Brevet FR2369721A1 — publié le 19780526

La présente invention, due aux travaux de t. Roger GILLET de la Société Générale de constructions électriques et mécaniques ALSTHOM, Andre MROJTET d'Electricite de France, Service National, Michel BERTHET, François MOTSSON- FRANCKHAUSER et Rohert RAVFLET des laboratoires de Narcoussis, Centre de Recherches de la Compagnie Generale d'Electricité, concerne un rotor pour machine cryoélectrique. Une telle machine peut entre par exemple un alternateur dont le rotor constitue l'inducteur et comporte des enroulements supraconducteurs. Ces enroulements sont classiquement disposés dans des encoches creusees dans une couche isolante de matiere organique solide et refroidis par une circulation d'hélium liquide ou hypercritique dans les encoches. La resistance mécanique de la couche isolante est géneralement trop faible pour resister aux efforts centrifuges supportes par le rotor. C'est pourquoi on entoure cette couche d'une enveloppe de maintien metallique appelee "frette" qui est serree contre elle et la maintient en compression. Cette enveloppe de maintien fait partie de la zone froide du rotor.Cette zone froide est suspendue a l'aide de deux éléments de transition thermique à l'interieur d'une enceinte externe metallique, epaisse et rigide qui fait partie de la zone chaude du rotor, et assure la liaison mecanique entre les arbres qui soutiennent et entrainent le rotor a ses extrenites. Les elements de transition thermique sont disposes aux deux extremites du rotor et sont conçus de manière à presenter une resistance aussi grande que possible a l'ecoulement de la chaleur tout en assurant leur fonction mecanique de maintien de la partie froide et de transmission du couple moteur.L'espace compris entre enceinte externe et la partie froide du rotor est evacue de maniere a utiliser le vide commue isolant thermique. Un ecran thermique a temperature intermediaire est dispose entre l'enveloppe de maintien et enceinte externe, avec des intervalles mis sons vide de part et d'autre Une partie de l'hélium qui a refroidi les encoches est utilisée pour le refroidissement des elements de transition et de l'ecran thermique. Il a ete en effet montré qu'un tel refroidissement permettait de diminuer la puissance frigorifique totale necessaire pour maintenir les enroulements a l'etat supraconducteur. Une disposition connue pour realiser ce refroidissement comporte, a partir du circuit de refroidissement principal qui irrigue les enroulements, deux circuits auxiliaires qui refroidissent chacun l'un des éléments de transition sur toute sa longueur. Quant a l'ecran thermique, il est refroidi par conduction solide a partir des éléments de transition auxquels il se raccorde par ses deux extremités. Celles-ci assurent en même temps la fixation de cet écran en un point intermédiaire de chacun des elements de transition. Une telle disposition présente l'inconvenient suivant : Il est necessaire notamment, en cas d'incident électrique tel qu'un court circuit, d'eviter que l'écran thermique ne soit le siège de courants induits importants qui l'échauffe- raient exagérément. Compte tenu en outre de la force centrifuge qu'il doit supporter en service proportionnellement a sa masse, il est alors difficile de lui conférer la conductivité thermique nécessaire dans le sens axial pour assurer convenablement son refroidissement à partir de ses extremités. Il serait d'autre part industriellement coûteux de prévoir un circuit de refroidissement auxiliaire supplementaire pour l'écran thermique. La présente invention a pour but la réalisation d'un rotor pour machine crycélectrique dans lequel le refroidissement des deux éléments de transition thermique et de l'écran thermique est assuré de manière à la fois efficace et simple. Elle a pour objet un rotor pour machine cryoélectrique tournant autour d'un axe et comportant - une enceinte externe rigide munie extérieurement d'un système d'arbre supportant le rotor et l'entrainant en rotation, le vide règnant dans cette enceinte, - dans cette enceinte une partie froide comprenant des encoches dans lesquelles sont disposés des enroulements supra-conducteurs - un circuit de refroidissement principal pour refroidir les enroulements à l'aide d'un fluide de refroidissement - un premier et un deuxième éléments de transition s'étendant parallèlement à l'a et fixés chacun par une extrémité intérieure respectivement à une premiere et à une deuxieme extrémité de la partie froide pour la relier mécaniquement à la paroi de l'enceinte externe tout en ne transmettant que peu de chaleur à partir de cette enceinte jusqu'à la partie froide, les extrémités extérieures de ces éléments de transition étant fixées à cette enceinte, - un écran thermique entourant la partie froide a distance de celle-ci a l'inté- rieur de l'enceinte externe, cet écran thermique s' étendant parallèlement a l'axe d'une première à une deuxième extrémités fixées respectivement à une premiere et à une deuxième zones de raccordement situées en des points intermédiaires du premier et du deuxième cément de transition, - des moyens de refroidissement auxiliaire pour refroidir les éléments de transition et l'écran thermique, le rotor étant caractérisé par le fait que lesdits moyens de refroidissement auxiliaire sont constitués par un circuit de refroidissement parcouru par ledit fluide de refroidissement auxiliaire et partant de la partie froide puis parcourant une partie intérieure du premier élément de transition jusqu'S la premiere zone de raccordement, puis en sens inverse l'écran thermique de sa première à sa deuxième extrémité, puis une partie extérieure du deuxieme élément de transition à partir de la deuxième zone de raccordement jusqu' à ltextr*nité extérieure de ce deuxième élément de transition. A l'aide des figures schématiques 1 à 4 ci-jointes, on va décrire ci-après, à titre non limitatif un mode de mise en oeuvre de l'inventiono Les éléments qui se correspondent sur plusieurs de ces figures y sont désignés par les nêrqes signes de référence. La figure 1 représente une vue en demie coupe axiale de 1 'ensemble du rotor d'un cryoalternateur selon l'irrention, avec à la partie inférieure, le parcours général des circuits de refroidissement représenté en trait tireté fort. La figure 2 représente une vue en coupe d'une partie périphérique du rotor de la figure I, au milieu de la longueur de ce rotor. La figure 3 représente une vue en coupe de l'extrémité du rotor de la figure 1 du côté turbine, c'est-à-dire du côté par lequel ce rotor est entrainé en rotation. La figure 4 représente une vue en coupe de l'extrémité du rotor de la figure 1, du coté adduction, c' est-à-dire du côté par lequel le fluide de refroidissement est introduit dans le rotor et en est évacué. Selon le mode de realisation décrit et représenté, un cryaalternateur est entrainé par une turbine non représentée et située du côté droit de la figure 1. Un rotor 2 tourne autour d'un axe 3 et comporte des enroulements supraconducteurs 4 refroidis à 4K par l'héliuin. il forme l'inducteur et tourne à 25 tours/s. Le stator ntest pas représenté. il forme l'induit autour du rotor 2, et il est constitué de conducteurs électriques normaux. La partie centrale du rotor 2, longue de 2 à 8 mètres, est supportée et entrainée par deux arbres horizontaux : un arbre côté turbine > 6 de diamètre compris entre 30 et 100 cm se raccordant à un flasque extérieur 8 plan circulaire, et un arbre côté "alimentation" de diamètre voisin 12, se raccordant à un flasque extérieur 14. L'arbre 6 côté turbine est massif et supporté par un palier 18 à température ordinaire. Il est en continuité mécanique avec l'arbre de la turbine non repré sentée. L'arbre 12 côté alimentation est creux et comporte, dans un évidement axial, des conduits d'entrée 13, de sortie froide 10 et de sortie chaude 16 pour de l'hélium, ces conduits étant raccordés par des joints tournants non représentés à un liquéfacteur d 'hélium non représenté, de manière à permettre le refroidissement de la partie centrale du rotor 2. t'arbre 12 comporte d'autre part dans son évidement axial des dispositifs non représentés pour l'alimentation électrique du rotor, et il est supporté par un palier 22 à température ordinaire. Les flasques extérieurs 8 et 14 sont réunis par une enceinte extérieure tubulaire métallique 24 de forte épaisseur qui entoure 11 ensemble du rotor 2. Cette enceinte extérieure est à température ordinaire. Elle est constituée d'un alliage de titane avec une épaisseur de 10 cm et recouverue extérieurement d'une couche de cuivre non représentée. Cette couche joue le rôle "d'amortisseur" électrique, c'est-à-dire limitant les variations de l'induction magnétique à l'emplacement des enroulements supraconducteurs lors d'incidents de fonctionnement tels que des court-circuits. Enceinte externe 24 transmet au flasque 8 côte turbine le couple crée sur l'amortisseur pendant de tels incidents.Elle assure la solidari sationmécanique des flasques 8 et 14 c'est-à-dire d'une part quelle maintient l'alignement des éléments d'arbre 6 et 12, et d'autre part qu'elle peut transmettre au flasque extérieur 14 côté alimentation le couple de rotation appliqué par la turbine non représentée à l'élément d'arbre 6. Elle est d'autre part fixée de manière étanche aux flasques extérieurs 8 et 14 et ltespace intérieur est évacue de manière à assurer une bonne isolation thermique par le vide entre cette enceinte externe 24 et la partie froide du rotor. Cette isolation thermique est améliorée par la présence d'un écran thermique périphérique 25 placé entre l'enceinte externe 24 et la partie froide dans la zone centrale 40 du rotor, sans contact ni avec cette enceinte ni avec cette partie froide. Le vide est réalisé des deux côtés de cet écran. il est également réalisé dans l'espace compris entre chacun des flasques extérieurs chauds 8 et 14 et deux flasques intérieurs froids 26 et 30 placés respectivement en regard de ces deux flasques extérieurs et limitant de part et d'autre la partie froide du rotor. L'isolement thermique entre ces flasques extérieurs et intérieurs est amélioré par la présence d'écrans thermiques d'extrémité 32 et 34 en forme de disques circulaires plans coaxiaux au rotor, bons conducteurs thermiques et se raccordant mécaniquement et thermiquement à deux éléments de transition 42, 43, 44, 45, dans une région intermédiaire de ceux-ci à laquelle se raccorde également l'écran 25. La partie froide du rotor et les écrans thermiques 25, 32 et 34 sont supportés par ces éléments de transition 42, 43, 44, 45, eux mêmes supportés par les flasques extérieurs 8 et 14. Ces éléments de transition ont en plus tous deux pour rôle de transmettre à la partie froide du rotor le couple de rotation appliqué par la turbine non représentée. Le couple transmis du flasque extérieur 8 à la partie froide du rotor se répartit entre les éléments de transition 42, 43, 44, 45, l'écran thermique périphérique 25 et l'enceinte extérieure tubulaire metallique 24 en raison de la déformation élastique de chacun de ces éléments cylindriques. Le premier élément de transition, du côte turbine (figure 3) est constitué de deux parties : une partie intérieure tubulaire 42 va de la partie froide du rotor, c'est-à-dire du flasque intérieur, 26 jusqu'à une zone de raccordement intermédiaire constituée par un anneau de raccordement 48 en forme de couronne circulaire plane. Une partie extérieure 43 va de cet anneau de raccordement jusqu'au flasque extérieur 8 en présentant une forme tubulaire 50 et se raccorde mécaniquement à ce flasque. Cette structure est montee en compression longitudinale à la température ambiante ce qui permet d'absorber des différences de dilatation thermique dans le sens longitudinal entre la partie froide et l'enceinte externe 24 lors de la mise au froid. Le deuxième élément de transition (figure 4) est également constitué de deux parties : une partie intérieure tubulaire 44 va de la partie froide du rotor, ctest-à-dire du flasque intérieur 30, jusqu'à une zone de raccordement intermédiaire constituée par la partie périphérique 54 de l'écran 34. Une partie intérieure tubulaire 45, de diametre plus grand que la partie intérieure 44, va du bord extérieur de la partie périphérique 54 jusqu'au flasque extérieur 14. Cette partie extérieure 45 est constituée par un prolongement de l'écran thermique 25, de manière à former avec celui-ci une seule et mne piece tubulaire mixte 25, 45. La partie extérieure 43 du premier élément de transition et la partie intérieure 44 du deuxième ne sont pas pourvues de circuits de refroidissement. Pour éviter qu'elles ne transmettent par conduction une puissance thermique trop élevée vers la partie froide elles sont réalisées avec une épaisseur aussi faible que possible compte tenu de leur fonction mécanique de support et d'entrainement de la partie froide. Au contraire la partie intérieure 42 du premier élément de transition et la partie extérieure 45 du deuxième sont pourvues de circuits de refroidissement qui seront décrits plus loin. C'est pourquoi elles sont consituées chacune de même que l'écran thermique 25, par l'assemblage d'une virole intérieure portant la référence 56 pour la partie intérieure 42 et la référence 58 pour la pièce tubulaire mixte 25, 45, et d'une virole extérieure frettée sur la virole intérieure et portant la référence 60 pour la partie intérieure 42 et la référence 62 pour la pièce tubulaire mixte 25, 45. Ces viroles extérieures sont donc tendues et les viroles intérieures comprimées. Ces dernières sont creusées sur leurs faces extérieures de canaux daux permettant la circulation du fluide de refroidissement et portant la référence 64 pour la partie intérieure 42 et la référence 66 pour la pièce tubulaire mixte 25, 45. On choisit la force de serrage de manière à ce que les viroles extérieures reste serrées sur les viroles intérieures lorsque le rotor est à sa vitesse de rotation maximale et lorsque le vide est réalisé à l'intérieur de l'enceinte externe 24, alors que de l'hélium sous pression de 10 bars circule dans les canaux de refroidissement. La partie froide du rotor comporte un support métallique intérieur tubulaire 68 réunissant les flasques intérieurs 26 et 30. Elle est limitée radialement vers 11 extérieur par une enveloppe de maintien 70, maintenue serrée par une frette 72 qui l'entoure. Cette enveloppe 70 constitue une seule pieee avec la virole extérieure 60 et elle est fixée à la partie intérieure 44 du deuxième élément de transition. L'espace limité extérieurement par l'enveloppe de maintien 7O, Intérieure- ment par le support métallique intérieur 68 et latéralement par une partie des flasques intérieurs 26 et 39 constitue une enceinte annulaire étanche qui contient les enroulements supraconducteurs 4 constituant les pôles de l'inducteur. Ces enroulements sont disposés dans des encoches creusées dans une couche isolante interne 74 constituée d'un composite époxy-filaments de verre qui assure le frettage du support métallique intérieur 68. Les enroulements supra-conducteurs sont espacés entre eux ainsi que vis-à1PPs des parois des encoches par des cales isolantes non représentées permettant le passage de l'hélium à une pression de l'ordre de 10 bars utilisé pour le refroidis sement. Cet hélium pénètre du côté adduction par le conduit axial 13. Dans la partie froide du rotor au voisinage du flasque 30 il est dirigé vers l'extérieur par des conduits radiaux tels que 76. Il parcourt ensuite les encoches contenant les enroulement 4 en se dirigeant vers le c8té turbine. Au voisinage du flasque 26 il est repris pardes canaux 78 qui longent inté rieurement l'enveloppe de maintien 70 et qui le ramenent du côté adduction. Il est alors repris par des canaux 80 qui refroidissent les amenées de courant et qui ramènent la plus grande part de l'hélium au voisinage de l'axe, dans le conduit de sortie froide 10. Le circuit de refroidissement ainsi constitue est appelé ici circuit principal. Un circuit auxiliaire à veine unique reprend une petite partie de l'hélium du circuit principal à l'extrémité des encoches cté turbine. Ce circuit refroidit d'abord la partie intérieure 42 du premier élément de transition, en circulant dans le canal hélicoïdal 64. Il refroidit ensuite l'écran thermique 25 puis la partie extérieure 45 du deuxième élément de transition en circulant dans le canal 66 relié alors au flasque extérieur 14 dans lequel des conduits 82 le ramenent au voisinage de l'axe jusqu'au conduit de sortie chaude 16 à température ambiante.Les sections des canalisations constituant le circuit auxiliaire sont choisies suffisamment faibles pour que la vitesse du fluide de refroidissement dans ces canalisations soit grande par rapport aux vitesses des boucles de convection pouvant apparaître sur la longueur du rotor en raison des différences de température et de la force centrifuge. Le débit d'hélium dans ce circuit auxiliaire peut être par exemple de 1 g/s pour un rotor dont la partie froide a un rayon compris entre 0,3 et I m et une longueur de 2 à 8 mètres ce rotor équipant un alternateur de quelques centaines à deux ou trois mille mégawatts comprenant les éléments de transition décrits en alliage de titane, avec les dimensions géométrlques suivantes - longueur de la partie extrême 43 du ler élément de transition 50 cm avec une épaisseur de 5 à 10 mm et un diamètre de 0,3 m à 1 m. - longueur de la partie intérieure 42 de cet élément 15 cm environ avec une épaisseur de 5 à 10 mm pour la virole intérieure et de 5 à 10 mm pour la virole extérieure, et un diamètre intérieure de 0,3 à 1 m. - longueur de la partie froide du rotor entre les flasques 26 et 30 : 2 à 5 metres avec un diametre de 0,3 à I m pour l'enveloppe de maintien 70 épaisse de 5 mm au minimum. - longueur de l'écran thermique 25 : 3 à 6 mètres. - longueur de la partie externe 45 du deuxième élément de transition : 50 cm environ. - pièce tubulaire mixte 25, 45 avec une épaisseur de 5 à 10 mm pour la virole intérieure et de 5 à 10 mm pour la virole extérieure. REVENDICATIONS 1/ Rotor pour machine cryoélectrique tournant autour d'un axe -(3) et comportant - une enceinte externe (8, 24, 14) rigide munie extérieurement d'un système d'arbre (6) supportant le rotor et ltentrainunt en rotation, le vide régnant dans cette enceinte, - dans cette enceinte une partie froide contenant des encoches dans lesquelles sont disposés des enroulements supra-conducteurs (4) - un circuit de refroidissement principal (13, 7o, 78, 80, 10) pour refroidir les enroulements à l'aide d'un fluide de refroidissement, - un premier (42, 43) et un deuxieme (44, 45) éléments de transition s'étendant parallèlement à l'axe (3) et fixés chacun par une extrémité intérieure respectivement à une première et à une deuxiere extrémité de la partie froide pour la relier mécaniquement à la paroi de l'enceinte externe tout en ne transmettant que peu de chaleur à partir de cette enceinte jusqu'à la partie froide, les extrémités extérieures de ces élements de transition étant fixées à cette enceinte, - un écran thermique (25) entourant la partie froide à distance de celle-ci à l'intérieur de l'enceinte externe (24), cet écran thermique s'étendant parallèlement à l'axe (3) d'une première à une deuxième extrémités fixées respectivement à une première (48) et à une deuxième zones de raccordement situées en des points intermédiaires du premier et du deuxième élément de transition, - des moyens de refroidissement auxiliairespour refroidir les éléments de transition et l'écran thermique caractérisé par le fait que lesdits moyens de refroidissement auxiliaires sont constitués par un circuit de refroidissement auxiliaire parcouru par ledit fluide de refroidissement et partant de la partie froide puis parcourant une partie intérieure du premier élément de transition jusqu'à la première zone de raccordement (48), puis en sens inverse l'écran thermique (25) de sa première à sa deuxième extrémité, puis une partie extérieure (45) du deuxième élément de transition à partir de la deuxième zone de raccordement (54) Jusqu'à l'extrémité extérieure de ce deuxième élément de transition. 2/ Rotor selon la revendication 1 caractérise par le fait que l'écran thermique (25) et la partie extérieure (45) du deuxième élément de- transition forment deux parties en continuité d'une seule et même pièce tubulaire mixte en forme de cylindre de révolution autour de l'axe (3) du rotor. 3/ Rotor selon la revendication 2 caractérisé par le fait que la partie extérieure (43) du premier élément de transition et la partie intérieure (44) du deuxième élément de transition ont la forme de deux cylindres de révolution autour de l'axe du rotor avec des diamètres inférieurs à celui de ladite pièce tubulaire mixte (25, 45), le raccordement de ces deux cylindres à cette pièce tubulaire se faisant dans lesdites zones de raccordement (48) et (54) respectivement par une première pie ce et une deuxième pièce de raccordement en forte de couronnes circulaires situes dans des plans perpendiculaires à l'axe (3) du rotor. 4/ Rotor selon la revendication 3 caracterise par le fait que ladite pièce tubu- laire mixte (25, 45) est constituée par une virole intérieure (58) comprimée sur la face extérieure de laquelle s'appuie une virole extérieure (62) tendue de maniere à réaliser un assemblage par frettage. 5/ Rotor selon la revendication 4 caractérisé par le fait que la tartie dudit circuit de refroidissement auxiliaire refroidissant ladite piece tubulaire mixte (25, 45) est constituée par un canal creusé en hélice dans la face extérieure de ladite virole intérieure (58). 6/ Rotor selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les sections des canalisations constituant le circuit auxiliaire sont choisies suffisamment faibles pour que la vitesse du fluide de refroidissement dans ces canalisations soit grande nar rapport aux vitesses des boucles de convection pouvant apparaître sur la longueur du rotor en raison des différences de température et de la force centrifuge. 7/ Rotor selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledt premier él*nent de transition (42, 43) est situé du côté par lequel le rotor est entraîné en rotation.