JP3727924B2 - 発電機ロータのコイル端における空洞流れを増強するための後流減少構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機ロータの冷却を向上させるための構造に関する。
【０００２】
【発明の背景】
大型ターボ発電機のような発電電動機械の出力定格は、導電体の絶縁に必要な温度限界の故に、一定量を超える電流をロータ界磁巻線に供給できる能力によってしばしば制限される。従って、ロータ巻線の効果的冷却は、その機械の出力能力に直接貢献する。このことは、これらの機械の典型的な構造故に直接的な強制冷却が難しく、コスト高になるロータ端部領域において特に言えることである。現今の市場傾向は、低コストでより高い効率と信頼性とを有しかつより高い出力密度を有する発電機を必要としているから、ロータ端部領域の冷却が限定要因となっている。
【０００３】
ターボ発電機ロータは、典型的にはロータのスロット内に取り付けられた同心の矩形コイルで構成される。ロータ本体による支持を超えるコイル末端部分（一般にコイル端と呼ばれる）は、典型的には保持リングにより回転力に抗して支持される（図１参照）。相対的位置を維持し、かつ熱負荷のような軸方向負荷に対する機械的安定性を加えるために、同心のコイル端の間にはスペースブロックとも呼ばれる支持ブロックが断続的に置かれる（図２参照）。更に、銅コイルは、それらの外径において、遠心力に抗する保持リングにより半径方向に拘束される。スペースブロックと保持リングとの存在は、銅コイルに曝される多数の冷却媒体領域を生じる。主要な冷却媒体通路は、スピンドルとコイル端底部との間の軸方向通路である。また、コイルの境界面と、スペースブロックと、保持リング構造の内表面とによりコイルの間には、互いに分離された空洞が形成される。コイル端は、回転力によりコイル端の半径方向下方からこれらの空洞内へ送り込まれる冷却媒体に曝される（図３参照）。この熱伝達は低くなりがちである。その理由は、コンピュータを用いた流体力学的分析により算出された回転する単一のコイル端空洞内における流跡線によれば、冷却媒体流は、空洞に入り、主循環を横切り、空洞から流出するからである。通常この循環は、特に空洞の中心部付近において熱伝達係数が低くなる。従って、これはコイル端における熱除去のための手段ではあるが、能率は比較的良好でない。
【０００４】
より多くの冷却ガスをロータ端部領域内に流すために、様々な方式が使用されてきた。これらの冷却方式は全て、（１）導電体内に溝を機械加工するか、あるいは通路を形成することにより、銅製導電体内に直接冷却通路を作って、次に機械のどこか他の領域へガスを圧送すること、及び／又は（２）冷却ガスを導電体の表面上に強制的に流すために、バッフル、流路、及びポンプ要素を付け加えて、比較的高圧及び低圧の領域を作り出すことに依存している。
【０００５】
一部のシステムにおいては、冷却ガスをロータコイル端に沿って直接圧送しエアギャップ内に排出可能にするために、高度に応力が加わる保持リングに半径方向の孔を貫通させているが、このようなシステムは、保持リングに加わる大きな機械的応力及びその疲労寿命を考慮した場合、限られた有用性しか持つことができない。
【０００６】
従来の強制的ロータ端部冷却方式が使用される場合には、ロータの構造が著しく複雑となりコストが高くなる。例えば、直接冷却される導電体は、冷却通路を形成するために機械加工されるか、あるいは冷却通路が形成されるように製造されなくてはならない。これに加えて、ロータ内のいずれかの場所でガスを排出させるために、出口マニフォルドが設けられなくてはならない。強制冷却方式は、ロータ端部領域が別々の圧力区域に分割されることを必要とし、これに加えて多数のバッフル、流路、及びポンプ要素をも必要とし、この場合もこれらが複雑さとコストを増大させる。
【０００７】
これらの強制又は直接冷却方式が使用されない場合には、ロータコイル端は受動的に冷却される。受動冷却は、同心のロータ巻線間に形成されるブラインドの行止り空洞内でガスを循環させるために、ロータの遠心力と回転力とに依存する。ロータコイル端の受動冷却は、時として「自由対流」冷却とも呼ばれる。
【０００８】
受動冷却は、直接及び強制冷却を行う能動的システムと比較すると、熱除去能力は低下するが、複雑さとコストが最少化されるという利点をもたらす。典型的な空洞の４つの「側壁」は、同心の導電体とこれらの導電体を隔てる絶縁スペースブロックとによって形成され、「底」壁（半径方向外側の）は、回転に抗してコイル端を支える保持リングによって形成されるというように、これらの空洞はいずれにしても周囲を囲われているから、同心のロータ巻線間の空洞内へ入る全ての冷却ガスは、流入したのと同じ開口を通って出て行かなくてはならない。冷却ガスは、導電体とロータスピンドルとの間の環状の空間から入る。従って熱除去は、空洞内におけるガスの低い循環速度と、これらの空間に出入りできるガスの限られた量とによって制限される。
【０００９】
典型的構成においては、端部領域内の冷却ガスは、ロータ速度に達するほどにはまだ十分に加速されていない、つまり冷却ガスはロータ速度の何割かの速度で回転している。ロータと流体との間の相対的速度による衝突によって、流体が空洞内へ送り込まれるので、流れ方向で言えば下流であり、流体が高いモーメントで流入し、しかも流体冷却媒体が最も低温であるスペースブロック付近において、熱伝達係数は一般的に最高になる。熱伝達係数はまた、一般的に空洞周縁付近でも高い。空洞の中心部は、冷却される度合いが最も低い。
【００１０】
受動冷却システムの熱除去能力を増大させることは、低コストで単純かつ高信頼性の構造という利点を保ちながら、ロータの許容電流能力を増大させ、発電機の定格能力を増大させることになる。
【００１１】
参考文献としてその開示内容が本明細書に組み込まれている米国特許第５，６４４，１７９号は、自然発生するフローセル内に追加的な冷却流を、フローセルと同一方向に直接導入することにより、大きな単一のフロー循環セルの流速を増させて、熱伝達を増大させるための方法を記載している。これは図４及び図５に示されている。この方法は、循環セルの強さを増強することにより、空洞内における熱伝達を増大させるが、それでもなおロータ空洞の中央領域は低速度のままであり、従って低熱伝達のまま取り残される。隅部領域にも同じ低熱伝達がまだ存続する。
【００１２】
以上から明らかなように、スペースブロックは、発電機コイル端に不可欠な特徴である。コイル端の冷却が行われる同心のロータコイル間の空洞空間を形成することに加えて、スペースブロックは空洞内へ取り入れられる冷却流を増強する。しかしながら、この空洞冷却流を生じさせる過程において、スペースブロックは、下流の空洞の性能を乱すおそれのある後流を発生する。
【００１３】
【発明の概要】
本発明は、発電機ロータの冷却を向上させるための方法及び構造に関し、更に具体的に言えば、冷却流を空洞内へ導入するスペースブロックの能力を維持しながら、発生する後流を減少させるための、スペースブロックの改良された後縁輪郭に関する。
【００１４】
本発明の実施形態においては、下流の空洞におけるコイル端とステータコアとの間の環状空洞内へのスペースブロック突出の悪影響が、その上流に位置する空洞内への冷却流を高めるその有益な特徴を維持しながら最小化される。上に述べたように、スペースブロックの好ましくない影響は、下流の空洞に強い影響を与えるスペースブロックによって発生される後流に起因する。本発明は、冷却流を空洞内へ誘導するスペースブロックの能力を維持しながら、発生する後流の広がりと強度とを減少させるために、少なくとも幾つかのスペースブロックの後縁のための空気力学的輪郭を提供する。本発明はまた、形状変更されたこれらのスペースブロックのための戦略的な配置を提供する。
【００１５】
本発明の例示的な実施形態においては、後流の減少は、従来のような矩形状の輪郭から、より流線形の輪郭へとスペースブロックの後縁の形状を変更することによって達成される。現存のスペースブロックを輪郭付けした形状を与えるように変更して、全体的な設計へのその組込みを容易にすることが好ましい。
【００１６】
従って、本発明は、本体部分と、軸方向に延びるコイルと、本体部分の少なくとも１つの端部を超えて軸方向に延びる複数のコイル端を形成する末端巻線とを有するロータと、隣り合うコイル端の間に置かれそれらの間に空洞を形成する少なくとも1つのスペースブロックとを含むガス冷却式発電電動機械において具体化される。スペースブロックは、隣接するコイル端と係合する第１と第２の側壁部分と、上流壁と、下流壁とを有する。発生する後流を減少させるために、スペースブロックの下流壁は、平坦でない輪郭を有する。下流壁の平坦でない輪郭は、発生する後流の広がりと強度とを減少させるために、好ましくは空気力学的輪郭、最も好ましくは全体的に放物線状の湾曲面である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の上記及びその他の目的並びに利点は、添付図面と関連してなされる本発明の現在好ましいとされる例示的な実施形態に関する以下の一層詳細な説明を注意深く検討することによって、より完全に理解され、その真価が認められるであろう。
【００１８】
図面において種々の図を通して同一参照符号は同じ要素を示しているが、その図面を参照すると、図１及び図２は、ガス冷却式発電電動機械のためのロータ１０を示しており、この発電電動機械はまた、ロータを取り囲むステータ１２を含む。大形ターボ発電機のような発電電動機械の一般的作動は公知であるから、ここで説明する必要はない。ロータは、ロータスピンドル１６上にこれを中心にして置かれ、軸方向に対向する端面を有するほぼ円筒形の本体部分１４を含み、図１には、これら２つの端面のうちの１つの端面の一部分１８が示されている。本体部分には、ロータ巻線を構成する同心に配設されたコイル２２を受けるための、円周方向に間隔を置いて配置された複数の軸方向に延びるスロット２０が設けられる。解り易くするために、ロータコイルが５つだけ図示されているが、実用に際しては通常もっと多くのロータコイルが使用される。
【００１９】
具体的に言うと、ロータ巻線の一部を構成する多数の導電体バー２４が、個々のスロット内で積み重ねられる。隣り合う導電体バーは、電気絶縁層２６によって隔てられる。積み重ねられる導電体バーは、銅などの導電性材料で作られ、典型的にはウェッジ２６（図１）によりスロット内に保持される。本体部分の対向する各端部において、導電体バー２４は末端巻線２７により相互に接続され、末端巻線は、端面を超えて軸方向に延び、積み重ねられたコイル端２８を形成する。末端巻線も電気絶縁層によって互いに隔てられる。
【００２０】
特に図１を参照すると、遠心力に抗してコイル端を定位置に保持するために、本体部分の各端部における末端巻線２７の周りには、保持リング３０が置かれる。保持リングは、その１つの端部において本体部分に固定され、ロータスピンドル１６を覆って延びる。保持リング３０の遠位端には、中心リング３２が取り付けられる。当技術分野では知られているように、保持リング３０と中心リング３２とは、上記とは異なるやり方で取り付けることも可能であることに注目されたい。ガス入口通路３４を形成するために、中心リング３２の内径はロータスピンドル１６から半径方向に間隔を置いて配置され、また環状の領域３６を形成するために、コイル端２８はスピンドル１６から間隔を置いて配置される。冷却ガスをコイル２２へ送給するために、スロット２０に沿って形成された多数の軸方向冷却通路３８は、環状領域３６を介してガス入口通路３４と流体連通している。
【００２１】
次に図２を参照すると、ロータ１０の各端部におけるコイル端２８は、多数のスペーサ又はスペースブロック４０により、円周方向と軸方向とに隔てられる。（図示を明瞭にするために、図１にスペースブロックは示されていない。）スペースブロックは、隣り合うコイル端２８の間の空間内に置かれた、絶縁材料からなる細長いブロックであり、コイル端の半径方向の深さ全体を超えて環状空隙３６内まで延びる。従って、末端巻線の同心の積み重ね（以下においてはコイル端と呼ぶ）の間の空間は、幾つかの空洞に分割される。これらの空洞は、その頂部を保持リング３０により、また四方を隣接するコイル端２８とスペースブロック４０とにより境界づけられる。図１において最もよく分るように、これらの空洞の各々は、環状領域３６を介してガス入口通路３４と流体連通している。従って、ガス入口通路３４を介して、コイル端２８とロータスピンドル１６との間の環状領域３６に入る冷却ガスの一部は、空洞４２に入り、その内部で循環し、次いでコイル端とロータスピンドルとの間の環状領域３６に戻る。図１及び図３には、空気流が矢印で示されている。回転する発電機空洞内で作用する固有のポンプ作用と回転力とは、図３に概略的に示したように、大きな単一のフロー循環セルを生み出す。
【００２２】
上に述べたように、スペースブロック４０は、発電機におけるロータコイル端２８の平行なコイル間に形成される空洞４２の限界となる。スペースブロックはまた、それぞれの空洞内への冷却流体の取り入れを高める働きもする。更に具体的に言えば、上に説明したように、環状通路３６が、コイル端２８の半径方向内側表面とスピンドル１６との間に形成される。主要なロータ冷却ガスは、環状通路３６を介して軸方向及び円周方向に流れる。回転する空洞内への冷却流体流の取り入れ作用は、環状通路内へのスペースブロック４０の突出と環状空間内での流れの接線方向相対速度との間の相互作用により生じる。
【００２３】
一例として図４を参照すると、ロータコイル端の内径に対する冷却ガスの速度は、図に示すように、それぞれ軸方向と円周方向における速度成分Ｖ及びＷを有する。この相対速度が、空洞内での循環速度Ｕを生じさせる。スペースブロックの大きな突出及び／又は大きな相対接線方向速度は、関連するスペースブロックによって、より大量の流体流をそれぞれの空洞内へ導入させることになる。しかしながら、図３に参照符号７０によって示すように、この相互作用の副産物の１つは、スペースブロック４０の後縁部に形成され、スペースブロック突出部から下流へ或る距離だけ存続する後流である。また、この後流の広がりと強度とは、環状通路内における流れの相対接線方向速度に比例する。相対接線方向速度の等速線分析は、第１のスペースブロック列から生じる後流が、コイル端領域のこの段における環状流れの大きな相対接線方向速度により、最も強くかつ最も長く存続することを示している。
【００２４】
図６及び図７に示したように、後流の強さを減少させるために、本発明はスペースブロックの後縁部を流線形にすることを提案する。上の説明から明らかなように、コイル端領域のこの段における環状流れの大きな相対接線方向速度により後流が最も強くかつ最も長く存続するのは、第１のスペースブロック列においてであるので、本発明は、第１の（軸方向の）スペースブロック列に対して最も強い効果を持つことが期待される。現在のところ好ましい実施形態においては、上流の空洞内への流れの導入を継続的に可能にするために、スペースブロックの前縁部は変更されない。
【００２５】
更に具体的に図６を参照すると、ここには矢印Ｘで表した回転方向を有する一連の空洞１４２を示したロータコイル端の一部分が図示されている。上に述べたように、ロータコイル端の内径に対する冷却ガス速度は、それぞれ軸方向及び円周方向における成分速度Ｖ及びＷを有する。相対速度は、空洞内部における循環速度を生じさせる。本発明の実施形態によれば、少なくとも１つのスペースブロック１４０、好ましくは少なくとも第１の軸方向スペースブロック列、しかも可能な限り各々のスペースブロックが、発生する後流の広がりと強度とを減少させるために、特に後縁部において一層空気力学的な輪郭を与えるような断面の変更された輪郭を備える。更に具体的に言えば、スペースブロック１４０は、隣接するコイル端２８と係合するための第１と第２の側壁部分１５２、１５４と、上流壁１４４と、下流壁１４６とを有する。発生する後流を減少させるために、下流壁１４６は、平坦でない輪郭を有する。図示した実施形態においては、下流に隣接する空洞１４２の上流側に配置された下流壁１４６は、発生する後流の広がりと強度とを減少させるために、空気力学的輪郭、最も好ましくは放物線状に湾曲した輪郭を有する。
【００２６】
図７に概略的に示したように、スペースブロック１４０は、全体的に断面が矩形状の主要本体部分１５８と全体的に滑らかに輪郭付けされた後流を減少させる突出部分１５６とからなるアセンブリとして構成されることができる。スペースブロックが２つの部分からなるアセンブリとして構成される場合には、従来のスペースブロック４０に突出部分１５６を追加することができ、その場合には、スペースブロックアセンブリ１４０は、従来のスペースブロック４０の円周方向長さ「ｌ」よりも大きい、図６及び図７に参照符号「Ｌ」によって表された円周方向長さを有することになる。しかしながら、スペースブロック１４０は、それぞれのコイル端２８と係合し、かつ滑らかに輪郭付けされた後方壁１４６へと移行するための、全体的に平坦な側壁部分１５２、１５４を含む一体形構造として構成されるのが最も好ましい。図示した実施形態においては、流れを上流の空洞内へ連続的に導入できるように、スペースブロック１４０は、従来構造におけるのと同様に全体的に平坦な上流壁１４４を有する。
【００２７】
現在のところ好ましい実施形態においては、全体的に放物線状の湾曲面が図示されているが、スペースブロック主要本体１５８の側壁１５２、１５４の各後方縁部１４８、１５０において９０度の角部を排除した状態で、放物線ほどの著しさを持たない湾曲面が構成されてもよい。後流を減少させながら、流れを一層よく案内し方向付けるために、スペースブロックの半径方向内端部もまた、特に後流を減少させる突出部分１５６の半径方向内端部において、傾斜させるか滑らかに輪郭付けすることができる。
【００２８】
作動時に、ロータの回転により、ガス入口通路３４を介して、コイル端２８とロータスピンドル１６との間の環状領域３６内へ、冷却ガスが引き込まれる。上に述べたように、冷却ガス流は、それぞれ軸方向と円周方向の速度成分Ｖ及びＷを有する。従って、環状領域３６を通ってそれぞれの冷却空洞１４２内へ冷却ガスを送り込む動圧ヘッドが存在する。スペースブロック１４０の環状領域内への突出によりまた、冷却流体の一部をそれぞれの冷却空洞内へ誘導し、該空洞内で循環させる。それぞれのスペースブロック１４０の輪郭付けされた後方壁１４６は、発生する後流の広がりと強度とを減少させて、スペースブロックの下流にある空洞１４２に対するスペースブロックの突出の悪影響を最小化する。
【００２９】
本発明を、現在最も実用的で好ましいと考えられる実施形態に関連させて説明してきたが、本発明はここに開示した実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ロータと向かい合うステータを備える発電電動機械ロータのコイル端領域の一部分の断面図。
【図２】 図１の線２−２に沿って見た、発電電動機械ロータの平面断面図。
【図３】 コイル端空洞に入り、これを通過する受動ガス流を示す概略図。
【図４】 米国特許第５，６４４，１７９号に開示された発明の第１の実施形態によるロータコイル端領域の一部分の一部切り欠き斜視図。
【図５】 米国特許第５，６４４，１７９号に開示された発明の第２の実施形態を示すロータコイル端領域の一部分の一部切り欠き斜視図。
【図６】 本発明の実施形態による形状変更されたスペースブロックを示す、図３と同様な部分断面図。
【図７】 図６の線７−７に沿って見た概略断面図。
【符号の説明】
１０ ロータ
１２ ステータ
１４ 本体部分
１６ ロータスピンドル
１８ 本体部分の１つの端部
２２ コイル
２４ 導電体バー
２６ ウェッジ
２７ 末端巻線
２８ コイル端
３０ 保持リング
３２ 中心リング
３４ ガス入口通路
３６ 環状領域
３８ 軸方向冷却通路

Claims (6)

1. 本体部分（１４）と、軸方向に延びるコイル（２２）と、前記本体部分の少なくとも１つの端部（１８）を超えて軸方向に延びる複数のコイル端（２８）を形成する末端巻線（２７）とを有するロータ（１０）と、
   隣り合う前記コイル端（２８）の間に置かれ、それらの間に空洞（１４２）を形成する少なくとも1つのスペースブロック（１４０）と、
   を含み、
   該スペースブロック（１４０）が、前記隣接するコイル端（２８）と係合する第１と第２の側壁部分（１５２、１５４）と、上流壁（１４４）と、下流壁（１４６）とを有し、
   前記スペースブロックの下流壁（１４６）が、全体的に放物線状の湾曲面として形成されていることを特徴とするガス冷却式発電電動機械。
2. 前記スペースブロック（１４０）が、全体的に矩形状の主要本体部分（１５８）と突出部分（１５６）とからなり、前記主要本体部分が、前記上流壁（１４４）と前記側壁部分（１５２、１５４）とを形成し、前記突出部分（１５６）が、前記下流壁（１４６）を形成することを特徴とする、請求項１に記載の発電電動機械。
3. スピンドル（１６）と本体部分（１４）とを有するロータ（１０）と、
   前記本体部分（１４）上に置かれた軸方向に延びるコイル（２２）と、前記本体部分の少なくとも１つの端部（１８）を超えて軸方向に延びる、互いに間隔を置いて配置された同心のコイル端（２８）とを含み、該コイル端（２８）と前記スピンドル（１６）とがそれらの間に環状空間（３６）を形成している、ロータ巻線と、
   前記コイル端（２８）のうちの隣り合うコイル端の間に置かれ、それによって複数の空洞（１４２）を形成する複数のスペースブロック（１４０）と、
   を含み、
   前記空洞の各々が、隣接するスペースブロック（１４０）と隣接するコイル端（２８）とによって境界づけられ、かつ前記環状空間（３６）に対して開放されており、
   前記スペースブロックの各々が、前記隣接するコイル端と係合する第１と第２の側壁部分と、上流壁と、下流壁とを有し、
   少なくとも１つの前記スペースブロック（１４０）の下流壁（１４６）が、全体的に放物線状の湾曲面として形成されていることを特徴とするガス冷却式発電電動機械。
4. 前記少なくとも１つのスペースブロック（１４０）が、全体的に矩形状の主要本体部分（１５８）と突出部分（１５６）とからなり、前記主要本体部分が、前記上流壁（１４４）と前記側壁部分とを形成し、前記突出部分（１５６）が、前記平坦でない下流壁（１４６）を形成することを特徴とする、請求項３に記載の発電電動機械。
5. 前記上流壁（１４４）が、全体的に平坦であることを特徴とする、請求項１，２又は請求項４に記載の発電電動機械。
6. 前記突出部分（１５６）が、前記主要本体部分（１５８）と一体的に形成されていることを特徴とする、請求項２又は請求項４に記載の発電電動機械。

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