(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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って、ガスタービンと発電機の間に動力伝達手段（１０）を備え、該動力伝達手段は、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ており、
前記動力伝達手段（１０）は、ガスタービンで回転駆動する中間歯車（１２）と、該中間歯車と同軸に配置され中間歯車と発電機を連結する軸継手（１４）とを備え、
前記中間歯車の出力軸は、中心に位置するロングシャフト（１３ａ）とこれを囲む中空軸（１２ａ）とからなり、ロングシャフトの一端が中空軸に連結され他端が軸継手に連結され、ロングシャフトと軸継手の合成ねじり剛性ＧＩｐが十分小さく、これにより、ロングシャフトと軸継手の弾性限度内の歪エネルギーの和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、ことを特徴とするガスタービン発電設備。
【請求項２】
前記軸継手（１４）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。
【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。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、頻度は地区により大きく異なる。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、設置長さを拡張する必要のない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、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って、ガスタービンと発電機の間に動力伝達手段（１０）を備え、該動力伝達手段は、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ており、前記動力伝達手段（１０）は、ガスタービンで回転駆動する中間歯車（１２）と、該中間歯車と同軸に配置され中間歯車と発電機を連結する軸継手（１４）とを備え、前記中間歯車の出力軸は、中心に位置するロングシャフト（１３ａ）とこれを囲む中空軸（１２ａ）とからなり、ロングシャフトの一端が中空軸に連結され他端が軸継手に連結され、ロングシャフトと軸継手の合成ねじり剛性ＧＩｐが十分小さく、これにより、ロングシャフトと軸継手の弾性限度内の歪エネルギーの和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、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】
上記本発明の構成によれば、動力伝達手段（１０）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、過大なトルク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。
また、ロングシャフトと軸継手のねじりバネ定数を適切な値に設定し、合成ねじり剛性ＧＩｐが十分小さく、ロングシャフトと軸継手の弾性限度内の歪エネルギーの和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することにより、瞬時電圧低下が発生したときの過大な伝達トルクを大幅に低減できる。
【００１２】
更に、前記軸継手（１４）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。
【００１３】
【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部分構成図である。この図において、１２は、図７のガスタービン１で回転駆動する中間歯車であり、５ａは図７の発電機５の入力軸である。すなわち図１は、図７のＡ部に対応する部分を示しており、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を回転駆動する発電設備である。
【００１４】
図１に示すように、本発明のガスタービン発電設備は、ガスタービンと発電機の間に動力伝達手段１０を備えている。この動力伝達手段１０は、中間歯車１２の出力軸としてその中心に位置するいわゆるクイル軸１３と軸継手１４とからなる。このクイル軸１３は、ロングシャフト１３ａとこれを囲む中空軸１２ａとからなる。中空軸１２ａは、その両端を軸受１２ｂで回転支持されている。また、ロングシャフト１３ａの一端（図で左端）は中空軸１２ａの左端部に例えばスプライン等で連結，保持され、他端（図で右端）は軸受１２ｃで回転支持され、軸継手１４に撓みエレメント等を介してに連結されている。
【００１５】
軸継手１４は、この図に示すように中間歯車１２と同軸に配置され、一端がロングシャフト１３ａに他端が発電機５に連結され、中間歯車と発電機を連結して回転トルクを伝達するようになっている。
【００１６】
更に、軸継手１４と発電機５との間、この例では、発電機５の入力軸５ａとその継手部材５ｂ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。
【００１７】
上述した構成の動力伝達手段１０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ている。すなわち、この例では、ロングシャフト１３ａと軸継手１４の合成ねじり剛性ＧＩｐが十分小さく、これにより、ロングシャフト１３ａと軸継手１４の合成バネ定数を下げて、ロングシャフト１３ａと軸継手１４の弾性限度内の歪エネルギーの和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なるように設定されている。すなわち、ロングシャフト１３ａを細くかつ長く構成することにより、合成バネ定数を下げ、ねじり変形時に内部に保有される歪エネルギーを大きくすることができる。
また、図１の軸継手１４は、両端部にダイヤフラム部を有し、軸心のズレを許容するようになっている。また、中間部に従来のようにシャーピンを設けず、一体の中空軸となっている。この軸継手もロングシャフト１３ａと同様に、細くかつ長く構成することにより、ねじり変形時に内部に保有される歪エネルギーを大きくすることができる。なお、図中のＬ１とＬ２は、従来例と同様に設定した場合を示している。更に、軸継手の中間部の軸は、中空軸の替わりに細い中実の軸であってもよい。
【００１８】
上述した構成により、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、ロングシャフト１３ａと軸継手１４のねじり変形により、短時間の瞬時最大発生トルクによる変動トルクエネルギを、歪エネルギーとしてその内部に弾性的に保有し、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。
また、ロングシャフト１３ａと中空軸１２ａが二重構成になっているので、ロングシャフト１３ａの採用による設置長さ（例えは図中のＬ１，Ｌ２）の拡張を回避することができる。更に、図１の油圧式トルクリミッター１６は、発電機５の入力軸５ａとその継手部材５ｂとの間に設けることができるので、設置長さをその分短縮することができる。なお、中空軸１２ａはホイール歯車と一体構造であってもよい。更に、ねじりの固有振動数を発電機回転数との共振を避けるために、ホイール歯車、又は、発電機に極慣性モーメントを調整するための付加質量を付着する場合がある。
【００１９】
また、歪エネルギーで十分に吸収できない過大トルクが作用し、伝達軸の許容トルクを超えた場合でも、金属疲労の影響がない油圧式トルクリミッターを用いることにより、各軸の損傷を防ぎ、かつ短時間で復帰することができ、かつ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を防止することができる。更に、この油圧式トルクリミッターが作動しても、内輪と外輪が同心に維持されるので、各軸の損傷を本質的に防止することができる。なお、油圧式トルクリミッターの替わりに他の方式（例えば電磁クラック等）のトルクリミッターを用いてもよい。
【００２０】
【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２は、本発明の動力伝達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、動力伝達手段１０のバネ定数であり、従来の軸継手４に対する比率で示している。また、縦軸は最大トルクであり、定常時の定格トルクに対する比率で示している。なお、従来の軸継手４における最大トルクは、軸継手が約４以上、ガスタービン出力軸（ＧＴ出力軸）が約３．５以上であった。
この図から、ガスタービン出力軸の最大許容トルク（定格トルクの約１．８倍）以下になるためには、バネ定数を従来の１／４０以下にすればよいことがわかる。
【００２１】
図３は、本発明の動力伝達手段を構成する軸継手の構成図である。この軸継手１４’は、図１の軸継手１４と同様に両端部にダイヤフラム部を有している。
図３の構成の軸継手１４’により、従来の軸継手４に対し、その長さを変えることなく、バネ定数を約１／２０までは設定可能である。しかし、単独では、目標の１／４０以下にはできないが、本発明ではクイル軸１３と組み合わせることにより、目標を達成することができる。
【００２２】
図４は、本発明の動力伝達手段を構成する軸継手１４と同様の別の軸継手の構成図である。この図に示すように、図１の軸継手１４に対してＬ２を２倍以上に長くすることにより、バネ定数を従来の１／４０以下にすることができる。しかしこの場合には、クイル軸１３と組み合わせた場合と比較して全長が長くなる。
【００２３】
図５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（バネ定数が従来の１／５０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５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。
また、図５（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ロングシャフト１３ａと軸継手１４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。
【００２４】
図６は、本発明の実施例を示す別のシミュレーション結果であり、（Ａ）は  バネ定数が従来の１／２０の場合、（Ｂ）は１／４０の場合を示している。
この図から（Ａ）ではＧＴ出力軸の最大値が約１．９、（Ｂ）では約１．６となっている。
すなわち、（Ａ）から、図３に示した軸継手の構成だけでは、目標を達成できないが、クイル軸１３と組み合わせれば、容易にこれを達成できることがわかる。また、（Ｂ）のバネ定数１／４０は、図４に示すように長さを延ばせば可能であるが、設置長さの拡張を回避するためには、クイル軸１３との組み合わせが必要であることがわかる。
【００２５】
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。
【００２６】
【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の減速機にクイル軸を設け、さらに軸継手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。
【００２７】
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部分構成図である。
【図２】本発明の動力伝達手段の特性図である。
【図３】本発明の動力伝達手段を構成する軸継手の構成図である。
【図４】本発明の動力伝達手段を構成する別の軸継手の構成図である。
【図５】本発明の実施例を示すシミュレーション結果である。
【図６】本発明の実施例を示す別の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  動力伝達手段
１２  中間歯車
１２ａ  中空軸
１２ｂ  軸受
１２ｃ  軸受
１３  クイル軸
１３ａ  ロングシャフト
１４，１４’  軸継手
１６  油圧式トルクリミッター
【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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