Brevet FR2468245A1 — publié le 19810430

L'invention concerne la construction des machines électriques et a notamment pour objet un dispositif de fixation des têtes de la bobine statorique à haute tension d'un alternateur. L'invention peut être utilisée pour la fabri- cation d'alternateurs puissants, y compris les turbo- alternateurs, pour les centrales thermiques et nucléaires. Aujourd'hui la construction des alternateurs se caractérise par la tendance à augmenter les puissances unitaires des alternateurs, ce qui impose, compte tenu du niveau de développement de la construction des alterna- teurs, de réaliser une bobine statorique d'alternateur calculée pour d'importants courants nominaux (de 10 kA à kA). Pour les niveaux acceptés de tensions engendrées (de 15 kV à 27 kV), on doit augmenter considérablement les dimensions des barres de la bobine statorique et, par conséquent, augmenter la longueur des barres des têtes de la bobine statorique. D'autre part, la création des puissants alternateurs modernes est devenue possible grâce à un refroidissement direct, par liquide, de la bobine statorique, ce qui oblige à augmenter les dimensions des barres de la bobine statorique de l'alternateur afin de pouvoir y ménager des canaux pour un agent frigorifique. A son tour, cela impose un allongement plus grand des barres des têtes de la bobine statorique, et l'organisation du refroidissement direct des barres de la bobine statorique amène à réaliser pour l'amenée de l'agent frigorifique des dispositifs compliqués qui, dans la plupart des cas, ne sont pas utilisables lorsqu'il faut élever la tension engendrée au-dessus du niveau prévu (Titov V.V., Khutoretsky G.M., Zagorodnaya G.A.,Vartagnian G.P., Zaslavsky D.I., Smotrov A.I. "Turbo-alternateurs. Calcul et construction", Edition Energia 1967, Léningrad, pages 38 à 45 et 70 à 72). On connaît un dispositif de fixation des têtes de bobine statorique d'un alternateur dans lequel les têtes de bobine sont fixées à l'aide de frettes encerclant -2- les barres de l'extérieur et d'un système de pièces d'écartement logées dans les jeux séparant les barres distinctes. Chaque barre des couches supérieure et inférieure est assemblée à chaque frette. Les frettes sont fixées sur le stator au moyen de supports. Les pièces d'écartement sont assemblées aux barres, et l'agent frigorifique est amené aux barres par des tuyaux en caoutchouc (Titov V.V., Khutoretsky G.M., Zagorodnaya G.A., Vartagnian G.P., Zaslavsky D.I., Smotrov A.I. "Turbo-alternateurs. Calcul et construction", Edition "Energia" 1967, Léningrad, voir pages 188 à 192). Ce dispositif connu est caractérisé par la fixation unilatérale des barres des têtes de bobine au stator de l'alternateur, ce qui est tout à fait insuffi- sant lorsqu'il faut allonger les barres des têtes de bobine en vue d'une augmentation de la puissance unitaire de l'alternateur et de la tension engendrée au-dessus du niveau adopté, et ce qui nuit à la fiabilité de l'alter- nateur. Dans cette construction connue, la fixation des frettes et des pièces d'écartement n'est pas suffisamment sûre. D'après sa solution technique, le dispositif de fixation des têtes d'une bobine statorique à haute tension d'un alternateur conforme au certificat d'auteur de l'U.R.S. S. No 215305 H02K 3/50 (voir le bulletin "Découvertes, inventions, modèles industriels et labels" N' 13 publié le 3 novembre 1963) est le plus proche de la présente invention. Ce dispositif connu comprend une frette à laquelle sont fixés des supports d'appui, des pièces d'écartement isolantes séparées par des cales d'écartement et situées sur les surfaces extérieures des barres des têtes de bobine, des pièces d'écartement auxiliaires séparées par des cales d'écartement et placées entre les barres des têtes de bobine. Les extrémités des pièces d'écartement isolantes sont frettées avec des bagues isolantes. L'agent frigorifique est amené à trav.ers la frette creuse constituant le collecteur de -3distribution. Cette construction connue de fixation des têtes de la bobine statorique à haute tension d'un alternateur n'assure que la fixation unilatérale des barres des têtes de bobine du côté de la plaque de serrage de l'alternateur, ce qui n'est pas suffisamment fiable en raison de la longueur importante des barres des têtes de bobine (environ 1/5 de la longueur active de chaque côté) des alternateurs puissants modernes. Les supports d'appui et les frettes, prévus pour la fixation des têtes de la bobine statorique à haute tension, nécessitent une quantité importante de matières isolantes et de matériaux de construction. On s'est donc proposé de mettre au point un dispositif de fixation des têtes de la bobine statorique à haute tension d'un alternateur dans lequel l'intro- duction et la réalisation de nouveaux éléments pour fixer les têtes de bobine permettent d'élever la fiabilité du fonctionnement de l'alternateur et assurent une réduction de la consommation des matières isolantes et des matériaux de construction. Le problème posé est résolu à l'aide d'un dispositif de fixation des têtes de la bobine statorique à haute tension d'un alternateur comprenant des pièces d'écartement isolantes placées sur les surfaces extérieures des barres des têtes de bobine et des pièces d'écartement auxiliaires montées entre les barres des têtes de bobine, qui comporte un corps qui est constitué par deux troncs de cône coaxiaux et une portion de tore, d'une seule pièce avec ces cônes, et munie d'un organe de raccor- dement avec garniture d'étanchéité, et à l'intérieur duquel sont placées les pièces d'écartement isolantes et les pièces d'écartement auxiliaires, des butées élastiques fixées à l'intérieur du corps sur sa paroi latérale et des plaques, disposées en face de chaque pièce d'écartement isolante, logée chacune entre deux pièces d'écartement isolantes et fixées à l'une de ces dernières alors que les -4- pièces d'écartement sont montées entre les têtes de bobine et les butées élastiques. Une partie de la surface des pièces d'écartement isolantes, des plaques, des butées élastiques et de la face intérieure latérale du corps délimitent dans ce cas des canaux de refroidissement. La présente invention permet de réduire la consommation d'énergie électrique grâce à l'augmentation de la durée entre deux réparations, ce qui est dû a l'élévation de la fiabilité de la fixation des têtes de la bobine statorique à haute tension et à l'amélioration du refroidissement de ces têtes de bobine. En plus, grâce à la forme du corps contenant l'agent frigorifique, on a réussi à diminuer considérablement les dimensions de la zone extrême de l'alternateur et à réduire, par conséquent, la quantité d'acier nécessaire à la fabrication du corps de réserve d'agent frigorifique. La forme proposée de ce corps est la meilleure du point de vue de la réaction du corps à la pression interne de l'agent frigorifique, ce qui contribue aussi à l'augmentation de la durée de la période séparant deux réparations. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture d'un exemple concret de sa réalisation représenté aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 représente, en coupe longitudinale, un dispositif de fixation des têtes de la bobine statorique de haute tension d'un alternateur, selon l'inventions et la figure 2 est vue en coupe suivant II-II de la figure 1. Le dispositif de fixation des têtes de la bobine statorique à haute tension d'un alternateur comprend un corps 1 (figure 1) formant réservoir d'agent frigorifique constitué par deux cônes concentriques, tronqués, 2 et 3, et réunis par des portions de tore 4 d'une seule pièce avec chacun d'eux, et munis d'une jonction 5 avec un- organe d'étanchéité 6. Le tronc de cône 2 s'appuie sur le tube 7 de la carcasse de l'alternateur et le tronc de cône 3 sur un -5- cylindre séparateur 8, monté entre le stator 9 et le rotor 10. Des garnitures d'étanchéité 11 et 12 sont interposées aux points de raccordement du tronc de cône 2 avec le tube 7 de la carcasse de l'alternateur et du tronc de cône 3 avec le cylindre séparateur 8. Des pièces d'écartement isolantes 13, par exemple en backélite, montées sur les surfaces extérieures des têtes de bobine, et des plaques 14 avec lesquelles elles sont assemblées, sont fixées à des butées élastiques 15. A leur tour, les butées élastiques 15 sont fixées sur la paroi latérale intérieure des troncs de cône 2 et 3 du corps 1, en regard des pièces d'écartement isolantes 13. Chaque plaque 14 est logée entre deux pièces d'écartement isolantes 13. Les pièces d'écarte- 1S ment isolantes 13 sont disposées entre des barres 16 des têtes de la bobine à haute tension et les butées élastiques 15. Les troncs de cône 2 et 3, les portions de tore 4, le cylindre séparateur 8, et le tube 7 de la carcasse de l'alternateur délimitent une capacité étanche dans laquelle un agent frigorifique 17 est amené sous pression. Les barres 16 des têtes de la bobine à haute tension du stator 9 sont aussi retenues par des pièces d'écartement auxiliaires 18 (figure 2) qui augmentent la résistance des têtes de la bobine statorique à haute tension de l'alternateur dans la direction tangentielle. Pendant l'assemblage des troncs de cône 2 et 3, les barres 16 des têtes de la bobine statorique à haute tension de l'alternateur se trouvent fixées suivant le diamètre, supérieur et inférieur, à l'aide des pièces d'écartement isolantes 13 et des butées élastiques 15. Les plaques 14 servent à recouvrir les jeux entre les pièces d'écartement isolantes 13 et à former des canaux de refroidissement 19. Les canaux de refroidissement 19 sont formés par une partie des surfaces des pièces d'écartement isolantes 13, des butées élastiques 15, et des plaques 14 et par la face latérale interne du corps 1. -6- L'agent frigorifique 17 (figure 1) est amené sous pression. Depuis sa source, l'agent frigorifique est acheminé par les canaux de refroidissement 19 (figure 2); il s'écoule dans la direction axiale et refroidit les barres 16 de la bobine à haute tension tant de l'extérieur que de l'intérieur. Ensuite, l'agent frigorifique 17 coule par les encoches du stator 9 (figure 1) de l'alternateur dans un corps basse pression analogue au corps 1 mais situé à l'autre extrémité de l'alternateur. Ainsi, l'agent frigorifique 17 refroidit aussi bien les têtes que les parties actives de la bobine statorique de l'alternateur, de l'extérieur et de l'intérieur. Le corps 1 de forme proposée contenant l'agent frigorifique ainsi que les pièces d'écartement isolantes 13, les butées élastiques 15 et les plaques 14 réparties suivant toute la circonférence de la zone frontale de l'alternateur, permettent de réaliser un système de canaux de refroidissement 19 (figure 2) répartis régulièrement suivant la circonférence des têtes de bobine, ce qui est considéré comme optimal du point de vue du refroidissement de la zone frontale de l'alternateur pour le minimum de tourbillonnement du courant d'agent frigorifique pénétrant dans le stator 9. 2D5 Cette disposition permet d'accroître considérablement l'efficacité du refroidissement et de diminuer le chauffage dans la zone extrême de l'alternateur, surtout, dans les turbo-alternateurs à haute tension dont les têtes de bobine comportent des barres 16 de longueur importante. Par suite, la fiabilité du fonctionnement de l'alternateur et la durée des périodes séparant les réparations augmentent sensiblement. La présence et la disposition appropriée des butées élastiques 15, des pièces d'écartement isolantes 13 et des plaques 14 et la forme proposée du corps 1 contenant l'agent frigorifique 17, qui est constitué par deux troncs de cônes coaxiaux 2 et 3, assemblés par les portions du tore 4 munies de la jonction 5, et -7- épousent la forme des têtes de bobine, permet d'obtenir une fixation sure des têtes de la bobine du stator 9 de l'alternateur tant à l'extérieur qu'à l'intérieur. Etant donné la longueur importante des barres 16 des têtes de bobine, trait caractéristique des turbo- alternateurs à haute tension, la fiabilité de fonction- nement de l'alternateur est considérablement augmentée. D'autre part, la forme proposée par le corps 1 contenant l'agent frigorifique 17 (figure 1) interdit l'accumula- tion des contraintes aux points de courbures vives des surfaces et constitue la forme optimale du point-de vue de la réaction des parois du corps à la pression interne de l'agent frigorifique 17, ce qui contribue aussi à l'augmentation de la durée de la période séparant deux réparations et à la diminution de la quantité de métal nécessaire à la fabrication du dispositif. Ayant réalisé un dispositif de fixation des têtes de la-bobine statorique à haute tension d'alternateur sans supports d'appui, frettes, bagues d'isolement ni tuyaux en caoutchouc d'amenée de l'agent frigorifique aux barres de la bobine statorique, on a réussi à faire l'économie de matériaux de construction et de matières isolantes. Le montage des éléments d'assemblage du dispositif de fixation des têtes de bobine statorique à haute tension d'alternateur ainsi que le processus de fixation des têtes de bobine à l'aide de ces éléments se trouvent sensiblement simplifiés. On monte en premier lieu le tronc de cône 3 du corps 1 de réserve d'agent frigorifique 17, les pièces d'écartement isolantes 13, les butées élastiques et les plaques 14 ayant été préalablement fixées sur ce tronc de cône. Vu que tous les éléments d'assemblage du dispositif de fixation des têtes de bobine statorique à haute tension d'un alternateur sont fixés au préalable - 8 - sur les parois latérales des troncs de cône 2, 3 et sur les barres 16 des têtes de bobine du stator 9 de l'alternateur, le montage consiste à mettre en place et à raccorder les troncs de cône 2 et 3, ce qui réduit sensiblement le temps.de-montage du dispositif de fixation des têtes de la bobine statorique de l'alter- nateur et, par-conséquent, de tout l'ensemble de l'alternateur. Ainsi, l'invention permet de réduire la consommation d'énergie électrique grâce à l'augmentation de la durée de la période entre deux réparations, ce qui s'explique par l'augmentation de la fiabilité de la fixation des têtes de la bobine statorique à haute tension et par l'amélioration du refroidissement de ces têtes de bobine. La forme proposée du corps contribue à la diminution des encombrements dans la zone extrême de l'alternateur et à la diminution de la quantité d'acier de construction indispensable pour fabriquer le corps contenant l'agent frigorifique. -9- - REVENDICATION - Dispositif de fixkation des têtes de la bobine statorique à haute tension d'un alternateur, comprenant des pièces d'écartement isolantes, placées sur les surfaces des barres des têtes de bobine, et des pièces d'écartement auxiliaires montées entre les barres des têtes de bobine caractérisé en ce qu'il comporte un corps (1), constitué par deux troncs de cône coaxiaux (2,3) et des portions de tore (4), d'une seule pièce avec chacun des cônes, et munies d'un organe de raccordement avec garniture d'étanchéité, à l'intérieur duquel sont placées les pièces d'écartement isolantes (13) et les pièces d'écartement auxiliaires (18), des butées élastiques (15) fixées à l'intérieur du corps sur sa paroi latérale et des plaques (14) disposées en face de chaque pièce d'écartement isolante (13), chaque plaque (14) étant logée entre deux pièces d'écartement isolantes (13) et fixée à l'une de ces dernières alors que les pièces d'écartement isolantes (13) sont montées entre les tètes de bobine et les butées élastiques (15); et en ce qu'une partie de la surface des pièces d'écartement isolantes (13), des plaques (14), et des butées élastiques (15) et de la surface latérale intérieure du corps délimitent des canaux de refroidissement (19).