Brevet FR2148593A1 — publié le 19730323

La presente invention est relative à un rotor de machines dynamoélectriques et concerne plus particulièrement un rotor refroidi par liquide pour machines de grandes dimensions, telles que les turbogénératrices. Les turbogénératrices importantes sont habituellement de construction à refroidissement intérieur ou direct, dans laquelle un fluide de refroidissement circule à travers des conduits disposés dans les encoches du stator et du rotor, en contact thermique direct avec les conducteurs porteurs de courant se trouvant à l'intérieur de l'isolation par rapport à la masse. Ce type de construction fournit un système de refroidissement très efficace et permet d'augmenter fortement les puissances nominales maxima disponibles dans les génératrices de grandes dimensions sans dépasser l'encombrement maximum permis.Le fluide de refroidissement utilisé dans ces machines est habituellement de l'hydrogène qui remplit l'enveloppe étanche et qui, par un ventilateur fixé sur l'arbre rotorique, est mis en circulation à travers les conduits prévus dans les enroulements statoriques et rotoriques et à travers des canaux pratiqués dans le paquet de tôles statoriques. Les puissances nominales maxima demandées aux génératrices de grandes dimensions ont continué d'augmenter, ce qui implique une amélioration supplémentaire du refroidissement de ces machines. Une amélioration sensible du refroidissement peut être obtenue par l'utilisation de fluides de refroidissement plus efficaces, par exemple des liquides. On a obtenu cette amélioration dans des stators en fai sant circuler un réfrigérant liquide, tel que de l'eau, à travers les conduits de l'enroulement statorique. Une autre amélioration sensible peut être obtenue en appliquant la méthode de refroidissement par liquide au rotor en faisant circuler un liquide adéquat, par exemple de l'eau, à travers des conduits prévus dans les enroulements rotoriques. Toutefois, de nombreux problèmes se posent pour faire circuler un réfrigérant liquide à travers le rotor d'une grosse génératrice tournant à vitesse élevée, habituellement 3 000 tours par minute. Un type dé construction donnant satisfaction à cet effet a été décrit dans la demande US. 144 050 du 17 mai 1971, déposée au nom de L.P. CURTIS, S.C. YING et J. LUZADER. Dans cette réalisation, le réfrigérant liquide est introduit le long de l'axe de l'arbre du rotor d'où il s'écoule vers une chambre de distribution annulaire située à la surface du rotor, à partir de laquelle le liquide est réparti vers les conducteurs de l'enroulement rotorique pour circuler à travers les canaux situés dans les conducteurs.A l'autre extrémité du rotor, le liquide s'écoule des conducteurs de l'en- roulement vers une autre chambre de récupération d'où il s'enfonce, à travers les conduits radiaux, vers un alésage central de l'arbre à partir duquel il est évacué. Le réfrigérant liquide est réparti vers les conducteurs de l'enroulement au départ de la chambre de distribution au moyen de connecteurs individuels s 'étendant de la dite chambre de distribution jusqu'aux conducteurs respectifs de l'enroulement. Des connecteurs semblables sont utilisés à l'autre extrémité pour permettre l'écoulement du liquide des conducteurs de l'enroulement vers la chambre de récupération pour son évacuation. Les conducteurs de l'enroulement sont susceptibles de se déplacer axialement en cours de fonctionnement à cause de la dilatation thermique, ce qui fait que les connecteurs raccordés à chacun des conducteurs doivent être suffisamment flexibles pour permettre une telle dilatation. Les boucles d'extrémité des conducteurs, qui sont fixées par les bagues de retenue habituelles, sont également soumises à un déplacement radial du à l'effet des forces centrifuges qui se manifestent pendant le fonctionnement, ce qui fait que les connecteurs doivent également permettre ce déplacement. La conception de ces connecteurs, qui vont de la chambre de distribution et de la chambre de récupération aux conducteurs de l'enroulement, présente par conséquent des difficultés considérables.Le type de connecteur que l'on préfere est agencé pour s'étendre d'une manière continue le long de l'arbre, jusqu'au bout de celui-ci vers la masse du rotor sous les boucles d'extrémité des conducteurs de l'enroulement, et est conformé en épingle à cheveux pour s'étendre à l'arrière de l'emplacement du conducteur considéré auquel il doit être relié, cette portion de connecteur étant supportée radialement par les boucles d'extrémité elles-memes. Le bout du connecteur s'étend ensuite circonférentiellement vers le point de raccordement souhaité à l'enroule- ment. Ce type de connecteur a été décrit dans le brevet US. 3 469 127.Il s'est avéré toutefois que les connecteurs de ce type sont soumis à de très fortes sollicitations dues au déplacement radial des boucles d'extrémité de l'enroulement et ces sollicitations peuvent facilement atteindre une valeur beaucoup plus granr de que celle qui peut etre admise en toute sécurité. Le but de la présente invention est de réaliser un connecteur qui soit capable de résister aux forces centrifuges élevées et au déplacement radial occa sionné par les forces centrifuges. A cet effet, la présente invention consiste en un rotor de machine dynamoélectrique, le dit rotor ayant une masse rotorique et des portions formant arbre, des enroulements rotoriques disposés dans des encoches pratiquées à la périphérie de la dite masse rotorique, les dits enroulements étant munis de canaux pour la circulation d'un réfrigérant liquide, un moyen pour faire circuler le réfrigérant liquide comprenant une chambre de distribution de réfrigérant disposée sur au moins une des dites portions d'arbre, un certain nombre de connecteurs s' étendant de la dite chambre jusqu'aux enroulements, chacun des dits connecteurs raccordant la chambre à un canal d'enroulement, caractérisé en ce que les dits connecteurs sont disposés dans des encoches longitudinales pratiquées dans la dite portion d'arbre soutenant la chambre et maintenus dans les encoches de manière telle qu'un déplacement radial limité des dits connecteurs soit permis. Dans une réalisation préférée on arrive à ce résultat au moyen d'une plaque longitudinale ou ressort plat s'étendant sur la longueur de la partie axiale de chaque connecteur en-dessous de la cale qui ferme l'encoche. Ce ressort permet au connecteur de se déplacer radialement sur une distance limitée sous l'effet de la force centrifuge et absorbe donc en partie la sollicitation à la partie en épingle à cheveux du connecteur, où la valeur de la sollicitation est maximum. De cette manière, la sollicitation maximum au collecteur est diminuée et peut être ramenée à des valeurs acceptables. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre et aux dessins annexés. Sur ces dessins: - La figure 1 est une coupe longitudinale fragmentaire d'un rotor utilisant les principes de la présente invention. - La figure 2 est une vue en perspective d'un des connecteurs utilisés. - La figure 3 est une vue en élévation d'une portion du connecteur représenté à la figure 2. - La figure 4 est une coupe longitudinale d'une portion du rotor représenté à la figure 1 à plus grande échelle et - La figure 5 est une coupe transversale pratiquée suivant la ligne V-V de la figure 4. La présente invention est représentée à la figure 1, appliquée à un système de refroidissement pour rotor refroidi par un liquide, seules les parties du rotor nécessaires à la compréhension de l'invention étant reprises à la figure. Comme montré à la figure 1, le rotor possède une masse rotorique 10 normalement pourvue d'encoches périphériques pour le logement d'un enroulement rotorique 11. L'enroulement rotorique 11, qui constitue l'enroulement d'excitation d'une génératrice, peut être disposé de toute manière adéquate dans les encoches du rotor pour former le nombre voulu de pôles magnétiques qui, pour des machines de ce type, est de 2 ou 4. L'enroulement est constitué de conducteurs en cuivre 12 qui s'étendent longitudinalement dans les encoches du rotor et sont disposés en arc de cercle à l'endroit des têtes de bobines 13 qui se trouvent au delà des extrémités de la masse rotorique 10 et sont protégées des forces centrifuges par des bagues 14 de retenue, massives, classiques. Comne on peut le voir aux têtes de bobines 13 qui sont visibles à la figure 1, les conducteurs 12 qui composent 1' enroulement Il sont creux et sont donc traversés par un canal à travers lequel un liquide réfrigérant, de préférence de l'eau, circule d'un bout à l'autre. On peut utiliser n'importe quel type de circulation convenable du réfrigérant de même que n'importe quel circuit électrique adéquat. Le rotor possède, de part et d'autre de la masse rotorique 10, des portions d'arbre 15 faisant partie intégrale de celle-ci. Chaque portion d'arbre 15 est traversée par un alésage central 16, qui suivant la pratique habituelle, peut s'étendre d'un bout à l'autre du rotor. L'aménagement du rotor et le système de refroidissement représentés aux dessins à titre d'exemple sont décrits et revendiqués dans la demande de brevet ci-dessus mentionnée. Comme décrit plus en détail dans la dite demande, un réfrigérant liquide, de préférence de l'eau, est introduit dans le rotor par la portion d'arbre 15 et circule à travers un passage annulaire 17 formé dans l'alésage 16.Le passage annulaire 17 entoure des conducteurs axiaux 18 qui traversent l'alésage et assurent le raccordement de 1' enroulement rotorique 11 à une source d'alimentation par l'intermédiaire de conducteurs radiaux classiques (non représentés). Les conducteurs 18 sont isolés de façon adéquate des parois du passage annulaire 17 ainsi que l'un de l'autre par un isolant 19. L'eau qui circule dans le passage annulaire 17 s'enfonce dans des passages radiaux 20 situés à proximité de l'extrémité intérieure de la portion d'arbre 15 et, de là, s'écoule vers une chambre annulaire 21 de distribution située à la surface de la portion 15. Le passage annulaire 17 est, de préférence, formé par des tubes concentriques en métal résistant à la corrosion tel que 1' acier inoxydable et les passages 20 sont chemisés avec des gaines en même matériau.La chambre de distribution 21 est également réalisée en acier inoxydable ou en tout autre matériau résistant à la corrosion. L'eau qui se trouve dans la chambre 21 est répartie dans les conducteurs 12 de l'enroulement rotorique par une série de canaux ou de conduits pour s'écouler jusqu'à l'autre extrémité du rotor. Chacun de ces conduits peut être constitué par un court tube métallique 22, pouvant être en cuivre ou en acier inoxydable, qui va de la chambre 21 à un manchon isolant 23 qui isole l'enroulement rotorique des parties de l'arbre mises à la terre. Les manchons 23 peuvent être maintenus en place sur la périphérie de l'arbre par tout moyen convenable, par exemple en les plaçant dans des encoches formées par des cloisons radiales prévues à la surface de l'arbre et en les immobilisant avec un matériau isolant, des bagues de retenue 24 étant mises à serrage sur le tout. Les manchons 23 peuvent évidemment être maintenus en place sur 1' arbre par tout autre moyen adéquat.Des connecteurs 25 s'étendent de chacun des manchons 23 à des conducteurs particuliers 12 de l'enroulement rotorique pour fournir l'eau de refroidissement à ceux-ci. Ainsi, l'eau introduite dans l'enroulement rotorique circule à travers les conducteurs d'une extrémité à l'autre et peut être amenée, à travers des connecteurs similaires, vers une chambre de récupération semblable à la chambre 21, placée à la surface du rotor et, de là, à travers des conduits radiaux, jusqu'à l'alésage 16 pour être évacuée de la manière décrite dans la demande déjà citée ou de toute autre manière adéquate. Les connecteurs 25 sont représentés en détail aux figures 2 et 3. Comme représenté, chaque connecteur possède une portion d'extrémité droite 26 pour le raccordement au manchon 23 et une portion courbe 27 qui peut s'étendre circonférentiellement autour du rotor et s'avancer vers l'intérieur vers l'emplacement où le dit connecteur va se loger dans l'une des sériesd'encoches 28 pratiquées à la surface de la portion d'arbre 15 du rotor. Le connecteur 25 possède également une portion droite 29 qui s'étend axialement à travers une encoche 28 sur toute la longueur de la masse rotorique 10, comme montré à la figure 1.Le connecteur 25 est plié en forme d'épingle à cheveux à l'endroit où la portion droite 29 se raccorde à une autre portion droite 31 s'étendant en arrière parallèlement à l'axe du rotor dans une position lui permettant d'être supportée par les boucles d'extrémité 13 de l'enroulement. La longueur de la partie droite 31 de chaque connecteur est choisie de manière à amener celui-ci à l'endroit désiré pour être fixé à l'une des boucles d'extrémité 13, bien définie. Une portion courbe 32 du connecteur s'étend circonférentiellement de la portion droite 31 jusqu a un endroit particulier où une portion droite 33 se dresse vers le haut pour se raccorder au conducteur 12 désiré. On voit que les connecteurs 25 sont tout-à-fait déformables et que les portions 32 et 33 le sont suffisamment pour permettre sans difficultés un dép lace- ment axial des boucles d'extrémité 13 du à la dilatation thermique des conducteurs 12. Les portions 31 et 32 des connecteurs 25 sont fermement fixées sur la face interne des boucles d'extrémité 13 par un isolant 34. Le rotor des machines du type concerné pour l'invention est de dimensions relativement importantes et les bagues de retenue ainsi que les boucles d'extrémité 13 sont massives et également de grandes dimensions. Quand le rotor tourne à des vitesses relativement élevées, des forces centrifuges très élevées se développent et font que les boy cles d'extrémité et les bagues de retenue subissent un déplacement radial appréciable.Les portions de connecteur 31 et 32 qui sont attachées aux boucles d'extrémité et supportées par celles-ci vont donc se déplacer radialement avec les dites boucles d'extrémité. Si les portions longitudinales 29 des connecteurs 25 sont rigidement fixées dans les encoches 28, il est évident que la pliure en pingle à cheveux 30 sera soumise à de fortes sollicitations lorsque les portions 31 et 32 du connecteur seront déplacées radialement dans un sens puis dans l'autre avec les boucles d'extrémité 13. Les sollicitations ainsi occasionnées dans les portions en épingle à cheveux 30 peuvent être très élevées et dans la plupart des cas dépassent les sollicitations maxima admissibles. Suivant la présente invention, les portions droites 29 des connecteurs 25 sont fixées de manière à leur permettre un déplacement radial limité pour réduire les sollicitations imposées aux pliures en épingle à cheveux 30. Comme exposé précédemment et montré aux figures 4 et 5, les sections longitudinales 29 des connecteurs 25 sont disposées dans des encoches 28 prévues à la surface de la portion d'arbre 15 du rotor. Dans la réalisation particulière de l'invention montrée aux dessins, le nombre de connecteurs nécessaires est de quatre, logés dans chacune des encoches 28. Chaque encoche 28 est gainée avec un revêtement intérieur 35 en matière isolante et les portions 29 des connecteurs sont fixées et maintenus en place dans la dite encoche 28 par des blocs 36 réalisés de préférence en aluminium à cause de la résistance mécanique et du faible poids de ce matériau.Les blocs 36 sont conformés comme montré aux figures 4 et 5 pour s'adapter sans forcer dans l'encoche 28 et autour des portions 29 des connecteurs pour les maintenir fermement en place. Les connecteurs 25 sont, de préférence, fabriqués à l'aide de tuyaux en cuivre ou en acier inoxydable et sont isolés de toute manière convenable, au moins aux endroits où ils sont en contact avec les blocs en aluminium 36 dans l'encoche 28. Si on le désire, les blocs 36 peuvent être réalisés en tout autre matériau suffisamment résistant et rigide et s'ils sont fabriqués en matériau isolant il n'y a évidemment plus lieu de prévoir d' isolant autour des connecteurs 25. Chacune des encoches 28 est fermée à sa partie supérieure par une cale 37, fabriquée en tout matériau convenable de résistance mécanique suffisante, qui s' étend sur toute la longueur de l'encoche et qui S'engage dans les rainures pratiquées dans les faces opposées de celle-ci de la manière habituelle comme montré à la figure 5. Des bandes de remplissage adéquates 38 peuvent être placées sous la cale si c'est nécessaire ou si on le désire, et un ressort plat. longitu- dinal 39 est placé entre la cale 37 et les blocs supérieurs 36 en aluminium. Le ressort 39 se présente sous forme d'une lamelle élastique de même longueur que la portion droite 29 du connecteur 25 et s'étend d'un bout à l'autre de l'encoche 28.Les portions droites 29 des connecteurs 25 sont donc maintenues fermement en place dans les encoches 28 par les cales 37 et par les ressorts 39, alors que les pliures en épingle à cheveux 30 sont également bien maintenues en place par l'isolant 34 sous les boucles d'extrémité 13 et par des pièces rapportées 40 se présentant sous forme de segment, en matériau isolant, qui viennent en contact avec la masse rotorique 10. Les connecteurs sont donc fermement maintenues en place mais quand les boucles d'extrémité 13 et les portions 31 des connecteurs se déplacent radialement sous l'influence des forces centrifuges, les portions droites 29 des connecteurs peuvent se déplacer radialement dans des limites permises par le fléchissement des ressorts 39 de manière que les sollicitations auxquelles sont soumises les parties en épingle à cheveux 30 soient réduites au minimum et maintenues dans des limites admissibles. REVENDICATIONS. 1. Rotor de machine dynamoélectrique, le dit rotor ayant une masse rotorique et des portions formant arbre, des enroulements rotoriques disposés dans des encoches pratiquées à la périphérie de la dite masse rotorique, les dits enroulements étant munis de canaux pour la circulation d'un réfrigérant liquide, un moyen pour faire circuler le réfrigérant liquide comprenant une chambre de distribution de réfrigérant disposée sur au moins une des dites portions d'arbre, un certain nombre de connecteurs s'étendant de la dite chambre jusqu'aux enroulements, chacun des dits connecteurs raccordant la chambre à un canal d'enroulement, caractérisé en ce que les dits connecteurs sont disposés dans des encoches longitudinales pratiquées dans la dite portion d'arbre soutenant la chambre et maintenus dans les encoches de manière telle qu'un déplacement radial limité des dits connecteurs soit permis. 2. Rotor suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les connecteurs sont retenus dans les encoches par des cales s'étendant longitudinalement audessus de celles-ci et un ressort plat s'étendant longitudinalement dans chaque encoche errdessous de la cale pour permettre un déplacement limité du connecteur. 3. Rotor suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les connecteurs sont des tubes métalliques isolés et en ce que des blocs métalliques sont disposés dans chaque encoche pour maintenir les connecteurs en place les uns par rapport aux autres, le dit ressort plat s'étendant longitudinalement entre la cale et les blocs métalliques.