(57)【要約】      （修正有）【課題】著しい導電率の低下を招かずに軟化したコイルを再生することにある。【解決手段】タービン発電機のロータコイルにおいて、製造時および稼動時の温度上昇により軟化した部位のコイル表面に塑性ひずみを導入することにより、軟化した部位のクリープ強度を改善する。このような方法で軟化した部位のクリープ強度を改善することにより、コイルに必要な導電率を維持したまま、製造時および稼働時に軟化したコイルを再生することができ、且つ以後のクリープ変形量を低減させることが可能となる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機ロータコイルにおいて、製造時および稼動時の温度上昇により軟化した部位のコイル表面に塑性ひずみを導入して軟化した部位のクリープ強度を改善することを特徴とする発電機ロータコイルの再生方法。
【請求項２】
前記塑性ひずみの導入方法として、ショットピーニングに代表されるような固体粒子の衝突方法、ウォータジェットに代表されるような液体の衝突方法及びレーザピーニングに代表されるような衝撃波の方法のうち一つ以上の方法を用いることを特徴とする請求項１記載の発電機ロータコイルの再生方法。
【請求項３】
発電機ロータコイルの材料として、純度が９８％以上の銅が用いられていることを特徴とする発電機ロータコイル。
【請求項４】
発電機ロータコイルの材料として、純銅に極僅かな合金元素として銀、クロム、ベリリウム、ジルコニウムの少なくとも一元素を含有することを特徴とする発電機ロータコイル。
【請求項５】
発電機のロータコイルの材料は、ピッカース硬さがＨＶ７０以上としたことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の発電機ロータコイル。
【請求項６】
発電機ロータコイルは、摩擦圧接法により接続されたことを特徴とする請求項３乃至請求項５の何れかに記載の発電機ロータコイル。
【請求項７】
発電機ロータコイルは、ろう接合により接続され、且つ接合部近傍を水冷ジャケット、冷やし金等により冷却されたことを特徴とする請求項３乃至請求項６の何れかに記載の発電機ロータコイル。
【請求項８】
請求項１又は請求項２に記載の発電機ロータコイルの再生方法により再生した発電機ロータコイルを備えた発電機。
【請求項９】
請求項３乃至請求項７の何れかに記載の発電機ロータコイルを備えた発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機ロータコイル、導電率の低下を招かずに軟化したコイルを再生する発電機ロータコイルの再生方法及び発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン発電機におけるロータコイルの材料としては、高い導電率が必要なことから、銅及び銅に極僅かな合金元素を添加した銅合金が用いられている。しかし、これら銅及び銅合金は、機械的強度が低く、特に１００℃程度の低温でもクリープ変形を生じることが知られている。
【０００３】
また、銅及び銅合金は鉄系材料に比べて熱膨張率が著しく大きいため、タービン発電機のロータコイルにおいては、稼動時は通電により温度が上昇して膨張するが、周囲のロータシャフト（鉄合金）により拘束されるので、膨張することができず、その結果圧縮クリープ変形を生じて長さが短くなる傾向がある。
【０００４】
このコイルの長さの変化は、個々のコイルの温度や応力に依存するため、負荷調整用発電プラントとして運転されるタービン発電機のように頻繁に起動および停止が繰返されると、ロータコイルの寸法にバラツキが生じることになる。
【０００５】
一方、ロータコイルには図５（ａ）に示すようにコイル１を冷却するため、コイル導体１ａ，１ｂ．１ｃの積層方向に冷却ガスの通路２が形成されているが、上述したようにタービン発電機の起動および停止に伴うコイルのクリープ変形により同図（ｂ）に示すようにコイル導体１ａ，１ｂ，１ｃ相互間の冷却ガス通路２にズレが生じ、その結果、冷却ガス３が通過できる流路面積が小さくなり、コイルの冷却を十分に行えなくなる事態が発生する。
【０００６】
このような状態が発生すると、コイル温度が次第に高くなり、その結果コイルのクリープ変形量が増加し、冷却通路面積も加速的に小さくなり、最終的にはコイルの絶縁破壊を起こし、プラントが停止する事態に発展する。
【０００７】
そこで、従来では冷却ガス温度を計測し、絶縁破壊が生じる前にコイルを交換していたが、膨大な量のコイルを交換するためには多大なコストと時間が必要であり、発電プラントの稼働率を低下させる要因となっていた。
【０００８】
ところで、このようなクリープ変形に対して、タービン発電機のコイル以外の部材においては、予め運転中に生じる変形量（歪量）を計測しておき、製作時点でこの変形量（非弾性変形量）よりも大きな値の非弾性変形を与えておくことにより、運転中に負荷される変形がその部材の弾性域で使用できるようにした技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００９】
また、部材が高温にさらされないように冷却構造を変えるとともに、材料を導電率が良く機械的強度及び耐クリーク強度の高い材料にする技術も開示されている（例えば特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−３２４７４２号公報
【特許文献２】特開平９−２４７８８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように発電機ロータコイルに著しいクリープ変形が生じた場合には交換することになるが、そのためには多大なコストと長時間に亘るプラント停止期間が発生する。従って、クリープ変形したコイルを再度使用することができれば、メンテナンスコストの低減に加え、プラントの交換時間の短縮を図ることが可能となり、プラントの稼働率を向上させることができる。また、ロータコイルのクリープ変形量を小さくすることができれば、コイルの交換周期を長くすることが可能となり、交換回数を少なくすることができる。
【００１１】
本発明者らは各種発電機のロータコイルに対して圧縮クリープ試験を実施した結果、クリープ変形量は温度、応力、時間に加えてコイルの硬さにも大きく依存することが判明した。すなわち、発電機ロータコイルは組立時の加熱や稼動および通電中の温度上昇により徐々に軟化し、それに伴ってクリープ変形量も徐々に増加する。従って、硬度の高い銅および銅合金を用いることによりクリープ変形は大幅に低減できることが分かる。
【００１２】
ところで、銅の硬さを上げる方法としては大きな塑性変形を付与し加工硬化させる方法と、Ｎｉ、Ｍｏ等の元素を添加する合金化が良く知られているが、いずれの方法も導電率が大幅に低下するため、コイル材料には適用できない。
【００１３】
本発明は上記の事情に鑑みなされたもので、コイルのクリープ変形を著しく低減できると共に、製造時および稼動時に軟化したコイルを低コストで再生することができる発電機ロータコイルの再生方法を提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明は、導電率の低下のない添加元素を加えた銅材料を予め用いたコイルの提供を目的とするとともに、熱の発生の少ない方法で接続した発電機ロータコイルの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するため、次のような方法によりクリープ変形した発電機ロータコイルを再生するものである。
【００１６】
請求項１に対応する発明は、タービン発電機ロータコイルにおいて、製造時および稼動時の温度上昇により軟化した部位のコイル表面に塑性ひずみを導入することにより、軟化した部位のクリープ強度を改善する。
【００１７】
このような方法で軟化した部位のクリープ強度を改善することにより、コイルに必要な導電率を維持したまま、製造時および稼動時に軟化したコイルを再生することができ、且つ以後のクリープ変形量を低減させることが可能となる。
【００１８】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の発電機ロータコイルの再生方法において、前記塑性ひずみの導入方法として、ショットピーニングに代表されるような固体粒子の衝突方法、ウォータジェットに代表されるような液体の衝突方法及びレーザピーニングに代表されるような衝撃波の方法のうち一つ以上の方法を用いる。
【００１９】
請求項３に対応する発明は、発電機ロータコイルにおいて、前記発電機のロータコイル材料として、純度が９８％以上の銅を用いる。
【００２０】
このようなロータコイル材料を用いることにより、コイルに要求される導電率を維持し、短時間、低コストでコイル表面の硬さを効率良く向上させることができる。
【００２１】
請求項４に対応する発明は、発電機ロータコイルにおいて、前記発電機ロータコイルの材料は、純銅に極僅かな合金元素として銀、クロム、ベリリウム、ジルコニウムの少なくとも一元素を含有させる。
【００２２】
このようなロータコイル材料を用いることにより、コイルに要求される導電率を維持し、短時間、低コストでコイル表面の硬さを効率良く向上させることができ、且つ以後のクリープ変形量を低減させることが可能となる。
【００２３】
請求項５に対応する発明は、発電機ロータコイルにおいて、前記発電機ロータコイルの材料は、ピッカース硬さがＨＶ７０以上の材料を用いる。
【００２４】
このようなロータコイル材料を用いることにより、コイルに要求される導電率を維持し、クリープ変形量を低減させることが可能となる。
【００２５】
請求項６に対応する発明は、発電機ロータコイルにおいて、前記発電機ロータコイルは、摩擦圧接法により接続される。
【００２６】
このような接続方法のロータコイルとすることにより、コイル製造時の加熱温度を低くすることが可能となり、製造時および稼動時のコイルのクリープ変形量を低減させることができる。
【００２７】
請求項７に対応する発明は、発電機ロータコイルにおいて、前記発電機ロータコイルは、ろう接合により接続され、且つ接合部近傍を水冷ジャケット、冷やし金等により冷却されたものである。
【００２８】
このような接続方法のロータコイルとすることにより、コイル製造時に摩擦圧接法が困難な部位においても、ろう接合時のコイル温度の上昇を抑えることが可能となり、以後のクリープ変形量を低減させることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、コイルのクリープ変形を著しく低減できると共に、製造時および稼動時に軟化したコイルを低コストで再生することができる。
【００３０】
また、本発明によれば、導電率の低下のない添加元素を加えた銅材料を予め用いた発電機ロータコイルが提供できるとともに、熱の発生の少ない方法で接続した発電機ロータコイルが提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００３２】
図１は本発明の実施形態であるコイル材クリープ試験結果を示したグラフである。
【００３３】
第１の実施形態では、実機に使用して軟化した純銅コイル（従来例１）と、同じ軟化したコイルの表面全周にショットピーニングにより塑性ひずみを付与したコイル（実施例１）について、圧縮クリープ試験を行ったときのクリープ変形量を測定した。
【００３４】
その際、クリープ試験条件は、発電機ロータコイルの定常状態を想定し、温度８０℃、応力４９ＭＰａとし、保持は４８時間で行った。
【００３５】
また、ショットピーニングにより導入される塑性ひずみ量は、ある時間以上処理しても飽和する傾向があるので、本試験では十分飽和する時間として１０分間行った。
【００３６】
図１の結果から、実機で使用して軟化したコイル材のクリープ変形量を１とした場合（従来例）、同じコイル材にショットピーニングで塑性ひずみを付与したコイル材のクリープ変形量は０．５５であり、本発明による実施例１ではコイルのクリープ変形量を半減できることが明らかである。
【００３７】
次に本発明の第２の実施形態について説明する。
【００３８】
図１において、第１の実施形態と同じく、実機に使用して軟化した純銅コイルの表面全周にウォータージェットにより塑性ひずみを導入した場合（実施例２）、レーザピーニングにより塑性ひずみを導入した場合（実施例３）およびレーザピーニングとショットピーニングの両者により塑性ひずみを導入した場合（実施例４）について同様なクリープ試験を実施し、各々の場合のクリープ変形量を測定した結果をまとめて示している。
【００３９】
ショットピーニング（実施例１）、ウォータージェット(実施例２)、レーザピーニング(実施例３)で、導入できる塑性ひずみの量と深さが異なるので、いずれの方法を用いるかによりクリープ変形量に差が見られるが、いずれの場合も軟化したコイルのクリープ変形量(従来例)に比べて大幅に小さくなる傾向を示し、本発明による実施例２〜実施例４ではクリープ変形量の低減効果が分かる。
【００４０】
これはショットピーニングが表面近傍に大きな塑性ひずみを導入することができ、一方レーザピーニングは表面から深いところまで塑性ひずみが導入できるため、両者を併用することにより大きく、且つ深い位置まで塑性ひずみを導入可能なためである。
【００４１】
このように塑性ひずみの導入方法として、ショットピーニングに代表されるような固体粒子の衝突方法、ウォータジェットに代表されるような液体の衝突方法及びレーザピーニングに代表されるような衝撃波の方法のうち一つ以上の方法を用いることにり、短時間、低コストでコイル表面の硬さを向上させることができ、製造時および稼動時に軟化したコイルを再生することができ、且つ以後のクリープ変形量を低減することが可能である。
【００４２】
次に本発明の第３の実施形態について説明する。
【００４３】
図２には本発明方法によりコイル表面に塑性ひずみを付与したときのクリープ変形抑制効果に及ぼす銅の純度に対する影響を示している。
【００４４】
銅は純度が低下するほど導電率は低くなるが、併せて不純物元素による固溶強化により硬くなり、塑性ひずみの導入が困難になる。
【００４５】
そこで、純度の異なる銅コイル材を用いて、ショットピーニングによる塑性歪みの導入処理を行い、処理前後のクリープ変形量の比を測定した結果を図２に示す。
【００４６】
同図の縦軸は処理前後のクリープ変形量の比（処理後のクリープ変形量／処理前のクリープ変形量）を示しており、値が小さいほど本発明による塑性ひずみ導入効果が大きいことを示している。
【００４７】
図２の結果より、本実験のいずれの純度においても処理前後のクリープ変形量の比は１．０を示していることから、本発明の効果が認められるが、その値は純度が低下するに従い小さくなることが分かる。
【００４８】
本発明の効果が顕著に認められる領域として処理前後のクリープ変形量の比が０．８を想定すると、実用に適した純度としては９８％以上と言える。
【００４９】
従って、このようなロータコイル材料を用いることにより、コイルに要求される導電率を維持し、短時間、低コストでコイル表面の硬さを効率良く向上させることができる。
【００５０】
次に本発明の第４の実施形態について説明する。
【００５１】
図３は本発明方法によりコイル表面に塑性ひずみを付与したときのクリープ変形抑制効果に及ぼす合金元素添加の影響を示す。
【００５２】
前述したように銅は合金化することにより導電率が低くなり、強度は高くなるため塑性ひずみの導入効果は低下するが、クリープ変形量自体は小さくできる。
【００５３】
そこで、導電率に大きな悪影響の及ぼさない合金元素として、銀（実施例５）、クロム（実施例６）、ジルコニウム（実施例７）、ベリリウム（実施例８）を０．３〜０．７％添加した銅合金についてショットピーニング処理前後のクリープ変形量を測定した結果を図３に示す。
【００５４】
なお、図３において、縦軸は図１に示した純銅にショットピーニングを行った試験片の処理前後におけるクリープ変形量の比を１とし、この値に対する各合金の処理前後におけるクリープ変形量の比をとっている。また、比較例としてニッケルを０．６％添加した銅合金（比較例１）についても同様な試験を行った。
【００５５】
図３の結果から、少量の銀（実施例５）、クロム（実施例６）、ジルコニウム（実施例７）、ベリリウム（実施例８）を添加した銅合金においても、純銅程ではないが顕著な改善効果があることが分かる。一方、ニッケルを０．６％添加した銅合金（比較例１）については、合金自体の強度が高く大きな改善効果が認められなかった。
【００５６】
このように第１の実施形態乃至第４の実施形態から明らかなように、製造時および稼動時の温度上昇により軟化した部位の表面に塑性ひずみを付与することにより、軟化した部位のクリープ強度を改善することができので、導電率の低下を招かずに軟化したコイルを再生することができる。
【００５７】
上述した本発明の第１の実施形態乃至第４の実施形態では、製造時および稼動時に軟化した発電機のロータコイルを再生する場合であるが、このロータコイルを再生するにあたって、製造時および稼動時のコイル自体のクリープ変形をできるだけ小さく抑えることもコイルのメンテナンスコスト低減に効果的である。
【００５８】
以下、発電機ロータコイル自体のクリープ変形を抑制するための実施形態について説明する。
【００５９】
まず、本発明の第５の実施形態について述べる。
【００６０】
前述した第１の実施形態乃至第４の実施形態で示した銅コイルのクリープ試験において、銅コイルのクリープ変形量はコイルの硬さに大きく依存することが判明した。
【００６１】
そこで、第５の実施形態では、硬さの異なる純銅コイルについてクリープ変形量を測定した。
【００６２】
図４は、コイルの硬さとクリープ変形量との関係を示す実験結果のグラフである。
【００６３】
図４に示す実験結果から、純銅のクリープ変形量はコイルの硬さに依存し、硬度が高い程クリープ変形量も小さいことが分かる。また、ピッカース硬さがＨＶ７０付近を境にクリープ変形量が顕著に増加することが判明した。
【００６４】
従って、初期のコイル材の硬さをＨＶ７０以上とすることにより、プラント稼動時のコイルのクリープ変形を抑制できることが分かる。
【００６５】
次に本発明の第６の実施形態について説明する。
【００６６】
発電機のロータコイルは他の導体と接合されるが、一般に接合方法としてはろう接合が用いられている。このろう接合においてはコイルの接合部近傍はろう接合材の融点以上（７００〜８００℃）に加熱されるので、接合部近傍の硬さはＨＶ６０以下に軟化する。
【００６７】
図４に示す測定結果（比較例２）から、このような軟化部はコイルのクリープ変形を加速するので、接合によるコイルの軟化はできるだけ避けた方が好ましい。
【００６８】
そこで、第６の実施形態では、従来のろう接合に代えて摩擦圧接法により接合したコイル材のピッカース硬さおよびクリープ変形量を測定した結果（実施例９）を図４に示す。
【００６９】
なお、摩擦圧接法により接合したコイルの接合部は大きな塑性変形を受け、導電率が著しく低下するため、本実験に際しては１５０℃で、１５分間の熱処理を施して実験に供している。
【００７０】
この実験結果からコイルの接合方法として、従来のろう接合から摩擦圧接による接合に代えることにより、コイルの軟化を抑制し、クリープ変形量を低減できることが分かる。
【００７１】
次に本発明の第７の実施形態について説明する。
【００７２】
発電機のロータコイルの接合方法として、第６の実施形態で述べた摩擦圧接法は断面形状が単一なものに適しているが、複雑な形状のものや接合面積が異なる部材には適さず、やはりろう接合を用いることが簡便である。
【００７３】
本発明者らはろう接合部近傍の硬さ分布を測定した結果、接合部近傍の２００〜３００ｍｍの範囲でコイルが軟化していることを確認した。
【００７４】
そこで、第７の実施形態では、ろう接合部近傍のコイルの軟化を抑制するため、接合部から２０ｍｍ離れた位置を冷却すると共に、高温、短時間、急速冷却によりろう接合を行ったところ、コイルの軟化範囲は接合部周辺の４０〜５０ｍｍと著しく狭くでき、その結果発電機の稼動時におけるコイルのクリープ変形を大幅に低減できることが明らかになった。
【００７５】
このように本発明の第５乃至第７の実施形態では、発電機ロータコイルのクリープ変形自体を低減させるで、製造時および稼動時の温度上昇により軟化したコイルを低コストで再生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１および第２の実施形態を説明するためのクリープ変形抑制効果の実験結果を示すグラフ。
【図２】本発明の第３の実施形態を説明するためのクリープ変形抑制効果に及ぼすコイル純度の影響の実験結果を示すグラフ。
【図３】本発明の第４の実施形態を説明するためのクリープ変形抑制効果に及ぼすコイルの合金元素の影響を示すグラフ。
【図４】本発明の第５および第６の実施形態を説明するためのコイルの硬さとクリープ変形量との関係の実験結果を示すグラフ。
【図５】タービン発電機のロータコイルの正常およびクリープ変形時の構成をそれぞれ示す図。
【符号の説明】
【００７７】
１…ロータコイル、２…冷却ガス流路、３…冷却ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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