(57)【要約】  新しいターボ機械を設計するために調整／較正パラメーターの最終セットを自動的に決定するためのシステム及び方法。本方法は、調整／較正パラメーターの初期セットを入力し、調整／較正パラメーターの初期セットに基づいてファミリーターボ機械量を計算し、計算したファミリーターボ機械量を測定量と比較し且つ計算したファミリー量と測定量との間の第１の誤差を計算し、調整／較正パラメーターの初期セットとターボ機械変数の初期設定値との間の第２の誤差を計算し、第１及び第２の誤差を両方とも含む修正目的関数を形成し、繰り返しプロセスの間に、調整／較正パラメーターの最終セットを見いだすように調整／較正パラメーターの初期セットを変更し、ファミリーについての調整／較正パラメーターの最終セットをデータベースに保存することを含む。【選択図】  図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
新しいターボ機械を設計するための調整／較正パラメーターの最終セットを自動的に決定するための方法であって、
調整／較正パラメーターの初期セットを入力し、
調整／較正パラメーターの前記初期セットに基づいてファミリーターボ機械量を計算し、
前記計算したファミリーターボ機械量を測定量と比較し且つ前記計算したファミリー量と前記測定量との間の第１の誤差を計算し、
調整／較正パラメーターの前記初期セットとターボ機械変数の初期設定値との間の第２の誤差を計算し、
前記第１及び第２の誤差を両方とも含む修正目的関数を形成し、
繰り返しプロセスの間に、調整／較正パラメーターの前記最終セットを見いだし、調整／較正パラメーターの前記最終セットが、（１）ターボ機械量の前記ファミリーと前記測定量との間の最良適合及び（２）調整／較正パラメーターの前記最終セットについて前記ファミリーの１つのメンバーから別のメンバーへの滑らかな推移を達成するように、調整／較正パラメーターの前記初期セットを変更し、
前記ファミリーについての調整／較正パラメーターの前記最終セットをデータベースに保存する
ことを含む方法。
【請求項２】
調整／較正パラメーターの前記初期セットが、初期設定パラメーター値、若しくは前記新しいターボ機械と同様のファミリーからの他のターボ機械の調整／較正パラメーター値、又は前記初期設定パラメーター値からの許容ずれを持つ修正調整／較正パラメーター値のうちのいずれか１つのセットを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
流量係数に対する前記調整／較正パラメーターの一次導関数が、前記ファミリー全体について連続的であるとき、調整／較正パラメーターが滑らかである、請求項１又は請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記測定量が、前記ファミリーの既存のターボ機械について測定される、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記第１の誤差が、（ｉ）計算した各ファミリーターボ機械量と（ｉｉ）対応する測定量との間の法線距離の合計の二乗平均平方根（ＲＭＳ）である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記第２の誤差が、前記第１の誤差に加えるとき重み付けされる、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
調整／較正パラメーターの前記最終セットが、入口流量についての２つの係数、インペラ出口流れ角の１つの係数、臨界マッハ数、流れ分離についての１つの係数、１つの効率係数及び１つの閉塞係数のうちの１つ以上を含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記新しいターボ機械が、複数段、インペラ、ディフューザ及び出口システムを有する遠心圧縮機である、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記ターボ機械量が、ポリトロープ効率、ポリトロープヘッド、仕事係数、圧力比、サージ及びチョーク限界の１つ以上を含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記修正目的関数を最小化するために微分展開遺伝的アルゴリズムを適用することをさらに含む、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
調整／較正パラメーターの前記初期セットをランダムに生成することをさらに含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記修正目的関数を最小化するためにシンプレックス法に基づく最適化方法を適用することをさらに含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記ファミリーの調整／較正パラメーターのセットを使用して前記新しいターボ機械について調整／較正パラメーターの前記最終セットを決定することをさらに含む、請求項１乃至請求項１２のいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
設計点及び設計外条件について調整／較正パラメーターの前記最終セットを決定することをさらに含む、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
新しいターボ機械について調整／較正パラメーターの最終セットを決定するための設計装置であって、前記設計装置が、
調整／較正パラメーターの初期セットを入力するように構成されるインターフェース及び前記インターフェースに接続されるプロセッサを含み、
前記プロセッサが、
調整／較正パラメーターの前記初期セットに基づいてファミリーターボ機械量を計算し、
前記計算したファミリーターボ機械量を測定量と比較し且つ前記計算したファミリー量と前記測定量との間の第１の誤差を計算し、
調整／較正パラメーターの前記初期セットとターボ機械変数の初期設定値との間の第２の誤差を計算し、
前記第１及び第２の誤差を両方とも含む修正目的関数を形成し、
繰り返しプロセスの間に、調整／較正パラメーターの前記最終セットを見いだし、調整／較正パラメーターの前記最終セットが、（１）ターボ機械量の前記ファミリーと前記測定量との間の最良適合及び（２）調整／較正パラメーターの前記最終セットについて前記ファミリーの１つのメンバーから別のメンバーへの滑らかな推移を達成するように、調整／較正パラメーターの前記初期セットを変更し、
前記ファミリーについての調整／較正パラメーターの前記最終セットをデータベースに保存するように構成される、設計装置。
【請求項１６】
調整／較正パラメーターの前記初期セットが、初期設定パラメーター値、若しくは前記新しいターボ機械と同様のファミリーからの他のターボ機械の調整／較正パラメーター値、又は前記初期設定パラメーター値からの許容ずれを持つ修正調整／較正パラメーター値のうちのいずれか１つのセットを含む、請求項１５記載の設計装置。
【請求項１７】
流量係数に対する前記調整／較正パラメーターの一次導関数が、前記ファミリー全体について連続的であるとき、調整／較正パラメーターが滑らかである、請求項１５又は請求項１６記載の設計装置。
【請求項１８】
前記測定量が、前記ファミリーの既存のターボ機械について測定される、請求項１５乃至請求項１７のいずれか１項記載の設計装置。
【請求項１９】
前記第１の誤差が、（ｉ）計算した各ファミリーターボ機械量と（ｉｉ）対応する測定量との間の法線距離の合計の二乗平均平方根である、請求項１５乃至請求項１８のいずれか１項記載の設計装置。
【請求項２０】
コンピュータ実行可能命令を含むコンピュータ可読媒体であって、前記命令が、実行されるとき、新しいターボ機械について調整／較正パラメーターの最終セットを自動的に決定するための方法を実施し、前記方法が、
調整／較正パラメーターの初期セットを入力し、
調整／較正パラメーターの前記初期セットに基づいてファミリーターボ機械量を計算し、
前記計算したファミリーターボ機械量を測定量と比較し且つ前記計算したファミリー量と前記測定量との間の第１の誤差を計算し、
調整／較正パラメーターの前記初期セットとターボ機械変数の初期設定値との間の第２の誤差を計算し、
前記第１及び第２の誤差を両方とも含む修正目的関数を形成し、
繰り返しプロセスの間に、調整／較正パラメーターの前記最終セットを見いだし、調整／較正パラメーターの前記最終セットが、（１）ターボ機械量の前記ファミリーと前記測定量との間の最良適合及び（２）調整／較正パラメーターの前記最終セットについて前記ファミリーの１つのメンバーから別のメンバーへの滑らかな推移を達成するように、調整／較正パラメーターの前記初期セットを変更し、
前記ファミリーについての調整／較正パラメーターの前記最終セットをデータベースに保存する
ことを含む、コンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する主題の実施形態は一般に、ターボ機械段ファミリーを調整／較正するための方法及びシステムに関し、より詳しくはターボ機械段ファミリーを調整／較正するためのメカニズム及び技法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１つのターボ機械は、遠心圧縮機である。遠心圧縮機は通常、特定の流量範囲及び用途を含めることを目的とするファミリーにおいて設計される。遠心圧縮機は、１つ以上の段を有することもある。ファミリー内の各個別設計は、異なるサイズのこともあり、インペラ（例えば、１つ以上の列のスプリッター又は非スプリッター）における様々な数のブレード、静止部分（例えば、スプリッター若しくはカスケードベーン又はくさび形ベーンを有する１つ以上の列のベーンを備える戻り流路）、ディフューザ（例えば、小弦節比翼列又は１つ以上の列のベーンを備えるか若しくはベーンのないくさび形のエーロフォイルを有する）及び出口システム（例えば、スクロール、コレクター、デスワール）などを有することもある。ファミリーにおける個別設計は、低い設計流量係数から高い設計流量係数にまで及び、時には低い設計マッハ数から高い設計マッハ数にまで及ぶ。ファミリーの各メンバーは、１つの設計流量係数及び速度で定義されるが、しかしまた図１で示すように、使用可能な流量範囲及び速度範囲でも定義される。図１で示すファミリーは、４つの設計を含み、それぞれは、その設計速度線２、４、６及び８並びにいくつかの追加の速度線を有する。全部で１２の速度線が、この特定の例についてのポリトロープ効率及びヘッドに関して１−Ｄモデルの較正／調整において使用されることになる。図１におけるすべての値は、中間〜高設計流量での対応する値に正規化されることに留意されたい。選ばれた数の設計（試験マスターと呼ばれ、図２で要素１０として示される）は、試験のために選択され、次いで試験データに調整／較正される。調整／較正された試験マスター１０は、データベースマスターとして保存され、このマスターは次に、設計データベースに追加するために使用され、このことが、図２で概略的に示されている。他の設計点１２は、試験されない。しかしながら、これらの点も設計データベースに保存され、これらの点は、すでに設計された圧縮機に対応する。顧客が、設計データベースに存在しない、図２での点１４によって示される設計を有する新しい圧縮機を注文するときは、試験マスター及び設計された点は、所望の圧縮機をモデル化する、例えば設計パラメーターを決定するために使用されることもある。
【０００３】
最適化手法が、ターボ機械構成部品の空気力学的及び機械的設計のために近年使用されている。特に、数値最適化技法は、新世代ターボ機械構成部品の空気力学的設計のための最も有望なツールの１つであるように思われる（その内容全体が、参照により本明細書に組み込まれる、Bonaiuti et al., "Analysis and Optimization of Transonic Centrifugal Compressor Impellers Using the Design of Experiments Technique", Journal of Turbomachinery, 128(4), pp. 786-797, 2006）。
【０００４】
遠心圧縮機段の空気力学的設計サイクルは、１−Ｄ性能予測及び計算プロセスから始まり、その後に詳細な設計、分析及び予測を検証するための試験が続く。設計プロセスの一部は、１−Ｄ性能パラメーター予測及び計算である。このタスクは、１−Ｄ性能予測ツールの助けを借りて実行され、この性能予測ツールは、例えば圧縮機のポリトロープヘッド、ポリトロープ効率、仕事効率などを計算する。１−Ｄツールでの流れモデルは、試験データにできるだけ近く適合するようにいわゆる調整／較正係数を用いて調節する必要がある。１−Ｄツールの高い精度及び予測可能性が、望ましく、継続的改善が、実験からのずれが最小であるより優れた予測ツールを有するために行われる。速いフィードバック及び報告は、より優れた予測可能性のための相互関係を発展させるときに効果的に利用される。
【０００５】
現在は、１−Ｄツールの調整プロセスは、手動プロセスである。このプロセスは、限られた少数の調整パラメーターと共に、様々な段について行われる試験からのデータを利用する。
【０００６】
例えば、遠心圧縮機は通常、特定の流量範囲及び用途を含めることを目的とするファミリーで設計される。図３は、異なる幾何学的特性を有するファミリー２０、２２、２４、２６及び２８（多角形として表される）を例示する。図３のグラフは、設計周辺マッハ数対流量係数に基づいて様々な圧縮機を分類する。マッハ数は、音速に対する媒体（圧縮機が圧縮している）の速度を表し、流量係数は、圧縮機を通って流れる媒体の量を示す。ファミリーでの個別設計は、ある範囲の流量係数及びしばしば複数の速度線（すなわち、異なるマッハ数）を含める。ファミリーの各メンバーは、設計流量係数及び速度、いわゆる設計点によって特徴付けられることもあるが、その較正／調整パラメーターは、ファミリー流量範囲及び速度範囲（いくつかの動作点の範囲）で使用可能である。データベースは、流量係数及びマッハ数に従ってインデックスを付けられる、ファミリー当たりの代表点を保存するために使用されてもよい。
【０００７】
加えて、１つの特定の段にとって有効であると判明する調整／較正パラメーターが、別の段にとって適切でないこともある。性能指数を、より最適化する必要があればあるほど、ベースラインに関して、必ずしも最適ではないが、容認できるレベルの改善に達するためにユーザーが必要とする繰り返し数が、より多くなる。ここでベースラインは、初期設定の調整／較正パラメーター値によって表すことができる。調整／較正パラメーターの数のわずかな増加は、必要とされる繰り返し数の急増をもたらすので、調整／較正パラメーターの数は、最適化プロセスに影響を及ぼす。
【０００８】
遠心圧縮機の幾何学的設計特徴を扱う最適化手順は、すでに開発されている（例えば、その内容全体が、参照により本明細書に組み込まれる、Omar et al. "An Aerodynamic Optimization Procedure for Preliminary Design of Centrifugal Compressor Stages", GT2008-51154, ASME Turbo Expo 2010を参照）。この最適化手順は、遠心圧縮機段の予備設計を目的としている。１−Ｄ性能予測ツールでの流れモデルは、圧縮機段を通る予期される流れの挙動を推定することができように試験データで較正する必要があるので、この最適化アルゴリズムの有効性は、制限されることもある。１−Ｄツールの予測可能性に他のツールが依存することを考慮すると、実験結果に関して１−Ｄツールを適合させる自動最適化アルゴリズムを開発することが、望ましいこともある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】ELSHAMY OMAR ET AL: "An aerodynamic optimization procedure for the preliminary design of centrifugal compressor stages", PROCEEDINGS OF THE ASME TURBO EXPO 2008, vol. 6, no. B, 1 June 2008 (2008-06-01), pages 1649-1655, XP009153534
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
例示的な一実施形態によると、新しいターボ機械を設計するために調整／較正パラメーターの最終セットを自動的に決定するための方法がある。本方法は、調整／較正パラメーターの初期セットを入力し、調整／較正パラメーターの初期セットに基づいてファミリーターボ機械量を計算し、計算したファミリーターボ機械量を測定量と比較して、計算したファミリー量と測定量との間の第１の誤差を計算し、調整／較正パラメーターの初期セットとターボ機械変数の初期設定値との間の第２の誤差を計算し、第１及び第２の誤差を両方とも含む修正目的関数を形成し、繰り返しプロセスの間に、調整／較正パラメーターの最終セットを見いだし、調整／較正パラメーターの最終セットが、（１）ターボ機械量のファミリーと測定量との間での最良適合及び（２）調整／較正パラメーターの最終セットについてファミリーの１つのメンバーから別のメンバーへの滑らかな推移を達成するように、調整／較正パラメーターの初期セットを変更し、ファミリーについての調整／較正パラメーターの最終セットをデータベースに保存することを含む。
【００１１】
別の例示的な実施形態によると、新しいターボ機械のために設計パラメーターの最終セットを決定するための設計装置がある。設計装置は、調整／較正パラメーターの初期セットを入力するように構成されるインターフェース及びそのインターフェースに接続されるプロセッサを含む。プロセッサは、調整／較正パラメーターの初期セットに基づいてファミリーターボ機械量を計算し、計算したファミリーターボ機械量を測定量と比較して、計算したファミリー量と測定量との間の第１の誤差を計算し、調整／較正パラメーターの初期セットとターボ機械変数の初期設定値との間の第２の誤差を計算し、第１及び第２の誤差を両方とも含む修正目的関数を形成し、繰り返しプロセスの間に、調整／較正パラメーターの最終セットを見いだし、調整／較正パラメーターの最終セットが、（１）ターボ機械量のファミリーと測定量との間での最良適合及び（２）調整／較正パラメーターの最終セットについてファミリーの１つのメンバーから別のメンバーへの滑らかな推移を達成するように、調整／較正パラメーターの初期セットを変更し、ファミリーについての調整／較正パラメーターの最終セットをデータベースに保存するように構成される。
【００１２】
さらに別の例示的な実施形態によると、コンピュータ実行可能命令を含むコンピュータ可読媒体があり、その命令は、実行するとき、上で論じた方法を実施する。
【００１３】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する、付随する図面は、１つ以上の実施形態を例示し、記述と一緒に、これらの実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】別のターボ機械を設計するために使用することになるファミリーの例である。
【図２】マッハ数及び流量係数によって分類されるターボ機械のファミリーの概略図である。
【図３】マッハ数及び流量係数によって分類されるターボ機械の複数のファミリーの概略図である。
【図４】圧縮機ファミリーについてポリトロープ効率対流量を例示するグラフである。
【図５】圧縮機ファミリーについてポリトロープヘッド対流量を例示するグラフである。
【図６】例示的な実施形態による新しいターボ機械について設計パラメーターを計算するためのアルゴリズムを例示する流れ図である。
【図７】例示的な実施形態による圧縮機のファミリーの測定点を同じファミリーについての推定曲線に対して例示するグラフである。
【図８】例示的な実施形態による圧縮機ファミリーについて設計点条件及び設計外条件を例示するグラフである。
【図９】例示的な実施形態による圧縮機ファミリーについて手動で（且つ一度に１つのファミリーメンバーについて）及び自動で調整された設計パラメーターを例示するグラフである。
【図１０】例示的な実施形態による圧縮機ファミリーメンバーについて自動で調整されたポリトロープ効率及びヘッド対手動で調整／較正されたものを例示するグラフである。
【図１１】例示的な実施形態による圧縮機ファミリーについて滑らかに調整された設計パラメーターを例示するグラフである。
【図１２】例示的な実施形態による設計装置の概略図である。
【図１３】例示的な実施形態による設計パラメーターを計算するための方法を例示する流れ図である。
【図１４】遠心圧縮機の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
例示的な実施形態の以下の記述は、付随する図面を参照する。異なる図面での同じ参照番号は、同じ又は同様の要素を識別する。以下の詳細な記述は、本発明を限定しない。その代わりに、本発明の範囲は、添付のクレームによって定義される。以下の実施形態は、簡単にするために、遠心圧縮機の専門用語及び構造に関して論じられる。しかしながら、次に論じることになる実施形態は、これらのシステムに限定されることはなく、初期性能予測のために１−Ｄ性能予測ツールを使用する他のシステム、例えば蒸気タービン、ガスタービンなどのような他の種類の圧縮機又は他のターボ機械に適用されてもよい。
【００１６】
本明細書全体にわたって「一実施形態」又は「ある実施形態」への言及は、実施形態に関連して述べる特定の特徴、構造、又は特性が、開示する主題の少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。それ故に、本明細書全体にわたって様々な場所での語句「一実施形態では」又は「ある実施形態では」の出現は、必ずしも同じ実施形態に言及していない。さらに、特定の特徴、構造又は特性は、１つ以上の実施形態で任意の適切な方法で組み合わされてもよい。
【００１７】
例示的な実施形態を述べるために使用することになるいくつかの専門用語が、次に論じられる。以下の術語は、以下で定義するように理解されるが、当業者は、同じ量について似た術語を使用することがあることに留意されたい。較正／調整パラメーター／変数は、１−Ｄ流れモデルを試験データにできるだけ近く適合させるように１−Ｄ流れモデルを調節するために使用される係数である。設計変数は、圧縮機の幾何学的設計を定義する変数である。動作パラメーター／変数は、圧縮機の機能を決定するパラメーター（例えば、ガス量、質量流量、回転速度、圧力比、温度など）である。設計点は、圧縮機が設計された流れ条件（例えば、ガス量、質量流量、回転速度、圧力比、温度など）のセットを含む。動作点は、圧縮機が使用されることになる流れ条件（例えば、ガス量、質量流量、回転速度、圧力比、温度など）の１つ以上のセットを含む。動作点は、設計点と同じこともあり、又は同じでないこともある。
【００１８】
以下の量も定義される。
【００１９】
【数１】
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例示的な実施形態によると、最適化アルゴリズムは、所与の調整／較正限界内で可能な最良解決策を提供するために最適化ツールを１−Ｄ予測ツールと結び付けてもよい。自動最適化アルゴリズムは、遠心圧縮機段又は他のターボ機械の開発のために使用されるとき、１−Ｄツールの予測可能性を改善することができる。１−Ｄ調整／較正パラメーターは、実験に基づいて予測され、次いでこれらのパラメーターは、その後の２−Ｄ及び３−Ｄ設計フェーズを行うために使用される。一適用では、最適化アルゴリズムは、調整／較正パラメーターの１つのセットから開始する。これらは、ターボ機械の同様のファミリーから取得されるか又は所定範囲内から選択される初期設定値のいずれかとすることができる。アルゴリズムは次いで、機械の様々な量を計算し、２つの誤差（後で述べることになる）を比較する。次いで、アルゴリズムは、最小誤差を見いだすまで調整／較正パラメーターを所定範囲内で変更しながら計算を再実行する。付加的制約が、アルゴリズムに課されることもあり、これは、最適化に含まれるすべての設計動作点について、調整／較正パラメーター間の滑らかさを見いだす必要があるということである。言い換えれば、最適化は、二次元での較正として働き、１つの軸上には動作点があり、もう一方の軸上には調整／較正パラメーターがある。それらは、共に、測定結果から最少のずれを有することが望まれる性能結果を定義する。同時に、各調整／較正パラメーターは、動作点範囲にわたって滑らかであることが、望まれる。
【００２０】
１−Ｄツールは、圧縮機の段の所与の幾何学的外形及び動作条件（例えば、入口圧力及び温度、質量流量、回転速度、ガス特性など）に基づいて、例えばポリトロープ効率、ポリトロープヘッド、仕事係数、圧力比、サージ、チョーク限界などの量を計算する能力がある。考慮に入れる幾何学的形状は、インペラ、ディフューザ及び出口システムを含むことがあるが、しかし入口案内ベーン、インペラ（１つ以上の列のスプリッター又は非スプリッター）、静止部分（スプリッター又はカスケードベーン又はくさび形ベーンを有する（１つ以上の列の）ベーンを備える戻り流路）、ディフューザ（小弦節比翼列又は１つ以上の列のベーンを備えるか若しくはベーンのないくさび形のエーロフォイルを有する）、出口システム（スクロール、コレクター、デスワール）などを含むが限定されない、いろいろな構成部品が、使用されることもある。
【００２１】
各構成部品の種類について、ユーザーは、その外形（例えば、子午線の及びブレード間の）を定義する幾何学的データを提供するように要求されることもある。これらのパラメーターは、入力ファイルに提供されてもよい。計算の結果は、出力ファイルに保存されてもよく、この出力ファイルにおいて、結果は、すべての設計及び設計外条件について繰り返されるモジュールで提示されてもよい。予測ツールをこの幾何学的形状に適用することによって、関連する性能パラメーターは、対応する出力ファイルから抽出できる。
【００２２】
既存の段設計についての予測ツールの実験的検証は、ファミリー調整／較正の妥当性を示す。例えば、図４は、予測値（線３０）と試験値（点３２）との比較を示す。正規化ポリトロープ効率は、中間流量係数段の設計流量係数によって正規化された流量係数に対してプロットされている。図５は、中間流量係数段の設計流量係数によって正規化された流量係数に対するポリトロープヘッドについての同様の比較を示す。ファミリー調整／較正は、目的が最適全体適合を見つけることであるので、すべての個別ファミリーメンバーにとって必ずしも最適調整／較正を意味しないことが、図４及び図５からわかる。
【００２３】
従来の調整／較正では、主な労力は、設計点に置かれ、この設計点は主に、効率及びインペラ出口流れ角に関係する２つの因子で調整される。従来の調整における目的は、ポリトロープ効率及びヘッドをできるだけ近く適合させることである。次に、インペラ入口損失モデルは、入口流量に作用する２つの係数を用いて、チョーク及びストール限界を改善するように修正される。すべてのこれらの段階は、各設計流量係数段について個別に行われる。性能曲線の形状には、必ずしも従わない。
【００２４】
各設計流量係数についての速度比の変化は通常、調整／較正されなくて、調べられるだけである。いったんすべての設計が、調整／較正されると、結果として生じるパラメーターは、比較され、それらのいくつかは、調節される。ファミリー内の設計流量係数を持つ滑らかな進展パラメーター値を有することが、望まれる。一適用では、３つの追加の調整／較正パラメーターが、性能曲線の形状もまた調整／較正するために使用された（流れ分離、流れ閉塞及び臨界マッハ数と関連して）。しかしながら、例えば６つのメンバー及び７つの調整パラメーターを持つファミリーについてのそのような手動調整／較正プロセスは、経験豊富な技術者によって行われるとき、２ヶ月近くかかる。その時でさえ、手動調整／較正は、容認できるほど良好な適合が見いだされるまで行われるだけなので、真の最適較正／調整が達成されているかは、定かではない。
【００２５】
例示的な実施形態によると、新規の最適化アルゴリズム（ここからは「オプティマイザ」と呼ぶ）は、設計及び設計外条件の両方で１回の実行で数「ｎ」の速度線を持つ遠心圧縮機段ファミリー全体を調整／較正する能力がある。オプティマイザは、同じ設計周辺マッハ数を有する異なる質量流量のすべての遠心圧縮機段の種類及びマスターを扱うことができる。オプティマイザのための入力詳細は、調整／較正することになるすべての段について段パラメーター及び対応する実験データを定義するファイルであってもよい。オプティマイザは、単一段の調整／較正のため並びに試験される数「ｎ」の段（マスターと呼ばれる）及びデータベースに保存されるそれらの性能を含む遠心圧縮機段ファミリー全体のための両方に使用されるのに十分な柔軟性がある。オプティマイザは、１回の実行の間に任意の数の調整／較正変数を扱うことができる。オプティマイザの１つの目的は、試験値と予測値との間の誤差のＲＭＳ（二乗平均平方根）値を「最小化すること」である。ここで述べるような誤差は、２つの成分を含むこともあり、第１の成分は、予測／計算点が実験データからどこまでずれているかを示し（Ｅｒｒｏｒ成分）、第２の成分は、較正／調整変数／パラメーターが、ユーザーが指定するような初期設定値からどのくらいずれているかを示す（Ｄｅｖｉ成分）。初期設定値は、公開文献で又は組織内設計実践で見いだされてもよい。
【００２６】
２つの誤差成分は、ユーザーが指定するようなＷ＿ｄｅｖｉ因子を用いて可変加重で重み付けされてもよい。また、各試験点は、ユーザーによって個別加重を与えられてもよく、その結果例えば、設計点は、その他の点よりも重く重み付けできる。正確な最適化に役立つこのアルゴリズムの１つの利点は、各点を個別に扱えることである。
【００２７】
図６は、例示的な実施形態による最適化プロセスを例示する流れ図である。段階４０では、目的関数（後で論じることになる）及び制約が、ユーザー入力値に基づいて定義される。修正目的関数（ＯＦＭＯＤ）が、計算される。修正目的関数は、後でより詳細に論じられる。次いで、最適化ループ４２では、オプティマイザが、段階４４で調整／較正パラメーターの初期／新セットを決定する。調整／較正パラメーターの初期セットと関連する条件も後で論じられる。アルゴリズムは、段階４６で１−Ｄ予測ツールを使用して、調整／較正変数の新セットを使用することによって圧縮機の性能（すなわち、ポリトロープヘッド、ポリトロープ効率及び仕事係数のような量）を予測する。この段階は、２つの誤差成分を計算することを含んでもよい。段階４８では、圧縮機の性能が、調べられ、新しい目的関数値が、計算される。次いで、アルゴリズムは、所望の最終セットが達成されるまで、調整／較正変数の異なるセットを使用して繰り返されてもよい。調整／較正変数の最終セットは、（１）ターボ機械量のファミリーと測定量との間の最良適合及び（２）調整／較正パラメーターの最終セットについてファミリーの１つのメンバーから別のメンバーへの滑らかな推移を達成する。分析の概要５０が、ユーザーに提示されてもよい。
【００２８】
図７は、誤差成分の１つがどのように計算されるかをより詳細に例示する。Ｓ１及びＳ２は、同じファミリーのメンバーを表す２つの隣接点間の距離である。統合補正因子「ｐ」は、点の不均等分布を説明し、ｐ＝（Ｓ１＋Ｓ２）／２によって与えられる。距離「ｄ」は、試験データ６２と予測曲線６０との間の法線距離として定義される。例えば、もし２つの点（ｘ０、ｙ０）及び（ｘ１、ｙ１）が、予測曲線６０上に存在し、１つの試験点が、これらの２つの点の間に且つそれらよりも上にあるならば、距離ｄは、ｄ＝［（ｙ０−ｙ１）（ｘ２）＋（ｘ１−ｘ０）（ｙ２）＋（ｘ０ｙ１−ｙ０ｘ１）］／ｓｑｒｔ［（ｘ１−ｘ０）2＋（ｙ１−ｙ０）2］として定義される。距離ｄについての他の定義が、使用されてもよい。誤差は次式で与えられる。
【００２９】
【数２】
2013536342.tif 000004
ここでｎは試験データの総数を表し、「＊」は乗算演算を表し、ｗは設計者が指定する加重である。もし点６２が、もっと遠いならば、Ｓ１及びＳ２の値は、より大きく、それ故に誤差Ｅｒｒｏｒへのｐ値の寄与は、互いに近くに位置する点と比較してより高い。最初の及び最後の点については、ｐ値は、単にＳ１か又はＳ２に等しいこともある。このようにして、オプティマイザは、均等にデータ点の不均等分布を効果的に扱う。オプティマイザはまた、試験データ入力ファイルでユーザーが定義するような実験データのための個別点について可変加重を扱う能力もある。
【００３０】
例示的な実施形態によると、設計及び設計外条件は、それらを異なるグループに割り当てることによって別々に扱われてもよい。設計点は、ある圧縮機を対象とする特性、例えば目的とする質量流量で速度１０，０００ｒｐｍを有する点である。設計外点は、例えば変化する質量流量だがしかし同じ速度の設計点周辺の点であり、変化する質量流量及び速度の両方を持つ点である。所望の速度曲線７２上の設計点７０及び他の点は、３つのグループに分類することができ、グループ１は、（１±ζ）間の流量比に対応するパラメーターによって定義され、グループ２は、（１−ζ）未満の流量比に対応するパラメーターによって定義され、グループ３は、（１＋ζ）超の流量比に対応するパラメーターによって定義される。速度「ｘ」及び「ｙ」と仮定する２つの設計外速度線について考えるならば、ｘ及びｙの流量比（１＋ζ）に対応するパラメーターは、グループ４に割り当てられ、（１−ζ）の場合はグループ５に割り当てられる。パラメーターのこの分離は、各グループが、要件及びユーザー指定に応じて個別に考えることができることを示す。図８は、上記のグループを例示する。図８はまた、設計点７０、設計速度曲線７２及び設計外速度曲線７４も示す。
【００３１】
例示的な実施形態によると、オプティマイザは、ユーザーが指定するような任意の数の調整／較正変数及び任意の数の速度線を１回の実行で調整するように構成される。パラメーターを変えているときは、オプティマイザは、例えばファミリー全体についてこれらのパラメーターにわたって多項式関数（線形又は二次又はｎ次）を定義することによって、パラメーターの滑らかな展開を決定している。この新規の特徴は、オプティマイザが新しい圧縮機について調整／較正パラメーターをより正確に決定することを可能にする。また、オプティマイザは、調整／較正変数のユーザー指定境界によってこれらの値を正規化することによって初期設定値にできるだけ近い、調整／較正パラメーターの滑らかな展開も決定しており、これらの正規化された結果は、特定の因子に割り当てられる。ずれは、すべてのこれらの因子の合計として計算される。Ｅｒｒｏｒ及びＤｅｖｉの合計のＲＭＳ値を最小化することによって、調整／較正変数は、初期設定基準にできるだけ近く調整／較正される。一適用では、ユーザーは、調整／較正パラメーターが初期設定値からよりずれることを可能にするようにＤｅｖｉ因子を緩和することを選択してもよい。
【００３２】
図９は、新規のオプティマイザを使って、２つの異なるファミリーＦ１及びＦ２について手動で計算した調整／較正パラメーター（効率相間因子θ）の挙動を示す。ファミリーＦ１の計算は、４つのマスター及び二次パラメーター適合を使って行われ、ファミリーＦ２は、３つの試験マスター及び線形パラメーター適合を使用した。曲線８０は、ファミリーＦ１についての手動計算を示し、曲線８２は、同じファミリーについてのオプティマイザ計算を示す。曲線８４は、ファミリーＦ２についての手動計算を示し、曲線８６は、同じファミリーについてのオプティマイザ計算を示す。図９は、手動で調整／較正されたものに対して、オプティマイザによって行われたファミリー調整／較正から結果として生じる調整／較正パラメーターの滑らかな展開を例示する。加えて、オプティマイザで行われたファミリー調整／較正されたパラメーターはまた、手動で調整／較正されたパラメーターよりも初期設定値により近くもある。
【００３３】
例示的な実施形態では、オプティマイザのアルゴリズムは、微分展開（ＤＥ）遺伝的アルゴリズム段階から始め、その後にシンプレックス法に基づく最適化アルゴリズム（例えば、ＡＭＯＥＢＡ、その開示全体が、参照により本明細書に組み込まれる、Wang, L., and Beeson, D., 2003, "Non-Gradient Based Methods for Probabilistic Analysis", 44th AIAA/ASME/ASCE/AHS structures, structural dynamics, and materials conference, AIAA 2003-1782）を利用する段階が続いてもよい。第１の段階は、その堅牢性及び大域的探索能力のために遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）法を含んでもよい。第２の段階は、局所的最適化法であるＡＭＯＥＢＡ法に基づいてよい。この第２の段階は、いったん設計空間の最も見込みのある部分が、第１のＧＡに基づく段階を使用して識別されると、最終の最適設計に到達するプロセスを促進させるために使用される。
【００３４】
ＧＡ法は、調整／較正変数をランダムに生成する。従って、調整／較正変数の初期セットは、性能正規化のためだけに必要とされる。調整／較正変数を生成するこのランダムプロセスは、予測ツールを停止させる又は崩壊させることもある「非物理的計算」をもたらすこともある。この課題を解決するために、最適化問題は、そのような状況についてより高いペナルティ値を持つように構造化されており、このようにしてアルゴリズムが滑らかに実行されることを確実にする。最後に、その手順は、最適化プロセスのどんな早期の停止も避けるための最後の手段としてどんなフリーズする実行も除去するなどの特徴を実施してもよい。
【００３５】
修正目的関数（ＯＦＭＯＤ）は、予測と実験との間の誤差Ｅｒｒｏｒ並びに初期設定からの調整／較正変数のずれＤｅｖｉの合計のＲＭＳ値として定義される。より具体的には、ＯＦＭＯＤは次式で与えられる。
【００３６】
【数３】
2013536342.tif 000005
ここでＥｒｒｏｒ及びＤｅｖｉは、上記で紹介した。目的関数ＯＦは、Ｍｉｎｉｍｉｚｅ（ＯＦＭＯＤ）として定義される。
【００３７】
発明者らが行った一シミュレーションでは、７つの調整パラメーターが、４つのマスターの１セット及び３つのマスターを持つ１セットを調整するために使用され、各マスターは、３つの速度線を持つ。設計での変化は、最大の設計流量係数が、最少の設計流量係数の約３倍であるようなものであった。最適化は、ポリトロープ効率及びヘッドについて行われた。設計点は、設計外点と比較して２０倍の加重及び５：１のＤｅｖｉ因子を与えられた。必要としたＣＰＵ時間は、従来の調整のための２ヶ月と比較してマスターのセット当たり約１週間であった。
【００３８】
最適化アルゴリズムは、標準的遠心圧縮機段ファミリーマスターについて試験された。最適化プロセスは、３つのマスターが３つの速度線を持ち、１つのマスターが４つの速度線を持つ、４つのマスターを調整するために７つの調整／較正パラメーターを使用した。調整／較正パラメーターの初期セットは、初期設定パラメーター値若しくは新しいターボ機械と同様のファミリーからの他のターボ機械の調整／較正パラメーター値、又は初期設定パラメーター値からの許容ずれを持つ修正調整／較正パラメーター値のいずれか１つのセットを含んでもよい。この特定の場合に調整／較正されたパラメーターは、入口流量についての２つの係数、インペラ出口流れ角での１つの係数、臨界マッハ数、流れ分離についての１つの係数、１つの効率係数及び１つの閉塞係数を含むが限定されない。これはまた、単一段マスター又は圧縮機段マスターファミリー全体について単一段又は多段圧縮機構成でのインペラ（１つ以上の列のスプリッター又は非スプリッター）、ディフューザ（小弦節比翼列又は１つ以上の列のベーンを備える若しくはベーンのないカスケード又は或いはくさび形のエーロフォイルを有する）及び戻り流路（スプリッター若しくはカスケードベーン又はくさび形ベーンを備える１つ以上の列）、出口システム（スクロール、コレクター、デスワール）において他の性能調整／較正係数も含む。
【００３９】
修正目的関数値は、すべてのマスター及びすべての速度線を考慮する累積誤差を表し、最適化アルゴリズムは、ＯＦＭＯＤを最小化し、７つのパラメーターすべてを同時に調整／較正する目的で実行された。初期調整／較正は、大域的最適化のための微分展開型遺伝的アルゴリズムに基づき、その後に局所的最適解を獲得するためのシンプレックス法に基づく手順が続いた。この手順は、調整／較正パラメーターの初期設定値であるベースラインと比較して、目的関数値をほぼ８０％だけ低減することができた。
【００４０】
図１０は、設計速度での測定値に関して調整／較正された４つのマスターの１つの結果を例示する。値は、予測値と実験値との間の差の存在を示すためにベースライン設計点値に関して正規化された。従来の値９０は、最適化値９４よりも実験データ値９２からより離れていることに留意されたい。また、最適化曲線９４の曲線形状は、従来のものよりも試験データによく適合することにも留意されたい。
【００４１】
図１１は、圧縮機ファミリーの様々な調整／較正パラメーター１００が、新規のオプティマイザが適用された後、ファミリーのメンバーからメンバーへと滑らかな展開を有することを示す。図１１で示すパラメーター曲線１００は、図９での曲線８０及び８４によって例示される手動調整／較正結果と対照をなす。この高度な滑らかさを達成することにより、新規のオプティマイザは、圧縮機点のより良好なデータベースを作成し、それ故に新しい圧縮機が顧客によって注文されるとき、新しい圧縮機の特性を計算するための補間プロセスは、より良好でより正確な結果を出す。曲線が滑らかであるという特性は、その一次導関数の観点から述べられてもよい。例えば、ファミリー全体についての調整／較正パラメーターが、図１１での曲線１００によって示されていると考える。もしファミリー全体について流量係数に関して、考えられる調整／較正パラメーターの一次導関数が、連続的であるならば、曲線１００は、滑らかであると考えられる。図１１は、マスター設計、すなわち試験されたそれらの機械に対応する点１０２を示し、曲線１００は、ファミリー全体について、考えられる設計パラメーターを表すことに留意されたい。それ故に、顧客が、参照番号１０４によって指示される所望の流量係数を有する新しいターボ機械を望むときは、曲線１０２を含むデータベースの操作者は、所望のターボ機械に対応する１つ以上の設計パラメーター１０６をすぐに識別することができる。
【００４２】
新しいターボ機械を設計するために調整／較正パラメーターのセットを決定するための設計装置１１０が、次に図１２に関して述べられる。設計装置１１０は、新しいターボ機械と同じファミリーからの他のターボ機械の動作パラメーターを入力するように構成されるインターフェース１１２を含むことができる。例えば、インターフェース１１２は、キーボード、マウス、スキャナーなどであってもよい。インターフェース１１２は、プロセッサ又は専用回路（アナログ若しくはデジタル）１１４に接続される。プロセッサ１１４は、様々な機能ブロックを含んでもよい。例えば、プロセッサ１１４は、インターフェース１１２から受け取る動作パラメーターに基づいてファミリーターボ機械量を計算するように構成された第１のブロック１１６を含んでもよい。計算ブロック１１８は、計算したファミリーターボ機械量を測定量と比較し、且つ計算したファミリー量と測定量との間の第１の誤差（Ｅｒｒｏｒ）を計算するように構成される。同じ計算ブロック１１８は、調整／較正ターボ機械変数とターボ機械変数の初期設定値との間の第２の誤差（Ｄｅｖｉ）もまた計算するように構成することができる。論理ブロック１２０は、第１及び第２の誤差を両方とも含む修正目的関数を形成するように構成される。論理ブロック１２０又は別のブロックは、修正目的関数を最小化することに基づいて、１つのメンバーから別のメンバーへと滑らかとなるようにファミリーについての調整／較正パラメーターのセットを決定するように構成される。この演算の結果は、メモリ１２２にあるデータベースに保存することができる。メモリは、プロセッサ１１４と通信してもよく又はプロセッサ１１４の内部にあってもよい。表示ユニット１２４は、プロセッサ１１４に取り付けられてもよく、調整／較正パラメーターを表示するように構成されてもよい。一適用では、設計装置１１０は、次に論じるような特定の段階を行うように構成される専用ワークステーションであってもよい。
【００４３】
図１３で示す例示的な実施形態によると、新しいターボ機械を設計するために調整／較正パラメーターの最終セットを自動的に決定するための方法がある。本方法は、調整／較正パラメーターの初期セットを入力する段階１３００、調整／較正パラメーターの初期セットに基づいてファミリーターボ機械量を計算する段階１３０２、計算したファミリーターボ機械量を測定量と比較し且つ計算したファミリー量と測定量との間の第１の誤差を計算する段階１３０４、調整／較正パラメーターの初期セットとターボ機械変数の初期設定値との間の第２の誤差を計算する段階１３０６、第１及び第２の誤差を両方とも含む修正目的関数を形成する段階１３０８、繰り返しプロセスの間に、調整／較正パラメーターの最終セットを見いだし、調整／較正パラメーターの最終セットが、（１）ターボ機械量のファミリーと測定量との間の最良適合及び（２）調整／較正パラメーターの最終セットについてファミリーの１つのメンバーから別のメンバーへの滑らかな推移を達成するように、調整／較正パラメーターの初期セットを変更する段階１３１０、並びにファミリーについての調整／較正パラメーターの最終セットをデータベースに保存する段階１３１２を含む。
【００４４】
上述の方法は、図１２で示す設計装置１１０で実施されてもよい。設計装置１１０は、遠心圧縮機のための調整／較正パラメーターを計算することができる。例示的な遠心圧縮機は、図１４で示される。遠心圧縮機１４０は、インペラ１４２、ディフューザ１４４、出口システム１４６及び入口案内ベーンデバイス１４８を含むこともある。
【００４５】
開示する例示的な実施形態は、新しいターボ機械を設計するために調整／較正パラメーターのセットを自動的に決定するためのシステム及び方法を提供している。この記述は、本発明を限定することを意図していないことを理解すべきである。それどころか、例示的な実施形態は、添付のクレームによって定義されるような本発明の趣旨及び範囲に含まれる代替形態、変更形態及び等価物を含めることを意図している。さらに、例示的な実施形態の詳細な記述では、多数の特定の詳細が、特許請求される発明の包括的理解を提供するために説明されている。しかしながら、当業者は、様々な実施形態がそのような特定の詳細なしに実施されてもよいことを理解するであろう。
【００４６】
例示的な本実施形態の特徴及び要素は、特定の組合せの実施形態で述べられるけれども、各特徴又は要素は、実施形態のその他の特徴及び要素なしで単独で又は本明細書で開示する他の特徴及び要素との若しくはそれらのない様々な組合せで使用されてもよい。
【００４７】
この書面による明細は、開示する主題の例を使用して、どの当業者も、任意のデバイス又はシステムを作り且つ使用すること及び任意の組み込まれる方法を行うことを含み、それらを実施することを可能にする。主題の特許可能な範囲は、クレームによって定義され、当業者に思いつく他の例を含んでもよい。そのような他の例は、クレームの範囲内であることを意図している。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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