JP2015533072A - ロータの溝付きウェッジ - Google Patents
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Abstract
ロータの溝付きウェッジが提供されている。一態様では、スロットウェッジは、その中に配置された界磁コイルを覆うために放射状スロットに取り付けられている。各ウェッジは、各スロット壁に形成されたダブテールに係合するウェッジダブテールを有する。このウェッジダブテールは、スロットダブテールと接する接触面近傍に形成された溝を有する。この溝は、第1ウェッジ端面から反対側の第2ウェッジ端面に、軸方向に延在している。【選択図】図4
Description
本発明は、一般に、回転電機で使用されるロータに関し、さらに具体的には、ロータのスロット内に配置された界磁コイルを覆う際に使用されるウェッジに関するものである。
ガスタービンおよび蒸気タービンで使用される発電機のような従来の回転電機は、磁性材料の鍛造ロータを採用し、この中に放射状のスロットが界磁巻線の導電性ターンを受けるために機械加工される。界磁巻線のターンは、相互接続され、所望の磁束パターンを生成する。典型的には、各スロット内の界磁巻線のターンは、スロットの両側に配置されたスロット外装の間の、上部(半径方向外側)に位置するクリページブロックとスロットの底部(半径方向内側)との間に配置される。ロータが動作しているときに、スロット内に界磁巻線のターンを維持し、この巻線に作用する半径方向外向きの力に抵抗するために、スロットウェッジは、各スロットの上部に取り付けられる。
長期の発電機動作にわたって、スロット間に配置されるロータの「フィンガ」部分であるロータ歯は、歯部がスロットウェッジに当接する面での亀裂の可能性を有する。特に、亀裂は、スロットウェッジのダブテール部分と係合する歯部のダブテール部分の表面で起こる可能性がある。典型的には、亀裂兆候は、ウェッジの端面に位置しており、半径方向、および/または、例えばロータ歯のダブテール部分がスロットウェッジのダブテール部分に当接する位置であるウェッジ載置面に沿って進行する。ロータ歯に生成する亀裂の補修は、労働集約的な機械加工作業を必要とし、この作業のために、ある期間にわたってロータをオフラインにする必要があるかもしれない。ロータをオフラインにすることにより、費用が掛かり、電力の生産ができなくなる可能性がある。
したがって、多くの場合、ロータ歯がスロットウェッジに当接する面に生じる亀裂の発生を、最小にするかまたは除去することが望ましい。
本発明の一態様では、ロータが提供されている。ロータは複数の放射状スロットを備え、それぞれがその中に形成されたダブテールを有している。複数の界磁コイルが、各スロット内に配置されている。スロットの1つにそれぞれ取り付けられる複数のスロットウェッジは、その中に配置された界磁コイルを覆う。各スロットウェッジは、スロットの1つのダブテールと接する接触面近傍に形成された溝を有している。溝は、第1ウェッジ端面から反対側の第2ウェッジ端面に、軸方向に延在している。
本発明の別の態様では、発電機ロータが提供されている。本発明のこの態様では、発電機ロータは、複数の放射状の発電機スロットを備えている。各発電機スロットは、入口面、内側テーパ面、および中間面を含むダブテール状部を有している。複数の界磁コイルターンは、発電機スロットの各々に配置されている。発電機スロットの1つにそれぞれ取り付けられた複数のスロットウェッジは、その中に配置された界磁コイルターンを覆っている。各スロットウェッジの各側は、スロットの1つのダブテール状部に係合するウェッジダブテール状部を有している。ウェッジダブテール状部は、スロットウェッジ上面、スロットウェッジ外側に延在する面、およびスロットウェッジ下面を含む。スロットウェッジ下面は、第1ウェッジ端面から第2ウェッジ端面にウェッジの全長にわたって軸方向に延在する溝を有している。スロットウェッジ上面は入口面と係合し、スロットウェッジ外側に延在する面は内側テーパ面との係合し、スロットウェッジ下面は中間面と係合している。
本発明の第3態様では、ロータを備えた回転電機が開示されている。本発明のこの態様では、ロータは、複数の放射状スロットを含んでいる。各スロットは、入口面を含むダブテール状部と、入口面から延在する内側テーパ面と、内側テーパ面から延在する中間面を有している。複数のコイルが、スロットの各々に配置されている。スロットの1つに取り付けられた複数のスロットウェッジが、その中に配置されたコイルを覆っている。各スロットウェッジの各側は、スロットの1つのスロットダブテール状部に係合するウェッジダブテール状部を有している。ウェッジダブテール状部は、スロットウェッジ上面、スロットウェッジ下面、およびスロットウェッジ上面をスロットウェッジ下面に結合するスロットウェッジ外側に延在する面を有している。スロットウェッジ下面は、第1ウェッジ端面から第2ウェッジ端面にスロットウェッジの全長にわたって軸方向に延在する溝を有している。スロットウェッジ上面は入口面と係合し、スロットウェッジ外方に延在する面は、内側テーパ面と係合し、スロットウェッジ下面は中間面と係合している。
本発明のさまざまな実施形態は、発電機のような回転電機のロータ本体の放射状スロット内に配置された界磁コイルを覆うために用いられるスロットウェッジを提供することを目的とする。これらの実施形態では、溝は、第1ウェッジ端面から反対側の第2ウェッジ端面にウェッジの全長にわたって軸方向に延在している。一実施形態では、溝は、放射状スロットの各スロット内に形成されたダブテール部分と接する接触面でスロットウェッジのウェッジダブテール部分に設けられている。
本発明のさまざまな実施形態の技術的効果は、多くの場合、ロータ歯がスロットウェッジに当接する表面のような高応力集中領域で生じるクラックの発生を、最小にするかまたは除去することを含む。ウェッジの全長にわたって軸方向に延在している溝を有するスロットウェッジを設けることに関連する他の技術的効果により、ウェッジに用いられる高強度材料の使用が可能となる。一般的には、このような材料が、スロットウェッジのウェッジダブテール部分とスロットのダブテール部分との間の境界面での接触縁部における応力集中を悪化させるので、ウェッジのための高強度材料の使用は禁止されている。ウェッジに高強度の材料を使用することにより、より小さいウェッジの製造が可能となり、この結果、界磁コイルを配置するスロット内により多くの空間をもたらすことができる。スロット内により多くの空間を有することにより、発電機ロータを、より深いサブスロットを有するスロットで製造することができる。より深いサブスロットを有するスロットにより、通気性が改善され、発電機の出力電力が増加され得る。特に、スロット内により多くのコイルを配置するために追加の空間が用いられる場合、通気性課題の低減と発電機の出力電力の増加に応じて、損失が少なくなる。ウェッジの全長にわたって軸方向に延在している溝を有するスロットウェッジを設けることに関連する他の技術的効果により、全体のスロット深さを小さくすることができる。これによりスピンドル径が大きくなり、ロータの高サイクル疲労や、ロータの横方向の力に関連するリスクの減少をもたらし得る。
本発明のさまざまな実施形態は、蒸気タービンおよびガスタービンに使用される発電機ロータに向けられているが、本発明の実施形態は、ロータ本体を有する回転電機の任意のタイプで使用するのに適しており、嵌合するダブテール部分と接するウェッジ載置面に沿ったフレッチングや亀裂を対象にしている。
図面を参照すると、図1は、例えば発電機のような回転電機に使用される典型的なロータ100の側面図である。以下の説明が発電機に関するものであるため、ロータ100は、発電機ロータと呼ばれる。図1に示すように、発電機ロータ100は、鉄系の金属材料で作ることができるロータ本体105を備え、このロータ本体105は、軸受組立体(図示せず)を介して、中央のスピンドル107に回転可能に取り付けられているロータ本体105の中間部の周りに円周方向に配置されているのは、複数のスロット110である。一実施形態では、発電機スロットと呼ぶことができるスロット110は、銅またはアルミニウムから作製できる複数の界磁コイルすなわちコイルを保持するために使用される。図1はさらに、発電機ロータ100が、ロータ端部のシャフト部分115および120のような要素を含むことを示している。発電機ロータ100はさらに、蒸気タービンまたはガスタービンのようなタービンに接続するための継手125および130を含む。一実施形態では、継手125および130を、歯車減速ユニットとの接続に使用することができる。別の実施形態では、継手130を、励磁装置(図示せず)と接続するために使用することができる。
図2は、図1の線2−2に沿ったロータ100のロータ本体105の部分断面図である。具体的には、図2は、ロータ本体105のロータコア200の周りに放射状に配置されたスロット110を示している。明らかに示されていないが、スロット110は、ロータ本体105に沿って軸方向に延在することができる。図2に示すように、各放射状スロット110は、ロータ歯205によって分離され、スロット110を備えたロータ本体105の周りに円周方向に配置された複数のロータ歯が形成されている。ロータ歯205は、ロータコア200を中心として放射状に配置され、各スロット110を分離するロータ本体105に沿って軸方向に延在している。スロット110を有するロータ歯205の配置は、所定の深さに延在するスロットを画定している。各スロット110は、その中に形成されたダブテール215を含む。図2に明らかに示されていないが、図4においてより明らかに図示されるように、各スロット110のダブテール215は、入口面220と、内側テーパ面225と、中間面230と、外側テーパ面235を有している。図4は、内側テーパ面225が入口面220からロータ歯205に向かって内側に延在し、中間面230が内側テーパ面225から下方に延在し、そして、外側テーパ面235がスロット110(図2)に向かって外側に延在していることを示している。
図3は、図2に示したようなロータ100のスロット110を通る断面図であり、その中に配置された内容物を示している。上述し、図2に示したように、スロット110は、ロータ本体105のロータコア200の周りに放射状に配置されている。図3を参照すると、スロット110は、サブスロット302上に配置された絶縁された界磁コイルターンすなわちコイルターン300を、スロット外装304として知られるスロット絶縁体、コイルターンの上に配置されたクリページブロック305、および軸方向に整列したスロットウェッジ310に対して、放射状外向きに順に含むことができる。各スロットウェッジ310はスロット110に取り付けられ、その中に配置されたにコイルターンを覆っている。各スロットウェッジ310は、ロータ歯205間のスロット110内に形成されたダブテール215に係合するウェッジダブテール315を含む。具体的には、ロータ100が回転している状態で、ウェッジダブテール315は、コイルターン300およびクリページブロック305を所定の位置に維持しながらダブテール215と接している。
また、図3は、スロットウェッジ310が通気孔320(1つを示す)を含んでいてもよいことを示しており、この通気孔320は、コイルターン300を通過し、同様にクリページブロック305を通過する通気経路325(1つを示す)と一般に整列している。
スロット110が、図3に示されているものよりも多くの要素を有することができることを、当業者は理解されよう。例えば、コイルを絶縁し、そこからの損失を防止するために、ターン絶縁体がコイルターン300の間に配置されるかもしれない。また、制御巻線およびこれに関連するばねがあるかもしれない。さらに、スロット外装304は、図3に示したものと異なる構成を有する場合がある。
上述したように、ロータ歯205は、歯部がスロットウェッジ310に当接する面でのフレッチングや亀裂の可能性を有する。特に、ウェッジダブテール315がスロットダブテール215と接する面で、亀裂が発生することができる。典型的には、長期間にわたって亀裂をもたらすような多くの表面圧を発生させる応力集中は、ウェッジダブテール315がスロットダブテール215と接する接触縁部間で発生する。また、亀裂は、スロットウェッジ310の端面で起こり得ることが多い。亀裂がこれらの位置で生成する場合、この応力集中は、接触縁部から半径方向および軸方向の両方向に亀裂を広げるのに十分である。ロータ歯205に生成するこの種の亀裂の補修は、労働集約的な機械加工作業を必要とし、この作業のために、ある期間にわたってロータ100をオフラインにする必要があるかもしれない。上記のように、ロータをオフラインにすることにより、費用が掛かり、電力の生産ができなくなる可能性がある。
ここに開示される本発明の種々の実施形態により、溝を有するスロットウェッジを設けることによってフレッチングや亀裂の問題が克服されており、この溝は、第1ウェッジ端面から反対側の第2ウェッジ端面にウェッジの全長にわたって軸方向に延在している。スロットダブテールが第1ウェッジ端面から第2ウェッジ端面にウェッジダブテールと接するウェッジで、軸方向に延在する溝は、可撓性領域を形成している。この可撓性領域は、スロットダブテールとウェッジダブテールとの間の境界面の縁部から離れて応力集中を分散させることによって接触面における接触圧の影響を低減する。縁部から離れて応力集中を分散させることにより、ロータの通常動作中にその領域に置かれる最大応力を低減することができる。結果として、フレッチングや亀裂が抑制され、多くの場合に除去され得る。
図4は、本発明の一実施形態による、図2に示すようなロータ歯205に関連して図3に示すスロット110内に配置された内容物(例えば、コイルターン300やクリページブロック305)を覆うために使用されるスロットウェッジ400の、拡大した部分断面の概略的な斜視図である。本発明の実施形態を明確に説明するため、スロットウェッジ400の片側のみが、ウェッジの特定の特徴を指す参照符号で記載され、ラベル付けされている。ラベル付けされていないスロットウェッジ400の他方の面は、参照特徴と対称である対応する特徴を有することになる。
図4に示すように、スロットウェッジ400は、スロットウェッジ側面405を有している。スロットウェッジ側面405は、スロット壁のダブテール状部215に係合するウェッジダブテール状部410を有する。上述したように、ダブテール状部215は、入口面220と、内側テーパ面225と、中間面230と、外側テーパ面235とを含む。内側テーパ面225は入口面220からロータ歯205に向かって内側に延在し、中間面230は内側テーパ面225から下方に延在し、そして、外側テーパ面235はスロット110に向かって外側に延在している。
ウェッジダブテール状部410は、ダブテール状部215に関して説明した形状と嵌合する特徴により、ダブテール状部215と係合する。図4に示すように、ウェッジダブテール状部410は、スロットウェッジ上面415と、スロットウェッジ外側に延在する面420と、スロットウェッジ下面425とを含む。ウェッジダブテール状部410は、スロットウェッジ上面415を入口面220と係合させることによってダブテール状部215と嵌合し、スロットウェッジ外側に延在する面420は、内側テーパ面225と係合し、スロットウェッジ下面425は、中間面230と係合して、さらにウェッジダブテール状部410の底領域が、外側テーパ面235およびスロット110内に配置されたクリページブロック305の上部にある。スロットウェッジ外側に延在する面420とスロットウェッジ下面425との交差部分が、スロットウェッジ400とロータ歯205の接触縁部を形成している。
一実施形態では、図4に示すように、径方向穴427が、スロットウェッジ400の上部429に配置されている。径方向穴427は、コイル(ターン)を通る冷却ガスの流れを可能にするように機能する。一般的に、ガスは、サブスロット(図3の302)から流れ、コイル300を通ってロータ(図1の100)から流出する。
図4は、ウェッジダブテール状部410がダブテール215と接する面に形成された溝430を含むことを示している。溝430は、第1ウェッジ端面435から反対側の第2ウェッジ端面440に、軸方向に延在している。一実施形態では、溝430は、第1ウェッジ端面435から第2ウェッジ端面440にスロットウェッジ400の全軸長にわたって延在している。
第1ウェッジ端面435から第2ウェッジ端面440にスロットウェッジ400の全長にわたって軸方向に延在する溝430を有することにより、ウェッジダブテール状部410とダブテール状部215との間の境界面で可撓性領域445が作成される。例えば、可撓性領域445は、スロットウェッジ下面425とスロットウェッジ外側に延在する面420との間の境界面に作成され得、この実施形態では、溝430はスロットウェッジ下面に形成されている。この可撓性領域は、第1ウェッジ端面435から第2ウェッジ端面440に軸方向に延在し得る。本実施形態では、可撓性領域445は、スロットウェッジ外側に延在する面420とスロットウェッジ下面425の交差部分から形成されるスロットウェッジ400とロータ歯205の接触縁部での応力集中を緩和する。このように、スロットウェッジ400は、スロットウェッジ外側に延在する面420と内側テーパ面225でのみスロットに接触している。他のすべての位置に隙間が存在することになる。上述したように、これらの接触縁部は、発電機ロータの作動中に最も大きな応力集中を受けることが知られている位置であり、長期間にわたってフレッチングおよび亀裂を発生しやすい。ウェッジの完全な全長にわたって軸方向に延在している溝430を用いることにより、ウェッジダブテール状部410とダブテール状部215との間の境界面での表面圧を緩和することになる。これにより境界面における応力集中は低減され、発電機ロータを長期間にわたって作動させることにより発生するフレッチングおよび亀裂の可能性が減少または排除される。
本開示を具体的に示しその好適な実施形態に関連して説明してきたが、変形形態および修正形態が起こり得ることが当業者に理解されよう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本開示の真の趣旨の範囲内に含まれるように、この修正形態および変化のすべてを包含することを意図されていることを理解されたい。
100 ロータ
105 ロータ本体
107 スピンドル
110 スロット
115 シャフト部分
120 シャフト部分
125 継手
130 継手
200 ロータコア
205 ロータ歯
215 ダブテール、ダブテール状部
220 入口面
225 内側テーパ面
230 中間面
235 外側テーパ面
300 コイル、コイルターン
302 サブスロット
304 スロット外装
305 クリページブロック
310 スロットウェッジ
315 ウェッジダブテール
320 通気孔
325 通気経路
400 スロットウェッジ
405 スロットウェッジ側面
410 ウェッジダブテール状部
415 スロットウェッジ上面
420 スロットウェッジ外側に延在する面
425 スロットウェッジ下面
427 径方向穴
429 上部
430 溝
435 第1ウェッジ端面
440 第2ウェッジ端面
445 可撓性領域
105 ロータ本体
107 スピンドル
110 スロット
115 シャフト部分
120 シャフト部分
125 継手
130 継手
200 ロータコア
205 ロータ歯
215 ダブテール、ダブテール状部
220 入口面
225 内側テーパ面
230 中間面
235 外側テーパ面
300 コイル、コイルターン
302 サブスロット
304 スロット外装
305 クリページブロック
310 スロットウェッジ
315 ウェッジダブテール
320 通気孔
325 通気経路
400 スロットウェッジ
405 スロットウェッジ側面
410 ウェッジダブテール状部
415 スロットウェッジ上面
420 スロットウェッジ外側に延在する面
425 スロットウェッジ下面
427 径方向穴
429 上部
430 溝
435 第1ウェッジ端面
440 第2ウェッジ端面
445 可撓性領域
Claims (14)
- 複数の放射状スロット(110)であって、それぞれがその中に形成されたダブテール(215)を有する放射状スロット(110)と、
前記スロット(110)の各々に配置された複数のコイル(300)と、
複数のスロットウェッジ(310)であって、それぞれがその中に配置された前記コイル(300)を覆う前記スロット(110)の1つに取り付けられ、各スロットウェッジ(310)が前記スロット(110)の1つのダブテール(215)と接する接触面近傍に形成された溝(430)を有し、前記溝(430)が第1ウェッジ端面(435)から反対側の第2ウェッジ端面(440)に軸方向に延在する、スロットウェッジ(310)と
を含む、ロータ(100)。 - 各スロットウェッジ(310)が、前記スロット(110)の1つのダブテール(215)に係合するウェッジダブテール(315)を含み、前記各スロットウェッジ(310)のウェッジダブテール(315)が、スロットウェッジ上面(415)、スロットウェッジ外側に延在する面(420)、およびスロットウェッジ下面(425)を有し、前記スロットウェッジ下面(425)が軸方向に延在する溝(430)を含む、請求項1に記載のロータ(100)。
- 前記各スロット(110)のダブテール(215)が、入口面(220)、内側テーパ面(225)、および中間面(230)を含み、前記入口面(220)がスロットウェッジ(400)のスロットウェッジ上面(415)と係合し、前記内側テーパ面(225)がスロットウェッジ(400)のスロットウェッジ外側に延在する面(420)と係合し、前記中間面(230)がスロットウェッジ(400)のスロットウェッジ下面(425)と係合する、請求項2に記載のロータ(100)。
- 前記軸方向に延在する溝(430)が、前記スロットウェッジ外側に延在する面(420)と前記スロットウェッジ下面(425)との交差部分から形成された接触縁部に可撓性領域(445)を形成し、前記可撓性領域(445)が前記第1ウェッジ端面(435)から前記第2ウェッジ端面(440)に軸方向に延在する、請求項3に記載のロータ(100)。
- 前記可撓性領域(445)が、前記接触縁部における応力集中を緩和する、請求項4に記載のロータ(100)。
- 前記接触縁部が、前記スロットウェッジ(400)とロータ歯(205)との間に前記接触部を形成する、請求項5に記載のロータ(100)。
- 複数の放射状発電機スロット(110)であって、各発電機スロット(110)が、入口面(220)、内側テーパ面(225)、および中間面(230)を含むダブテール状部(215)を有する、発電機スロット(110)と、
前記発電機スロット(110)の各々に配置された複数の界磁コイルターン(300)と、
複数のスロットウェッジ(400)であって、それぞれがその中に配置された前記界磁コイルターン(300)を覆う前記発電機スロット(110)の1つに取り付けられ、各スロットウェッジ(400)の各側が、前記スロット(110)の1つのダブテール状部(215)に係合するウェッジダブテール状部(410)を有し、前記ウェッジダブテール状部(410)が、スロットウェッジ上面(415)、スロットウェッジ外側に延在する面(420)、およびスロットウェッジ下面(425)を含み、前記スロットウェッジ下面(425)が、第1ウェッジ端面(435)から第2ウェッジ端面(440)に前記スロットウェッジ(400)の全長にわたって軸方向に延在する溝(430)を有し、前記スロットウェッジ上面(415)が前記入口面(220)と係合し、前記スロットウェッジ外側に延在する面(420)が前記内側テーパ面(225)と係合し、前記スロットウェッジ下面(425)が前記中間面(230)と係合する、スロットウェッジ(400)と
を含む、発電機ロータ(100)。 - 前記軸方向に延在する溝(430)が、前記スロットウェッジ外側に延在する面(420)と前記スロットウェッジ下面(425)との交差部分による接触縁部で可撓性領域(445)を形成し、前記可撓性領域(445)が前記第1ウェッジ端面(435)から前記第2ウェッジ端面(440)に前記スロットウェッジ(400)の全長にわたって軸方向に延在する、請求項7に記載の発電機ロータ(100)。
- 前記可撓性領域(445)が、前記接触縁部における表面圧を緩和する、請求項8に記載の発電機ロータ(100)。
- 前記接触縁部が、前記スロットウェッジ(400)とロータ歯(205)との間に前記接触部を形成する、請求項9に記載の発電機ロータ(100)。
- ロータ(100)を備える回転電機であって、
前記ロータ(100)が、
複数の放射状スロット(110)であって、各スロット(110)が、入口面(220)を含むダブテール状部(215)と、前記入口面(220)から延在する内側テーパ面(225)と、前記内側テーパ面(225)から延在する中間面(230)を有する、放射状スロット(110)と、
前記スロット(110)の各々に配置された複数のコイル(300)と、
複数のスロットウェッジ(400)であって、それぞれがその中に配置された前記コイル(300)を覆う前記スロット(110)の1つに取り付けられ、各スロットウェッジ(400)の各側が、前記スロット(110)の1つのダブテール状部(215)に係合するウェッジダブテール状部(410)を有し、前記ウェッジダブテール状部(410)が、スロットウェッジ上面(415)、スロットウェッジ下面(425)、および前記スロットウェッジ上面(415)を前記スロットウェッジ下面(425)に結合するスロットウェッジ外側に延在する面(420)を含み、前記スロットウェッジ下面(425)が、第1ウェッジ端面(435)から第2ウェッジ端面(440)に前記スロットウェッジ(400)の全長にわたって軸方向に延在する溝(430)を有し、前記スロットウェッジ上面(415)が前記入口面(220)と係合し、前記スロットウェッジ外側に延在する面(420)が前記内側テーパ面(225)と係合し、前記スロットウェッジ下面(425)が前記中間面(230)と係合する、スロットウェッジ(400)と
を含む、回転電機。 - 前記軸方向に延在する溝(430)が、前記スロットウェッジ外側に延在する面(420)と前記スロットウェッジ下面(425)との交差部分による接触縁部で可撓性領域(445)を形成し、前記可撓性領域(445)が前記第1ウェッジ端面(435)から前記第2ウェッジ端面(440)に前記スロットウェッジ(400)の前記全長にわたって軸方向に延在する、請求項11に記載の回転電機。
- 前記可撓性領域(445)が、前記接触縁部における表面圧を緩和する、請求項12に記載の回転電機。
- 前記接触縁部が、前記スロットウェッジ(400)とロータ歯(205)との間に前記接触部を形成する、請求項13に記載の回転電機。
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