Brevet FR2522897A1 — publié le 19830909

lachine dynamo-électrique munie d'un écran pour la chaleur rayonnante de son rotor et procédé de fabrication d'un tel écran. la présente invention se rapporte à une machine dynamo-éLtectrique, en particulier, à un rotor de géné- ratrice à supraconduction et concerne plus particulière- ment son écran pour la chaleur rayonnante. En général, une génératrice à supraconduction comporte un rotor super-refroidi qui comprend un enroule- ment inducteur supraconducteur et une structure pour sup- porter L'enroulement Le rotor est super-refroidi à une température cryogénique par un fluide refrigérant, cordée 1 O de l'hélium que contient Le rotor Pendant le fonctionne- ment nonrmal de la génératrice, l'hélium Liquide dans le rotor est transformé en vapeur ou en gaz par une ébul ti- tion relativement lente mais continue. La fonction de l'écran pour la chaleur rayonnante est d'intercepter la chaleur rayonnée par l'environnement du rotor qui se trouve généralement à la température ax- biante, afin d'éviter que cette chaleur rayonnée n'échauf- fé la zone froide cryogénique dans le rotor Un écran pouanr la chaleur rayonnante consiste généralement en une struc- ture tubulaire ou cylindrique disposée radialement à l'ex- térieur des enroulements supraconducteurs du rotor Cette structure tubulaire est prévue avec plusieurs canaux d'agent de refroidissement avec un dispositif pour que le refrigérant passe radialement dans l'ecran pour La chaleur rayonnante, Le traverse axialementet sorte par un autre passage radial vers La partie int Srieure du rotor à supra- conduction Le Brevet des Etats Unis d'Amérique NO 4 250 118 décrit des réalisations d'écran pour la chaleur rayonnante. Un objet de l'invention est donc de proposer un écran pour la chaleur rayonnante destiné à une géné- ratrice à supraconduction, qui est conçu pour être fabri- quée de façon sure bien qu'économique. Dansune génératrice à supraconduction normale, les dimensions de L'écran peuvent dépasser > 300 mm en longueur et 7 i O mm en diamètre et, étant donné que l'écran doit être refroidi par plusieurs canaux d'agent de refroidissement situés à L'intérieur de sa paroi cy- lindrique, ces paramètres de conception imposent essen- tie Llement qu'il soit réalisé en deux-coquilles L'assemblage de ces deux coquilles coaxiales doit former un réseau de canaux d'agentde refroidissement effective- ment étanches, et ne doit pas déformer l'écran ni affai- blir son intégrité de structure. Selon l'invention, une machine dynano-électrique comporte un écran pour la chaleur rayonnante constitué par un tube intérieur avec plusieurs rainures axia Les à sa surface cylindrique extérieure, ce tube intérieur com- prenant une premiere et une seconde rainure circonféren- tielle à sa surface cylindrique extérieure, la première rainure circonférentielle étant en communication pour les fluides avec une extrémité axiale de chacune des rainures axiales, la seconde rainure circonférentielle étant en communication pour les fluides avec l'autre extrémité axiale de chacune des rainures axiales, le tube intérieur comportant au moins un trou radial débouchant dans chaque rainure circonférentielle et établissant une communica- tion pour le fluide entre les rainures circonférentielles associées et la surface intérieure du tube intérieure un tube extérieur étant disposé autour du tube intérieur, coaxialement ou concentrique avec lui, ce tube extérieur étant soudé par explosion sur le tube intérieur le long de leurs surfaces cylindriques adjacentes. Il convient qu'un écran pour la chaleur rayon- née, réalisé selon l'invention, comporte un tube cylindri- que intérieur et un tube cylindrique extérieur, associés coaxialement ou concentriquement Le tube intérieur com- porte deux rainures circonférentielles formées à sa sur- face cylindrique extérieure Ces deux rainures circonfé- rentielles sont formées sur le tube intérieur, à une dis- tance axiale prédéterminée l'une de l'autre Plusieurs rainures disposées axialement sont formées à la surface cylindrique extérieure du tube intérieur, chaque rai- nure axiale rencontrant et reliant les deux rainures circonférentie Lles précitées Chaque rainure circonfé- rentielle comporte également au moins un trou radial qui y débouche et qui établit une communication pour le fluide entre lui et la partie intérieure du tube intérieur Un cylindre extérieur est disposé radia Le- ment à l'extérieur du tube intérieur et il est soudé métallurgiquement sur le tube intérieur pour former une structure unitaire d'écran pour la chaleur rayon- née Le tube extérieur enferme la partie extérieure radialement de chacune des rainures précitées et forme donc un réseau fermé de canaux d'agent de refroidisse- ment qui, en son tour, établit une communication pour les fluides entre le trou radial qui rencontre l'une des rainures circonférentielles et le trou radial qui rencontre l'autre rainure circonférentie L Le. De préférence, selon l'inventions, le tube in- térieur et le tube extérieur sont soudés ensemble par explosion Dans le but d'éviter l'affaissement potentiel du tube extérieur dans les rainures du tube intérieur pendant l'opération de soudage par explosion, Les rainu- res peuvent être remplies avec une substance pouvant être éliminée avant l'opération de soudage par explosion afin d'assurer un support local du tube extérieur pendant le soudage En fonction des épaisseurs relatives du tube intérieur et du tube extérieur, l'utilisation de cette substance peut ne pas être nécessaire Mais pour assurer qu'aucun affaissement ne se produit dans la région des rainures précitées, un écran pour la chaleur rayonnante réalisée se Lon l'invention comporte, dans son cadre, une matière solide qui peut être disposée dans Les rai- nures et qui peut en être éliminée après La fin du sou- dage par explosion Cette substance peut être fusible, comme un méta L à bas point, de fusion ou du soufre, ou combustible comme du polystyrène Des expériences ont été faites en utilisant un alliage à bas point de fusion, Cerrotru, qui peut être fondu et élimiiné des canaux de refroidissement après Les opérations de soudage par explosion De même, des pièces encastrées d'acier au carbone ont été utilisées pour assurer un support lo- cal dans la région des canaux de refroidissement et ont été ensu te éliminées par attaque avec un acide Bien entendu, i L est évident que cette technique d'attaque par un acide n'est possible que si les tubes constituant L'écran à la chaleur de rayonnement résistent à. l'acide comme c'est le cas Lorsque Inconel 706 ou Inoonel 718 est utilisé pour la fabrication Après avoir assuré le support Localisé mentionné cidessus, la substance fusible, attaquable ou combustible est éliminée par les trous radiaux précités. L'invention concerne donc un écran pour la cha- leur rayonnante avec un bon contact entre les surfaces adjacentes du tube intérieur et du tube extérieur, assu- rant une excellente conductivité thermique entre elles et évitant les fuites d'agent de refroidissement entre des rainures axiales voisines ou entre le réseau des ca- naux de refroidissement et son environnement, qui est gé- néralement sous vide. Avant l'assemblages le tube intérieur et le tube extérieur peuvent a tre initialement surdimensionné S afin qu'ils puissent être usinés exactement à la dimension vou- lue après les opérations de soudage par explosion De mime, les trous radiaux peuvent tre usinés à nouveau après le soudage par explosion afin de corriger des dé- formations mineures apparaissant pendant l'opération de soudage métallurgique. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparattront au cours de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant au dessin annexé sur lequel La Figure 1 représente une coupe partiel Le d'un écran pour la chaleur rayonnante, et la Figure 2 est une coupe transversale de 1 ' écran de la Fig 1. 2522897 La présente invention se rapporte de façon gé- néra Le aux rotors à supraconduction et plus particuliè- rement, à la fabrication d'un écran pour la chaleur rayonnante, utilisé avec un tel rotor. La Figure 1 représente donc un écran pour la chaleur rayonnante Il comporte un tube intérieur 10 et un tube extérieur 12, disposés coaxialement et concen- triquement Le tube cylindrique intérieur 10 comporte une première rainure circonférentielle 14 et une secon- de rainure circonférentielle 16 formées à sa surface cylindrique extérieure Plusieurs rainures axiales 18 rencontrent ces rainures circonférentielles et éta- blissent entre elles une communication pour les fluides. La rainure circonférentielle 14 comporte un trou radial 20 qui y débouche et qui établit une communication pour les fluides entre elle et la partie inférieure du tube intérieur 10 La seconde rainure circonférentielle 16 comporte un trou radial 22 qui y débouche et qui établit une communication pour les fluides entre elle et la par- tie intérieure du tube intérieur 10 La combinaison de la première et dela seconde rainure circonférentielle 14 et 16 avec les rainures axiales 18 et les trous radiaux 20 et 22 établit une communication pour les fluides entre la partie intérieure du tube intérieur 10 voisine du trou radial 20 et la partie intérieure du tube intérieur 10 voisine du trou radial 22 Le tube intérieur 10 et le tu- be extérieur 12 sont faits d'une matière de grande rigi- dité, comme l'une de celles appeléesdes superalliages qui ont une limite élastique suffisante pour l'utilisation en supraconduction Ces matières comprennent, à titre non limitatif, celles connues par leur nom de marque comme Inconel 706 et Inconel 718 fa matière utilisée doit avoir une limite élastique égale ou supérieure à 90 da N/mm 2 et conserver sa rigidité à des températures cryogéniques d'environ 4 K. Le tube extérieur 12 est soudé par explosion sur le tube intérieur l O pour former un joint extérieur radiaiewent pour les rainures précitées nirconférentiel- 252289 7 6- Les 14 et 16 et axiales 18 -Cette disposition forme un réseau de canaux de refroidissement conduisant un réfri- férant liquide ou gazeux entre des éléments qui sont dis- posés à L'intérieur du tube intérieur 10 à proximité du trou radial 20 et d'autres éléments disposée dans le tube intérieur 10, à proximité du trou radial 22. Avant que le tube extérieur 12 soit soudé par explosion sur le tube intérieur 10, les rainures circon- férentielles 14 et lb et les rainures axiales L 8 peuvent être remplies avec une substance pour éviter que le tube extérieur 12 ne s'affaisse localement dans les rainures à la surface extérieure du tube intérieur O 10 Bien enten- du, cette substance doit pouvoir Etre éliminée aprbs l'opération de soudage par explosion Un écran pour la chaleur rayonnante réalisé selon 1 'invention peut uti- liser une substance fusible comme un métal à bas point de fusion ou du soufre, ou une substance combustible- comme du polystyrène I 1 s'est avéré qu'un alliage à faib Le point de fusion comme le Cerrotru convient De même, de l'acier au carbone a été utilisé expérimentale- ment pour assurer le support local et il a été 6 élimin 6 ensuite par un acide L'attaque par un acide n'est pos- sible que si le cylindre intérieur l Oet le cylindre ex- térieur 12 sont faits d'une matière qui résiste à l Pacide comme Inconel 706 ou lnconel 718 Ces substances spéci- fiques ou d'autres pouvant être éliminées assurent un- support local pour le cylindre extérieur 12 dans la ré- gion des rainures à La surface cylindrique extérieure du tube intérieur 10 pendant l'opération de soudage par ex- plosion, et sont ensuite éliminé par les trous radiaux ou 22 après cette opération. Le soudage par explosion du tube intérieur 10 et du tube extérieur 12 ensemble forme un joint sàr pour les fluides dans les régions extérieures axialemeet L JO et 32 qui se trouvent entre les rainures circonférentiel- les 14 et 16, et l'environnement, et forment également un joint asr pour les fluides dans les régions 40 entre les canaux axiaux 18 voisins. La Figure 2 est une coupe de l'écran de La Figure 1 montrant le tube intérieur 10 et le tulle ex- térieur 12 E Lle montre également les positions radiales relatives des rainures axiales 18 et de la rainure cir- conférentielle 14 Il apparait que le trou radial 20 débouche dans la rainure circonférentielle 14 et établit une communication pour Les fluides entre cette dernière et la partie intérieure du tube intérieur 10 La fig 2, conjointement avec la Fig 1 montre comment un agent de refroidissement neut circuler radialement vers l'ex- térieur par le trou radial 20, circonférentiellement au- tour du tube intérieur dans les rainures circonférentiel- les 14, axialement entre Le tube intérieur 10 et le tube extérieur 12 dans les canaux 18, circonférentiellement autour du canal circonférentiel L 6 et radialement vers l'intérieur par le trou radial 22, formant ainsi un ré- seau pour l'agent de refroidissement qui y circule, pour réduire la température de l'écran pour la chaleur rayon- nante. Pour en revenir à la Fig 1, il est bien en- tendu qu'une soudure étanche pourrait être aussi prévue à la surface de contact du tube intérieur 10 et du tube extérieur 12, à leurs extrémités axiales 50 afin de pré- voir une mesure supplémentaire de sécurité pour l'étan- chéité aux fluides entre le réseau du canaux de refroi- dissement et l'environnement de l'écran qui est généra- lement le vide fais il est bien entendu que dans la plupart des applications, la soudure par explosion des tube intérieur 10 et du tube extérieur 12 assure une étan- chéité suffisante aux fluides dans les régions 30 et 32 entre les rainures circonférentielles et l'environnement de l'écran, de sorte que la soudure étanche précitée n'est généralement pas nécessaire. Il apparait ainsi que l'invention concerne un écran pour la chaleur rayonnante destiné à un rotor à supraconduction, qui est rigide mécaniquement et qui con- tient un réseau de refroidissement. REVENDICATIONS 1,achine dynamo-électrique, caractérisée en ce qu'e Llecomporte un écran pour la chaleur rayon- nante comprenant un tube intérieur (o 10) avec des rainu- res axiales (L 8) à sa surface cylindrique extérieure, j Ledit tube intérieur comportant des premiere et seconde rainures circonférentielles ( 14, Io) asa surface cylin- drique extérieure, ladite premieère rainure circonféren- tielle étant en communication pour Les fluides avec une extré' ité axia Le de chacune desdites plusieurs rainures axiales, Ladite seconde rainure circonférentielle étant en communication pour Les fluides avec L'autre extrdini- té axiale de chacune deedites plusieurs rainures axiales, ledit tube intérieur comportant au moins un trou radial ( 20, 22) débouchant vers chaque rainure circonférentiel- 1 j le et établissant une communication pour les fluides en- tre sa rainure circonférentie Lle associée et La surface intérieure dudit tube intérieur, et un tube extérieur ( 12) disposé autour dudit tube intérieur, coaxialement et concentriquement avec lui, ledit tube extérieur étant soudé par explosion sur ledit tube intérieur le long de leurs surfaces cylindriques ad Jacentes. 2 Machine selon la revendication 1, carac- térisée en ce que lesdites rainures ( 14, 16, 18) sont remplies avec une substance pouvant *tre éliminée avant que ledit tube extérieur soit soudé par explosion sur ledit tube intérieur. 3 lachine selon la revendication 2, carac- térisé en ce que Ladite substance pouvant être éliminée, est éliminée par l'un prédéterminé desdits trous radiaux ( 20, 22). 4 lachine se Lon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte un rotor à supraconduction, ledit rotor comportant un pre- mier tube(l O)avec deux rainures circon Férentie Lles ( 1 s, 3 j I) àsa surface cylindrique extérieure, lesdites rainures circonférent elles étant disposées à une distance axiale prédéterminée L'une de l'autre, ledit premier tube comportant plu sieurs rainures axiales (l 8) à sa surface cylindrique extérieure, chacune desdite plusieurs rainures axiales débouchant dans chacune desdites deux rainures circonférentie L Les et établissant une coamunii- cation pour les fluides entre lesdites deux rainures circonférentielles, un second tube (l 2) disposé autour dudit premier tube, coaxiatement avec lui, ledit second tube étant soudé par explosion sur ledit premier tube, et ledit premier tube comportant un trou radial ( 20, 22) débouchant dans chacune desdites rainures circonféren- tielles et établissant une communication pour Les fluides entre chacune desdites rainures circonférentielles et La partie intérieure dudit premier tube. Machine selon la revendication 4, caracté- risée en ce que lesdites rainures circonférentielles ( 14, 16) et lesditesrainures axiales (i S) sont remplies avec une substance susceptible d'éviter que ledit second tube soit déformé dans lesdites rainures circonféren- tielles et axiales quand Ledit second tube est soudé par explosion sur ledit premier tube, ladite substance pou- vant être éliminée par l'un prédéterminé desdits trous radiaux. 6 'lachine selon la revendication 5, caracté- risé en ce que ladite substance est choisie dans un groupe comprenant un métal à bas point de fusion, Ou du polystyrène ou du soufre, ou une matière susceptible d'être attaquée par un acide. 7 Procédé de fabrication d'un écran pour la chaleur rayonnante d'une génératrice à supraconduction, procédé caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à préparer une première pièce tubulaire( 10), à former deux canaux circonférentiels (l 4, lb) à la surface cy- lindrique extérieure de ladite première pièce tubulaire, lesdits canaux circonférentiels étant positionnés à un, distance axiale prédéterminée l'un de l'autre, à formnner plusieurs canaux axiaux (l 8) dans la surface cy- lindrique extérieure de Ladite première pièce tubulaire chacun desdits plusieurs canaux axiaux débouchant dans chacun des deux canaux circonférentiels et établissant une communication pour les fluides entre Lesdits deux canaux circonférentiets, à former deux trous radiaux ( 20, 22) à travers la paroi de ladite première pièce tu- bulaire, L'un des deux trous débouchant dans l'un prédé- terminé desdits deux canaux circonférentiels, et l'autre desdits deux trous débouchant dans l'autre desdits deux canaux circonférentiels, à disposer une seconde pièce tubulaire ( 12) autour de ladite première pibce tubulaire et coaxiatement avec elle, et à souder par explosion les- dites première et seconde pièces tubulaires ensemble. 8 Procédé selon La revendication 7, caracté- risé en ce qu Oil consiste en outre un remplir Lesdits canaux axiaux ( 18) et circonférentiels ( 14, b 16) avec une substance pouvant être éliminée avant L'opération de sou- dage par explosion et à éliminer ladite substance pouvant être éliminée après ladite opération de soudage par ex- plosion - 9 Procédé selon la revendication 8, caracté- risé en ce qu'il consiste en outre à éliminer ladite sub- stance pouvant ôtre éliminée par l'un prédéterminé des- dits deux trous radiaux. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 7 à 9, caractérisé en ce que ladite substance est choisie dans un gropwecomprenant une substance à bas points de fusion, ou combustible, ou pouvant être élimi- née avec un acide, ou du soufre ou du polystyrène.