(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体機械の被駆動軸の基準回転速度に対応して、前記流体機械に吸い込まれる流体の吸込容積流量と、前記流体機械が前記流体を圧縮することによって得られる前記流体機械の等エントロピーヘッドとからなるサージ防止曲線を予め設定し、
前記流体機械に吸い込まれる前記流体の吸込容積流量および前記流体機械の被駆動軸の回転速度を計測し、
前記流体機械が前記流体を圧縮することによって得られる前記流体機械の等エントロピーヘッドを演算し、
これらの吸込容積流量と等エントロピーヘッドとを、計測された回転速度により補正し、前記基準回転速度に対応する補正吸込容積流量と補正等エントロピーヘッドとを算出し、
前記サージ防止曲線上の補正吸込容積流量に対する等エントロピーヘッド、または、前記サージ防止曲線上の補正等エントロピーヘッドに対する吸込容積流量を算出し、
当該等エントロピーヘッドおよび前記補正等エントロピーヘッドの比較、または当該吸込容積流量および前記補正吸込容積流量の比較をし、
当該比較結果に基づいて前記流体機械のサージング防止制御を行う流体機械のサージ防止方法。
【請求項２】
請求項１記載の流体機械のサージ防止方法において、
前記サージング防止制御が、前記流体機械の吐出側に設けられた放風弁の開度制御によって行われることを特徴とする流体機械のサージング防止方法。
【請求項３】
請求項１記載の流体機械のサージ防止方法において、
前記吸込容積流量に基準回転速度と計測された回転速度との比を掛けて、当該吸込容積流量を基準回転速度に対応する補正吸込容積流量に換算するとともに、前記等エントロピーヘッドに基準回転速度と計測された回転速度との比の自乗を掛けて、当該等エントロピーヘッドを基準回転速度に対応する補正等エントロピーヘッドに換算することを特徴とする流体機械のサージング防止方法。
【請求項４】
開度によって吸い込まれる流体の流量を制御する可変案内羽根を備えた流体機械の被駆動軸の基準回転速度に対応して、前記流体機械に吸い込まれる流体の吸込容積流量と、前記流体機械が前記流体を圧縮することによって得られる前記流体機械の等エントロピーヘッドとからなるサージ防止曲線を予め設定し、
前記流体機械に吸い込まれる前記流体の吸込容積流量および前記流体機械の被駆動軸の回転速度を計測し、
前記流体機械が前記流体を圧縮することによって得られる前記流体機械の等エントロピーヘッドを演算し、
これらの吸込容積流量と等エントロピーヘッドとを、計測された回転速度により補正し、前記基準回転速度に対応する補正吸込容積流量と補正等エントロピーヘッドとを算出し、
前記サージ防止曲線上の補正吸込容積流量に対する等エントロピーヘッド、または、前記サージ防止曲線上の補正等エントロピーヘッドに対する吸込容積流量を算出し、
当該等エントロピーヘッドおよび前記補正等エントロピーヘッドの比較、または当該吸込容積流量および前記補正吸込容積流量の比較をし、
当該比較結果に基づいて前記流体機械のサージング防止制御を行う流体機械のサージ防止方法。
【請求項５】
請求項４記載の流体機械のサージ防止方法において、
前記サージング防止制御が、前記流体機械の吐出側に設けられた放風弁の開度制御によって行われることを特徴とする流体機械のサージング防止方法。
【請求項６】
請求項４記載の流体機械のサージ防止方法において、
前記吸込容積流量に基準回転速度と計測された回転速度との比を掛けて、当該吸込容積流量を基準回転速度に対応する補正吸込容積流量に換算するとともに、前記等エントロピーヘッドに基準回転速度と計測された回転速度との比の自乗を掛けて、当該等エントロピーヘッドを基準回転速度に対応する補正等エントロピーヘッドに換算することを特徴とする流体機械のサージング防止方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体を圧送する送風機および圧縮機などの流体機械のサージ防止方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来より、流体を圧送する送風機および圧縮機などの流体機械では、流体機械に吸い込まれる流体の流量が少なくなるとサージングが発生し、流体機械の運転が不安定になるという問題がある。
【０００３】
このような問題に対して多くの提案がなされ、例えば、特公平７−８８８３０号公報では、流体機械に吸い込まれる流体の吸込容積流量と流体機械の被駆動軸の回転速度との比および流体機械の圧縮比（昇圧能力）をパラメータとしてサージ防止曲線を設定してサージング防止を計っている。
【０００４】
特開平１０−８９２８７号公報では、流体機械の被駆動軸の回転速度により流体機械のサージングを防止し、流体機械から圧送される流体の吐出圧力が所定の値を超えたときに放風弁が開くように構成されている。
【０００５】
実開平６−３４１９５号公報では、流体機械の被駆動軸の回転速度と流体機械に吸い込まれる流体の吸込温度とを考慮して流体機械のサージングの防止を計っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特公平７−８８８３０号公報では、予め設定されるサージ防止曲線に流体機械に吸い込まれる流体の吸込温度の変動による流体機械の圧縮比の変動が考慮されていない。また、特開平１０−８９２８７号公報では、流体機械から圧送される流体の吐出圧力のみに基づいて流体機械のサージングが防止されており、流体機械の被駆動軸の回転速度および流体機械に吸い込まれる流体の吸込温度の変化に対応していない。また、実開平６−３４１９５号公報では、流体機械から圧送される流体の吐出側の運転状態が考慮されておらず、実質的には流体機械に吸い込まれる流体の吸込流量のみで流体機械のサージングを防止している。
【０００７】
以上のように、流体機械に対して多くのサージ防止方法が提案されているが、これらは、流体機械の被駆動軸の回転速度の変動および流体機械に吸い込まれる流体の吸込温度の変動に対応していない。そのため、流体機械のサージングを防止するために設定されるサージ防止曲線に大きな余裕を持つ必要がある。その結果、流体機械の運転可能な範囲が狭くなるといった問題点がある。
【０００８】
本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、流体機械の被駆動軸の回転速度の変動および流体機械に吸い込まれる流体の吸込温度の変動による特性変化に対応してサージングを防止することができる流体機械のサージ防止方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために、流体機械の被駆動軸の基準回転速度に対応して、流体機械に吸い込まれる流体の吸込容積流量と、前記流体機械が前記流体を圧縮することによって得られる前記流体機械の等エントロピーヘッドとからなるサージ防止曲線を予め設定し、流体機械に吸い込まれる流体の吸込容積流量および流体機械の被駆動軸の回転速度を計測し、流体機械が流体を圧縮することによって得られる流体機械の等エントロピーヘッドを演算し、これらの吸込容積流量と等エントロピーヘッドとを、計測された回転速度により補正し、基準回転速度に対応する補正吸込容積流量と補正等エントロピーヘッドとを算出し、前記サージ防止曲線上の補正吸込容積流量に対する等エントロピーヘッド、または、前記サージ防止曲線上の補正等エントロピーヘッドに対する吸込容積流量を算出し、当該等エントロピーヘッドおよび前記補正等エントロピーヘッドの比較、または当該吸込容積流量および前記補正吸込容積流量の比較をし、当該比較結果に基づいて流体機械のサージング防止制御を行うべくなしてある。ここで、「等エントロピーヘッド」とは、流体機械に吸い込まれる流体が等エントロピー圧縮される過程において加えられる流体の単位重量あたりの最少仕事量である。この発明において、前記吸込容積流量に基準回転速度と計測された回転速度との比を掛けて、当該吸込容積流量を基準回転速度に対応する補正吸込容積流量に換算するとともに、前記等エントロピーヘッドに基準回転速度と計測された回転速度との比の自乗を掛けて、当該等エントロピーヘッドを基準回転速度に対応する補正等エントロピーヘッドに換算することが好ましい。
【００１０】
本発明は、流体機械の被駆動軸の回転速度が一定の下では、流体機械に吸い込まれる流体の吸込容積流量と等エントロピーヘッドとからなる特性曲線が、流体機械固有のものであることと、流体機械に吸い込まれる流体の吸込温度に影響されないことと、等エントロピーヘッドが流体機械の被駆動軸の回転速度比の略２乗に比例することと、吸込容積流量が流体機械の被駆動軸の回転速度比に略比例することとに着目してなされたものである。
【００１１】
そこで、本発明では、上記の特性曲線として、流体機械の被駆動軸の基準回転速度に対応する流体機械に吸い込まれる流体の吸込容積流量と等エントロピーヘッドとからなるサージ防止曲線を使用している。また、該サージ防止曲線の条件と合わせるために、計測された流体機械に吸い込まれた流体の吸込容積流量と、演算された等エントロピーヘッドとを、計測された流体機械の被駆動軸の回転速度によって補正し、上記の基準回転速度に対応する補正吸込容積流量と補正等エントロピーヘッドとを算出している。これにより、流体機械の被駆動軸の回転速度の変動および流体機械に吸い込まれる流体の吸込温度が変動する場合であっても、常に一定の基準（予め作成されたサージ防止曲線）に基づいて流体機械のサージング防止制御が行われる。さらに、流体機械に吸い込まれる流体の吸込温度に影響されないサージ防止曲線を使用して判断しているので、流体機械がサージングを起こす限界付近までその運転を行うことができる。
【００１２】
なお、上記の「吸込容積流量」は、オリフィスなどの流量計測器から算出される質量流量を流体機械に吸い込まれる流体の吸込温度、吸込圧力などにより換算するものでもよい。また、上記の「等エントロピーヘッド」は、流体機械に吸い込まれる流体の吸込圧力および吸込温度並びに流体機械から圧送する吐出圧力とから演算される。
【００１３】
さらに、本発明は、流体機械のサージング防止制御をその吐出側に設けられた放風弁の開度制御によって行うことができる。
【００１４】
この構成によれば、流体機械のサージングが発生する前に流体機械の吐出側に設けられた放風弁が開くので、流体機械から圧送される流体の一部を放風弁を介して大気中などに放出することができる。その結果、流体機械に吸い込まれる流体の流量が所定量確保され、流体機械のサージングが発生することを防止することができる。なお、ここでは、流体機械の吐出側に放風弁を取り付け、ここから流体を放出することにより流体機械のサージングを回避しているが、その他の方法であっても構わない。例えば、流体機械から圧送される流体の一部を流体機械の吸込側に戻すように構成することも可能である。また本発明は、開度によって吸い込まれる流体の流量を制御する可変案内羽根を備える流体機械の被駆動軸の基準回転速度に対応して、前記流体機械に吸い込まれる流体の吸込容積流量と、前記流体機械が前記流体を圧縮することによって得られる前記流体機械の等エントロピーヘッドとからなるサージ防止曲線を予め設定し、前記流体機械に吸い込まれる前記流体の吸込容積流量および前記流体機械の被駆動軸の回転速度を計測し、前記流体機械が前記流体を圧縮することによって得られる前記流体機械の等エントロピーヘッドを演算し、これらの吸込容積流量と等エントロピーヘッドとを、計測された回転速度により補正し、前記基準回転速度に対応する補正吸込容積流量と補正等エントロピーヘッドとを算出し、前記サージ防止曲線上の補正吸込容積流量に対する等エントロピーヘッド、または、前記サージ防止曲線上の補正等エントロピーヘッドに対する吸込容積流量を算出し、当該等エントロピーヘッドおよび前記補正等エントロピーヘッドの比較、または当該吸込容積流量および前記補正吸込容積流量の比較をし、当該比較結果に基づいて前記流体機械のサージング防止制御を行うべくなしてある。この発明において、前記サージング防止制御が、前記流体機械の吐出側に設けられた放風弁の開度制御によって行われることが望ましい。また前記吸込容積流量に基準回転速度と計測された回転速度との比を掛けて、当該吸込容積流量を基準回転速度に対応する補正吸込容積流量に換算するとともに、前記等エントロピーヘッドに基準回転速度と計測された回転速度との比の自乗を掛けて、当該等エントロピーヘッドを基準回転速度に対応する補正等エントロピーヘッドに換算することが望ましい。これらの構成によれば、上述した理由と同様の理由により、特に、「開度によって吸い込まれる流体の流量を制御する可変案内羽根を備える流体機械」の被駆動軸の回転速度の変動および流体機械に吸い込まれる流体の吸込温度の変動による特性変化に対応してサージングを防止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
別紙図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係る流量制御方法が適用される流体機械およびその制御系を示す系統図である。
【００１７】
流体機械１は、ケーシング１１を有し、その中に、回転することによって流入する流体を昇圧する羽根車１２が収納されている。該羽根車１２には、被駆動軸１３が接続され、該被駆動軸１３には駆動機１４が接続されている。該被駆動軸１３には、回転速度計３４が設けられている。ケーシング１１の略中央部には、流入通路１５が接続され、この流入通路１５には、流量計測器３０、圧力計測器３１および温度計測器３２が設けられている。また、ケーシング１１には、流出通路１６が接続され、該流出通路１６には、圧力計測器３３が設けられている。さらに、流出通路１６の途中から排気通路１７が分岐され、該排気通路１７には放風弁１８が設けられている。該放風弁１８には、アクチュエータ１８ａが取り付けられている。これらの計測器３０〜３４は、それぞれ回線５１〜５５を介して制御器５０に接続されている。また、放風弁１８のアクチュエータ１８ａは、回線５６を介して制御器５０に接続されている。
【００１８】
この構成によれば、駆動機１４により被駆動軸１３を介して羽根車１２を回転させると、図１の矢符ＧＩＮが示すように、流体が流入通路１５を介して羽根車１２に吸い込まれる。その後、羽根車１２によって昇圧された流体は、図１の矢符ＧＯＵＴが示すように流出通路１６を介して流出する。この際、流体機械１の被駆動軸１３の回転速度ＳＩは回転速度計３４により計測され、流体機械１に吸い込まれる流体の吸込容積流量ＦＩ、吸込圧力ＰＩ、吸込温度ＴＩは、流量計測器３０、圧力計測器３１および温度計測器３２によりそれぞれ計測され、流体機械１から圧送される流体の吐出圧力ＰＯは圧力計測器３３によって計測される。これらの計測結果は、制御器５０に送信され、該制御器５０において演算された後、その演算結果が放風弁１８のアクチュエータ１８ａに送信され、放風弁１８の開度が制御される。該放風弁１８が開閉することによって、流体機械１から圧送される流体の一部は、図１の矢符ＧＥＸＴが示すように、排気通路１７を介して大気中に排気する。このように「放風弁の開度制御」を行うことによって、流体機械１の「サージング防止制御」を行っている。なお、ここでは、排気通路１７のみ設ける場合について示しているが、さらに流出通路１６と流入通路１５とを連絡する通路（図示せず）を設け、流出通路１６内を流れる流体の一部を流入通路１５に還流するようにしても構わない。
【００１９】
以上のように構成される流体機械１のサージ防止方法について図１および図２を参照しながら以下に説明する。
【００２０】
図２は、本発明に係るサージ防止方法のフローチャートである。まず、ステップＡ１では、流量計測器３０、圧力計測器３１および温度計測器３２用いて、流体機械１に吸い込まれる流体の吸込容積流量ＦＩ、吸込圧力ＰＩおよび吸込温度ＴＩをそれぞれ計測する。同様に、流体機械１から圧送される流体の吐出圧力ＰＯおよび流体機械１の被駆動軸１３の回転速度ＳＩをそれぞれ計測する。
【００２１】
その後、ステップＡ２では、ステップＡ１において計測された吸込温度ＴＩ、吸込圧力ＰＩおよび吐出圧力ＰＯから等エントロピーヘッドＨが〔数１〕に基づいて算出される。
【００２２】
【数１】
0003590033.tif 000002
【００２３】
ここで、ｇ：重力加速度、ｎ：等エントロピー体積指数、Ｒ：ガス定数である。
【００２４】
その後、ステップＡ３およびステップＡ４では、〔数２〕および〔数３〕を用いて、吸込容積流量ＦＩと等エントロピーヘッドＨとが流体機械１の被駆動軸１３の回転速度ＳＩによって補正され、流体機械１の被駆動軸１３の基準回転速度Ｎｓに対応する補正吸込容積流量Ｑｓと補正等エントロピーヘッドＨｓとが算出される。
【００２５】
【数２】
Ｈｓ＝Ｈ・（Ｎｓ／ＳＩ）２
【００２６】
【数３】
Ｑｓ＝ＦＩ・（Ｎｓ／ＳＩ）
ここで、流体機械１の被駆動軸１３の基準回転速度Ｎｓは、流体機械１の性能試験に使用される回転速度であり、例えば、流体機械１の設計回転速度が使用される。
【００２７】
その後、ステップＡ５では、流体機械１に応じて予め設定された吸込容積流量と等エントロピーヘッドとからなるサージ防止曲線より、ステップＡ４で算出された補正吸込容積流量Ｑｓに対応する等エントロピーヘッドＨｔが算出される。または、これに代わって、ステップＡ４において算出された補正等エントロピーヘッドＨｓに対応する吸込容積流量Ｑｔを算出することもできる。
【００２８】
ステップＡ５が終了した後、ステップＡ６において、Ｑｓ−ＱｔまたはＨｓ−Ｈｔを算出する。Ｑｓ＜ＱｔまたはＨｓ＞Ｈｔである場合には、ステップＡ７のように放風弁１８を開き、Ｑｓ＞ＱｔまたはＨｓ＜Ｈｔである場合には、ステップＡ８のように放風弁１８を閉める。なお、放風弁１８の開閉は、流体機械１から圧送される流体の吐出圧力ＰＯが変動しないように制御器５０により制御される。もちろん、その他の方法を用いて流体機械１から圧送される流体の吐出圧力ＰＯを変動しないように制御しても構わない。
【００２９】
これにより、流体機械１内を流れる流体の流量が、流体機械１がサージングを起こさない流量に維持され、流体機械１のサージングを回避することができる。
【００３０】
その後、ステップＡ１に戻り、再びステップＡ１〜Ａ８が繰り返し実行される。これらの一連のステップをフィードバック制御することにより、流体機械１のサージング発生を防止する。
【００３１】
ところで、上記の「サージ防止曲線」は、流体機械１の性能試験により予め設定される。その一例を図３に示す。
【００３２】
図３の横軸は流体機械１に吸い込まれる流体の吸込容積流量である。また、図３の縦軸は、等エントロピーヘッドである。図中の右側の特性曲線ＣＶ１は、流体機械１の可変案内羽根（図示せず）が全開状態の場合を示し、図中の左側の特性曲線ＣＶ２は、流体機械１の可変案内羽根が全閉状態の場合を示している。これらの特性曲線ＣＶ１、ＣＶ２の上端を繋ぐ曲線がサージ限界曲線ＳＬ２である。該サージ限界曲線ＳＬ２の上側の領域（サージング領域ＳＡ２）では、流体機械１がサージングを起こし不安定な運転となる。一方、特性曲線ＣＶ１、ＣＶ２とサージ限界曲線ＳＬ２とに囲まれる領域（安定運転領域ＳＡ１）では、流体機械１が安定に運転される。そして、サージ防止曲線ＳＬ１は、サージ限界曲線ＳＬ２に小さな余裕を取り設定されている。なお、図３に示すサージ防止曲線ＳＬ１は一例であり、流体機械１の特性に応じて図４（ａ）に示すような折れ線状または図４（ｂ）に示すような曲線状など各種形式で作成することができる。また、サージ防止曲線ＳＬ１は、関数式またはデータ形式などで作成しても構わない。これらは、上記の制御器５０に記憶されている。
【００３３】
また、これらの特性曲線は、一定の回転速度（本実施の形態では、上記の基準回転速度Ｎｓである）に対して固有のものであり、一定の回転速度の下では、流体機械１に吸い込まれる流体の吸込温度ＴＩによらず一定である。一方、ステップＡ３、Ａ４で示したように、本実施の形態では、「等エントロピーヘッドが回転速度比の２乗に比例する」関係と「吸込容積流量が回転速度比に比例する」関係を関数で設定したことにより、計測された流体機械１の被駆動軸１３の回転速度ＳＩに対応した吸込容積流量ＦＩと等エントロピーヘッドＨとから、基準回転速度Ｎｓに対応する補正吸込容積流量Ｑｓと補正等エントロピーヘッドＨｓを容易に算出することができる。従って、流体機械１に吸い込まれる流体の吸込温度ＴＩおよび流体機械１の被駆動軸１３の回転速度ＳＩが変動する場合であっても、基準回転速度Ｎｓに対応する１つの特性曲線に基づいて流体機械１の運転状態を判断することができる。
【００３４】
以上より、本実施の形態に示すサージ防止曲線ＳＬ１は、流体機械１に吸い込まれる流体の吸込温度ＴＩおよび流体機械１の被駆動軸１３の回転速度ＳＩの変動を考慮した大きな余裕を設ける必要がなく、サージ限界曲線ＳＬ２の近傍に設けることができる。具体的には、例えば、流体機械１に吸い込まれる流体の吸込容積流量に対して、等エントロピーヘッドに５％程度の余裕を持つのみでよい。これにより、流体機械１の運転可能な範囲を広げることができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明に係るサージ防止方法は、流体機械に吸い込まれる流体の吸込容積流量と等エントロピーヘッドとを流体機械の被駆動軸の回転速度によって補正し、予め設定したサージ防止曲線の値と比較することにより、流体機械の被駆動軸の回転速度の変動または流体機械に吸い込まれる流体の吸込温度の変動による特性変化に対応してサージングを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る流量制御方法が適用される流体機械およびその制御系を示す系統図である。
【図２】本発明に係るサージ防止方法のフローチャートである。
【図３】本発明に係るサージ防止方法が適用される流体機械のサージ防止曲線の一例を示す図である。
【図４】本発明に係るサージ防止方法が適用される流体機械のサージ防止曲線のその他の例を示す図である。
【符号の説明】
１    流体機械
１２    羽根車
１３    被駆動軸
１４    駆動機
１８    放風弁
３０    流量計測器
３１    圧力計測器
３２    温度計測器
３３    圧力計測器
３４    回転速度計
５０    制御器
ＳＩ    回転速度
Ｎｓ    基準回転速度
ＦＩ    吸込容積流量
Ｑｓ    補正吸込容積流量
Ｈ      等エントロピーヘッド
Ｈｓ    補正等エントロピーヘッド
【図１】
0003590033.tif 000003
【図２】
0003590033.tif 000004
【図３】
0003590033.tif 000005
【図４】
0003590033.tif 000006