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VENTILATION DE TURBO-ALTERNATEUR.
La présente invention concerne des perfectionnements à la venti- lation d'un turbo-générateur ou autre grosse machine dynamo-électrique, grâ- ce auxquels les courants circulant dans les enroulements de stator et de rotor de telles machines peuvent être doublés, triplés, ou même plus, par rap- port aux intensités de courant admises auparavant.
Les grosses machines dynamo-électriques ont différents genres de per- tes, mais les pertes les plus importantes qui jouent le rôle principal dans la limitation de la charge de ces machines, particulièrement les turbo-alterna- teurs, sont les pertes dans le cuivre dénommées communément pertes I2R. Ces pertes dans le cuivre ne constituent qu'une minime partie du wattage entier de la machine, mais la charge totale de la machine est limitée par la quantité de -watts de perte (ou de chaleur) pouvant être dégagée au contact d'un dispo- sitif réfrigérateur disponible quelconque aux températures de service maxima ad- missibles du cuivre du stator et du rotor.
L'invention procure un moyen pratique d' évacuer la chaleur du cui- vre du stator et du rotor plus rapidement qu'avec n'importe quel moyen utilisé jusqu'ici dans les turbo-générateurs ou autres grosses machines dynamo-élec- triques semblables.
Jusqu'ici, divers moyens ont été utilisés pour soutirer plus de cha- leur d'une machine d'un. volume donné et pour augmenter donc la charge de la. ma- chine, mais ces perfectionnements coûtaient habituellement autant que le prix de KVA de l'augmentation de charge, de sorte que pour le consommateur le coût total par KVA de charge restait le même, malgré les améliorations ou perfection- nements apportés par le constructeur au dispositif de réfrigération.
Cependant les pertes dans les enroulements constituent un problème par elles-mêmes, pro- . blème d'importance vitale pour les acquéreurs de machines, parce que ces pertes électriques corespondent à des pertes financières journalières pour les utili- sateurs de ces machines, au point que pratiquement toutes les grosses machines à grande vitesse du type turbo-générateur sont aujourd'hui refroidies à l'hydro-
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gène dont la faible densité intervient pour réduire les pertes dans-les en- roulements.
Ceci est de plus en plus de rigueur avec les machines modernes à
60 cycles avec deux ou quatre pôles, ayant des rotors de grand diamètre à vitesse périphérique dépassant les 28.000 pieds par minute (142 mètres par seconde), les pertes dans le cuivre étant beaucoup plus importantes à des vi- tesses périphériques élevées.
En acceptant le principe par conséquent que les turbo-générateurs et machines semblables à grande vitesse doivent être refroidis à l'hydrogène au moins en ce qui concerne les rotors, pour réduire les pertes de charge, la nouveauté du procédé de réfrigération de l'invention réside dans l'emploi simultané de deux principes de réfrigération, connus jusqu'ici séparément, mais n'ayant encore jamais été associés, surtout dans une machine de dimen- sion et de vitesse périphérique suffisantes pour que les pertes de charge mé- ritent une attention sérieuse.
Ainsi, des dispositifs de réfrigération ont été proposés pour des bobinages à faible tension, comprenant des conduites de refroidissement dispo- sées dans les encoches mêmes des barres conductrices, l'hydrogène et d'autres réfrigérants gazeux passant dans les conduites de refroidissement pour refroi- dir directement les conducteurs, l'hydrogène ou autre gaz réfrigérant se trou- vant approximativement à la pression atmosphérique.
D'autres dispositifs de réfrigération ont été utilisés avec les gaz sous des pressions beaucoup plus fortes, mais en aucun cas les conduites de réfrigération n'étaient disposées dans les encoches des barres conductrices; cet accroissement de pression des gaz n'a augmenté que faiblement la quantité de chaleur due aux pertes évacuée de la machine, et n'a donc provoqué qu'une petite augmentation de la charge maximum de la machine. En conséquence, le gain obtenu étant'négligeable, la réfrigération sous haute pression n'avait pas été adoptée en général, les pressions de gaz maxima utilisées jusqu'ici ne dé- passant pas les 30 livres par pouce carré (p.s.i.) (2,1 kg/cm2).
On a découvert qu'en appliquant la réfrigération gazeuse à haute pression dans un dispositif de ventilation avec les conduites de refroidissement disposées dans les encoches des barres conductrices, on peut évacuer trois fois, ou davantage, plus de chaleur due aux pertes dans le cuivre qu'avec du gaz à pres- sion atmosphérique, si la pression du réfrigérant est poussée, à, par exemple, six atmosphères au-dessus de la pression atmosphérique.
On peut donc refroidir les rotors des turbo-générateurs à l'hydro- gène sous haute pression dans le but d'augmenter fortement la charge admissible du rotor, au seul prix d'une légère augmentation des pertes de charge due à l'aug- mentation de densité de l'hydrogène, pertes malgré tout inférieures à la moitié des pertes que l'on aurait avec un refroidissement à air à pression atmosphé- rique sans augmentation de pression.
Comme cependant les limites d'échauffement des stators et des rotors de turbo-générateurs modernes ont été à peu près aussi critiques l'une que l'autre dans le passé, il serait contre-indiqué d'augmenter la charge admissi- ble du rotor sans augmenter de manière à peu près correspondante celle du sta- tor d'une même machine.
L'idée d'appliquer la réfrigération par hydrogène sous haute pres- sion à des rotors de turbo-alternateurs ayant des conduites de refroidissement disposées dans les encoches des barres conductrices est une idée nouvelle. Sa mise en pratique sur les rotors est relativement aisée, une fois le principe admis parce que les rotors des turbo-générateurs sont les inducteurs, prévus pour des tensions d'excitation relativement faibles et qu'il n'y a donc pas de problème d'isolement de haute tension dans les rotors.
Au contraire, les stators des turbo-générateurs constituent un problème plus sérieux, parce que la tension de 10.000 volts est d'ordinaire la tension de service minimum de telles machines,, et que la tension de plafond est poussée de plus en plus haut, de sorte que les problèmes d'isolement à l'effet corona,de distances de fluage et d'isolement aux'tensions d'éclate- ment se trouvent toujours à l'avant-plan lors de l'élaboration de stators ou primaires des turbo-générateurs ou grosses machines semblables.
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Jusqu'ici, avec les gaz de ventilation à la pression atmosphérique environ, il n'a pas été possible d'utiliser des conduites de refroidissement logées dans les encoches des barres conductrices de stator de telles machines à haute tension, à cause des problèmes d'isolement- Antérieurement, on a (au moins sur papier) prévu d'enfermer le stator complet dans un boîtier herméti- que dont il fait partie, ce boîtier séparant le stator du rotor au moyen d'un cylindre isolant glissé dans l'entrefer; et on remplit le boîtier de divers réfrigérants liquides et gazeux., mais sans faire passer le réfrigérant axiale- ment dans des conduites de refroidissement logées dans les encoches des barres conductrices primaires.
On sait que les liquides isolants, tels que l'huile de transformateur,ont une excellente rigidité diélectrique, un excellent pouvoir de réfrigération et une absence pratiquement complète d'effet corona, comme la technique des transformateurs 1-la démontré. On sait aussi, peut être moins qu'en ce qui concerne l'huile de transformateur,que les gaz soumis à une pres- sion de plusieurs atmosphères ont une rigidité diélectrique sensiblement ac- crue, et on a en fait augmenté la pression des gaz isolants bien au-delà de la pression atmosphérique dans certains appareils électriques autres que les ma- chines dynamo-électriques, dans le but précisément d'augmenter leur rigidité diélectrique.
On n'a cependant jusqu'ici jamais utilisé un liquide isolant ou un gaz isolant à haute pression permettant la réalisation d'un. stator à haute ten- sion avec des conduites de refroidissement logées dans les encoches des barres conductrices parce que les problèmes de rigidité diélectrique., de distance de fluage, d'effet,corona, et de distances d'éclatement à travers.l'isolant sé- parant deux parties métalliques ont plaidé jusqu'ici contre l'adoption de conduites de refroidissement à l'intérieur des encoches de telles machines à haute tension, particulièrement quand les conduites de refroidissement se trou- vent en contact direct avec les barres conductrices,
cas à distinguer de celui où la chaleur des barres doit d'abord traverser une épaisseur continue isolante de protection avant d'atteindre les conduites de refroidissement dans les en- coches.
Conformément à l'invention, la charge admissible, dans les stators à haute tension des turbo-générateurs'peut être augmentée à peu près dans les mêmes proportions que dans les rotors, comme il a été dit ci-dessus, si l'on u- tilise des conduites de refroidissement convenablement proportionnées dans les encoches de stator avec un isolement à l'hile ou au gaz sous haute pression circulant dans les conduites de refroidissement. De cette manière la charge admissible dans le rotor et le stator de la machine peut être doublée, triplée ou multipliée davantage encore.
D'autres caractéristiques de l'invention concernent des détails de construction des conduites de refroidissement, particulièrement la construction des conduites de refroidissement pour les stators à haute tension de telles ma- chines, et un nouveau dispositif de frettage pour les spires d'extrémité du stator.
Aux fins précitées et à d'autres fins, l'invention consiste en cir- cuits,, dispositifs, combinaisons, constructions, parties et procédés de fonc- tionnement et assemblages décrits et revendiqués ci-après et représentés aux dessins annexés.
La figure 1 est une coupe schématique longitudinale d'une partie d' un turbo-générateur, dans lequel on utilise de l'hydrogène à haute pression pour le stator et le rotor, les mêmes pressions d'hydrogène règnant dans toute la machine.
La figure 2 est une coupe transversale médiane schématique de la machine) dans un plan indiqué par la ligne II-II de la figure l, montrant le che- min parcouru par l'hydrogène dans les réfrigérateurs.
La figure 3 est une vue schématique, développée en plan, d'une par- tie de la périphérie extérieure de la machine, telle qu'elle serait obtenue en enlevant l'enveloppe extérieure de la machine de la figure 1 et en dirigeant le regard radialement en chaque point du stator, dans toute 1-'étendue circon- férentielle comprise dans la figure 3, c'est-à-dire la partie supérieure de
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la machine.
La figure 4 est une vue de détail en coupe de deux encoches de sta- tor, suivant un plan,indiqué par la ligne IV-IV de la figure 1.
La figure 5 est une vue en bout d'une tête de bobine de stator de la figure la
La figure 6 est une coupe longitudinale détaillée, à une échel- le un peu supérieure à celle de la figure 1, passant par le centre de l'extré- mité de gauche d'une des encoches de stator, le plan de coupe étant indiqué par la ligne VI-VI de la figure 4.
La figure 7 est une vue en bout schématique d'un autre type de tur- bo-générateur, comprenant un cylindre isolant disposé dans l'entrefer du sta- tor servant à diviser l'enveloppe de la machine en un compartiment extérieur pour le stator et un compartiment intérieur pour le rotor, de fagon que le réfri- gérant utilisé pour le stator puisse être différent ou sa pression différente que pour le rotor.
La figure 8 est une coupe horizontale assez schématique, à une échel- le plus grande, montrant un peu plus que le quart gauche de la machine de-la fi- gure 7, le plan de coupe étant indiqué par la ligne VIII-VIII de la figure 7.
La figure 9 est une coupe verticale assez schématique à échelle ré- duite de la moitié inférieure de toute la longueur de la machine, suivant le plan de coupe indiqué par la ligne IX-IX de la figure 7; et
La figure 10 est une vue schématique montrant le procédé de calcul de la chaleur.
La description suivante de l'invention comprend d'abord la descrip- tion de la construction des deux formes d'exécution choisies à titre d'exemple et ensuite une étude de la nature du réfrigérant et des calculs de transmission de chaleur relatifs à l'évacuation de la chaleur due aux pertes dans le cuivre par la circulation du réfrigérant.
Les figures 1 à 6 représentent un grand turbo-générateur polyphasé comprenant un stator 1 et un rotor 2 enfermés dans un boîtier-charpente 3 étan- che aux gaz. Le rotor est monté sur un arbre 4 qui traverse le boîtier 3 dans un coussinet de palier hermétique aux gaz représenté symboliquement en 5.
Le boîtier 3 est rempli d'hydrogène ou d'une atmosphère gazeuse sous une pression de plusieurs atmosphères, par exemple 75 livres par pouce carré (5,3 kg/cm2) de pression absolue, ou, généralement sous une pression de gaz d'au moins 50 li- vres par pouce carré (3,5 kg/cm2) au-dessus de la pression ambiante. Les ba- gues d'étanchéité 5 réalisées antérieurement pour empêcher une perte sensible d'hydrogène à l'endroit où l'arbre traverse le boîtier sont capables, en les adaptant un peu, de résister aux pressions élevées d'hydrogène utilisées dans le cas actuel, de sorte qu'il n'y a pas de difficulté réelle à ce point de vue. La figure 1 représente simplement une enveloppe schématique 3 que l'on admet pratiquement étanche aux gaz.
Le stator 1 comprend un noyau de stator 6 constitué d'un empilage de tôles ou emboutissages annulaires magnétisables, représenté schématiquement comme étant divisé en deux empilages de tôles séparés par un vide annulaire de ventilation 7 de grande dimensions situés au milieu de la machine entre les deux empilages, quoiqu'en pratique de construction, cet espace annulaire central de ventilation 7 puisse être garni de plusieurs tôles écartées axialement entre elles, équivalant à un espace annulaire de ventilation d'une largeur ou longueur dans le sens axial de deux pouces par exemple (51 mm) ou tout autre espace pou- vant être désiré.
On préfère l'espace annulaire central de ventilation 7 uni- que à un grand nombre d'espaces radiaux de ventilation peu-épais (ou étroits a- xialement) comme on les utilise dans les turbo-générateurs modernes antérieurs.
Le noyau de stator 6 est pourvu d'encoches pour conducteurs 8 servant à recevoir les côtés des bobines 9 d'un enroulement primaire à haute tension 10 constitué de bobines préfabriquées. On remarquera que la plus grande partie des côtés de bobines primaires 9 constitue des barres droites logées dans les encoches 8. Un peu avant l'extrémité de chaque bobine de stator, les barres sont
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courbées formant une courbe 11 qui réunit chaque barre droite 9 à une autre pàrtie rectiligne à flancs plats 12 de la partie repliée d'extrémité 13 de l'enroulement primaire.
Le bout de chaque partie rectiligne d'extrémité 12 a une nouvelle courbe 14 formant d'habitude la tête de bobine et joignant les deux demi-bobines l'une à l'autre, quoique certaines courbes 14 peuvent être prolongées jusqu'aux bornes de la machine, comme cela se congoit facilement.
Conformément à une caractéristique de l'invention, les -têtes de bo- bine 13 de l'enroulement primaire 10 qui prolongent axialement et circonfé- rentiellement le bout des barres rectilignes 9 logées dans les encoches, sont maintenues pratiquement à la .même distance radiale de l'arbre 4 que les côtés de bobines 9, au lieu de s'éloigner angulairement de l'arbre, comme dans les constructions courantes antérieures.
Comme le montre la figure 1, un support de bobines cylindrique en matière isolante 16 soutient les têtes 13 à chaque extrémité du noyau 6, et les têtes sont serrées sur le support cy- lindrique isolant 16 au moyen d'anneaux de frettage appropriés 17 qui s'associent au support cylindrique isolant 16 sous-jacent pour maintenir les têtes 13 et les empêcher de se déplacer ou de plier sous l'effet de contraintes dues à des cou- rants de court-circuit.
Une caractéristique essentielle de l'invention réside dans l'emploi de dispositifs spéciaux à conduites de refroidissement, pour refroidir les bobines primaires 10 sur toute la longueur de leurs barres conductrices, c'est- à-dire non seulement les barres droites- 9 logées dans les encoches mais de préférence aussi pratiquement toute la tête 13 à l'exception de la courbe 14 qui constitue l'extrême bout le plus éloigné du noyau de stator 6.
Une forme d'exécution préférée de cette partie de l'invention consiste dans l'emploi des côtés de bobines par paires 19 et 19' (fig.4) séparés l'un de l'autre circonfé- rentiellement par de petits intercalaires verticaux ou radiaux 20 (fig. 6) pla- cés à des intervalles appropriés dans la longueur des paires de bobines 19 et 19', aussi bien le long des parties rectilignes 9 logées dans les encoches 8 que le long des parties rectilignes des têtes 13. Des conduites de réfrigéra- tion supérieures et inférieures 21 et 21' s'étendent le long des paires de bobi- nes 19 et 19' constituées de préférence par des canalisations isolantes, rigides préformées en forme de U (voir fig.
4) courant respectivement au-dessus et au-dessous des deux parties pairées 19 et 19', et comprenant les barrée recti- lignes 9 logées dans les encoches 8 de stator, les courbes 11 aux extrémités du noyau du stator 6 et les parties rectilignes 12 des têtes jusqu'aux courbes 14 exclusivement
Afin de prévoir une surface isolante suffisante pour tenir compte des longueurs de fluage, les parois latérales des canalisations de réfrigéra- tion en U 21 et 21', et des paires de conducteurs espacés 19 et 19' affleurent et sont recouvertes de panneaux isolants de couverture 23 s'étendant tout au long des côtés de bobines munis de canalisations de refroidissement 21 et 21'.
Les parties des canalisations isolantes 21 et 2le et des panneaux isolants 23 qui se trouvent à l'intérieur des encoches 8 servent d'isolement d'encoche aux barres conductrices, les encoches étant prévues suffisantes, en coupe transversale, pour recevoir les conducteurs, l'isolement d'encoche et les ca- nalisations de refroidissement 21 et 21'.
Comme dans la plupart des turbo-générateurs, l'induit de la ma- chine représentée est bobiné en deux couches 10, de sorte que les parties d'en- ' roulement logées dans chaque encoche de stator 8 comprennent une canalisation double, comme il a été dit. A la figure 5, le fluide réfrigérateur - de l'hy- drogène en l'occurrence - est représenté entrant par la canalisation supérieure 21 de la couche d'enroulement supérieure et par la canalisation inférieure 21' de la couche d'enroulement inférieure, à l'endroit des bouts de canalisation près des courbures.14 des têtes des diverses bobines. La canalisation inférieure 21' de la couche supérieure et la canalisation supérieure 21 de la couche inférieure sont obturées à cet endroit, comme indiqué schématiquement en 24 et 25 des fi- gures 1 à 6.
Le fluide réfrigérateur entre donc par les canalisations ouvertes et passe, par le vide entre les deux demi-bobines 19 et 19', dans les canalisa- tions obturées aux extrémités 14. comme le montrent les flèches de la figure 6.
Au centre dé la machine, à l'endroit de l'espace annulaire de ventilation 7, les
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deux canalisations, ouvertes aux extrémités 14, sont obturées comme indiqué en 26 et 27 sur la figure 1, de sorte que le gaz de réfrigération s'échappe par les canalisations de refroidissement obturées du côté des extrémités 14 et passe à l'extérieur radialement vers la périphérie extérieure du noyau de stator 6, comme l'indiquent les flèches de la figure l.
Les tôles de stator 6 sont maintenues à leur périphérie extérieure par une série d'anneaux supports robustes 30 espacés axialement, comme l'in- dique la figure 1. Le boîtier-charpente 3 a un corps cylindrique qui, dans la représentation de la figure 2, est légèrement excentrique par rapport au noyau de stator 6 de manière à former un espace plus grand entre enveloppe 3 et noyau 6 au haut de la machine qu'au bas.
Cet espace plus grand contient deux réfrigé- rateurs disposés axialement ou échangeurs de chaleur 31 et 32, décalés angu- lairement l'un de l'autre, et réunis par le bas, ou leurs côtés les plus inté- rieurs,, au moyen d'une cloison horizontale 33 qui force les gaz sortant ra- dialement de l'espace annulaire de ventilation 7 du stator à circuler en deux jets circonférentiels dirigés l'un vers l'autre transversalement aux deux échan- geurs axiaux 31 et 32 et pénétrant dans l'espace longitudinal entre les deux échangeurs, par où le gaz, en se refroidissant, regagne les extrémités respecti- ves de la machine.
La circulation du gaz est entretenue au moyen d'un ventilateur 35 (fig. 1), monté sur l'arbre 4 à chaque extrémité du rotor 2. Une chicane ap- propriée 36 est prévue à chaque bout de la machine pour que le gaz refroidi par son passage entre les réfrigérateurs 3r et 32 soit pris par les parois d'aspiration des ventilateurs 35 et réinjecté axialement dans la machine.
Le rotor 2 comporte un noyau 40 (figures 1 et 2) également pourvu d'encoches pour conducteurs 41 dans lesquelles se logent les côtés de bobines 42 de l'enroulement inducteur 43 de la machine formant l'enroulement de rotor.
L'inducteur 43 se compose de préférence de conducteurs creux ou en forme de U 44, semblables aux conducteurs décrits dans le brevet américain n 2.221.567 délibré le 12 Novembre 1940, sauf que ces conducteurs creux sont parcourus cette fois par de l'hydrogène sous une pression de plusieurs atmosphères qui permet de dégager beaucoup plus de chaleur des conducteurs de rotor qu'aupa- ravant. Près du centre du rotor, presque sous l'espace annulaire de ventila- tion 7 du stator, les cales des rainures 45 du rotor et les conducteurs de rotor 44 en forme de U sont pourvus d'ouvertures ou ventilations radiales 46 par lesquelles l'hydrogène est expulsé dans l'entrefer, d'où il passe dans l'es- pace annulaire du stator 7 et rejoint l'hydrogène de refroidissement du sta- tor,
pour être refroidi par les échangeurs 31 et 32 et ramené aux extrémités respectives de la machine par les ventilateurs 35.
Le noyau du stator 6, et d'habitude aussi'le noyau du rotor 40 sont pourvus de trous de- ventilation axiaux appropriés pour le refroidisse- ment direct du fer du stator ou du rotor. Ainsi, à la figure 1, un trou axial de stator 47 est représenté dans la partie arrière des tôles de stator, au-dessus des encoches de barres 8; et la figure 4 représente un autre trou de ventilation axial 48 dans une des dents du stator,pour montrer comment les dents de stator peuvent être refroidies. Ces ventilations du fer ou des noyaux peuvent être de type classique.
Dans la forme d'exécution de l'invention représentée aux figures 7 8 et 9, l'intérieur du boîtier-charpente 3 est divisé en deux par une pièce isolante cylindrique 51 fixée à l'entrefer 52 du noyau de stator 6 et s'éten- dant axialement au-delà du noyau du stator à chaque extrémité de la machine.
Les bouts de la pièce isolante cylindrique sont réunis hermétiquement à l'une ou l'autre partie de la charpente 3, par exemple au moyen de cloisons annulai- res 53 formant des joints hermétiques à l'air entre la pièce isolante cylindri- que 51 et la charpente 3. La pièce cylindrique 51 divise ainsi l'intérieur de la machine en deux chambres,une extérieure 54 et une intérieure 55. Le noyau 6 et le bobinage 10 du stator sont placés dans la chambre extérieure 54, tandis que le noyau 40 et l'enroulement 43 du rotor tournent à l'intérieur 55.
Dans la construction compartimentée des figures 7, 8 et 9, il faut prévoir deux circulations différentes pour les réfrigérants dans les chambres
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extérieure et intérieure 54 et 55, puisque ces deux chambres sont hermétique- ment closes l'une par rapport à 1,*autre.
La chambre intérieure 55, comme le montrent les figures 7 à 9, est remplie de préférence d'hydrogène sous une pression de plusieurs atmos- phères, et la circulation de l'hydrogène de réfrigération du rotor est entre- tenue de préférence au moyen de deux ventilateurs de rotor 35' (fig.8).
L'hydrogène de réfrigération du rotor est aspiré par les ouvertures radiales de rotor 46 à travers la partie de l'entrefer à l'intérieur de la pièce isolan- te cylindrique 51, passant donc du centre aux deux extrémités du rotor, com- me le montre la figure 8. A chaque extrémité de la machine,, l'hydrogène de refroidissement du rotor est conduit par une chicane appropriée 56 dans l'es- pace d'extrémité 60 situé axialement au delà de la cloison annulaire 53 qui forme une extrémité;
de la chambre extérieure 54 Des réfrigérateurs ou échangeurs de chaleur appropriés 61 et 62 sont disposés dans l'espace d'ex- trémité 60 aux bouts respectifs de la machine, les échangeurs étant représentés disposés verticalemento Les dispositifs à chicanes 56 sont arrangés de telle façon que 1-'hydrogène de réfrigération du rotor lèche verticalement l'échan- geur 61 ou 62 et retourne ensuite sur la face d'aspiration du ventilateur de rotor 35' à cette extrémité de la machine.
La chambre extérieure 54 de la machine des figures 7 à 9 peut être remplie d'hydrogène ou d'un autre gaz nécessairement plus lourd que l'hydrogène,puisque l'hydrogène est le gaz le plus léger; on peut encore la remplir d'un réfrigérateur liquide isolant. Puisque le réfrigérateur est her- métiquement enfermé dans la chambre extérieure 54, il ne doit pas avoir la même pression que l'hydrogène de la chambre intérieure 55 Il y a cependant un avantage, à un point de vue, d'avoir à peu près la même pression pour les réfrigérateurs des chambres extérieure et intérieure 54 et 55.
c'est que dans ces conditions le cylindrique isolant 51 n'st pas soumis à des contrain- tes mécaniques trop importantes dues à la différence de pression entre les fa- ces intérieure et extérieure du cylindre isolant 51 celui-ci pouvant alors être plus mince et encombrer moins l'entrefer de la machine.
Si la chambre intérieure 55 est remplie d'hydrogène à une pression d'au moins 50 livres par pouce carré (3,5 kg/par cm2). il faudra-bien une pression de remplissage de la chambre extérieure 54 d'au moins 40 livres par pouce carré (2,8 kg/cm2) au-des- sus de l'atmosphère ambiante pour éviter des différences de pression excessives entre les compartiments 51 et 53
On peut utiliser n'importe quel dispositif approprié pour faire circuler le réfrigérant dans la chambre extérieure 54 de la machine représen- tée aux figures 7 à 9.
Dans la forme d'exécution représentée à titre d'exem ple, comme le montre la figure 9, le réfrigérant qui se décharge radialement de l'espace annulaire central de ventilation 7 dans le noyau du stator 6 est re- cueilli dans l'espace annulaire entre ie noyau du stator 6 et le boîtier 3. et expulsé ensuite pàr une tuyauterie d'évacuation 65 qui peut communiquer avec la fosse 66 au-dessus de laquelle la machine est placée,, où le réfrigérant pas- se d'abord dans une pompe 67, et puis un réfrigérateur ou échangeur de chaleur 68, d'où le réfrigérant est conduit dans des tuyauteries d'alimentation 69 al- lant aux extrémités respectives de la chambre extérieure 54.
Les principes généraux de l'invention ressortiront le plus claire- ment en traitant un problème simple qui montrera le mode de calcul de la trans- mission de chaleur des barres- conductrices de stator à la canalisation de re- froidissement avec laquelle elles sont en contact, pour un réfrigérant gazeux, notamment de l'hydrogène à 6 atmosphères, et pour un réfrigérant liquide, notam- ment de î'hnile de transformateur.
Soit, par exemple, un conducteur formé de cinq bandes de cuivre superposées ventilé latéralement 9, long de 100 pouces (2,54 m). ayant une section droite totale d'un pouce sur un pouce (25,4 mm x 25,4 mm). bordé d'un côté d'une canalisation de refroidissement 21 ayant une section d'un pouce sur 0,106 pouce (25,4 mm x 2,7 mm) comme l'indique sché- matiquement la figure 10, La surface humectée du conducteur vaut :
A = surface humectée du conducteur = 100 pouces (645 cm2).
Si,pour simplifier le.problème;, on suppose que le cuivre a une température moyen- ne de 75 C, et que sa densité de courant plutôt élevée est de 3.400 ampères par
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pouce carré (530 A cm2), la résistance d'un tel conducteur étant 82,5 x 10-6 ohms, les pertes totales seront, en chiffres ronds:
W = pertes dans le conducteur = 955 watts.
Suit lé calcul des divers gradients thermiques-relatifs à l'exemple susmentionné, tel que représenté à la figure 10, d'abord pour un liquide de ré- frigération qui est de l'huile de transformateur, et ensuite pour de l'hydrogè- ne à une pression absolue de 6 atmosphères.
Quand le réfrigérant est de 1-'huile de transformateur,on peut ad- mettre, à titre d'exemple, les caractéristiques suivantes : h = conductibilité thermique = 0,0035 watt par pouce par degré cen- tigrade. s = poids spécifique = 0,89. c = chaleur spécifique = 15,5 watts par degré centigrade, débit en livres par minute.,
Les constantes de dissipation de surface pour l'huile circulant dans la canalisation étroite peuvent être déterminées par les équations classiques de chaleur contenues dans le livre "Heat Transmissiontt de MoAdams, Si l'on prend une vitesse de circulation d'huile de 2 pieds par seconde, qui'est une vitesse normale pour les questions de transmission de chaleur, ou:
w = vitesse de circulation d'huile = 4,9 livres par minute,, le coef- ficient de transmission de chaleur, à la surface de dissipation de chaleur,de l'huile est: h = coefficient de transmission de chaleur dans l'huile =
0,144 watt par pouce carré par degré centigrade.
Le gradient de température à la surface de transmission de chaleur de 1-'huile est :
EMI8.1
T s0 - hA " 0,144 x 100 66 330 c L'élévation de température dans 1-'huile sera:
EMI8.2
- W - 955 = 12 6 C
TRo cw 15,5 x 4,9
L'élévation maxima de température dans le conducteur est la somme des deux: gradients calculés ci+dessus, ou
Tomax = Tso + TR = 66,3 C + 12,6 C = 78,9 C. max o o
Quand le réfrigérant est de 1 'hydrogène à une pression absolue de 6 atmosphères, on peut admettre, à titre d'exemple, les caractéristiques suivan- tes:
k = conductibilité thermique = 0,0049 watts par pouce par degré centigrade. c = chaleur spécifique = 3,2 watts par degré centigrade vitesse de débit en pieds cubiques par minute.
Soit une vitesse de circulation du gaz de 6.000 pieds par minute, valeur normale entraînant un gradient de pression normal pour maintenir la circulation de l'hydrogène, la quantité de gaz passant dans la canalisation sera, par exemple:
Q = débit d'hydrogène = 4,43 pieds cubes par minute., et les con- stantes de dissipation superficielle pour l'hydrogène, à cette vitesse, et à la pression supposée de 6 atmosphères, seront:
H = coefficient de dissipation superficielle pour l'hydrogène
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EMI9.1
0,656 watt par pouce carré par degré contigtade, Le gradient de températureà la surface de l'hydrogène sera donc: - -IL- - 955 =14 6 C
EMI9.2
19H lÀ 0,656, x 7f70 " 4, L'élévation de température dans l'hydrogène sera:
T=W=955=67. 5 C
EMI9.3
\ - GQ - 32 955 x , 67,5 Co L'élévation maxima de température dans le conducteur sera-.
Tx msx T + T '= 14,6 C + 67,5 C = 82,10C.
Les résultats peuvent être résumés de la façon suivante :
EMI9.4
<tb> Fluide <SEP> Huile <SEP> Hydrogène
<tb>
EMI9.5
Pression absolue en atmosphères 00000.0000.0000000: 1 6 Pression indiquée ooeoeaoonoooaaomomooooemooooo000ô 0 75 psi Vitesse Pieds/sec .... 2 100 Pieds/Min omooomaoomoooooooasoooommmooooo0ô 120 6000 m/sec o 0 o m o 0 o s o o m a o m o 0 0 0 0 0 o e s o 0 0 0 0 0 0 0 0 oe6l z 5 Chaleur dissipée en watts eooom9aoooooemmoooooooeeé 955 955 Températures :
Chute à la surface o o m a o a o m o 0 0 o O o 0 66,3 G 14,7 0
EMI9.6
<tb> Elévation <SEP> de <SEP> température <SEP> du <SEP> fluide.-. <SEP> 12,5 <SEP> 67,5
<tb>
EMI9.7
Elévation maxima de la température 0 Ii 0" "" 0 0 0 e <><> 0 9oG 825100
Les calculs ci-dessus s'appliquent à une machine ayant une longueur de conducteurd'une extrémité à l'autre de la machine, de 100 pouces (2,54 m), le fluide réfrigérant entrant à un bout et sortant à l'autre bout; ou ils s'ap- pliquent à une machine deux fois plus longue, quand le fluide réfrigérant est introduit aux deux extrémités,et sort par le centre.
Si l'on suppose que la longueur totalè de conducteur est de 100 pouces (2,54 m) et que le fluide réfri- gérant est introduit aux deux extrémités de la machine et expulsé par le centre, la longueur de canalisation réelle sera de 50 pouces (1,27 m)au lieu de 100 pouces (2,54 m),ce qui diminuera de moitié 1'élévation de température du réfri- gérant.
Les températures sont ainsi
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<tb> Fluide <SEP> Huile <SEP> Hydrogène
<tb>
EMI9.9
Chute à la surface o0oooooaooooaeooooooooeooaoooooâ 66g3oC I87AC Elévation de température du fluide oaasaaaaaaaaaoa 6530C 9 33ag C Elévation totale de température a a o e e a a a o 0 0 0 0 0 0 o e 72, 6 G 48,50G
EMI9.10
<tb>
<tb>
Ces calculs montrent donc que l'efficacité de refroidissement de l'hydrogène, aux pression et vitesse indiquées, est de l'ordre de celle de l'huile, de sorte que l'on peut utiliser l'hydrogène au moins avec un .succès égal à celui de 1-'huile pour le refroidissement du stator.
L'invention permet par conséquent d'augmenter grandement la vitesse
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de refroidissement du rotor et du stator d'un turbo-générateur ou d'une machi- ne dynamo-électrique semblable, et d'augmenter de façon correspondante la charge admissible de la machine. Cette augmentation de charge de la machine est importante, à cause du coût élevé actuel des matières et de la main-d'oeuvre.
Cette augmentation de charge est assurée sans frais ou à très peu de frais sup- plémentaires, puisqu'il suffit de remplacer des conducteurs entourés d'une paroi isolante pleine par des conducteurs entourés de canalisations'isolantes ou par des conducteurs formant eux-mêmes des canalisations de réfrigération, d'employer des noyaux ayant des encoches suffisamment grandes pour recevoir les conducteurs, les isolants et les canalisations, et d'avoir un dispositif approprié d'entretien de la circulation de l'hydrogène sous haute pression ou d'un autre fluide réfrigérant.
REVENDICATIONS
1) Machine dynamo- électrique ayant un stator et un rotor, et une enveloppe, l'un au moins de ces éléments comprenant un noyau ayant des encoches dirigées axialement pour recevoir des conducteurs, un enroulement ayant des parties d'enroulement disposées dans les encoches à conducteurs, et de l'iso- lement d'encoche également disposé dans chaque encoche à conducteurs,
carac- térisée en ce que chaque encoche à conducteur à des dimensions suffisamment supérieures à celles nécessaires pour le logement de la ou des parties d'en- roulement et de l'isolement d'encoche de manière à former un dispositif de ca- nalisation d'encoche comprenant une ou des canalisations dirigées axialement de sorte qu'au moins une partie de chaque dispositif de canalisation d'encoche soit bornée par une ou des parties d'enroulement disposées dans l'encoche, l'enveloppe formant une chambre étanche aux gaz dans laquelle le noyau et son enroulement sont placés, la chambre étant remplie d'un fluide électriquement isolant, le fluide isolant ayant une efficacité de refroidissement au moins du même ordre que celle de l'huile, un dispositif pour assurer la circulation du fluide coulant axialement dans les canalisations de refroidissement,
et un dis- positif échangeur de chaleur inséré dans le circuit de circulation pour refroi- dir le fluide.
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TURBO-ALTERNATOR VENTILATION.
The present invention relates to improvements to the ventilation of a turbo-generator or other large dynamo-electric machine, whereby the currents flowing in the stator and rotor windings of such machines can be doubled, tripled, or even more, compared to the current intensities admitted previously.
Large dynamo-electric machines have different kinds of losses, but the most important losses which play the main role in limiting the load of these machines, especially turbo-alternators, are losses in copper referred to as commonly I2R losses. These losses in copper constitute only a small part of the entire wattage of the machine, but the total load of the machine is limited by the amount of -watts of loss (or heat) that can be given off in contact with a device. - refrigerator option available in any way at the maximum permissible operating temperatures of the copper of the stator and the rotor.
The invention provides a practical means of removing heat from the copper stator and rotor more rapidly than with any means heretofore used in turbo-generators or other similar large dynamo-electric machines. .
Heretofore, various means have been used to extract more heat from a machine than one. given volume and therefore to increase the load of the. machine, but these improvements usually cost as much as the KVA price of the load increase, so that for the consumer the total cost per KVA load remained the same, despite improvements or improvements made by the manufacturer. to the refrigeration device.
However, losses in the windings are a problem in themselves, pro-. a problem of vital importance for the purchasers of machines, because these electrical losses correspond to daily financial losses for the users of these machines, to the point that practically all large high-speed machines of the turbo-generator type are today. hydro-cooled
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gene whose low density intervenes to reduce losses in the windings.
This is more and more rigorous with modern machines to
60 cycles with two or four poles, having large diameter rotors at peripheral speed exceeding 28,000 feet per minute (142 meters per second), losses in copper being much greater at high peripheral speeds.
Accepting the principle therefore that turbo-generators and similar high-speed machines must be cooled with hydrogen at least as regards the rotors, in order to reduce pressure losses, the novelty of the refrigeration process of the invention resides in the simultaneous use of two refrigeration principles, known hitherto separately, but never having been associated, especially in a machine of sufficient size and peripheral speed so that the pressure drops deserve a serious attention.
Thus, refrigeration devices have been proposed for low voltage coils, comprising cooling conduits arranged in the actual notches of the conductor bars, hydrogen and other gaseous refrigerants passing through the cooling conduits for cooling. direct conductors, hydrogen or other refrigerant gas at approximately atmospheric pressure.
Other refrigeration devices have been used with gases at much higher pressures, but in no case were the refrigeration pipes arranged in the notches of the conductive bars; this increase in gas pressure only slightly increased the quantity of heat due to the losses discharged from the machine, and therefore caused only a small increase in the maximum load of the machine. Consequently, the gain obtained being negligible, high pressure refrigeration had not been adopted in general, the maximum gas pressures used heretofore not exceeding 30 pounds per square inch (psi) (2, 1 kg / cm2).
It has been found that by applying high pressure gaseous refrigeration in a ventilation device with the cooling pipes arranged in the notches of the conductor bars, it is possible to remove three times, or more, more heat due to losses in the copper than with gas at atmospheric pressure, if the pressure of the refrigerant is increased, for example to six atmospheres above atmospheric pressure.
It is therefore possible to cool the rotors of turbo-generators with hydrogen under high pressure in order to greatly increase the permissible load of the rotor, at the sole cost of a slight increase in load losses due to the increase. increase in the density of hydrogen, losses despite everything less than half of the losses that one would have with air cooling at atmospheric pressure without pressure increase.
As, however, the temperature rise limits of modern turbo-generator stators and rotors have been about as critical as each other in the past, it would be inappropriate to increase the permissible load on the rotor. without increasing in an approximately corresponding way that of the stator of the same machine.
The idea of applying high pressure hydrogen refrigeration to turbo-generator rotors having cooling pipes arranged in the notches of the conductor bars is a new idea. Its implementation on rotors is relatively easy, once the principle is accepted because the rotors of turbo-generators are inductors, designed for relatively low excitation voltages and there is therefore no problem of high voltage isolation in the rotors.
On the contrary, the stators of turbo-generators are a more serious problem, because the voltage of 10,000 volts is usually the minimum operating voltage of such machines, and the ceiling voltage is pushed higher and higher, so that the problems of corona-effect insulation, creep distances and burst-voltage insulation always come to the fore when developing turbo stators or primaries. -generators or large similar machines.
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Heretofore, with the vent gases at approximately atmospheric pressure, it has not been possible to use cooling ducts housed in the notches of the stator busbars of such high voltage machines, due to the problems of 'isolation- Previously, it was (at least on paper) planned to enclose the complete stator in a hermetic case of which it forms part, this case separating the stator from the rotor by means of an insulating cylinder slipped into the air gap ; and filling the casing with various liquid and gaseous refrigerants, but without passing the refrigerant axially through cooling conduits housed in the notches of the primary conductor bars.
It is known that insulating liquids, such as transformer oil, have excellent dielectric strength, excellent cooling capacity and a practically complete absence of corona effect, as the technique of transformers 1-la demonstrated. It is also known, perhaps less than with regard to transformer oil, that gases subjected to a pressure of several atmospheres have a appreciably increased dielectric strength, and the pressure of the gases has in fact been increased. insulators well above atmospheric pressure in certain electrical devices other than dynamo-electric machines, precisely with the aim of increasing their dielectric strength.
However, hitherto never used an insulating liquid or a high pressure insulating gas allowing the production of a. high voltage stator with cooling conduits housed in the notches of the conductor bars because the problems of dielectric strength, creep distance, effect, corona, and burst distances through the insulation. separating two metal parts have hitherto argued against the adoption of cooling pipes inside the slots of such high voltage machines, particularly when the cooling pipes are in direct contact with the busbars,
a case to be distinguished from that where the heat from the bars must first pass through a continuous protective insulating thickness before reaching the cooling pipes in the slots.
According to the invention, the allowable load in the high voltage stators of turbo-generators can be increased in approximately the same proportions as in the rotors, as has been said above, if one u - uses suitably proportioned cooling lines in the stator slots with insulation from oil or high pressure gas circulating in the cooling lines. In this way the permissible load in the rotor and stator of the machine can be doubled, tripled or multiplied still further.
Other features of the invention relate to details of the construction of the cooling lines, particularly the construction of the cooling lines for the high voltage stators of such machines, and a novel shrinking device for the end coils of the machine. stator.
For the foregoing and other purposes, the invention consists of circuits, devices, combinations, constructions, parts and methods of operation and assemblies described and claimed hereinafter and shown in the accompanying drawings.
Figure 1 is a longitudinal schematic sectional view of part of a turbo-generator, in which high pressure hydrogen is used for the stator and the rotor, the same hydrogen pressures prevailing throughout the machine.
Figure 2 is a schematic middle cross-section of the machine on a plane indicated by line II-II in Figure 1, showing the path traversed by hydrogen in the refrigerators.
Figure 3 is a schematic view, developed in plan, of a portion of the outer periphery of the machine, as would be obtained by removing the outer shell of the machine of Figure 1 and looking radially at each point of the stator, over the entire circumferential extent included in FIG. 3, that is to say the upper part of
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the machine.
Figure 4 is a detailed sectional view of two stator notches, taken on a plane, indicated by line IV-IV of Figure 1.
Figure 5 is an end view of a stator coil head of Figure la
Figure 6 is a detailed longitudinal section, to a scale slightly larger than that of Figure 1, passing through the center of the left end of one of the stator notches, the section plane being indicated by line VI-VI of figure 4.
Figure 7 is a schematic end view of another type of turbo-generator, comprising an insulating cylinder disposed in the air gap of the stator serving to divide the casing of the machine into an outer compartment for the stator. and an internal compartment for the rotor, so that the refrigerant used for the stator may be different or its pressure different than for the rotor.
Figure 8 is a fairly schematic horizontal section, to a larger scale, showing a little more than the left quarter of the machine of Figure 7, the section plane being indicated by line VIII-VIII of figure 7.
Figure 9 is a fairly schematic vertical section on a reduced scale of the lower half of the entire length of the machine, taken on the section plane indicated by line IX-IX in Figure 7; and
Fig. 10 is a schematic view showing the method of calculating heat.
The following description of the invention comprises first the description of the construction of the two exemplary embodiments and then a study of the nature of the refrigerant and of the heat transfer calculations relating to the refrigerant. heat dissipation due to losses in the copper by the circulation of the refrigerant.
FIGS. 1 to 6 represent a large polyphase turbo-generator comprising a stator 1 and a rotor 2 enclosed in a gas-tight casing 3. The rotor is mounted on a shaft 4 which passes through the housing 3 in a gas-tight bearing shell represented symbolically at 5.
Housing 3 is filled with hydrogen or a gas atmosphere under a pressure of several atmospheres, for example 75 pounds per square inch (5.3 kg / cm2) absolute pressure, or, generally under a gas pressure of at least 50 pounds per square inch (3.5 kg / cm2) above ambient pressure. The sealing rings 5 made previously to prevent substantial loss of hydrogen where the shaft passes through the housing are able, by adapting them a little, to withstand the high hydrogen pressures used in the case. current, so that there is no real difficulty from this point of view. FIG. 1 simply shows a schematic envelope 3 which is assumed to be practically gas-tight.
The stator 1 comprises a stator core 6 consisting of a stack of magnetizable annular sheets or stampings, shown schematically as being divided into two stacks of sheets separated by an annular ventilation void 7 of large dimensions located in the middle of the machine between the two stacks, although in practice of construction, this central annular ventilation space 7 can be lined with several sheets spaced apart axially from one another, equivalent to an annular ventilation space of a width or length in the axial direction of two inches for example (51 mm) or any other space that may be desired.
The single central annular ventilation space 7 is preferred over many of the thin (or axially narrow) radial ventilation spaces as used in prior modern turbo-generators.
The stator core 6 is provided with conductor notches 8 for receiving the sides of the coils 9 of a high voltage primary winding 10 made of prefabricated coils. It will be noted that the greater part of the sides of the primary coils 9 constitute straight bars housed in the notches 8. A little before the end of each stator coil, the bars are
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curved forming a curve 11 which joins each straight bar 9 to another straight section with flat sides 12 of the folded end part 13 of the primary winding.
The tip of each straight end portion 12 has a new curve 14 usually forming the coil head and joining the two half coils to each other, although some curves 14 may be extended to the terminals of the machine, as this is easily designed.
In accordance with a feature of the invention, the coil heads 13 of the primary winding 10 which axially and circumferentially extend the end of the straight bars 9 housed in the notches, are maintained at substantially the same radial distance. of the shaft 4 as the sides of the coils 9, instead of moving away angularly from the shaft, as in previous current constructions.
As shown in Figure 1, a cylindrical coil holder of insulating material 16 supports the heads 13 at each end of the core 6, and the heads are clamped to the cylindrical insulating holder 16 by means of suitable shrink rings 17 which combine with the underlying insulating cylindrical support 16 to hold the heads 13 and prevent them from shifting or bending under stress from short circuit currents.
An essential feature of the invention resides in the use of special devices with cooling ducts, to cool the primary coils 10 over the entire length of their conductor bars, i.e. not only the straight bars 9 housed. in the notches but preferably also practically all of the head 13 with the exception of the curve 14 which constitutes the extreme end furthest from the stator core 6.
A preferred embodiment of this part of the invention consists in the use of the sides of coils in pairs 19 and 19 '(fig. 4) separated from each other circumferentially by small vertical spacers or radials 20 (fig. 6) placed at appropriate intervals in the length of the pairs of coils 19 and 19 ', both along the rectilinear parts 9 housed in the notches 8 and along the rectilinear parts of the heads 13. Upper and lower refrigeration pipes 21 and 21 'extend along the pairs of coils 19 and 19' preferably formed by insulating, rigid pipes preformed in a U-shape (see fig.
4) current respectively above and below the two paired parts 19 and 19 ', and comprising the rectilinear bars 9 housed in the notches 8 of the stator, the curves 11 at the ends of the core of the stator 6 and the rectilinear parts 12 from heads to curves 14 exclusively
In order to provide sufficient insulating surface to accommodate creep lengths, the side walls of the U-shaped refrigeration pipes 21 and 21 ', and pairs of spaced conductors 19 and 19' are flush and covered with blanket insulation panels. 23 extending all along the sides of coils provided with cooling pipes 21 and 21 '.
The parts of the insulating pipes 21 and 2le and of the insulating panels 23 which are located inside the notches 8 serve as notch insulation for the conductor bars, the notches being provided sufficient, in cross section, to receive the conductors, the 'slot isolation and cooling pipes 21 and 21'.
As in most turbo-generators, the armature of the machine shown is coiled in two layers 10, so that the rolling parts housed in each stator notch 8 comprise a double duct, as it is. has been said. In FIG. 5, the cooling fluid - hydrogen in this case - is shown entering through the upper pipe 21 of the upper winding layer and through the lower pipe 21 'of the lower winding layer, at the end of the pipe near the bends. 14 of the heads of the various coils. The lower pipe 21 'of the upper layer and the upper pipe 21 of the lower layer are sealed at this point, as shown schematically at 24 and 25 of Figures 1 to 6.
The refrigerating fluid therefore enters through the open pipes and passes, through the vacuum between the two half-coils 19 and 19 ', into the pipes sealed at the ends 14, as shown by the arrows in FIG. 6.
In the center of the machine, at the location of the annular ventilation space 7, the
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two pipes, open at the ends 14, are closed as indicated at 26 and 27 in Figure 1, so that the refrigeration gas escapes through the closed cooling pipes on the side of the ends 14 and passes radially outside towards the outer periphery of the stator core 6, as indicated by the arrows in Figure l.
The stator sheets 6 are held at their outer periphery by a series of sturdy support rings 30 axially spaced apart, as shown in Figure 1. The frame housing 3 has a cylindrical body which, in the illustration of Figure 2, is slightly eccentric with respect to the stator core 6 so as to form a larger space between casing 3 and core 6 at the top of the machine than at the bottom.
This larger space contains two axially arranged refrigerators or heat exchangers 31 and 32, angularly offset from each other, and joined at the bottom, or their innermost sides, by means of 'a horizontal partition 33 which forces the gases leaving radially the annular ventilation space 7 of the stator to circulate in two circumferential jets directed towards one another transversely to the two axial exchangers 31 and 32 and entering into the longitudinal space between the two exchangers, through which the gas, on cooling, returns to the respective ends of the machine.
The circulation of gas is maintained by means of a fan 35 (fig. 1), mounted on the shaft 4 at each end of the rotor 2. A suitable baffle 36 is provided at each end of the machine so that the gas cooled by its passage between the refrigerators 3r and 32 is taken by the suction walls of the fans 35 and reinjected axially into the machine.
The rotor 2 comprises a core 40 (Figures 1 and 2) also provided with notches for conductors 41 in which the sides of the coils 42 of the field winding 43 of the machine forming the rotor winding are housed.
The inductor 43 is preferably composed of hollow or U-shaped conductors 44, similar to the conductors described in US Pat. No. 2,221,567 issued on November 12, 1940, except that these hollow conductors are traversed this time by hydrogen. under a pressure of several atmospheres which allows much more heat to be released from the rotor conductors than before. Near the center of the rotor, almost under the annular stator ventilation space 7, the rotor groove shims 45 and the U-shaped rotor conductors 44 are provided with radial openings or vents 46 through which the hydrogen is expelled in the air gap, from where it passes into the annular space of the stator 7 and joins the hydrogen for cooling the stator,
to be cooled by the exchangers 31 and 32 and returned to the respective ends of the machine by the fans 35.
The stator core 6, and usually also the rotor core 40, are provided with axial ventilation holes suitable for direct cooling of the stator iron or rotor. Thus, in Figure 1, an axial stator hole 47 is shown in the rear part of the stator sheets, above the bar notches 8; and Figure 4 shows another axial ventilation hole 48 in one of the stator teeth, to show how the stator teeth can be cooled. These ventilations of the iron or the cores can be of the conventional type.
In the embodiment of the invention shown in Figures 7, 8 and 9, the interior of the frame housing 3 is divided into two by a cylindrical insulating part 51 fixed to the air gap 52 of the stator core 6 and s' extending axially beyond the stator core at each end of the machine.
The ends of the cylindrical insulating part are joined hermetically to one or the other part of the frame 3, for example by means of annular partitions 53 forming airtight seals between the cylindrical insulating part 51. and the frame 3. The cylindrical part 51 thus divides the interior of the machine into two chambers, an outer 54 and an inner 55. The core 6 and the coil 10 of the stator are placed in the outer chamber 54, while the core 40 and rotor winding 43 rotate inside 55.
In the compartmentalized construction of figures 7, 8 and 9, it is necessary to provide two different circulations for the refrigerants in the rooms
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exterior and interior 54 and 55, since these two chambers are hermetically sealed with respect to one another.
The inner chamber 55, as shown in Figures 7 to 9, is preferably filled with hydrogen under a pressure of several atmospheres, and the circulation of the cooling hydrogen to the rotor is preferably maintained by means of two 35 'rotor fans (fig. 8).
The rotor refrigeration hydrogen is sucked through the rotor radial openings 46 through the part of the air gap within the cylindrical insulator 51, thus passing from the center to both ends of the rotor, as shown in Figure 8. At each end of the machine, the rotor cooling hydrogen is conducted through a suitable baffle 56 into the end space 60 located axially beyond the annular wall 53 which forms a end;
of the outer chamber 54 Suitable refrigerators or heat exchangers 61 and 62 are arranged in the end space 60 at the respective ends of the machine, the exchangers being shown arranged vertically o The baffle devices 56 are arranged in such a way that the rotor refrigeration hydrogen licks the exchanger 61 or 62 vertically and then returns to the suction face of the rotor fan 35 'at that end of the machine.
The outer chamber 54 of the machine of FIGS. 7 to 9 can be filled with hydrogen or with another gas necessarily heavier than hydrogen, since hydrogen is the lightest gas; you can still fill it with an insulating liquid refrigerator. Since the refrigerator is hermetically sealed in the outer chamber 54, it should not have the same pressure as the hydrogen in the inner chamber 55. There is however an advantage, from one point of view, of having roughly the same pressure for the refrigerators of the outer and inner chambers 54 and 55.
this is because, under these conditions, the insulating cylinder 51 is not subjected to too great mechanical stresses due to the pressure difference between the inner and outer faces of the insulating cylinder 51, which can then be thinner and take up less space in the machine air gap.
If the inner chamber 55 is filled with hydrogen to a pressure of at least 50 pounds per square inch (3.5 kg / per cm2). Outer chamber 54 fill pressure of at least 40 pounds per square inch (2.8 kg / cm2) above ambient atmosphere will be required to avoid excessive pressure differences between compartments 51 and 53
Any suitable device can be used to circulate the refrigerant in the outer chamber 54 of the machine shown in Figures 7 to 9.
In the embodiment shown by way of example, as shown in figure 9, the refrigerant which discharges radially from the central annular ventilation space 7 in the core of the stator 6 is collected in the space. annular between the core of the stator 6 and the casing 3. and then expelled through a discharge pipe 65 which can communicate with the pit 66 above which the machine is placed, where the refrigerant first passes into a pump 67, and then a refrigerator or heat exchanger 68, from where the refrigerant is conducted in supply pipes 69 going to the respective ends of the outer chamber 54.
The general principles of the invention will emerge most clearly when dealing with a simple problem which will show the method of calculating the heat transfer from the stator busbars to the cooling pipe with which they are in contact. , for a gaseous refrigerant, in particular hydrogen at 6 atmospheres, and for a liquid refrigerant, in particular of the transformer type.
Consider, for example, a conductor formed of five superimposed copper strips vented laterally 9, 100 inches (2.54 m) long. having a total cross section of one inch by one inch (25.4 mm x 25.4 mm). bordered on one side of a cooling pipe 21 having a section of one inch by 0.106 inch (25.4 mm x 2.7 mm) as shown schematically in figure 10, The wetted surface of the conductor is :
A = wetted area of the conductor = 100 inches (645 cm2).
If, to simplify the problem, we assume that copper has an average temperature of 75 C, and that its rather high current density is 3,400 amperes per
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square inch (530 A cm2), the resistance of such a conductor being 82.5 x 10-6 ohms, the total losses will be, in round numbers:
W = losses in the conductor = 955 watts.
There follows the calculation of the various thermal gradients-relative to the above-mentioned example, as shown in figure 10, first for a refrigeration liquid which is transformer oil, and then for hydrogen. ne at an absolute pressure of 6 atmospheres.
When the refrigerant is transformer oil, the following characteristics can be admitted, by way of example: h = thermal conductivity = 0.0035 watts per inch per centigrade degree. s = specific gravity = 0.89. c = specific heat = 15.5 watts per degree centigrade, flow rate in pounds per minute.,
The surface dissipation constants for the oil flowing in the narrow pipe can be determined by the classical heat equations contained in the book "Heat Transmissiontt by MoAdams, Taking an oil circulation speed of 2 feet per second, which is normal speed for heat transmission matters, or:
w = oil circulation speed = 4.9 pounds per minute ,, the heat transfer coefficient, at the heat dissipating surface, of the oil is: h = heat transfer coefficient in the oil =
0.144 watts per square inch per degree centigrade.
The temperature gradient at the heat transmitting surface of 1-'oil is:
EMI8.1
T s0 - hA "0.144 x 100 66 330 c The temperature rise in 1-'oil will be:
EMI8.2
- W - 955 = 12 6 C
TRo cw 15.5 x 4.9
The maximum temperature rise in the conductor is the sum of the two: gradients calculated above, or
Tomax = Tso + TR = 66.3 C + 12.6 C = 78.9 C. max o o
When the refrigerant is hydrogen at an absolute pressure of 6 atmospheres, the following characteristics can be admitted by way of example:
k = thermal conductivity = 0.0049 watts per inch per degree centigrade. c = specific heat = 3.2 watts per degree centigrade flow rate in cubic feet per minute.
Given a gas circulation speed of 6,000 feet per minute, a normal value resulting in a normal pressure gradient to maintain the circulation of hydrogen, the quantity of gas passing through the pipe will be, for example:
Q = flow rate of hydrogen = 4.43 cubic feet per minute., And the surface dissipation constants for hydrogen, at this rate, and at the assumed pressure of 6 atmospheres, will be:
H = surface dissipation coefficient for hydrogen
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EMI9.1
0.656 watts per square inch per adjoining degree, The temperature gradient at the surface of hydrogen will therefore be: - -IL- - 955 = 14 6 C
EMI9.2
19H lÀ 0.656, x 7f70 "4, The temperature rise in hydrogen will be:
T = W = 955 = 67. 5 C
EMI9.3
\ - GQ - 32 955 x, 67.5 Co The maximum temperature rise in the conductor will be-.
Tx msx T + T '= 14.6 C + 67.5 C = 82.10C.
The results can be summarized as follows:
EMI9.4
<tb> Fluid <SEP> Oil <SEP> Hydrogen
<tb>
EMI9.5
Absolute pressure in atmospheres 00000.0000.0000000: 1 6 Indicated pressure ooeoeaoonoooaaomomooooemooooo000ô 0 75 psi Speed Feet / sec .... 2,100 Feet / Min omooomaoomoooooooooasoooommmooooo0ô 120 6000 m / sec o 0 omo 0 osoomaomo 0 0 0 0 0 oeso 0 0 0 0 0 0 0 0 oe6l z 5 Heat dissipated in watts eooom9aoooooemmoooooooeeé 955 955 Temperatures:
Fall to surface o o m a o a o m o 0 0 o O o 0 66.3 G 14.7 0
EMI9.6
<tb> Increase <SEP> of <SEP> temperature <SEP> of the <SEP> fluid.-. <SEP> 12.5 <SEP> 67.5
<tb>
EMI9.7
Maximum temperature rise 0 Ii 0 "" "0 0 0 e <> <> 0 9oG 825 100
The above calculations apply to a machine having a conductor length from one end of the machine to the other of 100 inches (2.54 m), with refrigerant entering at one end and exiting at the other. end; or they apply to a machine twice as long, when the refrigerant is introduced at both ends, and exits from the center.
Assuming the total length of conductor is 100 inches (2.54m) and refrigerant is introduced at both ends of the machine and expelled through the center, the actual pipe length will be 50 inches (1.27 m) instead of 100 inches (2.54 m), which will halve the temperature rise of the refrigerant.
The temperatures are thus
EMI9.8
<tb> Fluid <SEP> Oil <SEP> Hydrogen
<tb>
EMI9.9
Fall to surface o0oooooaooooaeooooooooeooaoooooâ 66g3oC I87AC Fluid temperature rise oaasaaaaaaaaaoa 6530C 9 33ag C Total temperature rise a a o e e a a a o 0 0 0 0 0 0 o e 72, 6 G 48.50G
EMI9.10
<tb>
<tb>
These calculations therefore show that the cooling efficiency of hydrogen, at the pressure and speed indicated, is of the order of that of oil, so that hydrogen can be used at least with success. equal to that of 1-oil for cooling the stator.
The invention therefore makes it possible to greatly increase the speed
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cooling the rotor and stator of a turbo-generator or similar dynamo-electric machine, and correspondingly increasing the permissible load of the machine. This increase in machine load is significant due to the current high cost of materials and labor.
This increase in load is ensured at no or very little additional cost, since it suffices to replace conductors surrounded by a solid insulating wall by conductors surrounded by insulating pipes or by conductors themselves forming refrigeration piping, to use cores having notches large enough to accommodate conductors, insulators and piping, and to have an appropriate device for maintaining the circulation of high pressure hydrogen or other refrigerant fluid.
CLAIMS
1) Dynamo-electric machine having a stator and a rotor, and a casing, at least one of these elements comprising a core having axially directed notches for receiving conductors, a winding having winding parts arranged in the notches with conductors, and the notch insulation also disposed in each conductor notch,
charac- terized in that each conductor notch has dimensions sufficiently larger than those necessary for housing the rolling part (s) and the notch insulation so as to form a channeling device d 'notch comprising one or more pipes directed axially so that at least a part of each notch pipe device is bounded by one or more winding parts arranged in the notch, the casing forming a gas-tight chamber in which the core and its winding are placed, the chamber being filled with an electrically insulating fluid, the insulating fluid having a cooling efficiency of at least the same order as that of the oil, a device for ensuring the circulation of the flowing fluid axially in the cooling pipes,
and a heat exchanger device inserted in the circulation circuit to cool the fluid.