JP6768138B2 - 補助ドライバを備える可変速伝達装置およびこれを用いたシステム - Google Patents

Description

本開示の主題は、被駆動機械とドライバとを備えるシステムに関する。より具体的には、本明細書に開示される実施形態は、定速のドライバが例えば圧縮機または圧縮機列などの可変速の回転機械を駆動して回転させるシステムに関する。

いくつかの工業用途において、電気モータなどの一定の回転速度で回転するドライバを使用して回転負荷を駆動する必要性が存在する。いくつかの状況において、回転負荷は、圧縮機などのターボ機械である。大型の軸流または遠心圧縮機が、典型的には、パイプラインにおいて、パイプラインを通って輸送されるガスを加圧するために使用される。大型の遠心または軸流圧縮機は、天然ガスを液化させるために、いわゆるＬＮＧ用途にも使用される。圧縮機は、そのような設備において、天然ガスを冷却する密閉サイクルに用いられる冷媒流体を処理するために使用される。

いくつかの用途においては、回転負荷の回転速度を変化させる必要があり、回転速度は、例えば定格回転速度の約７０％〜約１０５％の間で変更され得る。電気モータは、配電網と電気モータとの間に可変周波数ドライバを介在させることによって、可変の速度で回転可能である。可変周波数ドライバは、電気モータが必要とするきわめて大きな電力を変換しなければならないため、複雑、高価、かつ厄介な構成要素である。大型の圧縮機を駆動するための電気モータの典型的な用途は、１〜数十ＭＷの電力を必要とする可能性がある。

したがって、主ドライバによって駆動される可変速の負荷の回転速度の調節について、より好都合なやり方を可能にするシステムが必要とされている。

第１の態様によれば、先行技術の上述の欠点に対処するために、実質的に一定の回転速度で回転するように構成された主ドライバと、主ドライバによって駆動されて回転するように構成された回転負荷とを備えるシステムが開示される。このシステムは、負荷回転速度を制御可能に調整するためのコントローラと、主ドライバと負荷との間に配置され、第１の入力シャフトと、第２の入力シャフトと、出力シャフトとを有する速度加算ギア機構を備える可変速伝達装置とをさらに備える。速度加算ギア機構の第２の入力シャフトに機械的に接続され、第２の入力シャフトを駆動して回転させるように構成された補助ドライバが、さらに設けられる。加算ギア機構の第１の入力シャフトは、主ドライバに駆動可能に接続され、速度加算ギア機構の出力シャフトは、回転負荷に駆動可能に接続される。出力シャフトの速度は、主ドライバおよび補助ドライバの速度の組み合わせである。補助ドライバを操作して、主ドライバと負荷との間の伝達比を変更することができる。このようにして、主ドライバを一定の回転速度、すなわち固定された回転速度で回転させることができる一方で、負荷の回転速度を、補助ドライバの動作を制御することによって調節することができる。

主ドライバが電気モータである場合に、主ドライバのための可変周波数ドライバを省略することができる。

補助ドライバは、例えばターボエキスパンダあるいは水蒸気または蒸気タービンなど、ターボ機械であってよい。いくつかの実施形態において、回転負荷はガス圧縮機であってよく、ターボエキスパンダを、ガス圧縮機によって処理されたガスによって動作させることができる。

またさらなる実施形態において、補助ドライバは、例えばＯＲＣ（有機ランキンサイクル）などの閉じた熱力学サイクルの一部を形成するターボ機械であってよい。このような実施形態において、例えばガスタービンエンジンまたは他の低温熱源からの廃熱を、補助ドライバの駆動に有用に利用することができる。

補助ドライバを、速度加算ギア機構の第２の入力シャフトに直接的に、あるいは間接的に、すなわち例えば通常のギア列を形成する１つ以上のギアを介在させて、機械的に接続することができる。

第１の入力シャフトを、直接的に、あるいは例えばギアボックスを介して間接的に、主ドライバに駆動可能に接続することができる。同様に、速度加算ギア機構の出力シャフトを、直接的に、あるいは間接的に、すなわち例えばギアボックスまたは他の追加の速度調整装置を介在させて、負荷へと機械的に接続することができる。

いくつかの実施形態において、負荷はターボ機械であってもよく、例えば遠心圧縮機、軸流圧縮機、または混合アキシャルラジアル圧縮機などの圧縮機であってよい。他に考えられる回転負荷として、レシプロ圧縮機を挙げることができ、その場合、主ドライバはレシプロ圧縮機のクランクシャフトを回転させる。

本明細書に開示の構成は、主ドライバが電気モータであるシステムにおいてとくに有用かつ好都合であるが、ガスタービンまたは蒸気タービンなどの他の主ドライバを代わりに使用することも可能である。本明細書に記載のシステムは、主ドライバが固定速度または定速の主機械であるすべての状況に適している。このシステムは、一定の速度で回転するように制約されたドライバ（可変周波数ドライバまたは他の周波数変換装置を持たない電気モータなど）だけでなく、例えば効率を最大化するために一定の速度で動作させることが好ましいドライバなど、主ドライバが実質的に一定の回転速度で回転するように構成されている場合に、常に有用である。

とくに好都合な実施形態において、速度加算ギア機構は、遊星ギア列を備える。ここで最も広い意味で理解されるように、遊星ギア列は、少なくとも２つの互いに噛み合うギアからなる機構であり、これらのギアのうちの少なくとも１つが、これらの少なくとも２つの互いに噛み合うギアのうちの他方のギアの回転軸の周囲を回転する回転部材上に無為に（ｉｄｌｙ）支持されている。

本明細書に開示される構成において、遊星ギア列は、少なくとも２つの自由度と、少なくとも３つの噛み合うギアとを有し、そのうちの少なくとも１つ（遊星ギア）が、遊星ギア列を形成する噛み合うギアのうちの別の１つの不動の回転軸の周囲を回転する部材（遊星キャリア）上に無為に支持される。

さらなる態様によれば、可変速の回転負荷を動作させるための方法であって、
回転負荷を、定速の主ドライバで、第１の入力シャフトと、第２の入力シャフトと、出力シャフトとを備えており、第１の入力シャフトが主ドライバに駆動可能に接続されている速度加算ギア機構を介して、駆動するステップと、
補助ドライバによって第２の入力シャフトへと補助動力を供給し、補助ドライバの速度を調整することによって負荷の回転速度を制御することで、回転負荷の速度を変更するステップと
を含む方法が開示される。

特徴および実施形態が、本明細書において以下で開示され、本明細書の一体の一部分を形成する添付の特許請求の範囲にさらに記載される。以上の簡単な説明は、以下の詳細な説明をよりよく理解できるようにするため、および本発明の技術的貢献をよりよく理解できるようにするために、本発明の種々の実施形態の特徴を記載している。当然ながら、以下で説明され、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の他の特徴も存在する。この点で、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の実施形態が、それらの応用において、以下の説明において述べられ、あるいは図面に示される構成の詳細および構成要素の配置に限定されないことを、理解すべきである。本発明は、他の実施形態も可能であり、さまざまなやり方で実施および実行することが可能である。また、本明細書において用いられる表現および用語が、説明を目的とするものであり、限定とみなされてはならないことを、理解すべきである。

したがって、本開示の根底にある考え方を、本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造、方法、および／またはシステムを設計するための基礎として容易に利用できることを、当業者であれば理解できるであろう。したがって、特許請求の範囲を、本発明の趣旨および範囲から逸脱しない限りにおいて、そのような等価な構成を含むと考えることが重要である。

開示される本発明の実施形態およびそれらに付随する多くの利点のさらに完全な認識が、それらが以下の詳細な説明を参照し、添付の図面と併せて検討することによってよりよく理解されるときに、容易に得られるであろう。

本開示によるシステムの第１の実施形態を概略的に示している。 本開示によるシステムの第２の実施形態を概略的に示している。 図１および図２のシステムの可変速伝達装置の断面図を示している。 図１および図２のシステムの可変速伝達装置の断面図を示している。 本開示によるシステムのさらなる実施形態を概略的に示している。 図５のシステムの可変速伝達装置の断面図を示している。 図５のシステムの可変速伝達装置の断面図を示している。 図７の線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩによる断面図を示している。 膨張機を、本開示による可変速伝達ユニットに組み合わせて備える複合ガスタービン／ＯＣＲサイクルの概略図を示している。

典型的な実施形態についての以下の詳細な説明は、添付の図面を参照する。別々の図面における同じ参照番号は、同一または類似の要素を表す。さらに、図面は、必ずしも縮尺どおりに描かれていない。また、以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。

本明細書の全体を通して、「一実施形態」、「実施形態」、または「いくつかの実施形態」への言及は、或る実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、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、本明細書の全体のさまざまな場所において「一実施形態において」、「実施形態において」、または「いくつかの実施形態において」という表現が現れたとき、それは必ずしも同じ実施形態を指すものではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つ以上の実施形態において任意の適切なやり方で組み合わせられてよい。

ここで図１を参照すると、一実施形態において、システム１は、主ドライバ３と回転負荷５とを備える。図１の典型的な実施形態において、回転負荷５は、２つの回転機械５Ａおよび５Ｂを備える。回転機械５Ａ、５Ｂの一方または両方は、例えば、遠心圧縮機もしくは軸流圧縮機、またはレシプロ圧縮機、あるいはこれらの組み合わせなど、圧縮機を備えることができる。以下の説明においては、例として、回転機械５Ａ、５Ｂの両方が圧縮機であると仮定する。図１の概略図によれば、２つの圧縮機５Ａ、５Ｂは、単一のシャフト７に機械的に結合し、したがって同じ速度で回転する。図示されていないが、他の実施形態においては、例えば、２つの圧縮機５Ａ、５Ｂが異なる回転速度で回転できるように、２つの圧縮機５Ａ、５Ｂの間にギアボックスを配置することができる。

図１の実施形態において、主ドライバ３は、配電網９によって電力が供給される電気モータを含むことができる。主ドライバ３は、可変周波数ドライバを省くことができるように、固定の回転速度、すなわち一定の回転速度で、回転することができる。

負荷５の回転速度を変更するために、可変速伝達装置１１が、主ドライバ３と負荷５との間の軸線に沿って配置されている。可変速伝達装置１１を、コントローラ１２に機能可能に接続することができ、コントローラ１２はさらに、負荷５または一部分が負荷５によって形成されるプロセスと、やり取りすることができる。コントローラ１２を、可変速伝達装置１１の出力を負荷５に駆動可能に接続するシャフト７の回転速度を、主ドライバ３を可変速伝達装置１１の入力へと駆動可能に接続するシャフト１３の固定の回転速度に対して変更するように構成することができる。

図２が、本開示によるシステムのさらなる実施形態を示している。同じ参照番号は、図１に示した構成要素、要素、または部分と同じ構成要素、要素、または部分を示しており、再度の説明は省略する。図１のシステムと図２のシステムとの間の主な違いは、可変速伝達装置１１の出力シャフト８と、負荷５へと運動を伝達するシャフト７との間に配置されたギアボックス１５である。ギアボックス１５を、例えば、主ドライバ３の出力シャフトの回転速度と負荷５の回転速度との間の必要な速度比を、可変速伝達装置１１だけでは達成できない場合に、使用することができる。

ここで、図１および図２を引き続き参照しつつ、図３を参照して、可変速伝達装置１１について可能な実施形態を説明する。可変速伝達装置１１は、第１の入力シャフト２３と、第２の入力シャフト２５と、出力シャフト２７とを備える速度加算ギア機構２１を備える。出力シャフト２７は、シャフト７に機械的に接続され、あるいはシャフト７の一部を形成することができる。入力シャフト２３は、シャフト１３に機械的に接続され、あるいはシャフト１３の一部を形成することができる。

図３の実施形態において、速度加算ギア機構２１は、遊星ギア列である。遊星ギア列２１は、リングギア３１と、複数の遊星ギア３５を支持する遊星キャリア３３とを備える。各々の遊星ギア３５は、遊星キャリア３３に拘束されて遊星キャリア３３と一緒に回転するピン３７上に無為に取り付けられている。遊星ギア列２１は、出力シャフト２７にキー止めされて出力シャフト２７と一緒に回転するサンギア３９をさらに備える。

図３の実施形態において、リングギア３１は、内歯ギアであり、遊星ギア３５は、内歯のリングギア３１と噛み合っている。遊星ギア３５は、サンギア３９にさらに噛み合っている。遊星キャリア３３は、リングギア３１、サンギア３９、および遊星キャリア３３が同軸となるように、第１の入力シャフト２３にキー止めされ、リングギア３１およびサンギア３９の軸を中心にして第１の入力シャフト２３と一緒に回転する。

リングギア３１は、補助ドライバ４３から運動を受け取るギア４１と一体的に回転する。図３の実施形態において、補助ドライバ４３は、補助ドライバ４３の駆動軸４７にキー止めされたピニオン４５を介してギア４１に機械的に接続される。このように、遊星ギア列２１は、２自由度を有し、主ドライバ３および補助ドライバ４３から入力を受け取る。

図３の実施形態において、補助ドライバ４３は電気モータである。電気モータ４３は、配電網９から電力を受け取る。電気モータ４３を可変の速度で回転させるために、可変周波数ドライバ（ＶＦＤ）４９が、配電網９と電気モータ４３との間に配置されている。

公知のとおり、遊星ギア列の最初のギアと最後のギアとの間の速度比τ_０は、ウィリス（Ｗｉｌｌｉｓ）の式

によって与えられ、ここで、
Ω_ｎは、遊星ギア列の最後のギアの回転速度であり、
Ω_ｐは、遊星キャリアの回転速度であり、
Ω_１は、遊星ギア列の最初のギアの回転速度である。

ウィリスの式によって示されるように、第１の入力シャフト２３と出力シャフト２７との間の伝達比を、リングギア３１の回転速度を調節することによって調整することができる。リングギア３１の回転速度を、可変周波数ドライバ４９によって達成される補助ドライバすなわち電気モータ４３の回転速度の制御によって制御することができる。

負荷５の定格速度付近の速度変動の範囲は、通常は小さい。遊星ギア列２１を、例えば最大速度（例えば、負荷５の定格速度の１０５％）であってよい所与の予め設定された回転速度での負荷５の駆動に適した速度伝達比をもたらすように設計することができる。例えば負荷を定格速度の１００％または１００％未満で駆動すべき場合など、異なる速度が必要とされる場合には、補助ドライバ４３を作動させることで、リングギア３１を、ウィリスの式に基づいて、出力シャフト２７が負荷５の必要な回転速度で回転するような速度で回転させる。補助ドライバ４３を、両方向（時計回りおよび反時計回り）に回転するように制御することができ、さらには、補助ドライバ４３がリングギア３１を制動するときに、補助ドライバ４３によって電気エネルギを回収することができる。

負荷５の回転速度の変動の範囲は比較的小さいため、リングギア３１の回転速度、したがって補助ドライバ４３から必要とされる全動力は、主ドライバ３によってもたらされる駆動力と比べて小さい。例えば、この機構を、負荷５が定格速度の約１０５％で動作しているときに、補助ドライバ４３から必要とされる動力が入力全体の約１５％になるように設定することができる。

したがって、補助ドライバ４３を所望の回転速度で回転させるために必要な可変周波数ドライバ４９は、回転速度の調節を主ドライバ３の速度を変化させることによって制御する場合に必要とされる可変周波数ドライバと比べて、大幅に小さい定格電力を有することができる。したがって、可変周波数ドライバ４９は、主ドライバ３を可変の速度で駆動するために適した可変周波数ドライバと比べ、大幅に小型で経済的である。さらに、可変周波数ドライバの効率は１００％よりも低いため、負荷５の駆動に必要な総電力のほんの一部だけを処理する可変周波数ドライバ４９は、すべての電力が主ドライバ３に組み合わせられた可変周波数ドライバによって変換される現状の技術の機構と比べて、全体としての電力変換ロスも少なくする。

図２の速度加算ギア機構２１は、サンギアが出力シャフト２７にキー止めされ、すなわち速度加算ギア機構の出力がサンギアである一方で、第１の入力シャフトが、遊星キャリア３３に駆動可能に結合したシャフト２３であり、第２の入力シャフトが、リングギア３１に駆動可能に結合したシャフト２５であるように、構成されている。これは、速度加算ギア機構について可能な唯一の構成ではない。当業者にとって公知のとおり、遊星ギア列を、いくつかの異なるやり方で構成することができ、その種々の回転部材を、さまざまなやり方で入力部材または出力部材として使用することができる。

図４が、別の速度加算ギア機構２１を使用する可変速伝達装置１１のさらなる実施形態を示している。同じ参照番号は、図３に示した構成要素と同一または同等な構成要素を指している。

速度加算ギア機構２１は、やはり遊星ギア列であり、第１の入力シャフト２３と、第２の入力シャフト２５と、出力シャフト２７とを備える。出力シャフト２７は、シャフト７に機械的に接続され、あるいはシャフト７の一部を形成することができる。入力シャフト２３は、シャフト１３に機械的に接続され、あるいはシャフト１３の一部を形成することができる。

図４の遊星ギア列２１は、リングギア３１と、複数の遊星ギア３５を支持する遊星キャリア３３とをやはり備える。各々の遊星ギア３５は、遊星キャリア３３に拘束されて遊星キャリア３３と一緒に回転するそれぞれのピン３７上に無為に取り付けられている。遊星ギア列２１は、出力シャフト２７にキー止めされて出力シャフト２７と一緒に回転するサンギア３９をさらに備える。図４の実施形態において、リングギア３１は、やはり内歯ギアであり、遊星ギア３５は、内歯のリングギア３１と噛み合っている。遊星ギア３５は、サンギア３９にさらに噛み合っている。図３の実施形態とは異なり、図４においては、リングギア３１が第１の入力シャフト２３にキー止めされ、第１の入力シャフト２３と一緒に回転する。

遊星キャリア３３に、補助ドライバ４３からの運動を受け取るギア４２が設けられている。図４の実施形態において、補助ドライバ４３は、補助ドライバ４３の駆動軸４７にキー止めされたピニオン４５を介してギア４２に機械的に接続される。

図３と同様に、図４においても、補助ドライバ４３は、配電網９によって電力が供給される電気モータである。補助ドライバ４３の回転速度の変化は、やはり配電網９と電気モータ４３との間に配置された可変周波数ドライバ（ＶＦＤ）４９を介して得られる。

したがって、図４の実施形態において、主ドライバ３は、可変速伝達装置１１を介して負荷５へと主たる動力を伝達し、その伝達比は、図３の実施形態に示したとおりのリングギア３１への作用ではなく、遊星キャリア３３への作用によって調節される。

両方の実施形態において、負荷５の回転速度は、補助ドライバ４３への作用によって負荷５の回転速度を調節するための信号を可変速伝達装置１１へともたらすコントローラ１２によって制御される。

図５が、本開示によるシステムのさらなる実施形態の概略図を示している。システムは、やはり全体として１と標記され、主ドライバ３および負荷５を備えている。主ドライバ３は、電気モータなどの定速ドライバであってよい。負荷は、ここでは、例えば遠心圧縮機、軸流圧縮機、またはレシプロ圧縮機などの単一の圧縮機５として示されている。可変速伝達装置１１が、ドライバと負荷５との間に配置され、シャフト１３を介して主ドライバ３に駆動可能に接続され、シャフト７を介して負荷５に駆動可能に接続される。可変速伝達装置１１を介して負荷５の回転速度を制御するように構成されたコントローラ１２が設けられる。

ここで、図５を引き続き参照しつつ、図６を参照して、図５のシステムのための可変速伝達装置１１について可能な実施形態を説明する。可変速伝達装置１１は、第１の入力シャフト２３と、第２の入力シャフト２５と、出力シャフト２７とを備える速度加算ギア機構２１を備える。出力シャフト２７は、シャフト７に機械的に接続され、あるいはシャフト７の一部を形成することができる。入力シャフト２３は、シャフト１３に機械的に接続され、あるいはシャフト１３の一部を形成することができる。

図６の実施形態において、速度加算ギア機構２１は、図３と実質的に同じやり方で構成された遊星ギア列である。遊星ギア列２１は、リングギア３１と、複数の遊星ギア３５を支持する遊星キャリア３３とを備える。各々の遊星ギア３５は、遊星キャリア３３に拘束されて遊星キャリア３３と一緒に回転するピン３７上に無為に取り付けられている。遊星ギア列２１は、出力シャフト２７にキー止めされて出力シャフト２７と一緒に回転するサンギア３９をさらに備える。図６の実施形態において、リングギア３１は、内歯ギアであり、遊星ギア３５は、内歯のリングギア３１およびサンギア３９と噛み合う。遊星キャリア３３は、第１の入力シャフト２３にキー止めされ、第１の入力シャフト２３と一緒に回転する。

リングギア３１は、補助ドライバ１４３から運動を受け取るギア４１と一体的に回転する。図６の実施形態において、補助ドライバ１４３は、補助ドライバ１４３の駆動軸４７にキー止めされたピニオン４５を介してギア４１に機械的に接続される。

図６の実施形態において、補助ドライバ１４３は、例えば求心ターボエキスパンダなど、可変の入口ガイドベーン１４９を備えることができるターボエキスパンダである。ターボエキスパンダ１４３を、例えば入口ダクト１４５（図５）を通ってもたらされる圧縮されたプロセスガスによって動作させることができる。圧縮されたプロセスガスは、ターボエキスパンダ１４３において膨張し、送出ダクト１４７（図５）を通って排出される。ターボエキスパンダ１４３におけるプロセスガスのエンタルピの減少が、機械的な動力に変換され、リングギア３１を駆動する。ターボエキスパンダ１４３によって生成される機械的な動力の量、したがってリングギア３１の回転速度、最終的には可変速伝達装置１１の伝達比を、可変の入口ガイドベーン１４９および／またはガス圧力弁１５１によって調整することができる。コントローラ１２を、可変の入口ガイドベーン１４９およびガス圧力弁１５１の両方を操作し、あるいはこれらの構成要素のうちの一方だけを操作して、可変速伝達装置１１の伝達比を調節し、出力シャフト２７の回転速度を負荷５の必要な回転速度へと適合させるために、これらの構成要素に機能的に接続することができる。

いくつかの実施形態においては、図５に概略的に示されるように、ターボエキスパンダ１４３において膨張するガスが圧縮機５によってもたらされ、すなわち圧縮機５によって処理されたガスの一部が、ターボエキスパンダ１４３を介して機械的な動力をもたらすために使用される。ターボエキスパンダは、必要に応じて、システムの始動時にターボエキスパンダのシャフトをロックするためのブレーキを備えることができる。これは、とくには、ターボエキスパンダ１４３において膨張するガスが圧縮機５によって処理されるガスと同じガスである場合に当てはまる。

他の実施形態においては、加圧された流体の別の供給源を、ターボエキスパンダを動作させるために設けることができる。またさらなる実施形態においては、例えばポンプなど、加圧された液体が動力源として利用可能な場合に、別のターボ機械を使用することができる。

図５および図６を引き続き参照しつつ、図７を参照すると、可変速伝達装置１１のさらなる実施形態が示されている。図６および図７の実施形態の間の違いは、主として、遊星ギア列２１のギアの異なる配置に関係する。図７の遊星ギア列２１は、リングギア３１と、複数の遊星ギア３５を支持する遊星キャリア３３とをやはり備える。各々の遊星ギア３５は、遊星キャリア３３に拘束されて遊星キャリア３３と一緒に回転するそれぞれのピン３７上に無為に取り付けられている。遊星ギア列２１は、出力シャフト２７にキー止めされて出力シャフト２７と一緒に回転するサンギア３９をさらに備える。図７の実施形態において、リングギアは、やはり内歯ギアであり、遊星ギア３５は、内歯のリングギア３１と噛み合っている。遊星ギア３５は、サンギア３９にさらに噛み合っている。図６の実施形態とは異なり、図７においては、リングギア３１が第１の入力シャフト２３にキー止めされ、第１の入力シャフト２３と一緒に回転する。

遊星キャリア３３には、遊星キャリア３３と一体に回転するギア４２が設けられている。ギア４２は、補助ドライバ１４３から運動を受け取る。図７の実施形態において、補助ドライバ１４３は、補助ドライバ１４３の駆動軸４７にキー止めされたピニオン４５を介してギア４２に機械的に接続される。一例として、さらなるギア列４６，４８が、ピニオン４５とギア４２との間に配置される。

図８が、図７の遊星ギア列２１の主要な構成要素を示す線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿った断面図を示している。

図７の可変速伝達装置１１の動作は、図６に関連して上述した動作と実質的に同じである。

図９が、本開示によるまたさらなる実施形態を示している。同じ参照番号は、これまでの図に関連してすでに開示した要素と同じ、または対応する要素を指す。図９の実施形態において、可変速伝達装置１１は、例えばＯＲＣ（有機ランキンサイクル）などのターボ機械２４３の形態の補助ドライバに接続されている。参照番号２３および２７は、やはり可変速伝達装置１１の入力シャフトおよび出力シャフトを指している。可変速伝達装置１１の内部構成要素は、図９には示されておらず、本明細書に開示の実施形態のいずれか１つに従って設計され得る。

ＯＲＣタービン２４３は、例えば有機ランキンサイクルの閉回路２４５に配置される。他の実施形態において、閉回路２４５はランキンサイクルであってよく、タービン２４３は蒸気タービンであってよい。

回路２４５を、当業者にとって公知の任意のやり方で設計することができる。要約すると、回路２４５は、凝縮器または冷却器２４７と、ポンプ２４９と、熱交換器２５１とを備えることができる。作動流体が閉回路を循環し、周期的な熱力学的変化を被り、熱交換器２５１からの熱をタービンまたはターボエキスパンダ２４３の出力シャフトにおいて利用することができる有用な機械的動力に変換する。

熱交換器２５１の高温側が、ガスタービンエンジン２５３のガス排出スタック、ガス往復動モータ、または任意の他の廃熱源、すなわち比較的低温の熱を利用することができる場所から、熱を受け取ることができる。ガスタービンエンジン２５３は、ガス発生機構の一部を形成することができ、発電機２５５を駆動するために使用することができる。他の実施形態においては、ガスタービンエンジン２５３を、例えば圧縮機または圧縮機列、ポンプ、あるいは回転負荷の任意の組み合わせを駆動するなど、機械的な駆動の用途に使用することができる。

廃熱が、熱交換器２５１において排出燃焼ガスから回収され、例えばシクロペンタンまたは任意の他の適切なＯＣＲ流体などの有機流体を気化させて加熱するために使用される。次いで、高温の加圧された流体は、ターボエキスパンダまたはタービン２４５において膨張し、凝縮器２４７において冷却され、おそらくは凝縮し、ポンプ２４９によって再び熱交換器２５１へと送られる。

ターボエキスパンダまたはタービン２４５における流体の膨張が、機械的な動力を発生させる。動力を、ターボエキスパンダまたはタービン２４５を可変速伝達装置１１に機械的に接続する駆動軸４７を介して、入力の機械的な動力として使用することができる。例えば可変速伝達装置１１が必要とする動力が皆無または少なく、あるいは熱交換器２５１から利用することができる廃熱が可変速伝達装置１１が必要とする動力の程度を超えるなどの理由で、余分な機械的な動力をターボエキスパンダまたはタービン２４５のシャフトにおいて利用できる場合、ターボエキスパンダまたはタービン２４５の出力シャフトにおいて利用することができる機械的な動力の少なくとも一部を、補助発電機２５７によって電力に変換することができる。

図９の構成は、最高温度サイクル（ガスタービンエンジン２５３）からの廃熱を利用して有用な電力および／または機械的な動力が生み出され、その少なくとも一部を可変速伝達装置１１のための補助入力として使用することができる複合サイクルの全体的なエネルギ効率の改善をもたらすことができる。可変速伝達装置１１の補助入力シャフトを駆動するための追加の高品質な電力は不要である。

本明細書に記載の主題について開示される実施形態を、いくつかの典型的な実施形態に関して、具体的かつ詳細に、図面に示し、充分に上述したが、本明細書において説明した新規な教示、原理、および考え方、ならびに添付の特許請求の範囲に記載される主題の利点から実質的に離れることなく、多数の変更、変化、および省略が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。

例えば、上述の実施形態において、速度加算ギア機構は、各々の遊星ギアがリングギアおよびサンギアの両方と噛み合う単純な遊星ギア列によって形成されている。他の実施形態においては、複雑な遊星ギア列を想定することができる。この種の遊星ギア列において、遊星ギアの各々は、リングギアのみまたはサンギアのみのいずれかと噛み合う。この場合、遊星キャリアは、遊星ギアのペアを支持する。

さらに、上記開示の実施形態において、リングギアは内歯ギアであり、すなわち歯が内側に配置された中空リングであるが、他の実施形態において、リングギアは、サンギアと全く同じやり方で外歯ギアであってよい。実際に、場合によっては、リングギアおよびサンギアが、どちらもサンギアと呼ばれる。

したがって、開示される技術革新の適切な範囲は、すべてのそのような変更、変化、および省略を含むように、添付の特許請求の範囲の最も広い解釈によってのみ定められるべきである。加えて、プロセスまたは方法のあらゆるステップの順序または並びは、代案の実施形態に従って変更または並べ替えが可能である。

１ システム
３ ドライバ
５ 回転負荷、圧縮機
５Ａ 回転機械、圧縮機
５Ｂ 回転機械、圧縮機
７ 出力シャフト
８ 出力シャフト
９ 配電網
１１ 可変速伝達装置
１２ コントローラ
１３ シャフト
１５ ギアボックス
２１ 速度加算ギア機構、遊星ギア列
２３ 第１の入力シャフト
２５ 第２の入力シャフト
２７ 出力シャフト
３１ リングギア
３３ 遊星キャリア
３５ 遊星ギア
３７ ピン
３９ サンギア
４１ ギア
４２ ギア
４３ 補助ドライバ、電気モータ
４５ ピニオン
４６ さらなるギア列
４７ 駆動軸
４８ さらなるギア列
４９ 可変周波数ドライバ（ＶＦＤ）
１４３ 補助ドライバ、ターボ機械、ターボエキスパンダ
１４５ 入口ダクト
１４７ 送出ダクト
１４９ 可変の入口ガイドベーン
１５１ ガス圧力弁
２４３ 補助ドライバ、ＯＲＣタービン、ターボ機械、ターボエキスパンダ
２４５ 閉回路、タービン、ターボエキスパンダ
２４７ 冷却器、凝縮器
２４９ ポンプ
２５１ 熱交換器
２５３ ガスタービンエンジン
２５５ 発電機
２５７ 補助発電機

Claims (15)

1. 実質的に一定の回転速度で回転するように構成された主ドライバ（３）と、
   前記主ドライバ（３）によって駆動されて回転するように構成された天然ガス液化冷媒用の圧縮機を含む回転負荷（５）と、
   負荷回転速度を制御可能に調整するコントローラ（１２）と、
   前記主ドライバ（３）と前記回転負荷（５）との間に配置され、第１の入力シャフト（２３）と、第２の入力シャフト（２５）と、出力シャフト（２７）とを有する速度加算ギア機構（２１）を備えた可変速伝達装置（１１）と、
   前記速度加算ギア機構（２１）の前記第２の入力シャフト（２５）に機械的に結合し、前記第２の入力シャフト（２５）を回転させるように構成された補助ドライバ（２４３；１４３）と
   を備えており、
   前記補助ドライバは、出力を生み出すターボ機械（１４３；２４３）を備え、
   前記速度加算ギア機構（２１）の前記第１の入力シャフト（２３）は、前記主ドライバ（３）に駆動可能に接続され、
   前記速度加算ギア機構（２１）の前記出力シャフト（２７）は、前記回転負荷（５）に駆動可能に接続され、
   前記出力シャフト（２７）の速度は、前記主ドライバ（３）の速度と前記補助ドライバ（２４３；１４３）の速度との組み合わせであり、
   前記出力を生み出すターボ機械は、ガスタービンまたはターボエキスパンダ（２４３；１４３）を備える、システム（１）。
2. 前記圧縮機からの圧縮されたガスが、前記ターボエキスパンダ（１４３）によって処理され、機械的な動力を生み出す、請求項１記載のシステム（１）。
3. 他のガスタービンエンジン（２５３）からの排熱との熱交換により、前記ターボエキスパンダ（１４３）を通過する有機流体が気化され、前記ターボエキスパンダ（１４３）に送られる、請求項１記載のシステム（１）。
4. 実質的に一定の回転速度で回転するように構成された主ドライバ（３）と、
   前記主ドライバ（３）によって駆動されて回転するように構成された回転負荷（５）と、
   負荷回転速度を制御可能に調整するコントローラ（１２）と、
   前記主ドライバ（３）と前記回転負荷（５）との間に配置され、第１の入力シャフト（２３）と、第２の入力シャフト（２５）と、出力シャフト（２７）とを有する速度加算ギア機構（２１）を備えた可変速伝達装置（１１）と、
   前記速度加算ギア機構（２１）の前記第２の入力シャフト（２５）に機械的に結合し、前記第２の入力シャフト（２５）を回転させるように構成された補助ドライバ（２４３；１４３）と
   を備えており、
   前記補助ドライバは、出力を生み出すターボ機械（１４３；２４３）を備え、
   前記速度加算ギア機構（２１）の前記第１の入力シャフト（２３）は、前記主ドライバ（３）に駆動可能に接続され、
   前記速度加算ギア機構（２１）の前記出力シャフト（２７）は、前記回転負荷（５）に駆動可能に接続され、
   前記出力シャフト（２７）の速度は、前記主ドライバ（３）の速度と前記補助ドライバ（２４３；１４３）の速度との組み合わせであり、
   前記出力を生み出すターボ機械（２４３；１４３）は、前記出力を生み出すターボ機械（１４３）を通るガス流量を調整するための少なくとも１つの調整装置（１４９；１５１）を前記コントローラ（１２）に機能的に接続して備える、システム（１）。
5. 前記調整装置は、ガス圧力弁（１５１）および可変の入口ガイドベーン（１４９）の少なくとも一方を備える、請求項４に記載のシステム（１）。
6. 前記速度加算ギア機構（２１）は、遊星ギア列を備える、請求項１から５のいずれか１項に記載のシステム（１）。
7. 前記遊星ギア列は、サンギア（３９）と、リングギア（３１）と、遊星キャリア（３３）上に支持された少なくとも１つの遊星ギア（３５）とを備える、請求項６に記載のシステム（１）。
8. 前記補助ドライバ（４３；１４３）は、前記リングギア（３１）および前記遊星キャリア（３３）の一方に駆動可能に接続される、請求項７に記載のシステム（１）。
9. 前記主ドライバ（３）は、前記リングギア（３１）および前記遊星キャリア（３３）の一方に駆動可能に接続される、請求項７または８に記載のシステム（１）。
10. 前記出力シャフト（２７）は、前記サンギア（３９）に駆動可能に接続される、請求項７乃至９のいずれか１項に記載のシステム（１）。
11. 前記出力を生み出すターボ機械（２４３；１４３）は、前記出力を生み出すターボ機械（１４３）を通るガス流量を調整するための少なくとも１つの調整装置（１４９；１５１）を前記コントローラ（１２）に機能的に接続して備える、請求項１又は２に記載のシステム（１）。
12. 前記調整装置は、ガス圧力弁（１５１）および可変の入口ガイドベーン（１４９）の少なくとも一方を備える、請求項１１に記載のシステム（１）。
13. 前記出力を生み出すターボ機械（２４３）は、閉じた熱力学回路（２４５）に配置されている、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のシステム（１）。
14. 可変速の回転負荷（５）を動作させるための方法であって、
    前記回転負荷（５）を、定速の主ドライバ（３）で、第１の入力シャフト（２３）と、第２の入力シャフト（２５）と、出力シャフト（２７）とを備えており、前記第１の入力シャフト（２３）が前記主ドライバ（３）に駆動可能に接続されている速度加算ギア機構（２１）を介して、駆動するステップと、
    補助ドライバ（４３；１４３）によって前記第２の入力シャフト（２５）へと補助動力を供給し、前記補助ドライバ（４３；１４３）の速度を調整することによって前記回転負荷（５）の回転速度を制御することで、前記回転負荷（５）の速度を変更するステップと
    を含んでおり、
    前記補助ドライバは、出力を生み出すターボエキスパンダ（２４３；１４３）を備え、
    前記回転負荷（５）は、圧縮機を備え、前記圧縮機からの圧縮されたガスが、前記ターボエキスパンダによって処理され、機械的な動力を生み出す、方法。
15. 天然ガス液化冷媒用の圧縮機を含む可変速の回転負荷（５）を動作させるための方法であって、
    前記回転負荷（５）を、定速の主ドライバ（３）で、第１の入力シャフト（２３）と、第２の入力シャフト（２５）と、出力シャフト（２７）とを備えており、前記第１の入力シャフト（２３）が前記主ドライバ（３）に駆動可能に接続されている速度加算ギア機構（２１）を介して、駆動するステップと、
    出力を生み出すターボ機械（２４３；１４３）を備える補助ドライバ（４３；１４３）によって前記第２の入力シャフト（２５）へと補助動力を供給し、前記補助ドライバ（４３；１４３）の速度を調整することによって前記回転負荷（５）の回転速度を制御することで、前記回転負荷（５）の速度を変更するステップと、
    作動流体を閉回路（２４５）において循環させるステップと、
    前記循環する作動流体に熱をもたらすステップと、
    前記循環する作動流体を、前記出力を生み出すターボ機械（２４３）における膨張を含む周期的な熱力学的変化に曝し、前記熱を機械的な動力へと部分的に変換するステップと、を含み、
    前記回転負荷（５）の速度を変更するステップが、前記機械的な動力の少なくとも一部を、前記補助動力として供給するステップを含む、方法。

Images