Brevet FR2309068A1 — publié le 19761119

La presente invention, due aux travaux de MM. Roger GILLET, Christian LEHUEN, Gilbert RUELLE de la Sociéte Générale de Constructions Electriques et Mécaniques ALSTHoM et François MOISSON-FRANCKHAUSER, des Laboratoires de Marcoussis, concerne une machine tournante à circuit de refroidissement, telle que le rotor d'un cryoalternateur. Ce rotor qui joue le rôle d'inducteur, comporte a sa périphérie des bobinages supraconducteurs qui doivent être maintenus a une température très basse malgre la chaleur qui apparatt, d'une part, en raison de pertes d'origine électrique dans les bobinages, et, d'autre part, par rayonnement ou conduction thermique.Ce rotor comporte pour cela un circuit de refroidissement parcouru par de l'helium qui peut être amene par un tube d'amenée axial rotatif solidaire du rotor et raccorde 3 un tube d'amenée fixe egalement axial au moyen d'un joint tournant. L'hélium sortant est récupere, refroidi et reinjecte dans le tube d'amenez par un circulateur, ctest-à-dire une pompe spéciale. La realisation d'un tel circuit de refroidissement dans lequel la circula tion de lthelium à l'interieur du rotor est forcee par le circulateur, apparaît cependant difficile lorsque l'on souhaite eviter que l'hélium ne sorte du rotor dans l'atmosphère exterieure, en utilisant me canalisation de sortie. Aucune solution satisfaisante n'a ete proposée pour cette realisation. La presente invention permet d'éviter les difficultés de raccordement entre les parties fixe et tournante du circuit de refroidissement. Elle a pour objet une machine tournante a circuit de refroidissement comportant - m rotor tournant autour d'un axe et dans une zone peripherique duquel apparatt de la chaleur, - dans ledit rotor un circuit de refroidissement permettant la circulation d'un fluide de refroidissement soumis à la force centrifuge resultant de la rotation de ce rotor et comportant :: - un orifice situé au voisinage dudit axe et permettant l'introduction dudit fluide dans ce circuit," - une canalisation "descendante" permettant audit fluide introduit par ledit orifice de s'eloigner de cet axe pour atteindre ladite zone périphérique, - une canalisation basses raccordee à ladite canalisation descendante permettant audit fluide provenant de cette canalisation descendante de circuler dans ladite zone peripherique en recueillant la chaleur apparaissant dans cette zone et, - une canalisation "montante" raccordee a ladite canalisation basse et permettant audit fluide provenant de cette canalisation basse de se rapprocher dudit axe, - un tube d'amenée fixe étant disposé selon ledit axe et permettant l'introduction dudit fluide dans ledit circuit de refroidissement par ledit orifice, - des moyens d'alimentation étant prevus pour fournir ledit fluide audit tube d'amenee, - des moyens etant prévus pour permettre audit fluide de sortir de ce circuit et dudit rotor, caractérisée par le fait que - ladite canalisation montante est raccordee s laditecanalisation descendante au voisinage dudit axe de manière a permettre audit fluide de circuler en circuit fermé dans l'ensemble dudit circuit de refroidissement, - ledit tube d'amenée entant disposé de manière à ce que l'introduction dudit fluide par ce tube dans ledit circuit de refroidissement favorise la circulation de ce fluide dans le sens allant de ladite canalisation descendante a ladite canalisation basse, puis s ladite canalisation montante, - les sections de passages desdites canalisations étant choisies suffisamment grandes pour que l'effet de thermosiphon résultant de ladite force centrifuge et de l'échauffement dudit fluide parcourant ladite canalisation basse crée dans ledit circuit de refroidissement un débit dudit fluide au moins égal au débit fourni par lesdits moyens d'alimentation audit tube d'amenée. A l'aide des figures schématiques 1 et 2 ci-jointes, on va décrire ciaprès, i titre non limitatif un mode de mise en oeuvre de l'invention. Les éléments qui se correspondent sur plusieurs de ces figures y sont désignés par les mêmes signes de référence. La figure 1 représente une vue en coupe axiale d'un mode de réalisation de l'invention. La figure 2 représente schématiquement les movens d'alimentation en fluide de refroidissement du rotor de la figure 1. La machine tournante décrite est un cryoalternateur, et plus particulièrement le rotor constituant l'inducteur de cet alternateur. Ce rotor est entraîné en rotation autour d'un axe 1, . la vitesse de synchronisme, par exemple 25 tours par seconde, par l'intermédiaire d'un arbre 2. Il comporte quatre bobi nages supraconducteurs tels que 4 fixés au voisinage de sa périphérie, à une distance de 6Ocm de l'axe 1, sur un châssis fi et décalés angulairement de 900 autour de l'axe 1. De la chaleur apparaît dans ces bobinages en raison de l'induction magné tique variable à laquelle ils sont parfois soumis, et dans la partie périphé rique du châssis 6 par rayonnement thermique à partir du stator non représenté entourant le rotor représenté. Pour maintenir les bobinages tels que 4 à une température voisine de 40K, il faut donc évacuer un débit de chaleur, d'au moins une dizaine de watts. Pour cela on prévoit dans le rotor un circuit de refroidissement comportant classiquement une partie périphérique en contact thermique avec les-hohinages tels que 4, une partie axiale par laquelle se fait l'entrée et la sortie du fluide de refroidissement; qui est de l'hélium, et des parties radiales assurant la communication entre les parties péri phén que et axiale.Le fluide circulant dans ce circuit est évidement soumis à la force centrifuge résultant de la rotation du rotor. Sa pression est donc plus élevée dans la partie périphérique du circuit que dans sa partie axiale, de même que Sous l'action de la pesanteur, la pression d'un fluide dans un circuit de refroidissement fixe est plus élevée dans la partie basse de ce circuit que dans sa partie haute. C'est pourquoi on a appelé et on appelera ci-après "haut" et "bas" les éléments du circuit de refroidissement du rotor situés respecti vement près de l'axe de ce rotor et à sa périphérie. Le circuit de refroidissement du rotor décrit ici comporte, en allant de l'entrée du fluide à sa sortie, les quatre canalisations ou groupes de canali sations suivants : - une canalisation "haute" 8 d'un diamètre de 50mua environ s'étendant selon l'axe du rotor entre une extrémité proche de l'entrée du fluide et une extré mité éloignée de cette entrée, - quatre canalisations "descendantes" telles que 10 disposées radialement à 90* les unes des autres raccordées è ladite extrémité "éloignée" de la canalisation haute 8 ct permettant au fluide d'atteindre la zone périphérique du rotor, - quatre canalisations "basses" telles que 12 raccordées auxdites canalisations descendantes 10 et permettant au fluide provenant de ces canalisations descenr dantes de circuler au contact des bobinages tels que 4 pour les refroidir. Ces canalisations ont une direction générale parallèle à l'axe 1, - enfin quatre canalisations 'montantes" telles que 14 disposées radialement è 90- les unes des autres, raccordées aux canalisations basses telles que 12 et permettant au fluide de revenir au voisinage de l'axe 1. il était connu par le brevet français n- 1.533.855 au nos ae la Société anonyme JRoWS, B(WERI et Cie pour "Refroidissement audirect è l'aide d'un liquide de l'enroulement de démarrage d'une machine synchrone ou asynchrone", que 1'effet de thermosiphon résultant de la force centrifuge pouvait favoriser la circulation d'un fluide de refroidissement en circuit fermé à l'intérieur d'un rotor. Mais les dispositions proposées dans ce document ne permettaient qu'lrn refroidissement temporaire. Selon la présente invention, il y a un raccordement entre l'extrémité haute de la canalisation montante 14 et l'extrémité de la canalisation haute proche de l'entrée du fluide de refroidissement. Il en résulte que ce fluide peut circuler en circuit fermé dans les quatre canalisations 8, 10, 12 et 14 et que son débit dans la canalisation basse 12 n'est pas lié au débit injecté par le tube d'amenée 16 et repris par le tube de sortie 18. Le tube d'amenée 16 est fixe, disposé selon l'axe 1, a un diamètre de 15mm, et pénètre dans la canalisation haute 8 par un orifice 20 constitué par une extrémité ouverte de cette canalisation. Il laisse un intervalle annulaire 22 autour de lui l'intérieur de cette canalisation. L'extrémité 24 de ce tube d'amenée est située quelques centimètres au deld des extrémités hautes des canalisations montantes telles que 14 et se termine par une tuyère convergente d'injection 25 de telle sorte que le fluide injecté par ce tube d'amenée tend à circuler dans le sens précédemment indiqué. Le fluide sort du rotor par la partie périphérique de l'orifice 20, c'est-a-dire par la partie de cet orifice située autour du tube d'amenée 16.Ce fluide est repris par le tube de sortie 18, qui est solidaire du rotor, et donc rotatif et qui se raccorde par un joint tournant 26 a un tube de sortie fixe 28. Les tubes de sortie 18 et 28 sont coaxiaux au tube d'amenée 16. Le joint 26 est d'un type connu par exemple par garniture frottante telle que décrite dans la publication de MM. Joseph Smith, Jr, and Thomas A.Keim (NATO Advanced Study Institute, Entreves Italy, Sept. 5-14, 1973, dans "Superconducting Machines and Devices" Plenum Press, New York et Londres). Son extrémité étanche fonctionne à la température ambiante. Il est guidé par des roulements non représentés. Les tubes d'amenée et de sortie 16 et 18 se raccordent à des movens d'alimentation en fluide de refroidissement représentés sur la figure 2. Ces moyens sont constitués par un réfrigérateur 30 et un circulateur 32 raccordés en série. Il résulte des dispositions qui viennent d'être décrites que le débit de refroidissement, c'est-èdire le débit du fluide circulant dans les canalisations basses telles que 12, peut être supérieur ou inférieur au débit d'injection, c'est-è-dire au débit du fluide fourni par le tube d'amenée 16 et repris par le tube de sortie 18 selon le sens de circulation du fluide dans l'intervalle annu- laire autour de ce tube d'amenée 20. Selon l'invention il a été trouvé que, si le débit de refroidissement était au moins égal au débit d'injection, c'est-a-dire si ie fluide circulait dans le sens indiqué par la flèche 34 dans l'intervalle annulaire précédemment mentionné, la température atteinte par les bobinages tels que 4 en contact du fluide, était indépendante du débit circulant dans cet intervalle annulaire c'est- -dire du débit circulant en circuit fermé.Bien entendu il convient en outre pour que cette température soit acceptable, que le débit d'injection fourni par le circulateur 32 soit suffisamment grand et que la température du fluide injecté soit suffisamment basse, ctest-a-dire que la puissance du réfrigérateur 30 soit au moins égale, aux températures utilisées, 3 la puissance thermique maximale à évacuer. Pour obtenir que le débit de refroidissement soit au moins égal au débit d'injection, il a été trouvé, selon l'invention, qu'il suffisait de donner aux sections de passage dans les canalisations 8, 10, 12, 14 et à l'intervalle 22 des valeurs suffisamment grandes. Le fluide dans la canalisation descendante 10 est à une température infé rieure a celle du fluide dans la canalisation montante 14 car il s'échauffe au contact des bobinages 4. Il en resulte une densité supprieure dans la canali- sation descendante. En raison de la force centrifuge, cette d;ffPrence de densite tend à accélérer la circulation du fluide en circuit ferme. Le fluide de refroidissement peut être de l'hlium sous une pression de 3 bars, avec une température voisine de 40K dans le tube d'amenée 16 et de 4,5 K dans le tube de sortie 18, et un ledit d'injection de plusieurs dizaines de p/s. Le circuit de refroidissement 8, 10, 12, 14 et 22 est réalisé de manière à ce nue le débit en circuit ferme, dû au phenomène de thermosiphon, soit compris entre 50 et 250 g/s, ce qui entraine une perte de charge de l'ordre de 1 mbar pour un débit de 100 g/s. PFVFNDICATI()NS 1/ fachine tournante à circuit de refroidissenent conportant - un rotor tournant autour d'un axe (1) et dans une zone périphérique () duquel apparait de la chialeur, - dans ledit rotor un circuit Je refroidissement (8, 10, 12, 14) permettant la circulation d'un fluide de refroidissement soumis a la force centrifuge resultant de la rotation de ce rotor et comportant - un orifice (2o) situe au voisinage dudit axe et permettant 1'intrc,ductíon dudit fluide dans ce circuit, - une canalisation "descendante" (lu) pernettant audit fluide introduit par ledit orifice de s'éloigner de cet axe pour atteindre ladite zone périphérique, - une canalisation "basse" (12) raccordée à ladite canalisation descendante et permettant audit fluide provenant de cette canalisation descendante de circuler dans ladite zone périphérique en recueillant la chaleur apparaissant dans cette zone et - une canalisation "montante" (14) raccordée a ladite canalisation basse et permettant audit fluide provenant de cette canalisation basse de se rapprocher dudit axe, - un tube d'amenée fixe (16) étant disposé selon ledit axe et permettant l'intro- duction dudit fluide dans ledit circuit de refroidissement par ledit orifice, - des moyens d'alimentation (30, 32) étant prévus pour fournir ledit fluide audit tube d'amenée, - des moyens etant prévus pour permettre audit fluide de sortir de ce circuit et dudit rotor, caractérisée par le fait que - ladite canalisation nontante (14) est raccordee à ladite canalisation descendante (10) au voisinage dudit axe de manière à permettre audit fluide de circuler en circuit fermé dans l'ensemble dudit circuit de refroidissement (8, 10, 12, 14), - ledit tube d'anenée (16) étant disposé de manière à ce que l'introduction dudit fluide par ce tube dans ledit circuit de refroidissement favorise la circulation de ce fluide dans le sens allant de ladite canalisation descendante (1) à ladite canalisation basse (12) puis à ladite canalisation montante (14), - les sections de passages desdites canalisations (10, 12, 14) étant choisies suffisamment grandes pour que l-effet de thermosiphon résultant de ladite force centrifuge et de l'échauffement dudit fluide parcourant ladite canalisation basse (12) crée dans ledit circuit de refroidissenent un débit dudit fluide au moins égal au débit fourni par lesdits moyens d'alimentation (30,32) audit tube d'amenée (16). 2/ Machine selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'une canalisa tion haute (8) s'étend sensiblement selon ledit axe entre une extrémité proche dudit orifice (20) et une extrémité éloignée de cet orifice, - lesdites canalisations montantes (14) et descendantes (10) se raccordant à ladite canalisation haute (8) respectivement par ses dites extrémités proche et éloignée dudit orifice (20). 3/ Hachine selon la revendication 2, caractérisée par le fait que ledit tube d'amenée (16) pénètre dans ledit orifice (20) en occupant seulement une partie axiale de cet orifice, de telle sorte que ledit fluide peut sortir dudit circuit de refroidissement par une partie périphérique de cet orifice. 4/ Machine selon la revendication 2, caractérisée par le fait que ledit tube d'amenée (16) pénètre dans ladite canalisation haute (8) au delà du point de raccordement de cette canalisation haute (8) avec ladite canalisation montante (14), un intervalle (22) restant libre dans cette canalisation haute (8) autour de ce tube d'amenée (16) de manière à permettre audit fluide provenant de ladite canalisation montante (14) d'atteindre la partie de cette canalisation haute (8) située au delà dudit tube d'amenée (16). 5/ Machine selon la revendication 4, caractérisée par le fait que ledit orifice (20) se raccorde par ses bords avec un tube de sortie rotatif (18) solidaire dudit rotor et entourant ledit tube d'amenée (16), ce tube de sortie rotatif (18) se raccordant lui-gêPe par j l'intermediaire dtun joint tournant (26) à un tube de sortie fixe (28) entourant lui aussi ce tube d'amenée (16).