Brevet FR2860657A1 — publié le 20050408

SYSTEME DE RETENUE POUR UN ROTOR D'UNE MACHINE DYNAMOELECTRIQUE La présente invention porte globalement sur des rotors de machines dynamoélectriques, telles que des génératrices utilisées dans la production d'énergie électrique. En particulier, cette invention porte sur un anneau de retenue servant à supporter des développantes d'un tel rotor, lequel anneau de retenue a une construction composite qui constitue une structure de support à haute résistance et basse densité pour les développantes. Les grandes turbogénératrices utilisées dans la production d'énergie électrique Io comprennent un rotor qui sert de source de lignes de flux magnétique créé par un bobinage porté par le rotor. Le rotor tourne à l'intérieur d'un stator qui comprend un certain nombre de conducteurs dans lesquels un courant alternatif est induit par le rotor quand il tourne à l'intérieur du stator, créant un champ électrique tournant dans un étroit entrefer entre le stator et le rotor. Les figures 1 et 2 représentent un rotor 10 représentatif du type utilisé dans les turbogénératrices. Le rotor 10 est globalement un grand corps cylindrique sur lequel s'étendent des broches 12 destinées à supporter le rotor 10 en rotation. Le rotor 10 comprend une série d'encoches longitudinales (s'étendant axialement) 14 usinées radialement dans sa circonférence extérieure, ce qui forme des dents 15 s'étendant radialement le long du périmètre du rotor 10. Des enroulements de champ 17, comprenant de multiples conducteurs isolés, sont installés dans les encoches 14 pour s'étendre suivant la longueur du rotor 10, en dépassant longitudinalement de chaque extrémité 26 du rotor 10. Les enroulements de champ 17 comprennent des développantes 18 (figure 2), dont chacune relie électriquement la partie longitudinale d'un enroulement se trouvant dans une encoche 14 à la partie longitudinale d'un enroulement se trouvant dans une encoche 14 adjacente. Les enroulements de champ 17 ne remplissent pas toute l'encoche 14, qui comprend typiquement une zone se resserrant de sorte que l'encoche 14 est plus étroite au niveau du périmètre du rotor 10. Des cales (non représentées) sont placées dans la zone se resserrant de chaque encoche 14 pour retenir les enroulements 17 en place contre l'action de forces centrifuges exercées quand le rotor 10 tourne. Quand le rotor 10 tourne, les développantes 18 sont aussi soumises à des forces centrifuges qui poussent les développantes 18 radialement vers l'extérieur. Ce mouvement radial des développantes 18 est limité par des anneaux de retenue 16 qui sont attachés aux extrémités du rotor 10 afin d'entourer les développantes 18, comme représenté sur la figure 2. Selon une pratique courante, les anneaux de retenue 16 du type représenté sur la figure 2 sont attachés aux extrémités du rotor 10 par calage à retrait. Sur la figure 2, l'extrémité intérieure de l'anneau de retenue 16 est calée à retrait autour d'un épaulement 20 formé sur le rotor 10, et une clavette de blocage 22 est prévue entre l'anneau 16 et le rotor 10 afin d'empêcher un mouvement axial de l'anneau 16. L'anneau de retenue 16 est aussi supporté à son extrémité extérieure par un anneau de centrage 24, sur lequel l'anneau 16 est aussi de préférence calé à retrait. Les forces centrifuges engendrées par la rotation du rotor 10 poussent fortement les développantes 18 contre la surface interne de chaque anneau de retenue 16, en exerçant une force considérable sur les anneaux 16. En conséquence, les anneaux de retenue 16 sont typiquement faits d'un acier non magnétique à haute résistance, tel que de l'acier 1818. Les sources d'acier 1818 sont limitées et les délais de livraison peuvent être longs, entraînant des coûts élevés. A mesure que le diamètre et la vitesse de rotation du rotor augmentent, les forces centrifuges exercées sur les anneaux 16 par les développantes 18 augmentent aussi. Toutefois, en raison de la densité de l'acier 1818, à mesure que la vitesse de rotation du rotor augmente, une partie importante de l'épaisseur radiale de l'anneau 16 doit résister aux forces centrifuges engendrées en résultat de sa propre masse. En outre, la séparation de l'anneau 16 et du rotor 10 devient un défi de conception aux plus grandes vitesses du rotor. En considération de ce qui précède, des anneaux de retenue composites à plus faible densité ont été proposés, ainsi que d'autres types de systèmes de retenue. Des exemples comprennent un anneau de retenue en époxy-graphite décrit dans la demande conjointe de brevet des Etats-Unis n 5.068.564 de Franck. Il existe un besoin d'autres améliorations dans la construction et la mise en oeuvre d'anneaux de retenue à faible densité. La présente invention propose un système de retenue pour un rotor d'une machine dynamoélectrique, telle qu'une génératrice utilisée dans la production d'énergie sous forme de courant alternatif fourni à un réseau de distribution. Le rotor est d'un type qui comprend une surface périphérique extérieure, des surfaces radiales d'extrémité opposées, des encoches s'étendant axialement dans la surface périphérique extérieure du rotor, et des enroulements de champ dans les encoches. Les enroulements de champ dépassent axialement des surfaces d'extrémité du rotor et sont reliés ensemble à l'extérieur des encoches par des développantes des enroulements de champ. Les encoches ont des sections transversales de dimension suffisante pour que les enroulements de champ soient présents dans une première partie de chaque encoche et non présents dans une deuxième partie de chaque encoche. Selon cette invention, le système de retenue entoure au moins l'une des développantes des enroulements de champ à une première extrémité du rotor. Le système de retenue comprend un organe de blindage entourant les développantes des enroulements de champ, et un organe de retenue entourant l'organe de blindage afin d'empêcher un mouvement radial vers l'extérieur de l'organe de blindage. Dans ce but, l'organe de retenue est fait d'un matériau qui est plus rigide que le matériau de l'organe de blindage, de préférence un matériau composite à haute résistance et relativement faible densité. L'organe de blindage comprend une rangée circonférentielle de pattes s'étendant axialement qui se logent dans les deuxièmes parties des encoches au voisinage de la surface d'extrémité à la première extrémité du rotor. Une ou plusieurs pièces de fixation, ou moyens d'empêchement de mouvement axial, entourent les pattes et la première extrémité du rotor pour empêcher un mouvement axial du système de retenue par rapport au rotor. L'organe de retenue peut être collé ou calé à retrait sur l'organe de blindage. L'organe de retenue peut être fait d'un matériau composite renforcé par des fibres. L'organe de blindage peut être fait d'un matériau de blindage électromagnétique. Les moyens d'empêchement de mouvement axial peuvent comprendre une gorge circonférentielle dans la surface périphérique du rotor et un anneau logé dans la gorge et en contact avec les pattes de l'organe de blindage; chacune des pattes peut alors comprendre une partie s'étendant radialement, située axialement à l'intérieur par rapport à l'anneau et s'appuyant sur l'anneau pour empêcher un mouvement axial vers l'extérieur de l'organe de blindage. Les pattes peuvent être logées dans les deuxièmes parties des encoches de manière à empêcher un mouvement radial vers l'extérieur des enroulements de champ dans les encoches. La surface périphérique extérieure du rotor peut comprendre une partie biseautée adjacente à la surface d'extrémité à la première extrémité du rotor, la partie biseautée se resserrant radialement vers l'intérieur en allant vers la surface d'extrémité. L'organe de retenue peut alors comprendre une extrémité intérieure biseautée entourant et complémentaire de la partie biseautée de la surface périphérique extérieure. Le rotor peut être installé dans une génératrice utilisée dans la production d'énergie sous forme de courant alternatif fourni à un réseau de distribution. Un aspect notable de la présente invention est que le système de retenue présente une construction relativement simple, tout en offrant la résistance et la rigidité nécessaires pour retenir les développantes des enroulements de champ, même quand elles sont soumises à d'intenses forces centrifuges engendrées quand le rotor tourne à grande vitesse. Si l'organe de retenue est fait d'un matériau composite au lieu d'un acier non magnétique à haute résistance tel que 1818, l'invention évite les désavantages associés à l'utilisation d'acier 1818, tels que les sources limitées, les longs délais de livraison, et les coûts élevés associés. La relativement faible densité possible pour un organe de retenue fait d'un matériau composite permet d'utiliser des rotors ayant de plus grands diamètres et de plus grandes vitesses de rotation que ce qui est possible quand on utilise l'acier 1818 plus dense. D'autres objectifs et avantages de l'invention ressortiront à l'étude de la description détaillée suivante illustrée par les dessins annexés, dans lesquels: 30 la figure 1 représente un rotor équipé d'anneaux de retenue selon l'art antérieur; la figure 2 est une coupe partielle du rotor de la figure 1, représentant l'un des anneaux de retenue plus en détail; la figure 3 est une coupe partielle d'un rotor similaire à celui des figures 1 et 2 mais équipé d'un système de retenue qui comprend un organe de blindage interne et un 5 organe de retenue externe selon la présente invention; la figure 4 est une perspective en coupe partielle représentant des pattes de l'organe de blindage de la figure 3 insérées dans des encoches pour enroulements de champ du rotor; et la figure 5 est une perspective partielle représentant un organe de blindage avec des pattes modifiées selon une autre forme de réalisation de la présente invention. Les figure 3 et 4 sont des coupes partielles d'un rotor 10 similaire au rotor 10 des figures 1 et 2, si bien que les mêmes numéros seront utilisés pour identifier des composants similaires ou équivalents des rotors 10. En tant que tel, le rotor 10 est du type utilisé dans des centrales électriques qui servent de fournisseurs primaires de courant alternatif haute tension à un réseau de distribution ou de transport d'énergie, bien que le rotor 10 puisse être utilisé dans d'autres applications. Comme le rotor 10 des figures 1 et 2, le rotor 10 des figures 3 et 4 comprend un corps de forme cylindrique avec une surface périphérique extérieure 20 et des surfaces radiales d'extrémité 26 aux extrémités opposées du corps cylindrique. En outre, des encoches 14 sont formées dans la surface périphérique 20 du rotor, délimitant des dents 15 s'étendant radialement (figure 4) au niveau de la surface périphérique 20. Des enroulements de champ 17 sont présents dans les encoches 14 et dépassent axialement des surfaces d'extrémité 26 du rotor 10. De façon mieux visible sur la figure 4, chaque encoche 14 a une section transversale dont la forme et la dimension sont telles que les enroulements de champ 17 sont logés dans une partie radialement intérieure 44, tandis que des parties radialement extérieures 46 des encoches 14 reçoivent des pattes 132 qui font partie d'un système 116 de retenue de développantes selon une forme de réalisation de cette invention, décrit plus en détail dans ce qui suit. Comme la figure 2, la figure 3 représente les enroulements de champ 17 reliés ensemble à l'extérieur des encoches 14 par des développantes 18 des enroulements de champ. On comprendra d'après la figure 3 que les enroulements de champ 17 et les développantes 18 sont soumis à des forces centrifuges considérables quand le rotor 10 tourne, en particulier quand le diamètre et la vitesse du rotor augmentent. Selon la pratique conventionnelle, les parties radialement extérieures 46 des encoches 14 comprennent des zones se resserrant 48 qui permettent de retenir les enroulements de champ 17 par des cales 34 installées dans les parties radialement extérieures 46 des encoches 14. Les systèmes de retenue 116 de cette invention entourent les développantes 18 des enroulements de champ 17 à chaque extrémité du rotor 10, pour empêcher un mouvement radial vers l'extérieur des développantes 18 quand le rotor 10 tourne. Comme représenté sur la figure 3, chaque système de retenue 116 comprend globalement un organe de blindage 130 de forme annulaire qui entoure l'une des développantes 18, et un organe de retenue 140 de forme annulaire qui entoure l'organe de blindage 130. L'extrémité axialement intérieure de l'organe de blindage 130 (c'est-à- dire l'extrémité la plus proche du centre longitudinal du rotor 10) est ancrée au rotor 10 par les pattes 132 mentionnées plus haut, tandis que son extrémité extérieure est supportée par un anneau de centrage 124, auquel l'organe de blindage 130 est fixé par un anneau de blocage 142, comme représenté, bien que d'autres moyens d'attachement soient envisageables. L'organe de blindage 130 sert de préférence de bouclier électromagnétique, et est donc fait d'un matériau à forte conductivité électrique, tel que de l'aluminium ou du cuivre. La résistance est une autre propriété souhaitable pour l'organe de blindage 130, si bien que des alliages d'acier sont aussi des matériaux utilisables appropriés. Une isolation à la masse 122 est de préférence présente en tant que barrière électrique entre l'organe de blindage 130 et les enroulements de champ 17 et développantes 18. Les pattes 132 s'étendent axialement vers l'intérieur depuis l'extrémité intérieure de l'organe de blindage 130, et sont de préférence alignées en une rangée circonférentielle sur toute la circonférence de l'extrémité intérieure de l'organe de blindage 130. De façon mieux visible sur la figure 4 (sur laquelle l'organe de retenue 140 est omis dans un but de clarté), chaque patte 132 est alignée axialement avec, et logée individuellement dans, l'une des parties radialement extérieures 46 d'une encoche 14 près de la surface d'extrémité 26 du rotor 10, de sorte que chaque patte 132 se trouve entre une paire de dents 15 adjacentes. Comme aussi représenté sur la figure 4, chaque patte 132 a une forme de section complémentaire de la partie radialement extérieure 46 de l'encoche 14, incluant un épaulement oblique 148 qui s'appuie sur la zone se resserrant 48 de l'encoche 14 de manière à retenir la patte 132 et son enroulement de champ 17 associé à l'intérieur de l'encoche 14, en empêchant leur mouvement radial vers l'extérieur quand le rotor 10 tourne. Chaque patte 132 est aussi représentée comme comprenant une protubérance 134 s'étendant radialement vers l'extérieur, représentée à l'extrémité intérieure de chaque patte 132, et une face biseautée 150 espacée de la protubérance 134 par une rainure 136. Les faces biseautées 150 des pattes 132 sont alignées avec des faces biseautées 50 sur les dents 15 au voisinage de la surface d'extrémité 26 du rotor 10. Les faces biseautées 50 et 150 des dents 15 et pattes 132 se resserrent radialement vers l'intérieur en allant vers la surface d'extrémité 26. Les dents 15 sont aussi formées pour comprendre des rainures 138 qui, avec les rainures 136 des pattes 132, forment une gorge circonférentielle continue dans la surface périphérique extérieure 20 du rotor 10. Un anneau de blocage 128 est installé dans la gorge 136/138 pour assujettir l'organe de blindage 130 au rotor 10 en empêchant les pattes 132 de sortir axialement des encoches 14. Enfin, un anneau de protection 146 (omis sur la figure 4 dans un but de clarté) entoure l'anneau de blocage 128 de manière à retenir l'anneau 128 dans la gorge 136/138. Une autre configuration pour les pattes 132 de l'organe de blindage 130 est représentée sur la figure 5, qui représente un organe de blindage 230 dont les pattes 232 comprennent des protubérances 234 s'étendant radialement vers l'extérieur à leur extrémité intérieure, mais sont dépourvues des faces biseautées 150 des pattes 132 représentées sur les figures 3 et 4. De ce fait, les pattes 232 sont dépourvues des rainures 136 alignées avec les rainures 138 des dents pour recevoir l'anneau de blocage 138 comme décrit à propos des figures 3 et 4. Au contraire, l'anneau de blocage 128 s'appuie simplement sur la face extérieure 250 de chaque protubérance 234, ce qui a de nouveau pour effet d'empêcher les pattes 232 de sortir axialement des encoches 14. Des pièces de calage séparées (non représentées) peuvent être assemblées avec les pattes 232 pour former, avec les faces biseautées 50 sur les dents, un épaulement oblique similaire à celui formé par les faces biseautées 50 et 150 sur la figure 4. L'organe de retenue 140 de cette invention est de préférence fait d'un matériau à haute résistance et relativement faible densité, tel qu'un matériau composite renforcé par des fibres. Un matériau composite particulièrement approprié est un composite fibres de graphite époxy. L'anneau de retenue 140 peut être fabriqué par enroulement de fibres de graphites sur un mandrin cylindrique, puis imprégnation par l'époxy et durcissement. Selon une autre possibilité, une fibre (câble) imprégnée de résine peut être enroulée sur un mandrin cylindrique puis durcie. L'organe de retenue 140 est destiné à fournir résistance mécanique et rigidité à l'organe de blindage 130 pour empêcher un mouvement radial vers l'extérieur et une déformation de l'organe de blindage 130, en particulier si l'organe de blindage 130 est fait d'un matériau à relativement faible résistance tel que de l'aluminium ou du cuivre. Pour cette raison, la surface interne de l'organe de retenue 140 est de préférence en contact surfacique avec la surface externe de l'organe de blindage 130. Comme représenté sur la figure 3, ce contact surfacique entre les organes de blindage et de retenue 130 et 140 englobe de préférence les faces biseautées 150 des pattes 132 en résultat du fait que l'organe de retenue 140 comprend une extrémité intérieure biseautée 144 qui est complémentaire des faces biseautées 50 et des dents 15 et pattes 132 et les entoure. Comme les matériaux composites renforcés par des fibres qui sont utilisables pour l'organe de retenue 140 ne sont pas soudables et se dilatent généralement peu par rapport aux métaux, il est avantageux d'ancrer l'organe de retenue 140 au rotor 10 par l'intermédiaire de l'organe de blindage 130. L'organe de retenue 140 est de préférence attaché à l'organe de blindage 130 d'une manière telle que les organes de blindage et de retenue 130, 140 forment un ensemble unitaire. Par exemple, l'organe de retenue 140 peut être calé à retrait sur l'organe de blindage 130, ou être ajusté avec du jeu dans lequel une colle est injectée pour coller l'organe de retenue 140 à la surface extérieure de l'organe de blindage 130. La fixation de l'organe de retenue 140 à l'organe de blindage 130 peut être réalisée pendant la fabrication du système de retenue 116 ou sur site. Bien qu'il soit représenté comme une pièce unitaire, l'organe de retenue 140 pourrait être un ensemble de plusieurs anneaux. LISTE DES COMPOSANTS Rotor 124 Anneau de centrage 12 Broches 128 Anneau de blocage 14 Encoches 130 Organe de blindage Dents 132 Pattes 16 Anneaux de retenue 25 134 Protubérance 17 Enroulements de champ 136 Rainure 18 Développantes 13 8 Rainure 20 Surface périphérique 140 Organe de retenue 22 Clavette de blocage 142 Anneau de blocage 24 Anneau de centrage 30 144 Extrémité intérieure biseautée 26 Surfaces d'extrémité 146 Anneau de protection 34 Cales 148 Epaulement oblique 44 Partie intérieure 150 Face biseautée 46 Parties extérieures 230 Organe de blindage 48 Zones se resserrant 35 232 Pattes Faces biseautées 234 Protubérance 116 Système de retenue 250 Face extérieure 122 Isolation à la masse REVENDICATIONS 1. Rotor (10) d'une machine dynamoélectrique, le rotor (10) comprenant une surface périphérique extérieure (20), des surfaces radiales d'extrémité (26) opposées, des encoches (14) s'étendant axialement dans la surface périphérique extérieure (20) du rotor (10), et des enroulements de champ (17) dans les encoches (14), les enroulements de champ (17) dépassant axialement des surfaces d'extrémité (26) du rotor (10) et étant reliés ensemble à l'extérieur des encoches (14) par des développantes (18) des enroulements de champ, les encoches (14) ayant des sections de dimension suffisante pour que les enroulements de champ (17) soient présents dans une première partie (44) de chaque encoche (14) et non présents dans une deuxième partie (46) de chaque encoche (14), caractérisé en ce que le rotor (10) comprend un système de retenue (116) entourant au moins une des développantes (18) des enroulements de champ à au moins une première extrémité du rotor (10), le système de retenue (116) comprenant: un organe de blindage (130) entourant les développantes (18) des enroulements de champ, l'organe de blindage (130) comprenant des pattes (132) qui sont logées dans les deuxièmes parties (46) des encoches (14) au voisinage de la surface d'extrémité (26) à la première extrémité du rotor (10); un organe de retenue (140) entourant l'organe de blindage (130) et empêchant un mouvement radial vers l'extérieur de l'organe de blindage (130), l'organe de retenue (140) étant fait d'un matériau qui est plus rigide que le matériau de l'organe de blindage (130); et des moyens (128, 136, 138) pour empêcher un mouvement axial du système de retenue (116) par rapport au rotor (10). 2. Rotor (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de retenue (140) est collé à, ou calé à retrait sur, l'organe de blindage (130). 3. Rotor (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de l'organe de retenue (140) est un matériau composite renforcé par des fibres. 4. Rotor (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de retenue (130) est fait d'un matériau de blindage électromagnétique. 5. Rotor (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'empêchement (128, 136, 138) comprennent une gorge circonférentielle (138) dans la surface périphérique extérieure (20) du rotor (10) et un anneau (128) logé dans la gorge (138) et en contact avec les pattes (132) de l'organe de blindage (130). 6. Rotor (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que chacune des pattes (132) comprend une partie s'étendant radialement (134) située axialement à l'intérieur par rapport à l'anneau (128) et s'appuyant sur l'anneau (128) pour empêcher un mouvement axial vers l'extérieur de l'organe de blindage (130). 7. Rotor (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pattes (132) sont logées dans les deuxièmes parties (46) des encoches (14) de manière à empêcher un mouvement radial vers l'extérieur des enroulements de champ (17) dans les encoches (14). 8. Rotor (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface périphérique extérieure (20) du rotor (10) comprend une partie biseautée (50) adjacente à la surface d'extrémité (26) à la première extrémité du rotor (10), la partie biseautée (50) se resserrant radialement vers l'intérieur en allant vers la surface d'extrémité (26). 9. Rotor (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'organe de retenue (140) comprend une extrémité intérieure biseautée (144) entourant et complémentaire de la partie biseautée (50) de la surface périphérique extérieure (20). 10. Rotor (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rotor (10) est installé dans une génératrice utilisée dans la production d'énergie sous forme de courant alternatif fourni à un réseau de distribution.