KR20120123515A - 무선 원격 계측용 계장화 부품 - Google Patents

무선 원격 계측용 계장화 부품 Download PDF

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KR20120123515A
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라메시 수브라마니안
아난드 에이. 쿨카르니
데이비드 제이. 미첼
비요른 칼슨
로드 웨이츠
존 알. 프랠리
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아칸소 파워 일렉트로닉스 인터내셔날, 인코포레이티드
지멘스 에너지, 인코포레이티드
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Abstract

연소 터빈 엔진(10)에 사용을 위한 원격 제어 시스템은 터빈 블레이드(301) 또는 베인(22)과 연계하는 제 1 센서(306)를 포함한다. 제 1 원격 계측 송신기 회로(312)가 터빈 블레이드에 부착되고 센서로부터 터빈 블레이드에 부착되거나 회로의 기판과 동일한 기판 상에 있는 회전 데이터 안테나(314)로 블레이드의 상태를 지시하는 전자 데이터 신호를 라우팅한다. 고정 데이터 안테나(333)가 회전 데이터 안테나로부터 전자 데이터 신호를 수신하기 위해 회전 데이터 안테나에 근접하여 이격 관계로 고정 부품(323)에 부착될 수 있다. 2차 센서(335)가 고정 부품을 지시하는 전자 데이터 신호를, 신호를 고정 안테나에 라우팅하는 제 2 원격 계측 회로(332)에 전송한다. 고정 안테나는 전자 데이터 신호를 수신기(338)로 전송한다.

Description

무선 원격 계측용 계장화 부품 {INSTRUMENTED COMPONENT FOR WIRELESS TELEMETRY}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2007년 11월 8일 출원된 미국 특허 출원 제 11/936,936호를 우선권 주장하고, 이 출원의 일부 계속 출원이고, 2010년 2월 1일 출원된 미국 가출원 제 61/300,184호 및 2010년 2월 1일 출원된 미국 가출원 제 61/300,188호의 이득을 또한 청구하며, 이들 출원의 모두는 인용에 의해 본원에 참조된다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 작동 환경 모니터링에 관한 것으로서, 특히 연소 터빈 엔진의 것과 같은 작동 환경 내의 개별 부품 상태를 지시하는 전자 데이터를 무선으로 전송하기 위해 가능화된 계장화 부품(instrumented component) 및 원격 계측 시스템(telemetry system)에 관한 것이다.
본 발명의 실시예는 연소 터빈 엔진의 특정 섹션 내에서와 같이, 대략 450℃ 이상의 작동 온도를 갖는 작동 환경 내의 회전 또는 고정 부품 상에서 작동을 위해 구성된 고온 무선 원격 계측 시스템을 제공한다.
연소 터빈 엔진에 사용을 위한 예시적인 고온 원격 계측 시스템은 터빈 블레이드와 같은 부품 상에 증착된 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 원격 계측 송신기 회로가 터빈 블레이드에 부착될 수 있고, 접속 재료가 센서로부터 원격 계측 송신기 회로로 전자 데이터 신호를 라우팅(route)하기 위해 터빈 블레이드 상에 증착될 수 있고, 전자 데이터 신호는 터빈 블레이드의 상태를 지시한다. 유도 전력 시스템이 터빈 블레이드와 같은 부품에 부착된 회전 데이터 안테나 및 터빈 블레이드에 인접한 정적 밀봉 세그먼트에 부착된 고정 데이터 안테나를 갖는 원격 계측 송신기 회로에 전력 공급하기 위해 제공된다.
원격 계측 시스템의 실시예에서, 공진 에너지 시스템이 회전 데이터 안테나 및 고정 데이터 안테나와 함께 사용된다. 더 구체적으로, 1차 코일 또는 전력/에너지 전송 디바이스가 회전 부품에 부착된 2차 코일 또는 전력/에너지 수신 디바이스에 근접하여 터빈 또는 압축기 내의 고정 위치에 위치된다. 1차 코일은 발진 전류 신호를 전송하고, 2차 코일은 일반적으로 발진 전류 신호의 전송 주파수와 동일한 주파수에서 공진한다. 2차 코일 및 회전 데이터 안테나는 원격 계측 송신기 회로가 제작되는 동일한 기판 상에 제작된다. 대안적으로, 2차 코일 및/또는 회전 데이터 안테나 중 하나 또는 모두는 터빈 또는 압축기 블레이드의 에어포일부 상에 배치될 수 있다. 실시예에서, 1차 코일은 블레이드의 팁에 근접하여 이격 관계로 압축기 또는 터빈을 위한 케이싱에 장착될 수 있다.
압축기 또는 터빈 블레이드와 같은 회전 부품과 연계하는 센서가 회전 부품의 상태를 지시하는 전자 데이터 신호를 프로세싱하여 회전 데이터 안테나에 라우팅하는 원격 계측 송신기 회로에 전기적으로 연결된다. 회전 데이터 안테나는 이어서 전자 데이터 신호를 고정 안테나에 전송하고, 이 고정 안테나는 이어서 신호를 수신기 및/또는 프로세서에 전송한다.
다른 실시예에서, 고정 원격 계측 송신기 회로는 압축기 및 터빈 내에 배치되고, 블레이드에 장착된 전술된 회전 원격 계측 송신기 회로와 함께 사용된다. 고정 부품과 연계하는 하나 이상의 센서가 고정 부품을 지시하는 전자 데이터 신호를 고정 송신기 회로에 전송하고, 이 고정 송신기 회로는 이어서 전자 데이터 신호를 프로세싱하여 고정 데이터 안테나에 라우팅한다. 따라서, 고정 데이터 안테나는 고정 부품 및 회전 부품의 작동 상태를 지시하는 전자 데이터 신호를 프로세싱을 위해 수신기에 전송하도록 구성된다.
도 1은 예시적인 연소 터빈의 단면도이며,
도 2는 예시적인 연소 터빈 베인의 사시도이며,
도 3은 도 2의 베인의 측면도이며,
도 4는 기판 상에 증착된 예시적인 열 플럭스 센서의 도면이며,
도 5는 예시적인 터빈 블레이드, 센서 및 무선 원격 계측 디바이스의 사시도이며,
도 6은 예시적인 무선 원격 계측 디바이스의 개략도이며,
도 7은 예시적인 압축기 블레이드의 부분 사시도이며,
도 8은 도 7의 예시적인 압축기 블레이드의 부분 측면도이며,
도 9는 도 5의 예시적인 터빈 블레이드의 부분 단면도이며,
도 10은 도 9의 예시적인 터빈 블레이드의 사시도로서, 원격 계측 송신기 하우징 및 터빈 블레이드에 장착된 예시적인 회전 안테나 조립체의 분해도이며,
도 11은 도 10의 원격 계측 송신기 하우징의 예시적인 실시예의 분해도이며,
도 12는 예시적인 회전 안테나 조립체의 부품을 도시하고 있는 도면이며,
도 13은 그에 장착된 고정 안테나 조립체의 예시적인 실시예를 갖는 터빈 정적 밀봉부의 부분 사시도이며,
도 14는 도 12의 터빈 정적 밀봉부 및 그에 장착된 예시적인 회전 동력 및 안테나 조립체를 갖는 터빈 블레이드 조립체의 부분 단면도이며,
도 15는 예시적인 원격 계측 송신기 회로의 블록 다이어그램이며,
도 16은 예시적인 유도 전력 드라이버 회로의 개략도이며,
도 17은 센서 및 원격 계측 디바이스를 포함하는 무선 원격 계측 부품을 그 위에 갖는 블리스크(blisk)의 부분 사시도이며,
도 18은 센서에 연결된 원격 계측 디바이스의 개략도이며,
도 19는 공진 에너지 전달 시스템용 회로의 개략도이며,
도 20은 회전 데이터 안테나의 개략도이며,
도 21은 블리스크 상의 회전 데이터 안테나 및 고정자 상의 고정 안테나를 포함하는 블리스크의 회전자 상의 원격 계측 디바이스의 단면 개략도이며,
도 22는 RF 투명 커버 내에 수납된 송신기 디바이스를 도시하고 있는 도면이며,
도 23은 에너지 수신 코일이 블리스크용 블레이드 상에 있는 무선 원격 계측 시스템의 실시예의 도면이며,
도 24는 에너지 수신 코일 및 회전 데이터 안테나가 블리스크용 블레이드 상에 있는 무선 원격 계측 시스템의 실시예의 도면이며,
도 25는 고정 원격 계측 회로 및 고정 안테나가 고정 부품 및 회전 부품에 관한 데이터를 전송하는데 사용되는 무선 원격 계측 시스템의 실시예의 도면이다.
도 1은 전기를 발생하기 위해 사용되는 가스 터빈과 같은 예시적인 연소 터빈(10)을 도시하고 있다. 본 발명의 실시예는 연소 터빈(10)과 함께 또는 수많은 다른 작동 환경에서 그리고 다양한 목적으로 사용될 수 있다. 연소 터빈(10)은 압축기(12), 적어도 하나의 연소기(14)(파단됨) 및 터빈(16)을 포함한다. 압축기(12), 연소기(14) 및 터빈(16)은 때때로 가스 또는 연소 터빈 엔진(10)이라 총칭한다. 터빈(16)은 회전 가능한 중심 샤프트(20)에 고정된 복수의 회전 블레이드(18)를 포함한다. 복수의 고정 베인(22)이 블레이드(18) 사이에 위치되고, 베인(22)은 블레이드(18) 상에 공기를 안내하도록 치수 설정되고 구성되어 있다. 블레이드(18) 및 베인(22)은 통상적으로 니켈계 합금으로부터 제조될 것이고, 이트리아 안정화된 지르코니아와 같은 열적 배리어 코팅("TBC")(26)로 코팅될 수 있다. 유사하게, 압축기(12)는 각각의 베인(23) 사이에 위치된 복수의 회전 블레이드(19)를 포함한다.
사용시에, 공기가 압축기(12)를 통해 흡입되고, 여기서 압축되어 연소기(14)를 향해 구동된다. 연소기(14)는 연료와 공기를 혼합하여 이를 점화시켜 이에 의해 작동 가스를 형성한다. 이 작동 가스 온도는 통상적으로 약 1300℃를 초과할 것이다. 이 가스는 터빈(16)을 통해 팽창하여, 베인(22)에 의해 블레이드(18)를 가로질러 안내된다. 가스가 터빈(16)을 통해 통과함에 따라, 블레이드(18) 및 샤프트(20)를 회전시켜, 이에 의해 사용 가능한 기계적 일을 샤프트(20)를 통해 전달한다. 연소 터빈(10)은 예를 들어 증기 또는 압축 공기와 같은 냉각제를 블레이드(18) 및 베인(22)에 공급하도록 치수 설정되고 구성된 냉각 시스템(도시 생략)을 또한 포함할 수 있다.
터빈 블레이드(18) 및 베인(22)이 작동하는 환경은 특히 가혹하고 높은 작동 온도 및 부식 환경을 받게 되는데, 이는 블레이드(18) 및 베인(22)의 심각한 열화를 초래할 수 있다. 이는 TBC(26)가 파쇄되거나 다른 방식으로 열화되는 경우에 특히 가능성이 있다. 본 발명의 실시예는 부품들이 연소 터빈(10)의 작동 중에 부품의 상태를 지시하는 실시간 또는 거의 실시간 데이터를 전송할 수 있기 때문에 유리하다.
그 개시 내용이 인용에 의해 본원에 구체적으로 참조되는 미국 특허 제 6,576,861호는 송신기와 센서를 접속하거나 데이터 신호를 다른 방식으로 라우팅하기 위한 커넥터 및 센서의 실시예를 증착하는데 사용될 수 있는 방법 및 장치를 개시하고 있다. 이와 관련하여, 본 명세서에 개시된 방법 및 장치는 마스크를 사용할 필요 없이 약 100 미크론 내지 500 미크론의 미세 센서 및/또는 커넥터 특징부의 패터닝을 위해 사용될 수 있다. 다층 전기 회로 및 센서는 도전성 재료, 저항 재료, 유전성 재료, 절연 재료 및 다른 응용 주문형 재료를 사용하여 특징부를 증착함으로써 형성될 수 있다. 열적 스프레이, 기상 증착, 레이저 소결 및 경화와 같은 대안적인 방법이 다층 전기 회로, 센서 및 커넥터를 증착하는데 사용될 수 있고 더 낮은 온도에서 스프레이된 재료의 증착 뿐만 아니라 다른 적합한 기술이 사용될 수도 있다.
도 2는 하나의 베인(23)이 베인의 상태를 검출하기 위해 그에 장착되거나 접속된 센서(50)를 갖는, 압축기(12)로부터 제거된 한 쌍의 인접한 베인(23)을 도시하고 있다. 도선 라인 또는 커넥터(52)가 센서(50)로부터 데이터 신호를 송수신기(56)에 무선으로 전송하기 위해 구성된 송신기(54)에 데이터 신호를 라우팅하기 위한 수단으로서 증착될 수 있다. 커넥터(52)는 센서(50)로부터 송신기(54)로 신호를 전도하기 위한 하나 또는 복수의 전기 도선일 수 있다. 대안 실시예는 다양한 유형의 커넥터(52)가 특정 용례에 따라 센서(50)로부터 송신기(54)로 데이터 신호를 라우팅하기 위한 수단으로서 사용될 수 있게 한다.
송신기(54)는 다채널일 수 있고 연소 터빈(10)의 케이싱 내의 이들의 위치에 따라 다양한 사양을 가질 수 있다. 송신기(54)는 약 80℃ 내지 120℃의 작동 온도를 받게 되는 압축기(12)의 조기 스테이지 내에서 기능하도록 구성될 수 있다. 송신기(54)는 약 120℃ 초과, 최대 약 300℃의 작동 온도를 받게 되는 압축기(12)의 이후의 스테이지 및/또는 터빈(16)의 스테이지 내에서 기능하도록 구성될 수 있다. 송신기(54)는 실리콘-온-절연체(SOI) 기술 및 약 120℃ 초과의 온도를 갖는 영역에서 작동하는 것이 가능한 다른 재료를 사용하여 제작될 수 있다.
도 3은 그와 접속된 센서(50) 및 센서(50)를 송신기(54)와 접속하는 커넥터(52)를 갖는 압축기 베인(23)의 개략 평면도를 도시하고 있다. 송신기(54)에 전력 공급하기 위한 적절한 크기의 배터리와 같은 전원(51)이 제공될 수 있다. 송신기(54)는 이후에 송신기(56)에 무선으로 전송되는 신호를 센서(50)로부터 커넥터(52)를 경유하여 수신할 수 있다. 송수신기(56)가 도 1에 도시되어 있는 예시적인 위치와 같은 허브(58) 상에 또는 압축기(12) 외부의 표면 상에 장착될 수 있다. 송수신기(56)는 송신기(54)로부터 RF 신호와 같은 무선 데이터 전송을 수신하기 위해 송신기(54)에 충분히 근접하여 있으면 다양한 위치에 장착될 수 있다.
하나 이상의 센서(50)가 센서(50) 및 커넥터(52)를 베인(23)의 표면 상에 직접 제작하거나 증착함으로써 하나 이상의 압축기 베인(23)과 접속될 수 있다. 커넥터(52)는 센서(50)로부터 베인(23)의 주연 에지와 같은 말단 위치로 연장될 수 있어 커넥터(52)의 말단부(53)가 송신기(54)로의 접속을 위해 노출되게 된다. 센서(50) 및 커넥터(52)는 베인(23)의 공기 역학에 대한 임의의 악영향을 최소화하기 위해 베인(23) 상에 위치될 수 있다. 실시예는 커넥터(52)의 말단부(53)가 부품의 주연 에지 또는 다른 적합한 위치에 근접할 수 있는 말단 위치에서 노출될 수 있게 한다. 이는 현장 기술자가 그 위치에 무관하게 커넥터(52)를 송신기(54)에 신속하고 용이하게 접속할 수 있게 한다.
도 4는 이트리아 안정화 지르코니아일 수 있는 TBC(60)와 같은 배리어 코팅 내에 증착될 수 있는 예시적인 센서(61)를 도시하고 있다. TBC(60)는 기판(64) 상에 증착될 수 있는 본드 코팅(62) 상에 증착될 수 있다. 기판(64)은 터빈 블레이드(18)와 같은 터빈(16)에 사용을 위해 적합한 수퍼알로이(superalloy)와 같은 다양한 부품일 수 있다. 센서(61)는 다양한 목적으로 형성될 수 있고, 통상의 K, N, S, B 및 R-타입 열전쌍 재료 또는 조합이 연소 터빈(10) 내의 특정 용례를 위한 허용 가능한 열전 전압을 생성하면 이들 각각의 성분 원소의 임의의 조합을 사용하여 증착된 열전쌍(66)을 포함할 수 있다.
타입 K 열전쌍 재료 NiCr 또는 NiAl이 최대 대략 800℃의 작동 환경을 갖는 압축기(12)의 섹션에 사용될 수 있다. 예를 들어, NiCr(20)이 압축기(12) 내에 스트레인 게이지를 증착하는데 사용될 수 있다. 예를 들어 NiCrSi 및 NiSi의 합금과 같은 타입 N 열전쌍 재료가 대략 800℃ 내지 1150℃의 작동 환경을 갖는 터빈(16)의 섹션 내에 센서를 증착하기 위해 사용될 수 있다.
타입 S, B 및 R 열전쌍 재료가 대략 1150℃ 내지 1350℃의 작동 환경을 갖는 터빈(16)의 섹션 내에 센서를 증착하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, Pt-Rh, Pt-Rh(10) 및 Pt-Rh(13)이, 재료가 연소 터빈(10) 내의 특정 용례를 위해 허용 가능한 열전 전압을 생성하면 터빈(16) 내에 센서(50)를 형성하기 위해 증착될 수 있다. Ni 합금, 예를 들어 NiCr, NiCrSi, NiSi 및 MCrAlX와 같은 다른 산화 저항 Ni계 합금 - 여기서, M은 Fe, Ni 또는 Co일 수 있고, X는 Y, Ta, Si, Hf, Ti일 수 있음 - 및 이들의 조합이 압축기(12)의 더 깊은 섹션 및 터빈(16) 전체에 걸쳐 고온 용례를 위한 감지 재료로서 사용될 수 있다. 이들 합금은 열 플럭스 센서, 스트레인 센서 및 마모 센서와 같은 센서를 형성하기 위해 다양한 감지 구성으로 증착된 감지 재료로서 사용될 수 있다.
블레이드(18, 19) 및/또는 베인(22, 23)과 같은 연소 터빈(10) 내의 부품은 부품의 표면에 합치하도록 증착되고 그리고/또는 연소 터빈(10) 내에 증착된 배리어 또는 다른 코팅 내에 매립된 응용 주문형 센서(50)를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 5는 매립된 또는 표면 실장된 센서(74)를 무선 원격 계측 디바이스(76)와 접속하도록 증착된 커넥터(72)와 같은 고온 저항성 도선 와이어를 갖는 터빈(16)의 열 1로부터 블레이드일 수 있는 예시적인 터빈 블레이드(70)를 도시하고 있다. 디바이스(76)는 원격 계측 부품이 작동 온도가 통상적으로 약 150℃ 내지 250℃ 및 그 이상인 블레이드(70)의 루트(root)(78)에 근접하는 것과 같은, 비교적 낮은 온도에 노출되는 위치에 장착될 수 있다.
데이터를 전송하기 위해 사용될 수 있는 것들과 같은 실리콘계 전자 반도체는 이들의 작동 온도 제약에 기인하여 제한된 용례를 가질 수 있다. 실리콘 및 실리콘-온-절연체(SOI) 전자 칩 기술의 온도 및 성능 특성은 약 200℃ 미만의 작동 환경에 이들의 용례를 제한할 수 있다. 본 발명의 양태는 이러한 전자 시스템이 통상적으로 약 100℃ 내지 150℃의 작동 온도를 갖는 압축기(12) 내의 무선 원격 계측 디바이스(76)를 위해 전개될 수 있게 한다.
무선 원격 계측 센서 시스템의 실시예는 압축기(12)의 이후의 스테이지에 존재하는 더 고온 영역 내에서 그리고 터빈(16) 내에서 작동하도록 구성될 수 있다. 이들 영역은 약 150℃ 내지 250℃ 및 그 이상의 작동 온도를 가질 수 있다. 이들 더 고온 영역에서 작동이 가능한 온도 및 전기 특성을 갖는 재료가 센서(50, 74), 커넥터(52, 72)를 증착하고 무선 원격 계측 디바이스(76)를 제작하기 위해 사용될 수 있다.
센서(50, 74) 및 고온 상호 접속 라인 또는 커넥터(52, 72)는 플라즈마 스프레이, EB PVD, CVD, 펄스식 레이저 증착, 미니-플라즈마, 직접-기록, 미니-HVOF 또는 용액 플라즈마 스프레이와 같은 공지의 증착 프로세스를 사용하여 증착될 수 있다. 통상적으로, 동적 압력 측정, 동적 및 정적 스트레인 및 동적 가속도 측정이 부품 표면 온도 및 열 플럭스 측정과 함께 연소 터빈(10)의 고정 부품 및 회전 부품의 모두에 대해 요구된다. 따라서, 매립된 또는 표면 실장된 센서(50, 74)가 스트레인 게이지, 열전쌍, 열 플럭스 센서, 압력 트랜스듀서, 마이크로-가속도계 뿐만 아니라 다른 원하는 센서로서 구성될 수 있다.
도 6은 무선 원격 계측 디바이스(76)의 대표적인 실시예의 개략도이다. 디바이스(76)는 일체형 안테나 및/또는 전원을 갖거나 갖지 않고 그 위에 엠보싱되고, 표면 실장되거나 다른 방식으로 증착된 저항, 캐패시터, 인덕터, 트랜지스터, 트랜스듀서, 변조기, 발진기, 송신기, 증폭기 및 다이오드와 같은 복수의 전자 부품을 포함하는 회로 보드 또는 집적 칩으로서 형성될 수 있다. 무선 원격 계측 디바이스(76)의 실시예는 압축기(12) 및/또는 터빈(16) 내에 사용을 위해 제작될 수 있다.
무선 원격 계측 디바이스(76)는 상호 접속부(98)를 경유하여 서로 전기적으로 접속된 보드(80), 전자 회로(90), 연산 증폭기(92), 변조기(94) 및 RF 발진기/송신기(96)를 포함할 수 있다. 도 6의 실시예는 예시적인 실시예이고, 디바이스(76)의 다른 실시예가 성능 사양 및 작동 환경에 따라 고려된다. 디바이스(76)의 실시예는 전원(100) 및 송수신 안테나(102)가 보드(80) 상에 제작될 수 있게 하여, 이에 의해 도 2 및 도 3에 도시되어 있는 송신기(54)와 같은 송신기 또는 도 5에 도시되어 있는 무선 원격 계측 디바이스(76)를 형성한다.
도 7은 압축기(12) 내의 압축기 블레이드일 수 있는 블레이드 루트(112)를 갖는 블레이드(110)와 같은 예시적인 블레이드의 부분 사시도를 도시하고 있다. 하나 이상의 리세스 또는 홈(trench)(114)이 블레이드 루트(112)의 저부 내에와 같은 루트(112) 내에 형성될 수 있다. 리세스(114)는 다양한 형상 또는 치수로 형성될 수 있고 그 길이를 따른 다양한 장소에서 블레이드 루트(112) 내에 위치될 수 있다. 하나 이상의 리세스 또는 홈(116)이 블레이드 루트(112)의 하나 이상의 면(118) 내에 형성될 수 있다. 리세스(116)는 다양한 형상 또는 치수로 형성될 수 있고 면(118) 내의 다양한 장소에서 블레이드 루트(112) 내에 위치될 수 있다. 리세스(114, 116)는 블레이드(110)가 주조된 후에 이들을 밀링함으로써 또는 블레이드(110) 몰드의 부분으로서 이들을 형성함으로써와 같은 다양한 방법을 사용하여 형성될 수 있다.
도 8은 블레이드 루트(112) 내에 부착된 무선 원격 계측 디바이스(76)의 부품이 계장화된 압축기 블레이드(110)를 도시하고 있다. 이와 관련하여, 무선 원격 계측 디바이스(76)의 대안 실시예는 도 6에 도시되어 있는 하나 이상의 전기 부품(90, 92, 94, 96, 100, 102)이 블레이드 루트(112)와 같은 계장화 부품과 전기적으로 접속되고 부착되는 개별 보드(80) 상에 개별적으로 장착되거나 수납될 수 있게 한다. 예를 들어, 도 6에 도시되어 있는 송수신 안테나(102)가 그 위에 형성된 송신기(122)를 갖고 안테나(102)와 전기적으로 접속되는 보드(80)로부터 개별적으로 장착되고 전기적으로 접속될 수 있다.
안테나(120)는 리세스(116) 내에 안착될 수 있고, 송신기(122)는 리세스(114) 내에 안착될 수 있다. 이와 관련하여, 안테나(120) 및 송신기(122)는 보드(80) 상에 장착/엠보싱 또는 증착되지 않는다. 다른 실시예에서, 안테나(120)는 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 무선 원격 계측 보드(80) 상에 증착될 수 있고, 데이터가 고정 장착된 송수신기(56)와 같은 수신기에 무선 원격 계측을 사용하여 전송될 수 있다. 전원(100)이 보드(80)와 일체일 수 있고 또는 보드로부터 개별적으로 위치되고 개별 부품으로서 장착될 수 있다.
도 9는 터빈 블레이드(18) 중 하나와 같은 터빈 블레이드일 수 있는 예시적인 블레이드(130)의 부분도를 도시하고 있다. 터빈 블레이드(130)는 블레이드(130)가 연소 터빈(10)의 작동을 위해 그 내에 고정될 수 있는 터빈(16)의 회전자 디스크와 정합하기 위한 외부 몰드 라인을 형성하는 루트부(132)를 포함한다. 감지 재료는 블레이드(130) 상에 또는 블레이드의 표면 상에 증착된 배리어 코팅 내에 증착되어 센서(134)를 형성할 수 있다. 접속 재료가 커넥터(140)를 형성하도록 증착될 수 있어 센서(134)로부터의 데이터 신호가 송신기(138) 및 이후에 회전 안테나 조립체(142)에 통신될 수 있게 된다. 리세스(136)가 블레이드(130)의 부분 내에 형성될 수 있어 하나 이상의 커넥터(140)가 블레이드(130)의 외부면 아래에 안착되게 된다.
송신기(138) 및 안테나 조립체(142)는 블레이드(130)와 일체로 고정될 수 있어 루트(132)에 의해 형성된 외부 몰드 라인이 변경되지 않게 된다. 예를 들어, 송신기(138)는 루트(132)의 퍼트리부(fir tree portion) 위의 전이 영역 또는 플랫폼에 부착될 수 있고, 안테나 조립체(142)는 루트(132)의 면에 부착될 수 있다. 대안적으로, 리세스는 플랫폼 및 면 내에 형성될 수 있어 송신기(138) 및/또는 안테나 조립체(142)의 전체 또는 일부가 블레이드 루트(172)의 외부 몰드 라인의 표면 아래에 안착되게 된다. 송신기(138) 및 안테나 조립체(142)는 에폭시 또는 접착제를 사용하여 각각의 리세스 내에 고정될 수 있고, 백필(backfill) 재료가 고온 또는 미립자로부터의 보호를 위해 이들 위에 배치될 수 있다.
도 5를 참조하면, 무선 원격 계측 디바이스(76)가 블레이드 루트의 외부 몰드 라인이 상당히 변경되지 않는 이러한 방식으로 외부에서 블레이드 루트(78)에 부착되거나 매립될 수 있다. 디바이스(76)는 블레이드 루트(78)에 근접하여 부착될 수 있어 블레이드 루트(78)가 회전자 디스크 내에 삽입될 때 블레이드 루트(78)와 터빈(16)의 회전자 디스크 사이에 생성된 캐비티 내에 수납되게 된다. 이러한 것은 센서(74), 커넥터(72) 및 디바이스(76)에 의해 계장화된 터빈 블레이드(70)가 계장화되지 않은 터빈 블레이드와 동일한 방식으로 터빈(16)의 회전자 디스크의 정합 세그먼트 내에 설치될 수 있게 한다. 이와 관련하여, 계장화된 디바이스(70)는 블레이드(70) 및/또는 그 위에 증착된 배리어 코팅의 다양한 작동 파라미터 또는 상태를 지시하는 데이터를 무선으로 추출하고 수신 디바이스에 이 데이터를 전송하기 위해 필수적인 모든 부품을 갖고 제조될 수 있다.
예를 들어, 하나 이상의 리세스 또는 홈이 하나 이상의 무선 원격 계측 디바이스(76)가 그 내에 수납될 수 있는, 블레이드 루트(78)와 같은 블레이드(70)의 기판의 부분 내로 형성될 수 있다. 홈은 블레이드 루트(78)의 원하는 영역을 밀링하고 에폭시 또는 다른 적합한 결합제로 홈 내에 디바이스(76)를 고정함으로써 형성될 수 있다. 홈은 디바이스(76)를 보호하기 위해 적합하게 고온 접합제 또는 세라믹 페이스트로 백필될 수 있다.
본 발명의 실시예는 약 300℃ 내지 500℃의 온도를 갖는 환경에서 작동하는 블레이드의 루트(132) 상에 위치된 특정 전자 부품을 갖는 터빈 엔진 블레이드(130)와 같은 회전 부품으로부터 센서 데이터를 전송하는 것을 허용한다. 본 명세서에서 개시의 목적으로, 용어 "고온"은 부가의 한정 없이 약 300℃ 내지 500℃의 최대 작동 온도를 갖는 연소 터빈(10)의 부분 내의 것과 같은 임의의 작동 환경을 칭할 것이다.
본 발명의 실시예는 하나 이상의 센서, 적어도 하나의 원격 계측 송신기 회로와 센서를 접속하는 도선 라인, 적어도 하나의 전송 안테나, 전원 및 적어도 하나의 수신 안테나를 포함할 수 있는 원격 계측 시스템으로 계장화된 연소 터빈(10)에 사용을 위한 부품을 제공한다. 도 10은 터빈 블레이드(130), 무선 원격 계측 송신기 조립체(150) 및 회전 안테나 조립체(142)를 도시하고 있다. 도선 라인 또는 커넥터(152)는 블레이드 루트(132)에 근접하여 장착될 때 센서(70, 134)와 같은 하나 이상의 센서로부터 원격 계측 송신기 조립체(150)로 연장할 수 있다. 도선 라인(152)은 센서(70, 134)로부터 원격 계측 송신기 조립체(150)로 전자 데이터 신호를 라우팅할 수 있고, 여기서 신호는 도 11에 도시되어 있는 전자 패키지(154) 내에 수납된 회로 보드 상에 형성된 원격 계측 송신기 회로에 의해 프로세싱된다. 도선 라인 또는 커넥터(140)는 원격 계측 송신기 회로로부터 회전 안테나 조립체(142)로 전자 데이터 신호를 라우팅하기 위해 증착될 수 있다.
도 11은 고온 회로 보드를 수납하고 원격 계측 송신기 조립체(150)의 부분을 형성하는 고온 전자 패키지(154)를 도시하고 있다. 전자 패키지(154)의 주 본체는 Fe-Ni-Co의 합금인 Kovar와 같은 합금으로부터 제작될 수 있다. Kovar의 열팽창 계수는 정확한 조성에 따라 약 4.5 내지 6.5×10-6/℃의 범위이다. 터빈 블레이드(130)와 같은 고온 터빈 부품을 위해 통상적으로 사용된 Ni계 합금은 약 15.9 내지 16.4×10-6/℃의 범위의 열팽창 계수를 갖는다. 전자 패키지(154)는 전자 패키지(154)와 터빈 블레이드(130) 사이의 상대 이동을 허용하면서 적소에 단단히 부착될 수 있다. 이 상대 이동은 이들의 상이한 열팽창율로부터 발생할 수 있는데, 이는 블레이드 루트(132)에 근접하여 통상적으로 경험되는 >450℃ 작동 온도와 주위 공기 온도 사이의 높은 수의 열 사이클 중에 시간 경과에 따라 발생한다.
원격 계측 송신기 조립체(150)는 도 11에 가장 양호하게 도시되어 있는 바와 같이, 장착 브래킷(156) 및 덮개 또는 커버 플레이트(158)를 포함할 수 있고 전자 패키지(154)가 그 사이에 위치되어 있다. 복수의 접속 핀(155)이 그 위에 제작된 무선 원격 계측 회로를 갖는 것과 같은, 패키지(154) 내에 수납된 전자 회로 보드와 센서로부터의 도선 라인, 유도 코일 조립체 및/또는 데이터 전송 안테나와 같은 다양한 외부 디바이스 사이의 접속을 가능하게 한다. 장착 브래킷(156), 커버 플레이트(158) 및 이들을 함께 연결하는 보유 스크류(159)는 모두 터빈 블레이드(130)와 동일한 재료로부터 제작될 수 있다. 이는 터빈 블레이드(130)와 장착 브래킷(156) 사이에 열팽창의 차이가 존재하지 않는 것을 보장한다. 따라서, 어떠한 응력도 열 과도(thermal transient) 중에 장착 브래킷(156) 및/또는 터빈 블레이드(130)에 발생하지 않는다.
전자 패키지(154)의 열팽창 계수는 이들 부품들이 존재하는 작동 시스템이 고온에 있을 때 장착 브래킷(156)의 열팽창 계수보다 낮을 수 있다. 따라서, 그 내부에 수납된 임의의 회로 보드를 포함하는 전자 패키지(154)는 장착 브래킷(156)보다 적게 팽창할 수 있고, 이는 시스템 내의 진동 에너지에 의해 유발된 손상을 유도할 수 있다. 브래킷(156)과 전자 패키지(154) 사이의 치수 변화차를 수용하기 위해 장착 브래킷(156) 내에 전자 패키지(154)를 고정하기 위해, 세라믹 파이버 직조 직물(160)의 층이 전자 패키지(154)와 장착 브래킷(156)의 내부면 사이에 배치될 수 있다. 직물(160)은 실리콘 카바이드, 실리콘 니트라이드 또는 알루미늄 산화물과 같은 이러한 파이버를 포함하는 적합한 세라믹 파이버로부터 제작될 수 있다. 예를 들어, 3M에 의해 제조된 다량의 NextelTM 알루미늄 산화물계 직물이 직물(160)에 대해 사용될 수 있다.
전자 패키지(154) 및 세라믹 파이버 직조 직물(160)이 장착 브래킷(156) 및 커버 플레이트(158)와 조립되어 원격 계측 송신기 조립체(150)를 형성한 상태로, 장착 브래킷(156)은 볼트 조임, 용접, 브레이징(brazing) 또는 일시적 액상 접합을 경유하는 것과 같은 적합한 부착 수단에 의해 터빈 블레이드(130)에 부착될 수 있다. 도 10은 조립체(150)를 수용하기 위해 블레이드 루트(132)에 근접하여 터빈 블레이드(130) 내에 밀링되거나 다른 방식으로 형성될 수 있는 리세스 또는 편평한 포켓(162)을 도시하고 있다.
커버 플레이트(158)는 중력의 방향에 수직으로 배향된 플랜지(164)를 갖고 형성될 수 있어 커버 플레이트에 구조적 지지를 추가하는데, 이는 회전 터빈 블레이드(130)가 최대 속도로 작동할 때 발생하는 중력 부하에 대항한다. 이러한 것은 중력을 경유하여 커버 플레이트(158)에 인가된 부하를 지지하는 것으로부터 보유 스크류(159)를 완화하고, 원격 계측 송신기 조립체(150)가 임의의 인접한 부품들과의 간섭 없이 비교적 소형 리세스(162) 내에 끼워지도록 이들 보유 스크류가 충분히 작게 제조될 수 있게 한다. 보유 스크류(159)가 중력에 의해 인가된 부하를 지지하도록 요구되면, 이들의 요구된 크기는 이용 가능한 공간 내에 끼워지기에 너무 클 것이다.
도 10은 회전 안테나 조립체(142)가 루트(132)의 단부면 또는 네크에 부착될 수 있는 것을 도시하고 있다. 조립체(142)는 그 루트(132)를 포함하는 터빈 블레이드(130)와 같은 터빈 고온 가스 경로 부품을 위해 사용된 Ni계 합금의 열팽창 계수와는 상이한 열팽창 계수를 갖는 전자 조립체일 수 있다. 하나 이상의 회전 안테나 조립체(142)는 음속 부근에서 터빈 블레이드(130)의 회전 중에 풍손(windage)으로부터 보호될 수 있다. 실시예에서, 풍손 보호 재료는 재료를 통한 전력 및 데이터의 전송을 가능하게 하기 위해 RF 방사선 주파수에 투명하다.
회전 가능한 안테나 조립체(142)의 실시예는 데이터 안테나 및 유도 전력 부품이 그 내에 수납되어 있는 본질적으로 중공 설비인 도 10 및 도 12에 도시되어 있는 내구성, 보호성, RF 투명 커버(170)를 포함할 수 있다. RF 투명 커버(170)는 연소 터빈(10)의 작동 중에 풍손 및 고온 가스 침입으로부터 그 내용물을 보호한다. 특정 세라믹이 상승된 온도에서 요소로부터 RF 전송 장비를 보호하기 위해 적합하다. 그러나, 다수의 세라믹 및 세라믹 매트릭스 복합 재료는 연소 터빈(10)의 작동 중에 회전 터빈 블레이드(130)가 경험하는 진동, 충격 및 중력 부하 하에서 칩핑(chipping) 및 균열(cracking)의 경향이 있다.
본 발명의 발명자들은 RF 투명 커버(170)가 RF 투명, 고인성, 구조 세라믹 재료로부터 제작될 수 있다는 것을 판정하였다. 세라믹 매트릭스 복합 재료 뿐만 아니라 강화 세라믹으로서 알려진 재료의 족으로부터 선택된 재료가 하우징(170)을 제작하는데 사용될 수 있다. 실리콘 카바이드, 실리콘 니트라이드, 지르코니아 및 알루미나와 같은 재료가 특정 프로세싱 접근법으로부터 발생하는 부가의 요소 및/또는 설계된 마이크로구조체로의 도핑에 기인하여 증가된 인성을 갖고 이용 가능하다.
RF 투명하고 형성이 용이하고 비교적 저가인 일 이러한 재료는 일반적으로 지르코니아 강화 알루미나(ZTA)라 칭하는 세라믹 족으로부터 선택된 재료이다. 이 알루미늄 산화물 재료의 족으로부터 선택된 세라믹 재료는 통상의 순수 알루미늄 산화물 재료보다 강도 및 인성이 상당히 높다. 이는 알루미늄 산화물 전체에 걸쳐 균일하게 미세 지르코늄 산화물 입자를 혼입함으로써 성취된 응력 유도 변형 인성으로부터 발생한다. 통상의 지르코늄 산화물 함량은 10% 내지 20%이다. 그 결과, ZTA는 통상의 순수 알루미늄 산화물 재료에 비해 증가된 부품 수명 및 성능을 제공한다.
ZTA의 설계된 마이크로구조체는 세라믹이 압축시에 부하를 받게 될 때 파괴 저항성이 있다. 그러나, 인장시에 충분히 부하를 받으면, 세라믹은 전통적인 세라믹 재료에서와 같이 파멸적으로 파괴될 것이다. 따라서, RF 투명 커버(170)는 세라믹 재료 내의 인장 응력이 연소 터빈(10)의 작동 중에 최소화되도록 설계된다. 이는 (1) ZTA의 모든 코너, 에지 및 굽힘부가 이들 위치에서 응력 집중 팩터를 감소시키기 위해 첨예한 코너 및 에지를 제거하도록 기계 가공되고, (2) 회전 안테나 장착 브래킷(174) 내의 ZTA 부품의 배향 및 끼워맞춤이 작동 중에 ZTA 박스에 인가된 중력이 부착 플랜지 내에 상당한 굽힘 응력을 발생하지 않도록 이루어지도록 설계 및 제작함으로써 성취된다. 이는 중력 부하 방향에 수직인 것보다는 중력 부하 방향과 평행하게 플랜지를 배향함으로써 성취되고, 따라서 ZTA 플랜지는 굽힘이 아니라 압축시에 부하를 받게 된다.
도 12는 도 10에 터빈 블레이드(130)에 부착된 것으로 도시되어 있는 바와 같이, 회전 안테나 장착 브래킷(174)이 RF 투명 커버(174)와 조립될 수 있어 회전 안테나 조립체(142)를 형성하는 것을 도시하고 있다. 회전 안테나 장착 브래킷(174)과 RF 투명 커버(170) 사이의 계면 부하는 RF 투명 커버(170) 내에서 발생하는 인장 응력을 최소화한다. 이 디자인은 RF 투명 커버(170) 내에서 발생하는 인장 응력이 파괴에 대한 최소 응력보다 작아, 구조적 부품에 대한 긴 수명을 초래하도록 이루어진다. 장착 브래킷(174)은 이들 사이의 균일한 열팽창 계수가 가열 및 냉각 사이클 중에 부착 영역에 최소 응력이 발생되게 할 수 있기 때문에, 터빈 블레이드(130)와 동일한 금속으로 제조될 수 있다.
장착 브래킷(174)은 연소 터빈(10)의 작동 중에 회전 안테나 조립체(142)에 의해 경험되는 모든 중력 부하가 도 12에 화살표 G에 의해 지시되어 있는 바와 같이 브래킷(174)의 상단부(178)를 향해 연장하는 방향에서 흡수되도록 설계될 수 있다. 장착 브래킷(174)의 어떠한 부분도 RF 전송 데이터 신호를 감쇠하기 위해 그 내부에 수납된 안테나를 지나 충분히 멀리 연장되지 않는다. RF 투명 커버(170)는 적소에 고정되어 따라서 그 내부 응력장이 주로 압축성이고, 그 플랜지 상의 반원형 디보트(divot)를 통해 나사산 형성 핀(도시 생략)을 사용하여 보유될 수 있다.
장착 브래킷(174)은 용접, 브레이징, 접합, 볼트 조임 또는 나사 조임과 같은 통상의 수단을 경유하여 터빈 블레이드 루트(132)의 면에 부착될 수 있다. 회전 안테나 조립체(142)의 실시예는 RF 투명 커버(170)의 중공 본체 내로 원하는 안테나를 배치하고, 커버(170) 내에 형성된 구멍을 통해 안테나로부터 도선 와이어(171)를 공급하고, 이어서 세라믹 포팅(potting) 재료로 안테나를 수납하는 커버(170)의 중공 본체를 충전함으로써 조립될 수 있다. 안테나를 수납하는 포팅된(potted) RF 투명 커버(170)는 이어서 터빈 블레이드 루트(132)에 미리 부착되어 있을 수 있는 장착 브래킷(174) 내로 슬라이드될 수 있다. 커버(170)는 장착 브래킷(174) 내의 구멍 및 커버(170) 내의 디보트 내에 삽입된 핀을 경유하여 장착 브래킷(174)에 고정될 수 있다.
본 발명의 실시예는 유도 RF 에너지와 같은 다양한 수단에 의해 그리고/또는 연소 터빈 엔진(16) 내의 열적 또는 진동 파워를 수확함으로써 동력 공급될 수 있다. 에너지 수확된 파워 모델에서, 열전 또는 진동 전력이 작동하는 연소 터빈 엔진(16) 내에서 이용 가능한 에너지로부터 발생될 수 있다. 열전퇴(thermopile)가 열 에너지로부터 전기를 생성하는데 사용될 수 있고, 또는 압전 재료는 연소 터빈 엔진(16)의 진동으로부터 전기를 생성할 수 있다. 이들 형태의 전원의 예는 그 개시 내용 모두가 인용에 의해 본원에 참조되는 미국 특허 제 7,368,827호에 설명되어 있다.
본 발명의 실시예는 무선 고온 원격 계측 시스템의 부품에 전력 공급하기 위한 유도 전력 모드를 제공한다. 이러한 시스템은 변압기 1차 유도 코일 조립체(186)가 고정되고 2차 유도 코일 조립체(195)가 회전하는 에어갭 변압기로서 구성될 수 있다. 예를 들어, 유도 RF 전력 구성이 원격 계측 송신기 조립체(150) 내에 수납된 회전 원격 계측 송신기에 전력 공급하기 위해 제공된다. 도 13은 연소 터빈(10)의 터빈 엔진(16) 내에 사용될 수 있는 것과 같은 정적 밀봉 세그먼트(180)의 부분을 도시하고 있다. 복수의 정적 밀봉 세그먼트(180)가 복수의 터빈 블레이드(130)에 인접하여 터빈 엔진(16)을 에워쌀 수 있다. 정적 밀봉 세그먼트(180)는 당 기술 분야의 숙련자들에 의해 인식되는 바와 같이 터빈 엔진(16)을 통해 고온 가스 경로 내의 고온 가스를 밀봉하기 위해 터빈 블레이드(130)와 협동할 수 있다.
도 13은 고정 데이터 전송 안테나(184) 및 고정 1차 유도 코일 조립체(186)가 그 내에 고정될 수 있는 그 내부에 형성된 각각의 채널 또는 홈통(groove)을 갖는 아치형 브래킷(182)을 도시하고 있다. 데이터 전송 안테나(184)는 데이터 전송 안테나(184)를 브래킷(182)으로 고정하기 위해 비전도성 홀더(185) 내에 삽입될 수 있다. 비전도성 홀더(185)는 데이터 전송 안테나(184)가 금속으로 제조될 수 있는 브래킷(182)에 접촉하지 않는 것을 보장하여, 이에 의해 정확한 작동을 보장한다. 비전도성 홀더(185)는 RF 투명 커버(170)를 위해 사용된 동일한 ZTA 강화 세라믹 재료로부터 제작될 수 있다. 도 13에 도시되어 있는 바와 같은 아치형 브래킷(182) 내에 안테나(184)를 이용하는 경우에, 홀더(185)는 가요성을 제공하기 위해 분할될 수 있고, 이는 만곡된 브래킷(182) 내에 설치를 허용한다. 동일한 분할된 구성이 유도 코일 조립체(186)에 적용될 수 있어 만곡된 브래킷(182) 내의 설치를 가능하게 한다.
1차 유도 코일 조립체(186) 및 데이터 전송 안테나 홀더(185)는 브래킷(182)으로의 부착 영역에서 로브(lobe)를 갖고 형성될 수 있다. 브래킷(182) 내의 재료의 연관된 영역은 설치를 수용하기 위해 약간 더 큰 크기를 갖고 동일한 로브 형상으로 제거된다. 로브 형상은 유도 코일 조립체(186) 및 안테나 및 홀더(184, 185)의 포지티브 보유를 가능하게 하는 곡률반경을 형성하는데, 이들은 단부로부터 브래킷(182) 내에 배치되어 적소로 슬라이드될 수 있다. 로브 형상은 포지티브 보유가 유지될 수 있게 하는 동시에 인장 응력이 유도 코일 조립체(186) 및 안테나 홀더(185) 내에 발생하지 않는 것을 보장하는데, 이들 유도 코일 조립체 및 안테나 홀더의 모두는 인장 응력 하에서 구조적 파괴를 받게 되는 비교적 취성 재료로 제작될 수 있다.
로브는 금속 브래킷(182)이 기능성과 간섭하지 않는 것을 보장하기 위해 유도 코일 조립체(186) 및 데이터 전송 안테나(184)의 전방으로부터 충분히 멀리 위치될 수 있다. 세라믹 접합제는 가열 및 냉각 중에 열팽창 계수를 수용하고 단단한 끼워맞춤을 제공하기 위해, 유도 코일 조립체(186) 및 안테나 홀더(185)의 표면과 브래킷(182) 내의 이들의 각각의 포켓 사이에 도포될 수 있다. 얇은 플레이트(도시 생략)가 유도 코일 조립체(186) 및 데이터 안테나(184)의 로브 형성된 영역을 커버하는 브래킷(182)의 각각의 단부 상에 부착될 수 있어, 작동 중에 보유를 보장한다.
하나 이상의 브래킷(182)은 Inconel 625와 같은 정적 밀봉 세그먼트(180)와 동일한 합금으로 제작될 수 있고, 정적 밀봉 세그먼트(180)의 내부면에 합치하기 위한 아치형 형상을 가질 수 있다. 브래킷(182)은 정적 밀봉 세그먼트(180)의 왜곡을 최소화하기 위해 중단된 용접부(188)를 사용하여 정적 밀봉 세그먼트(180)의 내부면에 부착될 수 있다. 유도 코일 조립체(186)는 적어도 하나의 고정 코어(190) 및 고정 코어(190)의 부분을 격납하는 JP 테크놀로지스에 의해 시판되는 "H 시멘트'(194)를 갖는 적어도 하나의 고정 1차 권선(192)을 포함할 수 있다.
도 14는 터빈 엔진 블레이드 루트(132)에 근접하여 장착될 수 있는 RF 투명 커버(170) 내에 수납된 회전 2차 유도 코일 조립체(195)를 갖는 실시예를 도시하고 있다. 회전 유도 코일 조립체(195)는 고정 유도 코일 조립체(186)와 유사하게 코어(200) 및 권선(201)으로부터 제작될 수 있다. 회전 데이터 전송 안테나(202)가 고정 데이터 전송 안테나(184)와 통신을 위해 제공될 수 있다. 데이터 전송 안테나(202)는 비전도성 홀더(185)와 구성이 유사할 수 있는 비전도성 홀더(203) 내에 격납될 수 있다. 대안 실시예에서, 데이터 전송 안테나(202)는 비전도성 홀더(203)의 사용 없이 RF 투명 커버(170) 내에 수납될 수 있는데, 이 경우에 이는 재료를 포팅하는 것이 가능한 높은 온도를 갖고 적소에 유지될 수 있다. 단일 또는 다중의 고정 1차 유도 코일(186)이 연소 터빈(10)이 작동중에 있을 때 2차 유도 코일 조립체(195) 및 안테나(202)를 회전시킴으로써 포위되는 아크를 형성하기 위해 하나 이상의 정적 밀봉 세그먼트(180)의 내부면 상에 배열될 수 있다.
하나 이상의 고정 1차 권선(192)이 고주파수 고전류 전원에 의해 여기될 수 있다. 전력은 각각의 고정 유도 코일 조립체(186)에 개별적으로 공급될 수 있고, 또는 일련의 고정 유도 코일 조립체(186)가 전기적으로 접속되어 단일 전원에 의해 구동될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 그 자신의 전원에 의해 각각 구동되는 5개의 인접한 고정 유도 코일 조립체(186)가 존재할 수 있다. 각각의 고정 1차 권선(192)을 통해 흐르는 전류는 이어서 회전 2차 권선(201) 내에 전류를 생성하는 회전 2차 유도 코일 조립체(195) 내에 자기장을 생성한다. 회전 2차 권선(201)으로부터의 전류는 이하에서 본 명세서에 더 완전히 설명되는 바와 같이 무선 원격 계측 송신기 조립체(150) 내에 수납된 무선 원격 계측 송신기 2차 권선(201)에 전력을 공급한다.
도 14는 초기 갭("A")이 연소 터빈(10)의 시동에 앞서 RF 투명 커버(170)와 고정 코어(190) 사이에 존재할 수 있는 것을 도시하고 있다. 초기 갭("A")은 연소 터빈(10)의 시동시에 약 13 mm일 수 있고 터빈 블레이드(130) 및 정적 밀봉 세그먼트(180)가 함께 근접하게 될 때 기초부하에서 약 4 mm로 감소될 수 있다. 자기 코어 재료가 고정 코어(190) 및 회전 코어(200)를 제작하는데 사용될 수 있다. 자기 재료는 요구된 갭("A") 위에 원격 계측 송신기 조립체(150) 내에 수납된 원격 계측 송신기 회로에 요구된 전력을 커플링하기 위해 코어 재료로서 사용될 수 있다. 선택된 자기 재료는 고정 1차 권선(192)에 의해 생성되고 하나 이상의 회전 2차 권선(201)에 의해 수신된 자기장을 포커싱하는 작용을 한다. 이 효과는 고정 요소와 회전 요소 사이의 커플링 효율을 증가시킨다.
본 명세서에 개시된 유도 전력 시스템의 실시예는 연소 터빈(10)을 갖는 다양한 기하학적 형상을 수용하기 위해 다수의 개별 1차 및 2차 유도 코일 조립체(186, 195)를 이용할 수 있다. 예를 들어, 고정 유도 코일 조립체(186) 및 데이터 전송 1차 안테나(184)는 시스템 부품에 충분한 전력을 유도하고 요구된 데이터를 전송하기 위해 정적 밀봉 세그먼트(180)의 특정 거리에 걸칠 필요가 있을 수 있다. 유도 코일 조립체(186) 및 데이터 전송 안테나(184)의 실시예는 길이가 대략 4 피트가 될 필요가 있을 수 있다. 이 예에서, 용이한 제작을 위해, 대략 1 피트의 길이를 각각 갖는 4개의 개별 전력/안테나 조립체가 각각의 브래킷(182)을 갖고 제작되고 하나 이상의 정적 밀봉 세그먼트(180) 상에서 서로 인접하여 설치될 수 있다. 개별 안테나 사이의 단부간 갭 거리가 충분히 작으면, 안테나 조립체는 단일의 4 피트 길이 안테나인 것처럼 기능할 것이다. 이러한 안테나 조립체는 직선형 또는 곡선형 요소로부터 형성될 수 있어 이에 의해 특정 용례에 의해 요구되는 바와 같이 직선형, 곡선형 또는 다른 방식으로 구성된 다양한 길이의 조립체를 제공한다. 실시예에서, 복수의 이러한 안테나 조립체는 터빈(16) 내의 하나 이상의 정적 밀봉 세그먼트(180)의 상부 반부 내에 대략 112도의 아크에 걸칠 수 있다.
본 발명의 발명자들은 특정 종류의 자기 코어 재료가 본 발명의 실시예의 성능 요구에 부합하거나 초과하는 것을 판정하였다. 이 종류의 재료를 위한 일반적인 용어는 나노결정 철 합금이다. 이 종류의 재료의 일 조성물은 상표명 NAMGLASS
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하에서 시판되고, 대략 82% 철의 조성 - 잔량은 실리콘, 니오브, 붕소, 구리, 탄소, 니켈 및 몰리브덴임 - 을 갖는다. 이러한 나노결정 철 합금 재료는 500℃ 초과의 큐리 온도(Curie temperature), 매우 낮은 보자력, 낮은 에지 전류 손실, 높은 포화 플럭스 밀도 및 투자율과 같은 바람직한 특성을 나타내고, 전체 고온 작동 범위에 걸쳐 매우 안정한 것으로 판정되었다.
이 나노결정 철 합금 재료는 환상체(toroid) 또는 "C" 코어 변압기 코어의 형태의 테이프 권취 구성으로 상업적으로 입수 가능하다. 본 발명의 실시예는 1차 고정 코어(190)를 위해 사용되었던 "I" 코어 형상을 형성하기 위해 이 나노결정 철 합금 재료를 이용한다. "I" 형상은 이 형상이 자체로 채널 또는 고정 장착 브래킷(182) 내에 적소에 유지되기 때문에 선택되었다. 각각의 유도 코일 조립체(186)의 유도 코어(190)는 대략 11 인치의 길이의 아크로 형성된 나노결정 철 합금 재료의 복수의 0.007" 두께 적층체로 이루어진다. 동일한 나노결정 철 합금 재료가 회전 안테나(200) 변압기 코어를 위해 사용될 수 있다.
고정 요소와 회전 요소 사이에 전력을 커플링하는데 사용된 자기장의 강도는 구동 신호의 주파수, 즉 도 16에 도시되어 있는 예시적인 유도 전력 드라이버 회로에 의해 생성된 고주파수 AC 신호를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 대략 200 kHz 초과의 주파수와 같은, 고정 1차 권선(192)을 구동하기 위해 고주파수를 이용할 수 있다. 대안 실시예는 이러한 주파수에서 작동하도록 설계된 전력 드라이버로 적어도 1 메가헤르츠의 작동 주파수를 성취할 수 있다.
권선 코어(190, 220)를 위해 사용된 와이어는 고온에서 산화 및 파괴를 감소시키기 위해 세라믹 절연체를 갖는 27% 니켈-클래드 구리로 제조될 수 있다. 이 와이어의 취급 특성은 표준 유기 절연 베어(bare) 구리보다 상당히 더 문제가 되고, 보호성 세라믹 코팅의 결과로서 특정 기술이 1차 요소 및 회전 요소의 모두를 권취하는 프로세스를 위해 개발되었다. 다른 와이어는 절연 은 또는 양극 산화된 알루미늄일 수 있다.
2개의 유형의 세라믹 재료는 1차 및 회전 유도 코일 조립체(186, 195)의 모두의 구성에 사용될 수 있다. 권선(192, 201)이 코어 요소(190, 200)에 단락(도통)하지 않는 것을 보장하는 것이 중요하다. 와이어 상에 공급된 세라믹 절연체에 추가하여, H 접합제, 초미세 입경을 갖는 세라믹 접합제와 같은 화합물이 권취 코어(190, 200) 상의 절연성 베이스 코팅으로서 사용될 수 있다. 일단 권취 코어(190, 200)가 권취되면, 이들은 알루미늄 산화물계 세라믹 접합제인 코트로닉스(Cotronics)(940)로 포팅될 수 있다.
도 15는 도 10에 도시되어 있는 원격 계측 송신기 조립체(150) 내에 수납된 도 11에 도시되어 있는 고온 전자 패키지(154) 내부에 끼워진 회로 보드 상에 제작될 수 있는 예시적인 원격 계측 송신기 회로(210)의 개략도를 도시한다. 원격 계측 송신기 회로(210)는 터빈 블레이드(130)와 연관된 스트레인을 측정하기 위한 스트레인 게이지 센서일 수 있는 도 9의 센서(134)와 같은 센서와 함께 작동을 위해 구성될 수 있다. 회전 2차 유도 코일 조립체(195)는 송신기 회로(210)의 전압 정류기에 250 kHz AC 전력을 제공할 수 있다. 이 회로는 AC 입력을 DC 출력으로 변경하고 전압 조절기 회로에 공급한다.
송신기 회로(210)의 전압 조절기는 AC 입력 전압이 변할 수 있더라도 일정한 DC 전압 출력을 유지한다. 일정한 전압 출력이 신호 출력을 위한 더 양호한 정확도 및 안정한 작동 주파수를 성취하도록 요구된다. 전압 조절기는 또한 스트레인 게이지 센서(134) 및 밸러스트 저항(도시 생략)에 일정한 전압을 공급한다. 스트레인 게이지 센서(134) 및 밸러스트 저항은 송신기 회로(210)에 센서 신호 입력을 제공한다. 스트레인 게이지 센서(134)가 장착되어 있는 표면이 편향함에 따라, 스트레인 게이지는 저항을 변경하고, 이는 송신기 회로(210) 입력에서 전압이 변경할 수 있게 한다.
스트레인 게이지 센서(134)로부터의 신호에 의해 제공된 가변 전압은 먼저 차등 증폭기에 의해 그리고 이어서 고이득 AC 증폭기에 의해 증폭된다. 최종적인 신호는 송신기 회로(210)의 전압 제어된 발진기(VCO) 섹션에서 버랙터(varactor) 다이오드에 인가된다. VCO는 높은 반송파 주파수에서 발진한다. 이 반송파 주파수는 송신기 회로(210)에 대해 125 내지 155 MHz의 대역에서 설정될 수 있다. 고정 반송파 주파수는 버랙터 상의 변경 전압에 의해 약간 변경된다. 이 주파수의 변경 또는 편차는 스트레인 게이지 센서(134)에 의해 경험된 편향 또는 스트레인에 직접 관련된다. VCO 반송파 출력은 버퍼 스테이지에 공급되고, 버퍼 출력은 도 10의 도선 와이어(140)를 경유하여 회전 안테나 조립체(142) 내에 수납된 전송 안테나에 접속된다.
도 1의 송수신기(56)와 같은 수신 디바이스 또는 연소 터빈(10) 내의 고온 또는 다른 영역에 위치된 다른 디바이스에서, 반송파 신호가 제거되고 편차는 스트레인에 비례하는 증폭된 출력이 된다. 고온 사용을 위해 설계된 이러한 송신기 회로(210)에 사용된 트랜지스터는 SiC, AlN, GaN, AlGaN, GaAs, GaP, InP, AlGaAs, AlGaP, AlInGaP 및 GaAsAlN을 포함하는 광대역 갭 반도체 재료와 같은 고온 가능 재료로부터 제작될 수 있고, 또는 다른 고온 가능 트랜지스터 재료가 최대 약 500℃ 내지 600℃까지 사용될 수 있다.
인쇄 보드 상에 제작된 무선 원격 계측 송신기 회로(210)의 다양한 실시예는 다양한 작동 온도에서 광범위한 센서 유형을 갖고 연소 터빈(10) 내에서 사용을 위해 적용될 수 있다. 송신기 회로(210)의 소자 및 그 대안 실시예는 최대 대략 350℃까지 실리콘-온-절연체(SOI) 집적 회로, 대략 300℃ 내지 350℃로부터 폴리실세키옥산, PFA, 폴리이미드, Nomex, PBZT, PBO, PBI 및 Voltex 권취 캐패시터, 및 대략 450℃ 내지 500℃로부터 PLZT, NPO, Ta2O5, BaTiO3 다층 세라믹 캐패시터와 같은 다양한 온도 감응 재료를 사용하여 제작될 수 있다.
저항의 다양한 실시예는 대략 최대 350℃의 작동 환경에 대해 Ta, TaN, Ti, SnO2, Ni-Cr, Cr-Si 및 Pd-Ag 및 대략 350℃ 이상의 작동 환경에 대해 Ru, RuO2, Ru-Ag 및 Si3N4로 제작될 수 있다. SiC, AlN, GaN, AlGaN, GaAs, GaP, InP, AlGaAs, AlGaP, AlInGaP 및 GaAsAlN 또는 다른 고온 가능 반도체 재료로부터 제조되는 개별 트랜지스터, 다이오드 또는 캐패시터와 같은 개별 고온 전자 부품이 대략 350℃를 초과하지 않는 온도에서 작동을 위해 단일 SOI CMOS 디바이스에 의해 대체될 수 있다.
도 6에 도시되어 있는 무선 원격 계측 디바이스(76)의 실시예와 관련하여, 전기 신호를 수신하고 그리고/또는 전송하기 위한 송수신기일 수 있는 안테나(102)가 원격 계측 송신기 회로와 동일한 보드 상에 제작된다. 원격 계측 송신기 회로는 상호 접속부(98)를 경유하여 서로 전기적으로 접속된 전자 회로(90), 다조파 발진기 회로(도시 생략), 연산 증폭기(92), RF 변조기(94) 및 RF 발진기/송신기(96)를 포함할 수 있다. 보드(80) 상의 상기 부품에 추가하여, 디바이스(76)는 전기 회로(90) 및 안테나(102)와 전기 통신하는 전원(110)을 포함할 수 있다. 안테나(102) 및/또는 전원(110)을 포함하는 전술된 전기 부품(90, 92, 94, 96)은 회로 보드 또는 집적 칩의 형태로 보드 또는 기판(80) 상에 형성된다. 대안적으로, 전원(110)은 블레이드 또는 베인에 근접하여 기판에서 벗어나 장착될 수 있고 안테나(102) 및 전원의 모두는 보드에서 벗어나지만, 원격 계측 송신기 회로와 전기 통신하여 유지된다.
도 6에 도시되어 있는 실시예 및 이하에 더 상세히 설명되는 도 17 내지 도 23에 도시되어 있는 실시예는 권선을 갖는 자기 코어가 제거되어 있는 공진 에너지 전달 조립체를 이용할 수 있다. 이들 실시예는 항공기에 사용되는 더 소형의 모듈형 연소 터빈 엔진과 함께 사용을 위해 특히 유리할 수 있다. 더 구체적으로, 이러한 모듈형 터빈 시스템은 예를 들어 발전 설비에 사용된 압축기 또는 터빈 블레이드 스테이지보다 상당히 더 소형인 회전자 디스크(302)와 일체로 형성된 블레이드(301)를 포함하는 블리스크를 구비한다. 따라서, 블리스크는 도 14에 도시되어 있는 자기 코어(190, 200)를 포함하는 전력 유도 코일 조립체(186, 195)를 지지하기 위해 이용 가능한 충분한 표면적을 갖지 않는다.
더욱이, 이러한 모듈형 터빈 시스템에서, 압축기 또는 터빈 스테이지와 같은 전체 스테이지는 인접 스테이지로부터 분리되어 교체될 수 있다. 분리 스테이지에서, 원격 계측 시스템의 권선은 절단되어 재접속되어야 하고, 재접속된 와이어는 터빈의 작동 중에 비신뢰적일 수 있다. 무선 원격 계측 시스템은 압축기 또는 터빈 스테이지를 제거하고 교체할 때 수동으로 분리되어 재접속되어야 하는 배선을 제거할 수 있다.
무선 원격 계측 시스템의 부품이 회전자 디스크(302)와 일체로 형성된 복수의 블레이드(301)를 포함하는 블리스크(300)와 관련하여 도 17에 도시되어 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 블레이드(301)는 고온 팽창 가스가 유동하여 블리스크(300)가 터빈의 케이스에서 회전할 수 있게 하는 포일부(303)를 포함한다. 대조적으로, 압축기 블리스크(blisk)의 회전은 회전 블레이드를 지나 고온 가스를 흡입하여 터빈 엔진의 터빈 스테이지로 유도됨에 따라 고온 가스를 압축한다. 각각의 블레이드(301) 또는 포일부(303)는 블레이드(301)와 같은 회전 부품 및 베인(도시 생략)과 같은 고정 부품이 그 내에 위치되어 있는 케이싱(305)에 인접하여 이격 관계에 있는 팁(304)을 갖는다. 블리스크(300)는 터빈 엔진용 동력 터빈 또는 압축기 내에 작동을 위해 위치될 수 있다. 게다가, 이하에 설명되는 공진 에너지 전달 조립체는 블레이드(301)와 같은 회전 부품 또는 베인과 같은 고정 부품의 모니터링과 연계하여 사용될 수 있다.
매립된 또는 표면 실장된 센서(306)가 블레이드(301)의 작동 상태가 모니터링되는 영역에 대해 블레이드(301) 상에 배치된다. 온도 저항 도선 라인 또는 커넥터(307)가 센서(306)를 무선 원격 계측 디바이스(308)와 전기적으로 연결한다. 디바이스(308)는 바람직하게는 작동 온도가 통상적으로 약 150℃ 내지 약 250℃인 블리스크(300)의 회전자(309)와 같은 원격 계측 부품이 온도를 비교적 낮추도록 노출되는 위치에 장착된다.
센서(306) 및 상호 접속 라인(307)은 플라즈마 스프레이, EB PVD, CVD, 펄스식 레이저 증착, 미니-플라즈마, 직접-기록, 미니-HVOF 또는 용액 플라즈마 스프레이와 같은 공지의 증착 프로세스를 사용하여 증착될 수 있다. 통상적으로, 동적 압력 측정, 동적 및 정적 스트레인 및 동적 가속도 특정이 부품 표면 온도 및 열 플럭스 측정과 함께 연소 터빈(10)의 고정 부품 및 회전 부품의 모두에 요구된다. 따라서, 매립된 또는 표면 실장된 센서(306)는 스트레인 게이지, 열전쌍, 열 플럭스 센서, 압력 트랜스듀서, 마이크로-가속도계 뿐만 아니라 다른 원하는 센서로서 구성될 수 있다. 더욱이, 센서를 제작하는데 사용된 재료는 압축기 부품 또는 터빈 부품의 모두에 대해 도 4에 도시되어 있는 센서(61)에 대해 설명되고 열거된 이들 열전쌍 재료를 포함할 수 있다.
도 17 내지 도 25에 도시되어 있는 무선 원격 계측 시스템의 실시예는 무선 원격 계측 디바이스(308) 및 센서(306)를 포함하는 조립체의 회전 부품에 대한, 압축기(12) 또는 터빈(10) 내의 고정 위치에 장착된 1차 코일(310)을 갖는 공진 에너지 전달 시스템을 포함한다. 예로서, 도 17에 도시되어 있는 바와 같이, 1차 코일(310)은 압축기 또는 터빈의 케이싱(313)에 장착될 수 있고, RF 전원(315)에 연결된다. 도 18에 도시되어 있는 바와 같이, 원격 계측 디바이스(308)는 도 15에 대해 설명된 것과 같은 원격 계측 회로(312) 및 2차 코일(311)의 형태의 전원을 포함한다. 게다가, 송신기 디바이스(308)는 원격 계측 송신기 회로(312)와 전기 통신하는 RF 데이터 안테나(314)를 포함한다.
용어 "코일"은 1차 코일 및 이하에 설명된 2차 코일과 관련하여 본 명세서에 사용될 때, 반드시 이러한 부품의 물리적 구성의 지시인 것은 아니다. 실제로, "코일" 중 하나 또는 모두는 프로브의 형태일 수 있다. 용어 "코일"은 1차 디바이스로부터 발진 전류를 생성하고 발진 전류의 것과 동일한 주파수를 공진하도록 동조되는 2차 디바이스 내에 전력을 유도하는 캐패시터 및 인덕터와 같은 적절하게 구성된 전기 부품을 포함하는 전력 전송 및 전력 수신 디바이스를 포함하는 것으로 의도된다.
작동시에 RF 전원(315)으로부터 전력을 수신하는 1차 코일(310)은 발진 자기장을 생성하고, 에너지는 원격 계측 송신기 회로(312)에 전력 공급하는 2차 코일(311)에 전달된다. 센서(306)는 블레이드(301)와 같은 부품의 작동 상태를 지시하는 전자 데이터 신호를 생성하고, 전자 데이터 신호는 전자 데이터 신호를 데이터 안테나(314)에 라우팅하는 원격 계측 송신기 회로(312)에 송신된다. 전자 데이터 신호는 블레이드(301)와 같은 부품의 작동 상태를 지시한다. 실시예에서, 디바이스(308)는 안테나(314) 및 2차 코일(311)의 모두가 회로(312)를 갖는 기판 상에 증착되는 집적 칩으로서 또는 회로 보드로서 제작될 수 있다.
에너지의 전달을 위한 1차 코일(310) 및 2차 코일(311)을 위한 예시적인 회로가 도 19에 도시되어 있고, 에어 코어 변압기를 경유하여 소스 코일 또는 인덕터(L3)에 연결된 전송 코일 또는 인덕터(L1)를 포함하는 1차 코일(310)을 포함한다. 유사하게, 2차 코일은 에어 코어 변압기를 경유하여 소스 코일(L4)에 연결된 수신 코일 또는 인덕터(L2)를 포함한다. 전송 코일(L1)은 저항(Rc) 및 공진 캐패시터(C)를 갖고, 수신 코일(L2)은 코일 저항(Rc) 및 공진 캐패시터(C)를 또한 포함한다. 이 예시적인 회로에서, 소스 코일(L3)에서의 소스 저항(Rs) 및 부하 코일(L4)에서의 부하 저항(RL)은 공진 시스템의 Q에 기여하지 않아, 이에 의해 1차 코일(310)과 2차 코일(311) 사이의 커플링, 따라서 전력이 전송될 수 있는 거리를 증가시킨다. 1차 코일(310) 및 2차 코일(311)을 위한 각각의 RLC 회로는 코일(310, 311)이 동일한 또는 공통 주파수에서 공진하도록 동조되어 전력이 1차 코일(310)로부터 2차 코일(311)로 전송될 수 있게 된다.
코일(310, 311)은 Ni, Ni계 수퍼알로이, Incanel
Figure pct00002
, 금, 플래티늄 또는 약 250℃ 이상의 온도에서 작동하는 다른 재료와 같은 온도 및 산화 저항 재료로 구성될 수 있다. 게다가, RF 전력 드라이브가 1차 코일로의 전원으로서 기능할 수 있어 코일은 1 MHz 내지 약 15 MHz, 바람직하게는 약 10 MHz의 공통 주파수에서 공진하게 된다.
전술된 바와 같이, 안테나(314)는 회로 보드 상에 인쇄되고, 원하는 길이는 이하와 같이 계산될 수 있는데,
Figure pct00003
여기서, c는 자유 공간에서 빛의 속도이고, f는 반송파 신호의 주파수이고, εr은 기판의 유전 상수이다. 예를 들어, LTCC(저온 동시 소성 세라믹) 기판과 관련하여, f=80 MHz, εr=6.7, 478 mm의 안테나 길이인데, 이는 회로 보드를 위한 허용 가능한 크기와 거리가 멀다. 따라서, 안테나 트레이스가 절첩형 전후방 구성으로 제공될 수 있다. 예시적인 모노폴 안테나의 레이아웃이 도 20에 도시되어 있다. 게다가, 2차 코일(311)은 원격 계측 회로(312)의 다조파 발진기 회로와 RF 변조기 사이의 간섭을 회피하기 위한 접속 신호 경로를 제외하고는 원격 계측 회로(312)로부터 충분히 분리되어야 한다.
도 21은 브래킷(318)을 사용하여 블리스크(300)의 회전자 디스크(302)에 근접하여 장착될 수 있는 RF 투명 커버(317) 내에 수납된 원격 계측 송신기 조립체(316)를 갖는 본 발명의 실시예에 따른 블리스크(300) 및 고정자(323)의 단면도를 도시하고 있다. 전술된 바와 같이, 조립체(316)는 집적 칩으로서 동일 기판 상에 제작된 원격 계측 회로(312), 2차 코일(311) 및 데이터 안테나(314)를 포함한다. 도 22에 보여지는 바와 같이, 커넥터(319)가 도선 라인(307) 및 센서(306)를 원격 계측 송신기 회로(312)에 전기적으로 접속하도록 제공된다. 실시예에서, 원격 계측 회로(312), 2차 코일(311) 및 안테나(314)는 재료를 비전도성 포팅하는 것이 가능한 높은 온도를 갖고 RF 투명 커버(317) 내에 고정될 수 있다.
도 21을 재차 참조하면, 회전 데이터 안테나(314)는 브래킷(322)으로 데이터 전송 안테나(320)를 고정하기 위해 비전도성 홀더(321) 내에 삽입되는 고정 데이터 안테나(320)와 통신을 위해 제공될 수 있다. 브래킷(322)은 고정자(323) 또는 고정자(323)와 연관된 정적 밀봉 세그먼트로서 고정 부품에 장착된다. 비전도성 홀더(321)는 고정 데이터 전송 안테나(320)가 금속으로 제작될 수 있는 브래킷(322)에 접촉하지 않는 것을 보장하여, 이에 의해 정확한 작동을 보장한다. 비전도성 홀더(322)는 RF 투명 커버(317)를 위해 사용된 동일한 ZTA 강화 세라믹 재료로부터 제작될 수 있다. 도 13에 도시되어 있는 것과 같이 관절형 브래킷 내에 안테나(320)를 이용하는 경우에, 홀더(322)는 가요성을 제공하기 위해 분할될 수 있는데, 이는 만곡된 브래킷 내의 설치를 허용한다. 실시예에서, 고정 안테나(320)는 고정자(323) 상에 원주방향으로 연장될 수 있어 전자 데이터 신호가 터빈 엔진의 작동 중의 시간에 또는 임의의 시점에 회전 데이터 안테나(314)로부터 수신될 수 있게 된다. 도시되어 있는 바와 같이, 전기 도선 와이어(340)는 고정 안테나(320)를 제어기 또는 프로세서(341)에 전기적으로 접속하여 회전 데이터(314)로부터 수신된 전자 데이터 신호가 블레이드(301)의 작동 상태를 모니터링하기 위해 프로세싱을 위해 전송되게 된다.
도 23에 도시되어 있는 또 다른 실시예에서, 2차 코일(311)은 블레이드(301)의 포일부(303)의 팁(304) 상에 증착될 수 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 전기 도선 라인(324)이 또한 블레이드(301) 상에 증착되어 전술된 방식으로 회전자 디스크(302)에 부착된 원격 계측 회로(312)에 코일(311)을 전기적으로 접속한다. 이러한 실시예에서, 회전 데이터 안테나(314)는 원격 계측 회로(312)를 갖고 회로 보드(80) 상에 제작될 수 있는데, 이는 필요에 따라 보드(80)의 크기를 더 감소시킬 수 있다.
도 24를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서, 2차 코일(311) 및 회전 데이터 안테나(314)의 모두는 블레이드(301)의 포일부(303) 상에 증착된다. 전술된 바와 같이, 전기 도선 라인(324)은 코일(311)을 원격 계측 송신기 회로(312)에 전기적으로 접속하여 이에 의해 회로(312)에 전력 공급한다. 게다가, 전기 도선 라인(325)은 송신기 회로(312)로부터 회전 데이터 안테나(314)에 전기 데이터 신호를 라우팅한다. 이러한 실시예에서, 안테나(314)가 원격 계측 회로(312)의 기판 상이 아니라 블레이드(301) 상에 있으면, RF 투명 커버가 요구되지 않는다. 원격 계측 회로(312)는 도 11에 도시되어 있는 바와 같이 전자 패키지 내에 수납될 수 있고, 회전자 디스크(302)에 장착될 수 있다.
도 25를 참조하면, 그 각각이 원격 계측 송신기 회로를 포함하는 2개의 원격 계측 송신기 디바이스(330, 331)를 포함하는 공진 에너지 전달 시스템을 포함하는 무선 원격 계측 시스템의 실시예가 도시되어 있다. 더 구체적으로, 시스템은 제 1 또는 회전 송신기 디바이스(330) 및 제 2 또는 2차 송신기 디바이스(331)를 포함한다. 도 25는 더 대형의 압축기 또는 터빈의 터빈 블레이드 스테이지를 또한 표현할 수 있는 터빈 또는 압축기의 전술된 블리스크(300)와 같은 회전 부품의 단면도이다. 게다가, 블리스크(300)는 고정자(323)와 같은 고정 부품에 인접하여 위치된다.
전술된 바와 같이, 제 1(또는 회전) 원격 계측 디바이스(330)는 집적 칩으로서 제작된 원격 계측 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 모두는 블레이드(301) 또는 에어포일(303) 상에 있다. 게다가, 하나 이상의 센서(306)가 압축기(12) 또는 터빈(10)의 작동 중에 모니터링되도록 의도된 블레이드(301)의 부분 상에 배치된다. 전기 도선 라인(307)은 블레이드(306)의 작동 상태를 지시하는 전기 데이터 신호를 원격 계측 송신기 회로(312)에 라우팅하기 위해 원격 계측 송신기 회로(312)에 센서(306)를 접속한다. 송신기 회로(312)는 전기 데이터 신호를 안테나(314)에 라우팅하기 위해 제 1 안테나(314)에 전기적으로 접속된다.
도시되어 있는 바와 같이, 원격 계측 시스템은 전류 또는 전력을 1차 코일(310)에 공급하는 RF 전원(315)에 연결된 1차 코일(310)을 포함한다. 1차 코일(310)은 터빈 또는 압축기 케이싱(305)과 같은 블리스크(300)에 대한 고정 위치에 위치된다. 전술된 바와 같이, RF 전원(315)으로부터 전력을 수신하는 1차 코일(310)은 발진 자기장을 생성하고, 에너지는 원격 계측 송신기 회로(312)에 전력 공급하는 2차 코일(311)에 전달된다.
안테나(314)가 원격 계측 회로(312)와 동일한 기판 상에 제작되는 것으로 가정하면, 원격 계측 디바이스(330)는 블리스크(300)의 회전자 디스크(302)에 회로(312)를 부착하기 위해 RF 투명 커버(314) 및 브래킷(318)을 포함한다. RF 투명 커버는 안테나(314)가 블레이드(301) 또는 블리스크(300) 상의 소정의 다른 위치에 배치되고 원격 계측 송신기 회로(312)의 기판으로부터 벗어나면 요구되지 않는다.
도 25에 도시되어 있는 실시예에서, 무선 원격 계측 시스템은 터빈(10) 또는 압축기(12) 내의 고정 부품의 상태를 지시하는 전자 데이터 신호를 취득하여 전송하기 위한 메커니즘을 또한 포함한다. 따라서, 제 2 또는 고정 원격 계측 디바이스(331)는 고정자(323)에 부착된다. 제 1 원격 계측 디바이스(330)에 유사하게, 제 2 원격 계측 디바이스(331)는 집적 칩의 형태로 기판 상에 제작되는 원격 계측 회로(332) 및 안테나(333)(또한 고정 안테나 또는 제 2 안테나라 칭함)를 포함하지만, 안테나(333)는 도 22에 도시되어 있는 바와 같이 원격 계측 회로(333)로부터 이격하여 고정자에 부착될 수 있다.
도 25에 더 도시되어 있는 바와 같이, 하나 이상의 센서(335)가 압축기(12) 또는 터빈(10) 내의 고정 위치에 위치되어, 고정자(323) 또는 다른 고정 부품의 상태를 모니터링한다. 전기 도선 라인(334)은 센서(335)를 제 2 또는 고정 원격 계측 회로(332)에 전기적으로 접속하여 고정 부품의 상태를 지시하는 전자 데이터 신호를 제 2 원격 계측 회로(332)에 전송한다. 원격 계측 회로(332)는 제 2 또는 고정 안테나(333)와 전기적으로 통신하여 신호를 안테나(333)에 라우팅한다. 고정 안테나(333)는 원격 계측 회로(332)의 것과 동일한 기판 상에 제작될 수 있고, 또는 도 21에 도시되어 있는 바와 같이 개별적으로 장착될 수도 있다. 더욱이, RF 투명 커버(317)는 온도와 같은 작동 상태가 블레이드(301) 및 디스크(302)에 대해 극단적이지 않을 수도 있기 때문에, 제 2 원격 계측 회로(332) 또는 안테나에 대해 요구되지 않는다.
바람직한 실시예에서, 전원(336)이 전기 도선 라인(337)을 경유하여 제 2 원격 계측 회로(332)에 연결된다. 이 전기 접속은 센서(335)로부터 안테나(333)로 신호를 라우팅하고 제 2 또는 고정 안테나(333)로부터 수신기(338)로 전자 데이터 신호를 더 전송하도록 원격 계측 회로(332)에 충분한 전력을 제공하기 위해 필요할 수도 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 수신기(338)는 제 2 안테나(333)에 근접한 고정 위치에 장착되고, 고정 부품 및 회전 부품의 작동 상태를 지시하는 전자 신호를 프로세싱하기 위해 제어기 또는 프로세서(339)에 연결된다. 안테나(333)는 고정 센서(335) 및 원격 계측 회로(332)로부터 수신된 전자 데이터 신호 뿐만 아니라 회전 안테나(314)로부터 전송된 전자 데이터 신호를 전송하도록 구성된다. 전자 데이터 신호는 무선으로 또는 전자 도선 와이어(도시 생략)를 경유하여 고정 안테나(333)로부터 전송될 수 있다. 이 방식으로, 고정 안테나(333)는 터빈(10) 또는 압축기(12)의 고정 부품 및 회전 부품의 모두의 작동 상태에 대한 전자 데이터 신호를 수신하고 전송한다.
본 발명의 바람직한 실시예가 본 명세서에 도시되고 설명되어 있지만, 이러한 실시예는 단지 예로서만 제공되어 있다는 것이 명백할 것이다. 수많은 변형, 변경 및 치환이 본원 발명으로부터 벗어나지 않고 당 기술 분야의 숙련자들에게 발생할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 사상 및 범주에 의해서만 한정되는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 압축기 및 동력 터빈을 갖는 연소 터빈 엔진의 부품의 작동 상태를 모니터링하기 위한 무선 원격 계측 시스템으로서,
    압축기 또는 터빈의 회전 부품과 연계하는 적어도 하나의 제 1 센서와,
    상기 회전 부품에 부착되고 상기 적어도 하나의 제 1 센서와 전기적으로 통신하는 제 1 원격 계측 송신기 회로로서, 상기 회전 부품의 상태를 지시하는 전자 데이터 신호는 상기 제 1 원격 계측 송신기 회로에 라우팅되는, 제 1 원격 계측 송신기 회로와,
    상기 제 1 원격 계측 송신기 회로에 전력 공급하기 위한 에너지 전달 시스템과,
    상기 회전 부품에 부착되고 상기 회전 부품의 상태를 지시하는 전자 데이터 신호를 제 1 데이터 안테나에 라우팅하는 상기 제 1 원격 계측 송신기 회로와 전기적으로 통신하는 제 1 데이터 안테나와,
    상기 회전 부품의 상태를 지시하고 상기 제 1 데이터 안테나로부터 전송되는 전자 데이터 신호를 수신하는 상기 제 1 데이터 안테나에 이격 관계로 터빈 또는 압축기의 고정 위치에 부착된 제 2 데이터 안테나와,
    상기 압축기 또는 터빈의 고정 부품과 연계하는 적어도 하나의 제 2 센서와,
    상기 적어도 하나의 제 2 센서와 전기적으로 통신하여 상기 압축기 또는 터빈 내의 고정 위치에 부착되는 에너지 전달 시스템 또는 다른 전원에 의해 전력 공급되는 제 2 원격 계측 송신기 회로로서, 상기 고정 부품의 상태를 지시하는 전자 데이터 신호는 상기 제 2 센서로부터 제 2 원격 계측 송신기 회로로 라우팅되는, 제 2 원격 계측 송신기 회로를 포함하고,
    상기 제 2 데이터 안테나는 상기 제 2 원격 계측 송신기 회로로부터 라우팅된 고정 부품의 상태를 지시하는 전자 데이터 신호를 전송하고 상기 회전 부품의 상태를 지시하는 전자 데이터 신호를 수신기에 전송하는,
    무선 원격 계측 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 전달 시스템은 발진 전류 신호를 전송하고 상기 제 1 원격 계측 송신기 회로와 전기적으로 통신하여 상기 회전 부품 상에 전기 도전성 재료를 포함하는 2차 코일에 이격 관계로 터빈 엔진의 영역에 부착되는 1차 코일을 포함하는 공진 에너지 전달 시스템이고, 상기 2차 코일은 일반적으로 상기 발진 전류 신호의 전송 주파수와 동일한 주파수에서 공진하는,
    무선 원격 계측 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 부품은 팽창하는 고온 가스가 흐르는 에어포일을 갖는 블레이드 및 압축기 또는 터빈 내의 회전자 디스크 상의 복수의 블레이드의 적어도 하나의 회전 블레이드이고, 상기 터빈 및 압축기 블레이드는 케이싱 내에 배치되고 상기 1차 코일은 상기 회전 블레이드의 에어포일의 팁에 근접한 케이싱에 장착되고 상기 2차 코일은 상기 에어포일 상에 전기 도전성 재료를 포함하는,
    무선 원격 계측 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 데이터 안테나는 상기 압축기 또는 터빈 블레이드의 에어포일부 상에 전기 도전성 재료를 포함하는,
    무선 원격 계측 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 원격 계측 전송 회로는 상기 회전 블레이드에 부착된 기판 상에 구성되고, 상기 제 1 데이터 안테나는 상기 제 1 원격 계측 전송 회로와 전기적으로 통신하여 동일한 기판 상에 배치되고, 상기 기판 상의 상기 제 1 원격 계측 전송 회로 및 상기 제 1 데이터 안테나는 RF 투명 커버 내에 수납되는,
    무선 원격 계측 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제 1 원격 계측 송신기 회로 및 제 1 데이터 안테나를 갖는 상기 RF 투명 커버는 상기 제 2 데이터 안테나가 장착되는 고정 부품에 대면하는 블레이드 또는 회전자 디스크의 단부면에 장착되는,
    무선 원격 계측 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 2차 코일 조립체는 대략 150 kHz 내지 15 MHz 사이의 주파수에서 공진하는,
    무선 원격 계측 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 전달 시스템은 전력 유도 시스템이고, 상기 전력 유도 시스템은
    상기 고정 부품에 부착된 고정 1차 유도 코일 조립체,
    상기 고정 1차 유도 코일에 근접하여 이격 관계로 상기 회전 부품에 부착된 2차 유도 코일 조립체, 및
    상기 회전 2차 유도 코일 조립체가 대략 250 kHz 내지 250 MHz의 주파수에서 작동하도록 상기 고정 1차 유도 코일 조립체를 여기하는 전원을 포함하는,
    무선 원격 계측 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 데이터 안테나는 상기 제 1 데이터 안테나에 근접하여 터빈 엔진의 고정 부품에 부착된 RF 투명 커버 내에 수납되는,
    무선 원격 계측 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 데이터 안테나는 상기 고정 부품에 장착된 비전도성 재료로 구성된 홀더 내에 지지되는,
    무선 원격 계측 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈 엔진은 서로로부터 분리 가능한 압축기 및 터빈 엔진을 포함하는 모듈형 시스템인,
    무선 원격 계측 시스템.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 회전 부품은 팽창하는 고온 가스가 흐르는 에어포일을 갖는 블레이드 및 압축기 또는 터빈 내의 회전자 디스크 상의 복수의 블레이드의 적어도 하나의 회전 블레이드이고, 상기 제 1 데이터 안테나는 상기 에어포일 상의 전기 도전성 재료를 포함하는,
    무선 원격 계측 시스템.
  13. 압축기 및 동력 터빈을 갖는 연소 터빈 엔진의 부품의 작동 상태를 모니터링하기 위한 무선 원격 계측 시스템으로서,
    회전자 디스크에 부착된 터빈 또는 압축기 블레이드와 연계하는 제 1 센서와,
    약 500℃의 작동 온도를 갖는 위치에서 상기 블레이드에 부착된 제 1 원격 계측 송신기 회로와,
    상기 제 1 센서로부터 상기 제 1 원격 계측 송신기 회로로 전자 데이터 신호를 라우팅하기 위한 상기 터빈 블레이드 상의 제 1 전기 접속 재료와,
    상기 제 1 원격 계측 송신기 회로에 전력 공급하기 위한 에너지 전달 시스템과,
    상기 블레이드 또는 회전자 디스크에 부착되고 상기 제 1 원격 계측 송신기 회로로부터 제 1 데이터 안테나로 전자 데이터 신호를 라우팅하기 위해 상기 제 1 원격 계측 송신기 회로와 전기적으로 통신하는 제 1 데이터 안테나와,
    상기 제 1 원격 계측 송신기 및 상기 제 1 데이터 안테나가 수납되는 블레이드 또는 회전자 디스크에 근접하여 장착된 RF 투명 커버와,
    상기 제 1 데이터 안테나로부터 전자 데이터 신호를 수신하기 위해 상기 제 1 데이터 안테나에 근접하여 이격 관계로 상기 압축기 또는 터빈의 고정 표면 상에 위치된 제 2 데이터 안테나와,
    상기 압축기 또는 터빈 내의 고정 부품과 연계하는 제 2 센서와,
    상기 제 2 센서로부터 수신된 고정 부품의 작동 상태를 지시하는 전자 데이터 신호를 프로세싱하도록 구성된 상기 압축기 또는 터빈 내의 고정 위치에 부착된 제 2 원격 계측 송신기 회로와,
    상기 제 2 원격 계측 송신기 회로에 전력 공급하기 위한, 상기 에너지 전달 시스템으로부터 이격된 전원과,
    상기 제 2 데이터 안테나에 이격 관계로 위치되고, 상기 블레이드 및 고정 부품의 작동 상태를 지시하는 전자 데이터 신호를 상기 제 2 데이터 안테나로부터 수신하는 수신기를 포함하는,
    무선 원격 계측 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 원격 계측 송신기 회로는 상기 블레이드 또는 회전자 디스크에 부착된 기판 상에 형성되고, 상기 제 1 데이터 안테나는 상기 무선 원격 계측 송신기 회로의 기판과 동일한 기판 상에 배치되는,
    무선 원격 계측 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 에너지 전달 시스템은 발진 전류 신호를 전송하고 상기 블레이드 또는 회전자 디스크에 부착된 전기 도전성 재료를 포함하는 2차 코일에 근접하여 이격 관계로 상기 터빈 또는 압축기의 고정 위치에 부착되는 1차 코일을 포함하는 공진 에너지 전달 시스템이고, 상기 2차 코일은 일반적으로 상기 발진 전류 신호와 동일한 전송 주파수에서 공진하는,
    무선 원격 계측 시스템.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 회전 블레이드는 회전자 디스크에 작동적으로 접속된 에어포일을 포함하고, 상기 2차 코일은 상기 에어포일의 팁 상에 전기 도전성 재료를 포함하고, 상기 1차 코일은 상기 블레이드 및 상기 2차 코일의 팁에 근접하여 상기 압축기 또는 터빈의 케이싱에 부착되는,
    무선 원격 계측 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 블레이드는 모듈형 터빈 기계 내에 블리스크를 형성하는 회전자 디스크와 일체로 형성된 복수의 블레이드 중 하나이고, 상기 압축기 및 터빈은 서로로부터 분리되는,
    무선 원격 계측 시스템.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 에너지 전달 시스템은 전력 유도 시스템이고, 상기 전력 유도 시스템은
    상기 고정 부품에 부착된 고정 1차 유도 코일 조립체,
    상기 고정 1차 유도 코일에 근접하여 이격 관계로 상기 회전 부품에 부착된 2차 유도 코일 조립체, 및
    상기 회전 2차 유도 코일 조립체가 대략 250 kHz 내지 250 MHz의 주파수에서 작동하도록 상기 고정 1차 유도 코일 조립체를 여기하는 전원을 포함하는,
    무선 원격 계측 시스템.
  19. 하나 이상의 케이싱 내에 수납된 고정 부품 및 회전 부품을 포함하는 압축기 및 동력 터빈을 갖는 연소 터빈 엔진의 부품의 작동 상태를 모니터링하기 위한 무선 원격 계측 시스템으로서,
    터빈 또는 압축기 블레이드와 연계하는 회전 센서로서, 상기 블레이드는 회전자 디스크에 작동적으로 접속된 에어포일부를 포함하는, 회전 센서와,
    상기 블레이드에 부착된 회전 원격 계측 송신기 회로와,
    상기 회전 센서로부터 상기 회전 원격 계측 송신기 회로로 전자 데이터 신호를 라우팅하기 위한 상기 터빈 블레이드 상의 전기 접속 재료로서, 상기 전자 데이터 신호는 블레이드의 상태를 지시하는, 전기 접속 재료와,
    전력 수신 디바이스를 포함하는 상기 원격 계측 송신기 회로에 전력 공급하기 위한 에너지 전달 시스템으로서, 상기 원격 계측 송신기 회로는 기판 상에 제작되고 상기 전력 수신 디바이스는 동일한 기판에 있는, 에너지 전달 시스템과,
    상기 원격 계측 송신기 회로 및 상기 전력 수신 코일과 동일한 기판 상에 제작되고 상기 원격 계측 송신기 회로로부터 상기 제 1 데이터 안테나로 전자 데이터 신호를 라우팅하기 위해 상기 원격 계측 송신기 회로와 전기적으로 통신하는 제 1 데이터 안테나와,
    상기 제 1 데이터 안테나로부터 전자 데이터 신호를 수신하기 위해 상기 제 1 데이터 안테나에 근접하여 이격 관계로 상기 압축기 또는 터빈의 고정 표면 상에 위치되는 제 2 데이터 안테나를 포함하는,
    무선 원격 계측 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 연소 터빈은 서로로부터 분리 가능한 압축기 섹션 및 터빈 섹션을 포함하는 모듈형 구성을 갖고, 상기 무선 원격 계측 시스템은
    발진 전류 신호를 전송하고 상기 회전 원격 계측 송신기 회로와 전기 통신하여 상기 블레이드 또는 회전자 디스크 상의 전기 도전성 재료를 포함하는 2차 코일에 이격 관계로 상기 터빈 엔진의 영역에 부착되는 1차 코일을 포함하는 회전 원격 계측 송신기 회로에 전력 공급하기 위한 공진 에너지 전달 시스템으로서, 상기 2차 코일은 일반적으로 상기 발진 전류 신호의 전송 주파수와 동일한 주파수에서 공진하는, 공진 에너지 전달 시스템,
    상기 압축기 또는 터빈의 고정 부품과 연계하는 적어도 하나의 고정 센서, 및
    상기 적어도 하나의 고정 센서와 전기적으로 통신하여 상기 압축기 또는 터빈 내의 고정 위치에 부착되는 상기 공진 에너지 전달 시스템 또는 다른 전원에 의해 전력 공급되는 고정 원격 계측 송신기 회로로서, 상기 고정 부품의 상태를 지시하는 전자 데이터 신호가 상기 고정 센서로부터 상기 고정 원격 계측 송신기 회로로 라우팅되는 고정 원격 계측 송신기 회로를 더 포함하고,
    상기 제 2 데이터 안테나는 상기 고정 원격 계측 송신기 회로로부터 라우팅된 고정 부품의 상태를 지시하는 전자 데이터 신호를 전송하고 상기 회전 블레이드의 상태를 지시하는 전자 데이터 신호를 상기 압축기 또는 터빈을 위한 케이싱에 장착된 수신기에 전송하는,
    무선 원격 계측 시스템.
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