Brevet FR2465348A1 — publié le 19810320

L'invention concerne un rotor supraconducteur avec dispositif de liaison entre l'inducteur refroidi et l'arbre, et un dispositif de liaison pour rotor. Elle s'applique plus particulièrement à la construction d'un alternateur dont le rotor comporte des enroulements inducteurs "supra- conducteurs", c'est-à-dire constitués d'un matériau devenant supraconduc- teur lorsqu'il est refroidi à une température suffisamment basse souvent appelée "cryogénique" et valant par exemple 4 K. Le rotor comporte alors, outre ces enroulements et les moyens de connexion électrique nécessaire à leur alimentation, un circuit de refroidissement permettant de porter les enroulements de la température ambiante jusqu'à cette température cryogénique avant la mise en fonctionnement de l'alternateur et de les y maintenir ensuite. Ce circuit comporte une machine frigorifique, par exemple un liquéfacteur d'hélium. La puissance frigorifique nécessaire pour maintenir la supraconductivité, c'est-à-dire la puissance qu'il faut fournir à la machine frigorifique, est d'autant plus grande que la température qu'il faut atteindre est plus basse, et, pour une température donnée, elle est proportionnelle aux pertes calorifiques, c'est-à-dire à la puissance calorifique qu'il faut évacuer. Pour diminuer cette puissance on sépare le rotor en plusieurs zones - une zone "chaude", qui reste sensiblement à la température ambiante pendant le fonctionnement et qui comporte essentiellement l'arbre assurant la rigidité nmcanique de l'ensemble du rotor tout en permettant sa rotation entre deux paliers, - une zone "froide" que l'on peut appeler "inducteur" parce qu'elle comporte les enroulements et qui est portée en fonctionnement à la température cryogénique, - et des éléments de transition thermique qui assurent la liaison mécanique entre l'arbre et l'inducteur, c'est-à-dire qui portent l'inducteur en s'appuyant sur des structures de support convenables faisant partie de l'arbre, la température de ces éléments en fonctionnement croissant d'une extrémité froite du côté de l'inducteur à une extrémité chaude du c8té de la structure de support. Les pertes calorifiques dues à la différence de température entre la zone froide et la zone voisine chaude résultent du rayonnement, et de la conduction, le vide évitant toute perte par convection. - 2 - Les pertes les plus importantes sont dues à la conduction. Elles décroissent avec la résistance thermique entre les deux zones. On entend ici par "résistance thermique" d'un élément ayant une extrémité froide et une extrémité chaude, le rapport de la différence de température entre ces deux extrémités à la puissance calorifique allant de l'extrémité chaude à l'extrémité froide à travers l'élément. Cette résistance thermique peut être mesurée en degrés Kelvin par watt (K/W). Lorsque des températures très basses telles que 4E doivent être maintenues dans des volumes importants la puissance frigorifique nécessaire devient très coûteuse et l'on cherche à augmenter la résistance thermique entre la zone refroidie et la zone non refroidie. On utilise pour cela des matériaux thermiquement isolants. Quant aux éléments de transition qui assurent la liaison mécanique entre ces zones on augmente leur résistance thermique en augmentant leur longueur et en diminuant leur section. Mais on ne peut atteindre ainsi une résistance thermique aussi grande qu'on le voudrait sans diminuer exagérément la résistance mécanique. Pour obtenir à la fois des caractéristiques mécaniques convenables et un minimum de pertes il est connu de réaliser l'arbre sous forme d'un tube rigide de grand diamètre entourant l'inducteur sans contact avec celui-ci, de deux flasques circulaires dont chacun obture une extrémité de ce tube et de deux bouts d'arbre creux de diamètre inférieur portant sur les paliers et faisant saillie axialement chacun au centre de l'un des flasques. Quant à l'inducteur il prend la forme d'un tambour étanche intérieur au tube rigide et se prolongeant, à chacune de ses extrémités, par un tube mince de même diamètre constituant un élément de transition thermique. Ce tube de transition vient s'appuyer sur une structure de support solidaire de l'arbre et située au voisinage du flasque. L'ensemble présente une structure de révolution autour de l'axe de rotation du rotor. Le fait que l'inducteur subisse des variations de température très différentes de celle de l'arbre entraîne des déplacements longi- tudinaux des extrémités de cet inducteur par rapport aux structures de support, surtout au début et à la fin des périodes de maintien de l'inducteur en froid. Il est possible de faire supporter ces déplacements relatifs par une déformation élastique des structures de support. Mais ces structures doivent, de même que les tubes de transition -3thermique, pouvoir transmettre à l'inducteur la totalité du couple d'entraînement du rotor. L'utilisation d'une déformation élastique entraîne donc l'utilisation de pièces d'une dimension importante, qui augmentent sensiblement la masse et le coût du rotor. La présente invention a notamment pour but la réalisation d'un rotor supraconducteur avec dispositif de liaison entre l'inducteur refroidi et l'arbre, permettant de supporter les déplacements longi- tudinaux des extrémités de l'inducteur refroidi par rapport à l'arbre sans augmenter sensiblement le poids ou le coût du rotor. Elle a notamment pour objet un rotor supraconducteur avec dispositif -de liaison entre l'inducteur refroidi et l'arbre, ce rotor présentant généralement une symétrie de révolution autour de son axe longitudinal de rotation et comportant - un arbre rigide "chaud" supportant le rotor et incluant deux structures de support séparées longitudinalement l'une de l'autre, - un inducteur "froid" incluant des enroulements supraconducteurs et porté entre ces deux structures de support par l'intermédiaire de liaisons mécaniques, - des moyens de connexion électrique pour alimenter les enroulements de l'inducteur, - et un circuit de refroidissement pour amener cet inducteur de la température ambiante à une température "cryogénique" mettant ces enroulements en état de supraconductivité. Ce rotor est caractérisé par le fait que l'une au moins desdites liaisons mécaniques entre inducteur froid et structure de support chaude inclue un dispositif de liaison comportant: - une couronne-extérieure coaxiale au rotor et solidaire de l'un des éléments à relier, - une couronne intérieure solidaire de l'autre des éléments à relier et disposée coaxialement contre la face intérieure de la couronne extérieure, - et des masselottes réparties angulairement et fixées à la couronne intérieure de manière que la force centrifuge exercée sur ces masselottes par la rotation du rotor dilate la couronne intérieure et l'appuie contre la couronne extérieure pour assurer un blocage mutuel de ces deux couronnes pendant cette rotation tout en permettant leur déplacement relatif en l'absence de cette rotation. - 4 - A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ciaprès, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une vue d'un rotor selon un mode de réalisation de l'invention, en coupe par un plan passant par l'axe de ce rotor. La figure 2 représente un détail de la figure 1. La figure 3 représente une vue partielle du rotor des figures 1 et 2, en coupe par un plan A perpendiculaire à l'axe du rotor. Selon le mode de réalisation décrit et représenté un cryoalternateur comporte une turbine non représentée et située du côté droit de la figure 1. Celle-ci entraine un rotor 2 comportant un inducteur 3 refroidi à 4 K par de l'hélium, contenant des enroulements supraconducteurs et tournant autour d'un axe 1, et un stator 4 formant induit autour du rotor 2, et constitué de conducteurs électriques normaux. La partie centrale du rotor 2, est supportée et entrainée par deux bouts d'arbre horizontaux: un bout côté turbine, 6, raccordé à un flasque extérieur 8 plan circulaire, et un bout d'arbre c8té "alimentation" 12 raccordé à un flasque extérieur 14. Le bout 6 de l'arbre côté turbine est supporté par un palier 18 à température ordinaire. Il est en continuité mécanique avec l'arbre de la turbine non représentée. Le bout 12 de l'arbre côté alimentation est creux et comporte, dans un évidement axial, des conduits 13 d'entrée et de sortie d'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 l'inducteur à une température de 4 K. Le bout d'arbre 12 comporte d'autre part dans son évidement axial des conducteurs 15 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 un tube rigide - 5métallique 24 de forte épaisseur qui entoure l'inducteur 3 et des éléments de transition 10 et 16 consitutée de tubes métalliques minces de même diamètre que l'inducteur 3. Ces tubes de transition raccordent mécaniquement les deux extrémités de cet inducteur au tube rigide 24, au voisinage des flasques 8 et 14 respectivement. Le tube rigide 24 est à température ordinaire. Il peut être constituée en un alliage de titane muni de nervures circulaires extérieures 17 et recouvert extérieurement d'un écran amortisseur d'aluminium 26. Il assure la solidarisation mécanique des flasques 8 et 14 c'est-à-dire d'une part qu'il maintient l'alignement des bouts d'arbre 6 et 12, et d'autre part qu'il peut transmettre au flasque extérieur 14 du côté alimentation au moins la moitié du couple de rotation appliqué par la turbine non représentée Il est d'autre part fixé de manière étanche aux flasques extérieurs 8 et 14 et l'espace intérieur est évacué de manière à assurer une bonne isolation thermique par le vide entre ce tube rigide 24 et l'inducteur 3. L'arbre rigide constitué par les bouts d'arbre 6 et 12, les flasques 8 et 14 et le tube rigide 24 est réalisé en deux parties dont chacune est réalisée par soudage de divers éléments (un bout d'arbre, un flasque et tube rigide à demie longueur) et est située d'un c8té d'un plan transversal médian 40. Le matériau est un alliage non magnétique à fortes caractéristiques mécaniques tel que l'alliage de titane TA6V. Ces deux parties viennent entourer de part et d'autre l'inducteur 3 muni des tubes de transition 10 et 16, l'assemblage étant réalisé par boulons dans le plan médian 100. Cette position est favorable car il n'y apparait pas de flexion circulaire importante comme aux extrémités. L'écran amortisseur 26 est un tube obtenu par coulée centrifuge en alliage d'aluminium à faible résistivité électrique et à bonnes caractéristiques mécaniques. Il est monté à chaud sur les lignes de sommet des nervures 17 de manière à obtenir, par frettage résultant du refroidissment, un serrage énergique assurant la fixation de l'écran dans toutes les situations. On va maintenant décrire les modes de liaison du tube de transition 16 étant entendu qu'ils sont les mêmes que ceux du tube 10. Côté froid cette liaison résulte du fait que ce tube est en continuité avec - 6 - un tube extérieur 42 faisant partie de l'inducteur 3, et emmanché à chaud sur le corps de celui-ci de manière à réaliser un frettage, c'est-à-dire que les tubes 10 et 16 et ce tube extérieur 42 constituent une seule pièce tubulaire. Côté chaud la liaison se fait par un dispositif de liaison constitué essentiellement par une couronne intérieure 50 une couronne extérieure 52, et des masselottes 54, ces éléments ayant tous la même dimension longitudinale (c'est-à-dire parallèlement à l'axe du rotor), et étant en coïncidence quand l'inducteur est froid. La couronne intérieure 50 est constituée par un épaississement de l'extrémité chaude du tube 16. Elle est suffis-nment mince pour pouvoir se dilater sous l'action de la force centrifuge exercée par les masselottes 54 fixées sur sa face intérieure, chacune par deux vis 56 situées dans un même plan passant par l'axe 1 du rotor et le milieu de la masselotte. Ces masselottes se succèdent régulièrement sur toute la face interne de la couronne 50. La couronne extérieure 52 constitue la "structure de support" précédemment mentionnée. Elle est constituée par une partie de la longueur du tube rigide 24, avec une surépaisseur vers l'intérieur. Celle-ci doit en effet supporter sans dilatation sensible la plus grande partie de la force centrifuge résultant de la rotation des masselottes 54 et de la couronne intérieure 50. En l'absence de rotation, donc de force centrifuge, ce dispositif de liaison permet un déplacement longitudinal relatif des deux couronnes. Quand la vitesse de rotation atteint sa valeur nominale, la force centrifuge applique la couronne intérieure contre la couronne extérieure avec une force qui assure un blocage efficace. Pour empêcher une rotation relative des deux couronnes lorsque le rotor tourne à faible vitesse, un bloquage angulaire est réalisé par des goupilles cylindriques rondes longitudinales 58 insérées entre "cuir et chair" entre les deux couronnes. Ces goupilles contribuent également à la transmission du couple dans diverses circonstances. Leur nombre est par exemple double de celui des masselottes et elles sont régulièrement réparties angulairement, par exemple chacune à égale distance angulaire du milieu et du bord d'une masselotte. -7- La mise en froid de l'inducteur est effectuée à vitesse de rotation faible alors que la force centrifuge est négligeable. Pendant ce temps les retraits peuvent avoir lieu par coulissement avec jeu minimum. Par contre à la vitesse synchrone l'invention assure des liaisons fermes entre la partie froide et l'arbre pour empêcher toutes vibrations et transmettre les couples. -8- REVENDICATIONS 1/ Rotor supraconducteur avec dispositif de liaison entre l'inducteur refroidi et l'arbre, ce rotor présentant généralement une symétrie de révolution autour de son axe longitudinal de rotation (1) et comportant un arbre rigide "chaud" (12, 14, 24, 8, 6) supportant le rotor (2) et incluant deux structures de support (52) séparées longitudinalement l'une de l'autre, - un inducteur "froid" (3) incluant des enroulements supraconducteurs et porté entre ces deux structures de support par l'intermédiaire de liaisons mécaniques (10, 16), - des moyens de connexion électrique (15) pour alimenter les enroulements de l'inducteur, - et un circuit de refroidissement (13) pour amener cet inducteur de la température ambiante à une température "cryogénique" mettant ces enroulements en état de supraconductivité, caractérisé par le fait que l'une au moins (16) desdites liaisons mécaniques entre inducteur froid (3) et structures de support chaudes (52) inclue un dispositif de liaison comportant: - une couronne extérieure (52) coaxiale au rotor (2) et solidaire de l'un des éléments à relier (24), - une couronne intérieure (50) solidaire de l'autre (16) des éléments à relier et disposée coaxialement contre la face intérieure de la couronne extérieure, - et des masselottes (54) réparties angulairement et fixées à la couronne intérieure de manière que la force centrifuge exercée sur ces masselottes par la rotation du rotor dilate la couronne intérieure et l'appuie contre la couronne extérieure pour assurer un blocage mutuel de ces deux couronnes pendant cette rotation tout en permettant leur déplacement relatif en l'absence de cette rotation. 2/ Rotor selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des guides (58) disposés parallèlement à l'axe du rotor à l'interface entre les deux dites couronnes (50, 52) de manière à empêcher la rotation d'une couronne par rapport à l'autre même en l'absence de force centrifuge. 3/ Rotor selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdits guides (58) sont des clavettes rondes occupant deux sillons longitudinaux creusés en regard l'un de l'autre dans les faces en regard des deux couronnes (50, 52). -9- 4/ Rotor selon la revendication 2, dans lequel l'une au moins desdites liaisons mécaniques est un tube de transition (16) mince coaxial au rotor (2) et s'étendant entre une extrémité froide fixée à l'inducteur (3) et une extrémité chaude liée à une dite structure de support (52), caractérisé par le fait que cette extrémité chaude est fixée à ladite couronne intérieure (50) qui présente sensiblement le même diamètre que le tube de transition (16) - ladite couronne extérieure (52) étant inclue dans ladite structure de support (52). / Rotor selon la revendication 2, caractérisé par le fait que chacune desdites masselottes (54) est fixée sur la face intérieure de ladite couronne intérieure (50) sur une zone angulairement médiane de la masselotte. 6/ Rotor selon la revendication 5, caractérisé par le fait que chacune des masselottes (54) est fixée sur la face intérieure de la couronne intérieure (50) en plusieurs points situés dans un même plan passant par l'axe (1) du rotor et par le milieu de la masselotte. 7/ Rotor selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit arbre (12, 14, 24, 8, 6) est constitué en deux parties rigides sen- siblement symétriques par rapport à un plan médian (40) perpendiculaire à l'axe (1) du rotor (2) et assemblées l'une à l'autre dans ce plan, chacune de ces parties comportant, à partir d'une extrémité du rotor - un bout d'arbre (12, 6) de diamètre inférieur à celui de l'inducteur (3) - une flasque (14, 8) s'étendant radialement de ce bout d'arbre jusqu'à un diamètre supérieur à celui de l'inducteur (3), - et un tube rigide (24) coaxial, au rotor (2) et s'étendant de la partie extérieure de ce flasque (14, 8) jusqu'au dit plan médian (40) et entourant un dit tube de transition et une partie de l'inducteur froid (3), - une dite couronne extérieure (52) étant formée par ce tube (24) au voisinage du flasque (14, 8). 8/ Rotor selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ledit tube rigide (24) comporte des nervures (17)circulaires en saillie radiale sur sa face extérieure, est constitué d'un alliage non magnétique, et porte un écran amortisseur tubulaire (26) non magnétique bon conducteur électrique fixé sur les lignes de sommet de ces nervures (17).