JP2017530676A - 発電所のための発電機 - Google Patents

Abstract

本発明は、発電所のための発電機（１０）と、発電機の冷却方法と、に関する。発電機は、ステータ（２０）とロータ（３０）とを有しており、ステータ（２０）は、導体（２２）を誘導している。導体（２２）は、ステータ（２０）の少なくとも１つの端部において、コイル端（２４）を形成し、発電機（１０）は、コイル端（２４）を冷却するための送風機（４０）を有している。送風機（４０）は、コイル端（２４）に向けられた、軸方向成分と径方向成分とを有する冷却空気流を形成する。

Description

本発明は、請求項１のおいて書きに記載の発電所のための発電機と、請求項１１のおいて書きに記載の発電機の冷却方法と、に関する。

タービン発電機内では、ステータのバーがそれぞれ、いわゆるコイル端を用いて接続されている。コイル端では、バーが接線方向及び径方向に誘導されており、それによりコイル端の端部において、接続されるべきバーが隣り合っている。これらのバーは、互いに電気的に接続されねばならず、この接続は様々な方法で実施され得る。一方では、１つのバーの各サブコンダクタを、第２のバーのサブコンダクタと接続する可能性が存在しており、これは、サブコンダクタの相互接続と呼ばれている。他方では、バーのサブコンダクタをバンドルに統合し、当該バンドルをそれぞれ、反対側のバーのバンドルと接続する可能性が存在しており、これは、バンドル接続と呼ばれている。第３の可能性は、バーのサブコンダクタを互いに完全にはんだ付けし、反対側のバーとの接続を、ブラケットを用いて堅固に行うことである。全ての接続方法に共通しているのは、接続を手動で行わなければならないということ、及び、接続の後に絶縁を施さなければならないということである。ブラケットを用いる場合、さらに、抵抗損が生じ、コイル端の加熱につながる。温度の上昇によって、電気抵抗がさらに増大し、従って、発電機の効率がさらに減少する。

多くのタービン発電機において、コイル端におけるブラケット接続は、性能を制限する要素となっている。この制限は、電気抵抗によってブラケットが熱せられることに起因する。

これまで、ブラケット接続は、可能な限り薄い絶縁体を用いて実施されてきた。それによって、良好な外側からの間接的な冷却を確実にするためである。しかしながら、薄い絶縁体は、隣り合うブラケット間の電圧差が小さい場合にのみ可能である。相転移点には、厚い絶縁体が塗布される。

付加的に、特にステータ‐コイル端の冷却が、ロータ上の換気装置によって行われる。その際、換気装置のブレードは、ロータの中心軸に対して径方向に配置されており、特にステータ‐コイル端を冷却する軸方向の空気流を形成している。

特許文献１は、空冷式の回転電気機械について記載している。特許文献２は、コイル端を有する機械について記載している。特許文献３は、コイル端を有する機械について記載している。

欧州特許出願公開第０６４３４６５号明細書 実開昭５３‐１１５３０４号公報 実開昭５８‐１４５０６６号公報

本発明の課題は、冷却が改善され、従って、効率が上昇した発電機を供給することにある。

請求項１の特徴を有する本発明に係る発電機は、先行技術から知られた発電機に対して、送風機によって冷却空気流が形成され、当該冷却空気流は、径方向及び軸方向の成分を有する冷却空気流を通じて、熱をより効果的に放出させることによって、ブラケット接続又はステータ‐コイル端における熱的負荷を減少させるという利点を提供している。コイル端の冷却が改善することによって、同じ規模の大きさで、より効率が高い、又は、より性能が高い発電機が可能である。

従属請求項に記載された手段によって、独立請求項に記載された発電機の有利なさらなる発展形態及び改善が可能である。

本発明によると、送風機は、ロータの中心軸に対して軸方向に向けられた冷却空気流を形成する第１の領域と、ロータの中心軸に対して径方向又は斜め方向に向けられた冷却空気流を形成する第２の領域と、を有している。この解決法によって、冷却空気流は、軸方向において維持され、付加的な冷却空気流によって、径方向又は斜め方向において補充されるので、コイル端に対する流れの最適化と、それに伴う熱の放出の改善と、が実現し得る。

その際、特に、第１の領域が、ロータの中心軸の周囲に同心に形成されており、第２の領域が、第１の領域を少なくとも部分的に、好ましくは同心に包囲している場合は、有利である。この解決法によって、ガイドベーンを付加せずとも、冷却空気流をより広く拡散することが可能であり、それによって、単純な構造を有する、安価な発電機を実現することが可能である。

好ましい実施変形例では、送風機は、少なくとも１つの送風機ブレードを有しており、当該送風機ブレードは、ロータの中心軸に対して径方向に延在する第１の部分と、ロータの中心軸に対して１０°から９０°の角度で延在する第２の部分と、を有している。このような送風機ブレードは、その第１の部分において軸方向の冷却空気流を形成し、その第２の部分において、軸方向の冷却空気流に対して径方向又は斜め方向の冷却空気流を形成する。特に、第２の部分が、ロータの中心軸に対して３０°から７５°の角度を成して形成されている場合は有利である。なぜなら、第２の領域によって、有利な、中心軸に対して斜めに延在する冷却空気流が形成されるからである。

その際、第２の部分が、ロータの中心軸から径方向外側において、送風機ブレードの第１の部分に接続されていると、特に好ましい。それによって、内側では、第１の領域によって、可能な限り軸方向の冷却空気流が形成される一方で、第２の領域は、斜め方向の冷却空気流を形成する。このような方法で、送風機又は送風機ブレードを用いて、径方向又は斜め方向及び軸方向成分を有する冷却空気流が形成され得る。

有利なさらなる発展形態は、送風機ブレードがＬ字型に形成されていることにある。それによって、中心軸から離れた送風機ブレードの端部に、径方向に方向付けられた冷却空気流が形成される一方で、中心軸に方向付けられた冷却空気ブレードの端部には、軸方向の流れが形成される。

有利なさらなる発展形態は、送風機ブレードが、ロータの中心軸から、そのロータに背向する端部領域に向かう方向においてテーパ状になっていることにある。それによって、移動する物質を少なく保ち、送風機ブレードにおける材料を削減することができる。

代替的に、送風機が、ロータの中心軸に対して軸方向の空気流を形成するための第１のインペラと、ロータの中心軸に対して径方向又は斜め方向の空気流を形成するための第２のインペラと、を有する実施形態が定められている。軸方向の換気装置と径方向の換気装置とを有する送風機によって、同じく容易かつ安価な方法で、冷却空気流を形成することが可能であり、当該冷却空気流は、軸方向の成分の他に、径方向又は斜め方向の成分を有している。

その際、第２のインペラが環状に形成されており、第１のインペラと第２のインペラとは、互いに対して同心に配置されていると、特に有利である。それによって、インペラ同士の容易な位置決め及び固定が可能になり、第１のインペラは、環状の第２のインペラの内側に配置されている。

その際、送風機に、第１の内側のインペラの外側境界であると共に、第２のインペラの内側境界であるリングが形成されていると、特に有利である。このような方法で、第１のインペラと第２のインペラとを、共通のハウジング内に容易に取り付けるか、又は、アセンブリとして、前もって組み立てることが可能であり、それによって、取り付けの負担が軽減される。

本出願において、径方向又は斜め方向という概念は、ロータの中心軸に対して９０°又は４５°という角度だけではなく、５°から約１００°という角度範囲でもあると理解されるべきであり、ロータの中心軸に対して軸方向の流れと区別するために用いられる。この軸方向の流れは、可能な限り、約０°の角度において、すなわち中心軸に対して平行に形成されている。

以下に、本発明に係る発電機の実施例を、添付された図面を用いて説明する。その際、同じ部材又は同じ機能を有する部材には、同じ参照符号を用いる。

本発明に係る発電機の断面を示す図である。 発電機の一部を示す図であり、送風機ブレードを有するロータとバッフルとが示されている図である。 本発明に係る発電機の送風機ブレードを示す図である。 本発明に係る送風機ブレードを有するロータの駆動シャフトを３次元で見た図である。 本発明に係る発電機の、組み合わされた径方向／軸方向換気装置を示す正面図である。 組み合わされた径方向／軸方向換気装置を示す側面図である。

図１には、発電所のための発電機１０が示されている。発電機は、ステータ２０を有しており、当該ステータ内には、ロータ３０が配置されている。ロータ３０は、駆動シャフト３１を有しており、当該駆動シャフトは、２つの軸受３５、３６に回転可能に支承されている。ロータ３０の駆動シャフト３１を通って、中心軸３２が延在している。ステータ２０は、両側において、分離板２５によって遮蔽されている。ステータ２０は、ステータ本体２１を有しており、当該ステータ本体から、端面２７において、電流導体２２が延在し、コイル端２４を形成している。電流導体２２の接続のために、端部にはブラケット２３が設けられており、当該ブラケットを通じて、２つの隣接する電流導体２２が、コイル端２４において互いに接続されている。

ロータ３０には、送風機４０が固定されており、当該送風機は、図示された単純な実施形態では、送風機ブレード４５を有しており、当該送風機ブレードは、図２に示されているように、ロータの駆動シャフト３１に固定されている。送風機ブレード４５は、駆動シャフト３１の周囲にわたって均等に分配されており、ステータ２０の側面の境界を形成し、送風機４０の吸い込み側２８を送風機４０の圧迫側２９から分離する分離板２５と共に、１つの面において延在している。送風機ブレード４５は、ブレード根元部５２を有しており、当該ブレード根元部は、駆動シャフト３１の溝５１内に固定され得る。そのために、駆動シャフト３１には、クランプ要素５３が設けられており、当該クランプ要素は、ネジ５４を用いて、駆動シャフト３１に固定可能であり、送風機ブレード４５のブレード根元部５２を確実に固定する。送風機ブレード４５は、第１の領域４２を有しており、この第１の領域は、ロータ３０又は駆動シャフト３１の中心軸に対して径方向又は垂直に延在している。第１の領域４２は、ロータ３０の中心軸３２に対して軸方向に延在する冷却空気流を形成するように構成されている。径方向外側に向かって、第２の領域４４が接続されており、この第２の領域は、第１の領域４２を同心に包囲している。第２の領域４４は、ロータの中心軸に対して５°から約１００°の角度で冷却空気流を形成するように構成されている。当該冷却空気流は、以下において、径方向又は斜め方向の冷却空気流と呼ばれる。

図３には、送風機ブレード４５が示されている。送風機ブレード４５は、第１の部分４７を含んでおり、この第１の部分は、ロータ３０の中心軸３２に対して径方向に延在しており、径方向において外側に、第２の部分４８が接続しており、この第２の部分は、ロータ３０の中心軸３２に対して約３０°の角度αで延在している。代替的に、別の、約５°から約８５°の間、好ましくは３０°から６０°の間の角度αも考えられる。その際、第１の部分４７が、ロータ３０の駆動シャフト３１の回転の際、冷却空気流の第１の、軸方向に方向付けられた領域４２を形成している一方で、送風機ブレード４５の第２の部分４８は、冷却空気流の第２の、斜め方向又は径方向の領域４４を形成している。

送風機ブレード４５は、駆動シャフト３１に背向する端部４９に、テーパ状部分４６を有しており、それによって、送風機ブレード４５の端部４９における圧力変動が減少し、流動する物質が可能な限りロータ３１上に密接して集中する。図４には、駆動シャフトと送風機との組み合わせが、斜視図で示されている。

図５は、送風機４０の代替的な実施形態を示している。ロータ３０の駆動シャフト３１上には、軸方向において、ロータ３０の中心軸３２に対して平行に、冷却空気流を形成するための第１のインペラ５０が配置されている。第１のインペラ５０の外側の境界は、リング７０によって形成されており、リング７０は、第１のインペラ５０の外径と第２のインペラ６０の内径とを同時に形成しており、第２のインペラは、第１のインペラ５０の周囲に環状に形成されており、ロータ３０の中心軸３２に対して径方向又は斜め方向に冷却空気流を形成している。その際、リング７０は、軸方向換気装置として形成された第１のインペラ５０の軸方向の冷却空気流を、径方向換気装置として構成された第２のインペラ６０の冷却空気流から分離している。図６は、図５に係る換気装置を、さらに側面図において示した図である。

発電機１０が稼働している間、ロータ３０の駆動シャフト３１が回転している。その際、送風機４０によって、空気が、分離板２５の吸い込み側２８において吸い込まれ、圧迫側２９に運ばれる。その際、空気の流れは、図１において、小さい矢印で示されている。空気は、軸方向において、ステータ２０の端面２７内の開口部を通り、発電機１０内、又は、ロータ３０の駆動シャフト３１とステータ本体２１との間に流入し、再びステータ２０の外面に還流する。本発明に係る解決法によって、コイル端２４に対して直接、冷却空気が明らかに良好に流れることが可能になり、従って、コイル端２４のより良好な冷却が実現する。

密閉冷却系の場合、空気の代わりに、他の冷却媒体を用いることが可能である。

１０ 発電機
２０ ステータ
２１ ステータ本体
２２ 電流導体
２３ ブラケット
２４ コイル端
２５ 分離板
２７ 端面
２８ 吸い込み側
２９ 圧迫側
３０ ロータ
３１ 駆動シャフト
３２ 中心軸
３５、３６ 軸受
４０ 送風機
４２ 第１の領域
４４ 第２の領域
４５ 送風機ブレード
４６ テーパ状部分
４７ 第１の部分
４８ 第２の部分
４９ 端部
５０ 第１のインペラ
５１ 溝
５２ ブレード根元部
５３ クランプ要素
５４ ネジ
６０ 第２のインペラ
７０ リング

Claims (10)

1. ステータ（２０）とロータ（３０）とを有する発電所のための発電機（１０）であって、
   前記ステータ（２０）は、電流導体（２２）を誘導し、
   前記電流導体（２２）は、前記ステータ（２０）の少なくとも１つの端部において、コイル端（２４）を形成し、
   前記発電機（１０）は、前記コイル端（２４）を冷却するための送風機（４０）を有しており、
   前記送風機（４０）は、前記コイル端（２４）に向けられた、軸方向成分と径方向成分とを有する冷却空気流を形成している発電機において、
   前記送風機（４０）は、前記ロータ（３０）の中心軸（３２）に対して軸方向に方向付けられた冷却空気流を形成する第１の領域（４２）と、前記ロータ（３０）の前記中心軸（３２）に対して径方向又は斜め方向に方向付けられた冷却空気流を形成する第２の領域（４４）と、を有していることを特徴とする発電機（１０）。
2. 前記第１の領域（４２）が、前記ロータ（３０）の前記中心軸（３２）の周囲に同心に形成されており、前記第２の領域（４４）は、前記第１の領域（４２）を好ましくは同心に包囲していることを特徴とする、請求項１に記載の発電機（１０）。
3. 前記送風機（４０）が、少なくとも１つの送風機ブレード（４５）を有しており、
   前記少なくとも１つの送風機ブレード（４５）は、前記ロータ（３０）の中心軸（３２）に対して径方向に延在する第１の部分（４７）と、前記ロータ（３０）の前記中心軸（３２）に対して５°から８５°、好ましくは３０°から６０°の角度で延在する第２の部分（４８）と、を有していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の発電機（１０）。
4. 前記第２の部分（４８）が、前記ロータ（３０）の前記中心軸（３２）に対して径方向外側で、前記送風機ブレード（４５）の前記第１の部分（４７）に接続されていることを特徴とする、請求項３に記載の発電機（１０）。
5. 前記少なくとも１つの送風機ブレード（４５）が、Ｌ字型に形成されていることを特徴とする、請求項３又は４に記載の発電機（１０）。
6. 前記少なくとも１つの送風機ブレード（４５）が、前記ロータ（３０）の前記中心軸（３２）から、その前記ロータ（３０）に背向する端部領域（４９）への方向においてテーパ状になっていることを特徴とする、請求項３から５のいずれか一項に記載の発電機（１０）。
7. 前記送風機（４０）が、前記ロータ（３０）の中心軸（３２）に対して軸方向に空気流を形成するための第１のインペラ（５０）と、前記ロータ（３０）の前記中心軸（３２）に対して径方向又は斜め方向に空気流を形成するための第２のインペラ（６０）と、を有していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の発電機（１０）。
8. 前記第２のインペラ（６０）が、環状に形成されており、
   前記第１のインペラ（５０）と前記第２のインペラ（６０）とは、互いに対して同心に配置されており、
   前記第１のインペラ（５０）は、前記中心軸（３２）に対して軸方向に空気流を形成し、前記第２のインペラ（６０）は、前記中心軸（３２）に対して径方向又は斜め方向に空気流を形成することを特徴とする、請求項７に記載の発電機（１０）。
9. 前記送風機には、前記第１のインペラ（５０）の境界を形成するためのリング（７０）が形成されており、
   前記第１のインペラ（５０）の境界を形成するための前記リング（７０）は、前記第１のインペラ（５０）の外径に配置され、前記第２のインペラ（６０）の内径を形成し、その際、軸方向の空気流を、径方向又は斜め方向の空気流から分離することを特徴とする、請求項８に記載の発電機（１０）。
10. ステータ（２０）とロータ（３０）とを有する発電機（１０）を冷却するための方法であって、
    前記ステータ（２０）内では、電流導体（２２）が誘導され、
    前記電流導体（２２）は、前記ステータ（２０）の少なくとも１つの端部において、コイル端（２４）を形成し、
    前記発電機（１０）は、前記コイル端（２４）を冷却するための送風機（４０）を有している発電機（１０）を冷却するための方法において、
    前記送風機（４０）によって、冷却空気流が形成され、前記コイル端（２４）は、前記コイル端の方向に向けられた、軸方向成分及び径方向成分を有する冷却空気流によって冷却され、前記送風機は、前記ロータの中心軸に対して軸方向に方向付けられた冷却空気流を形成する第１の領域と、前記ロータの前記中心軸に対して径方向又は斜め方向に方向付けられた冷却空気流を形成する第２の領域と、を有していることを特徴とする方法。

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