(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１軸式ガスタービンと、前記１軸式ガスタービンに駆動される回転機械と、前記ガスタービンと前記回転機械との間に介装される無段変速機と、制御装置とを備え、
前記無段変速機は、トラクションドライブを備えたパワースプリット方式の無段変速機とされ、
前記トラクションドライブは、入力される動力が他方に入力される動力より小さくされ、
前記トラクションドライブの入力側に、伝達される駆動力を接続状態と遮断状態とに切り替えるクラッチが設けられ、
前記制御装置により、前記ガスタービンの回転数が最適回転数に制御されるとともに、前記回転機械の回転数が所望回転数となるように前記無段変速機の変速比が制御される
ことを特徴とする１軸式ガスタービンシステム。
【請求項２】
前記最適回転数が、回転機械の負荷に応じて燃料消費量を最小とする回転数を示す最適燃料消費量マップに基づき設定されることを特徴とする請求項１記載の１軸式ガスタービンシステム。
【請求項３】
回転機械が交流発電機とされ、制御装置により前記交流発電機の回転数が一定となるように無段変速機の変速比が制御されることを特徴とする請求項１記載の１軸式ガスタービンシステム。
【請求項４】
回転機械がポンプとされてなることを特徴とする請求項１記載の１軸式ガスタービンシステム。
【請求項５】
前記無段変速機の変速比がポンプの駆動トルクに応じて制御されることを特徴とする請求項４記載の１軸式ガスタービンシステム。
【請求項６】
ポンプが立軸ポンプとされ、前記ポンプを前記無段変速機に設けられたベベルギア機構により駆動するものとされてなることを特徴とする請求項４記載の１軸式ガスタービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１軸式ガスタービンシステムに関する。さらに詳しくは、負荷変動に対応して、ガスタービンやガスタービンに駆動される回転機械を最適な回転数で稼動または駆動できる１軸式ガスタービンシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ガスタービンにより交流発電機やポンプなどの回転機械を駆動する場合には、構造の簡単な１軸式ガスタービンが主として用いられている。この１軸式ガスタービンにより交流発電機を駆動する場合には、図１２（ａ）に示すように、毎分数万回転にも達するガスタービン１０１の回転数を変速機１０３で所要の回転数まで減速して交流発電機１０２を駆動させている。かかるガスタービン式発電システムにおいては、交流発電機１０２がフルに発電していない場合、すなわち部分負荷の場合には、それに対応させてガスタービン１０１の回転数を減少させると燃費が向上することが知られている。
【０００３】
すなわち、図１３に定格運転時出力が２７５ＰＳであるガスタービンの回転数−燃料消費量特性を示す。同図では、定格運転時の規定回転数を１００％として、各回転数１０５％、１００％、９５％および９０％毎の出力と燃料流量との関係を各曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３およびＬ４で示している。同図からあきらかなように、定格運転時よりも小さい出力の運転条件では、回転数を定格運転時の規定回転数から下げるに従って燃費は改善される。
【０００４】
しかしながら、従来のガスタービン式発電システムにおいては、変速機１０３が変速比一定のギヤ変速機などとされているので、ガスタービン１０１の回転数を変えると交流発電機１０２の回転数も変わってしまい一定周波数の交流電力を発電できなくなるため、実際には発電機１０２が部分負荷の場合にもガスタービン１０１を１００％の回転数で稼動させている。その結果、次のような問題が生じている。
【０００５】
（１）１００％の回転数を維持するため無駄な燃料が消費されており、燃費が悪い。
【０００６】
（２）無駄な燃焼によりタービン入口温度が上昇するため、タービンの寿命が短くなる。
【０００７】
（３）無駄に消費される燃料の一部が不完全燃焼しているため、大気汚染を助長している。
【０００８】
また、１軸式ガスタービンによりポンプを駆動する場合にも、図１２（ｂ）に示すように、毎分数万回転にも達するガスタービン１０１の回転数を変速機１０３で所要の回転数まで減速してポンプ１０４を駆動させているが、ポンプの駆動には非常に大きな始動トルクがかかり１軸式ガスタービン単独では始動できないため、ガスタービン１０１と変速機１０３との間に巨大な流体クラッチ１０５が始動クラッチとして必要とされる。
【０００９】
しかして、かかるシステムにおいてポンプ１０４が泥や土砂などを吸い込み負荷が急増した場合には、ポンプの回転数を落としてトルクを増大させることが有効であるが、変速機１０３が変速比一定のギヤ変速機などとされているため、負荷の急増に対応させて迅速に回転数を落とすことができず、ガスタービン１０１が停止してしまうという問題がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、ガスタービンに駆動される回転機械の負荷変動に対応して、ガスタービンや駆動対象の回転機械の回転数を最適化することができる１軸式ガスタービンシステムを提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の１軸式ガスタービンシステムは、１軸式ガスタービンと、前記１軸式ガスタービンに駆動される回転機械と、前記ガスタービンと前記回転機械との間に介装される無段変速機と、制御装置とを備え、前記無段変速機は、トラクションドライブを備えたパワースプリット方式の無段変速機とされ、前記トラクションドライブは、入力される動力が他方に入力される動力より小さくされ、前記トラクションドライブの入力側に、伝達される駆動力を接続状態と遮断状態とに切り替えるクラッチが設けられ、前記制御装置により、前記ガスタービンの回転数が最適回転数に制御されるとともに、前記回転機械の回転数が所望回転数となるように前記無段変速機の変速比が制御されることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の１軸式ガスタービンシステムにおいては、前記最適回転数が、回転機械の負荷に応じて燃料消費量を最小とする回転数を示す最適燃料消費量マップに基づき設定されるのが好ましい。
【００１７】
ここで、本発明の１軸式ガスタービンシステムにおいては、回転機械が交流発電機とされ、制御装置により前記交流発電機の回転数が一定となるように無段変速機の変速比が制御される。
【００１８】
あるいは、本発明の１軸式ガスタービンシステムにおいては、回転機械がポンプとされる。その場合、無段変速機の変速比がポンプの駆動トルクに応じて制御されるのが好ましく、またポンプが立軸ポンプとされ、前記ポンプを前記無段変速機に設けられたベベルギア機構により駆動するものとされてなるのがさらに好ましい。
【００１９】
【作用】
本発明は前記のごとく構成されているので、駆動対象の回転機械の負荷変動に対応した最適な回転数でガスタービンや駆動対象の回転機械を稼動または駆動することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【００２１】
実施形態１
本発明の実施形態１にかかる１軸式ガスタービンシステムのブロック図を図１に示す。この１軸式ガスタービンシステムＳは、発電機の負荷に対応した最適な回転数でガスタービンを稼動させるものであって、図１に示すように、１軸式ガスタービン（以下、単にガスタービンという）１と、このガスタービン１により駆動される交流発電機２と、ガスタービン１の回転数の変動に拘らず交流発電機２を駆動する駆動回転数を一定に保つ無段変速機３と、交流発電機２の負荷（発電量）に対応したガスタービン１の最適な回転数を設定するとともに、ガスタービン１、交流発電機２および無段変速機３を制御する制御装置４とを主要構成要素としてなる。
【００２２】
ガスタービン１および交流発電機２の構成は、公知の１軸式ガスタービンおよび交流発電機と同様のものとされているので、その詳細な説明は省略する。
【００２３】
無段変速機３は、トラクションドライブ式やベルト式など各種の無段変速機とすることができるが、ガスタービン１が大出力のものである場合は、耐久性および寿命向上の観点からパワースプリット方式の無段変速機３０とされるのが好ましい。パワースプリット方式の無段変速機３０の一例を図２および図３に示す。
【００２４】
この無段変速機３０は、図２、図３および図４に示すように、トラクションドライブ３１と差動歯車変速機構３２および遊星歯車変速機構３３とが、入力軸３４を介して入力されたガスタービン１の回転数を分流して伝達できるように配設されてなるものである。なお、図４において符号Ｄで示す部分はクラッチ３５の駆動機構を示す。
【００２５】
具体的には、入力軸３４は差動歯車変速機構３２のサンギヤ３２ａに接続される一方、その中間にはギヤ３４ａが設けられており、このギヤ３４ａと噛合するアイドラギヤ３４ｂがクラッチ３５の入力軸３５ａに設けられたギア３５ｂと噛合し、クラッチ３５の出力側にトラクションドライブ３１の入力軸３１ａが接続され、それによりトラクションドライブ３１がクラッチ３５を介して入力軸３４に接続されている。
【００２６】
また、トラクションドライブ３１の出力ギヤ３１ｂは、差動歯車変速機構３２のリングギヤ３２ｂに噛合させられている一方、差動歯車変速機構３２の複数の遊星歯車３２ｃが固定されているキャリア３２ｄは出力軸３６を介して遊星歯車変速機構３３のサンギヤ３３ａに接続されており、遊星歯車変速機構３３のキャリア３３ｄは出力軸３７を介して交流発電機２に接続されている。
【００２７】
無段変速機３０では、クラッチ３５を入力軸３４とトラクションドライブ３１との間、すなわち差動歯車変速機構３２側と比較して伝達駆動力の小さい側に設けるようにしたことによって、小型・軽量のクラッチ３５によりガスタービン１と交流発電機２との間の駆動力伝達系における接続状態と遮断状態とを切り替えることができる。例えば、無段変速機３０の各構成要素における減速比を図５に○付数字で示す値に設定した場合、トラクションドライブ３１に流入する動力は全体の２７％以下に抑えることが可能である（図６参照）。なお、図５において符号ｅＳはトラクションドライブ３１の変速比を示す。
【００２８】
図６は、遊星歯車変速機構３３のキャリア３３ｄの回転数の変化に対応してトラクションドライブ３１に流入する動力がどのように変化するかを示したものであり、横軸は、遊星歯車変速機構３３のリングギヤ３３ｂの回転数およびこれに対応するキャリア３３ｄの回転数を示す。また、縦軸はトラクションドライブ３１に流入する動力（ＨＰ）を示す。例えば、キャリア３３ｄの回転数が４８００ｒｐｍのときトラクションドライブ３１に流入する動力は９５．９ＨＰとなり、６０００ｒｐｍのとき２７６．７ＨＰとなる。
【００２９】
制御装置４は、図７に示すように、燃費が最適となるように交流発電機２の負荷に応じてガスタービン１の回転数を設定する回転数設定手段４１と、回転数設定手段４１により設定されたガスタービン１の回転数に拘わらず交流発電機２の回転数を所定回転数とするために、無段変速機３の出力軸３７の回転数を所定回転数とするよう無段変速機３の変速比をフィードバック制御する変速比フィードバック制御手段４２とを備えてなるものとされる。ここで、回転数設定手段４１は、後述する最適燃料消費量マップＭによりガスタービン１の回転数を設定するものとされる。また、変速比フィードバック制御手段４２は、無段変速機３の出力軸３７に設けられ出力軸３７の回転数を検出する回転数センサ４３の出力信号に基づき無段変速機３における変速比を調節するものとされる。
【００３０】
図８に、発電設備で用いられる一般的なガスタービンにおける回転数−燃料消費量特性を示す。同図において、各曲線Ａ１〜Ａ７は、各燃料流量Ｗｆ（Ｗｆ＝６０〜１２０Ｌ／ＨＲ）毎の、回転数（５３０００ＲＰＭを１００％とする比率で示す）と出力（ＰＳ）との関係を示す。また、同図の曲線Ｂは、最大出力を与える回転数をプロットしてグラフ化したものである（以下、曲線Ｂを最適燃費カーブと称する）。
【００３１】
本実施形態では、最適燃費カーブＢをマップデータ化した最適燃料消費量マップＭが回転数設定手段４１に格納されており、回転数設定手段４１は、この最適燃料消費量マップＭにより交流発電機２の負荷に応じてガスタービン１の回転数を設定するものとされる。これにより、交流発電機２の負荷に対応して燃料消費量を最小とする回転数でガスタービン１が運転されるので、燃費を改善することが可能となる。なお、かかる手段４１，４２を有する制御装置４は、例えばコンピュータに前記手段４１，４２に対応させたプログラムを格納することにより実現される。
【００３２】
このように、実施形態１によれば、ガスタービン１の回転数を最適燃料消費量マップＭにより交流発電機２の負荷に応じて設定するとともに、設定されたガスタービン１の回転数に拘わらず交流発電機２の回転数を所定回転数とするように無段変速機３の変速比がフィードバック制御されるので、交流発電機２の負荷に応じた最大の効率でガスタービン１を稼動させることができる。このため、燃費が改善されるとともに、例えば余剰燃料の不完全燃焼による大気汚染が防止され、またタービン入口温度が不必要に上昇されることもなくタービンの寿命を伸ばすことも可能となる。さらに、交流発電機２の回転数も無段変速機３により容易に変えられるため、発電周波数の切り替え、つまり５０Ｈｚと６０Ｈｚの切り替えも容易になる。
【００３３】
実施形態２
本発明の実施形態２にかかる１軸式ガスタービンシステムのブロック図を図９に示す。この１軸式ガスタービンシステムＳ１は、実施形態１の１軸式ガスタービンシステムＳを改変してなるものである。すなわち、駆動対象の回転機械を交流発電機２からポンプ５に変更するとともに、これに対応させて無段変速機３および制御装置４を改変してなるものである。なお、図９中の符号４４はトルクセンサを示す。
【００３４】
図１０に示すように、実施形態２ではポンプ５として立軸ポンプを用いるものとし、これに対応させて無段変速機３Ａ（３０Ａ）は回転駆動力の伝達方向を９０度変換するものとして説明する。
【００３５】
無段変速機３０Ａは、トラクションドライブ３１と差動歯車変速機構３２とが、入力軸３４を介して入力されたガスタービン１の回転数を分流して伝達できるように配設されてなるものである。
【００３６】
具体的には、入力軸３４は差動歯車変速機構３２のサンギヤ３２ａに接続される一方、その中間にはギヤ３４ａが設けられており、このギヤ３４ａに噛合するアイドラギヤ３４ｂがクラッチ３５の入力軸３５ａに設けられたギア３５ｂに噛合し、クラッチ３５の出力側にトラクションドライブ３１の入力軸３１ａが接続され、それによりトラクションドライブ３１がクラッチ３５を介して入力軸３４に接続されている。
【００３７】
また、トラクションドライブ３１の出力ギヤ３１ｂは、差動歯車変速機構３２のリングギヤ３２ｂに噛合させられている一方、差動歯車変速機構３２の複数の遊星歯車３２ｃが固定されているキャリア３２ｄは傘歯車機構（ベベルギア機構）３６を介して無段変速機３Ａの出力軸３７に接続されている。
【００３８】
なお、ポンプ５は横軸ポンプとしてもよく、この場合は回転駆動力の伝達方向を変換する必要はない。
【００３９】
制御装置４Ａは回転数設定手段４１Ａおよび変速比フィードバック制御手段４２Ａを有し、ポンプ５の負荷の変化に対応してポンプ５の回転数を調節するものとされる。具体的には、ポンプ５が泥、土砂および流木などを吸い込み負荷が増大したような場合、変速比フィードバック制御手段４２Ａが無段変速機３の変速比を調節してポンプ５の回転数を下げトルクを増大させることにより、ガスタービン１が停止するのを防止するよう制御するものとされる。なお、トルクが急激に変化したような場合は、ガスタービン１の停止を避けるためにクラッチ３５を開放してガスタービン１とポンプ５との間の動力伝達を遮断するよう制御してもよい。
【００４０】
また、無段変速機３の出力軸３７にトルクメータ（不図示である）を設けて、検出トルクが規定値を超えるような場合は、各部の損傷を避けるためにクラッチ３５を開放するよう制御してもよい。
【００４１】
このように、この実施形態２によれば、無段変速機３の変速比をポンプ５の負荷の増減に応じて適宜調節することでポンプ５の駆動回転数を迅速に変えることができるため、ポンプ５の負荷の急増によりガスタービン１が停止するという事態が生じなくなる。また、ポンプ５の負荷が急激に増大したような場合にはクラッチ３５を開放するよう制御することによって、ガスタービン１の停止や各部の損傷を避けることも可能となる。さらには、無段変速機３Ａを、パワースプリット方式の無段変速機３０Ａとし、駆動力伝達系の一方、好ましくは伝達駆動力の小さい側にクラッチを設けることによって、小型・軽量のクラッチにより駆動力伝達系の接続・遮断を行うことができ、これによって、従来の大型の始動クラッチを省略することも可能となる。
【００４２】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、実施形態ではガスタービンに駆動される回転機械は交流発電機およびポンプに限定されるものではなく、各種回転機械とすることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、構造の簡単な１軸式ガスタービンを使用しながら、２軸式ガスタービンを使用した場合と同様の効果を達成することができる。すなわち、ガスタービンの回転数を無段変速機により減速しているため、駆動対象回転機械の負荷変動にかかわらずガスタービンを最適回転数で稼動させながら駆動対象の回転機械の回転数を所望回転数とすることができるという優れた効果が得られる。
【００４４】
本発明の好ましい形態によれば、交流発電機の負荷に対応した最適な回転数でガスタービンを稼動できるため、燃料を必要最小限とすることができて燃費が向上するという優れた効果が得られる。また、燃料供給量を必要最小限としているので、タービン入口温度が異常な上昇が防止されてタービンの寿命が伸びるとともに、余分な燃料の不完全燃焼による大気汚染も防止できるという優れた効果も得られる。さらに、交流発電機の回転数も無段変速機により容易に変えられるため、発電周波数の切り替え、つまり５０Ｈｚと６０Ｈｚの切り替えも容易になるという優れた効果も得られる。
【００４５】
本発明の別の好ましい形態によれば、ポンプの回転数を迅速に変えることができるため、負荷の急増によりガスタービンが停止することがなくなるという優れた効果が得られる。また、無段変速機をパワースプリット方式としたより好ましい形態によれば、始動クラッチを小型・軽量化できたり、場合によってはなくしたりすることができるという優れた効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る１軸式ガスタービンシステムのブロック図である。
【図２】同実施形態に用いられるパワースプリット方式の無段変速機の概略構成を示す図である。
【図３】同ブロック図である。
【図４】クラッチ周辺の詳細を示す図である。
【図５】無段変速機の各構成要素における減速比の設定例を示す図である。
【図６】無段変速機の作動歯車機構におけるリングギア回転数および出力軸回転数とトラクションドライブに流入する駆動力との関係を示すグラフ図である。
【図７】実施形態１の制御装置のブロック図である。
【図８】最適燃料消費量マップの設定原理を説明する模式図である。
【図９】本発明の実施形態２に係る１軸式ガスタービンシステムのブロック図である。
【図１０】同実施形態に用いられるパワースプリット方式の無段変速機の他の例の概略構成を示す図である。
【図１１】同ブロック図である。
【図１２】従来の１軸式ガスタービンシステムのブロック図であって、同（ａ）は発電システムを示し、同（ｂ）はポンプ駆動システムを示す。
【図１３】発電設備で使用されるガスタービンにおける回転数―燃料消費量特性を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１        １軸式ガスタービン
２        交流発電機
３、３０  無段変速機
３１      トラクションドライブ
３２      差動歯車変速機構
３３      遊星歯車変速機構
４        制御装置
４１      回転数算設定手段
４２      変速比フィードバック制御手段
５        ポンプ
Ｃ        コンピュータ
Ｓ        １軸式ガスタービンシステム
【図１】
0003593575.tif 000002
【図２】
0003593575.tif 000003
【図３】
0003593575.tif 000004
【図４】
0003593575.tif 000005
【図５】
0003593575.tif 000006
【図６】
0003593575.tif 000007
【図７】
0003593575.tif 000008
【図８】
0003593575.tif 000009
【図９】
0003593575.tif 000010
【図１０】
0003593575.tif 000011
【図１１】
0003593575.tif 000012
【図１２】
0003593575.tif 000013
【図１３】
0003593575.tif 000014