JP2009514498A - パドル型ロータスペースブロック - Google Patents

Abstract

【課題】気体流によって冷却される回転電気機械を提供する。
【解決手段】本機械は、ロータと、ロータを越えて軸方向に延びる巻線端と、巻線端の周りに設置されたスペースブロックと、スペースブロックの周りに配置された通路とを含むことができる。スペースブロックは、気体流を軸方向に偏向させるように通路内に延びるＣ字チャネルを含むことができる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、総括的には発電機ロータに関し、より具体的にはパドル型スペースブロックを用いて発電機ロータの冷却を向上させることに関する。

大型ターボ発電機のような回転電気機械の出力定格は、電気導体絶縁体に加わる温度限界のために、ロータ界磁巻線を通して付加的電流を供給する能力によって制限されることが多い。ロータ巻線の効果的な冷却は、機械の出力性能に直接貢献する。このことは、直接的な強制冷却が困難かつ費用がかかるようなロータ端部領域において特に当てはまる。一般のマーケット傾向が、より低コストの高出力発電機でのより高い効率及び信頼性を必要としているので、ロータ端部領域の冷却は、その制限要因になる。

ターボ発電機ロータは一般的に、該ロータのスロット内に取付けられた同心矩形コイルを有する。主ロータ本体を越えて延びるコイルの端部部分（通常、巻線端と呼ばれる）は一般的に、回転力に抗するように保持リングによって支持される（図１参照）。熱負荷のような軸方向負荷に対してそれらの相対的位置を維持しかつ機械的安定性を付加するために、支持ブロックが、同心コイル巻線端間に間欠的に配置される（図２参照）。さらに、銅コイルは、外径周りで保持リングによって半径方向に拘束されて遠心力に抗するようになる。

スペースブロック及び保持リングが存在することにより、銅コイルに露呈した幾つかの冷却媒体領域が得られる。主冷却媒体経路は、スピンドルと巻線端の底部との間で軸方向に延びる。コイルの境界面、ブロック、及び保持リング構造体の内面によって、個別の空洞が、コイル間に形成される。巻線端は、該巻線端の半径方向下方からこれらの空洞内に回転力によって強制的に流される冷却媒体に曝される（図３参照）。計算流れパスラインによると、この熱伝達は、冷却媒体流が、空洞に流入し、主循環経路を通って移動し、その後空洞から流出するので、低くなる傾向がある。この循環経路は、特に空洞の中心部近傍で低い熱伝達率を生じる。従って、このことは、巻線端周りでの熱除去が比較的効率的でないことを意味している。

ロータ端部領域を通して付加的冷却気体を送るために、様々な方式が用いられてきた。これらの冷却方式は、（１）銅製導体内にグルーブを機械加工するか又はチャネルを形成することによって該導体内に直接冷却通路を製作し、次に回転電気機械の何らかの他の領域に対して冷却気体をポンプ圧送すること、及び／又は（２）バッフル、流れチャネル及びポンプ要素を付加することで比較的より高い及びより低い圧力の領域を形成して、導体表面上を通過するように冷却気体を強制的に流すことのいずれかによっている。

幾つかのシステムでは、半径方向孔を備えた高応力ロータ保持リングを貫入して冷却気体をロータ巻線端の側に直接ポンプ圧送しかつ空隙内に吐出するのを可能にしている。しかしながら、そのようなシステムは、保持リングに関連する高い機械応力及び疲労問題のために、限られた有用性を有するのみである。

従来型の強制ロータ端部冷却方式を使用した場合には、ロータ構成に対して大きな複雑さ及びコストが付加される。例えば、直接冷却式導体は、冷却通路を形成するように機械加工又は製作しなければならない。さらに、ロータ内のいずれかの場所に気体を吐出するために、排出マニホルドを設けなければならない。強制冷却方式は、幾つかのバッフル、流れチャネル及びポンプ要素を付加することでロータ端部領域を個別の圧力ゾーンに分割する必要がある。これらの要素もまた、複雑さ及びコストを付加する。

強制又は直接冷却方式を使用しない場合には、ロータ巻線端は、受動的に冷却しなければならない。受動冷却は、ロータの遠心力及び回転力に依存して、同心ロータ巻線間に形成されたブラインドかつデッドエンド空洞内に気体を循環させる。ロータ巻線端の受動冷却は、「自由対流」冷却と呼ぶこともある。

受動冷却は、最少複雑さ及びコストの利点をもたらすが、能動的な直接及び強制冷却システムと比較した場合に、熱除去性能が低下する可能性がある。同心ロータ巻線間の空洞に流入するあらゆる冷却気体は、これらの空洞がその他の場所では封鎖されているので、同一の開口部を通して排出しなければならない。一般的空洞の４つの「側壁」は、同心導体と、回転に抗するように巻線端を支持した保持リングによって形成された「底部」（半径方向外向きの）壁で同心導体を分割する絶縁ブロックとによって形成される。冷却気体は、導体とロータスピンドルとの間の環状空間から流入する。従って、熱除去は、空洞内での低い気体の循環速度及びこれらの空間に流入しかつ該空間から流出することができる限られた気体の量によって制限される。

一般的構成では、端部領域における冷却気体は、依然としてロータ速度まで充分に加速されていない。流体が空洞内に強制的に流されると、熱伝達率は一般的に、流れ方向に対して下流側に位置するスペースブロック近傍で、すなわち流体が最高の運動量を有した状態で流入する場所及び流体冷却媒体が最低温度である場所で、最も高くなる。熱伝達率はまた一般的に、空洞周辺部の周りで高いが、空洞の中心部は最少量の冷却を受ける。
欧州特許第１５４４９７９ Ａ２号公報 日本特許出願公開第５８０４９０６３ Ａ号公報 米国特許出願公開第２００２／０７９７８４ Ａ１号公報 米国特許第６，３４０，８５３ Ｂ１号公報 米国特許第６，６２８，０２０号公報 米国特許第６，４６５，９１７号公報 米国特許第６，４９５，９４３号公報 米国特許第６，６１７，７４９号公報 米国特許第６，４１７，５８６号公報 米国特許第６，３９２，３２６号公報 米国特許第６，７２０，６８７号公報 米国特許第６，４５２，２９４号公報

受動冷却システムの熱除去性能を高めることは、ロータの通電性能を高めることになる。この高められた通電性能により、低コストであり、簡単かつ信頼性がある構成の利点を維持しながら、全体として発電機の増大した定格性能を得ることができる。

従って、本出願は、気体流によって冷却される回転電気機械について記述する。本機械は、ロータと、ロータを越えて軸方向に延びる巻線端と、巻線端の周りに設置されたスペースブロックと、スペースブロックの周りに配置された通路とを含むことができる。スペースブロックは、気体流を軸方向に偏向させるように通路内に延びるＣ字チャネルを含むことができる。

Ｃ字チャネルは、スペースブロックに対して取付けられた一対の矩形プレートを含むことができる。スペースブロックは、該スペースブロックが巻線端の下方に突出しないような高さを含むことができ、一方、Ｃ字チャネルは、巻線端の下方に突出することができる。本機械はさらに、幾つかの巻線端、幾つかのスペースブロック、幾つかの通路及び幾つかのＣ字チャネルを含むことができる。スペースブロックの幾つかは、それに対して取付けられたＣ字チャネルの１つを有することができ、また幾つかは、それを有しない場合がある。

本出願はさらに、ロータ及び幾つかのスペースブロックを有する回転電気機械において冷却流を促進させる方法について記述する。本方法は、幾つかのスペースブロックの１つ又はそれ以上に対して一対のパドルを配置する段階と、相対接線速度を有する冷却流を発生させるようにロータを回転させる段階と、パドルで冷却流を偏向させて、該冷却流が主として軸方向になるように相対接線速度を低下させるようにする段階とを含む。

本出願はさらに、気体流によって冷却される回転電気機械について記述する。本機械は、ロータと、ロータを越えて軸方向に延びる幾つかの巻線端と、巻線端の周りに設置された幾つかのスペースブロックと、スペースブロックの１つ又はそれ以上の周りに配置された通路とを含むことができる。スペースブロックの１つ又はそれ以上は、気体流を軸方向に偏向させるように通路内に延びるパドルを含むことができる。

パドルは、一対の平坦プレートを含むことができる。スペースブロックは、該スペースブロックがコイル巻線端の下方に突出しないような高さを有することができ、一方、パドルは、コイル巻線端の下方に突出することができる。スペースブロックの幾つかは、それに対して取付けられたパドルを有し、またスペースブロックの幾つかは、それを有しない。

次に、幾つかの図を通して同じ参照符号が同様の要素を表わす図面を参照すると、図１及び図２は、気体冷却式回転電気機械用のロータ１０を示している。大型ターボ発電機のような回転電気機械の一般的な作動は、よく知られている。ロータ１０は、該ロータ１０を囲むステータ１２を含む。ロータ１０は、ロータスピンドル１６上で中心に配置されかつ軸方向に対向する端面を有するほぼ円筒形の本体部分１４を含み、軸方向に対向する端面のうちの１つの端面の一部分１８を図１に示している。本体部分１８には、同心に配置されたコイル２２を受けるための幾つかの円周方向に間隔を置いて配置されかつ軸方向に延びるスロット２０が設けられる。コイル２２は、ロータ巻線を構成する。分かり易くするために、５つのロータコイル２２のみを示しているが、実際には幾つかのそれ以上のコイルが普通使用される。

スロット２０の各１つ内において、幾つかの導体バー２４を積み重ねる（積層する）ことができる。電気絶縁体２５の層が、隣接する導体バー２４を分離することができる。積層導体バー２４は一般的に、幾つかの楔２６によってスロット２０内に保持され（図１）かつ銅のような導体材料で製作することができる。導体バー２４は、本体部分１８の各対向する端部において端部ターン２７によって相互連結される。端部ターン２７は、端面を越えて軸方向に延びて幾つかの積層巻線端２８を形成する。電気絶縁体の層もまた、端部ターン２７を分離する。

再び図１を参照すると、保持リング３０は、本体部分１８の各端部において端部ターン２７の周りに配置して巻線端２８を遠心力に抗して所定の位置に保持することができる。保持リング３０は、一端部において本体部分１８に固定することができかつロータスピンドル１６上で外に向かって延びることができる。保持リング３０の遠位端部に、心合せリング３２を取付けることができる。保持リング３０及び心合せリング３２はまた、当技術分野において公知の他の方法で取付けることができることにも注目されたい。心合せリング３２の内径は、気体入口通路３４を形成するようにロータスピンドル１６から半径方向に間隔を置いて配置することができる。巻線端２８は、環状領域３６を形成するようにスピンドル１６から間隔を置いて配置することができる。スロット２０に沿って幾つかの軸方向冷却チャネル３８を形成することができる。チャネル３８は、環状領域３６を介して気体入口通路３４と流体連通状態にして、コイル２２に冷却気体を送給するようにすることができる。

図２に移ると、ロータ１０の各端部における巻線端２８は、幾つかのスペーサ又はスペースブロック４０によって円周方向及び軸方向に分離することができる。（説明を分かり易くするために、図１にはスペーサブロック４０を図示していない）。スペーサブロック４０は、絶縁材料の細長いブロックとすることができる。スペーサブロック４０は、隣接する巻線端２８間の空間内に設置することができかつ巻線端２８の全半径方向深さを越えて環状ギャップ３６内に延びることができる。従って、端部ターン２７（下記において、巻線端）の同心スタック間の空間は、空洞に分割される。これらの空洞は、上部を保持リング３０によってかつ４つの側部を隣接する巻線端２８及び隣接するスペースブロック４０によって境界付けることができる。

図１において最もよく分かるように、これらの空洞の各々は、環状領域３６を介して気体入口通路３４と流体連通状態になっている。図１における矢印は、空気流を示す。従って、巻線端２８及びロータスピンドル１６間の環状領域３６に流入する冷却気体の一部分は、空洞４２に流入し、その内部で循環し、その後環状領域３６に還流する。図３において矢印で概略的に示すように、回転する発電機空洞内で作用する特有のポンプ作用及び回転力は、大きい単流循環セルを形成する。図４は、斜視図を示す。

ロータ１６は、出力周波数に応じて約３０００〜３６００ｒｐｍで回転することができる。これらの回転速度において、巻線端２８の領域におけるコイル２２の下方の流れは、高い相対接線速度で移動する。従って、流れが空洞４２に達すると、この流れは、ある角度で流入することができる。従って、この流れと空洞４２との間のこうした不整合により、冷却損失が生じる可能性がある。

図５及び図６は、本明細書に記述するような回転電気機械１００を示す。上述したものと同様に、本機械１００は、ロータ１１６と、巻線端１２８を有する幾つかのコイル１２２と、ロータ及びコイル間に配置された環状領域１３６とを含む。本機械１００はさらに、幾つかのスペースブロック１４０と、スペースブロックの周りに配置された気体入口通路１３４と、幾つかの空洞１４２とを含む。

一対のパドル１５０は、スペースブロック１４０の下方に配置することができる。パドル１５０は、スペースブロック１４０の底部にボルト止めするか又はその他の方法で取付けることができる。パドル１５０は、矩形平坦プレートの形態を取ることができ、またスペースブロック１４０の下方に形成されたＣ字形チャネル１５５（「Ｃ字チャネル」）の形態とすることができる。本明細書では同様の形状を使用することができる。

パドル１５０は、冷却流を主として軸方向に気体入口通路１３４内に迂回させることになるような案内チャネルを形成する。そのような軸方向流により、最少の冷却損失で通路１３４内に流入することが可能になる。従って、冷却流の絶対接線速度は高くなり、かつ相対接線速度は低下する。軸方向流は、通路１３４への入口での流れ圧力損失を減少させる。空洞の熱伝達は主として乱流及び半径方向速度によって支配されるので、パドル１５０を付加することが、該空洞の熱伝達に悪影響を与えないようにすべきである。

図７は、機械２００の別の実施形態を示す。上述したような公知の機械では、スペースブロック１４０は一般的に、コイル１２２の内径よりも下方に突出する。この突出部により、コイル１２２の下方での流れが妨げられる可能性がある。この実施形態では、スペースブロック２４０は、コイル１２２の下方に突出しないように低い高さを有する。この場合には、一対のパドル２５０は、圧力損失の低減をさらに促進するように、流路内に付加される。

図８は、機械３００のさらに別の実施形態を示す。本機械３００は、幾つかのスペースブロック３４０を含む。この実施形態では、スペースブロック３４０には、パドル３５０が選択的に取付けられる。例えば、極軸線に沿ったスペースブロック３４０には、パドル３５０を取付ける必要がない。異なる構成もまた、使用することができる。

シミュレーション流れモデルでは、パドル１５０、２５０、３５０の使用により、入口速度に基づいて圧力損失係数の改善を得ることができることを示している。約２６％の改善が見られた。他の形式の発電機設計では、より大きな利点さえも示すことができる。パドル１５０，２５０，３５０は、あらゆる形式の空気冷却式又は水素冷却式発電機において使用することができる。パドル１５０、２５０、３５０により、全体として機械１００、２００、３００におけるより少ない流れ損失、従ってより高い換気効率が促進される。機械の全体効率もまた、その効率が換気効率の関数であるので、高まることになる。最終的には、末端顧客に対する電力コストを低減することができる。

以上の説明は本出願の例示的な実施形態のみに関連していること、また特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに本明細書において数多くの変更及び改良を加えることができることを理解されたい。

それに対して対向関係になったステータを備えた回転電気機械ロータの端部ターン領域の一部分の断面図。 図１の線２−２に沿って取った回転電気機械ロータの断面平面図。 巻線端空洞内へのかつ該巻線端空洞を通る受動気体流を示す概略図。 ロータ、巻線端及びスペースブロックの斜視図。 本明細書に記載したようにそれに対して取付けられたパドルを備えたスペースブロック周りでの受動気体流を示す概略図。 それに対して取付けられたパドルを備えたスペースブロックの斜視図。 本明細書に記載したスペースブロックの別の実施形態の斜視図。 本明細書に記載したスペースブロックのさらに別の実施形態の斜視図。

符号の説明

１０ ロータ
１２ ステータ
１４ 本体部分
１６ ロータスピンドル
２０ スロット
２２ コイル
２４ 導体バー
２５ 電気絶縁体
２６ 楔
２７ 端部ターン
２８ 巻線端
３０ 保持リング
３２ 心合せリング
３４ 気体入口通路
３６ 環状領域
３８ チャネル
４０ スペースブロック
４２ 空洞
１００ 回転電気機械
１１６ ロータ
１２２ コイル
１２８ 巻線端
１３６ 環状領域
１４０ スペースブロック
１４２ 空洞
１５０ パドル
１５５ Ｃ字チャネル
２００ 機械
２４０ スペースブロック
２５０ パドル
３００ 機械
３４０ スペースブロック
３５０ パドル

Claims (12)

1. 気体流によって冷却される回転電気機械であって、
   ロータと、
   前記ロータを越えて軸方向に延びる巻線端と、
   前記巻線端の周りに設置されたスペースブロックと、
   前記スペースブロックの周りに配置された通路と、を含み、
   前記スペースブロックが、前記気体流を軸方向に偏向させるように前記通路内に延びるＣ字チャネルを含む、
   機械。
2. 前記Ｃ字チャネルが、前記スペースブロックに対して取付けられた一対の矩形プレートを含む、請求項１記載の機械。
3. 前記スペースブロックが、該スペースブロックが前記巻線端の下方に突出しないような高さを含む、請求項１記載の機械。
4. 前記Ｃ字チャネルが、前記巻線端の下方に突出する、請求項３記載の機械。
5. 複数の巻線端、複数のスペースブロック及び複数の通路をさらに含む、請求項１記載の機械。
6. 複数のＣ字チャネルをさらに含み、
   前記複数のスペースブロックの幾つかが、それに対して取付けられた前記複数のＣ字チャネルの１つを有し、また前記複数のスペースブロックの幾つかが、それに対して取付けられた前記複数のＣ字チャネルの１つを有しないようになっている、
   請求項５記載の機械。
7. ロータ及び幾つかのスペースブロックを有する回転電気機械において冷却流を促進させる方法であって、
   前記幾つかのスペースブロックの１つ又はそれ以上に対して一対のパドルを配置する段階と、
   相対接線速度を有する前記冷却流を発生させるように前記ロータを回転させる段階と、
   前記一対のパドルで前記冷却流を偏向させて、該冷却流が主として軸方向になるように前記相対接線速度を低下させるようにする段階と、
   を含む方法。
8. 気体流によって冷却される回転電気機械であって、
   ロータと、
   前記ロータを越えて軸方向に延びる複数の巻線端と、
   前記複数の巻線端の周りに設置された複数のスペースブロックと、
   前記複数のスペースブロックの１つ又はそれ以上の周りに配置された通路と、を含み、
   前記複数のスペースブロックの１つ又はそれ以上が、前記気体流を軸方向に偏向させるように前記通路内に延びる複数のパドルを含む、
   機械。
9. 前記複数のパドルが、一対の平坦プレートを含む、請求項８記載の機械。
10. 前記複数のスペースブロックが、該複数のスペースブロックが前記複数のコイル巻線端の下方に突出しないような高さをほぼ含む、請求項８記載の機械。
11. 前記複数のパドルが、前記複数のコイル巻線端の下方に突出する、請求項１０記載の機械。
12. 前記複数のスペースブロックの幾つかが、それに対して取付けられた前記複数のパドルを有し、また前記複数のスペースブロックの幾つかが、それに対して取付けられた前記複数のパドルを有しない、請求項８記載の機械。

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