JP3721361B2 - 発電機コイル端の冷却の向上 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、銅末端巻線及び／又はスペースブロックの表面輪郭付けにより発電機ロータの冷却を向上させるための構造に関する。
【０００２】
【発明の背景】
大型ターボ発電機のような発電電動機械の出力定格は、導電体の絶縁に必要な温度限界の故に、一定量を超える電流をロータ界磁巻線に供給できる能力によってしばしば制限される。従って、ロータ巻線の効果的冷却は、その機械の出力能力に直接貢献する。このことは、これらの機械の典型的な構造故に直接的な強制冷却が難しく、コスト高になるロータ端部領域において特に言えることである。現今の市場傾向は、低コストでより高い効率と信頼性とを有しかつより高い出力密度を有する発電機を必要としているから、ロータ端部領域の冷却が限定要因となっている。
【０００３】
ターボ発電機ロータは、典型的にはロータのスロット内に取り付けられた同心の矩形コイルで構成される。ロータ本体による支持を超えるコイル末端部分（一般にコイル端と呼ばれる）は、典型的には保持リングにより回転力に抗して支持される（図１参照）。相対的位置を維持し、かつ熱負荷のような軸方向負荷に対する機械的安定性を加えるために、同心のコイル端の間には支持ブロックが断続的に置かれる（図２参照）。更に、銅コイルは、それらの外径において、遠心力に抗する保持リングにより半径方向に拘束される。スペースブロックと保持リングとの存在は、銅コイルに曝される多数の冷却媒体領域を生じる。主要な冷却媒体通路は、スピンドルとコイル端底部との間の軸方向通路である。また、コイルの境界面と、ブロックと、保持リング構造の内表面とによりコイルの間には、互いに分離された空洞が形成される。コイル端は、回転力によりコイル端の半径方向下方からこれらの空洞内へ送り込まれる冷却媒体に曝される（図３参照）。この熱伝達は低くなりがちである。その理由は、コンピュータを用いた流体力学的分析により算出された回転する単一のコイル端空洞内における流跡線によれば、冷却媒体流は、空洞に入り、主循環を横切り、空洞から流出するからである。通常この循環は、特に空洞の中心部付近において熱伝達係数が低くなる。従って、これはコイル端における熱除去のための手段ではあるが、能率は比較的良好でない。
【０００４】
より多くの冷却ガスをロータ端部領域内に流すために、様々な方式が使用されてきた。これらの冷却方式は全て、（１）導電体内に溝を機械加工するか、あるいは通路を形成することにより、銅製導電体内に直接冷却通路を作って、次に機械のどこか他の領域へガスを圧送すること、及び／又は（２）冷却ガスを導電体の表面上に強制的に流すために、バッフル、流路、及びポンプ要素を付け加えて、比較的高圧及び低圧の領域を作り出すことに依存している。
【０００５】
一部のシステムにおいては、冷却ガスをロータコイル端に沿って直接圧送しエアギャップ内に排出可能にするために、高度に応力が加わる保持リングに半径方向の孔を貫通させているが、このようなシステムは、保持リングに加わる大きな機械的応力及びその疲労寿命を考慮した場合、限られた有用性しか持つことができない。
【０００６】
従来の強制的ロータ端部冷却方式が使用される場合には、ロータの構造が著しく複雑となりコストが高くなる。例えば、直接冷却される導電体は、冷却通路を形成するために機械加工されるか、あるいは冷却通路が形成されるように製造されなくてはならない。これに加えて、ロータ内のいずれかの場所でガスを排出させるために、出口マニフォルドが設けられなくてはならない。強制冷却方式は、ロータ端部領域が別々の圧力区域に分割されることを必要とし、これに加えて多数のバッフル、流路、及びポンプ要素をも必要とし、この場合もこれらが複雑さとコストを増大させる。
【０００７】
これらの強制又は直接冷却方式が使用されない場合には、ロータコイル端は受動的に冷却される。受動冷却は、同心のロータ巻線間に形成されるブラインドの行止り空洞内でガスを循環させるために、ロータの遠心力と回転力とに依存する。ロータコイル端の受動冷却は、時として「自由対流」冷却とも呼ばれる。
【０００８】
受動冷却は、直接及び強制冷却を行う能動的システムと比較すると、熱除去能力は低下するが、複雑さとコストが最少化されるという利点をもたらす。典型的な空洞の４つの「側壁」は、同心の導電体とこれらの導電体を隔てる絶縁ブロックとによって形成され、「底」壁（半径方向外側の）は、回転に抗してコイル端を支える保持リングによって形成されるというように、これらの空洞はいずれにしても周囲を囲われているから、同心のロータ巻線間の空洞内へ入る全ての冷却ガスは、流入したのと同じ開口を通って出て行かなくてはならない。冷却ガスは、導電体とロータスピンドルとの間の環状の空間から入る。従って熱除去は、空洞内におけるガスの低い循環速度と、これらの空間に出入りできるガスの限られた量とによって制限される。
【０００９】
典型的構成においては、端部領域内の冷却ガスは、ロータ速度に達するほどにはまだ十分に加速されていない、つまり冷却ガスはロータ速度の何割かの速度で回転している。ロータと流体との間の相対的速度による衝突によって、流体が空洞内へ送り込まれるので、流れ方向で言えば下流であり、流体が高いモーメントで流入し、しかも流体冷却媒体が最も低温であるスペースブロック付近において、熱伝達係数は一般的に最高になる。熱伝達係数はまた、一般的に空洞周縁付近でも高い。空洞の中心部は、冷却される度合いが最も低い。
【００１０】
受動冷却システムの熱除去能力を増大させることは、低コストで単純かつ高信頼性の構造という利点を保ちながら、ロータの許容電流能力を増大させ、発電機の定格能力を増大させることになる。
【００１１】
参考文献としてその開示内容が本明細書に組み込まれている米国特許第５，６４４，１７９号は、自然発生するフローセル内に追加的な冷却流を、フローセルと同一方向に直接導入することにより、大きな単一のフロー循環セルの流速を増させて、熱伝達を増大させるための方法を記載している。この方法は、循環セルの強さを増強することにより、空洞内における熱伝達を増大させるが、それでもなおロータ空洞の中央領域は低速度のままであり、従って低熱伝達のまま取り残される。隅部領域にも同じ低熱伝達がまだ存続する。
【００１２】
【発明の概要】
本発明は、表面機械加工又は表面処理を使用して、末端巻線の冷却に役立つ流れ構造を作ることにより、界磁コイル端領域の銅末端巻線からの熱伝達率を高める。この領域における末端巻線の冷却を改善することは、所定の機械の出力定格を増大させて、ドル／キロワット時に基づいて算定される原価の改善をもたらす。コイル端領域には、通常、最大温度の制約を満たすことに関して限界があるから、この領域における改善は、大きな性能上の利点をもたらすことになる。
【００１３】
熱伝達率は、表面積の増加、表面上での乱流混合の改善、及び境界層破壊とその後の再付着によって増大される。本発明の第１の実施形態によれば、平坦面と比べてその表面積を増大させるために、少なくとも１つの銅末端巻線が機械加工される。これは、例えば溝を形成するなどして、表面に凹凸を付けることによって達成できる。
【００１４】
本発明の第２の別の実施形態によれば、末端巻線の表面積は、ゴルフボールの表面に設けられたのと同様なディンプルをロータ銅末端巻線部分上に形成することによって増大される。これらのディンプルは、熱伝達率を３乃至４倍に増大させ、しかも摩擦特性及び全体的圧力損失の増加は無視できるほど僅かである。
【００１５】
本発明の更に別の特徴によれば、銅末端巻線そのものを変更することに加えて、あるいは変更することなく、銅末端巻線間に配置された支持ブロック又はスペースブロックが変更される。１つの例示的な実施形態によれば、空洞の下流側に配置されたスペースブロック表面上に乱流発生体が置かれる。更に具体的に言えば、ロータのスペースブロックの各々は、凹凸部材を有するものとして作製される。これらの乱流発生体は、流れを乱す働きをして、乱流と非干渉性混合とを増大させる。その結果、全体的な熱伝達率が改善される。
【００１６】
もう１つの別の実施形態においては、空洞の下流側スペースブロック表面上に渦発生体が形成される。更に具体的に言えば、スペースブロックを横切る冷却ガス流により干渉性渦構造を発生させる目的で、例えばスペースブロック上に三角形部分が形成される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の上記及びその他の目的並びに利点は、添付図面と関連してなされる本発明の現在好ましいとされる例示的な実施形態に関する以下の一層詳細な説明を注意深く検討することによって、より完全に理解され、その真価が認められるであろう。
【００１８】
図面において種々の図を通して同一参照符号は同じ要素を示しているが、その図面を参照すると、図１及び図２は、ガス冷却式発電電動機械のためのロータ１０を示しており、この発電電動機械はまた、ロータを取り囲むステータ１２を含む。ロータは、ロータスピンドル１６上にこれを中心にして置かれ、軸方向に対向する端面を有するほぼ円筒形の本体部分１４を含み、図１には、これら２つの端面のうちの１つの端面の一部分１８が示されている。本体部分には、ロータ巻線を構成する同心に配設されたコイル２２を受けるための、円周方向に間隔を置いて配置された複数の軸方向に延びるスロット２０が設けられる。解り易くするために、ロータコイルが５つだけ図示されているが、実用に際しては通常もっと多くのロータコイルが使用される。
【００１９】
具体的に言うと、ロータ巻線の一部を構成する多数の導電体バー２４が、個々のスロット内で積み重ねられる。隣り合う導電体バーは、電気絶縁層２６によって隔てられる。積み重ねられる導電体バーは、銅などの導電性材料で作られ、典型的にはウェッジ２６（図１）によりスロット内に保持される。本体部分の対向する各端部において、導電体バー２４は末端巻線２７により相互に接続され、末端巻線は、端面を超えて軸方向に延び、積み重ねられたコイル端２８を形成する。末端巻線も電気絶縁層によって互いに隔てられる。
【００２０】
特に図１を参照すると、遠心力に抗してコイル端を定位置に保持するために、本体部分の各端部における末端巻線の周りには、保持リング３０が置かれる。保持リングは、その１つの端部において本体部分に固定され、ロータスピンドル１６を覆って延びる。保持リング３０の遠位端には、中心リング３２が取り付けられる。当技術分野では知られているように、保持リング３０と中心リング３２とは、上記とは異なるやり方で取り付けることも可能であることに注目されたい。ガス入口通路３４を形成するために、中心リング３２の内周縁はロータスピンドル１６から半径方向に間隔を置いて配置され、また環状の領域３６を形成するために、コイル端２８はスピンドル１６から間隔を置いて配置される。冷却ガスをコイル２２へ送給するために、スロット２０に沿って形成された多数の軸方向冷却通路３８は、環状領域３６を介してガス入口通路３４と流体連通している。
【００２１】
次に図２を参照すると、ロータ１０の各端部におけるコイル端２８は、多数のスペーサ又はスペースブロック４０により、円周方向と軸方向とに隔てられる。（図示を明瞭にするために、図１にスペースブロックは示されていない。）スペースブロックは、隣り合うコイル端２８の間の空間内に置かれた、絶縁材料からなる細長いブロックであり、コイル端の半径方向の深さ全体を超えて環状空隙３６内まで延びる。従って、末端巻線２７の同心の積み重ねの間の空間は、幾つかの空洞に分割される。これらの空洞は、図３に示すように、その頂部を保持リング３０により、また四方を隣接するコイル端２８とスペースブロック４０とにより境界づけられる。図１において最もよく分るように、これらの空洞の各々は、環状領域３６を介してガス入口通路３４と流体連通している。従って、ガス入口通路３４を介して、コイル端２８とロータスピンドル１６との間の環状領域３６に入る冷却ガスの一部は、空洞４２に入り、その内部で循環し、次いでコイル端とロータスピンドルとの間の環状領域３６に戻る。図１及び図３には、空気流が矢印で示されている。
【００２２】
回転する発電機空洞内で作用する固有のポンプ作用と回転力とは、図３に概略的に示したように、大きな単一のフロー循環セルを生み出す。このフロー循環セルは、空洞の周縁付近で最高速度を示すが、空洞の中央領域における固有の低速度により、一般的に中央領域は十分に冷却されないままである。図３から分るように、フローセルの円形運動は冷却流を隅部内に運ばないから、隅部領域の大きな区域も十分には冷却されない。
【００２３】
発電機界磁コイル端の冷却効率を改善するために、本発明の実施形態においては、銅末端巻線部分及び／又は力学的スペースブロックは、隣接するコイル端空洞に面したそれらの表面上に平坦でない表面輪郭が形成されるように、機械加工又はその他の方法で表面輪郭付けされる。これらの表面変更は、乱流混合のレベル、及び表面に沿って移動する流れによって生じる熱境界層の破壊のレベルを増大させる。各場合において、対応する圧力降下は増大することになる。しかしながら、コイル端領域の冷却における利得は、増大した風損の不利益を凌駕する全体的利益を生じるのが普通である。
【００２４】
従って、図４を参照すると、冷却空洞を境界づける末端巻線１２７の少なくとも１つの表面には、その表面積を増大させこと及び乱流を発生させることの少なくとも１つを行い、それによって伝熱を改善するために、機械加工又は表面輪郭付けのうちの少なくとも１つがなされる。
【００２５】
第１の実施形態によれば、コイル端１２８を形成する末端巻線１２７の露出した表面１４４、１４６は、それらの表面積を増大させるために、押出加工又は機械加工される。一例として、銅巻線を機械加工又は押出加工して、末端巻線１２７の少なくとも１つの露出した表面１４４、１４６上に長手方向に延びる少なくとも１つの溝１４８、１５０を形成することにより、表面積を増大させることができる。
【００２６】
図５に示す別の実施形態においては、ロータコイル端２２８を形成する少なくとも１つの銅末端巻線２２７の少なくとも１つの表面２４４、２４６に、複数のディンプル２５２が形成される。
【００２７】
溝やディンプルを設ける実施形態は、熱伝達を改善するために採用できる表面輪郭付けの単なる例であるということを理解されたい。実際には、表面積を増大させ、表面上の乱流混合を改善し、及び／又は境界層破壊とその後の再付着を改善するためのその他の表面輪郭付け技術も、本発明から逸脱することなく、採用することができる。例えば、他の形状及びパターンの突起又は窪みを設けてもよい。また、表面輪郭は図示した実施形態で述べたようなものである必要もない。つまり、例えば更に別の形態として、ローレット加工した表面を設けることもできる。
【００２８】
末端巻線に表面輪郭付けすることに加えて、又は表面輪郭付けに代えて、図６から図９に示す本発明の更に別の態様では、それぞれの空洞１４２の下流側に置かれた少なくとも幾つかのスペースブロック１４０の少なくとも表面１５６（以後、下流表面と呼ぶ）が、これに衝突する流れの向きを変えるように表面輪郭付けされる。現在のところ好ましい実施形態においては、スペースブロックの下流表面は、その上に少なくとも１つの流れ破壊構造体を設けることによって表面輪郭付けされる。１つの例においては、流れ破壊構造体は、スペースブロックの下流表面上に設けられた乱流発生体１５８である（図示を明瞭にするために、乱流発生体を設けたスペースブロックが１つだけ示されている）。各々の乱流発生体１５８は、ほぼ矩形状、最も好ましくは四角形状（図６）の垂直断面を有し、ロータの軸線に対して傾斜した長手方向軸線を有する（図７）。上に述べたように、図４及び図５によって例示した表面機械加工又は表面輪郭付けに代えて、又はそれらに加えて、乱流発生体をスペースブロック上に設けることができる。
【００２９】
もう１つの別の例によれば、流れ破壊構造体は、それぞれの空洞２４２の下流側に置かれ、これに面した少なくとも幾つかのスペースブロック２４０の表面２５６上に設けられた複数の渦発生体２５８である。図８に示すように、渦発生体２５８の各々は、ほぼ三角形状の垂直断面を有し、また図９に示すように、各渦発生体２５８は、その長手方向軸線がロータ１０の軸線に対してある傾きをもって配向されている。
【００３０】
本発明を、現在最も実用的で好ましいと考えられる実施形態に関連させて説明してきたが、本発明はここに開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、添付の特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び等価な構成を保護することを意図していることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ロータと向かい合うステータを備える発電電動機械ロータのコイル端領域の一部分の断面図。
【図２】 図１の線２−２に沿って見た、発電電動機械ロータの平面断面図。
【図３】 コイル端空洞に入り、これを通過する受動ガス流を示す概略図。
【図４】 本発明の実施形態による表面積を増大させるための、押出し成形された溝を有する銅末端巻線を示す部分斜視図。
【図５】 本発明の別の実施形態による表面積を増大させるための、ディンプルを有する末端巻線を示す部分斜視図。
【図６】 本発明の実施形態における、下流側スペースブロック表面上に設けられた乱流発生体を示す図。
【図７】 図６の実施形態において設けられた乱流発生体の正面図。
【図８】 下流側スペースブロック表面上の渦発生体を示す末端巻線領域の断面図。
【図９】 図８の実施形態のスペースブロックの斜視図。
【符号の説明】
１０ ロータ
１２ ステータ
１４ 本体部分
１６ ロータスピンドル
１８ 本体部分の１つの端部
２２ コイル
２４ 導電体バー
２６ ウェッジ
２７ 末端巻線
２８ コイル端
３０ 保持リング
３２ 中心リング
３４ ガス入口通路
３６ 環状領域
３８ 軸方向冷却通路

Claims (14)

1. 本体部分と、軸方向に延びるコイルと、前記本体部分の少なくとも１つの端部を超えて軸方向に延びる複数のコイル端を形成する末端巻線とを有するロータと、
   隣接する前記コイル端の間に配置されて、それらとの間に空洞を形成する少なくとも１つのスペースブロックと、
   を含み、
   少なくとも１つの前記末端巻線が、前記空洞に面したその表面上に平坦でない表面輪郭を有する、
   ことを特徴とするガス冷却式発電電動機械。
2. 前記表面が、その中に形成された少なくとも１つの溝を有することを特徴とする、請求項１に記載の発電電動機械。
3. 前記表面が、その中に形成された少なくとも１つのディンプルを有することを特徴とする、請求項１に記載の発電電動機械。
4. 各々の前記コイル端を形成する複数の前記末端巻線が、平坦でない表面輪郭を有することを特徴とする、請求項１に記載の発電電動機械。
5. 前記スペースブロックが、前記空洞に面したその表面上に平坦でない表面輪郭を有することを特徴とする、請求項１に記載の発電電動機械。
6. 前記スペースブロックの表面が、その上に配置された少なくとも１つの流れ破壊構造体を有することを特徴とする、請求項５に記載の発電電動機械。
7. スピンドルと本体部分とを有するロータと、
   前記本体部分上に置かれて軸方向に延びるコイルと、前記本体部分の少なくとも１つの端部を超えて軸方向に延び、互いに間隔を置いて配置された同心のコイル端とを含み、該コイル端と前記スピンドルとがそれらの間に環状空間を形成している、ロータ巻線と、
   前記コイル端のうちの隣り合うコイル端の間に配置され、それによって複数の空洞を形成する複数のスペースブロックと、
   を含み、
   前記空洞の各々が、隣接するスペースブロックと隣接するコイル端とによって境界づけられ、かつ前記環状空間に対して開放されており、前記空洞に面し且つ前記スペースブロックの円周方向に向いた表面が平坦でない表面輪郭（貫通孔は含まない）を有する、
   ことを特徴とするガス冷却式発電電動機械。
8. 複数の前記コイル端の各々の、前記空洞に面する少なくとも１つの表面が、その中に形成された少なくとも１つの溝を有することを特徴とする、請求項７に記載の発電電動機械。
9. 複数の前記コイル端の各々の、前記空洞に面する少なくとも１つの表面が、その中に形成された少なくとも１つのディンプルを有することを特徴とする、請求項７に記載の発電電動機械。
10. 複数の前記スペースブロックの各々の、前記空洞に面する少なくとも１つの表面が、その上に配置された少なくとも１つの流れ破壊構造体を有することを特徴とする、請求項７に記載の発電電動機械。
11. 前記流れ破壊構造体が、ほぼ矩形状の垂直断面を有する乱流発生構造体を含むことを特徴とする、請求項６又は請求項１０に記載の発電電動機械。
12. 前記乱流発生構造体が、その長手方向軸線が前記ロータの軸線に対して０度よりも大きい角度をなすように配置されていることを特徴とする、請求項１１に記載の発電電動機械。
13. 前記流れ破壊構造体の各々が、ほぼ三角形状の垂直断面を有する渦発生構造体を含むことを特徴とする、請求項６又は請求項１０に記載の発電電動機械。
14. 前記渦発生構造体が、その長手方向軸線が前記ロータの軸線に対して０度よりも大きい角度をなすように配置されていることを特徴とする、請求項１３に記載の発電電動機械。

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