Brevet FR2210038A1 — publié le 19740705

L'invention concerne la construction électrique, et plus particulièrement les rotors de machines électriques dont l'enroulement est formé de conducteurs creux, dans lesquels circule un liquide de refroidissement. Le développement de la construction des puissantes machines électriques, et en particulier des turbo-alternateurs, est orienté sur l'augmentation de la puissance unitaire. L'accroissement de la puissance est considérablement en avance sur l'accroissement réel du volume actif du turbo-alternateur, et cela signifie que l'utilisation de la machine, donc de la charge électromagnétique de ses parties actives, en particulier de l'enroulement rotorique, augmente. Ainsi, l'accroissement de la puissance unitaire du turbo-alternateur est lié à la nécessité d'intensification du système de refroidissement des machines électriques, et en particulier de leur enroulement rotorique. A l'origine de la construction des turbo-alternateurs, le refroidissement du bobinage rotorique était réalisé par circulation dans la machine d'air prélevant de la chaleur dans l'enroulement, à travers l'acier et l'isolant de la machine; ce refroidissement est dit indirect par air de l'enroulement rotorique. La puissance des turbo-alternateurs disposant d'un tel refroidissement est de l'ordre de 100 MW, mais, comme l'a montré l'expé rience, à partir de 30 MW,il II n'est plus avantageux d'exécuter l'enroulement rotorique du trubo-alternateur par ce refroidissement indirect à circulation d'air.C'est pourquoi, dans une étape consécutive, le refroidissement d e l'e n r o u 1 e m e n t rotorique des turbo-alternateurs dtune puissance de 30 à 150 MW était réalisé à l'hydrogène, qui remplaçait l'air, étant donné que ce gaz dispose de meilleures propriétés de refroidissement (le coefficient de transmission de la chaleur de l'hydrogène est supérieur à celui de l'air). C'est ainsi qu'on a appliqué le refroidissement indirect de l'enroulement rotorique à l'hydrogène, c'est-à-dire, encore, par prélèvement de chaleur à travers l'acier et l'isolant de la machine, mais, alors, à l'aide d'hydrogène circulant dans la machine. L'accroissement poursuivi des machines (au-dessus de 150 MW) a nécessité une intensification plus poussée du refroidissement de l'enroulement rotorique que l'on a obtenu en rapprochant l'agent réfrigérant (hydrogène) jusqu'à contacter les spires nues de l'enroulement, sans l'intermédiaire de l'acier et de l'isolant. Dans ce cas l'hydrogène est au contact direct du cuivre de l'enroulement, c'est pourquoi ce mode de refroidissement est dit refroidissement direct d'enroulement rotorique à l'hydrogène. Son avantage, en comparaison au refroidissement indirect, consiste à supprimer au cours de la transmission de la chaleur les chutes de température dans l'acier et l'isolant de la machine.Le refroidissement direct de l'enroulement rotorique des turbo-alternateurs par hydrogène s'est avéré très efficace et satisfaisant de sorte que la puissance des turbo-alternateurs de ce type put être portée à plus de 50, et même atteignant 100 NW. Cependant déjà au cours d'étude de turbo-alternateurs d'une puissance de 800 MW il devint nécessaire d'accroftre encore le rendement de refroidissement de l'enroulement rotorique. C'est pourquoi, à l'heure actuelle, des recherches sont entreprises et il a été même constrùit des prototypes de turbo-alternateurs dont les enroulementsrotoriques utilisent l'eau en qualité d'agent réfrigérant. Comparativement à l'hydrogène, le coefficient de transmission de chaleur et la capacité calorifique de l'eau sont notablement supérieurs. Mais étant donné que la présence d'eau sur l'isolant et l'acier actif de la machine est absolument inadmissible, ce qui n'est pas le cas des gaz, l'enroulement rotorique du turbo-alternateur est alors réalisé par des tubes de cuivre (conducteurs creux) à l'intérieur desquels circule l'eau de refroidissement, et on a ainsi obtenu le refroidissement direct par eau de l'enroulement. Cependant, les difficultés auxquelles se heurtent les constructeurs et techniciens, les exploitants et services d'entretien pour la réalisation et le service des machines équipées de rotors de ce type, rendent impossible leur exécution technologique en série et l'obtention de la fiabilité nécessaire, ce qui pour le moment limite la fabrication des turbo-alternateurs à refroidissement de l'enroulement rotorique par eau à quelques unités. Les difficultés essentielles sont dues à l'amenée d'eau dans l'enceinte des conducteurs d'enroulement, car il est alors lndispensable d'assurer l'isolement du système d'amenée d'eau, qui supprime toute disruption ou court-circuit dans l'enroulement ainsi que l'apparition de phénomènes d'électrolyse. Etant donné qu'aux points d'amenée d'eau de fortes pressions hydrauliques (jusqu'à 200 atmosphères) sont engendrées par les forces centrifuges du fait de la rotation du rotor pouvant atteindre 3000 tr/mn, l'étanchéité des raccordements soulève de sérieuses difficultés. Il. est également indispensable d'éviter le transfert des oscillations de l'arbre aux conduites d'eau afin de prévenir leur destruction et l'apparition de manque d'étanchéité, ce-qui est aussi un problème compliqué. I1 faut également assurer l'accès libre aux conduites d'eau pendant leurs montage, démontage et réparation. Toutes ces difficultés sont encore intensifiées avec l'accroissement de la puissance du turbo-alternateur, car dans ce cas le refroidissement du rotor doit être encore augmenté , et par suite le nombre de circuits hydrauliques. Si avec l'accroissement du débit de circulation le nombre de circuits hydrauliques en dérivationnhst pas augmenté, il apparaît une augmentation inadmissible des pertes de charge dans tout le circuit de refroidissement de l'enroulement et la pression de l'eau à l'intérieur devient plusieurs fois supérieure à celle engendrée par les forces centrifuges, et le problème d'étanchéité de l'amenée de l'eau à l'enroulement est alors pratiquement impossible à résoudre. I1 a donc été nécessaire d'étudier des circuits parallèles multiples de refroidissement de l'enroulement rotorique des turbo-alternateurs, c'est-à-dire par refroidissement et distribution d'eau vers chaque spire, et même demi-spire de l'enroulement. Les études des projets ont montré que pour réaliser un rotor de turbo-alternateur, à circuits parallèles multiples de refroidissement de l'enroulement, il est plus avantageux d'appliquer un schéma de bobinage à parttes frontales imbriquées (ou ondulées), car dans ce cas chaque spire et chaque demi-spire de l'enroulement est facilement accessible. L'enroulement à disposition concentrique des parties frontales, utilisé en règle générale dans les rotors des turbo-alternateurs, convient mal à un schéma hydraulique à circuits parallèles multiples par suite de l'accès difficile à chaque spire et-demi-spire. Pour le refroidissement hydraulique de l'enroulement rotorique du turbo-alternateur, le liquide de refroidissement est d'abord amené aux canalisationsde l'arbre du rotor pour ensuite déboucher dans l'enroulement. L'évacuation de cette eau est effectuée dans l'ordre inverse, depuis l4enrou- lement refroidi vers les canalisations de l'arbre d'où elle est évacue. De cette façon, entre les canalisations de l'arbre et l'enroulement doit être agencée une liaison hydraulique. Dans le schéma de refroidissement à circuits parallèles multiples de l'enroulement rotorique, il est avantageux d'utiliser un collecteur hydraulique comme liaison de ce genre. Dans les premières étapes de réalisation de rotors à refroidissement d'enroulement par eau, comportant un nombre relativement faible de branchements hydrauliques parallèles, par exemple avec distribution de l'eau à chacune des deux bobines raccordées hydrauliquement en série, dans une bobine, ou demi-bobine, les réalisations ne faisaient pas appel à un collecteur hydraulique. Mais encore dans ce cas le r81e du collecteur hydraulique était assuré par des canalisations de l'arbre ou par une bague calée sur l'arbre ét dont les chambres communiquent avec les canalisations de l'arbre.Cependant, si dans le premier cas la réalisation de l'admission et de l'évacuation est difficile par suite du nombre important de conduites d'amenée et d'évacuation, lesquels3 ne peuvent être pratiquement logées dans le corps de l'arbre du rotor par suite du manque de place, dans le deuxième cas le collecteur calé sur l'arbre transmet les vibrations de celui-ci aux conduites amenant l'eau à l'enroulement, car l'agencement en compensateurs de vibrations est alors irréalisable. La firme suisse Brown Boveri (voir Brown Boveri Review, 1966, nO 9, pages 501-511) a étudié un turbo-alternateur comportant un système de refroidissement de l'enroulement rotorique, d'exécution imbriquée du côté amenée et évacuation de l'eau. Le collecteur hydraulique est alors constitué par un cylindre monté du cté de l'avant de l'enroulement et fixé sur une bague de frettage en porte à faux.Le collecteur comporte une enceinte annulaire divisée par des cloisons radiales en deux chambres d'admission et deux chambres d'évacuation communiquant directement avec les canalisations, ménagées dans le corps du collecteur par lesquelles les chambres sont connectées à l'enroulement, à l'aide de buses fixées aux spires de ce dernier. te collecteur est composé de deux parties dont ltétanchéisation est assurée par deux joints annulaires. Pour accéder pour les réparations aux canalisations longitudinales du collecteur recevant les pièces d'isolement et d'etanchéisation, il est donc indispensable de démonter le collecteur et d'interrompre son étanchéité. Le démontage du collecteur est également indispensable pour l'accès aux joints des tubes radiaux assurant le raccordement hydraulique entre les chambres du collecteur et l'arbre du rotor. Conformément au brevet suisse nO 447353 H02K 9/16 de 1967, la liaison hydraulique entre les chambres du collecteur et l'arbre du rotor est réalisée par l'intermédiaire de tubes radiaux et d'un tube central passant par l'arbre et laissant un certain jeu avec ce dernier, entre les tubes mêmes. L'inconvénient de cette construction réside dans la nécessité de démontage et d'interruption de l'étanchéité du collecteur hydraulique dans les cas où il est nécessaire d'accéder aux pièces d'isolement et d'étanchéisation disposées dans le collecteur. L'utilisation pour le raccordement au- collecteur de tubes radiaux et d'un tube central disposés dans l'arbre comporte des difficultés considérables pour assurer l'étanchéisation mutuelle des tubes, ainsi que pour assurer les jeux entre tube et arbre, nécessaires pour prévenir la transmission des vibrations entre ces éléments. L'invention remédie à ces inconvénients et a pour objet un rotor comportant un dispositif d'amenée à l'enroulement rotorique de lacmachine et d'évacuation du liquide permettant le libre accès aux pièces d'isolement et d'étanchéisation du collecteur, et de plus le montage commode des tubes mettant en communication les chambres du collecteur avec les canalisations de l'arbre. Suivant l'invention, un rotor comportant des canalisations ménagées à l'intérieur de l'arbre, un enroulement en conducteurs creux dans lesquels circule le liquide de refroidissement, et un collecteur hydraulique, fixé sur la frette de la partie avant de l'enroulement et comprenant des chambres d'admission et d'évacuation communiquant avec lesdits conducteurs creux par les canalisations longitudinales du collecteur, est caractérisé en ce que les canalisations longitudinales du collecteur débouchent sur sa surface d'extrémité constituant la face extr & e du rotor, et communiquent avec lesdites chambres du collecteur par des canalisations radiales, les chambres d'admission et d'évacuation étant insérées entre les canalisations longitudinales et la surface du collecteur orientée vers l'arbre du rotor, tandis que les orifices ouverts des canalisations longitudinales, situés sur la surface en bout du collecteur, sont fermés par des éléments amovibles. Ledit élément amovible est avantageusement un bouchon vissé. I1 convient que les chambres d'admission et d'évacuation soient mises en communication avec les canalisations internes de l'arbre à l'aide de tubes à montage longitudinal, dont une extrémité est fixée au collecteur hydraulique, tandis que l'extrémité opposée est raccordée à l'embase du fer actif de l'arbre de rotor. Il est également avantageux que lesdits tubes soient disposés dans des encoches de l'arbre du rotor. Cette nouvelle réalisation du rotor de'machine électrique peut être appliquée à grande échelle aux turbo-alternateurs d'une puissance de 2000 MW, et meme plus, en assurant une fiabilité de service élevée ainsi qu'une exécution simple. Les essais et les études préliminaires effectués ont donné des résultats très satisfaisants. D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée qui va suivre, avec référence aux dessins annexés de réalisations préférées. On a fait appel,pour simplifier l'exposé, à une terminologie concrète limitée, mais il est bien évident que les termes utilisés peuvent désigner tous éléments équivalents fonctionnant de façon similaire et employés pour résoudre des problèmes identiques à ceux de la présente invention. Sur les dessins, la figure 1 est une coupe longitudinale d'une partie du rotor de machine électrique coté d'amenée vers les enceintes de l'enroulement et d'évacuation du liquide de refroidissement, comportant un collecteur hydraulique dont les chambres d'admission et d'évacuation sont disposées dans des plans transversaux différents la figure 2 est une coupe longitudinale du collecteur hydraulique dont les chambres d'admission et d'évacuation sont disposées dans un même plan transversal; et la figure 3 est une coupe-transversale selon la ligne III-III de la figure 2. Dans l'une des réalisations possibles, le rotor 1 (figure 1) de la machine électrique comporte un enroulement constitué par des conducteurs creux et nus 2, isolés les uns des autres par des joints 3. Ces conducteurs 2 de l'enroulement, disposés dans le fer actif 4 du rotor 1, en font saillie partiellement. A chaque paire de conducteurs 2 sont fixées, sur les parties faisant saillie du fer 4, des buses 5 raccordées à un collecteur hydraulique 6 par l'intermédiaire de canalisations longitudinales 7. Le collecteur 6 est fixé sur une bague de frettage 8 en porte à faux, fixée elle-même par son coté 9 sur le fer 4 du rotor, son déplacement longitudinal étant empoché par écrou 10 et clavette 11. En plus des canalisations longitudinales 7, le collecteur 6 comporte des chambres d'admission 12 et d'évacuation 13 en forme d'enceintes annulaires.Les chambres d'admission 12 et d'évacuation 13 communiquent avec les canalisations longitudinales 7 par des canaux 14 ménagés dans des plans radiaux du collecteur 6. La chambre d'admission 12 et la chambre d'évacuation 13- sont mises en communication avec les canalisations 15 de l'arbre 16 du rotor 1 par l'intermédiaire des tubes 17 montés longitudinalement dont chaque extrémité 18 s'engage dans l'une des canalisations 15 de l'arbre 16 à proximité de 1'embase 19 du noyau de fer actif 4, et l'autre extrémite 20 dans l'orifice 21 du collecteur 6 communiquant avec la chambre d'admission 12 ou.avec la chambre d'évacuation 13. Les deux extrémités 18 et 20 de chacun des tubes 17 sont rendues étanches par les joints 22 et 23. Les canalisations longitudinales 7 débouchent sur la surface en bout 24 du collecteur, formant également la face d'extrémité en bout du rotor et les orifices formés par ces canalisations sont obturds par des bouchons filetés 25 et 26. Le collecteur comporte en outre un orifice obturé par un bouchon fileté 27. Le collecteur décrit est utilisé-pour l'enroulement rotorique avec extrémités alternées des conducteurs d'admission et d'évacuation. Si les extrémités des conducteurs d'admission et d'évacuation de l'enroulement dégagés du fer actif du noyau de rotor sont groupées en faisceaux constitués chacun seulement par les extrémités d'admission ou d'évacuation de conducteurs, dans ce cas le collecteur utilisé 6a (figure 2) se distingue du précédent par le fait que les chambres d'admission 12a et d'évacuation 13a (figure 3) sont disposées dans la mme enceinte annulaire 28 du collecteur 6a (figure 2) qui est partagée par des cloisons radiales 29 (figure 3) en parties formant les chambres 12a et 13a. Le liquide refroidissant les conducteurs 2 (figure 1) de l'enroulement du rotor 1 passe par les canalisations 15 de l'arbre 16, débouche dans les tubes 18 et, ensuite, dans la chambre d'admission 12 (figure 1) ou 12a (figure 3), puis par les canalisations 14 (figure l) ou les canalisations 14a (figure 2) débouche dans les canalisations 7 (figure 1) ou les canalisations 7a (figure-2). Après quoi ce liquide de refroidissement passe par les buses 5 (figure 1) et débouche dans les conducteurs 2 de l'enroulement rotorique 1. L'évacuation du liquide de refroidissement est effectuée de façon analogue. On accède aux pièces d'isolement et d'étanchéisation du collecteur disposées dans ces canalisations en dévissant les bouchons 25, 26, 27. REVENDICATIONS 1. Rotor de machine électrique, avec canalisations à l'intérieur de l'arbre, comportant un enroulement constitué par des conducteurs creux, à travers lesquels circule le liquide de refroidissement, et un collecteur hydraulique fixé sur la frette de la partie avant de l'enroulement, comportant au moins une chambre d'admission et au moins une chambre d'évacuation mises en communication avec les conducteurs creux de l'enroulement par au moins deux canalisations longitudinales du collecteur, ce rotor étant caractérisé en ce que lesdites canalisations longitudinales du collecteur débouchent sur sa surface en bout constituant également la face en bout du rotor, et qu'elles communiquent avec lesdites chambres du collecteur par l'intermédiaire de canalisations radiales, au moins une chambre d'admission et au moins unechambre d'évacuation du collecteur étant alors disposées entre les canalisations longitudinales et la surface du collecteur 6 orientée vers l'arbre du rotor, tandis que les orifices ouverts des canalisations longitudinales situés sur la face extérieure en bout du collecteur sont obturés par des éléments amovibles. 2. Rotor de machine électrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments amovibles sont constitués par des bouchons filetés. 3. Rotor de machine électrique suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les chambres d'admission et d'évacuation du collecteur sont mises en communication avec les canalisations de l'arbre à l'aide de tubes à montage longitudinal, une extrémité de chacun des tubes étant alors fixée audit collecteur, et l'autre à proximité de 1'embase du noyau de fer actif 4, Rotor de machine électrique suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que lesdits tubes sont disposés dans des encoches de l'arbre du rotor.