JP6419952B2 - 冷却ダクトを有する電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、ロータ巻線及びステータ巻線と、冷却媒体が貫流するように構成され、ダクト壁によって画定された冷却ダクトと、を含む電気機械に関する。

タービン発電機等の電気機械は、一般的に、ロータ巻線を含む、回転可能に取り付けられたロータと、ステータ巻線を含む、ロータの周囲に配置されたステータと、を含んでいる。運転中には、比較的高い電流が、ロータ巻線だけではなく、ステータ巻線も流れる。ロータ巻線は、磁場が発生するように形成されており、ロータの回転運動によって、ステータ巻線において、電圧が誘導される。このようにして発生した電気エネルギーは、適切な供給網及び送電網を通じて、電力消費者に供給される。

現代のタービン発電機では、ロータ巻線及び／又はステータ巻線内の電流は、過熱の危険が生じる程度に大きい。従って、タービン発電機を冷却しなければならない。これは、空気、水素ガス等のガス、又は、水を貫流させることによって行われ得る。

いわゆる逆流タービン発電機が知られている。逆流タービン発電機は、送風機を含んでおり、温かいガスをタービン発電機内部から吸い込み、当該ガスを冷却器内に吹き込む。当該ガスは、冷却器から新たに、タービン発電機内部を通って流れる。

送風機と冷却器との間には、ディフューザが配置されており、ディフューザは、少ない損失で流れを拡散し、冷却器に対して均等な流れが供給可能になるように構成されている。

しかしながら、現代のタービン発電機の場合、建設空間が小さいので、ディフューザの曲率半径は、最適には設定されていない。選択される曲率半径は、むしろ小さすぎるので、結果として、流れの分離が生じる。それによって、冷却器の機械的負荷が希望に反して増大し、最適な利用が不可能になる。

本発明の課題は、ディフューザを、冷却器に対する最適な流れが可能になるまで改良することにある。

本課題は、ロータ巻線及びステータ巻線と、冷却媒体が貫流するように構成され、ダクト壁によって画定された冷却ダクトと、を含む電気機械によって解決される。その際、ダクト壁は、冷却媒体の流れにおける乱流を増大させるための手段を有している。本発明によって、境界層領域における乱流運動エネルギーが、ダクト壁において増大する。

従って、本発明では、乱流を発生させるための手段をダクト面の表面に配置することが提案される。この乱流は、流れの分離を遅らせる。それによって、流れは、ダクト壁の輪郭に沿って進む。その結果、ディフューザの端部に配置された冷却器に対する流れが最適になる。

有利なさらなる発展形態は、従属請求項に記載されている。

冷却ダクトは、ディフューザとして構成されている。ディフューザは、ガス又は液体の流れの速度を低下させ、ガス又は液体の圧力を上昇させる部材である。従って、ディフューザは、原則的に、ノズルの反対である。ディフューザを用いて、運動エネルギーの圧力エネルギーへの再循環が行われる。これは、流れ横断面の連続的又は不連続的な拡大によって得られる。本発明によると、ディフューザのダクト壁には、流れにおける乱流を増大させるための手段が配置されている。

ディフューザ端部を有するディフューザでは、冷却器がディフューザ端部に配置されている。冷却器をディフューザに直接配置することによって、流れの損失は可能な限り少なくなる。従って、冷却器の冷却作用を最適に利用することが可能である。

別の有利なさらなる発展形態では、ディフューザは、第１の曲率半径を有する内側冷却ダクト壁と、第２の曲率半径を有する外側冷却ダクト壁と、を有しており、第１の曲率半径は、第２の曲率半径よりも小さく、前記手段は、内側冷却ダクト壁に配置されている。内側冷却ダクト壁は、例えばディフューザ外壁の内面であり得る。

電気機械のロータは、回転軸回りに回転可能に形成されている。ステータは、同様に回転軸回りに、略回転対称に構成されている。電気機械内に存在する冷却媒体は、送風機を通じて、まず略軸方向に、すなわち回転軸に対して平行に誘導される。この流体の動きに責任を有する送風機は、一般的に端面に配置されており、冷却媒体の冷却のために形成された冷却器は、場所の理由から、多くの場合は流体の流れる方向に対して９０°の角度で、電気機械の端面に配置されている。従って、ディフューザは、一方では流れの方向を転換し、他方では流れの速度を低下させ、運動エネルギーを圧力エネルギーに変換しなければならない。それゆえ、ディフューザは、まず軸方向の流れる方向に見て外側の冷却ダクト壁を有しており、この外側の冷却ダクト壁は、内側の冷却ダクト壁よりも、回転軸に対して近くに配置されている。流れから見ると、例えばディフューザ外壁の内面のような、内側冷却ダクト壁の半径は、例えばディフューザ外壁の内面のような、外側冷却ダクト壁の半径よりも小さい。従って、冷却流の分離は、内側冷却ダクト壁で生じる。手段が、冷却媒体の流れにおいて乱流を増大させるように構成されている場合、予想される流れの分離の上流に当該手段を取り付けることによって、流れの分離を防止することができる。

有利なさらなる発展形態において、手段はトリップワイヤとして構成されている。トリップワイヤは実質的に、内側冷却ダクト壁における隆起部であり、冷却媒体の流れにとって、流れ抵抗である。その際、トリップワイヤは、流れる方向を有して流れてくる、回転軸に対して略平行である流体が、多かれ少なかれ同時にトリップワイヤにも接触するように配置されている。すなわち、トリップワイヤは、流れの方向に対して略９０°に方向付けられている。ディフューザが、回転軸に対して回転対称に構成されている場合、トリップワイヤは、回転軸の方向に見て、内側冷却ダクト壁に配置されたリングである。当該リングは、回転軸に対して垂直であり、それによって、同じ速度成分を有する冷却媒体は、トリップワイヤ上を流れる。

有利なさらなる発展形態において、手段が、ゴルフボールの表面に似た窪みとして構成されている場合、内側冷却ダクト壁にも外側冷却ダクト壁にも、ゴルフボールによく似た表面が設けられ得る。すなわち、複数の窪みが、例えばディフューザ外壁の内面のような、内側冷却ダクト壁の表面、及び／又は、例えばディフューザ内壁の流れに対向する面のような、外側冷却ダクト表面に配置されている。これらの窪みは、材料の略円形の凹部である。しかしながら、他の形状も考えられる。例えば、窪みは、角を有するように形成された窪みであっても良い。この窪みは、材料の四角形の凹部であり得る。材料の四角形の凹部は、例えば、ディフューザの壁面に容易に形成可能であるスタンプによって得られる。

別の有利なさらなる発展形態では、内側冷却ダクト壁にも、外側冷却ダクト壁にも、複数の隆起部が設けられ得る。このように形成された表面は、概ねサメの皮膚に似ているであろう。このサメの皮膚のモデルは、小さなリッジと呼ぶことも可能なリッジレット（Ripplets）を有している。このような表面形状によって、乱流が生じている表面における摩擦抵抗が減少する。当該表面形状は、非常に鋭い先端を有する細かいリッジであり得る。これらのリッジは、流れの方向に対して平行に配置され、この細かい、流れの方向に対して平行に配置されたリブの寸法は、冷却媒体の速度及び粘性に依存する。これらのリブ又はリッジは、材料技術によって、又は、内側冷却ダクト壁と材料を統一して形成され得る。代替的な実施形態では、リブフィルムを用いることが可能である。

別の有利なさらなる発展形態では、冷却器とディフューザとは、電気機械の端面に配置されている。

上述した本発明の特性、特徴及び利点と、これらを得るための方法とは、以下の図面を用いて詳細に行われる実施例の説明によって、より明確に理解できるようになる。

以下に、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。これらの実施例は、決定的なものとして示されているのではなく、むしろ、図面は、説明に用いられるものであり、概略的及び／又はわずかにゆがんだ形で描かれている。図面から直接認識できる教示の補足に関しては、関連する先行技術が参照される。

同じ機能を有する同じ部材には、同じ参照符号が用いられる。

タービン発電機の横断面を概略的に示した図である。 ディフューザの一部の横断面を概略的に示した図である。 本発明に係る構成を有するディフューザの一部の横断面を概略的に示した図である。

乱流を増大させるための手段を有する本発明に係る実施形態によって、冷却器の機械的負荷が減少し、それによって、冷却器が破損する確率が低下し、さらに、冷却器を十分に利用することが可能になる。図１は、電気機械の実施形態として、タービン発電機１を示している。タービン発電機１は、主に、詳細には図示されていないロータ巻線を有するロータ２を含んでいる。ロータ２は、回転軸３回りに回転可能に取り付けられている。ロータ２の周囲には、詳細には図示されていないステータ巻線を有するステータ４が配置されている。ステータ４の周囲には、最後に、タービン発電機ハウジング５が配置されており、タービン発電機の内側ハウジング６を、外部環境７に対して密閉している。従って、タービン発電機内部６に存在する、例えば空気又は水素等のガスのような冷却媒体は、外部空間７に到達することはできない。運転中には、ロータ巻線にもステータ巻線にも、比較的高い電流が流れる。従って、ロータ巻線もステータ巻線も、適切に冷却されなければならない。これは、ロータ２、又は、適切な冷却媒体が通過するステータ４内に配置された冷却開口部によって行われる。冷却媒体としては、空気、水素等のガス、又は、水が知られている。

ロータ２は、例えば５０Ｈｚの振動数で回転する。他の振動数も知られている。

端面８には、送風機９が配置されており、送風機９は、タービン発電機内部６に存在する冷却媒体を吸入する。これは、矢印１０によって示されており、矢印１０は、平面において、右から左へ、送風機９に向かっている。見やすくするために、２つの矢印のみに参照符号１０を用いている。タービン発電機１は、いわゆる逆流モデルで構成されている。これは、冷却媒体の流れる方向が、内側から外側に向かっているということを意味している。これは、冷却媒体が、送風機９を通って、タービン発電機１の端面に向かって移動するということを意味している。冷却媒体が、送風機又は換気装置を通って、タービン発電機内部６内を端面に向かって移動するという別のモデルも知られている。

タービン発電機１は、冷却ダクト１１を有しており、冷却ダクト１１は、冷却媒体が貫流するように構成されており、ダクト壁１２によって画定されている。冷却媒体は、まず回転軸３に対して平行に、送風機９まで流れた後、冷却ダクト１１内で冷却器１３の方へ方向を転換する。冷却器１３内では、熱せられた冷却媒体が再び冷却され、送風機の作用によって、タービン発電機内部６に流入する。これは、図１において、流れの矢印１４で示されている。場所の理由から、冷却器１３は、冷却媒体の主な流れ方向１５に対して略９０°を成して配置されており、その際、主な流れ方向１５は、回転軸３に対して略平行に方向付けられている。ダクト壁１２は、媒体の流れにおいて乱流を増大するための手段２６を有している。実質的に、冷却ダクト１１は、ディフューザ１６として構成されている。

図２及び図３は、ディフューザ１６の一部を示しており、図２は、ディフューザ１６を、本発明に係る手段２６を伴わない状態で示しており、図３は、本発明に係る手段と共に示している。ディフューザ１６は、トランペット様に、回転軸３回りに回転対称に形成されており、内側冷却ダクト壁１７を有している。この内側冷却ダクト壁１７は、第１の曲率半径１８によって特徴付けられている。つまり、図２及び図３において、流れの線１９によって示された流れは、流れの方向から見て右へ向かう曲線を描いている。小さすぎる第１の曲率半径１８によって、分離箇所２０において、流れの分離が生じ得る。ディフューザ１６は、さらに、第２の曲率半径２２によって特徴付けられた外側冷却ダクト壁２１を有している。図２において明確に見て取れるように、ディフューザは、第１の曲率半径１８が第２の曲率半径２２よりも小さいことを特徴としている。ディフューザは、ディフューザ１６の入口に配置された第１の流れ横断面２３を有している。ディフューザ１６の出口２５には、第２の流れ横断面２４が配置されており、第２の流れ横断面２４は、ディフューザ１６の場合にそうでなければならなかったように、第１の流れ横断面２３よりも大きい。ディフューザ１６の出口２５には、冷却器１３が直接配置されている。図２からわかるように、ディフューザ１６の出口２５において、流れは、外側冷却ダクト壁２１に集中している。本発明によると、図３に示されているように、流れの集中を防止することが重要である。見やすくするために、図３では、ディフューザ１６の形状に関する特徴に、再び参照符号は用いなかった。図３のディフューザ１６は、その外側の形状に関する特徴については、図２と同じである。図２との差異は、内側冷却ダクト壁１７が、冷却媒体の流れにおいて乱流を増大させる手段２６を有しているという点にある。手段２６は、図３で選択された例では、トリップワイヤとして構成されている。つまり、手段２６は、第１の冷却ダクト壁１７に対してわずかに隆起しており、それによって、冷却媒体の流れに影響を与えている。図３には、流れの線１９が示されているが、流れの線１９は、手段２６を導入したことによって、すでに図２とは異なる特性を示している。明らかに見て取れることに、流れの線１９は、出口２５において均等に分散している。つまり、出口２５に配置された冷却器１３に対して、より均等な流れが供給される。それによって、冷却器１３の機械的負荷が減少する。その結果、冷却器１３をさらに十分に利用することが可能になる。トリップワイヤは、冷却ダクト壁１７全体の周囲に配置されており、結果として、図３では図示不可能であるが、実質的にリングが形成されている。当該リングは、回転軸３回りに回転対称に配置されている。

代替的な実施形態では、トリップワイヤとして形成された手段２６の位置に、窪みを配置することが可能である。これは、図３には示されていない。これらの窪みは、ゴルフボールの表面のように造形され得る。つまり、これらの窪みは、一定の間隔をおいて、内側冷却ダクト壁１７に配置されている。窪みの大きさ及び深さは、流れの状況に応じて調整され得る。いずれにしても、手段２６は、内側冷却ダクト壁１７に乱流をもたらす。

別の代替的な実施形態では、手段２６は、複数の隆起部で構成され得る。つまり、手段２６の位置には、いわゆるサメの皮膚が形成される。このようなサメの皮膚は、鋭いリッジを特徴としており、これらのリッジは、長手方向において、流れの方向に配置されている。ここでは、サメの皮膚に関して詳細な説明は行わない。サメの皮膚は、互いに対して平行に配置された複数のリッジを特徴としている。

本発明を、好ましい実施例を通じて、詳細に図示及び説明してきたが、本発明は、開示された例に限定されるものではなく、当業者は、本発明の保護範囲を離れることなく、その他の変形例を当該例から導き出すことが可能である。

１ タービン発電機、２ ロータ、３ 回転軸、４ ステータ、５ タービン発電機ハウジング、６ タービン発電機内部、７ 外部環境、８ 端面、９ 送風機、１０ 矢印、１１ 冷却ダクト、１２ ダクト壁、１３ 冷却器、１４ 矢印、１５ 主な流れ方向、１６ ディフューザ、１７ 内側冷却ダクト壁、１８ 第１の曲率半径、１９ 流れの線、２０ 分離箇所、２１ 外側冷却ダクト壁、２２ 第２の曲率半径、２３ 第１の流れ横断面、２４ 第２の流れ横断面、２５ 出口、２６ 手段

Claims (5)

1. ロータ巻線及びステータ巻線と、冷却媒体が貫流するように構成され、ダクト壁（１２）によって画定された冷却ダクト（１１）と、を含む電気機械であって、
   前記ダクト壁（１２）は、前記冷却媒体の流れにおいて乱流を増大させるための手段（２６）を有しており、
   前記冷却ダクト（１１）は、ディフューザ（１６）として構成されており、
   前記ディフューザ（１６）は、ディフューザ端部を有し、前記ディフューザ端部には、冷却器（１３）が配置されている電気機械において、
   前記手段（２６）は、乱流が流れの分離を遅らせるように前記ダクト壁（１２）の表面に配置されており、それによって、前記ディフューザ（１６）の端部に配置された前記冷却器（１３）に対して、最適な流れが供給されおり、
   前記ディフューザ（１６）が、第１の曲率半径（１８）を有する内側冷却ダクト壁（１７）と、第２の曲率半径（２２）を有する外側冷却ダクト壁（２１）と、を有しており、
   前記第１の曲率半径（１８）は、前記第２の曲率半径（２２）よりも小さく、
   前記手段（２６）は、前記内側冷却ダクト壁（１７）に接して配置されていることを特徴とする電気機械。
2. 前記手段（２６）が、トリップワイヤとして構成されている、請求項１に記載の電気機械。
3. 前記手段（２６）が窪みである、請求項１に記載の電気機械。
4. 前記手段（２６）が複数の隆起部である、請求項１に記載の電気機械。
5. 前記冷却器（１３）と前記ディフューザ（１６）とが端面に配置されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の電気機械。

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