(57)【要約】  エンジンのコンポーネント上またはコンポーネント内に配置された無線センサと、ＲＦ信号を、無線センサに送信し、無線センサからのＲＦリターン信号を受信できる１つ以上の問い合わせアンテナと、エンジン内部のコンポーネントの温度を決定するためにＲＦリターン信号を解釈できる処理ユニットとを含む、ガスタービンエンジンの温度をワイヤレスで監視するシステム。一実施形態では、無線センサは、エンジンのインコネル表面上に堆積したポリマー由来セラミック（「ＰＤＣ」）を含む。一実施形態では、無線センサは、エンジンの一部の長期間の動作中、１０００℃までの温度を維持する。一実施形態では、無線センサは、金属パッチアンテナ、ＰＤＣ層、およびセンサに金属接地面を提供するボンドコートを含む複数の層を含む。【選択図】  図８
2021503580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンの温度を無線で監視するシステムであって、
前記ガスタービンエンジンのコンポーネント上に配置された無線センサと、
ＲＦ信号を、前記無線センサに送信し、前記無線センサからのＲＦリターン信号を受信するように構成された１つ以上の問い合わせアンテナと、
前記ガスタービンエンジンのコンポーネントの複数の温度を決定するために前記ＲＦリターン信号を解釈するように構成された処理ユニットと
を含むことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記無線センサは、前記ガスタービンエンジンのインコネル表面上に堆積されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記無線センサは、
パッチアンテナと、
ポリマー誘導セラミック層と、
ボンドコートと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記パッチアンテナは、ＭＣｒＡｌ［Ｔａ、Ｈｆ、Ｓｉ］Ｙコーティングを含み、
前記Ｍは、Ｆｅ、Ｃｏ、またはＮｉからなる群から選択される材料であることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記パッチアンテナは、プラチナ、ニッケル、銅、金、パラジウム、銀、タングステン、チタン、またはタンタルからなる群から選択された材料を含むことを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記ポリマー誘導セラミック層は、アルミナ、炭化ケイ素窒化物、チタニア、ジルコニア、ＹＳＺ、または炭化ケイ素からなる群から選択された材料を含むことを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項７】
前記ボンドコートは、第２のＭＣｒＡｌ［Ｔａ、Ｈｆ、Ｓｉ］Ｙコーティングを含むことを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項８】
前記ボンドコートは、前記無線センサの接地面を提供することを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項９】
前記無線センサは、さらにセラミックマトリクス複合材料を含むことを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項１０】
前記セラミックマトリクス複合材料は、前記ガスタービンエンジンのコンポーネントに埋め込まれていることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記セラミックマトリクス複合材料は、前記ガスタービンエンジンのコンポーネントに結合されていることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記無線センサは、物理気相成長プロセス、溶射プロセス、またはセラミックボールミリングプロセスからなるグループから選択されたプロセスを用いて、前記ガスタービンエンジンのコンポーネント上に堆積されることを特徴とする請求項３ないし１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記無線センサは、金属コンポーネント、ＰＤＣ基板、およびボンディング溶液を、前記ガスタービンエンジンのコンポーネントのインコネル金属表面に直接堆積させることを含む溶射プロセスを用いて、前記ガスタービンエンジンのコンポーネント上に堆積されることを特徴とする請求項３ないし１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ガスタービンエンジンのコンポーネントは、ブレードであり、
前記無線センサは、前記ブレードの遮熱コーティングの下に設置されることを特徴とする請求項３ないし１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１５】
ガスタービンエンジンの温度を無線で監視するための無線センサの製造方法であって、
前記ガスタービンエンジンのコンポーネントの表面にボンディング溶液を直接堆積させる過程と、
前記ボンディング溶液上にＰＤＣ基板を堆積させる過程と、
前記ＰＤＣ基板上に金属コンポーネントを堆積させる過程と、
を含むことを特徴とする無線センサの製造方法。
【請求項１６】
前記ボンディング溶液は、ＮｉＣｒＡｌＹを含むことを特徴とする請求項１５に記載の無線センサの製造方法。
【請求項１７】
前記ＰＤＣ基板は、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＣＮを含むことを特徴とする請求項１５に記載の無線センサの製造方法。
【請求項１８】
前記金属コンポーネントは、ＮｉＣｒＡｌＹを含むことを特徴とする請求項１５に記載の無線センサの製造方法。
【請求項１９】
前記コンポーネントの表面は、インコネル金属表面であることを特徴とする請求項１５に記載の無線センサの製造方法。
【請求項２０】
１つ以上の材料が、溶射プロセスを用いて堆積されることを特徴とする請求項１５ないし１８のいずれか一項に記載の無線センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１７年１１月２０日に出願された「ガスタービンエンジン温度の無線監視、システム、および方法」という名称の米国仮特許出願第６２／５８８，７６５号の優先権を主張し、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。このアプリケーションには、著作権保護の対象となる素材が含まれている。著作権所有者は、特許商標庁のファイルまたは記録に記載されている特許開示物を誰でも複製することに異議はないが、その他の点ではすべての著作権を留保する。
【発明の概要】
【０００２】
発明の簡単な概要
本発明の実施形態の一態様では、ガスタービンエンジンの無線監視のためのシステムが提供される。一実施形態では、システムは、ガスタービンエンジンの内部に設置された少なくとも１つの感知アンテナ、感知アンテナから無線信号を送受信できる問い合わせアンテナ、および信号を解釈してエンジン内部のコンポーネントの温度を決定できる処理ユニットを含む。一実施形態では、感知アンテナは、エンジンのブレードに取り付けられる。一実施形態では、感知アンテナは、エンジンのベーン（vane；羽根）、ブレード、および／またはターボ機械に取り付けられる。一実施形態では、感知アンテナは、ポリマー由来セラミック（「ＰＤＣ」）を含む。一実施形態では、感知アンテナは、以下で説明する無線センサのうちの１つのような無線センサである。一実施形態では、感知アンテナは、ブレードの遮熱コーティングの下に、かつブレードの遮熱コーティング上に直接取り付けられ、非遮熱コーティングされたブレードの表面に取り付けられる。一実施形態では、複数の感知アンテナを用いて、エンジンの複数の領域の温度を取得する。一実施形態では、１〜１００個の感知アンテナが用いられる。一実施形態では、感知アンテナの１つ以上は、パッチアンテナである。一実施形態では、複数の感知アンテナのサイズ、形状、設計、または構成は、それぞれからの別個の信号が処理ユニットによって識別できるように変更される。一実施形態では、問い合わせアンテナは、エンジン内部の少なくとも一部に設置された堅牢な高温問い合わせアンテナである。一実施形態では、問い合わせアンテナは、エンジンケース内のポートを介して設置される。一実施形態では、問い合わせアンテナは、無線周波数（「ＲＦ」）範囲の無線信号を生成するために給電される。一実施形態では、問い合わせアンテナによって生成された無線信号は、感知アンテナに入射すると、ＲＦ範囲内にリターン無線信号を生成する。一実施形態では、問い合わせアンテナは、エンジンケーシングの外側に取り付けられるが、システムは、問い合わせアンテナがエンジンケーシングの内側に取り付けられた感知アンテナからのリターン信号を受信できるように構成される。一実施形態では、エンジンケーシングの一部は、リターン信号に対して透過的である。一実施形態では、問い合わせアンテナから感知アンテナまで利用可能なサイトの明確なラインがある。一実施形態では、システムは、５００〜１４００℃の範囲の温度を感知することができる。一実施形態では、システムは、５００〜１６００℃の範囲の温度を感知することができる。一実施形態では、システムは、６５０〜１８００℃の範囲の温度を感知することができる。一実施形態では、システムは、１０℃の精度で温度を感知することができる。一実施形態では、システムは、２００〜６００ｐｓｉの圧力で温度を決定することができる。一実施形態では、システムは、リアルタイムで温度を決定することができる。一実施形態では、システムは、エンジンの運転中にエンジン内部のコンポーネント、およびテスト環境でのエンジンコンポーネントのテスト中のコンポーネントの温度を連続的に決定することができる。一実施形態では、システムは、動作しているエンジン内部の温度を８��００〜１００００時間の間、連続的に決定することができる。一実施形態では、システムは、以下で説明する１つ以上の無線センサを含む。一実施形態では、システムは、以下で説明する方法の１つ以上によって動作する。
【０００３】
本発明の実施形態の他の態様では、無線センサが提供される。一実施形態では、無線センサは、上述の感知アンテナなどのアンテナを含む。一実施形態では、アンテナは、上述の１つ以上の問い合わせアンテナなどの別のアンテナによる問い合わせに応答するパッシブアンテナである。一実施形態では、無線センサは、ガスタービンエンジンのエンジンケース内部のコンポーネント上またはコンポーネント内に配置することができる。一実施形態では、無線センサは、エンジンのブレード上またはブレード内に配置することができる。一実施形態では、感知無線センサは、エンジンのベーン上またはベーン内に配置することができる。一実施形態では、無線センサはＰＤＣを含む。一実施形態では、無線センサは、ブレードの遮熱コーティングの下部に設置される。一実施形態では、無線センサの厚さは、５００ミクロンから１ミリメートル以下である。一実施形態では、無線センサの厚さは１ミクロン以下である。一実施形態では、無線センサの直径は、２センチメートル以下である。一実施形態では、無線センサは、１３００℃までの温度に耐え、それを感知することができる。一実施形態では、無線センサは、１４００℃までの温度に耐え、それを感知することができる。一実施形態では、無線センサは、１６００℃までの温度に耐え、それを感知することができる。一実施形態では、無線センサは、５００〜１４００℃の範囲の温度を感知することができる。一実施形態では、無線センサは、５００〜１６００℃の範囲の温度を感知することができる。一実施形態では、無線センサは、６５０〜１８００℃の範囲の温度を感知することができる。一実施形態では、センサは、１０℃の精度で温度を感知することができる。一実施形態では、センサは、２００〜６００ｐｓｉの圧力で温度を感知することができる。一実施形態では、無線センサは、酸化または腐食に対して耐性がある。一実施形態では、無線センサは、以下に説明されるプロセスを介して製造される。一実施形態では、センサは、上述の１つ以上の問い合わせアンテナなどの別のアンテナによる問い合わせに応答する受動共振器として機能する新規のマイクロストリップパッチアンテナを含む。一実施形態では、センサは、エンジン内のガスフロープロファイルが歪まないようにセンサの全体積を小さく保ちながら、センサデータの信頼できる無線伝送を可能にする。一実施形態では、無線センサは、エンジンの外部から問い合わせることができる高利得パッチアンテナを含む。一実施形態では、無線センサは、それが上または内部に取り付けられているコンポーネントの温度に基づいてリターン信号が変化するように、特に調整可能である。一実施形態では、無線センサは、その場所でリアルタイムに、かつ連続的な温度感知が可能である。一実施形態では、無線センサは、動作中のエンジン内部の温度を８０００〜１００００時間継続的に感知することができる。一実施形態では、無線センサは、その全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第８，８６０，５３２号に記載されている一体型空洞フィルタ／アンテナシステムを含む。一実施形態では、無線センサは、以下に説明する１つ以上の方法を介して製造される。
【０００４】
本発明の実施形態のさらに他の態様では、ガスタービンエンジンの温度を監視する方法が提供される。一実施形態では、方法は、ガスタービンエンジンのコンポーネント上またはコンポーネント内に取り付けられた（本明細書で説明されている１つ以上の無線センサなどの）無線センサに問い合わせるステップと、無線センサからのリターン信号を受信するステップと、コンポーネントの温度を決定するためにリターン信号を処理するステップとを含む。一実施形態では、エンジンの複数のコンポーネントの温度を決定するために、複数の無線センサが用いられる。一実施形態では、１〜１００個の無線センサが用いられる。一実施形態では、１つ以上の無線センサはパッチアンテナを含む。一実施形態では、複数の無線センサのサイズ、形状、設計、または構成は、それぞれからの別個のリターン信号を識別できるように変更される。一実施形態では、リターン信号はＲＦ範囲内にある。一実施形態では、この方法は、１０００〜１４００℃の範囲の温度を感知することができる。一実施形態では、この方法は、１０００〜１６００℃の範囲の温度を感知することができる。一実施形態では、この方法は、６５０〜１８００℃の範囲の温度を感知することができる。一実施形態では、この方法は、１０℃の精度で温度を感知することができる。一実施形態では、この方法は、２００〜６００ｐｓｉの圧力で温度を感知することができる。一実施形態では、この方法は、リアルタイムで温度を決定することができる。一実施形態では、この方法は、時間の経過とともに温度を得るために定期的に繰り返される。一実施形態では、この方法は、エンジンが運転されている間、エンジン内部のコンポーネントの温度を連続的に決定することができる。一実施形態では、この方法は、運転中のエンジン内部の温度を８０００〜１００００時間の期間、連続的に決定することができる。
【０００５】
本発明の実施形態のさらに他の態様では、物理気相成長（ＰＶＤ）プロセスおよび溶射プロセスによるものを含む、センサを製造する方法が提供される。一実施形態では、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）および炭窒化ケイ素（ＳｉＣＮ）から作製されたポリマー由来セラミック（ＰＤＣ）センサが製造され、１０００℃までの温度に耐えて検出するために用いられる。一実施形態では、センサは、８０００時間から１００００時間のエンジンの一部の長期運転中に、１０００℃までの温度を維持する。一実施形態では、センサおよびブレードへの結合は、８０００サイクルの長期運転中に８００℃までの温度を維持し、さらに１００００時間までの長期耐久性を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本発明の目的、特徴、および利点は、添付の図面に示される実施形態の以下のより詳細な説明から明らかになり、参照文字は、様々な図を通して同じ部分を指す。図面は必ずしも縮尺通りではなく、本発明の原理を説明することに重点が置かれている。例示的な実施形態および関連するデータは、本発明を例示する目的で開示されているが、他の実施形態および関連するデータは、この開示を考慮すれば、本明細書の開示の範囲および精神から逸脱することなく、当業者には明らかであろう。
【０００７】
【図１】図１は、本発明の実施形態によるシステムを備えたガスタービンエンジンを示し、Ａは、本発明の実施形態によるガスタービンエンジンを示し、Ｂは、本発明の一実施形態による高温プローブアンテナ質問器を示し、Ｃは、本発明の実施形態による無線感知のための受動セラミック共振器を示す。
【０００８】
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【図２】図２は、本発明の実施形態による、堅牢な高温問合せアンテナを用いた温度を監視するためのシステムのブロック図を示す。
【００１２】
【図３】図３は、本発明の一実施形態による無線センサを示す。
【００１３】
【図４】図４は、本発明の実施形態による実験結果を示す。
【００１４】
【図５】図５は、本発明の実施形態による、リターン信号に基づいて温度を決定する方法を示す。
【００１５】
【図６】図６は、本発明の実施形態による、時間の経過とともに連続的な温度監視の結果を示す。
【００１６】
【図７】図７は、本発明の実施形態によるガスタービンエンジンの無線監視のためのシステムを示す。
【００１７】
【図８】図８は、本発明の一実施形態による、無線センサがガスタービンブレードに埋め込まれるか、またはガスタービンブレードに結合されている、ガスタービンエンジンの無線監視のためのシステムを示す。
【００１８】
【図９】図９は、本発明の実施形態による、ガスタービンホイールまたはロータに埋め込まれた、またはそれに結合された無線センサを示す。
【００１９】
【図１０】図１０は、本発明の実施形態による無線センサを示す。
【００２０】
【図１１】図１１は、本発明の実施形態による、ポリマー由来のセラミックを合成する方法を示す。
【００２１】
【図１２】図１２は、本発明の実施形態による、デジタル信号処理を用いてセンサの共振周波数を抽出する方法を示す。
【００２２】
【図１３】図１３は、本発明の実施形態による、信号周波数と温度との間の関係を示すための実験の結果を示す。
【００２３】
【図１４】図１４は、本発明の実施形態によるタービンブレード上の温度分布を示す。
【００２４】
【図１５】図１５は、本発明の実施形態によるタービンブレード上の温度分布を示す。
【００２５】
【図１６】図１６は、本発明の実施形態による、アルミナ基板とインコネル（登録商標）片との間の銀ベースの接着剤の塗布を示す。
【００２６】
【図１７】図１７は、本発明の実施形態によるＰＤＣ結合試験の結果を示す。
【００２７】
【図１８】図１８は、本発明の実施形態による、タービンエンジンの高温ガス経路を測定するために用いられるシステムを示す。
【００２８】
【図１９】図１９は、図１８に示されるシステムから導出された温度および共振周波数の結果を示す。
【００２９】
【図２０】図２０は、本発明の実施形態による、タービンブレードの内側ホイール上に堆積された溶射センサを示す。
【００３０】
【図２１】図２１は、本発明の実施形態による無線送受信機回路を示す。
【００３１】
【図２２】図２２は、図２１に示される無線送受信機回路からの結果を示す。
【００３２】
【図２３−１】図２３−１は、本発明の実施形態による、制御システムのためのグラフィカルユーザインターフェースを示す。
【図２３−２】図２３−２は、図２３−１に続く図である。
【００３３】
【図２４】図２４は、本発明の実施形態によるブレードヘルス予後ツールを示す。
【００３４】
【図２５】図２５は、本発明の実施形態による、インコネルクーポン上に材料を堆積させることによってセンサを製造する方法を示す。
【００３５】
【図２６】図２６は、本発明の実施形態による無線センサのアーキテクチャを示す
【発明を実施するための形態】
【００３６】
ここで、本発明の実施形態を詳細に参照し、その例が添付の図面に示されている。以下の説明および図面は例示であり、限定するものとして解釈されるべきではない。完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細が説明されている。それにもかかわらず、特定の例では、説明を不明瞭にしないために、よく知られている詳細または従来の詳細は説明されていない。本開示における１つまたは実施形態への言及は、必ずしも同じ実施形態への言及ではない。そして、そのような参照は少なくとも１つを意味する。
【００３７】
本明細書における「一実施形態」または「実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明された特定の特徴、構造、または特性が、本開示の少なくとも実施形態に含まれることを意味する。本明細書の様々な場所における「一実施形態において」という語句の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指しているわけではなく、他の実施形態と相互に排他的な別個のまたは代替の実施形態でもない。さらに、いくつかの実施形態によって提示され、他の実施形態によって提示されない可能性がある様々な特徴が説明される。同様に、いくつかの実施形態の要件であり得るが他の実施形態の要件ではない可能性がある様々な要件が説明されている。
【００３８】
本発明は、ガスタービンエンジンを監視するための方法および装置のブロック図および動作図を参照して以下に説明される。ブロック図または動作図の各ブロック、およびブロック図または動作図のブロックの組み合わせは、アナログまたはデジタルのハードウェアおよびコンピュータプログラム命令によって実装され得ることが理解される。これらのコンピュータプログラム命令は、コンピュータ可読媒体に格納され、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、ＡＳＩＣ、または他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサに提供され、その結果、コンピュータのプロセッサを介して実行される命令または他のプログラム可能なデータ処理装置は、ブロック図または操作ブロックで指定された機能／動作を実装する。いくつかの代替実装では、ブロックに記載されている機能／動作は、動作図に記載されている順序とは異なる順序で発生してもよい。例えば、連続して示されている２つのブロックは、関連する機能／動作に応じて、実際には実質的に同時に実行されるか、ブロックが逆の順序で実行されてもよい。
【００３９】
図１は、新しい無線センサシステムを備えたガスタービンエンジンを示す。図１のＡは、本発明の実施形態によるガスタービンエンジンを示す。図１のＢは、本発明の実施形態による高温プローブアンテナ質問器を示す。図１のＡは、本発明の実施形態によるガスタービンエンジンに設置されたプローブアンテナを示す。図１のＣは、本発明の実施形態による無線感知のための受動セラミック共振器を示す。一実施形態では、受動セラミック共振器は、本明細書で説明される無線センサのうちの１つを含む。図１のＡは、本発明の実施形態によるガスタービンエンジンに設置された無線センサを示す。図１のＣは、本発明の実施形態によるエンジンのコンポーネントのレイヤを示す。図１のＣに示すように、無線センサは、コンポーネントのスーパーニッケル層の上部に、但しコンポーネントのボンドコートの下部に配置されたＰＤＣ感知材料を含む。一実施形態では、ＰＤＣ感知材料は、コンポーネントのトップコートの下部に配置される。一実施形態では、ＰＤＣ感知材料／層は、５００ミクロン以下の厚さである。一実施形態では、ＰＤＣ感知材料は、１ミクロン以下の厚さである。一実施形態では、ＰＤＣ感知材料の直径は２センチメートル以下である。
【００４０】
一実施形態では、ＰＤＣ感知材料はアンテナとして機能し、アンテナはタービンブレードなどのターボ機械上で直接無線で読み取ることができる。一実施形態では、ＰＤＣ感知材料は、タービン内部のコンポーネントの表面に配置される。一実施形態では、ＰＤＣ感知材料は、タービンのコンポーネントの遮熱コーティングの下に配置される。一実施形態では、システムは、接地された金属コンポーネントを含むエンジンコンポーネントの金属表面上で直接、本来の場所でリアルタイムに、かつ連続的な温度監視を提供する。一実施形態では、無線センサは、ガス、ブレード、およびベーンの温度を検証するために用いられる。
【００４１】
これを達成するために、ＰＤＣの高温検知機能が最適化され、１００〜１４００℃の範囲の温度を１０℃の精度で読み取ることができる。一実施形態では、ＰＤＣは、６５０〜１８００℃の範囲の温度を読み取ることができるように最適化される。小型センサは、タービン内の届きにくい場所に設置でき、感知したデータを無線で送信することで、熱負荷を定量化できる。センサは、タービンエンジンの高温で過酷な環境に耐えることができるＰＤＣで作成できる。一実施形態では、センサは、１３００℃までの温度に耐えて感知することができる。一実施形態では、センサは、１６００℃までの温度に耐えて感知することができる。一実施形態では、センサは、１８００℃までの温度に耐えて感知することができる。一実施形態では、システムは、所望の高温範囲（８００〜１４００℃）における小さな温度変化を測定することができ得る。実施形態では、無線センサは、ＲＦ問い合わせ信号に応答して受動共振器として機能するように調整されているため、外部電源または電池を必要としない。一実施形態では、無線センサは、１ミクロンから１ｍｍの間である。一実施形態では、無線センサは、タービン内の空気流への影響が最小限になるように滑らかな表面を有する。一実施形態では、無線センサは、ブレードまたはベーンを含むターボ機械の遮熱コーティングの表面上のガス温度を直接測定する。一実施形態では、１つ以上の無線センサが、タービンによって生成される最大電力に関する情報を明らかにする。一実施形態では、１つ以上の無線センサを用いて、タービンのコンポーネントの遮熱コーティングの内側の温度を測定する。
【００４２】
一実施形態では、システムまたは無線センサは、以下の技術：小型センサを開発するための微小電気機械システム（ＭＥＭ）製造プロセス；ターボ機械上にＭＥＭＳベース設計から検出要素をエッチングおよび堆積するためのプラズマプリントプロセス；ターボ機械上に検知要素および材料を堆積させる溶射プロセス；およびＰＤＣの形成を含む無線センサを製造するための付加的な製造プロセス；のうちの１つ以上を用いて製造される。一実施形態では、センサは、フレキシブル薄膜上に印刷することができる。
【００４３】
図７は、本発明の実施形態によるガスタービンエンジンの無線監視のためのシステム７０１を示す。この図は、そのようなシステムのいくつかの可能なコンポーネントを示すことを意図しており、縮尺通りではない。他のコンポーネントが含まれてもよい。図示されている実施形態は、本明細書で説明されている１つ以上の無線センサなどの無線センサ７１１を含む。実施形態では、無線センサ７１１は、本明細書で説明するようにガスタービンエンジンのコンポーネントの表面に埋め込むか、または結合することができる無線高温センサである。図示される実施形態は、また、本明細書に記載される１つ以上の問い合わせアンテナのような問い合わせアンテナ７３１を含む。図示される実施形態は、また、本明細書で説明される１つ以上のガスタービンエンジンなどのガスタービンエンジン７５１を含む。一実施形態では、ガスタービンエンジンは、マイクロガスタービンエンジンである。一実施形態では、問い合わせアンテナ７３１は、無線センサ７１１に問い合わせて、ガスタービンエンジン７５１に関連する温度を取得するように構成されたＲＦアンテナである。
【００４４】
図８は、本発明の実施形態による、ガスタービンエンジンの無線監視のためのシステム８０１を示し、無線センサ７１１は、ガスタービンブレード７５３に埋め込まれるか、またはガスタービンブレード７５３に結合される。この図は、そのようなシステムのいくつかの可能なコンポーネントを示すことを意図しており、縮尺通りではない。他のコンポーネントが含まれてもよい。一実施形態では、ガスタービンブレード７５３は、ガスタービンエンジン７５１の静止コンポーネントである。一実施形態では、ガスタービンブレード７５３は、ガスタービンエンジン７５１の可動または回転コンポーネントである。一実施形態では、無線センサ７１１は、本明細書で説明する１つ以上の方法に従って、ガスタービンブレード７５３の表面に埋め込まれるか、または表面に結合される。
【００４５】
図９は、本発明の実施形態による、ガスタービンホイールまたはロータ７５５に埋め込まれた、またはそれに結合された無線センサ７１１を示す。この図面は縮尺通りではなく、他のコンポーネントが含まれてもよい。一実施形態では、無線センサ１１は、本明細書で説明される１つ以上の方法に従って、ガスタービンホイールまたはロータ７５５の表面に埋め込まれるか、または表面に結合される。
【００４６】
図１０は、本発明の実施形態による無線センサ７１１を示す。この図は縮尺通りではなく、他のコンポーネントが無線センサ７１１に含まれてもよい。図示の実施形態では、センサ７１１は、レイヤ７１３、７１５、７１７、７１９を含みます。一実施形態では、追加のレイヤまたはコンポーネントをセンサ７１１に含めることができる。無線センサ７１１は、本明細書に記載される１つ以上の方法または当該技術分野で既知の他の方法に従って、ガスタービンエンジンまたは他の材料のコンポーネント上に製造および／または堆積され得る。一実施形態では、センサ７１１のレイヤは、異なる順序であってもよい。図示される実施形態では、レイヤ７１３は、反射パッチアンテナ金属コンポーネントを含む。一実施形態では、レイヤ７１３は、ＭＣｒＡｌ［Ｔａ、Ｈｆ、Ｓｉ］Ｙコーティングを含む任意のボンドコートを含み、ここで、Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉまたはこれら３つの任意の組み合わせである。実施形態では、レイヤ７１３は、また、プラチナ、ニッケル、銅、金、パラジウム、銀、タングステン、チタン、またはタンタルのうちの１つ以上を含む。一実施形態では、レイヤ７１５は、酸化アルミニウム、炭化ケイ素窒化物、チタニア、ジルコニア、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、または炭化ケイ素のうちの１つ以上を含むポリマー由来セラミック（ＰＤＣ）レイヤである。一実施形態では、レイヤ７１７は、センサに金属接地面を提供するボンドコートである。一実施形態では、ボンドコートは、１つ以上のＭＣｒＡｌ［Ｔａ、Ｈｆ、Ｓｉ］Ｙコーティングを含み、ここで、Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉまたはこれら３つの任意の組合せである。一実施形態では、レイヤ７１９は、ガスタービンブレードまたはタービンエンジン７５１の他のコンポーネントに埋め込まれるか、または結合されたセラミックマトリクス複合材である。一実施形態では、レイヤ７１９は、セラミックマトリクス複合材ガスタービンブレード、遮熱コーティングガスタービンブレード、または非遮熱コーティングされたガスタービンブレードの一部である。一実施形態において、コバルトの存在は、コーティングの延性および高温腐食耐性を改善する。一実施形態において、クロムおよびイットリウムの存在は、アルミニウムの活性を増加させ、かつ酸化物スケールの剥離耐性を改善することにより、耐酸化性を改善する。一実施形態では、クロムおよびアルミニウムは、酸化物スケールを継続的に補充するリザーバを提供するように機能する。一実施形態では、ガス噴霧は、優れた化学的均一性および高純度を保証し、一貫したコーティング結果を保証する。一実施形態において、レニウム（Ｒｅ）の添加は、等温または循環酸化耐性、および熱サイクル疲労を改善することが示されている（Ｃｚｅｃｈら、１９９４）。一実施形態において、タンタル（Ｔａ）の添加は、また、耐酸化性を増加させることができる。一実施形態では、ＮｉＡｌ（典型的には５％Ａｌ）は、優れたボンドコートであり、低コストであり、良好な高温酸化耐性（８００℃までの使用温度）を有する。ＭＣｒＡｌＹは、耐酸化性（使用温度が少なくとも８５０℃、１０００℃まで）に優れており、高温腐食環境でも有利である。
【００４７】
一実施形態では、無線高温センサ７１１は、電力発生のために用いられるガスタービンエンジンの超高温環境に実装することができる。本明細書でさらに説明するように、一実施形態では、無線センサ７１１は、ＳｉＣＮから作成されたポリマー由来のセラミックセンサである。一実施形態では、無線センサ７１１は、その電気機械的特性が８００℃を超える温度を測定し、それに耐えることができるように調整されている。一実施形態では、問い合わせアンテナ７３１は、利用可能なコンポーネントを用いて設計および組み立てられ、当該センサから得られたデータを処理および格納するためにインターフェースに接続される。一実施形態では、センサ性能は、１０００℃までで特徴付けられ、較正された。一実施形態では、センサ７１１は、問い合わせアンテナ７３１から０−５０ｃｍ以上に配置することができる。一実施形態では、様々なポリマー由来セラミック（ＰＤＣ）がセンサ７１１に組み込まれる。実施形態では、センサ７１１は、ガスタービンブレード材料インコネルに埋め込まれるか、または結合される。一実施形態では、本明細書で説明するシステム、方法、および装置は、マイクロタービンエンジンまたはガスタービンエンジンまたはそのガス経路の温度を高温範囲で感知するために用いることができる。一実施形態では、本明細書で説明するシステム、方法、および装置は、予備的なブレードヘルスチェック予後プログラムの一部として既存のタービンを監視するために用いることができる。
【００４８】
一実施形態では、センサ７１１は、８００℃をはるかに超える温度に耐えるように設計および製造されたパッチアンテナを含む。一実施形態では、Ｋｉｏｎ  Ｃｅｒａｓｅｔポリシラザンがセンサ７１１の基板として用いられる。ポリシラザンは、交互の順序で結合された窒素とシリコンの反復単位を含む液体熱硬化性樹脂である。ポリシラザンは用途が広く、室温での粘度が８０ｃｐｓと低く、熱分解によりセラミックを生成できる。このＰＤＣの電気的特性は、高温での耐久性、優れた耐酸化性、柔軟な製造能力を実現するように調整できる。本発明の一実施形態によるポリマー由来セラミックを合成するための処理ステップは、図１１に見ることができる。一実施形態では、追加のまたは異なるステップが用いれるか、ステップが異なる順序で行われる。一実施形態では、液体樹脂を硬化させて、ポリマーまたはセラミックにすることができる。
【００４９】
一実施形態では、センサ７１１を製造するために、ＰＤＣがパック（puck）に形成される。一実施形態では、パックは、約１８．２４ｍｍの直径を有する。これを達成するには、Ｋｉｏｎ  Ｃｅｒａｓｅｔポリシラザン液体樹脂を最初に型に入れ、加熱してポリマーの架橋を行い、半透明のポリマーを生成する。次に、ボールミルを用いてポリマーを粉砕し、型に詰めてパックに押し込む。最後に、パックをアモルファスセラミックに熱分解する。一実施形態では、アンテナを製造するために、パッチの逆鋳型が６０６１アルミニウムから作成され、ウォータージェットを用いてサイズにカットされる。一実施形態では、ウォータージェットの許容差は０．００１インチである。型が作成された後、ケイ酸塩水溶液中のカーボンペーストが、導電性パッチおよび接地面を形成するために用いられる。カーボンペーストを逆鋳型にブラシで塗り、クランプを用いて圧力を印加する。次に、トレースを約４時間空気乾燥させてから、マトリックス内の水分を蒸発させるために炉に投入する。接地面を製造するために同じ手順が用いられた。実施形態では、レイヤ７１７は接地面として機能する。
【００５０】
一実施形態では、センサ７１１は、厚いサンプルを約０．７８ｍｍの厚さまで湿式研磨することによって作製される。一実施形態において、プラチナパッチは、一片のＦＲ４板から切り取られた逆鋳型を用いて適用される。この鋳型は、プラスチックまたはアルミニウムを用いて作成することもできる。ＦＲ４ボードを使用する理由は、表面が滑らかで、ＣＮＣミル（フライス）で容易に切断できるためである。プラチナペーストは粘度が低いため、金型の端から染み出す傾向がある。プラチナの染み出しを防ぐガスケットとして機能する、縁にカーボンテープが付いたアルミニウム型を用いることができる。次に、１５０℃のオーブンに１５分間投入する。一実施形態では、プラチナペーストの凝集した部分を、空気中に２時間置くことができる。次に、扉を約９０℃で開けたオーブンまたは炉を用いて、センサを炉内に数分間置いてから、数分間冷却する。このプロセスは、プラチナが固まるまで繰り返すことができる。綿密な検査により、一実施形態では、プラチナ内の液体が蒸発しているのを見ることができる。一実施形態では、プラチナペースト中の液体が蒸発するまでセンサを炉内に配置するこの方法により、プラチナを層状に塗布して、厚さおよび被覆率を高めることができる。例えば、液体混合物を完全に蒸発させてから、別の層を塗布し、導電性となるのに十分な被覆と厚さが得られるまでプロセスを繰り返すことができる。一実施形態では、ｋｕバンド導波路は、より小さな高周波センサ７１１に問い合わせるために用いられる。一実施形態では、ベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）で、周波数掃引が設定され、トレースデータが保存され、データ計算が用いられて、読み取り値からデータが差し引かれる。次に、センサ７１１は、平らな厚紙の上に置かれ、導波管の下に置かれる。この手法は、高周波の通常サイズのセンサにも用いることができる。
【００５１】
一実施形態では、アンテナ７３１、受信アンテナ、およびベクトルネットワークアナライザなどの問い合わせアンテナは、センサ７１１の共振を受信および記録するために用いられる。一実施形態では、問い合わせアンテナ７３１は、受信アンテナとしても機能する。適切なアンテナおよびベクトルネットワークアナライザは容易に利用可能であり、当業者によって選択され得る。実施形態では、ホーンアンテナが用いられる。一実施形態では、問い合わせアンテナ７３１は、６〜１５ｄＢの利得で０．６〜８ＧＨｚの範囲で動作する。一実施形態では、ベクトルネットワークアナライザは、問い合わせアンテナ７３１によってブロードキャストされる周波数掃引を生成するキーサイトテクノロジーズのＰＸＩ−Ｍ９３７５である。一実施形態では、ネットワークアナライザは、３００ＫＨｚ〜２６．５ＧＨｚの間の信号を生成することができる。一実施形態では、信号は、それがセンサ７１１に到達するまで自由空間を通って進む。
【００５２】
一実施形態では、共振周波数以外の周波数の場合、信号は拒否される。一実施形態では、共振周波数で、センサ７１１のパッチアンテナは、エネルギーを受け取り、エネルギーを空間に再放射する。この効果は、後方散乱パラメータによって正確に記録できる。後方散乱パラメータは、送信と受信のポートを参照する。ポート１から受信し、ポート１を介して送信するＳ１１パラメータは、リフレクションと呼ばれる。Ｓ１１プロットから、センサの共振周波数は、信号がアンテナで受け取られる周波数で正確に記述できるため、ポート１には戻らない。炉の熱電対によって表示される温度を確認するために、ｋ型熱電対は、炉の内部に配置され、ＰＸＩＥ−熱電対ＤＡＱによって読み取ることができる。一実施形態では、ホーンアンテナは、約５０ｃｍ離れて配置され、ガスタービンエンジン７５１に向かって電磁波を送信するように設定される。
【００５３】
一実施形態では、デジタル信号処理（ＤＳＰ）を用いて、後で温度に変換されるセンサの共振周波数を抽出する。時間領域ゲーティングを適用して、高反射環境で温度センサを分離することができる。本発明の一実施形態によるＤＳＰアルゴリズムのフローチャートを図１２に示す。一実施形態では、追加の、または異なるステップが用いられるか、ステップが異なる順序で発生する。図１２に示される実施形態では、第１に、Ｓ１１グラフは、ホーンアンテナまたはセンサ７１１なしの他の問い合わせアンテナ７３１でエンジン７５１に問い合わせることによって記録される。次に、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を用いて周波数領域から時間領域に変換する。時間領域では、Ｓ１１応答は、エンジン７５１の内部の反射によって発生する構造モードの後方散乱を特徴付けるために調整される。これらの内部反射は、Ｓ１１グラフから反射を差し引くことによって取り除くことができる。第２に、センサ７１１がエンジン７５１のコンポーネントに配置され、別のキャリブレーションがセンサ７１１を分離するために実行される。センサ７１１が離れた位置にある場合、時間領域ゲートが適用され、エンジン７５１の内部のセンサの応答が分離される。一実施形態では、適切な時間領域ゲートは、システム７０１、８０１、または他のシステムを用いた実験によって見出される。一実施形態では、ゲートが適用された後、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて、時間領域から周波数領域に変換し戻す。一実施形態では、最終的に処理された信号がスケーリングされ、最も低い振幅がセンサ７１１の共振周波数として採用される。次に、この共振点は、センサ７１１の共振を誘電率に、次に温度に参照するアルゴリズムによって処理される。
【００５４】
一実施形態では、共振周波数および熱電対データのデータ収集を自動化するためにＬａｂＶＩＥＷプログラムを用いることができる。ＶＮＡと熱電対カードでＮＩシャーシを用いると、共振周波数と熱電対データの両方を同時に記録できる。このアプローチ、つまり構造モードの後方散乱をフィルタリングしないことの課題は、センサの応答を分離できないことにある。ＰＸＩ−ｅ  ＶＮＡは、ソフトフロントパネル（ＳＦＰ）と呼ばれる組み込みのユーザインターフェースを有する。一実施形態では、ＳＦＰにおけるフィルタリング技術は、データを時間領域に変換し、時間領域ゲートを設定し、周波数領域に変換し直し、トレースから周波数領域の環境データを差し引き、次に時間領域ゲートを適用することを含む。ＬａｂＶＩＥＷプログラムは、各ループの温度を保存するために熱電対ＤＡＱカードを用いることができる（各ループで１回の周波数スイープが実行される）。プログラムは、Ｓ１１トレースの最小値を検索し、２つの熱電対測定とともにファイルに当該最小値を保存できる。
【００５５】
このセットアップとＳＦＰを用いて、センサの共振応答を１０００℃までの温度に対して記録できる。温度が上昇するにつれて、５０℃毎に温度測定を行うことができる。炉を用いた実験からの共振周波数対温度のプロットを図１３に示す。共振周波数と炉の温度との間には単調減少の関係がある。これは、計算することができ、図１３で確認できるＰＤＣ基板の誘電率の増加によるものである。図１３（ａ）は、温度による共振周波数の変化を示している。図１３（ｂ）は、温度による誘電率の変化を示している。約４００℃で、誘電率と温度との間の勾配が増加する。これは、ＰＤＣ基板の誘電率変化が指数関数的に増加するためである。したがって、温度が１０００℃に上昇すると、温度センサの分解能が向上する。
【００５６】
一実施形態では、計算流体力学（ＣＦＤ）分析を用いて、タービンブレード７５３上のホットスポットを決定することができる。一実施形態では、１つ以上のセンサ７１１が、決定されたホットスポットに配置される。故障モード分析のために１ｓｔステージノズルの温度分布を調査するために、数多くの研究が行われてきた。［Mazur et al., 2006; Alizadeh et al., 2014］これらの研究を参照文献として用いて、内部冷却のない定常ブレードの、定常状態レイノルズ平均ナビエストークス（steady-state Reynolds Averaged Navier-Stokes）、共役熱伝達（Conjugate Heat Transfer；ＣＨＴ）解析が、ＡＮＳＹＳで行うことができる。ＣＨＴ解析を用いて、ブレードメタルの表面温度と圧力を取得し、温度センサの位置とそれらのスポットの圧力とを決定するために用いることができる。ＣＨＴ解析から取得した温度および圧力フィールドは、ブレードの構造解析の入力荷重として用いることができる。一実施形態では、ブレードの構造分析は、電位センサ位置でのブレードの応力および変形を得るために行われる。
【００５７】
図１４および１５は、タービンハブが図示の図の左側にあり、シュラウドが右側にある、タービンブレード７５３上の温度分布を示す。図１４は、ＣＨＴ解析のブレード表面の正圧側の温度分布をそれぞれ示す。図１４では、ハブに近接するブレードの前縁で１２６５Ｋの極大温度が発生している。これは、ハブ近傍の前縁でのブレードのねじれの急激な勾配に起因する可能性がある。このエッジでも流れのよどみが観察され、これは、局部最大値の原因でもある。ブレードの後縁近くに、その領域で流体が急速に加速されるため温度の低い領域がある。図１５は、ブレード表面の温度勾配を示す。
【００５８】
図１４および１５から、局所的なホットスポットと高温勾配の領域を特定できる。これは、センサを配置する可能性のある場所を特定するのに役立つ。高温勾配領域における温度の知識は、より高い応力集中の場所を特定するのに役立つ。これはブレードの寿命モデルに実装して、ブレードの寿命と疲労をより正確に予測することができる。４つの可能性のある場所が識別され、図１４および図１５にマークされており、以下の表１に、吸引側と加圧側にそれぞれ２つずつ反映されている。センサ配置の可能性のある場所が特定された後、応力分析が、ＣＨＴ分析から空気熱負荷をインポートすることによって行われ、センサが曝される応力を特定できる。別の境界条件は、ブレードがハブに取り付けられていることである。圧力は、ＣＨＴ解析から取得できる。
【表１】
2021503580.tif 000003
【００５９】
さまざまな結合方法を、センサ７１１をエンジン７５１のコンポーネントに結合するために用いることができる。酷なタービン環境で新しいセンサシステムを実装するリスクに対処するために、最初に３つの高温接着剤を用いて予備結合研究が行われた。異なるセンサ結合アプローチが、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）および８％ＹＳＺを含むポリマー由来セラミック（ＰＤＣ）センサで用いることができる。実施形態は、ガス流およびタービン性能を歪めることなく、タービン内の８００℃までの温度に耐えることができた。一実施形態では、非導電性結合材料は、無線センサ７１１の感知機構を妨げる。これらのすべての要因を考慮すると、システム７０１および８０１の結合材料の理想的な特性には、以下が含まれる。
−高温耐性
−高圧耐性
−耐腐食性／耐酸化性
−遮熱コーティング（イットリア安定化ジルコニア）とブレード材料（ニッケル超合金）の同一熱膨張係数
−導電性
−簡単なアプリケーションと保管
−最適なコスト
【００６０】
一実施形態では、結合機構は、３つの高温接着剤：アレムコ（Aremco）のパイロダクト（Pyroduct）５９７  Ａ：銀ベース−動作温度は９２７℃まで、コトロニクス（Cotronics）のデュラボンド（Durabond）９５２：ニッケルベース−動作温度は１０９３℃まで、コトロニクス（Cotronics）のデュラボンド（Durabond）９５４：ステンレス鋼ベース−動作温度は１０９３℃までを用いて、ＰＤＣ材料をインコネルストリップに結合し、タービンブレードに結合されたセンサをシミュレートすることを含む。テストの結果は、銀ベースの接着剤がタービンのインコネルブレードへのアルミナセンサの最良の接合と、高温タービン環境での接合の残存性とを提供することを示唆する。図１６は、温度試験前後のアルミナ基板とインコネル片との間の銀ベースの接着剤の顕微鏡画像を示す。図１６（ａ）は、加熱前の、インコネルとアルミナへの良好な結合を示す。図１６（ｂ）は、加熱後の、結合強度を損なう可能性のあるビーディング（beading）との良好な結合を示す。
【００６１】
開示された発明で使用可能な１つの結合機構は、溶射プロセスを用いて、感知材料をインコネルクーポン上に堆積させる。溶射センサを用いたテストの結果は、この機構を用いて、ガスの流れを妨げたりセンサのパフォーマンスに影響を与えたりしない方法でセンサ７１１をブレード７５３上に堆積できることを示している。溶射は、遮熱コーティングをブレードに固定するために用いられる方法と同じであり、このプロセスは、セラミック材料をインコネルに接着するのに非常に効果的であることが示されている。図１７は、溶射に、またセンサをインコネル表面に直接固定する際に使用されたエリコンメテコ（Oerlikon Metco）のＡｍｄｒｙ３６５−２の顕微鏡画像を示す。変更前と変更後の写真では、高温に曝した後の接着ラインに大きな変化は見られない。図１７は、（ａ）高温試験前の、および（ｂ）高温８００℃で２０分間後の、８％ＹＳＺの成功した予備接合試験の金属顕微鏡によるＰＤＣ特性を示す。
【００６２】
テストのバッテリは、センサ７１１の検知限界を評価するために設計および実行された。関心のあるほとんどの無線周波数（ＲＦ）パラメータは、注意深く特徴付けられ、幾何学的限界が見つけられた。センサテック（Sensatek）共振温度構造の広範囲かつ独立したテストが実行された。このテストの目的は、アルミナ製の高温センサ７１１の機能を広範囲にテストすることであった。励起は、マイクロウェーブリサーチ（Microwave Research）Ｃ４０−ＬＣ送受信機を介して、キャリブレーションされたネットワーク分析器によって提供された。特定のゲーティングを用いて、（他の反射とは対照的に）一次共鳴反応を分離した。すべてのテストで、センサ７１１は、表面上に平らに設置され、送受信機は、センサの上部に注意深く配置された。テストでは、帯域幅（３ｄＢ）、ａ）通常の距離、ｂ）送受信機の水平回転、ｃ）センサの傾き、ｄ）送受信機の球面運動の関数としてセンサ応答の中心周波数を測定した。実施したテストは、１）非導電性表面、２）非接地導電性表面、３）接地導電性表面でのセンサ応答を調査することであった。テスト１は、センサと送受信機を金属から離して実施した。センサは、誘電体（樹脂を有する木材）で構成された表面に置かれた。２番目のテストは、接地されていない金属片の上にセンサを置いて行われた。選ばれた金属は、高ニッケル鋼であり、ガスタービンブレードに見られる典型的な材料である。テストセットは、センサを接地された金属片の上に置いて実行された。アースは、テスト全体を通じて１オーム未満のＤＣ値を持つことが確認された。テスト３では、テスト２と同じ導体が用いられた。これらのテストは、欠陥を示し、回転機器上または回転機器内で行われた測定のためのハードウェアと方法を検証することを目的としている。これらのテストの結果を表２に示す。
【表２】
2021503580.tif 000004
【００６３】
このセンサシステムの共振応答は、誘電体、非接地導体、および接地導体などの様々なタイプの基板に対して堅牢であった。最も応答が悪かったのは非接地導体であった（テスト２）。共振応答自体に大きな影響はなかったが、非接地導体のノイズフロアは高くなった。これは、他の面からの反射よりも、この面からの反射の方が多かったことを意味していると思われる。誘電体表面は、導電性表面よりも反射が少ないので、これは実現可能である。非接地導体が、渦電流、再送、定常電磁横モード、または他の要因のためにより多くの反射であったかどうかは、完全には明らかではない。非接地基板と接地基板のノイズフロアへの影響の違いは、さらに調査する必要がある。時間的なゲーティングの変化や、接地（抵抗値の変化する接地）の強さの違いを調べる必要がある。センサへの幾何学的な変化とセンサへの材料の変化も、基板への幾何学的な変化（平面、曲線、傾斜など）と同様に、これに影響を与える可能性が高い。一般的に、ノイズフロアからＳＲＳを識別できる送受信機とセンサの間の距離は良好であることが分かった。典型的な距離は４０〜９０ｍｍのオーダーであった。このシステムは強力に最適化されていないことを考えると、提案されたプローブと回転機器との距離は５０ｍｍから２００ｍｍのオーダーであり、これは商用利用には非常に有望である。また、水平回転の変化と傾きの変化に耐えるシステムの能力も、予想以上に優れていた。一般的に、共振システムはあらゆる方向の方位と非常に密接に相関している。しかしながら、このシステムは、いくつかのタイプの方位変化に対して堅牢である。一方向の傾斜と他の方向の傾斜との間にいくつかの非対称性があるが、これは送受信機の長方形の開口部が原因である可能性がある。送受信機対センサの水平回転が４５度に達したときに発生する適度な結合ヌルがある。仮定された理由は、これが競合する共振モード間の遷移点であるということである。しかしながら、回転および傾きの低下は、６０度から８５度の驚くべき高い値まで許容される。れは、回転環境では、回転センサが送受信機プローブのそばを素早く通過するため、この広い視野（ＦＯＶ）は長いキャプチャウィンドウを可能にすることを意味する。この広いＦＯＶは、上述の自動周波数トラッキング方法や捕捉窓トラッキング方法など、より洗練された信号処理技術を導入することも可能にする。送受信機の横方向の動作テストも有望であった。センサと送受信機との間の距離がわずか２０ｍｍであったとしても、７０ｍｍを超える横方向の距離があっても、共振システムはノイズフロア以上の共振を維持した。この３．５対１の比率は予想外で強力である。大きなＦＯＶと同様に、これはセンサの各回転パスで長い捕捉時間への扉を開くことになる。
【００６４】
本発明の実施形態は、図７に示すように、タービンエンジン７５１の高温ガス経路内の温度を測定するために用いることができる。一連の高温排気テストは、一定の熱衝撃、動圧、高速度＆高温度ガス流を有する環境に曝されたときのセンサ機能の概念実証を確立するために、ジェットキャット（JetCat）Ｐ２００ＲＸマイクロタービンを用いて実施された。このような環境は、センサが最終的な用途のために配置される実際の作業環境を表している。周波数応答、反射信号の大きさは、テスト期間中、熱電対からの温度データとともに記録された。図１８（ａ）は、このテストのための実験セットアップを示す。図１８（ｂ）は、センサに衝突している高温の排気を示す。マイクロタービンは、対応するＥＣＵを用いて制御することができる。センサ７１１は、マイクロタービンの排気の中心から約１フィートの距離にあるコンクリートブロックの尾根に取り付けられた。一組の支持コンクリートブロックが、排気が構造物の安定性に与える影響が最小限になるように配置されて用いられた。コンクリートブロックが導波管アンテナを所定の位置に固定するために用いられた。導波管アンテナは、高温の排気から保護するために、図１８（ａ）に示すように、コンクリートブロックの厚さ（〜３ｃｍ）の後ろに配置された。これは、ＲＦ信号のソースであるＣｏｐｐｅｒ  Ｍｏｕｎｔａｉｎ  Ｒ−１４０  １ポート反射計（ＶＮＡ）に接続された。テスト期間中の温度測定値を得るために、３つのＫ型熱電対をカプトンテープを用いて、センサの近くに２つ、導波路アンテナ上に１つ取り付けた。これらの熱電対は、ＤＡＴＡＱ  ＤＩ−２４５データ収集（ＤＡＱ）装置に取り付けられた。
【００６５】
マイクロタービンの最初の運転は、ランピングアップテストであり、我々は、マイクロタービンの回転数を急上昇させ、所望する回転数に達したらすぐにシャットダウンした。この運転では、６５，０００ｒｐｍまで増加した。図１９は、このテスト期間中の温度と対応する共振周波数を示す。ここでの温度測定値は、センサに近接している熱電対の温度である。図１９から分かるように、テストの開始時には、温度は一定であり、それに対応して共振周波数はかなり一定である。温度が上昇するとすぐに、共振周波数は、温度のそれと同様の傾きに沿って減少する。その後、マイクロタービンは、温度がわずかに低下した結果、短い時間の間、回転数で安定し、それに対応して、その期間に対する共振周波数が増加する。そして、定常停止直後の最後の方では、対応する共振周波数の低下につながる急激な温度上昇がある。このように、最初のテストから、マイクロタービンのランプアップ中に発生する温度の急激で、過渡的な変化に追従して、センサは良好な応答を示した。このテスト中の最高温度は〜４５０℃であった。ランピングアップテストの後、２回目の運転は、ランピングアップとクールダウン期間を延長したテストであった。ここでいうクールダウン期間とは、急速なランプアップ後にマイクロタービンを停止させることを意味する。データはこれらの両方のフェーズで記録された。ランプアップ後のクールダウン期間中のセンサの応答は、ヒステリシスの影響を確認することができるので、特に重要である。
【００６６】
このアプローチに使用されたマイクロタービンは、ＣＲＸタービンのＳＷ１４０Ｂであった。ボンディングテストで最も有望なボンドコート、すなわちＯｅｒｌｉｋｏｎ  Ｍｅｔｃｏ社のＡｍｄｒｙ３６５−２も、このアプローチの一環として噴霧された。この結合材はＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金をベースにしており、ガスタービンブレード上のＴＢＣコーティングの高温接着性を確保するために用いられる。これらは、次に、１２７，００００ＲＰＭまでのマイクロタービンのフルスロットルおよび８２０℃までの温度の条件に曝された。本発明の実施形態は、ガスタービンブレード７５３またはガスタービンホイールまたはロータ７５５などのタービンコンポーネント上に無線センサ７１１を埋め込むか、または結合することを含む。タービン表面に直接アルミナセンサを溶射する新たなアプローチが開示されている。一実施形態では、ＣＲＸタービンによるＳＷ１４０Ｂのようなマイクロタービンがこのアプローチに用いられる。このアプローチの一部として、Ｏｅｒｌｉｋｏｎ  ＭｅｔｃｏのＡｍｄｒｙ３６５−２を示したボンドコートを噴霧することができる。この結合材料は、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金に基づいており、ガスタービンブレード上のＴＢＣコーティングの高温接着性を確保するために用いることができる。図２０は、ＳＷ−１４０Ｂマイクロタービンのフルスロットル運転を行う前後で、タービンブレードの内輪に溶射されたセンサを示す。
【００６７】
一実施形態によれば、無線センサデータを用いてシミュレーションされたガスタービン制御システムと、ガスタービンブレードの健全性のための予後ツールとを用いて、無線送受信機回路が実証された。計装は、回転するブレード上の電磁波の反射によって悪化する電磁ノイズの多い環境下でブレード表面上の無線センサに問い合わせしながら、無線センサデータの品質を損なうことはない。図２１は、無線送受信機回路の設計を示す。一実施形態では、この回路は、ガスタービンエンジンの予後システムに無線センシング技術を統合するために用いられる。
【００６８】
一実施形態では、無線送受信機回路は、Ｋｅｙｓｉｇｈｔ  Ｅ５０７１Ｃ  ８．５ＧＨｚ、周波数範囲が２〜１１  ＧＨｚの２つの対数周期ダイポールアンテナ（ＬＰＤＡ）、中電力のＭｉｎｉ−ｃｉｒｃｕｉｔｓ社のアンプＺＶＡ−１８３−Ｓ＋、０．７〜１８ＧＨｚの超広帯域アンプ、アンプ用の１２Ｖ電源、およびインコネルブレードに取り付けられたセンサテック（Sensatek）社の５ＧＨｚセンサを含む。Ｋｅｙｓｉｇｈｔ  ＥＮＡ  Ｖｅｃｔｏｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ａｎａｌｙｚｅｒ（ＶＮＡ）のポート１と３は、それぞれ送信機と受信機として用いられる。ポート１はＬＰＤＡの前にアンプの入力に接続され、アンプの出力はＬＰＤＡに接続されて、インコネルブレード上のセンサテックのセンサにインタロゲーション信号を送信する。受信側のＬＰＤＡは、センサから再放射された信号を測定するためにポート３に直接接続されている。電源は、アンプ上の正しい位置に正および負のピンを接続することによって、アンプに電力を供給するための１２Ｖ出力に調整されている。一実施形態では、アンプがポート１とＬＰＤＡとの間に差し込まれると、差を比較するために、８ｃｍの距離にあるセンサで１２の異なる電力設定を変化させることができる。図２２は、ｌ．５８５μＷの最低電力設定（図２２の破線と点線の緑線）から５００ｍＷの最高増幅電力設定（青線）までの結果を反映している。緑の破線と点線の方が青線よりもより滑らかであることが明らかである。このように、信号電力を３００，０００倍させると、信号の品質が向上する。一実施形態では、無線高温センサデータ統合は、センサの出力をＲＦからミリボルトに変更することを含む。一実施形態では、ガスタービンエンジンの制御システムは、センサの出力をｍＶ信号として読み取ることができるプログラマブルロジック制御（ＰＬＣ）を含む。一実施形態では、センサデータ統合要件は、センサの出力をＲＦからミリボルトに変更することを含む。一実施形態では、ガスタービンエンジンの制御システムは、プログラマブルロジック制御（ＰＬＣ）がセンサの出力をｍＶ信号として読み取ることができることを要求する。したがって、ガスタービン予後システムへのブレード表面温度の統合は、ＡＣからＤＣへの変換器を要求し得る。一実施形態では、追加のデータポイントは、無線高温センサ７１１からの測定値および計算値を描写する。制御システムのための可能なグラフィカルユーザインターフェースが図２３−１及び図２３-２に示されている。
【００６９】
従来のヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ）画面フォーマットが、従来のデータポイントと、センサ７１１からの温度入力を描写する１０個の温度値を表示するために用いられる。図２３及び図２３-２に示されたインターフェースでは、描写された温度センサは、第１ステージノズルの前縁に埋め込まれており、各トランジションピース出口の中心からのホットガス温度を測定するために用いられている。平均／平均値、スプレッド１、スプレッド２、およびスプレッド３の計算値は、同じ画面ビューに表示される。妥当な火炎温度（Ｔｆ）を計算して、センサアレイの平均温度として用いることができる。図示の例では、排ガス温度を用いてＴｒｅｆを算出した。トランジションピース出口間の合理的な温度広がりが構成され、シミュレーションに用いられるデータに固定された。この広がりは排気の広がりと大まかな相関関係があるが、実際に直接測定したＴｆは、従来のスワール計算よりも精度が高く、我々は、スワールのパラメトリックな変化を実行することにより、シミュレーションデータでこれを実証した。予後システムへの無線センサのシミュレーションは、カニュラー型、アニュラー型の各タービンノズルの実際の燃焼温度の直接計測を明らかにする。実際の燃焼温度は、メンテナンスエンジニアが問題のある燃焼器の根本的な原因を指摘することができる。これにより、温度やエミッションの広がりを改善し、設計温度限界までのマージンを小さくして運転することが可能になる。一実施形態では、この直接測定の利点は、平均タービン出力を０．５％改善すること、７ｐｐｍ窒素酸化物だけ排出物を改善すること、および保守サービス間隔を４０％延長することを含み得る。一実施形態では、図２４に示すように、ブレードの健全性予後ツールを提供することができる。このツールは、任意の時間に測定を行うように自動化することができ、複数のセンサによって測定された温度を表示し、前述のクリープ破断予測のＬＭモデルを用いて、ブレードの残りの耐用年数に関する情報を提供する。
【００７０】
インコネルクーポン上に感知材料を堆積させてセンサ７１１を作製するためのプロセスは、図２５（ａ）に示す物理気相成長（ＰＶＤ）プロセス、図２５（ｂ）に示す溶射プロセス、およびセラミックボールミリングプロセスを含む。実施形態では、図２５（ｂ）に示す溶射プロセスは、無線センサ７１１を製造するための費用対効果の高い方法、およびインコネル金属表面に直接センサを取り付けるためのボンディング機構を提供する。一実施形態では、センサ金属コンポーネント（ＮｉＣｒＡｌＹ）、ＰＤＣ基板（Ａｌ２Ｏ３、およびＳｉＣＮ）、およびボンディング溶液（ＮｉＣｒＡｌＹ）をインコネル金属表面に直接堆積させるために、熱炎溶射プロセスが利用される。図２６は、図２５（ｂ）の溶射プロセスによって製造された無線高温センサ７１１の材料アーキテクチャを示す。各材料は、インコネル基板に個別にマスクして溶射することができる。一実施形態では、ＮｉＣｒＡｌＹコートは、導電性であり、インコネル基板へのセンサのボンドコートとマイクロパッチアンテナの接地面の両方として機能する。図２６は、また、本発明の一実施形態によるインコネル基板に溶射される材料の順序とサイズを示している。イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）は、セラミックとインコネルとの間の熱膨張の不一致に対処するために利用されてもよい。ＹＳＺは高い熱膨張係数（１１×１０−６℃−１）を有しており、熱膨張の不一致から生じる応力を緩和するのに役立つ。［Ｐａｄｔｕｒｅ，２００２］一実施形態では、図２５（ｂ）に示すように、溶射技術を用いてガスタービンブレード７５３に温度保護コーティングが施される。一実施形態では、そのような材料は、ガスタービンインコネル（非セラミックコーティングされた）ブレード上に直接堆積される。一実施形態では、ＰＤＣ材料は、金属高温ボンドコート上に直接堆積される。一実施形態では、図２５（ａ）に示すＰＶＤプロセスは、薄膜ニッケル成分をＡｌ２Ｏ３表面上に堆積させるために用いられる。一実施形態では、マスクは、１５ｍｍのインコネル金属３インチウェハディスク上にＮｉＣｒＡｌＹボンドを溶射するために用いられる。一実施形態では、マスクは、溶射されたボンドコートの表面にＰＤＣ材料Ａｌ２Ｏ３とＳｉＣＮを溶射するために用いられる。一実施形態では、マスクは、溶射されたＰＤＣの表面への導電性要素ＮｉＣｒＡｌＹの無線センシングコンポーネントの溶射を補助するために用いられる。一実施形態では、ＰＶＤプロセスは、ニッケルターゲットを用いて、ＰＶＤチャンバ内でニッケルをスパッタリングするために用いられるアルミナ基板用のマスクを作成することを含む。一実施形態では、ニッケルは、センサ７１１の反射パッチアンテナの接地面および金属コンポーネントを作成するために、アルミナ基板上にスパッタリングされる。一実施形態では、ニッケル（ターゲット）は、高温真空および／またはガス状プラズマによって支援された固体源から気化され、ここで、ニッケルは、真空または部分真空中のニッケル蒸気を介してアルミナ基板表面に輸送された。一実施形態では、金属感知素子の薄膜を生成するために、セラミック基板上に凝縮が生成された。スパッタリングは、加速されたガス状アルゴ���イオンによる衝撃を介してニッケルターゲットから蒸気を生成するために用いられるプラズマ支援技術である。
【００７１】
上記の実施形態は、本発明の例示的なものである。本特許では、可能なすべての組み合わせ、または実施形態を概説したり、定義したりすることは必要ではなく、また意図していない。本発明者は、当業者が本発明の少なくとも１つの実施形態を実施することを可能にするために十分な情報を開示している。上記の説明および図面は、単に本発明を例示するものであり、構成要素、構造および手順の変更は、以下の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく可能であることを示している。例えば、特定の順序で上記および／または以下の特許請求の範囲に記載された要素および／または手順は、本発明から逸脱することなく、異なる順序で実施されてもよい。このように、本発明は、その実施形態を参照して特に示され、説明されてきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、その中で様々な形態および詳細の変更がなされ得ることは、当業者には理解されるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３−１】
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【図２３−２】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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