Brevet FR2498837A1 — publié le 19820730

La présente invention concerne des systèmes de refroidissement de rotor pour machines dynamoélectriques et, plus particulièrement, des cales pour encoche qui permettent de faciliter l'écoulement du fluide de refroidis- sement. Les machines dynamoêlectriques, plus particulière- ment les machines utilisées dans la production d'énergie, comprennent généralement un noyau cylindrique de stator rainuré dans lequel sont disposés des enroulements inducteurs et un noyau de rotor cylindrique rainuré dans lequel sont placés des enroulements en barres. Les enroulements du rotor sont reliés à un circuit d'alimentation et d'excitation par l'intermédiaire de bagues collectrices et de balais en charbon ou d'autres moyens de couplage électromagnétiques. Le rotor produit un champ tournant d'intensité sensiblement constante, qui est orienté radialement par rapport à sa forme généralement cylindrique. Par suite du mouvement de rotation, les lignes de force du flux magnétique traversent les barres fixes en matériau conducteur isolé du stator assemblé de façon à induire une tension électrique dans les enroulements en barres de ce stator. Une liaison électrique directe avec les barres des enroulements du stator fournit un courant électrique triphasé tel que le courant produit par le secteur. On connait dans l'art antérieur diverses constructions classiques de rotors et de stators. Par suite du coût généralement croissant de cer- tains carburants, le rendement énergétique des équipements de production d'énergie est devenu un paramètre très important. Un pourcentage important des pertes d'énergie dans un générateur dynamoélectrique classique se produit dant le rotor et dans ses enroulements électriques. Par suite de l'énergie électrique relativement importante qui est fournie par l'intermédiaire des enroulements inducteurs tournants, une énergie thermique indésirable se trouve produite dans le rotor. (De même, des pertes par effet joule se produisent également dans les enroulements du stator. Cependant, il est relativement facile de refroidir les en- roulements du stator, par exemple avec de l'eau. Ainsi, le stator se trouvant immobile, il est relativement facile de procéder à son refroidissement). Par contre, le rotor né- cessite un système de refroidissement complexe. On notera que, si le rotor est insuffisamment refroidi, l'augmentation résultante de la température a pour effet d'augmenter la résistivité des enroulements inducteurs en cuivre, ce qui a également pour effet d'augmenter les pertes par effet joule. En bref, on voit qu'il est essentiel de procéder au refroi- dissement du rotor et qu'il est important d'apporter des améliorations à ce refroidissement étant donné que les rotors des machines dynamoélectriques constituent une source importante de perte d'énergie. Un moyen ingénieux de refroidissement des enroule- ments inducteurs d'un rotor est représenté dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 2.986.664 du 30 mai 1961 au nom de David M. Willyoung et al. Ce brevet décrit un système de refroidissement avec circulation en diagonale pour un ensemble d'enroulements rotoriques dans lequel deux jeux de canaux orientés diagonalement sont disposés dans les enrou- lements rotoriques. Dans ce brevet, les barres des enroule- ments de champ placées dans une encoche donnée comportent une série de canaux orientés diagonalement et s'étendant dans une direction descendante le long d'un côté des barres et un second jeu de canaux orientés diagonalement l'est dans une direction diagonalement opposée le long de l'autre côté des barres. Ce système de refroidissement à écoulement diagonal est particulièrement représenté à la figure 4 de ce brevet. Un gaz de refroidissement est introduit dans ces canaux en diagonale par l'intermédiaire d'un système de prises et de conduites situé dans les cales qui servent à retenir les enroulements en barres dans les encoches du noyau du rotor. A cause de la valeur relativement élevée du diamètre d'un rotor et de sa vitesse de rotation, les cales ont un rôle de maintien important car les forces centrifuges développées pendant la marche sont grandes. On notera plus particulièrement que, s'agissant du brevet cité ci-dessus, la division du courant permettant d'obtenir les deux sens d'écoulement en diagonale ne se produit pas dans la cale elle-même. Cette fonction est accomplie par une ailette de division de courant qui est disposée dans des trous pratiqués dans un bloc d'acheminement. Le refroidissement des rotors et l'importance des cales de prise dans l'entrefer sont soulignés dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3. 440.462 du 22 avril 1969 au nom de David M. Willyoung. Ce brevet soulève le problème posé par l'usinage de canaux incurvés dans les cales de rotor et, par conséquent, propose une réalisation de cale dans laquelle les canaux sont situés à l'extrémité de seg- ments du rotor de façon à pouvoir être facilement usinés. Cette réalisation de cale de rotor facilite le passage entre un courant tangentiel et un courant radial dirigé strictement vers le bas (ou vers l'intérieur). Cependant, rien n'est prévu pour faciliter la transformation du courant en compo- santes ayant des vecteurs de vitesse longitudinale de sens opposé. Cette nécessité de la division du courant semble être incompatible avec l'usinage en bout des canaux dans les cales de remplissage de l'entrefer. En outre, au moins une partie de la fonction de séparation du courant est exécutée par les ailettes de division qui chevauchent les trous du bloc d'acheminement. Néanmoins, le brevet de Willyoung apprécie le fait qu'on a davantage tendance à adopter la séparation du courant s'il y a des discontinuités ou des changements brutaux dans le sens de ce courant. En outre, aucune disposition n'est prise dans le brevet de Willyoung pour faciliter le passage entre un courant tangen- tiel et un courant dirigé vers l'intérieur dans le sens radial et vers l'extérieur dans le sens longitudinal. Comme les ailettes traversant les trous du bloc d'acheminement contribuent à une chute de pression dans ce bloc, elles ont tendance à réduire la capacité de refroidissement du rotor et à diminuer le rendement plus que nécessaire à la lumière de la présente invention. L'importance du refroidissement des rotors est également admise dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3.995.180 du 30 Novembre 1976 au nom de Walter B. Giles. Ce brevet a seulement pour objet l'augmentation du courant du gaz de refroidissement dans les parties de sortie du système de refroidissement de rotor à écoulement diagonal. Cependant, aucun moyen n'est prévu pour faire passer le vecteur de vitesse du courant gazeux d'une direction radiale et longitudinale à une direction tangentielle de sortie. En outre, des moyens de séparation de courant restent prévus dans le bloc même d'acheminement. L'homme de l'art spécialiste des problèmes de géné- rateurs admet aussi que la réduction des dimensions du bloc d'acheminement signifie qu'un espace plus grand doit être prévu dans l'encoche du rotor pour les enroulements conduc- teurs. Ainsi, étant donné qu'une section plus grande doit être attribuée aux conducteurs des enroulements, leur résis- tance peut se trouver sensiblement réduite. Cette réduction a naturellement pour effet de diminuer les pertes par effet joule dans le rotor et,de plus, d'augmenter le rendement global du générateur. Selon un mode recommandé de réalisation de la présente invention, une cale destinée à être utilisée dans une encoche de rotor comprend un corps allongé avec des parties saillantes permettant son insertion et son maintien dans les encoches du rotor, la cale comportant au moins une paire de canaux incurvés dans des directions longitudinales opposées, d'o il résulte qu'il est facile d'obtenir le passage entre un courant tangentiel de gaz et un courant de gaz dirigé vers l'intérieur dans le sens radial et vers l'extérieur dans le sens longitudinal. De même, il est possible de faire varier la section des canaux entre les parties d'entrée et de sortie de façon à obtenir une corres- pondance régulière entre la forme de l'ouverture d'entrée et celle de l'ouverture de sortie. Les cales de la présente invention sont de préférence réalisées en un matériau tel que l'aluminium dont l'usinage est facile. Cependant, compte tenu de la forme relativement compliquée des canaux, la fabrication des cales fait de préférence appel à la technolo- gie de la métallurgie des poudres. Dans un autre mode de réalisation de la présente invention, un rotor à courant diagonal utilise la cale décrite ci-dessus en même temps qu'un bloc d'acheminement ayant une épaisseur inférieure à celle des blocs employés antérieurement. L'utilisation d'un tel bloc au lieu d'un bloc relativement épais permet l'emploi de conducteurs pour les enroulements de champ présentant une plus grande section et, par conséquent, une résistance plus faible. Ainsi, non seulement le refroidissement des enroulements de champ se trouve amélioré dans la présente invention, mais encore celle-ci permet l'emploi de blocs d'acheminement plus fins étant donné qu'ils n'exercent plus la fonction de séparation du courant de refroidissement. Par conséquent, la présente invention a pour objet: - une cale efficace de prise dans l'entrefer pour rotor de machine dynamoélectrique; - un rotor de machine dynamoélectrique dont le refroidissement est plus efficace; - un rotor de machine dynamoélectrique dans lequel la résis- tance électrique des barres des enroulements inducteurs est réduite. La suite de la description se rapporte aux figures annexées qui représentent respectivement: - figure 1: une vue isométrique éclatée de la circulation du gaz de refroidissement dans les cales des blocs d'ache- minement, et des barres d'enroulements de l'art antérieur; - figures 2a, 2b et 2 c: respectivement, des vues de dessus de côté et de dessous d'une cale selon la présente inven- tion; et - figure 3: une vue isométrique éclatée représentant l'uti- lisation de la cale de la présente invention avec un bloc d'acheminement. La figure 1 représente une vue éclatée d'une structure utilisée dans l'art antérieur pour introduire un fluide de refroidissement en mouvement, tel que l'hydrogène, dans des canaux pratiqués à l'intérieur des barres des enrou- lements d'un rotor d'une machine dynamoélectrique. Pour faci- liter la compréhension, la vue représentée est celle d'une section de courte longueur, d'une cale, d'un bloc d'achemi- nement, et des barres d'enroulements situéesimmédiatement au-dessous dans une encoche du rotor. Plus particulièrement, une cale 10 comprend un élément allongé (seul un tronçon de courte longueur est représenté) ayant une ouverture d'entrée 14 qui est située le long d'une partie supérieure de son corps. L'ouverture 14 est entourée par une partie 12 dont le profil correspond à celui d'une prise. Cette prise sert à diriger le fluide de refroidissement dans l'entrée 14 lors de la rotation du rotor dans le sens correct. L'une des fonctions de la cale est d'accepter un courant tangentiel de gaz, représenté par une flèche 18, et de le faire dévier pour le diriger directement vers le bas dans le sens radial, cette nouvelle direction étant représente par des flèches 28. Une seconde fonction de la cale 10, fonction importante, est de maintenir les barres des enroulements du rotor (telles que 30, 31 et 32) à l'intérieur de l'encoche pendant la rotation. Comme le diamètre du rotor d'une machine dynamo- électrique courante est relativement grand et que la vitesse de rotation est relativement élevée, la force centrifuge à laquelle les cales sont soumises par les enroulements du rotor est importante. De fa-on à maintenir les enroulements du rotor à l'intérieur des encoches, des arêtes ou parties saillantes 16 s'étendent sur la longeur du corps de la cale et ont une forme qui est appariée à la forme en queue d'aronde de canaux correspondants pratiqués dans les dents du rotor. Au-dessous de la cale 10 se trouve un bloc d'ache- minement 20. Ce bloc est généralement constitué d'un matériau plastique ou d'un matériau plastique armé de fibres de verre présentant une rigidité diélectrique élevée. Il comporte en outre une ouverture 22 qui est alignée avec une ouverture correspondante pratiquée dans la partie inférieure du corps de la cale 10, d'o sort le gaz de refroidissement dans la direction des flèches 28. On remarquera plus spécialement ici qu'en sortant de l'ouverture de la partie inférieure de la cale 10, le gaz de refroidissement est dirigé radialement vers le bas. Cela reste vrai même après séparation du courant gazeux par une ailette 24 qui traverse l'ouverture 22 du bloc d'acheminement 20. L'ailette 24 divise le courant descendant de gaz en deux parties sensiblement égales. Néanmoins, il est peu probable, à ce point, qu'une chute de pression indésirable se produise dans le courant pendant sa traversée de l'ouverture du bloc d'acheminement. Le courant de fluide de refroidissement doit être divisé car il y a fondamentalement deux types d'ouvertures d'entrée dans les barres des enroulements d'une machine refroidie par un courant en diagonale. Sur l'un des côtés des barres le courant est dirigé radialement vers le bas (ou vers l'intérieur) suivant une première direction longitudinale, telle que la direction représentée par la flèche 28 en figure 1. Les canaux pratiqués dans les barres des enroulements pour cette direction du courant sont représentés à titre d'exemple par le canal ayant pour référence 33. Un autre jeu de canaux pratiqués dans l'autre côté des barres d'enroulements, repré- sentés par un canal 34, est parcouru par l'autre partie du gaz qui a été divisé, partie qui circule dans des canaux tels que le canal 34 radialement vers le bas mais dans une direc- tion longitudinale opposée représentée par la flèche 39. Ainsi, on se trouve fondamentalement en présence de deux courants de gaz quittant chaque ouverture du bloc d'acheminement, lesquels possèdent des composantes de vitesse dirigées radialement vers le bas et des composantes longitudinales de directions opposées. Ces directions longitudinales du courant sont dues aux emplacements étagés et décalés les uns par rapport aux autres des trous pratiqués dans les barres des enroulements du rotor, les trois premières barres étant représentées en 30, 31 et 32. Le bloc d'acheminement assume deux fonctions fondamentales. Dans sa première fonction, il agit en matériau diélectrique d'isolement qui permet d'éviter la formation d'arcs entre les barres des enroulements du rotor, en parti- culier la barre 30, et la cale, celle-ci étant typiquement réalisée en aluminium. La formation d'arcs peut éventuellement se produire également entre les barres des enroulements et les parties mises à nu des dents métalliques du noyau du rotor. De plus, le bloc d'acheminement comporte les ailettes 24 de division de courant et des canaux 26 définis le long de la partie inférieure du bloc et s'étendant dans une direc- tion longitudinale. Ces canaux 26 facilitent encore la circulation du gaz dans les canaux pratiqués dans les barres des enroulements du rotor. Ainsi, sur la figure 1, la cale , le bloc d'acheminement 20 et les enroulements 30-32 sont en alignement de sorte que le courant tangentiel du gaz de refroidissement entrant dans l'ouverture 14 finit par se diriger vers les canaux 33 et 34 de l'empilage des barres des enroulements du rotor. Les figures 2a, 2b et 2c sont, respectivement, des vues de dessus, de côté et de dessous d'une cale d'un mode recommandé de réalisation de la présente invention. Les parties cachées des canaux traversant la cale sont repré- sentées en pointillé. On remarquera que, dans chaque cas, la cale comporte également des parties saillantes, des arêtes, des clavettes ou queues d'aronde 16 qui servent à son maintien ainsi qu'à celui des barres des enroulements conducteurs de l'électricité du rotor dans les encoches. Une caractéristique importante de la cale de la présente invention est qu'elle comporte deux fois plus d'entrées de gaz de refroidissement que les dispositifs de l'art antérieur. La cale de la présente invention est représentée dans cha- cune des figures 2a, 2b et 2c par la référence 40. La réfé- rence 41 concerne généralement un jeu de canaux pratiqués dans la cale pour desservir un seul côté de l'empilage des barres des enroulements. La référence 42 concerne un canal pratiqué dans la cale qui dessert les canaux de l'autre côté des barres. En particulier, la référence 41a se rap- porte au canal lui-même. La référence 41b concerne-l'ou- verture d'entrée, la référence 41c l'ouverture de sortie et la référence 41d la partie en forme de prise de la cale qui sert, pendant la rotation, à diriger le fluide de refroidissement vers l'ouverture. Des numéros de référence similaires sont utilisés pour désigner l'autre paire d'ou- vertures d'entrée. On remarquera que dans la présente invention les ouvertures d'entrée apparaissent maintenant par paires, telles que les paires 41b et 42b. Par suite de la courbe suivie par ces canaux pour atteindre leurs ouver- tures de sortie, une ouverture quelque peu plus grande 42d peut être obtenue pour l'un des canaux comme cela est représenté. Cela permet d'avoir une longueur approximative- ment identique pour les deux canaux, de sorte que des volumes égaux du fluide de refroidissement sont fournis à chacun des deux côtés des barres des enroulements dans une encoche du rotor. Un avantage important présenté par la forme de la cale de la présente invention est que les canaux sont incurvés dans deux directions. C'est-à-dire que les canaux sont incur- vés de façon à conférer au courant de fluide non seulement une vitesse dirigée radialement vers le bas (vers l'intérieur), mais encore une vitesse longitudinale pour qu'il y ait une meilleure adaptation au sens de circulation dans les canaux des enroulements du rotor. En outre, il n'est plus nécessaire de prévoir une division du courant pour les deux côtés des barres des enroulements. Cette fonction est maintenant rem- placée par la cale de rotor de la présente invention qui présente trois avantages importants. Le premier avantage est que l'on dispose de deux fois plus d'ouvertures que dans l'art antérieur, ce qui a pour effet d'augmenter sensiblement la circulation globale du fluide de refroidissement dans les enroulements du rotor. Comme indiqué précédemment, cela est particulièrement souhaitable car une augmentation de la température dans cette partie de la machine a pour effet de réduire le rendement de l'ensemble. En second lieu, le cou- rant d'un fluide de refroidissement, tel qu'un courant d'hydrogène, est amené non seulement à se diriger sans à-coups radialement vers le bas, mais encore d'une manière telle qu'il est mieux adapté au sens de circulation dans les deux côtés de l'empilage des barres des enroulements. Cela est important car les composantes longitudinales des vitesses des courants de gaz traversant un côté des barres et son autre côté ont des directions opposées. La présente invention est particulièrement adaptée à cette disposition en assurant une circulation du courant de chaque côté suivant une direction optimale. En troisième lieu, il n'est plus nécessaire de prévoir un bloc d'acheminement dont la fonction est également d'agir en diviseur de courant. Ce fait a des implications qui seront traitées ci-dessous. Comme le bloc d'acheminement n'exerce plus aucune fonction de déviation de courant, on peut le rendre moins épais et profiter de la nouvelle forme ainsi permise. En particulier, on peut utiliser un bloc d'acheminement 50, tel que le bloc représenté à la figure 3, qui comporte des trous 52 en alignement avec les ouvertures de sortie 41c et 42c le long de la partie inférieure de la cale de la présente inven- tion. Pour rendre la figure 3 plus claire, seules les ouver- tures de sortie de la cale ont été représentées, les ouver- tures d'entrée, les prises et les canaux ayant été éliminés. En outre, on peut façonner les bords des trous 52 et les chanfreiner de façon à avoir une zone de passage régulière entre les ouvertures elliptiques de sortie 41c et 42c et des ouvertures ovales allongées 35 et 36, par exemple, pratiquées dans la barre supérieure 30 de l'enroulement. Le bloc d'ache- minement 50 a des dimensions telles qu'il se monte par ajustage serré sur l'empilage des barres des enroulements du rotor dans l'encoche. De plus, les canaux eux-mêmes pratiqués dans le corps de la cale présentent également une zone de passage régulière entre une ouverture d'entrée presque circulaire et une ouverture de sortie davantage elliptique. - Le fait que la cale de la présente invention per- mette l'utilisation d'un bloc d'acheminement d'épaisseur plus faible offre la possibilité d'un plus grand remplissage des encoches du rotor avec le matériau conducteur des enroulements, typiquement avec du cuivre. Cela signifie que la résistance des enroulements du rotor est plus petite et que, par conséquent, ses pertes sont sensiblement réduites. En outre, la plus grande capacité de refroidissement permise par cette réalisation de la cale se traduit également par un rendement énergétique supérieur. Alors qu'on peut usiner la cale de la présente invention dans un bloc massif de matériau, cette façon de procéder peut prendre beaucoup de temps et ne permet pas toujours d'obtenir des contours intérieurs de canaux ayant des parois aussi régulières qu'on le souhaiterait. Cependant, la cale de la présente invention peut être fabriquée en faisant appel aux procédés de la métallurgie des métaux en poudre dans lesquels un alliage de métal en poudre est placé dans un moule avec des bouchons en matériau massif ayant la forme des canaux que l'on souhaite obtenir. L'allia- ge en poudre est alors chauffé, sous pression si nécessaire, de façon à donner la cale de la présente invention. Le métal solidifié est extrait du moule, les bouchons sont enlevés de façon à laisser place aux canaux, et l'usinage final et le polissage de mise en forme sont exécutés suivant néces- sité. Il apparaîtra d'après la description précédente que la présente invention permet d'obtenir une cale destinée à être utilisée dans une machine dynamoélectrique qui augmente sensiblement le volume du gaz de refroidissement pouvant être fourni aux enroulements du rotor qu'il y a lieu de refroidir. En outre, la présente invention permet d'éviter la nécessité de procéder à une division du courant dans un bloc d'acheminement entre les deux côtés d'un empilage de barres d'enroulements. Enfin, la présente invention permet l'utilisation d'un bloc d'acheminement de plus petite dimen- sion et d'enroulements en barres de rotor de résistance plus faible, d'o il résulte une diminution des pertes dans les enroulements rotoriques. REVENDICATIONS 1. Cale destinée à être utilisée dans les encoches du rotor de machines dynamoélectriques, en particulier de machines utilisant un système de prise dans l'entrefer pour la circulation d'un fluide de refroidissement dans le rotor, caractérisée en ce qu'elle comprend: - un corps allongé comportant des parties saillantes (16) s'étendant longitudinalement vers l'extérieur sur ses côtés pour permettre l'insertion et le maintien de la cale dans les encoches du rotor; - au moins une paire de canaux (41, 42) incurvés dans deux directions, chaque canal ayant une entrée (41b, 42b) le long d'une partie supérieure de la cale, cette entrée se terminant par des trous d'orifice (41d, 42d) en forme de prise de manière à diriger un fluide de refroidissement vers le canal pendant la rotation du rotor; les canaux se terminant dans des ouvertures de sortie (41c, 42c) pratiquées dans le côté inférieur de la cale, un premier canal de chaque paire de canaux étant incurvé de façon à diriger le courant de fluide de refroidissement dans une première direction de sortie et le second canal étant incurvé de façon à diriger le courant de fluide de refroidissement dans une seconde direction de sortie, les première et seconde directions de sortie ayant des composantes longitudinales orientées dans des sens opposés. 2. Cale selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps allongé est formé, dans un moule chauffé, à partir d'un métal en poudre. 3. Cale selon la revendication 1, caractérisée en ce que les canaux présentent une section variant continûment entre une entrée circulaire et une sortie elliptique. 4. Cale selon la revendication 1, destinée à être utilisée avec le rotor d'une machine dynamoélectrique à refroidissement par fluide, caractérisée en ce que - un noyau cylindrique métallique de rotor comporte des encoches s'étendant longitudinalement, ces encoches défi- nissant des dents munies de canaux s'étendant longitudina- lement sur ses côtés; - plusieurs enroulements de champ conducteurs de l'électri- cité sont disposés en couches à l'intérieur des encoches; - une armure isolante pour encoche est disposée entre les enroulements et le noyau du rotor;les enroulements compor- tant un premier et un second jeux de canaux de refroidis- sement (41, 42) dirigés en diagonale et ne se coupant pas; les canaux des enroulements s'étendant longitudinalement et radialement, la direction des canaux dans les premier et second jeux ayant des composantes longitudinales dirigées dans des sens opposés; et en ce que: - plusieurs cales (40) pour l'introduction d'un fluide de refroidissement dans les enroulements rotoriques sont disposées de façon que leurs parties saillantes (16) soient engagées dans les canaux des dents et disposées en aligne- ment avec les canaux des enroulements; - et un moyen de décharge du fluide de refroidissement. 5. Cale selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un bloc d'acheminement (50) disposé entre les cales et les enroulements (30), ce bloc comportant des trous (52) qui sont alignés avec les canaux des enroulements (35,36) et les canaux des cales (41, 42).