JP2023539804A - 機械駆動機器のための駆動装置 - Google Patents

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Abstract

トレインシステムにおける機械駆動機器のためのハイブリッドギアボックスが開示される。ハイブリッドギアボックスは、動力源と、駆動される負荷との間に接続されている。ハイブリッドギアボックスは、動力源と負荷との間の変速比を調整することができる副軸ギアと、配置された伝達速度比を調整するように構成されたモータ発電機ユニットと、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に関する。
ポンプ又は圧縮機などの機械駆動機器又は負荷は、適切な高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、高動力ディーゼルエンジン及びガスエンジン、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、電気モータを駆動機器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。
従来技術は、米国特許第6715291(B1)号を含み、これは、負荷端子を駆動するための自動車用途を対象とする。文献は、1つの回転方向においてのみスターホイールキャリアの動作を制御することができるように配置された速度比発生器ユニットによるギアボックスの制御を開示している。したがって、駆動装置は、1つの電力入力2つの電力出力のみを有することができる一方、本開示は、1つの電力入力1つの電力出力、1つの電力入力2つの電力出力、及び2つの電力入力1つの電力出力を有することができる駆動装置に関する。
また、従来技術は、米国特許出願公開第2014/0378257(A1)号を含み、これは、扱いにくいという主な欠点を有する、ギア軸の制御を開示している。
上記に基づいて、コンパクトなサイズであり、かつ、同時に、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可能であり、次いで、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る、改善された可変速度比変速機が業界では歓迎され、トレイン装置柔軟性を可能にし、かつ同時に、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。
一態様では、本明細書に開示される主題は、2つのサンホイール軸と、3つ以上の複合スターホイール軸と、スターホイールキャリアと、を有する、減速機又は増速機であり得る副軸ギア装置を対象とする。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、及び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及び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。
速度比モータ発電機ユニットは、ステータ巻線と、ステータコアと、スターキャリア上に半径方向に設置される永久磁石ロータコアと、を含む一方、パワーエレクトロニクスは、網又はバッテリシステムにエネルギーを取り込むか、又は送達するために、低電圧のアクティブフロントエンド可変周波数ドライブと、システム制御ロジックと、を含む。これは、商業的に関連しており、ガスタービンを用いた用途におけるエネルギー節約及び貯蔵のために可能にされる。
動力バランスモータ発電機ユニットは、ステータ巻線と、ステータコアと、ギア出力軸上に半径方向に設置される永久磁石ロータコアと、を含む一方、パワーエレクトロニクスは、網又はバッテリシステムにエネルギーを取り込むか、又は送達するために、低電圧のアクティブフロントエンド可変周波数ドライブと、システム制御ロジックと、を含む。これは、商業的に関連しており、ガスタービンを用いた用途におけるエネルギー節約及び貯蔵のために可能にされる。
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、スターキャリア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を含み、モータ発電機ユニットは、スターキャリアの周りに配置されている。換言すれば、モータ発電機ユニットは、スターキャリアの周りに環状に配置されている。それは、始動キャリア外径上に環状に配置され、始動キャリア外径上に直接設置されたブラシレス永久磁石であり得る。
別の態様において、本明細書に開示されるのは、速度比モータ発電機ユニットのロータが設置される、外径面を備えた本体を有するスターキャリアである。ロータは、スターキャリアの外径面上に設置された複数の永久磁石を含み得る。
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。
別の態様において、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り、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0であるように、スターキャリアを回転させて変速比を設定する。
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/不足を補償することが可能であり、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。
別の態様では、本明細書に開示されるのは、ディーゼルエンジン及び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)に基づいてディーゼルエンジン及びガスエンジン動力余剰/不足を補償することが可能であり、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例解する。 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、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の周りに又は環状に配置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、モータ又は発電機のいずれかとして動作して、ギアボックスの速度比を調整することができる。
ここで図面を参照すると、図1は、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及び回転速度ωo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ωiで回転させるために、Cで示されるトルクを送達することができる。
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の構造が、以下に説明される次いで、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ついても開示される。
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。
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全体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おり、全周を覆う。再び図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。
スターキャリア413の外径面4132上の速度比モータ発電機ユニット42の環状配置又は周辺配置は、ハイブリッドギアボックス4のコンパクトな配置を可能にする。加えて、関与する、伝達されるべき高出力を考慮して、例えば単軸ガスタービン、二軸ガスタービン、蒸気タービン、エキスパンダ、電気モータ、ディーゼルエンジンなどの、駆動装置1が接続されることが意図される動力源2の事実を考慮して、記載されたコンパクトな構造、特にスターキャリア413の全周にわたった(環状)の速度比モータ発電機ユニット42の環状位置は、改善された動力伝達を可能にし、ハイブリッドギアボックス4の、したがって駆動装置1のブロッキングを動作させることの失敗のあらゆるリスクを低減する。
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ωo及びトルクCを調整することが可能である。
スターキャリア413速度は、速度比モータ発電機ユニット42によって両方の回転方向に制御することができることに留意されたい。これは、駆動アセンブリが、容易に適合されて、任意の種類の動力源2に接続され、速度比調整可能範囲を拡大することを可能にする。
速度比モータ発電機ユニット42は、スターキャリア413の周りに直接、すなわち、より分かりやすく上述したように、環状に、したがって本体413の周りに環状に配置された全周にわたって配置されているので、上述のように、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、バランス式に従って、グリッドN又はバッテリシステムに電流を送達し、駆動機器出力動力の一部を回収している。
ω=Cω+Cω
式中、C及びωcは、それぞれトルク及び回転速度であり、それらの積は、網N又はバッテリパックに送達される動力である。
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、網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:
ω=Cω+Cω
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のトルク需要を調整するために出力軸5に一体化された電気機械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が出力軸5に一体化されていることは、前者が第2のものと同様に環状に配置されているので、ベルト又はギアのようないかなる変速機チェーンも存在しないため、コンパクトな構造及びより信頼性の高いシステムを可能にする。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。いくつかの実施形態では、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技術のものであり得、したがって、また、この場合、全体的に低減されるサイズを達成するだけでなく、システムのいかなる失敗のリスクも低減する。
上述したように、動力バランスモータ発電機ユニット6は、出力軸5に一体化されている。図1を参照してより具体的に説明すると、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ているロータ61と、ロータ61の周囲に配置されたステータ62と、を含む。ステータ62はまた、ステータコア621と、巻線622と、を含む。図で分かるように、ステータ62は、ロータ61を取り囲んでいる。
いくつかの実施形態では、ロータ61はまた、出力軸5の外径面上に設置された複数の永久磁石611も含む。いくつかの他の実施形態では、ロータ61は、代わりに、出力軸5の外径面上に配置された複数の巻線を含む。
加えて、出力軸5の全周にわたる動力バランスモータ発電機ユニット6の配置は、外乱高調波によって引き起こされる可能性がある軸の振動を減衰させるか、又は出力軸5にわたる任意の他の望ましくない振動さえも減衰させる効果を有する。
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は、入力軸3の回転速度ωi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ωi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、ハイブリッドギアボックス4のコンパクトなサイズの利点、及びスターキャリア413速度が両方の回転方向において制御されることができるという事実をより分かりやすく開示するために、駆動アセンブリ1の動作が、その性能をより分かりやすく理解するために、異なる構成においてここで説明される。より具体的には、図1による駆動アセンブリ1の構成は、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。
駆動アセンブリ1は、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、ディーゼルエンジン、及びガスエンジンと、の両方で動作することができる。駆動アセンブリ1の動作は、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、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を切り離し(したがって、負荷Lを動力源から切り離し)、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、動力バランスモータ発電機ユニット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を要約する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及びトルクC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)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の回転速度ωiは、固定される。出力軸5回転速度ωo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、出力軸5回転速度ωo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。
図8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を要約するフローチャートがまた示されている。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、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9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 (15)

  1. 機械駆動機器(L)を駆動するための駆動装置(1)であって、
    動力源(2)が前記駆動装置(1)に連結されることができ、駆動される前記機器(L)が前記駆動装置(1)に連結されることができ、
    前記動力源(2)に連結されることができる入力軸(3)と、
    前記機器(L)に連結されることができる出力軸(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)であって、前記スターキャリア(413)が外径面(4132)を有する本体(4131)を備える、スターキャリア(413)を備える、副軸ギアボックス(41)と、
    前記スターキャリア(413)の回転速度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、を備え、
    前記速度比モータ発電機ユニット(42)が、前記スターキャリア(413)の前記本体(4132)の前記外径面(4132)上に周辺環状に配置されており、前記出力軸(5)が、前記出力トルクを制御するように構成された動力バランスモータ発電機ユニット(6)を備える、駆動装置(1)。
  2. 前記速度比モータ発電機ユニット(42)が、
    前記スターキャリア(413)の前記本体(4132)の前記外径面(4132)上に設置されたロータ(421)と、
    前記ロータ(421)の周りに配置されたステータ(422)であって、前記ステータ(422)が、ステータコア(4221)及び巻線(4222)を備え、前記ステータ(422)が、前記ロータ(421)を取り囲む、ステータ(422)と、を備える、請求項1に記載の駆動装置(1)。
  3. 前記ロータ(421)が、前記スターキャリア(413)の前記外径面(4132)上に設置された複数の永久磁石(4211)を備える、請求項2に記載の駆動装置(1)。
  4. 前記ロータ(421)が、前記スターキャリア(413)の前記外径面(4132)上に配置された複数の巻線を備える、請求項2に記載の駆動装置(1)。
  5. 副軸ギアボックス(41)が、
    前記入力軸(3)に接続された入力サンホイール(411)と、
    2つ以上の複合スターホイール軸(412)であって、各複合スターホイール軸が、前記入力サンホイール(411)と噛み合う第1のギア段(4121)、及び第2のギア段(4122)を有する、2つ以上の複合スターホイール軸(412)と、
    前記出力軸(5)に接続され、かつ各複合スターホイール軸(412)の前記第2のギア段4122と噛み合う出力スターホイール(414)と、を備え、
    前記スターキャリア(413)の前記本体(4131)が、前記入力サンホイール(411)、前記複合スターホイール軸(412)、及び前記出力スターホイール(414)を収容し、
    各複合スターホイール軸(412)が、前記スターキャリア(413)の前記ハウジング(4131)の周りに枢動する、請求項1に記載の駆動装置(1)。
  6. 前記速度比モータ発電機ユニット(42)に動作可能に接続され、かつ前記速度比モータ発電機ユニット(42)の動作を制御して、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制御ユニット(7)を備え、
    前記制御ユニット(7)が、コンピュータ及び/又はクラウドコンピューティングシステム及び/又は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備を含む、低電圧のアクティブフロントエンド可変周波数ドライブとして実装される、請求項1に記載の駆動装置(1)。
  7. 前記制御ユニット(7)が、
    プロセッサ(71)と、
    前記プロセッサ(71)が接続されているバス(72)と、
    前記プロセッサ(71)によってアクセス及び制御されるように前記バス(72)に接続されたデータベース(73)と、
    前記プロセッサ(71)によってアクセス及び制御されるように前記バス(72)に接続されたコンピュータ可読メモリ(74)と、
    前記バス(72)に接続され、前記速度比モータ発電機ユニット(42)から、及び前記動力バランスモータ発電機ユニット(6)から、前記信号を受信することと、前記速度比モータ発電機ユニット(42)に、及び前記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、前記駆動アセンブリ(1)の動作を調整することと、を行うように構成された、受信送信モジュール(75)と、を備える、請求項1に記載の駆動装置(1)。
  8. 前記制御ユニット(7)が、電力網(N)又はバッテリパックに接続されており、
    前記速度比モータ発電機ユニット(42)が、発電機又は電気モータとして動作すること、前記スターキャリア(413)の前記速度を調整すること、したがって前記スターキャリア(413)に伝達された前記動力の少なくとも一部を吸収すること、前記電力網(N)又はバッテリパックに注入される電流を生成すること、又は前記電力網(N)又はバッテリパックから電力を吸収して、前記副軸ギアボックス(41)の前記スターキャリア(413)に動力を送達すること、を行うように構成されている、請求項6に記載の駆動装置(1)。
  9. 前記出力軸(5)と動作可能に関連付けられ、かつ前記制御ユニット(7)に接続された動力バランスモータ発電機ユニット(6)を備え、
    前記動力バランスモータ発電機ユニット(6)が、前記動力源(2)を、それらの最大効率条件で動作させ続けるように構成されており、したがって、エネルギー利用可能性及びコストに基づく電力バランスを可能にし、バッテリシステム内の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、請求項6に記載の駆動装置(1)。
  10. 前記動力バランスモータ発電機ユニット(6)が、
    前記外径面出力軸(5)上に設置されたロータ(61)と、
    前記ロータ(61)の周りに配置されたステータ(62)であって、前記ステータ(62)が、ステータコア(621)及び巻線(622)を含み、前記ステータ(62)が、前記ロータ(61)を取り囲む、ステータ(62)と、を備える、請求項9に記載の駆動装置(1)。
  11. 前記ロータ(61)が、前記出力軸(5)の前記外径面上に設置された複数の永久磁石(611)を備える、請求項10に記載の駆動装置(1)。
  12. 前記ロータ(61)が、前記出力軸(5)の前記外径面上に配置された複数の巻線を備える、請求項10に記載の駆動装置(1)。
  13. トレインシステム(T)であって、
    請求項1~9のいずれか一項に記載の駆動装置(1)と、
    前記駆動装置(1)の前記入力軸(3)に接続された動力源(2)と、
    前記駆動装置(1)の前記出力軸(5)に接続された負荷(L)と、を含む、トレインシステム(T)。
  14. 前記負荷(L)が、圧縮機、ポンプ、又は船舶プロペラである、請求項13に記載のトレインシステム(T)。
  15. 前記動力源(2)が、単軸ガスタービン、及び/又は二軸ガスタービン、及び/又は蒸気タービン、及び/又はエキスパンダ、及び/又は電気モータ、及び/又はディーゼルエンジン、及び/又はガスエンジンである、請求項13に記載のトレインシステム(T)。
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