KR20000070284A - 톱니 상부 응력을 감소시키는 링 키이를 구비한 발전기 회전자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리테이닝 링에 의해 회전자 톱니에 전달되는 마찰력을 감소시키는 발전기 회전자에 관한 것이다. 마찰력은 회전자의 작동시 권선 가열이 일어날 때 리테이닝 링에 대항하여 길이방향 바깥쪽으로 끝부 권선을 밀므로써 생긴다. 링 키이는 보다 큰 마찰력을 회전자 폴 영역으로 전달함으로써 회전자 톱니 영역에 전달되는 마찰력을 감소시킨다. 본 발명은 링 키이와 톱니 영역 사이에 틈을 형성함에 의해, 링 키이와 톱니 영역 사이에 가벼운 접촉만을 만듦으로써, 톱니 영역과 접촉하는 영역이 보다 낮은 강성 재료로 형성된 키에 의해 또는 상기 요건들의 조합에 의해 회전자 톱니 영역에 전달되는 이 마찰력의 감소를 성취한다.

Description

톱니 상부 응력을 감소시키는 링 키이를 구비한 발전기 회전자{A GENERATOR ROTOR WITH RING KEY THAT REDUCES TOOTH TOP STRESS}

발전기 회전자는 두 개의 샤프트가 각각의 회전자 끝부에서 뻗어있는 원통형 회전자 몸체를 가지고 있다. 회전자는 각을 이루어 톱니 영역 및 폴(pole) 영역으로 분할된다. 톱니 영역은 회전자내로 절결된 길이방향 슬롯에 의해 형성되는 일련의 톱니를 가지고 있다. 슬롯은 계자권선 및 회전자의 회전에 의해 생기는 원심력에 대항하여 권선을 제 위치에 유지시키는 웨지를 포함한다.

도 3을 참조하면, 권선(120)은 권선 끝 감김부를 형성하도록 감겨지는 회전자 몸체의 각각의 끝부에서 회전자 톱니(116) 위에서 축선방향으로 뻗어있다. 이 끝 감김부는 톱니(116) 및 원심력을 구속하는 웨지(119)가 부족한 영역내에 있기 때문에, 환형의 리테이닝 링(114)이 이 끝 감김부 및 회전자 끝부 둘레로 위치되어 원심력에 대항하여 이 끝 감김부를 구속한다. 리테이닝 링(114)은 도 2에 도시된 바와 같은 방사상 스플릿(28)을 가지고 있는 링 키이(110)에 의해 제 위치에 길이방향으로 유지되는데, 링 키이는 리테이닝 링(114) 및 회전자(112)내의 각각의 대향 원주상 홈(130a,130b)내로 끼워맞춤된다. 도 3에서, 필러 블록과 댐퍼 바아와 같이 본 발명과 무관한 구성요소는 명료한 도시를 위해 생략되었다.

발전기의 작동 중에, 회전자(112), 특히 권선 및 끝 감김부는 가열된다. 열팽창은 끝부 권선이 리테이닝 링(114)을 대항하여 축선방향 바깥쪽으로 미는 것을 야기하여 축선방향 외향력, 즉 “마찰력”을 일으킨다. 링 키이(110)가 리테이닝 링(114)이 회전자(112)에 대한 길이방향으로 이동하는 것을 구속하기 때문에, 링 키이(110)는 동일한 방향을 가진 길이방향의 다른 힘들뿐만 아니라 마찰력을 회전자(112)에 전달한다. 도 2에 도시된 바와 같은 종래의 링 키이(110)가 그것의 전 외주상에 걸쳐 대략 균일한 두께 및 경도를 가지고 있기 때문에, 마찰력은 회전자의 톱니 영역 및 폴 영역에 균등하게 전달된다. 회전자 톱니에 전달되는 것에 해당하는 마찰력 부분은 문제가 되는데, 왜냐하면 톱니가 이미 권선 및 웨지로부터의 원심력에 기인한 높은 방사상 응력을 받고 있기 때문이다. 이와같은 높은 응력은 톱니 상부내에 균열을 일으킨다.

따라서, 회전자의 톱니 영역내에서의 길이방향 마찰력을 감소시키는 링 키이를 가진 발전기 회전자에 대한 필요성이 제기된다.

본 발명은 전기를 발생시키는 발전기, 특히 리테이닝 링을 가진 발전기 회전자에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 채용되는 타입의 발전기 회전자의 개략도,

도 2는 종래의 링 키이의 개략도,

도 3은 회전자에 결합된 종래의 링 키이를 도시한 도면,

도 4는 권선, 리테이닝 링 및 링 키이가 제거된 상태인 본 발명에 채용된 타입의 발전기 회전자의 단면도,

도 4A는 도 4의 톱니 상부의 상세도,

도 5A, 도 5B 및 도 5C는 본 발명의 여러가지 실시예에 따른 링 키이의 개략도,

도 6A, 도 6B 및 도 6C는 본 발명의 여러가지 실시예에 따라, 회전자 톱니 영역내에서 회전자에 결합된 리테이닝 링을 도시한 도면,

도 7은 본 발명의 여러가지 실시예에 따라, 회전자 폴 영역내에서 회전자에 결합된 리테이닝 링을 도시한 도면.

본 발명에서 회전자 톱니에 전달되는 길이방향 마찰력을 감소시키는 링 키이를 가진 발전기 회전자가 제공된다. 이 링 키이는 많은 양의 그와같은 마찰력을 회전자 톱니 영역 대신에 회전자 폴 영역에 전달함으로써 회전자 톱니 영역으로 전달되는 마찰력 부분을 감소시킨다.

본 발명의 한 실시예에서, 링 키이는 회전자의 톱니 영역과 각을 이루어 정열된 릴리프 영역(즉, 감소되는 축선방향 두께의 영역)을 가지고 있다. 릴리프 영역들 사이에서 빈틈을 채우고 있는 링 키이 돌출 영역(즉, 릴리프 영역보다 상대적으로 더 큰 축선방향 두께의 영역)은 회전자 폴 영역과 각을 이루어 정렬된다. 회전자가 정상적인 작동 온도상태에 있을 때, 돌출 영역은 회전자 폴 영역을 가압하여 리테이닝 링의 길이방향 운동을 구속한다. 돌출 영역과 폴 영역 사이의 접촉과는 대조적으로, 릴리프 영역과 톱니 영역은 회전자가 정상적인 작동 온도상태에 있을 때 그들 사이에 틈을 형성한다. 이 틈 때문에, 리테이닝 링은 톱니에 전달되는 길이방향 마찰력을 감소시킨다.

릴리프 영역내에서의 릴리프의 양(즉, 축선방향 두께에 있어서의 감소량)은 릴리프 영역과 톱니 영역 사이에 틈을 허용하기 보다는 가벼운 접촉을 허용하도록 치수결정된다. 그와같은 가벼운 접촉은 감소된 양에도 불구하고 약간의 마찰력을 톱니에 전달할 것이다.

또다른 실시예에서는, 릴리프 영역 및 돌출 영역을 가진 링 키이를 제공하기 보다는, 링 키이가 상이한 강성을 가진 두 가지 상이한 재료로부터 형성된다. 특히, 회전자 톱니 영역과 접촉하는 링 키이의 영역은 폴 영역과 접촉하는 링 키이 재료보다 낮은 강성을 가진 재료로부터 형성된다. 또다른 실시예는 링 키이 돌출 영역의 재료보다 낮은 강성 재료로 형성된 링 키이 릴리프 영역을 제공함으로써 먼저 번 두 가지 실시예의 특성을 병합하고 있다. 이 나중의 실시예에서는, 릴리프의 크기는 릴리프 영역과 회전자 톱니 영역 사이의 가벼운 접촉을 허용하도록 선정된다.

본 발명이 여기서는 하나의 특정한 발전기 회전자(12)를 사용하여 설명되고 있지만, 본 발명은 여기에 국한되지 않는다. 예컨대, 도 5A는 폴이 네 개인 발전기 회전자(12)에 상응하는 네 개의 돌출 영역(34)을 가진 링 키이(10)를 도시하고 있다. 하지만, 본 발명은 도시된 바와 다른 갯수의 폴과 기하성을 가진 발전기 회전자가 채용될 수도 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 채용되는 타입의 폴이 두 개인 발전기 회전자(12)가 도시되어 있다. 도 4 및 도 5A 내지 5C는 네 개의 톱니 영역(24)과 네 개의 폴 영역(26)을 가지고 있는 폴이 네 개인 발전기에 상응하는 링 키이(10)를 도시하고 있다. 각각의 톱니 영역(24)은 복수의 톱니(16) 사이에서 빈틈을 형성하고 있는 여러 개의 길이방향 슬롯(18)에 의해 형성된다. 톱니(16) 및 슬롯 (18)은 회전자(12)의 길이에 걸쳐 있다. 웨지(19) 및 계자권선(20)은 각각의 슬롯(18)내로 단단하게 설치된다. 회전자(12)의 각 끝부상의 권선(20)의 끝 감김부(22)는 리테이닝 링(14)에 의해 구속된다. 링 키이(10)는 도 6A, 6B 및 6C에 도시된 바와 같이 리테이닝 링(14) 내부의 원주상 홈(30a) 내부에 부분적으로 위치되고 회전자(12)내의 대향 원주상 홈(30b) 내부에 부분적으로 위치된다.

본 발명의 세 개의 실시예가 본 발명을 예시하고 있다. 본 발명의 제1 실시예에 있어, 도 5A,6A 및 7에는 링 키이(10a)가 네 개의 릴리프 영역(32) 및 네 개의 돌출 영역(34)를 가지고 있는 것으로 도시되어 있다. 키이 돌출 영역(34)은 회전자 폴 영역(26)과 각을 이루어 정렬되어 있다. 여기 발명의 상세한 설명과 첨부된 청구의 범위에서 사용되는 바와 같이, “릴리프 영역”이라는 용어는 링 키이의 “돌출 영역”의 대응하는 두께보다 작은 두께를 가진 링 키이의 영역을 의미한다.

바람직하게, 릴리프 영역(32)과 돌출 영역(34) 사이의 축선방향 두께차는 미국 펜실베니아 15222 피츠버그의 Westinghouse Electric Corporation에 의해 공급되는 “네 개의 폴, 67" 폐쇄 슬롯”의 발전기 회전자에 있어 0.010" 내지 0.015"이다. 이 축선방향 두께차는 본 발명이 다른 회전자 직경을 가진 다른 발전기내에 채용될 때는 변경될 수 있다. 이와같이 채용되는 축선방향 두께차의 크기는 이들 다른 발전기가 다른 직경을 가진다는 것에 익숙한 당업자들에게는 잘 알려져 있다.

도 5A, 도 6A 및 도 7을 다시 참조하면, 링 키이 릴리프 영역(32)은 회전자(12)의 바깥쪽 측면과 면하고 있다. 회전자(12)가 정상적인 작동 온도상태에 있을 때, 돌출 영역(34)은 도 7에 도시된 바와 같이 회전자 폴 영역(26)과 접촉한다. 돌출 영역(34)이 폴 영역(26)을 대항하여 가압하지만, 릴리프 영역(32)과 돌출 영역(34) 사이의 축선방향 두께차는 도 6A에 도시된 바와 같이 릴리프 영역(32)과 회전자 톱니 영역(24) 사이에 틈(36)을 만든다. 본 발명은 또한 톱니 영역(24)과 릴리프 영역(32) 사이의 가벼운 접촉을 허용하는 축선방향 두께차를 빙 둘러 형성한다. 특히, 릴리프의 감소된 크기(즉 두께차의 크기보다 작은 크기)는 릴리프 영역(32)과 톱니 영역(24) 사이에 틈을 형성하지 않지만 그것들 사이에 가벼운 접촉을 허용하도록 제공된다.

본 발명의 제2 실시예를 도시하고 있는 도 5B, 도 6B, 및 도 7을 참조하면, 링 키이(10b)는 두 가지 상이한 금속으로부터 형성된다. 네 개의 키이의 제1 영역(40a)는 예를들어 알루미늄과 같은 낮은 강성의 금속으로부터 형성된다. 이 제1 영역(40a)은 네 개의 회전자 톱니 영역(24)과 각을 이루어 정렬된다. 네 개의 키이의 제2 영역(42a)은 예를들어 강재와 같은 높은 강성의 재료로부터 형성된다. 이 제2 영역(42a)은 네 개의 회전자 폴 영역(26)과 각을 이루어 정렬된다. 제1 영역(40a)과 제2 영역(42a)이 동일한 축선방향 두께(즉 릴리프가 없음)를 가지고 있기 때문에, 제1 영역(40a)은 회전자(12)가 정상적인 작동 온도상태에 있을 때 회전자 톱니 영역(24)과 접촉한다.

도 5C, 도 6C 및 도 7을 참조하면, 제1 실시예와 제2 실시예 둘 모두의 특성을 가지고 있는 본 발명의 제3 실시예가 도시되어 있다. 링 키이(10c)는 제1 재료로부터 형성된 네 개의 릴리프 영역(40b)과 제2 재료로부터 형성된 네 개의 돌출 영역(42b)을 가지고 있다. 바람직하게, 예를들어 알루미늄과 같은 낮은 강성 재료이고 제2 재료는 예를들어 강재와 같은 높은 강성 재료이다. 릴리프 영역(40b)은 네 개의 회전자 톱니 영역(24)와 각을 이루어 정렬된다. 돌출 영역(42b)은 회전자 폴 영역(26)과 각을 이루어 정렬된다. 바람직하게, 릴리프 영역(40b)과 돌출 영역(42b) 사이의 축선방향 두께차는 회전자(12)가 정상적인 온도상태에 있을 때 가벼운 접촉이 릴리프 영역(40a)과 회전자 톱니 영역(24) 사이에서 존재하도록 되어 있다. 특정의 발전기 모델을 위한 그와같은 가벼운 접촉을 제공하는 릴리프 영역(40b)의 크기는 이 특정의 발전기 모델에 익숙한 당업자들에게 잘 알려져 있다.

본 발명의 작동을 이제 설명한다. 회전자(12)가 정상적인 작동 온도상태에 이르렀을 때, 마찰력은 리테이닝 링(14)을 링 키이(10a 또는 10c)에 대항하여 길이방향 바깥쪽으로 가압한다. 결과적으로, 키이 돌출 영역(34 또는 42b)이 회전자 폴 영역을 대항하여 가압하는 동시에 틈이 릴리프 영역(32 또는 40b)과 회전자 톱니 영역(24) 사이에 형성된다. 링 키이(10a 또는 10c)와 톱니 영역(24) 사이의 접촉을 제함으로써, 링 키이가 톱니 영역(24)에 전달되는 마찰력을 감소시켜 그에따라 톱니 응력을 감소시킨다. 릴리프 영역(32 또는 40b)이 릴리프 영역(32 또는 40b)과 톱니 영역(24) 사이의 가벼운 접촉을 허용하도록 치수결정되는 실시예들은 유사하게 마찰력을 감소시킨다.

제2 실시예에 따르는 링 키이(10b)도 회전자 톱니 영역(24)에 전달되는 마찰력을 유사하게 감소시킨다. 회전자(12)가 정상적인 작동 온도상태에 이르렀을 때, 키이의 제1 영역(40a) 및 제2 영역(42a)은 회전자 톱니 영역(24) 및 폴 영역(26)을 각각 대항하여 가압한다. 제1 영역(40a)은 제2 영역(42a)과 비교하여 더 낮은 강성 때문에 제2 영역(42b)이 회전자에 전달하는 것보다 더 작은 마찰력을 회전자에 전달한다.

본 발명은 본 발명의 정신 또는 그 기본적인 특성으로부터 벗어남이 없이 다른 특정의 형태로 실시될 수 있으며, 따라서 본 발명의 범위는 앞서의 설명한 것보다는 첨부된 청구의 범위를 참조해야 한다.

Claims (17)

1. 발전기 회전자에 대한 리테이닝 링의 길이방향 병진이동을 구속하기 위한 환형 링 키이에 있어서,

   상기 링 키이는 복수의 릴리프 영역 및 복수의 돌출 영역을 포함하고 있고, 상기 복수의 릴리프 영역은 회전자의 톱니 영역과 각도를 이루어 정렬되어 있고, 상기 복수의 돌출 영역은 회전자의 폴 영역과 각도를 이루어 정렬되어 있고, 상기 링 키이는 회전자내의 원주상 홈 내부에 부분적으로 배치되고 리테이닝 링내의 원주상 홈 내부에 부분적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 링 키이.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 링 키이는 그 내부에 적어도 하나의 방사상 스플릿을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 링 키이.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 릴리프 영역 및 상기 복수의 회전자 톱니 영역은 회전자가 정상적인 작동 온도상태에 있을 때, 그들 사이에 틈을 형성하도록 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 링 키이.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 릴리프 영역들 중 적어도 하나는 회전자가 정상적인 작동 온도상태에 있을 때, 회전자의 톱니 영역과 접촉하는 것을 특징으로 하는 링 키이.
5. 제 1 항에 있어서, 복수의 돌출 영역 각각의 축선방향 두께는 복수의 릴리프 영역 각각의 축선방향 두께보다 0.010 내지 0.015 inch 더 큰 것을 특징으로 하는 링 키이.
6. 발전기 회전자에 대한 리테이닝 링의 길이방향 병진이동을 구속하기 위한 환형 링 키이에 있어서,

   상기 링 키이는 회전자내의 원주상 홈 내부에 부분적으로 배치되고 리테이닝 링내의 원주상 홈 내부에 부분적으로 배치되며, 상기 링 키이는 복수의 제1 영역 및 복수의 제2 영역을 포함하고 있고, 상기 복수의 제1 영역은 회전자의 폴 영역과 각도를 이루어 정렬되고, 상기 복수의 제2 영역 각각은 회전자의 톱니 영역과 각도를 이루어 정렬되고; 상기 복수의 제1 영역 각각은 제1 재료로부터 형성되어 있고 상기 복수의 제2 영역 각각은 제2 재료로부터 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 링 키이.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 제1 재료는 상기 제2 재료보다 더 높은 강성을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 링 키이.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 제1 재료는 제1 금속을 포함하고 있고 상기 제2 재료는 제2 금속을 포함하고 있으며, 상기 제1 금속은 상기 제2 금속보다 더 높은 강성을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 링 키이.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 링 키이는 적어도 하나의 방사상 스플릿을 그 내부에 가지고 있는 것을 특징으로 하는 링 키이.
10. 제 6 항에 있어서, 상기 복수의 제1 영역 각각은 상기 복수의 제2 영역 각각과 동일한 축선방향 두께를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 링 키이.
11. 제 6 항에 있어서, 상기 복수의 제1 영역 각각은 돌출 영역을 형성하고 상기 복수의 제2 영역 각각은 릴리프 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 링 키이.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 링 키이 릴리프 영역 및 상기 회전자 톱니 영역은 회전자가 정상적인 작동 온도상태에 있을 때 그들 사이에 틈을 형성하도록 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 링 키이.
13. 제 11 항에 있어서, 상기 복수의 릴리프 영역 중 적어도 하나는 회전자가 정상적인 작동 온도상태에 있을 때, 회전자의 톱니 영역과 접촉하는 것을 특징으로 하는 링 키이.
14. 두 개의 끝부를 가진 원통형 회전자를 포함하고 있는 전기를 생산하기 위한 발전기 시스템에 있어서, 상기 두 개의 회전자 끝부 각각은:

    그 각각이 복수의 길이방향 톱니 및 그 내부에 형성된 복수의 길이방향 슬롯을 가지고 있는 복수의 톱니 영역, 복수의 폴 영역, 그 둘레로 형성된 원주상 홈;

    상기 회전자 끝부에 인접한 끝 감김부를 형성하며 상기 복수의 슬롯 내부에 배치되어 있는 복수의 계자권선;

    내부에 형성된 원주상 홈을 가지고 있고 회전자 끝 감김부 둘레로 배치되어 있으며 그것의 홈이 상기 회전자 홈에 인접하여 있는 환형 리테이닝 링; 및

    복수의 제1 영역 및 복수의 제2 영역을 가지고 있고, 상기 복수의 제1 영역이 회전자의 상기 폴 영역과 각도상의 정렬 상태에 있고, 상기 복수의 제2 영역이 회전자의 복수의 톱니 영역과 각도상의 정렬 상태에 있으며, 회전자 홈 내부에 적어도 부분적으로 배치되고 리테이닝 링 홈 내부에 부분적으로 배치되어 있는 환형 링 키이를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 발전기 시스템.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 복수의 제1 영역 각각은 돌출 영역을 형성하고 상기 복수의 제2 영역 각각은 릴리프 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 회전자.
16. 제 14 항에 있어서, 상기 복수의 제1 영역 각각은 제1 재료로부터 형성되고 상기 복수의 제2 영역 각각은 제2 재료로부터 형성되며, 상기 제1 재료는 상기 제2 재료보다 더 높은 강성을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 회전자.
17. 제 15 항에 있어서, 상기 복수의 제1 돌출 영역 각각은 제1 재료로부터 형성되고 상기 복수의 릴리프 영역 각각은 제2 재료로부터 형성되며, 상기 제1 재료는 상기 제2 재료보다 더 높은 강성을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 회전자.