KR20090029658A - 냉각 유동 분기 부재를 구비한 발전기 및 냉각 유동 제어 방법 - Google Patents

냉각 유동 분기 부재를 구비한 발전기 및 냉각 유동 제어 방법 Download PDF

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Abstract

냉각 유동 분기 부재(134)는 발전기(2)의 외부 반경방향 유동 통로(52) 내에 스테이터 코어(18)의 단부(46)와 스테이터 플랜지(30) 사이에 배치된다. 유동 분기 부재(134)는, 제 1 속도로 외부 반경방향 유동 통로(52) 내로 유입되는 제 1 유동(130)을 제 2 속도의 제 2 유동(142)과 제 3 속도의 제 3 유동(144)으로 분리하는 테이퍼 면(169)을 구비한 메인 본체부(162)를 포함한다. 제 2 유동(142)은 스테이터 코어(18)의 단부의 외면(46)을 따라 유도되고, 제 3 유동은 플랜지(30)를 따라 유도된다.

Description

냉각 유동 분기 부재를 구비한 발전기 및 냉각 유동 제어 방법{GENERATOR HAVING A COOLING FLOW BIFURCATION MEMBER AND METHOD FOR CONTROLLING A COOLING FLOW}
본 발명은 발전기 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 발전기의 스테이터 플랜지부 주위로 통기 가스를 안내하는 장치에 관한 것이다.
전기 생산 과정 동안, 전기 발전기는 또한 발전기로부터 반드시 방산되어야 할 열도 생성한다. 이러한 열을 방산하기 위해, 많은 공지의 발전기들은 유체 냉각을 사용한다. 많은 공지의 발전기에 있어서, 이 유체는 가스이다. 공지의 가스 냉각식 발전기는 로터 및 스테이터 코어와 같은 다양한 구성요소 내에 구비된 덕트를 통해 냉각 가스를 순환시키는 통기식 냉각 시스템에 의해 냉각된다.
공지의 가스 냉각식 발전기 중 일부에 있어서, 스테이터 코어는 스테이터 펀칭(stator punching)으로도 공지된 자성 라미네이션(magnetic lamination)의 수많은 층을 적층함으로써 구성된다. 라미네이션은 스테이터 코어의 대향 단부 상에 배치된 스테이터 플랜지에 의해 함께 고정되어 있다. 통기 덕트는 코어 적층체(core stack) 내에 스페이서 또는 내부 이격 블록(inside spacing block)을 제공 함으로써 자성 라미네이션의 적층된 층들 사이에 형성되어 있다. 통로는 냉각 가스가 스테이터 코어를 통과할 수 있게 한다. 스페이서는, 조립 및 작동 동안에 스테이터 코어의 견고함을 보장하는 방식으로, 그리고 스테이터 코어를 통하는 냉각 가스의 유동을 막거나 제한하지 않는 방식으로 배치된다. 외부 이격 블록은 스테이터 코어의 단부에 위치되고, 냉각 가스를 적층된 라미네이션 및 스테이터 플랜지 사이로 유동하게 하는 통로 또는 통기 덕트를 형성한다.
작동 동안, 스테이터 플랜지는 단부 권선(end winding)으로부터 흐르는 전자속(electromagnetic flux) 및 스테이터 코어로부터의 축방향 자속으로 인해 발생하는 열에 노출된다. 재료에 대한 사항(material consideration)은 스테이터 코어가 노출될 수 있는 최대 온도를 제한한다. 스테이터 플랜지에 적당한 냉각이 제공되지 않는다면, 인접한 절연체가 약해져서 발전기의 고장을 야기할 수도 있다.
따라서, 플랜지에 발생된 열이 냉각 매질 내에 방산될 수 있기 위해, 플랜지 냉각이 필요할 수도 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 유동 분기 부재(flow bifurcation member)가 제공된다. 유동 분기 부재는, 발전기의 외부 반경방향 유동 통로에서, 스테이터 코어의 단부와 스테이터 플랜지 사이에 배치된다. 유동 분기 부재는, 제 1 속도를 갖고 외부 반경방향 유동 통로 내로 흐르는 제 1 유동을 다른 속도를 갖는 적어도 하나의 다른 유동으로 전환시키는 테이퍼 면(tapered surface)을 포함한다. 적어도 하나의 다른 유동은 스테이터 코어의 단부의 외면 및 스테이터 플랜지 중 적어도 하나를 따라서 유도된다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 발전기가 제공된다. 이 발전기는 로터와, 로터의 주위에 동심상으로 배치되는 스테이터 코어를 포함한다. 스테이터 코어는 외면을 구비하는 적어도 하나의 단부를 갖는 복수의 적층된 라미네이션을 포함한다. 발전기는, 적층된 라미네이션의 적어도 하나의 단부에 인접하여 장착되어 외부 반경방향 유동 통로를 형성하는 스테이터 플랜지를 더 포함한다. 또한, 발전기는, 제 1 속도를 갖고 외부 반경방향 유동 통로 내로 흐르는 제 1 유동을 다른 속도를 갖는 적어도 하나의 다른 유동으로 전환시키는 테이퍼 면을 갖는 유동 분기 부재를 구비한다. 적어도 하나의 다른 유동은 스테이터 코어의 단부의 외면 및 스 테이터 플랜지 중 적어도 하나를 따라서 유도된다.
또 다른 실시형태에 따르면, 본 발명은, 스테이터 플랜지와, 단부를 포함하는 스테이터 코어와, 스테이터 플랜지와 스테이터 코어의 단부 사이에 배치된 유동 분기 부재를 갖는 전력 발전기의 부분을 냉각시키는 방법을 제공한다. 이 방법은 제 1 속도를 갖는 제 1 유동을 스테이터 플랜지와 스테이터 코어의 단부 사이에 형성된 외부 반경방향 유동 통로 내로 유도하는 단계를 포함한다. 이 방법은 제 1 유동을 다른 속도를 갖는 적어도 하나의 다른 유동으로 전환시키는 유동 분기 부재 내로 제 1 유동을 안내하는 단계를 더 필요로 한다. 다른 유동은 가속되어 스테이터의 단부 및 스테이터 플랜지 중 적어도 하나를 따라 흐른다.
본 발명의 다양한 실시형태는 발전기의 스테이터 플랜지와 같은 발전기의 부분에 개량된 냉각을 제공한다. 스테이터 플랜지의 온도를 감소시킴으로써, 인접한 구성요소의 절연체에 유해한 영향을 미치지 않으면서, 발전기의 전력 출력 및 전체 효율이 증가된다. 아무튼, 본 발명의 다양한 실시형태의 부가적인 목적, 특성 및 장점들은, 몇몇의 도면에서 유사한 도면부호가 대응하는 부품들을 표시하는 도면을 참조할 경우에 하기의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명으로부터 더욱 용이하게 명백해질 것이다.
우선 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따라 구성된 발전기는 도면부호(2)로 표시되어 있다. 발전기(2)는 도면부호(6)으로 표시된 복수의 냉각 가스 또는 통기 통로를 구비한 로터(4)를 포함한다. 로터(4)는 단부에서 베어링(10)에 의해 회전가능하게 지지된 축(8) 주위에 원주방향으로 연장된다. 물론, 축(8)은 또한 대향 단부(도시되지 않음)에서 회전가능하게 지지되어 있음을 쉽게 이해해야 할 것이다. 팬 조립체(fan assembly)(14)는 로터(4)에 인접한 축(8)에 장착되어 있다. 팬 조립체(14)는 하기에서 보다 충분히 설명되는 바와 같이 냉각 가스 유동을 발생시킨다.
또한, 발전기(2)는 복수의 라미네이션으로 형성된 스테이터 코어(18)를 포함하는데, 그 중 2개의 라미네이션이 도면부호(20), (21)로 표시되어 있다. 라미네이션(20, 21)은 내부 반경방향 유동 통로 또는 통기 덕트(26)를 형성하는 내부 이격 블록(ISSB)(도시되지 않음)에 의해 하나가 다른 하나로부터 이격되어 있다. 물론, 스테이터 코어(18)는 추가의 통기 덕트(도시되지 않음)를 형성하는 대응 내부 이격 블록(도시되지 않음)에 의해 상호 간에 이격되어 있는 수많은 적층된 라미네이션을 포함함을 쉽게 이해해야 할 것이다.
아무튼, 스테이터 코어(18)는 또한 복수의 라미네이션의 견고함을 보장하는 스테이터 플랜지(30)를 포함한다. 즉, 복수의 라미네이션은 플랜지(30)와 대향 플랜지(도시되지 않음) 사이에 견고하게 충전되어 있다. 도시된 실시예에서, 플랜지(30)는 제 1 단부(33), 제 2 단부(34) 및 중간부(35)를 갖는 메인 본체부(32)를 포함하며, 이들 제 1 단부(33), 제 2 단부(34) 및 중간부(35)는 집합적으로 내면(38)과 외면(40)을 형성한다. 플랜지(30)는 또한 외면(40)으로부터 실질적으로 수직하여 외측으로 연장된 돌출부(44)를 포함하도록 도시되어 있다. 플랜지(30)는 제 1 유효 유동 영역을 갖는 외부 반경방향 유동 통로(52)를 형성하도록 외부 이격 블록 조립체[outside spacing block assembly(OSSB)](50)에 의해 가장 말단의 라미네이션(21)의 외면(46)으로부터 이격되어 있다.
작동시, 스테이터 단부 권선(60)으로부터의 전자속 및 스테이터 코어(18)로부터의 축방향 자속은 플랜지(30)에 작용한다. 이 자속은 로터(4), 스테이터 코어(18), 스테이터 단부 권선(60), 스테이터 플랜지(30) 뿐만 아니라, 발전기(2)의 다른 구성요소들의 온도를 상승시키는 상당한 양의 열을 발생시킨다. 이들의 온도를 감소시키기 위해, 발전기(2)에는 냉각 가스 통기 시스템(64)이 구비되어 있다. 보다 구체적으로, 팬 조립체(14)는 로터(4)와 스테이터 코어(18) 사이에 종방향으로 연장된 통로(70)를 통해 가스 또는 공기 스트림을 흡인한다. 이 가스 스트림은 디퓨져(diffuser)(74)를 통해 열교환기(76) 내로 유입되기 전에 팬 조립체(14)를 빠져 나와 고압 고온 가스 덕트(72) 내로 유입된다. 열교환기(76)로부터 제 1 및 제 2 냉각 가스 스트림(78, 79)이 다시 발전기(2) 내로 유입된다. 제 1 냉각 가스 스트림(78)은 로터(4)와 축(8) 사이에 종방향으로 연장된 통기 통로(84) 내로 유입되기 전에 저압 저온 가스 덕트(80) 내로 유입된다. 그 후에, 제 1 냉각 가스 스트림(78)은 로터(4) 내의 통기 통로(6)를 통과하여 다시 통로(70) 내로 유입된다.
제 2 냉각 가스 스트림(79)은 제 1 냉각 유동부(96)와 제 2 냉각 유동부(98)로 분리된다. 제 1 냉각 유동부(96)는 통로(70)로 재유입되기 전에 스테이터 코어(18) 위를 지나 내부 반경방향 유동 통로(들)(26)를 통과한다. 제 2 냉각 유동부(98)는 단부 권선 베이 또는 챔버(104) 내로 유입되어 스테이터 단부 권선(60)을 냉각시킨다. 보다 구체적으로, 단부 권선 베이(104)에 유입될 때, 제 2 냉각 유동 부(98)는 스테이터 단부 권선(60) 주위의 배플(baffle)(108)에 의해 유도된다. 배플(108)은 제 2 냉각 유동부(98)가 팬 조립체(14)를 통해 재흡인되기 전에 스테이터 단부 권선(60) 주위에 선회형 경로(circuitous path)를 취해서 축적된 열을 제거하게 만든다. 제 2 냉각 가스 스트림(79)은 또한 제 1 속도를 갖는 제 3 냉각 유동부(130)로 분리되는데, 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 제 3 냉각 유동부(130)는 외부 반경방향 유동 통로(52) 내로 유입된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 제 2 냉각 가스 스트림(79)의 제 3 냉각 유동부(130)는 유동 분기 부재(134)와 충돌하는데, 이 부재(134)가 제 3 냉각 유동부(130)를 제 2 속도를 갖는 제 1 분기된 유동부(142)와 제 3 속도를 갖는 제 2 분기된 유동부(144)로 분기 또는 분리한다. 제 1 분기된 유동부(142)는 라미네이션(21)의 외면(46)을 따라 유동하는 반면, 제 2 분기된 유동부(144)는 플랜지(30)의 내면(38)을 따라서 유동한다. 도 3에 잘 도시된 바와 같이, 유동 분기 부재(134)는 상부 테이퍼부(upper tapered portion)(166)와 하부(168)를 갖는 메인 본체부(162)를 포함한다. 상부 테이퍼부(166)는 제 1 및 제 2 경사 또는 테이퍼 면(169, 170)을 포함하는 반면, 하부(168)에는 제 2 분기된 유동부(144)를 플랜지(30)의 말단부(178) 주위로 안내하는 유동 디플렉터(172)가 구비되어 있다.
도시된 실시예에 있어서, 유동 분기 부재(134)는 외부 이격 블록 세그먼트(190)를 형성하는 제 1 및 제 2 외부 이격 블록 부재(180, 184) 사이에 배치된다. 포인트(200)에 의해 형성된 축 둘레로 돌출된 외부 이격 블록 세그먼트(190)는 개별적인 외부 반경방향 유동 통로(52)를 형성하는 부재(180, 184)와 같은 인접 한 외부 이격 블록 부재와 함께 외부 스페이서 블록 조립체(50)를 형성한다. 이러한 구성에 의해, 일단 외부 이격 블록 조립체(50)가 스테이터 코어(18)와 스테이터 플랜지(30) 사이에 배치되면, 유동 분기 부재(134)는 라미네이션(21)의 외면(46)을 따라 연장되는 제 2 유효 유동 영역을 갖는 제 1 유동 통로(210)와, 플랜지(30)의 내면(38)을 따라 연장되는 제 3 유효 유동 영역을 갖는 제 2 유동 통로(212)를 생성한다.
제 2 및 제 3 유효 유동 영역의 각각은 외부 반경방향 유동 통로(52)의 제 1 유효 유동 영역보다 상당히 작다. 이렇게 함으로써, 제 1 및 제 2 분기된 유동부(142, 144)의 물리적 특성은 제 3 냉각 유동부(130)에 비해 상당히 달라진다. 즉, 보다 작은 유효 유동 영역은 제 3 냉각 유동부(130)의 제 1 속도에 비해 제 1 및 제 2 분기된 유동부(142, 144)의 제 2 및 제 3 속도를 증가시킨다. 유동 속도의 증가는 스테이터 코어(18)와 제 1 분기된 유동부(142) 사이 및 플랜지(30)와 제 2 분기된 유동부(144) 사이의 열전달을 유리하게 증가시켜서 온도를 상당히 감소시킨다. 즉, 하부(168) 및 유동 디플렉터(172)와 함께 유동 분기 부재(134)의 존재는 스테이터 플랜지(30)에서의 온도를 60℃ 이상 감소시킬 것이라는 사실이 증명되었다.
비록 본 발명의 예시된 실시형태와 관련하여 설명하였지만, 다양한 변화예 및/또는 변형예가 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않으면서 본 발명을 이룰 수 있다는 것을 쉽게 이해해야 할 것이다. 예를 들면, 본 발명과 관련하여 이용된 스테이터 플랜지는 다양한 형상과 크기를 갖는 다른 스테이터 플랜지로 쉽게 대체될 수 있다. 더욱이, 유동 분기 부재(134)의 전체 형상 또는 구조도 쉽게 변화된다. 일반적으로, 본 발명은 오직 하기의 특허청구범위의 범위에 의해서만 한정될 의도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 구성된 가스 냉각식 발전기의 단부의 부분 측면 단면도,
도 2는 도 1의 가스 냉각식 발전기의 스테이터 플랜지부의 평면 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따라 구성된 분기 부재의 상좌측 사시도,
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
2 : 발전기 4 : 로터
18 : 스테이터 코어 20, 21 : 스테이터 라미네이션
26 : 내부 반경방향 유동 통로 30 : 스테이터 플랜지
38 : 플랜지 내면 46 : 라미네이션 외면
50 : 외부 이격 블록 조립체 52 : 외부 반경방향 유동 통로
60 : 스테이터 단부 권선 64 : 냉각 가스 통기 시스템
71 : 고압 고온 가스 덕트 74 : 디퓨져
76 : 열교환기 80 : 저압 저온 가스 덕트
108 : 배플 134 : 유동 분기 부재
162 : 메인 본체부 166 : 상부 테이퍼부
168 : 하부 169 : 제 1 테이퍼/경사 면
170 : 제 2 테이퍼/경사 면 172 : 유동 디플렉터
190 : 외부 이격 블록 세그먼트 210 : 제 1 유동 통로
212 : 제 2 유동 통로

Claims (8)

  1. 발전기(2)에 있어서,
    로터(4)와,
    상기 로터(4) 주위에 동심상으로 배치되고, 외면(46)을 구비한 적어도 하나의 단부를 갖는 복수의 적층된 라미네이션(20)을 포함하는 스테이터 코어(18)와,
    상기 적어도 하나의 단부에 인접하여 장착되어 외부 반경방향 유동 통로(52)를 형성하는 스테이터 플랜지(30)와,
    제 1 속도를 갖고 상기 외부 반경방향 유동 통로(52) 내로 유입되는 제 1 유동(130)을 다른 속도를 갖는 적어도 하나의 다른 유동(142)으로 전환시키는 면(169)을 구비한 유동 분기 부재(134)를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 다른 유동(142)은 상기 스테이터 코어(18)의 단부의 외면(46)과 상기 스테이터 플랜지(30) 중 하나를 따라서 유도되는
    발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 다른 유동(142)은 제 2 속도를 갖는 제 2 유동(142)과, 제 3 속도를 갖는 제 3 유동(144)을 포함하고, 상기 제 2 유동(142)은 상기 스테이터 코어(18)의 단부의 외면(46)을 따라서 유도되며, 상기 제 3 유동(144)은 상기 스테이터 플랜지(30)를 따라서 유도되는
    발전기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유동 분기 부재(134)의 상기 면(169)은 테이퍼 면을 포함하는
    발전기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 테이퍼 면은 제 1 및 제 2 경사면(169, 170)을 포함하는
    발전기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 유동 분기 부재(134)는 상기 제 3 유동(144)을 상기 플랜지(30)의 하부(178) 주위로 안내하는 디플렉터 부재(172)를 포함하는
    발전기.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 및 제 3 속도는 상기 제 1 속도보다 높은
    발전기.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 스테이터 코어(18)의 단부의 외면(46)과 상기 유동 분기 부재(134) 사이에 연장된 제 1 유동 통로(210)와,
    상기 스테이터 플랜지(30)와 상기 유동 분기 부재(134) 사이에 연장된 제 2 유동 통로(212)를 더 포함하고,
    상기 제 2 유동(142)은 상기 제 1 유동 통로(210) 내로 통과되며, 상기 제 3 유동(144)은 상기 제 2 유동 통로(212) 내로 통과되는
    발전기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 외부 반경방향 유동 통로(52)는 제 1 유효 유동 영역을 갖고, 상기 제 1 유동 통로(210)는 제 2 유효 유동 영역을 갖고, 상기 제 2 유동 통로(212)는 제 3 유효 유동 영역을 구비하며, 상기 제 2 및 제 3 유효 유동 영역은 상기 제 1 유효 유동 영역보다 작은
    발전기.
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