JP2010051170A

JP2010051170A - 発電機を冷却するための方法及び装置

Info

Publication number: JP2010051170A
Application number: JP2009192703A
Authority: JP
Inventors: Richard Nils Dawson; リチャード・ニルス・ドーソン; Samir Armando Salamah; サミール・アーマンド・サラマー; Rebinth Jose Robin; レビンス・ジョセ・ロビン; Sandip Shahaji Hirade; サンディップ・シャハジ・ヒラデ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-08-25
Filing date: 2009-08-24
Publication date: 2010-03-04
Also published as: US7763996B2; US20080309176A1; EP2159905A2; KR20100024359A

Abstract

【課題】冷却ガスを誘導し端部コア通気を向上させるためのバッフルプレート使用した発電機及びその冷却方法を提供すること。
【解決手段】冷却流体によって冷却され且つフランジ（１８）、ステータ、及び端部ステータを有する発電機内に冷却流体を誘導するためのバッフル（１２４）は、冷却流体流（２６）の第１の部分をフランジ（１８）に向けて配向し且つ該冷却流体流（２６）の第２の部分を端部ステータに向けて配向し、該冷却流体流（２６）の第１の部分から成る第３の部分（１３２）をフランジ（１８）の角度付き面（１４４）に向けて配向するように構成された傾斜面を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電機の冷却に関し、より具体的には、冷却ガスを誘導し端部コア通気を向上させるためのバッフルプレート、及びこのようなバッフルプレートを使用した発電機、並びにこのようなバッフルプレートを使用した発電機の冷却方法に関する。

発電プロセスの間、発電機はまた熱を発生し、この熱は、発電機から放散させる必要がある。多くの公知の発電機は、この熱を放散するために流体冷却を利用している。多くの公知の発電機では、この流体はガスである。公知のガス冷却式発電機は、ダクトを通して冷却ガスをロータ及びステータ内に循環させる通気式冷却システムによって冷却される。

幾つかの公知のガス冷却式発電機では、ステータコアは、ステータパンチングとしても知られる磁気積層部の多くの層をスタックすることによって構成される。通気ダクトは、磁気積層部層のスタック層間にコアスタック内にスペーサを設けることによって定められ、運転中に冷却ガスがコアを通過するのを可能にする。スペーサは、組立及び運転中にコアの引き締めを確実にし、ステータを通過するガス流の遮断又は制限を防止するようにして位置付けられる。外側スペースブロックが、スタック積層部とステータフランジ１８との間の発電機ステータコアの端部に配置される。ステータの積層部のスタック層間で通気ダクトを通る冷却ガス流は、ロータ・ステータ間隙内に流れ、ロータ・ステータ間隙流を定める。

従来型の空気冷却式発電機の定格が大きくなるにつれて、これらの発電機を冷却する問題もまた大きくなる。発電機ステータパンチングは、両側部にあるステータフランジによって発電機のステータ内に共に保持される。ステータのコイル端からの電磁束及びコアからの軸方向磁束の結果として、これらのフランジ上に熱が発生する。材質上の考慮すべき事項によってフランジの最大温度が制限される。適当な冷却が行われない場合には、絶縁が損なわれ、発電機の機能不全を招く恐れがある。従って、フランジ上で発生する熱を冷却媒体内で放散できるように、フランジ冷却が必要とされる可能性が高い。しかしながら、外側スペースブロック（ＯＳＳＢ）を通る過剰な流れは、発電機の全体の性能を低下させ、外側ステータダクトでの逆流を引き起こす可能性がある。

米国特許第６，７２７，６１０Ｂ２号公報米国特許第６，７２０，６８７Ｂ２号公報米国特許第６，５０４，２７３Ｂ２号公報米国特許第６，４６５，９１７Ｂ２号公報米国特許第６，４５２，２９４Ｂ１号公報米国特許第６，４１７，５８６Ｂ１号公報米国特許第６，３９２，３２６Ｂ１号公報米国特許第４，６０９，８４０号公報米国特許第４，０３９，８７２号公報米国特許第３，４１３，４９９号公報米国特許出願公開第２００８／００４８５１１Ａ１号公報

１つの態様では、本発明の幾つかの構成は、冷却流体によって冷却され且つフランジと、ステータと、端部ステータとを有する発電機内に冷却流体を誘導するためのバッフルを備える。バッフルは、冷却流体流の第１の部分をフランジに向けて配向し且つ該冷却流体流の第２の部分を端部ステータに向けて配向するように構成された傾斜面を有する。

別の態様では、本発明の幾つかの構成は、冷却流体流を有する発電機を備える。発電機は、フランジと、端部ステータを有するステータと、冷却流体流の第１の部分をフランジに向けて配向し且つ該冷却流体流の第２の部分を端部ステータに向けて配向するように構成された傾斜面を有するバッフルとを含む。

更に別の態様では、本発明の幾つかの構成は、冷却流体流、フランジ、端部ステータを有するステータ、及び傾斜バッフルを有する発電機を運転するための方法を含む。本方法は、冷却流体流内に傾斜バッフルを使用して冷却流体流の第１の部分をフランジに向けて配向する段階と、傾斜バッフルを使用して冷却流体流の第２の部分を端部ステータに向けて配向する段階とを含む。

別の態様では、本発明の幾つかの構成は、冷却流体によって冷却され且つフランジ、ステータ、及び端部ステータを有する発電機内に冷却流体を誘導するための延長傾斜バッフルを備える。バッフルは、冷却流体流の第１の部分をフランジに向けて配向し且つ該冷却流体流の第２の部分を端部ステータに向けて配向するように構成された第１の傾斜面と、冷却流体流の第１の部分から成る第３の部分をフランジの角度付き面に向けて配向するように構成された第２の傾斜面とを含むことができる。

更に別の態様では、本発明の幾つかの構成は、冷却流体流を有する発電機を備える。該発電機は、フランジと、端部ステータを有するステータと、冷却流体の第１の部分をフランジに向けて配向し且つ該冷却流体の第２の部分を端部ステータに向けて配向するように構成された第１の傾斜面、及び該冷却流体流の第１の部分から成る第３の部分をフランジの角度付き面に向かって配向するように構成された第２の傾斜面を有するバッフルとを含むことができる。

更に別の態様では、本発明の幾つかの構成は、冷却流体流、フランジ、端部ステータを有するステータ、及び傾斜バッフルを有する発電機を運転するための方法を含む。本方法は、冷却流体流内に傾斜バッフルを使用して該冷却流体流の第１の部分をフランジに向けて配向する段階と、傾斜バッフルを使用して該冷却流体流の第２の部分を端部ステータに向けて配向する段階と、傾斜バッフルを使用して該冷却流体流の第１の部分から成る第３の部分をフランジの角度付き面に向けて配向する段階とを含むことができる。

本発明の幾つかの構成では、フランジ及びステータコアの冷却状態が改善され、発電機、詳細には反転流型発電機内に良好な通気状態をもたらすことができることは理解されるであろう。発電機の全体の効率は通気効率の関数であるので、この効率も高めることができる。

従来技術の空気冷却式発電機設計の端部コアにおける従来の空気流分布を示す概略断面図。本発明の１つの実施形態においてフランジにバッフルが取り付けられた時の発電機端部コア領域での空気流分布を示す概略断面図。図２の一部の拡大図。図２〜図３に対する代替の実施形態の拡大図。図４の代替の実施形態の部分図。

本明細書で使用する場合に、前に数詞のない要素又はステップの表現は、そうではないことを明確に述べていない限り複数のそのような要素又はステップの存在を排除するものではないと理解されたい。更に、本発明の「１つの実施形態」という表現は、記載した特徴を同様に組み入れた別の実施形態の存在を排除するものとして解釈されることを意図していない。更にまた、そうではないことを明記しない限り、特定の特性を有する１つ又は複数の要素を「含む」又は「有する」実施形態は、その特性を有しない追加的なそのような要素を含むことができる。

幾つかの従来技術構成において、図１を参照すると、ロータが全体的に参照符号１０で示されている。発電機ステータコア１２は、磁気積層部の多くの層をスタックすることによって構成される。通気ダクトは、磁気積層部層のスタック層間にコアスタック内にスペーサを設けることによって定められ、運転中に冷却ガスがコアを通過するのを可能にする。これらのスペーサは、組立及び運転中にコアの引き締めを確実にするように位置付けられるが、ステータを通過するガス流を遮断又は制限してはならない。外側スペースブロック１４は、スタック積層部１６とステータフランジ１８との間でフランジ１８に隣接して破線で概略的に示される発電機ステータコアの端部に配置される。

図２及び図３を参照すると、ステータコイル端（図示せず）からの電磁束及びステータコア１２からの軸方向磁束がステータフランジ１８上に衝突すると、これらの磁束は、フランジ１８の表面上にかなりの熱を発生させる。反転流型発電機１０上の冷却媒体２０は、端部ステータ１６パンチングとステータフランジ１８との間の外側スペースブロック（ＯＳＳＢ）１４を通って流れる。冷却媒体２０の流れは、端部ステータ１６及びステータフランジ１８の両方を冷却した後、他の流れと混合されてファンを通って流出する。フランジ１８上のホットスポット（図３で最もよく見える）は、ステータ巻線に最も近いその内側半径表面上に発生する可能性がある。ホットスポット２２を有する状態を回避するために、本発明の一部の構成では、ＯＳＳＢ１４を通る流路内に付加された傾斜バッフル２４を含み、該バッフルは、冷却流体流２６の第１の部分２８をフランジ１８上のホットスポット２２に向けて偏向させ、冷却流体流２６の第２の部分３０を端部ステータ１６に向けて偏向させる。傾斜バッフル２４はまた、冷却流体流２６がステータパンチングの半径方向ダクト内に確実に逆流しないようにＯＳＳＢ１４を通過する冷却流体流２６の量を制御する。

従って、本発明の構成は、冷却流体２０によって冷却され、フランジ１８、ステータ１２、及び端部ステータ１６を有する発電機１０内に冷却流体２０を誘導するバッフル２４を備える。バッフル２４は、冷却流体流２６の第１の部分２８をフランジ１８に向けて配向し、冷却流体流２６の第２の部分３０を端部ステータ１６に向けて配向するように構成された傾斜面３６を有する。これらの構成の一部において、発電機１０は更に、外側スペースブロック（ＯＳＳＢ）１４を含み、ステータ１２は複数の半径方向ダクト３４を有し、バッフル２４は更に、ＯＳＳＢ１４を通過する冷却流体２０の流れ２６の量を制御するように構成される。また、これらの構成の一部において、バッフル２４は更に、ステータの半径方向ダクト３４内への冷却流体２０の逆流を防止するように構成される。幾つかの構成におけるバッフル２４は、反転流型発電機１０内に取り付けられる。

また、本発明の一部の構成は、冷却流体流２６を有し、更に、フランジ１８と、端部１６を有するステータ１２と、冷却流体流２６の第１の部分２８をフランジ１８に向けて配向し且つ該冷却流体流２６の第２の部分３０を端部ステータ１６に向けて配向するように構成された傾斜面３６を有するバッフル２４とを含む発電機１０を備える。これらの構成の一部において、ステータ１２は、複数の半径方向ダクト３４を有し、発電機１０は更に、外側スペースブロック（ＯＳＳＢ）１４を含み、バッフル２４は更に、ＯＳＳＢ１４を通る冷却流体２０の流れ２６の量を制御するように構成される。また、幾つかの構成において、バッフル２４は更に、ステータ１２の半径方向ダクト３４内への冷却流体の逆流を防止するように構成される。幾つかの構成では、発電機１０は反転流型発電機である。

本発明の一部の構成では、冷却流体流２６と、フランジ１８と、端部１６を有するステータ１２と、バッフル２４とを有する発電機１０を運転するための方法を含む。本方法は、冷却流体において傾斜バッフル２４を使用して、冷却流体流２６の第１の部分２８をフランジ１８に向けて配向し、傾斜バッフル２４を使用して、冷却流体流２６の第２の部分を端部ステータ１６に向けて配向する段階を含む。これらの構成の一部において、冷却流体流２６の第１の部分２８の配向は、該冷却流体流２６の第１の部分２８をフランジ上のホットスポットに向けて配向する段階を含む。また、これらの構成の一部において、ステータ１２は、複数の半径方向ダクト３４を有し、発電機１０は更に、外側スペースブロック（ＯＳＳＢ）１４を含み、本方法は更に、バッフル２４を使用して、ＯＳＳＢ１４を通過する冷却流体２０の流れ２６の量を制御する段階を含む。同様に、幾つかの構成において、バッフルを使用してＯＳＳＢ１４を通過する冷却流体２０の流れ２６の量を制御する段階は、ステータ１２の半径方向ダクト３４内への冷却流体２０の逆流を防止する段階を含む。本方法の構成の一部において、発電機１０は反転流型発電機である。

ステータのコイル端領域における熱及び流れ現象をシミュレートするために、コンジュゲートＣＦＤモデルを作成した。本発明のモデル構成は、領域内の流れ及び熱パラメータの強化のためのベースラインに対してチェックされた。傾斜バッフルの付加により、フランジ上に少なくとも約３０℃のホットスポット温度低下がもたらされた。

図４を参照すると、ホットスポット２２を有する状態を回避するために、本発明の一部の構成では、ＯＳＳＢ１４の流路内に追加された延長傾斜バッフル１２４を含み、冷却流体流２６の第１の部分２８をフランジ１８上のホットスポット２２に向けて偏向させ、冷却流体流２６の第２の部分３０を端部ステータ１６に向けて偏向させる。より具体的には、バッフル２４（図２〜図３）とは対照的に、延長傾斜バッフル１２４は、冷却流体流２６の第１の部分２８をフランジ１８に向けて配向し且つ冷却流体流２６の第２の部分３０を端部ステータ１６に向けて配向するように構成された第１の傾斜面１４０を含む。加えて、延長傾斜バッフル１２４はまた、冷却流体流２６の第１の部分２８から成る第３の部分１３２をフランジ１８の角度付き面１４４に向けて配向するように構成された第２の傾斜面１４２を含む。延長傾斜バッフル１２４もまた、ＯＳＳＢ１４を通過する冷却流体流２６の量を制御して、該冷却流体流２６がステータパンチングの半径方向ダクト３４内に確実に逆流しないようにする。バッフル１２４は、該バッフル１２４をＯＳＳＢ１４の表面、例えばＯＳＳＢがフランジ１８の内径を越えて延びる場所に取り付けるためのマウント１５０を含むことができる。フランジ１２４は、各ＯＳＳＢ１４又は選択ＯＳＳＢ１４間に位置付けることができる。図５の部分図（フランジ１８が取り外された状態）で示すように、マウント１５０は、特定数のバッフル１２４を取り付けるための湾曲取付具とすることができる。別の実施形態では、マウント１５０は、一体構成の円形取付具とすることができる。しかしながら、上記のこの構成は、各ＯＳＳＢ１４間にバッフル１２４を必要としない。

従って、本発明の一部の構成は、冷却流体２０によって冷却され、フランジ１８と、ステータ１２と、端部ステータ１６とを有する発電機１０内に冷却流体２０を誘導するためのバッフル１２４を備える。バッフル１２４は、冷却流体流２６の第１の部分２８をフランジ１８に向けて配向し且つ該冷却流体流２６の第２の部分３０を端部ステータに向けて配向するように構成された第１の傾斜面１４０を含む。更に、バッフル１２４は、冷却流体流２６の第１の部分２８から成る第３の部分をフランジ１８の角度付き面１４４に向けて配向するように構成された第２の傾斜面１４２を含む。これらの構成の一部において、発電機１０は更に、外側スペースブロック（ＯＳＳＢ）１４を含み、ステータ１２は、複数の半径方向ダクト３４を有し、バッフル１２４は更に、ＯＳＳＢ１４を通過する冷却流体２０の冷却流体流２６の量を制御するように構成される。同様に、これらの構成の一部において、バッフル１２４は更に、ステータの半径方向ダクト３４内への冷却流体２０の逆流を防止するように構成される。幾つかの構成におけるバッフル１２４は、反転流型発電機１０内に取り付けられる。

また、本発明の幾つかの構成は、冷却流体流２６を有し、フランジ１８と、端部１６を有するステータ１２と、冷却流体流２６の第１の部分２８をフランジ１８に向けて配向し且つ該冷却流体流２６の第２の部分３０を端部ステータ１６に向けて配向するように構成された第１の傾斜面１４０を有するバッフル１２４とを更に備えた発電機１０を含む。加えて、バッフル１２４はまた、冷却流体流２６の第１の部分２８から成る第３の部分１３２をフランジ１８の角度付き面１４４に向けて配向するように構成された第２の傾斜面１４２を含む。これらの構成の一部において、ステータ１２は、複数の半径方向ダクト３４を有し、発電機１０は更に、外側スペースブロック（ＯＳＳＢ）１４を更に含み、バッフル１２４は更に、ＯＳＳＢ１４を通過する冷却流体２０の流れ２６の量を制御するように構成される。また、幾つかの構成において、バッフル１２４は更に、ステータ１２の半径方向ダクト３４内への冷却流体２０の逆流を防止するように構成される。

本発明の幾つかの構成では、冷却流体流２６と、フランジ１８と、端部１６を有するステータ１２と、バッフル１２４とを備えた発電機１０を運転するための方法が提供される。本方法は、冷却流体流においてバッフル１２４を使用して、冷却流体流２６の第１の部分２８をフランジ１８に向けて配向する段階と、傾斜バッフル１２４を使用して冷却流体流２６の第２の部分３０を端部ステータ１６に向けて配向する段階と、傾斜バッフル１２４を使用して冷却流体流２６の第１の部分２８から成る第３の部分をフランジ１６の角度付き面１４４に向けて配向する段階とを含む。これらの構成の一部において、冷却流体流２６の第１の部分２８を配向する段階は、該冷却流体流２６の第１の部分２８をフランジ１８上のホットスポット２２に向けて配向する段階を含む。また、これらの構成の一部において、ステータ１２は、複数の半径方向ダクト３４を有し、発電機１０は更に、外側スペースブロック（ＯＳＳＢ）１４を含み、本方法は更に、バッフル１２４を使用してＯＳＳＢ１４を通過する冷却流体２０の流れ２６の量を制御する段階を含む。同様に、幾つかの構成において、バッフル１２４を使用してＯＳＳＢ１４を通過する冷却流体２０の流れ２６の量を制御する段階は、ステータ１２の半径方向ダクト３４内への冷却流体２０の逆流を防止する段階を含む。本方法の構成の一部において、発電機１０は反転流型発電機である。

図４の構成のステータコイル端領域での熱及び流れ現象をシミュレートするために、コンジュゲートＣＦＤモデルを作成した。本発明のモデル構成は、領域内の流れ及び熱パラメータの強化のためのベースラインに対してチェックされた。傾斜バッフル１２４の付加により、フランジ上に４３℃のホットスポット温度低下がもたらされた。

以上のことから、本発明の幾つかの構成は、フランジ及びステータコアの冷却を改善し、その結果として発電機、詳細には反転流型発電機において良好な通気をもたらすことができることが理解されるであろう。また、発電機の全体の効率は通気効率の関数であるので、この効率も高めることができる。従って、エンドユーザに対する電力コストを低減することができる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明は、請求項の技術思想及び範囲内にある修正形態で実施できることは当業者には理解されるであろう。

１０ロータ
１２ステータコア
１４外側スペースブロック
１６スタック積層部
１８ステータフランジ
２０冷却媒体
２４傾斜バッフル
２２ホットスポット
２８第１の部分
２６冷却流体流
３０第２の部分
３４半径方向ダクト
１２４延長傾斜バッフル
１４０第１の傾斜面
１４４角度付き面
１５０マウント
１４２第２の傾斜面
１３２第３部分

Claims

冷却流体によって冷却され且つフランジ（１８）と、ステータと、端部ステータとを有する発電機内に冷却流体を誘導するためのバッフル（１２４）であって、
冷却流体流（２６）の第１の部分を前記フランジ（１８）に向けて配向し、且つ前記冷却流体流（２６）の第２の部分を前記端部ステータに向けて配向するように構成された第１の傾斜面（１４０）と、
前記冷却流体（２６）の第１の部分から成る第３の部分（１３２）を前記フランジ（１８）の角度付き面（１４４）に向けて配向するように構成された第２の傾斜面（１４２）と、
を備えるバッフル（１２４）。
前記発電機が更に外側スペースブロック（ＯＳＳＢ）を含み、前記ステータが複数の半径方向ダクト（３４）を有し、前記バッフル（１２４）が更に、半径方向ダクトを通過する前記冷却流体の流れの量（１５０）を制御するように構成される、
請求項１に記載のバッフル（１２４）。
前記ステータの半径方向ダクト（３４）内への冷却流体の逆流を防止するように更に構成される、
請求項２に記載のバッフル（１２４）。
前記バッフル（１２４）を前記外側スペースブロックの表面に結合するためのマウント（１５０）を更に備える、
請求項２又は３に記載のバッフル（１２４）。
反転流型発電機内にある請求項１乃至４のいずれか１項に記載のバッフル（１２４）。
冷却流体流（２６）を有する発電機であって、
フランジ（１８）と、
端部ステータを有するステータと、
前記冷却流体流（２６）の第１の部分を前記フランジ（１８）に向けて配向し且つ前記冷却流体流（２６）の第２の部分を前記端部ステータに向けて配向するように構成された第１の傾斜面（１４０）と、前記冷却流体流（２６）の第１の部分から成る第３の部分（１３２）を前記フランジ（１８）の角度付き面（１４４）に向けて配向するように構成された第２の傾斜面（１４２）とを有するバッフル（１２４）と、
を更に備える発電機。
前記ステータが複数の半径方向ダクト（３４）を有し、前記発電機が、外側スペースブロック（ＯＳＳＢ）を更に備え、前記バッフル（１２４）が、前記外側スペースブロックを通過する前記冷却流体の流れの量（１５０）を制御するように更に構成される、
請求項６に記載の発電機。
前記バッフル（１２４）を前記外側スペースブロックの表面に結合するためのマウント（１５０）を更に備える、
請求項７に記載の発電機。
前記バッフル（１２４）が更に、前記ステータの半径方向ダクト（３４）内への冷却流体の逆流を防止するように構成される、
請求項７又は８に記載の発電機。
冷却流体流（２６）、フランジ（１８）、端部ステータを有するステータ、及び傾斜バッフル（１２４）を有する発電機を運転するための方法であって、
前記冷却流体流（２６）において前記傾斜バッフル（１２４）を使用して、前記冷却流体流（２６）の第１の部分を前記フランジ（１８）に向けて配向する段階と、
前記傾斜バッフル（１２４）を使用して、前記冷却流体流（２６）の第２の部分を前記端部ステータに向けて配向する段階と、
前記傾斜バッフル（１２４）を使用して、前記冷却流体流（２６）の第１の部分から成る第３の部分（１３２）を前記フランジ（１８）の角度付き面（１４４）に向けて配向する段階と、
を含む方法。