STTR Phase I: Wireless High Temperature Sensor for Real Time Monitoring of Power Generation Turbine Engines

STTR 第一阶段:用于实时监测发电涡轮发动机的无线高温传感器

基本信息

  • 批准号:
    1745661
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 22.5万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-01-01 至 2018-09-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This Small Business Innovation Research Phase I project is for the development of a wireless sensor for continuous and real-time measurement of the high temperature in gas turbines. The new sensor offers turbine manufacturers and owners/operators the capability to place small-sized sensors in hard to reach areas in the turbine, and transmit sensed data wirelessly thereby enabling heat loads to be quantified. According to gas turbine engineers interviewed during National Science Foundation I-Corps program, increasing the firing temperature of a turbine by 100°C, due to accurate real-time temperature measurement, will result in 1% increase in efficiency. This translates to additional revenue of $48 million/year for a fleet of 100 turbines. In addition, these sensors can extend useful life by 10,000 - 25,000 hours per turbine due to enhanced maintenance planning, translating to an additional revenue of $76.7 Million ? $192 Million per turbine. In 2009, the United States Environmental Protection Agency established that emissions from fossil fuel-fired power plants, leads to negative effects on human health and the environment. The new wireless sensor will help to design more efficient gas turbines and improve operations of existing turbines thereby reducing harmful emissions from power turbines. The intellectual merits of this project include: development of high-temperature sensing technology beyond its current stage; usage of newly developed materials (polymer-derived ceramics -PDC) for sensor applications; advancement of fundamental knowledge of process-property relationship of PDCs; improved sensor design and modeling; better understanding of sensor integration challenges and techniques for advanced sensing in gas turbine environment. The new wireless sensor is made of PDC. Advantages of PDC include high-temperature survivability, excellent oxidation/corrosion resistance, flexible manufacturing, and tunable electrical/mechanical properties. The sensor consists of a novel microstrip patch antenna for reliable wireless transmission of sensor data while keeping the overall volume of the sensor small so as not to distort gas flow profile in the turbine. High gain patch antenna will enable sensor to be interrogated at longer distances outside the turbine. The project objectives are: develop a wireless PDC sensor that can measure over 800°C to demonstrate high-temperature wireless sensing capability; demonstrate high-temperature wireless sensing beyond 50 cm; study sensor system implementation strategy in ultra-high temperature environment of a turbine engine; conduct preliminary investigation into sensor integration into existing turbine prognostic systems.
该小型企业创新研究第一阶段项目旨在开发无线传感器,用于连续实时测量燃气轮机的高温。新传感器使涡轮机制造商和所有者/运营商能够将小型传感器放置在涡轮机中难以到达的区域,并无线传输感测数据,从而量化热负荷。据美国国家科学基金会 I-Corps 项目期间接受采访的燃气轮机工程师表示,由于精确的实时温度测量,将涡轮机的点火温度提高 100°C,将导致效率提高 1%。这意味着拥有 100 台涡轮机的机队每年将获得 4800 万美元的额外收入。此外,由于维护计划得到加强,这些传感器可以将每个涡轮机的使用寿命延长 10,000 - 25,000 小时,相当于额外收入 7670 万美元?每台涡轮机价值 1.92 亿美元。 2009年,美国环境保护署确定化石燃料发电厂的排放会对人类健康和环境产生负面影响。新的无线传感器将有助于设计更高效的燃气轮机并改善现有涡轮机的运行,从而减少动力涡轮机的有害排放。该项目的智力优势包括:超越当前阶段的高温传感技术的发展;将新开发的材料(聚合物衍生陶瓷 -PDC)用于传感器应用;提高 PDC 工艺-性能关系的基础知识;改进的传感器设计和建模;更好地了解燃气轮机环境中先进传感的传感器集成挑战和技术。新型无线传感器由PDC制成。 PDC 的优点包括高温耐受性、优异的抗氧化/耐腐蚀性、灵活的制造以及可调节的电气/机械性能。该传感器由新型微带贴片天线组成,用于可靠地无线传输传感器数据,同时保持传感器的整体体积较小,以免扭曲涡轮机中的气流剖面。高增益贴片天线将使传感器能够在涡轮机外更远的距离进行询问。项目目标是:开发一种可测量800°C以上的无线PDC传感器,以展示高温无线传感能力;展示超过50厘米的高温无线传感;研究涡轮发动机超高温环境下传感器系统的实现策略;对传感器集成到现有涡轮机预测系统中进行初步调查。

项目成果

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