具有辅助驱动器的变速传动装置和使用其的系统的制作方法

本公开的主题涉及包括从动机和驱动器的系统。更具体地，本文中公开的实施例涉及在其中恒速驱动器驱动变速旋转机(例如，诸如压缩机或压缩机组)而使其旋转的系统。

背景技术：

在若干工业应用中，存在对使用按恒定转速旋转的驱动器(诸如，电动马达)来驱动旋转负载的需要。在一些情形下，旋转负载为涡轮机(诸如，压缩机)。大型轴流式或离心式压缩机典型地在管道中用于对将沿着管道运输的气体进行加压。大型离心式或轴流式压缩机还在所谓的lng应用中用于天然气的液化。压缩机在这样的设施中用于处理制冷剂流体，制冷剂流体在闭合循环中用于使天然气冷凝。

在一些应用中，需要改变旋转负载的转速，且可在例如额定转速的大约70%与大约105%之间调节旋转负载的转速。通过将变频驱动器置于电功率分配网与电动马达之间，电动马达可按变速旋转。变频驱动器为复杂、昂贵且繁杂的构件，因为它们必须转换电动马达所需要的非常高的额定功率(powerrates)。用于驱动大型压缩机的电动马达的典型的应用可需要1兆瓦至几十兆瓦的功率。

因此，存在对以下系统的需要：允许有调节由主驱动器驱动的变速负载的转速的更便利的方式。

技术实现要素：

根据第一方面，为了解决现有技术的上文提到的缺陷，公开了一种系统，该系统包括：主驱动器，其配置成用于按基本上恒定的转速旋转；和旋转负载，其配置成由主驱动器驱动而旋转。该系统还包括：控制器，其用于可控制地调整负载转速；和变速传动装置，其布置于主驱动器与负载之间，且包括速度叠加(summing)齿轮装置，该速度叠加齿轮装置具有第一输入轴、第二输入轴以及输出轴。进一步提供辅助驱动器，该辅助驱动器机械地联接到速度叠加齿轮装置的第二输入轴，且配置成驱动第二输入轴而使其旋转。叠加齿轮装置的第一输入轴驱动地联接到主驱动器；并且，速度叠加齿轮装置的输出轴驱动地联接到旋转负载。输出轴的速度是主驱动器和辅助驱动器的速度的组合。在辅助驱动器上进行动作，可改变主驱动器与负载之间的传动比。以此方式，主驱动器可按恒定(即，固定)转速旋转，而负载的转速可通过控制辅助驱动器的运行而进行调节。

如果主驱动器为电动马达，则可无需用于主驱动器的变频驱动器。

辅助驱动器可为涡轮机(例如，涡轮膨胀机或蒸汽涡轮或蒸汽式涡轮)。在一些实施例中，旋转负载可为气体压缩机，并且，涡轮膨胀机可通过由气体压缩机处理的气体而提供功率。

在又一些实施例中，辅助驱动器可为形成闭合热力学循环(例如，orc(有机朗肯循环))的部分的涡轮机。在这样的实施例中，例如来自燃气涡轮发动机或其它低温热源的废热可有用地被用于驱动辅助驱动器。

辅助驱动器可直接或间接(即，在放置形成例如定轴齿轮系的一个或多个齿轮的情况下)机械地联接到速度叠加齿轮装置的第二输入轴。

第一输入轴可直接或间接(例如，经由齿轮箱)驱动地联接到主驱动器。类似地，速度叠加齿轮装置的输出轴可直接或间接(即，例如，在放置齿轮箱或其它另外的速度调整设备的情况下)机械地联接到负载。

在一些实施例中，负载可为涡轮机，例如，压缩机，诸如离心式压缩机、轴流式压缩机或混合型轴流-径流式压缩机等。其它可能的旋转负载可包括往复式压缩机，其中，主驱动器使往复式压缩机的曲轴旋转。

即使本文中公开的装置在系统(其中，主驱动器为电动马达)中特别有用且有利，但可改为使用其它主驱动器(诸如，燃气涡轮或蒸汽涡轮)。如本文中描述的系统适合于主驱动器是定速或恒速主机的所有情形。系统在以下情况下为有用的：只要主驱动器配置成用于按基本上恒定的转速旋转，主驱动器不仅包括约束成按恒速旋转的那些驱动器(诸如，不存在变频驱动器或其它频率转换设备的电动马达)，而且还包括优选按恒速运行(例如，以便使其效率最大化)的那些驱动器。

在特别地有利的实施例中，速度叠加齿轮装置包括周转齿轮系。如在本文中在其最广义的意义上理解到的，周转齿轮系为至少两个互相啮合的齿轮的装置，其中所述齿轮中的至少一个空转地(idly)支撑于旋转部件上，该旋转部件围绕所述至少两个互相啮合的齿轮中的另一个的旋转轴线旋转。

在本文中公开的配置中，周转齿轮系具有至少两个自由度和至少三个啮合的齿轮，在这些齿轮中，至少一个(行星齿轮)空转地支撑于一部件(行星架)上，该部件(行星架)围绕形成齿轮系的啮合的齿轮中的另一个的固定旋转轴线旋转。

根据另外的方面，在本文中公开了一种用于运行变速旋转负载的方法，该方法包括以下步骤：

通过包括第一输入轴、第二输入轴以及输出轴的速度叠加齿轮装置而用恒速主驱动器驱动旋转负载，第一输入轴驱动地联接到主驱动器；

通过经由辅助驱动器将辅助功率供应到第二输入轴改变旋转负载的速度，并且通过调整辅助驱动器的速度控制负载的转速。

特征和实施例在下文被公开，且在所附权利要求中进一步被阐述，所附权利要求形成本描述的组成部分。上文的简要描述阐述了本发明的各种实施例的特征，以便可更好地理解接下来的详细描述，且以便可更好地认识到对本领域的本贡献。当然，存在本发明的其它特征，这些特征将在下文中被描述，且将在所附权利要求中被阐述。在这方面，在详细解释本发明的若干实施例之前，要理解的是，本发明的各种实施例在其应用上不限于构造的细节且不限于在下面的描述中阐述或在附图中图示的构件的布置。本发明能够有其它实施例，且能够按各种方式被实践和执行。同样地，将理解的是，本文中采用的用语和术语是出于描述的目的，且不应当被认为是限制性的。

照此，本领域技术人员将认识到，本公开所基于的概念可容易地作为用于设计用于执行本发明的若干目的的其它结构、方法和/或系统的基础而被使用。因此，重要的是，权利要求被视为包括这样的等同结构，只要所述等同结构不背离本发明的实质和范围。

附图说明

由于当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述而更清楚地理解本发明的所公开的实施例及其许多附带优点的更全面的认识，因而将容易地获得该更全面的认识，其中：

图1示意性地图示根据本公开的系统的第一实施例；

图2示意性地图示根据本公开的系统的第二实施例；

图3和图4图示图1和图2的系统的变速传动装置的截面图；

图5示意性地图示根据本公开的系统的另外的实施例；

图6和图7图示图5的系统的变速传动装置的截面图；

图8图示根据图7的线viii-viii的截面图；

图9图示组合的燃气涡轮/orc循环的示意图，其包括联接到根据本公开的变速传动装置单元的膨胀机。

具体实施方式

示范性实施例的下面的详细描述参照附图。在不同附图中的相同参考标号标识相同或类似的元件。另外，附图不一定按比例绘制。而且，下面的详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。

整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”或“一些实施例”的引用意味着，结合实施例而描述的具体特征、结构或特性被包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因而，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”不一定指相同的(一个或多个)实施例。此外，具体特征、结构或特性可以任何适合的方式组合在一个或多个实施例中。

现在参照图1，在实施例中，系统1包括主驱动器3和旋转负载5。在图1的示范性实施例中，旋转负载5包括两个旋转机5a和5b。旋转机5a、5b之一或两者可包括压缩机，例如离心式压缩机或轴流式压缩机、或往复式压缩机、或它们的组合。在下面的描述中，将通过示例的方式而假设旋转机5a、5b两者都是压缩机。根据图1的示意图，两个压缩机5a、5b机械地联接到单个轴7，且因此按相同速度旋转。在未示出的其它实施例中，齿轮箱可例如布置于两个压缩机5a、5b之间，使得这些压缩机5a、5b可按不同转速旋转。

在图1的实施例中，主驱动器3可包括由电功率分配网9提供功率的电动马达。主驱动器3可按固定(即，恒定)转速旋转，使得可无需变频驱动器。

为了改变负载5的转速，变速传动装置11沿着轴系布置于主驱动器3与负载5之间。变速传动装置11可在功能上联接到控制器12，控制器12进一步与负载5或负载5形成其部分的处理部(process)对接。控制器12可配置成改变轴7(其将变速传动装置11的输出驱动地连接到负载5)相对于轴13(其将主驱动器3驱动地连接到变速传动装置11的输入)的固定转速的转速。

图2图示根据本公开的系统的另外的实施例。相同的参考标号表示图1中所示出的相同的构件、元件或部件，并且，将不再对它们进行描述。图1的系统与图2的系统之间的主要差异是布置于变速传动装置11的输出轴8与轴7之间的齿轮箱15，齿轮箱15将运动传输到负载5。例如，如果仅仅通过变速传动装置11不可达到主驱动器3的输出轴的转速与负载5的转速之间要求的速度比，则可使用齿轮箱15。

现在在继续参照图1和图2的情况下参照图3，将描述变速传动装置11的可能的实施例。变速传动装置11包括速度叠加齿轮装置21，速度叠加齿轮装置21包括第一输入轴23、第二输入轴25以及输出轴27。输出轴27机械地联接到轴7或可形成其部分。输入轴23机械地联接到轴13或可形成其部分。

在图3的实施例中，速度叠加齿轮装置21是周转齿轮系。周转齿轮系21包括环形齿轮31和行星架33，行星架33支撑多个行星齿轮35。每个行星齿轮35空转地安装于销37上，销37约束到行星架33并随其旋转。周转齿轮系21还包括中心齿轮39，中心齿轮39键接于输出轴27上并随其旋转。

在图3的实施例中，环形齿轮31是内部齿轮，并且，行星齿轮35与内部环形齿轮31啮合。行星齿轮35进一步与中心齿轮39啮合。行星架33键接于第一输入轴23上，且随其围绕环形齿轮31和中心齿轮39的轴线旋转，使得环形齿轮31、中心齿轮39以及行星架33同轴。

环形齿轮31与齿轮41整体地旋转，齿轮41从辅助驱动器43接收运动。在图3的实施例中，辅助驱动器43经由键接于辅助驱动器43的驱动轴47上的小齿轮45而机械地联接到齿轮41。因而，周转齿轮系21具有两个自由度，且从主驱动器3和辅助驱动器43接收输入功率。

在图3的实施例中，辅助驱动器43为电动马达。电动马达43由电功率分配网9提供功率。为了使电动马达43按变速旋转，变频驱动器(vfd)49布置于电功率分配网9与电动马达43之间。

如知道的那样，周转齿轮系的第一齿轮与最后的齿轮之间的速度比由willis公式给出：

其中：

是周转齿轮系的最后的齿轮的转速

是行星架的转速

是周转齿轮系的第一齿轮的转速

如willis公式所示出的，第一输入轴23与输出轴27之间的传动比可通过调节环形齿轮31的转速而调整。环形齿轮31的转速可通过控制辅助驱动器(即，电动马达43)的转速而受控制，通过变频驱动器49实现对辅助驱动器的转速的控制。

围绕负载5的额定速度的速度变化的范围通常很小。周转齿轮系21可设计成诸如以提供适合于按给定的预置转速(其可例如为最大速度(例如，负载5的额定速度的105%))驱动负载5的速度传动比。如果需要不同的速度，例如，如果负载将按其额定速度的100%或小于100%被驱动，则使辅助驱动器43运动，以使环形齿轮31按一定速度旋转，该速度使得基于willis公式，输出轴27按负载5的需要的转速旋转。辅助驱动器43可控制成沿两个方向(顺时针和逆时针)都旋转，且此外，当辅助驱动器43制动环形齿轮31时，电能可通过辅助驱动器43被回收(recovered)。

由于负载5的转速的变化的范围相对较小，因而在与由主驱动器3提供的驱动功率进行比较的情况下，环形齿轮31的转速(且因而需要的来自辅助驱动器43的总功率)较小。例如，该装置可设置成使得当负载5按额定速度的大约105%运行时，需要的来自辅助驱动器43功率为总输入功率的大约15%。

在与当通过改变主驱动器3的速度而控制转速调节时需要的变频驱动器进行比较的情况下，使辅助驱动器47按期望的转速旋转所需要的变频驱动器49可因而具有显著低的额定功率。因而，与适合于按变速驱动主驱动器3的变频驱动器相比，变频驱动器49显著更小且更经济。另外，由于变频驱动器的效率低于100%，因而相对于现有技术的装置(其中全部的电功率由联接到主驱动器3的变频驱动器转换)，仅处理驱动负载5所需要的总功率的一小部分的变频驱动器49降低了总电功率转换损失。

图2的速度叠加齿轮装置21配置成使得中心齿轮键接于输出轴27上，即，速度叠加齿轮装置的输出是中心齿轮，而第一输入轴为驱动地联接到行星架33的轴23，并且，第二输入轴为驱动地联接到环形齿轮31的轴25。这并非速度叠加齿轮装置的唯一可能的配置。如本领域技术人员所知的，周转齿轮系可按若干不同的方式配置，并且周转齿轮系的各种旋转部件可按不同的方式用作输入或输出部件。

图4图示使用不同的速度叠加齿轮装置21的变速传动装置11的另外的实施例。相同的参考标号表示如图3中所示出的相同或等同的构件。

速度叠加齿轮装置21也为周转齿轮系，且包括第一输入轴23、第二输入轴25以及输出轴27。输出轴27机械地联接到轴7或可形成其部分。输入轴23机械地联接到轴13或可形成其部分。

图4的周转齿轮系21也包括环形齿轮31和行星架33，行星架33支撑多个行星齿轮35。每个行星齿轮35空转地安装于相应的销37上，销37约束到行星架33并随其旋转。周转齿轮系21还包括中心齿轮39，中心齿轮39键接于输出轴27上并随其旋转。在图4的实施例中，环形齿轮31也是内部齿轮，并且，行星齿轮35与内部环形齿轮31啮合。行星齿轮35进一步与中心齿轮39啮合。不同于图3的实施例，在图4中，环形齿轮31键接于第一输入轴23上并随其旋转。

行星架33设有齿轮42，齿轮42从辅助驱动器43接收运动。在图4的实施例中，辅助驱动器43经由键接于辅助驱动器43的驱动轴47上的小齿轮45而机械地联接到齿轮42。

类似于图3，同样在图4中，辅助驱动器43是由电功率分配网9提供功率的电动马达。辅助驱动器43的转速变化也通过布置于电功率分配网9与电动马达43之间的变频驱动器(vfd)49获得。

在图4的实施例中，主驱动器3因而将主功率通过变速传动装置11传输到负载5，通过在行星架33上进行动作而不是如图3的实施例中所示的那样在环形齿轮31上进行动作，调节变速传动装置11的传动比。

在两个实施例中，负载5的转速都由控制器12控制，控制器12将信号提供至变速传动装置11，以通过在辅助驱动器43上进行动作而该变负载5的转速。

图5图示根据本公开的系统的另外的实施例的示意图。该系统也作为整体标记为1，且包括主驱动器3和负载5。主驱动器3可为定速驱动器，诸如电动马达。负载在此示出为单个压缩机5，例如，离心式压缩机、轴流式压缩机或往复式压缩机。变速传动装置11布置于驱动器与负载5之间，且经由轴13驱动地联接到主驱动器3，且经由轴7驱动地联接到负载5。提供控制器12，其配置成用于经由变速传动装置11控制负载5的转速。

现在在继续参照图5的情况下参照图6，描述了用于图5的系统的变速传动装置11的可能的实施例。变速传动装置11包括速度叠加齿轮装置21，速度叠加齿轮装置21包括第一输入轴23、第二输入轴25以及输出轴27。输出轴27机械地联接到轴7或可形成其部分。输入轴23机械地联接到轴13或可形成其部分。

在图6的实施例中，速度叠加齿轮装置21是按与图3中基本上相同的方式配置的周转齿轮系。周转齿轮系21包括环形齿轮31和行星架33，行星架33支撑多个行星齿轮35。每个行星齿轮35空转地安装于销37上，销37约束到行星架33并随其旋转。周转齿轮系21还包括中心齿轮39，中心齿轮39键接于输出轴27上并随其旋转。在图6的实施例中，环形齿轮31是内部齿轮，并且行星齿轮35与内部环形齿轮31啮合，并与中心齿轮39啮合。行星架33键接于第一输入轴23上并随其旋转。

环形齿轮31与齿轮41整体地旋转，齿轮41从辅助驱动器143接收运动。在图6的实施例中，辅助驱动器143经由键接于辅助驱动器43的驱动轴47上的小齿轮45而机械地联接到齿轮41。

在图6的实施例中，辅助驱动器143为可设有可变入口导叶149的涡轮膨胀机，例如向心式涡轮膨胀机。涡轮膨胀机143可由压缩的过程气体提供功率，所述过程气体例如通过入口导管145(图5)传递。压缩的过程气体在涡轮膨胀机143中膨胀，且通过传递导管147(图5)排放。穿过涡轮膨胀机143的过程气体的焓降被转换成用以驱动环形齿轮31的机械功率。由涡轮膨胀机143生成的机械功率的量且因而环形齿轮31的转速且最终变速传动装置11的传动比可经由可变入口导叶149且/或经由气压阀151调整。控制器12可在功能上连接到用于调节变速传动装置11的传动比的所述构件，且通过在可变入口导叶149和气压阀151两者上都进行动作或在所述构件中的仅一个上进行动作来使输出轴27的转速适应于负载5的需要的转速。

在一些实施例中，如在图5中示意性示出的，通过涡轮膨胀机143膨胀的气体由压缩机5提供，即，通过压缩机5而处理的气体的一小部分用于经由涡轮膨胀机143提供机械功率。涡轮膨胀机可设有制动器，以在系统启动时锁定涡轮膨胀机的轴(如果需要这样的话)。这具体地可为以下情况：当通过涡轮膨胀机143膨胀的气体与通过压缩机5处理的为相同的气体时。

在其它实施例中，可提供不同的加压流体源，来对涡轮膨胀机提供功率。在又一些实施例中，当加压液体可用作功率源时，可使用另一涡轮机(例如，泵)。

在继续参照图5和图6的情况下参照图7，示出了变速传动装置11的另外的实施例。图6和图7的实施例之间的差异主要地涉及周转齿轮系21中的齿轮的不同布置。图7的周转齿轮系21也包括环形齿轮31和行星架33，行星架33支撑多个行星齿轮35。每个行星齿轮35空转地安装于相应的销37上，销37约束到行星架33并随其旋转。周转齿轮系21还包括中心齿轮39，中心齿轮39键接于输出轴27上并随其旋转。在图7的实施例中，环形齿轮也是内部齿轮，并且行星齿轮35与内部环形齿轮31啮合。行星齿轮35进一步与中心齿轮39啮合。不同于图6的实施例，在图7中，环形齿轮31键接于第一输入轴23上并随其旋转。

行星架33设有齿轮42，齿轮42与行星架33整体地旋转。齿轮42从辅助驱动器143接收运动。在图7的实施例中，辅助驱动器143经由键接于辅助驱动器143的驱动轴47上的小齿轮45而机械地联接到齿轮42。作为示例，另外的齿轮系46、48布置于小齿轮45与齿轮42之间。

图8图示示出图7的周转齿轮系21的主要构件的沿着线viii-viii的横截面图。

图7的变速传动装置11的运行与如在上文中结合图6描述的情况基本上相同。

图9图示根据本公开的又一实施例。相同的参考标号表示如已结合前面的图公开的相同或对应的元件。在图9的实施例中，变速传动装置11联接到呈涡轮机243(例如，orc(有机朗肯循环))的形式的辅助驱动器。参考标号23和27也表示变速传动装置11的输入轴和输出轴。变速传动装置11的内部构件未在图9中示出，且可根据本文中公开的实施例中的任一个被设计。

例如，orc涡轮243布置于有机朗肯循环的闭合回路245中。在其它实施例中，闭合回路245可为朗肯循环，并且涡轮243可为蒸汽涡轮。

回路245可按本领域技术人员所知的任何方式设计。总之，回路245可包括冷凝器或冷却器247、泵249以及换热器251。工作流体循环于闭合回路中，且经历循环热力学转变，以使来自换热器251的热转换成可用于涡轮或涡轮膨胀机243的输出轴上的有用的机械功率。

换热器251的热侧可从燃气涡轮发动机253的排气管组(stack)、气体往复式马达或任何其它废热源(即，可从其中得到处于相对较低的温度的热)接收热。燃气涡轮发动机253可形成气体发生器装置的部分，且可用于驱动发电机255。在其它实施例中，燃气涡轮发动机253可用于机械驱动应用，例如以驱动压缩机或压缩机组、泵或旋转负载的任何组合。

在换热器251中从排出的燃烧气体回收废热，且废热用于使有机流体(例如，环戊烷或任何其它合适的ocr流体)汽化和加热。热且加压的流体随后在涡轮膨胀机或涡轮245中膨胀，在冷凝器247中冷却且有可能冷凝，且再由泵249泵送到换热器251。

流体在涡轮膨胀机或涡轮245中的膨胀生成机械功率。该功率可通过驱动轴47用作输入的机械功率，驱动轴47将涡轮膨胀机或涡轮245机械地连接到变速传动装置11。如果例如由于变速传动装置11不需要功率或几乎不需要功率，或由于从换热器251可得到的废热超过变速传动装置11需要的额定功率，因而可在涡轮膨胀机或涡轮245的轴上得到额外的机械功率，则可在涡轮膨胀机或涡轮245的输出轴上得到的机械功率的至少部分可由辅助发电机257转换成电功率。

图9的装置可导致组合循环的总体能效得到改进，在组合循环中，来自最高温度循环(燃气涡轮发动机253)的废热被利用以生成有用的电功率和/或机械功率，其至少部分可用作用于变速传动装置11的辅助输入功率。不需要额外的高质量的电功率来驱动变速传动装置11的辅助输入轴。

虽然本文中描述的主题的公开的实施例已在附图中被示出，且在上文中结合若干示范性实施例而具体并详细地被充分描述，但将对本领域普通技术人员显而易见的是，在实质上不背离本文中所阐述的新颖教导、原理和概念以及所附权利要求中叙述的主题的优点的情况下，可作出许多修改、改变以及省略。

例如，在上文描述的实施例中，速度叠加齿轮装置由简单的周转齿轮系形成，其中，每个行星齿轮与环形齿轮和中心齿轮两者都啮合。在其它实施例中，可设想复杂的周转齿轮系。在这类周转齿轮系中，行星齿轮各自与仅环形齿轮或仅中心齿轮啮合。此情况下的行星架支撑成对的行星齿轮。

另外，虽然在所公开的实施例中环形齿轮是内部齿轮(即，具有在内部布置的齿的空心环)，但在其它实施例中，环形齿轮可为呈与中心齿轮完全相同方式的外部齿轮。实际上，在一些情况下，环形齿轮和中心齿轮合称中心齿轮。

因此，所公开的创新的适当范围应当仅由所附权利要求的最广义的解释确定，以便包含所有的这样的修改、改变以及省略。另外，任何过程或方法步骤的次序或顺序都可根据备选实施例而变更或重排。