Brevet FR2508560A1 — publié le 19821231

Groupe bulbe de forte puissance à refroidissement externe avec multiplicateur de vitesse La présente invention concerne un groupe bulbe de forte puissance à refroidissement externe avec multiplicateur de vitesse On entend ici par forte puissance d'un groupe bulbe à multiplicateur une puissance supérieure à 5 MW, par exemple comprise entre 5 et 20 MW. Un premier groupe bulbe avec multiplicateur de type connu comporte une enceinte externe allongée présentant un axe longitudinal et immergée dans un conduit parcouru par un courant d'eau, une turbine montée dans un tronçon "arrière" de cette enceinte, sur un arbre disposé selon l'axe de l'enceinte, les pales de cette turbine faisant saillie radialement à l'extérieur de cette enceinte pour être entraînées en rotation par le courant d'eau, un multiplicateur de vitesse disposé dans un tronçon intermé- diaire de la longueur de l'enceinte, entraîné par l'arbre de turbine, et entrainant à vitesse supérieure un arbre d'alternateur s'étendant vers l'avant de l'enceinte, un rotor d'alternateur monté sur cet arbre d'alternateur, dans un tronçon "avant" de l'enceinte, un excitateur d'alternateur monté sur l'arbre d'alternateur pour fournir un courant d'excitation à ce rotor, et un stator d'alternateur entourant ce rotor et comportant lui-même des enroulements, un circuit magnétique, et une carcasse de support qui entoure le circuit magnétique en contact avec ce dernier. Cette carcasse de stator constitue en même temps une partie de l'enceinte, de manière à assurer une évacuation partielle vers l'eau extérieure de la chaleur apparaissant dans le circuit magnétique, l'alternateur étant en outre muni d'un circuit de refroidissement à gaz. On connaît un deuxième groupe bulbe analogue mais 2 - dépourvu de multiplicateur et dans lequel le circuit de refroidissement à gaz comporte des tubes disposés à l'extérieur de l'enceinte pour permettre au gaz caloporteur d'être refroidi par l'eau circulant autour de cette enceinte Ces tubes s'étendent chacun entre deux orifices de communication avant et arrière percés dans l'enceinte. Les centres des orifices avant sont situés dans deux plans de perçage transversaux distincts en avant du stator de l'alternateur, la distance longitudinale entre ces deux plans de perçage étant au moins égale au diamètre de ces orifices, de manière à éviter un affaiblissement excessif de la résistance mécanique de l'enceinte au voisinage de ces plans de perçage Les orifices de communication arrière sont réalisés de la même manière que les orifices avant, c'est-à-dire que leurs centres sont disposés dans deux plans de perçage transversaux distincts Ce deuxième groupe bulbe connu est décrit dans le brevet. Ces deux groupes bulbes connus sont munis d'un tube d'accès reliant l'enceinte à la paroi du conduit d'eau pour permettre de pénétrer à l'intérieur de l'enceinte à partir de l'extérieur de ce conduit, Dans le premier groupe bulbe connu, ce bras s'ouvre dans le tronçon intermédiaire de l'enceinte en regard du multiplicateur. Ces groupes connus ont l'inconvénient de présenter une longueur importante qui oblige notamment à de coûteux travaux de génie civil pour réaliser le conduit dans lequel ils sont placés De plus, s'ils comportent un multiplicateur, l'accès à l'intérieur de l'enceinte est difficile en raison de la faiblesse de l'intervalle radial libre autour de ce multiplicateur Enfin la fixation du tronçon avant, sur le tronçon intermédiaire qui le supporte, se fait à l'aide d'une bride qui forme saillie radiale vers l'intérieur et qui gêne l'accès aux connexions électriques disposées à l'arrière du stator de l'alternateur. -3- La présente invention a pour but de permettre de réduire l'encombrement longitudinal d'un groupe bulbe de forte puissance à refroidissement externe avec multiplicateur de vitesse tout en facilitant l'accès dans l'enceinte et la maintenance de l'aternateur, ceci sans perte de résistance mécanique. Elle a pour objet un groupe bulbe de forte puissance à refroidissement externe avec multiplicateur de vitesse, ce groupe comportant: une enceinte externe allongée présentant un axe longitudinal et immergée dans un conduit d'eau, une turbine montée dans un tronçon "arrière" de cette enceinte, sur un arbre disposé selon l'axe de l'enceinte, les pales de cette turbine faisant saillie radialement à l'extérieur de cette enceinte pour être entraînées en rotation par l'eau un multiplicateur de vitesse disposé dans un tronçon intermédiaire de la longueur de l'enceinte, entraîné par l'arbre de turbine, et entraînant à vitesse supérieure un arbre d'alternateur s'étendant vers l'avant de l'enceinte, un rotor d'alternateur monté sur cet arbre d'alternateur, dans un tronçon "avant" de l'enceinte, un excitateur d'alternateur monté sur l'arbre d'alternateur pour fournir un courant d'excitation à ce rotor, et un stator d'alternateur entourant ce rotor et comportant lui-même des enroulements, un circuit magnétique et une carcasse de support qui entoure le circuit magnétique en contact avec ce dernier, cette carcasse de stator constituant en même temps une partie de l'enceinte, de manière à assurer une évacuation partielle vers l'eau extérieure de la chaleur apparaissant dans ce circuit magnétique, l'alternateur constitué par ce rotor, cet excitateur et ce stator étant muni d'un circuit de refroidissement à gaz parcouru par un gaz caloporteur, ce circuit de refroidissement comportant des tubes de refroidissement externes disposés à l'extérieur de l'enceinte 4- pour permettre au gaz caloporteur d'être refroidi par l'eau circulant autour de cette enceinte, ces tubes s'étendant chacun entre deux orifices de communica- tion avant et arrière percés dans l'enceinte, les centres des orifices avant étant situés dans au moins deux plans de perçage transversaux distincts en avant du stator de l'alternateur, la distance longitudinale entre ces deux plans de perçage étant au moins égale au diamètre de ces orifices de manière à éviter un affaiblissement excessif de la résistance mécanique de l'enceinte au voisinage de ces plans de perçage, un tube d'accès reliant le tronçon intermédiaire de l'enceinte à la paroi du conduit d'eau pour permettre de pénétrer à l'intérieur de l'enceinte à partir de l'extérieur de ce conduit, ce groupe étantparactérisé par le fait que les deux tronçons avant et intermédiaire de l'enceinte ont des diamètres différents se raccordent par une bride de raccordement en forme de couronne circulaire disposée dans un plan transversal, les diamètres intérieur et extérieur de cette bride correspondant aux diamètres des tronçons avant et intermédiaire respectivement, les orifices de communication arrière des tubes de raccordement étant percés dans cette bride de raccordement Il en résulte que le percement de ces orifices arrière peut se faire facilement à la fois sans risque d'affaiblissement excessif de la résistance mécanique de l'enceinte et avec un minimum d'encombrement longitudinal du groupe D'autre part, l'excès de diamètre du tronçon intermédiaire de l'enceinte par rapport au tronçon avant ménage autour du multiplicateur de vitesse un espace facilitant l'accès dans l'enceinte à partir du bras d'accès. Enfin la fixation du tronçon avant au tronçon intermédiaire de l'enceinte est assurée par la bride de raccordement sans saillie radiale vers l'intérieur à l'extrémité arrière du tronçon avant contenant le stator de l'alternateur muni de ses connexions électriques. - A l'aide des figures schématiques ci-jointes, onfvaa décrire ci-après, 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 longitudinale de l'ensemble d'un groupe bulbe selon l'invention placé dans son conduit d'eau. La figure 2 représente un agrandissement d'une partie de la figure 1 montrant les tronçons avant et intermédiaire de l'enceinte. Le groupe bulbe décrit à titre d'exemple est disposé selon l'axe horizontal 104 d'un conduit à section circulaire 100 formé dans un barrage, le matériau de ce barrage, essentiellement du béton, étant représenté en 102 Un tronçon avant 108 de ce conduit présente un grand diamètre, un tronçon arrière 110 un diamètre plus petit, avec un tronçon intermédiaire conique 112 assurant le raccordement De la paroi du tronçon intermédiaire 112 de ce conduit partent radialement des lames directrices 106, appelées "avant-directrices", et décalées angulairement les unes par rapport aux autres. Ces avant-directrices servent de support à un tronçon intermédiaire 114 de l'enceinte 25 du groupe bulbe dont le tronçon avant est représenté en 116 et le tronçon arrière en 118. La partie arrière de ces avant-directrices est inclinée par rapport aux plans longitudinaux radiaux de leurs parties avant de manière à mettre en rotation le courant d'eau s'écoulant de l'avant à l'arrière du conduit 100. L'une 27 de ces avant-directrices est creuse de manière à former un tube permettant un accès dans l'enceinte 25 à partir d'un passage ménagé dans la masse du barrage. 6- L'enceinte 25 comporte, de son extrémité avant à son extrémité arrière: un couvercle 4 assurant la fermeture de l'extrémité avant de l'enceinte, une virole 1 dont une partie arrière épaissie la constitue la carcasse extérieure de l'alternateur du groupe, une enveloppe cylindrique intermédiaire 124 solidaire des avant-directrices 106 et constituant ledit tronçon intermé- diaire et le support mécanique du groupe Cette enveloppe contient un multiplicateur 26, placé entre l'arbre de turbine 28 et l'arbre d'alternateur 14, et une turbine 120 fermant l'enceinte à l'arrière et portant des pales de turbine 122 Cette turbine entratne l'arbre 28 qui entraine lui-même l'arbre d'alternateur 14 par l'intermé- diaire du multiplicateur 26 L'alternateur placé dans le tronçon avant se compose d'un stator, d'un rotor et d'un excitateur. Le stator comprend Une carcasse en contact avec l'eau du conduit et formée par la partie arrière de la virole 1 Elle est munie d'une bride de raccordement arrière 2 pour sa fixation à l'enveloppe intermédiaire 124 et d'une bride avant 3 pour la fixation du couvercle 4. Un circuit magnétique 5 fixé intérieurement sur et en contact avec la carcasse, un enroulement induit 6 fixé dans les encoches du circuit magnétique, un flasque avant 9 soudé à la virole 1, côté opposé à la turbine et supportant un palier guide avant 10 pour l'arbre de l'alternateur, et un flasque arrière 11 démontable, côté turbine et supportant un palier guide arrière 12. Le rotor comprend: L'arbre 14 muni d'un plateau d'accouplement V 4 a à l'arbre du multiplicateur et foré sur toute sa longueur 7 - pour permettre le passage d'un tube 15 permettant la transmis- sion de la position angulaire des pales de la turbine à un dispositif 16 de commande du pas de ces pales. Cet arbre est muni d'un croisillon 17 destiné à supporter et entraîner une jante 18 à la périphérie de laquelle sont fixés des pôles inducteurs 19. L'excitateur comprend: un inducteur fixe 20 fixé au flasque avant 9. et un induit tournant 21 accouplé à l'extrémité de l'arbre 14 de l'alternateur. Le courant alternatif produit par cet induit est transmis aux pôles inducteurs de l'alternateur par des connexions 22 disposées dans le forage de l'arbre 14 Ce courant est redressé dans un pont de diodes 23 situé sur le rotor, côté turbine. Le tronçon avant de l'enceinte de l'alternateur ne comportant aucune liaison avec la masse du barrage, un conduit tubulaire 24 étanche permet de ramener le câblage et les tuyauteries situés de ce côté vers l'avant-directrice infé- rieure 106. L'alternateur est refroidi non seulement par le contact de la carcasse 1 avec l'eau extérieure, mais aussi par un circuit de gaz caloporteur, qui est de préférence de l'air et est entraîné par des groupes motoventilateurs 13 fixés sur des ouvertures du flasque arrière 1-1 Pour cela il est muni de tubes de refroidissement externes ( 7) disposés à l'extérieur de l'enceinte ( 25) pour permettre au gaz caloporteur d'être refroidi par l'eau circulant autour de cette enceinte. Ces tubes s'étendant chacun entre deux orifices de communication avant ( 7 a, 7 b) et arrière ( 7 c) percés dans l'enceinte. Les centres des orifices avant sont situés dans deux plans de perçage transversaux distincts (Pa, Pb) en avant du stator ( 5, 6) de l'alternateur La distance longitudinale entre ces deux plans de perçage est au moins égale au diamètre de'ces orifices de manière à éviter un affaiblissement excessif 8- de la résistance mécanique de l'enceinte au voisinage de ces plans de perçage, Les orifices de communication arrière sont percés dans la bride de raccordement 2 qui est plane et suffisamment épaisse pour pouvoir supporter les efforts localisés exercés par des boulons de liaison 2 a Cette épaisseur lui permet de ne pas être excessivement affaiblie par le percement de ces orifices arrières Cette épaisseur est plus grande que celle de la partie avant lb de la virole 1 qui est réalisée de manière à ne pas augmenter inutilement le poids du tronçon avant 116 de l'enceinte. On évite ainsi, à l'arrière de l'alternateur, un allon- gement de l'enceinte comparable à celui qui est provoqué à l'avant de l'alternateur par intervalle entre les deux plans de perçage, Pa et Pb et par le diamètre des orifices 7 a et 7 b Cet allongement serait inutile à l'arrière de l'alterna- teur alors qu'à l'avant il est rendu par ailleurs nécessaire par la présence de l'excitateur. La fixation des tubes est de plus facilitée à leur extrémité arrière. D'autre part l'excès de diamètre du tronçon intermédiaire de l'enceinte par rapport au tronçon avant ménage autour du multiplicateur de vitesse un espace facilitant l'accès dans l'enceinte à partir du tube d'accès. On évite enfin ainsi que le raccordement mécanique du tronçon avant entraine la présence d'une saillie radiale vers l'intérieur à l'extrémité arrière du tronçon avant contenant le stator de l'alternateur muni de ses connexions électriques. Il apparait par ailleurs que le tronçon avant de l'enceinte est dépourvu d'accès de manière à minimiser l'encombrement du groupe. Les tubes de refroidissement externes sont muni d'ailettes intérieures 8 facilitant le contact thermique avec l'air y circulant et augmentant la condensation partielle de la 9 9- vapeur d'eau contenue dans cet air Ils s'abaissent vers l'arrière de manière que l'eau de condensation s'écoule seulement dans le tronçon intermédiaire et non dans le tronçon avant contenant l'excitateur même si cette dernière disposition n'est pas adoptée il est souhaitable d'adopter une disposition selon laquelle les tubes de refroidissement externes situés au bas du tronçon avant de l'enceinte ont leurs orifices de communication arrière au moins aussi bas que le reste de leur longueur de manière que l'eau de condensation apparais- sant à l'intérieur de ces tubes de refroidissement bas s'écoule dans le tronçon intermédiaire. - REVENDICATIONS 1/ Groupe bulbe de forte puissance à refroidissement externe avec multiplicateur de vitesse, ce groupe comportant: une enceinte externe allongée ( 25) présentant un axe longitu- dinal ( 104) et immergée dans un conduit d'eau ( 100). une turbine ( 120) montée dans un tronçon "arrière" ( 118) de cette enceinte, sur un arbre ( 28) disposé selon l'axe de l'enceinte, les pales ( 122) de cette turbine faisant saillie radialement à l'extérieur de cette enceinte pour être entraînées en rotation par l'eau, un multiplicateur de vitesse ( 26) disposé dans un tronçon intermédiaire ( 114) de la longueur de l'enceinte, entraîné par l'arbre de turbine ( 28), et entraînant à vitesse supérieure un arbre d'alternateur ( 14) s'étendant vers l'avant de l'enceinte, un rotor d'alternateur ( 18, 19) monté sur cet arbre d'alterna- teur, dans un tronçon "avant" ( 116) de l'enceinte, un excitateur d'alternateur ( 20, 21) monté sur l'arbre d'alternateur ( 14) pour fournir un courant d'excitation à ce rotor, et un stator d'alternateur entourant ce rotor et comportant lui-même des enroulements ( 6), un circuit magnétique ( 5), et une carcasse de support ( 1) qui entoure le circuit magnétique en contact avec ce dernier, cette carcasse de stator ( 1) constituant en même temps une partie de l'enceinte ( 25), de manière à assurer une évacuation partielle vers l'eau extérieure de la chaleur apparaissant dans ce circuit magnétique, l'alternateur constitué par ce rotor, cet excitateur et ce stator étant muni d'un circuit de refroidissement à gaz ( 13, 7) parcouru par un gaz caloporteur, ce circuit de refroidissement comportant des tubes de refroidissement externes ( 7) disposés à l'extérieur de l'en- ceinte ( 25) pour permettre au gaz caloporteur d'être refroidi par l'eau circulant autour de cette enceinte, ces tubes s'étendant chacun entre deux orifices de communication avant ( 7 a, 7 b) et arrière ( 7 c) percés dans l'enceinte, les centres des orifices avant étant situés dans au moins deux plans de perçage transversaux distincts (Pa, Pb) en avant du stator ( 5, 6) de l'alternateur, la distance longitu- dinale entre ces deux plans de perçage étant au moins égaie au diamètre de ces orifices de manière à éviter un affaiblis- sement excessif de la résistance mécanique de l'enceinte au voisinage de ces plans de perçage, un tube d'accès ( 27) reliant le tronçon intermédiaire ( 114) de l'enceinte à la paroi du conduit d'eau pour permettre de pénétrer à l'intérieur de l'enceinte à partir de l'extérieur de ce conduit, ce groupe étant caractérisé par le fait que les deux tronçons avant ( 116) et intermédiaire ( 114) de l'enceinte ( 25) ont des diamètres différents et se raccordent par une bride de raccordement ( 2) en forme de couronne circulaire disposée dans un plan transversal, les diamètres intérieur et extérieur de cette bride correspondant aux diamètres des tronçons avant et intermédiaire respectivement, les orifices de communication arrière ( 7 c) des tubes de raccordement ( 7) étant percés dans cette bride de raccordement ( 2). 2/ Groupe selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les tubes de refroidissement externes ( 7) situés au bas du tronçon avant ( 116) de l'enceinte ont leurs orifices de communication arrière ( 7 C) au moins aussi bas que le reste de leur longueur de manière que l'eau de condensation apparaissant à l'intérieur de ces tubes de refroidissement bas s'écoule dans le tronçon intermédiaire ( 114) par ces orifices de communication percés dans ladite bride de raccor- dement ( 2). 3/ Groupe selon la revendication 2 dans lequel l'axe longitu- dinal ( 104) de l'enceinte est sensiblement horizontal et dans lequel l'excitateur ( 20, 21) est située dans le tronçon avant ( 116) de l'enceinte en avant de l'alternateur ( 5, 12 - 6, 15, 19) les tubes de refroidissement externes ( 7) sont tous inclinés vers le bas vers leurs extrémités arrière, de manière que l'eau de condensation s'écoule seulement dans le tronçon intermédiaire et non dans le tronçon avant contenant l'excitateur. 4/ Groupe selon la revendication 1, le tronçon avant ( 116) de l'enceinte est dépourvu d'accès de manière à minimiser l'encombrement du groupe.