【手続補正書】
【提出日】平成17年4月12日(2005.4.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  ガスタービン発電設備
【特許請求の範囲】
【請求項１】  出力軸を有するガスタービン（１）で発電機（５）を回転駆動するガスタービン発電装置であって、前記ガスタービンと前記発電機の間に遊星歯車減速機（１０）を備え、該遊星歯車減速機は、その出力側に弾性変形手段（１２）と、ガスタービンの出力軸によって連結駆動される中心の太陽歯車（１１ａ）と、中心の太陽歯車に歯合する複数の遊星歯車（１１ｂ）と、遊星歯車に歯合する内歯車（１１ｃ）とからなり、前記の複数の遊星歯車は、固定位置で自転可能に取付けられ、前記内歯車は、ガスタービンの出力軸に同心に形成された外輪（１０ｂ）の内面に一体成形されており、前記弾性変形手段は、その弾性限度内の歪エネルギーが瞬時電圧低下時の発電機の変動トルクエネルギーより大きく設定され、前記弾性変形手段は、遊星歯車減速機の出力軸（１０ａ）とその外輪（１０ｂ）とを弾性的に連結する弾性部材からなり、前記弾性部材は、内端（１４ａ）が遊星歯車減速機の出力軸に固定され、外端（１４ｂ）が遊星歯車減速機の外輪に弾性的に接続された複数の板バネ（１４）からなり、前記板バネは、内端が固定され外端は長さ方向には摺動でき周方向には接続される片持ち梁として機能し、内端側が厚く外端側が薄く構成されている、ことを特徴とするガスタービン発電設備。
【請求項２】  前記板バネ（１４）は、その長さに沿って曲げ応力がほぼ等しい平等強さのはりに形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン発電設備。
【請求項３】  前記出力軸（１０ａ）と発電機（５）との間に、油圧式トルクリミッター（１６）を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン発電設備。
【請求項４】  出力軸を有するガスタービン（１）と前記ガスタービンより回転駆動される発電機（５）と、前記ガスタービンと前記発電機の間に遊星歯車減速機（１０）を備えたガスタービン発電設備において、前記遊星歯車減速機は、その出力側において弾性限度内の歪エネルギーが瞬時電圧低下時の発電機の変動トルクエネルギーより大きく設定される弾性変形手段と、前記ガスタービンの前記出力軸によって連結駆動される中心の太陽歯車（１１ａ）と、固定位置で自転可能に取付けられ中心の太陽歯車に歯合する複数の遊星歯車（１１ｂ）と、ガスタービンの出力軸に同心に形成される外輪（１０ｂ）の内面に一体成形され前記遊星歯車に歯合する内歯車（１１ｃ）とからなり、前記弾性変形手段は、遊星歯車減速機の出力軸（１０ａ）とその外輪（１０ｂ）とを弾性的に連結する弾性部材からなり、前記弾性部材は、内端（１４ａ）が遊星歯車減速機の出力軸に固定され、外端（１４ｂ）が遊星歯車減速機の外輪に弾性的に接続された複数の板バネ（１４）からなり、前記板バネは、内端が固定され外端は長さ方向には摺動でき周方向には接続される片持ち梁として機能し、内端側が厚く外端側が薄く構成されている、ことを特徴とするガスタービン発電設備。
【請求項５】  前記板バネ（１４）は、その長さに沿って曲げ応力がほぼ等しい平等強さのはりに形成されている、ことを特徴とする請求項４に記載のガスタービン発電設備。
【請求項６】  前記出力軸（１０ａ）と発電機（５）との間に、油圧式トルクリミッター（１６）を備えることを特徴とする請求項４に記載のガスタービン発電設備。
【請求項７】  出力軸を有するガスタービン（１）と前記ガスタービンにより回転駆動される発電機（５）と、前記ガスタービンと前記発電機の間に遊星歯車減速機（１０）を備えたガスタービン発電設備において、前記遊星歯車減速機は、その出力側において弾性限度内の歪エネルギーが瞬時電圧低下時の発電機の変動トルクエネルギーより大きく設定される弾性変形手段と、前記ガスタービンの前記出力軸によって連結駆動される中心の太陽歯車（１１ａ）と、固定位置で自転可能に取付けられ中心の太陽歯車に歯合する複数の遊星歯車（１１ｂ）と、ガスタービンの出力軸に同心に形成される外輪（１０ｂ）の内面に一体形成され前記遊星歯車に歯合する内歯車（１１ｃ）とからなり、前記弾性部材は、内端（１４ａ）が遊星歯車減速機の出力軸に固定され、外端（１４ｂ）が遊星歯車減速機の外輪に弾性的に接続された複数の板バネ（１４）からなる、ことを特徴とするガスタービン発電設備。
【請求項８】  請求項７に記載のガスタービン発電設備において、前記板バネ（１４）は、内端が固定され外端は長さ方向には摺動でき周方向には接続される片持ち梁として機能し、内端側が厚く外端側が薄く構成されている、ことを特徴とするガスタービン発電設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、商用電源系統の瞬時電圧低下又は停電等により発電機に過大なトルクが発生した際に、発電設備の運転を維持し、重要負荷の電源を確保するためのガスタービン発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
雷などにより商用電源系統に事故が発生した場合、送電線の電圧が瞬間的に大幅に低下する現象がある。かかる電圧低下を「瞬時電圧低下」と呼ぶ。この場合、発電設備の損傷を最小限にとどめて工場の重要負荷の電源を確保するため、高速度で事故を検出し商用電源系統を切り離す装置を設置する場合がある。しかし、このような装置を設置した場合でも、解列の速度が十分に速くない場合は、瞬間的に受電端の電圧が大幅に低下する。
瞬時電圧低下の継続時間は通常１秒程度以下であり、頻度は地区により大きく異なる。しかし瞬時電圧低下が瞬時的かつ低頻度であっても、高圧受電の需要家で電圧変化が許容されない工場を有する産業（例えば、半導体産業）では、深刻な影響を受けることがある。そのため、かかる産業では、商用電源の他に、発電設備を備え、瞬時電圧低下の際にも、工場の重要負荷の電源を安定的に確保することが強く望まれている。
【０００３】
図７は、かかる電源設備として従来から用いられているガスタービン発電設備の模式図である。この図において、１はガスタービン等の原動機、２はピニオン歯車、３はホイール歯車、４は軸継手、５は発電機であり、原動機１でピニオン歯車２を回転駆動し、ホイール歯車３との歯合により減速し、軸継手４を介して発電機５を回転駆動して発電するようになっている。
【０００４】
図８は、図７のＡ部の拡大図である。この図に示すように、従来のホイール歯車３は、その中心軸３ａを両端部の軸受３ｂで支持する構成であり、軸継手４は、中間部材６ａ，６ｂ、これを連結するシャーピン７、及び撓みエレメント８、等からなり、撓みエレメント８を介してホイール歯車３の中心軸３ａ及び発電機５の駆動軸５ａと連結して軸心のわずかなズレを許容し、かつ許容トルク以上のトルクが作用した場合には、シャーピン７を切断して原動機１に過大なトルクが作用しないように構成されている。更に、この例では、中間部材６ａ，６ｂの間を軸受９で支持し、シャーピン７の切断後の中心軸３ａ及び駆動軸５ａの回転を支持し、各軸が損傷を受けないようになっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したガスタービン発電設備において、発電設備が系統と並列運転し、系統に瞬時電圧低下が発生した場合に、発電機５に過大な電気トルクが発生する。そのため原動機を保護するために設けられたシャーピン７が破損する問題点があった。すなわち、原動機はその最大出力を伝達するのに必要な車軸のねじり強度を有し、瞬時的には定格トルクの数倍のトルクを伝達することを許容しているが、発電機の短絡事故、系統側の瞬時電圧低下や停電等により発電機に過大な電気トルクが発生し、その過渡応答トルクが原動機の許容トルクを超えると、原動機軸と発電機軸の間のシャーピンが破断し、その復旧に時間がかかる問題点があった。また、比較的小さい瞬時電圧低下（１０〜３０％）でも、シャーピンが金属疲労の蓄積で切断に至る不具合も発生することがある問題点があった。
【０００６】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、瞬時電圧低下や、停電等により発電機に短時間の過大トルクが発生した際に、発電設備の運転を維持し、重要負荷の電源を確保することができるガスタービン発電設備を提供することにある。また、本発明の別の目的は、設置長さを短縮してコンパクト化できるガスタービン発電設備を提供することにある。更に別の目的は伝達軸の許容トルクを超えた場合でも各軸が損傷を受けず短時間で復帰できるガスタービン発電設備を提供することにある。更に別の目的は比較的小さい瞬時電圧低下が繰り返し発生しても、運転停止に至ることのないガスタービン発電設備を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
系統に瞬時電圧低下が発生した際の電気トルクの変動については、瞬時最大発生トルクが、通常の約６倍程度に達する場合があり、その継続時間は極めて短く、１６〜２０ｍｓｅｃの周期で平均トルクを中心に上下に変動し、１秒以下で、通常のトルクに戻ることがある。従って、この瞬時最大発生トルクにより、ガスタービン等の原動機の損傷を防ぎ、かつ発電設備の運転を維持するためには、発電機の過大な電気トルクを原動機に伝達する前に減衰させる必要がある。すなわち、この短時間の変動トルクエネルギーをなんらかの機構により吸収できればよい。本発明はかかる新規の知見と発想に基づくものである。
【０００８】
すなわち、本発明によれば、出力軸を有するガスタービン（１）で発電機（５）を回転駆動するガスタービン発電装置であって、前記ガスタービンと前記発電機の間に遊星歯車減速機（１０）を備え、該遊星歯車減速機は、その出力側に弾性変形手段（１２）と、ガスタービンの出力軸によって連結駆動される中心の太陽歯車（１１ａ）と、中心の太陽歯車に歯合する複数の遊星歯車（１１ｂ）と、遊星歯車に歯合する内歯車（１１ｃ）とからなり、前記の複数の遊星歯車は、固定位置で自転可能に取付けられ、前記内歯車は、ガスタービンの出力軸に同心に形成された外輪（１０ｂ）の内面に一体成形されており、前記弾性変形手段は、その弾性限度内の歪エネルギーが瞬時電圧低下時の発電機の変動トルクエネルギーより大きく設定され、前記弾性変形手段は、遊星歯車減速機の出力軸（１０ａ）とその外輪（１０ｂ）とを弾性的に連結する弾性部材からなり、前記弾性部材は、内端（１４ａ）が遊星歯車減速機の出力軸に固定され、外端（１４ｂ）が遊星歯車減速機の外輪に弾性的に接続された複数の板バネ（１４）からなり、前記板バネは、内端が固定され外端は長さ方向には摺動でき周方向には接続される片持ち梁として機能し、内端側が厚く外端側が薄く構成されている、ことを特徴とするガスタービン発電設備が提供される。
【０００９】
また、本発明によれば、出力軸を有するガスタービン（１）と前記ガスタービンより回転駆動される発電機（５）と、前記ガスタービンと前記発電機の間に遊星歯車減速機（１０）を備えたガスタービン発電設備において、前記遊星歯車減速機は、その出力側において弾性限度内の歪エネルギーが瞬時電圧低下時の発電機の変動トルクエネルギーより大きく設定される弾性変形手段と、前記ガスタービンの前記出力軸によって連結駆動される中心の太陽歯車（１１ａ）と、固定位置で自転可能に取付けられ中心の太陽歯車に歯合する複数の遊星歯車（１１ｂ）と、ガスタービンの出力軸に同心に形成される外輪（１０ｂ）の内面に一体成形され前記遊星歯車に歯合する内歯車（１１ｃ）とからなり、前記弾性変形手段は、遊星歯車減速機の出力軸（１０ａ）とその外輪（１０ｂ）とを弾性的に連結する弾性部材からなり、前記弾性部材は、内端（１４ａ）が遊星歯車減速機の出力軸に固定され、外端（１４ｂ）が遊星歯車減速機の外輪に弾性的に接続された複数の板バネ（１４）からなり、前記板バネは、内端が固定され外端は長さ方向には摺動でき周方向には接続される片持ち梁として機能し、内端側が厚く外端側が薄く構成されている、ことを特徴とするガスタービン発電設備が提供される。
【００１０】
さらに、本発明によれば、出力軸を有するガスタービン（１）と前記ガスタービンにより回転駆動される発電機（５）と、前記ガスタービンと前記発電機の間に遊星歯車減速機（１０）を備えたガスタービン発電設備において、前記遊星歯車減速機は、その出力側において弾性限度内の歪エネルギーが瞬時電圧低下時の発電機の変動トルクエネルギーより大きく設定される弾性変形手段と、前記ガスタービンの前記出力軸によって連結駆動される中心の太陽歯車（１１ａ）と、固定位置で自転可能に取付けられ中心の太陽歯車に歯合する複数の遊星歯車（１１ｂ）と、ガスタービンの出力軸に同心に形成される外輪（１０ｂ）の内面に一体形成され前記遊星歯車に歯合する内歯車（１１ｃ）とからなり、前記弾性部材は、内端（１４ａ）が遊星歯車減速機の出力軸に固定され、外端（１４ｂ）が遊星歯車減速機の外輪に弾性的に接続された複数の板バネ（１４）からなる、ことを特徴とするガスタービン発電設備が提供される。
【００１１】
上記本発明の構成によれば、弾性変形手段（１２）の弾性限度内の歪エネルギーが、瞬時電圧低下時の発電機の変動トルクエネルギーより大きく設定されているので、短時間の瞬時最大発生トルクは、歪エネルギーとしてその内部に弾性的に保有し、１６〜２０ｍｓｅｃの周期の逆方向のトルク発生時にそのエネルギーを放出する。従って、過大なトクルをガスタービンに伝達することなく、発電設備の運転を維持することができる。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、好ましくは、前記板バネ（１４）は、その長さに沿って曲げ応力がほぼ等しい平等強さのはりに形成されている。
【００１３】
また本発明の構成によれば、複数の各板バネ（１４）が、片持ち梁の状態で遊星歯車減速機の出力軸（１０ａ）とその外輪（１０ｂ）とを弾性的に連結しているので、瞬時電圧低下が発生したときの過大な伝達トルクを板バネの撓みで吸収することができ、ガスタービン（１）に伝達されるトルクを大幅に低減できる。
【００１４】
更に、前記出力軸（１０ａ）と発電機（５）との間に、油圧式トルクリミッター（１６）を備えることが好ましい。この油圧式トルクリミッターは、内輪と外輪の間に圧油を保持し、設定トルク以上の過渡応答トルクが作用した際に圧油が抜けて内輪と外輪が相互に自由回転する形式のものがよく、これにより金属疲労の蓄積によるシャーピンの切断とそれに伴う発電設備の停止を防止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を使用する。
図１は、本発明によるガスタービン発電設備の全体構成図である。この図において、本発明のガスタービン発電設備は、ガスタービン１で発電機５を回転駆動するガスタービン発電設備であり、ガスタービン１と発電機５の間に遊星歯車減速機１０を備えている。
【００１６】
遊星歯車減速機１０は、中心の太陽歯車１１ａ、太陽歯車１１ａに歯合する複数の遊星歯車１１ｂ及び遊星歯車１１ｂに歯合する内歯車１１ｃからなる。複数の遊星歯車１１ｂは、図示しない固定キャリアに自転可能に取付けられている。また、内歯車１１ｃは、外輪１１ｂの内面に一体成形されている。
この構成により、太陽歯車１１ａの高速回転を、遊星歯車１１ｂ及び内歯車１１ｃを解して、減速して外輪１１ｂに伝達することができる。かかる遊星歯車減速機１０は、図１０に示したような従来の減速手段に比較してコンパクトかつ高い減速比が得られる。
【００１７】
本発明において、遊星歯車減速機１０はその出力側に弾性変形手段１２を有している。この弾性変形手段１２は、遊星歯車減速機１０の出力軸１０ａとその外輪１０ｂとを弾性的に連結する弾性部材からなり、その弾性限度内の歪エネルギーが瞬時電圧低下時の発電機の変動トルクエネルギーより大きく設定されている。
【００１８】
図２は、図１のＡ−Ａ矢視図であり、図３は、図２のＢ部詳細図である。図２及び図３に示すように、弾性変形手段１２を構成する弾性部材は、この例では複数の板バネ１４である。
図３に示すように、複数の各板バネ１４の内端１４ａが、遊星歯車減速機１０の出力軸１０ａに固定されている。また、各板バネ１４の外端１４ｂは、遊星歯車減速機１０の外輪１０ｂにこの例では弾性部材１５（例えば弾性ゴム）を介して接続されている。この構成により、板バネ１４の外端１４ｂは、長さ方向には摺動でき、周方向には接続されるので、板バネ１４は、内端１４ａが固定された片持ち梁として機能する。すなわち、複数の各板バネ１４が、片持ち梁の状態で遊星歯車減速機の出力軸１０ａとその外輪１０ｂとを弾性的に連結しているので、瞬時電圧低下が発生したときの過大な伝達トルクを板バネの撓みで吸収することができ、ガスタービン１に伝達されるトルクを大幅に低減できる。
【００１９】
更に、板バネ１４は、その長さに沿って曲げ応力がほぼ等しい平等強さのはりに形成されている。すなわち、図３に示すように、この例では、板バネ１４の厚さは、内端側が厚く、外端側が薄く構成されている。
【００２０】
図４は、板バネの曲げ応力の計算結果である。この図は、上述した構成のガスタービン発電設備の１例として、発電機端出力６４５０ＫＷ、発電機効率９６．５％、発電機回転数１５００ｒｐｍ（ｍｉｎ-１）とすると、伝達トルクＴは約４２５００Ｎ・ｍとなる。このトルクを伝達するために、板バネの枚数を３０枚とした場合の計算結果を示している。この図から、板幅を一定（この例では約２００ｍｍ）とし、板厚を図に示すように変化させることにより、最大応力を３０ｋｇｆ／ｍｍ２（約２９４ＭＰａ）以下に抑えることができ、かつ弾性変形手段１２のねじりバネ定数を約１６００ｋｇｍ／ｄｅｇ（約１５６８０Ｊ／ｄｅｇ）まで下げることができることが確認された。
【００２１】
なお、本発明の板バネの形状は、上述した例に限定されず、板バネの幅及び厚さを変化させて、いわゆる平等強さのはりを形成してもよい。
【００２２】
図１において、本発明のガスタービン発電設備は、更に、遊星歯車減速機１０の出力軸１０ａと発電機５との間に、油圧式トルクリミッター１６が設けられている。この油圧式トルクリミッターは、金属疲労の蓄積による影響がないように、好ましくは、内輪と外輪の間に圧油を保持し、設定トルク以上の過渡応答トルクが作用した際に圧油が抜けて内輪と外輪が相互に自由回転する形式のものであるのがよい。
【００２３】
【実施例】
以下、上述した本発明の実施例をシミュレーション結果に基づき説明する。
図５は、本発明の弾性変形手段の特性図である。この図は、瞬時電圧低下により電圧が１００％低下した場合を示している。なおこの図において、横軸は、ガスタービン１と発電機５を連結する動力伝達手段（カップリング）の合成バネ定数である。また、縦軸は応答トルクであり、定常時の定格トルクに対する比率で示している。
【００２４】
この図に示すように、従来の軸継手における最大トルクは、軸継手が約４．５、ガスタービン出力軸（ＧＴ出力軸）が約３．８であった。また、この図から、合成バネ定数を小さくする（図で右方向）ことにより、応答トルクを小さくすることができ、合成バネ定数（ねじりバネ定数）を約１６００ｋｇｍ／ｄｅｇ（約１５６８０Ｊ／ｄｅｇ）まで下げると、軸継手とＧＴ出力軸の両方の応答トルクを１．８以下にできることがわかる。
【００２５】
図６は、本発明の実施例を示すシミュレーション結果であり、（Ａ）は従来例、（Ｂ）は図１に示した本発明の構成（バネ定数が約１６００ｋｇｍ／ｄｅｇの場合）を示している。また、各図において横軸は時間、縦軸は瞬時電圧低下により電圧が１００％低下した場合のトルクを示している。また図中の破線は発電機の電気トルク、太い実線は軸継手、細い実線はガスタービン出力軸の過渡応答トルクである。
図６の比較から、従来例（Ａ）では、ＧＴ出力軸の最大値が約３．５以上であるのに対して、本発明の図１の例では、約１．５まで低下しており、目標を十分に達成していることがわかる。
【００２６】
また、図６（Ａ）から、瞬時最大発生トルクは、通常の約６倍に達するが、その継続時間は極めて短く、約２０ｍｓｅｃの周期で平均トルクを中心に上下に変動し、約０．５秒後には、通常のトルクに戻ることがわかる。従って、少なくとも約２０ｍｓｅｃの間に作用する過大な電気トルクの変動トルクエネルギーを上述した弾性変形手段１２のねじり変形により、歪エネルギーとしてその内部に弾性的に保有することにより、発電設備の運転を維持し、重要負荷の電源を確保することができる。
【００２７】
なお、本発明は、上述した実施形態及び実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００２８】
【発明の効果】
上述したように、本発明のガスタービン発電設備は、原動機軸と発電機軸間に遊星歯車減速機１０を備え、さらに遊星歯車減速機の出力側に弾性変形手段１２を設けてそのねじりバネ定数を小さくすることにより発電機に発生する過大トルクの基本周波数に反応する原動機〜発電機軸系の固有振動数を電気トルクの基本周波数より下方で、その離長を十分に大きくしたものである。この構成により、系統に比較的大きい（５０〜１００％）瞬時電圧低下が発生した場合でも、発電機に発生する電気トルクによる過渡応答トルクを原動機の最大許容伝達トルク以下に低減することが可能となる。
従って、雷等による系統の瞬時電圧低下により発電機に過大な電気トルクが発生した場合においても、発電設備の運転を維持し、かつ発電設備を設置した工場の重要負荷の電源を確保することが可能となる。
【００２９】
すなわち、本発明のガスタービン発電設備は、瞬時電圧低下等により発電機に短時間の過大トルクが発生した際に、発電設備の運転を維持し、重要負荷の電源を確保することができ、設置長さを拡張する必要がなく、伝達軸の許容トルクを超えた場合でも各軸が損傷を受けず短時間で復帰でき、比較的小さい瞬時電圧低下が繰り返し発生しても、運転停止に至ることのない、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明によるガスタービン発電設備の全体構成図である。
【図２】
図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】
図２のＢ部詳細図である。
【図４】
板バネの曲げ応力の計算結果である。
【図５】
本発明の実施例を示す弾性変形手段の特性図である。
【図６】
本発明の実施例を示すシミュレーション結果である。
【図７】
従来のガスタービン発電設備の模式図である。
【図８】
図７のＡ部の拡大図である。
【符号の説明】
１  原動機（ガスタービン）、２  ピニオン歯車、
３  ホイール歯車、３ａ  中心軸、３ｂ  軸受、
４  軸継手、５  発電機、５ａ  駆動軸（入力軸）、５ｂ  継手部材、
６ａ，６ｂ  中間部材、７  シャーピン、８  撓みエレメント、
９  軸受、１０  遊星歯車減速機、１０ａ  出力軸、１０ｂ  
外輪、１１ａ  太陽歯車、１１ｂ  遊星歯車、１１ｃ  内歯車、
１２  弾性変形手段（弾性部材）、１４  板バネ、１４ａ  内端、
１４ｂ  外端、１５  弾性部材、１６  油圧式トルクリミッター
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2002332871.tif 000001