JP2007282488A - 発電機回転子の冷却を改善するための流線形ボディウェッジブロックおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電機回転子の冷却を改善するための流線形ボディウェッジブロックおよび方法を提供する。
【解決手段】ボディウェッジブロック（１４２）が、前方に向かって面している、空気力学的に流線形の軸方向端部（１４６、１４８）を有する回転子ボディ（１４）の端部に隣接して提供される。したがって、隣接するボディウェッジブロック間に、冷却空気のための、末端巻線領域からサブスロットダクトに向かう流れの穏やかな収縮を可能にする流路（１５６）が生成され、それにより圧力損失が小さくなる。
【選択図】図５

Description

本発明は、発電機回転子の冷却を改善するための構造および方法に関する。

大型タービン発電機などの動電機械の電力出力定格は、電気導体の絶縁に強いられる温度制限のため、しばしば回転子界磁巻線に流れる追加電流を提供する能力によって制限されている。したがって、回転子巻線の有効な冷却は、電機の出力能力に直接影響している。これは、とりわけ、これらの電機の典型的な構造のために直接的な強制冷却が困難で、かつ、高価である回転子末端領域に言える。優勢な市場の趨勢は、より低いコストでより高い効率およびより高い信頼性を有する、より高い出力密度の発電機を要求しており、したがって回転子末端領域の冷却が制限要因になっている。

タービン発電機の回転子は、通常、回転子ボディのスロット内に放射状に積み重ねられた銅回でできた同心長方形コイルからなっている。メイン回転子ボディのサポートからはみ出ているコイルの末端部分（一般に末端巻線と呼ばれている）は、通常、止め輪によって回転力に対して支持されている（図１参照）。相対位置を維持し、かつ、機械的な安定性を付与するためのブロックが、同心コイルの末端巻線間に間欠的に配置されている（図２参照）。ブロックは、それらの位置に応じて、スペース、スペーサおよびウェッジブロックに分類されている。

上で指摘したように、有効な冷却は、良好な換気設計のための主要な要求事項である。典型的な発電機回転子の場合、ファンからの冷たい流れが心出しリングの下方の通路に流入し、かつ、末端領域の上に流入する。この流れは、さらに、溝流（溝形末端巻線中の流れ）とサブスロット流に分割される。回転子ボディの近傍に位置しているウェッジブロックは、ボディウェッジブロックと呼ばれている。これらのブロックの下方および周りを通過する冷却流は、冷却流をさらに下流の回転子ボディへ導くサブスロットダクトに流入する。回転子が高速で回転している間、末端巻線領域のコイルの下方の流れは、高相対接線速度で移動する。流れがサブスロットダクトの近傍に到達すると、流れは、この高相対接線速度成分のため、一定の角度でサブスロットダクトに流入する。流れとサブスロットの間のこの不整列により、サブスロットの入口での損失が誘発される。また、冷却流が比較的太い末端巻線ダクトから細いサブスロットダクトに流入すると、流れが急激に収縮する。これは、サブスロットダクトが太い末端巻線ダクトに対して直角に画定されていることによるものである。太い末端巻線ダクトから細いサブスロットダクトへの流れの収縮は急激である。この急激な収縮により、さらに圧力損失が誘発される。
米国特許第６，３９２，３２６号 米国特許第６，４１７，５８６号 米国特許第６，４５２，２９４号 米国特許第６，４６５，９１７号 米国特許第６，４９５，９４３号 米国特許第６，６１７，７４９号 米国特許第６，６２８，０２０号 米国特許第６，７２０，６８７号

本発明により、サブスロットダクトに流入する際に生じる損失を小さくし、それにより回転子ボディをより有効に冷却し、延いては総合換気効率を改善するためのボディウェッジブロック構成が提供される。

本発明の一実例実施形態によれば、前方に向かって面している、空気力学的に流線形の軸方向端部を有し、それにより、隣接するボディウェッジブロック間に、従来の平らな軸方向末端ボディウェッジブロックによる急激な収縮ではなく、流れの穏やかな収縮を可能にする流路が生成されるボディウェッジブロックが提供される。

したがって、本発明は、ボディ部分を有する回転子であって、軸方向に延びるコイルおよび前記ボディ部分の少なくとも一方の端部を越えて軸方向に延びる複数の末端巻線を画定する末端回を有する回転子と、隣接する前記コイル間に、前記ボディ部分の軸方向端部に隣接して配置された少なくとも１つのボディウェッジブロックであって、前記ボディウェッジブロックが、前記隣接するコイルと係合する回転子の軸に概ね平行な第１および第２の側壁部分、上流壁および下流壁を有し、前記ボディウェッジブロックの前記上流壁が、その先端縁から前記側壁部分まで徐々に幅が広くなっている空気力学輪郭を有するボディウェッジブロックとを備えたガス冷却動電機械として具体化することができる。

また、本発明は、スピンドルおよびボディ部分を有する回転子と、軸方向に延びる、前記ボディ部分の上に配置されたコイル、および前記ボディ部分の少なくとも一方の端部を越えて軸方向に延びる、間隔を隔てた同心末端巻線を備えた回転子巻線であって、前記末端巻線および前記スピンドルがそれらの間に環状スペースを画定する回転子巻線と、隣接する前記コイル間に、前記回転子ボディ部分に隣接して配置された複数のボディウェッジブロックであって、前記ボディウェッジブロックの各々が、前記隣接するコイルと係合する第１および第２の側壁部分、上流壁および下流壁を有し、前記ボディウェッジブロックのうちの少なくとも１つの前記上流壁が空気力学輪郭を有し、それにより、冷却流が回転子ボディ部分の前記コイルの下方の冷却通路に流入する際の圧力損失が小さくなるガス冷却動電機械として具体化することができる。

本発明は、さらに、スピンドルと、ボディ部分と、軸方向に延びる、前記ボディ部分の上に配置されたコイル、および前記ボディ部分の少なくとも一方の端部を越えて軸方向に延びる、間隔を隔てた同心末端巻線を備えた回転子巻線であって、前記末端巻線および前記スピンドルがそれらの間に環状スペースを画定する回転子巻線とを有する発電機を冷却する方法であって、隣接する前記コイル間に、前記回転子ボディ部分に隣接する複数のボディウェッジブロックを配置するステップであって、前記ボディウェッジブロックの各々が、前記隣接するコイルと係合する第１および第２の側壁部分、上流壁および下流壁を有し、前記上流壁が空気力学輪郭を有するステップと、前記環状スペースに流入させ、かつ、前記ボディウェッジブロックを通り越して、前記コイルの下方の前記回転子ボディに画定されたサブスロットダクトに流入させるべく冷却空気を導くステップとを含み、前記ボディウェッジブロックの前記上流壁の前記空気力学輪郭が前記流れを前記サブスロットダクト中に徐々に収縮させ、それにより圧力損失が小さくなる方法として具体化することができる。

本発明のこれらおよび他の目的ならびに利点は、添付の図面に照らして行う、本発明の現時点における好ましい例示的実施形態についての以下のより詳細な説明を慎重に考察することにより、より完全に理解され、かつ、認識されよう。

図面を参照すると、同じ構成要素は、様々な図面を通して同じ参照数表示で示されている。図１および２は、ガス冷却動電機械の回転子１０を示したもので、ガス冷却動電機械は、さらに、回転子を取り囲んでいる固定子１２を備えている。回転子は、回転子スピンドル１６上の中央に配置された、軸方向に互いに反対側に位置している端面を有する、概ね円筒状のボディ部分１４を備えている。図１には、一方の端面の一部１８が示されている。回転子ボディ部分は、回転子巻線を構築している、同心で配置されたコイル２２を受け取るための、円周状に間隔を隔てた、軸方向に延びる複数のスロット２０を備えている。分かり易くするために、図には５つの回転子コイルしか示されていないが、実際には、通常、もういくつかの回転子コイルが使用されている。

詳細には、回転子巻線の一部を構成している多数の導体バー２４が個々のスロットに積み重ねられている。隣接する導体バーは、電気絶縁材２５の層によって分離されている。積み重ねられた導体バーは、通常、ウェッジ２６によってスロット内に維持されており（図１参照）、銅などの導電材料でできている。導体バー２４は、回転子ボディ部分１４の端面を越えて軸方向に延び、積み重ねられた末端巻線２８を形成している末端回２７によって、ボディ部分の個々の対向する端部で相互接続されている。この末端回も、電気絶縁材の層によって分離されている。

とりわけ図１を参照すると、止め輪３０は、ボディ部分の個々の端部の末端回の周りに配置されており、末端巻線を遠心力に対して所定の位置で保持している。止め輪３０は、一方の端部でボディ部分１４に固定され、回転子スピンドル１６の上方を外側に向かって延び、末端巻線領域を円周状に取り囲んでいる。心出しリング３２は、止め輪３０の遠位端に取り付けられている。止め輪３０および心出しリング３２は、当分野で知られているように、他の方法で取り付けることも可能であることに留意されたい。心出しリング３２の内側の周辺縁は、回転子スピンドル１６から半径方向に間隔を隔てており、それによりガス入口通路３４を形成している。また、末端巻線２８は、スピンドル１６から間隔を隔てており、それにより環状領域３６を画定する。スロット２０に沿って形成された多数の軸方向の冷却通路すなわちサブスロットダクト３８は、環状領域３６を介してガス入口通路３４と流体連絡しており、冷却ガスをコイル２２に引き渡している。

図２を参照すると、回転子１０の個々の端部の末端巻線２８は、多数のブロック４０、４２によって円周状に軸方向に分離されている（図解を分かり易くするために、図１にはブロックは示されていない）。これらのブロックは、隣接する末端巻線２８間のスペースに配置された絶縁材料の細長いブロックであり、スペースブロックとボディウェッジブロックに分類されている。図に示すスペースブロック４０は、末端巻線領域に配置されており、銅末端巻線２８間の間隔を維持している。ボディウェッジブロック４２は、回転子ボディ部分１４の端部１８に配置されている。

図２、３および４から理解されるように、従来のボディウェッジブロックは、その断面が実質的に長方形であり、個々の銅コイル２２（図４には示されていない）を単に横方向に間隔を隔てるために提供されているにすぎない。上で指摘したように、冷却空気が末端巻線領域、たとえば末端巻線ダクト３６に流入し、サブスロットダクト３８へ移行する回転子ボディ部分１４の端部１８には、急激な流れの収縮が存在している。

上で指摘したように、サブスロットダクト３８は、太い末端巻線ダクト３６に対して直角に配置されている。流れがサブスロットの入口に到達すると、流れは、高接線速度のため、一定の角度でサブスロットに流入する。サブスロットの入口における流れの不整列のため、全圧降下の形で流れが損失する。また、サブスロットの入口では、流れが、面積の広いダクト、つまり末端巻線の下方の流路３６から、面積が狭いサブスロットダクト３８へ収縮する。そのため、流れが急激に収縮し、この急激な流れの収縮により、大きな圧力損失がサブスロットの入口に生成される。

本発明により、サブスロットダクトに流入する際に生じる損失を小さくし、それにより回転子ボディをより有効に冷却するように構成されたボディウェッジブロックが提供される。

本発明の一実例実施形態では、ボディウェッジブロック１４２の先端部分つまり軸方向の前面端部分は、冷却空気流がボディウェッジブロック１４２の下流側のサブスロットダクトに流入する前に、流線形の冷却空気流が生成されるよう、空気力学的に構成されている。図５に示す実施例では、ボディウェッジブロック１４２の前面端部分１４４は、その断面がくさび形すなわち三角形であり、先端頂点１４６および頂点からボディウェッジブロックのメインボディ１５０の全幅まで延びる傾斜壁部分１４８を画定する。したがって、ボディウェッジブロックは、その後端１５４および空気力学的に構成されている先端部分１４４（図に示す実施形態では三角形である）に対して直角に配置された概ね平らな平行側壁１５２を有する概ね長方形であるメインボディ部分１５０を備えている。ボディウェッジブロック１４２は、２つの部品で形成することができ、たとえば一体に結合された三角形の先端部分１４４および長方形のメインボディ部分１５０で形成することができ、あるいは一体で形成し、空気力学部分およびコイルスペーシング部分を画定することも可能である。図に示す実施形態では、ボディウェッジブロックの先端部分１４４は、頂点１４６および真直ぐな傾斜側面１４８を有する実質的に三角形であるが、もっと鈍角の先端、つまり丸くなった先端、およびボディウェッジブロックのメインボディ１５０のフラットコイルスペーシング表面１５２へ導く、凸状に連続的に湾曲した表面を提供する代替形態も可能であることを理解されたい。いずれの構成においても、先端部分は、その先端縁からメインボディ側壁１５２まで徐々に幅が広くなっている空気力学輪郭を有している。

ボディウェッジブロック１４２の先端部分１４４の幅が徐々に広くなっているため、図３および４に示す従来の長方形ウェッジブロックの場合の流れ阻止効果とは異なり、流れをボディウェッジブロックの側面で徐々に収縮させることができる。理解されるように、回転子ボディを冷却するための流れは、隣接するボディウェッジブロック対の間を通過しなければならない。図６に示すように、図４とは対照的に、空気力学的形状の２つのブロック１４２が互いに隣接して配置され、かつ、銅コイル（図４および６には示されていない）によって分離されると、個々のボディウェッジブロックによって、先細ノズルのように構成され、したがって流れを比較的穏やかにサブスロットダクト３８内に収縮させることができる通路１５６がコイルの下方に画定される。急激な収縮と比較すると、穏やかな収縮により、圧力損失が著しく小さくなる。また、この点に関して、有利には、ボディウェッジブロックの半径方向の高さが従来のブロックより高くなっているため、ボディウェッジブロックがコイルの下方の流れの中に十分に突出し、新しく形成される通路１５６の効果が最大化される。この余分の高さは、それによりスピンドルの頂部半径とブロックの下部半径の間に十分なクリアランスが維持されるようになっている。したがって、この構造は、回転子ボディの端部における流れの阻止を除去するだけでなく、流路内のコイルの下方の案内通路として作用している。案内通路として作用させることにより、サブスロットの入口における流れの接線速度成分が小さくなり、かつ、軸流成分に変換される。案内通路として作用させることにより、最終的には圧力降下がさらに小さくなる。

本発明を具体化したボディウェッジブロック１４２は、設計変更することによってあらゆる空気冷却発電機および水素冷却発電機に適用することができる。これらのボディウェッジブロック１４２を使用することにより、流れ損失を小さくすることができ、延いては発電機の換気効率をさらに高くすることができる。また、発電機の総合効率は換気効率の関数であるため、同じく発電機の総合効率を高くすることができ、したがって最終的には最終顧客の電気代が安くなる。

以上、本発明について、現時点で最も実際的であり、かつ、好ましいと見なされる実施形態に関連して説明したが、本発明は、上で説明した実施形態に制限されず、逆に、特許請求の範囲の精神および範囲に含まれる様々な変更および等価構造を包含することが意図されていることを理解されたい。

向かい合って対向する関係で固定子を備えた動電機械回転子の末端回領域の一部を示す部分略断面図である。 図１の線２−２に沿って取った動電機械回転子の略断面図である。 従来のボディウェッジブロックの略斜視図である。 末端巻線領域と従来のボディウェッジブロックを備えたサブスロットダクトとの間の流れの収縮を示す略平面図である。 本発明を具体化したボディウェッジブロックの略斜視図である。 末端巻線領域と、本発明を具体化した、空気力学的に構成されたボディウェッジブロックを備えたサブスロットダクトとの間の穏やかな流れの収縮を示す略平面図である。

符号の説明

１０ 回転子
１２ 固定子
１４ ボディ部分
１６ 回転子スピンドル
１８ 端面
２０ スロット
２２ コイル
２４ 導体バー
２５ 電気絶縁材
２６ ウェッジ
２７ 末端回
２８ 末端巻線
３０ 止め輪
３２ 心出しリング
３４ ガス入口通路
３６ 環状流路
３８ サブスロットダクト
４０ スペースブロック
４２、１４２ ボディウェッジブロック
１４４ 前面端部分すなわち先端部分
１４６ 前縁頂点
１４８ 傾斜壁部分
１５０ メインボディ部分
１５２ 側壁
１５４ 後端
１５６ 通路

Claims (10)

1. ガス冷却動電機械であって、
   ボディ部分１４を有する回転子（１０）であって、軸方向に延びるコイル（２２）および前記ボディ部分の少なくとも一方の端部（１８）を越えて軸方向に延びる複数の末端巻線（２８）を画定する末端回（２７）を有する回転子（１０）と、
   前記ボディ部分の軸方向端部に隣接して、隣接する前記コイル間に配置された少なくとも１つのボディウェッジブロック（１４２）であって、前記ボディウェッジブロックが、前記隣接するコイルと係合する前記回転子の軸に概ね平行な第１および第２の側壁部分（１５２）、上流壁（１４６、１４８）および下流壁（１５４）を有し、前記ボディウェッジブロックの前記上流壁（１４６、１４８）が、その先端縁（１４６）から前記側壁部分（１５２）まで徐々に幅が広くなっている空気力学輪郭を有する、ボディウェッジブロック（１４２）と
   を備えたガス冷却動電機械。
2. 前記上流壁が、頂点（１４６）および前記頂点から前記側壁部分（１５２）まで延びる第１および第２の傾斜壁部分（１４８）を有する、請求項１記載の動電機械。
3. 前記頂点（１４６）が、前記上流壁の実質的に横方向の中央に配置された、請求項２記載の動電機械。
4. 前記傾斜壁部分（１４８）がそれぞれ実質的に平らである、請求項２記載の動電機械。
5. ガス冷却動電機械であって、
   スピンドル（１６）およびボディ部分１４を有する回転子（１０）と、
   軸方向に延びる、前記ボディ部分の上に配置されたコイル（２２）、および前記ボディ部分の少なくとも一方の端部（１８）を越えて軸方向に延びる、間隔を隔てた同心末端巻線（２８）を備えた回転子巻線であって、前記末端巻線および前記スピンドルがそれらの間に環状スペース（３６）を画定する回転子巻線と、
   隣接する前記コイル間に、前記回転子ボディ部分（１４）に隣接して配置された複数のボディウェッジブロック（１４２）と
   を備え、
   前記ボディウェッジブロックの各々が、前記隣接するコイルと係合する第１および第２の側壁部分（１５２）、上流壁（１４６、１４８）および下流壁（１５４）を有し、前記ボディウェッジブロックのうちの少なくとも１つの前記上流壁が空気力学輪郭を有し、それにより、冷却流が前記回転子ボディ部分の前記コイルの下方の冷却通路に流入する際の圧力損失が小さくなるガス冷却動電機械。
6. 前記上流壁が、頂点（１４６）および前記頂点から前記側壁部分（１５２）まで延びる第１および第２の傾斜壁部分（１４８）を有する、請求項５記載の動電機械。
7. 前記頂点（１４６）が、前記上流壁の実質的に横方向の中央に配置された、請求項６記載の動電機械。
8. 前記傾斜壁部分（１４８）がそれぞれ実質的に平らである、請求項６記載の動電機械。
9. スピンドル（１６）と、ボディ部分１４と、軸方向に延びる、前記ボディ部分の上に配置されたコイル（２２）、および前記ボディ部分の少なくとも一方の端部（１８）を越えて軸方向に延びる、間隔を隔てた同心末端巻線（２８）を備えた回転子巻線であって、前記末端巻線および前記スピンドルがそれらの間に環状スペース（３６）を画定する回転子巻線とを有する発電機回転子を冷却する方法であって、
   隣接する前記コイル間に、前記回転子ボディ部分に隣接する複数のボディウェッジブロック（１４２）を配置するステップであって、前記ボディウェッジブロックの各々が、前記隣接するコイルと係合する第１および第２の側壁部分（１５２）、上流壁（１４６、１４８）および下流壁（１５４）を有し、前記上流壁が空気力学輪郭を有するステップと、
   前記環状スペースに流入させ、かつ、前記ボディウェッジブロック（１４２）を通り越して、前記コイルの下方の前記回転子ボディに画定されたサブスロットダクトに流入させるべく冷却空気を導くステップと
   を含み、
   前記ボディウェッジブロックの前記上流壁の前記空気力学輪郭が前記流れを前記サブスロットダクト中に徐々に収縮させ、それにより圧力損失が小さくなる方法。
10. 前記上流壁が、頂点（１４６）および前記頂点から前記側壁部分（１５２）まで延びる第１および第２の傾斜壁部分（１４８）を有する、請求項９記載の方法。

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