JP6018228B2 - ターボ機械の作動安全性を確保する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械の回転アセンブリ、詳細には、ターボポンプ、たとえばロケットの推進装置に使用されるように適合されたターボポンプの回転アセンブリの作動の安全性を確保する方法の分野に関する。

より詳細には、本発明は、ターボ機械の回転アセンブリの作動安全性を確保する方法に関し、その回転アセンブリは、そのタービンを通って流れる駆動流体の膨張によって回転させられるタービンと、タービンによって機械的に駆動されて回転することによって、それを通って流れる被駆動流体を流動させる回転機械とを共に備える。

殊に、ターボ機械の作動において、所定の限界速度を超えることは重大な事故を引き起こすと考えてよく、特に、ターボ機械のタービンが所与の動力で駆動され続けている間にターボ機械がその抵抗トルクを失った場合、ターボ機械の回転アセンブリが過回転を生じ、それによって、最も深刻な状況では、ターボ機械の飛散に至ることもある。

ターボポンプ特有の状況として、抵抗トルクの急落が、ポンプの中を流れる被駆動流体の流れ状態の変化の結果としてポンプ内の流体流れが失速することによって生じることがある。

特に、被駆動流体の流量要求を満足するためにポンプの回転速度を増加させることがしばしば必要になる。それによって生じる被駆動流体の流速の増加が、ポンプのブレード上にキャビテーション現象を発生させる危険性を増加させる。不都合なことに、キャビテーション現象は、ポンプによって回転アセンブリに加えられる抵抗トルクを著しく降下させることがあり、それによって、過回転を起こさせることがある。

ターボポンプが過回転を開始した場合にターボポンプに緊急停止を行わせる従来の方法がすでに知られている。その従来の方法は、ターボポンプの回転アセンブリの回転速度を測定し、測定された回転速度が所定の限界を超えた場合にパイロ・バルブ（pyrotechnic valve）を開放して駆動流体の進路を転じることにより成り立ち、そのバルブは、タービンの入口の上流に、タービンと並列に接続されている。

したがって、その従来の方法では、ひとたびパイロ・バルブが開放されると、駆動流体の流れにタービンの入口を迂回させることにより、タービンによってターボポンプの回転アセンブリに加えられる駆動トルクを降下させ、その結果、回転アセンブリの回転速度が増加しなくなる。

その従来の方法の主要な欠点は、パイロ・バルブの開放が、回転アセンブリの実際の回転速度が所定の限界速度を超えた時点の後の時点で初めて行われることである。言い換えると、パイロ・バルブの開放は、回転アセンブリの実際の回転速度が所定の限界速度を確かに超えたことが認められ、その後に初めて行うことができる。

その結果、ターボポンプの回転アセンブリの実際の回転速度が所定の限界速度に達する時点とパイロ・バルブが実際に開放される時点との間の遅れが必ず存在する。そのような状況下では、バルブを開放するのに使用する火工品(pyrotechnics)を確実に極めて高反応にすることによってこの遅れの大きさを最小限に抑えることができるものの、回転アセンブリの回転速度は、限界速度を超える時点とバルブが実際に開放される時点との間で著しく増加し続ける（そして事態を非線形的に悪化させ続ける）。従来の方法が用いられる場合、これによって、損傷に至るに十分なエネルギーをターボポンプがその慣性に吸収するという重大な危険性が生じる。

したがって、ターボ機械の回転アセンブリの速度が所定の限界速度を超える程度を抑えるためにターボ機械の作動により迅速に作用することを可能にするような、安全性を確保する方法を開発する緊急な必要性が存在する。

本発明は、そのような方法を提供しようとするものである。

より詳細には、本発明の態様による方法は、ターボ機械の回転アセンブリの作動の安全性を確保する方法であって、回転アセンブリが、タービンを通って流れる駆動流体の膨張によって回転させられるタービンと、タービンによって機械的に駆動されて回転し、その回転によって回転機械を通って流れる被駆動流体を流動させる回転機械とを共に備える方法からなる。

安全性を確保するこの方法では、
所定の時間間隔中に以下の量を測定するステップであって、それら量が、
前記時間間隔の所与の実測時点での回転アセンブリの実回転速度、
タービンと駆動流体との相互作用を表す少なくとも１つの「流体／タービン相互作用」パラメータ、および
回転機械と被駆動流体との相互作用を表す少なくとも１つの「流体／回転機械相互作用」パラメータ
である、ステップと、
前記実回転速度および前記少なくとも１つの「流体／タービン相互作用」パラメータに基づいて、タービンによって回転アセンブリに加えられる駆動トルクを推定するステップと、
前記実回転速度および前記少なくとも１つの「流体／回転機械相互作用」パラメータに基づいて、前記駆動トルクを推定するステップとは独立に、回転機械によって回転アセンブリに加えられる抵抗トルクを推定するステップと、
前記駆動トルクと前記抵抗トルクとの差を代表する代表値を用意するステップと、
前記実測時点より後の予測時点での回転アセンブリに関する予測回転速度を、前記実回転速度、前記代表値、および予測時点と実測時点との時間差に基づいて計算するステップと、
前記予測回転速度が所定の限界速度を超えている場合に、第１の条件が満たされていると判断するステップと
を含む予測サイクルを繰り返し実施することによって、回転アセンブリが所定の限界速度を超える事態を予知する。

安全性を確保する方法では、予測サイクルにおいて少なくとも第１の条件が満足されていると判断された場合に、ターボ機械の回転アセンブリの速度が前記限界速度を超える程度を抑えるために、ターボ機械の作動に対して処置を取る。

安全性を確保するこの方法によって、まだ来ていない将来の予測時点で（すなわち、ターボ機械の回転アセンブリの実回転速度が測定される時点より後であり、好ましくは、予測回転速度が所定の限界速度を超えるか否か判断される時点より後である予測時点で）、ターボ機械の回転アセンブリが取るであろう「予測」回転速度を計算することが可能になることを理解することができる。

その結果、それによって、回転アセンブリが将来の時点で取ろうとしている回転速度を予知することが予測によって可能になるので、回転アセンブリの実回転速度が所定の限界速度に実際に正に達する時点に対して遅くなることなく、それどころか、その時点に先行して、ターボ機械の作動に対して処置を取ることが可能になる。

言い換えれば、安全性を確保するこの方法によって、予測サイクルにおいて回転アセンブリに関する予測回転速度の計算を行うことにより、所定の限界速度を超えることを予知することが可能になる。

ある種の実行形態では、予測サイクルにおいて、予測回転速度が所定の限界速度より大きい場合に第１の条件が満たされていると判断される。

このように構成された安全性確保の方法は、回転アセンブリの速度が所定の最大速度を超えるであろう時点を予知することを可能にすることを理解することができる。

そのような状況下で、このように構成された安全性確保の方法は、たとえば、ターボ機械の回転アセンブリが過回転を始めたときにターボ機械を損傷することを回避するために用いることができる。

このために、そのような過回転開始に関する特性値である値を有する所定の「高」限界速度を選択し、予測サイクルにおいて、予測回転速度がこの特性上の限界速度より大きい場合、第１の条件が満足されていると判断することが好ましい。

ある種の実行形態では、安全性を確保する方法は、特にテスト・ベンチに搭載されるとき、ターボ機械の性能限界を試験するために用いることができる。その場合、任意選択で、意図的にまたはそれ以外で、ターボ機械に過回転を開始させることが可能になる。あらゆる状況下で、安全性を確保する方法は、ターボ機械をその設計限界まで作動させようとするとき、ターボ機械が損傷するのを防止するために役立つ。

ある種の実行形態では、予測サイクルにおいて、予測回転速度が所定の限界速度より低い場合に第１の条件が満たされていると判断される。

このように構成された安全性確保の方法は、回転アセンブリの速度が所定の最小速度より小さくなるであろう時点を予知することを可能にすることを理解することができる。

そのような状況下で、このように構成された安全性を確保する方法は、たとえば、ターボ機械の回転アセンブリの回転速度が、偶発的に失速する程度を抑えるために用いることができる。

このために、ターボ機械の回転アセンブリに関して許容できる最少回転速度に対応する値の所定の「低」限界速度を選択することが好ましい。

ある種の実行形態では、安全性を確保する方法を用いて、設定点回転速度に関して、低い方および／または高い方の値との交差を予測することができ、それによって、望ましい速度をより迅速に再確立することを可能にすることができる。

ある種の実行形態では、ターボ機械の作動に対して取られる前記処置は、ターボ機械を緊急停止させることを含む。

ある種の実行形態では、緊急停止の代わりにまたはそれと組み合わせて取られる前記処置は、タービンの入口での駆動流体の少なくとも流量を変更することを含めることができる（その変更は、増加または減少であるべく選択することができる）。

それによって、タービンによって回転アセンブリに加えられる駆動トルクを変更（すなわち増加または減少）することにより、回転アセンブリの実回転速度を変更（すなわち増加または減少）することが可能になることを理解することができる。

ある種の実行形態では、タービンの入口の上流に、またはそれと並列に配置された少なくとも１つのバルブの開放の程度を変更することによって、流量のそのような変更を達成することが可能になる。すなわち、前記バルブを、より大きい程度に、またはより小さい程度に開放または閉鎖することが可能である。

例として、特に回転アセンブリの回転速度をサーボ制御するために、タービンの入口での駆動流体の流量を調節することが可能である。

さらに、ある種の実行形態では、タービンの入口に対して並列に接続された少なくとも１つのバイパス・バルブの少なくとも部分的な開放（および好ましくは完全な開放）を行って、タービンの入口での駆動流体の流量を減少させることが可能である。

このように構成された安全性を確保する方法が、ターボ機械の回転アセンブリの過回転を開始する程度を抑えようとするとき、そのようなバイパス・バルブの助けによって、タービンによって回転アセンブリに加えられる駆動トルクを減少させて、回転アセンブリの損傷を回避することが可能になることを理解することができる。このバイパス・バルブは、回転アセンブリの実回転速度が所定の限界速度に達する時点より前の時点で先行して開放することができる。

ある種の実行形態では、バイパス・バルブは、バルブの反応時間（すなわち、バイパス・バルブを開放する命令が与えられた時点と前記バルブが実際に開放状態になる時点との間で経過する時間）を最小限に抑えるために、その開放（好ましくは完全な開放）が火工品(pyrotechnics)によって行われるパイロ・バルブ（pyrotechnic valve）である。

ある種の実行形態では、予測サイクルにおいて、ターボ機械の特定の作動状態の関数として第２の条件が満足されているか否かを判断することが可能である。

詳細には、ある種の実行形態では、予測サイクルにおいて、ターボ機械が過渡状態で作動していない場合に第２の上記条件が満足されていると判断することが可能である。

ある種の実行形態では、予測サイクルにおいて、少なくとも第１および第２の条件が共に満足されていると判断される場合、ターボ機械の作動に対して前記処置を取ることができる。

それによって、ターボ機械が過渡状態で作動している（たとえば定常状態で作動していない）とき、特に始動および停止段階中には駆動および抵抗トルクが急速に変化するので、予測速度のために計算される値が比較的不正確になるこれらの段階中に、折悪しく前記処置が行われるのを回避することが可能であることを理解することができる。

ある種の実行形態では、予測サイクルにおいて、駆動トルクと抵抗トルクとの差を代表する代表値を用意するために、測定量に伴う測定ノイズを減衰するように推定済み駆動および抵抗トルクの少なくとも１つを補正する。

詳細には、ある種の実行形態では、測定量のノイズ特性についての事前の知識に基づいて、推定済み駆動および抵抗トルクの少なくとも１つにフィルタリングを施すことが可能である。

ある種の実行形態では、上記フィルタリングは、好ましくは、測定量に伴うノイズの特性である周波数の関数として選択されるカットオフ周波数を用いる、特にローパス式の周波数フィルタリングであり得る。

ある種の実施形態では、それらのフィルタリングが測定量に伴う測定ノイズを減衰することが可能でありさえすれば、たとえば、ディジタル・フィルタリング（特に再帰フィルタリング）、または他の任意のタイプのフィルタリングを使用することを選択することが可能である。

ある種の実行形態では、駆動トルクと抵抗トルクとの差を代表するより正確な代表値を予測サイクルにおいて用意するために、上記の補正の代わりにまたはそれと組み合わせてのいずれでも、駆動トルクおよび抵抗トルクが互いに独立して順次推定される結果、それらの間に存在する値偏倚（バイアス値）を緩和(減衰)することが可能である。

表現「互いに独立に推定される」は、駆動トルクおよび抵抗トルクの推定が、互いに少なくとも部分的に相関性のない、また、たとえば完全に相関性のない、第１および第２の推定モデルのそれぞれに基づいて行われることを意味するために用いられる。

上記少なくとも部分的な非相関化は、たとえば、少なくとも１つの測定された「流体／タービン相互作用」パラメータが、駆動トルクを推定するために排他的に使用され、他方、少なくとも１つの測定された「流体／回転機械相互作用」パラメータが、抵抗トルクを推定するために排他的に使用されることから生じ得る。

駆動トルクと抵抗トルクとを推定するモデル間のこの少なくとも部分的な非相関化は、これら２つのトルク間の差を代表する用意値におけるシステム的ノイズの存在を抑える働きをすることができる。

その一方で、そのような非相関化の結果として、実質的に一定な回転アセンブリの回転速度において、実際にはそれら値が実質的に同一であるにも拘らず、駆動トルクに関して推定された値が、抵抗トルクに関して推定された値とは異なることがある。それら値間のこの好ましくない差が、駆動トルクと抵抗トルクとが互いに独立に推定されることから生じる値偏倚（バイアス値）を形成する。

ある種の実行形態では、値偏倚を緩和したトルク差を代表する値を得るために、駆動トルクと抵抗トルクとの間の計算済みトルク差、あるいは推定駆動トルクから導かれた値または推定抵抗トルクから導かれた値のいずれかにフィルタリングを実施することが可能である。

ある種の実行形態では、上記フィルタリングは、周波数フィルタリング、詳細にはハイパス式フィルタリングでよく、たとえば、その結果、この値偏倚に関する補正のパスバンドは、ターボ機械の回転アセンブリの回転数の動特性、特にその過回転開始の動特性に対して低くなる。

ある種の実行形態では、そのフィルタリングが、駆動および抵抗トルクを互いに独立に推定する結果としてそれらの推定によって入り込む値偏倚を緩和することさえできれば、たとえば、ディジタル・フィルタリング（特に再帰フィルタリング）または他の任意のタイプのフィルタリングを使用することが可能である。

ある種の実行形態では、特にトラッキング・フィルタの助けを得て、推定された駆動および抵抗トルクの１つにフィルタリングを実施することによって、２つのトルクの前記一方を２つのトルクの他方に近付けることが可能であり、それによって、引き続きそれらの差を計算するときに値偏倚を減少させることができる。このために積分器を使用することが可能である。

さらに、ある種の実行形態では、前記代表値を用意するために、予測サイクルにおいて、上記２つの補正を互いに組み合わせて実施することができる。

詳細には、ある種の実行形態では、測定量に伴う測定ノイズを減衰するために駆動トルクおよび抵抗トルクを補正することが可能であり、次いで、補正済み駆動トルクと補正済み抵抗トルクとの差が計算され、そしてこの差が、前記値偏倚を緩和するために補正される。

ある種の実行形態では、測定量に伴う測定ノイズを減衰するために駆動トルクおよび抵抗トルクを補正し、次いで、このように補正された駆動トルクおよび抵抗トルクの１つに、特にトラッキング・フィルタの助けを得て、フィルタリングを実施することによって、２つのトルクの前記一方を２つのトルクの他方に近付け、そして、このようにフィルタリングされた２つのトルクの前記一方と２つのトルクの他方との差を計算することが可能である。

さらに、駆動トルク（または場合によっては抵抗トルク）を推定するためのモデルは、詳細には、第１には実回転速度の測定値と、モデルで用いられる１つまたは複数の「流体／タービン相互作用」パラメータのそれぞれ（または場合によっては１つまたは複数の「流体／回転機械相互作用」パラメータのそれぞれ）の測定値との間の対応表、第２にはターボ機械の振舞と上記パラメータの測定値との間の対応表によって形成することのできる経験的関係として、好ましくは構築される。

ある種の実行形態では、予測サイクルにおいて、タービンの入口圧力、タービンの出口圧力、およびタービンの入口での駆動流体の温度それぞれで成り立つ３つの「流体／タービン相互作用」パラメータが測定され、駆動トルクが、実回転速度およびこれら３つの「流体／タービン相互作用」パラメータに基づいて推定される。したがって、駆動トルクを推定するのに寄与する上記「流体／タービン相互作用」パラメータを得るために、ターボ機械の境界面、詳細にはそのタービンの境界面で測定された状態を使用することが可能である。

ある種の実行形態では、この推定を行うために、本方法を較正するステップにおいて得られるパラメータを用いて駆動トルク推定モデルを構築することが可能であり、そのステップは、予測サイクルを実施するのに先立って実施されるべきである。

詳細には、この較正ステップにおいて、第１に駆動トルクを測定し（たとえばトルク・メータにより）、第２に、そのように測定された各駆動トルクに対して他のパラメータが取る値（詳細には、以下のパラメータ、すなわちターボ機械の実回転速度、タービン入口での駆動流体の圧力、タービン出口での駆動流体の圧力、およびタービン入口での駆動流体の温度のそれぞれが取る値）を測定することが可能である。

その後、較正ステップにおいて、前もって測定した様々な値の読値（various value readings）間の対応表を用いて、前記他のパラメータの関数として駆動トルクが得られる経験的関係を用意することが可能である。

そしてこの経験的関係を、安全性確保の方法の予測サイクルを実施するとき、駆動トルクを推定するモデルとして使用することができる。

経験的モデルを選択することにより、予測サイクルにおいてより正確にトルクを推定することができ、各所与のターボ機械は、それによって、それ自体の経験的関係から利点を得ることができ、その場合その経験的関係は、それ自体の特定の技術的特徴を取り入れている。

さらに、経験的モデルを選択することにより、計算性の点で、本方法の予測サイクルにおけるトルクの推定をより簡単かつ低コストにすることを果たすことができる。

ある種の実行形態では、本方法は、ターボ機械としてのターボポンプの回転アセンブリの作動の安定性を確保するように働き、前記回転アセンブリは前記タービンおよび回転機械としてのポンプを備える。

回転アセンブリの予測回転速度を計算し、次いで、前記予測回転速度が所定の限界速度を超えたときにターボ機械の作動に対して処置を取ることができるように、回転機械の回転アセンブリに加えられる駆動および抵抗トルク（たとえば、非限定的に、少なくとも１つの電気モータを用いて）を推定することさえ可能であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、それでもなお、安全性確保の前記方法を他の任意のタイプのターボ機械に適用することを実現することが可能である。

特に、ある種の実行形態では、前記方法は、ターボ機械としてのターボ圧縮機の回転アセンブリの作動の安定性を確保し、前記回転アセンブリは前記タービンおよび回転機械としての圧縮機を備える。

さらに、ある種の実行形態では、ターボ機械がターボポンプであるとき、予測サイクルにおいて、ポンプへの入口での被駆動流体の流量を「流体／回転機械相互作用」パラメータとして測定し、実回転速度およびその測定流量に基づいて抵抗トルクを推定することが可能である。

すなわち、ターボポンプ、特にそのポンプの境界面での状態の測定値を使用することによって、抵抗トルクの推定に寄与する上記「流体／回転機械相互作用」パラメータを得ることが可能である。

それによって、計算性において簡単かつ費用の掛からない、抵抗トルクを推定するモデル、好ましくは経験的モデルを用意することが可能になることをやはり理解することができる。

特に、ある種の実行形態では、上記の較正ステップにおいて、抵抗トルク（たとえばトルク・メータの助けを得て）と、さらにそのように測定された各抵抗トルクに対して他のパラメータとして用いられる値（特に、以下の２つのパラメータ、すなわちターボ機械の実回転速度およびポンプの入口での被駆動流体の流量のそれぞれに関して用いられる値）との両方を測定することが可能である。

さらに、較正ステップにおいて、前もって測定した様々な値の読値（various value readings）間の対応表を用いて、前記他のパラメータの関数として抵抗トルクが得られる経験的関係を用意することが可能である。

次いで、この経験的関係を、安全性確保の方法の予測サイクルにおいて、抵抗トルクを推定するためのモデルとして使用することができる。

さらに、ある種の実行形態では、回転アセンブリの回転機械をタービンと直接係合させることによって、ターボ機械の構造を単純化し、その重量を低減することができる。

非限定的例として提示される実施形態の以下の詳細な説明を読むと、本発明をより良く理解することができ、その利点がより明らかになる。その説明は添付図面を参照する。

本発明による安全性を確保する方法が適用される回転アセンブリを有するターボポンプを備える装置の構成図である。 安全性を確保する方法の実行形態を示す流れ図である。 所定の限界速度の交差が、予知によって判断される様子を示すグラフである。

図１に詳細に示された実施形態では、本発明による安全性を確保する方法は、ターボポンプ１の回転アセンブリの作動を安全にすることを可能にする。

この例では、ターボポンプ１の回転アセンブリは、タービン１０を通って流れる駆動流体の膨張によって回転させられるタービン１０と、タービン１０によって機械的に駆動されて回転することによりポンプ２０を通って流れる被駆動流体を流動させるポンプ２０とを共に備える。

この例では、駆動流体の供給ラインＬ１および排出ラインＬ４が、タービン１０の入口１１および出口１２にそれぞれ接続され、それによって、駆動流体が、タービン１０を駆動するためにタービン１０を通って流れることができる。

さらに、駆動流体バイパス・ラインＬ２が供給ラインＬ１に接続され、その結果、タービン１０の入口１１が、供給ラインＬ１をバイパスさせるバイパス・ラインＬ２と並列に配置される。

さらに、被駆動流体の供給ラインＬ３および排出ラインＬ５が、ポンプ２０の入口２１および出口２２にそれぞれ接続され、それによって、被駆動流体が、ポンプ２０によって流動させられるべくポンプ２０を通って流れることができる。

この例では、駆動流体が被駆動流体の組成とは異なる組成から成ることになっているが、そうでない場合でも本発明の範囲を逸脱することはなく、たとえば、単一の流体を元にする流れを、第１にタービン用の駆動流体を構成し第２に回転機械（特にポンプ）によって駆動される流体を構成するように、２つに分けることができる。

さらに、この例のターボポンプ１は、詳細にはロケット・エンジンのサブシステムを構成することによって、ロケット・エンジンの作動に供するためのものである。

このために、供給ラインＬ１は、ガス供給源の出口に接続され、そのガスは、大量の膨張ガスから、さもなければロケット・エンジンのガス・ジェネレータ（図１に示さず）のいずれかから来ることができる。ガス・ジェネレータは、その入口に液体水素および酸素を供給することができ、その出口から、タービン１０を回転させるのに使用する駆動流体として、高圧の混合ガスを送出することができる。

タービン１０内で膨張した後、混合ガスは、排出ラインＬ４を経由して、ロケット・エンジン・ノズルのダイバージェント・コーン（図示せず）へ導かれる。

この混合ガスの膨張から生じるタービン１０の動力が、ポンプ２０を機械的に駆動して回転させるように働き、それによって、ポンプが、被駆動流体として推進剤、すなわち液体水素または液体酸素のどちらかを圧送する。

推進剤は、供給ラインＬ３を経由してポンプ２０に入り、ポンプ２０から出て排出ラインＬ５を経由してエンジンの燃焼チャンバ（図示せず）へ導かれる。

さらに、供給ラインＬ１が第１のバルブ３０を有し、それによって、タービン１０の入口１１での駆動流体の流量を変化させることが可能になる。

より詳細には、第１のバルブ３０は、タービン１０の入口１１での駆動流体の流量を制御し調節する。このバルブ３０は、ターボポンプ１の回転速度をサーボ制御するために使用される。

さらに、バイパス・ラインＬ２が第２のバルブ４０を備える。

この例では、第２のバルブ４０は、ターボポンプ１の通常の使用では完全に閉鎖されるものであり、ターボポンプ１の作動が異常な場合に、ターボポンプ１を緊急停止することが望ましいとき、少なくとも部分的に開放されるものである。

詳細には、第２のバルブ４０を少なくとも部分的に開放すると、それによって供給ラインＬ１から来る駆動流体の少なくとも一部を、バイパス・ラインＬ２を通してトーチ（図示せず）へ迂回させることにより、タービン１０の入口１１での駆動流体の流れを減少させることができる。

この例では、第２のバルブ４０はパイロ・バルブであり、その結果、その開放が行われると、第２のバルブ４０は、完全に開き、駆動流体の流れの全てまたはほぼ全てをトーチへ迂回させるように働き、それによって、タービン１０によってターボポンプ１の回転アセンブリに加えられる駆動トルクを降下させる。

図２は、その種のターボポンプ１の回転アセンブリの作動の安全性を確保する方法の非限定的実行形態の流れ図である。

開始にあたって、安全性確保の方法が初期化される（図２の初期化ステップＥ０）。

その後、安全性確保の方法を通して、ターボポンプ１の回転アセンブリが所定の限界速度Ｗｓを超えるのを予知するために、予測サイクルが実行される。

この例では、予測サイクルは、所定の時間間隔ＩＴ中に以下の量を測定することによって始まる。すなわち、
・タービン１０の駆動流体の入口圧力Ｐｅ（測定ステップＥ１）であり、この圧力Ｐｅは、タービン１０とタービン１０を駆動する駆動流体との相互作用を表す３つの「流体／タービン」パラメータの第１のものとなり、
・タービン１０の駆動流体の出口圧力Ｐｓ（測定ステップＥ２）であり、この出口圧力Ｐｓは３つの「流体／タービン」パラメータの別の１つとなり、
・タービン１０の駆動流体の入口温度Ｔｅ（測定ステップＥ３）であり、この温度Ｔｅは、これら３つの「流体／タービン」パラメータの最後のものとなり、
・前記時間間隔ＩＴ内の所与の実測時点ｔ０での回転アセンブリの実回転速度Ｗ０（測定ステップＥ４）であり、
・ポンプ２０によって駆動される流体のポンプ２０への入口流量Ｑｅ（測定ステップＥ５）であり、この流量Ｑｅは、ポンプ２０と被駆動流体との相互作用を表す「流体／回転機械」パラメータとなる。

予測サイクルの精度を向上させるために、上記測定のそれぞれがその間に行われる所定の時間間隔ＩＴを可能な限り短くし、それによって、量Ｐｅ、Ｐｓ、Ｔｅ、およびＱｅが、実回転速度Ｗ０が測定される実測時点ｔ０に可能な限り近いそれぞれの時点で測定されるようにすることが好ましい（これら量が、全て同一の時点ｔ０で測定されることが理想的である）。

さらに、図１に示される例では、ポンプ２０はタービン１０に直接係合しており、その結果、ポンプ２０の回転速度は、タービン１０の回転速度に等しい。

そのような場合には、回転部アセンブリの実回転速度Ｗ０を測定するには、特に言うなら、実測時点ｔ０において、ポンプ２０の回転速度またはタービン１０の回転速度のどちらかを測定することができる。

その後、上記の測定が行われた後（すなわち、測定ステップＥ１〜Ｅ５が行われた後）、予測サイクルにおいて以下が推定される。すなわち、
・タービン１０によってターボポンプ１の回転アセンブリに加えられる駆動トルクＣｍ（推定ステップＥ６）、および
・ポンプ２０によって回転アセンブリに加えられる抵抗トルクＣｒ（推定ステップＥ７）
である。

この例では、駆動トルクＣｍは、予め測定された量Ｐｅ、Ｐｓ、Ｔｅ、およびＷ０を変数として有する第１の経験的関係ｆによって推定される。すなわち、
Ｃｍ＝ｆ（Ｐｅ，Ｐｓ，Ｔｅ，Ｗ０）
である。

さらに、抵抗トルクＣｒは、第１の経験的関係とは相関性のない、予め測定された量ＱｅおよびＷ０をその変数として有する第２の経験的関係ｇに基づいて、駆動トルクＣｍの推定とは独立に推定される。すなわち、
Ｃｒ＝ｇ（Ｑｅ，Ｗ０）
である。

好ましくは、ただし必須ではないが、駆動トルクＣｍおよび抵抗トルクＣｒは、予測サイクルにおいて同時に推定されることが好ましい（すなわち、ステップＥ６とＥ７とが同時に実行される）。

さらに、駆動トルクＣｍおよび抵抗トルクＣｒの推定は、上記の量の最後のものが測定されれば、開始することができる（詳細には、所定の時間間隔ＩＴが経過した後）。

さらに、駆動トルクＣｍおよび抵抗トルクＣｒが両方とも推定されると、それらの差ＤＣが計算される。

詳細には、この例では、推定駆動トルクＣｍおよび推定抵抗トルクＣｒの両方に対して補正が最初に行われ、次いで、こうして補正された駆動トルクＣｍ’とこうして補正された抵抗トルクＣｒ’との差であるトルク差ＤＣが計算される。すなわち、
ＤＣ＝Ｃｍ’−Ｃｒ’
である。

より具体的には、駆動トルクＣｍが推定されると、先に測定された量Ｐｅ、Ｐｓ、Ｔｅ、および／またはＷ０に伴う測定ノイズを低減させるために駆動トルクＣｍが予測サイクルにおいて補正される（補正ステップＥ９）。これによって、補正駆動トルクＣｍ’が得られる。

同様に、抵抗トルクＣｒが推定されると、先に測定された量Ｑｅおよび／またはＷ０に伴う測定ノイズを低減させるために抵抗トルクＣｒは予測サイクルにおいて補正される（補正ステップＥ１０）。これによって、補正抵抗トルクＣｒ’が得られる。

この例では、駆動トルクＣｍおよび抵抗トルクＣｒは、対応する測定量に伴うノイズの周波数特性の関数として選択される１つまたは複数のカットオフ周波数を用いて、これらトルクのそれぞれにローパス式の周波数フィルタリングを行うことによって補正される。

好ましくは、ただし必須ではないが、駆動トルクＣｍおよび抵抗トルクＣｒは、予測サイクルにおいて同時に補正されることが好ましい（すなわち、ステップＥ９とＥ１０とが同時に実行される）。

その後、補正駆動トルクＣｍ’および補正抵抗トルクＣｒ’の両方が得られると、それらの差ＤＣが、予測サイクルにおいて計算される（計算ステップＥ１１）。

その後、トルク差ＤＣが計算されると、この差を代表する代表値ＤＣ’が、予測サイクルにおいて用意される（用意ステップＥ１２）。

より具体的には、トルク差ＤＣは、駆動トルクＣｍと抵抗トルクＣｒとの間に（なおさら、補正駆動トルクＣｍ’と補正抵抗トルクＣｒ’との間に）、それらが互いに独立に推定されることの結果として、存在する値偏倚を緩和するために補正される。

詳細には、前記値偏倚を緩和するために、先に計算されたトルク差ＤＣに対してフィルタリングを、特にハイパス式の周波数フィルタリングで行う。

駆動トルクＣｍと抵抗トルクＣｒとのトルク差を代表する値ＤＣ’が得られると、実測時点ｔ０より後の予測時点ｔ１での回転アセンブリに関する予測回転速度Ｗ１が、予測サイクルにおいて計算される（計算ステップＥ１３）。この予測回転速度Ｗ１は、実測時点ｔ０で先に測定された実回転速度Ｗ０と、先に用意された代表値ＤＣ’と、予測時点ｔ１と実測時点ｔ０との時間差ｔ１−ｔ０とから計算される。

回転アセンブリの実回転速度Ｗ０が実測される実測時点ｔ０と比較して回転アセンブリ１の回転速度Ｗ１を予測するために使用することが望まれる見通し時間範囲ｔ１を定めるのに選択される時間差ｔ１−ｔ０に関する制約は無い。

とは言うものの、使用する時間差ｔ１−ｔ０に関しては、回転アセンブリが所定の限界速度Ｗｓを超えるのをより先取りするためにこの差を大きくするか、それとも、予測時点ｔ１で回転アセンブリが実際に取る回転速度に比較して、予測時点ｔ１での回転速度Ｗ１に関する予測値の精度を向上させるためにこの差を小さくするかの間で妥協点を見つけることが好ましい。

精度と検知時間との間の良好な妥協点は、とりわけ、この時間差ｔ１−ｔ０が、たとえば、１ｍｓ（ミリ秒）〜２５ｍｓの範囲内、特に、５ｍｓ〜２０ｍｓの範囲内にあり、特に、約１０ｍｓであるときに認められる。

その後、予測回転速度Ｗ１が計算されると、予測サイクルにおいて、第１の条件が満足されているか否かが判断される（判断ステップＥ１４）。

詳細には、この第１の条件は、先に計算された予測回転速度Ｗ１が所定の限界速度Ｗｓを超えた場合に満足されたと判断される。

図３に示されている例では、限界速度Ｗｓは、やはりターボポンプ１の回転アセンブリの過回転開始に関する特性値である「高」限界である。

そのような状況下では、予測回転速度Ｗ１が限界速度Ｗｓより大きい場合に第１の条件が満足されたと判断される。

第１の条件が満足されていないと判断された場合（ステップＥ１４におけるＮＯ）、その予測サイクルは終了し、上記のサイクルと同様な新たな予測サイクルが開始される。

そうではなくて、第１の条件が満足されていると判断された場合（ステップＥ１４におけるＹＥＳ）、予測サイクルが続き、このサイクルにおいて、第２の条件が満足されているか否か判断される（判断ステップＥ１５）。

詳細には、ターボポンプ１が、具体的には少なくとも予測サイクルの間、より具体的には少なくとも、上記の量がその間に測定されている時間間隔ＩＴの間、過渡状態で作動していないことが確認された場合、この第２の条件が満足されていると判断される。

詳細には、ターボポンプ１がその間に始動されまたは停止される段階のような過渡状態は、ポンプ２０の入口２１での被駆動流体の流量の変化を解析することによって検出することができることが認められる。

より具体的には、この流量の変化は、ターボポンプ１が定常的に作動している段階におけるより、ポンプを始動中または停止中の段階における方が遥かに速いことが認められ、これは、ターボポンプ１の回転アセンブリの回転速度が、回転アセンブリが過回転を開始するときに特に起こり得るように、定常作動中に極めて急に増加しているときであっても当て嵌まることが認められる。

詳細には、回転アセンブリが定常作動中に過回転を開始するとき、ポンプ２０の入口での流量は、それにも拘らず、回転速度が変化するよりも極めてゆっくりと変化し得る。

図示の例では、ポンプ２０の入口２１での被駆動流体の流量の微分係数ｄＱｅ／ｄｔが、絶対値で所定の流量変化限界Ｓより小さい場合、第２の条件が満足されたと判断され、すなわち、ターボポンプ１は過渡状態で作動してはおらず（特に、始動中または停止中ではなく）、逆に定常作動状態であると判断される。

図示の例では、流量の微分係数ｄＱｅ／ｄｔは、予測サイクルにおいて先に測定された流量Ｑｅに基づいて計算される（計算ステップＥ８）。

この例では、必須ではないが、この微分係数ｄＱｅ／ｄｔは、駆動トルクＣｍおよび抵抗トルクＣｒが予測サイクルにおいて計算されているのと同時に計算される（すなわち、ステップＥ６、Ｅ７、およびＥ８は同時に実施される）。

さらに、第２の条件が満足されているか否かを予め判断した後、予測サイクルは終了する。

より正確には、第２の条件が満足されていないと判断された場合（ステップＥ１５においてＮＯ）、予測サイクルは終了し、新たな予測サイクルが、上記のサイクルと同様に開始される。

そうではなく、第２の条件が満足されていると判断された場合（ステップＥ１５においてＹＥＳ）、予測サイクルは同様に終了し、その後、ターボポンプ１の回転アセンブリが所定の限界速度Ｗｓを超える量を抑えるためにターボポンプ１の作動への処置が取られる（処置ステップＥ１６）。

安全性を確保する方法がステップＥ１６に達するとき、それは、予測サイクルにおいて第１および第２の条件が共に満足され、したがって、ターボポンプ１が正常に定常的に作動しているにも拘らず、予測時点ｔ１での回転アセンブリに関して予測された回転速度Ｗ１が所定の限界速度Ｗｓを超えることを意味する。その場合、時点ｔ１において回転アセンブリによって実際に取られる回転速度が、限界速度Ｗｓを可能な限り僅かしか超えないように、ターボポンプ１の作動に可能な限り迅速に手を打つ必要がある。

図示の例では、ターボポンプ１の作動について実施される処置は、ターボポンプの緊急停止を含み、その停止は、タービン１０の入口１１での駆動流体の流量を急速に降下させるように第２のバルブ４０の開放を行うことによって実行される。

この処置が実施されると、安全性を確保する方法は終了する（終了ステップＥ１７）。

安全性確保の上記の方法の適用に関する詳細な説明が以下に続く。

本例では、上記のターボポンプ１が、その性能限界を試験するためにテスト・ベンチに搭載された。

例として、第１の試験段階の間、ターボポンプ１を定常状態で作動させることが決定された。

詳細には、ターボポンプ１の回転アセンブリを実質的に一定速度で回転させることが決定された。

その実質的に一定の回転速度は、タービン１０の入口１１での駆動流体の流量を調節することにより前記速度をサーボ制御する第１のバルブ３０によって達成された。

さらに、その第１の段階の間、駆動流体流の全てをタービン１０へ導くように、第２のバルブ４０は完全に閉鎖された。

その第１の試験段階中に回転アセンブリによって取られる実質的に一定の速度は、回転アセンブリの過回転開始の特性として選択された限界速度Ｗｓより十分に低くなるように決定された。

そのような状況下で、第１の試験段階を通して、上記の安全性確保の方法の予測サイクルが繰り返し実行され、そのたび毎に、第１の条件は満足されなかったと（ステップＥ１４におけるＮＯ）判断されて終了に至った。

図３は、一連の予測サイクルを通して繰り返し得られた実回転速度Ｗ０および予測回転速度Ｗ１の両方の変化を、時間の関数として表示したグラフである。

このグラフから、速度Ｗ０およびＷ１は、第１の試験段階中は実質的に等しかったことが分かる。駆動トルクと抵抗トルクとの間に存在する値偏倚がそのステップで緩和される予測サイクルの補正ステップＥ１２は、このステップが、それら２つのトルクを互いに独立に推定することから生じるそれらの間に存在する値の差を緩和するように働くので、実質的に等しい上記速度Ｗ０およびＷ１を得るのに寄与する。なお、その差は、回転アセンブリの回転速度が一定であるとき、理論上はゼロになる筈である。

その後、その第１の試験段階の後、ポンプへの入口での流れを変化させることによって、ポンプ２０のブレード上にキャビテーション現象をその中で強制的に出現させる第２の試験段階が実施された。キャビテーション現象によって、ターボポンプ１の回転アセンブリが過回転を開始するに至った。

そのような状況下で、図３のグラフに示されるように、特定の予測サイクルにおいて計算された予測回転速度Ｗ１が限界速度Ｗｓに達する瞬間が来た。

ターボポンプ１が、限界速度Ｗｓに達した時に過渡状態で作動していなかったので、その特定の予測サイクルは、ステップＥ１４のＹＥＳにステップＥ１５のＹＥＳが続いて終了に至り、ターボポンプ１の回転アセンブリの速度が限界速度Ｗｓを超える程度を抑えるために、第２のバルブ４０を開放させた。

図３のグラフから分かるように、本発明の安全性確保の方法を実施することによって、限界速度Ｗｓが実速度Ｗ０によって実際に横切られた時点に対して、予測速度Ｗ１が限界速度Ｗｓを横切ろうとした時点を先取りすることが可能になり、それによって、先行時間ΔＴを達成した。

たとえば、先行時間ΔＴは、ほぼ１００ｍｓ〜２００ｍｓの範囲内にあり得、それによって、それに対応する時間だけ先行して第２のバルブ４０の開放を行うことが可能になり、その結果、バルブ４０が実際に開放された時点から、損傷を生じるのに足りるエネルギーを回転アセンブリがその慣性に蓄積することができる危険性が低減される。

本明細書に記載の実施形態および実行形態は、例示的かつ非限定的態様で提示されており、この記述に照らして、当業者は、本発明の範囲内にありながら、これら実施形態または実行形態を容易に修正することができ、あるいは他の形態を考案することができる。

さらに、これら実施形態または実行形態の様々な特徴は、任意選択的に、単独で、または互いに組み合わせて使用することができる。組み合わされるとき、これら特徴は、上記のようにまたはそれらとは異なるように組み合わせることができ、本発明は、本明細書に説明された特定の組み合わせに限定されることはない。さらに言えば、別途指定されない限り、特定の実施形態または実行形態に関して説明された特徴は、他のいくつもの実施形態または実行形態に同様に適用することができる。

Claims (12)

1. ターボ機械（１）の回転アセンブリの作動の安全性を確保する方法であって、該回転アセンブリが、タービン（１０）を通って流れる駆動流体の膨張によって回転させられる該タービン（１０）と、該タービン（１０）によって機械的に駆動されて回転し、その回転によって回転機械（２０）を通って流れる被駆動流体を流動させる該回転機械（２０）とを共に備える方法において、
   所定の時間間隔中に以下の量を測定するステップ（Ｅ１〜Ｅ５）であって、該量が、
   該時間間隔の所与の実測時点（ｔ０）での該回転アセンブリの実回転速度（Ｗ０）、
   該タービン（１０）と該駆動流体との相互作用を表す少なくとも１つの「流体／タービン相互作用」パラメータ、および
   該回転機械（２０）と該被駆動流体との相互作用を表す少なくとも１つの「流体／回転機械相互作用」パラメータである、ステップ（Ｅ１〜Ｅ５）と、
   該実回転速度（Ｗ０）および該少なくとも１つの「流体／タービン相互作用」パラメータに基づいて、該タービン（１０）によって該回転アセンブリに加えられる駆動トルク（Ｃｍ）を推定するステップ（Ｅ６）と、
   該実回転速度（Ｗ０）および該少なくとも１つの「流体／回転機械相互作用」パラメータに基づいて、該駆動トルク（Ｃｍ）を推定するステップとは独立に、該回転機械（２０）によって該回転アセンブリに加えられる抵抗トルク（Ｃｒ）を推定するステップ（Ｅ７）と、
   該駆動トルク（Ｃｍ）と該抵抗トルク（Ｃｒ）との差を代表する代表値（ＤＣ’）を用意するステップ（Ｅ９〜Ｅ１２）と、
   該実測時点（ｔ０）より後の予測時点（ｔ１）での該回転アセンブリに関する予測回転速度（Ｗ１）を、該実回転速度（Ｗ０）、該代表値（ＤＣ’）、および該予測時点（ｔ１）と該実測時点（ｔ０）との時間差に基づいて計算するステップ（Ｅ１３）と、
   該予測回転速度（Ｗ１）が所定の限界速度（Ｗｓ）を超えている場合に、第１の条件が満たされていると判断するステップ（Ｅ１４）とを含む予測サイクルを繰り返し実施することによって、該回転アセンブリが該所定の限界速度（Ｗｓ）を超える事態を予知すること、および
   該予測サイクルにおいて少なくとも該第１の条件が満足されていると判断された場合に、該ターボ機械（１）の回転アセンブリの速度が該限界速度（Ｗｓ）を超える程度を抑えるために、該ターボ機械（１）の作動に対して処置を取る（Ｅ１６）ことを特徴とする方法。
2. 前記予測サイクルにおいて、前記予測回転速度（Ｗ１）が前記所定の限界速度（Ｗｓ）より大きい場合に前記第１の条件が満たされていると判断される（Ｅ１４）ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 取られる前記処置（Ｅ１６）が、前記ターボ機械（１）の緊急停止を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 取られる前記処置（Ｅ１６）が、前記タービン（１０）の入口（１１）での前記駆動流体の少なくとも流量を変更することを含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記流量の変更が、前記タービン（１０）の前記入口（１１）に対して並列に接続された少なくとも１つのバイパス・バルブ（４０）を少なくとも部分的に開放して、該タービン（１０）の該入口（１１）での前記駆動流体の流量を減少させることによって、行われることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記予測サイクルにおいて、前記ターボ機械（１）が過渡状態で作動していない場合に第２の条件が満足されていると判断され（Ｅ８、Ｅ１５）、かつ、
   該予測サイクルにおいて、少なくとも前記第１の条件および該第２の条件が共に満足されていると判断された場合に前記処置が取られる（Ｅ１６）
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記予測サイクルにおいて前記代表値（ＤＣ’）を用意するために、前記駆動トルク（Ｃｍ）および前記抵抗トルク（Ｃｒ）のうちの推定済みトルクの少なくとも１つを、前記測定量に伴う測定ノイズを減衰するように補正する（Ｅ９、Ｅ１０）ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記予測サイクルにおいて前記代表値（ＤＣ’）を用意するために、前記駆動トルク（Ｃｍ）と前記抵抗トルク（Ｃｒ）との間に、それらが互いに独立に推定される結果として存在する値偏倚を緩和する（Ｅ１２）ことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記予測サイクルにおいて前記代表値（ＤＣ’）を用意するために、前記駆動トルク（Ｃｍ）および前記抵抗トルク（Ｃｒ）が、前記測定量に伴う測定ノイズを減衰するために補正され（Ｅ９、Ｅ１０）、次いで、該補正済み駆動トルク（Ｃｍ’）と該補正済み抵抗トルク（Ｃｒ’）との差（ＤＣ）が計算され（Ｅ１１）、次いで、該差（ＤＣ）が、前記値偏倚を緩和するために補正される（Ｅ１２）ことを特徴とする、請求項７および８の記載を同時に満足する方法。
10. 前記予測サイクルにおいて、前記タービン（１０）の入口圧力（Ｐｅ）、該タービン（１０）の出口圧力（Ｐｓ）、および該タービン（１０）の前記入口での前記駆動流体の温度（Ｔｅ）それぞれで成り立つ３つの「流体／タービン相互作用」パラメータを測定し（Ｅ１〜Ｅ３）、前記実回転速度（Ｗ０）および該３つの「流体／タービン相互作用」パラメータ（Ｐｅ、Ｐｓ、Ｔｅ）に基づいて前記駆動トルク（Ｃｍ）を推定する（Ｅ６）ことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記ターボ機械としてのターボポンプの前記回転アセンブリの作動安定性を確保するために使用され、該回転アセンブリが前記タービン（１０）および前記回転機械（２０）としてのポンプを備えることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記予測サイクルにおいて、前記被駆動流体の流量（Ｑｅ）が、「流体／回転機械相互作用」パラメータとして前記ポンプの入口で測定され（Ｅ５）、前記抵抗トルク（Ｃｒ）が、前記実回転速度（Ｗ０）および該測定された流量（Ｑｅ）に基づいて推定される（Ｅ７）ことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。

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