Brevet FR2613148A1 — publié le 19880930

i DISPOSITIF DE PRECONTRAINTE DU PAQUET ANNULAIRE DES TOLES DU CIRCUIT STATOR D'UN GENERATEUR ELECTRIQUE DE GRANDES DIMENSIONS L'objet de la présente invention consiste en un disposi- tif de précontrainte de traction du paquet annulaire des tôles du circuit stator d'un générateur électrique de grande dimen- sion. Lors de la conception des grands générateurs électriques lents à axe vertical, il est nécessaire d'adopter des solu- tions convenables en ce qui concerne la structure en vue de surmonter les problèmes liés aux grandes dimensions géométri- ques typiques de cette famille de générateurs. Le concepteur des parties stator et rotor doit garder à l'esprit non seule- ment leur état de tension mais également leur état de déforma- tion. Un des problèmes fondamentaux et typiques de cette nature est le problème concernant les ondulations dues aux charges de pointe (flambage) des tôles du circuit stator. Les dimensions géométriques accrues résultent de l'accroissement de la puissance et du nombre de pôles rendent les tôles du circuit stator de ces machines de plus en plus sensibles à ce phénomène, du fait que l'augmentation du diamètre moyen ne s'accompagne pas d'une augmentation correspondante des dimen- sions radiales. Le stator est constitué par un empilage de tôles minces disposées en couches superposées, chacune étant analogue à une couronne annulaire. Pendant le fonctionnement, elles sont soumises à un système de forces qui provoque des contraintes de compression. Du fait que ces contraintes, même de nature limitée, peuvent devenir dangereuses pour les tôles du point de vue du flambage, la conception mécanique du stator doit tenir particulièrement compte de l'état de contrainte des tôles dans toutes les conditions de fonctionnement. On décrit dans ce qui suit les forces qui peuvent provo- quer le flambage des tôles du circuit stator. Les différentes conditions de température qui peuvent intervenir dans les tôles du stator et dans l'enveloppe ou carcasse pendant le fonctionnement peuvent provoquer le flambage des tôles. Il est bien connu que le stator étant le siège de pertes électro- magnétiques, les tôles du circuit stator ont une température moyenne de fonctionnement plus élevée que l'enveloppe ou carcasse qui n'est chauffée qu'indirectement par l'air qui passe dans les conduits de ventilation. Les tôles du circuit stator tendent, de ce fait, à se dilater radilament plus que l'enveloppe, et ne sont exemptes de contraintes que si cette dernière ne crée pas une contrainte qui les empêche de se dilater librement. Si, d'autre part, l'enveloppe les empêche de se dilater librement, c'est-à-dire forme un frettage autour d'elles, les forces réciproques des contraintes tôles-enveloppe qui s'exercent selon une direction centrifuge sur l'enveloppe et selon une une direction centripète sur les tôles, conduit à une contrainte tangentielle de compression sur ces dernières. Cette contrainte est d'autant plus importante que la température est plus élevée et que la rigidité radiale de l'enveloppe augmente. Cela tient également du fait que cet effet de frittage est accru si l'enveloppe n'est pas libre de se dilater radia- lement sur ses fondations, c'est-à-dire si la contrainte créée par la fondation de l'enveloppe empêche totalement ou partiel- lement la dilatation thermique engendrée par la température. Sans interférer avec les autres conditions, l'état de compression des tôles du circuit stator peut être réduit en réalisant l'enveloppe de façon à diminuer sa rigidité radiale. Cet apport, cependant, ne peut pas dépasser une certaine limite du fait que l'enveloppe doit être capable de résister sans déformation sérieuse et de transmettre aux fondations la force tangentielle due au couple électromagnétique pendant le fonctionnement normal et celle due aux couples électromagnéti- ques transitoires causés par des courts-circuits ou des mises en parallèle erronées. La traction magnétique entre le rotor et le stator est une autre cause d'ondulation de ces tôles. Celle-ci agit en direction centripète sur les intrados des tôles et, de ce fait, engendre une contrainte de compression tangentielle. De ce point de vue, la contrainte tôles-enveloppe agit de façon opposée à celle décrite plus haut, c'est-à-dire qu'elle réduit l'état de compression des tôles; l'action réciproque entre les tôles et l'enveloppe s'exerce en direction centrifuge sur les extrados des tôles. Il n'est pas facile de déterminer par des calcules théoriques la contrainte de compression tangentielle qui fait amorcer le flambage. En fait, en plus de sa sensibilité aux dimensions géométriques du circuit magnétique, le phénomène peut être conditionné même de façon décisive par d'autres facteurs tels que, par exemple, l'épaisseur des tôles, la pression avec laquelle elles sont maintenues ensemble et qui peut, cependant, varier au cours de la durée de vie de la machine, le pas circonférentiel des tirants de traction for- mant clavette. La nature sérieuse du phénomène est évidente: le circuit magnétique perd sa compacité radiale et des dom- mages peuvent être causés aux bobinages. De ce fait, le stator doit être conçu dans le but d'éli- miner la cause qui est à l'origine de ce phénomène et, de ce fait, dans le but de maintenir l'état de compression des tôles du circuit magnétique à un faible niveau. Il est, de ce fait, nécessaire d'assurer la libre dila- tation thermique du stator sur ses fondations, d'éliminer ou au moins de minimiser l'effet de frittage exercé sur le cir- cuit magnétique par l'enveloppe et de réduire la contrainte due à la traction magnétique. Selon la présente invention, la réduction de la contrain- te de compression due à la traction magnétique et l'élimina- tion de l'effet de frittage de l'enveloppe sur le circuit stator due à la différence de température entre le circuit magnétique et l'enveloppe ont été obtenues grâce à une "mise sous précontrainte de traction" des tôles du circuit stator. Cette disposition est possible si les tôles du circuit stator sont assemblées sur le site selon un processus continu de telle façon qu'il n'existe aucune discontinuité tangentielle comme il s'en produit dans les stators assemblés en atelier et transportés par secteurs. Une fois les différents secteurs de l'enveloppe assem- blés sur le site et accouplés entre eux de façon à fournir une continuité de structure, les tôles du circuit stator peuvent être assemblées. Pendant cette opération qui s'effectue de façon traditionnelle, le point de référence pour un position- nement radial et tangentiel correct des tôles du noyau est assuré grâce à des tirants de traction formant clavettes préalablement fixées et réparties de façon uniforme sur la circonférence du bord intérieur des parois de forme annulaire de l'enveloppe, au moyen des dispositifs d'ancrage selon l'invention. Chacun des dispositifs d'ancrage ou moyens d'application de la précontrainte comporte une plaque de base soudée à la paroi de l'enveloppe et un support qui coulisse horizontale- ment en direction radiale par rapport à ladite plaque. Le support peut être fixé à la plaque au moyen de vis convena- bles. Chaque support comporte également des bras analogues à des pinces, aptes à s'accrocher sur des ailettes ou nervures du tirant de traction formant clavette, du côté opposé à ces ailettes, et comporte une nervure du type en queue d'aronde susceptible d'être insérée dans un logement correspondant situé sur les extrados des tôles du circuit stator. Des moyens mécaniques convenables susceptibles d'exercer une traction vers l'extérieur sur les supports permettent la prise en traction des tôles du circuit magnétique. Les extrados des tôles du circuit magnétique comportent une série de gorges ou rainures axiales réparties de façon uniforme sur la circonférence des tôles. Un tirant de traction formant clavette du type décrit plus haut est inséré dans chacun de ces passages pour clavette. Chacun des tirants de traction formant clavette est accroché et tiré vers l'exté- rieur du circuit magnétique, c'est-à-dire dans une direction centrifuge, par un nombre convenable de dispositifs d'ancrage selon l'invention et qui, pour chaque tirant de traction formant clavette, sont en nombre égal au nombre de bords annulaires en tôle métallique formant les nervures horizon- tales de l'enveloppe du stator. Le nombre de dispositifs d'ancrage selon l'invention est donc égal au nombre des tirants de traction formant clavette multiplie par le nombre de bords annulaires en tôle métallique formant l'enveloppe du stator. D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'inven- tion apparaîtront à la lecture de la description qui va sui- vre, faite à titre non limitatif et en regard du dessin an- nexé, o: - la figure 1 montre une section transversale verticale de l'enveloppe et des tôles du circuit stator d'un grand générateur électrique équipé des dispositifs d'ancrage selon l'invention; - la figure 2 montre un des dispositifs d'ancrage déjà représenté à la figure 1, mais à plus grande échelle, l'épaisseur des tôles n'est pas à l'échelle mais agrandie en vue de les montrer plus clairement; - la figure 3 est une vue en plan du dispositif d'ancrage de la figure 2; - la figure 4 montre en plan le dispositif mobile qu'il faut utiliser pour la mise en précontrainte de traction des tôles du circuit stator et qui peut être appliqué, successivement dans un ordre convenable, aux dispositifs d'an- crage selon l'invention; - la figure 5 montre un diagramme des forces qui se développent entre les tôles et l'enveloppe; - la figure 6 est similaire à la figure précédente, mais se rapporte aux forces qui se développent entre les tôles et l'enveloppe et qui sont dues à l'effet de la traction magnétique exercée par le rotor sur les tôles du circuit stator. En se rapportant aux figures ci-dessus, la référence 10 indique une section transversale radiale de l'enveloppe de stator, constituée par une série de plaques annulaires 11A à 11F reliées les unes aux autres au moyen d'un anneau cylin- drique 12 sur leurs extrados. Dans un but de simplification, on n'a pas représenté sur la figure de plaques de raidissement radiales. L'enveloppe annulaire 10 est portée par une emba- se 13, représentée seulement de façon schématique. La référence 20 représente le stator, constitué de séries de tôles superposées, munies à des intervalles cir- conférentiels réguliers, de gorges ou rainures 21 à section transversale en forme de queue d'aronde (voir figure 3) et dans laquelle sont insérées des nervures complémentaires ou conjuguées 31. Chaque tirant de traction formant clavette 30 est supporté et tiré vers l'extérieur selon une direction centrifuge par un nombre convenable de dispositifs d'ancra- ge 40, qui constituent l'objet de la présente invention, qui sont à leur tour fixés sur les plaques annulaires 11 de l'en- veloppe 10, et qui dépassent radialement en direction de l'intérieur du bord intérieur desdites plaques annulaires 11. Selon le mode de réalisation préféré de l'invention, comme représenté sur les figures, pour chaque tirant de trac- tion formant clavette 30, il est prévu autant de dispositifs d'ancrage 40 qu'il y a des plaques annulaires 11 dans l'enve- loppe 10. Dans le cas représenté sur la figure, les plaques annulaires de l'enveloppe 10 sont au nombre de six, 11A, liB, 11C, 11D, 11E et 11F. On va se référer plus loin à cet exemple particulier de mode de réalisation en vue d'illustrer le processus de mise en précontrainte de traction qu'il faut suivre. Comme on le sait, chaque tirant de traction formant clavette se termine à ses deux extrémités par des embouts filetés 32 sur lesquels sont vissés des écrous 33. Grâce aux supports radiaux 34 et aux secteurs annulaires 35, ces écrous permettent de serrer ensemble axialement les tôles du noyau du stator. Chaque dispositif d'ancrage 40 est constitué par une plaque de base 41, soudée à une des plaques annulaires 11 de l'enveloppe 10. La plaque de base 41 comporte un rebord ou flasque vertical 42 placé à son extrémité externe par rapport à l'axe du stator. La plaque de base 41 est munie d'un trou fileté vertical 43. Le rebord vertical 42 comporte deux trous traversants 44. Sur la plaque de base 41 repose un support 51 en forme de U et qui comporte, en direction centrifuge par rapport à l'enveloppe, deux bras 52 en forme de pinces qui délimitent une surface 53 susceptible de maintenir radialement le tirant de traction formant clavette 30 au moyen de deux ailettes ou nervures 52 que comporte cette dernière dans une direction opposée à la queue d'aronde 31. Le support 51 comporte un trou vertical 54 de plus grand diamètre convenablement plus élevé que celui du trou verti- cal 43 de la plaque de base 41 pour laisser passer une tige de vis. Le côté externe radial du support 51 est également muni de deux trous taraudés horizontaux 56 situés radialement par rapport à l'enveloppe et alignés avec les trous 44 du rebord vertical 42 de la plaque de base 41. Une vis verticale 55 traverse le trou 54 situé dans le support 51, avec un certain jeu et est vissée dans le trou fileté 43 de la plaque de base 41. Deux vis radiales 57 traversent les trous 44 du rebord vertical 42 de la plaque de base 41 avec un certain jeu et sont vissées dans les trous taraudés 56 du support 51. Le support 51 est muni d'ailes ou nervures 58 qui font saillie circonférentiellement par rapport au stator, et qui permettent l'application d'un outil pour tirer dans une direc- tion centrifuge par rapport au stator. Cet outil peut avoir une configuration identique à celle représentée à la figure 4 et constituer un extracteur en forme de U monté avec des griffes tournées vers l'intérieur de ses bras 62 et aptes à s'accrocher sur les ailes 58 du support 51. Un vérin 64 placé entre l'organe ou barre transversal 63 de l'extracteur 60 et le côté externe du rebord vertical 42 de la plaque de base permet d'exercer une force centrifuge sur la série de tôles 20. Cette force exercée par le vérin 64, pen- dant l'opération de mise en précontrainte de traction, est transmise aux tôles 20 par la chaîne d'éléments 58, 51, 52, 32, 30, 31, 21. La mise en précontrainte de traction des dispositifs d'ancrage selon l'invention doit être exécutée à la suite d'une compression axiale des tôles 20 et du serrage du tirant de traction formant clavette 30 au moyen des écrous 33, et doit être exécutée selon la séquence d'opérations suivante: (1) les écrous 55 sont desserrés jusqu'à ce qu'un jeu verti- cal convenable, par exemple 3 mm, soit obtenu entre le support 51 et la tête de la vis 55; (2) en utilisant une clé dynamométrique, on applique un couple de serrage initial est appliqué à chaque vis 57 de tous les dispositifs d'ancrage 40. Pendant cette opération, les écrous de blocage 59 doi- vent être desserrées. L'opération doit être exécutée par un nombre de personnes convenable, par exemple 6 répar- ties uniformément sur la circonférence et qui serrent simultanément les vis 57. Chaque opérateur doit prendre soin de serrer le disposi- tif d'ancrage 40 de la partie du stator qui le concerne. Si les opérateurs sont au nombre de six comme suggéré plus haut, chacun d'eux s'occupera de serrer un sixième des dispositifs d'ancrage. La séquence du serrage s'exécute selon des plans ra- diaux, et dans chaque plan elle consiste à serrer suc- cessivement les vis 57 des dispositifs associés aux plaques annulaires 11A, 11F, 11B, 11E, 11C et 11D. Le groupe d'opérateurs s'occupe ensuite des dispositifs d'ancrage du tirant de traction adjacent formant cla- vette. (3) Après le serrage préliminaire des vis 57 en utilisant des clés dynamométriques, on réalise la mise en pré- contrainte de traction finale des tôles 20 du circuit stator en utilisant l'équipement 60 représenté sur la figure 4. Si, comme proposé plus haut, le serrage est effectué par six hommes agissant simultanément et répartis de manière uniforme sur la circonférence, la mise sous tension ou en traction des dispositifs de serrage au moyen de l'équipement représenté à la figure 4, suivra selon la même séquence que celle décrite pour la mise en précon- trainte décrite sous le point (2) ci-dessus. Une charge convenable est appliquée au vérin 64. Tandis que le vérin est mis en charge comme indiqué ci-dessus, les vis 57 et les écrous de blocage 59 sont serrés définitivement en utilisant une clé dynamométrique. Enfin, toujours en utilisant une clé dynamométrique, on serre les vis 55. Une fois cette opération exécutée sur l'ensemble de l'équipement d'ancrage, le circuit magnétique 20 est élasti- quement déformé vers l'extérieur et, de ce fait, placé dans un état de contrainte de traction tangentielle. L'enveloppe 10, dont la rigidité radiale est utilisée pour assurer la mise en précontrainte de traction des tôles 20 du circuit magnétique, reste d'autre part élastiquement déformée vers l'intérieur et, de ce fait, soumise à une contrainte de compression tangen- tielle. Le comportement pendant le fonctionnement de la machine des tôles et de l'enveloppe considérées comme un tout et mises sous une précontrainte de traction telle que décrite, au moyen des systèmes d'ancrage s'explique plus clairement si l'on examine séparément les effets relatifs à la température (voir la figure 5) et à la traction magnétique (voir la figure 6) en prenant en considération le fait que le principe de superpo- sition des effets s'applique. Lorsque le stator commence à s'échauffer, les tôles 20 du circuit stator dont la température est plus élevée que celle de l'enveloppe 10, auraient tendance à se dilater plus que cette dernière. Cette dilatation radiale différente engen- dre une force radiale (F) qui est fonction du différentiel de température delta t. La déformation élastique initiale des tôles du circuit stator due à la pré-tension et, en conséquence, la force réciproque initiale s'exerçant entre les tôles et l'enveloppe, décroissent proportionnellement à l'accroissement de la diffé- rence de leurs températures. L'état de contrainte des tôles du circuit magnétique et de l'enveloppe décroît à mesure que décroît la force exercée par les systèmes d'ancrage. Il est possible de maintenir inertes les tôles du circuit magnétique encore en état de précontrainte de traction, même lorsque le stator atteint sa température de fonctionnement la plus élevée en choisissant des valeurs convenables pour la force de précontrainte de traction. Cela tient au fait que la valeur de cette force doit être égale ou supérieur à la force (F) qui prend naissance, en l'absence de précontrainte de traction entre les tôles et l'enveloppe reliées rigidement entre elles, comme c'est le cas dans le cas de stators construits de façon traditionnelle (figure 5). En ce qui concerne l'action exercée par la traction magnétique (TM), une contrainte de raidissement entre l'enve- loppe et les tôles a pour effet de réduire l'état de compres- sion qui se produirait dans le circuit magnétique dans la situation contraire; c'est-à-dire si les tôles et l'enveloppe n'étaient absolument pas accouplées entre elles. En fait, la traction magnétique agissant sur le circuit magnétique dans une direction centrifuge, tend à le déformer vers l'intérieur et est, de ce fait, supportée par les tôles et l'enveloppe considérées comme un tout dans le cas o elles sont reliées rigidement entre elles. C'est-à-dire que du fait de sa propre rigidité l'enveloppe limite la contraction élastique des tôles en réduisant, de ce fait, l'état de compression. La conception traditionnelle du stator, avec des tirants de traction formant clavette, soudé directement aux parois annulaires de l'enveloppe est donc avantageuse de ce point de vue. Les systèmes d'ancrage font naître entre les tôles et l'enveloppe un état de contrainte de raidissement illimitée pour les forces radiales agissant dans une direction centri- pète sur les intrados du circuit stator. La solution cons- tructive adoptée limite, de ce fait, la contrainte de compres- sion même sans prendre en considération la précontrainte de traction, comme dans les structures traditionnelles. Si la précontrainte de traction maintient dans le noyau une contrainte qui persiste même lorsque le stator a atteint sa température de fonctionnement, la contrainte de traction imposée par la traction magnétique dans la solution tradi- tionnelle se superposerait elle-même à cet état de traction. L'état général de compression du circuit magnétique se trouve, de ce fait, réduit et peut même être annulé grâce à une valeur de précontrainte de traction convenable. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Dispositif destiné à la mise en précontrainte de traction des paquets annulaires de tôles formant le stator d'un générateur électrique de grandes dimensions, du type comportant une carcasse ou enveloppe de support formée par un carter cylindrique et des plaques annulaires superposées, dont les bords portent des tirants de traction qui fixent les tôles du circuit stator axialement avec des écrous et radialement au moyen d'une clavette du type en queue d'aronde faisant saillie à partir desdits tirants de traction et qui est logé dans des rainures correspondantes prévues à la surface extérieure des tôles du circuit stator, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un moyen d'application constitué par: (a) une plaque de base (41) fixée par soudure à l'intrados des parois annulaires (11) de l'enveloppe de stator (10); (b) un support (51) équipé de bras (52) analogues à des pinces, aptes à s'accrocher sur des ailettes ou nervures adéquates (33) qui font saillie circonférentiellement à partir des tirants de traction (30) à clavette; (c) des moyens de précontrainte (57) aptes à exercer et à maintenir une contrainte de traction centrifuge sur le support (51) et, de ce fait, sur les tôles (20). 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une série desdits moyens d'application coopérant avec les tôles (20) du circuit magnétique et en ce que ces moyens sont répartis de façon uniforme aussi bien sur le pourtour qu'en hauteur. 3.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque plaque de base (41) comporte un rebord ou flasque vertical (42) perçé de trous traversants (44) pour une paire de vis de traction (57) dont les tiges filetées peuvent se visser dans des trous filetés correspondants (56) réalisés dans l'arrière du support (51). 4.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que deux écrous de blocage (59) sont montés sur lesdites vis de traction (57) entre ledit rebord (42) de la plaque de base (41) et le support (51). 5.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit support (51) est muni d'un trou vertical (54) destiné à maintenir une vis (55) qui est vissée par sa tige filetée dans un trou correspondant (43) réalisé dans la plaque de base (41), ledit trou (54) du sup- port (51) destiné à la vis de retenue (55) présentant un diamètre plus grand que la tige de la vis (55). 6.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit support (51) comporte des nervures ailes (58) en saillie circonférentielle, suscep- tibles de constituer une surface de retenue pour un extrac- teur (60) en forme de U et dans lequel est inséré un vérin (64) entre l'organe transversal central (63) dudit extracteur et la partie arrière externe du rebord vertical (42) de la plaque de base (41).