特許 5701901 発電機用のナット固定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5701901

(24)【登録日】2015年2月27日

(45)【発行日】2015年4月15日

(54)【発明の名称】発電機用のナット固定装置

(51)【国際特許分類】

   H02K 5/124 20060101AFI20150326BHJP

【ＦＩ】

   H02K5/124

【請求項の数】12

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2012-544491(P2012-544491)

(86)(22)【出願日】2010年10月1日

(65)【公表番号】特表2013-514757(P2013-514757A)

(43)【公表日】2013年4月25日

(86)【国際出願番号】US2010051038

(87)【国際公開番号】WO2011084199

(87)【国際公開日】20110714

【審査請求日】2012年10月12日

(31)【優先権主張番号】12/640,090

(32)【優先日】2009年12月17日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】599078705

【氏名又は名称】シーメンス エナジー インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100075166

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 巖

(72)【発明者】

【氏名】ホワイトナー、ランディ イー

(72)【発明者】

【氏名】ソト、スティーヴン ティー

(72)【発明者】

【氏名】スミス、ネイル アール

【審査官】 鈴木 重幸

(56)【参考文献】

【文献】 実開昭５７−００６３４８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許第０５０１５８９５（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１１５９１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４９７１４９７（ＵＳ，Ａ）

【文献】 実開平０５−０３０５３０（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ５／００− ５／２６

Ｆ１６Ｂ ３９／００−３９／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロータ（１１）を有し、径方向リード（２１）がシール（２３）と共に前記ロータ（１１）の径方向リード孔（２０）内に配置された発電機（１０）における、前記径方向リード（２１）のシール（２３）を固定するためのシステムであって、
前記径方向リード孔（２０）に隣接して、前記ロータ（１１）の本体に配置される受け入れポケット（１５）と、
前記径方向リード（２１）と同軸上に配置されるナット（２４）であって、当該ナット（２４）の軸方向面に配置されるシール接触面（３５）を有すると共に、前記シール接触面（３５）の反対側には、当該ナット（２４）へ向かって軸方向に延びるように周方向溝（２９）が形成されていて、その周方向溝（２９）によって互いに隔てられた最外周側のリガメント（２６）と最内周側のリガメント（２７）とが形成されているナット（２４）と
を備えており、
前記ナット（２４）は、当該ナット（２４）を前記径方向リード（２１）の周囲で回転しないようにロックするべく前記最外周側のリガメント（２６）の一部を前記受け入れポケット（１５）に係合するように変形するにあたり、前記ナット（２４）の前記周方向溝（２９）内へとその外部から挿入可能に形成されたナット接触部（３１）とそのナット接触部（３１）の反対側に配置されたレバー部（３２）とを有する工具（３０）を用いて、前記ナット接触部（３１）を前記周方向溝（２９）内に挿入した状態で前記工具（３０）の前記レバー部（３２）に変形力が印加されると、その変形力が前記レバー部（３２）から前記ナット接触部（３１）へと伝達され、前記ナット接触部（３１）が前記ナット（２４）の前記周方向溝（２９）内で当該ナット接触部（３１）の先端を支点として前記最外周側のリガメント（２６）の一部に向かって傾動し、その傾動によって、前記変形力が前記最外周側のリガメント（２６）の一部に作用して、その最外周側のリガメント（２６）の一部が前記ナット（２４）の径方向外側に向かって変形されて前記ロータ（１１）の前記受け入れポケット（１５）に係合するように設定されている
ことを特徴とするシステム。

【請求項2】

前記受け入れポケット（１５）が、ロータ中心軸位置（１）から離れて配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記受け入れポケット（１５）は、前記径方向リード（２１）に隣接する前記ロータ（１１）の相対的に最大の繰り返し応力の位置を含まない
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

前記受け入れポケット（１５）は、前記径方向リード（２１）に隣接する前記ロータ（１１）の相対的に最小の繰り返し応力の位置を含む四分円（Ａ、Ｂ）内に配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記受け入れポケット（１５）が、前記径方向リード孔（２０）内へ開口している
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

発電機（１０）と共に使用するためのキットにおいて、
一方の軸方向面にシール接触面（３５）を備え、前記シール接触面（３５）の反対側に配置される周方向溝（２９）を備えたナット（２４）であって、前記周方向溝（２９）が当該ナット（２４）へ向かってその軸方向に延びて最外周側のリガメント（２６）と最内周側のリガメント（２７）とを形成してなるナット（２４）と、
前記ナット（２４）の外部から前記周方向溝（２９）内へと挿入可能に形成されたナット接触部（３１）と前記ナット接触部（３１）の反対側に配置されたレバー部（３２）とを有する工具（３０）とを備えて、
前記ナット接触部（３１）を前記周方向溝（２９）内に挿入した状態で前記工具（３０）の前記レバー部（３２）に変形力を印加すると、その変形力が前記レバー部（３２）から前記ナット接触部（３１）へと伝達され、前記ナット接触部（３１）が前記ナット（２４）の前記周方向溝（２９）内で当該ナット接触部（３１）の先端を支点として前記最外周側のリガメント（２６）の一部に向かって傾動し、その傾動によって前記変形力が前記ナット接触部（３１）から前記最外周側のリガメント（２６）の一部へと作用して、その最外周側のリガメント（２６）の一部が前記ナット（２４）の径方向外側に向かって変形され、以て前記ナット（２４）を前記発電機（１０）にロックして当該ナット（２４）の回転を阻止するように設定されている
ことを特徴とするキット。

【請求項7】

シール（２３）を更に備えた
ことを特徴とする請求項６に記載のキット。

【請求項8】

径方向リード孔（２０）と、前記径方向リード孔（２０）に隣接して表面に配置された受け入れポケット（１５）とを備えるロータ（１１）と、
前記径方向リード孔（２０）内に配置される径方向リード（２１）と、
前記径方向リード孔（２０）に対して同軸上にシールするように構成される外径を有するシール（２３）であって、かつ当該シール（２３）が圧縮されるときに前記径方向リード（２１）に対して同軸上にシールするように構成される内径を有する圧縮性のシール（２３）と、
前記径方向リード（２１）と同軸上に配置されるナット（２４）であって、前記径方向リード孔（２０）にねじ込まれるときに圧縮性の前記シール（２３）を圧縮するシール接触面（３５）を有すると共に、前記シール接触面（３５）の反対側には、当該ナット（２４）へ向かって軸方向に延びるように周方向溝（２９）が形成されていて、その周方向溝（２９）によって互いに隔てられた最外周側のリガメント（２６）と最内周側のリガメント（２７）とが形成されているナット（２４）と
を備えており、
前記最外周側のリガメント（２６）の一部を前記受け入れポケット（１５）に係合するように変形せしめて、前記ロータ（１１）に対して前記ナット（２４）が回転しないようにするにあたり、前記ナット（２４）の前記周方向溝（２９）内へとその外部から挿入可能に形成されたナット接触部（３１）とそのナット接触部（３１）の反対側に配置されたレバー部（３２）とを有する工具（３０）を用いて、前記ナット接触部（３１）を前記周方向溝（２９）内に挿入した状態で前記工具（３０）の前記レバー部（３２）に変形力が印加されると、その変形力が前記レバー部（３２）から前記ナット接触部（３１）へと伝達され、前記ナット接触部（３１）が前記ナット（２４）の前記周方向溝（２９）内で当該ナット接触部（３１）の先端を支点として前記最外周側のリガメント（２６）の一部に向かって傾動し、その傾動によって、前記レバー部（３２）に印加された変形力が前記ナット接触部（３１）から前記最外周側のリガメント（２６）の一部へと作用して、その最外周側のリガメント（２６）の一部が前記ナッ（２４）の径方向外側に向かって変形されて前記ロータ（１１）の前記受け入れポケット（１５）に係合し、以て前記シール（２３）に対する所望の圧縮度を維持しつつ前記発電機（１０）の前記ロータ（１１）の前記径方向リード（２１）がシールされる
ことを特徴とする装置。

【請求項9】

前記受け入れポケット（１５）が、ロータ中心軸位置（１）から離れて配置されている
ことを特徴とする請求項８に記載の装置。

【請求項10】

前記受け入れポケット（１５）は、前記径方向リード（２１）に隣接する前記ロータ（１１）の相対的に最大の繰り返し応力の位置を含まない
ことを特徴とする請求項８に記載の装置。

【請求項11】

前記受け入れポケット（１５）は、前記径方向リード（２１）に隣接する前記ロータ（１１）の相対的に最小の繰り返し応力の位置を含む四分円（Ａ、Ｂ）内に配置される
ことを特徴とする請求項８に記載の装置。

【請求項12】

前記受け入れポケット（１５）が、前記径方向リード孔（２０）内へ開口している
ことを特徴とする請求項８に記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に発電機の分野に関し、特に、発電機の径方向リードナットを固定するためのシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

ターボ機械は、ロータとして知られる回転シャフトと、ステータとして知られる固定部とを含む。ターボ機械としては、蒸気タービン、ガスタービン、発電機、コンプレッサ、および、ポンプが挙げられるが、これらに限定されない。例えば、発電機は、一般に、ロータおよび固定導電体のような主要部品を含む。ロータは、一般に、電流で励磁されるときに磁場を生み出すロータ導電体を含む。

【0003】

発電機のロータは、ロータの端部に結合される励磁装置から励磁電流を受ける。ロータは、一般に、励磁装置と結合して軸方向導電体を介して励磁電流をロータ軸中心線に沿って経路付ける導電体を含む。その後、径方向リード導電体が、励磁電流をロータ中心線からロータ表面へと径方向に経路付ける。ロータ表面では、その後、励磁電流が磁場発生導電体へと方向付けられる。

【0004】

励磁電流が直流電流である場合には、生み出される磁場の大きさが一定である。しかしながら、ロータが回転すると、固定点での磁場強度は、磁場の磁極を通り過ぎるにつれて変化する。固定電気巻線がロータを取り囲み、回転磁場と交差するように配置され、それにより、固定電気巻線で交流電流が誘導される。固定巻線は、誘導される交流電流が多くのユーザへ分配されるように電気ネットワークに接続される。

【0005】

発電機の動作は、発電機の内部部品内で熱を生み出す。一般に、発電機は、空気、水、または、水素ガスなどの冷却媒体によって冷却される。水素ガスの場合には、水素ガスと周囲空気との混合を防止して、水素と酸素との爆発性混合を回避するように気を付けなければならない。一般に、水素冷却発電機は、水素と酸素との可燃性混合が発電機内で生じないようにするために、正圧下で且つ高い水素純度の下で動作される。水素冷却発電機は一般に強力なシェル状フレーム内に入れられ、このフレームは、発電機の重量と作動荷重および過渡荷重とを支え、水素ガスを収容して水素ガスが可燃混合気を形成し得る大気へと逃げるのを防止する。

【0006】

径方向リード導電体に沿う水素ガス漏れ経路を防止するために、導電体が周囲の構造に対してシールされる。水素ガスが漏れないようにシールする１つの手段は、径方向リード導電体の周囲に積層される変形可能なシールを使用し、それにより、径方向リード導電体とロータ本体との間に気密バリアを形成することである。変形可能なシールは、径方向リード導電体を取り囲んでロータ本体にねじ込まれる径方向リードナットによって圧縮される。シールの軸方向圧縮がシールを径方向に拡張させ、それにより、周囲のロータ構造に対する気密シールが形成される。変形可能なシールの圧縮は、動作中に適切なシールを維持するために欠かせない。シールの圧縮量は、径方向リードナットがロータ本体にねじ込まれる度合いによりロータのアセンブリで決定される。変形可能なシールの正確な圧縮を保つためには、ロータ本体に対する径方向リードナットの時計回り或いは反時計回りの更なる回転を有利に抑制しなければならない。

【0007】

一般に、径方向リードナットの望ましくない回転を防止するため、ロータ本体の一部がパンチやハンマーなどの工具を使用して、径方向リードナット内へ変形される。ハンマーは、工具に衝撃を与えてロータ本体の一部を径方向リードナットのネジまたは受け入れスロット内へ塑性変形させ、それにより、径方向リードナットと結合して望ましくない回転を防止するために使用される。回転を防止するためにロータ本体材料を径方向リードナット内へと変形させることは、カシメとして知られる良く知られたプロセスである。しかしながら、カシメによってもたらされる変形されたロータ本体材料は、望ましくない応力集中部および亀裂発生部位をもたらし得る。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

【課題を解決するための手段】

【0009】

以下の説明では、図面を考慮して本発明を明らかにする。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】発電機の長手方向図である。

【図2】発電機のロータの励磁機端部の詳細断面図である。

【図3】ロータの径方向リードの詳細図である。

【図4】図３の平面図である。

【図5】図３のナットの実施形態である。

【図6】径方向リードナットの更なる実施形態である。

【図7】工具の実施形態である。

【図8】使用開始時の図７の工具を示している。

【図9】使用終了時の図７の工具を示している。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明は、電力生成設備の発電機内のロータに対するナットの固定との関連で開示される。しかしながら、本発明の原理は、発電機と共に使用すること或いは電力生成設備内に限定されない。例えば、方法及び／又はシステムは、航空宇宙産業、輸送産業、または、製造産業、あるいは、回転可能な部品を固定部品に対して固定する必要がある任意の他の分野で使用することができる。当業者は、本明細書中に開示されるシステム、キット、および、装置のための更なる用途を見出してもよい。したがって、例示的な発電機の文脈における本発明の例示および説明は、本発明の１つの想定し得る用途にすぎない。しかしながら、本発明は、発電機内で部品を回転しないように固定する手段として使用するための特定の適用性を有する。

【0012】

図１を参照すると、水素冷却発電機１０は、一般に、中心線１に沿って中心付けられ且つ発電機１０のステータによって取り囲まれるロータ１１を備える。ロータ１１は、該ロータ１１を電気的に励磁する電気励磁装置１３に接続される。励磁装置１３の反対側には、ロータを作用的に回転させる原動機（図示せず）がある。ロータ１１は励磁装置１３に接続されるロータ導電体を含み、励磁装置１３はロータ導電体に励磁電流を供給する。ロータ導電体における励磁電流は、供給される電流の大きさに比例する可変強度の磁場をもたらす。ロータ１１は、前述した磁場を生成しつつ作用的に回転する。回転磁場は、ロータ１１を取り囲むステータ１２に交流電流を誘導する。このとき、ステータは、誘導された交流電流をユーザへ伝える配電ネットワークに電気的に接続される。

【0013】

励磁電流は、図２に見られる軸方向導電体２２および径方向リード導電体２１を介して、励磁装置１３とロータ導電体との間で伝導される。軸方向導電体２２はロータ中心線１に沿って配置される。径方向リード導電体２１は、軸方向リード２２と交差して、励磁電流をロータ中心線１からロータ界磁導電体に電気的に接続するためのロータ外径へと径方向に伝導する。図２および図３に見られるように、径方向リード２１は径方向リード孔２０内にセットされる。径方向リード２１と径方向リード孔２０との間には、積極的なシール機構がない限り水素冷却ガスの漏れを許容できる径方向クリアランスが存在する。

【0014】

水素冷却ガスを密封するため、図３に見られるようにナット２４と肩部２５との間で圧縮されるときに径方向リード孔２０と径方向リード２１との間の径方向隙間をシールする１つのシールまたは複数のシール２３を使用できる。シール２３の圧縮は、肩部２５に対するナット２４のシール接触面３５の径方向位置によって決まる。動作中、振動、遠心荷重、熱サイクル、および、他の要因が、径方向リード孔２０内でのナット２４の回転に起因してシール接触面３５の径方向位置に影響を及ぼし得る。したがって、ナット２４の回転は、シール２３の圧縮に影響を与え、最終的に、水素ガスの漏れに対するシール２３の有効性に影響を及ぼす。シール２３の適切な圧縮を維持するため、ナット２４の回転位置を固定することが好ましい。

【0015】

図３に見られるように、径方向リード孔２０に隣接するロータ本体１１の外径には受け入れポケット１５が設けられる。受け入れポケット１５は、図３および図４に見られるように受け入れポケット１５が径方向リード孔内へ開口するように構成することができる。しかしながら、受け入れポケットは、受け入れポケット１５が径方向リード孔２０内へ開口しないように構成することができる。いずれの場合にも、ポケット１５は、以下で更に十分に説明するように、径方向リードナットの変形部を受けるために孔に隣接する。

【0016】

ロータ作動中の繰り返し応力状態は、ロータ中心軸１に沿って相対的に最小値にあり、ロータ中心線に対して垂直な図４に見られる軸２に沿って相対的に最大値にある。したがって、ロータの作動応力状態は、ロータの中心軸１と垂直軸２との間で勾配がある。そのため、受け入れポケット１５は、最も高い応力の領域から離れて配置されるのが有益な場合がある。受け入れポケット１５を四分円Ａ、Ｂに基づいて配置することができる。この場合、四分円Ａは最小の繰り返し応力の位置を含み、四分円Ｂは最大の繰り返し応力の位置を含む。具体的に、四分円Ａは、ロータ中心線１を含むライン３、４間のロータ１１の領域であり、また、四分円Ｂは、図４に見られる軸２を含むライン３、４間のロータ１１の領域である。したがって、受け入れポケット１５は、四分円Ｂ内ではなく、四分円Ａ内に配置されてもよい。また、作動繰り返し応力が最大になる軸２に沿って受け入れポケット１５を配置することを避けることが望ましい。また、受け入れポケット１５は、一般的な技術的手法にしたがって、応力集中をもたらす可能性がある鋭利な角部を回避するべく滑らかな表面および半径を有して形成されるのが好ましく、それにより、亀裂発生および想定し得るロータ故障の可能性が減少する。

【0017】

また、受け入れポケット１５は、ナット２４の変形可能部を受けるように更に構成される。ナット２４の変形可能部は、図５および図６に見られるように最外周側のリガメント２６として具現化され得る。

【0018】

図５はナット２４の特定の実施形態を示しており、この実施形態では、最外周側のリガメント２６が、シール接触面３５とは反対側のナット２４の軸方向面から上方へ延びるソールリング状の突出部である。最外周側のリガメント２６の内周側は、図５に見られる工具接触面２８を形成する。この場合、工具接触面２８は、最外周側のリガメント２６を受け入れポケット１５内へ変形させるための工具と相互に作用するように構成される。

【0019】

図６はナット２４の代替の実施形態を示しており、この実施形態では、最外周側のリガメント２６が溝２９によって最内周側のリガメント２７から分離される。溝２９は、工具３０を受けるように構成される工具接触面２８を形成する。ナット２４は、図５および図６に具現化されるようなスパナーナットであってもよいが、他の構成を成してもよく、ナット２４を回転するための特定の構成は本発明の限定因子ではない。

【0020】

図７は、図８に見られるような溝２９に挿入するように寸法付けられて構成されるナット接触部３１を有する工具３０を示している。工具３０は、ナット接触部３１の反対側に配置されるレバー部３２も有する。レバー部３２は、図９に見られるようにナット接触部３１付近の最外周側のリガメント２６の部分を受け入れポケット１５内へ変形させる変形力を接触部３１を介して工具接触面２８に加えるように構成される。ナット接触部３１とレバー部３２との間にはロータ接触部３３が設けられる。

【0021】

工具３０は、最外周側のリガメント２６を過度に歪ませて最外周側のリガメント２６またはナット２４のベース材料の亀裂を引き起こすことなく、最外周側のリガメント２６を受け入れポケット１５内へ十分に変形させるように形成されるのが有益である。したがって、最外周側のリガメント２６の変形は、図７に見られるようなナット接触部３１とロータ接触部３３との間の角度θの有利な決定によって制御できる。この場合、ナット接触部３１は、ロータ接触部３３がロータ１１の外面と接触するまで最外周側のリガメント２６を変形させ、これにより、図９に見られるように最外周側のリガメント２６の更なる変形が防止される。このように、角度θの適切な決定は、最外周側のリガメント２６の十分な変形をもたらし、それにより、受け入れポケット１５と適切に係合してナット２４の回転を防止すると同時に、最外周側のリガメント２６の過度な歪みも防止する。

【0022】

つまり、最外周側のリガメント２６は、受け入れポケット１５内へ変形されてロータ孔２０に対するナット２４の回転を効果的に防止するように構成される。したがって、最外周側のリガメント２６が工具３０によって受け入れポケット１５内へ変形されると、シール接触面３５の径方向位置が肩部２５に対して固定されて、発電機１０の作動中にシール２３の圧縮が保たれ、水素ガスが逃げないように適切にシールされる。

【0023】

本発明の利点は、最外周側のリガメント２６の任意の角度部分を受け入れポケット１５内へ変形できるという点である。したがって、ナット２４の角度位置は、シール２３の最適な圧縮に悪影響を及ぼす可能性がある次の最も近い所定のロック位置へナットを指標付けすることを必要とする六角形状のスパナーナットまたは同様の装置などの所定のロック位置を有するナットまたはシステムの場合のように、受け入れポケット１５の相対的な角度位置に依存しない。つまり、ナット２４をロータ本体１１に対して回転しないように固定するためにナット２４の角度位置を所定の位置へ指標付けする必要がない。

【0024】

本発明の様々な実施形態を本明細書中で図示して説明してきたが、そのような実施形態が単なる一例として与えられていることは言うまでもない。本発明から逸脱することなく多くの変形、変更、および、置き換えを行うことができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲によってのみ限定されるものである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】