(57)【要約】【課題】  本発明は、発電機用通気システムのシーリング装置に関する。【解決手段】  ブラシ／ラビリンス歯状突起シール組合せ（４０）が、ガスシールド（４２）と発電機の通気システムにおけるファン先端（２４）との間に設けられる。少なくとも一対のブラシシール（５４）が、ラビリンス歯状突起（５０）を跨いで配置されて、ファンブレードの先端との間隙を緊密に又はゼロにする。ブラシシールは、２つの二重列双方向型の形態で設けられる。１つの実施形態では、ブラシのブリストル（２６２）は、ほぼ軸方向に対向する方向にファンに向かって傾斜している。別の実施形態では、傾斜したブラシシールは、ファンブレードの両側面又はファンブレード先端のいずれかに係合する。【選択図】      図２
2004180499.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線の周りで回転するように取付けられた回転構成部品と、
前記回転構成部品を囲む固定構成部品と、
前記回転構成部品の外径縁部と前記周囲の固定構成部品との間のシールと、
を含み、
前記シールは、前記固定構成部品により支持されかつ前記回転構成部品の外縁部から間隔を置いて配置された複数の歯状突起を有する環状のラビリンスシールと、前記ラビリンスシール歯状突起の軸方向に対向する側面の各々上に配置された環状のブラシシールとを含み、前記ブラシシールは、前記回転構成部品の縁部に向かって延びかつ該縁部に隣接する先端で終わるブリストルを有しており、それによって前記回転構成部品の縁部と前記固定構成部品との間のあらゆる間隙を通り抜ける漏洩が、最小にされるか又は排除される、
ことを特徴とするシーリング装置。
【請求項２】
前記固定構成部品に取付けられた、ブラシ及びラビリンス歯状突起組合せ用のホルダを含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
ロータ（１２）と、ステータ（２６）と、該ロータ及び該ステータ用のハウジング（２９）とを有する発電機（１０）における通気システム用のシーリング装置であって、
前記発電機ハウジングの一部分により囲まれた状態で前記ロータの端部分に取付けられたファン（２２）と、
前記ファンの外径縁部（５２）と前記周囲のハウジング部分との間のシール（４０）と、を含み、
前記シールは、前記周囲のハウジング部分により支持されかつ前記ファンの外縁部から間隔を置いて配置された複数の歯状突起（５０）を有する環状のラビリンスシールと、前記ラビリンスシール歯状突起の対向する側面の各々上に配置された環状のブラシシール（５４）とを含み、前記ブラシシールは、前記ファンの縁部に向かって延びかつ該ファンの縁部に隣接する先端で終わるブリストル（５５、５７）を有しており、それによって前記ファンの縁部と前記ハウジング部分との間のあらゆる間隙を通り抜ける漏洩が、最小にされるか又は排除される、
ことを特徴とするシーリング装置。
【請求項４】
前記周囲のハウジング部分に取付けられた、ブラシ及びラビリンス歯状突起組合せ用のホルダ（４４）を含むことを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記歯状突起の各側面上に配置された前記ブラシシールの各々は、ブリストル支持体（６０）により互いに分離された、第１及び第２の軸方向に間隔を置いたブリストル列（５５、５７）を含むことを特徴とする、請求項１又は請求項３に記載の装置。
【請求項６】
各ブラシシール支持体と前記ラビリンスシール歯状突起の前記対向する側面の各々上に配置された前記二重のブリストル列の一部分とを覆って配置されたブラシシールカバープレート（６４）を含むことを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記ラビリンス歯状突起の前記対向する側面の各々上に配置された各ブラシシールの第１のブリストル列（１８０）の先端が、各ブラシシールの第2のブリストル列の先端を越えた半径方向内側で終わることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に発電機用通気システムのシーリング装置に関し、具体的には、漏洩流を排除するか又は最小にしかつファン効率を向上させるために非金属ブラシシールをファンブレード先端に用いる、発電機冷却ファン用のシーリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電機の正常運転時、銅損、鉄損、風損及び負荷損により、伝導コイル、ロータ及びステータコア、フレーム等に熱が発生する。発電機の信頼性のある運転を保証するために、このような発生した熱は、通気システムにより発電機から効果的に放散されなければならない。ロータシャフト端部に取付けられた通気ファンは、低温ガスを圧送してステータ及びロータ巻線とコアとを冷却することによって通気システムにおける重要な役割を果たし、それによって発電機の作動温度を許容限界値より低くすることを保証する。
【０００３】
典型的な発電機では、ロータの端部に取付けられた通気ファンによって、冷却ガスが、実質的に発電機の４つのブランチ流路、すなわちロータステータ間隙、ロータサブスロット、外側スペース区画、及び熱交換器への通気口に流れ込む。冷却ガスがファンを流出してロータに近づくと、ロータの端部領域の回転する表面は、ガスをロータ速度に加速するように作用する。このことでアーマチュアバーを通過する冷却ガスを圧送するのが促進される。冷却流は、心出しリングの前面で分流してそれぞれロータサブスロットとロータステータ間隙とに流入する。その後、全ての冷却ガスは、半径方向外向きにステータを通過する。ロータの全ての高温ガスがステータコアを通過しなければならないために、ロータ及びステータの両方を通るガス分布は、相互に関連し、ステータ作動温度に影響を及ぼすことになる。直列ループキャップ近くのアーマチュアバーの端部を最も良好に冷却するために、アーマチュアバーの端縁とガスシールドの先端との間の間隙を用いて流量を調節する。
【０００４】
末端巻線領域が、発電機の２つの端部に設置される。多数の部品及び構成要素がこの領域には在り、それらには、通気ファン、ガスシールド、アーマチュアバー、保持リング、心出しリング、ロータ末端巻線、電力接続リング、及びステータフレームが含まれる。その結果、この領域内の流れ場は、非常に複雑である。大規模かつ高出力の発電機の場合には、末端巻線領域での冷却流は、結果として末端巻線バーの局部的な過熱点及び大きな通気風損を生じる可能性があるので特に重要である。発電機のアーマチュア巻線がどれほど良好に冷却されるかが、同期発電機の全体の寸法に大きな影響を及ぼす。
【０００５】
発電機ファンの設計は、特定の流れにおける必要な圧力に基づくものである。ファンは、ロータシャフト速度で作動しなければならず、その寸法は発電機の端部構造の幾何学的形状により制限される。ファン効率は、漏洩を防止するためのシールの性能に直接左右される。発電機は一般的に、剛性のある三角形の形状の歯状突起、すなわちラビリンス型シールを用いて、回転ファンブレードと固定ガスシールドとの間の漏洩を制御する。ファンブレード先端とガスシールドのラビリンス歯状突起との間に半径方向の間隙を維持して、ファンブレードへの損傷を防止する。しかしながら、この間隙により、結果として漏洩流が生じ、従ってファンの効率の低下が生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、ファン先端と発電機ハウジングとの間の漏洩流を費用効果が良くかつ信頼性のある方法で減少させるのを促進するような、性能を高めたシールに対する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の好ましい実施形態によると、二重列双方向型又は傾斜型ブラシシールのようなブラシシールと、ファンブレードとガスシールドとの間の間隙を通り抜けるガス漏洩流を排除するか又は最小にする従来型のラビリンスシールとの組合せブラシシールが提供される。このブラシシールは、プラスチック繊維及び／又はＫｅｖｌａｒ（商標）のような非金属材料で形成される。非金属ブラシシールは、ブリストルの低剛性をもたらし、それによってファンブレード先端とブラシブリストルとの間の半径方向間隙をゼロにすることを可能にする。更に、低剛性の場合には、カント角度がブレードの回転により自然に確立されるので、このカント角度は、もはや制御される設計パラメータにはならない。更に、低剛性かつ非金属のブリストルは、シャフト又はシールを損傷することなくシャフトの半径方向の移動を吸収する。
【０００８】
好ましい実施形態では、２つの二重列双方向型ブラシシールが、ラビリンスシール歯状突起の両側のブラシシールホルダ上に取付けられる。ブラシシールホルダは、発電機ハウジング、具体的にはガスシールドに固定されて、ロータ端部におけるファンブレードの先端の周りに環状のシールを形成する。ブラシシール間にラビリンス歯状突起を有することにより、上流側ブラシシールにより発生された渦流は、下流側ブラシシールに大きな影響を与えない。シーリング作用を更に高めるために、ファンブレードの先端に切欠きを形成して、該ブレードの各側面上に小さい半径方向段部を設けることができる。それによって、ブリストルパックの先端が、異なる半径方向位置に位置することになり、シーリング効果の増大をもたらす。更に、傾斜したブラシシールを、ファンブレードの側面に隣接させて用いることができる。ブリストルがファンの両側面に向かって傾斜している場合には、あらゆる漏洩流は、実質的に２回の反対方向への９０度の方向転換を必要とすることになり、そのことによってシーリング効果が著しく向上する。更に、傾斜型ブラシシールのブリストルを、漏洩流に向かって上流方向に傾斜させて、漏洩流に対する抗力を増大させることができる。ラビリンス歯状突起も、同様に漏洩流に向かって傾斜させることができる。
【０００９】
本発明による好ましい実施形態において、シーリング装置が提供され、該シーリング装置は、軸線の周りで回転するように取付けられた回転構成部品と、回転構成部品を囲む固定構成部品と、回転構成部品の外径縁部と周囲の固定構成部品との間のシールとを含み、該シールは、固定構成部品により支持されかつ回転構成部品の外縁部から間隔を置いて配置された複数の歯状突起を有する環状のラビリンスシールと、該ラビリンスシール歯状突起の軸方向に対向する側面の各々上に配置された環状のブラシシールとを含み、該ブラシシールは、回転構成部品の縁部に向かって延びかつ該縁部に隣接する先端で終わるブリストルを有しており、それによって回転構成部品の縁部と固定構成部品との間のあらゆる間隙を通り抜ける漏洩が、最小にされるか又は排除される。
【００１０】
本発明による別の好ましい実施形態においては、ロータと、ステータと、該ロータ及び該ステータ用のハウジングとを有する発電機における通気システム用のシーリング装置が提供され、該シーリング装置は、発電機ハウジングの一部分により囲まれた状態でロータの端部分に取付けられたファンと、該ファンの外径縁部と周囲のハウジング部分との間のシールとを含み、該シールは、周囲のハウジング部分により支持されかつファンの外縁部から間隔を置いて配置された複数の歯状突起を有する環状のラビリンスシールと、該ラビリンスシール歯状突起の対向する側面の各々上に配置された環状のブラシシールとを含み、該ブラシシールは、ファンの縁部に向かって延びかつ該ファンの縁部に隣接する先端で終わるブリストルを有しており、それによってファンの縁部とハウジング部分との間のあらゆる間隙を通り抜ける漏洩が、最小にされるか又は排除される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ここで図面、特に図１を参照すると、全体を符号１０で表す発電機の端部分が示されている。発電機１０は、軸線１４の周りで回転可能でありかつロータ巻線１６と、該ロータ巻線の末端巻線１８と、保持リング２０と、ファンブレード２４を支持しているファン２２とを備えるロータ１２を含み、これら全てはハウジング２９の内部に配置されている。ロータはまた、端部アーマチュアバー２８と、直列ループキャップ３０と、接続リング３２とを備えるステータ２６を含む。ロータ１２は更に、ロータサブスロット３４を備える。間隙３６が、ステータ２６とロータ巻線１６との間に形成される。ファンを通って流入する冷却ガスは、保持リング及びロータ巻線の末端巻線の周りに流れてロータサブスロット内に入る流れと、冷却ガスがステータコアを半径方向外向きに通過するような間隙内に入る流れと分流されることが分かるであろう。冷却ガスは更に、アーマチュアバーを通り、図示していないが通気口を通り、これも図示していないが熱交換機を通る通路を通って流れる。末端巻線領域内には多数の様々な形状の構成部品があるので、この領域内の流れ場は、非常に複雑である。従って、末端巻線バー内に局部的な過熱点が生じるのを回避することが重要である。
【００１２】
次ぎに図２を参照すると、全体を符号４０で表すシールが、ファンブレード２４の外縁部又は先端の周りをシールするように、ガスシールド４２上に取付けられている。シール４０は、ガスシールド４２に固定された円弧形のセグメントを含む。セグメントは、取付けを容易にするために、例えば２つの１８０度セグメント、４つの９０度セグメント、又は他の形態などの様々な長さで設けることができる。しかしながら、セグメントは、ファンブレード２４の先端の周りに環状のシールを形成することが分かるであろう。シール４０は、一対のフランジ４６と半径方向に延びるステム４８とを備えるほぼＴ字形状の断面構成を有する円弧形のシールホルダ４４を含む。シールホルダ４４は、ガスシールド４２にねじ込まれた複数の円周方向に間隔を置いたボルトにより、該ガスシールド４２に形成された円弧形の溝４９内に固定される。
【００１３】
ホルダ４４のステム４８の半径方向内向き面には、ファンブレード２４の外縁部又は先端５２から間隔を置いて配置された複数のラビリンスシール歯状突起５０が設けられる。二重列双方向型ブラシシール５４が、ラビリンスシール歯状突起５０の両側に、すなわちラビリンスシール歯状突起５０を跨いで配置される。各ブラシシール５４は、一対の軸方向に間隔を置いて配置されたブリストル列５５及び５７を含む。異なる型のブラシシールを用いることが可能ではあるが、好ましい実施形態は、中央ブリストル支持体６０を含み、その周りでブリストル６２が、該ブリストル支持体６０の両側に沿ってかつ該該ブリストル支持体６０の先端を越えて延びる。ブリストル６２は、支持体６０上に折り重ねられたブリストルパック６３を形成して、ブリストルの二重列５５及び５７を形成する。ブラシシールカバープレート６４が、ブラシシールの対向する側面に沿ってブリストル６２の先端の手前で終わる状態で、該ブラシシールの対向する側面に沿ってブリストルを覆って配置される。各ブラシシールは、例えばスポット固着のような任意の適当な手段によりブラシシールホルダ４４に固定されているが、その固着スポットを符号６６で示す。ブラシシールは、Ｋｅｖｌａｒ（商標）及び／又はプラスチック繊維のような非金属材料で形成されるのが好ましい。ブリストルの先端は、ファンブレードの先端との間の半径方向の間隙をゼロにすることができ、それによってファンを通り抜けるガス漏洩流を減少させるのを可能にすることが分かるであろう。上流側ブラシシールが、渦流を発生することも分かるであろう。上流側ブラシシールと下流側ブラシシールとの間にラビリンス歯状突起を設置することにより、下流側ブラシシールが渦流に影響されない程度まで渦流を減少させる。
【００１４】
次ぎに、図３を参照すると、この図３においては図２と同じ部品に対して頭に数字１を付けた同じ参照符号を用いているが、ラビリンス歯状突起１５０の両側の二重列双方向型ブラシシール１５４は、等しくない長さのブリストルを有することができる。例えば、各ブラシシールにおける軸方向最外側のブリストル列１８０は、各ブラシシールにおける最内側のブリストル列１８２の先端よりも半径方向内側の先端で終わっている。また、ファンブレード１２４には、該ファンブレード１２４内に凹部すなわち半径方向段部１７０を形成するように切欠きが付けられて、半径方向内側のより長い方のブリストル先端を受け入れる。異なる半径方向位置で終わる先端を有するブリストルを導入することによって、ガス漏洩に対する抗力が増大し、シーリング効果が向上する。
【００１５】
次ぎに図４に示す本発明の実施形態を参照すると、この図４においては図２と同じ部品に対して頭に数字２を付けた同じ参照符号を用いているが、ブラシシール２５４は、各ブリストルパック２６３のブリストル２６２がファンブレード２２４に向かって軸方向に傾斜された状態で、該ラビリンス歯状突起２５０の両側に取付けられている。図５に示すように、ブリストル先端は、機械の軸線との間で４５度より小さい角度θを形成している。従って、ブラシシール２５４のブリストル２６２の先端は、ファンブレード２４の両側に対して直近に位置するか又は該両側との間でゼロの軸方向間隙を有する。シール２４０はまた、シールホルダ２４４に形成された複数のラビリンスシール歯状突起２５０から構成されたラビリンスシールを含む。前の実施形態と同様に、シールホルダ２４４は、ガスシールド２４２にボルト止めされる。この形態では、シールホルダ２４４は、円弧形のシールホルダ２４４の長さ方向に延びるその両側に沿った溝２４５を含む。
【００１６】
各ブラシシール２５４は、裏当てプレート２４７とスペーサープレート２４９とを含む。スペーサープレートは、シールホルダ２４４の溝２４５内に嵌まる軸方向に突出したフランジ２４８を含む。従って、ブラシシールは、シールホルダ２４４と溝２５０の側面との間で捕捉され、該ブラシシール及びラビリンスシールがその溝２５０内に位置するようになる。図５に最も良く示すように、裏当てプレート２４７は、ファンブレード２２４に向かってほぼ軸方向に向けられた傾斜した構成でブリストル２６２を支持する湾曲した先端部２５１を含む。ブラシシール２５４は、例えば符号２６６の位置でスポット固着することにより固定されるのが好ましい。ブラシシールの斜めに向けられたブリストルは、漏洩流をおよそ９０度方向転換させてブレード先端とラビリンス歯状突起との間の間隙内に流入させ、その後再びおよそ９０度回方向転換させて該間隙から下流側ブラシシールを通して流出させるようにする。従って、傾斜したブラシシールとラビリンスシールとの組合せは、高いシーリング効果をもたらす。その上に、ファンシーリングに対するシャフト移動の影響が、排除される。ブレード先端とラビリンスシールとの間の半径方向間隙は、通常、約０．０６０インチ±０．０１０インチに維持されることができる。
【００１７】
次ぎに図６に示す本発明の更に別の実施形態を参照すると、この図４においては図２と同じ部品に対して頭に数字３を付けた同じ参照符号を用いているが、図４及び図５におけるのと類似の傾斜したブラシシールが用いられ、それらブラシシールは同じほぼ軸方向に向けられることができる。従って、横方向溝３４５を備える類似のブラシシールホルダ３４４が、一対のブラシシール３５４をガスシールド３４２の溝３５０内に支持する。漏洩流に対する抗力を増大させるために、傾斜したブリストル３６２は、漏洩流に向かった方向に、すなわち上流方向に向けられる。その上に、ラビリンスシール歯状突起３５０の傾斜した歯状突起３５０が、同様に上流方向に傾斜される。従って、ブラシシールの各々に対する裏当てプレート３４７は、ブリストル３６２の同じ軸方向側面上に位置し、傾斜したブリストルが、ほぼ軸方向上流側に延びて、ファンブレード２４の先端との間の半径方向間隙を取り除くか又はゼロにするようになる。
【００１８】
本発明を、現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】発電機のその１つの端部に隣接する上部半体の部分断面図。
【図２】本発明の好ましい実施形態によるファン先端の周りのシーリング装置を示す拡大部分断面図。
【図３】本発明のシーリング装置の別の実施形態を示す、図２に類似の図。
【図４】本発明のシーリング装置の更に別の実施形態を示す、図２に類似の図。
【図５】図４のブラシシール装置の一部分の拡大断面図。
【図６】本発明の好ましい実施形態によるシーリング装置の更に別の形態の断面図。
【符号の説明】
【００２０】
１４  軸線
２４  ファンブレード
４０  シール
４２  ガスシールド
４４  シールホルダ
４９  円弧形の溝
５０  ラビリンスシール歯状突起
５２  ファンブレードの先端
５４  ブラシシール
５５、５７  ブリストル列
６２  ブリストル
６０  中央ブリストル支持体
６３  ブリストルパック
６４  カバープレート
【図１】
2004180499.tif 000003
【図２】
2004180499.tif 000004
【図３】
2004180499.tif 000005
【図４】
2004180499.tif 000006
【図５】
2004180499.tif 000007
【図６】
2004180499.tif 000008