JP6860592B2 - 水力発電機並びにその製造方法およびその運転方法 - Google Patents

Description

空冷式ロータとステータとを有した電気的な同期機として構成され、極巻線により形成される少なくとも８極をロータに備えた水力発電機が本発明の主題である。また、本発明の水力発電機を製造する方法および運転する方法も本発明の主題である。

水力発電機は、常に危険回転数（曲げ危険回転数）から十分離して、それも好ましくは一次危険回転数の下側で運転する必要がある。危険回転数領域では、回転する不釣合いなものの力が機械の一部や機械全体を共振させる。発電機はこれにより壊れてしまう可能性がある。危険回転数は、回転部分の軸受構造と剛性により、さらにはその質量により概ね特定される。ロータ質量を大きくすると、一次危険回転数は下がることになる。

問題になるのは、高速で回転する巨大な水力発電機の運転である。ロータ質量が非常に大きいために、一次危険回転数は比較的低いところにある。その運転回転数の領域に来ないようにするのに、ロータの質量をできるだけ小さく保つようにしている。ロータ質量が小さいと、同じ出力でも極めて効率的な冷却が要求され、そのためにこの種のロータは水冷で構成される。しかしながら、水冷は簡素な空冷に比べると手間と費用がかかる。

本発明は、ロータを空冷するように構成することができ、それでもなお高速で稼動する高出力の（例えば５００ＭＶＡの領域における）設備に適した水力発電機を提供することを課題とする。

この課題は、特許請求項１の水力発電機により解決される。本発明によれば、自己支持型のロータ本体が、中央のシャフトを持たない代わりに複数の互いに連結された鍛造スチール環からなり、それぞれのスチール環がロータ巻線を収容するための溝を備えている。

この構成態様によれば、中央のシャフトを無くすことで、一方ではロータ質量が低減されてそれにより一次危険回転数が高くなる。他方では鍛造スチール環を用いたこのロータ構造により、ロータ本体の特に高い剛性を実現することができ、その高い剛性により、一次の曲げ危険回転数（ｂｉｅｇｅｋｒｉｔｉｓｃｈｅ Ｄｒｅｈｚａｈｌ）も同様に高められる。こうして、この種の水力発電機は、その高い出力にもかかわらず水力発電機にしては比較的高めの回転数で（例えば４００〜９００回転／分の領域において）運転することができ、ロータは空気で冷却することができる。

好ましくは、個々のスチール環は、軸方向（＝回転軸線に対して平行）に延びるスタッドボルトによって互いに連結ないし一体に緊締される。スチール環は、センタリング座部を用いて互いに芯出し（センタリング）ないし整列することもできる。

発電機の両方のシャフトがそれぞれ接合部を介してスチール環ないしロータ本体と接続されると都合がよい。このとき、接合部は軸方向に延在することで、接合部が半径方向に撓るようになっている。運転温度によって、さらに特には遠心力によって引き起こされるスチール環の膨張は、これによって吸収（補償）される。これらの接合部は、釣鐘形、円筒形、或いは円錐形の形状を有することができる。

スチール環を用いた構造は、冷却空気のための冷却溝を、つまりは環同士の間の接触面の溝ないし凹部により半径方向に容易に形成することができるという利点がある。

好ましくは、スチール環から形成されたロータ本体は、溝の底に軸方向（回転軸線に対して平行）に延びる冷却溝を持つ。このとき、冷却空気は、好ましくも端面側の開口を介してロータ本体の内部に供給され、この内部からさらに、半径方向の冷却溝を介して溝の底に延びる溝へと導かれる。この冷却空気は、次に巻線内の半径方向の穴を通ってロータを後にする。これにより、ロータ巻線は良好に冷却されるようになる。軸方向の冷却溝は、ロータ本体の全長に亘って途切れることなく延びているか、或いはまた長さ方向に分割されていることで冷却空気の配分が理想的に調整できるようになっている。

本発明は、請求項１から１４のいずれかに記載の水力発電機を運転する方法に関し、水力発電機は、一次の曲げ危険回転数の下側で運転される。

さらに、本発明は、請求項１から１４のいずれかによる水力発電機を製造する方法に関し、スチール環がつなぎ合わされてロータ本体へとまとめられる前に、溝が予め個々のスチール環に作り込まれる。出来上がったスチール環は、次に最終的な運転場所まで運搬され、そこではじめてつなぎ合わされて一つにまとめられる。これによって、運搬は著しく容易になる。

以下に、図面に基づき本発明の実施例を説明する。

本発明の水力発電機の概略的な縦断面図である。 ロータの概略的な横断面図である。 図２のロータの一部拡大図である。 図１のロータの一部拡大図である。 図１のロータの一部拡大図である。 図１のロータの一部拡大図である。 ロータの斜視図である。

各図において、同じ符号はそれぞれ同じ装置部分を示す。

図１は、本発明の水力発電機１の実施例の、回転軸線２０に沿った断面を、シャフト１１のための相応の軸受部無しで示す。

垂直に立ったロータ２は、基体２５上に静止したステータ３の内側にある。ロータ本体４は、多数のスチール環５，５ａ，５ｂから形成され、これらのスチール環がねじ付スタッドボルト８とナット２１により一体に緊締されている。個々のスチール環５，５ａ，５ｂは、隣接するスチール環５，５ａ，５ｂの凹部（切欠部）１０に係合するセンタリング段部９によって互いに芯出しされる。ロータ本体４の外側、スチール環５，５ａ，５ｂ内にロータ巻線７のための溝６がある。巻線頭部は、巻線支持体（ロータキャップ）１８により動かないように留められる。

ロータ本体４は、その両端部分においてそれぞれ一つの接合部１２を介してシャフト１１にネジ留めされている。接合部１２は、概ね半径方向ｙに延びる一つの部分１２ａを有し、これがシャフト１１に接続されている。加えて、接合部１２は、半径方向ｙに延びる一つの第二の部分１２ｃを備えてなるが、この部分が外側のスチール環５および５ｂの両方に挟まれていることで接合部１２がスチール環５，５ａ，５ｂにつながることになる。半径方向の二つの部分１２ａと１２ｃの間には、軸方向ｘに延びる接合部１２の部分１２ｂがある。この円筒形の部分１２ｂにより、半径方向ｙにある程度は撓めるようになる。これにより、運転中のロータ本体４の遠心力による膨張と熱膨張が吸収（補償）される。この膨張は、数ミリメートル程度にはなることがあり得る。

ロータ本体４における（接合部１２ａにおける）端面側の開口１４を通って冷却空気がロータ内側２２内に導かれる。この冷却空気は、半径方向ｙに延びる冷却溝１７を通って軸方向ｘに延びる溝の底１６に達し、巻線７内の半径方向の冷却溝２３（図３に看取できる。）を介してロータ巻線７を冷却する。空隙内のこの冷却空気は、最後にはロータ２から出る。

図２は、１８極型水力発電機１のロータ２の断面を示す。スチール環５内の個々の溝６と、スタッドボルト８を収容するための穴２６が良く分かる。

図３は、図２における巻線７の敷設（挿嵌）された溝６を詳細に示す。この図では、溝の底の軸方向延びる冷却溝１６が分かる。冷却空気は、巻線７内の半径方向の冷却溝２３と溝楔子１５を通ってロータ２とステータ３の間の空隙に逃げることができる。

図４には、二つのスチール環５のセンタリング座部が、互いに突き合わされた状態で示されている。スチール環５の環状のセンタリング段部９が隣接するスチール環５の凹部１０に係入する。

図５は、スチール環５および５ｂへの接合部１２の接続を示す。半径方向ｙに延びる部分１２ｃは、外側のスチール環５ｂとスチール環５との間にスタッドボルト８により挟持されている。この領域では、冷却空気は、接合部１２の軸方向ｘに延びる部分１２ｂと、外側のスチール環５ｂとの間の環隙２４を通って半径方向の冷却溝１７に供給されることで溝の底の軸方向の冷却溝１６に達する。

図６は、ロータ内側２２における二つのスチール環の間の半径方向の冷却溝１７を示す。この冷却溝１７は、スチール環５の接触面における半径方向の溝により作製される。

図７では、ロータキャップ１８（巻線支持体）により動かないように留められる巻線頭部の構造が分かる。ロータ巻線７は、本例では１８個の極１９を形成する。

本発明の構造は、重厚長大な水力発電機のために特別に考えられていることから、溝６は、好ましくはスチール環５，５ａ，５ｂを一体に組み立てる前に作り込まれる。これは、その工作に比較的小型の加工装置しか必要とされないためである。

１ 水力発電機
２ ロータ
３ ステータ
４ ロータ本体
５ スチール環
５ａ 中央部分におけるスチール環
５ｂ 端部領域におけるスチール環
６ 溝
７ ロータ巻線
８ スタッドボルト
９ センタリング段部
１０ 凹部／切欠部
１１ シャフト
１２ 接合部
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 接合部の部分
ｘ 軸方向
ｙ 半径方向
１４ 冷却空気のための開口
１５ 溝くさび
１６ 軸方向の空気路
１７ 半径方向の空気路
１８ 巻線支持体
１９ 極
２０ 回転軸線
２１ ナット
２２ ロータ内側
２３ 半径方向の巻線溝
２４ 環の隙間
２５ 基体
２６ 穴

Claims (15)

1. ステータ（３）と空冷式ロータ（２）を持つ電気的な同期機として形成されており、極巻線（７）が少なくとも８極（１９）をロータに形成する水力発電機（１）において、
   自己支持型のロータ本体（４）が中央のシャフトを持つことなく複数の互いに連結された鍛造スチール環（５，５ａ，５ｂ）からなり、それぞれのスチール環（５，５ａ，５ｂ）が溝（６）を備え、その中にロータ巻線（７）が直に挿嵌され、
   スチール環（５，５ａ，５ｂ）から形成されたロータ本体（４）は、半径方向（ｙ）に延びる冷却溝（１７）を備え、
   冷却溝（１７）は、スチール環（５，５ａ，５ｂ）同士の間の接触面の溝ないし凹部により半径方向に形成され、
   スチール環（５，５ａ，５ｂ）から形成されたロータ本体（４）は、組み込まれたロータ巻線（７）の傍に、溝の底に軸方向（ｚ）に延びる冷却溝（１６）を備え、半径方向に延びる冷却溝（１７）が軸方向に延びる冷却溝（１６）に連通していることを特徴とする水力発電機。
2. 請求項１に記載の水力発電機（１）において、
   個々のスチール環（５，５ａ，５ｂ）は、軸方向（ｘ）に延びるスタッドボルト（８）によって互いに連結されていることを特徴とする水力発電機。
3. 請求項１または２に記載の水力発電機（１）において、
   スチール環（５，５ａ，５ｂ）は、センタリング段部（９）を備え、当該センタリング段部が、隣接するスチール環（５，５ａ，５ｂ）の凹部にそれぞれ係入することを特徴とする水力発電機。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の水力発電機（１）において、
   ロータ本体（４）の中央部分を形成するスチール環（５ａ）は、ロータ端部領域のスチール環（５ｂ）とは別の内径を備え、有利には中央部分におけるスチール環（５ａ）の内径は、端部領域におけるスチール環（５ｂ）の内径よりも大きいことを特徴とする水力発電機。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の水力発電機（１）において、
   スチール環（５ｂ）は、端部領域においてそれぞれ接合部（１２）を介してシャフト（１１）に接続されており、接合部（１２）は、軸方向（ｘ）に延在することで、接合部が半径方向（ｙ）に撓るようになっていることを特徴とする水力発電機。
6. 請求項５に記載の水力発電機（１）において、
   接合部（１２）は、釣鐘形に形成されていることを特徴とする水力発電機。
7. 請求項５に記載の水力発電機（１）において、
   接合部（１２）の一部分（１２ｂ）は、円筒形または円錐形に形成されていることを特徴とする水力発電機。
8. 請求項５から７のいずれかに記載の水力発電機（１）において、
   接合部（１２）はそれぞれ、二つのスチール環（５，５ｂ）の間に固定されていることを特徴とする水力発電機。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の水力発電機（１）において、
   軸方向に延びる冷却溝（１６）は、概ね溝の全長に亘って延在することを特徴とする水力発電機。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の水力発電機（１）において、
    ロータ本体（４）は、ロータ内側（２２）への冷却空気の供給のために、有利には端面側に少なくとも一つの開口（１４）を備えていることを特徴とする水力発電機。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の水力発電機（１）において、
    ステータも空冷されていることを特徴とする水力発電機。
12. 請求項１から１０のいずれかに記載の水力発電機（１）において、
    ステータは水冷されていることを特徴とする水力発電機。
13. 請求項１から１２のいずれかに記載の水力発電機（１）を運転する方法において、
    水力発電機（１）は、一次の曲げ危険回転数の下側で運転されることを特徴とする方法。
14. 請求項１から１２のいずれかに記載の水力発電機（１）を製造する方法において、
    スチール環（５，５ａ，５ｂ）がつなぎ合わされてロータ本体（４）へとまとめられる前に、溝（６）が個々のスチール環（５，５ａ，５ｂ）に加工されることを特徴とする方法。
15. 請求項１から１２のいずれかに記載の水力発電機（１）を組み立てる方法において、
    個々のスチール環（５，５ａ，５ｂ）の組み立ては、水力発電機（１）の最終的な運転場所において行なわれることを特徴とする方法。

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