Brevet FR2471071A1 — publié le 19810612

Dispositif destinés refroidir par liquide l'enroulement rotorique d'une machine électrique. la présente invention concerne les dispositifs destinés à refroidir par un liquide l'enroulement rotorique d'une machine électrique. le dispositif proposé pour le refroidissement par un liquide peut être utilisé dans des turbogénératrices équipées d'un système de refroidissement par liquide de l'enroulement rotorique dit à auto-pression", c'est-d-dire d'un système dans lequel la circulation du liquide est réalisée grâce à l'utilisation de la force centrifuge prenant naissance dans le rotor tournant du fait deWla différence des distances radiales des amenées et des évacuations du liquide. On connaît des dispositifs à alimentation en liquide forcée qui sont destinés à refroidir par liquide 11 enroulement rotorique et dans lesquels l'écoulement dudit liquide à 1'intérieur des conducteurs creux de l'enroulement est assuré par la pression engendrée au moyen d'une pompe. les inconvénients de ces dispositifs destinés à refroidir l'enroulement rotorique moyennant une alimentation en liquide forcée sont les suivants - nécessité d'exécution de canaux axiaux dans 17arbre de rotor afin d'amener un liquide, canaux dont la présence rend difficile l'amenée du courant à l'enroulement rotorique car cette amenée est réalisée, elle aussi, par des canaux axiaux se trouvant à l'intérieur de l'arbre de rotor - nécessité d'une protection anticorrosive de la surface des canaux d'amenée du liquide à l'intérieur du corps de l'arbre de rotor - nécessité d'une liaison mécanique entre l'arbre de rotor et l'enroulement à travers le dispositif assurant la circulation de l'eau qui passe de l'arbre de rotor à l'enroulement ; la présence dune telle liaison mécanique fait nature des efforts alternés dans le dispositif d'amenée d'eau par suite d'une différence de rigidités entre le tambour de rotor et la queue de l'arbre de rotor ce qui diminue la fiabilité du dispositif assurant la circulation de l'eau. - une haute pression (allant jusqu'à 200 kg/cm2) du liquide de refroidissement dans les canaux de l'enroulement ce qui diminue la sareté des joints soudés de l'enroulement. les inconvénients cités sont supprimés dans les dispositifs destinés à refroidir par liquide 1' enroulement rotorique équipé d'un système de refroidissement par liquide à auto-pression. Comme il est connu, la circulation d'un liquide à travers l'enroulement, dans des dispositifs destinés à refroidir par liquide l'enroulement rotorique et équipés d'un système de refroidissement par liquide à auto-pression, est réalisée grâce à 11utilisation de la force centrifuge prenant naissance dans un rotor tournant du fait de la différence des distances radiales des amenées et des évacuations du liquide. On connaît des dispositifs destinés à refroidir par liquide l'enroulement rotorique équipés d'un système de refroidissement par liquide à auto-pression, qui comportent un moyen d'amenée d'un liquide de refroidissement vers l'enroulement rotorique et un moyen d'évacuation du liquide de refroidissement. le moyen d'évacuation du liquide de refroidissement est constitué d'un élément cylindrique extérieur immobilisé sur le rotor et d'un élément cylindrique intérieur fixe qui sont, tous les deux, montés d'une manière concentrique par rapport à l'arbre. La cavité de vidange du liquide de refroidissement est disposée dans le jeu entre les éléments cylindriques extérieur et intérieur (certificat d'auteur URSS nO 236 610). Une évacuation libre du liquide de refroidissement depuis l'élément cylindrique extérieur qui tourne avec le rotor dans la cavité de vidange fixe, est une évacuation accompagnée d'une forte pulvérisation du liquide de refroidissement arrivant dans la cavité de vidange à une grande vitesse, ce qui rend difficile la réalisation d'une étanchéité sdre entre cette cavité et ltespace intérieur du stator ; ceci constitue un inconvénient du dispositif décrit. De plus, du fait du refoulement de l'air dans la cavité de vidange par les éléments tournants du rotor, une surpression est créée dans ladite cavité de vidange ce qui rend encore plus difficile de bien étanchéifier le joint entre cette cavité et ltespace intérieur du stator, ce qui diminue la fiabilité de la machine électrique. Par ailleurs on connaît un dispositif destiné à refroidir, par liquide, l'enroulement rotorique d'une machine électrique et plus précisément d'une turbogénératrice, dans lequel l'inconvénient cité est partiellement supprimé ce dispositif est équipé d'un système de refroidissement par liquide à auto-pression et comporte un moyen d'amenée du liquide de refroidissement vers l'enroulement rotorique et un moyen d'évacuation du liquide de refroidissement. le moyen d'évacuation du liquide de refroidissement est constitué, d'une part, d'un élément cylindrique extérieur sur la surface intérieure duquel est pratiquée une rainure circulaire et qui est immobilisé sur le rotor, et d'autre part d'un élément cylindrique intérieur fixe, les deux éléments étant montés d'une manière concentrique par rapport à l'arbre. la surface extérieure dudit élément cylindrique intérieur est munie, du cSté de l'enroulement, d'une saillie annulaire s'engageant dans la rainure circulaire pratiquée à la surface intérieure de l'élément cylindrique extérieur. Lors du fonctionnement du dispositif, ladite saillie annulaire de l'élément cylindrique intérieur et ladite rainure circulaire de l'élément cylindrique extérieur forment une fermeture hydraulique empêchant l'air de pénétrer dans la cavité de vidange ; cependant cet air et les gouttelettes de liquide, peuvent atteindre l'espace intérieur du stator de la machine électrique par le joint-labyrinthe ce qui est inadmissible. la cavité de vidange du liquide de refroidissement se situe dans le jeu entre les éléments cylindriques intérieur et extérieur, derrière la saillie annulaire du c8té opposé à l'enroulement rotorique (certificat d'auteur URSS nO 253 219). Par ailleurs une évacuation libre du liquide de refroidissement depuis l'élément cylindrique extérieur qui tourne avec le rotor dans la cavité de vidange fixe, est accompagnée d'une forte pulvérisation du liquide de refroidissement arrivant dans la cavité de vidange à une grande vitesse, ce qui rend difficile de créer une bonne étanchéité entre cette cavité et l'espace intérieur du stator, et diminue la fiabilité de la machine électrique du fait de l'éventualité de pénétration du liquide dans ledit espace intérieur du stator ; ceci constitue un inconvénient du dispositif-décrit. La présente invention se propose de créer un dispositif destiné à refroidir, par liquide, l'enroulement rotorique d'une machine électrique équipée dlun système de refroidissement par liquide à auto-pression, dans lequel la disposition de la cavité de vidange et la réalisation du moyen d'évacuation du liquide permettraient d'éviter toute pénétration du liquide de refroidissement à une grande vitesse dans le jeu entre les éléments cylindriques extérieur et intérieur derrière la saillie annulaire vers le côté opposé à l'enroulement rotorique. le dispositif-selon l'invention comporte un moyen d'amenée du liquide de refroidissement vers l'enroulement rotorique, une cavité de vidange, et un moyen d'évacuation du liquide de refroidissement dans la cavité de vidange constitué d'un élément cylindrique extérieur fixé sur le rotor et pourvu d'une rainure circulaire pratiquée sur sa surface intérieure, et d'un-élément cylindrique intérieur fixe dont la surface extérieure est munie, du cbté de l'enroulement, d'une saillie annulaire s'engageant dansla rainure circulaire de l'élément cylindrique extérieur, les deux éléments étant montés d'une manière concentrique par rapport à l'arbre de rotor, et il est caractérisé par le fait que la saillie annulaire est réalisée avec au moins une cavité annulaire intérieure qui est ouverte suivant le diamètre extérieur de la saillie et communique avec la cavité de vidange, celle-ci étant réalisée dans l'élément cylindrique intérieur. La présence, dans la saillie annulaire, d'une cavité annulaire intérieure ouverte suivant le diamètre extérieur et communiquant avec la cavité de vidange, permet la pénétration, dans celle-ci, du flux du liquide de refroidissement qui tourne conjointement avec l'élément cylindrique extérieur et assure de plus un frottement du flux annulaire du liquide de refroidissement mentionné contre les parois de la cavité annulaire. Du fait de ce frottement, le flux annulaire du liquide de refroidissement est freiné par les parois de la cavité annulaire et la vitesse angulaire de sa rotation diminue, ce qui conduit à une réduction de la pression de liquide à l'intérieur de la cavité due aux forces centrifuges et, par conséquent, à une circulation continue du liquide de refroidissement sous l'effet de la différence entre la pression de liquide exercée sur la surface intérieure de l'élément cylindrique extérieur et celle régnant dans la cavité annulaire. le montage de la chambre de vidange séparé du moyen d'évacuation du liquide de refroidissement évite la pénétration du liquide de refroidissement à une grande vitesse dans le jeu entre les éléments cylindriques intérieur extérieur, derrière la saillie annulaire, ce qui, à son tour, empêche une forte pulvérisation du liquide de refroidissement dans ledit jeu et par conséquent, une péné- tration de ce liquide dans l'espace intérieur du stator la présence, dans la saillie annulaire, de plusieurs, et non pas d'une seule, cavités annulaires intérieures permet une amélioration du débit du moyen d'évacuation du liquide de refroidissement vers la cavité de vidange ce qui réduit la probabilité de pénétration du liquide évacué au-delà de la rainure circulaire de l'élément cylindrique extérieur au cours du fonctionnement et, par conséquent, la probabilité de pénétration du liquide mentionné dans l'espace intérieur du stator. Il est utile de disposer, sur les parois latérales de la cavité annulaire, des bourrelets afin d'élever la résistance au flux la présence de bourrelets sur les parois latérales de la cavité annulaire contribue à un freinage plus rapide du flux du liquide de refroidissement à l'intérieur de la cavité ce qui assure un plus grand gradient de pression du liquide sur la surface intérieure de l'élément cylindrique extérieur et dans la cavité annulaire et par conséquent, améliore le débit du dispositif. Il est avantageux que les bourrelets prévus sur les parois latérales opposées de-la cavité annulaire, soient déplacés les uns par rapport aux autres sur la périphérie. Un tel décalage des bourrelets situés sur les parois latérales opposées de la cavité annulaire les uns par rapport aux autres contribue à un freinage doux et rapide du flux du liquide de refroidissement à l'intérieur de la cavité par suite de la formation de tourbillons dans le flux du liquide entrant dans la cavité annulaire et par conséquent, assure, sans réduire le débit du liquide de refroidissement, une plus grande tenue à l'érosion de la cavité annulaire. Il est également avantageux de réaliser la cavité annulaire d'une forme divergeant vers l'arbre de rotor. Une telle réalisation constructive de la cavité annulaire empêche une diminution du débit du dispositif de refroidisse- ment par liquide du fait d'une compensation de la réduction de section de la cavité annulaire lorsque le flux coule radialement vers les rayons plus petits de la cavité annulaire. De plus, si l'angle de divergence de la cavité annulaire excède la valeur à laquelle il s'effectue une compensation complète de la réduction de section de la cavité annulaire mentionnée, il se produit, dans le cas d'un déplacement radial du flux vers les rayons plus petits, une augmentation supplémentaire du débit du liquide de refroidissement. Le dispositif proposé destiné à refroidir par un liquide l'enroulement rotorique d'une machine électrique, est plus fiable que les autres dispositifs connus de refroidissement par liquide, puisqu'il évite la pénétration du liquide de refroidissement dans l'espace intérieur du stator. Dans la suite, la présente invention sera expliquée à l'aide d'une description détaillée d'exemples de réalisation pratique en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente le dispositif destiné à refroidir par un liquide l'enroulement rotorique d'une machine électrique, établi selon l'invention, et montré en coupe longitudinale - la figure 2 représente une variante de réalisation du dispositif de refroidissement par liquide, cette variante montrant en coupe longitudinale un dispositif ayant deux cavités annulaires intérieures situées-dans la saillie annulaire de l'élément cylindrique intérieur - la figure 3 représente, en coupe longitudinale et à plus grande actuelle, une variante de réalisation du moyen d'évacuation du liquide de refroidissement ;;- - la figure 4 représente une vue selon la flèche A figure 3 - la figure 5 représente une coupe selon V-V figure 4 - la figure 6 représente en coupe longitudinale et à plus grande échelle une autre variante de réalisation du moyen d'évacuation du liquide de refroidissement - la figure 7 représente une vue selon la flèche A figure 6 - la figure 8 représente une coupe selon VIII-VIII figure 7 - la figure 9 représente, en coupe longitudinale et à plus grande échelle, encore-une autre variante de réalisation du moyen d'évacuation du liquide de refroidissement. le dispositif destiné à refroidir, par un liquide, l'enroulement rotorique d'une machine électrique comporte un moyen 1 (figure 1) pour amener un liquide de refroidissement à l'enroulement 2 du rotor 3, une cavité de vidange 4 et un moyen 5 d'évacuation du liquide de refroidissement dans la cavité de vidange 4. le moyen 1 d'amenée du liquide de refroidissement comporte des tubes métalliques isolés 6 reliant des canaux axiaux d'amenée d'eau (non représentés) pratiqués dans l'arbre 7 du rotor 3 aux sorties (non représentés) de l'enroulement 2 du rotor 3 par des trous 8 pratiqués dans une bague 9. Cette bague 9 comporte en outre des trous 10 laissant passer le-liquide de refroidissement vers le moyen 5 d'évacuation du liquide de refroidissement. Sur l'arbre 7 du rotor 3 est calé un élément annulaire 11 dont le r81e est d'empêcher les tubes métalliques 6 de se déplacer sous l'effet des forces centrifuges. Le moyen 5 d'évacuation du liquide de refroidissement est agencé comme suit. Sur le rotor 3 est immobilisé, d'une manière concentrique par rapport à son arbre 7, un élément cylindrique extérieur 12 dont la surface intérieure, tournée vers l'arbre 7, est munie d'une rainure circulaire 13. Dans cette rainure circulaire 13 est logée la saillie annulaire 14 d'un élément cylindrique intérieur fixe 15 qui est monté, lui aussi, d'une manière concentrique par rapport à l'arbre 7 du rotor 3. L'élément cylindrique fixe 15 possède, sur tout son pourtour, des canaux axiaux 16. La saillie annulaire 14 est munie d'une cavité annulaire intérieure 17 de largeur constante, ouverte suivant le diamètre extérieur de la saillie 14. la cavité annulaire 17 communique avec la cavité de vidange 4 par les canaux axiaux 16. Une cavité 18 se trouvant dans le jeu entre l'élément cylindrique extérieur 12 et l'élément cylindrique intérieur 15, au-delà de la saillie annulaire 1.4, est isolée de l'espace intérieur du stator (non représenté) à l'aide de joints-labyrinthes 19. il existe une autre variante de réalisation du dispositif destiné à refroidir par un liquide l'enroulement rotorique d'une machine électrique, variante dans laquelle la saillie annulaire 14 (figure 2) de l'élément cylindrique intérieur fixe 15 est dotée de deux cavités annulaires intérieures 17 ouvertes suivant le diamètre extérieur de la saillie 14, les deux cavités annulaires 17 communiquant entre elles et avec la cavité de vidange 4 par les canaux axiaux 16. Conformément à d'autres variantes de réalisation de l'invention, la saillie annulaire 14 peut avoir plusieurs cavités annulaires intérieures 17 ouvertes suivant le diamètre extérieur de la saillie 14, toutes les cavités annulaires mentionnées 17 communiquant entre elles et avec la cavité de vidange 4 par les canaux axiaux 16. Une telle réalisation constructive du moyen 5 d'évacuation du liquide de refroidissement assure l'élévation de son débit ce qui réduit la probabilité de pénétration du liquide de refroidissement évacué au-delà de la rainure circulaire 13 de l'élément cylindrique extérieur 12 au cours du fonctionnement et, par conséquent, la probabilité de pénétration dudit liquide dans l'espace intérieur du stator. Une autre variante de réalisation de l'invention prévoit la disposition de bourrelets 20 sur les parois latérales de la cavité annulaire 17 (figures 3, 4, 5). la disposition des bourrelets 20 sur les parois latérales de la cavité annulaire 17 contribue à un freinage plus rapide du flux du liquide de refroidissement à l'intérieur de la cavite 17 ce qui permet une différence plus grande des pressions de liquide exercées sur la surface intérieure de l'élément cylindrique extérieur et régnant dans la cavité annulaire ce qui, par conséquent, élève le débit du moyen d'évacuation du liquide de refroidissement. Quant à la variante de l'invention illustrée dans les figures 6, 7, 8, elle prévoit que les bourrelets 20 situés sur les parois latérales de la cavité annulaire 17 sont décalés, les uns par rapport aux autres, sur la périphérie. Une telle réalisation constructive contribue à un freinage doux et rapide du flux du liquide de refroidissement à l'intérieur de la cavité annulaire par suite de la formation de tourbillons dans le flux du liquide entrant dans la cavité annulaire 17 et, par conséquent, permet, sans réduire le débit du liquide de refroidissement, d'obtenir une grande résistance à l'érosion de la cavité annulaire 17 et des bourrelets 20. En ce qui concerne la variante de réalisation de l'invention montrée sur la figure 9, elle prévoit que la cavité annulaire 17 est réalisée en s'élargissant suivant la direction vers l'arbre 7 (figure 1) du rotor 3. Une telle construction de la cavité annulaire 17 empoche la réduction du débit du dispositif de refroidissement par liquide grâce à la compensation de la réduction de section de la cavité annulaire 17 lorsque le flux se déplace radialement vers les rayons plus petits de la cavité annulaire 17. En outre, si l'angle d'évasement de la cavité annulaire 17 excède la valeur à laquelle il se produit une compensation complète de la réduction de section de la cavité annulaire mentionnée ; il se produit alors, dans le cas d'un mouvement radial du flux vers les rayons plus petits, un accroissement supplémentaire du débit du liquide de refroidissement. le dispositif proposé pour refroidir par un liquide l'enroulement rotorique d'une machine électrique fonctionne comme suit. Pendant la rotation du rotor 7 (figure 1), le liquide de refroidissement, sous l'effet de la force centrifuge, arrive dans'l'enroulement 2 du rotor 3 par les tubes métalliques isolés 6 et les trous 8 pratiqués dans la bague 9, et il s'écoule de l'enroulement 2 par les trous 10 pratiqués dans la bague 9 en atteignant la surface intérieure de l'élément cylindrique extérieur 12 monté sur le rotor 3 et en remplissant la rainure circulaire 13, les vitesses angulaires de rotation de l'élément cylindrique 12 et de la couche du liquide de refroidissement dans la rainure circulaire 13 étant égales entre elles. Au fur et à mesure que la rainure circulaire 13 se remplit, le liquide de refroidissement entre en contact avec la surface extérieure de la saillie annulaire 14 de l'élément cylindrique intérieur fixe 15, en formant une fermeture hydraulique, et pénètre en outre dans la cavité annulaire 17. le flux de liquide à l'intérieur de la cavité annulaire 17 est freiné en raisnn du frottement contre les parois de la cavité, la vitesse angulaire de rotation de ce flux se réduit et, par conséquent, diminue la pression due aux forces centrifuges qui y règne. Sous l'effet de la différence entre la pression de liquide dans la rainure circulaire 13 et celle dans la cavité annulaire 17, il se produit une circulation continue du liquide depuis la rainure circul-aire 13 vers la cavité annulaire 17 et ensuite, par les canaux axiaux 16, dans la cavité de vidange 4. la circulation du liquide se fait ainsi grâce à la différence des pressions dues à la force centrifuge, apparaissant dans les couches annulaires du liquide en rotation dans la rainure circulaire 13 et dans la cavité annulaire 17. A l'arret du rotor 3 et lors de la disparition de la force centrifuge, l'écoulement du liquide cesse ainsi que l'effet de refroidissement de l'enroulement 2 du rotor 3. Le restant du liquide se trouvant dans la rainure circulaire 13 est évacué de l'élément cylindrique extérieur 12 dans la cavité 18 située dans le jeu entre l'élément cylindrique extérieur 12 et l'élément cylindrique intérieur 15 au-delà d la saillie annulaire 14. les joints-labyrinthes 19 empêchent la pénétration du liquide dans l'espace intérieur du stator. Dans le cas où la saillie annulaire 14 (figure 2) est munie de deux cavités annulaires intérieures 17, la vitesse de freinage du flux de liquide contre les parois des cavités s'accroilt ; il en résulte une réduction plus brusque de la vitesse angulaire de rotation dudit flux ce qui, en fin de compte, fait croître la vitesse de la circulation continue du flux à travers la cavité annulaire 17 et réduit la probabilité de pénétration du liquide dans la cavité 18. Si sur les parois latérales de la cavité annulaire 17 (figures 3, 4, 5), ont prévoit les bourrelets 20, la vitesse de freinage du flux staccroît ce qui, à son tour, conduit à l'élévation de la vitesse de circulation continue du flux à travers la cavité annulaire 17 et réduit la probabilité de pénétration du liquide dans la cavité 18. Dans le cas où les bourrelets 20 (figures 6, 7, 8) situés sur les parois latérales de la cavité annulaire 17 sont décalés les uns par rapport aux autres-sur la périphérie, le flux du liquide de refroidissement à l'intérieur de la cavité annulaire 17 est rapidement et doucement freiné grace aux-tourbillons de ce flux, ce qui assure ainsi une résistance plus élevée à l'érosion de la cavité annulaire 17 et des bourrelets 20. Dans le cas où la cavité annulaire 17 s'élargit (figure 9) vers l'arbre 7 du rotor 3 (figure 1), le flux du liquide de refroidissement, lorsqu'il se déplace radialement dans la cavité 17, passe par les sections approximativement égales de la cavité 17 sur tout son parcours. il va de soi que l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation indiquées ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes et on peut y apporter des changements sans sortir du cadre de l'invention défini par des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Dispositif destiné à refroidir par un liquide l'enroulement rotorique d'une machine électrique, comprenant un moyen d'amenée du liquide de refroidissement vers l'enroulement rotorique, une cavité de vidange, et un moyen d'évacuation du liquide de refroidissement dans la cavité de vidange constitué d'un élément cylindrique extérieur sur la surface intérieure duquel est pratiquée une rainure circulaire et qui est immobilisé sur le rotor, et dgun élément cylindrique intérieur fixe dont la surface extérieure est munie, du c8té de l'enroulement, d'une saillie annulaire s'engageant dans la rainure circulaire dudit élément cylindrique extérieur, les deux éléments étant montés d'une manière concentrique par rapport à l'arbre de rotor, caractérisé par le fait que la saillie annulaire est réalisée avec au moins une cavité annulaire intérieure ouverte suivant le diamètre extérieur de la saillie et communiquant avec la cavité de vidange, celleci étant réalisée dans l'élément cylindrique intérieur fixe. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les parois latérales de la cavité annulaire sont munies de bourrelets afin d'élever la résistance au flux. 3. Dispositif-selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les bourrelets situés sur les parois latérales opposées de la cavité annulaire sont décalés sur la périphérie les uns par rapport aux autres. 4, Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la cavité annulaire est réalisée en s'élargissant vers l'arbre du rotor.