Brevet FR2622372A1 — publié le 19890428

I 2622372 "Rotor de machine électrique à enroulement d'excitation supraconducteur" L'invention concerne une structure de rotor pour machine électrique, par exemple pour cryo-turbo-générateur, à enroulement d'excitation supraconducteur, et plus particu- lièrement la configuration d'un système qui sert à amener l'agent réfrigérant à la zone de refroidissement de l'enroulement. Dans les rotors de machine électrique, de cryo-turbo- générateur en particulier, on emploie le plus souvent comme supraconducteur pour l'enroulement d'excitation, un alliage 0 de niobium et de titane, matériau qui, placé dans des champs magnétiques intenses et parcouru par des courants forts, a une température critique proche du point d'ébullition, à la pression atmosphérique, de l'hélium liquide utilisé comme agent réfrigérant. Quand les températures dans la zone de l'enroulement d'excitation supraconducteur s'élèvent au-dessus de la température critique voisine du point d'ébullition de l'hélium liquide, l'effet de supraconduction dans l'enroule- ment disparaît. Pendant le fonctionnement de la machine électrique, 0 l'agent réfrigérant est axialement amené à. la zone de refroi- dissement en suivant un canal constitué par l'espace creux au centre du rotor ou passant non loin de son axe. L'enroulement d'excitation supraconducteur étant situé sur la surface exté- rieure du rotor, il devient nécessaire d'acheminer radialement l'agent réfrigérant, du canal axial vers l'enroulement. Or, du fait de la compression centrifuge dans des conditions de réchauffement adiabatique, la température de l'agent réfrigé- rant dans le canal radial s'accroît vers la périphérie du rotor et, à la sortie du canal radial, devient de 0,5 à 0 1,0 K supérieure à la température de l'agent réfrigérant à l'entrée du canal, ce qui réduit la marge de température de l'enroulement d'excitation supraconducteur ou même, dans certains cas, fait disparaître l'effet de supraconduction de cet enroulement. On peut assurer dans la zone de l'enroulement, une température de l'agent réfrigérant qui exclut toute possi- bilité de perte de l'effet de supraconduction, en faisant arriver à l'entrée des canaux radiaux un agent réfrigérant si refroidi, de façon que ce froid supplémentaire compense ensuite l'échauffement de l'agent dans ces canaux. Mais le sur-refroidissement de l'agent réfrigérant à des températi res de l'ordre de 3 à 4 K oblige à créer des dispositifs supplémentaires et à consommer plus d'énergie. Il existe un autre procédé plus économique pour résoudre le problème, consistant à évacuer la chaleur que l'agent réfrigérant dégage dans le canal radial. On connaît un rotor de machine électrique à enroule- ment d'excitation supraconducteur qui comporte une carcasse creuse portant sur elle un enroulement supraconducteur. L'espace intérieur creux de la carcasse enferme un conduit e matériau bon conducteur de la chaleur. Par des tubes montés dans les trous qui traversent radialement la grosse dent de carcasse, ce conduit communique avec un collecteur annulaire situé sous le cylindre de bandage. Les tubes sont en matéria bon conducteur de la chaleur, par exemple en cuivre, ils ont bon contact thermique avec le conduit et sont isolés thermiq ment de la carcasse par des tubes en matériau mauvaiS conduc teur de la chaleur, par exemple en stratifié à fibre de verr (US, A, 4239701). Dans ce rotor, l'hélium liquide qui sert d'agent réfrigérant est fourni, à travers le dispositif d'amenée d'hélium, dans le conduit, d'o il passe par des tubes radiaux et par le collecteur annulaire à l'enroulement d'excitation. La chaleur qui se dégage dans le canal sous l'effet de compression centriguge de l'hélium liquide est évacuée via les tubes radiaux et le conduit qui est en conta thermique avec eux vers la zone d'hélium en phase de vapeur de l'espace intérieure creux de la carcasse. Cependant, lorsque la machine est en fonctionnement, surtout lors des régimes transitoires, le collecteur annulai reçoit,via le cylindre de bandage,de la chaleur qui peut provoquer un contre-courant d'hélium dans les tubes radiaux et, de ce fait, une montée de température de l'hélium dans la zone de refroidissement et une perte de la supraconduction de l'enroulement. Par ailleurs, l'assemblage d'un tel rotor présente des difficultés parce qu'il faut, pour assurer un bon contact thermique, souder au conduit les tubes conducteurs de la chaleur et cela dans le creux de la caracasse o le rayon de l'espace libre est faible et la longueur est grande. Le but de la présente invention est de donner à la périphérie de la carcasse du rotor dans la zone de la grosse dent une telle forme, et de placer dans cette zone des éléments tels que cette forme et ces éléments permettent de dériver des canaux radiaux pour l'agent réfrigérant les flux de chaleur qui surgissent dans le cylindre de bandage de la machi- ne en marche, surtout aux régimes transitoires, et d'améliorer ainsi l'efficacité de refroidissement du rotor. Ce but est atteint, selon l'invention, dans un rotor de machine électrique à enroulement d'exci- -d'excitation supraconducteur comprenant une carcasse creuse comportant un enroulement supraconducteur, un cylindre de bandage entourant la carcasse creuse, un collecteur annulaire disposé sous le cylindre de bandage et communiquant avec des canaux de refroidissement de l'enroulement supraconducteur, un conduit d'agent réfrigérant situé dans l'expace intérieur creux de la carcasse et communiquant avec le collecteur annulaire dans la zone d'une grosse dent au moyen de canaux radiaux répartis le long de l'axe du rotor et pratiqus dans les premiers éléments conducteurs de la chaleur montés dans les trous radiaux de la carcasse et isolés thermiquement de la carcasse par des éléments en matériau mauvais conducteur de la chaleur, caractérisé par le fait que, sur la périphérie de la carcasse, la grosse dent présente un évidement qui communique avec le collecteur annulaire et contient des deuxièmes éléments conducteurs de la chaleur s'étendant dans le sens radial de la carcasse, et des moyens pour leur fixation, lesdits deuxièmes éléments conducteurs dela chaleur étant isolés therriquement de la carcasse et des premiers éléments conducteurs de la chaleur. Le fait qu'à la périphérie de la carcasse, la grosse dent présente un évidement qui contient les deuxièmes élément conducteurs de la chaleur s'étendant radialement et les moyens pour leur fixation, et que ces deuxièmes éléments conducteurs de la chaleur sont thermiquement isolés par rapport à la carcasse et aux premiers élément conducteurs de la chaleur, permet de détourner des canaux radiaux d'agent réfrigérant les flux de chaleur qui surgissent dans le cylinc de bandage de la machine en marche, surtout pendant les régimes transitoires. D'une manière avantageuse, chacun des premiers éléme! conducteurs de la chaleur se présente sous forme d'une tige de section circulaire, et chaque élément calorifuqe sous forme d'" tube entourant ladite tige circulaire conductrice de la chalo chacune de ces tiges débouchant par une de ses extrémités dal le conduit,et par l'autre, avec les tubes calorifuges, dans l'évidement de la grosse dent. Le fait que les premiers éléments conducteurs de la chaleur se présentent sous forme de tiges, et les éléments calorifuges sous forme de tubes., et qu'ils débouchent ensem- ble dans l'évidement, permet d'utiliser les tiges avec les t' comme un élément faisant partie des moyens de fixation des deuxièmes éléments conducteurs de la chaleur dans l'évidement En faisant déboucher les extrémités opposées des tiges dans conduit on obtient une plus grance efficacité d'évacuation de la chaleur des canaux, une telle évacuation se faisant de: rayons plus forts vers les rayons plus faibles grâce aux surfaces d'échange de chaleur plus développées des extrémité tigesqui sortent dans le conduit. De préférence, l'évidemment se présente sous forme d'une rainure allant de part en part le long de l'axe de la grosse dent. Une rainure orientée suivant l'axe de la grosse dent est la forme d'évidement la plus facile à réaliser. Il convient d'exécuter les deuxièmes éléments conducteurs de la chaleur sous forme de manchons entourant les tubes, de prévoir dans les parois de la rainure de la grosse dent des encoches guides, de placer dans ces encoches guides des coins avec des trous qui sont alignés sur les canaux dans les premiers éléments conducteurs de la chaleur, et d'isoler thermiquement les faces d'extrémité des manchons par rapport à la base de la grosse dent et aux coins métalliques à l'aide de garnituresen matériau mauvais conducteur de la chaleur. Une telle forme d'exécution des deuxièmes éléments conducteurs de la chaleur et des moyens pour leur fixation simplifie les procédés d'assemblage et de démontage de la structure permettant la circulation radiale de l'agent réfri- gérant, et assure une bonne fixation des manchons et des tiges. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description ci-après d'un exemple de sa réalisation donné en regard des dessins annexés sur lesquels: o - la fig. 1 représente de façon schématique un rotor de machine électrique avec enroulement d'excitation supra- conducteur, selon l'invention, en coupe longitudinale; - la fig. 2 montre la section II - II indiquée en fig. 1 - la fic. 3 est l'agrandissement du sous-ensemble I de :5 la fig. 2; - la fig. 4 montre la section IV - IV indiquée en fig. 3. Le rotor de machine électrique contient une carcasse métallique 1 (fig. 1) sur laquelle, dansfdes rainures radiales 2 (fig. 2), munies de canaux sous-jacents 3, est disposé un enroulement d'excitation supraconducteur 4. L'enroulement 4 est retenu dans les rainures 2 par des coins 5 percés de trous radiaux 6. La carcasse 1 est entourée par un cylindre de bandage 7 engagé sur les têtes de bobines 8 (fig. 1) de l'enrou- lement 4. Sous le cylindre de bandage 7 (fig. 2), la surface extérieure de la carcasse 1 présente des canaux annulaires 9 qui forment un collecteur annulaire distributeur d'agent réfrigérant d'hélium liquide en particulier, aux canaux 10 de refroidisse- ment de l'enroulement surpaconducteur. Les canaux annulaires 9 sont liés entre eux par des canaux axiaux qui, pour plus de simplicité, ne sont pas représentés sur les dessins. L'espace intérieur creux 11 de la carcasse 1 contient une croi 12 allongée dans le sens de l'axe du rotor et comprenant dans son corps, sous la grosse dent 13 de la carcasse 1, un conduit 14 qui communique via un canal 15 (fig. 1) avec une source d'hélium liquide qui, pour plus de clarté, n'est pas représeni sur les dessins. La grosse dent 13 présente un évidement en forme de large rainure longitudinale 16, traversant le rotor de part el part. La rainure 16 doit être assez grande, et on choisit ses dimensions limites en tenant compte des structures et proport du rotor. Dans la grosse dent 13 de la carcasse 1, sont ménagés des trous radiaux 17 qui sont répartis sur l'axe du rotor et relient le conduit 14 au collecteur annulaire 9 via la rainur longitudinale 16. Dans les trous radiaux 17 (fig. 3) sont placés des tubes métalliques 18 assembles par des filetages avec le cond 14 et fabriqués d'un matériau qui, dans un rotor mis en cond tion de froid, a une faible conductibilité thermique, par exe: ple d'un alliage de titane ou de nickel; ces tubes servent d'éléments calorifuges. On sait qu'aux températures de l'héli liquide, le coefficient de conductibilité thermique des alliages de titane et de nickel est de trois ordres de grande décimaux plus bas que celui du cuivre. Les tubes 18 contienne les éléments conducteurs de la chaleur: les tiges 19 fabriqu par exemple, de cuivre, et assemblées par des filetages avec les tubes 18. Chaque tige 19 a sur sa périphérie des rainures longitudinales 20 (fig. 4) qui servent de canaux radiaux pour acheminer l'hélium liquide. Une extrémité 21 (fig. 3) de chaque tige 19 fait saillie dans le conduit 14 à une distance telle que dans la machine en fonctionnement elle ne sorte pas dans la zone de l'hélium gazeux. L'autre extrémité 22 de chaque tige 19 sort avec le tube 18 dans la rainure 16 de la grosse dent 13. La rainure 16 contient des éléments conducteu de la chaleur s'étendant radialement et se présentant sous forme de manchons 23 en matériau bon conducteur de la chaleur, par exemple en cuivre, qui entourent les tubes 18. Les manchons 23 sont isolés thermiquement des tiges 19 par les tubes 18, et du fond 24 de la rainure 16, c'est-à-dire de la carcasse 1, par des garnitures annulaires 25 en matériau mauvais conducteur de la chaleur, par exemple en stratifié à fibre de verre. Les parois 26 de la rainure 16 présentent des encoches guides 27 qui reçoivent des coins métalliques 28 serrant les manchons 23 contre le fond 24 de la rainure 16. Les manchons 23 sont isolés thermiquement des coins 28 et, donc, de la carcasse 1, par des garnitures calorifuges annulaires 29, fabriquées, par exemple, en stratifié à fibre de verre. Chaque coin 28 a un trou 30 qui est aligné sur les rainures longitudi- nales 20 dans la tige respective 19. Les encoches guides 27, les coins 28 et les bouts 22 des tiges 19 qui sortent dans la rainure 16 forment, avec les tubes 18, les moyens de fixation des manchons 23 dans la rainure 16. Dans la machine en fonctionnement, lorsque le rotor est à l'état refroidi, l'hélium liquide amené par le canal occupe, sous l'effet des forces centrifuges, une partie du conduit 14, et emplit les rainures longitudinales débouchan- tes 20 des tiges 19, la rainure 16 de la grosse dent 13 et les canaux annulaires 9, desquels canaux il passe par les trous 6 des coins 5 dans les canaux 10 pour refroidir l'enrou- lement surpaconducteur 4 et pour être ensuite évacué à travers les canaux 3 sous-jacents aux rainures 2. Sous l'action des forces centrifuges, l'hélium se trouvant dans les rainures radiales débouchantes 20 se compri- me et, donc, s'échauffe. La chaleur ainsi dégagée est dérivée par les tiges conductrices de la chaleur 19 vers l'hélium frais qui se trouve dans le conduit 14 et à la température la plus basse; grâce à cette dérivation, la température de l'hélium dans les rainures 20, à des rayons de cirzonféren- ce plus grands, s'élève assez faiblement. Cette faible croissan- ce de température de l'hélium dans les rainures radiales 20 rend plus efficace le refroidissement dans son ensemble et, par cela même, augmente la valeur critique de courant dans l'enroulement supraconducteur. Lors des régimes transitoires de courte durée qui ont lieu dans la machine en fonctionnement, le cylindre de bandage 7 devient le siège de pertes électriques et laisse passer vers le collecteur 9 beaucoup plus de chaleur que lors des régimes établis. Grâce aux manchons 23 en matériau bon conducteur de la chaleur, une grande partie de cette chaleur est dérivée vers l'espace avoisinant le fond 24 de la rainure 16 de la grosse dent 13 et rempli d'hélium liquide à une température plus basse. Ainsi, pendant les régimes transitoires de courte durée, l'afflux de la chaleur aux canaux radiaux 20 d'achemi- nement d'hélium liquide devient beaucoup moins fort, ce qui rend impossible l'apparition dans ces canaux de contre-couran d'hélium et, de ce fait, améliore l'efficacité du refroidisse ment. La variante de réalisation préférentielle, décrite et illustrée ci-dessus, est donnée seulement à titre d'exemple, pour faire comprendre avec plus de clarté l'essence de l'inve tion. Il est évident que la solution décrite embrasse toutes modifications qui restent dans le cadre de l'invention tel que défini par les revendications. REVENDICATIONS 1. Rotor de machine électrique à enroulement d'excitation supraconducteur, comprenant une carcasse creuse (1) comportant un enroulement supraconducteur (4), un cylindre de bandage (7) entourant la carcasse creuse (1), un collecteur annulaire (9) disposé sous le cylindre de banda- ge (7) et communiquant avec des canaux (10) de refroidisse- ment de l'enroulement supraconducteur (4), un conduit (14) d'agent réfrigérant situé dans l'espace intérieur creux (11) de la carcasse (1) et communiquant avec le collecteur annulai- re (9) dans la zone d'une grosse dent (13) au moyen de canaux radiaux (20) répartis le long de l'axe du rotor et pratiqués dans les premiers éléments conducteurs de la chaleur (19) montés dans les trous radiaux (17) de la carcasse (1) et isolés thermiquement de la carcasse (1) par des éléments (18) en matériau mauvais conducteur de la chaleur, caractérisé par le fait que, sur la périphérie de la carcasse (1), la grosse dent (13) présente un évidement (16) qui communi- que avec le collecteur annulaire (9) et contient des deuxièmes éléments conducteurs de la chaleur (23) s'étendant dans- le sens radial de la carcasse (1), et des moyens (18, 22, 27, 28) pour leur fixation, lesdits deuxièmes éléments conducteurs de la chaleur (23) étant isolés thermiquement de la carcasse (1) et des premiers éléments conducteurs de la chaleur (19). 2. Rotor de machine électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des premiers éléments conducteurs de la chaleur (19) se présente sous forme d'une tige de section circulaire, chaque élément calorifuge (18) se présente sous forme d'un tube entourant ladite tige conductrice de la chaleur de section circulaire (19),et l'une des extrémités (21) de D toutes les premières tiges conductrices de la chaleur (19) fait saillie dans le conduit (14) tandis que l'autre extrémi- té (22), avec les tubes calorifuges (18), fait saillie dans l'évidement (16) de la grosse dent (13). - 3. Rotor de machine électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'évidement (16) est une rainure qui traverse de part en part la grosse dent (13) le long de son axe. 4. Rotor de machine électrique selon la revendication 3,dans lequel les premiers éléments conducteurs de la chaleur (19) sont des tiges de section circulaire, et les éléments calorifuges (18) sont des tubes qui entourent les tiges (19) font saillie avec elles dans le creux de la rainure (16), caractérisé en ce que les deuxièmes éléments conducteurs de la chaleur (23)se présentent sous la forme de manchons entou- rant les tubes (18), tandis que les moyens de fixation desdit manchons (23) comprennent les extrémités (21) des tiges (19) qui, avec les tubes (18), sortent dans la rainure (16), des encoches guides (27) prévuesdans les parois (26) de la rainure (16) de la grosse dent (13), et des coins métalliques (28) qui s'étendent dans lesdites encoches guides (27) et ont des trous (30) alignés sur le canaux (20) des premiers élémen conducteurs de la chaleur (19), les faces d'extrémité des man chons (23) étant isolées thermiquement du fond (24) de la rainure (16) dans la grosse dent (13) et des coins métallique (28) par des garnitures (25, 29) en matériau mauvais conducte de la chaleur.