JP2012090501A - 回転電機の密封油供給装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】機能を損なうことなく構成を簡素化し、新たに動力源を設けずに密封油を滞りなく循環させる密封油供給装置を提供する。
【解決手段】密封油供給装置は、拡大槽11とフロートトラップ槽12と空気抽出槽13とを備える。拡大槽11は、シール装置4からハウジング3の内側に流出した密封油Sを回収し貯留する。フロートトラップ槽12は、拡大槽11に水平に連ねて一体に形成され、拡大槽11と連通されて密封油Sの液面が拡大槽11とほぼ同じ高さになるとともに、フロート弁121を内蔵する。空気抽出槽13は、拡大槽11およびフロートトラップ槽12より低い位置に据付けられ、フロート弁121から流出した密封油Sを貯留する。
【選択図】 図1

Description

本発明の実施形態は、回転電機を冷却する冷却媒体を回転電機の機内に密封しておくための密封油の密封油供給装置に関する。
コイルや機器内部の構造物を冷却する冷媒として水素ガスを用いるタービン発電機などの回転電機は、回転子のシャフトとハウジングとの間にシール装置を備えている。このシール装置は、ハウジング内部の圧力よりも高い圧力で供給される密封油によって、水素ガスをハウジング内、すなわち回転電機の機内に封じ込めている。密封油は、シール装置からハウジングの内側および外側へ絶えず流出するように、密封油供給装置によってシール装置に供給される。密封油供給装置は、ハウジングの内側および外側に流出した密封油を回収し、密封油を繰り返しシール装置へ供給する。
ハウジングの内側へ流出した密封油には水素ガスが混入するので、密封油供給装置は、水素ガスを除去するための分離装置として、拡大槽とフロートトラップ槽と空気抽出槽とを装備している。ハウジングの内側に流出した密封油は、拡大槽で水素の気泡を概ね取り除かれ、フロートトラップ槽へ送られる。フロートトラップ槽は、貯留する密封油の液面が一定のレベルを超えると、密封油を空気抽出槽へ排出するフロート弁を備える。
シール装置からフロート弁までの範囲は、ハウジング内部と同じ圧力に保たれ、空気抽出槽は、大気圧に開放されている。拡大槽は、フロートトラップ槽へ密封油を送出するためにフロートトラップよりも高い位置に設置される。また、ハウジングの内部が大気圧に下げられている場合にも、密封油が拡大槽から空気抽出槽まで流れるようにするために、拡大槽は、空気抽出槽よりも高い位置に設置される。
実開昭61−52472号公報 特開平11−341745号公報 特開2004−7876号公報 特開2008−172939号公報 特開2009−142124号公報
ところで、ハウジングの内部が大気圧に近い状況であっても密封油を空気抽出槽まで流すために、フロートトラップ槽は、拡大槽と空気抽出槽の間の高さに設置されることが望ましい。しかしながら、密封油が流れるように各槽の液面どうしに十分な高さの差を設けるには、建屋に十分な高さおよび設置スペースが必要である。フロートトラップ槽は、ハウジングの内部の圧力と同じ圧力になるので、空気抽出槽よりも低い位置に設置しても密封油を空気抽出槽へ送出することができる。したがって、建屋内に十分な高さの差を確保できない場合、拡大槽は、空気抽出槽よりも少し高い位置に設置されるだけであり、フロートトラップ槽は、空気抽出槽よりも低い位置に設置される。
しかし、フロートトラップ槽が空気抽出槽よりも低い配置の場合、回転電機のハウジング内部の圧力が大気圧近くまで低下すると、フロート弁が開放されたときに、空気抽出槽側から密封油が逆流するかもしれない。フロート弁は、液面が下がらないと閉じない。したがって、フロートトラップ槽の中が密封油で満たされると、液面の位置を確認できなくなるため、拡大槽を超えて回転電機の内部へ密封油が浸入するまで密封油の液面がどこにあるのか分からない。
そこで、本発明の一実施形態として、機能を損なうことなく構成を簡素化し、新たに動力源を設けずに密封油を滞りなく循環させる密封油供給装置、およびこの密封油供給装置を備える回転電機を提供する。
一実施形態の密封油供給装置は、拡大槽とフロートトラップ槽と空気抽出槽とを備える。拡大槽は、回転子の両端から延びるシャフトと回転子を覆うハウジングとの間に密封油を流してそれぞれ密封するシール装置からハウジングの内側に流出した密封油を回収して貯留する。フロートトラップ槽は、拡大槽に水平に連ねて一体に形成され、拡大槽と連通されて密封油の液面が拡大槽とほぼ同じ高さになるとともに、内部に溜まった密封油の液面が一定値を超えると密封油を放出するために開放されるフロート弁を内蔵する。空気抽出槽は、拡大槽およびフロートトラップ槽よりも低い位置に据付けられ、フロート弁から流出した密封油を貯留する。
第1の実施形態の密封油供給装置を備える回転電機を模式的に示す断面図。 第2の実施形態の密封油供給装置を模式的に示す断面図。 第3の実施形態の密封油供給装置を模式的に示す断面図。 第4の実施形態の密封油供給装置を模式的に示す断面図。 図4に示した密封油供給装置の内側配管の端部を拡大した断面図。
第1の実施形態の密封油供給装置10を備える回転電機1は、図1を参照して説明される。この回転電機1は、回転子2と、ハウジング3と、シール装置4と、密封油供給装置10とを含む。ハウジング3は、回転子2およびその外周に配置される固定子などを覆う外殻を形成している。この回転電機1は、ハウジング3の内部に収納される回転子2や固定子のコイルおよび構造物などを冷却するための冷媒として、水素ガスGを使用している。シール装置4は、水素ガスGをハウジング3内に封入するために、回転子2の両端から延びるシャフト21とハウジング3との間に装着される。
シール装置4は、シャフト21に装着されるシールリング41を含む。密封油供給装置10は、シャフト21とシールリング41との隙間に密封油Sを水素ガスGよりも高い圧力で供給することによって、水素ガスGがハウジング3の外へ流出するのを阻止している。シャフト21とシールリング41の隙間に供給された密封油Sは、シール装置4の内側および外側にそれぞれ流出する。以下、シール装置4によって大気圧よりも高い圧力に保たれるハウジング3の内側を「機内」側、大気圧に開放されている側を「機外」側と呼ぶことがある。密封油供給装置10は、シール装置4から流出した密封油Sを回収し、繰り返しシール装置4へ供給する。シール装置4から機内側へ流出したばかりの密封油Sには、水素ガスGの気泡が混入している。
密封油供給装置10は、この水素ガスGの気泡を密封油Sから除去するための分離装置として、拡大槽11とフロートトラップ槽12と空気抽出槽13とを少なくとも備える。拡大槽11は、回転子2の両端に一対に設けられるシール装置4に個々に対応する一対に設けられる。それぞれの拡大槽11は、個々に対応するシール装置4からハウジング3の内側に流出した密封油Sを内側配管111を通して回収し、一時的に貯留する。密封油S中の水素気泡は、一時的に貯留されることによって浮上し、概ね除去される。
フロートトラップ槽12は、一対の拡大槽11に水平に連ねて一体に形成され、フロート弁121を内蔵する。第1の実施形態の場合、フロートトラップ槽12は、拡大槽11の間に配置される。したがって、一対の拡大槽11とフロートトラップ槽12とは、隔壁Wによって内部が3つの部屋に区画された1つの多機能タンクのように構成されている。なお、本実施形態において、一体に形成されたフロートトラップ槽12と一対の拡大槽11とは、横長の円筒形状のタンクを隔壁Wによって3つの部屋に区画したものとすることが可能である。フロート弁121は、内部に溜まった密封油Sの液面が一定値を超えると密封油Sを放出するために開放される。したがって、シール装置4からフロート弁121までの範囲は、機内側と同じ圧力に保たれる。
拡大槽11とフロートトラップ槽12とは、それぞれ密封油Sの液面よりも低くなる下部に連通弁112,122が取り付けられ、互いに通油配管113を介して接続される。また拡大槽11のどちらか一方とフロートトラップ槽12とは、密封油Sの液面よりも高い上部に取り付けられる通気管114によって連通される。第1の実施形態では、図1中においてフロートトラップ槽12とその右側の拡大槽11とを通気管114で連通している。フロートトラップ槽12を点検するために用意されたマンホール123のハッチ124を開放させる場合に、通気管114によって連通された拡大槽11から水素ガスGが流入しないように、通気管114の途中に通気弁115が設置される。通気弁115は、回転電機1が通常運転されている場合、常に開放された状態である。
このようにフロートトラップ槽12は、2つの拡大槽11と連通されるので、密封油Sの液面が拡大槽11の密封油Sの液面とほぼ同じ高さになる。一対の拡大槽11の間に差圧が生じるようなことがあっても拡大槽11内のガスが回転電機1の機内に循環流入しないように、通油配管113は、U字配管接続としている。なお、ここでU字配管接続とは、接続される対象物(ここではフロートトラップ槽12と一対の拡大槽11)の鉛直方向の下側に位置する部分を有するように配管等で接続するか、あるいは対象物の鉛直方向の下部を互いに連通させて接続することを表している。すなわち、U字配管接続とは、気体部分を連通させずに、液体である密封油Sのみを連通可能に構成した配管あるいは連通部を示すものであり、これによって、接続される対象物の液面より上の気体部分が互いに連通されていない場合に各気体部分の圧力をそれぞれ異ならせることができるものである。
また、第1の実施形態の場合、拡大槽11に貯留されている密封油Sをフロートトラップ槽12に通さず下流へ放出可能にするために、フロート弁121から延びる出口配管14の途中部分は、拡大槽11の底部に対してバイパス配管15によって接続される。出口配管14は、バイパス配管15との合流部16よりも上流に封止弁141を備える。バイパス配管15は、密封油Sの流量を調整するバイパス弁151を途中に備える。
さらにバイパス配管15は、バイパス弁151を迂回するようにバイパス弁151の上流側と下流側を連通するサブバイパス配管17を備える。このサブバイパス配管17にも、密封油Sの流量をバイパス弁151よりも細かく調節できるサブバイパス弁171が装備される。回転電機1が通常運転されている場合、封止弁141は、常に開放された状態であり、バイパス弁151およびサブバイパス弁171は、常に閉鎖された状態である。
空気抽出槽13は、拡大槽11およびフロートトラップ槽12よりも低い位置に据付けられる。空気抽出槽13は、出口配管14が接続されてフロート弁121から流出した密封油Sを貯留するとともに、シール装置4から機外側に流出した密封油Sを外側配管131を通して回収し貯留する。空気抽出槽13は、大気圧に開放されている。
以上のように構成された回転電機1が通常運転される場合において、密封油供給装置10によってシール装置4に供給された密封油Sのうち、機内側に流出した密封油Sは、拡大槽11に滞留する間に粗方の水素気泡が除去されたのち、フロートトラップ槽12へ送られる。フロートトラップ槽12に送られた密封油Sは、フロート弁121が開放されるまでフロートトラップ槽12に留まるので、残っていた水素気泡をその間にもさらに放出する。フロート弁121が開放されてフロートトラップ槽12から流出した密封油Sは、空気抽出槽13へ送られる。
機内側から回収された密封油Sは、空気抽出槽13において大気圧に開放されるので、機内圧によって密封油S中に溶け込んでいた水素ガスGをさらに放出させる。また、機外側から回収された密封油Sに混入していた空気の気泡は、この空気抽出槽13において除去される。そして、空気抽出槽13の密封油Sは、主油タンクに送られる。
また、上記の構成の回転電機1においてフロート弁121が故障した場合、連通弁112,122と封止弁141と通気弁115とが閉じられるとともにバイパス弁151およびサブバイパス弁171が開放されて、シール装置4に供給された密封油Sが空気抽出槽13まで流される。このとき、2つの拡大槽11の流量を個別に調整するために、バイパス弁151およびサブバイパス弁171の開度が調整される。
この回転電機1に備えられた密封油供給装置10は、密封油Sを一時的に貯留して密封油S中の水素気泡を除去する拡大槽11と、水素ガスGが外部に流出するのを遮断するフロートトラップ槽12とを一体化させている。また、拡大槽11とフロートトラップ槽12とを通油配管113でU字配管接続することにより、拡大槽11とフロートトラップ槽12を同じ高さ位置に設置しても、拡大槽11内部の密封油Sの液面の高さを一定に保持している。例えば、1対の拡大槽11およびフロートトラップ槽12として横長の円筒容器を使用した場合には、拡大槽11内部の密封油Sの液面の高さにより液面の表面積が変化するが、拡大槽11とフロートトラップ槽12とを通油配管113をU字配管接続したことにより、このような場合でも,水素気泡を除去するために拡大槽11内における液面の表面積も一定に保つことができる。
そして、2つの拡大槽11と1つのフロートトラップ槽12とを一体化させた槽を空気抽出槽13よりも高い位置に設置しているので、回転電機1のハウジング3の内圧が大気圧から定格圧力まで変化しても、密封油Sの液面の高さは、全領域においてフロート弁121が開放される一定の高さに確保される。
この密封油供給装置10は、拡大槽11とフロートトラップ槽12を同じレベルに設置できるとともに、拡大槽11とフロートトラップ槽12の2つの槽を一体にできるため、設備内の配管が減り、これまでよりも小さいスペースに設置できる。また、密封油供給装置10は、フロート弁121の出口配管14と2つの拡大槽11の下部とをバイパス配管15で接続する際に、2つのバイパス弁151のそれぞれに対して流量の小さいサブバイパス弁171を備えるサブバイパス配管17を設置し、バイパス経路を二重化ている。このように、流量の異なる2種類の弁、バイパス弁151およびサブバイパス弁171、を設置したことによって、フロート弁121が壊れた場合にも、バイパス弁151で大まかな流量の調整を行い、サブバイパス弁171で微細な流量の調整を行うことで、拡大槽11から流出させる密封油Sの流量を微調整することが容易になる。
第2の実施形態の密封油供給装置10は、図2を参照して説明される。第1の実施形態の密封油供給装置10と同じ機能を有する構成は、図2中に同じ符号を付してその説明を省略し、必要に応じて第1の実施形態の記載および図を参酌する。
第2の実施形態の密封油供給装置10において、拡大槽11およびフロートトラップ槽12は、それぞれ内部に貯留する密封油Sの液面を表示するレベルゲージ116,126を備えている。また、拡大槽11から出口配管14につながるバイパス配管15にサブバイパス配管を備えない代わりに、流量が多くかつ細かく流量を調整できる弁をバイパス弁151として採用する。上記以外の構成は、第1の実施形態の密封油供給装置10と同じである。
以上のように構成された第2の実施形態の密封油供給装置10は、拡大槽11およびフロートトラップ槽12の密封油Sの液面をレベルゲージ116,126によって確認することが容易である。また、フロートトラップ槽12のレベルゲージ126では回転子2の両端に設けられたシール装置4の機内側に流出した密封油Sの合計の流量しか分からないのに対し、個々の拡大槽11のレベルゲージ116を観測することによって片側のシール装置4の機内側に流出した密封油Sの流量をそれぞれ確認できる。また、その結果に応じて、内側配管111の途中に設置される弁や連通弁112の開度を調整することで、シール装置4における密封状態は、良好に維持される。
また、拡大槽11のレベルゲージ116を個別に観測し比較することによって、どちらのシール装置4に異常が発生しているかなど、早期発見を容易にする。さらに、第2の実施形態の密封油供給装置10の場合、拡大槽11とフロートトラップ槽12が一体に構成されており設置高さが同じであるため、レベルゲージ116,126の確認作業の能率がよくなる。
なお、第2の実施形態の密封油供給装置10は、第1の実施形態の密封油供給装置10のようにバイパス配管15およびバイパス弁151に加えてサブバイパス配管17およびサブバイパス弁171を備えてもよい。
第3の実施形態の密封油供給装置10は、図3を参照して説明される。第1の実施形態の密封油供給装置10と同じ機能を有する構成は、図3中に同じ符号を付してその説明を省略し、必要に応じて第1の実施形態の記載および図を参酌する。
第3の実施形態の密封油供給装置10において、バイパス配管15およびバイパス弁151は、通油配管113と連通弁122の下流の合流部18から出口配管14の封止弁141の下流へ接続される1つのみ設けられる。上記以外の構成は、第1の実施形態に記載された密封油供給装置10の構成と同じであるので省略する。
第3の実施形態の密封油供給装置10において出口配管14を使わずに拡大槽11から密封油Sを流出させる場合、連通弁122および封止弁141を閉鎖し、連通弁112およびバイパス弁151を開放する。そして、それぞれの拡大槽11から流出する密封油Sの流量を調整するために連通弁112の開度を調整する。
第3の実施形態の密封油供給装置10によれば、第1の実施形態の密封油供給装置10による効果に加えて、複数あったバイパス配管15およびバイパス弁151を1つに集約したので、拡大槽11およびフロートトラップ槽12の周囲の配管および弁が簡略化されるだけでなく、製造コストも削減することができる。
第4の実施形態の密封油供給装置10は、図4および図5を参照して説明される。第1の実施形態の密封油供給装置10と同じ機能を有する構成は、図4及び図5に同じ符号を付してその説明を省略し、必要に応じて第1の実施形態の記載および図を参酌する。
第4の実施形態の密封油供給装置10において、フロートトラップ槽12は、図4に示すように一対に設けられた拡大槽11のそれぞれに対応して一対に設けられている。第4の実施形態では、一対の拡大槽11の間に一対のフロートトラップ槽12が一体に形成されている。フロートトラップ槽12どうしの境界は、隔壁Wによって塞がれているのに対し、拡大槽11とフロートトラップ槽12との境界は、密封油Sの液面よりも上および液面よりも下の両方とも多孔板WPによって連通されている。つまり、一対の拡大槽11と一対のフロートトラップ槽12とは、隔壁Wおよび多孔板WPによって内部が4つの部屋に区画された1つの多機能タンクのように構成されている。
この密封油供給装置10において、多孔板WPによって連通している拡大槽11およびフロートトラップ槽12内の密封油Sの液面は、同じ高さに維持される。フロートトラップ槽12の各フロート弁121は、連通された拡大槽11に流れ込んだ密封油Sの液面が一定の高さになったときに開放される。したがって、上記のように構成された第4の実施形態の密封油供給装置10において、第1の実施形態の密封油供給装置のように連通弁112,122、通油配管113、通気管114および通気弁115は、不要である。
各シール装置4どうしの間に生じるわずかな圧力差は、フロートトラップ槽12どうしの間が隔壁Wで仕切られているので、互いに影響しあうことはない。バイパス配管15は、各拡大槽11から封止弁141の下流の出口配管14に接続される。なお、第1の実施形態のように、バイパス弁151の上流から下流へ連通するサブバイパス配管17をサブバイパス弁171とともに設けてもよい。
内側配管111から拡大槽11に流入した密封油S中に混入している水素気泡は、拡大槽11において浮上し、フロートトラップ槽12へ流れ込むのを多孔板WPによって抑制される。また、拡大槽11に接続されている内側配管111の端部は、図5に示すようにフロートトラップ槽12のフロート弁121から離れた内壁に当接しており、密封油Sを内壁に沿って流しいれる。このようにすることで、拡大槽11中の密封油Sの液面が静寂に保たれるので、フロート弁121の動作が安定する。
多孔板WPは、密封油Sが拡大槽11からフロートトラップ槽12へほとんど抵抗無く流れ、かつ水素気泡がプロートトラップ槽に拡がるのを抑制するものであれば、網でもよいし、液面に浮遊する浮ブロックであってもよい。また、密封油Sを流入させたときに液面がほとんど乱れないようであれば、多孔板WPを設置しなくても良い。さらに、2つの拡大槽11および2つのフロートトラップ槽12のそれぞれに第2の実施形態におけるレベルゲージを取り付けると、第2の実施形態と同様に密封油Sの流量を把握しやすい。
以上のように構成された第4の実施形態の密封油供給装置10は、第1の実施形態における密封油供給装置10の拡大槽11およびフロートトラップ槽12の下部に設置した通油配管113と上部に設置した通気管114を取り去り、フロートトラップ槽12を拡大槽11の個々に対応させるために1つ増やし、拡大槽11とフロートトラップ槽12の間の隔壁Wを多孔板WPに置き換えた構造である。このように構成されることによって、第1の実施形態の密封油供給装置10と同様に、拡大槽11とフロートトラップ槽12中の密封油Sの液面を等位に保持することによる効果を得ながら、拡大槽11およびフロートトラップ槽12の外部に接続される配管の数が削減される。部品点数が減るので、密封油供給装置10を設置する際の施工コストが軽減される。
第1の実施形態から第4の実施形態の密封油供給装置10の拡大槽11およびフロートトラップ槽12は、水平に一続きに並んだ構成であるが、全体形状は図1から図4に示した形状に限らず、縦型の円筒容器に、中心線から半径方向に延びる隔壁Wで区画して拡大槽11およびフロートトラップ槽12を形成してもよい。
以上説明した各実施形態によれば、機能を損なうことなく構成を簡素化し、新たに動力源を設けずに密封油を滞りなく循環させる密封油供給装置、およびこの密封油供給装置を備える回転電機を提供することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…回転電機、2…回転子、21…シャフト、3…ハウジング、4…シール装置、10…密封油供給装置、11…拡大槽、111…内側配管、113…通油配管、114…通気管、116…レベルゲージ、12…フロートトラップ槽、121…フロート弁、126…レベルゲージ、13…空気抽出槽、15…バイパス配管、151…バイパス弁、17…サブバイパス配管、171…サブバイパス弁、S…密封油、W…隔壁、WP…多孔板。

Claims (9)

  1. 回転子の両端から延びるシャフトと前記回転子を覆うハウジングとの間に密封油を流してそれぞれ密封するシール装置から前記ハウジングの内側に流出した前記密封油を回収して貯留する拡大槽と、
    前記拡大槽に水平に連ねて一体に形成され前記拡大槽と連通されて前記密封油の液面が前記拡大槽とほぼ同じ高さになるとともに、内部に溜まった前記密封油の液面が一定値を超えると前記密封油を放出するために開放されるフロート弁を内蔵するフロートトラップ槽と、
    前記拡大槽および前記フロートトラップ槽よりも低い位置に据付けられて前記フロート弁から流出した密封油を貯留する空気抽出槽と
    を備えることを特徴とする密封油供給装置。
  2. 前記拡大槽は、前記シャフトの両端に設けられる一対のシール装置に個々に対応して一対に設けられ、
    前記フロートトラップ槽は、一対に設けられた前記拡大槽に連続して形成され、前記密封油の液面よりも下部でそれぞれの前記拡大槽と連通され、前記液面よりも上部で前記拡大槽の一つと連通される
    ことを特徴とする請求項1に記載された密封油供給装置。
  3. 前記フロートトラップ槽は、一対に設けられた前記拡大槽のそれぞれに対応して一対に設けられる
    ことを特徴とする請求項2に記載された密封油供給装置。
  4. 互いに対応する前記拡大槽および前記フロートトラップ槽の間の隔壁は、多孔板で形成される
    ことを特徴とする請求項3に記載された密封油供給装置。
  5. 前記ハウジングの内側に前記シール装置から流出した前記密封油を前記拡大槽に送る内側配管を備え、この内側配管は、前記フロート弁から離れた前記拡大槽の内壁に沿って前記密封油を流し入れる
    ことを特徴とする請求項4に記載された密封油供給装置。
  6. 前記拡大槽および前記フロートトラップ槽は、貯留する密封油の液面を表示するレベルゲージをそれぞれに備える
    ことを特徴とする請求項2から請求項5のいずれか1項に記載された密封油供給装置。
  7. 前記拡大槽に貯留されている前記密封油を、前記フロートトラップ槽を介さずに下流へ放出するためのバイパス配管と、
    前記バイパス配管の途中に設けられて前記密封油の流量を調節するバイパス弁と
    をさらに備えることを特徴とする請求項2から請求項6のいずれか1項に記載された密封油供給装置。
  8. 前記バイパス配管は、前記バイパス弁を迂回するサブバイパス配管と、このサブバイパス配管の途中に設置されて前記密封油の流量を前記バイパス弁よりも細かく調節するサブバイパス弁と、を備える
    ことを特徴とする請求項7に記載された密封油供給装置。
  9. 前記拡大槽と前記フロートトラップ槽とがU字配管接続されてなる
    ことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載された密封油供給装置。
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