KR19980041977A - 가스냉각식 전기기계 - Google Patents

Abstract

폐쇄 냉각회로에서 역류냉각이 되는 공냉식 전기기계에서, 모듈러 구조의 냉각장치가 기계 밑의 기초 구덩이 (10) 안에 설치된다. 이 냉각장치는 기초 구덩이 (10) 안에 서로 독립적으로 설치되는 다수의 냉각기 (11) 들로 구성되며, 이들 냉각기는 기계의 종방향에 수직인 방향으로 형성된 분리벽에 의해 서로 떨어져 있다. 냉각기 (11) 의 출구는 기계 하우징 (1) 과 스테이터 적층코어 (2) 사이에 있는 저온가스 챔버 (14, 16) 에 자유롭게 연결되어 있다. 냉각기 (11) 의 입구는 기계의 단부에 있는 두 팬 (12) 의 유출부에 자지유롭게 연결되어 있다. 이러한 구성으로, 냉각가스를 최적으로 안내할 수 있음은 물론, 냉각기를 신속하게 교환 및/또는 폐쇄할 수 있게 된다.

Description

가스냉각식 전기기계

본 발명은, 기초 구덩이 위에서 기초부 상에 설치되는 하우징과, 이 하우징 안에 설치되며 내측 원주에 있는 슬롯에 배치되어 간접냉각되는 스테이터 와인딩 컨덕터를 갖는 스테이터 및, 로터를 구비하고 있는 전기기계로서, 상기 스테이터의 적층코어는 덕트 스페이서에 의해 서로 떨어져 배치되는 개별적인 요소 적층코어 들로 구성되며, 연속하는 두 요소 적층코어 사이의 공간은 반경방향의 냉각슬롯을 이루게 되고, 이 냉각슬롯은 스테이터 적층코어의 내주에 있는 환상의 공기틈새부를 스테이터 적층코어의 외주와 하우징 사이에 있는 챔버 스페이스에 연결시켜주며, 이 챔버 스페이스는 저온의 냉각가스가 공급되는 저온가스 챔버와, 가열된 냉각가스가 상기 냉각슬롯으로 부터 반경방향 외측으로 흐르면서 공급되는 고온가스 챔버로 이루어지고, 상기 고온가스 챔버는 기계 밑의 기초 구덩이 안에 있는 냉각장치에 연결되며, 가열된 냉각가스를 고온가스 챔버로 부터 인출하고 저온가스로서 냉각된 가스를 상기 저온가스 쳄버에 공급하는 기계의 단부 팬과 냉각가스 안내장치 모두에 오버행 스페이스와 로터가 제공되는 전기기계에 관한 것이다.

이와 같은 특징을 갖는 가스냉각식 전기기계는 예컨데 독일특허 제 43 32 304 A1 호에 개시되어 있다.

이른바 간접냉각 원리는 스테이터 와인딩 바아에서 발생된 손실을 기체 상태의 냉각매체 (수소, 공기) 에 소산시키는 것이다. 이 경우 주열속 (principal heat flux) 는 절연재를 거쳐 바아 구리로 부터 스테이터 적층코어의 치형부로 발생한다. 열은 스테이터 치형으로 부터 냉각매체로 소산된다.

이 경우 온도상승의 한계는 절연재의 온도 민감성과, 상이한 절연등급으로 규정되어 있는 대응 매체온도에 의해 정해진다 (ANSI, IEC).

절연재안에 들어있는 스테이터 구리 컨덕터와 절연재의 외층 사이에서 비교적 큰 온도차가 발생하기 때문에, 간접 가스냉각되는 터빈구동식 제너레이터의 최대 파워는 고전적인 냉각원리에 의해 제한을 받는다.

위와 같은 이유로, 냉각 개선에 대한 여러 제안들이 제시되어 왔다. 한편으로는, 중앙 기계영역에서 냉각을 강화시키려는 노력이 있었고, 또 한편으로는, 예컨데 1992년 8월 30일 부터 1992년 9월 5일 간의 CIGRE 보고서 “가스 터빈과 병합 사이클을 위한 대형 공냉식 제너레이터에 대한 개발”에서 특히 도 1 과 11-201 면에서 기술되어 있는 바와 같이, 냉각회로의 기본적인 재구성, 구체적으로 말하면 종래의 압력냉각으로 부터 역류 냉각으로의 천이에 대해 집중적인 노력이 있었다.

일반적으로, 압력냉각과 비교해서, 역류냉각은 다음과 같은 장점을 갖고 있다. 즉, 냉각기를 떠나는 공기는 스테이터에 있는 냉각덕트에 직접 공급될 수 있으며, 또한 기계의 팬에 의한 온도상승이 발생하지 않는 다는 것이다. 단점으로서는, 기계에서의 냉각가스의 안내가 특히 오버행 공간에서 더욱 복잡하게 되고, 따라서 빌트-인 요소를 추가로 제공해야 하며, 또한 로터에 냉각가스를 공급하는 것도 매우 어렵게 된다는 것이다.

다른 문제는 비교적 높은 비출력을 갖는 기계에 냉각기를 설치함에 있는데, 하우징의 직경을 증대시키지 않고는 이 하우징안에 냉각기를 설치할 수 없게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 역류 냉각 방식으로 바람직하게 작동되고 최적으로 냉각될 수 있는, 서문에서 언급한 형태의 신규한 가스냉각식 전기기계를 제공하는 것이다.

도 1 은 폐쇄 냉각회로와 기초 구덩이안에 설치된 냉각기들을 구비하고 있는 공냉 터빈구동식 제너레이터에 대한 간략화된 종단면도.

도 2 는 선 AA 을 따라 두 냉각기 사이의 레벨에서 도 1 에 따른 터빈구동식 제너레이터의 제 1 단면도.

도 3 는 선 BB 을 따라 냉각기의 레벨에서 도 1 에 따른 터빈구동식 제너레이터의 제 2 단면도.

도 4 는 선 CC 을 따라 스테이터 적층코어 밑에서 도 1 에 따른 터빈구동식 제너레이터의 수평면도.

도 5 는 열기계와 전기기계를 포함하는 기계군에 대한 간략화된 종단면도. * 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 하우징 2 : 요소 적층코어

3 : 냉각슬롯 4 : 로터

7 : 기초부 10 : 기초 구덩이

11 : 냉각기 12 : 팬

14, 16 : 저온가스 챔버 15, 17 : 고온가스 챔버

위와 같은 목적은 본 발명의 청구항 1 의 특징부에 따른 구성으로 달성된다. 본 발명의 이점은 다음과 같은 구성에서 얻어진다. 즉, 상기 냉각장치는 모듈러 구조로 되어 있고 또한 상기 기초 구덩이 안에 서로 독립적으로 설치되는 다수의 냉각기들로 구성되며, 이들 냉각기의 출구는 상기 저온가스 챔버에 자유롭게 연결되고 냉각기들의 입구는 두 팬의 출구부에 자유롭게 연결된다.

냉각기를 기초 구덩이안에 설치함으로써, 기계의 이송 프로파일 - 이것은 특히 레일에 이한 이송시 매우 중요하다 - 을 증대시키지 않고도 두 와인딩 오버행과 활동부 밑에 있는 공간 전체를 이용할 수 있게 된다. 이렇게 해서, 냉각표면을 50% 이상 증대시킬 수 있는 것이다.

또한, 본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따르면, 제 1 리세스가 상기 기초 구덩이의 측벽에 제공되고, 상기 냉각기들은 기계의 종방향 축선에 수직인 방향으로 변위가능하게 설치되고 또한 상기 리세스를 통하여 제 1 방향으로 한쪽으로 드로어 방식으로 인출될 수 있으며, 그리고 냉각기의 연결부가 인출측의 반대 측에 설치되어 있고, 기초 구덩이의 맞은편 측벽에 있는 제 2 리세스를 통해 상기 연결부에 접근할 수 있게 되어 있다.

상기 냉각기의 출구를 저온가스 쳄버로 부터 떨어져 있게 하면, 기계의 전 길이에 걸쳐 축방향으로 향하는 보상공간이 냉각기와 기계 사이에 형성되게 된다. 이 공간은 냉각기가 고장이 났을 때 특히 유용한 것이다. 고장난 냉각기의 출구를 예컨데 판상 덮개로 막음으로써, 고온의 냉각가스가 저온가스 챔버안으로 들어가는 것을 막을 수 있다. 이상이 없는 나머지 냉각기들이 상기 축방향 보상공간과 연결되면 기계는 낮은 파워에서 계속 작동할 수 있다.

본 발명은 열기계가 판상 기초부 위에 설치되는 가스 플랜트와 병합 플랜트에 특히 적합하다. 이러한 플랜트에서, 터빈구동식 제너레이터의 기초레벨은 열기계의 판상 기초레벨 보다 1000 mm 이상 높게 되어 있다. 여기서 기초부를 사이에 두고 기계의 하우징이 실제의 판상 기초부 위에 설치되는 경우에는, 상기 기초부 의 내부는 기초 구덩이로서 역할하게 된다. 그러면, 접근성이 극히 높아지기 때문에, 설치, 서빙 및 수리를 위해 냉각기를 옆으로 쉽께 움직여 빼낼 수 있다.

본 발명에 대한 더욱 완전한 이해와 수반된 이점은 첨부된 도면을 참고로 한 이하의 상세한 설명으로 부터 잘 알 수 있을 것이다. 도면에서 본 발명의 이해에 필요한 구성요소만 도시하였다.

지금부터 도면을 참조하는데, 동일한 구성요소에 대해서는 같은 참조부호가 부여되어 있다. 도 1 에서 보는 바와 같이, 터빈으로 구동되는 공냉식 제너레이터는 기계 하우징 (1) 을 갖고 있으며, 이 하우징은 요소 적층코어 (2) 들로 이루어진 스테이터 적층코어를 내장하고 있다. 레이디얼 배기덕트 (3) 는 스테이터 적층코어의 각 요소 적층코어 (2) 사이에 제공되어 있다. 로터 (4) 는 받침 베어링 (5, 6) 에서 지지되며, 이들 베어링은 기초부 (7) 위에 타이볼트 (8) 로 체결되어 있다. 상기 기계 하우징 (1) 도 마찬가지로 상기 기초부 (7) 위에 타이볼트 (9) 로 체결되어 있다 (도 2, 3 비교).

상기 기초부 (7) 에는 기초 구덩이 (10) 가 있는데, 이 구덩이는 사실상 기계하우징 (1) 의 전체 폭을 점유하면서 이 하우징 (1) 의 전 길이에 걸쳐 형성되어 있다. 기계의 냉각장치는 상기 기초 구덩이 (10) 안에 설치된다. 이 냉각장치는 모듈러 구조 (modular construction) 로 되어 있으며 서로 동일한 6개의 냉각기 (11) 를 갖고 있다. 이들 냉각기는 기초 구덩이 안에 서로 독립적으로 배치된다. 이러한 배치에서, 냉각기 (11) 의 입구는 로터 (4) 의 양 측부에 배치된 팬 (12) 의 유출부에 연결되며, 냉각기 (11) 의 출구는 보상공간 (13) 과 연통하고 있다. 냉각기 (11) 를 흐르는 냉각가스는 도면에서 화살표로 표시되어 있는데, 유입하는 고온가스는 화살표“18”로 표시되어 있고, 유출하는 저온가스는 화살표“19”로 표시되어 있다. 언급하지 않은 다른 모든 화살표는 냉각회로 또는 냉각가스를 나타낸다. 상기 기계가 냉각에 대해 대칭적인 구조로 되어 있기 때문에, 냉각회로는 기계의 절반에서만 화살표로 표시되어 있다.

냉각원리로는, 고온가스 (18) 가 팬 (12) 에 의해 냉각기 (11) 로 공급되는 소위 역류 냉각 (reverse flow cooling) 방식을 채용하고 있다. 이때 저온가스 (19) 는 냉각기 (11) 로 부터 보상공간 (13) 을 지나 기계의 후방부, 즉 요소 적층코어 (2) 들로 이루어진 스테이터 적층코어와 기계 하우징 (1) 사이의 공간으로 가게 된다. 고온가스 및 저온가스 챔버 (15, 17, 14, 16) 는 하우징 리브 (22) 와 레이디얼 및 액셜 분리벽 (23, 24) 으로 하우징의 뒷부분에 형성되어 있다. 예컨데, 기계의 각 단부에는 저온가스 챔버 (14) 가 하나씩 배치되어 있고, 기계의 중앙부에는 고온가스 쳄버 (17) 가 하나 배치되어 있으며, 하나의 고온가스 챔버 (15) 와 하나의 저온가스 챔버 (16) 가 상기 챔버 (14, 17) 사이에서 기계의 수직 중간부로 부터 양 쪽에 배치되어 있다.

상기 보상공간 (13) 에서, 냉각가스 유동이 저온가스 챔버 (14, 16) 사이에서 일어나며 부타유동이 형성된다. 제 1 부차동이 배플 (26) 과 내측 페어링 (21) 사이에서 로터 (4) 쪽으로 직접 일어나며, 제 2 부차유동은 와인딩 오버행 (27) 을 통해 기계 공기틈 (25) 안으로 일어나고, 제 3 냉각가스 유동은 저온가스 챔버 (16) 와 배기덕트 (3) 를 지나 상기 공기틈 (25) 안으로 발생된다. 이 공기틈으로 부터 냉각가스는 팬 (12) 에 의해 내측 및 외측 페어링 (21, 20) 사이의 고온가스 챔버 (15, 17) 와 배기덕트 (3) 를 지나 유출되게 되며, 이어서 기초 구덩이 (10) 에 있는 냉각기 (11) 에 가압된다.

도 2 는 도 1 에서 선 AA 을 따라 취한 단면도로, 기초부 (7) 위에 있는 기계 구성을 보여주고 있다. 이 도면에서, 참조부호 “32”는 냉각기가 놓이는 안내레일을 나타낸다.

도 3 에는, 기초부 (7) 의 측벽 (28) 에 형성된 리세스 (29a, 29b) 에 배치된 냉각기 (11) 가 도시되어 있다. 이들 리세스 (29a, 29b) 는 냉각기 (11) 와 동일한 단면을 가지며, 냉각기는 기계에 수직인 리세스안에서 지지된다. 냉각기 (11) 는 후퇴측에 있는 제 1 리세스 (29a) 를 통해 변위 방향 (31) 으로 기계 하우징 (1) 밑에 있는 공간안으로 드로어 방식으로 밀리게 되며, 이때 냉각기에 부착된 연결부 (30) 가 제 2 리세스 (29b) 안으로 들어가게 된다. 여기서, 냉각기 (11) 는 냉각 시스템의 다른 장치 (도시 안됨) 에 연결된다.

상기 냉각기 (11) 과 안내레일 (32) 은 기계 하우징 (1) 밑에 있는 공간을 보상공간 (13) 과 기초 구덩이 (10) 으로 나눈다 (도 2, 3 비교). 이러한 구성은 특히 냉각기가 고장이 났을 때 유용하다. 고장난 냉각기의 출구를 예컨데 판상 덮개로 막음으로써, 고온의 냉각가스가 저온가스 챔버안으로 들어가는 것을 막을 수 있다. 이로써, 기계는 액셜 보상공간 (13) 에 관련된 나머지 (이상이 없는) 냉각기를 사용하여 낮은 파워에서 계속 가동될 수 있다.

도 4 에는 냉각기 (11) 들의 종단면도가 도시되어 있다. 도 1 에서도 볼 수 있는 바와 같이, 냉각기 (11) 들을 기초 구덩이안에 설치하면, 기계의 활동부, 즉 후자를 포함해서 와인딩 오버행 (27) 사이의 기계의 부분 밑에 있는 공간 전체를 사용할 수 있다는 것이다. 이렇게 해서 기계의 이송 프로파일이 커지지 않게 되는데, 이것은 레일에 의한 이송에 있어 매우 중요한 것이다. 이렇게 해서, 냉각표면을 종래기술에 비해 50% 이상으로 크게 할 수 있다.

특히, 본 발명은 도 5 에서 보는 바와 같이 열기계 (33) 가 판상 기초부 (34) 위에 설치되는 가스 플랜트와 조합 플랜트에 특히 적합하다. 이러한 플랜트에서, 터빈구동식 제너레이터의 기초레벨 (35) 은 열기계 (33) 의 판상 기초레벨 (33) 보다 1000 mm 이상 높게 되어 있다. 여기서 기초부 (7) 를 사이에 두고 기계 하우징 (1) 이 실제의 판상 기초부 (34) 위에 설치되는 경우에는, 상기 기초부 (7) 의 내부는 기초 구덩이 (10) 으로서 역할하게 된다. 그러면, 접근성이 극히 높아지기 때문에, 설치, 서빙 및 수리를 위해 냉각기 (11) 를 옆으로 쉽께 움직여 빼낼 수 있다. 지금까지, 여섯 대의 냉각기로 부터 냉각가스를 공급받는 네 개의 저온가스 챔버와 세 개의 고온가스 챔버를 구비한 가스냉각식 기계를 가지고 본 발명을 설명하였다. 물론, 본 발명은 다른 개수의 고온가스 쳄버와 저온가스 챔버 및 냉각기를 구비하는 기계에 대해서도 적용된다. 이때 필요한 것은, 하우징 리브와 기계의 뒤에 있는 레이디얼 및 액셜 분리벽을 이용하여 냉각가스를 교환방식으로 안내시키는 것이다.

물론, 본 발명은 이상의 교시에 의거하여 다양한 변형이 가능하다. 따라서, 다음의 청구범위내에서 본 발명을 상기 예와는 달리 실시할 수 있다.

본 발명에 따르면, 기계에 냉각기를 설치함에 있어 하우징의 직경을 증대시키지 않고 이 하우징 안에 냉각기를 쉽게 설치할 수 있다.

냉각기를 기초 구덩이안에 설치함으로써, 기계의 이송 프로파일을 증대시키지 않고도 두 와인딩 오버행과 활동부 밑에 있는 공간 전체를 이용할 수 있게 된다. 이렇게 해서, 냉각표면을 50% 이상 증대시킬 수 있는 것이다.

또한, 본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따르면, 제 1 리세스가 상기 기초 구덩이의 측벽에 제공되고, 상기 냉각기들은 기계의 종방향 축선에 수직인 방향으로 변위가능하게 설치되고 또한 상기 리세스를 통하여 제 1 방향으로 한쪽으로 드로어 방식으로 인출될 수 있으며, 그리고 냉각기의 연결부가 인출측의 반대 측에 설치되어 있고, 기초 구덩이의 맞은편 측벽에 있는 제 2 리세스를 통해 상기 연결부에 접근할 수 있게 되어 있다.

상기 냉각기의 출구를 저온가스 쳄버로 부터 떨어져 있게 하면, 기계의 전 길이에 걸쳐 축방향으로 향하는 보상공간이 냉각기와 기계 사이에 형성되게 된다. 이 공간은 냉각기가 고장이 났을 때 특히 유용한 것이다. 고장난 냉각기의 출구를 예컨데 판상 덮개로 막음으로써, 고온의 냉각가스가 저온가스 챔버안으로 들어가는 것을 막을 수 있다. 이상이 없는 나머지 냉각기들이 상기 축방향 보상공간과 연결되면 기계는 낮은 파워에서 계속 작동할 수 있다.

본 발명은 열기계가 판상 기초부 위에 설치되는 가스 플랜트와 병합 플랜트에 특히 적합하다. 이러한 플랜트에서, 터빈구동식 제너레이터의 기초레벨은 열기계의 판상 기초레벨 보다 1000 mm 이상 높게 되어 있다. 여기서 기초부를 사이에 두고 기계의 하우징이 실제의 판상 기초부 위에 설치되는 경우에는, 상기 기초부 의 내부는 기초 구덩이로서 역할하게 된다. 그러면, 접근성이 극히 높아지기 때문에, 설치, 서빙 및 수리를 위해 냉각기를 옆으로 쉽께 움직여 빼낼 수 있다.

Claims (5)

1. 기초 구덩이 (10) 위에서 기초부 (7) 상에 설치되는 하우징 (1) 과, 이 하우징 (1) 안에 설치되며 내측 원주에 있는 슬롯에 배치되어 간접냉각되는 스테이터 와인딩 컨덕터를 갖는 스테이터 및, 로터 (4) 를 구비하고 있는 전기기계로서, 상기 스테이터의 적층코어는 덕트 스페이서에 의해 서로 떨어져 배치되는 개별적인 요소 적층코어 (2) 들로 구성되며, 연속하는 두 요소 적층코어 사이의 공간은 반경방향의 냉각슬롯 (3) 을 이루게 되고, 이 냉각슬롯 (3) 은 스테이터 적층코어의 내주에 있는 환상의 공기틈새부를 스테이터 적층코어의 외주와 하우징 사이에 있는 챔버 스페이스에 연결시켜주며, 이 챔버 스페이스는 저온의 냉각가스가 공급되는 저온가스 챔버 (14, 16) 와, 가열된 냉각가스가 상기 냉각슬롯 (3) 으로 부터 반경방향 외측으로 흐르면서 공급되는 고온가스 챔버 (15, 17) 로 이루어지고, 상기 고온가스 챔버 (15, 17) 는 기계 밑의 기초 구덩이 (10) 안에 있는 냉각장치에 연결되며, 가열된 냉각가스를 고온가스 챔버 (15, 17) 로 부터 인출하고 저온가스로서 냉각된 가스를 상기 저온가스 쳄버 (14, 16) 에 공급하는 기계의 단부 팬과 냉각가스 안내장치 모두에 오버행 스페이스와 로터 (4) 가 제공되는, 상기 전기기계에 있어서,

   상기 냉각장치는 모듈러 구조로 되어 있고 또한 상기 기초 구덩이 (10) 안에 서로 독립적으로 설치되는 다수의 냉각기 (11) 들로 구성되며, 이들 냉각기의 출구는 상기 저온가스 챔버 (14, 16) 에 자유롭게 연결되고 냉각기 (11) 들의 입구는 두 팬 (12) 의 출구부에 자유롭게 연결되는 것을 특징으로 하는 전기기계.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각기 (11) 의 출구는 저온가스 쳄버 (14, 16) 로 부터 떨어져 있으며, 이렇게 해서 생긴 공간은 보상공간 (13) 으로서 역할하는 것을 특징으로 하는 전기기계.
3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 제 1 리세스 (29a) 가 상기 기초 구덩이 (10) 의 측벽 (28) 에 제공되고, 상기 냉각기 (11) 들은 기계의 종방향 축선에 수직인 방향으로 변위가능하게 설치되고 또한 상기 제 1 리세스 (29a) 를 통하여 방향 (31) 으로 한쪽으로 드로어 방식으로 인출될 수 있으며, 그리고 냉각기 (11) 의 연결부 (30) 가 인출측의 반대 측에 설치되어 있고, 기초 구덩이 (10) 의 맞은편 측벽 (28) 에 있는 제 2 리세스 (29b) 을 통해 상기 연결부에 접근할 수 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.
4. 제 3 항 또는 4 항에 있어서, 상기 기계의 하우징 (1) 은 기초부 (7) 위에 설치되며, 이 기초부 (7) 의 내부는 기초 구덩이 (10) 을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기기계.
5. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개개의 냉각기 (11) 을 폐쇄하기 위해 이이 냉각기의 출구를 판상 요소로 밀봉할 수 있는 것을 특징으로 하는 전기기계.