JP6990966B2 - 発電機回転子の擦過疲労亀裂修理法 - Google Patents

Description

本発明は、発電機回転子に関し、詳細には、軸方向に整列した回転子くさびの突合せ継手に位置する回転子歯内に擦過損傷および／または亀裂を被った発電機回転子の修理に関する。

ガスタービンおよび蒸気タービンと共に使用される発電機など、従来型のダイナモエレクトリック機械は、磁性材料の鍛造ロータを使用し、この鍛造ロータ内に、例えば所望の磁束パターンを生成するために相互接続される界磁巻線の導電ターンを受けるための半径方向スロットが機械加工される。一般に、このような従来型の回転子スロットの中に含まれるのは、スロットの上端および下端にあるクリーページブロック、ならびに回転子が作動状態であるとき巻線上に及ぼされる半径方向外向きの力に抵抗するためのコイルスロットくさびである。

一般にダブテール形状であるスロットくさびは、回転子が例えば毎分３６００回転で高速回転する間、銅コイルを適所に維持するために使用される。従来技術では、このようなコイルスロットくさびは、通常１５．２４センチメートル（６インチ）から３０．４８センチメートル（１２インチ）の長さであり、特に、高電気定格のより長い回転子では、多数のこのようなくさびがコイルスロットごとに必要とされる。組立体の全体速度を上げることに加えて、このような組立体に必要とされる部品数を減らそうとして、全長くさびが、特定の用途で使用されてきた。他の用途では、誤差が、全長くさびの使用を妨げ、これらの場合では、各回転子スロットで２つ以上のくさびが、使用されている。しかしながら、いくつかの発電機の半径方向スロット壁では、隣接する回転子くさびの間の突合せ継手に、鋼製くさびの端部に見られる擦過損傷が原因と思われる亀裂が発見されてきた。回転子の中に亀裂がそのままある場合、こうした亀裂は、大きくなって、回転子の破局的な故障を引き起こす可能性があり得る。

擦過疲労の問題に対する１つの従来の解決策は、損傷した歯材料を機械加工で取り除き、複数の元の短い鋼製回転子ポールくさびを、単一の全長アルミニウムくさびと取り替えることであった。しかしながら、すでに前述したように、全長くさびを使用することができず、複数のより短い、原寸のくさびを連続して使用する必要のある発電機回転子が多数存在する。

米国特許第６８４９９７２号明細書

本発明は、鋼製回転子くさびの突合せ継手の回転子歯に擦過疲労損傷を有する発電機回転子を修理するための工程を提供する。修理工程は、何らかの損傷材料を機械加工で取り除くことで、既存の亀裂を実質的になくして、回転子の低サイクルおよび高サイクル疲労寿命の短縮を最小限にとどめる形状を作り出す。

１つの実施形態では、スロット側壁は、垂直入口面およびテーパの付いた、半径方向外向きのダブテール面の両方に沿って機械加工されて、損傷材料を除去する片面溝を形づくる。機械加工区域は、回転子の低サイクルおよび高サイクル疲労寿命の短縮をほんの最小限にとどめる方法において凹形状である。

別の実施形態では、機械加工工程は、中間垂直線（またはダブテールの半径方向面）へと続けられ、この区域では、機械加工区域が逆Ｔ字形状を呈するように、軸方向の反対方向に延伸される。

将来の擦過損傷は、損傷材料を除去することだけでなく、さらに元の鋼製くさびを類似した大きさのアルミニウムくさびと取り替えることによって、実質的に解消される。この解決策は、大規模機械加工または高速ロータバランス作業を必要としないという点において好都合であり、したがって、現場での実施に適している。くさびが取り替えられる時、隣接するくさび間の突合せ継手は、修理区域と一直線になっていてもよく、または修理区域からオフセットされていてもよい。

したがって、本発明の一態様では、方法は、ダイナモエレクトリック機械の回転子コイルスロット壁のダブテール部分の少なくとも片側にある亀裂を補修または修理するための方法が提供される。回転子コイルスロット壁は、内向きテーパ面に連結される半径方向入口面を少なくとも含み、内向きテーパ面は、中間の半径方向面に連結される。方法は、半径方向入口面および内向きテーパ面に第１の溝を機械加工する第１の機械加工ステップを含む。第１の溝は、中間の半径方向面まで線形に延び、第１の溝は、平滑な線形面が、第１の溝の長さに沿って作り出されるように構成される。第２の機械加工ステップは、第１の溝と実質的に直角な向きの中間の半径方向面に第２の溝を機械加工する。第２の溝の少なくとも一部は、第１の溝の一部に接触する。第１の溝および第２の溝の少なくとも１つは、コイルスロット壁から損傷材料を除去するように構成される。

本発明の別の態様では、発電機の回転子コイルスロット壁のダブテール部分の少なくとも片側にある亀裂を補修または修理する方法が提供される。回転子コイルスロット壁は、内向きテーパ面に連結される半径方向入口面を含み、内向きテーパ面は、中間の半径方向面に連結される。半径方向入口面と中間の半径方向面は、互いに対して実質的に平行である。方法は、半径方向入口面および内向きテーパ面において、第１の溝を機械加工する第１の機械加工ステップを含む。第１の溝は、外側回転子面から中間の半径方向面まで線形に延び、第１の溝は、平滑な線形面が、第１の溝の長さに沿って作り出されるように構成される。第２の機械加工ステップは、第１の溝と実質的に直角で、発電機に対して実質的に軸方向の向きの中間の半径方向面に第２の溝を機械加工する。第２の溝の少なくとも一部は、第１の溝の一部に接触する。第１の溝および第２の溝の少なくとも１つは、コイルスロット壁から損傷材料を除去するように、またはコイルスロット壁の損傷に備えた予防的処置として働くように構成される。

次に、この後確認される図面と関連させて、本発明を詳細に説明する。

半径方向に向いたコイルスロットを含む従来型の発電機回転子の側面図である。 図１の線２－２に沿う回転子本体の部分断面図である。 典型的なコイルスロットおよびその中味を通る断面図である。 本発明の一態様による、損傷区域が機械加工で取り除かれた回転子スロットの断面図である。 本発明の一態様による、図４から取り出した拡大詳細図である。 本発明の一態様による、損傷区域がスロット壁から機械加工で取り除かれているのを示す回転子スロットの斜視図である。 本発明の一態様による、隣接するくさびをシルエットで示した、図６に示す回転子スロットの平面図である。 本発明の一態様による、第１および第２の溝がスロット壁に機械加工されているのを示す、回転子スロットの側面図である。

図１および図２は、ダイナモエレクトリック機械用の典型的な回転子１０を示し、回転子は、タービンまたは減速ギアユニットと接続するための回転子端シャフト部分１２、１４およびカップリング１６、１８などの従来型の要素を含む。ここで特定の有意性を有するのは、回転子の中間部の周りに周方向で配置された軸方向に向けられるコイルスロット２０であり、これは、銅製界磁巻線またはコイルを保持するために使用される。

図３をさらに参照すると、コイルスロット２０はそれぞれ、半径方向に向いており、半径方向外向きの順序で、絶縁銅コイル２２、クリーページブロック２４、および複数の軸方向に整列したスロットくさび２６を典型的には含む。くさびは、断面図では概ねダブテール形状を有しており、回転子が高速回転する間、銅コイル２２およびクリーページブロック２４を適所に維持するように位置付けられて配置される。スロットくさび２６は、銅導体またはコイル、ならびにクリーページブロック２４を貫通する通気チャネル３０（１つ示す）と概ね整列している通気孔２８（１つ示す）をさらに含有することができる。

擦過疲労損傷は、コイルスロット２０において、具体的にはスロット壁において、軸方向に隣接する鋼製回転子くさび２６の突合せ継手（一対の隣接するくさび３２、３４の間の突合せ継手７０が、図７においてシルエットで示される）で発生した。擦過は、構成要素間の接合部が、接合面の部分上での微小な接線変位に連結される繰返し荷重に曝されるときはいつでも発生する。擦過に因って起きた亀裂が、回転子で観察された、回転子スロット２０、特にスロット壁３８のダブテール形状部分３６（図４および図５参照）とくさび２６の間の接触の仕組みをモデル化するために、２次元（半径方向軸の）有限要素擦過モデルが、開発された。モデルは、擦過機構を質的に理解できるようにし、さまざまなくさび再設計オプションの予備評価ための基準を提供した。

本発明は、回転子歯の擦過亀裂の修理に関して、２つの重要な態様を有する。最初に、損傷材料を研削して回転子から取り除いて、局部応力場を、修理された端部の近くで変える。図４および図５を参照すると、機械加工区域は、スロット壁３８のくさびを受けるダブテール部分３６の中にある。すでに述べたように、これは、特に２つの当接する鋼製くさびの接合面で擦過亀裂を起こしやすい、スロット壁の区域である。外側回転子面５０は、回転子の最外部分を形づくる。コイルスロット２０は、半径方向入口面５１、内向きテーパ面５２、および中間の半径方向面５３を含む。スロット２０の対向側は、対向構成で、同じ面を有する。半径方向入口面５１は、内向きテーパ面５２に連結されるまで半径方向に下方へ延びている。内向きテーパ面は、折れ曲がって、中間の半径方向面５３に連結される。

本発明による修理法は、適した形状および大きさの機械加工ビット（例えば、０．６２５”直径ビット）を使用して、半径方向入口面５１および内向きテーパ面５２の両方に第１の溝５４を機械加工することができる。第１の溝５４は、中間の半径方向面５３まで直線的に延びている。第１の溝５４は、半径方向入口面５１と内向きテーパ面５２の間で、第１の溝の表面沿いにエッジの不連続性が形成されることを防止するようにさらに構成される。第１の溝の中央領域は、亀裂が起こりそうな場所の材料を除去する。機械加工後の検査は、特に亀裂が起こりそうな場所において、第１の溝の線状（すなわち直線になった）面によって容易になる。第１の溝が非線形構成（例えば、互いに対してある角度を成す２つの線／面によって形成される）を有していれば、その場合、機械加工後検査は、２つの線／面の間のこのエッジの不連続性が原因で、より困難になるであろう。エッジの不連続性を除去する（または防止する）ことによって、機械加工後渦流探傷検査（例えば亀裂に関する検査）は、第１の溝沿いの連続した平滑で線形な面によって容易になる。第１の溝５４を、半径方向入口面５１から約２０度の方向に延びるように向けることができる。あるいは、第１の溝５４を、外側回転子面５０から約７０度の方向に延びるように向けてもよい。これらの角度は、単なる例にすぎず、選択される特定の角度は、特定の用途で所望されるように、所与の例から変えることができる。ある重要な特徴は、第１の溝が外側回転子面５０／半径方向入口面５１から中間の半径方向面５３まで実質的に線形に延びるということである。この線形構成は、半径方向入口とコイルスロット２０の内向きテーパ部分の間の溝面上にエッジの不連続性が形成されるのを防止する。単なる例として、第１の溝５４は、約４．９５３ミリメートル（０．１９５インチ）の最大深さおよび約９．３９８ミリメートル（０．３７インチ）以上の幅を有することができる。最大深さは、この幾何形状がより容易に亀裂を除去するように、選択され、すなわち、輪郭の最も深い部分（大部分の材料が除去されるところ）は、あり得る亀裂が最も起こりそうな場所であるということである。しかしながら、深さおよび幅で選択される特定の値は、特定の用途において、および特定の機械では変わることを理解されたい。

第２の溝５５を、中間の半径方向面５３に機械加工することができる。第２の溝５３は、第１の溝５４に対して実質的に垂直方向に向いている。例えば、第２の溝５５は、回転子１０に対する軸方向に機械加工することができる。第２の溝５５は、図４に示すように、第１の溝５４の一部に接触するようにさらに構成することができる。第１の溝５４および／または第２の溝５５は、コイルスロット壁から損傷材料（例えば亀裂）を除去するように構成され、両方の溝５４、５５は、コイルスロット壁への将来の損傷に備えた予防的処置として機能することができる。機械加工作業は、第１の凹溝５４および第２の凹溝５５を作成することができる。材料を機械加工して溝状部分を形成すれば、両方の部分の境界沿いの尖ったエッジに、丸みを付けることができる。この方法の機械加工は、回転子の低サイクルおよび高サイクル疲労寿命の短縮を最小限にとどめる。適切な場合には（すなわち亀裂位置および亀裂の度合いに応じて）、第１の溝５４だけを形成することによって、修理を達成させることもできる。くさびが取り替えられる時、隣接するくさび間の突合せ継手は、機械加工領域の中央に（すなわち溝５４を通る半径方向中心線上に）置くことができる。あるいは、くさび突合せ継手は、修理区域から軸方向にオフセットされていてもよい。

図６は、損傷区域がスロット壁から機械加工で取り除かれているのを示す（図５では断面で示される）、回転子スロットの斜視図である。第１の溝５４は、線形様式で外側回転子面５０および／または半径方向入口面５１から、中間の半径方向面５３に到達するまで延びている。第１の溝５４は、第２の溝５５より幅が広いように構成されてもよい。例えば、第２の溝５５の高さ（半径方向に測定した）が、約８．８９ミリメートル（０．３５インチ）である場合、その時、第１の溝５４の幅（軸方向に測定した）は、約１７．７８ミリメートル（０．７０インチ）であってもよい。見て分るように、第２の溝は、軸方向に中間の半径方向面に沿って延びている。第２の溝の軸方向長さは、約２５．４ミリメートル（１．０インチ）から約５０．８ミリメートル（２．０インチ）まで、または特定の用途で所望される任意の適切な長さであってもよい。第１の溝および第２の溝の両方は、互いに接触するように構成され、応力点を最小にする、またはなくすために、すべての溝エッジに、丸みを付けることができる。

図７は、隣接するくさびをシルエットで示した、図６に示す回転子スロットの平面図である。突合せ継手７０は、２つの軸方向に隣接する回転子くさび３２、３４の間に示される。第１の溝５４は、これが擦過損傷を最も被りそうな領域であるので、中心が突合せ継手７０の上に置かれ、その向かいに位置している。したがって、機械加工された第１および第２の溝５４、５５は、第１の溝５４がステムの役割をし、第２の溝５５が「Ｔ」字形の横材の役割をしながら、逆「Ｔ」字形状を呈している。溝５４、５５を通る中心線は、この場合も、くさびの間の突合せ継手と一直線になっていてもよく、またはそれから軸方向にオフセットされていてもよいことをさらに留意されたい。

図８は、本発明の一態様による、第１および第２の溝がスロット壁に機械加工されているのを示す回転子スロットの側面図である。この図は、スロット壁３８の方を向きながら、コイルスロット２０の内側から見たものである。第１の溝５４は、平滑面と、亀裂が除去されている見込みが最もある溝に沿った位置での機械加工後検査を容易にする線形に延びる溝とを形づくる。

機械修理が完了した時点で、鋼製くさび３２、３４を、修理区域に対して同じ位置に配置される同じ大きさのアルミニウムくさびと取り替えれば好ましい。これは、回転子の将来の擦過損傷の可能性を最小限にする目的で示されてきた。しかしながら、特に例えばアルミニウムくさびが利用できない場合には、交換くさびが鋼製でもよい。

さらに、図面は、スロットの対向側の修理区域を示していることに留意されたい。亀裂がスロットの片側だけに現れる場合、修理手順はそちら側に限定することができる。しかしながら、対向側にも予防的処置として機械加工を施してもよい。

この書面による明細は、例を用いて、最良の形態を含む、本発明を開示し、さらに、どのような当業者であっても、何らかの装置またはシステムを製作し使用すること、および何らかの組み込まれた方法を実行することを含め、本発明を実施することができるようにしている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者であれば思いつく他の例を含み得る。それらが特許請求の範囲の文字通りの言語と異なっていない構造的要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文字通りの言語とは非実質的な違いしかない等価な構造的要素を含む場合、そのような他の例は、特許請求の範囲に含まれるように意図される。

１０ 回転子
１２ 端シャフト部分
１４ 端シャフト部分
１６ カップリング
１８ カップリング
２０ コイルスロット
２２ コイル
２４ クリーページブロック
２６ スロットくさび
２８ 通気孔
３０ 通気チャネル
３２ くさび
３４ くさび
３６ ダブテール形状部分
３８ スロット壁
５０ 外側回転子面
５１ 半径方向入口面
５２ 内向きテーパ面
５３ 中間の半径方向面
５４ 第１の溝
５５ 第２の溝
７０ 突合せ継手

Claims (8)

1. ダイナモエレクトリック機械の回転子コイルスロット壁（３８）のダブテール部分（３６）の少なくとも片側にある亀裂を補修または修理する方法であって、前記回転子コイルスロット壁（３８）が、内向きテーパ面（５２）に連結される半径方向入口面（５１）を含み、前記内向きテーパ面（５２）が、中間の半径方向面（５３）に連結され、
   前記中間の半径方向面（５３）が前記半径方向入口面（５１）に対して周方向にシフトして配置され、
   前記内向きテーパ面（５２）が、前記半径方向入口面（５１）に対して２０度よりも大きい鋭角で傾斜して配置され、
   前記半径方向入口面（５１）および前記内向きテーパ面（５２）に丸みを有する第１の溝（５４）を機械加工することであって、前記第１の溝（５４）が、前記中間の半径方向面（５３）の終端まで線形に連続的に延びる単一の溝を備え、前記第１の溝（５４）が、平滑な線形面が、前記第１の溝（５４）の長さに沿って作り出されるように構成され、前記第１の溝（５４）が、前記半径方向入口面（５１）から約２０度の方向に延びるように向く、第１の溝（５４）を機械加工することと、
   前記中間の半径方向面（５３）に前記発電機に対して実質的に軸方向の向きで前記第１の溝（５４）と実質的に直角な向きの第２の溝（５５）を機械加工することであって、前記第２の溝（５５）の少なくとも一部が、前記第１の溝（５４）の一部に接触する、第２の溝（５５）を機械加工することとを含み、
   前記第１の溝（５４）および前記第２の溝（５５）の少なくとも１つが、前記コイルスロット壁（３８）から損傷材料を除去するように構成され、
   回転子の最外部分を形成する外側回転子面（５０）における前記第１の溝（５４）の幅が、前記半径方向入口面（５１）および前記内向きテーパ面（５２）の境界における前記第１の溝（５４）の幅よりも狭い、方法。
2. 発電機の回転子コイルスロット壁（３８）のダブテール部分（３６）の少なくとも片側にある亀裂を補修または修理する方法であって、前記回転子コイルスロット壁（３８）が、内向きテーパ面（５２）に連結される半径方向入口面（５１）を含み、前記内向きテーパ面（５２）が、中間の半径方向面（５３）に連結され、前記半径方向入口面（５１）および前記中間の半径方向面（５３）が、互いに実質的に平行であり、
   前記中間の半径方向面（５３）が前記半径方向入口面（５１）に対して周方向にシフトして配置され、
   前記内向きテーパ面（５２）が、前記半径方向入口面（５１）に対して２０度よりも大きい鋭角で傾斜して配置され、
   前記半径方向入口面（５１）および前記内向きテーパ面（５２）に丸みを有する第１の溝（５４）を機械加工することであって、前記第１の溝（５４）が、外側回転子面（５０）から前記中間の半径方向面（５３）の終端まで線形に連続的に延びる単一の溝を備え、前記第１の溝（５４）が、平滑な線形面が、前記第１の溝（５４）の長さに沿って作り出されるように構成され、前記第１の溝（５４）が、前記半径方向入口面（５１）から約２０度の方向または前記外側回転子面（５０）から約７０度の方向に延びるように向く、第１の溝（５４）を機械加工することと、
   前記第１の溝（５４）と実質的に直角で、前記発電機に対して実質的に軸方向の向きの前記中間の半径方向面（５３）に第２の溝（５５）を機械加工することであって、前記第２の溝（５５）の少なくとも一部が、前記第１の溝（５４）の一部に接触する、第２の溝（５５）を機械加工することとを含み、
   前記第１の溝（５４）および前記第２の溝（５５）の少なくとも１つが、前記コイルスロット壁（３８）から損傷材料を除去するように構成され、
   回転子の最外部分を形成する外側回転子面（５０）における前記第１の溝（５４）の幅が、前記半径方向入口面（５１）および前記内向きテーパ面（５２）の境界における前記第１の溝（５４）の幅よりも狭い、方法。
3. 前記第１の溝（５４）が、約４．９５３ミリメートル（０．１９５インチ）の最大深さを有する、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第１の溝（５４）が、約９．３９８ミリメートル（０．３７インチ）以上の幅を有する、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 前記第１の溝（５４）および前記第２の溝（５５）が、凹形である、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 前記第１の溝（５４）が、２つの軸方向に隣接する交換くさびの間の突合せ継手（７０）の上の中心に置かれるように、少なくとも２つの軸方向に隣接する鋼製くさびをアルミニウム交換くさびと取り替えることをさらに含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 前記第１の溝（５４）および前記第２の溝（５５）のエッジに丸みを付ける、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
8. 前記ダイナモエレクトリック機械が、電動機または発電機である、請求項１記載の方法。

Images