JP2019183810A - 観測装置、観測方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
ターボ機械には、流体力学的な不安定作動(サージ、ストール)や流体構造連成による不安定作動(フラッタ)が発生することが古くから知られているが、これらの不安定作動が発生した場合、ターボ機械を中心とするエンジンの大きな振動や回転翼を含む部品の損傷、さらには、燃焼器からの逆流によるエンジン火災(航空機の飛行中を含む)などの重大な事故につながる場合がある。
一般にターボ機械の運転時には、不安定作動が発生しにくいように設定された設計作動線上の安定作動条件に限定して運転し、不安定作動の発生を回避制御する手法により、前記のリスクを回避している。
航空エンジンやガスタービンの高出力化および高効率化の要求を満足するため、ターボ機械(ファン、圧縮機、タービン)の翼として、長大(大口径)で薄型(低抵抗)の翼形状を用いることが必要となってきており、前記の安全設計や運転制御だけでは制約が厳しくなっている。
最近では、ターボ機械の不安定作動がいつどのような条件で発生するかについて、基礎実験や数値解析の応用により、設計段階での予測を可能にすべく基礎研究がなされているが、厳密な発生条件は解明できていない。
遠心圧縮機の不安定作動についても、同様なパラメータで観測および制御を試みる基礎研究が行われている(以上、非特許文献1〜8を参照のこと)。
特許文献2には、時間的に変化する物理現象の物理量を検出する検出部と、検出した各時刻の物理量をノードとして設定し、複数のノードを一定の条件にしたがってエッジにより接続した複雑ネットワークを経時的に生成する生成部と、複雑ネットワークにおける所定の特徴量(平均次数)を求める演算部と、特徴量に基づいて物理現象の状態を推定する推定部とを備えた観測装置が記載されている。
必要なセンサ信号は極少数に限られるため、既存の航空機エンジンや発電用ガスタービンに、追加的に装備することが容易である。そのため新製品に限らず広く普及させることが可能である。
図1は、本発明の一実施形態に係る観測装置を示すブロック図である。
センサ11は、例えば羽根のひずみをリアルタイムに検出するひずみゲージからなり、センサ12は、例えば流体の圧力をリアルタイムに検出する非定常圧力センサからなり、この実施形態においては、これらのセンサ11、12は、不安定作動の一つであるフラッタを観測するためのものである。センサ12は例えば流路中や流路に接する壁面に配置してもよい。不安定作動であるストールやサージを観測するためには、同様にセンサを配置すればよい。
例えば、演算部20は、センサ11から出力信号を時々刻々と入力し、所定期間分の時系列データを蓄積し、フラッタを検知するパラメータをリアルタイムに算出する。
運転制御装置3は、作動条件を変更する信号を受けると、例えばターボ機械2の運転を停止するようにターボ機械2を制御する。
報知部4は、警告に係る信号を受けると、例えば航空機の場合であれば、パイロットや運転操作員に手動制御を行うべきアラーム信号を発信する。
サンプルエントロピーとは、時系列データの乱雑さを定量評価した指標である。具体的には、時系列データ{x(ti)},i=1,2,・・・,NをDとD+1次元の位相空間に埋め込み、D次元で近傍であった点がD+1次元においても近傍である条件付確率を負の自然対数で定義する。
サンプルエントロピーSEは
マルチスケール性を考慮に入れたサンプルエントロピーとは、時系列データを粗視化してサンプルエントロピーを用いた指標である。具体的には、下記の非重複平均によって時系列データx(ti)の時間平均をとり、図6に示すような新たな時系列データy(tj)を得る。
マルチスケール性を考慮に入れたサンプルエントロピーにおいては、粗視化することにより異なる時間スケールの影響を知ることが可能である。
リカレンスプロットとは、位相空間内の各点間の相関関係を視覚化した指標である。例えば、まず、図8に示す圧力変動の時系列を図9に示すように位相空間に埋め込んでいく。次に、図10に示す位相空間内の各点の相関関係を下記の式による演算を行い図11のようにプロットする。
ここで、
Θ:ヘビサイド関数
ε:位置ベクトル間の距離の閾値
Np :位相空間内の総データ点数
D:位相空間の次元(本実施形態ではD = 5とする)
τ:遅れ時間(本実施形態では相互情報量より求める)
l:斜線の長さ
lmin:斜線と定義する最小長さ
P(l):長さlの斜線の度数分布関数
である。
図16のCに示すように、フラッタ発生以前のq=8.5kg/sにおいて前記の指標DETが増加する。このような僅かなDETの増加を検出することでフラッタの予兆を検出することが可能である。また、この後のqの増加に伴い、波形の周期性が増加するためDETも増加している(図16のD)。これを検出することで、フラッタの発生を捉えることが可能である。
順列エントロピーとは、時系列データの乱雑さを定量評価する指標である。図17に示す時系列データを図18に示すように所定の順列パターンに分類し、図19に示すように各順列パターンの存在確率pを求める。pをシャノンの情報エントロピーに適用し、順列エントロピーを算出する。一般的に、シャノンの情報エントロピーは、事象の確率変数の離散確率分布pを用いて次式で表される。このとき、N=D!となる。
Q:空気流量の時間変化
ε:ひずみ変動の時間変化
εrms:ひずみ変動の二乗平均平方根の時間変化
である。
本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲において様々に変形して或いは応用して実施することが可能である。そのような実施の範囲も本発明の技術的範囲に属する。
2 :ターボ機械
2a :羽根
2b :壁面
3 :運転制御装置
4 :報知部
10 :検出部
11、12 :センサ
20 :演算部
30 :判定部
40 :制御部
100 :観測装置
Claims (8)
- ターボ機械に配置され、時間応答性が高く前記ターボ機械の非定常変動を観測する1又は2以上のセンサを有する検出部と、
前記1又は2以上のセンサから出力信号を時々刻々と入力し、所定期間分の時系列データを蓄積し、前記ターボ機械の不安定作動を検知するパラメータをリアルタイムに算出する演算部と、
前記不安定作動を検知するパラメータを所定の閾値と比較し、前記不安定作動の予兆又は発生の判定結果をリアルタイムに出力する判定部と
を具備する観測装置。 - 請求項1に記載の観測装置であって、
前記判定部により前記不安定作動の予兆又は発生の判定結果が出力されたとき、前記ターボ機械の運転制御装置に作動条件を変更する信号及び/又は前記ターボ機械の運転操作に対して警告を発するための信号を出力する制御部
を更に具備する観測装置。 - 請求項1又は2に記載の観測装置であって、
前記演算部は、前記不安定作動を検知するパラメータを、前記時系列データから乱雑さと回帰性の変化を定量的に評価することにより算出する
観測装置。 - 請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の観測装置であって、
前記1又は2以上のセンサは、前記ターボ機械の回転部、静止部、流路中又は流路に接する壁面に配置されている
観測装置。 - 請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の観測装置であって、
前記検出部、前記演算部及び前記判定部を2系統以上有する観測装置。 - 請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の観測装置であって、
前記検出部、前記演算部及び前記判定部を2種類以上有する観測装置。 - ターボ機械に時間応答性が高く前記ターボ機械の非定常変動を観測する1又は2以上のセンサを取り付け、
前記1又は2以上のセンサから出力信号を時々刻々と入力し、所定期間分の時系列データを蓄積し、前記ターボ機械の不安定作動を検知するパラメータをリアルタイムに算出し、
前記不安定作動を検知するパラメータを所定の閾値と比較し、前記不安定作動の予兆又は発生の判定結果をリアルタイムに出力する
を具備する観測方法。 - ターボ機械に配置され、時間応答性が高く前記ターボ機械の非定常変動を観測する1又は2以上のセンサから出力信号を時々刻々と入力し、所定期間分の時系列データを蓄積し、前記ターボ機械の不安定作動を検知するパラメータをリアルタイムに算出するステップと、
前記不安定作動を検知するパラメータを所定の閾値と比較し、前記不安定作動の予兆又は発生の判定結果をリアルタイムに出力するステップと
をコンピュータに実行させるプログラム。
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