(57)【要約】      （修正有）【課題】改良された多スプール発電機を伴うシステムを提供する。【解決手段】圧縮機１０４に接続された第１スプール１０８を有するタービンエンジン１０２と、出力タービンスプール１１０と、出力タービンスプール１１０に接続された第１発電機１１２と、第１スプール１０８に接続された第２発電機１１６とを含むシステムである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（１０４）に接続された第１スプール（１０８）を有するタービンエンジン（１０２）と、
出力タービンスプール（１１０）と、
前記出力タービンスプール（１１０）に接続された第１発電機（１１２）と、
前記第１スプール（１０８）に接続された第２発電機（１１６）とを含むシステム。
【請求項２】
前記第１発電機（１１２）は同期速度発電機である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第２発電機（１１６）は変速発電機である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１発電機（１１２）は、第１シャフト（１１４）を介して、前記出力タービンスプール（１１０）に接続される、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記第２発電機（１１６）は、第２シャフト（１１８）を介して第１スプール（１０８）に接続される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記システムは、前記第２発電機（１１６）を駆動するように動作する電気動力源（１１２）を更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記システムは、前記出力タービンスプール（１１０）に前記第１発電機（１１２）を接続するように機能する外側シャフト（５０２）を更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記システムは、前記外側シャフト（６０２）内の空洞に配設されて、前記第１スプール（１０８）に前記第２発電機（１１６）を接続するように機能する内側シャフト（５０４）を更に含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記第１発電機（１１２）は、蒸気タービン（３０２）に接続される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１発電機（１１２）は、機械的負荷（４０２）に接続される、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電、特にガスタービン発電に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電機の１スプール構成では、圧縮機及び同期速度発電機に接続された高圧タービンを利用する。１スプール構成の欠点としては、周囲温度が上昇した場合や、電力送電線網周波数が低下した場合に、ガスタービンの発電容量が低下することが挙げられる。
【０００３】
２スプールガスタービン発電機では、一般に、圧縮機に接続された高圧タービンと、発電機に接続された低圧タービンとを利用する。２スプール発電機構成を利用する欠点は、発電機の所望の出力が変化した場合の過渡応答が遅いことである。大きなシステムにおいて、大出力タービンスプールは、設計及び製造が困難である場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，６９４，０２６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、改良されたガスタービン発電が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、本システムは、圧縮機に接続された第１スプールを有するタービンエンジンと、出力タービンスプールと、出力タービンスプールに接続された第１発電機と、第１スプールに接続された第２発電機とを含む。
【０００７】
本発明の他の態様によれば、本システムは、圧縮機に接続された第１スプールを有するタービンエンジンと、タービンエンジンからの排気によって駆動されて動作する出力タービンスプールと、出力タービンスプールに接続された第１発電機と、第１スプールに接続され、第１スプールによって駆動されて動作する変速発電機とを含む。
【０００８】
本発明の更に他の態様によれば、システムの動作方法は、変速発電機によりガスタービンエンジンの高圧スプールを回転させるステップと、ガスタービンエンジンの燃焼器内で燃焼を開始するステップと、高圧ガスタービンエンジンで変速発電機を駆動するステップと、ガスタービンエンジンからの排気により、第２発電機に接続された低圧スプールを駆動するステップとを含む。
【０００９】
上記及び他の利点と特徴は、図面と併せて考察される下記の説明からより明確になろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】多スプール発電システムの例示的実施形態を示す図である。
【図２】図１のシステムを始動する例示的方法を示すブロック図である。
【図３】図１のシステムの代替の例示的実施形態を示す図である。
【図４】図１のシステムの他の代替の例示的実施形態を示す図である。
【図５】図１のシステムの他の代替の例示的実施形態を示す図である。
【図６】図１のシステムの他の代替の例示的実施形態を示す図である。
【図７】図１のシステムの他の代替の例示的実施形態を示す図である。
【図８】図１のシステムの他の代替の例示的実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明と見なされる要旨を、特に本明細書の最後の特許請求の範囲において指摘し、且つ明確に規定する。本発明の上記及び他の特徴と利点は、添付図面と併せて考察される下記の詳細な説明から明らになる。
【００１２】
この詳細な説明において、図面を参照しながら、本発明の例示的実施形態と共に、利点及び特徴を一例として説明する。
【００１３】
これまでのシステムは、シャフトを介して高圧スプールに接続される（１スプールシステム）、又は高圧スプールから放出される排気によって回転する出力タービンに接続される（多スプールシステム）同期速度発電機を利用していた。１スプールシステムを用いる利点は、システム内の過渡条件に対する応答が速いこと、及び同期速度発電機を利用してガスタービンエンジンを始動できること等である。欠点としては、周囲温度が上昇した場合、及び送電線網周波数が低下した場合に、出力容量が低下することが挙げられる。一般的な多スプールシステムを利用する利点は、周囲温度が上昇した場合の出力容量の低下が少ないこと、及び送電線網周波数の変動に対する応答性が向上すること等である。一般的な多スプールシステムの欠点としては、システムが複雑になると共にコストが増大する始動サブシステムを利用すること、及び大出力タービンの設計及び製造コストが挙げられる。一般的な多スプール発電機構成の他の欠点としては、高圧スプールの設計は、通常、多スプール用途に適している点が挙げられる。一般的な１スプールガスタービン設計は、３段ガスタービンを含む。３つのタービン段は、通常、１．５段でタービン圧縮機に動力を供給し、残りの１．５段の出力が発電機に動力を供給するというように、負荷が等しくなるように構成される。後述の多スプールシステムの例示的実施形態は、高圧スプールに接続された変速発電機と、出力タービンに接続された第２発電機（同期速度又は変速発電機）とを利用することで、システムの効果及び効率を向上させる。多スプールシステムで変速発電機を利用する利点は、３段ガスタービンについては、１．５段を利用して圧縮機を駆動することができ、１つの段を利用して第１発電機を駆動でき、残りの０．５段を利用して変速発電機を駆動できることである。従って、１スプール構成と多スプール構成で極めて類似したタービン段設計を共有すると、実用的であると共に費用効率が高い。
【００１４】
図１に、多スプール発電機システム１００の例示的実施形態を示す。システム１００は、圧縮機１０４、燃焼器１０６、及び高圧タービン１０８を有するガスタービンエンジン１０２を含む。出力タービンスプール（低圧スプール）１１０は、第１シャフト１１４を介して、第１発電機１１２に接続される（第１発電機１１２は、同期発電機又は変速発電機である）。変速発電機１１６は、第２シャフト１１８を介して圧縮機１０４に接続される。第１発電機１１２及び変速発電機１１６は、送電線網１２０に電気的に接続される。変速発電機１１６及び／又は第１発電機１１２は、一部の実施形態において、ガスタービン起動シーケンスにおいて発電機に動力を供給するのに適した、例えばディーゼル発電機や、他のタイプの動力源等の二次動力源１２２に電気的に接続される。
【００１５】
動作中、空気は圧縮機１０４によって圧縮され、燃料と混合して、燃焼器１０６内で燃焼する。燃焼器１０６内の膨張した高温ガスによって、高圧スプールが回転する。膨張した高温ガスは、高圧タービン１０８を通って流れ、出力タービン１１０を回転させる。出力タービン１１０の回転は、第１シャフト１１４を介して第１発電機１１２を回転させる。第１発電機１１２は、送電線網１２０に動力を送る。高圧スプール１０８の回転により、第２シャフト１１８と、そこに接続されている変速発電機１１６とが回転する。変速発電機１１６も、送電線網１２０に動力を送ることができる。起動シーケンスにおいて、変速発電機１１６は、送電線網１２０又は二次動力源１２２によって動力が供給される。次に、詳細な例示的起動シーケンスについて説明する。
【００１６】
図２に、システム１００（図１）を起動する例示的方法のブロック図を示す。同様の方法を利用して、後述するシステムの他の例示的実施形態を始動しても良い。ブロック２０２において、例えば、ターニング装置を利用して、高圧スプール１０８及び低圧スプール（出力タービン）１１０を回転させる。ターニング装置の回転により、システム１００の始動準備が整う。ブロック２０４において、ターニング装置との接続が解除され、変速発電機１１６が、パージ速度になるまで高圧スプールを回転させる。変速発電機１１６には、送電線網１２０によって、又は一部の実施形態では二次動力源１２２によって電力を供給することができる。パージが完了したら、ブロック２０６において、変速発電機１１６は、燃焼速度になるまで高圧スプール１０８を回転させる。ブロック２０８において、燃焼速度に達すると、燃焼器が点火し、ガスタービンエンジン１０２が始動する。ガスタービンエンジンが所定の起動時間だけ稼動したら、ブロック２１０において、送電線網同期速度に一致するように、高圧スプール１０８によって変速発電機１１６を回転させる。ブロック２１２において、変速発電機１１６は、送電線網１２０に同期化されて、送電線網１２０に電力を供給する。ブロック２１４において、第１発電機１１２によって、送電線網同期速度になるまで低圧スプール１１０を回転させる。ガスタービンエンジン１０２から放出された排気流は、低圧スプール１１０に動力を供給する。第１発電機１１２が送電線網同期速度に達したら、第１発電機１１２は、ブロック２１６において、送電線網１２０と電気的に同期化される。ブロック２１８において、動力は送電線網に出力される。
【００１７】
図３に、システム１００の代替の例示的実施形態を示す。図３は、蒸気タービン３０２を有するシステム３００を含み、この蒸気タービン３０２は、第１発電機１１２の回転を機械的に補助するために、第３シャフト３０４を介して第１発電機１１２に接続する。
【００１８】
図４に、図３に示した実施形態と同様である、システム１００の他の代替の例示的実施形態を示す。図４のシステム４００は、シャフト３０４を介して第１発電機１１２に接続される追加の機械的負荷４０２を含む。
【００１９】
図５に、システムの更に他の代替の例示的実施形態を示す。この実施形態において、システム５００は、出力タービン１１０に第１発電機１１２を接続する外側シャフト５０２を含む。変速発電機１１６は、内側シャフト５０４により、ガスタービンエンジン１０２の高圧スプール１０８に接続され、内側シャフト５０４は、外側シャフト５０２内に配設されて、その外側シャフト５０２と同心に整列される。
【００２０】
図６に、システム５００と同様である、他の代替の例示的実施形態を示す。この実施形態において、システム６００は、高圧スプール１０８に変速発電機１１６を接続する外側シャフト６０２を含む。第１発電機１１２は、内側シャフト６０４によって、出力タービン１１０に接続され、内側シャフト６０４は、外側シャフト６０２内に配設されて、その外側シャフト６０２と同心に整列される。
【００２１】
図７に、前述した実施形態のいずれとも組み合わせることができる、システム１００の代替の例示的実施形態を示す。この実施形態において、システム７００は、ガスタービンエンジン１０２からの出力排気を受け取り、その排気を、燃焼処理を利用して更に加熱する第２燃焼器７０２を含む。加熱された排気は、第２燃焼器７０２によって出力タービン１１０に出力される。
【００２２】
図８に、前述した実施形態のいずれとも組み合わせることができる、システム１００の更に他の代替の例示的実施形態を示す。この実施形態において、システム８００は、第１高圧タービン段１０８から出力排気を受け取り、その排気を、燃焼処理を利用して更に加熱する第２燃焼器８０２を含む。加熱された排気は、高圧スプール１０８に接続された第２高圧タービン段８０４に向けて、第２燃焼器８０２によって出力される。
【００２３】
前述の実施形態は、多スプールシステムに対応したシステム及び方法を提供するものであり、これらのシステム及び方法は、変速発電機を利用する１スプールシステム及び多スプールシステムの利点を提供する。
【００２４】
本発明について、限られた実施形態のみに関連付けて詳細に説明したが、本発明は、ここで開示した実施形態に限定されないことは容易に理解されよう。本発明は、むしろ、上記で説明されてはいないが、本発明の精神及び範囲に相応する、任意の変更、修正、置き換え、又は等価の構成を組み込むように変更できる。また、本発明の様々な実施形態を記載したが、本発明の態様は、記載した実施形態の一部のみを含むものであっても良いことは理解されよう。従って、本発明は、前述の説明に限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２５】
１００  多スプール発電機システム
１０２  ガスタービンエンジン
１０４  圧縮機
１０６  燃焼器
１０８  高圧タービン
１１０  出力タービンスプール
１１２  第１発電機
１１４  第１シャフト
１１６  変速発電機
１１８  第２シャフト
１２０  送電線網
１２２  二次動力源
２０２  ブロック
２０４  ブロック
２０６  ブロック
２０８  ブロック
２１０  ブロック
２１２  ブロック
２１４  ブロック
２１６  ブロック
２１８  ブロック
３００  システム
３０２  蒸気タービン
３０４  第３シャフト
４００  システム
４０２  機械的負荷
５００  システム
５０２  外側シャフト
５０４  内側シャフト
６００  システム
６０２  外側シャフト
６０４  内側シャフト
７００  システム
７０２  第２燃焼器
８００  システム
８０２  第２燃焼器
８０４  第２高圧タービン段
【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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