(57)【要約】本体部分（１４）と、軸方向に延びるコイル（２２）と、コイル端（２８）と、複数の空洞（１４２、２４２、３４２）が互いに隣り合うコイル端とスペースブロックとの間に形成されるように、コイル端の間に置かれた複数のスペースブロック（１４０、２４０、３４０、４４０）とを有するロータ（１０）を含むガス冷却式発電電動機械が提供される。コイル端を冷却するために、スペースブロックの少なくとも１つが、これを通って隣接する空洞のほぼ中央領域の方向へ流れるように、冷却ガスを向けるように配置された出口開口（１４６、２４６、２４８、３６２、４６２）を備えた、半径方向に延びるダクト（１４４、２４４、３４４、４４４）を有する。
2004516786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体部分（１４）と、軸方向に延びるコイル（２２）と、前記本体部分（１４）の少なくとも１つの端部を超えて軸方向に延びるコイル端（２８）とを有するロータ（１０）と、
前記コイル端（２８）の間に置かれた複数のスペースブロック（１４０、２４０）と、
互いに隣り合うコイル端（２８）とスペースブロック（１４０、２４０、３４０、４４０）との間に形成された複数の空洞（１４２、２４２、３４２）と、
を含み、
少なくとも１つの前記スペースブロックが、その内部に形成された半径方向に延びるダクト（１４４、２４４、３４４、４４４）を有し、該ダクトが、入口開口（１５０、２５０、３５０）と出口開口（１４６、２４６、２４８、３６２、４６２）との間で延び、
該出口開口が、隣接する空洞に面した少なくとも１つのスペースブロックの表面内に配置され、該出口開口（１４６、２４６、２４８、３６２、４６２）は、冷却ガス流を前記空洞（１４２、２４２、３４２）のほぼ中央領域の方向へ放出するために、前記スペースブロック（１４０、２４０、３４０、４４０）の中間部分内に形成されている、
ことを特徴とするガス冷却式発電電動機械。
【請求項２】
前記入口開口（１５０、２５０、３５０）が、前記少なくとも１つのスペースブロック（１４０、２４０、３４０、４４０）の半径方向内側端部に隣接して配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の発電電動機械。
【請求項３】
前記出口開口（１４６、２４６、２４８、３６２、４６２）が、前記少なくとも１つのスペースブロック（１４０、２４０、３４０、４４０）の円周方向に向いた表面上に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の発電電動機械。
【請求項４】
前記入口開口（１５０、２５０、３５０）が、前記少なくとも１つのスペースブロック（１４０、２４０、３４０、４４０）の円周方向に向いた表面上に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の発電電動機械。
【請求項５】
複数の前記スペースブロック（１４０、２４０、３４０、４４０）が、その内部に形成された半径方向に延びるダクト（１４４、２４４、３４４、４４４）を有することを特徴とする、請求項１に記載の発電電動機械。
【請求項６】
複数の出口開口（２４６、２４８、３６０、３６２、３６４、４６２）があって、少なくとも１つの該出口開口（２４６、２４８、３６２、４６２）が、前記冷却ガス流を前記空洞のほぼ中央領域の方向へ放出することを特徴とする、請求項１に記載の発電電動機械。
【請求項７】
前記出口開口（３６０、３６２、３６４、４６２）が、前記少なくとも１つのスペースブロック（３４０、４４０）の共通表面内に形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の発電電動機械。
【請求項８】
前記出口開口（２４６、２４８）が、前記少なくとも１つのスペースブロック（２４０）の少なくとも第１と第２の表面内に形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の発電電動機械。
【請求項９】
隔壁部材（２５２）が、第１と第２の通路部分（２５４、２５６）を形成するように、前記ダクト（２４４）内に配置されていることを特徴とする、請求項８に記載の発電電動機械。
【請求項１０】
スピンドル（１６）と本体部分（１４）とを有するロータ（１０）と、
前記本体部分上に配置された軸方向に延びるコイル（２２）と、前記本体部分（１４）の少なくとも１つの端部（１８）を超えて軸方向に延びる、互いに間隔を置いて配置された同心のコイル端（２８）とを含み、該コイル端（２８）と前記スピンドル（１６）とがそれらの間に空間（３６）を形成している、ロータ巻線と、
前記コイル端の隣り合うコイル端の間に置かれた複数のスペースブロック（１４０、２４０、３４０、４４０）と、
を含み、
前記スペースブロックの少なくとも１つのが、入口開口（１５０、２５０、３５０）と出口開口（１４６、２４６、２４８、３６２、４６２）とを含み、前記コイル端と前記スピンドルとの間の前記空間（３６）から、それぞれのコイル端の間に位置する空洞（１４２、２４２、３４２）まで延びる内部ダクト（１４４、２４４、３４４、４４４）を有し、
前記ダクト出口開口（１４６、２４６、２４８、３６２、４６２）が、冷却ガス流を前記空洞の中央領域の方向へ放出するために、前記スペースブロック内に配置されている、
ことを特徴とするガス冷却式発電電動機械。
【請求項１１】
複数の前記スペースブロック（１４０、２４０、３４０、４４０）が、その内部に形成された内部ダクト（１４４、２４４、３４４、４４４）を有することを特徴とする、請求項１０に記載の発電電動機械。
【請求項１２】
複数の出口開口（２４６、２４８、３６０、３６２、３６４、４６２）があって、少なくとも１つの該出口開口（２４６、２４８、３６２、４６２）が、前記冷却ガス流を前記空洞のほぼ中央領域の方向へ放出することを特徴とする、請求項１０に記載の発電電動機械。
【請求項１３】
前記出口開口（３６０、３６２、３６４、４６２）が、前記少なくとも１つのスペースブロック（３４０、４４０）の共通表面内に形成されていることを特徴とする、請求項１２に記載の発電電動機械。
【請求項１４】
前記出口開口（２４６、２４８）が、前記少なくとも１つのスペースブロック（２４０）の少なくとも第１と第２の表面内に形成されていることを特徴とする、請求項１２に記載の発電電動機械。
【請求項１５】
前記コイル端の周りに置かれた保持リング（３０）を更に含み、前記内部ダクト（３４４）が、前記コイル端の半径方向内側の位置から前記保持リング（３０）付近の位置まで延びていることを特徴とする、請求項１２に記載の発電電動機械。
【請求項１６】
少なくとも１つの前記出口開口（４６２）が、それに隣接するコイル端上に冷却ガスを衝突させるために、前記ロータの軸線に対して９０度より小さい角度で方向付けられていることを特徴とする、請求項１２に記載の発電電動機械。
【請求項１７】
本体部分（１４）と、軸方向に延びるコイル（２２）と、前記本体部分（１４）の少なくとも１つの端部を超えて軸方向に延びるコイル端（２８）とを有するロータ（１０）と、前記コイル端の間に置かれた複数のスペースブロック（１４０、２４０、３４０、４４０）と、互いに隣り合うコイル端とスペースブロックとの間に形成された複数の空洞（１４２、２４２、３４２）とを含む発電電動機械におけるコイル端を冷却する方法であって、
その内部に形成された半径方向に延びるダクト（１４４、２４４、３４４、４４４）を有する少なくとも１つの前記スペースブロック（１４０、２４０、３４０、４４０）であって、前記ダクトが、入口開口（１５０、２５０、３５０）と出口開口（１４６、２４６、２４８、３６２、４６２）との間で延び、該出口開口が、隣接する空洞に面した該少なくとも１つのスペースブロックの表面内に配置され、かつ該スペースブロックの中間部分内に形成されている、前記スペースブロックを準備する段階と、
冷却ガス流を前記空洞のほぼ中央領域の方向へ放出させるために、圧力ヘッドにより前記冷却ガスを、前記入口開口（１５０、２５０、３５０）を介して半径方向に延びる前記ダクト（１４４、２４４、３４４、４４４）内へ、また前記出口開口（１４６、２４６、２４８、３６２、４６２）を介してそれぞれの空洞（１４２、２４２、３４２）内へ送り込むように、前記ロータを回転させる段階と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
複数の出口開口（２４６、２４８）があり、それにより前記冷却ガスが、前記少なくとも１つのスペースブロックの両側の空洞内へ向けられることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
複数の出口開口（３６０、３６２、３６４、４６２）があり、それにより前記冷却ガスが、前記空洞の半径方向外側領域、半径方向内側領域、及び中央領域内へ向けられることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
複数の出口開口（３６０、３６２、３６４、４６２）があり、少なくとも１つの前記出口開口（４６２）が、それに隣接するコイル端上に冷却ガスを衝突させるために、前記ロータの軸線に対して９０度より小さい角度で方向付けられていることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相互に作用し合う複数の循環セルと方向付けられた流れ噴流とを作り出すように、冷却ガスの複数のストリームをロータコイル端の間の空洞空間内に向けることによって、発電機ロータの冷却を向上させるための構造と方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
大型ターボ発電機のような発電電動機械の出力定格は、導電体の絶縁に必要な温度限界の故に、一定量を超える電流をロータ界磁巻線に供給できる能力によってしばしば制限される。従って、ロータ巻線の効果的冷却は、その機械の出力能力に直接貢献する。このことは、これらの機械の典型的な構造故に直接的な強制冷却が難しく、コスト高になるロータ端部領域において特に言えることである。現今の市場傾向は、低コストでより高い効率と信頼性とを有しかつより高い出力密度を有する発電機を必要としているから、ロータ端部領域の冷却が限定要因と
なっている。
【０００３】
ターボ発電機ロータは、典型的にはロータのスロット内に取り付けられた同心の矩形コイルで構成される。ロータ本体による支持を超えるコイル末端部分（一般にコイル端と呼ばれる）は、典型的には保持リングにより回転力に抗して支持される（図１参照）。相対的位置を維持し、かつ熱負荷のような軸方向負荷に対する機械的安定性を加えるために、同心のコイル端の間には支持ブロックが断続的に置かれる（図２参照）。更に、銅コイルは、それらの外径において、遠心力に抗する保持リングにより半径方向に拘束される。スペースブロックと保持リングとの存在は、銅コイルに曝される多数の冷却媒体領域を生じる。主要な冷却媒体通路は、スピンドルとコイル端底部との間の軸方向通路である。また、コイルの境界面と、ブロックと、保持リング構造の内表面とによりコイルの間には、互いに分離された空洞が形成される。コイル端は、回転力によりコイル端の半径方向下方からこれらの空洞内へ送り込まれる冷却媒体に曝される（図３参照）。この熱伝達は低くなりがちである。その理由は、コンピュータを用いた流体力学的分析により算出された回転する単一のコイル端空洞内における流跡線によれば、冷却媒体流は、空洞に入り、主循環を横切り、空洞から流出するからである。通常この循環は、特に空洞の中心部付近において熱伝達係数が低くなる。従って、これはコイル端における熱除去のための手段ではあるが、能率は比較的良好でない。
【０００４】
より多くの冷却ガスをロータ端部領域内に流すために、様々な方式が使用されてきた。これらの冷却方式は全て、（１）導電体内に溝を機械加工するか、あるいは通路を形成することにより、銅製導電体内に直接冷却通路を作って、次に機械のどこか他の領域へガスを圧送すること、及び／又は（２）冷却ガスを導電体の表面上に強制的に流すために、バッフル、流路、及びポンプ要素を付け加えて、比較的高圧及び低圧の領域を作り出すことに依存している。
【０００５】
一部のシステムにおいては、冷却ガスをロータコイル端に沿って直接圧送しエアギャップ内に排出可能にするために、高度に応力が加わる保持リングに半径方向の孔を貫通させているが、このようなシステムは、保持リングに加わる大きな機械的応力及びその疲労寿命を考慮した場合、限られた有用性しか持つことができない。
【０００６】
従来の強制的ロータ端部冷却方式が使用される場合には、ロータの構造が著しく複雑となりコストが高くなる。例えば、直接冷却される導電体は、冷却通路を形成するために機械加工されるか、あるいは冷却通路が形成されるように製造されなくてはならない。これに加えて、ロータ内のいずれかの場所でガスを排出させるために、出口マニフォルドが設けられなくてはならない。強制冷却方式は、ロータ端部領域が別々の圧力区域に分割されることを必要とし、これに加えて多数のバッフル、流路、及びポンプ要素をも必要とし、この場合もこれらが複雑さとコストを増大させる。
【０００７】
これらの強制又は直接冷却方式が使用されない場合には、ロータコイル端は受動的に冷却される。受動冷却は、同心のロータ巻線間に形成されるブラインドの行止り空洞内でガスを循環させるために、ロータの遠心力と回転力とに依存する。ロータコイル端の受動冷却は、時として「自由対流」冷却とも呼ばれる。
【０００８】
受動冷却は、直接及び強制冷却を行う能動的システムと比較すると、熱除去能力は低下するが、複雑さとコストが最少化されるという利点をもたらす。典型的な空洞の４つの「側壁」は、同心の導電体とこれらの導電体を隔てる絶縁ブロックとによって形成され、「底」壁（半径方向外側の）は、回転に抗してコイル端を支える保持リングによって形成されるというように、これらの空洞はいずれにしても周囲を囲われているから、同心のロータ巻線間の空洞内へ入る全ての冷却ガスは、流入したのと同じ開口を通って出て行かなくてはならない。冷却ガスは、導電体とロータスピンドルとの間の環状の空間から入る。従って熱除去は、空洞内におけるガスの低い循環速度と、これらの空間に出入りできるガスの限られた量とによって制限される。
【０００９】
典型的構成においては、端部領域内の冷却ガスは、ロータ速度に達するほどにはまだ十分に加速されていない、つまり冷却ガスはロータ速度の何割かの速度で回転している。ロータと流体との間の相対的速度による衝突によって、流体が空洞内へ送り込まれるので、流れ方向で言えば下流であり、流体が高いモーメントで流入し、しかも流体冷却媒体が最も低温であるスペースブロック付近において、熱伝達係数は一般的に最高になる。熱伝達係数はまた、一般的に空洞周縁付近でも高い。空洞の中心部は、冷却される度合いが最も低い。
【００１０】
受動冷却システムの熱除去能力を増大させることは、低コストで単純かつ高信頼性の構造という利点を保ちながら、ロータの許容電流能力を増大させ、発電機の定格能力を増大させることになる。
【００１１】
参考文献としてその開示内容が本明細書に組み込まれている米国特許第５，６４４，１７９号は、自然発生するフローセル内に追加的な冷却流を、フローセルと同一方向に直接導入することにより、大きな単一のフロー循環セルの流速を増させて、熱伝達を増大させるための方法を記載している。これは図４及び図５に示されている。この方法は、循環セルの強さを増強することにより、空洞内における熱伝達を増大させるが、それでもなおロータ空洞の中央領域は低速度のままであり、従って低熱伝達のまま取り残される。隅部領域にも同じ低熱伝達がまだ存続する。
【００１２】
【発明の概要】
ここに記載された本発明は、熱伝達を増大させるために、単一の大きな循環セルに固有の困難性を克服している。米国特許第５，６４４，１７９号に記載されているように、単一の循環セルを増強するために、この循環セルの方向に冷却流を噴射するのではなく、本発明は、空洞の中央領域を貫く複数の循環セルを作り出し、それによってさもなければ冷却流が行きわたらないであろう領域における熱伝達を著しく増大させるための幾つかの方法を記載している。同じ恩恵が空洞の隅部領域にも同様に及ぼされる。
【００１３】
従って、本発明のコイル端アセンブリ及び方法は、複数の循環セルと冷却噴流とを作り出すことによって、ロータコイル端空洞の全領域における熱伝達性能を大きく増大させる。ロータ冷却作用におけるデッドゾーンを排除することにより、全体的な冷却効力は著しく増大され、それによって機械の出力定格が増大する。システムは低コスト、取り付け容易で、しかも頑丈であるから、それによって複雑な問題に対する実際的解決策が提供され、発電機の市場性に貢献する。
【００１４】
従って、本発明は、ガス冷却式発電電動機械において具体化され、該発電電動機械は、本体部分と、軸方向に延びるコイルと、本体部分の少なくとも１つの端部を超えて軸方向に延びるコイル端とを有するロータと、第１と第２のコイル端の間に置かれた少なくとも１つのスペースブロックとを含み、該スペースブロックが、その内部に形成された、入口開口と出口開口との間で半径方向に延びるダクトを有し、ダクト出口開口が、冷却ガス流をスペースブロックに隣接して形成された空洞のほぼ中央領域の方向へ放出させるために、スペースブロックの中間部分においてスペースブロックの円周方向表面内に配置されている。
【００１５】
更に、本発明は、本体部分と軸方向に延びるコイルと本体部分の少なくとも１つの端部を超えて軸方向に延びるコイル端とを有するロータと、第１と第２のコイル端の間に置かれた少なくとも１つのスペースブロックとを含む発電電動機械を冷却する方法において具体化される。この方法は、冷却ガスを、少なくとも１つスペースブロック内で半径方向に延びるダクトを通して半径方向へ向け、次にスペースブロックに対して円周方向に隣接する冷却空洞内へほぼ円周方向に、冷却空洞のほぼ中央領域の方向へ向ける段階を含む。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の上記及びその他の目的並びに利点は、添付図面と関連してなされる本発明の現在好ましいとされる例示的実施形態に関する以下の一層詳細な説明を注意深く検討することによって、より完全に理解され、その真価が認められるであろう。
【００１７】
図面において種々の図を通して同一参照符号は同じ要素を示しているが、その図面を参照すると、図１及び図２は、ガス冷却式発電電動機械のためのロータ１０を示しており、この発電電動機械はまた、ロータを取り囲むステータ１２を含む。ロータは、ロータスピンドル１６上にこれを中心にして置かれ、軸方向に対向する端面を有するほぼ円筒形の本体部分１４を含み、図１には、これら２つの端面のうちの１つの端面の一部分１８が示されている。本体部分には、ロータ巻線を構成する同心に配設されたコイル２２を受けるための、円周方向に間隔を置いて配置された複数の軸方向に延びるスロット２０が設けられる。解り易くするために、ロータコイルが５つだけ図示されているが、実用に際しては通常もっと多くのロータコイルが使用される。
【００１８】
具体的に言うと、ロータ巻線の一部を構成する多数の導電体バー２４が、個々のスロット内で積み重ねられる。隣り合う導電体バーは、電気絶縁層２６によって隔てられる。積み重ねられる導電体バーは、銅などの導電性材料で作られ、典型的にはウェッジ２６（図１）によりスロット内に保持される。本体部分の対向する各端部において、導電体バー２４は末端巻線２７により相互に接続され、末端巻線は、端面を超えて軸方向に延び、積み重ねられたコイル端２８を形成する。末端巻線も電気絶縁層によって互いに隔てられる。
【００１９】
特に図１を参照すると、遠心力に抗してコイル端を定位置に保持するために、本体部分の各端部における末端巻線の周りには、保持リング３０が置かれる。保持リングは、その１つの端部において本体部分に固定され、ロータスピンドル１６を覆って延びる。保持リング３０の遠位端には、中心リング３２が取り付けられる。当技術分野では知られているように、保持リング３０と中心リング３２とは、上記とは異なるやり方で取り付けることも可能であることに注目されたい。ガス入口通路３４を形成するために、中心リング３２の内径はロータスピンドル１６から半径方向に間隔を置いて配置され、また環状の領域３６を形成するために、コイル端２８はスピンドル１６から間隔を置いて配置される。冷却ガスをコイル２２へ送給するために、スロット２０に沿って形成された多数の軸方向冷却通路３８は、環状領域３６を介してガス入口通路３４と流体連通している。
【００２０】
次に図２を参照すると、ロータ１０の各端部におけるコイル端２８は、多数のスペーサ又はスペースブロック４０により、円周方向と軸方向とに隔てられる。（図示を明瞭にするために、図１にスペースブロックは示されていない。）スペースブロックは、隣り合うコイル端２８の間の空間内に置かれた、絶縁材料からなる細長いブロックであり、コイル端の半径方向の深さ全体を超えて環状空隙３６内まで延びる。従って、末端巻線の同心の積み重ね（以下においてはコイル端と呼ぶ）の間の空間は、幾つかの空洞に分割される。これらの空洞は、その頂部を保持リング３０により、また四方を隣接するコイル端２８とスペースブロック４０とにより境界づけられる。図１において最もよく分るように、これらの空洞の各々は、環状領域３６を介してガス入口通路３４と流体連通している。従って、ガス入口通路３４を介して、コイル端２８とロータスピンドル１６との間の環状領域３６に入る冷却ガスの一部は、空洞４２に入り、その内部で循環し、次いでコイル端とロータスピンドルとの間の環状領域３６に戻る。図１及び図３には、空気流が矢印で示されている。
【００２１】
回転する発電機空洞内で作用する固有のポンプ作用と回転力とは、図３に概略的に示したように、大きな単一のフロー循環セルを生み出す。このフロー循環セルは、空洞の周縁付近で最高速度を示すが、空洞の中央領域における固有の低速度により、中央領域は十分に冷却されないままである。図３から分るように、フローセルの円形運動は冷却流を隅部内に運ばないから、隅部領域の大きな区域も十分には冷却されない。
【００２２】
次に本発明を説明する。図６を参照すると、本発明を具体化したロータコイル端の一部分が示されており、空洞１４２が示され、回転方向が矢印Ｘで表されている。図６に示した実施形態において、各スペースブロック１４０は、内部冷却ガスダクト１４４を備えており、この実施形態における内部冷却ガスダクト１４４は、それぞれの空洞１４２の中央領域におけるブロック内に排出口又は出口開口１４６を有しており、その結果、冷却媒体流が空洞内で互いに反対方向に回転する１対の円形セルを形成し、それによって、通常これまで冷却媒体流が十分でなかった中央領域と隅部領域との両方を含む空洞の全領域内における熱伝達が増大される。
【００２３】
各冷却ダクト１４４は、スペースブロック１４０の長さに沿って位置し、従ってロータ軸線に対して半径方向に向けられている。ダクトは、コイル端２８の半径方向内側又は下方の位置からコイル端の半径方向高さのほぼ中央の位置まで延びており、従って冷却ガスがコイル端２８とロータスピンドル１６との間の環状領域３６から空洞１４２内に流れることができる通路を提供する。具体的に言うと、各ダクト１４４は、スペースブロック１４０の半径方向内側端部付近に配置された入口開口１５０からスペースブロックの長さに沿うほぼ中間に配置された出口開口１４６まで延びる。入口開口１５０は、冷却流を受けるために、スペースブロックの円周方向に向いた上流側表面上に配置される。図６に見られるように、この例示的実施形態においては、コイル端２８とロータスピンドル１６との間の環状領域３６と流体連通するように、入口開口はコイル端の下方に延びるスペースブロック部分上に配置される。出口開口１４６も、スペースブロックの円周方向に向いた表面上に配置され、スペースブロックによって境界づけられる空洞１４２の１つと流体連通する。
【００２４】
冷却媒体流は、ロータ端部領域に入るガスの相対速度に起因する衝突圧力とロータの遠心ポンプ作用とにより、ブロックを通って半径方向へ送り込まれる。上に触れたように、冷却媒体流は、スペースブロック内の排出口１５０を通って、隣接する空洞の中央領域内へ向けられる。このように向けられた冷却媒体の噴流は、空洞内に互いに反対方向へ回転する１対の循環セルを形成する。次にこのセルの対は、別の循環セルを駆動して、さもなければ冷却媒体流が行き届かないことになる空洞の中央領域と隅部領域とを含む空洞の全領域における熱伝達を増大させる。主冷却媒体噴流は、熱伝達性能を高めて、図に示すように、回転する空洞から排出される。
【００２５】
作動中に、ロータの回転は、ガス入口通路３４（図１）を介して、コイル端とロータスピンドルとの間の環状領域３６（図６）内へ冷却ガスを引き入れることになる。冷却ガスは、入口開口１５０を介してダクト１４４へ送り込まれる。ダクト１４４内の冷却ガスは、それぞれの出口開口１４６から対応する空洞内へ吐き出される。冷却媒体流がブロック内のダクト１４４から空洞１４２の中央領域内へ向けられるように、出口開口は、空洞の半径方向中間位置付近に配置される。これによって、ただ１つの大きな循環セルの代わりに、複数の循環セルが形成されて、空洞の中央領域及び空洞のその他のあらゆる領域において、熱伝達が高められる。複数の循環セルの発生は、従来技術による単一の循環セルが行きわたることのなかった中央領域及び隅部領域を含む空洞の全ての部分からの熱除去を促進する。
【００２６】
図７は、本発明の別の実施形態を示し、この実施形態においては、対向する方向から各空洞に入る冷却噴流を支持ブロックが排出し、それによって互いに反対方向に回転するセルを強めて、冷却流を一層行きわたらせる。更に具体的に言うと、図７は、回転方向が矢印Ｘで表わされた空洞２４２を示す、ロータコイル端の一部分を図示したものである。この実施形態においては、各スペースブロック２４０は、空洞内に複数の循環セルを形成して熱除去を増大させるための内部冷却ガスダクト２４４を備えている。第１の実施形態のダクトと同様に、各冷却ガスダクト２４４は、ロータに対して半径方向に向けられ、コイル端２８の半径方向内側又は下方の位置からスペースブロックの中央領域付近の位置まで延びる。従ってダクトは、冷却ガスがコイル端２８とロータスピンドル１６との間の環状領域３６から空洞２４２の中央領域内へ流れることができる通路を提供する。具体的に言うと、各ダクト２４４は、スペースブロックの半径方向内側端部付近に配置された入口開口２５０から、スペースブロック２４０及びそれぞれの空洞の中央領域付近に配置された第１及び第２の出口開口２４６、２４８まで延びる。入口開口は、冷却媒体流を矢印Ａで示したように受けるために、スペースブロックの円周方向に向いた表面上に配置される。図７に見られるように、コイル端２８とロータスピンドル１６との間の環状領域３６と流体連通するように、入口開口２５０はコイル端２８の下方に延びるスペースブロック部分上に配置される。上に述べたように、この実施形態においては、第１及び第２の出口開口２４６、２４８は、スペースブロック２４０の円周方向に向いた各々の表面上にそれぞれ配置され、スペースブロックによって境界づけられたそれぞれの空洞２４２と流体連通する。更に、図示した実施形態においては、スペースブロック内に円周方向に隣り合う第１と第２の半径方向ダクト通路部分２５４、２５６を形成するために、隔壁２５２が半径方向ダクト２４４内に設けられる。必要もしくは望ましいと思われる場合には、冷却媒体流がほぼ等しい分量で各通路部分２５４、２５６に適当に反らされて、それぞれの出口開口２４６、２４８から流出するように、参照符号２５８で表した通路の円周方向部分内に隔壁を延長させることができる。冷却媒体流は、ダクト付きのブロック２４０から各空洞２４２の中央領域へ、空洞の円周方向両側から向けられる。これにより、一層強い複数の循環セルが形成されて、空洞の中央領域及び空洞のその他の全領域において熱伝達が高められる。この場合もまた、冷却媒体流は、衝突圧力と遠心ポンプ作用とにより駆動されて、ダクト付きブロックに流入する。
【００２７】
図８は、複数の排出ポートが空洞の全ての領域に冷却媒体流を供給して、回転する空洞内で自然発生する単一の大きな循環セルに起因した熱伝達の固有の困難性を克服することにより、この場合も熱伝達を増大させる、本発明の実施形態を示す。
【００２８】
更に具体的に言うと、図８は、回転方向を矢印Ｘで表した円周方向に隣り合う空洞３４２を示すロータコイル端の一部分を示す。この実施形態によれば、各スペースブロック３４０には、空洞のほぼ全ての領域に冷却流を向け、熱伝達を高めるための内部冷却ガスダクト３４４が設けられている。第１と第２の実施形態のダクトと同様に、各冷却ガスダクトは、ロータに対して半径方向に向けられており、コイル端２８の半径方向内側又は下方に配置された入口開口３５０から延びている。しかしながら、前の実施形態と異なり、冷却ガスダクトは、保持リング３０付近の位置まで延びており、複数の出口３６０、３６２、３６４が冷却ガスダクトの長さに沿って、互いに間隔を置いた位置に形成される。具体的に言うと、各ダクトは、スペースブロックの半径方向内側端部付近に配置された入口開口３５０から、スペースブロック３４０に沿った長さの約３分の１の位置に配置された第１の出口開口３６０と、出口に沿った長さの約３分の２の位置に配置された第２の出口開口３６２と、保持リング３０に隣接して配置された第３の出口開口３６４とを含む複数の出口開口まで延びる。複数の排出孔を介して冷却媒体流を方向付けることにより、先行技術によるような１つの大きな循環セルの代わりに、複数の冷却流ストリームが発生され、それによって、さもなければ冷却媒体流が十分行きわたらないことになる中央領域を含む全領域において、より一様な熱伝達が得られる。
【００２９】
図８の実施形態においては、３つの排出孔が示されているが、本実施形態によれば、このような排出孔が少なくとも２つ設けられ、従って図示した３つより多いか、あるいは少ない排出孔を設けることができることにも注目されたい。更に別の実施形態では、図７に示した第２の実施形態と同様に、スペースブロックによって境界づけられたそれぞれの空洞の各々へ流れを向けるために、複数の排出孔を冷却ダクトからスペースブロックの各円周方向へ延びるように形成し、空洞全域への冷却流の十分な分配を更に保証することができる。
【００３０】
図８の実施形態において、排出孔又は出口開口３６０、３６２、３６４は、冷却媒体流をほぼ円周方向に向け、従って、ロータの軸線に対して約９０度の角度をなす平面内に配置される。図９に示す断面図は、図８の実施形態の変形形態を図示したものである。図９は、冷却噴流が回転する空洞の加熱された壁に直接衝突し、それによって熱伝達を更に増大させるように、冷却噴流を方向付けることにより、図８の複数の冷却噴流を変更かつ改善した実施形態を示す。
【００３１】
従って、この実施形態は、スペースブロック４４０内の通路４４４の排出通路４６２（図９にはそのうちの１つだけ示す）が、冷却噴流がコイル端２８に直接衝突するように的を定め従って熱伝達を増大させるために、ロータ軸線に対して９０度より大きい角度をなす平面内に形成されるように傾斜されていることを除けば、図８の実施形態にほぼ対応する。排出通路は、軸方向に隣り合う両方のロータコイル端に冷却ガスを向けてもよいし、あるいは、１つ又はそれ以上の排出通路が、軸方向に隣り合う１つのロータコイル端に冷却噴流を向け、また１つ又はそれ以上の他の排出孔が、空洞を境界づける２つのロータコイル端のうちの他方へそれらのそれぞれの冷却噴流を向けることができる。別の実施形態においては、円周方向に隣り合うスペースブロックは、それぞれ交互のロータコイル端に冷却噴流を向けることができる。以上に述べたことを考察すれば明らかなように、方向付けられる冷却噴流のその他の並べ換え及び組合せも採用できる。
【００３２】
図２に見られるように、コイル端の間の空洞は、円周方向に向いた空洞、すなわち「末端ストラップ」空洞と、軸方向コイル側方空洞とを含む。図６から図８には末端ストラップ空洞が示されているが、本発明は軸方向コイル側方空洞にも等しく適用できることに注目されたい。そのような空洞相互間の主な違いは、軸方向コイル側方空洞は、末端ストラップ空洞のように回転方向に沿って向けられる代わりに、回転方向に直交する方向へ向けられていることである。このことは、空洞に対する軸方向速度成分と円周方向速度成分との関係が逆になり、円周方向速度成分が空洞に対して垂直になり、軸方向速度成分が空洞に対して平行になることを意味する。従ってそのような向きにおいては、入口が円周方向に向き、出口が軸方向に向くように、入口開口と出口開口とは互いに９０度をなすように配向されることになる。
【００３３】
本発明を、現在最も実用的で好ましいと考えられる実施形態に関連させて説明してきたが、本発明はここに開示した実施形態に限定されるものではない。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】
【図１】ロータと向かい合うステータを備える発電電動機械ロータのコイル端領域の一部分の断面図。
【図２】図１の線２−２に沿って見た、発電電動機械ロータの平面断面図。
【図３】コイル端空洞に入り、これを通過する受動ガス流を示す概略図。
【図４】米国特許第５，６４４，１７９号に開示された発明の第１の実施形態によるロータコイル端領域の一部分の一部切り欠き斜視図。
【図５】米国特許第５，６４４，１７９号に開示された発明の第２の実施形態を示すロータコイル端領域の一部分の一部切り欠き斜視図。
【図６】本発明の実施形態における複数の循環セルを作り出すためのアセンブリと方法とを示す部分断面図。
【図７】熱伝達を向上させるために複数の循環セルを作り出すための別のアセンブリと方法とを示す部分断面図。
【図８】熱伝達を向上させるために複数の冷却流ストリームを作り出すための、本発明の更に別の実施形態を示す部分断面図。
【図９】本発明の更に別の実施形態を示す、図８の線９−９に沿って見た図。
【符号の説明】
１０  ロータ
１２  ステータ
１４  本体部分
１６  ロータスピンドル
１８  本体部分の１つの端部
２２  コイル
２４  導電体バー
２６  ウェッジ
２７  末端巻線
２８  コイル端
３０  保持リング
３２  中心リング
３４  ガス入口通路
３６  環状領域
３８  軸方向冷却通路
【国際公開パンフレット】
2004516786.tif 000003
2004516786.tif 000004
2004516786.tif 000005
2004516786.tif 000006
2004516786.tif 000007
2004516786.tif 000008
2004516786.tif 000009
2004516786.tif 000010
2004516786.tif 000011
2004516786.tif 000012
2004516786.tif 000013
2004516786.tif 000014
2004516786.tif 000015
2004516786.tif 000016
2004516786.tif 000017
2004516786.tif 000018
2004516786.tif 000019
2004516786.tif 000020
2004516786.tif 000021
2004516786.tif 000022
2004516786.tif 000023
2004516786.tif 000024
2004516786.tif 000025
2004516786.tif 000026
2004516786.tif 000027
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004516786.tif 000028
2004516786.tif 000029
【国際調査報告】
2004516786.tif 000030
2004516786.tif 000031
2004516786.tif 000032