JP5798298B2 - そのコイル接面内に流れ偏向チャネルを有する回転電気機械コイルスペーサブロック - Google Patents

Description

本発明は、循環冷却媒体流を途中捕捉しかつ該循環冷却媒体流を隣接空洞に配向し直すことによって回転電気機械ロータの冷却を高める構造に関する。

ターボ発電機のような大型の回転電気機械のロータは、その中に銅コイルを配置した機械加工スロットがその全長に沿って構成される。ロータ本体の外側で延びるそれらコイルの一部分はコイル端と呼ばれる。ロータのコイル端領域では、コイルは、スペースブロックによってしっかりと保持され、それらスペースブロックは、その位置に応じてスペースブロック、スペーサブロック及びウェッジブロックとしてさらに分類される。

回転電気機械の電力出力定格は、導電体絶縁体に課された温度限界値のために、ロータ界磁巻線を通して付加電流を供給する能力によって制限されることが多い。従って、ロータ巻線の有効な冷却は、機械の出力能力に直接寄与する。このことは、これら機械の一般的な構造のために直接的強制冷却が困難でありかつ費用がかかるロータコイル端について特に当てはまる。一般マーケットは、より低コストかつより高出力密度の発電機におけるより高い効率及びより高い信頼性を要求する傾向があるので、ロータコイル端を冷却することは限定要因となる。コイル端及びコイルを冷却するために、スペースブロックとコイルとの間の空洞を通して循環冷却媒体流を流しかつコイル内のグルーブに流入させるが、この循環冷却媒体流は、これらの空洞から始まりかつチムニ内に吐出される。

米国特許第６，７２０，６８７号公報

本開示の第１の態様は、回転電気機械を提供し、本回転電気機械は、複数の隣接コイルを有するロータと、隣接コイル間に配置されて、それに隣接してかつ該相互隣接コイル間に少なくとも第１の空洞を形成するようになったスペースブロックとを含み、スペースブロックは、該スペースブロックのコイル接面内に配置されて、循環冷却媒体流を途中捕捉しかつ該循環冷却媒体流を第１の空洞に配向し直すようになったチャネルを含む。

本開示の第２の態様は、ガス冷却式回転電気機械を提供し、本ガス冷却式回転電気機械は、スピンドル及び本体部分を有するロータと、本体部分上に配置された軸方向に延びるコイル及び該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端部ストラップを含みかつスピンドルと共にそれらの間に環状領域を形成した複数の隣接コイルを備えたロータ巻線と、コイルの隣接コイル間に設置されて、それによって第１及び第２の空洞を形成した複数のスペースブロックとを含み、各空洞は、環状領域に開口しかつ隣接スペースブロック及び隣接コイルによって境界付けられ、また各スペースブロックは、該スペースブロックのコイル接面内に配置されて、循環冷却媒体流を途中捕捉しかつ該循環冷却媒体流を第１の空洞に配向し直すようになったチャネルを含む。

第３の態様は、ガス冷却式回転電気機械用のスペースブロックに関し、本スペースブロックは、ガス冷却式回転電気機械のロータ巻線の隣接コイル間に取付けられて、それによってそれに隣接して第１及び第２の空洞を形成するようになったブロック部材と、ブロック部材のコイル接面内に配置されて、循環冷却媒体流を途中捕捉しかつ該循環冷却媒体流を第１の空洞に配向し直すようになったチャネルとを含む。

それに対して対向対面関係になったステータを備えた回転電気機械ロータのコイル端の一部分の断面図。 図１の線２−２に沿って取った回転電気機械ロータの断面平面図。 コイル端空洞内へのかつ該コイル端空洞を通しての従来型の受動的ガス流を示す概略図。 本発明の実施形態によるスペースブロックを備えたガス冷却式回転電気機械の実施形態を示す概略図。 本発明によるスペースブロックの実施形態の拡大斜視図。 本発明によるスペースブロックの実施形態の拡大斜視図。 本発明によるスペースブロックの実施形態の拡大斜視図。 本発明によるスペースブロックの実施形態の拡大斜視図。 本発明によるスペースブロックの実施形態の拡大斜視図。 本発明によるスペースブロックの実施形態の拡大斜視図。

様々な図全体を通して同一の参照符号が同様の要素を表している図面を参照すると、図１及び図２は、ガス冷却式回転電気機械用のロータ１０を示しており、回転電気機械はまた、ロータを囲むステータ１２を含む。ロータは、ロータスピンドル１６上に心出しして配置されかつ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、それら端面の１つの端面の一部分１８を示している。本体部分には、ロータ巻線を構成する同心配置コイル２２を受けるようになった複数の円周方向に間隔を置いて配置されかつ軸方向に延びるスロット２０が設けられる。分かり易くするために、５つのロータコイルのみを示しているが、一般的に実用上はより多くの個数のロータコイルが使用される。

具体的には、スロットの各スロット内において、ロータ巻線の一部分を構成する幾つかの導電体バー２４を重ね合せる（スタックする）。隣接導電体バー２４は、電気絶縁体２５の層によって分離される。重ね合せた導電体バーは一般的に、ウェッジ２６（図１）によってスロット内に保持されかつ銅のような導電材料で製造される。導電体バー２４は、本体部分の各対向する端部において端部ストラップ領域と呼ぶことができる区域内におけるコイルの端部巻線２７によって相互連結される。コイル２２は、軸方向に延びるコイル２３を備えたコイル側部セクションを含みかつ端面を超えて端部ストラップ領域まで軸方向に延びる。一纏めにして、軸方向に延びるコイル２３及び端部巻線２７はコイル端２８と呼ばれる。端部巻線２７もまた、電気絶縁体の層によって分離される。

図１を具体的に参照すると、保持リング３０が、本体部分の各端部における端部巻線の周りに配置されて、遠心力に抗してコイル端２８を所定の位置に保持する。保持リング３０は、その１つの端部において本体部分に固定されかつロータスピンドル１６上方で外に向かって延びる。心出しリング３２が、保持リング３０の遠位端部に取付けられる。先行技術で公知のように、保持リング３０及び心出しリング３２は、その他の方法でも取付けることができることに注目されたい。心出しリング３２の内周端縁部は、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てガス入口通路３４を形成するようになり、またコイル端２８は、ロータスピンドルから間隔を置いて配置されて環状領域３６を形成するようになる。スロット２０（図２）に沿って形成された幾つかの軸方向冷却チャネル３８が、環状領域３６を介してガス入口通路３４と流体連通状態で設けられて、コイル２２（図２）に対して冷却ガスを送給する。

図２に移ると、ロータ１０の各端部における端部巻線２７（図１）は、幾つかのスペーサ又はスペースブロック４０によって円周方向及び軸方向に分離することができる。（説明を分かり易くするために、図１にはスペースブロックを示していない。）端部巻線２７間にスペースブロック４０を配置した場合には、それらスペースブロック４０は、端部ストラップブロック４８と呼ぶことができる。さらに、軸方向に延びるコイル２３は、幾つかのスペースブロック４０によって円周方向に分離することができる。このような配置では、スペースブロック４０は、コイル側部ブロック５０又は本体ウェッジブロック５２と呼ぶことができる。これらのブロックは、この配置においてコイル２３と係合するのに必要となるアーチ形形状に適応するようなウェッジ形状とすることができるので、これらのブロックに対して、「ウェッジ」という用語を適用することができる。いずれにしても、スペースブロック４０は、軸方向に延びるコイル側部セクション又は端部ストラップ領域のいずれにおいてであれ、隣接コイル間の空間内に設置した絶縁体材料の細長いブロック部材である。スペースブロック４０は、端部ストラップセクション又はコイル側部セクションの全半径方向深さを越えて環状隙間３６内に延びることができる。

図４に最もよく示すように、殆どのケースでは、隣接コイル（軸方向に延びるコイル２３又は端部ストラップ２７のいずれであれ）間に配置したスペースブロック４０は、それぞれ該スペースブロック４０に隣接してかつ該相互隣接コイル間に第１及び第２の空洞１６０、１６２を形成する。コイル端２８の同心スタック部（重ね合せ部）間の空間は、空洞４２に分割される。図２に示すように、これらの空洞は、その上部について保持リング３０によってまたその４つの側面について隣接端部ストラップ２７及び隣接スペースブロック４８によって境界付けられる。同様に、図２に最もよく示すように、軸方向に延びるコイル２３の半径方向スタック部間のスペースブロック４０は、空洞５４、５６に分割することができる。一般的に、図２に最外側コイルについて示すように、隣接コイル２３間に配置したスペースブロック４０（本体ウェッジブロック５２）は、該スペースブロックがロータ歯２９の端部に直接当接させて配置されるので、該スペースブロックに隣接して１つの空洞５４のみを形成する。空洞５４は、その上部について保持リング３０によってまたその４つの側面について隣接コイル２３及び隣接スペースブロック４０（コイル側部ブロック５０及び本体ウェッジブロック５２）によって境界付けられる。しかしながら、本発明の実施形態によると、図２に最外側コイルについて示すように、スペースブロック４０（本体ウェッジブロック５２）がロータ歯２９の端部に当接していない場合には、空洞５６もまた存在することができる。空洞５６は、その上部について保持リング３０（又はウェッジ２６（図１））によってまたその４つの側面について隣接コイル２３、隣接スペースブロック４０（コイルスペースブロック５０）及びロータ歯２９の端部によって境界付けることができる。図１は、この後者の状況を示している。

図１で最もよく分かるように、上記の空洞の各々は、環状領域３６を介してガス入口通路３４と流体連通状態になっている。従って、ガス入口通路３４を通してコイル端２８とロータスピンドル１６との間の環状領域３６に流入する冷却ガスの一部分は、空洞４２、５４、５６に流入し、その内部で循環し、かつその後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。ガス流れは、図１、図３及び図４に矢印で示している。冷却媒体流の方向に応じて、空洞４２、５４及び５６のいずれもが、第１の空洞１６０又は第２の空洞１６２を構成することができる。

図３に概略的に示すように、回転発電機空洞内に作用する固有のポンプ作用及び回転力は一般的に、大きな単一流れ循環セルを発生させる。この流れ循環セルは、空洞の外周端縁部近くでその最高速度を示し、該空洞の中心領域における固有の低速度のために該中心領域は不適切な冷却状態のままにする。図３から分かるように、コーナ領域の大きな面積もまた、流れセルの円形運動がコーナ部内に冷却流れを運ばないので不適切な冷却状態となる。

次に本発明の実施形態による図４を参照すると、少なくとも１つの、好ましくは各々のスペースブロック１４０は、該スペースブロックのコイル接面１４６内に配置されて、循環冷却媒体流を途中捕捉しかつ該循環冷却媒体流を該スペースブロックに隣接した第１の空洞に配向し直すようになったチャネル１４４を含む。図４では、空洞４２すなわち端部ストラップ２７の場合でのロータコイル端組立体の部分的セクション内に、スペースブロック１４０を示している。同様に、図２に示すように、スペースブロック１４０は、軸方向に延びるコイル２３内に配置することができる。従って、図１〜図２に最もよく示すように、スペースブロック１４０は、軸方向に延びるコイル２３及び／又は端部ストラップ２７内に配置することができる。従って、本明細書で使用する場合には、「コイル接面」というのは、軸方向に延びるコイル２３又は端部ストラップ２７、すなわち一纏めにしてコイル端２８のコイル２２に面していることを意味することができる。チャネル１４４は、コイル２３又は端部ストラップ２７に対して開口したトラフ又はトレンチを形成し、このトラフ又はトレンチを通して循環冷却媒体流を１つの位置から第１の空洞１６０に流して、従って空洞間での冷却媒体の流れを改善しかつさらに軸方向に延びるコイル２３又は端部ストラップ２７の接面の直接的対流冷却を行うことができる。

図５〜図１０は、スペースブロック１４０の異なる実施形態、具体的には用いることができる異なるチャネル１４０の拡大斜視図を示している。ガスの流れは、図５〜図１０に矢印で示している。図４及び図５に示すように、１つの実施形態では、チャネル１４４は、第２の空洞１６２、すなわちスペースブロック１４０の第１の空洞１６０とは他の側における空洞から循環冷却媒体流を途中捕捉しかつ配向し直すことができる。図６は、チャネル１４４が、第１の空洞１６０から循環冷却媒体流を途中捕捉しかつ配向し直す、つまりチャネル１４４が、第１の空洞１６０から冷却媒体流を捕らえかつ該冷却媒体流を第１の空洞内の別の位置に戻すようにする実施形態を示している。この実施形態は、スペースブロック１４０が、該スペースブロック１４０に隣接して１つの空洞のみを有するような場合における適応性を見出すことができる。これは、例えば図２の最外側コイルについて示すように、本体ウェッジブロック５２をロータ歯２９の端部に直接当接させて配置した場合、すなわち空洞５６が全く存在しない場合に実施することができる。

図７は、ロータ１０のスピンドル１６周りの環状領域３６から循環冷却媒体流を途中捕捉しかつ配向し直すチャネル１４４を示している。図８及び図９は、環状領域３６から冷却媒体流を捕らえることに加え、さらに第２の空洞１６２から循環冷却媒体流を途中捕捉しかつ配向し直すことができるチャネル１４４を示している。つまり、冷却媒体流は、環状領域３６及び第２の空洞１６２の両方から捕らえることができる。

図１０は、チャネルが面するコイル２２（軸方向に延びるコイル２３又は端部ストラップ２７）から循環冷却媒体流を途中捕捉しかつ配向し直すチャネル１４４を示している。この実施形態では、チャネルと流体連通状態になったポケット１４８をスペースブロック１４０の接面１４６内に配置して、循環冷却媒体流がコイル又はコイル端から始まることができるようにすることができる。このケースでは、コイル２２は、層間に十分な間隔を有して冷却媒体流を発生させるのを可能にする。

チャネル１４４の特定の実施形態について説明してきたが、チャネル１４４は、明確には示していない多様な異なる形状を採ることができること、また図示した実施形態を組合せて、本発明の技術的範囲内で極めて多様な実施可能チャネル構造を構成することができることを強調しておく。

図５に戻ると、別の実施形態において、上記のスペースブロック１４０及びチャネル１４４構成のいずれもがまた、第１の空洞１６０及び／又は第２の空洞１６２に面する流れ偏向構造体１７０を用いることもできる。ブロック構成で示しているが、流れ偏向構造体１７０は、例えば本明細書にその各々を参考文献として組入れている米国特許第６，４６５，９１７号において又は米国特許出願ドケット番号第２２６９５５号において説明されているような構造体の形状を採ることができる。参考文献としての特許及び出願に説明されているように、流れ偏向構造体１７０は、それぞれの空洞の中心部に冷却媒体流を再分配してそこでの熱伝達率を高める。

本明細書における「第１の」、「第２の」などの用語は、何らの順序、数量又は重要度を表すものではなく、むしろ１つの要素を別の要素から区別するために使用しており、また本明細書における数詞を付していない表現は、数量の限定を表すものではなく、むしろ記載した事項の少なくとも１つが存在することを表している。数量と関連して使用する「約」と言う修飾語は、記述した数値を包含しかつ文脈によって決まる意図的意味を有する（例えば、特定の数量の測定に関連する誤差の程度を含む）。本明細書で使用する場合における「１つ又は複数の」という前置表現は、この表現が前置する用語のものの単数及び複数の両方を含み、従ってその用語のものの１つ又はそれ以上を含む（例えば、１つ又は複数の金属という表現は、１つ又はそれ以上の金属を含む）ことを意図している。本明細書に開示した範囲は、包括的でありかつ独立して組合せ可能である（例えば、「最大約２５重量％までの又はより具体的には約５重量％〜約２０重量％」の範囲というのは、「約５重量％〜約２５重量％」の範囲の端点及び全ての中間値などを含む）。

本明細書では、様々な実施形態について説明しているが、当業者が要素の様々な組合せ、それらの変形或いは改良を行うことができ、またそれらが本発明の技術的範囲内にあることは、本明細書から分かるであろう。さらに、本発明の技術的範囲から逸脱せずに特定の状況及び物的事項を本発明の教示に適合させるように、多くの変更を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではないこと、また本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。

１０ ロータ
１２ ステータ
１４ 本体部分
１６ ロータスピンドル
１８ 部分
２０ 軸方向に延びるスロット
２２ 同心配置コイル
２３ 軸方向に延びるコイル
２４ 導電体バー
２５ 電気絶縁体
２６ ウェッジ
２７ 端部巻線
２８ コイル端
３０ 保持リング
３２ 心出しリング
３４ ガス入口通路
３６ 環状領域
３８ 冷却チャネル
４０ スペースブロック
４８ 端部ストラップブロック
５０ コイル側部ブロック
５２ ウェッジブロック
１４０ スペースブロック
１４４ チャネル
１４６ 接面
１４８ ポケット
１６０ 第１の空洞
１６２ 第２の空洞
１７０ 流れ偏向構造体

Claims (12)

1. 複数の隣接するコイルを有するロータ（１０）と、
   前記ロータのスピンドル（１６）の周りで、かつ前記複数の隣接するコイルの半径方向内側に位置する環状領域（３６）と、
   前記複数の隣接するコイルのうちの隣接する２つのコイルの間に配置され、それに隣接してかつ該隣接する２つのコイル間に少なくとも第１の空洞（１６０）を形成するようになったスペースブロック（４０、１４０）と、
   を含み、
   前記スペースブロックが、
   前記環状領域（３６）内に配置された流体開口と、
   前記スペースブロックのコイル接面（１４６）内に配置されて、循環冷却媒体流を前記環状領域（３６）から前記流体開口を介して途中捕捉しかつ該循環冷却媒体流を少なくとも一部を半径方向に向けて前記第１の空洞（１６０）に配向し直すようになったチャネル（１４４）と、
   を含み、
   前記チャネル（１４４）が、前記流体開口から前記第１の空洞（１６０）の第２の開口に向けてテーパ状である、
   回転電気機械。
2. 前記チャネル（１４４）が、前記第１の空洞（１６０）の第１の部分から、前記第１の部分と異なる前記第１の空洞（１６０）の第２の部分に、前記循環冷却媒体流を途中捕捉しかつ配向し直す、請求項１に記載の回転電気機械。
3. 前記チャネル（１４４）が、前記スペースブロックに隣接しかつ相互に隣接する前記コイル間に位置する第２の空洞（１６２）から循環冷却媒体流を途中捕捉しかつ配向し直す、請求項１または２に記載の回転電気機械。
4. 前記チャネル（１４４）が、該チャネル（１４４）が面する前記コイルに近接する前記循環冷却媒体流の一部を途中捕捉しかつ配向し直す、請求項１から３のいずれかに記載の回転電気機械。
5. 前記スペースブロックの接面（１４６）内にかつ前記チャネル（１４４）と流体連通状態で配置されたポケット（１４８）をさらに含む、請求項４に記載の回転電気機械。
6. 前記ロータ（１０）が、本体部分（１４）を含み、
   前記複数のコイルの各々が、
   軸方向に延びるコイル（２３）と、前記本体部分（１４）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（２８）とを形成した端部巻線（２７）とを含む、
   請求項１から５のいずれかに記載の回転電気機械。
7. 空洞と接する前記スペースブロックの少なくとも１つの接面上に前記チャネルの半径方向外側に配置された、少なくとも１つの流れ偏向構造体（１７０）をさらに含む、請求項１から６のいずれかに記載の回転電気機械。
8. スピンドル（１６）及び本体部分（１４）を有するロータ（１０）と、
   複数の隣接するコイルを備えたロータ巻線であって、
   前記複数の隣接するコイルは、前記本体部分（１４）上に配置された軸方向に延びるコイル（２３）と、該本体部分（１４）の少なくとも１つの端部を超えて軸方向に延びる端部ストラップ（２７）とを含み、
   前記コイルと前記スピンドル（１６）とがそれらの間に環状領域（３６）を形成する、
   ロータ巻線と、
   前記コイルの隣接するコイル群の間で、前記ロータの軸方向に延びるコイル側部セクションに設置されて、それによって第１及び第２の空洞を形成する複数のスペースブロック（４０）と、
   を含み、
   各前記空洞が、前記環状領域（３６）に開口しかつ前記隣接スペースブロック（４０）及び隣接するコイルによって境界付けられ、
   前記スペースブロックが、
   前記環状領域（３６）内に配置された流体開口と、
   前記スペースブロックのコイル接面（１４６）内に配置されて、循環冷却媒体流を前記環状領域（３６）から前記流体開口を介して途中捕捉しかつ該循環冷却媒体流を前記第１の空洞（１６０）に配向し直すようになったチャネル（１４４）と、
   を含み、
   前記チャネル（１４４）が、前記流体開口から前記第１の空洞（１６０）の第２の開口に向けてテーパ状である、
   ガス冷却式回転電気機械。
9. 前記チャネル（１４４）が、前記第１の空洞（１６０）の第１の部分から、前記第１の部分と異なる前記第１の空洞（１６０）の第２の部分に前記循環冷却媒体流を途中捕捉しかつ配向し直す、請求項８に記載のガス冷却式回転電気機械。
10. 前記チャネル（１４４）が、前記第２の空洞（１６２）から循環冷却媒体流を途中捕捉しかつ配向し直す、請求項８に記載のガス冷却式回転電気機械。
11. 前記チャネル（１４４）が、該チャネル（１４４）が面する前記コイルに隣接する前記循環冷却媒体流の部分を途中捕捉しかつ配向し直す、請求項８に記載のガス冷却式回転電気機械。
12. ガス冷却式回転電気機械用のスペースブロックであって、
    前記ガス冷却式回転電気機械のロータ巻線の隣接するコイル間に取付けられて、それに隣接して第１及び第２の空洞を形成するようになったブロック部材と、
    前記ブロック部材のコイル接面（１４６）内に配置されて、循環冷却媒体流を前記ロータ巻線の周りに位置する環状領域から途中捕捉し、該循環冷却媒体流を前記第１の空洞（１６０）に配向し直すようになったチャネル（１４４）と、
    を含み、
    前記チャネル（１４４）が、前記環状領域の第１の開口から前記第１の空洞（１６０）の第２の開口に向けてテーパ状である、
    スペースブロック。
    

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