(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータフレーム，ステータコア，巻線コイル，コイルエンドから構成され、前記巻線コイルは冷却液体により冷却される発電機ステータにおいて、
前記冷却液体の出入口となるヘッダーと前記巻線コイルの間に設けられ、前記冷却液体を前記巻線コイルに導く冷却管は、
柔軟な管路と、
前記ヘッダーとの連結部および前記巻線コイルとの接続部であり、前記柔軟な管路よりも高い剛性を有する管路と、
によって構成されることを特徴とした発電機ステータ。
【請求項２】
請求項１において、前記柔軟な管路は、曲率を有する管路であることを特徴とした発電機ステータ。
【請求項３】
請求項１において、前記柔軟な管路は、樹脂製の管路であることを特徴とした発電機ステータ。
【請求項４】
請求項３において、前記柔軟な管路の端部は、絶縁性を有する繊維強化プラスチックであることを特徴とした発電機ステータ。
【請求項５】
請求項１において、前記冷却管の固有振動数は、電磁加振周波数と異なることを特徴とした発電機ステータ。
【請求項６】
請求項１において、前記冷却管の固有振動数を測定し、前記柔軟な管路のうち、前記高い剛性を有する管路の長さと前記冷却管の固有振動数との関係から、高い剛性を有する管路の長さを変更し、前記冷却管の固有振動数を変更することを特徴とした発電機ステータ。
【請求項７】
請求項６において、前記冷却管の固有振動数を測定し、前記冷却管の固有振動数と前記冷却管及びその固定部の発生応力との関係から、発生応力をある閾値以下とするように、高い剛性を有する管路の長さを変更し、前記冷却管の固有振動数を変更することを特徴とした発電機ステータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機ステータに係り、特に、巻線コイルに冷却液体を導く冷却管に特徴がある発電機ステータに関する。発電機とそれを用いた発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電機ステータでは、全体が略円錐形状である巻線コイル巻き返し部の振動特性を向上する構造として、特許文献１に記載のように、巻線コイル巻き返し部の外周側に複数のバインドリングを近接させ、これに絶縁物を介して例えばガラス繊維等からなるバインド部材で巻線コイル巻き返し部の複数箇所を緊縛固定し、前記複数のバインドリングの外周側に配設した複数のバインドリング支えをステータコアに係合した構造が開示されている。
【０００３】
これにより、複数のバインドリング支えがバインドリング及び巻線コイル巻き返し部を支持し、円環振動モードが励起された時はバインド部材によって径方向の圧縮加重が加えられ、巻線コイル巻き返し部の径方向の変位が阻止されるようになっている。
【０００４】
また、このとき、通常は巻線コイル巻き返し部の円環振動モードの固有振動数が変動電磁力の周波数から十分高くなるように設定されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１３７２８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、従来の技術では、巻線コイルと液体入口ヘッダ，液体出口ヘッダとの間を連絡する冷却管の振動に対する配慮がない。冷却管が共振し、大きな振幅で振動すると、冷却管のみならず、これらが取り付けられているヘッダや巻線コイルに高い応力が発生し、これらの箇所の寿命が短くなる可能性がある。
【０００７】
本発明の目的は、巻線コイルと液体入口ヘッダ，液体出口ヘッダとの間を連絡する冷却管の熱伸びに対する変形性を保ちながら、円環振動に対する振動応答を低減した冷却管を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、本発明の発電機ステータは、ステータフレーム，ステータコア，巻線コイル，コイルエンドから構成され、前記巻線コイルは冷却液体により冷却されるものであって、冷却液体を前記巻線コイルに導く冷却管は、柔軟な管路によって構成され、その端部は、前記柔軟な管路よりも高い剛性を有する管路によって構成されることを特徴とした。
【０００９】
また、前記柔軟な管路は、曲率を有する管路であることが好ましい。
【００１０】
また、前記柔軟な管路は、樹脂製の管路であることが好ましい。
【００１１】
また、前記柔軟な管路の端部は、絶縁性を有する繊維強化プラスチックであることが好ましい。
【００１２】
また、前記冷却管の固有振動数は、電磁加振周波数と異なることが好ましい。
【００１３】
特に、前記冷却管の固有振動数を測定し、前記柔軟な管路のうち、前記高い剛性を有する管路の長さと前記冷却管の固有振動数との関係から、高い剛性を有する管路の長さを変更し、前記冷却管の固有振動数を変更することができる。
【００１４】
更には、前記冷却管の固有振動数を測定し、前記冷却管の固有振動数と前記冷却管及びその固定部の発生応力との関係から、発生応力をある閾値以下とするように、高い剛性を有する管路の長さを変更し、前記冷却管の固有振動数を変更することもできる。
【００１５】
つまり、本発明は、目的を達成するために、ステータフレーム，ステータコア，巻線コイル，コイルエンドから構成されるものであって、巻線コイルは冷却液体により冷却される発電機ステータに関するものであり、冷却液体を巻線コイルに導く冷却管は、柔軟な管路、特に、曲率を有する柔軟な管路を有しながら、その端部は柔軟な管路の中央部よりも高い剛性を有する管路としたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、巻線コイルと液体入口ヘッダ，液体出口ヘッダとの間を連絡する冷却管の熱伸びに対する変形性を保ちながら、円環振動に対する振動応答を低減した冷却管を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、発明を実施するための最良の形態を具体的な実施例によって説明する。
【実施例１】
【００１８】
タービン発電機は、回転磁界を発生させるロータと、このロータの外周側に設けられ、複数のスロット内に複数の巻線コイルを収納配置したステータコアとを備えており、ロータの回転磁界によってステータコアの巻線コイルに誘起電圧が生じ電流が流れる。
【００１９】
この巻線コイルには、この電流によるジュール熱が発生する。このため、巻線コイルは、中空導体の素線から作成し、この中に水や油などの冷媒を通し、巻線コイルを液体冷却する構造が取られる。
【００２０】
液体冷却では、冷媒が液体入口ヘッダに供給され、液体入口ヘッダから、冷却管を介して、巻線コイルに供給される。冷媒は、巻線コイルを冷却後、冷却管を介して、液体出口ヘッダに戻り、冷却器で冷却され、タンクに戻る。
【００２１】
巻線コイルは、その直線部分はステータコアのスロットに支持されているが、両端側の巻き返し部はスロットから相当な距離に渡って外向きに延びているので、運転中、電源周波数の２倍（極数倍）程度の周波数で変動する電磁力が作用し、この電磁力により励起される円環振動モードによって振動する。
【００２２】
このとき、巻線コイルと液体入口ヘッダ，液体出口ヘッダ間を連絡する冷却管もこの円環振動モードにより、励振される。
【００２３】
図１および図２は、それぞれ本発明に関わる発電機と発電機固定子のコイルエンドを示すロータ軸方向で切断した断面図である。なお、図２は図１の部分拡大図である。
【００２４】
この図１において、タービン発電機１は、回転磁界を発生させるロータ６と、このロータ６の外周側に設けられ、内周側に設けた複数のスロット３ａ内に複数の巻線コイル３ｂを収納配置したステータコア３と、これらロータ６及びステータコア３を内装するステータフレーム２とを備える。
【００２５】
ロータ６は、略円形状断面の回転軸であり、ステータフレーム２の軸方向両端側に設けた少なくとも２つの軸受２０により回転自在に支持されている。
【００２６】
また、ロータ６は、詳細は図示しないが、例えば、外周側に設けた複数のスロットに複数の界磁巻線コイルが収納配置され、この界磁巻線コイルが通電されると断面の一方側がＮ極で他方側がＳ極となる極性を持つようになっている。
【００２７】
これにより、ロータ６が回転駆動されると、周囲に回転磁界を発生させるようになっている。
【００２８】
ステータコア３は、その外周側に配置された複数の主板５により、ステータフレーム２に弾性支持されている。このようなステータフレーム２の構造により、ステータコア３は弾性支持され、ステータフレーム２に伝達するステータコア３の振動を低減するようになっている。
【００２９】
巻線コイル３ｂは、典型的な例として図示のように、その直線部分がステータコア３のスロット３ａ内に収納され、両端側部分のコイルエンド２１は、スロット３ａから外向きに延ばされ内周側に巻き返されて、再びステータコア３のスロット３ａ内に収納される。
【００３０】
このように、巻線コイル３ｂは、巻き返される前の部分で外周側に配置される底コイルと、巻き返された後の部分で内周側に配置される上コイル１１とで構成される。コイルエンド２１はコイル支え板３０（図２に記載）を介して、ステータコア３に熱伸びを許容するように固定される。
【００３１】
巻線コイル３ｂには、ロータ６の回転磁界によって、誘起電圧が生じ電流が流れ、この電流によるジュール熱が発生する。このため、巻線コイル３ｂは、中空導体の素線から作成し、この中に水や油などの冷媒を通し、巻線コイル３ｂを液体冷却する構造が取られる。
【００３２】
液体冷却では、冷媒が液体入口ヘッダ７に供給され、液体入口ヘッダ７から、入口側冷却管１０を介して、上コイル１１から、巻線コイル３ｂに供給される。
【００３３】
冷媒は、巻線コイル３ｂを冷却後、底コイルから出口側冷却管９を介して、液体出口ヘッダ８に戻り、冷却器１３で冷却され、タンク１５に戻る。
【００３４】
タンク１５に戻った冷媒は、ポンプ１４により、フィルタ１６で不純物を取り除かれた後に、再び、液体入口ヘッダ７へ圧送される。
【００３５】
なお、液体入口ヘッダ７や液体出口ヘッダ８は、円環状の圧力容器で、ステータフレーム２に固定されている。
【００３６】
ここで本発明の特徴は、冷媒を巻線コイル３ｂに還流させる冷却管は、曲率を有する柔軟な管路を有しながら、その端部は該柔軟な管路よりも高い剛性を有する管路とした。
【００３７】
すなわち、入口側冷却管１０は、曲率を有する柔軟な管路１０ｂを有し、液体入口ヘッダ７との連結部１０ａと上コイルとの接続部１０ｃは、柔軟な管路１０ｂよりも剛性を高めた。入口側冷却管１０は、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製の柔軟で機械強度と電気的な絶縁性を有するパイプで、曲率を有する柔軟な管路１０ｂを形成させる。
【００３８】
液体入口ヘッダ７との連結部１０ａと上コイル１１との接続部１０ｃは、パイプ部にエポキシ樹脂をガラス繊維に含浸させたテープを巻き、熱を加えてエポキシ樹脂を硬化させ、剛性を高めればよい。
【００３９】
剛性を高める材料は、非導電性，非磁性，耐熱性、及び低密度である例えば繊維強化プラスチック（またはマイカ，石綿等でもよい）の材料で形成される。
【００４０】
繊維強化プラスチックは、例えば、その母材の具体的な例として、ポリアミドイミド，ポリアミド，ポリウレタン，ポリアクリロニトリル，ポリカーボネート，ポリエチレンテレフタレート，ポリビニルアルコール，ポリビニルアセタール，フッ素樹脂，エチレン・酢酸ビニル共重合体，スチレン・アクリロニトリル共重合体，スチレン・アクリロニトリル・ブタジエン共重合体等を用いる。
【００４１】
なお、出口側冷却管９に関しても、入口側冷却管１０と同様に、９ａ，９ｂ，９ｃを形成することができる。
【００４２】
剛性を高める範囲は、図３に示すように、剛性を高める範囲長さｌと固有振動数比との関係のマスターカーブをあらかじめ作成しておき、入口側冷却管１０の固有振動数を円環振動周波数に対し、１０％程度の裕度を有するように決める。
【００４３】
固有振動数比ｆｎ′／ｆｎは、剛性を高める前の固有振動数ｆｎと長さｌだけ剛性を高めたときの固有振動数ｆｎ′の比である。
【００４４】
図３に示したマスターカーブは、図４に示したような簡易計算により算出したものである。
【００４５】
図４は、本発明の冷却管の効果を曲率ａの柔軟な管路３１と長さａの管路３２でモデル化した評価モデルである。
【００４６】
管路３２の端部３３（長さｌ）の剛性を高めた場合の、冷却管の固有振動数と熱伸び差ｘによる熱応力の変化を評価した。
【００４７】
冷却管の固有振動数ｆｎは、簡易的には式１で表される。Ｅはヤング率、ρは密度、λは境界条件で決まる係数である。Ｌは冷却管の全長である。
【００４８】
冷却管の端部３３の剛性を柔軟な管路３１の合成に比べ十分大きくすることにより、本発明の冷却管の固有振動数ｆｎ′式２のごとくになる。
【００４９】
【数１】
0005097595.tif 000002
【００５０】
【数２】
0005097595.tif 000003
【００５１】
冷却管に熱伸び差ｘの強制変位が加わった場合の応力を剛性の高い端部３３の長さをパラメータに検討する。
【００５２】
柔軟な管路３１にｘ方向に単位荷重が加わった場合の変形量ｗ１は、式３で表される。また、管路３２にｘ方向に単位荷重が加わった場合の変形量ｗ２は、式４で表される。ここで、Ｉは管路の断面２次モーメントでＡは断面積である。
【００５３】
【数３】
0005097595.tif 000004
【００５４】
【数４】
0005097595.tif 000005
【００５５】
たとえば現実的な管の寸法として、半径ａ＝３００ｍ，管の内径ｄ＝２０mm，外径２ｄ＝３０mmとしたとき、ｗ1＞＞ｗ2となり、熱伸び差ｘは、ほとんど、柔軟な管路３１の変形で吸収することになり、剛性の高い端部３３の長さｌが増加しても、管路３１，３２，３３に発生する熱応力は増加しない。
【００５６】
図４は、簡易モデルから固有振動数を算出したが、有限要素法の固有値解析から、固有振動数を求めてもよい。
【００５７】
また、入口側冷却管１０，出口側冷却管９の固有振動数を測定し、測定した固有振動数をもとに剛性の高い端部３３の長さｌを決める。固有振動数の測定は、実験モード測定や冷却管にセンサを取り付けて運転時の固有振動数を測定してもよい。
【００５８】
冷却管の固有振動数を変更する際には、共振により発生する応力を有限要素法応答解析により求め、応力が高くなる振動モードから順に離調を行う。
【００５９】
図５に有限要素法解析による冷却管，冷却管の取り付け部の周波数応答解析による応力スペクトルの概念図を示す。
【００６０】
大きさの異なる３つの固有振動モードがあった場合は、応力のスペクトルは、３つの固有振動数ピーク４１，４２，４３を有し、図５のようになると推定される。
【００６１】
ここで、円環振動の周波数を１００Ｈｚ（４４）とすると、この振動周波数の両側にある幅の裕度を取った周波数帯域４５には固有振動数モードのピークを持たないように、剛性の高い端部３３の長さｌを決める。
【００６２】
その際には、各振動モードについて、図３に示した剛性を高める範囲長さｌと固有振動数比の関係のマスターカーブをあらかじめ作成しておき、入口側冷却管１０の固有振動数を円環振動周波数に対し、１０％程度の裕度を有するように決めるのである。
【００６３】
さらに、図３の剛性を高める範囲長さｌと固有振動数比の関係のマスターカーブと図５に示した応力のスペクトルから、図６に示すような、剛性を高める範囲長さｌと発生応力の関係のマスターカーブを作成し、このマスターカーブをもとに範囲長さｌを決めてもよい。
【００６４】
図５のような応力スペクトルを有する冷却管の場合は、円環振動周波数４４と一致している固有振動数ピーク４２を、剛性を高める範囲長さｌを変えることで、離調し、発生応力を低減できる。出口側冷却管９，入口側冷却管１０，液体入口ヘッダとの連結部１０ａ，接続部１０ｃ，液体入口ヘッダ７，液体出口ヘッダ８，底コイル１８，上コイル１９などの発生応力を許容応力、たとえば、材料の疲労限度の安全率を考慮した許容応力以下とするように、剛性を高める範囲長さｌを決定する。
【００６５】
図６では、剛性を高める範囲長さｌを長くするにつれ、固有振動数ピーク４２を離調することができるので、発生応力を低減することができるが、ある長さを越えると、固有振動数ピーク４１が励振されるため、応力が高くなることがわかり、適切な剛性を高める範囲長さｌを決めることができるのである。
【００６６】
出口側冷却管９も、入口側冷却管１０とほぼ同じである。出口側冷却管９は、曲率を有する柔軟な管路９ｂを有し、液体出口ヘッダ８との連結部９ａと底コイルとの接続部９ｃは、柔軟な管路９ｂよりも剛性を高めた。出口側冷却管９も、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製の柔軟で機械強度と電気的な絶縁性を有するパイプで、曲率を有する柔軟な管路９ｂを形成させる。
【００６７】
以上、本実施例によれば、冷却液体を巻線コイルに導く冷却管は、曲率を有する柔軟な管路を有しながら、その端部は該柔軟な管路よりも高い剛性を有する管路としたので、巻線コイルとヘッダが取り付けてある固定子枠との熱伸び差は、曲率を有する柔軟な管路の変形で吸収し、冷却管の端部であるヘッダや巻線コイルに熱応力の発生を防止でき、冷却管の固有振動数は冷却管の端部の剛性を高めることにより、電磁励振周波数よりも高く設定し、冷却管の共振を防止し、冷却管やその取り付け部に高い応力が発生することを防止できる。これにより、冷却管や巻線コイルの寿命を延ばすことができる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、発電機と発電機を用いた発電設備，発電プラントに利用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に関わる発電機をロータ軸方向で切断した断面図。
【図２】本発明に関わる発電機固定子のコイルエンドをロータ軸方向で切断した断面図。
【図３】剛性を高める範囲長さｌと固有振動数比の関係のマスターカーブ。
【図４】本発明の効果の評価モデル。
【図５】応力スペクトルの概念図。
【図６】剛性を高める範囲長さｌと発生応力の関係のマスターカーブ。
【符号の説明】
【００７０】
１  タービン発電機
２  ステータフレーム
３  ステータコア
３ａ  スロット
３ｂ  巻線コイル
４  プラットフォーム部
５  主板
６  ロータ
７  液体入口ヘッダ
８  液体出口ヘッダ
９  出口側冷却管
１０  入口側冷却管
１０ａ  液体入口ヘッダとの連結部
１０ｂ  曲率を有する柔軟な管路
１０ｃ  接続部
１３  冷却器
１４  ポンプ
１５  タンク
１６  フィルタ
１８  底コイル
１９  上コイル
２０  軸受
２１  コイルエンド
３０  コイル支え板
３１  柔軟な管路
３２  管路
３３  管路端部
４１，４２，４３  固有振動数ピーク
４４  円環振動の周波数
４５  振動周波数の両側にある幅の裕度を取った周波数帯域
【図１】
0005097595.tif 000006
【図２】
0005097595.tif 000007
【図３】
0005097595.tif 000008
【図４】
0005097595.tif 000009
【図５】
0005097595.tif 000010
【図６】
0005097595.tif 000011