DE60210925T2

DE60210925T2 - Einachsiges gasturbinensystem

Info

Publication number: DE60210925T2
Application number: DE60210925T
Authority: DE
Inventors: Tatsuhiko Kobe-shi Goi
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2001-02-08
Filing date: 2002-02-05
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2022-02-06
Also published as: EP1359299B1; JP2002235558A; CA2437774C; CA2437774A1; US20040098988A1; DE60210925D1; WO2002063153A1; EP1359299A1; US7028461B2; JP3593575B2; EP1359299A4

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein einachsiges Gasturbinensystem, das aufgebaut ist, um eine Rotationsmaschine mittels einer einachsigen Gasturbine anzutreiben.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Herkömmlicherweise wurde, um eine Rotationsmaschine wie beispielsweise einen Wechselstromgenerator oder eine Pumpe durch eine Gasturbine anzutreiben, hauptsächlich eine einachsige Gasturbine von einfachem Aufbau verwendet. Wenn der Wechselstromgenerator durch die einachsige Gasturbine angetrieben werden soll, wie in 12A dargestellt, wird die Drehzahl einer Gasturbine 101, die bis zu einigen 10.000 Umdrehungen pro Minute betragen kann, durch ein Getriebe 103 auf eine gewünschte Drehzahl verringert, und ein Wechselstromgenerator 102 wird angetrieben. Bei einem derartigen Gasturbinen-Generatorsystem ist bekannt, dass, wenn sich der Wechselstromgenerator 102 nicht im Volllastbetrieb befindet, d.h. im Fall eines Teillastbetriebs, die Kraftstoffausnutzung durch Verringern der Drehzahl der Gasturbine 101 verbessert werden kann.
13 zeigt die Drehzahl-Kraftstoffverbrauch-Kennlinie einer Gasturbine, die eine Nennleistung von 275 PS hat. In dieser Zeichnung ist die Nenndrehzahl im Nennbetriebszustand zu 100% angesetzt, und die Beziehung zwischen der Leistungsabgabe bei jeder der Drehzahlen von 105%, 100%, 95% und 90% und der Kraftstoffdurchflussmenge ist durch die Kurven L₁, L₂, L₃ und L₄ angegeben. Wie in der Zeichnung klar zu erkennen, wird bei einem Betriebszustand mit geringerer Abgabeleistung als bei Nennbetriebszustand, wenn man die Drehzahl gegen über der Nenndrehzahl des Nennbetriebszustands reduziert, die Kraftstoffausnutzung verbessert.
In einem herkömmlichen Gasturbinen-Generatorsystem handelt es sich jedoch beim Getriebe 103 um ein Getriebe mit konstantem Übersetzungsverhältnis, so dass, wenn die Drehzahl der Gasturbine 101 verändert wird, die Drehzahl des Wechselstromgenerators 102 ebenfalls verändert wird, und kein Wechselstrom konstanter Frequenz erzeugt werden kann. Daher erfolgt bei einem herkömmlichen Gasturbinen-Generatorsystem, auch wenn sich der Generator 102 im Teillastbereich befindet, tatsächlich ein Betrieb der Gasturbine 101 mit einer Drehzahl von 100%. Demzufolge entstehen die folgenden Probleme.

1. Um eine Drehzahl von 100% beizubehalten, wird unnötig Treibstoff verbraucht und die Kraftstoffausnutzung vermindert.
2. Die Einlasstemperatur der Turbine steigt bedingt durch nicht benötigten Treibstoff an, so dass die Lebensdauer der Turbine verkürzt wird.
3. Bedingt durch eine unvollständige Verbrennung eines Teils des unnötigerweise verbrauchten Treibstoffes wird einer Luftverschmutzung Vorschub geleistet.

Weiter wird, wenn eine Pumpe durch eine einachsige Gasturbine angetrieben werden soll, wie in 12B dargestellt, die Drehzahl einer Gasturbine 101, die einige 10.000 Umdrehungen pro Minute erreicht, durch ein Getriebe 103 auf eine benötigte Drehzahl reduziert, und eine Pumpe 104 wird angetrieben. Jedoch wird ein sehr großes Anlaufdrehmoment benötigt, um die Pumpe 104 anzutreiben, und das Anlaufen der Pumpe 104 kann nur mit der einachsigen Gasturbine nicht bewerkstelligt werden. Dazu wird bei einem herkömmlichen Pumpenantriebssystem eine sehr große Fluidkupplung 105 als Anlaufkupplung zwischen Gasturbine 101 und Getriebe 103 benötigt. Jedoch ist es bei diesem System, wenn die Pumpe 104 Schlamm, Erde und Sand ansaugt und die Last plötzlich erhöht wird, effektiv, die Drehzahl der Pumpe zu verringern und das Drehmoment zu vergrößern. Da jedoch das Getriebe 103 ein Zahnradgetriebe mit konstantem Übersetzungsverhältnis ist, entsteht das Problem, dass die Drehzahl reagierend auf einen plötzlichen Anstieg der Last nicht schnell verringert werden kann und die Gasturbine 101 zum Anhalten gezwungen wird.
Das Dokument US 4,263,997 offenbart ein Gasturbinenmotor-Fahrzeugantriebssystem, das eine automatische Kupplung, eine Betriebskupplung und ein stufenlos verstellbares Getriebe beinhaltet, das im Anschluss an diesen in einen Antriebsstrang eimgekoppelt ist.
GB 2 220 038 A betrifft einen Konstantdrehzahl-Antriebsmechanismus für elektrische Konstantdrehzahl-Generatoren, die von Kraftmaschinen veränderlicher Drehzahl vom Kolben- oder Gasturbinentyp angetrieben werden. Dieser beinhaltet ein elektrohydraulisch gesteuertes stufenlos verstellbares Getriebesystem.
Das Dokument EP 0 635 639 A1 offenbart eine Windturbinen-Getriebevorrichtung, die eine Planetengetriebestufe beinhaltet, die dazu dient, ein stufenlos einstellbares Übersetzungsverhältnis zwischen einem von einem Windrotor kommenden Rotationsantrieb und einem zu einem elektrischen Generator führenden Rotationsabtrieb bereitzustellen.
Das Referenzdokument DE 34 38 893 A1 stellt einen Generator dar, der eine Turbine auf der Antriebsseite und einen Generator auf der Abtriebsseite aufweist. Das Getriebe wird gesteuert, um die Generatorspannung und die Frequenz der Spannung konstant zu halten.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wurde in Anbetracht der zuvor erläuterten Probleme des Standes der Technik erläutert und soll ein einachsiges Gasturbinensystem, das gemäß der Laständerung einer durch eine Gasturbine angetriebenen Rotationsmaschine die Drehzahl der Gasturbine und sowie der durch die Gasturbine angetriebenen Rotationsmaschine optimieren kann, sowie ein Steuerverfahren für dieses System bereitstellen.
Das Ziel der Erfindung wird dadurch erreicht, dass ein einachsiges Gasturbinensystem nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Steuern eines einachsigen Gasturbinensystems nach Anspruch 9 bereitgestellt wird.
Vorzugsweise wird die optimale Drehzahl basierend auf einem optimalen Kraftstoffverbrauchsdiagramm festgelegt, das eine Drehzahl angibt, bei der ein Kraftstoffverbrauch der einachsigen Gasturbine gemäß einer Last der Rotationsmaschine minimal ist.
Vorzugsweise weist die Rotationsmaschine einen Wechselstromgenerator auf; und die Steuereinrichtung steuert das Übersetzungsverhältnis des stufenlos verstellbaren Getriebes so, dass die Drehzahl des Wechselstromgenerators konstant gehalten wird.
Vorzugsweise weist die Rotationsmaschine eine Pumpe auf.
Vorzugsweise steuert die Steuereinrichtung das Übersetzungsverhältnis des stufenlos verstellbaren Getriebes gemäß einem Antriebsdrehmoment der Pumpe. Vorzugsweise ist die Pumpe eine Pumpe mit vertikaler Welle; und das stufenlos verstellbare Getriebe weist einen Kegelradmechanismus zum Übertragen der Antriebskraft von der einachsigen Gasturbine auf die Pumpe mit vertikaler Welle auf.
Das stufenlos verstellbare Getriebe weist eine Kupplung auf, um eine Übertragung der Antriebskraft zwischen der einachsigen Gasturbine und der Rotationsmaschine zu verbinden oder zu trennen; und die Steuereinrichtung betätigt die Kupplung, um die Übertragung der Antriebskraft zu trennen, wenn die Drehzahl der einachsigen Gasturbine bedingt durch einen plötzlichen Anstieg der Last der Rotationsmaschine verringert wird.
Das stufenlos verstellbare Getriebe ist ein stufenlos verstellbares Getriebe eines Leistungsaufteilungssystems zum Verteilen und Übertragen der Drehzahl der einachsigen Gasturbine.
Vorzugsweise weist das stufenlos verstellbare Getriebe einen Planetengetriebemechanismus auf.
Gemäß der wie zuvor aufgebauten Erfindung können die Gasturbine und die von der Gasturbine angetriebene Rotationsmaschine gemäß der Laständerung der Rotationsmaschine mit optimaler Drehzahl betrieben werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm eines einachsigen Gasturbinensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 ist eine Zeichnung, die den schematischen Aufbau des stufenlos verstellbaren Getriebes eines Leistungsaufteilungssystems; das bei der in 1 dargestellten Ausführungsform verwendet wird, zusammen mit der einachsigen Gasturbine und einem Generator darstellt;
3 ist eine Zeichnung, die das Systemdiagramm des stufenlos verstellbaren Getriebes eines Leistungsaufteilungssystems, das bei der in 1 dargestellten Ausführungsform verwendet wird, zusammen mit der einachsigen Gasturbine und dem Generator darstellt;
4 ist eine Zeichnung, die detailliert eine Kupplung, die bei der in 1 dargestellten Ausführungsform verwendet wird, sowie deren Peripherie zeigt;
5 ist eine Zeichnung, die ein Einstellbeispiel des Übersetzungsverhältnisses eines jeden Bauelementes des stufenlos verstellbaren Getriebes zeigt, das bei der in 1 dargestellten Ausführungsform verwendet wird;
6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Drehzahl des Ringzahnrades und die Drehzahl der Abtriebswelle des Differentialgetriebemechanismus des stufenlos verstellbaren Getriebes, das bei der in 1 dargestellten Ausführungsform verwendet wird, und die in das Traktionsgetriebe fließende Antriebskraft darstellt;
7 ist ein Blockdiagramm der Steuereinrichtung der in 1 dargestellten Ausführungsform;
8 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung des Festlegungsprinzips für das optimale Kraftstoffverbrauchsdiagramm, das bei der in 1 dargestellten Ausführungsform verwendet wird;
9 ist ein Blockdiagramm eines einachsigen Gasturbinensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
10 ist eine Zeichnung, welche den schematischen Aufbau des stufenlos verstellbaren Getriebes eines Leistungsaufteilungssystems, das bei der in 1 dargestellten Ausführungsform verwendet wird, zusammen mit der einachsigen Gasturbine und einer Pumpe zeigt;
11 ist eine Zeichnung, welche das Flussdiagramm des stufenlos verstellbaren Getriebes eines Leistungsaufteilungssystems, das bei der in 1 dargestellten Ausführungsform verwendet wird, zusammen mit der einachsigen Gasturbine und einer Pumpe zeigt;
12A ist ein Blockdiagramm, welches ein als Stromerzeugungssystem verwendetes herkömmliches einachsiges Gasturbinensystem darstellt;
12B ist ein Blockdiagramm, das ein als Pumpenantriebssystem verwendetes herkömmliches einachsiges Gasturbinensystem zeigt;
13 ist eine Zeichnung, die Graphen darstellt, welche die Drehzahl-Kraftstoffverbrauch-Kennlinie einer bei einer Stromerzeugungsanlage verwendeten Gasturbine zeigt.
BESTER MODUS ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird nachfolgend basierend auf den Ausführungsformen mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen eingeschränkt.
Das einachsige Gasturbinensystem S gemäß einer in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung betreibt die Gasturbine gemäß der Last des Generators mit optimaler Drehzahl. Das einachsige Gasturbinensystem S wie dargestellt in 1 beinhaltet als Hauptbauelement eine einachsige Gasturbine (nachfolgend einfach als "Gasturbine" bezeichnet) 1, einen Wechselstromgenerator 2, der durch die Gasturbine 1 angetrieben wird, ein stufenlos verstellbares Getriebe 3, das die Drehzahl zum Antrieb des Wechselstromgenerators 2 ungeachtet der Änderungen der Drehzahl der Gasturbine 1 konstant hält, und eine Steuereinrichtung 4, die eine optimale Drehzahl der Gasturbine 1 gemäß der Last (erzeugte Elektrizitätsmenge) des Wechselstromgenerators 2 einstellt und die Gasturbine 1, den Wechselstromgenerator 2 und das stufenlos verstellbare Getriebe 3 steuert.
Der Aufbau der Gasturbine 1 und des Wechselstromgenerators 2 ist der gleiche wie bei einer herkömmlichen einachsigen Gasturbine und einem Wechselstromgenerator, so dass eine detaillierte Erläuterung hier entfällt.
Für das stufenlos verstellbare Getriebe 3 können verschiedene stufenlos verstellbare Getriebe wie beispielsweise vom Traktionsgetriebetyp und vom Riementyp verwendet werden. Wenn die Gasturbine 1 eine solche mit großer Abtriebsleistung ist, ist es, vom Standpunkt einer Haltbarkeit und einer Verbesserung der Lebensdauer, zu bevorzugen, ein stufenlos verstellbares Getriebe 30 vom Leistungsaufteilungssystem zu verwenden. Ein Beispiel des stufenlos verstellbaren Getriebes 30 vom Leistungsaufteilungssystem wird nachfolgend mit Bezug auf die 2 bis 4 erläutert.
Beim stufenlos verstellbaren Getriebe 30, wie dargestellt in den 2, 3 und 4, sind ein Traktionsgetriebe 31, ein Differentialgetriebemechanismus 32 und ein Planetengetriebemechanismus 33 so angeordnet, dass die über eine Antriebswelle 34 zugeführte Drehzahl der Gasturbine 1 verteilt und übertragen wird. Der durch Bezugszeichen D in 4 bezeichnete Teil bezeichnet einen Antriebsmechanismus einer Kupplung 35.
Genauer gesagt, ist die Antriebswelle 34 mit einem Sonnenrad 32a eines Differentialgetriebemechanismus 32 verbunden, und ein Zahnrad 34a ist auf einem Mittelteil der Antriebswelle 34 montiert, und ein Vorgelegezahnrad 34b, das mit dem Zahnrad 34a in Eingriff ist, ist mit einem Zahnrad 35b in Eingriff, das auf einer Antriebswelle 35a der Kupplung 35 montiert ist, und eine Antriebswelle 31a des Traktionsgetriebes 31 ist mit der Abtriebsseite der Kupplung 35 verbunden, und somit ist das Traktionsgetriebe 31 mit der Antriebswelle 34 über die Kupplung 35 verbunden.
Weiter ist ein Abtriebszahnrad 31b des Traktionsgetriebes 31 mit einem Ringzahnrad 32b des Differentialgetriebemechanismus 32 in Eingriff, und ein Träger 32d, mit dem eine Mehrzahl von Planetenrädern 32c des Differentialgetriebemechanismus 32 in Eingriff sind, ist mit einem Sonnenrad 33a des Planetengetriebemechanismus 33 über eine Abtriebswelle 36 verbunden, und ein Zahnrad 33d des Planetengetriebemechanismus 33 ist mit dem Wechselstromgenerator 2 über eine Abtriebswelle 37 verbunden.
Beim stufenlos verstellbaren Getriebe 30 ist die Kupplung 35 zwischen Antriebswelle 34 und Traktionsgetriebe 31 eingebaut, d.h. auf der Seite der kleineren übertragenen Antriebskraft im Vergleich zum Differentialgetriebemechanismus 32, so dass zwischen einem aktivierten Zustand und einem deaktivierten Zustand des Antriebskraftübertragungssystems zwischen Gasturbine 1 und Wechselstromgenerator 2 mittels der kleinen und leichten Kupplung 35 umgeschaltet werden kann. Wenn beispielsweise das Übersetzungsverhältnis eines jeden Bauelementes des stufenlos verstellbaren Getriebes 30 auf den Wert eingestellt ist, der jeweils durch ei ne in 5 dargestellte eingekreiste Ziffer bezeichnet ist, kann die in das Traktionsgetriebe 31 eingeleitete Antriebsleistung auf 27% oder weniger des Gesamtwertes gesteuert werden (siehe 6). Das in 5 dargestellte Symbol es bezeichnet ein Übersetzungsverhältnis des Traktionsgetriebes 31.
6 zeigt, wie die in das Traktionsgetriebe 31 eingeleitete Antriebsleistung gemäß den Änderungen der Drehzahl des Trägers 33d des Planetengetriebemechanismus 33 verändert wird. Auf der Querachse sind die Drehzahl des Ringzahnrades 33b des Planetengetriebemechanismus 33 sowie die dieser Drehzahl entsprechende Drehzahl des Trägers 33d abgetragen. Weiter sind auf der Ordinatenachse die in das Traktionsgetriebe 31 eingebrachte Leistung (PS) abgetragen. Wenn beispielsweise die Drehzahl des Trägers 33d 4.800 U/min beträgt, dann beträgt die in das Traktionsgetriebe 31 eingebrachte Leistung 95,5 PS, und wenn die Drehzahl 6.000 U/min beträgt, beträgt die Leistung 276,7 PS.
Die Steuereinrichtung 4, wie dargestellt in 7, weist eine Drehzahleinstelleinrichtung 41 zum Einstellen der Drehzahl der Gasturbine 1 gemäß der Last des Wechselstromgenerators 2, so dass eine optimale Kraftstoffausnutzung erzielt wird, und eine Übersetzungsverhältnis-Regelungseinrichtung 42 zum Ausführen einer Regelung des Übersetzungsverhältnisses des stufenlos verstellbaren Getriebes 3 auf, so dass die Drehzahl der Abtriebswelle 37 des stufenlos verstellbaren Getriebes 3 auf eine vorbestimmte Drehzahl eingestellt wird, um die Drehzahl des Wechselstromgenerators 2 auf eine vorbestimmte Drehzahl einzustellen, ungeachtet der durch die Drehzahl-Einstelleinrichtung 41 festgelegten Drehzahl der Gasturbine 1. In diesem Fall stellt die Drehzahl-Einstelleinrichtung 41 die Drehzahl der Gasturbine 1 anhand eines optimalen Kraftstoffverbrauchsdiagramms M dar, das später noch beschrieben wird. Weiter stellt die Übersetzungsverhältnis-Regelungseinrichtung 42 das Übersetzungsverhältnis des stufenlos verstellbaren Getriebes 3 auf Basis eines Ausgangssignals des Drehzahlsensors 43 ein, der an der Abtriebswelle 37 des stufenlos verstellbaren Getriebes 3 installiert ist und die Drehzahl der Abtriebswelle 37 erfasst.
8 zeigt die Drehzahl-Kraftstoffverbrauch-Kennlinie einer in Generatoranlagen verwendeten üblichen Gasturbine. In der Zeichnung bezeichnet jede der Kurven A, bis A₇ die Beziehung zwischen der Drehzahl (angegeben durch ein Verhältnis unter der Annahme, dass 53.000 U/min = 100%) bei einer jeweiligen Kraftstoffdurchflussmenge Wf (Wf = 60–120 l/h) und der Leistungsabgabe (PS). Weiter erhält man die Kurve B in der Zeichnung, indem man die Drehzahl, mit der eine maximale Abgabeleistung erzielt wird, abträgt und zu einer Linie verbindet (nachfolgend wird die Kurve B als optimale Kraftstoffkostenkurve bezeichnet).
Bei dieser Ausführungsform, wie dargestellt in 7, ist ein optimales Kraftstoffverbrauchsdiagramm M, bei dem die optimale Kraftstoffkostenkurve B in Form von Diagrammdaten erzeugt wurde, in der Drehzahleinstelleinrichtung 41 gespeichert, und die Drehzahleinstelleinrichtung 41 stellt die Drehzahl der Gasturbine 1 anhand des optimalen Kraftstoffverbrauchsdiagramm M gemäß der Last des Wechselstromgenerators 2 ein. Dadurch wird die Gasturbine 1 mit einer Drehzahl betrieben, um den Kraftstoffverbrauch gemäß der Last des Wechselstromgenerators 2 zu minimieren, so dass die Kraftstoffausnutzung verbessert werden kann. Die Steuereinrichtung 4, die derartige Einrichtungen 41 und 42 aufweist, kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass ein Programm, das den Einrichtungen 41 und 42 entspricht, in einem Computer gespeichert wird.
Wie zuvor erwähnt, wird gemäß dieser Ausführungsform die Drehzahl der Gasturbine 1 anhand des optimalen Kraftstoffverbrauchsdiagramms M gemäß der Last des Wechselstromgenerators 2 eingestellt, und das Übersetzungsverhältnis des stufenlos verstellbaren Getriebes 3 wird einer Regelung unterzogen, um die Drehzahl des Wechselstromgenerators 2 auf eine vorbestimmte Drehzahl einzustellen, und zwar ungeachtet der eingestellten Drehzahl der Gasturbine 1, so dass die Gasturbine mit maximalem Wirkungsgrad gemäß der Last des Wechselstromgenerators 2 betrieben werden kann. Daher wird die Kraftstoffausnutzung verbessert, und eine Luftverschmutzung, die beispielsweise durch eine unvollständige Verbrennung von überschüssigem Kraftstoff bedingt ist, wird verhindert, und die Einlasstemperatur der Turbine steigt nicht unnötigerweise an, und die Lebensdauer der Turbine kann verlängert werden. Weiter kann die Drehzahl des Wechselstromgenerators 2 durch das stufenlos verstellbare Getriebe 3 problemlos verändert werden, so dass die Generatorfrequenz ohne Weiteres beispielsweise zwischen 50 Hz und 60 Hz umgeschaltet werden kann.
Als nächstes wird das einachsige Gasturbinensystem gemäß einer weiteren Ausführungsforn der Erfindung erläutert. Das einachsige Gasturbinensystem dieser in 9 dargestellten Ausführungsform ist eine Modifikation des einachsigen Gasturbinensystems S der in 1 dargestellten Ausführungsform. Und zwar erfolgte ein Wechsel der anzutreibenden Rotationsmaschine von einem Wechselstromgenerator zu einer Pumpe, und demgemäß wurden das stufenlos verstellbare Getriebe und die Steuereinrichtung modifiziert. Bezugszeichen 44 in 9 bezeichnet einen Drehmomentsensor.
Wie in 10 dargestellt, wird bei dieser Ausführungsform als Pumpe 5 eine Pumpe mit vertikaler Welle verwendet, und demgemäß ändert ein stufenlos verstellbares Getriebe 3A die Übertragungsrichtung der Drehantriebskraft um 90°.
Ein stufenlos verstellbares Getriebe 30A eines Leistungsaufteilungssystems, das in 10 als Beispiel für das stufenlos verstellbare Getriebe 3A dargestellt ist, beinhaltet das Traktionsgetriebe 31 und den Differentialgetriebemechanismus 32, die so angeordnet sind, dass sie die über die Antriebswelle 34 zugeführte Drehzahl der Gasturbine 1 verteilen und übertragen.
Genauer gesagt, ist, wie in 11 dargestellt, die Antriebswelle 34 mit dem Sonnenrad 32a des Differentialgetriebemechanismus 32 verbunden, und das Zahnrad 34a ist auf dem Mittelteil der Antriebswelle 34 montiert, und das Vorgelegezahnrad 34b, das mit dem Zahnrad 34a in Eingriff ist, ist mit dem Zahnrad 35b in Eingriff, das auf der Antriebswelle 35a der Kupplung 35 montiert ist, und die Antriebswelle 31a des Traktionsgetriebes 31 ist mit der Abtriebsseite der Kupplung 35 verbunden, und somit ist das Traktionsgetriebe 31 mit der Antriebswelle 34 über die Kupplung 35 verbunden.
Weiter ist das Abtriebszahnrad 31b des Traktionsgetriebes 31 mit dem Ringzahnrad 32b des Differentialgetriebemechanismus 32 in Eingriff, und der Träger 32d, mit dem eine Mehrzahl von Planetenrädern 32c des Differentialgetriebemechanismus 32 in Eingriff sind, ist mit der Abtriebswelle 37 des stufenlos verstellbaren Getriebes 3A (30A) über den Kegelradmechanismus 36 verbunden.
Bei der Pumpe 5 kann es sich um eine Pumpe mit horizontaler Welle handeln, und in diesem Fall besteht keine Notwendigkeit, die Übertragungsrichtung der Drehantriebskraft zu verändern.
Wie in 9 dargestellt, weist die Steuereinrichtung 4A eine Drehzahleinstelleinrichtung 41A und eine Übersetzungsverhältnis-Regelungseinrichtung 42A auf, und regelt die Drehzahl der Pumpe 5 gemäß der Laständerung der Pumpe 5. Genauer gesagt führt, wenn die Pumpe 5 Schlamm, Erde, Sand oder Treibholz ansaugt und die Last vergrößert wird, die Übersetzungsverhältnis-Regelungseinrichtung 42A eine Einstellung des Übersetzungsverhältnisses des stufenlos verstellbaren Getriebes 3, eine Verringerung der Drehzahl der Pumpe 5, und eine Vergrößerung des Drehmomentes durch, wodurch sie eine solche Steuerung durchführt, dass ein Stoppen der Gasturbine 1 verhindert wird. Wenn eine plötzliche Änderung des Drehmomentes erfolgt, kann die Regelungseinrichtung 42A, um ein Stoppen der Gasturbine 1 zu verhindern, die Kupplung 35 öffnen und so steuern, dass die Kraftübertragung zwischen Gasturbine 1 und Pumpe 5 unterbrochen wird.
Weiter ist eine (nicht in der Zeichnung dargestellte) Drehmomentmesseinrichtung an der Abtriebswelle 37 des stufenlos verstellbaren Getriebes 3 installiert, und wenn das erfasste Drehmoment den festgelegten Wert überschreitet, kann die Regelungseinrichtung 42A eine solche Steuerung durchführen, dass die Kupplung 35 geöffnet wird, um eine Beschädigung einer jeweiligen Einheit zu verhindern.
Wie zuvor erwähnt, wird bei dieser Ausführungsform das Übersetzungsverhältnis des stufenlos verstellbaren Getriebes 3 gemäß den Änderungen der Last der Pumpe 5 in geeigneter Weise angepasst, wodurch die Drehzahl der Pumpe 5 rasch verändert werden kann, so dass eine Situation, dass die Turbine 1 bedingt durch eine plötzliche Erhöhung der Last der Pumpe 5 angehalten wird, nicht eintritt. Weiter kann, wenn die Last der Pumpe 5 plötzlich erhöht wird, durch Öffnen der Kupplung 35 ein Stoppen der Gasturbine 1 und eine Beschädigung einer jeweiligen Einheit vermieden werden. Wenn weiter das stufenlos verstellbare Getriebe 30A eines Leistungsaufteilungssystems für das stufenlos verstellbare Getriebe 3A verwendet wird und eine Kupplung auf der einen Seite des Antriebskraftübertragungsystems installiert ist, vorzugsweise auf der Seite der kleineren übertragenen Antriebskraft, kann das Antriebskraftübertragungssystem durch eine kleine und leichte Kupplung verbunden oder getrennt werden, wodurch eine herkömmliche große Anlaufkupplung entfallen kann.
Die Erfindung wurde im Vorhergehenden basierend auf dieser Ausführungsform erläutert. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform eingeschränkt, und kann verschiedentlich modifiziert werden. Beispielsweise ist bei der Erfindung die durch die Gasturbine angetriebene Rotationsmaschine nicht auf den Wechselstromgenerator und die Pumpe eingeschränkt, und verschiedene Rotationsmaschinen können verwendet werden.
Wie zuvor detailliert erläutert, kann gemäß der Erfindung unter Verwendung einer einachsigen Gasturbine von einfachem Aufbau der gleiche Effekt wie bei Verwendung einer zweiachsigen Gasturbine erzielt werden. Und zwar kann, da die Drehzahl der Gasturbine durch das stufenlos verstellbare Getriebe verringert wird, sogar wenn die Last der anzutreibenden Rotationsmaschine verändert wird, der hervorragende Effekt erzielt werden, dass die Gasturbine mit optimaler Drehzahl betrieben werden kann und die Drehzahl der anzutreibenden Rotationsmaschine auf eine gewünschte Drehzahl eingestellt werden kann.
Weiter kann gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Gasturbine gemäß der Last des Wechselstromgenerators mit optimaler Drehzahl betrieben werden, so dass der hervorragende Effekt erzielt werden kann, dass der Treibstoff verbrauch minimiert wird und die Kraftstoffausnutzung verbessert wird. Weiter wird die zugeführte Kraftstoffmenge minimiert, so dass der hervorragende Effekt erzielt werden kann, dass ein abnormer Anstieg der Einlasstemperatur der Turbine verhindert wird und die Lebensdauer der Turbine verlängert wird und eine Luftverschmutzung, die durch eine unvollständige Verbrennung von überschüssigem Treibstoff bedingt ist, verhindert werden kann. Da weiter die Drehzahl des Wechselstromgenerators durch das stufenlos verstellbare Getriebe problemlos verändert werden kann, kann der hervorragende Effekt erzielt werden, dass die Generatorfrequenz problemlos beispielsweise zwischen 50 Hz und 60 Hz umgeschaltet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Drehzahl der Pumpe rasch verändert werden, so dass der hervorragende Effekt erzielt werden kann, dass die Gasturbine bedingt durch eine plötzliche Vergrößerung der Last nicht gestoppt wird. Weiter kann gemäß einer bevorzugteren Ausführungsform unter Verwendung eines stufenlos verstellbaren Getriebes eines Leistungsaufteilungssystems der hervorragende Effekt erzielt werden, dass die Anlaufkupplung kleiner und leichter gemacht werden oder ggf. weggelassen werden kann.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Gemäß der Erfindung kann das einachsige Gasturbinensystem als System zum Antreiben einer Rotationsmaschine wie beispielsweise dem Wechselstromgenerator und der Pumpe mittels der einachsigen Gasturbine verwendet werden.

Claims

Einachsiges Gasdruckturbinensystem, aufweisend: eine einachsige Gasturbine (1); eine Rotationsmaschine, die von der einachsigen Gasturbine (1) angetrieben wird; ein stufenlos verstellbares Getriebe (3, 30) zum Übertragen einer Antriebskraft von der einachsigen Gasturbine (1) auf die Rotationsmaschine; und eine Steuereinrichtung (4) zum Steuern einer Drehzahl der einachsigen Gasturbine (1) auf eine optimale Drehzahl und zum Steuern eines Drehzahländerungsverhältnisses des stufenlos verstellbaren Getriebes (3, 30), so dass eine Drehzahl der Rotationsmaschine auf eine gewünschte Drehzahl eingestellt wird; eine Kupplung (35) zum Verbinden oder Trennen einer Übertragung der Antriebskraft zwischen der einachsigen Gasturbine (1) und der Rotationsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass das stufenlos verstellbare Getriebe (3, 30) ein stufenlos verstellbares Getriebe eines Leistungsaufteilungssystems zum Verteilen und Übertragen der Drehzahl der einachsigen Gasturbine (1) ist, wobei das stufenlos verstellbare Getriebe (3, 30) einen Differenzialgetriebemechanismus und ein Traktionsgetriebe (31) aufweist, das, verglichen mit der Seite des Differenzialgetriebemechanismus (32), auf der Seite der kleineren Übertragungsantriebskraft angeordnet ist, und die Kupplung (35) auf einer Antriebsseite des Traktionsgetriebes (31) angeordnet ist.
Einachsiges Gasturbinensystem nach Anspruch 1, bei dem die optimale Drehzahl basierend auf einem optimalen Treibstoffverbrauchsdiagramm eingestellt ist, das eine Drehzahl angibt, bei der ein Treibstoffverbrauch der einachsigen Gasturbine (1) gemäß einer Belastung der Rotationsmaschine minimal ist.
Einachsiges Gasturbinensystem nach Anspruch 1, bei dem die Rotationsmaschine einen Wechselstromgenerator (2) aufweist; und wobei die Steuereinrichtung (4) das Drehzahländerungsverhältnis des stufenlos verstellbaren Getriebes (3, 30) so steuert, dass die Drehzahl des Wechselstromgenerators (2) konstant gehalten wird.
Einachsiges Gasturbinensystem nach Anspruch 1, bei dem die Rotationsmaschine eine Pumpe (5) aufweist.
Einachsiges Gasturbinensystem nach Anspruch 4, bei dem die Steuereinrichtung (4) das Drehzahländerungsverhältnis des stufenlos verstellbaren Getriebes (3A) gemäß einem Antriebsdrehmoment der Pumpe (5) steuert.
Einachsiges Gasturbinensystem nach Anspruch 4, bei dem die Pumpe eine Pumpe (5) mit stehender Welle ist; und bei dem das stufenlos verstellbare Getriebe (3A) einen Kegelradmechanismus (36) zum Übertragen der Antriebskraft von der einachsigen Gasturbine (1) auf die Pumpe (5) mit vertikaler Welle aufweist.
Einachsiges Gasturbinensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Steuereinrichtung (4) die Kupplung (35) betätigt, um die Übertragung der Antriebskraft zu trennen, wenn die Drehzahl der einachsigen Gasturbine (1) bedingt durch eine plötzliche Erhöhung der Last der Rotationsmaschine verringert wird.
Einachsiges Gasturbinensystem nach Anspruch 1, bei dem das stufenlos verstellbare Getriebe (3, 30) weiter einen Planetengetriebemechanismus (32) aufweist.
Verfahren zum Steuern eines einachsigen Gasturbinensystems, welches eine einachsige Gasturbine, eine Rotationsmaschine, die von der einachsigen Gasturbine (1) angetrieben wird, und ein stufenlos verstellbares Getriebe (3, 30) zum Übertragen einer Antriebskraft von der einachsigen Gasturbine (1) auf die Rotationsmaschine aufweist, welches die folgenden Schritte umfasst: Steuern einer Drehzahl der einachsigen Gasturbine (1) auf eine optimale Drehzahl; und Steuern eines Drehzahländerungsverhältnisses des stufenlos verstellbaren Getriebes (3, 30), so dass eine Drehzahl der Rotationsmaschine auf eine gewünschte Drehzahl eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das stufenlos verstellbare Getriebe (3, 30) ein stufenlos verstellbares Getriebe eines Leistungsaufteilungssystems zum Verteilen und Übertragen der Drehzahl der einachsigen Gasturbine (1) ist, wobei das stufenlos verstellbare Getriebe (3, 30) einen Differenzialgetriebemechanismus und ein Traktionsgetriebe (31) aufweist, das, verglichen mit der Seite des Differenzialgetriebemechanismus (32), auf der Seite der kleineren Übertragungsantriebskraft angeordnet ist, und eine Kupplung (35) zum Verbinden und Trennen einer Übertragung der Antriebskraft zwischen der einachsigen Gasturbine (1) und der Rotations maschine auf einer Antriebsseite des Traktionsgetriebes (31) angeordnet ist.
Verfahren zum Steuern eines einachsigen Gasturbinensystems nach Anspruch 9, bei dem die optimale Drehzahl basierend auf einem optimalen Treibstoffverbrauchsdiagramm eingestellt ist, das eine Drehzahl angibt, bei der ein Treibstoffverbrauch der einachsigen Gasturbine gemäß einer Belastung der Rotationsmaschine minimal ist.
Verfahren zum Steuern eines einachsigen Gasturbinensystems nach Anspruch 9, bei dem die Rotationsmaschine einen Wechselstromgenerator (2) aufweist; und wobei das Verfahren das Drehzahländerungsverhältnis des stufenlos verstellbaren Getriebes so steuert, dass die Drehzahl des Wechselstromgenerators (2) konstant gehalten wird.
Verfahren zum Steuern eines einachsigen Gasturbinensystems nach Anspruch 11, bei dem die Rotationsmaschine eine Pumpe (5) aufweist.
Verfahren zum Steuern eines einachsigen Gasturbinensystems nach Anspruch 12, wobei das Verfahren das Drehzahländerungsverhältnis des stufenlos verstellbaren Getriebes (3A) gemäß einem Antriebsdrehmoment der Pumpe (5) steuert.
Verfahren zum Steuern eines einachsigen Gasturbinensystems nach Anspruch 12, bei dem die Pumpe eine Pumpe mit stehender Welle ist; und bei dem das stufenlos verstellbare Getriebe (3A) einen Kegelradmechanismus (36) zum Übertragen der Antriebskraft von der einachsigen Gasturbine (1) auf die Pumpe (5) mit vertikaler Welle aufweist.
Verfahren zum Steuern eines einachsigen Gasturbinensystems nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Verfahren die Kupplung (35) betätigt, um die Übertragung der Antriebskraft zu trennen, wenn die Drehzahl der einachsigen Gasturbine (1) bedingt durch eine plötzliche Erhöhung der Last der Rotationsmaschine verringert wird.
Verfahren zum Steuern eines einachsigen Gasturbinensystems nach Anspruch 9, bei dem das stufenlos verstellbare Getriebe (3, 30) weiter einen Planetengetriebemechanismus (32) aufweist.