JP5587270B2 - 遠心ターボ機械の余寿命を求めるシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、遠心ターボ機械のインペラの余寿命を求めるシステムおよび方法に関する。遠心ターボ機械は、ポンプ、タービンまたは圧縮機のインペラを１つまたは複数個含み得る。

遠心ターボ機械は、一般に、最高の空力性能を求めて高い軸速度で作動する。設計速度において、最大応力が、この用途に典型的に用いられるアルミニウム合金等の材料の降伏強度に近づく。この作用応力が一定速度などにおいて定常であれば、概して、この応力は吸収され得る。

ターボ機械装置は、一定速度で比較的に定常状態のモードで運転されるか、あるいは可変速度で運転されることが想定されている。可変速度での用途の一例である空気圧縮機は、最大圧力を生み出した後、エネルギー節約のために、停止するか、低速のアイドルモードに戻らなければならない。典型的なアイドル速度は設計速度の３０％であり、このときの出力は、最大出力の３％に減少している。インペラの内部に加わる応力は、速度の自乗に比例して変化する。

多くの開始−停止サイクルや速度のランダムな変動（ｒａｎｄｏｍ ｅｘｃｕｒｓｉｏｎｓ）を受けた材料は、疲労により劣化し、破断することがある。材料の寿命曲線は、最大応力に対する最小応力の比として定義される応力比の関数である。平均応力は、最大応力と最小応力との平均である。所与の応力サイクルの振幅は、最大応力と最小応力との差を２で割った値である。材料の強度は、温度上昇によっても減少する。十分なサイクルが累積されると、材料は、最大応力の位置で亀裂が入り、さらに遠心荷重からの高い平均応力によって不可逆的に破断する。速度は、実際には、使われ方次第で多少ランダムに最小値から最大値にサイクルすることがある。

不可逆的な破断が発生するときを合理的に正しく予測できると都合が良い。

本発明は、１つまたは複数のインペラを備える遠心ターボ機械に関する。インペラの回転速度に関連する速度を検出する速度センサが配置される。インペラの出口温度に関連する温度を検出する温度センサが配置される。制御システムは、インペラ速度およびインペラ出口温度を含むインペラのパラメータを有する。インペラのパラメータを数学的に扱う計算法を用いて、インペラの余寿命を求める。余寿命が閾値に達することに応答して、予告表示などのプログラムされた応答が、制御システムによってトリガされる。

制御システムは、運転中に、インペラの速度および温度を監視する。制御システムは、この速度および温度に基づいて余寿命を繰り返し計算する。一例において、余寿命の変化は、インペラの維持強度を越えるインペラ応力を起こすような速度変化に応答して計算される。

本発明の余寿命制御システムを有する遠心ターボ機械の断面図。 有限要素解析で得られた最大インペラ応力をインペラ速度の関数として示すグラフ。 インペラ材料の疲労寿命に対する疲労応力を温度および応力比の関数として示すグラフ。 修正Ｇｏｏｄｍａｎダイアグラムとして示された寿命計算の説明図。 インペラの余寿命を求める本発明の方法を一般的に示すフローチャート。

図１に、遠心ターボ機械１０の概略が示される。ターボ機械１０は、当技術分野で周知のように、ロータシャフト１４を駆動する固定子１２を備える。このシャフト１４にはインペラ１６が取付けられている。インペラ１６は、流体を入口１８から出口２０まで流動させる。

本発明の遠心ターボ機械１０は、インペラ１６の速度を検出する速度センサ２２を有する。速度センサ２２は、インペラ１６の回転速度を直接的に検出するものでも間接的に検出するものでもよい。インペラ１６に関連する出口温度を検出する温度センサ２４が配置されている。図の例において、温度センサ２４は、インペラ１６の出口付近に配置されている。

制御システムは、速度センサ２２および温度センサ２４と通信する制御装置２６を含む。制御装置２６は、他のセンサとも通信し得る。これに加え、制御装置２６は、インペラの材料特性やインペラの応力特性に関するパラメータ等のインペラのパラメータも受けとり、記憶することができる。応力特性は、インペラ１６の有限要素解析モデルおよび／またはテーブルからの出力として求められ得る。

応力特性は、速度の関数である最大インペラ応力と、温度の関数である疲労強度と、応力比と、疲労破断に達するサイクル回数と、疲労強度修正係数と、を含み得る。応力特性は、当技術分野で周知であるように、ルックアップテーブルの一部としてまたは任意の他の適切な手段により提供され得る。疲労強度修正係数は、インペラの表面仕上げと、インペラの特定の形状の寸法と、インペラの特定の領域に加わる荷重と、インペラの温度と、に関する情報を含み得る。インペラのパラメータは、経験的に定められることもあれば、数学的に定められることもある。

図１に示される遠心ターボ機械の例における設計速度は、５８，０００ｒｐｍである。最大の運転条件で、高い速度が、降伏点近くのインペラ応力を発生させる。図２に、速度の関数である応力が、過度の降伏点に至るまで示されている。アルミニウム合金についての解析からわかるように、最大応力が、降伏点の強度に近づく。

図３に、所与の温度における通常のアルミニウム合金の強度の損失量が、変動する応力および疲労寿命サイクルの関数として示されている。寿命計算の概要は、図４に見られる修正Ｇｏｏｄｍａｎダイアグラムに示されている。最小−最大運転速度および温度が与えられれば、この解析法を用いて、インペラが破断するまで持ちこたえることができる応力サイクルの回数あるいは単位時間当たりの所与の開始−停止サイクルの回数についての許容運転時間とを推定することができる。本発明は、インペラのランダムな変動による寿命の短縮を考慮するのに有用である。計算法としてさまざまな手法を用いることができる。例えば、Ｐａｌｍｇｒｅｎ−Ｍｉｎｅｒのサイクル比率累積法（ｃｙｃｌｅ−ｒａｔｉｏ ｓｕｍｍａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）、あるいはＭａｎｓｏｎのアプローチに基づく方法を用いることができる。これらの計算法は、当技術分野において周知の手法である。

継続的に監視することが望ましいパラメータは、インペラ速度およびインペラ出口温度である。最大のインペラ応力は、例えば図２に示されるような速度の関数として、有限要素解析により定められる。インペラの材料特性は、詳細には、図３に示されるように、温度の関数である疲労応力と、応力比と、破断までのサイクルと、が用いられる。図３を参照すると、応力比０％は、開始−停止サイクルを表し、応力比１０％は、設計速度の３０％に相当する速度への変動の例を表す。図３は、これに応じる利用可能な材料の強度と、破断までのサイクル回数とを示す。

監視データ、インペラ応力特性、材料特性、および計算法を、制御装置２６にプログラミングし、遠心ターボ機械１０の制御システムの一部として含めることができる。一例において、計算の結果を用いて、累積されたサイクルがアラーム制限すなわち破断までの許容サイクル回数に近づくと、視覚的アラームまたは音声アラーム等の予告表示をトリガする。許容可能なサイクルは、一般に、特定の用途に適した望ましい安全係数を用いて設定される。

アラーム制限が１％よりも小さくなるように、アラーム予告を設定することができる。予告閾値に達すると、ユニットが停止され、かつインペラの交換がスケジュールされるまで、制御システムが速度の変動を防ぐことができる。速度の変動を防ぐことにより、インペラへの損傷が蓄積されるのを防ぐので、このアプローチが行われる。

アラーム制限に達したら、インペラを交換するためにユニットを停止する。あるいは、都合のよいときに停止がスケジュールされるまで、変動する応力を避けるために、全速でユニットを作動し続けてもよい。顧客は、こうしてインペラの破断を未然に知らされて、インペラを交換することができる。

図５に示す例に類似した手法を用いて、運転中にインペラの余寿命を求めることができる。フローチャート３０は、ステップ３２に示されるインペラの最大の設計応力を定めるステップを含む。最大の設計応力は、有限要素解析を用いて求められ得る。ステップ３４で、インペラの速度および温度がセンサ２２，２４を用いて監視される。速度および平均温度の変化量が計算される。開始−停止サイクルおよびランダムな速度の変動により、インペラの疲労寿命に悪影響を与える速度変化が生じる。本発明の方法は、速度変化により生じる疲労寿命の短縮を定量化する。

ステップ３６で、速度変化の結果として生じる応力を計算し、この応力がインペラの無限寿命に対する疲労強度を超えているかを判定する。応力が疲労強度を超えている場合、ステップ３８に示されるように、インペラの寿命の短縮される時間を計算する。計算法の一例において、速度変化により生じる応力サイクルに相当するサイクル回数（Ｎ_f）を計算する。Ｎ_fは、最大速度Ｎ_lおよび応力比ｒ_sの関数となる。

あるいは、応力が速度の自乗に比例するとすれば、
ｒ_s＝（Ｎ₂÷Ｎ₁）²
回転速度を監視し続ければ、ステップ３８に示されるように、応力サイクルの累積回数を数えて、余寿命を推定することができる。例えば、寿命変数の初期値をＬ＝０で開始すると、各応力サイクルは、次のように求められる。

Ｌは、任意の時刻において、インペラにより時間を追って書換えられる予測寿命の変化量である。

一例において、典型的な一日の運転は、休止状態から６００００ｒｐｍの最高速度に上昇し、この最高速度と最低速度２００００ｒｐｍとの間を全部で４往復し、休止状態に戻ることからなる。温度は、始めは環境温度であり、その後、３００°Ｆ（１４９℃）の最高温度まで上昇する。疲労強度修正係数は、

次の表は、寿命計算の結果を示す。

一日の最後で、累積されたＬ値は、予測寿命のうちの０．０７２％を消耗したことを示し、典型的には、予測寿命は、残りが１／０．０００７２０＝１３８９日＝３．８年であると予測される。

余寿命が閾値に達すると、ステップ４２に示されるように、制御装置２６が予告表示を作動させ得る。予告表示は、視覚的な予告および／または音声による予告を含み得る。あるいは、整備士が定期的に点検し易いように、余寿命を簡単に記憶または簡単に表示できればよい。これにより整備士は、ステップ４４に示されるように、インペラが破断する前に、インペラを交換することができる。この方法３０は、繰り返し行われ、速度変化によるインペラの寿命の短縮を計算し続ける。

本発明の好ましい実施形態を開示したが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更がなされ得ることを理解されるであろう。このため、本発明の特許請求の範囲および内容を決定するために請求項を検討されたい。

Claims (8)

1. インペラを備える遠心ターボ機械の制御方法であって、
   速度センサによってインペラの速度に関連する速度を検出し、
   温度センサによってインペラの出口温度に関連する温度を検出し、
   制御システムによって、インペラの速度およびインペラの出口温度を含むインペラパラメータを数学的に扱う計算法を用いて、インペラの最大速度（Ｎ ₁ ）と最小速度（Ｎ ₂ ）の間の速度の変化により生じる応力サイクルに相当するサイクル回数（Ｎ _f ）であって、インペラの最大速度（Ｎ ₁ ）と最小速度（Ｎ ₂ ）から算出された応力比（ｒ _s ）を用いて算出したサイクル回数（Ｎ _f ）に基づいて前記インペラの予測寿命を求め、
   前記予測寿命が所定の閾値に達したことに応答して予めプログラムされた応答をトリガさせる、
   ことを含み、
   前記インペラパラメータは、前記インペラの応力特性を含み、該応力特性は、速度に対するインペラ応力特性と、材料の温度に対する疲労強度特性と、疲労強度修正係数と、を含み、該疲労強度修正係数は、インペラの表面仕上げ、インペラの特定の形状の寸法、およびインペラの特定の領域に加わる荷重のうちの少なくとも１つを含み、
   前記計算法は、Ｐａｌｍｇｒｅｎ−Ｍｉｎｅｒのサイクル比累積法またはＭａｎｓｏｎのアプローチに基づいていることを特徴とする、遠心ターボ機械の制御方法。
2. 前記速度センサが、前記インペラを支持するシャフトの速度を検出することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記温度センサが、インペラの出口の近くに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記インペラパラメータが、前記インペラの材料特性を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記応力特性が、応力比、および最大応力に対する破断までのサイクル回数のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記プログラムされた応答が、予告表示であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記プログラムされた応答が、前記インペラを一定の速度で作動させることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記一定の速度は、全速の状態を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。

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