Brevet FR2514964A1 — publié le 19830422

La présente invention concerne un rotor pour une turbo- génératrice d'au moins 20 MVA, comprenant un corps de rotor en une matière magnétique et un enroulement rotorique supporté par ce corps de rotor, ce corps de rotor comprenant une partie cylindrique circulaire dans lequel sont formées plusieurs enco- ches d'enroulement dirigées axialement, ainsi qu'une première et une seconde partie d'arbre, s'étendant chacune à partir de l'une des extrémités de la partie cylindrique, des conducteurs d'alimentation pour le courant d'excitation de la génératrice étant diposés dans deux passages de conducteurs percés dans le corps de rotor, ces passages parcourant dans sa majorité la première partie d'arbre Un rotor de ce genre est décrit dans l E mémoire du brevet des Etats-Unis no 3 131 321. Dans le rotor connu, chacun des deux conducteurs d'ali- mentation, raccordé à l'enroulement rotorique, présente un segment disposé parallèlement à l'axe central du rotor en direction axiale et au voisinage immédiat de celui-ci, ce seg- ment étant en connexion électrique directe avec un premier segment dirigé radialement qui est disposé dans une forure orientée radialement A partir de ce segment radial, la con- nexion électrique se poursuit sous la forme d'un conducteur dirigé radialement, qui est encastré dans l'arbre du rotor et qui se prolonge finalement par un second segment de conducteur dirigé vers l'extérieur en direction radiale et raccordé à un point de la partie de l'enroulement rotorique qui est entourée par une capsule d'enroulement Lorsque la vitesse du rotor croit de zéro à sa valeur maximale, le diamètre de la capsule d'enroulement augmente de façon appréciable, par exemple de mm, sous l'influence des forces centrifuges,-et on peut ad- mettre que le second segment radial de conducteur précité, de même que des segments de conducteur correspondants d'autres rotors connus, est raccordé à l'enroulement rotorique par un élément conducteur souple Celui-ci est également sollicité par des mouvements d'amplitude relativement petite, mais de haute fréquence, à savoir des mouvements résultant essentiellement du fléchissement de la première partie d'arbre, c'est-A- dire de la partie d'arbre qui n'est pas raccordée à la turbine d'entraînement. Il s'est révélé très difficile d'établir une connexion souple qui soit suffisamment fiable entre l'enroulement rotori- que et le système d'alimentation en courant de l'enroulement rotorique, et il a été constaté fréquemment qu'une rupture due à la fatigue se produisait dans l'élément conducteur souple mentionné ci-dessus au bout d'un certain temps de fonctionne- ment En cas d'interruption totale, il est engendré un arc qui produit un chauffage nuisible de la capsule d'enroulement, ce chauffage pouvant à son tour être à l'origine de dégâts très sérieux. Il existe aussi des exemples o les passages de conduc- teurs percés radialement dans l'arbre du rotor ont provoqué en constituant des points faibles une rupture de l'arbre. En utilisant un modèle de rotor suivant l'invention, on élimine les inconvénients évoqués ci-dessus Ce rotor est ca- ractérisé par le fait que les passages de conducteurs s'éten- dent axialement à travers une partie au moins de la partie cylindrique circulaire, tout en divergeant en direction axiale vers la seconde partie d'arbre. L'invention sera décrite ci-après en référence aux dessins schématiques annexés. Les figures 1, 2, 3 et 4 représentent, de manière extré- *mement simplifiée, quatre formes de réalisation différentes d'un rotor suivant l'invention. La figure 5 est une vue latérale d'une partie du rotor représenté sur la figure 1, sans enroulement rotorique ni capsule d'enroulement associée. La figure 6 représente le même rotor en une vue d'extré- mité perpendiculaire au plan VI-VI de la figure-5. Les figures -7 a et 7 b sont des vues en coupe, faites suivant la ligne VII-VII de la figure 1. La figure 8 représente une partie du rotor de la figure 1 en une vue en coupe axiale partielle, faite suivant la ligne VIII-VIII de la figure 7 a. La figure 9 est une vue en coupe partielle, faite suivant la ligne IX-IX de la figure 8, une surface de coupe cylindrique qui est coaxiale avec la surface de l'entrefer étant déployée dans un plan. Les figures 10, Il et 12 sont des vues en coupe partiel- les du rotor, faites respectivement suivant les lignes X-X, XI-XI et XII-XII de la figure 8. Les figures 5, 6, 7 a, 8, 9, 10, 11 et 12 se rapportent à une première variante du rotor, représentée sur la figure 1 La figure 7 b illustre une seconde variante de ce rotor, en une vue en coupe suivant la ligne VII-VII de la figure 1. Sur les dessins, les numéros 1, 1 ', 1 " et 1 "' désignent quatre forme de réalisation différentes d'un rotor suivant l'invention Dans tous les cas, le rotor comporte un corps de rotor en acier massif, comprenant une partie cylindrique circu- laire dans l'ensemble, désignée respectivement par 2, 2 ', 2 " et 2 "' et dans laquelle sont formées plusieurs encoches d'en- roulement qui s'étendent axialement sur toute la longueur de cette partie Une première partie d'arbre 4, 4 ', 4 ", 4 "' et une seconde partie d'arbre 5, qui font partie intégrante du corps de rotor, s'étendent chacune à partir de l'une des extré- mités de la partie cylindrique, la seconde partie d'arbre étant munie d'une bride 7 pour son raccordement à une turbine Les extrémités d'enroulement (non représentées) du rotor sont entourées, à chaque extrémité du rotor, par une capsule d'enrou lement 6 qui est fixée par serrage à chaud sur la partie cylin- drique. Dans le texte qui suit, on commencera par décrite avec plus de détails le rotor représenté sur les figures 1, 5, 6 7 a, 8, 9, 10, Il et 12 Le rotor 1 reçoit son courant d'exci- tation d'un groupe d'alimentation qui est raccordé mécaniquement (par des moyens non représentés) à la partie d'arbre 4, ou au moyen de bagues glissantes disposées sur cette partie d'arbre. Le courant d'excitation est fourni à l'enroulement rotorique par deux conducteurs d'alimentation 8 et 9 qui parcourent la totalité de la partie d'arbre 4, ainsi que la totalité de la partie cylindrique 2 du rotor et qui sont connectés électrique- ment aux extrémités de bobine de l'enroulement rotoriqde, si- tuées au niveau de la partie-d'arbre 5 Chacun des conducteurs d'alimentation 8 et 9 est isolé et disposé dans un passage de conducteur rectiligne, 10 et 11 respectivement, percé dans le corps de rotor Ces passages sont percés chacun d'un côté d'une forure centrale 26 qui comprend une conduite d'admission et une conduite de retour (non représentées) pour l'eau de refroi- dissement qui circule à travers les conducteurs de l'enroulement rotorique Les deux passages de conducteurs divergent l'un par rapport à l'autre en direction de la partie d'arbre 5 Les pro- jections des passages dans un plan axial se coupent selon un angle d'au moins 7 , de préférence au moins i 0, si l'on prend le plan axial qui donne l'angle maximal d'intersection La fraction de la partie cylindrique 2 du corps de rotor qui est parcourue par les passages de conducteurs 10 et 11 a une éten- due axiale qui constitue de préférence 20 à 70 % de la longueur des encoches. Le rotor 1 comporte douze encoches d'enroulement 13 et de six encoches auxiliaires, sous forme d'encoches d'équilibrage 14, qui sont-disposées de façon connue en soi pour réduire la différence entre des moments d'inertie différents de la section du rotor et pour éviter ainsi les fréquences de résonance dange- reuses du rotor Les encoches 13 et 14 sont réalisées avec une seule et même largeur d'encoche et chacune d'entre elles est munie d'une cale d'encoche, formée de plusieurs cales partielles disposées à la suite l'une de l'autre en direction axiale. Les passages de conducteurs percés 10 et 11 débouchent chacun dans l'une de deux encoches d'équilibrage 14 qui sont opposées diamétralement ou presque diamétralement l'une à l'au- tre, et les conducteurs d'alimentation 8 et 9 se poursuivent dans une encoche d'équilibrage 14 chacun La partie d'un conduc- teur d'alimentation qui est située dans une encoche d'équili- brage est construite, sur la majeure partie de sa longueur, de la même manière que la partie du conducteur située dans le passage percé, c'est-àdire avec une section circulaire et avec deux tubes 16 d'eau de refroidissement, serrés entre deux moitiés de condcteur, ainsi qu'avec une couche isolante 17 qui entoure le tout Dans l'encoche 14, la partie circulaire du conducteur est pincée entre un corps de garnissage interne 18 et un corps de garnissage externe 19 au moyen d'un disposi- tif de pression, en soi connu, constitué par un tube métallique aplati 20, rempli d'une résine époxy qu'on a laissé se solidi- fier sous une pression d'au moins 100 bars Les deux corps de remplissage 18 et 19 sont faits d'acier massif, 18 en acier magnétique et 19 en acier non magnétique Quatre des six enco- ches d'équilibrage 14 sont réalisées de manière classique, avec une profondeur constante sur toute leur longueur, et elles sont remplies de corps de garnissage en fer, les deux encoches d'é- quilibrage restantes, contenant chacune un conducteur d'alimen- tation, sont réalisées avec une profondeur réduite sur une peti- te fraction de leur longueur, à savoir des deux côtés du point o le passage de conducteurs percé débouche dans l'encoche. A l'extrémité de la partie 2 du rotor munie d'encoches à partir de laquelle s'étend la partie d'arbre 5, les corps de garnissage 18 et 19 sont remplacés dans une mesure importante par un remplissage sous la forme d'une pile de lamelles 21 constituée par plusieurs feuilles électriquement isolantes de stratifié de fibres de verre,ainsi que par un faisceau 22 de courtes barres de cuivre ayant la même dimension que les barres de cuivre parcourues par le courant qui s'étendent dans les encoches d'enroulement et le conducteur d'alimentation 8 a, à ce niveau, une section rectangulaire et approximativement la même largeur que ces barres A l'aide d'un raccord 23 en T, la partie rectangulaire du conducteur 8 d'alimentation en courant est raccordée hydrauliquement, à l'extérieur de la partie munie d'encoches du rotor en direction axiale, à deux conducteurs, 24 et 25 respectivement, faisant partie de l'enroulement roto- rique et munis chacun d'un conduit de refroidissement Les sens de circulation de l'eau de refroidissement sont indiqués par des flèches sur la figure 9 La ligne discontinue P-P indique le milieu du pôle Le conducteur 24 n'est jamais parcouru par le courant; il n'a qu'un rôle strictement hydraulique Le con- ducteur 25 constitue l'une des extrémités d'un groupe de bobi- nes, dans lequel six bobines de rotor sont montées en série entre elles et connectées aux conducteurs d'alimentation en courant 8 et 9, le conducteur d'alimentation 9 étant disposé dans l'une des encoches d'équilibrage 14 et raccordé à l'en- roulement rotorjque de la même manière que le conducteur d'ali- mentation 8. Etant donné que les conducteurs d'alimentation 8 et 9 sont serrés dans les encoches d'enroulement de la même manière que les parties dirigées axialement de l'enroulement rotorique, ils prennent part aux oscillations du corps de rotor de la même manière que ces parties, ce qui fait que ces oscillations ne produiront pas de déformations variables appréciables des con- ducteurs d'alimentation des raccords 23 interposés entre les conducteurs d'alimentation et l'enroulement rotorique. Le faisceau 22 composé de courtes barres de cuivre peut être remplacé par un corps de remplissage de type différent, mais le faisceau représenté est considéré comme donnant de meilleurs résultats, eu égard au fait qu'à l'aide du faisceau, on obtient des conditions qui présentent de grandes similitudes avec celles qui existent dans une encoche d'enroulement. D'après la figure 8, la partie rectangulaire du conducteur d'alimentation 8 est disposée dans la pile de lamelles 21 et elle présente unedouble courbure Il est également possible, avec de bons résultats, de donner une forme complètement recti- ligne à la partie du conducteur située dans l'encoche. S'il est souhaitable, pour une raison quelconque, de réaliser le rotor sans encoches d'équilibrage dirigées axiale- ment, il est possible comme le montre la figure 7 b d'utili- ser, à la place des passages de conducteurs 10 et 11 ci-dessus décrits, percés dans le corps de rotor, des passages de conduc- teurs percés 10 ' et 11 ' qui ont approximativement la même lon- gueur que les passages 10 et l et qui débouchent chacun dans une encoche d'enroulement 13, les deux encoches d'enroulement étant pratiquement opposées diamètralement l'une à l'autre. Aussi bien dans le cas illustré par la figure 7 a que dans celui de la figure 7 b, les passages de conducteurs percés sont dis- posés de telle manière que la distance entre eux ait sa valeur minimale dans la région de la partie d'arbre 4 qui est entouréE par le palier de rotor On réduit ainsi le risque que des flux magnétiques, engendrés par les conducteur d'alimentation, don- nent lieu à des courants électriques nuisibles dans le palier par induction. Dans le rotor représenté sur la figure 2, les conducteurs d'alimentation 8 ' et 9 ' sont disposés dans des passages de conducteurs percés qui s'étendent d'un bout à l'autre de la partie d'arbre 4 ' et d'un bout à l'autre de la partie de rotor 2 ' munie d'encoches Cela entraîne une complication, dans la mesure o les trous percés deviennent ainsi très longs Par contre, les exigences de précisions sont moins sévères que dans la forme de réalisation représentée sur la figure 1, puisque le passage de conducteurs percé ne doit pas déboucher dans une encoche. La forme de réalisation représentée sur la figure 3 diffère de celle de la figure 1 par le fait que les projections des passages de conducteurs percés, dans un plan axial, ne se coupent pas La forme de réalisation représentée sur la figure 4 diffère de la même manière de celle de la figure 2. Outre les formes de réalisation représentées sur les dessins, l'invention concerne également des rotors dans lesquel les conducteurs disposés dans les passages 10 et 11, après avoi débouché dans des encoches axiales correspondantes, s'étendent le long de celles-ci dans un sens qui est opposé au sens repré- senté sur la figure 8, les conducteurs étant raccordés à l'en- roulement approximativement de la manière représentée sur la figure 8, mais à l'extrémité du rotor o la partie d'arbre 4 s'étend à partir de la partie à encoches du corps de rotor. Dans le cas o les passages de conducteurs sont disposés de façon à déboucher dans une encoche d'enroulement, par exemple de la imême manière que les passages 10 ' et 11 ' représer tés sur la figure 7 b, les conducteurs d'alimentation 38 et 39 qui parcourent les passagespeuvent passer le long de l'en- coche d'enroulement dans un sens ou dans l'autre et être raccoi- dés à l'enroulement à peu près de la même manière que le con- ducteur d'alimentation 8 représentés sur la figure 8, ou chacun des conducteurs-d'alimentation peut être raccordé à l'enroule- ment rotorique à l'intérieur d'une encoche d'enroulement correspondante. Le rotor décrit en référence aux figures 1, 5, 6, 7 a, 8, 9,10, 11 et 12 est destiné à être refroidi par refroidissement direct à l'eau Mais un rotor suivant l'invention peut être aussi bien réalisé sans conduits de refroidissement dans l'en- roulement. Un rotor suivant l'invention est réalisé d'habitude avec au moins vingt-quatre encoches d'enroulement - REVENDICATIONS 1 Rotor pour turbogénératrice d'au rmoins 20 MVA, compre- nant un corps de rotor en une matière magnétique et un enroule- ment rotorique supporté par ce corps de rotor, ce corps de rotor comprenant une partie cylindrique circulaire dans l'ensem- ble ( 2; 2 '; 2 "; 2 "') présentant plusieurs encoches d'enroulement ( 13) dirigées axialement, une première partie d'arbre ( 4; 4 '; 4 "; 4 "'), une seconde partie d'arbre ( 5), cette seconde partie d'arbre ( 5) étant équipée de moyens de raccordement ( 7) à une turbine, deux conducteurs d'alimentation ( 8, 9; 38, 39; 8 ', 9 ') pour le courant d'excitation de la turbogénératrice, les parties d'arbre s'étendant à partir d'extrémités différentes de la partie cylindrique circulaire, les conducteurs d'alimen- tation étant disposes individuellement dans deux passages de conducteurs percés dans le corps de rotor ( 1; 1 ', 1 ", 1 "')et s'étendant axialement sur la majorité de la longueur de la première partie d'arbre, caractérisé en ce que les passages de conducteurs ( 10, 11; 10 ', 11 ') s'étendent axialement à travers une partie au moins de la partie cylindrique circulaire 2; 2 '; 2 "; 2 "') du rotor, tout en divergeant en direction axiale vers la seconde partie d'arbre ( 5). 2 Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conducteurs d'alimentation ( 8, 9; 38, 39; 8 ', 9 ') sont raccordés à l'enroulement rotorique à l'extérieur des encoches d'enroulement ( 13) en direction axiale et au voisinage de la seconde partie d'arbre ( 5). 3 Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que les passages de conducteurs débouchent chacun dans une encoche dirigée axialement ( 14; 13), pratiquée dans la partie cylin- drique est munie d'une cale d'encoche, les deux conducteurs d'alimentation ( 8, 9; 38, 39), outre qu'ils sont placés dans les passages de conducteurs ( 10, 11; 10 ', Il'), étant disposés chacun dans l'une de ces encoches. 4 Rotor selon la revendication 3, caractérisé en ce que les conducteurs d'alimentation sont raccordés à l'enroulement rotorique au voisinage de la première partie d'arbre ( 4; 4 "). Rotor selon la revendication 3, caractérisé en ce que les encoches dans lesquelles débouchent les passages de conduc- teurs sont deux encoches d'enroulement ( 13) qui sont pratique- ment opposées diamétralement l'une à l'autre. 6 Rotor selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'outre les encoches ( 13) dans lesquelles l'enroulement est placé, le rotor est muni de deux encoches auxiliaires ( 14) qui sont pratiquement opposées diamétralement l'une à l'autre, et en ce que ces encoches auxiliaires constituent les encoches dans lesquelles débouchent les passages de conducteurs ( 10, 11). 7 Rotor selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fraction de la partie cylindrique ( 2) qui est parcourue par les passages de conducteurs ( 10, 11; 10 ', 11 ') constitue 20 à de la longueur de cette partie.