JPH04351439A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 ［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は主にタービン発電機等の
円筒形回転電機に係り、その機内通風冷却の改善に関す
る。

【０００３】

【従来の技術】タービン発電機等の回転電機では回転子
コイルを冷却するためにコイル導体を冷却ガスと直接接
触させて冷却するいわゆる直接冷却方式が広く採用され
ている。

【０００４】幾つかの直接冷却方式の内、ラジアルフロ
ー方式は構造が簡単な割りに冷却性能が良い等の理由に
より、３０００ｒｐｍ又は３６００ｒｐｍの中容量火力
タービン発電機及び１５００ｒｐｍ又は１８００ｒｐｍ
の大容量原子力タービン発電機等に広く採用されている
。

【０００５】一方、この回転子と組み合わせる固定子の
冷却構造としては５セクション方式、７セクション方式
、１３セクション方式等の方式がある。これらの方式で
は、固定子鉄心を、半径方向の冷却ガス通気用ダクトを
有する構造としており、いわゆる給気セクションと排気
セクションを軸方向に交互に連ねた構成としている。 給気セクションと排気セクションを含めた全セクション
数により５セクション方式、７セクション方式等と呼ば
れるのであり、原理的には類似の通風経路を有する方式
であると言える。

【０００６】以下、図６、図７を参照してラジアルフロ
ー方式回転子と５セクション方式固定子を組み合わせた
タービン発電機の機内通風冷却の概要を説明する。図６
では、対称性により右半面に通風経路を矢印に示し、左
半面にて各部品を符号で示している。機内冷却ガスは回
転子（１）に取付けられた軸流ファン（２）によってヘ
ッドを高められ、一部は回転子（１）　のリテイニング
リング（３）の下から回転子（１）にとり入れられ、回
転子（１）に納められている図示しない回転子巻線を冷
却し、楔排気穴（４）からエアギャップ（５）へと排出
される。また、前記軸流ファン（２）にてヘッドを高め
られた冷却ガスの他の一部は、固定子巻線端部（６）等
を冷却しながら通過し給気通風路（７）を通って給気室
（８）に入り、固定子鉄心（９）の一部分を成す固定子
鉄心給気セクション（１０）の、図示しない半径方向通
気用ダクトを外周側から内周側へと流れ、固定子鉄心給
気セクション（１０）内の鉄心及び図示しない固定子巻
線を冷却し、エアギャップ（５）へと流れる。また、前
記軸流ファン（２）によってヘッドを高められた冷却ガ
スの残りの部分は一部が図示しない経路を通って固定子
端部を冷却する他、多くはエアギャップ端（１１）から
エアギャップ（５）へと流入する。回転子（１）の楔排
気穴（４）からエアギャップ（５）へ排出された冷却ガ
スの一部と、固定子鉄心給気セクション（１０）からエ
アギャップ（５）へと流入した冷却ガスの一部と、エア
ギャップ端（１１）からエアギャップ（５）へと流入し
た冷却ガスは、固定子鉄心端部排気セクション（１２）
内の図示しない半径方向通気ダクトを内周側から外周側
へと流れ、同セクション内の鉄心及び図示しない固定子
巻線を冷却して、端部排気室（１３）へ流れ、冷却ガス
クーラ（１４）に流れ込み、ここで冷却される。また、
回転子（１）の楔排気穴（４）からエアギャップ（５）
へと排出された冷却ガスの残りの分と、固定子鉄心給気
セクション（１０）からエアギャップ（５）へと流入し
た冷却ガスの残りの分とは、固定子鉄心中央部排気セク
ション（１５）内の図示しない半径方向通気ダクトを内
周側から外周側へと流れ、同セクション内の鉄心及び図
示しない固定子巻線を冷却して、中央部排気室（１６）
へ流れ、排気通風路（１７）を通って冷却ガスクーラ（
１４）に到り、ここで冷却される。以上の様な経路で発
電機（１８）内の各部を冷却し、自らは温度が上昇した
冷却ガスは、冷却ガスクーラ（１４）で冷却され、軸流
ファン（２）へと導かれ、再び発電機（１８）内部を循
環する。なお、以上の説明における固定子巻線の冷却は
、固定子巻線主絶縁を介して熱伝達が行われる間接冷却
であり、中容量火力タービン発電機等では固定子巻線冷
却は専らこの間接冷却によっており、比較的簡単な構造
を得ている。一方、大容量原子力タービン発電機等では
、上記の方法に加え、固定子巻線内部に冷媒を流す直接
冷却方式と併用している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、中容量火力
タービン発電機の様な固定子巻線冷却を専らこの間接冷
却方式によっている簡便な構造によって、発電容量の増
大を計った場合、冷却ガス温が高い為、冷却条件が不利
な固定子鉄心排気セクション（１２），（１５）内の固
定子巻線温度をできるだけ均一化し、固定子巻線最高温
度を下げる必要がある。ところがすでに説明した図６の
様な方式では、回転子（１）の楔排気穴（４）から排出
される冷却ガスがかなり高温になっており、これと、他
経路からエアギャップ（５）に入ってきた比較的低温の
冷却ガスが充分に混合せずに固定子鉄心排気セクション
（１２），（１５）に流れる為、固定子鉄心排気セクシ
ョン（１２），（１５）内の固定子巻線温度の均一化は
難しい。この様子を図８（ａ）に示す。この図では理解
を助ける為、固定子鉄心（９）の半径方向通気ダクト（
１９）、鉄心内固定子巻線（２０）、積層鉄心ブロック
（２１）が簡単に示してある。固定子鉄心中央部排気セ
クション（１５）の中央部と端部排気セクション（１２
）の中央付近で固定子鉄心（９）の中央寄りの位置にお
いて、回転子（１）の楔排気穴（４）からエアギャップ
（５）に排出された比較的高温の冷却ガスが、その他の
比較的低温の冷却ガスとほとんど混合せずに半径方向通
気ダクトに流入している為、鉄心ダクト内ガス温度Ｔｄ
ｕｃｔにピークを生じ、固定子巻線温度Ｔｃｏｉｌにも
ピークが生じている。なお、図８（ａ）におけるエアギ
ャップ（５）内の矢印は冷却ガスの混合状態を概念的に
表したものであり、流線ないし流跡を表示したものでは
ない。

【０００８】以上に示した様に従来の技術では固定子巻
線温度の均一化が難しく、固定子巻線温度Ｔｃｏｉｌの
最高値を低くできない事が容量増大に対する制約となっ
ていた。特に、仕様上・電気特性上の様々な要求からエ
アギャップ（５）を狭く設計する必要が生ずる事が多く
、この場合のエアギャップ（５）内の冷却ガスの混合不
充分による鉄心排気セクション（１２），（１５）内の
鉄心ダクト内ガス温度Ｔｄｕｃｔ及び固定子巻線温度Ｔ
ｃｏｉｌの不均一が、ますます著しい傾向となっていた
。固定子巻線Ｔｃｏｉｌの最高値が高いことは信頼性・
長寿命化の点からも好ましくない。

【０００９】そこで、本発明ではエアギャップの冷却ガ
スの混合を促進し、固定子鉄心排気セクション内の鉄心
ダクト内ガス温度及び固定子巻線温度を均一化し、もっ
て固定子巻線温度の最高値を抑制し、これによって容量
増大への制約を減じ大容量化を実現する一方、エアギャ
ップ（５）を狭くした設計にも対応できる様にし、信頼
性、長寿命化にも資することを目的とする。

【００１０】 ［発明の構成］

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明では図２（ａ）（ｂ）に示される様な、楔排気
穴（４）に回転軸方向の傾斜角を持たせた回転子楔（２
２）を用いる。この回転子楔（２２）を回転子（１）上
に配置し、回転子楔（２２）の回転子（１）上の位置に
応じて楔排気穴（４）の傾斜の向きをタービン側向きな
いし反タービン側向きとして混在させる。一例として図
１に示される様に、回転子を周方向に４分割した中心角
９０°の領域ごとに楔排気穴（４）の傾斜の向きを切り
替えた配置とする。なお、比較の為、従来の回転子楔を
図７に示す。

【００１２】

【作用】以上の様な構成により、回転子（１）の楔排気
穴（４）から排出された冷却ガスに回転軸方向の速度成
分を適宜向きを変えて与えることにより、この回転軸方
向の速度成分を利用してエアギャップ（５）内の冷却ガ
スの混合を促進し、固定子鉄心排気セクション（１２）
，（１５）内の鉄心ダクト内ガス温度及び固定子巻線温
度を均一化し、もって固定子巻線温度の最高温度を抑制
しうる。

【００１３】

【実施例】以下に図１〜図３を参照して本発明の一実施
例について説明する。尚、固定子側は図６に示した従来
例と同様であるので、これも参照されたい。

【００１４】（実施例の構成）本実施例では図２（ａ）
，（ｂ）に示される様な、楔排気穴（４）に回転軸方向
の傾斜角を持たせた回転子楔（２２）を用い、図１に示
される様に、回転子を円周方向に４分割した、中心角９
０°の領域ごとに楔排気穴（４）の傾斜の向きをタービ
ン側向き及び反タービン側向きに交互に切り替えた配置
としている。

【００１５】（実施例の作用）以上の様な構成によりも
たらされる冷却ガスの流れを図３（ａ）に示す。図３（
ａ）では簡単のため回転子（１）の楔排気穴（４）から
エアギャップ（５）へ排出される冷却ガスの流れのみ表
現し、他の経路からエアギャップ（５）へ供給される冷
却ガスの流れは省略している。又、実線の矢印によって
回転子（１）の楔排気穴（４）の傾斜の向きが図３（ａ
）の向かって左側に向いている状態が続いた場合に想定
される定常流れを表現しており、破線の矢印によって回
転子（１）の楔排気穴（４）の傾斜の向きが図３（ａ）
の向かって右側に向いている状態が続いた場合に想定さ
れる定常流れを表現している。実際に図１に示される回
転子（１）が高速回転した場合、極めて高サイクルの非
定常流となる為、上記の２つの定常流れと全く同様の流
れ場が交互に現出する訳ではないが、上記の様に全く異
なる定常流れ場を与える２種類の境界条件が高サイクル
で交互に現われる事によってエアギャップ（５）内の流
れの乱れを大幅に増し、エアギャップ（５）内の冷却ガ
スの混合を促進する。

【００１６】（実施例の効果）以上の作用によって得ら
れる効果を図３（ｂ）の曲線図によって示す。本実施例
による実線で示した鉄心ダクト内ガス温度Ｔ０　ｄｕｃ
ｔは従来の破線で示した鉄心ダクト内ガス温度Ｔｄｕｃ
ｔに比べ固定子鉄心排気セクション（１２），（１５）
内で均一化され、最高値も低く抑えられている。これに
伴ない、温度Ｔ０　ｄｕｃｔの冷却ガスによって冷却さ
れるところの本実施例による実線で示した固定子巻線温
度Ｔ０　ｃｏｉｌも従来の破線で示した固定子巻線温度
Ｔ０　ｃｏｉｌに比較し固定子鉄心排気セクション（１
２），（１５）内で均一化され、最高値も低く抑えられ
ている。以上により本実施例によれば固定子巻線温度Ｔ
ｃｏｉｌの最高値を低減する事ができ、信頼性向上、長
寿命化、大容量化及びエアギャップ（５）の高さの減少
を許容しうる設計自由度の向上を実現できる。また、本
実施例は加工費の増加もわずかで、ラジアルフロー方式
のコストメリットをほとんど損う事なく実施しうる。

【００１７】（他の実施例）他の実施例としては、まず
図４に示す様に楔排気穴（４）の傾斜角を曲線的に変化
させた形とする手段がある。この場合、加工費は増大す
るが、作用・効果の面での改善ができる他、回転子楔（
２２）の寸法が短い場合にはこの様な形状としなければ
ならないことも生じる。又、楔排気穴（４）の傾斜角度
が異なる回転子楔（２２）を混用したり、従来の回転子
楔（２２）との混用等、回転子楔（２２）の様々な混用
が考えられる。

【００１８】又、回転子楔（２２）の楔排気穴（４）の
傾斜の向きの配置として前記実施例では回転子（１）上
の円周方向位置によって切り替えていたが、他の実施例
として、回転子（１）上の軸方向位置によって回転子楔
（２２）の楔排気穴（４）の傾斜の向きを切り替える方
式もある。図５にその例を示す。この例では回転子（１
）はラジアルフロー方式ではなく、ラジアル・アキシャ
ル・フロー方式としている。回転子（１）の楔排気穴（
４）の位置は、あえて固定子鉄心給気セクション（１０
）に対応させたミスマッチング方式とし、回転子（１）
の楔排気穴（４）からエアギャップ（５）に排出される
冷却ガスの回転軸方向速度成分によってエアギャップ（
５）内の冷却ガスの回転軸方向流れを促進している。こ
の様な方式により、エアギャップ（５）内の冷却ガスの
混合に関して従来のマッチング方式よりも改善を計るこ
とができ、固定子巻線温度の均一化を実現できる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によればエア
ギャップ内の冷却ガスの混合を促進し、固定子鉄心排気
セクション内での鉄心ダクト内ガス温度及び固定子巻線
温度を均一化し、固定子巻線温度の最高値を低減できる
ため、大容量化、長寿命化、信頼性向上、及び、エアギ
ャップの高さの減少を許容しうる設計自由度の向上を実
現できる回転電機が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回転子の一実施例を示す要部斜視図。

【図２】図１に用いた楔を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ
）は（ａ）の“Ｘ”矢視側面図。

【図３】図１の説明図であって、（ａ）は冷却風の流れ
を示し、（ｂ）は固定子の温度上昇曲線図。

【図４】他の実施例に用いる楔を示す側面図。

【図５】更に異なる他の実施例の通風状態を示す説明図
。

【図６】従来例の回転電機を示す通風説明図。

【図７】図６に使用した楔を示す斜視図。

【図８】図６の通風と温度上昇を示す説明図であって、
（ａ）はエアギャップの冷却風の流れを示し、（ｂ）は
固定子の温度上昇を示す曲線図。

【符号の説明】

１…回転子 ２…軸流ファン ３…リテイニングリング ４…楔排気穴 ５…エアギャップ ６…固定子巻線端部 ７…給気通風路 ８…給気室 ９…固定子鉄心 １０…固定子鉄心給気セクション １１…エアギャップ端 １２…固定子鉄心端部排気セクション １３…端部排気室 １４…冷却ガスクーラ １５…固定子鉄心中央部排気セクション１６…中央部排
気室 １７…排気通風路 １８…発電機 １９…固定子鉄心半径方向通気ダクト ２０…鉄心内固定子巻線 ２１…積層鉄心ブロック ２２…楔

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　円筒状の回転子鉄心の外周に設けた回
   転子巻線収納用軸方向スロットに、回転子巻線及び絶縁
   材を納め、外周側に楔を挿入して前記スロット内に固定
   する構造を有し、前記回転子巻線の冷却手段として、前
   記回転子鉄心端部からとり入れた冷却ガスにより前記回
   転子巻線を冷却し、前記楔に設けられた排気穴から前記
   冷却ガスを排出する通風路を有する回転子を備えた回転
   電機において、楔は回転軸方向に傾斜させた排気穴を有
   し、かつ、回転子上の位置に応じて排気穴の傾斜の向き
   が異なる様に配置した回転子を備えたことを特徴とする
   回転電機。