JPS6038935B2 - 液冷回転子形回転電機の冷却液導出入装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は冷却液を回転子に循環させてこれを冷却する
液冷回転子形回転電機、特にその冷却液の導出入装置に
関するものである。

周知のように、回転電機にあってその単機容量を増大さ
せるには、温度上昇をいかに抑えるか、つまり効果的な
冷却をいかに実現するかにか）つている。

換言すれば、回転電機の容量はその温度上昇すなわち冷
却性能により決まるといっても過言ではない。他方、回
転電機のうちの発電機、特にタービン発電機は発電所建
設の効率化の点からますますその単機容量の増大が必要
となってきている。ところで、これまでタービン発電機
の冷却には水素ガスを循環する冷却方式が採用され、単
機容量の増大が実現されてきたが、すでに限界ともいえ
る状態にあり、水素ガス冷却では現在以上の飛躍的な容
量の増大が期待できない。そこで別の冷却方式の実用化
が強く望まれるところである。この要求に応えるには、
冷却媒体として水素ガスに代えて冷却効率の良い冷却流
体例えば水を利用することが考えられる。

この考えのもとに、固定子冷却液を循環させてこれを冷
却することはすでに提案され、実現されているが、これ
を発展させ首尾よく回転子にまで冷却液を循環させるこ
とができれば、冷却効果を飛躍的に増大させることがで
きる。ところが、タービン発電機を例にとった場合、回
転子は通常毎分３６００回転（６０日２）もの高速で回
転しており、か）る高速回転体にいかにして冷却液を導
入し、かつこれを導出するかゞ実現のための最大の問題
であり、これが液冷回転子形回転電機の普及を阻害して
きた。

第１図は従来考えられた液冷回転子の冷却液導出入装置
を示す図であり、１は送給ポンプ（図示せず）を介して
冷却液例えば純水が矢印Ａ方向に供給される入口管であ
る。冷却液として純水が用いられるのは次の理由による
。冷却液は後述のように各管内及び回転子コイル内をを
循環せられるものであるから、もしか）る冷却液として
不純物の混入した水を用いた場合、その不純物のため各
管及び回転子コイルが腐蝕するとになり、このため何等
の不純物をも含まない純水を用いることが望ましいわけ
である。２は閉口部２ａを有しこの閉口部を介して上記
入口管１からの冷却液を受け入れる円管状の流入管であ
り、その中空内部２ｂは冷却液の流入路となる。

３は上記流入管２の周囲に所定の間隙をおいて設けられ
た円管状の流出管であり、流入管２との間の間隙３ｂは
冷却液の流出路となる。

３はこの流出管３の一端に設けられた開ロ部であり、こ
の開□部を介して冷却液が排出される。

ところで上記流出管３と流入管２は第２図のように一体
に結合されて給費Ｅ管４を構成する。

即ち第２図において、２ｃは流入管２の外周にこれと一
体に形成された複数個（図は６個の場合を示す）の突出
片であり、この突出片２ｃは流出管３との間のスベーサ
となって流入管２と流出管３とを一体に結合すると共に
両替２，３の補強の役目を兼ねている。この突出片２ｃ
を有した流入管２と流出管３とは例えば競ばめ等により
堅固に一体結合され、給排管４を構成する。４ａはこの
給榎Ｅ管４の終端に形成されたフランジ、５はこのフラ
ンジと密着し例えばボルト（図示せず）などにより結合
されるフランジ５ａを有した回転電機の回転子軸であり
、この回転子軸にはいうまでもなく回転子コイル（図示
せず）が装着されている。

またこの回転子軸５には図から明らかなように、上言己
給雛管４の流入路２ｂ及び流出路３ｂにそれぞれ連通す
る流入路５ｂと流出路５ｃとが設けられ、流入路５ｂか
ら送給された冷却液は回転子コイルを循環したのち流出
路５ｃに排出されるようになっている。なお図中の矢印
は冷却液の流れを示すものであるが、上記のように回転
子コイルを循環冷却した後、流出路５ｃ，３ｂを経由し
て流出管３の関口部３ａから排出される。６１はこの閉
口部３ａからの排出液を受け入れるための第１の出口室
であり、冷却液（純水）が大気と接触して汚染されるの
を防止するため常に冷却液が充満状態を保つように構成
されている。

７１はこの第１の出口室の冷却液を導出するための第１
の出口管であり、この第１の出口管から導出された冷却
液は上記のように大気と接触せず汚染されていないから
、熱交換器（図示せず）等により温度を下げた後送給ポ
ンプ（図示せず）を介して再び入口管１に送給され、再
循環に供される。

８１は入口管１内から冷却液が第１の出口室６１に漏れ
るのを抑えるための第１のラビリンスシールであり、回
転部と固定部との間の漏液を皆無にすることが不可能で
あることから、専ら漏れをいかに少なく抑えるかの努力
が払われる。

この漏液は上記のように第１の出口管７１を介して再度
循環に供されるから大きな問題とはならないが、あまり
に漏れ量が多いと効率が悪くなるから少ない方が望まし
いことはいうまでもない。８２は上記第１の出口室６１
と回転する給費Ｅ管４との間の漏れを抑えるための第２
のラビリンスシール、６２はこの第２のラビリンスシー
ルをすり抜けた第１の出口室６１からの漏液を受け入れ
る第２の出口室である。

この第２の出口室６２は上記第１の出口室６１とは異な
り冷却液が充満することがなく、したがって冷却液（純
水）が大気と接触して汚染されるおそれがある。９はこ
れを防止するための供気管であり、この供気管を介して
第２の出口室６２に窒素、水素などのしやへし、気体を
常時供給することにより、第２の出口室６２内の圧力を
常に大気圧より僅かに高い状態に保ち、第２の出口室へ
の大気の侵入を阻止すること）している。

したがってこの第２の出口室６２の漏液も大気と接触せ
ず汚染されていないから、第２の出口管７２から導出し
た冷却液は上記第１の出口室６１から導出した冷却液と
同様、熱交換器、送給ポンプ（何れも図示せず）を介し
て再循環に供される。８３は上記第２の出口室６２と回
転する給雛管４との間の漏れを抑えるための第３のラビ
リンスシール、６３はこの第３のラビリンスシールをす
り抜けた第２の出口室６２からの漏液を受け入れる第３
の出口室、７３はこの第３の出口室に運通する第３の出
口管である。

第３の出口室６３へ至る冷却液は、２段のシール８２，
８３の効果により少量であるから、大気とのしやへし、
を行なわず、したがって第３の出口管７３から導出した
冷却液は再循環に供することなくそのま）廃棄する。も
ちろん再処理装置に送り込み、純水化処理して再循環に
供し得ることも可能である。上記装置により一応所期の
目的を達成することができる。

ところで回転子軸５は軸受（図示せず）により支承され
るが、給排管４は図から明らかなように出口室等のため
に軸受を設けることができず回転子軸５にオーバーハン
グの形で支持されることになる。このため常に給排管４
の軸振れの問題にされされる。軸振れはシール効果を損
なうことになり好ましくない。この軸振れは給排管４が
長い程起り易く、したがってこれが短かし、程よいわけ
であるが、上記従来装置では出口室が３つもあり、それ
だけ給費Ｅ管４を長くしなければならす、軸振れの危険
が増すことになる。また上記従来装置では出口室６１を
満水状態に保つものとしているので、出口室６１のケー
シングのシールを緊密にしなければならないうえ、潜水
であるため水と給ＳＥ管４との摩擦による動力損が大き
いという難点があった。この難点を解消するには第３図
のように出口室を２つにし、しかも何れの出口室をも満
水にしないことが考えられる。即ち第３図において、６
１２は第１図における出口室６１，６２を一体にしてな
る出口室、７１２はこの世口室に蓮通された出口管であ
り、他は第１図と同様である。この第３図の考え方は、
出口室６１２を満水とせず、そのため大気との接触を避
ける意味から出口室６１２に供気管９から窒素、水素な
どのしやへし、気体を供給し、出口室６１２内の圧力を
大気圧より高い値に保って大気の侵入を防止する考え方
である。即ち第１図における２つの出口室６１，６２を
１つにまとめたもので、その出口管７１２から導出され
た冷却液は第１図と同様再循環に供するものとしている
。この第３図によれば上記第１図の難点は一応回避でき
るが、次のような大きな問題を残すことになる。その問
題とは、キャビテーションである。即ち流出管３の開□
部３ａからのＢＥ液を受け入れる出口室６１２内の圧力
が満水の時ほど高くないため、冷却液が抵抗なく排出さ
れること）なり、このため流出路３ｂ，５ｃ、回転子コ
イル（図示せず）等の冷却液管中の圧力は出口室６１２
が満水のときよりも低くなる。流出路３ｂ，５ｃおよび
回転子コイル等の冷却液管中を流れる冷却液の温度は、
回転子コイルを冷却したことによ上昇するので、圧力が
低くなるとキャビテーションが容易に発生し、周囲部材
を懐食するに至る。第１図において流出管３からの排出
液を受け入れる出口室６１を潜水状態に保持することは
、かかるキャビテーションを防止するためである。した
がって従来出口室を満水状態に保持するのは不可欠の条
件であると考えられ、このため上述した如き各種難点は
いたし方のないものとされていた。さて、上記第３図の
考え方をさらに発展させ、第１図の各種難点はもとより
、キャビテーションの問題をも解消し得る冷却液導出入
装置として第４図の装置が考えられる。

第４図においては１０は小孔１０ａを有した放出リング
であり、上記４・孔１０ａが関口部３ａに対向する如く
、例えば競ばめ等により流入管に固着される。したがっ
て流出管３からの冷却液は放出リング１０の４・孔１０
ａを介して出口室６１２に排出されることになる。即ち
放出リング１０は冷却液の排出に際していわゆるオリフ
イス作用により関口部３ａの圧力は出口室６１２の圧力
よりも高くなる。このため第３図で問題になったキヤビ
テーションを確実に防止することが可能となる。キャビ
テーションの問題を解消できたことにより、もはや出口
室６１２を満水状態に保持する必要がなく、したがって
出口室を２個に少することが実現できる。このため給排
管４の長さを第１図に比し短かくできるので軸振れの危
険を減ずることができ、また満水状態にしないので出口
室６１２のケーシングのシールが簡単になるうえ、給排
管４との摩擦による動力損を解消できるという冷却液導
出入装置を得ることができる。しかしながら上記した従
来の冷却液導出入装置では、冷却液は回転子コイルを循
環冷却した後、流出路５ｃ，３ｂを経由して流出管３の
関口部３ａを通じて放出リング１０の小孔１０ａから噴
射状に出口室６１２に排出される。

排出された冷却液は放出リング１０の４・孔１０ａから
の噴出速度と、給排管４外周の周速度とをベクトル合成
した速度となる。このように冷却液はかなりの速さで排
出されて出口室６１２の内周壁に衝突し、その衝突音が
非常に大きいものとなっていた。しかも冷却液の衝突に
よって出口室６１２の内周壁が長年の使用に対し、壌食
することがあった。さらに、出口室６１２の密封性の低
下をも招いていた。この発明は上記のような欠点に鑑み
てなされたものであり、給排管の排出部と出口室との間
で、給排管の排出部を図績して排出部から排出される冷
却液を満液状態に保持すると共に給擬管との間に出口室
と蓮適する排出路を有するよう収容部材を配設すること
により高信頼性が得られる液冷回転子形回転電機の冷却
液導出入装置を提供するものである。

以下、この発明の一実施例を第５図に基づいて説明する
。

図は冷却液の排出部の要部拡大図を示し、１１は内周面
が開口した円環状の収容部材（以下、環状部材という）
であり「給排管４の冷却液排出部である小孔１０ａを囲
んで、適宜の支持部材（図示せず）を介して出口室６１
２内壁面に取付けられ、小孔１０ａから排出された冷却
液を満水状態に収容する。この環状部材１１の一端部１
１ａの内周面と放出リング１０の外周面との間に、環状
部材１１の池端部１１ｂの内周面と流出管３の外周面と
の間にはそれぞれ所定の隙間Ｇが設けられ、この隙間Ｇ
が出口室６１２と運通する排出路を成し、この排出路か
ら環状部材１１に満水状態に保たれた冷却液が出口室６
１２に排出されるようになっている。１１ｃは気泡を除
去する小孔である。

上記のように構成されたこの発明においては、放出リン
グ１０の小孔１０ａから排出された冷却液を環状部材１
１内に満水状態に保った後、環状部材１１と放出リング
１０及び流出管３との間の隙間Ｇの排出路から環状部材
１１内の冷却液を出口室６１２に排出されるようにして
いる。

このように放出リング１０の小孔１０ａから排出された
冷却液は環状部材１１に満水状態に保持され、その環状
部材１１内の冷却液は隙間Ｇの排出路から出口室６１２
に排出されるが、その排出速度は隙間Ｇの選択によって
極めて低いものにすることができる。また、この排出路
から排出された冷却液は給榎Ｅ管４の回転による遠心力
作用を多少受けて出口室６１２の内周壁側へ飛散するが
、その冷却液の出口室６１２の内周壁への衝突力も極め
てつ・さくなり、冷却液の衝突による衝突音も極めて小
さくなり、密封性の低下を招くこともなく且つ出口室６
１２の内周壁が壌食することも防止できるようになって
いる。なお、隙間Ｇは収容部材１１内を満水状態に保持
できるよう且つ給排管４の藤振れが考慮されて設定され
る。なお上記実施例では放出リング１０に設ける小孔１
０ａは円周方向に２列配置するものとしたが、１列でも
よくまた３列以上であってもよい。

また放出リング１川ま流入管２に競ばめにより固着する
ものとしたが他の手段により固着してもよく、逆に流出
管３に固着するものとしてもよい。さらに上記流出管で
は放出リング１０と流出管３とを別体のものとしている
が、これを一体に形成することもできる。さらに本発明
によれば、放出リング１０の４・孔１０ａから排出され
る冷却液を環状部材１１内に満水状態に保持するように
しているので、この環状部材１１がキャビテーション防
止の効果を持つことになり給擬管４の排出孔を幾分大さ
めに取ることもできる。

排出孔が大きくなったことにより排出孔を通過する水速
が小さくなり排出孔の腐食が滅小する。また、このこと
から収容部材１１にキャビテーション防止効果を持たせ
れば第６図に示すように放出リング１０を使用すること
なく流出管３の流出路３ｂからの冷却液を流出管３の閉
口部３ａから収容部材１１に排出するようにしてもよく
、上記実施例と同様の効果を奏する。即ち、この場合に
は隙間Ｇを収容部材１１内の圧力がキャビテーションを
起こさない値となるよう設定する必要がある。また、上
記実施例では収容部材１１が環状からなる場合について
述べたが、角状からなるものとしてもよい。また上記実
施例では冷却液として純水を用いる場合を示したが、各
管及び回転子コイルを腐蝕しない液体であれば純水以外
のものであってもよいことはいうまもない。

さらに上記実施例ではこの発明を発電機特にタービン発
電機に適用するものとして説明したが、必要なら水車発
電機などその他の発電機はもちろん電動機等各種の回転
電機に適用し得ることはいうまでもない。また上記実施
例では冷却液の漏れを抑えるためのシールとしてラビリ
ソスシールを用いるものとしたが、メカニカルシールな
どその他のシールを用いてもよいことはいうまでもない
。

この発明は以上説明した通り、給雛管の排出部から排出
される冷却液を収容部村内に満液状態に保持し、その冷
却液を収容部材と給排管との間の排出路から出口室に排
出するようにしているので、冷却液の衝突音を著しく減
音することができると共に出口室の耐食性や密封性を著
しく高めることができ、高信頼性の冷却液導出入装置を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の液冷回転子形回転電機の冷却液導出入装
置を示す図、第２図は第１図のローロ線における断面図
、第３図はこの発明に至る前に考えられる導出入装置を
示す図、第４図は第３図を発展させたさらにこの発明に
至る前に考えられる導出入装置を示す図、第５図はこの
発明の一実施例による液冷回転子形回転電機の冷却液導
出入装置を示す要部拡大図、第６図はこの発明の一実施
例図である。 なお各図中同一符号は同一または相当部分を示すもので
あり、４は給排管、６１２は出口室、１１は収容部材、
Ｇは間隙である。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 回転子軸に同軸的に直結された冷却液の給排管と、
   前記給排管の排出部を囲んで設けられ前記排出部からの
   前記冷却液を受け入れる出口室と、内周面が開口した円
   環状をなし、前記出口室内に前記排出部を囲んで配設さ
   れ、前記排出部から排出される前記冷却水を満液状態に
   収容保持する収容部材と、前記給排管と前記収容部材の
   内周端との間隙によつて形成された排出路と、を備えて
   なる液冷回転子形回転電機の冷却液導出入装置。