Brevet FR2484166A1 — publié le 19811211

La présente invention se rapporte au domaine de la fabrication de machines électriques en particulier, du type à refroidissement par liquide et a notamment pour objet une machine électrique à refroidissement du stator. L'invention peut être utilisée en particulier pour la création de grandes machines électriques telles que des turbogénératrices. On connaît des machines électriques d refroidissement liquide direct du noyau et de l'enroulement statorique (cf.V.V. Titov et al. "Turbogéneratory. Raschet i konstruktsia ", Moscou, "Energia ", 1967, p. 200) dans lesquelles le liquide de refroidissement circule à travers des canaux pratiqués dans certains éléments; tubes, segments et autres, situés dans les canaux radiaux et axiaux du noyau de stator et de l'enroulement. Les dispositifs de refroidissement, dans ces machines, sont d'une conception compliquée et ont une fiabilité peut élevée du fait de la présence de nombreuses connexions. Le circuit de circulation du fluide de refroidissement doit être équipé obligatoirement d'un organe de refoulement (pompe commesseur, etc). On connaît aussi une machine électrique (cf. brevet USA N 3530320) comportant un rotor et un stator isolé du rotor par une enceinte étanche qui forme des chambres fermées renfermants les parties ou connexions frontales de l'enroulement statorique, ces chambres communiquant entre elles par l'intermédiaire de canaux de configura tion compliquée comportant des parties radiales et axiales ainsi que par 11 intermédiaire d'un conduit extérieur servant à la circulation du fluide de refroidissement dans le stator. Un refroidisseur et un organe de refoulement (pompe ou ventilateur) sont branchés sur ledit conduit extérieur.L'organe de refoulement assurant la circulation du fluide de refroidissement consomme naturellement une certaine quantié d'énergie, ce qui diminue le rendement de la machine électrique. D'autre part, la présence de dispositifs comportant des éléments et groupes mobiles rouit considérablement la fiabilité de la machine électrique. L'invention vise par conséquent une machine électrique qui, grace à l'utilisation de l'énergie des pertes calorifiques dans les parties actives du stator, assure le refroidissement voulu des éléments actifs et de fracture du stator, une réduction des dépenses d'énergie nécessaires au refroidissement et une augmentation du rendement de la machine tout en conservant une haute fiabilité et la simplicité d'exploitation de celle -ci. Ce problème est résolu en ce que la machine électrique du type comprenant un rotor, un stator pourvu de canaux pour le passage du fluide de refroidissement et rempli dudit fluide, une enceinte étanche isolant le stator du rotor et formant des chambres pour les parties ou connexions frontales de l'enroulement statorique, ces chambres communiquant entre elles par l'inter- médiaire desdits canaux de stator et à l'aide d'un conduit extérieur servant à la circulation du fluide de refroidissement dans le stator et relié à un refroidisseur est caractéisée, selon l'invention en ce qu'au moins une partie dudit conduit extérieur est situé au dessus du stator, en formant une branche ascendante et une branche descendante du circuit de circulation, le refroidisseur est branché sur la partie supérieure de la branche descendante, le fluide de refroidissement utilisé étant un liquide. Il est utile d'incorporer dans la branche ascendante du circuit de circulation un réchauffeur accélérant la circulation dirigée du fluide durant le démarrage de la machine. Il est intéressant de placer ledit réchauffeur dans la partie inférieure de la branche ascendante du circuit de circulation, à proximité immédiate du stator. Ceci permet d'accroitre l'efficacité de l'action du réchauffeur sur la circulation du fluide de refroidis sement Il est utile, dans le meme but, de munir d'une isolation thermique au moins une partie de la branche ascendante du circuit de circulation et la partie du stator qui lui est adjacente. La machine électrique ainsi conçue permet de renoncer à l'utilisation de l'organe de refoulement dans le circuit de circulation du fluide de refroidisse ment grace à l'exploitation de l'énergie des pertes calorifiques dans les éléments actifs da stator, ces éléments faisant circuler le liquide de refroidissement grace à la différence des poids spécifiques du liquide réchauffé et refroidi. On obtient de ce fait une diminution des dépenses d'énergie nécessaire au refroidissement du stator, ainsi qu'une augmentation de bfiabilité et du rendement de la machine la machine électrique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris i la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs illustrés par le dessin unique annexé dans lequel est représentée, en coupe, la machine électrique à refroidissement du stator selon l'invention. La machine électrique proposée comprend un rotor 7 qu'une enceinte ou enveloppe étanche 2 sépare d'un stator 3. Le refroidissement du rotor 1 se fait indépendamment de celui du stator 3 et peut être réalisé par tout procédé convenable. Aussi le systbme de refroidissement du rotor I n'est-il pas représenté. L'enceinte étanche 2, dans le mode de réalisation préférentiel, est constituée par un cylindre situé dans l'espace annulaire entre le rotor 1 et le stator 3 et s'étendant sur toute la longueur du corps du stator 3. Le stator 3 possède, comme d'ordinaire un noyau 4 et un enroulement à barres dont les parties ou connexions frontales 5 sont représentées au dessin. Dans le noyau 4 du stator 3 et dans les barres et l'enroulement, y compris les parties frontales 5, on a pratiqué des canaux 6 servant à la ciruclation du liquide de refroidissement. Pour diminuer la résistance hydraulique, le plus avantageux serait de disposer ces canaux axialement.Comme on le voit au dessin, l'enceinte étanche 2 forme de chambres 7 et 8 pour les parties frontales 5 de l'enroulement du stator 3. Ces chambres ayant une forme annulaire et étant ainsi délimitées par le corps du stator 3, par des plateaux en bout ou frontales par l'enceinte étanche 2 et par le bout du noyau 4 du stator 3. Les chambres 7 et 8 communiquent entre elles par l'intermédiaire des canaux 6 et d'un conduit extérieur dont au moins une partie est située au dessus du stator 3. Le conduit extérieur a pour fonction de réaliser la circulation du liquide de refroidissement. il boucle le circuit de circulation constitué par les chambres 7, 8 renfermant les parties frontales de l'enroulement du stator, les canaux 6, une branche ascendante 9 et une branche descendante 10. Un refroidisseur Il est intercalé dans la partie supérieure de la branche descendante 10. Tout le volume du stator 3 et le circuit de circulation sont remplis de liquide de refroidissement. On peut employer en tant que liquide de refroidissement un liquide ayant une haute résistivité et qui est neutre par rapport aux matériaux d'isolement et de construction. Dans le but de compenser la dilatation du liquide de refroidissement, il est intéressant d'utiliser tout dispositif convenable connu, notamment une cuve d'expansion 12. Selon l'un des modes de réalisation de l'invention, la machine électrique revendiquée est munie d'un réchauffeur 13 incorporé à la branche ascendante du circuit de circulation et destiné à accélerer la circulation dirigée du liquide pendant la période de démarrage de la machine.On peut employer en tant que réchauffeur tout ré chauffeur connu ayant une puis snce suffisante, de préférence un réchauffeur électrique Le plus raisonnable serait de disposer le réchauffeur 13 dans la partie inférieure de la branche ascendante du circuit de circulation, à proximité immédiate du stator 3 comme on le voit sur le dessin Dans le but d'augmanter l'efflocacité du circuit de ctrculatkn il est préférable de pourvotr d'une isolation toarmique 14 à sa branche ascandante et la partie du stator 3 qui lui est adjacente. Dans le but d'augmenter l'efficacité du circuit de circulation il est préférable de pourvoir d'une isolation thermique 14 sa branche ascendante et la partie du stator 3 qui lui est Adjacente. La machine électrique proposée, qui est en l'occur- rence une turbogénératrice, fonctionne comme suit. Etant donné que l'on adopte nctuellement, daz les centrales électriques, le système à tranches monobloc, le démarrage de la turbogénératrice dépend compolètement de la mise en marche de la tranche monobloc tout entière. Le démarrage est réaliséb de la façon suivante. On met en marche le groupe chaudière, puis la turbine à vapeur. Un certain tempsavant le demarrage de la trbine on met en mrche le réchauffeur 11. Etant dorné que jusque là le liquide de refroidiesement était à une meme température dans tot la volume du circuit de ciroulation, son poide apécifique était lu aussi uniforme, par conséquent la pression dans les chambres 7 et 8 était égale puisqu'elle est fonction du poids spéoifique du liquide de rofroidis sement et de la hauteur des branches ascendante et descendante 9 et 10 du circuit de circulation par rapport au corps du stator 3.Dans ces conditions, il n'y a pas de mouvement du liquide dans le circuit Après la mise en marche du refroidisseur, le liquide qui le remplit commence à se refroidir et à descendre dans la branche descendante 10 en enchassant le liquide qui a une température plus élevée. Au fur et à mesure que la température du liquide baisse dans la branche descendante 10, la pression dans la chambre 8 s'accroit. il apparaît une différence de pression entre les chambres 7 et 8 de sorte que le liquide de refroidissement commence à passer de la chambre 8 dans la chambre 7.Une fois atteint ledébit calculé du liquide de refroidissement à travers les canaux 6 du stator (débit déterminé et controlé d'après la différence des températures du liquide de refroidissement dans les branches ascendate et descendante 9 et 10 du circuit), la machine électrique se met en marche. Une partie des pertes calorifiques dégagées dans les parties actives du stator 3 réchauffent le liquide de refroidissement dans les canaux 6 du stator 3. Après avoir été réchauffé dans les canaux 6, le liquide avance à travers la chambre 7 et la chambre ascendate 9 du circuit vers le refroidisseur 11. Ladite différence de températures augmente, la différence de pression entre les chambres s'accroit et, en conséquence le débit à travers les canaux 6 du stator augmente. Mais dans le même temps s'accroit la part des pertes calorifiques qui réchauffe le liquide dans les canaux 6. En faisant croitre régulièrement la charge de la machine électrique, on parvient au régime nominal calculé de fonctionnement de tout le système. Pour accélérer le mouvement dirigé du liquide de refroidissement à travers les canaux 6 du stator 3, il est utile de prévoir dans la branche ascendante le réchauffeur 13. Ce dernier est mis en marche en même temps que le refroidisseur 11 et permet d'atteindre plus vite la différence nécessaire des températures du liquide dans les branches ascendante et descendante du circuit. Le réchauffeur 13 est mis hors jeu lorsque la machine électrique atteint le régime stable nominal de fonctionnement. Le réchauffeur 13 peut être utilisé également pour assurer le fonctionnement de la machine électrique à des régimes de manoeuvre.Dans ce cas, le réchauffeur peut, au besoin être mis en marche automatiquement en fonction de la différence des températures du liquide de refroidissement dans les es branches ascendante et descendante0 Pour obtenir l?effet maximum, il y aurait intérêt a monter le réchauffeur 13 dans la partie inféreure de la branche ascendante, à proximité immédiate du atator 3. La longueur du conduit de la branche ascendante 9 peut par exemple atteindre 5 à 10 m, son dimmètre, 0,3 à 0,5 m, et la différence des tamp6rature de la paroi du tube et du milieu ambiant peut être de 50 à 80 C. Dans ces conditions, on assiste à un échange thermique suffisament efficace qui peut conduire à la formation de tourbillons secondaires dans le liquide se déplaçant à travers la branche ascendante 9. Ces tourbillons augmentent la résistance bydraulique au liquide, ce qui contribue à son tour à réduire quelque peu les pertes d'efficacité du système. Auani est-il utile de munir la branche ascendante 9 d'une isolation thermique 14. Pour cette même raison il y a intérêt à pourvoir d'une isolation thermique la partie du corps du stator 3 à laquelle est adjacente la branche ascendante. Les expériences détaillées auxquelles a été sonmis le système conforme à l'invention ont confirmé son efficacité, sa stabilité et sa fiabilité0 Bien entendu, l'invention n'est nullement limités aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donné qu'à titre d'exomple. En particulier elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celle-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. REVENDICATIONS 1. Machine électrique comprenant un rotor, un stator rempli d'un fluide de refroidissement et muni de canaux pour la circulation de ce dernier, une enceinte étanche séparant le stator du rotor et formant des chambres renfermant les parties frontales de l'enroulement statorique, lesdites chambres communiquant entre elles par l'intermédiaire desdits canaux du stator et d'un conduit extérieur servant à la circulation du fluide de refroidissement dans le stator et relié à un refroidisseur, caractérisée en ce qu'au moins une partie dudit conduit extérieur est située au-dessus du stator et forme une branche ascendante et une branche descendante du circuit de circulation et que le refroidisseur est intercalé dans la partie supérieure de la branche descendante, le fluide de refroidissement utilisé étant un liquide. 2. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce quelle est dotée d'un réchauffeur incorporé dans la branche ascendante du circuit de circulation et ayant pour fonction d'accélérer la circulationdirigée du liquide pendant la période de démarrage de la machine. 3. Machine électrique selon la revendication 2, caractérisée en ce que le réchauffeur est situé dans la partie inférieure de la branche ascendante du circuit de circulation à proximité immédiate du stator. 4. Machine électrique selon l'une des revendications 1, 2, et 3 caractérisée en ce qu'au moins une partie de la branche ascendante du circuit de circulation et la partie du stator qui lui est adjacente sont pourvu dune isolation thermique.