(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄心の周方向に設けた複数の溝内に収納されている界磁巻線と、界磁巻線が遠心力で飛び出すのを防止する溝内に嵌め込んだウェッジと、界磁巻線とウェッジとの間の軸方向に配置された複数のクリページブロックと、界磁巻線とウェッジ及びクリページブロックの軸方向両端を保持したリティニングリングとを備えた回転子において、一端が上記リティニングリングに保持されたクリページブロックの長さは他のクリページブロックの長さより長くすることを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項２】
鉄心の周方向に設けた複数の溝内に収納されている界磁巻線と、界磁巻線が遠心力で飛び出すのを防止する溝内に嵌め込んだウェッジと、界磁巻線とウェッジとの間の軸方向に配置された複数のクリページブロックと、界磁巻線とウェッジ及びクリページブロックの軸方向両端を保持したリティニングリングとを備えた回転子において、一端が上記リティニングリングに保持されたクリページブロックの長さＬCBは界磁巻線の熱伸びによって動きうる範囲ＬC よりも大きく、ＬCB＞ＬCの関係を満たす値にすることを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項３】
鉄心の周方向に設けた複数の溝内に収納されている界磁巻線と、界磁巻線が遠心力で飛び出すのを防止する溝内に嵌め込んだウェッジと、界磁巻線とウェッジとの間の軸方向に配置された複数のクリページブロックと、界磁巻線とウェッジ及びクリページブロックの軸方向両端を保持したリティニングリングとを備えた回転子において、一端が上記リティニングリングに保持されたクリページブロックの他端の長さは界磁巻線の熱伸びによる影響の少ない個所であって他のクリページブロックの長さより長くし、上記界磁巻線とウェッジとに接触するクリページブロックの摩擦係数μを０.２〜０.３とすることを特徴とする回転電機の回転子。
【請求項４】
上記界磁巻線に接触する内周側クリページブロックと外周側クリページブロックとの間の軸方向に配置された複数の分割されたクリページブロックを少なくとも１層以上配置することを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の回転電機の回転子。
【請求項５】
上記クリページブロックを少なくとも１層以上配置した多層クリページブロックの各層でのクリページブロックの軸方向切れ目が重ならないように互い違いに配置することを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の回転電機の回転子。
【請求項６】
上記クリページブロックと界磁巻線との間またはクリページブロックとウェッジとの間に薄板状のスライディングシートを挿入することを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の回転電機の回転子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転電機の回転子のクリページブロックの配置構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、火力や原子力などの発電設備に代表されるタービン発電機においては、特開平6−178480 号公報の回転子の構造として、主軸鉄心部に界磁巻線を挿入するための溝を機械加工し、その溝の中に界磁巻線を収納し、巻線が遠心力により飛び出さないように巻線の上部にウェッジと呼ばれる楔を挿入している。定格運転中の界磁巻線には数１０００アンペアの大電流が流れ、５００ボルト程度の電圧がかかるため、導電性を有しながら接地されているウェッジと界磁巻線との間は短絡防止のため、絶縁物によってクリープ距離を確保させて絶縁する必要がある。
【０００３】
従来、ウェッジと界磁巻線とを絶縁させる構造として、図９に示すように界磁巻線全体をスロット絶縁によって囲み、溝内に収納したウェッジ３と界磁巻線２との間でスロット絶縁５を二重に折り返す形でクリープ距離を確保していた。この構造はウェッジ３と界磁巻線２との間の距離を小さくすることができるため、ロータ径を小さくできる反面、界磁巻線２の更新等の際にスロット絶縁５を一度折り戻してしまうと、再使用できなくなり、新品と交換しなければならなくなるため、界磁巻線３ごとスロットから抜き出さなくてはならないという問題点があった。尚、４はウェッジ下絶縁、６は層間絶縁、７はサブスロットである。
【０００４】
この問題点を解消するため、図１０に示すようにスロット絶縁５は界磁巻線側面のみの絶縁とし、ウェッジ３と界磁巻線２との間の絶縁として、容易に設置、取り外しができるクリページブロック１を今日では通常採用している。
【０００５】
このクリページブロック１は、高さ方向でウェッジ３と界磁巻線２との間のクリープ距離を確保し、対地絶縁をすると共に、界磁巻線２の遠心力に充分耐えられるガラス基材により構成されている。形状は、軸方向にはほぼ等間隔，複数個に分割され、幅方向と高さ方向は分割されていない。軸方向においてほぼ等間隔，複数個に分割されているのは、製法上による理由で、１スロット全長にわたって１本につくるのが困難であり、加工しやすいよう適当な長さに区切られている。幅方向と高さ方向に分割されていないのは、作業性を考慮にいれて、最も手軽で確実にクリープ距離を確保できるようにするためである。
【０００６】
コイルエンド部における界磁巻線２は、図１１及び図１２に示すように外径側のリティニングリング１０により固定される仕組みになっている。この際の界磁巻線２とリティニングリング１０との間は円筒状のリティニングリング絶縁１１によって絶縁され、回転子表面に流れるうず電流はダンパリング１３によって循環する仕組みとなっている。リティニングリング絶縁１１は回転子胴部９の端部付近でクリページブロック１Ａと接触している。
【０００７】
軸方向の最端部に位置するクリページブロック１Ａは、スロット内の界磁巻線２とダンパリング１３とを絶縁するために高さが低くなっており、ダンパリング１３と軸方向最端部のクリページブロック１Ａとの間にはチャンネル１４と呼ばれる絶縁物が挿入されている。回転子胴部９において界磁巻線２はスロット内に納められ、クリページブロック１Ａを介しウェッジ３によって固定されている。つまり、界磁巻線２とウェッジ３及びクリページブロック１Ａの軸方向両端をリティニングリング１０により保持されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、発電機の回転子の定格運転時における回転数は毎分3000〜3600回転、ロータの外周表面では約５０００Ｇもの遠心力がかかる。そのような環境下で界磁巻線２に定格電流を流すと、線膨張率の大きい銅製の巻線は温度上昇により膨張しようとするものの、巨大な遠心力によって胴部軸方向中央部では熱伸びが完全に抑えられ、胴部軸方向端部のある部分を起点として軸端方向に伸びる。その際に、界磁巻線２が伸びる部分に接しているクリページブロック１Ａの表面性状の如何により、図１２のＡで示された部分のクリページブロック１Ａとクリページブロック１Ｂとの間の切れ目を介して回転による巨大な遠心力が界磁巻線２にかかると、界磁巻線２がクリページブロック１Ａ，１Ｂの切れ目に食い込み、回転子胴部９の軸方向端部で熱伸びしようとする界磁巻線２を拘束するため、回転子軸へ伝達される摩擦力が大きくなる。また、切れ目の微妙な形状の違いは、周方向での摩擦力のアンバランスを生じ、軸曲がりを誘発し、結果として回転中の回転子の熱変形振動へとつながる。
【０００９】
更に、回転子の熱変形振動について図１３乃至図１６により詳細に説明する。即ち、図１３，図１４に示すようにクリページブロック１Ａに加わる遠心力ＦCBとコイル２の熱の伸びによる力ＦT により、クリページブロック１Ａは図のように持ち上げられる形となり、その際にクリページブロック１Ａとコイル２との間の摩擦係数が低下するため、コイル２はコイルエンド（図１５，図１６）の矢印方向に伸びようとする。その際、各コイルはスペーサ１６により軸方向変位を固定されているため、結果として図１５，図１６のような変形２０を引越し、コイル２が変形する結果として、回転子周方向でのアンバランスと成り、振動を引き起こす。尚、１８は間隔ブロックである。
【００１０】
又図１４のように、持ち上げられたクリページブロック１Ａ（遠心力ＦCBと熱の伸びによる力ＦT による）の角部分にコイル２が当たる（又はつかえる）ことにより、コイル２の熱伸が妨げられ、コイル２はつかえた部分で摩擦力ＦN を持つ。各ストットによる回転子の周方向での摩擦力ＦN のアンバランスは、回転子軸に伝わる力のアンバランスとなり、振動を引き起こす。
【００１１】
本発明の目的は、起動運転中の回転子における胴部軸方向端部での界磁巻線の熱伸びによって生じる各部材間摩擦力のアンバランスを低減し、回転子の軸曲がりおよび熱変形振動を低減させた回転電機の回転子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明には、一端がリティニングリングに保持されたクリページブロックの長さを界磁巻線の熱伸びによる影響の少ない個所であって他のクリページブロックの長さより長くすることにある。または一端がリティニングリングに保持されたクリページブロックの長さＬCBは界磁巻線の熱伸びによって動きうる範囲ＬCよりも大きく、ＬCB＞ＬCの値の関係を満たすことにある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施を図１及び図２により説明する。
【００１４】
図１は図の回転電機の回転子の右側を表した回転子胴部９の端部の軸方向断面図であり、図２は図１を上から見た平面図である。コイルエンド部における界磁巻線２は、外径側のリティニングリング１０により固定される仕組みになっている。この際の界磁巻線２とリティニングリング１０との間は円筒状のリティニングリング絶縁１１によって絶縁され、回転子表面に流れるうず電流はダンパリング１３によって循環する仕組みとなっている。リティニングリング絶縁１１は回転子胴部９の端部付近でクリページブロック１Ａと接触している。
【００１５】
軸方向の最端部に位置するクリページブロック１Ａは、スロット内の界磁巻線２とダンパリング１３とを絶縁するために高さが低くなっており、ダンパリング１３と軸方向最端部のクリページブロック１Ａとの間にはチャンネル１４と呼ばれる絶縁物が挿入されている。回転子胴部９において界磁巻線２はスロット内に納められ、クリページブロック１Ａを介しウェッジ３によって固定されている。つまり、界磁巻線２とウェッジ３及びクリページブロック１Ａの軸方向両端をリティニングリング１０により保持されている。そして、一端が上記リティニングリング１０に保持されたクリページブロック１Ａの長さＬCBは、回転通電中の界磁巻線２の熱伸範囲よりも長く、且つ他のクリページブロック１Ｂの長さより長く形成されている。
【００１６】
回転電機を運転して回転子を回転中には、界磁巻線２に熱的伸びを生じるが、この熱的伸びは界磁巻線２の両端方向に伸ばされ、伸びた界磁巻線２の両端に回転中の遠心力が加わると、伸びの影響の大きい界磁巻線２の両端には図の従来技術に比べて他のクリページブロック１Ｂと隣接する軸方向に切れ目がなく、伸びた界磁巻線２が切れ目に食い込んで変形することが出来ず、回転子の軸曲がりや、熱変形が低減され、回転電機の回転子中の振動が少なくなり、回転電機の効率を従来技術のそれに比べて良くすることが出来るばかりか、また界磁巻線２の変形を補正する期間を大幅に引き延ばすこと出来る。
【００１７】
更に、クリページブロック１Ａの長さについて図４により説明する。
【００１８】
従来の構造のように、図１１のＡで示された部分のクリページブロック１Ａと１Ｂとの間の切れ目に回転による巨大な遠心力がかかると、界磁巻線２がクリページブロック１Ａ，１Ｂの切れ目に食い込み、回転子胴部９の軸方向端部で熱伸びしようとする界磁巻線２を拘束するため、回転子軸へ伝達される摩擦力が大きくなる。また、切れ目の微妙な形状の違いは、周方向での摩擦力のアンバランスを生じ、軸曲がりを誘発し、結果として回転中の回転子の熱変形振動へとつながる。
【００１９】
これ対して、図３のように界磁巻線２の熱伸びが生じる回転子胴部９の軸方向端部に対して、軸方向に切れ目がないクリページブロック１Ａを配置することにより、界磁巻線２は遠心力下で一様に伸びるようになり、摩擦力および摩擦力のアンバランスを低減することができ、結果として回転子の軸曲がりおよび熱変形振動を低減できる効果がある。
【００２０】
即ち、図１における軸方向端部のクリページブロック１Ａの軸方向長さＬCBについて説明する。先ず、界磁巻線２の遠心力と熱伸び力との関係には図３のような関係があり、摩擦係数μが小さい程拘束される部分が少なくなることがわかる。詳細を示すと図４のようになり、界磁巻線２の熱伸びによって動きうる範囲
ＬC は次式で表される。
【００２１】
ＬC＝ＦＴ／（μＣＢＦＣＢ−μＣＦＣ）
ここで  ＦＴ  ：熱伸び力
μＣＢ：クリページブロック１と界磁巻線２との摩擦係数
ＦＣＢ：クリページブロック１に働く単位長さあたりの遠心力
μＣ  ：界磁巻線２同士の摩擦係数
ＦＣ  ：界磁巻線２に働く単位長さあたりの遠心力
また、熱伸び力ＦＴは次式で表される。
【００２２】
ＦＴ＝Ａ Ｅ（αΔＴＣ−βΔＴＳ）
ここで  Ａ    ：クリページブロック１と接触している界磁巻線２の断面積
Ｅ    ：界磁巻線２のヤング率、α：界磁巻線２の線膨張率、
ΔＴＣ：界磁巻線２の温度上昇、β：軸材８の線膨張率、
ΔＴＳ：軸材８の温度上昇
つまり、１スロット内に生じる熱伸びによる力は遠心力によって生じる摩擦力により釣り合う。この時、１スロットの各ターン間では熱伸びによる力及び界磁巻線同士の摩擦係数がほぼ等しいため、滑ることなく一体となって伸びると考えられる。一方、クリページブロック１Ａと界磁巻線２との間では、クリページブロック１Ａ自身には熱伸び力がほとんど発生せず、界磁巻線２だけが伸びる。
【００２３】
従って、図１における軸方向端部におけるクリページブロック１Ａの軸方向長さＬCBは、界磁巻線２の熱伸びによって動きうる範囲ＬC よりも大きければよいので、次式を満たすような値にすればよい。
【００２４】
ＬCB＞ＬC
更に本発明の他の実施例を図５乃至図８により説明する。
【００２５】
図５のように、回転子胴部９の軸方向中央部に対しては軸方向に複数に、ほぼ等間隔に分割されたクリページブロック１Ｅ，回転子胴部９の軸方向端部に対しては軸方向に配置されていない１個のクリページブロック１Ｆを配置することにより、回転子胴部９の軸方向端部における界磁巻線２は遠心力下で一様に伸びるようになり、回転子軸８に伝わる摩擦力のアンバランスを低減することができる。
【００２６】
また、回転子胴部９の軸方向端部に高さ方向を２つ以上に配置した多層構造クリページブロック１Ｆ，１Ｇを配置することにより、回転子胴部９の軸方向端部での界磁巻線２の熱伸びに対して、界磁巻線２とクリページブロック１Ｆとの接触面が何らかの影響で滑らずに固渋してしまった場合に、クリページブロックとクリページブロックとの間で滑らせることが可能となるため、回転子軸８（図１１を参照）に伝わる摩擦力を低減することができる。
【００２７】
更に、回転子胴部９の軸方向端部において、界磁巻線２との接触面またはウェッジ３との接触面に対しては軸方向に分割がないクリページブロック１Ｆ、それ以外の部分に対しては軸方向に滑り易くするために軸方向に配置した複数のクリページブロック１Ｇを軸方向切れ目が重ならないように互い違いに配置し、各クリページブロック１Ｇの層間接触面での高さ方向における段差をなくすことで滑りを円滑にし、回転子軸８に伝わる摩擦力を低減することができる。
【００２８】
以上の構造により、起動運転中の回転子軸に伝わる摩擦力および摩擦力のアンバランスを低減することができ、結果として回転子の軸曲がりおよび熱変形振動を低減できる効果がある。
【００２９】
図６のように、界磁巻線２とウェッジ３との接触するクリページブロック１Ｈの表面にクリページブロックの摩擦係数μより小さい摩擦係数μを有する絶縁物１５例えばテフロンを貼り付けて、一体クリページブロック１Ｈとすることにより、界磁巻線２は遠心力下で一様に伸びる時に絶縁物１５に接触しながら移動するのが、絶縁物１５の摩擦係数μがクリページブロック１Ｈの摩擦係数μより小く、界磁巻線２が絶縁物上を均一に滑るようになり、クリページブロック１Ｈを破損して、回転子軸８に伝わる摩擦力のアンバランスを低減することができ、結果として回転子の軸曲がりおよび熱変形振動を低減できる効果がある。絶縁物１５は表面摩擦係数μのばらつきの少ない安定した絶縁物である。
【００３０】
クリページブロックと界磁巻線２との接触面の摩擦係数μが小さいほど、界磁巻線２が遠心力下で熱伸びする際の回転子軸８が蓄える摩擦力は小さくなって、理想的であるが、摩擦係数μが小さすぎると軸方向端部への界磁巻線２の熱伸び量は大きくなり、リティニングリング１０下のコイルエンド部にしわ寄せとなって押し寄せる。コイルエンド部は図７のような構造になっており、コイルエンド部の軸方向端部における界磁巻線２は、スペーサ１６を介してセンタリングリング１２によって固定されている。従って、界磁巻線２がコイルエンド部にしわ寄せとなって押し寄せると、スペーサ１６に当たることにより、軸方向に伸びきれなくなった界磁巻線２は大きく変形してしまい、結果的に回転子の熱変形振動は増加してしまう。
【００３１】
このため、図１，図５，図６に示すようなクリページブロックと界磁巻線２との接触面の摩擦係数μを適切な値(０.２〜０.３)で均一にすることにより、コイルエンド部の界磁巻線２を大きく変形させることなく、回転子軸８がもつ摩擦力および摩擦力のアンバランスを低減させることができ、結果として回転子の軸曲がりおよび熱変形振動を低減できる効果がある。摩擦係数μが０.２ 以下ではコイルエンド部の界磁巻線２が伸びすぎて、外周側に変形して回転子の軸曲がりが大きく、熱変形振動を生じる。また摩擦係数μが０.３ 以上ではコイルエンド部の界磁巻線２が伸びる所と伸びにくい所を生じ、伸びにくい所で貯えた力により、外周側に変形して回転子の軸曲がりが大きく、周方向の振動を生じる。
【００３２】
図８のように、クリページブロック１ｉと界磁巻線２との間およびクリページブロック１ｉとウェッジ３との間に摩擦係数μのばらつきの少ない安定した薄板状のスライディングシート１７を挿入することにより、起動運転中の回転子における界磁巻線２とスライディングシート１７との接触部分およびウェッジ３とスライディングシート１７との間の接触部分で均一に滑るようになり、回転子軸８に伝わる摩擦力のアンバランスを低減することができ、結果として回転子の軸曲がりおよび熱変形振動を低減できる効果がある。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、起動運転中の回転子における胴部軸方向端部での界磁巻線の熱伸びによって生じる各部材間の摩擦力および摩擦力のアンバランスを低減できるので、回転子の軸曲がりおよび熱変形振動を低減できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す回転子端部の軸方向断面図である。
【図２】図１の上側から断面した時に上から見た平面断面図である。
【図３】図１の界磁巻線の熱伸び量と摩擦係数との関係を示す模式図である。
【図４】図１の回転子が起動運転中の界磁巻線とクリページブロック関係を示す模式図である。
【図５】本発明の他の実施例を示す回転子端部の軸方向断面図である。
【図６】本発明の他の実施例を示すクリページブロックの軸方向断面図である。
【図７】本発明の他の実施例を示す回転子端部の平面図である。
【図８】本発明の他の実施例を示すクリページブロックの軸方向断面図である。
【図９】従来構造による回転子胴部径方向スロット断面図である。
【図１０】従来構造による回転子胴部径方向スロット断面図である。
【図１１】従来の回転子の全体構成を表した軸方向断面図である。
【図１２】図１１の回転子の右側端部の軸方向断面図である。
【図１３】図１１の回転子の右側端部の軸方向部分断面図である。
【図１４】図１３の回転子の右側端部を拡大した軸方向部分断面図である。
【図１５】図１１の回転子の右側軸方向端部の斜視図である。
【図１６】図１１の回転子の右側軸方向端部の一部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１，１Ａ〜１ｉ…クリページブロック、２…界磁巻線、３…ウェッジ、４…ウェッジ下絶縁、５…スロット絶縁、６…層間絶縁、７…サブスロット、８…回転子軸、９…回転子胴部、１０…リティニングリング、１１…リティニングリング絶縁、１２…センタリングリング、１３…ダンパリング、１４…チャンネル、
１５…絶縁物、１６…スペーサ、１７…スライディングシート。
【図１】
0003641886.tif 000002
【図２】
0003641886.tif 000003
【図３】
0003641886.tif 000004
【図４】
0003641886.tif 000005
【図５】
0003641886.tif 000006
【図６】
0003641886.tif 000007
【図７】
0003641886.tif 000008
【図８】
0003641886.tif 000009
【図９】
0003641886.tif 000010
【図１０】
0003641886.tif 000011
【図１１】
0003641886.tif 000012
【図１２】
0003641886.tif 000013
【図１３】
0003641886.tif 000014
【図１４】
0003641886.tif 000015
【図１５】
0003641886.tif 000016
【図１６】
0003641886.tif 000017