JP3605038B2

JP3605038B2 - タービン発電機

Info

Publication number: JP3605038B2
Application number: JP2001000661A
Authority: JP
Inventors: 健五岩重; 啓司小橋; 憲一服部; 昭義小村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-01-05
Filing date: 2001-01-05
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2021-01-05
Also published as: JP2002204545A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービン発電機に関わり、特にロータやステータを冷却媒体で冷却する通風構造を改良したタービン発電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
気体で冷却する方式のタービン発電機の回転子は、回転子胴部とそれより直径の小さい両端部よりなる鉄心を有し、鉄心に設けた複数のスロットに回転子コイルが挿入される。複数のスロットに挿入された回転子コイルは、回転子巻線として積層される。鉄心端部に突出した回転子巻線端部は、巻線端部の各コイル間に配置された複数の支持部材によりコイル間の空間が確保されている。
【０００３】
この回転子巻線端部は、回転子の回転に伴う遠心力により回転子外径方向に向かう力に抗するために、その外周を覆う保持リングと保持リングの開口端部の内周に開口部を有する保持リング支持部により固定されている。
【０００４】
発電時に回転子コイルに通電すると、回転子コイルはジュールにより発熱をする。回転子巻線端部における発熱を冷却するために、従来から多くの発明がなされている。例えば、特公昭５６−２５３４８号公報に示されるように回転子巻線端部のコイル内に通風流路を設け、コイルを強制通風冷却する方法、特公昭５６−１５３９５０号公報に示されるように回転子巻線端部のコイルとその外周を覆う保持リング間に空隙を設け、遠心力により回転子内周側から外周側へ強制通風する方法などがある。
【０００５】
前者は、有効な回転子巻線端部コイルの冷却が可能であるが、製作性や加工コストの面で課題が残されている。また、後者も有効な回転子巻線端部コイルの冷却方式であるが、前者と同様に製作性や加工コストの面で課題が残されていると共に、回転子巻線端部のコイルとその外周の保持リング間に空隙を設けたことにより、遠心力に対する強度上の工夫を必要とする。
【０００６】
従来技術によれば、回転子巻線端部のコイル間に支持部材を設けて空間を確保し、回転子の回転に伴う高い遠心力とコイルの発熱を利用して、自然対流（サーモサイフォン）により回転子巻線端部のコイルを冷却する方式が、上記にて例示した従来発明に比べ、構造が単純なため広く用いられてきた。しかし、自然対流による冷却は、強制通風冷却に比べ一般に冷却性能が低いため、タービン発電機の大容量化に際し、冷却性能の面で不利であった。
【０００７】
従来の自然対流冷却方式の構造を図面により簡単に説明する。図１７は、回転子巻線端部の回転軸方向−径方向断面における回転子コイル３と支持部材８Ａ，８Ｂ，８Ｃの配置を示したものである。また、図１８は、複数の回転子コイル３を積層した回転子巻線端部４Ａ，４Ｂ，４Ｃの周方向−径方向断面における回転子コイル３及び回転子巻線端部４Ａ，４Ｂ，４Ｃとコイル１と支持部材８Ａ，８Ｂ，８Ｃの配置を示したものである。図１９は、図１７におけるＢ−Ｂ断面における回転子巻線端部４Ａ，４Ｂ，４Ｃと支持部材８Ａ，８Ｂ，８Ｃとの配置から形成した通風路７を示したものである。
【０００８】
即ち、通風路７は外周側の回転子巻線端部４Ａと内周側の回転子巻線端部４Ｂ，４Ｃとの間の空間、及び保持リング５と鉄心端部１Ｂとの間に複数の支持部材８Ａ，８Ｂ，８Ｃを配置して、複数の通風路７を形成している。通風路７は軸方向の冷却通路１０に連通している。冷却通路１０は外部からの冷却風１５を矢印方向に流通するように鉄心端部１Ｂと回転子胴部１Ａとの間を連通し、冷却風１５は回転子胴部１Ｃに設けた排気口より外部に排気する。
【０００９】
図２０に示すように冷却通路１０からの冷却風１５は、回転子コイル３の電気的な発熱と遠心力に伴う自然対流により通風路７に入り、外周方向に向かい、回転子巻線端部４Ａ，４Ｂ，４Ｃの回転子コイル３により加熱されて、再び同じ冷却路７から内周側の冷却通路１０に出ていく。この際、冷却風１５は回転子コイル３から熱量を奪い、回転子巻線端部４Ａ，４Ｂ，４Ｃを冷却する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の自然対流による回転子巻線端部の冷却は、自然対流の有効利用に配慮した支持部材の配置がなされておらず、冷却風１５の外周側へ向かう流れと内周側へ向かう流れが、同じ通風路７を通って出入りし、お互いが流れを妨げ合い冷却効率が悪いと云う問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、冷却通路を自然対流方式にして冷却性能を向上させたタービン発電機を提供する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では、回転子巻線端部の外周側回転子コイルと内周側回転子コイルとの間の空間及び保持リングと鉄心端部との間に複数の通風路を形成するように複数の支持部材を配置し、通風路と連通する鉄心端部と回転子胴部方向との間に軸方向の冷却通路を設け、保持リングと支持部材との間に通風路と連通する流通路を設けることにより、冷却通路からの冷却媒体を内周側の冷却通路から外周側の通風路へ向かう流れと外周側から内周側へ向かう流れとがお互いを妨げることなく、自然対流により流れることが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の態様】
以下、図面を用いて本発明の実施例について詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明における第１実施例の回転子巻線端部の断面図を示すものである。図２は図１のＡ−Ａ線から断面であり、図３は、図１におけるＢ−Ｂ断面を示したものである。
【００１５】
図１ないし図４（Ａ），（Ｂ）において、鉄心１は回転子胴部１Ａと回転子胴部１Ａより直径の小さい鉄心端部１Ｂとより成る。鉄心１に回転子胴部１Ａに外周側スロット２Ａとこの内側に設けられた内周側スロット２Ｂ，２Ｃとを形成している。
【００１６】
外周側スロット２Ａ及び内周側スロット２Ｂ，２Ｃには回転子コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃを挿入している。各回転子コイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃの複数を各スロット２Ａ，２Ｂ，２Ｃ内に積層して回転子巻線４を構成している。鉄心端部１Ｂに回転子巻線４の端部である回転子巻線端部４Ａ，４Ｂ，４Ｃを突出している。
【００１７】
回転子巻線端部４Ａ，４Ｂ，４Ｃの外周を保持リング５で覆い、回転子巻線端部４Ａ，４Ｂ，４Ｃを保持リング５により鉄心端部１Ｂに保持している。保持リング５には回転子巻線端部４Ａ，４Ｂ，４Ｃの端面を被うと共に、保持リング５を支持する保持リング支持板６を設けている。保持リング支持板６には外部から冷却風１５を取入れる開口部６Ａを設うけている。尚、保持リング支持板６は保持リング５に一体に設ける場合には省略してもよい。
【００１８】
外周側の回転子巻線端部４Ａと内周側の回転子巻線端部４Ｂ，４Ｃとの間の空間及び保持リング５と鉄心端部１Ｂとの間に複数の支持部材８Ａ，８Ｂ，８Ｃを配置して、複数個の通風路７Ａ，７Ｂを形成ている。各通風路７Ａ，７Ｂは回転子巻線端部４Ａ，４Ｂ，４Ｃの周方向に沿って所定間隔に配置されている。支持部材８Ａ，８Ｂ，８Ｃは絶縁部材により構成されている。
【００１９】
保持リング５と鉄心端部１Ｂと対向する複数の支持部材８Ａ，８Ｂ，８Ｃの上下端部には中間部より細くした細部材８Ｚを形成し、保持リング５及び鉄心端部１Ｂに当接している。細部材８Ｚにするのは冷却風１５を流通するさいの流通抵抗を少なくすると共に、保持リング５と鉄心端部１との間に支持部材８Ａ，８Ｂ，８Ｃを支持するためである。
【００２０】
鉄心端部１Ｂと回転子胴部１Ａ方向とに軸方向の冷却通路１０を形成している。冷却通路１０は開口部６Ａ及び通風路７Ａ，７Ｂに連通している。保持リング５と対向する支持部材８Ｂ側端に設けた流通路１１は、一方側の通風路７Ａと他方側の通風路７Ｂとを連通する。
【００２１】
流通路１１と流通路１１との間に配置された回転子巻線間に挟まれた支持部材８Ｃを、保持リング５に当接する。そうすれば、冷却通路１０からの冷却風１５を一方側の通風路７Ａから流通路１１を介して他方側の通風路７Ｂに流れる通路を、蛇行させるようにする。
【００２２】
次に、本発明の冷却作用について説明する。流通路１１により一方側の通風路７Ａと他方側の通風路７Ｂとを連通することにより、開口部６Ａからの矢印で示す冷却風１５を内周側の冷却通路１０から一方側の通風路７Ａを介して、外周側の流通路１１側に流し、流通路１１から他方側の通風路７Ｂを通うり、再び内周側の冷却通路１０に流れので、従来技術で述べたように外周側から内周側へ向かう流れとがお互いを妨げることなく、自然対流により流れることが可能となる。
【００２３】
即ち、開口部６Ａからの矢印で示す冷却風１５を冷却通路１０に流し、冷却通路１０からの冷却風１５Ａは一方側の通風路７Ａを流れ、通風路７Ａにより例えば回転子巻線端部４Ａ，４Ｂ，４Ｃとの発生熱を奪う。この加熱された冷却風１５Ａは外周側の流通路１１へ向かって流れ、流通路１１の加熱された冷却風１５Ａは外気と接触している保持リング５を介して外気に冷却され冷却風１５Ｂと成って、再び他方側の通風路７Ｂに流れ、通風路７Ｂの冷却風１５Ｂにより回転子巻線端部４Ａ，４Ｂ，４Ｃの発生熱を奪い、内周側の冷却通路１０に流れる。
【００２４】
冷却風１５の流れは保持リング５に沿って周方向に複数個配置した流通路１１により、内周側の通風路７Ｂと外周側の通風路７Ａとに逆方向の冷却風１５を流すことにより、複数の回転子巻線端部を周方向に均一に冷却できる。
【００２５】
このように一方側の冷却風１５Ａから流通路１１を介して他方側の通風路７Ｂを通り、再び内周側の冷却通路１０に流れので、従来技術で述べたように外周側から内周側へ向かう流れとがお互いを妨げることなく、冷却風１５の流れが自然対流により、スムーズに流れるから、風量が増加すると共に、冷却効率が著しく向上した。この結果、冷却効率が良くなつた分だけタービン発電機を小型化することができる。
【００２６】
冷却効率の向上については、図１５、図１６に示すように、従来例と本発明における上述の実施例１の冷却性能を比較するために、自然対流流路の通風抵抗とコイルの発熱との数値計算により評価し、この結果の風量とコイル温度を従来例の計算結果で規格化して示したものである。
【００２７】
前述のように本発明における冷却風１５が各コイル間を内周から外周、外周から内周へ向かう流れに分離することにより、流れの相互干渉がなくなるために本発明を試算した結果によれば、風量を従来の約２．５倍に増加することが出来るようになった。また、この風量の増加により、熱伝達率、熱輸送量が増加するため、コイル温度は、従来に対し、１０〜１５％低減できるように改善できた。
【００２８】
次に本発明の他の実施例を図５ないし図１４により説明する。図５ないし図８（Ａ）、（Ｂ）は本発明における実施例２を示すものである。実施例２は図において、流通路１１は支持部材８Ａ，８Ｂ内の下端部から上端部に連通穴２０を連通し、連通穴２０の下端部側は冷却通路１０に連通し、連通穴２０の上端側を開放せしめて、流通路１１をなしている。流通路１１は一方向側の通風路７Ａ，７Ｂに連通している。
【００２９】
これにより、冷却通路１０からの冷却風１５は連通穴２０を上昇して、流通路１１より通風路７Ａ，７Ｂに流れて、各回転子巻線端部４Ｂ，４Ｃを冷却する。従って、通風路７Ａ，７Ｂ内を流れる冷却風１５は、回転子コイルに加熱されていないから各回転子巻線端部４Ｂ，４Ｃの冷却が実施例１と同程度に効率が良く冷却できる。
【００３０】
図９、図１０の実施例３は支持部材８Ａ，８Ｂ内に連通穴２０を形成し、連通穴２０の保持リング５と対向する連通穴２０側に連通穴２０を貫通する流通路１１を形成している。流通路１１により冷却風１５を周方向に均一に流し、周方向の冷却を均一にする。
【００３１】
同様に、図１１，図１２に示す他の実施例は支持部材８Ａ，８Ｂ内に連通穴２０を形成し、保持リング５と対向する支持部材８Ａ側端に連通穴２０と連通する流通路１１を形成する。この実施例では、支持部材８Ａ，８Ｂ内に流通路１１と連通する連通穴２０を形成さるだけでよいから、製作が容易にできる利点がある。
【００３２】
更に、図１３、図１４の実施例４は支持部材８Ａ，８Ｂ，８Ｃの角部にＲ面２２を形成し、支持部材８Ａ，８Ｂ，８Ｃは保持リング５側から冷却通路１０側に向かって順次幅を狭くした傾斜面２３を形成している。Ｒ面２２及び傾斜面２３により流通抵抗を少なくして、冷却風１５の流れをよくし、冷却効率をよくしている。
【００３３】
上述の実施例２，３，４の風量及び温度に関しては、実施例１と同様に図１５，１６に示すように風量を従来の約２．５倍に増加することが出来るようになった。また、この風量の増加により、熱伝達率、熱輸送量が増加するため、コイル温度は、従来に対し、１０〜１５％低減できるように改善できた。
【００３４】
また上述の実施例で支持部材８Ａ，８Ｂ，８Ｃの上端及び下端に伸びる細部材８Ｚは、符号を記載する必要があるので、一箇所にしか設けていないが、実際は適宜に応じて各支持部材に設けている。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却媒体を一方側の通風路から流通路を経由して他方側の通風路を通り、再び内周側の冷却通路１０に流れ、冷却媒体の流れが自然対流により、スムーズに流れるから、風量が増加すると共に、冷却効率が著しく向上し、冷却効率が良くなつた分だけタービン発電機を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１実施例である回転子巻線端部の断面図。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】図３は、図１のＢ−Ｂ断面図。
【図４】図４は、図３のＣ−１Ｃ断面における流れの模式図。
【図５】図５は、本発明の第２実施例における回転子巻線端部の断面図。
【図６】図６は、図５のＡ−Ａ断面図。
【図７】図７は、図５のＢ−Ｂ断面図。
【図８】図８は、図７のＣ−Ｃ断面における流れの模式図。
【図９】図９は、本発明の第３実施例における回転子巻線端部の断面図。
【図１０】図１０は、図９のＡ−Ａ断面図。
【図１１】図１１は、本発明の第４実施例における回転子巻線端部の断面図。
【図１２】図１２は、図１１のＡ−Ａ断面図。
【図１３】図１３は、本発明のその他の実施例における回転子巻線端部の断面図。
【図１４】図１４は、図１３のＡ−Ａ断面図。
【図１５】図１５は、従来例と本発明の風量を比較した特性図。
【図１６】図１６は、従来例と本発明のコイルの温度を比較した特性図。
【図１７】図１７は、従来技術における回転子巻線端部の断面図。
【図１８】図１８は、図１７のＡ−Ａ断面図。
【図１９】図１９は、図１７のＢ−Ｂ断面図。
【図２０】図２０は、図１９のＣ−Ｃ断面における流れの模式図。
【符号の説明】
１…鉄心、１Ａ…回転子胴部、１Ｂ…端部鉄心、２…スロット、３…回転子コイル、４…回転子巻線、４Ａ，４Ｂ，４Ｃ…回転子巻線端部、５…保持リング、６Ａ，６Ｂ…通風路、８Ａ，８Ｂ，８Ｃ…支持部材、１０…冷却炉通路、１１…流通路、１５…冷却風。

Claims

回転子胴部と前記回転子胴部より直径の小さい鉄心端部を有する鉄心と、前記回転子胴部に設けられた内周側及び外周側のスロットに挿入された複数の回転子コイルを積層した回転子巻線と、前記鉄心端部側に突出した前記回転子巻線の回転子巻線端部と、前記回転子巻線端部の外周を覆う保持リングと、前記回転子巻線端部の外周側と内周側との間に複数の通風路を形成するように前記保持リングと前記鉄心端部との間に配置された複数の支持部材と、前記通風路と連通する外部からの冷却媒体を前記鉄心端部から前記回転子胴部方向に流通する軸方向の冷却通路とを備えたタービン発電機において、前記通風路のうち隣り合う通風路を連通する流通路を前記支持部材端に設けて隣り合う通風路内を前記冷却媒体が互いに逆方向に流れるように構成したことを特徴とするタービン発電機。
前記冷却媒体が流通する前記通風路及び前記流通路に対応する前記支持部材の角部にＲ面を形成したことを特徴とする請求項１記載のタービン発電機。
前記前記冷却媒体が流通する前記通風路及び前記流通路に対応する前記支持部材の角部にＲ面を形成すると共に、前記支持部材は前記保持リング側から前記冷却通路側に向かって順次幅寸法を狭く形成したことを特徴とする請求項１記載のタービン発電機。