Brevet FR2417879A1 — publié le 19790914

L'invention concerne les machines électriques, et notamment les dispositifs d'alimentation d'un agent réfrigérant pour l'enroulement supraconducteur tournant de machines électriques à refroidissement cryogénique. Ces dispositifs sont employés dans des machines électriques tels que moteurs et alternateurs, utilisées dans les centrales atomiques, thermiques et autres, ainsi que dans les transports et en particulier dans l'aviation. L'invention peut aussi trouver des applications étendues dans les centrales électriques et les accumulateurs d'énergie pour l'espace. Elle peut âtre utilisée dans les dispositifs de transmission d'un flux cryogénique entre une source de ce flux et un dispositif qui l'exploite, en particulier dans les appareils de transmission dans lesquels la source et le récepteur tournent l'une par rapport à l'autre à une vitesse élevée, par exemple dans les ins lallations pour l'étude des liquides cryogéniques dans un champ de forces centrifuges. Les machines électriques à enroulement supraconducteur tournant, situé dans le rotor, ont un circuit cryogénique pour le refroidissement de cet enroulement. L'agent réfrigérant employé dans le circuit de refroidissement est l'hélium liquide, refroidi jusqu'à T = 4,2 K. Une particularité distinctive de la transmission de l'hélium liquide est l'éventualité de l'apparition d'un écoulement à deux phases par suite de l'évapora- tion d'une partie du liquide due au frottement entre le flux de liquide stationnaire et les parties tournantes de la machine électrique. Lors de la transmission du flux stationnaire d'hélium liquide aux parties tournantes de la machine électrique, l'augmentation du frottement provoque l'accroissement du taux de vapeur dans le mélange, de la résistance à l'écoulement de celuici et, par conséquent, l'augmentation de la température de 1 'agent réfrigérant. Ces phénomènes se traduisent en définitive par un abaissement de la puissance et du rendement de la machine électrique. On connaît un dispositif d'alimentation d'un agent réfrigérant pour enroulement supraconducteur tournant d'une machine électrique à refroidissement cryogénique, comprenant un tube fixé par un joint dans l'axe de la machine électrique pour l'admission du flux stationnaire de l'agent réfrigérant à la cavité de la machine électrique. Une extrémité de ce tube est engagée avec Jeu dans une chambre tournante qui s'évase dans le sens de la circulation de l'agent réfrigérant. Ladite chambre est mise en communication avec la cavité de la machine électrique dans laquelle est placé l'enroulement supraconducteur. Toutefois, un tel dispositif d'alimentation est peu efficace, car, lors de la transmission du flux d'agent réfrigérant du tube à la chambre tournante, du fait de la grande vitesse relative de rencontre du flux d'agent réfrigérant et de la surface de la chambre, il se forme une quantité importante de vapeur dans l'agent réfrigérant. La vapeur formée n'est pas évacuée de la chambre. La présence d'une grande quantité de vapeur dans l'agent réfrigérant en provoque un état de déséquilibre et, en definitive, altère les conditions d'alimentation de l'agent réfrigérant à l'enroulement supraconducteur et diminue la quantité d'agent réfrigérant envoyé dans celui-ci. En outre, dans le jeu entre le tube et la chambre tournante, il se forme des tourbillons de convection d'agent réfrigérant, ce qui provoque une augmentation des calories re çues par l'agent réfrigérant. L'invention a pour but de créer un dispositif d'alimentation d'un agent réfrigérant pour l'enroulement supraconducteur tournant d'une machine électrique à refroidissement cryogénique dont la conception est telle qu'elle assure un abaissement de la vitesse relative de rencontre du flux d'agent réfrigérant avec la surface de la chambre tournante. L'invention a donc pour objet un dispositif d'aliaenta- tion d'un agent réfrigérant pour enroulement supraconducteur tournant d'une machine électrique à refroidissement cryogénique comprenant un tube filé par un joint dans l'axe de la machine électrique pour l'admission d'un flux d'agent réfrigérant stationnaire, tube dont une extrémité est engagée avec jeu dans une chambre tournante s'élargissant dans le sens de circulation de l'agent réfrigérant et mise en communication avec la cavité de la machine électrique dans laquelle est disposé l'enroulement supraconducteur, caractérisé en ce qu'il est prévu une aiguille disposée dans l'axe de la machine électrique et fixée à l'intérieur de la chambre tournante, à l'extrémité de cette chambre par laquelle sort l'agent réfrigérant, la longueur de l'aiguille étant telle que sa pointe soit au moins au droit du bord d'extrémité du tube, et en ce que la chambre tournante est mise en communication avec la cavité de la machine électrique dans laquelle est disposé l'en- roulement supraconducteur, par au moins deux canaux d'alimentation de.l'agent réfrigérant. Afin de diminuer les pertes hydrauliques de l'agent réfrigérant, il est avantageux de disposer les canaux dtalnmen tation de l'agent réfrigérant suivant des hélices. Il est avantageux de monter unaément porteur tout prêts et dans l'alignement de la chambre tournante et de réaliser les canaux d'alimentation de l'agent réfrigérant à l'aide de tubes disposés sur cet élément porteur. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement a titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la Pig.1 représente une vue d'ensemble en coupe longitudinale d'une machine à refroidissement cryogénique conforme A l'invention; la Fig.2 représente le détail Â de la Fig.1 à une échelle plus grande, montrant le dispositif d'alimentation de l'agent réfrigérant pour l'enroulement supraconducteur tournant de la machine électrique, conforme à l'invention; la Fig.3 représente une vue en coupe selon la ligne III-III de la Fig.2. Dans une machine électrique à refroidissement cyogéni- que, le dispositif d'alimentation de l'agent réfrigérant pour l'enroulement supraconducteur tournant 1 (Fig.1) comprend un tube 2 fixé par un joint dans l'axe de la machine électrique, à l'intérieur d'un alésage usiné coaxialement dans l'arbre 3 du rotor 4, le tube étant prévu à l'extrémité opposée à celle par laquelle l'arbre 3 est entraîné. Le tube 2 introduit l'a- gent réfrigérant 5 qui est de l'hélium liquide à une température de 4,2 K, dans l'enceinte de la machine électrique munie de l'enroulement supraconducteur 1. L'extrémité du tube 2 est engagée avec jeu dans la chat- bre tournante 6. La chambre 6 se trouve dans l'alignement du tube 2. Elle s'élargit dans le sens de circulation de l'agent réfrigérant 5. Le sens de circulation de l'agent réfrigérant 5 est montré sur les dessins par des flèches. Â l'intérieur de la chambre 6 est placée une aiguille 7, qui est fis e à l'extrémité de ladite chambre par laquelle sort l'agent réfrigérant. La longueur de l'aiguille 7 est telle que sa pointe se trouve au moins au droit du bard d'extrémité du tube 2. La chambre 6 est mise en communication avec la cavité du rotor 4 dans laquelle se trouve l'enroulement supraconducteur, par des canaux 8 disposés suivant des hélices. Dans le mode de réalisation décrit, les canaux 8 sont constitués par des tubes enroulés sur un élément porteur 9 ayant la forme d'un tronc de cône.L'élément porteur 9 est situé tout près de la chambre tournante 6 et en alignement de celle-ci, à l'intérieur de l'arbre 3 du rotor 4, et il est monté sur des appuis 10 réalisés en un matériau à faible conductibilité thermique, par exemple en céramique (val203). L'arbre 3 du rotor 4 est monté dans des paliers 11 situés dans des flasques 12 d'une carcasse étanche 13 de la machine électrique, l'enroulement statorique 14 étant filé sur la surface intérieure de cette carcasse 13. L'espace entre la surface extérieure du rotor 4 et la carcasse 13 est maintenu sous vide, le vide assurant l'isolation thermique de l'enroulement supraconductedr 1. Pour le maintien du vide, il est prévu des joints tournants 15 étanchés au vide situés dans les flasques 12 du côté de l'enroulement supraconducteur 1. Pour l'évacuation de l'agent réfrigérant 5 réchauffé, des canaux 16 passant dans l'arbre 3 du rotor 4, mettent la cavité du rotor 4 en communication avec des collecteurs de gaz 17 entourant les extrémités de l'arbre 3. Le tube 2 (Fig.2) est constitué de deux tubes minces entre lesquels on maintient le vide. La chambre 6 est réalisée de façon à s'élargir, elle a le profil d'une tuyère de Laval. Le bord d'extrémité du tube 2 se trouve dans la section critique. L'extrémité du tube 2 a un profil analogue à celui de la chambre 6, ce qui assure la constance du jeu entre le tube 2 et la chambre 6. La chambre 6 est rigidement fixée à l'arbre 3 par l'intermédiaire d'un dispositif de découplage thermique comprenant un soufflet 18, un tube mince 19 et un boîtier 20. L'espace entre la chambre tournante 6 et l'arbre 3 est mis sous vide. Le jeu circulaire entre le tube 2 et le tube mince 19 est obturé du côté de l'entrée de l'agent réfrigérant 5, par une garniture mécanique comprenant une bague tournante 21, une bague fixe 22 et un ressort 23. En outre, dans la paroi frontale du collecteur de gaz 17 et dans la bague mobile 22, sont montés des joints glissants 24 permettant au tube 2 de coulisser suivant l'axe de la machine électrique. Dans la paroi frontale 25 de la chambre 6 sont pratiqués deux trous elliptiques 26 (Fig.3) à travers lesquels l'agent réfrigérant 5 passe de la chambre 6 aux canaux 8 qui le transmettent à l'enroulement supraconducteur 1. L'agent réfrigérant 5 est introduit dans l'enroulement supraconducteur 1 de la machine électrique de la façon suivante. L'hélium liquide fourni par une machine frigorifique (non représentée) à une température de 4,2 K et sous une pression proche de la pression atmosphérique, passe par le tube 2 (Fig.1, 2) en flux stationnaire et entre dans la chambre tournante 6. Pour diminuer la vitesse de rencontre du flux stationnaire d'agent réfrigérant 5 avec la surface tournante de la chambre 6, une rotation préalable est imprimée à l'agent réfrigérant 5 par l'aiguille tournante 7 qui le projette vers la paroi de la chambre 6.La vapeur qui se forme alors s 'accu- muls au centre de la chambre 6, tandis que la phase liquide de l'agent réfrigérant 5 remplit la partie frontale de la chambre 6 en noyant complètement les trous 26 (Fig.3) Le vapeur formée par suite de la chute de pression est aspirée à travers le jeu circulaire entre la chambre 6 et le tube 2 (six. 1, 2), passe à travers la garniture réglable, et parvient dans le collecteur de gaz 17. L'agent réfrigérant liquide 5 est introduit dans les canaux hélicoidaux 8 et transporté vers la cavité du rotor 4 dans laquelle se trouve l'enroulement supraconducteur 1. L'agent réfrigérant 5 échauffé, sous forme de vapeur froide, s'écoule dans les canaux 16 de l'arbre 3 du rotor 4, qui l'évacuent vers le collecteur de gaz 17 situé aux deux extrémités de l'arbre 3. Une telle réalisation du dispositif d'alimentation de l'agent réfrigérant à l'enroulement supraconducteur tournant permet d'accroître sa fiabilité et de simplifier la conception du dispositif lui-même. La fiabilité de la machine toute entière, tant en marche normale qu'aux régimes transitoires et de démarrage, est tributaire de la fiabilité du dispositif d'alimentation de l'agent réfrigérant et de son efficacité. C'est pourquoi la fiabilité du dispositif décrit est un critère important du bon fonctionnement de la machine électrique dans son ensemble. La réalisation du dispositif conformément à l'invention permet également, toutes choses égales par ailleurs, de réduire la vaporisation, tant pendant la transmission du flux stationnaire aux parties tournantes de la machine électrique que pendant le transport direct de l'agent réfrigérant à l'enroulement supraconducteur. Ceci permet un refroidissement plus efficace de l'enroulement surpaconducteur et, à puissance égale de la machine électrique, une réduction des dépenses d'agent réfrigérant pour le maintien de l'enroulement à l'état supraconducteur. Le réduction des dépenses d'agent réfrigérant est le résultat de la faible vaporisation dans le système de transfission, ainsi que de l'abaissement de l'apport en calories à l'agent réfrigérant dans tout le dispositif. De plus, la vapeur formée ne s'écoule pas vers les canaux transmettant l'agent réfrigérant à l'enroulement supraconducteur et, par conséquent, n'augmente pas la température de l'agent réfrigérant et de l'enroulement lui-nême. On obtient ainsi un abaissement des frais, non seulement de ceux liés au maintien de l'enroulement à l'état surpaconducteur, mais aussi de ceux liés à l'exploitation et, par conséquent, une augmentation de l'efficacité de la machine électrique dans son ensemble. REVENDICAUIONS 1.- Dispositif d'alimentation d'un agent réfrigérant pour enroulement supraconducteur tournant d'une machine électrique à refroidissement cryogénique, comprenant un tube fixé par un joint dans l'sxe de la machine électrique pour l'admis- sion d'un flux d'agent réfrigérant stationnaire, une extrémité du tube étant engagée avec Jeu dans une chambre tournante s'élargissant dans le sens de circulation de l'agent réfrigérant et mise en communication avec la cavité de la machine électrique dans laquelle est disposé 11 enroulement supraconducteur, caractérisé en ce qu'il comporte une aiguille disposée dans i'axe de la machine électrique et fixée à l'intérieur de la chambre tournante, à l'extrémité de celle-ci par laquelle sort l'agent réfrigérant, la longueur de l'aiguille étant telle que sa pointe soit au moins au droit du bord d'extrémité du tube et en ce que la chambre tournante est mise en communication avec la cavité de la machine électrique dans laquelle est disposé l'enroulement supraconducteur, par au moins deux canaux d'alimentation de l'agent réfrigérant. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les canaux d'alimentation de l'agent réfrigérant sont disposés suivant des hélices. 3.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte un élément porteur situé tout près de la chambre tournante et dans l'alignement de celle-ci, et en ce que les canaux d'alimentation de l'agent réfrigérant sont constitués par des tubes disposés sur cet élément porteur.