JPS6038937B2 - 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す
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
転電機にうちの発電機、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
る状態であり、水素ガス冷却では現在以上の飛躍的な容
量の増大が特できない。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、固定子に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（６０ＨＺ）もの度速で回転しており、
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図は従釆考えられた液袷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
回転子コイルが腐触することになり、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は開口部２ａを有しこの関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。

３ａはこの流出管３の一端に設けられた開口部であり、
この閉口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
に結合されて給排管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との間のスべ−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
両管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とは例えば糠ばめ等により
堅固に一体結合され、給排管４を構成する。４ａはこの
給擬管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、上記給
排管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と流出略５ｃとが設けられ、流入路５ｂから
逆讃舎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、流出略５ｃ，３０を経由し
て流出管３の関口部３ａから排出される。６１‘まこの
関口部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１１こ送給され、
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−ルであり、回
転部と固定部との間の濠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
転する給排管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
常時供聯合することにより、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の濠液も大気と接触せ
ず汚染されてし、なから、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
転する給排管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の出口室に蓮適する第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。このため常に給費Ｅ管
４の軸振れの問題にさらされる。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、上記従釆装置では出口室が３つもあり、そ
れだけ給９Ｅ管４を長くしなければならず、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、満
水であるため水と給排管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はこの出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の圧力を大気
圧より高い値に保つ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の関口部３
ａからの排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が、出口室６１２が満
水のときより低くなる。流出路３ｂ，５ｃ、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
ルの冷却により上昇しており、冷却液の圧力が低くなる
と容易にキヤビテーションを生じ、その部分の駿食が促
進される。第１図において流出管３からの排液を受け入
れる出口室６１を満水状態に保持したのは、かかるキャ
ビテーションを防止するためでもあり、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１川ま４・孔１０ａを有した放出ＩＪ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１
０ａ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
フイス作用を呈し、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
ャ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個に減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藤振
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
した従釆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の開○部３ａを通じて放出リングの４・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の小孔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な速さで排出
されて出口室６１２の内壁に衝突し、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の内壁が長年の使用に対し、壊食するこ
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な欠点に鑑みてなされ
たものであり、給８Ｅ管の排出部と出口室との間で、給
緋管の排出部を囲綾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排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酉己設し、その収容
部村内に満液状態に保持されている冷却液を外部に導出
する導出路を収容部材に形成し、出口室と蓮適する排出
路にその排出路から排出される冷却液の排出量を制限す
る制限部材を設けることにより、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、第５図から明
らかなように放出リング１０が使用されておらず、その
放出リング１０の位置まで流出管３の端部が延設されて
おり、放出リング１０の小孔１０ａに相当する排出孔３
ｃが設けられている。即ち、このような構造にすること
により放出リング１０を省略することができる。１１は
給排管４の冷却液排出部、即ち、排出孔３ｃから排出さ
れる冷却液を満水状態に保つように、適宜の支持部材（
図示せず）を介して出口室６１２の内壁面に支持された
環状の収容部材であり、この収容部材１１の一端部１１
ａの内周面と流出管３の外周面との間、収容部材１１の
他端部１１ｂの内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、この排出路から収容部村１１内に満水状態に
保持されている冷却液の一部が出口室６１２に排出され
る。

１２は収容部材１１の壁体内に、、円周にわたって複数
個形成された管路でなる導出路であり、収容部材１１内
の冷却液を給排管４側へ向けて側方から流出させるよう
に、ほぼ直角に曲折している。

かようにして、導出路１２から流出する冷却液を、間隙
Ｇから排出される冷却液に衝突させるようにしている。
１３は上記排出路に配設され、排出路から排出される冷
却液の排出量を制限する制限部材であり、図は一例とし
てネジシール（以下、ヌジシールと記す）からなり、流
出管３に設けられた場合を示している。

上記のように構成されたこの発明においては、流出管３
の排出孔３ｃから排出された冷却液を収容部材１１内に
満水状態に保った後、収容部材１１と流出管３との隙間
Ｇの排出路から収容部材１１内の冷却液の一部がヌジシ
ール１３によって制限されて出口室６１２に排出される
ようになっている。一方、収容部村１１に形成された導
出路１２からも収容部材１１内の冷却液が給排管４側、
即ち、流出管３側に向って導出されるようになっている
。このように流出管３の排出孔３ｃから排出された冷却
液を収容部材１１に潜水状態に保持し、その収容部材１
１内の冷却液の一部は隙間Ｇの排出路から出口室６１２
に排出されるが、ヌジシール１３により冷却液の排出量
が制限されるため、その排出速度は極めて低いものとな
っている。さらに、ネジシール１３を調節することによ
り、導出路１２のうち給排管４の下側部にあるものから
排出される冷却液が、給費Ｅ管４に到達するようにする
ことができる。即ち、収容部材１１内の冷却液の出口室
６１２への排出は、ネジシール１３の効果で収容部材１
１に形成した導出路１２からの排出量の方が間隙Ｇから
の排出量よりも大となるが、導出路１２からの流出速度
には回転速度成分が含まれていないため、出口室６１２
の内周壁への冷却液の衝突速度を低減する効果をもたら
す。また、排出路からネジシール１３によって制限され
て出口室６１２に排出された冷却液は給排管４の回転に
よる遠心力作用をわずかに受けて出口室６１２の内周壁
側へ飛散するが、その冷却液は導出路１２から出口室６
１２に導出された冷却液と衝突することにより、出口室
６１２の内周壁への排出液の飛散速度が著しく低減され
る。従って冷却液の出口室６１２の内周壁との衝突音を
著しく減音することができ、冷却液の出口室６１２への
衝突音は殆んと生じない状態にすることができる。しか
も出口室６１２の密封性の低下を招くこともなくなり且
つ出口室６１２の内周壁が壕食することも防止できるよ
うになっている。なお隙間Ｇは給排管４の軸振れが考慮
されて設定される。また、導出路１２の寸法、形状、個
数などは収容部材１１内を満水状態に保持できるよう且
つ収容部材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される。また、ネジシール１３の方
向は隙間Ｇから出口室６１２に排出される冷却液を収容
部材１１内に送り込むようなポンプ効果を有する方向に
設けられている。なお、第５図において流出管３の排出
孔３ｃが放出リング１０の小孔１０ａに比し大きく取っ
ているのは、流出管３の排出孔３ｃから排出される冷却
液が収容部材１１に満水状態に保持されるので、この収
容部材１１が前述した導出路１２の寸法、形状、個数な
どの設定によりキャビテーション防止の効果を持つこと
になり、必ずしも流出管３の排出孔３ｃを小孔にしなく
てもよくなったためである。

排出孔３ｃが大きくなったことにぐ、排出孔３ｃを通る
水遠が低くなり、排出孔３ｃの腐食が減少する。また、
流出管３の排出孔３ｃは第５図から明らかなように大き
い孔が１個からなる場合を示しているが、流出管３の排
出孔３ｃを小孔として複数個設けるようにしてもよいこ
とは言うまでもない。また、上記のことから第６図に示
すように流出管３の流出路３ｂからの冷却液を流出管の
関口部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、この場合には導出路１２の寸法、形状、個数を収
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
ネジシールからなる制限部材１３が給排管４、即ち流出
管３、あるいは流出管３と流入管２とに設けた場合につ
いて述べたが、収容部材１１側に制限部材１３を設ける
ようにしてもよい。

また、上記実施例では制限部材１３がネジシールからな
る場合について述べたが、これに限らずラビリンスシー
ルなどからなる制限部材１３とすることもできる。

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触しない液体であれ
ば純水以外のものであってもよいことはいうまでもない
。

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第２
の出口室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
としてラビリン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、給鱗管の排出部から排出
される冷却液を収容部材内に満液状態に保持し、その冷
却液の一部を収容部材と給排管との間の排出路から制限
部材によって制限して出口室に排出し、かつ、収容部村
に形成した導出路からの給擬管へ向けての流れと衝突す
るようにしたので、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
出入装置の要部拡大図、第６図はこの発明の他の適用例
を説明するための図である。 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、
１２は導出路、１３は制限部材である。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転子軸に同軸結合された給排管と、 前記給排管
   を囲んで設けられ前記給排管からの排出冷却液を受ける
   出口室と、 前記出口室の内壁に支持され前記給排管と
   間隙をおいて同心に配設された円環状の収容部材と、前
   記収容部材の壁体内に形成され前記給排管の排出孔から
   前記収容部材内に排出された前記排出冷却液を前記出口
   室内において前記給排管に向つて流出させる複数の導出
   路と、 前記間隙により前記給排管の外周長手方向に形
   成された排出路の配設され前記排出量を制限する制限部
   材と、 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。 ２ 制限部材は給排管に設けられ特許請求の範囲第１項
   記載の液冷回転子形回転電機の冷却液導出入装置。 ３ 制限部材はネジシールである特許請求の範囲第１項
   または第２項記載の液冷回転子形回転電機の冷却液導出
   入装置。 ４ 制限部材はラビリンスシールである特許請求の範囲
   第１項または第２項記載のの液冷回転子形回転電機の冷
   却液導出入装置。