(57)【要約】  燃焼タービンエンジン(10)で使用するための遠隔測定システムは、タービン動翼などの回転部品と連結したセンサ(428)と、タービン動翼に取り付けられ、電子データ信号をセンサ(428)から遠隔測定送信器回路(418)へと送るためにセンサ(428)と電気通信している遠隔測定送信器回路(418)と、を備える。誘導電力システムが、遠隔測定送信器回路(418)に電力を供給するために提供され、それぞれのセラミック基材(404)に形成された一次平面巻線(410)を各々が具備する複数の一次誘導コイル組立体(400)を備えており、セラミック基材(404)は、ステータ(180)の静止シール部分(323)に端と端とをつないで搭載される。誘導電力システムは、セラミック基材(404)に形成された二次平面巻線(412)を具備する二次誘導コイル組立体(402)も備え、そのセラミック基材(404)は、タービン動翼の根元部(132)の端面に搭載される。
2015524036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、燃焼器、およびタービンを具備する燃焼タービンエンジンで使用するための遠隔測定システムであって、該システムは、
タービン動翼のセンサと、
前記タービン動翼に取り付けられた遠隔測定送信器回路と、
電子データ信号を前記センサから前記遠隔測定送信器回路へと送るための、前記タービン動翼の第1の電気接続部であって、前記電子データ信号は前記タービン動翼の状態を示している、第1の電気接続部と、
前記遠隔測定回路に電力を供給するための誘導電力システムであって、
前記タービン動翼に隣接する静止部品に取り付けられた少なくとも1つの静止一次誘導コイル組立体、および、
前記タービン動翼の根元部の端面に搭載された回転二次誘導コイル組立体
を備え、
前記静止一次誘導コイル組立体は、前記静止部品の静止シール部分に搭載された最初および最後の基材を含む複数のセラミック基材を備え、前記基材同士は端と端とをつないで並べられて前記静止シール部分の周囲にわたる連続した円弧を形成し、各々の基材には平面巻線が形成され、前記平面巻線は、隣接した基材の隣接した平面巻線に直列に電気接続され、外部電源が前記最初の基材の前記平面巻線と前記最後の基材の前記平面巻線とに直列に電気接続された誘導電力システムと、
前記タービン動翼の前記根元部の前記端面に取り付けられた回転データアンテナと、
前記電子データ信号を前記遠隔測定送信器回路から前記回転データアンテナへと送るための、前記タービン動翼の第2の電気接続部と、
前記静止部品に取り付けられた静止データアンテナと、
を備える遠隔測定システム。
【請求項２】
前記回転二次誘導コイルは、前記タービン動翼根元部の端面に搭載された少なくとも1つのセラミック基材を備え、前記基材には平面巻線が形成され、前記平面巻線は前記遠隔測定送信器回路に電気接続される、請求項1に記載の遠隔測定システム。
【請求項３】
前記セラミック基材は低温共焼成セラミックから成る、請求項1に記載の遠隔測定システム。
【請求項４】
前記セラミック基材は高温共焼成セラミックから成る、請求項1に記載の遠隔測定システム。
【請求項５】
前記静止一次誘導コイル組立体は、複合セラミックマトリクスから成る複数のRF透過ケーシングを含み、各々の基材は、それぞれのケーシング内に配置され、各々のケーシングは前記静止シール部分に取り付けられる、請求項1に記載の遠隔測定システム。
【請求項６】
前記回転二次誘導コイル組立体は、複合セラミックマトリクスから成るRF透過ケーシングに入れられた、平面巻線を具備したセラミック基材を含み、前記ケーシングは、前記タービン動翼根元部の前記端面に取り付けられる、請求項1に記載の遠隔測定システム。
【請求項７】
各々の基材は、それぞれの前記平面巻線内で中心に配置された少なくとも1つのスロットを含み、前記スロット内に磁気コアが配置される、請求項1に記載の遠隔測定システム。
【請求項８】
圧縮機、燃焼器、およびタービンを具備する燃焼タービンエンジンで使用するための遠隔測定システムであって、
前記燃焼タービンの構成部品上のセンサであって、前記構成部品は少なくとも約450℃の温度で作動する、センサと、
前記センサと電気通信する遠隔測定送信器回路であって、前記構成部品の状態を示す電子データ信号が前記センサから前記遠隔測定送信器回路に送られてくる、遠隔測定送信器回路と、
前記遠隔測定送信器回路に電力を供給するための誘導電力システムであって、
第1の平面導電巻線が形成されて且つ電源に電気接続された第1のセラミック基材を含んだ少なくとも1つの一次誘導コイル組立体であって、前記第1のセラミック基材は、前記巻線が前記構成部品を向く状態で、前記構成部品と離間した関係で前記タービンに搭載され、前記セラミック基材は最大で約1500℃までの温度で絶縁特性を提供する一次誘導コイル組立体、および
前記一次誘導コイル組立体と離間した関係で前記構成部品に搭載され、前記遠隔測定送信器回路に電気接続された第2の平面導電巻線が形成される少なくとも1つの第2のセラミック基材を含んだ二次誘導コイル組立体であって、前記第2のセラミック基材は最大で約1500℃までの温度で絶縁特性を提供する二次誘導コイル組立体、
を備える誘導電力システムと、
前記構成部品に取り付けられ、且つ前記電子データ信号を前記センサから前記遠隔測定送信器回路を介して受信するために前記遠隔測定送信器回路に電気接続された第1のデータアンテナと、
前記第1のデータアンテナから送信された電子データ信号を受信するために、前記第1のデータアンテナと離間した関係で前記タービンに取り付けられた第2のデータアンテナと、
を備える遠隔測定システム。
【請求項９】
電子信号を前記センサから前記遠隔測定送信器回路へと送るために前記構成部品に付着された導電性材料をさらに備える、請求項8に記載の遠隔測定システム。
【請求項１０】
前記少なくとも1つの一次誘導コイル組立体はおおよそ0.25から2.00MHzの間で電圧を加えられ、前記二次誘導コイル組立体が0.25から2.00MHzの間の作動周波数を有して電力を前記遠隔測定送信器回路基板へと提供する、請求項8に記載の遠隔測定システム。
【請求項１１】
前記構成部品の静止シール部分に搭載され、且つ前記静止シール部分の周囲にわたって端と端とをつないで並べられた複数の前記一次誘導コイル組立体が存在し、すべての前記平面巻線が直列に電気接続される、請求項8に記載の遠隔測定システム。
【請求項１２】
基材の上面および底面を形成する複数の誘電体層を備える基材と、
前記基材の前記上面に形成された第1の平面巻線を含んだ平面巻線を各々が備える複数の導電層であって、残りの各々の前記平面巻線は前記誘電体層のうちのそれぞれの間に配置される複数の導電層と、
を備え、
各々の平面巻線は隣接した連続する平面巻線に電気接続される誘導電力コイル組立体。
【請求項１３】
前記基材の前記上面の前記第1の平面巻線は、前記第1の平面巻線において電流を入力するための電源に接続される、請求項12に記載の誘導電力コイル組立体。
【請求項１４】
平面巻線が前記基材の前記底面にある、請求項12に記載の誘導電力コイル組立体。
【請求項１５】
誘電体層の数が奇数であり、導電層の数が偶数である、請求項12に記載の誘導電力コイル組立体。
【請求項１６】
各々の平面巻線は、最外端および最内端を有する概して螺旋状の構成を備え、連続する平面巻線は、それぞれの前記最外端またはそれぞれの前記最内端において電気接続される、請求項12に記載の誘導電力コイル組立体。
【請求項１７】
電源は、隣接する平面巻線にそのそれぞれの前記最内端において電気接続された前記第1の平面巻線の前記最外端に接続されている、請求項16に記載の誘導電力コイル組立体。
【請求項１８】
各々の平面巻線は、各々の螺旋状の構成内に中心領域を含み、前記平面巻線の前記中心領域は整列され、スロットが各々の中心領域を通じて形成され、磁気コアが前記スロット内に固定される、請求項16に記載の誘導電力コイル組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、作動環境を監視することに関しており、詳細には、燃焼タービンエンジンの個々の構成部品の状態など、作動環境内の個々の構成部品の状態を示す電子データを無線送信できるようにされた機器を備えた構成部品および遠隔測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼タービンエンジンの特定の区域内など、最高でおおよそ450℃以上までの作動温度となる作動環境内で、回転部品または静止部品の作動のために構成された高温無線遠隔測定システムを使用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第6,576,861号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、燃焼タービンエンジンの特定の区域内など、最高でおおよそ450℃以上までの作動温度となる作動環境内で、回転部品または静止部品の作動のために構成された高温無線遠隔測定システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
燃焼タービンエンジンで使用するための例示の高温遠隔測定システムは、タービン動翼などの構成部品に付着された少なくとも1つのセンサを備え得る。遠隔測定送信器回路がタービン動翼に取り付けでき、接続材料が、タービン動翼の状態を示す電子データ信号を、センサから遠隔測定送信器回路へと送るために、タービン動翼に付され得るかまたは付着され得る。誘導電力システムが、タービン動翼などの構成部品に取り付けられた回転データアンテナと、タービン動翼に隣接する静止シール部分に取り付けられた静止データアンテナとを備えた遠隔測定送信器回路に、電力を供給するために設けられる。
【０００６】
遠隔測定システムの実施形態では、共振エネルギーシステムが、回転データアンテナおよび静止データアンテナと併せて使用される。より具体的には、一次コイル(プローブまたはアンテナの形態であり得る)、または電力/エネルギー送信装置が、回転部品に取り付けられた二次コイルまたは電力/エネルギー受信装置に隣接するタービンまたは圧縮機の静止した場所に位置決めされる。一次コイルまたはアンテナは振動する電流信号を送信し、二次コイルは、振動する電流信号の送信周波数と概して同じ周波数で共振している。二次コイルおよび回転データアンテナは、遠隔測定送信器回路が製作される同じ基材上に製作される。代替で、二次コイルおよび/または回転データアンテナの一方または両方が、タービンまたは圧縮機の動翼の翼形部分に配置されてもよい。実施形態では、一次コイルは、動翼の先端に隣接しつつその先端から離間した関係にある圧縮機またはタービン用のケーシングまたは静止部品に搭載されてもよい。
【０００７】
圧縮機またはタービンの動翼などの回転部品と連結したセンサは、回転部品の状態を示す電子データ信号を処理して回転データアンテナへと送る遠隔測定送信器回路と電気的につなげられる。そして、回転データアンテナは電子データ信号を静止アンテナへと送信し、次に、静止アンテナは信号を受信器および/または処理装置へと送信する。
【０００８】
別の実施形態では、静止した遠隔測定送信器回路が、圧縮機およびタービンの内部に配置され、動翼に搭載された上で言及した回転する遠隔測定送信器回路と併せて使用される。静止部品と連結した1つまたは複数のセンサが、静止部品を示す電子データ信号を静止した送信器回路へと送信し、その送信器回路は、さらに、電子データ信号を処理して静止データアンテナへと送る。したがって、静止データアンテナは、静止部品および回転部品の作動状態を示す電子データ信号を、処理のために受信器へと送信するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示の燃焼タービンの断面図である。
【図２】例示の燃焼タービン静翼の斜視図である。
【図３】図2の静翼の側面図である。
【図４】基材に付着された例示の熱流束センサの図である。
【図５】例示のタービン動翼、センサ、および無線遠隔測定装置の斜視図である。
【図６】例示の無線遠隔測定装置の概略図である。
【図７】例示の圧縮機動翼の部分斜視図である。
【図８】図7の例示の圧縮機動翼の部分側面図である。
【図９】図5の例示のタービン動翼の部分断面図である。
【図１０】図9の例示のタービン動翼の斜視図、および、タービン動翼に搭載された遠隔測定送信器筺体と例示の回転アンテナ組立体の分解図である。
【図１１】図10の遠隔測定送信器筺体の例示の実施形態の分解図である。
【図１２】例示の回転アンテナ組立体の構成部品の図である。
【図１３】静止アンテナ組立体の例示の実施形態が搭載されたタービン静止シールの部分斜視図である。
【図１４】図12のタービン静止シール、および、例示の回転する電力およびアンテナ組立体が搭載されたタービン動翼組立体の部分断面図である。
【図１５】例示の遠隔測定送信器回路のブロック図である。
【図１６】例示の誘導電力ドライバ回路の概略図である。
【図１７】センサおよび遠隔測定装置を具備する無線遠隔測定部品を備えるブリスクの部分斜視図である。
【図１８】センサにつなげられた遠隔測定装置の概略図である。
【図１９】共振エネルギー伝送システムに関する回路の概略図である。
【図２０】回転データアンテナの概略図である。
【図２１】ブリスクに回転データアンテナを備え、ステータに静止アンテナを備える、ブリスクのロータにある遠隔測定装置の断面の概略図である。
【図２２】RF透過カバー内に収容された送信器装置の図である。
【図２３】エネルギー受信コイルがブリスクについての動翼にある無線遠隔測定システムの実施形態の図である。
【図２４】エネルギー受信コイルおよび回転データアンテナがブリスクについての動翼にある無線遠隔測定システムの実施形態の図である。
【図２５】静止する遠隔測定回路および静止アンテナが、静止部品および回転部品に関するデータを送信するために用いられる無線遠隔測定システムの実施形態の図である。
【図２６】ステータの静止シール部分に搭載された一次誘導組立体の斜視図である。
【図２７】セラミック基材の平面巻線および磁気コアの透視した概略図である。
【図２８】セラミック基材の磁気コアのない平面巻線の透視した概略図である。
【図２９】複数のセラミック誘電体層および平面巻線が形成された回路基板の概略の断面図である。
【図３０Ａ】図29の回路基板の最上位または第1の導電層の正面図である。
【図３０Ｂ】図29の回路基板の第2の導電層の正面図である。
【図３０Ｃ】図29の回路基板の第3の導電層の正面図である。
【図３０Ｄ】図29の回路基板の底部または第4の導電層の正面図である。
【図３１】セラミック基板に形成された平面巻線を備える一次および二次の誘導電力組立体を組み込む無線遠隔測定システムの実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図1は、電気を発生するために使用されるガスタービンなどの例示の燃焼タービン10を示している。本発明の実施形態は、燃焼タービン10と共に、または、多くの他の作動環境において様々な目的のために使用できる。燃焼タービン10は、圧縮機12と、少なくとも1つの燃焼器14(切り離されている)と、タービン16と、を備えている。圧縮機12、燃焼器14、およびタービン16は、ガスまたは燃焼タービンのエンジン10と総称されることがある。タービン16は、回転可能な中心シャフト20に固定された複数の回転する動翼18を備えている。複数の静止した静翼22が、動翼18同士の間に位置決めされており、動翼18に対して空気を案内するように寸法決定および構成されている。動翼18および静翼22は、典型的には、ニッケル基合金から作られ、イットリア安定化ジルコニアなどの熱障壁被膜(TBC:Thermal Barrier Coating)26で被覆されてもよい。同様に、圧縮機12は、それぞれの静翼23の間に位置決めされた複数の回転する動翼19を備えている。
【００１１】
使用中、空気は圧縮機12を通じて引き込まれ、その圧縮機12では、空気は圧縮されて燃焼器14に向けて推進される。燃焼器14は、空気を燃料と混合して点火し、それによって作動ガスを生じさせる。この作動ガスの温度は、典型的には約1300℃を超えることになる。このガスは、動翼18と交差して静翼22により案内されながら、タービン16を通じて膨張される。ガスは、タービン16を通過するとき、動翼18およびシャフト20を回転させ、それによって使用可能な機械的仕事を、シャフト20を介して伝達する。燃焼タービン10は、例えば蒸気または圧縮空気といった冷却剤を動翼18および静翼22に供給するように寸法決定および構成された冷却システム(図示略)を備えてもよい。
【００１２】
タービン動翼18および静翼22が内部で作動する環境は、非常に苛酷であり、高い作動温度および腐食性の雰囲気に支配され、これが動翼18および静翼22の深刻な劣化をもたらす可能性がある。これは、TBC26が砕けるかまたは劣化していた場合、特に起こりやすくなる。本発明の実施形態は、燃焼タービン10の作動中に、構成部品の状態を示すリアルタイムのデータまたはリアルタイムに近いデータを構成部品が送信できるため、有利である。
【００１３】
その開示が本明細書において参照により特に組み込まれている特許文献１は、センサの実施形態と、センサを送信器と接続するかまたはデータ信号を送るためのコネクタの実施形態と、を付着するために使用できる方法および装置を開示している。この点において、その特許で開示された方法および装置は、マスクの使用を必要とせずに、約100ミクロンから約500ミクロンの間の微細なセンサおよび/またはコネクタの特徴部のパターン化のために使用できる。多層の電気回路およびセンサは、導電性材料、抵抗材料、誘電材料、絶縁材料、および他の特定用途向けの材料を用いる付着特徴部によって形成できる。代替の方法が、多層の電気回路、センサ、およびコネクタを付着させるために用いられてもよく、溶射、蒸着、レーザー焼結、および低温で噴霧された材料の硬化堆積が、他の適切な技術と同様に使用できる。
【００１４】
図2は、一方の静翼23にその静翼の状態を検出するためのセンサ50が搭載または接続されている、圧縮機12から取り外された一対の隣接する静翼23を示している。リード線またはコネクタ52が、トランシーバ56へとデータ信号を無線送信するように構成された送信器54へと、センサ50からデータ信号を送るための手段として付着されてもよい。コネクタ52は、信号をセンサ50から送信器54へと導くための1つまたは複数の導線であり得る。代替の実施形態は、特定の用途に依存して、様々な種類のコネクタ52がデータ信号をセンサ50から送信器54へと送るための手段として使用されることを許容する。
【００１５】
送信器54は、多重チャンネルであってもよく、燃焼タービン10のケーシング内における配置に依存して様々な仕様を有し得る。送信器54は、圧縮機12の初期の段の内部で機能するように構成でき、それらの段は、約80℃から120℃の間の作動温度に曝される。送信器54は、約120℃を超えて最大で約300℃までの作動温度に曝される、圧縮機12の後段および/またはタービン16の段の内部で機能するように構成できる。送信器54は、シリコンオンインシュレータ(SOI)技術と、約120℃を超える温度の領域で機能できる他の材料と、を用いて製作されてもよい。
【００１６】
図3は、圧縮機静翼23に接続されたセンサ50と、センサ50を送信器54に接続しているコネクタ52と、を備える圧縮機静翼23の概略的な平面図である。送信器54に電力供給するための適切な大きさとされた電池など、電源51が設けられてもよい。送信器54は、センサ50からコネクタ52を介して、トランシーバ56へと後で無線送信される信号を受信できる。トランシーバ56は、ハブ58に、または、図1に示す例示の位置など、圧縮機12の外部の表面に搭載できる。トランシーバ56は、送信器54からのRF信号などの無線データ送信を受信するために送信器54に十分に近接しているという条件で、様々な位置に搭載できる。
【００１７】
1つまたは複数のセンサ50は、センサ50およびコネクタ52を静翼23の表面に直接に製作または付着することによって、1つまたは複数の圧縮機静翼23と接続できる。コネクタ52は、コネクタ52の遠位端53が送信器54への接続のために露出されるように、センサ50から、静翼23の周囲縁などの終端位置まで延びることができる。センサ50およびコネクタ52は、静翼23の空気力学的なあらゆる悪影響を最小とするように、静翼23において位置決めできる。実施形態は、コネクタ52の遠位端53を、構成部品の周囲縁と隣接し得る終端位置、または、他の適切な位置で露出させることができる。これによって、現場作業員は、送信器54の位置に拘わらず、コネクタ52を送信器54へと素早く簡単に接続できる。
【００１８】
図4は、イットリア安定化ジルコニアとされ得るTBC60などの障壁被膜内に付着され得る例示のセンサ61を示している。TBC60は、基材64に付着され得る接着塗装62に付着できる。基材64は、タービン動翼18など、タービン16での使用に適した超合金など、様々な構成部品であり得る。センサ61は、様々な目的のために形成でき、従来のK型、N型、S型、B型、およびR型の熱電対材料を用いて付着された熱電対66、または、それぞれの構成要素の任意の組み合わせが燃焼タービン10の内部での特定の用途に対して許容可能な熱電気の電圧を発生するという条件で、その組み合わせを用いて付着された熱電対66を備えてもよい。
【００１９】
K型の熱電対材料NiCrまたはNiAlが、最大でおおよそ800℃までの作動環境である圧縮機12の区域で用いられ得る。例えば、NiCr(20)が、圧縮機12で歪みゲージを付着するために用いられ得る。NiCrSiおよびNiSiの合金などのN型の熱電対材料は、例えば、おおよそ800℃から1150℃の間の作動環境であるタービン16の区域でセンサを付着するために使用され得る。
【００２０】
S型、B型、およびR型の熱電対材料は、おおよそ1150℃から1350℃の間の作動環境であるタービン16の区域でセンサを付着するために使用され得る。例えば、Pt-Rh、Pt-Rh(10)、およびPt-Rh(13)は、材料が燃焼タービン10の内部での特定の用途に対して許容可能な熱電気の電圧を発生するという条件で、タービン16内でセンサ50を形成するために付着されてもよい。Ni合金は、例えば、NiCr、NiCrSi、NiSi、ならびにMCrAlXなどの他の耐酸化性Ni基合金であり、ここではMがFe、Ni、またはCoで、XがY、Ta、Si、Hf、Ti、およびそれらの組み合わせであり得、圧縮機12のより深い区域で、および、タービン16を通じて、高い温度の用途に向けた検知材として使用できる。これらの合金は、熱流束センサ、歪みセンサ、および摩耗センサなどのセンサを形成するために、様々な検知構成で付着される検知材として使用できる。
【００２１】
動翼18、19および/または静翼22、23など、燃焼タービン10内の構成部品は、構成部品の表面に一致するように付着された、および/または、燃焼タービン10内に付着された障壁被膜または他の被膜内に埋め込まれた、特定用途向けのセンサ50を備え得る。例えば、図5は、例示のタービン動翼70を示しており、その動翼70は、タービン16の列1の動翼であってもよく、埋め込まれているかまたは表面に搭載されているセンサ74を無線遠隔測定装置76と接続するために付着されたコネクタ72など、耐高温リード線を備える。装置76は、作動温度が典型的には約150℃〜250℃以上である動翼70の根元部78に隣接するなど、遠隔測定部品が比較的低い温度に曝される場所に搭載できる。
【００２２】
データを送信するために使用され得るものなど、シリコン基電子半導体は、その作動温度の制約のため、用途が限定されている。シリコンおよびシリコンオンインシュレータ(SOI)の電子チップ技術の温度および性能の特性は、その用途を約200℃未満の作動環境に限定し得る。本発明の態様は、このような電子システムを、典型的には約100℃〜150℃の作動温度である圧縮機12内の無線遠隔測定装置76に向けて展開させることができる。
【００２３】
無線遠隔測定センサシステムの実施形態は、圧縮機12の後段にあるより高い温度の領域内とタービン16内とで、作動するように構成できる。これらの領域は、約150℃〜250℃以上の作動温度を有し得る。これらのより高い温度領域で機能できる温度特性および電気特性を備える材料が、センサ50、74およびコネクタ52、72を付着するために、ならびに、無線遠隔測定装置76を製作するために、使用できる。
【００２４】
センサ50、74と高温相互接続線またはコネクタ52、72とは、プラズマ溶射、EB PVD、CVD、パルスレーザー蒸着、ミニプラズマ、直接描画、ミニHVOF、または溶液プラズマ溶射などの公知の付着プロセスを用いて付着できる。典型的には、動圧測定、動的歪み、静的歪み、および動的加速の測定が、部品表面温度および熱流束の測定と共に、燃焼タービン10の静止部品および回転部品の両方で望まれる。したがって、埋め込まれているかまたは表面に搭載されているセンサ50、74は、歪みゲージ、熱電対、熱流束センサ、圧力変換器、マイクロ加速度計ならびに他の所望のセンサとして構成され得る。
【００２５】
図6は、無線遠隔測定装置76の代表的な実施形態の概略図である。装置76は、一体のアンテナおよび/または電源を備えるかまたは備えないで、型押し、表面搭載、または表面付着のいずれかが行われた抵抗器、コンデンサ、誘導子、トランジスタ、変換器、変調器、発振器、送信器、増幅器、およびダイオードなど、複数の電子部品を備える回路基板または集積チップとして形成され得る。無線遠隔測定装置76の実施形態は、圧縮機12および/またはタービン16での使用のために製作され得る。
【００２６】
無線遠隔測定装置76は、相互接続部98を介して互いと電気接続された基板80、電子回路90、演算増幅器92、変調器94、およびRF発振器/送信器96を備え得る。図6の実施形態は例示の実施形態であり、装置76の他の実施形態が、性能仕様および作動環境に依存して検討される。装置76の実施形態は、電源100と送受信アンテナ102とを基板80に製作させることができ、それによって、図2および図3に示す送信器54などの送信器、または、図5に示す無線遠隔測定装置76を形成する。
【００２７】
図7は、動翼根元部112を備える動翼110などの例示の動翼の部分斜視図を示しており、その動翼は圧縮機12内の圧縮機の動翼であり得る。1つまたは複数の凹部または溝部114が、動翼根元部112の底の内部など、根元部112内に形成され得る。凹部114は、様々な形または大きさに形成でき、動翼根元部112内においてその全長に沿った様々な位置に配置できる。1つまたは複数の凹部または溝部116が、動翼根元部112の1つまたは複数の面118に形成されてもよい。凹部116は、様々な形または大きさに形成でき、動翼根元部112内において、面118内の様々な位置に配置できる。凹部114、116は、動翼110が鋳造された後にフライス加工すること、または、動翼110の鋳型の一部として形成することによってなど、様々な方法を用いて形成できる。
【００２８】
図8は、動翼根元部112内に取り付けられた無線遠隔測定装置76の構成部品を備えた圧縮機動翼110を示している。この点において、無線遠隔測定装置76の代替の実施形態は、図6に示す1つまたは複数の電気部品90、92、94、96、100、102が、動翼根元部112などの機器を備えた構成部品に電気接続および取り付けされる別体の基板80に、別に搭載または収容させることができる。例えば、図6に示す送受信アンテナ102は、送信器122が形成されてアンテナ102と電気接続されている基板80と別に搭載され、基板80と電気接続されてもよい。
【００２９】
アンテナ120が凹部116内に据えられてもよく、また、送信器122が凹部114内に据えられてもよい。この態様では、アンテナ120および送信器122は、基板80に、搭載/型押しまたは付着されていない。他の実施形態では、アンテナ120は、図6に示すように、無線遠隔測定基板80に付着されてもよく、データは、無線遠隔測定を用いて、静止して搭載されたトランシーバ56などの受信器へと送信されてもよい。電源100は、基板80と一体とされてもよいし、または、基板と別に配置され、別体の構成部品として搭載されてもよい。
【００３０】
図9は例示の動翼130の部分図を示しており、その動翼130は、タービン動翼18のうちの1つなどのタービン動翼であり得る。タービン動翼130は、動翼130が燃焼タービン10の作動のために内部に固定され得るタービン16のロータディスクと嵌まり合うための外面の鋳型形状線を画定する根元の部分132を備えている。検知材は、センサ134を形成するために、動翼130に、または、動翼の表面に付着された障壁被膜内に付着され得る。接続材料がコネクタ140を形成するために付着されてもよく、その結果、センサ134からのデータ信号が送信器138へと送信されてから回転アンテナ組立体142へと送信できる。凹部136は、1つまたは複数のコネクタ140が動翼130の外表面の下方に据えられるように、動翼130の一部分の内部に形成されてもよい。
【００３１】
送信器138およびアンテナ組立体142は、根元部132によって画定された外面の鋳型形状線が変更されないように、動翼130に一体的に固定され得る。例えば、送信器138は、根元部132のモミの木状の部分の上方の移行領域またはプラットフォームに取り付けられてもよく、アンテナ組立体142は、根元部132の面に取り付けられてもよい。代替で、凹部は、送信器138および/またはアンテナ組立体142の全部または一部が動翼の根元部132の外面の鋳型形状線の表面の下に据えられるように、プラットフォームの内部に形成されて向いてもよい。送信器138およびアンテナ組立体142は、エポキシまたは接着剤を用いてそれぞれの凹部内に固定されてもよく、また、埋め戻し材料が、高温または粒子状物質からの保護のために、送信器138およびアンテナ組立体142を覆って配置されてもよい。
【００３２】
図5に関して、無線遠隔測定装置76は、動翼根元部の外面の鋳型形状線が大幅に変更されないような方法で、動翼根元部78に外部で取り付けられるか、または、埋め込まれてもよい。装置76は、動翼根元部78がタービン16のロータディスク内に挿入されるとき、動翼根元部78とロータディスクとの間に作られる空洞内に収容されるように、隣接する動翼の根元部78に取り付けられてもよい。このことは、センサ74、コネクタ72、および装置76を備えたタービン動翼70を、機器を備えていないタービン動翼と同じ方法で、タービン16のロータディスクの嵌め合い部分に設置することを可能にしている。この点において、機器を備えた動翼70は、動翼70および/または動翼70に付着された障壁被膜の様々な作動パラメータまたは状態を示すデータを無線で引き出すために、ならびに、そのデータを受信装置へと送信するために、必要なすべての構成部品を備えて製造できる。
【００３３】
例えば、1つまたは複数の凹部または溝部は、1つまたは複数の無線遠隔測定装置76が収容され得る動翼根元部78などの動翼70の基材の一部に形成されてもよい。溝部は、動翼根元部78の所望の領域をフライス加工し、エポキシまたは他の適切な結合剤で装置76を溝部内に固定することによって、形成できる。溝部は、装置76を保護するために、適切な高温セメントまたはセラミックペーストで埋め戻されてもよい。
【００３４】
本発明の実施形態は、約300℃〜500℃の間の温度である環境で作動する動翼の根元部132に配置された特定の電子部品を備えるタービンエンジン動翼130などの回転部品から、センサデータを送信することができる。本明細書における開示の目的に関して、用語「高温」は、追加で但し書きがない場合、約300℃〜500℃の間の最高作動温度を有する燃焼タービン10の一部内の環境など、任意の作動環境に言及するものである。
【００３５】
本発明の実施形態は、1つまたは複数のセンサと、センサを少なくとも1つの遠隔測定送信器回路に接続するリード線と、少なくとも1つの送信アンテナと、電源と、少なくとも1つの受信アンテナと、を備え得る遠隔測定システムを備えた燃焼タービン10での使用のための構成部品を提供する。図10は、タービン動翼130と、無線遠隔測定送信器組立体150と、回転アンテナ組立体142と、を示している。リード線またはコネクタ152は、隣接する動翼根元部132に搭載されるとき、センサ70、134などの1つまたは複数のセンサから遠隔測定送信器組立体150へと延在し得る。リード線152は、電子データ信号をセンサ70、134から遠隔測定送信器組立体150へと送ることができ、遠隔測定送信器組立体150において、信号は、図11に示す電子機器パッケージ154内に収容された回路基板に形成された遠隔測定送信器回路によって処理される。リード線またはコネクタ140が、電子データ信号を遠隔測定送信器回路から回転アンテナ組立体142へと送るために付着され得る。
【００３６】
図11は、高温回路基板を含み得ると共に遠隔測定送信器組立体150の一部を形成し得る高温電子機器パッケージ154を示している。電子機器パッケージ154の本体は、Fe-Ni-Coの合金であるコバールなどの合金から製作できる。コバールの熱膨張係数は、正確な組成に応じて、約4.5〜6.5×10-6/℃の範囲である。タービン動翼130などの高温タービン部品に対して典型的に使用されるNi基合金は、約15.9〜16.4×10-6/℃の範囲の熱膨張係数を有している。電子機器パッケージ154は、電子機器パッケージ154とタービン動翼130との間の相対移動を可能にしつつ、所定の位置にしっかりと取り付けられ得る。この相対移動は、それらの異なる熱膨張率から生じ得るものであり、周囲空気温度と、隣接する動翼根元部132が典型的に受ける450℃を超える作動温度との間の多くの熱周期の間、時間の経過とともに生じる。
【００３７】
遠隔測定送信器組立体150は、図11で最良に示されるように、搭載ブラケット156と蓋またはカバープレート158とを備え、電子機器パッケージ154が搭載ブラケット156とカバープレート158との間に位置決めされ得る。複数の接続ピン155は、無線遠隔測定回路が自身に製作されているものなどのパッケージ154内に収容された電子回路基板と、センサからのリード線、誘導コイル組立体、および/またはデータ送信アンテナなどの様々な外部装置との間の接続を可能にする。搭載ブラケット156、カバープレート158、および、それらを一体に接続する保持ねじ159は、すべてタービン動翼130と同じ材料から製作できる。これによって、タービン動翼130と搭載ブラケット156との間の熱膨張に差がないことを確保できる。その結果、熱過渡の間、応力が搭載ブラケット156および/またはタービン動翼130に生じない。
【００３８】
電子機器パッケージ154の熱膨張係数は、これらの構成部品が内部にある作動システムが高温であるとき、搭載ブラケット156の熱膨張係数より小さい可能性がある。その結果、いずれの回路基板も収容する電子機器パッケージ154は搭載ブラケット156より膨張が小さくなり、これは、システムの振動エネルギーによって引き起こされる損傷をもたらす可能性がある。搭載ブラケット156内に電子機器パッケージ154を固定して、ブラケット156と電子機器パッケージ154との間の寸法上の変化の差を受容するために、セラミック繊維織物160の層が、電子パッケージ154と搭載ブラケット156の内側面との間に配置され得る。繊維160は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、または酸化アルミニウムなどの繊維を含む、適切なセラミック繊維から製作できる。例えば、3Mによって製造される、ある量のNextel(登録商標)酸化アルミニウムに基づいた繊維が、繊維160に対して使用される。
【００３９】
電子機器パッケージ154およびセラミック繊維織物160が遠隔測定送信器組立体150を形成するために搭載ブラケット156およびカバープレート158と共に組み立てられた状態で、搭載ブラケット156は、ボルト留め、溶接、ろう付けなどの取り付けのための適切な手段によって、または、過渡液相接合によって、タービン動翼130に取り付けできる。図10は、組立体150を受け入れるために動翼根元部132と隣接するタービン動翼130内にフライス加工または形成され得る凹部または平面窪み162を示している。
【００４０】
カバープレート158には、カバープレートに構造的な支持を付加するために、Gの力の方向に直角に配向されたフランジ164が形成されてもよく、そのフランジ164は、回転するタービン動翼130が最高速度で作動しているときに発生するG負荷の力に対抗する。これは、Gの力を介してカバープレート158へと加えられる負荷を保持ねじ159が支えることを軽減し、遠隔測定送信器組立体150がいずれの隣接する構成部品とも干渉せずに比較的小さい凹部162に嵌まり入るように、保持ねじ159を十分に小さくさせることができる。保持ねじ159がGの力によって加えられる負荷を支える必要がある場合、それらの必要な寸法が大き過ぎて、利用可能な空間に嵌まり入ることができない。
【００４１】
図10は、回転アンテナ組立体142が根元部132の端面または首部に取り付けられ得ることを示している。組立体142は、根元部132を含むタービン動翼130などのタービン高温ガス通路部品に対して使用されるNi基合金の熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有する電子組立体であり得る。1つまたは複数の回転アンテナ組立体142は、音速に近いタービン動翼130の回転の間、乱流から保護され得る。実施形態では、乱流保護材料は、その材料を通じて電力およびデータの送信を可能とするために、RF放射周波数に対して透過的である。
【００４２】
回転可能なアンテナ組立体142の実施形態は、図10および図12に示す耐久性のある保護用のRF透過カバー170を備えてもよく、RF透過カバー170は、必然的に、データアンテナおよび誘導電力部品が内部に収容される中空の備品である。RF透過カバー170は、燃焼タービン10の作動中、その収容物を乱流および高温ガスの進入から保護する。特定のセラミックが、高い温度の要素からRF送信機器を保護するのに適している。しかしながら、多くのセラミックおよびセラミックマトリクス複合材料は、回転しているタービン動翼130が燃焼タービン10の作動中に被る振動、衝撃、およびGの負荷のもとで欠けたり割れたりする傾向がある。
【００４３】
本発明の発明者らは、RF透過カバー170がRF透過性で堅牢性の高い構造セラミック材料から製作できると判定した。セラミックマトリクス複合材料は、強化セラミックとして知られる一群の材料から選択された材料と共に、筺体170を製作するために使用できる。炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、およびアルミナなどの材料は、追加の元素を添加するため、および/または、特定の処理方法から生じる計画的な微細構造のため、堅牢性が高められて利用可能となっている。
【００４４】
RF透過性で、形成するのが容易で、比較的安価であるこのようなある材料は、概してジルコニア強化アルミナ(ZTA)と称されるセラミック群から選択される材料である。酸化アルミニウム材料のこの群から選択されたセラミック材料は、強度および堅牢性において、従来の純粋な酸化アルミニウム材料よりも非常に高い。これは、微細な酸化ジルコニウム粒子を酸化アルミニウム全体に均一に取り込むことで得られる応力誘起変態強化から生じる。典型的な酸化ジルコニウム含有量は、10%から20%の間である。結果として、ZTAは、従来の純粋な酸化アルミニウム材料に対して、構成部品の寿命を延ばし、性能を高める。
【００４５】
ZTAの計画的な微細構造は、セラミックが圧縮で負荷を掛けられるときには耐破壊性である。しかしながら、引っ張りで十分に負荷が掛けられる場合、セラミックは、従来のセラミック材料と同様に、破壊的に損傷することになる。その結果、RF透過カバー170は、セラミック材料の引張応力が燃焼タービン10の作動中に最小化されるように設計される。これは、(1)ZTA部品のすべての角、縁、および曲げが、これらの場所における応力集中係数を抑えるために、鋭い角や縁を排除するように機械加工されるように、および、(2)回転アンテナ搭載ブラケット174のZTA部品の配向および嵌め合いが、作動中に、ZTA箱に加えられるGの力が取付フランジに重大な曲げ応力を発生させないようなものであるように、設計および製作することによって得られる。これは、ZTAフランジが曲げでなく圧縮で負荷が掛かるように、フランジを、Gの負荷の方向と直角ではなく、Gの負荷の方向と平行に配向することで達成される。
【００４６】
図12は、図10のタービン動翼130に取り付けられて示されるような回転アンテナ組立体142を形成するために、回転アンテナ搭載ブラケット174がRF透過カバー170と組み立てられ得ることを示している。回転アンテナ搭載ブラケット174とRF透過カバー170との間の境界面負荷は、RF透過カバー170に生じる引張応力を最小にする。設計は、RF透過カバー170に生じる引張応力が破壊に関する最小応力未満であるようになっており、構造部品に対して長い寿命をもたらす。搭載ブラケット174はタービン動翼130と同じ金属から作られ得るが、これは、それらの間の均一な熱膨張係数が、加熱サイクルおよび冷却サイクルの間に、取付領域において発生されている応力を最小とするためである。
【００４７】
搭載ブラケット174は、燃焼タービン10の作動中に回転アンテナ組立体142によって受けるすべてのGの負荷が、図12で矢印Gによって指し示されるような、ブラケット174の上端178に向かって延びる方向に吸収されるように、設計され得る。搭載ブラケット174のいずれの部分も、RF送信データ信号を弱めるように、内部に収容されたアンテナを越えて遠くまで延びてはいない。RF透過カバー170は、その内部応力場が主に圧縮であり、そのフランジの半円形の窪みを通じてねじ込みピン(図示略)を用いて保持され得るように、所定の位置に固定される。
【００４８】
搭載ブラケット174は、溶接、ろう付け、接着、ボルト留め、またはねじ込みなどの従来の手段によって、タービン動翼の根元部132の面に取り付けできる。回転アンテナ組立体142の実施形態は、所望のアンテナをRF透過カバー170の中空の本体の中に配置し、リード線171をカバー170内に形成された孔を通じてアンテナから引き入れ、そして、アンテナを収容するカバー170の中空の本体にセラミック埋め込み材料を充填することによって、組み立てできる。そして、アンテナを収容する埋め込まれたRF透過カバー170は、タービン動翼の根元部132にあらかじめ取り付けられ得る搭載ブラケット174に滑り込まされ得る。カバー170は、搭載ブラケット174の孔とカバー170の窪みとに挿入されたピンを介して、搭載ブラケット174に固定されてもよい。
【００４９】
本発明の実施形態は、誘導されたRFエネルギーなどの様々な手段によって、および/または、燃焼タービンエンジン16内の熱もしくは振動の力を取り出すことによって、電力が供給され得る。エネルギー取り出し電力モデルでは、熱電気または振動電気のいずれかの電力が、作動する燃焼タービンエンジン16において利用可能なエネルギーから発生できる。熱電対列が、熱エネルギーから電気を発生させるために使用でき、または、圧電材料が、燃焼タービンエンジン16の振動から電気を発生させることができる。電源のこれらの形態の例は、2006年9月6日に出願された出願番号第11/516,338号の特許出願に記載されており、その特許出願の全体の開示が、本明細書において参照により組み込まれている。
【００５０】
本発明の実施形態は、無線の高温遠隔測定システムの構成部品に電力を供給するために、誘導された電力モードを提供する。このようなシステムは、変圧器一次誘導コイル組立体186が静止しており、二次誘導コイル組立体195が回転する空隙変圧器として構成され得る。例えば、誘導RF電力構成が、遠隔測定送信器組立体150内に収容された回転する遠隔測定送信器に電力を供給するために提供される。図13は、燃焼タービン10のタービンエンジン16内で用いられ得るものなど、静止シール部分180の一部を示している。複数の静止シール部分180は、複数のタービン動翼130に隣接するタービンエンジン16を取り囲んでもよい。静止シール部分180は、当業者によって認識されるように、タービンエンジン16を通じて高温ガス通路内の高温ガスを封止するために、タービン動翼130と協働できる。
【００５１】
図13は、静止データ送信アンテナ184と静止一次誘導コイル組立体186とが内部に固定され得る通路または溝がそれぞれ形成された弓形ブラケット182を示している。データ送信アンテナ184は、データ送信アンテナ184をブラケット182と固定するための非導電性保持具185に挿入できる。非導電性保持具185は、データ送信アンテナ184が、金属から製作され得るブラケット182に接触しないことを確保し、それによって正しい作動を確保している。非導電性保持具185は、RF透過カバー170に対して使用されるのと同じZTA強化セラミック材料から製作できる。図13に示すような弓形ブラケット182においてアンテナ184を採用する場合、保持具185は、曲がったブラケット182での設置を可能とする可撓性を提供するために、分割されてもよい。同じ分割された構成が、曲がったブラケット182での設置を可能とするために、誘導コイル組立体186に適用されてもよい。
【００５２】
一次誘導コイル組立体186およびデータ送信アンテナ保持具185は、ブラケット182への取り付けの領域において、ローブを備えて形成されてもよい。ブラケット182の関連する領域の材料は、設置を受け入れるように若干大きい寸法で同じローブの形状で取り除かれる。ローブの形状は、ブラケット182に端から配置されて所定の位置へと滑り込まされ得る誘導コイル組立体186、アンテナ184、および保持具185の積極的な保持を可能にする湾曲の半径を定める。ローブの形状は、引張応力のもとで構造的な不具合を被りやすい比較的脆弱な材料から両方とも製作され得る誘導コイル組立体186およびアンテナ保持具185で、引張応力が発生されないことを確保すると同時に、積極的な保持を維持させることができる。
【００５３】
ローブは、金属ブラケット182が機能性において干渉しないことを確保するために、誘導コイル組立体186およびデータ送信アンテナ184の前方から十分に離れて位置決めされ得る。セラミックセメントが、確実な嵌め合いを提供し、加熱および冷却の間の熱膨張の差を受容するために、誘導コイル組立体186の表面およびアンテナ保持具185の表面と、ブラケット182のそれらのそれぞれのポケットとの間に塗布されてもよい。誘導コイル組立体186およびデータアンテナ184のローブ領域を覆い、作動中の保持を確保する薄い板(図示略)が、ブラケット182の各々の端に取り付けられてもよい。
【００５４】
1つまたは複数のブラケット182は、インコネル625など、静止シール部分180と同じ合金から製作でき、静止シール部分180の内面に一致するように弓形を有し得る。ブラケット182は、静止シール部分180の歪みを最小とするために、断続的な溶接188を用いて、静止シール部分180の内面に取り付けられ得る。誘導コイル組立体186は、少なくとも1つの静止コア190と、少なくとも1つの静止一次巻線192とを、JP Technologiesによって販売される「Hセメント(H Cement)」194が静止コア190の部分を包み込む状態で備え得る。
【００５５】
図14は、タービンエンジンの動翼根元部132に隣接して搭載され得るRF透過カバー170内に収容された回転二次誘導コイル組立体195を有する実施形態を示している。回転誘導コイル組立体195は、静止誘導コイル組立体186と同様に、コア200と巻線201とから製作できる。回転データ送信アンテナ202が、静止データ送信アンテナ184との通信のために提供され得る。データ送信アンテナ202は、非導電性保持具185と構造において同様であり得る非導電性保持具203内に入れられてもよい。代替の実施形態では、データ送信アンテナ202は、非導電性保持具203を使用せずにRF透過カバー170に収容されてもよく、その場合、高温で使用可能な埋め込み材料で所定の位置に保持できる。単一または複数の静止一次誘導コイル186は、燃焼タービン10が作動中であるとき、回転二次誘導コイル組立体195とアンテナ202とによって囲まれる円弧を形成するために、1つまたは複数の静止シール部分180の内面に配置されてもよい。
【００５６】
1つまたは複数の静止一次巻線192は、高周波で高電流の電源によって電圧を加えられ得る。電力は各々の静止誘導コイル組立体186に個別に供給できるか、または、一連の静止誘導コイル組立体186が電気接続され、単一の電力供給源によって駆動できる。例示の実施形態では、5つの隣接する静止誘導コイル組立体186が、各々自身の電力供給源によって駆動される状態であり得る。各々の静止一次巻線192を通じて流れる電流は、回転二次誘導コイル組立体195に磁場を作り出し、回転二次誘導コイル組立体195は回転二次巻線201で電流をさらに作り出す。回転二次巻線201からの電流は、本明細書において以下でより十分に説明されるように、無線遠隔測定送信器組立体150内に収容された無線遠隔測定送信器回路に電力を供給する。
【００５７】
図14は、燃焼タービン10の始動の前、初期隙間「A」がRF透過カバー170と静止コア190との間に存在し得ることを示している。初期隙間「A」は、燃焼タービン10の始動時に約13mmであり、タービン動翼130および静止シール部分180が一緒に近づいているベース負荷のときに約4mmまで減少し得る。磁気コア材料が、静止コア190および回転コア200を製作するために用いられ得る。磁気材料は、必要な隙間「A」にわたって、遠隔測定送信器組立体150内に収容された遠隔測定送信器回路へと必要な電力をつなげるために、コア材料として用いられ得る。選択された磁気材料は、静止一次巻線192によって作られて1つまたは複数の回転二次巻線201によって受け取られる磁場に集中するように作用する。この効果は、静止要素と回転要素との間の結合効率を増加させる。
【００５８】
本明細書で開示された誘導電力システムの実施形態は、燃焼タービン10を備えた様々な構成に適応するために、複数の個別の一次誘導コイル組立体186と二次誘導コイル組立体195とを採用し得る。例えば、静止誘導コイル組立体186とデータ送信一次アンテナ184とは、十分な電力をシステム部品に誘導するために、且つ必要なデータを送信するために、静止シール部分180の特定の距離にわたる必要があり得る。誘導コイル組立体186およびデータ送信アンテナ184の実施形態は、おおよそ4フィートの長さである必要があり得る。この例では、容易な製作のために、各々がおおよそ1フィートの長さを持つ4つの個々の電力/アンテナ組立体が、それぞれのブラケット182と共に製作され、互いと隣接して1つまたは複数の静止シール部分180に設置され得る。個々のアンテナ同士の間の端と端との隙間の距離が十分に小さい場合、アンテナ組立体は、単一の4フィートの長さのアンテナであるかのように機能することになる。このようなアンテナ組立体は、真っ直ぐな要素または曲がった要素から形成され、それによって、真っ直ぐな、曲がった、または、特定の用途によって必要とされるように構成された、異なる長さの組立体を提供できる。実施形態では、複数のこのようなアンテナ組立体は、タービン16内の1つまたは複数の静止シール部分180の上半分において、おおよそ112度の円弧にわたり得る。
【００５９】
本発明の発明者は、特定の等級の磁気コア材料が、本発明の実施形態の性能要件を満たすかまたは超えると判断している。この等級の材料にとって一般的な用語は、ナノ結晶鉄合金である。この等級の材料のある組成物は、商標名NAMGLASS(登録商標)で販売され、おおよそ82%が鉄で、残りがシリコン、ニオブ、ボロン、銅、炭素、ニッケル、およびモリブデンである組成物を有している。このようなナノ結晶鉄合金材料は、キュリー温度が500℃を超える、飽和保磁力が非常に低い、渦電流損失が小さい、飽和磁束密度が高い、および、透磁性が高温の作動範囲全体にわたって安定しているという所望の特性を示すと判断されている。
【００６０】
このナノ結晶鉄合金材料は、トロイドの形態のテープの巻かれた構成で、または、「C」字形のコアの変圧器コアで市販されている。本発明の実施形態は、このナノ結晶鉄合金材料を利用して「I」字形のコア形状を形成し、これが一次静止コア190に対して使用されている。「I」字形は、この形が静止搭載ブラケット182での通路で所定の位置に自身を保持するため、選択されている。各々の誘導コイル組立体186の誘導コア190は、おおよそ11インチの長さの弓形へと作り上げられた複数の0.007インチの厚さのナノ結晶鉄合金材料の積層から成る。同じナノ結晶鉄合金材料が、回転アンテナの変圧器コア200に対して使用されてもよい。
【００６１】
静止要素と回転要素との間で電力をつなげるために用いられる磁場の強度は、駆動信号、すなわち、図16に示される例示の誘導電力ドライバ回路によって生成される高周波AC信号の周波数を増加することによって増加できる。したがって、本発明の実施形態は、静止一次巻線192を駆動するために、おおよそ200kHzを超える周波数など、高い周波数を採用し得る。代替の実施形態は、少なくとも1メガヘルツの作動周波数を、このような周波数で作動するように設計された電力ドライバで達成してもよい。
【００６２】
巻線コア190、200に対して使用される電線は、酸化および高温での不具合を減らすために、セラミック絶縁を備えた27%のニッケル被覆銅から作られ得る。この電線の取扱適性は、保護、セラミック被覆、および特別な技術が一次要素および二次要素の両方の巻線の工程のために開発されている結果、標準的な有機絶縁された裸銅線よりも相当に困難である。他の電線は、絶縁された銀、または、陽極酸化されたアルミニウムがあり得る。
【００６３】
2種類のセラミック材料が、一次誘導コイル組立体186および回転誘導コイル組立体195の両方の製造で用いられてもよい。巻線192、201がコア要素190、200とショート(通電)しないことを確保することは重要である。電線に提供されたセラミック絶縁に加えて、H形セメントなどの複合材料、超微粒子の大きさのセラミックセメントが、巻線コア190、200への絶縁下地として用いられてもよい。巻線コア190、200は、巻き付けられると、Cotronics 940、酸化アルミニウム基セラミックセメントで埋め込まれ得る。
【００６４】
図15は、図10に示す遠隔測定送信器組立体150内に収容される、図11に示す高温電子機器パッケージ154の内部に嵌め込まれた回路基板上に製作され得る例示の遠隔測定送信器回路210の概略図を示している。遠隔測定送信器回路210は、図9のセンサ134などのセンサと共に作動するように構成でき、そのセンサは、タービン動翼130に関わる歪みを測定するため歪みゲージセンサであり得る。回転二次誘導コイル組立体195は、おおよそ250kHzの交流電力を、送信器回路210の電圧整流器へと提供できる。この回路は、交流の入力を直流の出力へと変え、電圧レギュレータ回路に供給する。
【００６５】
送信器回路210の電圧レギュレータは、交流入力電圧が変化しても、一定の直流電圧出力を維持する。一定の電圧出力は、信号出力のためのより優れた精度と安定した作動周波数とを達成するために必要とされる。電圧レギュレータは、一定の電圧を、歪みゲージセンサ134および安定抵抗器(図示略)へと供給する。歪みゲージセンサ134および安定抵抗器は、センサ信号入力を送信器回路210へと提供する。歪みゲージセンサ134が搭載された面が歪むにつれて、歪みゲージは抵抗を変化させ、それが送信器回路210の入力における電圧を変化させる。
【００６６】
歪みゲージセンサ134からの信号によって提供された変化する電圧は、先ず差動増幅器によって増幅され、次に高利得交流増幅器によって増幅される。その結果もたらされた信号は、送信器回路210の電圧制御発振器(VCO:Voltage Controlled Oscillator)部分のバラクタダイオードに加えられる。VCOは、高キャリア周波数で振動する。このキャリア周波数は、送信器回路210に関して、125から155MHzの帯域で設定され得る。固定されたキャリア周波数は、バラクタにおける変化する電圧によって若干変化される。周波数のこの変化または偏差は、歪みゲージセンサ134によって受ける撓みまたは歪みに直接関係する。VCOキャリア出力がバッファ段へと供給され、バッファ出力が、回転アンテナ組立体142に収容された送信アンテナへと、図10のリード線140を介して接続する。
【００６７】
図1のトランシーバ56、または、燃焼タービン10内の高温または他の領域に配置された他の装置などの受信装置では、キャリア信号が除かれ、偏差は、歪みと比例する増幅された出力となる。高温での使用のために設計されたこのような送信器回路210で使用されるトランジスタは、SiC、AlN、GaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlGaP、AlInGaP、およびGaAsAlNを含む大きなバンドギャップ半導体材料など、高温で使用可能な材料から製作でき、または、他の高温で使用可能なトランジスタ材料が、最大で約500〜600℃までで使用できる。
【００６８】
回路基板に製作された無線遠隔測定送信器回路210の様々な実施形態が、様々な作動温度において、かつ、センサの形式の範囲内で、燃焼タービン10内での使用のために適合され得る。送信器回路210およびその代替の実施形態の要素は、最大でおおよそ350℃までのシリコンオンインシュレータ(SOI)集積回路、ならびに、ポリシルセスキオキサン、PFA、ポリイミド、ノーメックス(Nomex)、PBZT、PBO、PBI、およびボルテックス(Voltex)の巻かれたおおよそ300〜350℃からのコンデンサ、ならびに、PLZT、NPO、Ta2O5、BaTiO3のおおよそ450〜500℃からの多層セラミックコンデンサなど、様々な温度感知材料を用いて製作できる。
【００６９】
抵抗器の様々な実施形態は、最大でおおよそ350℃までの作動環境のためのTa、TaN、Ti、SnO2、NiCr、Cr-Si、およびPd-Ag、ならびに、おおよそ350℃以上の作動環境のためのRu、RuO2、Ru-Ag、およびSi3N4から製作されてもよい。SiC、AlN、GaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlGaP、AlInGaP、およびGaAsAlN、または他の高温で使用可能な半導体材料から作られた、離散トランジスタ、ダイオード、またはコンデンサダイスなどの個々の高温電子部品は、おおよそ350℃を超えない温度での作動のための単一のSOI CMOS装置によって置き換えできる。
【００７０】
図6に示す無線遠隔測定装置76の実施形態に関する。アンテナ102は、電気信号を受信および/または送信するためのトランシーバであってもよく、遠隔測定送信器回路と同じ基板に製作される。遠隔測定送信器回路は、相互接続部98を介して互いに電気接続された電子回路90、マルチバイブレータ回路(図示略)、演算増幅器92、RF変調器94、および、RF発振器/送信器96を備え得る。基板80上の前述の構成部品に加えて、装置76は、電気回路90およびアンテナ102と電気通信している電源110を備えてもよい。前述の電気部品90、92、94、および96は、アンテナ102および/または電源110を備え、回路基板または集積チップの形態で、基板または基材80に形成される。代替で、電源110は、動翼または静翼に隣接する基材から離して搭載されてもよく、または、アンテナ102および電源の両方が基板から離されるが、遠隔測定送信器回路と電気通信したままであってもよい。
【００７１】
図6に示す実施形態と以下でより詳細に説明される図17〜図23に示す実施形態とは、巻線を備えた磁気コアが排除されている共振エネルギー伝送組立体を採用できる。これらの実施形態は、航空術(aeronautics)で使用されるより小さいモジュール式燃焼タービンエンジンでの使用にとって特に有利であり得る。より具体的には、このようなモジュール式タービンシステムは、例えば、ロータディスク302と一体に形成される動翼301であって、例えば、発電所で使用される圧縮機またはタービンの動翼の段よりも相当に小さい動翼301を備えるブリスク(blisk)を組み込んでいる。したがって、ブリスクは、図14に示す磁気コア190および200を備える電力誘導コイル組立体186および195を支持するために利用可能な十分な表面領域を有し得ない。
【００７２】
さらに、このようなモジュール式のタービンシステムでは、圧縮機またはタービンの段などの段全体が、隣接する段から分離されて交換できる。センサへの経路の電線は、典型的には、ロータを通って、タービンロータの一方の端または両方の端において、スリップリングまたは遠隔測定パックへと延びる。分離する段では、ロータを通るセンサへの経路の電線は、切断および再接続されなければならない。このプロセスは、時間および費用を使うことになり、再接続された電線は、元の経路の電線よりも、タービンの作動中における信頼性がはるかに低い。回転部品にセンサを必要とする各々の段に置かれた分散型の無線遠隔測定システムの使用は、圧縮機またはタービンの段を取り外しおよび交換するときに手作業で切断および再接続されなければならない配線を排除できる。
【００７３】
無線遠隔測定システムの構成部品は、ロータディスク302と一体に形成された複数の動翼301を備えるブリスク300に関して、図17に示されている。図示されたように、各々の動翼301は翼部303を備え、その翼部303にわたって高温の膨張するガスが流れ、ブリスク300をタービンのケース内で回転させる。対照的に、圧縮機ブリスクの回転は、周囲温度のガスをタービン外部から引き込んで回転する動翼を通過させ、後半の圧縮機の段を通って導かれるにつれてガスを圧縮し、タービンエンジンのタービンの段へと至らせる。各々の動翼301または翼部303は、動翼301などの回転部品と静翼(図示略)などの静止部品とが内部で位置決めされている、ケーシング305に隣接するが離間した関係にある先端部304を有している。ブリスク300は、タービンエンジンのための出力タービンまたは圧縮機での作動のために位置決めされてもよい。また、以下に説明する共振エネルギー伝送組立体は、動翼301などの回転部品または静翼などの静止部品の監視との関連で使用され得る。
【００７４】
埋め込まれているかまたは表面に搭載されているセンサ306が、動翼301の作動状態が監視されるための領域に関連して動翼301に配置されている。温度抵抗リード線またはコネクタ307が、センサ306を無線遠隔測定装置308と電気的につなげている。装置308は、作動温度が典型的には約150℃から250℃であるブリスク300のロータ309など、遠隔測定部品が比較的低い温度に曝される場所に好ましくは搭載できる。
【００７５】
センサ306と相互接続線307とは、プラズマ溶射、EB PVD、CVD、パルスレーザー蒸着、ミニプラズマ、直接描画、ミニHVOF、または溶液プラズマ溶射などの公知の付着プロセスを用いて付着できる。典型的には、動圧測定、動的歪み、静的歪み、および動的加速の測定が、部品表面温度および熱流束の測定と共に、燃焼タービン10の静止部品および回転部品の両方で望まれる。したがって、埋め込まれているかまたは表面に搭載されているセンサ306は、歪みゲージ、熱電対、熱流束センサ、圧力変換器、マイクロ加速度計ならびに他の所望のセンサとして構成され得る。さらに、センサを製作するために使用される材料は、圧縮機またはタービンの両方の構成部品について、図4に示すセンサ61に関して列記および説明された熱電対材料を含み得る。
【００７６】
図17〜図25に示す無線遠隔測定システムの実施形態は、圧縮機12またはタービン10内で、無線遠隔測定装置308およびセンサ306を備える組立体の回転部品に対して、静止した場所に搭載された一次コイルまたはプローブ310を具備している共振エネルギー伝送システムを備えている。例として、図17に示すように、一次コイル310は、圧縮機またはタービンのケーシング313に搭載でき、RF電源315へとつなげられている。図18に示すように、遠隔測定装置308は、図15に関連して説明されたものなどの遠隔測定回路312と、二次コイル311の形態で電源とを備えている。また、送信器装置308は、遠隔測定送信器回路312と電気通信しているRFデータアンテナ314を備えている。
【００７７】
本明細書において、一次コイルと以下に説明する二次コイルとに関連する用語「コイル」は、このような構成部品の物理的構成を必ずしも示すものではない。実際、「コイル」の一方または両方は、プローブの形態であってもよい。用語「コイル」は、コンデンサおよび誘導子などの適切に構成された電気部品を備える電力伝達および電力受信の装置を含み、振動する電流を一次装置から発生させ、振動する電流の周波数と同じ周波数で共振するように調整されている二次装置で電力を誘導するように意図されている。
【００７８】
作動中、一次コイル310は、電力をRF電源315から受け取り、振動する電磁放射信号場を生成し、エネルギーが遠隔測定送信器回路312に電力を供給する二次コイル311へと伝送される。センサ306は、動翼301などの構成部品の作動状態を示す電子データ信号を生成し、その電子データ信号は遠隔測定送信器回路312へと送信され、遠隔測定送信器回路312は電子データ信号をデータアンテナ314へと送る。電子データ信号は、動翼301などの構成部品の作動状態を示している。実施形態では、装置308は、アンテナ314および二次コイル311の両方が回路312と共に基材に付着される回路基板または集積チップとして製作できる。
【００７９】
エネルギーの伝送のための一次コイル310および二次コイル311に関する例示の回路が、図19に示されており、空芯変圧器を介してソースコイルまたは誘導子L3へとつなげられた送信コイルまたは誘導子L1を含む一次コイル310を備えている。同様に、二次コイルは、空芯変圧器を介してソースコイルL4へとつなげられた受信コイルまたは誘導子L2を備えている。送信コイルL1は抵抗Rcと共振コンデンサCとを備え、受信コイルL2もコイル抵抗Rcと共振コンデンサCとを備える。この例示の回路では、ソースコイルL3にあるソース抵抗Rsと負荷コイルL4にあるロード抵抗RLとは、共振システムのQに寄与せず、それによって、一次コイル310と二次コイル311との間のつながりを増加させ、そのため、電力が送信できる距離を増加させる。一次コイル310および二次コイル311に関するそれぞれのRLC回路は、電力が一次コイル310から二次コイル311へと送信できるようにコイル310および311が同じまたは共通の周波数で共振するように、調整されている。
【００８０】
コイル310および311は、Ni、Ni基超合金、インコネル(登録商標)、金、白金、または、約250℃以上の温度で有効な他の材料など、温度および酸化に耐性のある材料から構成され得る。また、RF電力ドライバが、コイルがHzからGHzの範囲の間の共通の周波数で共振するように、一次コイルへの電源として機能でき、共通の周波数は、例示の実施形態では1MHzから約15MHzとなっており、好ましくは約10MHzである。
【００８１】
前述のように、アンテナ314は回路基板に印刷され、アンテナ314の所望の長さは次のように計算される。
【００８２】
【数１】
2015524036.tif 000003
【００８３】
ここで、cは自由空間における光の速さであり、fはキャリア信号の周波数であり、εrは基材の誘電率である。例えば、LTCC(低温共焼成セラミック)基材に関連して、f=80MHzおよびεr=6.7で、478mmのアンテナ長さは、回路基板の許容可能な大きさをはるかに超えてしまう。したがって、アンテナの配線は、往復する折り畳まれた構成で提供され得る。例示の単極アンテナの配置が図20に示されている。また、二次コイル311は、RF変調器と遠隔測定送信器回路312のマルチバイブレータ回路との間の干渉を回避するために、接続する信号経路を除いて、遠隔測定回路312から十分に分離されるべきである。
【００８４】
図21は、ブリスク300およびステータ323の断面図を示しており、それらは、ブラケット318を用いてブリスク300のロータディスク302に隣接して搭載され得るRF透過カバー317内に収容された遠隔測定送信器組立体316を備える本発明の実施形態を伴っている。前述のように、組立体316は、集積チップとして同じ基材に製作された遠隔測定回路312と、二次コイル311と、データアンテナ314と、を備えている。図22で見ることができるように、コネクタ319が、リード線307およびセンサ306を遠隔測定送信器回路312へと電気接続するために提供される。実施形態では、遠隔測定送信器回路312、二次コイル311、およびアンテナ314は、高温で使用可能な非導電性で高い誘電性の埋め込み材料で、RF透過カバー317内に固定できる。
【００８５】
図21にも関連して、回転データアンテナ314が静止データアンテナ320との通信のために提供され得、静止データアンテナ320は、データ送信アンテナ320をブラケット322と固定するために非導電性保持具321内に挿入される。ブラケット322は、ステータ323としての静止部品、または、ステータ323に関連した静止シール部分に搭載される。非導電性保持具321は、静止データ送信アンテナ320が、金属から製作され得るブラケット322に接触しないことを確保し、それによって正しい作動を確保している。非導電性保持具322は、同じZTA強化セラミック、または、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、アルミナ、または、RF透過カバー317に対して使用される他の高温セラミック材料から製作できる。図13に示すような、弓形のブラケットにアンテナ320を採用する場合、保持具322は可撓性を提供するために分割されてもよく、これは曲がったブラケットでの設置を可能にする。実施形態では、静止アンテナ320は、電子データ信号がタービンエンジンの作動の間の任意の位置または時間に回転データアンテナ314から受信できるように、ステータ323において周方向に延在できる。図示するように、動翼301の作動状態を監視するために、回転データアンテナ314から受信された電子データ信号が処理のために送信されるように、電気リード線340は、静止アンテナ320を制御装置または処理装置341へと電気接続している。
【００８６】
図23に示す別の実施形態では、二次コイル311は、動翼301の翼部303の先端部304に付着できる。図示するように、電気リード線324も、動翼301に付着され、前述の手法でロータディスク302に取り付けられた遠隔測定回路312にコイル311を電気接続している。このような実施形態では、回転データアンテナ314は、回路基板80上に遠隔測定回路312と共に製作でき、これは、基板80が配置される領域でのアンテナブロックに対する必要性を排除する。このことは、動翼またはブリスクの根元部区域で、無線遠隔測定システムを配置するために必要とされる領域を減らす。
【００８７】
図24を参照すると、本発明の別の実施形態があり、二次コイル311および回転データアンテナ314の両方が、動翼301の翼部303に付着されている。前述のように、電気リード線324は、コイル311を遠隔測定送信器回路312へと電気接続し、それによって回路312に電力を供給する。また、電気リード線325は、電気データ信号を送信器回路312から回転データアンテナ314へと送る。このような実施形態では、アンテナ314は、動翼301にあり、遠隔測定回路312の基材にはなく、RF透過カバーは必要とされない。遠隔測定回路312は、図11に示すような電子機器パッケージに収容でき、ロータディスク302に搭載できる。
【００８８】
図25に関して、共振エネルギー伝送システムを含んだ無線遠隔測定システムの実施形態が示されており、そのシステムは、各々が遠隔測定送信器回路を備える2つの遠隔測定送信器装置330および331を含んでいる。より具体的には、システムは、第1のまたは回転する送信器装置330と、第2のまたは静止する送信器装置331と、を備えている。図25は、タービンまたは圧縮機の前述のブリスク300などの回転部品の断面図であり、より大きな圧縮機およびタービンのタービン動翼の段も表すことができる。また、ブリスク300は、ステータ323などの静止部品に隣接して位置決めされている。
【００８９】
前述のように、第1の(または回転する)遠隔測定装置330は、遠隔測定送信器回路312と、データアンテナ314と、集積チップとして製作された二次コイル311と、を備え得る。代替で、データアンテナ314および/または二次コイル311の一方または両方は、動翼301または翼部303にある。また、1つまたは複数のセンサ306が、圧縮機12またはタービン10の作動中に監視されるように意図された動翼301の部分に配置されている。電気リード線307は、動翼301の作動状態を示す電気データ信号を遠隔測定送信器回路312へと送るために、センサ306を遠隔測定送信器回路312へと接続している。送信器回路312は、第1のアンテナ314に電気接続されており、電気データ信号をアンテナ314へと送る。
【００９０】
図示するように、遠隔測定システムは、RF電源315へとつなげられる一次コイル310を備え、RF電源315は一次コイル310に電流または電力を供給する。一次コイル310は、タービンまたは圧縮機のケーシング305など、ブリスク300に対して静止した場所に位置決めされている。前述のように、電力をRF電源315から受け取る一次コイル310は、振動する電磁放射信号場を生成し、エネルギーが、遠隔測定送信器回路312に電力を供給する二次コイル311へと伝送される。
【００９１】
アンテナ314が遠隔測定回路312と同じ基材上に製作されると仮定して、遠隔測定装置330は、回路312をブリスク300のロータディスク302へと取り付けるために、RF透過カバー317とブラケット318とを備えている。RF透過カバーは、アンテナ314が、動翼301に、または、ブリスク300上で遠隔測定送信器回路312の基材以外のある他の場所に、配置されているかどうかということは要求されない。
【００９２】
図25に示す実施形態では、無線遠隔測定システムは、タービン10または圧縮機12内の静止部品の状態を示す電子データ信号を取得および送信するための機構も備えている。したがって、第2のまたは静止する遠隔測定装置331は、ステータ323に取り付けられている。第1の遠隔測定装置330と同様に、第2の遠隔測定装置331は遠隔測定回路332とアンテナ333(静止アンテナまたは第2のアンテナとも称される)とを備えており、それら遠隔測定回路332およびアンテナ333は、集積チップの形態で基材上に製作されるが、しかしながら、アンテナ333は、図22に示すように、遠隔測定回路332から離れたステータに取り付けられてもよい。
【００９３】
図25でさらに示すように、1つまたは複数のセンサ335が、ステータ323または他の静止部品の状態を監視するために、圧縮機12またはタービン10の静止した場所に位置決めされている。電気リード線334は、センサ335を第2のまたは静止する遠隔測定回路332へと電気接続し、静止部品の状態を示す電子データ信号を第2の遠隔測定回路332へと送信している。遠隔測定回路332はアンテナ333と電気通信して、信号を第2のまたは静止するアンテナ333へと送っている。静止アンテナ333は、遠隔測定回路332の基材と同じ基材上に製作されてもよいし、または、図21に示すように別々に搭載されてもよい。さらに、RF透過カバー317は、乱流および遠心の負荷などの作動状態が動翼301およびディスク302に対して苛酷ではないため、第2の遠隔測定回路332またはアンテナに対して必要ではない。
【００９４】
好ましい実施形態では、電源336が、電気リード線337を介して第2の遠隔測定回路332へとつなげられる。この電気接続は、十分な電力を遠隔測定回路332に提供して、センサ335からの信号をアンテナ333へと送り、さらに第2または静止するアンテナ333からの電子データ信号を受信器338へと送信するために、必要であり得る。図示するように、受信器338は、第2のアンテナ333に隣接する静止した場所に搭載されており、静止部品および回転部品の作動状態を示す電子信号を処理するための制御装置または処理装置339へとつながれている。アンテナ333は、静止するセンサ335および遠隔測定回路332から受信される電子データ信号と、回転アンテナ314から送信される電子データ信号と、を送信するように構成されている。電子データ信号は、静止アンテナ333から、無線で、または、電子リード線(図示略)を介して送信できる。この方法で、静止アンテナ333は、タービン10または圧縮機12の静止部品および回転部品の両方の作動状態に関する電子データ信号を受信および送信する。
【００９５】
図26〜図31に示す遠隔測定システムの実施形態は、ステータ323の静止シール部分に搭載された一次誘導コイル組立体400と、タービン動翼406に搭載された二次誘導コイル組立体402と、を具備する誘導電力システムを備えている。各々の組立体400、402は、セラミック基材またはプリント配線基板404上に、平面巻線410、420として形成されている誘導コイルを備えている。例えば、巻線410、420は、低温共焼成セラミック(LTCC)または高温共焼成セラミック(HTCC)のプリント配線基板上に形成されてもよい。金、銀、白金、および/またはそれらの合金などの導電性材料が、巻線を形成するために使用できる。具体的には、Dupontによって製造される951 Green Tapeなど、低温共焼成セラミックのテープが、巻線410、420を形成するために使用できる。このような金属および/または金属の合金のLTCC基板との組み合わせでの使用は、最大でおおよそ1500℃までの温度で確実に機能する一次コイルおよび二次コイルを提供し、LTCCは、典型的には、1,000ボルトを超える誘電強度および絶縁強度を有しており、これは、従来の誘導コイルよりも多くの電力の発生を可能にする。
【００９６】
また、図26および図27に示すように、鉄またはフェライトなどの強磁性またはフェリ磁性の材料から好的に製作される磁気コア412は、インダクタンスを強化または増加させるために、基板に搭載または接着され得る。中心に位置決めされたスロットが基板404に形成でき、磁気コア412はスロットに挿入され、公知の埋め込み材料および技術を用いて基板に取り付けられる。代替で、磁気コアは図28に示すように必要とされない。磁気コア412は、それぞれの組立体400、402のインダクタンスを増加するために使用できる。
【００９７】
再び図26に関して、複数の一次誘導コイル組立体400が、端と端とをつないで並べられ、ステータ323の静止シール部分180に取り付けられている。本明細書で用いられるように、誘導コイル組立体は、単一の組立体、または、図示するような端と端とをつないで並べられた複数の組立体を含むように意図されている。本発明の実施形態では、複数の一次誘導コイル組立体400がステータ323において端と端とをつないで並べられ、好ましくは、ステータ323の静止シール部分の周囲全体にわたる。図示するように、基板404は、San Diego、CaliforniaにあるCOI Ceramics, Inc.によって製造されるNextel 720などのセラミックマトリクス複合材料から好ましくは製作されたケーシング414内に配置されている。ケーシング414は静止シール部分にボルト留めでき、基板404は、好ましくは、ボルト424がケーシング414内での基板404の位置合せのために通るように挿入される開口426を備えている。
【００９８】
誘導コイル組立体400および402が単一の基板または基材を備えているように示されているが、実施形態では、組立体400、402は、複数のセラミック誘電体層と、基材の上面、底面、または表面に形成された平面巻線を各々具備する複数の導電層とを備えてもよい。また、内部導電層は、連続するセラミック誘電体層同士の間に形成されている。各々の導電層の平面巻線は、次の隣接または連続する平面巻線とスルーホールまたはビアを通じて電気接続され、そのため、巻線は、誘導子のための集積されたコイルを形成するために、上面から底面へと接続される。
【００９９】
このような多層化された基板500の概略図が図29に示されている。図示するように、基板500は、3つのセラミック誘電体層501、503、および505と、4つの導電層502、504、506、および508とを備えており、各々の導電層は、基板500が一次誘導コイル組立体400の構成部品であるか、または、二次誘導コイル組立体402の構成部品であるかに依存して、一緒になって集積された平面巻線またはコイル410または412を形成する平面巻線を表している。前述のように、各々の導電層または巻線は、中間の誘電体層501、503、および505に形成されて導電するように充填または配線されたビアまたは孔(図示略)を通じて、連続した隣接する層に電気接続されている。基板500は最上位の導電層502において電源に接続されており、電流は最上位の導電層502にある平面巻線から第2の導電層504を形成する平面巻線へと流れ、次に第3の導電層506および第4の導電層508を形成する平面巻線へと流れる。
【０１００】
図29および図30A〜図30Dに示す実施形態が4つの導電層を備える一方、代替の実施形態は、より多くの導電層、または、より少ない導電層を含んでもよい。実際、このような多層化された構成に関して、基板500は、2つといった少ない導電層、または、30以上といった多くの導電層を含むことができる。好ましい実施形態では、基板500は、基板500の上面および底面に平面巻線を備えるように、偶数の導電層と奇数の誘電体層とを備える。
【０１０１】
各々の導電層502、504、506、および508における平面巻線410A〜410Dの構成は、図30A〜図30Dに示されている。平面巻線410A〜410Dは、一次誘導電力組立体400と接続されて、図30Aに示されている。図30Aによれば、第1の基板500Aの最上位または第1の導電層502が、電線434を介して隣接する第2の基板500n、および、続いて最後の基板500Cまで直列に接続されて示されている。巻線410Aは、電気入力のための電源336に接続されている。また、最後の基板500Cの最上位の導電層502の巻線410Aは、直列に接続された複数の誘導電力組立体400を備える回路を完結するために、電源336の負極に接続されている。
【０１０２】
図30Aでさらに示されるように、最上位または第1の導電層502の平面巻線410Aは、概して螺旋状の構成を備えており、電流が巻線410Aの最外端510Aにおいて平面巻線410に入力するように、電源336に接続されている。そのため、電流は、矢印AおよびBによって表されるような時計回りの方向に、巻線410Aの最外端510Aから巻線410Aの最内端512Aへと流れる。巻線410Aの最内端512Aは、さらに、図30Bに示されている第2の導電層504についての平面巻線410Bの最内端512Bに、1つまたは複数のビア520によって接続されている。
【０１０３】
図30Bに関して、第2の導電層504の平面巻線410Bは、平面巻線410Aから流れる電流が最内端512Bから時計方向で巻線410Bの最外端510Bへと流れるように、同じく概して螺旋状の構成を備えるように示されている。第2の導電層504の巻線410Bの最外端510Bは、図30Cに示されている第3の導電層506の平面巻線410Cの最外端510Cに、ビア522によって電気接続されている。
【０１０４】
図30Cに関して、第3の導電層506の平面巻線410Cは、平面巻線410Bから流れる電流が最外端510Cから時計方向で巻線410Cの最内端512Cへと流れるように、同じく概して螺旋状の構成を備えるように示されている。第3の導電層506の巻線410Cの最内端512Cは、さらに、第4の導電層508の平面巻線410Dの最内端512Dに、ビア524によって電気接続されている。
【０１０５】
図30Dに関して、第4の導電層508の平面巻線410Dも、電流が矢印AおよびBによって表されるような時計回りの方向に流れる状態で、同じく概して螺旋状の構成を備えている。誘導電力システムの好ましい実施形態では、各々の一次誘導コイル組立体400は、前述の集積されたコイルおよび巻線を備えている。集積された誘導コイルおよび巻線を提供することで、各々の組立体400および巻線410によって生成または伝送される磁場および電力の量は増加される。
【０１０６】
前述の誘導コイル組立体は磁気コアを備えてもよい。より具体的には、各々の螺旋形状とされた平面巻線は、巻線410内に中心領域530を含んでいる。また、各々の誘電体の領域530は並べられてもよく、スロットが、各々のこのような誘電体層に形成され、そのスロットにおいて磁気コアが固定される。
【０１０７】
遠隔測定システムは、図29に示されており、ステータ323の静止シール部分に搭載された一次誘導コイル組立体400と、タービン動翼301についての根元部の端面またはロータディスク302に搭載された二次誘導コイル組立体402と、を備えている。前述のように、複数の一次誘導コイル組立体400がステータ323において端と端とをつないで並べられ、好ましくは、ステータ323の静止シール部分の周囲全体にわたる。したがって、基板または基材404は概して弓形とされ得る。また、図27および図28に示すように、電気パッド430が、各々の基板に形成されており、巻線410に電気接続されている。この方法で、図26に見ることができるように、平面巻線410が直列に接続されるように、電線434が隣接する組立体400の電気パッド430に半田付けまたはろう付けされてもよい。
【０１０８】
図29に示す実施形態では、二次誘導コイル組立体402は、セラミック基材404および巻線420が中に搭載されるケーシング416も備えている。図示するように、遠隔測定回路418およびアンテナ422がケーシング416内に配置されてもよい。誘導巻線410と同様に、遠隔測定回路418およびアンテナ422は、巻線420が形成された基材と同じであり得る、または、別の基材であり得るLTCC基材に形成できる。代替で、遠隔測定回路418および回転データアンテナ422は、二次誘導コイル組立体に隣接する別のケーシングにあってもよい。いずれの場合でも、遠隔測定回路418は、巻線412とアンテナ422とに接続されている。また、図26および図31に示す遠隔測定システムの実施形態が、ステータに直に搭載されたケーシング414を備えている一方で、ケーシングは、図12および図22に示すブラケットなど、他の機構を用いてステータ323に搭載されてもよい。
【０１０９】
一次誘導コイル組立体400は、電気リード線337を介して、電源336と電気通信して配置されている。一次コイル400は、電力を電源336から受け取り、振動する磁場を生成し、エネルギーが、遠隔測定送信器回路418に電力を供給する二次コイル402へと伝送される。例えば動翼の翼部にといった、タービン動翼301に搭載されたセンサ428が、遠隔測定回路418と電気通信して設けられており、回転部品と関連する作動パラメータを検出し、タービン動翼302の状態を示す電子データ信号を生成する。これらの電子データ信号は、遠隔測定送信器回路418を介してアンテナ422へと送信される。センサ428は、前述したセンサのいずれかを含んでもよく、所定の場所に、遠隔測定回路へのセンサおよび電気接続を形成する際の付着技術を含む前述した技術を用いて、タービン動翼301に取り付けできる。
【０１１０】
静止データアンテナ436は、回転データアンテナ422からの電子データ信号を受信するために、回転データアンテナ422に隣接するタービン10または圧縮機12の内部または表面の領域に搭載されている。図31に示すように、アンテナ436は一次誘導コイル組立体のケーシング414内に搭載でき、ケーシング414に固定された電線を単に含み得る。代替で、アンテナ436は、一次巻線410が形成されるセラミック基材404、または、別の基材に形成されてもよい。さらに別の実施形態では、アンテナ436は、別のケーシングにあってもよいが、しかしながら、任意の実施形態では、アンテナ436は、タービン10または圧縮機12において回転アンテナ422に対して位置決めされる必要があり、それによって電子データ信号が受信されることになる。
【０１１１】
好ましい実施形態では、複数の静止アンテナ436が用いられ、一次誘導コイル組立体400の各々のケーシング414内など、複数の場所においてステータ323の静止シール部分に搭載されてもよい。複数の静止アンテナ436がステータ323の静止シール部分の周囲の周りに位置決めされていれば、静止アンテナ436は、タービン10または圧縮機の作動中にロータが回転するとき、回転データアンテナ422の場所に拘わらず電子信号の受信に対して使用可能である。そのために、静止アンテナ436は、例えばタービン動翼といったタービン部品の状態を示す電子データ信号を処理するための処理装置438と電気通信して配置されている。
【０１１２】
さらに、複数の一次誘導コイル組立体400の配置は、回転する二次コイル組立体の位置に拘わらず、一次コイル組立体400と二次コイル組立体402との間の電力のつながりを提供する。好ましい実施形態では、一次誘導コイル組立体は、ステータ323の静止シール部分180の周りで360°にわたる。本発明の実施形態は、静止する一次巻線410を駆動するために、約0.25MHzから約2MHzまでの周波数などの高周波を、そのような周波数で作動するように設計された電力ドライバを用いて採用できる。
【０１１３】
本発明の好ましい実施形態が本明細書で示されて説明されてきたが、このような実施形態が単なる例として提供されていることは明白である。多くの変形、変化、および代替の態様が、本明細書において、本発明から逸脱することなく、当業者には思い浮かぶであろう。したがって、本発明が添付の請求項の精神および範囲のみによって限定されることが、意図されている。
【符号の説明】
【０１１４】
1  列
10  燃焼タービン
12  圧縮機
14  燃焼器
16  タービン
18  動翼
19  動翼
20  中心シャフト
22  静翼
23  静翼
26  熱障壁被膜(TBC)
50  センサ
51  電源
52  リード線、コネクタ
53  遠位端
54  送信器
56  トランシーバ
58  ハブ
60  TBC
61  センサ
62  接着塗装
64  基材
66  熱電対
70  動翼、センサ
72  コネクタ
74  センサ
76  無線遠隔測定装置
78  根元部
80  基板、基材
90  電子回路、電気回路
92  演算増幅器
94  変調器
96  RF発振器/送信器
98  相互接続部
100  電源
102  送受信アンテナ
110  動翼、電源
112  動翼根元部
114  凹部、溝部
116  凹部、溝部
120  アンテナ
122  送信器
130  動翼
132  根元部
134  センサ、歪みゲージセンサ
136  凹部
138  送信器
140  コネクタ、リード線
142  回転アンテナ組立体
150  無線遠隔測定送信器組立体
152  リード線、コネクタ
154  電子機器パッケージ
155  接続ピン
156  搭載ブラケット
158  蓋、カバープレート
159  保持ねじ
160  セラミック繊維織物
162  凹部、平面窪み
164  フランジ
170  RF透過カバー、筺体
171  リード線
174  回転アンテナ搭載ブラケット
178  上端
180  静止シール部分
182  弓形ブラケット
184  静止データ送信アンテナ
185  非導電性保持具
186  一次誘導コイル組立体
190  静止コア、巻線コア
192  静止一次巻線
194  H形セメント
195  回転二次誘導コイル組立体
200  回転コア、巻線コア
201  回転二次巻線
202  回転データ送信アンテナ
203  非導電性保持具
210  遠隔測定送信器回路
300  ブリスク
301  動翼
302  ロータディスク
303  翼部
304  先端部
305  ケーシング
306  センサ
307  温度抵抗リード線、コネクタ、相互接続線
308  無線遠隔測定装置
309  ロータ
310  一次コイル、プローブ
311  二次コイル
312  遠隔測定送信器回路
313  ケーシング
314  回転データアンテナ
315  RF電源
316  遠隔測定送信器組立体
317  RF透過カバー
318  ブラケット
320  静止データアンテナ、データ送信アンテナ
321  非導電性保持具
322  ブラケット、非導電性保持具
323  ステータ
324  電気リード線
325  電気リード線
330  遠隔測定送信器装置、第1のまたは回転する送信器装置
331  遠隔測定送信器装置、第2のまたは静止する送信器装置
332  遠隔測定回路
333  第2のまたは静止するアンテナ
334  電気リード線
335  センサ
336  電源
337  電気リード線
338  受信器
339  制御装置、処理装置
340  リード線
400  一次誘導コイル組立体、誘導電力組立体
402  二次誘導コイル組立体
404  セラミック基材、プリント配線基板
406  タービン動翼
410  平面巻線
410A  平面巻線
410B  平面巻線
410C  平面巻線
410D  平面巻線
412  磁気コア、巻線
414  ケーシング
416  ケーシング
418  遠隔測定送信器回路
420  平面巻線
422  回転データアンテナ
424  ボルト
426  開口
428  センサ
430  電気パッド
434  電線
436  静止データアンテナ
438  処理装置
500  基板
500A  第1の基板
500C  最後の基板
500n  第2の基板
501  セラミック誘電体層
502  最上位の導電層、第1の導電層
503  セラミック誘電体層
504  第2の導電層
505  セラミック誘電体層
506  第3の導電層
508  第4の導電層
510A  最外端
510B  最外端
510C  最外端
512A  最内端
512B  最内端
512C  最内端
512D  最内端
520  ビア
522  ビア
524  ビア
530  中心領域
A  初期隙間
C  共振コンデンサ
L1  送信コイル
L1  誘導子
L2  受信コイル
L2  誘導子
L3  ソースコイル
L3  誘導子
L4  ソースコイル
【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】
2015524036.tif 000010
【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】
2015524036.tif 000022
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
2015524036.tif 000028
【図２６】
2015524036.tif 000029
【図２７】
2015524036.tif 000030
【図２８】
2015524036.tif 000031
【図２９】
2015524036.tif 000032
【図３０Ａ】
2015524036.tif 000033
【図３０Ｂ】
2015524036.tif 000034
【図３０Ｃ】
2015524036.tif 000035
【図３０Ｄ】
2015524036.tif 000036
【図３１】
2015524036.tif 000037
【国際調査報告】
2015524036.tif 000038
2015524036.tif 000039