用于旋转装置的传感器组件和制造方法 |
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| 申请号 | CN201210279960.7 | 申请日 | 2012-08-08 | 公开(公告)号 | CN102927999A | 公开(公告)日 | 2013-02-13 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | 吕卓民; L.A.坎贝尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于旋转装置的 传感器 组件和制造方法。文中描述了一种传感器(40)组件。该传感器组件包括壳体(56)和近程传感器(42)，其中，壳体包括在壳体内限定空腔(74)的内表面(72)，而近程传感器 定位 在该空腔内。近程传感器包括第一连接器(80)、第二连接器(82)和在第一连接器与第二连接器之间延伸的大致平坦感应线圈(84)。该感应线圈从第一连接器向 外延 伸，使得第二连接器从第一连接器沿径向向外延伸。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种传感器组件(40)，包括： |
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| 说明书全文 | 用于旋转装置的传感器组件和制造方法技术领域[0001] 本文公开的主题总体上涉及监控系统，且更具体而言，涉及用于监控装置的操作的传感器组件。 背景技术[0002] 至少一些已知的涡轮发动机系统包括压缩机、联接在压缩机下游的燃烧器、涡轮以及可旋转地联接在压缩机与涡轮之间的转子组件。已知的涡轮发动机系统可能在操作期间出现振动或其它性状。至少一些已知的涡轮发动机系统包括含有一个或更多传感器的监控系统，这些传感器测量此种性状并确定例如转子组件中出现的振动量、转子组件的转速和/或涡轮发动机系统的任何其它合适的操作特性。至少一些已知的监控系统使用涡流(EC)传感器来检测旋转的机械构件例如转子组件中的异常和/或缺陷。其它已知的EC检查装置用于检测构件表面上的裂纹、爆鸣声、叮当声、凸起的材料和/或其它表面缺陷，和/或评估构件的材料特性，包括构件的传导性和/或密度。 [0003] 已知的涡轮发动机系统通常在比较高的温度下操作。至少一些已知的发动机构件在可能会损坏已知的EC传感器并可能导致信号衰减、信号强度减弱和/或信号可靠性下降的高温下操作。因此，使用EC传感器来监控在比较高的温度下操作的发动机构件可能受到限制或者可能并不可行。发明内容 [0004] 在一方面，提供了一种传感器组件。该传感器组件包括壳体和近程传感器(或接近传感器，proximity sensor)，其中，壳体包括在壳体内限定空腔的内表面，而近程传感器定位在该空腔内。近程传感器包括第一连接器、第二连接器和在第一连接器与第二连接器之间延伸的大致平坦感应线圈。感应线圈从第一连接器向外延伸，使得第二连接器从第一连接器沿径向向外延伸。 [0005] 在另一方面，提供了一种用于监控装置的操作的系统。该系统包括用于监控该装置的状态的计算装置，以及联接到计算装置上的传感器组件。传感器组件构造成感测该装置的构件的位置并生成指示感测到的位置的信号。传感器组件包括壳体和近程传感器，其中，壳体包括在壳体内限定空腔的内表面，而近程传感器定位在该空腔内。近程传感器包括第一连接器、第二连接器和在第一连接器与第二连接器之间延伸的大致平坦感应线圈。感应线圈具有从第一连接器向外延伸使得第二连接器从第一连接器沿径向向外延伸的大致螺旋形状。 [0006] 在又一方面，提供了一种制造用于监控装置的构件的传感器组件的方法。该方法包括横越感应线圈基底材料的外表面淀积光阻材料。在具有与近程传感器大致相似形状的感应线圈基底材料上形成光阻图案，其中，近程传感器包括第一连接器、第二连接器和在第一连接器与第二连接器之间延伸的大致平坦感应线圈。传感器基底材料经蚀刻而形成近程传感器。附图说明 [0007] 图1是示范性装置的示意图。 [0008] 图2是可与图1中所示的装置结合使用的示范性传感器组件的截面图。 [0009] 图3是图2中所示并沿线3-3截取的传感器组件的局部截面图。 [0010] 图4是图2中所示并沿线4-4截取的传感器组件的另一局部截面图。 [0011] 图5是可用来制造图2中所示的传感器组件的示范性方法的流程图。 [0012] 零件清单10 装置 12 监控系统 14 进口区段 16 压缩机区段 18 燃烧器区段 20 涡轮区段 22 排气区段 24 转子组件 26 驱动轴 28 中心轴线 30 轴承 32 燃烧器 34 燃料组件 36 发电机 38 计算装置 40 传感器组件 42 近程传感器 44 构件 46 处理器 48 存储器装置 50 显示器 52 间隙 54 探测器外壳(casing) 56 传感器壳体 58 侧壁 60 前端壁 62 后端壁 64 外表面 66 盘形本体 68 内表面 70 外表面 72 径向内表面 74 空腔 76 中心轴线 78 中心点 80 第一连接器 82 第二连接器 84 感应线圈 86 螺旋形状 88 圈 90 平直杆条(bar) 92 连接线缆 93 内表面 94 空腔 95 开口 96 第一开口 98 第二开口 100 第一连接线缆 102 第二连接线缆 104 基底材料 200 方法 202 淀积光阻材料 204 形成光阻图案 206 蚀刻传感器线圈基底材料 208 形成传感器线圈基底材料 210 形成壳体 212 插入感应线圈 214 形成壳体。 具体实施方式[0013] 本文所述的示范性方法和系统通过提供近程传感器来克服已知监控系统的至少一些缺点，其中，近程传感器监控在高温环境和/或低温环境中操作的装置的构件。此外，本文所述的近程传感器包括平坦感应线圈，该感应线圈具有大致螺旋形状并且包括基底材料，其中，基底材料包括耐温材料，举例来说，例如钛材料或超合金材料。此外，通过设置包括平坦感应线圈的近程传感器，可利用光刻或激光切割来制造该感应线圈。通过设置监控高温构件和低温构件的近程传感器，本文所述的监控系统有利于增加可被监控的发动机构件的数量。此外，通过设置可利用光刻和/或激光切割来制造的平坦感应线圈，可以优化该感应线圈的几何形状以改善线圈电气特性，从而维持最小电阻以及低的绕组间容量(interwinding capacitance)。由此，改善了感应线圈的线性范围和近程性能。 [0014] 图1是示范性装置10的示意图。图2是可与装置10结合使用的示范性监控系统12的框图。在示范性实施例中，装置10是通常在比较高的操作温度下操作的涡轮发动机。然而，对于本领域的技术人员而言并且在本文的教导引导下应该明显的是，在此描述的本发明可同样在任何合适的装置中实施且不限于仅在涡轮发动机中实施。例如，装置10可以是制冷系统，举例来说，例如在比较低的操作温度下操作的低温系统。因此，如本文所述和示出的涡轮发动机10仅出于说明的目的而并非意图在任何方面限制本文描述的设备和/或方法。在一个实施例中，涡轮发动机10可以是由通用电气公司(Schenectady, N.Y.)提供的9FA涡轮机或类似装置。 [0015] 在示范性实施例中，涡轮发动机10包括进口区段14、联接在进口区段14下游的压缩机区段16、联接在压缩机区段16下游的燃烧器区段18、联接在燃烧器区段18下游的涡轮区段20，以及排气区段22。转子组件24联接到涡轮区段20和压缩机区段16上并且包括沿中心轴线28在涡轮区段20与压缩机区段16之间延伸的驱动轴26。此外，转子组件24还包括用于支承驱动轴26的至少一个支承元件，例如至少一个轴承30。燃烧器区段18包括多个燃烧器32。燃烧器区段18联接到压缩机段16上使得每个燃烧器32均与压缩机区段16成流动连通。 [0016] 燃料组件34联接至各燃烧器32以向燃烧器32提供燃料流。涡轮区段20可旋转地联接至压缩机区段16并利用驱动轴26联接至发电机36以在涡轮发动机10的操作期间提供电能。发电机36联接至电源，举例来说，例如电力电网(未示出)，以便向公用电网分配电力。 [0017] 在示范性实施例中，监控系统12包括联接到多个传感器组件40上的计算装置38。各传感器组件40检测相对于涡轮发动机10的操作和环境状态的各种操作参数。传感器组件40可包括但不限于仅包括振动传感器、位置传感器、温度传感器、加速度传感器、流体压力传感器、动力负载传感器和/或感测关于涡轮发动机10的操作的各种参数的任何其它传感器。如本文所用，用语“参数”是指其值可用来定义涡轮发动机10的操作和环境状态的物理特性，例如构件的相对位置、振动、温度、流体压力、电力载荷、转速，以及在规定位置的流体流量。 [0018] 在示范性实施例中，监控系统12包括形式为近程传感器42的至少一个传感器组件40。近程传感器42定位成邻近涡轮发动机10的构件44，举例来说，例如压缩机区段16、涡轮区段20、驱动轴26和/或轴承30，以在构件44旋转时感测该构件的振动和/或相对位置。近程传感器42联接到计算装置38上并且构造成感测构件44相对于近程传感器42的位置以及构造成将感测到的位置传输到计算装置38。 [0019] 计算装置38包括处理器46和存储器装置48。处理器46与近程传感器42通信联接，并且包括任何合适的可编程电路，该可编程电路可包括一个或更多系统和微控制器、微处理器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)、现场可编程门阵列(FPGA)以及能够执行本文所述功能的任何其它电路。本文所述的方法可编码为在非临时性计算机可读媒介(包括但不限于存储装置和/或存储器装置)中体现的可执行指令。此类指令在由处理器执行时使得处理器至少执行本文所述方法的一部分。以上实例仅是示范性的，且因此并非意图以任何方式限制用语“处理器”的定义和/或含义。在示范性实施例中，存储器装置48是能够选择性地存储和取回诸如可执行指令和/或其它数据之类的信息的一个或更多装置。存储器装置48可包括一个或更多计算机可读媒介，例如但不限于动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、固态盘和/或硬盘。存储器装置48可构造成储存但不限于适合结合本文所述的方法使用的可执行指令和/或任何其它类型的数据。 [0020] 计算装置38还包括用于向用户显示图形表示和/或告示的显示器50。显示器50联接到处理器46上并且可包括真空荧光显示器(VFD)和/或一个或更多发光二极管(LED)。另外或备选地，显示器50可包括但不限于液晶显示器(LCD)、阴极射线管(CRT)、等离子显示器和/或能够向用户显示图形数据和/或文本的任何合适的视频输出装置。在示范性实施例中，可在显示器50上向用户显示构件44的振动、构件44的位置和/或任何其它信息。此外，可在显示器50上向用户显示构件44的位置和/或振动的图形表示。 [0021] 在操作期间，进口区段14将空气引向压缩机区段16。压缩机区段16将进入空气压缩到较高的压力和温度并朝燃烧器区段18排出压缩空气。燃料从燃料组件34引送至各燃烧器32，其中，燃料在燃烧器区段18中与压缩空气相混合并被点燃。燃烧器区段18将燃烧气体引送至涡轮区段20，在其中气流热能转化为机械旋转能以驱动压缩机区段16和/或发电机36。排出气体离开涡轮区段20并经排气区段22流向环境大气或例如热回收系统的使用位置。在示范性实施例中，近程传感器42产生涡流以生成指示构件44的位置和/或振动的信号。更具体而言，近程传感器42产生涡流，以生成指示旋转机械构件44之间的间隙52或空间(例如，驱动轴26与近程传感器42之间的间隙或空间)的信号。近程传感器42可连续地、定期地或者仅一次地和/或使计算装置38能够监控构件44的状态的任何其它信号正时地传输信号。此外，近程传感器42可采用模拟形式或数字形式来传输信号。计算装置38从近程传感器42接收所生成的信号并至少部分地基于所接收的信号来计算构件 44的位置和/或振动。此外，计算装置38将构件44的计算出的位置和/或计算出的振动的图形表示显示在显示器50上。此外，如果构件44的状态落在预定的阈值以外，则计算装置38可生成可听或视觉的警报信号。 [0022] 图2是示范性传感器组件40的截面图。图3是沿线3-3截取的传感器组件40的局部截面图。图4是大致沿线4-4截取的传感器组件40的局部截面图。在示范性实施例中，传感器组件40包括探测器外壳54、联接到探测器外壳54上的传感器壳体56，以及定位在传感器壳体56内的近程传感器42。传感器壳体56包括在前端壁60与相对的后端壁62之间延伸的侧壁58。后端壁62比前端壁60更靠近探测器外壳54，并且定位成使得传感器壳体56从探测器外壳54受到支承。 [0023] 在示范性实施例中，传感器壳体56还包括具有大致盘形的外表面64。前端壁60和后端壁62均包括在内表面68与外表面70之间延伸的盘形本体66。侧壁58包括具有在其中限定空腔74的大致圆筒形状的径向内表面72。空腔74在前端壁60与后端壁62之间延伸。内表面72在端壁60和62之间沿中心轴线76轴向地延伸。空腔74确定大小和成形为将近程传感器42接纳在其中。在备选实施例中，壳体56可呈三角形、正方形、矩形、多边形或使传感器组件40能够如本文所述那样工作的任何合适的形状。 [0024] 参照图3和图4，在示范性实施例中，三个垂直轴线X、Y和Z延伸穿过近程传感器42以相对于近程传感器42限定三维笛卡尔坐标系。更具体而言，在示范性实施例中，Z轴线与近程传感器42的中心点78大致共轴，并使得X轴线和Y轴线相交而形成X-Y基准平面。在示范性实施例中，近程传感器42包括第一连接器80、第二连接器82和在第一连接器 80与第二连接器82之间延伸的感应线圈84。 [0025] 感应线圈84是大致平坦的并具有大致包含在X-Y基准平面内的大致螺旋形状86。感应线圈84包括从第一连接器80向外延伸使得第二连接器82从第一连接器80沿径向向外定位的多圈88。在备选实施例中，感应线圈84可包括三角形、正方形、矩形、多边形或使近程传感器能够如本文所述那样工作的任何合适的形状。 [0026] 在示范性实施例中，第一连接器80相对于中心点78定向，并且感应线圈84从第一连接器80向外延伸使得第二连接器82定位成沿X轴线与第一连接器80相距第一距离D1，并定位成沿Y轴线与第一连接器80相距第二距离D2。在示范性实施例中，第二连接器82大致平行于Y轴线定向，并且第一连接器80大致平行于X轴线定向，使得第二连接器82在X-Y基准平面内大致垂直于第一连接器80定向。在备选实施例中，第二连接器82可倾斜于第一连接器80定向，或者第二连接器82可大致平行于第一连接器80定向。在一个实施例中，感应线圈84定位在壳体空腔74内使得第一连接器80相对于中心轴线76定向。备选地，感应线圈84可定位在壳体56内使得第一连接器80从中心轴线76偏移一距离。 [0027] 感应线圈84包括大致平直的杆条90，该杆条90具有矩形截面形状并且包括沿X-Y基准平面测定的径向宽度W(在图2中示出)和沿Z轴线测定的厚度T。在备选实施例中，感应线圈84可具有任何合适的截面形状，以使传感器组件40能够如本文所述那样工作。在示范性实施例中，径向宽度W大于厚度T。备选地，径向宽度W可小于或等于厚度T。 [0028] 在示范性实施例中，传感器组件40包括在感应线圈84与计算装置38之间延伸以将感应线圈电性地联接到计算装置38(在图1中示出)上的一个或更多连接线缆92。各连接线缆92均可包括一根或更多电线(未示出)。探测器外壳54包括限定空腔94的内表面93，该空腔94确定大小为将连接线缆92接纳在其中而使得线缆92从计算装置38经探测器外壳54延伸到感应线圈84。壳体56包括在其中限定的一个或更多开口95，这些开口95均确定大小和成形为经由其接纳一个或更多连接线缆92以有利于将感应线圈84电性地联接到计算装置38上。在示范性实施例中，后端壁62包括相对于第一连接器80定向的第一开口96和相对于第二连接器82定向的第二开口98。第一连接线缆100延伸穿过第一开口96并联接到第一连接器80上。第二连接线缆102延伸穿过第二开口98并联接到第二连接器82上。 [0029] 在示范性实施例中，传感器组件40可在具有在约-200°C至约1000°C之间的温度范围内的操作温度的环境中操作。在示范性实施例中，壳体56和探测器外壳54均至少部分地由陶瓷材料制成。在一个实施例中，壳体56和探测器外壳54均由包括铝(例如，92%的铝)、氮化铝、硼硅玻璃、石英、硅铝氧氮聚合材料、低温共烧陶瓷、氮化硅、氧化铝、碳化硅、青玉、氧化锆或任何其它合适技术的陶瓷材料中的至少一者的材料制成。在示范性实施例中，感应线圈84包括基底材料104，其中，基底材料104包括钛材料。在备选实施例中，基底材料104包括超合金，举例来说，例如Inconel®或Incoloy®。备选地，基底材料104包括不锈钢或镍合金，举例来说，例如镍钴合金。在示范性实施例中，感应线圈84利用光刻或激光切割由大致平直的板制成。 [0030] 图5是可在制造传感器组件40中施行的示范性方法200的流程图。在示范性实施例中，方法200包括横越感应线圈基底材料104的外表面淀积202光阻材料。横越感应线圈基底材料104形成204的光阻图案具有与近程传感器42大致相似的形状，该近程传感器42包括第一连接器80、第二连接器82和感应线圈84，其中感应线圈84大体呈螺旋形。然后，蚀刻206感应线圈基底材料104以形成近程传感器42。在示范性实施例中，方法200还包括由包括钛材料和超合金材料中的至少一者的材料形成208感应线圈基底材料104。此外，方法200还包括形成210壳体56，包括空腔74，并且将感应线圈84插入212空腔74中以形成近程传感器42。此外，方法200可包括由至少一种陶瓷材料形成214壳体56。在一个实施例中，方法200包括由包括氧化铝(例如，92%的氧化铝)、氮化铝、硼硅玻璃、石英、硅铝氧氮聚合材料、低温共烧陶瓷、氮化硅、氧化铝、碳化硅、青玉和氧化锆中的至少一者的材料形成214壳体56和或探测器外壳54。 [0031] 在一个实施例中，光阻材料横越基底材料104的第一侧并且还横越基底材料104的相对的第二侧淀积。然后，将感应线圈84的图像印制到多个膜片材上，举例来说，例如聚酯薄膜片材。各印制的片材均安装在基底材料104的每一侧并定向成使得基底材料104的每一侧均包括感应线圈84的大致相同的图像。印制片材联接到光阻涂覆的基底材料104上，使得光阻材料的与感应线圈84的形状相对应的部分保持曝光。然后，基底材料104的每一侧均暴露于UV光持续预先规定的时长，以使曝光的光阻材料固化。从基底材料104除去未固化的光阻材料以使裸露材料曝光。然后，基底材料104涂覆有蚀刻溶液以有利于蚀刻裸露材料和从基底材料104除去裸露材料。然后，从基底材料除去剩下的光阻材料以形成感应线圈84。 [0032] 感应线圈84的大小和形状选择成使传感器组件40能够感测在约-200°C至约1000°C之间的操作温度范围内操作的燃气轮机构件的位置和/或振动。此外，感应线圈 84的大小和形状选择成使感应线圈84能够利用光刻和/或激光切割来制造，并且包括基底材料 104，该基底材料104包括耐高温材料，举例来说，例如钛或超合金。通过设置监控高温构件和低温构件的近程传感器，本文所述的监控系统有利于与可使用已知的监控系统进行监控的构件相比增加可被监控的发动机构件的数量。此外，通过设置可利用光刻和/或激光切割来制造的平坦感应线圈，可优化该感应线圈的几何形状以改善线圈电气特性，从而维持最小电阻以及低的绕组容量。由此，与已知的感应线圈相比改善了感应线圈的线性范围和近程性能。 [0033] 上述方法和系统通过提供近程传感器而克服了已知监控系统的至少一些缺点，该近程传感器可监控在高温环境中操作和/或低温环境中操作的装置构件。此外，本文所述的近程传感器包括基底材料，该基底材料包括耐温材料，举例来说，例如钛材料或超合金材料。此外，本文所述的传感器组件包括具有有利于利用光刻或激光切割来制造感应线圈的大致螺旋形状的平坦感应线圈。通过设置可利用光刻和/或激光切割来制造的平坦感应线圈，与已知的监控系统相比降低了制造监控系统的成本。 [0034] 上文详细描述了可供用于监控装置的操作的传感器组件和用于制造该传感器组件的方法的示范性实施例。该系统和方法并不限于本文所述的特定实施例，而是相反，该系统的构件和/或方法的步骤可与本文所述的其它构件和/或步骤独立地和分开地利用。例如，这些方法也可结合其它监控系统来使用，并且不限于仅通过如本文所述的系统来实施。确切而言，示例性实施例可结合许多其它监控系统应用来实现和利用。 [0035] 虽然本发明的各种实施例的特定特征可能在一些附图中示出而在其它附图中未示出，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，附图中的任何特征都可结合任何其它附图的任何特征来参照和/或主张权利。 |
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