JP4888977B2 - 発電プラント用変速装置 - Google Patents

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Description

本発明は、風力発電機や水力発電機等の流体駆動式発電機を稼働させて発電を行う発電プラントにおいて用いられる変速装置に関する。
風力ロータや水力タービンのようなトランスデューサを用いて、空気や水の流れから運動エネルギーを取り出す発電プラントは、次の２つの理由により、一定の制限を受ける。
第１の理由は、最大限利用可能な流体の運動エネルギーが経時的に変動することである。
第２の理由は、空気や水のような流体の運動エネルギーをトランスデューサの運動エネルギーに変換する際に、流体の各流速について、最大の変換効率が得られるトランスデューサの最適稼働速度が割り当てられることである。流体の流速と、トランスデューサの最適稼働速度（回転速度）との関係は、トランスデューサの立体構造（幾何形状と大きさ）に依存する。
水力発電プラントのような発電プラントは、トランスデューサへの流体の入力速度が変動しても、最適な稼働を行わなければならない。また、トランスデューサへの流体の入力速度は、流体の流速にかかわらず、可能な限り最適なものに調節しなければならない。
この外にも、発電プラントには、発電機が、通常、一定のシステム周波数で稼働する発電プラントの情報ネットワークに接続されているという制約がある。システム周波数は、情報ネットワークを安定化させるための１次的な制御変数に関係しているため、発電プラントから情報ネットワークに供給される電力の周波数と位相は、この制御変数が要求するものでなければならない。
電力周波数の調整は、システム周波数との差を補償し、要求される周波数をもつ電力を供給するように稼働する発電機、いわゆる変速発電機を実現する周波数変換器によって行う。この方策における難点は、風力ロータまたは水力タービンのエネルギー吸収特性が、周波数変換器を通じて制御されるだけであり、かつ周波数変換器によっても、発電機の特性がなかなか変化しないため、電力周波数の調整が複雑になることである。このように、周波数変換器を介して、発電機を発電プラントの情報ネットワークに関連づけるという従来の技術は、発電プラントの情報ネットワークに高調波を与えることとなり、かつ大きな無効電力の発生が避けられないため、最適なものではない。
これに対して、発電機を駆動させる出力シャフトを概ね一定の速度で回転させる一方で、入力シャフトの回転速度を、最適な設定速度に従って変化させうる発電プラント用変速装置が提案されている。この変速装置によれば、発電機を一定の速度で駆動することができるとともに、部分負荷トルクの範囲内で、流体から最適なエネルギー吸収を行うことができる。
上述の変速装置については、次の２つの機構が知られている。
第１の機構においては、トランスデューサを介して流体から得られた運動エネルギーが、遊星歯車機構に伝達され、発電機に向かうものと、小型のサーボモータに向かうものとに分割される。通常、入力される動力の概ね１／３が、このサーボモータに伝達される。
サーボモータが、モータまたは発電機として、種々の周波数で作動する結果、変速装置と連結された発電機の回転速度は安定し、この発電機は、発振周波数が一定となるように作動するため、情報ネットワークに直接接続することができる。サーボモータは、周波数変換器を介して、この情報ネットワークに接続されるか、または、発電機に機械的に連結された補助モータによって、運動エネルギーを供給される。
しかし、上記第１の機構は、制御が複雑で、効率も悪い。さらに、周波数変換器を用いる場合には、上述の問題も生ずる。
第２の機構は、油圧駆動式であり、サーボモータは、油圧ポンプおよび油圧モータに置き換えられる。しかし、この機構においても、制御が複雑という問題は残る。また、油圧駆動式のため、応答特性が悪く、変速に遅延が生じる。さらに、応答について、非線形の程度が大きいという問題もある。
風力発電プラントや水力発電プラントのような発電プラントにおいては、上述の情報ネットワークに接続された発電機の駆動に関連する根本的な問題の外に、発電機を状況に応じて柔軟に稼働させなければならないという要求がある。この要求は、起動や停止等の特別な作動を行う場合、または発電プラントの情報ネットワークが不安定になったときや、全負荷トルク条件の下で、変速装置の入力シャフトの回転速度を抑えて負荷の制限を行う場合に生じる。
このような発電機稼働の柔軟性は、特に、騒音を所定の閾値以下に抑えるため、ロータブレード先端の回転を所定の速度以下に制限しなければならない風力発電プラントにおいて要求される。なお、この騒音に関する閾値は、風力発電プラントの設置場所（陸上、海上等）によって異なる。
ロータブレードの回転速度が制限される風力発電プラントにおいても、突風が吹いたときに、直ちに閾値に戻るのであれば、短時間、トランスデューサに回転速度の増加を許容するという一定の柔軟性は必要である。変速装置がこのような柔軟性の要求に応えるのであれば、突風の衝撃を抑えることができる。この柔軟性の要求は、突風によって利用可能となった余剰のエネルギーが、より高出力での発電機の稼働という形で利用しうるのであれば、好ましいものである。
本発明は、上述の要求に応えうる発電プラント用変速装置を提供することを目的とする。特に、変速装置は、発電プラントの情報ネットワークに直接接続された発電機の回転速度を、概ね一定にしなければならない。一方、変速装置の入力シャフトは、回転速度を変化させて、風力ロータや水力タービンのようなトランスデューサの最適なエネルギー吸収特性に従わなければならない。
また、変速装置の入力シャフトの回転速度は、起動や停止等の特別な作動を行う場合、または発電機の入力シャフトの回転速度を抑えて負荷の制限を行う場合でも、所定の閾値を上回る領域で制御しうるものでなければならない。
この外、本発明は、制御特性が良好で、応答に柔軟性があり、さらに構成と製造が簡単な発電プラント用変速装置を提供することも目的とする。
本発明は、変速装置における動力伝達の流れは、少なくとも２つの流体循環路を備えた少なくとも２つの変速機構に分岐させる必要があるという本発明者らの知見に基づいている。この知見に基づき、本発明に係る変速装置の好ましい実施形態においては、入力シャフトに少なくとも間接的に接続され、かつ動力伝達の流れを第１および第２の変速機構に分岐させる遊星歯車機構を備えている。第１の変速機構は、発電機を駆動させる出力シャフトと少なくとも間接的に接続されている。出力シャフトの回転速度を一定にするという要求は、第２の変速機構における動力伝達の流れを開ループ制御または閉ループ制御することによって実現される。
本発明の変速装置によれば、第２の変速機構は、少なくとも２つの流体循環路を有し、このうち少なくとも１つの流体循環路は、前記遊星歯車機構に向かう側において、第１および第２の変速機構と接続されている。ここで、第２の変速機構における動力伝達の流れは、前方にも後方にも導きうることに留意すべきである。
前方への動力伝達の流れとは、駆動される側に向かう動力伝達の流れを意味する。この場合、動力伝達の流れは、第１の変速機構と第２の変速機構を接続する流体循環路を介して、第２の変速機構から第１の変速機構へ向かうように設定される。動力伝達の流れが第２の変速機構へ戻る場合、すなわち第１の変速機構から遊星歯車機構へ逆流する場合には、この反作用としての動力伝達の流れがあり、この流れは、上述の変速装置に課される種々の条件が充足されるように制御される。
第２の変速機構は、前記第１の流体循環路の外に、少なくとも２つの第２の流体循環路を有する。第２の変速機構は、このような第２の流体循環路を設けることによって構造的には複雑になるが、これを補って余りある利点が得られる。第２の流体循環路は、第１の流体循環路とは異なる設計にすることができる。
本発明に係る変速装置は、流体式コンバータ、流体式継手、リターダ、またはトリローク式トルクコンバータを備える。これらは、用途または稼働場所に応じて、それぞれ利点を有する。
流体式コンバータが、第１および第２の変速機構を接続するために用いられる場合は、流体式コンバータの特性が、風力ロータや水力タービンといった、自然力によって駆動されるトランスデューサの特性に呼応するという利点が生まれる。このため、自己制御特性が働き、変速装置の出力シャフトの周波数を一定にするという要求が、自動的に充たされる。
流体式継手の場合は、自己制御特性を得ることはできないものの、一定の稼働領域においては、流体式コンバータよりも高い効率が得られるという利点がある。このような利点は、特に、変速装置の入力速度が、たいていの場合に制限される全負荷トルク領域においてみられる。
トリローク式トルクコンバータは、一定の稼働領域において、効率と制御特性に冠する長所を有する。すなわち、複数の流体循環路が、所定の稼働領域または稼働状態において、それぞれ効果を奏するため、少なくとも２つの流体循環路を用いる場合に、異なるタイプの流体循環路を組み合わせることができる。したがって、変速装置に課される条件に従って、複数の流体循環路の間で作動を切替えたり、またはどちらかを主に用いたりすることができる。このような効果は、各流体循環路における流体の充填度を調整することによって、きわめて簡単に実現することができる。
複数の流体循環路は、それぞれ異なる立体構造としうるだけでなく、第２の変速機構において互いに並列に設けられる２つの流体式コンバータのように、互いに類似するタイプの複数の流体循環路を用いることもできる。ただし、タイプは類似しても、設計上の特性、または上流側もしくは下流側に設けられる構成要素は異なる。したがって、本発明に係る変速装置は、作動状態に応じて、変速の程度を調整することができる。複数の流体循環路を自由に設計できる場合には、経時的に変化する自然力への適合の度合いを高めるため、設計を変えてみるのもよい。
本発明の好ましい実施形態においては、第２の流体循環路は、第１の流体循環路を開ループ制御または閉ループ制御するために用いられる。第１の流体循環路は、通常、第１の変速機構から第２の変速機構へ、または第２の変速機構から第１の変速機構へ向かう動力伝達の流れを制御する役割を担っているが、この制御は、第１の流体循環路における応答部材によって実行される。この応答部材とは、例えば、流体循環路用のガイドブレードである。
変速装置が自己制御に基づく稼働から離れ、ガイドブレードがこの自己制御に基づく稼動と関連づけられた最適の位置から離れなければならない必要が生じた場合には、最初に定めたガイドブレードの設置場所を変えなければならない。しかし、このようにガイドプレートの設置場所を変更すると、流体式コンバータを通過する動力伝達の流れに損失が生じ、伝達効率の低下につながる。
さらに、このようなガイドプレートの設置場所を変更するための機械的な調整機構は、自己制御から外れることとなるすべての作動状態において、ガイドブレードの位置を変更させ、自然力に基づく動力の変動する入力に応答しなければならないため、磨耗が避けられない。
また、ガイドブレードの位置を頻繁に変更することの外にも、変速装置の応答速度に課される高い要求水準を考慮に入れなければならない。第２の流体循環路（例えばリターダ）においては、このような水準を達成するために必要な調整は、作動部材（流体式コンバータの場合はガイドブレード）の調整ではなく、むしろ、第２の変速機構において、第１の流体循環路と第２の流体循環路のいずれかを主に用いることによる。本発明に係る変速装置においては、どちらの流体循環路を主に用いるかの変更が、流体充填度の変更によって行われ、機械的な磨耗が生じないため、このような変更は、所望により何度も繰り返して行うことができる。
本発明に係る発電プラント用変速装置によれば、入力シャフトは、回転速度を変化させて、風力ロータや水力タービンのようなトランスデューサの最適なエネルギー吸収特性に従い、かつ発電プラントの情報ネットワークに直接接続された発電機は、回転速度を概ね一定に保持することができる。
また、本発明に係る発電プラント用変速装置は、制御特性が良好で、応答に柔軟性があり、かつ構成と製造が簡単である。
以下に、本発明を、添付の図面を参照して詳しく説明する。
風力発電プラントの風力ロータが実際に得る動力ｐRは、次式のように、風速ｖWと関係する。
ｐR＝ｋ・ｃP（ｖW,ωR,β）・ｖW 3
ここで、ｋは、ブレードの受風面積や空気密度等の種々の定数をまとめたものである。また、ｃP（ｖW,ωR,β）は、風速ｖW、風力ロータの回転速度ωR、およびロータブレードのねじれ角度、いわゆるピッチ角βに依存する風車効率係数である。この風車効率係数は、各風速および風力ロータの各回転速度の下での最大値であり、風速ｖWが増加すると、より大きいロータ回転速度ωRの下での値に移行する。
図７における実線の曲線は、空気流からエネルギーを取り出す風力ロータ（直径７０ｍでピッチ角が一定）の各回転速度における仕事率を、風速が１８、１６、１４、１２、１０、および８ｍ／ｓのときを例にとってみたものである。
風速が高くなっていくと、仕事率とロータの最適な回転速度との関係を表わす曲線は、より高い位置にあるものへ移行するが、この移行には特徴がある。すなわち、各曲線におけるロータの仕事率の最大値は、放物線上に位置する。
この放物線をなす最適エネルギー吸収曲線に従って、変速装置の入力シャフトの回転速度を導くと、この回転速度は、本発明の変速装置の入力シャフトに係る仕事率−最適速度の特性曲線よりも、下方に位置する。よって、本発明に係る変速装置は、利用可能な風速に依存する最適なエネルギー吸収効率の下で作動させることができる。
風力ロータは、部分負荷トルクの下では、ロータの回転速度を変化させて稼働するが、一般には、全負荷トルクの下で達成されかつ維持される名目的な回転速度に基づく名目的な仕事率を想定して設計される。
図７における破線の曲線群は、上記各風速の下での風力ロータのトルクを示している。このトルク曲線は、風速に依存する仕事率に関連づけられている。すなわち、このトルク曲線は、各風速の下での最大トルクと一致せずに、各風速についての仕事率‐最適速度特性に従って、他の値（この図の太線で示すトルク・プログレス曲線を参照）をとるトルクがあることを示している。
発電機は、本発明に係る変速装置を介して、風力ロータから伝達された上記トルクによって稼働する。図７に示す同期発電機のトルク／回転速度比によれば、変速装置の出力シャフトに係るシステム周波数が５０Hzの場合、種々のトルクが伝達されるこの出力シャフトについて、予め１５００rpmの一定の回転速度が定められる。
同期発電機の代わりに非同期発電機を用いる場合には、応答が線形の領域においては、出力シャフトの回転速度が概ね一定の値をとる、勾配の急なトルク／回転速度比が想定される。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る変速装置１の模式図である。この変速装置１は、第１の変速機構７と、２つの流体循環路、流体式コンバータ12、および流体式継手を具備する第２の変速機構18とを備えている。流体式継手は、第１の変速機構７と、少なくとも間接的に連結されている。
この図に詳細に示すように、変速装置１の入力シャフト２は、少なくとも間接的に風力ロータ３に連結されている。この実施形態においては、風力ロータ３と入力シャフト２との間には、一定の変速比を有する前方変速部４が設けられている。
この実施形態に係る変速装置１においては、動力を伝達する遊星歯車機構５が用いられている。入力シャフト２は遊星キャリア６に連結されており、この遊星キャリア６を速度ｎ１で回転させる。
遊星歯車機構５に向かう側には、２つの変速機構が設けられている。第１の変速機構７は、風力ロータの動力を、太陽歯車９を介して変速装置１の出力シャフト10に導く。出力シャフト10は、一定の速度で回転し、少なくとも間接的に発電機11を駆動する。また、出力シャフト10は、流体式コンバータ12のポンプホイール13と少なくとも間接的に接続されており、流体式コンバータ12と協働する。
流体式コンバータ12においては、応答部材15として、調整ブレードの付いたガイドホイールが用いられる。タービンホイール14へ伝達される動力は、応答部材15を介して調整される。応答部材15は、変速装置１の作動中、最適な位置に保持される。
流体式コンバータ12のタービンホイール14は、第２の変速機構18における第２の遊星歯車機構22と、少なくとも間接的に連結されている。この遊星歯車機構は、２つの流体循環路によって伝達される動力を調整するのに用いられる。各流体循環路は、それぞれの動力の伝達と関連づけられている。第１の動力伝達の流れ18.1は、流体式コンバータ12によって生じ、第２の動力伝達の流れ18.2は、流体式継手30によって生じる。
このような動力の伝達を実現するため、流体式継手30のポンプホイール31は、第１の変速機構７と少なくとも間接的に連結されており、流体式継手30における流体の充填度に応じて、タービンホイール32と静的な歯車機構16.2のような歯車機構を介して、第２の遊星歯車機構22へトルクまたは動力を伝達する。
第１の動力伝達の流れ18.1を介して伝達される動力と第２の動力伝達の流れ18.2を介して伝達される動力の比は、流体式コンバータ12と流体式継手30における流体充填度を調節することによって設定することができる。風力ロータ３に部分負荷トルク条件が課されるときには、流体式コンバータ12のみを作動させる方が好ましい。同じことは、最適な位置に固定される応答部材15についてもいえる。全負荷トルク条件のときには、風力ロータの回転速度を減少させる流体式継手30において、流体の充填度を変化させる。
図２は、図１に示す変速装置の種々の作動範囲を示すグラフであり、流体式コンバータ12または流体式継手30のいずれかを作動させている。図２の曲線群は、変速装置１に対する入力速度と、変速装置１の出力との関係を表している。第１段階の変速は、理解の容易を図るために省略してあることから、風力発電プラントの場合には、入力速度は、風力ロータの回転速度に対応する。出力の絶対的な値は、トランスデューサの形状に依存するため、この図における出力は相対的な値で示してある。この実施形態においては、変速装置は、１６．３rpm以下の回転速度で作動する。曲線201,202,203,204,および205は、流体式コンバータ12における応答部材15の各設置場所に対応している。
当業者ならば、本発明の技術的範囲において、遊星歯車機構５における変速比を種々に設定し、また、流体式コンバータ12の上流側または下流側に追加の遊星歯車機構を設けることも可能であると思われる。同様に、当業者ならば、流体式コンバータの大きさと応答部材の位置を調整することによって、風力ロータ３のエネルギー吸収特性を流体式コンバータにより再生し、自動制御特性に従って、出力シャフト10が一定の回転速度をもつようにすることも可能であると思われる。
風力ロータは、前述の放物線に沿って、最適な回転速度で作動する。応答部材15が最適な位置にあるときの曲線は、符号204で示す曲線である。
流体式コンバータが作動しているときの発電機の出力は、破線の曲線250において、風力ロータの回転速度が１６．３rpmよりも小さい領域における特性に従う。変速装置１は、通常、低い入力速度から、発電機を駆動させる高い出力速度を生み出すために用いられるが、遊星歯車機構５の下流側の第２の変速機構における動力調整のための流体循環は、高速で行われ、変速の効率がよい。
この実施形態においては、より高い動力を実現するような入力速度であっても、風力ロータの速度を制限する必要がある。これは、騒音上の理由や、変速装置に用いられている部品の強度上の理由による。このため、流体式継手30においては、一定の速度閾値を超える場合に、流体式コンバータと流体式継手との間で、作動の切替えを行う。出力は、図２に示す、流体式継手30を用いた場合の曲線210に従う。この曲線210の正確な位置と勾配は、流体式継手30の大きさと、流体式コンバータ12の上流側または下流側に設けられる遊星歯車機構によって定められる。流体式コンバータと流体式継手との間の作動の切替えは、流体循環路において、流体を徐々に充填するか、または徐々に空にすることによって、ゆっくりと行う。
流体式継手を作動させるときには、ロータ速度の制限を広い範囲で行えるように、流体式継手が、変速装置の入力速度と出力の関係について、勾配の急な特性曲線210を有するのが好ましい。
流体式継手30による変速の効率が、流体式コンバータ12のそれを上回るときには、流体式コンバータから流体式継手へ作動を切替えるのが好ましい。このようにすれば、変速に係る動力の損失を最小限にとどめることができる。
流体式継手30は、制御可能な立体構造を有するため、発電プラントの起動や停止等の特別な作動時には、流体式継手30を作動させる方が好ましい。また、負荷制限の場合にも、流体式継手30を作動させる方が好ましい。複数の流体循環路に跨る、流体式コンバータと流体式継手間の作動の切替えは、流体式コンバータ12または流体式継手30における流体の充填度を調整することによって行うことができる。
図３は、図１に示すものとは異なる第２の変速機構18を備えた、本発明の第２の実施形態に係る変速装置の模式図である。第１の変速機構７と第２の変速機構18は、同じ型の第１の流体式コンバータ12と第２の流体式コンバータ24を通る流体循環路を介して接続されている。
第１の流体式コンバータ12と第２の流体式コンバータ24をそれぞれ起点とする第２の変速機構18における並列の動力伝達の流れ18.1と18.2は、さらなる遊星歯車機構（例えば第２の遊星歯車機構22）において合流し、内歯歯車を有するホイール17を介して、遊星歯車機構５に還流している。第１の流体式コンバータ12と第２の流体式コンバータ24は、それぞれのポンプホイール13と26を介して、少なくとも間接的に第１の変速機構７と連通し、また、タービンホイール14と27を介して、第２の変速機構18と少なくとも間接的に接続している。図３においては、ガイドホイール15と28は、ともに固定されている。
並列の２つの流体式コンバータ12と24を用いると、第１の変速機構７から流入する動力伝達の流れに対して、変速装置１の２つの立体構造を切替えることができる。２つの立体構造の相違は、第１および第２の流体式コンバータ12,24の構造的な調整と、追加の遊星歯車機構の介在によって生まれる。図３においては、第１および第２の流体式コンバータ12,24の構造的な調整は、静的な歯車機構16.1を介して行われる。静的な歯車機構16.1は、第１の動力伝達の流れ18.1に作用する第１の流体式コンバータ12を起点とする変速機構に統合されている。
２つの流体式コンバータを設けることにより、動力の入力に対して変速装置が自己制御特性をもつ領域を拡張することができる。また、第２の動力伝達路18.2のための第２の変速機構が、全負荷トルク領域への移行に用いられるようにするため、特に、出力シャフトの回転速度を概ね一定に保持するだけでなく、風力ロータの回転速度も一定の特性曲線に従わせるため、第２の変速機構に第２の流体式コンバータを設け、またこの第２の流体式コンバータの下流側に、追加の遊星歯車機構を設けることもできる。
第１の流体式コンバータ12を通過する流体量と、第２の流体式コンバータ24を通過する流体量の比は、各コンバータにおける流体の充填度を調整することによって実現される。この場合、流体充填度の調整によってコンバータを磨耗するおそれはない。各コンバータを単独で稼働させることもできるが、各流体式コンバータを並列的に作動させ、回転速度／トルク比を個別に調整することもできる。さらに、２つの流体式コンバータ12と24の切替えも行われる。この場合、両流体式コンバータは、回転速度の狭い範囲内で行われる切替え時を除いて、同時に作動することはない。その結果、第２の変速機構18による動力の伝達は、２つの流体式コンバータの切替えに係る速度範囲の外で、すべて、第１の動力伝達の流れまたは第２の動力伝達の流れと関連づけられる。
図４は、図３に示す流体式コンバータ12と24を備えた実施形態に係る、変速装置の入力速度‐出力の関係を表わす一群の特性曲線を示す。変速装置１の出力は、任意の単位で表わしてある。破線の特性曲線群301,302,303,304,および305は、第１の流体式コンバータ12に係る応答部材を種々の位置に設けた場合のものである。第１の流体式コンバータ12の自己制御特性は、応答部材を最適な位置に設置した場合に得られるものであり、この最適な位置は、概ね曲線304が得られる位置に相当する。
第２の流体式コンバータは、第１の流体式コンバータに比べて、大きい入力速度に対応するものであり、特性曲線の勾配も急である。第２の流体式コンバータの特性曲線の形状は、第２の流体式コンバータの大きさの変更と、第２の流体式コンバータの上流側または下流側に遊星歯車機構を設けることによって調整することができる。図３において、静的な歯車機構16.1は、水力タービン側において、第１の流体式コンバータ12に関連づけられているが、第２の流体式コンバータ24に係る静的な歯車機構は省略されている。
図４における第２の流体式コンバータ24に係る曲線群401,202,403,404,および405は、第２の流体式コンバータ24に係る応答部材28の種々の位置に対応している。また、破線の特性曲線群301,302,303,304,および305は、応答部材15のそれぞれの位置において、第１の流体式コンバータ12に流体を充填したときの入力速度‐出力特性を表わしている。
２つの流体式コンバータ12,24における流体充填度の設定を調整することにより、入力速度‐出力特性を、図４に示す複数の曲線のいずれかに沿うように変化させることができる。このようにして、入力速度が１５ｒｐｍを超える領域で、入力速度対出力の比が最高となる曲線350（両コンバータについて応答部材を最適な位置に設定した場合の曲線）を実現することもできる。
図５は、本発明のさらに他の実施形態に係る変速装置を示す。この変速装置は、遊星歯車機構５を用いる第１の変速機構７、および第２の変速機構18を備えている。第２の変速機構18は、並列の２つの流体循環路を有している。この変速装置においては、流体式コンバータ12と減速機構（リターダ）20が設けられている。図５に示すパワートレーンにおいて、図１と図３に示す要素に対応する要素には、同一の符号を付してある。
図５に示す実施形態は、これまでの２つの実施形態の変形例であり、第１の変速機構７および第２の変速機構18の出力は、流体式コンバータ12を介してのみ伝達される。第２の変速機構18においてリターダ20を経由する第２の流体循環路も、少なくとも間接的に遊星歯車機構５に作用を及ぼす。しかし、リターダ20は、第１の変速機構７と第２の変速機構18とを関連づけていない。
図６は、このリターダが、第１の流体循環路、すなわち流体式コンバータ12における調整を必要とせずに、全負荷トルクの状態に移行する際、変速装置を、仕事率‐最適速度の特性曲線が当てはまる領域から離れて作動させるべく用いられることを示している。この場合、変速装置は、応答部材15、すなわちガイドブレードが一箇所に固定された状態で作動する。
図６は、入力速度と出力（任意単位）との関係を詳細に示している。入力速度が閾値（この実施形態においては１６rpmよりもわずかに大きい値）よりも低い場合には、流体式コンバータ12だけに流体が充填されており、応答部材の位置を固定した状態で、流体式コンバータ12だけが作動する。このとき、風力ロータは、仕事率‐最適速度の特性曲線に従って回転している。
この実施形態においては、応答部材は、曲線504に対応する位置に設けられている。これ以外の曲線501,502,503,および505は、この実施形態においては最適でない位置に応答部材が設けられたときの入力速度と出力の関係を示している。リターダ20には、特性曲線600に対応する閾値を超えて、流体が充填されている。リターダの特性曲線600は、流体式コンバータの特性曲線群よりも、概ね勾配が急である。風力ロータの回転速度に依存する発電機の出力（電力）は、破線で示す曲線550によって示されている。
図５に示す変速装置を、第２の流体循環路（この場合はリターダ20）を用いない変速装置と比べたときの長所は、風力発電プラントが、仕事率‐最適速度特性に従った稼働から離れなければならないときでも（例えば風力ロータの回転速度が、全負荷トルク条件下での回転速度を下回る必要がある場合）、ガイドホイールの位置を変える必要がないことである。
第２の流体循環路を設けない場合、一般に、自然力の広範な全域にわたって、ガイドホイールの位置を概ね一定として変速装置を作動させることは不可能である。したがって、流体式コンバータ12を介する動力の伝達は、ガイドホイールの設置場所を経時的に変化させることによって制御しなければならない。
変速装置には、耐磨耗性と応答特性について高い要求が課される。このため、流体式コンバータ12を最大限可能な高い効率で作動させることができない場合には、第２の流体循環路を用いない変速装置は不利である。
図５に示す変速装置においては、追加的な流体循環路（この場合にはリターダ20）は、第２の変速機構18において、流体式コンバータ12と並列となるように統合されている。変速装置が、自己制御の可能な仕事率‐最適速度特性に則った稼働を外れた、特別な稼働状態にあるときでも、ガイドホイール15の位置を調整することなく、第２の変速機構18において動力伝達の制御が可能となるように、リターダ20における流体の充填度を調整する。
このような場合には、すでに説明したように、流体式コンバータ12からリターダ20へ、作動を完全に切り替えることもできる。流体式コンバータ12からリターダ20へ作動を切り替える場合には、変速装置１における第１の変速機構７と第２の変速機構18との接続は遮断される。
当業者ならば、複数の変速機構を有する変速装置について、動力を伝達する開ループまたは閉ループによるパワートレーンの１つにおいて、少なくとも２つの流体循環路を設けるという本発明の技術思想を、他の態様で具体化することも可能と思われる。また、２つを超える流体循環路を用いることも、流体循環路の立体構成を変えることも可能である。
本発明は、上記の変速装置に加えて、第２の変速機構において、少なくとも２つの流体循環路を制御する方法をも提供するものである。この方法は、変速装置の作動状態と、風力ロータまたは水力タービンからのエネルギー入力に応じて、流体循環路における流体の充填度を制御するものである。
所定の入力速度閾値を上回るように設定された入力速度は、変更するのが好ましい。数個の段階的な閾値を設定し、個々の流体循環路における入力速度の設定を漸次変化させることも可能である。この外、風力ロータの回転速度が所定の速度閾値を上回ったとき、または所定の作動状態が生じたときに、第１の流体循環路から、少なくとも１つの第２の流体循環路へ、作動を完全に切り替えることもできる。このような切替えを行うと、流体循環路から流体を完全に除去するか、または流体循環路を流体で完全に充填することとなる。
第１の変速機構、ならびに流体式コンバータおよび流体式継手を具備する第２の変速機構を備える、本発明の第１の実施形態に係る変速装置の模式図である。 図１に示す変速装置における入力速度に対する出力の特性を示すグラフである。 第１の変速機構、ならびに２つの流体式コンバータを具備する第２の変速機構を備える、本発明の第２の実施形態に係る変速装置の模式図である。 図３に示す変速装置における入力速度に対する出力の特性を示すグラフである。 第１の変速機構、ならびに流体式コンバータおよび遅延装置を具備する第２の変速機構を備える、本発明の第３の実施形態に係る変速装置の模式図である。 図５に示す変速装置における入力速度に対する出力の特性を示すグラフである。 風力発電プラントの最大出力点における有効電力曲線を示すグラフである。
符号の説明
１ 変速装置
２ 入力シャフト
３ 風力ロータ
４ 前方変速部
５ 遊星歯車機構
６ 遊星キャリア
７ 第１の変速機構
９ 太陽歯車
10 出力シャフト
11 発電機
12 流体式コンバータ
13 ポンプホイール
14 タービンホイール
15 応答部材
16.1 静的な歯車機構
16.2 静的な歯車機構
18 第２の変速機構
18.1 第１の動力伝達の流れ
18.2 第２の動力伝達の流れ
20 リターダ
22 第２の遊星歯車機構
24 流体式コンバータ
26 ポンプホイール
27 タービンホイール
28 ガイドホイール
30 流体式継手
31 ポンプホイール
32 タービンホイール

Claims (19)

  1. (i)風力発電機または水力発電機のトランスデューサに少なくとも間接的に接続された入力シャフト(2)と、
    (ii)発電機(11)に接続され、かつ概ね一定の回転速度を有する出力シャフト(10)と、
    (iii)入力シャフト（2）に接続され、出力シャフト(10)に接続される第１の変速機構(7)及び第２の変速機構(18)の間で出力を分割する遊星歯車機構(5)と、
    (iv)少なくとも２つの流体循環路を備え、流体循環路のうち少なくとも１つは、第１の変速機構(７)に接続される第２の変速機構(18)
    とを備えることを特徴とする発電プラント用変速装置。
  2. 前記第２の変速機構(18)における流体循環路に、流体式コンバータ、流体式継手、トリローク式トルクコンバータ、またはリターダを設けたことを特徴とする請求項１記載の発電プラント用変速装置。
  3. 前記第２の変速機構(18)における複数の流体循環路は、互いに並列に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の発電プラント用変速装置。
  4. 前記第２の変速機構(18)の各流体循環路における流体充填度を変化させるための手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発電プラント用変速装置。
  5. 前記第２の変速機構(18)における流体循環路に設けられる流体式コンバータは、ガイドホイールの位置が固定された状態で作動することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発電プラント用変速装置。
  6. 前記出力シャフト(10)は、前記入力シャフト(２)よりも速い回転速度を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の発電プラント用変速装置。
  7. 前記第２の変速機構(18)は、少なくとも１つの静的な歯車機構を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の発電プラント用変速装置。
  8. 前記第１の変速機構(７)と第２の変速機構(18)は、流体式コンバータ(12)を介して接続され、この流体式コンバータ(12)のポンプホイール(13)は、第１の変速機構(７)に接続されており、かつこの流体式コンバータ(12)のタービンホイール(14)は、第２の変速機構(18)に接続されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の発電プラント用変速装置。
  9. 前記第１の変速機構(７)と第２の変速機構(18)は、流体式継手(30)を介して接続され、この流体式継手(30)のポンプホイール(31)は、第１の変速機構(７)とに接続されており、かつこの流体式継手(30)のタービンホイール(32)は、第２の変速機構(18)に接続されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の発電プラント用変速装置。
  10. 前記第１の変速機構(７)と第２の変速機構(18)は、トリローク式トルクコンバータを介して接続され、このトリローク式トルクコンバータのポンプホイールは、第１の変速機構(７)に接続されており、かつこのトリローク式トルクコンバータのタービンホイールは、第２の変速機構(18)に接続されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の発電プラント用変速装置。
  11. 前記第２の変速機構(18)に、リターダ(20)が接続されていることを特徴とする請求項９または１０記載の発電プラント用変速装置。
  12. 前記第１の流体循環路は、前記第１の変速機構(７)と第２の変速機構(18)との間に第１の動力伝達の流れを形成し、前記第２の流体循環路は、第１の変速機構(７)と第２の変速機構(18)との間に第２の動力伝達の流れを形成し、これら第１の流体循環路と第２の流体循環路を経由する各動力伝達の流れは、第２の遊星歯車機構(22)を介して、第１の変速機構(７)において合流することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の発電プラント用変速装置。
  13. 前記第１の流体循環路は、流体式コンバータ(12)を具備し、前記第２の流体循環路は、流体式継手(30)を具備することを特徴とする請求項１２記載の発電プラント用変速装置。
  14. 前記流体式継手(30)と第２の遊星歯車機構(22)との間に、静的な歯車機構(16.2)が介在することを特徴とする請求項１３記載の発電プラント用変速装置。
  15. 前記第１および第２の流体循環路は、流体式コンバータを具備することを特徴とする請求項１４記載の発電プラント用変速装置。
  16. 前記流体式コンバータの少なくとも１つのタービンホイールと、第２の遊星歯車機構(22)との間に、静的な歯車機構が介在することを特徴とする請求項１５記載の発電プラント用変速装置。
  17. 風力エネルギーまたは水力エネルギーのトランスデューサと、発電機と、請求項１〜１６のいずれかに記載の変速装置とを備える発電プラント。
  18. 請求項１〜１６のいずれかに記載の変速装置(１)の第２の変速機構(18)における流体循環路への流体の充填を、前記変速装置の入力速度に応じて行うことを特徴とする、請求項１〜１６のいずれかに記載の変速装置(１)または請求項１７記載の発電プラントを、開ループ制御または閉ループ制御する方法。
  19. 前記変速装置の第２の変速機構(18)において、変速装置の入力速度が第１の速度閾値を下回るときには、第１の流体循環路に流体を充填するとともに、第２の流体循環路を空にし、変速装置の入力速度が第２の速度閾値を上回るときには、第１の流体循環路を空にするとともに、第２の流体循環路に流体を充填することを特徴とする、変速装置(１)または発電プラントを、開ループ制御または閉ループ制御する請求項１８記載の方法。
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