(57)【要約】【課題】簡易な構成によってサージングの発生を予測可能な軸流式回転機械の状態監視システムを提供する。【解決手段】軸流圧縮機１のディフューザ６内における軸線Ｏ方向の動圧値を検出し、該動圧値に基づく動圧信号Ｓ１を出力する動圧計測装置１１と、該動圧信号Ｓ１が入力される制御装置１２と、を備え、制御装置１２は、予め定めた閾値を境界として、上記動圧信号Ｓ１に基づく値が上記境界を跨ぐように変化したか否かを判断する判別部１４と、上記動圧信号Ｓ１に基づく値が上記境界を跨いだと判別部１４が判断した際に、軸流圧縮機１の入口の圧力に対する出口の圧力の比である圧力比を制限するための圧力比制限信号Ｓ２を生成する圧力比制限信号生成部１５と、を有することを特徴とする。【選択図】図２
2014098333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸流式回転機械のディフューザ内における軸方向の動圧値を検出し、該動圧値に基づく動圧信号を出力する動圧検出部と、
該動圧信号が入力される制御装置と、
を備え、
該制御装置は、
予め定めた閾値を境界として、前記動圧信号に基づく値が前記境界を跨ぐように変化したか否かを判断する判別部と、
前記動圧信号に基づく値が前記境界を跨いだと前記判別部が判断した際に、前記軸流式回転機械の入口の圧力に対する出口の圧力の比である圧力比を制限するための圧力比制限信号を生成する圧力比制限信号生成部と、
を有することを特徴とする軸流式回転機械の状態監視システム。
【請求項２】
前記動圧検出部は、前記ディフューザ内で互いに径方向に離間する二点の位置で前記動圧値を検出し、これら動圧値同士の差分に基づく信号を前記動圧信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の軸流式回転機械の状態監視システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の状態監視システムを備えることを特徴とする軸流式回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸流送風機、軸流圧縮機等の軸流式回転機械の状態監視に関する。
【背景技術】
【０００２】
軸流式のブロア、軸流圧縮機等の軸流式回転機械においては、入口圧力に対する出口圧力の比（圧力比）が所定の値を上回る運転状態となるとサージングが発生する。このため、このような好ましくない運転状態を回避するための様々な手立てが講じられている。
【０００３】
具体的には例えば、圧縮機入口の一点及び出口の一点における圧力を計測して圧力比を算出し、この圧力比と予め設定した所定値（サージング発生のおそれがある圧力比の値）との差異を比較・判断して、運転点がサージ点に到達しないように圧力比の増加を抑制する方法がある。
【０００４】
また、特許文献１に開示された装置では、ガスタービン圧縮機の各段の圧力、温度をセンサによって監視し、予め設定した設定値と比較してこれら圧力、温度の値がこの設定値を超過した場合にサージングが発生したと判断することでより早急なサージング発生の検出を可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−９０５５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、圧縮機入口の一点及び出口の一点における圧力を計測して圧力比を算出する場合には、出口における流体の流れは一様となっていないため、出口圧力の計測精度が低下してしまう。即ち、この手法では入口と出口での平均的な圧力でしか監視ができないため、正確な運転状態を把握することが難しい。さらに、上記所定値（サージング発生のおそれがある圧力比の値）を設定する際には、この所定値は翼がクリーンな状態である初期運転時を基準として設定される。このため、翼に汚れが付着する等によって運転性能が低下して運転範囲が狭くなっている場合には、計測、算出した圧力比とこの所定値とを比較しても運転点がサージングに近くなっていることを確実に把握できないおそれがある。
また、特許文献１に開示された方法では、センサの設置数量が多くなり、設置の手間やコスト面で好ましくない。
【０００７】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、簡易な構成によってサージングの発生を予測することが可能な軸流式回転機械の状態監視システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係る軸流式回転機械の状態監視システムは、軸流式回転機械のディフューザ内における軸方向の動圧値を検出し、該動圧値に基づく動圧信号を出力する動圧検出部と、該動圧信号が入力される制御装置と、を備え、該制御装置は、予め定めた閾値を境界として、前記動圧信号に基づく値が前記境界を跨ぐように変化したか否かを判断する判別部と、前記動圧信号に基づく値が前記境界を跨いだと前記判別部が判断した際に、前記軸流式回転機械の入口の圧力に対する出口の圧力の比である圧力比を制限するための圧力比制限信号を生成する圧力比制限信号生成部と、を有することを特徴とする。
【０００９】
このような状態監視システムによると、動圧検出部からの動圧信号を制御装置で受け、閾値を跨いで動圧信号に基づく値が変化したか否かを判断する。即ち、動圧信号に基づく値が閾値よりも小さい値から大きい値へ変化したか否か、及び、閾値よりも大きい値から小さい値へ変化したか否かを判断する。
ここで、軸流式回転機械の運転点がサージング発生状態に近づくと、ディフューザ内では内周側から外周側へ向かう二次流れが強くなる傾向があるため、ディフューザ内の流れが外周側へ偏在することとなる。そして最終的には内周側において軸方向の下流へ向かって流れが無くなり、上流側に向かう逆流が発生しサージングへと発展する。このような状態では、ディフューザ内の動圧値が内周側では減少し、外周側では動圧値が増大する。
従って、運転点がサージ点となってしまわないような動圧値に対応する閾値を設定し、ディフューザ内周側では、制御装置における判別部において動圧信号に基づく値がこの閾値を跨いで小さい値となったか否かを、又は、ディフューザ外周側では動圧信号に基づく値がこの閾値を跨いで大きい値となったか否かを判断することで、サージングが発生する前に、圧力比制限信号生成部が圧力比を制限する圧力比制限信号を生成することができる。よって、この圧力比制限信号を用いて圧力比を制限するように運転を制御することが可能である。
【００１０】
また、前記動圧検出部は、前記ディフューザ内で互いに径方向に離間する二点の位置で前記動圧値を検出し、これら動圧値同士の差分に基づく信号を前記動圧信号として出力してもよい。
【００１１】
軸流式回転機械の運転点がサージング発生状態に近づくと、ディフューザ内の径方向で動圧値の差が小さくなる部分が発生する。ここで、このように差の小さくなる二点の動圧値の差分に関し、運転点がサージ点となってしまわないような差分に対応する閾値を設定する。そして、二点における動圧値の差圧の動圧信号に基づく値が、この閾値を跨いで変化したか否か、即ち、動圧信号に基づく値が閾値よりも大きい値から小さい値へ変化したか否かを判別部で判断する。このようにすることで、サージングが発生する前に、圧力比制限信号生成部が圧力比を制限する圧力比制限信号を生成することができ、圧力比を制限するように軸流式回転機械を制御することが可能となり、サージングの発生を確実に防止できる。なお、このようなディフューザ内で動圧値の差が小さくなる現象は、特に外周側において顕著であるため、これに対応して二点の位置を適宜選択する。
【００１２】
本発明に係る軸流式回転機械は、上記の状態監視システムを備えることを特徴とする。
【００１３】
このような軸流式回転機械によると、制御装置における判別部において動圧信号に基づく値が閾値を跨いだか否かを判断することで、サージングが発生する前に、圧力比制限信号生成部が圧力比を制限する圧力比制限信号を生成することができる。従って、この圧力比制限信号を用いて圧力比を制限するように軸流式回転機械を制御することが可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の軸流式流体機械の状態監視システム、及び軸流式流体機械によると、ディフューザ内に動圧検出部を設け、動圧値を検出することによって、簡易な構成でサージングの発生を予測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第一実施形態に係る軸流圧縮機の全体断面図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る軸流圧縮機のディフューザ周辺を拡大して示す図である。
【図３】本発明の第一実施形態に係る軸流圧縮機のディフューザ内の動圧値の分布を示すグラフである。
【図４】本発明の第二実施形態に係る軸流圧縮機のディフューザ周辺を拡大して示す図である。
【図５】本発明の第三実施形態に係る軸流圧縮機のディフューザ周辺を拡大して示す図である。
【図６】本発明の第三実施形態に係る軸流圧縮機のディフューザ内の動圧値の分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
〔第一実施形態〕
以下、本発明の実施形態に係る軸流圧縮機（軸流式回転機械）１について説明する。
図１に示すように、軸流圧縮機１は、例えばガスタービン等に適用され、内部で空気等のガスＧを下流に向かって流通させる間に、このガスＧを圧縮して昇圧する。
【００１７】
この軸流圧縮機１は、円筒状をなすケーシング２と、ケーシング２に覆われるようにして支持された回転軸３と、ケーシング２に設けられて回転軸３の延在方向に間隔をあけて配された複数段の静翼列４と、回転軸３に設けられて静翼列４と軸線Ｏの方向に交互に配された複数段の動翼列５とを備えている。
さらに軸流圧縮機１は、これら複数段の動翼列５、静翼列４よりも下流側に設けられたディフューザ６と、ディフューザ６に設けられてディフューザ６の内部の状態を監視する状態監視システム１０とを備えている。
【００１８】
ケーシング２は、軸線Ｏを中心とした円筒状をなして軸線Ｏの方向に延在し、軸流圧縮機１の外壁を構成している。
【００１９】
回転軸３は、軸線Ｏを中心とした円柱状をなして軸線Ｏの方向に延在しており、ケーシング２によって軸線Ｏの径方向外側から覆われるとともに、不図示の軸受によってケーシング２との間で相対回転可能となるように、ケーシング２に支持されている。
【００２０】
複数段の静翼列４は、径方向内側に向かって、即ち回転軸３に向かってケーシング２から突出するようにケーシング２に固定されて、軸線Ｏの方向に間隔をあけて配された翼部材である。また各々の静翼列４は、軸線Ｏの周方向に間隔をあけて配された複数の静翼４ａから構成されている。
【００２１】
複数段の動翼列５は、径方向外側に向かって、即ちケーシング２に向かって回転軸３から突出するように回転軸３に固定されて、軸線Ｏの方向に間隔をあけて配された翼部材である。また、これら動翼列５は、隣接する静翼列４同士の間に一つずつ配されており、これによって静翼列４と動翼列５とが軸線Ｏの方向に交互に配されている。また、各々の動翼列５は、軸線Ｏの周方向に間隔をあけて配された複数の動翼５ａから構成されている。
【００２２】
そして、これら複数段の静翼列４、動翼列５の配された空間がガスＧの流路ＦＣとなっており、不図示の吸気口から取り込まれたガスＧがこの流路ＦＣ内を軸線Ｏに沿って上流から下流に向かってこれら静翼列４、動翼列５を通過しながら流通することで、このガスＧが圧縮される。
【００２３】
ディフューザ６は、最も下流側に位置する静翼列４、即ち最終段の静翼列４の下流側に設けられてケーシング２に固定されており、軸線Ｏを中心として環状空間を内部に画成するとともに、外径が下流に向かうに従って拡径している。そして上記流路ＦＣを流通して昇圧されたガスＧを上記環状空間内に導入して、外部へ向けて排気する。
【００２４】
次に、状態監視システム１０について説明する。
図２に示すように、状態監視システム１０は、ディフューザ６内部の動圧値を検出して動圧信号Ｓ１を出力する動圧計測装置（動圧検出部）１１と、動圧信号Ｓ１が入力される制御装置１２とを備えている。
【００２５】
動圧計測装置１１は、本実施形態ではピトー管が適用され、ディフューザ６内の内周側となる径方向内側の位置に設置されて、この位置における全圧と静圧との差分から軸線Ｏ方向の動圧値を検出し、この動圧値に基づく動圧信号Ｓ１を出力する。
【００２６】
ここで、軸流圧縮機１の運転点がサージング発生状態に近づくと、ディフューザ６内では内周側から外周側へ向かう二次流れが強くなる傾向がある。このため、ディフューザ６内の流れが外周側へ偏在することとなり、最終的には内周側において軸線Ｐ方向下流へ向かう流れが無くなり、上流側に向かう逆流が発生してサージングへと発展する。
【００２７】
即ち、サージングが発生する際には、図３の破線のグラフに示す状態Ａ（設計点）から、一点鎖線のグラフに示す状態Ｂとなり、最終的にサージング発生直前の実線のグラフに示す状態Ｃへと移行する。即ち、サージング発生状態に近づくにつれてディフューザ６の内周側で動圧値が減少し、一方で外周側では動圧値が増加する。
【００２８】
このようなディフューザ６の内周側での動圧値減少は、特に径方向内側からの距離が２０％以下の範囲で顕著であるため、動圧計測装置１１で動圧値を検出する位置は、例えばこのような２０％以下の位置とすることが好ましい。
【００２９】
制御装置１２は、動圧計測装置１１からの動圧信号Ｓ１を入力してこの動圧信号Ｓ１に基づく値を判断する判別部１４と、この判別部１４での判断を元に軸流圧縮機１の入口圧力（上記吸気口での圧力）に対する出口圧力（ディフューザ６での圧力）の比である圧力比を制限するための圧力比制限信号Ｓ２を生成する圧力比制限信号生成部１５とを有している。
【００３０】
判別部１４は、予め設定された閾値を記憶しており、動圧計測装置１１からの動圧信号Ｓ１とこの閾値との比較を行う。動圧信号Ｓ１は連続的、又は間欠的に検出されており、動圧信号Ｓ１に基づく値が閾値よりも小さい値となったか否かを判断する。即ち、閾値を境界としてこの境界を跨いで動圧信号Ｓ１に基づく値が変化したか否かを判断する。
【００３１】
この閾値については、運転点がサージ点となってしまわないような動圧値に対応する数値に設定される。具体例としては、軸流圧縮機１の設計点（正常運転点）での動圧値の７．５〜１２．５％に対応する値が第一閾値として設定され、設計点での動圧値の２．５〜７．５％に対応する値が第二閾値に設定される。
【００３２】
圧力比制限信号生成部１５は、動圧信号Ｓ１に基づく値が閾値よりも小さい値となったと判別部１４で判別された場合に、上記圧力比を制限するように圧力比制限信号Ｓ２を生成する。
【００３３】
このような軸流圧縮機１においては、動圧計測装置１１からの動圧信号Ｓ１を制御装置１２で受け、閾値を跨いで動圧信号Ｓ１に基づく値が小さくなったか否かを判別部１４で判断し、圧力比制限信号生成部１５で圧力比制限信号Ｓ２を生成することができる。そしてこの圧力比制限信号Ｓ２を用いて、圧力比を制限することが可能となる。
【００３４】
圧力比を制限する具体例としては、動圧信号Ｓ１に基づく値が上記第一閾値よりも小さい値となった場合には、圧力比制限信号Ｓ２によって、ディフューザ６に接続されてディフューザ６内外を連通する不図示のバイパス流路のバルブを開放する。そして、このバイパス流路からガスＧを排気することで出口圧力を低減することができる。
【００３５】
さらに、動圧信号Ｓ１に基づく値が上記第一閾値を超えて、上記第二閾値よりも小さい値となった場合には、圧力比制限信号Ｓ２によって、例えば静翼４ａの開度を増大させてガスＧの流量を増大させることができる。
【００３６】
そして、動圧信号Ｓ１に基づく値が設計点の動圧値の０％に対応する値、即ち動圧値が０に近づいた場合には、圧力比制限信号Ｓ２によって、例えば回転軸３の回転数を抑え、最終的に運転を非常停止することができる。
【００３７】
本実施形態の軸流圧縮機１によると、動圧計測装置１１としてピトー管を設置することによって、ディフューザ６内の局所的な一点の動圧を検出するのみの簡易な構成で圧力比制限信号Ｓ２を生成し、サージングの発生を予測可能となる。
また、圧力比制限信号Ｓ２を用いて様々な処置方法を選択でき、サージングの発生防止をより確実なものとすることができる。
【００３８】
なお、本実施形態では、動圧計測装置１１はディフューザ６内の内周側の位置で動圧値を検出しているが、検出位置はこの位置には限定されない。例えば、図３に示すように、ディフューザ６の外周側においては、サージングの発生状態に近づくと動圧値が増加する。従って、例えば、動圧値を外周側で検出することも可能であり、この場合、閾値を適宜設定し、検出された動圧値がこの閾値よりも小さい値から大きい値へと移行した際に圧力比制限信号生成部１５が圧力比制限信号Ｓ２を生成するようにすれば、この圧力比制限信号Ｓ２に基づいて圧力比を低減するような処置を実行するようにすることもできる。即ち、検出位置は本実施形態の場合に限定されない。
【００３９】
〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態に係る軸流圧縮機２１について説明する。
なお、第一実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、状態監視システム２３における動圧計測装置２４が第一実施形態とは異なっている。
【００４０】
図４に示すように、動圧計測装置２４が、全圧管によって構成されている。この全圧管はピトー管とは異なり、管状部材６ａによって全圧のみを検出して、また、ディフューザ６の内外を貫通して形成された貫通孔６ｂによってディフューザ６内の静圧を検出し、これら全圧と静圧との差分を算出することで動圧値を検出する。本実施形態では、管状部材が設けられた位置よりも軸線Ｏ方向の上流側となる位置でディフューザ６の径方向内側の壁面に貫通孔６ｂが形成されている。
【００４１】
本実施形態の軸流圧縮機２１によると、第一実施形態と同様に、動圧計測装置２４によって、ディフューザ６内の局所的な一点の動圧値を検出するのみの簡易な構成によって、サージングの発生を予測可能となる。
また、動圧信号Ｓ１に基づいて生成された出力圧力比制限信号Ｓ２を用いて、様々な処置方法を選択でき、サージングの発生防止をより確実なものとすることができる。
【００４２】
ここで、本実施形態のように動圧計測装置２４に全圧管を用いた場合には、全圧の検出位置と、静圧の検出位置とで検出位置が異なってしまう。しかし、静圧はディフューザ６内でほぼ一様となっており、十分な動圧値の検出精度を得ることができる。
【００４３】
また、全圧管はピトー管に比べて構造が簡易であるため、メンテナンスを容易化でき、コスト低減も可能となる。
【００４４】
〔第三実施形態〕
次に、本発明の第三実施形態に係る軸流圧縮機３１について説明する。
なお、第一実施形態及び第二実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、状態監視システム３３における動圧計測装置３４が第一実施形態及び第二実施形態とは異なっている。
【００４５】
図５に示すように、動圧計測装置３４は、ディフューザ６内の外周側となる径方向外側の位置に設置されて、径方向に互いに離間する二点（図５及び図６における点Ｐ１、Ｐ２）の位置で動圧値を検出し、これら動圧値同士の差分に基づく信号を動圧信号Ｓ２１として制御装置３５の判別部３６へ出力する。
【００４６】
この動圧計測装置３４には、例えば二つのピトー管や二つの全圧管が適用される。二つの全圧管が適用される場合には、全圧同士の差分を算出することになるが、この場合でも、静圧は点Ｐ１、Ｐ２でほぼ同じとなるため、この差分は動圧値の差分とみなす。
【００４７】
ここで軸流圧縮機３１の運転点がサージング発生状態に近づくと、上述したようにディフューザ６内の流れが外周側へ偏在するため、ディフューザ６内の径方向に動圧値の差が小さくなる部分が発生する。
【００４８】
即ち、サージングが発生する際には、図６の破線のグラフに示す状態Ａ（設計点）から、一点鎖線のグラフに示す状態Ｂとなり、最終的にサージング発生直前の実線のグラフに示す状態Ｃへと移行し、状態Ｃではディフューザ６内の外周側で動圧値の差が小さくなる。
【００４９】
このように、ディフューザ６内で動圧値の差が小さくなる現象は、特に径方向内側からの距離が８０〜９０％の範囲で顕著であるため、動圧計測装置３４で検出するディフューザ６内の径方向の位置は、例えばこのような８０〜９０％の位置とすることが好ましい。
【００５０】
そして、制御装置３５の判別部３６は、予め設定された閾値を記憶しており、動圧計測装置３４からの動圧信号Ｓ２１とこの閾値との比較を行い、動圧信号Ｓ２１に基づく値が閾値よりも小さい値となったか否かを判断する。即ち、閾値を境界としてこの境界を跨いで動圧信号Ｓ２１に基づく値が変化したか否かを判断する。
【００５１】
この閾値については、運転点がサージ点となってしまわないような差分に対応する値に設定される。
【００５２】
このような軸流圧縮機３１においては、点Ｐ１、Ｐ２おける動圧値の差圧に基づく信号を動圧信号Ｓ２１として、閾値を跨いでこの動圧信号Ｓ２１に基づく値が小さくなったか否かを制御装置３５の判別部３６で判断し、圧力比制限信号生成部３７で圧力比制限信号Ｓ２２を生成し、この圧力比制限信号Ｓ２２によって圧力比を制限することが可能となる。
【００５３】
即ち、簡易な構成でサージングの発生を予測することが可能となり、また、サージングが発生する前に圧力比を制限するように、例えば第一実施形態で説明したバイパス流路の利用や静翼４ａの開度調節、そして最終的に運転停止するなどの運転制御が可能となり、サージングの発生を確実に防止できる。
【００５４】
なお、本実施形態では、ディフューザ６内の外周側での二点Ｐ１、Ｐ２で動圧値を検出していたが、閾値を適宜設定することで、例えばサージング発生の際に動圧値の差分が小さくなる他の二点で検出することも可能であり、検出位置は本実施形態の場合に限定されない。
【００５５】
以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、ディフューザ６内の上流側ではガスＧが最終段の静翼列４の影響を受けて流れが乱れている一方で、下流側では流れが比較的安定するため、動圧計測装置１１（２４、３４）はディフューザ６内の下流側に設置する方がよく、この場合には、より正確な動圧値を検出することができ、サージング発生をさらに確実に防止可能となる。
【００５６】
また、上述の実施形態では軸流式回転機械が軸流圧縮機１（２１、３１）である場合について説明を行ったが、例えば軸流ファン、軸流ブロア等の送風機にも適用可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１…軸流圧縮機（軸流式回転機械）  ２…ケーシング  ３…回転軸  ４…静翼列  ５…動翼列  ６…ディフューザ  １０…状態監視システム  １１…動圧計測装置（動圧検出部）  １２…制御装置  １４…判別部  １５…圧力比制限信号生成部  Ｏ…軸線  Ｇ…ガス  ＦＣ…流路  Ｓ１…動圧信号  Ｓ２…圧力比制限信号  ２１…軸流圧縮機  ２３…状態監視システム  ２４…動圧計測装置  ６ａ…管状部材  ６ｂ…貫通孔  ３１…軸流圧縮機  ３３…状態監視システム  ３４…動圧計測装置  Ｓ２１…動圧信号  Ｓ２２…圧力比制限信号  ３５…制御装置  ３６…判別部  ３７…圧力比制限信号生成部
【図１】
2014098333.tif 000003
【図２】
2014098333.tif 000004
【図３】
2014098333.tif 000005
【図４】
2014098333.tif 000006
【図５】
2014098333.tif 000007
【図６】
2014098333.tif 000008