JP2018115655A - 同期進相機クラッチのためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力網の力率への影響を低減し、かつ低コストのガスタービン発電設備を提供する。【解決手段】同期進相動作のための発電ユニットを構成する方法は、発電機シャフト（３１）の発電機軸（６６）に沿って発電機（２９）を動かすことなく、発電機（２９）の発電機シャフト（３１）にクラッチ（３２）を結合するステップを含む。本方法はまた、タービン（１８）のタービン軸（６２）に沿ってタービン（１８）を移動させることなく、スペーサ（６４）を介してタービン（１８）のタービンシャフト（３３）にクラッチ（３２）を結合するステップを含む。さらに、発電機シャフト（３１）はクラッチペデスタル支持なしにクラッチ（３２）の重量を支持するように構成される。【選択図】図２

Description

本明細書で開示される主題は、発電機および同期進相機に関し、より詳細には、同期進相機を備えたクラッチの使用に関する。

ガスタービンシステムは、一般に、圧縮機、燃焼器、およびタービンを含む。燃焼器は、圧縮空気と燃料との混合気を燃焼させて高温燃焼ガスを生成し、高温燃焼ガスは、タービンに導かれて、発電機または他の負荷を駆動するなどの仕事を産出する。発電機と組み合わせたガスタービンエンジンは、発電ユニット（例えば、ガスタービン発電機）を集合的に構成することができる。このような発電ユニットは、一般に、公称周波数の交流電流を電力網に供給する。電力網に接続された種々の負荷は、電力網の力率に影響を及ぼす。電力網に結合された同期進相機は、電力網の力率を調整するために利用することができる。発電ユニットのいくつかの発電機は、同期進相機として動作するように構成することができる。しかし、同期進相機として動作するように発電ユニットを変更することは、発電ユニットのフットプリントを増加させ、それによって発電ユニットに関連する重量およびコストを増加させる可能性がある。

米国特許出願公開第２０１６／００３６２３０号明細書

最初に請求する本発明の範囲に相応する特定の実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は特許請求される発明の範囲を限定しようとするものではなく、むしろ、これらの実施形態は本発明の可能性がある形式の概要を提供しようとするものにすぎない。実際、本発明は、以下に記載する実施形態に類似してもよく、あるいは異なってもよい様々な形態を含むことができる。

第１の実施形態では、システムは、タービンに結合されたタービンシャフトと、発電機シャフトを有する発電機と、を含む。システムはまた、発電機が発電モードである場合に、発電機シャフトを駆動するためにタービンシャフトを発電機シャフトに結合するクラッチを含む。クラッチはまた、発電機が同期進相機モードである場合に、タービンシャフトを発電機シャフトから分離するように解放する。

第２の実施形態では、同期進相動作のための発電ユニットを構成する方法は、発電機シャフトの発電機軸に沿って発電機を動かすことなく発電機の発電機シャフトにクラッチを結合するステップを含む。本方法はまた、タービンのタービン軸に沿ってタービンを移動させることなく、スペーサを介してタービンのタービンシャフトにクラッチを結合するステップを含む。さらに、発電機シャフトはクラッチペデスタル支持なしにクラッチの重量を支持するように構成される。

第３の実施形態では、移動式航空転用ガスタービンシステムは、タービンと、タービンに結合されたタービンシャフトと、発電機シャフトを有する発電機と、を含む。システムはまた、発電機が発電モードである場合に、前記発電機シャフトを駆動するために前記タービンシャフトを前記発電機シャフトに結合するように係合するシンクロ・セルフ・シフティング・クラッチを有するクラッチを含む。クラッチはまた、発電機が同期進相機モードである場合に、タービンシャフトを発電機シャフトから分離するように解放する。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。図面を通じて、同様の符号は、同様の部分を表す。

発電ユニットの一実施形態のブロック図である。 図１の発電ユニットの下流部分の一実施形態のブロック図である。 発電ユニットを修正する方法の一実施形態のフローチャートである。

本発明の１つまたは複数の具体的な実施形態を以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようと努力しても、実際の実施のすべての特徴を本明細書に記載することができるというわけではない。エンジニアリングまたは設計プロジェクトなどの実際の実施の開発においては、開発者の特定の目的を達成するために、例えばシステム関連および事業関連の制約条件への対応など実施に特有の決定を数多くしなければならないし、また、これらの制約条件は実施ごとに異なる可能性があることを理解されたい。さらに、このような開発努力は複雑で時間がかかるかもしれないが、それにもかかわらず、設計、製作、および製造の日常的な仕事が当業者に本開示の利益をもたらすことになる。

本発明の様々な実施形態の要素を導入するとき、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「ｓａｉｄ」は、１つまたは複数の要素が存在することを意味するように意図されている。「備える（「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」）」、「含む（「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」）」、および「有する（「ｈａｖｉｎｇ」）」という用語は、包括的であり、列挙された要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味している。

開示された実施形態は、電力網に供給するための電力を生成すること、または電力網の力率を調整することなどにより、電力網の電力を修正するシステムおよび方法に関する。発電ユニットは、発電機を介して電力網に電力を供給する。発電機は、機械（例えば、ガスタービンエンジン、蒸気タービンエンジン、往復動エンジン）によって動力を供給されてもよい。ガスタービンエンジンは、例えば、航空転用ガスタービンエンジンであってもよい。航空転用ガスタービンエンジンの例には、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラルエレクトリック社によって製造された航空転用ガスタービンのＬＭ２５００およびＴＭ２５００シリーズが含まれる。ガスタービンエンジンは、現場に輸送されるように構成された移動ユニットであってもよい。

いくつかの実施形態では、発電ユニットを使用して電力網を安定化することができる。後述するように、発電ユニットの開示された実施形態は、発電機と一体化されたクラッチを含む。クラッチは、システムが発電モードである場合にタービンシャフトを発電機シャフトと係合させるように構成され、クラッチは、同期進相機モードの間に発電機シャフトを自由に回転させるようにタービンシャフトを発電機シャフトから解放するように構成される。発電モードの間、タービンシステムは発電機を介して電力網に電力を供給する。同期進相機モードの間、発電機は発電機が電力網によって駆動されるように同期進相機として動作する。クラッチは、発電機ハウジング／発電機フランジに直接取り付けられたクラッチハウジングを有するシンクロ・セルフ・シフティング・クラッチであってもよい。クラッチと発電機との一体化により、油圧継手、ハウジング、ベアリング、ベアリング潤滑油供給などを有する別個のペデスタルなしにクラッチを使用することができる。

発電ユニットの発電機は、発電モードで電力網に電力を供給する。電力網上の様々な負荷は、電力網からエネルギーを引き出す。しかしながら、いくつかの負荷（例えば、無効負荷）は、電力網からのエネルギーを一時的に蓄え、電力を電力網に戻すことができる。無効負荷によって引き出される電力（例えば、見掛けの電力）が無効負荷によって利用される電力（例えば、有効電力）と異なるため、電力網の無効電力が電力網の力率に影響を及ぼす可能性がある。例えば、発電ユニットが予期せずに電力網に追加され、またはそれから取り除かれた場合、あるいは電力網に接続された負荷が予期せず追加され、または落下した場合に、いくつかの力率外乱が存在することがあり得る。力率は、回路の有効電力と回路の見掛け電力との比である。力率が低いと伝送効率が低下し、設備コストが増加する可能性がある。

ここで図面を参照すると、図１は、タービンシステム１０を備えた発電ユニット８の一実施形態を示す。タービンシステム１０は、タービンシステム１０を駆動するために、留出燃料、天然ガスおよび／または水素富化合成ガスなどの液体もしくは気体燃料を使用することができる。図示するように、燃料ノズル１２は、燃料供給１４を取り入れ、燃料を酸化剤（例えば、空気、酸素富化空気、酸素低減空気）と混合し、燃料酸化剤混合物を、燃焼、排出物、燃料消費および出力のための適切な比率で燃焼器１６に分配する。タービンシステム１０は、１つまたは複数の燃焼器１６の内部に配置された燃料ノズル１２を含むことができる。燃料酸化剤混合物は、燃焼器１６内の燃焼室で燃焼し、それによって高温の加圧排気ガスを生成する。燃焼器１６は、排気ガスをタービン１８に導く。排気ガスがタービン１８を通過すると、ガスはタービンブレードに力を与えて、タービンシステム１０の軸に沿ってシャフト２２を回転させる。図示するように、シャフト２２は、圧縮機２４を含むタービンシステム１０の様々な構成要素に接続されてもよい。圧縮機２４のブレードは、シャフト２２によって駆動することができる。シャフト２２が回転すると、圧縮機２４内のブレードも回転し、それにより、吸気口２６から圧縮機２４を通る酸化剤（例えば、空気）を圧縮して、燃料ノズル１２および／または燃焼器１６に送る。

シャフト２２はまた、例えば発電プラントの発電機または製油所のガス圧縮機などの負荷２８に接続されてもよい。負荷２８は、タービンシステム１０の回転出力によって動力が供給することができる任意の１つまたは複数の適切な装置を含んでもよい。本明細書で説明するように、負荷２８は発電機２９を含むことができるが、しかしながら、タービン１８は、発電機２９に加えて負荷を駆動することができることが理解されよう。発電機２９は、発電ユニット８のシステム１０が発電モードである場合に、電力網３０に電力を供給するために使用することができる。いくつかの実施形態では、発電機２９が発電モードである場合に、発電機２９は、約２０〜１２０ＭＷの電力出力を提供することができる。このエネルギーは、電力網３０に電力を供給するために使用することができる。

クラッチ３２は、発電機シャフト３１をタービンシャフト３３に結合する。いくつかの実施形態では、クラッチ３２は、デラウェア州ニューキャッスルのＳＳＳクラッチ社により製造されたシンクロ・セルフ・シフティング・クラッチである。他の実施形態では、クラッチ３２は、ドッグクラッチ、摩擦クラッチ、または油圧クラッチであってもよい。クラッチ３２は、発電モードで係合され、それによって発電機シャフト３１をタービンシャフト３３に結合する。しかし、発電ユニット８が同期進相機モードにある場合にクラッチ３２が解放され、それによって発電機シャフト３１をタービンシャフト３３から切り離すことができる。同期進相機モードでは、発電機２９が電力網３０に無効電力を供給している間、発電機シャフト３１は自由に回転することができる。加えて、または代替的に、発電機シャフト３１は、発電機２９が電力網３０から無効電力を吸収する間、自由に回転することができる。発電ユニット８のモード（例えば、発電モードまたは同期進相機モード）を制御して、電力網３０の力率を調整することができる。例えば、発電機２９は、電力網の力率を維持するために、電力網３０に無効電力を供給するように、または電力網３０から無効電力を吸収するように構成することができる。開示された主題の説明の全体にわたって、例えば下流方向３４、上流方向３６、軸方向３８、および半径方向４０などの、参照のための一組の方向を使用することができる。

図２は、図１の発電ユニット８の下流部分６０の一実施形態のブロック図を示す。図示する実施形態では、タービン１８は、シャフト２２の一部または延長であってもよいタービンシャフト３３を含む。タービンシャフト３３は、タービンシャフト軸６２を中心に回転する。タービンシャフト３３は、カップリング６４（例えば、スペーサ）およびクラッチ３２に結合されている。スペーサ６４は、可撓性カップリングの形態であってもよい。いくつかの実施形態では、スペーサ６４は、ダイアフラムカップリングまたはディスクカップリングを介してタービン１８に、かつ、ギヤカップリングを介してクラッチ３２に結合されてもよい。

スペーサ６４は、タービンシャフト３３のタービンシャフト軸６２と、発電機シャフト３１の発電機シャフト軸６６と、を整列させるように構成される。換言すれば、スペーサ６４は、タービンシャフト軸６２と発電機シャフト軸６６との間のオフセットを補償する。タービンシャフト軸６２と発電機シャフト軸６６との間のオフセットは、軸６２、６６が平行であるが、それらの間に半径方向４０にいくらかの距離を有する平行オフセットの形態であってもよい。軸６２、６６の間のオフセットは、代わりに、軸が平行ではなく、軸６２、６６の間にいくらかの角度が形成される角度のずれの形態であってもよい。軸６２、６６の間のオフセットはまた、平行オフセットと角度オフセットとの組み合わせであってもよい。

スペーサ６４は、クラッチ３２に結合されてもよい。クラッチ３２は、発電機ハウジング７０の上流側端部６８に取り付けられてもよい。いくつかの実施形態では、クラッチ３２は、発電機２９のフランジ７２に直接取り付けられる。いくつかの実施形態では、クラッチ３２は、クラッチ支持ペデスタルなしで発電機シャフト３１と一体化される。したがって、クラッチ３２は、別個のクラッチ支持ペデスタルの代わりに、発電機２９および／または発電機シャフト３１を介して、冷却剤、油圧動力、油、潤滑油などの流体支持体を受け入れることができる。発電機２９はまた、ロータ７４およびステータ７６を含む。ロータ７４は、発電機シャフト軸６６の周りを回転する発電機シャフト３１に結合されている。発電機シャフト３１は、カップリング６４およびクラッチ３２にも結合されている。

上述したように、発電ユニット８は、電力網の現場に搬送される移動ユニットの一部であってもよい。このように、タービン１８はペデスタル８０を介してスキッド７８に取り付けることができ、発電機２９は第２のペデスタル８４を介してスキッド８２に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、スキッド７８、８２は共通のスキッドであってもよく、タービン１８と発電機２９は共に共通のスキッドに取り付けられてもよい。いくつかの実施形態では、スキッド７８、８２は、トラック、列車、バージまたは他の輸送方法により輸送可能であってもよい。システム１０は輸送可能であるので、タービン１８の下流側端部８８から発電機２９の上流側端部６８までの距離８６を最小にすることができる。この最小化された距離８６によって、システム１０を比較的軽量でコンパクトにすることができ、システム１０の運搬を助けることができる。一例として、距離８６は、ＬＭ２５００タービンの場合、約８５〜９０インチ（約２．１６〜２．２９メートル）とすることができ、コールドエンドまたはホットエンドドライブのユニット配置およびエンジン構成に基づく他のタービンの場合と異なり得る。他の実施形態では、距離８６は、２〜２．５メートル、１．５〜３メートル、１〜３．５メートル、または０．５〜４メートルであってもよい。

少なくとも部分的にはクラッチ３２が発電機２９に直接取り付けられているので、距離８６が最小化される。クラッチ３２はまた、発電機２９と一体化されている。発電機２９と一体化することにより、クラッチ３２は、流体（例えば、潤滑剤または冷却剤）および／または１つもしくは複数の供給ライン５８を介した動力を受け取ることができる。供給ライン５８は、供給源５９（例えばリザーバ、動力源）から流体および／または動力を導くことができる。いくつかの実施形態では、供給源５９は、発電機２９内に、ペデスタル８４内に、または外部に配置することができる。加えて、または代替として、供給ライン５８は、流体を提供する別個のシステムを介して供給されてもよい。供給ライン５８は、クラッチ３２の性能と発電機２９の性能の両方を助ける必要な流体および／または動力を運ぶことができる。発電機２９に直接結合されているか、クラッチ３２に直接結合されているか、または発電機２９とクラッチ３２の両方に直接結合されている供給ライン５８があってもよい。いくつかの実施形態では、供給ライン５８を介して供給される流体は、クラッチ３２を作動させるためにクラッチ３２に流体を供給してもよい。加えて、または代替として、供給ライン５８を通して供給される動力は、クラッチ３２を作動させるためにクラッチ３２に動力を供給することもできる。このように、クラッチと発電機２９との一体化によって、クラッチ３２が専用のベアリングおよびクラッチベアリング支持ペデスタル（クラッチ支持ペデスタル）を有さないようにすることができる。より具体的には、クラッチと発電機２９との一体化によって、別個のクラッチ潤滑油スキッド、別個のクラッチベアリング、別個のクラッチメッシュ、またはこれらの任意の組み合わせを含むが、これらに限定されない別個の要素なしに、クラッチ３２をタービン１８と係合または分離させることが可能になる。

システム１０の図示する実施形態では、システム１０は、一定量の領域および空間、すなわちフットプリントを覆うことができる。クラッチ３２を発電機２９と一体化することにより、軸方向３８におけるシステム１０のフットプリントを、上述した距離８６に対応して最小にすることができる。別個のクラッチ支持ペデスタルを有するより大きなシステムは、タービン１８と発電機２９との間の距離を増加させるクラッチ３２の両側にカップリング／スペーサを有する。さらに、一体化されたクラッチを備えないより大きなシステムは、別個の油圧継手、ハウジング、ベアリング、およびベアリング潤滑油供給を有するクラッチ支持体（例えば、ペデスタル、スキッド）などの追加の機構によってフットプリントが大きくなる可能性がある。代わりに、本明細書に記載のシステム１０のクラッチ３２は、別個の支持ペデスタルのバルクおよびフットプリントの拡張なしに、発電機ペデスタル８４との一体化によりクラッチ支持ペデスタルの利点（例えば流体供給、動力）を受け取ることができる。例えば、クラッチ３２は、発電機２９と発電機潤滑油供給源５９との一体化により、発電機２９および供給ライン５８によって物理的および動作的に支持されてもよい。また、クラッチ３２の重量は、クラッチ３２と発電機２９との一体化により発電機シャフト３１に支持されてもよい。クラッチ３２の重量に起因するモーメントは、発電機シャフト３１によって支持されてもよい。さらに、ペデスタルに取り付けられたクラッチ用の発電機とクラッチとの間に存在する第２のカップリングも取り除くことができる。代わりに、クラッチ３２とタービン１８との間に配置された本明細書に記載のシステム１０の実施形態のための単一のカップリング６４のみが存在する。

第２のカップリングとペデスタルに取り付けられたクラッチとの合計重量は、一体化されたクラッチ３２の重量より大きくなり得る。例えば、スペーサ６４とクラッチ３２との合計重量は、ペデスタルに取り付けられたクラッチ（例えば、別個のハウジングとベアリングを有するクラッチ）の重量の約６倍軽く（軽量に）なり得る。したがって、一体化されたクラッチ３２を有する発電ユニット８は、比較的軽量で輸送可能（例えば、移動可能）のままであり得る。

上述のように、いくつかの実施形態では、発電ユニット８は、既存の移動可能な発電ユニットの変更の結果であってもよい。すなわち、発電ユニット８にクラッチ３２を取り付けるように改造して、発電機２９が発電モードに加えて同期進相機モードで動作できるようにすることができる。移動可能な発電ユニットの変更中に、タービン１８の下流側端部８８と発電機２９の上流側端部６８との間の距離８６は、同じままであってもよい。言い換えれば、クラッチ３２を既存の可動ガスタービンユニットの発電機シャフト３１に結合する間、発電機２９（または発電機ハウジング７０）は、発電機シャフト軸６６に沿って軸方向３８に移動しない。同様に、スペーサ６４を介して既存の可動ガスタービンユニットのタービンシャフト３３にクラッチ３２を結合する間に、タービン１８（またはタービンハウジング９０）は、タービンシャフト軸６２に沿って軸方向３８に移動しない。したがって、一体化されたクラッチ３２を介して同期進相機動作を容易にするために発電ユニット８を変更しても、発電ユニット８の軸方向３８のフットプリントが増加しない場合がある。

図１に関連して上述したように、システム１０は、発電モードと同期進相機モードとの間でシフトすることができる。このシフトは、マイクロプロセッサ９４、メモリ９６、および実行可能コードを有するコントローラ９２（例えば、コンピュータベースのコントローラ）などの機器によって制御されてもよい。マイクロプロセッサ９４は、任意の汎用または特定用途向けプロセッサであってもよい。メモリ９６は、１つまたは複数の有形の非一時的な機械可読媒体を含むことができる。例として、そのような機械可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭまたは他の光学ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置もしくは他の磁気記憶装置、あるいは、機械実行可能な命令またはデータ構造の形で所望のプログラムコードを運搬または格納するために使用することができ、プロセッサ（例えば、マイクロプロセッサ９４）、任意の汎用もしくは専用コンピュータ、またはプロセッサ（例えば、マイクロプロセッサ９４）を有する他のマシンによってアクセスすることができる任意の他の媒体を含むことができる。

さらに、コントローラ９２は、１つまたは複数の入力／出力デバイス９８（例えば、マウス、キーボード、モニタ、タッチスクリーン、ネットワーク通信回路、スピーカ、マイクロフォン、トグル、スイッチ、ダイヤル）に結合されてもよい。より具体的には、入力デバイス９８は、マウス、マイクロフォン、スイッチ、タッチスクリーン、またはこれらの任意の組み合わせの形態であってもよい。オペレータは、入力デバイス９８を介して信号を送信して、発電ユニット８を同期進相機モードから発電モードに移行させるようにコントローラ９２に命令を送ることができる。オペレータはまた、入力デバイス９８を介して信号を送信して、発電ユニット８を発電モードから同期進相機モードに移行させるようにコントローラ９２に命令を送ることもできる。それに加えて、または代替的に、コントローラ９２は、発電ユニット８を発電モードと同期進相機モードとの間で移行させるために電力網３０から信号を受信することができる。出力デバイス９８は、ユーザインターフェース、モニタ、デジタルディスプレイ、ダイヤル、またはこれらの組み合わせの形態であってもよい。オペレータは、出力デバイス９８から、電力網３０の力率、発電ユニット８の現在の動作モード（例えば、同期進相機または発電）、発電ユニット８の健全性状態、またはこれらの組み合わせなどの情報を観察することができる。

コントローラ９２が電力網３０の力率、現在の動作モード、または発電ユニット８の健全性状態などの情報を取得するために、コントローラ９２は、１つまたは複数のセンサ１００に通信可能に接続されてもよい。１つまたは複数のセンサ１００は、電流センサ、電圧センサ、力率センサ、任意の他のセンサ、またはこれらの任意の組み合わせであってもよい。１つまたは複数のセンサ１００は、電力網３０、発電機２９、発電機２９と電力網３０との間の接続部１０２、発電ユニット８の任意の要素、またはこれらの任意の組み合わせに直接結合されてもよい。

コントローラ９２はまた、クラッチ３２に通信可能に接続され、動作モード間で発電ユニット８を移行させるための命令を提供することができる。発電ユニット８を発電モードから同期進相機モードに移行させるために、コントローラ９２は、タービンシャフト３３を発電機シャフト３１から解放するようにクラッチ３２を制御するように構成されてもよい。発電ユニット８を同期進相機モードから発電モードに移行させるために、コントローラ９２は、タービンシャフト３３および発電機シャフト３１を係合するようにクラッチ３２を制御するように構成することもできる。コントローラ９２はまた、１つまたは複数の供給ライン５８に通信可能に結合されて、発電機２９、クラッチ３２、またはこれらの任意の組み合わせへの流体の流れおよび／または動力の流れを制御することができる。

上述したように、オペレータは、コントローラ９２の入力デバイス９８を介して信号を送信して、発電ユニット８のモードを移行させることができる。オペレータは、電力網３０の力率が望ましくないレベルにある場合には、モードを移行させる信号を送信することができる。例えば、発電ユニット８が現在発電モードにあり、力率が望ましくないレベルにある場合には、オペレータが同期進相信号を送信して、発電ユニット８を同期進相機モードに移行させることができる。同期進相機モードでは、発電ユニット８は、電力網の力率を向上させるために、無効電力を供給または吸収することができる。しかし、発電ユニット８が同期進相機モードにあり、力率が許容レベルにある場合には、オペレータは、発電ユニット８を発電モードに移行させるための発電信号を送信することができる。発電モードでは、発電ユニット８は、機械的エネルギーを使用可能な電気的エネルギーに変換することができる。

図３は、発電モードおよび同期進相機モードのために構成された発電ユニットを組み立てる一実施形態のフローチャート１２０を示す。クラッチの第１の端部が、発電ユニットの発電機に結合される（ブロック１２２）。上述したように、クラッチが発電機と一体化されているので、クラッチ自体のための別個のペデスタルまたは支持体なしに、クラッチに冷却剤、潤滑剤、または発電機から動力を供給することができる。すなわち、クラッチを発電機に結合することは、発電機を介してクラッチを１つまたは複数の導管（例えば、流体供給ライン、流体戻りライン、電気ライン）に結合することを含むことができる。いくつかの実施形態では、クラッチが発電機の発電機シャフトに結合される（ブロック１２２）。クラッチの第２の端部が発電ユニットのスペーサに結合され（ブロック１２４）、第２の端部はクラッチの第１の端部の反対側にある。上述したように、スペーサは、発電機シャフトと駆動シャフト（例えば、タービンシャフト）との間のオフセットまたはずれを補償または調整するように構成される。さらに、発電ユニットは、駆動装置（例えば、タービン）と発電機との間に１つのスペーサのみを有してもよい。スペーサがタービンシャフトに結合され（ブロック１２６）、これにより、クラッチが係合されたときにスペーサおよびクラッチを介してタービンを発電機に接続する。上述したように、動作中に、クラッチを解放するように制御して、発電機シャフトをタービンシャフトから独立して回転させることができる。

さらに、発電機とタービンは、図３に示すものとは異なる順序で互いに結合されてもよいことが理解されよう。すなわち、いくつかの実施形態では、スペーサが、クラッチに結合される（ブロック１２４）前に、タービンシャフトに結合されてもよい（ブロック１２６）。さらに、コントローラがクラッチに結合されて（ブロック１２８）、コントローラがクラッチの係合または解放を制御することができる。

本発明の技術的効果は、発電モードまたは同期進相機モードのいずれかのための発電ユニットの発電機を構成するためのコンパクトなシステムおよび方法を提供することを含む。クラッチのための別個のペデスタル支持体なしにクラッチと発電機とを一体化することにより、タービンと発電機との間に１つのカップリングのみを有するクラッチの使用が可能になる。クラッチのための専用のペデスタル支持体なしにクラッチを使用することにより、発電ユニットのフットプリントを削減することができ、さらに発電ユニットの重量を低減することができる。クラッチと発電機との一体化により、別個のクラッチのための追加のペデスタルなしで、発電ユニットを使用して電力網に電力を供給すること、または電力網の力率を調整することが容易になる。さらに、クラッチは、同期進相機モード中にガスタービンを停止させることができるので、同期進相機モード中にガスタービンおよびその支持システムを停止させることができる。したがって、停止期間は、ガスタービン部品およびそれらの支持システムの摩耗を低減することができる。

本明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。
［実施態様１］
タービン（１８）に結合されたタービンシャフト（３３）と、
発電機（２９）と、を含み、前記発電機（２９）は、
発電機シャフト（３１）と、
クラッチ（３２）と、を含み、前記クラッチ（３２）は、前記発電機（２９）が発電モードである場合に、前記発電機シャフト（３１）を駆動するために前記タービンシャフト（３３）を前記発電機シャフト（３１）に結合するように係合し、前記クラッチ（３２）は、前記発電機（２９）が同期進相機モードである場合に、前記タービンシャフト（３３）を前記発電機シャフト（３１）から分離するように解放する、システム。
［実施態様２］
前記タービンシャフト（３３）は前記クラッチ（３２）に結合されたスペーサ（６４）を含み、前記タービン（１８）はタービン軸（６２）を含み、前記発電機（２９）は発電機軸（６６）を含み、前記タービン（１８）は前記タービン軸（６２）の周りを回転するように構成され、前記発電機（２９）は前記発電機軸（６６）の周りを回転するように構成され、前記スペーサ（６４）は、前記タービン軸（６２）と前記発電機軸（６６）との間のオフセットを補償するように構成される、実施態様１に記載のシステム。
［実施態様３］
前記システムは、本質的に、前記タービンシャフト（３３）、前記スペーサ（６４）、前記クラッチ（３２）、および前記タービン（１８）と前記発電機（２９）との間の前記発電機シャフト（３１）からなる、実施態様２に記載のシステム。
［実施態様４］
前記クラッチ（３２）は、クラッチ支持ペデスタルなしで前記発電機シャフト（３１）と一体化されている、実施態様１に記載のシステム。
［実施態様５］
前記発電機ャフト（３１）は、前記クラッチ（３２）の重量を支持するように構成される、実施態様１に記載のシステム。
［実施態様６］
前記システムは、前記タービン（１８）と圧縮機（２４）とを含むガスタービンシステム（１０）を含み、前記圧縮機（２４）は前記タービンシャフト（３３）に結合される、実施態様１に記載のシステム。
［実施態様７］
前記タービン（１８）に結合された燃焼器（１６）を含み、前記燃焼器（１６）は、燃料流と酸化剤流とを燃焼させて燃焼ガス流を生成するように構成され、前記燃焼器（１６）は、前記発電機（２９）が前記発電モードである場合に、前記タービンシャフト（３３）を駆動するために前記燃焼ガス流を前記タービン（１８）に導く、実施態様６に記載のシステム。
［実施態様８］
前記システムは、移動式航空転用ガスタービンシステム（１０）を含む、実施態様１に記載のシステム。
［実施態様９］
前記発電機（２９）は、前記発電機（２９）が前記発電モードである場合に、約２０〜１２０ＭＷの電力出力を提供するように構成される、実施態様１に記載のシステム。
［実施態様１０］
前記クラッチ（３２）および電力網（３０）システムに結合されたコントローラ（９２）を含み、前記コントローラ（９２）は、前記電力網（３０）システムの力率を決定するように構成され、前記コントローラ（９２）は、前記電力網（３０）システムの前記力率に少なくとも部分的に基づいて、前記発電機（２９）を前記同期進相機モードにするように前記クラッチ（３２）を解放するように構成される、実施態様１に記載のシステム。
［実施態様１１］
前記クラッチ（３２）に結合されたコントローラ（９２）を含み、前記コントローラ（９２）は、同期進相信号を受信するように構成され、前記コントローラ（９２）は、前記同期進相信号に少なくとも部分的に基づいて、前記発電機（２９）を前記同期進相機モードにするように前記クラッチ（３２）を解放するように構成される、実施態様１に記載のシステム。
［実施態様１２］
前記コントローラ（９２）は、前記電力網（３０）システムの前記力率を増加させるように前記同期進相機モードで前記発電機（２９）を制御するように構成される、実施態様１０に記載のシステム。
［実施態様１３］
同期進相動作のために発電ユニット（８）を修正する方法であって、
発電機シャフト（３１）の発電機軸（６６）に沿って発電機（２９）を動かすことなく前記発電機（２９）の前記発電機シャフト（３１）にクラッチ（３２）を結合するステップであって、前記発電機シャフト（３１）はクラッチペデスタル支持なしに前記クラッチ（３２）の重量を支持するように構成される、ステップと、
タービン（１８）のタービン軸（６２）に沿って前記タービン（１８）を移動させることなく、スペーサ（６４）を介して前記タービン（１８）のタービンシャフト（３３）に前記クラッチ（３２）を結合するステップと、を含む方法。
［実施態様１４］
外部流体供給ライン（５８）を前記クラッチ（３２）に結合するステップを含み、前記外部流体供給ライン（５８）は、前記クラッチ（３２）を作動させるために前記クラッチ（３２）に流体を提供するように構成される、実施態様１３に記載の方法。
［実施態様１５］
前記クラッチ（３２）を前記発電機（２９）の前記発電機シャフト（３１）に結合するステップは、前記発電機（２９）の前記流体供給ライン（５８）を前記クラッチ（３２）に結合するステップを含み、前記流体供給ライン（５８）は、前記クラッチ（３２）を作動させるために前記クラッチ（３２）に流体を提供するように構成される、実施態様１３に記載の方法。
［実施態様１６］
前記発電ユニット（８）は、移動式航空転用ガスタービンシステム（１０）を含む、実施態様１３に記載の方法。
［実施態様１７］
移動式航空転用ガスタービンシステム（１０）であって、
タービン（１８）と、
前記タービン（１８）に結合されたタービンシャフト（３３）と、
発電機（２９）と、を含み、前記発電機（２９）は、
発電機シャフト（３１）と、
クラッチ（３２）と、を含み、
前記クラッチ（３２）は、シンクロ・セルフ・シフティング・クラッチを含み、前記クラッチ（３２）は、前記発電機（２９）が発電モードである場合に、前記発電機シャフト（３１）を駆動するために前記タービンシャフト（３３）を前記発電機シャフト（３１）に結合するように係合し、前記クラッチ（３２）は、前記発電機（２９）が同期進相機モードである場合に、前記タービンシャフト（３３）を前記発電機シャフト（３１）から分離するように解放する、システム。
［実施態様１８］
前記クラッチ（３２）は、クラッチ支持ペデスタルなしで前記発電機シャフト（３１）と一体化されている、実施態様１７に記載のシステム。
［実施態様１９］
前記タービンシャフト（３３）は前記タービン（１８）に直接結合され、前記タービンシャフト（３３）は、前記クラッチ（３２）に直接結合されたスペーサ（６４）を含み、前記タービン（１８）はタービン軸（６２）を含み、前記発電機（２９）は発電機軸（６６）を含み、前記タービン（１８）は前記タービン軸（６２）の周りを回転するように構成され、前記発電機（２９）は前記発電機軸（６６）の周りを回転するように構成され、前記スペーサ（６４）は、前記タービン軸（６２）と前記発電機軸（６６）との間のオフセットを補償するように構成される、実施態様１７に記載のシステム。
［実施態様２０］
前記クラッチ（３２）に結合されたコントローラ（９２）を含み、前記コントローラ（９２）は、同期進相信号を受信するように構成され、前記コントローラ（９２）は、前記同期進相信号の受信に少なくとも部分的に基づいて、前記発電機（２９）を前記同期進相機モードにするように前記クラッチ（３２）を解放するように構成される、実施態様１７に記載のシステム。

８ 発電ユニット
１０ タービンシステム
１２ 燃料ノズル
１４ 燃料供給
１６ 燃焼器
１８ タービン
２２ シャフト
２４ 圧縮機
２６ 吸気口
２８ 負荷
２９ 発電機
３０ 電力網
３１ 発電機シャフト
３２ クラッチ
３３ タービンシャフト
３４ 下流方向
３６ 上流方向
３８ 軸方向
４０ 半径方向
５８ 供給ライン
５９ 発電機潤滑油供給源
６０ 下流部分
６２ タービンシャフト軸
６４ カップリング／スペーサ
６６ 発電機シャフト軸
６８ 上流側端部
７０ 発電機ハウジング
７２ フランジ
７４ ロータ
７６ ステータ
７８ スキッド
８０ ペデスタル
８２ スキッド
８４ 第２の（発電機）ペデスタル
８６ 距離
８８ 下流側端部
９０ タービンハウジング
９２ コントローラ
９４ マイクロプロセッサ
９６ メモリ
９８ 入力／出力デバイス
１００ センサ
１０２ 接続部
１２０ フローチャート
１２２ クラッチが、発電ユニットの発電機に結合されるブロック
１２４ クラッチが発電ユニットのスペーサに結合されるブロック
１２６ スペーサがタービンシャフトに結合されるブロック
１２８ コントローラがクラッチに結合されるブロック

Claims (20)

1. タービン（１８）に結合されたタービンシャフト（３３）と、
   発電機（２９）と、を含み、前記発電機（２９）は、
   発電機シャフト（３１）と、
   クラッチ（３２）と、を含み、前記クラッチ（３２）は、前記発電機（２９）が発電モードである場合に、前記発電機シャフト（３１）を駆動するために前記タービンシャフト（３３）を前記発電機シャフト（３１）に結合するように係合し、前記クラッチ（３２）は、前記発電機（２９）が同期進相機モードである場合に、前記タービンシャフト（３３）を前記発電機シャフト（３１）から分離するように解放する、システム。
2. 前記タービンシャフト（３３）は前記クラッチ（３２）に結合されたスペーサ（６４）を含み、前記タービン（１８）はタービン軸（６２）を含み、前記発電機（２９）は発電機軸（６６）を含み、前記タービン（１８）は前記タービン軸（６２）の周りを回転するように構成され、前記発電機（２９）は前記発電機軸（６６）の周りを回転するように構成され、前記スペーサ（６４）は、前記タービン軸（６２）と前記発電機軸（６６）との間のオフセットを補償するように構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記システムは、本質的に、前記タービンシャフト（３３）、前記スペーサ（６４）、前記クラッチ（３２）、および前記タービン（１８）と前記発電機（２９）との間の前記発電機シャフト（３１）からなる、請求項２に記載のシステム。
4. 前記クラッチ（３２）は、クラッチ支持ペデスタルなしで前記発電機シャフト（３１）と一体化されている、請求項１に記載のシステム。
5. 前記発電機シャフト（３１）は、前記クラッチ（３２）の重量を支持するように構成される、請求項１に記載のシステム。
6. 前記システムは、前記タービン（１８）と圧縮機（２４）とを含むガスタービンシステム（１０）を含み、前記圧縮機（２４）は前記タービンシャフト（３３）に結合される、請求項１に記載のシステム。
7. 前記タービン（１８）に結合された燃焼器（１６）を含み、前記燃焼器（１６）は、燃料流と酸化剤流とを燃焼させて燃焼ガス流を生成するように構成され、前記燃焼器（１６）は、前記発電機（２９）が前記発電モードである場合に、前記タービンシャフト（３３）を駆動するために前記燃焼ガス流を前記タービン（１８）に導く、請求項６に記載のシステム。
8. 前記システムは、移動式航空転用ガスタービンシステム（１０）を含む、請求項１に記載のシステム。
9. 前記発電機（２９）は、前記発電機（２９）が前記発電モードである場合に、約２０〜１２０ＭＷの電力出力を提供するように構成される、請求項１に記載のシステム。
10. 前記クラッチ（３２）および電力網（３０）システムに結合されたコントローラ（９２）を含み、前記コントローラ（９２）は、前記電力網（３０）システムの力率を決定するように構成され、前記コントローラ（９２）は、前記電力網（３０）システムの前記力率に少なくとも部分的に基づいて、前記発電機（２９）を前記同期進相機モードにするように前記クラッチ（３２）を解放するように構成される、請求項１に記載のシステム。
11. 前記クラッチ（３２）に結合されたコントローラ（９２）を含み、前記コントローラ（９２）は、同期進相信号を受信するように構成され、前記コントローラ（９２）は、前記同期進相信号に少なくとも部分的に基づいて、前記発電機（２９）を前記同期進相機モードにするように前記クラッチ（３２）を解放するように構成される、請求項１に記載のシステム。
12. 前記コントローラ（９２）は、前記電力網（３０）システムの前記力率を増加させるように前記同期進相機モードで前記発電機（２９）を制御するように構成される、請求項１０に記載のシステム。
13. 同期進相動作のために発電ユニット（８）を修正する方法であって、
    発電機シャフト（３１）の発電機軸（６６）に沿って発電機（２９）を動かすことなく前記発電機（２９）の前記発電機シャフト（３１）にクラッチ（３２）を結合するステップであって、前記発電機シャフト（３１）はクラッチペデスタル支持なしに前記クラッチ（３２）の重量を支持するように構成される、ステップと、
    タービン（１８）のタービン軸（６２）に沿って前記タービン（１８）を移動させることなく、スペーサ（６４）を介して前記タービン（１８）のタービンシャフト（３３）に前記クラッチ（３２）を結合するステップと、を含む方法。
14. 外部流体供給ライン（５８）を前記クラッチ（３２）に結合するステップを含み、前記外部流体供給ライン（５８）は、前記クラッチ（３２）を作動させるために前記クラッチ（３２）に流体を提供するように構成される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記クラッチ（３２）を前記発電機（２９）の前記発電機シャフト（３１）に結合するステップは、前記発電機（２９）の前記流体供給ライン（５８）を前記クラッチ（３２）に結合するステップを含み、前記流体供給ライン（５８）は、前記クラッチ（３２）を作動させるために前記クラッチ（３２）に流体を提供するように構成される、請求項１３に記載の方法。
16. 前記発電ユニット（８）は、移動式航空転用ガスタービンシステム（１０）を含む、請求項１３に記載の方法。
17. 移動式航空転用ガスタービンシステム（１０）であって、
    タービン（１８）と、
    前記タービン（１８）に結合されたタービンシャフト（３３）と、
    発電機（２９）と、を含み、前記発電機（２９）は、
    発電機シャフト（３１）と、
    クラッチ（３２）と、を含み、
    前記クラッチ（３２）は、シンクロ・セルフ・シフティング・クラッチを含み、前記クラッチ（３２）は、前記発電機（２９）が発電モードである場合に、前記発電機シャフト（３１）を駆動するために前記タービンシャフト（３３）を前記発電機シャフト（３１）に結合するように係合し、前記クラッチ（３２）は、前記発電機（２９）が同期進相機モードである場合に、前記タービンシャフト（３３）を前記発電機シャフト（３１）から分離するように解放する、システム。
18. 前記クラッチ（３２）は、クラッチ支持ペデスタルなしで前記発電機シャフト（３１）と一体化されている、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記タービンシャフト（３３）は前記タービン（１８）に直接結合され、前記タービンシャフト（３３）は、前記クラッチ（３２）に直接結合されたスペーサ（６４）を含み、前記タービン（１８）はタービン軸（６２）を含み、前記発電機（２９）は発電機軸（６６）を含み、前記タービン（１８）は前記タービン軸（６２）の周りを回転するように構成され、前記発電機（２９）は前記発電機軸（６６）の周りを回転するように構成され、前記スペーサ（６４）は、前記タービン軸（６２）と前記発電機軸（６６）との間のオフセットを補償するように構成される、請求項１７に記載のシステム。
20. 前記クラッチ（３２）に結合されたコントローラ（９２）を含み、前記コントローラ（９２）は、同期進相信号を受信するように構成され、前記コントローラ（９２）は、前記同期進相信号の受信に少なくとも部分的に基づいて、前記発電機（２９）を前記同期進相機モードにするように前記クラッチ（３２）を解放するように構成される、請求項１７に記載のシステム。