專利名稱：Instrumented component for wireless telemetry的制作方法
技術領域：
本發明大體上涉及監視操作環境且特別地涉及能夠無線發射電子數據的測量構 件和遙測系統，電子數據指示操作環境內的個體構件狀況，諸如燃氣渦輪發動機的操作環 境內的個體構件狀況。
發明內容
本發明的實施例提供高溫無線遙測系統，其被配置成對操作溫度大約450°C或更 高的操作環境內的旋轉構件或固定構件進行操作，諸如在燃氣渦輪發動機的特定部段內。用于燃氣渦輪發動機的示例性高溫遙測系統可包括沉積于諸如渦輪槳葉的構件 上的至少一個傳感器。遙測發射器電路可固結到渦輪槳葉上且連接材料可沉積于渦輪槳 葉上用于從傳感器向遙測發射器電路發送電子數據信號，電子數據信號指示渦輪槳葉的狀 況。提供感應電力系統來向遙測發射器電路供電，遙測發射器電路具有固結到諸如渦輪槳 葉的構件上的旋轉數據天線；以及，固結到與渦輪槳葉相鄰的靜態密封部段上的固定數據 天線。
圖1是示例性燃氣渦輪的截面圖。圖2是示例性燃氣渦輪葉片的透視圖。圖3是圖2的葉片的側視圖。圖4是沉積于基層上的示例性熱通量傳感器。圖5是示例性渦輪槳葉、傳感器和無線遙測裝置的透視圖。圖6是示例性無線遙測裝置的示意圖。圖7是示例性壓縮機槳葉的局部透視圖。圖8是圖7的示例性壓縮機槳葉的局部側視圖。圖9是圖5的示例性渦輪槳葉的局部截面圖。圖10是圖9的示例性渦輪槳葉的透視圖，安裝到渦輪槳葉上的遙測發射器外殼和 示例性旋轉天線組件的分解圖。圖11是圖10的遙測發射器外殼的示例性實施例的分解圖。圖12示出示例性旋轉天線組件的構件。圖13是渦輪靜態密封的局部透視圖，該渦輪靜態密封具有安裝到其上的固定天 線組件的示例性實施例。圖14是圖12的渦輪靜態密封和渦輪槳葉組件的局部截面圖，渦輪槳葉組件具有
5安裝于其上的示例性旋轉電力和天線組件。圖15是示例性遙測發射器電路的方塊圖。圖16是示例性感應電力驅動器電路的示意圖。
具體實施例方式圖1示出示例性燃氣渦輪10，諸如用于發電的燃氣渦輪。本發明的實施例可用于 燃氣渦輪10或多種其它操作環境和用于各種目的。燃氣渦輪10包括壓縮機12、至少一個 燃燒器14 (斷開)和渦輪16。壓縮機12、燃燒器14和渦輪16有時被統稱作燃氣或燃氣渦 輪發動機10。渦輪16包括多個旋轉槳葉18，其固定到可旋轉的中央軸20上。多個固定葉 片22定位于槳葉18之間，且葉片22的尺寸和配置適于在槳葉18上引導空氣。槳葉18和 葉片22通常由鎳基合金制成且可被涂覆熱屏障涂層(“TBC”)26，諸如釔穩定氧化鋯。同 樣，壓縮機12包括定位于相應葉片23之間的多個旋轉槳葉19。在使用中，空氣通過壓縮機12抽入，在壓縮機中，空氣被壓縮且被朝向燃燒器14 驅動。燃燒器14混合空氣與燃料并點燃它，從而形成工作氣體。這種工作氣體溫度通常在 大約1300°C之上。這氣體通過渦輪16膨脹，由葉片22在槳葉18上引導。當氣體通過渦 輪16，其旋轉槳葉18和軸20，從而通過軸20傳輸可用機械功。燃氣渦輪10也可包括冷卻 系統(未圖示)，其尺寸和配置適于向槳葉18和葉片22供應冷卻劑，例如水蒸汽或壓縮空 氣。渦輪槳葉18和葉片22操作的環境特別惡劣，經受高操作溫度和腐蝕氣氛，其可導 致槳葉18和葉片22的嚴重惡化。如果TBC 26出現碎裂或另外惡化，這會特別有可能出 現。本發明的實施例是有利的，因為構件可發射指示燃氣渦輪10操作期間的構件狀況的實 時或鄰近實時的數據。美國專利第6，576，861號公開了可用于沉積傳感器和連接器的實施例的方法和 設備，連接器用于連接傳感器與發射器或另外發送數據信號，該專利的公開內容以引用的 方式結合到本文中。在這方面，其中公開的方法和設備可用于圖案化大約100微米與500 微米之間的細微傳感器和/或連接器特征而無需使用遮罩。可通過使用導電材料、電阻材 料、介電材料、絕緣材料和其它專用材料來沉積特征以形成多層電路和傳感器。可使用替代 方法來沉積多層電路、傳感器和連接器，例如可使用熱噴涂、氣相沉積、激光燒結和固化在 較低溫度噴涂的材料的沉積物以及其它合適技術。圖2示出自壓縮機12移除的一對相鄰葉片23，其中一個葉片23具有安裝或連接 到其上的傳感器50用于檢測葉片狀況。引線或連接器52可沉積為用于從傳感器50向發 射器54發送數據信號的器件，發射器54被配置成用于向收發器56無線發射數據信號。連 接器52可為一個或多個電引線用于從傳感器50向發射器54傳導信號。替代實施例允許 各種類型的連接器52用作從傳感器50向發射器54發送數據信號的器件，這取決于具體應 用。發射器54可為多通道且取決于它們在燃氣渦輪10殼體內的位置可具有各種規 格。發射器54可被配置成在壓縮機12的前面級中起作用，經受大約80°C至120°C之間的 操作溫度。發射器54可被配置成在壓縮機12的后面級和/或渦輪16的級內起作用，經受 大于大約120°C和高達大約300°C的操作溫度。發射器54可使用絕緣體上硅(SOI)技術和能在溫度大于大約120°C的區域中操作的其它材料制成。圖3示出壓縮機葉片23的示意平面圖，其具有與它連接的傳感器50和連接傳感 器50與發射器54的連接器52。可提供電源51，諸如用于向發射器54供電的適當大小的電 池。發射器54可經由連接器52從傳感器50接收信號，信號隨后被無線發射至收發器56。 收發器56可安裝于輪轂58上或壓縮機12外部的表面上，例如圖1所示的示例性位置。收 發器56可安裝于各種位置，只要其足夠鄰近發射器54以從發射器54接收無線數據發射， 諸如RF信號。可通過在葉片23的表面上直接制作或沉積傳感器50和連接器52而使一個或多 個傳感器50與一個或多個壓縮機葉片23連接。連接器52可從傳感器50延伸到終端位置， 諸如葉片23的外圍邊緣使得連接器52的遠端53暴露用于連接到發射器54。傳感器50和 連接器52可定位于葉片23上以最小化對葉片23的氣動力的任何不利影響。實施例允許 連接器52的遠端53可在終端位置(其可鄰近構件的外圍邊緣)或其它合適位置暴露。這 允許現場技術員快速且容易地將連接器52連接到發射器54，無論其位置在何處。圖4示出示例性傳感器61，其可沉積于諸如TBC 60的屏障涂層內，TBC 6可為釔 穩定氧化鋯。TBC 60可沉積于結合涂層(bond coat)62上，結合涂層62可沉積于基層64 上。基層64可為各種成分，諸如適用于渦輪16諸如渦輪槳葉18的超合金。可形成傳感器 61用于各種目的且可包括使用常規K、N、S和R型熱電偶材料沉積的熱電偶66或它們相 應構成要素的任何組合，只要對于燃氣渦輪10內的特定應用，該組合生成可接受的熱電電 壓。K型熱電偶材料NiCr或NiAl可用于具有高達大約800°C的操作環境的壓縮機12 的部段中。舉例而言，NiCr(20)可用于在壓縮機12中沉積應變計。N型熱電偶材料，諸如 NiCrSi和NiSi的合金，例如可用于在具有大約800°C與1150°C之間的操作環境的渦輪16 的部段中沉積傳感器。S型、B型和R型熱電偶材料可用于在具有大約1150°C至1350°C之間操作環境的 渦輪16的部段中沉積傳感器。舉例而言，Pt-Rh、Pt-Rh(10)和Pt-Rh (13)可沉積在渦輪16 內形成傳感器50，只要對于燃氣渦輪10內的特定應用，該材料生成可接受的熱電電壓。對 于壓縮機12的較深部段和整個渦輪16上的高溫應用，可使用Ni合金(例如NiCr、NiCrSi、 NiSi)和其它抗氧化Ni基合金(諸如MCrAlX，其中M可為Fe、Ni或Co，且X可為Y、Ta、Si、 Hf、Ti和其組合)可作為傳感材料。這些合金可用作沉積為各種傳感配置的傳感材料以形 成傳感器，諸如熱通量傳感器、應變傳感器和磨損傳感器。在燃氣渦輪10內的構件，諸如槳葉18、19和/或葉片22、23可具有專用傳感器 50，其通過沉積以符合構件表面和/或嵌入在燃氣渦輪10內沉積的屏障或其它涂層內。舉 例而言，圖5示出示例性渦輪槳葉70，其可為自渦輪16的行1的槳葉，具有耐高溫引線，諸 如連接器72，其通過沉積以連接嵌入的或表面安裝的傳感器74與無線遙測裝置76。裝置 76可安裝于遙測構件暴露于相對較低溫度的位置，諸如鄰近槳葉70的根部78，在那里，操 作溫度通常為大約150°C至250°C和更高。諸如可用于發射數據的那些硅基電子半導體可具有有限的應用，這歸因于操作溫 度約束。硅和絕緣體上硅(SOI)電子芯片技術的溫度和性能性質可限制它們應用為低于大 約200°C的操作環境。本發明的方面允許這些電子系統部署用于壓縮機12內的無線遙測裝置76，其通常具有大約IOCTC至150°C的操作溫度。無線遙測傳感器系統的實施例可被配置成在壓縮機12的后面級中和渦輪16內的 較高溫度區域內操作。這些區域可具有大約150至250°C和更高的操作溫度。具有能在這 些較高溫度區域中操作的溫度和電性質的材料可用于沉積傳感器50、74、連接器52、72和 制作無線遙測裝置76。傳感器50、74和高溫互連線或者連接器52、72可使用已知沉積過程來沉積，諸如 等離子體噴涂、EB PVD、CVD、脈沖激光沉積、微型等離子體、直寫、微型HVOF或溶液等離子體 噴涂。通常，在燃氣渦輪10的固定構件和旋轉構件上都需要動態壓力測量、動態和靜態應 變以及動態加速度測量以及構件表面溫度和熱通量測量。因此，嵌入式或表面安裝的傳感 器50、74可被配置成應變計、熱電偶、熱通量傳感器、壓力換能器、微加速度計以及其它所 希望的傳感器。圖6是無線遙測裝置76的代表性實施例的示意圖。裝置76可形成為電路板或 集成芯片，其包括壓紋(embossed)、表面安裝或另外沉積于其上的多個電子構件，諸如電阻 器、電容器、電感器、晶體管、換能器、調制器、振蕩器、發射器、放大器和二極管，具有或不具 有一體式天線和/或電源。可制作無線遙測裝置76的實施例以在壓縮機12和/或渦輪16 中使用。無線遙測裝置76可包括經由互連結構98彼此電連接的板80、電子電路90、運算 放大器92、調制器94以及RF振蕩器/發射器96。圖6的實施例是示例性實施例且取決于 性能規格和操作環境構想到裝置76的其它實施例。裝置76的實施例允許電源100和發射 與接收天線102制作于板80上從而形成發射器，諸如圖2和圖3所示的發射器54或者圖 5所示的無線遙測裝置76。圖7示出諸如槳葉110的示例性槳葉的局部透視圖，槳葉110具有槳葉根部112， 槳葉可為壓縮機12內的壓縮機槳葉。一個或多個凹口或溝槽114可形成于根部112內，諸 如在槳葉根部112的底部內。凹口 114可形成為各種形狀或尺寸且沿著槳葉根部112長度 位于槳葉根部112內的各種位置。一個或多個凹口或溝槽116可形成于槳葉根部112的一 個或多個面118中。凹口 116可形成為各種形狀或尺寸且位于槳葉根部112內在面118內 的各種位置。凹口 114、116可使用各種方法形成，諸如通過在鑄造槳葉118之后將它們銑 削出來或者作為槳葉110模具的部分形成它們。圖8示出配備了無線遙測裝置76的構件的壓縮機槳葉110，無線遙測裝置76的 構件固結于槳葉根部112內。在這方面，無線遙測裝置76的替代實施例允許圖6所示的一 個或多個電構件90、92、94、96、100、102單獨地安裝于或包含于離散板80上，這些板80與 諸如槳葉根部112的配備構件電連接并固結在一起。舉例而言，圖6所示的發射和接收天 線102可單獨于板80安裝且與板80電連接，板80具有形成于其上的發射器122且與天線 102電連接。天線120可坐落于凹口 116內且發射器122可坐落于凹口 114內。在這方面，天 線120和發射器122并非安裝/壓紋或沉積于板80上。在其它實施例中，天線120可沉積 于無線遙測板80上，如圖6所示，且可使用無線遙測將數據發射至接收器，諸如固定安裝的 收發器56。電源100可與板80形成一體或者單獨于板定位且安裝為離散構件。圖9示出示例性槳葉130的局部視圖，其可為渦輪槳葉，諸如渦輪槳葉18之一。渦輪槳葉130包括根部132，根部132限定外模線以與渦輪16的轉子盤配合，其中，槳葉30可 被固定用于燃氣渦輪10的操作。傳感材料可沉積于槳葉130上或者在沉積于槳葉表面的 屏障涂層內以形成傳感器134。連接材料可沉積形成連接器140使得自傳感器134的數據 信號可傳送至發射器138且隨后至旋轉天線組件142。凹口 136可形成于槳葉130的一部 分內使得一個或多個連接器140坐落于槳葉130的外表面下方。發射器138和天線組件142可與槳葉130 —體地固定使得由根部132限定的外 模線不改變。舉例而言，發射器138可固結到根部132的揪樹部分上方的過渡區域或平臺 上，且天線組件142可固結到根部132的面上。可選地，凹口可形成于平臺和面內使得發射 器138和/或天線組件142全部或一部分坐落于槳葉根部172的外模線表面下方。發射器 138和天線組件142可使用環氧化物或粘合劑固定于相應凹口內且回填材料可放置于它們 之上以保護它們防止高溫或顆粒。關于圖5，無線遙測裝置76可在外部固結到槳葉根部78或者以槳葉根部的外模線 并不顯著地改變的方式嵌入。裝置76可鄰近槳葉根部78固結使得其包含于腔內，當槳葉 根部78插入轉子盤內時在槳葉根部78與渦輪16的轉子盤之間形成該腔。這使得配備了 傳感器74、連接器72和裝置76的渦輪槳葉70以與未配備構件的渦輪槳葉相同方式安裝于 渦輪16的轉子盤的配合區段內。在這方面，配備的槳葉70可被制成具有無線提取數據和 發射該數據到接收裝置所需的所有構件，數據指示槳葉70和/或其上所沉積的屏障涂層的 各種操作參數或狀況。舉例而言，一個或多個凹槽或溝槽可形成于槳葉70的基層的一部分內，諸如槳葉 根部78，可在一個或多個凹槽或溝槽內包含一或多個無線遙測裝置76。可通過在槳葉根部 78所希望的區域銑削來形成溝槽并利用環氧化物或者其它合適粘結劑將裝置76固定于溝 槽內。可利用合適高溫膠結物或陶瓷坯泥回填溝槽來保護裝置76。本發明的實施例允許從諸如從渦輪發動機槳葉130的旋轉構件發射傳感器數據， 渦輪發動機槳葉130具有位于槳葉根部132上的某些電子構件，其在具有溫度在大約300°C 至500 V之間的環境中操作。出于本發明公開內容的目的，術語“高溫，，在無額外限制的情 況下將指最大操作溫度在大約300°C至500°C之間的任何操作環境，諸如在燃氣渦輪10的 部分內。本發明的實施例提供在配備了遙測系統的燃氣渦輪10中使用的構件，遙測系統 可包括一個或多個傳感器，連接傳感器與至少一個遙測發射器電路的引線、至少一個發射 天線、電源和至少一個接收天線。圖10示出渦輪槳葉130、無線遙測發射器組件150和旋轉 天線組件142。引線或連接器152當鄰近槳葉根部132安裝時可從諸如傳感器70、134的一 個或多個傳感器延伸到遙測發射器組件150。引線152可從傳感器70、134向遙測發射器組 件150發送電子數據信號，其中信號由遙測發射器電路處理，遙測發射器電路形成于包含 在圖11所示的電子器件封裝154內的電路板上。引線或連接器140可沉積以用于從遙測 發射器電路向旋轉天線組件142發送電子數據信號。圖11示出高溫電子器件封裝154，其可包含高溫電路板且形成遙測發射器組件 150的部分。電子器件封裝154的主體可由諸如Kovar合金，Fe-Ni-Co合金制成。取決于 確切成分，Kovar合金的熱膨脹系數范圍為大約4.5-6.5X10_6/°C。常用于諸如渦輪槳葉 130的高溫渦輪構件的Ni基合金具有在大約15. 9-16. 4X 10_6/°C范圍的熱膨脹系數。電子器件封裝154可牢固地固結就位同時允許電子器件封裝154與渦輪槳葉130之間的相對移 動。這種相對移動可由于其不同的熱膨脹率造成，在周圍空氣溫度與鄰近槳葉根部132通 常經歷的> 450°C的操作溫度之間的很多次熱循環期間可能會隨時間發生這種相對移動。如圖11最佳地示出的遙測發射器組件150可包括安裝支架156和蓋或覆蓋板 158，電子器件封裝154安置于它們之間。多個連接銷155使得能在包含于封裝154(諸如 上面制作有無線遙測電路的封裝)內的電子電路板與各種外部裝置(諸如自傳感器的引 線、感應線圈組件和/或數據發射天線)之間進行連接。安裝支架156、覆蓋板158和將它 們連接在一起的固位螺釘159可全都由與渦輪槳葉130相同的材料制成。這確保在渦輪槳 葉130與安裝支架156之間無熱膨脹差異。因此，在熱瞬態期間在安裝支架156和/或渦 輪槳葉130中并不生成應力。當電子器件封裝154和安裝支架156所在的操作系統處于高溫時，電子器件封裝 154的熱膨脹系數可小于安裝支架156的熱膨脹系數。因此，電子器件封裝154，包括其中所 含的任何電路板，膨脹將小于安裝支架156，這可能會導致由于系統中的振動能量所致的損 壞。為了將電子器件封裝154固定于安裝支架156內以適應支架156與電子器件封裝154 之間的尺寸變化差別，陶瓷纖維編織織物層160可放置于電子器件封裝154與安裝支架156 的內表面之間。織物160可由合適陶瓷纖維制成，包括諸如碳化硅、氮化硅或氧化鋁這樣的 纖維。舉例而言，一定量的由3M制造的Nextel 氧化鋁基織物可用于織物160。在電子器件封裝154和陶瓷纖維編織織物160與安裝支架156和覆蓋板158組裝 以形成遙測發射器組件150的情況下，可利用合適的附連手段，諸如栓接、焊接、釬焊或經 由瞬間液相結合將安裝支架156附連到渦輪槳葉130上。圖10示出凹口或平凹腔162，其 鄰近槳葉根部132銑削或另外方式形成于渦輪槳葉130內用于接納組件150。覆蓋板158可形成有凸緣164，凸緣164定向垂直于G力的方向，以向覆蓋板添加 結構支承，這對抗旋轉渦輪槳葉130以全速操作時出現的G荷載力。這緩解固位螺釘159承 載經由G力施加到覆蓋板158的荷載，且允許它們制得足夠小使得遙測發射器組件150裝 配于相對小凹口 162內而不干擾任何相鄰構件。如果需要固位螺釘159承載由G力施加的 荷載，那么它們所需大小將過于大而不能裝配于可用空間中。圖10示出旋轉天線組件142可固結到根部132的端面或頸部。組件142可為電子 組件，其熱膨脹系數不同于用于渦輪熱氣體路徑構件(諸如渦輪槳葉130，包括其根部132) 的Ni基合金的熱膨脹系數。可在渦輪槳葉130接近音速旋轉期間保護一個或多個旋轉天 線組件142以防止氣流。在一實施例中，氣流防護材料對RF輻射頻率是透明的以便能通過 該材料發射功率和數據。可旋轉的天線組件142的實施例可包括圖10和圖12所示的耐用保護性RF透明 覆蓋物170，其基本上是中空夾具，在該中空夾具內包含數據天線和感應電力構件。RF透明 覆蓋物170在燃氣渦輪10操作期間保護其內含物防止氣流和熱氣體進入。某些陶瓷適合 于保護RF發射設備防止元件處于高溫。但是，許多陶瓷和陶瓷基體復合物傾向于在旋轉渦 輪槳葉130在燃氣渦輪10操作期間所經歷的振動、沖擊和G荷載下切屑和開裂。本發明的發明者已確定RF透明覆蓋物170可由RF透明、高韌性結構陶瓷材料制 成。可使用陶瓷基體復合物以及選自被稱作增韌陶瓷的材料家族的材料來制作外殼170。 可用諸如碳化硅、氮化硅、氧化鋯和氧化鋁這樣的材料，由于摻雜添加元素和/或具體加工辦法所產生的設計微結構，其具有增強的韌性。一種RF透明、易于形成且相對廉價的材料是選自通常被稱作氧化鋯_增韌氧化鋁 (ZTA)的陶瓷家族的材料。選自這個氧化鋁材料家族的陶瓷材料的強度和韌性顯著高于常 規純氧化鋁材料。這是由于在整個氧化鋁上均勻地合并細微氧化鋯粒子實現的應力誘發轉 化增韌造成。典型氧化鋯含量在10%與20%之間。因此，相對于常規純氧化鋁材料，ZTA提 供延長的構件壽命和增強的性能。當壓縮地加載陶瓷時，ZTA的設計微結構是抗斷裂的。但是，如果張緊地充分加載， 陶瓷將徹底失效，如同傳統陶瓷材料。因此，RF透明覆蓋物170被設計成使得在燃氣渦輪 10操作期間陶瓷材料中的張應力最小。這通過設計和制作使得滿足以下條件而達成(1) ZTA構件的所有拐角、邊緣和彎曲經過機械加工以排除尖銳拐角和邊緣以便減小在這些位 置的應力集中系數，以及(2) ZTA構件在旋轉天線安裝支架174中的方位和裝配使得在操作 期間施加到ZTA箱的G力并不在附連凸緣中生成顯著彎曲應力。這通過使凸緣定向平行于 G荷載方向而不是垂直于G荷載方向而實現，因此ZTA凸緣壓縮地而不是彎曲地加載。圖12示出旋轉天線安裝支架174可與RF透明覆蓋物170組裝以形成旋轉天線組 件142，如圖所示固結到圖10的渦輪槳葉130上。在旋轉天線安裝支架174與RF透明覆蓋 物170之間的界面加載最小化RF透明覆蓋物170中可能會出現的張應力。這種設計使得 在RF透明覆蓋物170中出現的張應力小于最小斷裂應力，導致結構構件的長壽命。安裝支 架174可由與渦輪槳葉130相同的金屬制成，因為它們之間相同的熱膨脹系數將導致在加 熱和冷卻循環期間在附連區域中生成最小應力。安裝支架174可被設計成使得在燃氣渦輪10操作期間由旋轉天線組件142所經 歷的所有G荷載在朝向支架174上端178延伸的方向中吸收，如由圖12中的箭頭G所示。 并無安裝支架174的部分延伸足夠遠超過包含于其中的天線以衰減RF發射數據信號。RF 透明覆蓋物170被固定就位使得其內部應力場主要是壓縮性的且可使用穿過其凸緣上的 半圓凹坑(divot)的螺紋銷(未圖示)固位。安裝支架174可經由常規手段，諸如焊接、釬焊、粘合、栓接或螺釘連接附連到渦 輪槳葉根部132的面上。可通過以下步驟組裝旋轉天線組件142的一實施例將所希望的 天線放置于RF透明覆蓋物170的中空主體內，穿過形成于覆蓋物170中的孔將引線171從 天線饋送出來，然后利用陶瓷灌封材料來填充包含天線的覆蓋物170的中空主體。包含天 線的灌封RF透明覆蓋物170然后可滑動到安裝支架174內，其可在先前固結到渦輪槳葉根 部132上。覆蓋物170可經由銷固定到安裝支架174，銷插入于安裝支架174中的孔中和覆 蓋物170中的凹坑中。可利用各種手段向本發明的實施例供電，諸如感應RF能量和/或通過收獲燃氣渦 輪發動機16內的熱或振動功率。在能量收獲功率模型中，可從操作的燃氣渦輪發動機16 中的可用能量來生成熱電或振電功率。可使用熱電堆從熱能發電，或者壓電材料可從燃氣 渦輪發動機16的振動發電。這些電源形式的實例描述于在2006年9月6日提交的申請號 11/516，338美國專利申請中，該申請以引用的方式全部結合到本文中。本發明的實施例提供用于向無線高溫遙測系統的構件供電的感應電力模式。這些 系統可被配置成氣隙變壓器，其中變壓器初級感應線圈組件186是固定的且次級感應線圈 組件195旋轉。舉例而言，提供感應RF功率配置用于向包含于遙測發射器組件150內的旋轉遙測發射器供電。圖13示出靜態密封區段180的一部分，諸如可用于燃氣渦輪10的渦 輪發動機16的一個靜態密封區段。多個靜態密封區段180可與多個渦輪槳葉130相鄰環 繞渦輪發動機16。靜態密封區段180可與渦輪槳葉130合作用于密封通過渦輪發動機16 的熱氣體路徑內的熱氣體，如本領域技術人員所認識的那樣。圖13示出弓形支架182，其具有形成于其中的相應通道或凹槽，固定數據發射天 線184和固定初級感應線圈組件186可固定于通道或凹槽內。數據發射天線184可插入于 非傳導保持器185內用于利用支架182來固定數據發射天線184。非傳導保持器185確保 數據發射天線184并不接觸支架182，支架182可由金屬制成，從而確保正確操作。非傳導 保持器185可由用于RF透明覆蓋物170的相同ZTA增韌陶瓷材料制成。在弓形支架182中 采用天線184的情況下，諸如圖13所示，保持器185可分段以提供柔性，這允許安裝于彎曲 支架182中。相同分段配置可應用于感應線圈組件186以使得能安裝于彎曲支架182中。初級感應線圈組件186和數據發射天線保持器185可在附連到支架182的區域中 形成有凸角。在支架182中相關聯材料區域以相同凸角形狀但略微更大地被去除以容納安 裝。凸角形狀限定能使感應線圈組件186和天線和保持器184、185積極固位的曲率半徑， 它們可從一端放置于支架182內并滑動就位。凸角形狀使得能維持積極固位同時確保在感 應線圈組件186和天線保持器185中并不生成張應力，感應線圈組件186和天線保持器185 都可由相對較脆的材料制成，其在張應力下經受結構破損。凸角可定位成距感應線圈組件186和數據發射天線184的前面足夠遠以確保金屬 支架182并不干擾功能。陶瓷膠結劑可涂覆于感應線圈組件186和天線保持器185的表面 與在支架182中它們的相應凹腔之間以便提供牢靠配合且適應加熱與冷卻期間的熱膨脹 差異。薄板(未圖示)可在支架182的每一端上附連，其覆蓋感應線圈組件186和數據天 線184的凸角區域，確保在操作期間的固位。一個或多個支架182可由與靜態密封區段180相同的合金(諸如lnconel 625) 制成，且具有弓形形狀以符合靜態密封區段180的內表面。可使用間斷的焊接188將支架 182固結到靜態密封區段180的內表面上以最小化靜態密封區段180的扭曲。感應線圈組件 186可包括至少一個固定核芯190和至少一個固定初級繞組192，其中由JP Technologies 銷售的“H膠結劑” 194包住固定核芯190的部分。圖14示出具有包含于RF透明覆蓋物170內的旋轉次級感應線圈組件195的實施 例，其可鄰近渦輪發動機槳葉根部132安裝。旋轉感應線圈組件195可由核芯200和繞組 201制成，類似于固定感應線圈組件186。可提供旋轉數據發射天線202用于與固定數據發 射天線184通信。數據發射天線202可包入于非傳導保持器203內，非傳導保持器203可 在構造上類似于非傳導保持器185。在替代實施例中，數據發射天線202可包含于RF透明 覆蓋物170中，而不使用非傳導保持器203，在此情況下，其可利用能高溫灌封的材料保持 就位。單個或多個固定初級感應線圈186可布置于一個或多個靜態密封區段180的內表面 上以形成弧，當燃氣渦輪10操作時，該弧可由旋轉的次級感應線圈組件195和天線202外 接。一個或多個固定初級繞組192可由高頻高電流電源通電。可向每個固定感應線圈 組件186個別地供電或者一系列固定感應線圈組件186可電連接且由單個電源驅動。在示 例性實施例中，可存在五個相鄰的固定感應線圈組件186，每個由其自身的電源驅動。流經每個固定初級繞組192的電流在旋轉次級感應線圈組件195中形成磁場，繼而在旋轉次級 繞組201中形成電流。來自旋轉次級繞組201的電流向包含于無線遙測發射器組件150內 的無線遙測發射器電路供電，如在本文中下文更全面地描述的。圖14示出在啟動燃氣渦輪10之前在RF透明覆蓋物170與固定核芯190之間可 存在初始間隙“A”。在燃氣渦輪10啟動時，初始間隙“A”可為大約13mm且當渦輪槳葉130 和靜態密封區段180 —起更靠近時在基本荷載減至大約4mm。可使用磁性核芯材料來制作 固定核芯190和旋轉核芯200。磁性材料可用作核芯材料以將所需功率在所需間隙“A”上 耦合至包含于遙測發射器組件150內的遙測發射器電路。選定磁性材料用于聚焦由固定初 級繞組192產生且由一個或多個旋轉次級繞組201接收的磁場。這種效果增強了固定元件 與旋轉元件之間的耦合效率。本文所公開的感應電力系統的實施例可采用多個個體初級和次級感應線圈組件 186、195來適應燃氣渦輪10的各種幾何形狀。舉例而言，固定感應線圈組件186和數據發 射初級天線184可需要跨越靜態密封區段180的特定距離來向系統構件感應足夠的功率且 發射所需數據。感應線圈組件186和數據發射天線184的實施例可需要大約四英尺長。在 此實例中，為了易于制作，各具有大約一英尺長度的四個個體功率/天線組件可被制成具 有相應支架182，且在一個或多個靜態密封區段180上彼此相鄰安裝。如果個體天線之間的 端對端間隙距離足夠小，那么天線組件將如同其為單個四英尺長天線一樣起作用。這種天 線組件可由直的或彎曲元件形成，從而提供變化長度的組件，其為直的、彎曲的或者根據具 體應用需要另外配置。在一實施例中，多個這種天線組件可跨越渦輪16內一個或多個靜態 密封區段180的頂半部中大約112度的弧。本發明的發明者已確定特定類別的磁性核芯材料滿足或超過本發明實施例的 性能要求。這類材料的一般術語為納米晶體鐵合金。這類材料的一種組分以商標名稱 NAMGLASS 銷售且具有以下組分大約82%的鐵，且余量為硅、鈮、硼、銅、碳、鎳和鉬。已確 定這種納米晶體鐵合金材料具有合乎需要的特征，諸如高于500°C的居里溫度，很低的矯頑 力、低渦流損失、高飽和通量密度且磁導率在整個高溫操作范圍上很穩定。這種納米晶體鐵合金材料可以環圈形式以帶繞配置或者“C”核芯變壓器核芯在市 場上購買到。本發明的實施例利用這種納米晶體鐵合金材料形成“I”核芯形狀，其用于初 級固定核芯190。選擇“I”形狀是因為這個形狀在固定安裝支架182上的通道中保持本身 就位。每個感應線圈組件186的感應核芯190包括多個0.007"厚的納米晶體鐵合金材料 疊層，其建置成大約十一英寸長的弧。相同納米晶體鐵合金材料可用于旋轉天線200變壓 器核芯。可通過增加驅動信號的頻率，即由圖16所示的示例性感應電力驅動器電路所產 生的高頻交流信號來增加用于耦合固定元件與旋轉元件之間的功率的磁場強度。因此，本 發明的實施例可采用高頻來驅動固定初級繞組192，諸如大于大約200kHz的頻率。替代實 施例可實現至少一個百萬赫茲的操作頻率，且功率驅動器被設計成在這樣的頻率操作。用于繞組核芯190、200的絲可由27%包鎳銅制成，具有陶瓷絕緣層，以便減小氧 化和高溫破損。這種絲的處置特征比標準有機絕緣裸銅顯著更有挑戰性，這是由于保護性 陶瓷涂層的結果，且對于纏繞初級元件和旋轉元件的過程開發了特殊技術。其它絲可為絕 緣銀或陽極化鋁。
13
在初級感應線圈組件186和旋轉感應線圈組件195 二者的構造中可使用兩類陶瓷 材料。重要的是確保繞組192、201并不短路(傳導)到核芯元件190、200。除了提供在絲 上的陶瓷絕緣層之外，化合物，諸如H膠結劑，具有超細粒度的陶瓷膠結劑，可用作繞組核 芯190、200上的絕緣基礎涂層。在纏繞了繞組核芯190、200之后，它們將被灌封Cotronics 940，一種氧化鋁基陶瓷膠結劑。圖15示出示例性遙測發射器電路210的示意圖，該遙測發射器電路210可制作于 在圖11所示的高溫電子器件封裝154內裝配的電路板上，高溫電子器件封裝154包含于圖 10所示的遙測發射器組件150內。遙測發射器電路210可被配置成與傳感器一起操作，諸 如圖9的傳感器134，其可為用于測量與渦輪槳葉130相關聯的應變的應變計傳感器。旋轉 次級感應線圈組件195可向發射器電路210的電壓整流器提供大約250kHz AC功率。這個 電路將AC輸入變成DC輸出且向電壓調節器電路饋電。發射器電路210的電壓調節器維持恒定的DC電壓輸出，即使AC輸入電壓可變。需 要恒定電壓輸出來實現更好的準確度和穩定操作頻率用于信號輸出。電壓調節器也向應變 計傳感器134和鎮流電阻器(未圖示)供應恒定電壓。應變計傳感器134和鎮流電阻器向 發射器電路210提供傳感器信號輸入。隨著安裝了應變計傳感器134的表面偏轉，應變計 改變阻力，這造成在發射器電路210輸入的電壓變化。來自應變計傳感器134的信號所提供的變化的電壓首先由差分放大器放大且然 后由高增益AC放大器放大。所得信號被施加至發射器電路210的電壓控制振蕩器(VCO) 部段中的變容管二極管。VCO在較高載波頻率振蕩。這個載波頻率可被設置成關于發射器 電路210在125至155MHz的頻帶。通過改變變容管上的電壓略微改變固定載波頻率。這 種頻率變化或偏差與應變計傳感器134所經歷的偏轉或應變直接相關。VCO載波輸出被饋 送到緩沖器級且緩沖器輸出經由圖10的引線140連接到包含于旋轉天線組件142中的發 射天線。在接收裝置中，諸如圖1的收發器56或者位于高溫或燃氣渦輪10內的其它區域 中的其它裝置，載波信號被移除且偏差變成與應變成比例的放大輸出。在這種被設計用于 高溫使用的發射器電路210中所用的晶體管可由耐高溫材料制成，諸如寬帶隙半導體材 料，包括 SiC、A1N、GaN、AlGaN, GaAs, GaP、InP、AlGaAs, AlGaP、AlInGaP 和 GaAsAlN 或其它 耐高溫晶體管材料可用于高達大約500至600°C。在電路板上制作的無線遙測發射器電路210的各種實施例可適用于處于變化操 作溫度的燃氣渦輪10內且具有一系列傳感器類型。可使用各種溫度敏感材料來制作發射 器電路210的元件和其替代實施例，諸如高達大約350°C的絕緣體上硅(SOI)集成電路；大 約 300-350°C 的多硅倍半氧烷(polysilseqioxane)、PFA、聚酰亞胺、Nomex, PBZT, ΡΒ0, PBI 和Voltex纏繞電容器；以及，大約450至500°C的PLZT, NPO、Ta2O5, BaTiO3多層陶瓷電容
ο電阻器的各種實施例可由用于大約高達350°C的操作環境的Ta、TaN, Ti、SnO2, Ni-Cr, Cr-Si和Pd-Ag和用于大約350°C和更高的操作環境的Ru、RuO2, Ru-Ag和Si3N4制 成。由 SiC、A1N、GaN、AlGaN, GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlGaP、AlInGaP 和 GaAsAlN 或其它耐 高溫半導體材料制成的個體高溫電子構件，諸如離散晶體管、二極管或電容器晶粒可由用 于在不超過大約350°C溫度操作的單個SOI CMOS裝置替換。
雖然在本文中示出和描述了本發明的優選實施例，但顯然這些實施例僅以舉例說 明的方式提供。在不偏離本發明的情況下，本領域技術人員將會想到各種變型、變化和替 代。因此，本發明意圖僅受到所附權利要求書的精神和范圍限制。
權利要求
一種用于燃氣渦輪發動機的遙測系統，該燃氣渦輪發動機具有壓縮機、燃燒器和渦輪，所述遙測系統包括傳感器，其與渦輪槳葉連接；遙測發射器電路，其固結到所述渦輪槳葉上；第一連接材料，其沉積于所述渦輪槳葉上用于從所述傳感器向所述遙測發射器電路發送電子數據信號，所述電子數據信號指示所述渦輪槳葉的狀況；感應電力系統，其用于向所述遙測發射器電路供電；旋轉數據天線，其固結到所述渦輪槳葉的根部端面；第二連接材料，其沉積于所述渦輪槳葉上用于從所述遙測發射器電路向所述旋轉數據天線發送電子數據信號；以及固定數據天線，其固結到與所述渦輪槳葉相鄰的靜態密封區段上。
2.根據權利要求1所述的遙測系統，其還包括遙測發射器組件，所述遙測發射器組件 固結于鄰近所述渦輪槳葉根部形成的凹口內，所述遙測發射器電路包含于所述遙測發射器 組件內。
3.根據權利要求2所述的遙測系統，所述遙測發射器組件包括安裝支架，其具有與所述渦輪槳葉的熱膨脹系數基本上相同的第一熱膨脹系數； 電子器件封裝，其具有與第一熱膨脹系數不同的第二熱膨脹系數，所述遙測發射器電 路包含于所述電子器件封裝內；覆蓋板，其具有凸緣，當所述燃氣渦輪處于操作中時，所述凸緣定向垂直于施加于所述 遙測發射器組件上的G力的方向；以及陶瓷纖維編織織物層，其在所述電子器件封裝與所述安裝支架的內表面之間。
4.根據權利要求1所述的遙測系統，其還包括遙測發射器電路，所述遙測發射器電路 被配置成具有電子電路，所述電子電路用于處理來自應變計傳感器的電子數據信號，所述 應變計傳感器沉積于所述渦輪槳葉的表面上，所述遙測發射器電路能夠在至少大約450°C 的環境內操作。
5.根據權利要求1所述的遙測系統，其還包括所述遙測發射器電路被配置成具有用于 處理所述電子數據信號的電子電路，所述電子電路包括由選自以下材料組中的材料制成的 至少一個晶體管SiC、AIN、GaN、AlGaN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlGaP、AlInGaP 和 GaAsAIN。
6.根據權利要求1所述的遙測系統，其還包括所述遙測發射器電路被配置成具有用于 處理所述電子數據信號的電子電路，所述電子電路包括選自以下材料組中的材料制成的至 少一個電容器PLZT、NPO、Ta205 和 BaTi03。
7.根據權利要求1所述的遙測系統，其還包括所述遙測發射器電路被配置成具有用于 處理所述電子數據信號的電子電路，所述電子電路包括選自以下材料組中的材料制成的至 少一個電阻器Ru、Ru02、Ru-Ag 和 Si3N4。
8.根據權利要求1所述的遙測系統，其還包括固結到所述渦輪槳葉的根部端面的RF透 明覆蓋物，其中所述旋轉數據天線包含于所述RF透明覆蓋物內。
9.根據權利要求8所述的遙測系統，其還包括由氧化鋯增韌氧化鋁制成的RF透明覆蓋物。
10.根據權利要求9所述的遙測系統，其還包括安裝支架，所述安裝支架具有與RF透明覆蓋物組裝在一起的頂部凸緣和底部凸緣，其中所述安裝支架附連到渦輪槳葉根部的端面 上使得頂部凸緣和底部凸緣定向平行于燃氣渦輪操作期間的G加載方向。
11.根據權利要求8所述的遙測系統，其還包括安裝支架，所述安裝支架具有與RF透明 覆蓋物組裝在一起的頂部凸緣和底部凸緣，所述安裝支架由熱膨脹系數基本上與渦輪槳葉 根部的端面的熱膨脹系數相同的材料制成。
12.根據權利要求1所述的遙測系統，進一步地其包括的所述感應電力系統包括 固定初級感應線圈組件，其固結到與所述渦輪槳葉相鄰的所述靜態密封區段上； 旋轉次級感應線圈組件，其固結到渦輪槳葉根部的端面上；以及電源，其使所述固定初級感應線圈組件通電使得所述旋轉次級感應線圈組件在大約 250kHz至IMHz之間的頻率下操作。
13.根據權利要求12所述的遙測系統，進一步地其包括的所述固定初級感應線圈組件 和所述旋轉次級感應線圈組件各具有由磁性納米晶體鐵合金制成的核芯。
14.根據權利要求13所述的遙測系統，進一步地其包括的所述固定初級感應線圈組件 和所述旋轉次級感應線圈組件的相應核芯纏繞有絲，所述絲選自以下組包入陶瓷絕緣層 內的27%包鎳銅絲、絕緣銀絲和陽極化鋁絲。
15.根據權利要求12所述的遙測系統，其還包括所述固定初級感應線圈組件包括由磁性納米晶體鐵合金制成的固定核芯，所述磁性納 米晶體鐵合金制成“I”配置，且纏繞有包入陶瓷絕緣層內的27%包鎳銅絲；所述旋轉次級感應線圈組件包括由磁性納米晶體鐵合金制成的旋轉核芯，所述磁性納 米晶體鐵合金制成“C”配置且纏繞有包入所述陶瓷絕緣層內的27%包鎳銅絲；以及所述電源使所述固定初級感應線圈組件通電使得所述旋轉次級感應線圈組件在所述 燃氣渦輪發動機啟動時在所述固定初級感應線圈組件與所述旋轉次級感應線圈組件之間 大約13mm的間隙上以大約250kHz的頻率操作。
16.根據權利要求12所述的遙測系統，其還包括遙測發射器組件，其固結于鄰近所述渦輪槳葉根部形成的凹口內，所述遙測發射器電 路包含于所述遙測發射器組件內；安裝支架，其具有與RF透明覆蓋物組裝在一起的頂部凸緣和底部凸緣，所述安裝支架 附連到所述渦輪槳葉根部的所述端面且覆蓋所述旋轉次級感應線圈組件；第一天線保持器，其由氧化鋯增韌氧化鋁制成，具有固結于所述安裝支架的內壁內的 凸角形近端，所述旋轉數據天線固定于所述第一天線保持器的遠端內；弓形支架，其具有第一凸角形凹口和第二凸角形凹口，每個凹口的大小適于接納所述 固定初級感應線圈組件和所述固定數據天線中相應的一個，所述弓形支架固結到所述靜態 密封區段；以及第二天線保持器，其由氧化鋯增韌的氧化鋁制成，具有固結于第二凸角形凹口內的凸 角形近端，所述固定數據天線固定于所述第二天線保持器的遠端內。
17.根據權利要求1所述的遙測系統，進一步地其包括的所述感應電力系統包括多個固定初級感應線圈組件，其固結到至少一個靜態密封組件以形成跨越大約112度 的連續弧；以及所述多個固定感應線圈組件的每一個具有由磁性納米晶體鐵合金制成的核芯，且纏繞有包入陶瓷絕緣層內的27%包鎳銅絲。
18.一種遙測系統，其包括遙測發射器組件，其固結于燃氣渦輪發動機內具有大約450°C操作溫度的位置處的構 件上；遙測發射器電路，其包含于所述遙測發射器組件內，所述遙測發射器電路被配置成處 理指示所述構件的狀況的電子數據信號；天線組件，其在具有大約450°C操作溫度的位置固結到所述構件上； 數據發射天線，其包含于所述天線組件內，所述數據發射天線從所述遙測發射器電路 接收指示所述構件的狀況的電子數據信號；以及感應電力系統，其被配置成向所述遙測發射器電路供電，所述感應電力系統在所述燃 氣渦輪發動機內在具有大約450°C的操作溫度的位置處操作。
19.根據權利要求18所述的遙測系統，其還包括 用于傳感燃氣渦輪發動機內構件的狀況的器件；以及沉積于所述構件上的連接材料，其用于從傳感器件向所述遙測發射器電路發送指示所 述構件的狀況的電子數據信號。
20.一種用在燃氣渦輪發動機內的遙測系統，所述遙測系統包括遙測發射器電路板，其鄰近渦輪槳葉根部固結且具有電子電路，所述電子電路被配置 成從傳感器接收電子數據信號且發射指示所述燃氣渦輪發動機內構件的狀況的電子數據 信號；第一數據天線，其固結到所述渦輪槳葉根部的端面且被配置成接收從所述遙測發射器 電路板發射的電子數據信號；第二數據天線，其固結到與所述第一數據天線相鄰的靜態密封區段且被配置成接收從 所述第一數據天線發射的電子數據信號；至少一個初級感應線圈組件，其固結到所述靜態密封區段上且具有由磁性納米晶體鐵 合金制成的核芯；次級感應線圈組件，其固結到所述渦輪槳葉根部的端面上且具有由所述磁性納米晶體 鐵合金制成的核芯；以及其中，所述至少一個初級感應線圈組件在大約250kHz通電使得所述次級感應線圈組 件具有大約250kHz的操作頻率且向所述遙測發射器電路板供電。
全文摘要
文檔編號H04Q9/00GK101953171SQ20088012422
公開日2011年1月19日 申請日期2008年11月7日 優先權日2007年11月8日
發明者John R Fraley, Anand A Kulkarni, Alexander B Lostetter, David J Mitchell, Subramanian Ramesh, Waits Rod, Edward R Roesch, Roberto M Schupbach 申請人:Arkansas Power Electronics Int K, Siemens Energy Inc