JP5101213B2 - Turbine generator - Google Patents
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Description
本発明はタービン発電機に係り、特に、固定子鉄心から張り出した固定子巻線端部の電磁力による振動を抑制できるタービン発電機に関する。 The present invention relates to a turbine generator, in particular, it relates to a turbine generator capable of suppressing the vibration caused by the electromagnetic force of the stator winding end which projects from the stator core.
固定子巻線端部の電磁力による振動を抑制するため、従来のタービン発電機は、特許文献1に示すように、固定子巻線端部を支持構造物によって固定する所謂受動的振動抑制構造であった。
In order to suppress vibration due to electromagnetic force at the stator winding end, a conventional turbine generator, as shown in
上述のような受動的振動抑制構造の場合、タービン発電機の運転周波数と固定子巻線端部の固有振動数が近接する状況、あるいは固定子巻線端部の電磁力等の加振力に対する振動応答が大きな場合、さらにはタービン発電機の負荷変動、即ち、タービン発電機の出力電流の変化に伴う固定子巻線の温度変化によって固定子巻線端部の固有振動数が運転周波数と近接する状況、において固定子巻線端部は振動を発生し、この振動により固定子巻線端部の絶縁層が支持構造物との接触部での異常摩耗や疲労により亀裂や破壊を発生させる問題がある。 In the case of the passive vibration suppression structure as described above, the operating frequency of the turbine generator and the natural frequency of the stator winding end are close to each other, or an excitation force such as electromagnetic force at the stator winding end. When the vibration response is large, the natural frequency at the end of the stator winding is close to the operating frequency due to the load fluctuation of the turbine generator, that is, the temperature change of the stator winding accompanying the change in the output current of the turbine generator. In this situation, the stator winding end vibrates, and this vibration causes the insulation layer at the stator winding end to crack or break due to abnormal wear or fatigue at the contact part with the support structure. There is.
本発明の目的は、固定子巻線端部の振動を抑制して絶縁層の亀裂や破壊を防止できるタービン発電機を提供するものである。 An object of the present invention is to provide a turbine generator capable of preventing cracks and breakage of an insulating layer by suppressing vibrations at the end of a stator winding.
上記目的を達成するために本発明は、固定子鉄心から張り出した固定子巻線端部の振動を検出する振動検出器と、この振動検出器からの検出信号に基づいて固定子巻線端部の振動応答性を変化させる手段とを備え、固定子巻線端部の振動応答性を変化させる手段は、固定子巻線の剛性を制御する手段であり、剛性を制御する手段は、固定子巻線の温度を制御する手段であり、温度を制御する手段は、固定子巻線を直接的或いは間接的に冷却する冷却媒体の温度や流量を制御する手段としたことを特徴とする。 To achieve the above object, the present invention provides a vibration detector for detecting vibration of a stator winding end protruding from a stator core, and a stator winding end based on a detection signal from the vibration detector. The means for changing the vibration responsiveness of the stator winding end is a means for controlling the rigidity of the stator winding, and the means for controlling the rigidity is the stator. It is a means for controlling the temperature of the winding, and the means for controlling the temperature is a means for controlling the temperature and flow rate of a cooling medium for directly or indirectly cooling the stator winding.
このように運転状況に応じて固定子巻線端部の振動応答性を変化させる手段を設けることで、固定子巻線端部の振動応答性を抑制して固有振動を変えることができるので、タービン発電機の運転周波数に近接することを避けることができ、その結果、固定子巻線端部の振動を抑制して絶縁層の亀裂や破壊を防止できるのである。 By providing a means for changing the vibration responsiveness of the stator winding end according to the operating situation in this way, the vibration response of the stator winding end can be suppressed and the natural vibration can be changed. Proximity to the operating frequency of the turbine generator can be avoided, and as a result, vibration at the end of the stator winding can be suppressed to prevent cracking and destruction of the insulating layer.
以上説明したように本発明によれば、固定子巻線端部の振動を抑制して絶縁層の亀裂や破壊を防止できるタービン発電機を得ることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a turbine generator capable of suppressing the vibration of the end portion of the stator winding and preventing the insulating layer from cracking or breaking.
本発明は、機械の振動は対象部位の剛性(ヤング率)が関与し、この剛性が温度によって変化することに着目し、適切に剛性を変化させることで対象部位の振動応答性を変化させて振動を抑制するものである。 The present invention pays attention to the fact that the vibration of the machine is related to the rigidity (Young's modulus) of the target part, and this rigidity changes with temperature. By changing the rigidity appropriately, the vibration response of the target part is changed. It suppresses vibration.
以下、本発明によるタービン発電機の第1の実施の形態を、図1〜図4に基づいて説明する。 Hereinafter, a first embodiment of a turbine generator according to the present invention will be described with reference to FIGS.
タービン発電機は、固定子鉄心1と、この固定子鉄心1に形成された巻線溝に装着された固定子巻線2とを備えた固定子を有し、固定子鉄心1から張り出した固定子巻線端部3は、環状支持部材4や固定子鉄心1の端部に固定された板状支持部材5などの支持構造物で機械的に支持されている。そして、このように構成された固定子の内周側には、ガスタービンや蒸気タービンなどの駆動機械で駆動される図示しない回転子が組み込まれてる。そして、このようなタービン発電機は密閉されたタービンケーシング6で覆われている。
The turbine generator includes a stator having a
前記固定子巻線2は、素線絶縁が施された中空素線導体8と素線絶縁が施された中実素線導体9が複数組み合わされて配置され、外周部には主絶縁層10が施されている。
The stator winding 2 is arranged by combining a plurality of hollow wire conductors 8 with wire insulation and
このように構成された固定子巻線2の前記中空素線導体8に、水や油などの液体冷媒をタービンケーシング6の外側に設置した冷媒供給装置11から供給して循環させて固定子巻線2の運転時における温度上昇を抑制している。したがって本実施の形態は固定子巻線2を直接冷却する直接冷却方式のタービン発電機である。
A liquid refrigerant such as water or oil is supplied to the hollow wire conductor 8 of the stator winding 2 configured in this way from a
上記構成のタービン発電機において、固定子巻線端部3に固定した振動センサ12と、この振動センサ12からの検出信号を受信して振動信号を発信する振動信号発信装置13とで振動検出器を構成すると共に、この振動信号発信装置13からの振動信号は、タービン発電機の運転制御を行う運転制御装置14に送られ、その振動の大きさにより前記冷媒供給装置11から供給される冷媒量や冷媒温度を調整するようにしている。また、運転制御装置14には、発電機の負荷変化である出力電流の変化の情報信号を発信する発電機負荷情報の信号発信装置15からの信号が入力されるように構成されている。
In the turbine generator configured as described above, the
上記のように構成したので、いまタービン発電機の運転中の負荷が変動して固定子巻線端3の振動が増加した場合には、その振動を振動センサ12で検出し、振動信号発信装置13を経由して運転制御装置14に入力すると共に、発電機負荷情報の信号発信装置15からの信号を入力する。
With the above-described configuration, when the load during the operation of the turbine generator fluctuates and the vibration of the
そして、図5に示すフローチャートに示すように、負荷が増加したことによる振動の増加であると運転制御装置14が判断した場合には、固定子巻線2に供給される液体冷媒の冷媒量を増加させるか、冷媒温度を下げるかの指示を冷媒供給装置11に出力する。冷媒供給量の増加あるいは冷媒温度の低下によって固定子巻線2の温度が低下することで、固定子巻線2のヤング率が増加し、それによって固定子巻線端部3の剛性が上がる。その結果、固定子巻線端部3の運転加振周波数に対して振動応答性を下げることができ、固定子巻線端部3の振動を低減させることができる。
Then, as shown in the flowchart shown in FIG. 5, when the
一方、負荷が減少したことによる振動の増加であると運転制御装置14が判断した場合には、固定子巻線2に供給される液体冷媒の冷媒量を減少させるか、冷媒温度を上げるかの指示を冷媒供給装置11に出力する。冷媒供給量の減少あるいは冷媒温度の上昇によって固定子巻線2の温度が上がることで、固定子巻線2のヤング率が低下し、それによって固定子巻線端部3の剛性が下がる。その結果、固定子巻線端部3の運転加振周波数に対して振動応答性を下げることができ、固定子巻線端部3の振動を低減させることができる。
On the other hand, if the
さらに、振動センサ12による固定子巻線端部3の振動が変化しない場合や減少する場合には、運転制御装置14は発電機負荷情報の信号発信装置15の信号を参考にしないで、冷媒供給装置11に冷媒量或いは冷媒温度の現状維持を指示し続ける。
Further, when the vibration of the
このように本実施の形態によれば、運転状況に応じて固定子巻線端部3の振動応答性を変化させることができると共に、振動センサ12によって長期運転によって固定子巻線端部3の振動特性が変化してきたことが検出された場合にも、能動的に振動を抑制して固定子巻線端部3の絶縁層の亀裂や破壊を防止することができる。
As described above, according to the present embodiment, the vibration responsiveness of the
ところで、振動センサ12は、固定子巻線端部3の振動を検出するために、径方向振動、周方向振動、径周両方向の合成振動を検出するセンサを設けることが望ましいが、振動低減の目的に応じて3つの振動センサを選択的に設置しても良いことは勿論である。さらに、固定子巻線端部3は、運転中に高電圧、高電界になっているので、振動センサ12は、検出された振動信号が光ファイバーで光学的に伝送される光振動計等電気的に絶縁された振動センサとすることが望ましい。
By the way, in order to detect the vibration of the
ここで、本実施の形態において、本発明による固定子巻線端部の振動応答性を運転状況に応じて変化させる手段とは、冷媒供給装置11と振動センサ12と振動信号発信装置13と運転制御装置14と発電機負荷情報の信号発信装置15とであり、振動検出器は、振動センサ12と振動信号発信装置13とであり、固定子巻線端部の振動応答性を変化させる手段は、冷媒供給装置11と運転制御装置14とであり、固定子巻線の剛性を制御する手段,固定子巻線の温度を制御する手段,冷却媒体の温度や流量を制御する手段は、冷媒供給装置11と運転制御装置14とである。
Here, in the present embodiment, the means for changing the vibration responsiveness of the end portion of the stator winding according to the present invention in accordance with the operation status is the
図6は、本発明によるタービン発電機の第2の実施の形態を示すもので、第1の実施の形態と同一符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。 FIG. 6 shows a second embodiment of the turbine generator according to the present invention, and the same reference numerals as those in the first embodiment denote the same components, and thus detailed description thereof is omitted.
本実施の形態の構成は、第1の実施の形態とほとんど同じ構成をなしている。第1の実施の形態と異なる構成は、タービンケーシング6内に冷媒冷却装置16を設置し、この冷媒冷却装置16に冷媒供給装置11から冷媒を循環させる点と、タービンケーシング6内の空気等の気体冷媒を冷媒冷却装置16で冷却した後、矢印aで示すように、ブロワ等の送風機17で強制的に回転子及び固定子に循環させ、固定子巻線2については中空素線導体8内に流通させることで冷却を行う点である。
The configuration of the present embodiment is almost the same as that of the first embodiment. The configuration different from that of the first embodiment is that a refrigerant cooling device 16 is installed in the
上記構成によっても、固定子巻線端部3の振動状況を判断して固定子巻線端部3の振動抑制を第1の実施の形態と同じように行うことで、同等の効果を奏することができる。
Even with the above configuration, it is possible to obtain the same effect by judging the vibration state of the
図7及び図8は、本発明によるタービン発電機の第3の実施の形態を示すもので、第1及び第2の実施の形態と同一符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。 FIGS. 7 and 8 show a third embodiment of a turbine generator according to the present invention. The same reference numerals as those in the first and second embodiments denote the same components. Is omitted.
本実施の形態は基本的に第2の実施の形態とほぼ同じ構成をしており、第2の実施の形態と異なる構成は、固定子巻線2の構成と、それに伴う固定子巻線2の冷却構成である。即ち、固定子巻線2は、素線絶縁が施された複数の中実素線導体9のみを配置してその外周を主絶縁層10で覆ったもので、冷媒を流通させる中空素線導体を用いていない。
This embodiment has basically the same configuration as that of the second embodiment. The configuration different from the second embodiment is the configuration of the stator winding 2 and the accompanying stator winding 2. This is a cooling configuration. That is, the stator winding 2 is a hollow wire conductor in which only a plurality of
そこで、第2に実施の形態と同じように、冷媒が供給される冷媒冷却装置16に、タービンケーシング6内の空気等の気体冷媒を送風機17で通過させて冷却し、冷却された気体媒体を強制的に回転子及び固定子に循環させ、固定子巻線端部3については、図8に示すように、主絶縁層10の表面に気体冷媒を矢印aのように接触させて間接的に冷却するようにしている。したがって本実施の形態は固定子巻線端部3を間接的に冷却する間接冷却方式のタービン発電機である。
Therefore, as in the second embodiment, a refrigerant such as air in the
上記構成によっても、固定子巻線端部3の振動状況を判断して固定子巻線端部3の振動抑制を第2の実施の形態と同じように行うことで、ほぼ同様の効果を奏することができる。
Even with the above configuration, the vibration state of the
ところで以上の説明は、固定子巻線端部3の振動及び発電機負荷情報に基づいて固定子巻線2の温度を変化させ、それによって固定子巻線端部3の剛性(ヤング率)を変えて振動応答性を変化させ、運転周波数に近接することを避けるようにしたものであるが、図9に示す第4の実施の形態では、予め取得した振動特性データに基づいて固定子巻線2の温度を制御して固定子巻線端部3の剛性(ヤング率)を変えるようにしたものである。
In the above explanation, the temperature of the stator winding 2 is changed based on the vibration of the
即ち、タービン発電機の設計過程或いは完成後にいて、固定子巻線端部3の振動応答性(感度)、云い代えれば伝達関数を取得して振動のモーダル解析を実施し、固定子巻線端部群の円環振動特性データや系の振動特性データなどの振動の基礎データを前もって取得しておけば、固定子巻線端部3の運転温度における有害となる運転周波数成分の振動応答性(感度)を推定することができる。この振動応答性(感度)は、固定子巻線端部3の温度を調節することで、運転加振周波数における振動応答性(感度)を高めたり低くしたりすることができる。
That is, after the design process or completion of the turbine generator, the vibration response (sensitivity) of the
したがって、予め、タービン発電機の運転負荷状態を想定し、その運転負荷での振動応答性(感度)が、運転加振周波数でより低い値となるように、冷媒の温度を設定して、振動抑制を達成するのである。 Therefore, assuming the operating load condition of the turbine generator in advance, the temperature of the refrigerant is set so that the vibration response (sensitivity) at the operating load is lower at the operating excitation frequency. Repression is achieved.
具体的に図9のフローチャートに従って説明すると、まず、モーダル解析により固定子巻線端部の振動の基礎データを取得し、次に、運転制御装置14の記憶部に入力して実際の運転中に取得したデータと基礎データとを演算部で比較し分析する。運転時における固定子巻線端部の固有振動数(Fn)が運転倍周波数よりも5%以上乖離している場合には、冷媒供給装置11に流量や冷媒温度は事前にセッティングしたままにして運転を継続させる指示を出す。しかし、固定子巻線端部の固有振動数(Fn)が運転倍周波数の近傍、即ち、5%未満に接近している場合には、運転制御装置14は、冷媒供給装置11に流量や冷媒温度を事前にセッティングした冷媒量の増減、あるいは冷媒温度の高低に移行することを指示する。
Specifically, according to the flowchart of FIG. 9, first, basic data of the vibration of the stator winding end is acquired by modal analysis, and then input to the storage unit of the
このようにして事前に所得した振動の基礎データに基づいて固定子巻線端部の温度を制御することでも振動応答性を変えることができ、前記実施の形態と同等の効果を奏することができる。 In this way, vibration response can be changed by controlling the temperature of the stator winding end based on the basic data of vibration that has been obtained in advance, and the same effect as in the above embodiment can be obtained. .
本実施の形態において、本発明による前もって解析した振動特性データを収納する収納部とは、運転制御装置14の記憶部であり、また、振動検出器からの検出信号とデータ収納部の振動特性データとを比較するものは運転制御装置14の演算部である。
In the present embodiment, the storage unit storing the vibration characteristic data analyzed in advance according to the present invention is a storage unit of the
ところで、本実施の形態においては、前もって取得したデータと運転時に取得したデータとを比較して、両データとの間に差が生じた場合に、振動応答性を変えるようにしたものであるが、タービン発電機の運転条件が常に変化しないような場合には、前もって取得したデータに基づいて振動応答性を変化させるタイミングを運転制御装置14にプログラミングしておき、そのプログラミングにしたがってが振動応答性を変化させるようにしてもよい。
By the way, in the present embodiment, the data acquired in advance is compared with the data acquired during operation, and when there is a difference between the two data, the vibration responsiveness is changed. When the operation condition of the turbine generator does not always change, the
次に、本発明の概念の一部と類似する参考例である、タービン発電機の参考例を、図10〜図12に基づいて説明する。尚、図2と同一符号は同一構成部品を示すので、再度の説明は省略する。 Next, a reference example of a turbine generator , which is a reference example similar to a part of the concept of the present invention , will be described with reference to FIGS. Note that the same reference numerals as those in FIG.
第1の実施の形態の図2と外見的に異なる点は、固定子巻線端部3に錘18を設けて、固定子巻線端部3の振動を抑制する点である。
The difference in appearance from FIG. 2 of the first embodiment is that a
即ち、タービン発電機の設計過程或いは完成後において、固定子巻線端部3の振動応答感度、云い代えれば伝達関数を取得して振動のモーダル解析を実施し、固定子巻線端部群の円環振動特性データや系の振動特性データなどの振動の基礎データを前もって取得しておけば、固定子巻線端部3の運転温度における有害となる運転周波数成分の振動応答感度を推定することができることは前述の通りである。
That is, in the design process or after completion of the turbine generator, the vibration response sensitivity of the
一方、一般的な固有振動数f0と剛性(ヤング率)Eと質量Mの関係は、式1となり、剛性Eと質量Mを変えることで固有振動数f0を変えることができることを示している。
f0=1/2π√(E/M)…式1
そして、運転加振周波数の振動応答性は固有振動数f0を調整することで変えることができる。即ち、固定子巻線端部3の対象部位における固有振動数f0を変えることで、運転加振周波数に対する振動応答性(感度)を高くしたり低くしたりすることが可能である。
On the other hand, the general relationship between the natural frequency f0, the stiffness (Young's modulus) E, and the mass M is expressed by
f0 = 1 / 2π√ (E / M)
The vibration responsiveness of the driving excitation frequency can be changed by adjusting the natural frequency f0. That is, by changing the natural frequency f0 at the target portion of the
図11に固有振動数f0の調整による運転加振周波数f1での応答感度の調整例を説明する。まず、予めタービン発電機の運転負荷状態を想定し、図11(A)に示すように、運転加振周波数f1近傍に固定子巻線端部3の固有振動数f0が存在する場合には、その運転負荷での振動応答感度L1が運転加振周波数f1でより低い値となるように、式1の剛性Eを変化させたり質量Mを変化させたりして振動特性S0を変化させる。例えば、図11(B)に示すように、剛性Eと質量Mを変えて固定子巻線端部3の固有振動数f0が高くなる方向に振動特性S1を変えることで、運転加振周波数f1での振動応答感度L2は白矢印で示すように低い値となり、運転加振周波数f1との共振を回避することができる。
FIG. 11 illustrates an example of adjusting the response sensitivity at the driving excitation frequency f1 by adjusting the natural frequency f0. First, assuming the operating load state of the turbine generator in advance, as shown in FIG. 11A, when the natural frequency f0 of the
この例は、固有振動数f0が運転加振周波数f1に対して高くなる方向に変化するように剛性Eあるいは質量Mを変化させたが、固有振動数f0が運転加振周波数f1に対して低くなる方向に変化させるようにしてもよい。 In this example, the stiffness E or the mass M is changed so that the natural frequency f0 increases in the direction of increasing with respect to the operating excitation frequency f1, but the natural frequency f0 is lower than the operating excitation frequency f1. You may make it change in the direction which becomes.
ところで、式1の剛性Eを変えるのが第1〜4の実施の形態であり、質量Mを変えるのが本参考例である。
By the way, changing the rigidity E of
そこで、固定子巻線端部3の錘18を負荷した場合の振動応答感度の調整例を図12に基づいて説明する。
An example of adjusting the vibration response sensitivity when the
錘18は、環状支持部材4の外周面に沿う曲率を有する小片からなり、これら小片の錘18を1個あるいは複数個、環状支持部材4の外周面に固定する。固定法は周知の紐状態による緊縛手段やねじ類による締結手段などで固定する。この錘18の付加により固定子巻線端部3の系の重量(質量)は増加し、それに伴い振動特性S0は振動特性S2のように低くなる方向に変化する。そして固有振動数f0も運転加振周波数f1に対して低くなるように変化して低下し、その結果、運転加振周波数f1での振動応答感度L1はL2のように白矢印で示すように低い値となり、運転加振周波数f1との共振を回避することができる。
The
ところで、加振力をF、重量をm、加速度をaとした場合の運動方程式の基本である式2に示すように、加振力Fが一定となる条件で系が重くなって重量mが増加した場合、加速度aを軽減する効果があるので、振幅をA、加速度をa、各周波数をωとした場合、式3で示されるように、振幅Aを抑制する効果、即ち、振動応答感度Lを低下させる効果を併せ持つことになり、固定子巻線端部3の振動を低減させることになる。
F=ma…式2
a=Aω2…式3
尚、図12中の、固有振動数f0の変化、振動応答感度Lの変化は、式1及び式2を視覚概念的に示したものであり、個別に発生する現象ではない。
By the way, as shown in
F = ma ...
a =
Note that the change in the natural frequency f0 and the change in the vibration response sensitivity L in FIG. 12 are visual concepts of
ところで、前記錘18は、重いほうが振動応答感度Lの調整に有効であるため、鉄系の金属材料や非磁性金属を用いることが望ましい。
By the way, since the
1…固定子鉄心、2…固定子巻線、3…固定子巻線端部、4…環状支持部材、5…板状支持部材、6…タービンケーシング、8…中空素線導体、9…中実素線導体、10…主絶縁層、11冷媒供給装置、12…振動センサ、13…振動信号発信装置、14…運転制御装置、15…信号発信装置、16…冷媒冷却装置、17…送風機、18…錘。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記固定子巻線端部の振動応答性を変化させる手段は、固定子巻線の剛性を制御する手段であり、
前記剛性を制御する手段は、固定子巻線の温度を制御する手段であり、
前記温度を制御する手段は、固定子巻線を直接的或いは間接的に冷却する冷却媒体の温度や流量を制御する手段であることを特徴とするタービン発電機。 A vibration detector for detecting the vibration of the stator winding end protruding from the stator core, and means for changing the vibration responsiveness of the stator winding end based on a detection signal from the vibration detector; Prepared,
The means for changing the vibration responsiveness of the stator winding end is a means for controlling the rigidity of the stator winding,
The means for controlling the rigidity is a means for controlling the temperature of the stator winding,
Means, characteristics and to filter turbine generator to be a means for controlling the temperature and flow rate of the cooling medium to be directly or indirectly cooled stator winding for controlling the temperature.
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