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特開2024-66645振動低減型クラッチ結合制御方法および振動低減型クラッチ結合制御装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024066645
(43)【公開日】2024-05-16
(54)【発明の名称】振動低減型クラッチ結合制御方法および振動低減型クラッチ結合制御装置
(51)【国際特許分類】
F02C 7/36 20060101AFI20240509BHJP
F02C 3/107 20060101ALI20240509BHJP
F01K 23/14 20060101ALI20240509BHJP
F01K 23/16 20060101ALI20240509BHJP
F16D 43/26 20060101ALI20240509BHJP
F16D 11/10 20060101ALI20240509BHJP
【ＦＩ】
F02C7/36
F02C3/107
F01K23/14
F01K23/16
F16D43/26 C
F16D43/26 D
F16D11/10 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022176179
(22)【出願日】2022-11-02
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(71)【出願人】
【識別番号】317015294
【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001092
【氏名又は名称】弁理士法人サクラ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】村上 雅規
(72)【発明者】
【氏名】岩田 雄太
(72)【発明者】
【氏名】大橋 俊之
(72)【発明者】
【氏名】千葉 英樹
【テーマコード（参考）】
3G081
3J056
【Ｆターム（参考）】
3G081BA02
3G081BA11
3G081DA30
3J056AA03
3J056AA63
3J056BB02
3J056BB05
3J056GA02
3J056GA26
(57)【要約】
【課題】結合後の振動値を最小化しかつ起動停止においてもその状態を維持できる振動低減型クラッチ結合制御方法および振動低減型クラッチ結合制御装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、ガスタービンおよび発電機と、蒸気タービンとがクラッチで結合される一軸型コンバインドサイクルの振動低減型クラッチ結合制御方法は、発電機が電力系統に接続されガスタービンが負荷を担っているガスタービン単独運転ステップＳ１０と、蒸気タービンの回転の位相をガスタービンの回転の位相に対して少なくとも３つの異なる複数の結合角度でクラッチでの結合をそれぞれ行いそれぞれの結合運転においてそれぞれの振動データを取得する複数結合条件での振動データ取得ステップＳ２０と、それぞれの振動データに基づいて最適結合角度を導出する最適結合角度導出ステップＳ３０と、を有する。
【選択図】図４
【解決手段】実施形態によれば、ガスタービンおよび発電機と、蒸気タービンとがクラッチで結合される一軸型コンバインドサイクルの振動低減型クラッチ結合制御方法は、発電機が電力系統に接続されガスタービンが負荷を担っているガスタービン単独運転ステップＳ１０と、蒸気タービンの回転の位相をガスタービンの回転の位相に対して少なくとも３つの異なる複数の結合角度でクラッチでの結合をそれぞれ行いそれぞれの結合運転においてそれぞれの振動データを取得する複数結合条件での振動データ取得ステップＳ２０と、それぞれの振動データに基づいて最適結合角度を導出する最適結合角度導出ステップＳ３０と、を有する。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ガスタービンおよび発電機と、蒸気タービンとがクラッチで結合される一軸型コンバインドサイクルの振動低減型クラッチ結合制御方法であって、
前記発電機が電力系統に接続され、前記ガスタービンが負荷を担っている状態で運転するガスタービン単独運転ステップと、
前記蒸気タービンの回転の前記ガスタービンの回転に対する少なくとも３つの異なる結合角度で前記クラッチでの結合をそれぞれ行い、それぞれの結合運転に移行し、それぞれの結合運転においてそれぞれの振動データを取得する振動データ取得ステップと、
前記それぞれの振動データに基づいて最適結合角度を導出する最適結合角度導出ステップと、
を有することを特徴とする振動低減型クラッチ結合制御方法。
前記発電機が電力系統に接続され、前記ガスタービンが負荷を担っている状態で運転するガスタービン単独運転ステップと、
前記蒸気タービンの回転の前記ガスタービンの回転に対する少なくとも３つの異なる結合角度で前記クラッチでの結合をそれぞれ行い、それぞれの結合運転に移行し、それぞれの結合運転においてそれぞれの振動データを取得する振動データ取得ステップと、
前記それぞれの振動データに基づいて最適結合角度を導出する最適結合角度導出ステップと、
を有することを特徴とする振動低減型クラッチ結合制御方法。
【請求項2】
複数の前記結合角度のそれぞれは、前記ガスタービンの発電機側端部に形成された基準マーカの検出信号と、前記蒸気タービンの蒸気タービン側結合端部に形成された基準マーカの検出信号とに基づいて測定されることを特徴とする請求項１に記載の振動低減型クラッチ結合制御方法。
【請求項3】
複数の前記結合角度は、等間隔に設定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動低減型クラッチ結合制御方法。
【請求項4】
前記結合の状態への移行は、
前記蒸気タービンの回転数を、前記ガスタービンの回転数より結合前保持差分回転数だけ低い回転数で保持するステップと、
前記結合前保持差分回転数においての複数の前記結合角度のそれぞれを、結合角度対応時間に換算して、前記結合角度対応時間に応じて前記結合の状態に移行するステップと、
を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動低減型クラッチ結合制御方法。
前記蒸気タービンの回転数を、前記ガスタービンの回転数より結合前保持差分回転数だけ低い回転数で保持するステップと、
前記結合前保持差分回転数においての複数の前記結合角度のそれぞれを、結合角度対応時間に換算して、前記結合角度対応時間に応じて前記結合の状態に移行するステップと、
を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動低減型クラッチ結合制御方法。
【請求項5】
前記結合前保持差分回転数は、前記ガスタービンに設けられたＧＴ回転数検出器の出力と、前記蒸気タービンに設けられたＳＴ回転数検出器の出力とから算出されることを特徴とする請求項４に記載の振動低減型クラッチ結合制御方法。
【請求項6】
前記最適結合角度導出ステップにおける最適結合角度の導出は、ポーラル図を用いて行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動低減型クラッチ結合制御方法。
【請求項7】
前記最適結合角度における振動値をさらに低減するためのバランスウェイトを追加するウェイト追加ステップをさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動低減型クラッチ結合制御方法。
【請求項8】
ガスタービンおよび発電機と、蒸気タービンとがクラッチで結合される一軸型コンバインドサイクルの振動低減型クラッチ結合制御装置であって、
前記ガスタービンに設けられたＧＴ回転数検出器の出力、前記蒸気タービンに設けられたＳＴ回転数検出器の出力、前記ガスタービンの発電機側端部に形成された基準マーカの検出信号、前記蒸気タービンの蒸気タービン側結合端部に形成された基準マーカの検出信号、ならびに、結合前保持回転数および昇速条件に関する外部入力を受け入れる入力部と、
前記昇速条件、前記蒸気タービンの回転数の前記ガスタービンの回転数に対する結合前保持差分回転数を記憶する記憶部と、
前記結合前保持差分回転数において結合状態に移行するための複数の結合角度のそれぞれを、結合角度対応時間に換算する結合角度対応時間算出部と、複数の前記結合角度のそれぞれで前記クラッチが結合したのちの振動データに基づいてポーラル図を作成するポーラル図作成部と、前記ポーラル図に基づいて最適結合角度を導出する最適結合角度導出部と、を有する演算部と、
を備えることを特徴とする振動低減型クラッチ結合装置。
前記ガスタービンに設けられたＧＴ回転数検出器の出力、前記蒸気タービンに設けられたＳＴ回転数検出器の出力、前記ガスタービンの発電機側端部に形成された基準マーカの検出信号、前記蒸気タービンの蒸気タービン側結合端部に形成された基準マーカの検出信号、ならびに、結合前保持回転数および昇速条件に関する外部入力を受け入れる入力部と、
前記昇速条件、前記蒸気タービンの回転数の前記ガスタービンの回転数に対する結合前保持差分回転数を記憶する記憶部と、
前記結合前保持差分回転数において結合状態に移行するための複数の結合角度のそれぞれを、結合角度対応時間に換算する結合角度対応時間算出部と、複数の前記結合角度のそれぞれで前記クラッチが結合したのちの振動データに基づいてポーラル図を作成するポーラル図作成部と、前記ポーラル図に基づいて最適結合角度を導出する最適結合角度導出部と、を有する演算部と、
を備えることを特徴とする振動低減型クラッチ結合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、一軸型コンバインドサイクルにおける振動低減型クラッチ結合制御方法およびこれに用いる振動低減型クラッチ結合制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
一軸型コンバインドサイクルにおいては、ガスタービンおよび発電機と、蒸気タービンとが、互いにクラッチで結合される。すなわち、まず、ガスタービンが、系統に接続された発電機の負荷を担い単独で運転される。次に、ガスタービン排気の熱を回収する排熱回収ボイラからの発生蒸気が、蒸気タービンが起動可能な蒸気条件に到達した時点で、蒸気タービンの起動、回転上昇が行われ、クラッチにおいて蒸気タービン側とガスタービン側とが接続される。
【0003】
図２４は、従来の一軸型コンバインドサイクルの各起動時の軸受でのロ―タシャフトの振動の例を示すグラフである。結合Ａ、結合Ｂ、結合Ｃ、および結合Ｄと、一軸型コンバインドサイクルの各起動時においての結合がなされた後のガスタービンおよび蒸気タービンは、一体となって電力系統の周波数に対応する回転数で回転する。
【0004】
しかしながら、従来の結合では、クラッチ結合後のガスタービン側のロータシャフトと蒸気タービン側のロータシャフトが、常に同一の相対的な位相すなわち相対的な角度で結合するわけではない。クラッチの結合方向、すなわち相対的な角度によりアンバランスの発生方向が異なる。この結果、結合状態における軸受でのロ―タシャフトの振動（以下、「振動」）が、図２４に示すように、振動値Ａ、振動値Ｂ、振動値Ｃ、および振動値Ｄと、その都度、変化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第５４５５６３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
クラッチを有しないパワートレインの機器の場合には、その健全性を評価する指標として、計測された機器の軸振動振幅値を時系列トレンドにプロットする、もしくは振動ベクトルを極座標にプロットする。これにより振動傾向の監視が行われる。軸振動に変化がない場合は、機器のアンバランス状態に変化がなく健全であるとの評価が行われている。
【0007】
一方、一軸型コンバインドサイクルにおいて、前述のように、起動ごとに結合後の振動値が異なる結果、その振動変化が、機器の異常な状態変化によるものか、それとも結合の相対角度の変化によるものかを正確に判断することは困難であった。さらに結合方向によっては振動が高めとなり、次に停止するまでの期間、高い振動での運用の継続を余儀なくされることもあった。
【0008】
また、一般的に運転開始時に振動が増加した場合、その振動増加を発生させた要因が明らかでありその要因が機器の運用上問題のない変化であるならば、回転体にバランスウェイトを付加するフィールドバランスによる振動改善が実施される。しかしながら、クラッチを有する一軸型コンバインドサイクルにおいては、前述のように、結合角度により振動状態が異なりバランス原点が変化する。このため、振動増加の要因がクラッチ結合によるアンバランス変化であると特定できても、釣り合わせに必要なバランスウェイトの方向が決められず、フィールドバランスによる振動改善が困難である。
【0009】
本発明の目的は、結合後の振動値を最小化しかつ起動停止においてもその状態を維持できる振動低減型クラッチ結合制御方法および振動低減型クラッチ結合制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法は、ガスタービンおよび発電機と、蒸気タービンとがクラッチで結合される一軸型コンバインドサイクルの振動低減型クラッチ結合制御方法であって、前記発電機が電力系統に接続され、前記ガスタービンが負荷を担っている状態で運転するガスタービン単独運転ステップと、前記蒸気タービンの回転の位相を前記ガスタービンの回転の位相に対して少なくとも３つの異なる複数の結合角度で前記クラッチでの結合をそれぞれ行い、それぞれの結合運転に移行する結合状態移行ステップと、前記それぞれの結合運転においてそれぞれの振動データを取得するデータ取得ステップと、前記それぞれの振動データから、最適結合角度を導出する最適結合角度導出ステップと、を有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置を含む一軸型コンバインドサイクルの構成を示すブロック図である。
【図2】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置を含む一軸型コンバインドサイクルのクラッチの原理を示す概念図である。
【図3】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置の構成を示すブロック図である。
【図4】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法の手順を示すフロー図である。
【図5】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法における速度条件の例を示すグラフである。
【図6】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法における結合角度対応時間算出ステップの詳細手順を示すフロー図である。
【図7】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法における回転数上昇・保持ステップにおける第１回目のＭＳＶ突き上げ指示を説明するための結合後の状態を概念的に示す横断面図である。
【図8】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法における回転数上昇・保持ステップにおける第２回目のＭＳＶ突き上げ指示を説明するための結合後の状態を概念的に示す横断面図である。
【図9】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法における回転数上昇・保持ステップにおける第３回目のＭＳＶ突き上げ指示を説明するための結合後の状態を概念的に示す横断面図である。
【図10】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法における回転数上昇・保持ステップにおける発電機側端部の状態を概念的に示す横断面図である。
【図11】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法における回転数上昇・保持ステップにおける蒸気タービン側結合端部の状態を概念的に示す横断面図である。
【図12】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法における回転数上昇・保持ステップにおける各信号を説明する概念的なグラフである。
【図13】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法における複数結合条件での第N回目の結合・振動データ取得ステップの詳細手順を示すフロー図である。
【図14】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法における振動データ取得、収納ステップの詳細手順を示すフロー図である。
【図15】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置の対象となる一軸型コンバインドサイクルの結合前の状態を示す概念図である。
【図16】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置の対象となる一軸型コンバインドサイクルの結合後の状態を示す概念図である。
【図17】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置の対象となる一軸型コンバインドサイクルの各結合角度における結合前後のクラッチ近傍の軸方向の状態を示す概念図である。
【図18】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置の対象となる一軸型コンバインドサイクルの各結合角度における結合前後のクラッチ近傍の横断面における状態を示す概念図である。
【図19】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置の対象となる一軸型コンバインドサイクルの各結合角度における結合後の状態を示すポーラル図である。
【図20】第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置の対象となる一軸型コンバインドサイクルの結合後の振動状態を示すグラフである。
【図21】第２の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法の手順を示すフロー図である。
【図22】第２の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置の対象となる一軸型コンバインドサイクルの各結合角度における振動のさらなる振動低減方法を示す結合後の状態を示すポーラル図である。
【図23】第２の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置の対象となる一軸型コンバインドサイクルの結合後の振動状態を示すグラフである。
【図24】従来の一軸型コンバインドサイクルの各起動時の従来の一軸型コンバインドサイクルの各起動時の軸受でのロ―タシャフトの振動の例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法および振動低減型クラッチ結合制御装置について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【0013】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置１００を含む一軸型コンバインドサイクル１の構成を示すブロック図である。
図１は、第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置１００を含む一軸型コンバインドサイクル１の構成を示すブロック図である。
【0014】
一軸型コンバインドサイクル１は、発電機５、ガスタービン系統１０、排熱回収ボイラ２０、蒸気タービン系統３０、クラッチ４０、および振動低減型クラッチ結合制御装置１００とケーブル類１８０を有する振動低減型クラッチ結合制御システム２００を備える。
【0015】
ガスタービン系統１０は、燃焼器１１、圧縮機１２、およびガスタービン１３を有する。燃焼器１１には、燃料ガス供給部１１ａが接続され、燃焼器１１に燃料ガスが導かれる。
【0016】
燃焼器１１においては、燃料ガス供給部１１ａにより導かれた燃料ガスと、圧縮機１２から供給された圧縮空気とが混合され、燃焼により燃焼ガスが生成される。
【0017】
生成された燃焼ガスは、ガスタービン１３の作動流体としてガスタービン１３に流入しガスタービン１３において仕事をした後に、排ガスとしてガスタービン１３から排熱回収ボイラ２０に排出される。
【0018】
ガスタービン１３のロータシャフトを含むガスタービン側ロータシャフト１６は、発電機５のロータシャフトを含んでいる。ガスタービン側ロータシャフト１６の発電機側端部１７は、クラッチ４０に接続している。
【0019】
ガスタービン側ロータシャフト１６の外周面には周方向の一か所に、たとえば、ブロック取付けまたは溝加工による後述する図１０に示す基準マーカ１７ａが設けられている。また、基準マーカ１７ａの近傍には、1回転１パルス検出によるＧＴ側ロータ回転角度検出器１９が設けられている。ＧＴ側ロータ回転角度検出器１９はたとえばギャップ検出器である。なお、図１では、基準マーカ１７ａが発電機側端部１７に設けられている場合を例示したが、ガスタービン側ロータシャフト１６の回転が検出できる箇所であれば、基準マーカ１７ａはこれ以外の箇所に設けられてもよい。
【0020】
ガスタービン側ロータシャフト１６の軸受のうち、発電機側端部１７に最も近い軸受であるＧＴ結合側軸受２の軸振動、すなわちＧＴ結合側軸受２におけるガスタービン側ロータシャフト１６の振れ回りを検出するために、ＧＴ結合側軸受２にはＧＴ側軸振動計２ａが設けられている。ＧＴ側軸振動計２ａは、たとえば、ギャップ検出器である。
【0021】
ガスタービン側ロータシャフト１６のガスタービン排気側端部には、回転数検出用のＧＴ側ギア１８ａが設けられており、ＧＴ側ギア１８ａの近傍には、ＧＴ側回転数検出器１８が設けられている。なお、図１では、回転数検出用のＧＴ側ギア１８ａがガスタービン側ロータシャフト１６のガスタービン排気側端部に設けられている場合を例示したが、ガスタービン側ロータシャフト１６の回転が検出できる箇所であれば、回転数検出用のＧＴ側ギア１８ａはガスタービン側ロータシャフト１６のガスタービン排気側端部以外の箇所に設けられてもよい。
【0022】
排熱回収ボイラ２０は、ガスタービン１３からの排気ガスの熱を回収し、高圧ドラム２１、過熱器２２、中圧タービン蒸気供給系２４、および低圧タービン蒸気供給系２５の加熱源となっている。
【0023】
蒸気タービン系統３０は、蒸気タービン側ロータシャフト３６により互いに直列に結合された高圧タービン３１、中圧タービン３４、および低圧タービン３５を有する。
【0024】
高圧ドラム２１で生成され過熱器２２で加熱された過熱蒸気は、主蒸気管２３から高圧タービン３１に作動流体として供給される。主蒸気管２３には、高圧主蒸気止め弁３２および高圧主蒸気加減弁３３が設けられている。高圧タービン３１で作動流体として仕事をした蒸気は、中圧タービン蒸気供給系２４で再熱された後に、中圧タービン３４に供給される。中圧タービン３４で作動流体として仕事をした蒸気は、低圧タービン蒸気供給系２５で再度加熱された後に、低圧タービン３５に供給される。
【0025】
蒸気タービン系統３０の回転数あるいはクラッチ４０で結合後の蒸気タービン系統３０の負荷は、高圧主蒸気加減弁３３を通過する蒸気流量により調節される。また、高圧主蒸気加減弁３３の開度は、タービン制御装置５０により制御される。
【0026】
蒸気タービン系統３０の蒸気タービン側ロータシャフト３６の高圧タービン排気側端部３７には、クラッチ４０が接続されている。
【0027】
蒸気タービン側ロータシャフト３６の外周面には周方向の一か所に、たとえば、ブロック取付または溝加工による基準マーカ３７ａが設けられている。また、基準マーカ３７ａの近傍には、1回転１パルス検出によるＳＴ側ロータ回転角度検出器３９が設けられている。ＳＴ側ロータ回転角度検出器３９はたとえばギャップ検出器である。図１では、基準マーカ３７ａが高圧タービン排気側端部３７に設けられている場合を例示したが、蒸気タービン側ロータシャフト３６の回転が検出できる箇所であれば、基準マーカ３７ａはこれ以外の箇所に設けられてもよい。
【0028】
蒸気タービン側ロータシャフト３６の軸受のうち、高圧タービン排気側端部３７に最も近い軸受であるＳＴ結合側軸受３の軸振動、すなわちＳＴ結合側軸受３におけるガスタービン側ロータシャフト３６の振れ回りを検出するために、ＳＴ結合側軸受３近傍にはＳＴ側軸振動計３ａが設けられている。ＳＴ側軸振動計３ａはたとえばギャップ検出器である。
【0029】
蒸気タービン側ロータシャフト３６の低圧タービン排気側端部には、回転数検出用のＳＴ側ギア３８ａが設けられており、ＳＴ側ギア３８ａの近傍には、ＳＴ側回転数検出器３８が設けられている。なお、図１では、回転数検出用のＳＴ側ギア３８ａが蒸気タービン側ロータシャフト３６の低圧タービン排気側端部に設けられている場合を例示したが、蒸気タービン側ロータシャフト３６の回転が検出できる箇所であれば、回転数検出用のＳＴ側ギア３８ａはこれ外の箇所に設けられてもよい。
【0030】
振動低減型クラッチ結合制御システム２００の振動低減型クラッチ結合制御装置１００は、ＧＴ側軸振動計２ａ、ＳＴ側軸振動計３ａ、ＧＴ側回転数検出器１８、ＧＴ側ロータ回転角度検出器１９、ＳＴ側回転数検出器３８、およびＳＴ側ロータ回転角度検出器３９の各出力を、すなわち、ＧＴ側軸振動、ＳＴ側軸振動、ＧＴ側回転数、ＧＴ側ロータ回転角度、ＳＴ側回転数、およびＳＴ側ロータ回転角度の各信号を、ケーブル類１８０を介して入力として受け入れるとともに、タービン制御装置５０に高圧主蒸気加減弁３３の開度変更指令を、ケーブル類１８０を介して出力する。
【0031】
図２は、第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置を含む一軸型コンバインドサイクルのクラッチ４０の原理を示す概念図である。（ａ）は結合前、（ｂ）は結合途中、（ｃ）は結合後の状態をそれぞれ示す。
【0032】
クラッチ４０は、ガスタービン側ロータシャフト１６とともに回転するＧＴ側部材４１、蒸気タービン側ロータシャフト３６とともに回転するＳＴ側部材４２、およびＳＴ側部材４２とともに回転し軸方向に移動可能なスライディング部４３を有する。
【0033】
ＧＴ側部材４１は、ＧＴ側保持部４１ａ、ＧＴ側歯４１ｂ、およびラチェット歯車４１ｃを有する。ＧＴ側保持部４１ａは、発電機側端部１７に接続している。また、ＳＴ側部材４２は、ＳＴ側保持部４２ａ、およびＳＴ側保持部４２ａヘリカルスプライン外面部４２ｂを有する。ＳＴ側保持部４２ａは、高圧タービン排気側端部３７に接続している。スライディング部４３は、ラチェット爪４３ａ、ヘリカルスプライン内面部４３ｂ、およびスライディング部側歯４３ｃを有する。
【0034】
当初、スライディング部４３は、図２（ａ）に示すように、ＳＴ側保持部４２ａから軸方向に最も遠い位置にある。ＳＴ側部材４２がＧＴ側部材４１と同じ速度に達する、すなわち、ＳＴ側回転数がＧＴ側回転数に達すると、ＳＴ側部材４２のスライディング部４３からラチェット爪４３ａが径方向外側に突出する。この結果、ラチェット爪４３ａがＧＴ側部材４１のラチェット歯車４１ｃと結合し、スライディング部４３がＧＴ側部材４１により拘束される。
【0035】
さらに、ＳＴ側部材４２がＧＴ側部材４１の回転数を超えようとする、すなわちＳＴ側回転数がＧＴ側回転数を超えようとすると、図２（ｂ）に示すように、スライディング部４３のヘリカルスプライン内面部４３ｂとＳＴ側部材４２のヘリカルスプライン外面部４２ｂとのねじの作用によりＳＴ側部材４２のスライディング部４３が軸方向にＧＴ側部材４１に向かって移動する。この結果、ラチェット歯車４１ｃとヘリカルスプライン外面部４２ｂとが螺合するに至る。これにより、図２（ｃ）に示すように、ＳＴ側部材４２がスライディング部４３を介してＧＴ側部材４１と結合し、クラッチ４０の結合がなされる。この結果、ＳＴ側回転数がＧＴ側回転数と一致する。
【0036】
逆に、ＳＴ側回転数がＧＴ側回転数より低くなると、上述の動作とは逆方向の動作により、クラッチ４０においてＳＴ側部材４２はＧＴ側部材４１と離脱する。このように、ＳＴ側回転数は、常に、ＧＴ側回転数より低い、あるいはＧＴ側回転数と同じ回転数となり、ＳＴ側回転数がＧＴ側回転数を超えることはない。
【0037】
図３は、第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置１００の構成を示すブロック図である。
【0038】
振動低減型クラッチ結合制御装置１００は、入力部１１０、記憶部１２０、演算部１３０、タイムカウンタ１４０、進行制御部１５０、および出力部１６０を有する。振動低減型クラッチ結合制御装置１００は、たとえば、計算機システムである。あるいは、個別の計装機器、演算器等の集合体であってもよい。
【0039】
入力部１１０は、外部入力受入れ部１１１と信号入力受入れ部１１２を有する。外部入力受入れ部１１１は、蒸気タービン系統３０の昇速条件、結合前保持回転数、および結合後のクラッチ４０の切り離し速度等の条件（以下「速度条件」）を外部入力として受け入れる。また、信号入力受入れ部１１２は、ＧＴ側軸振動計２ａ、ＳＴ側軸振動計３ａ、ＧＴ側ロータ回転角度検出器１９、ＳＴ側ロータ回転角度検出器３９、ＧＴ側回転数検出器１８、およびＳＴ側回転数検出器３８のそれぞれの出力を、ケーブル類１８０を介して受け入れる。
【0040】
記憶部１２０は、速度条件記憶部１２１、結合条件記憶部１２２、結合角度記憶部１２３、振動データ記憶部１２４を有する。
【0041】
速度条件記憶部１２１は、外部入力受入れ部１１１が受入れた蒸気タービンの速度条件を収納、記憶する。
【0042】
結合条件記憶部１２２は、クラッチ４０において、回転中の発電機側端部１７と高圧タービン排気側端部３７とを結合する際の少なくとも３つの異なる結合角度の条件を含む結合条件を収納、記憶する。ここで、結合角度とは、発電機側端部１７と高圧タービン排気側端部３７が、クラッチ４０において結合したときの高圧タービン排気側端部３７の発電機側端部１７に対する相対的角度である。なお、結合条件および結合角度については、後の振動低減型クラッチ結合制御方法の手順において、詳細を説明する。
【0043】
結合角度記憶部１２３は、発電機側端部１７と高圧タービン排気側端部３７とが、クラッチ４０において結合したときの、結合角度を記憶する。
【0044】
振動データ記憶部１２４は、発電機側端部１７と高圧タービン排気側端部３７とが、クラッチ４０において結合した後の振動データを収納、記憶する。
【0045】
演算部１３０は、結合角度算出部１３１、ポーラル図作成部１３２、最適結合角度導出部１３３、結合角度対応時間算出部１３４、および振動低減判定部１３５を有する。
【0046】
結合角度算出部１３１は、複数の結合条件でのそれぞれの角度間隔を算出する。すなわち、Ｍ回（Ｍは自然数）の結合を行う場合は、各結合角度同士の角度間隔は、（３６０度／Ｍ）の角度として算出される。算出された角度間隔は、結合条件記憶部１２２に収納、記憶される。
【0047】
ポーラル図作成部１３２は、振動データ記憶部１２４に記憶された少なくとも３つの異なる結合角度条件で結合した後の振動データを用いて、ポーラル図を自動作成する。
【0048】
最適結合角度導出部１３３は、ポーラル図作成部１３２により作成されたポーラル図に基づいて、最適な結合角度条件すなわち最適結合角度を導出する。
【0049】
結合角度対応時間算出部１３４は、速度条件記憶部１２１に収納された結合前保持回転数の条件の下で、結合角度に対応する時間（結合角度対応時間）を算出する。
【0050】
振動低減判定部１３５は、最適結合角度の条件の下で実施された結合後の振動値について、効果が得られたか否かを判定する。
【0051】
タイムカウンタ１４０は、結合角度対応時間に応じたタイミングで、高圧主蒸気加減弁３３を動作させるために時間をカウントする。
【0052】
進行制御部１５０は、振動低減型クラッチ結合制御装置１００において、その制御プロセスの進行を司る。また、進行制御部１５０は、タイムカウンタ１４０の出力により、高圧主蒸気加減弁３３への指令のタイミングを決定し、出力部１６０に指令する。
【0053】
出力部１６０は、進行制御部１５０からの指令により、高圧主蒸気加減弁３３への要求信号を、タービン制御装置５０に出力する。
【0054】
次に、振動低減型クラッチ結合制御方法の手順に沿って、振動低減型クラッチ結合制御装置１００の作用を順次説明する。
【0055】
図４は、第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法の手順を示すフロー図である。
【0056】
振動低減型クラッチ結合制御方法は、ガスタービン単独運転ステップＳ１０、複数結合条件での振動データ取得ステップＳ２０、最適結合条件導出ステップＳ３０、および最適結合条件での結合確認ステップＳ４０を有する。
【0057】
ガスタービン単独運転ステップＳ１０は、発電機５が図示しない電力系統に接続され、ガスタービン系統１０が負荷を担っている状態の、クラッチ４０での結合前の段階である。
【0058】
次に、複数結合条件での振動データ取得ステップＳ２０について説明する。本ステップＳ２０は、速度条件の設定ステップＳ２１，結合角度対応時間の算出ステップＳ２２、Ｍ回にわたり行われる結合・振動データ取得ステップＳ２４を有する。
【0059】
速度条件設定ステップＳ２１においては、進行制御部１５０が、目標回転数、回転数上昇率、結合前保持回転数などの速度条件を、速度条件記憶部１２１から読み出す。
【0060】
【0061】
図５において、破線は、ガスタービン１３の回転数（ＧＴ回転数）、実線は蒸気タービン系統３０の回転数（ＳＴ回転数）、一点鎖線はＭＣＶ開度を示す。
【0062】
図５に示すように、ガスタービン１３は、定格回転数（同期速度）である回転数ＮＧＴで回転中である。
【0063】
一方、蒸気タービン系統３０は、停止ターニング状態、あるいは、１０００ｒｐｍ未満である低速ヒートソーク回転の回転数から、蒸気タービン系統３０の温度状態（冷機・暖機）により決定される回転数変化率すなわち速度変化率（昇速率）ｒ２にて昇速される。その後、低速ヒートソーク回転数より高い所定の回転数Ｎ１において、速度変化率ｒ２より小さい速度変化率ｒ１に切替わりさらに昇速される。その後、所定の速度ＮＳＴに到達すると、速度変化率ｒ０が０に変更され速度一定に保持される。この場合の速度ＮＳＴを結合前保持回転数ＮＳＴ、ガスタービン１３の回転数ＮＧＴから結合前保持回転数ＮＳＴを減じた値ΔＮを、結合前保持差分回転数と呼ぶものとする。
【0064】
なお、ガスタービン系統１０の回転数の測定はＧＴ側回転数検出器１８により、また、蒸気タービン系統３０の回転数の測定はＳＴ側回転数検出器３８にて行われるものとする。
【0065】
最初の速度変化率ｒ２の領域においては、回転数目標値の上昇に合わせて、ＭＣＶ開度は増大する。次の速度変化率ｒ１の領域においては、速度変化率ｒ１が速度変化率ｒ２より小さくなった分、タービン制御装置５０においての速度制御系の速度偏差が減少する。図６に示した例では、タービン制御装置５０の速度制御には、即応性確保のために比例制御が用いられていることから、速度変化率ｒ２への切替え後は、速度偏差の減少に応じてＭＣＶ開度が減少している。
【0066】
以上のような、回転数および速度変化率の指令を、進行制御部１５０が出力部１６０を経由して、順次、タービン制御装置５０に出力する。
【0067】
後述するように、蒸気タービン系統３０の結合前保持回転数ＮＳＴでの運転状態が安定する所定の時間が経過した後に、進行制御部１５０が出力部１６０を経由して、タービン制御装置５０にＭＣＶ突き上げ指令、すなわち、ＭＣＶが所定の開度まで開くように指令を出力することになる。ここで、所定の開度は、たとえば、蒸気タービン系統３０の初期負荷に相当する開度である。
【0068】
次に、複数結合条件での結合ステップＳ２０のステップＳ２１の速度条件の設定の後の結合角度対応時間の算出ステップＳ２２について説明する。
【0069】
図６は、第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法における結合角度対応時間算出ステップＳ２２の詳細手順を示すフロー図である。
【0070】
まず、結合回数Ｍを設定する（ステップＳ２２ａ）。ここで、Ｍは３以上の自然数である。すなわち、異なる結合角度で少なくとも３回の結合を行う。なお、回数は、４回以上であってもよい。
【0071】
次に、結合角度間隔を算出する（ステップＳ２３ｂ）。後述するポーラル図作成以降の手順を考慮すると、結合角度間隔は等間隔が適当である。したがって、結合角度間隔ΔΘ（度）は、次の式（１）で与えられる。
ΔΘ＝３６０／Ｍ …（１）
ΔΘ＝３６０／Ｍ …（１）
【0072】
なお、以下、結合角度間隔ΔΘが等間隔である場合を例にとって説明するが、厳密に等間隔である必要はなく、後述するポーラル図を作成しやすく精度良く作成できる場合であれば、ほぼ等間隔であってもよいし、他の間隔を設定してもよい。
【0073】
次にそれぞれの結合角度を算出する（ステップＳ２２ｃ）。最初の結合を、結合角度ゼロを狙って行うとすれば、それぞれの位相は、次の式（２）で与えられる。
Θ１＝０、Θ２＝ΔΘ、…、ΘＭ＝（Ｍ－１）・ΔΘ …（２）
Θ１＝０、Θ２＝ΔΘ、…、ΘＭ＝（Ｍ－１）・ΔΘ …（２）
【0074】
ここで、ＭＣＶ突き上げ指令が出力されてから、実際にクラッチ４０での結合が行われるまでの時間遅れについて検討する。
【0075】
図７ないし図９は、第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法における回転数上昇・保持ステップにおける第１回目ないし第３回目のＭＳＶ突き上げ指示を説明するための結合後の状態を概念的に示す横断面図である。
【0076】
図７ないし図９では、データ取得回数Ｍが３の場合を示している。したがって、ΔΘは１２０度であり、Θ１＝０度、Θ２＝１２０度、Θ３＝２４０度となる。図７ないし図９において、便宜上、ＧＴ側の基準マーカ３７ａを１２時方向に固定している。その基準となるＧＴ側の基準マーカ３７ａに対するＳＴ側の基準マーカ１７ａの相対角度について、破線矢印は、結合を狙ってＭＳＶ突き上げ指示を出した時点の方向、実線矢印は実際に結合したときの方向を示す。以下では、この実線矢印の場合の１２時方向との角度を結合角度としている。
【0077】
ＭＳＶ突き上げ指示が出されてから、実際にクラッチ４０で結合するまでには、タービン制御装置５０までの信号伝達時間、タービン制御装置５０における演算処理、および高圧主蒸気加減弁３３の動作遅れ等がある。このため、図７ないし図９の破線矢印と実線矢印で示すように、実際に結合する結合角度は、指令時の結合角度の目標より大きい。この追加遅れ分Φとすると結合角度は、結合目標角度Θに追加遅れ分Φを加えたものとなる。追加遅れ分Φをそれぞれ、Φ１、Φ２、Φ３とすると、図７の場合は（Θ１＋Φ１）すなわちΦ１、図８の場合は（Θ２＋Φ２）すなわち（１２０度＋Φ２）、図９の場合は（Θ３＋Φ３）すなわち（２４０度＋Φ３）となる。追加遅れΦが上述のような原因に起因することを考慮すれば、Φ１、Φ２およびΦ３の値は、ほぼ同一であると考えられる。
【0078】
振動データ取得時においても、後述する最適結合角度での結合の場合においても、運転状態が変化しなければ、追加遅れΦもほぼ同一であると考えられる。すなわち、ほぼ同一の追加遅れが一律に生ずるだけであるので、運転状態が変化しないという条件のもとに、追加遅れΦの影響の違いを考慮する必要はないということになる。最初は追加遅れ分Φの値が分からないが、結合目標角度Θで突き上げ信号を出して、結合角度（Θ＋Φ）から追加遅れ分Φを確認していくことにより、追加遅れ分Φを求めることができる。
【0079】
【0080】
図１０は、第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法における回転数上昇・保持ステップにおける発電機側端部１７の状態を概念的に示す横断面図である。図１１は、第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法における回転数上昇・保持ステップにおける高圧タービン排気側端部３７の状態を概念的に示す横断面図である。また、図１２は、第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法における回転数上昇・保持ステップにおける各信号を説明する概念的なグラフである。
【0081】
図１２は、結合前の、軸振動値とロータ角度検出パルスの時間変化を示している。ＧＴ側およびＳＴ側のそれぞれについて、図１２に示すような図が作成できる。ここで、軸振動値は、ＧＴ側軸振動計２ａの出力であり、ロータ角度検出パルスはＧＴ側ロータ回転角度検出器１９の出力である。またＳＴ側の軸振動値とロータ角度検出パルスの時間変化を示す場合は、ロータ角度検出パルスはＳＴ側軸振動計３ａの出力であり、ロータ角度検出パルスはＳＴ側ロータ回転角度検出器３９の出力である。
【0082】
すなわち、ＧＴ側およびＳＴ側のそれぞれについて、図１２に示す図が作成できる。図１２では、軸振動値は、ＧＴ側軸振動計２ａの出力、ロータ角度検出パルスはＳＴ側ロータ回転角度検出器３９の出力についてのみを例示している。軸振動値と、ロータ角度検出パルスにより、ロータ基準位置である基準マーカ１７ａ、基準マーカ３７ａを基準としての振れ回りの方向、すなわち、どの方向が振れ回っているのかを示している。
【0083】
たとえば、ガスタービン系統１０側あるいは蒸気タービン系統３０側から見たガスタービン系統１０の発電機側端部１７は、回転数ＮＧＴ（ｒｐｍ）でたとえば時計方向に回転している。ＧＴ側ロータ回転角度検出器１９が検出する基準マーカ１７ａからの信号も１分間にＮＧＴ回発生する。
【0084】
また、蒸気タービン系統３０の高圧タービン排気側端部３７は、回転数ＮＳＴ（ｒｐｍ）でガスタービン系統１０と同様に時計方向に回転している。ＳＴ側ロータ回転角度検出器３９が検出する基準マーカ３７ａからの信号も１分間にＮＳＴ回発生する。
【0085】
高圧タービン排気側端部３７の回転数ＮＳＴ（ｒｐｍ）は、発電機側端部１７の回転数ＮＧＴ（ｒｐｍ）より遅いことから、発電機側端部１７を基準とすると、高圧タービン排気側端部３７が、相対的に反時計方向に結合前保持差分回転数ΔＮ（ｒｐｍ）で回転する、すなわち結合前保持差分回転数はこの相対的回転速度ΔＮであり、反時計方向への回転となる。この結果、高圧タービン排気側端部３７の反時計方向への１回転当たりの相対的な回転時間Ｔｒ（秒）は、次の式（３）で与えられる。
Ｔｒ＝６０／ΔＮ …（３）
Ｔｒ＝６０／ΔＮ …（３）
【0086】
したがって、高圧タービン排気側端部３７に設けられた基準マーカ３７ａは、発電機側端部１７に設けられた基準マーカ１７ａを基準として、Ｔｒ秒で反時計径方向に３６０度回転することになる。
【0087】
したがって、各データ取得時の結合角度の角度差に対応する結合角度対応時間の間隔ΔＴΘは、次の式（４）により与えられる。
ΔＴΘ＝Ｔｒ／Ｍ＝６０／（Ｍ・ΔＮ） …（４）
ΔＴΘ＝Ｔｒ／Ｍ＝６０／（Ｍ・ΔＮ） …（４）
【0088】
たとえば、結合前保持差分回転数ΔＮが４ｒｐｍ、データ取得回数Ｍが３回である場合には、結合角度対応時間の間隔ΔＴΘは、５秒となる。
【0089】
この場合、第１回目の結合での結合角度対応時間ＴΘ１は０秒、第２回目の結合での結合角度対応時間ＴΘ２は５秒、第３回目の結合での結合角度対応時間ＴΘ３は１０秒となる。
【0090】
次に、複数結合条件での結合ステップＳ２０のステップＳ２２の結合角度対応時間の算出ステップＳ２２の後の結合・振動データ取得ステップ等（Ｓ２３～Ｓ２６）について説明する。
【0091】
結合・振動データ取得ステップ等では、図４に示すように、ステップＳ２３で回数指標Ｎを１に設定し、ステップＳ２４で第Ｎ回目の結合・振動データ取得を行い、ステップＳ２５で、Ｎを１だけ増加させ、ステップＳ２６でＮが所定の繰り返し回数Ｍを超えたか否かを判定し、超えていない場合はステップＳ２３以降を繰り返す。ここで、所定の回数は例えば３であり、その場合は、ステップＳ２４の結合・振動データ取得を３回実施することになる。
【0092】
以下、結合・振動データ取得ステップＳ２４の詳細を説明する。
【0093】
図１３は、第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法における複数結合条件での第N回目の結合・振動データ取得ステップの詳細手順を示すフロー図である。
【0094】
結合・振動データ取得ステップＳ２４は、第Ｎ回目回転数上昇後、回転数保持（ステップＳ２４１）、結合角度対応時間でＭＣＶ突き上げ指示（ステップＳ２４２）、振動データ収納・取得（ステップＳ２４３）、および低速ヒートソーク回転数への変更（Ｓ２４４）の各ステップを有する。以下、これらの各ステップについて順次説明する。
【0095】
まず、蒸気タービン系統３０の第Ｎ回目の回転数上昇および回転数保持を行う（ステップＳ２４１）。すなわち、速度条件の設定ステップＳ２１で設定された速度条件に基づいて、進行制御部１５０が出力部１６０を経由して、順次、タービン制御装置５０に指示信号を発する。この結果、タービン制御装置５０は、図５に示した蒸気タービン系統３０の回転数変化を得るように、ＳＴ側回転数検出器３８の出力をフィードバック信号として、ＭＣＶ３３の開度を調節する。蒸気タービン系統３０の回転数は、最終的に、結合前保持回転数ＮＳＴに至り、保持される。すなわち、ガスタービン１３から蒸気タービン系統３０を見た場合は、両者の回転方向の反対方向に、相対的な結合前保持差分回転数ΔＮで回転して見える。
【0096】
次に、進行制御部１５０は、第Ｎ回目の結合角度対応時間で、タービン制御装置５０に対してＭＣＶ突き上げ指示を出力する（ステップＳ２４２）。
【0097】
このＭＣＶ突き上げ指示ステップＳ２４２は、具体的には、以下の通りである。すなわち、まず、ＧＴ側ロータ回転角度検出器１９が発電機側端部１７に設けられた基準マーカ１７ａを検出する（ステップＳ２４２ａ）。次に、タイムカウンタ１４０が、基準マーカ１７ａが検出された時点を起点として、第Ｎ回目の結合角度対応時間ＴΘＮが経過した時点で到達信号を出力する（ステップＳ２４２ｂ）。次に、進行制御部１５０は、タイムカウンタ１４０からの出力を受けて、出力部１６０を経由してタービン制御装置５０にＭＣＶ突き上げの指示信号を発する（ステップＳ２４２ｃ）。ここで、ＭＣＶ突き上げとは、前述のように、ＭＣＶ３３の開度を、たとえば、蒸気タービン系統３０の初期負荷相当の開度まで急開させることを言う。
【0098】
結合・振動データ取得ステップＳ２４の次の振動データ取得・収納ステップＳ２４３については、図１４を引用しながら説明する。
【0099】
図１４は、第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法における振動データ取得、収納ステップＳ２５の詳細手順を示すフロー図である。
【0100】
まず、結合・振動データ取得ステップＳ２４における最終ステップであるＭＣＶ突き上げ指示ステップＳ２４２ｃによって、クラッチ４０が結合する（ステップＳ２５ａ）。すなわち、ＭＣＶ突き上げ指示によりＭＣＶ３３が開き、高圧タービン排気側端部３７の回転数ＮＳＴ（ｒｐｍ）が発電機側端部１７の回転数ＮＧＴ（ｒｐｍ）を超えようとする際に、クラッチ４０がかみ合い、一軸型コンバインドサイクル１として、一体で回転する。
【0101】
次に、進行制御部１５０は、一軸型コンバインドサイクル１の安定化のための所定時間に亘り状態保持をする（ステップＳ２５ｂ）。すなわち、進行を停止する。
【0102】
次に、振動データの取得・収納を行う（ステップＳ２６ｃ）。ここで、振動データの取得は、ＧＴ結合側軸受２の近傍に設けられたＧＴ側軸振動計２ａ、およびＳＴ結合側軸受３の近傍に設けられたＳＴ側軸振動計３ａにより行われる。得られた振動データは、振動データ記憶部１２４に収納、記憶される。
【0103】
以上の結合角度対応時間でのＭＣＶ突き上げ指示ステップＳ２４２の後に、低速ヒートソーク回転数への変更を行う（ステップＳ２４４）。具体的には、進行制御部１５０が出力部１６０を介して、タービン制御装置５０に低速ヒートソーク回転数への変更の指示信号を発する。この結果、ＭＣＶ３３の開度が減少し、高圧タービン排気側端部３７の回転数が低下し、クラッチ４０での噛み合いが解除され、非結合状態に移行する。
【0104】
以上が、複数結合条件での振動データ取得ステップＳ２０の内容である。
【0105】
次に、図４に示した最適結合条件導出ステップＳ３０について説明する。ステップＳ３０は、ポーラル図の作成ステップＳ３１、最適位相差の導出ステップＳ３２、および、結合角度対応時間の導出ステップＳ３３を有する。
【0106】
【0107】
図１５は、第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置の対象となる一軸型コンバインドサイクルの結合前の状態を示す概念図である。
【0108】
ガスタービン系統１０の発電機側端部１７は、ＧＴ結合側軸受２の外側に配されている。また、蒸気タービン系統３０の高圧タービン排気側端部３７は、ＳＴ結合側軸受３の外側に配されている。
【0109】
すなわち、ガスタービン側ロータシャフト１６のＧＴ結合側軸受２の外側の発電機側端部１７を含む部分は、片持ちの状態で回転している。また、蒸気タービン側ロータシャフト３６のＳＴ結合側軸受３の外側の高圧タービン排気側端部３７を含む部分も、片持ちの状態で回転している。
【0110】
図１６は、第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置の対象となる一軸型コンバインドサイクルの結合後の状態を示す概念図である。
【0111】
クラッチ４０で結合後は、ガスタービン系統１０の発電機側端部１７および高圧タービン排気側端部３７は、ＧＴ結合側軸受２およびＳＴ結合側軸受３により両側を支持された状態となる。
【0112】
図１７は、第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置の対象となる一軸型コンバインドサイクルの各結合角度における結合前後のクラッチ近傍の状態の例を示す概念図であり、（ａ）は結合角度Θ、（ｂ）は結合角度（Θ＋９０度）、（ｃ）は結合角度（Θ＋１８０度）、（ｄ）は結合角度（Θ＋２７０）度の場合を示す。
【0113】
また、図１８は、第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置の対象となる一軸型コンバインドサイクルの各結合角度における結合前後のクラッチ近傍の横断面における状態を示す概念図であり、（ａ）は結合角度Θ、（ｂ）は結合角度（Θ＋９０度）、（ｃ）は結合角度（Θ＋１８０度）、（ｄ）は結合角度（Θ＋２７０）度の場合を示す。すなわち、図１８の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図１７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に対応している。
【0114】
図１７および図１８は、発電機側端部１７に対して高圧タービン排気側端部３７が回転中心に対して偏心して旋回する場合に、クラッチ４０での結合によりどのような状態になるかを概念的に示している。以下に、図１７および図１８のａ）、ｂ）、ｃ）、ｄ）について順次説明する。なお、図１８の各図において、上方を０度、として、時計回りに角度を表現するものとする。また、図１７および図１８のａ）、ｂ）、ｃ）、ｄ）のそれぞれにおいて、白抜き矢印の左側は、発電機側端部１７に高圧タービン排気側端部３７が結合する直前の状態を示す。また、白抜き矢印の右側は、発電機側端部１７に高圧タービン排気側端部３７が結合する直後の状態を示す。以下、高圧タービン排気側端部３７は、基準マーカ３７ａの方向に偏心しているものとする。
【0115】
（ａ）は、発電機側端部１７の基準マーカ１７ａの方向（以下、「ＧＴ角度」）が０度方向、高圧タービン排気側端部３７の基準マーカ１７ａの方向（以下、「ＳＴ角度」）が０度方向の状態で結合した場合を示す。この場合、結合後は、発電機側端部１７は０度方向に偏心する一方、高圧タービン排気側端部３７の０度方向の偏心量が若干減少する。
【0116】
（ｂ）は、ＧＴ角度が０度方向、ＳＴ角度が９０度方向の状態で結合した場合を示す。この場合、結合後は、発電機側端部１７は９０度方向に偏心し、アンバランスが付加される。
【0117】
（ｃ）は、ＧＴ角度が０度方向、ＳＴ角度が１８０度方向の状態で結合した場合を示す。この場合、結合後は、発電機側端部１７は１８０度方向に偏心する一方、高圧タービン排気側端部３７の１８０度方向の偏心量が若干減少する。
【0118】
（ｄ）は、ＧＴ角度が０度方向、ＳＴ角度が２７０度方向の状態で結合した場合を示す。この場合、結合後は、発電機側端部１７は２７０度方向に偏心し、アンバランスが付加される。
【0119】
以上のように、結合する際のＧＴ角度に対するＳＴ角度によって、付加されるアンバランスの方向が変化する。なお、付加されるアンバランス方向は変化するが、結合前のＳＴの軸端偏心量が同であれば、結合する際のＧＴ角度に対するＳＴ角度によらず、付加されるアンバランスモーメントは同じと考えられる。したがって結合により発生する振動ベクトルの方向は変化するが、振動ベクトルのスカラー量は変化しない。
【0120】
次に、最適結合条件導出ステップＳ３０のポーラル図の作成ステップＳ３１、最適位相差の導出ステップＳ３２、および、結合角度対応時間の導出ステップＳ３３を順次説明する。なお、以下の説明では、「ベクトルＸ・Ｙ」の表記は、点Ｘから点Ｙに向かう方向であり、点Ｘと点Ｙ間の距離を大きさに持つベクトルを意味するものとする。また、起点Ｘが中心Ｃの場合のベクトルを振動ベクトルと呼ぶこととする。
【0121】
まず、ポーラル図作成部１３２が行うポーラル図の作成ステップＳ３１について説明する。
【0122】
図１９は、第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置の対象となる一軸型コンバインドサイクルの各結合角度における結合後の状態の例を示す振動ベクトルを極座標にプロットしたポーラル図である。
【0123】
ここで、ポーラル図は、周方向が位相（０°～３６０°）を、中心Cから径方向の長さが振動の振幅（あるいは半振幅）を表す。
【0124】
スカラー量である振動ベクトルの長さは、図１２で示したＧＴ側軸振動計２ａまたはＳＴ側軸振動計３ａの出力に基づく振幅である。また、振動ベクトルの方向は、ＧＴ側ロータ回転角度検出器１９の出力に対するＳＴ側ロータ回転角度検出器３９の出力の相対値である結合角度である。
【0125】
クラッチ４０での結合後の振動値としては、ＧＴ側とＳＴ側のいずれを用いてもよい。すなわち、理論的には、結合後のロータシャフトの振れ回りの変化は相似となり、いずれの軸受で後述する最適角度を評価しても、同じ角度となる筈である。なお、実際に結合で振動が変化するのはＳＴ側の軸受部の軸振動の方がより顕著に変化するので、以下では、ＳＴ側の振動ベクトルに基づき最適角度を評価する場合を例にとって示す。
【0126】
図１９は、結合・振動データ取得を３回行った場合を示している。それぞれ、結合目標角度Θ１、Θ２、およびΘ３であるとする。ここで、それぞれの結合目標角度の間隔は１２０度である。
【0127】
結合・振動データ取得（ステップＳ２０）の結果、結合目標角度Θ１の場合は結合角度（Θ１＋Φ１）により振動ベクトルＣ・Ｐ１、結合目標角度Θ２の場合は結合角度（Θ２＋Φ２）により振動ベクトルＣ・Ｐ２、結合目標角度Θ３の場合は結合角度（Θ３＋Φ３）により振動ベクトルＣ・Ｐ３が得られる。ここで、振動値は、ＳＴ結合側軸受３の近傍に設けられたＳＴ側軸振動計３ａの出力である。また、結合角度は、ステップＳ２４２で目標とした結合角度に基づいている。
【0128】
図２０は、第１の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置の対象となる一軸型コンバインドサイクルの結合後の振動状態を示すグラフである。横軸は結合角度、縦軸は振幅である。結合角度Θ２の近傍で、振幅が最小となっている。ここで、結合角度（Θｍ＋Φｍ）において、振幅が最小となっている。この結合角度（Θｍ＋Φｍ）が最適結合角度である。ここで、追加遅れ分Φｍは、前述のように、Φ１、Φ２、Φ３とほぼ等しく、たとえば、これらの平均値としてもよい。
【0129】
次に、最適結合角度導出部１３３が行う最適結合角度の導出ステップＳ３２について、図１９のポーラル図を引用しながら説明する。
【0130】
点Ｐ１、点Ｐ２および点Ｐ３に基づいて外接円ＣＣが得られる。外接円ＣＣの中心Ｐ０は、点Ｐ１、点Ｐ２および点Ｐ３の外心となる。ここで、振動ベクトルＣ・Ｐ０は、結合前の振動状態ではなく、結合後のＧＴ結合側軸受２およびＳＴ結合側軸受３により両側を支持された状態の仮想的な平均的振動状態を示しており、中心点Ｐ０は仮想的な中心である。
【0131】
この仮想的な中心Ｐ０を起点とするベクトル、すなわち結合角度（Θ１＋Φ１）の場合のベクトルＰ０・Ｐ１、結合角度（Θ２＋Φ２）の場合のベクトルＰ０・Ｐ２、結合角度（Θ３＋Φ３）の場合のベクトルＰ０・Ｐ３は、それぞれの場合の蒸気タービン系統３０の寄与によるものである。
【0132】
外接円ＣＣ上の点とポーラル図の中心点Ｃとの距離が最小となる点が、振幅が最小となる最適な場合に対応する。したがって、最適点Ｐｍは、ポーラル図の中心点Ｃと外接円ＣＣの中心点Ｐ０とを結ぶ線と外接円ＣＣの交点である。また、ベクトルＣＣ・Ｐｍの角度（Θｍ＋Φｍ）が最適結合角度となる。
【0133】
次に、結合角度対応時間算出部１３４が、最適結合角度（Θｍ＋Φｍ）の結合目標角度Θｍに対応する結合角度対応時間を算出する。結合角度対応時間の間隔は、前出の次の式（４）で与えられる。
ΔＴΘ＝Ｔｒ／Ｍ＝６０／（Ｍ・ΔＮ） …（４）
ΔＴΘ＝Ｔｒ／Ｍ＝６０／（Ｍ・ΔＮ） …（４）
【0134】
今、結合前保持差分回転数ΔＮが４ｒｐｍの場合を例にとると、図１９の例では、データ取得回数Ｍが３回であるので、結合角度対応時間の間隔ΔＴΘは、５秒となる。
【0135】
したがって、第１回目の突き上げの結合角度対応時間をＴΘ１とすれば、第２回目は、（ＴΘ１＋５）秒、第３回目は（ＴΘ１＋１０秒）となる。ここで、ＴΘ１は、５秒未満であれば、任意の値でよい。
【0136】
次に、図４に示した最適結合条件での結合確認ステップＳ４０について説明する。最適結合条件での結合確認ステップＳ４０では、最適結合条件導出ステップＳ３０において導出された最適結合条件に基づいて、以下の各ステップにより、効果の確認を行う。なお、各ステップの重複する詳細説明は省略する。
【0137】
まず、進行制御部１５０が、回転数上昇条件を行う（ステップＳ４１）。次に、ＧＴ基準マーカ検出後の最適結合角度対応時間後に、進行制御部１５０がＭＣＶ突き上げ指示を行う（ステップＳ４２）。ステップＳ４２によりクラッチ４０が結合した状態で、振動データ記憶部１２４が振動データを取得し、収納・記憶する（ステップＳ４３）。収納した振動データにより、振動低減判定部１３５が、最適結合条件での効果を確認する（ステップＳ４４）。
【0138】
本実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法は、一軸型コンバインドサイクル１の建設時、クラッチ４０を含むパワートレインおよびＭＣＶ３３等の分解・点検・修理・組立を行う定期検査時等のメンテナンス後において、特に有効である。
【0139】
以上に示したように、本実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法および振動低減型クラッチ結合制御装置１００によれば、少なくとも３つの異なる結合角度について、結合角度を時間に換算したうえで、それぞれのクラッチ４０での結合を行い、それぞれの振動データに基づいて最適結合角度を導出する。確実に最適な結合角度での結合を行うことが可能となるため、結合後の振動の最小化を図ることができる。また、結合後の振動値の監視により、異常の早期検出が可能となる。
【0140】
［第２の実施形態］
図２１は、第２の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法の手順を示すフロー図である。
図２１は、第２の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法の手順を示すフロー図である。
【0141】
本実施形態は、第１の実施形態の変形であり、本実施形態による振動低減型クラッチ結合制御方法は、最適結合条件での結合確認ステップＳ４０の後に、さらに、バランスウェイトの追加ステップＳ５０を有する。以下、ステップＳ５０の各ステップについて順次説明する。
【0142】
まず、テストウェイトの追加を行う（ステップＳ５１）。この際のテストウェイトの重さは、振動値の変化を有意に計測できる範囲で、極力小さいことが好ましい。
【0143】
テストウェイトを追加すべき周方向の位置について、図２２を引用しながら説明する。
【0144】
図２２は、第２の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置の対象となる一軸型コンバインドサイクルの各結合角度における振動のさらなる振動低減方法を示す結合後の状態を示すポーラル図である。
【0145】
ステップＳ４０で最適結合角度（Θｍ＋Φｍ）をもたらすベクトルＰ０・Ｐｍが得られている。したがって、最適結合角度Θｍの方向に、テストウェイトを追加する。
【0146】
次に、最適結合角度（Θｍ＋Φｍ）での結合を行い（ステップＳ５２）、結合状態での振動値を取得する（ステップＳ５３）。この結果、ベクトルＰ０・ＰｍがベクトルＰ０／Ｐｔまで延びて、ベクトルＰ０・Ｐｔとなり、最適結合角度（Θｍ＋Φｍ）での振動値が、点Ｐ１での振動値（図２２における中心点Ｃから点Ｐｔを通る破線の円弧までの長さ）まで低減する。
【0147】
次に、バランスウェイトの決定、追加を行う（ステップＳ５４）。
【0148】
ベクトルＰ０・Ｐｔをポーラル図の中心点Ｃまで延長することにより、振動値をゼロとすることができる。したがって、ベクトルＰｔ・Ｃに相当するバランスウェイトを追加する。バランスウェイトの重さは、テストウェイトの重さに、ベクトルＰｔ・Ｃの長さのベクトルＰ０・Ｐｔの長さに対する比を乗じることにより得られる。
【0149】
次に、最適結合角度での結合、効果を確認する（ステップＳ５５）。
【0150】
図２３は、第２の実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御装置の対象となる一軸型コンバインドサイクルの結合後の振動状態を示すグラフである。横軸は結合角度、縦軸は、クラッチ４０で結合後の片振幅を示す。
【0151】
破線の曲線は、バランスウェイトを追加しない場合の結合角度への依存性を示し、実線の曲線は、バランスウェイトを追加した場合の結合角度への依存性を示す。実線の曲線で示すように、バランスウェイトを追加した場合は、最適結合角度（Θｍ＋Φｍ）において、振動値は、ゼロあるいはほぼゼロ（「実質ゼロ」）まで低減している。
【0152】
以上のように、本実施形態に係る振動低減型クラッチ結合制御方法および振動低減型クラッチ結合制御装置によれば、最適位相差で確実に結合できる構成の下で、バランスウェイトを追加することにより、振動値を実質的にゼロとすることができる。
【0153】
以上、説明した実施形態によれば、結合後の振動値を最小化しかつ起動停止においてもその状態を維持できる振動低減型クラッチ結合制御方法および振動低減型クラッチ結合制御装置を提供することが可能となる。
【0154】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0155】
１…一軸型コンバインドサイクル、２…ＧＴ結合側軸受、２ａ…ＧＴ側軸振動計、３…ＳＴ結合側軸受、３ａ…ＳＴ側軸振動計、５…発電機、１０…ガスタービン系統、１１…燃焼器、１１ａ…燃料ガス供給部、１２…圧縮機、１３…ガスタービン、１６……ガスタービン側ロータシャフト、１７…発電機側端部、１７ａ…基準マーカ、１８…ＧＴ側回転数検出器、１８ａ…ＧＴ側ギア、１９…ＧＴ側ロータ回転角度検出器、２０…排熱回収ボイラ、２１…高圧ドラム、２２…過熱器、２３…主蒸気管、２４…中圧タービン蒸気供給系、２５…低圧タービン蒸気供給系、３０…蒸気タービン系統、３１…高圧タービン、３２…高圧主蒸気止め弁、３３…高圧主蒸気加減弁（ＭＣＶ）、３４…中圧タービン、３５…低圧タービン、３６…蒸気タービン側ロータシャフト、３７…高圧タービン排気側端部、３７ａ…基準マーカ、３８…ＳＴ側回転数検出器、３８ａ…ＳＴ側ギア、３９…ＳＴ側ロータ回転角度検出器、４０…クラッチ、４１…ＧＴ側部材、４１ａ…ＧＴ側保持部、４１ｂ…ＧＴ側歯、４１ｃ…ラチェット歯車、４２…ＳＴ側部材、４２ａ…ＳＴ側保持部、４２ｂ…ヘリカルスプライン外面部、４３…スライディング部、４３ａ…ラチェット爪、４３ｂ…ヘリカルスプライン内面部、４３ｃ…スライディング部側歯、５０…タービン制御装置、１００…振動低減型クラッチ結合制御装置、１１０…入力部、１１１…外部入力受入れ部、１１２…信号入力受入れ部、１２０…記憶部、１２１…速度条件記憶部、１２２…結合条件記憶部、１２３…結合角度記憶部、１２４…振動データ記憶部、１３０…演算部、１３１…結合角度算出部、１３２…ポーラル図作成部、１３３…最適結合角度導出部、１３４…結合角度対応時間算出部、１３５…振動低減判定部、１４０…タイムカウンタ、１５０…進行制御部、１６０…出力部、１８０…ケーブル類、２００…振動低減型クラッチ結合制御システム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】