JP5695867B2 - タービン発電機冷却用ファンおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は，タービン発電機冷却用ファンおよびその製造方法に関する。

火力・水力発電等用のタービン発電機の冷却のために冷却用ファン（タービン発電機コレクトファン）が用いられる。タービン発電機コレクトファンには，耐久性の関係で，鋼製リベット接合ファン，鋼製溶接接合ファンが適用されてきた。即ち，鋼製の部材をリベットあるいは溶接で接合することで，タービン発電機コレクトファンが製造される。

しかし，鋼製のタービン発電機コレクトファンは重量が大きく，ステディ軸受等の特殊部品を用いる必要があり，タービン発電機コレクトファンを覆うカバーが大型化する要因になっている。また，リベット接合および溶接接合は，製造時間がかかり製造性が低い。このため，高性能・高信頼性に加え，軽量かつ製造性に優れたタービン発電機コレクタファンが求められる。

ファンに関する公知例として特許文献１〜３が挙げられる。特許文献１は，各翼の上端部同士および下端部同士を連結し，上端部および下端部に突設されたガイドピンを円形状のガイド溝に沿って摺動させることによって翼同士の間隔を縮めて円筒体を形成した後，翼連結部と回転基板を締結した遠心ファンを示す。特許文献２は，発電機本体における回転子巻線のコイルエンド部を支持する保持リングの端部に設けられた保持リング支えの回転子軸側内周面に設置したタービン発電機冷却用ファンを示す。特許文献３は，軸支用ボスを有するエンドプレ−トの外周縁部に垂直に形成した翼の自由端部を回転方向に湾曲させ，翼に流入する空気の流れを翼湾曲部によって円滑に案内するようにし，翼への流入空気と翼との衝突を抑制緩和した遠心ファンを示す。

特開２００６−１１２２６４号公報 特開平８−２０５４７３号公報 特開平３−８８９９８号公報

ここで，特許文献１記載のファンは，樹脂製の回転基板と翼をガイドピンと溝で摺動仮固定した後に樹脂バンド締結することにより作業性・組立性を向上した小型機器向けの遠心ファンであるが，タービン発電機のような大型機器の製造には適していない。

また，特許文献２記載のファンは，回転子のコイルエンド部を支持する保持リング端部保持リング支えの回転子軸側にファンを設けることにより，作動流体量を増大させて固定子鉄心および固定子巻線への作動流体量とのバランスを最適化したタービン発電機冷却ファンであるが，ファン翼を保持リング支えにボルト締結しているため，運転時の振動および経年変化によって締結部が緩んで翼が外れる可能性があり、信頼性に乏しい。

さらに，特許文献３記載のファンは，エンドプレートに回転方向に湾曲した翼を設置して翼と流入空気の衝突を緩和させて運転音を低減した空調機向け遠心ファンであるが，第１エンドプレートと翼を一体成形した後に第２エンドプレートと接合するため，大型のファンを製造する場合に時間がかかる。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり，高信頼性・軽量，かつ，製造性に優れたタービン発電機冷却用ファンおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るタービン発電機冷却用ファンは，タービン発電機内に作動流体の流れを形成して冷却するタービン発電機冷却用ファンであって，前記タービン発電機の回転子軸が貫通する貫通孔を有する支持部材と，前記支持部材の表裏それぞれに対向して配置される第１，第２の外部リングと，前記支持部材と前記第１，第２の外部リングそれぞれの間に配置，接続され，前記回転軸と略同軸の第１の円周上に所定の角度で配置される前縁先端部と，前記回転軸と同軸，かつ前記第１の円周より半径が大きい第２の円周上に配置される後縁先端部と，これら前縁先端部と後縁先端部とを接続し，所定の反りを有する中間部と，をそれぞれ備える，複数の第１，第２の翼と，を具備し，前記支持部材，前記第１，第２の外部リング，および前記複数の第１，第２の翼が，Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金材料を削り出して一体的に形成される。

本発明によれば，高信頼性・軽量，かつ，製造性に優れたタービン発電機冷却用ファンおよびその製造方法を提供できる。

タービン発電機コレクタファン１の斜視図である。 タービン発電機コレクタファン１の分解斜視図である。 外部リング２０ｂ，翼３０ｂの上面図である。 タービン発電機コレクタファン１の断面図である。 翼３０ａの拡大上面図である。 翼３０の取付角θと最大応力Ｔｍａｘとの関係を表すグラフである。 取付角θを変化させた場合の流量−静圧特性を表すグラフである。 反りＷを変化させた場合の流量−静圧特性を表すグラフである。

以下，一実施形態に係るタービン発電機コレクタファン（タービン発電機冷却用ファン）１について，図面を参照して説明する。
タービン発電機コレクタファン１は、発電機の回転子の軸に取り付けられ、回転子の回転に伴い，回転し，発電機内の冷却媒体（空気，水素ガス等の作動流体）を循環させる。なお，発電機内には冷却媒体を冷却する冷却器が配置される。

図１は，タービン発電機コレクタファン１の斜視図である。タービン発電機コレクタファンは，支持部材１０，外部リング２０ａ，２０ｂ，翼３０ａ，３０ｂから一体的に構成される。

図２は，タービン発電機コレクタファン１を構成要素に分解した状態を示す分解斜視図である。図３は，外部リング２０ｂ，翼３０ｂを上方から見た状態を表す上面図である。図４は，タービン発電機コレクタファン１の断面図である。図５は，翼３０ａを拡大した状態を表す拡大上面図である。

図２，図４に示されるように，支持部材１０は，平板部１１，ボス部１２（１２ａ，１２ｂ）に区分できる。平板部１１は，略円板形状であり，上面，下面を有する。ボス部１２ａ，１２ｂは，平板部１１の上面，下面それぞれに突出して配置される略円板形状である。
支持部材１０は，発電機の回転子の軸が貫通，固定される貫通孔１３を有する。

外部リング２０ａ，２０ｂは，支持部材１０の上面，下面それぞれに対向して配置される平板リング形状を有する。

図２〜図４に示されるように，翼３０ａ，３０ｂは，それぞれ，十数〜二十数枚（例えば，１８枚，２４枚）であり，支持部材１０の上面，下面と，外部リング２０ａ，２０ｂとの間に配置，接続される。翼３０ａの上下端それぞれが，外部リング２０ａの下面，支持部材１０（平板部１１）の上面と一体的に接続される。翼３０ｂの上下端それぞれが，支持部材１０（平板部１１）の下面，外部リング２０ｂの上面と一体的に接続される。

翼３０ａ，３０ｂは，前縁先端部３１と，後縁先端部３２と，これらの間を接続する中間部とを有する。前縁先端部３１は，発電機の回転子の軸と略同軸の円周Ｒ１に対して所定の角度（取付角）θで配置される。後縁先端部３２は，発電機の回転子の軸と略同軸で，円周Ｒ１より半径の大きな円周Ｒ２上に配置される。

中間部３３は，反りＷを有する（図５参照）。反りＷは，平面Ｓ０（前縁先端部３１と後縁先端部３２がなす平面）と中間部３３との距離（高さの差）（Ｗ）によって定義できる。
反りＷは，翼３０ａ，３０ｂの厚さＤとの比率Ｍで表すことができる。即ち，この比率Ｍは，次の式に示すように，厚さＤに対する反りＷの比率の１００分率で表すことができる。
Ｍ＝（Ｗ／Ｄ）＊１００

なお，タービン発電機コレクタファン１の回転方向Ａに対する反りＷの方向によって，反りＷ（比率Ｍ）の正負を変化させるものとする。図５では，回転方向Ａと反りＷの方向が逆であり，反りＷ（比率Ｍ）は負である。

タービン発電機コレクタファン（支持部材１０，外部リング２０ａ，２０ｂ，翼３０ａ，３０ｂ）の構成材料として，Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金（例えば，６０００系のアルミニウム合金，特に，６０６１−Ｔ６）を使用できる。Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金は，強度、耐食性の双方に優れ，タービン発電機が用いられる過酷な環境での使用に適する。

これに対して，例えば，純アルミニウム（１０００系），Ａｌ−Ｍｎ系アルミニウム合金（３０００系），Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金（５０００系）は，タービン発電機コレクタファンに用いるには強度が不足する。また，Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金（２０００系），Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金（７０００系）は，強度は足りるが，耐食性に欠ける。

Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金は，基本的に，例えば，０．２〜１．５ｍａｓｓ％のＳｉ，０．２５〜１．２ｍａｓｓ％のＭｇを有するアルミニウム合金である。この他に，例えば，０．７ｍａｓｓ％以下のＦｅ，０．９ｍａｓｓ％以下のＣｕ，０．８ｍａｓｓ％以下のＭｎ，０．３５ｍａｓｓ％以下のＣｒが含まれることが許容される。特に，６０６１−Ｔ６のアルミニウム合金は，Ｃｕ：０．１５〜０．４ｍａｓｓ％以下，Ｓｉ：０．４〜０．８ｍａｓｓ％，Ｍｇ：０．８〜１．２ｍａｓｓ％，Ｚｎ：０．２５ｍａｓｓ％以下，Ｆｅ：０．７ｍａｓｓ％以下，Ｍｎ：０．１５ｍａｓｓ％以下，Ｔｉ：０．１５ｍａｓｓ％以下，Ｃｒ：０．０４〜０．３５ｍａｓｓ％以下，残部Ａｌおよび不可避的な非金属介在物が含まれる。

Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金に，溶体化処理，および時効硬化処理を施して，引張強さおよび耐力を向上できる。時効硬化処理時には，タービン発電機コレクタファンの表面および内部の酸化物，非金属介在物などの指定成分以外の物質が混入，発生する。

Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金を溶体化処理ならびに時効硬化処理した素材は，他のアルミニウム合金材料と比較して機械的特性，耐食性および加工性に優れる。６０６１−Ｔ６のアルミニウム合金では，温度５２５℃，処理時間８時間の溶体化処理，および温度１６０℃，処理時間６時間の時効硬化処理を施すことで，引張強さを３１０ＭＰａ以上，かつ，耐力を２７０ＭＰａとした素材を形成できる。

このようにして，Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金を溶体化処理ならびに時効硬化処理した素材を切削加工することで，支持部材１０，外部リング２０ａ，２０ｂ，翼３０ａ，３０ｂが一体的に形成されるタービン発電機コレクタファンを作成する。即ち，支持部材１０，外部リング２０ａ，２０ｂ，翼３０ａ，３０ｂが，相互間で連続した一体構造物として削り出される。

図６は，翼３０の取付角θと最大応力Ｔｍａｘとの関係を表すグラフである。既述のように，取付角θは，翼３０の前縁先端部３１が円周Ｒ１に対してなす角度で定義される。最大応力Ｔｍａｘは，タービン発電機コレクタファン１の応力集中部（翼３０と支持部材１０の境界，翼３０と外部リング２０の境界）での応力である。タービン発電機コレクタファンの使用時に，翼３０と支持部材１０の境界（接続部），翼３０と外部リング２０の境界（接続部）に応力が集中し，この応力集中部での応力（最大応力Ｔｍａｘ）が取付角θのよって変化する。

図６に示されるように，取付角θの拡大に伴って，最大応力Ｔｍａｘが低減する。取付角θとして２０°以上，４０°以下が好ましいことが判る。

タービン発電機コレクタファン１の動作（回転）によって，静圧が増大する。このとき，作動流体の流量と静圧の関係（流量−静圧特性）が翼３０の取付角θおよび反りＷによって変化する。

図７は，反りＷを一定（５％）とし，取付角θを２０°〜４０°の範囲で変化させた場合の流量ＦＲ−静圧Ｐｓ特性を表すグラフである。グラフＧ１１，Ｇ１２，Ｇ１３がそれぞれ取付角θ＝２０°，３０°，４０°に対応する。図８は，取付角θを一定（３０°）とし，反りＷを−５％〜５％の範囲で変化させた場合の流量ＦＲ−静圧Ｐｓ特性を表すグラフである。グラフＧ２１，Ｇ２２，Ｇ２３がそれぞれ反りＷの厚さＤに対する比率Ｍ＝−５％，０％，５％に対応する。

図７に示されるように，取付角θの拡大に伴って，流量に対する静圧の変動が小さくなり，安定した性能が得られる。また，図８に示されるように，比率Ｍ（反りＷ）を−５％とすることで，流量に対する静圧の変動が小さくなり，安定した性能が得られる。既述のように，マイナスの反りは，反りの方向がタービン発電機コレクタファンの回転方向（翼３０の回転方向）と反対であることを意味する。即ち，−５％の反りＷは，タービン発電機コレクタファンの回転方向Ａの反対方向で，かつ翼３０の厚さＤの５％の反りを意味する。ここで，反りＷは，±１％程度の範囲であることが許容され，５％±１％となる。

以上のように，翼３０の取付角θを２０°〜４０°，翼３０の反りＷをタービン発電機コレクタファンの回転方向に対して反対方向に，翼３０の厚さの５％±１％とすることが好ましい。

また，翼３０の後縁先端部３２が鋭利であるほど翼３０の有効部が増して高性能となる。一方，後縁先端部３２が鋭利になると薄肉になり，強度が低下するので，後縁先端部３２を半径１ｍｍ以下の曲面とすることが好ましい。

次のようにして，タービン発電機コレクタファンを製造できる。
（１）Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金を溶体化処理する。
（２）溶体化処理されたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金を時効硬化処理する。
（３）時効硬化処理されたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金を切削加工することで（一体構造削り出し），支持部材１０，外部リング２０ａ，２０ｂ，翼３０ａ，３０ｂを有するタービン発電機コレクタファンを形成する。例えば，ＮＣ工作機を用いて，自動的な削り出しが可能である。

以上のように，切削加工による一体構造削り出しによって，従来のリベット止め方式や溶接方式に比べて製造性が良好となる。また，翼３０の取付角θ，反りＷ等の設定によって安定したファン性能および強度を確保できる。高性能，高信頼性・製造性に優れたタービン発電機コレクタファンによってタービン発電機の冷却効率が向上するので，高性能・高信頼性なタービン発電機を提供することが可能である。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

１０…支持部材，１１…平板部，１２（１２ａ，１２ｂ）…ボス部，１３…貫通孔，２０（２０ａ，２０ｂ）…外部リング，３０（３０ａ，３０ｂ）…翼，３１…前縁先端部，３２…後縁先端部，３３…中間部

Claims (5)

1. タービン発電機内に作動流体の流れを形成して冷却するタービン発電機冷却用ファンであって，
   前記タービン発電機の回転子軸が貫通する貫通孔を有する支持部材と，
   前記支持部材の表裏それぞれに対向して配置される第１，第２の外部リングと，
   前記支持部材と前記第１，第２の外部リングそれぞれの間に配置，接続され，前記回転子軸と略同軸の第１の円周上に所定の角度で配置される前縁先端部と，前記回転子軸と同軸，かつ前記第１の円周より半径が大きい第２の円周上に配置される後縁先端部と，これら前縁先端部と後縁先端部とを接続し，所定の反りを有する中間部と，をそれぞれ備える，複数の第１，第２の翼と，を具備し，
   ０．１５〜０．４ｍａｓｓ％のＣｕ，０．４〜０．８ｍａｓｓ％のＳｉ，０．８〜１．２ｍａｓｓ％のＭｇ，０．２５ｍａｓｓ％以下のＺｎ，０．７ｍａｓｓ％以下のＦｅ，０．１５ｍａｓｓ％以下のＭｎ，０．１５％以下のＴｉ，０．０４〜０．３５ｍａｓｓ％以下のＣｒ，残部Ａｌおよび不可避的非金属介在物を含む、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金材料が，５２５℃，７．５〜８．５時間の溶体化処理，および１６０℃，５．５〜６．５時間の時効硬化処理が施され、
   前記支持部材，前記第１，第２の外部リング，および前記複数の第１，第２の翼が，前記時効硬化処理が施されたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金材料を削り出して一体的に形成される
   タービン発電機冷却用ファン。
2. 前記所定の角度が，２０°以上，４０°以下である
   請求項１記載のタービン発電機冷却用ファン。
3. 前記反りが，前記回転子軸の回転方向に対して反対方向，かつ前記第１，第２の翼の厚さの５％±１％で突出している
   請求項２記載のタービン発電機冷却用ファン。
4. 前記後縁先端部が，曲面もしくは９０°以下の鋭角の形状を有する
   請求項３記載のタービン発電機冷却用ファン。
5. タービン発電機内に作動流体の流れを形成して冷却するタービン発電機冷却用ファンの製造方法であって，
   Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金材料を溶体化処理する工程と，
   前記溶体化処理されたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金材料を時効硬化処理する工程と，
   前記時効硬化処理されたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金材料から，
   前記タービン発電機の回転子軸が貫通する貫通孔を有する支持部材と，
   前記支持部材の表裏それぞれに対向して配置される第１，第２の外部リングと，
   前記支持部材と前記第１，第２の外部リングそれぞれの間に配置，接続され，前記回転子軸と略同軸の第１の円周上に所定の角度で配置される前縁先端部と，前記回転子軸と同軸，かつ前記第１の円周より半径が大きい第２の円周上に配置される後縁先端部と，これら前縁先端部と後縁先端部とを接続し，所定の反りを有する中間部と，をそれぞれ備える，複数の第１，第２の翼と，を一体的に削り出す工程と，を具備し、
   前記Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金材料が，０．１５〜０．４ｍａｓｓ％のＣｕ，０．４〜０．８ｍａｓｓ％のＳｉ，０．８〜１．２ｍａｓｓ％のＭｇ，０．２５ｍａｓｓ％以下のＺｎ，０．７ｍａｓｓ％以下のＦｅ，０．１５ｍａｓｓ％以下のＭｎ，０．１５％以下のＴｉ，０．０４〜０．３５ｍａｓｓ％以下のＣｒ，残部Ａｌおよび不可避的非金属介在物を含み、
   前記溶体化処理する工程において，前記Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金材料が，５２５℃，７．５〜８．５時間，溶体化処理され，
   前記時効硬化処理する工程において，前記Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金材料が，１６０℃，５．５〜６．５時間，時効硬化処理される
   タービン発電機冷却用ファンの製造方法。

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