JP2010540870A

JP2010540870A - 発電用の伝達システム

Info

Publication number: JP2010540870A
Application number: JP2010527530A
Authority: JP
Inventors: ヒックス，レイモンド，ジョン; カンリフ，フランク
Original assignee: オルビタル２リミテッド
Priority date: 2007-10-01
Filing date: 2008-10-01
Publication date: 2010-12-24
Also published as: DK2247873T3; WO2009044159A1; EP2247873B1; US20100296933A1; RU2469228C2; KR20100057698A; CA2701637A1; ATE536502T1; EP2247873A1; RU2010117385A; ES2378813T3; CN101855475B; GB0719119D0; CN101855475A

Abstract

タービン（５）などの流体駆動タービンから動力を発生させる際に使用するための伝達装置（１０）が開示される。伝達装置（１０）はタービンキャリヤ（５０）の中に支持され、入力体（１２）および出力体（２０）、ならびに出力体の回転速度を入力体に比べて高くするための入力体と出力体の間のギアトレーン（１４／１６）を含む。ギアトレーンは、トルクを入力体から出力体へ伝達するための複数の歯車を含む。伝達装置は、単一の弾性ギアトレーンのトルク反力を与えるように、タービンキャリヤに弾性的に接続されたエピサイクリック歯車ステージ（１６）の略静止状態の遊星キャリヤ（４４）も含む。したがって伝達装置は、トーション力およびそれ自体の重量の支持以外には、キャリヤに対して拘束されない。

Description

本発明は、伝達システムに関し、詳細には、ただし排他的にではなく、風力または潮力タービンなど、流体駆動式の回転原動機によって発電機などを駆動するための伝達システムに関する。

例えばグリッドシステムに供給するための電気を発生させる風力タービンなどの大型タービンは、多くの方向に作用する大きい力を受けるため、大きく重い支持構造体を必要とすることが、一般的に認められる。こうした大きい力に対応するための従来の答えは、きわめて頑丈で剛性の高いタービンキャリヤのケーシングを製造することである。大型タービンは比較的低い速度で回転するため、トルクがきわめて高く、タービンキャリヤの一部としてステップアップ式の歯車装置を用いることによって、それらの低い速度を高め、より有用な回転速度を生じさせるのが一般的である。

使用される歯車のミスアライメントを回避するために、歯車装置をその内部で支持するタービンキャリヤは、様々なタービンの力の影響だけではなく、歯車装置内の内部トルクの影響を受けても歪まないように、さらに剛性を高めて製造しなければならない。大きいトルクを伝達して運動中の重い機械類を減速させる、減速用歯車付きの伝達装置が商業的に知られているが、そうした伝達装置は先に言及した問題に対処するものではない。本発明者等は、設計を改善したタービンの伝達装置が、少なくとも前述の問題に対処することになると考えている。

本発明は、流体駆動タービンから動力を発生させる際に使用するための伝達装置であって、当該伝達装置が、入力体および出力体、ならびに出力体の回転速度を入力体に比べて高くするための入力体と出力体との間のギアとレーンを含み、ギアトレーンがトルクを入力体から出力体へ伝達するための複数の歯車を含み、当該伝達装置が、単一の弾性的なギアトレーンのトルク反力を与えるように、入力体と出力体との間の前記トレーンの1つ又は複数の歯車と係合した略静止部材を含む伝達装置を提供する。

好ましくは、伝達装置はさらに、静止部材用に、前記部材が静止部材の軸のまわりで制限された弾性的な回動を行うようにするための弾性支持体を含む。

さらに好ましくは、入力体は、入力体の軸のまわりで回転可能であり、静止部材の軸および入力体の軸は実質的に同軸である。

さらに好ましくは、弾性支持体は、トーション軸のまわりに弾性的にねじれるような細長いトーション部材を含む。

一実施形態では、トーション部材は、２つの端部と、トーション部材の一端に固定されかつ近接した第１のアームとを有し、第１のアームは、略半径方向にトーション軸から離れるように延びている。

伝達装置は、静止部材とトーション部材の間でトルク反力を伝達して、前記トーション部材の前記トーションを生じさせるために、静止部材を部材の軸から間隔を隔てた第１の領域で第１のアームに組み合わせる第１の連結体をさらに含むことが好ましい。

一実施形態では、トーション部材の他端に近接して第２のアームが設けられ、トルクをトーション部材まで、第１の連結体によって伝達されるトルクとは反対の方向に伝達するために、静止部材をこの部材の軸から離間した第１の領域とは反対側の第２の領域で第２のアームに組み合わせる第２の連結体が設けられる。

好ましくは、トーション軸は、静止部材の軸に対して実質的に垂直であるが、静止部材の軸から離間して配置される。

一実施形態では、伝達装置は、部材に取り付けられ、伝達装置の重量の少なくとも一部を支えるが、入力体からのトルクをほとんどまたは全く受けないカバーを含む。

任意選択で、ギアトレーンは少なくとも、第１のトルクの経路を形成し、第１の内歯車(annulus)、第１の遊星歯車および第１の太陽歯車を有する第1のエピサイクリックギアトレーンを含み、略静止部材は、第１の遊星歯車のキャリヤを含む。

好ましくは、第１の内歯車は、第１の遊星歯車を駆動するように入力体に直接接続され、第１の遊星歯車は、第１の太陽歯車を駆動するように配置される。

さらに好ましくは、ギアトレーンは、第２のトルクの経路を形成する第２のエピサイクリックギアトレーンを含み、第１および第２の経路は、入力体からのトルクを分担し、第１のトレーンのみが略静止部材を有する。

第２のエピサイクリックギアトレーンを使用する場合、それは、第２の内歯車、第２の遊星歯車および第２の太陽歯車を含むことができ、第１の太陽歯車は、使用時に第２の内歯車を駆動し、第２の遊星歯車は、使用時に入力体によって駆動される。

好ましくは、第１のエピサイクリックギアトレーンは、入力体に送達された動力の約３分の２を伝達するように配置され、第２のエピサイクリックトレーンは、第１のトレーンからの動力の３分の２を入力体の動力の残りの３分の１と結合するように配置される。

本発明は、流体駆動タービンに対する支持にまで及び、支持体は、タービンに対して回転支持を与えるタービンキャリヤ、およびトルクをタービンから発電機へ伝達するための歯車装置、およびタービンキャリヤに取り付けられ、歯車装置内のトルクに対して弾性的に反力を生じさせるように歯車装置と係合された弾性的に移動可能な部材を含む。

本発明はさらに、タービンキャリヤ、および流体駆動タービンから動力を発生させる際に使用するための伝達装置を含む、流体駆動タービンの支持体と伝達装置の組立体であって、伝達装置が、入力体および出力体、ならびに出力体の回転速度を入力体に比べて高くするための入力体と出力体の間のギアトレーンの配列を含み、ギアトレーンの配列が、ある機構体によってタービンキャリヤに接続され、前記機構体によってタービンキャリヤに対する１つの自由度のみについて実質的に拘束される略静止部材を含む組立体にまで及ぶ。

好ましくは、前記拘束は弾性的であり、前記１つの自由度は回転である。

さらに好ましくは、前記回転は、入力体の軸と同軸の軸のまわりの回転である。

好都合には、静止部材は、エピサイクリックギアトレーンの遊星キャリヤである。

本発明は、本明細書に開示される任意の新規な特徴、またはそうした特徴がその組み合わせとして記載されているかどうかにかかわらず、本明細書に開示される特徴の任意の新規な組み合わせにまで及ぶ。

本発明は、多くの方法で実施することが可能である。以下では例として、図面を参照して本発明の２つの例示的な実施形態について説明する。

風力タービンのキャリヤに取り付けられた伝達装置の単純化した概略図である。図１に示す概略図に従って設計された伝達装置を通る断面を示す図である。図２に示す伝達装置の一部を支持体と共に示す絵画図である。図２および３に示す部分をタービンキャリヤ組立体の一部として示す、２つの異なる絵画図である。図２および３に示す部分をタービンキャリヤ組立体の一部として示す、２つの異なる絵画図である。図２に示す伝達装置の動力の経路を示す図である。それぞれ図１〜５に示す伝達装置と同様である、風力タービンの伝達装置の第２の型を示す図である。それぞれ図１〜５に示す伝達装置と同様である、風力タービンの伝達装置の第２の型を示す図である。それぞれ図１〜５に示す伝達装置と同様である、風力タービンの伝達装置の第２の型を示す図である。それぞれ図１〜５に示す伝達装置と同様である、風力タービンの伝達装置の第２の型を示す図である。それぞれ図１〜５に示す伝達装置と同様である、風力タービンの伝達装置の第２の型を示す図である。それぞれ図１〜５に示す伝達装置と同様である、風力タービンの伝達装置の第２の型を示す図である。

図１は、風力タービン５に対するステップアップ式の回転駆動を出力体２０に与える伝達装置１０を示している。典型的には、１：１５のステップアップ比が必要であるが、より高いまたは低い比も可能である。伝達装置１０は、２つのエピサイクリックギアトレーン１４および１６に対する供給を行う入力シャフト１２を有し、エピサイクリックギアトレーン１４および１６は、入力体からの動力を２つの経路ＡおよびＢに沿って分割する。タービン５および伝達装置１０は、タービンキャリヤ５０によって支持される。

経路Ａでは、動力はトレーン１４の内歯車２４に供給される。内歯車２４は、遊星キャリヤ４４の形をした略静止部材によって回転中心が固定された１組の遊星歯車などの星形トレーン(star train)３４を駆動する。次に、回転可能な遊星歯車３４は太陽歯車５４を駆動する。

経路Ｂでは、入力体からの動力が遊星キャリヤ４６に供給される。トレーン１４からの動力も、トレーン１６の内歯車２６に供給される。したがって、動力の経路ＡとＢの両方が組み合わされて、太陽歯車５６を駆動する。次に、太陽歯車５６は、付加的なピニオン歯車の対１８を介して出力体２０を駆動する。

伝達装置は、軸受４５、４７、４８、５１および５２を有し、これら軸受けは、伝達装置１０の重量を支え、伝達装置１０における歯車の相対的な配置を保持する。伝達装置１０は、トルクの負荷を受けないカバー２２を有する。伝達装置１０は、伝達装置のすべての回転を抑えるトルク反力が遊星キャリヤ４４のみに要求されるように整えられている。この反力は弾性的(resilient)であり、したがって、伝達装置全体がタービンキャリヤ５０に対してねじれる可能性があるが、キャリヤ４４をねじることによって、どんな急なトルクの増大をも平滑化することができる。

遊星キャリヤ４４に対する支持は、この例ではチューブ６０であるトーション部材によって行われ、チューブ６０は、タービンキャリヤ５０に取り付けられ、その軸Ｃのまわりでねじれることが可能であり、そのため、遊星キャリヤ４４の影響により、トーション部材６０が連結ロッド(tie rod)６２およびトーションアーム６４によってねじられるとき、遊星キャリヤ４４はその回転軸Ｄのまわりでねじれるようになる。

図２は、図１に示した伝達装置１０のさらに詳しい図を示している。図１および２において同様の番号を付けたものは、同様の部品を示している。遊星キャリヤ４４はカバー２２に直接取り付けられるが、カバーは、伝達装置１０の重量を支えるものの、あまり大きいトルクは受けないことに留意されたい。

図３は、図２に示した遊星キャリヤ４４を、トーションチューブ６０、トーションアーム６４および連結ロッド６２と共に、伝達装置の他の部分なしで示したものである。使用時には、遊星キャリヤは軸Ｄのまわりを制限された角度まで回転することができる。さらにＸ、ＹおよびＺの直線方向では、ある程度の従順な動きが可能である。トーションチューブ６０は、連結ロッド６２およびトーションアーム６４によってトーションチューブに伝達される、遊星キャリヤ４４に加えられるトルク力によってその軸Ｃのまわりでねじられる。

図４ａは、トーションチューブ６０、ならびに連結ロッド６２およびトーションアーム６４によってトーションチューブ６０に接続された伝達装置１０と共に組み立てられた、タービンキャリヤ５０を示している。トーションチューブ６０は、その軸Ｃのまわりを回転することができるようにタービンキャリヤ５０に取り付けられる。使用時には、キャリヤ４４に対するトルクは、一方の連結ロッドでは上向きの力を、他方では下向きの力を誘起する。こうした連結ロッドの力が、チューブ６０におけるトーション力を生じさせる。実際には、このトーション力は、伝達装置１０で遊星キャリヤ４４に加えられるトーション力に反発するものであり、したがって、遊星キャリヤの制限された弾性回転のみが可能である。

図５は、伝達装置１０について経路ＡおよびＢを通って伝わる動力の割合を示す、さらに詳しい図を示している。この例では、歯車の配置および歯車に対する歯数によって、約３分の２（６５％）の動力が経路Ａを通って伝わり、約３分の１（３５％）が経路Ｂを通って伝わる。経路ＡおよびＢは、出力体で結合される。

図６〜１０はそれぞれ図１〜５に対応し、同様の部品は、接頭部「１」を追加した同様の参照番号を有しており、例えばタービンの入力シャフトは、図１〜５ではシャフト１２として参照され、図６〜１０ではシャフト１１２として参照される。

以下では伝達装置１０と１１０の違いを説明するが、図６〜１０に示す伝達装置の動作を説明するために、対応する図１〜５を参照することができる。

前述の伝達装置１０では、星形トレーン３４および遊星キャリヤ４４を含むエピサイクリックギアトレーン１６は、ギアトレーン１４より入力体１２からさらに離れたところにある。それに対して伝達装置１１０では、ギアトレーン１４および１６に対応するギアトレーン１１４および１１６は入れ換えられ、ギアトレーン１１６の方がギアトレーン１１４より入力体１１２に近くなっている。遊星キャリヤが入力体からさらに遠くなったことを除き、伝達装置１１０の動作原理は、他の点では伝達装置１０と同じである。カバー１２２はギアトレーンの一部を形成するため、回転することに留意されたい。カバー１２２はトルクを伝達し、重量を支えるだけであり、外部の力を受けない。動力の経路ＡとＢの間で同じ動力の分割が行われるが、この量を明確にし、図１０に示す。図９ａおよび９ｂでは、タービン支持体１５０は、図面として支持体内の部品が見えるように示してあるが、実際には、支持体１５０は不透明な金属の鋳造物である。

これまで図示し説明した伝達装置は、歯車箱のケーシング２２／１２２、したがって歯車箱の歯車が全体的に、この場合には風力タービンキャリヤ５０／１５０である周囲の構造から機械的に隔離され、したがって、タービンキャリヤのどんな曲げによっても、歯車のミスアライメントも歯車の圧迫も生じないという利点を有する。これによって歯車の寿命が延び、効率が高まる。

伝達装置１０／１１０は、伝達装置の歯車が互いに接触した状態に留まり、それらの重量を支えるように支持される以外に、ギアトレーンのただ１つの静止要素４４／１４４が、タービンキャリヤ５０／１５０に対する１つの自由度について拘束されるように配置される。その自由度は回転であり、この場合は入力体の軸のまわりの回転である。この場合の拘束は弾性的であり、したがって初期の開始位置まで戻される制限された回転を許容する、弾性回転の自由度が適用される。静止要素４４／１４４は、弾性回転の拘束によってタービンキャリヤ５０／１５０に対する他のどんな方向の移動についても拘束されない、すなわち、部品６２／１６２、６４／１６４または６０／１６０によって、３つの直線の自由度に拘束は与えられず、また他の２つの回転の自由度の拘束もない。結果として、静止要素４４／１４４に反発する圧力が回転を促す以外に、動作中に伝達装置１０／１１０に与えられる外部からの圧力はない。このため、かなり剛性の高いケーシングを有する必要がなく、動作圧力が低減された伝達装置が提供される。伝達装置がわずかに回転移動した場合にも伝達装置１０／１１０に圧力が与えられることがないように、出力体２０／１２０を可撓性の連結器によって発電機などに接続することができる。

本発明の実施形態を２つだけ記述し図示してきたが、本明細書に記載される本発明の範囲内で様々な修正、変更、改変などが可能であることが理解されるであろう。トーションチューブ６０／１６０および連結ロッド６２／１６２に関する１つの実施例を記述し図示してきたが、トーション力に抗する他の部材を使用することも可能であり、例えば１つの連結ロッドを用いて、一端がタービンキャリヤに固定されたトーションチューブをねじること、あるいは単純なカンチレバーを用いて回転に抗すること、あるいはエラストマーのトルク反力部材を伝達装置１０／１１０の静止部材とタービンキャリヤ５０／１５０の間に接続することが可能である。

５風力タービン
１０、１１０伝達装置
１２、１１２入力シャフト
１４、１６、１１４、１１６ギアトレーン
１８ピニオン歯車の対
２０、１２０出力体
２２、１２２カバー、歯車箱のケーシング
２４、２６内歯車
３４星形トレーン
４４遊星キャリヤ、静止要素
４６遊星キャリヤ
１４４静止要素
４５、４７、４８、５１、５２軸受
５０、１５０タービンキャリヤ
５４、５６太陽歯車
６０、１６０トーションチューブ
６２、１６２連結ロッド
６４、１６４トーションアーム
Ａ、Ｂ動力の経路

Claims

流体駆動タービンから動力を発生させる際に使用するための伝達装置であって、
入力体と、出力体と、前記出力体の回転速度を前記入力体に比べて高くするための前記入力体と前記出力体との間のギアトレーンと、を含み、
前記ギアトレーンが、前記入力体から出力体へトルクを伝達するための複数の歯車を含み、
単一の弾性的なギアトレーンのトルク反力を与えるように、前記入力体と前記出力体との間の前記トレーンの１つまたは複数の歯車と係合した略静止部材を含む、伝達装置。
前記静止部材用に、前記部材が静止部材の軸のまわりで制限された弾性的回動を行うようにするための弾性支持体をさらに含む請求項１に記載の伝達装置。
前記入力体が、入力体の軸のまわりで回転可能であり、前記静止部材の軸および入力体の軸が実質的に同軸である請求項２に記載の伝達装置。
前記弾性支持体が、トーション軸のまわりに弾性的にねじれるような細長いトーション部材を含む請求項２または３に記載の伝達装置。
前記トーション部材が、２つの端部と、当該トーション部材の一端に固定され近接した第１のアームとを有し、
前記第１のアームが略半径方向に前記トーション軸から離れるように延在する、請求項４に記載の伝達装置。
前記静止部材と前記トーション部材との間でトルク反力を伝達し、前記トーション部材の前記トーションを生じさせるために、前記静止部材をこの部材の軸から間隔を隔てた第１の領域で前記第１のアームに組み合わせる第１の連結体をさらに含む請求項５に記載の伝達装置。
前記トーション部材の他端に近接して第２のアームが設けられ、トルクを前記トーション部材まで、前記第１の連結体によって伝達される前記トルクとは反対の方向に伝達するために、前記静止部材をこの部材の軸から間隔を隔てた前記第１の領域とは反対側の第２の領域で前記第２のアームに組み合わせる第２の連結体を設けた請求項６に記載の伝達装置。
前記トーション軸が、前記静止部材の軸に対して実質的に垂直であるが、前記静止部材の軸から離間している、請求項５、６または７に記載の伝達装置。
前記伝達装置が、前記部材に取り付けられ、かつ当該伝達装置の重量の少なくとも一部を支え前記入力体からのトルクをほとんどまたは全く受けないカバーを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の伝達装置。
前記ギアトレーンが少なくとも、第１のトルクの経路を形成し、第１の内歯車、第１の遊星歯車および第１の太陽歯車を有する第１のエピサイクリックギアトレーンを含み、前記略静止部材が、前記第１の遊星歯車のキャリヤを含む請求項１〜９のいずれか一項に記載の伝達装置。
前記第１の内歯車が、前記第１の遊星歯車を駆動するように前記入力体に直接接続され、前記第１の遊星歯車が、前記第１の太陽歯車を駆動するように配置される請求項１０に記載の伝達装置。
前記ギアトレーンが、第２のトルクの経路を形成する第２のエピサイクリックギアトレーンを含み、前記第１および第２の経路が、前記入力体からのトルクを分担し、前記第１のトレーンのみが前記略静止部材を有する請求項１０または１１に記載の伝達装置。
前記第２のエピサイクリックギアトレーンが、第２の内歯車、第２の遊星歯車および第２の太陽歯車を含み、前記第１の太陽歯車が、使用時に前記第２の内歯車を駆動し、前記第２の遊星歯車が、使用時に前記入力体によって駆動される請求項１２に記載の伝達装置。
前記第１のエピサイクリックギアトレーンが、前記入力体に送達された動力の約３分の２を伝達するように配置され、前記第２のエピサイクリックトレーンが、前記第１のトレーンからの動力の３分の２を前記入力体の動力の残りの３分の１と結合するように配置される請求項１２または１３に記載の伝達装置。
タービンに対して回転支持を与えるタービンキャリヤと、
トルクを前記タービンから発電機へ伝達するための歯車装置と、
前記タービンキャリヤに取り付けられ、前記歯車装置内のトルクに対して弾性的に反力を生じさせるように前記歯車装置と係合された弾性的に移動可能な部材と、
を含む、流体駆動タービン用の支持体。
前記タービンキャリヤが、前記歯車装置の重量を支え、前記トルクに対する前記反力を与え前記歯車装置に対して他の力の影響を及ぼさない、請求項１５に記載の支持体。
実質的に明細書で図面を参照して説明した伝達装置または支持体。
タービンキャリヤと、流体駆動タービンから動力を発生させる際に使用するための伝達装置とを含み、
前記伝達装置が、入力体および出力体、ならびに前記出力体の回転速度を前記入力体に比べて高くするための前記入力体と前記出力体の間のギアトレーンの配列を含み、
前記ギアトレーンの配列が、機構体によって前記タービンキャリヤに接続され、前記機構体によって前記タービンキャリヤに対する１つの自由度のみに実質的に拘束される略静止部材を含む、流体駆動タービンの支持体と伝達装置との組立体。
前記拘束が弾性的であり、前記１つの自由度が回転である請求項１８に記載の組立体。
前記回転が、前記入力体の軸と同軸の軸のまわりの回転である請求項１９に記載の組立体。
前記静止部材が、エピサイクリックギアトレーンの遊星キャリヤである請求項１８、１９または２０に記載の組立体。