JP7106260B2

JP7106260B2 - 半径方向対向流ジェット冷却システム

Info

Publication number: JP7106260B2
Application number: JP2017196507A
Authority: JP
Inventors: ムーンジャナッツ・マシュー・ビヌ; サティシュ・スリニバサン
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2016-10-20
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2037-10-10
Also published as: US11349373B2; US20190260268A1; EP3312974A1; CN107968506B; JP2018099018A; US20180115218A1; EP3312974B1; US10326335B2; CN107968506A

Description

本出願およびその結果として得られる特許は、一般に、電力の生成に使用される発電機などのダイナモ電気機械に関し、より詳細には、半径方向－軸方向ジェット冷却システムを用いたダイナモ電気機械ロータの改善された冷却に関する。

一般的には、電力などの生成に用いられる大型のタービン駆動発電機は、ロータとステータとを含むことができる。ロータは、その上に巻かれたコイルによって発生される磁束の発生源として働く。ロータはステータ内で回転する。ステータは、交流が誘導され得るいくつかの導体を含むことができる。具体的には、この回転は、ロータとステータとの間の狭いガスギャップ内に磁界を発生させる。

発電機の全体的な出力は、ステータ部品および／またはロータ部品の熱の蓄積に起因してさらなる電流を供給することができないことによって制限され得る。この発生した熱は、絶縁不良などを避けるために、冷却ガスまたは他の媒体に放散されなければならない。さらに、適切な冷却が行われないと、ロータ巻線のホットスポットが生じるおそれがある。例えば、典型的なロータ巻線ホットスポットは、ロータの中心線の周りに見出すことができる。具体的には、多くのロータ設計は、センタリングラインに沿って配置された非能動的に冷却されたセンタリングピンを有することができる。センタリングピンおよびその他の場所でのホットスポット温度を低下させることにより、ロータ巻線の利用率および発電機の全体的な電力出力を高めることができる。

米国特許出願公開第２０１５／０１６２８０４号明細書

本出願およびその結果として得られる特許は、ダイナモ電気機械のロータのための半径方向対向流ジェットガス冷却システムを提供する。半径方向対向流ジェットガス冷却システムは、センタリングピンと、いくつかの軸方向入口ダクトと、軸方向入口ダクトと連通するいくつかの半径方向出口ダクトと、軸方向入口ダクトの周りに配置された軸方向サブスロットと、軸方向サブスロットと連通し、冷却を提供するためにセンタリングピンに沿って延在する半径方向対向流ダクトと、を含むことができる。

本出願およびその結果として得られる特許は、ダイナモ電気機械のロータを冷却する方法をさらに提供する。本方法は、いくつかの導体バーを冷却するために、いくつかの軸方向入口ダクトおよびいくつかの半径方向出口ダクトを通って冷却ガスを流すステップと、センタリングピンを冷却するために、軸方向サブスロットおよび半径方向対向流ダクトを通って冷却ガスを流すステップと、半径方向対向流ダクトから軸方向入口ダクトおよび半径方向出口ダクトのうちの１つもしくは複数に冷却ガスを流すステップと、を含むことができる。

本出願およびその結果として得られる特許は、ダイナモ電気機械のロータをさらに提供する。ロータは、センタリングピンと、１つまたは複数のフローセパレータを有するいくつかの軸方向入口ダクトと、軸方向入口ダクトと連通するいくつかの半径方向出口ダクトと、軸方向入口ダクトの周りに配置された軸方向サブスロットと、軸方向サブスロットと連通し、センタリングピンに沿って延在し、軸方向入口ダクトと連通する半径方向対向流ダクトと、を含むことができる。

本出願およびその結果として得られる特許のこれらのおよび他の特徴もしくは改良は、いくつかの図面および添付の特許請求の範囲と併せて、以下の詳細な説明を検討することにより当業者には明らかになるであろう。

半径方向－軸方向冷却方式を有するロータの一部の概略図である。本明細書に記載することができる半径方向対向流ジェットガス冷却システムを有するロータの一部の概略図である。本明細書に記載することができる半径方向対向流ジェットガス冷却システムの代替的な実施形態の概略図である。本明細書に記載することができる半径方向対向流ジェットガス冷却システムの代替的な実施形態の概略図である。本明細書に記載することができる半径方向対向流ジェットガス冷却システムの代替的な実施形態の概略図である。本明細書に記載することができる半径方向対向流ジェットガス冷却システムの代替的な実施形態の概略図である。本明細書に記載することができる半径方向対向流ジェットガス冷却システムの代替的な実施形態の概略図である。本明細書に記載することができる半径方向対向流ジェットガス冷却システムの代替的な実施形態の概略図である。

ここで図面を参照すると、いくつかの図面を通して類似の符号は類似の要素を示し、図１は、ダイナモ電気機械１００の一部の一例の概略図である。具体的には、ロータ２０の一部が示されている。ロータ２０は、センタリングピン４０の周りに軸方向に配置されたいくつかの導体バー３０を含むことができる。ロータ２０は、ガス冷却システム５０を含むことができる。ガス冷却システム５０は、いくつかの軸方向入口ダクト６０を含むことができる。この例では、第１の軸方向入口ダクト６１、第２の軸方向入口ダクト６２、第３の軸方向入口ダクト６３、．．．および第１０の軸方向入口ダクト７０を有する１０個の軸方向入口ダクト６０が示されている。軸方向入口ダクト６０の各対は、半径方向出口ダクト８０に通じてもよい。この例では、第１の軸方向入口ダクト６１および第２の軸方向入口ダクト６２から延在する第１の半径方向出口ダクト８１と、第３の軸方向入口ダクト６３および第４の軸方向入口ダクト６４から延在する第２の半径方向出口ダクト８２と、．．．第９の軸方向入口ダクト６９および第１０の軸方向入口ダクト７０から延在する第５の半径方向出口ダクト８５と、を含む。任意の数の軸方向入口ダクト６０および半径方向出口ダクト８０を使用することができる。軸方向入口ダクト６０は、ガス５５の流れを遮断するように、各半径方向出口ダクト８０の周り、または他の場所に１つまたは複数のフローセパレータ９０（すなわち、ブロッカまたはクリンピング）を含むことができる。

ガス５５の流れは、軸方向入口ダクト６０に入り、半径方向出口ダクト８０から出て、エアギャップに向かって延在することができる。図示するように、第１の軸方向入口ダクト６１および第２の軸方向入口ダクト６２のみがセンタリングピン４０の周りに延在することができる。その結果、センタリングピン４０の残りの長さが能動的に冷却されない可能性があり、したがって、ホットスポットなどにつながる可能性がある。本明細書に記載するロータ２０は、例示目的だけのものである。他の多くの異なるタイプのロータおよびロータ部品が公知であってもよい。

図２は、本明細書で説明することができるダイナモ電気機械１００の一部の一例の概略図である。具体的には、ロータ１１０の一部が示されている。ロータ１１０は、センタリングピン４０の周りに配置された導体バー３０を含むことができる。ロータ１１０はまた、半径方向対向流ジェットガス冷却システム１２０を含むことができる。半径方向対向流ジェットガス冷却システム１２０は、軸方向入口ダクト６０および半径方向出口ダクト８０を含むことができる。任意の数の軸方向入口ダクト６０および半径方向出口ダクト８０を、本明細書では、任意の適切なサイズ、形状、または構成で使用することができる。この例では、半径方向対向流ジェットガス冷却システム１２０は、半径方向対向流ジェット１３０を含むことができる。半径方向対向流ジェット１３０は、軸方向サブスロット１４０を含むことができる。軸方向サブスロット１４０は、軸方向入口ダクト６０の下方に配置することができる。軸方向サブスロット１４０は、半径方向対向流ダクト１５０に通じることができる。半径方向対向流ダクト１５０は、軸方向入口ダクト６０および第１の半径方向出口ダクト８１と連通することができる。軸方向サブスロット１４０は、既存の軸方向入口ダクト６０のサイズの約半分であってもよいが、軸方向サブスロット１４０および半径方向対向流ダクト１５０は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有してもよい。他の部品および他の構成を本出願で用いることができる。

使用時には、半径方向対向流ジェットガス冷却システム１２０は、半径方向対向流ジェット１３０の軸方向サブスロット１４０および半径方向対向流ダクト１５０を介して、センタリングピン４０の近くに冷却ガス５５を提供することができる。具体的には、冷却ガス５５は、センタリングピン４０の長さに沿って半径方向対向流ダクト１５０を通って延在し、センタリングピン４０に冷却を提供することができる。冷却ガス５５は、軸方向入口ダクト６０に沿って対向流方向に第１の半径方向出口ダクト８１から排出されてもよいし、あるいはその逆であってもよい。他の部品および他の構成も本出願で用いることができる。

図３は、半径方向対向流ジェットガス冷却システム１６０の代替的な実施形態を示す。この例では、ガス冷却システム１６０は、半径方向交差冷却ジェット１７０を含むことができる。半径方向交差冷却ジェット１７０は、軸方向サブスロット１４０を含むことができる。軸方向サブスロット１４０は、半径方向交差ダクト１８０に通じることができる。半径方向交差ダクト１８０は、センタリングピン４０内に配置されたいくつかの交差スロット１９０と連通することができる。したがって、冷却ガス５５は、軸方向サブスロット１４０を通って、半径方向交差ダクト１８０に入り、交差スロット１９０を介してセンタリングピン４０を横切る。冷却ガス５５は、センタリングピン４０の他の側の軸方向入口ダクト６０および半径方向出口ダクト８０を介して出ることができる。半径方向交差ダクト１８０および交差スロット１９０は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有することができる。他の部品および他の構成も本出願で用いることができる。

図４は、本明細書に記載することができる半径方向対向流ジェットガス冷却システム２００のさらなる代替的な実施形態を示す。半径方向対向流ジェットガス冷却システム２００は、組み合わせた半径方向対向流および交差冷却ジェット２１０を含むことができる。組み合わせた半径方向対向流および交差冷却ジェット２１０は、半径方向組み合わせダクト２２０に通じる軸方向サブスロット１４０を含むことができる。センタリングピン４０は、内部にいくつかの交差スロット１９０を有してもよく、いくつかの軸方向入口ダクト６０は、内部にフローセパレータ９０を有してもよい。この場合、冷却ガス５５は半径方向組み合わせダクト２２０に流入することができ、冷却ガス５５の一部はセンタリングピン４０を一方向に横切り、冷却ガス５５の一部は第１の半径方向出口ダクト８１に向かって交差流方向に延在してもよいし、あるいはその逆であってもよい。半径方向組み合わせダクト２２０および交差スロット１９０は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有することができる。他の部品および他の構成も本出願で用いることができる。

図５および図６は、本明細書で記載することができる半径方向対向流ジェットガス冷却システム２３０のさらなる実施形態を示す。半径方向対向流ジェットガス冷却システム２３０は、１つまたは複数の傾斜した半径方向対向流ジェット２４０を含むことができる。傾斜した半径方向対向流ジェット２４０は、軸方向サブスロット１４０を含むことができる。軸方向サブスロット１４０は、１つまたは複数の傾斜した半径方向対向流ダクト２５０に通じることができる。傾斜した半径方向対向流ダクト２５０は、ガスギャップの方向にセンタリングピン４０に向かって傾斜していてもよい。その結果、冷却ガス５５のうちのより多くをセンタリングピン４０の端部に向けて導くことができる。図５は、単一の傾斜した半径方向対向流ダクト２５０の使用を示す。図６は、２つ以上の傾斜した半径方向対向流ダクト２５０の使用を示す。任意の数の傾斜した半径方向対向流ダクト２５０を、本明細書では、任意の適切なサイズ、形状、または構成で使用することができる。他の部品および他の構成を本出願で用いることができる。

図７は、本明細書で記載することができる半径方向対向流ジェットガス冷却システム２６０のさらなる実施形態を示す。半径方向対向流ジェットガス冷却システム２６０は、専用の半径方向対向流ジェット２７０を含むことができる。専用の半径方向対向流ジェット２７０は、軸方向サブスロット１４０および半径方向対向流ダクト１５０を使用することができる。専用の半径方向対向流ジェット２７０はまた、専用の半径方向出口ダクト２８０を含むことができる。専用の半径方向出口ダクト２８０は、冷却ガス５５のための追加の出口経路を提供することができる。専用の半径方向出口ダクト２８０は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有することができる。他の部品および他の構成も本出願で用いることができる。

図８は、本明細書で記載することができる半径方向対向流ジェットガス冷却システム２９０のさらなる実施形態を示す。上記の図２に示したように、軸方向サブスロット１４０は、センタリングピン４０のいずれかの側の半径方向対向流ダクト１５０の周りで終わっている。図８の例では、半径方向対向流ジェットガス冷却システム２９０は、連続した軸方向サブスロット３００を使用することができる。連続した軸方向サブスロット３００は、センタリング・ピン・サブスロット開口部３１０を通って延在することができる。したがって、サブスロット開口部３１０は、冷却ガス５５がセンタリングピン４０のいずれかの側に延在することを可能にする。連続した軸方向サブスロット３００は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有することができる。他の部品および他の構成を本出願で用いることができる。

したがって、本明細書に記載する半径方向対向流ジェットガス冷却システムは、センタリングピン４０の周りの温度を大幅に低下させることができるので、その周りのホットスポットを低減または除去することができる。このような能動的な冷却は、ホットスポットを最適な冷却流で低減することができる。上述した半径方向対向流ジェットガス冷却システムの各々は、図示したように、および／または他の実施形態と組み合わせて使用することができる。

上記は、本出願およびその結果として得られる特許の特定の実施形態のみに関するものであることは明らかである。以下の請求項およびその等価物によって定義されるような本発明の一般的な趣旨および範囲を逸脱することなく、当業者は本明細書において多くの変更および修正を行うことができる。

２０ロータ
３０導体バー
４０センタリングピン
５０ガス冷却システム
５５冷却ガス
６０軸方向入口ダクト
６１第１の軸方向入口ダクト
６２第２の軸方向入口ダクト
６３第３の軸方向入口ダクト
６４第４の軸方向入口ダクト
６９第９の軸方向入口ダクト
７０第１０の軸方向入口ダクト
８０半径方向出口ダクト
８１第１の半径方向出口ダクト
８２第２の半径方向出口ダクト
８５第５の半径方向出口ダクト
９０フローセパレータ
１００ダイナモ電気機械
１１０ロータ
１２０半径方向対向流ジェットガス冷却システム
１３０半径方向対向流ジェット
１４０軸方向サブスロット
１５０半径方向対向流ダクト
１６０半径方向対向流ジェットガス冷却システム
１７０半径方向交差冷却ジェット
１８０半径方向交差ダクト
１９０交差スロット
２００半径方向対向流ジェットガス冷却システム
２１０組み合わせた半径方向対向流および交差冷却ジェット
２２０半径方向組み合わせダクト
２３０半径方向対向流ジェットガス冷却システム
２４０傾斜した半径方向対向流ジェット
２５０傾斜した半径方向対向流ダクト
２６０半径方向対向流ジェットガス冷却システム
２７０専用の半径方向対向流ジェット
２８０専用の半径方向出口ダクト
２９０半径方向対向流ジェットガス冷却システム
３００連続した軸方向サブスロット
３１０センタリング・ピン・サブスロット開口部

Claims

ダイナモ電気機械（１００）のロータ（２０、１１０）のための半径方向対向流ジェットガス冷却システム（１２０、１６０、２００、２３０、２６０、２９０）であって、当該半径方向対向流ジェットガス冷却システム（１２０、１６０、２００、２３０、２６０、２９０）が、
センタリングピン（４０）と、
複数の軸方向入口ダクト（６０）と、
前記複数の軸方向入口ダクト（６０）と連通する複数の半径方向出口ダクト（８０）と、
前記複数の軸方向入口ダクト（６０）の周りに配置された軸方向サブスロット（１４０）と、
前記軸方向サブスロット（１４０）と連通し、前記センタリングピン（４０）に沿って延在する半径方向対向流ダクト（１５０）と
を含んでおり、前記半径方向対向流ダクト（１５０）が半径方向交差ダクト（１８０）を含み、前記センタリングピン（４０）が前記半径方向交差ダクト（１８０）と連通する複数の交差スロット（１９０）を含む、半径方向対向流ジェットガス冷却システム（１２０、１６０、２００、２３０、２６０、２９０）。
前記複数の軸方向入口ダクト（６０）が、１つ又は複数のフローセパレータ（９０）を含む、請求項１に記載の半径方向対向流ジェットガス冷却システム（１２０、１６０、２００、２３０、２６０、２９０）。
前記半径方向対向流ダクト（１５０）が、前記複数の軸方向入口ダクト（６０）と連通する、請求項１に記載の半径方向対向流ジェットガス冷却システム（１２０、１６０、２００、２３０、２６０、２９０）。
前記半径方向対向流ダクト（１５０）と連通する専用の半径方向出口ダクト（２８０）をさらに含む、請求項１に記載の半径方向対向流ジェットガス冷却システム（１２０、１６０、２００、２３０、２６０、２９０）。
前記軸方向サブスロット（１４０）が、連続した軸方向サブスロット（３００）を含む、請求項１に記載の半径方向対向流ジェットガス冷却システム（１２０、１６０、２００、２３０、２６０、２９０）。
前記センタリングピン（４０）が、前記連続した軸方向サブスロット（３００）と連通するセンタリング・ピン・サブスロット開口部（３１０）を含む、請求項５に記載の半径方向対向流ジェットガス冷却システム（１２０、１６０、２００、２３０、２６０、２９０）。
前記複数の軸方向入口ダクト（６０）の一対が、前記半径方向出口ダクト（８０）のうちの１つと連通する、請求項１に記載の半径方向対向流ジェットガス冷却システム（１２０、１６０、２００、２３０、２６０、２９０）。
前記複数の軸方向入口ダクト（６０）及び前記複数の半径方向出口ダクト（８０）が、複数の導体バー（３０）の周りに配置される、請求項１に記載の半径方向対向流ジェットガス冷却システム（１２０、１６０、２００、２３０、２６０、２９０）。
前記複数の軸方向入口ダクト（６０）が第１のサイズを含み、前記軸方向サブスロット（１４０）が第２のサイズを含み、前記第２のサイズが前記第１のサイズの約半分である、請求項１に記載の半径方向対向流ジェットガス冷却システム（１２０、１６０、２００、２３０、２６０、２９０）。
ダイナモ電気機械（１００）のロータ（２０、１１０）であって、当該ロータ（２０、１１０）が、
センタリングピン（４０）と、
複数の軸方向入口ダクト（６０）と、
前記複数の軸方向入口ダクト（６０）内に配置された１つ又は複数のフローセパレータ（９０）と、
前記複数の軸方向入口ダクト（６０）と連通する複数の半径方向出口ダクト（８０）と、
前記複数の軸方向入口ダクト（６０）の周りに配置された軸方向サブスロット（１４０）と、
前記軸方向サブスロット（１４０）と連通し、前記センタリングピン（４０）に沿って延在し、前記複数の軸方向入口ダクト（６０）と連通する半径方向対向流ダクト（１５０）と
を含んでおり、前記半径方向対向流ダクト（１５０）が半径方向交差ダクト（１８０）を含み、前記センタリングピン（４０）が前記半径方向交差ダクト（１８０）と連通する複数の交差スロット（１９０）を含む、ロータ（２０、１１０）。
前記半径方向対向流ダクト（１５０）と連通する専用の半径方向対向流ジェット（２７０）をさらに含む、請求項１０に記載のロータ（２０、１１０）。
前記軸方向サブスロット（１４０）が、連続した軸方向サブスロット（３００）を含み、前記センタリングピン（４０）が、前記連続した軸方向サブスロット（３００）と連通するセンタリング・ピン・サブスロット開口部（３１０）を含む、請求項１０に記載のロータ（２０、１１０）。