JPS5840896B2 - 逆流冷却式回転電気機械 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は逆流冷却式回転電気機械、更に具体的に云え
ば、逆流冷却式回転電気機械の固定子鉄心端部を冷却す
る改良された装置に関する。

大形タービン発電機の様な回転電気機械は、典型的には
回転子の内部、回転子と固定子の間のガス・ギャップ及
び固定子の積層板の間の通路を流れる水素の様な冷却ガ
スによって冷却される。

固定子巻線は巻線自体の内部を流れる液体によって１次
的に冷却されていてもいなくてもよい。

固定子の積層鉄心の中を流れる冷却ガスが、渦電流及び
ヒステリシス損失に伴う熱を取去ることにより、積層板
を冷却する様に作用する。

固定子鉄心端部、特にその歯部で発生された熱は、特に
問題になる。

これは、機械の両端に於ける漏洩磁束の為、固定子鉄心
端部の積層板では中心の積層板より単位体積あたりに発
生される熱が多いからである。

従来、固定子鉄心端部の積層板の歯部は、ファンから直
接的に歯に当る冷却ガスによって有効に冷却され、こう
して良好な熱伝達が行なわれていた。

ガス冷却器からファン、回転子端部、固定子鉄心端部の
積層板を通ってガス冷却器へ戻る様に冷却ガスを圧送す
るこの冷却方式は、順方向の流れの通気として知られて
いる。

然し、大形タービン発電機の定格が増加するにつれ、発
電機の回転子端部で発生される熱がこういう発電機の能
力を制限する因子になることが判った。

発電機の回転子に於ける過熱が起るこの様な局部的な区
域を冷却する為、冷却ガスをファンによって最初にガス
冷却器へ圧送し、その後流れを分け、一部分を回転子端
部に圧送して回転子を冷却し、残りの冷却ガスを固定子
鉄心の冷却通路に圧送する逆流冷却方式が採用された。

この様な逆流通気方式が米国特許第３７３９２０８号に
記載されている。

然し、この逆流冷却方式では、固定子鉄心端部を冷却す
る為に使われる冷却ガスが、ギャップに流れ込むのでな
く、ギャップから流れ出す為、固定子鉄心端部の歯部に
直接的にぶつからなくなる。

この為、固定子鉄心端部に於ける熱の蓄積が逆流冷却式
発電機の出力能力を制限する因子になる。

従来の逆流冷却式のこの欠陥が、この発明では、冷却ガ
スの流れの一部分を速度を高くして固定子鉄心端部に向
け、こうしてこの固定子鉄心端部を一層効果的に冷却す
ることによって克服される。

この一層有効な冷却が、固定子鉄心端部に於ける冷却ガ
スの流れの流体損失を最小限に抑える様な形で達成され
る。

更に、この発明では、ガス・ギャップ内に於ける成る流
れ区域の完全さ、すなわち、個々の流れ区域が隣りの流
れ区域と互いに分離された状態が保たれ、こうして冷却
方式全体の性能が改善される。

冷却ガスを固定子鉄心端部に向ける手段が、冷却ガスの
一部分を発電機の回転子の近くへも向け、このため回転
子によって冷却ガスの流れに回転速度成分が生じ、した
がってガスのエネルギが増大し、これを有用な静圧に変
える案内翼を持つファンを用いることによって冷却方式
の性能を更に改善し得る。

最後に、この発明は、成る冷却通路に於ける冷却ガスの
過剰の流れを防止して、冷却方式の性能を一層改善する
手段を提供する。

従って、この発明の目的は、冷却ガスを固定子鉄心端部
の積層板に対して、これらの積層板を効果的に冷却する
のに十分な速度で向ける様にした、逆流冷却式回転電気
機械を提供することである。

この発明では、回転電気機械の固定子鉄心端部から隔た
っていて、それと大体同心の環状じゃま板を設ける。

じゃま板は大体３角形断面であって、丸くした突端を持
ち、冷却ガスがじゃま板の周りを流れる際の圧力損失を
最小限にする。

じゃま板は回転電気機械に組込み易くする為、複数個の
弓形部分で構成することが出来る。

この発明の好ましい実施例では、じゃま板が回転電気機
械の固定子の外側のスペーサ・ブロック（間隔片）に取
付けられる。

該外側スペーサ・ブロックは、周知のように、固定子鉄
心積層板を締付は保持する押え板の力を固定子鉄心の歯
形部分へ伝えるために用いられるものである。

動作の際、回転子と固定子との間のギャップから出て来
る冷却ガスがじゃま板によって、回転電気機械の固定子
鉄心端部に向けて流れる指向性の流れにしぼられ、こう
してこの固定子鉄心端部に向けて流れる冷却ガスの速度
を高めて、その冷却が一層効果的に行われる様にする。

じゃま板は冷却ガスの流れを回転子の近くへも向け、回
転子によって流れに回転速度成分が加わり、この為流れ
にエネルギが加わって、冷却ガスの性能が一層改善され
る。

この発明は以下図面について好ましい実施例を説明する
所から一層容易に明らかになろう。

第１図は米国特許第３７３９２０８号に記載されるのと
同様な逆流冷却式タービン発電機の１端を示す。

発電機が気密ケーシング１を持ち、これが水素の様な冷
却ガスで加圧されている。

固定子４は複数個の積層板を積重ねたパッケージ７で形
成される鉄心を持ち、ケーシング１内に配置される。

固定子鉄心端部で積層板を積重ねる細部並びに理由は米
国特許第３７１４４７７号に記載されている。

軸方向に相隔たって半径方向に伸びる複数個の冷却通路
１０．１１が積層板によって限定されていて、鉄心を冷
却する為にその中に冷却ガスの流れを通す。

冷却通路１０は冷却ガスを鉄心の中に半径方向内向きに
通す。

冷却通路１１は冷却ガスを鉄心の中に半径方向外向きに
通す。

タービン発電機が回転子１４内に封じ込められた回転界
磁をも含み、この回転子が固定子４の内側に配置されて
いて、それとはガス・ギャップ１５だけ隔たっている。

上側部分及び下側部分ｉｓ、１９に分割されたガス冷却
器１７もケーシング１内に設けられている。

ファン２２が回転子１４に取付けられ、その１つを２３
に示す一連の入口案内翼を介してギャップ１５から冷却
ガスを吸い出し、冷却ガスをダクト２４を介して冷却器
１γへ圧送する。

固定子４を冷却する為、冷却器１７の下側部分１９と連
通するダクト２６，２８が、冷却ガスが冷却器から入口
室３０．３２へ流れる為の通路となる。

冷却ガスはこれらの室から冷却通路１０を介してギャッ
プ並びに回転子へと圧送される。

冷却器１７の下側部分１９と直接的に連通ずる第３の入
口室３３が軸方向外側の冷却通路３４へ冷却ガスを供給
する。

この冷却ガスは、冷却通路３４を通ってギャップ１５に
入り、次いで固定子鉄心端部及び回転子端部の間のギャ
ップを通ってファン２２へと流れる。

固定子４内の冷却通路１１の中にはギャップ１５から冷
却ガスが外向きに圧送され、次いでこれらの冷却通路か
ら出口室３５，３６，３７並びに管４０，４２．４４へ
流出する。

これらの管が冷却ガスをファンの方へ導く。

従って、ギャップ１５が、その１つを４６で示す出口流
区域とその１つを４８で示す入口流区域とに分割されて
いることが判る。

出口流区域は、冷却ガスが回転子から冷却通路１１へと
圧送される際に通る区域である。

入口流区域は冷却ガスが冷却通路１０から回転子へと圧
送される際に通る区域である。

回転子１４を冷却する為、ケーシング１の内部に冷却器
１７の上側部分１８並びに回転子１４の端部に通ずる導
管５２と連通する管５０が設けられる。

回転子１４が導管５２及びギャップ１５と連通ずる内部
縦通路５４を持ち、これが冷却ガスをこれらの区域の間
で連通させ、回転子の端コイル領域５６を冷却する。

保持リング５８を回転子１４に収縮ばめにし、界磁コイ
ルの端コイルを動作状態で所定位置に保持する。

回転子１４の本体部分６０は、米国特許第３３４８０８
１号に記載される様に、ギャップ１５から吸込んだガス
によって冷却される。

冷却ガスは界磁巻線内に加工された内部の斜めの冷却通
路を介して回転子の本体部分６０内の冷却通路に圧送さ
れる。

その適当な構成が米国特許第２９８６６６４号に記載さ
れている。

動作の際、冷却ガスがファン２２によって導管２４及び
冷却器１７を介して圧送される。

冷却ガスの内、冷却器１７の下側部分１９を通って圧送
される部分は夫々ダクｌ−２６，２８を介して、且つ管
４０，４２の周りを廻って、入口室３０゜３２へ送られ
る。

入口室３３には、冷却器１７の出口から管４４の周りを
迂回して直接的に冷却ガスが送られる。

入口室３０．３２．３３から冷却ガスがそれと連通ずる
固定子の冷却通路１０を通り、ギャップ１５を通って、
回転子１４に吸込まれる。

回転子の回転によって前掲米国特許に記載される様に、
界磁コイルの中での冷却ガスの圧送作用が得られる。

界磁コイルの中を流れた後、冷却ガスは回転子からギャ
ップへ出て行き、そこで強制的に固定子鉄心内の冷却通
路１１に送込まれて出口室３５．３６．３７へ達する。

これらの出口室から冷却ガスは管４０，４２．４４を介
してファン２２の入口へ送られる。

回転子１４の端コイル領域５６を冷却する為、冷却ガス
がファン２２によって冷却器１７の上側部分１８、管５
０及び導管５２を介して、回転子１４内の矢印５４で概
略的に示した内部縦通路へ圧送される。

この冷却ガスが回転子１４から冷却通路３４の下側のギ
ャップ１５へ出て行き、冷却通路３４から該ギャップに
出て来る冷却ガスと共に、固定子鉄心端部と回転子端部
（保持リング５８）との間のギャップを通って、ファン
２２によって吸い出され、冷却器１７へ圧送される。

第１図、第２図及び第４図は、固定子４の鉄心端部が一
連の段つき積層板６５で構成されていることを示してい
る。

段つき積層板は、前掲米国特許第３７１４４７７号に記
載のように、漏れ磁束による鉄心端部の過熱を軽減する
ために段を付けたものである。

この固定子鉄心端部の冷却に利用し得る冷却ガス（冷却
通路３４の下側のギャップからファンに吸込まれるガス
）は、これらの積層板の上を流れる前に、固定子鉄心の
冷却通路３４並びに回転子の内部縦通路５４（端コイビ
レ領域５８）を通りギャップに入るので、固定子及び回
転子から既に熱を吸収していることが判る。

この発明では、第２図、第３図及び第４図に示す様に、
段つき積層板６５から冷却ガスへの熱伝達を高めるため
、外側スペーサ・ブロック７２の所で固定子４に固定さ
れた環状じゃま板７０を段つき積層板６５と保持リング
５８との間のギャップ１５の中に設ける。

段つき積層板６５を一層効果的に冷却する為、じゃま板
１０はファン２２によってギャップ１５から吸込まれる
大量の冷却ガスをこれらの積層板と衝突させる様に方向
づけ、この様に衝突する冷却ガスの速度を高める。

じゃま板７０がないと、積層板６５に衝突する冷却ガス
が少なく、積層板６５の効果的な冷却が得られない。

米国特許第３４１３４９９号には、この発明のじゃま板
と大体同じ回転電気機械の区域に配置されたじゃま板が
記載されている。

然し、この特許のじゃま板はその特許で用いる前向き流
冷動式回転電気機械で、回転子と固定子との間の冷却ガ
スの半径方向の流れと、ファンによってギャップに圧送
される冷却ガスの軸方向の流れとの間の干渉をなくす為
にのみ有効である。

この発明のじゃま板は特に逆流冷却式回転電気機械に使
う様に構成されていて、冷却ガスの軸方向の流れをこう
いう電気機械の固定子鉄心端部の積層板とぶつける様に
旋回させることにより、この様な固定子鉄心端部の積層
板の冷却を強める様に作用する。

前掲特許のじゃま板とこの発明のじゃま板との目的並び
に作用のこういう違いが、２者の構造的な違いを明確に
するものと思われる。

第２図、第３図及び第４図はこの発明のじゃま板を拡大
して詳しく示す。

断面で見ると、じゃま板７０は全体的に３角形であり、
外面７５が積層板６５の段状の縁から隔たって、それと
大体平行であり、内面７６が保持リング５８の表面から
隔たり、それと大体平行である。

じゃま板７０が丸くした突端７７を持ち、冷却ガスの流
れを段つき積層板６５と外面７５との間の区域へ向ける
。

冷却ガスがじゃま板７０の周りを流れる際の圧力損失を
最小限に抑える為にも、丸くした突端７７は設けられて
いる。

この発明のじゃま板は、ギャップ１５の内、じゃま板が
設けられた部分に於ける流れの面積を小さくするから、
段つき積層板６５を横切る様に向けられた冷却ガスの流
れは速度が増大し、こうしてこの固定子鉄心端部の積層
板を従来の逆流冷却式発電機に於て達成し得るよりも一
層効果的に冷却する。

外面７５に多数の凹部を設ける。

その１つを７８に示しであるが、この各各がじゃま板を
取付ける為の外側スペーサ・ブロック７２の内側の縁を
受入れる。

じゃま板はボルトとそれに合さるナツトとを用いてスペ
ーサ・ブロック７２に取付けられる。

ボルトの１つを８０に示してあり、ナツトの１つを８３
に示しである。

一体の取付はブロック８５が各々の凹部７８の下流側の
端に配置され、対応するスペーサ・ブロック７２の下流
側の面と隣接する平坦な取付は面になる。

じゃま板７０は連続した環状部材で形成してもよいし、
或いはスペーサ・ブロック７２に取付けた時、環状じゃ
ま板になる様な複数個の弓形部分で構成してもよい（第
４図）。

じゃま板７０をこの様な複数個の弓形部分で形成するこ
とにより、発電機の中に取付は易くなる。

じゃま板７０は冷却ガスの流れに伴う圧力に耐え得る任
意の適当な材料で作ることが出来る。

好ましい実施例では、じゃま板７０が、ニューヨーク州
ゼネラル・エレクトリック・カンパニからチクストライ
ドの商品名で販売されている積層繊維材料の様な非導電
材料で形成される。

この材料（大発電機の端部に於ける漂遊磁束の強い集中
の為に普通なら起る様なじゃま板に於ける誘導加熱を全
く防止する。

積層繊維材料でじゃま板７０を構成する場合、積層繊維
材料の剥離を防止する為、じゃま板に各々突端７７から
じゃま板の下流側の面まで伸びる複数個のダボ（ピン）
８８を設ける。

ダボは、積層材の剥離を防ぐリベットのように作用し、
積層材を一緒に保持する。

この発明のじゃま板の主な利点は、従来の逆流冷却式発
電機の固定子鉄心端部の過熱を除くことであるが、この
じゃま板は他の点でも発電機冷却装置の性能を高める。

第２図に見られる様に、ギャップ１５からファンに吸込
まれる冷却ガスの内、段つき積層板６５の方へ向けられ
ない部分は、突端７７によって向きを変えられ、保持リ
ング５８に向けられる。

保持リング５８が回転しているので、じゃま板と保持リ
ングとの間の通路を介してファン２２の方へ軸方向に流
れる冷却ガスに、保持リングの回転により回転速度成分
（保持リングの回転方向へ向う速度成分）が加えられる
。

すなりち、冷却ガスには回転子の回転によりエネルギが
加えられる。

第１図の２３に示す様な、ファン２２０入口にある一連
の適当な案内翼を用いることにより、ファンがこの回転
速度成分を有効な静圧に変換することが出来、このため
ファン２２の性能を高めると共に冷却装置全体の効果を
高めることが出来る。

このように回転速度成分を静圧に変換する案内翼及びフ
ァンが、米国特許第４０３９８７２号に記載されており
、詳しくは該特許を参照されたい。

更に、じゃま板７０によつでギャップ１５からファンへ
の冷却ガスの流れがしぼられることにより、この発明の
じゃま板より上流側のギャップでは、冷却ガスの軸方向
の速度が低下する。

従来の発電機では、ギャップ内の入口部区域４８及び出
口流区域４６を出来るだけ分離することが重要である。

即ち、冷却を効果的にするには、固定子鉄心の冷却通路
から吐出されて、ギャップから回転子へ圧送されるガス
は、回転子からギャップを通って固定子鉄心内の冷却通
路へ行く隣接した冷却ガスの流れから実質的に隔離され
た状態にとゾまらなければならない。

じゃま板を設けることにより、じゃま板の上流側に於け
るギャップの冷却ガスの軸方向の速度が小さくなるので
、ギャップの入口部区域４８及び出口流区域４６を夫々
半径方向に圧送される冷却ガスが軸方向に流れることが
抑制され、このためギャップ内のこの様な別々の入口部
区域及び出口流区域の完全さくすなわち、各々の流れ区
域が隣り合う他の流れ区域から実質的に分離された状態
にとどまること）が維持され、こうして冷却装置の性能
が更に高められる。

その上、ギャップに於ける冷却ガスの軸方向の速度を小
さくすること、すなわちじゃま板により固定子鉄心端部
と保持リングの間の流れの面積が小さくなることにより
、固定子鉄心の冷却通路３４（第１図）に冷却ガスの過
剰の流れが起ることが防止される。

じゃま板を設けなかったことにより冷却通路３４に過剰
の流れが生じた場合には、固定子の他の冷却通路１０．
１１を通る冷却ガスの流れが減少して、固定子鉄心及び
回転子の本体部分の冷却を害なう傾向を持つが、じゃま
板を設けることによりこの様な状態が避けられる。

従って、こ＼に説明した逆流冷却式回転電気機械が、固
定子鉄心端部の積層板を冷却する効果的な手段を含み、
こうしてこういう機械の能力を制限する因子となる様な
、固定子鉄心端部の積層板の過熱を除くことが理解され
よう。

更に、ギャップ内のガスの流れに保持リングによって回
転速度成分が加えられることにより、ファンの出口で静
圧が増加することにより、冷却装置全体の性能が高めら
れる。

ギャップに於ける冷却ガスの軸方向の流れを制限したこ
とも、ギャップの種々の入口部区域及び出口流区域の完
全さを維持するのを助けると共に、固定子鉄心端部にあ
る冷却通路に流れる冷却ガスが、他の冷却通路に冷却ガ
スが流れるのを少なくして機械の軸方向内側の領域の冷
却を害なうことが防止される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の冷却方式を用いた逆流冷却式タービ
ン発電機の１端の一部分を断面で示す側面図、第２図は
第１図のタービン発電機の末端領域の拡大図、第３図は
この発明に用いるじゃま板の一部分の斜視図、第４図は
第１図に示すタービン発電機の一部分の拡大端面図であ
る。 主な符号の説明、１：ケーシング、４：固定子、７：積
層板のパッケージ、１０，１に冷却通路、１４：回転子
、１５：ギャップ、２２：ファン、６５：段つき積層板
、７０：じやま板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 冷却ガスを収容する気密ケーシングと、該ケーシン
   グ内に配置されていて、軸方向に相隔たって半径方向に
   伸びる冷却通路がその内部に配置された積層板を積重ね
   た鉄心を含み、鉄心端部が半径方向に短くした積層板で
   構成されていて、内側端が軸線から漸進的に遠ざかって
   漸進的な段つき積層板の配列となっている固定子と、該
   固定子の内部に配置されていてそれからガス・ギャップ
   だけ隔たっている回転子と、前記冷却ガスを循環させる
   為にケーシング内に配置されているファン手段と、前記
   固定子に取付けられて前記ギャップ内に配置され且つ前
   記段つき積層板から隔たって配置され、前記ガス・ギャ
   ップから軸方向外向きに流れる冷却ガスを前記鉄心端部
   の方へ前記段つき積層板に沿うように向けて、数段つき
   積層板に沿う冷却ガスの流速を高めるじゃま板とを有し
   、該じゃま板が前記段つき積層板の内側の縁から隔たり
   且つ該内側端とはマ平行な外面を持つ環状部材ば含む逆
   流冷却式回転電気機械。 ２、特許請求の範囲１に記載した逆流冷却式回転電気機
   械に於て、前記じゃま板が大体３角形断面を持つ環状部
   材で構成されていて、その外面が前記段つき積層板の内
   側の縁から隔たり且つそれと大体平行である逆流冷却式
   回転電気機械。 ３ 特許請求の範囲２に記載した逆流冷却式回転電気機
   械に於て、前記じゃま板が丸呪した突端を持っていて、
   該じゃま板の周囲に於ける冷却ガスの流れに伴う圧力損
   失を最小限に抑えながら、前記外面及び段つき積層板の
   間に冷却ガスの流れを向ける様にした逆流冷却式回転電
   気機械。 ４ ％許請求の範囲３に記載した逆流冷却式回転電気機
   械に於て、前記じゃま板が非導電材料で形成されている
   逆流冷却式回転電気機械。 ５ 特許請求の範囲４に記載した逆流冷却式回転電気機
   械に於て、前記非導電材料が積層繊維材料である逆流冷
   却式回転電気機械。 ６ 特許請求の範囲５に記載した逆流冷却式回転電気機
   械に於て、前記じゃま板に複数個のダボが設けられてい
   て、前記積層繊維材料の剥離を防止する様にした逆流冷
   却式回転電気機械。 ７ 特許請求の範囲２に記載した逆流冷却式回転電気機
   械に於て、前記固定子に支持された複数個のスペーサ・
   ブロックを有し、前記じゃま板が複数個の凹部を含んで
   いて、前記スペーサ・ブロックの１端が対応する１つの
   凹部に受入れられて、じゃま板を固定子に取付ける様に
   した逆流冷却式％式％ ８ 特許請求の範囲７に記載した逆流冷却式回転電気機
   械に於て、前記環状部材が、取付は易くする為、複数個
   の弓形部分で形成されている逆流冷却回転電気機械。 ９ ％許請求の範囲３に記載した逆流冷却式回転電気機
   械に於て、前記ガス・ギャップが前記半径方向に伸びる
   冷却通路に対する冷却ガスの入口流区域及び出口流区域
   の交互の区域を含み、前記じゃま板が前記ガス・ギャッ
   プを通る冷却ガスの軸方向の流れを制限して、前記ガス
   ・ギャップに於ける冷却ガスの入口流区域及び出口流区
   域の交互の区域を互いに分離された状態に保つ様にした
   逆流冷却式回転電気機械。 １０特許請求の範囲３に記載した逆流冷却式回転電気機
   械に於て、前記じゃま板の内面が前記回転子から隔たり
   且つそれと大体平行であり、ガス・ギャップを通る冷却
   ガスの軸方向の流れの一部分が前記内面及び回転子の間
   に向けられ、前記回転子の回転によりガスの流れに回転
   速度成分が生じて、ガスの流れのエネルギが増大し、回
   転電気機械の全体的な冷却作用を強めた逆流冷却式回転
   電気機械。