JP6005181B2 - 圧縮機におけるポンプサージングの防止方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機の複数の特性値が運転中監視され、複数の特性値に対し設定値範囲が予め与えられ、特性値の幾つかが設定値範囲を上回るか下回るとポンプサージングに対する対抗策が実行されるようにした、圧縮機におけるポンプサージングの防止方法に関する。本発明はさらに圧縮機、および圧縮機とデータ入力側に運転中の特性値を検出するために形成された複数のセンサに接続された制御装置とを有する流体機械に関する。

特にガスタービンの圧縮機は一定の条件下ではポンピングを生じる傾向にある。流れ方向の対抗圧力が大きすぎると、圧縮機は空気をもはや供給せず、流れ方向は局所的にまたはむしろ完全に逆転する。局所的逆流では空気の一部は圧縮機内に留まり、翼とともに回転する。これは流れの回転剥離（旋回失速）と言われる。これに対しいわゆる圧縮機ポンピング（ディープサージング）の場合には媒体は完全に逆流し、摺動方向に対抗する激しいサージングが生じる。

この２つの空気力学的作用は重大な結果をもたらす恐れがある。著しい振動による回転剥離が材料の破損をもたらす恐れがあるのに対し、ポンプサージングでは全翼が瞬間的に剥がれる恐れがある。いずれの場合にもガスタービンの燃焼室への空気の流れが中断し、ガスタービンは運転停止に至る。

典型的には入口圧力と最終圧力との間の圧力比が供給量に対して示されている圧縮機特性値マップはポンピング境界により安定範囲と非安定範囲に区分される。ポンピングは、圧縮機の運転点が供給量（スループット）の低下によりまたは最終圧力（供給レベル）の上昇により非安定範囲に入るときに生じる。

一般的には流体機械の制御装置の制御電子機器またはソフトウエアでは、設計条件下での運転でポンピング境界から十分に離れたポンピング境界距離が規定されている。たとえば商用電源周波数の低下、高い周囲温度および／または空気湿度、燃料の低い発熱量などの実際の条件下では、また圧縮機のエージングや汚染、破損によりポンピング境界が運転特性曲線に達するかこれを下回る恐れがある。これは圧縮機の即時のポンピングを生じることになる。

圧縮機の入口（吸込み円錐部）にはしばしば差圧スイッチとして形成された１つまたは複数のセンサが設置されるが、このセンサは圧縮機を通る流れがポンピング時に中断すると直ちに若干限界値を下回り、燃料弁の閉鎖によるガスタービンの即時停止を実行する。ポンピング保護圧力スイッチはしかしポンピング境界への接近を検知するのではなく、圧縮機の再度のポンピングを防止するにすぎず、場合によっては燃料供給の即時中断により圧縮機の機械的損傷を防止するものである。

さらなる開発においてはそれゆえしばしば圧縮機圧力比限定調整器が使用されている。この種の調整器は圧縮機の特性値（圧力比、商用電源周波数、前段案内翼の位置および温度、空気湿度などの周囲条件）を監視し、これを圧縮機に特有なポンピング境界特性値マップからの信頼できる値と比較する。実際の運転点がポンピング境界に接近すると、すなわち予め与えられた設定値範囲を上回るか下回ると、ポンプサージングに対する対抗策が実行される。

しかし上述の２つの方法の欠点は、それらの方法が圧縮機のエージングや大量の汚れまたは損傷を考慮せず、流体機械の運転時間が増大すると圧縮機のポンピングをもはや確実に防止できないことである。

さらにたとえば特許文献１からは、圧力センサおよび／またはマイクロフォンを燃焼器の上流室に配置し、室内の圧縮空気の状態を検出することが知られている。その信号は切迫しているポンピング現象の分析のため評価される。同様に特許文献２は、圧縮空気の衝撃波やほかの音響的現象をポンピングの予告に使用することを提案している。ここでもマイクロフォンや類似の圧力センサが使用されている。しかしその欠点は、この種のセンサは周囲温度が高いと寿命がごく限定されることにある。

米国特許出願公開第２００９/００５０７１号公報 欧州特許出願公開第２３７５０８１号公報

それゆえ本発明の課題は、圧縮機におけるポンプサージングを防止するための方法、比較的高い運転出力でも圧縮機のポンピングを確実に防止する圧縮機もしくは流体機械を提供することにある。

方法に関しては上述の課題は、本発明によれば複数の特性値が圧縮機の回転ノイズに関連する特性値を含むことにより解決される。

本発明はこの場合、流体機械の運転出力が高い場合にもポンプサージングを確実に防止するために予め規定された特性値マップや可調整運転値に専ら頼るべきでなく、むしろ切迫するポンプサージングの予防的検知のために好適な測定値を使用すべきであるという考察から出発している。予防的検知は、相応する測定により既にポンピング境界への接近が旋回失速の形で、即ち流れの回転剥離の形で検知されれば、可能であろう。この場合この種の流れ剥離が圧縮機段に振動を生じ、圧力の脈動を高めさらなる振動を生じることが判明している。これらの圧力脈動や振動は圧縮機の回転ノイズを変化させるので、回転ノイズの変化はそれに応じて切迫するポンピングを予防的に示すことになる。それゆえ圧縮機の回転ノイズに関連する特性値を測定しポンプサージングの防止に使用すべきであろう。

回転ノイズの変化の検知には、圧縮機内の振動を示すことができる多種の特性値および多種のセンサを利用できる。たとえば高ダイナミック圧力センサを使用して、上述の圧力の脈動を検出することができる。なかんずくこの場合の欠点は、この種の圧力センサが長時間安定性でなく、流体機械のすべての運転条件（汚れの増大、湿度、ハミングの増大、圧縮機の洗浄など）に対して適していないことである。それゆえ圧縮機の回転ノイズに関連する測定特性値は流体機械の構成部品の振動振幅または振動周波数であると有利である。圧力脈動はすなわち流体機械の構成部品にも伝達される。したがって回転ノイズはガスタービンの相応する構成部品の機械的振動を介して決定することができる。この場合このために適したセンサおよび発信器は上述の運転条件に不感であるので長寿命である。

相応するセンサを備えた構成部品がタービンおよび／または圧縮機の軸および／またはハウジングであると有利である。回転ノイズはタービンおよび／または圧縮機のハウジングおよび／または軸の振動に基づきまさにポンピング境界への切迫する接近に関して特に良好に検出される。

使用される特性値がさらに軸回転数、圧縮機最終圧力および／または前段案内羽根の位置を含むと有利である。これによりポンピングの予防的検知がさらに改良される。なぜなら回転ノイズはこの種の付加的特性値によりたとえば特に測定用に用意されたコンピュータにおいて特別な評価アルゴリズムにより特に良好に決定されるからである。

特に有利な実施態様においては、ポンプサージングに対する対抗策はタービン出口温度の設定値の低下および／または燃料質量の減少を含む。流体機械の調整の枠内ではタービン出口温度の設定値の低下は、圧縮機の可調整前段案内羽根を開放する結果になる。燃料質量の減少により極めて迅速に圧縮機圧力、したがって圧縮機圧力比が減少される。別の処置としてたとえば圧縮機のアンチアイス弁により圧縮機の端部の空気を取り出すことができる。アンチアイス弁による空気の取り出しは同様に圧縮機入口おいても実施すると好適である。これにより同様に圧縮機圧力比が減少される。

流体機械が上述の方法を実施するための圧縮機と制御装置とを備えて形成されると有利である。

データ入力側で複数のセンサと接続され運転中の特性値の検出用に形成された制御装置と圧縮機を備えた流体機械に関しての課題は、センサの１つが圧縮機の回転ノイズに関連する特性値の検出用に形成されることにより解決される。

この場合各センサが振動センサであると有利である。このセンサは振動計として形成されると有利である。この振動計は、たとえばメギット(Meggitt)社の圧電式加速度計ＣＡ９０１のように圧電式に加速度を計測するものであると特に有利である。この加速度計は長寿命で高温、汚れや圧縮機の洗浄に対して頑丈である。

有利な実施態様においては各センサはタービンおよび／または圧縮機の軸および／またはハウジングに付設される。この場合相応するセンサを圧縮機の周囲の複数の箇所に、理想的には半径方向外側の孔に、すなわち流れチャネル内にではなく設置すると有利である。

発電機設備が上述の流体機械を備えると有利である。

本発明により得られる利点は、流体機械の圧縮機の回転ノイズの所期の測定によりポンピング境界または旋回失速への接近を実際にポンピングが生じる前に検知できることである。これは、一段の回転する圧縮機動翼の圧力変化を測定する相応する振動発信器により特に簡単に達成できる。ほかの発信器（軸回転数、圧縮機最終圧力、前段案内羽根の位置）により圧縮機の回転ノイズはたとえば特殊な評価アルゴリズムを備えたコンピュータなどの制御装置において決定される。これはまた、圧縮機の流れチャネルおよびその部分の障害に至らしめるような異物を検出することを可能にする。この種の異物はすなわち回転ノイズの変化も生じ得る。圧縮機の下流側の構成部品に起こる障害はこのようにして回避される。

本発明を図面について詳細に説明する。

図１はガスタービンの圧縮機の上半部の概略断面図である。

図に部分的に示された流体機械１はガスタービンとして構成されている。ガスタービンからは圧縮機２だけが示されている。圧縮機２はハウジング４に固定されたすなわち固定状態の案内羽根６を有し、この案内羽根は圧縮機入口１０と圧縮機出口１２の間の流れチャネル８にある。空気の流れ方向の最初の案内羽根６は可調整前段案内羽根１４として形成される。これにより流れチャネル８への空気の供給が調整され絞られる。

各案内羽根６、１４の背後の空気の流れ方向にはそれぞれ軸１６に動翼１８が配置される。動翼１８および案内羽根６、１４はそれぞれスポーク状に流れチャネル８の輪の中に配置される。案内羽根６、１４の輪は流れ方向に後続する動翼１８の輪とともにそれぞれ圧縮機２の１つの段を形成する。

切迫するポンピングの早期検出のために詳細には示さない複数のセンサが配置される。特に圧電式加速度センサとして形成された振動センサ２０がそれぞれ９０°の角度に取り付けられた半径方向外側の孔に設置されると、機械的振動を検出して圧縮機２の回転ノイズのイメージングを可能にする。

回転ノイズは、ソフトウエアとして図示しない制御装置、たとえばコンピュータで実行される評価アルゴリズム２２により決定される。この場合評価アルゴリズムには振動センサ２０の振動データのほかに相応する発信器もしくはセンサのほかのデータも加わる。これには軸回転数、圧縮機入口１０と圧縮機出口１２の間の圧縮機圧力比、前段案内羽根位置、圧縮機およびタービンの軸振動およびハウジング振動が挙げられる。

ポンピング境界への接近により既存の振動測定器の回転ノイズまたは振動形態が変化すると、コンピュータはポンピングを防止する相応の対抗策を実行するために信号（二進ほか）を送信する。

対抗策は、アンチアイス弁の開放２４、タービン出口温度の低下２６、燃料量の減少２８を含む。ほかの処置も設けることができる。対抗策は必要に応じて評価アルゴリズム２２により検出された結果に応じて実行される。たとえば上述の対抗策のうち幾つかだけが行われることも複数が行われることもある。さらに運転員３０への報知も行われる。

異物が圧縮機２の流れチャネル８内を飛んでいるときには、これは同様に回転ノイズの変化により確認される。異物の侵入は同様に運転制御機器または運転員３０への報知を実行する。運転制御機器または運転員はこれにより取るべき処置により、圧縮機２または流体機械１の停止および点検を決定する。二次災害に至るまたは圧縮機構成部品の損傷を生じるような異物の侵入は、瞬時に発生しないかぎり検出および報知される。瞬時に発生する強い損傷はこれに対しＦＯＤ(Foreign Object Detection)３２でガスタービンの停止のような自動的処置を生じる。

１ 流体機械
２ 圧縮機
４ ハウジング
６ 案内羽根
８ 流れチャネル
１０ 圧縮機入口
１２ 圧縮機出口
１４ 前段案内羽根
１６ 軸
２０ 振動センサ
２２ 評価アルゴリズム
２４ アンチアイス弁の開放
２６ タービン出口温度の低下
２８ 燃料量の減少
３０ 運転員
３２ ＦＯＤ（異物検出）

Claims (7)

1. 圧縮機（２）の複数の特性値が運転中監視され、前記複数の特性値に対する設定値範囲が予め与えられ、幾つかの特性値が設定値範囲を上回るか下回ると差し迫ったポンプサージングに対する対抗策（２４、２６、２８）が実行されるようにし、前記複数の特性値が前記圧縮機（２）の回転ノイズに関連する特性値を有し、前記圧縮機（２）の回転ノイズに関連する特性値が流体機械（１）の構成部品の振動振幅および／または振動周波数であり、前記構成部品がタービンおよび／または前記圧縮機（２）の軸（１６）および／またはハウジング（４）である圧縮機（２）におけるポンプサージングの防止方法において、
   複数のセンサが前記圧縮機の周囲の複数の箇所に設置され、機械的振動を検出し、
   前記回転ノイズを決定するため、前記構成部品の加速度が検出されることを特徴とする圧縮機におけるポンプサージングの防止方法。
2. 前記複数の特性値が、軸回転数、圧縮機最終圧力および／または前段案内羽根位置を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記ポンプサージングに対する対抗策が、タービン出口温度の設定値の低下（２６）および／または燃料質量の減少（２８）を含むことを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 前記圧縮機（２）が、前記流体機械（１）の一部であることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の方法。
5. 圧縮機（２）およびデータ入力側で運転中特性値を検出するために形成された複数のセンサに接続される制御装置において、
   前記複数のセンサが圧縮機（２）の回転ノイズに関連する特性値を検出するために形成され、各センサがガスタービンの構成部品に配置された振動センサ（２０）であり、
   前記複数のセンサにより前記構成部品の機械的振動が検出され、前記複数のセンサが前記圧縮機の周囲の複数の箇所に設置され、
   前記複数のセンサが、加速度センサとして構成されることを特徴とする圧縮機（２）および制御装置。
6. 請求項５記載の圧縮機（２）を有する流体機械（１）。
7. 請求項６記載の流体機械（１）を有する発電機設備。

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