JP2023538530A - 機械駆動機器のためのトレインシステムを動作させるための方法 - Google Patents

Abstract

機械駆動機器を駆動するためのトレインシステムを動作させる方法が開示される。トレインシステムは、動力源と、駆動される負荷との間に接続されたハイブリッドギアボックスを含む。ハイブリッドギアボックスは、動力源によって生成され、かつ負荷に伝達される動力を均衡させるように構成された、伝達速度比を調整するための、動力源と負荷とモータ発電機ユニットとの間の変速比を調整することができる副軸ギアを含む。【選択図】図１

Description

本開示は、トレインシステム内の機械駆動機器を駆動するための駆動装置を動作させるための方法に関する。

ポンプ又は圧縮機などの機械的駆動機器又は負荷は、適切な動力源によって駆動される。これらの動力源の中で、ガスタービン、蒸気タービン、エキスパンダ、ディーゼルエンジン、ガスエンジン、又は電気モータを挙げることができる。

一般に、市場では、「トレイン」、「トレインシステム」などと称されるシステムが利用可能であり、これらのシステムでは、動力源が、伝動装置を介して、１つ以上の圧縮機、ポンプ、又は船舶プロペラなどの負荷を駆動する。より具体的には、動力源から機械駆動機器（又は負荷）への動力の伝達は、動力源が接続された入力軸と、負荷Ｌに接続された出力軸と、入力軸（すなわち動力源）の速度と出力軸（すなわち負荷）の速度との間の変速比を変更するためのギアボックスと、を介して行われる。以下、単に参照を容易にするために、動力源、ギアボックス、及び負荷、例えば圧縮機を含むシステムは、「トレイン」、「トレインシステム」、又は「トレインプラント」と称され得る。

ギアボックスは、異なるタイプのものであってもよく、特に、固定ギア比タイプ又は可変ギア比タイプであってもよい。

一般に、いくつかの状況において被駆動機器の速度を変更することが必要である。したがって、システムにおいて固定変速比が使用される場合、通常、駆動機器、すなわち動力源が変速機入力軸の回転速度を変更することができることが必要である。この場合、唯一の可能な駆動機器又は動力源は、例えば、可変周波数ドライブ（Variable Frequency Drive、ＶＦＤ）電気モータ、二軸ガスタービン、蒸気タービン、エキスパンダ、ディーゼルエンジン、又はガスエンジンであり得る。実際、これらの種類の動力源は、速度を変化させることができる。しかしながら、これらのシステムは、電気モータ用の大きな周波数変換器をプラントに装備する必要があるか、又は動力源の機械的複雑さを増大させる必要があるので、技術的観点から複雑であることが分かる。

加えて、駆動機器がＶＦＤを有する電気モータである場合、トレインシステムは、ネットワーク障害を通じて発電機ドライブトレイン又は機械駆動トレインなどの他のトレインシステムに伝達され得る、準同期ねじり相互作用を受ける可能性がある。この場合、トレインシステムは、ＣＡＰＥＸ（フットプリント及び重量）及びＯＰＥＸ（効率）に関して最適化されていない。

可変変速比ギアボックスを使用する場合、固定速度電気モータ又は単軸軸ガスタービンを動力源として使用することができる。可変ギア比ギアボックスを備えたトレインシステムは、通常、遊星型ギアボックス又は派生ギアボックスを含む。このタイプのギアボックスは、一般に、環状ホイールと、環状ホイールと噛み合い、スターキャリアによって一緒に保持された複数のスターホイールと、その次にスターホイールと噛み合うサンホイールと、を含む。可変ギア比遊星ギアボックスの変速比は、環状ホイールに対するスターキャリアの回転速度を変化させることによってか、又はその逆に、スターキャリアに対する環状ホイールの回転速度を変化させることによって、変化させることができ、それぞれ、変速機入力軸が、環状ホイール又はスターキャリアに連結されていると仮定する。可変ギア比ギアボックスの使用は、より大きな設計柔軟性を可能にする。遊星型ギアの代替として、副軸ギア装置を使用して、可変変速比ギアボックスを実現することができ、これは、入力サンホイールと、入力サンホイールと噛み合い、スターキャリアによって一緒に保持された複数のスターホイールと、その次にスターホイールと噛み合う出力サンホイールと、を含む。

駆動機器としてガスタービンを提供するトレインシステムでは、固定速度比変速機を介する、負荷への直接機械的接続の場合、ガスタービンの始動中に、トルクの一部が、負荷が接続されている変速機出力軸に伝達される。これは、ガスタービンが始動時に負荷抵抗に耐える必要があることを必然的に伴い、このことは、始動時のトルク出力制限のために単軸ガスタービンを使用することが不可能であることを意味する。この種の問題を防止するために、通常、１つ以上のクラッチ、又は電気モータ、蒸気タービン、若しくはエキスパンダなどの大型始動装置が設けられ、これらは必然的にプラントのコスト及び効率損失を増加させる。

また、電気モータを駆動源として提供するトレインシステムにおいて、固定速度比変速機を介する、負荷への直接機械的接続の場合、始動段階において、電気モータは、その慣性によって与えられる負荷抵抗を受ける。したがって、始動段階中に必要とされる動力ピークに対処するために、より大きな動力を有するモータを使用する必要がある。これは、トレインプラントコストの増加を必然的に伴う。また、この場合、より高い動力電気モータに対する唯一の代替案は、変速機チェーンにおける１つ以上のクラッチの使用である。

したがって、無負荷始動を実現するために、駆動機器始動シーケンス中に被駆動機器を駆動機器から切り離すことができ、次いで、トレイン装置柔軟性を可能にするために、静止状態から既に公称速度にある駆動機器に被駆動機器速度を同期させることが可能であり、同時に、任意の動作状態をカバーするように被駆動機器速度を制御することができる、改善された可変速度比変速機の必要性が感じられる。

一態様では、本明細書に開示される主題は、モータ発電機ユニットの動作を制御するための方法と、２つのサンホイール軸、３つ以上の複合スターホイール軸、及びスターキャリアを有する減速機又は増速機であり得る副軸ギア装置と、を対象とし、駆動機器始動シーケンス中に被駆動機器を駆動機器から切り離し、無負荷始動を実現し、次いで駆動機器速度がその公称速度で動作している間に被駆動機器速度を静止状態から同期させることができる。スターキャリア速度は、連続制御可変トルクシステム（Continuous Controlled Variable Torque、ＣＣＶＴ）として機能するモータ発電機ユニット（速度比モータ発電機ユニット－ＭＧＵとも称される）によって制御される。スターキャリア速度を変化させることによって、ギア入力／出力速度比を連続的に変化させることができる。

ギア出力軸を保持し、したがって、速度比モータ発電機ユニットが、単軸ガスタービン、同期電気モータ、ディーゼルエンジン、ガスエンジンなどの動力源を始動することを可能にするために、又はアイドル、クランク、オンライン水洗浄、クールダウンなどの過渡動作条件をカバーするために動力源を動作させ続けるために、追加のモータ発電機ユニット（動力バランスモータ発電機ユニット－ＭＧＵと称される）が存在してもしなくてもよい。

上述の動力バランスモータ発電機ユニットを制御するための方法は、単軸及び二軸ガスタービン又は蒸気タービン又はディーゼルエンジン又はガスエンジンのような動力源を、それらの最大効率条件で動作させ続けることを可能にし、したがって、エネルギー利用可能性及びコストに基づく、ガス／電力又は蒸気／電力又はディーゼル／電力バランスを可能にし、したがって、例えば、周囲条件（冬／夏又は夜間／日中周囲温度変動）に基づいてガスタービン動力余剰／不足をカバーし、したがって、バッテリシステムにおける電気エネルギー貯蔵がスピニングリザーブを構築することを可能にする。

一態様において、本明細書に開示される主題は、動力源と、駆動される機器又は負荷との間に接続された駆動装置に関する。駆動装置は、動力源と被駆動機器との間の伝達速度比を調整するように構成された、スターキャリアを含む副軸ギアボックスを有するハイブリッドギアボックスを含む。ハイブリッドギアボックスはまた、速度比モータ発電機ユニットを含む。動作方法は、スターキャリアの回転を制御することを可能にする。

本開示の更なる態様は、動力源、駆動装置、及び負荷（被駆動機器）を有するトレインシステムを動作させるための方法に関する。方法は、速度比モータ発電機ユニットを動作させて、スターキャリアの回転速度を調整するステップと、副軸ギアボックスの伝達速度比を設定して、駆動装置の出力軸における速度及びトルクを調整するステップと、を含む。

別の態様では、本明細書に開示されるのは、動力源として単軸ガスタービンを有するトレインシステムであって、速度比モータ発電機ユニットは、動力源の始動段階において出力軸の速度回転がゼロになるように、又は速度比モータ発電機ユニットがオフに切り替えられると、スターキャリアが自由回転モードで回転して、動力源の始動段階において出力軸の速度回転がゼロになるように変速比を設定するように、スターキャリアを回転させて変速比を設定する、トレインシステムである。

別の態様において、本明細書に開示されるのは、単軸及び二軸ガスタービン又は蒸気タービン又はディーゼルエンジン又はガスエンジンのような動力源を有するトレインシステムを動作させるための方法であって、被駆動機器に伝達される動力の一部が回収され、動力バランスモータ発電機ユニットによって電力網又はバッテリパックに注入される電気エネルギーに変換され、したがって、動力源を最大効率で稼働させ、等価全出力当たりのＣＯ_２生成を最小限に抑えることを可能にし、スピニングリザーブを構築することを可能にする、方法である。

別の態様では、本明細書に開示されるのは、単軸及び二軸ガスタービンのような動力源を有するトレインシステムを動作させる方法であり、動力バランスモータ発電機ユニットは、周囲条件（冬／夏又は夜間／日中の周囲温度変動）に基づいてガスタービン動力余剰／不足を補償するように動作され、したがって、スピニングリザーブを構築又は使用することを可能にする。

本発明の開示の実施形態とそれに付随する利点の多くについての完全な理解は、添付図面に関連して考えながら以下の発明を実施するための形態を参照することによって、より容易に得られるであろう。
第１の実施形態による駆動装置の概要の概略図を例解する。 本開示による副軸ギアボックスの斜視図を例解する。 図２の副軸ギアボックスの長手方向断面図を示す。 制御論理ユニットの概略図の一実施形態を例解する。 本開示による、トレインシステムを動作させるための方法のフローチャートを例解する。 単軸パワータービンを含むトレインシステムを動作させるための方法のフローチャートを例解する。 二軸パワータービンを含むトレインシステムを動作させるための方法のフローチャートを例解する。 二軸パワータービンを含むトレインシステムを動作させるための方法の更なるフローチャートを例解する。

機械駆動機器では、ガスタービン、電気モータ、ディーゼルエンジン、ガスエンジンなどの動力源を負荷に接続する必要がある。接続は、変速機システムによって行われ、この変速機システムは、その伝達速度比を変化させて、始動段階などの任意の可能な動作状況に従って被駆動機器速度を変化させることができる。変速機システムは、可変変速機ギアボックスを含む。可変速度ギアボックスの伝達速度比は、可変速度ギアボックスのスターキャリアと環状に一体化されたモータ発電機ユニットによって調整され、モータ発電機ユニットは、ギアボックスの速度比を調整するために、モータ又は発電機のいずれかとして動作することができ、したがって、動力源自体がいわゆるクランク速度に達するまで、動力源を負荷から切り離すことを可能にし、上述の始動段階中の非線形動力伝達を防止する。

ここで図面を参照すると、図１は、本開示による動作方法で動作される、全体的に参照番号１で示される、第１の実施形態によるトレインシステムＴを示す。

特に、トレインシステムＴは、動力源２と、入力軸３を介して動力源２に接続された駆動装置１と、その次に出力軸５を介して駆動装置１に接続された負荷Ｌと、を含む。また、駆動装置１は、入力軸３から出力軸５にトルクを伝達するように構成されたハイブリッドギアボックス４を含む。

駆動装置１はまた、コンピュータである制御ユニット７と、出力軸５に関連付けられた動力バランスモータ発電機ユニット６と、を含む。制御ユニット７は、トルクＣ_ｏ及び回転速度ω_ｏに関して、負荷Ｌに伝達される動力を調整するために、ハイブリッドギアボックス４及び第２のモータ発電機ユニット６に動作可能に接続されている。更に、制御ユニット７は、以下により詳細に説明するように、電力網又はバッテリパックＮに接続可能である。

動力源２は、機械駆動機器の分野で使用される任意のタイプのものとすることができる。特に、それは、回転速度を変化させることができる二軸タイプのガスタービン、又は固定速度で動作する単軸タイプのガスタービンとすることができる。代替的に、動力源２はまた、電気モータ、蒸気タービン、エキスパンダ、ディーゼルエンジン、又はガスエンジンであり得る。動力源２は、入力軸３を回転速度ω_ｉで回転させるために、Ｃ_ｉで示されるトルクを供給することができる。

ハイブリッドギアボックス４は、副軸ギアボックス４１及び速度比モータ発電機ユニット４２を含む。副軸ギアボックス４１の実施形態の構造を以下に説明する。次いで、速度比モータ発電機ユニット４２が副軸ギアボックス４１とどのように関連付けられ、副軸ギアボックス４１をどのように動作させるかに関する実施形態も開示される。

図２及び図３も参照すると、副軸ギアボックス４１は、入力軸３に接続された入力サンホイール４１１と、２つ以上（通常は３つ）の複合スターホイール軸４１２と、を含み、各複合スターホイール軸は、入力サンホイール４１１と噛み合う第１のギア段４１２１と、第２のギア段４１２２と、を有することが分かる。副軸ギアボックス４１はまた、本体４１３１を有するスターキャリア４１３を含み、その上に外径面４１３２が得られ、その機能は以下でより分かりやすく説明される。

スターキャリア４１３の本体４１３１は、入力サンホイール４１１及び複合スターホイール軸４１２を収容する。各複合スターホイール軸４１２は、スターキャリア４１３の本体４１３１の周りに枢動する。

副軸ギアボックス４１は、出力軸５に接続され、かつ各複合スターホイール軸４１２の第２のギア段４１２２と噛み合う出力サンホイール４１４も含む。出力サンホイール４１４もまた、スターキャリア４１３の本体４１３１内に収容されている。

図３に例解する実施形態では、速度比モータ発電機ユニット４２は、副軸ギアボックス４１の本体４１３の外径面４１３２上に配置された周辺低電圧電気機械である。特に、速度比モータ発電機ユニット４２は、副軸ギアボックス４１の本体４１３の周りに環状に配置されている。引き続き図３を参照すると、速度比モータ発電機ユニット４２は、副軸ギアボックス４１の本体４１３の外径面４１３２上に配置されたロータ４２１と、ロータ４２１の周りに、したがって副軸ギアボックス４１の本体４１３の外径面４１３２の周りに配置されたステータ４２２と、を含む。

図３に例解する実施形態では、ロータ４２１は、外径面４１３２上に設置された複数の永久磁石４２１１を含むか、又はそれから構成されている。他の実施形態では、ロータ４２１は、巻線によって実現され得る。

また、図３に例解する実施形態では、ステータ４２２は、ステータコア４２２１と、巻線４２２２と、を含む。図３の縦断面から分かるように、ステータ４２２は、ロータ４２１を取り囲んでいる。

図３の速度比モータ発電機ユニット４２の実施形態は、特にコンパクトである。しかしながら、別の実施形態において、速度比モータ発電機ユニット４２は、副軸ギアボックス４１に対して異なる位置に配置され、適切な軸によって副軸ギアボックス４１に接続され得る。

動作中、速度比モータ発電機ユニット４２によって、入力サンホイール４１１及び出力サンホイール４１４に対してスターキャリア４１３を回転させる（又は回転を制御する）こと、したがって、上述のように出力サンホイール４１４に接続される出力軸５の回転速度ω_ｏ及びトルクＣ_ｏを調整することが可能である。

速度比モータ発電機ユニット４２がスターキャリア４１３の周りに直接配置されているので、アセンブリの高いコンパクト性が得られる。更に、図から分かるように、副軸ギアボックス４１はブロックされないが、その動き、すなわち入力軸３又は出力軸５に対する相対回転は、速度比モータ発電機ユニット４２によって制御される。更に、副軸ギアボックス４１、又はより正確にはスターキャリア４１３がブロックされないので、速度比モータ発電機ユニット４２がオフに切り替えられたときに、トルクを出力軸５に伝達しないことが可能であり、その結果、動力源２は、負荷Ｌのいかなる抵抗トルクにもさらされない。以下に見られるように、この態様は、キネマティックチェーンにおけるクラッチの挿入を回避し、高い設計自由度を可能にする。

速度比モータ発電機ユニット４２は、上述したように、電気モータ及び発電機の両方として動作して、スターキャリア４１３の回転を制御することができる低電圧モータ発電機ユニットである。速度比モータ発電機ユニット４２が発電機モードにあるとき、駆動装置１は、バランス式
Ｃ_ｉω_ｉ＝Ｃ_ｃω_ｃ＋Ｃ_ｏω_ｏ
に従って、駆動機器出力動力の一部を回収するグリッドＮ又はバッテリシステムに電流を供給している。
式中、Ｃ_ｃ及びω_ｃは、それぞれトルク及び回転速度であり、それらの積は、グリッドＮ又はバッテリパックに供給される動力である。

速度比モータ発電機ユニット４２がモータモードにあるとき、駆動装置１は、以下の式に従って、グリッド又はバッテリシステムから電流を吸収し、その動力を駆動機器出力動力に重畳する：
Ｃ_ｉω_ｉ＋Ｃ_ｃω_ｃ＝Ｃ_ｏω_ｏ

制御ユニット７は、速度比モータ発電機ユニット４２に接続されており、その回転を制御及び調整する。特に、以下により分かりやすく説明するように、速度比モータ発電機ユニット４２によってスターキャリア４１３の回転を調整することによって、負荷Ｌに伝達されるトルク及び速度を状況に応じて調整することができる。

駆動装置１は、上述したように、出力軸５の回転を調整するために出力軸５に関連付けられた電気モータである動力バランスモータ発電機ユニット６を含む。動力バランスモータ発電機ユニット６は、様々なタイプのものとすることができる。実施形態では、動力バランスモータ発電機ユニット６は、出力軸５の外径面上に設置された複数の永久磁石４２１１を含むか、又はそれから構成されるか、又は同じ速度比モータ発電機ユニット４２技術であり得る。

また、動力バランスモータ発電機ユニット６は、電気モータとして、したがって出力軸５の運動に作用するか、又は発電機として、したがって入力軸３上の動力（の少なくとも一部）を吸収し、したがって電流を生成するかのいずれかで動作することができる低電圧モータ発電機機械である。動力バランスモータ発電機ユニット６の電気モータ又は発電機からの動作シフトは、以下でより分かりやすく定義されるように、制御ユニット７によって制御される。

駆動装置１の動作を説明するために、図１、図２、及び図３のハイブリッドギアボックス４の動作が説明され、駆動装置１の全体動作が、異なる設計構成において説明される。

ハイブリッドギアボックス４の動作は、以下の通りである。図１又は図３を参照すると、スターキャリア４１３が静止状態に保持されている場合、速度比モータ発電機ユニット４２は、入力軸が矢印Ａで示す方向などの一方向に回転すると、複合スターホイール軸４１２の第１のギア段４１２１及び第２のギア段４１２２は、矢印Ｂで示す反対方向に回転する。したがって、出力軸５は、矢印Ａの同じ方向である矢印Ｃで示す方向に回転する。出力軸５の回転速度ω_ｏは、入力軸３の回転速度ω_ｉの関数であり、複合スターホイール軸４１２の変速比、すなわち、第１ギア段４１２１、第２ギア段４１２２、入力サンホイール４１１、及び出力スターホイール４１４の半径に依存する。スターキャリア４１３が矢印Ｄで示す方向、すなわち入力軸３の矢印Ａの同じ方向に従って回転すると、出力軸５の回転速度ω_ｏが増加する。代わりに、スターキャリア４１３が矢印Ｄの反対方向に、すなわち方向Ｅに従って回転する場合、出力軸５の回転速度ω_ｏは減少する。より具体的には、回転速度閾値を超えて、出力軸５をゼロにすることができ、トルクは負荷Ｌに伝達されない。

したがって、入力軸３が、ある回転速度ω_ｉで回転している間に、出力軸５がブロックされる場合、スターキャリア４１３は、矢印Ｅに従う方向に回転する。

駆動アセンブリ１の動作は、アクティブフロントエンド可変周波数ドライブとして構成され得る制御ユニット７によって調整される。いくつかの実施形態では、制御ユニット７は、クラウドコンピューティングシステム、コンピュータネットワーク、又は適切なコンピュータプログラムを実行することによってデータを処理することができる他の設置物として実現又は実装され得る。

いくつかの実施形態では、及び特に図４を参照すると、制御ユニット７は、プロセッサ７１と、プロセッサ７１が接続されているバス７２と、プロセッサ７１によってアクセス及び制御されるようにバス７２に接続されたデータベース７３と、同じくプロセッサ７１によってアクセス及び制御されるようにバス７２に接続されたコンピュータ可読メモリ７４と、バス７２に接続され、速度比モータ発電機ユニット４２及び動力バランスモータ発電機ユニット６からそれらの動作に関する信号を受信し、速度比モータ発電機ユニット４２に、及び動力バランスモータ発電機ユニット６から制御信号を送信して、駆動アセンブリ１が動作することができる可能な異なる実施形態に従って駆動アセンブリ１の動作を調整するように構成された受信送信モジュール７５と、を含み得る。

上記に基づいて、性能をより良く理解し、駆動アセンブリ１の動作方法を例解するために、駆動アセンブリ１の動作を異なる構成で説明する。より具体的には、図１による駆動アセンブリ１の構成、及び以下により分かりやすく開示される動作方法は、速度を変化させることができるか否かにかかわらず、任意のタイプの動力源２に適合させることができる。この結果は、ハイブリッドギアボックス４の挙動を様々な状況に適合させるように構成されている制御ユニット７によって達成される。

トレインシステムＴ、特に駆動アセンブリ１を動作させる方法は、駆動アセンブリ１が、知られているように回転速度を変更することができない、動力源２としての単軸ガスタービン、又は同期若しくは誘導電気モータのような任意の他の固定速度駆動機器と、動力源２としての二軸ガスタービン、蒸気タービン、エキスパンダ、ＶＦＤ電気モータ、ディーゼル、及びガスエンジンと、の両方で動作することを可能にする。駆動アセンブリ１の動作方法は、動力源２が単軸ガスタービンである場合、及び動力源２が二軸ガスタービン又は任意の可変速度駆動機器である場合について説明され、いずれの場合においても技術的及び設計上の利点について説明する。

動力源２が単軸ガスタービンである場合、駆動アセンブリ１は、静止状態からそのクランク速度までガスタービンを始動させることができ、そのクランク速度からガスタービン公称速度までのガスタービン２の加速段階中に負荷Ｌを切り離す（したがって、負荷Ｌを動力源から切り離す）ことができ、次いで負荷Ｌを増大させて、被駆動機器をその動作速度に持っていき、最終的に被駆動機器速度をその動作速度範囲内に調整する。

駆動アセンブリ１によって、及び再び図１を参照すると、単軸ガスタービン２の始動段階中に、速度比モータ発電機ユニット４２は、最初にモータとして機能して、スターキャリア４１３を矢印Ｅに従う方向に回転させ、したがって、上述のように、ガスタービン２をそのクランク速度に持っていく。

次いで、単軸ガスタービン２が、負荷Ｌから来るいかなる抵抗トルクもなしにその公称速度に達するように加速することができるように、速度比モータ発電機ユニット４２がオフに切り替えられる。この段階では、スターキャリア４１３が、自由に回転したままにされ（通常、「自由回転モード」と呼ばれる）、負荷Ｌに伝達されるトルクは実質的に０であるように、出力軸５は、入力軸３から（次いで、動力源２から）切り離される。

いくつかの実施形態では、出力駆動軸５はまた、上述したように、制御ユニット７によって制御される動力バランスモータ発電機ユニット６によってもブロックされ得る。このようにして、ガスタービン２の加速中、副軸ギアボックス４１のみ、特にスターキャリア４１３の回転であり、ガスタービン２及び入力軸３の速度増加を補償することが可能であることが保証される。この構成では、動力バランス電動発電ユニット６は、スターキャリア４１３の回転によるトルク伝達の全体的な制御を可能にする。

次いで、トルクは、当該制御ユニット７によって負荷Ｌに徐々に伝達され、これは、速度比モータ発電機ユニット４２によって出力軸５の回転を可能にする。速度比モータ発電機ユニット４２は発電機として機能し、スターキャリア４１３をその「自由回転モード」から減速させる。動力源２がその公称運転速度にある状態で、スターキャリア４１３速度の、その「自由回転モード」からの任意の減少により、出力軸５速度の、静止状態からの増加が生じる（動力バランスモータ発電機ユニット６は、出力軸５を自由に回転させ続けるためにオフに切り替えられるか、又は要求された場合にヘルパーとして機能する）。スターキャリア４１３速度は、発電機として機能し続ける速度比モータ発電機ユニット４２の作用によって、その「自由回転モード」からゼロ速度まで更に低減され、次いで、スターキャリア４１３速度は、今度はモータとして機能する速度比モータ発電機ユニット４２の作用によって、反対の回転方向（図１の矢印Ｄに従う方向）に増加され、これは、出力軸５速度の更なる増加をもたらす。

副軸ギアボックス４１は、スターキャリア４１３速度がゼロであるときに、被駆動機器をその動作速度範囲内の動作点に持っていくように運動学的に設計され、その結果、速度比モータ発電機ユニット４２は、被駆動機器速度をその動作速度範囲内で調整することが可能であり、あるいは最小動作速度（minimum operative speed、ＭＯＳ）における被駆動機器に対応する発電機として機能し、矢印Ｅに従う方向にスターキャリア４１３の最大速度まで調整することが可能であり、又は、最大連続速度（maximum continuous speed、ＭＣＳ）における被駆動機器に対応するモータとして機能し、矢印Ｄに従う方向に最大速度まで調整することが可能である。

図５を参照すると、一般的な動力源２を有するトレインシステムＴを動作させるための方法８のフローチャートが示されている。特に、方法８は、動力源２によって動力を発生させて入力軸３を回転させるステップ８１と、動力源２によって発生された動力を駆動装置１によって伝達するステップ８２と、出力軸５に接続された機器Ｌを駆動するステップ８３と、を含む。方法８は、スターキャリア４１３の回転を調整して副軸ギアボックス４１の変速比を設定し、出力軸５における速度ω_ｏ及びトルクＣ_ｏを調整するように、速度比モータ発電機ユニット４２を動作させるステップ８４を更に含む。

図６を参照すると、動力源が単軸ガスタービン２である場合の動作方法８が示されている。既に上述したように、動作させるステップ８４は、速度比モータ発電機ユニット４２をモータとして動作させて、ガスタービン２をそのクランク速度に持っていくサブステップ８４１と、次いで、スターキャリア４１３が自由に回転するように、速度比モータ発電機ユニット４２をオフに切り替えて、単軸ガスタービン２を切り離して加速し、その公称速度に到達させるサブステップ８４２と、を含む。次いで、速度比モータ発電機ユニット４２は、サブステップ８４３に従って、発電機として動作し、スターキャリア４１３を減速させて、出力軸５速度を静止状態から増加させる。

また、トレインシステムＴを動作させるための方法８は、速度比モータ発電機ユニット４２をモータとして動作させて、スターキャリア４１３の速度をステップ８４３とは反対方向に増加させて、出力軸５の速度を更に増加させるサブステップ８４４を更に含む。

最後に、出力軸５に関連付けられた動力バランスモータ発電機ユニット６による動力源２の始動段階中の出力軸５のブロックステップ８５を含むことができる。

本明細書に開示される駆動アセンブリ１は、動力源２としての二軸ガスタービンの場合にもその動作を適合させることができる。特に、この場合、二軸ガスタービンは、最大動力及び速度で動作するときにその効率を最適化する。この場合、実際に、対応する汚染物（特に、排出されるＣＯ_２）は、生成されるキロワット（kilowatt、ｋＷ）当たり比例的に最小化される。したがって、二軸ガスタービンを最大動力及び速度に動作させる場合には、入力軸３の回転数ω_ｉは、固定される。出力軸５回転速度ω_ｏは、速度比モータ発電機ユニット４２を用いてスターキャリア４１３によって調整することができる。

動力バランスモータ発電機ユニット６は、発電機として動作して、出力軸５に伝達されるトルクの一部を吸収する場合、負荷Ｌによって吸収される動力を、制御ユニット７によって調整する。したがって、動力源２によって生成された動力の一部は、動力バランスモータ発電機ユニット６によって回収され、電気エネルギーに変換され得る。動力バランスモータ発電機ユニット６によって生成された電気エネルギーは、次いで、電力網Ｎに注入されるか、又は将来の使用のためにバッテリシステムに注入され、したがって、負荷Ｌに伝送される動力を均衡させ、同時に、動力源２によって過剰に生成されたエネルギーを回収することができる。

更に、例えば、負荷Ｌが、異なる動作速度で追加の動力を必要とする場合、制御ユニット７は、スターキャリア４１３の回転を調整することによって速度出力軸５回転速度ω_ｏを増加させること、及び／又は動力バランスモータ発電機ユニット６によって吸収されるトルク（及びしたがって動力）を減少させることができる。

更に、例えば、負荷Ｌが、一定の動作速度で異なる動力を必要とする場合、制御ユニット７は、動力バランスモータ発電機ユニット６によって吸収されるトルク（及びしたがって動力）を調整することができ、又は必要であれば、出力軸５に正味出力を供給することができ、モータとして機能して、全体の動力バランスを補償する。

図７を参照すると、二軸ガスタービン２を動力源として有するトレインシステムＴを動作させるための方法８のフローチャートが示されている。方法８はまた、単軸ガスタービンによっても動作することができ、ガスタービン２によって動力を発生させるステップ８１、駆動装置１によって動力源２によって発生された動力を伝達するステップ８２、出力軸５に接続された機器Ｌを駆動するステップ８３、及び速度比モータ発電機ユニット４２を動作させて、スターキャリア４１３の回転を調整して副軸ギアボックス４１の変速比を設定するステップ８４の図５に例解する上記のステップに加えて、出力軸５に伝達された動力の一部を回収し、それを電気エネルギーに変換して、発電機として動作可能な動力バランスモータ発電機ユニット６の電力網又はバッテリパックＮに注入するステップ８６も含む。このようにして、上述したように、二軸ガスタービン２は、最大動力及び速度で、すなわち最大効率で動作することができ、等価全出力当たりのＣＯ_２生成を最小限に抑えることを可能にし、動力源２から過剰なエネルギーの一部を回収することによってスピニングリザーブを構築することを可能にする。同様に、単軸ガスタービン２は、最大動力及びその公称速度で、すなわち最大効率で動作することができ、等価全出力当たりのＣＯ_２生成を最小限に抑えることを可能にし、動力源２から過剰なエネルギーの一部を回収することによって回転予備力を構築することを可能にする。

図８を参照すると、二軸又は単軸ガスタービン２を動力源として有するトレインシステムＴを動作させるための方法８のフローチャートも示されている。方法８はまた、ガスタービン２によって動力を発生させるステップ８１、駆動装置１によって動力源２によって発生された動力を伝達するステップ８２、出力軸５に接続された機器Ｌを駆動するステップ８３、及び速度比モータ発電機ユニット４２を動作させて、スターキャリア４１３の回転を調整して副軸ギアボックス４１の伝達速度比を設定するステップ８４の図７に例解する上述のステップに加えて、エネルギー利用可能性及びコストに基づくか、又は周囲条件（冬／夏又は夜間／日中の周囲温度変動）に基づいてガスタービン動力余剰／不足をカバーするための、それぞれ出力軸５に動力を送達するか、又は動力源２によって出力軸５に伝達された動力の一部を吸収する、モータ又は発電機としての、電力網に接続された動力バランスモータ発電機ユニット６の使用によるガス／電力バランス８７のステップも含む。

図８を参照すると、二軸又は単軸ガスタービン２を動力源として有するトレインシステムＴを動作させるための方法８を要約するフローチャートが示されている。方法８はまた、ガスタービン２によって動力を発生させるステップ８１、駆動装置１によって動力源２によって発生された動力を伝達するステップ８２、出力軸５に接続された機器Ｌを駆動するステップ８３、及び速度比モータ発電機ユニット４２を動作させて、スターキャリア４１３の回転を調整して副軸ギアボックス４１の伝達速度比を設定するステップ８４の図５に例解する上述のステップに加えて、それぞれ出力軸５に動力を送達するか、又は動力源２によって出力軸５に伝達された動力の一部を吸収する、モータ又は発電機としての、バッテリシステムに接続された動力バランスモータ発電機ユニット６の使用によるガス／電力バランス８７のステップも含み、これにより、バッテリシステムの電気エネルギー貯蔵が、スピニングリザーブを構築し、かつ周囲条件（冬／夏又は夜間／日中の周囲温度変動）に基づいて、ガスタービン動力余剰／不足をカバーすることを可能にする。

駆動源２が電気モータ、同期又は誘導電気モータである場合、始動時に、負荷Ｌの慣性を克服するためにピーク動力を提供する必要がある。これは、始動段階におけるこの動力要求を単に補償するために、電気モータが動力に関して過大サイズであることを必要とする。これは部品コストの増大を招く。

駆動源２が同期電気モータである場合、始動時のその脈動トルクは、トレインＴＮＦ（典型的には、第１及び第２のトレインねじれ周波数）と交差し、したがって、共振において、重いトルク応答をもたらし、それは、疲労現象に起因して始動回数を制限し得る。

ハイブリッドギアボックス４は、速度比モータ発電機ユニット４２の動作を介して電気モータを始動させ、負荷Ｌを切り離し、したがって、動力源２としての電気モータを過大にすることを回避し、同時に、トレインねじり固有振動とのねじり相互作用を回避することができる。実際、トレインねじり固有振動を励起すると、カップリング及び軸などのトルク伝達装置において危険なトルク応答が生じる。

同じ方法ステップは、レシプロエンジン、すなわちガスエンジン又はディーゼルエンジンを始動するために適用することができ、専用の始動デバイスを設置することを回避する。

本発明の態様は、様々な特定の実施形態に関して説明されてきたが、当業者には、特許請求の範囲の趣旨及び範囲を逸脱することなく多くの修正、変更、及び省略が可能であることが、当業者には明らかであろう。加えて、本明細書で別段の指定がない限り、いずれのプロセス又は方法ステップの順序又は配列も、代替的な実施形態に従って変更又は再配列され得る。

本開示の実施形態に対して詳細な参照がなされており、これらの１つ以上の例は、図面に例示されている。各例は、本開示を限定するものではなく、本開示の説明として提供するものである。実際には、本開示の範囲又は趣旨から逸脱しない限り、本開示に様々な修正及び変形を加えることができるということが、当業者には明らかであろう。本明細書全体を通して「ある実施形態」又は「一実施形態」又は「いくつかの実施形態」への言及は、一実施形態に関して説明される特定の特徴、構造、又は特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通して様々な個所における「ある実施形態では」又は「一実施形態では」又は「いくつかの実施形態では」という句が現れると、それは、必ずしも同じ実施形態を指しているものではない。また、特定の特徴、構造、又は特性は、１つ以上の実施形態において、任意の好適な様式において組み合わされ得る。

様々な実施形態の要素を提示する際、冠詞「ある（a）」、「ある（an）」、「その（the）」、及び「当該（said）」は、要素のうちの１つ以上があることを意味することを意図している。「備える（comprising）」、「含む（including）」、及び「有する（having）」という用語は、非排他的であることが意図され、列記された要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味するものである。

Claims (8)

1. トレインシステム（Ｔ）を動作させるための方法（８）であって、
   動力源（２）によって動力を生成するステップ（８１）と、
   前記動力源（２）によって生成された前記動力を、駆動装置（１）を通して伝達するステップ（８２）であって、前記駆動装置（１）が、
   前記動力源（２）に接続された入力軸（３）と、
   出力軸（５）と、
   ハイブリッドギアボックス（４）であって、
   副軸ギアボックス（４１）であって、前記入力軸（３）及び前記出力軸（５）に接続され、かつ前記入力軸（３）と前記出力軸（５）との間の前記副軸ギアボックス（４１）の伝達速度比を調整するように構成されたスターキャリア（４１３）を含む、副軸ギアボックス（４１）と、
   前記スターキャリア（４１３）の回転を制御するように構成された速度比モータ発電機ユニット（４２）と、を含む、ハイブリッドギアボックス（４）と、を含む、伝達するステップ（８２）と、
   前記出力軸（５）に接続された機器（Ｌ）を駆動するステップ（８３）と、
   前記動力源（２）を始動させ、次いで前記動力源（２）から負荷（Ｌ）を切り離し、前記スターキャリア（４１３）の回転を調整して、前記副軸ギアボックス（４１）の前記伝達速度比を設定して、前記動力源（２）が一定速度（ω_ｉ）で動作されるときの前記出力軸（５）における速度（ω_ｏ）及びトルク（Ｃ_ｏ）を調整するように、前記速度比モータ発電機ユニット（４２）を動作させるステップ（８４）と、を含む、方法（８）。
2. 前記動力源（２）が、単軸ガスタービンであり、
   前記動作させるステップ（８４）が、
   前記ガスタービン（２）をそのクランク速度に持っていくように、前記速度比モータ発電機ユニット（４２）をモータとして動作させるサブステップ（８４１）と、
   前記スターキャリア（４１３）が自由に回転することができるように、前記速度比モータ発電機ユニット（４２）をオフに切り替えて、前記単軸ガスタービン（２）を切り離して加速させ、その公称速度に到達させるように、サブステップ（８４２）と、
   前記スターキャリア（４１３）を減速させて、前記出力軸（５）速度を静止状態から増加させるように、前記速度比モータ発電機ユニット（４２）を発電機として動作させるサブステップ（８４３）と、を含む、請求項１に記載の方法（８）。
3. 前記動作させるステップ（８４３）とは反対方向に前記スターキャリア（４１３）の速度を増加させるように、前記速度比モータ発電機ユニット（４２）をモータとして動作させるステップ（８４４）を更に含む、請求項２に記載の方法（８）。
4. 前記動力源（２）の始動段階中に、前記出力軸（５）に関連付けられた動力バランスモータ発電機ユニット（６）によって前記出力軸（５）をブロックするステップ（８５）を更に含む、請求項２に記載の方法（８）。
5. 前記動力源（２）が、電気モータであり、
   前記動作させるステップ（８４）が、
   前記電気モータ（２）を所定の速度に持っていき、トレインねじり固有振動との準同期ねじり相互作用を回避するように、前記速度比モータ発電機ユニット（４２）をモータとして動作させるサブステップ（８４１）と、
   前記スターキャリア（４１３）が自由に回転することができるように、前記速度比モータ発電機ユニット（４２）をオフに切り替えて、前記電気モータ（２）を切り離して加速させ、その公称速度に到達させるサブステップ（８４２）と、
   前記スターキャリア（４１３）を減速させて、前記出力軸（５）速度を静止状態から増加させるように、前記速度比モータ発電機ユニット（４２）を発電機として動作させるサブステップ（８４３）と、を含む、請求項１に記載の方法（８）。
6. 前記動力源（２）が、レシプロエンジンであり
   前記動作させるステップ（８４）が、
   前記レシプロエンジン（２）を最小動作速度に持っていくように、前記速度比モータ発電機ユニット（４２）をモータとして動作させるサブステップ（８４１）と、
   前記スターキャリア（４１３）が自由に回転することができるように、前記速度比モータ発電機ユニット（４２）をオフに切り替えて、前記レシプロエンジン（２）を切り離して加速させ、その公称速度に到達させるサブステップ（８４２）と、
   前記スターキャリア（４１３）を減速させて、前記出力軸（５）速度を静止状態から増加させるように、前記速度比モータ発電機ユニット（４２）を発電機として動作させるサブステップ（８４３）と、を含む、請求項１に記載の方法（８）。
7. 命令を含むコンピュータプログラムであって、前記命令は、前記プログラムがコンピュータ（７）によって実行されると、前記コンピュータ（７）に請求項１６に記載の方法の動作させるステップステップ（８４）を遂行させる、コンピュータプログラム。
8. コンピュータ（７）によって実行されると、前記コンピュータに請求項１６に記載の方法の動作させるステップ（８４）を遂行させる命令を含む、コンピュータ可読記憶媒体。