JP2010502893A - 燃焼タービンの動作環境における状態を監視するための電気アセンブリ - Google Patents
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Abstract
燃焼タービン１０のケーシングのようなさまざまな動作環境に用いられる電気的アセンブリが提供される。このアセンブリには、タービンのケーシング内のある構成部品の１つに配置されて、ケーシング内に存在するある形態のエネルギを電気エネルギに変換する電気エネルギ収集装置５１を含むことが可能である。収集装置は、外部電源による補助を受けずに、ケーシング内の１つ以上の電気装置に電力供給するのに十分な電力を発生するように構成されている。エネルギ収集装置によって完全に電力供給される電気装置の一例として、燃焼タービンの動作中に、ケーシング内の構成部品の状態を検知するように接続されたセンサ５０を挙げることが可能である。エネルギ収集装置によって完全に電力供給される電気装置のもう１つの例としては、センサと通じていて、ケーシング外部にデータ信号を無線で送信する送信器を挙げることが可能である。
【選択図】図１０
【選択図】図１０
Description
本発明は、一般に、燃焼タービンのような高温動作環境における状態を無線で監視するためのシステムに関するものであり、とりわけ、こうした動作環境内にある１つ以上の監視センサ及び関連する電子装置に電力供給するための直接変換式エネルギ収集装置に関するものである。
燃焼タービンは、発電所における発電機の駆動または船舶または航空機の推進といったさまざまな用途に用いられている。最新のガスタービンエンジンにおける燃焼温度は、より効率の高いエンジンの要求に応じて上昇し続けている。ガスタービンエンジン内に存在する腐食性高温環境に耐えるため、超合金材料が開発された。しかしながら、超合金材料であっても、何らかの形の冷却及び／または断熱を施さずに現在の発電用ガスタービンエンジンの高温燃焼ガスに対する長期曝露に耐えることはできない。
ガスタービンエンジンのさまざまな高温ガス経路構成部品を保護するために、断熱コーティングが広く利用されている。こうしたコーティングの信頼性は機械の総合的な信頼性にとって重要である。こうしたコーティングの設計限界は主として実験データによって決まる。しかしながら、実際のガスタービン環境の応力及び温度にさらされた場合の断熱コーティングの反応を検証することは、コーティングの限界をより正確に理解する上において不可欠である。こうした現実の動作環境に関するデータ取得は、とりわけタービンの動翼のようなエンジンの動作中に動く構成部品の場合には極めて困難である。
発電用のガスタービンまたは商業用及び軍事用の航空機エンジンといった最新タービンエンジンは極めて複雑化しているにもかかわらず、設計者及びオペレータには、動作中のタービンエンジン構成部品の内部状況に関する情報がほとんどない。これは、クリティカルなエンジン構成部品に関して信頼できる情報を収集するために従来のセンサを利用できないようにした過酷な動作条件のせいである。
多くの現行タービンには、排気ガス経路温度測定、火炎検出、及び、基本的タービン動作条件といった多少限定された機能が可能なセンサが装備されている。電力会社などのタービンオペレータはこの情報に基づいて受動モードでエンジンを運転しているが、受動モードの場合、保守のスケジュールは同種のエンジンの前歴に基づいて立てられる。エンジン再組立及び日常保守は、個々の構成部品の残余寿命または利用済み寿命に関する予備知識なしで実施される。特定構成部品の情報の欠如は、初期故障の検出を極めて困難にし、結果として、突然の部品故障による壊滅的なエンジン故障を生じる場合が多い。この結果、非効率的な利用、不必要な停止時間、及び、膨大な運転コストの増大を生じることになる。
現在、ガスタービン産業のアプローチは、ガス経路温度の測定に依存するものであるが、これは、あるクラスのエンジンの経験及び履歴に基づく元の特定の構成部品の問題にかかわることになる。このアプローチは、極めて主観的であり、あるエンジンに関する既に深刻な状況を判断することしかできない。このアプローチでは、差し迫った損傷を指摘したり、あるいは、構成部品の劣化または故障によるエンジンの損傷につながる、また、そうした損傷を生じさせる事象の経過を洞察したりすることができない。
蒸気タービン内の動翼または静翼といった構成部品の計装には、一般に、はずみ車に翼形羽根まで続くリード線を配置することが含まれる。リード線は、一般にエポキシによってまとめて保持される。これらのリード線は、構成部品内からタービンケーシングまで配線される。構成部品の圧力境界を突破して、熱電対のようなセンサを導入することが可能であり、熱電対を所定位置に保持するため、ろう付け部にバックフィルが施される。各熱電対センサ毎に、構成部品から出ているリード線が診断ユニットに戻し接続される。このようにしてタービンの複数構成部品を計装すると、温度という１つの動作条件を監視するためだけでも広範囲なリード線ネットワークが構築される。この技法を用いる計装構成部品はコストが高く、単一タービン内に多数の構成部品を計装する障害になる。さらに、リード線及びデータ転送の質が悪い場合が多く、結果として修理コストが高くつき、データ解析が損なわれる可能性がある。
今後の厳しい要求に応えるため、無線遠隔測定法と共に埋め込み及び／または表面取り付けセンサテクノロジが、現在のタービンエンジンにおけるクリティカルな構成部品のリアルタイムの構造的な健全性モニタリング及び予知診断にますます用いられるようになっている。しかしながら、これらの無線センサ及びその関連電子装置（例えば、送信器、受信器、トランシーバ等）は、検知自体と同じだけ長く持続する電源を必要とする。ガスタービンの動作環境及び物理的制約によって、例えばバッテリ電源やガルバニ電池といった従来の電力供給アプローチでは十分に有効ならしめるのが困難であるため、燃焼タービンの動作環境において利用可能な１つ以上の形態のエネルギから電力を捕集または収集することによってこれらの無線センサ／遠隔測定システムに電力供給する能動的発電様式を提供するのが望ましい。
図１には、当該技術者には明らかな発電に用いられるガスタービンのような典型的な燃焼タービン１０が例示されている。本発明の実施形態は、当該技術者には明らかなように、燃焼タービン１０または他の多くの動作環境及びさまざまな目的に利用することが可能である。例えば、それらの実施形態は、航空機のエンジンに用いて、ボイラ、熱交換器、及び、排気筒の温度及び熱流束を監視し、断熱性能及び劣化を確認し、パイプの汚損を確認し、振動構成部品の調子を評価することが可能である。本発明の実施形態は、自動車産業で用いて、燃焼室の状態を監視し、クランク軸、カム、変速機、差動装置のような構成部品を回転させ、ヘビーデューティ車両のサスペンション及びフレームの完全性を確認することが可能である。本発明の実施形態は、可搬式のタンクや、砂漠、湿潤、及び／または、高温の状況で動作する他の機器の歪み及び熱流束の測定に利用することも可能である。
図１を参照すると、燃焼タービンエンジン１０には、圧縮機１２、少なくとも１つの燃焼器１４（切り欠いて示されている）、及び、タービン１６が含まれている。圧縮機１２、燃焼器１４、及び、タービン１６は、ガスタービンエンジンと総称される場合もある。タービン１６には、回転中心軸２０に固定された複数の動翼１８が含まれている。動翼１８の間には複数の静翼２２が配置されており、静翼２２には動翼１８を渡るように空気を導く寸法及び構造が付与されている。動翼１８及び静翼２２は、一般にニッケルまたはコバルト合金から製造され、イットリアで安定化されたジルコニアのような断熱コーティング２６を施すことが可能である。同様に、圧縮機１２にはそれぞれの静翼２３の間に配置された複数の回転翼１９が含まれている。
使用時、圧縮機１２に空気が吸い込まれ、圧縮されて、燃焼器１４に送られる。燃焼器１４は空気と燃料を混合して、点火することによって、作動ガスを生じさせる。この作動ガスは一般に約１３００℃を超えることになる。このガスはタービン１６内を通って膨張し、静翼２２に導かれて動翼１８を横切る。ガスは、タービン１６の通過時に動翼１８及び軸２０を回転させ、その結果、軸２０によって有効な機械的作用が伝達される。燃焼タービン１０には、例えば蒸気または圧縮空気といった冷却材を動翼１８及び静翼２２に供給するために設計され、構造された冷却システム（不図示）を含むことも可能である。
動翼１８及び静翼２２が動作する環境は、高い動作温度にさらされ、とりわけ過酷なので、動翼１８及び静翼２２の深刻な損傷を生じる可能性がある。これは、断熱コーティング２６が剥離するとか、あるいは劣化する場合にはとりわけ可能性が高い。本発明の実施形態は、燃焼タービン１０の運転中に構成部品の状態を表わすデータを伝送するように構成部品を構成できるので有利である。動翼１８、１９、静翼２２、２３、及び、コーティング２６は、例えば、運転中における各構成部品のそれぞれの状態を確認し、予知保全スケジュールを立てるために直接監視することが可能な構成部品の特定データを伝送するように構成することが可能である。
図１には、本発明の各種態様に従って利用可能な典型的な監視及び制御システム３０の概略図が例示されている。システム３０には、アンテナ３２、受信器３３、プロセッサまたは中央演算処理装置（ＣＰＵ）３４、データベース３６、及び、ディスプレイ３８を含むことが可能である。プロセッサ３４、データベース３６、及び、ディスプレイ３８は、適切に構成された従来の構成部品を含むことが可能であり、アンテナ３２及び受信器３３は、本発明の各種実施形態に応じて合せることが可能な性能仕様を備えることが可能である。例えば、アンテナ３２及び受信器３３は、さらに詳細に後述するように燃焼タービン１０全体のさまざまな位置に配備された複数の送信器から送られてくる無線遠隔測定データを受信するように選択することが可能である。
本発明の実施形態によれば、燃焼タービン１０内における複数の構成部品のそれぞれのコーティング内に複数のセンサを埋め込むことが可能になる。代替実施形態によれば、とりわけ、圧縮機１２内といった構成部品において断熱コーティングを必要としない領域に収容されている構成部品に対して、センサの表面取付けまたは付着を施すことが可能になる。典型的なセンサ実施形態を利用して、構成部品の物理特性及び／または構成部品のコーティングの性質並びに他の構成部品またはコーティングの特定情報に関するデータをシステム３０に伝達することが可能である。上記は、センサの電源にも当てはまる。従って、文脈において別段の指示がない限り、「１つのセンサ」または「複数センサ」を含む電気的アセンブリには、それらの電源（例えば１つ以上のエネルギ収集装置）も含まれる。
典型的なセンサを利用して、２つの構成部品間における摩耗を検出するか、構成部品のコーティングを横切る熱流束を測定するか、コーティングの剥離を検出するか、構成部品のある領域全体にわたる歪みを検出するか、あるいは、構成部品またはコーティング内における亀裂の形成を確認することが可能である。当該技術者には、本発明の態様に従って測定及び／または検出することが可能な構成部品または構成部品コーティングの他の性質及び／または特性が明らかになるであろう。
本発明の態様によれば、タービン１６の動翼１８または静翼２２の断熱コーティング２６のような断熱コーティング内にさまざまなセンサ構造を埋め込むことが可能になることは明らかである。参考までに本明細書において詳細に援用されている米国特許第６，８３８，１５７号には、本発明の態様に従ってセンサを付着させるのに利用可能な動翼１８及び静翼２２といったガスタービン構成部品の計装方法のさまざまな実施形態について記載がある。この特許には、断熱コーティングに溝を形成し、コーティング内にセンサを形成し、コーティングの溝にバックフィル材料を付着させるさまざまな方法が開示されている。それらの方法及び構成部品の実施形態を利用して、本明細書に開示のような高性能の構成部品を形成することが可能である。
参考までに本明細書において詳細に援用されている米国特許第６，５７６，８６１号には、本発明の態様によるセンサ及び送信器及び電源とのセンサコネクタの実施形態を付着させるために利用可能な方法及び装置が開示されている。これに関して、その特許で開示されている方法及び装置は、マスクの利用を必要とせずに、約１００ミクロン〜５００ミクロンの微細センサ及び／またはコネクタ特徴のパターン形成に利用することが可能である。導電材料、抵抗材料、誘電体材料、絶縁材料、及び、他の用途の特定材料を利用してパターンを付着させることによって、多層電気回路及びセンサの形成が可能になる。他の方法を利用して、本発明の態様による多層電気回路及びセンサを付着させることができるのは明らかである。例えば、溶射、蒸着、レーザ焼結、及び、低温で吹き付けられる材料の硬化付着を利用することもできるし、さらに、当該技術者によって認められている他の適合する技法を利用することも可能である。
本発明の実施形態によれば、燃焼タービン１０内の多くの場所に複数のセンサ５０及び電源（例えば１つ以上のエネルギ収集装置）５１を配備して、構成部品特有の状態またはコーティング特有の状態の監視、並びに、燃焼タービン１０の動作または性能に関連した他のデータの収集を行うことが可能になる。例えば、図１に例示のように、タービン１６の１つ以上の動翼１８のそれぞれの断熱コーティング２６内に１つ以上のセンサ５０を埋め込むことが可能である。タービン１６と共に、構成部品特有のデータ及び／またはコーティング特有のデータを収集すべき他の構成部品の断熱コーティング内に複数のセンサ５０を埋め込むことができるのも明らかである。
図２には、圧縮機１２から取り外した１対の静翼２３が例示されているが、静翼２３の一方には、静翼２３の状態を検出するためにセンサが取り付けられるかまたは接続されている。トランシーバ５６にデータ信号を無線送信するように構成された送信器５４にセンサ５０からのデータ信号を送るための手段としてコネクタ５２を設けることが可能である。コネクタ５２は、センサ５０から表面取付け送信器５４に信号を伝えるための１つまたは複数の電気リード線とすることが可能である。代替実施形態では、特定の用途に応じて、センサ５０から送信器５４にデータ信号を送るための手段としてさまざまなタイプのコネクタ５２を利用することが可能になる。例えば、単一波長または可変波長の光を用いて信号を送るために、１つまたは複数の光ファイバコネクタを利用することが可能である。
本発明の実施形態によれば、送信器５４は、燃焼タービン１０のケーシング内におけるそれらの位置に応じてマルチチャネルとし、さまざまな仕様にすることが可能になる。送信器５４は、約８０℃〜１２０℃の動作温度にさらされる圧縮機１２のケーシング内で機能するように構成することが可能である。送信器５４は、約３００℃〜３５０℃またはそれ以上の動作温度にさらされるタービン１０のケーシング内で機能し、酸化曝露に耐えるように構成することも可能である。
図３には、センサ５０が接続されており、センサ５０を送信器５４に接続するためのコネクタ５２を備えている圧縮機静翼２３の略平面図が例示されている。送信器５４に電力供給するため、本発明の態様を具現化するエネルギ収集装置５１を設けることが可能である。
本発明の発明者の画期的な認識によれば、エネルギ収集は、熱的、機械的（例えば、歪み、振動、音響等）、及び、放射エネルギといった厳しい動作環境に存在する１つ以上のエネルギ形態１９８（図４）から電力を収集することが可能な、この動作環境における監視用の電力要求を完全に満たす魅力的な解決策になる可能性がある。このアプローチによれば、比較的小電力の無線遠隔測定システム２００のためにほぼ無限に環境的にクリーンな電力を提供することができるように企図されており、この無線遠隔測定システム２００は例えば、アンテナ２０８を介した無線送信用の発振器２０６に復調信号を供給するように接続された復調器２０４に対してセンサ信号出力を供給するためのセンサ２０２が接続された電気的アセンブリを含むことが可能である。例えば１つ以上の直接変換装置（例えば、ある形態のエネルギを電気に直接変換するエネルギ収集装置）から構成することができるエネルギ収集機器２０９を利用して、例えば外部電源による補助を受けずに、無線遠隔測定システム２００に完全に電力供給することが可能になる。典型的な実施形態の１つでは、こうした装置には、このエネルギ収集を実現するように構成された熱電特性、熱光起電特性、及び、圧電特性を備えた材料が利用される。
下記節では、実現できる可能性のある発電技法の例について概要が示される。
熱電式発電：この技法例は、熱エネルギを電気に直接変換する効率の良い環境的にクリーンな手段を代表するものである。図５に示されている実施形態の１つでは、これには、ゼーベック効果に基づいて電力を発生するように接続された熱電対列２１０（例えば、熱電対の列の直列回路）の利用が必要になる可能性がある。熱電対列は、プラズマ溶射法、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法、物理蒸着（ＰＶＤ）法、化学蒸着（ＣＶＤ）法、パルスレーザ堆積法、ミニプラズマ法、直接描画法、ミニ高速ガス式溶射（ｈｖｏｆ）法、または、溶液プラズマ溶射法といったさまざまな製造技法の任意の１つによって付着させることが可能なセラミック製または金属製熱電対から製造することが可能である。この技法では、断熱コーティング（ＴＢＣ）において表面からコーティングまで（例えば温度がＴ1の第１の領域と温度がＴ2の第２の領域との間）に生じる温度勾配が比較的大きいという点が利用される。例えば、この温度勾配によって、熱電対列の出力端子の両端間に電圧Ｖを発生することが可能になる。
実施形態の一例では、熱電対の２つの列２１２を見ることができる図６に断面図で示すように、ＴＢＣ上に熱電対列を付着させることが可能である。一般に、２つの接合部は異なる温度にさらされるので、ゼーベック効果が発生する。この電圧（Ｖ）はＶ＝αAB（Ｔhot−Ｔcold）として概算することが可能であるが、ここで、αABは、熱電対を構成する材料Ａ及びＢの相対ゼーベック係数を表わしている。熱電式発電に適した材料例（従来の（例えばＫ、Ｎ型等の）金属材料以外の）には、その固有の熱的及び電子的性質と高温安定性の故に熱電材料としての潜在的可能性を有するものと考えられる、例えばＡｌ−Ｃｕ−Ｆｅ、Ａｌ−Ｐｄ−Ｍｎ、Ａｌ−Ｐｄ−Ｒｅ等のようなアルミニウムベースの準結晶合金などの準結晶ベースの材料及びシリコンゲルマニウム合金及びＦｅＳｉ2のような各種半導体材料を含むことが可能である。
図７に例示のように、複数の熱電対を接続して、異なるモードで動作させ、翼型２２０のような所定のタービン構成部品の異なる位置に生じる可能性のある温度勾配の効果を高めることが可能である。例えば、第１の温度で動作する第１の熱電対２２２は、翼型に配置することが可能であり、第１の温度とは異なる（例えばより低い）第２の温度で動作する第２の熱電対２２４は、プラットフォームに配置することが可能であり、第１及び第２の温度とは異なる第３の温度で動作する第３の熱電対２２６は、翼型の付根に配置することが可能である。差動モードの動作の場合、ただ単に温度勾配の個別の効果を得る代わりに、こうした温度勾配の効果を組み合わせることによってより大きいゼーベック電圧が得られることになる。
熱光起電性の発電：直接変換による発電の他の例では、１つ以上の熱光起電性（ＴＰＶ）装置を設けて、熱を電気に変換することが可能であり、この場合、半導体が暖かい物体が放射するより波長の長い不可視の赤外線に「同調」させられる。この技法は、例えば、外部に熱を放出することでＴＰＶ発電器に熱的に結合される、或るエネルギ源によって加熱されるセラミック放熱体による放熱源のような適合する放熱源３００を含むことができ、図８に示すように、この熱は１つ以上の熱光起電セル３０２によって吸収して、電気に直接変換することが可能である。シリコンまたは最新の低バンドギャップのドープされたアンチモン化合物（ＧａＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ等）から比較的薄いフィルムセルを製造することが可能である。一般に、低バンドギャップのダイオードによって、より低い放射温度で電力密度及びスペクトル制御が改善される。これらのフィルムは、プラズマ溶射法、ＥＢ ＰＶＤ、ＤＶＤ、パルスレーザ堆積法、ミニプラズマ法、直接描画法、ミニｈｖｏｆ法、または、溶液プラズマ溶射法によって付着させることが可能である。
実施形態の一例では、燃焼ガスを用いて、（酸化物［例えば、エルビア、マグネシア等］またはＳｉＣから製作することが可能な）放熱体の働きをする静的表面を加熱することにより、熱放射スペクトルを生じさせることができるように企図されている。熱放射は、熱放射を吸収して、吸収した熱放射の一部（例えば、半導体バンドギャップにおけるエネルギレベルを超えるエネルギレベルの熱放射）を有用な電力に変換するＴＰＶセルに伝達される。放熱源と光起電セルの間には、例えば、バンドギャップを超えるエネルギをＴＶＰセルに伝達し、復熱及びシステム効率の向上のために、バンドギャップ未満のエネルギを反射して放熱体に戻すように構成することが可能な、フィルタ３０４（例えばスペクトル制御装置）を配置することが可能である。
圧電式発電：この技法例は、機械的負荷がかかると電荷を生じる圧電装置３１０を含む。従って、このアプローチでは、図９に示すように、タービン環境に存在するさまざまな形態の機械的エネルギ３１２（例えば、振動、応力、音響等）を利用して、発電することになる。過酷な高温環境のため、キュリー温度の比較的高い圧電材料（例えば、改質ニオブ酸リチウムまたはチタン酸ビスマス）の薄膜を用いるように企図されている。
タービン環境において、圧電薄膜に応力がかかると、すなわち、機械的に応力がかかると、圧電効果によって材料の２つの面間に電荷が発生する。電極が短絡していない場合、電荷に関連した電圧が生じる。この電荷は振動／応力強度に比例し、従って、圧力の尺度として利用することが可能である。圧電素子は、２つの形態で、すなわち、電界（電気エネルギ）と歪み（機械的エネルギ）としてエネルギを蓄積する。従って、圧電性物質は電気エネルギーと機械エネルギー間（およびこの逆方向の）の変換を可能にする材料である。従って、この性質を利用して、環境からエネルギを収集することが可能である。
代替実施形態の場合、静翼２３から遠く離して送信器５４を配置し、引き続きトランシーバ５６に無線で送信されることになる信号をセンサ５０からコネクタ５２を介して受信することが可能である。トランシーバ５６は、ハブ５８にまたは図１に示す典型的な位置のような圧縮機１２外部の表面に取り付けることが可能である。トランシーバ５６は、送信器５４からのＲＦ信号のような無線データ送信の受信に十分なほど送信器５４に近い範囲内であれば、さまざまな位置に取り付けることが可能である。トランシーバ５６は、圧縮機の静翼２３の状態を監視するための信号処理が可能なシステム３０のアンテナ３２に対してＲＦ信号を送ることが可能である。
図２及び３を参照すると、静翼２３の表面にセンサ５０を直接製作することによって、１つ以上のセンサ５０を１つ以上の圧縮機静翼２３に接続することが可能である。コネクタ５２は静翼２３の表面に直接付着させることが可能である。代替実施形態の場合、付着させるセンサ５０及びコネクタ５２を収容するサイズの溝または凹部を静翼２３の表面内に形成することが可能である。センサ５０及びコネクタ５２は、凹部内に配置して、静翼２３表面のセンサ５０及びコネクタ５２を覆うように適合する材料のコーティングを付着させることによって保護することが可能である。他の代替実施形態には、静翼２３の表面にコーティングを付着させ、コーティング内に溝を形成して、その溝内にセンサ５０及びコネクタ５２を配置することが可能なものもある。センサ５０及び／またはコネクタ５２の上に保護コーティングを付着させることが可能である。
コネクタ５２は、コネクタ５２の末端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から静翼２３の周縁のような終端位置まで延ばすことが可能である。センサ５０及びコネクタ５２を、静翼２３の空気力学特性に対する悪影響を最小限に抑えるように、静翼２３に配置することが可能である。
実施形態の１つでは、１つ以上のタービンまたは圧縮機動翼１８、１９に、例えば歪みゲージまたは熱電対のような１つ以上のセンサ５０を付着させることが可能である。
図１０には、圧縮機１２に関する実施形態の１つが例示されている。コネクタ５２を配置して、動翼１８、１９に接続された１つ以上の送信器５４に各センサ５０を接続することが可能である。典型的な実施形態によれば、それぞれのコネクタ５２を介して複数のセンサ５０と単一送信器５４を接続することが可能になるのは明らかである。例えば、複数の動翼１８、１９のそれぞれにセンサ５０を配置することが可能である。コネクタ５２を配置して、各センサ５０から単一送信器５４に信号を送ることが可能である。
動翼１８、１９の付根に近接して、送信器５４及び回転アンテナ５５を取り付けることが可能である。コネクタ５２にセンサ５０から動翼１８、１９の付根の後部までの経路設定を施して、センサ５０を回転アンテナ５５に接続することが可能であり、アンテナ５５はさらにコネクタ５２ａを介して送信器５４に接続することが可能である。それぞれの動翼１８、１９の付根の後部において、タービンまたは圧縮機静翼２２、２３に固定アンテナ５７を取り付けることが可能である。固定アンテナ５７からのリード線５７ａに圧縮機１２またはタービン１６から出るように経路設定をして、システム３０に信号を放送することが可能である。
当該技術者には明らかなように、例えば溶射付着によって、圧縮機１２内においてディスクに取り付けられた動翼１９の列内の各圧縮機動翼１９に１つ以上のセンサ５０を取り付けることが可能である。それぞれのコネクタ５２によって、列内の各動翼１９の付根に近接して取り付けられたそれぞれの送信器５４に各センサ５０を接続することが可能である。回転アンテナ５５は、各動翼１９の付根に近接したディスクを包囲し、それぞれのコネクタ５２ａを介して各送信器５４に接続することが可能である。１つ以上の固定アンテナ５７は、圧縮機動翼１９の列の後部において圧縮機静翼２３に取り付けるか、または、信号の送信及び受信に十分なほど回転アンテナ５５に近接して圧縮機のハブのような別の位置に取り付けることが可能である。固定アンテナ５７は、やはり動翼１９の列を包囲することが可能である。タービン１６内の動翼１８の列も同様に構成することが可能である。
実施形態の１つでは、タービン１６の静翼のような非回転構成部品は、断熱コーティングを付着させることが可能である。断熱コーティングの上面の下に、センサ５０及び／またはエネルギ収集装置５１を埋め込むことが可能である。実施形態の１つでは、送信器を静翼に表面取り付けするかまたは断熱コーティング内に埋め込むことが可能である。代替実施形態によれば、当該技術者には明らかなように、例えば静翼が接続されているプラットフォームまたは冷却流路内といった他の場所に送信器を配置することが可能になる。
本発明の実施形態によれば、構成部品に表面取り付けするかまたはそれぞれの構成部品の断熱コーティング内に埋め込んで、燃焼タービン１０全体に複数のセンサ５０を配備し、特定構成部品の状態データを収集して、無線遠隔測定法を用いて監視及び制御システム３０にそのデータを送信することが可能になる。このアプローチによれば、燃焼タービン１０の運転中に、特定構成部品の状態に基づいて、交換、修理、及び、保守の意思決定過程を実施することが可能になるので好都合である。
これに関して、特定構成部品の状態データは、アンテナ３２及び受信器３３によって受信し、その後ＣＰＵ３４によってデータベース３６に記憶することが可能である。本発明の実施形態によれば、特定構成部品の状態データを収集し、ディスプレイ３８を介してオペレータにリアルタイムで提示することが可能になる。これによって、オペレータは、１つまたは複数の特定構成部品の状態に応答して、燃焼タービン１０の動作に関する決定を瞬時に実施することが可能になる。
各構成部品に関する履歴データを集めて、分析し、その構成部品に関して修理、交換、または、保守の決定を行うことが可能である。燃焼タービン１２の動作状態及び特定構成部品を監視することが可能であり、１つまたは複数の構成部品に修理または交換が必要であることを表わしたまたはガスタービンの動作に関して是正措置を施すべきであることを表わした状態の集合を特定することが可能である。これらの態様によって予知保全スケジュールを大きく改善することが可能になる。
本明細書では本発明の望ましい実施形態ついて示し、解説してきたが、こうした実施形態が例証のためだけに提示されたものであるのは明らかであろう。当該技術者には、本明細書から逸脱することなく、多くの改変、変更、及び、代替実施形態が思い浮かぶであろう。従って、本発明は付属の請求項の精神及び範囲による制限だけしか受けないように意図されている。
１０ 燃焼タービン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ 動翼
１９ 回転翼
２２ 静翼
２３ 静翼
２６ 断熱コーティング
３０ 監視及び制御システム
３２ アンテナ
３３ 受信器
３４ ＣＰＵ
３６ データベース
３８ ディスプレイ
５０ センサ
５２ コネクタ
５４ 送信器
５５ 回転アンテナ
５６ トランシーバ
５７ 固定アンテナ
５８ ハブ
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ 動翼
１９ 回転翼
２２ 静翼
２３ 静翼
２６ 断熱コーティング
３０ 監視及び制御システム
３２ アンテナ
３３ 受信器
３４ ＣＰＵ
３６ データベース
３８ ディスプレイ
５０ センサ
５２ コネクタ
５４ 送信器
５５ 回転アンテナ
５６ トランシーバ
５７ 固定アンテナ
５８ ハブ
Claims (19)
- 燃焼タービンの動作中に用いるための電気的アセンブリであって、
前記燃焼タービンのケーシング内の構成部品の１つに配置され、前記タービンのケーシング内に含まれるある形態のエネルギを収集して、前記ケーシング内の１つ以上の電気装置に完全に電力供給するのに十分な電力を発生するように構成された少なくとも１つのエネルギ収集装置と、
前記少なくとも１つのエネルギ収集装置によって発生した電力を受電するように結合され、前記燃焼タービンの動作中に前記ケーシング内の前記構成部品の状態を検知するように構成されており、前記ケーシング内の前記電気装置の１つを構成する少なくとも１つのセンサが含まれている、
電気的アセンブリ。 - 前記エネルギ収集装置に、前記構成部品の表面に付着した薄膜コーティングが含まれることを特徴とする、請求項１に記載の電気的アセンブリ。
- 前記エネルギ収集装置に、前記構成部品の基板に付着した薄膜コーティングが含まれることを特徴とする、請求項１に記載の電気的アセンブリ。
- 前記エネルギ収集装置に半導体デバイスが含まれることを特徴とする、請求項１に記載の電気的アセンブリ。
- 前記エネルギ収集装置が、熱電式収集装置、熱光起電式収集装置、圧電式収集装置、及び、以上の収集装置の組合せから構成されるグループから選択されることを特徴とする、請求項１に記載の電気的アセンブリ。
- 前記エネルギ収集装置が、前記構成部品の基板に付着した断熱コーティング上に配置されて、前記コーティングの厚さに沿って生じる温度勾配に応答する少なくとも１つの熱電対列を含む熱電式収集装置であることを特徴とする、請求項１に記載の電気的アセンブリ。
- 前記エネルギ収集装置が、異なる熱負荷にさらされる前記構成部品のそれぞれの領域に配置されて、互いに接続されており、異なるモードで動作して、前記異なる熱負荷の結果生じる２つ以上の熱過渡の効果を組み合わせ、それによって収集される電力の電圧レベルを上昇させる２列以上の熱電対列を含む熱電式収集装置であることを特徴とする、請求項１に記載の電気的アセンブリ。
- さらに、前記収集装置から電力を受電するように結合された送信器が含まれることと、前記送信器が前記ケーシング内の前記電気装置のもう１つを構成することを特徴とする、請求項１に記載の電気的アセンブリ。
- 前記送信器が、前記センサと通じていて、前記センサによって供給されるデータ信号を受信し、前記ケーシング外部に前記データ信号を無線で送信するように構成されていることを特徴とする、請求項８に記載の電気的アセンブリ。
- さらに、前記ケーシングの外部に配置されて、前記送信データ信号を受信するトランシーバが含まれることを特徴とする、請求項９に記載の電気的アセンブリ。
- さらに、前記送信器と通じていて、前記データ信号を処理し、前記ガスタービンの動作中に前記構成部品の状態に関する情報を作成するプロセッサが含まれることを特徴とする、請求項１０に記載の電気的アセンブリ。
- 燃焼タービンの動作中の状態を監視するための方法であって、
前記タービンのケーシング内に含まれるある形態のエネルギを収集し、外部電源による補助を受けずに、前記ケーシング内の１つ以上の電気装置に電力供給するのに十分な電力を発生するステップと、
収集した電力を受電するように、前記ケーシング内の前記電気装置の１つを構成する少なくとも１つのセンサを結合するステップと、
前記少なくとも１つのセンサによって、前記燃焼タービンの動作中に前記ケーシング内のある構成部品の状態を検知するステップと、
収集した電力を受電するように、前記ケーシング内の前記電気装置のもう１つを構成する送信器を結合するステップと、
前記センサによって供給されるデータ信号を受信して、前記ケーシング外部に前記データ信号を無線で送信するように、送信器を結合するステップが含まれている、
方法。 - さらに、前記燃焼タービンの前記ケーシング内にある前記構成部品に配置された少なくとも１つのエネルギ収集装置によってエネルギ収集を実施するステップが含まれることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
- 前記エネルギ収集ステップに、熱エネルギを収集するステップと、機械的エネルギを収集するステップと、以上のステップの組合せのうち少なくとも１つが含まれることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
- 燃焼タービンであって、
ケーシングと、
前記タービンの前記ケーシング内にある構成部品の１つに配置されて、熱エネルギ、機械的エネルギ、及び、以上のエネルギの組合せといった形態のエネルギのうち少なくとも１つを含む前記ケーシング内に存在するある形態のエネルギを電気エネルギに変換し、外部電源による補助を受けずに、前記ケーシング内の１つ以上の電気装置に電力供給するのに十分な電力を発生するように構成されている少なくとも１つの電気エネルギ収集装置と、
前記配置された燃焼タービンの動作中に、前記ケーシング内の前記構成部品の状態を検知するように結合されている、前記ケーシング内の前記電気装置の１つを構成する少なくとも１つのセンサと、
前記センサによって供給されるデータ信号を受信して、無線で送信するように前記センサに結合されている、前記ケーシング内の前記電気装置のもう１つを構成する送信器が含まれている、
燃焼タービン。 - さらに、ハブと、前記ハブから半径方向に延びる複数のタービン動翼を含む少なくとも１つのタービン動翼アセンブリが含まれることと、１）少なくとも１つの収集装置、２）前記少なくとも１つのセンサ、及び、３）前記送信器のうちの少なくとも１つが前記タービン動翼の少なくとも１つに配置されていることを特徴とする、請求項１５に記載の燃焼タービン。
- さらに、ハブと、前記ハブから半径方向に延びる複数の圧縮機動翼を含む少なくとも１つの圧縮機動翼アセンブリが含まれることと、１）少なくとも１つの収集装置、２）前記少なくとも１つのセンサ、及び、３）前記送信器のうちの少なくとも１つが前記圧縮機動翼の少なくとも１つに配置されていることを特徴とする、請求項１５に記載の燃焼タービン。
- さらに、１）少なくとも１つの収集装置、２）前記少なくとも１つのセンサ、及び、３）前記送信器のうちの少なくとも１つが前記少なくとも１つの圧縮機の表面に配置されていることを特徴とする、請求項１５に記載の燃焼タービン。
- さらに、前記タービンの前記ケーシング内に少なくとも１つの固定アセンブリが含まれることと、１）少なくとも１つの収集装置、２）前記少なくとも１つのセンサ、及び、３）前記送信器のうちの少なくとも１つが前記少なくとも１つの固定アセンブリに配置されていることを特徴とする、請求項１５に記載の燃焼タービン。
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