コイル対向面に流れ偏向構造を有する、発電電動機械コイルスペースブロック

【課題】キャビティの中央領域の熱伝達を向上させた発電電動機械を提供する。
【解決手段】発電電動機械は、複数の隣接するコイルを有するロータ３０と、隣接するコイルどうしの間に配置されたスペースブロック３４０とを有する。スペースブロック３４０は、このスペースブロック３４０の隣且つ互いに隣接するコイルどうしの間に、少なくとも１つのキャビティ３４２を画成する。スペースブロック３４０は、このスペースブロック３４０の少なくとも１つのキャビティ３４２対向面上に、キャビティ３４２内で循環するクーラントの流れを堰き止めてその方向を少なくとも１つのキャビティ３４２の中央領域に向けて変更する、少なくとも１つの流れ偏向構造を提供する、実質的にＴ形の断面、実質的に六角形の断面、及び実質的に切頂矢形の断面のいずれかを有する本体から成る。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャビティ内で循環するクーラント流を堰き止めてその方向を変更することにより、発電電動機械ロータの冷却を促進する構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ発電機等の大型発電電動機械において、ロータは、ロータ長さに沿って切削されたスロットを含み、これらのスロット内には、銅コイルが配置される。ロータ本体の外側に延在するコイル部分は、コイル端とよばれる。ロータのコイル端領域において、スペースブロックによりコイルが堅固に保持されており、スペースブロックは、その位置に応じて更に、スペースブロック、スペーサブロック、ウェッジブロックに分類される。
【０００３】
発電電動機械の定格電気出力は、導電体の絶縁に課せられる温度制限により、ロータ界磁巻線を介して付加的な電流を供給する能力によって制限されることが多い。したがって、ロータ巻線の効果的な冷却は、機械の出力性能に直接影響する。このことは、こうした機械の一般的な構造が原因で、直接的な強制冷却が困難で費用がかさむ、ロータコイル端に特に当てはまる。一般的な市場動向として、より低コストでより出力密度が高い発電機に、より高い効率とより高い信頼性とが求められることから、ロータコイル端の冷却が制約要素となっている。コイル端及びコイルを冷却するには、スペースブロックとコイルとの間のキャビティを用いて循環クーラント流を流し、これらのキャビティから排気筒内に開口するコイル内の溝に流入させる。
【０００４】
米国特許第６，４６５，９１７号には、循環するクーラント流を堰き止めてその方向をそれぞれのキャビティの中央領域へと変更する、キャビティ対向面上に設けられた少なくとも１つの流れ偏向構造を有するスペースブロックであって、この偏向構造が、自然発生のフローセルと同じ方向に該自然発生のフローセル内に付加的なクーラント流を直接導入することにより、大きな単一のフロー循環セルの流速を増加させる、スペースブロックを設けることで、熱伝達を増大させる方法が記載されている。この方法を本願の図４及び５に示す。この方法では、循環セルの強度を高めることによりキャビティ内の熱伝達が増大するものの、キャビティの中央領域は依然として低速のまま、即ち熱伝達が少ないままの可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６８７０２９９号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の第１の態様において、複数の隣接するコイルを有するロータと、隣接するコイルどうしの間に配置されたスペースブロックであって、このスペースブロックの隣且つ互いに隣接するコイルどうしの間に、少なくとも１つのキャビティを画成するスペースブロックと、を備えた発電電動機械を提供する。スペースブロックは、このスペースブロックのキャビティ対向面上に、キャビティ内で循環するクーラントの流れを堰き止めてその流れの方向を少なくとも１つのキャビティの中央領域に向けて変更する、流れ偏向構造を提供する。
【０００７】
本開示の第２の態様において、実質的にＴ形の断面、実質的に六角形の断面、実質的に切頂矢形の断面のうち１つを有する本体から成る、ガス冷却式発電電動機械用スペースブロックを提供する。この断面は、スペースブロックの少なくとも１つのキャビティ対向面上に、キャビティ内で循環するクーラントの流れを堰き止めてその方向を少なくとも１つのキャビティの中央領域へと変更する、少なくとも１つの流れ偏向構造を提供する。
【０００８】
第３の態様は、複数の隣接するコイルを有するロータと、隣接するコイルどうしの間に配置されたスペースブロックであって、このスペースブロックの隣且つ互いに隣接するコイルどうしの間に、少なくとも１つのキャビティを画成するスペースブロックと、を含む発電電動機械に関する。このスペースブロックは、実質的にＴ形の断面、実質的に六角形の断面、実質的に切頂矢形の断面のうち１つを有する本体から成る。この断面は、スペースブロックの少なくとも１つのキャビティ対向面上に、キャビティ内で循環するクーラントの流れを堰き止めてその方向を少なくとも１つのキャビティの中央領域へと変更する、少なくとも１つの流れ偏向構造を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ステータに対向する発電電動機械ロータのコイル端の部分断面図である。
【図２】図１の線２−２に沿った発電電動機械ロータの断面の上面図である。
【図３】コイル端キャビティ内に流入し、コイル端キャビティを通る、従来の受動的ガス流を示す概略図である。
【図４】スペースブロックの下流側に設けられて、通常はクーラントが不足状態のキャビティ中央に向かってクーラントを偏向させる、先行技術の偏向部を示す断面図である。
【図５】各々がキャビティの深さ方向の一部分のみにわたって設けられた、先行技術による少なくとも１つの偏向部であって、クーラントの一部分をキャビティの外径範囲まで容易に行き渡らせつつ、クーラントの一部分をキャビティ中央に向かって偏向させる偏向部の、別の実施形態を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に従ったスペースブロックを含むガス冷却式発電電動機械の実施形態を示す概略図である。
【図７】本発明に従ったスペースブロックの実施形態の拡大斜視図である。
【図８】本発明に従ったスペースブロックの実施形態の拡大斜視図である。
【図９】本発明に従ったスペースブロックの実施形態の拡大斜視図である。
【図１０】本発明に従ったスペースブロックの実施形態の拡大斜視図である。
【図１１】本発明に従ったスペースブロックの実施形態の拡大斜視図である。
【図１２】本発明に従ったスペースブロックの実施形態の拡大斜視図である。
【図１３】本発明に従ったスペースブロックの実施形態の拡大斜視図である。
【図１４】本発明に従ったスペースブロックの実施形態の拡大斜視図である。
【図１５】本発明に従ったスペースブロックの実施形態の拡大斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
様々な図面を通して同じ参照符号で同じ要素を示す図面を参照すると、図１及び２は、ガス冷却式発電電動機械用ロータ１０の図である。この発電電動機械は、ロータを取り巻くステータ１２も含む。ロータは、ロータ軸１６を中心に配置された、軸方向に対向する端面を有する略円筒状の本体部分１４から成り、図１には一方の端面の一部分１８を示す。本体部分は、ロータ巻線を構成する同心配置のコイル２２を受けるための、周方向に離間した複数の軸方向延在スロット２０を備える。明瞭にするために、５つのロータコイルのみを示すが、実際には、更に数個のロータコイルが一般に用いられる。
【００１１】
具体的に、ロータ巻線の一部分を構成する複数の導電体バー２４が各々のスロット内に積層される。隣接し合う導電体バー２４は、電気絶縁体２５の層により分離される。積層された導電体バーは、一般的にウェッジ２６（図１）によりスロット内に維持され、銅等の導電材料で作製される。導電体バー２４は、端部ストラップ領域とも称される部分において、コイルの座巻部２７により本体部分の各対向端部において相互に接続される。コイル２２は、軸方向延在コイル２３を含むコイル側区画を含み、軸方向に端面を超えて端部ストラップ領域まで延在する。軸方向延在コイル２３と座巻部２７とを纏めて、コイル端２８という。座巻部２７も電気絶縁体の層により分離される。
【００１２】
図１を詳細に参照すると、保持環３０が本体部分の各端部において座巻部の周りに配置されて、コイル端２８を遠心力に抗して正位置に保持する。保持環３０は一方の端部において本体部分に固定され、ロータ軸１６の上で外方に延在する。心出し環３２が保持環３０の遠端部に取り付けられる。なお、保持環３０と心出し環３２とを当該技術分野において周知のその他の方法で取り付けてもよい。心出し環３２の内側周辺縁部は、ロータ軸１６から半径方向に離間してガス入口通路３４を形成しており、コイル端２８は、ロータ軸１６から離間して環状領域３６を形成している。スロット２０（図２）に沿って形成される複数の軸方向冷却チャネルが、環状領域３６を介してガス入口通路３４と流体連通の状態で設けられ、冷却ガスをコイル２２（図２）に送給する。
【００１３】
次に図２を参照すると、ロータ１０の各端部の座巻部２７（図１）が、複数のスペーサ又はスペースブロック４０により周方向及び軸方向に分離されている（図を明瞭にするために、図１にはスペースブロックを示していない）。スペースブロック４０を座巻部２７どうしの間に配置する場合は、これらを端部ストラップブロック４８とも称する。更に、軸方向延在コイル２３は、複数のスペースブロック４０により周方向に分離されている。この位置において、スペースブロック４０を、コイル側ブロック５０又は本体ウェッジブロック５２とも称する。これらのスペースブロックに「ウェッジ」という用語を用いることができるのは、これらのスペースブロックが、この位置でコイル２３と係合するために必要な弓形状に適合するウェッジ形状を備えるからである。スペースブロック４０は、軸方向延在コイル側の区画であるか端部ストラップ領域であるかにかかわらず、いかなる場合も、隣接するコイルどうしの間の隙間に配置される絶縁材料の細長ブロック部材である。スペースブロック４０は、端部ストラップ区画又はコイル側区画の半径方向の全深さを超えて環状間隙３６内まで延在する。
【００１４】
図３に最もよく示すように、殆どの場合は、隣接するコイル（軸方向延在コイル２３であるか端部ストラップ２７であるかにかかわらず）間に配置されるスペースブロック４０は、第１及び第２のキャビティ４２を、スペースブロック４０の隣且つ互いに隣接するコイルどうしの間に形成する。コイル端２８の同心積層体間の隙間（図３）は、複数のキャビティ４２に分かれている。これらのキャビティは、図２に示すように、上部が保持環３０により画定され、４つの側部が、隣接する端部ストラップ２７及び隣接するスペースブロック４８により画定される。同様に、図２に最もよく示すように、軸方向延在コイル２３の半径方向積層体間の隙間が、キャビティ５４、５６に分かれている。一般に、図２に最外側コイルに関して示すように、隣接するコイル２３間に配置されるスペースブロック４０（本体ウェッジブロック５２）については、ロータ歯２９の端部に直接当接して配置されるので、１つのキャビティ５４のみが隣に画成される。キャビティ５４は、その上部が保持環３０により画定され、その４つの側部が、隣接するコイル２３及び隣接するスペースブロック４０（コイル側ブロック５０及び本体ウェッジブロック５２）により画定される。但し、本発明の実施形態によると、図２に最内側コイルに関して示すように、スペースブロック４０（本体ウェッジブロック５２）がロータ歯２９の端部に当接しない場合には、キャビティ５６も存在する。キャビティ５６は、その上部が保持環３０（又はウェッジ２６（図１））により画定され、その４つの側部が、隣接するコイル２３、隣接し合うスペースブロック４０（コイルスペースブロック５０）、ロータ歯２９の端部により画定される。図１は、この後者の状態を示す。
【００１５】
図１に最もよく示すように、上述の各々のキャビティは、環状領域３６を介してガス入口通路３４と流体連通状態にある。そのため、ガス入口通路３４を介してコイル端２８とロータ軸１６との間の環状領域３６に流入する冷却ガスの一部分は、キャビティ４２、５４、５６に流入し、これらのキャビティ内で循環した後、コイル端とロータ軸との間の環状領域３６に戻る。図１及び３にガス流を矢印で示す。
【００１６】
回転する発電機キャビティ内で作用する固有のポンプ作用と回転力とは、図３の概略図に示すように、一般に、大きな単一のフロー循環セルを生成する。このフロー循環セルは、キャビティの周辺縁部付近において最高速度を呈し、キャビティの中央領域では速度が本質的に低いことから、中央領域が十分に冷却されないままになる。図３からわかるように、フローセルの円形運動では冷却流がコーナー部まで行き渡らないので、コーナー領域の大部分もまた、十分に冷却されない。
【００１７】
次に図４〜５を参照すると、幾つかのキャビティ１４２と矢印Ｘで表す回転方向とが示された、米国特許第６，４６５，９１７号に従ったロータコイル端アセンブリの部分断面図が示されている。少なくとも１つのスペースブロック１４０、好ましくは各スペースブロック１４０が、それぞれのキャビティの下流側に配置される、スペースブロックの表面１４６（以下、「下流側面」）上に、クーラント流の方向をそれぞれのキャビティ１４２の中央に向けて変更してキャビティ１４２の中央の熱伝達率を高める流れ偏向構造１４４を備える。各偏向構造１４４は、矢印Ａで示すように流れを堰き止めてその方向を変更する、全体的に湾曲した下面１４８を有する。上面１５０は略平面状であり、偏向部は全体として薄い流れ対向縁部１５２を形成しており、これによって、不要な圧力損失を生じることなく効果的に流れを堰き止められる。
【００１８】
動作時、方向Ｘへロータが回転することにより、冷却ガスがガス入口３４（図１）を介してコイル端２８とロータ軸１６との間の環状領域３６内に引き込まれる。略円形の流れでキャビティ１４２の下流側１４６に向かって冷却ガスを付勢する動圧ヘッドが存在する。クーラント流の少なくとも一部分は、偏向部１４４により堰き止められて、矢印Ａで示すように、一般的にクーラント流が不足する冷却用キャビティ１４２の中央領域へと方向変更される。偏向部により堰き止められないクーラント流は、矢印Ｂで示すような、全体的に循環的な流れで流動し続ける。堰き止めされた流れと堰き止められない流れとは、キャビティの上流側で再び合流し、図示の構成では時計回りの方向に流動し続けて、スペースブロック１４０の下方から、次に続くキャビティ内へと流入する。キャビティの深さ又は軸方向寸法の大部分、例えば少なくとも７５％、好ましくはキャビティの深さの１００％程度の、単一の流れ偏向部が設けられる。
【００１９】
次に図５では、スペースブロック２４０間に形成されるキャビティ２４２と矢印Ｘで示す回転方向とを示した、米国特許第６，４６５，９１７号に従ったロータコイル端の部分断面図を示す。図示のように、クーラント流を隣接するキャビティの中央領域へと偏向させる、少なくとも１つの偏向構造２４４が設けられている。図４の実施形態の場合のように、図示のアセンブリでは、偏向構造２４４が、少なくとも１つのスペースブロック２４０の下流側面２４６に設けられる。但し、この場合、各偏向部２４４は、少なくとも１つの垂直方向の流れ領域を残してスペースブロックの深さ方向の一部分のみ又はスペースブロックの軸方向の一部分のみに延在しており、これによって、高い運動量で循環するクーラント流の一部分をキャビティの半径方向外側コーナーに到達させつつ、クーラントの残りの部分をキャビティ中央に向かって偏向させるようになっている。
【００２０】
部分深さ偏向部が、キャビティの隣接する一方のコイル端壁部から、キャビティの隣接する他方のコイル端壁部から、又は自身に関連するスペースブロックのほぼ中央から、キャビティの深さ方向の一部分にわたって設けられる。一例では、単一の偏向部２４４が、関連するスペースブロックの深さ方向の約半分にわたって設けられる。
【００２１】
これにより、図示のように、それぞれのキャビティ２４２内に流入するクーラント流が、スペースブロックの表面２４６に到達し、この表面２４６に沿って半径方向外方に流れ始める。この流れの一部分は、偏向構造２４４により堰き止められ、矢印Ａで示すように、それぞれのキャビティの中央領域の方へと偏向される。クーラント流の残りの部分は、偏向構造の軸方向長さによって画定される間隙により、偏向構造をバイパスして、矢印Ｃで示すように、引き続きスペースブロックに沿って上方且つ半径方向外方に流れ、矢印Ｂで示すような循環流として流れ続ける。偏向された流れと偏向されない流れとは、キャビティの上流側で再び合流して、引き続き時計回りの方向にスペースブロック２４０の下方から、次に続くキャビティ２４２へと流れる。
【００２２】
表面に単に乱流を引き起こすのではなく、流れを効果的に堰き止めてその方向をキャビティの中央領域の方へと変更できるように、偏向部１４４、２４４を、冷却用キャビティの周方向寸法の少なくとも約２０％、好ましくは少なくとも約２５％において延在させてよい。偏向部の下面１４８、２４８の湾曲構造は、偏向部の機能を高める。
【００２３】
次に図６〜１５を参照すると、本発明の実施形態により、少なくとも１つのスペースブロック３４０、好ましくは各スペースブロック３４０が、キャビティ３４２内の循環クーラント流の堰き止めと方向変更を促進するように構成された形状を有する。図６〜１５の各々では、上述した図４及び５の実施形態と実質的に同様に作用する。
【００２４】
図６において、各スペースブロック３４０は、実質的にＴ形の断面を有し、この断面は、スペースブロックの少なくとも１つのキャビティ対向面３６０（明瞭にするために図７のみに示す）上に、キャビティ内で循環するクーラントの流れを堰き止めてその方向を少なくとも１つのキャビティの中央領域の方へと変更する、少なくとも１つの流れ偏向構造を提供する。この場合、スペースブロック３４０をキャビティ３４２、即ち端部ストラップ２７という設定で、ロータコイル端アセンブリの部分断面図に示す。同様に、図６〜１５のいずれかの実施形態に従ったスペースブロック３４０も、図２に示すように軸方向延在コイル２３内に配置可能である。このように、スペースブロック３４０は、図１〜２に最もよく示すように、軸方向延在コイル２３及び／又は端部ストラップ２７内に配置される。そのため、「コイル対向」とは、本明細書で用いる場合、纏めてコイル端２８のコイル２２と称される、軸方向延在コイル２３又は端部ストラップ２７に対向することを意味する。
【００２５】
図７〜１５に、スペースブロック３４０の様々な実施形態、具体的には、様々な形状の流れ偏向構造３４４を成す様々な断面形状のスペースブロック３４０の拡大斜視図を示す。本明細書に記載の各々の実施形態では、おそらくは図１４を除いて、流れ偏向構造３４４はスペースブロック３４０の半径方向延在面３６０（明瞭にするために図７のみに示す）から延在している。
【００２６】
図７及び８に、スペースブロック３４０の両側の対を成すキャビティ３４２（図６）の各々に対して流れ偏向構造３４４を提供する実質的にＴ形の断面を含むスペースブロック３４０（図６）の実施形態を示す。図７は、図５の実施形態と同様に、各流れ偏向構造３４４がそれぞれのキャビティの深さ方向の一部分のみに及ぶ、即ちスペースブロック３４０の残りの部分ほど厚くない実施形態を示す。図８は、実質的にＴ形の断面の屈曲部３４６の各々が湾曲面３４８を含む実施形態を示す。
【００２７】
図９及び１０に、実質的にＬ形の断面を有するスペースブロックの実施形態を示す。この場合は、単一の流れ偏向構造３４４のみが設けられる。図１０において、実質的にＬ形の断面の屈曲部３５０は、湾曲面３５２を含む。
【００２８】
図１１において、流れ偏向構造３４４は、ロータ対向突出構造３５６を有する実質的に直角三角形の区画３５４を有する。加えて、その他の実施形態のように、流れ偏向構造３４４が、少なくとも１つのキャビティの深さ方向の一部分のみにわたっていてもよい。図１２及び１３に、スペースブロック３４０が実質的に切頂矢形状の断面を有する実施形態を示す。即ち、スペースブロック３４０は、矢の先端部が除去されたことを除いて、矢尻形の断面を有する。この構造は、隣接する各キャビティに対する流れ偏向構造を提供する。図１２において、その他の実施形態のように、流れ偏向構造が、少なくとも１つのキャビティの深さ方向の一部分のみにわたっていてもよい。
【００２９】
図１４に、スペースブロック３４０が実質的に六角形の断面を有しており、この断面が、対を成す隣接するキャビティの各々に対する流れ偏向構造を提供する実施形態を示す。図１５には、各流れ偏向構造３４４が、対を成す隣接する各キャビティ内へと延在する、実質的に尖った縁部構造３５８を含む実施形態を示す。
【００３０】
流れ偏向構造３４４がキャビティの深さ方向の一部分のみに及ぶ、本明細書に記載のいずれの実施形態においても、流れ偏向構造をキャビティの深さ方向の約半分に延在させてもよい。その他の実施形態では、流れ偏向構造３４４が、少なくとも１つのキャビティの深さ方向の大部分に及ぶ。
【００３１】
本明細書において「第１」「第２」等の用語は、いかなる順序、数量、又は重要性も示すことはなく、或る要素を他の要素と区別するために用いられている。本明細書において単数形は、数量を限定するものではなく、言及した項目が少なくとも１つは存在することを示す。数量に関連して使用する「約」といった修飾語は、提示した値と、文脈上明らかな意味（例えば、特定の数量の計測に関連する誤差の程度）を含む。本明細書において複数形は、これによって修飾される用語の単数形及び複数形の両方、即ちその用語が示すものを１つ以上含むことを意図している（例えば、「（複数の）金属」は、１種又は複数の金属を含む）。本明細書に開示されている範囲は、包括的で、個々に組み合わせが可能である（例えば、「約２５重量％以下、特に約５重量％から約２０重量％」の範囲は、両端点と「約５重量％から約２５重量％」の範囲の全ての中間値を含む）。
【００３２】
本明細書では様々な実施形態を説明したが、本明細書から明らかなように、当業者は各要素を様々に組み合わせたり、改変又は改良したりできるが、これらも本発明の範囲に含まれる。また、特定の状況又は材料に合わせて、本発明の教示に多くの修正を加えることができるが、これらも本発明の本質的な範囲から逸脱することはない。したがって、本発明は、本発明を実施するために熟考された最適な態様として開示された特定の実施形態に限定されることなく、添付の特許請求の範囲に含まれる全ての実施形態を包含する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の隣接するコイルを有するロータ（１０）と、
隣接するコイルどうしの間に配置されたスペースブロック（４０）であって、該スペースブロック（４０）の隣且つ互いに隣接するコイルどうしの間に少なくとも１つのキャビティを画成するスペースブロック（４０）と、を備えた発電電動機械であって、
前記スペースブロック（４０）は、前記スペースブロック（４０）のキャビティ対向面（３６０）上に、前記キャビティ内で循環するクーラントの流れを堰き止めて該クーラントの流れの方向を前記少なくとも１つのキャビティの中央領域に向けて変更する流れ偏向構造（１４４）を有する、発電電動機械。
【請求項２】
前記流れ偏向構造（１４４）が単一の流れ偏向構造（１４４）から成る、請求項１に記載の発電電動機械。
【請求項３】
前記少なくとも１つのキャビティが、前記スペースブロック（４０）の両側に１つずつの、１対のキャビティ（５４、５６）から成り、
前記スペースブロック（４０）が、前記１対のキャビティ（５４、５６）の各々に対して流れ偏向構造（１４４）を形成する実質的にＴ形の断面を有する、請求項１に記載の発電電動機械。
【請求項４】
各流れ偏向構造（１４４）が、それぞれのキャビティの深さ方向の一部分（１８）のみに及ぶ、請求項３に記載の発電電動機械。
【請求項５】
前記実質的にＴ形の断面の各屈曲部（１８）が湾曲面（１４８）を有する、請求項３に記載の発電電動機械。
【請求項６】
前記スペースブロック（４０）が実質的にＬ形の断面を有する、請求項１に記載の発電電動機械。
【請求項７】
前記実質的にＬ形の断面の屈曲部（１８）が湾曲面（１４８）を有する、請求項６に記載の発電電動機械。
【請求項８】
前記流れ偏向構造（１４４）が、ロータ（１０）に対向する突出構造を有する実質的に直角三角形の区画を含む、請求項１に記載の発電電動機械。
【請求項９】
前記流れ偏向構造（１４４）が、前記少なくとも１つのキャビティの深さ方向の一部分（１８）のみに及ぶ、請求項８に記載の発電電動機械。
【請求項１０】
前記スペースブロック（４０）が実質的に切頂矢形の断面を有する、請求項１に記載の発電電動機械。

【図１】