KR20130122681A - 다중화된 광섬유 마모 센서 - Google Patents

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KR20130122681A
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로버트 티. 존스턴
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지멘스 에너지, 인코포레이티드
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Abstract

광학 입력 빔의 정의된 파장을 반사시키도록 동작하는, 섬유 내에 포지셔닝된 하나 또는 그 초과의 FBG 센서들을 포함하는 광섬유 마모 검출기. 마모 검출기는, 광섬유를 따라 전파되고 FBG 센서와 상호작용하는 광학 입력 빔을 생성하기 위한 광원을 포함한다. FBG 센서에 의해 반사되는 광학 빔의 파장이 검출되고, 여기서 반사된 신호의 손실은 FBG 센서 앞에 있는 섬유 또는 FBG 센서 자체가 손상을 입음을 표시하고, 상기 표시는 컴포넌트 상의 마모의 표시일 가능성이 높다. 단일 광섬유 내에 다수의 FBG 센서들을 제공하거나 그리고/또는 다수의 광섬유들에 하나 또는 그 초과의 FBG 센서들을 제공함으로써, 마모의 깊이가 결정될 수 있다.

Description

다중화된 광섬유 마모 센서{MULTIPLEXED OPTICAL FIBER WEAR SENSOR}
이 발명은 일반적으로 광섬유 마모 검출기에 관한 것이고, 그리고 더욱 특히, 섬유 브래그 그레이팅(FBG:fiber Bragg grating) 센서 또는 센서 어레이를 사용하는 광섬유 마모 검출기에 관한 것이다.
많은 디바이스들, 머신들 및 연관된 시스템들은 이동가능한 컴포넌트들을 사용하고, 상기 컴포넌트들은 상기 컴포넌트들에 대해 원치 않는 마모를 유발할 수 있는 방식으로 서로 상호작용할 수 있다. 예컨대, 터빈들, 압축기들 및 다른 머신들은, 블레이드들 및 상기 블레이드들 상에 배치된 다른 엘리먼트들을 갖는 샤프트들을 회전시키는 모터들을 포함한다. 이러한 머신들의 동작은, 하우징들 및 머신 내의 다른 구조물들과 블레이드들 및 다른 이동 컴포넌트들의 원치 않는 접촉을 유발할 수 있다. 이 원치 않는 접촉은, 열 팽창, 높은 샤프트 회전 속도, 모터 서지 등과 같은 많은 요인들에 의해 유발될 수 있다. 또한, 이들 타입들의 머신들 중 몇몇은 기술 분야에서 나이프-에지 시일(knife-edge seal)들로서 알려진 것을 사용할 수 있고, 상기 나이프-에지 시일들은 회전 멤버 상에 포지셔닝된 얇은 에지를 포함하고, 상기 회전 멤버는 고정 구조물과 접촉하고 그리고 에지의 일 측으로부터 다른 측으로 압력 시일을 제공한다. 즉, 나이프 에지 시일은 흐름을 제한하고, 그리고 차압을 야기한다. 나이프-에지와 구조물 사이의 이 회전 접촉점은 흐름을 제한하기 위해 작아야 하고, 따라서 컴포넌트들이 통상적으로 서지와 같은 비-표준 동작 조건들로 인해 머신 동작 동안 무심코 터치된다면 컴포넌트들 둘 다의 상에 마모가 유발된다.
이러한 컴포넌트 마모는 충분히 과도할 수 있고, 여기서 이러한 컴포넌트 마모는 컴포넌트, 컴포넌트가 일부로 있는 머신 또는 시스템의 성능 및 동작에 영향을 끼칠 것이다. 윤활유들, 적절한 낮은 마찰 재료들, 컴포넌트들 사이의 우호적인 배향 등을 제공하는 것과 같이, 마모를 감소시키기 위해 다양한 것들이 수행될 수 있다. 그러나, 이들 이용가능한 해결책들이 항상 적합한 것은 아니며, 그리고 과도한 마모가 여전히 발생할 수 있다. 몇몇의 머신들 및 시스템들은 컴포넌트 마모가 시각적 검사에 의해 검출되도록 허용한다. 그러나, 검사를 위해 필요한 시간, 비용, 노동력 등이 너무 크기 때문에, 이러한 시각적 검사가 가능하지 않거나 또는 실현가능하지 않은 많은 애플리케이션들이 있다.
기술분야에서, 컴포넌트 상의 마모 및 재료의 제거를 검출하는 센서들을 마모 위치에 있는 컴포넌트 내에 제공함으로써 컴포넌트 마모를 검출하기 위한 많은 시도들이 이루어졌다. 예컨대, 마모를 검출하길 원하는 위치에 있는 컴포넌트의 표면에 광섬유들을 내장시키고, 그리고 마모의 결과로서 섬유가 절단되었는지를 결정하기 위해 섬유 및 적절한 검출 회로를 따라 전파되는 라이트 빔을 사용하는 것이 알려져 있다. 광섬유들을 사용하는 다른 시스템들이 또한 알려져 있다.
2010년 3월 16일자로 출원되고 Fiber Optic Sensor System for Detecting Surface Wear로 명명된 미국 특허 출원 시리얼 번호 12/724,531 ― 이 출원의 양수인에게 양도되고, 그리고 본 명세서에 인용에 의해 포함됨 ― 은 표면 마모를 검출하기 위한 섬유 옵틱 센서를 개시한다. 하나 또는 그 초과의 섬유들이 검출되고 있는 컴포넌트 내에 제공되고, 여기서 재방출 부분을 포함하는 섬유의 하나의 단부가 마모 표면 근처에 포지셔닝된다. 광섬유를 따라 전파되는 라이트 빔이 재방출 부분과 접촉하고, 검출가능한 리턴 빔이 생성된다. 재방출 부분은 빔을 반사시키는 반사 엘리먼트 또는 빔에 응답하여 형광을 내는 형광 엘리먼트일 수 있다. 표면의 마모가 컴포넌트로 충분히 깊게 들어간다면 ― 여기서, 재방출 부분은 닳거나 또는 다른 방식으로 상당히 손상됨 ―, 그러면 리턴 신호는 재방출 부분으로부터 제공되지 않고, 이는, 컴포넌트의 마모가 특정 깊이에 도달했음을 표시한다. 그러나, 이 타입의 마모 검출 센서는 제한들을 갖는다. 예컨대, 통상적으로, 섬유의 단부에 재방출 부분을 제공할 필요가 있다.
본 발명의 지침들에 따라, 광학 입력 빔의 정의된 파장을 반사시키도록 동작하는, 섬유 내에 포지셔닝된 하나 또는 그 초과의 FBG 센서들을 포함하는 광섬유 마모 검출기가 개시된다. 마모 검출기는, 광섬유를 따라 전파되고 FBG 센서와 상호작용하는 광학 입력 빔을 생성하기 위한 광원을 포함한다. FBG 센서에 의해 반사되는 광학 빔의 파장이 검출되고, 여기서 반사된 신호의 손실은 FBG 센서 또는 FBG 센서 자체 앞에 있는 섬유가 손상됨을 표시하고, 이는, 컴포넌트 상의 마모의 표시일 가능성이 높을 것이다. 단일 광섬유 내에 다수의 FBG 센서들을 제공하거나 그리고/또는 다수의 광섬유들에 하나 또는 그 초과의 FBG 센서들을 제공함으로써, 마모의 깊이가 결정될 수 있다.
본 발명의 부가적 피처들은, 동반된 도면들과 함께 취해질 때, 아래의 설명 및 첨부된 청구항들로부터 명백하게 될 것이다.
도 1은 FBG 센서 및 검출기 회로를 포함하는 마모 검출기 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 2는 FBG 센서의 굴절률을 도시하는, 수평 축 상에 포지션을 갖고 그리고 수직 축 상에 굴절률을 갖는 그래프이다.
도 3은 FBG 센서에 송신된 입력 신호의 대역폭을 도시하는, 수평 축 상에 파장을 갖고 그리고 수직 축 상에 전력을 갖는 그래프이다.
도 4는 FBG 센서를 통과한 입력 신호의 송신된 부분을 도시하는, 수평 축 상에 파장을 갖고 그리고 수직 축 상에 전력을 갖는 그래프이다.
도 5는 FBG 센서로부터의 상기 입력 신호의 반사된 부분을 도시하는, 수평 축 상에 파장을 갖고 그리고 수직 축 상에 전력을 갖는 그래프이다.
도 6은 컴포넌트에 부착되고, 그리고 단일 섬유 내에 복수의 FBG 센서들을 포함하는 마모 검출기의 평면도이다.
도 7은 각각이 단일 FBG 센서를 갖는 복수의 섬유들을 포함하는 컴포넌트에 부착된 복수의 마모 검출기들의 평면도이다.
도 8은 각각이 복수의 FBG 센서들을 갖는 복수의 섬유들을 포함하는 컴포넌트에 부착된 복수의 마모 검출기들의 평면도이다.
도 9는 컴포넌트에 부착되고, 그리고 복수의 FBG 센서들을 갖는 단일 광섬유를 포함하는 마모 검출기의 평면도이다.
도 10은 FBG 센서를 포함하는 하나 또는 그 초과의 마모 검출기들을 포함하는 가스 터빈 엔진의 절단 단면도이다.
컴포넌트 상의 마모를 검출하기 위한 하나 또는 그 초과의 FBG 센서들을 포함하는 마모 검출기로 지향된 본 발명의 실시예들의 아래의 논의는 성질상 단지 예시적이고, 그리고 본 발명 또는 본 발명의 애플리케이션들 또는 사용들을 제한하는 것으로 결코 의도되지 않는다.
아래에 상세히 논의될 바와 같이, 본 발명은 광섬유를 사용하는 마모 검출기를 제안하고, 상기 광섬유는 섬유 코어를 포함하고, 섬유 브래그 그레이팅(FBG)을 정의하기 위하여, 상기 섬유 코어는, 상기 섬유 코어의 나머지와 상이한 굴절률을 갖는 코어 섹션들의 주기적 패턴을 갖는다. 기술분야의 당업자들에 의해 잘 이해되는 바와 같이, 광섬유의 코어 내에 형성된 FBG는 반사기 또는 필터로서 동작하고, 여기서 광의 특정 파장의 광학 신호가 FBG에 의해 반사되고 그리고 모든 다른 파장들은 FBG를 통과해 송신된다. 마모 검출기는 센서로서 FBG를 사용하고, 여기서 반사된 파장이 검출되고, 그리고 광섬유 마모 센서에 대해 위에서 논의된 방식으로, 반사가 손실될 때, FBG 센서에 대한 손상이 식별될 수 있다. 지금까지, 온도 또는 스트레인(strain)을 측정하기 위한 FBG 센서들이 기술분야에서 알려졌지만, 컴포넌트 상의 마모의 깊이를 표시하기 위한 것이 아니었다.
도 1은 광섬유(16)의 일부 내에 형성된 FBG 센서(12)를 포함하는 마모 검출 시스템(10)의 개략적인 평면도이다. 광섬유(16)는 외부 클래딩 층(20)에 의해 둘러싸인 광섬유 코어(18)를 포함한다. 클래딩 층(20)의 굴절률이 섬유 코어(18)의 굴절률보다 더 커서, 섬유 코어(18)를 따라 전파되는 라이트 빔이 섬유 코어(18)와 클래딩 층(20) 사이의 전이부에서 반사되고 그리고 그 안에 갇힌다. 일 실시예에서, 섬유 코어(18)는 지름이 약 10㎛이고, 상기 지름은 다수의 광학 모드들을 전파하기 위해 멀티-모드 섬유를 제공한다. 섬유 코어(18) 내에 섹션들(24)의 주기적 패턴을 제공하기 위해 적절한 광학 기록 프로세스에 의해 FBG(22)를 생성함으로써, FBG 센서(12)가 광섬유(16) 내에 제공되고, 여기서 섹션들(24)은 섬유 코어(18)의 나머지보다 더 높은 굴절률을 갖지만 클래딩 층(20)보다 더 낮은 굴절률을 갖는다. 예컨대, 도 2의 그래프에 의해 부분적으로 도시된 바와 같이, 섹션들(24)의 굴절률(n3)은 섬유 코어(18)의 굴절률(n2)보다 더 크고, 그리고 섹션들(24)의 굴절률(n3)은 클래딩 층(20)의 굴절률(n1)보다 더 작다.
도 3은 섬유 코어(18)를 따라 전파될 수 있는 넓은 대역폭 광학 입력 신호를 도시하는, 수평 축 상에 파장(λ)을 갖고 그리고 수직 축 상에 전력(P)을 갖는 그래프이다. 도 4는 FBG(22)를 통과해 송신되는 입력 신호의 부분을 도시하는, 수평 축 상에 파장(λ)을 갖고 그리고 수직 축 상에 전력(P)을 갖는 그래프이다. 도 5는 FBG(22)에 의해 반사되는 광학 입력 신호의 부분을 도시하고 그리고 파장(λB)에서 피크를 갖는, 수평 축 상에 파장(λ)을 갖고 그리고 수직 축 상에 전력(P)을 갖는 그래프이다.
기술분야의 당업자들에 의해 알려진 바와 같이, FBG(22)는, 아래의 방정식 (1)에 기초하여 섬유 코어(18)의 굴절률(n2), 섹션들(24)의 굴절률(n3), 및 섹션들(24) 사이의 간격(
Figure pct00001
)이 어느 파장(λB)이 FBG(22)에 의해 반사되는지를 정의하도록, 선택적으로 설계될 수 있다.
Figure pct00002
(1)
또한, 시스템(10)은, 광학 입력 신호를 생성하고 그리고 FBG(22)로부터의 반사된 신호를 검출하는 회로(28)를 포함한다. 회로(28)는 라이트 빔(32)을 생성하는 다이오드와 같은 적절한 광원(30)을 포함하고, 상기 라이트 빔(32)은 빔 스플리터(34)에 의해 분할되고, 여기서 빔(32)의 부분이 광섬유(16)를 따라 FBG 센서(12) 쪽으로 지향되고 전파된다. FBG 센서(12)에 의해 반사되는 광은 광섬유(16)를 통해 역으로 전파되고, 그리고 빔 스플리터(34)에 의해 필터(38)를 통과해 지향되고, 상기 필터(38)는 포토다이오드와 같이 검출기(40)에 의해 검출될 반사된 파장(λB)에 있지 않은 광을 걸러낸다.
일 실시예에서, 회로(28) 또는 유사 회로는, 상업적으로 이용가능한 National Instruments NI PXIe-4844와 같은 광학 센서 질문기(interrogator)의 일부이다. 이 광학 센서 질문기는 광학 입력 신호의 대역폭인 1510-1590㎚ 중에서 80㎚ 스펙트럼 범위로 10㎐에서 동시에 샘플링될 수 있는 네 개의 별도의 광학 입력 채널들을 제공한다. 따라서, 아래에 논의되는 바와 같이, 질문기 내의 각각의 입력 채널은 하나 또는 그 초과의 FBG 센서들을 포함하는 별도의 광섬유에 결합될 수 있다. 광학 스위칭 또는 다수의 질문기들이 모니터링되고 있는 섬유들의 개수를 증가시키는데 사용될 수 있다. 대부분의 FBG 센서들이 1-5㎚ 범위만을 점유하기 때문에, 다수의 FBG 센서들이 질문기 내의 각각의 광학 채널에 연결될 수 있다. 예컨대, 1510-1590㎚의 광학 입력 빔 스펙트럼에 대해, 질문기 내의 각각의 별도의 채널은 최대 15개의 FBG 센서들을 포함할 수 있다.
도 6은 균열들 또는 다른 결함들과 같은 마모에 대해 모니터링되고 있는 컴포넌트(52)에 장착된 마모 검출기 시스템(50)의 평면도이다. 컴포넌트(52)는 본 명세서에서 논의되는 광섬유 센서들이 장착될 수 있는 임의의 형상의 임의의 컴포넌트를 나타내는 것으로 의도된다. 아래에 논의되는 일 예에서, 컴포넌트는 가스 터빈 엔진의 일부일 수 있다. 마모 검출기 시스템(50)은, 위에서 논의된 적절한 회로에 결합될 입력 단부(56)를 갖는, 위에서 논의된 타입의 단일 광섬유(54)를 포함한다. 특히, 광섬유(54)의 단부(56)는 질문기 또는 다른 검출 회로에 광학적으로 결합되고, 상기 질문기 또는 다른 검출 회로로부터 넓은 대역폭 입력 신호가 송신되고 그리고 반사된 파장(λB)이 상기 질문기 또는 다른 검출 회로로부터 수신된다.
광섬유(54)는 본 명세서에서 논의되는 목적들에 적절한 임의의 기술에 의해, 예컨대 적절한 고온 에폭시 또는 세라믹 시멘트에 의해 컴포넌트(52)의 표면에 장착될 수 있다. 대안적으로, 컴포넌트(52) 내에 뚫린 홀들로 섬유(54)를 에폭싱함으로써 또는 컴포넌트(52) 내에 기계가공된 작은 트렌치들로 섬유(54)를 에폭싱함으로써, 광섬유(54)는 컴포넌트(52) 내에 내장될 수 있다.
이 실시예에서, 광섬유(54)는, 컴포넌트(52)에 장착되는 단부(56) 맞은 편에 있는 상기 광섬유(54)의 검출 단부에서, 이격된 8개의 FBG 센서들(58)을 포함한다. 도시된 바와 같이, FBG 센서들(58)이 서로 일치하고 그리고 원하는 거리로 이격되도록, 광섬유(54)가 앞뒤로 구불구불한 방식으로, 광섬유(54)는 컴포넌트(52)에 장착된다. FBG 센서들(58)은 각각의 FBG 센서가 방정식 (1)과 일치하는 상이한 파장(λB) 또는 컬러를 반사시키도록 설계된다. 기술분야의 당업자들은, 원하는 반사된 파장(λB)을 달성하기 위해, 섹션들(24)의 간격(
Figure pct00003
) 및 섹션들(24)의 굴절률(n3) 중 하나이든 또는 둘 다이든, 어떻게 FBG 센서들(58)을 설계하는지를 쉽게 인지할 것이다.
모니터링되고 있는 컴포넌트(52)는, 다른 컴포넌트(미도시)와의 상호작용이 컴포넌트(52) 상에 마모를 유발할 방향으로 있는 마모 표면(60)을 갖는다. 마모 표면(60) 상의 마모가 발생함에 따라, 센서들의 선 내에 있는 각각의 FBG 센서(58)는 조직적으로 손상을 입어, 각각의 FBG 센서(58)는 동작하지 않을 것이고, 그리고 각각의 FBG 센서(58)가 온전할 때 각각의 FBG 센서(58)가 반사시켰을 광의 파장(λB)을 반사시키지 않을 것이다. 그러므로, 마모가 발생함에 따라 그리고 마모가 계속 발생함에 따라, 마모 표면(60)에 가장 가까운 FBG 센서들(58) 중 제1 FBG 센서가 손상을 입어, 분석 시스템이 상기 반사된 신호를 손실하는 것에 기초하여 마모가 얼마나 깊이 발생했는지를 알 것이다. FBG 센서(58)가 손상을 입고 그리고 FBG 센서(58)의 반사된 신호가 손실되는 매 시간마다, 시스템(50)은 마모가 선 내에 있는 마지막 FBG 센서(64)에 도달할 때까지 마모가 컴포넌트(52) 내에서 얼마나 깊이 발생했는지를 안다.
도 7은 마모에 대해 모니터링되고 있는 컴포넌트(74)에 장착된 복수의 광섬유들(72)을 포함하는 마모 검출기 시스템(70)의 평면도이다. 각각의 광섬유(72)는 광섬유(72)의 단부에서 단일 FBG 센서(76)를 포함하고, 상기 광섬유(72)는 FGB 센서들(76) 전부가 FBG 센서들(58)과 동일한 방식으로 서로 일치하도록 컴포넌트(74)에 장착된다. 이 실시예에서, 각각의 별도의 FBG 센서(76)에 대해 별도의 광학 채널이 있기 때문에, 사용자에 의해 그렇게 원해진다면, FBG 센서들(76)은 전부 동일한 파장(λB)을 반사시킬 수 있다. 따라서, 위와 같이, 컴포넌트(74)가 마모 표면(78)에서 마모됨에 따라, 제1 광섬유(72) 내의 제1 FBG 센서(76)가 손상을 입고 그리고 마모 검출기 시스템(70)은 반사된 신호의 상기 손실에 기초하여 마모의 깊이를 알 것이다.
도 8은 컴포넌트(82) 상의 마모를 검출하고 그리고 각각이 광섬유(86)를 포함하는 복수의 광섬유 채널들(84)을 포함하기 위한 마모 검출기 시스템(80)의 평면도이고, 여기서 각각의 광섬유(86)는 광섬유(86) 내에 복수의 이격된 FBG 센서들(88)을 포함한다. 이 실시예에서, 각각의 광섬유(86)는 9개의 FBG 센서들(88)을 포함하고, 상기 9개의 FBG 센서들(88)은 각각의 채널 내에서 상이한 파장(λB)을 반사시킬 것이지만, 다른 섬유(86) 내의 대응하는 FBG 센서(88)가 동일한 파장(λB)을 반사시킬 수 있다. 따라서, 단일 광섬유가 다수의 마모 위치들을 검출하여, 다중화된 센서가 만들어질 수 있다. 광섬유(86) 내의 FBG 센서들(88)의 개수는 입력 광학 빔의 대역폭에 의해 제한된다. 위에서 언급된 바와 같이, 1510-1590㎚의 대역폭을 갖는 입력 광학 빔에 대해, FBG 센서들의 개수는 약 15개로 제한될 수 있다.
이 전문화된 마모 검출기 시스템은, 마모 표면(90) ― 여기서, 상기 마모 표면(90)을 따라서 있는 상이한 구역들이 마모에 대해 모니터링됨 ― 을 따라서 몇몇 타입의 고르지 않은 마모가 있는 상황들에 대해 적용가능할 수 있다. 예컨대, 마모 표면과 단지 주기적으로 접촉하는, 마모 표면(90)을 따라서 연장되는 복수의 나이프-에지 시일들이 있다면, 그러면 마모는 이들 접촉 위치들에서 별도로 검출될 수 있다. 따라서, FBG 센서들(88)의 각각의 선은, 특정 위치에 있는 마모가 다른 FBG 센서들(88)에 대응하는 컴포넌트(82) 내의 다른 위치들로부터 별도로 식별될 수 있도록 컴포넌트(82) 상의 상기 특정 위치를 식별할 것이다. 이 실시예는 원형 또는 둥근 컴포넌트들뿐만 아니라 일자형 컴포넌트들에 대해 애플리케이션을 가질 것이다.
도 9는 컴포넌트(102) 상의 마모를 검출하고, 그리고 컴포넌트(102)에 장착된 복수의 FBG 센서들(106)을 갖는 단일 광섬유(104)를 포함하는 마모 검출기 시스템(100)의 평면도이다. 이 설계에서, 광섬유(104)의 맞은 편 단부들은 분석 회로 내의 별도의 채널들에 결합된다. 다시 말해, 별도의 입력 광 빔들이 광섬유(104)의 맞은 편 단부들을 따라 송신될 수 있다. 광섬유(104)를 따라 송신된 광학 입력 신호들을 두 개의 방향들로 교대시킴으로써, 균열과 같은 특정 결함이 방향들 둘 다로부터 모니터링될 수 있다. 예컨대, 마모 위치(110)에서 균열이 있다면, 광섬유(104)의 하나의 단부(112)에 결합된 채널로부터의 신호는 결함의 좌측에 대해 FBG 센서들(106)을 여전히 판독할 수 있고, 그리고 광섬유(104)의 다른 단부(114)에 결합된 채널로부터의 신호는 결함의 우측에 있는 FBG 센서들(106)을 판독할 수 있다.
도 10은 압축기 섹션(122), 연소 섹션(124) 및 터빈 섹션(126)을 포함하는 가스 터빈 엔진(120)의 부분의 절단 단면도이고, 여기서 엔진(120)의 동작은 샤프트(128)를 회전시킨다. 기술분야의 당업자들에 의해 잘 이해되는 바와 같이, 이 타입의 가스 터빈 엔진들은 발전 플랜트 내의 전기 발전기들, 항공기 엔진들, 선박 엔진들 등과 같은 다양한 애플리케이션들을 갖는다. 압축기 섹션(122)은 개별 고정 날개들(132) 사이에 포지셔닝된 복수의 회전가능한 블레이드들(130)을 포함한다. 마찬가지로, 터빈 섹션(126)은 복수의 회전가능한 블레이드들(134)과 그 사이에 포지셔닝된 고정 날개들(136)을 포함한다. 기술분야의 당업자에 의해 잘 이해될 바와 같이, 날개들(136)은 적절한 지지 컴포넌트(138), 예컨대 블레이드 링에 의해 터빈 섹션(126) 내의 적절한 구조물에 장착된다. 블레이드들(134) 및 날개들(136)은 고온 애플리케이션들에 대해 설계되고, 그리고 통상적으로, 열적 장벽 코팅부(TBC), 예컨대 이트리아-안정화된 지르코니아로 코팅될 수 있는 적절한 초합금 재료, 예컨대 니켈, 코발트 또는 철 기반 초합금 재료로부터 만들어진다. 연소 섹션(124)은 터빈 엔진(120) 둘레에 원주형으로 포지셔닝된 복수의 연소기들을 포함한다.
공기가 압축기 섹션(122) 안으로 끌어당겨 지고, 여기서 공기는 압축되고 그리고 연소 섹션(124) 쪽으로 몰린다. 연소 섹션(124)은 공기를 연료와 혼합하고, 여기서 연료는 통상적으로 1300℃를 초과하는 온도를 갖는 동작 가스를 생성하도록 점화된다. 동작 가스는 터빈 섹션(126)을 통해 팽창하고 그리고 블레이드들(134)을 가로질러 날개들(136)에 의해 가이드된다. 동작 가스는 터빈 섹션(126)을 통과해 지나감에 따라, 동작 가스는 블레이드들(134)이 회전하도록 유발하고, 이는, 차례로, 샤프트(128)가 회전하도록 유발하고, 이로써 기계적 동작이 제공된다. 이 타입의 가스 터빈 엔진의 더욱 상세한 논의는 Apparatus and Method of Monitoring Operating Parameters of a Gas Turbine으로 명명된 미국 특허 번호 7,582,359 ― 이 출원의 양수인에게 양도되고 그리고 인용에 의해 본 명세서에 포함됨 ― 에서 발견될 수 있다.
가스 터빈 엔진(120) 내의 가혹한 환경 때문에, 블레이드들(130, 134) 및 날개들(132, 136)과 같은 엔진(120) 내의 컴포넌트들 중 많은 컴포넌트들은 원치 않는 마모에 영향받기 쉬울 수 있다. 예컨대, 기계적 진동, 열적 팽창 및 순환 등과 같은 특정 동작 조건들 동안, 날개들(136) 및 지지 컴포넌트(138)는 날개들(136)과 지지 컴포넌트(138) 사이의 상대적 움직임을 가질 수 있고, 상기 상대적 움직임은 날개들(136) 상에 원치 않는 마모를 유발할 수 있다. 또한, 터빈 블레이드들(134)은 블레이드(134)의 외부 에지에 어브레이딩(abrading) 재료로 나이프-에지 시일을 형성할 수 있고, 여기서 기술분야의 당업자들에 의해 알려지는 바와 같이, 어브레이딩 재료 내의 과도한 마모 또는 다른 결함들을 검출하는 것이 원해질 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 이 마모를 검출하고 그리고 요구된다면 적절한 유지보수를 제공하기 위해 이들 컴포넌트들을 모니터링하는 것이 원해질 수 있다. 이들 컴포넌트들 중 적어도 몇몇에 대해, 위에서 논의된 FBG 센서들을 사용하는 다양한 마모 검출기들 중 하나 또는 그 초과가 마모를 검출하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 마모를 검출하기 위해 지지 컴포넌트(138) 내의 적절한 위치에 포지셔닝된 적절한 FBG 센서(140)를 제공하는 것이 원해질 수 있다. 또한, 엔진(120) 내의 다른 컴포넌트들이 FBG 센서를 사용하는 마모 검출기에 대해 적용가능할 수 있다.
전술한 논의는 본 발명의 단지 예시적 실시예들을 개시하고 설명한다. 기술분야의 당업자는, 이러한 논의로부터 그리고 동반된 도면들 및 청구항들로부터, 그 안에서 다양한 변화들, 변경들 및 변이들이 아래의 청구항들에서 정의된 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어남 없이 이루어질 수 있음을 쉽게 인지할 것이다.

Claims (20)

  1. 컴포넌트 내의 마모 및 다른 결함들을 모니터링하기 위한 마모 센서 어셈블리로서,
    상기 센서 어셈블리는,
    광학 빔을 생성하는 적어도 하나의 광원;
    상기 적어도 하나의 광원으로부터 상기 광학 빔을 수신하는 적어도 하나의 광섬유 ― 상기 적어도 하나의 광섬유는 섬유 코어를 포함하고, 상기 섬유 코어를 통해 상기 광학 빔이 전파되고 그리고 상기 코어 내에 섬유 브래그 그레이팅(fiber Bragg grating)이 형성되고, 상기 섬유 브래그 그레이팅은, 상기 광섬유를 따라서 상기 광학 빔의 미리정의된 파장을 역으로 반사시키도록, 그리고 상기 광학 빔의 다른 파장들이 상기 섬유 브래그 그레이팅을 통해 전파되게 허용하도록 동작함 ―; 및
    상기 섬유 브래그 그레이팅으로부터 상기 광학 빔의 반사된 파장을 검출하기 위한 검출기 ― 상기 반사된 파장의 검출 또는 불검출은 상기 컴포넌트 상의 상기 마모의 표시임 ―
    를 포함하는,
    컴포넌트 내의 마모 및 다른 결함들을 모니터링하기 위한 마모 센서 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광섬유는 구불구불한 배향으로 상기 컴포넌트에 장착되고, 그리고 적어도 하나의 섬유 브래그 그레이팅은, 상기 광섬유 내에 포지셔닝된 그리고 섬유 브래그 그레이팅들이 서로 일치하도록 이격된 복수의 섬유 브래그 그레이팅들인,
    컴포넌트 내의 마모 및 다른 결함들을 모니터링하기 위한 마모 센서 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서,
    각각의 섬유 브래그 그레이팅은 상기 광학 빔의 상기 반사된 파장의 검출 또는 불검출이 상기 컴포넌트 내의 상기 마모의 깊이를 표시하도록 상이한 광학 파장을 반사시키는,
    컴포넌트 내의 마모 및 다른 결함들을 모니터링하기 위한 마모 센서 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광섬유는 상기 컴포넌트에 장착된 복수의 광섬유들이고, 여기서 각각의 광섬유는 섬유 브래그 그레이팅을 포함하는,
    컴포넌트 내의 마모 및 다른 결함들을 모니터링하기 위한 마모 센서 어셈블리.
  5. 제 4 항에 있어서,
    각각의 광섬유 내의 각각의 섬유 브래그 그레이팅은 상기 광학 빔의 동일한 파장을 반사시키는,
    컴포넌트 내의 마모 및 다른 결함들을 모니터링하기 위한 마모 센서 어셈블리.
  6. 제 5 항에 있어서,
    복수의 광섬유들은, 상기 광학 빔의 상기 반사된 파장의 검출 또는 불검출이 상기 컴포넌트 내의 상기 마모의 깊이를 표시하도록 상기 복수의 광섬유들 내의 상기 섬유 브래그 그레이팅들이 서로 일치하게 배향되도록, 상기 컴포넌트에 장착되는,
    컴포넌트 내의 마모 및 다른 결함들을 모니터링하기 위한 마모 센서 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광섬유는 복수의 광섬유들이고, 여기서 각각의 광섬유는 복수의 이격된 섬유 브래그 그레이팅들을 포함하는,
    컴포넌트 내의 마모 및 다른 결함들을 모니터링하기 위한 마모 센서 어셈블리.
  8. 제 7 항에 있어서,
    각각의 광섬유 내의 각각의 섬유 브래그 그레이팅은 상기 광학 빔의 상이한 파장을 반사시키고, 그리고 상이한 광섬유들 내의 섬유 브래그 그레이팅들은 서로 일치하는,
    컴포넌트 내의 마모 및 다른 결함들을 모니터링하기 위한 마모 센서 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광섬유는 복수의 이격된 섬유 브래그 그레이팅들을 포함하는 단일 광섬유이고, 여기서 각각의 섬유 브래그 그레이팅은 상기 광학 빔의 상이한 파장을 반사시키고, 그리고 상기 광섬유의 맞은 편 단부들은 상이한 입력 광학 빔들을 제공하는 상이한 채널들에 결합되는,
    컴포넌트 내의 마모 및 다른 결함들을 모니터링하기 위한 마모 센서 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 컴포넌트는 터빈 엔진의 일부인,
    컴포넌트 내의 마모 및 다른 결함들을 모니터링하기 위한 마모 센서 어셈블리.
  11. 컴포넌트 내의 마모 및 다른 결함들을 모니터링하기 위한 마모 센서로서,
    상기 센서는 광학 빔을 수신하는 적어도 하나의 광섬유를 포함하고, 상기 광섬유는 섬유 코어를 포함하고, 상기 섬유 코어를 통해 상기 광학 빔이 전파되고, 그리고 복수의 섬유 브래그 그레이팅들이 상기 코어 내에 형성되고 그리고 서로 이격되고, 각각의 섬유 브래그 그레이팅은, 상기 광섬유를 따라서 상기 광학 빔의 미리정의된 파장을 역으로 반사시키도록, 그리고 상기 광학 빔의 다른 파장들이 상기 섬유 브래그 그레이팅을 통해 전파되게 허용하도록 동작하고, 여기서 반사된 파장의 손실은 상기 컴포넌트 상의 마모를 표시하는,
    컴포넌트 내의 마모 및 다른 결함들을 모니터링하기 위한 마모 센서.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광섬유는 구불구불한 배향으로 상기 컴포넌트에 장착되고, 그리고 상기 복수의 섬유 브래그 그레이팅들은, 상기 광섬유 내에 포지셔닝되고, 그리고 섬유 브래그 그레이팅들이 서로 일치하도록 이격된,
    컴포넌트 내의 마모 및 다른 결함들을 모니터링하기 위한 마모 센서.
  13. 제 12 항에 있어서,
    각각의 섬유 브래그 그레이팅은 상기 컴포넌트 내의 상기 마모의 깊이를 표시하기 위해 상이한 광학 파장을 반사시키는,
    컴포넌트 내의 마모 및 다른 결함들을 모니터링하기 위한 마모 센서.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광섬유는 복수의 광섬유들이고, 여기서 각각의 광섬유는 복수의 이격된 섬유 브래그 그레이팅들을 포함하는,
    컴포넌트 내의 마모 및 다른 결함들을 모니터링하기 위한 마모 센서.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광섬유는 단일 광섬유이고, 그리고 상기 광섬유의 맞은 편 단부들은 상이한 입력 광학 빔들을 제공하는 상이한 채널들에 결합되는,
    컴포넌트 내의 마모 및 다른 결함들을 모니터링하기 위한 마모 센서.
  16. 가스 터빈 엔진으로서,
    상기 엔진의 중심선을 따라서 회전가능하게 제공되는 샤프트;
    동작 유체에 응답하고, 그리고 상기 동작 유체를 압축하여 압축된 동작 유체를 생성하도록 동작하는 압축기 섹션;
    상기 압축된 동작 유체를 수신하는, 상기 압축기 섹션과 유체 소통하는 연소 섹션 ― 상기 연소 섹션은 상기 압축된 동작 유체를 연료와 혼합시키고, 그리고 뜨거운 동작 유체를 생성하기 위해 압축된 유체 및 연료 혼합물을 연소시킴 ―;
    상기 연소 섹션과 유체 소통하는 터빈 섹션 ― 상기 터빈 섹션은 상기 샤프트의 회전을 통해 기계적 전력을 생성하기 위해 상기 뜨거운 동작 유체를 팽창시킴 ―; 및
    상기 엔진 내의 컴포넌트에 동작가능하게 결합된 적어도 하나의 마모 센서 ― 상기 적어도 하나의 마모 센서는 광학 빔을 수신하는 적어도 하나의 광섬유를 포함하고, 상기 적어도 하나의 광섬유는 섬유 코어를 포함하고, 상기 섬유 코어를 통해 상기 광학 빔이 전파되고 그리고 상기 코어 내에 적어도 하나의 섬유 브래그 그레이팅이 형성되고, 상기 적어도 하나의 섬유 브래그 그레이팅은, 상기 광섬유를 따라서 상기 광학 빔의 미리정의된 파장을 역으로 반사시키도록, 그리고 상기 광학 빔의 다른 파장들이 상기 섬유 브래그 그레이팅을 통해 전파되게 허용하도록 동작하고, 여기서 반사된 광학 파장은 상기 컴포넌트 상의 마모를 결정하기 위해 분석될 수 있음 ―
    를 포함하는,
    가스 터빈 엔진.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 컴포넌트는 상기 터빈 섹션 내의 날개 장착 컴포넌트인,
    가스 터빈 엔진.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광섬유는 구불구불한 배향으로 상기 컴포넌트에 장착되고, 그리고 상기 적어도 하나의 섬유 브래그 그레이팅은, 상기 광섬유 내에 포지셔닝된 그리고 섬유 브래그 그레이팅들이 서로 일치하도록 이격된 복수의 섬유 브래그 그레이팅들인,
    가스 터빈 엔진.
  19. 제 18 항에 있어서,
    각각의 섬유 브래그 그레이팅은 상기 광학 빔의 상기 반사된 파장의 검출 또는 불검출이 상기 컴포넌트 내의 상기 마모의 깊이를 표시하도록 상이한 광학 파장을 반사시키는,
    가스 터빈 엔진.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광섬유는 상기 컴포넌트에 장착된 복수의 광섬유들이고, 여기서 각각의 광섬유는 섬유 브래그 그레이팅을 포함하는,
    가스 터빈 엔진.
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