JP2001193475A - 発電用多軸ガスタービンおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発電用多軸ガスタービンにおいて、２次流体
を用いない場合も出力および熱効率の低下を少なくす
る。 【解決手段】 高圧タービン３と圧縮機１とに接続され
た第１軸５と、出力タービン４と発電機７とに接続され
た第２軸６とを有し、燃焼器２あるいはタービンより2
次流体を吹き込む発電用多軸ガスタービンにおいて、第
１軸５と第２軸６を連結する連結装置９を設け、2次流
体を吹き込まない場合は第１軸５と第２軸６を連結装置
９で連結して運転する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は2次流体を用いる発
電用多軸ガスタービンとその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機
と、圧縮空気に燃料を吹き込み燃焼する燃焼器と、燃焼
ガスにより回転する高圧タービンと低圧タービンを備え
ている。高圧タービンと低圧タービンの間に中圧タービ
ンを備える場合もある。低圧タービンは出力タービンと
も呼ばれる。圧縮機と高圧タービンと出力タービンは1
本の軸（シャフト）に取付けられる場合と、圧縮機と高
圧タービンが１つの軸に取付けられ、出力タービンが他
の軸に取付けられる場合がある。後者のように２軸又は
それ以上となる場合多軸タービンと呼ばれる。

【０００３】ガスタービンエンジンの出力増強・熱効率
改善を目的として燃焼器の入口又は高圧タービンの入口
に蒸気等の2次流体を吹き込む場合がある。図８は従来
の蒸気を吹き込む発電用２軸ガスタービンの構成を模式
的に示した図である。圧縮機1、燃焼器2、高圧タービン3、
低圧タービン４は、この順に配置されている。第1軸5と
この第1軸５を貫通する第2軸６が設けられ、第１軸５に
は圧縮機２とこれを駆動する高圧タービン３が取付けら
れ、第２軸６には発電機７とこれを駆動する低圧タービ
ン４が取付けられている。燃焼器２の入口又は高圧ター
ビン３の入口に蒸気等の2次流体を吹き込む蒸気吹込装
置８が設けられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】発電用ガスタービンの
場合移動して用いることがある。この場合移動先で蒸気
等の2次流体が得られない場合がある。緊急発電などに
用いる場合、2次流体を用いないで運転を行うが、その場
合出力および熱効率が低下する。この出力および熱効率
の低下は、2軸以上のガスタービンの場合特に顕著であ
る。発電する場合、５０Hzとか６０Hzの周波数を保持す
るため発電機に接続する出力タービンの回転数を保持す
るようにガスタービンは運転される。1軸ガスタービン
の場合、圧縮機も発電機とともに回転するので２次流体
を用いない場合も出力および熱効率の低下は少ないが、
２軸以上のガスタービン場合、圧縮機の回転は発電機と
独立であるため、２次流体を用いない場合回転数の低下
が大きく出力および熱効率の低下は著しい。

【０００５】本発明は上述の問題点に鑑みなされたもの
で、発電用多軸ガスタービンにおいて、２次流体を用い
ない場合も出力および熱効率の低下を少なくすることを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、高圧タービンと圧縮機とに接続
された第１軸と、出力タービンと発電機とに接続された
第２軸とを有し、燃焼器あるいはタービンより2次流体
を吹き込む発電用多軸ガスタービンにおいて、第１軸と
第２軸を連結する連結装置を設ける。

【０００７】2次流体を吹き込まない場合、第１軸と第
２軸を連結装置で連結して運転すると１軸ガスタービン
と同等となり、圧縮機の回転数は発電機で決められる値
を保持する。これにより圧縮機の流量および圧力比の低
下は少なく、ガスタービンの出力および熱効率の低下も
少なくなる。

【０００８】請求項２の発明では、燃焼器あるいはター
ビンより2次流体を吹き込む発電用多軸ガスタービンの
運転方法であって、上記２次流体を吹き込まずに、少な
くとも発電機に接続された軸と圧縮機に接続された軸と
を連結して運転する。

【０００９】２次流体を吹き込まずに、少なくとも発電
機に接続された軸と圧縮機に接続された軸とを連結して
運転すると、１軸ガスタービンと同等となり、圧縮機の
回転数は発電機で決められる値を保持する。これにより
圧縮機の流量および圧力比の低下は少なく、ガスタービ
ンの出力および熱効率の低下も少なくなる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は本発明の第１実施形態の発
電用ガスタービンの構成を示す図である。１は圧縮機で
空気を圧縮する。２は燃焼器で圧縮空気に燃料を噴射
し、点火して燃焼ガスを発生する。３は高圧タービンで
燃焼ガスにより回転する。４は出力タービンで、高圧タ
ービン３を出た燃焼ガスにより回転する。なお、出力タ
ービン4は、低圧タービンのみの場合と、中圧タービン
と低圧タービンの場合がある。５は第１軸で圧縮機１と
高圧タービン３の動翼が取付けられ高圧タービン３の回
転を圧縮機１に伝達する。６は第２軸で、第１軸５を貫
通しており、ガスタービンの前後方向後端に出力タービ
ン４の動翼が取付けられ、前端に発電機７が取付けられ
ている。８は燃焼器２に蒸気を吹き込む蒸気吹込装置で
ある。

【００１１】第１軸５の前端（圧縮機側）と第２軸６に
連結装置としてクラッチ装置９が設けられ、第１軸５と
第２軸６を連結し、切り離す。クラッチはかみ合いクラ
ッチ、摩擦クラッチや電磁クラッチなどが用いられる。
摩擦クラッチとしてディスククラッチ等が用いられる。

【００１２】次に第２実施形態について説明する。図２
は第２実施形態の発電用ガスタービンの構成を示す。第
１実施形態との相違は、第１シャフト５と第２シャフト
６が高圧タービン３と出力タービン４との間で突合せた
状態にあり、この突合せ部にクラッチ装置１０を設け両
シャフト５，６を接続し、切り離す。また、発電機７を第
２シャフト６の後端、つまりガスタービンの後方に配置
する。

【００１３】図２に示すように、第１シャフト５には圧
縮機１と高圧タービン３の動翼が取付けられ、第２シャ
フト６には前方に出力タービンの動翼、後端に発電機７
が設けられている。第１シャフト５の後端と第２シャフ
ト６の前端を結んでクラッチ装置１０が設けられてい
る。燃焼器2の後方に破線で示すように燃焼ガス通路１
１が設けられているのでクラッチ装置１０には燃焼ガス
が当たらないようになっている。なお、動作は第１実施
形態と同じである。

【００１４】次に、クラッチ装置９,10の装備例を説明
する。図3はジョークラッチを装備した場合を示す。ジ
ョークラッチはかみ合いクラッチで、第１軸２１をキー
２５に沿って移動する移動金具２３と、第２軸２２に固
定された静止金具２４とがあり、移動金具２３と静止金
具２４がかみ合うことにより接合する。移動金具２３の
移動は図示しないスプリング等の駆動装置により行われ
る。

【００１5】図4はディスククラッチを装備した場合を示
す。ディスククラッチは摩擦クラッチで、第１軸３１を
キー３５に沿って移動する移動ディスク３３と、第２軸
３２にクサビ３６で固定された静止ディスク３４とがあ
り、移動ディスク３３と静止ディスク３４が押し合わさ
れ摩擦により接合する。滑りを伴って接合するので衝撃
が少ない。移動ディスク３３の移動は図示しないスプリ
ング等の駆動装置により行われる。

【００１6】図5は円錐クラッチを装備した場合を示す。
円錐クラッチは摩擦クラッチで、第１軸４１をキー４５
に沿って移動する移動円錐４３と、第２軸４２にクサビ
４６で固定された静止円錐４４とがあり、移動円錐４３
と静止円錐４４がはめ合わされ摩擦により接合する。滑
りを伴って接合するので衝撃が少ない。移動円錐４３の
移動は図示しないスプリング等の駆動装置により行われ
る。

【００１7】クラッチとしては、上記の他、次のものも
用いられる。摩擦クラッチとして多板で接触する湿式機
械多板クラッチは単板クラッチに対し大きなトルクを伝
達でき、過大な負荷に対しては、摩擦面で滑ることによ
り安全装置として機能する。あらかじめ定められた値よ
りトルクが大きくなると自動的にかみ合いが外れるかス
リップする構造の定トルククラッチ、回転質量の遠心力
によって生ずる摩擦力で駆動側と被駆動側とを連結する
遠心力クラッチがある。遠心力クラッチは負荷に関係な
く無負荷で始動でき、あらかじめ定められた回転速度に
達すると、徐々に摩擦力が増大するから滑らかに連結で
きる。過負荷に対してはスリップして安全装置の作用も
する。その他電磁作用による電磁パウダクラッチ、動力
伝達の媒体として油を用いる流体継手等がある。流体継
手はクラッチの機能とともに緩衝機能があり、駆動軸に
負担をかけないで被動軸の回転を徐々に上げることが出
来る。

【００１8】クラッチ以外の連結方法として、次の方法
がある。 ａ）ピン、キー等による軸の固定方法。 ｂ）スプラインによる軸と軸との固定方法。 ｃ）軸と軸とをフランジを介してボルトで固定する方
法。

【００１9】次に動作について説明する。図6は図１,図
２示すガスタービンを１軸と２軸で作動した場合の出力
と熱効率を示す。2次流体として蒸気を１００％から段
階的に０％まで減少させた状況を示す。発電機７のサイ
クルは例えば６０Ｈｚというように一定に保持されるの
で、１軸の場合圧縮機１も同じサイクルで回転する。２
軸の場合、圧縮機１と高圧タービン３はさらに高い回転
数で回転し効率を上げる。１軸の場合蒸気量の減少につ
れて出力と熱効率が減少していく。２軸の場合減少量が
５０%までは１軸と同じように減少するが、これを過ぎ
ると急激に減少する。

【００２０】図７は図１、図２に示すガスタービンで蒸
気量を減少した場合、１軸と２軸の場合について、圧縮
機１の流量と圧縮機の圧力比を示す。蒸気の吹き込みは
圧縮機１の後の燃焼器２であり、１軸の場合、圧縮機１
の回転数は変わらないので、蒸気量が減少しても流量は
変わらないが、背圧が減少するので圧縮比は多少減少す
る。これに対し２軸の場合、高圧タービン３への蒸気量
の減少により回転数が減少し同軸の圧縮機１の回転数も
減少するので、流量および圧縮比が大きく減少する。こ
のように２軸ガスタービンは１軸ガスタービンと比べ、
蒸気量の減少により圧縮機１の流量と圧縮比は大幅に減
少するので、ガスタービンとしての出力および熱効率も
大幅に減少する。

【００２１】以上の動作特性より、２軸以上のガスター
ビンでは、蒸気が得られない場合、１軸に連結すること
により出力と熱効率の大幅な減少を回避することができ
る。

【００２２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、2次流体を用いる発電用多軸ガスタービンにおい
て、2次流体が得られない場合、１軸に連結することに
より出力および熱効率の減少を少なくすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の発電用２軸ガスタービ
ンの構成を示す図である。

【図２】本発明の第２実施形態の発電用２軸ガスタービ
ンの構成を示す図である。

【図３】ジョークラッチを装備した場合を示す図であ
る。

【図４】ディスククラッチを装備した場合を示す図であ
る。

【図５】円錐クラッチを装備した場合を示す図である。

【図６】ガスタービンの出力と熱効率が蒸気量により変
化する状態を示す図である。

【図７】ガスタービンの圧縮機の流量と圧力比が蒸気量
により変化する状態を示す図である。

【図８】従来の発電用２軸ガスタービンの構成を示す図
である。

【符号の説明】

1圧縮機 ２ 燃焼器 ３ 高圧タービン ４ 出力タービン ５ 第１軸 ６ 第２軸 ７ 発電機 ８ 蒸気吹込装置 ９、10 クラッチ装置 11 燃焼ガス通路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高圧タービンと圧縮機とに接続された第
   １軸と、出力タービンと発電機とに接続された第２軸と
   を有し、燃焼器あるいはタービンより2次流体を吹き込
   む発電用多軸ガスタービンにおいて、第１軸と第２軸を
   連結する連結装置を設けたことを特徴とする発電用多軸
   ガスタービン。
2. 【請求項２】 燃焼器あるいはタービンより2次流体を
   吹き込む発電用多軸ガスタービンの運転方法であって、
   上記２次流体を吹き込まずに、少なくとも発電機に接続
   された軸と圧縮機に接続された軸とを連結して運転す
   る、ことを特徴とする発電用多軸ガスタービンの運転方
   法。