(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子鉄心から張り出した固定子巻線端部の振動を検出する振動検出器と、この振動検出器からの検出信号に基づいて前記固定子巻線端部の振動応答性を変化させる手段とを備え、
前記固定子巻線端部の振動応答性を変化させる手段は、固定子巻線の剛性を制御する手段であり、
前記剛性を制御する手段は、固定子巻線の温度を制御する手段であり、
前記温度を制御する手段は、固定子巻線を直接的或いは間接的に冷却する冷却媒体の温度や流量を制御する手段であることを特徴とするタービン発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はタービン発電機に係り、特に、固定子鉄心から張り出した固定子巻線端部の電磁力による振動を抑制できるタービン発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
固定子巻線端部の電磁力による振動を抑制するため、従来のタービン発電機は、特許文献１に示すように、固定子巻線端部を支持構造物によって固定する所謂受動的振動抑制構造であった。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２４５０９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のような受動的振動抑制構造の場合、タービン発電機の運転周波数と固定子巻線端部の固有振動数が近接する状況、あるいは固定子巻線端部の電磁力等の加振力に対する振動応答が大きな場合、さらにはタービン発電機の負荷変動、即ち、タービン発電機の出力電流の変化に伴う固定子巻線の温度変化によって固定子巻線端部の固有振動数が運転周波数と近接する状況、において固定子巻線端部は振動を発生し、この振動により固定子巻線端部の絶縁層が支持構造物との接触部での異常摩耗や疲労により亀裂や破壊を発生させる問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、固定子巻線端部の振動を抑制して絶縁層の亀裂や破壊を防止できるタービン発電機を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明は、固定子鉄心から張り出した固定子巻線端部の振動を検出する振動検出器と、この振動検出器からの検出信号に基づいて固定子巻線端部の振動応答性を変化させる手段とを備え、固定子巻線端部の振動応答性を変化させる手段は、固定子巻線の剛性を制御する手段であり、剛性を制御する手段は、固定子巻線の温度を制御する手段であり、温度を制御する手段は、固定子巻線を直接的或いは間接的に冷却する冷却媒体の温度や流量を制御する手段としたことを特徴とする。
【０００７】
このように運転状況に応じて固定子巻線端部の振動応答性を変化させる手段を設けることで、固定子巻線端部の振動応答性を抑制して固有振動を変えることができるので、タービン発電機の運転周波数に近接することを避けることができ、その結果、固定子巻線端部の振動を抑制して絶縁層の亀裂や破壊を防止できるのである。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように本発明によれば、固定子巻線端部の振動を抑制して絶縁層の亀裂や破壊を防止できるタービン発電機を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、機械の振動は対象部位の剛性（ヤング率）が関与し、この剛性が温度によって変化することに着目し、適切に剛性を変化させることで対象部位の振動応答性を変化させて振動を抑制するものである。
【００１０】
以下、本発明によるタービン発電機の第１の実施の形態を、図１〜図４に基づいて説明する。
【００１１】
タービン発電機は、固定子鉄心１と、この固定子鉄心１に形成された巻線溝に装着された固定子巻線２とを備えた固定子を有し、固定子鉄心１から張り出した固定子巻線端部３は、環状支持部材４や固定子鉄心１の端部に固定された板状支持部材５などの支持構造物で機械的に支持されている。そして、このように構成された固定子の内周側には、ガスタービンや蒸気タービンなどの駆動機械で駆動される図示しない回転子が組み込まれてる。そして、このようなタービン発電機は密閉されたタービンケーシング６で覆われている。
【００１２】
前記固定子巻線２は、素線絶縁が施された中空素線導体８と素線絶縁が施された中実素線導体９が複数組み合わされて配置され、外周部には主絶縁層１０が施されている。
【００１３】
このように構成された固定子巻線２の前記中空素線導体８に、水や油などの液体冷媒をタービンケーシング６の外側に設置した冷媒供給装置１１から供給して循環させて固定子巻線２の運転時における温度上昇を抑制している。したがって本実施の形態は固定子巻線２を直接冷却する直接冷却方式のタービン発電機である。
【００１４】
上記構成のタービン発電機において、固定子巻線端部３に固定した振動センサ１２と、この振動センサ１２からの検出信号を受信して振動信号を発信する振動信号発信装置１３とで振動検出器を構成すると共に、この振動信号発信装置１３からの振動信号は、タービン発電機の運転制御を行う運転制御装置１４に送られ、その振動の大きさにより前記冷媒供給装置１１から供給される冷媒量や冷媒温度を調整するようにしている。また、運転制御装置１４には、発電機の負荷変化である出力電流の変化の情報信号を発信する発電機負荷情報の信号発信装置１５からの信号が入力されるように構成されている。
【００１５】
上記のように構成したので、いまタービン発電機の運転中の負荷が変動して固定子巻線端３の振動が増加した場合には、その振動を振動センサ１２で検出し、振動信号発信装置１３を経由して運転制御装置１４に入力すると共に、発電機負荷情報の信号発信装置１５からの信号を入力する。
【００１６】
そして、図５に示すフローチャートに示すように、負荷が増加したことによる振動の増加であると運転制御装置１４が判断した場合には、固定子巻線２に供給される液体冷媒の冷媒量を増加させるか、冷媒温度を下げるかの指示を冷媒供給装置１１に出力する。冷媒供給量の増加あるいは冷媒温度の低下によって固定子巻線２の温度が低下することで、固定子巻線２のヤング率が増加し、それによって固定子巻線端部３の剛性が上がる。その結果、固定子巻線端部３の運転加振周波数に対して振動応答性を下げることができ、固定子巻線端部３の振動を低減させることができる。
【００１７】
一方、負荷が減少したことによる振動の増加であると運転制御装置１４が判断した場合には、固定子巻線２に供給される液体冷媒の冷媒量を減少させるか、冷媒温度を上げるかの指示を冷媒供給装置１１に出力する。冷媒供給量の減少あるいは冷媒温度の上昇によって固定子巻線２の温度が上がることで、固定子巻線２のヤング率が低下し、それによって固定子巻線端部３の剛性が下がる。その結果、固定子巻線端部３の運転加振周波数に対して振動応答性を下げることができ、固定子巻線端部３の振動を低減させることができる。
【００１８】
さらに、振動センサ１２による固定子巻線端部３の振動が変化しない場合や減少する場合には、運転制御装置１４は発電機負荷情報の信号発信装置１５の信号を参考にしないで、冷媒供給装置１１に冷媒量或いは冷媒温度の現状維持を指示し続ける。
【００１９】
このように本実施の形態によれば、運転状況に応じて固定子巻線端部３の振動応答性を変化させることができると共に、振動センサ１２によって長期運転によって固定子巻線端部３の振動特性が変化してきたことが検出された場合にも、能動的に振動を抑制して固定子巻線端部３の絶縁層の亀裂や破壊を防止することができる。
【００２０】
ところで、振動センサ１２は、固定子巻線端部３の振動を検出するために、径方向振動、周方向振動、径周両方向の合成振動を検出するセンサを設けることが望ましいが、振動低減の目的に応じて３つの振動センサを選択的に設置しても良いことは勿論である。さらに、固定子巻線端部３は、運転中に高電圧、高電界になっているので、振動センサ１２は、検出された振動信号が光ファイバーで光学的に伝送される光振動計等電気的に絶縁された振動センサとすることが望ましい。
【００２１】
ここで、本実施の形態において、本発明による固定子巻線端部の振動応答性を運転状況に応じて変化させる手段とは、冷媒供給装置１１と振動センサ１２と振動信号発信装置１３と運転制御装置１４と発電機負荷情報の信号発信装置１５とであり、振動検出器は、振動センサ１２と振動信号発信装置１３とであり、固定子巻線端部の振動応答性を変化させる手段は、冷媒供給装置１１と運転制御装置１４とであり、固定子巻線の剛性を制御する手段，固定子巻線の温度を制御する手段，冷却媒体の温度や流量を制御する手段は、冷媒供給装置１１と運転制御装置１４とである。
【００２２】
図６は、本発明によるタービン発電機の第２の実施の形態を示すもので、第１の実施の形態と同一符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。
【００２３】
本実施の形態の構成は、第１の実施の形態とほとんど同じ構成をなしている。第１の実施の形態と異なる構成は、タービンケーシング６内に冷媒冷却装置１６を設置し、この冷媒冷却装置１６に冷媒供給装置１１から冷媒を循環させる点と、タービンケーシング６内の空気等の気体冷媒を冷媒冷却装置１６で冷却した後、矢印ａで示すように、ブロワ等の送風機１７で強制的に回転子及び固定子に循環させ、固定子巻線２については中空素線導体８内に流通させることで冷却を行う点である。
【００２４】
上記構成によっても、固定子巻線端部３の振動状況を判断して固定子巻線端部３の振動抑制を第１の実施の形態と同じように行うことで、同等の効果を奏することができる。
【００２５】
図７及び図８は、本発明によるタービン発電機の第３の実施の形態を示すもので、第１及び第２の実施の形態と同一符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。
【００２６】
本実施の形態は基本的に第２の実施の形態とほぼ同じ構成をしており、第２の実施の形態と異なる構成は、固定子巻線２の構成と、それに伴う固定子巻線２の冷却構成である。即ち、固定子巻線２は、素線絶縁が施された複数の中実素線導体９のみを配置してその外周を主絶縁層１０で覆ったもので、冷媒を流通させる中空素線導体を用いていない。
【００２７】
そこで、第２に実施の形態と同じように、冷媒が供給される冷媒冷却装置１６に、タービンケーシング６内の空気等の気体冷媒を送風機１７で通過させて冷却し、冷却された気体媒体を強制的に回転子及び固定子に循環させ、固定子巻線端部３については、図８に示すように、主絶縁層１０の表面に気体冷媒を矢印ａのように接触させて間接的に冷却するようにしている。したがって本実施の形態は固定子巻線端部３を間接的に冷却する間接冷却方式のタービン発電機である。
【００２８】
上記構成によっても、固定子巻線端部３の振動状況を判断して固定子巻線端部３の振動抑制を第２の実施の形態と同じように行うことで、ほぼ同様の効果を奏することができる。
【００２９】
ところで以上の説明は、固定子巻線端部３の振動及び発電機負荷情報に基づいて固定子巻線２の温度を変化させ、それによって固定子巻線端部３の剛性（ヤング率）を変えて振動応答性を変化させ、運転周波数に近接することを避けるようにしたものであるが、図９に示す第４の実施の形態では、予め取得した振動特性データに基づいて固定子巻線２の温度を制御して固定子巻線端部３の剛性（ヤング率）を変えるようにしたものである。
【００３０】
即ち、タービン発電機の設計過程或いは完成後にいて、固定子巻線端部３の振動応答性（感度）、云い代えれば伝達関数を取得して振動のモーダル解析を実施し、固定子巻線端部群の円環振動特性データや系の振動特性データなどの振動の基礎データを前もって取得しておけば、固定子巻線端部３の運転温度における有害となる運転周波数成分の振動応答性（感度）を推定することができる。この振動応答性（感度）は、固定子巻線端部３の温度を調節することで、運転加振周波数における振動応答性（感度）を高めたり低くしたりすることができる。
【００３１】
したがって、予め、タービン発電機の運転負荷状態を想定し、その運転負荷での振動応答性（感度）が、運転加振周波数でより低い値となるように、冷媒の温度を設定して、振動抑制を達成するのである。
【００３２】
具体的に図９のフローチャートに従って説明すると、まず、モーダル解析により固定子巻線端部の振動の基礎データを取得し、次に、運転制御装置１４の記憶部に入力して実際の運転中に取得したデータと基礎データとを演算部で比較し分析する。運転時における固定子巻線端部の固有振動数（Ｆｎ）が運転倍周波数よりも５％以上乖離している場合には、冷媒供給装置１１に流量や冷媒温度は事前にセッティングしたままにして運転を継続させる指示を出す。しかし、固定子巻線端部の固有振動数（Ｆｎ）が運転倍周波数の近傍、即ち、５％未満に接近している場合には、運転制御装置１４は、冷媒供給装置１１に流量や冷媒温度を事前にセッティングした冷媒量の増減、あるいは冷媒温度の高低に移行することを指示する。
【００３３】
このようにして事前に所得した振動の基礎データに基づいて固定子巻線端部の温度を制御することでも振動応答性を変えることができ、前記実施の形態と同等の効果を奏することができる。
【００３４】
本実施の形態において、本発明による前もって解析した振動特性データを収納する収納部とは、運転制御装置１４の記憶部であり、また、振動検出器からの検出信号とデータ収納部の振動特性データとを比較するものは運転制御装置１４の演算部である。
【００３５】
ところで、本実施の形態においては、前もって取得したデータと運転時に取得したデータとを比較して、両データとの間に差が生じた場合に、振動応答性を変えるようにしたものであるが、タービン発電機の運転条件が常に変化しないような場合には、前もって取得したデータに基づいて振動応答性を変化させるタイミングを運転制御装置１４にプログラミングしておき、そのプログラミングにしたがってが振動応答性を変化させるようにしてもよい。
【００３６】
次に、本発明の概念の一部と類似する参考例である、タービン発電機の参考例を、図１０〜図１２に基づいて説明する。尚、図２と同一符号は同一構成部品を示すので、再度の説明は省略する。
【００３７】
第１の実施の形態の図２と外見的に異なる点は、固定子巻線端部３に錘１８を設けて、固定子巻線端部３の振動を抑制する点である。
【００３８】
即ち、タービン発電機の設計過程或いは完成後において、固定子巻線端部３の振動応答感度、云い代えれば伝達関数を取得して振動のモーダル解析を実施し、固定子巻線端部群の円環振動特性データや系の振動特性データなどの振動の基礎データを前もって取得しておけば、固定子巻線端部３の運転温度における有害となる運転周波数成分の振動応答感度を推定することができることは前述の通りである。
【００３９】
一方、一般的な固有振動数ｆ０と剛性（ヤング率）Ｅと質量Ｍの関係は、式１となり、剛性Ｅと質量Ｍを変えることで固有振動数ｆ０を変えることができることを示している。
ｆ０＝１／２π√（Ｅ／Ｍ）…式１
そして、運転加振周波数の振動応答性は固有振動数ｆ０を調整することで変えることができる。即ち、固定子巻線端部３の対象部位における固有振動数ｆ０を変えることで、運転加振周波数に対する振動応答性（感度）を高くしたり低くしたりすることが可能である。
【００４０】
図１１に固有振動数ｆ０の調整による運転加振周波数ｆ１での応答感度の調整例を説明する。まず、予めタービン発電機の運転負荷状態を想定し、図１１（Ａ）に示すように、運転加振周波数ｆ１近傍に固定子巻線端部３の固有振動数ｆ０が存在する場合には、その運転負荷での振動応答感度Ｌ１が運転加振周波数ｆ１でより低い値となるように、式１の剛性Ｅを変化させたり質量Ｍを変化させたりして振動特性Ｓ０を変化させる。例えば、図１１（Ｂ）に示すように、剛性Ｅと質量Ｍを変えて固定子巻線端部３の固有振動数ｆ０が高くなる方向に振動特性Ｓ１を変えることで、運転加振周波数ｆ１での振動応答感度Ｌ２は白矢印で示すように低い値となり、運転加振周波数ｆ１との共振を回避することができる。
【００４１】
この例は、固有振動数ｆ０が運転加振周波数ｆ１に対して高くなる方向に変化するように剛性Ｅあるいは質量Ｍを変化させたが、固有振動数ｆ０が運転加振周波数ｆ１に対して低くなる方向に変化させるようにしてもよい。
【００４２】
ところで、式１の剛性Ｅを変えるのが第１〜４の実施の形態であり、質量Ｍを変えるのが本参考例である。
【００４３】
そこで、固定子巻線端部３の錘１８を負荷した場合の振動応答感度の調整例を図１２に基づいて説明する。
【００４４】
錘１８は、環状支持部材４の外周面に沿う曲率を有する小片からなり、これら小片の錘１８を１個あるいは複数個、環状支持部材４の外周面に固定する。固定法は周知の紐状態による緊縛手段やねじ類による締結手段などで固定する。この錘１８の付加により固定子巻線端部３の系の重量（質量）は増加し、それに伴い振動特性Ｓ０は振動特性Ｓ２のように低くなる方向に変化する。そして固有振動数ｆ０も運転加振周波数ｆ１に対して低くなるように変化して低下し、その結果、運転加振周波数ｆ１での振動応答感度Ｌ１はＬ２のように白矢印で示すように低い値となり、運転加振周波数ｆ１との共振を回避することができる。
【００４５】
ところで、加振力をＦ、重量をｍ、加速度をａとした場合の運動方程式の基本である式２に示すように、加振力Ｆが一定となる条件で系が重くなって重量ｍが増加した場合、加速度ａを軽減する効果があるので、振幅をＡ、加速度をａ、各周波数をωとした場合、式３で示されるように、振幅Ａを抑制する効果、即ち、振動応答感度Ｌを低下させる効果を併せ持つことになり、固定子巻線端部３の振動を低減させることになる。
Ｆ＝ｍａ…式２
ａ＝Ａω２…式３
尚、図１２中の、固有振動数ｆ０の変化、振動応答感度Ｌの変化は、式１及び式２を視覚概念的に示したものであり、個別に発生する現象ではない。
【００４６】
ところで、前記錘１８は、重いほうが振動応答感度Ｌの調整に有効であるため、鉄系の金属材料や非磁性金属を用いることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明によるタービン発電機の第１の実施の形態を示すブロック図。
【図２】図１の固定子鉄心を含む固定子巻線端部を示す縦断斜視図。
【図３】図２の固定子巻線端部を示す斜視図。
【図４】図１の固定子巻線の縦断拡大図。
【図５】図１のタービン発電機の固定子巻線端部の振動抑制法を示すフローチャート図。
【図６】本発明によるタービン発電機の第２の実施の形態を示すブロック図。
【図７】本発明によるタービン発電機の第３の実施の形態を示すブロック図。
【図８】図７の固定子巻線の縦断拡大図。
【図９】図７のタービン発電機の固定子巻線端部の振動抑制法を示すフローチャート図。
【図１０】本発明の参考例によるタービン発電機を示す図２相当図。
【図１１】固定子巻線端部の振動応答感度の調整法の一例を示す線図。
【図１２】図１０による固定子巻線の振動応答感度の調整法の一例を示す線図。
【符号の説明】
【００４８】
１…固定子鉄心、２…固定子巻線、３…固定子巻線端部、４…環状支持部材、５…板状支持部材、６…タービンケーシング、８…中空素線導体、９…中実素線導体、１０…主絶縁層、１１冷媒供給装置、１２…振動センサ、１３…振動信号発信装置、１４…運転制御装置、１５…信号発信装置、１６…冷媒冷却装置、１７…送風機、１８…錘。
【図１】
0005101213.tif 000002
【図２】
0005101213.tif 000003
【図３】
0005101213.tif 000004
【図４】
0005101213.tif 000005
【図５】
0005101213.tif 000006
【図６】
0005101213.tif 000007
【図７】
0005101213.tif 000008
【図８】
0005101213.tif 000009
【図９】
0005101213.tif 000010
【図１０】
0005101213.tif 000011
【図１１】
0005101213.tif 000012
【図１２】
0005101213.tif 000013