Brevet FR2304203A1 — publié le 19761008

L'invention concerne un dispositif de refroidissement pour un enroulement inducteur supraconducteur constitué, dans le rotor d'un turbo-alternateur, par des bobines, d'un grand nombre de spires individuelles, qui sont fixées dans des encoches du pourtour extérieur d'un cylindre-support massif et maintenues par un cylindre de soutien emmanché à chaud. Un tel dispositif a fait l'objet de la demande de brevet allemand n"P 25 03 428.0, d'après laquelle des plaques isolantes qui comportent sur leurs faces tournées vers les bobines des rainures axiales ouvertes vers lesdites bobines pour les refroidir sont placées sur les parois latérales. Par suite de la longueur du parcours de refroidissement et de la limitation par manque de place de la section des canaux de refroidissement, ce système donne une résistance d'écoulement élevée et, en cas de débit accru, une forte perte de courant. Aussi la capacité de refroidissement d'un tel système axial estelle très limitée ; elle suffit bien pour le fonctionnement normal, car un enroulement inducteur supraconducteur ne présente que de très faibles pertes électriques, mais en cas d'états de fonctionnement anormaux tels que déséquilibres de charge, courts-circuit, etc. il se produit des pertes beaucoup plus élevées, d'après lesquelles il convient d'établir le système de refroidissement. Chaque système de refroidissement ayant une capacité optimale commandée par le fonctionnement et ne pouvant plus être augmentée, pour des dimensions données, même par un débit de réfrigérant forcé, il faut choisir un système de refroidissement qui présente des pertes d'écoulement minimales et par conséquent la capacité effective de refroidissement la plus grande. C'est là un fait particulièrement important pour des systèmes de refroidissement destinés à des enroulements inducteurs supraconducteurs, car les supraconducteurs habituellement utilisés fonctionnent dans une zone de température très étroite allant d'environ 3 à 4, 20K et l'on ne dispose ainsi que d'une différence de température de 1, 2c pour le parcours du réfrigérant entre le groupe frigorifique et la sortie de l'enroulement en passant par le rotor et l'enroulement lui-même. Par suite de pertes d'écoulement élevées, il suffit d'un échauffement de quelques dixièmes de de gré pour réduire déjà considérablement le rendement effectif du système de refroi- dissement. L'invention a par conséquent pour objet un dispositif de refroidissement qui assure une capacité de refroidissement optimale avec des pertes d'écoulement minimales. Ce dispositif, du genre annoncé, est caractérisé par le fait que des canaux radiaux de distribution de r5frigé- rant qui entourent les diverses bobines d'enroulement sur toute leur longueur et qui, en direction périphérique, sont reliés d'un côté comme de l'autre à des canaux de refroidissement enveloppant en direction radiale et au fond de l'encoche les bobines d'enroulement et suivant des tracés parallèles, à écartement d'un pas, sont ménagés dans les dents entre encoches du rotor et dans les remplissages entre têtes de bobine. Dans un mode de réalisation préféré, les canaux de distribution du réfrigérant sont agencés alternativement en canaux d'amenée et en canaux d'évacuation de celui-ci sur le pourtour du cylindre-support. En outre, ces canaux de distribution du réfrigérant peuvent être reliés aux canaux de refroidissement enveloppant les bobines d'enroulement par des entailles radiales sur le pourtour du cylindre-support et sur les arêtes des cales de fermeture d'encoche. Un tel dispositif de refroidissement fait que, dans les canaux de distribution du réfrigérant entourant les bobines d'enroulement sur toute leur longueur, i1 ne se produit, par suite de la relativement grande section disponible, que de très faibles pertes d'écoulement, tandis que les canaux de refroidissement enveloppant lesdites bobines d'enroulement ne sont que relativement courts entre deux canaux de distribution du réfrigérant et ne causent de même que de faibles pertes d'écoulement. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel : la figure l est une coupe transversale partielle du cylindre-support avec les encoches garnies de l'enroulement, laquelle comporte des indications sur le parcours du réfrigérant. ; la figure 2 est une vue en perspective d'un tron- çon de cylindre-support sur laquelle on a supprimé le cylindre de soutien emmanché à chaud et l'enroulement afin de mieux faire voir l'écoulement du réfrigérant ; la figure 3 représente en perspective un revêtement intérieur d'encoche avec les canaux de refroidissement ; la figure 4 est une vue en plan du déroulement d'une tête de bobine avec les parcours correspondants du réfrigérant ; la figure 5 est une coupe partielle de la région d'une encoche avec deux bandes de remplissage insérées dans les canaux de refroidissement pendant l'imprégnation et le durcissement de l'enroulement. Comme on le voit d'après la section selon la figure l, le rotor du turbo-alternateur présente un cylindresupport massif l dans lequel sont fraisées, à un pas uniforme sur le pourtour, des encoches radiales 2 qui accueillent l'enroulement inducteur supraconducteur 3. Ces encoches de rotor 2 sont fermées à leur extrémité libre par des cales d'encoche 4 qui n'assurent aucune fonction portante ; mais, pour maintenir l'enroulement et le soutenir par rapport aux forces centrifuges survenant en fonctionnement, un cylindre de soutien 5 qui absorbe toutes les forces produites est emmanché à chaud sur toute la longueur du cylindre-support 1. Des canaux de distribution du réfrigérant 7 et 8 tout d'abord ouverts vers l'extérieur, mais pouvant être fermés par des cales appropriées 9 après achèvement, sont fraisés dans les dents 6 comprises entre les diverses encoches de rotor 2, cela afin de refroidir les diverts bobines d'enroulement. D'après l'exemple considéré, detx oobines d'enroulement voisines sont associées à chaque canal de distribution du réfrigérant, avec alternance d'un canal 8 d'amenée du réfrigérant et, aussitôt après, d'un canal d'évacuation 7 de ce même réfrigérant. Le parcours du réfrigérant est particulièrement bien visible sur la représentation en perspective de la figure 2, dans laquelle on voit le cylindre-support 1 encoché avec l'isolation d'encoche 10 et les cales de fermeture d'encoche 4, mais sans les bobines d'enroulement 3 et sans le cylindre de soutien absorbant les forces centrifuges. On a matérialisé par des flèches en trait continu l'écoulement du réfrigérant froid et par des flèches en trait discontinu celui du réfrigérant chaud. Les canaux de refroidissement radiaux 11 qui assurent le refroidissement proprement dit des bobines d'enroulement 3 sont découpés sur la surface intérieure d'un revêtement d'encoche 10, en sorte qu'il en résulte des rainures ouvertes vers les bobines d'enroulement 3. Comme on le voit particulièrement d'après la figure 3, ce revêtement intérieur d'encoche 10 peut être formé de deux cornières d'isolation d'encoche 12 et 13 en forme de U. La cornière extérieure 12 couvre toute la longueur des bobines et, sur sa face intérieure, on applique, à de faibles intervalles axiaux, des cornières d'encoche plus étroites 13 que l'on durcit avec elle de façon à obtenir un ensemble mécanique compact. Ce procédé permet de réaliser de façon simple les canaux de refroidissement des bobines 11 à des dimensions très exactes. Pour relier ces canaux de refroidissement 11 et les canaux de distribution de réfrigérant 8 ou 7, on a creusé, comme on le voit particulièrement sur la figure 2, deux entailles 14 à l'extrémité extérieure des dents 6. Ces entailles sont ensuite recouvertes par le cylindre de soutien 5 emmanché à chaud. Les arêtes des cales d'encoche 4 et des cales 9 destinées aux canaux de distribution de réfrigérant 8 et 7. comportent avantageusement aussi des entailles correspondantes 15 et 16. Le réfrigérant froid qui afflue par le canal de distribution 8 s'écoule tout d'abord radialement vers l'extérieur, comme indiqué par les flèches, et pénètre par les entailles 14 dans les canaux de refroidissement proprement dits 11. Le réfrigérant suit ici tout le pourtour d'une bobine d'enroulement 3., Le réfrigérant chauffé arrive ensuite, de façon analogue, par d'autres entailles correspondantes, au canal d'évacuation de réfrigérant 7. Comme on le voit d'après les flèches d'écoulement, du canal d'amenée 8, le réfrigérant se dirige, d'un c8té et de l'autre, vers les deux encoches voisines ; de la même façon, un canal d'évacuation de réfrigérant 7 accueille aussi le réfrigérant chauffé qui provient des deux bobines d'enroulement voisines. Le refroidissement radial ci-dessus décrit est utilisé aussi, de façon correspondante, dans les têtes de bobine du rotor. La figure 4 en donne schématiquement un exemple de réalisation. La tête de bobine peut être formée de bobines semi-circulaires 20, ce qui permet d'insérer avec une grande exactitude d'ajustage les pièces de remplissage 21 placées dans les espaces intermédiaires des bobines. Les canaux d'amenée et d'évacuation de réfrigérant 7 et 8 creusés dans les dents 6 du cylindre-support de rotor sont ménagés de la même façon dans les pièces de remplissage 21 des têtes de bobine, par lesquelles lesdites bobines 20 sont alimentées en réfrigérant en de nombreuses branches parallèles. Tout le réfrigérant du rotor est ainsi amené dans la tête de bobine. Par les canaux radiaux 22 placés au milieu du p81e, le réfrigérant parvient tout d'abord aux canaux d'amenée 8 et sort de la même façon après déversement dans les canaux d'évacuation de réfrigérant 7 de la tête de bobine opposée. Dans la disposition et l'agencement ci-dessus décrits de l'enroulement, il est particulièrement recommandé d'imprégner et durcir les bobines d'enroulement après leur insertion dans les encoches, en sorte que tout l'enroulement soit assemblé en un bloc mécaniquement stable et rigide. Pour effectuer une telle imprégnation de l'enroulement en place, il est cependant nécessaire de combler auparavant tous les canaux de refroidissement par des pièces de remplissage. Comme on le voit d'après la figure 5, les canaux d'amenée et d'évacuation de réfrigérant 7 et 8 renferment des réglettes d'acier 25, tandis que l'on peut insérer dans les canaux de refroidissement radiaux 11 des rubans lamelles en acier 26 avant de poser les bobines d'enroulement. Les rubans lamelles 26, constitués par plusieurs bandes minces d'acier, ont une rigidité propre minimale et peuvent être facilement ressortis des encoches après le processus de durcissage et le désencalage. Avant l'insertion des réglettes d'acier 25 et des rubans lamellés d'acier 26, il convient de les enduire, ainsi que les cales d'encoche 4 et 9 d'un produit antiadhésif réfractaire aux résines. Le fraisage des arêtes des cales de fermeture d'encoche ne s'effectue de préférence qu'après le processus de durcissage et le désencalage. De la disposition et de l'agencement des canaux de refroidissement et du parcours du réfrigérant il résulte plusieurs avantages essentiels. Les canaux d'amenée et d'évacuation du réfrigérant ayant une relativement grande section, la résistance d'écoulement y est négligeable. La circulation radiale autour des diverses bobines d'enroulement donne un parcours de refroidissement très court, donc seulement une perte d'écoulement minimale, ce qui est favorable au refroidissement de l'enroulement. Ces caractéristiques permettent d'aboutir aussi, avec ce système de refroidissement, à un rendement plus élevé qu'avec un refroidissement axial. De plus, on obtient avec un tel cours du réfrigérant un appui de grande surface non perturbé de l'enroulement à l'intérieur de tout le bloc des bobines. Les diverses spires des bobines d'enroulement sont en plein appui dans la direction de sollicitation principale, c'est-à-dire en direction radiale vers l'extérieur. Il en résulte aussi l'absence de coupures dans l'isolation de l'enroulement. L'appui des bobines n'est interrompu que sur les flancs et au fond de l'encoche. Mais, étant donné qu'en ces emplacements il ne se produit pas de sollicitations mécaniques élevées, ces interruptions ne tirent pas à conséquence. Le dispositif de refroidissement décrit ci-dessus permet en outre une imprégnation sous vide et un durcissement complets de l'ensemble des bobines après son insertion dans le cylindre-support. Les spires de bobine sont ainsi agglomérées en un assemblage rigide et sans jeu, ce qui revêt une importance particulière pour la sécurité du fonctionnement des supraconducteurs, en eux-mêmes très délicats. REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement pour un enroulement inducteur supraconducteur constitué, dans le rotor d'un turbo-alternateur, par des bobines d'enroulement composées d'un grand nombre de spires individuelles qui sont posées dans des encoches du pourtour extérieur d'un cylindre-support massif et maintenues par un cylindre de soutien emmanché à chaud, dispositif caractérisé par le fait que des canaux radiaux de distribution du réfrigérant qui entourent les diverses bobines d'enroulement sur toute leur longueur et qui, en direction périphérique, sont reliés d'un côté comme de l'autre à des canaux de refroidissement enveloppant en direction radiale et au fond de l'encoche lesdites bobines d'enroulement c. t suivant des tracés parallèles, à intervalles d'un pas, sont ménagés dans les dents entre encoches de rotor et dans les remplissages entre têtes de bobine. 2. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les canaux de distribution du réfrigérant sont établis alternativement en canaux d'amenée et en canaux d'évacuation de celui-ci sur le pourtour du cylindre-support. 3. Dispositif de refroidissement selon la revendication l caractérisé par le fait que les canaux de refroidissement enveloppant les bobines d'enroulement sont établis sur la surface intérieure d'un revêtement d'encoche en forme de U. 4. Dispositif de refroidissement selon la revendication 3 caractérisé par le fait que les canaux radiaux de distribution du réfrigérant sont reliés aux canaux de refroidissement enveloppant les bobines d'enroulement par des entailles radiales sur le pourtour du cylindre-support et sur les arêtes des cales de fermeture d'encoche. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé par le fait que, pour l'imprégnation et le durcissement des bobines d'enroulement insérées dans les encoches, tous les canaux de refroidissement sont comblés sans jeu par des pièces de remplissage.