JP2010242760A - センサの故障に対して防御可能な、航空転用ガスタービンのモデルベースの健全性監視及びプロファイリング - Google Patents

Abstract

【課題】タービン性能測定装置が故障している状況にも対応できるタービンの健全性を監視する方法を提供する。
【解決手段】この方法は、複数のエンジンモジュールを有するタービンエンジンを監視し、複数のエンジンパラメータに基づいて、１つ又は複数のエンジンモジュールの、傾向データを含む１つ又は複数の健全性評価を判定するステップを含む。この方法は更に、タービンエンジンに対してなされる修復を表示する適切な通報を決定し、送信するステップを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に、ガスタービンエンジンに関し、より具体的にはタービンエンジンの健全性を監視するシステム及び方法に関する。

ガスタービンエンジンが動作する際、エンジンの効率と性能は経年と共に低下する。このような性能の劣化の原因には、エンジンの摩耗、又はエンジン部品の損傷等の様々な要因がある。この性能劣化を測定することは、エンジンを当初の動作効率に回復させるために、どの種類のメンテナンスをタービンエンジンに実施するべきかを決定する際に有用である。しかし、タービン性能測定装置が故障していると、タービン性能の測定値に誤りが生ずることがある。これらのタービン性能測定装置の故障によって、誤ったタービン性能データが作成され、タービンの不要なメンテナンスが実施されることがある。その上、既存のエンジン性能測定技術は、セットアップと実行に時間がかかり、限定的なデータしか得られない。

従って、効率測定値の誤りを低減し、且つより信頼性のある効率測定値を作成する改良された診断システム及び診断方法が必要とされている。

一実施形態において、エンジンの修復を計画する方法を提供する。この方法は、複数のエンジンモジュールを有するタービンエンジンを監視するステップと、複数のエンジンパラメータに基づいて、１つ又は複数のエンジンモジュールに関する１つ又は複数のエンジンモジュールの健全性評価を判定するステップとを含み、１つ又は複数の健全性評価には傾向データが含まれる。この方法は更に、健全性評価に基づいてエンジンモジュールの故障の種類を判定し、特定の種類の故障を修正するステップを含む。

別の実施形態において、エンジンを監視するシステムを提供する。このシステムは、複数のエンジンパラメータに基づいて、１つ又は複数のエンジンモジュールに関する１つ又は複数の健全性評価を判定するように構成されたエンジンの健全性評価装置を備え、１つ又は複数の健全性評価には傾向データが含まれる。このシステムは更に、１つ又は複数の健全性評価を分析して、エンジンモジュールの故障の種類を判定するように構成されたタービン分析装置を備える。

また、タービンシステムを提供する。このタービンシステムは、回転運動を生ずるように構成された１つ又は複数のエンジンモジュールを備える。タービンシステムは更に、１つ又は複数のエンジンモジュールのエンジンパラメータを測定するように構成された１つ又は複数のセンサを備える。更には、タービンシステムは、測定されたエンジンパラメータに基づいて１つ又は複数のエンジンモジュールの１つ又は複数の健全性評価を判定するように構成されたエンジンの健全性評価装置を備え、１つ又は複数の健全性評価には傾向データが含まれる。最後に、タービンシステムは、１つ又は複数の健全性評価を分析して、エンジンモジュールの故障の種類を判定するように構成されたタービン分析装置を備える。

本発明の上記及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同様の符号が同様の部品を表す添付図面を参照して、以下の詳細な説明を読むことによってより明確に理解されよう。

本技術の実施形態によるタービンシステムのブロック図である。 図１のタービンシステムの健全性を監視する際に使用される、健全性分析コンポーネントのブロック図である。 図１のタービンシステムの健全性監視を示すフローチャートである。

タービンエンジンの健全性監視について以下に記載する。タービンエンジンのモジュールに対応するエンジンパラメータを監視し、測定する。そして、これらの測定値をエンジンの各モジュールの傾向と組み合わせる。これらの傾向を、各モジュールの適正な動作レベルを表すモデル値を含むエンジンモデルと比較する。測定値とモデル値との偏差に基づいて、エキスパートツールは、偏差の原因と考えられる問題の種類を予測する。エキスパートツールは更に推奨措置を講じ、この措置は特定の修復によって偏差の原因となる問題を効果的に修正することを認可するワークステーションに転送される。このように、原因となる問題を修正して、受け入れ可能な性能レベル未満のレベルで動作するタービンエンジンを修復することができる。

次に図面を参照し、まず図１では、タービンシステム１０の実施形態のブロック図を示す。タービンシステム１０は、例えば、ＬＭ６０００の名称でオハイオ州イーヴンデールのジェネラルエレクトリック社が製造しているタービンシステムである。図示のように、タービンシステム１０は燃焼器１２を含む。燃焼器１２は、燃焼器１２内の燃焼室で燃焼するように空気と混合した燃料を受け入れる。この燃焼によって、高温の加圧排ガスが生じる。燃焼器１２は、排ガスを高圧（ＨＰ）タービン１４及び低圧（ＬＰ）タービン１６を経て排出口１８へと送る。ＨＰタービン１４はＨＰロータの一部でも良い。同様に、ＬＰタービン１６はＬＰロータの一部でも良い。排ガスがＨＰタービン１４とＬＰタービン１６とを通過すると、ガスは強制的に、タービンブレードが駆動シャフト２０をタービンシステム１０の軸に沿って回転させるようにする。図示のように、駆動シャフト２０は、ＨＰ圧縮機２２及びＬＰ圧縮機２４を含むタービンシステム１０の様々な部品に連結される。

駆動シャフト２０は、例えば同軸に位置合わせされた１つ又は複数のシャフトを含む。駆動シャフト２０は、ＨＰタービン１４をＨＰ圧縮機２２に連結してＨＰロータを形成するシャフトを含む。ＨＰ圧縮機２２は、駆動シャフト２０に結合されたブレードを含む。従って、ＨＰタービン１４内でタービンブレードが回転すると、ＨＰタービン１４をＨＰ圧縮機２２に連結するシャフトが、ブレードをＨＰ圧縮機２２内で回転させる。これにより、ＨＰ圧縮機２２内の空気が圧縮される。同様に、駆動シャフト２０は、ＬＰタービン１６をＬＰ圧縮機２４に連結してＬＰロータを形成するシャフトを含む。ＬＰ圧縮機２４は、駆動シャフト２０に結合されたブレードを含む。従って、タービンブレードがＬＰタービン１６内で回転すると、ＬＰタービン１６をＬＰ圧縮機２４に連結するシャフトが、ブレードをＬＰ圧縮機２４内で回転させる。ＨＰ圧縮機２２及びＬＰ圧縮機２４内でブレードが回転すると、吸気口２６を経て受け入れられた空気が圧縮される。圧縮された空気は燃焼器１２に送られ、燃料と混合して、より効率的な燃焼を可能にする。従って、タービンシステム１０は二重同軸シャフト配置を含み、ＬＰタービン１６は駆動シャフト２０内の第１のシャフトによってＬＰ圧縮機２４に駆動連結され、ＨＰタービン１４は同様に、第１のシャフトの内部にあり、これと同軸の駆動シャフト２０内の第２のシャフトによってＨＰ圧縮機２２に駆動連結される。シャフト２０は更に負荷２８にも結合し、負荷は車両、又は発電プラント内の発電機や航空機のプロペラ等の固定負荷であって良い。負荷２８は、タービンシステム１０の回転出力によって動力が得られる任意の適切な装置である。

エンジンタービンシステム１０は更に、タービンシステム１０の動作と性能に関する複数のエンジンパラメータを監視するように構成された複数のセンサを含む。センサは、例えばＨＰタービン１４、ＬＰタービン１６、ＨＰ圧縮機２２及び／又はＬＰ圧縮機２４のそれぞれの入口及び出口部分の近傍に位置する入口センサ３０と出口センサ３２とを含む。入口センサ３０及び出口センサ３２は、例えば、周囲温度や周囲圧、並びに排ガス温度、ロータ速度、エンジン温度、エンジン圧、ガス温度、エンジンの燃料流量、コア速度、圧縮機排出圧、及びタービン排出圧等の、タービンシステム１０の動作と性能に関連する複数のエンジンパラメータを測定する。複数のセンサ３０及び３２は更に、タービンシステム１０の様々な動作段階に関連するエンジンパラメータを監視するように構成される。複数のセンサ３０及び３２によって得られる測定値は、モジュール線３４〜４０を経て伝送される。例えば、モジュール線３４を使用してＬＰ圧縮機２４からの測定値が送信され、モジュール線３６を使用してＨＰ圧縮機２２からの測定値が送信される。同様に、モジュール線３８を使用してＨＰタービン１４からの測定値が送信され、モジュール線４０を使用してＬＰタービン１６からの測定値が送信される。このように、モジュール線３４〜４０は、タービンシステム１０の別個のモジュールからの測定値を送信する。

図２は、タービンシステム１０と共に使用される健全性分析コンポーネント４２を示す。健全性分析コンポーネント４２は、タービン分析装置４６の健全性評価装置４４、タービン分析装置４６のエンジンモデル４８、エキスパート分析ツール５０、及びワークステーション５２を含む。健全性評価装置４４は、モジュール線３４〜４０を経てタービンシステム１０のモジュールからの測定値を受信する。これらの測定値は、タービンシステム１０の外部にある健全性評価装置４４によって記録され、且つ／又は処理される。このようにして、健全性評価装置４４は、モジュール線３４〜４０を経て送信された測定値に基づいて、タービンシステム１０の１つ又は複数のモジュールの１つ又は複数のモジュール特有の健全性評価を判定する。測定値には、例えばタービンシステム１０の燃焼器内の流れ、燃焼器の効率、ＨＰ圧縮機内の流れ、ＨＰ圧縮機の効率、ＬＰ圧縮機内の流れ、ＬＰ圧縮機の効率、ＨＰタービン内の流れ、ＨＰタービンの効率、ＬＰタービン内の流れ、ＬＰタービンの効率を表すデータが含まれる。

一実施形態において、健全性評価装置４４は更に、カルマンフィルタリング、追跡フィルタリング、回帰マッピング、ニュートラルマッピング、逆モデリング技術、又はそれらの込み合わせ等のパラメータ識別技術を利用する。フィルタリングは、カルマンフィルタ、拡張カルマンフィルタ、又はその他のフィルタリングアルゴリズムによって実行され、或いは、フィルタリングは比例積分調整器、又はその他の形態の方形（ｎ−入力、ｎ−出力）、又は非方形（ｎ−入力、ｍ−出力）調整器によって実行される。パラメータ識別技術は更に、タービンシステム１０のモジュールから受信した測定値に基づいて、タービンシステム１０のインスタントモデルの生成を含む。このように、健全性評価装置４４は、タービンシステム１０の瞬時の状態を解決してタービンシステム１０の初期モデルを生成する。

また、健全性評価装置４４は、例えば、継続的又は所定のサンプルレートで、モジュールの測定値に対応するデータを受信する。このサンプルレートは、例えば毎分１つのサンプルで良い。データが、継続的に受信されるか、又は所定のサンプルレート率で受信されるかに関わらず、受信したデータはタービンシステム１０の健全性分析に利用する。例えば、タービンシステム１０内のモジュールの故障又は劣化に対応する予期せぬ受信データ値に基づいて、通報又は警報が自動的に発せられる。また、この受信データは、モジュールの動作傾向を計算するために使用しても良い。例えば、受信したデータと以前に受信したデータとを積分分析して、生成されたタービンシステム１０のモデルを更新する。このようにして、タービンシステム１０のモジュールの傾向又は経年変化を分析するために記録する。

例えば、健全性評価装置４４は、ＨＰタービンのブレードの健全性、ＨＰタービンのロータの健全性、及びＨＰタービンのノズルの健全性の関数としてＨＰタービンの健全性を示す。別の実施形態では、ＨＰタービンのブレードの健全性は、ブレードチップの摩擦及びブレードのクリープの関数として示される。前述のように、経時的測定値がＨＰタービンのコンポーネントの傾向に組み込まれる。このように、健全性評価装置４４は、タービンシステム１０のモジュールの健全性の状態を監視する。

タービンシステム１０のモジュールの健全性の状態は、タービン分析装置４６に送信される。タービン分析装置４６は、タービンシステム１０の１つ又は複数のモジュールの健全性の状態を評価する。一実施形態において、タービン分析装置４６は、例えば物理モデル、（回帰モデルやニュートラルネットワークモデル等の）データフィッティングモデル、ルールベースモデル、及び／又は経験モデルを使用して、健全性評価装置４４から受信した１つ又は複数のモジュールの健全性の状態を評価する。タービンシステム１０の各モジュールが個々にモデル化される物理モデルを使用して、タービン性能の劣化パラメータを物理的摩耗又は使用頻度と関連付ける。このように、タービンシステム１０の特定のモジュールの性能の経年変化、すなわちモジュールの傾向を、タービン分析装置４６のエンジンモデル４８と比較して、エンジンモデル４８が、意図した通りに機能するタービンシステム１０の経験モデルを組み込むようにする。従って、エンジンモデル４８は、タービンシステム１０のモジュールの健全性の状態を測定できる基準ラインを提供する。従って、一実施形態において、必要な修復レベルを判定するステップは、エンジンモデル４８に関連する所望のエンジン性能レベルを達成するために必要な修復範囲を判定するステップを含む。エンジンモデル４８は更に、複数の最適化基準に基づいて、エンジンモジュールに必要な修復レベルの最適値を含むように構成される。最適化基準は、例えばエンジンの修復／オーバーホールに関連するライフサイクルコスト、及び／又は修復を実施するコストの総額を含む。

タービン分析装置４６は、生じたいずれかの結果を分析ツール５０に送信する。分析ツール５０は、モジュールの傾向の結果を分析するエキスパート分析ツールである。分析ツール５０は、これらの傾向及び／又は傾向の組み合わせを利用して、タービンシステム１０のモジュールの健全性、及びタービンシステム１０内に生ずる故障の種類を判定する。例えば、ＨＰ圧縮機・モジュールは経年と共に効率が低下する。ＨＰ圧縮機・モジュールの傾向と、例えばエンジンモデル４８からのＨＰ圧縮機・モジュールの効率との比較に基づいて、分析ツール５０は、ＨＰ圧縮機２２の効率がブレードの汚れに影響されていると判定する。それに応じて、ＨＰ圧縮機２２を洗浄する必要があることを示すメッセージがワークステーション５２に送られる。一実施形態において、分析ツール５０は、ディスクドライブ又はメモリ等の機械読み取り可能媒体に記憶されたコンピュータプログラムの一部である１つ又は複数の参照チャートである。或いは、分析ツール５０は集積回路の一部であっても良い。

分析ツール５０は、警報、修理通報、及び／又はセンサやモジュールの故障の通報を含むようにプログラムされる。分析ツール５０にプログラムされたこれらの異なる結果は、健全性評価装置４４及びエンジンモデル４８から送信された結果の相違に基づいて、タービンシステム１０の予測される故障の種類に対するプログラムされた応答を示す。分析ツール５０は更に、タービンシステム１０の傾向に従って分析ツール５０の予測アルゴリズムを調整するために、タービンシステム１０の寿命中に更新される。

前述のように、分析ツール５０が、健全性評価装置４４から受信したデータに予測アルゴリズムを適用すると、故障通報、警報及び／又は修理通報等の結果が出されて、ワークステーション５２に送信される。ワークステーション５２は、タービン分析装置４６に物理的に結合しても良い。或いは、ワークステーション５２は、タービン分析装置にワイヤレス接続しても良い。別の実施形態において、ワークステーション５２は、例えばイントラネット又はインターネット接続を介してオンラインでタービン分析装置に遠隔アクセスする。ワークステーション５２は、修理通報、警報及び／又は故障通報をタービン分析装置４６から受信する。受信したこれらの値に基づいて、タービンシステム１０の１つ又は複数のモジュールの必要なレベルの修復が行われる。例えば、複数の最適化基準に基づき、タービンシステム１０全体の効率と性能が向上するように、モジュールに必要な修復レベルの最適値が分析ツール５０にプログラムされる。例えば、ＬＰ圧縮機２４の効率劣化傾向が５０００時間の使用後に５％であると評価されると、ワークステーション５２は、ＬＰ圧縮機２４の効率を約５％回復するために必要な予測される修復の概略を示す修復通報を受信する。これにより、タービンシステム１０の修復を効率的に実行することが可能になる。例えば、ＨＰタービン１４のモジュールが分析ツール５０によって正常であると判定されると、タービンシステム１０の他のモジュールに修復が必要な場合でも、ＨＰタービン１４の修復は行われない。つまり、ワークステーション５２は、注意を要するタービンモジュール１０の部分に関する情報を受信するので、不要な修復が少なくなる。

図３は、タービンシステム１０に何らかの修復が必要であるか否かを判定するために利用されるプロセスのステップを示す。ステップ５４で、タービンシステム１０のモジュールの動作パラメータに関する測定が、センサ３０及び３２によって行われる。ステップ５６で、これらの測定値を健全性評価装置４４に送信する。受信した測定値に基づいて、タービンシステム１０のモジュールの動作の評価がステップ５８で行われる。これらの評価は次いで、ステップ６０で分析するためにタービン分析装置４６に送信される。この分析には、エキスパートツール等の分析ツール５０を使用して評価値をエンジンモデル４８と比較するステップを含む。その比較に基づいて、ステップ６２でワークステーション５２、又は例えばタービンシステム１０のコントローラに送信される何らかの修復又は通報に関する予測がなされる。タービン分析装置４６から受信した通報に基づいて、タービンシステム１０に対する指定された修復がなされる。これらの指定された修復又は修正には、センサ３０及び／又は３２、又はタービンシステム１０の１つ又は複数のモジュールの修復が含まれる。これらの修正は、受信した通報に応答して自動的に行われ、例えば、タービンシステム１０に結合されたコントローラが通報を受信し、燃焼器１２への燃料の縮減、又は超過圧を逃がすための圧縮機２２と２４のいずれか又は両方の再循環バルブの開放等の修正ステップが実行される。調整されるセンサの間違いの表示等の修正も、例えばユーザーによるこの先の実行のために分析する。

本明細書では、本発明のある特定の特徴だけを図示し、説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想到されるであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神に含まれるこれらの修正や変更の全てを包含することを意図するものと理解されたい。

Claims (10)

1. エンジンの修復を計画する方法であって、
   複数のエンジンモジュールを有するタービンエンジンを監視するステップと、
   複数のエンジンパラメータに基づいて、１つ又は複数の前記エンジンモジュールの、傾向データを含む１つ又は複数のエンジンモジュール健全性評価を判定するステップと、
   前記健全性評価に基づいて前記エンジンモジュールの故障の種類を判定するステップと、
   特定の種類の故障を修正するステップとを含む方法。
2. 故障の種類を判定するステップは、モジュール及びセンサの故障を予測するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. エキスパート分析ツールを使用して、前記モジュール及びセンサの故障を予測し、特定の種類の故障を修正するために故障通報を送信するステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記エンジンパラメータは、前記タービンエンジンに関する排ガス温度、ロータ速度、タービン温度、エンジン圧、ガス温度、エンジンの燃料流量、コア速度、圧縮機排出圧、又はタービン排出圧の少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記１つ又は複数のエンジンモジュール健全性評価は、前記タービンエンジンに関する燃焼器内の流れ、燃焼器の効率、ＨＰ圧縮機内の流れ、ＨＰ圧縮機の効率、ＬＰ圧縮機内の流れ、ＬＰ圧縮機の効率、ＨＰタービンの流れ関数、ＨＰタービンの効率、ＬＰタービンの流れ関数、又はＬＰタービンの効率の少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
6. １つ又は複数のエンジンモジュール健全性評価を判定するステップは、前記タービンエンジンの１つ又は複数のエンジンモジュールの所望のモジュール性能レベルを判定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
7. エンジンを監視するシステムであって、
   複数のエンジンパラメータに基づいて、前記エンジンの１つ又は複数のモジュールの、傾向データを含む１つ又は複数の健全性評価を判定するように構成されたエンジン健全性評価装置と、
   前記１つ又は複数の健全性評価を分析して、前記エンジンモジュールの故障の種類を判定するように構成されたタービン分析装置とを含むシステム。
8. タービンシステムであって、
   １つ又は複数のエンジンモジュールと、
   前記１つ又は複数のエンジンモジュールのエンジンパラメータを測定するように構成された１つ又は複数のセンサと、
   前記測定されたエンジンパラメータに基づいて、前記１つ又は複数のエンジンモジュールの、傾向データを含む１つ又は複数の健全性評価を判定するように構成されたエンジン健全性評価装置と、
   前記１つ又は複数の健全性評価を分析して、前記エンジンモジュールの故障の種類を判定するように構成されたタービン分析装置とを備えるタービンシステム。
9. 前記タービン分析装置は、ピーク効率で機能するタービンエンジンの経験モデルを含むように構成されたエンジンモジュールを備える、請求項８に記載のシステム。
10. 前記タービン分析装置は、前記エンジンモジュールと前記１つ又は複数の健全性評価とに基づいて、前記エンジンモジュールの故障及び前記センサの故障を予測するように構成された分析ツールを備える、請求項９に記載のシステム。

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