JP4267594B2 - 回転機の軸継手 - Google Patents

Description

この発明は、相隣り合う２台の回転機の軸を１軸状に直結する軸継手に関するものであり、特に相隣り合う回転機の磁極中心を周方向に調整可能とする軸継手に係るものである。

従来、例えばタービン発電機の実負荷試験は負荷返還方式を適用して行われている。この負荷返還試験を行う場合、発電機回転軸と負荷側電動機回転軸とは例えばフランジ軸継手方式によって直結されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０００−２８３１７１号公報（図７）

重電機製造業界において、最近の電力事情変化や国際間競争の激化に伴い、発電機、とりわけタービン発電機のより高性能化、小型化、低コスト化が要求されている。
このような情勢下において、タービン発電機の新規開発、研究が盛んに行われている。鋭意検討された開発機は各種試験によって実証されているが、この試験のうち例えば実負荷試験に負荷返還方式を適用した場合に、発電機側回転子と負荷用電動機側回転子の基準位置である磁極中心間の位相を変えた出力試験を実行しようとすると、前述した特許文献１に示されたような従来技術では、以下に示すような問題点があった。

従来の負荷返還方式を適用した実負荷試験装置は、発電機側回転子と負荷用電動機側回転子の磁極中心間の位相を調整する場合、発電機と負荷用電動機の磁極中心間の設定可能な位相差は、両回転子を連結するフランジ軸継手に用いられている締結ボルト用孔の取付ピッチの角度、すなわち「３６０度／全孔数」に限られ、磁極中心間の位相の調整が大まかな位相差しか得られない構成であり、特に新規開発されたタービン発電機等におけるきめ細かな位相差を設定した試験仕様に対応するにはあらかじめ発電機側回転子と負荷用動機電動機側回転子の磁極中心間の位相差毎にボルト孔の位置を設定した負荷角調整用継軸が必要であった。
例えば図８に示すように、負荷用電動機回転子３側の締付ボルト用の孔４の数をＮ１、および発電機回転子２側のボルト用孔５の数Ｎ２をそれぞれ３とした場合について、設定出来る位相基準位置間の角度を図９に示す。角度調整ピッチはθ_１、θ_２ともに１２０度であり、全部で３通りの角度（位相差）、すなわち１２０度ピッチで、０度、１２０度、２４０度の角度（位相差）しか選択することができなかった。

この発明は前記のような課題を解決するためになされたものであり、発電機側回転子と負荷用電動機側回転子の磁極中心間の位相差を、きめ細かな調整を可能とする軸継手を提供することを目的とする。

２台の回転機が１軸状になるようボルト締結で連結する回転機の軸継手であって、
２台の回転機の内の一方の回転機と締結される軸継手の一方の端部に円周上等間隔に設けられた複数のボルト用孔数と、他方の回転機と締結される軸継手の他方の端部に円周上等間隔に設けられた複数のボルト用孔数とが異なる数であるとともに、一方および他方の端部のボルト用孔の配置の基準線は一致するよう設定され、かつ一方および他方の端部に設けられた複数のボルト用孔の少なくとも１個は、配置の基準線上に設けられており、該軸継手によって一方の回転機の基準軸線と、他方の回転機の基準軸線とが円周方向に位相差を有するよう連結されていることを特徴とするものである。

この発明の回転機の軸継手は、回転機を連結するための一方の端部に設けられた複数のボルト用孔数と、他方の端部に設けられた複数のボルト用孔数が異なる数であるとともに、一方および他方の端部に設けられた複数のボルト用孔の配置の基準線は一致しており、一方の端部と他方の端部に連結される回転機の基準軸線が前記複数のボルト位置の組み合わせ分の数だけ周方向に位相差を有しているので、隣り合う２台の回転機間の基準軸すなわち磁極中心間の位相差設定の自由度が増加し、よりきめ細かな位相差を有した回転機間の連結ができるという効果がある。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１は本実施の形態１の軸継手１である負荷角調整用継ぎ軸を介して、発電機回転子２と負荷用発電機回転子３を連結を示す概念図である。この図１による軸継手１は、フランジレスで締付ボルト用ネジ穴付のものを示しているが、バカ穴を有するフランジ付のものでもよい。軸継手１の一方の端部には配置の基準線６を有して等間隔に、図１の例では４個の締付ボルト用孔４ａが設けられている。
また、発電機回転子２にも基準軸線に相当する磁極中心線７を有して等間隔に４個のボルト用孔４ｂが設けられている。また、軸継手１の他の端部にも同様に配置の基準線８を有し等間隔に３個のボルト用孔５ａが、負荷用電動機回転子３に基準軸線に相当する磁極中心線９を有して等間隔に３個のボルト用孔５ｂが設けられている。ここで前記軸継手１の前記一方の端部の締付ボルト用孔４ａおよび他方の端部の締付ボルト用孔５ａの少なくとも１つは、配置の基準線６、８上に設けられている。なおこの実施の形態１では、前記軸継手１の複数のボルト用孔配置の一方の端部の基準線６と、他方の端部の基準線８とは同一位相上にある。なおこの実施の形態１での軸継手１に設けられた締付ボルト用孔４ａ、５ａは、ネジ穴のことを示す。

締付ボルト用のバカ孔５ｂを備えた負荷用電動機回転子３及び、締付ボルト用のバカ孔４ｂを備えた発電機回転子２は、一方の端部に発電機回転子２の締付ボルト用の孔４ａ及び他方の端部に負荷用電動機回転子３の締付ボルト用の孔５ａを設けてある負荷角調整用継軸１を介して直結されている。
負荷返還方式を適用した発電機の実負荷試験を実施するとき、発電機が出力する負荷の条件、即ち有効電力、無効電力、力率、電圧値および電流値は発電機、負荷用電動機の界磁電流及び発電機と負荷用電動機の磁極間の角度差（位相差）で決定される。例えば、発電機回転子２と負荷用電動機回転子３の磁極間の角度が５度異なると、発電機出力は約１０％違うため、磁極間の角度がよりきめ細かく設定出来ることが正確な負荷条件の設定に重要な役割を果たす。

図２、図３は前記図１の矢印Ａの方向から見た締付ボルト用孔４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂの位置を示す説明図である。図２、図３に示すＡ、Ｂ、Ｃは締付ボルト用孔５ａ、５ｂに相当し、Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚは４ａ、４ｂに相当する。図２は軸継手１の前記基準線６と発電機回転子２の基準軸線７とが同一位相上になるよう直結され、かつ前記基準線６、基準軸線７の角度調整ピッチθ_２が時計の１２時の位置（θ_２＝０）にある場合に、前記軸継手１の前記基準線８と負荷用電動機回転子３の基準軸線９とが同一位相上になるよう直結され、かつ前記基準線８、基準軸線９の角度調整ピッチθ_１が図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すようにｃａｓｅ１の１２時（θ_１＝０度）、ｃａｓｅ２の４時（θ_１＝１２０度）、ｃａｓｅ３の８時（θ_１＝２４０度）に移動した場合を示す。図２においてαはθ_１−θ_２とし、周方向位相差を示す。よってαはそれぞれ０度、１２０度、２４０度の場合に相当する。

図３は前記基準線６、基準軸線７が同一位相および基準線８、基準軸線９が同一位相上となるよう直結され、前記基準線６、基準軸線７の角度調整ピッチθ_２が３時の位置（θ_２＝９０度）にある場合に、前記基準線８、基準軸線９が図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すようにｃａｓｅ１の１２時（θ_１＝０度）、ｃａｓｅ２の４時（θ_１＝１２０度）、ｃａｓｅ３の８時（θ_１＝２４０度）に移動した場合を示す。
よってαはそれぞれ−９０度（２７０度）、３０度、１５０度の場合に相当する。なお、図２には示してないが、θ_２＝１８０度、２７０度の場合についても算出したαの値を図４に示す。

図４において縦軸に負荷用電動機回転子３側の角度調整ピッチθ_１、横軸に発電機回転子２側の角度調整ピッチθ_２を取り、それぞれの場合にα＝θ_１−θ_２を計算したものである。ただしα＜０となる場合はその絶対値の補角を正で記載している。

次に動作について説明する。
負荷用電動機回転子３及び発電機回転子２の締付ボルト用の孔数（締付ボルトの本数）は異なるが、そのうち少なくとも１つの磁極中心である基準軸線７または９を軸継手１である負荷角調整用継軸の基準線６または８と一致させた場合で考える。
例えば負荷用電動機回転子３側の締付ボルト用の孔５ａ、５ｂの数をＮ１とすると、締付ボルト用の孔５ｂは３６０／Ｎ１（度）置きに配列されるので、負荷用電動機回転子３側の角度調整ピッチθ_１は３６０／Ｎ１（度）となる。同様に発電機側回転子２側の締付ボルト用の孔４ａ、４ｂの数をＮ２とすると、発電機回転子２側の角度調整ピッチθ_２は３６０／Ｎ２（度）となる。これらを組み合わせることで、発電機回転子磁極中心線７と負荷用電動機回転子磁極中心線９の間の角度調整ピッチは、より細かいθ_１とθ_２の差で調整出来るようになり、とり得る角度はＮ１×Ｎ２通りになる。
負荷用電動機回転子３側の締付ボルト用孔５ａ、５ｂの数Ｎ１を３、発電機回転子２側の締付ボルト用孔４ａ、４ｂの数Ｎ２を４とした場合について、設定出来る磁極中心間の位相差を図４に示す。それぞれ単独での角度調整ピッチはθ_１＝１２０度、θ_２＝９０度であり、これらを組み合わせることにより、発電機回転子磁極中心線７と負荷用電動機回転子磁極中心線９の間の角度調整ピッチはより細かい３０度ピッチとなり、全部で１２通りの角度を選択することができる。
このように実負荷試験装置に対する、負荷用電動機回転子３と発電機回転子２の取付角度を変えていくことで、発電機、負荷用電動機の相対的な角度を細かく調整することができ、０〜３６０度の範囲でより幅を持たせた位相角αの調整ができるというメリットがある。

実施の形態２．
次に実施の形態２を図５〜図７に基づいて説明する。
この実施の形態２は発電機回転子２または負荷用電動機回転子３と軸継手１ａの基準位置のなす角度に位相差を設けることで、さらに細かな位相角α設定が出来るようにしたものである。
実施の形態１は締付ボルト用の孔数（ボルト本数）が３個、４個の組み合わせで、負荷用電動機回転子３と発電機回転子２との磁極中心間の角度（位相差）αを３０度刻みで設定できる構成、すなわちα＝３０×Ｎ（Ｎ＝０、１、・・・１１）であったが、図５に示す軸継手１ａのように、実施の形態１と同じ締付ボルト用孔数とし例えば負荷角調整用継軸１ａの負荷用電動機回転子３側の基準軸線８と発電機回転子２側の基準軸線６との間に位相をずらせた角度βを１５度とした締付ボルト用孔の配置の基準線８ａを設けた場合、図６、図７に示すように、負荷用電動機回転子３と発電機回転子２との磁極中心間の角度αは、α＝１５＋３０×Ｎ（Ｎ＝０、１、・・・１１）で設定でき、実施の形態１の軸継手１と合わせて取り替え使用すれば、負荷用電動機回転子３と発電機回転子２との磁極中心間の位相差αは１５度刻みで設定できるようになる。これにより、基準軸７、９間の角度調整ピッチが小さくなり、更に細かな位相差が出来、例えばタービン発電機の負荷返還方式試験において発電機、電動機間の磁極中心により細かな位相差を設けることが可能となるというメリットがある。
図６は実施の形態１における図２に相当するものである。θ_１、θ_２、αの定義は実施の形態１と同様である。
図６ではθ_２＝０度の場合即ち、発電機回転子２側の締付ボルト用の穴４ａ、４ｂを時計０時に固定した場合を示している。

図６に示す図は図５の矢印Ａの方向から見た締付ボルト用孔４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂの位置を示す説明図である。
図６に示すように、軸継手１ａである負荷角調整用継軸は負荷用電動機回転子３側の締付ボルト用の穴５ａの配置の基準線８ａ位置が、発電機回転子２側の締付ボルト用の穴４ａの配置の基準線６より１５度時計方向に進んだ位置に、つまり位相をずらせて設けられている。
上記条件の下で、負荷用電動機回転子３の締付ボルト用の穴５ｂの配置の基準線９ａと、前記軸継手１ａの配置の基準線８ａが同じ位置に有る場合（ｃａｓｅ１：θ_１＝１５度、図６（ａ））、９ａがｃａｓｅ１より１３５度時計方向に進んだ位置に有る場合（ｃａｓｅ２：θ_１＝１３５度、図６（ｂ））、９ａがｃａｓｅ１より２４０度時計方向に進んだ位置に有る場合（ｃａｓｅ３：θ_１＝２５５度、図６（ｃ））を示している。よってそれぞれはα＝１５度、１３５度、２５５度の場合に相当する。
同様に図６には示していないがθ_２＝９０度、１８０度、２７０度の場合を計算してαの値を表にまとめたのが図７である。
図７においては縦軸に負荷用電動機回転子３側の角度調整ピッチθ_１、横軸に発電機回転子２側の角度調整ピッチθ_２を取り、それぞれの場合にα＝θ_１−θ_２を計算したものである。ただしα＜０となる場合はその絶対値の補角を正で記載している。

このように、この実施の形態２では軸継手１ａの発電機回転子２側の締付ボルト用孔の配置の基準線６と、負荷用電動機回転子３側の締付ボルト用孔の配置の基準線８ａとに、円周方向に位相差を有して設けられているので、隣り合う回転機磁極中心の位相差設定のパラメータが増えるという効果がある。

なお前記実施の形態１、２では、タービン発電機の負荷返還方式試験における２台の回転機の直結時を例として述べたが、タービン発電機に限らず、２台以上の複数の回転機間で互いに磁極中心間に位相差を設けて直結する場合に適用してもよい。
また、前記実施の形態１、２では、締付ボルトの本数を３本および４本の例を示したが、回転機の定格にマッチした複数のボルトの数であってよく、前記実施の形態１、２より増えたボルト本数であれば、さらにきめ細かな磁極間位相差を設定できる。
なお軸継手の一方の端部には締付ボルト用ネジ穴を設け、他方の端部をフランジ付としこのフランジにはバカ穴を設けてもよい。このような構成を採用すると軸継手の構造が、単純化、小型化され、低価格となる。さらに前記バカ穴を円周方向に湾曲した小判形状とすると、より位相差の微調整が容易となる。

この発明の実施の形態１、２は、タービン発電機の負荷返還方式試験にて適用可能である。

この発明の実施の形態１の発電機回転子と負荷用電動機回転子とを軸継手で直結した状態を示す概念図である。 この発明の実施の形態１の図１の矢印Ａの方向から見た締付ボルト用孔の位置を示す説明図である。 この発明の実施の形態１の図１の矢印Ａの方向から見た締付ボルト用孔の位置を示す説明図である。 この発明の実施の形態１の周方向位相差αを示す図である。 この発明の実施の形態２の発電機回転子と負荷用電動機回転子とを軸継手で直結した状態を示す概念図である。 この発明の実施の形態２の図５の矢印Ａの方向から見た締付ボルト用孔の位置を示す説明図である。 この発明の実施の形態２の周方向位相差αを示す図である。 従来の発電機回転子と負荷用電動機回転子とを軸継手で直結した状態を示す概念図である。 従来の周方向位相差αを示す図である。

符号の説明

１，１ａ 軸継手、２ 発電機回転子、３ 負荷用電動機固定子、
４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ 締付ボルト用孔、６，８，８ａ 締付ボルト孔配置の基準線、７，９，９ａ 磁極中心線。

Claims (4)

1. ２台の回転機が１軸状になるようボルト締結で連結する回転機の軸継手であって、
   前記２台の回転機の内の一方の回転機と締結される前記軸継手の一方の端部に円周上等間隔に設けられた複数のボルト用孔数と、他方の回転機と締結される前記軸継手の他方の端部に円周上等間隔に設けられた複数のボルト用孔数とが異なる数であるとともに、前記一方および他方の端部のボルト用孔の配置の基準線は一致するよう設定され、かつ前記一方および他方の端部に設けられた複数のボルト用孔の１個は、前記配置の基準線上に設けられており、該軸継手によって前記一方の回転機の磁極中心線である基準軸線と、前記他方の回転機の磁極中心線である基準軸線とが円周方向に位相差を有するよう連結されていることを特徴とする回転機の軸継手。
2. ２台の回転機が１軸状になるようボルト締結で連結する回転機の軸継手であって、
   前記２台の回転機の内の一方の回転機と締結される前記軸継手の一方の端部に円周上等間隔に設けられた複数のボルト用孔数と、他方の回転機と締結される前記軸継手の他方の端部に円周上等間隔に設けられた複数のボルト用孔数とが異なる数であるとともに、前記一方の端部のボルト用孔の配置の基準線に対して、前記他方の端部のボルト用孔の配置の基準線が円周方向に位相差を有するよう設定され、かつ前記一方および他方の端部に設けられた複数のボルト用孔の１個は、前記配置の基準線上に設けられており、該軸継手によって前記一方の回転機の磁極中心線である基準軸線と、前記他方の回転機の磁極中心線である基準軸線とが円周方向に位相差を有するよう連結されていることを特徴とする回転機の軸継手。
3. 前記軸継手の前記一方あるいは他方のいずれか片側の端部には複数のボルト用ネジ穴が設けてあり、他の片側の端部にはフランジが設けられ、該フランジには複数のボルト用バカ穴が設けてあることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の回転機の軸継手。
4. 前記フランジの複数のボルト用バカ穴は、前記２台の回転機間の円周方向位相差の微調整が可能なように、円周方向に湾曲した小判形状であることを特徴とする請求項３に記載の回転機の軸継手。

Images