(57)【要約】【課題】ガスタービン構成のためのターニングギアを提供すること。【解決手段】負荷駆動装置が開示される。本装置は、多軸ガスタービン（１０３）を備え、該ガスタービンが、第１のガスタービンシャフト（１１３）によって互いに駆動可能に接続された高圧圧縮機（１０７）及び高圧タービン（１０９）と、第１のガスタービンシャフト、高圧圧縮機及び高圧タービンと同軸に延在する第２のガスタービンシャフト（１１５）によって互いに駆動可能に接続された低圧圧縮機（１０５）及び出力タービン（１１１）とを含む。本装置はさらに、出力タービンを前記負荷に駆動可能に接続する負荷カップリング（１２１）を含む。二速式ターニングギア（１４１）は、負荷と駆動可能に結合できるとともに負荷から解放できる出力シャフトを有し、負荷を低速転動し、又はオフライン洗浄中に低圧圧縮機とこれに駆動可能に接続されたターボ機械とをターニングさせる。【選択図】      図２
2013122247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多軸ガスタービンを備える負荷駆動装置であって、
前記ガスタービンが、
第１のガスタービンシャフトで互いに駆動可能に接続した高圧圧縮機及び高圧タービンと、
前記第１のガスタービンシャフト、前記高圧圧縮機及び前記高圧タービンと同軸に延在する第２のガスタービンシャフトで互いに駆動可能に接続した低圧圧縮機及び出力タービンと
を備えており、当該装置がさらに、
前記出力タービンを前記負荷に駆動可能に接続する負荷カップリングと、
前記負荷と駆動可能に結合できるとともに負荷から解放できる出力シャフトを有する二速式ターニングギアと
を備え、前記二速式ターニングギアが、低速ターニングモータ及び高速ターニングモータを含み、該低速ターニングモータ及び高速ターニングモータが前記負荷を選択的に駆動するように構成・制御されている、装置。
【請求項２】
前記高圧圧縮機及び前記高圧タービンの回転を始動する及び／又は前記高圧圧縮機及び前記高圧タービンを低速ターニングするように構成・制御された補助ターニングモータをさらに備える、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記負荷が少なくとも１つの遠心圧縮機を含む、請求項１又は請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記負荷が複数の遠心圧縮機を含む、請求項１又は請求項２記載の装置。
【請求項５】
前記二速式ターニングギアは、前記高速ターニングモータが前記低速ターニングモータによって提供される最大速度を超えて前記出力シャフトを加速したときに前記低速ターニングモータを前記出力シャフトから解放するオーバーランニングクラッチを含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記二速式ターニングギアは、前記二速式ターニングギアの出力シャフトが第１の回転速度までは前記低速ターニングモータによって回転され、前記出力シャフトの回転速度が前記第１の回転速度を上回ったときに前記高速ターニングモータによって回転されるように設計・構成されたクラッチ構成を含む、請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記二速式ターニングギアが、前記低速ターニングモータと前記出力シャフトとの間に配置されたオーバーランニングクラッチを含み、前記出力シャフトの速度が前記低速ターニングモータによって与えられる速度を上回ると、前記高速ターニングモータが前記出力シャフトの制御を引き継ぐ、請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記二速式ターニングギアが、前記二速式ターニングギアの出力シャフトを前記負荷に対して選択的に結合及び解放する第１のクラッチと、前記高速ターニングモータを前記出力シャフトに対して選択的に結合及び解放する第２のクラッチとを含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の装置。
【請求項９】
前記二速式ターニングギアが少なくとも１つのウォームギアを含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
前記二速式ターニングギアが第１のウォームギア及び第２のウォームギアを含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
前記低速ターニングモータの回転速度が、前記第１のウォームギア及び前記第２のウォームギアを直列に通って前記二速式ターニングギアの出力シャフトに伝達される、請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
前記高速ターニングモータの回転速度が、前記第２のウォームギアを通って前記二速式ターニングギアの出力シャフトに伝達される、請求項１０又は請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記第２のウォームギアのシャフトが、第１の端部で前記低速ターニングモータに接続され、第２の端部で前記高速ターニングモータに接続され、前記シャフトの第２の端部と前記高速ターニングモータの出力シャフトとの間にクラッチが配置され、前記高速ターニングモータの出力シャフトの回転速度が前記第２のウォームギアのシャフトの回転速度を上回ったときに、前記高速ターニングモータが前記第２のウォームギアの制御を引き継ぐ、請求項１０乃至請求項１２のいずれか１項記載の装置。
【請求項１４】
前記二速式ターニングギアは、最初に前記低速ターニングモータを用いて前記負荷、前記低圧圧縮機及び前記出力タービンを静止状態から第１の回転速度まで加速し、その後、前記負荷、前記低圧圧縮機及び前記出力タービンを前記第１の回転速度から、該第１の回転速度よりも高速の第２の回転速度までさらに加速することにより、前記ガスタービンのオフライン洗浄中に前記装置を駆動するように構成・制御される、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項記載の装置。
【請求項１５】
前記低速ターニングモータ及び前記高速ターニングモータが、前記負荷の低速転動中に、負荷の回転が前記低速ターニングモータによって制御されるように構成・制御される、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項記載の装置。
【請求項１６】
前記高圧圧縮機及び前記高圧タービンを回転駆動させるために補助ターニングモータが設けられ、前記補助ターニングモータが、前記ガスタービンのシャットダウン後に前記高圧圧縮機及び前記高圧タービンを低速転動するための低速転動モータとして動作する及び／又は前記ガスタービンが始動したときには前記高圧圧縮機及び前記高圧タービンの回転を始動するためのスタータとして動作するように構成・制御される、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項記載の装置。
【請求項１７】
負荷に接続された多軸ガスタービンをオフライン洗浄する方法であって、前記ガスタービンが、
第１のガスタービンシャフトで互いに駆動可能に接続した高圧圧縮機及び高圧タービンと、
前記第１のガスタービンシャフト、前記高圧圧縮機及び前記高圧タービンと同軸に延在する第２のガスタービンシャフトで互いに駆動可能に接続した低圧圧縮機及び出力タービンと
を含んでおり、当該方法が、
前記負荷と駆動可能に結合できるとともに負荷から解放できる出力シャフトを有し、低速ターニングモータ及び高速ターニングモータを含む二速式ターニングギアを提供するステップと、
最初に前記低速ターニングモータを用いて、前記低圧圧縮機、前記出力タービン及び前記負荷を第１の回転速度まで加速し、
前記第１の回転速度に達したときに、前記高速ターニングモータを用いて前記低圧圧縮機、前記出力タービン及び前記負荷をオフライン洗浄回転速度に達するまで引き続き加速するステップと、
前記ガスタービンを洗浄している間、前記オフライン洗浄回転速度を維持するステップと
を含む、方法。
【請求項１８】
補助ターニングモータを用いて前記高圧圧縮機及び前記高圧タービンを加速するステップをさらに含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
前記ガスタービンをシャットダウンするステップと、
前記負荷の所要温度プロファイルに達するまで、前記低速ターニングモータを用いて前記負荷、前記低圧圧縮機及び前記出力タービンを低速転動するステップと
をさらに含む、請求項１６又は請求項１８のいずれか１項記載の方法。
【請求項２０】
前記負荷が、少なくとも１つの圧縮機を含む、請求項１７乃至請求項１９のいずれか１項記載の方法。
【請求項２１】
前記負荷が、圧縮機のトレーンを含む、請求項１７乃至請求項２０のいずれか１項記載の方法。
【請求項２２】
前記ガスタービンのシャットダウン後に補助ターニングモータを用いて前記ガスタービンの前記高圧タービン及び前記高圧圧縮機を低速転動するステップをさらに含む、請求項１７乃至請求項２１のいずれか１項記載の方法。
【請求項２３】
多軸ガスタービン及びこれに接続された負荷を低速転動する方法であって、
前記ガスタービンが、
第１のガスタービンシャフトで互いに駆動可能に接続した高圧圧縮機及び高圧タービンと、
前記第１のガスタービンシャフト、前記高圧圧縮機及び前記高圧タービンと同軸に延在する第２のガスタービンシャフトで互いに駆動可能に接続した低圧圧縮機及び出力タービンと
を含んでおり、当該方法が、
前記負荷と駆動可能に結合できるとともに負荷から解放できる出力シャフトを有し、低速ターニングモータ及び高速ターニングモータを含む二速式ターニングギアを提供するステップと、
前記ガスタービンのシャットダウン後に前記ガスタービン及び前記負荷の冷却中に前記低速ターニングモータを用いて低速転動速度で前記負荷及び前記第２のガスタービンシャフトを選択的に低速転動するステップと、
前記ガスタービンのオフライン洗浄中に前記高速ターニングモータを用いて前記低速転動速度よりも高速のオフライン洗浄速度で前記負荷及び前記第２のガスタービンシャフトを転動するステップと
を含む、方法。
【請求項２４】
前記ガスタービンのシャットダウン後に補助ターニングモータを用いて前記高圧圧縮機及び前記高圧タービンを低速転動するステップをさらに含む、請求項３２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、機械駆動用途におけるガスタービンに関する。より具体的には、本明細書で開示される主題は、機械駆動用途における航空機転用エンジンのツインシャフトガスタービンのような多軸ガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、発電並びに機械駆動など、複数の用途で幅広く使用されており、ここでガスタービンは、圧縮機、詳細には遠心圧縮機などの１以上の駆動機械における第１原動機として一般に使用されている。典型的な機械駆動用途は、天然ガス液化、二酸化炭素回収、及び同様の分野にある。
【０００３】
ガスタービンは、周囲空気を加圧するための１以上の連続して配置された空気圧縮機と、加圧空気と共に燃料を燃焼させる燃焼器と、圧縮機を駆動して有用な機械出力を生成する１以上のタービンとを含む。タービンによって生成されて圧縮機を駆動するのに必要な出力を超える出力は、負荷を駆動するのに使用される。
【０００４】
ガスタービンは、大量の空気を吸い込む。ガスタービンによって吸い込まれた空気中に存在するエアロゾルの形態の粒子は、排出ガスと共にガスタービンからある程度は流出する。しかしながら、静翼及びその動翼に固着することにより、ターボ機械を汚す粒子が存在する。この汚染は、汚損とも呼ばれ、特に、ガスタービン内の流路の初期部分、すなわち、１以上の圧縮機に悪影響を及ぼす。圧縮機の静翼（ベーン）及び動翼上に堆積物を形成する汚染は、ブレードの幾何形状を変化させ、ガス摩擦を増大させ、従って、全体の圧縮機効率を低下させる。詳細には、圧縮機のベーン及び動翼の表面に固着した粒子は、ブレード及びベーンによって画成される流れ通路の空力的特性を変化させる。空力的特性の変化により、質量流量の損失をもたらし、その結果、圧縮機効率の低下を生じさせる。
【０００５】
典型的には、ガスタービンの圧縮機は、１以上のタービンによって生成される出力の大半、すなわち、当該出力の約６０％を消費する。従って、圧縮機効率の低下は、ガスタービンの全体効率に悪影響を及ぼし、負荷を駆動するのに利用可能な出力が減少する。
【０００６】
ガスタービンにおいて圧縮機の汚損を低減する方法の１つは、ガスタービンにおけるガス経路を洗浄することである。洗浄は通常、圧縮機入口の上流側のガス経路に洗浄液を注入することにより実施される。ターボ機械は、洗浄中に回転できるようにされ、液体が圧縮機に送り込まれてガスタービンの後部から流出する。洗浄液は、水及び化学添加剤を含有し、微細噴霧の形態で送給され、これにより、圧縮機入口面全体にわたって洗浄液が分配される。噴霧は、加圧された洗浄液が送給される好適なノズルによって提供される。
【０００７】
ガスタービンを洗浄する効果的な方法は、いわゆるオフライン洗浄である。この場合、洗浄は、ガスタービンが燃焼はしていないが、通常運転時の定格回転速度の数分の１の回転速度でターニング（旋回）している、すなわち、負荷運転時に実施される。オフライン洗浄速度でガスタービンのターニングを維持するために、追加の原動力が必要となる。
【０００８】
オンライン洗浄も実施可能である。この場合、ガスタービンは、負荷状態で稼働している間に洗浄される。しかしながら、このような洗浄プロセスは、ブレードの洗浄不足、洗浄液の圧縮機ケーシングに向けた遠心分離、及び高圧縮比によって起こる温度上昇による洗浄液の蒸発をもたらす圧縮機の速度及び温度条件に起因して効果が不十分である。オンライン洗浄が使用される場合、圧縮機の汚損は低減されるが、回避することはできない。従って、いずれにしてもオフライン洗浄能力が利用可能でなければならない。実際に、ガスタービンは、オンライン洗浄で圧縮機のベーン及び動翼上の粒子堆積物の量が許容できなくなったときには、オフライン洗浄が必要となる。
【０００９】
機械駆動及び発電用途において、航空機転用エンジンのガスタービンの使用が増えている。一部の航空機転用エンジンのガスタービンは、多軸構成を含む。多軸構成は、タービン及び圧縮機を互いに駆動可能に接続するために２以上のシャフトが設けられているものである。一部の多軸ガスタービンでは、出力タービン、すなわち負荷を駆動するために機械出力を提供するタービンは、ガスタービンシャフトの１つを通じて圧縮機の１つと機械的に接続されている。
【００１０】
図１は、典型的な機械駆動用途で使用されるツインシャフト航空機転用エンジンの概略図を示す。参照符号１は、ガスタービン及び負荷を備える装置を全体的に示している。ガスタービン３は、低圧圧縮機５、高圧圧縮機７、高圧タービン９、及び低圧タービン又は出力タービン１１を備える。高圧圧縮機７は、第１のガスタービンシャフト１３を用いて高圧タービン９に駆動可能に接続される。低圧タービン又は出力タービン１１は、第１のガスタービンシャフト１３と同軸で且つ高圧タービン９及び高圧圧縮機７と同軸に配列された第２のガスタービンシャフト１５を用いて低圧圧縮機５に駆動可能に接続される。
【００１１】
周囲空気が低圧圧縮機５及び高圧圧縮機７により加圧されて燃焼器１７に流入し、ここでガス又は液体燃料が加圧空気ストリームに加えられて燃焼し、高圧高温の燃焼ガスの流れを生成する。燃焼ガスは、高圧タービン９及び低圧タービン１１において順次に膨張された後に吐出される。
【００１２】
高圧タービン９において燃焼ガスの膨張によって生成される出力は、全て高圧圧縮機７を駆動するために利用される。これとは異なり、低圧タービン１１において燃焼ガスを膨張させることにより生成される機械出力は、低圧圧縮機５を駆動するために部分的にのみ使用される。低圧タービン１１で利用可能な機械出力の大部分は、負荷を駆動するのに使用される。
【００１３】
出力タービン又は低圧タービン１１の出力シャフトは、機械出力をガスタービン３から負荷に伝達する負荷カップリング２３の一部を形成する。図１の実施例において、負荷は、遠心圧縮機２５として表されている。ギアボックス２７は、この例示的な実施形態では、ガスタービン出力シャフト２１と遠心圧縮機２５との間に設けられる。ギアボックスは、通常、一方の低圧タービンの回転速度と他方の負荷の回転速度がｒｐｍ単位で同一ではない場合、或いは、反転する必要がある場合に設けられる。ある実施形態では、出力タービン１１は、負荷シャフトすなわち発電機又は遠心圧縮機のようなターボ機械のシャフトに直接接続することができる。
【００１４】
図１に示すようなツインシャフト航空機転用エンジンガスタービンにおいて、圧縮機５及び７の洗浄は、第１（高圧）及び第２（低圧）のガスタービンシャフトの両方を回転させる必要がある。前者の第１のガスタービンシャフトは、ガスタービン自体の内蔵始動モータと共に回転され、後者の第２のガスタービンシャフトは、外部原動機を必要とする。その上、第２のガスタービンシャフトが恒久的に負荷に機械接続されている理由から、第２のガスタービンシャフトの回転は高出力入力を必要とする。
【００１５】
ガスタービンはまた、発電用途でプライムムーバとして使用され、ここで、ガスタービン出力シャフトで利用可能な機械出力は、発電機を駆動するのに使用される。発電機は、ガスタービンからの機械出力を電力に変換する。単一シャフトガスタービンは、この種の発電用途で使用されることが多い。ガスタービンは、シャフトによって機械的に接続された圧縮機及びタービンを備える。圧縮機によって提供される加圧空気は、燃焼器に送給されてそこで燃料と混合される。空気−燃料混合気は、点火されて加圧高温燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、ガスタービンにおいて膨張され、機械出力を生成する。タービンによって生成される機械出力の一部は、圧縮機を駆動するのに使用される。過剰な機械出力は、発電機を駆動するために単一ガスタービンシャフトで利用可能である。
【００１６】
単一シャフトガスタービン及びこれに機械的に連結された発電機を始動させるために、２つの組み合わされた原動機を使用することが知られている。第１の原動機は、低速電気モータを含む。第２の原動機は、高速の内燃エンジンを含む。ガスタービン及び発電機トレーンの回転を始動するために、最初に低速電気モータに通電される。シャフトラインのプリセット回転速度に達すると、システムのこれ以上の加速は高速内燃エンジンによって実施される。低速電気モータはまた、ガスタービンのロータ集合部の湾曲を防ぐために、シャットダウンの後に続く発電プラントの低速ターニングに使用される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１７】
二速式ターニングギアが、多軸ガスタービン構成に組み合わされ、多軸ガスタービンは負荷を駆動し、該負荷は出力タービンに駆動可能に接続され、出力タービンはガスタービンの少なくとも１つの圧縮機に接続され、該圧縮機はオフライン洗浄を必要とする。二速式ターニングギアは、少なくとも２つの固定の回転速度で二速式ターニングギアの出力シャフトを駆動することができるモータ装置から構成される。ある実施形態では、２つのモータ（例えば、ＡＣモータのような電気モータ）が使用される。ある実施形態では、３相モータを使用してもよいが、単相ＡＣモータ又はＤＣモータなどの他の原動機も想定することができる。２つのモータが使用される場合には、該モータはまた、例えば、それぞれＤＣとＡＣモータなど、異なる種類のものであってもよい。モータは、互いに同じものとすることができ、ギア減速機の構成を設けて、以下の本明細書の説明からより明らかな通り、接続されるターボ機械上での種々の動作を実施する必要性に応じて、二速式ターニングギアの出力シャフトを異なる速度で駆動することができる。しかしながら、ある実施形態では、異なる定格出力及び／又は異なるｒｐｍのモータが使用される。その上、２つのモータは、異なるトルクを提供することができる。低速モータと高速モータとを用いることができる。用語「高速」及び「低速」は、出力シャフトの相対回転速度を意味する。従って、二速式ターニングギアは、低速モータが二速式ターニングギアの出力シャフトを第１の回転速度で駆動し、高速モータが、二速式ターニングギアの出力シャフトを第１の回転速度よりも高速の第２の回転速度で駆動するように設計される。
【００１８】
多軸ガスタービンは、２つの同軸方向に配列されたシャフトのみを含むことができる。他の実施形態は、高圧及び低圧圧縮機並びに高圧タービン及び出力タービンと組み合わせて、３以上のシャフト、追加の別の圧縮機及び／又は出力タービンを含むことができる。
【００１９】
一実施形態では、多軸ガスタービンを備える負荷駆動装置が提供され、該ガスタービンは、第１のガスタービンシャフトで互いに駆動可能に接続した高圧圧縮機及び高圧タービンと、第１のガスタービンシャフトと同軸に並びに高圧圧縮機及び高圧タービンと同軸に延在する第２のガスタービンシャフトで互いに駆動可能に接続した低圧圧縮機及び出力タービンと、から構成される。本装置はさらに、出力タービンを負荷に駆動可能に接続する負荷カップリングを備える。本装置はさらに、負荷と駆動可能に結合できるとともに負荷から解放できる出力シャフトを有する二速式ターニングギアを備える。二速式ターニングギアは、低速ターニングモータ及び高速ターニングモータを含み、該低速ターニングモータ及び高速ターニングモータが負荷を第１の回転速度及び第２の回転速度で選択的に駆動するように構成・制御され、第１の回転速度は第２の回転速度よりも低速である。二速式ターニングギアの負荷との結合及び負荷からの解放は、クラッチのような結合・解放自在な継手を用いることにより得られる。ある実施形態では、同期自己シフトクラッチをこの目的に用いることができる。この種のクラッチは、結合及び解放を特に迅速且つ確実なものにする。他のクラッチ又はクラッチシステムを用いることもできる。
【００２０】
ある実施形態では、例示的な実施形態に関して以下で開示されるように、二速式ターニングギアの出力シャフトは、負荷に正面方向に結合できる。例えば、二速式ターニングギアの出力シャフトは、圧縮機トレーンを形成する一連の圧縮機のうちの最後の圧縮機或いはガスタービンによって駆動される負荷を形成する単一の圧縮機のシャフトに係合させることができる。圧縮機トレーンの最後の圧縮機又は負荷を形成する圧縮機と、二速式ターニングギアの出力シャフトとの間に位置付けられたギアボックスを使用するような、別の構成も排除されるものではない。
【００２１】
ある実施形態では、負荷は、少なくとも１つの遠心圧縮機、或いは、複数の遠心圧縮機を含むことができる。他の実施形態では、遠心圧縮機とは異なる他の回転機械をガスタービンに接続することができ、場合によっては遠心圧縮機と組み合わせることもできる。
【００２２】
ある実施形態では、オーバーランニングクラッチが設けられ、高速ターニングモータが低速ターニングモータによって提供される最大速度を超えて二速式ターニングギアの出力シャフトを加速するときに、低速ターニングモータを二速式ターニングギアの出力シャフトから解放することができる。
【００２３】
二速式ターニングギアの例示的な実施形態は、二速式ターニングギアの出力シャフトが、第１の回転速度まで低速ターニングモータによって回転され、出力シャフトの回転速度が第１の回転速度を上回ったときに高速ターニングモータによって回転されるように設計・構成されたクラッチを備える。この目的で、低速ターニングモータと二速式ターニングギアの出力シャフトとの間に配置されたオーバーランニングクラッチを用いることができ、出力シャフトの速度が低速ターニングモータによって与えられる速度を上回ると、高速ターニングモータが該出力シャフトの制御を引き継ぐ。
【００２４】
ある実施形態では、二速式ターニングギアの出力シャフトを負荷に対して選択的に結合及び解放する第１のクラッチと、高速ターニングモータを出力シャフトに対して選択的に結合及び解放する第２のクラッチとを設けることができる。
【００２５】
二速式ターニングギアは、低速ターニングモータと二速式ターニングギアの出力シャフトとの回転速度間並びに高速ターニングモータと該出力シャフトとの回転速度間の適切な比を提供するギア構成を含むことができる。ギア構成は、少なくとも１つのウォームギアを含むことができる。ある実施形態では、２つのウォームギアは、カスケード様式（すなわち、順次的に）で配列される。その結果、低速ターニングモータの回転速度は、出力シャフトを第１の低速回転運動で駆動するために２つの順次的に配列されたウォームギアにより１／２に低下される。高速ターニングモータの回転速度は、高速回転速度で二速式ターニングギアの出力シャフトを回転させるために上記のウォームギアの一方だけを低下させることができる。
【００２６】
ある実施形態では、ガスタービンのオフライン洗浄中、二速式ターニングギアは、最初に低速ターニングモータを用いて負荷、低圧圧縮機及び出力タービンを静止状態から第１の回転速度まで加速し、その後、負荷、低圧圧縮機及び出力タービンを第１の回転速度から、該第１の回転速度よりも高速の第２の回転速度までさらに加速するように構成・制御される。第２の回転速度は、ガスタービンのオフライン洗浄中に維持されるオフライン洗浄速度とすることができる。
【００２７】
ある実施形態では、低速ターニングモータ及び高速ターニングモータは、負荷の低速転動中に該負荷の回転が低速ターニングモータによって制御されるように構成・制御される。
【００２８】
例えば、高圧圧縮機及び高圧タービンを回転駆動させるために補助ターニングモータが設けられる。このようなターニングモータは、ガスタービン自体の内蔵始動モータとすることができる。補助ターニングモータは、ガスタービンのコア、すなわち、高圧圧縮機及び高圧タービンのロータ集合部の湾曲を防ぐために、ガスタービンのシャットダウン後に該ガスタービンのコアを低速ターニングするのに用いることができる。ガスタービンの高圧圧縮機及び高圧タービンの回転を始動するために、同じ補助ターニングモータをスタータとして用いることができる。低圧圧縮機及び低圧タービンはタービンコアに機械的に接続されておらず、従って、スタータとして機能するターニングモータは、低圧圧縮機及び低圧タービン並びにこれらに接続される負荷を回転駆動する必要はない。
【００２９】
別の態様では、本開示は、ツインシャフトのガスタービンのような、負荷に接続された多軸ガスタービンをオフライン洗浄する方法に関する。二速式ターニングギアは、多軸ガスタービンによって駆動される負荷に選択的に駆動可能に接続され、該二速式ターニングギアを用いて、ガスタービンの低圧圧縮機と共に負荷及び出力タービンをオフライン洗浄回転速度まで漸次的に加速する。低速ターニングモータ及び高速ターニングモータを順次的に用いて、必要に応じて装置を加速することができる。
【００３０】
本明細書で開示される方法のある実施形態では、第１のガスタービンシャフトで互いに駆動可能に接続した高圧圧縮機及び高圧タービンと、第１のガスタービンシャフト、高圧圧縮機及び高圧タービンと同軸に延在する第２のガスタービンシャフトで互いに駆動可能に接続した低圧圧縮機及び出力タービンとを含むガスタービン上でオフライン洗浄が実施される。ある実施形態では、本方法は、負荷と駆動可能に結合できるとともに負荷から解放できる出力シャフトを有し、低速ターニングモータ及び高速ターニングモータを含む二速式ターニングギアを提供するステップと、最初に低速ターニングモータを用いて、低圧圧縮機、出力タービン及び負荷を第１の回転速度まで加速し、第１の回転速度に達したときに、高速ターニングモータを用いて低圧圧縮機、出力タービン及び負荷をオフライン洗浄回転速度に達するまで引き続き加速するステップと、ガスタービンを洗浄している間、オフライン洗浄回転速度を維持するステップとを含む。
【００３１】
ある実施形態では、出力タービン及び低圧圧縮機以外のターボ機械が支持されるガスタービンの別のシャフトを、補助ターニングモータ（例えば、ガスタービン自体の内蔵始動モータ）によってオフライン洗浄速度に調整することができる。
【００３２】
別の例示的な実施形態では、代替として、二速式ターニングギアを用いて、例えば、負荷カップリングを介して出力タービンに接続された遠心圧縮機の湾曲を防ぐために、オフライン洗浄中及びタービンシャットダウン後の低速転動中にガスタービン構成要素を回転させる。本方法は、ガスタービンをシャットダウンするステップと、負荷の所要温度プロファイルに達するまで、二速式ターニングギアの低速ターニングモータを用いて負荷、低圧圧縮機及び出力タービンを低速転動するステップとを含むことができる。
【００３３】
本明細書の開示はまた、負荷に接続された多軸ガスタービンを低速転動する方法に関し、該ガスタービンは、第１のガスタービンシャフトで互いに駆動可能に接続した高圧圧縮機及び高圧タービンと、第１のガスタービンシャフト、高圧圧縮機及び高圧タービンと同軸に延在する第２のガスタービンシャフトで互いに駆動可能に接続した低圧圧縮機及び出力タービンとを含む。ある実施形態では、本方法は、負荷と駆動可能に結合できるとともに負荷から解放できる出力シャフトを有し、低速ターニングモータ及び高速ターニングモータを含む二速式ターニングギアを提供するステップと、ービンのシャットダウン後にガスタービン及び負荷の冷却中に低速ターニングモータを用いて低速転動速度で負荷及び第２のガスタービンシャフトを選択的に低速転動するステップと、ガスタービンのオフライン洗浄中に高速ターニングモータを用いて低速転動速度よりも高速のオフライン洗浄速度で負荷及び第２のガスタービンシャフトを転動するステップとを含む。
【００３４】
様々な特徴及び実施形態については以下に開示するとともに特許請求の範囲に記載するが、特許請求の範囲の記載は本明細書の開示と一体をなす。上述の発明の概要は、以下の発明の詳細な説明の記載についての理解を深めるとともに、従来技術に対する本発明の貢献についての理解を深めることができるように、本発明の様々な実施形態の特徴について記載したものである。以下の発明の詳細な説明に記載し、特許請求の範囲に記載した本発明のその他の特徴も存在することはいうまでもない。これに関連して、本発明の実施形態の詳細について説明するに当たり、本発明の様々な実施形態は、以下の詳細な説明又は図面に記載した構成の詳細及び部品の配置にしか適用されないというものではない。本発明は、その他の実施形態も可能であり、様々な形態で実施することができる。本明細書で用いる表現及び用語は説明のためのものであり、限定的な意味に解すべきではない。
【００３５】
本発明の幾つかの目的を実施するためのその他の構造、方法及び／又はシステムを設計するための基礎として、本明細書の開示内容の基本概念を容易に利用できることは当業者には自明であろう。従って、このような均等な構成も、本発明の技術的思想及び技術的範囲から逸脱しない限り、特許請求の範囲に包含されるものとみなされる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来技術によるガスタービンによって駆動される圧縮機を示す図。
【図２】本明細書で開示される主題による、二速式ターニングギアを備える圧縮機トレーンを駆動するガスタービンを示す図。
【図３】二速式ターニングギアの正面図。
【図４】図３の二速式ターニングギアの線ＩＶ−ＩＶから見た側面図。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明の実施形態及びそれらの効果については、以下の詳細な説明を図面と照らし合わせて参照することによって、十分に理解することができるであろう。
【００３８】
例示的な実施形態に関する以下の詳細な説明では、図面を参照する。様々な図面における同じ符号は、同一又は同様の構成要素を示す。なお、図面は必ずしも正確な縮尺で描かれてはいない。また、以下の詳細な説明は本発明を限定するものではなく、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって規定される。
【００３９】
本明細書を通して、「一実施形態」又は「実施形態」という場合、その実施形態に関して記載された特定の特徴、構造及び／又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。そこで、本明細書の様々な箇所に記載されている「一実施形態」又は「実施形態」という表現は、必ずしも同じ実施形態について言及しているわけではない。さらに、上述の特定の特徴、構造及び／又は特性を、１以上の実施形態において適当に結合させてもよい。
【００４０】
図２は、典型的な機械駆動用途で使用されるツインシャフトの航空機転用エンジンの概略図を示す。参照符号１０１は、ガスタービン１０３及び負荷１０４を含む装置を全体として示している。ガスタービン１０３は、低圧圧縮機１０５、高圧圧縮機１０７、高圧タービン１０９、及び低圧タービン又は出力タービン１１１を備える。
【００４１】
高圧圧縮機１０７は、第１のガスタービンシャフト１１３を用いて高圧タービン１０９に駆動可能に接続される。出力タービン１１１は、第２のガスタービンシャフト１１５を用いて低圧圧縮機１０５に駆動可能に接続され、第１のガスタービンシャフト内部で同軸に並びに高圧タービン１０９及び高圧圧縮機１０７と同軸に配列される。
【００４２】
周囲空気は、低圧圧縮機１０５に流入して第１の圧力レベルに加圧され、その後、高圧圧縮機１０７に流入し、最終圧力レベルに加圧される。加圧空気は、燃焼器１１７に流入し、ここでガス又は液体燃料が加圧空気ストリームに加えられて燃焼して、高圧高温の燃焼ガスの流れを生成する。燃焼ガスは、高圧タービン１０９及び低圧タービン１１１において順次に膨張された後に吐出される。
【００４３】
高圧タービン１０９において燃焼ガスの膨張によって生成される機械出力は、高圧圧縮機１０７を駆動する。出力タービン１１１のガス膨張により生成される機械出力は、低圧圧縮機１０５を駆動するのに部分的に使用される。出力タービン１１１のシャフトで利用可能な過剰な機械出力は、出力タービン１１１の出力シャフト１２１に伝達されて負荷１０４を駆動する。
【００４４】
図２に示す実施形態では、出力シャフト１２１は、ギアボックス１２５を通じて負荷１０４に接続される。図示していない他の実施形態では、ギアボックス１２５は、省略される場合もある。ギアボックス１２５からの出口シャフト１２６は、出力を負荷１０４に伝達する。従って、負荷、出力タービン１１１及び低圧圧縮機１０５は、互いに恒久的に機械接続される。
【００４５】
図２に示す実施形態では、負荷１０４は、圧縮機トレーンを備える。圧縮機トレーンは、圧縮機１２７と第２の圧縮機１２９とを備える。単に例証として、図２に示すように、第１の圧縮機１２７は、二重ケーシングを有する二重圧縮機である。２つの圧縮機１２７、１２９は、同じシャフト１２６によって駆動され、従って、同じ回転速度で回転する。シャフト１２６は、実際には、好適な継手によって互いに接続された２以上のシャフト部分から作ることができる。図示しない他の実施形態では、例えば、２つの圧縮機が異なる回転速度で駆動される必要がある場合には、第１の圧縮機１２７と第２の圧縮機１２９との間に別のギアボックス１２５を配置することができる。実施可能な実施形態では、例えば、第１の圧縮機１２７が出力タービン１１１と同じ回転速度で回転し（直接駆動）、第２の圧縮機１２９が異なる速度で回転することが必要とされる場合には、ギアボックス１２５は、省略される場合があり、第１の圧縮機１２７と第２の圧縮機１２９との間にギアボックスを配置することができる。
【００４６】
図示しない他の実施形態では、負荷１０４は、２つだけの圧縮機１２７、１２９よりも多くの圧縮機を備えることができ、その間にギアボックスが配置される場合もあり、配置されない場合もある。
【００４７】
図２に概略的に示される遠心圧縮機トレーン１０４は、通常、天然ガス液化プラントで使用され、ここで各遠心圧縮機は、貯蔵又は輸送のため天然ガスを冷却して最終的に液化するのに使用される冷媒ガス又は冷媒ガスの混合気を処理するのに使用される。
【００４８】
図２に示した実施形態では、第１のガスタービンシャフト１１３によって互いに接続された高圧圧縮機１０７及び高圧タービン１０９を備えるガスタービンのコアは、補助ターニングモータ又はスタータ１３１を備え、これは、ガスタービンのオフライン洗浄中、又は必要に応じて、ガスタービンのシャットダウン後の低速ターニングに用いることができる。ガスタービンのコアは、第２のガスタービンシャフト１１５に機械的に接続されていないので、低圧圧縮機１０５及び出力タービン１１１は、補助モータ１３１によって駆動されない。補助ターニングモータ又はスタータ１３１は、比較的低い定格出力の電気モータ、又は油圧モータもしくは別の原動機とすることができる。
【００４９】
オフライン洗浄中に低圧圧縮機１０５及び出力タービン１１１並びに負荷１０４を低速で転動又は回転させるため、装置は、負荷１０４の最終圧縮機１２９のシャフト１２８と選択的に係合させることができる二速式ターニングギア１４１を備える。二速式ターニングギア１４１は、遠心圧縮機１２７、１２９の湾曲を防ぐために、ガスタービンがシャットダウンされたときに負荷１０４、出力タービン１１１、及び低圧圧縮機１０５を低速転動するよう設計され制御される。同じ二速式ターニングギア１４１はまた、ガスタービンのオフライン洗浄の間、出力タービン１１１及び低圧圧縮機１０５並びにこれらに安定的に接続される負荷を回転させるよう設計され制御される。
【００５０】
二速式ターニングギア１４１の一実施形態は、図３及び４に示される。二速式ターニングギア１４１は、支持構造に接続するための支持体１４３を含む。支持体１４３には、例えば、電気モータ（例えば、３相電気モータ）である第１のターニングモータ１４５が取り付けられる。第１のターニングモータ１４５は、駆動されて第１のシャフト１４７を回転させる。第１のシャフト１４７は、オーバーランニングクラッチ１５２を介して出力シャフト１５１に接続されたギア１４８を含む第１のウォームギア１４９を駆動する。シャフト１５１は、第２のウォームギア１５３の入力シャフトである。ウォームギア１５３のギア１５５は、二速式ターニングギア１４１の出力シャフト１５６に適合される。出力シャフト１５６は、負荷シャフト１２８を正面方向に係合でき、同期自己シフトクラッチ１５７を介して解放できる。
【００５１】
二速式ターニングギア１４１はさらに、第２のターニングモータ（例えば、３相電気モータ１６１などの電気モータ）を含む。第２のターニングモータの出力シャフトは、シャフト１５１と同軸である。
【００５２】
第１のターニングモータ１４５及び第２のターニングモータ１６１、並びにウォームギア１４７、１５３の伝達比は、遠心圧縮機１２７、１２９の低速転動、並びに出力タービン１１１及び低圧圧縮機１０５のオフライン洗浄回転の両方において適切な回転速度が得られるように選択される。ギアボックス１２５などの１以上のギアボックスが、出力タービン１１１を圧縮機トレーンの遠心圧縮機１２７、１２９に接続する負荷カップリングに沿って設けられる場合、二速式ターニングギア１４１のウォームギア１４７、１５３の伝達比は、上記のギアボックスの伝達比を考慮に入れて設計される。
【００５３】
第１のターニングモータ１４５は、二速式ターニングギア１４１の低速ターニングモータであり、第２のターニングモータ１６１は、二速式ターニングギア１４１の高速ターニングモータである。用語「低速」及び「高速」は、相対的用語として意図され、二速式ターニングギア１４１の出力シャフト１５６の速度を指している。上述の速度及び伝達比は、低速ターニングモータ１４５が出力シャフト１５６及びひいては遠心圧縮機を約０．５〜１０ｒｐｍで、及びより詳細には例えば、１〜７ｒｐｍの間の低速度で回転させることができるように選択される。この回転速度は、冷却中の遠心圧縮機の湾曲を防ぐためなど、ガスタービンのシャットダウン後のターボ機械の低速転動に好適である。上述の転動低速度範囲は、単に例証として与えられ、本開示の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【００５４】
第２のターニングモータ１６１及び第２のウォームギア１５３の速度比は、第２のターニングモータ１６１がオフライン洗浄回転速度で低圧圧縮機１０５及び出力タービン１１１を回転させることができるように選択される。上記のオフライン洗浄回転速度は、５０〜５００ｒｐｍの間、より好ましくは１００〜４００ｒｐｍの間、例えば、２００〜３００ｒｐｍの間の範囲とすることができる。本明細書で言及されるオフライン洗浄速度の範囲は、単に例証として与えられ、本開示の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【００５５】
低速ターニングモータは、好ましくは、例えば、定格出力が１〜２０ｋＷ、好ましくは２〜１５ｋＷ、より好ましくは５〜１２ｋＷの低出力モータである。これらの値は、単に例証として与えられ、例えば、負荷を形成する遠心圧縮機の種類及び数に応じて、並びにガスタービンの寸法、圧縮及び膨張段の数、並びに他の設計パラメータなどの他のパラメータに応じて変わることができる。
【００５６】
高速ターニングモータは、例えば、２０〜１００ｋＷの間、好ましくは３０〜８０ｋＷの間、及びより好ましくは４０〜５０ｋＷの間のより高い定格出力を有する。これらの値は、単に例証として与えられ、例えば、負荷を形成する遠心圧縮機の種類及び数に応じて、並びにガスタービンの寸法、圧縮及び膨張段の数、及び他の設計パラメータなどの他のパラメータに応じて変わることができる。
【００５７】
二速式ターニングギアは、以下のように制御することができる。ガスタービン１０３がオフライン洗浄を必要とするときには、高圧圧縮機１０７及び高圧タービン１０９は、比較的限定的な定格出力を有する補助モータ１３１によって回転駆動することができる。低圧圧縮機１０５、出力タービン１１１、及び負荷１０４を含む残りのターボ機械は、回転始動のための高トルクと、軸流圧縮機１０５の効率的洗浄を達成するのに必要なオフライン洗浄回転速度での連続回転を維持するための高出力とを必要とする。低速ターニングモータ１４５は、シャフト１２８に加えるために高トルクを必要とするターボ機械の静摩擦トルクに打ち勝つために使用される。ターボ機械の回転始動に必要なトルクは、低速ターニングモータ１４５を適切に選択し、第１のウォームギア１４９及び第２のウォームギア１５３の複合カスケード構成によって得られる極めて大きな減速比により達成される。同期自己シフトクラッチ１５７は、二速式ターニングギア１４１の出力シャフト１５６を負荷のシャフト１２８と接続し、低速ターニングモータ１４５によって生成されるトルクが、負荷１０４及びガスタービン１０１に伝達され、負荷１０４並びに出力タービン１１１及び低圧圧縮機１０５を形成するターボ機械の回転を始動する。
【００５８】
二速式ターニングギア１４１の出力シャフト１５６が、例えば、１〜１０ｒｐｍの範囲で十分な回転速度を達成すると、高速ターニングモータ１６１によって角加速度をさらに加えることができる。高速ターニングモータ１６１の制御下でシャフト１５１の速度が第１のウォームギア１４９の最大出力速度を上回ると、オーバーランニングクラッチ１５２によりシャフト１５１が第１の低速ターニングモータ１４５から解放され、第２の高速ターニングモータ１６１が、オフライン洗浄回転速度に達するまでシャフト１２８を継続して角加速することができる。
【００５９】
遠心圧縮機１２７、１２９の湾曲を防ぐために、例えば、ガスタービンのシャットダウン後に低速転動が必要とされるときには、二速式ターニングギア１４１は、シャフト１２６、１２８が低速ターニングモータ１４５によって達成できる速度を超えない低速転動状態で維持されるように制御される。後者の低速ターニングモータ１４５は、ターボ機械を低速転動状態で維持するのに十分な出力を有し、第２の高速ターニングモータ１６１が到達する必要はない。負荷が低速転動状態にある間にガスタービン１０３が再始動した場合には、同期自己シフトクラッチ１５７は、二速式ターニングギア１４１をシャフト１２８から自動的に解放する。
【００６０】
本明細書で開示される主題の開示された実施形態は、幾つかの例示的な実施形態と関連して特異性及び詳細事項に関して図面において示され、且つ上記で十分に説明されたが、新規の教示事項、本明細書で記載された原理及び概念、並びに特許請求の範囲に記載の主題の利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正、変更、及び省略が可能であることは理解されるであろう。従って、開示された発明の適正な範囲は、全てのこのような修正、変更、及び省略が含まれるように、特許請求の範囲を最も広く解釈することによってのみ決定すべきである。加えて、あらゆるプロセス又は方法ステップの順序又は配列は、代替の実施形態に応じて変更され、又は再配列することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１  装置
３  ガスタービン
５  低圧圧縮機
７  高圧圧縮機
９  高圧タービン
１１  低圧タービン又は出力タービン
１３  第１のガスタービンシャフト
１５  第２のガスタービンシャフト
１７  燃焼器
２１  ガスタービン出力シャフト
２３  負荷カップリング
２５  遠心圧縮機
２７  ギアボックス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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