(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービン、風力タービン、水力タービン等のターボ機械を含む、機械の能動的制御を提供する。【解決手段】本開示による方法は、機械の性能モデルを使用して、機械の動作中に、機械の１組の段間条件を計算するステップであって、機械は、複数のタービン段と、複数の段間位置とを横断する流路を有するタービン部品を備える、計算するステップと、機械の性能モデルの予測値と、入力条件の組及び出力条件の組のうちの１つとの間の相違に基づいて、機械の性能モデルを較正するステップと、較正された性能モデルと、機械の計算された段間条件の組とに基づいて、機械の動作パラメータを調整するステップとを含む。【選択図】図４
2017198206.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械（１００）を制御する方法であって、
機械（１００）の性能モデル（３０６）を使用して、機械（１００）の動作中に、１組の入力条件（３０２）及び１組の出力条件（３０４）のうちの１つに対応する、機械（１００）の１組の段間条件（１５２Ａ〜Ｅ）を計算するステップ（Ｓ２）であって、機械（１００）は、複数のタービン段と、複数の段間位置（１５２Ａ〜Ｅ）とを横断する流路を有するタービン部品（１０４）を備え、入力条件（３０２）の組、出力条件（３０４）の組及び段間条件（１５２Ａ〜Ｅ）の組の各々は、温度、圧力及び流量のうちの１つを含む、計算するステップ（Ｓ２）と、
機械（１００）の性能モデル（３０６）の予測値と、入力条件（３０２）の組及び出力条件（３０４）の組のうちの１つとの間の相違に基づいて、機械（１００）の性能モデル（３０６）を較正するステップ（Ｓ３）と、
較正された性能モデル（２２８）と、機械（１００）の計算された段間条件（１５２Ａ〜Ｅ）の組とに基づいて、機械（１００）の動作パラメータを調整するステップ（Ｓ４）と
を含む方法。
【請求項２】
機械（１００）の性能モデル（３０６）が、機械（１００）のタービン部品（１０４）内の、熱応力及び熱膨張の閾値を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
性能モデル（３０６）を較正するステップ（Ｓ３）が、熱応力及び熱膨張の閾値を調整するステップ（Ｓ３−２）を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
機械（１００）の動作パラメータを調整するステップ（Ｓ４）が、閾値を超える熱応力及び熱膨張に応答して、入口（１５６）内の流量を低減することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
流路の性能モデル（３０６）が、機械（１００）のタービン部品（１０４）の複数のタービン段の各々の起動率を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
動作パラメータを調整するステップ（Ｓ４）が、タービン部品の制御弁の位置を調整することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
較正された性能モデル（２２８）を用いて、計算するステップ（Ｓ２）、較正するステップ（Ｓ３）及び調整するステップ（Ｓ４）を繰り返すことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
性能モデル（３０６）が、制御される機械（１００）とは異なる機械に対応する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
機械（１００）を制御するシステム（１５０）であって、
機械（１００）の監視システムと通信するシステムコントローラ（１６０）であって、システムコントローラ（１６０）が、
機械（１００）の性能モデル（３０６）を使用して、機械（１００）の動作中に、１組の入力条件（３０２）及び１組の出力条件（３０４）に対応する、機械（１００）の１組の段間条件（１５２Ａ〜Ｅ）を計算するように動作可能であって、機械（１００）は、複数のタービン段と、複数の段間位置（１５２Ａ〜Ｅ）とを横断する流路を有するタービン部品（１０４）を備え、入力条件（３０２）の組、出力条件（３０４）の組及び段間条件（１５２Ａ〜Ｅ）の組の各々は、温度、圧力及び流量のうちの１つを含み、
機械（１００）の性能モデル（３０６）の予測値と、入力条件（３０２）の組及び出力条件（３０４）の組のうちの１つとの間の相違に基づいて、機械（１００）の性能モデル（３０６）を較正するように動作可能な、システムコントローラ（１６０）と、
システムコントローラ（１６０）と、タービン部品（１０４）の入口（１５６）とに動作可能に連結された、制御弁（１７２）であって、制御弁（１７２）は、較正された性能モデル（２２８）と、機械（１００）の計算された段間条件（１５２Ａ〜Ｅ）の組とに基づいて、機械（１００）の動作パラメータを調整するように動作可能な制御弁（１７２）と
を備える、システム（１５０）。
【請求項１０】
機械（１００）の性能モデル（３０６）が、機械（１００）のタービン部品（１０４）内の、熱応力及び熱膨張の閾値を含む、請求項９に記載のシステム（１５０）。
【請求項１１】
システムコントローラ（１６０）が、機械（１００）の性能モデル（３０６）における予測値と、入力条件（３０２）の組及び出力条件（３０４）の組のうちの１つとの間の相違に基づいて、熱応力及び熱膨張の閾値を調整するようにさらに動作可能な、請求項１０に記載のシステム（１５０）。
【請求項１２】
システム（１５０）が、選択された複数の段間位置（１５２Ａ〜Ｅ）のうちの１つの、閾値を超える内部条件に応答して、タービン部品（１０４）の入口（１５６）における流量を変更するように制御弁（１７２）を調整する、請求項９に記載のシステム（１５０）。
【請求項１３】
流路の性能モデル（３０６）が、機械（１００）のタービン部品（１０４）の複数のタービン段の各々の起動率を含む、請求項９に記載のシステム（１５０）。
【請求項１４】
システムコントローラ（１６０）が、制御弁（１７２）の調整に応答して、較正された性能モデル（２２８）を用いて、計算、較正及び調整をするようにさらに構成される、請求項９に記載のシステム（１５０）。
【請求項１５】
システムコントローラ（１６０）が、異なる機械のコントローラと通信し、性能モデル（３０６）が、異なる機械の動作を用いることを前提として予め構成される、請求項１４に記載のシステム（１５０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、機械の制御システム及び方法に関し、より具体的には、機械の動作を能動的に制御するために、機械の様々な条件及び出力に基づいて、性能モデルを生成することを含む。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン組立体等の燃焼式動力源は、圧縮空気と混合した燃料源を燃焼させることによって、機械的エネルギーを発生させることができる。このような燃焼反応は、燃焼式動力源に取り付けられた負荷部品を（例えば、回転可能な軸によって）駆動させるための、機械的動力を生成する。燃焼式動力源などの発電装置の有効性は、それらの実施、環境、並びに／或いは製造品質及び動作状態（例えば、過渡状態か定常状態か）等の、他の要因に依存する場合がある。多くのユーザ主導による要因及び環境要因が、エネルギー出力の度合い、機械及びその部品の効率、並びに部品及び／又はシステムの寿命予測を含む、機械の性能に影響を及ぼす可能性がある。
【０００３】
従来の制御システムは、所定の時間間隔及び複数の場所にわたって、限られた数の機械の物理的特性を計算するために、予めモデル化され、推定された品質を用いる場合がある。モデル化技術は、時を経て、コンピュータシステムの進歩と共に向上してきたが、機械のモデルと、その実際の性能との間の相違がわずかであっても、コスト削減、エネルギーの生成量、需要の過不足、製造コスト及び設置コスト等において、実質的な経済的損失につながる可能性がある。エネルギー需要が季節、時間、場所等によって異なる場合は、経済的利益を得られる可能性が、より顕著になる場合がある。
【発明の概要】
【０００４】
本開示の第１の態様は、機械を制御する方法を提供し、この方法は、機械の性能モデルを使用して、機械の動作中に、１組の入力条件及び１組の出力条件のうちの１つに対応する、機械の１組の段間条件を計算するステップであって、機械は、複数のタービン段と、複数の段間位置とを横断する流路を有するタービン部品を備え、入力条件の組、出力条件の組及び段間条件の組の各々は、温度、圧力及び流量のうちの１つを含む、計算するステップと、機械の性能モデルの予測値と、入力条件の組及び出力条件の組のうちの１つとの間の相違に基づいて、機械の性能モデルを較正するステップと、較正された性能モデルと、機械の計算された段間条件の組とに基づいて、機械の動作パラメータを調整するステップとを含む。
【０００５】
本開示の第２の態様は、機械を制御するシステムを提供し、このシステムは、機械の監視システムと通信するシステムコントローラと、制御弁とを備え、システムコントローラは、機械の性能モデルを使用して、機械の動作中に、１組の入力条件及び１組の出力条件に対応する、機械の１組の段間条件を計算するように動作可能であり、機械は、複数のタービン段と、複数の段間位置とを横断する流路を有するタービン部品を備え、入力条件の組、出力条件の組及び段間条件の組の各々は、温度、圧力及び流量のうちの１つを含み、かつシステムコントローラは、機械の性能モデルの予測値と、入力条件の組及び出力条件の組のうちの１つとの間の相違に基づいて、機械の性能モデルを較正するように動作可能であり、制御弁は、システムコントローラとタービン部品の入口とに動作可能に連結されて、較正された性能モデルと、機械の計算された段間条件の組とに基づいて、機械の動作パラメータを調整するように動作可能である。
【０００６】
本開示の第３の態様は、機械を制御するための、コンピュータ可読記憶媒体に記憶されたプログラム製品を提供し、コンピュータ可読記憶媒体は、コンピュータシステムに、機械の性能モデルを使用して、機械の動作中に、１組の入力条件及び１組の出力条件に対応する、機械の１組の段間条件を計算させ、機械は、複数のタービン段と、複数の段間位置とを横断する流路を有するタービン部品を備え、入力条件の組、出力条件の組及び段間条件の組の各々は、温度、圧力及び流量のうちの１つを含み、かつコンピュータ可読記憶媒体は、コンピュータシステムに、機械の性能モデルの予測値と、入力条件の組及び出力条件の組のうちの１つとの間の相違に基づいて、機械の性能モデルを較正させ、較正された性能モデルと、機械の計算された段間条件の組とに基づいて、機械の動作パラメータを調整させる、プログラムコードを含む。
【０００７】
開示されたシステムのこれら及び他の特徴は、様々な実施形態を示す添付の図面と併せて、システムの様々な態様の以下の詳細な説明から、より容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来のターボ機械システムの概略図である。
【図２】本開示の実施形態による、機械を制御するシステムを備えた、タービン部品の概略図である。
【図３】本開示の実施形態による、機械を制御するように動作可能な、例示的なコンピュータ環境を示す。
【図４】本開示の実施形態による、機械を制御する方法の例示的なフロー図を示す。
【図５】本開示の実施形態による、機械を制御する別の方法の例示的なフロー図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面は必ずしも縮尺通りではないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様のみを示すことが意図されており、したがって、その範囲を限定するものとみなされるべきではない。図面において、同一の番号は、図面相互間で同一の要素を表す。
【００１０】
以下の説明では、説明の一部を成す添付の図面を参照し、図面には、本教示が実施され得る特定の例示的な実施形態が例として示される。これらの実施形態は、当業者が本教示を実施できるように十分に詳細に記載されており、本教示の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を使用してもよく、また変更が行われてもよいことを理解されたい。したがって、以下の説明は単なる例示である。
【００１１】
本開示の実施形態は、ガスタービン、風力タービン、水力タービン等のターボ機械を含む、機械の能動的制御を提供する。本開示の実施形態は、機械の生成された性能モデルを適用して機械の属性を計算し、次に、これを実際値と比較して、機械の動作を継続しながら、性能モデルを較正することができる。「性能モデル」という用語は、任意の方程式、連立方程式、行列、アルゴリズム及び／又は数学的モデルを含むことができ、これは、入力条件、出力条件及びエネルギー出力の１つ以上の組を、機械の様々な動作パラメータと、１つ以上のタービン段を通る流路の内部条件及びタービン部品の段間位置を含む、機械の内部条件とに関連付ける。例示的な実施形態では、機械を制御する方法は、機械の１組の段間条件を計算するステップを含むことができ、その組の段間条件は、同じ機械の入力条件及び／又は出力条件の組に対応する。段間条件とは、一般に、複数のタービン段と、段間位置とを横断する流路を有する機械の物理的特性（例えば、温度、圧力、流量）を指す。より具体的には、段間条件とは、ターボ機械の連続する段の相互間における、このような特性を定量化するものである。
【００１２】
性能モデルは、入力条件及び／又は出力条件を表す１つ以上の数量を予測することができるが、これらの予測量は、ターボ機械の実際の測定値とは異なる場合がある。このような相違を調整するために、本開示の実施形態は、性能モデルから得られた予測値と、測定された入力条件及び／又は出力条件との間の相違に基づいて、機械の性能モデルを較正することを含む。性能モデルの較正は、例えば、性能モデルに含まれる変数間の関係を変更するために、中間媒介変数を修正することを含んでもよい。動作中に機械の能動的制御を提供するために、本開示の実施形態は、較正された性能モデルと、計算された段間条件の組とに基づいて、機械の１つ以上の動作パラメータを調整することを含む。
【００１３】
図１は、従来のターボ機械１００を示し、これは、共用の圧縮機軸／タービン軸１０６を介してタービン部品１０４に動作可能に連結された、圧縮機部品１０２を備えている。ターボ機械１００は、図１ではガスタービンの形態で示されているが、本開示の実施形態では、ガスタービンの代わりに他の種類の機械（例えば、蒸気タービン、水力タービン等）が用いられてもよいことが理解されよう。より一般的には、タービン部品１０４の実施形態を含む任意の機械が、本明細書で説明する、本開示の実施形態を得るために、使用、修正及び／又は制御されてもよい。圧縮機部品１０２は、例えば燃焼器組立体１０８を介して、タービン部品１０４に流体的に連結することができる。燃焼器組立体１０８は、１つ以上の燃焼器１１０を含む。燃焼器１１０は、これに限定されないが、カンアニュラー型（ｃａｎ−ａｎｎｕｌａｒ）配列で配置されることを含み、広範囲な構成でターボ機械１００に取り付けられてもよい。圧縮機部品１０２は、複数の圧縮機ロータホイール１１２を含む。圧縮機ロータホイール１１２は、第１段圧縮機ロータホイール１１４を含み、これは、各々が関連する翼形部１１８を有する、複数の第１段圧縮機ロータブレード１１６を有する。同様に、タービン部品１０４は、複数のタービンホイール部品１２０を含み、これは、対応する１組のタービンロータブレード１２４を有する、１つ以上のロータホイール１２２を有する。
【００１４】
動作中は、高温燃焼ガス等の作動流体は、燃焼器１１０から、タービン部品１０４の中に流れることができる。タービン部品１０４内の作動流体は、タービンホイール１２２に取り付けられて、一連の連続する段に配置された、複数のロータブレード１２４を通過することができる。ホイール１２２と軸１０６とに連結された第１の組のタービンブレード１２４は、ターボ機械１００の「第１段」として識別することができ、タービンブレード１２４の隣の組は、ターボ機械１００の「第２段」等、ターボ機械１００の最終段の、タービンブレード１２４の最後の組までが識別される。ターボ機械１００の最終段は、ターボ機械１００内の最大サイズ及び／又は最大半径のタービンブレード１２４を備えてもよい。ターボ機械１００の各段の間に複数の個別のノズル（図示せず）を配置して、ターボ機械１００を通る流路の段間部分を画成してもよい。各タービンブレード１２４上を流れる作動流体は、熱的及び機械的エネルギーを付与してブレード１２４を回転させることができ、これによってターボ機械１００の軸１０６を回転させる。したがって、回転する軸１０６を発電機部品１３０に機械的に連結して発電することができ、発電機１３０は、発電機１３０に接続された機器に電力を供給するために、軸１０６の機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する。発電機１３０によって生成される電気エネルギーの量は、ターボ機械１００によって生成される仕事量及び／又は動力として、例えば、ジュール（Ｊ）で測定することができる。
【００１５】
図２を参照すると、本開示の実施形態による、機械の動作を制御するシステム１５０が示されている。システム１５０は、タービン部品１０４を含み、かつ／或いはこれと相互作用することができ、例えば、予測値と実際値との間の相違に基づいて性能モデルを較正することによって、かつ較正された性能モデルから得られた計算済みの段間条件に基づいて、ターボ機械１００の１つ以上の動作パラメータを調整することによって、ターボ機械１００（図１）及び／又は他の種類の機械の性能を改善する。図示のように、タービン部品１０４は、対応するタービンロータブレード１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃ、１２４ｄを有する、複数のタービンロータホイール１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄを含むことができる。個々のタービンロータホイール１２２とブレード１２４とは、タービン部品１０４の対応する段をそれぞれ画成することができ、「ａ」はタービン部品１０４の第１段を示し、「ｄ」は最終段を示す。一例として４つの段が示されているが、様々なタービン部品１０４が、例えば、５つのタービン段、１０のタービン段、２０のタービン段を含んでもよいことが理解されよう。タービン部品１０４を通る作動流体用の通路は、複数の段間位置１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ、１５２ｄ、１５２ｅを含んでもよく、段間位置は、他の複数のタービンロータホイール１２２及びブレード１２４の前、間及び／又は後ろにある、その位置によってほぼ画成される。段間位置１５２ａ、１５２ｅは、それぞれ第１段の直前、又は最終段の後ろに示されているが、タービン部品１０４のこのような部分は、やはり段間位置１５２として識別されてもよい。
【００１６】
動作中は、作動流体（例えば、燃焼器１１０（図１）から得られる高温ガス）は、対応する一連の入力条件で、接続ライン１５４からタービン部品１０４の入口１５６に入ることができる。本明細書で説明される「入力条件」とは、一般に、作動流体がタービン部品１０４に入る際の、かつ作動流体が、作動流体からエネルギーを取り出すためのタービンロータホイール１２２及びブレード１２４等の部品に到達する前の、ターボ機械１００（図１）内の作動流体に関する、任意の１つの定量化可能な特性、又は一群の定量化可能な特性を指す。例として、入口１５６における流体の入力条件には、これに限定されないが、温度（例えば、摂氏（℃）で表される）、圧力（例えば、パスカル（Ｐａ）で表される）、質量流量（例えば、キログラム（ｋｇ）／秒で表される）及び／又は体積流量（例えば、立方メートル（ｍ3）／秒で表される）が含まれ得る。他の種類の入力条件には、例えば、流体速度、運動エネルギー、体積流束、流体密度、流体運動量、粘度及び１つ以上の他の条件から導出された、無次元特性が含まれ得る。
【００１７】
入口１５６を通ってタービン部品１０４に入る流体は、出口１５８を通ってタービン部品１０４から出る前に、連続するタービン段（画成されたタービンロータホイール１２２及びブレード１２４等）及び段間位置１５２を通過することができる。入口１５６から出口１５８まで、タービン部品１０４を通る流体接続は、タービン部品１０４を通る流体流路を画成することができ、これは、個々のタービン段の各タービンロータブレード１２４及びホイール１２２と、それらの段間位置１５２とを横断する。出口１５８に到達すると、作動流体は、タービンロータブレード１２４を動かすための流体のエネルギーを、発電機１３０によって供給される電気エネルギーに変換するために、タービン部品１０４の入力条件とは異なる、対応する出力条件の組を有することができる。本明細書で説明される「出力条件」とは、一般に、作動流体からエネルギーを抽出するタービンロータホイール１２２及びブレード１２４等の部品に作動流体が達した後に、作動流体がタービン部品１０４から出る際の、ターボ機械１００（図１）内の作動流体に関する、任意の１つの定量化可能な特性、又は一群の定量化可能な特性を指す。タービン部品１０４の入力条件と出力条件とは、異なる量を有することになるが、「出力条件」という用語に含まれる数量は、出口センサ１６４に関しては、本明細書の他の箇所で入力条件を提供した例と同一、又は類似の例を包含する場合がある。
【００１８】
機械のタービン部品１０４の動作を制御するために、システム１５０の実施形態は、本明細書で説明するように、様々な態様を判定し制御するために、ターボ機械１００（図１）及び／又はタービン部品１０４の様々なセンサ、弁等に連結されたコントローラ１６０を含む。コントローラ１６０は、一般に、処理部品（例えば、マイクロプロセッサ）によって動作を実行できる、各種のコンピュータ装置を含んでもよく、例として、コンピュータ、コンピュータプロセッサ、電気回路及び／又はデジタル回路、並びに／或いは電子入力の計算及び処理に使用される、類似の部品を含んでもよい。コントローラ１６０の例示的な部品及び動作上の機能については、本明細書の他の箇所で詳細に説明する。
【００１９】
１つ以上の入口センサ１６２、出口センサ１６４、段センサ１６６及び／又は経路センサ１６８は、コントローラ１６０と通信可能であり、例えば、作動流体を測定又は検査できる、タービン部品１０４の対応する領域に配置することができ、その領域とは、これに限定されないが、入口１５６、出口１５８、タービンロータホイール１２２及びブレード１２４に近接した位置、並びに／或いは段間位置１５２を含む。各センサ１６２、１６４、１６６、１６８は、機械のタービン部品１０４の性能をモデル化して影響を与えるために、（例えば、関連する変数からの直接測定及び／又は直接計算によって）タービン部品１０４の入力条件、出力条件、流路条件（例えば、タービン部品１０４内の作動流体の温度、圧力及び／又は流量）等の様々な数量を判定するように構成されてもよい。
【００２０】
本開示の実施形態では、様々なセンサを使用することができる。センサ１６２、１６４、１６６、１６８は、温度センサ、流量センサ、圧力センサ及び／又は特定の場所で作動流体の特性を評価する、他の装置の形態であってもよい。温度センサの形態のセンサ１６２、１６４、１６６、１６８は、温度計、熱電対（すなわち、電圧の変化から温度の変化を示す電圧装置）、抵抗温度感知装置（すなわち、電気抵抗の変化から温度評価を行う装置）、赤外線センサ、膨張式センサ（すなわち、金属等の材料の膨張又は収縮から、温度の変化を導出するセンサ）及び／又は状態変化センサを含んでもよい。１つ以上のセンサ１６２、１６４、１６６、１６８が温度センサを含む場合、センサ１６２、１６４、１６６、１６８の位置を通過する流体の温度が測定されて、かつ／或いはコントローラ１６０に中継される電気信号、又は入力に変換され得る。圧力センサの形態のセンサ１６２、１６４、１６６、１６８は、気圧計、圧力計、触覚圧力センサ、光学的圧力センサ、電離圧力センサ等を含むことができる。作動流体の流量及び／又は他の力学的特性を計算するために、センサ１６２、１６４、１６６、１６８は、例えば、空気流量計、質量流量センサ、流速計等を含むことができる。センサ１６２、１６４、１６６、１６８はまた、例えば、温度、圧力、流量等の他の測定量から、１つ以上のパラメータを導出することができる。これらの測定量は、その後、タービン部品１０４及び／又はターボ機械１００の複数の位置で測定され、特定の部品によって、例えばコントローラ１６０を介して、流体の流れの数学的モデルに適用することができる。この場合、センサ１６２、１６４、１６６、１６８は、温度に関する変数を測定する部品及び関連する変数に基づいて、温度その他の測定基準の値を予測及び／又は計算するための、（コンピュータソフトウェア等の）処理要素を含んでもよい。一般に、センサ１６２、１６４、１６６、１６８における「計算する」という用語は、直接測定、予測モデル化、関連する数量からの導出、並びに／或いは特定の数量を測定し、かつ／又は見出すための他の数学的手法によって、特定の値を数学的に計算するプロセスを指す。いずれにしても、各センサ１６２、１６４、１６６、１６８によって測定された条件は、対応する測定時間に従って、指数化され、集計されてもよい。本明細書の別の箇所で説明するように、コントローラ１６０は、センサ１６２、１６４、１６６、１６８を含まないタービン部品１０４内の位置で、１つ以上の動作条件を（例えば、推定又は導出によって）計算するための「疑似センサ」として機能することができる。
【００２１】
タービン部品１０４の様々な位置で作動流体の特性を計算するセンサ１６２、１６４、１６６、１６８に加えて、システム１５０は、例えば、タービン部品１０４からのエネルギー出力を測定する、エネルギーセンサ１７０をさらに備えてもよい。エネルギーセンサ１７０は、一般的には、タービン部品１０４及び／又は発電機１３０によって生成されたエネルギーを測定する、現在知られている機器、又は後に開発された機器として具体化されてもよく、これに限定されないが、電流センサ、電圧検出器、磁力計、軸１０６の回転を測定するように構成された速度センサ（光学ベースのセンサ、位置センサ、容量センサ、タコメータ等を含む）、並びに／或いはタービン部品１０４及び／又は発電機１３０によって生成されたエネルギーの量を計算する、他の種類のセンサを含む。エネルギーセンサ１７０は、使用される実施形態にかかわらず、タービン部品１０４からのエネルギー出力を計算するために、コントローラ１６０に通信可能に（例えば、電気的に及び／又は無線で）接続することができる。さらに、エネルギーセンサ１７０で検出されたエネルギー出力は、測定時間によって集計されるか、或いは指数化されてもよく、その結果、計算されたエネルギー出力は、コントローラ１６０において、センサ１６２、１６４、１６６、１６８で計算した条件と相互参照することができる。コントローラ１６０は、センサ１６２、１６４、１６６、１６８で計算された入力条件、出力条件等の組に対応する、タービン部品１０４からのエネルギー出力を計算することができる。
【００２２】
タービン部品１０４及びシステム１５０は、動作中にターボ機械１００（図１）の様々な態様を調整するために、例えば、接続ライン１５４と入口１５６との間に（すなわち、燃焼器１１０とタービン部品１０４との間に）配置された、１つ以上の制御弁１７２を含むことができる。制御弁１７２は、入口１５６に近接して配置されている例が示されているが、例えば、圧縮機部品１０２（図１）、燃焼器１１０（図１）及び／又は作動流体が流れる、ターボ機械１００の他の部分に流入、或いはそこから流出する流体の流量に影響を与えるように、他の制御弁１７２が、ターボ機械１００の他の部分に配置されてもよいことが理解されよう。本明細書に記載の通り、どの制御弁１７２が操作されるかにかかわらず、タービン部品１０４内の作動流体の量、温度、流量等の１つ以上の変数は、制御弁１７２の位置を調整することによって、影響を与えることができる。制御弁１７２は、燃焼器１１０からタービン部品１０４に入る作動流体の量又は割合を制御することができ、より具体的には、作動流体が、先行する部品からタービン部品１０４に導入される速度を調整することができる。タービン部品１０４に入らない作動流体は、バイパスライン１７４を通して、例えば、ターボ機械１００の他の部品に迂回させる、かつ／又はタービン部品１０４に入ることなく、そこから排出することができる。
【００２３】
本明細書で述べるように、制御弁１７２は、コントローラ１６０に動作可能に連結されてもよく、その結果、コントローラ１６０は、ターボ機械１００（図１）の動作中に制御弁１７２の位置を制御する。より具体的には、コントローラ１６０は、ターボ機械１００の較正された性能モデルに基づいて制御弁１７２の位置を調整することができ、これは次に、センサ１６２、１６４、１６６、１６８、１７０によって検出及び／又は判定された様々な数量から導出された、入力及び／又は信号に基づいて較正されてもよい。例示的な実施形態では、コントローラ１６０は、センサ１６２、１６４、１６６、１６８、１７０から得られた、入力条件、出力条件、エネルギー出力等の測定値を用いて較正された性能モデルに基づいて、弁１７２の位置を調整することができる。制御弁１７２は、ターボ機械１００の起動率及び／又はタービン部品１０４に入る流体の流量を直接的に制御することに加えて、他の特性、例えば、タービン部品１０４の様々な部分の温度、圧力等、タービン部品１０４のタービンロータホイール１２２とブレード１２４との伸び差（すなわち、熱膨張によって生じる体積又は面積の増加）、タービン部品１０４の内部部品の熱応力等にも影響を与えることができる。さらに、タービン部品１０４のこのような特性及び／又は他の特性は、例えば、燃焼器１１０とコントローラ１６０とを機械的及び／又は電気的に結合して、燃焼器１１０の燃焼量を制御することによって調整されてもよい。この目的のために、コントローラ１６０は、ユーザがインストールしたプログラムコードを含んでもよく、これは、本明細書で説明するように、動作中にタービン部品１０４の性能を能動的にモデル化して制御するために、１つ以上の特性（例えば、入力条件、出力条件、段間条件）をタービン部品１０４の他の特性に関連付ける、性能モデルを含む。
【００２４】
図２及び図３を併せて参照すると、コントローラ１６０及びその従属部品の例示的な実施形態が、システム１５０の簡略化された図と共に示されている。特に、コントローラ１６０は、コンピュータ装置２０４を含んでもよく、コンピュータ装置２０４は、制御システム２０６を含んでもよい。図３に示す構成要素は、機械を制御するシステムの一実施形態である。本明細書で述べるように、コンピュータ装置２０４は、ターボ機械１００（図１）のタービン部品１０４の動作条件及び／又は他の特徴を互いに関連付ける、性能モデルを提供することができる。さらに、本開示の実施形態は、例えば、センサ１６２、１６４、１６６、１６８、１７０で得られた測定値に基づいて、その動作中に、ターボ機械１００の予め構成された性能モデルを較正することができる。本開示の実施形態は、部分的に、技術者、コンピュータ装置２０４及び／又は技術者とコンピュータ装置２０４との組合せによって構成されるか、又は動作されてもよい。図３に示す様々な構成要素のうちのいくつかは、コンピュータ装置２０４に含まれる１つ以上の別のコンピュータ装置用に、メモリに個別に実装され、組合せられ及び／又は記憶されてもよいことが理解されよう。さらに、構成要素及び／又は機能のいくつかが実装されていなくてもよく、又は追加のスキーマ及び／又は機能が、制御システム２０６の一部として含まれてもよいことが理解されよう。
【００２５】
コンピュータ装置２０４は、プロセッサユニット（ＰＵ）２０８、入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース２１０、メモリ２１２及びバス２１４を含むことができる。さらに、コンピュータ装置２０４は、外部Ｉ／Ｏ装置２１６及び記憶システム２１８と通信していることが示されている。制御システム２０６は、性能モデル化プログラム２２０を実行することができ、これは、計算器２２２、判定器２２４、比較器２２６、性能モデル較正モジュール（「ＰＭ較正器」）２２８を含む、異なる動作を実行するように構成された様々なソフトウェア要素を含んでもよい。制御システム２０６の様々なモジュールは、各々の機能を実行するために、データを処理、分析及び操作するようにメモリ２１２に記憶された、アルゴリズムに基づく計算、ルックアップテーブルなどのツールを使用することができる。一般に、ＰＵ２０８は、メモリ２１２及び／又は記憶システム２１８に記憶できる、制御システム２０６等のソフトウェアを実行するための、コンピュータプログラムコードを実行することができる。ＰＵ２０８は、コンピュータプログラムコードを実行している間に、メモリ２１２、記憶システム２１８及び／又はＩ／Ｏインターフェース２１０に対して、データの読み取り及び／又は書き込みを行うことができる。バス２１４は、コンピュータ装置２０４の各構成要素間に、通信リンクを設けることができる。Ｉ／Ｏ装置２１６は、ユーザがコンピュータ装置２０４と情報をやりとりできるようにする任意の装置、或いはコンピュータ装置２０４が、本明細書に記載の機器及び／又は他のコンピュータ装置と通信できるようにする任意の装置を備えることができる。Ｉ／Ｏ装置２１６（キーボード、ディスプレイ、ポインティング装置等を含むが、これに限定されない）は、直接的に、又は介在するＩ／Ｏコントローラ（図示せず）を介して、コントローラ１６０に連結されてもよい。
【００２６】
メモリ２１２は、１つ以上の機械及び／又はその部品、ターボ機械１００（図１）及び／又はタービン部品１０４に関する、様々な形態のデータ３００をさらに含んでもよい。本明細書の他の箇所で述べるように、コントローラ１６０は、ターボ機械１００の予め構成された性能モデル及び／又はＰＭ較正器２２８から得られた較正された性能モデルに基づいて、制御弁１７２、燃焼器１１０及び／又は機械の他の動作パラメータを調整することができる。機械の性能モデルを較正するために、制御システム２０６の性能モデル化プログラム２２０は、本開示のプロセスにおいて、データ３００を記憶し、これと相互作用することができる。例えば、入力条件フィールド３０２は、対応する時点における、タービン部品１０４の入力条件の１つ以上の組を含んでもよい。より具体的には、入力条件フィールド３０２の各エントリは、タービン部品１０４の動作中に特定の時点で、（例えば、センサ１６２、１６４、１６６、１６８、１７０を用いて）測定された、入口１５６における作動流体の温度、圧力、流量等の、入力条件の１つのグループを含んでもよい。データ３００は、タービン部品１０４の動作中に、様々な時点で（例えば、センサ１６２、１６４、１６６、１６８、１７０を用いて）測定された出力条件の１つ以上の組を含む、出力条件フィールド３０４をさらに含んでもよい。例えば、出力条件フィールド３０４は、出口１５８における作動流体の温度、圧力、流量等を含んでもよく、これは、所与の時点に対応し得る。ターボ機械１００の他の検出された動作条件は、他のフィールド及び／又はフィールド群を用いて、データ３００内の他の場所に記憶されてもよい。予め構成された性能モデルは、タービン部品１０４の様々な動作条件を互いに数学的に関連付ける１つ以上の連立方程式を含み得る、性能モデルフィールド３０６に記憶されてもよい。性能モデルフィールド３０６に記憶された性能モデルは、ターボ機械１００及び／又は他のターボ機械の、予め構成された性能モデルを含んでもよく、かつ／或いは本明細書に記載の様々なプロセスステップから得られた、較正された性能モデルを含んでもよい。したがって、データ３００は、タービン部品１０４を含む機械の性能をモデル化するために、性能モデルフィールド３０６に記憶された性能モデルに適用できる、いくつかの測定及び／又は計算された変数を含んでもよいことが理解されよう。
【００２７】
本明細書の他の箇所で述べるように、ＰＭ較正器２２８は、測定及び／又は計算された機械の動作条件を用いて、性能モデルフィールド３０６に記憶された、予め構成された性能モデルを較正することができ、これは、例えば、入力条件フィールド３０２内に、出力条件フィールド３０４内に及び／又は他の形態のデータ３００として、記憶されてもよい。ＰＭ較正器２２８は、より具体的には、データ３００、並びに／或いはタービン部品１０４及びターボ機械１００（図１）の他の部品に関する所定の情報（例えば、燃焼器１１０の燃焼温度、タービンロータホイール１２２及びブレード１２４の規格サイズ、タービン部品１０４の各部品の材料組成等）に基づいて、予め構成された性能モデルの変数間の、モデル化した関係を修正することができる。これにより、制御システム２０６は、例えば、制御弁１７２の位置及び／又はターボ機械１００の他の部品を、その動作に影響を与えるように調整することによって、収集したデータ３００及び／又はＰＭ較正器２２８から得られる、較正された性能モデルに基づいて、ターボ機械１００の性能をリアルタイムで調整することができる。コントローラ１６０は、制御弁１７２及び／又は他の部品の機械的調整に変換できる、デジタル指令、命令等の形式の制御入力を使用して、制御弁１７２及び／又は他の部品を調整することができる。制御弁１７２を調整することにより、燃焼器１１０から入口１５６に入る作動流体の流量を直接変更することができ、そのような流量の変化は、予め構成された及び／又は較正された性能モデルを用いてモデル化された、ターボ機械１００の他の動作パラメータに間接的に影響を及ぼす。例として、入口１５６内の作動流体の流量は、温度（すなわち、タービン部品１０４内の作動流体の摂氏温度（℃）、１つ以上のタービンロータホイール１２２及び／又はブレード１２４の伸び差（すなわち、高温での作動によって引き起こされる材料膨張の量であって、例えば、センチメートル（ｃｍ）で測定される）、流路内の作動流体によってタービン部品１０４の複数の部品に加えられる熱応力の量（すなわち、ロータホイール１２２及び／又はブレード１２４に付与される、面積当たりの力の量であって、ニュートン（Ｎ）／平方メートル（ｍ2）で測定される）等に影響を与えることができる。タービン部品１０４に入る作動流体の流量もまた、例えば、タービン部品１０４の起動率、燃焼器１１０からの排出物の濃度、軸１０６の回転速度、タービンロータブレードと、タービン部品１０４の側壁との間隙等に影響を与えることができる。
【００２８】
コンピュータ装置２０４は、ユーザがインストールしたコンピュータプログラムコードを実行するための、任意の汎用コンピュータ製品（パーソナルコンピュータ、サーバ、携帯用機器等）を含んでもよい。しかしながら、コンピュータ装置２０４は、本開示の様々なプロセスのステップを実行できる、考えられる様々な同等のコンピュータ装置及び／又は技術の代表的なものに過ぎないことが理解されよう。さらに、コンピュータ装置２０４は、コントローラ１６０のより大きなシステムアーキテクチャの一部であってもよく、機械の様々な態様及び部品を制御するように動作可能である。
【００２９】
この点において、他の実施形態では、コンピュータ装置２０４は、特定の機能を実行するハードウェア及び／又はコンピュータプログラムコードを含む任意の特定用途向けコンピュータ製品や、特定用途向け及び汎用のハードウェア／ソフトウェアの組合せを含む任意のコンピュータ製品等を含んでもよい。いずれの場合でも、プログラムコード及びハードウェアは、それぞれ標準的なプログラミング技術及びエンジニアリング技術を使用して作成することができる。一実施形態では、コンピュータ装置２０４は、実行されると、（例えば、タービン部品１０４を介して）機械を自動的に制御するように動作可能な、コンピュータ可読記憶装置に記憶されたプログラム製品を含むことができる。
【００３０】
図２〜図４を併せて参照すると、本開示の実施形態における、機械を制御するステップが示されている。図４に示して本明細書で説明するステップは、本開示の実施形態を実施するための一般的なプロセスの概要を提供し、一群の例示的な実例を参照して説明される。さらに、図４に示すプロセスフローは、例えば、コントローラ１６０を含む、システム１５０によって実施することができる。ターボ機械１００（図１）等の機械の動作中に、コントローラ１６０の性能モデル化プログラム２２０は、ステップＳ１において、タービン部品１０４に関する１組の入力条件及び１組の出力条件を、測定、計算、或いは取得することができる。Ｓ１における、入力条件及び／又は出力条件を取得するステップは、センサ１６２、１６４、１６６、１６８、１７０を用いて、かつ／或いは少なくとも部分的にコントローラ１６０を用いて行うことができる。したがって、ステップＳ１は別個の、又は予備的なステップとして具体化されてもよく、このため図４では点線で示されている。一実施形態では、タービン部品１０４のこのような入力条件及び他の入力条件は、例えば、タービン部品１０４への入口１５６における作動流体の１つ以上の特性を測定、導出等するように構成された、センサ１６２、１６４、１６６、１６８、１７０及び／又は他の機器を介して、コントローラ１６０に送信することができる。本明細書で述べるように、ステップＳ１で計算された入力条件及び／又は出力条件は、例えば、作動流体の温度、圧力及び／又は流量を含むことができ、データ３００として入力条件フィールド３０２、又は出力条件フィールド３０４に記憶することができる。いずれにしても、ステップＳ１でタービン部品１０４に対して計算された入力条件及び出力条件は、様々な動作時間に対して指数化及び／又は相互参照することができ、その結果、入力条件及び／又は出力条件のそれぞれを、動作時間に対してプロットすることができる。
【００３１】
ステップＳ１で入力条件及び出力条件を計算した後、フローは、機械の動作中に、タービン部品１０４の１つ以上の段間条件を計算するステップＳ２に進むことができる。より具体的には、性能モデル化プログラム２２０の計算器２２２は、動作中のタービン部品１０４の１以上の段間位置１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ、１５２ｄ内の温度、圧力、流量等を、予め設定された性能モデルと、関連する数量（例えば、ステップＳ１で計算された入力条件及び出力条件）とを用いて計算する。例えば、入口温度が約１２００℃、出口温度が約１０００℃、そして入口流量が約０．５ｋｇ／秒であれば、段間位置１５２ｄにおける温度は、約１１００℃に相当し得る。計算された段間条件は、様々な時間に対して、指数化及び／又は相互参照することができる。結果として、性能モデルを使用してステップＳ２で計算された段間条件は、ステップＳ１において特定の時間インスタンスで計算された、ターボ機械１００の入力条件及び／又は出力条件に相当し得る。
【００３２】
動作中にリアルタイムでターボ機械１００の段間条件を計算するステップに加えて、本開示の実施形態は、ターボ機械１００のリアルタイムデータを使用して、予め構成された性能モデルを連続的に較正する機械学習プロセスをさらに提供する。ステップＳ３において、ＰＭ較正器２２８は、ステップＳ２で使用された機械の予め構成された性能モデルを較正して、１つ以上の段間条件を計算することができる。本明細書で述べるように、予め構成された性能モデル（例えば、性能モデルフィールド３０６に記憶される）は、一群の入力変数（例えば、入力温度、出力流量、生成されたジュール等）及び予め定義された値（例えば、燃焼器１１０内の点火温度、燃焼器１１０内の反応物の化学特性、タービン部品１０４内の作動流体の化学特性）等に基づいて、タービン部品１０４の各段における様々な特性を数学的に推定することができる。性能モデル化プログラム２２０のＰＭ較正器２２８は、ステップＳ１で得られた条件及び出力と、Ｓ２で得られた同一条件の任意の計算値との間の相違に基づいて、予め構成された性能モデルを調整することができる。これにより、ＰＭ較正器２２８は、ステップＳ３において、（ターボ機械１００の過去の動作、他の機械の動作、プロトタイプに関連する試験データ、製造試験等に基づいて）予め生成された性能モデルを修正して、機械の動作を制御するための、更新されたデータの組を提供することができる。
【００３３】
ステップＳ３で性能モデルを較正した後、フローは、性能モデルで計算されたタービン部品１０４の様々な属性に基づいて、機械の１つ以上の動作パラメータを調整するステップＳ４に進むことができる。コントローラ１６０は、タービン部品１０４の動作をさらに制御するために、制御弁１７２の位置、燃焼器１１０の燃焼温度及び／又は燃焼速度、並びに／或いは機械の他の態様を自動的に調整することができる。ステップＳ４において、コントローラ１６０によって実施される動作は、タービン部品１０４の動作に基づいて変更されてもよい。例えば、タービンロータホイール１２２及びブレード１２４に与えられる熱応力の量を低減するために、コントローラ１６０は、タービン部品１０４を通過する高温燃焼ガスの流量を増加させる、又は制限するように、制御弁１７２の位置を調整してもよい。ステップＳ４のいくつかの実施例、サブステップ等は、図５に示し、本明細書の他の箇所で詳細に説明する。
【００３４】
図２、図３及び図５を併せて参照して、機械の動作を制御するプロセス及びサブプロセスについて説明する。ステップＳ１及びＳ２は、図４の概要プロセスフロー及び／又は本明細書の他の箇所で説明した実施形態の例にほぼ従って、コントローラ１６０で実施することができる。図５には、ステップＳ３及びＳ４のいくつかのサブプロセスが含まれているが、代替的な実施形態では、ステップＳ３及び／又はＳ４を、図４に示す簡略化した形態で実行すること、並びに／或いは図５に示して本明細書で説明する、ステップＳ３及びステップＳ４の様々な任意選択のサブプロセスを、省略及び／又は再配置することが含まれてもよいことが理解されよう。
【００３５】
ステップＳ２で、タービン部品からのエネルギー出力を計算した後、コントローラ１６０は、ステップＳ３−１において、考えられる一群の性能モデルから、ターボ機械１００（図１）及び／又は別の機械用の、予め構成されたモデルを修正するステップを含むことができる。予め構成された性能モデルは、ユーザが手動で構築してもよく、同じ機械、又は異なる機械のコントローラ１６０の一実施形態によって自動的に生成されてもよく、並びに／或いは技術の組合せによって生成されてもよい。予め構成された性能モデルを修正するステップは、例えば、性能モデルに含まれる変数及び／又は定数間の１つ以上の数学的関係を調整して、ターボ機械１００の様々な動作条件間の数学的関係を更新することを含んでもよい。ステップＳ３−１で適用されるプロセスは、ステップＳ３の一般的なプロセスの記載に関して、本明細書の他の箇所で説明したのと同じ調整、すなわちＰＭ較正器２２８を用いて、性能モデルフィールド３０６内の予め構成された性能モデルを調整するステップを含んでもよい。
【００３６】
例示的な一実施形態では、予め構成された性能モデルは、所定の相関、ターボ機械１００の材料特性等を適用して、１２００度（℃）の入口温度、１０７０℃の出口温度及び５０メガワット（ＭＷ）のエネルギー出力に基づいて、第２のタービン段において、例えば、約摂氏１１５０℃の温度を推定することができる。しかしながら、１つ以上のセンサ１６６が、タービン部品１０４の第２段目で、約１１８０℃の実際の温度を検出する場合がある。予め構成された性能モデルがターボ機械１００の実際の動作と異なる場合、制御システム２０６のＰＭ較正器２２８は、ステップＳ３−１で、予め構成された性能モデルを調整することができる。ＰＭ較正器２２８は、ステップＳ３−１で、例えば、複数の入力（例えば、ステップＳ１及びＳ２で計算された変数）と、１つ以上の出力との間の、１つ以上の所定の相関を増減することによって、予め構成された性能モデルを調整してもよい。したがって、ステップＳ３における性能モデルの較正プロセスは、ステップＳ３−１における、性能モデル内の１つ以上の変数の選択及び調整を含んでもよい。
【００３７】
次いで、プロセスは、最大入口温度、伸び差レベル及び／又は熱応力等の、性能モデル内に記憶された１つ以上の閾値を調整するステップＳ３−２に進むことができ、これらの閾値は、特定のターボ機械１００の安全閾値、効率閾値等を示すことができる。これらの値は、データ３００のそれぞれのフィールドに記憶することができ、ターボ機械１００の動作条件を１つ以上の閾値と比較するプロセスは、ステップＳ４のサブプロセスに関して、本明細書で詳細に説明する。
【００３８】
ステップＳ４における機械の動作パラメータを調整するステップは、ターボ機械１００の１つ以上の特性が閾値を超えるかどうかに基づいて、１つ以上の詳細な調整をすることを含んでもよい。一般に、本開示の実施形態は、機械の様々な動作パラメータをさらに調整するために、動作中のタービン部品１０４の１つ以上の特性を、（コントローラ１６０のメモリ２１２等に記憶された）所定の値、又は閾値と比較することを含んでもよい。例えば、入口温度は、ステップＳ３の生成された性能モデルを用いて、センサ１６２、１６４、１６６、１６８から、直接的又は間接的に取得することができる。タービン部品１０４の伸び差（すなわち、１つ以上の段における、タービンロータホイール１２２（図１）、又はブレード１２４（図１）の表面積又は体積の増加）の場合、計算器２２２は、較正された性能モデルと組合せて、フィールド３０２、３０４、３０６からのデータ３００を用いて、１つ以上の伸び差の値を、センチメートル、立方センチメートル等で計算することができる。
【００３９】
動作パラメータが熱応力を含む場合は、性能モデル化プログラム２２０は、異なる計算を実施することができる。応力とは、一般に、材料の表面領域に加えられる内部的な機械力の量を指し、例えば、ニュートン／平方メートル（ｍ2）で測定することができる。より具体的には、熱応力は、タービン部品１０４内の作動流体から、動いている部品（例えば、タービンロータホイール１２２（図１〜図２）及びブレード１２４（図１〜図２）に対して付与される応力であってもよく、したがって、環境温度に正比例し得る。性能モデル化プログラム２２０の計算器２２２は、作動流体によって、ターボ機械１００のタービンロータホイール１２２及びブレード１２４（図１）に対して付与される熱応力の量を計算することができる。より具体的には、熱応力の量は、フィールド３０２、３０４、３０６に記憶されたデータ３００を、例えば、ステップＳ３において、ＰＭ較正器２２８によって較正された性能モデルに適用することによって計算することができる。
【００４０】
一実施形態では、性能モデル化プログラム２２０の比較器２２６は、ステップＳ４−１において、タービン部品１０４の入口温度を、１つ以上の所定の閾値と比較することができる。所定の閾値は、機械的な悪影響（例えば、場合によっては、部品の付加的な摩耗）を回避するために、例えば、最高温度に相当してもよい。この比較に基づき、制御システム２０６の判定器２２４は、タービン部品１０４への入口温度が特定の閾値を超えていることを示すことができる（すなわち、ステップＳ４−２で「Ｙｅｓ」）。この場合、プロセスはステップＳ４−２に進み、制御システム２０６の判定器２２４は、タービン部品１０４への作動流体の流量を判定し調整して、ターボ機械１００内の作動流体の温度に影響を与える。例示的な実施形態では、タービン部品１０４内の作動流体の流量を調整するステップは、制御弁１７２の位置を調整すること、燃焼器１１０の燃料の取り入れ及び／又は燃焼の速度を変更すること、並びに／或いはタービン部品１０４に連結されるか、又はタービン部品１０４に影響を与える他の部品の動作を修正するために、制御信号を送信することを含む。ステップＳ４−２において、ターボ機械１００への入口温度を調整した後、フローは終了（「完了」）することができ、或いはステップＳ３に進んでもよく、性能モデル化プログラム２２０のＰＭ較正器２２８は、ステップＳ３−１で、ターボ機械１００の性能モデルを調整し、ステップＳ３−２で、ターボ機械１００の新しい動作条件に基づいて入口温度の閾値をさらに調整する。
【００４１】
性能モデル化プログラム２２０の比較器２２６は、タービン部品１０４への入口温度が閾値を超えていない（すなわち、ステップＳ４−１で、「Ｎｏ」）場合は、ステップＳ４−３で、モデル化された伸び差の量を、１つ以上の所定の閾値と比較することができる。タービン部品１０４の伸び差が閾値を超える場合（すなわち、ステップＳ４−３で「Ｎｏ」）は、フローはステップＳ４−２に進むことができ、判定器２２４は、例えば、要件及び／又は優先度に従うように伸び差の量を低減するために、タービン部品１０４内の作動流体の流量を調整する。本開示の実施形態は、部品が受ける熱応力に基づいて、機械の動作を制御することをさらに含むことができる。例示的な実施形態では、性能モデル化プログラム２２０は、タービン部品１０４の伸び差の量が所定の閾値を超えない場合（すなわち、ステップＳ４−３で「Ｙｅｓ」）は、ステップＳ４−４に進むことができる。ステップＳ４−４において、性能モデル化プログラム２２０の比較器２２６は、ステップＳ４−１で計算された熱応力の量を、１つ以上の所定の閾値と比較することができる。タービン部品１０４の熱応力が閾値を超える場合（すなわち、ステップＳ４−４で「Ｙｅｓ」）は、フローはステップＳ４−２に進むことができ、性能モデル化プログラム２２０の判定器２２４は、例えば、要件及び／又はユーザの選択に従うように伸び差の量を低減するために、タービン部品１０４内の作動流体の流量を調整する。熱応力が閾値を超えない場合（すなわち、ステップＳ４−４で「Ｎｏ」）は、フローは終了（「完了」）してもよい。また、ステップＳ４−１、ステップＳ４−３及びステップＳ４−４における１つ以上の比較は、性能モデル化プログラム２２０が、選択された数量及び／又は特定の優先順位に基づいて、動作パラメータを調整できるように、省略するか、又は異なる順序で配置してもよいことも理解されよう。
【００４２】
本明細書で開示されるシステム及び方法の技術的効果は、入力条件と、出力条件と、段間条件との間により正確な関係を与えるために、性能モデルをリアルタイムで較正することによって、ターボ機械等の機械を制御することを含む。本明細書で説明する実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア及び／又はそれらの組合せが、使用者の介入なしに機械を自動的に制御することを可能にする。さらに、本明細書で説明する実施形態は、システム障害の発生、又は不安定なシステムの動作を低減し、又はこれらの事象を完全に排除することができる。
【００４３】
本明細書に記載の様々な実施形態は、いくつかの技術的及び商業的な利点を提供することができ、そのうちのいくつかを例として本明細書で説明する。本開示の実施形態は、様々な動作事象にさらされる機械を制御する際の人的エラーを、削減又は排除することができる。具体的には、本開示の実施形態により、不安定な動作やシステムの故障を生じさせる制御入力を回避することができる。さらに、本明細書で説明する方法の実施形態は、特定の入力と、その入力によって動作する１つの機械の動作パラメータとの間の関係を判定するのに必要な時間を短縮することができる。本明細書に記載の実施形態による、制御システム及び方法によって、機械の動作を制御するために、リアルタイムの入力条件、出力条件及び／又はエネルギー出力を含む、より広範な条件を使用できることが確実になる。このような利点は、試験時間の短縮につながるだけでなく、機械の設置及び保守のための燃料費、並びに人件費の削減にもつながる。さらに、本開示の実施形態は、製造業者又は保守提供者が、他の機械の動作及び／又は機械の以前の動作から得られたデータを適用することを可能にし、このデータは、製造及び設置時に、他の機械及び／又は新しい機械に適用される。より一般的には、本開示の実施形態に従って制御される機械は、変動する消費者需要に合致するように、柔軟なエネルギー出力及び発電率をもたらすことができる。
【００４４】
本明細書で使用する用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、本開示を限定するものではない。本明細書で使用されるように、単数形「１つの（ａ、ａｎ）」及び「この（ｔｈｅ）」は、文脈がそうでないことを明確に示していない限り、複数形も含むことが意図される。「備える、含む、有する（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び／又は「備える、含む、有する（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用される場合、記載された特徴、整数、ステップ、動作、要素及び／又は部品の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、部品及び／又はそれらのグループの存在、又は追加を排除するものではないことが、さらに理解されるであろう。
【００４５】
本明細書で使用する「構成された（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ）」、「〜ように構成される（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ  ｔｏ）」及び／又は「〜ように構成された（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ  ｆｏｒ）」という用語は、そのように記載された部品の、特定の目的のための特徴を指すことができる。例えば、ある機能を実行するように構成されたシステム又は装置は、その特定の機能を実行するようにプログラムされた、或いは修正されたコンピュータシステム、又はコンピュータ装置を含んでもよい。他の事例では、（記憶媒体等の）コンピュータ可読媒体に記憶されたプログラムコードは、１以上のコンピュータ装置に、そのコンピュータ装置でそのプログラムコードが実行されるときに、機能を実行させるように構成することができる。このような事例では、プログラムコードの配置によって、実行時にコンピュータ装置の特定の機能をトリガする。他の例では、他の部品と相互作用するように及び／又は他の部品に作用するように構成された装置は、効率的にこれらの部品と相互作用する及び／又はこれらに作用するように特に形成され、かつ／又は設計されてもよい。このような状況下では、装置は、別の部品と相互作用するように構成されるが、これは、この装置の形状の少なくとも一部が、この別の部品の形状の少なくとも一部を補完するからである。状況によっては、装置の少なくとも一部は、その別の部品の少なくとも一部と相互作用する大きさにされる。装置と他の部品との間の、（相補性、サイズ一致性等の）物理的関係は、１つ以上の装置又は他の部品の変位、１つ以上の装置又は他の部品の係合等の機能の実行を補助することができる。
【００４６】
本明細書は、最良の形態を含む本発明を開示するために、かつ当業者が、任意の装置又はシステムを製造し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含めて、本発明を実施することができるように例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にある。
［実施態様１］
機械（１００）を制御する方法であって、
機械（１００）の性能モデル（３０６）を使用して、機械（１００）の動作中に、１組の入力条件（３０２）及び１組の出力条件（３０４）のうちの１つに対応する、機械（１００）の１組の段間条件（１５２Ａ〜Ｅ）を計算するステップ（Ｓ２）であって、機械（１００）は、複数のタービン段と、複数の段間位置（１５２Ａ〜Ｅ）とを横断する流路を有するタービン部品（１０４）を備え、入力条件（３０２）の組、出力条件（３０４）の組及び段間条件（１５２Ａ〜Ｅ）の組の各々は、温度、圧力及び流量のうちの１つを含む、計算するステップ（Ｓ２）と、
機械（１００）の性能モデル（３０６）の予測値と、入力条件（３０２）の組及び出力条件（３０４）の組のうちの１つとの間の相違に基づいて、機械（１００）の性能モデル（３０６）を較正するステップ（Ｓ３）と、
較正された性能モデル（２２８）と、機械（１００）の計算された段間条件（１５２Ａ〜Ｅ）の組とに基づいて、機械（１００）の動作パラメータを調整するステップ（Ｓ４）とを含む、方法。
［実施態様２］
機械（１００）の性能モデル（３０６）が、機械（１００）のタービン部品（１０４）内の、熱応力及び熱膨張の閾値を含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様３］
性能モデル（３０６）を較正するステップ（Ｓ３）が、熱応力及び熱膨張の閾値を調整するステップ（Ｓ３−２）を含む、実施態様２に記載の方法。
［実施態様４］
機械（１００）の動作パラメータを調整するステップ（Ｓ４）が、閾値を超える熱応力及び熱膨張に応答して、入口（１５６）内の流量を低減することを含む、実施態様３に記載の方法。
［実施態様５］
流路の性能モデル（３０６）が、機械（１００）のタービン部品（１０４）の複数のタービン段の各々の起動率を含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様６］
動作パラメータを調整するステップ（Ｓ４）が、タービン部品の制御弁の位置を調整することを含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様７］
較正された性能モデル（２２８）を用いて、計算するステップ（Ｓ２）、較正するステップ（Ｓ３）及び調整するステップ（Ｓ４）を繰り返すことをさらに含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様８］
性能モデル（３０６）が、制御される機械（１００）とは異なる機械に対応する、実施態様１に記載の方法。
［実施態様９］
機械（１００）を制御するシステム（１５０）であって、
機械（１００）の監視システムと通信する、システムコントローラ（１６０）であって、システムコントローラ（１６０）は、
機械（１００）の性能モデル（３０６）を使用して、機械（１００）の動作中に、１組の入力条件（３０２）及び１組の出力条件（３０４）に対応する、機械（１００）の１組の段間条件（１５２Ａ〜Ｅ）を計算するように動作可能であって、機械（１００）は、複数のタービン段と、複数の段間位置（１５２Ａ〜Ｅ）とを横断する流路を有するタービン部品（１０４）を備え、入力条件（３０２）の組、出力条件（３０４）の組及び段間条件（１５２Ａ〜Ｅ）の組の各々は、温度、圧力及び流量のうちの１つを含み、
機械（１００）の性能モデル（３０６）の予測値と、入力条件（３０２）の組及び出力条件（３０４）の組のうちの１つとの間の相違に基づいて、機械（１００）の性能モデル（３０６）を較正するように動作可能な、システムコントローラ（１６０）と、
システムコントローラ（１６０）と、タービン部品（１０４）の入口（１５６）とに動作可能に連結された、制御弁（１７２）であって、制御弁（１７２）は、較正された性能モデル（２２８）と、機械（１００）の計算された段間条件（１５２Ａ〜Ｅ）の組とに基づいて、機械（１００）の動作パラメータを調整するように動作可能な制御弁（１７２）とを備える、システム（１５０）。
［実施態様１０］
機械（１００）の性能モデル（３０６）が、機械（１００）のタービン部品（１０４）内の、熱応力及び熱膨張の閾値を含む、実施態様９に記載のシステム（１５０）。
［実施態様１１］
システムコントローラ（１６０）が、機械（１００）の性能モデル（３０６）における予測値と、入力条件（３０２）の組及び出力条件（３０４）の組のうちの１つとの間の相違に基づいて、熱応力及び熱膨張の閾値を調整するようにさらに動作可能な、実施態様１０に記載のシステム（１５０）。
［実施態様１２］
システム（１５０）が、選択された複数の段間位置（１５２Ａ〜Ｅ）のうちの１つの、閾値を超える内部条件に応答して、タービン部品（１０４）の入口（１５６）における流量を変更するように制御弁（１７２）を調整する、実施態様９に記載のシステム（１５０）。
［実施態様１３］
流路の性能モデル（３０６）が、機械（１００）のタービン部品（１０４）の複数のタービン段の各々の起動率を含む、実施態様９に記載のシステム（１５０）。
［実施態様１４］
システムコントローラ（１６０）が、制御弁（１７２）の調整に応答して、較正された性能モデル（２２８）を用いて、計算、較正及び調整をするようにさらに構成される、実施態様９に記載のシステム（１５０）。
［実施態様１５］
システムコントローラ（１６０）が、異なる機械のコントローラと通信し、性能モデル（３０６）が、異なる機械の動作を用いることを前提として予め構成される、実施態様１４に記載のシステム（１５０）。
［実施態様１６］
機械（１００）を制御するための、コンピュータ可読記憶媒体に記憶されたプログラム製品であって、コンピュータ可読記憶媒体は、コンピュータシステムに、
機械（１００）の性能モデル（３０６）を使用して、機械（１００）の動作中に、１組の入力条件（３０２）及び１組の出力条件（３０４）に対応する、機械（１００）の１組の段間条件（１５２Ａ〜Ｅ）を計算させ、機械（１００）は、複数のタービン段と、複数の段間位置（１５２Ａ〜Ｅ）とを横断する流路を有するタービン部品（１０４）を備え、入力条件（３０２）の組、出力条件（３０４）の組及び段間条件（１５２Ａ〜Ｅ）の組の各々は、温度、圧力及び流量のうちの１つを含み、
機械（１００）の性能モデル（３０６）の予測値と、入力条件（３０２）の組及び出力条件（３０４）の組のうちの１つとの間の相違に基づいて、機械（１００）の性能モデル（３０６）を較正させ、
較正された性能モデル（２２８）と、機械（１００）の計算された段間条件（１５２Ａ〜Ｅ）の組とに基づいて、機械（１００）の動作パラメータを調整させる、
プログラムコードを含む、コンピュータ可読記憶媒体に記憶されたプログラム製品。
［実施態様１７］
機械（１００）の動作パラメータが、入口（１５６）内の流量を含む、実施態様１６に記載のプログラム製品。
［実施態様１８］
較正された性能モデル（２２８）を用いて、コンピュータシステムに、計算、較正及び調整を繰り返させる、プログラムコードをさらに含む、実施態様１６に記載のプログラム製品。
［実施態様１９］
機械（１００）の性能モデル（３０６）が、機械（１００）のタービン部品（１０４）内の、熱応力及び熱膨張の閾値を含む、実施態様１６に記載のプログラム製品。
［実施態様２０］
較正された性能モデル（２２８）に基づいて、コンピュータシステムに、熱応力及び熱膨張の閾値を調整させるプログラムコードをさらに含む、実施態様１６に記載のプログラム製品。
【符号の説明】
【００４７】
１００  ターボ機械
１０２  圧縮機部品
１０４  タービン部品
１０６  軸
１０８  燃焼器組立体
１１０  燃焼器
１１２  圧縮機ロータホイール
１１４  第１段圧縮機ロータホイール
１１６  第１段圧縮機ロータブレード
１１８  翼形部
１２０  タービンホイール部品
１２２  タービンロータホイール
１２４  ロータブレード
１３０  発電機
１５０  システム
１５２  段間位置
１５４  ライン
１５６  入口
１５８  出口
１６０  コントローラ
１６２  入口センサ
１６４  出口センサ
１６６  段センサ
１６８  経路センサ
１７０  エネルギーセンサ
１７２  制御弁
１７４  バイパスライン
２０４  コンピュータ装置
２０６  制御システム
２０８  プロセッサユニットＰＵ
２１０  入力／出力Ｉ／Ｏインターフェース
２１２  メモリ
２１４  バス
２１６  外部Ｉ／Ｏ装置
２１８  記憶システム
２２０  性能モデル化プログラム
２２２  計算器
２２４  判定器
２２６  比較器
２２８  性能モデル較正モジュール、ＰＭ較正器
３００  データ
３０２  入力条件フィールド
３０４  出力条件フィールド
３０６  性能モデルフィールド
１２２ａ  タービンロータホイール
１２２ｂ  タービンロータホイール
１２２ｃ  タービンロータホイール
１２２ｄ  タービンロータホイール
１２４ａ  対応するタービンロータブレード
１２４ｂ  対応するタービンロータブレード
１２４ｃ  対応するタービンロータブレード
１２４ｄ  対応するタービンロータブレード
１５２ａ  段間位置
１５２ｂ  段間位置
１５２ｃ  段間位置
１５２ｄ  段間位置
１５２ｅ  段間位置
【図１】
2017198206.tif 000003
【図２】
2017198206.tif 000004
【図３】
2017198206.tif 000005
【図４】
2017198206.tif 000006
【図５】
2017198206.tif 000007
【外国語明細書】
2017198206000001.pdf