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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
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\ - 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 :
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<tb> Fluide <SEP> Huile <SEP> Hydrogène
<tb>
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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
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<tb> Elévation <SEP> de <SEP> température <SEP> du <SEP> fluide.-. <SEP> 12,5 <SEP> 67,5
<tb>
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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>
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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
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<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.