電力･エネルギー分野の最新開発技術

インナクーラ冷却方式を適用した高効率タービン発電機の高度設計手法
SophisticatedDesignMethodofl七rbineGeneratorwithlnnerCoolerVen川ationSysteml

服部憲一

励〃まcゐオ肋伽γ才

後藤文彦

凡椚才ゐタメわCβ才∂渡辺

井出一正助g〝椚α5α〟β

仙波章臣

月々才わ∽才5g〝∂α

孝7七ゑα∫ゐgI物才α乃αみβ

現地据付け時のインナク
淘濁点感賭場脊㌧藍Fーラ方式空冷タービン発瞥

㈹湖電機(左)とエ場試験中の250MVA(50/60Hz)機(右)､祭〆

このタービン発電機は1999年10月に営業運転を開始し,以後順調に運転実績を積み重ねている｡中央寄りに見える小型のクーラがインナクーラである｡

250MVA機では,通風,温度関係だけでも1,000点を超えるセンサを設置し,今後の発電機開発のために必要かつ十分なデータベースを取得した｡

日立製作所はこのたび,250MVA(50/60Hz)の大容量空冷発電機を開発した｡当機はインナクーラ冷却方式を最大限利用した高効率の空冷発電機であり,今後の水素冷却発電機や空気冷却発電機を設計するためのデータベースを構築するため,1,000点を超える通風･温度･応力センサを実機に埋め込み,実測で性能を評価した｡固定子および回転子温度については,ANSl(AmericanNationalStandards】nstitute)B種温度上昇を満足することを確認し.98.8%を超える効率を達成した｡
この250MVA機の設計にあたっては,大規模な発生損失,通風.温度および振動強度解析ツールを整備し,数百を超えるパラメータサーベイの後,適用構造を決定した｡また,本機の実測により.ツールの妥当性も評価できた｡

はじめにインナクーラ冷却方式(ICVS:InnerCoolerVentilation

System)を開発し,状況にん古じて高信頼化と高効率化を低価格,高効率で,運転保寸の苓易な発電機に対する図ってきた｡また,大規模な設計計算ツールを整備し,ニーズは多いが,一般には,高効率の水素冷却発電機か,空気冷却機,水素冷却機のどちらをターゲットにしても運転,保守の容易な空左も冷却発電機のどちらかを選択す最適構造の発電機を設計できるように努力してきた｡

るのが実状である｡通風摩擦損が比較的小さい50Hz機

今回,このツールの適用第1号機として250MVA(50′を使川するヨーロッパでは空冷機を使いLゝ,通風摩擦損60Hz)発電機をターゲットにした｡数百に及ぶパラメーが大きい60Hz機を使川する米国では水素冷却機を好む

タサーベイの後に,各部寸法,冷却構造を決定し,高効傾向があるが〉,高効率な空気冷却機,あるいは運転保率と低湿度上昇を実現した｡また,開発機では通風温度守の容易な水素冷却機に対する期待は世界共通である｡

関係だけで1,000点を超える測定を実施し,ツールの妥当

H立製作所は,100MVA以上の空冷発電機に対し,性と発電機の健全性を評価した｡

17

178

日立評論

Vol.84

N(.).2(2002‑2)

ここでは,与巨竜機の最車安部占占の一つである同定√▲コ
イルの例について述べる(.〕山された冷却風と合流し,最終的にエアダクトを内径側から外径側に向けて冷却し,エアクーラに戻る｡このように,インナクーラノブ式は,一つの通風ループに拍:列にインナクーラ冷却方式(lCVS)発電機

二つ以上のクーラを持つことを特徴としており,所望の発電機は,高磁界,岳竜i定常度で逆転して発熱するた場所に冷却ガスを導入できるという特長を持つ｡つまり,

め,そオ■tを除Jこする冷却構造を持つ｡

エアギャップの温度を￣F▲げることでロータの熱振動を抑

一般にはロータの軸端部にフアンを設置し,発竜機各部に冷却凪を循環させる｡各部を冷却して上昇した冷媒

え,さらには固定了▲側の温度を低減する効果も期待できる｡,粘度を低減するためのエアクーラを,発電機端部に集中配250MVA機の設計F琵するしノフアンで対日三された冷却風は,ステ一夕,ロータの各部を冷却して軸端部のクーラに由り,再びフアンを通して循環する｢‑ノ
この場合,各通風閉ループに設置されてい3.1発電機設計の流れ発電機の設計にあたっては,まず発電機の出ノJと概略るクーラは1台しかないので,下流にある発熱体を冷却すの体格を決定し,電気設計に移る｡電気設計では,発電る冷却凧自体の温度が卜外している｡特に空冷機では,磯の竜気的な諸特性を満足させるように各部寸法を決定

最初に通るフアンでの粘度上昇が撫祝できない｡)する｡電気設計で各部の詳細な発勺ミ損失分布を求めたあ

この対策としてl+立製作所は,1998年から,100MVAと,通風パターンや,エアダクトの配置を決定し,通風,以上の空冷発電機に対し,状況に応じてインナクーラ冷温度分布を計算する｡ここで,所定の温度性能を満足し却ソナ式を適用し,発電機の温度低減と高効や化を図ってない場合は電気設計から再度やり直す｡その後,各部のきだ■■｡インナクーラ冷却ノJ式の通風回路を図1に示す｡.

振動,んむノJ設計により,各部の詳細構造を決定し,実機冷却凧は,フアンで舛圧され,一部が軸端部コイルな￣製作に移る｡
設計計算法

どの枯造物を冷却し,インナクーラに向かう｡空冷機で3.2は,この時′‑烹で冷却風の温度が10〜20度上昇してお古),

3.2.1電気,通風,温度設計

冷却風はインナクーラで再冷却される｡その後,冷却胤発電機の信頼性,寿命に大きく関わるものとして,岳はステ一夕に設けたエアダクトを外径から内径へ通り,竜拝がかかる固定子コイル絶縁物の温度があげられる｡

エアギャップに土る.二)エアギャップでは,ロータから排

この部分の温度に最も影響するのは固定￣√コイル白身の損失である.｡
田近丁一コイル冷却構造と,交流損失の発生メカニズムを図2に示す｡スロット内に,上,低の2コイルが格納さインナクーラ

メインクーラれ,それぞれほ数十段の素線によって構成される｡素線で発生した損失は,絶縁物を通してコアを経由し,冷却風に流れる｡〕素線には,発電機の出力に対応するいわゆる市流怒流のほかに,鎖交する磁場を打ち消すための循
環竜流および渦電流が流れる｡一般に,スロット内では
コイル

セクション
#1#2弓

畢3

鎖交磁束を相殺するために,素線にトランスポジション

善4巨∃をかけるが,軸端部を含む全長にわたる鎖交磁束をすべて打ち消すことは雉しく,循環電流による損失がわずかエアダクトに残る｡また,素線自身にも鎖交磁束を打ち消す向きの起電力が発生し,渦電流損が発生する｡これらの交流損+
ファン[亘;妻]エアギャップ

はトランスポジションのピッチ,素線の寸法に密接に関係しており,素線の断l郎積を増やすと増加してしまう場

注:◆‑(低温冷却風),､

図1(中温冷却風),(高温冷却風)インナクーラ冷却方式

インナクーラ冷却方式は一つの通風ループに二つのクーラを持つ〔,18合もある｡そのため,詳洲な損失計算プログラムを開発し,交流損と直流損の合計が最小になるように素線の配列,寸法などを決定した='｡回転子の損失,コアの損インナクーラ冷却方式を適用した高効率タービン発電機の高度設計手法179

スロット断面､､‑スロット/
コア

各部構成材寸法入力電機子コイルの交流損

循環電流

リンク
サポート

目

ノノ上コイル

電機子コイル
素繰

絶縁物

蛋

循環電流損

温度セ ンサ

素線
底コイル

冷却風

ステ一夕
イル

磁束
電機子コイル
素線

渦電流損

ステ一夕コアど
構造解析用メッシュの自動生成

三次元CADモデルの自動生成

図2

固定子コイルの冷却と損失発生のメカニズム

交流損の低減が固定子損失低減のかぎとなる｡⇒

火などもl■耶寺に計算する｡,
この後,図1に表示している阿転子,固定子内のすべての通風蹄をネットワーク化し,発態様の通風温度の軸方向分布を計算する5ト｡開発棟では,固定子のエアダク

円環一次モード

解析結果

ト配置や通風パターン,フアンの構造などを含め,実機を製作するまでに数■斤の組み合わせを評価した｡なお,ここまでの･連の流れは,標準の設計ツールとして繋備済みである｡
3.2.2

振動･応力設計

図3

固定子端部の応力,振動設計と分析結果

大規模な振動計算を設計ルーチンの中に組み込んでいる｡変位を拡大表示することで,振動モードをビジュアルに判断することができる｡

振動･九占力設計としてはコイル端部が最も塵要である｡,この部分は搭寓事故などの影響を最も大きく受ける｡
構造最適化のためには,人規模な構造解析を数多く実施する必要があるので,､J▲法人ノJだけでモデリングする自動作成ツールを開発し,設計に使川しだ〜)｡このツール

開発機の性能試験結果
4.1設計計算結果と実機性能試験結果

固定子コイル素線の最適設計による損尖低減効果を図

は解析精度を満とさない範囲で入ノJ帖報を絞F),図面上4にホす｡術環電流損に関しては従来設計に対して50%で各構成材の形状￣､J▲法と位置関係を入力するだけで,図以̲卜の低減を実現している｡固定一戸コイル全体の損失に3に示す構造解析用のメッシュを日動生戌する｡

換算しても,最適設計の効果は20%になF),温度低減,モデル作成後,固有値解析によって円環振動と運転周波数の関係を検討する｡)円環振動1次のような電磁力によ効率の上昇が実現できた(〕
固定子コイルの温度̲l二舛試験結･果を図5に示すく〕設計

り,人きく励起されやすい振動モードが遵転周波数領域通りB秤温度制限値の110℃をクリアした‥に存在しないことを確認し,応答および応力解析によっ度も均一であるr｡て強度評価をノ実施するhノ｡〕図3に示すように,変位を拡大

周ノルJの温

各部J心ノJ,振動値ともに許容値以内であり,突発加給

表ホすることで,振動モードを容易に判断することがで時のコイルエンドんむ力も実測と計算値を比較評価した｡

きる｡

以上の実測によって開発した設計ツールの妥ご川三も確認

円環振動が運転周波数領域に存f【三しない場合でも,局できたt〕

所的な振動が起きる可能性もあり,応力状態も複雑なた

開発棟の性能を表1に示す｡この容量の空冷機としてめ,この解析紡果のビジュアルな情報は設計に不可欠ではl=二界トップクラスの効率98.8%を達成したr)また,開ある｡

発機は温度上井に余裕があり,フアンなどの変史によっ

19

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日立評論

Vol.84No.2(2002‑2)

表1開発機の諸元
開発機は98.8%を超える効率を達成した｡ファンの変更により,98.9%の効率達成も確認済みである｡(コn)水空ミ†∩叶挙印

項目

50Hz機

60Hz機

容量

250MVA

250MVA

力率0.90.9

極致

22

絶縁種別

F種

F種

温度上昇

B種

B種

3,000rpm

3,600｢pm98.8%>

98.6%

回転数
最適構造

効

従来構造

率

注:□(循環電流損),□(渦電流損),□(直流損)

図4

固定子コイル最適設計による損失低減

3)服部憲一,外:インナクーラ方式高効率空冷タービン発電機の開発,電気学会回転機研究会資料(2001年10月)

コイル断面とトランスポジションの最適設計により,循環電流損を50%低減した｡

4)高橋和彦,外:タービン発電機実規模モデルコイルの素線電流分れ
電気学会回転機研究会資料(2001年10月)

周方向温度分布

5)井=一正,外:タービン発電機電機子巻線における素線電流分布の設計計算,電気学会回転機研究会資料(2001年

通風構造10月)

箸ミ6)江島英博,外:タービン発電機ステ一夕コイルエンドの電磁振動解析,電気学会回転機研究会資料(2001年10月)
0.5

執筆者紹介

25

通風ゾーン仕切り
00

服部憲一

(P)

07′

5世鵬叫

25

1

150

風向

1992年日立製作所入札.電機システム事紫郎塩機ん■‑信頼性本部回転機信頼惟エンジニアリングセンタ所属
現在,タービン発電機の開発に従事
電気学会会員
E‑1Tlail:kcnichi̲tlattOri匝pis.hitachi.co.jp

〉00.1

0.2

0.3

0.4

0.5

軸方向位置(pu)
井出一正
1988年U立製作所入社,日二技研究所柄辛巨利御第5研究部

定格運転時の固定子コイル温度設計,実測値比較

図5

所属

温度低減と均一化を実現した｡

現在,研究所におけるタービン発電機開発の取i)まとめと設片｢ツールの開発,整怖に従事
工学博上
屯気学会会員,IEEE会員て効率98.9%の達成も確認できている｡今後もこの開発

E‑mail:ide(ピノgm.11rl.hitachi.c().jp

機を標準化し,ラインアップの強化を図っていく｡

後藤文彦
1982iFl￣1克エンジニアリング株式会社人祉,コンサルティ
ングエンジニアリング部所属

おわりに

現在,タービン発電輝の振動設計ツールの閑雅,整備に従事

ここでは,発電機設計手法の高度化と日立製作所が開発した250MVA機の固定子コイル回りに特化した内容に▲E‑mail:fし【nlilliko̲g(￣)tOしl("■pis,hitachi,C(),jp

仙波章臣

ついて述べた｡例として,インナクーラ■方式大容量空冷機を選んだ｡この設計手法は,水素冷却機や水冷却機な

1997iFRてた製作所人件,電機システム事業部発電機シス
テム本部電力設計部交流機設計グループ所属
現在,タービン発電機の設計に従事
E‑mail:akilomi̲Semba(望:pis.hitachi.co.jp

どにも適用できる｡

参考文献
渡辺1)R.Joho,etal∴Air‑COOledTurb()generat()rSSupersedingSpecifications

IEMDC(Aug.2001)

20andBetween

FundamentalDesign

1962年【ト土製作所人朴,発1￣E機システム本部所属
硯イ】三,発竜機関発の収りまとめに従事

Hydrogen‑COOlingDomain,IEMDC(Aug.2001)2)J.M.Fogarty:Connections

孝Generat()rl二学博一̲̲lニ
ロ本機械学会会員

Principles,

E‑mこIilニtakashi‑a̲＼l･atこInabe(爪ノpis.hila(九Lco.jl)