JPH02286899A - ターボ機械の旋回失速を回避するための旋回失速予知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は流体を圧送するポンプ、送風機、圧縮機等に分
類される機械であって、遠心式、軸流式、斜流式等に種
別されて、総称をターボ機械と称する機械にかかわり、
該ターボ機械における流体の流量および圧力の激しい変
動の原因となる旋回失速状態を回避するためり旋回失速
の発生を事前に予知する装こに関する。

（従来の技術） はじめに、本発明の技術的背景にかかわり、ターボ機械
においては、加圧供給される流体の流量が人為的もしく
は何等かの原因で減少することにより、失速現象を生じ
る傾向のあることについて理解されたい、なお、翼車の
一部で失速状態にある流体が翼車の回転速度のおよそ３
０％〜７０％の角速度で回転する現象を旋回失速状態と
云う。

この旋回失速はサージングや脈動やキャビテーションを
生起し、更には振動や騒音あるいは機械部品の疲労破壊
と云う設備の重大なトラブルを発生する原因となり、そ
のトラブルによって産業上の多大な損害を被ることとな
る。

しかるに従来、前記の旋回失速状態を検知する方法はあ
るが、失速状態の生起以前の段階でその兆候を予知する
方法は知られていない。

従って従来は、予め設備の試験運転を成すことにより、
当該設備特有の旋回失速状態に移行する運転上の限界点
を設定し、設備の運転領域を定めて、それに基づき運転
している。

従ワて従来、ターボ機械を装備する設備においては、該
ターボ機械あるいは付属の加圧流体の回路等のいずれか
に長期使用や外的原因で流体作用の著しい変化が生じた
ばあい、当然に前記の旋回失速状態に移行する運転上の
限界点が変化し、ある時突如として旋回失速状態に陥る
ことがある。

なお、前記の旋回失速状態に陥ったばあい、失速特性が
ヒステリシス特性を持つため、その回避は容易ではなく
、該回避措置が完了するまでに相当の時間を経過し、そ
の間に重大なトラブルを誘発すると云う危険性がある。

（発明が解決しようとする問題点） 旋回失速現象は、その現象がかなり進行した段階では、
加圧流体の流れの脈動、機械の振動、発生する騒音など
の程度によっても概略検知することができょうが、この
ように発達した失速現象を初期の段階で検知してその後
に失速状悪な回避する４１↑近をとったとしても、この
失速状態を回避するまでに相当の時間を要し、事故対策
が不可能なばあいが多い、すなわちそれは、本発明の発
明者による。前記の旋回失速現象と失速状態にかかわる
流体作用を調べることを目的とした次の実験によって理
解できよう。

上記の旋回失速にかかわる出力波形の特性を検知するた
め、機械および装置の回路内の適切な位こに、熱線流速
計や圧力センサなどを挿入し１機械内の流体作用を調べ
た。第２図はそのデータであり、出力波形を時間の経過
に伴なって記録したちのである。同図の１列と３列の出
力は、翼の回転に伴なって生起した翼数Ｘ回転数の翼通
過により生じる周波数にかかわる波形である。同図の２
列と４列は、それぞれ１列と３列の出力に翼通過周波数
×ｌ／２の低帯域フィルタを施して翼通過周波数成分を
除去して記録したものであって、図の横軸の１目盛は翼
車の１回転に相当する。この低帯域フィルタを施した出
力波形では前記の翼通過周波数が消去されることから、
旋回失速の現象として図の２列目および４列目のように
流体圧（もしくは流速）の擾乱が明確に現われる。なお
、図の２列目で確認できる小さな擾乱は旋回失速現象の
初生の状態を示し、４列目の擾乱は前記の失速現象が発
達するに伴なって旋回失速特有の波形に移行する流体圧
の現象を示している。

上記の実験結果の図によって明らかなように、旋回失速
現象の初生から失速状態の生起点に至る発達過程に要す
る時間は、翼車の回転量にして僅か数回転に相当する瞬
間的なものである。従って前記の旋回失速現象の初生点
以後の遅い時期に失速現象や失速状態を検知し、それを
信号として失速回避の手段やｒｖ制御を施したとしても
、この機械の作用上の特性から制御の遅れを生じるので
ある、しかも、流体の流れの慣性等が手伝って、目的と
する失速回避を成し遂げることは不可能である、そして
、このターボ機械が一旦失速状態に入ると、ヒステリシ
ス特性により、前述の失速状態に移行する時の流量の限
界点よりも該流量を顕著に増加する措置をとらなければ
、その失速状態を解消することはできない。

以上述べられたことで明らかなように、このターボ機械
の旋回失速状態を確実に回避するためには、すくなくと
も前記の旋回失速状態に突入する以前の極めて早い時期
にその兆候を予知し、しかも速やかにその失速状態を回
避する措置と制御をしなければならない、その一方で、
当該ターボ機械における流体の流れには基本的に複雑な
乱れがあり、この乱れた流体作用の中の瞬間的な出力波
形からその失速現象を予知することは不可能と云えよう
。

本発明は前記の解決すべき問題点に鑑み、ターボ機械の
運転中に旋回失速の生起の兆候が生じると、来るべき旋
回失速状態への移行を予知し、速やかにその措置にかか
わる制御を施し、旋回失速状態への突入を回避すること
を目的として成されたものである。

（問題点を解決するための手段） この発明は、旋回失速状態を予知するための要件の１つ
となる流体作用の時間的変化を調べるため、圧力センサ
（もしくは熱線流速計）を翼車のケーシングの内面等に
装備する。そして、前記の圧力センサの感圧信号を入力
するデータ入力部と感圧信号の追補に伴なって逐次統計
量が計算できる解析器とからなるコントローラを装備す
る。前記のコントローラには入力される感圧信号の圧力
変動（もしくは流速変化）の波形を翼車の回転に同期す
るとともに規則的に抽出してディジタル量に変換し、翼
車に相対的な定点における感圧信号走 の平均値２分散値、歪度および２点間の感圧信号Δ の相互相関などの統計量を計算する機能を備える、更に
コントローラには、古いデータを削除して最新の情報を
取り込む機能と、前記の統計量をそのつと再計算する機
能とを有し、情報を漸次更新する時間移動処理の使方を
備える。

上記の構成において、旋回失速の兆候を見出すための統
計量として好ましいのは相互相関値であると云えるが、
そのシステムを構成するには解析器に高度な解析能力が
要求されることから、解析作業が技術的に容易な分散値
や歪度等の統計量を情報として前記兆候を予知するよう
にしてもよい、更に、統計量を求めるための母集団のデ
ータの分量はこれが多過ぎると目的とする予知の時間的
感度が鈍くなり、少な過ぎると予知の精度が悪くなる傾
向がある。この点を考慮すれば望ましいデータの数量は
５０〜５００程度と云える。

この発明の特徴は、前記の構成によって、ターボ機械の
流量が旋回失速の初生点近くに至ると、ターボ機械内の
圧力データの統計量゛に前述の擾乱の兆候となる異変を
生じることに着目し、この兆候すなわち前記統計量を漸
次監視することを１手段として旋回失速状態の発生を予
知するところにある。

本発明の今一つの特徴は、前記の検知される圧力データ
の基準となる統計量の設定条件として、しきい値すなわ
ち連続的に変化する現象に対してその値を越えることを
以って旋回失速生起の兆候が起こったことを判別する基
準値を設定し、該しきい値を基準とする統計量の相関値
により判別された結果発信される信号を制御手段として
、当該ターボ機械の流体圧もしくは流量を制御すること
により、前記の旋回失速状態の発生を事前に回避するこ
とにある。

本発明の今一つの特徴は、ターボ機械のハブ面もしくは
ケーシング面の適所に流体の流れを妨害しないように圧
力センサを埋め込み、該センサの感圧信号を、専用解析
器またはミニコンやマイコン等の汎用解析器（以下単に
解析器と云う）の指令により周期的（規則的）かつ適宜
に情報として抽出し、この情報なＡＤ変換して順次解析
器に取り込み、その最新の情報により漸次、加算、二乗
加算、相互積加算、三乗加算などを行って相互相関や分
散値や歪度などの統計量を求め、この値を保有するとと
もに表示する構造に関する。（第１図参照） 更に本発明は、第３図の概念図で示すように、保有する
統計量をターボ機械の運転に従って漸次更新（この手続
きを時間移動処理と云う）し、この最新の統計量と前記
しきい値とを対比することを１手段として、当該ターボ
機械の旋回失速現象の発生を監視するとともに、有事の
際の制御信号の発信手段として用いることを特徴とする
。

（実施例） 以下、第１図の実施例に基づき、本発明の構成について
具体的に説明する。

ターボ機械ｌはケーシング２の中心部のハブ３に支承さ
れて回転する翼車４を有し、この翼車に適数の翼５を設
けている。前記の翼車はモータ６に連結されていてその
運転を制御される。前記のケーシング２の壁面には、回
転翼の通過によって生起する高周波の圧力変動に対して
充分に応答できる圧力センサ７を設ける。この圧力セン
サ７に接続してコントローラｌＯを装備する。このコン
トローラｌＯは、前記圧力センサの感圧信号を抽出する
とともにそのアナログ信号をデジタル信号に変換するデ
ータ入力部１１、および翼車の回転に伴なう流体圧の変
化を漸次統計的に計算して処理する解析器１２を持って
いる。前記の統計量に取り入れられるデータは抽出指令
によりて時間移動処理され、最新情報として前記コント
ローラｌＯの記憶装置部（メモリ）に入力して保有する
。

そして、この漸次更新されて保有される統計量と設定さ
れたしきい値との差が小さくなり、やがて前記統計量が
しきい値を越えたことを検知した時、前記コントローラ
１０はターボ機械ｌの出力補正のための信号を発信する
ように構成する。

（発明の作用） 以上の構成に基づき実施される本発明では、次の実験結
果の記録が示すとおり作用する。

データの抽出と統計量とは時ｕ１１の移動とデータの追
補に伴なって漸次処理される。第３図はその進行状態を
示したもので、横線で示すデータ■。

■、■のそれぞれは逐次読み込まれその統計量をオンラ
インで計算される過程を概念的に表わしたもので１時間
移動処理にかかわる作用が理解できる。

統計量にかかわり、翼車のケーシング面に設けた圧力の
時間相関を調べた結果を第４図に示す。

第４図において、横軸は翼車の回転と同期させ２つの翼
が通過する時間を５０等分に分割してその時間を設定し
、縦軸は横軸の５０等分に対応する点の圧力データ群を
基準として、他の点のデータ群との相互相関係数をとっ
て示した図面である。

この図の中でφは流量係数で、φ＝０．５００　（上図
）は正常な運転時、φ＝０．３２４（下図）は旋回失速
の生起点に近づいた流量に対応する。

なお図中ので＝２．０は翼とケーシングとの隙間（単位
１鳳）、　ＥＺＺＴと　ＩＴＢは圧力センサの挿入位こ
とデータの抽出方法とを識別するために記入された記号
である。

上記の第４図で解るように、正常な運転では１つの翼が
通過するごとに相似形の相関値が現われ、翼に対する相
対流れ場では相隣る翼間の流動現象に強い相関があるが
、旋回失速直前では隣の翼との翼間の流れとの相関が小
さくなることが解る、この現象を利用して、翼が１ピツ
チだけ移動する時ｆＪＪ］間隔でデータを抽出して互い
のデータ群の相互相関値を監視すれば、旋回失速へ近づ
いたことが判定できる。前記と同様の原理で、ターボ機
ン 械のデイ域ユーザ内の旋回失速現象を検出するためには
、案内羽根ｌピッチだけ離れた２点の流体作用（圧力）
の空間相関を調べるとよい。

ｔ５５図は流量係数に対して翼１ピッチ通過前後のデー
タ群の相互相関を調べたものであり、この図によれば流
量が失速状態へ近づくと相関値が急激に小さくなること
が解る。なお第５図においては横軸に流量係数をとり、
基準点の圧力データ群とχが１ピツチだけ移動した後の
圧力データ群に対する相互相関係数を示している。なお
図中工とＩＩとは翼車の種類を示している。

第６図は翼との相対位置を定めた１点の圧力を周期的な
データの抽出によって収集してそのヒストグラムを調べ
たものであフて、翼車の回転と同期した１点の圧力デー
タ群の頻度数の分布を、平均値を中心としてヒストグラ
ムで表わした図面である。この図においては、正常な運
転では平均値に対して対称に近いヒストグラムを示し、
旋回失速状態の生起点に近づくとその値が前記平均値に
対して非対称になることを示している。このようなヒス
トグラムの形状は、統計量として歪度（３次積率）をと
ればよく解る。

第７図は流量係数に対して歪度を調べたものであり、横
軸は流量係数、縦軸は翼と同期した１点の圧力データ群
の歪度で、上部に記入された記号はデータの抽出条件を
識別するための記号である、この図面で明らかなとおり
、流量が大きい場合には歪度はゼロに近いが、失速状態
の生起点が近づくとこの歪度が負の値となる。なお歪度
の代りに統計量として分散値を用いると、前記失速の生
起点が近づくと、該分散値が急激に大きくなることが解
る。

第８図は翼車の回転と同期した基準点の圧力データ群と
翼が１ピツチ分だけ移動した後のデータ群との相互相関
を時間移動処理により求めたもので、時間とともに流量
を減じていて、その変化の様子が理解できる。

（発明の効果） 以上述べられた機能と作用により、本発明には次の効果
かある。

ターボ機械の流れは一般に乱れが大きいので、正常運転
時にも異常な圧力データの入る回走性かあるが、本発明
によれば統計的処理によってその影響をとり除くことが
できる。そして、旋回失速が近づくにつれて異常データ
の混入の割合か増加する傾向により、統計量が最初は徐
々に変化し、失速立直前で急激に変化する特性があるけ
れども、前記の時間移動処理を行うとともに当該ターボ
機械の用途に応じて適切なしきい値を設定するこの発生
を予知することが可能であり、該旋回失速を回避できる
効果がある。

【図面の簡単な説明】

１５１図は本発明の実施例を示す簡略図、第２図はター
ボ機械の旋回失速時の出力波形を示す図面、第３図は時
間移動処理の説明図、第４図は翼が通過する時間に対応
する圧力データ群にかかわる相互相関を係数で示した図
面、第５図は基準となる圧力データ群とズが１ピツチだ
け移動した後の圧力データ群との相互相関係数を示した
図、第６図は圧力データ群の頻度数分布を平均値を基準
にヒストグラムで表わした図面、第７図は流量と歪度の
関係を示す図面、第８図は基準点の圧力データ群と翼が
１ピツチだけ移動した後のデータ群との相互相関が時間
の移動と流量変化に伴なって変化する様子を示す図面。 ｌ・・・ターボ機械 ３・ｅ争ハブ ５・・・翼 ７・・・圧力センサ １１・・・データ入力部 ・ケーシング ・翼車 ・モータ ・・コントローラ 解析器 ２　・　・ ４　・　・ ６　・　・ １０　　・ １２・・・ 第 図 時間 データ追加 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ターボ機械１と、このターボ機械の翼車の回転領域もし
   くはその直前のケーシング面またはハブ面に装備されて
   流体作用を検出するセンサ７と、前記センサが検出する
   圧力変化もしくは流速変化にかかわる連続的出力信号を
   抽出して入力するデータ入力部、および入力されたデー
   タを漸次統計的に計算して処理するとともに時間移動処
   理を成す解析器を持つコントローラ１０とからなる、タ
   ーボ機械の旋回失速を回避するための旋回失速予知装置
   。