Brevet FR2463986A1 — publié le 19810227

La présente invention, dont Messieurs Michel ARMENGAUD, Jean-Pierre CHABRERIE et Jacques SAINT MICHEL, Agents du Laboratoire de Génie Electrique de Paris (LGEP) et Monsieur Lambert PIERRAT, Agent d'Electricité de France, sont les auteurs, a pour objet un dispositif de transmission de courant à contacts glissants par métal liquide pour machines de grande puissance à arbre rotatif. Elle trouve une application particulierement importante, bien que non exclusive, dans les dispositifs de transfert de courant continu à l'enroulement inducteur rotatif d'une machine synchrone de grande puissance, notamment d'un turboalternateur. Les dispositifs classiques d'alimentation de l'inducteur d'un turbo-alternateur, utilisant des bagues et balais disposés sur la partie terminale de l'arbre, ont de nombreux inconvénients. Leur encombrement dans le sens axial est important : pour les alternateurs d'une puissance de 1000 Zf cet encombrement peut aller jusqu 3 mètres. L'incidence de cet allongement sur le court de la centrale est appréciable, étant donné la longueur de plancher supplémentaire qu'il implique. Cette longueur supplémentaire d'arbre exige d'installer un troisième palier sur la ligne d'arbre pour réduire les vibrations des bagues solidaires de l'arbre et éviter une usure trop rapide des balais. La nature meme des contacts électriques glissants solides se traduit par des difficultés bien connues : usure irrégulière, grande sensibilité au taux d'humidité, entretien coûteux, fréquence d'interventions pouvant diminuer le taux de disponibilité de l'alternateur. Les dissipations d'énergie sont relativement importantes. Dans une instal lation que l'on peut considérer comme représentative, le total de la puissance dissipée dans les contacts et de la puissance de ventilation nécessaire pour l'évacuer peut atteindre et me me dépasser 100 kW pour un courant total de 7000 ampères traversant les contacts. Enfin, on peut considérer que les systèmes à bagues et balais sont proches de leurs limites technologiques et se prêtent difficilement à une augmentation de puissance unitaire des turboalternateurs. Par ailleurs, on connaît déjà des dispositifs à contacts glissants par métal liquide (mercure ou eutectique sodium-potassium notamment). Les tentatives faites pour adapter de tels contacts à des machines tournantes électriques ont consiste à remplacer purement et simplement un type de contacts par un autre, sans modifier leur emplacement. Cette solution présente, lorsqu'on veut l'appliquer à des machines tournantes de grande puissance, donc ayant un arbre de grand diamètre, de graves inconvévients. En particulier, il n'est pratiquement pas possible actuellement de constituer des anneaux liquides étanches sur des arbres de grand diamètre, à des vitesses linéaires qui peuvent aller jusqu'à 80 m/s.Or, si ltétanchéité n'est pas absolue, il est impossible d'utiliser comme métal liquide l'eutectique sodium-potassium pour des raisons. de sécurité et de stabilité physico-chimique à long terme, l'eutectique Na-K réagissant de façon violente avec l'air. Si l'on veut utiliser le mercure, pur ou additionné d'indium pour diminuer la toxicité, les dissipations hydro-dynamiques en régime turbulent deviennent très importantes, car elles sont proportionnelles à la masse volumique du fluide. Ces pertes sont telles qu'elles font plus que contre-balancer le gain sur les dissipations lors du passage du courant électrique. Enfin, de tels contacts exigent généralement une mise en place du liquide par centrifugation, ce qui crée des problèmes hydrodynamiques complexes de stabilité mécanique des anneaux liquides. On connaît enfin des dispositifs à contacts tournants à métal liquide placés en bout d'arbre d'une machine de faible puissance. Mais ces dispositifs connus ne sont pas transposables aux machines de puissance élevée, exigeant le passage de courants très élevés, dépassant 1000 ampères, et dans lesquels l'arbre-subit des déformations mécaniques importantes lors de la montée en puissance. En particulier, la montée en température, dans le cas d'un turbo-alternateur de grande puissance, se traduit par un allongement de plusieurs centimètres. Lorsque l'arbre, à axe horizontal, est monté sur palier fluide, il se soulève légèrement lors de la mise en vitesse, au fur et à mesure de la création du film d'huile. L'invention vise à fournir un dispositif de transmission de courant à contacts glissants par métal liquide pour machines de grande puissance, qui tout à la fois présente des pertes électriques beaucoup plus réduites que des contacts classiques à bagues et balais et est compatible avec le grand diamètre d'arbre, les dilatations axiales importantes et les déplacements transversaux à l'arbre que l1on rencontre sur de telles machines. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif qui comprend un équipage rotatif placé dans le prolongement de l'arbre, solidaire en rotation de celui-ci et comportant au moins deux pièces isolées l'une de l'autre et reliées à des barres conductrices fixées à l'arbre un équipage non rotatif comportant au moins deux pièces isolées l'une de l'autre et reliées à la fraction fixe du circuit de courant , et des moyens placés dans le circuit et destinés à absorber les déformations mécaniques de 1 'arbre dans les sens axial et radial les équipages comportant au moins deux contacts glissants constitués chacun par une chambre annulaire occupée totalement par un métal liquide et limitée, pour partie, par une desdites pièces de l'équipage rotatif et, pour partie, par une desdites pièces de l'équipage fixe, le diamètre externe de ladite chambre étant inférieur à celui de l'arbre Le dispositif selon l'invention est susceptible de très nombreux modes d'exécution, qui diffèrent notamment entre eux par l'emplacement donné aux chambres. Une première solution consiste à placer les deux chambres en bout de l'équipage rotatif, les lignes de courant passant alors dans le métal liquide parallèlement à l'axe. Dans ce cas, l'une des chambres sera placée au droit de la partie centrale de l'équipage et l'autre, de forme annulaire, sera placée autour. Une seconde solution consiste à disposer les deux chambres à la périphérie-de l'équipage rotatif, les lignes de courant étant alors radiales. Enfin, une troisième solution consiste à placer une chambre en bout et l'autre latéralement. L'équipage rotatif peut naturellement etre placé soit à l'intérieur, soit à l'extérieur de l'équipage non rotatif, dans le sens radial. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de dispositifs qui en constituent des modes particuliers d'exécution, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe montrant la partie terminale d'un arbre de turbo-alternateur, associé au dispositif, - la figure 2 est un schéma, en coupe suivant un plan passant par l'axe, montrant un dispositif suivant un premier mode d'exécution, - la figure 3 est une vue schématique de détail, montrant des moyens de compensation constituant une variante de ceux de la figure 2, - la figure 4 est un schéma, en coupe suivant un plan passant par l'axe du dispositif, montrant les moyens de compensation d'un second mode d'exécution, - la figure 5, similaire à la figure 1, montre un autre mode encore d'exécution de l'invention. Avant de décrire en détail des dispositifs constituant des modes particuliers de réalisation de l'invention, il peut être utile d'indiquer brièvement les fonctions à remplir. On supposera que le dispositif est destiné à relier une source de courant continu 10, portée par un plancher de centrale, à l'inducteur 11 d'un turbo-alternateur, porté par un arbre rotatif 12. Cet arbre est monté sur des paliers fluides hydro-Qnamiques 13 portés eux-memes par un massif solidaire du plancher de la centrale. ors de la montée en température du turbo-alternateur, l'arbre se dilate d'une longueur qui peut atteindre plusieurs centimètres. Au cours de la montée en vitesse, il se soulève légèrement, d'une épaisseur correspondant à celle du film d'huile qui se crée entre les parties tournante et fixe des paliers. Le dispositif de transmission de courant devra donc comporter, d'une part, un système de contacts glissants permettant d'absorber le mouvement de rotation de l'arbre, d'autre part, des moyens destinés à absorber les déformations et déplacements mécaniques de l'arbre, d'amplitude beaucoup plus forte dans le sens axial que dans le sens transversal. Plusieurs dispositions possibles de ces différents moyens peuvent être prévues. Sur la figure 1, on a supposé que le système 14 à contacts glissants était porté par le plancher de la centrale, ce qui implique que les moyens 15 d'absorption des déplacements et déformations de l'arbre soient interposés entre celui-ci et le système 14. Comme indiqué plus haut, cette disposition peut etre inversée, le système à contacts glissants étant alors porté par l'arbre. Enfin, on peut adopter une solution hybride, les déplacements et déformations étant absorbés, pour partie, entre l'arbre et le système à contacts glissants, pour partie, par ce dernier système. Dans le mode de réalisation montré en figure 2 et qui sera maintenant décrit en détail, le système 14 est directement porté par l'arbre. La figure 2 montre la partie terminale de l'arbre 12, traversée par des barres conductrices 16 et 17, en cuivre isolé, reliées aux pôles plus et moins de l'inducteur. Ces barres se terminent par des pions filetés 18 permettant de fixer le dispositif de transmission de courant. Celui-ci comprend un équipage rotatif constitué essentiellement d'un manchon interne 19 et d'un manchon externe 20, l'un et l'autre en matériau conducteur de l'électricité. Des intercalaires isolants 21, par exemple en tissu de verre imprégné de résine epoxy, séparent les manchons. Ces manchons présentent l'un et l'autre une bride percée de trous permettant de les enfiler sur la partie terminale des barres 16 et 17, qui fait saillie hors de l'arbre. Des bagues isolantes 22 séparent la barre 16 du manchon 20 et la barre 17 du manchon 19.Des écrous 23, dont un seul est représenté, permettent de serrer les manchons 19 et 20 contre la face terminale de l'arbre, par l'intermédiaire de rondelles 24. Un centreur 25 est avantageusement emmanché dans l'arbre pour assurer un alignement précis de l'équipage rotatif et de l'arbre. Pour améliorer les contacts électriques entre broches 16 et 17 et manchons 19 et 20, des joints à métal liquide 26 et 27 munis de canaux de remplissage à partir de l'extérieur sont avantageusement prévues. L'équipage non rotatif est constitué de plusieurs pièces assemblées pour autoriser le montage. Il comporte un collier 28 en materiau conducteur relié à l'une des bornes de la source (qui sera généralement constituée par un redresseur) par des moyens d'absorption des déplacements de l'arbre, moyens qui seront décrits plus loin. De part et d'autre de ce collier 28 sont fixees, à l'aide de vis 29, deux douilles 30 et 31 montées sur le manchon externe 20 par l'intermédiaire de roulements 32. Un premier contact glissant à métal liquide est ménagé entre le collier 28 et le manchon 20. Il comprend un chambrage 33 du manchon et une cavité annulaire 34 délimitée par le collier 28 et deux anneaux 35 qu'il porte. La cavité 34 et le chambrage 33 communiquent par des trous ménagés dans une chemise 37 enfile sur le manchon et retenue par deux bagues 38. Deux canaux 40 diamétralement opposés permettant une communication avec l'extérieur de la cavité 34, assurent son remplissage en métal liquide. A l'extré- mité d'un de ces canaux est placé un dispositif classique permettant de prendre en compte- la dilatation du métal liquide avec l'échauffement. Les pièces constitutives de l'équipage non rotatif délimitent des circuits 41 de circulation d'huile fluide de lubrification et de réfrigération. Des joints toriques sont évidemment prévus entre les pièces constitutives pour assurer l'étanchéité. Le contact tournant qui vient d'être décrit est latéral, le courant passant dans le sens radial. L'équipage non rotatif coopère avec l'équipage rotatif pour constituer un second contact glissant, celui-ci frontal. Ce second contact est placé axialement entre une pièce conductrice 42 fixée à la pièce 31 par l'intermédiaire d'un manchon isolant 43 et la face terminale du manchon 19. Là encore, un conduit de circulation d'huile fluide réfrigérante est ménagé à proximité du contact glissant. Les moyens d'absorption des déplacements axiaux de l'arbre comprennent, dans le mode de réalisation illustré, un soufflet occupé par une masse de métal liquide et une tresse souple. Les moyens associés au contact glissant latéral comprennent un soufflet vertical 39 muni d'une tresse 43, tandis que le contact glissant frontal est associé à un soufflet 44 fixé à une tresse 45. Des glissières à billes 46 et 47 sont avantageusement prévues pour autoriser le déplacement axial des tresses tout en les supportant. Ainsi, on évite d'alourdir l'équipage non rotatif. On voit sur la figure 2 que le diamètre maximum de chaque contact glissant peut être très inférieur au diamètre de l'arbre 12. En conséquence, les vitesses linéaires au niveau des joints d'étanchéité glissants restent modérées et ces joints peuvent éviter toute fuite. Il est possible de remplir totalement de métal liquide chacune des cavités assurant les contacts électriques glissants. Un tel remplissage total permet d'assurer une bonne stabilité physico-chimique au métal liquide. Il permet également de choisir, parmi les différents métaux liauides conducteurs, celui qui sera le plus approprié dans chaque cas particulier. On pourra notamment utiliser l'eutectique Na-K, le mercure ou le mercure contenant quelques pour cent d'indium qui suffisent à écarter les problèmes de toxicité classiques rencontrés avec le mercure pur. On voit que le dispositif absorbe sans difficulté les déplacements axiaux importants de l'arbre : la souplesse de la tresse permet en effet d'autoriser des déplacements de plusieurs centimètres. Quant aux déplacements transversaux à l'arbre provoqués notamment par l'apparition du film d'huile lors de la montée en vitesse, ils sont sans difficulté absorbés par déformation des soufflets, ainsi que tout décentrement éventuel. Les moyens d'absorption des déplacements sont susceptibles de nombreuses variantes de réalisation. La figure 3 montre l'une de ces variantes. La pièce 42 plonge dans une cuve 48 reliée à la source 10 et remplie de métal liquide permettant un déplacement axial important de la pièce 42 tout en ne nécessitant qu'une faible épaisseur de métal liquide. Une membrane 49 sera généralement prévue pour assurer l'étanchéité, nécessaire pour des raisons physico-chimiques dans le cas de l'eutectique Na-K et pour des raisons de sécurité médicales dans le cas du mercure. Cette membrane 49 doit etre suffisamment souple pour tolérer les déplacements radiaux (dans le sens vertical) de l'arbre 12, ainsi que les déplacements axiaux plus importants. Un circuit de refroidissement du type échangeur peut être installé sur le collier conducteur 28 pour drainer les calories dues à l'effet Joule, et aux dissipations visqueuses. Dans la solution montrée en- figure 2, le système de contacts est porté par l'arbre 12. Comme on l'a déjà indiqué, ce système de contacts peut également être porté par le plancher ; dans ce cas, les moyens de compensation doivent être interposés entre le système de contacts et l'arbre. Les moyens de compensation peuvent alors avoir la constitution montrée schématiquement en figure 4, où les organes correspondant à ceux déjà représentés sur la figure 2 portent le même numéro de référence. Les moyens de compensation des dilatations axiales sont formés par les Joints à métal liquide 26 et 27 susceptibles de glisser sur les barres 16 et 17 comme indiqué par les flèches f.Les moyens destinés à absorber le décalage radial dû à la création du film d'huile dans les paliers (quelques dixièmes de millimètre) sont constitués par un soufflet interne 50 et un soufflet externe annulaire 51. Ces soufflets ont la longueur la plus faible possible compatible avec les déformations radiales qu'ils doivent supporter, de façon à diminuer l'épaisseur de métal liquide que doit traverser le courant. On devra avantageusement utiliser l'eutectique sodium-potassium dans ce cas car le mercure, du fait de sa densité élevée, soumettrait les soufflets à des fatigues excessives du fait des forces centrifuges et du désalignement. Quant au système à contacts tournants, il peut avoir l'une quelconque des constitutions envisagées plus haut, les contacts étant tous deux frontaux, tous deux latéraux ou l'un frontal et l'autre latéral. Le mode de réalisation montré en figure 5 peut être considéré comme hybride, en ce sens que les moyens pour absorber les déplacements et déformations sont pour partie rotatifs et pour partie non rotatifs. On constatera par ailleurs que, sur la figure 5, équipage rotatif est placé autour de l'équipage non rotatif, c'est-à-dire que la disposition est inversée par rapport à celle de la figure 2. L'équipage rotatif solidaire en rotation de l'arbre comprend des manchons 19 et 20 qui sont, comme dans le cas de la figure 4, montés coulissants sur les barres 16 et 17 de façon à absorber les dilatations et contractions de l'arbre. Ces deux manchons sont encore séparés l'un de l'autre par des intercalaires isolants 21 et des bagues 22 séparent la barre 16 du manchon 20 et la barre 17 du manchon 19. Pour améliorer les contacts électriques entre broches 16 et 17 d'une part, manchons 19 et 20 d'autre part, des joints à métal liquide 26 et 27 sont prévus, sous forme de chambrages usinés dans les brides des manchons et occupés par du métal liquide. Des joints d'étanchéité toriques placés de part et d'autre du chambrage evitent les fuites de métal liquide.Les deplacements des manchons par rapport à l'arbre étant toujours très lents et peu fréquents, l'étancheité peut être absolue. L'équipage mobile est complété par des organes fixés aux manchons interne 19 et externe 20. Il comporte notamment une douille 52 portée par l'équipage fixe par l'intermédiaire d'un roulement 53, fixée au manchon 20 par des moyens non représentés. Il comporte également une douille 54, fixée, par des moyens non représentés, au manchon 19 et portée par l'équipage non rotatif par l'intermédiaire d'un roulement 55. L'équipage non rotatif, placé à l'intérieur de l'équipage rotatif, comporte un tube 57 fixé sur une broche 56 dont il est séparé par un intercalaire isolant 58. Le tube 57 est relié électriquement au manchon 20 par un premier contact glissant. Ce contact est constitué par une chambre 59 délimitée par le tube 57, le manchon 20, deux anneaux 60 fixés au tube 56 et deux anneaux 61 fixés au manchon 20. Des joints toriques d'étanchéité sont placés entre les anneaux 60 et le tube 57. Des anneaux similaires sont placés entre les anneaux 61, d'une part, le manchon 20 et la douille 52 d'autre part. Ces joints, étant interposés entre des pièces fixes l'une par rapport à l'autre, ne posent aucune difficulté de réalisation. Enfin, des joints glissants 62 portés par les anneaux 60 s'appuient sur les anneaux 61.Etant donné qu'ils sont placés sur des parois radiales, qu'ils sont-soumis à des vitesses modérées et que la force centrifuge tend à en écarter le métal liquide, ils peuvent assurer une étanchéité satisfaisante à condition de les constituer en un matériau approprié (par exemple graphite-inox, graphite-alumine, etc.). Un second contact glissant, de constitution similaire au premier, est interposé entre le manchon 19 et la broche 56. Mais il comporte un seul joint rotatif 63. Comme dans le cas du mode de réalisation de la figure 2, des passages tels que 64 de circulation d'huile isolante peu visqueuse peuvent être ménagés pour évacuer la chaleur. On peut également prévoir, sur le manchon 20 et la douille 52, des tubes 63 en métal conducteur (cuivre par exemple) de circulation de réfrigórant (eau, huile...). On peut envisager des fluides de réfrigération divers à condition d'assurer leur compatibilité avec le matériau des tubes. La broche 56 et le tube 57 de l'équipage non rotatif doivent être relis aux bornes opposées de la source de courant par des moyens permettant absorber les déplacements radiaux de faible amplitude de l'arbre (les déplacements longitudinaux étant absorbés par coulissement des manchons sur les barres). Ces moyens sont constitués par des soufflets 67 et 68, reliés à la source 10 par des conducteurs en cuivre. On donnera aux soufflets 67 et 68 la longueur minimum compatible avec l'absorption des déplacements radiaux. Comme illustré sur la figure 5, on établit avantageusement un trajet continu de métal liquide conducteur depuis chaque soufflet 67 et 68 jusqu'à la chambre 26 ou 27 correspondante, en passant par le contact glissant 59 ou 66. Dans ce but,des canaux sont percés, dans la broche 56 et le manchon 19 pour un des circuits, dans le tube 57 et le manchon 20 pour l'autre circuit. La force centrifuge tend à remplir les chambrages 26 et 27 lors du fonctionnement. Il est en conséquence possible de prévoir le renouvellement du métal liquide sans immobiliser l'ensemble tournant, en effectuant un vide partiel, puis en reliant le système à une alimentation en métal liquide. Comme les dispositifs montrés en figures 2 et 4, celui de la figure 5 est susceptible de variantes. On peut en particulier disposer l'équipage non rotatif à l'extérieur de l'équipage rotatif, et prévoir l'un des contacts glissants à métal liquide ou les deux en bout plutôt qu'à la périphérie des équipages. L'invention ne se limite évidemment pas aux modes particuliers de réalisation représentés et décrits et il doit etre entendu que la portée du présent brevet s'étend à toutes variantes restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Dispositif de transmission de courant à contacts glissants par métal liquide pour machine de grande puissance à arbre rotatif, telle qu'un turbo-alternateur, caractérisé en ce qu'il comprend un équipage rotatif placé dans le prolongement de l'arbre, solidaire en rotation de celui-ci et comportant au moins deux pièces isolées l'une de l'autre et reliées à des barres conductrices fixées à l'arbre, un équipage non rotatif comportant au moins deux pièces isolées l'une de l'autre et reliées à la fraction fixe du circuit de courant, et des moyens placés dans le circuit et destinés à absorber les déplacements mécaniques de l'arbre dans les sens axial et radial, les équipages comportant au moins deux contacts glissants constitués chacun par une chambre annulaire occupée totalement par un métal liquide et limitée pour partie par une desdites pièces de l'équipage rotatif et, pour partie, par une desdites pièces de l'équipage fixe, le diamètre externe de ladite chambre étant inférieur à celui de l'arbre. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les contacts glissants sont placés soit tous deux en bout de l'équipage rotatif, suivant une disposition frontale, soit un en bout et un à la périphérie de l'équipage rotatif, suivant une disposition latérale, soit l'un en bout et l'autre latéralement. 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'équipage non rotatif est solidaire en déplacement transversal et éventuellement en translation axiale de l'arbre et en ce que les moyens destinés à absorber les déplacements mécaniques de l'arbre comportent au moins deux liaisons mécaniques et électriques déformables entre l'équipage non rotatif et la fraction fixe du circuit. 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que chaque liaison déformable comprend un soufflet occupé par une masse de métal liquide reliée à celle de la chambre correspondante. 5. Dispositif suivant la revendication 4, caracté risé en ce que l'extrémité du soufflet opposée à celle communiquant avec la chambre est fixée à une tresse, éventuellement supportée par une glissière horizontale parallèle à l'axe, de connexion à la partie fixe du circuit de courant. 6. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que chaque liaison déformable est constituée par un bain de métal liquide remplissant un récipient relié à la fraction fixe du circuit et un organe conducteur plongeant dans le métal liquide et solidaire de l'une des pièces de l'équipage non rotatif. 7. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'équipage non rotatif est fixe et en ce que les mayens destinés à absorber les déplacements mécaniques de l'arbre comportent au moins deux liaisons mécaniques et électriques déformables placées entre l'équipage rotatif et l'arbre. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites deux pièces de l'équipage rotatif sont constituées par des manchons munis de brides montées coulissantes sur lesdites barres conductrices, qui sont fixées à l'arbre parallèlement à l'axe de celui-ci, chacune desdites brides étant séparée de l'une des pièces par une bague isolante. 9. Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que chacun des manchons comporte,- autour de l'une au moins des barres conductrices, un chambrage occupé par un métal liquide de transmission du courant. 10. Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en ce que chacun desdits chambrages communique avec la chambre annulaire du contact glissant correspondant. 11. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chacune desdites pièces de l'équipage rotatif, constituée par un manchon, est centrée par rapport à l'équipage non rotatif par au moins un roulement. 12. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacune desdites chambres annulaires est délimitée non seulement par une desdites pièces de l'équipage rotatif et une desdites pièces de l'équipage fixe, mais aussi par des bagues portées par lesdites pièces et entre lesquelles l'étanchéité est assurée par un joint à frottement, avantageusement placé sur une face radiale.