コンプレッサーのサージ
Form of aerodynamic instability in axial or centrifugal compressors.

コンプレッサーサージは、軸流圧縮機または遠心圧縮機における空力不安定性の一種です。この用語は、圧縮機の軸方向に激しく振動する気流を表し、流体速度の軸方向成分が周期的に変化し、負になる場合もあることを示しています。初期の文献では、コンプレッサーサージの現象は、1ヘルツという低周波数でのドンドンという音やホーンという音、機械全体の圧力脈動、そして激しい機械的振動によって特定されていました。[1]

説明

コンプレッサーサージは、ディープサージとマイルドサージに分類できます。負の質量流量を伴うコンプレッサーサージはディープサージとみなされ、逆流のないコンプレッサーサージは一般的にマイルドサージと呼ばれます。[2]性能マップでは、コンプレッサーの安定した動作範囲はサージラインによって制限されます。このラインはサージにちなんで名付けられていますが、技術的には、コンプレッサーサージや旋回失速などの識別可能な流れの不安定性の開始を示す不安定性境界です。[3]質量流量が識別可能な流れの不安定性が発生する臨界値まで低下すると、名目上、臨界値は等速線上のサージ質量流量として決定する必要がありますが、実際には、性能マップ上のサージラインは、識別可能な流れの不安定性を決定するために採用された特定の基準の影響を受けます。

典型的なコンプレッサー性能マップ

影響

コンプレッサーサージが発生すると、質量流量と圧力比で示されるコンプレッサーの動作点は、コンプレッサー性能マップ上のサージサイクルの周りを周回します。性能に影響を与えることに加えて、サージングは​​大きな騒音も伴います。サージサイクル周波数は、圧縮システムの構成に応じて、1秒あたり数サイクルから数十サイクルの範囲になります。[4]ヘルムホルツ共振周波数は、軽度のサージの不安定性を特徴付けるためによく用いられますが、ヘルムホルツ振動がコンプレッサーサージを引き起こさないケースもあることが判明しました。[5] [6]コンプレッサーサージ中の激しい流れの変化は、コンプレッサーブレードのたわみを引き起こし、疲労損傷または破損につながります。完全に発達したコンプレッサーサージは軸対称ですが、その初期段階は必ずしもそうではありません。コンプレッサーサージによる深刻な損傷は、初期段階におけるブレードへの非常に大きな横方向荷重と関連するケーシング荷重に関連していることがよくあります。[7]

原因

低速・低圧の場合、ほとんどの場合、旋回失速がコンプレッササージに先行して発生します。[8] [9]しかし、旋回失速とコンプレッササージの一般的な因果関係はまだ解明されていません。[6]コンプレッサの定速ライン上では、コンプレッサから吐出される圧力が高くなるにつれて質量流量は減少します。コンプレッサの内部流れは非常に大きな逆圧力勾配状態にあり、流れを不安定にし、流れの剥離を引き起こす傾向があります。完全に発達したコンプレッササージは、通常、入口ダクト、コンプレッサ、出口ダクト、ガスリザーバ、スロットルバルブから構成される圧縮システムの1次元グローバル不安定性としてモデル化できます。[10] [11]コンプレッササージのサイクルは、いくつかのフェーズに分けることができます。[12]スロットルバルブを非常に小さな開度にすると、ガスリザーバは正の正味フラックスを持ちます。リザーバ内の圧力は上昇し続け、コンプレッサ出口の圧力を超え、その結果、出口ダクトに逆圧力勾配が生じます。この逆圧力勾配は、システム全体の流れを自然に減速させ、質量流量を減少させます。サージライン付近の等速線の傾きは通常ゼロ、あるいは正であり、これはコンプレッサーが質量流量を低下させるほど高い圧力を供給できないことを意味します。したがって、逆圧力勾配はコンプレッサーによって抑制できず、システムは急速に逆圧力勾配のオーバーシュートに陥り、質量流量が劇的に減少するか、逆流を引き起こす可能性があります。一方、コンプレッサーからの流量が減少するため、リザーバー内の圧力は徐々に低下し、出口ダクトに好ましい圧力勾配が再構築されます。その後、質量流量が回復し、コンプレッサーは再び定速線上で動作を開始し、最終的に次のサージサイクルが開始されます。したがって、コンプレッサーサージは、圧縮システムの流路を継続的に破壊し、再構築するプロセスです。[13]上記の解釈から、いくつかの経験則を推測することができます。ガスリザーバーが小さいシステムでは、コンプレッサーサージは高周波で低振幅ですが、ガスリザーバーが大きいシステムでは、コンプレッサーサージは低周波で高振幅になります。また、コンプレッサーサージは外部容積の大きいコンプレッサーで発生し、出口ダクトが短いシステムではコンプレッサーストールが発生する傾向があります。また、コンプレッサーのサージラインは、テストベンチやエンジンなど、システムによってわずかに変動する可能性があることにも留意してください。[14]

コンプレッサー制御計装の概略図

サージの防止

石油・ガス業界では、ガス圧縮機のサージ状態での運転は、圧縮機周囲の計装によって防止されています。[15]圧縮機の吸入ラインで測定されたガス流量（FT）と吸入圧力（PT）、そして場合によっては吐出ラインの吸入温度（TT）と圧力（PT）がサージコントローラに送られます。コントローラのアルゴリズムは、これらのデータを使用して機械の性能を確立します。データは、流量と発生ヘッドの観点から動作点を特定します。圧縮機の動作がサージ点に近づくと、コントローラはリサイクルラインの流量制御弁（FCV）を調整するか、圧縮機駆動装置の速度（SC）を調整します。FCVは、吐出口から冷却されたガスを圧縮機の吸入口に戻すことで、機械を通るガスの順方向の流れを維持します。リサイクルラインは、圧縮機のアフタークーラーの下流から冷却されたガスを取り出し、圧縮機の吸入ドラムへの供給口に排出するのに最適な場所に配置されています。[16]

参照

参考文献

  1. ^ HW Emmons; CE Pearson; HP Grant (1955). 「圧縮機のサージと失速伝播」.アメリカ土木学会論文集. 77 : 455–469 .
  2. ^ Fink, DA; Cumpsty, NA; Greitzer, EM (1991-06-03). 「フリースプール遠心圧縮機システムにおけるサージダイナミクス」.第1巻：ターボ機械. ASME. doi :10.1115/91-gt-031. ISBN 9780791878989。
  3. ^ Paduano, JD; Greitzer, EM; Epstein, AH (2001年1月). 「圧縮システムの安定性とアクティブ制御」. Annual Review of Fluid Mechanics . 33 (1): 491– 517. Bibcode :2001AnRFM..33..491P. doi :10.1146/annurev.fluid.33.1.491. ISSN  0066-4189
  4. ^ Hafaifa, Ahmed; Rachid, Belhadef; Mouloud, Guemana (2014年10月31日). 「遠心圧縮機におけるサージ現象のモデリング：制御のための実験分析」. Systems Science & Control Engineering . 2 (1): 632– 641. doi : 10.1080/21642583.2014.956269 . ISSN  2164-2583
  5. ^ Day, IJ (1994年5月). 「サージ時の軸流圧縮機の性能」. Journal of Propulsion and Power . 10 (3): 329– 336. Bibcode :1994JPP....10..329D. doi :10.2514/3.23760. ISSN  0748-4658.
  6. ^ ab Day, IJ (2015-10-13). 「失速、サージ、そして75年間の研究」. Journal of Turbomachinery . 138 (1): 011001–011001–16. doi :10.1115/1.4031473. ISSN  0889-504X.
  7. ^ A. , Cumpsty, N. (2004).コンプレッサーの空気力学. Krieger Pub. ISBN 978-1575242477 OCLC  824819843{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
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  9. ^ サンドストローム、エリアス；セムリッチ、ベルンハルト；ミハエスク、ミハイ（2017年11月23日）「遠心圧縮機における旋回失速とサージの発生メカニズム」流れ、乱 流、燃焼。100 ( 3): 705–719。doi : 10.1007/s10494-017-9877 - z。PMC 6044252。PMID 30069143 
  10. ^ Greitzer, EM (1976). 「軸流圧縮機におけるサージと旋回失速 ― パート I：理論的な圧縮システムモデル」. J​​ournal of Engineering for Gas Turbines and Power . 98 (2): 190–198 . doi :10.1115/1.3446138. ISSN  0022-0825.
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  12. ^ Shahin, Ibrahim; Gadala, Mohamed; Alqaradawi, Mohamed; Badr, Osama (2015-06-23). 「ベーン付きディフューザーを備えた高速遠心圧縮機におけるディープサージサイクルのラージエディシミュレーション」Journal of Turbomachinery . 137 (10): 101007. doi :10.1115/1.4030790. ISSN  0889-504X.
  13. ^ Semlitsch, Bernhard; Mihăescu, Mihai (2016年5月). 「遠心圧縮機におけるサージにつながる流れ現象」Energy . 103 : 572– 587. doi :10.1016/j.energy.2016.03.032
  14. ^ Baines, NC (2005). ターボチャージングの基礎. Concepts NREC. ISBN 9780933283145。
  15. ^ 「アンチサージコントローラの動作原理」.計装ツール. 2021年1月25日閲覧。
  16. ^ 「遠心圧縮機のサージ制御」.エマソン・オートメーション. 2021年1月25日閲覧。
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