(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却回路（５）と、この冷却回路（５）を貫流する冷却材（７）に対する調整タンク（６）とを備え、この調整タンク（６）が冷却回路（５）の外に配置されて冷却回路（５）に対し並列接続された並列回路（９）に組み込まれているような、発電機（４）の固定子（２）および／又は回転子（３）を冷却するための冷却装置（１）において、冷却回路（５）に、冷却材（７）を静めるためおよび脱気するために使用する、前記冷却回路（５）に並列接続された配管で形成された鎮静領域（１６）が設けられていることを特徴とする発電機の冷却装置。
【請求項２】
調整タンク（６）の容積が５０〜８００リットル、特に１００〜３００リットルであることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
冷却回路（５）を一次冷却材流（１０）が、並列回路（９）を二次冷却材流（１１）が導かれ、一次冷却材流（１０）が、二次冷却材流（１１）より１０〜１０００倍、特に５０〜２００倍多いことを特徴とする請求項１又は２記載の冷却装置。
【請求項４】
一次冷却材流（１０）の流量が、１０〜１００ｍ3／ｈ、特に２０〜４０ｍ3／ｈであることを特徴とする請求項３記載の冷却装置。
【請求項５】
二次冷却材流（１１）の流量が、１０〜５００リットル／ｈ、特に１００〜２５０リットル／ｈであることを特徴とする請求項３又は４記載の冷却装置。
【請求項６】
調整タンク（６）が、冷却回路（５）から余分な冷却材（７）を放出するための放出管（１２）に接続されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の冷却装置。
【請求項７】
放出管（１２）がＵ形の曲がり部（１３）を有し、このＵ形曲がり部（１３）の部位にガス出口開口（１４）が、調整タンク（６）内のガス圧が限界値を超過した際に調整タンク（６）からそのガス出口開口（１４）を通してガスを放出するように配置されていることを特徴とする請求項６記載の冷却装置。
【請求項８】
調整タンク（６）が発電機（４）から離れて位置していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の冷却装置。
【請求項９】
冷却回路（５）に冷却材入口（１８）付きの冷却器（１７）が組み入れられ、その冷却材入口（１８）に鎮静領域（１６）が前置接続、特に直結されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の冷却装置。
【請求項１０】
２つの冷却器（１７ａ、１７ｂ）が設けられ、それらの冷却材入口（１８ａ、１８ｂ）が鎮静領域（１６）によって互いに接続されていることを特徴とする請求項９記載の冷却装置。
【請求項１１】
固定子（２）に対して、冷却材（７）用の耐酸化性の冷却通路（１９）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の冷却装置。
【請求項１２】
冷却回路（５）内を流れる冷却材（７）を補給するための冷却材導入手段（２０）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の冷却装置。
【請求項１３】
水冷式タービン発電機（４）、特に出力５００〜１３００ＭＶＡのタービン発電機（４）の固定子（２）を冷却するために利用されることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の冷却装置（１）。
【請求項１４】
冷却材（７）を固定子巻線および冷却器（１７）を通して導き、冷却材（７）の量を貯蔵タンク（６）によってほぼ一定に保ち、この貯蔵タンク（６）が全冷却材（７）で貫流されないような、発電機（４）の固定子（２）を冷却する方法において、冷却材（７）を前記冷却回路（５）に並列接続された配管で形成された鎮静領域（１６）、特に冷却器（１７）に前置接続した鎮静領域（１６）において静め、脱気することを特徴とする発電機の固定子の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、発電機の固定子および／又は回転子を冷却するための冷却装置と、発電機の固定子および／又は回転子を冷却する方法とに関する。
【０００２】
１９７０年（ベルリン）発行の書籍「ＡＥＧ  テレフンケン  ハンドブック」第１２巻、“シンクロマシーネン（同期機械）”の第５３頁に、水冷式固定子巻線を備えた水素冷却式同期発電機が記載されている。水冷式固定子巻線付き発電機の場合、水回路が必要である。この水循環回路は、一次冷却水を循環するポンプ、再冷却器、固定子巻線の汚染を防ぐフィルタおよび発電機の上に設けられた膨張タンクから成っている。この主回路に対する分路に、水を浄化するための微細フィルタおよびイオン交換器が存在する。冷却水は固定子巻線に絶縁ホースを通して導入せねばならないので、発電機内部に封入されている水素が少量ながら、その絶縁ホースを介して水回路に拡散浸透する。完全に満たされていない膨張タンクにおいて、その拡散浸透した水素を、水から脱気する機会が与えられる。その水素は圧力調整弁およびガス量計を介して大気に放出される。
【０００３】
ドイツ特許出願公告第２２２２４８７号明細書に、液体封入形電気機械において、液体中の、吸収されていないガスを除去する装置が示されている。この場合、その図１および図２において、冷却回路に対し２つの構想が利用されている。その一方の構想においては、冷却材の補給を行う冷却材調整タンクを、連結配管を介して冷却回路に接続している。このように調整タンクを冷却回路の外に配置する場合、全冷却材流で貫流される脱気タンクを、冷却回路に接続する。その脱気タンクにおいて冷却材の脱気が行われ、その際に脱気されたガスは大気に放出される。他方の構想においては、冷却材用の調整タンクを、主冷却回路に並列接続された補助回路に組み入れている。この場合、調整タンクは、少量の補助回路冷却材流で連続的に貫流され、同時に脱気タンクとして使用される。
【０００４】
１９６７年発行の雑誌「シーメンス−ツァイトシュリフト」、第４１巻、第１０号、第８３８〜８３９頁に、図５を参照して、水冷式電気機械用の冷却水回路が説明されている。その冷却水は、絶縁上の理由から、低い電気伝導率を有していなければならない。このため冷却回路に、化学フィルタあるいは冷却水のイオン濃度を連続的に減少させるイオン交換器が接続されている。
【０００５】
本発明の課題は、発電機の固定子および／又は回転子を冷却するための単純で安価な冷却装置を提供することにある。本発明のもう１つの課題は、発電機の固定子および／又は回転子を冷却する方法を提供することにある。
【０００６】
冷却装置に向けられた課題は、本発明に基づいて、冷却回路と、この冷却回路を貫流する冷却材に対する調整タンクとを備え、この調整タンクが冷却回路の外に配置され、冷却回路に配管によって接続され、調整タンクが冷却回路に対して並列接続された並列回路に組み入れられた、発電機の固定子および／又は回転子を冷却するための冷却装置によって解決される。その冷却回路に、冷却材を静めるためおよび脱気するために使用する鎮静領域が設けられる。
【０００７】
上述した水冷式発電機の場合、調整タンクは、たいてい全冷却材がこれを貫流するように構成されていた。これは、調整タンクを非常に大きくすることを余儀なくする。そのような大きな調整タンクはかなり大きなコスト要因となる。本発明の場合、調整タンクを冷却回路から抜き出し、冷却回路に対する並列回路に組み入れる。これによって、並列回路内を流れる冷却材は連続的に調整タンクを貫流する。この方法は、特に冷却材が調整タンク内で停滞しないという利点を有する。冷却材は、それが停滞すると、時間と共に伝導率が増大し、絶縁問題をひき起こしてしまう。冷却材が連続して貫流することによって、その停滞によってひき起こされる絶縁問題は、未然に防止される。
【０００８】
本発明は、調整タンクを並列に接続した場合、一部僅かな冷却材しか調整タンクを通して流れず、それだけしか脱気されないので、冷却材が完全には脱気されないという認識に基づいている。十二分な脱気を保証するために、冷却回路に鎮静領域を配置する。そのような鎮静領域は、例えば単純には、冷却回路に並列接続された配管でよい。このような鎮静領域において、冷却材はゆっくり流れ、そして脱気される。特に、調整タンクが配置されている並列回路は、この鎮静領域から分岐して出ている。この鎮静領域を冷却材の主流が貫流するので、冷却材の効果的な脱気が達成される。
【０００９】
好適には、調整タンクの容積は５０〜８００リットル、特に１００〜３００リットルである。更に好適には、冷却回路を一次冷却材流が、並列回路を二次冷却材流が導かれ、一次冷却材流が、二次冷却材流より１０〜１０００倍、特に５０〜２００倍多い。好適には、一次冷却材流の流量は、１０〜１００ｍ3／ｈ、特に２０〜４０ｍ3／ｈである。更に好適には、二次冷却材流の流量は、１０〜５００リットル／ｈ、特に１００〜２５０リットル／ｈである。
【００１０】
好適には、調整タンクを、冷却回路から余分な冷却材を放出するための放出管に接続する。これによって、余分な冷却材を、放出管を介して簡単に放出できる。従来は、調整タンクにリリーフ弁を設ける必要があった。
【００１１】
更に好適には、放出管にＵ形の曲がり部を設け、この曲がり部の部位にガス出口開口を、調整タンク内のガス圧が限界値を超過した際に調整タンクからそのガス出口開口を通してガスを放出するように配置する。これにより、リリーフ弁を省略できる。特に、冷却材の液面レベルは監視ガラスを介して監視できる。
【００１２】
調整タンクは発電機から離して配置するのがよい。これによって、調整タンクは発電機と一体構造物を形成しないことになる。そのような構成は、冷却回路の外に配置され小さく寸法づけられた調整タンクによって実現される。これによって、調整タンクのために高価な振動減衰装置を設ける必要がないという格別の利点が生ずる。調整タンクが従来のように発電機と一体構造物を形成しているとき、即ち例えば発電機上に配置されているとき、そのような振動減衰装置が必要となる。その配置構造の場合、調整タンクは、運転中に発電機によってひき起こされる振動を受ける。
【００１３】
更に好適には、冷却回路に冷却材入口付き冷却器を組み入れ、その冷却材入口に鎮静領域を前置接続する。好適には、２つの冷却器を設け、それらの冷却材入口を鎮静領域によって互いに接続する。この形状は、鎮静領域の配置にとって最適である。
【００１４】
好適には、固定子内に、冷却材用の耐酸化性の冷却通路を設ける。そのような耐酸化性の冷却通路、例えば特殊鋼から成る冷却通路によって、次のような利点が得られる。
ａ）  冷却材の酸素含有量の上限を大きくできる。
ｂ）  冷却材の酸素含有量を最少にするための窒素洗浄を中止できる。
ｃ）  ｐＨ値への配慮が不要となる。
ｄ）  イオン交換器を省ける。
ｅ）  発電機の運転中に水を調整するための長い時間を省ける。
【００１５】
更に好適には、冷却回路内を流れる冷却材の補給のための冷却材導入手段を設ける。そのような水の補給装置は、時間と共にイオン濃度が増した冷却材を、伝導率の小さな新しい冷却水と置き換えるために使用する。その小さな伝導率は、良好な絶縁性のために不可欠である。特に、固定子あるいは回転子における冷却装置の耐酸化性の冷却通路の場合、例えば銅製の冷却通路と異なって、完全密閉冷却回路とする必要がないので、新しい冷却材を、簡単に導入できる。
【００１６】
好適には、本発明に基づく冷却装置は、水冷式タービン発電機、特に出力５００〜１３００ＭＶＡのタービン発電機の固定子を冷却するために利用される。
【００１７】
冷却方法に向けられた課題は、本発明に基づいて、冷却材を固定子巻線および／又は回転子巻線と、冷却器とを通して導き、冷却材の体積を貯蔵タンクによってほぼ一定に保ち、この貯蔵タンクを全冷却材が貫流しないような、発電機の固定子および／又は回転子の冷却方法において、冷却材を鎮静領域、特に冷却器に前置接続した鎮静領域において静め、脱気することによって解決される。
【００１８】
本発明の方法の利点は、冷却装置の利点についての上述の説明に対応する。
【００１９】
以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。
【００２０】
図は、タービン発電機４に対する冷却装置１を、尺度通りでなしに、概略的に示す。タービン発電機４は、回転子３およびこの回転子３を包囲する固定子２を有する。固定子２は多数の電気導体から成る複数の電気巻線（図示せず）を備える。これらの電気巻線を貫通して冷却通路１９が延びている。これらの冷却通路１９は特殊鋼から成り、そのうちの１つを概略的に示す。冷却通路１９は冷却回路５に組み込まれている。冷却回路５内を冷却材７、ここでは水が循環して流れる。冷却通路１９は温水集合管４１に接続されている。この温水集合管４１から、並列接続された２つの冷却器１７まで、配管５０が延びている。この配管５０に体積流量測定装置３９が組み込まれている。温水集合管４１内の温度は、温度測定装置４９によって検出される。第１冷却器１７ａは冷却材入口１８ａを有し、第２冷却器１７ｂは冷却材入口１８ｂを有する。これらの冷却材入口１８ａ、１８ｂに鎮静領域１６が接続されている。冷却器１７ａ、１７ｂからポンプ５３まで、配管５２が延びている。この配管５２に、弁４３によって開閉できる補給装置２０が開口している。ポンプ５３からフィルタ３０まで配管５４が延びている。このフィルタ３０は汚れ粒子を除去するために使われる。配管５４に更に、伝導度測定装置３２および温度測定装置３３が設けられている。フィルタ３０から冷水集合管４２まで配管５５が延びている。冷水集合管４２は冷却通路１９に接続されている。
【００２１】
鎮静領域１６から調整タンク６まで配管１２ａが、そして調整タンク６から冷却器１７の下流における配管５２まで配管１２ｂが延びている。調整タンク６から放出管１２が出ており、この放出管１２はＵ形の曲がり部１３を有する。調整タンク６におけるガス圧が、冷却材７が曲がり部１３の範囲にあるガス出口開口１４より下に押し下げられるほどに大きくなると、そのガス出口開口１４を通してガスが放出される。更に、調整タンク６は液面計４４を備える。
【００２２】
固定子２を冷却するための冷却回路５は、固定子２内の冷却通路１９、温水集合管４１、配管５０、鎮静領域１６と冷却器１７、配管５２、配管５４、配管５５および冷水集合管４２によって形成されている。
【００２３】
冷却回路５は更に、その中に組み入れられた測定・運転装置、例えばポンプ５３あるいはフィルタ３０を有している。
【００２４】
また、発電機４内の冷却通路１９に対してバイパス管３４が並列接続されている。このバイパス管３４は弁３５により導通ないし遮断できる。弁３６は発電機４内の冷却通路１９に通じる配管５５を開閉する。バイパス管３４は特に、冷却装置１を始動する際にポンプを保護するために使われる。
【００２５】
配管１２ａと、調整タンク６と、配管１２ｂとから成る並列回路９が、冷却回路５に並列接続されている。
【００２６】
本発明に基づく冷却装置１の主な利点は、調整タンク６が冷却回路５の外に配置されていることにある。この調整タンク６によれば、並列回路９を通して非常に少量の二次冷却材流１１しか導かれない。これによって、調整タンク６を比較的小形にできる。殊に、調整タンク６は５０〜８００リットル、特に１００〜３００リットルの容積を有する。この場合、二次冷却材流１１は、冷却回路５内を循環して導かれる一次冷却材流１０の、例えば５０〜２００分の１でしかない。調整タンク６の小形化は特にコスト的に有利である。更に、調整タンク６は発電機４と一体構造物を形成しない。これによって、発電機４は、一方では振動減衰装置なしに形成でき、他方では任意の特に適した場所に設置できる。
【００２７】
本発明に基づく冷却装置１の他の利点は、冷却器１７に鎮静領域１６が前置接続されていることにある。この鎮静領域１６において、水はゆっくり流れ、脱気される。その脱気ガスは配管１２ａを通って調整タンク６に導かれ、ここから簡単に、例えば屋根から放出される。調整タンク６におけるリリーフ弁は省かれる。その調整タンク６内の過圧は、放出管１２を通して放出されて調整される。
【００２８】
この冷却装置１は、特に耐酸化性の冷却通路１９を備えた発電機に利用される。
【００２９】
以下に個々の構成要素について詳細に説明する。
【００３０】
１．発電機の配管敷設について、
発電機の冷水入口に配置された微細フィルタ（図示せず）を介して、発電機に冷水が導入され、冷水集合管４２に垂直方向中央より下で供給される。発電機４によって暖められた温水は、温水集合管４１から垂直方向中央より上で取り出され、発電機４の外で下向きに冷却器１７に導かれる。この配管敷設は、運転中における集合管および支柱からの自動的な空気抜きを確実にする。発電機の冷水入口の直前に遮断弁３６が、そして戻り路に遮断弁３５がそれぞれ配置されている。これらの遮断弁３５、３６は、冷却通路１９を水が通過することなしに、あるいは不慮にぬらすことなしに、バイパス管３４を介して洗浄運転することを可能にしている。バイパス管３４における体積流量は、適当な処置によって、ポンプ５３の定格体積流量に制限される。
【００３１】
２．ポンプについて、
水回路内の循環のために、同じ出力の２台の回転ポンプ５３ａ、５３ｂが利用される。各ポンプ５３ａ、５３ｂは運転ポンプあるいは予備ポンプのいずれかとして選定される。予備ポンプは、運転ポンプが停止するや否や、自動的に始動される。ポンプ５３ａ、５３ｂに対して、異なった電源系統から給電される三相電動機が用意される。
【００３２】
３．フィルタについて、
封入された循環水は、堆積して流れ障害物を形成してしまう浮遊物を、ほとんど含まないようにしなければならない。そのために、一次冷却材流１０の水は所定のろ過等級のフィルタ３０を通過させねばならない。フィルタ３０の迂回は必要とされない。汚れ度合は差圧測定によって検出できる。差圧測定器に標準的に、二値の限界値発生器が設けられる。
【００３３】
４．冷却器について、
冷却器１７は一次冷却水１０を再冷却するために使われる。標準的に、それぞれ冷却容量の５０％を負担する２つの冷却器１７ａ、１７ｂが設けられる。冷却器１７として、ろう付け構造の板状冷却器が採用される。冷却器の全ぬれ面はステンレス鋼で作られる。冷却器１７に関し、その一次側での冷却水の迂回は考慮されていない。従って故障した際に、１台の冷却器１７が全一次冷却水体積流量を引き受ける。その場合、圧力差の増大によってひき起こされる体積流量の下落は、保護装置の作動を生じさせない。冷却器１７の一次側冷却材入口１８ａ、１８ｂに、気泡分離器として働く並列管、即ち鎮静領域１６が存在する。これは、流れを静め、気泡を外に出す働きをする。この補助的課題に応じて、鎮静領域１６の横断面積が決められる。配管１２ａを通して連続的に、少量の冷却器バイパス流が調整タンク６に流入する。この二次冷却材流によって、鎮静領域１６で分離された気泡が調整タンク６に運ばれる。
【００３４】
５．調整タンクについて、
調整タンク６は連結配管１２ａ、１２ｂを介して冷却回路５に接続されている。これは、温度変化に伴なう水の体積の変動を吸収し、余分な水を排出し、脱気ならびに脱ガスタンクとして使われる。これは、始動時に冷却通路１９に冷却水を充填する際、追加的に必要な水量を一時的に補給する働きをする。調整タンク６は僅かな体積流量で強制貫流される。この体積流量は冷却回路５内に含まれる気泡を調整タンク６に運ぶ。調整タンク６の液面レベルは外から監視でき、最低液面レベルを下まわった際、それが警報によって知らされる。排水および脱気は、水が無圧状態で流出し、調整タンク６内に過圧が生じた際にガスが排気管６５に排出されるように、水槽を介して組み合わせて行われる。水槽には、補給装置２０から連続的に水が補給される。水の封入状態の監視および警報は不要である。水素冷却式発電機の場合、水素は拡散および微小の漏洩によって、水の中に侵入する。水素が侵入した際、調整タンク６の内圧は、Ｕ形の曲がり部の圧力側脚内における水柱を排気管６５に対するガス出口開口１４の高さまで押し下げるほどに高まる。そして、侵入した水素は放出管１２を介して排気管６５に導かれ、追加的な圧力上昇をひき起こさない。気泡分離器、即ち鎮静領域における窒素量の増加により、調整タンク６を不活性ガスによって洗浄することが可能となる。
【００３５】
６．冷却材の導入について
補給装置に供給される水は、小さな導電率の脱イオン水系から取り出される。この水はポンプ５３ａ、５３ｂの前に供給され、その供給前に微細フィルタで濾過される。その体積流量は調整弁によって手動で調整され、局所的に表示される。脱イオン水系が無圧になったとき、逆止め弁が一次冷却水の損失を防止する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に基づく発電機の固定子に対する冷却装置の概略系統図。
【符号の説明】
１    冷却装置
２    固定子
３    回転子
４    発電機
５    冷却回路
６    調整タンク
７    冷却材（水）
９    並列回路
１０    一次冷却材流
１１    二次冷却材流
１２    放出管
１３    曲がり部
１４    ガス出口開口
１６    鎮静領域
１７    冷却器
１８    冷却材入口
【図１】
0004231204.tif 000002