JP2006340521A - 耐隙間腐食性の液冷式アーマチュアバークリップ・ストランド継手及びそれに関連した方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、アーマチュアバーストランドパッケージと端部取付金具（１６）との間のろう付け継手を提供する。
【解決手段】 本ろう付け継手は、層状アレイの形態で配置されかつストランドパッケージを形成する複数のストランド（１８、２０）と、複数のストランドの自由端がその開口部（２１）を通って延びかつその中に受けられる、端部取付金具内の空洞（２８）と、複数のストランドの自由端を互いにかつ端部取付金具の内表面に接合する、本質的に燐を含まない銅−銀ろう合金（２６）とを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的には発電機の製作に関し、より具体的には、液圧ヘッダクリップすなわち取付金具と液冷式アーマチュアバーとの間の継手の改良に関する。

大型蒸気タービン発電機のアーマチュア巻線は一般的に、水冷式である。アーマチュア巻線は、各々の端部において銅又はステンレス鋼製の取付金具で結合されたハーフコイルすなわちアーマチュアバーと、水冷式結合リングとで構成されて、連続的な液圧回路を形成する。液圧巻線回路は一般的に、電気的絶縁を形成するプラスチックホースによって入口及び出口水マニフォルドに結合される。マニフォルドは、水を冷却し、ろ過しかつ脱イオンして、その水をアーマチュア巻線に戻すように圧送するステータ水冷システムに結合される。アーマチュアバーは、矩形状バンドルの形態で配置された矩形状の銅ストランドで構成される。ストランドの全ては中空とすることができ、或いはバンドルは、中実及び中空ストランドの組合体を含むことができる。従って、中空ストランドは、冷却水を流すためのダクトを有する。ろう合金は、アーマチュアバーの１つの各端部においてストランドを相互にかつ冷却ボックスヘッダクリップに接合する。クリップは、中空ストランドに水を送給し、また該中空ストランドから水を回収する働きをする。クリップは、銅又はステンレス鋼製の取付金具によって第２のアーマチュアバーに結合されて、巻線の完全なアーマチュアコイルエレメントを形成する。

ストランド間及びストランドとクリップとの間のろう付け継手は、巻線の期待寿命の間に液圧的及び電気的な健全性を保持しなくてはならない。それらストランドを接合しまたストランドをクリップに接合するろう合金すなわち充填金属は、現在のところではＢＣｕＰ合金とも呼ばれる自溶性の銅−燐合金である。この系統の合金は一般的に、３．５〜７重量パーセントの燐を含む。ろう付け継手の表面は、脱イオン含酸素水環境に絶えず曝される。

クリップ・ストランドろう付け継手において隙間腐食メカニズムを生じさせる要件となる因子は、燐、銅、それに合った腐食開始部位及び水であることが明らかになった。これらの因子のいずれか１つが排除された場合には、隙間腐食が発生することはない。燐を含むろう合金及び隣接する銅ストランド表面の腐食は、一定の条件下、特に臨界隙間寸法及び隙間水化学的性質条件が満たされた場合に発生する可能性がある。腐食プロセスは、継手表面が該継手の表面又は表面の近くに何らかの表面隙間、ピンホール又は孔を含む場合に、また腐食を生じさせる可能性がある隙間水化学的性質の条件がこれらの部位内で生じた場合に発生開始するおそれがある。腐食プロセスは、臨界隙間寸法と隙間水化学的性質条件とが存在する限り、ろう付け継手内で進行するおそれがある。さらに、ろう付け継手内の孔は、全体視腐食速度を加速させることになる。最終的には、腐食経路により、ろう付け継手全有効長にわたって水漏れが生じて、クリップ・ストランド継手の液圧的健全性を損なうことになる。

特許文献１には、ストランドの全てを同一長さに切断し、ストランドの端部に対して同一面に銅−燐（ＢＣｕＰ）ろう合金を事前に配置した構成が開示されている。ろう付けサイクル時に、中空ストランドの端部上にろう合金濡れ防止剤を使用して中空ストランドの閉塞を防止し、また不活性パージガスを使用している。濡れ防止剤の使用は、中空ストランドの閉塞を防止するのには有効であるが、ストランド接合面の汚染を生じ、また有効ろう付け継手長さが十分に得られない可能性がある。

特許文献２では、パージガスとしての脱酸ガスの使用と組み合せて、長い中空ストランドを使用することが教示されている。長い中空ストランドは、該中空ストランドの端部上において濡れ防止剤を使用する必要性を排除し、また脱酸パージガスは、ろう付けサイクル中の酸化を制限し、合金溶融に先立ってストランド表面及びろう合金を脱酸し、ろう合金の濡れ性及び流動性を改善する。しかしながら、この方法は、燐を含むろう合金の使用を続けており、従って、殆どのケースにおいて表面の発生開始部位が著しく減少し又は排除されることによって隙間腐食の可能性は大いに最小化されるが、それでもなお隙間腐食の可能性は存在する。
米国特許第５７９６１８９号 米国特許第６７８４５７３号

本発明は、隙間腐食が発生開始することがない、液圧ヘッダクリップに対する液冷式アーマチュアバーストランドパッケージのろう付け継手、及びその継手を製作する関連した方法に関する。

全体的には、本発明は、公知の隙間腐食メカニズムの主要因子の１つである燐を本質的に含まないろう合金を使用した、隙間腐食のないクリップ・ストランドろう付け継手を提供する。本質的に燐を含まないろう合金は、隙間腐食を起こし易い燐含有冶金相を形成することができないほど十分に低い燐含有量しか含まない。一般的に、またこの説明の目的のために、５００ｐｐｍ（又は０．０５重量パーセント）よりも少ない燐を含む合金は、本質的に燐を含まないと見なす。期待される利点は、発電機の稼動率及び信頼性の向上である。

具体的には、本発明は、長い中空ストランド（中実ストランドと比較して）を使用して、中空ストランドの端部上におけるろう合金濡れ防止剤の必要性を回避する。ストランドの層間及びストランドとヘッダクリップの内表面との間に、圧延した本質的に燐を含まない銅−銀ろう合金のストリップを配置する。銅又はその他の適当な金属から構成した付加的な金属シムを層間に配置して、ろう合金の保持を助けることができる。ろう合金の保持をさらに助けるために、ストランド・クリップ接合面においてストランドパッケージの周りに一時的な耐火スリーブを配置することができ、またスプリング付勢チルクランプを使用する。継手は、制御したガス雰囲気下にあるチャンバ内でろう付けして、ろう付け用フラックスの必要性を回避する。任意選択的に、棒状の銅−銀合金を使用して、ろう付け工程中にろう付け継手に付加的な充填金属を加えることができる。

ろう付け継手は、アーマチュアバーの軸線を水平又は垂直配向のいずれかにした状態で製作することができる。しかしながら、垂直配向は、継手内における合金保持を助け、また液圧ヘッダクリップ内部の組立体表面上に合金片をより容易に事前に配置することを可能にし、それによって溶融しかつ表面に流動して水平配向のアーマチュアバーの場合に可能になるよりも厚い充填金属層を形成することになる付加的な充填金属源をもたらすので、垂直配向が好ましい。

銅−銀合金は、錫、亜鉛又はニッケルのような１つ又はそれ以上のその他の元素を含むことができ、これにより、特定の用途に適した固相及び液相改質を生じさせることができる。幾分好ましさが劣る製作方法の実施形態では、制御した雰囲気を有するチャンバ内でろう付けを行うことを避けるのが望ましい場合に、ろう付け作業は、ろう付け用フラックスを使用すると共に、空気或いは窒素又はアルゴンのような不活性ガスの雰囲気内で行うことができる。

従って、１つの態様では、本発明は、アーマチュアバーストランドパッケージと端部取付金具との間のろう付け継手に関し、本継手は、層状アレイの形態で配置されかつストランドパッケージを形成する複数の中実ストランドと複数の中空ストランドとを含み、複数の中空ストランドが、中実ストランドの対応する自由端を越えて軸方向に延びる自由端を有し、本ろう付け継手はさらに、複数の中空ストランドの自由端と中実ストランドの対応する自由端とがその開口部を通って延びかつその中に受けられる、端部取付金具内の空洞と、複数の中空ストランドの自由端と複数の中実ストランドの対応する自由端とを互いにかつ端部取付金具の内表面に接合する、本質的に燐を含まない銅−銀ろう合金とを含む。

別の態様では、本発明は、アーマチュアバーと端部取付金具との間のろう付け継手に関し、本継手は、開口部によってアクセスされる端部取付金具内の空洞と、開口部内に受けられかつ層状アレイの形態で配置された中実及び中空ストランドのアレイと、中実及び中空ストランドを互いにかつ端部取付金具の内表面に接合する本質的に燐を含まない銅−銀ろう合金とを含み、ろう合金は、中実ストランドの自由端は被うが、中空ストランドの自由端は開口しかつ閉塞されていない状態のままに残す。

さらに別の態様では、本発明は、アーマチュアバーと端部取付金具との間にろう付け継手を形成する方法に関し、本方法は、ａ）複数の中空ストランド及び複数の中実ストランドの端部を、該中空ストランドの自由端が該中実ストランドの自由端を越えて軸方向に延びるように端部取付金具の空洞内に配置する段階と、ｂ）本質的に燐を含まない銅−銀ろう合金を、該銅−銀ろう合金が中実ストランドの自由端を越えて軸方向に延出さないように、中空ストランド及び中実ストランドの端部の周りにかつ端部間に事前に配置する段階とを含む。

さらに別の態様では、本発明は、アーマチュアバーストランドパッケージと端部取付金具との間のろう付け継手に関し、本ろう付け継手は、層状アレイの形態で配置されかつストランドパッケージを形成する複数のストランドと、複数のストランドの自由端がその開口部を通って延びかつその中に受けられる、端部取付金具内の空洞と、複数のストランドの自由端を互いにかつ端部取付金具の内表面に接合する、本質的に燐を含まない銅−銀ろう合金とを含む。

次に図１を参照すると、典型的な液冷式発電機内で使用する液冷式ステータ巻線は、複数のアーマチュアバー１０（１つを示す）を含み、このアーマチュアバーの中央部分１２は、ステータコア（図示せず）内の半径方向に延びるスロットを通り、その両端部が、一般的にはそれぞれ銅のような導電性材料で形成された液圧端部取付金具すなわちヘッダクリップ１４及び１６で終端する。入口ホース（図示せず）は、ヘッダクリップ１４、１６を入口又は出口冷却媒体ヘッダ（これも図示せず）に結合する。

図２も参照すると、アーマチュアバー１０は、さらに後述するようなそれぞれヘッダクリップ１４及び１６の内部にろう付けされた多くの小さな矩形状の中実及び中空の銅ストランド１８、２０で構成される。ストランド１８、２０はまた、銅−ニッケル合金又はステンレス鋼のような銅以外の金属で作ることもできることが分かるであろう。クリップ１４、１６は同一であるので、クリップ１６のみを詳細に説明する。

図２及び図３から最も良く分かるように、中実及び中空銅ストランド１８、２０は、ほぼ矩形状の多層アレイの形態で、互いに並べて重ね合わせた状態で配置される。アレイは、ヘッダクリップの同様な形状の「窓」切欠き部内に嵌合した側面プラグ２２（図３）により、液圧端部取付金具すなわちヘッダクリップ１６内で圧縮することができる。ステータバー内のストランド１８、２０の列又は層は、充填金属又はろう合金バリア皮膜２６を使用して、互いにろう付けされると同時に、端部取付金具の内表面２４にもろう付けされる。ろう合金２６は、圧延ストリップの形態の本質的に隣を含まない銅−銀合金を含むのが好ましい。圧延ストリップの形態は、ストランドの層間及びストランドと端部取付金具すなわちヘッダクリップの内表面との間に合金を配置することを可能にする。

パッケージ内における中実ストランド１８及び中空ストランド２０の特定の構成は、変えることができる。例えば、中空ストランドに対する中実ストランドの割合は、発電機稼動中に熱を除去するバー設計の能力に応じて、１：１から例えば６：１又はそれ以上までとすることができる。反対に、パッケージは、中空ストランドばかりを含むこともできる。アレイ内における中実及び中空ストランドの配列もまた変えることができる。従って、図２及び図３には２層アレイを示しているが、４層、６層又はそれ以上の層も可能であることが分かるであろう。

中空ストランド２０の自由端は、中実ストランド１８の対応する自由端を越えて、開口した空洞すなわちマニフォルド２８内に軸方向に延びる。中実及び中空ストランドの異なる長さは、中実ストランドを短くするための専用工具の使用を含む任意の適当な手段によって達成することができる。充填金属すなわちろう合金２６は、中空及び中実ストランドの挿入端部を囲むが、中空ストランド２０を越えて軸方向に延出さないように、ヘッダクリップ１６内に事前に配置される。図２から最も良く分かるように、ろう合金バリア皮膜２６は、アレイ内のストランド１８、２０の各々の全ての側面に沿ってかつ全ての側面間で軸方向に延び、また中空ストランド２０の端部が開口しかつ該中空ストランドを通る冷却媒体の自由な流れを妨げない状態のままに残しながら、中実ストランド１８の端部（又は接合面）を被う。

図４を参照すると、多層配列を示し、この配列は、銅又はその他の適当な金属から構成した金属シム３０をどのように層間に配置してろう合金の保持を助けることができるかを示している。これらの金属シム３０は、クリップの後壁と実質的に同一面になる位置まで軸方向に延びる。ストランド・クリップ接合面においてストランドパッケージの周りに一時的な耐火スリーブ（図示せず）を配置することができる。これに加えて、スプリング付勢チルクランプ（図示せず）を使用して、ろう合金の保持をさらに助けることができる。具体的には、チルクランプは、クリップ１６の直後でストランドの周りに適用されて、該クリップ内のストランドと該クリップ外のストランドとの間に温度差を作り出すことになる。この温度差は、クリップ内部区域へのろう合金の流動を閉じ込めるのを助け、すなわち、ろう合金がストランドに沿ってクリップの後壁３２を越えて漏出するのを実質的に防止する。この継手組立体は、チャンバ内の制御したガス雰囲気（例えば、窒素、水素及び微量の酸素を含むガス、又は１００％の水素）中でろう付けして、フラックスの必要性を回避することができる。必要に応じて、棒状の銅−銀合金を使用して、ろう付け工程中にろう付け継手に付加的な充填金属を加えることができる。

ろう合金２６は、その溶融温度まで加熱された時に、中実及び中空ストランド１８及び２０間の空間、並びにその中にストランドが挿入されるヘッダクリップの開口部の位置を含むストランドとヘッダクリップの内表面２４との間の空間内に流入しかつこれらの空間を満たす。合金２６は、その溶融温度において、それが実質的に中空ストランド２０の自由端までは流れないほどの十分な粘性を保持する。言い換えると、中空ストランド２０の長い長さは、余分な合金材料が中空ストランドの端部を越える程に流出することがないようにして、該中空ストランド内の冷却通路が閉塞される可能性を排除する点で、安全マージンをもたらす。

ろう付け継手は、アーマチュアバーの軸線を水平又は垂直配向にした状態で製作することができる。垂直配向は、継手内における合金保持を助け、また液圧ヘッダクリップ内部の組立体表面上に合金片を事前に配置することを可能にし、それによって溶融しかつ表面に流動して水平配向のアーマチュアバーの場合に可能になるよりも厚い充填金属層を生じることになる付加的な充填金属源をもたらすので、垂直配向が好ましい。

本質的に燐を含まない銅−銀合金は、錫、亜鉛又はニッケルのような１つ又はそれ以上のその他の元素を含むことができ、これにより、特定の用途に適した固相及び液相改質を生じさせることができる。幾分好ましさが劣る製作方法の実施形態では、ろう付け作業は、ろう付け用フラックスを使用すると共に、空気或いは窒素又はアルゴンのような不活性ガスの雰囲気内で行って、制御した雰囲気を有するチャンバ内でろう付けする必要性を回避することができる。

本発明を現在最も実用的かつ好ましい実施形態と考えられるものに関して説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、また特許請求の範囲に記載した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるのではなくてそれらを容易に理解するためのものであることを理解されたい。

アーマチュアバー・ヘッダクリップ組立体の側面図。 本発明の例示的な実施形態によるヘッダクリップ・ストランド継手の、図３の線２−２に沿って取った断面図。 図２に示す継手の端面図。 層間に金属シムを有するクリップ・ストランド継手の部分端面図。

符号の説明

１０ アーマチュアバー
１４、１６ 端部取付金具
１８ 中実ストランド
２０ 中空ストランド
２１ 端部取付金具の開口部
２４ 端部取付金具の内表面
２６ ろう合金
２８ 空洞
３０ 金属シム

Claims (10)

1. アーマチュアバーストランドパッケージと端部取付金具（１６）との間のろう付け継手であって、
   層状アレイの形態で配置されかつストランドパッケージを形成する複数の中実ストランド（１８）と複数の中空ストランド（２０）とを含み、前記複数の中空ストランド（２０）が、前記中実ストランド（１８）の対応する自由端を越えて軸方向に延びる自由端を有し、該ろう付け継手がさらに、
   前記複数の中空ストランドの自由端と前記中実ストランドの対応する自由端とがその開口部（２１）を通って延びかつその中に受けられる、前記端部取付金具（１６）内の空洞（２８）と、
   前記複数の中空ストランドの自由端と前記複数の中実ストランドの対応する自由端とを互いにかつ前記端部取付金具の内表面（２４）に接合する、本質的に燐を含まない銅−銀ろう合金（２６）と、を含む、
   ろう付け継手。
2. 前記ろう合金（２６）が、前記中実ストランド（１８）の自由端を被う、請求項１記載のろう付け継手。
3. 前記層状アレイの１つ又はそれ以上の層間に配置された金属シム（３０）をさらに含む、請求項１記載のろう付け継手。
4. 前記金属シム（３０）が銅で構成されている、請求項３記載のろう付け継手。
5. 前記複数の中実及び中空ストランド（１８、２０）が、銅で構成されている、請求項１記載のろう付け継手。
6. 前記複数の中実ストランド（１８）が銅で構成され、中空ストランド（２０）がステンレス鋼で構成されている、請求項１記載のろう付け継手。
7. アーマチュアバー（１０）と端部取付金具（１６）との間のろう付け継手であって、
   開口部（２１）によってアクセスされる端部取付金具内の空洞（２８）と、
   前記開口部内に受けられかつ層状アレイの形態で配置された中実及び中空ストランド（１８、２０）のアレイと、
   前記中実及び中空ストランドを互いにかつ前記端部取付金具の内表面（２４）に接合する本質的に燐を含まない銅−銀ろう合金（２６）と、を含み、
   前記ろう合金が、前記中実ストランドの自由端は被うが、前記中空ストランドの自由端は開口しかつ閉塞されていない状態のままに残している、
   ろう付け継手。
8. アーマチュアバー（１０）と端部取付金具（１６）との間にろう付け継手を形成する方法であって、
   ａ）複数の中空ストランド（２０）及び複数の中実ストランド（１８）の端部を、該中空ストランド（２０）の自由端が該中実ストランド（１８）の自由端を越えて軸方向に延びるように前記端部取付金具の空洞（２８）内に配置する段階と、
   ｂ）本質的に燐を含まない銅−銀ろう合金（２６）を、該銅−銀ろう合金が前記中実ストランドの自由端を越えて軸方向に延出さないように、前記中空ストランド及び中実ストランドの端部の周りにかつ該端部間に事前に配置する段階と、
   を含む方法。
9. ｃ）チャンバ内で制御したガス雰囲気中で前記複数の中実及び中空ストランド（１８、２０）を前記端部取付金具（１６）にろう付けする段階をさらに含む、請求項８記載の方法。
10. アーマチュアバーストランドパッケージと端部取付金具（１６）との間のろう付け継手であって、
    層状アレイの形態で配置されかつストランドパッケージを形成する複数のストランド（１８、２０）と、
    前記複数のストランドの自由端がその開口部（２１）を通って延びかつその中に受けられる、前記端部取付金具（１６）内の空洞（２８）と、
    前記複数のストランドの自由端を互いにかつ前記端部取付金具の内表面（２４）に接合する、本質的に燐を含まない銅−銀ろう合金（２６）と、
    を含むろう付け継手。

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