KR102377181B1 - 보조 구동기를 갖는 가변 속도 변속기 및 그를 사용하는 시스템 - Google Patents

보조 구동기를 갖는 가변 속도 변속기 및 그를 사용하는 시스템 Download PDF

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지안루카 보카다모
기울리아노 밀라니
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누보 피그노네 테크놀로지 에스알엘
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Abstract

시스템(1)은, 실질적으로 일정한 회전 속도로 회전하도록 구성되는 메인 구동기(3); 메인 구동기(3)에 의해 회전 구동되도록 구성되는 회전 부하(5); 부하 회전 속도를 제어 가능하게 조절하기 위한 컨트롤러(12); 메인 구동기(3)와 부하(5) 사이에 배열되며 그리고, 제1 입력 샤프트(23), 제2 입력 샤프트(25) 및 출력 샤프트(27)를 구비하는, 속도 합산 기어 장비(21)를 포함하게 되는, 가변 속도 변속기(11); 속도 합산 기어 장비(21)의 제2 입력 샤프트(25)에 기계적으로 연결되는 보조 구동기(43; 143)를 포함한다. 속도 합산 기어 장비(21)의 제1 입력 샤프트(23)는, 메인 구동기(3)에 작동적으로 연결된다. 속도 합산 기어 장비(21)의 출력 샤프트(27)는, 회전 부하(5)에 작동적으로 연결된다. 출력 샤프트(27)의 속도는, 메인 구동기(3)의 속도의 그리고 보조 구동기(43; 143)의 속도의 조합이다.

Description

보조 구동기를 갖는 가변 속도 변속기 및 그를 사용하는 시스템
본 개시의 대상은, 피구동 기계와 구동기를 포함하는 시스템에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 명세서에 개시되는 실시예들은, 일정-속도 구동기가, 예를 들어 압축기, 또는 압축기 집단(compressor train)과 같은, 가변-속도 회전 기계를 회전 구동하는, 시스템에 관한 것이다.
여러 산업 분야에서, 전기 모터와 같이 일정 회전 속도로 회전하는 구동기들을 사용하여, 회전 부하를 구동할 필요성이 존재한다. 일부 환경에서, 회전 부하는, 압축기와 같은 터보 기계이다. 대형의 액시얼 압축기 또는 원심 압축기는 일반적으로, 파이프라인을 따라 운반되도록 가스를 가압하기 위해, 파이프라인들에서 사용된다. 대형의 원심 압축기 또는 액시얼 압축기는 또한, 소위 LNG 적용 분야에서, 천연 가스의 액화를 위해, 사용된다. 압축기들은, 천연 가스를 냉각하기 위해 폐쇄 사이클 내에서 사용되는 냉매 유체를 처리하기 위해, 그러한 설비들에서 사용된다.
일부 적용에서, 회전 부하의 회전 속도는, 예를 들어 정격 회전 속도의 약 70% 내지 약 105% 사이에서 변화하도록 요구되며, 그리고 그 사이에서 조절될 수 있을 것이다. 전기 모터들은, 전력 분배망과 전기 모터 사이에 가변 주파수 구동기를 개재시킴에 의해 가변 속도로 회전될 수 있다. 가변 주파수 구동기들은, 이들이 전기 모터에 의해 요구되는 매우 높은 정격 전력을 변환해야만 하기 때문에, 복잡하고, 고가이며, 그리고 다루기 어려운 구성요소이다. 대형 압축기들을 구동하기 위한 전기 모터들의 일반적인 적용은, 1 내지 수십 MW의 전력을 요구할 수 있을 것이다.
그에 따라, 메인 구동기에 의해 구동되는 가변-속도 부하의 회전 속도를 조절하는 더욱 편리한 방식을 허용하는, 시스템들에 대한 필요성이, 존재한다.
제1 양태에 따르면, 이상에 언급된 종래기술의 결점들을 해소하기 위해, 실질적으로 일정한 회전 속도로 회전하도록 구성되는 메인 구동기 및 메인 구동기에 의해 회전 구동되도록 구성되는 회전 부하를 포함하는, 시스템이, 개시된다. 시스템은, 부하 회전 속도를 제어 가능하게 조절하기 위한 컨트롤러 및, 메인 구동기와 부하 사이에 배열되며 그리고, 제1 입력 샤프트, 제2 입력 샤프트 및 출력 샤프트를 구비하는, 속도 합산 기어 장비(speed summing gear arrangement)를 포함하게 되는, 가변 속도 변속기를 더 포함한다. 속도 합산 기어 장비의 제2 입력 샤프트에 기계적으로 연결되며 그리고 제2 입력 샤프트를 회전 구동하도록 구성되는, 보조 구동기가, 추가로 제공된다. 합산 기어 장비의 제1 입력 샤프트는, 메인 구동기에 작동적으로 연결되며; 그리고 속도 합산 기어 장비의 출력 샤프트는, 회전 부하에 작동적으로 연결된다. 출력 샤프트의 속도는, 메인 구동기의 그리고 보조 구동기의 속도의 조합이다. 보조 구동기가 작용하여, 메인 구동기와 부하 사이의 변속비가, 변화될 수 있다. 이러한 방식으로, 메인 구동기는, 일정한, 즉 고정된 회전 속도로 회전될 수 있는 가운데, 부하의 회전 속도는, 보조 구동기의 작동을 제어함에 의해 조절될 수 있다.
메인 구동기가 전기 모터인 경우, 메인 구동기를 위한 가변 주파수 구동기가, 생략될 수 있다.
보조 구동기는, 터보 기계, 예를 들어, 터보 팽창기, 또는 스팀 또는 증기 터빈일 수 있다. 일부 실시예에서, 회전 부하는, 가스 압축기일 수 있으며 그리고, 터보 팽창기는, 가스 압축기에 의해 처리된 가스에 의해 동력을 공급받을 수 있다.
또 다른 실시예에서, 보조 구동기는, 폐쇄된 열역학적 사이클의, 예를 들어 ORC(Organic Rankine Cycle: 유기 랭킨 사이클)의 일부분 형성하는, 터보 기계일 수 있다. 그러한 실시예에서, 예를 들어 가스 터빈 기관 또는 다른 저온 열원으로부터의, 폐열은, 보조 구동기를 구동하기 위해 유용하게 활용될 수 있다.
보조 구동기는, 속도 합산 기어 장비의 제2 입력 샤프트에, 직접적으로 또는 간접적으로, 예를 들어 통상적인 기어 집단을 형성하는 하나 이상의 기어의 개재를 동반하여, 기계적으로 연결될 수 있다.
제1 입력 샤프트는, 메인 구동기에, 직접적으로 또는 간접적으로, 예를 들어 기어박스를 통해, 구동적으로 연결될 수 있다. 유사하게, 속도 합산 기어 장비의 출력 샤프트는, 부하에, 직접적으로 또는 간접적으로, 즉 예를 들어 기어박스 또는 다른 부가적 속도 조절 장치의 개재를 동반하여, 기계적으로 연결될 수 있다.
일부 실시예에서, 부하는, 터보 기계, 예를 들어, 원심 압축기, 액시얼 압축기 또는 혼합된 액시얼-레이디얼 압축기, 또는 이와 유사한 것과 같은, 압축기일 수 있다. 다른 가능한 회전 부하들이, 왕복동식 압축기들을 포함할 수 있으며, 메인 구동기는, 왕복동식 압축기의 크랭크샤프트를 회전시킨다.
본 명세서에 개시되는 장비가, 메인 구동기가 전기 모터인 시스템들에서, 특히 유용하고 유리함에도 불구하고, 가스 터빈들 또는 스팀 터빈과 같은, 다른 메인 구동기들이, 대신 사용될 수 있다. 본 명세서에 개시되는 바와 같은 시스템은, 메인 구동기가 고정된 또는 일정한 속도의 메인 기계인, 모든 상황에서 적당하다. 시스템은, (가변 주파수 구동기 또는 다른 주파수 변환 장치가 결여된 전기 모터들과 같은) 일정한 속도에서 회전하도록 제한되는 구동기들 뿐만 아니라, 예를 들어 자체의 효율을 극대화하기 위해, 일정한 속도로 작동되는 것이 바람직한 구동기들을 또한 포함하여, 메인 구동기가, 실질적으로 일정한 회전 속도로 회전하도록 구성될 때에는 언제나, 유용하다.
특히 유리한 실시예에서, 속도 합산 기어 장비는, 유성 기어 집단(epicyclic gear train)을 포함한다. 본 명세서에서 가장 넓은 의미로 이해되는 바와 같이, 유성 기어 집단은, 적어도 2개의 상호 맞물리는 기어의 배열체이고, 상기 기어들 중의 적어도 하나는, 상기 적어도 2개의 상호 맞물리는 기어 중의 다른 기어의 회전축을 중심으로 회전하는, 회전 부재 상에 공회전하도록 지지된다.
본 명세서에 개시되는 구성들에서, 유성 기어 집단은, 적어도 2 자유도 및 적어도 3개의 맞물리는 기어를 구비하고, 적어도 3개의 맞물리는 기어 중 적어도 하나(유성 기어)는, 집단을 형성하는 맞물리는 기어들 중의 다른 하나의 고정형 회전축을 중심으로 회전하는 부재(유성 캐리어) 상에서, 공회전하도록 지지된다.
다른 양태에 따르면, 뒤따르는 단계들을 포함하는, 가변-속도 회전 부하를 작동시키는 방법이, 본 명세서에 개시된다:
제1 입력 샤프트, 제2 입력 샤프트 및 출력 샤프트를 포함하게 되는 속도 합산 기어 장비를 통해, 일정-속도 메인 구동기로 회전 부하를 구동하는 단계로서, 상기 제1 입력 샤프트는, 상기 메인 구동기에 작동적으로 연결되는 것인, 회전 부하를 구동하는 단계;
보조 구동기를 통해 상기 제2 입력 샤프트에 보조 동력을 공급함에 의해, 상기 회전 부하의 속도를 변화시키는 단계; 및 상기 보조 구동기의 속도를 조절함에 의해, 상기 부하의 회전 속도를 제어하는 단계.
특징부들 및 실시예들이, 이하에 개시되며 그리고, 본 설명의 일체형 부분을 형성하는, 첨부되는 청구항들에 추가로 기술된다. 이상의 간단한 설명은, 뒤따르는 상세한 설명이 더욱 양호하게 이해될 수 있도록 그리고 당해 기술분야에 대한 본 발명의 기여가 더욱 잘 인식될 수 있도록, 본 발명의 다양한 실시예들의 특징적 구성들을 기술한다. 물론, 이하에 설명될 그리고 첨부되는 청구항들에 기술될, 본 발명의 다른 특징적 구성들이 존재한다. 이러한 관점에서, 본 발명의 여러 실시예들을 상세하게 설명하기 이전에, 본 발명의 다양한 실시예들은, 뒤따르는 설명에 기술되거나 뒤따르는 도면에 도시되는, 구성에 대한 세부 사항 및 구성요소들의 배열로 그 자체의 적용이 제한되지 않는다는 것이 이해된다. 본 발명은, 다른 실시예들을 가능하게 하며 그리고 다양한 방식으로 실행 및 수행될 수 있다. 또한, 여기에서 사용되는 어법 및 전문용어는 설명의 목적을 위한 것이며 그리고 제한하는 것으로서 간주되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다.
그에 따라, 당업자는, 본 개시가 기초하게 되는 개념이, 본 발명의 여러 목적을 수행하기 위한, 다른 구조물들, 방법들, 및 시스템들을 설계하기 위한 기초로서 쉽게 활용될 수 있다는 것을, 인식할 것이다. 따라서, 청구항들이, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 한, 그러한 균등 구성들을 포함하는 것으로 간주된다는 것이, 중요하다.
본 발명의 개시된 실시예들에 대한 더욱 완전한 인식 및 본 발명의 부수적 이점들 중 많은 부분이, 첨부되는 도면과 관련하여 고려될 때 뒤따르는 상세한 설명을 참조함에 의해 더욱 양호하게 이해됨에 따라, 쉽게 획득될 것이다:
도 1은 본 개시에 따른 시스템의 제1 실시예를 개략적으로 도시하고;
도 2는 본 개시에 따른 시스템의 제2 실시예를 개략적으로 도시하며;
도 3 및 도 4는, 도 1 및 도 2의 시스템들의 가변 속도 변속기들의 단면도들을 도시하고;
도 5는 본 개시에 따른 시스템의 다른 실시예를 개략적으로 도시하며;
도 6 및 도 7은, 도 5의 시스템의 가변 속도 변속기의 단면도들을 도시하고;
도 8은 도 7의 VIII-VIII 선을 따르는 단면도를 도시하며;
도 9는, 본 개시에 따른 가변 속도 변속기에 연결되는 팽창기를 포함하는, 조합된 가스 터빈/ORC 사이클의 개략도를 도시한다.
예시적인 실시예들에 대한 뒤따르는 상세한 설명은, 첨부 도면들을 참조한다. 상이한 도면들에서, 동일한 참조 부호들이 동일한 또는 유사한 요소들을 식별한다. 부가적으로, 도면들은 반드시 실척으로 작도되는 것은 아니다. 또한, 뒤따르는 상세한 설명은, 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부 특허청구범위에 의해 한정된다.
"일 실시예" 또는 "실시예" 또는 "일부 실시예"에 대한 명세서 전체에 걸친 참조는, 실시예와 연관되어 설명되는 특정 특징적 구성, 구조, 또는 특성이, 개시된 대상의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 명세서 전체에 걸친 여러 개소들에서의 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서" 또는 "일부 실시예에서"와 같은 문구의 출현은, 반드시 동일한 실시예(들)를 참조하는 것은 아니다. 나아가, 특정 특정적 구성들, 구조들 또는 특성들이, 하나 이상의 실시예에서 임의의 적당한 방식으로 조합될 수 있을 것이다.
지금부터 도 1을 참조하면, 일 실시예에서, 시스템(1)이, 메인 구동기(3) 및 회전 부하(5)를 포함한다. 도 1의 예시적인 실시예에서, 회전 부하(5)는, 2개의 회전 기계(5A, 5B)를 포함한다. 하나 또는 양자 모두의 회전 기계(5A, 5B)는, 압축기를, 예를 들어, 원심 압축기 또는 액시얼 압축기, 또는 왕복동식 압축기, 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 뒤따르는 설명에서, 양자 모두의 회전 기계(5A, 5B)가 압축기들인 예가, 상정될 것이다. 도 1의 개략도에 따르면, 2개의 압축기(5A, 5B)는, 단일 샤프트(7)에 기계적으로 연결되며 그리고 그에 따라 동일한 속도로 회전한다. 도시되지 않은 다른 실시예에서, 기어박스가, 예를 들어, 2개의 압축기(5A, 5B) 사이에, 2개의 압축기가 상이한 회전 속도로 회전할 수 있도록, 배열된다.
도 1의 실시예에서, 메인 구동기(3)는, 전력 분배망(9)에 의해 전력을 공급받게 되는, 전기 모터를 포함할 수 있다. 메인 구동기(3)는, 가변 주파수 구동기가 생략될 수 있도록, 고정된, 즉 일정 회전 속도로 회전할 수 있을 것이다.
부하(5)의 회전 속도를 수정하기 위해, 가변 속도 변속기(11)가, 메인 구동기(3)와 부하(5) 사이의 축선을 따라 배열된다. 가변 속도 변속기(11)는, 부하(5)와, 또는 부하(5)가 그의 부분을 형성하는 것인 프로세스와, 추가로 접속되는, 컨트롤러(12)에 기능적으로 연결될 수 있다. 컨트롤러(12)는, 가변 속도 변속기(11)의 출력부를 부하(5)에 작동적으로 연결하는 샤프트(7)의 회전 속도를, 메인 구동기(3)를 가변 속도 변속기(11)의 입력부에 작동적으로 연결하는 샤프트(13)의 고정된 회전 속도에 대해, 수정하도록 구성될 수 있다.
도 2는 본 개시에 따른 시스템의 다른 실시예를 도시한다. 동일한 참조 부호들이, 도 1에 도시되며 그리고 다시 설명되지 않을, 동일한 구성요소들, 요소들 또는 부분들을 지시한다. 도 1의 시스템과 도 2의 시스템 사이의 주된 차이점은, 가변 속도 변속기(11)의 출력 샤프트(8)와, 부하(5)에 운동을 전달하는, 샤프트(7) 사이에 배열되는, 기어박스(15)이다. 기어박스(15)는, 메인 구동기(3)의 출력 샤프트의 회전 속도와 부하(5)의 회전 속도 사이의 요구되는 속도비가 단지 가변 속도 변속기(11)만에 의해 달성될 수 없는 경우에, 사용될 수 있다.
도 1 및 도 2를 계속 참조함과 더불어, 지금부터 도 3을 참조하여, 가변 속도 변속기(11)의 가능한 실시예가, 설명될 것이다. 가변 속도 변속기(11)는, 제1 입력 샤프트(23), 제2 입력 샤프트(25) 및 출력 샤프트(27)를 포함하는, 속도 합산 기어 장비(21)를 포함한다. 출력 샤프트(27)는, 샤프트(7)에 기계적으로 연결되거나, 또는 그 샤프트의 일부를 형성할 수 있을 것이다. 입력 샤프트(23)는, 샤프트(13)에 기계적으로 연결되거나, 또는 그 샤프트의 일부를 형성할 수 있을 것이다.
도 3의 실시예에서, 속도 합산 기어 장비(21)는, 유성 기어 집단이다. 유성 기어 집단(21)은, 링 기어(31) 및, 복수의 유성 기어(35)를 지지하는, 유성 캐리어(33)를 포함한다. 각각의 유성 기어(35)는, 유성 캐리어(33)에 구속되며 그리고 유성 캐리어와 함께 회전하는, 핀(37) 상에 공회전하도록 장착된다. 유성 기어 집단(21)은, 출력 샤프트(27) 상에 키에 의해 결합되며 그리고 출력 샤프트와 함께 회전하는, 태양 기어(39)를 더 포함한다.
도 3의 실시예에서, 링 기어(31)는 내접 기어이며, 그리고 유성 기어들(35)은, 내접 링 기어(31)와 맞물린 상태에 놓인다. 유성 기어들(35)은 추가로, 태양 기어(39)와 맞물린 상태에 놓인다. 유성 캐리어(33)는, 제1 입력 샤프트(23) 상에 키에 의해 결합되며 그리고, 링 기어(31), 태양 기어(39) 및 유성 캐리어(33)가 동축 상에 놓이도록, 제1 입력 샤프트와 함께 링 기어(31) 및 태양 기어(39)의 축을 중심으로 회전한다.
링 기어(31)는, 보조 구동기(43)로부터의 운동을 수용하는, 기어(41)와 일체형으로 회전한다. 도 3의 실시예에서, 보조 구동기(43)는, 보조 구동기(43)의 구동 샤프트(47) 상에 키에 의해 결합되는 피니언(45)을 통해, 기어(41)에 기계적으로 연결된다. 그에 따라, 유성 기어 집단(21)은, 2 자유도를 가지며, 그리고 메인 구동기(3) 및 보조 구동기(43)로부터 입력 동력을 수용한다.
도 3의 실시예에서, 보조 구동기(43)는 전기 모터이다. 전기 모터(43)는, 전력 분배망(9)에 의해 전력을 공급 받는다. 전기 모터(43)가 가변 속도로 회전하도록 하기 위해, 가변 주파수 구동기(VFD)(49)가, 전력 분배망(9)과 전기 모터(43) 사이에 배열된다.
공지된 바와 같이, 유성 기어 집단의 제1 기어와 최종 기어 사이의 속도비(τ0)는, 아래와 같은 윌리스 공식(Willis formula)에 의해 주어진다:
τ0 = (Ωn-Ωp)/(Ω1-Ωp)
여기서:
Ωn은 유성 기어 집단의 마지막 기어의 회전 속도,
Ωp는 유성 캐리어의 회전 속도,
Ω1은 유성 기어 집단의 제1 기어의 회전 속도.
윌리스 공식에 의해 나타나는 바와 같이, 제1 입력 샤프트(23)와 출력 샤프트(27) 사이의 변속비는, 링 기어(31)의 회전 속도를 조절함에 의해, 조절될 수 있다. 링 기어(31)의 회전 속도는, 보조 구동기의, 즉 전기 모터(43)의 회전 속도를 제어함에 의해 제어될 수 있으며, 이는 가변 주파수 구동기(49)에 의해 달성된다.
부하(5)의 정격 속도에 대한 속도 변동의 범위는, 통상적으로 작다. 유성 기어 집단(21)은, 예를 들어 최대 속도(예를 들어, 부하(5)의 정격 속도의 105%)일 수 있는, 주어진 사전 설정 회전 속도로 부하(5)를 구동하기에 적당한, 속도 변속비를 제공하도록 설계될 수 있다. 상이한 속도가 요구되는 경우, 예를 들어 부하가 자체의 정격 속도의 100%에서 또는 100% 미만에서, 구동되어야 하는 경우, 보조 구동기(43)는, 윌리스 공식에 기초하여, 출력 샤프트(27)가 부하(5)의 요구되는 회전 속도로 회전하도록 하는, 속도로 링 기어(31)를 회전시키기 위해 운동한다. 보조 구동기(43)는, 양 방향(시계 방향 및 반시계 방향)으로 회전하도록 제어될 수 있으며, 그리고 더불어 전기 에너지가, 보조 구동기(43)가 링 기어(31)를 제동할 때, 보조 구동기(43)를 통해 회수될 수 있다.
부하(5)의 회전 속도의 변동 범위가 비교적 작기 때문에, 링 기어(31)의 회전 속도 및 그에 따른 보조 구동기(43)로부터 요구되는 총 출력은, 메인 구동기(3)에 의해 제공되는 구동 출력과 비교하면, 작다. 예를 들어, 장비는, 보조 구동기(43)로부터 요구되는 출력이, 부하(5)가 정격 속도의 약 105%에서 작동할 때, 총 입력 출력의 약 15%이도록, 설정될 수 있다.
요구되는 회전 속도로 보조 구동기(43)를 회전시키기 위해 요구되는 가변 주파수 구동기(49)는 그에 따라, 회전 속도 수정이 메인 구동기(3)의 속도를 변경함에 의해 제어될 때 요구되는 가변 주파수 구동기와 비교하면, 상당히 낮은 정격 출력을 가질 수 있다. 가변 주파수 구동기(49)는 그에 따라, 메인 구동기(3)를 가변 속도로 구동하기에 적당한 가변 주파수 구동기보다, 상당히 더 작으며 그리고 더욱 경제적이다. 부가적으로, 가변 주파수 구동기의 효율이 100% 미만이기 때문에, 부하(5)를 구동하기 위해 요구되는 총 출력의 단지 일부를 처리하는 가변 주파수 구동기(49)는 또한, 전력의 전부가 메인 구동기(3)에 연결되는 가변 주파수 구동기에 의해 변환되는 현재 기술의 장비에 비해, 총 전력 변환 손실을 감소시킨다.
도 2의 속도 합산 기어 장비(21)는, 태양 기어가 출력 샤프트(27) 상에 키에 의해 결합되며, 즉 속도 합산 기어 장비의 출력부가 태양 기어인 가운데, 제1 입력 샤프트는, 유성 캐리어(33)에 작동적으로 연결되는 샤프트(23)이며, 그리고 제2 입력 샤프트는, 링 기어(31)에 작동적으로 연결되는 샤프트(25)이도록, 구성된다. 이는, 속도 합산 기어 장비에 대한 유일한 가능한 구성은 아니다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 유성 기어 집단들은, 여러 상이한 방식으로 구성될 수 있으며, 그리고 그의 다양한 회전 부재들은, 입력 부재 또는 출력 부재로서, 상이한 방식으로 사용될 수 있다.
도 4는, 상이한 속도 합산 기어 장비(21)를 사용하는, 가변 속도 변속기(11)의 다른 실시예를 도시한다. 동일한 참조 부호들이, 도 3에 도시된 바와 같은, 동일한 또는 균등한 구성요소들을 지시한다.
속도 합산 기어 장비(21)는 다시, 유성 기어 집단이며 그리고, 제1 입력 샤프트(23), 제2 입력 샤프트(25) 및 출력 샤프트(27)를 포함한다. 출력 샤프트(27)는, 샤프트(7)에 기계적으로 연결되거나, 또는 샤프트의 일부를 형성할 수 있을 것이다. 입력 샤프트(23)는, 샤프트(13)에 기계적으로 연결되거나, 또는 그 샤프트의 일부를 형성할 수 있을 것이다.
도 4의 유성 기어 집단(21)은 다시, 링 기어(31) 및, 복수의 유성 기어(35)를 지지하는, 유성 캐리어(33)를 포함한다. 각각의 유성 기어(35)는, 유성 캐리어(33)에 구속되며 그리고 유성 캐리어와 함께 회전하는, 개별적인 핀(37) 상에 공회전하도록 장착된다. 유성 기어 집단(21)은, 출력 샤프트(27) 상에 키에 의해 결합되며 그리고 출력 샤프트와 함께 회전하는, 태양 기어(39)를 더 포함한다. 도 4의 실시예에서, 링 기어(31)는 다시 내접 기어이며, 그리고 유성 기어들(35)은, 내접 링 기어(31)와 맞물린 상태에 놓인다. 유성 기어들(35)은 추가로, 태양 기어(39)와 맞물린 상태에 놓인다. 도 3의 실시예와 상이하게, 도 4에서, 링 기어(31)는, 제1 입력 샤프트(23) 상에 키에 의해 결합되며 그리고 제1 입력 샤프트와 함께 회전한다.
유성 캐리어(33)는, 보조 구동기(43)로부터의 운동을 수용하는, 기어(42)를 갖도록 제공된다. 도 4의 실시예에서, 보조 구동기(43)는, 보조 구동기(43)의 구동 샤프트(47) 상에 키에 의해 결합되는 피니언(45)을 통해, 기어(42)에 기계적으로 연결된다.
도 3과 유사하게, 도 4에서 또한, 보조 구동기(43)는, 전력 분배망(9)에 의해 전력을 공급받게 되는, 전기 모터이다. 보조 구동기(43)의 회전 속도 변동은 다시, 전력 분배망(9)과 전기 모터(43) 사이에 배열되는, 가변 주파수 구동기(VFD)(49)를 통해 획득된다.
도 4의 실시예에서, 메인 구동기(3)는 그에 따라, 그의 변속비가, 도 3의 실시예에 도시된 바와 같이 링 기어(31) 상이 아니라, 유성 캐리어(33) 상에 작용함에 의해 조절되는 것인, 가변 속도 변속기(11)를 통해 부하(5)로 메인 출력을 전달한다.
양자 모두의 실시예에서, 부하(5)의 회전 속도는, 보조 구동기(43) 상에 작용함에 의해 부하(5)의 회전 속도를 수정하도록 가변 속도 변속기(11)에 신호를 제공하는, 컨트롤러(12)에 의해 제어된다.
도 5는 본 개시에 따른 시스템의 다른 실시예의 개략도를 도시한다. 시스템은 다시, 전체적으로 참조 부호 '1'로 지시되며, 그리고 메인 구동기(3) 및 부하(5)를 포함한다. 메인 구동기(3)는, 전기 모터와 같은, 고정-속도 구동기일 수 있다. 부하는 여기에서, 단일 압축기(5)로서, 예를 들어 원심 압축기, 액시얼 압축기, 또는 왕복동식 압축기로서, 도시된다. 가변 속도 변속기(11)가, 구동기와 부하(5) 사이에 배열되며, 그리고 샤프트(13)를 통해 메인 구동기(3)에 그리고 샤프트(7)를 통해 부하(5)에 작동적으로 연결된다. 가변 속도 변속기(11)를 통해 부하(5)의 회전 속도를 제어하도록 구성되는, 컨트롤러(12)가, 제공된다.
도 5를 계속 참조함과 더불어, 지금부터 도 6을 참조하여, 도 5의 시스템을 위한 가변 속도 변속기(11)의 가능한 실시예가, 설명된다. 가변 속도 변속기(11)는, 제1 입력 샤프트(23), 제2 입력 샤프트(25) 및 출력 샤프트(27)를 포함하는, 속도 합산 기어 장비(21)를 포함한다. 출력 샤프트(27)는, 샤프트(7)에 기계적으로 연결되거나, 또는 샤프트의 일부를 형성할 수 있을 것이다. 입력 샤프트(23)는, 샤프트(13)에 기계적으로 연결되거나, 또는 그 샤프트의 일부를 형성할 수 있을 것이다.
도 6의 실시예에서, 속도 합산 기어 장비(21)는, 도 3과 실질적으로 동일한 방식으로 구성되는 유성 기어 집단이다. 유성 기어 집단(21)은, 링 기어(31) 및, 복수의 유성 기어(35)를 지지하는, 유성 캐리어(33)를 포함한다. 각각의 유성 기어(35)는, 유성 캐리어(33)에 구속되며 그리고 유성 캐리어와 함께 회전하는, 핀(37) 상에 공회전하도록 장착된다. 유성 기어 집단(21)은, 출력 샤프트(27) 상에 키에 의해 결합되며 그리고 출력 샤프트와 함께 회전하는, 태양 기어(39)를 더 포함한다. 도 6의 실시예에서, 링 기어(31)는 내접 기어이며, 유성 기어들(35)은, 내접 링 기어(31)와 그리고 태양 기어(39)와 맞물린다. 유성 캐리어(33)는, 제1 입력 샤프트(23) 상에 키에 의해 결합되며 그리고 제1 입력 샤프트와 함께 회전한다.
링 기어(31)는, 보조 구동기(143)로부터의 운동을 수용하는, 기어(41)와 일체형으로 회전한다. 도 6의 실시예에서, 보조 구동기(143)는, 보조 구동기(43)의 구동 샤프트(47) 상에 키에 의해 결합되는 피니언(45)을 통해, 기어(41)에 기계적으로 연결된다.
도 6의 실시예에서, 보조 구동기(143)는, 터보 팽창기, 예를 들어, 가변 유입 가이드 베인들(149)을 갖도록 제공될 수 있는, 구심 터보 팽창기이다. 터보 팽창기(143)는, 예를 들어 유입 덕트(145)(도 5)를 통해 운반되는, 압축된 작동 가스에 의해 동력을 공급받을 수 있다. 압축된 작동 가스는, 터보 팽창기(143) 내에서 팽창되며, 그리고 운반 덕트(147)(도 5)를 통해 방출된다. 터보 팽창기(143)를 가로지르는 작동 가스의 엔탈피 강하는, 링 기어(31)를 구동하기 위한 기계적 동력으로 변환된다. 터보 팽창기(143)에 의해 생성되는 기계적 동력의 양 및 그에 따른 링 기어(31)의 회전 속도, 그리고 궁극적으로 가변 속도 변속기(11)의 변속비는, 가변 유입 가이드 베인들(149) 통해 및/또는 가스 압력 밸브(151)를 통해 조절될 수 있다. 컨트롤러(12)는, 가변 속도 변속기(11)의 변속비를 조절하기 위해 상기 구성요소들에 기능적으로 연결될 수 있으며 그리고, 가변 유입 가이드 베인들(149) 및 가스 압력 밸브(151) 양자 모두에, 또는 상기 구성요소들 중 단지 하나에, 작용하여, 출력 샤프트(27)의 회전 속도를 요구되는 부하(5)의 회전 속도로 맞출 수 있다.
일부 실시예에서, 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, 터보 팽창기(143)를 통해 팽창되는 가스는, 압축기(5)에 의해 제공되며, 즉 압축기(5)를 통해 처리되는 가스의 일부가, 터보 팽창기(143)를 통해 기계적 동력을 제공하기 위해 사용된다. 터보 팽창기는, 요구되는 경우, 시스템의 시동 시에 자체의 샤프트를 잠금 고정하기 위한 제동기를 갖도록 제공될 수 있다. 이는, 특히, 터보 팽창기(143)를 통해 팽창되는 가스가 압축기(5)를 통해 처리되는 동일한 가스일 때의, 경우일 수 있다.
다른 실시예에서, 가압 유체의 상이한 공급원이, 터보 팽창기에 동력을 공급하기 위해 제공될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 다른 터보 기계가, 예를 들어, 가압 액체가 동력 공급원으로서 이용 가능할 때, 펌프가, 사용될 수 있다.
도 5 및 도 6을 계속 참조함과 더불어, 도 7을 참조하면, 가변 속도 변속기(11)의 다른 실시예가, 도시된다. 도 6 및 도 7의 실시예들 사이의 차이점은 주로, 유성 기어 집단(21) 내에서의 기어들의 상이한 배열과 관련된다. 도 7의 유성 기어 집단(21)은 다시, 링 기어(31) 및, 복수의 유성 기어(35)를 지지하는, 유성 캐리어(33)를 포함한다. 각각의 유성 기어(35)는, 유성 캐리어(33)에 구속되며 그리고 유성 캐리어와 함께 회전하는, 개별적인 핀(37) 상에 공회전하도록 장착된다. 유성 기어 집단(21)은, 출력 샤프트(27) 상에 키에 의해 결합되며 그리고 출력 샤프트와 함께 회전하는, 태양 기어(39)를 더 포함한다. 도 7의 실시예에서, 링 기어는 다시 내접 기어이며, 그리고 유성 기어들(35)은, 내접 링 기어(31)와 맞물린 상태에 놓인다. 유성 기어들(35)은 추가로, 태양 기어(39)와 맞물린 상태에 놓인다. 도 6의 실시예와 상이하게, 도 7에서, 링 기어(31)는, 제1 입력 샤프트(23) 상에 키에 의해 결합되며 그리고 제1 입력 샤프트와 함께 회전한다.
유성 캐리어(33)는, 함께 일체형으로 회전하는, 기어(42)를 갖도록 제공된다. 기어(42)는, 보조 구동기(143)로부터의 운동을 수용한다. 도 7의 실시예에서, 보조 구동기(143)는, 보조 구동기(143)의 구동 샤프트(47) 상에 키에 의해 결합되는 피니언(45)을 통해, 기어(42)에 기계적으로 연결된다. 예로서, 추가적인 기어 집단(46, 48)이, 피니언(45)과 기어(42) 사이에 배열된다.
도 8은, 도 7의 유성 기어 집단(21)의 주된 구성요소들을 도시하는, VIII-VIII 선을 따르는 단면도를 도시한다.
도 7의 가변 속도 변속기(11)의 작동은, 도 6과 관련하여 이상에 설명된 것과 실질적으로 동일하다.
도 9는 본 개시에 따른 또 다른 실시예를 도시한다. 동일한 참조 부호들이, 앞선 도면들에 관련하여 이미 개시된 바와 같은, 동일한 또는 상응하는 요소들을 지시한다. 도 9의 실시예에서, 가변 속도 변속기(11)는, 터보 기계(243)의, 예를 들어 ORC(유기 랭킨 사이클)의, 형태의 보조 구동기에, 연결된다. 참조 부호 '23' 및 '27'은 다시, 가변 속도 변속기(11)의 입력 샤프트 및 출력 샤프트를 지시한다. 가변 속도 변속기(11)의 내부 구성요소들은, 도 9에 도시되지 않으며, 그리고 본 명세서에 개시되는 실시예들 중의 어느 하나에 따라 설계될 수 있다.
ORC 터빈(243)은, 예를 들어 유기 랭킨 사이클의 폐쇄 회로(245) 내에 배열된다. 다른 실시예에서, 폐쇄 회로(245)는 랭킨 사이클일 수 있으며, 그리고 터빈(243)은 스팀 터빈일 수 있다.
회로(245)는, 종래기술에 공지된 임의의 방식으로 설계될 수 있다. 요컨대, 회로(245)는, 응축기 또는 냉각기(247), 펌프(249), 및 열교환기(251)를 포함할 수 있다. 작동 유체가, 폐쇄 회로 내에서 순환하며, 그리고 열교환기(251)로부터의 열을, 터빈 또는 터보 팽창기(243)의 출력 샤프트 상에서 이용 가능한 유용한 기계적 동력으로 변환하기 위한, 순환적인 열역학적 변환에 종속된다.
열교환기(251)의 고온 측은, 즉 비교적 낮은 온도의 열이 그로부터 이용 가능한, 가스 터빈 기관(253)의 가스 배기구로부터, 가스 왕복형 모터로부터, 또는 임의의 다른 폐열 공급원으로부터, 열을 수용할 수 있다. 가스 터빈 기관(253)은, 가스 발생기 장비의 일부를 형성할 수 있으며, 그리고 발전기(255)를 구동하기 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 가스 터빈 기관(253)은, 기계적 구동 적용을 위해, 예를 들어, 압축기 또는 압축기 집단, 펌프, 또는 회전 부하들의 임의의 조합을 구동하기 위해, 사용될 수 있다.
폐열은, 열교환기(251) 내에서 배기 연소 가스로부터 수용되며, 그리고 유기 유체, 예를 들어 시클로펜탄 또는 임의의 다른 적당한 ORC 유체를 기화 및 가열하기 위해 사용된다. 고온의 그리고 가압된 유체는, 이어서, 터보 팽창기 또는 터빈(243) 내에서 팽창되고, 응축기(247) 내에서 냉각 및 가능하게는 응축되며, 그리고 다시 열교환기(251)로 펌프(249)에 의해 펌핑된다.
터보 팽창기 또는 터빈(243) 내에서의 유체의 팽창은, 기계적 동력을 생성한다. 동력은, 터보 팽창기 또는 터빈(243)을 가변 속도 변속기(11)에 기계적으로 연결하는, 구동 샤프트(47)를 통해 입력 기계적 동력으로 사용될 수 있다. 예를 들어 가변 속도 변속기(11)에 의해 요구되는 동력이 없거나 또는 작기 때문에, 또는 열교환기(251)로부터 이용 가능한 폐열이 가변 속도 변속기(11)에 의해 요구되는 정격 동력을 초과하기 때문에, 부가적인 기계적 동력이 터보 팽창기 또는 터빈(243)의 샤프트 상에서 이용 가능한 경우, 터보 팽창기 또는 터빈(243)의 출력 샤프트 상에서 이용 가능한 기계적 동력의 적어도 일부는, 보조 발전기(257)에 의해 전력으로 변환될 수 있다.
도 9의 장비는, 고온 사이클(가스 터빈 기관(253))로부터의 폐열이 유용한 전기적 및/또는 기계적 동력을 생성하기 위해 활용되고, 폐열의 적어도 일부가 가변 속도 변속기(11)를 위한 보조적 입력 동력으로서 사용될 수 있는, 조합된 사이클의 개선된 전체적 에너지 효율을 야기할 수 있다. 가변 속도 변속기(11)의 보조 입력 샤프트를 구동하기 위한, 부가적인, 고품질 전력이, 요구되지 않는다.
여기에서 설명되는 대상의 개시된 실시예들이 도면에 도시되며 그리고 여러 예시적인 실시예들에 관해 구체적으로 그리고 상세하게 이상에서 완전히 설명되었지만, 많은 수정, 변경 및 생략이, 여기에 기술되는 신규의 교시, 원리 및 개념, 그리고 첨부 청구항들에 인용되는 대상의 이점들로부터 벗어남 없이, 가능하다는 것이, 당업자에게 명백하게 될 것이다.
예를 들어, 이상에 설명된 실시예들에서, 속도 합산 기어 장비는, 각 유성 기어가 링 기어 및 태양 기어 양자 모두와 맞물린 상태에 놓이는, 단순한 유성 기어 집단에 의해 형성된다. 다른 실시예에서, 복잡한 유성 기어 집단이, 예상될 수 있다. 이러한 종류의 유성 기어 집단들에서, 유성 기어들은 각각, 단지 링 기어와 또는 단지 태양 기어와 맞물린 상태에 놓인다. 유성 캐리어는 이러한 경우에, 유성 기어들의 쌍들을 지지한다.
부가적으로, 개시된 실시예들에서, 링 기어는, 내접 기어, 즉 내부에 배열되는 톱니들을 갖는 중공 링이지만, 다른 실시예에서, 링 기어는, 태양 기어와 매우 동일한 방식의, 외접 기어일 수 있다. 실제로, 일부의 경우에, 링 기어 및 태양 기어는, 총체적으로 태양 기어로 명명된다.
따라서, 개시된 혁신의 적절한 범위는, 모든 그러한 수정, 변경 및 생략을 포괄하도록, 첨부 청구항들의 가장 넓은 해석에 의해서만 결정되어야 한다. 부가적으로, 임의의 프로세스 또는 방법 단계들의 순서 또는 순차는, 대안적인 실시예들에 따라 변화되거나 또는 순서 재설정될 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 시스템(1)에 있어서,
    일정한 회전 속도로 회전하도록 구성되는 메인 구동기(3);
    천연 가스 액화 냉매용의 압축기를 포함하는 회전 부하(5)로서, 상기 메인 구동기(3)에 의해 회전 구동되도록 구성되는 회전 부하(5);
    부하 회전 속도를 제어 가능하게 조절하기 위한 컨트롤러(12);
    상기 메인 구동기(3)와 상기 회전 부하(5) 사이에 배열되고, 제1 입력 샤프트(23), 제2 입력 샤프트(25) 및 출력 샤프트(27)를 구비하는 속도 합산 기어 장비(21)를 포함하는, 가변 속도 변속기(11); 및
    상기 속도 합산 기어 장비(21)의 상기 제2 입력 샤프트(25)에 기계적으로 연결되고, 상기 제2 입력 샤프트(25)를 회전시키도록 구성되는, 보조 구동기(243; 143)
    를 포함하고,
    상기 보조 구동기는, 동력-생성 터보 기계(143; 243)를 포함하고;
    상기 속도 합산 기어 장비(21)의 상기 제1 입력 샤프트(23)는, 상기 메인 구동기(3)에 작동적으로 연결되며;
    상기 속도 합산 기어 장비(21)의 상기 출력 샤프트(27)는, 상기 회전 부하(5)에 작동적으로 연결되고;
    상기 출력 샤프트(27)의 속도는, 상기 메인 구동기(3)의 속도 및 상기 보조 구동기(243; 143)의 속도의 조합이고,
    상기 동력-생성 터보 기계는 가스 터빈 또는 터보 팽창기(243; 143)를 포함하는 것인, 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 속도 합산 기어 장비(21)는, 유성 기어 집단을 포함하는 것인, 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 유성 기어 집단은, 태양 기어(39), 링 기어(31), 유성 캐리어(33) 상에 지지되는 적어도 하나의 유성 기어(35)를 포함하는 것인, 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 보조 구동기(243; 143)는, 상기 링 기어(31) 및 상기 유성 캐리어(33) 중의 하나에 작동적으로 연결되는 것인, 시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 메인 구동기(3)는, 상기 링 기어(31) 및 상기 유성 캐리어(33) 중의 하나에 작동적으로 연결되는 것인, 시스템.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 출력 샤프트(27)는, 상기 태양 기어(39)에 작동적으로 연결되는 것인, 시스템.
  7. 삭제
  8. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동력-생성 터보 기계(243; 143)는, 상기 컨트롤러(12)에 기능적으로 연결되는, 상기 동력-생성 터보 기계(243; 143)를 통한 가스 유량을 조절하기 위한, 적어도 하나의 조절 장치(149; 151)를 포함하는 것인, 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 조절 장치는, 가스 압력 밸브(151) 및 가변 유입 가이드 베인들(149) 중의 적어도 하나를 포함하는 것인, 시스템.
  10. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동력-생성 터보 기계(243)는, 폐쇄 열역학적 회로(245) 내에 배열되는 것인, 시스템.
  11. 가변-속도 회전 부하(5)를 작동하기 위한 방법에 있어서,
    제1 입력 샤프트(23), 제2 입력 샤프트(25) 및 출력 샤프트(27)를 포함하는 속도 합산 기어 장비(21)를 통해, 일정-속도 메인 구동기(3)로 상기 회전 부하(5)를 구동하는 단계로서, 상기 제1 입력 샤프트(23)는, 상기 메인 구동기(3)에 작동적으로 연결되는 것인, 회전 부하(5)를 구동하는 단계;
    보조 구동기(243; 143)에 의해 상기 제2 입력 샤프트(25)에 보조 동력을 공급함으로써, 상기 회전 부하(5)의 속도를 변화시키고, 상기 보조 구동기(43; 143)의 속도를 조절함으로써, 상기 회전 부하(5)의 회전 속도를 제어하는 단계
    를 포함하고,
    상기 보조 구동기는, 동력-생성 터보 팽창기(243; 143)를 포함하고,
    상기 회전 부하(5)는 천연 가스 액화 냉매용의 압축기를 포함하고,
    상기 압축기로부터 압축된 가스는 기계적인 동력을 생성하도록 상기 터보 팽창기를 통해 처리되는 것인, 방법.
  12. 삭제
  13. 제 11항에 있어서,
    폐쇄 회로(245) 내에서 작동 유체를 순환시키는 단계;
    순환하는 작동 유체로 열을 전달하는 단계;
    열을 기계적 동력으로 부분적으로 변환하기 위해, 상기 동력-생성 터보 기계(243) 내에서의 팽창을 포함하는 순환적인 열역학적 변환에 상기 순환하는 작동 유체를 종속시키는 단계; 및
    기계적 동력의 적어도 일부를 가변 속도 변속기(11)로 전달하는 단계
    를 포함하는 것인, 방법.
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