JP4401061B2 - 圧縮機羽根車の監視装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原動機の吸気を圧縮する排ガスターボ過給機等で使用される圧縮機羽根車の監視装置に関する。この羽根車は、普通アルミニウムから作られ、高い回転数と、運転中に現われる高い温度のため、部分的には材質強度の限界で回転し、使用条件に大きく依存した寿命を示す。この寿命は回転数や温度の上昇につれ低下し、その関係は実験データを基に近似的にしか表わせない。
【０００２】
【従来の技術】
ところで、有効使用期間が最悪の使用条件に従って、即ち最大許容回転数及び最高可能温度に従って決められるときには、その期間は余りに短くなり、羽根車はその寿命が実際に終わるよりかなり前に既に交換されるので、経済的観点から望ましくない。他方、大よその使用条件、即ち予期される平均的な回転数及び温度値で寿命を見積もると、羽根車が予想しない不利な使用条件により早めに機能しなくなり、全体の原動機の故障を引き起こす危険がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の課題は、圧縮機羽根車の実際の寿命を使用条件が変わる場合においてもできるだけ正確に予測することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴を持つ装置により解決される。その他の有利な構成例は、それ以下の請求項に記載してある。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成例を図面により説明する。図面は唯一の図１において本発明による装置をブロック回路で示す。
【０００６】
図１に図示しない排ガスターボ過給機の圧縮機羽根車において、夫々この圧縮機羽根車前後の吸気の温度θ_vV及びθ_nVが２つの温度センサ１Ａ及び１Ｂ、例えば白金抵抗温度センサの形の温度センサで検出される。更に圧縮機羽根車の回転数ｎが回転数センサ２により検出される。通常、排ガスターボ過給機は量産時に回転数センサ２を装備しているので、その出力信号を本発明で使用できる。
【０００７】
計算機４は、好ましくはマイクロプロセッサであり、以下において計算機４と略称するが、計算機４は周期的時間間隔で各アナログ・デジタル変換器３Ａないし３Ｃによりデジタル化された測定量θ_vV、θ_nV及びｎの値を読み込む。計算機４はメモリ５Ａ、５Ｂ及び５Ｃへのアクセスを持っている。メモリ５Ａには計算機４のプログラムが収納されており、その目的は、測定量θ_vV、θ_nV及びｎ並びにメモリ５Ｂに収納されている圧縮機羽根車の経験的特性データを基にした圧縮機羽根車の寿命Ｔの適応予測にある。計算機４が測定量θ_vV、θ_nV及びｎの値を読み込み、それを基にして寿命Ｔの予測に必要な計算を行うタイミングを予め設定するためにリアルタイム時計８を備えている。
【０００８】
計算機４のプログラムで実現される寿命Ｔの適応予測は、圧縮機羽根車の製造に好んで使用される材料、特にアルミのニウム強度が、温度の上昇、そして高温では更に機械応力の上昇に伴い減少するという事実に基礎を置く。
【０００９】
この場合、圧縮機羽根車の期待される寿命Ｔ_Aに対する上昇温度だけによる強度の減少の影響は、次の式（１）により近似的に表わすことができる。
Ｔ_A＝ｅｘｐ（α₂−α₃−θ_M） （１）
ここで、ｅｘｐは指数関数を意味し、α₂及びα₃は実験により求めた２つの定数であり、θ_Mは羽根車が遭遇する最高温度である。期待される寿命Ｔ_Aは、強度が所定の最小値に低下する迄に残っている時間である。定数α₂とα₃は直接メモリ５Ｂに収納されているが、特徴的温度θ_Mは計算機４により式
θ_M＝θ_vV＋α₁（θ_nV−θ_vV） （２）
で、測定した温度値θ_nV及びθ_vVから計算される。ここで、α₁も又メモリ５Ｂに収納された経験的係数である。
【００１０】
計算機４が式（２）を用い周期的時間間隔、例えば１０〜１００秒間に評価する式（１）によれば、温度θ_Mの変化は寿命の現実の期待値Ｔ_Aの変化である。一定の温度θ_Mにおいて期待された寿命の消費率は、ある特定の時点でこの時点迄に経過した圧縮機羽根車の使用時間と、期待された寿命の値（この場合一定）との比に等しいが、寿命の期待値Ｔ_Aが温度θ_Mの変化に伴って時間的に変化する場合、今迄の全使用時間にわたるこの期待値Ｔ_Aの経過を考慮せねばならない。即ち、期待された寿命の消費を使用時間に関し積分せねばならない。この積分は計算機４により以下の式により近似化する。
Ｘ_A＝１００・Ｓ・Σ（ΔＴ_i／Ｔ_Ai） （３）
【００１１】
式（３）において、ΔＴ_iは式（３）の２つの評価の間の時間間隔、Ｔ_Aiはこの時間間隔ΔＴ_iに対し有効な測定値θ_nV及びθ_vVから生ずる寿命期待値である。この場合、ΔＴ_iには例えば夫々最初と最後に検出された測定値の算術平均値が有効に対応するか、時間間隔ΔＴ_iの経過中各測定量に対し一連の測定値が検出され、各々その平均値又はその最大値が時間間隔ΔＴ_iに有効に対応する。Ｓは、メモリ５Ｂに収納された、１以上の安全係数である。前記時間間隔の合計は圧縮機羽根車の経過した使用時間の全時間間隔にわたる。係数１００は、その場合、百分率のスケーリングであり、即ちパラメータＸ_Aは圧縮機羽根車の使用開始時は値０、期待された寿命の終わりで１００である。使用中、このパラメータは各時点で期待された寿命の今迄に消費された割合を安全係数Ｓを考慮して表す。
【００１２】
計算機４は、その構成要素が圧縮機羽根車を含む排ガスターボ過給機である原動機の利用者や操作員に、寿命消費の現実の状態に関する情報を提供するため、表示装置７を経てパラメータＸ_Aを示し、付加的にＸ_Aの時間的経過をそのために設けられたデータメモリ５Ｃに記録する。
【００１３】
圧縮機羽根車の寿命は、上述のように、高温では加わっている機械応力にも付加的に関係するから、計算機４は、既にパラメータＸ_Aを求めるために式（２）により計算した温度θ_M及び圧縮機羽根車の外縁近傍に現れる特徴的な応力σからもう１つのパラメータＸ_Bを求める。この応力σは、計算機４が回転数ｎの平均値から次の式に従って計算する。即ち、
σ＝σ_max（ｎ／ｎ_max）² （４）
【００１４】
この式（４）においてσ_maxは経験的係数、ｎ_maxは圧縮機羽根車の最高回転数であり、両者は既にメモリ５Ｂに収納されている。
【００１５】
温度θ_M及び応力σからなる各対に対し、寿命のある特定の期待値Ｔ_B、即ち圧縮機羽根車の羽根の破壊迄に残っている時間が生ずる。この期待値Ｔ_Bは、それ故、２つの変数θ_Mとσの関数ｆ（θ_M、σ）であり、これは期待値Ｔ_Aと同じく、実験結果に基づいて近似的にしか表せない。最も簡単な場合、これは補間点マトリクス及び適切な内挿法により行われる。
【００１６】
計算機４は、温度と応力負荷が組み合わされた場合にも、温度負荷のみの基準と全く同様に計算するようにすればよい。これは、パラメータＸ_Aの計算と平行して、同じ時間間隔で第二のパラメータＸ_Bを式（３）に類似した次式に従って計算し、Ｘ_Aと同様に表示装置７に表示し、メモリ５Ｃに記録することを意味する。
Ｘ_B＝１００・Ｓ・Σ（ΔＴ_i／Ｔ_Bi） （５）
【００１７】
パラメータＸ_Bは、パラメータＸ_Aと同様に、各時点で消費された寿命の百分率を、勿論他の基準を基礎にして表わす。加わっている温度値と回転数値に応じ、両パラメータの１つが１００の終端値に他のパラメータよりも早く近付くことがある。寿命の終端は、両者の一方が１００の終端値に達したときに到達する。
【００１８】
表示装置７による表示に加え、パラメータＸ_AとＸ_Bの所定の値において、警告信号を上位の監視装置及び／又は原動機の操作員に与えることもできる。測定値θ_vV、θ_nV及びｎ並びにパラメータＸ_A、Ｘ_Bは、限られた時間にわたり記憶される。この時間の経過後、データは現実のデータで書き換えられる。このために用意されたメモリ５Ｃの部分は、ＦＩＦＯ原理に従い動作する。即ち、夫々最も古いデータを新しいデータで書き換える。かなり大きな間隔、例えば１〜１２時間、データはメモリ５Ｃの他の部分に永続的に、不揮発的に収納される。
【００１９】
可搬式計算機上で走る他のプログラムや接続ケーブルを使い、インターフェイス６を介してメモリ５Ｂにおける定数を変更できる。その結果、この監視装置は各々特別な使用例に対し監視すべき圧縮機のタイプに合わせて設定できる。更に永続的にメモリ５Ｃに収納されたデータは、インターフェイス６を経て読み出すことができ、使用条件の経過を、このデータを参照して遡及できる。
【００２０】
なお、複数のターボ過給機を備えた原動機及び／又は複数の原動機を備えたプラントにおいて、複数の圧縮機羽根車も本発明による１つの装置で監視することができ、そのためには単にハードウエア、即ち接続されるセンサの数をそれに応じて増大し、プログラムを個々の全圧縮機羽根車に対しその責務をシーケンシャルに実行する形に適合せねばならないことは自明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧縮機羽根車の寿命を予測する方法を説明するためのブロック回路図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ 温度センサ
２ 回転数センサ
３Ａ〜３Ｃ アナログ・デジタル変換器
４ 計算機
５Ａ〜５Ｃ メモリ
６ インターフェイス
７ 表示装置
８ リアルタイム時計

Claims (8)

1. 少なくとも温度測定系、計算機（４）及びメモリ（５Ｂ）を備えた圧縮機羽根車の監視装置において、圧縮機羽根車前後の吸気の温度測定のために２つの温度センサ（１Ａ、１Ｂ）を備え、前記温度センサ（１Ａ、１Ｂ）によって検出された温度測定値をメモリ（５Ｂ）に収納された圧縮機羽根車の経験的特性データにリンクすることにより、前記計算機（４）が絶えず、圧縮機羽根車の寿命に対する期待値Ｔと関係がある少なくとも１つのパラメータＸを求めることとし、前記パラメータＸを式Ｘ＝Ａ・Ｓ・Σ（ΔＴ _i ／Ｔ _i ）（ただし、Ａは固定のスケール係数、Ｓはメモリ（５Ｂ）に収納された安全係数、ΔＴ _i は所定の時間間隔の長さ及びＴ _i は時間間隔ΔＴ _i に対して有効な測定値から生じる寿命期待値）に従って計算し、前記時間間隔の合計は圧縮機羽根車の経過した使用時間の全時間間隔にわたることを特徴とする圧縮機羽根車の監視装置。
2. 計算機（４）が、パラメータＸを求めるためのリンクに回転数センサ（２）によって検出された圧縮機羽根車の回転数測定値を導入することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 計算機（４）がパラメータＸを表示する表示装置（７）を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
4. 計算機（４）が検出された測定値及び／又はパラメータＸの現実値を所定の時間間隔で収納するメモリ（５Ｃ）を備えることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の装置。
5. メモリ（５Ｂ）における特性データを変更し、測定値及び／又はパラメータをメモリ（５Ｃ）から読み出すためのインターフェイス（６）を備えることを特徴とする請求項１から４の１つに記載の装置。
6. メモリ（５Ｂ）に収納された経験的特性データが、寿命の期待値Ｔを圧縮機羽根車に存在する特徴的温度θ_Mの関数として表し、この温度θ_Mが温度測定値から、メモリ（５Ｂ）に収納された別の経験的特性データを使用して計算されることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の装置。
7. メモリ（５Ｂ）に収納された経験的特性データが温度θ_Mの唯一の関数である期待値Ｔ_Aを表し、計算機（４）がこの期待値Ｔ_Aを基にしてパラメータＸ_Aを算出することを特徴とする請求項６記載の装置。
8. メモリ（５Ｂ）に収納された経験的特性データが温度θ_M及び特徴的機械応力σの関数である期待値Ｔ_Bを表し、この機械応力σが回転数の測定値からメモリ（５Ｂ）に収納された他の経験的特性データを使用して計算可能であり、計算機（４）がこの期待値Ｔ_Bを基にしてパラメータＸ_Bを算出することを特徴とする請求項６又は７記載の装置。

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