Brevet FR2072124A1 — publié le 19710924

i 2072124 Lorsqu'on désire améliorer la puissance de sortie nominale, en particulier dans les machines électriques tournantes à rendement élevé, à savoir en premier lieu dans les turbo-générateurs, le refroidissement intensif du rotor ainsi 5 eue la dissipation de la perte de chaleur engendrée dans ledit rotor, mais avec une élévation de température de l'enroulement aussi basse que possible, constituent des facteurs d'une importance fondamentale. Dans tout système de refroidissement du ro-10 tor, qu'il s'agisse d'un refroidissement indirect uniquement à la surface dudit rotor ou d'un refroidissement direct du conducteur, il est également essentiel que la.quantité de l'agent de refroidissement venant en contact avec la surface de refroidissement soit aussi grande que possible, la vitesse d'écoulement 15 dudit agent de refroidissement par rapport à la surface refroidie devant être par ailleurs aussi élevée que possible. Dans le premier cas, il slagit du réchauffement de l'agent de refroidissement, cependant que dans le deuxième cas il s'agit de maintenir le gradient de température à un niveau acceptable. 20 Da présente invention a trait aux types de machines électriques dans lesquelles la perte de chaleur engendrée dans le rotor (à savoir dans la section rectiligne des conducteurs noyés dans les encoches et dans le corps en fer actif du* dit rotor, en particulier dans la ^one superficielle de ce der-25 sier) se trouve dissipée par un sgent de refroidissement gazeus s'écoulant dans l'entrefer (entre le stator et le corps en fer du rotor de la machine). A cette classe appartiennent, par exemple, les machines tournant à des vitesses élevées et qui sont refroidies -oar air, ainsi que les turbo-générateurs dont le rotor intérienysnQELt 30 est refroidi/par l'hydrogène (sous pression), du type à système de recueil de la chaleur dissipée dans l'entrefer,, dit aussi système pick-up de l'entrefer. Dans de telles machines électriques dont les rotors se trouvent refroidis à leur surface soit par refroidisse-35 ment superficiel indirect, soit par refroidissement direct des conducteurs par 1'intermédiaire d'un agent de refroidissement gazeux s'écoulant dans l'entrefer, 1!intensité du refroidissement est fortement influencée par les conditions d'écoulenent du gaz amené dans l'entrefer en fonction de la rotation du rotor. 40 Le phénomène selon lequel un rotor doté BAD ORIGINAL 70 46Bb3 2072124 d'une vitesse -périphérique élevée tend à entraîner les particules de gaz venant en contact avec lui est par ailleurs bien connu . En raison du frottement se produisant entre lesdites particules de gaz, la tendance qu'a le gaz remplissant l'entrefer à tourner avec le rotor se manifeste aussi bien qu.fà un moindre degré, à une certaine distance de la surface dudit rotor, alors que la surface intérieure du corps en fer du stator a tendance à freiner la circulation du gaz dans l'entrefer, la figure 1 illustre la répartition, de la vitesse du gaz se manifestant en fonction de la rotation du rotor dans, un entrefer tel que vu en coupe. Sur ladite figure 1 se .trouve représentée la répartition de la vitesse du gaz en fonction tout à la fois du stator et du rotor (V )•, étant la vitesse périphé rique du rotor» le schéma en question illustre la courbe de distribution bien connue selon laquelle, le gaz.de refroidissement circule dans la partie intermédiaire c'est-à-dire principale de 1'entrefer, entre les couches limitrophes disposées le long des surfaces du stator et- du rotorr tendant• à. les accoler mutuellement., et ce à la moitié de la vitesse périphérique du rotor (Y^/2),; dans le sens de la rotation du rotor. I^o-a obtient un graphique identique en fonction de l'analyse du pîié'ûotsëïis tel que vu du côté du rotor, par rapport à ce dernier, c'est-à-dire que le gaz de refroidissement circulant dans la section principale de l'entrefer, dans le sens de rotation du rotor, retarde par rapport à la vitesse superficielle du rotor de la moitié environ de la vitesse périphérique. La présente invention vise à accroître le retard du gaz de refroidissement derrière la vitesse périphérique superficielle du rotorf c'est-à-dire d'accroître dans toute la mesure du possible la vitesse relative entre la surface du. rotor et le gaz, en vue de maintenir autant que faire se peut la couche limitrophe adhérant au rotor et d'interrompre cette dernière en certains endroits du moins, afin de contrarier aa formation. Sous l'effet de la vitesse mutuelle accrue entre la surface du rotor et. le gaz de refroidissement, la chute de température sur la surface décroît dans les rotors refroidis indirectement (c1est-à-dire à refroidissement par la surface), cependant que dans les rotors pourvus dfun système de recueil de la chaleur dissipée dans l'entrefer l'effet de la SAD ORIGINAL 70 46883 3 2072124 circulation du gaz à travers les ouvertures ménagées à la surface du rotor s'accroît. "Cet effet d'injection et d'aspiration à travers lesdites ouvertures constitue le principe de ."base des systèmes de refroidissement en question du rotor ; IDans de tels rotors, l'augmentation de l'écoulement du gas présente une double signification : d'une part, l'élévation de température du 'gaz en contact direct avec l'enroulement est maintenue à un niveau acceptable et, d'autre part, en raison de - la vitesse supérieure du gaz, la chute de température superficielle produite sur les surfaces de refroidissement des enroulements directement refroidis décroît. Dans les turbo-générateurs de grande puissance et à grand rendement où la partie principale des pertes de charge dites vagabondes se trouve produite à la surface du corps en fer du rotor, il est également possible de mettre à profit les avantages propres à la présente invention en ce qui concerne le refroidissement plus - intensif de la surface du rotor, de même que les améliorations concernant 1'intensité du système de recueil de la chaleur dissipée dans l'entrefer en vue-du refroidissement direct des conducteurs. - La présente invention sera -maintenant décrite de façon plus détaillée en référence' aux dessins cx-an-nexés, sur lesquels : -la figure lest un graphique illustrant la répartition de la vitesse' du gaz dans l'entrefer- en fonction de la rotation du rotor, et où/ st = stator r = rotor V. = vitesse périphérique du rotor ~ h. Y ^ = vitesse relative du gaz par rapport à l'alésage du stator Y^ . - vitesse relative du gas par rapport à la surface du rotor ; - la figure 2 illustre l'entrefer présent entre le stator (st) et le rotor (r), le dispositif de barrage (d) faisant saillie à partir de la périphérie intérieure du noyau du stator, jusqu'à proximité, immédiate de la surface du rotor ; BAD ORIGINAL /û 40b53 ' 20.72124 . la figure 3. illustre; une. variante de forme du diEpoEitif.de barrage. (d), ce dernier pouvant être réalisé à partir de la. cale du stator ; .... . . - - - la figure 4 est.une vue en coupe de 5 1'.entrefer disposé entre le diamètre de l'alésage du rotor et le plus gr:sipd diamètre du rotor,. avec ,une marge de sécurité,, de df min.,, où peuvent, être, aménages les dispositifs . de barrage d ; ; . . . . • -. - la figure 5a est-,une vue. longitudinale 10. de la machine .représentant le système de refroidissement axial y. afférent ; .. . . ...: . , . ... ... : _ . - la. f igure 5b. est une vue en coupe de la machine faite par A-A -sur la figure ,5a ; . . ... ; ; - la..figure ,6a .est une vue longitudinale 15 de la machine représentant un système de refroidissement tan- gentiel y afférent ; .. . ...... -_la figure. 6b est une. vue- en coupe de la machine faite par A-A sur la figure 6a. „^. les flèches portées sur les figures 5a, 20 5b, 6a et 6b indiquent le sens, d'écoulement. du gaz. . • le but.de la présente invention telle que décrite ci-dessus se trouve atteint en plaçant .des dispositifs de barrage dans 1'entrefer ;à certains emplacements prédéterminés à cet effet- sur la périphérie intérieure du noyau du sta-25 tor, lesdits dispositifs de barrage faisant saillie -dans l'entrefer et parvenant au voisinage immédiat de. la surface du rotor (voir figure 2). les dispositifs de barrage en question 'peuvent être réalisés à partir de certaines dents du corps en fer du stator, ou à partir des cales de fermeture des encoches, 30 ou encore en tant qu'éléments assujettis au corps en fer du stator à cet effet. Sur la figure 3 se trouve illustré un mode de réalisation éventuel de la présente invention dans lequel lesdits dispositifs de barrage constituant.1'essence même de 35 la présente invention, lesquels font saillie dans l'entrefer et parviennent, à proximité immédiate du robor, se trouvent répartis le long de certaines génératrices de 1'-alésage du stator, étant réalisés en façonnant de manière appropriée.les cales assujettissant les enroulements. Les dispositifs de barrage 40 sont constitués par des éléments présentant des longueurs ii ^1^.55 ' - > i. ^ ^ SAD ORIGINAL 70 46883 5 2072124 identiques à celles des cales normalisées, étant fixés dans les rainures de clavetage y afférentes, mais afin de présenter une meilleure résistance mécanique et empêcher toute vibration ils viennent en outre porter contre les dents adjacentes. les dispositifs de barrage de l'entrefer conformes à la présente invention peuvent être disposés de façon appropriée dans la partie supérieure de l'alésage du stator, de manière qu'ils soient mis à l'abri de tous dommages lorsque le rotor se trouve inséré dans l'alésage du stator► Sur la figure 4 se trouve illustrée la po sition du rotor lorsque ce dernier est inséré-dans 'le stator par le diamètre le plus/grand du rotor, à savoir le diamètre extérieur de la bague de retenue (D^) maintenant les enroulements. Entre les diamètres précités et le contour (D-, ) du stator se trouve ménagé l'espace- représenté sur la figure 4 /*• (avec une marge de sécurité de ô m--n) dans lequel peuvent être logés les dispositifs de barrage conformes à la présente invention. En ce qui concerne l'application de la présente invention, il est besoin de prendre en considération les rapports existant entre le système de ventilation de la machine prise dans son ensemble, y compris le stator et le rotor. Il n'est nullement souhaitable que les dispositifs de barrage.de l'entrefer conformes à la présente invention réduisent considérablement la quantité de gaz amené à circuler daas la machine. Parmi les systèmes de ventilation usuels appliqués aux rotors à système de recueil de la chaleur dissipée dans l'entrefer ainsi qu'à leurs stators, les systèmes compartimentés (à savoir répartis sur la longueur ou la périphérie de la machine) peuvent être combinés au mieux avec la solution conforme à la présente invention. Sur les figures 5a, 5b se trouve illustré un système compartimenté qui est réparti le long de la machine. Grâce à un tel système, le corps en fer du stator et le rotor se trouvent divisés en compartiments sur toute la longuetu de la machine. Dans certains desdits compartiments, le gaz de refroidissement s'écoule à travers les canaux de ventilation ou évents du noyau du stator en direction de l'entrefer, pénétrant à l'intérieur des canaux de refroidissement du rotor à travers les orifices ménagés.à la surface du rotor, cependant bad original^ 70 46883 2072124 que dans le compartiment suivant le gaz de refroidissement échauffé s'écoule à partir du rotor à l'intérieur de 1'entrefer, s 'échappant à travers les canaux de ventilation, ou é-vents du noyau du stator. Bans certains systèmes, les compar-5. timents. en question sont séparés-par des disques en forme d'anneau qui .sonjfc respectivement assujettis aux stators et aux rotors lesquels sont mutuellement appariés, comportant; de petits entrefers de manière à pouvoir utiliser la pression des ailettes principales en vue, d'obtenir la meilleure ventilation 10 possible du rotor. s . : , Dans un tel système de ventilation compartimenté le long de la machine, les dispositifs de barrage de l'entrefer conformes à la présente invention peuvent âtre mis à profit soit dans les compartiments d'admission s, soit dans 15 les compartiments d'évacuation, et de préférence dans les deux* étant donné qu'il est souhaitable d'obtenir un accroissement de la vitesse relative du gaz dans le système de recueil de la chaleur dissipée dans l'entrefer tant dans les orifices d'admission que dans les orifices d'évacuation. 20 les dispositifs de barrage axiaux confor~ mes à la présente invention peuvent être combinés avec des couronnes du type classique» les avantages propres à la présente invention peuvent être utilisés au mieux avec les systèmes de ven-■:5 tilation compartimentés le long de la périphérie (système dit tangentiel) (voir figures 6a, 6îi)o Dans ce mode de .réalisation., le rotor n'est pas compartimenté, les orifices d'admission et de sortie du système de recueil de la chaleur dissipée dans l'entrefer se suivant alternativement sur la surface du rotor0 30 le gaz de refroidissement pénètre dans l'entrefer à travers les canaux de ventilation ou éventa des compartiments ou* sections d'admission ménagés sur la périphérie du noyau du stator* Dans l'entrefer, le gas s'écoule tangentiellement (et noa axiale™ ment) le long de la périphérie^ ressortant hors de 1!entrefer 35 à travers d'autres parties du noyau du stator qui constituent les sections d8 évacuation. L'un des avantages les plus significatifs du système de ventilation de la présente invention réside dans le fait qu'une quantité considérable de gaz peut être BAD ORIGINAL 70 46883 / 2072124 amenée à circuler dans la machine et, par voie de conséquence, dans l'entrefer. Un autre avantage d'importance en ce qui concerne le rotor réside dans le fait qu'une partie du gaz injecté dans l'entrefer, et ce en particulier grâce à un mode 5 d'agencement approprié des dispositifs de barrage conformes à la présente invention, pëut Stre contrainte de s'écouler en sens oppose à la rotation du rotor. C'est ainsi"qu*il est possible d'accroître encore la vitesse relative du gaz, ce qui constitue un facteur de première importance pour le refroidis-10 sement du rotor. BAD ORlGi^M- 70 46883 O 2072124 REVENDICATIONS 1. Machine tournante électrique comportant un rotor tournant à grande vitesse, (à savoir en particulier un turbo-générateur), dont le rotor se trouve refroidi au moyen 5 d'un agent gazeux s*écoulant dans l'entrefer entourant le rotor et s •étendant -jiTs^u'à la surface_i?fe;. Jf-alésage du stator, soit indirectemcnt sur la surface "dti rotor, soit par transmission directe de chaleur à partir des surfaces intérieures jusqu'au gaz s'écoulant à -travers l 'ouverture- ménagée à la surface du .. •- ■"<>. ^ f C 10 rotor et les canaux s'étôndant à partir dudit entrefer vers l'intérieur dn rotoir, ei se poursuivant-. «tgaieinent dans les parties ou zones conductrices d'électricité devant être,refroidies, - caractérisée par le fait que l'alésage du noyaù en fer du stator est équipé avec des dispositifs de barrage de l'entrefer disposés 15 de façon parallèle à l'axe de la machine, à savoir des dispositifs de barrage longitudinaux, lesquels arrivent à proximité immédiate de la surface du rotor, .le long des génératrices réparties en des endroits .appropriés le long de la périphérie. 2. Dispositifs de barrage de l'entrefer, suivant la 20 revendication 1, lesquels font saill.ie à partir du noyau dit stator jusqu'à proximité immédiate de la surface du rotor, caractérisés par le fait qu'ils sont constitués par les prolongements de certaines dents du noyau du stator, étant réalisés dans letxr propre matériau ou dans quelque autre matériau non magnétique. 25 3. Dispositifs dé barrage de l'entrefer, suivant la revendication 1, lesquels foiit saillie à partir du noyau du stator jusqu'à proximité immédiate de la surface du rotor, caractérisés par le fait qu'ils sont-constitués par un prolongement des cales maintenant en place les enroulements du stator» 30 k. Dispositifs de barrage de. 4,'entrefer, suivant la revendication 1, lesquels font saillie à partir du noyau du stator jusqu'à proximité immédiate de la surface du rotor, caractérisés par le fait qu'ils sont réalisés dans des éléments dont le matériau constitutif est du type non magnétique, étant par 35 ailleurs assujettis audit noyau du stator. BAD ORIGINAL