特許 6598983 ガス圧縮機におけるサージを予測する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6598983

(24)【登録日】2019年10月11日

(45)【発行日】2019年10月30日

(54)【発明の名称】ガス圧縮機におけるサージを予測する方法

(51)【国際特許分類】

   G06F 17/50 20060101AFI20191021BHJP

   F04D 29/32 20060101ALI20191021BHJP

   F04D 29/54 20060101ALI20191021BHJP

   F04D 29/66 20060101ALI20191021BHJP

   F04D 27/02 20060101ALI20191021BHJP

【ＦＩ】

   G06F17/50 612H

   G06F17/50 680Z

   F04D29/32 K

   F04D29/32 Z

   F04D29/54 F

   F04D29/54 Z

   F04D29/66 H

   F04D29/66 Z

   F04D27/02 A

   F04D27/02 Z

【請求項の数】8

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2018-507557(P2018-507557)

(86)(22)【出願日】2016年8月5日

(65)【公表番号】特表2018-532178(P2018-532178A)

(43)【公表日】2018年11月1日

(86)【国際出願番号】EP2016068760

(87)【国際公開番号】WO2017029131

(87)【国際公開日】20170223

【審査請求日】2018年4月5日

(31)【優先権主張番号】15181154.4

(32)【優先日】2015年8月14日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】517291346

【氏名又は名称】シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト

【氏名又は名称原語表記】Ｓｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】センティル クリシュナバブ

【審査官】 田中 幸雄

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−４５４１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Stephanie BERGQVIST，Prediction of Turbo Compressor Maps Using CFD，Master's Thesis in Applied Mechanics，CHALMERS University of Technology，２０１４年 ７月，pp.1-29，ＵＲＬ，http://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/196400/196400.pdf

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０６Ｆ １７／５０

Ｆ０４Ｄ ２７／０２

Ｆ０４Ｄ ２９／３２

Ｆ０４Ｄ ２９／５４

Ｆ０４Ｄ ２９／６６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧縮機（１４）のサージ点を予測するためのコンピュータによって実行される方法（１００）であって、
前記圧縮機（１４）の数値流体力学の計算に適した複数のメッシュであって、該メッシュは、
前記圧縮機（１４）の入口ガイドベーン（５７）の段を表す圧縮機入口メッシュ（２２０）と、
前記圧縮機（１４）のロータブレード段（４８）を表す少なくとも１つの圧縮機ロータ段メッシュ（２２５）と、
複数の出口ガイドベーン（４９）および１つの出口ノズルを表し、圧縮機出口メッシュ（２３５）の最終ノズル出口領域（２４０）まで延びている、前記圧縮機出口メッシュ（２３５）と、
を含む、複数のメッシュを生成するステップ（１１０）と、
数値流体力学の計算領域（２５０）を得るために前記複数のメッシュ（２２０，２２５，２３５）を組み立てるステップ（１２０）と、
前記圧縮機（１４）の前記ロータブレード段（４８）を表す前記計算領域（２５０）の面の少なくとも１つの回転速度を指定することを含む、前記計算領域（２５０）の境界条件を指定するステップ（１３０）と、
前記最終ノズル出口領域（２４０）における大気圧の条件を指定するステップ（１４０）と、
数値流体力学の計算によって前記圧縮機（１４）に沿った流れを計算し、圧縮機入口質量流量および圧縮機圧力比を計算するステップ（１５０）と、
前記圧縮機入口質量流量および前記圧縮機圧力比が数値的不安定性に達する数値的安定性限界に達したかどうかをチェックするステップ（１６０）であって、
前記数値的安定性限界に達していないならば、
前記最終ノズル出口領域（２４０）の寸法（Ａ１）を減少させ（１８０）、
前記圧縮機出口メッシュ（２３５）を再び生成し（１９０）、
前記最終ノズル出口領域（２４０）における前記大気圧を指定するステップ（１４０）と、前記計算するステップ（１５０）と、前記チェックするステップ（１６０）とを反復するステップ（１６０）と、
を含み、
前記数値的安定性限界に達したならば、前記方法は停止させられ、前記圧縮機（１４）のサージ点が、前記圧縮機（１４）のマップ（Ｍ）において、指定された回転速度と、圧縮機入口質量流量および圧縮機圧力比の最後の計算された値とに対応する点として予測される、コンピュータによって実行される方法（１００）。

【請求項2】

圧縮機出口メッシュ（２３５）の長さ（Ｌ）は、前記圧縮機（１４）の前記出口ガイドベーン（４９）の長さのｎ倍である、請求項１記載のコンピュータによって実行される方法（１００）。

【請求項3】

前記ｎは、１０〜１５に含まれる整数である、請求項２記載のコンピュータによって実行される方法（１００）。

【請求項4】

圧縮機出口メッシュ（２３５）の長さ（Ｌ）は、前記最終ノズル出口領域（２４０）の寸法（Ａ１）を減少させるとき（１８０）において、一定に維持される、請求項２または３記載のコンピュータによって実行される方法（１００）。

【請求項5】

前記圧縮機出口メッシュ（２３５）は、前記圧縮機圧力比を計算するために圧縮機出口圧力が求められるセクション（２６０）を含む、請求項１から４までのいずれか１項記載のコンピュータによって実行される方法（１００）。

【請求項6】

前記計算領域（２５０）の境界条件を指定するステップは、
入口における大気境界条件を指定するサブステップと、
前記計算領域（２５０）の前記メッシュ（２２０，２２５，２３０，２３５）の間の人工的インターフェースを表すミキシングプレーンを指定するサブステップと、
を含む、請求項１から５までのいずれか１項記載のコンピュータによって実行される方法（１００）。

【請求項7】

前記コンピュータによって実行される方法（１００）は、さらに、前記圧縮機（１４）に沿った流れを計算する前記ステップ（１５０）において計算された、圧縮機入口質量流量および圧縮機合計圧力比を表す点によって圧縮機マップ（Ｍ）を構成するステップ（１７０）を含む、請求項１記載のコンピュータによって実行される方法（１００）。

【請求項8】

前記数値的安定性限界に達したならば、前記圧縮機（１４）に沿った流れを計算するステップ（１５０）の最後の実行中に計算されたマップにおける点は、それぞれの圧縮機サージ点を表すと仮定される、請求項７記載のコンピュータによって実行される方法（１００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

発明の分野
本発明は、ＣＦＤ（“数値流体力学”）計算によってガス圧縮機性能におけるサージを予測するための、コンピュータによって実行される方法に関する。

【0002】

背景技術
ガス圧縮機設計および開発プロセスにおいて、費用対効果の高い定常ＣＦＤ計算によってサージマージンを予測する能力は、最も重要である。しかしながら、現在の技術水準では、サージマージンを確実に予測することは、著しく困難である場合がある。これは、特に、現在のＣＦＤモデルの欠点、すなわち、ＣＦＤ計算においてメッシュ化および分解される領域によるものである。典型的には、
−入口ガイドベーンを含む入口ジオメトリ、
−ロータ段ジオメトリ、
−ステータ段ジオメトリ、
−出口ガイドベーンを含む出口ジオメトリ、を含むモデルにＣＦＤ計算方法を適用することが公知である。

【0003】

出口ガイドベーンの出口においてすぐに適用される平均静圧境界条件は、様々な圧力比をシミュレートするために変化させられる。数値的不安定性に達したとき、サージ点の推定に達したと仮定される。しかしながら、数値的不安定性による現実の圧縮機の推定は、出口ガイドベーン出口のすぐ近くに適用される境界条件のシヤー制限的性質のために、正確でないことがあり、ひいては、出口の近くで人工的流れ分離につながり、数値的不安定性を生じる。実際、現実の圧縮機には、通常、上述の公知のＣＦＤモデルにおいて通常は考慮されない燃焼システムまたは出口プレナムが続いている。

【0004】

本発明の目的は、ＣＦＤ計算による圧縮機の現実のサージ点のより良い推定を達成するために、これらの不便を克服することである。

【0005】

発明の概要
上に規定された主な目的を達成するために、独立請求項に記載の、コンピュータによって実行される方法が提供される。従属請求項は、発明の有利な発展形および変化形を示している。

【0006】

本発明によれば、圧縮機のサージ点を予測するためのコンピュータによって実行される方法であって、以下の一連のステップ：
−圧縮機の“数値流体力学”計算に適した複数のメッシュであって、該メッシュは、
−圧縮機入口メッシュと、
−少なくとも１つの圧縮機ロータ段メッシュと、
−複数の出口ガイドベーンおよび１つの出口ノズルを表し、最終ノズル出口領域まで延びている、圧縮機出口メッシュと、
を含む、複数のメッシュを生成するステップと、
−“数値流体力学”計算領域を得るために複数のメッシュを組み立てるステップと、
−計算領域の境界条件を指定するステップと、
−最終ノズル出口領域における大気圧条件を指定するステップと、
−圧縮機入口質量流量および圧縮機圧力比を計算するために、“数値流体力学”計算によって前記圧縮機に沿った流れを計算するステップと、
−所定の数値的安定性限界に達したかどうかをチェックするステップと、
数値的安定性限界に達していないならば、
−最終ノズル出口領域の寸法を減少させるステップと、
−圧縮機出口メッシュを再び生成するステップと、
−最終ノズル出口領域における大気圧を指定する前記ステップと、前記計算するステップと、前記チェックするステップとを反復するステップと、
を含む、コンピュータによって実行される方法が提供される。

【0007】

有利には、徐々に圧力を大気圧レベルに低下させるために出口ガイドベーンの下流における計算領域にノズルが設けられている。モデリングされる圧力比にかかわらずノズルの出口において大気圧境界条件が適用される。次いで、様々な圧力比および質量流量が、数値的不安定性に達するときまでノズルの出口領域を変化させることによって達成される。

【0008】

数値的不安定性点に達したときに計算される圧力比および入口質量流量は、圧縮機の現実のサージ点に対応すると仮定される。実験的試験は、本発明によって計算されたサージ点が、実際に、許容可能なエラーマージン範囲で、圧縮機の現実のサージに近いということを確認した。

【0009】

本発明の可能な実施の形態によれば、圧縮機出口メッシュの長さは、圧縮機の出口ガイドベーンの長さのｎ倍である。特に、ｎは、１０〜１５に含まれてもよい。圧縮機出口メッシュの長さは、出口ガイドベーンの下流における圧力を簡便にかつ徐々に大気圧レベルに低下させるために選択される。

【0010】

本発明の別の可能な実施の形態によれば、圧縮機出口メッシュの長さは、特に、最終ノズル出口領域の寸法を減少させるステップの間、数値的安定限界にまだ達していないとき、方法の複数のステップを通じて一定に維持される。有利には、これは、計算ステップの２つの連続する実行の間で圧縮機出口メッシュを変更するときに１つの境界幾何学的パラメータにおいてのみ作動することを許容する。

【0011】

本発明の別の可能な実施の形態によれば、圧縮機出口メッシュは、圧縮機出口圧力が圧力比計算のために求められるセクションを有する。

【0012】

次いで、出口圧力は、この方法によって求められたポイントによって圧縮機マップを構成するために使用される圧縮機圧力比を計算するために使用される。本発明の方法によって計算されたポイントを圧縮機マップにおいて使用して、圧縮機を運転しているときの圧縮機サージマージンをより正確に予測することができる。

【0013】

本発明の別の可能な実施の形態によれば、計算領域の境界条件を指定するステップは、
−入口における大気境界条件を指定するサブステップと、
−回転面の速度を指定するサブステップと、
−行インターフェースにおけるミキシングプレーンを指定するサブステップと、を含む。
有利には、これは、圧縮機の現実的なＣＦＤモデルを提供する。

【0014】

図面の簡単な説明
本発明の上記で規定した態様および別の態様は、以下で説明される実施の形態の例から明らかであり、実施の形態の例に関して説明される。発明は、以下で実施の形態の例に関連してより詳細に説明されるが、発明はそれらに限定されるわけではない。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】圧縮機を有するガスタービンエンジンの縦断面図であり、圧縮機の性能は、本発明の方法によって予測され得る。

【図2】図１における圧縮機のモデルを示している。

【図3】本発明の方法の概略的な流れ図を示している。

【図4】圧縮機マップにおける、実験的なポイントと、本発明の方法によって計算されたポイントとの比較を示している。

【0016】

詳細な説明
図１は、ガスタービンエンジン１０の一例を断面図で示している。ガスタービンエンジン１０は、流れの順序で、空気入口１２と、圧縮機セクション１４と、燃焼器セクション１６と、タービンセクション１８とを有しており、これらは、概して流れの順序で、概して長手方向軸線または回転軸線２０を中心に、長手方向軸線または回転軸線２０の方向に配置されている。ガスタービンエンジン１０は、さらに、軸２２を有する。軸２２は、回転軸線２０を中心に回転可能であり、ガスタービンエンジン１０を通って長手方向に延びている。軸２２は、タービンセクション１８を圧縮機セクション１４に駆動接続している。

【0017】

ガスタービンエンジン１０の作動時、空気入口１２を通じて取り込まれた空気２４は、圧縮機セクション１４によって圧縮され、燃焼セクションのバーナセクション１６へ排出される。バーナセクション１６は、バーナプレナム２６と、１つまたは複数の燃焼室２８と、各燃焼室２８に固定された少なくとも１つのバーナ３０とを含む。燃焼室２８およびバーナ３０は、バーナプレナム２６内に配置されている。圧縮機１４を通過する圧縮空気は、ディフューザ３２に進入し、ディフューザ３２からバーナプレナム２６内へ排出され、バーナプレナム２６から、空気の一部がバーナ３０に入り、気体燃料または液体燃料と混合される。次いで、空気／燃料混合物が燃焼させられ、燃焼により生じた燃焼ガス３４または作動ガスは、燃焼室２８を通ってトランジションダクト１７を介してタービンセクション１８へ送られる。

【0018】

タービンセクション１８は、軸２２に取り付けられた複数のブレード支持ディスク３６を有する。この実施例では、２つの各ディスク３６は、タービンブレード３８の環状の配列を支持している。しかしながら、ブレード支持ディスクの数は異なることができ、すなわち、１つのディスクのみまたは３つ以上のディスクであってもよい。加えて、ガスタービンエンジン１０のステータ４２に固定された案内ベーン４０は、タービンブレード３８の環状配列の段の間に配置されている。燃焼室２８の出口と、先頭のタービンブレード３８との間に、入口案内ベーン４４が設けられており、入口案内ベーン４４は、作動ガスの流れをタービンブレード３８へ変向させる。

【0019】

燃焼室２８からの燃焼ガスはタービンセクション１８に入り、タービンブレード３８を駆動し、タービンブレード３８自体は軸２２を回転させる。案内ベーン４０，４４は、タービンブレード３８への燃焼ガスまたは作動ガスの角度を最適化するように機能する。

【0020】

タービンセクション１８は圧縮機セクション１４を駆動する。圧縮機セクション１４は、ステータベーン段４６とロータブレード段４８の軸方向連続を含む。ロータブレード段４８は、ブレードの環状配列を支持するロータディスクを有する。圧縮機セクション１４は、ロータ段を包囲しかつベーン段４８を支持するケーシング５０も有する。ガイドベーン段は、ケーシング５０に取り付けられた、半径方向に延びるベーンの環状配列を有する。ベーンは、任意のエンジン作動点においてブレードのための最適な角度でガス流を提供するために設けられている。幾つかのガイドベーン段は、可変ベーンを有しており、ベーンの角度は、ベーン自体の長手方向軸線を中心に、様々なエンジン作動条件において生じる可能性がある空気流れ特性に従う角度のために調節することができる。

【0021】

第１の上流のロータブレード段のすぐ上流のガイドベーンの第１段は、入口ガイドベーン（“ＩＧＶ”）５７として識別されている。最後の下流のステータブレード段のすぐ下流でかつディフューザ３２の上流のガイドベーンの最後の段は、出口ガイドベーン（“ＥＧＶ”）４９として識別されている。

【0022】

ケーシング５０は、圧縮機１４の入口通路５６の半径方向外面５２を規定している。入口通路５６の半径方向内面５４は、少なくとも部分的にロータのロータドラム５３によって規定されており、ロータは、ブレード４８の環状配列によって部分的に規定されている。

【0023】

上流および下流という用語は、別段の定めのない限り、エンジンを通る空気流および／または作動ガス流の流れ方向をいう。上流および下流という用語は、エンジンを通るガスの全体的な流れをいう。軸方向、半径方向および周方向という用語は、エンジンの回転軸線２０に関して用いられる。

【0024】

図２は、本発明の方法１００による圧縮機セクション１４のモデル２１０の一例を示している。

【0025】

概して、本発明によれば、あらゆる圧縮機は、例えば圧縮機がタービンと接続されてもまたは接続されなくてもよいという事実にかかわらず、モデリングされてもよい。バーナセクション１６およびタービンセクション１８は、実際、本発明の方法に従ってモデリングされていない。本発明の方法は、圧縮機だけの性能をシミュレートし、典型的に圧縮機マップを規定する圧縮機作動点を計算するために行われる。

【0026】

１段圧縮機がモデリングされてもよい。

【0027】

本発明による圧縮機のモデルは、回転軸線を中心とする圧縮機の周方向部分のみを考慮する。モデルの周方向範囲は、回転周期と考えられる。

【0028】

多段モデル２１０は、本発明の方法に従って、図３のブロック図に概略的に示されたステップの連続によって生成される。

【0029】

方法１００の第１のステップ１１０において、圧縮機１４の“数値流体力学”（ＣＦＤ）計算に適した複数のメッシュが生成される。複数のメッシュは：
−入口ガイドベーン５７の段を表す圧縮機入口メッシュ２２０；
−複数のロータブレード段４８をそれぞれ表す複数の圧縮機ロータ段メッシュ２２５；
−複数のステータブレード段４６をそれぞれ表す複数の圧縮機ステータ段メッシュ２３０；
−複数の出口ガイドベーン４９およびそれらの下流の、最終ノズル出口領域２４０まで延びる出口ノズルを表す、圧縮機出口メッシュ２３５；
を含む。

【0030】

圧縮機出口メッシュ２３５は、人工的インターフェースによって分離された複数のメッシュとしてではなく、出口ガイドベーン４９およびノズルの両方を表す１つのメッシュとして処理されるべきである。

【0031】

圧縮機出口メッシュ２３５は、長さＬを有する。長さＬは、圧縮機１４の出口ガイドベーン４９の長さのｎ倍となるように選択され、ｎは、典型的には、１０〜１５に含まれる整数である。最終ノズル出口領域２４０の第１の領域値Ａ１が選択される。

【0032】

出口ガイドベーンの下流のノズルは、出口ガイドベーン４９の下流の出口圧力と、大気圧条件との間の漸進的な接続を提供する。方法１００の第２のステップ１２０において、複数のメッシュ２２０，２２５，２３０，２３５は、“数値流体力学”計算領域２５０を得るために組み合わされる。

【0033】

方法１００の第３のステップ１３０において、計算領域２５０の境界条件が指定される。方法１００の第３のステップ１００は：
−計算領域２５０の入口における大気境界条件を指定するサブステップ；
−回転面、すなわちロータブレード段４８を表す面の速度を指定するサブステップ；
−圧縮機の静止部分と回転部分との間の流れ移行を考慮するために、計算領域２５０のメッシュ２２０，２２５，２３０，２３５の間の人工的インターフェースを表すミキシングプレーンを指定するサブステップ；
−回転周期モデル２１０のいずれの面が回転周期を考慮されなければならないかを規定するサブステップ；
を含む。第３のステップ１３０の後、方法１００は、
−最終ノズル出口領域２４０における大気圧条件を指定する第４のステップ１４０；
−特に、修正された圧縮機入口質量流量と、圧縮機出口メッシュ２３５の所定のセクション２６０における圧力値と計算領域２５０の入口における圧力値との間の圧縮機合計圧力比とを計算するために、圧縮機１４に沿った流れをＣＦＤ計算によって計算する第５のステップ１５０；
を含むステップのループ１０１を有する。所定のセクション２６０は、圧縮機出口メッシュ２３５において、圧縮機１４における出口ガイドベーン４９のすぐ下流のセクションを表す。

【0034】

第５のステップ１５０の後、ループ１０１は、さらに、所定の数値的安定性限界に達したかどうかをチェックする第６のステップ１６０を含み、数値的安定性限界に達していないならば、ループ１０１は、次いで、以下のステップ：
−修正された圧縮機入口質量流量および前の第５のステップ１５０において計算された圧縮機合計圧力比を表す点によって圧縮機マップＭを構成する第７のステップ１７０；
−長さＬが一定に維持されながら、最終ノズル出口領域２４０の寸法Ａ１を減少させる第８のステップ１８０であって、特に、本発明の１つの実施の形態によれば、Ａ１は、５％の段階で、すなわち、例えば、最初のＡ１値が２０ｍｍであるならば、第２のＡ１値は１９ｍｍ、第３のＡ１値は１８ｍｍというように、減少させられてもよい、第８のステップ１８０；
−圧縮機出口メッシュ２３５を再び生成する第９のステップ１９０、を続ける。

【0035】

第９のステップ１９０の後、第４のステップ１４０、第５のステップ１５０および第６のステップ１６０が反復される。

【0036】

計算する第５のステップ１５０のそれぞれの実行において、圧縮機出口メッシュ２３５は、計算する第５のステップ１５０の前の実行と僅かに異なる。これは、修正された圧縮機入口質量流量および圧縮機合計圧力比の異なる値、ひいては、圧縮機マップＭにおけるそれぞれの異なる点につながる。

【0037】

第６のステップ１６０において数値的安定性が達せられたとき、ループ１０１は終了される。計算する第５のステップの最後の実行の間に計算されたマップにおける点は、それぞれの圧縮機サージ点を表すと仮定される。

【0038】

本発明によって達成することができる結果は、図４に示されており、この図では、圧縮機マップＭは、修正された圧縮機入口質量流量のための横軸Ｘと、圧縮機合計圧力比のための縦軸Ｙとを有するように示されている。任意の速度で回転する圧縮機について、三角形のマーク１０２は、実験的試験データを表している。複数のマーク１０２の中で、より高い合計圧力比およびより低い修正された圧縮機入口質量流量を特徴とするマーク１０２ａは、任意の回転速度における圧縮機実験的サージ点を表している。

【0039】

同じ圧縮機のために、方法１００によって計算された複数の点が、矩形のマーク１０３によってマップＭに表されている。矩形のマーク１０３を接続する曲線１０４は、圧縮機マップＭにおいて、任意の回転速度における速度曲線を表している。その他の同様の曲線は、方法１００、特に第３のステップ１３０の実行中に回転速度の異なる値を考慮することによって計算されてもよい。複数のマーク１０３の中で、より高い合計圧力比およびより低い修正された圧縮機入口質量流量を特徴とするマーク１０３ａは、任意の回転速度における計算された圧縮機サージ点を表している。

【0040】

実験的なサージ点１０２ａと計算されたサージ点１０３ａとの間の距離は、圧縮機比および入口質量流量の両方の観点から、この方法の満足できる確認を提供し、他の既存のＣＦＤ方法によって得られてもよい類似の距離よりも著しく小さい。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】