JP2010185409A - タービン発電機コレクタファン及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高性能・高信頼性・軽量、かつ、製造性に優れたタービン発電機コレクタファン及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ファンボスと、前記ファンボスと間隔を設けて両側に配設された一対の外側リング板と、前記ファンボスと前記外側リング板との間に設けられた複数の翼とを具備し、タービン発電機の回転子軸に設けられ、作動流体を機内に導入して冷却するためのタービン発電機コレクタファンであって、Ｃｕ：０．２５質量％以下、Ｓｉ：６．５〜７．５質量％、Ｍｇ：０．２〜０．４５質量％、Ｚｎ：０．３５質量％以下、Ｆｅ：０．５５質量％以下、Ｍｎ：０．３５質量％以下、Ｎｉ：０．１質量％以下、Ｔｉ：０．２質量％以下、Ｐｂ：０．１質量％以下、Ｓｎ：０．０５質量％以下、Ｃｒ：０．１質量％以下、残部Ａｌのアルミニウム合金鋳物材料を用いて鋳造により一体成形する。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービン発電機の回転子軸に設けられ、作動流体を機内に導入して冷却するタービン発電機コレクタファン及びその製造方法に関する。

従来からタービン発電機においては、タービン発電機の回転子軸に設けられ、作動流体を機内に導入してコレクタリング、ブラシ等を冷却するタービン発電機コレクタファンとして、鋼製リベット接合ファン、鋼製溶接接合ファンが用いられている。しかしながら、鋼製ファンは重量が大きく、ステディ軸受等の特殊部品を用いる必要があり、コレクタファンを覆うカバーが大型化する要因になっている。また、リベット接合および溶接接合は、時間がかかり生産性が低い。このため、高性能・高信頼性に加え、軽量かつ製造性に優れたタービン発電機コレクタファンの開発が求められている。

上記のようなタービン発電機又は他の機器に使用されるファンに関する技術としては、例えば、以下のような技術が提案されている。

第１の技術は、各翼の上端部同士および下端部同士を連結し、上端部および下端部に突設されたガイドピンを円形状のガイド溝に沿って摺動させることにより翼同士の間隔を縮めて円筒体を形成した後、翼連結部と回転基板を締結して小型機器向けの遠心ファンを製造する技術である（例えば、特許文献１参照。）。

また、第２の技術は、発電機本体における回転子巻線のコイルエンド部を支持する保持リングの端部に設けられた保持リング支えの回転子軸側内周面に、回転子冷却用ファンを、ボルト締結して設置する技術である（例えば、特許文献２参照。）。

さらに、第３の技術は、軸支用ボスを有するエンドプレ−トの外周縁部に垂直に形成した翼の自由端部を回転方向に湾曲させ、翼に流入する空気の流れを翼湾曲部によって円滑に案内するようにし、翼への流入空気と翼との衝突を抑制緩和して運転音を低減する技術である（例えば、特許文献３参照。）。

特開２００６−１１２２６４ 特開平８−２０５４７３ 特開平３−８８９９８

上記した第１の技術は、作業性・組立性を向上させることができるが、小型機器向けの遠心ファンに関する技術であり、タービン発電機のような大型機器に用いるタービン発電機コレクタファンの製造には適していない。

また、上記した第２の技術は、回転子のコイルエンド部を支持する保持リング端部の保持リング支えの回転子軸側にファンを設けることにより、作動流体量を増大させて固定子鉄心および固定子巻線への作動流体量のバランスを最適化することができるが、回転子冷却用ファンを保持リング支えにボルト締結しているため、運転時の振動および経年変化によって締結部が緩んで翼が外れる可能性があり信頼性に乏しい。

さらに、上記した第３の技術は、翼と流入空気の衝突を抑制緩和させて運転音を低減することができるが、第１エンドプレートと翼を一体成形した後に第２エンドプレートと接合するため、空調機等の小型の遠心ファンに適した技術であり、タービン発電機のような大型機器に用いるタービン発電機コレクタファンの製造に適用した場合、製造に時間がかかる。

本発明は上述した従来の事情に対処してなされたもので、高性能・高信頼性・軽量、かつ、製造性に優れたタービン発電機コレクタファン及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るタービン発電機コレクタファンの一態様は、ファンボスと、前記ファンボスの両側に間隔を空けて設けられた一対の外側リング板と、前記ファンボスと前記外側リング板との間に設けられた複数の翼とを具備し、タービン発電機の回転子軸に設けられ、作動流体を機内に導入して冷却するためのタービン発電機コレクタファンであって、
Ｃｕ：０．２５質量％以下、Ｓｉ：６．５〜７．５質量％、Ｍｇ：０．２〜０．４５質量％、Ｚｎ：０．３５質量％以下、Ｆｅ：０．５５質量％以下、Ｍｎ：０．３５質量％以下、Ｎｉ：０．１質量％以下、Ｔｉ：０．２質量％以下、Ｐｂ：０．１質量％以下、Ｓｎ：０．０５質量％以下、Ｃｒ：０．１質量％以下、残部がＡｌおよび不可避的不純物のアルミニウム合金鋳物材料を用いて鋳造により一体成形したことを特徴とする。

本発明に係るタービン発電機コレクタファンの製造方法の一態様は、ファンボスと、前記ファンボスの両側に間隔を空けて設けられた一対の外側リング板と、前記ファンボスと前記外側リング板との間に設けられた複数の翼とを具備し、タービン発電機の回転子軸に設けられ、作動流体を機内に導入して冷却するためのタービン発電機コレクタファンの製造方法であって、Ｃｕ：０．２５質量％以下、Ｓｉ：６．５〜７．５質量％、Ｍｇ：０．２〜０．４５質量％、Ｚｎ：０．３５質量％以下、Ｆｅ：０．５５質量％以下、Ｍｎ：０．３５質量％以下、Ｎｉ：０．１質量％以下、Ｔｉ：０．２質量％以下、Ｐｂ：０．１質量％以下、Ｓｎ：０．０５質量％以下、Ｃｒ：０．１質量％以下、残部がＡｌおよび不可避的不純物のアルミニウム合金鋳物材料を用いて鋳造により一体成形することを特徴とする。

本発明によれば、高性能・高信頼性・軽量、かつ、製造性に優れたタービン発電機コレクタファン及びその製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係るタービン発電機コレクタファンの縦断正面図。 図１のタービン発電機コレクタファンの縦断側面図。 タービン発電機コレクタファンの翼取付角度と応力集中部の応力との関係を示すグラフ。 タービン発電機コレクタファンの翼取付角度による作動流体流量と静圧上昇との関係示すグラフ。 タービン発電機コレクタファンの翼の反りの相違による作動流体流量と静圧上昇との関係を示すグラフ。 タービン発電機コレクタファンにおけるファンボスおよび外側リング板と翼の板厚比とひけ巣発生確率の関係を示すグラフ。 タービン発電機コレクタファンにおける破壊力学パラメータと破損繰り返し数との関係を示すグラフ。

以下、本発明に係るタービン発電機コレクタファン及びその製造方法の実施形態について図面を参照して説明する。

図１、２は、本発明の一実施形態に係るタービン発電機コレクタファンの構成を模式的に示すものであり、図１は、タービン発電機コレクタファンを正面側から見た際の縦断正面図、図２は、図１のタービン発電機コレクタファンのＡ−Ａ線に沿った縦断側面図である。図１に示すように、タービン発電機コレクタファン１は、円環状の板状に形成されたファンボス２と、このファンボス２の両側にファンボス２と間隔を設けて配設された一対の外側リング板３と、ファンボス２と外側リング板３との間に設けられた複数の翼４とを具備している。そして、ファンボス２の中心部に形成された孔２ａを、タービン発電機の回転子軸（図示せず）に挿入固定することにより、回転子軸の回転とともに回転するファンとして機能するよう構成されている。

上記タービン発電機コレクタファン１は、Ｃｕ：０．２５質量％以下、Ｓｉ：６．５〜７．５質量％、Ｍｇ：０．２〜０．４５質量％、Ｚｎ：０．３５質量％以下、Ｆｅ：０．５５質量％以下、Ｍｎ：０．３５質量％以下、Ｎｉ：０．１質量％以下、Ｔｉ：０．２質量％以下、Ｐｂ：０．１質量％以下、Ｓｎ：０．０５質量％以下、Ｃｒ：０．１質量％以下、残部がＡｌおよび不可避的不純物のアルミニウム合金鋳物材料を用いて鋳造で一体成形されている。

上記の指定成分量のアルミニウム合金鋳物材料は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金であり、他のアルミニウム合金鋳物材料と比較して耐食性および鋳造性に優れている。上記の指定成分を満足するアルミニウム合金としては、ＪＩＳ規格材料では、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金として知られているＡＣ４Ｃ等が当該指定成分のアルミニウム合金に該当する。

また、上記タービン発電機コレクタファン１の鋳造方法としては、ファンボス２、外側リング板３、翼４が一体成形され、かつ、図１の下部に拡大して示す鋳造欠陥５が発生し難い方法を選択する必要があり、例えば、低圧遠心鋳造法を用いて一体成形することが好ましい。

図２に符号６で示すファンボス２の内周に対する翼４の取付角度は、翼４と、ファンボス２及び外側リング板３の境界に発生する応力集中の状態に影響を与える。図３は、縦軸をこの応力集中部の応力、横軸を翼取付角度として、これらの関係を示したグラフである。図３に示すように、翼４の取付角度の増加に伴い、翼４とファンボス２の境界、翼４と外側リング板３の境界に発生する応力集中部の応力が低減する。

また、上記の図２に符号６で示すファンボス２の内周に対する翼４の取付角度は、作動流体流量に対する静圧上昇の変動に影響を与える。図４のグラフは、縦軸を静圧上昇、横軸を作動流体流量（ｍ^３／ｓ）として、翼４の取付角度の相違によるこれらの関係を調べた結果を示している。図４のグラフにおいて、一点鎖線は、翼４の取付角度が２０°の場合、実線は、翼４の取付角度が３０°の場合、点線は、翼４の取付角度が４０°の場合を示している。また、これらの場合において、後述する翼４の反りは、いずれも翼４の厚さの５％となっている。

図４のグラフに示すように、作動流体流量に対する静圧上昇は、翼取付角度の増大に伴って変動が小さくなり、安定した性能が得られる。このため、図２に符号６で示すファンボス２の内周に対する翼４の取り付け角度は、３０°乃至４０°程度とすることが好ましい。

さらに、図２に示す翼４の反り７は、作動流体流量に対する静圧上昇の変動に影響を与える。図５のグラフは、縦軸を静圧上昇、横軸を作動流体流量（ｍ^３／ｓ）として、図２に示す翼４の反り７の相違によるこれらの関係を調べた結果を示している。図５のグラフにおいて、一点鎖線は、タービン発電機コレクタファン１の回転方向と同一方向に中央付近が突出するように、翼４の厚さの５％の反りとした場合（５％）、実線は、タービン発電機コレクタファン１の回転方向に対して反対方向に中央付近が突出するように、翼４の厚さの５％の反りとした場合（−５％）、点線は反りの無い場合（０％）を示している。

図５のグラフに示されるように、実線で示されるタービン発電機コレクタファン１の回転方向に対して反対方向に中央付近が突出するように、翼４の厚さの５％の反りとした場合（−５％）、他の場合に比べて作動流体流量に対する静圧上昇の変動を小さくすることができ、安定した性能が得られる。このため、翼４の反り７を、タービン発電機コレクタファン１の回転方向に対して反対方向に中央付近が突出するように、翼４の厚さの５％程度とすることが好ましい。

また、翼４に接しているファンボス２および外側リング板３と翼４の板厚比は、縦軸をひけ巣発生確率、横軸をファンボスおよび外側リング板と翼の板厚比とした図６のグラフに示すように、板厚比１でひけ巣発生確率が最小化する。このため、ファンボス２および外側リング板３と翼４の板厚比は、略１とすることが好ましい。

また、翼４は、図２に示す後端部（後縁部の先端）８が鋭利であるほど翼４の有効部が増して高性能となる。しかしながら、鋳造で鋭利な後縁部を成形するのは困難である。このため、翼１の後端部８を、鋳造で成形し得る最小寸法である半径１ｍｍ程度の曲面で構成することが好ましい。なお、鋳造後の翼４の後端部８を、肉盛溶接、切削加工、熱処理等を用いて半径１ｍｍ以下の曲面又は角度が９０°未満の鋭角としてもよい。

鋳造後は、タービン発電機コレクタファン１に、Ｔ６熱処理と呼ばれる温度５２５℃、処理時間８時間±０．５時間の溶体化処理、および温度１６０℃、処理時間６時間±０．５時間の時効硬化処理を施し、引張強さおよび耐力を向上させる。引張強さは２２０ＭＰａ以上、耐力は１２０ＭＰａ以上にすることが望ましく、ＪＩＳ規格材料ではＡＣ４Ｃ−Ｔ６等に相当する。なお、鋳造、溶体化処理、時効硬化処理時には、タービン発電機コレクタファン１の表面および内部の鋳造欠陥、酸化物、非金属介在物などの指定成分以外の物質が混入、発生する。

図１に示したように、上記のようなタービン発電機コレクタファン１の表面あるいは内部に存在する鋳造欠陥５については、鋳造欠陥５を円形に置き換えた時の半径（図１に示すｒ）の大きさを抑制することによって所望の疲労寿命を得ることができる。この場合まず、縦軸を破壊力学パラメータ、横軸を破損繰り返し数とした図７のグラフに示される破壊力学パラメータと破損繰り返し数の関係、および以下に示す式（１）からタービン発電機コレクタファンの疲労寿命を任意設定し、当該疲労寿命における破壊力学パラメータを算出する。

ΔＫ＝Ａ・Ｌｎ（Ｎ）＋Ｂ （１）
但し、ΔＫ：破壊力学パラメータ
Ｎ：任意設定した疲労寿命
Ａ，Ｂ：定数

疲労寿命Ｎは、タービン発電機コレクタファン１の運転形態、運転寿命を基に設定する。例えば、日間起動停止するタービン発電機は、年間３６５回の疲労回数となり、それを５０年間の運転寿命とすると、１８２５０回が設定される疲労寿命となる。

次に、任意の疲労寿命Ｎにおける破壊力学パラメータΔKと、タービン発電機コレクタファン１に発生する応力集中と、タービン発電機コレクタファン１の表面あるいは内部に存在する鋳造欠陥５から発生する初期き裂長さとの関係から、タービン発電機コレクタファン１の表面あるいは内部に存在する鋳造欠陥５を円形に置き換えた時の半径（図１に示すｒ）を式（２）から算出する。

ΔK＝ｆ（ａ／ｒ）・Δσ・(πa)^1/2 （２）
ΔK：破壊力学パラメータ
ｆ（ａ／ｒ）：応力集中補正係数
Δσ：応力範囲
r：鋳造欠陥半径
a：初期き裂長さ

算出した半径以下の鋳造欠陥５がタービン発電機コレクタファン１の表面あるいは内部に点在するものであれば、すなわち、算出した半径を越える半径の鋳造欠陥５がタービン発電機コレクタファン１の表面あるいは内部に存在しないようにすれば、任意の疲労寿命以上の運転寿命を得ることができる。

鋳造、溶体化処理および時効硬化処理後は、タービン発電機コレクタファン１の表面に発生した酸化物を除去し、陽極酸化処理により耐食性・耐摩耗性を補強する。また、耐食効果・耐摩耗効果を有する物質からなる塗料等を塗布してもよい。

以上のように、本実施形態によれば、鋳造による一体成形によってタービン発電機コレクタファン１を製造することにより、従来のリベット止め方式や溶接方式に比べて製造性が良好となる。また、翼取付角、反り、翼後端部形状、鋳造欠陥の設定等によって安定したファン性能および強度を確保でき、高性能、高信頼性かつ製造性に優れたタービン発電機コレクタファンを提供することができる。これによって、高性能、高信頼性なタービン発電機を提供することが可能である。

１……タービン発電機コレクタファン、２……ファンボス、３……外側リング板、４……翼、５……鋳造欠陥、６……翼取付角、７……翼の反り、８……翼後端部。

Claims (10)

1. ファンボスと、前記ファンボスの両側に間隔を空けて設けられた一対の外側リング板と、前記ファンボスと前記外側リング板との間に設けられた複数の翼とを具備し、タービン発電機の回転子軸に設けられ、作動流体を機内に導入して冷却するためのタービン発電機コレクタファンであって、
   Ｃｕ：０．２５質量％以下、Ｓｉ：６．５〜７．５質量％、Ｍｇ：０．２〜０．４５質量％、Ｚｎ：０．３５質量％以下、Ｆｅ：０．５５質量％以下、Ｍｎ：０．３５質量％以下、Ｎｉ：０．１質量％以下、Ｔｉ：０．２質量％以下、Ｐｂ：０．１質量％以下、Ｓｎ：０．０５質量％以下、Ｃｒ：０．１質量％以下、残部がＡｌおよび不可避的不純物のアルミニウム合金鋳物材料を用いて鋳造により一体成形したことを特徴とするタービン発電機コレクタファン。
2. 請求項１記載のタービン発電機コレクタファンであって、
   温度５２５℃、処理時間８時間±０．５時間の溶体化処理、および温度１６０℃、処理時間６時間±０．５時間の時効硬化処理を施されたことを特徴とするタービン発電機コレクタファン。
3. 請求項１又は２記載のタービン発電機コレクタファンであって、
   ２２０ＭＰａ以上の引張強さを有し、かつ、１２０ＭＰａ以上の耐力を有することを特徴とするタービン発電機コレクタファン。
4. 請求項１乃至３いずれか１項記載のタービン発電機コレクタファンであって、
   前記ファンボスの内周に対して３０°乃至４０°の取付角度で前記翼が形成されていることを特徴とするタービン発電機コレクタファン。
5. 請求項１乃至４いずれか１項記載のタービン発電機コレクタファンであって、
   前記翼が、回転方向と反対方向に向けて中央付近が突出する当該翼の厚さの略５％の反りを有することを特徴とするタービン発電機コレクタファン。
6. 請求項１乃至５いずれか１項記載のタービン発電機コレクタファンであって、
   前記ファンボスおよび前記外側リング板と前記翼の板厚の比が略１であることを特徴とするタービン発電機コレクタファン。
7. 請求項１乃至６いずれか１項記載のタービン発電機コレクタファンであって、
   前記翼の後端部が半径略１ｍｍの曲面から構成されていることを特徴とするタービン発電機コレクタファン。
8. 請求項１乃至７いずれか１項記載のタービン発電機コレクタファンであって、
   表面が、耐食効果及び／又は耐摩耗効果を有する物質で被覆されていることを特徴とするタービン発電機コレクタファン。
9. ファンボスと、前記ファンボスの両側に間隔を空けて設けられた一対の外側リング板と、前記ファンボスと前記外側リング板との間に設けられた複数の翼とを具備し、タービン発電機の回転子軸に設けられ、作動流体を機内に導入して冷却するためのタービン発電機コレクタファンの製造方法であって、
   Ｃｕ：０．２５質量％以下、Ｓｉ：６．５〜７．５質量％、Ｍｇ：０．２〜０．４５質量％、Ｚｎ：０．３５質量％以下、Ｆｅ：０．５５質量％以下、Ｍｎ：０．３５質量％以下、Ｎｉ：０．１質量％以下、Ｔｉ：０．２質量％以下、Ｐｂ：０．１質量％以下、Ｓｎ：０．０５質量％以下、Ｃｒ：０．１質量％以下、残部がＡｌおよび不可避的不純物のアルミニウム合金鋳物材料を用いて鋳造により一体成形することを特徴とするタービン発電機コレクタファンの製造方法。
10. 請求項９項記載のタービン発電機コレクタファンの製造方法であって、
    破壊力学パラメータと破損繰返し数の関係からタービン発電機コレクタファンの疲労寿命を設定して当該疲労寿命における破壊力学パラメータを算出し、
    算出した破壊力学パラメータと、タービン発電機コレクタファンに発生する応力集中と、タービン発電機コレクタファンの表面あるいは内部に存在する鋳造欠陥から発生する初期き裂長さとの関係から、タービン発電機コレクタファンの表面あるいは内部に存在する鋳造欠陥を円形に置き換えた時の半径を算出し、
    算出した半径を越える半径の鋳造欠陥を含まないよう製造することを特徴とするタービン発電機コレクタファンの製造方法。

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