JP2002235558A - １軸式ガスタービンシステム - Google Patents

１軸式ガスタービンシステム

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービンに駆動される回転機械の負荷変
動に対応して、ガスタービンまたは駆動対象の回転機械
の回転数を最適化することができる１軸式ガスタービン
システムを提供する。 【解決手段】 １軸式ガスタービン１と、前記１軸式ガ
スタービン１に駆動される回転機械と、前記ガスタービ
ン１と前記回転機械との間に介装されている無段変速機
３と、制御装置４とを備え、前記制御装置４により前記
ガスタービン１の回転数が最適燃料消費量マップＭによ
り最適回転数に制御されるとともに、前記回転機械の回
転数が所望回転数となるように前記無段変速機３の変速
比が制御される１軸式ガスタービンシステムＳである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、１軸式ガスタービ
ンシステムに関する。さらに詳しくは、負荷変動に対応
して、ガスタービンやガスタービンに駆動される回転機
械を最適な回転数で稼動または駆動できる１軸式ガスタ
ービンシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、ガスタービンにより交流発電
機やポンプなどの回転機械を駆動する場合には、構造の
簡単な１軸式ガスタービンが主として用いられている。
この１軸式ガスタービンにより交流発電機を駆動する場
合には、図１２(ａ)に示すように、毎分数万回転にも達
するガスタービン１０１の回転数を変速機１０３で所要
の回転数まで減速して交流発電機１０２を駆動させてい
る。かかるガスタービン式発電システムにおいては、交
流発電機１０２がフルに発電していない場合、すなわち
部分負荷の場合には、それに対応させてガスタービン１
０１の回転数を減少させると燃費が向上することが知ら
れている。
【０００３】すなわち、図１３に定格運転時出力が２７
５ＰＳであるガスタービンの回転数−燃料消費量特性を
示す。同図では、定格運転時の規定回転数を１００％と
して、各回転数１０５％、１００％、９５％および９０
％毎の出力と燃料流量との関係を各曲線Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3
およびＬ4で示している。同図からあきらかなように、
定格運転時よりも小さい出力の運転条件では、回転数を
定格運転時の規定回転数から下げるに従って燃費は改善
される。
【０００４】しかしながら、従来のガスタービン式発電
システムにおいては、変速機１０３が変速比一定のギヤ
変速機などとされているので、ガスタービン１０１の回
転数を変えると交流発電機１０２の回転数も変わってし
まい一定周波数の交流電力を発電できなくなるため、実
際には発電機１０２が部分負荷の場合にもガスタービン
１０１を１００％の回転数で稼動させている。その結
果、次のような問題が生じている。
【０００５】（１）１００％の回転数を維持するため無
駄な燃料が消費されており、燃費が悪い。
【０００６】（２）無駄な燃焼によりタービン入口温度
が上昇するため、タービンの寿命が短くなる。
【０００７】（３）無駄に消費される燃料の一部が不完
全燃焼しているため、大気汚染を助長している。
【０００８】また、１軸式ガスタービンによりポンプを
駆動する場合にも、図１２（ｂ）に示すように、毎分数
万回転にも達するガスタービン１０１の回転数を変速機
１０３で所要の回転数まで減速してポンプ１０４を駆動
させているが、ポンプの駆動には非常に大きな始動トル
クがかかり１軸式ガスタービン単独では始動できないた
め、ガスタービン１０１と変速機１０３との間に巨大な
流体クラッチ１０５が始動クラッチとして必要とされ
る。
【０００９】しかして、かかるシステムにおいてポンプ
１０４が泥や土砂などを吸い込み負荷が急増した場合に
は、ポンプの回転数を落としてトルクを増大させること
が有効であるが、変速機１０３が変速比一定のギヤ変速
機などとされているため、負荷の急増に対応させて迅速
に回転数を落とすことができず、ガスタービン１０１が
停止してしまうという問題がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる従来技
術の課題に鑑みなされたものであって、ガスタービンに
駆動される回転機械の負荷変動に対応して、ガスタービ
ンや駆動対象の回転機械の回転数を最適化することがで
きる１軸式ガスタービンシステムを提供することを目的
としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の１軸式ガスター
ビンシステムは、１軸式ガスタービンと、前記１軸式ガ
スタービンに駆動される回転機械と、前記ガスタービン
と前記回転機械との間に介装される無段変速機と、制御
装置とを備え、前記制御装置により、前記ガスタービン
の回転数が最適回転数に制御されるとともに、前記回転
機械の回転数が所望回転数となるように前記無段変速機
の変速比が制御されることを特徴とするものである。
【００１２】本発明の１軸式ガスタービンシステムにお
いては、前記最適回転数が、回転機械の負荷に応じて燃
料消費量を最小とする回転数を示す最適燃料消費量マッ
プに基づき設定されるのが好ましい。
【００１３】また、本発明の１軸式ガスタービンシステ
ムにおいては、無段変速機が１軸式ガスタービンと回転
機械との間の駆動力伝達系を接続・遮断するクラッチを
有し、前記制御装置により、回転機械の急激な負荷増大
により１軸式ガスタービンの回転数が低下したときにク
ラッチが前記駆動力伝達系を遮断するよう制御されるの
が好ましい。
【００１４】さらに、本発明の１軸式ガスタービンシス
テムにおいては、無段変速機が１軸式ガスタービンの回
転数を分流して伝達するパワースプリット方式の無段変
速機とされてなるのが好ましい。
【００１５】さらに、本発明の１軸式ガスタービンシス
テムにおいては、無段変速機が、トラクションドライブ
と遊星歯車変速機構とからなるのが好ましい。
【００１６】さらに、本発明の１軸式ガスタービンシス
テムにおいては、無段変速機の低トルク側にクラッチを
設けてなるのが好ましい。
【００１７】ここで、本発明の１軸式ガスタービンシス
テムにおいては、回転機械が交流発電機とされ、制御装
置により前記交流発電機の回転数が一定となるように無
段変速機の変速比が制御される。
【００１８】あるいは、本発明の１軸式ガスタービンシ
ステムにおいては、回転機械がポンプとされる。その場
合、無段変速機の変速比がポンプの駆動トルクに応じて
制御されるのが好ましく、また前記無段変速機がベベル
ギア機構を有し、立軸ポンプとされた前記ポンプを駆動
するものとされてなるのがさらに好ましい。
【００１９】
【作用】本発明は前記のごとく構成されているので、駆
動対象の回転機械の負荷変動に対応した最適な回転数で
ガスタービンや駆動対象の回転機械を稼動または駆動す
ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら本
発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる
実施形態のみに限定されるものではない。
【００２１】実施形態１ 本発明の実施形態１にかかる１軸式ガスタービンシステ
ムのブロック図を図１に示す。この１軸式ガスタービン
システムＳは、発電機の負荷に対応した最適な回転数で
ガスタービンを稼動させるものであって、図１に示すよ
うに、１軸式ガスタービン（以下、単にガスタービンと
いう）１と、このガスタービン１により駆動される交流
発電機２と、ガスタービン１の回転数の変動に拘らず交
流発電機２を駆動する駆動回転数を一定に保つ無段変速
機３と、交流発電機２の負荷（発電量）に対応したガス
タービン１の最適な回転数を設定するとともに、ガスタ
ービン１、交流発電機２および無段変速機３を制御する
制御装置４とを主要構成要素としてなる。
【００２２】ガスタービン１および交流発電機２の構成
は、公知の１軸式ガスタービンおよび交流発電機と同様
のものとされているので、その詳細な説明は省略する。
【００２３】無段変速機３は、トラクションドライブ式
やベルト式など各種の無段変速機とすることができる
が、ガスタービン１が大出力のものである場合は、耐久
性および寿命向上の観点からパワースプリット方式の無
段変速機３０とされるのが好ましい。パワースプリット
方式の無段変速機３０の一例を図２および図３に示す。
【００２４】この無段変速機３０は、図２、図３および
図４に示すように、トラクションドライブ３１と差動歯
車変速機構３２および遊星歯車変速機構３３とが、入力
軸３４を介して入力されたガスタービン１の回転数を分
流して伝達できるように配設されてなるものである。な
お、図４において符号Ｄで示す部分はクラッチ３５の駆
動機構を示す。
【００２５】具体的には、入力軸３４は差動歯車変速機
構３２のサンギヤ３２ａに接続される一方、その中間に
はギヤ３４ａが設けられており、このギヤ３４ａと噛合
するアイドラギヤ３４ｂがクラッチ３５の入力軸３５ａ
に設けられたギア３５ｂと噛合し、クラッチ３５の出力
側にトラクションドライブ３１の入力軸３１ａが接続さ
れ、それによりトラクションドライブ３１がクラッチ３
５を介して入力軸３４に接続されている。
【００２６】また、トラクションドライブ３１の出力ギ
ヤ３１ｂは、差動歯車変速機構３２のリングギヤ３２ｂ
に噛合させられている一方、差動歯車変速機構３２の複
数の遊星歯車３２ｃが固定されているキャリア３２ｄは
出力軸３６を介して遊星歯車変速機構３３のサンギヤ３
３ａに接続されており、遊星歯車変速機構３３のキャリ
ア３３ｄは出力軸３７を介して交流発電機２に接続され
ている。
【００２７】無段変速機３０では、クラッチ３５を入力
軸３４とトラクションドライブ３１との間、すなわち差
動歯車変速機構３２側と比較して伝達駆動力の小さい側
に設けるようにしたことによって、小型・軽量のクラッ
チ３５によりガスタービン１と交流発電機２との間の駆
動力伝達系における接続状態と遮断状態とを切り替える
ことができる。例えば、無段変速機３０の各構成要素に
おける減速比を図５に○付数字で示す値に設定した場
合、トラクションドライブ３１に流入する動力は全体の
２７％以下に抑えることが可能である（図６参照）。な
お、図５において符号ｅSはトラクションドライブ３１
の変速比を示す。
【００２８】図６は、遊星歯車変速機構３３のキャリア
３３ｄの回転数の変化に対応してトラクションドライブ
３１に流入する動力がどのように変化するかを示したも
のであり、横軸は、遊星歯車変速機構３３のリングギヤ
３３ｂの回転数およびこれに対応するキャリア３３ｄの
回転数を示す。また、縦軸はトラクションドライブ３１
に流入する動力（ＨＰ）を示す。例えば、キャリア３３
ｄの回転数が４８００ｒｐｍのときトラクションドライ
ブ３１に流入する動力は９５．９ＨＰとなり、６０００
ｒｐｍのとき２７６．７ＨＰとなる。
【００２９】制御装置４は、図７に示すように、燃費が
最適となるように交流発電機２の負荷に応じてガスター
ビン１の回転数を設定する回転数設定手段４１と、回転
数設定手段４１により設定されたガスタービン１の回転
数に拘わらず交流発電機２の回転数を所定回転数とする
ために、無段変速機３の出力軸３７の回転数を所定回転
数とするよう無段変速機３の変速比をフィードバック制
御する変速比フィードバック制御手段４２とを備えてな
るものとされる。ここで、回転数設定手段４１は、後述
する最適燃料消費量マップＭによりガスタービン１の回
転数を設定するものとされる。また、変速比フィードバ
ック制御手段４２は、無段変速機３の出力軸３７に設け
られ出力軸３７の回転数を検出する回転数センサ４３の
出力信号に基づき無段変速機３における変速比を調節す
るものとされる。
【００３０】図８に、発電設備で用いられる一般的なガ
スタービンにおける回転数−燃料消費量特性を示す。同
図において、各曲線Ａ1〜Ａ7は、各燃料流量Ｗｆ（Ｗｆ
＝６０〜１２０Ｌ／ＨＲ）毎の、回転数（５３０００Ｒ
ＰＭを１００％とする比率で示す）と出力（ＰＳ）との
関係を示す。また、同図の曲線Ｂは、最大出力を与える
回転数をプロットしてグラフ化したものである（以下、
曲線Ｂを最適燃費カーブと称する）。
【００３１】本実施形態では、最適燃費カーブＢをマッ
プデータ化した最適燃料消費量マップＭが回転数設定手
段４１に格納されており、回転数設定手段４１は、この
最適燃料消費量マップＭにより交流発電機２の負荷に応
じてガスタービン１の回転数を設定するものとされる。
これにより、交流発電機２の負荷に対応して燃料消費量
を最小とする回転数でガスタービン１が運転されるの
で、燃費を改善することが可能となる。なお、かかる手
段４１，４２を有する制御装置４は、例えばコンピュー
タに前記手段４１，４２に対応させたプログラムを格納
することにより実現される。
【００３２】このように、実施形態１によれば、ガスタ
ービン１の回転数を最適燃料消費量マップＭにより交流
発電機２の負荷に応じて設定するとともに、設定された
ガスタービン１の回転数に拘わらず交流発電機２の回転
数を所定回転数とするように無段変速機３の変速比がフ
ィードバック制御されるので、交流発電機２の負荷に応
じた最大の効率でガスタービン１を稼動させることがで
きる。このため、燃費が改善されるとともに、例えば余
剰燃料の不完全燃焼による大気汚染が防止され、またタ
ービン入口温度が不必要に上昇されることもなくタービ
ンの寿命を伸ばすことも可能となる。さらに、交流発電
機２の回転数も無段変速機３により容易に変えられるた
め、発電周波数の切り替え、つまり５０Ｈｚと６０Ｈｚ
の切り替えも容易になる。
【００３３】実施形態２ 本発明の実施形態２にかかる１軸式ガスタービンシステ
ムのブロック図を図９に示す。この１軸式ガスタービン
システムＳ１は、実施形態１の１軸式ガスタービンシス
テムＳを改変してなるものである。すなわち、駆動対象
の回転機械を交流発電機２からポンプ５に変更するとと
もに、これに対応させて無段変速機３および制御装置４
を改変してなるものである。なお、図９中の符号４４は
トルクセンサを示す。
【００３４】図１０に示すように、実施形態２ではポン
プ５として立軸ポンプを用いるものとし、これに対応さ
せて無段変速機３Ａ（３０Ａ）は回転駆動力の伝達方向
を９０度変換するものとして説明する。
【００３５】無段変速機３０Ａは、トラクションドライ
ブ３１と差動歯車変速機構３２とが、入力軸３４を介し
て入力されたガスタービン１の回転数を分流して伝達で
きるように配設されてなるものである。
【００３６】具体的には、入力軸３４は差動歯車変速機
構３２のサンギヤ３２ａに接続される一方、その中間に
はギヤ３４ａが設けられており、このギヤ３４ａに噛合
するアイドラギヤ３４ｂがクラッチ３５の入力軸３５ａ
に設けられたギア３５ｂに噛合し、クラッチ３５の出力
側にトラクションドライブ３１の入力軸３１ａが接続さ
れ、それによりトラクションドライブ３１がクラッチ３
５を介して入力軸３４に接続されている。
【００３７】また、トラクションドライブ３１の出力ギ
ヤ３１ｂは、差動歯車変速機構３２のリングギヤ３２ｂ
に噛合させられている一方、差動歯車変速機構３２の複
数の遊星歯車３２ｃが固定されているキャリア３２ｄは
傘歯車機構（ベベルギア機構）３６を介して無段変速機
３Ａの出力軸３７に接続されている。
【００３８】なお、ポンプ５は横軸ポンプとしてもよ
く、この場合は回転駆動力の伝達方向を変換する必要は
ない。
【００３９】制御装置４Ａは回転数設定手段４１Ａおよ
び変速比フィードバック制御手段４２Ａを有し、ポンプ
５の負荷の変化に対応してポンプ５の回転数を調節する
ものとされる。具体的には、ポンプ５が泥、土砂および
流木などを吸い込み負荷が増大したような場合、変速比
フィードバック制御手段４２Ａが無段変速機３の変速比
を調節してポンプ５の回転数を下げトルクを増大させる
ことにより、ガスタービン１が停止するのを防止するよ
う制御するものとされる。なお、トルクが急激に変化し
たような場合は、ガスタービン１の停止を避けるために
クラッチ３５を開放してガスタービン１とポンプ５との
間の動力伝達を遮断するよう制御してもよい。
【００４０】また、無段変速機３の出力軸３７にトルク
メータ（不図示である）を設けて、検出トルクが規定値
を超えるような場合は、各部の損傷を避けるためにクラ
ッチ３５を開放するよう制御してもよい。
【００４１】このように、この実施形態２によれば、無
段変速機３の変速比をポンプ５の負荷の増減に応じて適
宜調節することでポンプ５の駆動回転数を迅速に変える
ことができるため、ポンプ５の負荷の急増によりガスタ
ービン１が停止するという事態が生じなくなる。また、
ポンプ５の負荷が急激に増大したような場合にはクラッ
チ３５を開放するよう制御することによって、ガスター
ビン１の停止や各部の損傷を避けることも可能となる。
さらには、無段変速機３Ａを、パワースプリット方式の
無段変速機３０Ａとし、駆動力伝達系の一方、好ましく
は伝達駆動力の小さい側にクラッチを設けることによっ
て、小型・軽量のクラッチにより駆動力伝達系の接続・
遮断を行うことができ、これによって、従来の大型の始
動クラッチを省略することも可能となる。
【００４２】以上、本発明を実施形態に基づいて説明し
てきたが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるも
のではなく、種々改変が可能である。例えば、実施形態
ではガスタービンに駆動される回転機械は交流発電機お
よびポンプに限定されるものではなく、各種回転機械と
することができる。
【００４３】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
構造の簡単な１軸式ガスタービンを使用しながら、２軸
式ガスタービンを使用した場合と同様の効果を達成する
ことができる。すなわち、ガスタービンの回転数を無段
変速機により減速しているため、駆動対象回転機械の負
荷変動にかかわらずガスタービンを最適回転数で稼動さ
せながら駆動対象の回転機械の回転数を所望回転数とす
ることができるという優れた効果が得られる。
【００４４】本発明の好ましい形態によれば、交流発電
機の負荷に対応した最適な回転数でガスタービンを稼動
できるため、燃料を必要最小限とすることができて燃費
が向上するという優れた効果が得られる。また、燃料供
給量を必要最小限としているので、タービン入口温度が
異常な上昇が防止されてタービンの寿命が伸びるととも
に、余分な燃料の不完全燃焼による大気汚染も防止でき
るという優れた効果も得られる。さらに、交流発電機の
回転数も無段変速機により容易に変えられるため、発電
周波数の切り替え、つまり５０Ｈｚと６０Ｈｚの切り替
えも容易になるという優れた効果も得られる。
【００４５】本発明の別の好ましい形態によれば、ポン
プの回転数を迅速に変えることができるため、負荷の急
増によりガスタービンが停止することがなくなるという
優れた効果が得られる。また、無段変速機をパワースプ
リット方式としたより好ましい形態によれば、始動クラ
ッチを小型・軽量化できたり、場合によってはなくした
りすることができるという優れた効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る１軸式ガスタービン
システムのブロック図である。
【図２】同実施形態に用いられるパワースプリット方式
の無段変速機の概略構成を示す図である。
【図３】同ブロック図である。
【図４】クラッチ周辺の詳細を示す図である。
【図５】無段変速機の各構成要素における減速比の設定
例を示す図である。
【図６】無段変速機の作動歯車機構におけるリングギア
回転数および出力軸回転数とトラクションドライブに流
入する駆動力との関係を示すグラフ図である。
【図７】実施形態１の制御装置のブロック図である。
【図８】最適燃料消費量マップの設定原理を説明する模
式図である。
【図９】本発明の実施形態２に係る１軸式ガスタービン
システムのブロック図である。
【図１０】同実施形態に用いられるパワースプリット方
式の無段変速機の他の例の概略構成を示す図である。
【図１１】同ブロック図である。
【図１２】従来の１軸式ガスタービンシステムのブロッ
ク図であって、同(ａ)は発電システムを示し、同（ｂ）
はポンプ駆動システムを示す。
【図１３】発電設備で使用されるガスタービンにおける
回転数―燃料消費量特性を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１ １軸式ガスタービン ２ 交流発電機 ３、３０ 無段変速機 ３１ トラクションドライブ ３２ 差動歯車変速機構 ３３ 遊星歯車変速機構 ４ 制御装置 ４１ 回転数算設定手段 ４２ 変速比フィードバック制御手段 ５ ポンプ Ｃ コンピュータ Ｓ １軸式ガスタービンシステム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ１６Ｈ 63:06 Ｆ１６Ｈ 63:06

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 １軸式ガスタービンと、前記１軸式ガス
    タービンに駆動される回転機械と、前記ガスタービンと
    前記回転機械との間に介装される無段変速機と、制御装
    置とを備え、 前記制御装置により、前記ガスタービンの回転数が最適
    回転数に制御されるとともに、前記回転機械の回転数が
    所望回転数となるように前記無段変速機の変速比が制御
    されることを特徴とする１軸式ガスタービンシステム。
  2. 【請求項２】 前記最適回転数が、回転機械の負荷に応
    じて燃料消費量を最小とする回転数を示す最適燃料消費
    量マップに基づき設定されることを特徴とする１軸式ガ
    スタービンシステム。
  3. 【請求項３】 回転機械が交流発電機とされ、制御装置
    により前記交流発電機の回転数が一定となるように無段
    変速機の変速比が制御されることを特徴とする請求項１
    記載の１軸式ガスタービンシステム。
  4. 【請求項４】 回転機械がポンプとされてなることを特
    徴とする請求項１記載の１軸式ガスタービンシステム。
  5. 【請求項５】 前記無段変速機の変速比がポンプの駆動
    トルクに応じて制御されることを特徴とする請求項４記
    載の１軸式ガスタービンシステム。
  6. 【請求項６】 前記無段変速機がベベルギア機構を有
    し、立軸ポンプとされた前記ポンプを駆動するものとさ
    れてなることを特徴とする請求項４記載の１軸式ガスタ
    ービンシステム。
  7. 【請求項７】 無段変速機が１軸式ガスタービンと回転
    機械との間の駆動力伝達系を接続・遮断するクラッチを
    有し、前記制御装置により、回転機械の急激な負荷増大
    により１軸式ガスタービンの回転数が低下したときにク
    ラッチが前記駆動力伝達系を遮断するよう制御されるこ
    とを特徴とする請求項１ないし６記載の１軸式ガスター
    ビンシステム。
  8. 【請求項８】 無段変速機が１軸式ガスタービンの回転
    数を分流して伝達するパワースプリット方式の無段変速
    機とされてなることを特徴とする請求項１ないし７記載
    の１軸式ガスタービンシステム。
  9. 【請求項９】 無段変速機が、トラクションドライブと
    遊星歯車変速機構とからなることを特徴とする請求項８
    記載の１軸式ガスタービンシステム。
  10. 【請求項１０】 無段変速機の低トルク側にクラッチを
    設けてなることを特徴とする請求項９記載の１軸式ガス
    タービンシステム。
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