無線遠隔測定用計装構成要素
タービンブレード(301)またはベーン(22)と接続する第１のセンサ(306)を含む燃焼タービンエンジン(10)で用いる遠隔測定システム。第１の遠隔測定送信回路(312)がタービンブレードに取り付けられ、ブレードの状態を示す電子データ信号を、センサから、タービンブレードに取り付けられあるいは回路の基板と同じ基板にある回転データアンテナ(314)へ送る。電子データ信号を回転データアンテナから受信するために、静止データアンテナ(333)が回転データアンテナに対して近接且つ離間した静止構成要素(323)に取り付けられ得る。第２のセンサ(335)は、静止構成要素を示す電子データ信号を第２の遠隔測定回路(332)へ送信し、第２の遠隔測定回路(332)はその信号を静止アンテナへ送る。静止アンテナは、電子データ信号を受信器(338)へ送信する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
この出願は、２００７年１１月８日に出願された米国特許出願第１１／９３６，９３６号の一部継続出願であって、その優先権を主張するとともに、２０１０年２月１日に出願された米国仮出願第６１／３００，１８４号および２０１０年２月１日に出願された米国仮出願第６１／３００，１８８号の利益も主張し、前記出願の全てはその全体が参照することにより本願に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、一般に動作環境の監視に関し、特に、燃焼タービンエンジンの動作環境などの動作環境の中にある個々の構成要素の状態を示す電子データを無線で送信することができる計装構成要素および遠隔測定システムに関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の態様により、燃焼タービンエンジンの特定の区域内など、約４５０℃またはこれ以上までの動作温度を有する動作環境内の回転構成要素または静止構成要素での動作用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】
【０００４】
燃焼タービンエンジンで用いるための例示的な高温遠隔測定システムは、タービンブレードなどの構成要素上に配置された少なくとも１つのセンサを含み得る。遠隔測定送信回路をタービンブレードに装着することが可能であり、該タービンブレード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回路へ送るために、接続材をタービンブレードに装着することが可能である。タービンブレードなどの構成要素に装着した回転データアンテナ、および、タービンブレードに隣接する静止シールセグメントに装着した静止データアンテナを備えた誘導給電システムを、遠隔測定送信回路へ給電するために設けることも可能である。
【０００５】
遠隔測定システムの一態様では、共振エネルギ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、一次コイルまたは電力／エネルギ送信装置が、回転構成要素に装着された二次コイルまたは電力／エネルギ受信装置に近接する、タービンまたはコンプレッサにおける静止位置に配置される。一次コイルが振動電流信号を送信し、そして二次コイルが、振動電流信号の送信周波数とほぼ同じ周波数で共振する。二次コイルおよび回転データアンテナは、遠隔測定送信回路が形成される同じ基板に形成される。あるいは、二次コイルおよび回転データアンテナの一方または両方は、タービンまたはコンプレッサのブレードの翼部分に配置され得る。一態様において、一次コイルは、ブレードの先端に対して近接且つ離間してコンプレッサまたはタービンのためのケーシングに、取り付けられ得る。
【０００６】
コンプレッサまたはタービンのブレードなどの回転構成要素と接続するセンサは、当該回転構成要素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送る遠隔測定送信回路と、電気的にリンクする。そして、回転データアンテナが電子データ信号を静止アンテナへ送信し、静止アンテナは、受信器および／またはプロセッサへ信号を伝送する。
【０００７】
他の態様において、静止遠隔測定送信回路が、コンプレッサおよびタービン内に配置され、ブレードに取り付けられた上述の回転遠隔測定送信回路と併せて使用される。静止構成要素と接続する１つ以上のセンサが、静止構成要素を示す電子データ信号を静止送信回路へ送信し、続いて静止送信回路が、電子データ信号を処理して静止データアンテナへ送る。したがって、静止データアンテナは、静止構成要素および回転構成要素の動作状態を示す電子データ信号を、処理用の受信器へ送信するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】例示的な燃焼タービンの断面図である。
【図２】例示的な燃焼タービンベーンの斜視図である。
【図３】図２のベーンの側面図である。
【図４】基板に配置された例示的な熱流速センサである。
【図５】例示的なタービンブレード、センサ、および、無線遠隔測定装置の斜視図である。
【図６】例示的な無線遠隔測定装置の概略図である。
【図７】例示的なコンプレッサブレードの部分斜視図である。
【図８】図７の例示的なコンプレッサブレードの部分側面図である。
【図９】図５の例示的なタービンブレードの部分断面図である。
【図１０】図９の例示的なタービンブレードの斜視図、遠隔測定送信器ハウジングの分解図、および、タービンブレードに取り付けられる例示的な回転アンテナアセンブリである。
【図１１】図１０の遠隔測定送信器ハウジングの例示的な実施形態の分解図である。
【図１２】例示的な回転アンテナアセンブリの部品を示す。
【図１３】例示的な実施形態の静止アンテナアセンブリが取り付けら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的な回転電源・アンテナアセンブリが取り付けられたタービンブレードアセンブリの部分断面図である。
【図１５】例示的な遠隔測定送信回路のブロック図である。
【図１６】例示的な誘導給電駆動回路の概略図である。
【図１７】センサおよび遠隔測定装置を含む無線遠隔測定部品を有するブリスクの部分斜視図である。
【図１８】センサに結合される遠隔測定装置の概略図である。
【図１９】共振エネルギ伝送システムのための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】回転データアンテナをその上に含むブリスクのロータ上の遠隔測定装置およびステータ上の静止アンテナの概略断面図である。
【図２２】ＲＦ透明カバー内に収容される送信装置を示す。
【図２３】エネルギ受信コイルがブリスク用ブレードにある無線遠隔測定システムの一実施形態である。
【図２４】エネルギ受信コイルおよび回転データアンテナがブリスク用ブレードにある無線遠隔測定システムの一実施形態である。
【図２５】静止構成要素および回転構成要素に関するデータを送信するために静止遠隔測定回路および静止アンテナが使用される無線遠隔測定システムの一実施形態である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、電気を発生させるために使用されるガスタービンなどの例示的な燃焼タービン１０を示している。本発明の実施形態は、燃焼タービン１０と共に使用され得るし、あるいは、多くの他の動作環境で様々な目的のために使用され得る。燃焼タービン１０は、コンプレッサ１２と、少なくとも１つの燃焼器１４（破断されている）と、タービン１６とを含む。コンプレッサ１２、燃焼器１４、およびタービン１６は、時として、総称してガスまたは燃焼タービンエンジン１０と称される。タービン１６は、回転可能な中心シャフト２０に固定される複数の回転ブレード１８を含む。複数の静止ベーン２２がブレード１８間に配置され、当該ベーン２２は、ブレード１８を越える空気を案内するように寸法付けられて構成されている。ブレード１８およびベーン２２は、一般に、ニッケル系合金から形成されており、イットリア安定化ジルコニアなどの熱バリアコーティング剤（「ＴＢＣ」）２６でコーティングされ得る。同様に、コンプレッサ１２は、各ベーン２３間に配置される複数の回転ブレード１９を含む。
【００１０】
使用時、空気がコンプレッサ１２を通じて引き込まれ、該コンプレッサで空気が圧縮されて燃焼器１４へ向けて押し進められる。燃焼器１４は、空気と燃料とを混合して点火し、これにより作動ガスを生成する。この作動ガスの温度は、一般に、ほぼ１３００度以上になる。この作動ガスは、タービン１６を通じて広がり、ベーン２２によりブレード１８を横切って案内される。タービン１６を通過するガスがブレード１８およびシャフト２０を回転させ、これにより、使用可能な機械的作用がシャフト２０を通じて伝えられる。燃焼タービン１０は、冷却剤、例えば蒸気または圧縮空気をブレード１８およびベーン２２へ供給するように寸法付けられて構成される冷却システム（図示せず）を含み得る。
【００１１】
タービンブレード１８およびベーン２２が内部で動作する環境は、特に厳しく、ブレード１８およびベーン２２の深刻な劣化をもたらす場合のある、高い動作温度および腐食性雰囲気に晒される。これは、特に、ＴＢＣ２６が砕ける、あるいは劣化する場合に起こり得る。本発明の実施形態は、燃焼タービン１０の動作中の構成要素の状態を示すリアルタイムないしはほぼリアルタイムなデータを構成要素から伝えることができるため、有益である。
【００１２】
参照することにより開示内容が本願に組み入れられる米国特許第６，５７６，８６１号は、センサ、および、該センサを送信器と接続するための、あるいはデータ信号を送るためのコネクタの実施形態を配置するために使用可能な方法および機器を開示する。この点で、この特許に開示される方法および機器は、マスク不要で約１００ミクロンから５００ミクロンの間の微細なセンサおよび／またはコネクタ主要部のパターニングのために使用され得る。多層電気回路およびセンサは、導電材料、抵抗材料、誘電材料、絶縁材料、および他の特定用途材料を使用する主要部を配設することによって形成され得る。代わりの方法を、多層電気回路、センサ、およびコネクタを形成するために使用可能であり、例えば、溶射、蒸着、レーザ焼結、および低温溶射材料堆積の硬化、その他の適した技術が使用され得る。
【００１３】
図２は、コンプレッサ１２から取り出した一対の隣接するベーン２３を示しており、一方のベーン２３には、該ベーンの状態を検出するためにセンサ５０が取り付けまたは接続されている。データ信号をセンサ５０から送信器５４へ送るための手段としてリード線またはコネクタ５２を配置可能であり、送信器５４はデータ信号をトランシーバ５６へ無線送信するように構成される。コネクタ５２は、センサ５０からの信号を送信器５４へ導くための１または複数の電気リード線であり得る。代わりの実施形態では、特定の用途に応じて、センサ５０からのデータ信号を送信器５４へ送るための手段として様々なタイプのコネクタ５２を使用可能である。
【００１４】
送信器５４は、マルチチャンネルとすることが可能で、燃焼タービン１０のケーシング内での位置に応じて様々な仕様をもち得る。送信器５４は、約８０℃〜１２０℃の動作温度に晒されるコンプレッサ１２の初期のステージ中で機能するように構成することもできる。送信器５４は、コンプレッサ１２のその後のステージ中および／または約１２０℃を超え約３００℃までの動作温度に晒されるタービン１６のステージ中で機能するように構成することもできる。送信器５４は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）技術と、約１２０℃を超える温度を伴う領域で作用できる他の材料とを使用して、形成することができる。
【００１５】
図３は、センサ５０が接続されるとともにセンサ５０を送信器５４と接続するコネクタ５２を有するコンプレッサベーン２３の概略平面図を示している。送信器５４に給電するための適切に寸法付けられたバッテリなどの電源５１が設けられ得る。送信器５４は、後にトランシーバ５６へ無線送信される信号をセンサ５０からコネクタ５２を介して受信することができる。トランシーバ５６は、ハブ５８上に、あるいは、例えば図１に示される例示的な位置などコンプレッサ１２の外側表面上に、取り付け可能である。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けるために送信器５４に十分に近接する範囲内にあれば、様々な位置に取り付け可能である。
【００１６】
１つ以上のセンサ５０が、センサ５０およびコネクタ５２をベーン２３の表面に直接的に形成または配置することによって、１つ以上のコンプレッサベーン２３と接続され得る。コネクタ５２は、コネクタ５２の先端５３が送信器５４への接続のために露出するように、センサ５０からベーン２３の外周縁などの終端位置へ、延伸し得る。センサ５０およびコネクタ５２は、ベーン２３の空気動力学に対するいかなる影響も最小限に抑えるように、ベーン２３に配置するのがよい。本実施形態では、コネクタ５２の先端５３は、構成要素の外周縁付近または他の適した位置であり得る終端位置で露出させることができる。これにより、現場技術者は、コネクタ５２を送信器５４に、位置にかかわらず迅速且つ容易に接続できる。
【００１７】
図４は、イットリア安定化ジルコニアであり得るＴＢＣ６０などのバリアコーティング中に配置され得る例示的なセンサ６１を示している。ＴＢＣ６０は、基板６４上に配置され得る接着コート６２上に配置可能である。基板６４は、タービンブレード１８など、タービン１６で用いるのに適した超合金などの各種構成要素であり得る。センサ６１は、様々な目的のために形成可能で、熱電対６６を含むこともできる。熱電対６６は、従来のＫ、Ｎ、Ｓ、ＢおよびＲ型の熱電対材料を使用して、あるいは、燃焼タービン１０内の特定の用途のために許容される熱電電圧を発生させるようなその各要素の組み合わせをいずれも使用して、配置される。
【００１８】
Ｋ型の熱電対材料であるＮｉＣｒまたはＮｉＡｌは、約８００℃までの動作環境を有するコンプレッサ１２の区域で使用可能である。例えば、ＮｉＣｒ（２０）は、コンプレッサ１２において歪みゲージを配置するために使用可能である。例えばＮｉＣｒＳｉおよびＮｉＳｉなどのＮ型熱電対材料は、約８００℃〜１１５０℃の間の動作環境を有するタービン１６の区域でセンサを配置するために使用可能である。
【００１９】
Ｓ、Ｂ、Ｒ型熱電対材料は、約１１５０℃〜１３５０℃の間の動作環境を有するタービン１６の区域でセンサを配置するために使用可能である。例えば、燃焼タービン１０内の特定の用途のために許容される熱電電圧を発生させる、Ｐｔ−Ｒｈ、Ｐｔ−Ｒｈ（１０）およびＰｔ−Ｒｈ（１３）は、タービン１６内でセンサ５０を形成するために配置可能である。Ｎｉ合金、例えば、ＮｉＣｒ、ＮｉＣｒＳｉ、ＮｉＳｉ、および、ＭＣｒＡｌＸ（ＭはＦｅ、ＮｉまたはＣｏ、ＸはＹ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｔｉおよびこれらの組み合わせであり得る）などの他の耐酸化性Ｎｉ系合金が、コンプレッサ１２の更に深い区域における、および、タービン１６の全体にわたる、高温用途のための検出材料として使用可能である。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出構造で配置される検出材料として使用され得る。
【００２０】
ブレード１８，１９および／またはベーン２２，２３などの燃焼タービン１０内の構成要素は、構成要素の表面に適合するように配置される、および／または、燃焼タービン１０内に配置されるバリアまたは他のコーティング中に埋め込まれる、特定用途センサ５０を有し得る。例えば、図５は、埋め込まれたあるいは表面実装されたセンサ７４を無線遠隔測定装置７６と接続するように配置されるコネクタ７２などの高温耐性リード線を有する、タービン１６の列１からのブレードであり得る例示的なタービンブレード７０を示している。装置７６は、遠隔測定構成要素が比較的低い温度に晒される位置、例えば動作温度が一般に約１５０℃〜２５０℃以上であるブレード７０の根元部（root）７８に近接した位置に取り付けられ得る。
【００２１】
シリコン系電子半導体、例えばデータを送信するために使用可能なシリコン系電子半導体は、それらの動作温度制約に起因して、用途が限られる場合がある。シリコンおよびシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）電子チップ技術の温度特性および性能特性は、それらの用途を約２００℃より低い動作環境に制限する場合がある。本発明の形態により、そのような電子システムを、一般に約１００℃〜１５０℃の動作温度を有するコンプレッサ１２内において無線遠隔測定装置７６のために配置することができる。
【００２２】
無線遠隔測定センサシステムの実施形態は、コンプレッサ１２の後段に存在する高温領域内およびタービン１６内で動作するように構成され得る。これらの領域は、約１５０℃〜２５０℃以上の動作温度をもち得る。これらの高温領域で動作可能な温度および電気特性を有する材料が、センサ５０，７４、コネクタ５２，７２を配置するため、および、無線遠隔測定装置７６を形成するために使用可能である。
【００２３】
センサ５０，７４および高温相互接続ラインまたはコネクタ５２，７２は、プラズマ溶射、ＥＢ、ＰＶＤ、ＣＶＤ、パルスレーザ堆積法、ミニプラズマ、直接描写法、ミニＨＶＯＦ法、または溶液プラズマ溶射法などの既知のデポジションプロセスを使用して配置可能である。一般に、燃焼タービン１０の静止構成要素および回転構成要素の両方において、構成要素の表面温度測定および熱流束測定と共に、動圧測定、動的および静的歪みと動的加速度測定が望まれる。したがって、埋め込まれるあるいは表面実装されるセンサ５０，７４は、歪みゲージ、熱電対、熱流束センサ、圧力トランスデューサ、マイクロ加速度計、および他の所望のセンサとして、構成され得る。
【００２４】
図６は、無線遠隔測定装置７６の例示的な実施形態の概略図である。装置７６は、集積アンテナおよび／または電源を伴ってあるいは伴わずに、型押し、表面実装、あるいは配置される抵抗、キャパシタ、インダクタ、トランジスタ、トランスデューサ、変調器、発振器、送信器、増幅器、およびダイオードなどの複数の電子部品を含む回路基板または集積チップとして形成可能である。無線遠隔測定装置７６の実施形態は、コンプレッサ１２および／またはタービン１６で用いるために形成され得る。
【００２５】
無線遠隔測定装置７６は、基板８０と、相互接続部９８を介して互いに電気的に接続される、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と、を含み得る。図６の実施形態は例示的な実施形態であり、性能仕様および動作環境に応じて装置７６の他の実施形態を想定可能である。装置７６の実施形態によれば、電源１００および送受信アンテナ１０２を基板８０に形成可能であり、これにより、図２または図３に示される送信器５４などの送信器、または図５に示される無線遠隔測定装置７６を構成する。
【００２６】
図７は、コンプレッサ１２内のコンプレッサブレードであり得る、ブレード根元部１１２を有するブレード１１０などの例示的なブレードの部分斜視図を示している。根元部１１２内、例えばブレード根元部１１２の底部に、１つ以上の凹部または溝１１４が形成され得る。凹部１１４は、様々な形状または寸法で形成可能であり、長さ方向に沿う様々な場所でブレード根元部１１２内に配置され得る。１つ以上の凹部または溝１１６が、ブレード根元部１１２の１つ以上の前面１１８に形成され得る。凹部１１６は、様々な形状または寸法で形成可能であり、前面１１８内の様々な場所でブレード根元部１１２内に配置され得る。凹部１１４，１１６は、様々な方法を使用して、例えば、ブレード１１０の鋳造後に削り出すことによって、あるいは、ブレード１１０の一部分として成型することによって、形成可能である。
【００２７】
図８は、ブレード根元部１１２内に装着された無線遠隔測定装置７６の部品で計装されるコンプレッサブレード１１０を示している。この点において、無線遠隔測定装置７６の代わりの実施形態では、ブレード根元部１１２などの計装される構成要素に電気的に接続されて装着される別個の基板８０に、図６に示される１つ以上の電気部品９０，９２，９４，９６，１００，１０２を別に取り付ける、あるいは含ませることができる。例えば、図６に示される送受信アンテナ１０２は、送信器１２２を有する基板８０と別に取り付け且つ電気的に接続してもよく、その送信器１２２は基板８０に形成され且つアンテナ１０２と電気的に接続される。
【００２８】
アンテナ１２０は凹部１１６内に配置し、送信器１２２は凹部１１４内に配置することも可能である。この点において、アンテナ１２０および送信器１２２は、基板８０に取り付け／型押しされず、あるいは配置されない。他の実施形態において、アンテナ１２０は図６に示されるように無線遠隔測定基板８０に配置可能であり、データは、無線遠隔測定を使用して、静止取り付けされたトランシーバ５６などの受信器へ送信され得る。電源１００は、基板８０に集積されるか、あるいは、基板とは別に位置して別個の構成部品として取り付け可能である。
【００２９】
図９は、タービンブレード１８のうちの１つなどのタービンブレードであり得る例示的なブレード１３０の部分図を示している。タービンブレード１３０は、燃焼タービン１０の運転のためにブレード１３０が固定され得る、タービン１６のロータディスクと嵌め合うための、外側モールドラインを規定する根元部１３２を含む。センサ１３４を形成するために、ブレード１３０上に、あるいはブレードの表面に配置されたバリアコーティング中に、検出材料が配置され得る。センサ１３４からのデータ信号が送信器１３８へ通信され、続いて回転アンテナアセンブリ１４２へ通信され得るようにコネクタ１４０を形成するため、接続材料が配置され得る。１つ以上のコネクタ１４０がブレード１３０の外表面より下へ配置されるように、ブレード１３０の一部内に凹部１３６が形成され得る。
【００３０】
送信器１３８およびアンテナアセンブリ１４２は、根元部１３２によって規定される外側モールドラインが変わらないように、ブレード１３０と一体的に固定され得る。例えば、送信器１３８は、根元部１３２のモミの木状部分よりも上の移行領域またはプラットフォームに装着可能であり、アンテナアセンブリ１４２は、根元部１３２の前面に装着可能である。他にも、送信器１３８および／またはアンテナアセンブリ１４２の全てまたは一部がブレード根元部１３２の外側モールドラインの表面より下に配置されるように、凹部がプラットフォームおよび前面に形成され得る。送信器１３８およびアンテナアセンブリ１４２は、エポキシまたは接着剤を使用して各凹部内に固定可能であり、高温または粒子から保護するために埋め戻し材料を上に被せることもできる。
【００３１】
図５に関して、無線遠隔測定装置７６は、ブレード根元部７８に外付けで装着されるか、あるいは、ブレード根元部の外側モールドラインが大きく変わらないような手法で埋め込まれ得る。装置７６は、ブレード根元部７８がタービン１６のロータディスク内に挿入されるときに、ブレード根元部７８とタービン１６のロータディスクとの間に形成されるキャビティ内に収容されるように、ブレード根元部７８に近接して装着され得る。これにより、センサ７４、コネクタ７２、および装置７６が計装されたタービンブレード７０を、計装されていないタービンブレードと同じ態様で、タービン１６のロータディスクの嵌め合いセグメントに組み込むことができる。この点において、計装ブレード７０は、ブレード７０および／またはブレード７０に配置されるバリアコーティングの様々な動作パラメータまたは状態を示すデータを抽出して当該データを受信装置へ送信することを無線で行うために必要な全ての部品を備えて製造され得る。
【００３２】
例えば、ブレード根元部７８などのブレード７０の基部の一部に、１つ以上の凹部または溝を形成可能であり、これら凹部内または溝内に、１つ以上の無線遠隔測定装置７６を収容可能である。溝は、ブレード根元部７８の所定の領域を切削することで形成可能であり、該溝内に、エポキシまたは他の適した結合剤を用いて装置７６を固定する。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溝を埋め戻し得る。
【００３３】
本発明の実施形態によれば、約３００℃〜５００℃の間の温度を有する環境で動作する、根元部１３２に特定の電子部品が配置されたタービンエンジンブレード１３０などの回転構成要素から、センサデータを送信することができる。本欄の開示目的では、追加修飾を伴わない「高温」という用語は、約３００℃〜５００℃の間の最大動作温度をもつ燃焼タービン１０の部分内の動作環境のような動作環境を示す。
【００３４】
本発明の実施形態は、１つ以上のセンサと、センサを少なくとも１つの遠隔測定送信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、を含み得る、遠隔測定システムが計装された、燃焼タービン１０で使用するための構成要素を提供する。図１０は、タービンブレード１３０、無線遠隔測定送信器アセンブリ１５０、および回転アンテナアセンブリ１４２を示している。遠隔測定送信器アセンブリ１５０がブレード根元部１３２に近接して取り付けられる場合には、リード線またはコネクタ１５２が、センサ７０，１３４などの１つ以上のセンサから遠隔測定送信器アセンブリ１５０まで延伸し得る。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アセンブリ１５０へ送り、このアセンブリにおいて、信号は、図１１に示される電子機器パッケージ１５４内に収容された回路基板に形成の遠隔測定送信回路によって処理される。リード線またはコネクタ１４０は、遠隔測定送信回路から回転アンテナアセンブリ１４２へ電子データ信号を送るように配置され得る。
【００３５】
図１１は、高温回路基板を収容して遠隔測定送信器アセンブリ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Ｋｏｖａｒなどの合金から形成可能である。Ｋｏｖａｒ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。タービンブレード１３０などの高温タービン構成要素のために一般に使用されるＮｉ系合金は、約１５．９〜１６．４×１０−６／℃の範囲内の熱膨張係数を有する。電子機器パッケージ１５４は、電子機器パッケージ１５４とタービンブレード１３０との間の相対的な動きを許容しつつ所定位置にしっかり装着し得る。当該相対的な動きは熱膨張率の違いに起因して生じる場合があり、熱膨張率の違いは、周囲温度と、ブレード根元部１３２付近で一般にあり得る４５０℃を超える動作温度との間での多数回の熱サイクル中に経時的に起こる。
【００３６】
図１１に最も良く示されるように、遠隔測定送信器アセンブリ１５０は、電子機器パッケージ１５４が間に配置される、取付けブラケット１５６と蓋またはカバープレート１５８とを含み得る。複数の接続ピン１５５によって、基板に形成された無線遠隔測定回路を備えるパッケージなどであるパッケージ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、誘導コイルアセンブリ、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が、可能になる。取り付けブラケット１５６、カバープレート１５８、およびこれらを互いに接続する保持ネジ１５９は、全てタービンブレード１３０と同じ材料から形成され得る。これにより、タービンブレード１３０と取付けブラケット１５６との間に熱膨張の差を生じさせないようにできる。その結果、熱過渡中に取り付けブラケット１５６および／またはタービンブレード１３０に応力が発生しない。
【００３７】
電子機器パッケージ１５４の熱膨張係数は、これら部品が存在する動作システムが高温である場合、取り付けブラケット１５６の熱膨張係数よりも小さくなり得る。その結果、回路基板を収容した電子機器パッケージ１５４の膨張がブラケット１５６よりも少なくなり、システムの振動エネルギに起因するダメージが惹起される可能性がある。取り付けブラケット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との間の寸法変化の違いに対応するために、電子機器パッケージ１５４と取り付けブラケット１５６の内面との間にセラミック繊維織物層１６０を配置し得る。織物１６０は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、または酸化アルミニウムのような繊維を含む適当なセラミック繊維から形成され得る。例えば、３Ｍ社製のＮｅｘｔｅｌ（商標）酸化アルミニウム系織物を所定量、織物１６０のために使用可能である。
【００３８】
電子機器パッケージ１５４およびセラミック繊維織物１６０を取り付けブラケット１５６およびカバープレート１５８と共に組み付けて遠隔測定送信器アセンブリ１５０を形成する場合、取り付けブラケット１５６は、ボルト締め、溶接、ロウ付けなどの適した取り付け手段によって、または、遷移液相ボンディングによって、タービンブレード１３０に取り付け可能である。図１０は、アセンブリ１５０を受容するためにブレード根元部１３２に近接してタービンブレード１３０内に切削加工または形成され得る凹部または平坦ポケット１６２を示している。
【００３９】
回転するタービンブレード１３０が全速で動作しているときに生じるＧ力に抗する構造的な支持をカバープレートに加えるために、カバープレート１５８には、Ｇ力の方向に対して垂直に向けられるフランジ１６４が形成され得る。これにより、Ｇ力からカバープレート１５８に加わる荷重を保持ネジ１５９が支持せずに済むとともに、遠隔測定送信器アセンブリ１５０が、隣接する構成要素と一切干渉することなく比較的小さい凹部１６２にフィットするように、保持ネジ１５９を十分に小さく形成することができる。保持ネジ１５９がＧ力によって加えられる荷重を支持しなければならないとすると、保持ネジの所要サイズが大きくなりすぎて、利用可能な空間内にフィットできなくなる。
【００４０】
図１０は、回転アンテナアセンブリ１４２を根元部１３２の端面または首部に取り付けることができることを示している。アセンブリ１４２は、根元部１３２を含むタービンブレード１３０などのタービン高温ガス経路構成要素に用いられるＮｉ系合金の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数を有する電子アセンブリであり得る。音速付近でのタービンブレード１３０の回転中、１つ以上の回転アンテナアセンブリ１４２は、乱流から保護され得る。一実施形態では、乱流保護材料がＲＦ放射線周波数を透過し、これにより、当該材料を通じた電力およびデータの伝送が可能になる。
【００４１】
回転可能なアンテナアセンブリ１４２の実施形態では、データアンテナおよび誘導電力要素が内部に収容される略中空の取付具である、図１０および図１２に示される耐久性をもった保護用のＲＦ透過カバー１７０を含み得る。ＲＦ透過カバー１７０は、燃焼タービンの動作中、その内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、高温の要素からＲＦ送信機器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ックス複合材料は、回転タービンブレード１３０が燃焼タービン１０の動作中に受ける振動、衝撃、およびＧ力下において、剥離および亀裂を生じやすい。
【００４２】
本発明の発明者は、ＲＦ透過カバー１７０をＲＦ透過性で靭性が高い構造的なセラミック材料から形成し得ることを究明した。セラミックマトリックス複合材料、ならびに、高靭性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を用いて、ハウジング１７０を形成し得る。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が、添加元素のドーピングおよび／または特定の処理アプローチから生じる微細構造の設計により、高い靭性を伴って利用可能である。
【００４３】
ＲＦ透過性で、形成しやすく、比較的安価なそのような材料の１つは、ジルコニア強化のアルミナ（ＺＴＡ）と一般に称されるセラミック群から選択される材料である。この一群の酸化アルミニウム材料から選択されるセラミック材料は、従来の純酸化アルミニウム材料よりも強度および靭性がかなり高い。これは、酸化アルミニウム全体にわたって酸化ジルコニウムの微粒子を均一に組み込むことによって達成される応力誘導転移強化によってもたらされる。例示的な酸化ジルコニウム含有率は１０％〜２０％である。結果として、ＺＴＡは、従来の純酸化アルミニウム材料に比べて構成要素の寿命を延ばして性能を向上させる。
【００４４】
ＺＴＡの設計された微細構造は、圧縮時にセラミックに荷重がかかる際に耐破壊性を示す。しかしながら、セラミックは、緊張状態で十分に荷重がかかると、従来のセラミック材料の場合と同様に、壊滅的に破損する。したがって、ＲＦ透過カバー１７０は、燃焼タービン１０の動作中にセラミック材料の引張応力が最小限になるように設計される。これは、（１）ＺＴＡ構成要素の全ての角部、縁部、および屈曲部が、その位置の応力集中係数を低減するために鋭利な角部および縁部を排除するべく機械加工されるように、（２）動作中にＺＴＡボックスに加わるＧ力が取り付けフランジで著しい曲げ応力を発生させないように回転アンテナ取り付けブラケット１７４におけるＺＴＡ構成要素の配向および取り付けが成されるように、設計して製造することによって達成される。これは、Ｇ荷重方向に対して垂直ではなく、Ｇ荷重方向に対して平行にフランジを向けることによって達成され、したがって、ＺＴＡフランジは、圧縮荷重を受け、曲げ荷重を受けない。
【００４５】
図１２は、図１０においてタービンブレード１３０に取り付けられて示される回転アンテナアセンブリ１４２を形成するために、回転アンテナ取り付けブラケット１７４をＲＦ透過カバー１７０と組み付けることができることを示している。回転アンテナ取り付けブラケット１７４とＲＦ透過カバー１７０との間の界面荷重は、ＲＦ透過カバー１７０で生じる引張応力を最小にする。当該デザインは、ＲＦ透過カバー１７０で生じる引張応力が破壊のための最小応力よりも小さくなるようになっており、これにより、構造的構成要素の長寿命がもたらされる。取り付けブラケット１７４はタービンブレード１３０と同じ金属から形成され得る。これらの間の均一な熱膨張係数によって、加熱及び冷却サイクル中に取り付け領域で発生する応力が最小になるからである。
【００４６】
取り付けブラケット１７４は、燃焼タービン１０の動作中に回転アンテナアセンブリ１４２の経験する全てのＧ荷重が、図１２に矢印Ｇで示されるようにブラケット１７４の上端１７８へ向かう方向で吸収されるように形成され得る。取り付けブラケット１７４のどの部分も、ＲＦ送信データ信号を減衰させるのに十分なほど、収容されているアンテナを越えて延びることはない。ＲＦ透過カバー１７０は、その内部応力場が主として圧縮性であるように所定位置に固定されており、そのフランジにある半円形の窪みを通るネジ付きピン（図示せず）を使用して保持され得る。
【００４７】
取り付けブラケット１７４は、溶接、ロウ付け、ボンディング、ボルト締め、またはねじ留めなどの従来の手段によって、タービンブレード根元部１３２の前面に取り付けられ得る。回転アンテナアセンブリ１４２の一実施形態では、所望のアンテナをＲＦ透過カバー１７０の中空体内へ配置して、アンテナからのリード線１７１をカバー１７０内に形成される穴を通じて送り出し、そして、アンテナを収容するカバー１７０の中空体をセラミック注封材料で充填することによって組み立て可能である。アンテナを収容する充填済みＲＦ透過カバー１７０は、その後、タービンブレード根元部１３２に対して既に装着済みであり得る取り付けブラケット１７４へスライド挿入され得る。カバー１７０は、取り付けブラケット１７４の穴内およびカバー１７０の窪み内に挿入されるピンによって取り付けブラケット１７４に固定され得る。
【００４８】
本発明の実施形態では、誘導ＲＦエネルギ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内の熱出力（thermal power）または振動出力（vibrational power）を取り入れることによって、動力を得ることができる。出力取り入れエネルギモデルでは、熱電力（thermoelectric power）または振動電力（vibro-electric power ）を、運転中の燃焼タービンエンジン１６で利用可能なエネルギから発生することができる。熱エネルギから電気を発生するために熱電対列が使用可能であり、あるいは、圧電材料により燃焼タービンエンジン１６の振動から電気を発生することも可能である。これらの形態の電源の例は米国特許第７，３６８，８２７号に記載されており、この特許の開示内容の全体は参照することにより本願に組み込まれる。
【００４９】
本発明の実施形態では、無線高温遠隔測定システムの部品に給電するための誘導給電モードが提供される。当該システムは、変圧器の一次誘導コイルアセンブリ１８６が静止、二次誘導コイルアセンブリ１９５が回転する、エアギャップ変圧器として構成可能である。例えば、遠隔測定送信器アセンブリ１５０内に収容される回転遠隔測定送信器に給電するために誘導ＲＦ給電構造が設けられる。図１３は、燃焼タービン１０のタービンエンジン１６内で使用可能な静止シールセグメントなどの静止シールセグメント１８０の一部を示している。複数の静止シールセグメント１８０が複数のタービンブレード１３０に隣接してタービンエンジン１６を取り囲み得る。静止シールセグメント１８０は、当業者により認識されるように、タービンエンジン１６を通り抜ける高温ガス経路内の高温ガスをシールするためにタービンブレード１３０と協働し得る。
【００５０】
図１３は、静止データ送信アンテナ１８４および静止一次誘導コイルアセンブリ１８６が固定され得る各チャネルまたは溝を形成した弓形のブラケット１８２を示している。データ送信アンテナ１８４は、該データ送信アンテナ１８４をブラケット１８２を用いて固定するために、非導電ホルダ１８５内へ挿入され得る。非導電ホルダ１８５は、金属で形成され得るブラケット１８２とデータ送信アンテナ１８４が接触しないようにして、正確な動作を確保する。非導電ホルダ１８５は、ＲＦ透過カバー１７０のために使用されるのと同じＺＴＡ強化セラミック材料から形成可能である。例えば図１３に示されるような弓形ブラケット１８２でアンテナ１８４を使用する場合、ホルダ１８５は、湾曲したブラケット１８２に取り付けることができる柔軟性を与えるように分割され得る。湾曲したブラケット１８２に取り付けることができるように、同じ分割形態が誘導コイルアセンブリ１８６に適用され得る。
【００５１】
一次誘導コイルアセンブリ１８６およびデータ送信アンテナホルダ１８５には、ブラケット１８２に対する取り付け領域に張出部（lobe）が形成され得る。ブラケット１８２の材料の関連する領域が、取り付けに対応するように僅かに大きなサイズで同じ張出部形状として除去される。当該張出部形状は、端から所定位置へスライドさせてブラケット１８２内へ配置され得る誘導コイルアセンブリ１８６とアンテナおよびホルダ１８４，１８５とを積極的に保持できる曲率半径を規定する。この張出部形状により、積極的な保持を維持することができると同時に、いずれも引張応力を受けて構造的破損に晒される比較的脆弱な材料から形成され得る誘導コイルアセンブリ１８６およびアンテナホルダ１８５で引張応力が発生しないようにすることができる。
【００５２】
この張出部は、金属ブラケット１８２が機能に干渉しないように、誘導コイルアセンブリ１８６およびデータ送信アンテナ１８４の前面から十分に離して配置し得る。確実な嵌め合いを提供し且つ加熱中および冷却中の熱膨張差に対応するために、誘導コイルアセンブリ１８６およびアンテナホルダ１８５の表面とブラケット１８２中のそれらの各ポケットとの間に、セラミックセメントが適用され得る。誘導コイルアセンブリ１８６およびデータ送信アンテナ１８４の張出部を付けた領域を覆って運転中の保持を確保する、薄いプレート（図示せず）が、ブラケット１８２の各端部に取り付けられ得る。
【００５３】
１つ以上のブラケット１８２は、静止シールセグメント１８０と同じ合金、例えばインコネル６２５から形成可能であり、静止シールセグメント１８０の内面に適合するように弓形状を有し得る。ブラケット１８２は、静止シールセグメント１８０の歪みを最小限に抑えるために、断続溶接部１８８を使用して静止シールセグメント１８０の内面に装着可能である。誘導コイルアセンブリ１８６は、少なくとも１つの静止コア１９０と、静止コア１９０の一部を覆うJP Technologies販売の「H Cement」１９４を有する少なくとも１つの静止一次巻線１９２と、を含み得る。
【００５４】
図１４は、タービンエンジンブレード根元部１３２に近接して取り付けられ得るＲＦ透過カバー１７０内に回転二次誘導コイルアセンブリ１９５が収容された実施形態を示している。回転誘導コイルアセンブリ１９５は、静止誘導コイルアセンブリ１８６と同様に、コア２００と巻線２０１とから形成され得る。静止データ送信アンテナ１８４と通信するために回転データ送信アンテナ２０２が設けられ得る。データ送信アンテナ２０２は、非導電ホルダ１８５と構造が類似し得る非導電ホルダ２０３内に入れることが可能である。別の実施形態において、データ送信アンテナ２０２は、非導電ホルダ２０３を使用することなくＲＦ透過カバー１７０内に収容可能であり、この場合、データ送信アンテナは高温性能注封材料を用いて所定位置に保持され得る。燃焼タービン１０が動作しているときに回転二次誘導コイルアセンブリ１９５およびアンテナ２０２によって描かれる円弧を形成するように、単一のあるいは複数の静止一次誘導コイル１８６が１つ以上の静止シールセグメント１８０の内面に配置され得る。
【００５５】
１つ以上の静止一次巻線１９２が高周波、高電流の電源によって励起され得る。電力を各静止誘導コイルアセンブリ１８６に対して個別に供給することができ、あるいは、一連の静止誘導コイルアセンブリ１８６が電気的に接続されて単一の電源によって駆動され得る。例示的な実施形態では、自身の電源によってそれそれ駆動される５つの隣接する静止誘導コイルアセンブリ１８６が存在し得る。各静止一次巻線１９２を通じて流れる電流が回転二次誘導コイルアセンブリ１９５に磁場を形成し、回転二次誘導コイルアセンブリ１９５が回転二次巻線２０１に電流をもたらす。回転二次巻線２０１からの電流は、以下で更に詳述されるように、無線遠隔測定送信器アセンブリ１５０内に収容される無線遠隔測定送信回路に電力を供給する。
【００５６】
図１４は、燃焼タービン１０の始動前に初期隙間「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の始動時には約１３ｍｍで、タービンブレード１３０および静止シールセグメント１８０が互いに近づくときのベース負荷で約４ｍｍまで減少し得る。静止コア１９０および回転コア２００を形成するために磁気コア材料が使用可能である。遠隔測定送信器アセンブリ１５０内に収容される遠隔測定送信回路に対して所要の隙間「Ａ」を介して所要電力を伝送するために、磁性材料がコア材料として使用され得る。選択される磁性材料は、静止一次巻線１９２が生み出して１つ以上の回転二次巻線２０１が受ける磁場を集中させるように作用する。この効果は、静止要素と回転要素との間のカップリング効率を高める。
【００５７】
本欄に開示される誘導給電システムの実施形態では、燃焼タービン１０の様々な幾何学的形態に対応するために、複数の個別一次および二次誘導コイルアセンブリ１８６，１９５を使用可能である。例えば、静止誘導コイルアセンブリ１８６およびデータ送信一次アンテナ１８４は、システム部品に対して十分な電力をもたらして所要のデータを送信するために、静止シールセグメント１８０の所定の距離のスパンにある必要があり得る。誘導コイルアセンブリ１８６およびデータ送信アンテナ１８４の一実施形態では、長さを約４フィートとする必要があり得る。この例では、製造を容易にするため、それぞれが約１フィートの長さを有する４つの個別電源／アンテナアセンブリがそれぞれのブラケット１８２を伴って形成され、これら電源／アンテナアセンブリが、１つ以上の静止シールセグメント１８０に互いに隣接して取り付けられる。個々のアンテナの端部間の隙間距離が十分に小さい場合には、アンテナアセンブリは、あたかもそれが単一の４フィート長のアンテナであるかのように機能する。このようなアンテナアセンブリは直線状のあるいは湾曲した要素から形成することもでき、これにより、直線状、湾曲状、あるいは、特定の用途での要求に沿って構成される、可変長のアセンブリが提供される。一実施形態では、複数のそのようなアンテナアセンブリが、タービン１６内の１つ以上の静止シールセグメント１８０の上側半分で約１１２°の円弧を成して延伸し得る。
【００５８】
本発明の発明者は、特定のクラス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あるいは上回ることを究明した。このクラスの材料における一般用語は、ナノ結晶鉄合金である。このクラスの材料の１つの組成体は、ＮＡＭＧＬＡＳＳ（登録商標）という商品名で販売されており、約８２％鉄−平衡成分としてシリコン、ニオブ、ホウ素、銅、炭素、ニッケル、およびモリブデンをもつ組成を有する。このようなナノ結晶鉄合金材料が、５００℃を超えるキュリー温度、非常に低い保磁力、低い渦電流損失、高い飽和磁束密度などの望ましい特性を呈し、高温動作範囲の全体にわたって透過性が非常に安定していることが究明された。
【００５９】
このナノ結晶鉄合金材料は、トロイドまたは「Ｃ」コアトランスコアの形態のテープ巻回構造で市販されている。本発明の実施形態では、このナノ結晶鉄合金材料を利用して、一次静止コア１９０のために使用される「Ｉ」コア形状を形成する。「Ｉ」形状は、この形状が静止取り付けブラケット１８２にあるチャネル内で自身を所定の位置に保持することから選択された。各誘導コイルアセンブリ１８６の誘導コア１９０は、約１１インチの長さの円弧の状態へと作り上げられる、複数のナノ結晶鉄合金材料の０．００７"厚の積層体から構成される。回転アンテナ２００のトランスコアのために同じナノ結晶鉄合金材料が使用され得る。
【００６０】
静止要素と回転要素との間で電力を伝送するために使用される磁場の強度は、駆動信号、すなわち、図１６に示される例示的な誘導給電駆動回路によって生成される高周波ＡＣ信号の周波数を増加させることによって増大され得る。したがって、本発明の実施形態では、静止一次巻線１９２を駆動するために約２００ｋＨｚを超える周波数などの高い周波数を使用し得る。他の実施形態では、少なくとも１メガヘルツの動作周波数を、当該周波数で動作するように設計されたパワードライバを用いて達成してもよい。
【００６１】
巻線コア１９０，２００に使用の配線は、高温での破損および酸化を減らすためにセラミック絶縁体を有した２７％ニッケル被覆銅から形成され得る。この配線のハンドリング特性は、保護用のセラミックコーティングの結果として、標準的な有機物絶縁された剥き出しの銅よりもかなり厳しく、そのため、一次要素および回転要素の両方を巻回するプロセスに関して特別な技術が開発された。他の配線は、絶縁された銀、または、陽極酸化アルミであってもよい。
【００６２】
一次および回転の両方の誘導コイルアセンブリ１８６，１９５の構造において、２つのタイプのセラミック材料が使用されてもよい。巻線１９２，２０１がコア要素１９０，２００に短絡しない（導通しない）ようにすることが重要である。配線上に供給される絶縁体に加えて、H cement、すなわち、超微細粒径を有するセラミックセメントなどの複合物が、巻線コア１９０，２００の絶縁ベース被覆として使用され得る。巻線コア１９０，２００が巻回されると、これらの巻線コアは、Cotronics ９４０、すなわち、酸化アルミニウム系セラミックセメントで封入されてもよい。
【００６３】
図１５は、図１０に示される遠隔測定送信器アセンブリ１５０内に収容される図１１に図示の高温電子機器パッケージ１５４の中に取り付けられる回路基板に形成され得る例示的な遠隔測定送信回路２１０の概略図を示している。遠隔測定送信回路２１０は、タービンブレード１３０と関連する歪みを測定するための歪みゲージセンサであり得る図９のセンサ１３４などのセンサと共に動作するように構成され得る。回転二次誘導コイルアセンブリ１９５は、送信回路２１０の電圧整流器に対して約２５０ｋＨｚＡＣ電力を供給し得る。この回路は、ＡＣ入力をＤＣ出力へ変換して電圧調整回路に給電する。
【００６４】
送信回路２１０の電圧調整器は、ＡＣ入力電圧が変化し得る場合であっても一定のＤＣ電圧出力を維持する。一定の電圧出力は、信号出力におけるより良い精度および安定した動作周波数を得るために必要とされる。また、電圧調整器は、一定の電圧を歪みゲージセンサ１３４および安定抵抗器（図示せず）に対して供給する。歪みゲージセンサ１３４および安定抵抗器は、送信回路２１０へ入力されるセンサ信号を供給する。歪みゲージセンサ１３４が取り付けられた表面が撓むと、歪みゲージが抵抗を変化させ、それにより、送信回路２１０の入力における電圧が変化する。
【００６５】
歪みゲージセンサ１３４からの信号によって与えられる変動電圧は、最初に差動増幅器によって増幅され、その後、高利得ＡＣ増幅器によって増幅される。結果として生じる信号は、送信回路２１０の電圧制御発振器（ＶＣＯ）区域にあるバラクタダイオードに印加される。ＶＣＯは高いキャリア周波数で振動する。このキャリア周波数は、送信回路２１０に関して１２５〜１５５ＭＨｚの帯域に設定され得る。固定されたキャリア周波数がバラクタにおける電圧変化によって僅かに変えられる。周波数のこの変化または偏差は、歪みゲージセンサ１３４が受ける撓みあるいは歪みに直接関連付けられる。ＶＣＯキャリア出力がバッファステージへ供給され、バッファ出力は、図１０のリード線１４０を介して、回転アンテナアセンブリ１４２内に収容される送信アンテナに接続する。
【００６６】
図１のトランシーバ５６などの受信装置、または、燃焼タービン１０内の高温領域または他の領域に配置される他の装置では、キャリア信号が除去され、偏差は、歪みに比例する増幅出力となる。高温用途のために設計されるこのような送信回路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を含むバンドギャップの大きい半導体材料などの高温性能材料から形成可能で、あるいは、他の高温性能トランジスタ材料が約５００℃〜６００℃まで使用され得る。
【００６７】
回路基板に形成される無線遠隔測定送信回路２１０の様々な実施形態は、様々な動作温度にあり且つセンサタイプの範囲をもつ燃焼タービン１０での使用に適合され得る。送信回路２１０およびその代わりの実施形態の要素は、約３５０℃までのシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）集積回路；約３００℃〜３５０℃からのポリシルセスキオキサン、ＰＦＡ、ポリイミド、Ｎｏｍｅｘ、ＰＢＺＴ、ＰＢＯ、ＰＢＩ、およびＶｏｌｔｅｘ巻回キャパシタ；約４５０℃〜５００℃からのＰＬＺＴ、ＮＰＯ、Ｔａ２Ｏ５、ＢａＴｉＯ３多層セラミックキャパシタなど、様々な感温材料を使用して形成され得る。
【００６８】
抵抗の様々な実施形態は、約３５０℃までの動作環境に関してはＴａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＳｎＯ２、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｃｒ−ＳｉおよびＰｄ−Ａｇから形成可能で、約３５０℃以上の動作環境に関してはＲｕ、ＲｕＯ２、Ｒｕ−ＡｇおよびＳｉ３Ｎ４から形成可能である。ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、およびＧａＡｓＡｌＮ、または、他の高温性能半導体材料から形成される別個のトランジスタ、ダイオード、またはキャパシタダイなどの個々の高温電子部品は、約３５０℃を超えない温度での動作においては単一のＳＯＩ ＣＭＯＳデバイスと置き換えられ得る。
【００６９】
無線遠隔測定装置７６の実施形態に関し図６に示す。電気信号を受信するおよび／または送信するためのトランシーバであり得るアンテナ１０２が、遠隔測定送信回路と同じ基板に形成される。遠隔測定送信回路は、相互接続部９８を介して互いに電気的に接続される、電子回路９０、マルチバイブレータ回路（図示せず）、演算増幅器９２、ＲＦ変調器９４、およびＲＦ発振器／送信器９６を含み得る。基板８０のこれら要素に加えて、装置７６は、電気回路９０およびアンテナ１０２と電気的に接続する電源１１０を含み得る。アンテナ１０２および／または電源１１０を含むこれら電気部品９０，９２，９４，９６は、回路基板または集積チップの形態のボードまたは基板８０に形成される。あるいは、電源１１０はブレードまたはベーンに近接する基板から離して取り付けられてもよく、または、アンテナ１０２および電源の両方は、遠隔測定送信回路と電気的接続を維持した状態で基板から外され得る。
【００７０】
図６に示される実施形態および以下で更に詳述する図１７〜図２３に示される実施形態では、巻線を有する磁気コアを排除した共振エネルギ伝送アセンブリを使用し得る。これらの実施形態は、航空分野で使用される小型モジュール燃焼タービンエンジンで用いるために特に有益となり得る。より具体的には、このようなモジュールタービンシステムは、例えば、ロータディスク３０２と一体的に形成され、且つ、例えば電力発生プラントで使用されるコンプレッサまたはタービンのブレードステージよりもかなり小さいブレード３０１を含むブリスクを組み込む。したがって、ブリスクは、図１４に示される磁気コア１９０，２００を含む電力誘導コイルアセンブリ１８６，１９５を支持するのに十分な表面積をもたない。
【００７１】
また、このようなモジュールタービンシステムでは、コンプレッサステージまたはタービンステージなどのステージ全体を、隣接するステージから分離して交換することができる。ステージを分離する際には、ロータを通るセンサ配線をカットして再接続しなければならず、再接続された配線は、タービン動作中の信頼性に劣る。無線遠隔測定システムは、コンプレッサステージまたはタービンステージを取り外して交換する際に手作業で取り外し再接続しなければならない配線を、排除し得る。
【００７２】
ロータディスク３０２と一体的に形成される複数のブレード３０１を含むブリスク３００に関して、無線遠隔測定システムの部品が図１７に示されている。図示のように、各ブレード３０１はホイル（foil）部３０３を含み、該ホイル部を越えて高温膨張ガスが流れてブリスク３００がタービンのケース内で回転する。一方、コンプレッサブリスクの回転が、回転するブレードを通過させて高温ガスを引き込み、該ガスがその後のコンプレッサステージを通じてタービンエンジンのタービンステージへと方向付けられるように、圧縮する。各ブレード３０１またはホイル部３０３は、ブレード３０１などの回転構成要素およびベーン（図示せず）などの静止構成要素が内部に配置されるケーシング３０５に対して離間した関係で隣接する先端３０４を有する。ブリスク３００は、タービンエンジン用のコンプレッサまたは出力タービン内で動作できるように配置され得る。また、後述する共振エネルギ伝送アセンブリが、ブレード３０１などの回転構成要素またはベーンなどの静止構成要素の監視との関連で使用され得る。
【００７３】
埋め込まれあるいは表面実装されるセンサ３０６が、ブレード３０１の動作状態を監視するための領域に対して、ブレード３０１に配置され得る。耐熱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と電気的に接続する。装置３０８は、好ましくは、遠隔測定部品が比較的低い温度に晒される場所、例えば動作温度が一般に約１５０℃〜約２５０℃であるブリスク３００のロータ３０９に取り付けられる。
【００７４】
センサ３０６および相互接続線３０７は、プラズマ溶射、ＥＢ、ＰＶＤ、ＣＶＤ、パルスレーザ堆積法、ミニプラズマ、直接描写法、ミニＨＶＯＦ法、または溶液プラズマ溶射法などの既知のデポジションプロセスを使用して配置可能である。一般に、燃焼タービン１０の静止構成要素および回転構成要素の両方において、構成要素の表面温度測定および熱流束測定と共に、動圧測定、動的および静的歪み測定、および動的加速度測定が望まれる。したがって、埋め込まれるあるいは表面実装されるセンサ３０６は、歪みゲージ、熱電対、熱流束センサ、圧力トランスデューサ、マイクロ加速度計、および、他の所望のセンサとして構成され得る。また、センサを形成するために使用される材料は、コンプレッサ構成要素またはタービン構成要素の両方に関して図４に示されるセンサ６１に関連して挙げられて説明された熱電対材料を含み得る。
【００７５】
図１７〜図２５に示される無線遠隔測定システムの実施形態は、一次コイル３１０を有する共振エネルギ伝送システムを含み、一次コイル３１０は、無線遠隔測定装置３０８およびセンサ３０６を含むアセンブリの回転構成要素に対して、コンプレッサ１２またはタービン１０内の静止位置に取り付けられる。一例として、および、図１７に示されるように、一次コイル３１０は、コンプレッサまたはタービンのケーシング３１３に取り付け可能で、ＲＦ電源３１５に接続される。図１８に示されるように、遠隔測定装置３０８は、図１５に関連して説明された遠隔測定回路などの遠隔測定回路３１２と、二次コイル３１１の形態の電源とを含む。また、送信装置３０８は、遠隔測定送信回路３１２と電気的に通信するＲＦデータアンテナ３１４を含む。
【００７６】
一次コイルおよび後述する二次コイルに関連して本欄で使用される用語「コイル」は、必ずしもそのような構成要素の物理的形態の表示とは限らない。実際には、「コイル」の一方または両方がプローブの形態であり得る。用語「コイル」は、一次装置から振動電流を発生し、回転して該振動電流の周波数と同じ周波数で共振する二次装置に電力を誘導するために、キャパシタおよびインダクタなどの適切に構成された電気部品を含む電力送信及び電力受信装置を含むように意図されている。
【００７７】
一次コイル３１０の動作時、ＲＦ電源３１５から電力を受けることにより、振動磁場が発生し、遠隔測定送信回路３１２に給電する二次コイル３１１へエネルギが伝送される。センサ３０６は、ブレード３０１などの構成要素の動作状態を示す電子データ信号を発生し、該電子データ信号が遠隔測定送信回路３１２へ送られ、遠隔測定送信回路は、電子データ信号をデータアンテナ３１４へ送る。電子データ信号はブレード３０１などの構成要素の動作状態を示す。一実施形態において、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と共に基板に配置される集積チップとしてあるいは回路基板として形成され得る。
【００７８】
エネルギの伝送用の一次コイル３１０および二次コイル３１１のための例示的な回路は、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インダクタＬ３に結合される送信コイルまたはインダクタＬ１を含む一次コイル３１０を含んでいる。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に結合される受信コイルまたはインダクタＬ２を含む。送信コイルＬ１は抵抗Ｒｃと共振キャパシタＣとを有し、受信コイルＬ２も、コイル抵抗Ｒｃと共振キャパシタＣとを含む。この例示的な回路では、ソースコイルＬ３のソース抵抗Ｒｓおよび負荷コイルＬ４の負荷抵抗ＲＬが共振系のＱに寄与せず、それにより、一次コイル３１０と二次コイル３１１との間の結合が高められ、したがって、電力を伝えることができる距離が増大される。一次コイル３１０および二次コイル３１１のためのそれぞれのＲＬＣ回路は、コイル３１０，３１１が同じあるいは共通の周波数で共振することにより電力を一次コイル３１０から二次コイル３１１へ伝えることができるように調整される。
【００７９】
コイル３１０，３１１は、Ｎｉ、Ｎｉ系超合金、Ｉｎｃａｎｅｌ（登録商標）、金、白金、または、約２５０℃以上の温度で作用する他の材料などの耐熱性で且つ酸化耐性の材料から構成され得る。また、ＲＦパワードライバが、一次コイルが１ＭＨｚ〜約１５ＭＨｚの共通の周波数で、好ましくは約１０ＭＨｚで共振するように、一次コイルの電源としての機能を果たし得る。
【００８０】
前述したように、アンテナ３１４は回路基板に印刷され、該アンテナの長さを以下のように計算することができる。
【数１】
ここで、ｃは自由空間内での光の速度、ｆはキャリア信号の周波数、εｒは基板の誘電定数である。例えば、ＬＴＣＣ（低温共焼成セラミック）基板に関しては、ｆ＝８０ＭＨｚ、εｒ＝６．７であって、アンテナの長さが４７８ｍｍであり、これは回路基板における許容サイズをはるかに越えている。したがって、前後に折り返された形態でアンテナトレースが設けられ得る。例示的なモノポールアンテナのレイアウトが図２０に示されている。二次コイル３１１は、遠隔測定送信回路３１２のマルチバイブレータ回路とＲＦ変調器との間の干渉を回避するために、接続信号経路を除いて遠隔測定回路３１２から十分に分離されなければならない。
【００８１】
図２１は、ブラケット３１８を使用してブリスク３００のロータディスク３０２に近接して取り付けられ得るＲＦ透過カバー３１７内に収容される遠隔測定送信アセンブリ３１６を有する本発明の実施形態を備えた、ステータ３２３およびブリスク３００の断面図を示している。前述したように、アセンブリ３１６は、集積チップと同じ基板に形成される、遠隔測定回路３１２、二次コイル３１１、およびデータアンテナ３１４を含む。図２２に見られるように、リード線３０７およびセンサ３０６を遠隔測定送信回路３１２に電気的に接続するためにコネクタ３１９が設けられる。一実施形態において、遠隔測定送信回路３１２、二次コイル３１１、およびアンテナ３１４は、高温性能非導電高誘電注封材料を用いてＲＦ透過カバー３１７内に固定され得る。
【００８２】
再び図２１に関して、回転データアンテナ３１４は静止データアンテナ３２０との通信のために提供可能で、静止データアンテナ３２０は、ブラケット３２２を用いてデータ送信アンテナ３２０を固定するための非導電ホルダ３２１内へ挿入される。ブラケット３２２は、ステータ３２３またはステータ３２３と関連付けられる静止シールセグメントとしての静止構成要素に取り付けられる。非導電ホルダ３２１は、静止データ送信アンテナ３２０が金属から形成され得るブラケット３２２と接触しないようにし、それにより、正確な動作を確保する。非導電ホルダ３２２は、ＲＦ透過カバー３１７のために使用される同じＺＴＡ強化セラミック材料から形成され得る。例えば図１３に示される弓形ブラケットでアンテナ３２０を使用する場合、ホルダ３２２は、湾曲ブラケットに取り付けることができる柔軟性を与えるように分割され得る。一実施形態において、静止アンテナ３２０は、電子データ信号をタービンエンジンの動作中に任意のポイントまたは時間で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上を周方向に延伸し得る。図示のように、電気リード線３４０は、ブレード３０１の動作状態を監視するための処理のために回転データアンテナ３１４から受信される電子データ信号が送信されるように、静止アンテナ３２０をコントローラまたはプロセッサ３４１に対して電気的に接続する。
【００８３】
図２３に示される更なる他の実施形態において、二次コイル３１１は、ブレード３０１のホイル部３０３の先端３０４に配置され得る。図示のように、電気リード線３２４もブレード３０１に配置されて、前述した態様でロータディスク３０２に取り付けられる遠隔測定回路３１２に、コイル３１１を電気的に接続する。当該実施形態では、回転データアンテナ３１４を、遠隔測定回路３１２と共に回路基板８０に形成可能であり、必要に応じて基板８０のサイズをさらに減少し得る。
【００８４】
本発明の他の実施形態である図２４を参照すると、二次コイル３１１および回転データアンテナ３１４の両方がブレード３０１のホイル部３０３に配置される。前述したように、電気リード線３２４は、コイル３１１を遠隔測定送信回路３１２に電気的に接続し、これにより、回路３１２に給電する。また、電気リード線３２５は、電気データ信号を送信回路３１２から回転データアンテナ３１４へ送る。アンテナ３１４がブレード３０１上にあって遠隔測定回路３１２の基板にないような実施形態では、ＲＦ透過カバーは必要とされない。遠隔測定回路３１２は、図１１に示されるような電子パッケージ内に収容されて、ロータディスク３０２に取り付けられ得る。
【００８５】
図２５に関しては、それぞれが遠隔測定送信回路を含む２つの遠隔測定送信装置３３０，３３１を含む共振エネルギ伝送システムを含んでいる無線遠隔測定システムの一実施形態が示されている。より具体的には、システムは、第１の送信装置または回転送信装置３３０と、第２の送信装置または静止送信装置３３１とを含む。図２５は、大型のコンプレッサおよびタービンのタービンブレードステージを表し得るタービンまたはコンプレッサの前述したブリスク３００などの回転構成要素の断面図である。ブリスク３００は、ステータ３２３などの静止構成要素に隣接して配置される。
【００８６】
前述したように、第１の（または回転）遠隔測定装置３３０は、遠隔測定回路３１２、データアンテナ３１４、および、集積チップとして形成される二次コイル３１１を含み得る。あるいは、データアンテナ３１４および二次コイル３１１のいずれか一方または両方がブレード３０１上または翼３０３上にある。１つ以上のセンサ３０６が、コンプレッサ１２またはタービン１０の動作中に監視されるようになっているブレード３０１部分に配置される。電気リード線３０７は、ブレード３０６の動作状態を示す電気データ信号を遠隔測定送信回路３１２へ送るためにセンサ３０６を遠隔測定送信回路３１２に接続する。送信回路３１２は、電気データ信号を第１のアンテナ３１４へ送るために第１のアンテナ３１４に電気的に接続される。
【００８７】
図示のように、遠隔測定システムはＲＦ電源３１５に接続される一次コイル３１０を含み、ＲＦ電源３１５は電流または電力を一次コイル３１０に供給する。一次コイル３１０は、タービンまたはコンプレッサのケーシング３０５など、ブリスク３００に対して静止した場所に配置される。前述したように、ＲＦ電源３１５から電力を受ける一次コイル３１０が振動磁場を発生させ、エネルギが、遠隔測定送信回路３１２に給電する二次コイル３１１へ伝えられる。
【００８８】
アンテナ３１４が遠隔測定回路３１２と同じ基板に形成される場合、遠隔測定装置３３０は、ＲＦ透過カバー３１７と、回路３１２をブリスク３００のロータディスク３０２に取り付けるブラケット３１８とを含む。アンテナ３１４がブレード３０１またはブリスク３００上のいずれか他の場所に配置されて遠隔測定送信回路３１２の基板から外される場合には、ＲＦ透過カバーは要求されない。
【００８９】
図２５に示される実施形態において、無線遠隔測定システムは、タービン１０またはコンプレッサ１２内の静止構成要素の状態を示す電子データ信号を取得して送信するための機構も含む。したがって、第２の遠隔測定装置または静止遠隔測定装置３３１がステータ３２３に取り付けられる。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、集積チップの形態で基板に形成される遠隔測定回路３３２およびアンテナ３３３（静止アンテナまたは第２のアンテナとも称される）を含むが、アンテナ３３３は図２２に示されるように遠隔測定回路３３３から離間してステータに取り付けられ得る。
【００９０】
図２５に更に示されるように、ステータ３２３または他の静止構成要素の状態を監視するために、コンプレッサ１２またはタービン１０の静止した場所に１つ以上のセンサ３３５が配置される。電気リード線３３４は、静止構成要素の状態を示す電子データ信号を第２の遠隔測定回路３３２へ送信するために、センサ３３５を第２のあるいは静止遠隔測定回路３３２に電気的に接続する。遠隔測定回路３３２は、第２のあるいは静止アンテナ３３３と電気的に通信して、信号をアンテナ３３３へ送る。静止アンテナ３３３は、遠隔測定回路３３２の基板と同じ基板に形成可能であり、あるいは、図２１に示されるように別個に取り付けられ得る。また、温度などの動作状態がブレード３０１およびディスク３０２に対して極端でない場合には、第２の遠隔測定回路３３２またはアンテナのためのＲＦ透過カバー３１７は要求されない。
【００９１】
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に接続される。この電気的な接続は、センサ３３５からの信号をアンテナ３３３へ送るとともに電子データ信号を第２のあるいは静止アンテナ３３３から受信器３３８へと更に送信するために十分な電力を遠隔測定回路３３２に供給するために、必要な場合がある。図示のように、受信器３３８は、第２のアンテナ３３３に近接する静止場所に取り付けられており、静止構成要素および回転構成要素の動作状態を示す電子信号を処理するためにコントローラまたはプロセッサ３３９に接続される。アンテナ３３３は、静止センサ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、ならびに、回転アンテナ３１４から送信される電子データ信号を送信するように構成される。電子データ信号は、静止アンテナ３３３から無線であるいは電子リード線（図示せず）によって送信され得る。このようにして、静止アンテナ３３３は、タービン１０またはコンプレッサ１２の静止構成要素および回転構成要素の両方の動作状態に関する電子データ信号を送受信する。
【００９２】
本発明の好ましい実施形態を本欄に示し説明してきたが、これら実施形態が単なる一例として与えられていることは言うまでもない。本発明から逸脱することなく、多くの変形、変更、および、置き換えが当業者に想到される。したがって、本発明は、添付の請求項の思想および範囲によってのみ限定されるものである。
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
この出願は、２００７年１１月８日に出願された米国特許出願第１１／９３６，９３６号の一部継続出願であって、その優先権を主張するとともに、２０１０年２月１日に出願された米国仮出願第６１／３００，１８４号および２０１０年２月１日に出願された米国仮出願第６１／３００，１８８号の利益も主張し、前記出願の全てはその全体が参照することにより本願に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、一般に動作環境の監視に関し、特に、燃焼タービンエンジンの動作環境などの動作環境の中にある個々の構成要素の状態を示す電子データを無線で送信することができる計装構成要素および遠隔測定システムに関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の態様により、燃焼タービンエンジンの特定の区域内など、約４５０℃またはこれ以上までの動作温度を有する動作環境内の回転構成要素または静止構成要素での動作用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】
【０００４】
燃焼タービンエンジンで用いるための例示的な高温遠隔測定システムは、タービンブレードなどの構成要素上に配置された少なくとも１つのセンサを含み得る。遠隔測定送信回路をタービンブレードに装着することが可能であり、該タービンブレード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回路へ送るために、接続材をタービンブレードに装着することが可能である。タービンブレードなどの構成要素に装着した回転データアンテナ、および、タービンブレードに隣接する静止シールセグメントに装着した静止データアンテナを備えた誘導給電システムを、遠隔測定送信回路へ給電するために設けることも可能である。
【０００５】
遠隔測定システムの一態様では、共振エネルギ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、一次コイルまたは電力／エネルギ送信装置が、回転構成要素に装着された二次コイルまたは電力／エネルギ受信装置に近接する、タービンまたはコンプレッサにおける静止位置に配置される。一次コイルが振動電流信号を送信し、そして二次コイルが、振動電流信号の送信周波数とほぼ同じ周波数で共振する。二次コイルおよび回転データアンテナは、遠隔測定送信回路が形成される同じ基板に形成される。あるいは、二次コイルおよび回転データアンテナの一方または両方は、タービンまたはコンプレッサのブレードの翼部分に配置され得る。一態様において、一次コイルは、ブレードの先端に対して近接且つ離間してコンプレッサまたはタービンのためのケーシングに、取り付けられ得る。
【０００６】
コンプレッサまたはタービンのブレードなどの回転構成要素と接続するセンサは、当該回転構成要素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送る遠隔測定送信回路と、電気的にリンクする。そして、回転データアンテナが電子データ信号を静止アンテナへ送信し、静止アンテナは、受信器および／またはプロセッサへ信号を伝送する。
【０００７】
他の態様において、静止遠隔測定送信回路が、コンプレッサおよびタービン内に配置され、ブレードに取り付けられた上述の回転遠隔測定送信回路と併せて使用される。静止構成要素と接続する１つ以上のセンサが、静止構成要素を示す電子データ信号を静止送信回路へ送信し、続いて静止送信回路が、電子データ信号を処理して静止データアンテナへ送る。したがって、静止データアンテナは、静止構成要素および回転構成要素の動作状態を示す電子データ信号を、処理用の受信器へ送信するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】例示的な燃焼タービンの断面図である。
【図２】例示的な燃焼タービンベーンの斜視図である。
【図３】図２のベーンの側面図である。
【図４】基板に配置された例示的な熱流速センサである。
【図５】例示的なタービンブレード、センサ、および、無線遠隔測定装置の斜視図である。
【図６】例示的な無線遠隔測定装置の概略図である。
【図７】例示的なコンプレッサブレードの部分斜視図である。
【図８】図７の例示的なコンプレッサブレードの部分側面図である。
【図９】図５の例示的なタービンブレードの部分断面図である。
【図１０】図９の例示的なタービンブレードの斜視図、遠隔測定送信器ハウジングの分解図、および、タービンブレードに取り付けられる例示的な回転アンテナアセンブリである。
【図１１】図１０の遠隔測定送信器ハウジングの例示的な実施形態の分解図である。
【図１２】例示的な回転アンテナアセンブリの部品を示す。
【図１３】例示的な実施形態の静止アンテナアセンブリが取り付けら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的な回転電源・アンテナアセンブリが取り付けられたタービンブレードアセンブリの部分断面図である。
【図１５】例示的な遠隔測定送信回路のブロック図である。
【図１６】例示的な誘導給電駆動回路の概略図である。
【図１７】センサおよび遠隔測定装置を含む無線遠隔測定部品を有するブリスクの部分斜視図である。
【図１８】センサに結合される遠隔測定装置の概略図である。
【図１９】共振エネルギ伝送システムのための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】回転データアンテナをその上に含むブリスクのロータ上の遠隔測定装置およびステータ上の静止アンテナの概略断面図である。
【図２２】ＲＦ透明カバー内に収容される送信装置を示す。
【図２３】エネルギ受信コイルがブリスク用ブレードにある無線遠隔測定システムの一実施形態である。
【図２４】エネルギ受信コイルおよび回転データアンテナがブリスク用ブレードにある無線遠隔測定システムの一実施形態である。
【図２５】静止構成要素および回転構成要素に関するデータを送信するために静止遠隔測定回路および静止アンテナが使用される無線遠隔測定システムの一実施形態である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、電気を発生させるために使用されるガスタービンなどの例示的な燃焼タービン１０を示している。本発明の実施形態は、燃焼タービン１０と共に使用され得るし、あるいは、多くの他の動作環境で様々な目的のために使用され得る。燃焼タービン１０は、コンプレッサ１２と、少なくとも１つの燃焼器１４（破断されている）と、タービン１６とを含む。コンプレッサ１２、燃焼器１４、およびタービン１６は、時として、総称してガスまたは燃焼タービンエンジン１０と称される。タービン１６は、回転可能な中心シャフト２０に固定される複数の回転ブレード１８を含む。複数の静止ベーン２２がブレード１８間に配置され、当該ベーン２２は、ブレード１８を越える空気を案内するように寸法付けられて構成されている。ブレード１８およびベーン２２は、一般に、ニッケル系合金から形成されており、イットリア安定化ジルコニアなどの熱バリアコーティング剤（「ＴＢＣ」）２６でコーティングされ得る。同様に、コンプレッサ１２は、各ベーン２３間に配置される複数の回転ブレード１９を含む。
【００１０】
使用時、空気がコンプレッサ１２を通じて引き込まれ、該コンプレッサで空気が圧縮されて燃焼器１４へ向けて押し進められる。燃焼器１４は、空気と燃料とを混合して点火し、これにより作動ガスを生成する。この作動ガスの温度は、一般に、ほぼ１３００度以上になる。この作動ガスは、タービン１６を通じて広がり、ベーン２２によりブレード１８を横切って案内される。タービン１６を通過するガスがブレード１８およびシャフト２０を回転させ、これにより、使用可能な機械的作用がシャフト２０を通じて伝えられる。燃焼タービン１０は、冷却剤、例えば蒸気または圧縮空気をブレード１８およびベーン２２へ供給するように寸法付けられて構成される冷却システム（図示せず）を含み得る。
【００１１】
タービンブレード１８およびベーン２２が内部で動作する環境は、特に厳しく、ブレード１８およびベーン２２の深刻な劣化をもたらす場合のある、高い動作温度および腐食性雰囲気に晒される。これは、特に、ＴＢＣ２６が砕ける、あるいは劣化する場合に起こり得る。本発明の実施形態は、燃焼タービン１０の動作中の構成要素の状態を示すリアルタイムないしはほぼリアルタイムなデータを構成要素から伝えることができるため、有益である。
【００１２】
参照することにより開示内容が本願に組み入れられる米国特許第６，５７６，８６１号は、センサ、および、該センサを送信器と接続するための、あるいはデータ信号を送るためのコネクタの実施形態を配置するために使用可能な方法および機器を開示する。この点で、この特許に開示される方法および機器は、マスク不要で約１００ミクロンから５００ミクロンの間の微細なセンサおよび／またはコネクタ主要部のパターニングのために使用され得る。多層電気回路およびセンサは、導電材料、抵抗材料、誘電材料、絶縁材料、および他の特定用途材料を使用する主要部を配設することによって形成され得る。代わりの方法を、多層電気回路、センサ、およびコネクタを形成するために使用可能であり、例えば、溶射、蒸着、レーザ焼結、および低温溶射材料堆積の硬化、その他の適した技術が使用され得る。
【００１３】
図２は、コンプレッサ１２から取り出した一対の隣接するベーン２３を示しており、一方のベーン２３には、該ベーンの状態を検出するためにセンサ５０が取り付けまたは接続されている。データ信号をセンサ５０から送信器５４へ送るための手段としてリード線またはコネクタ５２を配置可能であり、送信器５４はデータ信号をトランシーバ５６へ無線送信するように構成される。コネクタ５２は、センサ５０からの信号を送信器５４へ導くための１または複数の電気リード線であり得る。代わりの実施形態では、特定の用途に応じて、センサ５０からのデータ信号を送信器５４へ送るための手段として様々なタイプのコネクタ５２を使用可能である。
【００１４】
送信器５４は、マルチチャンネルとすることが可能で、燃焼タービン１０のケーシング内での位置に応じて様々な仕様をもち得る。送信器５４は、約８０℃〜１２０℃の動作温度に晒されるコンプレッサ１２の初期のステージ中で機能するように構成することもできる。送信器５４は、コンプレッサ１２のその後のステージ中および／または約１２０℃を超え約３００℃までの動作温度に晒されるタービン１６のステージ中で機能するように構成することもできる。送信器５４は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）技術と、約１２０℃を超える温度を伴う領域で作用できる他の材料とを使用して、形成することができる。
【００１５】
図３は、センサ５０が接続されるとともにセンサ５０を送信器５４と接続するコネクタ５２を有するコンプレッサベーン２３の概略平面図を示している。送信器５４に給電するための適切に寸法付けられたバッテリなどの電源５１が設けられ得る。送信器５４は、後にトランシーバ５６へ無線送信される信号をセンサ５０からコネクタ５２を介して受信することができる。トランシーバ５６は、ハブ５８上に、あるいは、例えば図１に示される例示的な位置などコンプレッサ１２の外側表面上に、取り付け可能である。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けるために送信器５４に十分に近接する範囲内にあれば、様々な位置に取り付け可能である。
【００１６】
１つ以上のセンサ５０が、センサ５０およびコネクタ５２をベーン２３の表面に直接的に形成または配置することによって、１つ以上のコンプレッサベーン２３と接続され得る。コネクタ５２は、コネクタ５２の先端５３が送信器５４への接続のために露出するように、センサ５０からベーン２３の外周縁などの終端位置へ、延伸し得る。センサ５０およびコネクタ５２は、ベーン２３の空気動力学に対するいかなる影響も最小限に抑えるように、ベーン２３に配置するのがよい。本実施形態では、コネクタ５２の先端５３は、構成要素の外周縁付近または他の適した位置であり得る終端位置で露出させることができる。これにより、現場技術者は、コネクタ５２を送信器５４に、位置にかかわらず迅速且つ容易に接続できる。
【００１７】
図４は、イットリア安定化ジルコニアであり得るＴＢＣ６０などのバリアコーティング中に配置され得る例示的なセンサ６１を示している。ＴＢＣ６０は、基板６４上に配置され得る接着コート６２上に配置可能である。基板６４は、タービンブレード１８など、タービン１６で用いるのに適した超合金などの各種構成要素であり得る。センサ６１は、様々な目的のために形成可能で、熱電対６６を含むこともできる。熱電対６６は、従来のＫ、Ｎ、Ｓ、ＢおよびＲ型の熱電対材料を使用して、あるいは、燃焼タービン１０内の特定の用途のために許容される熱電電圧を発生させるようなその各要素の組み合わせをいずれも使用して、配置される。
【００１８】
Ｋ型の熱電対材料であるＮｉＣｒまたはＮｉＡｌは、約８００℃までの動作環境を有するコンプレッサ１２の区域で使用可能である。例えば、ＮｉＣｒ（２０）は、コンプレッサ１２において歪みゲージを配置するために使用可能である。例えばＮｉＣｒＳｉおよびＮｉＳｉなどのＮ型熱電対材料は、約８００℃〜１１５０℃の間の動作環境を有するタービン１６の区域でセンサを配置するために使用可能である。
【００１９】
Ｓ、Ｂ、Ｒ型熱電対材料は、約１１５０℃〜１３５０℃の間の動作環境を有するタービン１６の区域でセンサを配置するために使用可能である。例えば、燃焼タービン１０内の特定の用途のために許容される熱電電圧を発生させる、Ｐｔ−Ｒｈ、Ｐｔ−Ｒｈ（１０）およびＰｔ−Ｒｈ（１３）は、タービン１６内でセンサ５０を形成するために配置可能である。Ｎｉ合金、例えば、ＮｉＣｒ、ＮｉＣｒＳｉ、ＮｉＳｉ、および、ＭＣｒＡｌＸ（ＭはＦｅ、ＮｉまたはＣｏ、ＸはＹ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｔｉおよびこれらの組み合わせであり得る）などの他の耐酸化性Ｎｉ系合金が、コンプレッサ１２の更に深い区域における、および、タービン１６の全体にわたる、高温用途のための検出材料として使用可能である。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出構造で配置される検出材料として使用され得る。
【００２０】
ブレード１８，１９および／またはベーン２２，２３などの燃焼タービン１０内の構成要素は、構成要素の表面に適合するように配置される、および／または、燃焼タービン１０内に配置されるバリアまたは他のコーティング中に埋め込まれる、特定用途センサ５０を有し得る。例えば、図５は、埋め込まれたあるいは表面実装されたセンサ７４を無線遠隔測定装置７６と接続するように配置されるコネクタ７２などの高温耐性リード線を有する、タービン１６の列１からのブレードであり得る例示的なタービンブレード７０を示している。装置７６は、遠隔測定構成要素が比較的低い温度に晒される位置、例えば動作温度が一般に約１５０℃〜２５０℃以上であるブレード７０の根元部（root）７８に近接した位置に取り付けられ得る。
【００２１】
シリコン系電子半導体、例えばデータを送信するために使用可能なシリコン系電子半導体は、それらの動作温度制約に起因して、用途が限られる場合がある。シリコンおよびシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）電子チップ技術の温度特性および性能特性は、それらの用途を約２００℃より低い動作環境に制限する場合がある。本発明の形態により、そのような電子システムを、一般に約１００℃〜１５０℃の動作温度を有するコンプレッサ１２内において無線遠隔測定装置７６のために配置することができる。
【００２２】
無線遠隔測定センサシステムの実施形態は、コンプレッサ１２の後段に存在する高温領域内およびタービン１６内で動作するように構成され得る。これらの領域は、約１５０℃〜２５０℃以上の動作温度をもち得る。これらの高温領域で動作可能な温度および電気特性を有する材料が、センサ５０，７４、コネクタ５２，７２を配置するため、および、無線遠隔測定装置７６を形成するために使用可能である。
【００２３】
センサ５０，７４および高温相互接続ラインまたはコネクタ５２，７２は、プラズマ溶射、ＥＢ、ＰＶＤ、ＣＶＤ、パルスレーザ堆積法、ミニプラズマ、直接描写法、ミニＨＶＯＦ法、または溶液プラズマ溶射法などの既知のデポジションプロセスを使用して配置可能である。一般に、燃焼タービン１０の静止構成要素および回転構成要素の両方において、構成要素の表面温度測定および熱流束測定と共に、動圧測定、動的および静的歪みと動的加速度測定が望まれる。したがって、埋め込まれるあるいは表面実装されるセンサ５０，７４は、歪みゲージ、熱電対、熱流束センサ、圧力トランスデューサ、マイクロ加速度計、および他の所望のセンサとして、構成され得る。
【００２４】
図６は、無線遠隔測定装置７６の例示的な実施形態の概略図である。装置７６は、集積アンテナおよび／または電源を伴ってあるいは伴わずに、型押し、表面実装、あるいは配置される抵抗、キャパシタ、インダクタ、トランジスタ、トランスデューサ、変調器、発振器、送信器、増幅器、およびダイオードなどの複数の電子部品を含む回路基板または集積チップとして形成可能である。無線遠隔測定装置７６の実施形態は、コンプレッサ１２および／またはタービン１６で用いるために形成され得る。
【００２５】
無線遠隔測定装置７６は、基板８０と、相互接続部９８を介して互いに電気的に接続される、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と、を含み得る。図６の実施形態は例示的な実施形態であり、性能仕様および動作環境に応じて装置７６の他の実施形態を想定可能である。装置７６の実施形態によれば、電源１００および送受信アンテナ１０２を基板８０に形成可能であり、これにより、図２または図３に示される送信器５４などの送信器、または図５に示される無線遠隔測定装置７６を構成する。
【００２６】
図７は、コンプレッサ１２内のコンプレッサブレードであり得る、ブレード根元部１１２を有するブレード１１０などの例示的なブレードの部分斜視図を示している。根元部１１２内、例えばブレード根元部１１２の底部に、１つ以上の凹部または溝１１４が形成され得る。凹部１１４は、様々な形状または寸法で形成可能であり、長さ方向に沿う様々な場所でブレード根元部１１２内に配置され得る。１つ以上の凹部または溝１１６が、ブレード根元部１１２の１つ以上の前面１１８に形成され得る。凹部１１６は、様々な形状または寸法で形成可能であり、前面１１８内の様々な場所でブレード根元部１１２内に配置され得る。凹部１１４，１１６は、様々な方法を使用して、例えば、ブレード１１０の鋳造後に削り出すことによって、あるいは、ブレード１１０の一部分として成型することによって、形成可能である。
【００２７】
図８は、ブレード根元部１１２内に装着された無線遠隔測定装置７６の部品で計装されるコンプレッサブレード１１０を示している。この点において、無線遠隔測定装置７６の代わりの実施形態では、ブレード根元部１１２などの計装される構成要素に電気的に接続されて装着される別個の基板８０に、図６に示される１つ以上の電気部品９０，９２，９４，９６，１００，１０２を別に取り付ける、あるいは含ませることができる。例えば、図６に示される送受信アンテナ１０２は、送信器１２２を有する基板８０と別に取り付け且つ電気的に接続してもよく、その送信器１２２は基板８０に形成され且つアンテナ１０２と電気的に接続される。
【００２８】
アンテナ１２０は凹部１１６内に配置し、送信器１２２は凹部１１４内に配置することも可能である。この点において、アンテナ１２０および送信器１２２は、基板８０に取り付け／型押しされず、あるいは配置されない。他の実施形態において、アンテナ１２０は図６に示されるように無線遠隔測定基板８０に配置可能であり、データは、無線遠隔測定を使用して、静止取り付けされたトランシーバ５６などの受信器へ送信され得る。電源１００は、基板８０に集積されるか、あるいは、基板とは別に位置して別個の構成部品として取り付け可能である。
【００２９】
図９は、タービンブレード１８のうちの１つなどのタービンブレードであり得る例示的なブレード１３０の部分図を示している。タービンブレード１３０は、燃焼タービン１０の運転のためにブレード１３０が固定され得る、タービン１６のロータディスクと嵌め合うための、外側モールドラインを規定する根元部１３２を含む。センサ１３４を形成するために、ブレード１３０上に、あるいはブレードの表面に配置されたバリアコーティング中に、検出材料が配置され得る。センサ１３４からのデータ信号が送信器１３８へ通信され、続いて回転アンテナアセンブリ１４２へ通信され得るようにコネクタ１４０を形成するため、接続材料が配置され得る。１つ以上のコネクタ１４０がブレード１３０の外表面より下へ配置されるように、ブレード１３０の一部内に凹部１３６が形成され得る。
【００３０】
送信器１３８およびアンテナアセンブリ１４２は、根元部１３２によって規定される外側モールドラインが変わらないように、ブレード１３０と一体的に固定され得る。例えば、送信器１３８は、根元部１３２のモミの木状部分よりも上の移行領域またはプラットフォームに装着可能であり、アンテナアセンブリ１４２は、根元部１３２の前面に装着可能である。他にも、送信器１３８および／またはアンテナアセンブリ１４２の全てまたは一部がブレード根元部１３２の外側モールドラインの表面より下に配置されるように、凹部がプラットフォームおよび前面に形成され得る。送信器１３８およびアンテナアセンブリ１４２は、エポキシまたは接着剤を使用して各凹部内に固定可能であり、高温または粒子から保護するために埋め戻し材料を上に被せることもできる。
【００３１】
図５に関して、無線遠隔測定装置７６は、ブレード根元部７８に外付けで装着されるか、あるいは、ブレード根元部の外側モールドラインが大きく変わらないような手法で埋め込まれ得る。装置７６は、ブレード根元部７８がタービン１６のロータディスク内に挿入されるときに、ブレード根元部７８とタービン１６のロータディスクとの間に形成されるキャビティ内に収容されるように、ブレード根元部７８に近接して装着され得る。これにより、センサ７４、コネクタ７２、および装置７６が計装されたタービンブレード７０を、計装されていないタービンブレードと同じ態様で、タービン１６のロータディスクの嵌め合いセグメントに組み込むことができる。この点において、計装ブレード７０は、ブレード７０および／またはブレード７０に配置されるバリアコーティングの様々な動作パラメータまたは状態を示すデータを抽出して当該データを受信装置へ送信することを無線で行うために必要な全ての部品を備えて製造され得る。
【００３２】
例えば、ブレード根元部７８などのブレード７０の基部の一部に、１つ以上の凹部または溝を形成可能であり、これら凹部内または溝内に、１つ以上の無線遠隔測定装置７６を収容可能である。溝は、ブレード根元部７８の所定の領域を切削することで形成可能であり、該溝内に、エポキシまたは他の適した結合剤を用いて装置７６を固定する。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溝を埋め戻し得る。
【００３３】
本発明の実施形態によれば、約３００℃〜５００℃の間の温度を有する環境で動作する、根元部１３２に特定の電子部品が配置されたタービンエンジンブレード１３０などの回転構成要素から、センサデータを送信することができる。本欄の開示目的では、追加修飾を伴わない「高温」という用語は、約３００℃〜５００℃の間の最大動作温度をもつ燃焼タービン１０の部分内の動作環境のような動作環境を示す。
【００３４】
本発明の実施形態は、１つ以上のセンサと、センサを少なくとも１つの遠隔測定送信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、を含み得る、遠隔測定システムが計装された、燃焼タービン１０で使用するための構成要素を提供する。図１０は、タービンブレード１３０、無線遠隔測定送信器アセンブリ１５０、および回転アンテナアセンブリ１４２を示している。遠隔測定送信器アセンブリ１５０がブレード根元部１３２に近接して取り付けられる場合には、リード線またはコネクタ１５２が、センサ７０，１３４などの１つ以上のセンサから遠隔測定送信器アセンブリ１５０まで延伸し得る。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アセンブリ１５０へ送り、このアセンブリにおいて、信号は、図１１に示される電子機器パッケージ１５４内に収容された回路基板に形成の遠隔測定送信回路によって処理される。リード線またはコネクタ１４０は、遠隔測定送信回路から回転アンテナアセンブリ１４２へ電子データ信号を送るように配置され得る。
【００３５】
図１１は、高温回路基板を収容して遠隔測定送信器アセンブリ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Ｋｏｖａｒなどの合金から形成可能である。Ｋｏｖａｒ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。タービンブレード１３０などの高温タービン構成要素のために一般に使用されるＮｉ系合金は、約１５．９〜１６．４×１０−６／℃の範囲内の熱膨張係数を有する。電子機器パッケージ１５４は、電子機器パッケージ１５４とタービンブレード１３０との間の相対的な動きを許容しつつ所定位置にしっかり装着し得る。当該相対的な動きは熱膨張率の違いに起因して生じる場合があり、熱膨張率の違いは、周囲温度と、ブレード根元部１３２付近で一般にあり得る４５０℃を超える動作温度との間での多数回の熱サイクル中に経時的に起こる。
【００３６】
図１１に最も良く示されるように、遠隔測定送信器アセンブリ１５０は、電子機器パッケージ１５４が間に配置される、取付けブラケット１５６と蓋またはカバープレート１５８とを含み得る。複数の接続ピン１５５によって、基板に形成された無線遠隔測定回路を備えるパッケージなどであるパッケージ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、誘導コイルアセンブリ、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が、可能になる。取り付けブラケット１５６、カバープレート１５８、およびこれらを互いに接続する保持ネジ１５９は、全てタービンブレード１３０と同じ材料から形成され得る。これにより、タービンブレード１３０と取付けブラケット１５６との間に熱膨張の差を生じさせないようにできる。その結果、熱過渡中に取り付けブラケット１５６および／またはタービンブレード１３０に応力が発生しない。
【００３７】
電子機器パッケージ１５４の熱膨張係数は、これら部品が存在する動作システムが高温である場合、取り付けブラケット１５６の熱膨張係数よりも小さくなり得る。その結果、回路基板を収容した電子機器パッケージ１５４の膨張がブラケット１５６よりも少なくなり、システムの振動エネルギに起因するダメージが惹起される可能性がある。取り付けブラケット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との間の寸法変化の違いに対応するために、電子機器パッケージ１５４と取り付けブラケット１５６の内面との間にセラミック繊維織物層１６０を配置し得る。織物１６０は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、または酸化アルミニウムのような繊維を含む適当なセラミック繊維から形成され得る。例えば、３Ｍ社製のＮｅｘｔｅｌ（商標）酸化アルミニウム系織物を所定量、織物１６０のために使用可能である。
【００３８】
電子機器パッケージ１５４およびセラミック繊維織物１６０を取り付けブラケット１５６およびカバープレート１５８と共に組み付けて遠隔測定送信器アセンブリ１５０を形成する場合、取り付けブラケット１５６は、ボルト締め、溶接、ロウ付けなどの適した取り付け手段によって、または、遷移液相ボンディングによって、タービンブレード１３０に取り付け可能である。図１０は、アセンブリ１５０を受容するためにブレード根元部１３２に近接してタービンブレード１３０内に切削加工または形成され得る凹部または平坦ポケット１６２を示している。
【００３９】
回転するタービンブレード１３０が全速で動作しているときに生じるＧ力に抗する構造的な支持をカバープレートに加えるために、カバープレート１５８には、Ｇ力の方向に対して垂直に向けられるフランジ１６４が形成され得る。これにより、Ｇ力からカバープレート１５８に加わる荷重を保持ネジ１５９が支持せずに済むとともに、遠隔測定送信器アセンブリ１５０が、隣接する構成要素と一切干渉することなく比較的小さい凹部１６２にフィットするように、保持ネジ１５９を十分に小さく形成することができる。保持ネジ１５９がＧ力によって加えられる荷重を支持しなければならないとすると、保持ネジの所要サイズが大きくなりすぎて、利用可能な空間内にフィットできなくなる。
【００４０】
図１０は、回転アンテナアセンブリ１４２を根元部１３２の端面または首部に取り付けることができることを示している。アセンブリ１４２は、根元部１３２を含むタービンブレード１３０などのタービン高温ガス経路構成要素に用いられるＮｉ系合金の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数を有する電子アセンブリであり得る。音速付近でのタービンブレード１３０の回転中、１つ以上の回転アンテナアセンブリ１４２は、乱流から保護され得る。一実施形態では、乱流保護材料がＲＦ放射線周波数を透過し、これにより、当該材料を通じた電力およびデータの伝送が可能になる。
【００４１】
回転可能なアンテナアセンブリ１４２の実施形態では、データアンテナおよび誘導電力要素が内部に収容される略中空の取付具である、図１０および図１２に示される耐久性をもった保護用のＲＦ透過カバー１７０を含み得る。ＲＦ透過カバー１７０は、燃焼タービンの動作中、その内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、高温の要素からＲＦ送信機器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ックス複合材料は、回転タービンブレード１３０が燃焼タービン１０の動作中に受ける振動、衝撃、およびＧ力下において、剥離および亀裂を生じやすい。
【００４２】
本発明の発明者は、ＲＦ透過カバー１７０をＲＦ透過性で靭性が高い構造的なセラミック材料から形成し得ることを究明した。セラミックマトリックス複合材料、ならびに、高靭性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を用いて、ハウジング１７０を形成し得る。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が、添加元素のドーピングおよび／または特定の処理アプローチから生じる微細構造の設計により、高い靭性を伴って利用可能である。
【００４３】
ＲＦ透過性で、形成しやすく、比較的安価なそのような材料の１つは、ジルコニア強化のアルミナ（ＺＴＡ）と一般に称されるセラミック群から選択される材料である。この一群の酸化アルミニウム材料から選択されるセラミック材料は、従来の純酸化アルミニウム材料よりも強度および靭性がかなり高い。これは、酸化アルミニウム全体にわたって酸化ジルコニウムの微粒子を均一に組み込むことによって達成される応力誘導転移強化によってもたらされる。例示的な酸化ジルコニウム含有率は１０％〜２０％である。結果として、ＺＴＡは、従来の純酸化アルミニウム材料に比べて構成要素の寿命を延ばして性能を向上させる。
【００４４】
ＺＴＡの設計された微細構造は、圧縮時にセラミックに荷重がかかる際に耐破壊性を示す。しかしながら、セラミックは、緊張状態で十分に荷重がかかると、従来のセラミック材料の場合と同様に、壊滅的に破損する。したがって、ＲＦ透過カバー１７０は、燃焼タービン１０の動作中にセラミック材料の引張応力が最小限になるように設計される。これは、（１）ＺＴＡ構成要素の全ての角部、縁部、および屈曲部が、その位置の応力集中係数を低減するために鋭利な角部および縁部を排除するべく機械加工されるように、（２）動作中にＺＴＡボックスに加わるＧ力が取り付けフランジで著しい曲げ応力を発生させないように回転アンテナ取り付けブラケット１７４におけるＺＴＡ構成要素の配向および取り付けが成されるように、設計して製造することによって達成される。これは、Ｇ荷重方向に対して垂直ではなく、Ｇ荷重方向に対して平行にフランジを向けることによって達成され、したがって、ＺＴＡフランジは、圧縮荷重を受け、曲げ荷重を受けない。
【００４５】
図１２は、図１０においてタービンブレード１３０に取り付けられて示される回転アンテナアセンブリ１４２を形成するために、回転アンテナ取り付けブラケット１７４をＲＦ透過カバー１７０と組み付けることができることを示している。回転アンテナ取り付けブラケット１７４とＲＦ透過カバー１７０との間の界面荷重は、ＲＦ透過カバー１７０で生じる引張応力を最小にする。当該デザインは、ＲＦ透過カバー１７０で生じる引張応力が破壊のための最小応力よりも小さくなるようになっており、これにより、構造的構成要素の長寿命がもたらされる。取り付けブラケット１７４はタービンブレード１３０と同じ金属から形成され得る。これらの間の均一な熱膨張係数によって、加熱及び冷却サイクル中に取り付け領域で発生する応力が最小になるからである。
【００４６】
取り付けブラケット１７４は、燃焼タービン１０の動作中に回転アンテナアセンブリ１４２の経験する全てのＧ荷重が、図１２に矢印Ｇで示されるようにブラケット１７４の上端１７８へ向かう方向で吸収されるように形成され得る。取り付けブラケット１７４のどの部分も、ＲＦ送信データ信号を減衰させるのに十分なほど、収容されているアンテナを越えて延びることはない。ＲＦ透過カバー１７０は、その内部応力場が主として圧縮性であるように所定位置に固定されており、そのフランジにある半円形の窪みを通るネジ付きピン（図示せず）を使用して保持され得る。
【００４７】
取り付けブラケット１７４は、溶接、ロウ付け、ボンディング、ボルト締め、またはねじ留めなどの従来の手段によって、タービンブレード根元部１３２の前面に取り付けられ得る。回転アンテナアセンブリ１４２の一実施形態では、所望のアンテナをＲＦ透過カバー１７０の中空体内へ配置して、アンテナからのリード線１７１をカバー１７０内に形成される穴を通じて送り出し、そして、アンテナを収容するカバー１７０の中空体をセラミック注封材料で充填することによって組み立て可能である。アンテナを収容する充填済みＲＦ透過カバー１７０は、その後、タービンブレード根元部１３２に対して既に装着済みであり得る取り付けブラケット１７４へスライド挿入され得る。カバー１７０は、取り付けブラケット１７４の穴内およびカバー１７０の窪み内に挿入されるピンによって取り付けブラケット１７４に固定され得る。
【００４８】
本発明の実施形態では、誘導ＲＦエネルギ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内の熱出力（thermal power）または振動出力（vibrational power）を取り入れることによって、動力を得ることができる。出力取り入れエネルギモデルでは、熱電力（thermoelectric power）または振動電力（vibro-electric power ）を、運転中の燃焼タービンエンジン１６で利用可能なエネルギから発生することができる。熱エネルギから電気を発生するために熱電対列が使用可能であり、あるいは、圧電材料により燃焼タービンエンジン１６の振動から電気を発生することも可能である。これらの形態の電源の例は米国特許第７，３６８，８２７号に記載されており、この特許の開示内容の全体は参照することにより本願に組み込まれる。
【００４９】
本発明の実施形態では、無線高温遠隔測定システムの部品に給電するための誘導給電モードが提供される。当該システムは、変圧器の一次誘導コイルアセンブリ１８６が静止、二次誘導コイルアセンブリ１９５が回転する、エアギャップ変圧器として構成可能である。例えば、遠隔測定送信器アセンブリ１５０内に収容される回転遠隔測定送信器に給電するために誘導ＲＦ給電構造が設けられる。図１３は、燃焼タービン１０のタービンエンジン１６内で使用可能な静止シールセグメントなどの静止シールセグメント１８０の一部を示している。複数の静止シールセグメント１８０が複数のタービンブレード１３０に隣接してタービンエンジン１６を取り囲み得る。静止シールセグメント１８０は、当業者により認識されるように、タービンエンジン１６を通り抜ける高温ガス経路内の高温ガスをシールするためにタービンブレード１３０と協働し得る。
【００５０】
図１３は、静止データ送信アンテナ１８４および静止一次誘導コイルアセンブリ１８６が固定され得る各チャネルまたは溝を形成した弓形のブラケット１８２を示している。データ送信アンテナ１８４は、該データ送信アンテナ１８４をブラケット１８２を用いて固定するために、非導電ホルダ１８５内へ挿入され得る。非導電ホルダ１８５は、金属で形成され得るブラケット１８２とデータ送信アンテナ１８４が接触しないようにして、正確な動作を確保する。非導電ホルダ１８５は、ＲＦ透過カバー１７０のために使用されるのと同じＺＴＡ強化セラミック材料から形成可能である。例えば図１３に示されるような弓形ブラケット１８２でアンテナ１８４を使用する場合、ホルダ１８５は、湾曲したブラケット１８２に取り付けることができる柔軟性を与えるように分割され得る。湾曲したブラケット１８２に取り付けることができるように、同じ分割形態が誘導コイルアセンブリ１８６に適用され得る。
【００５１】
一次誘導コイルアセンブリ１８６およびデータ送信アンテナホルダ１８５には、ブラケット１８２に対する取り付け領域に張出部（lobe）が形成され得る。ブラケット１８２の材料の関連する領域が、取り付けに対応するように僅かに大きなサイズで同じ張出部形状として除去される。当該張出部形状は、端から所定位置へスライドさせてブラケット１８２内へ配置され得る誘導コイルアセンブリ１８６とアンテナおよびホルダ１８４，１８５とを積極的に保持できる曲率半径を規定する。この張出部形状により、積極的な保持を維持することができると同時に、いずれも引張応力を受けて構造的破損に晒される比較的脆弱な材料から形成され得る誘導コイルアセンブリ１８６およびアンテナホルダ１８５で引張応力が発生しないようにすることができる。
【００５２】
この張出部は、金属ブラケット１８２が機能に干渉しないように、誘導コイルアセンブリ１８６およびデータ送信アンテナ１８４の前面から十分に離して配置し得る。確実な嵌め合いを提供し且つ加熱中および冷却中の熱膨張差に対応するために、誘導コイルアセンブリ１８６およびアンテナホルダ１８５の表面とブラケット１８２中のそれらの各ポケットとの間に、セラミックセメントが適用され得る。誘導コイルアセンブリ１８６およびデータ送信アンテナ１８４の張出部を付けた領域を覆って運転中の保持を確保する、薄いプレート（図示せず）が、ブラケット１８２の各端部に取り付けられ得る。
【００５３】
１つ以上のブラケット１８２は、静止シールセグメント１８０と同じ合金、例えばインコネル６２５から形成可能であり、静止シールセグメント１８０の内面に適合するように弓形状を有し得る。ブラケット１８２は、静止シールセグメント１８０の歪みを最小限に抑えるために、断続溶接部１８８を使用して静止シールセグメント１８０の内面に装着可能である。誘導コイルアセンブリ１８６は、少なくとも１つの静止コア１９０と、静止コア１９０の一部を覆うJP Technologies販売の「H Cement」１９４を有する少なくとも１つの静止一次巻線１９２と、を含み得る。
【００５４】
図１４は、タービンエンジンブレード根元部１３２に近接して取り付けられ得るＲＦ透過カバー１７０内に回転二次誘導コイルアセンブリ１９５が収容された実施形態を示している。回転誘導コイルアセンブリ１９５は、静止誘導コイルアセンブリ１８６と同様に、コア２００と巻線２０１とから形成され得る。静止データ送信アンテナ１８４と通信するために回転データ送信アンテナ２０２が設けられ得る。データ送信アンテナ２０２は、非導電ホルダ１８５と構造が類似し得る非導電ホルダ２０３内に入れることが可能である。別の実施形態において、データ送信アンテナ２０２は、非導電ホルダ２０３を使用することなくＲＦ透過カバー１７０内に収容可能であり、この場合、データ送信アンテナは高温性能注封材料を用いて所定位置に保持され得る。燃焼タービン１０が動作しているときに回転二次誘導コイルアセンブリ１９５およびアンテナ２０２によって描かれる円弧を形成するように、単一のあるいは複数の静止一次誘導コイル１８６が１つ以上の静止シールセグメント１８０の内面に配置され得る。
【００５５】
１つ以上の静止一次巻線１９２が高周波、高電流の電源によって励起され得る。電力を各静止誘導コイルアセンブリ１８６に対して個別に供給することができ、あるいは、一連の静止誘導コイルアセンブリ１８６が電気的に接続されて単一の電源によって駆動され得る。例示的な実施形態では、自身の電源によってそれそれ駆動される５つの隣接する静止誘導コイルアセンブリ１８６が存在し得る。各静止一次巻線１９２を通じて流れる電流が回転二次誘導コイルアセンブリ１９５に磁場を形成し、回転二次誘導コイルアセンブリ１９５が回転二次巻線２０１に電流をもたらす。回転二次巻線２０１からの電流は、以下で更に詳述されるように、無線遠隔測定送信器アセンブリ１５０内に収容される無線遠隔測定送信回路に電力を供給する。
【００５６】
図１４は、燃焼タービン１０の始動前に初期隙間「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の始動時には約１３ｍｍで、タービンブレード１３０および静止シールセグメント１８０が互いに近づくときのベース負荷で約４ｍｍまで減少し得る。静止コア１９０および回転コア２００を形成するために磁気コア材料が使用可能である。遠隔測定送信器アセンブリ１５０内に収容される遠隔測定送信回路に対して所要の隙間「Ａ」を介して所要電力を伝送するために、磁性材料がコア材料として使用され得る。選択される磁性材料は、静止一次巻線１９２が生み出して１つ以上の回転二次巻線２０１が受ける磁場を集中させるように作用する。この効果は、静止要素と回転要素との間のカップリング効率を高める。
【００５７】
本欄に開示される誘導給電システムの実施形態では、燃焼タービン１０の様々な幾何学的形態に対応するために、複数の個別一次および二次誘導コイルアセンブリ１８６，１９５を使用可能である。例えば、静止誘導コイルアセンブリ１８６およびデータ送信一次アンテナ１８４は、システム部品に対して十分な電力をもたらして所要のデータを送信するために、静止シールセグメント１８０の所定の距離のスパンにある必要があり得る。誘導コイルアセンブリ１８６およびデータ送信アンテナ１８４の一実施形態では、長さを約４フィートとする必要があり得る。この例では、製造を容易にするため、それぞれが約１フィートの長さを有する４つの個別電源／アンテナアセンブリがそれぞれのブラケット１８２を伴って形成され、これら電源／アンテナアセンブリが、１つ以上の静止シールセグメント１８０に互いに隣接して取り付けられる。個々のアンテナの端部間の隙間距離が十分に小さい場合には、アンテナアセンブリは、あたかもそれが単一の４フィート長のアンテナであるかのように機能する。このようなアンテナアセンブリは直線状のあるいは湾曲した要素から形成することもでき、これにより、直線状、湾曲状、あるいは、特定の用途での要求に沿って構成される、可変長のアセンブリが提供される。一実施形態では、複数のそのようなアンテナアセンブリが、タービン１６内の１つ以上の静止シールセグメント１８０の上側半分で約１１２°の円弧を成して延伸し得る。
【００５８】
本発明の発明者は、特定のクラス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あるいは上回ることを究明した。このクラスの材料における一般用語は、ナノ結晶鉄合金である。このクラスの材料の１つの組成体は、ＮＡＭＧＬＡＳＳ（登録商標）という商品名で販売されており、約８２％鉄−平衡成分としてシリコン、ニオブ、ホウ素、銅、炭素、ニッケル、およびモリブデンをもつ組成を有する。このようなナノ結晶鉄合金材料が、５００℃を超えるキュリー温度、非常に低い保磁力、低い渦電流損失、高い飽和磁束密度などの望ましい特性を呈し、高温動作範囲の全体にわたって透過性が非常に安定していることが究明された。
【００５９】
このナノ結晶鉄合金材料は、トロイドまたは「Ｃ」コアトランスコアの形態のテープ巻回構造で市販されている。本発明の実施形態では、このナノ結晶鉄合金材料を利用して、一次静止コア１９０のために使用される「Ｉ」コア形状を形成する。「Ｉ」形状は、この形状が静止取り付けブラケット１８２にあるチャネル内で自身を所定の位置に保持することから選択された。各誘導コイルアセンブリ１８６の誘導コア１９０は、約１１インチの長さの円弧の状態へと作り上げられる、複数のナノ結晶鉄合金材料の０．００７"厚の積層体から構成される。回転アンテナ２００のトランスコアのために同じナノ結晶鉄合金材料が使用され得る。
【００６０】
静止要素と回転要素との間で電力を伝送するために使用される磁場の強度は、駆動信号、すなわち、図１６に示される例示的な誘導給電駆動回路によって生成される高周波ＡＣ信号の周波数を増加させることによって増大され得る。したがって、本発明の実施形態では、静止一次巻線１９２を駆動するために約２００ｋＨｚを超える周波数などの高い周波数を使用し得る。他の実施形態では、少なくとも１メガヘルツの動作周波数を、当該周波数で動作するように設計されたパワードライバを用いて達成してもよい。
【００６１】
巻線コア１９０，２００に使用の配線は、高温での破損および酸化を減らすためにセラミック絶縁体を有した２７％ニッケル被覆銅から形成され得る。この配線のハンドリング特性は、保護用のセラミックコーティングの結果として、標準的な有機物絶縁された剥き出しの銅よりもかなり厳しく、そのため、一次要素および回転要素の両方を巻回するプロセスに関して特別な技術が開発された。他の配線は、絶縁された銀、または、陽極酸化アルミであってもよい。
【００６２】
一次および回転の両方の誘導コイルアセンブリ１８６，１９５の構造において、２つのタイプのセラミック材料が使用されてもよい。巻線１９２，２０１がコア要素１９０，２００に短絡しない（導通しない）ようにすることが重要である。配線上に供給される絶縁体に加えて、H cement、すなわち、超微細粒径を有するセラミックセメントなどの複合物が、巻線コア１９０，２００の絶縁ベース被覆として使用され得る。巻線コア１９０，２００が巻回されると、これらの巻線コアは、Cotronics ９４０、すなわち、酸化アルミニウム系セラミックセメントで封入されてもよい。
【００６３】
図１５は、図１０に示される遠隔測定送信器アセンブリ１５０内に収容される図１１に図示の高温電子機器パッケージ１５４の中に取り付けられる回路基板に形成され得る例示的な遠隔測定送信回路２１０の概略図を示している。遠隔測定送信回路２１０は、タービンブレード１３０と関連する歪みを測定するための歪みゲージセンサであり得る図９のセンサ１３４などのセンサと共に動作するように構成され得る。回転二次誘導コイルアセンブリ１９５は、送信回路２１０の電圧整流器に対して約２５０ｋＨｚＡＣ電力を供給し得る。この回路は、ＡＣ入力をＤＣ出力へ変換して電圧調整回路に給電する。
【００６４】
送信回路２１０の電圧調整器は、ＡＣ入力電圧が変化し得る場合であっても一定のＤＣ電圧出力を維持する。一定の電圧出力は、信号出力におけるより良い精度および安定した動作周波数を得るために必要とされる。また、電圧調整器は、一定の電圧を歪みゲージセンサ１３４および安定抵抗器（図示せず）に対して供給する。歪みゲージセンサ１３４および安定抵抗器は、送信回路２１０へ入力されるセンサ信号を供給する。歪みゲージセンサ１３４が取り付けられた表面が撓むと、歪みゲージが抵抗を変化させ、それにより、送信回路２１０の入力における電圧が変化する。
【００６５】
歪みゲージセンサ１３４からの信号によって与えられる変動電圧は、最初に差動増幅器によって増幅され、その後、高利得ＡＣ増幅器によって増幅される。結果として生じる信号は、送信回路２１０の電圧制御発振器（ＶＣＯ）区域にあるバラクタダイオードに印加される。ＶＣＯは高いキャリア周波数で振動する。このキャリア周波数は、送信回路２１０に関して１２５〜１５５ＭＨｚの帯域に設定され得る。固定されたキャリア周波数がバラクタにおける電圧変化によって僅かに変えられる。周波数のこの変化または偏差は、歪みゲージセンサ１３４が受ける撓みあるいは歪みに直接関連付けられる。ＶＣＯキャリア出力がバッファステージへ供給され、バッファ出力は、図１０のリード線１４０を介して、回転アンテナアセンブリ１４２内に収容される送信アンテナに接続する。
【００６６】
図１のトランシーバ５６などの受信装置、または、燃焼タービン１０内の高温領域または他の領域に配置される他の装置では、キャリア信号が除去され、偏差は、歪みに比例する増幅出力となる。高温用途のために設計されるこのような送信回路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を含むバンドギャップの大きい半導体材料などの高温性能材料から形成可能で、あるいは、他の高温性能トランジスタ材料が約５００℃〜６００℃まで使用され得る。
【００６７】
回路基板に形成される無線遠隔測定送信回路２１０の様々な実施形態は、様々な動作温度にあり且つセンサタイプの範囲をもつ燃焼タービン１０での使用に適合され得る。送信回路２１０およびその代わりの実施形態の要素は、約３５０℃までのシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）集積回路；約３００℃〜３５０℃からのポリシルセスキオキサン、ＰＦＡ、ポリイミド、Ｎｏｍｅｘ、ＰＢＺＴ、ＰＢＯ、ＰＢＩ、およびＶｏｌｔｅｘ巻回キャパシタ；約４５０℃〜５００℃からのＰＬＺＴ、ＮＰＯ、Ｔａ２Ｏ５、ＢａＴｉＯ３多層セラミックキャパシタなど、様々な感温材料を使用して形成され得る。
【００６８】
抵抗の様々な実施形態は、約３５０℃までの動作環境に関してはＴａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＳｎＯ２、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｃｒ−ＳｉおよびＰｄ−Ａｇから形成可能で、約３５０℃以上の動作環境に関してはＲｕ、ＲｕＯ２、Ｒｕ−ＡｇおよびＳｉ３Ｎ４から形成可能である。ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、およびＧａＡｓＡｌＮ、または、他の高温性能半導体材料から形成される別個のトランジスタ、ダイオード、またはキャパシタダイなどの個々の高温電子部品は、約３５０℃を超えない温度での動作においては単一のＳＯＩ ＣＭＯＳデバイスと置き換えられ得る。
【００６９】
無線遠隔測定装置７６の実施形態に関し図６に示す。電気信号を受信するおよび／または送信するためのトランシーバであり得るアンテナ１０２が、遠隔測定送信回路と同じ基板に形成される。遠隔測定送信回路は、相互接続部９８を介して互いに電気的に接続される、電子回路９０、マルチバイブレータ回路（図示せず）、演算増幅器９２、ＲＦ変調器９４、およびＲＦ発振器／送信器９６を含み得る。基板８０のこれら要素に加えて、装置７６は、電気回路９０およびアンテナ１０２と電気的に接続する電源１１０を含み得る。アンテナ１０２および／または電源１１０を含むこれら電気部品９０，９２，９４，９６は、回路基板または集積チップの形態のボードまたは基板８０に形成される。あるいは、電源１１０はブレードまたはベーンに近接する基板から離して取り付けられてもよく、または、アンテナ１０２および電源の両方は、遠隔測定送信回路と電気的接続を維持した状態で基板から外され得る。
【００７０】
図６に示される実施形態および以下で更に詳述する図１７〜図２３に示される実施形態では、巻線を有する磁気コアを排除した共振エネルギ伝送アセンブリを使用し得る。これらの実施形態は、航空分野で使用される小型モジュール燃焼タービンエンジンで用いるために特に有益となり得る。より具体的には、このようなモジュールタービンシステムは、例えば、ロータディスク３０２と一体的に形成され、且つ、例えば電力発生プラントで使用されるコンプレッサまたはタービンのブレードステージよりもかなり小さいブレード３０１を含むブリスクを組み込む。したがって、ブリスクは、図１４に示される磁気コア１９０，２００を含む電力誘導コイルアセンブリ１８６，１９５を支持するのに十分な表面積をもたない。
【００７１】
また、このようなモジュールタービンシステムでは、コンプレッサステージまたはタービンステージなどのステージ全体を、隣接するステージから分離して交換することができる。ステージを分離する際には、ロータを通るセンサ配線をカットして再接続しなければならず、再接続された配線は、タービン動作中の信頼性に劣る。無線遠隔測定システムは、コンプレッサステージまたはタービンステージを取り外して交換する際に手作業で取り外し再接続しなければならない配線を、排除し得る。
【００７２】
ロータディスク３０２と一体的に形成される複数のブレード３０１を含むブリスク３００に関して、無線遠隔測定システムの部品が図１７に示されている。図示のように、各ブレード３０１はホイル（foil）部３０３を含み、該ホイル部を越えて高温膨張ガスが流れてブリスク３００がタービンのケース内で回転する。一方、コンプレッサブリスクの回転が、回転するブレードを通過させて高温ガスを引き込み、該ガスがその後のコンプレッサステージを通じてタービンエンジンのタービンステージへと方向付けられるように、圧縮する。各ブレード３０１またはホイル部３０３は、ブレード３０１などの回転構成要素およびベーン（図示せず）などの静止構成要素が内部に配置されるケーシング３０５に対して離間した関係で隣接する先端３０４を有する。ブリスク３００は、タービンエンジン用のコンプレッサまたは出力タービン内で動作できるように配置され得る。また、後述する共振エネルギ伝送アセンブリが、ブレード３０１などの回転構成要素またはベーンなどの静止構成要素の監視との関連で使用され得る。
【００７３】
埋め込まれあるいは表面実装されるセンサ３０６が、ブレード３０１の動作状態を監視するための領域に対して、ブレード３０１に配置され得る。耐熱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と電気的に接続する。装置３０８は、好ましくは、遠隔測定部品が比較的低い温度に晒される場所、例えば動作温度が一般に約１５０℃〜約２５０℃であるブリスク３００のロータ３０９に取り付けられる。
【００７４】
センサ３０６および相互接続線３０７は、プラズマ溶射、ＥＢ、ＰＶＤ、ＣＶＤ、パルスレーザ堆積法、ミニプラズマ、直接描写法、ミニＨＶＯＦ法、または溶液プラズマ溶射法などの既知のデポジションプロセスを使用して配置可能である。一般に、燃焼タービン１０の静止構成要素および回転構成要素の両方において、構成要素の表面温度測定および熱流束測定と共に、動圧測定、動的および静的歪み測定、および動的加速度測定が望まれる。したがって、埋め込まれるあるいは表面実装されるセンサ３０６は、歪みゲージ、熱電対、熱流束センサ、圧力トランスデューサ、マイクロ加速度計、および、他の所望のセンサとして構成され得る。また、センサを形成するために使用される材料は、コンプレッサ構成要素またはタービン構成要素の両方に関して図４に示されるセンサ６１に関連して挙げられて説明された熱電対材料を含み得る。
【００７５】
図１７〜図２５に示される無線遠隔測定システムの実施形態は、一次コイル３１０を有する共振エネルギ伝送システムを含み、一次コイル３１０は、無線遠隔測定装置３０８およびセンサ３０６を含むアセンブリの回転構成要素に対して、コンプレッサ１２またはタービン１０内の静止位置に取り付けられる。一例として、および、図１７に示されるように、一次コイル３１０は、コンプレッサまたはタービンのケーシング３１３に取り付け可能で、ＲＦ電源３１５に接続される。図１８に示されるように、遠隔測定装置３０８は、図１５に関連して説明された遠隔測定回路などの遠隔測定回路３１２と、二次コイル３１１の形態の電源とを含む。また、送信装置３０８は、遠隔測定送信回路３１２と電気的に通信するＲＦデータアンテナ３１４を含む。
【００７６】
一次コイルおよび後述する二次コイルに関連して本欄で使用される用語「コイル」は、必ずしもそのような構成要素の物理的形態の表示とは限らない。実際には、「コイル」の一方または両方がプローブの形態であり得る。用語「コイル」は、一次装置から振動電流を発生し、回転して該振動電流の周波数と同じ周波数で共振する二次装置に電力を誘導するために、キャパシタおよびインダクタなどの適切に構成された電気部品を含む電力送信及び電力受信装置を含むように意図されている。
【００７７】
一次コイル３１０の動作時、ＲＦ電源３１５から電力を受けることにより、振動磁場が発生し、遠隔測定送信回路３１２に給電する二次コイル３１１へエネルギが伝送される。センサ３０６は、ブレード３０１などの構成要素の動作状態を示す電子データ信号を発生し、該電子データ信号が遠隔測定送信回路３１２へ送られ、遠隔測定送信回路は、電子データ信号をデータアンテナ３１４へ送る。電子データ信号はブレード３０１などの構成要素の動作状態を示す。一実施形態において、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と共に基板に配置される集積チップとしてあるいは回路基板として形成され得る。
【００７８】
エネルギの伝送用の一次コイル３１０および二次コイル３１１のための例示的な回路は、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インダクタＬ３に結合される送信コイルまたはインダクタＬ１を含む一次コイル３１０を含んでいる。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に結合される受信コイルまたはインダクタＬ２を含む。送信コイルＬ１は抵抗Ｒｃと共振キャパシタＣとを有し、受信コイルＬ２も、コイル抵抗Ｒｃと共振キャパシタＣとを含む。この例示的な回路では、ソースコイルＬ３のソース抵抗Ｒｓおよび負荷コイルＬ４の負荷抵抗ＲＬが共振系のＱに寄与せず、それにより、一次コイル３１０と二次コイル３１１との間の結合が高められ、したがって、電力を伝えることができる距離が増大される。一次コイル３１０および二次コイル３１１のためのそれぞれのＲＬＣ回路は、コイル３１０，３１１が同じあるいは共通の周波数で共振することにより電力を一次コイル３１０から二次コイル３１１へ伝えることができるように調整される。
【００７９】
コイル３１０，３１１は、Ｎｉ、Ｎｉ系超合金、Ｉｎｃａｎｅｌ（登録商標）、金、白金、または、約２５０℃以上の温度で作用する他の材料などの耐熱性で且つ酸化耐性の材料から構成され得る。また、ＲＦパワードライバが、一次コイルが１ＭＨｚ〜約１５ＭＨｚの共通の周波数で、好ましくは約１０ＭＨｚで共振するように、一次コイルの電源としての機能を果たし得る。
【００８０】
前述したように、アンテナ３１４は回路基板に印刷され、該アンテナの長さを以下のように計算することができる。
【数１】
ここで、ｃは自由空間内での光の速度、ｆはキャリア信号の周波数、εｒは基板の誘電定数である。例えば、ＬＴＣＣ（低温共焼成セラミック）基板に関しては、ｆ＝８０ＭＨｚ、εｒ＝６．７であって、アンテナの長さが４７８ｍｍであり、これは回路基板における許容サイズをはるかに越えている。したがって、前後に折り返された形態でアンテナトレースが設けられ得る。例示的なモノポールアンテナのレイアウトが図２０に示されている。二次コイル３１１は、遠隔測定送信回路３１２のマルチバイブレータ回路とＲＦ変調器との間の干渉を回避するために、接続信号経路を除いて遠隔測定回路３１２から十分に分離されなければならない。
【００８１】
図２１は、ブラケット３１８を使用してブリスク３００のロータディスク３０２に近接して取り付けられ得るＲＦ透過カバー３１７内に収容される遠隔測定送信アセンブリ３１６を有する本発明の実施形態を備えた、ステータ３２３およびブリスク３００の断面図を示している。前述したように、アセンブリ３１６は、集積チップと同じ基板に形成される、遠隔測定回路３１２、二次コイル３１１、およびデータアンテナ３１４を含む。図２２に見られるように、リード線３０７およびセンサ３０６を遠隔測定送信回路３１２に電気的に接続するためにコネクタ３１９が設けられる。一実施形態において、遠隔測定送信回路３１２、二次コイル３１１、およびアンテナ３１４は、高温性能非導電高誘電注封材料を用いてＲＦ透過カバー３１７内に固定され得る。
【００８２】
再び図２１に関して、回転データアンテナ３１４は静止データアンテナ３２０との通信のために提供可能で、静止データアンテナ３２０は、ブラケット３２２を用いてデータ送信アンテナ３２０を固定するための非導電ホルダ３２１内へ挿入される。ブラケット３２２は、ステータ３２３またはステータ３２３と関連付けられる静止シールセグメントとしての静止構成要素に取り付けられる。非導電ホルダ３２１は、静止データ送信アンテナ３２０が金属から形成され得るブラケット３２２と接触しないようにし、それにより、正確な動作を確保する。非導電ホルダ３２２は、ＲＦ透過カバー３１７のために使用される同じＺＴＡ強化セラミック材料から形成され得る。例えば図１３に示される弓形ブラケットでアンテナ３２０を使用する場合、ホルダ３２２は、湾曲ブラケットに取り付けることができる柔軟性を与えるように分割され得る。一実施形態において、静止アンテナ３２０は、電子データ信号をタービンエンジンの動作中に任意のポイントまたは時間で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上を周方向に延伸し得る。図示のように、電気リード線３４０は、ブレード３０１の動作状態を監視するための処理のために回転データアンテナ３１４から受信される電子データ信号が送信されるように、静止アンテナ３２０をコントローラまたはプロセッサ３４１に対して電気的に接続する。
【００８３】
図２３に示される更なる他の実施形態において、二次コイル３１１は、ブレード３０１のホイル部３０３の先端３０４に配置され得る。図示のように、電気リード線３２４もブレード３０１に配置されて、前述した態様でロータディスク３０２に取り付けられる遠隔測定回路３１２に、コイル３１１を電気的に接続する。当該実施形態では、回転データアンテナ３１４を、遠隔測定回路３１２と共に回路基板８０に形成可能であり、必要に応じて基板８０のサイズをさらに減少し得る。
【００８４】
本発明の他の実施形態である図２４を参照すると、二次コイル３１１および回転データアンテナ３１４の両方がブレード３０１のホイル部３０３に配置される。前述したように、電気リード線３２４は、コイル３１１を遠隔測定送信回路３１２に電気的に接続し、これにより、回路３１２に給電する。また、電気リード線３２５は、電気データ信号を送信回路３１２から回転データアンテナ３１４へ送る。アンテナ３１４がブレード３０１上にあって遠隔測定回路３１２の基板にないような実施形態では、ＲＦ透過カバーは必要とされない。遠隔測定回路３１２は、図１１に示されるような電子パッケージ内に収容されて、ロータディスク３０２に取り付けられ得る。
【００８５】
図２５に関しては、それぞれが遠隔測定送信回路を含む２つの遠隔測定送信装置３３０，３３１を含む共振エネルギ伝送システムを含んでいる無線遠隔測定システムの一実施形態が示されている。より具体的には、システムは、第１の送信装置または回転送信装置３３０と、第２の送信装置または静止送信装置３３１とを含む。図２５は、大型のコンプレッサおよびタービンのタービンブレードステージを表し得るタービンまたはコンプレッサの前述したブリスク３００などの回転構成要素の断面図である。ブリスク３００は、ステータ３２３などの静止構成要素に隣接して配置される。
【００８６】
前述したように、第１の（または回転）遠隔測定装置３３０は、遠隔測定回路３１２、データアンテナ３１４、および、集積チップとして形成される二次コイル３１１を含み得る。あるいは、データアンテナ３１４および二次コイル３１１のいずれか一方または両方がブレード３０１上または翼３０３上にある。１つ以上のセンサ３０６が、コンプレッサ１２またはタービン１０の動作中に監視されるようになっているブレード３０１部分に配置される。電気リード線３０７は、ブレード３０６の動作状態を示す電気データ信号を遠隔測定送信回路３１２へ送るためにセンサ３０６を遠隔測定送信回路３１２に接続する。送信回路３１２は、電気データ信号を第１のアンテナ３１４へ送るために第１のアンテナ３１４に電気的に接続される。
【００８７】
図示のように、遠隔測定システムはＲＦ電源３１５に接続される一次コイル３１０を含み、ＲＦ電源３１５は電流または電力を一次コイル３１０に供給する。一次コイル３１０は、タービンまたはコンプレッサのケーシング３０５など、ブリスク３００に対して静止した場所に配置される。前述したように、ＲＦ電源３１５から電力を受ける一次コイル３１０が振動磁場を発生させ、エネルギが、遠隔測定送信回路３１２に給電する二次コイル３１１へ伝えられる。
【００８８】
アンテナ３１４が遠隔測定回路３１２と同じ基板に形成される場合、遠隔測定装置３３０は、ＲＦ透過カバー３１７と、回路３１２をブリスク３００のロータディスク３０２に取り付けるブラケット３１８とを含む。アンテナ３１４がブレード３０１またはブリスク３００上のいずれか他の場所に配置されて遠隔測定送信回路３１２の基板から外される場合には、ＲＦ透過カバーは要求されない。
【００８９】
図２５に示される実施形態において、無線遠隔測定システムは、タービン１０またはコンプレッサ１２内の静止構成要素の状態を示す電子データ信号を取得して送信するための機構も含む。したがって、第２の遠隔測定装置または静止遠隔測定装置３３１がステータ３２３に取り付けられる。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、集積チップの形態で基板に形成される遠隔測定回路３３２およびアンテナ３３３（静止アンテナまたは第２のアンテナとも称される）を含むが、アンテナ３３３は図２２に示されるように遠隔測定回路３３３から離間してステータに取り付けられ得る。
【００９０】
図２５に更に示されるように、ステータ３２３または他の静止構成要素の状態を監視するために、コンプレッサ１２またはタービン１０の静止した場所に１つ以上のセンサ３３５が配置される。電気リード線３３４は、静止構成要素の状態を示す電子データ信号を第２の遠隔測定回路３３２へ送信するために、センサ３３５を第２のあるいは静止遠隔測定回路３３２に電気的に接続する。遠隔測定回路３３２は、第２のあるいは静止アンテナ３３３と電気的に通信して、信号をアンテナ３３３へ送る。静止アンテナ３３３は、遠隔測定回路３３２の基板と同じ基板に形成可能であり、あるいは、図２１に示されるように別個に取り付けられ得る。また、温度などの動作状態がブレード３０１およびディスク３０２に対して極端でない場合には、第２の遠隔測定回路３３２またはアンテナのためのＲＦ透過カバー３１７は要求されない。
【００９１】
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に接続される。この電気的な接続は、センサ３３５からの信号をアンテナ３３３へ送るとともに電子データ信号を第２のあるいは静止アンテナ３３３から受信器３３８へと更に送信するために十分な電力を遠隔測定回路３３２に供給するために、必要な場合がある。図示のように、受信器３３８は、第２のアンテナ３３３に近接する静止場所に取り付けられており、静止構成要素および回転構成要素の動作状態を示す電子信号を処理するためにコントローラまたはプロセッサ３３９に接続される。アンテナ３３３は、静止センサ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、ならびに、回転アンテナ３１４から送信される電子データ信号を送信するように構成される。電子データ信号は、静止アンテナ３３３から無線であるいは電子リード線（図示せず）によって送信され得る。このようにして、静止アンテナ３３３は、タービン１０またはコンプレッサ１２の静止構成要素および回転構成要素の両方の動作状態に関する電子データ信号を送受信する。
【００９２】
本発明の好ましい実施形態を本欄に示し説明してきたが、これら実施形態が単なる一例として与えられていることは言うまでもない。本発明から逸脱することなく、多くの変形、変更、および、置き換えが当業者に想到される。したがって、本発明は、添付の請求項の思想および範囲によってのみ限定されるものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサと出力タービンとを有する燃焼タービンエンジンの構成要素の動作状態を監視するための無線遠隔測定システムであって、
コンプレッサまたはタービンの回転構成要素と接続した少なくとも１つの第１のセンサと、
前記回転構成要素に取り付けられて、前記少なくとも１つの第１のセンサと電気的に通信し、前記回転構成要素の状態を示す電子データ信号が送られる、第１の遠隔測定送信回路と、
前記第１の遠隔測定送信回路に給電するためのエネルギ伝送システムと、
前記回転構成要素に取り付けられて、前記回転構成要素の状態を示す電子データ信号を送る前記第１の遠隔測定送信回路と電気的に通信する、第１のデータアンテナと、
前記第１のデータアンテナに対して離間した前記タービンまたはコンプレッサの静止位置に取り付けられ、前記第１のデータアンテナから送信される前記回転構成要素の状態を示す電子データ信号を受信する、第２のデータアンテナと、
前記コンプレッサまたはタービンの静止構成要素と接続した少なくとも１つの第２のセンサと、
前記エネルギ伝送システムまたは他の電源によって給電され、前記コンプレッサまたはタービンの静止位置に取り付けられて、前記少なくとも１つの第２のセンサと電気的に通信し、前記静止構成要素の状態を示す電子データ信号が前記第２のセンサから送られる、第２の遠隔測定送信回路と、
を備え、
前記第２のデータアンテナは、前記第２の遠隔測定送信回路から送られる前記静止構成要素の状態を示す電子データ信号を送信するとともに、前記回転構成要素の状態を示す電子データ信号を受信器へ送信する、無線遠隔測定システム。
【請求項２】
前記エネルギ伝送システムは、
前記第１の遠隔測定送信回路と電気的に接続する導電材料を前記回転構成要素に備えた二次コイルに対して離間した前記タービンエンジンの領域に取り付けられ、振動電流信号を送信する一次コイルを含む、共振エネルギ伝送システムであり、
前記二次コイルは、前記振動電流信号の送信周波数に相当する周波数で共振する、
請求項１に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項３】
前記構成要素は、前記コンプレッサまたはタービンのロータディスクの複数のブレードのうちの少なくとも１つの回転するブレードであり、該ブレードが、膨張する高温ガスが横切って流れる翼を有し、当該タービンおよびコンプレッサのブレードはケーシング内に配置され、
前記一次コイルが前記回転するブレードの翼の先端に近接した前記ケーシングに取り付けられ、前記二次コイルが前記翼に導電材料を備える、
請求項２に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項４】
前記第１のデータアンテナは、前記コンプレッサまたはタービンのブレードの前記翼部分に導電材料を備える、請求項２に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項５】
前記第１の遠隔測定送信回路が、前記回転するブレードに取り付けられた基板に構成され、前記第１のデータアンテナが同じ基板に配置されて、前記第１の遠隔測定送信回路と電気的に通信し、
前記基板の前記第１の遠隔測定送信回路および前記第１のデータアンテナが、ＲＦ透過カバー内に収容される、
請求項２に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項６】
前記第１の遠隔測定送信回路および前記第１のデータアンテナを収容した前記ＲＦ透過カバーは、前記第２のデータアンテナが取り付けられた前記静止構成要素と対向するロータディスクまたは前記ブレードの端面に取り付けられる、請求項５に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項７】
前記二次コイルアセンブリが約１５０ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの周波数で共振する、請求項２に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項８】
前記エネルギ伝送システムは、
前記静止構成要素に取り付けられた静止一次誘導コイルアセンブリと、
前記静止一次誘導コイルに対して近接且つ離間した前記回転構成要素に取り付けられる二次誘導コイルアセンブリと、
回転する前記二次誘導コイルアセンブリが約２５０ｋＨｚ〜２５０ＭＨｚの間の周波数で動作するように前記静止一次誘導コイルアセンブリを励起する電源と、
を備える電力誘導システムである、
請求項１に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項９】
前記第２のデータアンテナは、前記第１のデータアンテナに近接した前記タービンエンジンの静止構成要素に取り付けられたＲＦ透過カバー内に収容される、請求項１に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項１０】
前記第２のデータアンテナは、前記静止構成要素に取り付けられた非導電材料から成るホルダ内に支持される、請求項１に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項１１】
前記タービンエンジンは、互いに分離できる前記コンプレッサおよびタービンを含むモジュールシステムである、請求項１に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項１２】
前記回転構成要素は、前記コンプレッサまたはタービンのロータディスクの複数のブレードのうちの少なくとも１つの回転するブレードであり、該ブレードが、膨張する高温ガスが横切って流れる翼を有し、
前記第１のデータアンテナは、前記翼に導電材料を備える、
請求項２に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項１３】
コンプレッサと出力タービンとを有する燃焼タービンエンジンの構成要素の動作状態を監視するための無線遠隔測定システムであって、
ロータディスクに取り付けられたタービンまたはコンプレッサブレードと接続する第１のセンサと、
約５００℃の動作温度を有する位置で前記ブレードに取り付けられた第１の遠隔測定送信回路と、
前記ブレードの状態を示す電子データ信号を前記第１のセンサから前記第１の遠隔測定送信回路へ送る、前記タービンブレード上の第１の電気接続材料と、
前記第１の遠隔測定送信回路に給電するためのエネルギ伝送システムと、
前記ブレードまたはロータディスクに取り付けられ、前記電子データ信号を送る前記第１の遠隔測定送信回路と電気的に通信する、第１のデータアンテナと、
前記ブレードまたはロータディスクに近接して取り付けられ、前記第１の遠隔測定送信回路および前記第１のデータアンテナを収容するＲＦ透過カバーと、
前記第１のデータアンテナから前記電子データ信号を受信するために前記第１のデータアンテナに対して近接且つ離間した前記コンプレッサまたはタービンの静止表面に配置される第２のデータアンテナと、
前記コンプレッサまたはタービン内の静止構成要素と接続する第２のセンサと、
前記第２のセンサから受信される前記静止構成要素の動作状態を示す電子データ信号を処理するように構成され、前記コンプレッサまたはタービン内の静止位置に取り付けられた第２の遠隔測定送信回路と、
前記エネルギ伝送システムとは別の、前記第２の遠隔測定送信回路に給電するための電源と、
前記第２のデータアンテナに対し離して配置され、前記ブレードおよび前記静止構成要素の動作状態を示す電子データ信号を前記第２のデータアンテナから受信する受信器と、
を備える、無線遠隔測定システム。
【請求項１４】
前記第１の遠隔測定送信回路が前記ブレードまたは前記ロータディスクに取り付けられた基板に形成され、前記第１のデータアンテナが前記基板と同じ基板に配置される、請求項１３に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項１５】
前記エネルギ伝送システムは、
前記ブレードまたはロータディスクに取り付けられた導電材料を備える二次コイルに対して近接且つ離間した前記タービンまたはコンプレッサの静止位置に取り付けられ、振動電流信号を送信する一次コイルを含む、共振エネルギ伝送システムであり、
前記二次コイルは、前記振動電流信号に相当する送信周波数で共振する、
請求項１３に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項１６】
回転する前記ブレードが、前記ロータディスクに動作可能に接続された翼を含み、
前記二次コイルは、前記翼の先端に導電材料を備え、
前記一次コイルは、前記ブレードの先端および前記二次コイルに近接した前記コンプレッサまたはタービンのケーシングに取り付けられる、
請求項１５に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項１７】
前記ブレードは、前記コンプレッサおよびタービンが互いに分離可能とされたモジュールタービン機械におけるブリスクを形成する前記ロータディスクと一体的に形成された複数のブレードのうちの１つである、請求項１６に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項１８】
前記エネルギ伝送システムは、
前記静止構成要素に取り付けられた静止一次誘導コイルアセンブリと、
前記静止一次誘導コイルに対して近接且つ離間した前記回転構成要素に取り付けられる二次誘導コイルアセンブリと、
回転する前記二次誘導コイルアセンブリが約２５０ｋＨｚ〜２５０ＭＨｚの間の周波数で動作するように前記静止一次誘導コイルアセンブリを励起する電源と、
を備える電力誘導システムである、
請求項１３に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項１９】
１つ以上のケーシング内に収容された静止構成要素および回転構成要素を含むコンプレッサおよび出力タービンを有する燃焼タービンエンジンの構成要素の動作状態を監視するための無線遠隔測定システムであって、
ロータディスクに動作可能に接続された翼部分を含むタービンまたはコンプレッサブレードと接続された回転センサと、
前記ブレードに取り付けられた回転遠隔測定送信回路と、
前記ブレードの状態を示す電子データ信号を前記回転センサから前記回転遠隔測定送信回路へ送るための前記タービンブレード上の電気接続材料と、
前記回転遠隔測定送信回路を形成した基板と同じ基板にある電力受信装置を備えた前記回転遠隔測定送信回路に給電するためのエネルギ伝送システムと、
前記回転遠隔測定送信回路および電力受信装置と同じ基板に形成され、前記回転遠隔測定送信回路と電気的に通信して前記電子データ信号が送られる、第１のデータアンテナと、
前記電子データ信号を前記第１のデータアンテナから受信するために、前記第１のデータアンテナに対して近接且つ離間した前記コンプレッサまたはタービンの静止表面に配置された第２のデータアンテナと、
を備える、無線遠隔測定システム。
【請求項２０】
前記燃焼タービンエンジンが、互いに分離可能なコンプレッサ区域とタービン区域とを含むモジュール形態を有し、
前記ブレードまたはロータディスクに導電材料を備えて前記回転遠隔測定送信回路と電気的に通信する二次コイルに対して離間した前記タービンエンジンの領域に取り付けられた、振動電流信号を送信する一次コイルを含み、前記二次コイルが前記振動電流信号の送信周波数に相当する周波数で共振する、前記回転遠隔測定送信回路に給電するための共振エネルギ伝送システムと、
前記コンプレッサまたはタービンの静止構成要素と接続する少なくとも１つの静止センサと、
前記共振エネルギ伝送システムまたは他の電源によって給電され、前記コンプレッサまたはタービンの静止位置に取り付けられて前記少なくとも１つの静止センサと電気的に通信し、前記静止構成要素の状態を示す電子データ信号が前記静止センサから送られる、静止遠隔測定送信回路と、
をさらに備え、
前記第２のデータアンテナが、前記静止遠隔測定送信回路から送られる前記静止構成要素の状態を示す電子データ信号を送信するとともに、回転する前記ブレードの状態を示す電子データ信号を前記コンプレッサまたはタービンのケーシングに取り付けられた受信器へ送信する、
請求項１９に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項１】
コンプレッサと出力タービンとを有する燃焼タービンエンジンの構成要素の動作状態を監視するための無線遠隔測定システムであって、
コンプレッサまたはタービンの回転構成要素と接続した少なくとも１つの第１のセンサと、
前記回転構成要素に取り付けられて、前記少なくとも１つの第１のセンサと電気的に通信し、前記回転構成要素の状態を示す電子データ信号が送られる、第１の遠隔測定送信回路と、
前記第１の遠隔測定送信回路に給電するためのエネルギ伝送システムと、
前記回転構成要素に取り付けられて、前記回転構成要素の状態を示す電子データ信号を送る前記第１の遠隔測定送信回路と電気的に通信する、第１のデータアンテナと、
前記第１のデータアンテナに対して離間した前記タービンまたはコンプレッサの静止位置に取り付けられ、前記第１のデータアンテナから送信される前記回転構成要素の状態を示す電子データ信号を受信する、第２のデータアンテナと、
前記コンプレッサまたはタービンの静止構成要素と接続した少なくとも１つの第２のセンサと、
前記エネルギ伝送システムまたは他の電源によって給電され、前記コンプレッサまたはタービンの静止位置に取り付けられて、前記少なくとも１つの第２のセンサと電気的に通信し、前記静止構成要素の状態を示す電子データ信号が前記第２のセンサから送られる、第２の遠隔測定送信回路と、
を備え、
前記第２のデータアンテナは、前記第２の遠隔測定送信回路から送られる前記静止構成要素の状態を示す電子データ信号を送信するとともに、前記回転構成要素の状態を示す電子データ信号を受信器へ送信する、無線遠隔測定システム。
【請求項２】
前記エネルギ伝送システムは、
前記第１の遠隔測定送信回路と電気的に接続する導電材料を前記回転構成要素に備えた二次コイルに対して離間した前記タービンエンジンの領域に取り付けられ、振動電流信号を送信する一次コイルを含む、共振エネルギ伝送システムであり、
前記二次コイルは、前記振動電流信号の送信周波数に相当する周波数で共振する、
請求項１に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項３】
前記構成要素は、前記コンプレッサまたはタービンのロータディスクの複数のブレードのうちの少なくとも１つの回転するブレードであり、該ブレードが、膨張する高温ガスが横切って流れる翼を有し、当該タービンおよびコンプレッサのブレードはケーシング内に配置され、
前記一次コイルが前記回転するブレードの翼の先端に近接した前記ケーシングに取り付けられ、前記二次コイルが前記翼に導電材料を備える、
請求項２に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項４】
前記第１のデータアンテナは、前記コンプレッサまたはタービンのブレードの前記翼部分に導電材料を備える、請求項２に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項５】
前記第１の遠隔測定送信回路が、前記回転するブレードに取り付けられた基板に構成され、前記第１のデータアンテナが同じ基板に配置されて、前記第１の遠隔測定送信回路と電気的に通信し、
前記基板の前記第１の遠隔測定送信回路および前記第１のデータアンテナが、ＲＦ透過カバー内に収容される、
請求項２に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項６】
前記第１の遠隔測定送信回路および前記第１のデータアンテナを収容した前記ＲＦ透過カバーは、前記第２のデータアンテナが取り付けられた前記静止構成要素と対向するロータディスクまたは前記ブレードの端面に取り付けられる、請求項５に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項７】
前記二次コイルアセンブリが約１５０ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの周波数で共振する、請求項２に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項８】
前記エネルギ伝送システムは、
前記静止構成要素に取り付けられた静止一次誘導コイルアセンブリと、
前記静止一次誘導コイルに対して近接且つ離間した前記回転構成要素に取り付けられる二次誘導コイルアセンブリと、
回転する前記二次誘導コイルアセンブリが約２５０ｋＨｚ〜２５０ＭＨｚの間の周波数で動作するように前記静止一次誘導コイルアセンブリを励起する電源と、
を備える電力誘導システムである、
請求項１に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項９】
前記第２のデータアンテナは、前記第１のデータアンテナに近接した前記タービンエンジンの静止構成要素に取り付けられたＲＦ透過カバー内に収容される、請求項１に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項１０】
前記第２のデータアンテナは、前記静止構成要素に取り付けられた非導電材料から成るホルダ内に支持される、請求項１に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項１１】
前記タービンエンジンは、互いに分離できる前記コンプレッサおよびタービンを含むモジュールシステムである、請求項１に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項１２】
前記回転構成要素は、前記コンプレッサまたはタービンのロータディスクの複数のブレードのうちの少なくとも１つの回転するブレードであり、該ブレードが、膨張する高温ガスが横切って流れる翼を有し、
前記第１のデータアンテナは、前記翼に導電材料を備える、
請求項２に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項１３】
コンプレッサと出力タービンとを有する燃焼タービンエンジンの構成要素の動作状態を監視するための無線遠隔測定システムであって、
ロータディスクに取り付けられたタービンまたはコンプレッサブレードと接続する第１のセンサと、
約５００℃の動作温度を有する位置で前記ブレードに取り付けられた第１の遠隔測定送信回路と、
前記ブレードの状態を示す電子データ信号を前記第１のセンサから前記第１の遠隔測定送信回路へ送る、前記タービンブレード上の第１の電気接続材料と、
前記第１の遠隔測定送信回路に給電するためのエネルギ伝送システムと、
前記ブレードまたはロータディスクに取り付けられ、前記電子データ信号を送る前記第１の遠隔測定送信回路と電気的に通信する、第１のデータアンテナと、
前記ブレードまたはロータディスクに近接して取り付けられ、前記第１の遠隔測定送信回路および前記第１のデータアンテナを収容するＲＦ透過カバーと、
前記第１のデータアンテナから前記電子データ信号を受信するために前記第１のデータアンテナに対して近接且つ離間した前記コンプレッサまたはタービンの静止表面に配置される第２のデータアンテナと、
前記コンプレッサまたはタービン内の静止構成要素と接続する第２のセンサと、
前記第２のセンサから受信される前記静止構成要素の動作状態を示す電子データ信号を処理するように構成され、前記コンプレッサまたはタービン内の静止位置に取り付けられた第２の遠隔測定送信回路と、
前記エネルギ伝送システムとは別の、前記第２の遠隔測定送信回路に給電するための電源と、
前記第２のデータアンテナに対し離して配置され、前記ブレードおよび前記静止構成要素の動作状態を示す電子データ信号を前記第２のデータアンテナから受信する受信器と、
を備える、無線遠隔測定システム。
【請求項１４】
前記第１の遠隔測定送信回路が前記ブレードまたは前記ロータディスクに取り付けられた基板に形成され、前記第１のデータアンテナが前記基板と同じ基板に配置される、請求項１３に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項１５】
前記エネルギ伝送システムは、
前記ブレードまたはロータディスクに取り付けられた導電材料を備える二次コイルに対して近接且つ離間した前記タービンまたはコンプレッサの静止位置に取り付けられ、振動電流信号を送信する一次コイルを含む、共振エネルギ伝送システムであり、
前記二次コイルは、前記振動電流信号に相当する送信周波数で共振する、
請求項１３に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項１６】
回転する前記ブレードが、前記ロータディスクに動作可能に接続された翼を含み、
前記二次コイルは、前記翼の先端に導電材料を備え、
前記一次コイルは、前記ブレードの先端および前記二次コイルに近接した前記コンプレッサまたはタービンのケーシングに取り付けられる、
請求項１５に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項１７】
前記ブレードは、前記コンプレッサおよびタービンが互いに分離可能とされたモジュールタービン機械におけるブリスクを形成する前記ロータディスクと一体的に形成された複数のブレードのうちの１つである、請求項１６に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項１８】
前記エネルギ伝送システムは、
前記静止構成要素に取り付けられた静止一次誘導コイルアセンブリと、
前記静止一次誘導コイルに対して近接且つ離間した前記回転構成要素に取り付けられる二次誘導コイルアセンブリと、
回転する前記二次誘導コイルアセンブリが約２５０ｋＨｚ〜２５０ＭＨｚの間の周波数で動作するように前記静止一次誘導コイルアセンブリを励起する電源と、
を備える電力誘導システムである、
請求項１３に記載の無線遠隔測定システム。
【請求項１９】
１つ以上のケーシング内に収容された静止構成要素および回転構成要素を含むコンプレッサおよび出力タービンを有する燃焼タービンエンジンの構成要素の動作状態を監視するための無線遠隔測定システムであって、
ロータディスクに動作可能に接続された翼部分を含むタービンまたはコンプレッサブレードと接続された回転センサと、
前記ブレードに取り付けられた回転遠隔測定送信回路と、
前記ブレードの状態を示す電子データ信号を前記回転センサから前記回転遠隔測定送信回路へ送るための前記タービンブレード上の電気接続材料と、
前記回転遠隔測定送信回路を形成した基板と同じ基板にある電力受信装置を備えた前記回転遠隔測定送信回路に給電するためのエネルギ伝送システムと、
前記回転遠隔測定送信回路および電力受信装置と同じ基板に形成され、前記回転遠隔測定送信回路と電気的に通信して前記電子データ信号が送られる、第１のデータアンテナと、
前記電子データ信号を前記第１のデータアンテナから受信するために、前記第１のデータアンテナに対して近接且つ離間した前記コンプレッサまたはタービンの静止表面に配置された第２のデータアンテナと、
を備える、無線遠隔測定システム。
【請求項２０】
前記燃焼タービンエンジンが、互いに分離可能なコンプレッサ区域とタービン区域とを含むモジュール形態を有し、
前記ブレードまたはロータディスクに導電材料を備えて前記回転遠隔測定送信回路と電気的に通信する二次コイルに対して離間した前記タービンエンジンの領域に取り付けられた、振動電流信号を送信する一次コイルを含み、前記二次コイルが前記振動電流信号の送信周波数に相当する周波数で共振する、前記回転遠隔測定送信回路に給電するための共振エネルギ伝送システムと、
前記コンプレッサまたはタービンの静止構成要素と接続する少なくとも１つの静止センサと、
前記共振エネルギ伝送システムまたは他の電源によって給電され、前記コンプレッサまたはタービンの静止位置に取り付けられて前記少なくとも１つの静止センサと電気的に通信し、前記静止構成要素の状態を示す電子データ信号が前記静止センサから送られる、静止遠隔測定送信回路と、
をさらに備え、
前記第２のデータアンテナが、前記静止遠隔測定送信回路から送られる前記静止構成要素の状態を示す電子データ信号を送信するとともに、回転する前記ブレードの状態を示す電子データ信号を前記コンプレッサまたはタービンのケーシングに取り付けられた受信器へ送信する、
請求項１９に記載の無線遠隔測定システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公表番号】特表２０１３−５１９２５９（Ｐ２０１３−５１９２５９Ａ）
【公表日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５５１３６６（Ｐ２０１２−５５１３６６）
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２３１６０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０９４６７９
【国際公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【出願人】（５９９０７８７０５）シーメンス エナジー インコーポレイテッド (57)
【出願人】（５１１０４０５３９）アーカンソー パワー エレクトロニクス インターナショナル インコーポレイテッド (4)
【住所又は居所原語表記】５３５ Ｗ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ Ｂｌｖｄ．，Ｓｕｉｔｅ ２０９，Ｆａｙｅｔｔｅｖｉｌｌｅ，Ａｒｋａｎｓａｓ ７２７０１ Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２３１６０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０９４６７９
【国際公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【出願人】（５９９０７８７０５）シーメンス エナジー インコーポレイテッド (57)
【出願人】（５１１０４０５３９）アーカンソー パワー エレクトロニクス インターナショナル インコーポレイテッド (4)
【住所又は居所原語表記】５３５ Ｗ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ Ｂｌｖｄ．，Ｓｕｉｔｅ ２０９，Ｆａｙｅｔｔｅｖｉｌｌｅ，Ａｒｋａｎｓａｓ ７２７０１ Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
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