KR102849008B1

KR102849008B1 - 고압 공랭식 발전기

Info

Publication number: KR102849008B1
Application number: KR1020237035090A
Authority: KR
Inventors: 라울 리카르도 리코; 크리스토퍼 로리; 조슈아 알. 브라운; 현기 이; 토마스 발렌타; 데이비드 홀란드
Original assignee: 지멘스 에너지, 인코포레이티드
Priority date: 2021-03-17
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2025-08-20
Anticipated expiration: 2041-03-17
Also published as: US20240213832A1; WO2022197289A1; US12537402B2; CN116982244A; EP4292205A1; KR20230158545A

Abstract

회전자 슬롯을 갖는 회전자 샤프트를 포함하는 발전기 회전자는 회전자 슬롯 내에 적어도 부분적으로 배치된 회전자 권선 및 회전자 샤프트에 결합되고 회전자 샤프트를 따라 축선방향으로 연장되며 회전자 슬롯으로부터 회전자 권선의 반경방향 이동을 억제하도록 포지셔닝되는 웨지를 포함한다. 시일 부재는 웨지에 결합되고, 웨지를 따라 축선방향으로 연장된다. 시일 부재는 웨지 및 회전자 샤프트와 협력하여 이들 사이에 시일을 획정한다. 웨지, 시일 부재 및 회전자 샤프트는 고압 냉각제를 포함하도록 작동 가능한 밀폐 공간을 적어도 부분적으로 획정하도록 협력한다.

Description

고압 공랭식 발전기

[0001] 발전기들, 특히 3 상 동기식 발전기들은 가스 터빈, 증기 터빈, 풍력 터빈, 수력 터빈 등과 같은 원동기를 사용하여 계통에 적합한 전기를 생성하기 위한 발전 활동들에 종종 사용된다. 발전기들은 일반적으로 작동 동안 고정된 상태로 유지되는 고정자와 고정자에 대해 회전하는 회전자를 포함한다. 회전자는 종종 회전할 때 고정자와 상호 작용하여 원하는 주파수 및 전압에서 원하는 전류를 생성하는 둘 이상의 극들을 포함한다.

[0002] 발전기의 전력 밀도는 전기자의 전류 밀도, 그리고 더 나아가 필드 권선(즉, 회전자)의 전류 밀도의 함수이다. 기존의 공기 냉각이 제공할 수 있는 것보다 더 높은 전류 밀도들로 작동하기 위해, 필드 권선은 공기(예를 들어, 수소)에 비해 열역학적 특성들이 개선된 유체를 사용하여 직접 냉각될 수 있다.

[0003] 일 양태에서, 발전기 회전자는 회전자 슬롯을 갖는 회전자 샤프트를 포함하고, 회전자 슬롯 내에 적어도 부분적으로 배치된 회전자 권선과 회전자 샤프트에 결합되고 회전자 샤프트를 따라 축선 방향으로 연장되는 웨지(wedge)를 포함하며, 웨지는 회전자 슬롯으로부터 회전자 권선의 반경 방향 이동을 억제하도록 포지셔닝된다. 시일 부재는 웨지에 결합되어 웨지를 따라 축선 방향으로 연장된다. 시일 부재는 웨지 및 회전자 샤프트와 협력하여 그들 사이에 시일(seal)을 형성한다. 웨지, 시일 부재 및 회전자 샤프트는 고압 냉각제를 포함하도록 작동 가능한 밀폐 공간을 적어도 부분적으로 획정하기 위해 협력한다.

[0004] 다른 양태에서, 발전기 회전자는 회전자 슬롯을 갖는 회전자 샤프트를 포함한다. 회전자는 회전자 슬롯 내에 적어도 부분적으로 배치된 회전자 권선, 회전자 샤프트에 결합되고 회전자 슬롯으로부터 회전자 권선의 반경 방향 이동을 억제하도록 포지셔닝된 웨지 및 웨지에 결합된 시일 부재를 포함한다. 시일 부재는 웨지 및 회전자 샤프트와 협력하여 제1 공간을 획정한다. 제1 리테이닝 링은 회전자 샤프트에 결합되어 제1 리테이닝 링과 회전자 샤프트 사이의 제2 공간을 획정하고, 제2 리테이닝 링은 회전자 샤프트에 결합되어 제2 리테이닝 링과 회전자 샤프트 사이의 제3 공간을 획정한다. 제2 공간은 고압 냉각제를 수용하고 고압 냉각제를 제1 공간과 제3 공간으로 유도하도록 구성된다.

[0005] 다른 양태에서, 발전기 회전자는 회전자 슬롯을 갖는 회전자 샤프트를 포함한다. 회전자는 회전자 슬롯 내에 적어도 부분적으로 배치된 회전자 권선 및 회전자 샤프트에 결합되고 축선 방향으로 연장되는 웨지를 포함한다. 웨지는 회전자 슬롯으로부터 회전자 권선의 반경 방향 이동을 억제하도록 포지셔닝된다. 웨지 인서트는 웨지에 인접하여 포지셔닝되고, 웨지 캡은 웨지 인서트에 인접하여 포지셔닝되어 웨지 캡과 웨지 사이에 웨지 인서트를 끼우며, 웨지 볼트는 웨지와 나사산 결합되어 축선 방향으로 웨지 인서트를 압박하고 반경 방향 및 원주 방향으로 웨지 인서트를 확장하도록 작동할 수 있다. 링 시일은 회전자의 원주 주위로 연장되고, 웨지 인서트의 축선 방향 외측에 포지셔닝되고, 보조 시일은 회전자의 원주 주위로 연장되고 웨지 인서트의 축선 방향 내측에 포지셔닝되며, 리테이닝 링은 웨지에 결합되어 링 시일, 웨지 인서트 및 보조 시일 각각이 리테이닝 링 및 웨지와 협력하여 그들 사이에 시일을 형성하도록 한다.

[0006] 임의의 특정 요소 또는 행위에 대한 논의를 쉽게 식별하기 위해, 참조 번호에서 가장 중요한 자릿수 또는 자릿수들은 해당 요소가 처음 도입되는 도면 번호를 참조한다.
[0007] 도 1은 발전기 중심선, 회전축 또는 종축을 따라 취해진 발전기의 단면도이다.
[0008] 도 2는 도 1의 발전기에 사용하기 적합한 회전자의 사시도이다.
[0009] 도 3은 도 1의 발전기에 사용하기 적합한 고정자의 일부의 사시도이다.
[0010] 도 4는 도 1의 발전기에 사용하기 적합한 회전자의 사시도이다.
[0011] 도 5는 도 1의 발전기에 사용하기 적합한 가압 회전자 냉각 시스템을 포함하는 회전자의 사시 단면도이다.
[0012] 도 6은 도 5의 회전자의 회전자 슬롯의 일부의 축선 방향 단부도이다.
[0013] 도 7은 도 6의 슬롯의 일부의 개략적인 단면도이다.
[0014] 도 8은 제1 링 시일 영역을 예시하는 도 5의 회전자의 슬롯의 축 방향 단부의 일부를 부분적으로 발췌한 사시도이다.
[0015] 도 9는 다른 제1 링 시일 영역을 예시하는 도 5의 회전자의 슬롯의 다른 축 방향 단부의 일부를 부분적으로 발췌한 사시도이다.
[0016] 도 10은 다른 제1 링 시일 영역을 예시하는 도 5의 회전자의 슬롯의 다른 축 방향 단부의 일부를 부분적으로 발췌한 사시도이다.
[0017] 도 11은 다른 제1 링 시일 영역을 예시하는 도 5의 회전자의 슬롯의 다른 축 방향 단부의 일부를 부분적으로 발췌한 사시도이다.

[0018] 본 발명의 임의의 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 본 출원에 있어서 본 명세서에 기재되거나 이하의 도면들에 예시된 구성의 상세들 및 구성요소들의 배열에 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예들이 가능하며 다양한 방식들로 실시되거나 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 문구 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며, 이를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다.

[0019] 이제, 시스템들 및 방법들과 관련된 다양한 기술들이 도면들을 참조하여 설명될 것이며, 여기서 동일한 참조 부호들은 전체적으로 동일한 요소들을 나타낸다. 후술되는 도면들 및 본 특허 문서에서 본 개시의 원리들을 설명하기 위해 사용되는 다양한 실시예들은 단지 예시적인 것이며, 어떠한 방식으로든 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 당업자들은 본 개시의 원리들이 적절하게 배열된 임의의 장치에서 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 특정 시스템 요소들에 의해 수행되는 것으로 설명되는 기능은 다수의 요소들에 의해 수행될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 유사하게, 예를 들어, 요소들은 다수의 요소들에 의해 수행되는 것으로 설명되는 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 본 출원의 수많은 혁신적 교시내용들은 예시적인 비 제한적 실시예들을 참조하여 설명될 것이다.

[0020] 또한, 본 명세서에 사용되는 단어들이나 문구들은 일부 예들에서 명시적으로 제한되지 않는 한, 광범위하게 해석되어야 한다는 점을 이해해야 한다. 예를 들어, "포함하는(including)", "갖는(having)"이라는 용어 및 그 파생어들은 제한 없이 포함을 의미한다. 단수형 표현들은 문맥에서 달리 명시되지 않는 한 복수형들도 포함하는 것으로 간주된다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "및/또는(and/or)"이라는 용어는 나열된 항목들 중 연관된 하나 이상의 항목들의 임의의 그리고 가능한 모든 조합들을 의미하며 이를 포괄한다. "또는(or)"이라는 용어는 문맥상 달리 명시되지 않는 한 포괄적인 의미이며 및/또는을 의미한다. "연관된(associated with)"이라는 문구 및 그 파생어들은 포함하는, 포함되는, 상호연결하는, 함유하는, 함유되는, ~에 또는 ~와 연결하는, ~에 또는 ~와 결합하는, ~와 연통 가능한, ~와 협력하는, 개재하는, 병치하는, 근접하는, ~에 또는 ~로 제한되는, ~의 특성을 갖는 등을 의미할 수 있다. 또한, 본 명세서에 다수의 실시예들 또는 구성들이 설명될 수 있지만, 하나의 실시예와 관련하여 설명된 임의의 특징들, 방법들, 단계들, 구성요소들 등은 반대되는 특정 진술이 없는 한 다른 실시예들에도 동일하게 적용 가능하다.

[0021] 또한, "제1(first)", "제2(second)", "제3(third)" 등의 용어들이 본 명세서에서 다양한 요소들, 정보, 기능들 또는 행위들을 지칭하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 정보, 기능들 또는 행위들은 이러한 용어들에 의해 제한되어서는 안 된다. 오히려 이러한 숫자 형용사들은 서로 다른 요소들, 정보, 기능들 또는 행위들을 서로 구별하는 데 사용된다. 예를 들어, 본 개시의 범위를 벗어남이 없이, 제1 요소, 정보, 기능 또는 행위는 제2 요소, 정보, 기능 또는 행위로 불릴 수 있고, 마찬가지로, 제2 요소, 정보, 기능 또는 행위는 제1 요소, 정보, 기능 또는 행위로 불릴 수 있다.

[0022] 또한, "인접한(adjacent to)"이라는 용어는 문맥에서 달리 명시되지 않는 한, 요소가 추가 요소에 상대적으로 가깝지만 접촉하지 않거나, 요소가 추가 부분과 접촉하고 있다는 것을 의미할 수 있다. 또한 "~에 기초하여(based on)"라는 문구는 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 "적어도 부분적으로, ~에 기초하여(based, at least in part, on)"를 의미하는 것으로 간주된다. "약(about)" 또는 "실질적으로(substantially)" 또는 이와 유사한 용어들은 해당 치수에 대한 일반적인 업계 제조 허용 오차들 내에 있는 값의 변동들을 포괄하기 위한 것이다. 업계 표준이 없는 경우, 달리 명시되지 않는 한 20 ％의 변동은 이러한 용어들의 의미에 포함된다.

[0023] 도 1에 예시된 바와 같이, 발전기(100)는 고정자(300) 및 고정자(300) 내에서 회전을 위해 지지되는 회전자(200)를 포함한다. 고정자(300)는 고정자 코어(104)를 둘러싸고 실질적으로 에워싸는 고정자 하우징(102)을 포함한다. 고정자 코어(104)는 종종 종방향으로(회전 축선을 따라) 적층된 다수의 적층체들(116)로 구성된다. 각각의 적층체(116)는 절결부들을 포함하거나, 회전자(200)를 수용하는 크기의 보어(bore)(118)를 포함하여 회전자 본체(120)의 원하는 특징들을 규정하도록 다른 형태로 형성된다.

[0024] 일부 구성들에서, 고정자 냉각 시스템(106)은 고정자(300)를 냉각시키고 고정자(300)의 효율 및 전력 밀도를 향상시키기 위해 제공된다. 일부 구성들에서는, 냉각 가스가 고정자 냉각제로서 사용된다. 그러나, 더 큰 고정자들(300)은 수냉과 같은 액체 냉각을 포함할 수 있다.

[0025] 회전자(200)는 회전자 본체(120), 회전자 샤프트(122) 및 회전자 샤프트(122)에 결합된 2 개의 리테이닝 링(114)을 포함한다. 많은 경우들에 있어서, 회전자 본체(120)는 회전자 샤프트(122)의 일부로 간주된다. 예시된 회전자 샤프트(122)는 회전자(200)의 각각의 단부에 포지셔닝된 베어링(110)에 의해 회전을 위해 지지된다. 터빈 커플링(108)은 터빈(예를 들어, 연소 터빈, 증기 터빈, 수력 터빈, 풍력 터빈 등) 또는 다른 원동기에 대한 회전자(200)의 연결을 용이하게 하기 위해 회전자(200)의 일단부에 포지셔닝된다. 회전자(200)의 타단부는 여자기 또는 다른 회전 장비에 연결할 수 있는 여자기 커플링(112)을 포함할 수 있다.

[0026] 도 1에 예시된 발전기(100)는 동기식 발전기(100)이다. 그러나, 비동기식 발전기들 또는 모터들은 본 명세서에 설명된 특징들을 포함할 수 있다.

[0027] 도 2는 도 1의 회전자(200)를 보다 상세하게 예시한다. 회전자 본체(120)는 회전자 본체(120)를 따라 종방향으로 연장되는 일련의 회전자 슬롯들(202)을 포함한다. 회전자 권선들(204)은 하나 이상의 극들의 쌍들을 형성하기 위해 회전자 슬롯들(202) 내에 포지셔닝된다. 예시된 구성에서는 회전자 권선들(204)에 의해 두 개의 극들이 형성된다. 그러나, 다른 구성들은 원하는 경우 4 개의 극들, 8 개의 극들 또는 그보다 많은 극들을 포함할 수 있다. 때때로 필드라고도 하는 회전자(200)는 자기장을 생성하기 위해 회전자 권선들(204)에 원하는 전압으로 전류를 제공하는 여자기에 대한 연결을 제공하는 슬립 링(206)을 더 포함한다.

[0028] 회전자(200)는 회전자(200)를 냉각시키기 위해 작동하는 회전자 냉각 시스템(208)을 더 포함할 수 있다. 일부 구성들에서, 회전자(200)는 수소와 같은 다른 유체를 사용하는 다른 구성들로 공랭된다.

[0029] 도 3을 참조하면, 고정자 코어(104)가 보다 상세하게 예시된다. 대부분의 구성들에서, 고정자 코어(104)는 종방향으로 적층되는 일련의 적층체들(116)로 형성된다. 각각의 적층체(116)는 적층될 때 고정자 코어(104)의 원하는 특징들을 형성하는 절결부들, 개구부들 또는 피처들을 포함한다. 적층체들(116) 각각은 보어(118)를 중심으로 원주 방향으로 균일하게 이격되는 다수의 톱니부들(302)을 포함한다. 톱니부들(302)은 고정자 코어(104)의 길이를 연장하는 일련의 슬롯들을 형성하도록 협력한다. 바(bar)들(306)은 슬롯들 내에 포지셔닝되며, 일련의 고정자 권선들을 형성하기 위해 서로 전기적으로 연결된다. 예시된 발전기(100)에서, 고정자 권선들은 3 상들을 형성하도록 배열된다. 일반적으로, 3 상들은 원하는 대로 델타-회로 또는 Y-회로를 형성하도록 전기적으로 배열된다. 물론, 다른 구성들이 단일 위상, 또는 원하는 경우 3 상들을 초과하는 위상들(즉, 6 상)을 포함할 수 있다.

[0030] 고정자 냉각 시스템(106)의 일부로서, 바(bar)들(306) 각각은 바(306)의 길이를 따라 냉각제의 흐름을 허용하는 하나 이상의 냉각제 통로들(310)을 포함할 수 있다. 논의된 바와 같이, 물과 같은 냉각제 유체는 종종 고정자(300)를 냉각하기 위해 사용된다. 물론, 다른 고정자들은 원하는 경우 어떠한 냉각도 사용하지 않을 수 있다.

[0031] 도 4는 리테이닝 링들(114) 중 하나가 제거된 도 2의 회전자(200)를 더 잘 예시한다. 회전자(200)는 단일 회전자 권선(204)이 제자리에 배치되어 있는 것으로 예시된 2 극 회전자(200)이다. 회전자(200)는 회전자 샤프트(122)의 원주 주위로 반경방향 외측으로 연장되는 복수의 톱니부들(402)을 지지하는 회전자 샤프트(122)를 포함한다. 대부분의 구성들에서, 톱니부들(402)은 단단한 샤프트로부터 기계가공되어 톱니부들(402) 및 회전자 샤프트(122)가 분리될 수 없는 단일 구성요소가 된다. 각각의 톱니부(402)는 인접한 톱니부(402)와 협력하여 그들 사이에 있는 회전자 슬롯들(202) 중 하나를 획정한다.

[0032] 톱니들(402)은 각각 회전자 샤프트(122)의 가장 큰 직경을 형성하는 최외측 표면을 형성한다. 리테이닝 링 핏(404)은 리테이닝 링(114)을 위한 핏 위치를 제공하기 위해 축선 방향 단부들 근처의 톱니들(402) 내에 기계가공될 수 있다. 물론, 다른 구성들은 원하는 경우 리테이닝 링 핏(404)을 생략하거나 리테이닝 링 핏(404)의 다수의 서로 다른 배열들을 포함할 수 있다.

[0033] 회전자 권선(204)은 연속적이거나 완전한 루프를 형성하는 일련의 코일들로 형성된다. 따라서, 각각의 코일은 제1 축선 방향으로 제1 회전자 슬롯(202)을 따라 연장되고, 제1 단부에서 루프를 형성하여 단부 회전부(406)를 형성하고, 제1 방향에 반대되는 제2 방향의 제2 회전자 슬롯(202)에서 제2 축선 방향으로 연장되고, 제2 회전을 형성하여 루프를 완성한다. 일련의 코일들이 적층되고 서로 연결되어 다양한 회전자 권선들(204)을 형성하고, 이어서 서로 협력하여 원하는 극들을 형성한다.

[0034] 절연 층(408)은 회전자 슬롯들(202) 각각 내 인접한 코일들 사이에 포지셔닝되어, 코일들 사이의 바람직하지 않은 연결들의 가능성을 감소시키기 위해 서로로부터 절연된다. 하나 이상의 웨지(wedge)들(410)은 각각의 회전자 슬롯(202)의 외경 또는 최상부에 포지셔닝되어 작동 동안 바람직하지 않은 이동을 줄이기 위해 코일들과 절연체를 제자리에 웨지로 고정한다. 그런 다음, 리테이닝 링들(114)은 회전자 샤프트(122)에 결합되고, 각각의 리테이닝 링(114)은 리테이닝 링 핏들(404) 중 하나와 결합되어 리테이닝 링(114)이 단부 회전부들(406)을 덮고 보호하면서 동시에 단부 회전부들(406)을 제자리에 고정할 수 있다.

[0035] 도 5는 도 1의 발전기(100)에서 사용하기에 적합한 회전자(500)를 예시한다. 회전자(500)는 회전자 본체(120), 보다 구체적으로 회전자 권선들(204)을 냉각하기 위해 회전자 본체(120)를 통해 가압된 냉각제, 전형적으로 공기의 순환을 허용하고, 달리 달성될 수 있는 것보다 높은 전력 밀도에서 보다 효율적인 동작을 제공하는 회전자 냉각 시스템(520)을 포함한다.

[0036] 회전자 냉각 시스템(520)은 시스템 내의 공기(또는 사용되는 경우 다른 가스)가 원하는 고압(즉, 대기압보다 큰 압력)으로 유지되도록 고정 컴프레서(도시되지 않음)로부터 압축 공기를 수용할 수 있는 폐쇄형 시스템이다. 회전자 냉각 시스템(520)은 냉각제 펌프(502), 유입구 보어(504), 배출 고리부(506), 하나 이상의 유입구 애퍼처들(516), 제1 냉각제 공간(512) 및 제2 냉각제 공간(508)을 포함한다. 예시된 구성의 냉각제 펌프(502)는 회전자 샤프트(122)에 직접 연결되어 함께 회전하고, 이미 가압된 공기 또는 다른 가스를 회전자 냉각 시스템(520)을 통해 순환시킬 수 있는 원심 펌프 또는 다른 메커니즘을 포함한다. 냉각제 펌프(502)는 열 교환기(도시되지 않음)에서 냉각될 따뜻한 공기를 배출한 다음 폐쇄 루프 고압 회전자 냉각 시스템(520)의 일부로서 유입구 보어(504)로 복귀하도록 배열되며, 다른 배열들이 가능하다.

[0037] 유입구 보어(504)는 회전자(500)의 전체 길이를 연장하고, 유입구 보어(504)를 밀봉하기 위해 일단부에 포지셔닝된 플러그(518)를 포함하며, 이로써 고압 냉각제를 그 안에 용이하게 봉쇄할 수 있다. 하나 이상의 유입구 애퍼처들(516)은 회전자 샤프트(122)를 통해 연장되어 유입구 보어(504)와 제1 냉각제 공간(512) 사이에 유체 연결을 제공한다. 예시된 구성에서, 다수의 유입구 애퍼처들(516)은 회전자 샤프트(122)를 통해 반경방향으로 연장된다. 유입구 애퍼처들(516)의 개수 및 이들 유입구 애퍼처들(516)의 크기는 유입구 보어(504)와 제1 냉각제 공간(512) 사이의 원하는 유량을 보장하도록 선택된다.

[0038] 제1 냉각제 공간(512)은 한 세트의 단부 회전부들(406)을 포함하며, 회전자 샤프트(122), 회전자 본체(120), 리테이닝 링들(114) 중 하나 및 단부 플레이트(514)의 협력에 의해 형성된다. 리테이닝 링(114)의 제1 단부는 회전자 본체(120)와 협력하여 제1 링 시일 영역(510)을 형성한다. 리테이닝 링(114)의 제2 타단부는 단부 플레이트(514)의 외경과 맞물린다. 단부 플레이트(514)의 내경은 회전자 샤프트(122)와 맞물려 제1 냉각제 공간(512)을 밀봉한다. 단부 플레이트(514)는 단일 구성요소로서 설명되지만, 다수의 구성요소들 또는 부분들이 협력하여 단부 플레이트(514)를 형성할 수 있음에 유의해야 한다.

[0039] 제1 냉각제 공간(512)은 회전자 슬롯들(202)에 유동적으로 연결되어, 제1 냉각제 공간(512)으로부터 제2 냉각제 공간(508)으로의 고압 냉각제의 흐름을 용이하게 한다. 제2 냉각제 공간(508)은 제1 단부 회전부들(406) 세트에 반대되는 제2 단부 회전부들(406) 세트를 포함한다. 제2 냉각제 공간(508)은 제1 냉각제 공간(512)과 실질적으로 동일하며, 회전자 샤프트(122), 회전자 본체(120), 리테이닝 링들(114) 중 다른 하나 및 다른 단부 플레이트(514)의 협력에 의해 형성된다. 제2 냉각제 공간(508)은 회전자 슬롯들(202)로부터 고압 냉각제를 수집하고, 그 흐름을 배출 고리부(506)로 유도한다.

[0040] 배출 고리부(506)는 회전자 보어 및 회전자 보어 내에 포지셔닝되고 회전자 보어의 외벽으로부터 이격된 환형 슬리브(522)의 협력에 의해 형성된다. 따라서, 환형 슬리브(522)는 회전자 보어를 회전자 환형 슬리브(522) 내부의 유입구 보어(504)와 회전자 보어와 환형 슬리브(522)의 협력에 의해 형성된 배출 고리부(506)로 분할한다.

[0041] 도 6은 웨지(410)의 배치를 더 잘 보여주는 회전자 슬롯들(202) 중 하나의 최상부 또는 외경 부분을 예시한다. 예시된 구성에서, 각각의 톱니부(602)는 회전자(200)의 반경방향 축선에 대하여 비스듬한 각도로 연장되는 톱니 후크(604)를 형성한다.

[0042] 웨지들(410) 각각은 2 개의 웨지 후크들(606) 및 2 개의 시일 슬롯(seal slot)들(610)을 포함한다. 각각의 웨지 후크(606)는 톱니 후크들(604) 중 하나와 맞물리도록 배열된 비스듬한 표면을 포함한다. 시일 슬롯들(610) 각각은 웨지(410)를 따라 회전자(200)의 종축에 실질적으로 평행한 방향으로 연장되는 직사각형 단면의 그루브를 포함한다. 예시된 구성은 직사각형 시일 슬롯(610)을 포함하지만, 원하는 경우 다른 형상들을 사용할 수 있다. 시일 슬롯들(610)은 웨지 압출의 일부일 수도 있고, 웨지(410)가 압출된 후에 원하는 대로 웨지(410)로 기계가공될 수 있다.

[0043] 시일 부재(608)(또는 시일 구성요소)는 시일 슬롯들(610) 내에 포지셔닝되고, 회전자 슬롯(202)을 형성하는 톱니부들(602)과 회전자 슬롯(202) 내에 포지셔닝되는 웨지(410) 사이에 유밀 시일을 형성하도록 크기가 결정된다. 예시된 구성에서, 시일 부재(608)는 D자형 단면을 갖는다. 물론, 원하는 경우 다른 형상들(예를 들어, O자형 단면) 또는 다른 시일 부재들을 사용할 수 있다.

[0044] 예시된 구성에서, 웨지(410) 및 시일 부재들(608)은 회전자 슬롯(202)의 전체 길이를 연장하여 누출 가능성을 감소시킨다. 또한, 예시된 구성에서, 웨지(410)의 각각의 측면은 별도의 시일 부재(608)를 지지한다. 그러나, 원하는 경우, 다른 구성들에서는 연속 루프 형태의 시일 부재(608)를 사용할 수 있다.

[0045] 도 6의 구성에 사용하기 적합한 하나의 시일 부재(608)는 "D" 형상(즉, D자형 단면)으로 형성되지만, 루프로 형성되지 않고 두 개의 별도의 단부들을 갖는 단일 구성요소인 탄성 재료를 포함한다. 또한, 일부 구성들은 D자형 단면의 평탄 면에 접착 부분(614) 또는 재료를 포함한다. 접착 부분(614)은 시일 부재(608)를 웨지(410)에 부착하여 웨지(410)를 설치하는 동안 시일 부재(608)의 상대적인 이동 또는 원치 않는 신축 가능성을 감소시킨다. 두 개의 별도의 시일 부재들(608)이 사용되며, 이들 중 하나는 웨지(410)의 양쪽에 포지셔닝된다. 적합한 탄성 재료들에는 고무, 합성 고무 또는 기타 규정을 준수하는 재료들이 포함된다.

[0046] 도 7은 제1 냉각제 공간(512)에 인접하여 포지셔닝된 링 시일 영역(510)을 보다 상세하게 예시한다. 그러나, 예시된 링 시일 영역(510)은 또한 제2 냉각제 공간(508)에 인접하여 포지셔닝될 수도 있다는 것을 이해해야 한다.

[0047] 링 시일 영역(510)은 리테이닝 링(114)과 회전자 본체(120) 사이에 형성된 2 개의 개별 시일을 포함한다. 리테이닝 링이 적절한 수축 맞춤(shrink-fit)으로 작동 포지션에 포지셔닝될 때, 수축 맞춤 시일(706)은 리테이닝 링(114)과 회전자 본체(120) 사이에 형성된다. 링 시일(702)은 리테이닝 링(114)과 회전자 본체(120) 사이에 포지셔닝되어 또 다른 원주 시일을 형성한다. 링 시일(702)은 시일 부재(608)의 포지션과 일치하는 내경을 획정하여 링 시일(702)이 시일 부재(608)와 협력하여 제1 냉각제 공간(512)의 밀봉을 완료하도록 한다. 고압 냉각제에 의해 가해지는 압력(704)은 제1 냉각제 공간(512)으로부터 회전자 슬롯들(202) 및 그 안에 포함된 회전자 권선들(204)을 통과하는 유일한 경로를 통해 완전히 포함된다. 예시된 구성에서, 링 시일(702)은 단면이 O자형인 연속적인 원형 시일 부재이다. 물론, 다른 형상들(예를 들어, D자형 단면) 또는 배열들이 사용될 수 있다. 전형적인 링 시일들(702)은 탄성 재료(예를 들어, 고무)로 형성되지만, 다른 구성들은 보다 단단한 재료들, 복합 시일들, 스프링 기반 시일들 등을 사용할 수 있다. 이처럼, 링 시일(702)은 도 7에 예시된 배열로 제한되어서는 안 된다.

[0048] 도 8은 리테이닝 링들(114)(도 8에는 도시되지 않음) 중 하나 또는 둘 모두와 함께 사용하기에 적합한 링 시일 영역(510)의 다른 배열을 예시한다. 도 8의 배열은 적어도 부분적으로 리테이닝 링(114)과 회전자 본체(120) 사이, 보다 구체적으로는, 도 7과 관련하여 논의된 것과 동일한 수축 맞춤을 갖는 회전자 톱니부들(402)과 웨지(810) 사이에 시일을 형성한다.

[0049] 도 8의 구성은 탄성 부재(802)와 슬리브(804)의 복합체인 링 시일(808)을 포함한다. 탄성 부재(802)는 O자형 단면을 갖는 단단하고 연속적인 부재를 포함할 수 있거나, 도 7의 링 시일(702)과 관련하여 설명된 바와 같이 다른 보다 단단한 재료들 또는 복합재들로 형성될 수 있다. 다른 구성에서, 탄성 부재(802)는 코일 스프링(예를 들어, 경사 코일 스프링, 나선형 스프링 등)과 매우 유사한 코일형 재료로부터 형성된 스프링 구동식 시일을 포함한다. 따라서, 이 구성에서, 탄성 부재(802)는 환형 단면을 갖는다.

[0050] 슬리브(804)는 탄성 부재(802)가 포지셔닝되는 수용 공간을 획정하는 U자형 단면을 갖도록 형성된다. 슬리브(804)는 작동 동안 탄성 부재(802)를 덮고 보호하며, 리테이닝 링(114)이 작동 포지션에 있을 때 회전자 본체(120), 웨지(810) 및 리테이닝 링(114)과 직접 접촉한다. 또한, U자형 단면의 개방 단부는 고압 유체가 배치되는 방향(즉, 제1 냉각제 공간(512) 및 제2 냉각제 공간(508)을 향하는 방향)을 향해 배열되어 있음에 유의해야 한다. 이러한 배열에서, 슬리브(804)가 고압 유체에 노출되면, U자형 단면을 확장하는 경향이 있어서, 링 시일(808)의 밀봉 효과를 향상시킬 수 있다.

[0051] 도 7의 구성과는 달리, 링 시일(808)은 시일 부재(608)의 반경방향 외측으로 배치되는 내경 부분을 포함한다. 링 시일(808)은 시일 부재(608)와 협력하여 시일을 형성하는 대신에, 톱니 후크(604) 및 웨지 후크(606)의 교차점을 통과하도록 포지셔닝된다. 이 포지션에서 동일한 유효 시일이 형성된다. 물론, 링 시일(808)은 시일 부재(608)와 접촉하고 원하는 경우 도 7과 관련하여 설명된 것과 매우 유사한 시일을 형성하도록 예시된 포지션의 반경방향 내측으로 포지셔닝될 수 있다.

[0052] 리테이닝 링 키(806)는 회전자 본체(120) 및 웨지(810)에 형성된 슬롯 내에 포지셔닝되며, 리테이닝 링(114)과 협력하여 리테이닝 링(114)을 원하는 작동 포지션에 유지한다.

[0053] 도 9는 링 시일(808)의 포지셔닝을 제외하고는 도 8과 유사한 구성을 예시한다. 도 9의 구성에서, 링 시일(808)의 내경은 시일 부재(608)와 일치하여, 링 시일(808)과 시일 부재(608)가 협력하여 리테이닝 링(114), 회전자 본체(120) 및 웨지(810) 사이에 시일의 적어도 일부를 획정하도록 한다.

[0054] 도 10은 웨지(410, 810) 대신에, 또는 웨지(410, 810)와 함께 사용하기에 적합한 웨지(1008)의 또 다른 구성을 도시한다. 웨지(1008)는 웨지 본체(1010), 웨지 인서트(1002), 웨지 캡(1004) 및 하나 이상의 웨지 볼트들(1006)을 포함한다. 웨지 본체(1010)는 웨지(810)와 유사하지만, 양쪽 단부에 포지셔닝된 나머지 구성요소들이 웨지(1008)를 완성하고 웨지(1008)가 웨지(810)와 동일한 길이가 되도록 더 짧다. 도 10은 웨지(1008)의 일단부를 예시하고 있지만, 양쪽 단부에 동일하거나 유사한 배열이 형성될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 일단부만 상세히 설명한다.

[0055] 웨지 인서트(1002)는 웨지 본체(1010)의 단부에 접하도록 포지셔닝되며, 웨지 본체(1010)의 단면 형상과 동일하거나 유사한 단면 형상을 가질 수 있다. 웨지 인서트(1002)는 축선방향 압축에 반응하여 반경 방향 및 원주 방향으로 확장하는 탄성 재료로 형성된다. 사용되는 재료는 보다 상세하게 설명되는 바와 같이 원하는 확장을 제공하기 위해 선택된다. 웨지 캡(1004)은 푸아송 효과로 인해 시일을 형성한다. 그러나, 다른 유형의 웨지 인서트는 기하학적 간섭에 기초하여 작동할 수 있다. 이 배열에서, 웨지 인서트는 얇은 외벽을 갖는 테이퍼 형태를 가질 수 있으며, 이는 축선방향으로 가압될 수 있다. 얇은 외벽은 충분히 순응하는 재료를 사용하는 경우 편향되어 시일에 충분한 접촉 압력을 제공한다. 또 다른 배열에서, 웨지 인서트는 순응하는 외벽과 외벽을 확장하기 위해 삽입되는 와셔를 포함한다. 또 다른 구성에서는, 웨지 인서트가 간섭 끼워 맞춤(interference fit)으로 제자리에 압입된다. 웨지 볼트(1006)는 웨지 인서트를 제자리에 보유지지하지만 웨지 볼트(1006)의 조임으로 인한 확장은 거의 또는 전혀 없다. 일 구성에서는 조립 공정을 돕기 위해 웨지 인서트가 삽입 전에 동결된다.

[0056] 웨지 캡(1004)은 웨지 인서트(1002)에 접하도록 포지셔닝되어, 웨지 인서트(1002)가 웨지 캡(1004)과 웨지 본체(1010) 사이에 끼워지도록 배치된다. 웨지 캡(1004)은 웨지 본체(1010)와 동일하거나 유사한 단면 형상을 가지며, 일반적으로 유사한 재료로 형성된다. 웨지 볼트들(1006)은 웨지 캡(1004) 및 웨지 인서트(1002)를 통과하여 웨지 본체(1010)와 나사산 결합된다. 웨지 볼트들(1006)이 조여지면, 웨지 인서트(1002)가 압축되어 반경 방향 및 원주 방향으로 확장되거나 부풀어 오른다. 이러한 확장은 웨지 인서트(1002)와 인접한 임의의 구성요소들 사이의 접촉을 향상시켜 그들 사이에 보다 효과적인 시일을 형성한다.

[0057] 도 10의 링 시일 영역(510)의 나머지 구성은 도 8의 구성과 유사하다. 링 시일(808)은 그 내경이 웨지 인서트(1002)의 외경에 접하거나 그 근처에 포지셔닝된다. 링 시일(808)의 구성은 도 8 및 도 9와 관련하여 설명된 것과 동일하다. 리테이닝 링 키(806)는 또한 도 8 및 도 9와 관련하여 설명된 것과 유사한 방식으로 형성되고 포지셔닝된다.

[0058] 웨지(1008)는 전술한 바와 같이 2 개의 시일 부재들(608)을 포함한다. 시일 부재들(608)은 전술한 바와 거의 동일한 방식으로 웨지 본체(1010), 웨지 인서트들(1002) 및 웨지 캡들(1004) 각각과 맞물릴 수 있다. 또한, 링 시일(808)은 도 8의 구성과 관련하여 설명된 바와 같이 시일 부재들(608)의 외부 직경에 포지셔닝된다.

[0059] 전술한 특징들은 서로 결합되어 링 시일 영역(510)의 서로 다른 배열들을 획정할 수 있음에 유의해야 한다. 따라서, 배열은 본 명세서에 제공된 몇 가지 예들에 한정되어서는 안 된다.

[0060] 도 11은 링 시일 영역(510)을 획정하기 위해 협력하는 전술한 서로 다른 요소들의 조합의 일 예를 예시한다. 예시된 구성에서, 웨지(1102)는 웨지 본체(1104), 웨지 인서트(1002), 웨지 캡(1004) 및 하나 이상의 웨지 볼트들(1006)을 포함한다. 웨지 본체(1104)는 웨지 인서트(1002)를 수용하는 제거된 섹션을 포함하여, 웨지 인서트(1002)의 내경이 웨지 본체(1104)에 인접하거나 접촉하도록 포지셔닝된다. 또한, 웨지 인서트(1002)의 평탄 면은 웨지 본체(1104)의 평탄 면에 접한다. 웨지 캡(1004)은 웨지 캡(1004)이 웨지 인서트(1002)에 접하는 것을 제외하면, 웨지 인서트(1002)에 대해 설명된 것과 유사한 방식으로 포지셔닝된다. 따라서, 웨지 인서트(1002)는 웨지 캡(1004)과 웨지 본체(1104) 사이에 끼워진다. 도 10의 구성과 관련하여 논의된 바와 같이, 웨지 인서트(1002) 및 웨지 캡(1004)은 웨지 본체(1104)와 동일하거나 유사한 단면 형상들을 가질 수 있다. 웨지 볼트들(1006)은 웨지 캡(1004) 및 웨지 인서트(1002)를 통과하고 웨지 본체(1104)와 나사 결합하여 웨지 인서트(1002)를 압축하여 원하는 반경 방향 및 원주 방향 확장을 야기한다. 이러한 구성에서, 웨지 인서트(1002)는 리테이닝 링(114) 및 웨지 본체(1104)와 직접 접촉하여 제1 시일을 형성한다.

[0061] 링 시일(702)은 웨지 본체(1104)와 리테이닝 링(114) 사이에 회전자 본체(120)로부터 떨어진 축선방향 포지션에 포지셔닝된다. 예시된 링 시일(702)은 도 7과 관련하여 설명된 링 시일(702)과 유사하며, 이에 대해서는 상세히 설명하지 않는다. 물론, 링 시일(702)은 원하는 경우 도 8과 관련하여 설명된 링 시일(808)과 유사하거나 동일한 링 시일로 대체될 수 있다.

[0062] 도 7 내지 도 10의 배열들과 유사하게, 리테이닝 링 키(806)는 회전자 본체(120) 근처의 단부에 포지셔닝되며, 전술한 리테이닝 링 키들과 매우 유사하게 작동한다. 마지막으로, 도 11의 배열은 링 시일 영역(510)에서 시일을 더욱 향상시키도록 작동하는 3 개의 별개의 수축 맞춤 위치들(1106)을 포함한다.

[0063] 작동 시, 여자기 또는 다른 시스템은 회전자(200)에 원하는 전압으로 전류를 제공한다. 전류는 회전자 권선들(204)을 통해 흐르고, 2 극 발전기에서는 2 개의 자극들을 형성하고, 더 높은 극의 발전기들에서는 더 많은 극들을 형성한다. 터빈 또는 다른 원동기가 회전자(200)에 결합되어 회전자(200)를 원하는 속도로 회전시키도록 작동한다. 2 극 회전자(200)가 있는 동기식 발전기의 경우, 회전자는 3600 RPM으로 회전하여 60 Hz 전기를 생성한다. 50 Hz의 전기의 경우, 회전자(200)는 3000 RPM으로 회전한다.

[0064] 회전자(200)의 회전 자기장은 발전기의 고정자(300)와 상호작용하여 회전자(200)의 속도에 비례하는 주파수로 교류 3 상 전류를 유도한다. 회전자(200) 및 고정자(300) 각각은 냉각되어 회전자(200) 및 고정자(300)의 전류 밀도를 증가시키면서 동시에 원하는 효율 및 유지보수 간격을 유지할 수 있다.

[0065] 회전자(500)는 회전자 냉각 시스템(520)을 포함하며, 유지보수 후 코일들 또는 회전자 권선들(204)을 다양한 회전자 슬롯들(202)에 우선적으로 포지셔닝함으로써 조립되거나 재조립된다. 회전자 권선들(204)은 회전자 슬롯들(202)을 실질적으로 채우기 위해 반경방향 외측으로 연장되도록 적층되고, 회전자(500)의 극들 중 하나를 형성하기 위해 전기적으로 연결된다.

[0066] 웨지들(410, 810, 1008, 1102)은 서로 실질적으로 동일하기 때문에, 조립체는 웨지(1102)와 관련하여 설명될 것이다. 그러나, 많은 단계들이 다른 웨지들(410, 810, 1008, 1102)의 일부 또는 전체에 동일하게 적용 가능하다는 것이 분명해야 한다.

[0067] 시일 부재들(608)은 다양한 웨지들(1102)의 측면들에 포지셔닝된다(도 6 참조). 설명된 바와 같이, 시일 부재들(608)은 D자형이고, 일부 구성들에서, D자형의 평탄 면은 시일 부재들(608)을 웨지(1102)에 부착하는 것을 용이하게 하는 접착제를 포함한다.

[0068] 시일 부재(608)는 웨지 후크들(606) 내부에 반경방향으로 위치하며, 따라서 회전자 슬롯들(202)에 조립되기 전에 각각의 웨지(1102)에 삽입된다. 이러한 시일 부재들(608)의 위치는 시일 부재들(608) 중 하나의 성능 저하 또는 고장 발생 시 시일 부재들(608)이 회전자 슬롯(202) 내에 포함될 가능성을 증가시킨다. 또한, 회전자(500)의 외부 표면으로부터 더 멀리 떨어진 시일 부재들(608)의 포지션은 표면 전류들 또는 다른 가열 효과들로 인해 발생할 수 있는 큰 온도 편차들로부터 시일 부재들(608)을 차폐하는 데 도움이 된다. 시일 부재들(608)은 또한 웨지 후크(606)로부터 회전자 권선들(204)을 분리하여 웨징(wedging) 중에 느슨해질 수 있는 임의의 전도성 웨지 도금 재료가 회전자 권선들(204)로부터 차단되도록 함으로써, 이 재료로부터 접지 오류가 발생할 가능성을 줄인다.

[0069] 다음으로, 웨지들(1102)은 작동 동안 원하는 포지션에서 회전자 권선들(204)을 지지하기 위해 다양한 회전자 슬롯들(202)에 설치된다. 시일 부재들(608)은 각각의 웨지(1102)가 설치되는 회전자 슬롯(202)을 획정하는 회전자 본체(120)의 벽들에 대해 압축되어, 회전자 슬롯들(202) 각각에 1 차 시일을 형성한다. 각각의 회전자 슬롯(202)의 톱니 후크(604)와 웨지 후크(606) 사이의 접촉 압력은 또한 회전자 슬롯들(202)로부터의 원치 않는 누출을 억제하는 2 차 시일 역할을 한다. 따라서, 웨지들(1102)의 설치는 회전자 슬롯들(202)의 반경방향 외부 개구부로부터의 누출을 억제하는 축선방향으로 배치된 시일을 제공한다. 그러나, 회전자 슬롯들(202)의 각각의 단부는 여전히 밀봉되어 있지 않다.

[0070] 웨지(1102)는 다른 웨지들(410, 810)에는 필요하지 않을 수 있는 약간의 추가 조립을 필요로 하며, 이러한 조립은 회전자(500) 내에 웨지(1102)를 설치하기 전에 또는 원하는 경우 이후에 수행될 수 있다. 웨지(1102)의 각각의 단부는 웨지 인서트(1002)를 수용한다. 다음으로, 웨지 캡(1004)이 웨지 인서트들(1002) 각각에 인접하여 포지셔닝된다. 복수의 웨지 볼트들(1006) 각각은 웨지 캡들(1004) 및 웨지 인서트들(1002) 중 하나를 통과하여 웨지 본체(1104)와 나사 결합된다. 웨지 볼트들(1006)을 조이면 웨지 인서트들(1002)이 축선방향으로 압축되고, 동시에 웨지 인서트들(1002)이 반경 방향 및 원주 방향으로 확장된다. 웨지 인서트(1002)의 확장은 웨지 본체(1104), 리테이닝 링(114)(설치 이후) 또는 링 시일(808) 및 회전자 톱니부들(402) 사이의 협력을 용이하게 하여 그들 사이의 시일을 더욱 향상시킨다. 웨지 인서트(1002) 및 웨지 캡(1004)은 웨지 볼트(1006)를 조이지 않고 웨지 본체(1104)에 설치될 수 있음에 유의해야 한다. 그런 다음, 웨지(1102)가 작동 포지션에 있은 후에, 웨지 볼트들(1006)은 웨지 인서트들(1002)의 원하는 압축을 제공하기 위해 조여질 수 있다.

[0071] 도 10을 참조하면, 링 시일들(808)은 다음으로 회전자(500)의 각각의 단부에 포지셔닝된다. 링 시일들(808)은 모두 회전자(500)의 원주 주위로 연장되고 회전자 톱니들(602) 및 웨지들(1102)과 맞물리는 연속적인 원형 시일들인 것이 바람직하다. 링 시일(808)은 웨지 인서트(1002)의 반경방향 외측으로 포지셔닝되며, 웨지 볼트들(1006)을 조이기 전 또는 웨지 볼트들(1006)을 조인 후에 포지셔닝될 수 있다. 일반적으로, 웨지 볼트들(1006)을 조이기 전에 링 시일(808)을 원하는 작동 포지션에 포지셔닝하는 것은 웨지 인서트들(1002)의 확장 전에 링 시일(808)이 약간 느슨하게 맞춤되는 것이므로 더 쉬울 것이다.

[0072] 도 11은 링 시일(702)의 약간 서로 다른 포지션을 예시하고 있으며, 또한 도 8의 링 시일(808) 대신에 도 7의 링 시일(702)을 사용한다는 점에 유의해야 한다. 본 명세서에 설명된 개념들은 특정 설계에 필요한 밀봉을 달성하기 위해 재배열되고 서로 다른 조합들로 사용될 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 따라서, 설명된 밀봉 배열들은 단지 예들로서만 생각되어야 하며, 어떤 방식으로든 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다.

[0073] 다음으로, 리테이닝 링들(114)은 도 10 및 도 11에 예시된 바와 같이 설치된다. 전형적인 설치에서, 리테이닝 링들(114)은 하나 이상의 수축 맞춤 위치들(1106)에서 원하는 수축 맞춤을 제공하기 위해 리테이닝 링들(114)을 열적으로 확장시키기 위해 설치 전에 가열된다. 일단 설치되면, 리테이닝 링들(114)은 회전자 본체(120), 회전자 샤프트(122) 및 단부 플레이트들(514)과 협력하여 제1 냉각제 공간(512) 및 제2 냉각제 공간(508)을 획정한다.

[0074] 도 11에 예시된 바와 같이, 리테이닝 링(114)은 각각의 웨지 본체(1104)와 협력하여 시일들을 형성하는 3 개의 수축 맞춤 위치들(1106)을 획정한다. 또한, 링 시일(702)은 리테이닝 링(114) 및 웨지 본체(1104)와 협력하여 1 차 시일을 획정한다. 마지막으로, 웨지 인서트(1002)는 일단 확장되면 회전자(500)와 리테이닝 링(114) 사이에 또 다른 시일 지점을 제공하여, 제1 냉각제 공간(512) 및 제2 냉각제 공간(508)으로부터의 누출을 억제하는 다수의 유효 시일 지점들이 존재하도록 한다.

[0075] 도 5를 참조하여, 회전자 냉각 시스템(520)의 작동에 대해 설명한다. 회전자(500)가 회전하는 동안, 냉각제 펌프(502)는 배출 고리부(506)로부터 따뜻한 공기를 외부 공기 냉각기 또는 열 교환기로 끌어들인다. 그런 다음 냉각된 공기는 유입구 보어(504)를 따라 유입구 애퍼처들(516)로 흐르고, 여기서 고압 공기(일반적으로 대기압보다 큰 압력)가 제1 냉각제 공간(512)으로 유입된다. 제1 냉각제 공간(512)은 고압 공기가 회전자 슬롯들(202)로 진입할 수 있도록 회전자 슬롯들(202) 각각과 유체 연통한다. 고압 공기는 냉각을 제공하기 위해 회전자 슬롯들(202)의 길이를 따라 흐르고 제2 냉각제 공간(508)에 수집된다. 고압 공기는 제2 냉각제 공간(508)으로부터 배출 고리부(506)를 향해 유도되고, 여기서 고압 공기는 냉각제 펌프(502)로 흡입되어 회전자(500)로부터 배출된다. 전술한 시일들은 제1 냉각제 공간(512), 제2 냉각제 공간(508) 및 회전자 슬롯들(202)로부터의 누출 가능성을 감소시킨다.

[0076] 제안된 고출력 밀도 발생기 회전자(500)는 각각의 회전자 슬롯(202), 제1 냉각제 공간(512) 및 제2 냉각제 공간(508)이 가압되는 압력 용기로서 회전자(500)를 만든다. 웨지들(410, 810, 1008, 1102)은 회전자 슬롯(202)의 측벽들과 접촉하는 2 개의 순응하는 시일 부재들(608)을 포함한다. 이러한 시일 부재들(608)은 회전자 슬롯들(202)의 기밀성을 보장한다.

[0077] 가압 회전자 슬롯들(202)은 마찰 손실 증가 없이 그리고 많은 복잡한 이중 목적의 전기/유체 연결들 없이 고압 유체로 회전자 권선들(204)을 직접 냉각할 수 있게 한다. 가압 유체에 의한 직접 냉각은 증가된 전계 전류들로 기계 작동을 가능하게 하고, 궁극적으로 종래 기술의 공랭식 기계들보다 더 높은 전력 밀도를 가능하게 한다.

[0078] 본 개시의 예시적인 실시예가 상세히 설명되었지만, 당업자들은 본 개시의 사상과 범위를 벗어남이 없이 가장 넓은 형태로 본 명세서에 개시된 다양한 변경들, 치환들, 변형들 및 개선들이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

[0079] 본 출원의 어떠한 설명도 특정 요소, 단계, 행위 또는 기능이 청구 범위에 반드시 포함되어야 하는 필수 요소임을 암시하는 것으로 해석되어서는 안 된다: 특허 대상의 범위는 허용된 청구항들에 의해서만 규정된다. 또한, 이러한 청구항들 중 어느 것도 "~용 수단"이라는 정확한 단어들 앞에 분사가 오지 않는 한 수단+기능 청구항 구성을 적용하고자 하는 것은 아니다.

Claims

회전자 슬롯을 갖는 회전자 샤프트를 포함하는 발전기 회전자로서,
상기 회전자 슬롯 내에 적어도 부분적으로 배치된 회전자 권선;
상기 회전자 샤프트에 결합되고 상기 회전자 샤프트를 따라 축선방향으로 연장되며 상기 회전자 슬롯으로부터 상기 회전자 권선의 반경방향 이동을 억제하도록 포지셔닝되는 웨지(wedge); 및
상기 웨지에 결합되고 상기 웨지를 따라 축선방향으로 연장되는 시일 부재를 포함하고,
상기 시일 부재는 상기 웨지 및 상기 회전자 샤프트와 협력하여 상기 웨지와 상기 회전자 샤프트 사이에 시일을 형성하고, 상기 웨지, 상기 시일 부재 및 상기 회전자 샤프트는 고압 냉각제를 포함하도록 작동 가능한 밀폐 공간을 적어도 부분적으로 획정하도록 협력하고,
상기 웨지는 웨지 본체, 웨지 인서트, 웨지 캡 및 웨지 볼트를 포함하고,
상기 웨지 인서트는 상기 웨지 캡과 상기 웨지 본체 사이에 끼워지고,
상기 웨지 볼트는 축선 방향으로 상기 웨지 인서트를 압축하고 원주 방향 및 반경 방향으로 상기 웨지 인서트를 확장시키도록 작동하는,
발전기 회전자.
제1 항에 있어서,
상기 회전자 샤프트 및 상기 웨지와 협력하여 상기 밀폐 공간을 둘러싸는 제1 리테이닝 링, 제1 단부 플레이트, 제2 리테이닝 링 및 제2 단부 플레이트를 더 포함하는, 발전기 회전자.
제2 항에 있어서,
상기 제1 리테이닝 링과 접촉하도록 포지셔닝된 링 시일을 더 포함하는, 발전기 회전자.
제3 항에 있어서,
상기 링 시일은 탄성 부분 및 별도의 스프링 부분을 포함하는 스프링 구동식 복합 시일 부재를 포함하는, 발전기 회전자.
제4 항에 있어서,
상기 스프링 부분은 헬리컬 스프링 부분을 포함하는, 발전기 회전자.
제1 항에 있어서,
상기 웨지는 상기 웨지의 제1 측면에 형성된 제1 시일 슬롯 및 상기 웨지의 제2 측면에 형성된 제2 시일 슬롯을 포함하고, 시일 부재가 상기 제1 시일 슬롯 및 상기 제2 시일 슬롯 내에 포지셔닝되는, 발전기 회전자.
제6 항에 있어서,
상기 시일 부재는 탄성 재료로 형성되고, 단면이 D자형인, 발전기 회전자.
제7 항에 있어서,
상기 D자형 시일 부재의 평탄 면에 결합된 접착 재료를 더 포함하며, 상기 접착 재료는 상기 시일 부재를 상기 웨지에 부착하도록 작동 가능한, 발전기 회전자.
제6 항에 있어서,
상기 시일 부재는 상기 제1 시일 슬롯의 전체 길이를 연장하는 제1 시일 구성요소 및 상기 제2 시일 슬롯의 전체 길이를 연장하는 제2 시일 구성요소를 포함하며, 상기 제1 시일 구성요소 및 상기 제2 시일 구성요소는 서로 분리되어 있는, 발전기 회전자.
회전자 슬롯을 갖는 회전자 샤프트를 포함하는 발전기 회전자로서,
상기 회전자 슬롯 내에 적어도 부분적으로 배치된 회전자 권선;
상기 회전자 샤프트에 결합되고 상기 회전자 슬롯으로부터 상기 회전자 권선의 반경방향 이동을 억제하도록 포지셔닝된 웨지;
상기 웨지에 결합되고, 상기 웨지 및 상기 회전자 샤프트와 협력하여 제1 공간을 획정하는 시일 부재;
상기 회전자 샤프트에 결합되어 상기 회전자 샤프트와의 사이에 제2 공간을 획정하는 제1 리테이닝 링; 및
상기 회전자 샤프트에 결합되어 상기 회전자 샤프트와의 사이에 제3 공간을 획정하는 제2 리테이닝 링을 포함하고,
상기 제2 공간은 고압 냉각제를 수용하고, 상기 고압 냉각제를 상기 제1 공간 및 상기 제3 공간으로 유도하도록 구성되고,
상기 웨지는 웨지 본체, 웨지 인서트, 웨지 캡 및 웨지 볼트를 포함하고,
상기 웨지 인서트는 상기 웨지 캡과 상기 웨지 본체 사이에 끼워지고,
상기 웨지 볼트는 축선 방향으로 상기 웨지 인서트를 압축하고 원주 방향 및 반경 방향으로 상기 웨지 인서트를 확장시키도록 작동하는,
발전기 회전자.
제10 항에 있어서,
상기 웨지는 상기 웨지의 제1 측면에 형성된 제1 시일 슬롯 및 상기 웨지의 제2 측면에 형성된 제2 시일 슬롯을 포함하고, 상기 제1 시일 슬롯 및 상기 제2 시일 슬롯은 상기 웨지의 길이를 따라 축선방향으로 연장되며, 제1 시일 구성요소는 상기 제1 시일 슬롯의 전체 길이를 연장하고, 제2 시일 구성요소는 상기 제2 시일 슬롯의 전체 길이를 연장하는, 발전기 회전자.
제11 항에 있어서,
상기 제1 시일 구성요소 및 상기 제2 시일 구성요소는 각각 탄성 재료로 형성되고, 단면이 D자형인, 발전기 회전자.
제11 항에 있어서,
상기 제1 시일 구성요소는 D자형이며, 상기 제1 시일 구성요소는 D자형인 상기 제1 시일 구성요소의 평탄 면에 결합된 접착 부재를 포함하고, 상기 접착 부재는 상기 제1 시일 구성요소를 상기 웨지에 부착하도록 작동 가능한, 발전기 회전자.
제10 항에 있어서,
상기 회전자 샤프트를 중심으로 원주 방향으로 연장되고, 상기 제1 리테이닝 링과 상기 시일 부재에 접촉하도록 포지셔닝된 링 시일을 더 포함하는, 발전기 회전자.
제14 항에 있어서,
상기 링 시일은 상기 웨지 인서트의 반경방향 외측에 포지셔닝되고, 상기 웨지 인서트와 접촉하는, 발전기 회전자.
회전자 슬롯을 갖는 회전자 샤프트를 포함하는 발전기 회전자로서,
상기 회전자 슬롯 내에 적어도 부분적으로 배치된 회전자 권선;
상기 회전자 샤프트에 결합되고 축선 방향으로 연장되며 상기 회전자 슬롯으로부터 상기 회전자 권선의 반경방향 이동을 억제하도록 포지셔닝된 웨지;
상기 웨지에 인접하여 포지셔닝된 웨지 인서트;
상기 웨지 인서트에 인접하여 포지셔닝되어 상기 웨지와의 사이에 상기 웨지 인서트가 끼워지도록 하는 웨지 캡;
상기 웨지와 나사산 결합되고, 상기 축선 방향으로 상기 웨지 인서트를 압축하고 반경 방향 및 원주 방향으로 상기 웨지 인서트를 확장하도록 작동 가능한 웨지 볼트;
상기 회전자의 원주를 중심으로 연장되고 상기 웨지 인서트의 축선방향 외측에 포지셔닝된 링 시일; 및
상기 웨지에 결합된 리테이닝 링을 포함하고, 상기 링 시일 및 상기 웨지 인서트 각각은 상기 리테이닝 링 및 상기 웨지와 협력하여 상기 리테이닝 링과 상기 웨지 사이에 시일을 형성하는, 발전기 회전자.
제16 항에 있어서,
상기 웨지는 상기 웨지의 제1 측면을 따라 축선방향으로 연장되는 제1 시일 슬롯 및 상기 웨지의 제2 측면을 따라 축선방향으로 연장되는 제2 시일 슬롯을 포함하고, 제1 시일 구성요소는 상기 제1 시일 슬롯의 전체 길이를 연장하고, 제2 시일 구성요소는 상기 제2 시일 슬롯의 전체 길이를 연장하며, 상기 제1 시일 구성요소 및 제2 시일 구성요소 각각은 단면이 D자형인, 발전기 회전자.
제16 항에 있어서,
상기 회전자 및 상기 리테이닝 링에 결합된 단부 플레이트를 더 포함하고, 상기 단부 플레이트, 상기 리테이닝 링 및 상기 회전자는 공간을 완전히 둘러싸도록 협력하는, 발전기 회전자.
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