CN109642468B - 双轴燃气轮机发电设备 - Google Patents

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Abstract

双轴燃气轮机设备具备：向外部系统(1)进行输送和接受电力的感应电动机(22)、以及使感应电动机(22)的电动机转子(22r)的旋转速度低于双轴燃气轮机(10)的压缩机转子(11r)的旋转速度的减速器(40)。减速器(40)具有：压缩机侧轴(41)、电动机侧轴(42)、安装于压缩机侧轴(41)的第一压缩机侧斜齿轮(43)及第二压缩机侧斜齿轮(44)、以及安装于电动机侧轴(42)的第一电动机侧斜齿轮(45)及第二电动机侧斜齿轮(46)。第一压缩机侧斜齿轮(43)与第一电动机侧斜齿轮(45)啮合，第二压缩机侧斜齿轮(44)与第二电动机侧斜齿轮(46)啮合。

Description

双轴燃气轮机发电设备
技术领域
本发明涉及具备双轴燃气轮机和发电机的双轴燃气轮机发电设备。
本申请基于在2016年8月31日向日本申请的日本特愿2016-169765号而主张优先权，并将其内容援引于此。
背景技术
作为双轴燃气轮机发电设备，例如有以下的专利文献1记载的设备。该双轴燃气轮机发电设备具备双轴燃气轮机、发电机、电动机及频率转换器。在专利文献1记载的双轴燃气轮机设备中，根据需要经由减速器将压缩机转子与电动机的电动机转子机械地连结。
双轴燃气轮机具备对空气进行压缩并生成压缩空气的压缩机、使燃料在压缩空气中燃烧而生成燃烧气体的燃烧器、由燃烧气体驱动的高压涡轮、以及由从高压涡轮排出的废气驱动的低压涡轮。高压涡轮的转子与压缩机转子彼此机械地连结。另外，低压涡轮的转子与发电机的转子彼此机械地连结。但是，高压涡轮的转子与低压涡轮的转子不进行机械地连结。另外，如前述那样，在经由减速器将压缩机转子与电动机的电动机转子机械地连结的情况下，该减速器担负使电动机转子的旋转速度低于压缩机转子的旋转速度的作用。像这样，通过使用减速器来抑制电动机转子的旋转速度，从而能够使用通用电动机作为电动机，能够抑制设备成本。
在针对双轴燃气轮机发电设备的要求输出急剧增加的情况下，即便使向燃烧器供给的燃料的流量增加来提高发电机的输出，有时也无法使发电机输出追随要求输出的急增。因此，在专利文献1记载的技术中，暂时将电动机用作发电机，通过由电动机发电得到的电力，利用来自电动机的输出来弥补发电机输出相对于要求输出的不足的量。另外，在针对双轴燃气轮机发电设备的要求输出急剧减少的情况下，即便使向燃烧器供给的燃料的流量减少而降低发电机的输出，有时也无法使发电机输出追随要求输出的急减。因此，在专利文献1记载的技术中，将发电机输出相对于要求输出的剩余的量经由外部系统提供给电动机。因此，在专利文献1记载的技术中，存在电动机从压缩机侧接受转矩的情况、和电动机向压缩机侧提供转矩的情况。即，在专利文献1记载的技术中，在要求输出的急增、急减等情况下，电动机与压缩机之间的转矩传递的方向改变。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2014/020772号
发明内容
发明要解决的课题
减速器一般具备多个齿轮。在彼此啮合的一对齿轮间存在被称为齿隙的间隙。上述专利文献1记载的双轴燃气轮机设备具备减速器，假若在该减速器具有多个正齿轮的情况下，当电动机与压缩机之间的转矩传递的方向改变时，由于齿隙的存在，转矩传递的响应性下降。在燃气轮机发电设备的领域，要求输出急变时的响应性的确保是重要的课题。
因此，本发明的目的在于提供能够抑制电动机所需要的允许最高旋转速度并且能够将转矩传递的方向改变时的转矩传递的延迟抑制到最小的双轴燃气轮机发电设备。
用于解决课题的方案
作为用于达成上述目的的发明的一方案的双轴燃气轮机发电设备具备：压缩机，其具有压缩机转子，且通过所述压缩机转子的旋转而对空气进行压缩并生成压缩空气；燃烧器，其使燃料在所述压缩空气中燃烧并生成燃烧气体；高压涡轮，其具有与所述压缩机转子机械地连结的高压涡轮转子，且所述高压涡轮转子通过所述燃烧气体而旋转；低压涡轮，其具有不与所述高压涡轮转子连结的低压涡轮转子，且所述低压涡轮转子通过从所述高压涡轮排出的所述燃烧气体而旋转；发电机，其通过所述低压涡轮转子的旋转而进行发电，且与供交流电力流动的外部系统电连接；感应电动机，其和所述发电机并联地与所述外部系统电连接，且向所述外部系统输送电力和从所述外部系统接受电力；频率转换器，其以电连接关系设置于所述感应电动机与所述外部系统之间，并控制所述感应电动机与所述外部系统之间的电力的输送和接受，并且，在使来自所述感应电动机的电力向外部系统侧输送时，将来自所述感应电动机的电力的频率转换为所述外部系统的频率，在接受来自所述外部系统侧的电力并使其向所述感应电动机供给时，将来自所述外部系统的电力的频率转换为所述感应电动机的频率；以及减速器，其使所述感应电动机的电动机转子的旋转速度低于所述压缩机转子的旋转速度。所述减速器具有：压缩机侧轴，其与所述压缩机转子机械地连结；电动机侧轴，其与所述压缩机侧轴隔开间隔地平行配置，且与所述电动机转子机械地连结；第一压缩机侧斜齿轮，其安装于所述压缩机侧轴并与所述压缩机侧轴一体旋转；第一电动机侧斜齿轮，其安装于所述电动机侧轴并与所述电动机侧轴一体旋转，且与所述第一压缩机侧斜齿轮啮合；第二压缩机侧斜齿轮，其安装于所述压缩机侧轴并与所述压缩机侧轴一体旋转；以及第二电动机侧斜齿轮，其安装于所述电动机侧轴并与所述电动机侧轴一体旋转，且与所述第二压缩机侧斜齿轮啮合。
在该双轴燃气轮机发电设备中，由于使用斜齿轮作为减速器的齿轮，因此，例如与使用正齿轮作为减速器的齿轮的情况相比，能够缩短在压缩机侧轴与电动机侧轴之间转矩传递的方向改变时的到压缩机侧的齿轮与电动机侧的齿轮接触为止的时间。因此，在该双轴燃气轮机发电设备中，能够将转矩传递的方向改变时的转矩传递的延迟抑制到最小。
在此，在所述双轴燃气轮机发电设备中，也可以是具有如下特性的电动机，即：在包括使针对所述高压涡轮转子而预先设定的额定旋转速度乘以基于所述减速器的减速比而得到的旋转速度在内的旋转速度域，所述感应电动机使电动机输出相对于旋转速度的变化而单调增加或单调减少。
在该双轴燃气轮机发电设备中，能够容易地进行在使感应电动机作为发电机发挥功能的状态与使感应电动机作为电动机发挥功能的状态之间进行功能切换时的电动机输出的管理。
另外，在所述双轴燃气轮机发电设备中，也可以是，所述高压涡轮转子的所述额定旋转速度为4000rpm～7000rpm。
另外，在以上任一所述双轴燃气轮机发电设备中，也可以是，所述减速器的减速比为9/10～1/5。另外，在以上任一所述双轴燃气轮机发电设备中，也可以是，所述减速器的减速比为使所述电动机转子的旋转速度成为发电机的旋转速度的减速比。
另外，在以上任一所述双轴燃气轮机发电设备中，所述第二压缩机侧斜齿轮的齿线的扭转的方向与所述第一压缩机侧斜齿轮的齿线的扭转的方向为相反的方向。
在该双轴燃气轮机发电设备中，能够利用在第二压缩机侧斜齿轮与第二电动机侧斜齿轮之间产生的推力来抵消在第一压缩机侧斜齿轮与第一电动机侧斜齿轮之间产生的推力的至少一部分。
另外，在以上任一所述双轴燃气轮机发电设备中，也可以是，所述第二压缩机侧斜齿轮的齿数与所述第一压缩机侧斜齿轮的齿数不同。
在该双轴燃气轮机发电设备中，能够进一步抑制转矩传递的方向改变时的转矩传递的延迟。
另外，在以上任一所述双轴燃气轮机发电设备中，也可以是，所述减速器具有压缩机侧连结件和电动机侧连结件中的一方的连结件，该压缩机侧连结件将所述第一压缩机侧斜齿轮及所述第二压缩机侧斜齿轮以不能相对于所述压缩机侧轴进行相对旋转且能够相对于所述压缩机侧轴沿所述压缩机侧轴延伸的推力方向进行相对移动的方式安装于所述压缩机侧轴，该电动机侧连结件将所述第一电动机侧斜齿轮及所述第二电动机侧斜齿轮以不能相对于所述电动机侧轴进行相对旋转且能够相对于所述电动机侧轴沿所述电动机侧轴延伸的推力方向进行相对移动的方式安装于所述电动机侧轴。
在该双轴燃气轮机发电设备中，能够相对于压缩机侧轴的推力方向上的移动，抑制电动机侧轴及电动机转子的推力方向上的移动。
另外，在以上任一所述双轴燃气轮机发电设备中，也可以是，所述双轴燃气轮机发电设备具备将所述压缩机转子与所述压缩机侧轴机械地连结的联轴器，所述联轴器具有位移吸收部，该位移吸收部吸收所述压缩机转子的推力方向与所述压缩机转子的径向中的至少一方向上的所述压缩机转子的位移。
在该双轴燃气轮机发电设备中，即使压缩机转子的端部向推力方向或径向位移，也能够利用联轴器来吸收该位移。
另外，也可以是，所述联轴器为膜片联轴器。
发明效果
根据本发明的一方案，能够抑制电动机所要求的允许最高旋转速度并且能够将转矩传递的方向改变时的转矩传递的延迟抑制到最小。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的双轴燃气轮机发电设备的系统图。
图2是本发明的一实施方式的减速器的立体图。
图3是本发明的一实施方式的第一电动机侧斜齿轮的示意性的俯视图。
图4是图3中的IV-IV线剖视图。
图5是图3中的V-V线剖视图。
图6是本发明的一实施方式的膜片联轴器的示意性剖视图。
图7是表示本发明的一实施方式的接收到急剧增加的要求输出时的输出变化的说明图。
图8是表示比较例的接收到急剧增加的要求输出时的输出变化的说明图。
图9是本发明的一实施方式的变形例的减速器的示意性侧视图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的双轴燃气轮机发电设备的一实施方式进行详细说明。
如图1所示，本实施方式的双轴燃气轮机发电设备具备双轴燃气轮机10、发电机21、感应电动机22、控制感应电动机22与外部系统1之间的电力的输送和接受的频率转换器24、减速器40及控制装置50。
双轴燃气轮机10具备对空气A进行压缩而生成压缩空气的压缩机11、使燃料F在压缩空气中燃烧而生成燃烧气体的燃烧器12、调节向燃烧器12供给的燃料F的流量的燃料调节阀15、利用来自燃烧器12的燃烧气体进行驱动的高压涡轮13、以及利用从高压涡轮13排出的燃烧气体进行驱动的低压涡轮14。
压缩机11具有以第一轴线A1为中心进行旋转的压缩机转子11r和覆盖该压缩机转子11r的压缩机壳体11c。高压涡轮13具有以第一轴线A1为中心进行旋转的高压涡轮转子13r和覆盖该高压涡轮转子13r的高压涡轮壳体13c。压缩机转子11r及高压涡轮转子13r均位于第一轴线A1上，通过彼此连结而构成第一转子17。低压涡轮14具有以第二轴线A2为中心进行旋转的低压涡轮转子14r和覆盖低压涡轮转子14r的低压涡轮壳体14c。燃烧器12通过燃料线16而与燃料供给源连接。在该燃料线16上设置有燃料调节阀15。
感应电动机22具有以与第一轴线A1平行的第三轴线A3为中心进行旋转的电动机转子22r和覆盖电动机转子22r的电动机壳体22c。电动机转子22r经由减速器40而与压缩机转子11r机械地连结。
减速器40使电动机转子22r的旋转速度低于压缩机转子11r的旋转速度。具体而言，在压缩机转子11r及高压涡轮转子13r的额定转速为4000rpm～7000rpm的情况下，减速器40例如相对于该额定转速而将电动机转子22r的旋转速度设为3600rpm～1600rpm左右。因此，该减速器40的减速比例如为9/10～1/5左右。
减速器40具有压缩机侧轴41、电动机侧轴42、第一压缩机侧斜齿轮43、第一电动机侧斜齿轮45、第二压缩机侧斜齿轮44及第二电动机侧斜齿轮46。压缩机侧轴41经由第一膜片联轴器25与压缩机转子11r机械地连结。该压缩机侧轴41位于压缩机转子11r的延长线上，实质上以第一轴线A1为中心进行旋转。电动机侧轴42直接连结于电动机转子22r。该电动机侧轴42位于电动机转子22r的延长线上，以第三轴线A3为中心进行旋转。因此，该电动机侧轴42与压缩机侧轴41隔开间隔地平行配置。第一压缩机侧斜齿轮43及第二压缩机侧斜齿轮44均安装于压缩机侧轴41并与压缩机侧轴41一体旋转。第一电动机侧斜齿轮45及第二电动机侧斜齿轮46均安装于电动机侧轴42并与电动机侧轴42一体旋转。第一压缩机侧斜齿轮43与第一电动机侧斜齿轮45啮合。另外，第二压缩机侧斜齿轮44与第二电动机侧斜齿轮46啮合。
发电机21具有以第二轴线A2为中心进行旋转的发电机转子21r和覆盖发电机转子21r的发电机壳体21c。该发电机21为同步发电机。该发电机21的额定旋转速度例如为3000rpm或3600rpm。在发电机21的旋转速度为额定旋转速度的情况下，该减速器40将电动机转子22r的旋转速度设为同步发电机21的额定转速(3000rpm或3600rpm)左右。发电机转子21r及低压涡轮转子14r均位于第二轴线A2上，并通过经由第二膜片联轴器26彼此连结而构成第二转子18。该第二转子18未连结于第一转子17。因此，第二转子18能够与第一转子17的旋转独立地进行旋转。
发电机21通过主电力路径31与外部系统1电连接。在该主电力路径31设置有变压器32及断路器33。感应电动机22与发电机21并联地通过副电力路径34而与外部系统1电连接。在该副电力路径34上设置有频率转换器24、变压器35及断路器36的变压器35及断路器36设置于比频率转换器24靠外部系统1侧的位置。
频率转换器24在向外部系统1侧输送来自感应电动机22的电力时，将来自感应电动机22的电力的频率转换为外部系统1的频率。另外，该频率转换器24在接受来自外部系统1侧的电力并向感应电动机22供给时，将外部系统1的电力的频率转换为感应电动机22的频率。因此，感应电动机22担负作为使第一转子17旋转的电动机的功能和作为发电机的功能。因此，感应电动机22能够从担负作为电动机的功能的状态切换为担负作为发电机的功能的状态，并且能够从担负作为发电机的功能的状态切换为担负作为电动机的功能的状态。像这样，在存在功能切换的感应电动机22中，从电动机输出管理上来看，优选的是，切换时的电动机输出相对于电动机旋转速度的变化线性地变化。感应电动机22的功能切换是在发电机21向外部系统1输送电力的模式(以下，将该模式称为发电模式)时产生的。因此，在本实施方式中，作为感应电动机22，使用具有如下特性的电动机，即：在发电模式下的感应电动机22的旋转速度范围内，相对于电动机旋转速度的变化而电动机输出单调减少或电动机输出单调增加。具体而言，优选使用具有如下特性的电动机，即：在发电模式下，在压缩机转子11r的旋转速度为6000rpm左右且此时的电动机转子22r的旋转速度例如为3000rpm左右的情况下，在3000rpm±20％的旋转速度范围内，相对于电动机旋转速度的变化而电动机输出单调地减少或单调地增加。
控制装置50具有接收来自各种计量仪器的输出、来自外部的各种信息等的接受部51、进行各种判断的判断部52、控制燃料调节阀15的开度的燃料控制部54、以及控制频率转换器24的转换控制部53。
控制装置50由计算机构成。接受部51及各控制部53、54由计算机的输入输出接口、进行各种运算的CPU及保存CPU执行的程序的存储器等构成。判断部52由计算机的CPU及存储器等构成。
如图2所示，斜齿轮为齿线相对于该斜齿轮的轴线倾斜地扭转而形成的齿轮。与第一压缩机侧斜齿轮43啮合的第一电动机侧斜齿轮45的齿线的扭转的方向与第一压缩机侧斜齿轮43的齿线的扭转的方向为相反的方向。另外，与第二压缩机侧斜齿轮44啮合的第二电动机侧斜齿轮46的齿线的扭转的方向与第二压缩机侧斜齿轮44的齿线的扭转的方向为相反的方向。另外，第二压缩机侧斜齿轮44的齿线的扭转的方向与第一压缩机侧斜齿轮43的齿线的扭转的方向为相反的方向。因此，第二电动机侧斜齿轮46的齿线的扭转的方向为与第一电动机侧斜齿轮45的齿线的扭转的方向相反的方向。另外，四个斜齿轮的齿线的扭转角度彼此相同。
第二压缩机侧斜齿轮44的齿数与第一压缩机侧斜齿轮43的齿数相同。第二电动机侧斜齿轮46的齿数与第一电动机侧斜齿轮45的齿数相同。需要说明的是，在压缩机转子11r的旋转速度为6000rpm左右且将电动机转子22r的旋转速度设为3000rpm左右的情况下，第一电动机侧斜齿轮45的齿数为第一压缩机侧斜齿轮43的齿数的两倍左右，第二电动机侧斜齿轮46的齿数为第二压缩机侧斜齿轮44的齿数的两倍左右。
在第一电动机侧斜齿轮45及第二电动机侧斜齿轮46的轴插通孔的内周面形成有键槽45c，该键槽45c相对于第三轴线A3朝向径向外侧凹陷并沿轴线方向延伸。另外，在电动机侧轴42的外周面形成有键槽42c，该键槽42c相对于第三轴线A3朝向径向内侧凹陷并沿轴线方向延伸。在第一电动机侧斜齿轮45的键槽45c、第二电动机侧斜齿轮46的键槽45c及电动机侧轴42的键槽42c插入有一个键(电动机侧连结件)47。通过该键构造，第一电动机侧斜齿轮45及第二电动机侧斜齿轮46均以不能相对于电动机侧轴42进行相对旋转且能够沿第三轴线A3延伸的轴线方向(推力方向)进行相对移动的方式安装于电动机侧轴42。需要说明的是，在本实施方式中，第二电动机侧斜齿轮46以不能相对于第一电动机侧斜齿轮45沿轴线方向进行相对移动的方式与第一电动机侧斜齿轮45连结。
第一压缩机侧斜齿轮43及第二压缩机侧斜齿轮44均以不能相对于压缩机侧轴41进行相对旋转且不能沿第一轴线A1延伸的轴线方向进行相对移动的方式安装于压缩机侧轴41。为了将第一压缩机侧斜齿轮43及第二压缩机侧斜齿轮44如以上那样安装于压缩机侧轴41，例如有采用前述的键构造并且将防脱螺母等拧入压缩机侧轴41的方法等。
如图6所示，第一膜片联轴器25及第二膜片联轴器26均具有一对凸缘25f和中心管25c。中心管25c配置在一对凸缘25f间，并将一对凸缘25f相互连结。该中心管(位移吸收部)25c为扭转刚性较高而相对于弯曲、压缩较为柔和的构造物。因此，在使用第一膜片联轴器25来连结减速器40的压缩机侧轴41和压缩机转子11r时，能够实质上没有浪费地向压缩机转子11r传递压缩机侧轴41的转矩。另外，在压缩机转子11r热伸长而压缩机转子11r的端部的位置位移的情况下，或在压缩机侧轴41相对于压缩机转子11r向径向偏移的情况下，能够利用该第一膜片联轴器25来吸收上述位移等。另外，在使用第二膜片联轴器26来连结第二转子18和发电机转子21r时，能够实质上没有浪费地向发电机转子21r传递第二转子18的转矩。另外，在第二转子18热伸长而第二转子18的端部的位置位移的情况下，或在发电机转子21r相对于第二转子18向径向偏移的情况下，能够利用该第二膜片联轴器26来吸收上述位移等。
需要说明的是，在此使用了膜片联轴器，但只要是能够吸收轴或转子的伸长、轴或转子的偏移等的联轴器，则也可以并不特别地为膜片联轴器。
接着，对以上说明的双轴燃气轮机发电设备的动作进行说明。
如图1所示，双轴燃气轮机10的压缩机11对空气A进行压缩，并将压缩后的空气A向燃烧器12供给。除了被压缩后的空气A之外，还向燃烧器12供给燃料F。在燃烧器12内，燃料F在被压缩后的空气A中燃烧，并生成高温高压的燃烧气体。该燃烧气体从燃烧器12被输送到高压涡轮壳体13c内，并使高压涡轮转子13r旋转。在该高压涡轮13产生的旋转驱动力用于压缩机转子11r的旋转。使高压涡轮转子13r旋转后的燃烧气体从高压涡轮壳体13c排出，并流入到低压涡轮壳体14c内。该燃烧气体使低压涡轮转子14r旋转。通过该低压涡轮转子14r的旋转，与该低压涡轮转子14r连结的发电机转子21r也进行旋转。其结果是，发电机21进行发电。来自发电机21的电力经由主电力路径31而向外部系统1输送。
在向控制装置50的接受部51输入起动指令时，控制装置50的转换控制部53例如以预先设定的起动方式控制频率转换器24，直到双轴燃气轮机10转移到发电模式。另外，控制装置50的燃料控制部54例如以预先设定的起动方式控制燃料调节阀15的开度，直到双轴燃气轮机10转移到发电模式。
具体而言，转换控制部53使频率转换器24从外部系统1接受电力，并使频率转换器24向感应电动机22输送该电力。此时，频率转换器24按照来自转换控制部53的指示，使向感应电动机22输送的电力的频率逐渐上升。其结果是，双轴燃气轮机10的第一转子17开始旋转，该第一转子17的旋转速度逐渐提高。在第一转子17的旋转速度成为规定的旋转速度以上时，燃料控制部54将燃料调节阀15打开，使该燃料调节阀15的开度逐渐增大。其结果是，开始向燃烧器12的燃料供给，向燃烧器12的燃料供给量逐渐增加。此时，由于压缩机转子11r也以规定的旋转速度以上的旋转速度进行旋转，因此，压缩机11对空气A进行压缩，并将压缩空气向燃烧器12供给。伴随着压缩机转子11r的旋转速度的提高，该压缩空气的压力提高，并且向燃烧器12供给的压缩空气的流量也增加。在燃烧器12内，燃料F在压缩空气中燃烧，并生成高温高压的燃烧气体。该燃烧气体从燃烧器12被输送到高压涡轮壳体13c内，并使高压涡轮转子13r旋转。在该高压涡轮13产生的旋转驱动力用于压缩机转子11r的旋转。使高压涡轮转子13r旋转后的燃烧气体从高压涡轮壳体13c排出，并流入到低压涡轮壳体14c内。该燃烧气体使低压涡轮转子14r旋转。
伴随着燃料供给量的增加，燃烧器12中的燃烧气体的产生量增加，在高压涡轮转子13r的旋转速度提高时，包括高压涡轮转子13r及压缩机转子11r在内的第一转子17能够自行旋转。在成为该状态时，结束从外部系统1向感应电动机22的电力供给。之后，燃料供给量也会增加，第一转子17及第二转子18的旋转速度进一步提高。在第二转子18的旋转速度即低压涡轮转子14r的旋转速度及发电机转子21r的旋转速度例如达到3000rpm时，断路器33关闭，发电机21并入到外部系统1中。其结果是，向外部系统1输送由发电机转子21r的旋转产生的电力。
在发电机21并入到外部系统1中时，双轴燃气轮机10的起动模式结束，转移到发电模式。
在发电模式下，控制装置50基本上根据来自外部的要求输出DP等来控制频率转换器24及燃料调节阀15等。
针对双轴燃气轮机10的输出变化率、即发电机21的输出变化率，从高压涡轮13及低压涡轮14的保护等的观点来看，确定有最大输出变化率dGPmax。需要说明的是，在此的输出变化率是指输出的每单位时间的变化量。在该最大输出变化率dGPmax中有输出增加时的正的最大输出变化率dGPmax和输出下降时的负的最大输出变化率dGPmax。另外，在要求输出变化率dDP中也有要求输出DP增加时的正的要求输出变化率dDP和要求输出DP下降时的负的要求输出变化率dDP。
在要求输出变化率dDP为0的情况下、即在要求输出DP不变化的情况下，燃料控制部54以使发电机输出GP成为与要求输出DP相匹配的输出的方式确定燃料流量，并向燃料调节阀15指示与该燃料流量相应的开度。在要求输出变化率dDP的绝对值为发电机21的最大输出变化率dGPmax的绝对值以下的情况下，燃料控制部54以使发电机输出GP的变化率与要求输出变化率dDP相匹配的方式确定燃料流量，并向燃料调节阀15指示与该燃料流量相应的开度。在要求输出变化率dDP的绝对值比发电机21的最大输出变化率dGPmax的绝对值大的情况下，燃料控制部54以使发电机输出GP的变化率与发电机输出GP的最大输出变化率dGPmax相匹配的方式确定燃料流量，并向燃料调节阀15指示与该燃料流量相应的开度。另外，燃料控制部54并不比较要求输出变化率dDP的绝对值与发电机21的最大输出变化率dGPmax的绝对值的大小关系，而是首先以使发电机输出GP成为与要求输出DP相匹配的输出的方式确定燃料流量。之后，燃料控制部54对该燃料流量的变化率施加限制，并向燃料调节阀15指示与被限制的燃料流量相应的开度。
控制装置50的判断部52判断要求输出变化率dDP的绝对值是否比发电机21的最大输出变化率dGPmax的绝对值大。在判断部52判断为要求输出变化率dDP的绝对值比发电机21的最大输出变化率dGPmax的绝对值大时，判断部52判断接受部51接收到的要求输出DP的变化率dDP是否为正，即判断要求输出DP为急增还是急减，并将该结果通知给转换控制部53。
在要求输出DP为急增的情况下，转换控制部53利用频率转换器24向外部系统1输送来自感应电动机22的电力MP。此时，如图7所示，转换控制部53利用频率转换器24对从感应电动机22向外部系统1输送的电力MP进行控制，以使将接受到要求输出DP后的各时刻的发电机输出GP与同时刻的从感应电动机22向外部系统1输送的电力MP相加而得到的值(＝GP+MP)成为同时刻的要求输出DP。因此，在要求输出DP为急增的情况下，从感应电动机22向外部系统1输送的电力MP最初会伴随着时间经过而增加。感应电动机22输送和接受的电力MP的能量源为第一转子17及与该第一转子17机械地连结的旋转系的旋转惯性能量。因此，感应电动机22输送和接受的电力量存在限度。因此，从感应电动机22向外部系统1输送的电力MP最初会增加，在成为感应电动机22的最大允许输出MPmax后减少。
像这样，在相对于要求输出DP的急增而发电机输出GP无法追随的情况下，在本实施方式中，将感应电动机22暂时用作发电机，通过由感应电动机22发电得到的电力MP，利用来自感应电动机22的电力MP来弥补发电机输出GP相对于要求输出DP的不足的量。
在要求输出DP为急减的情况下，转换控制部53利用频率转换器24向感应电动机22供给从外部系统1接受到的电力MP。此时，转换控制部53利用频率转换器24对向感应电动机22供给的电力MP进行控制，以使将接受到要求输出DP后的各时刻的发电机输出GP与同时刻的从外部系统1接受并向感应电动机22供给的电力(在该情况下，电力值为负值)MP相加而得到的值(＝GP+MP(＜0))成为同时刻的要求输出DP。因此，在要求输出DP为急减的情况下，从外部系统1接受并向感应电动机22供给的电力MP最初会增加，在成为感应电动机22的最大允许输出MPmax后减少。
像这样，在相对于要求输出DP的急减而发电机输出GP无法追随的情况下，在本实施方式中，向感应电动机22供给来自外部系统1的电力MP，发电机输出GP相对于要求输出DP的剩余的量经由外部系统1而提供给感应电动机22。
如以上那样，在本实施方式中，存在感应电动机22从压缩机侧接受转矩的情况和感应电动机22向压缩机侧提供转矩的情况。即，在本实施方式中，感应电动机22与压缩机之间的转矩传递的方向改变。
在本实施方式中，为了抑制感应电动机22的允许最高旋转速度，在感应电动机22与压缩机11之间夹设有减速器40。在减速器中的彼此啮合的一对齿轮间存在被称为齿隙的间隙。假若在减速器具备多个正齿轮的情况下，在感应电动机22与压缩机11之间的转矩传递的方向改变时，由于齿隙的存在，转矩传递的响应性下降。
本实施方式的减速器40使用斜齿轮作为多个齿轮。如图3及图4所示，彼此啮合的一对斜齿轮始终在包括各斜齿轮的中心轴线在内的假想平面VP内点接触。即，在本实施方式中，第一压缩机侧斜齿轮43的多个齿面中的横切假想平面VP的齿面的一点与第一电动机侧斜齿轮45的多个齿面中的横切假想平面VP的齿面的一点始终点接触。
假设从第一压缩机侧斜齿轮43向第一电动机侧斜齿轮45传递着转矩。并且，第一压缩机侧斜齿轮43的多个齿中的第一齿(以下，设为第一压缩机侧齿)43t1位于第一电动机侧斜齿轮45的多个齿中的第一齿(以下，设为第一电动机侧齿)45t1与第二齿(以下，设为第二电动机侧齿)45t2之间。而且，第一压缩机侧齿43t1的旋转侧齿面43t1a的一点和第二电动机侧齿45t2的反旋转侧齿面45t2b的一点均位于假想平面VP上并彼此接触。在该情况下，在第一压缩机侧齿43t1的反旋转侧齿面43t1b与第一电动机侧齿45t1的旋转侧齿面45t1a之间存在被称为齿隙的间隙GO。
在以上的情况下，第一压缩机侧斜齿轮43和第一电动机侧斜齿轮45除了第一压缩机侧齿43t1的旋转侧齿面45t1a与第二电动机侧齿45t2的反旋转侧齿面45t2b的接触点CP之外并不接触。因此，在以上的情况下，如图3及图5所示，第一电动机侧斜齿轮45的多个齿中的在假想平面VP内存在于从接触点CP沿轴线方向偏移的位置的第x齿(以下，设为第x电动机侧齿)45tx不与第一压缩机侧斜齿轮43中的任何齿接触。在此，将第一电动机侧斜齿轮45的多个齿中的与第x电动机侧齿45tx在反旋转侧相邻的齿设为第(x-1)电动机侧齿45t(x-1)，将第一压缩机侧斜齿轮43的多个齿中的存在于第一电动机侧斜齿轮45的第x电动机侧齿45tx与第(x-1)电动机侧齿45t(x-1)之间的齿设为第(x-1)压缩机侧齿43t(x-1)。在第x电动机侧齿45tx的反旋转侧齿面45txb与第(x-1)压缩机侧齿43t(x-1)的旋转侧齿面43t(x-1)a之间存在间隙。而且，在第(x-1)压缩机侧齿43t(x-1)的反旋转侧齿面43t(x-1)b与第(x-1)电动机侧齿45t(x-1)的旋转侧齿面45t(x-1)a之间也存在间隙G1。上述间隙G1尺寸比前述的齿隙GO的尺寸小。
在处于以上的状态时，转矩传递的方向改变为从第一电动机侧斜齿轮45向第一压缩机侧斜齿轮43。在从第一电动机侧斜齿轮45向第一压缩机侧斜齿轮43传递转矩的情况下，第一电动机侧斜齿轮45的旋转侧齿面45ta与第一压缩机侧斜齿轮43的反旋转侧齿面43tb成为点接触。即，第(x-1)电动机侧齿45t(x-1)的旋转侧齿面45t(x-1)a与第(x-1)压缩机侧齿43t(x-1)的反旋转侧齿面43t(x-1)b成为点接触。如前述那样，在转矩传递的方向刚要改变之前，第(x-1)压缩机侧齿43t(x-1)的反旋转侧齿面43t(x-1)b与第(x-1)电动机侧齿45t(x-1)的旋转侧齿面45t(x-1)a之间的间隙G1尺寸比齿隙G0的尺寸小。因此，到第(x-1)压缩机侧齿43t(x-1)的反旋转侧齿面43t(x-1)b与第(x-1)电动机侧齿45t(x-1)的旋转侧齿面45t(x-1)a接触为止的时间变短。
因此，在本实施方式中，能够将转矩传递的方向改变时的转矩传递的延迟抑制到最小。
另外，如前述那样，斜齿轮为齿线相对于轴线倾斜地扭转而形成的齿轮。因此，如图3所示，在彼此啮合的一对斜齿轮间作用有相对于轴线倾斜的力F。因此，在一对斜齿轮间作用有该力的分力中的轴线方向上的力即推力。接受设置有斜齿轮的轴的轴承需要接受作用于一对斜齿轮间的推力。
在本实施方式中，除了彼此啮合的第一压缩机侧斜齿轮43和第一电动机侧斜齿轮45之外，还设置有彼此啮合的第二压缩机侧斜齿轮44和第二电动机侧斜齿轮46。而且，第二压缩机侧斜齿轮44的齿线的扭转的方向与第一压缩机侧斜齿轮43的齿线的扭转的方向为相反的方向，第二电动机侧斜齿轮46的齿线的扭转的方向与第一电动机侧斜齿轮45的齿线的扭转的方向为相反的方向。因此，在本实施方式中，作用于彼此啮合的第二压缩机侧斜齿轮44与第二电动机侧斜齿轮46之间的推力与作用于彼此啮合的第一压缩机侧斜齿轮43与第一电动机侧斜齿轮45之间的推力为相反的方向。因此，在本实施方式中，作用于第一压缩机侧斜齿轮43与第一电动机侧斜齿轮45之间的推力被作用于第二压缩机侧斜齿轮44与第二电动机侧斜齿轮46之间的推力抵消。因此，在本实施方式中，能够谋求接受减速器40的压缩机侧轴41及电动机侧轴42的轴承的简化或小型化。
如以上那样，本实施方式的减速器40具有两对斜齿轮。如前述那样，感应电动机22输送和接受的电力MP的能量源为第一转子17及与该第一转子17机械地连结的旋转系的旋转惯性能量。在本实施方式中，在该旋转系中包含有两对斜齿轮。因此，在本实施方式中，与将电动机转子22r与压缩机转子11r直接连结的情况、减速器仅具有一对斜齿轮的情况相比，旋转系的旋转惯性能量变大。
在此，将使电动机转子22r与压缩机转子11r直接连结的双轴燃气轮机发电设备作为比较例，参照图8，对在该比较例中要求输出DP急增的情况下的输出变化进行说明。
在比较例中，也与上述实施方式同样地，在要求输出DP急增时，向外部系统1输送来自感应电动机22的电力MP。如前述那样，感应电动机22输送和接受的电力MP的能量源为第一转子17及与该第一转子17机械地连结的旋转系的旋转惯性能量。在比较例中，由于不具有减速器40，因此，与本实施方式相比，旋转系的旋转惯性能量变小。因此，即使假若比较例的电动机的最大允许输出MPmax与本实施方式的感应电动机22的最大允许输出MPmax相同，能够从比较例的电动机向外部系统1输送电力MP的时间T2也比能够从本实施方式的感应电动机22向外部系统1输送电力MP的时间T1(参照图7)短。其结果是，在比较例的双轴燃气轮机发电设备中，在要求输出DP急变的情况下，从该双轴燃气轮机发电设备向外部系统1输送的电力追随要求输出DP的时间带变短。
另一方面，在本实施方式中，在第一转子17及与该第一转子17机械地连结的旋转系中包含有两对斜齿轮。因此，在本实施方式中，与比较例、减速器仅具有一对斜齿轮的情况相比，旋转系的旋转惯性能量变大。因此，在本实施方式中，与比较例、减速器仅具有一对斜齿轮的情况相比，在要求输出DP急变的情况下，从该双轴燃气轮机发电设备向外部系统1输送的电力追随要求输出DP的时间带变长。即，在本实施方式中，能够提高双轴燃气轮机发电设备的输出相对于要求输出变化的追随性。
如以上那样，在本实施方式中，由于经由减速器40将压缩机转子11r与电动机转子22r机械地连结，因此，能够抑制感应电动机22所需要的允许最高旋转速度。因此，在本实施方式中，由于不需要使用允许最高旋转速度例如为6000rpm的特殊的电动机，因此，能够抑制设备成本。
用于使停止的压缩机转子11r旋转的转矩、用于在发电模式下辅助压缩机转子11r的旋转的转矩均成为较大的转矩。假若在将压缩机转子11r与电动机转子22r直接连结的情况下，例如不仅在起动时的旋转速度为0～100rpm的情况下，在发电模式下的旋转速度为6000rpm的情况下，也要求较大的转矩。像这样，为了在较宽的旋转速度范围内得到较大的转矩，需要使用起动电动机和辅助电动机这二台电动机。在本实施方式中，如前述那样，由于能够抑制允许最高旋转速度，因此，能够缩窄需要较大的转矩的旋转速度范围。因此，在本实施方式中，能够利用一台电动机来应对起动时及辅助时这两方。
在本实施方式中，由于使用斜齿轮作为减速器40的齿轮，因此，能够将转矩传递的方向改变时的转矩传递的延迟抑制到最小。另外，在本实施方式中，由于使用齿线的扭转方向为彼此相反的方向的两对斜齿轮，因此，能够抑制推力的产生。
双轴燃气轮机10的第一转子17及第二转子18会因由双轴燃气轮机10的运转产生的热量而伸长。在本实施方式中，由于经由第一膜片联轴器25将第一转子17与减速器40的压缩机侧轴41机械地连结，因此，能够利用该第一膜片联轴器25来吸收第一转子17的热伸长。另外，在本实施方式中，由于经由第二膜片联轴器26将第二转子18与发电机转子21r机械地连结，因此，能够利用该第二膜片联轴器26来吸收第二转子18的热伸长。
在本实施方式中，在减速器40的压缩机侧轴41设置有推力轴承27。如以上那样，即使利用第一膜片联轴器25将第一转子17的热伸长吸收某一程度，也未必能够吸收第一转子17的热伸长的全部。因此，为了限制减速器40的压缩机侧轴41的推力方向上的移动，在该压缩机侧轴41设置有推力轴承27。像这样，通过设置推力轴承27，从而能够减小压缩机侧轴41的推力方向上的移动量。
如前述那样，由于压缩机侧斜齿轮43、44与电动机侧斜齿轮45、46始终点接触，因此，在压缩机侧斜齿轮43、44向推力方向移动时，电动机侧斜齿轮45、46也会向推力方向移动与压缩机侧斜齿轮43、44的移动量相同的量。假若在将电动机侧斜齿轮45、46固定于电动机侧轴42时，伴随着压缩机侧斜齿轮43、44向推力方向的移动，电动机侧斜齿轮45、46、固定有这些齿轮的电动机侧轴42、与该电动机侧轴42直接连结的电动机转子22r向推力方向移动。优选的是，电动机转子22r不会向推力方向移动或推力方向上的移动量极小。在本实施方式中，如前述那样，第一电动机侧斜齿轮45及第二电动机侧斜齿轮46均被安装成能够相对于电动机侧轴42沿推力方向进行相对移动。因此，在本实施方式中，即使压缩机侧斜齿轮43、44向推力方向移动而电动机侧斜齿轮45、46向推力方向移动，也能够抑制固定有该齿轮的电动机侧轴42及与该电动机侧轴42直接连结的电动机转子22r向推力方向的移动。
需要说明的是，在本实施方式中，在压缩机侧轴41的端部，在与压缩机11相反的一侧的端部设置有推力轴承27。然而，也可以在压缩机侧轴41的压缩机侧端部设置推力轴承27。另外，也可以在电动机侧轴42的端部设置推力轴承27。另外，在本实施方式中，将第一电动机侧斜齿轮45及第二电动机侧斜齿轮46安装成能够相对于电动机侧轴42沿推力方向进行相对移动。然而，也可以将第一压缩机侧斜齿轮43及第二压缩机侧斜齿轮44安装成能够相对于压缩机侧轴41向推力方向进行相对移动。另外，在能够允许感应电动机22的电动机转子22r向推力方向移动某一程度的情况下，也可以将第一电动机侧斜齿轮45及第二电动机侧斜齿轮46安装成不能相对于电动机侧轴42向推力方向进行相对移动，且将第一压缩机侧斜齿轮43及第二压缩机侧斜齿轮44安装成不能相对于压缩机侧轴41向推力方向进行相对移动。
另外，在本实施方式中，第二压缩机侧斜齿轮44的齿数与第一压缩机侧斜齿轮43的齿数相同，且第二电动机侧斜齿轮46的齿数与第一电动机侧斜齿轮45的齿数相同。然而，如图9所示，也可以是，第二压缩机侧斜齿轮44的齿数与第一压缩机侧斜齿轮43的齿数不同，且第二电动机侧斜齿轮46的齿数与第一电动机侧斜齿轮45的齿数不同。需要说明的是，第一压缩机侧斜齿轮43的齿数与第一电动机侧斜齿轮45的齿数的齿数比和第二压缩机侧斜齿轮44的齿数与第二电动机侧斜齿轮46的齿数的齿数比相同。像这样，在第二压缩机侧斜齿轮44的齿数与第一压缩机侧斜齿轮43的齿数不同且第二电动机侧斜齿轮46的齿数与第一电动机侧斜齿轮45的齿数不同时，第一压缩机侧斜齿轮43与第一电动机侧斜齿轮45之间的齿隙尺寸和第二压缩机侧斜齿轮44与第二电动机侧斜齿轮46之间的齿隙尺寸不同，因此，能够进一步抑制转矩传递的方向改变时的转矩传递的延迟。
产业上的可利用性
根据本发明的一方案，能够抑制电动机所要求的允许最高旋转速度并且将转矩传递的方向改变时的转矩传递的延迟抑制到最小。
附图标记说明：
1：外部系统、10：双轴燃气轮机、11：压缩机、11c：压缩机壳体、11r：压缩机转子、12：燃烧器、13：高压涡轮、13c：高压涡轮壳体、13r：高压涡轮转子、14：低压涡轮、14c：低压涡轮壳体、14r：低压涡轮转子、15：燃料调节阀、16：燃料线、17：第一转子、18：第二转子、21：发电机、21c：发电机壳体、21r：发电机转子、22：感应电动机、22c：电动机壳体、22r：电动机转子、24：频率转换器、25：第一膜片联轴器、25c：中心管、25f：凸缘、26：第二膜片联轴器、27：推力轴承、31：主电力路径、34：副电力路径、40：减速器、41：压缩机侧轴、42：电动机侧轴、43：第一压缩机侧斜齿轮、44：第二压缩机侧斜齿轮、45：第一电动机侧斜齿轮、46：第二电动机侧斜齿轮、47：键(连结件)、50：控制装置、51：接受部、52：判断部、53：转换控制部、54：燃料控制部、A1：第一轴线、A2：第二轴线、A3：第三轴线、CP：接触点、VP：假想平面。

Claims (9)

1.一种双轴燃气轮机发电设备，其中，
所述双轴燃气轮机发电设备具备：
压缩机，其具有压缩机转子，且通过所述压缩机转子的旋转而对空气进行压缩并生成压缩空气；
燃烧器，其使燃料在所述压缩空气中燃烧并生成燃烧气体；
高压涡轮，其具有与所述压缩机转子机械地连结的高压涡轮转子，且所述高压涡轮转子通过所述燃烧气体而旋转；
低压涡轮，其具有不与所述高压涡轮转子连结的低压涡轮转子，且所述低压涡轮转子通过从所述高压涡轮排出的所述燃烧气体而旋转；
发电机，其通过所述低压涡轮转子的旋转而进行发电，且与供交流电力流动的外部系统电连接；
感应电动机，其和所述发电机并联地与所述外部系统电连接，且向所述外部系统输送电力和从所述外部系统接受电力；
频率转换器，其以电连接关系设置于所述感应电动机与所述外部系统之间，并控制所述感应电动机与所述外部系统之间的电力的输送和接受，并且，在使来自所述感应电动机的电力向外部系统侧输送时，将来自所述感应电动机的电力的频率转换为所述外部系统的频率，在接受来自所述外部系统侧的电力并使其向所述感应电动机供给时，将来自所述外部系统的电力的频率转换为所述感应电动机的频率；以及
减速器，其使所述感应电动机的电动机转子的旋转速度低于所述压缩机转子的旋转速度，
所述减速器具有：
压缩机侧轴，其与所述压缩机转子机械地连结；
电动机侧轴，其与所述压缩机侧轴隔开间隔地平行配置，且与所述电动机转子机械地连结；
第一压缩机侧斜齿轮，其安装于所述压缩机侧轴并与所述压缩机侧轴一体旋转；
第一电动机侧斜齿轮，其安装于所述电动机侧轴并与所述电动机侧轴一体旋转，且与所述第一压缩机侧斜齿轮啮合；
第二压缩机侧斜齿轮，其安装于所述压缩机侧轴并与所述压缩机侧轴一体旋转；以及
第二电动机侧斜齿轮，其安装于所述电动机侧轴并与所述电动机侧轴一体旋转，且与所述第二压缩机侧斜齿轮啮合。
2.根据权利要求1所述的双轴燃气轮机发电设备，其中，
在包括使针对所述高压涡轮转子而预先设定的额定旋转速度乘以基于所述减速器的减速比而得到的旋转速度在内的旋转速度域，所述感应电动机使电动机输出相对于旋转速度的变化而单调增加或单调减少。
3.根据权利要求2所述的双轴燃气轮机发电设备，其中，
所述高压涡轮转子的所述额定旋转速度为4000rpm～7000rpm。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的双轴燃气轮机发电设备，其中，
所述减速器的减速比为9/10～1/5。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的双轴燃气轮机发电设备，其中，
所述第二压缩机侧斜齿轮的齿线的扭转的方向与所述第一压缩机侧斜齿轮的齿线的扭转的方向为相反的方向。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的双轴燃气轮机发电设备，其中，
所述第二压缩机侧斜齿轮的齿数与所述第一压缩机侧斜齿轮的齿数不同。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的双轴燃气轮机发电设备，其中，
所述减速器具有压缩机侧连结件和电动机侧连结件中的一方的连结件，该压缩机侧连结件将所述第一压缩机侧斜齿轮及所述第二压缩机侧斜齿轮以不能相对于所述压缩机侧轴进行相对旋转且能够相对于所述压缩机侧轴沿所述压缩机侧轴延伸的推力方向进行相对移动的方式安装于所述压缩机侧轴，该电动机侧连结件将所述第一电动机侧斜齿轮及所述第二电动机侧斜齿轮以不能相对于所述电动机侧轴进行相对旋转且能够相对于所述电动机侧轴沿所述电动机侧轴延伸的推力方向进行相对移动的方式安装于所述电动机侧轴。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的双轴燃气轮机发电设备，其中，
所述双轴燃气轮机发电设备具备将所述压缩机转子与所述压缩机侧轴机械地连结的联轴器，
所述联轴器具有位移吸收部，该位移吸收部吸收所述压缩机转子的推力方向与所述压缩机转子的径向中的至少一方向上的所述压缩机转子的位移。
9.根据权利要求8所述的双轴燃气轮机发电设备，其中，
所述联轴器为膜片联轴器。
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