JP2015532002A - 高温コイル巻線における張力緩和及び電気絶縁のためのアルミナ紙の使用 - Google Patents

Abstract

コイル（６０）。コイル（６０）は巻線層（６８）の形で形成された導体を備えている。導体は、導電性コア（９４）を囲む絶縁被覆（９６）を備えている。コイルは、コイル（６０）に及ぼされた機械力に対する応力緩和と、巻線層（６８）間の電気絶縁を提供するために近接する一つ以上の巻線層（６８）の間に配置された紙ストリップ（８０）をさらに備えている。コイル（６０）がコア（７０）をさらに備えている一つの実施形態において、紙ストリップ（８０）は、コア（７０）の角（７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ、及び７０Ｄ）、さらには角（７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ、及び７０Ｄ）での巻線層間に有益に配置される。

Description

本発明は一般的に、ガスタービン、より具体的にはガスタービン内に取り付けられた回転巻線に関連している。

燃焼タービンとも呼ばれているガスタービンは、タービンに結合された回転式コンプレッサを含む内燃機関の一種である。コンプレッサとタービンとの間に配置された燃焼チャンバにおける燃料の点火は、高圧且つ高速の気体流を生み出す。気体流はタービンに向けられ、タービンの回転を引き起こす。

燃焼チャンバは、空気／燃料の混合ガスを点火させるために、圧縮された空気流内に燃料（一般的に、灯油、ジェット燃料、プロパン、または天然ガス）を向ける燃料噴射器のリングを備えている。点火は、（作用ガスとして同様に参照されている）空気／燃料の混合ガスの温度及び圧力の両方を増大させる。

作用ガスは、タービンに入ると膨張する。タービンは、固定羽根及びタービン軸に接続された動翼の列を含む。気体流の膨張は、案内羽根によって加速され、及び同様にタービン翼にわたって向けられ、翼及びそれによりタービンシャフトの回転を引き起こす。回転軸はコンプレッサを回転させ、機械出力を提供する。エネルギーは、航空機、電車、船及び発電機の電力供給の使用のため、軸出力、圧縮空気、推進またはこれらの組み合わせの形態でタービンから引き出され得る。

本発明は、図を考慮して以下の説明において明らかにされる。

本発明と共に使用するのに適した従来のガスタービンの図である。 ガスタービンに配置された感知／計装システムで使用するための、図示された導電巻線を備えているコイルの図である。 図２のコイルにおいて使用するための導体の断面図である。 本発明のコイルを製造するための一つの手順の図である。

図１は、コンプレッサ１２、少なくとも１つの燃焼器１４、及びタービンセクション１６を含む燃焼タービン１０の断面図を図示している。一般的に、複数の燃焼器１４が、タービン軸の周りで円弧状に配置されている。タービンセクション１６は、回転可能な中心軸２０に固定された複数の動翼１８を含む。複数の固定羽根２２が動翼１８の間に位置しており、タービンシリンダー壁表面２３に固定されている。羽根２２は、作用ガスを動翼１８にわたって向けるように寸法され、構成されている。

運転中、空気がコンプレッサ１２を通して引き出され、空気は燃焼器１４に向けて圧縮され、誘導される。圧縮された空気は吸気２６を通して燃焼器に入る。吸気２６から、空気が燃焼器入口２８で燃焼器１４に入り、燃料と混合される。燃料／空気の混合ガスは作用ガスを形成するように点火する。作用ガスは、カ氏約２，５００度からカ氏約２，９００度の間（セ氏約１，３７１度からセ氏約１，５９３度の間）の温度範囲を有している。作用ガスは、燃焼器１４を出て、推移部材３０を通り、それからタービン１６を通って膨張し、動翼１８を駆動させるために羽根２２によって誘導される。気体がタービン１６を通過するとき、翼１８を回転させ、順に軸２０を駆動させ、それによって軸２０を通して使用可能な機械的作用を伝送する。軸２０はまた、流入する空気を圧縮するために圧縮機軸（図示せず）を回転させる。

電気を生成するためのガスタービンにおいて、軸２０はさらに、発電機（図示せず）を駆動させる。

燃焼タービン１０はまた、翼１８、羽根２２、及び他のタービン構成要素を内部で冷却するために、冷却材、例えば、蒸気または圧縮空気を供給するための内部冷却システム２４を含む。

ガスタービンのタービンセクション内部で、特に、例えば回転翼及び固定羽根などの重要なタービン構造で、例えば温度及び力（例えば、圧力及び張力）などの動作パラメータを監視することは重要である。感知／計装システムはこれらの温度や力を監視し、測定する。初期不良が予測され、且つ内部ガスタービン構造の実際の故障がこれらの温度や力の測定に基づいて決定され得る。

ガスタービンの感知／計装システムの一種でコイル構造が使用される。これらのコイル構造は、ガスタービン内部で高温、高振動、及び高ｇ負荷環境において連続的に機能すべきである。

本発明は、コイル構造において電気絶縁体及び機械力の吸収緩和としてアルミナ紙の使用を教示している。アルミナ紙は、ガスタービン内部の高い運転温度で、高電気抵抗の所望の特性（すなわち、所望の絶縁特性）、及び力吸収の緩和効果（すなわち、二酸化アルミニウムは脆くならない）を保持する二酸化アルミニウム（ＡｌＯ_２）繊維またはストランドを備えている。類似の特性を示す他の材料がアルミナ紙の代わりに使用されることができる。

図２に移ると、本発明のコイル６０は、磁気コア７０を囲む絶縁された導体巻線６８（ここでは、導体６８、ワイヤ６８、及び巻線層６８とも参照される）を含む。

図３に図示されているように、導体巻線６８は、例えばセラミックなどの絶縁材料被覆物９６によって囲まれた（例えばニッケル被覆銅などの）導体９４を含む。

コア７０は、複数の結合された鋼シート積層体を含む（図２においては別々に図示されていない）。

コイル６０が受ける高い力に加えて、タービン内部の幅広い温度範囲（セ氏約２０から約４５０度の範囲）は、巻線６８及びコア７０において著しい熱膨張、並びに縮小を引き起こす。

（巻線及びコアが異なる材料を含むことにより）巻線及びコアの熱膨張の係数が異なる応用において、熱収縮及び膨張問題はさらに悪化する。結果として生じる熱応力及び力は、コア７０と共に巻線６８を、またはコア７０に対して巻線を押し進める傾向にある。

巻線６８の結果として生じる屈曲及び摩擦は、ワイヤまたは巻線６８を囲む絶縁体の有効性を破壊し得るか、または少なくとも損なわせる。そのような損傷は、巻線６８が曲げられるところ、例えば、巻線６８がコア７０の角を通るところ、例えば、図２において見られるように角７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ、及び７０Ｄで特に起こり得る。

ワイヤ絶縁のこの劣化は、コイル６０の働きを激しく低下させ、感知／計装システムの性能に深刻で危機的な影響を有し得る。

これらの熱的に誘導された力に加えて、（ガスタービン軸の回転により引き起こされる）巻線６８及びコア７０の振動は、巻線６８及びコア７０に相当な追加の力を生み出す。

これらの力によって引き起こされる影響を克服するため、アルミナ紙８０（すなわち、酸化アルミニウム（ＡｌＯ_２）繊維を含む紙）が、限定するものではないが、巻線６８とコア７０との間の界面、絶縁された巻線６８の層の間、及びコア７０の角７０Ａ−７０Ｄを含む、一つ以上の位置に導入される。セラミック接着剤７２の層が、図２に図示されたように、コア７０、巻線６８と、アルミナ紙８０との間に適用される。

一つの実施形態において、アルミナ紙８０が、コア７０の角７０Ａ−７０Ｄのみに配置される。別の実施形態において、アルミナ紙８０が、角７０Ａ−７０Ｄ、及びコア７０の短い端部に沿って巻線層の間に配置される。

特に、角７０Ａ−７０Ｄで、巻線６８は最も曲げられ、それ故割れる可能性が高く、巻線６８を囲む絶縁体（巻線６８を囲む絶縁体は図２に示されていない）を劣化させる。このように、アルミナ紙８０は、この問題を未然に防ぐために少なくとも角７０Ａ−７０Ｄに位置している。

アルミナ紙８０は柔軟であり、相当な容積及び厚さを示しているので、紙８０はまた、巻線６８の間、及び巻線６８とコア７０との間の界面の両方で（及び特に角７０Ａ−７０Ｄで）巻線６８に対する張力緩和及び緩衝として作用する。

アルミナ紙８０はまた、良好な電気絶縁体であるので、図３の絶縁材料被覆物９６が不良または劣化した場合、アルミナ紙８０は導体９４を絶縁することができ、それによって短絡を防ぐことのできる絶縁体の追加の層を提供する。

本発明者は、アルミナ紙８０が、ガスタービン内部の極端な温度及び高力環境内で、これらの所望の特性を維持していることを見出した。

絶縁材料９０（例えば、図２の断面において一般的に示されたセラミック材料）が、巻線６８及びコア７０に対して追加の熱絶縁を提供するため、巻線６８の露出表面及びコア７０の露出領域を被覆する。しかしながら、絶縁材料９０は、ガスタービン内に存在する温度で脆弱であり、及びそれ故、巻線６８の機械的摩擦に対して緩衝または復元力を提供することができない。その代わりに、アルミナ紙８０がこの要求を満足する。セラミック絶縁材料はまた、ガスタービン内に存在する温度でわずかに導電性である。重ねて、アルミナ紙８０は、前述の絶縁特性を提供することによって、このわずかな伝導性に関連した問題を回避している。

本発明の一つの実施形態によると、コイル６０は、以下の手順によって形成され、図４で表現されている。

１．アルミナ紙が化学的に不活性であることが確かとなるように、アルミナ紙をセ氏約５００から６００度で約１０分の間焼き付ける。図４のステップ１００を参照。アルミナ紙は焼き付け工程の間に色が変化してもよく、これは紙が化学的に不活性な状態に到達したことを示す。

２．アルミナ紙を、約０．２５インチ幅及び約０．７インチ長さのストリップに切り取る。アルミナ紙は、約０．０３インチ厚さである。図４のステップ１０２を参照。

３．コア７０の角７０Ａ−７０Ｄに沿って（及び必要に応じて角７０Ａ−７０Ｄの間の領域に沿って）セラミック接着剤の層を適用する。図４のステップ１０４を参照。

４．接着剤が固まっていない間に、セラミック接着剤にわたってアルミナ紙のストリップを置く。図４のステップ１０６を参照。

５．アルミナ紙のストリップ８０にわたってセラミック接着剤の層を適用する。図４のステップ１０８を参照。

６．接着剤 ストリップ／コア組立体にわたって第１の巻線層を巻く。図４のステップ１１０を参照。

７．セラミック接着剤の別の層を適用する。図４のステップ１１２を参照。

８．セラミック接着剤がまだ固まっていない間に、要求の通りに（例えば、コアの角に、及び／または角の間に）ストリップを置く。図４のステップ１１４を参照。

９．接着剤ストリップにわたってセラミック接着剤の層を適用する。図４のステップ１１６を参照。

１０．接着剤ストリップ／コア組立体にわたって第２の巻線層を巻く。図４のステップ１１８を参照。

１１．所望の数の巻線層が形成されるまで続ける。図４のステップ１２０を参照。

１２．組立体全体にわたって絶縁材料９０を適用する。図４のステップ１２２を参照。

この説明した手順は、本発明の異なる実施形態によって変化され得る。例えば、組立体は工程の様々なステップの後に空気乾燥されてもよいが、空気乾燥のステップは必要とされていない。

好ましくは、絶縁材料９０は、セラミックポッティング材を備えている。本発明者は、セラミックポッティング材及びアルミナ紙が最大でセ氏約５００度の温度まで存在し続けることを見出した。

本発明の教示は、運転の間にコイル巻線に及ぼされる相対的に高い力の存在を含む、または含まない、相対的に高い温度環境において運転しなければならない如何なるコイル（例えば、任意のインダクタンス値の、インダクタ、トランス、電圧変換器）に適用可能である。

本発明は、従来の長方形のコア及びコアの周りに巻かれた巻線に対して説明されたが、コアの形状は、本発明と関連していない。教示は、一つ以上のコア表面にわたって配置された巻線を含む如何なるコア形状に適用する。

本発明の教示によって構成されたような巻線は、最大でセ氏約５５０度の環境で運転することができる。

本発明の様々な実施形態がここで示され、且つ説明されたが、そのような実施形態が例示的な目的のみで提供されたことは明らかである。多くの変化、変更及び代替が、ここでの本発明から逸脱することなくなされ得る。それ故、本願発明は、添付の特許請求の範囲の趣旨と範囲によってのみ制限されることが意図されている。

１０ 燃焼タービン
１２ コンプレッサ
１４ 燃焼器
１６ タービンセクション
１８ 動翼
２０ 軸
２２ 固定羽根
２３ タービンシリンダー壁表面
２４ 内部冷却システム
２６ 吸気
２８ 燃焼器入口
３０ 推移部材
６０ コイル
６８ 巻線
７０ コア
７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ、７０Ｄ 角
７２ セラミック接着剤
８０ 紙ストリップ
９０ 絶縁材料
９４ 導電性コア
９６ 絶縁材料被覆物

Claims (20)

1. コイルであって、
   導電性コアを取り囲む絶縁被覆を備えている、巻線層の形で形成された導体であって、
   前記コイルに及ぼされる機械力に対する応力緩和を提供し、及び巻線層の間に電気絶縁を提供するために、一つ以上の前記巻線層の間に配置された紙ストリップと、
   を備えているコイル。
2. 前記紙ストリップはアルミナ紙ストリップを備えている、請求項１に記載のコイル。
3. 前記アルミナ紙ストリップは、約０．２５インチ幅、約０．７インチ長さ、及び約０．０３インチ厚さの寸法を画定している、請求項２に記載のコイル。
4. コアをさらに備えており、前記巻線層は、前記コアに隣接する巻線層と前記コアとの間、並びに巻線層の間に配置された前記紙ストリップと共に、前記コアの周りに配置されている、請求項１に記載のコイル。
5. 前記コアは長方形のコアを備えており、前記紙ストリップは、前記コアの短い面に沿って、一つ以上の前記巻線層の間に配置されている、請求項４に記載のコイル。
6. 前記紙ストリップは、前記長方形のコアの角で、前記巻線層の間に配置されている、請求項５に記載のコイル。
7. 前記コアは角を備えており、前記紙ストリップは角で前記巻線層の間に配置されている、請求項４に記載のコイル。
8. 前記コアの外側表面と前記紙ストリップとの間に配置された接着材料をさらに備えている、請求項４に記載のコイル。
9. 前記巻線層の露出した表面及び前記コアの露出した領域を被覆するセラミック絶縁材料をさらに備えている、請求項４に記載のコイル。
10. 接着剤をさらに備えており、前記紙ストリップ及び前記接着材は隣接する巻線層の間に配置されている、請求項１に記載のコイル。
11. 前記巻線の露出した表面及び前記コアの露出した領域を被覆するセラミック絶縁材料をさらに備えている、請求項１に記載のコイル。
12. 前記導体巻線は、ニッケル被覆銅の中心導体及びセラミックの外部絶縁被覆物を備えている、請求項１に記載のコイル。
13. 最大でセ氏約５５０度の環境で運転するための請求項１に記載のコイル。
14. 高温環境において使用されるコイルを形成する方法であって、
    （ａ）アルミナ紙をセ氏約５５０度の温度で約１０分焼き付ける段階；
    （ｂ）コアの外側表面にセラミック接着剤を塗布する段階；
    （ｃ）前記セラミック接着剤にわたってアルミナ紙の第１ストリップを置く段階；
    （ｄ）アルミナ紙の前記第１ストリップにわたってセラミック接着剤を適用する段階；
    （ｅ）コイル巻線の第１層を形成する段階；
    （ｆ）コイル巻線の前記第１層にわたってセラミック接着剤を塗布する段階；
    （ｇ）前記セラミック接着剤内にアルミナ紙の第２ストリップを置く段階；
    （ｈ）アルミナ紙の第２ストリップにわたってセラミック接着剤を塗布する段階；
    （ｉ）段階（ｃ）から（ｇ）に従ってコイル巻線の追加の層を形成する段階；
    （ｊ）前記コイルの露出した表面にわたって絶縁材料を塗布する段階；
    を備えている方法。
15. 段階（ｃ）は、前記コアの角の領域でアルミナ紙の前記第１ストリップを置く段階をさらに備えている、請求項１４に記載の方法。
16. 段階（ｇ）は、コイル巻線の間、並びに前記コアと最も内側のコイル巻線との間にアルミナ紙の前記第２ストリップを置く段階をさらに備えている、請求項１４に記載の方法。
17. アルミナ紙の前記ストリップは、約０．２５インチ幅、約０．７インチ長さ、及び約０．０３インチ厚さの寸法を画定している、請求項１４に記載の方法。
18. 前記コアは長方形のコアを備えている、請求項１４に記載の方法。
19. 前記コイル巻線は、ニッケル被覆銅の中心導体及びセラミックの外部被覆物を備えている、請求項１４に記載の方法。
20. 最大でセ氏約５５０度の環境で運転するためのコイルを形成する請求項１４に記載の方法。

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