JP2010534783A - 漸増的に増速する慣性ホイール - Google Patents

Abstract

モータ（１５）のための駆動装置を開示し、本装置は、慣性ホイール（１６）と、慣性ホイール及びモータのシャフト（１２）間でのトルク反転時に自動的な一方向クラッチ作用を保証することができるフリーホイールクラッチ（１８）と、慣性ホイールのための増速装置（２０）とを含む。本駆動装置は、モータ（１５）によって駆動される機械装置に該モータを結合する端部と反対側の該モータのシャフト（１２）の端部に取付けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シャフトを駆動するモータの電源からの一時的切断の場合でも、回転シャフトの速度を保つことができる装置に関する。

特に関心がある本発明の用途は、燃焼タービンの液体燃料ポンプの駆動に関するものである。

一般的に、産業用途では、燃焼タービンの付属装置は、共通故障モードを回避するために２つの異なる電源によって給電される。

信頼性の理由で、これら２つの電源は、それらの付属装置に同時に給電することはなくて、例えば過負荷又は短絡によって生じた電圧降下のような発生可能性がある給電装置故障が、一方の電源から他方の電源に影響を与えることがないようにする。

一方の電源から他方の電源への切換えは、電源からの一時的切断の場合に行なわれる。一方の電源から他方の電源へのこの切換えは、使用中の電源における故障検出の場合に自動的に或いは運転又は保守整備の理由でオペレータ操作によって行なわれる。

具体的な事前対策なしで行なわれるそのような切換えは、特に燃焼タービンの運転に支障を来すおそれがある。実際には、高圧液体燃料の供給を維持して火炎の喪失によるトリップの危険性又は発電に支障を来す危険性を軽減することが必須である。一部の国では、送電網規約により、例えばオランダにおけるケースがそうであるように、１．５秒の電力喪失の場合でも燃焼タービンが運転を続行することができなければならないことを要求している。

このような法的義務に従うために、そのボリュームを弾性膜によって分離して、一方の側に高圧液体燃料がありかつ他方の側に加圧中性ガスがあるようにしたリザーバを有する空気アキュムレータを使用することが知られている。この構成は、低圧液体燃料の場合には良好に機能する。しかしながら、このアキュムレータは、高圧液体燃料に対して使用した場合には時定数の増大が生じるので、タービンの制御を許容不能な状態で妨げる。その時タービンは、例えば遮断器の開放に関連しての又は隔離送電網上における急激な負荷変動に対応することができず、燃料流量の調整は、負荷変動に正確に追随することができない。

さらに、電源切換えに関連しての又はタービンの急な負荷変動に関連しての蓄積の開始時或いは蓄積の回復の間におけるアキュムレータの充填流量は、燃料ポンプ容量を減少させ、このことが、必要な流量を送給してタービンの適正な運転を保証するポンプの能力に影響を与える。このことにより、電源切換えに関連しての過渡時間の延長或いはその他の障害が生じる。

同様に、タービン供給源の高圧液体燃料が存在する第１のチャンバと作動流体で満たされた第２のチャンバとを設けたピストン及びシリンダ組立体を有するタイプの機械式アキュムレータを使用することが知られている。

作動中に、ピストンは、燃料圧力によって完全に押圧される。正常作動中に、貯蔵が完了している時にはピストンがシリンダ底部で静止しているので、この装置は、全く作動せず、また空気アキュムレータのように燃料制御を妨げることはない。電源からの一時的切断に続いて、アキュムレータ内に存在する作動流体は、ピストンを変位させ、それにより、貯蔵燃料量のタービン供給源内への回復が可能になり、従ってポンプ流量の減少を裏支えすることが可能になる。

この構成は、燃料圧力を連続的に変化させて運転条件に対処することができる産業用途には適していないという重大な欠点を有する。実際には、機械式アキュムレータの燃料回復は、特定の作動点のみに対応する貯蔵状態になった圧力において行なわれる。従って、一時的切断の間には、貯蔵条件と一時的切断時に最も一般的な運転条件との間の差と同じ大きさの負荷変動が観察される。

ドイツ特許出願公開第３４４２０８０号明細書

本発明の目的は、燃料貯蔵に関連した上記の欠点を克服することである。

より具体的には、本発明の目的は、電気モータの電源からの一時的切断の間にまた特に迅速、有効かつ経済的な方法でかつ小さな設置空間でポンプを駆動し続けて、燃焼タービンに対する連続的な高圧燃料供給を可能にすることができる装置を提供することである。

本提案発明の別の目的は、モータポンプ組立体の起動時間に影響を与えない装置を提供することである。実際には、この特性は、主要ポンプにおける故障に関連しての冗長ポンプ間の迅速かつ有効な導入の遅れを確実になくすために必要である。

本発明のさらに別の目的は、タービン供給源に供給する流体を液圧的に妨げなくて、制御ループの時定数を増大させることがない装置を提供することである。

本発明は、モータ１５の駆動を支援する装置を提供し、本装置は、慣性ホイール１６と、慣性ホイール及びモータ１５のシャフト１２間でのトルク反転の場合に自動的に係合可能である一方向クラッチ１８と、モータ１５の起動時間に実質的に影響を与えずに慣性ホイールに対してトルクを与える増速装置２０とを含み、本装置は、モータ１５によって駆動される機械装置に結合可能であるシャフト１２の端部と反対側の該モータのシャフトの駆動端部に取付け可能である。

本装置は、モータの一時的切断の間に、慣性ホイールからの運動エネルギーで置換えることによって特に単純、有効かつ経済的である、モータシャフトのための駆動システムを提供する。

実際には、モータの電源の一時的切断の間に、フリーホイールを含むことができる一方向クラッチつまりフリーホイールクラッチは、外部命令なしに自動的にモータシャフトに対するフリーホイールの結合を可能にしてモータの回転を維持する。次に、モータに対する給電が再開された時に、ラインから慣性ホイールを外し、それによって、モータの起動時間に不利な影響を与えないようにする。

慣性ホイール及びモータシャフト間に配置したフリーホイールの使用は、電源から別の電源への切換えの場合に、特に短い過渡時間つまり切換え時間を可能にし、それによって、燃焼タービンに対する燃料供給の連続性を保証する。

加えて、慣性ホイールの増速装置を用いることにより、慣性ホイールを回転させるのを可能にするために、モータのサイズを大きくする必要はない。

実際には、増速装置は、該増速装置がモータの起動時間に影響を与えないように設計される。その点に関して、増速装置は、モータが起動している時に慣性ホイールを静止状態に保ち、またモータがその定格速度に達した時にのみ、カプラの内部オイル供給に応じて慣性ホイールにトルクを伝達するように設計された例えばオイルを使用した液圧カプラを含む。

ホイールの慣性は、電源切換え時間の間に例えば１０〜１５％という非常に低い速度低下を生じるように設計される。その結果生じた高圧燃料の小さな圧力変動は、この変動が実際にはタービンの燃料制御ループによって補正されるのに十分なほど滑らかかつ低いことを考えると、大きな負荷変動を生じることはない。

慣性ホイール駆動装置の利点は、モータトルクから調整可能に取出し、従って慣性ホイールの増速の間にモータの過負荷に制限を設けるように慣性ホイールの漸増的な増速を保証するトルクを伝達するこの装置の能力である。そうすることにより、慣性ホイール内への運動エネルギーの蓄積は、時間の経過と共に拡大して、後で電源切断の間にこの運動エネルギーが使用できるようになる。モータシャフトによって供給されたトルクは、モータの過度の過負荷を回避するように調整される。

慣性ホイールのための駆動手段つまり増速装置は、制限されかつ調整可能な駆動トルクを与えて漸増的増速を保証することができる、モータシャフト及び慣性ホイール間の結合手段を構成する。

慣性ホイールからの慣性トルクは、フリーホイールの固定に関連して５０ミリ秒よりも短い時間の間においてモータの定格トルクに取って代わるのが好ましい。

本装置は、それをモータシャフト上に取付ける主中空シャフトを含むことができる。従って、主中空シャフトは、該シャフト上への本装置のための取付けスリーブを構成する。

本装置はまた、主中空シャフトの半径方向周りに配置されかつその上に慣性ホイールが取付けられた補助シャフトを含むことができるのが有利である。フリーホイールは、主中空シャフト及び補助シャフトの半径方向間に取付けることができる。

慣性ホイールは、ハブ、リム、及びハブに対してリムを連結するウエブを含むのが好ましい。ウエブは、慣性ホイールが回転している時に空気流を形成することができ、またモータの冷却ファンの代わりに本装置を取付けた場合にモータの換気を保証ことができるベーンを含むことができるのが有利である。慣性ホイールのリムは、発生空気流をモータに向けて送って該モータを冷却するために使用することができる。

本駆動装置は、一般的にモータと関連する冷却ファンの代わりに、特別の軸受なしにモータシャフト上に張出した状態で取付けることができ、またウエブベーンによって、リムにより送られる冷却空気流を発生させることができる。この構成は、標準的なモータよりも遙かに多くの空間を必要とするようなことはなく、現存設備を容易に機能強化又は改造するのに適したものである。

別の実施可能な構成では、燃料供給ポンプは、モータ、シャフト、及び前述したような該シャフトの駆動装置を含む。

本発明はまた、液体燃料供給源を駆動するための、燃焼タービン内での上記の装置の使用を提示する。

別の実施可能な構成では、燃焼タービンは、その各々がそれ自体のモータ、シャフト、及び前述したような該シャフトの駆動装置を有する幾つかの燃料供給ポンプを含む。

本発明はまた、モータを駆動する方法を提供し、本方法は、慣性ホイール及びモータ間におけるトルク反転の場合に係合する一方向自動クラッチを設けるステップと、モータの定格速度に達した時に、慣性ホイールを漸増的に加速するステップと、モータの故障の場合に、慣性ホイールを使用してモータシャフトを駆動するステップとを含む。

図１は本発明を具体化した装置の切欠き断面を概略的に示している。

図に概略的に示すのは、本発明としての実施形態の全体的構成であって、この構成は、符号１０で示しており、また水平とみなされるモータ１５の軸線１４の周りでシャフト１２を駆動するように設計されている。シャフト１２は、モータケーシングの両側において張出している。

より正確には、装置１０は、モータ１５の電源の一時的故障の後にシャフト１２を駆動することができる。モータ１５は、燃料ポンプ（図示せず）を駆動するように設計されている。このポンプの結合は、モータ１５に着目した時に、そこに装置１０が取付けられる側と反対側のシャフト１２の一方の側を使用して行なわれる。

本装置は、エネルギーを発生させるように又はガス圧縮機を駆動するように使用する燃焼タービンの燃料供給ポンプを駆動するのに特に適している。

しかしながら、装置１０は、その他の機械装置を駆動するようにも使用可能であることを容易に想像することができるであろう。

装置１０は、重要部品として、慣性ホイール１６と、慣性ホイール及びシャフト１２間に配置したフリーホイール１８と、慣性ホイールを増速させる装置２０とを含む。

以下において一層詳しく説明するように、フリーホイール１８は、慣性ホイール１６及びシャフト１２間における一方向クラッチ作用を可能にする。

シャフト１２上へのその取付けを可能にするために、装置１０は、シャフト１２と同一の軸線を有する主中空シャフト２２を含む。この主シャフト２２は、シャフト１２及び増速装置２０間の連結を保証する。そうするために、主シャフト２２は、一方の側でその内部ボア２４がモータシャフト１２の端部直径と適合し、また他方の側で減少直径の部分２６によって増速装置２０に適合する。主中空シャフト２２は、例えばキーのようなあらゆる適当な手段を用いてシャフト１２に結合することができる。

装置１０はまた、慣性ホイール１６を取付ける補助シャフト３０を含む。補助シャフト３０は、主シャフト２２の外側かつ周りに配置されまた軸線１４を有する中空シャフトとして設計される。補助シャフト３０は、一方の側で増速装置２０に連結される。増速装置２０は、モータシャフト及び慣性ホイール間のカプラを含み、このカプラは、所望の時点で係合して慣性ホイールに対して徐々に回転を与えることができる。

補助シャフト３０及び主シャフト２２の一方向回転を可能にするために、装置１０は、軸線１４を有する玉軸受３８と、主シャフト２２及び補助シャフト３０の半径方向間に配置されたフリーホイール１８とを含む。図に概略的に示す玉軸受３８は、市販タイプのものであり、かつフリーホイール１８及びモータ１５の軸方向間に取付けられる。

フリーホイール１８は、玉軸受３８に軸方向に近接した状態で取付けられる。フリーホイール１８は、図には概略的に示している。フリーホイール１８は、シャフト２２及びシャフト３０間に配置された幾つかの固定要素つまりカムと、これらのカムを収容する円形ケージとを含む。カムは、駆動トルクの方向に傾斜し、また他の方向ではシャフト２２及びシャフト３０間にバットレスを形成する（シャフト２２及びシャフト３０間を回転しないように支持する）輪郭にされる。

言い換えると、カムは、フリーホイール１８の作動を可能にする、慣性ホイール１６及びシャフト１２間で何らのトルクも伝達されないようなクラッチ解除状態を可能にする、またシャフト２２及びシャフト３０がフリーホイール１８のカムのためのローリング軌道を構成するような作動状態を可能にするような輪郭にされる。

中空シャフト３０のボア３２内にサークリップタイプの軸方向保持リング４０を取付けて、主シャフト２２及び補助シャフト３０間の軸方向空洞内にフリーホイール１８及び玉軸受３８を軸方向に保持する。

軸線１４を有する慣性ホイール１６は、ハブ４２、軸方向に延びてモータ本体１５を部分的に覆う外側リングのような形状にされたリム４４、及びリムをハブに連結したウエブ４６を含む。慣性ホイール１６は、増速装置２０及びモータ１５の軸方向間に配置される。ハブ４２は、ここではキー４８であるあらゆる適当な手段によって補助シャフト３０の外表面上に取付けられる。ハブ４２は、軸線１４の周りに中心合せして配置された環状形状のものである。ハブ４２及びリム４４間のウエブ４６は、トルク伝達を可能にして回転方向への慣性ホイールの速度を増大させまた反対回転方向のリム４４からの慣性トルクを増大させ、リムは、慣性ホイール１６のエネルギーの大部分を供給することになる。

ウエブ４６には、概略的に示したベーン５０を取付けるか又はこれらベーンを一体形にして、モータ１５に向けて配向された空気流を発生させて、該モータ１５の冷却を保証する。慣性ホイール１６、またより具体的にはウエブ４６により、矢印５２及び５４で示す冷却空気流を発生する手段を構成して、慣性ホイール１６がモータ１５の本来の冷却ファンに取って代わるのを可能にする。リム４４は、発生冷却空気流がモータ１５に向けて配向されるのを可能にする。

慣性ホイールの増速装置２０は、主シャフト２２及び補助シャフト３０上に張出し、かつこれら両方のシャフトに結合される。増速装置２０は、慣性ホイールに限定駆動トルクを送給して、シャフト１２から取出したトルクによる漸増的な増速を保証するように設計される。このトルク伝達は、増速装置２０によって連結された主シャフト２２及び次に補助シャフト３０を通して行なわれる。増速装置２０（概略的に示す）は、液圧カプラである。

装置１０の作動態様は、以下の通りである。

駆動モータ１５の起動に関連して、シャフト１２及び主シャフト２２が回転駆動される。補助シャフト３０は、開放クラッチとして作動するフリーホイール１８の存在により静止した状態のままである。シャフト１２がその定格速度に達すると、増速装置２０は次に、モータ１５から取出した限定トルクを補助シャフト３０に生じさせて、慣性ホイール１６は、その速度がモータの速度に接近するまで漸増的に速度を増大させる。

そうすることにより、慣性ホイール１６の増速は、モータ１５がその起動フェーズを完了した後に行なわれるので、該モータ１５の起動時間は、慣性ホイール１６の増速によって影響を受けない。慣性ホイール１６の漸増的増速には、駆動モータ１５の能力と比べて限定トルクしか必要とせず、このことは次に、何らの過大サイズ又は過負荷も必要としないことになる。

言い換えると、増速装置２０は、モータ１５の定格速度に達しない限り作動状態にならず、その後定格速度に達した後に作動状態になって、調整可能なトルクで慣性ホイールを駆動する。

モータ１５からの電源の一時的切断の間には、電気トルクが消滅しかつポンプの抵抗トルクがシャフト１２を減速させる傾向になる。フリーホイールのカムは、該カムがシャフト２２及びシャフト３０の軌道間を塞ぐのを助け、それにより、該カムがフリーホイールを固定することになるように、自動的に傾斜する傾向がある。フリーホイール１８は次に、閉鎖クラッチとして作動して、慣性ホイール１６及びシャフト１２間で駆動トルクを伝達することができる。従って、シャフト１２は、慣性ホイール１６内に事前に蓄積された運動エネルギーの復元によって駆動され、そうすることにより、消滅した電気トルクが置換えられる。言うまでもなく、ホイール１６の慣性は、被駆動装置が必要とする動力、該被駆動装置が許容可能な速度低下、及び電源から別の電源に切換えるための切断継続時間の関数であることを容易に理解することができる。

電源から別の電源への切換えが行なわれると、モータ１５には次に、再び電力が供給され、それにより、シャフト１２の再加速及びフリーホイール１８のカムの解除が生じる。フリーホイール１８は、再び開放クラッチとして作動する。モータ起動の間と同様な方法で、増速装置２０は、慣性ホイールを再び増速させて速度損失を補償し、従って電源からの新たな切断の場合でもモータを支援する準備が整った状態になる。

このようにして、装置の駆動過渡期間を保証するために、電源の一時的故障の間に信頼性があり、経済的であり、かつ限定空間内で支援を行なうことができる駆動装置が得られる。

この図示した構成は、補助シャフト３０及び慣性ホイール１６が２つの独立した部品であることを示しているが、本発明の技術的範囲内で、慣性ホイール１６及びシャフト３０を単一の部品として製作した構成も想定することができる。

１０ 駆動装置
１２ モータのシャフト
１４ 軸線
１５ モータ
１６ 慣性ホイール
１８ フリーホイール
２０ 増速装置
２２ 主シャフト
２４ 主シャフトのボア
２６ 減少直径の部分
３０ 補助シャフト
３２ 補助シャフトのボア
３８ 玉軸受
４０ 軸方向保持リング
４２ ハブ
４４ リム
４６ ウエブ
４８ キー
５０ ベーン
５２ 空気流
５４ 空気流

Claims (15)

1. モータ（１５）の駆動を支援する装置であって、
   慣性ホイール（１６）と、
   前記慣性ホイール及び前記モータ（１５）のシャフト（１２）間でのトルク反転の場合に自動的に係合可能である一方向クラッチ（１８）と、
   前記モータ（１５）の起動時間に実質的に影響を与えずに前記慣性ホイールに対してトルクを与える増速装置（２０）と
   を備えており、前記モータ（１５）によって駆動される機械装置に結合可能である前記シャフト（１２）の端部と反対側の該モータのシャフトの駆動端部に取付け可能である、装置。
2. 前記増速装置（２０）が、前記モータ（１５）の起動フェーズの間に何らのトルクも伝達しない、請求項１記載の装置。
3. 前記増速装置（２０）が、前記モータの定格速度に達すると、駆動トルクを伝達する、請求項１又は請求項２記載の装置。
4. 前記増速装置（２０）が、前記慣性ホイールの漸増的増速を行なうように作動可能である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の装置。
5. 前記増速装置（２０）が、前記慣性ホイール（１６）の増速期間の間に、前記シャフト（１２）から取出した調整可能なトルクを伝達して前記モータ（１５）の過負荷を制限することができる、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の装置。
6. 前記慣性ホイール（１６）のトルクが、前記一方向クラッチが係合した時に５０ミリ秒よりも短い時間の間において前記定格モータ（１５）のトルクに取って代わる、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の装置。
7. 前記モータシャフト（１２）上に組立体を取付ける主中空シャフト（２２）をさらに含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の装置。
8. 前記主シャフト（２２）の周りに配置された補助中空シャフト（３０）をさらに含み、
   前記慣性ホイール（１６）が、前記補助シャフト（３０）上に取付けられる、
   請求項７記載の装置。
9. 前記慣性ホイール（１６）が、ウエブ（４６）によって相互連結されたハブ（４２）及びリム（４４）を含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の装置。
10. 前記ウエブ（４６）が、前記慣性ホイールが回転している時に空気流を発生して、前記慣性ホイール（１６）が前記モータ（１５）の冷却空気ファンの代わりとなることができるベーン（５０）を含む、請求項９記載の装置。
11. 前記慣性ホイール（１６）のリムが、前記モータに向けて前記発生空気流を送って該モータの冷却を保証する、請求項１０記載の装置。
12. 前記一方向クラッチ（１８）が、フリーホイールクラッチを含む、請求項１乃至請求項１１のいずれか１項記載の装置。
13. 液体燃料供給ポンプを駆動するための、燃焼タービン内での請求項１乃至請求項１２のいずれか１項記載の装置の使用。
14. その各々が、それぞれのモータ、シャフト、及び上記請求項のいずれか１項による前記シャフトの駆動を支援する装置を有する幾つかの液体燃料供給ポンプを含む燃焼タービン。
15. モータを駆動する方法であって、
    慣性ホイール及び前記モータ間におけるトルク反転の場合に係合する一方向自動クラッチを設けるステップと、
    前記モータの定格速度に達した時に、前記慣性ホイールを漸増的に加速するステップと、
    前記モータの故障の場合に、前記慣性ホイールを使用して前記モータシャフトを駆動するステップと
    を含む方法。

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