Brevet FR2394199A1 — publié le 19790105

La présente invention est du domaine des machines dynamoélectriques synchrones. Elle vise plus précisément des moyens pour refroidir les enroulements de ceux-ci, au moyen de deux ventilateurs axiaux jumelés dont chacun assure le refroidissement dans un sens de la rotation de la machine. Les grandes génératrices hydrauliques utilisent souvent un gaz pour le refroidissement des enroulements d'excitation de champ, aussi bien dans les machines à ventilation axiale, que dans les machines à ventilation périphérique. Le stator des machines à ventilation axiale est pourvu d'évents radiaux, de sorte que le gaz de refroidissement peut entrer par les deux extrémités du rotor, peut passer entre les pôles de celui-ci dans l'entrefer entre le rotor et le stator, et peut ensuite ressortir par les évents radiaux du stator.Les machines à ventilation axiale comportent un ventilateur centrifuge fixé à chaque extrémité du rotor, tandis que les machines à ventilation circonférentielle présentent des ouvertures radiales formées dans le rotor et qui font que celui-ci opère comme un ventilateur centrifuge radial, qui oblige l'air à passer par les ouvertures périphériques et à pénétrer dans l'espace interpolaire où il vient au contact de l'enroulement de champ. Les machines à ventilation périphérique ont l'inconvénient de ne pouvoir operer qu'avec des pressions de réfrigérant limitées qui résultent de l'utilisation de ventilateurs radiaux à un seul étage et de la surface efficace plus réduite du pourtour du rotor due à la présence des évents radiaux. Les machines à ventilation axiale comportent généralement un ventilateur centrifuge à un seul étage car la superposition de plusieurs ventilateurs centrifuges exige un usinage compliqué, est coûteuse et parfois impossible, à cause de ltespace axial limité disponible dans la plupart des machines dynamoélectriques, telles que les génératrices hydrauliques de pompage et de stockage.Ainsi, les ventilateurs centrifuges des modèles à ventilation axiale se heurtent à une limitation de la pression du réfrigérant, de même que les modèles à ventilation cir coférentielle. La faible pression développée dans les modèles à ventilation axiale et à ventilation circonférentielle, limite la vitesse de circulation de l'agent de refroidissement qui traverse l'enroule- ment d'excitation, ce qui a pour résultat un moteur-génératrice dont la puissance est limitée par l'échauffement de l'enroulement de champ. Or, une particularité souhaitable des machines dynamoélectriques réversibles, telles que les moteurs-génératrices, réside dans une augmentation de la pression de l'agent de refroidissement et de la vitesse de celui-ci, afin de permettre d'augmenter sensiblement la puissance desdites machines, à dimensions égales, tout en conservant leur aptitude à refroidir l'enroulement de champ dans les deux directions de rotation.Une autre particularité avantageuse pourrait consister a diminuer les contraintes qui s 'exercent actuel- lement sur le pourtour du rotor dans les machines utilisant une ventilation circonférentielle. Selon la présente invention, une machine dynamoélectrique synchrone comprend un arbre ayant une première et une seconde extrémités, ledit arbre pouvant tourner autour de son axe dans les deux directions, un enroulement de champ distribué autour d'un certain nombre de pôles qui sont disposas sur Isdit arbre en alternance avec un certain ncr5ce d'espaces interpoLaircs, dont chacun s'étend axialement le long arbore, une première série de pales incluant des rangées de pales fixes et des rangées de pales rotatives,sibuées radialement autour de la preaIere extrémité dudit arbre, caractérisée par le fait que lesdites pales rotatives sont fixées audit arbre, de façon à tourner avec lui, chacune des dites rangées de pales fixes étant axialement adjacente à une rangée, au moins, de pales rotatives; lesdites pales ayant conjointement l'aptitude de forcer axialement un agent de refroidissement élastique à travers lesdits espaces interpolaires vers la seconde extrémité dudit arbre quand ledit arbre tourne dans une première direction, et une seconde série de pales incluant des rangées de pales fixes et des rangées de pales rotatives situées radialement autour de la seconde extrémité dudit arbre, lesdites pales rotatives étant fixées audit arbre, de façon à tourner avec lui, chacune des dites rangées de pales fixes étant axialement adjacente à une rangée, au moins, de pales rotatives, lesdites pales étant arrangées en rangées axiales et étant capables conjointement de porter axialement un.agent de refroidissement élastique a travers lesdits espaces interpolaires vers la première extrémité dudit arbre quand cet arbre tourne dans une seconde direction. Avantageusement, les moyens de refroidissement pour l'en- roulement de champ de machines dynamoélectriques synchrones sont prévus afin d'augmenter la vitesse de l'agent de refroidissement et pour diminuer la température des enroulements pour un arbre rotatif réversible, comme celui utilisé dans une génératrice hydraulique pouvant fonctionner en moteur. L'invention comprend un ventilateur axial à plusieurs étages sur chaque extrémité d'un arbre rotatif réversible, un enroulement de champ étant distribué autour d1un certain nombre de pôles dudit arbre qui sont séparés sur celuici par un certain nombre d'espaces interpolaires. Chaque ventilateur comporte une section extérieure qui comprime un fluide élastique dans un sens de la rotation de l'arbre ou dans l'autre.Chaque ventilateur comporte aussi une section intérieure qui comprime un fluide élastique quand l'arbre tourne dans la direction voulue. Chaque ventilateur axial propulse un agent de refroidissement élastique vers l'extrémité axiale opposée de l'arbre, quand celui-ci tourne dans une direction compatible avec la fonction de compression de la section intérieure de ce ventilateur. Quand l'arbre tourne dans la direction dans laquelle l'une des sections intérieures du ventilateur opère en compression, la section intérieure de l'autre ventilateur est adaptée à n'extraire qu'un minimum de pression du fluide de refroidissement qui lili est envoyé à travers les intervalles interpolaires par les premiers ventilateurs. Les ventilateurs axiaux communiquent par un conduit qui relie leurs extrémités extérieures axialement opposées. Pendant la rotation de l'arbre, le trajet de circulation du réfrigérant élastique s'étend de la section extérieure de l'un des ventilateurs axiaux, à travers la section intérieure de ce même ventilateur, à travers les espaces interpolaires, à travers la section intérieure de l'autre ventilateur axial, à travers la section extérieure de cet autre ventilateur axial et à travers le conduit de liaison, et retourne à la section extérieure du premier ventilateur axial. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel - la figure 1 est une vue en coupe d'une machine électrodynamique conforme à l'invention - la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure I - la figure 3 est une représentation schématique de la manière dont les ventilateurs axiaux sont disposés aux deux extré mités de la région des pôles de l'arbre ;et, les figura 4A et 4B sont respectivement des vues en élévation d'une pale droite et d'une pale cambrée. La figure 1 est une vue en coupe dtune génératricé hy draulique 10 qui a été divisée, pour des raisons de commodité, le long de la ligne médiane de l'arbre 12. Dans certaines applications la direction de l'arbre 12 est réversible, permettant ainsi à la génératrice 10 de fonctionner, soit comme une génératrice entraî née par une turbine hydraulique, soit comme un moteur- électrique qui entraîne une pompe. L'arbre 12 est supporté par des paliers 14 qui lui permettent de tourner dans les deux directions. Des ventilateurs axiaux 16 et 18 sont disposés aux extrémités opposées de l'enroulement de champ 20. L'enroulement 20 passe autour d'un certain nombre de pôles 22, chaque paire de pôles étant séparée par un espace interpolaire 2W clairement visible sur la figure 2. Quand l'arbre 12 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, par exemple, le ventilateur 16 envoie un courant d'agent de refroi dissement, par exemple, un courant d'air dans les espaces interpo laires 24 qui dirigent celui-ci axialement le- long de l'enroule ment de champ 20, vers le ventilateur axial opposé 18. Le ventila teur axial 18 est conçu pour n'extraire qu'un minimum d'énergie et de pression dynamique du fluide de refroidissement, tout en lui fournissant une pression statique supplémentaire. Le fluide de refroidissement sort ensuite du ventilateur et chemine-le long de la ligne en tirets, jusqu' a l'entrée de la rangée de pales du ventilateur 16. Le gaz de refroidissement en passant du ventilateur 18 au ventilateur 16,-traverse un refroidis seur 26 qui élimine de ce gaz la chaleur précédemment absorbée de l'enroulement de champ 20. Bien que le refroidisseur. 26 ait été représenté comme faisant partie intégrante de l'enveloppe extérieu re 28, il est bien évident qu'il pourrait tout aussi bien être à l'extérieur de celle-ci ou même, qu'il pourrait ne pas exister si les ventilateurs axiaux se refroidissent suffisamment mutuellement et s'ils reçoivent de l'air atmosphérique relativement frais, par une extrémité, en évacuant de l'air réchauffé par l'autre.Sur la figure 1, on voit un stator 30 qui est séparé de l'enroulement de champ 20 par un intervalle d'air ou un "entrefer" 32. Le- stator 30 représenté est refroidi par des collecteurs 34 qui recoivent un second agent de refroidissement qui est introduit sous pression par les ouvertures axiales de l'enroulement 36 dru stator, cet agent éliminant la chaleur dudit enroulement et ressortant par les collecteurs de sortie 38. Dans le cas d'une rotation dans le sens des aiguilles d'une montre de l'arbre 12, le ventilateur axial 18 entraîne le fluide de refroidissement dans la direction axiale opposée, vers le ventilateur 16 et, ensuite le long de la ligne en tirets dans la direction opposée, comme décrit. La figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1. Comme on le voit, l'arbre 12 comporte des pôles 22 espacés angulairement à des intervalles prédéterminés autour de celui-ci. L'enroulement de champ 20 passe autour desdits pôles 22 qui ont des ailettes 40 faisant saillie transversalement et qui s'étendent axialement en parallèle avec les pôles 22. Les ailettes 40 des pôles adjacents sont séparées d'une distance 24 dite "espace interpolaire" Pour augmenter le transfert de chaleur entre les ailettes 40 de l'enroulement de champ et le fluide de refroidissement qui circule axialement dans l'espace interpolaire 24, un déflecteur 42 est disposé entre les ailettes 40 et concourt dans le sens radial, de manière à augmenter l'indice de Reynolds du fluide, tout S produisant un courant de fluide uniforme sur chaque ailette 40. La figure 3 est une représentation schématique des cinq rangées axiales de pales des ventilateurs axiaux 16 et 18. Ces ventilateurs sont situés respectivement aux extrémités axiales des pôles 22. Les déflecteurs 42 séparent angulairement les pôles circonférentiellement adjacents et leurs ailettes 40. La rangée 44 du ventilateur axial 16 comprend des pales droites qui sont mieux visibles sur la figure 4A et qui forment un angle de 0 par rapport à la direction du fluide de refroidissement. La rangée 46 se compose de pales droites, mais qui sont disposées suivant un angle 48 de 470 par exemple. La rangée 50 comprend des pales droites identiques à celles de la rangée 44.La rangée 52 se-compose de pales cambrées rotatives, dont les bords d'attaque sont disposés sur un angle 54 de 350, tandis que leurs bords de fuite font un angle de 540. La rangée 48 se compose de pales cambrées rotatives dont les bords d'attaque font un angle 60 de 540 et dont les bords de fuite forment un angle 62 de 900. Dans le ventilateur 16, seules les pales 46, 52 et 58 sont fixées à l'arbre 12. La rangée 64 est identique à la rangée 44, la rangée 66 étant identique à la rangée 46, la rangée 68 étant identique à la rangée 50, tandis que les rangées 70 et 72 sont respectivement identiques aux rangées 52 et 58, sauf que la cambrure des rangées 70 et 72 est orientée à l'opposé de leurs cordes dans des directions opposées par rapport aux pales des rangées 52 et 58.Un exemple de pales cambrées est représenté sur la figure 4B. Les rangées de pales 44, 50, 60 et 68 sont fixes, tandis que les rangées 46, 52, 58, 66,-70'et 72 sont rotatives. Les rangées de pales fixes 44, 50, 64 et 68 et les rangées de pales rotatives 46 et 66 constituent les sections extérieures des ventilateurs axiaux 16 et 18 et ont un couloir de compression dans les deux sens de la fotation de l'arbre 12. Les rangées de pales rotatives 52; 58i 7D et 72 constituent les sections intérieures des ventilateurs 16 et 18, les sections intérieures des ventilateurs opposés ayant un certain pouvoir de compression quand l'arbre tourne dans la direction opposée. Les pales de la rangée 44 ont une largeur de 50 mm dans la direction axiale, tandis que les pales de la rangée 46 occupent 36,8 mm dans la même direction. Les pales de la rangée 50 occupent 50 mm dans le sens axial, tandis que les pales de la rangée 52 occupent 40,6 mm dans cette direction, cependant que les pales de la rangée 58 occupent 50 mm dans le sens axial, toutes les rangées -étant séparées par une distance axiale de 12,5 mm. I1 est toutefois bien évident que les dimensions des pales, leur disposition sur l'arbre et le nombre des étages n'ont que le caractère d'exemples nullement limitatifs et ne s'appliquent qu'à un prototype particulier de la machine de l'invention. En fait,les dimensions, les formes et la disposition des pales dépendent de la machine dans laquelle l'invention doit être utilisée, puisque le débit de l'agent de refroidissement, la chute de pression axiale, la vitesse de rotation et le nombre des pôles de la machine provoquent une modification correspondante des paramètres précédents. REVENDICATIONS 1. Machine dynamoélectrique synchrone qui comprend un arbre ayant une première et une seconde extrémités, ledit arbre pouvant tourner autour de son axe dans les deux directions, un enroulement de champ distribué autour d'un certain nombre de pôles qui sont disposés sur ledit arbre en alternance avec un certain nombre d'espaces interpolaires, dont chacun s'étend axialement le long dudit arbre, une première série de pales incluant des rangées de pales fixes et des rangées de pales rotatives situées radialement autour de la première extrémité dudit arbre, cette machine étant caractérisée par le fait que lesdites pales rotatives sont fixées audit'arbre, de façon à tourner avec lui, chacune desdites rangées de pales fixes étant axialement adjacente à une rangée, au moins, de pales rotatives, lesdites pales ayant conjointement, l'aptitude de déplacer axialement un agent de refroidissement élastique à travers lesdits espaces interpolaires vers la seconde extrémité dudit arbre quand-ledit arbre tourne dans une première direction, et une seconde série de pales incluant des rangées de pales fixes et des rangées de pales rotatives situées radialement autour de la seconde extrémité dudit arbre, lesdites pales rotatives étant fixées audit arbre, de façon à tourner avec lui, chacune desdites rangées de pale-s fixes étant axialement adjacente à une rangée, au moins, de pales rotatives, lesdites pales étant arrangées en ran .géies axiales et étant capables conjointement-de porter axialement un agent de refroidissement élastique à travers lesdits espaces interpolaires vers la première extrémité dudit arbre., quand cet arbre tourne dans une seconde direction. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'un certain nombre de guides sont disposés dans lesdits espaces interpolaires pour ledit agent de refroidissement élastique, lesdits guides s'effilant dans la direction radiale afin de réduire la surface d'écoulement axial, afin d'obliger le réfrigérant élastique circulant axialement à atteindre une vitesse élevée lé long de l'enroulement de champ adjacent audit guide, ce qui augmen te le transfert de chaleur entre ledit enroulement de champ et l'agent de refroidissement élastique. 3. Machine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que ledit enroulement de champ a un certain nombre d' ailettes qui en font saillie circonférentiellement dans lesdits èspaces interpolaires, afin de faciliter le transfert de chaleur entre ledit-enroulement et ledit réfrigérant élastique. 4. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caractérisée par le fait que ladite première et ladite seconde séries de pales comprennent respectivement une première section extérieure et une première section inwtérieure, ainsi qu'une seconde section extérieure et-une seconde section intérieure, lesdites sections extérieures ayant des aptitudes de compression pour ltune des directions de rotation de l'arbre, tandis que lesdites sections intérieures ont des aptitudes de compression pour la direction de rotation opposée de celui-ci. 5. Machine selon la revendication 4, caractérisée par le fait que lesdites sections extérieures comprennent une première rangée de lames fixes droites, disposées aux extrémités axialement opposées dudit arbre, une première rangée rotative de pales droites disposée axialement près de la première rangée fixe de pales droites et plus près desdits pôles que cette première rangée fixe, et une seconde rangée de pale-s droites fixes, disposée axialement entre la première rangée de pales droites rotatives et lesdits pôles. 6. Machine selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que lesdites sections intérieures comprennent chacune, deux rangées de palets cambrées, disposées axialement l'une près de l' autre-entre l'une desdites sections extérieures et lesdits pôles, les rangées correspondantes de pales cambrées desdites sections intérieures ayant des cordes identiques et des lignes de courbure orientées a l'opposé afin d'optimiser le travail ajouté audit agent de refroidissement élastique et pour réduire à un minimun le travail extrait dudit agent de refroidissement élastique par ladite seconde section intérieure quand ledit arbre tourne dans la première direction, cependant que la seconde section intérieure optimise le travail ajouté à agent de refroidissement élastique et que la.premirre section intérieure réduit a un minimum l'énergie extraite dudit réfrigérant élastique quand ledit arbre tourne dans la seconde direction. 7. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que les rangées axiales de la première et de la seconde séries de pales les plus proches desdits pôles communiquent à travers lesdits espaces interpolaires, tandis que les rangées axiales desdites première et seconde séries de pales les plus éloignées desdits pôles communiquent par un conduit. 8. Machine selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'un refroidisseur communique avec ledit conduit afin d'évacuer de la chaleur dudit agent de refroidissement élastique pendant son passage dans le conduit.