JP3737481B2

JP3737481B2 - デフレクタ付き流通形スペースブロック及び発電機コイル端冷却を向上させる方法

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Publication number: JP3737481B2
Application number: JP2002553279A
Authority: JP
Inventors: ターンブル，ウェイン・ナイゲル・オーウェン; ウェッツェル，トッド・ガレット; バンデルボルト，クリスチャン・リー; サラマ，サミル・アーマンド; ジャーチンスキー，エーミル・ドナルド
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2021-12-07
Also published as: CA2399350C; WO2002052694A2; CA2399350A1; KR100854197B1; CN100388595C; MXPA02008138A; WO2002052694A3; CZ304143B6; CZ20022865A3; CN1448003A; KR20020077493A; EP1346455A2; JP2004516794A; AU2002227259A1; US6392326B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機及びロータコイル端における全体的な冷却効率を高めるために、特にコイル端空洞の中央部と隅部とにおける熱伝達率を増大させるための構造と方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、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センサ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】
【発明が解決しようとする課題】
上に述べた要求は、本発明によって解決され、本発明においては、通常流れ循環が不足する空洞の中央部及び隅部においてより良好な流れ循環を増進させて流れの熱伝達率を高めるために、流通形スペースブロックを使用することにより、発電機ロータの高められた冷却が達成される。本発明は、冷却空洞に出入りする冷却媒体流を増強するための冷却媒体流れデフレクタの使用にも関する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明の実施形態として、軸方向に延びるコイルと、コイル端と、隣り合うコイル端の間に置かれ、それに隣接して互いに隣り合うコイル端の間に第１と第２の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有するロータを含むガス冷却式発電電動機械が提供される。スペースブロックを通って第１と第２の空洞の間に冷却流連通を形成するために、スペースブロックのうちの少なくとも１つは、該スペースブロックを貫通して形成された少なくとも１つの通路を有する。各スペースブロック内の通路の数は、該スペースブロックの円周方向の位置によって適当に決定される。
【００１４】
互いに隣り合う空洞の間に冷却ガスの流れを形成することにより、流通路は、回転するコイル端によって発生される固有のガス流パターンを改善する。その結果、低コストで単純かつ信頼性の高い構造を維持したままで、熱除去能力が増大される。それに加えて、この改善された受動冷却システムは、ロータの許容電流能力を増大させて、発電機の出力定格を増大させることになる。
【００１５】
本発明の更に別の特徴によれば、スペースブロックの上流側又は下流側のいずれか、又はそれら両方の側に、流れデフレクタが設けられ、上流流れデフレクタの場合には、冷却媒体流を半径方向外向きにそれぞれの冷却空洞内へ向け、下流流れデフレクタの場合には、滑らかな連続的戻り流れを環状領域へ発生させる。本発明の現在のところ好ましい実施形態による流通路とデフレクタとの組合せは、空洞内における大きな運動量を有する冷却媒体の流れを増進させて、特に空洞隅部及び中央部における停滞又は低運動量の流れの領域を減少させるか排除する。
【００１６】
【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。
【００１７】
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。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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。このフロー循環セルは、空洞の周縁付近で最高速度を示すが、空洞の中央領域における固有の低速度により、中央領域は十分に冷却されないままである。図３から分るように、フローセルの円形運動は冷却流を隅部内に運ばないから、隅部領域の大きな区域も十分には冷却されない。
【００２２】
次に図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コイル端空洞１４２、１４４、１４６、１４８を示すロータコイル端の部分断面図が示されている。本発明の実施形態においては、各スペースブロック１５０、１５２、１５４、１５６、１５８は、熱除去を増大させるために、互いに隣り合う冷却空洞の間、最も好ましくは少なくとも冷却空洞の中央領域及び半径方向外側の隅部領域の間に連通流れを形成するために、少なくとも１つの流通路１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、１７０、１７２、１７４、１７６、１７８、１８０、１８２、１８４、１８６を備えている。これらの流通路は、互いに隣り合う冷却空洞のそれぞれの半径方向中央部分間で延びているのが好ましい。流通路がなければ一般に流れが停滞するそれぞれの冷却空洞の隅部領域間で流れを連通させるために、冷却媒体流のもう一つの好ましい区域は、スペースブロックの半径方向外端部付近である。
【００２３】
一層詳細に後述するように、これらの通路は、それぞれの上流隣接空洞の各々の下流側からそれぞれの下流隣接空洞の各々の上流側まで延び、従って冷却ガスがこれを介して互いに隣り合う空洞間を流れることができる通路を形成する。このように、各流通路は、そのスペースブロックの長さをほぼ横切って、ロータに対しほぼ円周方向に位置する。
【００２４】
図示した実施形態から分るように、各スペースブロック内における流通路の好ましい位置と数とは、コイル端の前端部と後端部とに対するスペースブロックの円周方向位置によって決まる。図６にも明瞭に示されているように、流通路の好ましい配向もまた、円周方向位置によって決まる。従って、図示した実施形態においては、コイル端アセンブリの円周方向における最外側のスペースブロック１５０、１５８は、第１と第２の流通路、すなわち冷却媒体流を冷却媒体空洞１４２、１４８のほぼ半径方向中央部分に流入／流出するように方向付けるための流通路１６２、１８６と、冷却媒体流を隣接する冷却空洞１４２、１４８の半径方向外側の隅部領域に流入／流出するように方向付けるための流通路１６０、１８４とを含む。図６に示した実施形態においては、前方のスペースブロック１５０の場合には、流れをほぼ円周方向及び半径方向外向きに方向付け、後方のスペースブロック１５８の場合には、流れをほぼ円周方向及び半径方向内向きに方向付けるために、これらの流通路は、それぞれのスペースブロック１５０、１５８の長手方向軸線に対して９０度よりも小さい角度で傾けられている。
【００２５】
再び図６の実施形態を参照すると、前方スペースブロック１５０から下流のスペースブロック１５２は、該スペースブロックを貫通して形成された３つの通路１６４、１６６、１６８を有し、そのうちの１つの通路１６４は、冷却媒体を空洞１４４の半径方向外側の隅部領域へ流すように、通路１６６、１６８は冷却媒体をそれぞれの隣接する空洞１４２、１４４の中央領域に流出／流入させるように配置されている。この例においては、第２のスペースブロック１５２の流通路は、スペースブロック１５２の長手方向軸線に対して約９０度の角度で、ロータ軸線のほぼ円周方向に向けられている。更に図示した実施形態においては、以下において一層詳細に述べるように、環状領域３６から空洞１４２内へ流れの向きを変えて、該空洞内の冷却媒体流を増強するために、スペースブロック１５２の上流表面１９４上に上流流れデフレクタ１８８が設けられる。
【００２６】
次に隣接する中央又は中間スペースブロック１５４は、円周方向に配置された４つの流通路１７０、１７２、１７４、１７６を含み、そのうちの３つは、第２のスペースブロックの流通路とほぼ対応する位置に配置され、第４の円周方向流通路１７６は、コイル端２８の半径方向内側範囲に近接して設けられる。図示した実施形態においては、以下において一層詳細に述べるように、上流及び下流流れデフレクタ１８８、１９０は、中間スペースブロック１５４の上流及び下流表面１９６、１９８上に設けられ、又半径方向最内側の通路１７６は、デフレクタ構造体１８８、１９０の半径方向外側の広がり部分の半径方向直ぐ外側に配置される。
【００２７】
図示された実施形態の隣接する次の第４のスペースブロック１５６は、第２のスペースブロック１５４の流通路にほぼ対応する半径方向位置に配置された３つの流通路１７８、１８０、１８２を含む。現在のところ好ましい実施形態においては、これらの通路は、スペースブロック１５６の長手方向軸線に対して約９０度の角度でほぼ円周方向に配置される。以下において一層詳細に述べるように、通路１８２からの流れの少なくとも幾分かを環状領域３６内へ案内し方向付けて、隣接する下流スペースブロック１５８の下方及び周りへ流すために、第４のスペースブロックの下流表面２００上には下流流れデフレクタ１９０が設けられる。
【００２８】
上に述べたように、本発明の現在のところ好ましい実施形態の更に別の特徴によれば、それぞれのコイル端空洞内への冷却媒体流を増加させるために、スペースブロックのうちの少なくとも１つは、上流に隣接する空洞の下流側にある、その前方に面する表面、つまり上流表面上に流れデフレクタ１８８を備え、及び／又は空洞底部を横切って流れる冷却媒体流の方向に対して下流に隣接する空洞の上流側にある、その後方に面する表面、つまり下流表面上に流れデフレクタ１９０を備える。この又はこれらの流れデフレクタは、それぞれのスペースブロックの半径方向内端部に設けられる。前方に面する流れデフレクタ、つまり上流流れデフレクタ１８８は、空洞内へ送り込まれる冷却流体の量を増大させて、空洞内部の冷却媒体流を増加させ、それによってそれぞれの空洞からの熱除去を増大させるために設けられる。図示した実施形態においては、上流流れデフレクタは、スペースブロックから上流方向へ、それぞれの空洞の半径方向内端部の円周方向寸法の少なくとも約２０％、更に好ましくは約２０〜４０％の距離だけ延びる。更に、図示した実施形態においては、スペースブロックとスピンドル１６との間に形成される空隙３７の半径方向寸法の約半分を捕捉するように、流れデフレクタ１８８は下向き、つまり半径方向内向きに延びる。
【００２９】
更に具体的に言えば、各上流流れデフレクタは、半径方向内縁部２０４で終端する全体的に連続的に湾曲した上表面２０２を含む。図示したように、スペースブロックの深さの少なくとも一部分に沿って流れ遮断線を形成する流れデフレクタの半径方向内縁部は、それが無ければそのスペースブロックとスピンドル１６との間の空隙３７に向かう筈の流れを遮断して該流れを向け直すために、スペースブロックの半径方向内表面の下方に延びる。半径方向内縁部２０４から下流の流れデフレクタ表面２０６は、それぞれのスペースブロックの半径方向内表面までの全体的に緩やかな移行部を形成する。
【００３０】
冷却媒体流の矢印Ａで示したように、それぞれの空洞内へ、かつそれぞれのスペースブロックに沿って、流れを案内しかつ方向付けるために、流れデフレクタ１８８の湾曲した上表面２０２は、それぞれのスペースブロックの上表面に沿って上向きに、流れデフレクタがスペースブロックの半径方向内表面の下方に延びる距離よりも大きな距離だけ延びる。
【００３１】
図示した実施形態においては、上流流れデフレクタと同様に、各下流流れデフレクタ１９０は、スペースブロックの表面から下流方向へ、それぞれの空洞の半径方向内端部の円周方向寸法の少なくとも約２０％、更に好ましくは約２０〜４０％の距離だけ延びる。更に、図示した実施形態においては、流れデフレクタ１９０は、下流内縁部２０８に向かって下向き、すなわち半径方向内向きに、スペースブロックとスピンドルとの間に形成された空隙３７の半径方向寸法の約半分だけ延びて、冷却媒体流の矢印Ｂで示したように、下流に隣接するスペースブロックの半径方向内端部に向けて、かつその周りに冷却媒体流を案内しかつ方向付ける。
【００３２】
現在のところ好ましい実施形態においては、各流れデフレクタ１８８、１９０は、空洞の深さ、つまり空洞の軸方向寸法のかなりの部分にわたって、例えば少なくとも約７５％、更に好ましくは１００％程度延びるように設けられる。しかしながら、別の実施形態においては、下流に隣接する次の空洞へ流すための少なくとも１つのバイパス流れ領域を残すように、各流れデフレクタは、スペースブロックの深さの一部分、つまり軸方向の一部分だけ延びることができる。この別の実施形態によれば、部分深さの流れデフレクタは、空洞の隣接する１つのコイル端壁から、空洞の隣接する他のコイル端壁から、あるいはそれが関連するスペースブロックのほぼ中央部から、空洞深さの一部分だけ延びるように配置することができる。例示的な実施形態においては、単一の流れデフレクタ１８８、１９０が、関連するスペースブロックの深さの少なくとも約半分だけ延びるように設けられる。更に別の実施形態によれば、各々が空洞の軸方向寸法、つまり深さの一部分だけ延びる２つ又はそれ以上の、軸方向に整列させた流れデフレクタを設けることができる。このようにして、下流に隣接する次の空洞への流れのために少なくとも１つのバイパス流れ領域が設けられる。
【００３３】
作動時において、ロータの回転により、冷却ガスが、ガス入口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内へ引き込まれることになる。動圧ヘッドが発生し、これが流れデフレクタ１８８に向けて、また該流れデフレクタに沿って、冷却ガスを送り込むことになる。従って、図６を参照すると、冷却ガスは、スペースブロック１５０の流れデフレクタ１８８に沿って、また該スペースブロックの上流表面１９２に沿って流れる。冷却媒体ガスの少なくとも一部分が、スペースブロック１５０内に形成された流通路１６２、１６０内へ流入する。上に述べたように、コイル端のこの最上流のスペースブロック内の流通路は、有利なことにはそれらが傾斜するように、スペースブロックの長手方向軸線に対して９０度よりも小さい角度で配置される。このことは、半径方向外向きに下流に隣接する空洞１４２内へ流入する流れを助長する。
【００３４】
スペースブロック１５０内の通路１６０、１６２を通って空洞１４２内へ流入する冷却媒体流に加えて、冷却媒体流は、矢印Ａで示すように、環状領域３６から空洞１４２内へ送り込まれ、また該空洞内１４２へと反らされる。デフレクタ１８８は、もしそれが無ければスペースブロック１５２とスピンドル１６との間の空隙３７内へ流入し続け、該空洞を通って流れ続ける筈の流れを遮断するから、それぞれの空洞１５２を通って流れる冷却媒体流は増加し、それによって熱伝達が増大する。図示した実施形態においては、通路１６、１６２からの冷却媒体流は、ほぼ円周方向へスペースブロック１５２に向かって流れ、該スペースブロックにおいて通路１６４、１６６、１６８内へ流入し、これら通路を通って流れる。上に述べたように、図示した実施形態においては、スペースブロック１５２は３つの流通路を有しており、そのうちの２つの流通路１６４、１６６は、空洞の中央領域及び半径方向外側領域からの流れを受けるように、また残る１つの流通路１６８は、空洞の中央領域及び半径方向内側領域からの流れを受けるように配置されている。明らかなように、図示した実施形態において形成されるほぼ円周方向の流れは、従来の循環流において見られる冷却媒体流の不足する空洞１４２の中央領域及び隅部領域溝を実質的に排除する。
【００３５】
今一度、下流に隣接する次の空洞１４４を参照すると、スペースブロック１５２内の通路１６４、１６６、１６８を介してこの空洞内へ流入する冷却媒体流に加えて、冷却媒体流は矢印Ａで示すように、環状領域３６から空洞１４４内へ送り込まれ、また該空洞１４４内へと反らされる。デフレクタ１８８は、もしそれが無ければスペースブロック１５４とスピンドル１６との間の空隙３７内へ流入し続け、該空隙を通って流れ続ける筈の流れを遮断するから、それぞれの空洞を通る冷却媒体流は増加し、それによって熱伝達が増大する。一方、図示した実施形態においては、通路１６４、１６６、１６８からの冷却媒体流は、ほぼ円周方向へスペースブロック１５４に向かって流れ、該スペースブロックにおいて通路１７０、１７２、１７４、１７６内へ流入し、これら通路を通って流れる。この実施形態においては、スペースブロック１５４は４つの通路を有しており、そのうちの１つの流通路１７０は、空洞の半径方向外側領域からの流れを受けるように、また２つの流通路１７２、１７４は、ほぼ空洞の中央領域からの流れを受けるように、そして最後の１つの流通路１７６は、空洞１４４の半径方向内側領域からの流れを受けるように配置されている。
【００３６】
下流に隣接する次の空洞１４６を参照すると、図示した実施形態においては、冷却媒体流は、スペースブロック１５４内の通路１７０、１７２、１７４、１７６を介してこの空洞内へ流入する冷却媒体流にほぼ限定される。この実施形態においては、下流スペースブロック１５６は、３つの通路１７８、１８０、１８２を有し、そのうちの１つの流通路１７８は、空洞の半径方向外側領域からの流れを受けるためのものであり、また２つの流通路１８０、１８２は、ほぼ空洞の中央領域からの流れを受けるためのものである。この場合もまた、図示した実施形態においては、通路１７０、１７２、１７４からの冷却媒体流は、ほぼ円周方向へスペースブロックに向かって流れ、該スペースブロックにおいて通路１７８、１８０、１８２内へ流入し、これら通路を通って流れる。しかしながら、図示した実施形態においては、半径方向最内側の通路１７６からの冷却媒体流の少なくとも一部分は、下流流れデフレクタ１９０に沿って環状領域内へ流入して、スペースブロック１５６の半径方向内端部の下方及び周りを流れる。
【００３７】
最後に、下流に隣接する次の空洞１４８を参照すると、図示した実施形態においては、冷却媒体流は、スペースブロック１５６内の通路１７８、１８０、１８２を介してこの空洞内へ流入する冷却媒体流にほぼ限定される。この実施形態においては、上に述べたように、下流スペースブロック１５８は、２つの傾斜した通路１８４、１８６を有しており、そのうちの１つの流通路１８４は、空洞の半径方向外側領域からの流れを受けるためのものであり、またもう１つの流通路１８６は、ほぼ空洞の中央領域からの流れを受けるためのものである。この場合もまた、図示した実施形態においては、通路１７８、１８０からの冷却媒体流は、ほぼ円周方向へスペースブロック１５８に向かって流れ、該スペースブロックにおいて通路１８４、１８６内へ流入し、これら通路を通って流れる。しかしながら、図示した実施形態においては、通路１８２からの冷却媒体流の少なくとも一部分は、下流流れデフレクタ１９０に沿って環状領域３６内へ流入して、スペースブロック１５８の半径方向内端部の下方及び周りを流れる。
【００３８】
図示したように、通路１８４、１８６から流出する流れは、スペースブロック１５８の下流表面２１０に沿ってほぼ半径方向内向きに流れ、また流れデフレクタ１９０に沿って環状領域３６内へ流入する。
【００３９】
このように、空洞１４２、１４４、１４６、１４８内への流れを助長するために、スペースブロック１５０、１５２、１５４、１５６、１５８とデフレクタ１８８、１９０とを通る流れの組合せによって、特に空洞の中央領域と半径方向外側領域とを含む通常冷却媒体流が不足する空洞の領域に対してもより多くの冷却媒体流が供給されることが理解できる。
【００４０】
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く、逆に、添付の特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び等価な構成を保護することを意図していることを理解されたい。
【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流通路と流れデフレクタとを有するスペースブロックを示すロータコイル端の部分断面図。
【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

本体部分と、軸方向に延びるコイルと、前記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コイル端とを有するロータと、
隣接する前記コイル端の間に置かれ、前記スペースブロックに隣接ししかつ互いに隣り合うコイル端の間に第１と第２の空洞を形成する少なくとも１つのスペースブロックと、
前記スペースブロックを貫通して形成され、前記スペースブロックに隣接した前記第１の空洞に面する該スペースブロックの第１の表面と前記スペースブロックに隣接した前記第２の空洞に面する該スペースブロックの第２の表面との間で延びて、前記スペースブロックを通って前記第１と第２の空洞間に冷却流連通を形成する通路と、
前記第１と第２の空洞への流入と該第１と第２の空洞からの流出のうちの１つを行うようにそれぞれ流れを向けるために、前記第１と第２の表面の半径方向内端部に隣接して設けられた流れ第１と第２デフレクタと、
を含むことを特徴とする冷却式発電電動機械。
前記スペースブロックの第１と第２の表面が、前記スペースブロックのそれぞれ円周方向に向いた表面であることを特徴とする、請求項１に記載の発電電動機械。
スピンドルと本体部分とを有するロータと、
前記本体部分上に置かれた軸方向に延びるコイルと、前記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、互いに間隔を置いて配置された同心のコイル端とを含み、該コイル端と前記スピンドルとがそれらの間に空間を形成している、ロータ巻線と、
前記コイル端のうちの隣り合うコイル端間に配置された複数のスペースブロックと、
前記互いに隣り合うコイル端と前記スペースブロックとの間に形成された複数の空洞と、
を含み、
前記スペースブロックを貫通して形成され、前記スペースブロックに隣接した前記第１の空洞に面する該スペースブロックの第１の表面と前記スペースブロックに隣接した前記第２の空洞に面する該スペースブロックの第２の表面との間で延びて、前記スペースブロックを通って前記第１と第２の空洞間に冷却流連通を形成する通路と、
前記第１と第２の空洞への流入と該第１と第２の空洞からの流出のうちの１つを行うようにそれぞれ流れを向けるために、前記第１と第２の表面の半径方向内端部に隣接して設けられた流れ第１と第２デフレクタと、
を含むことを特徴とする冷却式発電電動機械。
冷却ガスをほぼ前記第１と第２の空洞の中央領域間で流すために、前記通路が、前記スペースブロックの半径方向中央部分を貫通して延びることを特徴とする、請求項１又は請求項３に記載の発電電動機械。
複数の前記スペースブロックが、該スペースブロックを貫通して形成された前記通路を有することを特徴とする、請求項１又は請求項３に記載の発電電動機械。
前記スペースブロックを貫通して形成された複数の通路があり、少なくとも1つの該通路が、ほぼ前記第1と第２の空洞の中央領域間に冷却ガスを流すことを特徴とする、請求項１又は請求項３に記載の発電電動機械。
前記複数の通路のうち少なくとも１つが、前記スペースブロックの長手方向軸線に対して９０度よりも小さい角度で傾けられていることを特徴とする、請求項８に記載の発電電動機械。
本体部分と、軸方向に延びるコイルと、前記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コイル端とを有するロータと、前記コイル端の間に置かれ第 1 と第２の表面を有する複数のスペースブロックと、前記第 1 と第２の表面の各々に配置された流れデフレクタと、互いに隣り合う前記コイル端と前記スペースブロックとの間に形成された第１及び第２の空洞と、を含む発電電動機械におけるコイル端を冷却する方法であって、
少なくとも１つの前記スペースブロックを貫通し、該スペースブロックに隣接した第１の空洞に面する該スペースブロックの第１の表面と該スペースブロックに隣接した第２の空洞に面する該スペースブロックの第２の表面との間で延びる少なくとも1つの通路を設ける段階と、
前記第 1 の表面上の流れデフレクタに沿って前記第 1 の空洞内へ冷却ガスを流入させる段階と、前記第２の表面上の流れデフレクタに沿って前記第２の空洞から冷却ガスを流出させる段階と、
を含むことを特徴とする方法。
前記通路が、前記スペースブロックの半径方向中央部分を貫通して延び、それによって前記第１と第２の空洞の中央領域間に前記冷却流連通が形成されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
前記スペースブロックを貫通して形成された複数の通路があり、冷却ガスが、前記通路を介して、前記第２の空洞の少なくとも半径方向外側領域と中央領域とに向けられることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
前記複数の通路のうちの少なくとも１つが、前記スペースブロックの長手方向軸線に対して９０度よりも小さい角度で傾けられており、それによって冷却流が或る角度で前記第２の空洞内へ向けられることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。