KR20000047862A - 축류팬을 구비한 기체-냉각식 전기 기계 - Google Patents

Abstract

축류팬(12)과 냉각 기체의 압력을 상승시키기 위해 상기 축류팬(12)의 하류에 배치된 하류 유도 기구를 구비하는 기체 냉각식 전기 기계에서 상기 냉각 기체가 축류팬(12)에 의해 축류팬(12)의 반경방향 평면에 배치된 분리벽(20)과 내측 케이싱(21)에 의해 경계를 이루는 입구 영역(41)으로부터 분리벽(20)과 외측 케이싱(37)에 의해 경계를 이루는 출구 영역(41)으로 강제 방식으로 보내지는 기체 냉각식 전기 기계. 이 경우 하류 유도 기구는 냉각 기체 유동(39)을 실질적으로 축방향인 유동 방향을 실질적으로 반경방향의 유동 방향으로 편향시키기 위해 편향 디퓨저(36)로서 설계된다.

Description

축류팬을 구비한 기체-냉각식 전기 기계 { GAS-COOLED ELECTRICAL MACHINE HAVING AN AXIAL FAN }

본 발명은 축류팬 및 냉각 기체의 압력을 상승시키기 위해 상기 축류팬의 하류에 배치된 하류 유도 기구를 구비하며, 상기 냉각 기체가 축류팬에 의해 축류팬의 반경방향 평면에 배치된 분리벽과 내측 케이싱으로 경계를 이루는 입구 영역으로부터 분리벽과 외측 케이싱으로 경계를 이루는 출구 영역으로 강제 방식으로 보내지는 기체-냉각식 전기 기계에 관한 것이다.

기계 이용이 증가함에 따라, 회전 전기 기계의 냉각에 대한 요구조건은 매우 커지게 된다. 이것은 특히 기체-냉각식 터보발전기 및 훨씬 더 중요하게는 간접 냉각되는 고정자 권선을 갖는 터보발전기에 적용된다. 이런 종류의 기계에서, 고정자 권선 내에 생성된 모든 열손실은 권선 절연체를 통해 냉각된 적층 고정자 코어로 소산되어야 한다.

냉각을 향상시키기 위한 제안은 많이 있는데, 그 중에서 냉각 회로의 한 기본적인 개선이 매우 효과적이라는 것이 밝혀졌는데, 즉 종래의 압축 냉각에서 흡입 냉각으로의 변화이다. 보통, 흡입 냉각은 압축 냉각에 대해 냉각기로부터 공급되는 찬 공기가 발전기 고정자 및 발전기 회전자 내의 냉각 채널로 직접 흐른다는 장점을 제공한다. 그러므로 기계 팬에 의해 발생된 온도 상승은 완전히 제거될 수 있다.

그러나, 높은 특정 등급의 터보발전기 제작의 목적에 있어서 흡입 냉각은 작동 조건에 의해 다소 제한된다. 냉각 시스템에 대한 요구조건이 계속해서 강화되는 결과로서 보통 제한-등급의 기계도 마찬가지로 유니트의 등급을 높일려는 목적이 항상 존재한다. 발전기의 일반적으로 닫힌 흡입 냉각 회로의 핵심력 및 구동력은 이 경우 회전자 축 상에 장착되어 있으며 냉각 경로 시스템의 가지를 통해 요구되는 양의 냉각 유동을 공급하는 팬이다. 흡입 냉각을 하는 공냉 발전기의 경우에 있어서, 비교적 큰 냉각 체적 유동은 냉각 회로 저항을 극복하기 위해 보통 작은 압력차 내지 중간 압력차가 요구된다. 그러므로 원칙적으로 축류형 팬이 바람직하다. 흡입 냉각을 하는 이런 발전기는 예를 들어 유럽 특허 출원 제 840 426 호에 개시되어 있다.

기본적인 유동 법칙에 따라, 축류팬은 입구부 및 출구부의 유동 설계가 블레이드의 영역에서 축방향의 유선형 유도를 허용하는 경우에만 효율적으로 작동한다. 또한, 팬의 구동 동력은 발전기의 균형에 상당히 영향을 미치므로 팬 스테이지의 효율을 증가시키거나, 또는 주어진 체적 유동 및 압력 증가에 대해 팬의 요구 구동 동력를 감소시키기 위해 회전자 출구에서 높은 운동 에너지로부터 압력 회복이 제어되게 하기 위해서는 하류 유도 기구의 구현이 요구된다.

축류팬의 입구 및 출구 영역의 설계에 관계된 종래의 효율 개선 수단은 보통 예로서 유럽 특허 제 682 399 호에 기재된 것처럼 축방향으로 엄청난 공간을 차지한다. 그러나, 높은 유니트 등급을 갖는 발전기의 경우, 기본적인 목적은 기계적 이유 및 축 동역학에 관련된 이유로 인하여 제한된 임펠러 길이로 베어링 사이의 임펠러 길이에서 전기적으로 사용 가능한 일부분 길이의 비를 최대화하는 것이다. 축류팬의 임펠러 및 블레이드를 구비한 가이드 휠의 알려진 조합은 불균형하게 큰 축방향 공간을 요구하는 것뿐만아니라 가이드 휠 블레이드 시스템과 회전하는 임펠러 블레이드에 의해 상류에 발생되는 웨이크 압력 강하의 상호작용 결과인 높은 소음 레벨이 단점이다.

도 1 은 냉각 회로에서 본 발명에 따른 편향 디퓨저를 갖는 공냉식 터보발전기의 길이방향 단면을 도시한다.

도 2 는 도 1 의 상세부(38)의 확대도를 도시한다.

도 3 은 도 1 의 상세부(38)의 제 1 설계 변형예를 도시한다.

도 4 는 도 1 의 상세부(38)의 또 다른 설계 변형예를 도시한다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 기계 하우징 2 : 부분 적층체

3 : 환기 슬릿 4 : 회전자

4a : 회전자 축 5,6 : 베어링 블록

7 : 베이스 10 : 베이스 통(sump)

11 : 냉각기 12 : 팬(Fan)

12a : 가이드 베인(vane) 13 : 평형 영역

14,16 : 저온 기체실 15,17: 고온 기체실

18 : 11의 고온 공기 상류 19 : 11의 저온 공기 하류

20 : 분리 벽부 21 : 내측 케이싱

22 : 하우징 프레임 23 : 반경방향 분리벽부

24 : 축방향 분리벽부 25 : 공기 간극

26 : 가이드 판 27 : 단부 권선

28 : 측벽부 36 : 편향 디퓨저

36a : 디퓨저 벽부 36b : 디퓨저 깔때기

37 : 외측 케이싱 38 : 상세도

39 : 유동 방향 화살표 40 : 가이드 베인

41 : 입구 영역 42 : 출구 영역

43 : 유동 채널 Lv : 20 과 21 사이의 거리

Lab : 36a 과 20 사이의 거리 Ro : 깔때기 반경

h : 43 의 높이 rA : 36a 의 외측 반경

r2 : 36a 의 내측 반경 b : 20 과 37 사이의 거리

종래 기술로부터 시작하여, 본 발명은 흡입 냉각 회로를 갖는 터보발전기에서 간단하고 경제적인 방법으로 가능한 한 작은 축방향 공간 내에 하류 유도 기구를 갖는 효과적으로 작동하는 축류팬 스테이지를 제공하는 목적에 기초한다.

이 목적은 본 발명에 따라 청구항 1 의 특징부, 특히 압력을 상당히 상승시키며 냉각 기체를 편향시키기 위한 편향 디퓨저로서 축류팬의 하류에 배치된 하류 유도 기구에 의해 수행된다. 이런 편향 디퓨저의 주어진 배치와 연속된 설치로, 압력 증가는 냉각 체적 유동의 상당한 증가를 초래하며, 반면에 주어진 냉각 공기 유동에 대해 상기 편향 디퓨저는 팬의 동력 소모가 감소되는 것을 허용하며, 따라서 전기 기계의 전체 효율이 증가되게 한다.

본 발명의 특히 유리한 개선은 상기 편향 디퓨저가 디퓨저 깔때기 및 디퓨저 벽부를 구비하며, 이 경우 디퓨저 깔대기가 축류팬 평면에서 축류팬의 입구 영역을 출구 영역으로부터 분리하는 분리벽 상에 배치되는 것에 의해 구별된다. 상기 디퓨저 벽부는 디퓨저 깔대기 하류에 배치된다.

또한, 상기 디퓨저 벽부가 환형 형상으로 설계되고 발전기의 외측 케이싱에 평행하게 배치되는 것이 특히 유리하다.

또 다른 바람직한 개선은 상기 디퓨저 벽부가 원추 형상으로 설계되며, 따라서 그 외측 반경이 그 내측 반경보다 외측 케이싱으로부터 짧은 거리에 있는 것에 의해 구별된다.

또한, 압력을 더 증가시키기 위해 다수의 가이드 베인이 디퓨저 벽부와 외측 케이싱 사이에 배치되는 것이 특히 유리하다.

본 발명의 또 다른 유리한 발명은 종속 청구항에서 발견될 수 있다.

본 발명은 도면을 참조하여 하기에 더 상세히 설명된다. 이 경우, 본 발명의 이해에 기본적인 요소들만이 개략적으로 도시된다.

도 1 에 도시된 공냉식 터보발전기는 부분 적층체(2)를 구비하는 적층 고정자 코어를 둘러 싸는 기계 하우징(1)을 구비한다. 반경방향 환기 슬릿(3)이 개개의 부분 적층체(2) 사이의 적층 고정자 코어에 설치된다. 회전자(4)는 도시되지 않은 베이스에 장착된 베어링 블록(5, 6) 상에 장착된다.

기계에 대한 냉각 장치는 베이스의 베이스 통(10)에 배치된다. 이것은 모듈식 구조이며, 실시예에서는 6 개의 서로 동일한 냉각기(11)를 구비한다. 이 경우 냉각기(11)의 입구 개방부는 회전자(4)의 양측에 배치된 팬(12)으로부터 출구 영역(42)에 연결되며, 냉각기(11)의 출구 개방부는 평형 영역(13)으로 통한다. 냉각기(11)를 통해 흐르는 냉각 기체는 화살표에 의해 표시되며, 이 경우 흘러 들어오는 고온 기체는 도면부호 (18)로 표시되며, 흘러 나오는 저온 기체는 (19)로 표시된다. 더 이상 상세히 기재되지 않은 모든 다른 화살표들은 냉각 기체의 냉각 회로를 나타낸다. 상기 냉각 회로는 기계가 냉각에 관해 대칭 구조이므로 기계의 한쪽 절반에만 화살표로 표시된다.

냉각 원리는 고온 기체(18)가 팬(12)에 의해 냉각기(11)로 공급되는 소위 역 또는 흡입 냉각이다. 저온 기체(19)는 냉각기(11)로부터 흘러 나와 평형 영역(13)을 통해 기계의 뒤쪽, 즉 기계 하우징(1)과 일부분의 적층체(2)로부터 형성된 적층 고정자 코어 사이의 영역으로 흘러 들어간다. 하우징 뒤에는, 고온 및 저온 기체 챔버(15, 17, 14, 및 16)가 하우징 프레임(24)과 반경방향 및 축방향 분리벽(23, 24)에 의해 형성된다. 상기 실시예에는, 각각 기계의 양단부에 하나의 저온 기체 챔버(14)가 있고, 기계 중앙부에 하나의 고온 기체 챔버(17)가 있으며, 각 경우에 기계의 수직 중앙의 양측면 상에 챔버(14, 17) 사이에 하나의 고온 기체 챔버(15) 및 하나의 저온 기체 챔버(16)가 있다.

평형 영역(13)에서는, 냉각 기체 유동이 저온 기체 챔버(14 및 16) 사이에 분배되어 부분적인 유동이 형성된다. 제 1 부분 유동은 가이드 판(26)과 내측 케이싱(21) 사이에서 회전자(4)로 직접 흐르며, 제 2 부분 유동은 단부 권선(27)을 통해 기계의 공기 간극(25)으로 흐르며, 제 3 냉각 기체는 저온 기체 챔버(16)와 환기 슬릿(3)을 통해 공기 간극(25)으로 흐른다. 상기 공기 간극(25)으로부터 상기 냉각 기체 유동은 팬(12)에 의해 내측 케이싱(21)과 각 팬의 반경방향 평면에 배치된 분리벽(20) 사이의 입구 영역(41)으로 흡입된 다음 베이스 통(10) 내의 냉각기(11) 쪽으로 힘을 받는다.

제한-등급의 기계에서 충분히 높은 압력에서 저온 기체(19)에 대한 많은 요구조건을 만족하기 위해, 회전자(4)의 양측 상의 출구 영역(42)은 본 발명에 따라 편향 디퓨저(36)를 구비한다. 이 편향 디퓨저(36)는 고온 기체(18)의 높은 운동 에너지로부터 팬(12) 하류의 상당한 제어된 압력 회복을 허용한다. 상기의 복잡한 냉각 기체 경로는 단위 시간당 더 많은 석탄 가스(19)가 공급될 수 있기때문에 고온 기체(18)로부터 회복된 이 압력은 터보발전기가 더 효율적인 냉각을 하게 한다. 그리하여, 주어진 팬 장치 및 이런 편향 디퓨저의 연속 설치에 대해, 압력 증가로 인해 냉각 체적 유동의 상당한 증가를 달성할 수 있지만, 대조적으로 주어진 냉각 공기 유동에 대한 팬의 소비 전력은 편향 디퓨저의 도움으로 감소되며, 따라서 전기 기계의 전체 효율은 증가한다.

또한, 본 발명에 따른 편향 디퓨저가 증가된 냉각을 제공하지만 베어링 블록 사이의 회전자(4)의 축방향 길이는 종래의 발전기와 비교할 때 동일하게 유지되며, 발전기의 유니트 등급은 증가될 수 있다.

도 2 는 편향 디퓨저(36)를 도시하기 위해 도 1 의 상세부(38)를 사용하는데, 상기 디퓨저는 분리벽(20) 상에 장착된 디퓨저 깔때기(36b) 및 그 위에 배치된 디퓨저 벽부(36a)를 구비한다. 이 디퓨저 벽부(36a)는 반경 방향으로 정렬되며, 터보발전기의 외측 케이싱(37)으로부터 일정 거리(b) 에 배치된다. 상기 외측 케이싱(37)은 환형으로 설계되며, 내측 반경(r2) 및 외측 반경(rA)을 가지며, 또한 분리벽(20)으로부터 일정 거리(Lab)에 있다.

상기 디퓨저 깔때기(36b)는 깔때기 반경(R0)을 구비하며, 깔때기 자체와 회전자(4)(도 1)의 회전자 축(4a) 사이에서 유동 화살표(39)로 나타내어진 냉각 기체에 대한 유동 채널(43)을 경계짓는다. 상기 유동 채널(43)의 높이는 h 로 표시되는데, 이것은 똑같이 대략 팬(12)(도 1)의 임펠러 블레이드(12a)의 높이에 대응한다. 상기 입구 영역(41)은 폭이 Lv 이며, 분리벽(20)과 팬 블레이드(12a)의 상류에 배치된 내측 케이싱(21) 사이에서 경계를 이룬다.

냉각 기체가 팬(12)을 관통해 통과할 때 흡수하는 운동 에너지로부터 최적의 압력 회복은 다음의 경계조건에 대해 얻어진다. 즉,

(1) 깔때기 반경(R0)은 유동 채벌(43)의 채널 높이(h)의 0.6배보다 크며,

(2) 디퓨저 벽부(36a)의 외측 반경(rA)은 내측 반경(r2)의 2배보다 작으며,

(3) 디퓨저 벽부(36a)의 외측 반경(rA)과 외측 케이싱(37) 사이의 거리(b)는 유동 채널(43)의 채널 높이(h)의 약 0.78 내지 0.9 배이며,

(4) 내측 케이싱(21)과 분리벽(20) 사이에서, 내측 채널(41)의 폭은 유동 채널(43)의 채널 높이(h)의 1.8 배 보다 크다.

하기의 수치예는 본 발명에 따른 편향 디퓨저에 의한 전형적인 압력 회복을 나타낸다.

공냉식 300MVA 50 Hz 터보발전기에서, 정압의 약 45% 압력 회복은 팬 하류의 운동 에너지로부터 얻어진다. 이 경우, 냉각 공기 체적 유동은 예를 들어, 30 m3/s의 값을 가지며, 채널 높이는 약 h = 140 mm 이며, 디퓨저 벽부의 외측 반경은 약 rA = 1000 mm 이며, 디퓨저 벽부와 외측 케이싱 사이의 거리는 약 b = 110 mm 이다. 또한, 분리벽(20)과 내측 케이싱(21) 사이의 거리는 약 Lv = 270 mm 이며, 디퓨저 벽부(36)의 내측 반경은 약 r2 = 700 mm 이며, 깔때기 반경은 약 R0 = 85 mm 이다.

상기 압력 회복은 발전기 하우징(1)의 매우 작은 축방향 영역에서 수행되는 것이 특히 유리하다. 이것은 베어링 블록(5, 6) 사이의 기계의 전체 길이가 증가함이 없이 편향 디퓨저를 갖는 터보발전기의 유니트 등급이 상당히 상승하게 한다.

본 발명에 따른 편향 디퓨저(36)의 제 1 설계 변형은 도 3 에 도시되어 있다. 다수의 가이드 베인(40)은 디퓨저 벽부(36a)와 외측 케이싱(37) 사이에 배치되며, 그중 하나만이 도시된다. 이 다수의 가이드 베인(40)은 냉각 기체의 운동 에너지로부터 더 압력 회복하기 위해 사용된다. 이 경우, 이 가이드 베인(40)의 구성 및 배치는 당업자의 직식 영역 내에 있으므로 상세한 기하학적 치수는 필요하지 않다. 블레이드 시스템이 디퓨저 벽부(36)의 반경방향 치수가 동일한 압력 회복에 대해 감소되게 하는 것은 이 경우 특히 유리하다.

본 발명에 따른 편향 디퓨저(36)의 또다른 설계 변형은 도 4 에 개시되었다. 디퓨저 벽부(36a)는 콘 형상으로 설계되며, 그 외측 반경(rA)은 그 내측 반경(r2) 보다 외측 케이싱(37)으로부터 더 짧은 거리(b)에 있다. 콘 형상의 디퓨저 벽부에 의해 제어된 감속, 및 이것과 연관된 유동 분리의 회피는 이미 설명된 압력 회복이 유유히 달성되게 한다.

본 발명은 여기에 기재된 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명의 사상으로부터 벗어남이 없이, 예를 들어, 콘 형상(도 4)의 디퓨저 벽부(36a)와, 디퓨저 벽부 (36a)와 외측 케이싱(37) 사이의 블레이드 시스템의 조합이 압력 회복을 위해 사용되는 것도 또한 상상할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 편향 디퓨저(36)가 소위 압력 냉각(흡입 냉각 대신)을 갖는 종래의 냉각 회로에 사용되거나 또는 특수한 냉각 기체로 예를 들어 헬륨과 같은 기체가 사용되는 것도 상상할 수 있다.

편향 디퓨저에 의해 팬의 동력 소모가 감소되어 전기 기계의 전체 효율이 증가된다. 또한 간단하고 경제적인 방법으로 가능한 한 작은 축방향 공간 내에 하류 유도 기구를 구비하여 효과적으로 작동하는 축류팬 스테이지를 제공할 수 있다.

Claims (10)

1. 축류팬(12) 및 냉각 기체의 압력을 상승시키기 위해 상기 축류팬(12)의 하류에 배치된 하류 유도 기구를 구비하며, 상기 냉각 기체가 축류팬(12)에 의해 축류팬(12)의 반경방향 평면에 배치된 분리벽(20)과 내측 케이싱(21)으로 경계를 이루는 입구 영역(41)으로부터 분리벽(20)과 외측 케이싱(37)으로 경계를 이루는 출구 영역(42)으로 강제 방식으로 보내지는 기체-냉각식 전기 기계에 있어서, 상기 하류 유도 기구는 냉각 기체 유동(39)을 실질적으로 축방향인 유동 방향으로부터 실질적으로 반경방향인 유동 방향으로 편향시키기 위해 편향 디퓨저(36)로서 설계되는 것을 특징으로 하는 기체-냉각식 전기 기계.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 편향 디퓨저(36)가 디퓨저 깔때기(36b) 및 디퓨저 벽부(36a)를 구비하며, 상기 디퓨저 깔때기(36b)는 상기 분리벽(20)에 대한 작은 깔때기 개방부를 통해 배치되며, 상기 디퓨저 벽부(36a)는 디퓨저 깔때기(36b)의 큰 깔때기 개방부상에 배치되며, 상기 디퓨저 벽부(36a)는 큰 깔때기 개방부에서 내측 반경(r2)를 갖고, 상기 디퓨저 벽부(36a)는 이 내측 반경(r2) 및 외측 반경(rA) 사이에서 신장하는 것을 특징으로 하는 기체-냉각식 전기 기계.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 디퓨저 벽부(36a)는 환형으로 설계되며, 축방향의 일정 거리(b)를 두고 외측 케이싱(37)에 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 기체-냉각식 전기 기계.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 디퓨저 벽부(36a)가 콘 형상으로 설계되어, 상기 디퓨저 벽부(36a)의 외측 반경(rA)이 내측 반경(r2)보다 외측 케이싱(37)으로부터 더 짧은 거리(b)에 있는 것을 특징으로 하는 기체-냉각식 전기 기계.
5. 제 2 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 디퓨저 깔때기(36b)가 깔때기 반경(R0)을 가지며, 상기 깔때기 반경(R0)은 유동 채널(43)의 채널 높이(h)의 0.6 배보다 크며, 상기 유동 채널(43)은 전기 기계의 회전자 축(4a)과 분리벽(20) 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 기체-냉각식 전기 기계.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 디퓨저 벽부(36a)의 외측 반경(rA)과 외측 케이싱(37) 사이의 거리(b)가 유동 채널(43)의 채널 높이(h)의 약 0.78 내지 0.9 배인 것을 특징으로 하는 기체-냉각식 전기 기계.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 내측 케이싱(21)과 분리벽(20) 사이의 입구 영역(41)이 폭(Lv)을 가지며, 상기 폭(Lv)이 유동 채널(43)의 채널 높이(h)의 1.8 배보다 큰 것을 특징으로 하는 기체-냉각식 전기 기계.
8. 제 2 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 디퓨저 벽부(36a)의 외측 반경(rA)이 내측 반경(r2)의 2배 보다 작은 것을 특징으로 하는 기체-냉각식 전기 기계.
9. 제 2 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 디퓨저 벽부(36a)와 외측 케이싱(37) 사이에 다수의 가이드 베인(40)이 배치되는 것을 특징으로 하는 기체-냉각식 전기 기계.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중의 어느 한 항에 있어서, 팬(12)에 의해 가열된 냉각 기체(고온 기체)가 상기 전기 기계의 바깥으로 빨려나가는 것을 특징으로 하는 기체-냉각식 전기 기계.