 나노결정질 철 합금 재료가 회전 안테나(200) 변압기 코어를 위해 이용될 수 있다.
정지 엘리먼트와 회전 엘리먼트 사이에 전력을 커플링하기 위해 이용된 자기장의 세기는, 구동 신호, 즉, 도 16에 예시된 예시적인 유도 전력 구동기 회로에 의해 생성된 고주파 AC 신호의 주파수를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 정지 1차 권선들(192)을 구동시키기 위해 고주파, 이를 테면, 대략 200 ㎑를 초과하는 주파수들을 이용할 수 있다. 대안적인 실시예들은, 이러한 주파수들에서 동작하도록 설계된 전력 구동기를 이용하여 적어도 1 메가-헤르츠(Mega-Hertz)의 동작 주파수를 달성할 수 있다.
권선 코어들(190, 200)을 위해 이용된 와이어는, 고온들에서의 산화 및 장애를 감소시키기 위해 세라믹 절연을 갖는 27% 니켈-클래드 구리(nickel-clad copper)로 이루어질 수 있다. 이러한 와이어의 핸들링 특성(handling characteristic)들은, 보호 세라믹 코팅의 결과로서, 표준 유기-절연 순 구리(standard organic-insulated bare copper)보다 상당히 더 어렵고, 1차 및 회전 엘리먼트들 모두를 감는 프로세스들을 위해 특수한 기법들이 개발되었다. 다른 와이어들은 절연 은 또는 양극처리 알루미늄일 수 있다.
2개의 타입들의 세라믹 재료들은, 1차 및 회전 유도 코일 어셈블리들(186, 195) 양측 모두의 구성에서 이용될 수 있다. 권선들(192, 201)이 코어 엘리먼트들(190, 200)에 대해 단락되지 않는다는(전도한다는) 것을 보장하는 것이 중요하다. 와이어들 상에 공급된 세라믹 절연에 부가하여, 초미세 입자 크기를 갖는 세라믹 시멘트인, H 시멘트와 같은 화합물이, 권선 코어들(190, 200) 상에서 절연 베이스 코트(base coat)로서 이용될 수 있다. 일단 권선 코어들(190, 200)이 감기면, 이들은 알루미늄 산화물 기반 세라믹 시멘트인 코트로닉스 940(Cotronics 940)으로 포팅될 수 있다.
도 15는, 도 10에 도시된 텔레메트리 송신기 어셈블리(150) 내에 포함되는, 도 11에 도시된 고온 일렉트로닉스 패키지(154) 내부에 피팅된 회로 보드 상에 제조될 수 있는 예시적인 텔레메트리 송신기 회로(210)의 개략도를 예시한다. 텔레메트리 송신기 회로(210)는, 터빈 블레이드(130)와 연관된 스트레인을 측정하기 위한 스트레인 게이지(gage) 센서일 수 있는, 도 9의 센서(134)와 같은 센서와의 동작을 위해 구성될 수 있다. 회전 2차 유도 코일 어셈블리(195)는 대략 250 ㎑ AC 전력을 송신기 회로(210)의 전압 정류기에 제공할 수 있다. 이러한 회로는 AC 입력을 DC 출력으로 변화시켜 전압 조정기 회로에 공급한다.
송신기 회로(210)의 전압 조정기는, AC 입력 전압이 변화될 수 있을지라도, DC 정전압 출력을 유지한다. 정전압 출력은, 신호 출력을 위해 더 우수한 정확도 및 안정적인 동작 주파수를 달성하기 위해 요구된다. 전압 조정기는 또한, 정전압을 스트레인 게이지 센서(134) 및 밸러스트 저항기(ballast resistor)(도시되지 않음)에 공급한다. 스트레인 게이지 센서(134) 및 밸러스트 저항기는 센서 신호 입력을 송신기 회로(210)에 제공한다. 스트레인 게이지 센서(134)가 장착되는 표면이 편향되기 때문에, 스트레인 게이지는 저항을 변화시키고, 이는 송신기 회로(210) 입력에서의 전압이 변화되게 한다.
스트레인 게이지 센서(134)로부터의 신호에 의해 제공된 가변 전압은 먼저, 차동 증폭기에 의해, 그리고 그 다음, 고이득 AC 증폭기(high gain AC amplifier)에 의해 증폭된다. 결과적인 신호는 송신기 회로(210)의 전압 제어 오실레이터(voltage controlled oscillator; VCO) 섹션의 버랙터 다이오드(varactor diode)에 인가된다. VCO는 높은 캐리어 주파수(carrier frequency)에서 발진된다. 이러한 캐리어 주파수는 송신기 회로(210)와 관련하여 125 내지 155 ㎒의 대역에 설정될 수 있다. 고정 캐리어 주파수는 버랙터 상에서 변화하는 전압에 의해 다소 변화된다. 이러한 주파수의 변화 또는 편이(deviation)는, 스트레인 게이지 센서(134)가 겪는 편향 또는 스트레인과 직접적으로 관련된다. VCO 캐리어 출력은 버퍼 스테이지(buffer stage)에 공급되고, 버퍼 출력은, 도 10의 리드 와이어들(140)을 통해 회전 안테나 어셈블리(142)에 포함된 전송 안테나에 연결된다.
수신 디바이스, 이를 테면, 도 1의 트랜시버(56), 또는 연소 터빈(10) 내의 고온 또는 다른 영역들에 로케이팅된 다른 디바이스들에서, 캐리어 신호가 제거되고, 편이는, 스트레인에 비례하는 증폭된 출력이 된다. 고온 사용을 위해 설계된 이러한 송신기 회로(210)에서 이용된 트랜지스터들은, SiC, AlN, GaN, AlGaN, GaAs, GaP, InP, AlGaAs, AlGaP, AlInGaP, 및 GaAsAlN을 포함하는 광대역 갭 반도체 재료들과 같은 고온 가능 재료로 제조될 수 있거나, 또는 다른 고온 가능 트랜지스터 재료가 약 500 내지 600℃까지 이용될 수 있다.
회로 보드 상에 제조된 무선 텔레메트리 송신기 회로(210)의 다양한 실시예들은, 가변 동작 온도들에서 그리고 다양한 센서 타입들을 이용하여, 연소 터빈(10) 내에서의 사용을 위해 적응될 수 있다. 송신기 회로(210)의 엘리먼트들 및 이들의 대안적인 실시예들은 대략 350℃까지 SOI 통합형 회로들과 같은 다양한 온도 민감 재료들; 대략 300 내지 350℃에서 폴리실시퀴옥산(polysilseqioxane), PFA, 폴리이미드(polyimide), 노멕스(Nomex), PBZT, PBO, PBI, 및 볼텍스(Voltex) 감긴 커패시터들; 그리고 대략 450 내지 500℃에서 PLZT, NPO, Ta2O5, BaTiO3 다층 세라믹 커패시터들을 이용하여 제조될 수 있다.
저항기들의 다양한 실시예들은, 대략 350℃까지의 동작 온도들을 위해 Ta, TaN, Ti, SnO2, Ni-Cr, Cr-Si 및 Pd-Ag, 그리고 대략 350℃ 및 그 초과의 동작 온도들을 위해 Ru, RuO2, Ru-Ag 및 Si3N4로 제조될 수 있다. SiC, AlN, GaN, AlGaN, GaAs, GaP, InP, AlGaAs, AlGaP, AlInGaP, 및 GaAsAlN, 또는 다른 고온 가능 반전도성 재료로 이루어진 별개의 트랜지스터, 다이오드 또는 커패시터 다이(die)와 같은 개별 고온 전자 컴포넌트들은, 대략 350℃를 초과하지 않는 온도들에서의 동작을 위해 단일 SOI CMOS 디바이스로 대체될 수 있다.
무선 텔레메트리 디바이스(76)의 실시예와 관련해서는 도 6에 도시되었다. 전기 신호들을 수신 및/또는 전송하는 트랜시버일 수 있는 안테나(102)는, 텔레메트리 송신기 회로와 동일한 보드 상에 제조된다. 텔레메트리 송신기 회로는 상호연결들(98)을 통해 서로 전기적으로 연결된 전자 회로(90), 멀티바이브레이터(multivibrator) 회로(도시되지 않음), 연산 증폭기(92), RF 변조기(94) 및 RF 오실레이터/송신기(96)를 포함할 수 있다. 보드(80) 상의 전술한 컴포넌트들에 부가하여, 디바이스(76)는 전기 회로(90) 및 안테나(102)와 전기적으로 통신하는 전력원(110)을 포함할 수 있다. 안테나(102) 및/또는 전력원(110)을 포함하는 상술된 전기 컴포넌트들(90, 92, 94 및 96)은 회로 보드 또는 통합형 칩의 형태로 보드 또는 기판(80) 상에 형성된다. 대안적으로, 전력원(110)은 블레이드 또는 베인에 가까운 기판으로부터 떨어져 장착될 수 있거나, 안테나(102) 및 전력원 모두가 보드로부터 떨어져 있지만 텔레메트리 송신기 회로와 전기 통신을 유지한다.
도 6에 도시된 실시예 및 아래에서 더욱 상세하게 기술되는 도 17 내지 도 23에 도시된 실시예들은, 권선들을 갖는 자기 코어들이 제거된, 공진 에너지 전달 어셈블리를 이용할 수 있다. 이러한 실시예들은, 항공학(aeronautics)에서 이용되는 더 작은 모듈식(modular) 연소 터빈 엔진들에 사용하기에 특히 유리할 수 있다. 더욱 구체적으로, 이러한 모듈식 터빈 시스템들은 예를 들어, 전력 발생 플랜트(plant)들에서 이용된 예를 들어, 압축기 또는 터빈 블레이드 스테이지(stage)들보다 상당히 더 작은 회전자 디스크(302)와 일체로 형성된 블레이드들(301)을 포함하는 블리스크를 포함한다. 따라서, 블리스크는, 도 14에 도시된 자기 코어들(190 및 200)을 포함하는 전력 유도 코일 어셈블리들(186 및 195)을 지지하기 위해 이용가능한 충분한 표면적을 갖지 않을 수 있다.
더욱이, 이러한 모듈식 터빈 시스템들에서, 전체 스테이지들, 이를 테면, 압축기 또는 터빈 스테이지는 인접한 스테이지로부터 분리되어 대체될 수 있다. 센서 라우팅 와이어(Sensor routing wire)들은 통상적으로 회전자를 통해, 터빈 회전자의 하나의 단부 또는 단부들 양측 모두의 슬립 링(slip ring)들 또는 텔레메트리 팩(telemetry pack)들로 이어진다. 별개의 스테이지들에서, 회전자를 통한 센서 라우팅 와이어링(wiring)은 컷팅(cut) 및 재연결되어야 한다. 이러한 프로세스는 시간 및 비용의 소비를 초래하고, 재연결된 와이어들은 터빈의 동작 동안, 원래의 라우팅 와이어들보다 훨씬 덜 신뢰적이다. 회전 컴포넌트들 상에 센서들을 요구하는 각각의 스테이지에 위치된 분산형 무선 텔레메트리 시스템들의 이용은, 압축기 또는 터빈 스테이지를 제거 및 대체할 때 수동으로 연결해제 및 재연결되어야 하는 하드(hard) 와이어링을 제거할 수 있다.
무선 텔레메트리 시스템의 컴포넌트들은, 회전자 디스크(302)와 일체로 형성된 복수의 블레이드들(301)을 포함하는 블리스크(300)와 관련하여, 도 17에 도시된다. 도시된 바와 같이, 각각의 블레이드(301)는 포일 부분(foil portion)(303)을 포함하고, 상기 포일 부분(303)으로 고온 팽창 가스가 흘러서, 터빈의 경우에 블리스크(300)가 회전하게 한다. 이와 반대로, 압축기 블리스크의 회전은 터빈 외측으로부터의 주변 온도 가스를 회전 블레이드들을 지나서 인도하여, 나중의 압축기 스테이지들을 통해, 그리고 터빈 엔진의 터빈 스테이지로 지향되면서 가스를 압축한다. 각각의 블레이드(301) 또는 포일 부분(303)은, 케이싱(305)에 인접하고 상기 케이싱(305)과 이격된 관계에 있는 팁(304)을 가지며, 상기 케이싱(305) 내에는 블레이드들(301)과 같은 회전 컴포넌트들 및 베인들(도시되지 않음)과 같은 정지 컴포넌트들이 포지셔닝된다. 블리스크(300)는 터빈 엔진을 위한 파워 터빈 또는 압축기에서의 동작을 위해 포지셔닝될 수 있다. 부가하여, 아래에 기술되는 공진 에너지 전달 어셈블리는, 블레이드들(301)과 같은 회전 컴포넌트들 또는 베인들과 같은 정지 컴포넌트들의 모니터링과 관련하여 이용될 수 있다.
임베딩된 또는 표면 장착된 센서(306)는 블레이드(301)의 동작 상태들이 모니터링되는 영역에 관하여 블레이드(301) 상에 배치된다. 내온성 리드 라인들 또는 커넥터들(307)은 센서(306)를 무선 텔레메트리 디바이스(308)와 전기적으로 링크시킨다. 디바이스(308)는 바람직하게, 텔레메트리 컴포넌트들이 비교적 낮은 온도들에 노출되는 위치, 이를 테면, 동작 온도가 통상적으로 약 150℃ 내지 약 250℃인 블리스크(300)의 회전자(309)에 장착된다.
센서(306) 및 상호연결 라인들(307)은 알려진 증착 프로세스들, 이를 테면, 플라즈마 스프레잉, EB PVD, CVD, 펄스 레이저 증착, 미니-플라즈마, 직접-인쇄, 미니-HVOF 또는 솔루션 플라즈마 스프레잉을 이용하여 증착될 수 있다. 통상적으로, 동적 압력 측정들, 동적 및 정적 스트레인, 및 동적 가속 측정들이, 컴포넌트 표면 온도 및 열유속 측정들과 함께, 연소 터빈(10)의 정지 컴포넌트 및 회전 컴포넌트 양측 모두 상에서 요구된다. 따라서, 임베딩된 또는 표면 장착된 센서(306)는 스트레인 게이지들, 열전쌍들, 열유속 센서들, 압력 트랜스듀서들, 마이크로-가속도계들뿐만 아니라 다른 원하는 센서들로서 구성될 수 있다. 더욱이, 센서를 제조하기 위해 이용되는 재료들은, 압축기 컴포넌트 또는 터빈 컴포넌트 양측 모두를 위해 도 4에 도시된 센서(61)에 관하여 열거되고 기술된 그러한 열전쌍 재료들을 포함할 수 있다.
도 17 내지 도 25에 도시된 무선 텔레메트리 시스템의 실시예는, 무선 텔레메트리 디바이스(308) 및 센서(306)를 포함하는 어셈블리의 회전 컴포넌트들에 관하여, 압축기(12) 또는 터빈(10) 내의, 정지 위치에 장착된 1차 코일 또는 프로브(310)를 갖는 공진 에너지 전달 시스템을 포함한다. 예로서, 그리고 도 17에 도시된 바와 같이, 1차 코일(310)은 압축기 또는 터빈의 케이싱(313)에 장착될 수 있고, RF 전력원(315)에 링크된다. 도 18에 도시된 바와 같이, 텔레메트리 디바이스(308)는 도 15에 관하여 기술된 것과 같은 텔레메트리 회로(312), 및 2차 코일(311)의 형태의 전력원을 포함한다. 부가하여, 송신기 디바이스(308)는, 텔레메트리 송신기 회로(312)와 전기적으로 통신하는 RF 데이터 안테나(314)를 포함한다.
1차 코일 및 아래에 기술되는 2차 코일에 관하여 본 명세서에서 이용된 바와 같은 용어 "코일"은, 반드시 이러한 컴포넌트의 물리적 구성의 표시인 것은 아니다. 실제로, "코일들" 중 하나 또는 양측 모두는 프로브의 형태일 수 있다. 용어 "코일"은, 1차 디바이스로부터 발진 전류를 발생시키고, 발진 전류의 주파수와 동일한 주파수를 공진시키도록 동조(tune)되는 2차 디바이스에 전력을 유도하기 위해 커패시터들 및 인덕터들과 같이 적합하게 구성된 전기 컴포넌트들을 포함하는 전력 전송 및 전력 수신 디바이스를 포함하도록 의도된다.
동작에서, RF 전력원(315)으로부터 전력을 수신하는 1차 코일(310)은 발진 전자기 방사 신호 필드를 발생시키고, 에너지는 2차 코일(311)에 전달되고, 상기 2차 코일(311)은 텔레메트리 송신기 회로(312)에 전력을 공급한다. 센서(306)는, 블레이드들(301)과 같은 컴포넌트의 동작 상태를 나타내는 전자 데이터 신호들을 발생시키고, 전자 데이터 신호들은 텔레메트리 송신기 회로(312)로 전송되고, 상기 텔레메트리 송신기 회로(312)는 전자 데이터 신호들을 데이터 안테나(314)로 라우팅한다. 전자 데이터 신호들은 블레이드(301)와 같은 컴포넌트의 동작 상태를 나타낸다. 실시예에서, 디바이스(308)는, 안테나(314) 및 2차 코일(311) 양측 모두가 회로(312)를 갖는 기판 상에 증착되는 회로 보드로서 또는 통합형 칩으로서 제조될 수 있다.
에너지의 전달을 위한 1차 코일들(310) 및 2차 코일(311)에 대한 예시적인 회로는 도 19에 도시되고, 1차 코일(310)은 공심(air core) 변압기를 통해 소스 코일 또는 인덕터(L3)에 링크된 전송 코일 또는 인덕터(L1)를 포함한다. 유사하게, 2차 코일은 공심 변압기를 통해 소스 코일(L4)에 링크된 수신 코일 또는 인덕터(L2)를 포함한다. 전송 코일(L1)은 저항(Rc) 및 공진 커패시터(C)를 갖고; 수신 코일(L2)은 또한 코일 저항(Rc) 및 공진 커패시터(C)를 포함한다. 이러한 예시적인 회로에서, 소스 코일(L3)의 소스 저항(Rs) 및 로드 코일(L4)의 로드 저항(RL)은 공진 시스템의 Q에 기여하지 않고, 이에 의해, 1차 코일(310)과 2차 코일(311) 사이의 커플링, 및 그러므로 전력이 전송될 수 있는 거리가 증가된다. 1차 코일(310) 및 2차 코일(311)을 위한 각각의 RLC 회로들은, 전력이 1차 코일(310)로부터 2차 코일(311)로 전송될 수 있도록, 코일들(310 및 311)이 동일한 또는 공통 주파수에서 공진되도록 동조된다.
코일들(310 및 311)은 Ni, Ni-기반 초합금, Incanel®, 금, 백금 또는 약 250℃ 또는 그 초과의 온도들에서 작용하는 다른 재료들과 같은 내온성 및 내산화성 재료들로 구성될 수 있다. 부가하여, RF 전력 구동기는, 코일들이 ㎐ 내지 ㎓ 범위 ― 이때, 예시적인 실시예는 1 ㎒ 내지 약 15 ㎒, 그리고 바람직하게는 약 10 ㎒임 ― 의 공통 주파수에서 공진하도록, 1차 코일에 대한 전력원으로서 기능할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 안테나(314)는 회로 보드 상에 프린팅(print)되고, 안테나의 원하는 길이는 다음과 같이 계산될 수 있다:
여기서, c는 자유 공간에서의 광의 속도이고, f는 캐리어 신호의 주파수이고,
는 기판의 유전 상수이다. 예를 들어, 저온 동시소성 세라믹(low temperature co-fired ceramic; LTCC) 기판과 관련하여, 
및 
이고, 안테나 길이는 478 ㎜이고, 이는 회로 보드를 위해 허용가능한 크기를 훨씬 초과한다. 따라서, 안테나 트레이스(trace)는 폴드형 백앤드포스(folded back and forth) 구성으로 제공될 수 있다. 예시적인 단극 안테나의 레이아웃(layout)이 도 20에 도시된다. 부가하여, 2차 코일(311)은, 텔레메트리 송신기 회로(312)의 멀티바이브레이터 회로와 RF 변조기 사이의 간섭을 회피하기 위해 연결 신호 경로를 제외하고는, 텔레메트리 회로(312)로부터 충분히 분리되어야 한다.
도 21은 브래킷(318)을 이용하여 블리스크(300)의 회전자 디스크(302) 가까이 장착될 수 있는 RF 투과성 커버(317) 내에 포함된 텔레메트리 송신기 어셈블리(316)를 갖는 본 발명의 실시예와 함께 블리스크(300) 및 고정자(323)의 단면도를 예시한다. 상술된 바와 같이, 어셈블리(316)는 통합형 칩과 동일한 기판 상에 제조된 텔레메트리 회로(312), 2차 코일(311) 및 데이터 안테나(314)를 포함한다. 도 22에서 확인될 수 있는 바와 같이, 커넥터들(319)은 리드 라인들(307) 및 센서(306)를 텔레메트리 송신기 회로(312)에 전기적으로 연결하기 위해 제공된다. 실시예에서, 텔레메트리 송신기 회로(312), 2차 코일(311), 및 안테나(314)는, 고온 가능 비-전도성의 고 유전체 포팅 재료를 이용하여 RF 투과성 커버(317) 내에 고정될 수 있다.
다시 도 21과 관련하여, 회전 데이터 안테나(314)는 정지 데이터 안테나(320)와의 통신을 위해 제공될 수 있고, 상기 정지 데이터 안테나(320)는, 데이터 송신 안테나(320)를 브래킷(322)과 고정하기 위한 비-전도성 홀더(321) 내로 삽입된다. 브래킷(322)은 고정자(323), 또는 고정자(323)와 연관된 정적 시일 세그먼트로서 정지 컴포넌트에 장착된다. 비-전도성 홀더(321)는, 정지 데이터 송신 안테나(320)가 브래킷(322) ― 상기 브래킷(322)은 금속으로 제조될 수 있음 ― 에 접촉하지 않는다는 것을 보장하고, 이에 의해 올바른 동작을 보장한다. 비-전도성 홀더(322)는 RF 투과성 커버(317)에 이용된 것과 동일한 ZTA 인성강화 세라믹 또는 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ), 알루미나, 또는 다른 고온 세라믹 재료로 제조될 수 있다. 도 13에 도시된 것과 같은 아치형 브래킷에서 안테나(320)를 이용하는 경우, 홀더(322)는 유연성을 제공하기 위해 세그먼트화될 수 있고, 이는 만곡된 브래킷 내의 설치를 허용한다. 실시예에서, 정지 안테나(320)는, 터빈 엔진의 동작 동안 임의의 포인트(point) 또는 시간에서 전자 데이터 신호들이 회전 데이터 안테나(314)로부터 수신될 수 있도록, 고정자(323) 상에 둘레방향으로 연장될 수 있다. 도시된 바와 같이, 전기 리드 와이어(340)는, 회전 데이터(314)로부터 수신된 전자 데이터 신호가, 블레이드(301)의 동작 상태들을 모니터링하는 프로세싱을 위해 전송되도록, 정지 안테나(320)를 제어기 또는 프로세서(341)에 전기적으로 연결한다.
도 23에 도시된 또 다른 실시예에서, 2차 코일(311)은 블레이드(301)의 포일 부분(303)의 팁(304) 상에 증착될 수 있다. 도시된 바와 같이, 전기 리드 라인(324)이 또한 블레이드(301) 상에 증착되어, 코일(311)을 상술된 방식으로 회전자 디스크(302)에 부착된 텔레메트리 회로(312)에 전기적으로 연결한다. 이러한 실시예에서, 회전 데이터 안테나(314)는 텔레메트리 회로(312)와 함께 회로 보드(80) 상에 제조될 수 있고, 이는 보드(80)가 로케이팅되는 영역에서 안테나 블록(block)에 대한 필요성을 제거한다. 이는 무선 텔레메트리 시스템을 블리스크 또는 블레이드의 루트 섹션에 로케이팅하기 위해 요구되는 영역을 감소시킨다.
도 24를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서, 2차 코일(311) 및 회전 데이터 안테나(314) 모두가 블레이드(301)의 포일 부분(303) 상에 증착된다. 상술된 바와 같이, 전기 리드 라인(324)은 코일(311)을 텔레메트리 송신기 회로(312)에 전기적으로 연결하고, 이에 의해 회로(312)에 전력을 공급한다. 부가하여, 전기 리드 라인(325)은 송신기 회로(312)로부터 회전 데이터 안테나(314)로 전기 데이터 신호들을 라우팅한다. 안테나(314)가 텔레메트리 회로(312)의 기판 상이 아니라 블레이드(301) 상에 있는 이러한 실시예에서, RF 투과성 커버는 요구되지 않는다. 텔레메트리 회로(312)는 도 11에 도시된 바와 같은 일렉트로닉스 패키지 내에 하우징되고 회전자 디스크(302)에 장착될 수 있다.
도 25와 관련하여, 2개의 텔레메트리 송신기 디바이스들(330 및 331)을 포함하는 공진 에너지 전달 시스템을 포함하는 무선 텔레메트리 시스템의 실시예가 예시되고, 상기 2개의 텔레메트리 송신기 디바이스들(330 및 331) 각각은 텔레메트리 송신기 회로를 포함한다. 더욱 구체적으로, 시스템은 제 1 또는 회전 송신기 디바이스(330) 및 제 2 또는 정지 송신기 디바이스(331)를 포함한다. 도 25는 터빈 또는 압축기의 상술된 블리스크(300)와 같은 회전 컴포넌트의 단면도이고, 이는 또한 더 큰 압축기들 또는 터빈들의 터빈 블레이드 스테이지를 나타낼 수 있다. 부가하여, 블리스크(300)는 고정자(323)와 같은 정지 컴포넌트에 인접하게 포지셔닝된다.
상술된 바와 같이, 제 1 (또는 회전) 텔레메트리 디바이스(330)는 통합형 칩으로서 제조된 텔레메트리 송신기 회로(312), 데이터 안테나(314), 및 2차 코일(311)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 데이터 안테나(314) 및/또는 2차 코일(311) 중 하나 또는 양측 모두는 블레이드(301) 또는 날개(303) 상에 있다. 부가하여, 하나 또는 둘 이상의 센서들(306)이, 압축기(12) 또는 터빈(10)의 동작 동안 모니터링되도록 의도되는 블레이드(301)의 일부분 상에 배치된다. 전기 리드 라인들(307)은, 블레이드(306)의 동작 상태를 나타내는 전기 데이터 신호들을 텔레메트리 송신기 회로(312)에 라우팅하기 위해, 센서들(306)을 텔레메트리 송신기 회로(312)에 연결한다. 송신기 회로(312)는 전기 데이터 신호들을 안테나(314)에 라우팅하기 위해 제 1 안테나(314)에 전기적으로 연결된다.
도시된 바와 같이, 텔레메트리 시스템은, 전류 또는 전력을 1차 코일(310)에 공급하는 RF 전력원(315)에 링크되는 1차 코일(310)을 포함한다. 1차 코일(310)은 터빈 또는 압축기 케이싱(305)과 같이, 블리스크(300)에 관하여 정지 위치에 포지셔닝된다. 상술된 바와 같이, RF 전력원(315)으로부터 전력을 수신하는 1차 코일(310)은 발진 전자기 방사 신호 필드를 발생시키고, 에너지는 2차 코일(311)에 전달되고, 상기 2차 코일(311)은 텔레메트리 송신기 회로(312)에 전력을 공급한다.
안테나(314)가 텔레메트리 회로(312)와 동일한 기판 상에 제조되는 것을 가정하면, 텔레메트리 디바이스(330)는 회로(312)를 블리스크(300)의 회전자 디스크(302)에 부착하기 위해 RF 투과성 커버(314) 및 브래킷(318)을 포함한다. 안테나(314)가 블레이드(301) 상에 또는 블리스크(300) 상의 몇몇 다른 위치에, 그리고 텔레메트리 송신기 회로(312)의 기판으로부터 떨어져 배치되는 경우, RF 투과성 커버는 요구되지 않는다.
도 25에 도시된 실시예에서, 무선 텔레메트리 시스템은 또한, 터빈(10) 또는 압축기(12) 내의 정지 컴포넌트의 상태를 나타내는 전자 데이터 신호들을 획득 및 전송하기 위한 메커니즘(mechanism)을 포함한다. 따라서, 제 2 또는 정지 텔레메트리 디바이스(331)는 고정자(323)에 부착된다. 제 1 텔레메트리 디바이스(330)와 유사하게, 제 2 텔레메트리 디바이스(331)는, 통합형 칩의 형태로 기판 상에 제조되는 (정지 안테나 또는 제 2 안테나로 또한 지칭되는) 안테나(333) 및 텔레메트리 회로(332)를 포함하지만; 안테나(333)는 도 22에 도시된 바와 같이 텔레메트리 회로(333)로부터 떨어진 고정자에 부착될 수 있다.
도 25에 추가로 도시된 바와 같이, 하나 또는 둘 이상의 센서들(335)은, 고정자(323) 또는 다른 정지 컴포넌트들의 상태들을 모니터링하기 위해, 압축기(12) 또는 터빈(10)의 정지 위치들에 포지셔닝된다. 전기 리드 라인들(334)은, 정지 컴포넌트의 상태를 나타내는 전자 데이터 신호들을 제 2 텔레메트리 회로(332)에 전송하기 위해, 센서들(335)을 제 2 또는 정지 텔레메트리 회로(332)에 전기적으로 연결한다. 텔레메트리 회로(332)는, 신호들을 안테나(333)에 라우팅하기 위해 제 2 또는 정지 안테나(333)와 전기적으로 통신한다. 정지 안테나(333)는 텔레메트리 회로(332)의 기판과 동일한 기판 상에 제조될 수 있거나, 또는 도 21에 도시된 바와 같이 별도로 장착될 수 있다. 더욱이, RF 투과성 커버(317)는 제 2 텔레메트리 회로(332) 또는 안테나를 위해 요구되지 않는데, 그 이유는 윈디지 및 원심성 로딩(centrifugal loading)과 같은 동작 상태들이 블레이드(301) 및 디스크(302)에 비해 극심하지 않을 수 있기 때문이다.
바람직한 실시예에서, 전력원(336)은 전기 리드 라인(337)을 통해 제 2 텔레메트리 회로(332)에 링크된다. 이러한 전기 연결은, 센서들(335)로부터 안테나(333)로 신호들을 라우팅하도록 그리고 제 2 또는 정지 안테나(333)로부터 수신기(338)로 전자 데이터 신호들을 추가로 전송하도록, 충분한 전력을 텔레메트리 회로(332)에 제공하기 위해 필요할 수 있다. 도시된 바와 같이, 수신기(338)는 제 2 안테나(333)에 가까운 정지 위치에 장착되고, 정지 및 회전 컴포넌트들의 동작 상태들을 나타내는 전자 신호들을 프로세싱하기 위한 제어기 또는 프로세서(339)에 링크된다. 안테나(333)는 회전 안테나(314)로부터 전송된 전자 데이터 신호들뿐만 아니라 정지 센서들(335) 및 텔레메트리 회로(332)로부터 수신된 전자 데이터 신호들을 전송하도록 구성된다. 전자 데이터 신호들은 정지 안테나(333)로부터 무선으로 또는 전자 리드 와이어(도시되지 않음)를 통해 전송될 수 있다. 이러한 방식으로, 정지 안테나(333)는 터빈(10) 또는 압축기(12)의 정지 및 회전 컴포넌트들 양측 모두의 동작 상태들에 대한 전자 데이터 신호들을 수신 및 전송한다.
도 26 내지 도 31에 도시된 텔레메트리 시스템의 실시예는, 고정자(323)의 정적 시일 세그먼트 상에 장착된 1차 유도 코일 어셈블리(400) 및 터빈 블레이드(406)에 장착된 2차 유도 코일 어셈블리(402)를 포함하는 유도 전력 시스템을 포함한다. 각각의 어셈블리(400, 402)는, 세라믹 기판 또는 인쇄 와이어 보드(404) 상에 평면형 권선(410, 420)으로서 형성되는 유도 코일을 포함한다. 예를 들어, 권선들(410, 420)은 저온 동시소성 세라믹(low temperature co-fired ceramic; LTCC) 또는 고온 동시소성 세라믹(high temperature co-fired ceramic; HTCC) 인쇄 와이어 보드 상에 형성될 수 있다. 유도성 재료들, 이를 테면, 금, 은, 백금, 및/또는 이들의 합금들이 권선들을 형성하기 위해 이용될 수 있다. 특히, 저온 동시소성 세라믹 테이프(tape), 이를 테면, Dupont에 의해 제조된 951 그린 테이프(951 Green Tape)가 권선들(410, 420)을 형성하기 위해 이용될 수 있다. LTCC 보드와 함께 이러한 금속들 및/또는 금속 합금들의 이용은, 대략 1500℃까지의 온도들에서 신뢰적으로 동작하는 1차 및 2차 코일들을 제공하고, LTCC는 통상적으로 1,000 볼트(volts)를 초과하는 유전 및 절연 강도를 가지며, 이는 종래의 유도 코일들보다 더 많은 전력의 발생을 가능하게 한다.
부가하여, 도 26 및 도 27에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 강자성(ferromagnetic) 또는 페리자성(ferrimagnetic) 재료, 이를 테면, 철 또는 페라이트(ferrite)로 제조된 자기 코어(412)는, 인덕턴스(inductance)를 개선 또는 증가시키기 위해 보드에 장착 또는 본딩(bond)될 수 있다. 중앙에 포지셔닝된 슬롯(slot)은 보드(404)에 형성될 수 있고, 자기 코어(412)는 슬롯에 삽입되고, 알려진 포팅 재료들 및 기법들을 이용하여 보드에 부착된다. 대안적으로, 자기 코어는 도 28에 도시된 바와 같이 요구되지 않는다. 자기 코어(412)는 각각의 어셈블리들(400, 402)의 인덕턴스를 증가시키기 위해 이용될 수 있다.
다시 도 26과 관련하여, 복수의 1차 유도 코일 어셈블리들(400)이 단-대-단 정렬되고, 고정자(323)의 정적 시일 세그먼트(180)에 부착된다. 본 명세서에서 이용된 바와 같이, 유도 코일 어셈블리는 예시된 바와 같이 단-대-단 정렬된 복수의 어셈블리들 또는 단일 어셈블리를 포함하도록 의도된다. 본 발명의 실시예에서, 복수의 1차 유도 코일 어셈블리들(400)은 고정자(323) 상에 단-대-단 정렬되고, 바람직하게는 고정자(323)의 정적 시일 세그먼트의 전체 둘레에 걸쳐진다. 도시된 바와 같이, 보드들(404)은, 바람직하게는, 캘리포니아 샌디에이고에 위치한 COI Ceramics, Inc.에 의해 제조된 넥스텔 720(Nextel 720)과 같은 세라믹 매트릭스 복합물로 제조된 케이싱들(414) 내에 배치된다. 케이싱들(414)은 정적 시일 세그먼트에 볼트로 고정될 수 있고, 보드들(404)은 바람직하게 애퍼처(aperture)들(426)을 갖고, 상기 애퍼처들(426)을 통해 볼트들(424)이 케이싱들(414) 내의 보드들(404)의 정렬을 위해 삽입된다.
유도 코일 어셈블리들(400 및 402)이 단일 보드 또는 기판을 포함하는 것으로 도시되었지만, 실시예에서, 어셈블리들(400, 402)은, 기판의 최상부 및 바닥부 측들 또는 표면들 상에 형성된 평면형 권선을 각각 포함하는 복수의 전도성 층들 및 복수의 세라믹 유전체 층들을 포함할 수 있다. 부가하여, 내부 전도성 층들은 연속적인 세라믹 유전체 층들 사이에 형성된다. 각각의 전도성 층의 평면형 권선은 다음의 인접한 또는 연속적인 평면형 권선 관통 홀들 또는 비아(via)들에 전기적으로 연결되고, 그러므로 권선들은 인덕터를 위한 통합형 코일을 형성하기 위해 최상면으로부터 바닥면으로 연결된다.
이러한 다층화된 보드(500)의 개략적인 표현이 도 29에 도시된다. 도시된 바와 같이, 보드(500)는 3개의 세라믹 유전체 층들(501, 503 및 505) 및 4개의 전도성 층들(502, 504, 506 및 508)을 포함하고, 각각의 전도성 층은, 보드(500)가 1차 유도 코일 어셈블리(400)의 컴포넌트인지 또는 2차 유도 코일 어셈블리(402)의 컴포넌트인지에 따라, 통합형 평면형 권선 또는 코일(410 또는 412)을 함께 형성하는 평면형 권선을 나타낸다. 상기 언급된 바와 같이, 각각의 전도성 층 또는 권선은 중간 유전체 층(501, 503 및 505)에 형성된 전도성으로 필링(fill)된 또는 라이닝(line)된 비아들 또는 홀들(도시되지 않음)을 통해 연속적인 인접 층에 전기적으로 연결된다. 보드(500)는, 전류가, 최상부 전도성 층(502) 상의 평면형 권선으로부터 제 2 전도성 층(504)을 형성하는 평면형 권선으로, 그 다음으로, 제 3 및 제 4 전도성 층들(506, 508)을 형성하는 평면형 권선들로 흐르도록, 최상부 전도성 층(502)에서 전력원에 연결된다.
도 29 및 도 30a 내지 도 30d에 도시된 실시예가 4개의 전도성 층들을 포함하지만, 대안적인 실시예들은 더 많은 수의 또는 더 적은 수의 전도성 층들을 포함할 수 있다. 실제로, 이러한 다층화된 구성들을 위해, 보드(500)는 겨우 2개의 전도성 층들 또는 무려 30개 또는 그 초과만큼이나 되는 전도성 층들을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 보드(500)는 짝수의 전도성 층들 및 홀수의 유전체 층들을 포함하여서, 보드(500)는 보드(500)의 최상면 및 바닥면 상에 평면형 권선을 갖는다.
전도성 층들(502, 504, 506 및 508) 각각 상의 평면형 권선들(410A 내지 410D)의 구성들이 도 30a 내지 도 30d에 도시된다. 1차 유도 전력 어셈블리들(400)과 관련하여, 평면형 권선들(410A 내지 410D)이 도 30a에 도시된다. 따라서, 도 30a에서, 제 1 보드(500A)의 최상부 또는 제 1 전도성 층(502)이 와이어(434) 등을 통해 인접한 제 2 보드(500n)와 직렬로 연결되고, 이런식으로 마지막 보드(500C)까지 직렬로 연결되는 것으로 도시된다. 권선(410A)은 전기 입력을 위해 전력원(336)에 연결된다. 부가하여, 마지막 보드(500C)의 최상부 전도성 층(502)의 권선(410A)은, 직렬로 연결된 복수의 유도 전력 어셈블리들(400)을 포함하는 회로를 완성하기 위해 전력원(336)의 네거티브 단자에 연결된다.
도 30a에 추가로 예시된 바와 같이, 최상부 또는 제 1 전도성 층(502)의 평면형 권선(410A)은, 전류가 권선(410A)의 최외측 단부(510A)에서 평면형 권선(410)에 입력되도록, 일반적으로 나선형 구성을 갖고, 전력원(336)에 연결된다. 그러므로, 전류는, 화살표들(A 및 B)에 의해 표시된 바와 같이, 권선(410A)의 최외측 단부(510A)로부터 권선(410A)의 최내측 단부(512A)로 시계 방향으로 흐른다. 권선(410A)의 최내측 단부(512A)는 차례로, 하나 또는 둘 이상의 비아들(520)에 의해, 도 30b에 도시되는 제 2 전도성 층(504)을 위한 평면형 권선(410B)의 최내측 단부(512B)에 연결된다.
도 30b와 관련하여, 제 2 전도성 층(504)의 평면형 권선(410B)은, 평면형 권선(410A)으로부터 흐르는 전류가 최내측 단부(512B)로부터 시계 방향으로 권선(410B)의 최외측 단부(510B)로 흐르도록, 일반적으로 나선형 구성을 또한 갖는 것으로 도시된다. 제 2 전도성 층(504)의 권선(410B)의 최외측 단부(510B)는 비아(522)에 의해, 도 30c에 도시되는 제 3 전도성 층(506)의 평면형 권선(410C)의 최외측 단부(510C)에 전기적으로 연결된다.
도 30c와 관련하여, 제 3 전도성 층(506)의 평면형 권선(410C)은, 평면형 권선(410B)으로부터 흐르는 전류가 최외측 단부(510C)로부터 시계 방향으로 권선(410C)의 최내측 단부(512C)로 흐르도록, 일반적으로 나선형 구성을 또한 갖는 것으로 도시된다. 제 3 전도성 층(506)의 권선(410C)의 최내측 단부(512C)는 차례로, 비아(524)에 의해 제 4 전도성 층(506)의 평면형 권선(410D)의 최내측 단부(512D)에 전기적으로 연결된다.
도 30d와 관련하여, 제 4 전도성 층(506)의 평면형 권선(410D)은 또한 일반적으로 나선형 구성을 갖는데, 전류는 화살표들(A 및 B)에 의해 표시된 바와 같이 시계 방향으로 흐른다. 유도 전력 시스템의 바람직한 실시예에서, 1차 유도 코일 어셈블리들(400) 각각은 상술된 통합형 코일 및 권선을 포함한다. 통합형 유도 코일 또는 권선을 제공함으로써, 각각의 어셈블리(400) 및 권선(410)에 의해 발생된 또는 전달된 전력의 양 및 자기장은 증가된다.
상술된 유도 코일 어셈블리들은 자기 코어를 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 각각의 나선형의 평면형 권선은 권선(410) 내에 중앙 영역(530)을 포함한다. 부가하여, 각각의 유전체의 영역(530)이 정렬될 수 있고, 슬롯이 각각의 이러한 유전체 층에 형성되고, 여기에 자기 코어가 고정된다.
텔레메트리 시스템이 도 29에 도시되고, 고정자(323)의 정적 시일 세그먼트에 장착된 1차 유도 코일 어셈블리(400), 및 회전자 디스크(302)에 또는 터빈 블레이드(301)를 위한 루트의 단부면에 장착된 2차 유도 코일 어셈블리(402)를 포함한다. 상술된 바와 같이, 복수의 1차 유도 코일 어셈블리들(400)은 고정자(323) 상에 단-대-단 정렬되고, 바람직하게는 고정자(323)의 정적 시일 세그먼트의 전체 둘레에 걸쳐진다. 따라서, 보드들 또는 기판들(404)은 일반적으로 아치형일 수 있다. 부가하여, 도 27 및 도 28에 도시된 바와 같이, 전기 패드(electrical pad)(430)가 각각의 보드 상에 형성되고 권선(410)에 전기적으로 연결된다. 이러한 방식으로, 그리고 도 26에서 확인될 수 있는 바와 같이, 와이어(434)는 인접한 어셈블리들(400)의 전기 패드들(430)에 납땜(solder) 또는 브레이징될 수 있고, 그러므로 평면형 권선들(410)이 직렬로 연결된다.
도 29에 도시된 실시예에서, 2차 유도 코일 어셈블리(402)는 또한 케이싱(416)을 포함하고, 상기 케이싱(416) 내에 세라믹 기판(404) 및 권선(420)이 장착된다. 도시된 바와 같이, 텔레메트리 회로(418) 및 안테나(422)는 케이싱(416) 내에 배치될 수 있다. 유도 권선들(410)과 유사하게, 텔레메트리 회로(418) 및 안테나(422)는 LTCC 기판 상에 형성될 수 있고, 상기 LTCC 기판은 권선(420)이 형성되는 기판과 동일한 기판 또는 별개의 기판일 수 있다. 대안적으로, 텔레메트리 회로(418) 및 회전 데이터 안테나(422)는 2차 유도 코일 어셈블리에 인접한 별개의 케이싱에 있을 수 있다. 어느 경우이든, 텔레메트리 회로(418)는 권선(412) 및 안테나(422)에 연결된다. 부가하여, 도 26 및 도 29에 도시된 텔레메트리 시스템의 실시예가 고정자에 직접 장착된 케이싱들(414)을 갖지만; 케이싱들은 도 12 및 도 22에 도시된 브래킷들과 같은 다른 메커니즘들을 이용하여 고정자(323)에 장착될 수 있다.
1차 유도 코일 어셈블리(400)는 전기 리드 라인(337)을 통해 전력원(337)과 전기적으로 통신하게 위치된다. 1차 코일(400)은 전력원(336)으로부터 전력을 수신하고, 발진 자기장을 발생시키고, 에너지가 2차 코일(402)로 전달되고, 상기 2차 코일(402)은 텔레메트리 송신기 회로(418)에 전력을 공급한다. 터빈 블레이드(301)에, 예를 들어, 블레이드의 날개에 장착된 센서(428)는, 텔레메트리 회로(418)와의 전기 통신에 제공되고, 회전 컴포넌트와 연관된 동작 파라미터를 검출하고, 터빈 블레이드(302)의 상태를 나타내는 전자 데이터 신호들을 발생시킨다. 이러한 전자 데이터 신호들은 텔레메트리 송신기 회로(418)를 통해 안테나(422)에 전송된다. 센서(418)는 이전에 기술된 센서들 중 임의의 센서를 포함할 수 있고, 센서들 및 텔레메트리 회로로의 전기 연결들을 형성하는데 있어서의 증착 기법들을 포함하는 상술된 바와 같은 기법들을 이용하여 여러 위치들에서 터빈 블레이드(301)에 부착될 수 있다.
정지 데이터 안테나(436)는 회전 데이터 안테나(422)로부터 전자 데이터 신호들을 수신하기 위해 회전 데이터 안테나(422) 가까이, 터빈(10) 또는 압축기(12)의 또는 상기 터빈(10) 또는 상기 압축기(12) 상의 영역에 장착된다. 도 29에 도시된 바와 같이, 안테나(436)는 1차 유도 코일 어셈블리의 케이싱(414) 내에 장착될 수 있고, 단순하게, 케이싱(414)에 고정된 와이어를 포함할 수 있다. 대안적으로, 안테나(436)는 세라믹 기판(404) ― 상기 세라믹 기판(404) 상에 1차 권선(410)이 형성됨 ― 또는 별도의 기판 상에 형성될 수 있다. 또한 다른 실시예에서, 안테나(436)는 별도의 케이싱에 전부 존재할 수 있지만; 임의의 실시예에서, 안테나(436)는 터빈(10) 또는 압축기(12) 상에 그리고 회전 안테나(422)에 관하여 포지셔닝되어야 하고, 그러므로 전자 데이터 신호들이 수신될 것이다.
바람직한 실시예에서, 다수의 정지 안테나들(436)이 이용될 수 있고, 1차 유도 코일 어셈블리들(400)의 각각의 케이싱(414) 내와 같은 다수의 위치들에서 고정자(323)의 정적 시일 세그먼트 상에 장착될 수 있다. 다수의 정지 안테나들(436)이 고정자(323)의 정적 시일 세그먼트의 둘레에 포지셔닝되어서, 정지 안테나(436)는 회전 데이터 안테나(422)의 위치에도 불구하고, 전자 신호들의 수신을 위해 이용가능할 것인데, 그 이유는 회전자가 터빈(10) 또는 압축기의 동작 동안 회전하기 때문이다. 이를 위해, 정지 안테나(436)는, 터빈 컴포넌트, 예를 들어, 터빈 블레이드의 상태를 나타내는 전자 데이터 신호들을 프로세싱하기 위한 프로세서(438)와 전기적으로 통신하게 위치된다.
더욱이, 다수의 1차 유도 코일 어셈블리들(400)의 어레인지먼트는, 회전 2차 코일 어셈블리의 포지션과 무관하게, 1차 및 2차 코일 어셈블리들(400 및 402) 사이의 전력의 커플링을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 1차 유도 코일 어셈블리들은 고정자(323)의 정적 시일 세그먼트(180)를 중심으로 360°에 걸쳐진다. 본 발명의 실시예들은 정지 1차 권선들(410)을 구동시키기 위해, 약 0.25 ㎒ 내지 약 2 ㎒의 주파수들과 같은 고주파들을, 이러한 주파수들에서 동작하도록 설계된 전력 구동기와 함께 이용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 본 명세서에서 도시되고 기술되었지만, 이러한 실시예들은 단지 예시로만 제공된다는 것이 명백할 것이다. 본 명세서의 본 발명으로부터 벗어남이 없이 많은 변형들, 변경들, 및 대체들이 당업자들에게 발생할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항들의 사상 및 범주에 의해서만 제한되는 것이 의도된다.
사용시에, 공기는 압축기(12)를 통해 인도된다 ― 상기 압축기(12)에서 상기 공기가 압축되어 연소기(14)로 보내짐 ―. 연소기(14)는 공기를 연료와 혼합하고, 이를 점화시키고, 이에 의해, 동작 가스(working gas)를 형성한다. 이러한 동작 가스 온도는 통상적으로 약 1300℃를 초과할 것이다. 이러한 가스는 터빈(16)을 통해 팽창되어서, 베인들(22)에 의해 블레이드들(18)로 안내된다. 가스가 터빈(16)을 통과하면서, 상기 가스는 블레이드들(18) 및 샤프트(20)를 회전시키고, 이에 의해, 유용한 기계적 일(mechanical work)을 샤프트(20)를 통해 전달한다. 연소 터빈(10)은 또한, 냉각재(coolant), 예를 들어, 스팀(steam) 또는 압축 공기를 블레이드들(18) 및 베인들(22)에 공급하도록 치수화 및 구성된 냉각 시스템(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
터빈 블레이드들(18) 및 베인들(22)이 동작하는 환경은 특히 가혹한데, 즉, 높은 동작 온도들 및 부식성 대기에 영향받으며, 이는 블레이드들(18) 및 베인들(22)의 심각한 노후화(deterioration)를 초래할 수 있다. 이는 특히, TBC(26)가 깨지거나 또는 다른 방식으로 노후화되는 경우일 수 있다. 본 발명의 실시예들은, 컴포넌트들이, 연소 터빈(10)의 동작 동안 컴포넌트의 상태를 나타내는 데이터를 실시간 또는 거의 실시간으로 전송할 수 있기 때문에 유리하다.
미국 특허 번호 제 6,576,861호 ― 상기 미국 특허의 개시내용은 인용에 의해 본 명세서에 명확하게 포함됨 ― 는, 센서들을 송신기들과 연결하기 위한 또는 다른 방식으로 데이터 신호들을 라우팅하기 위한 커넥터(connector)들 및 센서들의 실시예들을 증착하기 위해 이용될 수 있는 방법 및 장치를 개시한다. 이와 관련하여, 상기 미국 특허에 개시된 방법들 및 장치는, 마스크(mask)들을 이용할 필요 없이, 약 100 미크론(microns) 내지 500 미크론의 미세 센서 및/또는 커넥터 피처(feature)들의 패터닝(patterning)을 위해 이용될 수 있다. 다층 전기 회로들 및 센서들은, 전도성 재료들, 저항성 재료들, 유전체 재료들, 절연성 재료들, 및 다른 애플리케이션(application) 특정 재료들을 이용하여 피처들을 증착함으로써 형성될 수 있다. 대안적인 방법들, 이를 테면, 열적 스프레잉(spraying), 기상 증착, 레이저 소결(laser sintering)이 다층 전기 회로들, 센서들, 및 커넥터들을 증착하기 위해 이용될 수 있고, 더 낮은 온도들에서 스프레잉된 재료의 증착들을 경화하는 것뿐만 아니라 다른 적합한 기법들이 이용될 수 있다.
도 2는 압축기(12)로부터 제거된 인접한 베인들(23)의 쌍을 예시하는데, 하나의 베인(23)은, 베인의 상태를 검출하기 위해 상기 베인에 장착된 또는 연결된 센서(50)를 갖는다. 리드 라인(lead line) 또는 커넥터(52)는, 센서(50)로부터 송신기(54)로 데이터 신호를 라우팅하기 위한 수단으로서 증착될 수 있고, 상기 송신기(54)는 데이터 신호를 트랜시버(transceiver)(56)로 무선으로 전송하기 위해 구성된다. 커넥터(52)는, 센서(50)로부터 송신기(54)로 신호를 전도하기 위한 하나 또는 복수의 전기 리드들일 수 있다. 대안적인 실시예들은, 특정 애플리케이션에 따라, 다양한 타입(type)들의 커넥터들(52)이, 센서(50)로부터 송신기(54)로 데이터 신호를 라우팅하기 위한 수단으로서 이용되도록 허용한다.
송신기들(54)은 다중-채널일 수 있고, 연소 터빈(10)의 케이싱 내에서의 상기 송신기들(54)의 위치에 따라 다양한 규격들을 가질 수 있다. 송신기들(54)은 압축기(12)의 초기 스테이지(stage)들 내에서 기능하도록 구성될 수 있고, 이들은 약 80℃ 내지 120℃의 동작 온도들을 겪는다. 송신기들(54)은 압축기(12)의 나중 스테이지들 내에서 기능하도록 구성될 수 있고 및/또는 터빈(16)의 스테이지들은 약 120℃ 초과의 그리고 약 300℃까지의 동작 온도들을 겪는다. 송신기들(54)은 SOI(silicon-on-insulator) 기술 및 약 120℃를 초과하는 온도들을 갖는 범위들에서 동작할 수 있는 다른 재료들을 이용하여 제조될 수 있다.
도 3은 압축기 베인(23)의 개략적인 평면도를 예시하며, 압축기 베인(23)은 이에 연결된 센서(50) 및 센서(50)를 송신기(54)와 연결하는 커넥터(52)를 갖는다. 송신기(54)에 전력을 공급하기 위해 적합하게 사이징(size)된 배터리(battery)와 같은 전력원(51)이 제공될 수 있다. 송신기(54)는 커넥터(52)를 통해 센서(50)로부터 신호들을 수신할 수 있고, 상기 신호들은 이후에 트랜시버(56)에 무선으로 전송된다. 트랜시버(56)는 허브(hub)(58) 상에 또는 압축기(12) 외부 표면 상에, 이를 테면, 도 1에 도시된 예시적인 위치들에 장착될 수 있다. 트랜시버(56)가 송신기(54)로부터의 RF 신호와 같은 무선 데이터 송신을 수신하기 위해 송신기(54)에 충분히 가까이 있다면, 상기 트랜시버(56)는 다양한 위치들에 장착될 수 있다.
하나 또는 둘 이상의 센서들(50)은, 센서들(50) 및 커넥터들(52)을 베인(23)의 표면 상에 직접 제조 또는 증착함으로써, 하나 또는 둘 이상의 압축기 베인들(23)과 연결될 수 있다. 커넥터(52)의 원단부(53)가 송신기(54)로의 연결을 위해 노출되도록, 커넥터(52)는 센서(50)로부터 베인(23)의 주변 에지(edge)와 같은 종단 위치로 연장될 수 있다. 센서(50) 및 커넥터(52)는 베인(23)의 공기역학(aerodynamics)에 대한 임의의 유해한 영향을 최소화하기 위해 베인(23) 상에 포지셔닝될 수 있다. 실시예들은 커넥터들(52)의 원단부(53)가 종단 위치에서 노출되는 것을 허용하고, 상기 종단 위치는 컴포넌트의 주변 에지 또는 다른 적합한 위치에 가까울 수 있다. 이는, 현장 기술자가 자신의 위치와 무관하게 커넥터(52)를 송신기(54)에 신속하고 용이하게 연결하는 것을 허용한다.
도 4는 이트리아-안정화 지르코니아일 수 있는 TBC(60)와 같은 배리어 코팅 내에 증착될 수 있는 예시적인 센서(61)를 예시한다. TBC(60)는 본드 코트(bond coat)(62) 상에 증착될 수 있고, 본드 코트는 기판(64) 상에 증착될 수 있다. 기판(64)은 터빈 블레이드(18)와 같은, 터빈(16)에서 사용하기에 적합한 초합금(superalloy)과 같은 다양한 컴포넌트들일 수 있다. 센서(61)는 다양한 목적들을 위해 형성될 수 있고, 종래의 K, N, S, B 및 R-타입 열전쌍(thermocouple) 재료, 또는 그들 각각의 구성 엘리먼트들의 임의의 조합 ― 상기 조합이, 연소 터빈(10) 내에 특정 애플리케이션을 위해 허용가능한 열전기(thermoelectric) 전압 을 발생시키는 경우 ― 을 이용하여 증착된 열전쌍들(66)을 포함할 수 있다.
타입 K 열전쌍 재료들 NiCr 또는 NiAl은 대략 800℃까지의 동작 환경을 갖는 압축기(12)의 섹션(section)들에서 이용될 수 있다. 예를 들어, NiCr(20)은 압축기(12)에 스트레인 게이지(strain gage)를 증착하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, NiCrSi 및 NiSi의 합금들과 같은 타입 N 열전쌍 재료는, 대략 800℃ 내지 1150℃의 동작 환경을 갖는 터빈(16)의 섹션들에 센서들을 증착하기 위해 이용될 수 있다.
타입 S, B 및 R 열전쌍 재료들은, 대략 1150℃ 내지 1350℃의 동작 환경을 갖는 터빈(16)의 섹션들에 센서들을 증착하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, Pt-Rh, Pt-Rh(10) 및 Pt-Rh(13)은 ― 상기 재료가 연소 터빈(10) 내에 특정 애플리케이션을 위해 허용가능한 열전기 전압을 발생시키는 경우 ― 터빈(16) 내에 센서들(50)을 형성하기 위해 증착될 수 있다. Ni 합금들, 예를 들어, NiCr, NiCrSi, NiSi 및 다른 내산화성 Ni-기반 합금들, 이를 테면, MCrAlX ― 여기서, M은 Fe, Ni 또는 Co일 수 있고, X는 Y, Ta, Si, Hf, Ti, 및 이들의 조합들일 수 있음 ― 가, 압축기(12)의 더 깊은 섹션들에서 그리고 터빈(16) 전체에 걸쳐 고온 애플리케이션들을 위해 센싱(sensing) 재료들로서 이용될 수 있다. 이러한 합금들은, 열유속 센서들, 스트레인(strain) 센서들 및 마모 센서들과 같은 센서들을 형성하기 위해 다양한 센싱 구성들로 증착된 센싱 재료로서 이용될 수 있다.
연소 터빈(10) 내의 컴포넌트들, 이를 테면, 블레이드들(18, 19) 및/또는 베인들(22, 23)은, 컴포넌트의 표면에 정합되게 증착된 및/또는 배리어 내에 임베딩(embed)된 애플리케이션 특정 센서들(50) 또는 연소 터빈(10) 내에 증착된 다른 코팅을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 5는 임베딩된 또는 표면 장착된 센서(74)를 무선 텔레메트리 디바이스(76)와 연결하기 위해 증착된 커넥터들(72)과 같은, 내고온성 리드 와이어(wire)들을 갖는 예시적인 터빈 블레이드(70)를 도시하고, 상기 터빈 블레이드(70)는 터빈(16)의 로우 1로부터의 블레이드일 수 있다. 디바이스(76)는, 텔레메트리 컴포넌트들이 비교적 더 낮은 온도들에 노출되는 위치에, 이를 테면, 동작 온도가 통상적으로 약 150℃ 내지 250℃ 및 그 초과인, 블레이드(70)의 루트(78)에 가깝게 장착될 수 있다.
실리콘-기반(silicon-based) 전자 반도체들, 이를 테면, 데이터를 전송하기 위해 이용될 수 있는 전자 반도체들은, 자신들의 동작 온도 제약들로 인해 적용들이 제한될 수 있다. 실리콘 및 SOI 전자 칩(chip) 기술들의 온도 및 성능 특성들은, 그들의 적용들을, 약 200℃ 미만의 동작 환경들로 제한할 수 있다. 본 발명의 양상들은 이러한 전자 시스템들이, 통상적으로 약 100℃ 내지 150℃의 동작 온도를 갖는, 압축기(12) 내의 무선 텔레메트리 디바이스(76)를 위해 배치되는 것을 허용한다.
무선 텔레메트리 센서 시스템들의 실시예들은, 압축기(12)의 나중 스테이지들에 존재하는 더 높은 온도 범위들 내에서 그리고 터빈(16) 내에서 동작하도록 구성될 수 있다. 이러한 구역들은 약 150℃ 내지 250℃ 및 그 초과의 동작 온도들을 가질 수 있다. 이러한 더 높은 온도 범위들에서 동작할 수 있는 온도 및 전기 특성들을 갖는 재료들은, 센서들(50, 74), 커넥터들(52, 72)을 증착하기 위해 그리고 무선 텔레메트리 디바이스들(76)을 제조하기 위해 이용될 수 있다.
센서들(50, 74) 및 고온 상호연결 라인들 또는 커넥터들(52, 72)은, 플라즈마 스프레잉(plasma spraying), EB PVD, CVD, 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition), 미니-플라즈마(mini-plasma), 직접-인쇄(direct-write), 미니-HVOF(mini-HVOF) 또는 솔루션(solution) 플라즈마 스프레잉과 같은 알려진 증착(deposition) 프로세스들을 이용하여 증착될 수 있다. 통상적으로, 동적 압력 측정들, 동적 및 정적 스트레인, 및 동적 가속 측정들이, 컴포넌트 표면 온도 및 열유속 측정들과 함께, 연소 터빈(10)의 정지 및 회전 컴포넌트들 양측 모두 상에서 요구된다. 따라서, 임베딩된 또는 표면 장착된 센서들(50, 74)은 스트레인 게이지들, 열전쌍들, 열유속 센서들, 압력 트랜스듀서( transducer)들, 마이크로-가속도계(micro-accelerometer)들뿐만 아니라 다른 원하는 센서들로서 구성될 수 있다.
도 6은 무선 텔레메트리 디바이스(76)의 대표 실시예의 개략도이다. 디바이스(76)는, 일체형 안테나 및/또는 전력원과 함께 또는 일체형 안테나 및/또는 전력원 없이, 회로 보드 또는 통합형 칩 상에 엠보싱(emboss)된, 표면 장착된 또는 다른 방식으로 증착된, 저항기들, 커패시터(capacitor)들, 인덕터(inductor)들, 트랜지스터(transistor)들, 트랜스듀서들, 변조기들, 오실레이터(oscillator)들, 송신기들, 증폭기들, 및 다이오드(diode)들과 같은 복수의 전자 컴포넌트들을 포함하는 상기 회로 보드 또는 통합형 칩으로서 형성될 수 있다. 무선 텔레메트리 디바이스(76)의 실시예들은 압축기(12) 및/또는 터빈(16)에서 사용하기 위해 제조될 수 있다.
무선 텔레메트리 디바이스(76)는, 상호연결들(98)을 통해 서로 전기적으로 연결된 보드(80), 전자 회로(90), 연산 증폭기(92), 변조기(94) 및 RF 오실레이터/송신기(96)를 포함할 수 있다. 도 6의 실시예는 예시적인 실시예이고, 성능 규격들 및 동작 환경들에 따라 디바이스(76)의 다른 실시예들이 고려된다. 디바이스(76)의 실시예들은 전력원(100), 및 전송 및 수신 안테나(102)가 보드(80) 상에 제조되는 것을 허용하고, 이에 의해, 도 2 및 도 3에 도시된 송신기(54)와 같은 송신기 또는 도 5에 도시된 무선 텔레메트리 디바이스(76)를 형성한다.
도 7은 블레이드 루트(112)를 갖는 블레이드(110)와 같은 예시적인 블레이드의 부분 사시도를 예시하며, 상기 블레이드는 압축기(12) 내의 압축기 블레이드일 수 있다. 하나 또는 둘 이상의 리세스들(recesses) 또는 트렌치들(trenches)(114)이 루트(112) 내에, 이를 테면, 블레이드 루트(112)의 바닥부 내에 형성될 수 있다. 리세스들(114)은 다양한 형상들 또는 치수들로 형성되고, 블레이드 루트(112)의 길이를 따라 다양한 위치들에서 상기 블레이드 루트(112) 내에 로케이팅(locate)될 수 있다. 하나 또는 둘 이상의 리세스들 또는 트렌치들(116)이 블레이드 루트(112)의 하나 또는 둘 이상의 면들(118)에 형성될 수 있다. 리세스들(116)은 다양한 형상들 또는 치수들로 형성되고 면(118) 내의 다양한 위치들에서 블레이드 루트(112) 내에 로케이팅될 수 있다. 리세스들(114, 116)은 다양한 방법들을 이용하여, 이를 테면, 블레이드(110))가 캐스팅(cast)된 후에, 상기 리세스들(114, 116)을 밀링(milling)함으로써, 또는 상기 리세스들(114, 116)을 블레이드(110) 몰드(mold)의 부분으로서 형성함으로써, 형성될 수 있다.
도 8은 블레이드 루트(112) 내에 부착된 무선 텔레메트리 디바이스(76)의 컴포넌트들과 함께 계장화된 압축기 블레이드(110)를 예시한다. 이와 관련하여, 무선 텔레메트리 디바이스(76)의 대안적인 실시예들은, 도 6에 도시된 하나 또는 둘 이상의 전기 컴포넌트들(90, 92, 94, 96, 100, 102)이, 블레이드 루트(112)와 같은 계장화된 컴포넌트와 전기적으로 연결 및 부착되는 별개의 보드들(80) 상에 포함되거나 또는 별도로 장착되는 것을 허용한다. 예를 들어, 도 6에 도시된 전송 및 수신 안테나(102)는 보드(80)와 별도로 장착되고, 상기 보드(80)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 보드(80)는 자신 상에 형성되고 안테나(102)와 전기적으로 연결되는 송신기(122)를 갖는다.
안테나(120)는 리세스(116) 내에 놓일 수 있고, 송신기(122)는 리세스(114) 내에 놓일 수 있다. 이러한 양상에서, 안테나(120) 및 송신기(122)는 보드(80) 상에 장착/엠보싱 또는 증착되지 않는다. 다른 실시예들에서, 안테나(120)는 도 6에 도시된 바와 같이, 무선 텔레메트리 보드(board)(80) 상에 증착될 수 있고, 데이터는 무선 텔레메트리를 이용하여 수신기, 이를 테면, 고정 장착된 트랜시버(56)에 전송될 수 있다. 전력원(100)은 보드(80)와 일체가 될 수 있거나 또는 보드와 별도로 로케이팅되어 별개의 컴포넌트로서 장착될 수 있다.
도 9는 터빈 블레이드들(18) 중 하나와 같은 터빈 블레이드일 수 있는 예시적인 블레이드(130)의 부분도를 예시한다. 터빈 블레이드(130)는, 블레이드(130)가 연소 터빈(10)의 동작을 위해 고정될 수 있는 터빈(16)의 회전자 디스크(disk)와 결합하기 위해 외측 몰드 라인(outer mold line)을 규정하는 루트 부분(132)을 포함한다. 센싱 재료는 센서(134)를 형성하기 위해 블레이드의 표면 상에 증착된 배리어 코팅 내에 또는 블레이드(130) 상에 증착될 수 있다. 연결 재료는, 센서(134)로부터의 데이터 신호들이 송신기(138)에, 그리고 이후에 회전 안테나 어셈블리(142)에 통신될 수 있도록, 커넥터들(140)을 형성하기 위해 증착될 수 있다. 리세스(136)는, 하나 또는 둘 이상의 커넥터들(140)이 블레이드(130)의 외측 표면 아래에 놓이도록, 블레이드(130)의 부분 내에 형성될 수 있다.
송신기(138) 및 안테나 어셈블리(142)는, 루트(132)에 의해 규정된 외측 몰드 라인이 변경되지 않도록, 블레이드(130)와 일체로 고정될 수 있다. 예를 들어, 송신기(138)는 루트(132)의 퍼 트리(fir tree) 부분 위의 전이 영역 또는 플랫폼(platform)에 부착될 수 있고, 안테나 어셈블리(142)는 루트(132)의 면에 부착될 수 있다. 대안적으로, 리세스들은, 송신기(138) 및/또는 안테나 어셈블리(142)의 전부 또는 일부가 블레이드 루트(172)의 외측 몰드 라인의 표면 아래에 놓이도록, 플랫폼 및 면 내에 형성될 수 있다. 송신기(138) 및 안테나 어셈블리(142)는 에폭시(epoxy) 또는 접착제를 이용하여 각각의 리세스들 내에 고정될 수 있고, 백필(backfill) 재료는 고온들 또는 미립자들로부터의 보호를 위해 이들 위에 위치될 수 있다.
도 5와 관련하여, 무선 텔레메트리 디바이스(76)는, 블레이드 루트의 외측 몰드 라인이 현저하게 변경되지 않도록 하는 그러한 방식으로, 블레이드 루트(78) 외부에 부착되거나 또는 임베딩될 수 있다. 디바이스(76)는, 블레이드 루트(78)가 회전자 디스크 내에 삽입될 때, 블레이드 루트(78)와 터빈(16)의 회전자 디스크 사이에 생성되는 공동(cavity) 내에 상기 디바이스(76)가 포함되도록, 블레이드 루트(78) 가까이 부착될 수 있다. 이는, 센서(74), 커넥터들(72), 및 디바이스(76)와 함께 계장화된 터빈 블레이드(70)가, 계장화되지 않은 터빈 블레이드와 동일한 방식으로 터빈(16)의 회전자 디스크의 결합 세그먼트에 설치되는 것을 가능하게 한다. 이와 관련하여, 계장화된 블레이드(70)는, 블레이드(70) 및/또는 상기 블레이드(70) 상에 증착된 배리어 코팅의 다양한 동작 파라미터(parameter)들 또는 상태들을 나타내는 데이터를 무선으로 추출하고, 그러한 데이터를 수신 디바이스에 전송하기 위해 필요한 모든 컴포넌트들을 갖게 제조될 수 있다.
예를 들어, 하나 또는 둘 이상의 리세스들 또는 트렌치들이, 하나 또는 둘 이상의 무선 텔레메트리 디바이스들(76)이 포함될 수 있는 블레이드 루트(78)와 같은, 블레이드(70)의 기판의 부분에 형성될 수 있다. 트렌치들은, 블레이드 루트(78)의 원하는 구역들을 밀링함으로써 형성되고 에폭시 또는 다른 적합한 바인더(binder)를 이용하여 디바이스(76)가 트렌치 내에 고정될 수 있다. 트렌치들은, 디바이스(76)를 보호하기 위해, 적절하게 높은 온도의 시멘트 또는 세라믹 페이스트(paste)로 백 필링(back fill)될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 약 300℃ 내지 500℃의 온도를 갖는 환경에서 동작하는, 블레이드의 루트(132) 상에 로케이팅된 특정 전자 컴포넌트들을 갖는 터빈 엔진 블레이드(130)와 같은 회전 컴포넌트로부터 센서 데이터를 전송하는 것을 허용한다. 본 명세서에서 본원의 목적들을 위해, 부가적인 조건 없이 "고온"이라는 용어는, 약 300℃ 내지 500℃의 최대 동작 온도를 갖는, 연소 터빈(10)의 부분들 내의 동작 환경과 같은 임의의 동작 환경을 나타낼 것이다.
본 발명의 실시예들은, 하나 또는 둘 이상의 센서들, 센서들을 적어도 하나의 텔레메트리 송신기 회로와 연결하는 리드 라인들, 적어도 하나의 전송 안테나, 전력원 및 적어도 하나의 수신 안테나를 포함할 수 있는 텔레메트리 시스템들과 함께 계장화된 연소 터빈(10)에서의 사용을 위해 컴포넌트들을 제공한다. 도 10은 터빈 블레이드(130), 무선 텔레메트리 송신기 어셈블리(150), 및 회전 안테나 어셈블리(142)를 예시한다. 리드 라인들 또는 커넥터들(152)은, 센서들(70, 134)과 같은 하나 또는 둘 이상의 센서들로부터 텔레메트리 송신기 어셈블리(150) ― 블레이드 루트(132) 가까이 장착될 때 ― 로 연장될 수 있다. 리드 라인들(152)은 센서(70, 134)로부터 텔레메트리 송신기 어셈블리(150)로 전자 데이터 신호들을 라우팅할 수 있고, 상기 텔레메트리 송신기 어셈블리(150)에서, 신호들은, 도 11에 도시된 일렉트로닉스 패키지(electronics package)(154) 내에 포함된 회로 보드 상에 형성된 텔레메트리 송신기 회로에 의해 프로세싱된다. 리드 라인들 또는 커넥터들(140)은 텔레메트리 송신기 회로로부터 회전 안테나 어셈블리(142)로 전자 데이터 신호들을 라우팅하기 위해 증착될 수 있다.
도 11은, 고온 회로 보드를 포함하고 텔레메트리 송신기 어셈블리(150)의 일부분을 형성할 수 있는 고온 일렉트로닉스 패키지(154)를 예시한다. 일렉트로닉스 패키지(154)의 주 몸체는 Fe-Ni-Co의 합금인, 코바(Kovar)와 같은 합금들로 제조될 수 있다. 코바의 열팽창 계수는, 정확한 조성에 따라, 약
도 11에서 최상으로 도시된 바와 같은 텔레메트리 송신기 어셈블리(150)는, 장착 브래킷(mounting bracket)(156)과 덮개 또는 커버 플레이트(lid or cover plate)(158)와 함께 이들 사이에 포지셔닝된 일렉트로닉스 패키지(154)를 포함할 수 있다. 복수의 연결 핀(connecting pin)들(155)은 패키지(154) 내에 포함된 전자 회로 보드, 이를 테면, 패키지에 제조된 무선 텔레메트리 회로를 갖는 전자 회로 보드와, 다양한 외부 디바이스들, 이를 테면, 데이터 송신 안테나들, 유도 코일 어셈블리들, 및/또는 센서들로부터의 리드 라인들 사이의 연결을 가능하게 한다. 장착 브래킷(156), 커버 플레이트(158), 및 이들을 함께 연결하는 유지 나사(retention screw)들(159)은 모두, 터빈 블레이드(130)와 동일한 재료로 제조될 수 있다. 이는, 터빈 블레이드(130)와 장착 브래킷(156) 사이의 열팽창에 있어서 어떠한 차이도 존재하지 않는다는 것을 보장한다. 결과적으로, 열 천이(thermal transient)들 동안 장착 브래킷(156) 및/또는 터빈 블레이드(130)에서 어떠한 응력(stress)들도 발생되지 않는다.
일렉트로닉스 패키지(154)의 열팽창 계수는 장착 브래킷(156)의 열팽창 계수 ― 이러한 컴포넌트들이 놓이는 동작 시스템이 고온에 있을 때 ― 보다 더 낮을 수 있다. 결과적으로, 일렉트로닉스 패키지(154) ― 그 내부에 포함된 임의의 회로 보드를 구비함 ― 는 장착 브래킷(156) 미만으로 팽창할 것이고, 이는 시스템에서 진동 에너지에 의해 야기되는 손상을 초래할 수 있다. 브래킷(156)과 일렉트로닉스 패키지(154) 사이의 치수 변화 격차를 수용하도록 장착 브래킷(156) 내에 일렉트로닉스 패키지(154)를 고정하기 위해, 세라믹 섬유 직물(160)의 층이 일렉트로닉스 패키지(154)와 장착 브래킷(156)의 내부면 사이에 위치될 수 있다. 직물(160)은, 실리콘 탄화물(carbide), 실리콘 질화물(nitride) 또는 알루미늄 산화물(aluminum oxide)과 같은 섬유들을 포함하는 적합한 세라믹 섬유로 제조될 수 있다. 예를 들어, 3M에 의해 제조된 많은 Nextel™ 알루미늄 산화물 기반 섬유가 섬유(160)를 위해 이용될 수 있다.
텔레메트리 송신기 어셈블리(150)를 형성하기 위해 장착 브래킷(156) 및 커버 플레이트(158)와 함께 어셈블링(assemble)된 일렉트로닉스 패키지(154) 및 세라믹 섬유 직물(160)에 있어서, 장착 브래킷(156)은 부착하기 위한 적합한 수단, 이를 테면, 볼팅(bolting), 용접(welding), 브레이징(brazing)에 의해 또는 천이 액상 본딩(bonding)을 통해 터빈 블레이드(130)에 부착될 수 있다. 도 10은 어셈블리(150)를 수용하기 위해 블레이드 루트(132)에 가까운 터빈 블레이드(130) 내에서 밀링 또는 다른 방식으로 형성될 수 있는 리세스 또는 플랫 포켓(flat pocket)(162)을 예시한다.
커버 플레이트(158)는, 회전 터빈 블레이드(130)가 전속력으로 동작할 때 발생하는 중력하중(G-load force)들에 반대되는 구조적인 지지를 커버 플레이트에 부가하기 위해, 중력(G-force)들의 방향과 수직으로 배향된 플랜지(flange)(164)와 함께 형성될 수 있다. 이는 중력들을 통해 커버 플레이트(158)에 적용된 하중을 버티는(carry) 것으로부터 유지 나사들(159)을 완화시키고, 텔레메트리 송신기 어셈블리(150)가 임의의 인접한 컴포넌트들과의 어떠한 간섭도 없이 비교적 작은 리세스(162)에 피팅(fit)되도록, 상기 유지 나사들(159)이 충분히 작게 제조되도록 허용한다. 유지 나사들(159)이 중력들에 의해 적용된 하중을 버티도록 요구되었다면, 상기 유지 나사들(159)의 요구된 크기는 이용가능한 공간에 피팅되기에는 너무 컷을 것이다.
도 10은 회전 안테나 어셈블리(142)가 루트(132)의 넥(neck) 또는 단부면에 부착될 수 있다는 것을 도시한다. 어셈블리(142)는, 터빈 블레이드(130)의 루트(132)를 포함하는 상기 터빈 블레이드(130)와 같은 터빈 고온 가스 경로 컴포넌트들을 위해 이용된 Ni-기반 합금들의 열팽창 계수들과 상이한 열팽창 계수들을 갖는 전자 어셈블리일 수 있다. 하나 또는 둘 이상의 회전 안테나 어셈블리들(142)은 음속에 가까운 속도의 터빈 블레이드(130)의 회전 동안 윈디지(windage)로부터 보호될 수 있다. 실시예에서, 윈디지 보호 재료는, 이 재료를 통한 전력 및 데이터의 전송을 가능하게 하기 위해 RF 방사 주파수들에 투과적이다.
회전가능 안테나 어셈블리(142)의 실시예들은, 본질적으로 중공 픽스처(hollow fixture)인, 도 10 및 도 12에 도시된 내구성 있는 보호용 RF 투과성 커버(170)를 포함할 수 있고, 상기 중공 픽스처 내에 데이터 안테나 및 유도 전력 컴포넌트들이 포함된다. RF 투과성 커버(170)는 연소 터빈(10)의 동작 동안 자신의 콘텐츠를 윈디지 및 고온 가스 유입으로부터 보호한다. 특정 세라믹들은, 상승된 온도들의 엘리먼트들로부터 RF 송신 장비를 보호하기에 적합하다. 그러나, 많은 세라믹들 및 세라믹 매트릭스 복합물(matrix composite)들은, 연소 터빈(10)의 동작 동안 회전 터빈 블레이드(130)가 경험하는 진동 충격 및 중력하중(G-loading) 하에서 조각나고(chipping) 균열되기(cracking) 쉽다.
본 발명의 발명자들은, RF 투과성 커버(170)가 RF 투과성의 고인성(high toughness) 구조 세라믹 재료들로 제조될 수 있다는 것을 밝혀냈다. 인성강화(toughened) 세라믹들로 알려진 재료군으로부터 선택된 재료뿐만 아니라, 세라믹 매트릭스 복합물들이 하우징(170)을 제조하기 위해 이용될 수 있다. 실리콘 탄화물, 실리콘 질화물, 지르코니아 및 알루미나(alumina)와 같은 재료들이, 특정 프로세싱 접근방식들로부터 초래되는 설계 미세구조들 및/또는 부가적인 엘리먼트들을 이용한 도핑(doping)으로 인해 증가된 인성을 가지고 이용가능하다.
RF 투과적이고, 형성하기 용이하고, 비교적 저렴한 하나의 이러한 재료는, 일반적으로 지르코니아-인성강화 알루미나(zirconia-toughened alumina; ZTA)로 지칭되는 세라믹군으로부터 선택된 재료이다. 이러한 알루미늄 산화물 재료군으로부터 선택된 세라믹 재료는, 종래의 순수 알루미늄 산화물 재료들보다 강도 및 인성이 상당히 더 높다. 이는, 알루미늄 산화물 전체에 걸쳐 균일하게 미세 지르코늄 산화물 입자(fine zirconium oxide particle)들을 포함시킴으로써 달성된 응력-유도 변형 인성강화(stress-induced transformation toughening)로부터 초래된다. 통상의 지르코늄 산화물 함량은 10% 내지 20%이다. 그 결과, ZTA는, 종래의 순수 알루미늄 산화물 재료들에 비해 증가된 컴포넌트 수명 및 성능을 제공한다.
ZTA의 설계 미세구조는, 세라믹이 압축에 로딩될 때, 내파괴성(fracture-resistant)이 있다. 그러나, 장력에 있어서 충분하게 로딩되는 경우, 세라믹은 종래의 세라믹 재료들처럼, 파국적으로 실패할 것이다. 결과적으로, RF 투과성 커버(170)는, 연소 터빈(10)의 동작 동안 세라믹 재료의 인장 응력(tensile stress)들이 최소화되도록 설계된다. 이는, (1) ZTA 컴포넌트들의 모든 코너(corner)들, 에지들, 및 벤드(bend)들에서의 응력 집중 팩터(factor)를 감소시키기 위해, 날카로운 코너들 및 에지들이 제거되게 이러한 위치들이 머시닝(machine)되도록, 그리고 (2) 동작 동안 ZTA 박스(box)에 적용된 중력들이 부착 플랜지(attachment flange)들에서 현저한 벤딩(bending) 응력들을 발생시키기 않게, 회전 안테나 장착 브래킷(174)에서의 ZTA 컴포넌트의 배향 및 피팅이 되도록, 설계 및 제조함으로써 달성된다. 이는, 플랜지들을 중력하중 방향에 수직하게 보다는 중력하중 방향과 평행하게 배향함으로써 달성되고, 그러므로 ZTA 플랜지는 벤딩이 아닌 압축에서 로딩된다.
도 12는, 도 10에서 터빈 블레이드(130)에 부착된 것으로 도시된 바와 같이, 회전 안테나 어셈블리(142)를 형성하기 위해, 회전 안테나 장착 브래킷(174)이 RF 투과성 커버(170)와 함께 어셈블링될 수 있는 것을 예시한다. 회전 안테나 장착 브래킷(174)과 RF 투과성 커버(170) 사이의 인터페이스 로딩(interface loading)은 RF 투과성 커버(170)에서 발생하는 인장 응력들을 최소화한다. 상기 설계는, RF 투과성 커버(170)에서 발생하는 인장 응력들이 최소 파괴 응력 미만이도록 되어, 구조적인 컴포넌트에 대해 긴 수명이 초래되는 그러한 것이다. 장착 브래킷(174)은 터빈 블레이드(130)와 동일한 금속으로 이루어질 수 있는데, 그 이유는 상기 장착 브래킷(174)과 상기 터빈 블레이드(130) 사이의 균일한 열팽창 계수가, 가열 및 냉각 사이클들 동안 부착 구역에서 최소 응력들이 발생되는 것을 초래할 것이기 때문이다.
장착 브래킷(174)은, 연소 터빈(10)의 동작 동안 회전 안테나 어셈블리(142)에 의해 경험되는 모든 중력하중이, 도 12의 화살표 G에 의해 표시된 바와 같이, 브래킷(174)의 상단부(178)를 향하여 연장되는 방향으로 흡수되도록 설계될 수 있다. 장착 브래킷(174)의 어떠한 부분도, RF 송신 데이터 신호를 감쇠시키도록 그 안에 포함된 안테나를 지나 충분히 멀리 연장되지 않는다. RF 투과성 커버(170)는 적소에 고정되고, 그러므로 그의 내부 응력 필드(field)는 주로 압축적이고, 그의 플랜지들 상의 반원형 디벗(semicircular divot)들을 관통하는 나사형(threaded) 핀들(도시되지 않음)을 이용하여 유지될 수 있다.
장착 브래킷(174)은 용접, 브레이징, 본딩, 볼팅 또는 나사고정(screwing)과 같은 종래의 수단을 통해 터빈 블레이드 루트(132)의 면에 부착될 수 있다. 회전 안테나 어셈블리(142)의 실시예는, 원하는 안테나들을 RF 투과성 커버(170)의 중공 몸체에 위치시키고, 안테나들로부터의 리드 와이어들(171)을 커버(170) 내에 형성된 관통 홀(through hole)들 밖으로 공급하고, 그 다음으로, 안테나들을 포함하는 커버(170)의 중공 몸체를 세라믹 포팅(potting) 재료로 필링(fill)함으로써 어셈블링될 수 있다. 그 다음으로, 안테나들을 포함하는 포팅된 RF 투과성 커버(170)는 장착 브래킷(174)으로 슬라이딩(slid)될 수 있고, 상기 장착 브래킷(174)은 사전에 터빈 블레이드 루트(132)에 부착되었을 수 있다. 커버(170)는 장착 브래킷(174)의 홀들에 삽입된 핀들 및 커버(170)의 디벗들을 통해 장착 브래킷(174)에 고정될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 다양한 수단, 이를 테면, 유도 RF 에너지에 의해 및/또는 연소 터빈 엔진(16) 내의 열적 또는 진동 파워(power)를 수확(harvest)함으로써 전력을 공급받을 수 있다. 에너지 수확 파워 모델(model)에서, 동작하는 연소 터빈 엔진(16)에서 이용가능한 에너지로부터 열전기 또는 진동-전기 파워가 발생될 수 있다. 열전쌍열(thermopile)들이 열에너지로부터 전기를 발생시키기 위해 이용될 수 있거나, 또는 압전 재료들이 연소 터빈 엔진(16)의 진동으로부터 전기를 발생시킬 수 있다. 이러한 전력원들의 형태들의 예들은, 2006년 9월 6일 출원된, 출원 번호 제 11/516,338호를 갖는 특허 출원에서 기술되었고, 상기 특허 출원의 전체 개시내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 발명의 실시예들은, 무선 고온 텔레메트리 시스템들의 컴포넌트들에 전력을 공급하기 위해 유도 전력 모드(mode)들을 제공한다. 이러한 시스템들은 공극 변압기들로서 구성될 수 있고, 상기 공극 변압기들에서 변압기 1차 유도 코일 어셈블리(186)는 고정형이고, 2차 유도 코일 어셈블리(195)는 회전한다. 예를 들어, 유도 RF 전력 구성은, 텔레메트리 송신기 어셈블리(150) 내에 포함된 회전 텔레메트리 송신기에 전력을 공급하기 위해 제공된다. 도 13은 연소 터빈(10)의 터빈 엔진(16) 내에서 이용될 수 있는 것과 같은 정적 시일 세그먼트(180)의 일부분을 예시한다. 복수의 정적 시일 세그먼트들(180)은 복수의 터빈 블레이드들(130)에 인접한 터빈 엔진(16)을 둘러쌀 수 있다. 정적 시일 세그먼트들(180)은, 당업자들에 의해 인식되는 바와 같이, 터빈 엔진(16)을 통과하는 고온 가스 경로 내에 고온 가스를 실링(seal)하기 위해 터빈 블레이드들(130)과 협력할 수 있다.
도 13은 아치형 브래킷(arcuate bracket)(182) ― 아치형 브래킷(182)은 그 내부에 형성된 각각의 채널(channel)들 또는 홈(groove)들을 가짐 ― 을 도시하고, 채널 또는 홈 내에 정지 데이터 송신 안테나(184) 및 정지 1차 유도 코일 어셈블리(186)가 고정될 수 있다. 데이터 송신 안테나(184)는, 데이터 송신 안테나(184)를 브래킷(182)과 고정하기 위해 비-전도성 홀더(non-conducting holder)(185)로 삽입될 수 있다. 비-전도성 홀더(185)는, 데이터 송신 안테나(184)가, 금속으로 제조될 수 있는 브래킷(182)과 접촉하지 않는 것을 보장하고, 이에 의해 올바른 동작을 보장한다. 비-전도성 홀더(185)는 RF 투과성 커버(170)를 위해 이용된 동일한 ZTA 인성강화 세라믹 재료로 제조될 수 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 아치형 브래킷(182)에서 안테나(184)를 이용하는 경우, 홀더(185)는 유연성을 제공하기 위해 세그먼트화(segmenting)될 수 있고, 이는 만곡된 브래킷(bracket)(182) 내의 설치를 허용한다. 동일한 세그먼트화 구성이, 만곡된 브래킷(182)에서의 설치를 가능하게 하기 위해 유도 코일 어셈블리(186)에 적용될 수 있다.
1차 유도 코일 어셈블리(186) 및 데이터 송신 안테나 홀더(185)는 브래킷(182)에 대한 부착 구역에 로브(lobe)들로 형성될 수 있다. 브래킷(182)의 연관된 재료 구역들은, 설치부를 수용하기 위해 다소 더 큰 크기로, 동일한 로브 형상으로 제거된다. 로브 형상은, 유도 코일 어셈블리(186) 및 안테나 및 홀더(184, 185)의 포지티브 유지(positive retention)를 가능하게 하는 곡률 반경을 규정하고, 이들은 단부로부터 브래킷(182)으로 위치되어, 제자리(position)로 슬라이딩될 수 있다. 로브 형상은, 인장 응력들이 유도 코일 어셈블리(186) 및 안테나 홀더(185) ― 유도 코일 어셈블리(186) 및 안테나 홀더(185) 모두는 인장 응력들 하에서 구조적인 장애를 겪는 비교적 취약한 재료들로 제조될 수 있음 ― 에서 발생되지 않는 것을 보장하는 동시에, 포지티브 유지가 유지되는 것을 가능하게 한다.
로브들은, 금속 브래킷(182)이 기능성을 방해하지 않는다는 것을 보장하기 위해, 유도 코일 어셈블리(186) 및 데이터 송신 안테나(184)의 전면으로부터 충분히 멀리 포지셔닝될 수 있다. 세라믹 시멘트는, 가열 및 냉각 동안 고정 피팅(secure fit)을 제공하고 열팽창 차이들을 수용하기 위해, 유도 코일 어셈블리(186) 및 안테나 홀더(185)의 표면들과, 브래킷(182)에서의 상기 유도 코일 어셈블리(186) 및 상기 안테나 홀더(185)의 각각의 포켓들 사이에 적용될 수 있다. 얇은 플레이트(도시되지 않음)는, 유도 코일 어셈블리(186) 및 데이터 안테나(184)의 로브화된 구역들을 커버하는 브래킷(182)의 각각의 단부 상에 부착될 수 있어서, 동작 동안의 유지를 보장한다.
하나 또는 둘 이상의 브래킷들(182)은 정적 시일 세그먼트(180)와 동일한 합금, 이를 테면, 인코넬 625(Inconel 625)로 제조될 수 있고, 정적 시일 세그먼트(180)의 내부면과 정합하는 아치형 형상을 가질 수 있다. 브래킷(182)은, 정적 시일 세그먼트(180)의 일그러짐(distortion)을 최소화하기 위해, 단속 용접(interrupted weld)(188)을 이용하여 정적 시일 세그먼트(180)의 내부면에 부착될 수 있다. 유도 코일 어셈블리(186)는, 정지 코어(190)의 부분들을 인케이싱하는 JP Technologies에 의해 판매된 'H Cement'(194)와 함께 적어도 하나의 정지 1차 권선(192) 및 적어도 하나의 정지 코어(190)를 포함할 수 있다.
도 14는 터빈 엔진 블레이드 루트(132) 가까이 장착될 수 있는, RF 투과성 커버(170) 내에 포함된 회전 2차 유도 코일 어셈블리(195)를 갖는 실시예를 예시한다. 회전 유도 코일 어셈블리(195)는 정지 유도 코일 어셈블리(186)와 유사하게 코어(200) 및 권선(201)으로 제조될 수 있다. 회전 데이터 송신 안테나(202)는 정지 데이터 송신 안테나(184)와의 통신을 위해 제공될 수 있다. 데이터 송신 안테나(202)는, 구성에 있어서 비-전도성 홀더(185)와 유사할 수 있는 비-전도성 홀더(203) 내에 인케이싱될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 데이터 송신 안테나(202)는, 비-전도성 홀더(203)를 사용하지 않고서, RF 투과성 커버(170)에 포함될 수 있고, 이러한 경우, 상기 데이터 송신 안테나(202)는 고온 가용 포팅 재료로 제 위치에 홀딩(hold)될 수 있다. 단일의 또는 다수의 정지 1차 유도 코일들(186)은, 연소 터빈(10)이 동작중일 때 회전 2차 유도 코일 어셈블리(195) 및 안테나(202)에 의해 경계가 정해지는(circumscribe) 아크(arc)를 형성하기 위해, 하나 또는 둘 이상의 정적 시일 세그먼트들(180)의 내부면들 상에 배열될 수 있다.
하나 또는 둘 이상의 정지 1차 권선(192)은 고주파, 고전류 전력원들에 의해 에너자이징(energize)될 수 있다. 전력은 각각의 정지 유도 코일 어셈블리(186)에 개별적으로 공급될 수 있거나, 또는 일련의 정지 유도 코일 어셈블리들(186)이 단일 전원에 전기적으로 연결되어 구동될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 5개의 인접한 정지 유도 코일 어셈블리들(186)이 존재할 수 있는데, 상기 5개의 인접한 정지 유도 코일 어셈블리들(186) 각각은 자체 전원에 의해 구동된다. 각각의 정지 1차 권선(192)을 통해 흐르는 전류는 회전 2차 유도 코일 어셈블리(195)에 자기장을 생성하고, 이는 결국 회전 2차 권선(201)에 전류를 생성한다. 회전 2차 권선(201)으로부터의 전류는, 본 명세서 아래에서 더욱 완전하게 기술되는 바와 같이, 무선 텔레메트리 송신기 어셈블리(150) 내에 포함된 무선 텔레메트리 송신기 회로에 전력을 공급한다.
도 14는, 연소 터빈(10)의 시동 이전에 RF 투과성 커버(170)와 정지 코어(190) 사이에 초기 갭(gap) "A"가 존재할 수 있다는 것을 예시한다. 초기 갭 "A"는 연소 터빈(10)의 시동시 약 13㎜일 수 있고, 터빈 블레이드(130) 및 정적 시일 세그먼트(180)가 서로 더 가까워질 때 베이스로드(baseload)에서 약 4㎜로 감소될 수 있다. 자기 코어 재료들은 정지 코어(190) 및 회전 코어(200)를 제조하기 위해 이용될 수 있다. 자기 재료는, 요구되는 전력을, 요구되는 갭 "A"을 가로질러 텔레메트리 송신기 어셈블리(150) 내에 포함된 텔레메트리 송신기 회로에 커플링(couple)하기 위해, 코어 재료로서 이용될 수 있다. 선택된 자기 재료는, 정지 1차 권선들(192)에 의해 생성되고 하나 또는 둘 이상의 회전 2차 권선들(201)에 의해 수신되는 자기장에 초점을 맞추도록 작용한다. 이러한 영향은 정지 엘리먼트와 회전 엘리먼트 사이의 커플링 효율(coupling efficiency)을 증가시킨다.
본 명세서에 개시된 유도 전력 시스템들의 실시예들은, 연소 터빈(10)과 함께 다양한 기하학적 구조들을 수용하기 위해, 다수의 개별적인 1차 및 2차 유도 코일 어셈블리들(186, 195)을 이용할 수 있다. 예를 들어, 정지 유도 코일 어셈블리(186) 및 데이터 송신 1차 안테나(184)는, 시스템 컴포넌트들에 충분한 전력을 유도하고 요구되는 데이터를 전송하기 위해, 정적 시일 세그먼트(180)의 특정 거리에 걸쳐지는 것이 필요할 수 있다. 유도 코일 어셈블리(186) 및 데이터 송신 안테나(184)의 실시예는 길이가 대략 4 피트(feet)가 되는 것이 필요할 수 있다. 이러한 예에서, 제조의 용이함을 위해, 대략 1 피트의 길이를 각각 갖는 4개의 개별 전력/안테나 어셈블리들이 각각의 브래킷들(182)과 함께 제조되어 하나 또는 둘 이상의 정적 시일 세그먼트들(180) 상에 서로 인접하게 설치될 수 있다. 개별 안테나들 사이의 단-대-단 갭 거리가 충분히 작다면, 안테나 어셈블리는, 단일의 4 피트 길이 안테나인 것처럼 기능할 것이다. 이러한 안테나 어셈블리들은 직선 또는 만곡형 엘리먼트들로 형성될 수 있고, 이에 의해, 직선, 곡선, 또는 특정 애플리케이션에 의한 요구에 따라 다른 방식으로 구성되는 가변 길이들의 어셈블리들을 제공한다. 실시예에서, 복수의 이러한 안테나 어셈블리들은, 터빈(16) 내의 하나 또는 둘 이상의 정적 시일 세그먼트들(180)의 최상부 절반에서 대략 112도의 아크에 걸쳐질 수 있다.
본 발명의 발명자들은, 특정 클래스(class)의 자기 코어 재료들이 본 발명의 실시예들의 성능 요건들을 충족 또는 초과한다는 것을 밝혀냈다. 이러한 클래스의 재료들에 대한 일반적인 용어는 나노결정질 철 합금(nanocrystalline iron alloy)이다. 이러한 클래스의 재료의 하나의 조성은, 상표명 NAMGLASS® 라는 이름으로 판매되고, 대략 82% 철의 조성 ― 이때, 밸런스(balance)는 실리콘, 니오븀(niobium), 붕소, 구리, 탄소, 니켈 및 몰리브덴(molybdenum)임 ― 을 갖는다. 이러한 나노결정질 철 합금 재료는, 500℃ 초과의 퀴리 온도(Curie temperature), 매우 낮은 보자력(coercivity), 낮은 와전류 손실(eddy-current loss), 높은 포화 플럭스 밀도(saturation flux density)와 같은 바람직한 특징들을 나타내고, 전체 고온 동작 범위에 걸쳐 투자율(permeability)이 매우 안정적이라는 것을 밝혀냈다.
이러한 나노결정질 철 합금 재료는 "C" 코어 변압기 코어들 또는 토로이드(toroid)들의 형태의 테이프-감겨진(tape-wound) 구성들로 상업적으로 입수가능하다. 본 발명의 실시예들은, 1차 정지 코어(190)를 위해 이용되었던, "I" 코어 형상을 형성하기 위해 이러한 나노결정질 철 합금 재료를 활용한다. "I" 형상은, 이러한 형상이 자기 자신을 고정 장착 브래킷(182) 상의 채널 내의 적소에 홀딩하기 때문에 선택되었다. 각각의 유도 코일 어셈블리(186)의 유도 코어(induction core)(190)는, 길이가 대략 11 인치(inches)인 아크 내로 형성된 나노결정질 철 합금 재료의 복수의 0.007" 두께 라미네이션(lamination)들로 이루어진다. 동일한 나노결정질 철 합금 재료가 회전 안테나(200) 변압기 코어를 위해 이용될 수 있다.
정지 엘리먼트와 회전 엘리먼트 사이에 전력을 커플링하기 위해 이용된 자기장의 세기는, 구동 신호, 즉, 도 16에 예시된 예시적인 유도 전력 구동기 회로에 의해 생성된 고주파 AC 신호의 주파수를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 정지 1차 권선들(192)을 구동시키기 위해 고주파, 이를 테면, 대략 200 ㎑를 초과하는 주파수들을 이용할 수 있다. 대안적인 실시예들은, 이러한 주파수들에서 동작하도록 설계된 전력 구동기를 이용하여 적어도 1 메가-헤르츠(Mega-Hertz)의 동작 주파수를 달성할 수 있다.
권선 코어들(190, 200)을 위해 이용된 와이어는, 고온들에서의 산화 및 장애를 감소시키기 위해 세라믹 절연을 갖는 27% 니켈-클래드 구리(nickel-clad copper)로 이루어질 수 있다. 이러한 와이어의 핸들링 특성(handling characteristic)들은, 보호 세라믹 코팅의 결과로서, 표준 유기-절연 순 구리(standard organic-insulated bare copper)보다 상당히 더 어렵고, 1차 및 회전 엘리먼트들 모두를 감는 프로세스들을 위해 특수한 기법들이 개발되었다. 다른 와이어들은 절연 은 또는 양극처리 알루미늄일 수 있다.
2개의 타입들의 세라믹 재료들은, 1차 및 회전 유도 코일 어셈블리들(186, 195) 양측 모두의 구성에서 이용될 수 있다. 권선들(192, 201)이 코어 엘리먼트들(190, 200)에 대해 단락되지 않는다는(전도한다는) 것을 보장하는 것이 중요하다. 와이어들 상에 공급된 세라믹 절연에 부가하여, 초미세 입자 크기를 갖는 세라믹 시멘트인, H 시멘트와 같은 화합물이, 권선 코어들(190, 200) 상에서 절연 베이스 코트(base coat)로서 이용될 수 있다. 일단 권선 코어들(190, 200)이 감기면, 이들은 알루미늄 산화물 기반 세라믹 시멘트인 코트로닉스 940(Cotronics 940)으로 포팅될 수 있다.
도 15는, 도 10에 도시된 텔레메트리 송신기 어셈블리(150) 내에 포함되는, 도 11에 도시된 고온 일렉트로닉스 패키지(154) 내부에 피팅된 회로 보드 상에 제조될 수 있는 예시적인 텔레메트리 송신기 회로(210)의 개략도를 예시한다. 텔레메트리 송신기 회로(210)는, 터빈 블레이드(130)와 연관된 스트레인을 측정하기 위한 스트레인 게이지(gage) 센서일 수 있는, 도 9의 센서(134)와 같은 센서와의 동작을 위해 구성될 수 있다. 회전 2차 유도 코일 어셈블리(195)는 대략 250 ㎑ AC 전력을 송신기 회로(210)의 전압 정류기에 제공할 수 있다. 이러한 회로는 AC 입력을 DC 출력으로 변화시켜 전압 조정기 회로에 공급한다.
송신기 회로(210)의 전압 조정기는, AC 입력 전압이 변화될 수 있을지라도, DC 정전압 출력을 유지한다. 정전압 출력은, 신호 출력을 위해 더 우수한 정확도 및 안정적인 동작 주파수를 달성하기 위해 요구된다. 전압 조정기는 또한, 정전압을 스트레인 게이지 센서(134) 및 밸러스트 저항기(ballast resistor)(도시되지 않음)에 공급한다. 스트레인 게이지 센서(134) 및 밸러스트 저항기는 센서 신호 입력을 송신기 회로(210)에 제공한다. 스트레인 게이지 센서(134)가 장착되는 표면이 편향되기 때문에, 스트레인 게이지는 저항을 변화시키고, 이는 송신기 회로(210) 입력에서의 전압이 변화되게 한다.
스트레인 게이지 센서(134)로부터의 신호에 의해 제공된 가변 전압은 먼저, 차동 증폭기에 의해, 그리고 그 다음, 고이득 AC 증폭기(high gain AC amplifier)에 의해 증폭된다. 결과적인 신호는 송신기 회로(210)의 전압 제어 오실레이터(voltage controlled oscillator; VCO) 섹션의 버랙터 다이오드(varactor diode)에 인가된다. VCO는 높은 캐리어 주파수(carrier frequency)에서 발진된다. 이러한 캐리어 주파수는 송신기 회로(210)와 관련하여 125 내지 155 ㎒의 대역에 설정될 수 있다. 고정 캐리어 주파수는 버랙터 상에서 변화하는 전압에 의해 다소 변화된다. 이러한 주파수의 변화 또는 편이(deviation)는, 스트레인 게이지 센서(134)가 겪는 편향 또는 스트레인과 직접적으로 관련된다. VCO 캐리어 출력은 버퍼 스테이지(buffer stage)에 공급되고, 버퍼 출력은, 도 10의 리드 와이어들(140)을 통해 회전 안테나 어셈블리(142)에 포함된 전송 안테나에 연결된다.
수신 디바이스, 이를 테면, 도 1의 트랜시버(56), 또는 연소 터빈(10) 내의 고온 또는 다른 영역들에 로케이팅된 다른 디바이스들에서, 캐리어 신호가 제거되고, 편이는, 스트레인에 비례하는 증폭된 출력이 된다. 고온 사용을 위해 설계된 이러한 송신기 회로(210)에서 이용된 트랜지스터들은, SiC, AlN, GaN, AlGaN, GaAs, GaP, InP, AlGaAs, AlGaP, AlInGaP, 및 GaAsAlN을 포함하는 광대역 갭 반도체 재료들과 같은 고온 가능 재료로 제조될 수 있거나, 또는 다른 고온 가능 트랜지스터 재료가 약 500 내지 600℃까지 이용될 수 있다.
회로 보드 상에 제조된 무선 텔레메트리 송신기 회로(210)의 다양한 실시예들은, 가변 동작 온도들에서 그리고 다양한 센서 타입들을 이용하여, 연소 터빈(10) 내에서의 사용을 위해 적응될 수 있다. 송신기 회로(210)의 엘리먼트들 및 이들의 대안적인 실시예들은 대략 350℃까지 SOI 통합형 회로들과 같은 다양한 온도 민감 재료들; 대략 300 내지 350℃에서 폴리실시퀴옥산(polysilseqioxane), PFA, 폴리이미드(polyimide), 노멕스(Nomex), PBZT, PBO, PBI, 및 볼텍스(Voltex) 감긴 커패시터들; 그리고 대략 450 내지 500℃에서 PLZT, NPO, Ta2O5, BaTiO3 다층 세라믹 커패시터들을 이용하여 제조될 수 있다.
저항기들의 다양한 실시예들은, 대략 350℃까지의 동작 온도들을 위해 Ta, TaN, Ti, SnO2, Ni-Cr, Cr-Si 및 Pd-Ag, 그리고 대략 350℃ 및 그 초과의 동작 온도들을 위해 Ru, RuO2, Ru-Ag 및 Si3N4로 제조될 수 있다. SiC, AlN, GaN, AlGaN, GaAs, GaP, InP, AlGaAs, AlGaP, AlInGaP, 및 GaAsAlN, 또는 다른 고온 가능 반전도성 재료로 이루어진 별개의 트랜지스터, 다이오드 또는 커패시터 다이(die)와 같은 개별 고온 전자 컴포넌트들은, 대략 350℃를 초과하지 않는 온도들에서의 동작을 위해 단일 SOI CMOS 디바이스로 대체될 수 있다.
무선 텔레메트리 디바이스(76)의 실시예와 관련해서는 도 6에 도시되었다. 전기 신호들을 수신 및/또는 전송하는 트랜시버일 수 있는 안테나(102)는, 텔레메트리 송신기 회로와 동일한 보드 상에 제조된다. 텔레메트리 송신기 회로는 상호연결들(98)을 통해 서로 전기적으로 연결된 전자 회로(90), 멀티바이브레이터(multivibrator) 회로(도시되지 않음), 연산 증폭기(92), RF 변조기(94) 및 RF 오실레이터/송신기(96)를 포함할 수 있다. 보드(80) 상의 전술한 컴포넌트들에 부가하여, 디바이스(76)는 전기 회로(90) 및 안테나(102)와 전기적으로 통신하는 전력원(110)을 포함할 수 있다. 안테나(102) 및/또는 전력원(110)을 포함하는 상술된 전기 컴포넌트들(90, 92, 94 및 96)은 회로 보드 또는 통합형 칩의 형태로 보드 또는 기판(80) 상에 형성된다. 대안적으로, 전력원(110)은 블레이드 또는 베인에 가까운 기판으로부터 떨어져 장착될 수 있거나, 안테나(102) 및 전력원 모두가 보드로부터 떨어져 있지만 텔레메트리 송신기 회로와 전기 통신을 유지한다.
도 6에 도시된 실시예 및 아래에서 더욱 상세하게 기술되는 도 17 내지 도 23에 도시된 실시예들은, 권선들을 갖는 자기 코어들이 제거된, 공진 에너지 전달 어셈블리를 이용할 수 있다. 이러한 실시예들은, 항공학(aeronautics)에서 이용되는 더 작은 모듈식(modular) 연소 터빈 엔진들에 사용하기에 특히 유리할 수 있다. 더욱 구체적으로, 이러한 모듈식 터빈 시스템들은 예를 들어, 전력 발생 플랜트(plant)들에서 이용된 예를 들어, 압축기 또는 터빈 블레이드 스테이지(stage)들보다 상당히 더 작은 회전자 디스크(302)와 일체로 형성된 블레이드들(301)을 포함하는 블리스크를 포함한다. 따라서, 블리스크는, 도 14에 도시된 자기 코어들(190 및 200)을 포함하는 전력 유도 코일 어셈블리들(186 및 195)을 지지하기 위해 이용가능한 충분한 표면적을 갖지 않을 수 있다.
더욱이, 이러한 모듈식 터빈 시스템들에서, 전체 스테이지들, 이를 테면, 압축기 또는 터빈 스테이지는 인접한 스테이지로부터 분리되어 대체될 수 있다. 센서 라우팅 와이어(Sensor routing wire)들은 통상적으로 회전자를 통해, 터빈 회전자의 하나의 단부 또는 단부들 양측 모두의 슬립 링(slip ring)들 또는 텔레메트리 팩(telemetry pack)들로 이어진다. 별개의 스테이지들에서, 회전자를 통한 센서 라우팅 와이어링(wiring)은 컷팅(cut) 및 재연결되어야 한다. 이러한 프로세스는 시간 및 비용의 소비를 초래하고, 재연결된 와이어들은 터빈의 동작 동안, 원래의 라우팅 와이어들보다 훨씬 덜 신뢰적이다. 회전 컴포넌트들 상에 센서들을 요구하는 각각의 스테이지에 위치된 분산형 무선 텔레메트리 시스템들의 이용은, 압축기 또는 터빈 스테이지를 제거 및 대체할 때 수동으로 연결해제 및 재연결되어야 하는 하드(hard) 와이어링을 제거할 수 있다.
무선 텔레메트리 시스템의 컴포넌트들은, 회전자 디스크(302)와 일체로 형성된 복수의 블레이드들(301)을 포함하는 블리스크(300)와 관련하여, 도 17에 도시된다. 도시된 바와 같이, 각각의 블레이드(301)는 포일 부분(foil portion)(303)을 포함하고, 상기 포일 부분(303)으로 고온 팽창 가스가 흘러서, 터빈의 경우에 블리스크(300)가 회전하게 한다. 이와 반대로, 압축기 블리스크의 회전은 터빈 외측으로부터의 주변 온도 가스를 회전 블레이드들을 지나서 인도하여, 나중의 압축기 스테이지들을 통해, 그리고 터빈 엔진의 터빈 스테이지로 지향되면서 가스를 압축한다. 각각의 블레이드(301) 또는 포일 부분(303)은, 케이싱(305)에 인접하고 상기 케이싱(305)과 이격된 관계에 있는 팁(304)을 가지며, 상기 케이싱(305) 내에는 블레이드들(301)과 같은 회전 컴포넌트들 및 베인들(도시되지 않음)과 같은 정지 컴포넌트들이 포지셔닝된다. 블리스크(300)는 터빈 엔진을 위한 파워 터빈 또는 압축기에서의 동작을 위해 포지셔닝될 수 있다. 부가하여, 아래에 기술되는 공진 에너지 전달 어셈블리는, 블레이드들(301)과 같은 회전 컴포넌트들 또는 베인들과 같은 정지 컴포넌트들의 모니터링과 관련하여 이용될 수 있다.
임베딩된 또는 표면 장착된 센서(306)는 블레이드(301)의 동작 상태들이 모니터링되는 영역에 관하여 블레이드(301) 상에 배치된다. 내온성 리드 라인들 또는 커넥터들(307)은 센서(306)를 무선 텔레메트리 디바이스(308)와 전기적으로 링크시킨다. 디바이스(308)는 바람직하게, 텔레메트리 컴포넌트들이 비교적 낮은 온도들에 노출되는 위치, 이를 테면, 동작 온도가 통상적으로 약 150℃ 내지 약 250℃인 블리스크(300)의 회전자(309)에 장착된다.
센서(306) 및 상호연결 라인들(307)은 알려진 증착 프로세스들, 이를 테면, 플라즈마 스프레잉, EB PVD, CVD, 펄스 레이저 증착, 미니-플라즈마, 직접-인쇄, 미니-HVOF 또는 솔루션 플라즈마 스프레잉을 이용하여 증착될 수 있다. 통상적으로, 동적 압력 측정들, 동적 및 정적 스트레인, 및 동적 가속 측정들이, 컴포넌트 표면 온도 및 열유속 측정들과 함께, 연소 터빈(10)의 정지 컴포넌트 및 회전 컴포넌트 양측 모두 상에서 요구된다. 따라서, 임베딩된 또는 표면 장착된 센서(306)는 스트레인 게이지들, 열전쌍들, 열유속 센서들, 압력 트랜스듀서들, 마이크로-가속도계들뿐만 아니라 다른 원하는 센서들로서 구성될 수 있다. 더욱이, 센서를 제조하기 위해 이용되는 재료들은, 압축기 컴포넌트 또는 터빈 컴포넌트 양측 모두를 위해 도 4에 도시된 센서(61)에 관하여 열거되고 기술된 그러한 열전쌍 재료들을 포함할 수 있다.
도 17 내지 도 25에 도시된 무선 텔레메트리 시스템의 실시예는, 무선 텔레메트리 디바이스(308) 및 센서(306)를 포함하는 어셈블리의 회전 컴포넌트들에 관하여, 압축기(12) 또는 터빈(10) 내의, 정지 위치에 장착된 1차 코일 또는 프로브(310)를 갖는 공진 에너지 전달 시스템을 포함한다. 예로서, 그리고 도 17에 도시된 바와 같이, 1차 코일(310)은 압축기 또는 터빈의 케이싱(313)에 장착될 수 있고, RF 전력원(315)에 링크된다. 도 18에 도시된 바와 같이, 텔레메트리 디바이스(308)는 도 15에 관하여 기술된 것과 같은 텔레메트리 회로(312), 및 2차 코일(311)의 형태의 전력원을 포함한다. 부가하여, 송신기 디바이스(308)는, 텔레메트리 송신기 회로(312)와 전기적으로 통신하는 RF 데이터 안테나(314)를 포함한다.
1차 코일 및 아래에 기술되는 2차 코일에 관하여 본 명세서에서 이용된 바와 같은 용어 "코일"은, 반드시 이러한 컴포넌트의 물리적 구성의 표시인 것은 아니다. 실제로, "코일들" 중 하나 또는 양측 모두는 프로브의 형태일 수 있다. 용어 "코일"은, 1차 디바이스로부터 발진 전류를 발생시키고, 발진 전류의 주파수와 동일한 주파수를 공진시키도록 동조(tune)되는 2차 디바이스에 전력을 유도하기 위해 커패시터들 및 인덕터들과 같이 적합하게 구성된 전기 컴포넌트들을 포함하는 전력 전송 및 전력 수신 디바이스를 포함하도록 의도된다.
동작에서, RF 전력원(315)으로부터 전력을 수신하는 1차 코일(310)은 발진 전자기 방사 신호 필드를 발생시키고, 에너지는 2차 코일(311)에 전달되고, 상기 2차 코일(311)은 텔레메트리 송신기 회로(312)에 전력을 공급한다. 센서(306)는, 블레이드들(301)과 같은 컴포넌트의 동작 상태를 나타내는 전자 데이터 신호들을 발생시키고, 전자 데이터 신호들은 텔레메트리 송신기 회로(312)로 전송되고, 상기 텔레메트리 송신기 회로(312)는 전자 데이터 신호들을 데이터 안테나(314)로 라우팅한다. 전자 데이터 신호들은 블레이드(301)와 같은 컴포넌트의 동작 상태를 나타낸다. 실시예에서, 디바이스(308)는, 안테나(314) 및 2차 코일(311) 양측 모두가 회로(312)를 갖는 기판 상에 증착되는 회로 보드로서 또는 통합형 칩으로서 제조될 수 있다.
에너지의 전달을 위한 1차 코일들(310) 및 2차 코일(311)에 대한 예시적인 회로는 도 19에 도시되고, 1차 코일(310)은 공심(air core) 변압기를 통해 소스 코일 또는 인덕터(L3)에 링크된 전송 코일 또는 인덕터(L1)를 포함한다. 유사하게, 2차 코일은 공심 변압기를 통해 소스 코일(L4)에 링크된 수신 코일 또는 인덕터(L2)를 포함한다. 전송 코일(L1)은 저항(Rc) 및 공진 커패시터(C)를 갖고; 수신 코일(L2)은 또한 코일 저항(Rc) 및 공진 커패시터(C)를 포함한다. 이러한 예시적인 회로에서, 소스 코일(L3)의 소스 저항(Rs) 및 로드 코일(L4)의 로드 저항(RL)은 공진 시스템의 Q에 기여하지 않고, 이에 의해, 1차 코일(310)과 2차 코일(311) 사이의 커플링, 및 그러므로 전력이 전송될 수 있는 거리가 증가된다. 1차 코일(310) 및 2차 코일(311)을 위한 각각의 RLC 회로들은, 전력이 1차 코일(310)로부터 2차 코일(311)로 전송될 수 있도록, 코일들(310 및 311)이 동일한 또는 공통 주파수에서 공진되도록 동조된다.
코일들(310 및 311)은 Ni, Ni-기반 초합금, Incanel®, 금, 백금 또는 약 250℃ 또는 그 초과의 온도들에서 작용하는 다른 재료들과 같은 내온성 및 내산화성 재료들로 구성될 수 있다. 부가하여, RF 전력 구동기는, 코일들이 ㎐ 내지 ㎓ 범위 ― 이때, 예시적인 실시예는 1 ㎒ 내지 약 15 ㎒, 그리고 바람직하게는 약 10 ㎒임 ― 의 공통 주파수에서 공진하도록, 1차 코일에 대한 전력원으로서 기능할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 안테나(314)는 회로 보드 상에 프린팅(print)되고, 안테나의 원하는 길이는 다음과 같이 계산될 수 있다:
여기서, c는 자유 공간에서의 광의 속도이고, f는 캐리어 신호의 주파수이고,
도 21은 브래킷(318)을 이용하여 블리스크(300)의 회전자 디스크(302) 가까이 장착될 수 있는 RF 투과성 커버(317) 내에 포함된 텔레메트리 송신기 어셈블리(316)를 갖는 본 발명의 실시예와 함께 블리스크(300) 및 고정자(323)의 단면도를 예시한다. 상술된 바와 같이, 어셈블리(316)는 통합형 칩과 동일한 기판 상에 제조된 텔레메트리 회로(312), 2차 코일(311) 및 데이터 안테나(314)를 포함한다. 도 22에서 확인될 수 있는 바와 같이, 커넥터들(319)은 리드 라인들(307) 및 센서(306)를 텔레메트리 송신기 회로(312)에 전기적으로 연결하기 위해 제공된다. 실시예에서, 텔레메트리 송신기 회로(312), 2차 코일(311), 및 안테나(314)는, 고온 가능 비-전도성의 고 유전체 포팅 재료를 이용하여 RF 투과성 커버(317) 내에 고정될 수 있다.
다시 도 21과 관련하여, 회전 데이터 안테나(314)는 정지 데이터 안테나(320)와의 통신을 위해 제공될 수 있고, 상기 정지 데이터 안테나(320)는, 데이터 송신 안테나(320)를 브래킷(322)과 고정하기 위한 비-전도성 홀더(321) 내로 삽입된다. 브래킷(322)은 고정자(323), 또는 고정자(323)와 연관된 정적 시일 세그먼트로서 정지 컴포넌트에 장착된다. 비-전도성 홀더(321)는, 정지 데이터 송신 안테나(320)가 브래킷(322) ― 상기 브래킷(322)은 금속으로 제조될 수 있음 ― 에 접촉하지 않는다는 것을 보장하고, 이에 의해 올바른 동작을 보장한다. 비-전도성 홀더(322)는 RF 투과성 커버(317)에 이용된 것과 동일한 ZTA 인성강화 세라믹 또는 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ), 알루미나, 또는 다른 고온 세라믹 재료로 제조될 수 있다. 도 13에 도시된 것과 같은 아치형 브래킷에서 안테나(320)를 이용하는 경우, 홀더(322)는 유연성을 제공하기 위해 세그먼트화될 수 있고, 이는 만곡된 브래킷 내의 설치를 허용한다. 실시예에서, 정지 안테나(320)는, 터빈 엔진의 동작 동안 임의의 포인트(point) 또는 시간에서 전자 데이터 신호들이 회전 데이터 안테나(314)로부터 수신될 수 있도록, 고정자(323) 상에 둘레방향으로 연장될 수 있다. 도시된 바와 같이, 전기 리드 와이어(340)는, 회전 데이터(314)로부터 수신된 전자 데이터 신호가, 블레이드(301)의 동작 상태들을 모니터링하는 프로세싱을 위해 전송되도록, 정지 안테나(320)를 제어기 또는 프로세서(341)에 전기적으로 연결한다.
도 23에 도시된 또 다른 실시예에서, 2차 코일(311)은 블레이드(301)의 포일 부분(303)의 팁(304) 상에 증착될 수 있다. 도시된 바와 같이, 전기 리드 라인(324)이 또한 블레이드(301) 상에 증착되어, 코일(311)을 상술된 방식으로 회전자 디스크(302)에 부착된 텔레메트리 회로(312)에 전기적으로 연결한다. 이러한 실시예에서, 회전 데이터 안테나(314)는 텔레메트리 회로(312)와 함께 회로 보드(80) 상에 제조될 수 있고, 이는 보드(80)가 로케이팅되는 영역에서 안테나 블록(block)에 대한 필요성을 제거한다. 이는 무선 텔레메트리 시스템을 블리스크 또는 블레이드의 루트 섹션에 로케이팅하기 위해 요구되는 영역을 감소시킨다.
도 24를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서, 2차 코일(311) 및 회전 데이터 안테나(314) 모두가 블레이드(301)의 포일 부분(303) 상에 증착된다. 상술된 바와 같이, 전기 리드 라인(324)은 코일(311)을 텔레메트리 송신기 회로(312)에 전기적으로 연결하고, 이에 의해 회로(312)에 전력을 공급한다. 부가하여, 전기 리드 라인(325)은 송신기 회로(312)로부터 회전 데이터 안테나(314)로 전기 데이터 신호들을 라우팅한다. 안테나(314)가 텔레메트리 회로(312)의 기판 상이 아니라 블레이드(301) 상에 있는 이러한 실시예에서, RF 투과성 커버는 요구되지 않는다. 텔레메트리 회로(312)는 도 11에 도시된 바와 같은 일렉트로닉스 패키지 내에 하우징되고 회전자 디스크(302)에 장착될 수 있다.
도 25와 관련하여, 2개의 텔레메트리 송신기 디바이스들(330 및 331)을 포함하는 공진 에너지 전달 시스템을 포함하는 무선 텔레메트리 시스템의 실시예가 예시되고, 상기 2개의 텔레메트리 송신기 디바이스들(330 및 331) 각각은 텔레메트리 송신기 회로를 포함한다. 더욱 구체적으로, 시스템은 제 1 또는 회전 송신기 디바이스(330) 및 제 2 또는 정지 송신기 디바이스(331)를 포함한다. 도 25는 터빈 또는 압축기의 상술된 블리스크(300)와 같은 회전 컴포넌트의 단면도이고, 이는 또한 더 큰 압축기들 또는 터빈들의 터빈 블레이드 스테이지를 나타낼 수 있다. 부가하여, 블리스크(300)는 고정자(323)와 같은 정지 컴포넌트에 인접하게 포지셔닝된다.
상술된 바와 같이, 제 1 (또는 회전) 텔레메트리 디바이스(330)는 통합형 칩으로서 제조된 텔레메트리 송신기 회로(312), 데이터 안테나(314), 및 2차 코일(311)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 데이터 안테나(314) 및/또는 2차 코일(311) 중 하나 또는 양측 모두는 블레이드(301) 또는 날개(303) 상에 있다. 부가하여, 하나 또는 둘 이상의 센서들(306)이, 압축기(12) 또는 터빈(10)의 동작 동안 모니터링되도록 의도되는 블레이드(301)의 일부분 상에 배치된다. 전기 리드 라인들(307)은, 블레이드(306)의 동작 상태를 나타내는 전기 데이터 신호들을 텔레메트리 송신기 회로(312)에 라우팅하기 위해, 센서들(306)을 텔레메트리 송신기 회로(312)에 연결한다. 송신기 회로(312)는 전기 데이터 신호들을 안테나(314)에 라우팅하기 위해 제 1 안테나(314)에 전기적으로 연결된다.
도시된 바와 같이, 텔레메트리 시스템은, 전류 또는 전력을 1차 코일(310)에 공급하는 RF 전력원(315)에 링크되는 1차 코일(310)을 포함한다. 1차 코일(310)은 터빈 또는 압축기 케이싱(305)과 같이, 블리스크(300)에 관하여 정지 위치에 포지셔닝된다. 상술된 바와 같이, RF 전력원(315)으로부터 전력을 수신하는 1차 코일(310)은 발진 전자기 방사 신호 필드를 발생시키고, 에너지는 2차 코일(311)에 전달되고, 상기 2차 코일(311)은 텔레메트리 송신기 회로(312)에 전력을 공급한다.
안테나(314)가 텔레메트리 회로(312)와 동일한 기판 상에 제조되는 것을 가정하면, 텔레메트리 디바이스(330)는 회로(312)를 블리스크(300)의 회전자 디스크(302)에 부착하기 위해 RF 투과성 커버(314) 및 브래킷(318)을 포함한다. 안테나(314)가 블레이드(301) 상에 또는 블리스크(300) 상의 몇몇 다른 위치에, 그리고 텔레메트리 송신기 회로(312)의 기판으로부터 떨어져 배치되는 경우, RF 투과성 커버는 요구되지 않는다.
도 25에 도시된 실시예에서, 무선 텔레메트리 시스템은 또한, 터빈(10) 또는 압축기(12) 내의 정지 컴포넌트의 상태를 나타내는 전자 데이터 신호들을 획득 및 전송하기 위한 메커니즘(mechanism)을 포함한다. 따라서, 제 2 또는 정지 텔레메트리 디바이스(331)는 고정자(323)에 부착된다. 제 1 텔레메트리 디바이스(330)와 유사하게, 제 2 텔레메트리 디바이스(331)는, 통합형 칩의 형태로 기판 상에 제조되는 (정지 안테나 또는 제 2 안테나로 또한 지칭되는) 안테나(333) 및 텔레메트리 회로(332)를 포함하지만; 안테나(333)는 도 22에 도시된 바와 같이 텔레메트리 회로(333)로부터 떨어진 고정자에 부착될 수 있다.
도 25에 추가로 도시된 바와 같이, 하나 또는 둘 이상의 센서들(335)은, 고정자(323) 또는 다른 정지 컴포넌트들의 상태들을 모니터링하기 위해, 압축기(12) 또는 터빈(10)의 정지 위치들에 포지셔닝된다. 전기 리드 라인들(334)은, 정지 컴포넌트의 상태를 나타내는 전자 데이터 신호들을 제 2 텔레메트리 회로(332)에 전송하기 위해, 센서들(335)을 제 2 또는 정지 텔레메트리 회로(332)에 전기적으로 연결한다. 텔레메트리 회로(332)는, 신호들을 안테나(333)에 라우팅하기 위해 제 2 또는 정지 안테나(333)와 전기적으로 통신한다. 정지 안테나(333)는 텔레메트리 회로(332)의 기판과 동일한 기판 상에 제조될 수 있거나, 또는 도 21에 도시된 바와 같이 별도로 장착될 수 있다. 더욱이, RF 투과성 커버(317)는 제 2 텔레메트리 회로(332) 또는 안테나를 위해 요구되지 않는데, 그 이유는 윈디지 및 원심성 로딩(centrifugal loading)과 같은 동작 상태들이 블레이드(301) 및 디스크(302)에 비해 극심하지 않을 수 있기 때문이다.
바람직한 실시예에서, 전력원(336)은 전기 리드 라인(337)을 통해 제 2 텔레메트리 회로(332)에 링크된다. 이러한 전기 연결은, 센서들(335)로부터 안테나(333)로 신호들을 라우팅하도록 그리고 제 2 또는 정지 안테나(333)로부터 수신기(338)로 전자 데이터 신호들을 추가로 전송하도록, 충분한 전력을 텔레메트리 회로(332)에 제공하기 위해 필요할 수 있다. 도시된 바와 같이, 수신기(338)는 제 2 안테나(333)에 가까운 정지 위치에 장착되고, 정지 및 회전 컴포넌트들의 동작 상태들을 나타내는 전자 신호들을 프로세싱하기 위한 제어기 또는 프로세서(339)에 링크된다. 안테나(333)는 회전 안테나(314)로부터 전송된 전자 데이터 신호들뿐만 아니라 정지 센서들(335) 및 텔레메트리 회로(332)로부터 수신된 전자 데이터 신호들을 전송하도록 구성된다. 전자 데이터 신호들은 정지 안테나(333)로부터 무선으로 또는 전자 리드 와이어(도시되지 않음)를 통해 전송될 수 있다. 이러한 방식으로, 정지 안테나(333)는 터빈(10) 또는 압축기(12)의 정지 및 회전 컴포넌트들 양측 모두의 동작 상태들에 대한 전자 데이터 신호들을 수신 및 전송한다.
도 26 내지 도 31에 도시된 텔레메트리 시스템의 실시예는, 고정자(323)의 정적 시일 세그먼트 상에 장착된 1차 유도 코일 어셈블리(400) 및 터빈 블레이드(406)에 장착된 2차 유도 코일 어셈블리(402)를 포함하는 유도 전력 시스템을 포함한다. 각각의 어셈블리(400, 402)는, 세라믹 기판 또는 인쇄 와이어 보드(404) 상에 평면형 권선(410, 420)으로서 형성되는 유도 코일을 포함한다. 예를 들어, 권선들(410, 420)은 저온 동시소성 세라믹(low temperature co-fired ceramic; LTCC) 또는 고온 동시소성 세라믹(high temperature co-fired ceramic; HTCC) 인쇄 와이어 보드 상에 형성될 수 있다. 유도성 재료들, 이를 테면, 금, 은, 백금, 및/또는 이들의 합금들이 권선들을 형성하기 위해 이용될 수 있다. 특히, 저온 동시소성 세라믹 테이프(tape), 이를 테면, Dupont에 의해 제조된 951 그린 테이프(951 Green Tape)가 권선들(410, 420)을 형성하기 위해 이용될 수 있다. LTCC 보드와 함께 이러한 금속들 및/또는 금속 합금들의 이용은, 대략 1500℃까지의 온도들에서 신뢰적으로 동작하는 1차 및 2차 코일들을 제공하고, LTCC는 통상적으로 1,000 볼트(volts)를 초과하는 유전 및 절연 강도를 가지며, 이는 종래의 유도 코일들보다 더 많은 전력의 발생을 가능하게 한다.
부가하여, 도 26 및 도 27에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 강자성(ferromagnetic) 또는 페리자성(ferrimagnetic) 재료, 이를 테면, 철 또는 페라이트(ferrite)로 제조된 자기 코어(412)는, 인덕턴스(inductance)를 개선 또는 증가시키기 위해 보드에 장착 또는 본딩(bond)될 수 있다. 중앙에 포지셔닝된 슬롯(slot)은 보드(404)에 형성될 수 있고, 자기 코어(412)는 슬롯에 삽입되고, 알려진 포팅 재료들 및 기법들을 이용하여 보드에 부착된다. 대안적으로, 자기 코어는 도 28에 도시된 바와 같이 요구되지 않는다. 자기 코어(412)는 각각의 어셈블리들(400, 402)의 인덕턴스를 증가시키기 위해 이용될 수 있다.
다시 도 26과 관련하여, 복수의 1차 유도 코일 어셈블리들(400)이 단-대-단 정렬되고, 고정자(323)의 정적 시일 세그먼트(180)에 부착된다. 본 명세서에서 이용된 바와 같이, 유도 코일 어셈블리는 예시된 바와 같이 단-대-단 정렬된 복수의 어셈블리들 또는 단일 어셈블리를 포함하도록 의도된다. 본 발명의 실시예에서, 복수의 1차 유도 코일 어셈블리들(400)은 고정자(323) 상에 단-대-단 정렬되고, 바람직하게는 고정자(323)의 정적 시일 세그먼트의 전체 둘레에 걸쳐진다. 도시된 바와 같이, 보드들(404)은, 바람직하게는, 캘리포니아 샌디에이고에 위치한 COI Ceramics, Inc.에 의해 제조된 넥스텔 720(Nextel 720)과 같은 세라믹 매트릭스 복합물로 제조된 케이싱들(414) 내에 배치된다. 케이싱들(414)은 정적 시일 세그먼트에 볼트로 고정될 수 있고, 보드들(404)은 바람직하게 애퍼처(aperture)들(426)을 갖고, 상기 애퍼처들(426)을 통해 볼트들(424)이 케이싱들(414) 내의 보드들(404)의 정렬을 위해 삽입된다.
유도 코일 어셈블리들(400 및 402)이 단일 보드 또는 기판을 포함하는 것으로 도시되었지만, 실시예에서, 어셈블리들(400, 402)은, 기판의 최상부 및 바닥부 측들 또는 표면들 상에 형성된 평면형 권선을 각각 포함하는 복수의 전도성 층들 및 복수의 세라믹 유전체 층들을 포함할 수 있다. 부가하여, 내부 전도성 층들은 연속적인 세라믹 유전체 층들 사이에 형성된다. 각각의 전도성 층의 평면형 권선은 다음의 인접한 또는 연속적인 평면형 권선 관통 홀들 또는 비아(via)들에 전기적으로 연결되고, 그러므로 권선들은 인덕터를 위한 통합형 코일을 형성하기 위해 최상면으로부터 바닥면으로 연결된다.
이러한 다층화된 보드(500)의 개략적인 표현이 도 29에 도시된다. 도시된 바와 같이, 보드(500)는 3개의 세라믹 유전체 층들(501, 503 및 505) 및 4개의 전도성 층들(502, 504, 506 및 508)을 포함하고, 각각의 전도성 층은, 보드(500)가 1차 유도 코일 어셈블리(400)의 컴포넌트인지 또는 2차 유도 코일 어셈블리(402)의 컴포넌트인지에 따라, 통합형 평면형 권선 또는 코일(410 또는 412)을 함께 형성하는 평면형 권선을 나타낸다. 상기 언급된 바와 같이, 각각의 전도성 층 또는 권선은 중간 유전체 층(501, 503 및 505)에 형성된 전도성으로 필링(fill)된 또는 라이닝(line)된 비아들 또는 홀들(도시되지 않음)을 통해 연속적인 인접 층에 전기적으로 연결된다. 보드(500)는, 전류가, 최상부 전도성 층(502) 상의 평면형 권선으로부터 제 2 전도성 층(504)을 형성하는 평면형 권선으로, 그 다음으로, 제 3 및 제 4 전도성 층들(506, 508)을 형성하는 평면형 권선들로 흐르도록, 최상부 전도성 층(502)에서 전력원에 연결된다.
도 29 및 도 30a 내지 도 30d에 도시된 실시예가 4개의 전도성 층들을 포함하지만, 대안적인 실시예들은 더 많은 수의 또는 더 적은 수의 전도성 층들을 포함할 수 있다. 실제로, 이러한 다층화된 구성들을 위해, 보드(500)는 겨우 2개의 전도성 층들 또는 무려 30개 또는 그 초과만큼이나 되는 전도성 층들을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 보드(500)는 짝수의 전도성 층들 및 홀수의 유전체 층들을 포함하여서, 보드(500)는 보드(500)의 최상면 및 바닥면 상에 평면형 권선을 갖는다.
전도성 층들(502, 504, 506 및 508) 각각 상의 평면형 권선들(410A 내지 410D)의 구성들이 도 30a 내지 도 30d에 도시된다. 1차 유도 전력 어셈블리들(400)과 관련하여, 평면형 권선들(410A 내지 410D)이 도 30a에 도시된다. 따라서, 도 30a에서, 제 1 보드(500A)의 최상부 또는 제 1 전도성 층(502)이 와이어(434) 등을 통해 인접한 제 2 보드(500n)와 직렬로 연결되고, 이런식으로 마지막 보드(500C)까지 직렬로 연결되는 것으로 도시된다. 권선(410A)은 전기 입력을 위해 전력원(336)에 연결된다. 부가하여, 마지막 보드(500C)의 최상부 전도성 층(502)의 권선(410A)은, 직렬로 연결된 복수의 유도 전력 어셈블리들(400)을 포함하는 회로를 완성하기 위해 전력원(336)의 네거티브 단자에 연결된다.
도 30a에 추가로 예시된 바와 같이, 최상부 또는 제 1 전도성 층(502)의 평면형 권선(410A)은, 전류가 권선(410A)의 최외측 단부(510A)에서 평면형 권선(410)에 입력되도록, 일반적으로 나선형 구성을 갖고, 전력원(336)에 연결된다. 그러므로, 전류는, 화살표들(A 및 B)에 의해 표시된 바와 같이, 권선(410A)의 최외측 단부(510A)로부터 권선(410A)의 최내측 단부(512A)로 시계 방향으로 흐른다. 권선(410A)의 최내측 단부(512A)는 차례로, 하나 또는 둘 이상의 비아들(520)에 의해, 도 30b에 도시되는 제 2 전도성 층(504)을 위한 평면형 권선(410B)의 최내측 단부(512B)에 연결된다.
도 30b와 관련하여, 제 2 전도성 층(504)의 평면형 권선(410B)은, 평면형 권선(410A)으로부터 흐르는 전류가 최내측 단부(512B)로부터 시계 방향으로 권선(410B)의 최외측 단부(510B)로 흐르도록, 일반적으로 나선형 구성을 또한 갖는 것으로 도시된다. 제 2 전도성 층(504)의 권선(410B)의 최외측 단부(510B)는 비아(522)에 의해, 도 30c에 도시되는 제 3 전도성 층(506)의 평면형 권선(410C)의 최외측 단부(510C)에 전기적으로 연결된다.
도 30c와 관련하여, 제 3 전도성 층(506)의 평면형 권선(410C)은, 평면형 권선(410B)으로부터 흐르는 전류가 최외측 단부(510C)로부터 시계 방향으로 권선(410C)의 최내측 단부(512C)로 흐르도록, 일반적으로 나선형 구성을 또한 갖는 것으로 도시된다. 제 3 전도성 층(506)의 권선(410C)의 최내측 단부(512C)는 차례로, 비아(524)에 의해 제 4 전도성 층(506)의 평면형 권선(410D)의 최내측 단부(512D)에 전기적으로 연결된다.
도 30d와 관련하여, 제 4 전도성 층(506)의 평면형 권선(410D)은 또한 일반적으로 나선형 구성을 갖는데, 전류는 화살표들(A 및 B)에 의해 표시된 바와 같이 시계 방향으로 흐른다. 유도 전력 시스템의 바람직한 실시예에서, 1차 유도 코일 어셈블리들(400) 각각은 상술된 통합형 코일 및 권선을 포함한다. 통합형 유도 코일 또는 권선을 제공함으로써, 각각의 어셈블리(400) 및 권선(410)에 의해 발생된 또는 전달된 전력의 양 및 자기장은 증가된다.
상술된 유도 코일 어셈블리들은 자기 코어를 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 각각의 나선형의 평면형 권선은 권선(410) 내에 중앙 영역(530)을 포함한다. 부가하여, 각각의 유전체의 영역(530)이 정렬될 수 있고, 슬롯이 각각의 이러한 유전체 층에 형성되고, 여기에 자기 코어가 고정된다.
텔레메트리 시스템이 도 29에 도시되고, 고정자(323)의 정적 시일 세그먼트에 장착된 1차 유도 코일 어셈블리(400), 및 회전자 디스크(302)에 또는 터빈 블레이드(301)를 위한 루트의 단부면에 장착된 2차 유도 코일 어셈블리(402)를 포함한다. 상술된 바와 같이, 복수의 1차 유도 코일 어셈블리들(400)은 고정자(323) 상에 단-대-단 정렬되고, 바람직하게는 고정자(323)의 정적 시일 세그먼트의 전체 둘레에 걸쳐진다. 따라서, 보드들 또는 기판들(404)은 일반적으로 아치형일 수 있다. 부가하여, 도 27 및 도 28에 도시된 바와 같이, 전기 패드(electrical pad)(430)가 각각의 보드 상에 형성되고 권선(410)에 전기적으로 연결된다. 이러한 방식으로, 그리고 도 26에서 확인될 수 있는 바와 같이, 와이어(434)는 인접한 어셈블리들(400)의 전기 패드들(430)에 납땜(solder) 또는 브레이징될 수 있고, 그러므로 평면형 권선들(410)이 직렬로 연결된다.
도 29에 도시된 실시예에서, 2차 유도 코일 어셈블리(402)는 또한 케이싱(416)을 포함하고, 상기 케이싱(416) 내에 세라믹 기판(404) 및 권선(420)이 장착된다. 도시된 바와 같이, 텔레메트리 회로(418) 및 안테나(422)는 케이싱(416) 내에 배치될 수 있다. 유도 권선들(410)과 유사하게, 텔레메트리 회로(418) 및 안테나(422)는 LTCC 기판 상에 형성될 수 있고, 상기 LTCC 기판은 권선(420)이 형성되는 기판과 동일한 기판 또는 별개의 기판일 수 있다. 대안적으로, 텔레메트리 회로(418) 및 회전 데이터 안테나(422)는 2차 유도 코일 어셈블리에 인접한 별개의 케이싱에 있을 수 있다. 어느 경우이든, 텔레메트리 회로(418)는 권선(412) 및 안테나(422)에 연결된다. 부가하여, 도 26 및 도 29에 도시된 텔레메트리 시스템의 실시예가 고정자에 직접 장착된 케이싱들(414)을 갖지만; 케이싱들은 도 12 및 도 22에 도시된 브래킷들과 같은 다른 메커니즘들을 이용하여 고정자(323)에 장착될 수 있다.
1차 유도 코일 어셈블리(400)는 전기 리드 라인(337)을 통해 전력원(337)과 전기적으로 통신하게 위치된다. 1차 코일(400)은 전력원(336)으로부터 전력을 수신하고, 발진 자기장을 발생시키고, 에너지가 2차 코일(402)로 전달되고, 상기 2차 코일(402)은 텔레메트리 송신기 회로(418)에 전력을 공급한다. 터빈 블레이드(301)에, 예를 들어, 블레이드의 날개에 장착된 센서(428)는, 텔레메트리 회로(418)와의 전기 통신에 제공되고, 회전 컴포넌트와 연관된 동작 파라미터를 검출하고, 터빈 블레이드(302)의 상태를 나타내는 전자 데이터 신호들을 발생시킨다. 이러한 전자 데이터 신호들은 텔레메트리 송신기 회로(418)를 통해 안테나(422)에 전송된다. 센서(418)는 이전에 기술된 센서들 중 임의의 센서를 포함할 수 있고, 센서들 및 텔레메트리 회로로의 전기 연결들을 형성하는데 있어서의 증착 기법들을 포함하는 상술된 바와 같은 기법들을 이용하여 여러 위치들에서 터빈 블레이드(301)에 부착될 수 있다.
정지 데이터 안테나(436)는 회전 데이터 안테나(422)로부터 전자 데이터 신호들을 수신하기 위해 회전 데이터 안테나(422) 가까이, 터빈(10) 또는 압축기(12)의 또는 상기 터빈(10) 또는 상기 압축기(12) 상의 영역에 장착된다. 도 29에 도시된 바와 같이, 안테나(436)는 1차 유도 코일 어셈블리의 케이싱(414) 내에 장착될 수 있고, 단순하게, 케이싱(414)에 고정된 와이어를 포함할 수 있다. 대안적으로, 안테나(436)는 세라믹 기판(404) ― 상기 세라믹 기판(404) 상에 1차 권선(410)이 형성됨 ― 또는 별도의 기판 상에 형성될 수 있다. 또한 다른 실시예에서, 안테나(436)는 별도의 케이싱에 전부 존재할 수 있지만; 임의의 실시예에서, 안테나(436)는 터빈(10) 또는 압축기(12) 상에 그리고 회전 안테나(422)에 관하여 포지셔닝되어야 하고, 그러므로 전자 데이터 신호들이 수신될 것이다.
바람직한 실시예에서, 다수의 정지 안테나들(436)이 이용될 수 있고, 1차 유도 코일 어셈블리들(400)의 각각의 케이싱(414) 내와 같은 다수의 위치들에서 고정자(323)의 정적 시일 세그먼트 상에 장착될 수 있다. 다수의 정지 안테나들(436)이 고정자(323)의 정적 시일 세그먼트의 둘레에 포지셔닝되어서, 정지 안테나(436)는 회전 데이터 안테나(422)의 위치에도 불구하고, 전자 신호들의 수신을 위해 이용가능할 것인데, 그 이유는 회전자가 터빈(10) 또는 압축기의 동작 동안 회전하기 때문이다. 이를 위해, 정지 안테나(436)는, 터빈 컴포넌트, 예를 들어, 터빈 블레이드의 상태를 나타내는 전자 데이터 신호들을 프로세싱하기 위한 프로세서(438)와 전기적으로 통신하게 위치된다.
더욱이, 다수의 1차 유도 코일 어셈블리들(400)의 어레인지먼트는, 회전 2차 코일 어셈블리의 포지션과 무관하게, 1차 및 2차 코일 어셈블리들(400 및 402) 사이의 전력의 커플링을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 1차 유도 코일 어셈블리들은 고정자(323)의 정적 시일 세그먼트(180)를 중심으로 360°에 걸쳐진다. 본 발명의 실시예들은 정지 1차 권선들(410)을 구동시키기 위해, 약 0.25 ㎒ 내지 약 2 ㎒의 주파수들과 같은 고주파들을, 이러한 주파수들에서 동작하도록 설계된 전력 구동기와 함께 이용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 본 명세서에서 도시되고 기술되었지만, 이러한 실시예들은 단지 예시로만 제공된다는 것이 명백할 것이다. 본 명세서의 본 발명으로부터 벗어남이 없이 많은 변형들, 변경들, 및 대체들이 당업자들에게 발생할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항들의 사상 및 범주에 의해서만 제한되는 것이 의도된다.
Claims (11)
- 압축기, 연소기, 및 터빈(turbine)을 갖는 연소 터빈 엔진(engine)에서 사용하기 위한 텔레메트리 시스템(telemetry system)으로서,
터빈 블레이드(blade) 상의 센서(sensor);
상기 터빈 블레이드에 부착된 텔레메트리 송신기 회로;
상기 센서로부터 상기 텔레메트리 송신기 회로로 전자 데이터(data) 신호들을 라우팅하기(routing) 위한, 상기 터빈 블레이드 상의 제 1 전기 연결부 ― 상기 전자 데이터 신호들은 상기 터빈 블레이드의 상태를 나타냄 ―;
상기 텔레메트리 송신기 회로에 전력을 공급하기 위한 유도 전력 시스템 ― 상기 유도 전력 시스템은,
상기 터빈 블레이드에 인접한 정지 컴포넌트(component)에 부착된 적어도 하나의 정지 1차 유도 코일 어셈블리(coil assembly), 및
상기 터빈 블레이드의 루트(root)의 단부면에 장착된 회전 2차 유도 코일 어셈블리
를 포함하고,
상기 정지 1차 유도 코일 어셈블리는, 상기 정지 컴포넌트의 정적 시일 세그먼트(seal segment)에 장착된, 제 1 기판 및 최종 기판을 포함하는 복수의 세라믹(ceramic) 기판들을 포함하고, 상기 기판들은 단-대-단으로 정렬되어, 상기 정적 시일 세그먼트의 둘레에 걸쳐 연속적인 아크(arc)를 형성하고, 각각의 기판 상에 평면형 권선이 형성되고, 상기 평면형 권선들은 인접한 기판들 상의 인접한 평면형 권선들에 직렬로 전기적으로 연결되고, 외부 전력원은 상기 제 1 기판의 평면형 권선에 그리고 상기 최종 기판의 평면형 권선에 직렬로 전기적으로 연결됨 ―;
상기 터빈 블레이드의 루트의 단부면에 부착된 회전 데이터 안테나(antenna);
상기 텔레메트리 송신기 회로로부터 상기 회전 데이터 안테나로 전자 데이터 신호들을 라우팅하기 위한, 상기 터빈 블레이드 상의 제 2 전기 연결부; 및
상기 정지 컴포넌트에 부착된 정지 데이터 안테나
를 포함하는,
텔레메트리 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 회전 2차 유도 코일은, 상기 터빈 블레이드 루트의 단부면에 장착된 적어도 하나의 세라믹 기판을 포함하고,
상기 기판 상에 평면형 권선이 형성되며,
상기 평면형 권선은 상기 텔레메트리 송신기 회로에 전기적으로 연결되는,
텔레메트리 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 세라믹 기판은 저온 동시소성(co-fired) 세라믹으로 구성되는,
텔레메트리 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 세라믹 기판은 고온 동시소성 세라믹으로 구성되는,
텔레메트리 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 정지 1차 유도 코일 어셈블리는, 복합 세라믹 매트릭스(matrix)로 구성되는 복수의 RF 투과성 케이싱(casing)들을 포함하고,
각각의 기판은 각각의 케이싱 내에 배치되며,
각각의 케이싱은 상기 정적 시일 세그먼트에 부착되는,
텔레메트리 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 회전 2차 유도 코일 어셈블리는 복합 세라믹 매트릭스로 구성되는 RF 투과성 케이싱 내에 인케이싱된(encased) 평면형 권선을 갖는 세라믹 기판을 포함하고,
상기 케이싱은 상기 터빈 블레이드 루트의 단부면에 부착되는,
텔레메트리 시스템. - 제 1 항에 있어서,
각각의 기판은 각각의 평면형 권선 내의 중앙에 배치된 적어도 하나의 슬롯(slot)을 포함하고, 상기 슬롯 내에 자기 코어(core)가 배치되는,
텔레메트리 시스템. - 압축기, 연소기, 및 터빈을 갖는 연소 터빈 엔진에서 사용하기 위한 텔레메트리 시스템으로서,
연소 터빈의 컴포넌트 상의 센서 ― 상기 컴포넌트는 적어도 450℃의 온도들에서 동작함 ―;
상기 센서와 전기적으로 통신하는 텔레메트리 송신기 회로 ― 상기 컴포넌트의 상태를 나타내는 전자 데이터 신호들이 상기 센서로부터 상기 텔레메트리 송신기 회로로 라우팅됨 ―;
상기 텔레메트리 송신기 회로에 전력을 공급하기 위한 유도 전력 시스템;
상기 컴포넌트에 부착되고, 상기 센서로부터 상기 텔레메트리 송신기 회로를 통해 상기 전자 데이터 신호들을 수신하기 위해 상기 텔레메트리 송신기 회로에 전기적으로 연결되는 제 1 데이터 안테나; 및
상기 제 1 데이터 안테나로부터 전송된 전자 데이터 신호들을 수신하기 위해 상기 제 1 데이터 안테나들과 이격된 관계로 상기 터빈에 부착되는 제 2 데이터 안테나
를 포함하고,
상기 유도 전력 시스템은,
제 1 세라믹 기판을 포함하는 적어도 하나의 1차 유도 코일 어셈블리 ― 상기 제 1 세라믹 기판 상에 제 1 평면형 전도성 권선이 형성되고 전력원에 전기적으로 연결되고, 상기 제 1 세라믹 기판은 상기 컴포넌트와 이격된 관계로 상기 터빈에 장착되며, 상기 권선은 상기 컴포넌트와 마주하며, 상기 세라믹 기판은 1500℃까지의 온도들에서 절연 특성들을 제공함 ―, 및
상기 1차 유도 코일 어셈블리와 이격된 관계로 상기 컴포넌트에 장착되고, 적어도 하나의 제 2 세라믹 기판을 포함하는 2차 유도 코일 어셈블리 ― 상기 적어도 하나의 제 2 세라믹 기판 상에, 상기 텔레메트리 송신기 회로에 전기적으로 연결되는 제 2 평면형 전도성 권선이 형성되고, 상기 제 2 세라믹 기판은 1500℃까지의 온도들에서 절연 특성들을 제공함 ―
를 포함하는,
텔레메트리 시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 센서로부터 상기 텔레메트리 송신기 회로로 전자 신호들을 라우팅하기 위해 상기 컴포넌트 상에 증착된 전기 전도성 재료
를 더 포함하는,
텔레메트리 시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 2차 유도 코일 어셈블리가 0.25 내지 2.00 ㎒의 동작 주파수를 갖고 상기 텔레메트리 송신기 회로 보드에 전력을 제공하도록, 상기 적어도 하나의 1차 유도 코일 어셈블리는 0.25 내지 2.00 ㎒에서 에너자이징되는(energized),
텔레메트리 시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 컴포넌트의 정적 시일 세그먼트에 장착되고, 상기 정적 시일 세그먼트의 둘레에 걸쳐 단-대-단으로 정렬된 복수의 1차 유도 코일 어셈블리들이 존재하고,
모든 평면형 권선들은 전기적으로 직렬 연결되는,
텔레메트리 시스템.
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