KR100854197B1

KR100854197B1 - 가스 냉각식 발전기 기계 및 엔드와인딩 냉각 방법

Info

Publication number: KR100854197B1
Application number: KR1020027010911A
Authority: KR
Inventors: 턴불웨인니겔오웬; 윗젤토드가렛트; 반더보트크리스챤리; 살라마사미르아르만도; 자르친스키에밀도날드
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2008-08-26
Also published as: JP2004516794A; AU2002227259A1; KR20020077493A; WO2002052694A3; CN100388595C; CA2399350C; CZ304143B6; CA2399350A1; US6392326B1; WO2002052694A2; CZ20022865A3; MXPA02008138A; EP1346455A2; CN1448003A; JP3737481B2

Abstract

몸체부(14)와, 축방향 연장 코일(22)과, 엔드와인딩(28)을 구비하는 로터(10)와 엔드와인딩 사이에 배치된 복수의 스페이스블록(150, 152, 154, 156, 158)을 포함하여, 복수의 캐비티(142, 144, 146, 148)가 상호 인접한 엔드와인딩과 스페이스블록 사이에 형성되는 가스 냉각식 발전기 기계가 제공된다. 엔드와인딩 냉각을 증가키기 위해, 스페이스블록(150, 152, 154, 156, 158) 중 적어도 하나는 제 1 인접 캐비티 및 제 2 인접 캐비티 사이에서 연장하여 스페이스블록을 통해 제 1 캐비티와 제 2 캐비티 사이의 냉각 유동 연통을 제공하는 통로(160, 162, 164, 166, 168, 170, 172, 174, 176, 178, 180, 182, 184, 186)를 구비한다. 제 1 캐비티 및 제 2 캐비티내로 또는 그 외측으로 각각 유동을 지향시키기 위해 스페이스블록의 캐비티 지향 표면 중 하나, 다른 하나 또는 양자의 반경방향 내측 단부에 인접하게 유동 편류판(188, 190)이 제공되는 것이 바람직하다.

Description

가스 냉각식 발전기 기계 및 엔드와인딩 냉각 방법{FLOW-THROUGH SPACEBLOCKS WITH DEFLECTORS AND METHOD FOR INCREASED ELECTRIC GENERATOR ENDWINDING COOLING}

본 발명은 발전기 및 로터 엔드와인딩내의 전체 냉각 유효성을 증가시키도록 특히 엔드와인딩 캐비티의 중앙부 및 코너부에서의 열전달율을 증가시키기 위한 구조체 및 방법에 관한 것이다.

대형 터보 발전기 등의 발전기 기계(dynamoelectric machine)의 전력 출력량은 전기 도체 절연에 부과되는 온도 제한 때문에 로터 계자 권선(rotor field winding)을 통해 추가적인 전류를 제공하는 능력에 의해 종종 제한된다. 따라서, 로터 권선의 효과적인 냉각은 기계의 출력 능력에 직접 기여한다. 특히, 이것은 직접 강제식 냉각이 이들 기계의 전형적인 구조로 인해 곤란하고 고가인 로터 단부 영역에서 그렇다. 저 비용으로 높은 효율 및 높은 신뢰성을 갖는 고전력 밀도 발전기를 요구하는 것이 일반적인 시장 경향이므로, 로터 단부 영역을 냉각시키는 것은 제한 요인이 된다.

전형적으로, 터보 발전기 로터는 로터내의 슬롯에 장착된 동심의 직사각형 코일로 구성된다. 로터 본체의 지지체를 넘어서 있는 코일의 단부 부분[보통 엔드와인딩(endwinding)으로 칭함]은 통상적으로 유지 링에 의해 회전력에 대해 전형적으로 지지된다(도 1 참조). 지지 블록이 동심 코일 엔드와인딩 사이에 간헐적으로 배치되어, 상대 위치를 유지하고 열 부하 등의 축방향 부하에 대한 기계적 안정성을 부가한다(도 2 참조). 또한, 구리 코일은 원심력에 반대로 작용하는 외경상의 유지 링에 의해 반경방향으로 구속된다. 스페이스블록 및 유지 링의 존재는 다수의 냉각제 영역을 구리 코일에 노출시킨다. 또한, 주 냉각제 경로는 스핀들 및 엔드와인딩의 바닥부 사이에 축방향으로 있다. 또한, 코일의 경계면, 블록 및 유지 링 구조체의 내부면에 의해 코일 사이에 별개의 캐비티가 형성된다. 엔드와인딩은 회전력에 의해 엔드와인딩의 반경방향 아래로부터 이들 캐비티내로 구동되는 냉각제에 노출된다(도 3 참조). 이러한 열 전달은 낮은 경향이 있다. 이것은 컴퓨터 유체 역학적 분석으로부터 단일 회전 단부 권선 캐비티내의 계산된 유동 경로 라인을 따라 냉각제 유동이 캐비티내에 들어가고 주 순환을 통해 가로질러 캐비티를 빠져나가기 때문이다. 전형적으로, 순환은 특히 캐비티 중앙 근처에서 낮은 열 전달 계수를 나타낸다. 따라서, 이것이 엔드와인딩의 열 제거 수단이지만, 비교적 비효율적이다.

추가적인 냉각 가스를 로터 단부 영역을 통해 보내는데 다양한 설계가 사용되었다. 이들 냉각 설계 모두는, ① 도체에 채널을 형성하거나 홈을 가공한 후에, 기계의 일부 다른 영역으로 가스를 펌핑(pumping)함으로써 구리 도체에 직접 냉각 통로를 형성하는 것, 및/또는 ② 냉각 가스를 도체 표면 위로 통과하게 강제하도록 배플, 유동 채널 및 펌핑 요소를 추가하여 비교적 고압 및 저압의 영역을 형성하는 것에 의존한다.

일부 시스템은 높은 응력을 받는 로터 유지 링을 반경방향 구멍으로 관통하여, 냉각 가스가 로터 엔드와인딩과 나란히 직접 펌핑되고 공기 갭(air gap)내로 배출되게 하지만, 그러한 시스템은 유지 링과 관련한 높은 기계적 응력 및 피로 수명 고려로 인해 사용이 제한될 수 있다.

종래의 강제식 로터 단부 냉각 설계가 사용되면, 로터 구성에 상당한 복잡성 및 비용이 추가된다. 예를 들면, 직접 냉각식 도체는 냉각 통로를 형성하도록 기계가공되거나 제조되어야 한다. 또한, 로터의 어딘가에 가스를 배출하도록 출구 매니폴드가 제공되어야 한다. 강제식 냉각 설계는 다수의 배플, 유동 채널 및 펌핑 요소를 추가함으로써 로터 단부 영역을 별도 압력 구역으로 분할할 필요가 있으며, 이것은 다시 복잡성 및 비용을 추가시킨다.

이들 강제식 또는 직접 냉각 설계가 전혀 사용되지 않으면, 로터 엔드와인딩은 수동적으로 냉각된다. 수동적 냉각(passive cooling)은 원심력 및 회전력에 의존하여, 가스를 동심 로터 권선 사이에 형성된 막힌 단부 캐비티내에서 순환시킨다. 또한, 로터 엔드와인딩의 수동적 냉각은 때때로 "자유 대류" 냉각으로 불려진다.

수동적 냉각은 최소의 복잡성 및 비용의 장점을 제공하지만, 열 제거 능력은 직접 및 강제식 냉각의 능동적 시스템과 비교하면 줄어든다. 동심 로터 권선 사이 의 캐비티내에 들어가는 어떠한 냉각 가스도 동일 개구를 통해 방출하여야 하며, 이것은 이들 캐비티가 그렇지 않다면 폐쇄되기 때문이다[즉, 전형적인 캐비티의 4개의 "측벽"이 동심 도체 및 그를 분리하는 절연 블록에 의해 형성되고 "바닥"(반경방향 외측) 벽이 회전에 대하여 엔드와인딩을 지지하는 보유 링에 의해 형성되기 때문이다]. 냉각 가스는 도체 및 로터 스핀들 사이의 환형 공간으로부터 들어간다. 따라서, 열 제거는 캐비티내에서의 가스의 낮은 순환 속도와, 이들 공간에 출입할 수 있는 가스의 제한된 양에 의해 제한된다.

전형적인 구성에 있어서, 단부 영역내의 냉각 가스는 아직 로터 속도로 충분히 가속되지 않았고, 즉 냉각 가스는 일부 로터 속도로 회전하고 있다. 유체가 로터 및 유체 사이의 상대 속도 영향에 의해 캐비티내로 구동될 때, 열 전달 계수는 전형적으로 유동 방향에 대해 하류에 있는 스페이스블록 근처(유체가 높은 운동량으로 들어가고 유체 냉각제가 가장 저온임)에서 가장 높다. 또한, 열 전달 계수는 캐비티 외주부 주위에서 전형적으로 높다. 캐비티의 중앙은 최소의 냉각을 받는다.

수동적 냉각 시스템의 열 제거 능력을 증가시킴으로써, 로터의 전류 반송 능력을 증가시켜, 저가이고 단순하며 신뢰성있는 구성의 장점을 유지하면서 발전기의 정격 용량을 증가시킨다.

미국 특허 제 5,644,179 호(그 개시내용이 참고로 인용됨)는 자연 발생 유동 셀내로 그것과 동일 방향으로 직접 추가적 냉각 유동을 도입하는 것에 의해 대형의 단일 유동 순환 셀의 유동 속도를 증가시킴으로써 열 전달을 증대시키기 위한 방법 을 개시하고 있다. 이것은 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 이러한 방법이 순환 셀의 강도를 증대시킴으로써 캐비티내의 열 전달을 증가시키는 반면에, 로터 캐비티의 중앙 영역은 여전히 낮은 속도로 남아있고 그에 따라 열 전달이 낮다. 동일한 낮은 열 전달이 여전히 코너 영역에 존속한다.

발명의 요약

상기 필요성은, 스페이스블록의 관통-유동을 사용하여 통상적으로 냉각이 결핍되는 캐비티 중앙부 및 코너부에서의 보다 나은 유동 순환을 촉진하여 유동 열전달율을 증가시킴으로써 발전기 로터의 향상된 냉각이 달성되는 본 발명에 의해 해결된다. 본 발명은 또한 냉각 캐비티내로의 또한 냉각 캐비티로부터의 냉각제 유동을 향상기키기 위해 냉각제 유동 편류판(flow deflector)을 사용하는 것에 관한 것이다.

따라서, 본 발명의 일 실시예로서, 축방향 연장 코일, 엔드와인딩 및 인접한 엔드와인딩 사이에 위치되어 상호 인접한 엔드와인딩 사이의 스페이스블록에 인접한 제 1 및 제 2 캐비티를 규정하는 적어도 하나의 스페이스블록을 갖는 로터를 포함하는 가스 냉각식 발전기 기계가 제공된다. 스페이스블록의 적어도 하나는 스페이스블록을 통한 제 1 및 제 2 캐비티 사이의 냉각 유동 연통을 제공하도록 그것을 관통하여 형성된 적어도 하나의 통로를 갖는다. 각각의 스페이스블록내의 다수의 통로가 스페이스블록의 원주방향 위치에 의해 적절히 결정될 수 있다.

상호 인접한 캐비티 사이에 냉각 가스의 유동을 제공함으로써, 관통-유동 통로는 회전하는 엔드와인딩에 의해 발생되는 고유의 가스 유동 패턴을 개선한다. 이에 의해, 저비용, 단순성 및 신뢰적 구성을 유지하면서 열제거 능력이 증가된다. 또한, 개선된 수동적 냉각 시스템은 로터의 전류 운반 능력을 증가시켜 발전기의 출력 정격을 증가시킬 것이다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 유동 편류판이 스페이스블록의 상류측 또는 하류측 또는 양측에 제공되어, 상류측 유동 편류판인 경우, 냉각제 유체 유동을 각각의 냉각 캐비티내로 반경방향 외측으로 지향시키거나, 또는 하류측 유동 편류판인 경우 환상 영역으로의 원활하고 연속적인 복귀 유동을 증가시킨다. 본 발명의 현재 바람직한 실시예에 따르면, 관통-유동 및 편류판의 조합에 의해, 캐비티내로의 높은 운동량 냉각제의 유동을 촉진시켜 특히 캐비티의 코너부 및 중앙부에서의 정체되거나 또는 낮은 운동향 유동의 영역을 감소시키거나 또는 제거한다.

본 발명의 이들 및 다른 목적과 장점은 첨부 도면을 참조하여 기재된 본 발명의 현재의 바람직한 예시적인 실시예에 대한 하기의 보다 상세한 설명을 숙독함으로써 보다 완전하게 이해되고 명백해질 것이다.

도 1은 스테이터가 그와 대면 관계로 있는 발전기 기계 로터의 단부 턴(turn) 영역의 일부를 도시한 단면도,

도 2는 도 1의 2-2 선을 따라 취한 발전기 기계 로터의 평면 단면도,

도 3은 엔드와인딩 캐비티내로의 그리고 그를 통한 수동적 가스 유동을 도시하는 개략도,

도 4는 미국 특허 제 5,644,179 호에 개시된 발명의 제 1 실시예에 따른 로터 단부 턴 영역의 일부의 부분 절결 사시도,

도 5는 미국 특허 제 5,644,179 호의 발명의 제 2 실시예에 따른 로터 단부 턴 영역의 일부의 부분 절결 사시도,

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 관통-유동 통로 및 유동 편류판을 갖는 스페이스블록을 도시하는 로터 엔드와인딩의 부분 단면도.

동일 참조 부호가 여러 도면에 걸쳐 동일 요소를 나타내는 도면을 참조하여, 도 1 및 도 2는 가스 냉각식 발전기 기계용 로터(10)를 도시하며, 상기 발전기 기계는 로터를 둘러싸는 스테이터(12)를 또한 포함한다. 로터는 로터 스핀들(16)상의 중앙에 배치되고 축방향으로 대향하는 단부면을 구비하는 대체로 원통형 몸체부(14)를 포함하며, 하나의 단부면의 부분(18)이 도 1에 도시되어 있다. 몸체부에는 동심으로 배열된 코일(22)을 수납하기 위한 복수의 원주방향으로 이격되고 축방향으로 연장된 슬롯(20)이 제공되며, 이 코일(22)은 로터 권선을 형성한다. 명확화를 위해, 5개의 로터 코일만이 도시되어 있지만, 실제로 보통은 몇개가 더 사용된다.

상세하게는, 로터 권선의 일부를 구성하는 다수의 도체 바아(24)는 각각 하나의 슬롯에 적층된다. 인접한 도체 바아는 전기 절연층(22)에 의해 분리된다. 적층된 도체 바아는 전형적으로 쐐기(wedge)(26)에 의해 슬롯내에 유지되고(도 1), 구리 등의 전도성 재료로 제조된다. 도체 바아(24)는 단부 턴에 의해 몸체부의 각 대향 단부에 상호연결되며, 이 단부 턴은 적층된 엔드와인딩(28)을 형성하도록 단부면을 지나 축방향으로 연장한다. 또한, 단부 턴은 전기 절연층에 의해 분리된다.

특히 도 1을 참조하면, 유지 링(30)은 원심력에 대하여 제 위치에 엔드와인딩을 유지하기 위해 몸체부의 각 단부에서 단부 턴 주위에 배치된다. 유지 링은 몸체부에 일 단부가 고정되며, 로터 스핀들(16) 위로 외부로 연장한다. 중심설정 링(32)은 유지 링(30)의 말단부에 부착된다. 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 유지 링(30) 및 중심설정 링(32)은 다른 방법으로 장착될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 중심설정 링(32)의 내경은 가스 입구 통로(34)를 형성하도록 로터 스핀들(16)로부터 반경방향으로 이격되며, 엔드와인딩(28)은 환형 영역(36)을 규정하도록 스핀들(16)로부터 이격된다. 슬롯(20)을 따라 형성된 다수의 축방향 냉각 채널(38)은 코일(22)에 냉각 가스를 이송하도록 환형 영역(36)을 통해 가스 입구 통로(34)와 유체 연통하고 있다.

도 2를 참조하면, 로터(10)의 각 단부에서의 엔드와인딩(28)은 다수의 스페이서 또는 스페이스블록(40)에 의해 원주방향 및 축방향으로 분리된다(도시의 명확화를 위해, 스페이스블록은 도 1에 도시되어 있지 않음). 스페이스블록은 인접한 엔드와인딩(28) 사이의 공간에 위치된 절연 재료의 기다란 블록이며, 엔드와인딩의 전체 반경방향 깊이를 지나 환형 갭(36)내로 연장한다. 따라서, 단부 턴(이하 엔드와인딩으로 칭함)의 동심 적층체 사이의 공간은 캐비티로 분할된다. 이들 캐비티는 유지 링(30)과 상부에서, 그리고 인접 엔드와인딩(28) 및 인접 스페이스블록(40)과 4개의 측면에서 경계가 정해진다. 도 1에 가장 잘 도시된 바와 같이, 각각의 이들 캐비티는 환형 영역(36)을 통해 가스 입구 통로(34)와 유체 연통하고 있다. 따라서, 가스 입구 통로(34)를 통해 엔드와인딩(28)과 로터 스핀들(16) 사이의 환형 영역(36)으로 들어가는 냉각 가스의 일부는 캐비티(42)로 들어가 그 내부를 순환한 후에, 엔드와인딩과 로터 스핀들 사이의 환형 영역(36)으로 복귀한다. 공기 유동은 도 1 및 도 3에 화살표로 나타내고 있다.

회전하는 발전기 캐비티내에서 작용하는 고유의 펌핑 작용 및 회전력은 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 대형의 단일 유동 순환 셀을 생성한다. 이러한 유동 순환 셀은 캐비티의 주변부 에지 부근에서 가장 높은 속도를 나타내며, 캐비티의 중앙 영역내의 고유의 낮은 속도에 기인하여 중앙 영역은 부적절히 냉각된 채로 남겨둔다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 코너 영역의 큰 영역이 또한 부적절히 냉각되는데, 이는 유동 셀의 원형 운동이 냉각 유동을 코너부내로 운반하지 못하기 때문이다.

이제 도 6을 참조하면, 엔드와인딩 캐비티(142, 144, 146, 148)를 나타내는 로터 엔드와인딩의 부분 단면도가 도시되어 있는데, 회전 방향은 화살표(X)로 표시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 각각의 스페이스블록(150, 152, 154, 156, 158)은 열제거를 증가시키기 위해 상호 인접한 냉각 캐비티 사이의 연통 유동을 제공하도록 가장 바람직하게는 냉각 캐비티의 중앙 및 반경방향 외측 코너 영역에 적어도 하나의 관통-유동 통로(160, 162, 164, 166, 168, 170, 172, 174, 176, 178, 180, 182, 184, 186)를 구비한다. 관통-유동 통로는 바람직하게는 상호 인접한 냉각 캐비티의 각각의 반경방향 중앙부 사이를 연장한다. 냉각제 유동의 다른 바람직한 영역이 스페이스블록의 반경방향 외측 단부에 인접하여, 그렇지 않은 경우 각각의 냉각 캐비티의 대체로 정체된 코너 영역 사이에 유동을 연통시킨다.

이하에 상세히 설명되는 바와 같이, 통로는, 각각의 상류측 인접 캐비티의 하류측으로부터 각각의 하류측 인접 캐비티의 상류측으로 연장하여 냉각 가스가 상호 인접한 캐비티 사이에서 유동할 수 있는 관통 통로를 제공한다. 따라서, 각각의 관통-유동 통로는 대체로 그 스페이스블록의 길이에 대해 대체로 횡단하는 방향으로, 로터에 대해 대체로 원주방향으로 놓인다.

도시된 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 각각의 스페이스블록의 관통-유동 통로의 양호한 위치 및 수는 엔드와인딩의 선단 및 후단에 대한 스페이스블록의 원주방향 위치에 좌우된다. 도 6에 명확히 도시된 바와 같이, 관통-유동 통로의 양호한 배향도 또한 상기 원주방향 위치에 좌우된다. 따라서, 도시된 실시예에 있어서, 엔드와인딩 조립체의 원주방향 최외측 스페이스블록(150, 158)은 제 1 및 제 2 관통-유동 통로를 포함하는데, 냉각제 캐비티(142, 148)의 대체로 반경방향 중앙부내로 또한 그로부터 냉각제 유동을 지향시키기 위한 것(162, 186)과, 인접한 냉각 캐비티(142, 148)의 반경방향 외측 코너 영역으로 또한 그로부터 냉각제 유동을 지향시키기 위한 것(160, 184)을 포함한다. 도 6에 도시된 실시예에 있어서, 이들 관통-유동 통로는 유동을 대체로 원주방향으로 또한 선단 스페이스블록(150)의 경우 대체로 반경방향 외측으로 또한 후단 스페이스블록(158)의 경우 대체로 반경방 향 내측으로 지향시키도록 각각의 스페이스블록(150, 158)의 종방향 축에 대하여 90도보다 작은 각도로 경사져 있다.

다시 도 6에 도시된 실시예를 참조하면, 선단 스페이스블록(150)의 하류측에 있는 스페이스블록(152)은 관통 형성된 3개의 통로(164, 166, 168)를 갖는데, 한 통로(164)는 냉각제를 캐비티(144)의 반경방향 외측 코너 영역으로 유동시키며 통로(166, 168)는 각각의 인접한 캐비티(142, 144)의 중앙 영역으로부터 또한 중앙 영역으로 냉각제를 유동시키도록 배치되어 있다. 본 실시예에 있어서, 제 2 스페이스블록(152)의 관통-유동 통로는 스페이스블록(152)의 종방향 축에 대해 약 90도의 각도로 로터 축의 대체로 원주방향으로 배향된다. 또한, 도시된 실시예에 있어서, 후에 상세히 설명되는 바와 같이, 유동을 환상 영역(36)으로부터 캐비티(142)내로 지향시켜 그 내의 냉각제 유동을 증진시키기 위해 스페이스블록(152)의 상류측 표면(194)상에 상류측 유동 편류판(188)이 제공된다.

다음 인접한 중앙 또는 중간 스페이스블록(154)은 4개의 원주방향으로 배치된 관통-유동 통로(170, 172, 174, 176)를 포함하는데, 3개는 제 2 스페이스블록의 것과 대체로 대응하는 위치에 배치되고 4번째 원주방향 관통-유동 통로(176)는 엔드와인딩(28)의 반경방향 내측 범위에 인접하게 제공된다. 도시된 실시예에 있어서, 상세히 후술되는 바와 같이, 상류측 및 하류측 유동 편류판(188, 190)은 중간 스페이스블록(154)의 상류측 및 하류측 표면(196, 198)에 제공되며, 반경방향 최내측 통로(176)는 편류판 구조체(188, 190)의 반경방향 외측 범위의 바로 반경방향 외측에 배치된다.

도시된 실시예의 다음 인접 제 4 스페이스블록(156)은 제 2 스페이스블록(154)의 것과 대체로 대응하는 반경방향 위치에 배치된 3개의 관통-유동 통로(178, 180, 182)를 포함한다. 현재 바람직한 실시예에 있어서, 3개의 통로는 스페이스블록(156)의 종방향 축에 대해 약 90도의 각도로 대체로 원주방향으로 배치된다. 상세히 후술되는 바와 같이, 하류측 유동 편류판(190)이 제 4 스페이스블록의 하류측 표면(200)상에 제공되어 통로(182)로부터의 유동 중 적어도 일부를 환상 영역으로 안내 및 지향시켜 하류측 인접한 스페이스블록(158) 아래로 그 주위로 유동시킨다.

전술한 바와 같이, 각각의 엔드와인딩 캐비티내로의 냉각제 유동을 증가시키기 위해, 본 발명의 현재 바람직한 실시예의 제 4 특징에 따르면, 스페이스블록 중 적어도 하나는 상류측 인접 캐비티의 하류측에 있는 그 전방 지향 또는 상류측 표면상의 유동 편류판(188)을 구비하며 또한/또는 캐비티의 바닥부를 가로지르는 냉매 유동 방향에 대해 하류측 인접 캐비티의 상류측에 있는 그 후방 지향 또는 하류측 표면상의 유동 편류판(190)을 구비한다. 유동 편류판은 각각의 스페이스블록의 반경방향 내측 단부에 제공된다. 전방 지향 또는 상류측 유동 편류판(188)은 캐비티내로 강제되는 냉각 유체의 양을 증가시켜 캐비티내의 냉각제 유동을 증가시킴으로써 각각의 캐비티로부터의 열 제거를 증가시키기 위해 제공된다. 도시된 실시예에 있어서, 상류측 유동 편류판은 스페이스블록으로부터 상류측 방향으로 각각의 캐비티 반경방향 내측 단부의 원주방향 치수의 적어도 약 20%, 보다 바람직하게는 약 20% 내지 40%의 거리만큼 연장한다. 또한, 도시된 실시예에 있어서, 유동 편류판(188)은 하방으로 즉 반경방향 내측으로 연장하여 스페이스블록과 스핀들(16) 사이에 규정된 갭(37)의 반경방향 치수의 약 절반을 차지한다.

보다 상세히 설명하면, 각각의 상류측 유동 편류판은 반경방향 내측 에지(204)에서 종결하는 대체로 연속적으로 만곡된 상측 표면(202)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 스페이스블록의 깊이의 적어도 일부를 따르는 유동 차단 라인을 규정하는 유동 편류판의 반경방향 내측 에지는 스페이스블록의 반경방향 내측 표면 아래로 연장하여 스페이스블록과 스핀들(16) 사이의 갭(37)을 향하는 유동을 차단하여 방향을 변경시킨다. 반경방향 내측 에지(204)의 하류측에 있는 유동 편류판의 표면(206)은 각각의 스페이스블록의 반경방향 내측 표면으로의 대체로 점차적인 전이를 규정한다.

냉각 유동 화살표(A)로 도시된 바와 같이, 각각의 캐비티내로 또한 각각의 스페이스블록을 따라 유동을 안내하고 방향을 변경하기 위해, 유동 편류판(188)의 만곡된 상측 표면(202)은 유동 편류판이 스페이스블록의 반경방향 내측 표면 아래로 연장하는 거리보다 큰 거리만큼 각각의 스페이스블록의 상류측 표면을 따라 상방으로 연장한다.

도시된 실시예에 있어서, 각각의 하류측 유동 편류판(190)은, 상류측 유동 편류판과 같이, 스페이스블록의 표면으로부터 하류측 방향으로 각각의 캐비티의 반경방향 내측 단부의 원주방향 치수의 적어도 약 20%, 보다 바람직하게는 약 20% 내지 40%의 거리만큼 스페이스블록의 표면으로부터 하류측 방향으로 연장한다. 또한, 도시된 실시예에 있어서, 유동 편류판 하방으로 즉 반경방향 내측으로 스페이스블록과 스핀들 사이에 규정된 갭(37)의 반경방향 치수의 약 절반만큼 하류측 에지(208)로 연장하여 냉각제 유동 화살표(B)에 의해 도시된 바와 같이 그곳으로 또한 하류측 인접 스페이스블록의 반경방향 내측 단부 주위로 냉각제 유동을 안내하고 지향시킨다.

현재 바람직한 실시예에 있어서, 각각의 유동 편류판(188, 190)은 예를 들면 캐비티의 깊이의 적어도 약 75%, 보다 바람직하게는 100% 정도로 캐비티의 깊이 또는 축방향 치수의 실질적 부분에 걸치도록 제공된다. 그러나, 변형예에 있어서, 각각의 유동 편류판은 다음 하류측 인접 캐비티로의 유동을 위한 적어도 하나의 바이패스 유동 영역을 남겨두도록 스페이스블록의 일부 깊이 또는 축방향 일부만큼만 연장할 수 있다. 이 변형예에 따르면, 부분 깊이의 유동 편류판이 캐비티의 다른 엔드와인딩 벽에 인접하게 또는 그 관련된 스페이스블록의 대체로 중앙에 캐비티의 인접한 하나의 엔드와인딩 벽으로부터 캐비티의 일부 깊이만큼 걸치도록 배치될 수 있다. 예시적 실시예에 있어서, 단일의 유동 편류판(188, 190)이 관련된 스페이스블록의 깊이의 적어도 약 절반에 걸치도록 제공된다. 다른 변형예에 따르면, 둘 또는 그 이상의 축방향으로 정렬된 유동 편류판이 제공될 수 있는데, 각각의 유동 편류판은 캐비티의 축방향 치수 또는 깊이의 일부에 걸친다. 이와 같이 하여, 적어도 하나의 바이패스 유동 영역이 다음 하류측 인접 캐비티로의 유동을 위해 제공된다.

작동시, 로터의 회전은 냉각 가스가 가스 입구(34)를 통해 엔드와인딩(28)과 로터 스핀들(16) 사이의 환상 영역(36)내로 도입되도록 한다. 냉각 가스를 유동 편류판(188)으로 또한 그것을 따라 구동시키는 운동 압력 헤드가 존재한다. 따라서, 도 6을 참조하면, 냉각 가스는 스페이스블록(150)의 유동 편류판(188)을 따라 또한 스페이스블록의 상류측 표면(192)을 따라 유동한다. 냉각제 가스의 적어도 일부는 스페이스블록(150)내에 형성된 관통-유동 통로(162, 160)내로 유동한다. 상술한 바와 같이, 엔드와인딩의 스페이스블록의 가장 상류측내의 관통-유동 통로는 스페이스블록의 종방향 축에 대해 90도보다 작은 각도로 배치되어 경사지는 것이 장점적이다. 이것은 하류측 인접 캐비티(142)내로의 반경방향 외측으로의 유동을 촉진시킨다.

스페이스블록(150)내의 통로(160)를 통한 캐비티(142)내로의 냉각제 유동에 부가하여, 냉각제 유동은 화살표(A)로 도시된 바와 같이 환상 영역(36)으로부터 캐비티(142)내로 구동되어 그내로 편향된다. 편류판(188)이 스페이스블록(152)과 스핀들(16)사이의 갭내로 또한 갭을 관통하여 계속될 수 있는 유동을 차단하기 때문에, 각각의 캐비티(152)를 통한 냉각제 유동이 증가되어 열전달을 증가시킨다. 통로(160, 162)로부터의 냉각제 유동은 도시된 실시예에서 그것이 통로(164, 166, 168)내로 또한 그것을 통하여 유동하는 스페이스블록(152)으로 대체로 원주방향으로 유동한다. 상술된 바와 같이, 도시된 실시예에 있어서, 스페이스블록(152)은 3개의 관통-유동 통로를 갖는데, 두개(164, 166)는 캐비티의 중앙 영역 및 반경방향 외측 영역으로부터의 유동을 수용하는 것이며, 하나(168)는 캐비티의 중앙 영역 및 반경방향 내측 영역으로부터의 유동을 수용하도록 배치된다. 명백한 바와 같이, 도시된 실시예에 제공된 대체로 원주방향의 유동은 종래의 순환 유동에 의해 보여지는 캐비티(142)의 냉각 가스 결핍 중앙 및 코너 영역을 실질적으로 제거한다.

다시, 다음 하류측 인접 캐비티(144)를 참조하면, 스페이스블록(152)내의 통로(164, 166, 168)을 통한 캐비티내로의 냉각제 유동에 부가하여, 냉각제 유동은 화살표(A)로 도시되는 바와 같이 환상 영역(36)으로부터 캐비티(144)내로 구동되어 편향된다. 편류판(188)이 스페이스블록(154)과 스핀들(16) 사이의 갭(37)내로 갭을 통해 계속될 수 있는 유동을 차단하기 때문에, 각각의 캐비티를 통한 냉각제 유동이 증가되어 열전달이 증가된다. 한편, 통로(164, 166, 168)로부터의 냉각제 유동은 그것이 통로(170, 172, 174, 176)내로 또한 통로(170, 172, 174, 176)를 통해 유동하는 스페이스블록(154)으로 대체로 원주방향으로 유동한다. 본 실시예에 있어서, 스페이스블록(154)은 4개의 통로를 갖는데, 하나(170)는 캐비티의 반경방향 외측 영역으로부터의 유동을 수용하고, 두개(172, 174)는 대체로 캐비티의 중앙 영역으로부터의 유동을 수용하고, 하나(176)는 캐비티(144)의 반경방향 내측 영역으로부터의 유동을 수용하도록 배치된다.

도시된 실시예에 있어서, 다음 하류측 인접 캐비티(146)를 참조하면, 냉각제 유동은 대체로 스페이스블록(154)내의 통로(170, 172, 174, 176)를 통한 캐비티내로의 냉각제 유동으로 제한된다. 본 실시예에 있어서, 하류측 스페이스블록(156)은 3개의 통로(178, 180, 182)를 갖는데, 하나(178)는 캐비티의 반경방향 외측 영역으로부터의 유동을 수용하고, 두개(180, 182)는 대체로 캐비티(146)의 중앙 영역으로부터의 유동을 수용한다. 다시 한번, 통로(170, 172, 174)로부터의 냉각제 유동은 도시된 실시예에서 그것이 통로(178, 180, 182)내로 통로(178, 180, 182)를 통해 유동하는 스페이스블록으로 대체로 원주방향으로 유동한다. 그러나, 도시된 실시예에 있어서, 반경방향 최내측 통로(176)로부터의 냉각제 유동의 적어도 일부는 하류측 유동 편류판(190)을 따라 환상 영역내로 유동하여 스페이스블록의 반경방향 내측 단부 아래로 또한 그 주위로 유동한다.

마지막으로, 도시된 실시예에 있어서, 다음 하류측 인접 캐비티(148)를 참조하면, 냉각제 유동은 대체로 스페이스블록(156)내의 통로(178, 180, 182)를 통한 캐비티내로의 냉각제 유동으로 제한된다. 본 실시예에 있어서, 전술한 바와 같이 하류측 스페이스블록(158)은 두개의 경사진 통로(184, 186)를 갖는데, 하나(184)는 캐비티의 반경방향 외측 영역으로부터의 유동을 수용하고 하나(186)는 대체로 캐비티의 중앙 영역으로부터의 유동을 수용한다. 다시 한번, 통로(178, 180)로부터의 냉각제 유동은 도시된 실시예에 있어서 그것이 통로(184, 186)내로 또한 통로(184, 186)를 통해 유동하는 스페이스블록(158)으로 대체로 원주방향으로 유동한다. 그러나, 도시된 실시예에 있어서, 통로(182)로부터의 냉각제 유동의 적어도 일부는 하류측 유동 편류판(190)을 따라 환상 영역(36)내로 유동하여 스페이스블록(158)의 반경방향 내측 단부 아래로 그 주위로 유동한다.

도시된 바와 같이, 통로(184, 186)로부터의 유출 유동은 스페이스블록(158)의 하류측 표면(210)을 따라 대체로 반경방향 내측으로 또한 유동 편류판(190)을 따라 환상 영역(36)내로 유동한다.

따라서, 스페이스블록(150, 152, 154, 156, 158) 및 캐비티(142, 144, 146, 148)내로의 유동을 촉진하기 위한 편류판(188, 190)을 통한 유동의 조합에 의해, 특히 캐비티의 중앙 영역 및 반경방향 외측 영역을 포함하는 통상적으로 냉각제 유동이 결핍된 캐비티의 영역으로의 냉각제 유동이 증가됨을 알 수 있다.

본 발명이 현재 가장 실제적이고 바람직한 실시예로 고려되는 것과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에만 제한되지 않으며, 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위내에 포함되는 다양한 변형 및 균등한 구성을 포괄하도록 의도됨을 이해할 것이다.

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가스 냉각식 발전기 기계(a gas cooled dynamoelectric machine)에 있어서,

몸체부(14)를 구비하며, 축방향으로 연장하는 코일(22) 및 상기 몸체부(14)의 적어도 일단부(18)를 지나 축방향으로 연장하는 엔드와인딩(endwinding)(28)을 구비하는 로터(10)와,

인접한 상기 엔드와인딩(28) 사이에 위치된 적어도 하나의 스페이스블록(150, 152, 154, 156, 158)으로서, 상기 스페이스블록에 인접하여 그리고 상호 인접한 엔드와인딩 사이에 제 1 캐비티 및 제 2 캐비티(142, 144, 146, 148)를 규정하는, 상기 적어도 하나의 스페이스블록을 포함하며,

적어도 하나의 상기 스페이스블록은 관통하여 형성된 통로(160, 162, 164, 166, 168, 170, 172, 174, 176, 178, 180, 182, 184, 186)를 구비하며, 상기 통로는 인접한 상기 제 1 캐비티를 향하는 상기 스페이스블록의 제 1 표면(192, 194, 196)과 인접한 상기 제 2 캐비티를 향하는 상기 스페이스블록의 제 2 표면(198, 200, 210) 사이에서 연장하여, 상기 스페이스블록을 통해 상기 제 1 캐비티와 상기 제 2 캐비티 사이의 냉각 유동 연통을 제공하는

가스 냉각식 발전기 기계.
제 22 항에 있어서,

상기 통로(162, 166, 168, 172, 174, 180, 182, 186)는, 냉각 가스를 대체로 상기 제 1 캐비티 및 상기 제 2 캐비티의 중앙 영역 사이로 유동시키도록 상기 스페이스블록(150, 152, 154, 156, 158)의 반경방향 중간 섹션을 통해 연장하는

가스 냉각식 발전기 기계.
제 22 항에 있어서,

상기 스페이스블록의 상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면(192, 194, 196, 198, 200, 210)은 상기 스페이스블록(150, 152, 154, 156, 158)의 각각의 원주방향으로 배향된 표면인

가스 냉각식 발전기 기계.
제 22 항에 있어서,

유동을 상기 제 1 캐비티 내측으로 또는 상기 제 2 캐비티 외측으로 지향시키기 위해 상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면(192, 194, 196, 198, 200, 210)의 적어도 하나의 반경방향 내측 단부에 인접하게 제공된 유동 편류판(188, 190)을 더 포함하고,

적어도 하나의 상기 스페이스블록(154)은 상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면(196, 198)의 각각에 배치된 유동 편류판(188, 190)을 구비하는

가스 냉각식 발전기 기계.
제 22 항에 있어서,

복수의 상기 스페이스블록(150, 152, 154, 156, 158)은 관통하여 형성된 상기 통로를 구비하는

가스 냉각식 발전기 기계.
제 22 항에 있어서,

상기 스페이스블록(150, 152, 154, 156, 158)을 통하여 형성된 복수의 통로(160, 162, 164, 166, 168, 170, 172, 174, 176, 178, 180, 182, 184, 186)가 존재하며, 적어도 하나의 상기 통로(162, 166, 168, 172, 174, 180, 182, 186)는 냉각 가스를 대체로 상기 제 1 캐비티 및 상기 제 2 캐비티의 중앙 영역 사이로 유동시키며,

적어도 하나의 상기 복수의 통로(160, 162, 184, 186)는 상기 스페이스블록(150, 158)의 종방향 축에 대해 90도보다 작은 각도로 경사져 있는

가스 냉각식 발전기 기계.
가스 냉각식 발전기 기계에 있어서,

스핀들(16)과 몸체부(14)를 구비하는 로터(10)와,

상기 몸체부(14)상에 배치된 축방향 연장 코일(22)과 상기 몸체부(14)의 적어도 일 단부(18)를 지나 축방향으로 연장하는 이격된 동심의 엔드와인딩(28)을 구비하는 로터 권선과,

인접한 상기 엔드와인딩(28) 사이에 위치된 복수의 스페이스블록(150, 152, 154, 156, 158)과,

상호 인접한 엔드와인딩(28)과 스페이스블록(150, 152, 154, 156, 158) 사이에 규정된 복수의 캐비티(142, 144, 146, 148)를 포함하며,

상기 엔드와인딩(28)과 상기 스핀들(16)은 이들 사이에 공간(36)을 형성하고,

적어도 하나의 상기 스페이스블록은 관통하여 형성된 통로(160, 162, 164, 166, 168, 170, 172, 174, 176, 178, 180, 182, 184, 186)를 구비하며, 상기 통로는 인접한 제 1 캐비티를 향하는 상기 스페이스블록의 제 1 표면(192, 194, 196)과 인접한 제 2 캐비티를 향하는 상기 스페이스블록의 제 2 표면(198, 200, 210) 사이에서 연장하여, 상기 스페이스블록을 통해 상기 제 1 캐비티와 상기 제 2 캐비티 사이의 냉각 유동 연통을 제공하는

가스 냉각식 발전기 기계.
몸체부(14), 축방향으로 연장하는 코일(22) 및 상기 몸체부(14)의 적어도 일단부(18)를 지나 축방향으로 연장하는 엔드와인딩(28)을 구비하는 로터(10)와, 상기 엔드와인딩 사이에 배치된 복수의 스페이스블록(150, 152, 154, 156, 158)과, 상호 인접한 엔드와인딩 및 스페이스블록 사이에 규정된 복수의 캐비티(142, 144, 146, 148)를 포함하는 발전기 기계에서, 엔드와인딩을 냉각하는 방법에 있어서,

적어도 하나의 상기 스페이스블록을 통과하는 적어도 하나의 통로(160, 162, 164, 166, 168, 170, 172, 174, 176, 178, 180, 182, 184, 186)를 제공하는 단계로서, 상기 통로는 인접한 제 1 캐비티를 향하는 상기 스페이스블록의 제 1 표면과 인접한 제 2 캐비티를 향하는 상기 스페이스블록의 제 2 표면 사이에서 연장하는, 상기 적어도 하나의 통로를 제공하는 단계와,

압력 헤드가 냉각 가스를 상기 제 1 캐비티내로, 상기 통로내로, 그리고 상기 제 2 캐비티내로 추진하여, 상기 스페이스블록을 통해 상기 제 1 캐비티와 상기 제 2 캐비티 사이의 냉각 유동 연통을 제공하도록 상기 로터를 회전시키는 단계를 포함하는

엔드와인딩 냉각 방법.
제 29 항에 있어서,

상기 로터는 상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면(192, 194, 196, 198, 200, 210) 중 적어도 하나의 반경방향 내측 단부에 인접하게 제공된 유동 편류판(188, 190)을 더 포함하며,

상기 엔드와인딩 냉각 방법은 상기 유동 편류판을 따라 상기 제 1 캐비티 내측으로 또는 상기 제 2 캐비티 외측으로 냉각 가스를 유동시키는 단계를 더 포함하는

엔드와인딩 냉각 방법.
제 29 항에 있어서,

상기 스페이스블록(150, 152, 154, 156, 158)을 통하여 형성된 복수의 통로(160, 162, 164, 166, 168, 170, 172, 174, 176, 178, 180, 182, 184, 186)가 존재하며, 냉각 가스는 상기 통로를 통해 적어도 상기 제 2 캐비티의 반경방향 외측 및 중앙 영역으로 지향되며,

상기 복수의 통로(160, 162, 184, 186) 중 적어도 하나는 상기 스페이스블록의 종방향 축에 대해 90도보다 작은 각도로 경사져, 냉각 유동이 상기 제 2 캐비티내로 소정 각도로 지향되는

엔드와인딩 냉각 방법.