(57)【要約】遠心コンプレッサ１０８のディフューザ領域１１９における旋回失速を検出し、制御するためのシステム及び方法が提供される。圧力トランスデューサ１６０は、音又は音響圧力現象を測定するため、インペラー２０２の下流のガス流路に、好ましくはコンプレッサ吐出通路又はディフューザ１１９に配置される。次に、圧力トランスデューサ１６０からの信号は、旋回失速の存在を決定するため、アナログ又はディジタル技術のいずれかを用いて処理される。旋回失速は、検出されたエネルギ量（当該検出されたエネルギ量は測定された音響圧力に基づく。）を、旋回失速の存在に対応する所定の閾値量と比較することにより検出される。最後に、旋回失速の検出に応答して適切な補正作用を行って、遠心コンプレッサ１０８の動作を変える。
2005535834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠心コンプレッサのラジアル・ディフューザにおける旋回失速を補正する方法であって、
遠心コンプレッサのラジアル・ディフューザにおける旋回失速と関連した音響エネルギを表す値を測定するステップと、
フィルタリングされた値を得るために、前記の測定された値を帯域通過フィルタでフィルタリングするステップと、
前記フィルタリングされた値を全波整流器で整流して、整流された値を得るステップと、
前記整流された値を低域通過フィルタでフィルタリングして、失速エネルギ成分を得るステップと、
前記失速エネルギ成分を所定値と比較し、前記失速エネルギ成分が前記所定値より大きいときに前記ラジアル・ディフューザに存在している前記ラジアル・ディフューザにおける旋回失速を決定するステップと、
旋回失速の決定に応答して、制御信号を前記遠心コンプレッサへ送り、前記遠心コンプレッサの作動形態を調整するステップと、
を備える方法。
【請求項２】
旋回失速と関連した音響エネルギを表す値を測定する前記ステップは、前記遠心コンプレッサのラジアル・ディフューザにおける音響圧力を圧力トランスデューサで測定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記圧力トランスデューサはコンプレッサ吐出通路に配置されている、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記測定された値を帯域通過フィルタでフィルタリングする前記ステップは、
中間値を得るために、、１０Ｈｚの折点周波数を有する高域通過フィルタで前記測定された値をフィルタリングするステップと、
前記中間値を、３００Ｈｚの折点周波数を有する低域通過フィルタでフィルタリングするステップと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記高域通過フィルタは単極ＲＣ高域通過フィルタであり、前記低域通過フィルタは６次バターワース低域通過フィルタである、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記中間値を利得増幅器で増幅するステップを更に備える、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記全波整流器は能動全波整流器である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記整流された値を低域通過フィルタでフィルタリングして失速エネルギ成分を得る前記ステップは、前記整流された値を、０．１６Ｈｚのカットオフ周波数を有する低域通過フィルタでフィルタリングするステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記所定値は、旋回失速無しの前記遠心コンプレッサの正常動作中に計算された失速エネルギ成分の倍数である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記所定値は、旋回失速無しの前記遠心コンプレッサの正常動作中に計算された失速エネルギ成分の２倍から６倍である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
制御信号を前記遠心コンプレッサへ送る前記ステップは、制御信号を前記ラジアル・ディフューザに送るステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記ラジアル・ディフューザに送られる前記制御信号に応答し、ディフューザ・リングを調整し、ディフューザ空間の幅を狭めるステップを更に備える、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記測定された値を利得増幅器で増幅するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記測定された値を条件付けし、旋回失速と関連してない音響エネルギを除去するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
遠心コンプレッサにおける旋回失速と関連した音響エネルギを表す値を測定するステップと、
高速フーリエ変換を前記の測定された値に実行して、複数の周波数及び対応のエネルギ値を得るステップと、
前記の複数の周波数及びエネルギ値から旋回失速と関連した周波数及び対応のエネルギ値を選択するステップと、
旋回失速と関連した選択された周波数の対応エネルギ値同士を加算するステップと、
前記の加算されたエネルギ値を所定の閾値と比較することにより前記遠心コンプレッサの旋回失速を検出するステップと、を備え、
旋回失速は、前記の加算されたエネルギ値が前記所定の閾値より大きいとき前記遠心コンプレッサに存在する、
遠心コンプレッサにおける旋回失速を補正する方法。
【請求項１６】
旋回失速と関連した音響エネルギを表す値を測定する前記ステップは、前記遠心コンプレッサのラジアル・ディフューザにおける音響圧力を圧力トランスデューサで測定するステップを備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記圧力トランスデューサはコンプレッサ吐出通路に配置されている、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
旋回失速と関連した周波数及び対応のエネルギ値を選択する前記ステップは、周波数及び対応のエネルギ値を約１０Ｈｚから約３００Ｈｚの周波数範囲で選択するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
旋回失速と関連しない周波数及び対応のエネルギ値を約１０Ｈｚから約３００Ｈｚの周波数範囲から除去するステップを更に備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記所定の閾値は、旋回失速無しの前記遠心コンプレッサの正常動作中に計算された前記の加算されたエネルギ値の倍数である、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記所定の閾値は、旋回失速無しの前記遠心コンプレッサの正常動作中に計算された前記の加算されたエネルギ値の２倍から６倍である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
旋回失速の検出に応答し、前記遠心コンプレッサのラジアル・ディフューザのため制御信号を発生するステップと、
前記発生された制御信号を前記ラジアル・ディフューザに送り、前記ラジアル・ディフューザの形態を変えるステップと
を更に備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
前記の発生された制御信号が前記ラジアル・ディフューザも送られることに応答して、ディフューザ・リングを調整して、前記ラジアル・ディフューザにおけるディフューザ空間の幅を狭めるステップを更に備える請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記の測定された値を利得増幅器で増幅するステップを更に備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
前記の測定された値を条件付けし、旋回失速と関連しない音響エネルギを除去するステップを更に備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項２６】
遠心コンプレッサのラジアル・ディフューザにおける旋回失速を補正するシステムであって、
遠心コンプレッサのラジアル・ディフューザにおける旋回失速と関連した音響エネルギを表すパラメータを測定し、且つ前記の測定されたパラメータに対応するセンサ信号を発生するよう構成されているセンサと、
１０Ｈｚの折点周波数を有し、前記センサ信号を受け取り、且つ高域通過フィルタリングされた信号を出力するよう構成された高域通過フィルタと、
３００Ｈｚの折点周波数を有し、前記高域通過フィルタリングされた信号を前記高域通過フィルタから受け取り、且つ低域通過フィルタリングされた信号を出力するよう構成された第１の低域通過フィルタと、
前記低域通過フィルタリングされた信号を受け取り、且つ整流された信号を出力するよう構成された全波整流器と、
前記整流された信号を受け取り、且つ失速エネルギ成分信号を出力するよう構成された第２の低域通過フィルタと、
前記失速エネルギ成分信号を用いて、前記ラジアル・ディフューザにおける旋回失速を決定し、且つ旋回失速の決定に応答して制御信号を出力して前記遠心コンプレッサの動作形態を調整するよう構成された制御回路と
を備えるシステム。
【請求項２７】
前記センサは、前記遠心コンプレッサのラジアル・ディフューザにおける音響圧力を測定するための圧力トランスデューサを備える、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記圧力トランスデューサは、当該圧力トランスデューサの設置の際に前記遠心コンプレッサの吐出通路に配設される、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記高域通過フィルタは単極ＲＣ高域通過フィルタである、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３０】
前記低域通過フィルタは６次バターワース低域通過フィルタである、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３１】
前記高域通過フィルタリングされた信号を受け取り、且つ増幅された信号を前記第１の低域通過フィルタへ出力するよう構成された利得増幅器を更に備える、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３２】
前記全波整流器は能動全波整流器である、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３３】
前記第２の低域通過フィルタは０．１６Ｈｚの折点周波数を有する、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３４】
前記制御回路は、失速エネルギ成分信号を所定値と比較するための比較器を備え、
前記制御回路は、失速エネルギ成分信号が所定値より大きいことに応答して前記制御信号を出力し、
前記所定値は、旋回失速無しの前記遠心コンプレッサの正常動作中に計算された失速エネルギ成分の倍数である、
請求項２６に記載のシステム。
【請求項３５】
前記所定値は、旋回失速無しの前記遠心コンプレッサの正常動作中に計算された失速エネルギ成分の値の２倍から６倍である、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
遠心コンプレッサのラジアル・ディフューザにおける旋回失速と関連した音響エネルギを表すパラメータを測定し且つ前記の測定されたパラメータに対応するセンサ信号を発生するよう構成されたセンサと、
前記センサ信号をディジタル信号に変換するためのアナログ／ディジタル変換器と、
前記ディジタル信号を前記アナログ／ディジタル変換器から受け取るディジタル信号プロセッサと、
前記ディジタル信号プロセッサは、
１０Ｈｚの折点周波数を有し、前記ディジタル信号を受け取り、且つ高域通過フィルタリングされた信号を出力するよう適合された高域通過フィルタと、
３００Ｈｚの折点周波数を有し、前記高域通過フィルタリングされた信号を前記高域通過フィルタから受け取り、且つ低域通過フィルタリングされた信号を出力するよう構成された第１の低域通過フィルタと、
前記低域通過フィルタリングされた信号を受け取り、且つ整流された信号を出力するよう構成された全波整流器と、
前記整流された信号を受け取り、且つ失速エネルギ成分信号を出力するよう構成された第２の低域通過フィルタと、を備え、
前記失速エネルギ成分信号をアナログ信号に変換するためのディジタル／アナログ変換器と、
前記アナログ信号を用いて前記ラジアル・ディフューザにおける旋回失速を決定し、且つ旋回失速の決定に応答して制御信号を出力して前記遠心コンプレッサの動作形態を調整するよう構成された制御回路と、
を備える遠心コンプレッサのラジアル・ディフューザにおける旋回失速を補正するシステム。
【請求項３７】
前記センサは、前記遠心コンプレッサのラジアル・ディフューザにおける音響圧力を測定するための圧力トランスデューサを備える、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記圧力トランスデューサは、当該圧力トランスデューサの設置の際に前記遠心コンプレッサの吐出通路に配設される、請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
前記の測定された信号を受け取り、且つ増幅された信号を前記アナログ／ディジタル変換器へ出力するよう構成された利得増幅器を更に備える、請求項３６に記載のシステム。
【請求項４０】
前記制御回路が、失速エネルギ成分信号を所定値と比較するための比較器を備え、
前記制御回路は、失速エネルギ成分信号が所定値より大きいことに応答して前記制御信号を出力し、
前記所定値は、旋回失速無しの前記遠心コンプレッサの正常動作中に計算された失速エネルギ成分の倍数である、
請求項３６に記載のシステム。
【請求項４１】
前記所定値は、旋回失速無しの前記遠心コンプレッサの正常動作中に計算された失速エネルギ成分の値の２倍から６倍である、請求項４０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２００２年８月２３日に出願された米国仮特許出願Ｎｏ．６０／４０５，３７４の恩恵を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般的に、遠心コンプレッサにおける旋回失速の検出に関する。より詳細には、本発明は、遠心コンプレッサからの吐出における音響エネルギ変化を感知することにより遠心コンプレッサのディフューザ部分における旋回失速を検出するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
遠心コンプレッサにおける旋回失速は、当該遠心コンプレッサの回転するインペラー又はロータにおいて、又は当該インペラーから当該遠心コンプレッサの下流の静止ディフューザにおいて起こることがある。旋回失速と関連したエネルギの周波数は、典型的には、旋回失速がインペラー領域で起こっていよう（インペラー旋回失速）と或いはディフューザ領域で生じていよう（ディフューザ旋回失速）と、共通の範囲の値の中にある。両方のケースにおいて、旋回失速の存在は、遠心コンプレッサ及び／又はシステムの性能に悪影響を及ぼすことがある。しかしながら、インペラー旋回失速が通常、より大きな関心事である。それは、インペラー旋回失速が特に航空機エンジンのような軸流コンプレッサにおけるインペラーの信頼性に悪影響を与えることがあるのに対し、ディフューザ旋回失速は通常システムの全体的音及び振動レベルに影響を及ぼすからである。
【０００４】
インペラー旋回失速を検出して補正する幾つかの技術は、回転するインペラーに隣接してその円周方向に配置された複数のセンサを用いる。センサを用いて、個々の位置における擾乱を検出する。次いで、その擾乱が、他の位置における値、又は最適動作条件に対応する値と比較される。多くの場合、非常に複雑な計算を実行し、インペラー旋回失速の到来の前兆を決定する。ひとたびインペラー旋回失速が検出されると、一部の補正動作は、吐出ガスを遠心コンプレッサの吸込入口へ戻すようブリードすること、或いはバッフルを用いて又はベーンの位置を変えて吸込入口の流れの角度を変更することを含む。
【０００５】
軸流コンプレッサにおけるインペラー旋回失速を検出する技術の一例が、米国特許Ｎｏ．６，０１０，３０３（以下、「３０３特許」と記す。）にある。３０３特許は、ターボファン・エンジンにおける空力的及び気体力学的不安定性の予測を指向している。不安定性前兆信号をリアルタイムで発生し、多段軸流コンプレッサを利用するターボファン・エンジンのための空気推進圧縮システムにおけるエンジン・サージ又はブレードのフラッターを予測する。ターボファン・エンジンのための圧縮システムにおける空力的又は気体力学的共振と関連したエネルギ波が検出され、そして共振の周波数を示す信号が発生される。静圧力トランスデューサ又は歪みゲージがファン・ブレードの近く又はそれに取り付けられて、システムのエネルギを検出する。リアルタイム信号は、関心の不安定性と関連した所定の範囲の周波数、例えば、２５０−３１０Ｈｚ内に帯域通過フィルタリングされる。次いで、その帯域通過信号は、大きさに関して自乗される。次いで、その自乗された信号は、低域通過フィルタリングされて、エネルギ不安定性前兆信号を形成する。当該低域通過フィルタは、各周波数の自乗の和の平均を与える。次いで、そのエネルギ不安定性前兆信号を用いて、空力的及び空気力学的不安定性を予測し、そしてその空力的及び空気力学的不安定性がターボファン・エンジンで起こることを防止する。この技術の１つの欠点は、それが軸流コンプレッサにおけるインペラー旋回失速の検出のためのみであり、ディフューザ旋回失速について検討していないことである。
【０００６】
羽根無しラジアル・ディフューザを備える混合流遠心コンプレッサは、それらの意図する動作範囲の一部分の間で、又はあるケースではその全部の間にディフューザ旋回失速状態となることがある。典型的には、ディフューザの設計は流れの一部がディフューザ通路で分離されることが無い状態で全ての流れを適応させることができないので、ディフューザ旋回失速が起こる。ディフューザ旋回失速は、一般的に当該コンプレッサのインペラーの回転周波数より小さい基本周波数でのガス流通過における低周波数の音エネルギ又は脈動の生成をもたらす。この低周波数の音エネルギ及びそれに関連した高調波は、コンプレッサのガス通路を介して下流のパイプ、熱交換機及び他の容器へ伝搬する。低周波数の音エネルギ又は音響擾乱は、その大きさが高い場合があり、そして望ましくない。それは、音響擾乱の存在がコンプレッサ、その制御装置、又は他の関連の部品／システムの初期故障をもたらし得るからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、必要なものは、遠心コンプレッサのディフューザの周りのガスの流れにおける音響エネルギの変化を感知することによりそのディフューザにおける旋回失速を検出して補正し、次いで圧縮プロセスを変更する動作を行って、ディフューザにおけるかなりの量の旋回失速雑音を生成するそれらの条件を回避又は矯正するシステム及び方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ディフューザにおける旋回失速の存在を検出するためアナログ回路か又はディジタル回路か（又はそれら２つの回路の組み合わせか）のいずれかを用いることができる。当該回路は、１０Ｈｚの折点周波数を有する高域通過フィルタを用いて、ディフューザに又はディフューザより下流に配置された圧力トランスデューサからの信号を処理して、圧力トランスデューサからのＡＣ（又は動的）変動を解析することができる。次に、低域通過フィルタを用いて、３００Ｈｚの折点周波数より上の周波数を減衰させる。低域通過フィルタ及び高域通過フィルタの動作は、１０Ｈｚから３００Ｈｚの帯域幅を有する帯域通過フィルタの動作に似ていると考えることができる。１０−３００Ｈｚの範囲は、遠心コンプレッサの動作が旋回失速の方に移動するにつれ、この範囲におけるＡＣ成分の振幅が増大するので重要である。
【０００９】
低域通過フィルタ又は帯域通過フィルタの出力が能動全波整流器を用いて処理され、正のみの信号を取得し、そしてそれは、ＤＣ成分に重畳された複合のＡＣ成分を含む。当該複合の信号は、失速周波数エネルギの振幅が増大するにつれ、大きさが増大するＤＣ（又は平均）値を生じ、そしてそのＤＣ値は、後続の処理のため必要とされる。低域通過フィルタが、能動全波整流器に続く。低域通過フィルタは、波形のＤＣ部分が圧力トランスデューサの失速変動振幅の表示を提供するので波形のＤＣ成分のみを通すためほぼ０．１６Ｈｚの非常に低いカットオフ周波数を有する。次いで、ＤＣ成分又は信号は、旋回失速の存在を決定するため閾値と比較される。旋回失速を決定するための閾値は、圧力トランスデューサからの信号に適用される利得の量と、補正を要求する前にディフューザで許容することができる旋回失速の量とに依存する。
【００１０】
代替として、本発明は、旋回失速を検出するため圧力トランスデューサのディジタル化された出力に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）をリアルタイムで実行するようプログラムされたＤＳＰを利用することができる。ＦＦＴの使用は、失速を、前述したような時間領域よりむしろ周波数領域で直接検出することを可能にする。ＦＦＴは、圧力トランスデューサからの信号に適用されて、一連の周波数及びエネルギ・レベルを得る。関心の範囲（１０−３００Ｈｚ）の外側にあるＦＦＴからの周波数の一部を廃棄することができる。次に、１０−３００Ｈｚの間のエネルギ・レベルを加算し、加算されたエネルギ・レベル値を生成する。インペラーの回転速度と関連したエネルギ・レベルをより正確な値のため廃棄することができる。次いで、加算されたエネルギ・レベル値は、旋回失速の存在を決定するため、閾値と比較される。また、スペクトル成分を加算するよりむしろ、所定の閾値を超えるスペクトルのピークを捜すことにより失速を検出することができる。
【００１１】
本発明の一実施形態は、遠心コンプレッサのラジアル・ディフューザにおける旋回失速を補正する方法を指向している。この方法は、遠心コンプレッサのラジアル・ディフューザにおける旋回失速と関連した音響エネルギを表す値を測定するステップを含む。この方法は更に、当該測定された値を帯域通過フィルタを用いてフィルタリングして、フィルタリングされた値を得るステップと、当該フィルタリングされた値を全波整流器を用いて整流して、整流された値を得るステップと、当該整流された値を低域通過フィルタを用いてフィルタリングして、失速エネルギ成分を得るステップとを含む。最後に、この方法は、失速エネルギ成分を所定値と比較して、ラジアル・ディフューザにおける旋回失速を決定するステップを含み、そこにおいて、失速エネルギ成分が所定値より大きいとき旋回失速がラジアル・ディフューザに存在し、そして、上記方法は更に、旋回失速の決定に応答して、制御信号を遠心コンプレッサに送って、遠心コンプレッサの動作形態を調整するステップを含む。
【００１２】
本発明の別の実施形態は、遠心コンプレッサにおける旋回失速を検出する方法を指向している。この方法は、遠心コンプレッサにおける旋回失速と関連した音響エネルギを表す値を測定するステップと、当該測定された値に高速フーリエ変換を実行して、複数の周波数及び対応のエネルギ値を得るステップとを含む。この方法はまた、旋回失速と関連した周波数及び対応のエネルギ値を当該複数の周波数及び対応のエネルギ値から選択するステップと、旋回失速と関連した当該選択された周波数の対応のエネルギ値同士を加算するステップとを含む。最後に、この方法は、当該加算されたエネルギ値を所定閾値と比較することにより遠心コンプレッサにおける旋回失速を検出するステップを含み、そこにおいて、当該加算されたエネルギ値が所定閾値より大きいとき旋回失速が遠心コンプレッサに存在する。
【００１３】
本発明の更に別の実施形態は、遠心コンプレッサのラジアル・ディフューザにおける旋回失速を補正するシステムを指向している。このシステムは、遠心コンプレッサのラジアル・ディフューザにおける旋回失速と関連した音響エネルギを表すパラメータを測定し且つ当該測定されたパラメータに対応するセンサ信号を発生するよう構成されたセンサを含む。このシステムはまた、１０Ｈｚの折点周波数を有する高域通過フィルタと、３００Ｈｚの折点周波数を有する第１の低域通過フィルタと、全波整流器とを含む。高域通過フィルタは、センサ信号を受け取り、且つ高域通過フィルタリングされた信号を出力するよう構成されている。第１の低域通過フィルタは、当該高域通過フィルタリングされた信号を高域通過フィルタから受け取り、且つ低域通過フィルタリングされた信号を出力するよう構成されている。全波整流器は、当該低域通過フィルタリングされた信号を受け取り、且つ整流された信号を出力するよう構成されている。このシステムはまた、制御回路と、当該整流された信号を受け取り且つ失速エネルギ成分信号を出力するよう構成された第２の低域通過フィルタとを含む。制御回路は、失速エネルギ成分信号を用いてラジアル・ディフューザにおける旋回失速を決定し、且つ旋回失速の決定に応答して制御信号を出力して、遠心コンプレッサの動作形態を調整するよう構成されている。
【００１４】
本発明の更なる実施形態は、遠心コンプレッサのラジアル・ディフューザにおける旋回失速を補正するシステムを指向している。このシステムは、遠心コンプレッサのラジアル・ディフューザにおける旋回失速と関連した音響エネルギを表すパラメータを測定し、且つ当該測定されたパラメータに対応するセンサ信号を発生するよう構成されたセンサを含む。アナログ／ディジタル変換器は、センサ信号をディジタル信号に変換する。システムはまた、ディジタル信号をアナログ／ディジタル変換器から受け取るディジタル信号プロセッサを含む。ディジタル信号プロセッサは、１０Ｈｚの折点周波数を有する高域通過フィルタと、３００Ｈｚの折点周波数を有する第１の低域通過フィルタと、全波整流器と、第２の低域通過フィルタとを含む。高域通過フィルタは、ディジタル信号を受け取り、且つ高域通過フィルタリングされた信号を出力するよう構成されている。第１の低域通過フィルタは、高域通過フィルタリングされた信号を高域通過フィルタから受け取り、且つ低域通過フィルタリングされた信号を出力するよう構成されている。全波整流器は、低域通過フィルタリングされた信号を受け取り、且つ整流された信号を出力するよう構成されている。第２の低域通過フィルタは、整流された信号を受け取り、且つ当該整流された信号の平均値のみを有する失速エネルギ成分信号を出力するよう構成されている。ディジタル／アナログ変換器を用いて、失速エネルギ成分信号をアナログ信号に変換する。最後に、システムは、当該アナログ信号を用いて、ラジアル・ディフューザにおける旋回失速を決定し、且つ旋回失速の決定に応答して制御信号を出力して、遠心コンプレッサの動作形態を調整するよう構成された制御回路を有する。
【００１５】
本発明の１つの利点は、それがエレクトロニクス及びハードウエアの単純化されたパッケージを用いて、遠心コンプレッサのディフューザ部分における旋回失速を検出することにある。
【００１６】
本発明の別の利点は、ディフューザで発生された旋回失速雑音を低減又は除去するための可能な技術を判断するために旋回失速の決定を用いることができることにある。
本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を一例として図示する添付図面と共に、好適な実施形態の以下のより詳細な説明から明らかであろう。
【００１７】
可能な限りどんな場合でも、同じ又は類似の構成要素を参照するため同じ参照番号を図面全体を通して用いる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明を適用することができる一般的システムが例示により図１に示されている。図示のように、ＨＶＡＣ、冷却又は液体冷却システム１００は、コンプレッサ１０８、凝縮器１１２、水冷却機又は蒸発器１２６、及び制御パネル１４０を含む。制御パネル１４０は、システム１００の性能を示す入力信号をシステム１００から受け取り、そして信号をシステム１００の構成要素に送って、システム１００の動作を制御する。通常の液体冷却システム１００は、図１に示されていない他の多くの特徴を含む。これらの特徴は、説明を容易にするため図面を単純にすべく意図的に省略してある。
【００１９】
コンプレッサ１０８は、冷媒蒸気を圧縮し、そして当該蒸気を凝縮器１１２に吐出ラインを介して供給する。コンプレッサ１０８は遠心コンプレッサであることが好ましい。しかしながら本発明は、旋回失速条件に遭遇し、又は旋回失速が生じることができる流れにおいて動作することができる任意の種類のコンプレッサと共に用いることができる。凝縮器１１２に供給された冷媒蒸気は、流体、例えば、空気又は水との熱交換関係に入り、そして流体との熱交換関係の結果として冷媒液体への相変化を受ける。凝縮器１１２からの凝縮された液体冷媒は、蒸発器１２６へ流れる。好適な実施形態においては、凝縮器１１２の冷媒蒸気は、水との熱交換関係に入り、冷却塔１２２に接続された熱交換機コイル１１６を介して流れる。凝縮器１１２の冷媒蒸気は、熱交換機コイル１１６の中の水との熱交換関係の結果として冷媒液体への相変化を受ける。
【００２０】
蒸発器１２６は、冷却負荷１３０に接続された供給ライン１２８Ｓ及び戻りライン１２８Ｒを有する熱交換機コイル１２８を含むことができることが好ましい。熱交換機コイル１２８は、蒸発器１２６内に複数の管束を含むことができる。二次液体は、水が好ましいが、しかし、任意の他の適切な二次液体、例えば、エチレン、塩化カルシウム・ブライン、又は塩化ナトリウム・ブラインであることができ、そして戻りライン１２８Ｒを介して蒸発器１２６に進み、供給ライン１２８Ｓを介して蒸発器１２６を出る。蒸発器１２６の液体冷媒は、熱交換機コイル１２８の中の二次液体と熱交換関係に入り、熱交換機コイル１２８の中の二次液体の温度を冷却する。蒸発器１２６の中の冷媒液体は、熱交換機コイル１２８の中の二次液体との熱交換関係の結果として冷媒蒸気への相変化を受ける。蒸発器１２６の中の蒸気冷媒は、蒸発器１２６を出て、吸込ラインによりコンプレッサ１０８へ戻り、循環を完了する。システム１００が凝縮器１１２及び蒸発器１２６に関する好適な実施形態に関して説明されたが、もし凝縮器１１２及び蒸発器１２６の中の冷媒の適切な相変化が得られるならば、凝縮器１１２及び蒸発器１２６の任意の適切な形態をシステム１００で用いることができることが理解される筈である。
【００２１】
蒸発器１２６からコンプレッサ１０８への入力又は入口には、コンプレッサ１０８への冷媒の流れを制御する１又はそれより多い予回転ベーン又は入口案内ベーン１２０がある。アクチュエータを用いて、予回転ベーン１２０を開けて、コンプレッサ１０８への冷媒量を増大し、それによりシステム１００の冷却能力を増大する。同様に、アクチュエータを用いて、予回転ベーン１２０を閉じて、コンプレッサ１０８への冷媒量を低減し、それによりシステム１００の冷却能力を低減する。
【００２２】
コンプレッサ１０８を駆動するため、システム１００は、コンプレッサ１０８用のモータ又は駆動機構１５２を含む。用語「モータ」をコンプレッサ１０８用の駆動機構に対して用いるが、用語「モータ」が１つのモータに限定するものではなく、可変速度駆動装置及びモータ・スタータのようなモータ１５２の駆動と関連して用いることができる任意の構成要素を包含することを意図していることを理解すべきである。本発明の好適な実施形態においては、モータ又は駆動機構１５２は、電動機及び関連の構成要素である。しかしながら、蒸気又はガス・タービン又はエンジン及び関連の構成要素のような他の駆動機構を、コンプレッサ１０８を駆動するため用いることができる。
【００２３】
図２は、本発明の好適な実施形態のコンプレッサ１０８の部分断面図を示す。コンプレッサ１０８は、冷媒蒸気を圧縮するためのインペラー２０２を含む。従って、圧縮された蒸気は、ディフューザ１１９を通る。ディフューザ１１９は、羽根無しラジアル・ディフューザであることが好ましく、そして、冷媒蒸気の通路のためディフューザ・プレート２０６とノズル・ベース・プレート２０８との間に形成されたディフューザ空間２０４を有する。ノズル・ベース・プレート２０８は、ディフューザ・リング２１０と使用するよう構成されている。ディフューザ・リング２１０を用いて、ディフューザ通路２０２を通る冷媒蒸気の速度を制御する。ディフューザ・リング２１０をディフューザ通路２０２の中へ延長させて、当該ディフューザ通路２０２を流れる冷媒蒸気の速度を増大させることができ、そしてディフューザ・リング２１０をディフューザ通路２０２から後退させて、ディフューザ通路２０２を流れる冷媒蒸気の速度を低減させることができる。調整機構２１２を用いて、ディフューザ・リング２１０を延長及び後退させることができる。
【００２４】
図１に戻って参照すると、システム１００はまた、当該システム１００の動作状態を感知するセンサ１６０を含み、当該センサ１６０を用いて、ディフューザ１１９における旋回失速条件を決定することができる。センサ１６０は、コンプレッサ１０８のインペラー２０２の下流のガス流路の任意の場所に配置することができる。しかしながら、センサ１６０は、（図１に概略的に図示されているように）コンプレッサ吐出通路、又はディフューザ１１９に配置するのが好ましい。センサ１６０は、音圧又は音の圧力現象を測定するための圧力トランスデューサであることが好ましいが、しかし、他の種類のセンサも用い得る。例えば、加速度計を用いて、失速と関連した振動を測定することができる。圧力トランスデューサは、吐出ラインに存在する失速エネルギを表す信号を発生する。センサ１６０からの信号は、後続の処理を行ってディフューザ１１９における旋回失速を決定して補正するためラインを介して制御パネル１４０へ転送される。
【００２５】
旋回失速と関連したエネルギを測定するため用いられるセンサ１６０の出力は、失速と関連した音響エネルギと他の音源又は振動源に起因したエネルギとを区別するように条件付けられていることが好ましい。本発明の一実施形態においては、当該条件付けは、失速基本周波数及びその主要高調波を含む周波数範囲内のエネルギ量を単純に測定することにより行われることができる。他の条件付けスキームにおいては、旋回失速エネルギのみの存在を検出する能力を増強するため、失速関連領域内における失速と関連しない一部の周波数を感知し、そして解析から取り除くことができるであろう。センサ１６０からの条件付けされた出力信号を、以下で説明するプロセスと関係して用い、コンプレッサ１０８により発生される著しい量の旋回失速雑音を回避するため補正動作を行うことができる。
【００２６】
旋回失速と関連した音エネルギの強度及び周波数の内容を広範囲にわたって研究した。コンプレッサの動作が旋回失速領域の中へ移動するにつれ、ほぼ１０−３００Ｈｚの所定の周波数帯域内で音響エネルギのＡＣ成分が増大する。また、著しい量の旋回失速の到来はかなり突然であることが観測された。従って、ガスの流れに存在する音響エネルギを表す信号の周波数解析は、１０−３００Ｈｚの周波数帯域の中の失速に関連したエネルギの強度又は大きさの突然の増大がコンプレッサが旋回失速条件の中へ移動することを表していることを示す。
【００２７】
図３は、コンプレッサ１０８のディフューザ１１９における旋回失速を検出して補正する一つのプロセスを示す。このプロセスは、アナログ構成要素（図４に概略的に示される部分）、ディジタル構成要素（図５に概略的に示される部分）、又はアナログ及びディジタルの構成要素の組み合わせ（図示せず）を用いた制御パネル１４０上で実行されることができる。プロセスは、ステップ３０２で始まり、制御パネル１４０が信号をセンサ１６０から受け取る。前述したように、センサ１６０から受け取られた信号は、旋回失速の始まりを示すエネルギ量に対応する。好適な実施形態における圧力センサ１６０を用いた音圧現象の直接測定は、旋回失速の存在のより信頼性のある指示を提供し、そして非失速に関連した他の音響信号を回避する。例えば、コンプレッサ１０８の振動を用いて、旋回失速の始まりを検出した場合、旋回失速雑音と同じ周波数範囲にあり得る、コンプレッサのモータ１５２又はギヤ又はインペラー２０２の不平衡に起因したいずれの振動も、それらが旋回失速雑音に関連した成分のみを検出する能力を妨げ得るそのような大きさの信号を提供することができる。
【００２８】
ステップ３０４において、センサ１６０からの信号は、高域通過フィルタに通される。旋回失速の存在を決定する際に、センサ１６０からのＡＣ変動は、関心の信号を表し、そして当該信号のＤＣ部分は、旋回失速の検出に必要とされない。従って、高域通過フィルタを用いて、信号のＤＣ部分を除去する。高域通過フィルタは、約１０Ｈｚの折点周波数を有することが好ましい。当該折点周波数は、所望の検出精度に依存した解析のための信号の十分なＡＣ部分を残しながら信号のＤＣ部分を除去する適切な値に設定することができる。本発明の一実施形態においては、高域通過フィルタは、１０Ｈｚで０．７０７の入力信号減衰をもたらす単極ＲＣ高域通過フィルタを含むことができ、それは、この周波数より下で、ＤＣ（０Ｈｚ）におけるゼロまで低減する。本発明の他の実施形態においては、より高次の高域通過フィルタを用いて、センサ１６０からの信号をフィルタリングすることができる。
【００２９】
高域通過フィルタ及び利得増幅器（必要ならば）を通った後で、信号は、ステップ３０６において低域通過フィルタに通される。当該低域通過フィルタを用いて、折点周波数又はカットオフ周波数より上の周波数を減衰させる。なお、その折点周波数は、旋回失速条件と関連した上側周波数レベルを規定する。本発明の好適な実施形態においては、旋回失速エネルギと関連した上側周波数又は折点周波数は、約３００Ｈｚである。本発明の一実施形態においては、６次バターワース低域通過フィルタを用いて、旋回失速の間違った指示をもたらす可能性がある、旋回失速と関連しない失速周波数範囲（ほぼ３００Ｈｚ）より上の周波数成分を除去する。本発明の他の実施形態においては、異なる次数、好ましくはより高い次数の低域通過フィルタを用いて、より高い周波数を除去することができる。
【００３０】
本発明の別の実施形態においては、ステップ３０４及び３０６を組み合わせて、単一のステップにすることができる。この実施形態においては、高域通過フィルタ（ステップ３０４）及び低域通過フィルタ（ステップ３０６）の両方を用いる代わりに、帯域通過フィルタを用いて、センサ信号からＤＣ成分と高い方の周波数との両方を除去することができる。帯域通過フィルタは、約１０−３００Ｈｚの周波数範囲を有することが好ましく、この周波数範囲は、ステップ３０４及び３０６の高域通過フィルタ及び低域通過フィルタ後の等価周波数範囲である。
【００３１】
ステップ３０６における低域通過フィルタを通った後で、信号は、ステップ３０８において、能動全波整流器に通される。当該能動全波整流器を用いて、ＡＣ信号の正の部分に影響を与えないようにしながら、当該ＡＣ信号の負の部分を等しい正の値に変換、又は「フリップ」する。全波整流された信号は、正の成分のみを有し、そしてＤＣ成分に重畳されたＡＣ成分の複合を含む。この複合信号は、失速周波数でのエネルギの振幅が増大するにつれ、大きさが増大する平均（又はＤＣ）値をもたらす。
【００３２】
ステップ３１０において、能動全波整流器からの信号は、ＤＣ成分のみを通すため低いカットオフ周波数を有する低域通過フィルタに通される。前述したように、全波整流された波形のＤＣ成分部分は、センサ１６０の失速変動振幅の表示を与え、従って当該信号のＤＣ成分のみが、旋回失速の検出のために必要である。本発明の一実施形態においては、低域通過フィルタは、０．１６Ｈｚのカットオフ周波数を有することができる。しかしながら、この周波数は、臨界的でなく、そして他のカットオフ周波数、例えば、０．１Ｈｚを、ＤＣ成分のみを通すため用いることができる。
【００３３】
図４は、ステップ３０４−３１０を全て実行するアナログ回路を概略的に示す。高域通過フィルタ４０２は、信号をセンサ１６０から受け取り、その高域通過フィルタ４０２はステップ３０４に関して説明したように当該信号をフィルタリングする。必要ならば、利得増幅器４０４を用いて、高域通過フィルタ４０２からの出力を増大又は増強することができる。利得増幅器４０４を用いて、高域通過フィルタ４０２からの信号を、旋回失速条件を表す閾値との比較のための適切な値まで増大させることができる。低域通過フィルタ４０６は、信号を利得増幅器４０４又は高域通過フィルタ４０２から受け取り、そしてステップ３０６に関して説明したように当該信号をフィルタリングする。能動全波整流器４０８を用いて、ステップ３０８に関して前述したように低域通過フィルタ４０６からの信号を整流する。全波ブリッジ整流器を用いることにより生成され得るＤＣオフセットを除去するため、能動全波整流器４０８が好ましい。最後に、能動全波整流器４０８からの全波整流された信号は、低域通過フィルタ４１０を用いてフィルタリングされ、その低域通過フィルタ４１０は、ステップ３１０に関して前述したように当該信号をフィルタリングし、そして信号を制御回路へ送る。なお、当該制御回路は、低域通過フィルタ４１０からの信号を続いて処理するための、マイクロプロセッサ及び／又は比較器を含み得る。
【００３４】
図５は、ステップ３０４−３１０を全て実行するディジタル回路を概略的に示す。必要ならば、利得増幅器５０２を用いて、センサ１６０からの信号を、旋回失速条件を表す閾値との比較のための適切な値まで増大又は増強することができる。次いで、利得増幅器５０２又はセンサ１６０からの信号は、アナログ信号をディジタル信号に変換するためＡ／Ｄ変換器５０４に通される。次いで、Ａ／Ｄ変換器５０４からのディジタル信号が、ステップ３０４−３１０を全て実行するためのディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）回路５０６へ与えられることが好ましい。ＤＳＰ回路５０６において、高域通過フィルタ５０８は、信号をＡ／Ｄ変換器５０４から受け取り、その高域通過フィルタ５０８は、ステップ３０４に関して説明したように当該信号をフィルタリングする。低域通過フィルタ５１０は、信号を高域通過フィルタ５０８から受け取り、そしてステップ３０６に関して説明したように当該信号をフィルタリングする。全波整流器５１２を用いて、ステップ３０８に関して説明したように低域通過フィルタ５１０からの信号をフィルタリングする。全波整流器５１２からの全波整流された信号は、低域通過フィルタ５１４を用いてフィルタリングされ、当該低域通過フィルタ５１４は、ステップ３１０に関して説明したように当該信号をフィルタリングする。最後に、ＤＳＰ回路５０６の低域通過フィルタ５１４からの信号は、Ｄ／Ａ変換器５１６に通され、当該Ｄ／Ａ変換器５１６は、アナログ信号を発生し、そしてそのアナログ信号を制御回路に送る。なお、その制御回路は、アナログ信号を続いて処理するための、マイクロプロセッサ及び／又は比較器を含み得る。
【００３５】
図３に戻って参照すると、ステップ３１０からのＤＣ成分のみを有する低域通過フィルタリングされた信号は、ステップ３１２において、閾値と比較されて、旋回失速の存在を決定する。前述したように、ＤＣ成分の大きさは、コンプレッサ１０８が旋回失速条件に移動するにつれ増大する。従って、旋回失速の存在は、ＤＣ成分又は電圧が閾値を越えるときを決定することにより検出されることができる。閾値は、ＤＣ成分に対して正常な動作値、即ち、旋回失速が存在しないときのＤＣ成分の値の倍数に等しい値に設定することができる。本発明の好適な実施形態においては、閾値は、正常な動作値の２倍から６倍であることができる。例えば、ＤＣ成分に対する正常な動作値が０．２−０．４ＶＤＣである場合、旋回失速を検出するための閾値は、０．８ＶＤＣと１．２ＶＤＣとの間であることができる。正常な動作に対する値及び閾値に対する値は、信号に印加される利得の量に依存する。換言すると、信号に印加される利得がより大きくなるとき、正常な動作値がより大きくなり、そして閾値がより大きくなる。旋回失速がステップ３１２において検出されない場合、プロセスは、ステップ３０２へ戻り、そしてセンサ１６０からの新しい信号が処理のため取得される。
【００３６】
旋回失速がステップ３１２において検出された場合、ステップ３１４においてその旋回失速条件を補正するため補正動作が行われる。補正動作は、ラジアル・ディフューザ１１９のディフューザ空間２０４の幅を狭めること、ラジアル・ディフューザ１１９の長さを短くすること、又は、コンプレッサ入口で又はインペラー２０２の下流でコンプレッサ１０８への流れを増大することを含むことができるが、これに限定されるものではない。本発明の好適な実施形態においては、旋回失速の検出すると、制御パネル１４０は、信号をディフューザ１１９に、特に、ディフューザ１１９の調整機構２１２に送って、ディフューザ・リング２１０の位置を調整して、旋回失速条件を補正する。ディフューザ・リング２１０は、旋回失速条件を補正するため、ディフューザ空間２０４の中に挿入されて、ディフューザ空間２０４の幅を狭める。
【００３７】
本発明の別の実施形態においては、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて、旋回失速の存在を検出することができる。図６は、ＦＦＴを用いて、コンプレッサ１０８のディフューザ１１９における旋回失速を検出して補正する一つのプロセスを示す。このプロセスは、ステップ６０２において、制御パネル１４０が信号をセンサ１６０から受け取ることから始まり、そしてステップ６０４において、好ましくはＡ／Ｄ変換器を用いて、センサ１６０からの当該信号をディジタル信号に変換する。次に、ステップ６０６において、ＦＦＴが、ステップ６０４からの信号に適用されて、複数の周波数及びエネルギ値を発生する。ＦＦＴは、制御パネル１４０上のＤＳＰチップの中にプログラムされることが好ましく、そしてリアル・タイムで実行することができる。ＦＦＴ・ＤＳＰチップは、ＦＦＴを完了するため乗算及び累算のようないずれの必要な演算又は計算を実行するよう構成されていることが好ましい。センサ１６０からのディジタル化された入力信号に対してＦＦＴを適用することにより、旋回失速を、図３に関して前述したように時間領域よりむしろ周波数領域で直接検出することが可能になる。
【００３８】
特定の範囲の基本周波数のみ、即ち、上記で一層詳細に説明したような約１０−３００Ｈｚが旋回失速の検出で関心があるので、ステップ６０８において、関心のそれらの特定の周波数のみが、周波数領域で解析されねばならず、即ち、旋回失速と関連しない周波数を廃棄することができる。更に、関心の特定の範囲の基本周波数は、常に、コンプレッサのインペラー２０２の回転周波数に等しいかそれより下であり、従って、旋回失速の解析を、コンプレッサの速度を考慮することにより関心の適切な範囲に限定することができる。関心の周波数範囲のこの限定は、可変速度駆動（ＶＳＤ）応用において有利である。それは、インペラー２０２の速度が低減されるにつれ、関心の周波数範囲がより狭くなり、それにより間違った検出を招くであろう無関係の周波数の排除に役立つからである。コンプレッサが可変速度又は固定速度で動作しようとしまいと、インペラーの動作速度と関連した周波数成分及びその高調波が除去（ゼロに設定）される一方で、旋回失速と関連したＦＦＴの周波数成分及びその高調波は保持される。トランスデューサを介して結合し得る電子的インターフェースのようなコンプレッサのインペラー２０２の回転周波数より下の他の非失速周波数（６０Ｈｚ及び高調波）も除去し得る。
【００３９】
ステップ６０８における無関係の周波数の排除後に、ステップ６１０において、ＦＦＴからの残りの成分又は周波数同士を加算して、その結果として生じる値が旋回失速範囲内にあるかを決定する。ステップ３１２における旋回失速の検出と同様に、ステップ６１０における旋回失速の検出は、加算した又はその結果生じる値が失速領域を規定する閾値より大きいことに基づく。閾値は、ＦＦＴ成分からの加算された又はその結果生じる値に対して正常な動作値の倍数に等しい値、即ち、旋回失速が存在しないときのＦＦＴ成分からの加算された又はその結果生じる値の値に設定することができる。本発明の好適な実施形態においては、閾値は、正常な動作値の２倍から６倍にすることができる。正常な動作及び閾値に対する値は、解析される信号の強度、及び信号対雑音比を増強するため信号に適用される増幅量に依存する。本発明の別の実施形態においては、残りの周波数スペクトルのピークが所定の閾値を越えたかどうかを決定することにより旋回失速を検出することができる。ステップ６１０において、旋回失速が検出されない場合、プロセスは、ステップ６０２に戻り、そしてセンサ１６０からの新しい信号が処理のため取得される。
【００４０】
ステップ６１０において旋回失速が検出された場合、ステップ６１２において補正動作が行われて、旋回失速条件を補正する。補正動作は、ラジアル・ディフューザ１１９のディフューザ空間２０４の幅を狭めること、ラジアル・ディフューザ１１９の長さを短くすること、又はコンプレッサ入口で、又はインペラー２０２の下流で、コンプレッサへの流れを増大することを含むことができるが、これらに限定されるものではない。本発明の好適な実施形態においては、旋回失速を検出すると、制御パネル１４０は、信号をディフューザ１１９の調整機構２１２へ送って、ディフューザ・リング２１０の位置を調整して、旋回失速条件を補正する。ディフューザ・リング２１０は、旋回失速条件を補正するため、ディフューザ空間２０４の中に挿入されて、当該ディフューザ空間２０４の幅を狭める。
【００４１】
本発明が好適な実施形態を参照して説明されたが、本発明の範囲を逸脱すること無しに、様々な変更を行い、及び本発明の構成要素を均等物に置換し得ることが当業者により理解されるであろう。その上、本発明の本質的範囲を逸脱すること無しに、特定の状況又は資材を本発明の教示に適合させるため多くの変更を行い得る。従って、本発明は、この発明を実行するため意図された最良様式として開示された特定の実施形態に限定されるものでは無く、本発明は、添付の特許請求の範囲に入る全ての態様を含むことを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、本発明の冷却システムを概略的に示す。
【図２】図２は、本発明の遠心コンプレッサ及びディフューザの部分断面図を示す。
【図３】図３は、本発明の一実施形態における旋回失速条件を検出して補正するためのフロー・チャートを示す。
【図４】図４は、本発明と使用のためのアナログ回路の一実施形態を概略的に示す。
【図５】図５は、本発明と使用のためのディジタル回路の一実施形態を概略的に示す。
【図６】図６は、本発明の別の実施形態における旋回失速条件を検出して補正するためのフロー・チャートを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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