(57)【要約】      （修正有）【課題】発電用タービンシステムを提供する。【解決手段】発電用タービンシステムは、空気の流れを加圧する軸流圧縮機を含み、加圧した空気は燃料と混合され燃焼器１２０内で燃焼され、高温ガスがタービンに導かれ、軸流圧縮機は、低圧圧縮機セクション６０６と高圧圧縮機セクション６０２とを含み、タービンは、低圧タービンセクション２０８と高圧タービンセクション２０４とを含み、高圧タービンセクションは、第１のシャフト２１６を介して高圧圧縮機セクションに結合されて、該高圧タービンセクションが該高圧圧縮機セクション）を駆動し、低圧タービンセクションは、第２のシャフト２２０を介して低速発電機２１２に結合されて、作動中に該低圧タービンセクションが該低速発電機を駆動し、また低圧タービンセクションは、第２のシャフトを介して低圧圧縮機セクションに結合されて、作動中に該低圧タービンセクションが該低圧圧縮機セクションを駆動する。【選択図】図２
2009180223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気の流れを加圧する軸流圧縮機を含み、
前記加圧した空気の流れが次に、燃料と混合されかつ燃焼器（１２０）内で燃焼されて、生じた高温ガスの流れがタービンを通して導かれ、
前記軸流圧縮機が、低圧圧縮機セクション（６０６）と高圧圧縮機セクション（６０２）とを含み、
前記タービンが、低圧タービンセクション（２０８）と高圧タービンセクション（２０４）とを含み、
前記高圧タービンセクション（２０４）が、第１のシャフト（２１６）を介して前記高圧圧縮機セクション（６０２）に結合されて、作動中に該高圧タービンセクション（２０４）が該高圧圧縮機セクション（６０２）を駆動し、
前記低圧タービンセクション（２０８）が、第２のシャフト（２２０）を介して低速発電機（２１２）に結合されて、作動中に該低圧タービンセクション（２０８）が該低速発電機（２１２）を駆動し、
前記低圧タービンセクション（２０８）が、前記第２のシャフト（２２０）を介して前記低圧圧縮機セクション（６０６）に結合されて、作動中に該低圧タービンセクション（２０８）が該低圧圧縮機セクション（６０６）を駆動する、
発電用タービンシステム。
【請求項２】
前記高圧タービンセクション（２０４）が１〜２つの段を含み、
前記低圧タービンセクション（２０８）が２〜４つの段を含む、
請求項１記載の発電用タービンシステム。
【請求項３】
前記高圧タービンセクション（２０４）が、該高圧タービンセクション（２０４）を通る作動流体の流れの圧力が約２６０〜４５０ｐｓｉである時に作動するように構成され、
前記低圧タービンセクション（２０８）が、該低圧タービンセクションを通る作動流体の流れの圧力が約５０〜１５０ｐｓｉである時に作動するように構成される、
請求項１記載の発電用タービンシステム。
【請求項４】
前記タービンが、複数段を含み、
前記高圧タービンセクション（２０４）が前記タービンの前方段を含み、
前記低圧タービンセクション（２０８）が前記タービンの後方段を含む、
請求項１記載の発電用タービンシステム。
【請求項５】
前記低速発電機（２１２）が四極発電機を含む、請求項１記載の発電用タービンシステム。
【請求項６】
前記低速発電機（２１２）が六極発電機を含む、請求項１記載の発電用タービンシステム。
【請求項７】
前記低速発電機（２１２）が八極発電機を含む、請求項１記載の発電用タービンシステム。
【請求項８】
前記低圧タービンセクション（２０８）、低圧圧縮機セクション（６０６）及び低速発電機（２１２）の一般的作動周波数が、約２５〜３０Ｈｚである、請求項１記載の発電用タービンシステム。
【請求項９】
前記高圧タービンセクション（２０４）及び高圧圧縮機セクション（６０２）の一般的作動周波数が約５０Ｈｚ以上である、請求項１記載の発電用タービンシステム。
【請求項１０】
前記高圧タービンセクション（２０４）及び高圧圧縮機セクション（６０２）の一般的作動周波数が約７０Ｈｚ以上である、請求項１記載の発電用タービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、総括的にはタービンエンジン及びシステムに関する。より具体的には、本出願は、それに限定されないが、とりわけ多軸装置及び／又は半速発電機の使用によってタービン性能を高めるようにしたシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
上昇するエネルギーコスト及び増大する需要により、ガスタービンの効率を改善することは、常に重要な目標となっている。この目標に向って、より大きな質量流量を扱うことができるより大型のガスタービンが、発電効率を高める方法として提案されてきた。しかしながら、発電に使用されるガスタービンは一般的に、２つの要因の相互作用によりその寸法が制約される。第１に、発電用ガスタービンは一般的に、減速ギヤボックスの必要性を回避するために、交流（ＡＣ）電力網と同一の周波数で運転（作動）される。その結果、ほぼ世界中でＡＣ電力は５０Ｈｚ又は６０Ｈｚのいずれかで配電されるので、発電用ガスタービンの運転（作動）周波数は、５０又は６０Ｈｚのいずれかに制限される。（簡潔かつ明瞭にするために、以下においては、２つの最も一般的な発電周波数つまり５０Ｈｚ及び６０Ｈｚを６０Ｈｚとして記述していることに注目されたい。特に明記しない限り、周波数６０Ｈｚという表現は、５０Ｈｚの周波数並びにＡＣ電力網において使用することができる同様な周波数を含むものと理解されたい。）
第２の要因は、現行の材料が、より大型のタービンの回転部品に関連する遠心応力に耐える能力がないことである。タービンはその寸法及び質量流量が増大するにつれて、タービンの回転部品もまた、その寸法及び重量が必然的に増大しなくてはならない。しかしながら、タービンバケットのような回転部品では、５０〜６０Ｈｚの正常作動周波数が維持されている場合には、この寸法及び重量の増大により、これら部品は遠心応力の大きな増加を受けることになる。当業者には分かるように、このような事態は、タービンの低圧又は後方段のより大型のかつより重量があるタービンバケットにとって特に厄介である。より大型の圧縮機ブレードが配置されている圧縮機の前方セクションでも同様に、過度な遠心応力が限界問題となるおそれがある。従って、現行の材料限界により、これらの大型のタービン内で成功裏に作動することになる部品を製造することが不可能に又は極めて高価なものになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
これら２つの問題の組合せにより一般的に、発電用タービンをコスト効果がある状態で製作することができる寸法が制限される。その結果、より大型のかつより効率の良いタービンは、実現されない。従って、より大型のタービンを製作しかつコスト効果のある方法で作動させるのを可能にするタービン作動（運転）の方法及びシステムの改善に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
従って、本出願は、発電用タービンシステムについて記述しており、本発電用タービンシステムは、空気の流れを加圧する軸流圧縮機を含み、加圧した空気の流れが次に、燃料と混合されかつ燃焼器内で燃焼されて、生じた高温ガスの流れがタービンを通して導かれるようにすることができる。軸流圧縮機は、低圧圧縮機セクションと高圧圧縮機セクションとを含むことができる。タービンは、低圧タービンセクションと高圧タービンセクションとを含むことができる。高圧タービンセクションは、第１のシャフトを介して高圧圧縮機セクションに結合されて、作動中に該高圧タービンセクションが該高圧圧縮機セクションを駆動するようにすることができる。低圧タービンセクションは、第２のシャフトを介して低速発電機に結合されて、作動中に該低圧タービンセクションが該低速発電機を駆動するようにすることができる。また、低圧タービンセクションは、第２のシャフトを介して低圧圧縮機セクションに結合されて、作動中に該低圧タービンセクションが該低圧圧縮機セクションを駆動するようにすることができる。
【０００５】
本出願はさらに、発電用タービンシステムについて記述することができ、本発電用タービンシステムは、１）その各々が別個のシャフト上に配置された２つのセクションつまり高圧タービンセクション及び低圧タービンセクションを含むタービンと、２）低圧圧縮機セクション及び高圧圧縮機セクションを含み、空気の流れを加圧し、加圧した空気の流れが次に燃料と混合されかつ燃焼器内で燃焼されて、生じた高温ガスの流れがタービンを通して導かれるようになった軸流圧縮機と、３）四極発電機と、４）高圧タービンセクションを高圧圧縮機セクションに結合して、作動中に該高圧タービンセクションが該高圧圧縮機セクションを駆動するようになった第１のシャフトと、５）低圧タービンセクションを四極発電機及び低圧圧縮機セクションに結合して、作動中に該低圧タービンセクションが該四極発電機及び低圧圧縮機セクションを駆動するようになった第２のシャフトとを含むことができる。
【０００６】
高圧タービンセクションは、１〜２つの段を含み、また低圧タービンセクションは、２〜４つの段を含むことができる。高圧タービンセクションは、該高圧タービンセクションを通る作動流体の流れの圧力が約２６０〜４５０ｐｓｉである時に作動するように構成することができ、また低圧タービンセクションは、該低圧タービンセクションを通る作動流体の流れの圧力が約５０〜１５０ｐｓｉである時に作動するように構成することができる。タービンは、複数段を含むことができ、高圧タービンセクションは、タービンの前方段を含むことができ、また低圧タービンセクションは、該タービンの後方段を含むことができる。低速発電機は、四極発電機を含むことができる。低速発電機は、六極発電機を含むことができる。低速発電機は、八極発電機を含むことができる。低圧タービンセクション、低圧圧縮機セクション及び低速発電機の一般的作動周波数は、約２５〜３０Ｈｚとすることができる。高圧タービンセクション及び高圧圧縮機セクションの一般的作動周波数は、約５０Ｈｚ以上とすることができる。高圧タービンセクション及び高圧圧縮機セクションの一般的作動周波数は、約７０Ｈｚ以上とすることができる。
【０００７】
本出願のこれらの及びその他の特徴は、図面及び特許請求の範囲と関連させてなした好ましい実施形態の以下の詳細な説明を精査することにより、明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来型の設計による発電用タービンシステムの構成を示す概略図。
【図２】本出願の実施形態による発電用タービンシステムの構成を示す概略図。
【図３】本出願の別の実施形態による発電用タービンシステムの構成を示す概略図。
【図４】本出願の別の実施形態による発電用タービンシステムの構成を示す概略図。
【図５】本出願の別の実施形態による発電用タービンシステムの構成を示す概略図。
【図６】本出願の別の実施形態による発電用タービンシステムの構成を示す概略図。
【図７】本出願の別の実施形態による発電用タービンシステムの構成を示す概略図。
【図８】本出願の別の実施形態による発電用タービンシステムの構成を示す概略図。
【図９】本出願の別の実施形態による発電用タービンシステムの構成を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、幾つかの図を通して様々な符号が同様な部品を表している図を参照すると、図１は、先行技術による発電用タービンシステムの構成を示す概略図である。一般的に、ガスタービンエンジンは、加圧空気のストリーム内におけるガス又は燃料油の燃焼によって発生させた高温ガスの流れからエネルギーを抽出する。従って、ガスタービンエンジン１００は、上流の軸流圧縮機つまり圧縮機１０４を含み、この圧縮機１０４は、単一のつまり共通シャフト１０８によって下流のタービン１１２及び発電機１１６に対して機械的に結合され、圧縮機１０４及びタービン１１２間には燃焼器１２０が配置される。
【００１０】
使用中に、軸流圧縮機１０４内での圧縮機ブレードの回転により、空気の流れを加圧することができる。次に、加圧した空気が燃料と混合されかつ燃焼器１２０内で点火燃焼された時に、エネルギーを放出することができる。生じた燃焼器からの膨張する高温ガスの流れは次に、タービン１１２内のブレード又はバケット上に導くことができ、従って高温ガスの流れのエネルギーを回転シャフト１０８の機械エネルギーに変換することができる。上述したように、共通シャフト１０８は、圧縮機１０４をタービン１１２に結合して、該タービン１１２を通る流れによって生じたシャフト１０８の回転が該圧縮機１０４を駆動することができるようにすることができる。共通シャフト１０８はまた、タービン１１２を発電機１１６に結合して、該タービン１１２を通る流れによって生じたシャフト１０８の回転が該発電機１１６を駆動することができるようにすることができる。
【００１１】
発電機１１６は、回転シャフトの機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。一般的に、発電用途では、発電機１１６は、二極発電機である。当業者には分かるように、一般的にシステムの複雑さ、コスト及び非効率性を増大させるギヤボックスが存在しないので、シャフト１０８は、二極発電機を６０Ｈの周波数で駆動して局所ＡＣ電力網に適合した電気エネルギーを発生しなくてはならない。従って、ＡＣ電力網の要件、二極発電機の使用及びギヤボックスの不使用は一般的に、タービンエンジンを６０Ｈｚの周波数で作動させることを必要とする。上述したように、そのような高い周波数レベル近くで作動するタービンエンジンは一般的に、それらの回転部品に作用する高レベルの遠心応力により、その寸法及び質量流量能力が制限される。
【００１２】
図２は、本出願の実施形態による発電用タービンシステム２００の構成を示す概略図である。（図２〜図９の説明全体を通して、様々なシステム構成要素について記述していることに注目されたい。これらのシステム構成要素には、発電機、タービン、蒸気タービン、燃焼器、圧縮機及び複数シャフトが含まれることになる。特にことわらない限り、システム構成要素の説明は、各々の全ての変形形態を含むと広く解釈されることを意図している。さらに、本明細書で使用する場合に、「タービン」というのは一般的に、ガスタービンエンジンのタービンセクションを指しており、他方「蒸気タービン」というのは、蒸気タービンエンジンのタービンセクションを指している。）タービンシステム２００は、圧縮機１０４と、燃焼器１２０と、高圧タービンセクション２０４及び低圧タービンセクション２０８を備えたタービンと、低速発電機２１２とを含むことができる。本明細書で使用する場合に、「低圧タービンセクション」及び「高圧タービンセクション」という表現は、各々のそれぞれの作動圧力レベルを他方と比較して差別化しようとするものである（すなわち、作動流体はタービンを通ってつまり始めに前方セクションを通り、次に後方セクションを通って膨張しながら流れの圧力が低下するので、一般的なタービンの前方段は、「高圧タービンセクション」と呼ぶことができ、また後方段は、「低圧タービンセクション」と呼ぶことができる。）従って、特にことわらない限り、この用語は、上記以外のいかなる限定的な意味も持たない。さらに、本明細書で使用する場合に、「高速発電機」というのは、発電用途において一般に使用されている従来型の二極発電機であると解釈されたい。「低速発電機」というのは、二極よりも多くの極を有する発電機、例えば四極発電機、六極発電機、八極発電機などであると解釈されたい。
【００１３】
軸流圧縮機１０４は、従来通りの方法で、第１のシャフト２１６を介して高圧タービンセクション２０４に結合されて、作動中に該高圧タービンセクション２０４が該軸流圧縮機を駆動するようにすることができる。同様な方法で、低圧タービンセクション２０８は、第２のシャフト２２０を介して低速発電機２１２に結合されて、作動中に該低圧タービンセクション２０８が該低速発電機２１２を駆動するようにすることができる。幾つかの実施形態では、高圧タービンセクション２０４は、１〜２つの段を含むことができ、また低圧タービンセクション２０８は、２〜４つの段を含むことができる。さらに、幾つかの実施形態では、高圧タービンセクション２０４は、膨張する高温ガスの流れ（つまり、作動流体）の圧力が約２６０〜４５０ｐｓｉである時に作動するように構成されたタービン段を含むように形成することができる。また、幾つかの実施形態では、低圧タービンセクション２０８は、作動流体の圧力が約５０〜１５０ｐｓｉである時に作動するように構成されたタービン段を含むように形成することができる。
【００１４】
使用中に、発電用タービンシステム２００は、次のように作動することができる。軸流圧縮機１０４内での圧縮機ブレードの回転により、空気の流れを加圧することができる。次に、加圧した空気が燃料と混合されかつ燃焼器１２０内で点火燃焼された時に、エネルギーを放出することができる。生じた燃焼器１２０からの膨張する高温ガスの流れは次に、高圧タービンセクション２０４内のバケット上に導くことができ、従って高温ガスの流れのエネルギーを第１の回転シャフト２１６の機械エネルギーに変換することができる。第１のシャフト２１６は、軸流圧縮機１０４に結合して、高圧タービンセクション２０４を通る作動流体の流れによって生じた該シャフト２１６の回転が該軸流圧縮機１０４を駆動することができるようにすることができる。高圧タービンセクション２０４が発電機に結合されていないので、高圧タービンセクション２０４の作動周波数は、いかなる特定のレベルにも制約されることはなく、従って高圧タービンセクション２０４をシステムにとって最も効率的であるいずれかの周波数にて作動させることが可能になる。幾つかの実施形態では、高圧タービンセクション２０４の作動周波数は、約５０Ｈｚ以上とすることができる。言うまでもなく、システム内にギヤボックスがない場合には、軸流圧縮機１０４の作動周波数は、高圧タービンセクション２０４の周波数と同一となる。他の実施形態では、高圧タービンセクション２０４の作動周波数は、少なくとも７０Ｈｚとすることができる。
【００１５】
作動流体の流れが高圧タービンセクション２０４を通って膨張した後に、作動流体は次に、低圧タービンセクション２０８を通るように導くことができる。上述したプロセスと同様に、作動流体の流れは、低圧タービンセクション２０８内のバケット段にわたって導くことができ、従って流動する作動流体のエネルギーを第２の回転シャフト２２０の機械エネルギーに変換することができる。第２のシャフト２２０は、低圧タービンセクション２０８を低速発電機２１２に結合して、該低圧タービンセクション２０８を通る作動流体の流れによって生じた第２のシャフト２２０の回転が該低速発電機２１２を駆動することができるようにすることができる。
【００１６】
上述したように、低速発電機２１２は、２つよりも多い極を有して、該低速発電機２１２が遙かに低いシャフト周波数を受けながら局所ＡＣ電力網に適合する周波数で電気エネルギーを出力することができるようになった発電機とすることができる。従って、例えば低速発電機２１２が四極発電機である場合には、低圧タービンセクション２０８は、３０Ｈｚの低い周波数で作動するが、依然としてＡＣ電力網に適合することになる６０ＨｚのＡＣ電力周波数を生成することができる。すなわち、低圧タービンセクション２０８の３０Ｈｚの作動周波数は、第２のシャフト２２０を３０Ｈｚの周波数で駆動することになり、次に第２のシャフト２２０が、四極発電機を３０Ｈｚの周波数で駆動することになる。四極発電機は次に、６０ＨｚでＡＣ電力を出力することになる。六極発電機又は八極発電機を使用する場合には、同様な方法で、低圧タービンセクション２０８のより低い作動周波数を使用して、同じ結果（つまり、６０Ｈｚの又は約６０Ｈｚの周波数の適合ＡＣ電力の出力）を達成することができる。言うまでもなく、さらに多い極の発電機もまた、実施可能である。
【００１７】
上述したように、作動流体の圧力は、流れがタービンの後方段に到達するまでに大きく低下するので、この区域内の回転部品、特にバケットは、作動流体の残りのエネルギーを効率良く捕捉するために、かなり大型にしなくてはならない。言うまでもなく、回転部品の寸法が一層大きくなるにつれて、回転部品が受ける遠心応力のレベルもまた増大し、ついには使用可能材料の機能限界について使用禁止のレベルになる。上述したように、このことにより、タービンエンジンの寸法及び流量容量を増大させ続けることは、たとえそのような増大が発電効率を一層高めるとしても、制限される可能性がある。しかしながら、低速発電機２１２を使用することによって、低圧タービンセクション２０８は、低い作動周波数で適合ＡＣ電力を発生することができる。周波数の低下は、回転部品に作用する遠心応力を大幅に減少させて、それらの部品の寸法を増大させることを可能にする。これにより、より大きなタービンエンジン寸法及び流量容量が可能になる。さらに、発電用タービンシステム２００による複数シャフトすなわち第１のシャフト２１６及び第２のシャフト２２０の使用は、高圧タービンセクション２０４（このセクションを通るより高い圧力の故に、過度な遠心応力の問題を低減するより小さな回転部品で効果的に機能する）が低圧タービンセクション２０８とは異なるより高い（より効率的な）周波数で作動することを可能にする。
【００１８】
図３は、本出願の別の実施形態による発電用タービンシステム３００の構成を示す概略図である。発電用タービンシステム３００は、蒸気タービン３０２が追加されていることを除けば、発電用タービンシステム２００と同じシステム構成要素を含むことができる。当業者には分かるように、例えばガスタービンエンジンからの廃熱は、熱回収蒸気発生器により回収して、従来型の蒸気タービンに動力供給することができる。以下において一層詳しく述べるように、幾つかの実施形態では、蒸気タービン３０２は、低圧蒸気タービンとすることができる。本明細書で使用する場合に、「低圧蒸気タービン」というのは一般的に、従来型の蒸気タービンの低圧段つまり後方段のみを含む蒸気タービンと定義される。蒸気タービン３０２は、第２のシャフトを介して低速発電機２１２に結合して、作動中に低圧タービンセクション２０８及び低圧蒸気タービン３０２の両方が低速発電機２１２を駆動するようにすることができる。従って、蒸気タービン３０２は、低圧タービンセクション２０８について上述した周波数と同一の周波数で作動することができる（つまり、低速発電機２１２が四極発電機である場合には、蒸気タービン３０２は、３０Ｈｚの周波数で作動することができる。）。その他の点に関しては、全体的に発電用タービンシステム３００のシステム構成要素は、他の実施形態における同じシステム構成要素について本明細書で説明しているのと同様に作動することができる。
【００１９】
図４は、本出願の別の実施形態による発電用タービンシステム４００の構成を示す概略図である。図４に示す実施形態は全体的に、図２の発電用タービンシステム２００と同じシステム構成要素を含んでいるが、低速発電機２１２の位置が変更されている。図２では、低速発電機２１２がタービンセクション２０４、２０８と同じ側にあるので、低速発電機は、「高温側」に設置されていると言える。図４では、低速発電機２１２が軸流圧縮機１０４と同じ側にあるので、低速発電機は、「低温側」に設置されていると言える。当業者には分かるように、図４に示すように、第１のシャフト２１６及び第２のシャフト２２０は、互いに独立してまた異なる周波数で機能する（つまり、図示するように、第２のシャフト２２０は第１のシャフト２１６の内側に位置する）。その他の点に関しては、全体的に発電用タービンシステム４００のシステム構成要素は、他の実施形態における同じシステム構成要素について本明細書で説明しているのと同様に作動することができる。
【００２０】
図５は、本出願の別の実施形態による発電用タービンシステム５００の構成を示す概略図である。図５に示す実施形態は全体的に、図３の発電用タービンシステム３００と同じシステム構成要素を含んでいるが、低速発電機２１２及び低圧蒸気タービン３０２の位置が変更されている。図５では、低速発電機２１２及び低圧蒸気タービン３０２の両方が、「低温側」に設置されている。その他の点に関しては、全体的に発電用タービンシステム５００のシステム構成要素は、他の実施形態における同じシステム構成要素について本明細書で説明しているのと同様に作動することができる。
【００２１】
図６及び図７は、それぞれ本出願の別の実施形態による発電用タービンシステム６００及び発電用タービンシステム７００を示す概略図である。図６及び図７の両方は、軸流圧縮機が別個のシャフト上に配置された高圧圧縮機セクション６０２及び低圧圧縮機セクション６０６を含む実施形態を示している。以下において一層詳しく述べるように、別個のシャフトを有することにより、圧縮機セクションの各々が、異なる周波数で作動しかつ異なるタービンセクションによって駆動されて作動性を高めるようにすることが可能になる。
【００２２】
次に図６の実施形態を参照すると、第１のシャフト２１６は、従来通りの方法で高圧タービンセクション２０４に対して高圧圧縮機セクション６０２を結合することができる。第２のシャフト２２０は、低圧タービンセクション２０８を低圧圧縮機セクション６０６に結合することができる。加えて、第２のシャフト２２０は、低圧タービンセクション２０８を低速発電機２１２に結合することができる。図６の実施形態では、低速発電機２１２は、低温側に配置されていることに注目されたい。別の実施形態では、低速発電機２１２はまた、高温側に配置することもできる。
【００２３】
使用中に、発電用タービンシステム６００は、次のように作動することができる。高圧圧縮機セクション６０２及び低圧圧縮機セクション６０６内での圧縮機ブレードの回転により、空気の流れを加圧することができる。次に、加圧した空気が燃料と混合されかつ燃焼器１２０内で点火燃焼された時に、エネルギーを放出することができる。生じた燃焼器１２０からの膨張する高温ガスの流れは次に、高圧タービンセクション２０４内のバケット上に導くことができ、従って高温ガスの流れ内に含まれたエネルギーを第１の回転シャフト２１６の機械エネルギーに変換することができる。第１のシャフト２１６は、高圧圧縮機セクション６０２に結合して、高圧タービンセクション２０４を通る作動流体の流れによって生じたシャフト２１６の回転が該高圧圧縮機セクション６０２を駆動するようにすることができる。高圧タービンセクション２０４が発電機に結合されていないので、高圧タービンセクション２０４の作動周波数は、いかなる特定のレベルにも制約されることはなく、従って高圧タービンセクション２０４をシステムにとって最も効率的であるいずれかの周波数にて作動させることが可能になる。幾つかの実施形態では、高圧タービンセクション２０４の作動周波数は、約５０Ｈｚ以上とすることができる。言うまでもなく、システム内にギヤボックスがない場合には、高圧圧縮機セクション６０２の作動周波数は、高圧タービンセクション２０４の周波数と同一となる。他の実施形態では、高圧タービンセクション２０４の作動周波数は、約７０Ｈｚ以上とすることができる。さらに他の実施形態では、高圧圧縮機セクションは、１〜２つの段を有し、また低圧圧縮機セクションは、２〜４つの段を有することができる。
【００２４】
作動流体の流れが高圧タービンセクション２０４を通って膨張した後に、流れは次に、低圧タービンセクション２０８を通るように導くことができる。上述したプロセスと同様に、作動流体の流れは、低圧タービンセクション２０８内のバケット段にわたって導くことができ、従って作動流体内に含まれたエネルギーを第２の回転シャフト２２０の機械エネルギーに変換することができる。第２のシャフト２２０は、低圧タービンセクション２０８を低速発電機２１２に結合して、該低圧タービンセクション２０８を通る作動流体の流れによって生じた第２のシャフト２２０の回転が該低速発電機２１２を駆動するようにすることができる。
【００２５】
上に一層詳しく述べたように、低速発電機２１２は、２つよりも多い極を有して、該低速発電機２１２が遙かに低いシャフト周波数を受けながら局所ＡＣ電力網に適合する周波数で電気エネルギーを出力することができるようになった発電機とすることができる。従って、例えば低速発電機２１２が四極発電機である場合には、低圧タービンセクション２０８は、３０Ｈｚの低い周波数で作動するが、依然としてＡＣ電力網に適合することになる６０ＨｚのＡＣ電力周波数を生成することができる。
【００２６】
第２のシャフト２２０はまた、低圧タービンセクション２０８を低圧圧縮機セクション６０６に結合して、該低圧タービンセクション２０８を通る作動流体の流れによって生じた第２のシャフト２２０の回転が低圧圧縮機セクション６０６を駆動するようにすることができる。前述したように、高い周波数速度及びより大型の回転部品寸法の問題は、エンジンのタービンセクションにとどまらず、圧縮機においても同様に問題となる可能性がある。より大きなタービン発電システム及び流量容量に適応するために圧縮機の回転ブレードが大きくなればなるほど、過度な遠心応力が問題となる。このことは、より大型の圧縮機ブレードが必要となる圧縮機前方低圧段について特に当てはまる。
【００２７】
この問題は、圧縮機後端部のより高い圧力段ではなく別個のシャフト上でより低い周波数で低圧圧縮機セクション６０６を回転させた場合に、効果的に解決することができる。従って、第２のシャフト２２０は、低圧タービンセクション２０８を低圧圧縮機セクション６０６に結合することができる。このようにして、低圧圧縮機セクション６０６は、低い周波数で作動させて回転部品の寸法が制限されることがないようにしながら、圧縮機による加圧を高めるように効果的に使用することができる。その他の点に関しては、全体的に発電用タービンシステム６００のシステム構成要素は、他の実施形態における同じシステム構成要素について本明細書で説明しているのと同様に作動することができる。
【００２８】
図７もまた、軸流圧縮機が別個のシャフト上に配置された高圧圧縮機セクション６０２及び低圧圧縮機セクション６０６を含む実施形態を示している。発電用タービンシステム７００は、第２のシャフト２２０を介して低速発電機２１２、低圧圧縮機セクション６０６及び低圧タービンセクション２０８に結合された低圧蒸気タービン３０２を含む。図７の実施形態では、低圧蒸気タービン３０２は、低温側に配置されていることに注目されたい。別の実施形態では、低圧蒸気タービン３０２は、高温側に配置することができる。使用中に、低圧蒸気タービン３０２は、低圧蒸気タービンを含む他の実施形態に関連して上述したように、低速発電機２１２及び低圧圧縮機セクション６０６を低い周波数で駆動するように作動させることができる。その他の点に関しては、全体的に発電用タービンシステム７００のシステム構成要素は、他の実施形態における同じシステム構成要素について本明細書で説明しているのと同様に作動することができる。
【００２９】
図８は、本出願の別の実施形態による発電用タービンシステム８００を示す概略図である。図示するように、第１のシャフト２１６は、従来通りの方法で高圧タービンセクション２０４を軸流圧縮機１０４に結合することができる。第１のシャフト２１６はまた、高圧タービンセクション２０４を高速発電機８０２に結合することができる。第２のシャフト２２０は、低圧タービンセクション２０８を低速発電機２１２に結合することができる。図８の実施形態では、低速発電機２１２は、高温側に配置され、また高速発電機８０２は、低温側に配置されていることに注目されたい。別の実施形態では、他の配置も実施可能である。
【００３０】
使用中に、発電用タービンシステム８００は、次のように作動することができる。圧縮機１０４内での圧縮機ブレードの回転により、空気の流れを加圧することができる。次に、加圧した空気が燃料と混合されかつ燃焼器１２０内で点火燃焼された時に、エネルギーを放出することができる。生じた燃焼器１２０からの膨張する高温ガスの流れは次に、高圧タービンセクション２０４内のバケット上に導くことができ、従って高温ガスの流れ内に含まれたエネルギーを第１の回転シャフト２１６の機械エネルギーに変換することができる。第１のシャフト２１６は、圧縮機１０４に結合して、高圧タービンセクション２０４を通る作動流体の流れによって生じた該シャフト２１６の回転が該圧縮機１０４を駆動するようにすることができる。第１のシャフト２１６はまた、高速発電機８０２に結合して、高圧タービンセクション２０４を通る作動流体の流れによって生じた該シャフト２１６の回転が該高速発電機８０２を駆動するようにすることができる。幾つかの実施形態では、高圧タービンセクション２０４が高速発電機８０２に結合されているので、高圧タービンセクション２０４の作動周波数は、該高速発電機８０２によって生成された電気エネルギーもまた６０Ｈｚの周波数を有し、従って局所ＡＣ電力網に適合することになるような６０Ｈｚとすることができる。その他の作動周波数もまた、実施可能である。
【００３１】
作動流体の流れが高圧タービンセクション２０４を通って膨張した後に、流れは次に、低圧タービンセクション２０８を通るように導くことができる。上述したプロセスと同様に、作動流体の流れは、低圧タービンセクション２０８内のバケット段にわたって導くことができ、従って作動流体内に含まれたエネルギーを第２の回転シャフト２２０の機械エネルギーに変換することができる。第２のシャフト２２０は、低圧タービンセクション２０８を低速発電機２１２に結合して、該低圧タービンセクション２０８を通る作動流体の流れによって生じた該第２のシャフト２２０の回転が低速発電機２１２を駆動するようにすることができる。上に一層詳しく述べたように、低速発電機２１２は、２つよりも多い極を有して、該低速発電機２１２が遙かに低いシャフト周波数を受けながら局所ＡＣ電力網に適合する周波数で電気エネルギーを出力することができるようになった発電機とすることができる。
【００３２】
図８に示す実施形態はまた、第２のシャフト２２０に結合されかつこの特定のシステム構成要素について上述したのと全く同じ方式で作動する蒸気タービン３０２を有することができる。さらに、図８の圧縮機１０４は、別個のシャフト上に配置されかつこの特定のシステム構成要素について上述したのと同じ方式で機能する高圧圧縮機セクション６０２及び低圧圧縮機セクション６０６を含むことができる。つまり、高圧圧縮機セクション６０２は、第１のシャフト２１６に結合しかつ高圧タービンセクション２０４によって駆動することができ、また低圧圧縮機セクション６０６は、第２のシャフト２２０に結合しかつ低圧タービンセクション２０８によって駆動することができる。その他の点に関しては、全体的に発電用タービンシステム８００のシステム構成要素は、他の実施形態における同じシステム構成要素について本明細書で説明しているのと同様に作動することができる。
【００３３】
図９は、本出願の別の実施形態による、３つの個々に機能するシャフトを有する発電用タービンシステム９００を示す概略図である。図示するように、第１のシャフト９０２は、従来通りの方法で高圧タービンセクション９０４を高圧圧縮機セクション９０５に結合することができる。第２のシャフト９０６は、中圧タービンセクション９０８を低圧圧縮機セクション９０９及び高速発電機８０２に結合することができる。第３のシャフト９１０は、低圧タービンセクション９１２を低速発電機２１２に結合することができる。全体的に上述したのと同様に、図９に図示したのとは異なるシステム構成要素の構成も実施可能であることに注目されたい。
【００３４】
使用中に、発電用タービンシステム９００は、次のように作動することができる。高圧圧縮機セクション９０５及び低圧圧縮機セクション９０９内での圧縮機ブレードの回転により、空気の流れを加圧することができる。次に、加圧した空気が燃料と混合されかつ燃焼器１２０内で点火燃焼された時に、エネルギーを放出することができる。生じた燃焼器１２０からの膨張する高温ガスの流れは次に、高圧タービンセクション９０４内のバケット上に導くことができ、従って高温ガスの流れ内に含まれたエネルギーを第１の回転シャフト９０２の機械エネルギーに変換することができる。第１のシャフト９０２は、高圧タービンセクション９０４を高圧圧縮機セクション９０５に結合して、該高圧タービンセクション９０４を通る作動流体の流れによって生じたシャフト９０２の回転が該高圧圧縮機セクション９０５を駆動するようにすることができる。高圧タービンセクション９０４が発電機に結合されていないので、高圧タービンセクション９０４の作動周波数は、いかなる特定のレベルにも制約されることはなく、従って高圧タービンセクション９０４をシステムにとって最も効率的であるいずれかの周波数にて作動させることが可能になる。幾つかの実施形態では、高圧タービンセクション９０４の作動周波数は、約５０Ｈｚ以上とすることができる。言うまでもなく、システム内にギヤボックスがない場合には、高圧圧縮機セクション９０５の作動周波数は、高圧タービンセクション９０４の周波数と同一となる。他の実施形態では、高圧タービンセクション９０４の作動周波数は、約７０Ｈｚ以上とすることができる。
【００３５】
作動流体の流れが高圧タービンセクション９０４を通って膨張した後に、流れは次に、中圧タービンセクション９０８を通るように導くことができる。上述したプロセスと同様に、作動流体の流れは、中圧タービンセクション９０８内のバケット段にわたって導くことができ、従って作動流体内に含まれたエネルギーを第２の回転シャフト９０６の機械エネルギーに変換することができる。第２のシャフト９０６は、中圧タービンセクション９０８を低圧圧縮機セクション９０９に結合して、該中圧タービンセクション９０８を通る作動流体の流れによって生じた第２のシャフト９０６の回転が該低圧圧縮機セクション９０９を駆動するようにすることができる。
【００３６】
第２のシャフト９０６はまた、高速発電機８０２に結合して、中圧タービンセクション９０８を通る作動流体の流れによって生じた該シャフト９０６の回転が該高速発電機８０２を駆動するようにすることができる。幾つかの実施形態では、中圧タービンセクション９０８が高速発電機８０２に結合されているので、中圧タービンセクション９０８の作動周波数は、該高速発電機８０２によって生成された電気エネルギーもまた６０Ｈｚの周波数を有し、従って局所ＡＣ電力網に適合することになるような約６０Ｈｚとすることができる。その他の同様な作動周波数もまた、実施可能である。
【００３７】
作動流体の流れが中圧タービンセクション９０８を通って膨張した後に、流れは次に、低圧タービンセクション９１２を通るように導くことができる。上述したプロセスと同様に、作動流体の流れは、低圧タービンセクション９１２内のバケット段にわたって導くことができ、従って作動流体内に含まれたエネルギーを第３の回転シャフト９１０の機械エネルギーに変換することができる。第３のシャフト９１０は、低圧タービンセクション９１２を低速発電機２１２に結合して、該低圧タービンセクション９１２を通る作動流体の流れによって生じた第３のシャフト９１０の回転が該低速発電機２１２を駆動するようにすることができる。上に一層詳しく述べたように、低速発電機２１２は、２つよりも多い極を有して、該低速発電機２１２が遙かに低いシャフト周波数を受けながら局所ＡＣ電力網に適合する周波数で電気エネルギーを出力することができるようになった発電機とすることができる。
【００３８】
図９に示す実施形態はまた、第３のシャフト９１０に結合されかつこの特定のシステム構成要素について上述したのと全く同じ方式で作動する蒸気タービン３０２を有することができる。その他の点に関しては、全体的に発電用タービンシステム９００のシステム構成要素は、他の実施形態における同じシステム構成要素について本明細書で説明しているのと同様に作動することができる。
【００３９】
本発明の好ましい実施形態の上記の説明から、当業者には幾つかの改良、変更及び修正が考えられるであろう。本技術分野の範囲内にあるそのような改良、変更及び修正は、提出した特許請求範囲によって保護されることを意図している。さらに、以上の説明は本出願の記載した実施形態のみに関するものであること、また特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本出願の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく本明細書において数多くの変更及び修正を加えることができることを、理解されたい。
【符号の説明】
【００４０】
１００  ガスタービンエンジン
１０４  軸流圧縮機
１０８  共通シャフト
１１２  タービン
１１６  発電機
１２０  燃焼器
２００  発電用タービンシステム
２０４  高圧タービンセクション
２０８  低圧タービンセクション
２１２  低速発電機
２１６  第１のシャフト
２２０  第２のシャフト
３００  発電用タービンシステム
３０２  蒸気タービン
４００  発電用タービンシステム
５００  発電用タービンシステム
６００  発電用タービンシステム
６０２  高圧圧縮機セクション
６０６  低圧圧縮機セクション
７００  発電用タービンシステム
８００  発電用タービンシステム
８０２  高速発電機
９００  発電用タービンシステム
９０２  第１のシャフト
９０４  高圧タービンセクション
９０５  高圧圧縮機セクション
９０６  第２のシャフト
９０８  中圧タービンセクション
９０９  低圧圧縮機セクション
９１０  第３のシャフト
９１２  低圧タービンセクション
【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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【図９】
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