特許 6282732 回転電機のロータとステータとの間に配置されている中間室の内部においてアキシアル方向に流れている冷却流体の少なくとも一部分を偏向するための装置

(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】6282732

(24)【登録日】2018年2月2日

(45)【発行日】2018年2月21日

(54)【発明の名称】回転電機のロータとステータとの間に配置されている中間室の内部においてアキシアル方向に流れている冷却流体の少なくとも一部分を偏向するための装置

(51)【国際特許分類】

   H02K 9/06 20060101AFI20180208BHJP

【ＦＩ】

   H02K9/06 B

【請求項の数】9

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-522790(P2016-522790)

(86)(22)【出願日】2014年9月11日

(65)【公表番号】特表2016-537944(P2016-537944A)

(43)【公表日】2016年12月1日

(86)【国際出願番号】EP2014069360

(87)【国際公開番号】WO2015055355

(87)【国際公開日】20150423

【審査請求日】2016年7月19日

(31)【優先権主張番号】13188456.1

(32)【優先日】2013年10月14日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】508008865

【氏名又は名称】シーメンス アクティエンゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(72)【発明者】

【氏名】エステバン・グラウ・ソラライン

(72)【発明者】

【氏名】クリスティアン・イェケル

(72)【発明者】

【氏名】マリオ・ケーベー

(72)【発明者】

【氏名】マティアス・コヴァルスキ

(72)【発明者】

【氏名】クリストフ・レーマン

(72)【発明者】

【氏名】アンドレイ・マシュキン

(72)【発明者】

【氏名】オルガ・プロトニコワ

(72)【発明者】

【氏名】カロリン・シルト

【審査官】 森山 拓哉

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−１８５０２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０７４８６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５５−０２１５３９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ ９／００−９／２８

Ｈ０２Ｋ １／００−１／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転電機（１）のロータ（３）とステータ（２）との間に配置されている中間室（７）の内部においてアキシアル方向に流れている冷却流体の少なくとも一部分を偏向するための装置（６）において、
少なくとも１つのブレード（８，１２）が、前記中間室（７）の内部において前記ロータ（３）の外面（５）の所定部分に配置されており、
前記中間室（７）の内部において流れている冷却流体の一部分が、前記ブレード（８，１２）によって前記ステータ（２）に向かって偏向されるように、前記ブレード（８，１２）が、形成及び配置されており、
前記装置（６）が、少なくとも１つの接続要素（１０）を備えており、前記ブレード（８）が、前記接続要素（１０）を介して前記ロータ（３）に接続可能とされ、少なくとも１つの出口開口部（１１）が、前記ロータ（３）の長手方向軸線（Ｌ）に対して平行に延在しており、前記接続要素（１０）と接触している冷却流体の一部分が前記出口開口部（１１）を通じてアキシアル方向に流れるように前記接続要素（１０）に配置されていることを特徴とする装置（６）。

【請求項2】

前記ブレード（８）が、ラジアル方向ブレードとして形成されており、
前記中間室（７）の内部において流れている冷却流体の一部分が、前記ブレード（８）と接触していることを特徴とする請求項１に記載の装置（６）。

【請求項3】

前記ブレード（８）と前記接続要素（１０）とが、一体ユニットを形成するように互いに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の装置（６）。

【請求項4】

前記装置（６）が、前記ロータ（３）の全周に亘って分散配置されていると共に前記ロータ（３）の前記所定部分に配置されている、複数の前記ブレード（８）を備えていることを特徴とする請求項２又は３に記載の装置（６）。

【請求項5】

前記ブレード（１２）が、ドラム式羽根車のラジアル方向ブロワ（１３）のブレードであって、前記ロータ（３）に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の装置（６）。

【請求項6】

前記ロータ（３）の前記長手方向軸線（Ｌ）に対して平行に延在している少なくとも１つの出口開口部（１４）が、前記中間室（７）の内部において流れている冷却流体の一部分が前記出口開口部（１４）を通じてアキシアル方向に流れるように、前記ドラム式羽根車の前記ラジアル方向ブロワ（１３）に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の装置（６）。

【請求項7】

回転電機のためのロータユニット（４）であって、ロータ（３）を備えている前記ロータユニット（４）において、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置（６）が、前記ロータ（３）の外面（５）の少なくとも１つの所定部分に配置されていることを特徴とするロータユニット（４）。

【請求項8】

ステータ（２）及びロータ（３）を有している回転電機（１）において、
前記回転電機（１）が、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置（６）を備えていることを特徴とする回転電機（１）。

【請求項9】

回転電機（１）を冷却するための方法であって、前記回転電機（１）が、ロータ（３）及びステータ（２）を備えており、冷却流体が、前記ロータ（３）と前記ステータ（２）との間においてアキシアル方向に延在している中間室（７）の内部に導入される、前記方法において、
前記中間室（７）の内部に導入される冷却流体の少なくとも一部分が、前記中間室（７）の内部に且つ前記ロータ（３）の外面（５）において前記回転電機（１）の所定部分に配置されている少なくとも１つのラジアル方向ブレード（８）によって、前記ステータ（２）に向かってラジアル方向に偏向されることを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転電機の、特にタービン発電機のロータとステータとの間に配置されている中間室の内部においてアキシアル方向に流れている冷却流体の少なくとも一部分を偏向するための装置に関する。

【0002】

さらに、本発明は、回転電機のための、特にタービン発電機のためのロータを備えているロータユニット、及び、ステータ及びロータを有している回転電機、特にタービン発電機に関する。

【0003】

さらに、本発明は、ロータ及びステータを有している回転電機を、特にタービン発電機を冷却するための方法であって、冷却流体が、ロータとステータとの間においてアキシアル方向に延在している中間室の内部に導入される、方法に関する。

【背景技術】

【0004】

タービン発電機の形態をした回転電機は、発電所内において電気エネルギを発生させるために利用されている。電気エネルギを発生させるために、タービン発電機は、少なくとも１つのガスタービン及び／又は蒸気タービンに機械的に結合されており、タービン発電機は、ガスタービンと共にタービン発電機を形成している。

【0005】

回転電機の動作の際には、回転電機のステータ及び／又はロータにおいて熱が必然的に発生する。このような熱損失は、回転電機によって機械エネルギを電気エネルギに変換した結果として発生する。

【0006】

回転電機の動作を確実にするためには、回転電機のステータ及び／又はロータにおいて発生する熱を回転電機から消散させることが必要とされる。このことは、電気的絶縁がステータ及び／又はロータに施されているが、特定の温度に到達した後に当該電気的絶縁が損なわれることによって短絡する場合があるので、特に必要とされる。回転電機から消散される熱が大きければ大きい程、利用される回転電機の容量も大きくなり、これに対応して電力も増加する。

【0007】

従来、周囲空気、水、水素、及び／若しくは水素を含む混合体の形態をした冷却流体が、回転電機からの熱を消散させるために、又は回転電機のステータ及び／若しくはロータを冷却するために利用される。冷却流体は、回転電機の２つのアキシアル方向端部においてステータとロータとの間にアキシアル方向に導入され、回転電機の中心で回転電機の外部からラジアル方向に最も消散される。

【0008】

一般に、熱は、回転電機のステータ及び／又はロータにおいて一様に発生しない。言い換えれば、回転電機の他の領域より大きい熱が発生する回転電機の領域が存在する。より大きい熱が発生する、及び／又は、冷却が十分でない領域も、“ホットスポット”として説明されている。このようなタイプのホットスポットでは、許容することができない不利益なオーバーヒートが、熱の影響をほとんど受けない回転電機の領域より早く発生する。その結果として、従来技術に基づく回転電機は、ホットスポットに配置された材料が回転電機の動作の信頼性を高めることができることを条件として、全容量のみで利用可能とされる。

【0009】

また、熱を消散させるために例えば周囲空気の形態をした冷却流体を従来通りに利用する場合には、周囲空気が、ホットスポットに到達した場合に、ホットスポットを十分に冷却可能とするように配置されていない回転電機の他の領域から発せされる非常に大きい熱量を既に吸収していることは、不利益である。結論として、特に周囲空気を利用した従来技術に基づく熱の消散によって、ホットスポットにおける熱負荷に依存する最大の上限に至るまで、より信頼性が高い永続的な態様で回転電機の動作の信頼性を高めることができる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明の目的は、回転電機、特にタービン発電機の容量を高めること、及び、回転電機の動作についての信頼性を確保することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

回転電機の、特にタービン発電機のロータとステータとの間に配置されている中間室の内部においてアキシアル方向に流れている冷却流体の少なくとも一部分を偏向するための、本発明における装置は、中間室の内部においてロータの外面の所定部分に配置可能とされる少なくとも１つのブレードを備えており、当該ブレードは、中間室の内部において流れている冷却流体の一部分がステータに向かってラジアル方向に偏向可能とされるように配置可能とされる。

【0012】

当該装置は、少なくとも１つの接続要素を備えており、ブレードが、当該接続要素を介してロータに接続されており、ロータの長手方向軸線に対して平行に延在している少なくとも１つの出口開口部が、接続要素に接触している冷却流体の一部分が出口開口部を通じてアキシアル方向に流れることができるように、接続要素に配置されている。また、当該装置は、必要に応じて、２つ以上の接続要素を備えている場合がある。接続要素の数量は、当該装置のブレードの数量に相当していることが望ましい。また、接続要素は、ロータの長手方向軸線に対して平行に配置されている２つ以上の出口開口部を備えている場合がある。好ましくは、出口開口部は、冷却流体の一部分の流れに対して最適化されている断面を備えている。

【0013】

ロータとステータとの間に且つ中間室の内部にアキシアル方向に配置されている冷却流体の一部分が、ステータに向かってラジアル方向に加速される。その結果として、より大きい熱が、偏向される冷却流体の一部分が影響を及ぼすステータの所定部分から消散されるので、対流によって当該所定部分を良好に冷却することができる。ステータに配置されているホットスポットが、ブレードによって冷却されることが望ましい。

【0014】

ステータひいては回転電機の冷却を改善することによって、回転電機の容量を増大させることができ、回転電機を高信頼を以って動作させることができる。本発明における装置は、回転電機が新規に製造された場合に設けることができる。また、既存の回転電機は、本発明における装置を具備するように改良することができる。

【0015】

必要であれば、本発明における装置は、ロータのアキシアル方向長さに亘って、及び／又は、ロータの周囲に亘って配置可能とされる、ブレード列の形態をした２つ以上のブレードを備えることができる。

【0016】

ブレードがラジアル方向ブレードとして構成されていること、及び、中間室の内部において流れている冷却流体の一部分が当該ブレードと接触していることが望ましい。ラジアル方向ブレードは、既知であり、互いに対して適切な形態及び数量でロータに互いに配置可能とされる。

【0017】

ブレードと接続要素とが、単一の構成部品を形成するように互いに接続されていることが望ましい。これにより、ブレード及び接続要素を単純な方法で管理することができ、ブレード及び接続要素をロータに単純な方法で配置させることができる。ブレードは、単一のユニットを形成するように、特に一体に結合された態様で接続要素に接続可能とされる。

【0018】

好ましくは、当該装置は、ロータの周囲に亘って分散配置されているロータの所定部分に配置されている２つ以上のブレードを備えている。ロータの所定部分に配置されているブレードの数量及び当該ブレードの構成によって、最適な冷却結果を実現するために、ブレードによってステータに向かってラジアル方向に偏向される冷却流体の一部分の大きさを変化させることができる。

【0019】

ブレードが、ロータに接続されているドラム式羽根車のラジアル方向ブロワのブレードであることが望ましい。ドラム式羽根車のラジアル方向ブロワは、既知であり、当該ラジアル方向ブロワの長手方向軸線の周りに回転する際に、ステータの少なくとも１つのホットスポットを冷却することができるラジアル方向流体流れを発生させる。ドラム式羽根車のラジアル方向ブロワのブレードそれぞれが、本発明の技術的範囲に属するブレードであることが望ましい。

【0020】

ロータの長手方向軸線に対して平行に延在している少なくとも１つの出口開口部が、ドラム式羽根車のラジアル方向ブロワと接触している冷却流体の一部分が当該出口開口部を通じてアキシアル方向に流れるように、ドラム式羽根車のラジアル方向ブロワに配置されていることが望ましい。また、ロータの長手方向軸線に対して平行に配置されている２つ以上の出口開口部が、ドラム式羽根車のラジアル方向ブロワに配置されている場合がある。好ましくは、出口開口部は、冷却流体の一部分が当該出口開口部を通じて流れるように最適化されている断面を備えている。

【0021】

回転電機、特にタービン発電機のための本発明におけるロータユニットは、ロータと、上述の実施例のうち一の実施例又は上述の実施例の任意の組み合わせに従ってロータの外面の所定部分に配置されている装置とを備えている。従って、当該装置に関連する上述の利点は、回転電機、特にタービン発電機を実現するために利用可能とされるロータユニットにも関連している。

【0022】

回転電機、特にタービン発電機は、ステータと、ロータと、当該装置の上述の実施例のうち一の実施例又は上述の実施例の任意の組み合わせに従った少なくとも１つの当該装置とを備えている。従って、当該装置に関連する上述の利点は、上述のロータユニットを備えている回転電機にも関連する。特に、本発明における回転電機は、大容量で確実に動作可能とされる。

【0023】

ロータ及びステータを有している回転電機を、特にタービン発電機を冷却するための本発明における方法では、ロータとステータとの間においてアキシアル方向に延在している中間室の内部に導かれる冷却流体の一部分が、回転電機の少なくとも１つの所定部分において、ステータに向かってラジアル方向に偏向される。従って、当該装置に関連する上述の利点は、当該方法に関連している。

【0024】

中間室の内部に導かれる冷却流体の一部分は、ロータの外面において且つ中間室の内部において回転電機の所定部分に配置されている少なくとも１つのブレードによって、好ましくはステータに向かってラジアル方向に偏向される。例えばブレード列の形態をした２つ以上のブレードが、ロータの外面に配置されていることが望ましい。ブレードをロータの外面に配置させることによって、単純な構造で且つ良好なコスト効率で当該方法を実現することができる。ブレードは、ラジアル方向ブレードとして、又はドラム式羽根車のラジアル方向ブロワとして構成されている。

【0025】

本発明における回転電機の好ましい実施例について、添付の概略図を参照しつつ以下に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明における回転電機についての典型的な実施例の長手方向断面図である。

【図2】本発明における回転電機についてのさらなる典型的な実施例の長手方向断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

図１は、ステータ２及びロータ３を有しているタービン発電機の形態をした、本発明における回転電機１の典型的な実施例を表わす。ロータ３は、ロータ３の外面５の所定部分に配置されている装置６を備えているロータユニット４の一部分である。装置６は、ロータ３とステータ２との間に配置されている中間室７の内部においてアキシアル方向に流れている冷却流体の少なくとも一部分を偏向するように配置されている。冷却流体の流れは、矢印によって示されている。

【0028】

装置６は、ラジアル方向ブレードの形態をした複数のブレード８を備えており、ブレード８は、中間室７の内部においてロータ３の外面５の所定部分に配置されており、ロータ３の全周に亘って分散配置されている。図１は、一のブレード８のみを表わす。ブレード８は、ブレード８によって冷却流体の一部分がブレード８と接触するように且つステータ２に配置されているホットスポット９に向かって偏向されるように形成及び配置されている。ブレード８に接触している冷却流体の偏向された部分は、ステータ２に位置するホットスポット９に向かって偏向される。冷却開口部１５は、ステータ２のホットスポット９の領域に配置されており、冷却流体の偏向された部分は、冷却開口部１５を通じて流れるので、ホットスポット９を冷却することができる。

【0029】

さらに、装置６は、複数の接続要素１０を備えており、ブレード８が、接続要素１０を介してロータ３に接続されている。図１は、一の接続要素１０のみを表わす。ロータ３の長手方向軸線Ｌに対して平行に延在している一の出口開口部１１が、接続要素１０と接触している冷却流体の一部分が出口開口部１１を通じてアキシアル方向に流れるように、接続要素１０に配置されている。ブレード８と接続要素１０とが、一体の構成部品を形成するように互いに接続されている。

【0030】

図２は、ステータ２及びロータ３を有しているタービン発電機の形態をした、本発明における回転電機１のさらなる典型的な実施例を表わす。ロータ３は、ロータ３の外面５の所定部分に配置されている装置６を備えているロータユニット４の一部分である。装置６は、ロータ３とステータ２との間に配置されている中間室７の内部においてアキシアル方向に流れている冷却流体の少なくとも一部分を偏向するように配置されている。冷却流体の流れは、矢印によって示されている。

【0031】

装置６は、中間室７の内部においてロータ３の外面５の所定部分に配置されている複数のブレード１２を備えており、ブレード１２は、ロータ３の全周に亘って分散配置されている。図２は、一のブレード１２のみを表わす。ブレード１２は、ロータ３に接続されているドラム式羽根車のラジアル方向ブロワ１３のブレードによって形成されている。中間室７の内部において流れていると共にブレード１２と接触している冷却流体の一部分が、ブレード１２によってステータ２に向かってラジアル方向に偏向されるように、ブレード１２は、形成及び配置されている。冷却流体の偏向された部分は、ブレード１２と接触しており、ステータ２に位置するホットスポット９に向かって偏向される。

【0032】

冷却開口部１５は、ステータ２のホットスポット９の領域に配置されており、ホットスポット９を冷却するための冷却流体の偏向された部分は、冷却開口部１５を通じて流れている。

【0033】

複数の出口開口部１４が、ロータ３の長手方向軸線Ｌに対して平行に延在しており、中間室７の内部において流れている冷却流体の一部分が出口開口部１４を通じてアキシアル方向に流れるように、ドラム式羽根車のラジアル方向ブロワ１３に配置されている。

【0034】

本発明について、好ましい典型的な実施例によって詳細に図解及び説明したが、本発明は、開示された実施例によって限定される訳ではなく、当業者が当該開示された実施例から想到することができる他の変形例であっても、本発明の保護範囲に属する。

【符号の説明】

【0035】

１ 回転電機
２ ステータ
３ ロータ
４ ロータユニット
５ （ロータ３の）外面
６ 装置
７ 中間室
８ ブレード
９ ホットスポット
１０ 接続要素
１１ 出口開口部
１２ ブレード
１３ ラジアル方向ブロワ
１４
１５ 冷却開口部
Ｌ （ロータ３の）長手方向軸線

【図1】

【図2】