JP5960193B2

JP5960193B2 - 発電機および発電装置

Info

Publication number: JP5960193B2
Application number: JP2014098622A
Authority: JP
Inventors: 謙太郎高石
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2016-08-02
Anticipated expiration: 2034-05-12
Also published as: JP2015216784A; CN105099081A; CN105099081B

Description

本発明は、発電機およびこの発電機を有する発電装置に関する。

ガスタービンとこれに機械的に直結した発電機が設置されている室には、発電機の軸方向の中間位置に設けられた隔壁で、運転中に相対的に低温側となる低温側空間と、運転中に相対的に高温側となる高温側空間とに仕切られているものがある。低温側空間には所定の温度以下に維持する必要のある発電機が設けられている。高温側空間にはガスタービンが設けられている。

発電機は、外部から低温側空間に流入した空気を取り入れて内部を冷却し、冷却に寄与して温度が上昇した空気を放出する。温度が上昇した空気の放出先が同じ低温側空間であると、低温側空間の温度が上昇し冷却効果が低減する。このため、発電機の空気取り入れ口と反対側の部分、すなわち原動機側の部分を隔壁より高温側空間内に突出させて、高温側空間内に放出する構成としている。

特開平１１−３５０９１８号公報

前記のような構成においては、発電機内に導入する空気の温度の上昇は防止できるものの、反原動機側ブラケットに設けられた反原動機側軸受の温度に比べて、原動機側ブラケットに設けられた原動機側軸受の温度が上昇してしまう。このため、原動機側軸受の温度上昇を抑制することが課題であった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、発電機において高温側となる原動機側軸受の温度上昇を抑制することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、機械的に結合された原動機によって駆動され、前記原動機が設けられている高温側空間とは隔離された低温側空間内と前記高温側空間内とにまたがって設けられた発電機であって、水平な回転軸まわりに回転可能に軸支されたロータシャフトと、そのロータシャフトに固定された回転子鉄心とを有する回転子と、前記回転子鉄心の径方向外側に配された固定子鉄心と前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線とを有する固定子と、前記ロータシャフトの前記回転子鉄心から軸方向外側であって前記原動機側の部分に配設され片側が前記高温側空間内に突出し、前記ロータシャフトを支持する原動機側軸受と、前記原動機側軸受と前記回転子鉄心を挟んで軸方向の反対側に配設されて、前記ロータシャフトを支持する反原動機側軸受と、前記回転子鉄心および前記固定子を収納し、前記低温側空間から吸気するための吸気部と前記高温側空間に排気するための排気部とを有するフレームと、前記フレームに固定支持され前記原動機側軸受および前記反原動機側軸受をそれぞれ支持する原動機側ブラケットおよび反原動機側ブラケットと、冷却用気体が前記吸気部から流入し前記フレーム内を経由して前記排気部から流出するように当該冷却用気体を駆動するファンと、前記固定子の径方向外側に前記固定子と並列に設けられて、前記吸気部から流入した前記冷却用気体を前記原動機側軸受の近傍に移送する給気管と、前記高温側空間から前記原動機側軸受を隔離して前記原動機側軸受の前記高温側空間側を覆うように前記原動機側ブラケットに取り付けられた軸受カバーと、を備え、前記原動機側ブラケットは前記軸受カバーに覆われた範囲に開口部を有することを特徴とする。

また、本発明は、高温側空間に設けられた原動機と、前記高温側空間とは隔離された低温側空間内と前記高温側空間内とにまたがって設けられて、前記原動機と機械的に結合した発電機と、を具備する発電装置であって、前記発電機は、水平な回転軸まわりに回転可能に軸支されたロータシャフトと、そのロータシャフトに固定された回転子鉄心とを有する回転子と、前記回転子鉄心の径方向外側に配された固定子鉄心と前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線とを有する固定子と、前記ロータシャフトの前記回転子鉄心から軸方向外側であって前記原動機側の部分に配設され片側が前記高温側空間内に突出し、前記ロータシャフトを支持する原動機側軸受と、前記原動機側軸受と前記回転子鉄心を挟んで軸方向の反対側に配設されて、前記ロータシャフトを支持する反原動機側軸受と、前記回転子鉄心および前記固定子を収納し、前記低温側空間から吸気するための吸気部と前記高温側空間に排気するための排気部とを有するフレームと、前記フレームに固定支持され前記原動機側軸受および前記反原動機側軸受をそれぞれ支持する原動機側ブラケットおよび反原動機側ブラケットと、冷却用気体が前記吸気部から流入し前記フレーム内を経由して前記排気部から流出するように当該冷却用気体を駆動するファンと、前記固定子の径方向外側に前記固定子と並列に設けられて、前記吸気部から流入した前記冷却用気体を前記原動機側軸受の近傍に移送する給気管と、前記高温側空間から前記原動機側軸受を隔離して前記原動機側軸受の前記高温側空間側を覆うように前記原動機側ブラケットに取り付けられた軸受カバーと、を備え、前記原動機側ブラケットは前記軸受カバーに覆われた範囲に開口部を有することを特徴とする。

本発明によれば、発電機において高温側となる原動機側軸受の温度上昇を抑制することができる。

第１の実施形態に係る発電装置の構成を示す長手方向の立断面図である。第１の実施形態に係る発電機の構成を示す軸方向に垂直な図１のＩＩ―ＩＩ矢視立断面図である。第１の実施形態に係る発電機の油浴軸受の構成を示す拡大立断面図である。第２の実施形態に係る発電機の構成を示す長手方向の立断面図である。第２の実施形態に係る発電機の構成を示す軸方向に垂直な図４のＶ−Ｖ矢視立断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る発電機および発電装置について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る発電装置の構成を示す長手方向の立断面図である。また、図２は、発電機の構成を示す軸方向に垂直な図１のＩＩ―ＩＩ矢視立断面図である。

発電装置２００は、互いに機械的に結合された原動機１および発電機１００を有する。すなわち、発電機１００のロータシャフト１１が、たとえばフランジ１ａにより原動機１の駆動軸１ｂと連結している。なお、減速機を介して連結していてもよい。原動機１としては、たとえば、ガスタービン、あるいはディーゼルエンジンなどがある。

原動機１および発電機１００が設置されている室内は、隔壁４によって低温側空間２および低温側空間２より高温雰囲気である高温側空間３の２つの空間に分割されている。原動機１は、高温側空間３内に設置されている。また、発電機１００はその大部分が、高温側空間３に比べて低温の低温側空間２内に設置されている。発電機１００の一部の後述する部分は、高温側空間３内に配されており、発電機１００は、低温側空間２内と高温側空間３内にまたがって設置されている。

発電機１００は、回転子１０、固定子３０、フレーム４０、ファン１８、吸気部４１、および排気部４２を有する。

回転子１０は、水平に設けられたロータシャフト１１、およびロータシャフト１１の中央部分の径方向外側に配された回転子鉄心１２を有する。回転子鉄心１２を挟んでロータシャフト１１の両端近傍にそれぞれ、原動機１に近い側に原動機側軸受２０が設けられ、回転子鉄心１２を挟んで原動機側軸受２０の反対側に反原動機側軸受２０ａが設けられている。回転子１０は、原動機側軸受２０および反原動機側軸受２０ａにより回転可能に軸支されている。

回転子鉄心１２は、外形が円柱形状で、たとえば中央に開口を有する円板形状であって軸方向に積層された積層構造のケイ素鋼板を有する。回転子鉄心１２は、積層構造のケイ素鋼板の中央の開口を貫通するロータシャフト１１と互いに結合されている。

ファン１８は、軸方向には回転子鉄心１２と原動機側軸受２０の間の位置でロータシャフト１１に固定されて、ロータシャフト１１の回転とともに回転するようになっている。ファン１８は、たとえば遠心ファンであり、また、ファン１８からみて回転子鉄心１２側からも原動機側軸受２０側からも空気を吸い込む両吸い込み型である。なお、ファン１８からみて回転子鉄心１２側から空気を吸い込む片吸い込み型であっても、ファン１８の原動機側軸受２０側も負圧が確保できれば、片吸い込み型でもよい。

固定子３０は、固定子鉄心３１および固定子巻線３２を有する。固定子鉄心３１は、全体として水平方向に中心軸を有する円筒形状であり、ロータシャフト１１の回転軸方向には回転子鉄心１２とほぼ同じ範囲に設けられる。また、固定子鉄心３１は、回転子鉄心１２の径方向外側に設けられている。固定子鉄心３１の径方向内側の面と、回転子鉄心１２の径方向外側の面とは互いに半径方向に対向し、ギャップを形成している。

固定子鉄心３１の径方向の内面には、図示しない回転軸方向に延びる複数のスロットが形成されている。これにより回転軸方向に延びた図示しない複数の突出部（ティース）が回転子鉄心１２に対向するように形成されている。この突出部の周りに、固定子巻線３２が巻回されている。

回転子鉄心１２および固定子３０は、フレーム４０内に収納されている。フレーム４０は、吸気部４１および排気部４２が設けられた直方体の箱形形状である。吸気部４１の入り口には吸気フィルタ４１ａが設けられている。ファン１８は、吸気部４１から吸気した冷却用の空気が、主に回転子鉄心１２および固定子３０を通過し、排気部４２から排出するように、冷却用の空気を駆動する。吸気部４１には、低温側空間２内の空気が供給される。また、排気部４２からは、高温側空間３に排出される。このため、排気部４２が設けられている部分から原動機側軸受２０までの部分は、高温側空間３内にある。

フレーム４０内の固定子鉄心３１の吸気部４１側には、板状の仕切り板４３が設けられている。仕切り板４３は、フレーム４０の内面と接合されており、固定子鉄心３１の吸気部４１側の端部に密着している。仕切り板４３には、固定子鉄心３１と同心の円形の開口部４３ａが形成されている。開口部４３ａの径は、固定子鉄心３１の外面の径よりは小さい。開口部４３ａの径は、固定子鉄心３１の外面の径よりは小さいという条件の下で、吸気部４１から吸気された空気が、開口部４３ａから固定子鉄心３１のできるだけ外表面近傍の領域まで通過するよう、できるだけ大きいことが望ましい。また、フレーム４０内の仕切り板４３から吸気部４１側には、吸気部４１からフレーム４０内に流入する空気がいったん滞留する入口スペース４６が形成されている。

フレーム４０の軸方向の端部には、原動機側ブラケット４４および反原動機側ブラケット４５が取り付けられている。原動機側ブラケット４４は原動機側軸受２０を周方向外側から固定支持している。また、反原動機側ブラケット４５は反原動機側軸受２０ａを周方向外側から固定支持している。

固定子鉄心３１の径方向外側の下部に、２本の給気管５１が配設されている。２本の給気管５１のそれぞれは、軸方向に延びており、一端は、仕切り板４３を貫通して、吸気部４１側に開口している。また、２本の給気管５１のそれぞれは、原動機側軸受２０の近傍まで延びて、原動機側軸受２０の近傍で開口している。なお、給気管５１を流れる空気の圧力損失は、給気管５１の口径により適切に調整することができる。あるいは、給気管５１の入口側の開口に絞りを設けることによっても調整が可能である。

図３は、発電機の油浴軸受の構成を示す拡大立断面図である。図３は、原動機側軸受２０の場合を示しているが、反原動機側軸受２０ａも構造は同じである。原動機側軸受２０は、玉軸受２１、内側油容器２５、外側油容器２６、および連通部２４を有する。

玉軸受２１は、固定部２１ａおよび回転部２１ｂを有する。固定部２１ａは、ロータシャフト１１の外周に固定されている。回転部２１ｂは、原動機側ブラケット４４に固定され、原動機側ブラケット４４に支持されている。

内側油容器２５は玉軸受２１の内側、すなわちファン１８側に設けられている。また、外側油容器２６は、玉軸受２１の外側、すなわち玉軸受２１を挟んで内側油容器２５の軸方向の反対側に設けられている。したがって、外側油容器２６は高温側空間３内に突出し、外側油容器２６の外表面は高温側空間３内の高温の空気に接している。

内側油容器２５および外側油容器２６のそれぞれの内部には、内側油溜り２２および外側油溜り２３が形成されている。内側油溜り２２と外側油溜り２３は、仕切り部２７で仕切られている。仕切り部２７の、内側油溜り２２および外側油溜り２３の油面より下の高さの位置に、内側油溜り２２と外側油溜り２３とを結ぶ貫通孔である連通部２４が形成されている。

次に、以上のように構成された本実施形態に係る発電装置２００、および発電機１００の作用について説明する。

発電装置２００の運転状態では、原動機１に駆動されて発電機１００の回転子１０がロータシャフト１１の軸を中心に回転する。回転子１０の回転に伴って、ロータシャフト１１に取り付けられたファン１８が軸中心まわりを回転する。ファン１８が回転することによって、ファン１８の軸方向の両側の空気がファン１８に吸い込まれて排気部４２から排出される。

入口スペース４６内の空気の大部分は、仕切り板４３の開口部４３ａから、回転子鉄心１２および固定子３０側に流入する。回転子鉄心１２および固定子３０を冷却した冷却用の空気は、ファン１８の方に流れる。

また、入口スペース４６内の空気の一部は、仕切り板４３を貫通している給気管５１の開口部から給気管５１に流入する。給気管５１に流入した冷却用の空気は、給気管５１から、原動機側軸受２０の近傍に流出する。原動機側軸受２０の近傍に流出した冷却用の空気は、内側油容器２５の外面に吹き付けられ、内側油容器２５を冷却する。この結果、内側油溜り２２内の潤滑油が冷却される。内側油溜り２２内の冷却された潤滑油と、外側油溜り２３内の潤滑油とは、連通部２４を介して相互に交換される。この結果、外側油容器２６内の外側油溜り２３の潤滑油も冷却される。

内側油容器２５の外面に吹き付けられ、内側油溜り２２内の潤滑油を冷却した冷却用の空気はファン１８に吸い込まれて、排気部４２より高温側空間３内に排出される。

以上のように構成された発電装置２００の発電機１００においては、吸気部４１から流入した低温側空間２側の空気が、給気管５１を経由して直接に原動機側軸受２０の内側油溜り２２の内側油容器２５外面に吹き付けられる。この結果、高温側となる原動機側軸受２０の温度上昇を抑制することができる。

［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態に係る発電機の構成を示す長手方向の立断面図である。また、図５は、軸方向に垂直な図４のＶ−Ｖ矢視立断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。

本第２の実施形態に係る発電機１００は、軸受カバー５２を有する。軸受カバー５２は、原動機側軸受２０の高温側空間３（図１）側を覆うように、原動機側ブラケット４４に取り付けられている。このため、原動機側軸受２０は、高温側空間３の空気に直接接することなく高温側空間３から隔離されている。

原動機側ブラケット４４の軸受カバー５２に覆われた範囲には、開口部４４ａ、４４ｂが形成されている。一方の端部が仕切り板４３にある給気管５１の他の端部は、開口部４４ａを通過して軸受カバー５２と原動機側ブラケット４４間の空間内で開放されている。なお、図５に図示していないが、給気管５１の途中に、内側油容器２５の近傍に冷却用の空気を吹き付けるための開口をさらに設けてもよい。

なお、図５では給気管５１は下方の開口部４４ａを通過している場合を示しているが、これより上方の開口部４４ｂを通過することでもよい。

以上のように構成された本実施形態に係る発電機１００においては、給気管５１の端部から流出した冷却用の空気は、原動機側軸受２０の内側油容器２５および外側油容器２６の外面に吹き付けられ、内側油容器２５および外側油容器２６を冷却する。この結果、内側油溜り２２および外側油溜り２３内の潤滑油が冷却される。内側油容器２５および外側油容器２６の外面に吹き付けられ、内側油溜り２２および外側油溜り２３内の潤滑油を冷却した冷却用の空気はファン１８によって排気部４２より高温側空間３内に排出される。

以上のように構成された発電装置２００の発電機１００においては、高温側となる原動機側軸受２０の温度上昇を抑制することができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態では、給気管５１の配置は、固定子３０と並列に配されている部分が、固定子３０の下方にある場合を示したが、これに限定されない。たとえば、上方でもよい。あるいは側部でもよいし、上方、下方および側部に配されていてもよい。

また、実施形態では、ファンの取り付け位置が排気部４２に対応する軸方向位置の場合を示したが、これに限定されない。たとえば、ロータシャフト１１の入口スペース４６内の部分に取り付けてもよい。あるいは吸気フィルタ４１ａの出口すなわち入口スペース４６の入口に設けてもよい。また、ファン１８は、実施形態では、遠心ファンの場合を示したが、同様の機能を有するものであれば、他の型式でもよい。さらに、実施形態では冷却用気体は空気の場合を示したが、これに限定されず他の気体の場合であってもよい。

また、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…原動機、１ａ…フランジ、２…低温側空間、３…高温側空間、４…隔壁、１０…回転子、１１…ロータシャフト、１２…回転子鉄心、１８…ファン、２０…原動機側軸受、２０ａ…反原動機側軸受、２１…玉軸受、２１ａ…固定部、２１ｂ…回転部、２２…内側油溜り、２３…外側油溜り、２４…連通部、２５…内側油容器、２６…外側油容器、２７…仕切り部、３０…固定子、３１…固定子鉄心、３２…固定子巻線、４０…フレーム、４１…吸気部、４１ａ…吸気フィルタ、４２…排気部、４３…仕切り板、４３ａ…開口部、４４…原動機側ブラケット、４４ａ、４４ｂ…開口部、４５…反原動機側ブラケット、４６…入口スペース、５１…給気管、５２…軸受カバー、１００…発電機、２００…発電装置

Claims

機械的に結合された原動機によって駆動され、前記原動機が設けられている高温側空間とは隔離された低温側空間内と前記高温側空間内とにまたがって設けられた発電機であって、
水平な回転軸まわりに回転可能に軸支されたロータシャフトと、そのロータシャフトに固定された回転子鉄心とを有する回転子と、
前記回転子鉄心の径方向外側に配された固定子鉄心と前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線とを有する固定子と、
前記ロータシャフトの前記回転子鉄心から軸方向外側であって前記原動機側の部分に配設され片側が前記高温側空間内に突出し、前記ロータシャフトを支持する原動機側軸受と、
前記原動機側軸受と前記回転子鉄心を挟んで軸方向の反対側に配設されて、前記ロータシャフトを支持する反原動機側軸受と、
前記回転子鉄心および前記固定子を収納し、前記低温側空間から吸気するための吸気部と前記高温側空間に排気するための排気部とを有するフレームと、
前記フレームに固定支持され前記原動機側軸受および前記反原動機側軸受をそれぞれ支持する原動機側ブラケットおよび反原動機側ブラケットと、
冷却用気体が前記吸気部から流入し前記フレーム内を経由して前記排気部から流出するように当該冷却用気体を駆動するファンと、
前記固定子の径方向外側に前記固定子と並列に設けられて、前記吸気部から流入した前記冷却用気体を前記原動機側軸受の近傍に移送する給気管と、
前記高温側空間から前記原動機側軸受を隔離して前記原動機側軸受の前記高温側空間側を覆うように前記原動機側ブラケットに取り付けられた軸受カバーと、
を備え、
前記原動機側ブラケットは前記軸受カバーに覆われた範囲に開口部を有することを特徴とする発電機。
前記原動機側軸受および前記反原動機側軸受はそれぞれ内側油溜りおよび外側油溜りを有する油浴軸受であり、前記給気管は、前記冷却用気体を前記原動機側軸受の前記油溜り部の外面近傍まで配されていることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
高温側空間に設けられた原動機と、
前記高温側空間とは隔離された低温側空間内と前記高温側空間内とにまたがって設けられて、前記原動機と機械的に結合した発電機と、
を具備する発電装置であって、
前記発電機は、
水平な回転軸まわりに回転可能に軸支されたロータシャフトと、そのロータシャフトに固定された回転子鉄心とを有する回転子と、
前記回転子鉄心の径方向外側に配された固定子鉄心と前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線とを有する固定子と、
前記ロータシャフトの前記回転子鉄心から軸方向外側であって前記原動機側の部分に配設され片側が前記高温側空間内に突出し、前記ロータシャフトを支持する原動機側軸受と、
前記原動機側軸受と前記回転子鉄心を挟んで軸方向の反対側に配設されて、前記ロータシャフトを支持する反原動機側軸受と、
前記回転子鉄心および前記固定子を収納し、前記低温側空間から吸気するための吸気部と前記高温側空間に排気するための排気部とを有するフレームと、
前記フレームに固定支持され前記原動機側軸受および前記反原動機側軸受をそれぞれ支持する原動機側ブラケットおよび反原動機側ブラケットと、
冷却用気体が前記吸気部から流入し前記フレーム内を経由して前記排気部から流出するように当該冷却用気体を駆動するファンと、
前記固定子の径方向外側に前記固定子と並列に設けられて、前記吸気部から流入した前記冷却用気体を前記原動機側軸受の近傍に移送する給気管と、
前記高温側空間から前記原動機側軸受を隔離して前記原動機側軸受の前記高温側空間側を覆うように前記原動機側ブラケットに取り付けられた軸受カバーと、
を備え、
前記原動機側ブラケットは前記軸受カバーに覆われた範囲に開口部を有することを特徴とする発電装置。