具有SAW或BAW装置的涡轮机、测量布置结构和安装方法与流程

具体实施方式

本文所公开的主题涉及具有saw或baw装置的涡轮机、测量布置结构和安装方法。

背景技术：

在涡轮机(例如气体涡轮引擎)中，需要监测一个或多个环境参数，例如温度，尤其是在其工作期间。

监测旋转式机器的转子处的环境参数(例如，转子的区域的温度)是困难的，因为首先必须测量参数，然后必须将测量值从转子传送到例如电子监测单元。因此，过去已经使用了无线通信技术。

众所周知，saw(＝表面声波)和baw(＝体声波)装置可用作适用于无源无线通信的环境参数传感器；如果询问器向此类装置发送适当的询问rf信号，则传感器返回应答rf信号，并且询问信号与应答信号之间的差取决于由装置检测到的环境参数的值(saw或baw装置可被设计成检测特定环境参数，例如温度)。

过去尝试使用saw或baw装置作为用于监测涡轮机转子的无源通信参数传感器。

然而，通过非常快速地(例如，高达20,000rpm)旋转并且以高振动和/或高加速力和/或在高温(例如，高达1,000℃)和/或在高压(例如，高达200atm)和/或用侵蚀性气体工作的涡轮机(类似于“油气”领域中使用的涡轮机)中的saw或baw装置实现准确测量和可靠通信并不容易。此外，此类涡轮机的所有部件或几乎所有部件均由金属制成，并且这使得询问器与转发器(即saw或baw装置)之间的射频通信变得困难。

因此，期望能够准确可靠地监测涡轮机转子处(尤其是其工作期间)的一个或多个环境参数。

技术实现要素：

根据一个方面，本文所公开的主题涉及一种涡轮机，该涡轮机包括转子和定子，所述转子具有彼此远离的低温区和高温区；所述涡轮机还包括：saw或baw装置，所述saw或baw装置与天线电耦接并且位于所述低温区中；至少一个温度敏感阻抗装置，所述至少一个温度敏感阻抗装置位于所述高温区中；至少一个第一电缆，所述至少一个第一电缆电耦接所述saw或baw装置和所述至少一个温度敏感阻抗装置；以及询问器，所述询问器具有位于所述定子上的天线，所述天线靠近所述saw或baw装置的天线至少达一时间间隔；另外，第一电缆电耦接所述saw或baw装置以及所述温度敏感阻抗装置，所述涡轮机还包括与所述第一电缆相同的第二电缆，并且所述第二电缆在第一端部处与所述saw装置电耦接并且在第二端部处短路或开路或与匹配的阻抗装置耦接。

根据另一方面，本文所公开的主题涉及一种用于测量旋转式机器(特别是涡轮机)的转子处的环境参数的布置结构；所述布置结构包括：saw或baw装置，所述saw或baw装置与天线电耦接并且被布置成位于所述转子的第一区中；至少一个参数敏感阻抗装置，所述至少一个参数敏感阻抗装置被布置成位于所述转子的远离所述转子的所述第一区的第二区中；以及至少一个第一电缆，所述至少一个第一电缆电耦接所述saw或baw装置以及所述至少一个参数敏感阻抗装置；另外，所述第一电缆电耦接所述saw或baw装置以及所述温度敏感阻抗装置，所述布置结构还包括与所述第一电缆相同的第二电缆，并且所述第二电缆在第一端部处与所述saw装置电耦接并且在第二端部处短路或开路或与匹配的阻抗装置耦接。

根据又另一方面，本文所公开的主题涉及一种用于将测量布置结构安装在旋转式机器(特别是涡轮机)的转子处的方法；所述方法包括以下步骤：a)在转子的第一区中固定saw或baw装置和相关联的天线，b)在转子的远离该转子的第一区的第二区中固定至少一个参数敏感阻抗装置，c)将至少一个第一电缆特别是同轴电缆固定到转子，使得该第一电缆从第一区拉伸到第二区，d)将saw或baw装置电耦接到第一电缆的第一端部，并且将至少一个参数敏感阻抗装置电耦接到第一电缆的第二端部，e)将第二电缆特别是同轴电缆固定到转子，使得该第二电缆从第一区拉伸到第二区，以及f)将saw或baw装置电耦接到第二电缆的第一端部并将短路部电耦接到第二电缆的第二端部。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参考以下具体实施方式，将容易地获得对本发明所公开的实施方案及其许多伴随的优点的更全面的理解，这同样变得更好理解，其中：

图1示出了涡轮机即气体涡轮引擎的实施方案的示意性纵切面视图；

图2详细示出了图2的第一部分；

图3示出了图2中包括的转子轮的详细局部透视图；

图4详细示出了图2的第二部分；并且

图5示出了用于测量环境参数的布置结构的实施方案的示意图。

具体实施方式

为了监测涡轮机的转子处的一个或多个环境参数，无线通信技术是必要的。

在通信期间，如果saw装置或baw装置(尤其是saw装置)与转发器之间的距离小(例如，小于10cm)，则该装置允许与转发器的有效通信。在涡轮机中，可以将该装置放置在其转子处并且将转发器放置在其定子处，使得它们可以很好地通信。

此外，在涡轮机的转子处存在saw或baw装置可很好地运行的位置。

然而，通常需要在涡轮机转子的其中saw或baw装置的通信和/或运行困难或甚至不可能的位置处测量一个或多个参数，例如温度。

因此，设想将saw或baw装置与至少一个参数敏感阻抗装置组合；saw或baw装置被放置在其可很好地通信和运行的位置，而阻抗装置被放置在待测量环境参数的位置；这两个地方彼此远离并且可相当远(例如，10cm-100cm)。

此外，saw或baw装置和阻抗装置通过电缆电连接。电缆可被适当地布线，例如使得易于安装和/或允许可靠的连接。电缆优选地为同轴电缆，以避免捕获将降低测量精度的噪声。

现在将详细参考本公开的实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。通过解释本公开而非限制本公开来提供每个示例。事实上，对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可对本公开进行各种修改和变型。本说明书通篇对“一个实施方案”或“实施方案”或“一些实施方案”的提及意指结合实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施方案中。因此，在整篇说明书的多处出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”或“在一些实施方案中”不一定是指相同的实施方案。此外，在一个或多个实施方案中，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。

当介绍各种实施方案的要素时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在表示存在要素中的一个或多个要素。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是包括性的，并且意指除列出要素外还可以存在附加要素。

现在参考附图，图1示意性地示出了包括气体涡轮11、燃烧器12和压缩机13的气体涡轮引擎10。

气体涡轮11的第一部分111已被突出显示(参见圆圈)；图2详细示出了部分111；根据该实施方案，部分111是气体涡轮11的中间部分。图3是图2中包括的转子轮的详细局部透视图。

气体涡轮11的第二部分112已被突出显示(参见圆圈)；图4详细示出了部分112；根据该实施方案，部分112是其中定位有轴承的气体涡轮11的端部部分。

燃烧器12的部分121已被突出显示(参见圆圈)；根据该实施方案，部分121是位于恰好在气体涡轮11上游的充气室处的燃烧器12的端部部分。

图2示出了气体涡轮的级的固定式喷嘴组件21和旋转式轮叶组件22的局部剖视图；在该级的左侧部分地示出了另外的固定式喷嘴组件23，并且在该级的右侧部分地示出了旋转式轮叶组件24。转子设置有轴向间隔开的转子轮(例如，图2中的25和26以及图4中的41)和间隔件(例如，图2中的27)，该转子轮和该间隔件通过例如多个周向间隔开的轴向延伸的螺栓(例如，图2和图4中的28是螺栓的柄部)接合在一起。在所示的示例中，固定式喷嘴组件21和固定式喷嘴组件23中的每一者包括围绕转子的多个周向间隔开的固定式定子叶片。一般来讲，在涡轮中，在固定式喷嘴组件之间存在分别安装在转子轮上的转子叶片或“轮叶”，并且转子叶片或轮叶随着转子旋转；在图2中，例如，在固定式喷嘴组件21和固定式喷嘴组件22之间，存在安装在转子轮25上的转子叶片或“轮叶”29(也参见例如图3)。

每个轮叶(例如，图2中的29和图4中的42)包括由柄部径向支撑的翼型部分。轮叶的燕尾形部分(径向地向内延伸到柄部并且在图2和图4中未详细示出)适于与形成在转子轮(参见例如图2和图4)中的大致对应的燕尾形部分(例如图3中的31)连接。轮叶通常是整体浇铸的，并且在其柄部处包括与形成在相邻喷嘴组件上的喷嘴密封环带配合的轴向突出的内部天使翼密封件和外部天使翼密封件，以限制热燃烧气体(流经热气体路径)被摄取到与轮叶和转子轮径向相邻定位的轮空间腔体中。通过交替天使翼密封件和喷嘴密封环带，并且通过定位它们使得形成曲折的径向间隙或蛇形的径向间隙，抑制热燃烧气体进入轮空间腔体中。应当理解，热燃烧气体的摄取也受到流经轮空间腔体的较冷吹扫空气的抑制，其中一些热燃烧气体试图经由间隙排出。

图3突出显示了例如转子轮25的两个侧表面32(也参见图2)和33；这些表面中的每一个表面都是环形的；表面32为“外表面”；表面33是比表面32更靠近气体涡轮11的轴的“中间表面”；可存在例如第三侧表面，即比表面33更靠近气体涡轮11的轴的“内表面”(参考图2和图3的实施方案，中间表面和内表面可由例如分布有螺栓28的轴线的圆周划分)。

图4示出了包括转子轮41和相关联的旋转式轮叶42的气体涡轮11的最后一级的旋转式轮叶组件的局部剖视图；转子轮41安装在气体涡轮11的轴40上。固定式部件43(即，气体涡轮11的定子的部件)面向转子轮41和轴40。轴承44位于固定式部件43和轴40之间。

图4突出显示了例如转子轮41的三个侧表面41a以及41b和41c；表面41a为环形的“外表面”(其可类似于图3中的表面32)；表面41b是比表面41a更靠近轴40的环形的“中间表面”(其可类似于图3中的表面33)；表面41c是比表面41b更靠近轴40的圆形“内表面”，并且具有用于轴40的孔。外表面和中间表面可由肋状件划分。中间表面和内表面可由分布有螺栓28的轴线的圆周划分。

图4突出显示了例如部件43的两个表面43a和43b；表面43a面向表面41a和表面41b两者(并且与其相当接近)；表面43b面向轴40的侧表面的一部分(并且与其相当接近)。即使表面43b比表面43a更靠近轴承44，也可在(轴承44的)轴承区域处考虑表面43a和表面43b。从下面将显而易见的是，若干不同的实施方案是可能的；因此，即使是有利的，在靠近转子轮表面的轴承区域处的表面(如图4所示)对于测量旋转式机器的转子处的环境参数也不是绝对必要的；因此，即使是有利的，与靠近轴的表面的轴承区域处的表面靠近的轴承区域处的表面(如图4所示)对于测量旋转式机器的转子处的环境参数也不是绝对必要的。

应当注意，图4是相当示意性的，并且所示部件的尺寸和位置不反映真实机器；此外，例如，省略了螺栓的细节(参见虚线)。

图5示出了用于测量环境参数的布置结构500的示例性实施方案。存在组装了通过导线电连接在一起的第一saw(或另选地baw)装置512和第二saw(或另选地baw)装置514的电气装置510；第一saw装置512通过用于与转发器通信的导线电连接到天线520；第二saw装置514通过导线电连接到接地部590。第一saw装置512和第二saw装置514中的每一个saw装置都具有用于连接到参数敏感阻抗装置(例如，温度敏感电阻器)的第一端口和第二端口。第一saw装置512的第一端口电连接到阻抗装置532。第一saw装置512的第二端口电连接到短路部550；替代地，该第二端口可连接到开路部或匹配的阻抗装置，即固定的阻抗装置。第二saw装置514的第一端口电连接到阻抗装置536。第二saw装置514的第二端口电连接到阻抗装置538。

应当注意，在本说明书中，术语“连接(connection)”、“连接(connect(s))”和“连接(connecting/ed)”并不意味着“直接电连接(directelectricalconnection)”、“直接地电连接(directlyelectricallyconnect(s))”和“直接电连接(directlyelectricallyconnecting/ed)”；换句话讲，例如，如果部件a连接到部件b，则可在部件a和部件b之间放置一个或多个其他电子部件或不放置任何其他电子部件；然而，在权利要求中，使用更一般的术语“耦接(couple(s))”和“耦接(coupling/ed)”。

根据另选的实施方案，测量布置结构可包括仅一个saw或baw装置或者三个或更多个saw或baw装置。

根据另选的实施方案，saw或baw装置的端口中的一个端口可保持未使用，具体地是未连接。

在图5的实施方案中，saw装置与参数敏感阻抗装置之间的连接通过电缆特别是双导线电缆来进行。图5示出电缆542、电缆546和电缆548；与电缆542、电缆546和电缆548相同或类似的电缆544不用于连接到参数敏感阻抗装置。优选地，这些电缆为同轴电缆(具体参见电缆542和电缆544)。

图5的布置结构被设计成测量涡轮机10的转子处的环境参数，特别是三个参数。电气装置510被布置成位于转子的第一区中；通过将装置510定位在某个位置，第一saw装置512和第二saw装置514两者都大致位于相同的位置，因为装置510的尺寸通常为5mm-20mm。参数敏感阻抗装置532、参数敏感阻抗装置536和参数敏感阻抗装置538被布置成位于转子的远离第一区的其他区域中；尽管电缆542、电缆546和电缆548在图5中示出为非常短，但它们通常相当长，例如从10cm至100cm，并且它们通常具有不同的长度。

根据图5的实施方案，同轴电缆542包括由金属制成的导电芯542a，该导电芯被由陶瓷材料制成的管状电绝缘层542b围绕，该管状电绝缘层被管状导电屏蔽件542c围绕，该管状导电屏蔽件优选地也是由金属制成的电缆的护套。芯542a的金属具体地为铜或镍。层542b的陶瓷材料具体地为陶瓷氧化物，例如氧化铝或氧化镁。屏蔽件/护套542c的金属具体地为钢，并且更具体地为不锈钢。在第一端部处，电缆542电连接(例如，通过两根导线)到第一saw装置512的端口，而在第二端部处，电缆542电连接(适当地)到装置532。类似的考虑可应用于电缆544、电缆546和电缆548，应当知道，装置550不是参数敏感阻抗装置。

第一saw装置512和第二saw装置514可以(适当地)由单个询问器询问，这样，通过单个询问，该询问器可以在图1的涡轮机10的转子的三个不同且远离的位置处获得三个参数值，例如三个温度值。这三个位置是装置532、装置536和装置538所在的位置。

应当注意，当询问信号被例如saw装置512接收时，该询问信号被“转发”到其所有输出端口，即，根据图5的实施方案的两个端口(一个在右侧，一个在左侧)。此类装置可有利地被设计成使得从第二端口输出的信号相对于从第一端口输出的信号被延迟；在这种情况下，由于电缆和连接到第一端口的阻抗，将存在对询问的第一应答，并且随后由于电缆和连接到第二端口的阻抗，将存在对相同询问的第二应答；对相同询问的两个连续应答之间的延迟可例如在1μs-100μs(微秒)的范围内。

一般来讲，需要监测涡轮机的一个或多个转子处的若干环境参数；在这些情况下，可使用多于一种测量布置结构。当使用多个saw装置和/或baw装置特别是集成了与天线相关联的一组saw装置和/或baw装置的电气装置时，优选的是将它们定位在涡轮机的转子中或转子上，以便平衡它们的质量，从而避免或减少由测量布置结构引起的振动。

图5的实施方案包括特别有利的解决方案：第一电缆542将装置512的第一端口连接到参数敏感阻抗装置532，第二电缆544将装置512的第二端口连接到短路部550；第二电缆544优选地与第一电缆542相同；第一电缆542和/或第二电缆544优选地为同轴类型，并且更优选地为相同的同轴类型。如果装置532和短路部550位于转子的相同位置，则它们的电连接的负面效应特别是由沿着电缆的温度变化引起的负面效应可得到补偿。如果电缆542和电缆544沿着转子并行延伸，则可获得甚至更好的结果。

对图5的实施方案的进一步改进可在于使用优选地与第一电缆542相同并且优选地为同轴类型的第三电缆，并且将第三电缆从一侧连接到装置512的第三端口并且连接到另一侧的开路部。如果装置532、短路部550和开路部位于转子的相同位置处，则它们的电连接的任何负面效应可得到补偿，特别是由沿着电缆的温度变化引起的任何负面效应，包括由温度变化引起的阻抗和传播常数的变化。

基于两条相同的(或类似的)电缆的上述补偿和基于三条相同的(或类似的)电缆的上述补偿可有利地通过利用转子的(基本上)相同的温度条件将来自相同saw和/或baw装置的不同且延迟的应答与相同询问进行比较来执行。例如，就图5而言，第一应答可归因于装置532，并且第二应答可归因于短路部550。例如，就三条相同的(或类似的)电缆而言，第一应答可归因于阻抗装置，第二应答可归因于短路部，并且第三应答可归因于开路部。

现在将参考图1、图2、图3和图4来描述具体的实施方案。

涡轮机10具体地气体涡轮引擎包括至少一个转子和至少一个定子，并且可被分成气体涡轮11、燃烧器12和压缩机13。在涡轮机10工作期间，温度分布不均匀。甚至参见例如涡轮11，不同位置的温度不相同；我们可假设存在彼此远离的至少一个低温区(例如其中温度为50℃-150℃或甚至更低(例如0℃-50℃))以及至少一个高温区(例如其中温度为250℃-400℃或甚至更高(例如400℃-800℃))。类似的考虑适用于燃烧器12和压缩机13。在这种情况下，可能有兴趣监测的环境参数是温度，特别是涡轮机的转子(特别是涡轮的转子)的各个位置处的温度。

为了监测温度，涡轮机10可包括与图5的布置结构500相同的或类似的至少一种布置结构。具体地讲，涡轮机可包括：

-至少一个saw或baw装置(参见例如图4中的装置45或装置46或者图5中的装置512或装置514)，所述至少一个saw或baw装置电连接到天线并且位于低温区中，

-至少一个温度敏感阻抗装置(参见例如图3中的装置34或装置36或者图5中的装置532或装置536或装置538)，特别是温度敏感电阻器，所述至少一个温度敏感阻抗装置位于高温区中，

-至少一个第一电缆(参见例如图4中的电缆451或电缆452或电缆461或电缆462，或图5中的电缆542或电缆546或电缆548)，所述至少一个第一电缆电连接所述至少一个saw或baw装置和所述至少一个温度敏感阻抗装置，

和

-询问器(参见例如图4中的47和48)，所述询问器具有天线，所述天线位于定子上并且靠近所述saw或baw装置(45,46,512,514)的所述天线(520)至少达一时间间隔。

如在图4中可见，询问器47靠近saw装置45，并且询问器48靠近saw装置46；此类距离可为例如1mm-100mm，优选地2mm-20mm。应当考虑，询问器是稳定的且固定到定子，并且saw装置或baw装置是移动的且固定到转子；因此，图4对应于询问器和转发器处于最小距离时的情况。如果转子的旋转速度为例如12,000rpm，则可被视为“最小距离”的时间间隔可为例如约1ms(在此期间，由询问器将询问器信号传输到转发器，并且由询问器接收来自转发器的应答信号)；如果转子的旋转速度为例如1,200rpm，则可被视为“最小距离”的时间间隔可为例如约10ms(在此期间，由询问器将询问器信号传输到转发器，并且由询问器接收来自转发器的应答信号)；如果涡轮机被设计成以不同的速度旋转，则必须主要考虑最高的旋转速度。

询问器被布置成通过以在300khz至3ghz范围内、优选地在300mhz至3ghz范围内、甚至更优选地在1ghz至3ghz范围内的频率发射rf信号来询问saw或baw装置。

如图5中参照装置512和装置532所示，装置45和/或装置46可使用两个端口来测量单个位置处的温度，即便这两个端口电连接到两根电缆，特别是同轴电缆。

如图5中参照装置514以及装置536和装置538所示，装置45和/或装置46可使用两个端口来测量两个位置(例如，图3中的装置34和装置35的位置)处的温度。

在图4中，saw(或baw)装置45(充当转发器)及其天线优选地通过焊接固定到转子的轮41，并且saw(或baw)装置46(充当转发器)及其天线优选地通过焊接固定到转子的轴40；图中未示出的第三种可能性是优选地通过焊接将saw或baw装置固定到转子的间隔件(参见例如图2中的间隔件27)。装置45和装置46可位于凹陷座体的内部，而它们的天线优选地位于此类座体的外部区域处。

在图4中，询问器47和询问器48及其天线位于轴承44的区域处；图中未示出的另一种可能性是将一个或多个询问器定位在喷嘴组件(参见例如图2中的喷嘴21和喷嘴23)处。

如前所述，涡轮机可包括若干温度敏感阻抗装置，这些温度敏感阻抗装置电连接到saw装置或baw装置并且位于涡轮机的一个或多个高温区的不同位置处。例如，参考图1，在转子涡轮11处和/或在燃烧器12的转子处和/或在压缩机13的转子处可存在一些阻抗装置。

图4示出了以不对称方式位于同一转子上并且位于转子的不同部分处的两个saw(或baw)装置(充当转发器)。然而，当需要若干阻抗装置时，有利的是将一组(例如，两个或三个或四个或五个)saw装置或baw装置放置在转子中或转子上，以便平衡它们的质量。例如，涡轮机可包括三个装置或四个装置，如在轮的同一圆周上偏移120°或90°的装置45，和/或两个装置或三个装置，如在轴的同一圆周上偏移180°或120°的装置46。

一种用于在旋转式机器(特别是图1中的涡轮机10)的转子处安装与图4中的布置结构500相同的或类似的测量布置结构的方法，一般来讲，该方法包括以下步骤：

a)在转子的第一区中固定(更一般地，至少一个)saw或baw装置和相关联的天线，

b)在转子的远离该转子的第一区的第二区中固定至少一个参数敏感阻抗装置，

c)将至少一个第一电缆特别是同轴电缆固定到转子，使得该至少一个第一电缆从第一区拉伸到第二区，以及

d)将saw或baw装置电连接到第一电缆的第一端部，并且将至少一个参数敏感阻抗装置电连接到第一电缆的第二端部；

这适用于例如布置结构500的装置512和装置514中的每一个装置。

根据测量布置结构的一些实施方案(就装置512而言，这适用于例如布置结构500)，也可提供以下步骤：

e)将第二电缆特别是同轴电缆固定到转子，使得该第二电缆从第一区拉伸到第二区，以及

f)将saw或baw装置电连接到第二电缆的第一端部并且将短路部连接到第二电缆的第二端部；

在这种情况下，第一电缆和第二电缆优选地并行延伸。

根据测量布置结构的一些实施方案，也可提供以下步骤：

-将第三电缆特别是同轴电缆固定到转子，使得该第三电缆从第一区拉伸到第二区，以及

-将saw或baw装置电连接到第三电缆的第一端部并且将开路部电连接到第三电缆的第二端部；

在这种情况下，第一电缆和第二电缆以及第三电缆优选地并行延伸。

根据测量布置结构的一些实施方案(就装置514而言，这适用于例如布置结构500)，也可提供以下步骤：

g)在转子的远离该转子的第一区的第三区中固定其他参数敏感阻抗装置，

h)将其他电缆特别是同轴电缆固定到转子，使得该其他电缆从第一区拉伸到第三区，以及

l)将saw或baw装置电连接到该其他电缆的第一端部，并将该其他参数敏感阻抗装置电连接到该其他电缆的第二端部。

当使用若干saw装置或baw装置时，有利的是将它们(可能与它们的天线一起)固定在转子中或转子上，以便平衡它们的质量。