Brevet FR2458935A1 — publié le 19810102

1.- L'invention concerne un procédé pour com- pléter en hélium liquide, à partir d'un réservoir d'hélium qui se trouve sous la pression ambiante, un bain d'hélium du rotor d'un générateur supraconducteur, bouillant sous l'effet de la dépression, pendant qu'une partie de l'hélium passe en phase gazeuse au cours du transfert, la phase liquide étant fournie dans le bain d'hélium à une certaine distance de l'axe de rota- tion. Pour que l'on obtienne une fiabilité élevée dans le fonctionnement des machines comportant un enroulement excitateur rotatif supraconducteur, il apparait nécessaire d'assurer l'alimentation en hélium liquide dans des conditions telles qu'il soit garanti que le fonctionnement se poursuivra sans perturbations même si l'installation frigorifique est défaillante. Ce "désaccouplement" de la machine électrique de l'installation frigorifique est assuré d'une façon simple au moyen de l'interposition d'un réservoir d'hélium liquide. Il y a avantage à ce que la pression dans ce réservoir soit très voisine de la pression atmosphérique, ou, pour éviter que l'hélium liquide soit souillé par les impuretés de l'atmosphère environnante, soit sous une faible surpression. Pour obtenir une densité de courant liné- aire élevée, on a avantage à zefroidir l'enroulement du rotor supraconducteur avec de l'hélium qui bout sous une pression réduite à quelques dixièmes de bar et possède par suite une température d'ébullition de T partie froide du rotor). Il a déjà été proposé (A. Bejan, "Inrpoved Thermal Design of the Cryogenic Cooling System for a Supercon- ducting Synchroneous Generator", Thesis, MIT (1974), brevet US 4.056.745), de détendre l'hélium qui arrive à la dépression qui règne dans le rotor au moyen d'une soupape d'étranglement (détente Joule-Thomson). La soupape doit être réglée de façon à agir en fonction du courant d'hélium que nécessite le rotor. 2.- Dans d'autres propositions (brevet US 4.085.529 et 4.082.967), on part de ce que l'hélium qui arrive dans le rotor présente une proportion gazeuse relativement importante en raison des pertes thermiques subies dans la conduite de transfert. La conduite d'alimentation tournante est établie de telle façon que le liquide et le gaz se séparent dans l'espace, au moins dans la partie de la conduite d'alimentation qui s'étend radialement. La courbe de pression dans cette conduite est indiquée par la compression de la vapeur condition- née par la rotation. Cette conduite débouche à l'endroit du liquide, bouillant en raison de la dépression, o sa pression hydraulique est égale à celle de la colonne de vapeur. Ce système de recharge est autorégulateur, aussi longtemps que la proportion de vapeur n'est pas trop faible. Pour assurer la sécurité du fonctionnement même si le courant d'hélium est impor- tant, on apporte le plus grand soin à produire la proportion nécessaire de vapeur, en cas de besoin, par chauffage de la condifte de transfert. -On trouve décrit un autre procédé dans "Cryogenics 17, 429" (1977). On introduit ici un liquide par une conduite d'alimentation radiale, et le fournit dans l'hélium, bouillant par dépression, à l'endroit o se présentent des pressions hydrauliques égales. Le rayon dans lequel s'effectue l'alimentation est plus grand qMe pour l'alimentation d'un mélange vapeur-liquide. Avec un rotor de 50 Hz, il doit être plus grand que 0,33 m. Un autre avantage réside en ce que l'on fournit seulement du liquide pur par la conduite d'alimentation radiale. L'invention a pour objet d'offrir un procédé et des dispositifs pour cette opération de recharge qui rende possible ce complément de charge d'un bain d'hélium en rotation, bouillant sous une pression réduite, indépendamment de la partie gazeuse de l'hélium qui doit être fourni et aussi indépendamment de la dimension du rotor à alimenter. A cet effet, l'invention propose que l'on sépare la phase liquidé et la phase gazeuse d'hélium dans un séparateur de phase, intégré dans le rotor, et que la phase gazeuse est évacuée du séparateur de phase et que l'on prévoit un passage pour l'alimentation des deux phases dans le sépara- teur de phases, et que ce passage est établi sous la forme d'une 3.conduite coaxiale, par la tubulure extérieure de laquelle la phase gazeuse est évacuée du séparateur de phases. On obtient en outre une amélioration avantageuse du dispositif suivant l'invention si l'on prévoit au moins une conduite, à1lant du séparateur de phases au bain d'hélium, à une certaine distance de l'axe de rotation. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés représentant un exemple de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels - la figure 1 illustre schématiquement la construction d'un générateur, - la figure 2 est un graphique qui indique les modificatinns de la pression dans les conduites radiales et dans le bain d'hélium en fonction de la distance de l'axe de rotation, et des rayons des limites de phases. L'hélium liquide s'écoule par la conduite 1 (figure 1) fixe, isolée par une enveloppe 10 étancheau vide, à partir d'un réservoir d'hélium qui ntst pas illustré en détail, qui est soumis à une pression P0 (P t 1 bar), et débouche dans un séparateur de phases 2, relié avec le rotor 9. Le séparateur de phases 2 est constitué essentiellement d'une chambre de bifurcation 11 pour les différentes conduites 4 et 12, compor- tant au moins une sortie 3 sur la périphérie. En raison de la rotation sur l'axe 8 auquel le séparateur de phases 2 est concentrique, la partie gazeuse qui s'est formée dans la conduite d'élimentation 1 est s4parée d u liquide, de sorte que ce liquide 13 se rassemble à la périphérie. (Quand la vitesse de rotation est suffisamment grande, la séparation se produit aussi alors que l'axe 8 du rotor repose horizontalement. Par exemple avec la vitesse de rotation de fonctionnement d'une générateur synchrone de 50 Hz, l'accélération centrifuge à une distance de 1 cm est déjà 100 fois plus grande que l'accélération due à la pesanteur). Le liquide passe par la conduite 4 et/ou 12 dans le bain d'hélium 5 à recharger, dont la surface est à une distance R1 par rapport à l'axe 8, et qui bout dans le voisinage de l'axe de rotation x sous la pression P1, qui est plus petite que Po. La vapeur qui se forme dans le séparateur de phase sort du rotor 9 ou du séparateur de phases 2 par la conduite exté- rieure coaxiale 6. Le rayon R. de la chambre 11 o se trouve la vapeur est maintenu à une valeur que l'on devra prescrire par le régulareut de niveau 7. Le niveau de liquide dans le séparateur de phase 2 doit être réglé pour qu'il puisse agir. Ces régula- teurs de niveau 7 sont suffisamment connus. Comme régulateurs de niveau 7, on se sert par exemple de détecteurs agissant en fonction de la température (thermomètres à résistance au charbon ou détecteurs supraconducteurs). L'équilibre du niveau peut être assuré soit en modifiant la pression dans l'accumulateur d'hélium, soit en modifiant la pression à la sortie du gaz. Il s'agit ici de la même technique que dans les systèmes non- rotatifs. Il s'établit ainsi, dans le bain 5 que l'on doit recharger la limite de phases R1, telle que l'on trouve, aux points d'alimentation 14 des conduites 4 et 12, la même pression hydraulique que dans le bain d'hélium 5. Il est indiqué dans la figure 2 comment les pressions se modifient dans les conduites radiales 4 et 12 (il est aussi possible de prévoir une conduite d'alimentation cylindrique) et dans le bain d'hélium 5, en fonction de la distan- ce R de l'axe de rotation 8, et en fonction des rayons des limites de phases R et Ri. L'exemple décrit des rapports typiques dans un grand turborotor 9 supraconducteur dont la vitesse de rotation est de 50 Hz et le diamètre de 1 m. Dans le centre du rotor 9, on admet que la pression est de 0,41 bar, telle qu'elle peut se régler, par exemple en raison de l'effet d'auto-pompage dans le circuit des gaz d'échappement. La ligne en tirets qui forme la courbe (a) décrit la courbe de la pression P = 1 bar, et la courbe en trait plein (b), la courbe pour la pression P1 = 0,41 bar. Les autres courbes décrivent les pressions dans les liquides, qui se joignent à l'extérieur des rayons R et R1 à ces chambres de gaz. Ces systèmes de courbes indiquent les limites dans lesquelles on peut faire varier les rayons R, R1 et R2. Pour montrer le champ dans lequel peuvent varier les rayons de vapeur et d'alimentation, on donne dans la figure 2 trois exemples. Il est chaque fois demandé qu'il s'ajuste dans le bain d'hélium un rayon de vapeur de R1 = 0,1 m. Quand l'alimentation se fait aux points R2A = 0,2 m, R2B = 0,35m ou R2 = 0,45 m, le niveau dans le séparateur de phases doit être ajusté aux rayons RaA ' RoB ou Roc. 5._ 2458935 Dans le calcul qui conduit aux résultats illustrés dans la figure 2, on doit tenir compte de ce que l'état thermodynamique de l'hélium se modifie fatement lors de la compression en raison de l'accélération centrifuge. Il n'est fourni ni repris aucune chaleur à l'hélium dans les conduites d'alimentation 4 et/ou 12. C'est-à-dire que ces conduites doivent être fabriquées de préférence en matériaux dont la condutivité thermique est mauvaise (par exemple en acier inoxydable). L'aug- mentation de pression dans le liquide en phase unique est calculé d'après la modification d'état: h(R) - h(o) = 2 (1) et s = const, (2) o h est l'enthalpie spécifique et s, l'entropie spécifique. La vapeur est comprimée le long de la limite de phases dans le diagramme d'état, de sorte qu'on a: p(r1) 2dP 2.uJ2 (r1 - r2) (3) p(r0) o s est la densité de la vapeur saturée. Les relations (1), (2) et (3) peuvent aussi être vérifiées expérimentalement. Les avantages essentiels de l'invention résident en ce que l'on sépare le liquide et le gaz hélium que l'on amène dans un séparateur de phase 2 intégré dans le rotor 9. Le liquide est amené dans le rotor 9 au point le plus approprié 4 et/ou 12, et le gaz est renvoyé par une conduite séparée 6. Le point d'alimentation 4 et/ou 12 peut être choisi librement dans de larges limites. Le système fonctionne indépendamment de l'importance de la teneur en hélium gazéifié. De là ressortent les autres avantages de la grande sécurité de fonctionBment, de la possibilité d'adaptation aux conceptions en tous genres du rotor, et de la séparation nette du liquide et de la vapeur. 6.- 2458935 REVENDICATIONS 1.- Procédé pour compléter en hélium liqui- de, à partir d'un réservoir d'hélium qui se trouve sous la pression ambiante, un bain d'h1ium du rotor d'un générateur supraconducteur, bouillant sous l'effet des la dépression, pendant qu'une partie de l'hélium passe en phase gazeuse au cours du transfert, la phase liquide étant fournie dans le bain d'hélium à une certaine distance de l'axe de rotation, procédé caractérisé en ce que l'on sépare la phase liquide et la phase gazeuse d'hélim dans un séparateur de phase (2), intégré dans le rotor (9), et que la phase gazeuse est évacuée du séparateur de phase (2). 2.- Dispositif pour l'exécution du procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qué l'on prévoit un passage (1,6) pour l'alimentation des deux phases dans le séparateur de phases (2), et que ce passage est établi sous la forme d'une conduite coaxiale, par la tubulure extérieure (6) de laquelle la phase gazeuse est évacuée du séparateur de phases (M). 3.- Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'on prévoit au moins une conduite (4 et/ou 12), allant du séparateur de phases (2) au bain dqélium (5), à une certaine distance de l'axe de rotation (8).