JP2009524380A

JP2009524380A - ガス冷却式電気設備

Info

Publication number: JP2009524380A
Application number: JP2008549888A
Authority: JP
Inventors: ツィッカーマン・リヒャルト・ミヒャエル; シュヴェリー・アレクサンダー
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2009-06-25
Also published as: WO2007082877A1; EP1974440A1; DE102006002173A1; US7741740B2; US20080309177A1; CN101375487A; CA2636691A1; CN101375487B

Abstract

本発明は、少なくともローター（１）と、ステーター（２）と、ステーターの周囲を取り囲むステーター筐体（３）と、巻線頭部空間（５）とを有するガス冷却式電気設備（１３）、特に、ガス冷却式発電機に関する。この場合、ローター（１）内とステーター（２）内の両方には、冷却ガス用の流路が配備されており、巻線頭部空間（５）、特に、その中に配置されたコネクター（７）及び／又は分流加減器（７）には、ローター（１）から流出した冷却ガス流（８）の少なくとも一部が吹き当てられる。特に目的通りで、制御された形の冷却を実現することができるように、少なくともコネクター（７）及び分流加減器（７）が、冷却ガス流（８）を誘導するための少なくとも一つのガイド機器（１４）の作用範囲内に配置される。

Description

本発明は、ガス冷却式電気設備、特に、ガス冷却式発電機に関する。更に、本発明は、そのような電気設備の冷却方法に関する。

発電機として構成された電気設備は、通常ローター、ステーター及びステーターを取り囲む筐体を有する。その場合、溝内に重ね合わせて配置され、互いに絶縁された部分導体から成るステーター巻線ロッドは、ステーター本体内、特に、ステーター板状本体内に配置されており、その正面側では、巻線頭部空間内に突出している。そこでは、ステーター巻線ロッドが、半径方向及び円周方向に曲げられて、それらの終端が、巻線と電気的及び機械的に接続されている。その場合、巻線頭部空間は、ステーター巻線頭部及びコネクター、分流加減器などを収容している。ステーター巻線を間接的に冷却する電気設備では、ガス状の冷媒、通常冷気は、ローターのローターハブの領域に導入されている。その冷媒は、ステーターのほぼ半径方向に延びる流路に吹き当たって、ステーター巻線を冷却することを目的として、ローターリムのスリットを通って空隙内に流出している。冷却ガス流の部分フローは、軸方向に向かって巻線頭部空間の方向に偏向されて、そこに配置された構成部品、特に、コネクター及び分流加減器を冷却するために使用されている。それに代わって、この部分フローは、ローターの正面側に取り付けられた換気機器、特に、送風機又は巻線頭部の領域に配置された外部送風機によって供給することもできる。この場合、特に、最新の高出力装置では、コネクター及び分流加減器の確実な冷却は、益々高まってきた挑戦すべき課題である。巻線溝内に埋め込まれた巻線部分が目的通り冷却される一方、巻線頭部空間内に露出している巻線部分、特に、コネクター及び分流加減器は、過熱する危険性に曝されている。コネクター及び分流加減器は、言わば、巻線頭部のスリップストリーム内に位置するために、所定通りの冷却を実現することは難しい。更に、その領域における冷却ガス流の流速は遅く、冷却ガス流は一様に分散されておらず、その結果全体としてフローパラメータを制御することは難しい。

更に、巻線頭部を貫流する際の圧力損失及びフローの偏向は、その後に配置された冷却すべき構成部品への吹き当てを不均一にするとともに、流速を比較的遅くしてしまい、その結果必然的にそれらの構成部品の冷却が少なくとも局所的に不十分となる危険性を生じさせるように作用する。この領域における冷却ガス流の体積流を理論的に可能な程度に上昇させることは、この問題を大きく軽減させることにはならない。

それに対して、ステーター巻線を直接的に冷却する電気設備では、空洞の導管を流れる冷却ガスが、導体ロッドの十分な冷却を生じさせるので、前記の問題は発生しない。しかし、そのような導体ロッドを直接的に冷却するための措置は、多大な負担を伴う。

ここから、本発明の説明を始める。本発明の課題は、請求項に記載されている通り、巻線頭部空間の構成部品、特に、コネクター及び分流加減器の確実な冷却を保証するとともに、その際に小さい負担で製造及び／又は改造することが可能なガス冷却式電気設備、特に、空冷式発電機の冷却ガス誘導方式を提供することである。

この課題は、本発明にもとづき、独立請求項に記載された内容によって解決される。有利な実施構成は、従属請求項に記載された内容である。

本発明は、ガス冷却式電気設備において、所定のフロー状況を設定することを目的として、その巻線頭部の領域にフローを誘導するためのガイド機器を配置して、過熱する危険に曝されている構成部品に冷却ガスを目的通り供給することができるようにするとの共通の技術思想をベースとする。そうすることによって、従来制御されていなかった冷却ガス流を巻線頭部空間内に配置された構成部品に本発明にもとづき目的通り誘導して供給し、それによって、構成部品の耐用年数を高めることとなる構成部品の確実な冷却が実現される。

本発明の目的に適うこととして、このガイド機器は、半径方向に対してコネクター及び分流加減器の外側に位置する少なくとも一つのガイド部材と、半径方向に対してコネクター及び分流加減器の内側に位置する少なくとも一つのガイド部材とを有する。この場合、互いに間隔を開けて配置された両方のガイド部材は、冷却すべき構成部品を所定のフロー条件に曝すとともに、特に、冷却ガス流の速度上昇を起こすことが可能な冷却ガス流路を構成し、それによって、先に述べた構成部品の確実な冷却を保証することができる。

本発明の解決策の有利な改善構成では、ガイド部材のステーター筐体と逆側の端部は、冷却ガス流用の入口を構成する。そのように形成された、両方のガイド部材によって構成される流路内に明確なフロー状況を設定するには、冷却ガス用の流入開口部又は流出開口部を相応に配置することが必要である。同時に、ガイド部材により構成される所定の入口が、所定の流入横断面を形成し、それによって、巻線頭部空間内に配置された構成部品の精確に規定した冷却ガス流又は所定の確実な冷却が実現されることとなる。

一般的に、本発明の利点は、本発明にもとづき冷却ガス流が目的通り誘導され、それによって、コネクター及び分流加減器の領域において、明確なフロー状況と流速の上昇が実現されることである。

本発明による設備の更に別の重要な特徴及び利点は、従属請求項、図面及び以下の図面にもとづく図の説明から明らかとなる。

本発明の有利な実施例を図面に図示するとともに、以下の記述で詳しく説明するが、同じ符号は、同一の又は同様な、或いは機能的に同じ構成部分を示す。

図２に対応して、電気設備１３、特に、発電機は、ローター１とその周りを取り囲むステーター２とを有し、ステーター２は、互いに間隔を開けた本体部分、特に、板状の本体部分から成るステーター本体、特に、ローターリムと同様に、分割された部分、特に、金属板から構成され、隣接する板状の本体部分間を半径方向に延びる冷却用スリットを備えた板状のステーター本体を有する。この板状のステーター本体は、一方の側を図示されていない台座上で支持され、他方の側を垂直及び水平方向の力を軸受から受けて、支持構造に伝える支持ブラケットと接続されたステーター支持構造によって取り囲まれている。

更に、この設備１３は、巻線頭部カバー４を備えた巻線頭部空間５を有し、巻線頭部空間５内には、構成部品７、特に、コネクター７及び分流加減器７が配置されている。これらの巻線頭部空間５内の構成部品７を冷却するために、ローター１から流出した冷却ガスの冷却ガス流８、特に、部分フロー８は、軸方向に偏向されて、ステーター２の正面側の方向に向かって巻線頭部６の方に誘導されている。そこでは、（部分的な）冷却ガス流８が、又もや半径方向への偏向を受けて、先ずは巻線頭部６を貫流し、次に半径方向に対して更に外側に配置されたコネクター７及び分流加減器７の周囲を流れるようになっている。更に進むと、冷却ガスは、開口部１２を介してステーター筐体３内に流出又は吸入されて、電気設備１３の冷却方式に応じて、排出されるか、或いは冷却器に供給される。その後に配置された冷却すべき構成部品７への吹き当てを不均一にするとともに、流速を比較的遅くして、その結果必然的にそれらの構成部品７の冷却が少なくとも局所的に不十分となる危険性を生じさせるように作用する、巻線頭部６を貫流する際の圧力損失及びフローの偏向を回避するために、少なくともコネクター７及び分流加減器７は、冷却ガス流８を誘導するための少なくとも一つのガイド機器１４の作用範囲内に配置されており、このガイド機器は、半径方向に対して構成部品７の外側に位置する少なくとも一つのガイド部材１０と、半径方向に対して構成部品７の内側に位置する少なくとも一つのガイド部材９とを有する。この場合、両方のガイド部材９，１０は、有利には、互いに間隔を開けた、円周方向にリング状に延びる二つの壁面の形で構成されるとともに、一緒になって（部分的な）冷却ガス流８のための流路形式の誘導部を形成する。

ガイド部材９，１０のステーター筐体３の側の端部は、ステーター筐体と機械的に接続されている。この場合、半径方向に対して内側のガイド部材９と半径方向に対して外側のガイド部材１０は、それらが構成部品７、特に、コネクター７及び分流加減器７を完全に包み込むように、ステーター筐体３上において、有利には、ステーター筐体に対してほぼ垂直に、かつ互いに平行に配置されている。コネクター７は、複数の相異なる平面（選定した実施例では、重なり合う五つの平面）、ここでは、水平な平面内に配置されているので、ガイド部材９，１０は、それに対応して、コネクター７及び分流加減器７の周りを取り囲んで包み込むために、それに適合した軸方向の延びを有する。この場合、ガイド部材９，１０は、一般的に相異なる軸方向の延びを持つことができ、特に、半径方向に対して内側のガイド部材９の軸方向の延びは、半径方向に対して外側のガイド部材１０よりも短くすることができる。

両方のガイド部材９，１０のステーター筐体３と逆側の端部は、冷却ガス流８のための入口１１を構成する。この場合、図１では、構成部品７を取り囲む形で形成された流路は、上方に向かって開いている。

このような構成によって、ガス状の冷媒が制御されない形又は不均一な形でコネクター７及び分流加減器７に吹き当たることを防止している。冷却ガス流８が、半径方向に向かって巻線頭部６を貫流した後、先ずは構成部品７に直接的に制御されない形で吹き当たることを防止している。それによって、内側のガイド部材９は、その表面に沿って、そのステーター２と逆側の開放端にまで冷却ガス流８を軸方向に偏向させるように作用する。そこでは、支配的な圧力状況の結果、ガイド部材９，１０によって構成される流路内へのフローの偏向が起こる。ガイド部材９，１０間の有効なフロー横断面１１が制限されているために、冷却ガス流の収斂と加速が起こり、その結果冷却ガスが強力に、かつ制御された形で構成部品７に吹き当たることとなる。従って、速度が低下した冷却ガス流が、巻線頭部６のスリップストリーム内に位置するコネクター７及び分流加減器７に制御されない形で吹き当たることが防止される。

この場合、端部を開放したガイド部材９，１０の構成は、非常に簡単であり、安価に製造及び／又は改造することが可能である。しかし、そのような構成は必須ではない。それに代わって、ガイド部材９，１０間の入口１１における構造上の好適な措置によって、冷却すべき構成部品７に（部分的な）冷却ガス流８を最適に吹き当てることを支援することも提案する。即ち、例えば、前述した通り、ガイド部材９，１０を異なる長さで、つまり、軸方向の延びが異なるように構成して、例えば、半径方向に対して内側のガイド部材９をより短く構成することが考えられる。流入する冷却ガス流８の方向又はそのフロー横断面１１に渡る体積流の分布を所望の通り制御するために、そのようなガイド部材９，１０の領域に、例えば、バッフルプレートなどのフロー誘導機器を配置することも考えられる。それは、特に、流入する冷却ガスを均一化する、或いは場合によっては目的通りに不均一化するようにも作用することができ、その場合常に冷却すべき構成部品７への最適な吹き当てを実現するようにする。

一般的に、半径方向に対して外側のガイド部材１０は、巻線頭部カバー４の外壁の少なくとも一部を構成することができる。更に、図１に図示されている通り、両方のガイド部材９，１０のステーター筐体３の側の端部は、ステーター筐体３と固く接続されており、冷却ガス流８は、開口部１２を通してステーター筐体３内に吸入することができる。

従って、本発明による設備１３によって、精確に規定された冷却ガス流を生成するとともに、それによって、構成部品７、特に、コネクター７及び／又は分流加減器７の必要に応じた冷却を実現することが可能となり、そうすることによって、特に、設備１３の耐用年数を向上させることができる。

本発明による電気設備の巻線頭部領域における冷却ガスの誘導を改善した構成の細部の模式図本発明による図１の構成を適用することができる従来技術による電気設備の断面の模式図

符号の説明

１ローター
２ステーター
３ステーター筐体
４巻線頭部カバー
５巻線頭部空間
６巻線頭部
７構成部品、コネクター、分流加減器
８部分フロー／冷却ガス流
９半径方向に対して内側のガイド部材
１０半径方向に対して外側のガイド部材
１１入口／流入横断面
１２冷却ガスをステーター筐体３内に吸入するための開口部
１３電気設備
１４ガイド機器

Claims

ガス冷却式電気設備（１３）、特に、ガス冷却式発電機であって、
・少なくともローター（１）と、ステーター筐体（３）が周囲を取り囲むステーター（２）と、巻線頭部空間（５）とを有し、
・ローター（１）内とステーター（２）内の両方に、冷却ガス用の流路が配備されており、
・巻線頭部空間（５）、特に、その中に配置された巻線頭部（６）、コネクター（７）及び／又は分流加減器（７）には、ローター（１）から流出した、或いは換気機器が発生させた冷却ガス流（８）の少なくとも一部が吹き当てられ、
・少なくともコネクター（７）及び分流加減器（７）が、冷却ガス流（８）を誘導するための少なくとも一つのガイド機器（１４）の作用範囲内に配置されている、
ガス冷却式電気設備。
ガイド機器（１４）が、半径方向に対してコネクター（７）及び分流加減器（７）の外側に位置する少なくとも一つのガイド部材（１０）と、半径方向に対してコネクター（７）及び分流加減器（７）の内側に位置する少なくとも一つのガイド部材（９）とを有することを特徴とする請求項１に記載のガス冷却式電気設備。
ガイド部材（９，１０）が、互いに間隔を開けた、円周方向にリング状に延びる二つの壁面の形で構成されていることを特徴とする請求項２に記載のガス冷却式電気設備。
ガイド部材（９，１０）が、ステーター筐体（３）と機械的に接続されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のガス冷却式電気設備。
ガイド部材（９，１０）のステーター筐体（３）と逆側の端部が、冷却ガス流（８）用の入口（１１）を構成することを特徴とする請求項２から４までのいずれか一つに記載のガス冷却式電気設備。
ガイド部材（９，１０）の軸方向の延びが異なることを特徴とする請求項２から５までのいずれか一つに記載のガス冷却式電気設備。
半径方向に対して内側のガイド部材（９）の軸方向の延びが、半径方向に対して外側のガイド部材（１０）の軸方向の延びよりも短いことを特徴とする請求項６に記載のガス冷却式電気設備。
少なくとも一つのガイド部材（９，１０）のステーター筐体（３）と逆側の端部が、フロー誘導機器を備えていることを特徴とする請求項２から７までのいずれか一つに記載のガス冷却式電気設備。
半径方向に対して外側のガイド部材（１０）が、巻線頭部カバー（４）の外壁の少なくとも一部を構成することを特徴とする請求項２から８までのいずれか一つに記載のガス冷却式電気設備。
請求項１から９までのいずれか一つに記載の電気設備（１３）、特に、ガス冷却式発電機の冷却方法であって、
巻線頭部空間（５）の領域内において、冷却ガス流（８）の少なくとも一部を半径方向に対して内側のガイド部材（９）と半径方向に対して外側のガイド部材（１０）の間に導入させ、それによって加速させて、その結果目的通り速度を上昇させた冷却ガス流（８）を巻線頭部空間（５）内に配置された構成部品（７）、特に、コネクター（７）及び／又は分流加減器（７）に吹き当てる方法。
冷却ガス流（８）を巻線頭部空間（５）の領域内において偏向させて、軸方向に向かってステーター筐体（３）、コネクター（７）及び／又は分流加減器（７）の方に流すことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
冷却ガス流（８）を開口部（１２）を通してステーター筐体（３）内に吸入することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の方法。