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Perfectionnements aux machines dhynamo-électriques.
La présente invention concerne les machinas dynamo- électriques et, plus spécialement, les rotors des turbo-alternateurs
Une des limitations principales à la production de turbo-alternateurs d'Orne puissance nominale dépassant 500 MW sans une augmentation notable du poids est la température des enroule- ments en cuivre du rotor. Jusqu'ici,!! était courant.de faire circu- ler de l'hydrogène sous haute pression en contact direct avec les enroulements de rotor. Il est connu aussi de refroidir de enroule- ments du stator en faisant circuler un liquide, de l'eau par exemple, dans des conducteurs creux.
Dans le cas d'un rotor au contraire, une des difficultés consiste à limiter les courants électriques continus de fuite dans les colonnes ou canalisations d'eau alimen- tant les conducteurs. En outre, pour pouvoir réduire la chute de pression due au frottement et de limiter 1'élévation de tempe-
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rature de l'eau, il est nécessaire de limiter la circulation de l'eau dans les conducteurs à un parcours de longueur réduite.
L'invention a pour but principal de procurer une dispo- sition perfectionnée remplissant en substance ces conditions.
Selon la présente invention, un turbo-alternateur élec- trique comporte un rotor, un arbre creux, une extrémité à bride de cet arbre se fixant axialement au rotor de manière à le suppor- ter, des conducteurs constituant un enroulement de rotor, dos sur- faces définissant des passages longitudinaux dans ces conducteurs, des Moyens pour faire passer un fluide de refroidissement dans les conducteurs, comprenant un tuyau d'entrée passant à l'intérieur de l'arbre dans le sens longitudinal, une plaque transversale se trouvant à l'intérieur de l'extrémité à bride de l'arbre fixée à l'extrémité du rotor et supportant le tuyau d'entrée et les tuyaux de raccordement qui relient le tuyau d'entrée aux passages dans les conducteurs.
Chacun des raccordements d'entrée peut être relié à un tuyau d'entrée de liquide passant dans l'arbre de rotor et de même, chacun des raccordements de ;ortie peut être relie à un tuyau de sortie passant aussi dans l'arbre de rotor.
La transposition des conducteurs de rotor peut s'effec- tuer de la manière utilisée dans les barres de stator dites de Roebel.
Les conducteurs sont disposés dans l'encoche en deux em- pilâmes cote à côte, les conducteurs d'un empilage étant inclinés vers le bas jusqu'à atteindre le fond de l'encoche pour ensuite se plier latéralement et passer dans l'autre empilage où les con- ducteurs sont inclinés vers le haut, chacun des conducteurs occu- pant à son tour le fond de l'encoche mais en différents endroits de celle-ci.
Dans ce qui précède, on s'est référé, pour simplifier, à une encoche se trouvant à l'extrémité supérieure du rotor, de sorte que le conducteur supérieur est radialement le plus extérieur
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et le conducteur inférieur est radialement e plus intérieur.
Les raccordements se trouvent, de préférence, dans des sous-encoches se trouvant plus bas que les encoches (c'est-à-dire radialement plus intérieurs que les encoches à conducteurs). Ou bien, les raccordements peuvent passer entre les encoches à conduc- teurs.
L'invention ressortira clairement de la description don- née ci-après avec référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une coupe longitudinale d'une extrémité d'un rotor montrant l'entrée du liquide et les conduits de sortie.
La figure la est une coupe longitudinale d'une encoche, suivant la ligne III-III de la figure lb.
La figure 1b est une vue en plan des conducteurs dans une encoche montrant la transposition.
La figure le est une vue en perspective, avec arrache- ments,d'un tuyau flexible formant collecteur.
La figure 2 est une coupe transversale faite suivant la ligne II-II de la figure 1 montrant les communications entre le tuyau d'entrée et les conduits de sortie des sous-encoche. corres- pondantes.
La figure 3 est une vue schématique montrant la disposi- tion électrique des enroulements.
La figure 4 est une coupe transversale à grande échelle d'une encoche, suivant la ligne IV-IV de la figure lb.
La figure 5 est une coupe transversale suivant la ligne V-V de la figure lb.
La figure 6 est une coupe transversale du diffuseur de sortie.
La figure 7 montre un joint brasé avec coupleur tubulai- re.
La figure 8 est une coupe longitudinale d'une partie d'un rotor d'alternateur montrant une autre construction.
La figure 9 est une coupe suivant la ligne VI-VI de la figure 8.
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Comme la figure 1 le montre, la référence 101 désigne le circuit magnétique d'un turbo-alternateur monté sur un arbre creux 2. L'eau descend d'un réservoir (non représenté) et passe dans un tuyau d'entrée fixe 1 traversant l'extrémité de l'arbre de rotor 2, la surface extérieure du tuyau 1 étant filetée en 3 de façon à jouer le rôle d'une pompe hélicoïdale afin de pouvoir faire régner la pression la plus élevée possible dans la chambre 4 sans qu'il n'y ait un retour exagéré au travers de la couronne entre ce tuyau fixe et le rotor.
Quoique ceci constitue un système de bourrage préféré pour l'arbre, on peut évide .ment utiliser d'autres types de bourrage appropriés mais il est souhaitable d'éviter des bourrages à frottement suscep- tibles de s'user.
L'eau passe ensuite de la chambre 4, par deux tuyaux radiaux d'entrée 5 diamétralement opposés, dans deux quadrants d'entrée diamétralement opposés 6 d'une couronne. De ces quadrants, l'eau est répartie entre les différents cotés entrée des enroule. ments par des raccordements consistant en des tuyaux flexibles iso- lants 7 logés dans des sous-encoches d'entrée 8. La disposition des tuyaux radiaux et de la couronne est représentée clairement à la figure 2, tandisque le circuit de l'eau vers les enroulements est représenté à la figure 3.
Comme les figures 1 et 3 le montrent, les tuyaux fle- xibles de raccordement partent de la couronne et s'étendent sur tour- te la longueur des sous-encoches de manière à communiquer avec chaque conducteur 9 aux branchements au bas de l'enroulement, les conducteurs étant transposés dans chaque encoche d'une manière qui sera décrite plus loin. Tous les côtés d'enroulements adjacents associés à un pôle sont des entrées pour l'eau et ils sont reliés à un des quadrants d'entrée de la couronne, et tous les cotés d'en- roulements diamétralement opposés (électriquement) sont aussi des entrées.
La figure 3, qui est un schéma explicatif, montre trois
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enroulements seulement associés à un pôle et, que, pour la simpli- cité et la facilité d'observation du circuit, chaque enroulement ne comporte que six barres en deux empilages de trois barres chacun alors que, sur la figure 1 et dans les coupes transversales des en- coches représentées aux figures 4 et 5, il y a seize barres en deux empilages de huit. Sur la figure 3, les lignes en traite pleins représentant les conducteurs creux de l'empilage le plus proche de l'ax du pale et ceci pour chaque enrouleront, tandis que les ligne.. en traits Interrompue représentent l'autre empilage.
Sur la figure 3, les entrées de-au aux branchements inférieurs des cotés entrée des enroulements sont désignées par des lettres majuscules A-M et les sorties correspondantes sont indiquées par des lettres mi- nuscules. En étudiant le circuit, on voit que chaque entrée alimen- te deux canaux comportant chacun une demi-sortie différente dans l'autre coté d'enroulement et ces deux demi-sorties se situant à des branchements adjacents. C'est ainsi que l'entrée B communique par le canal en traits pleins avec la sortie bc et par le canal en traits interrompus avec la sortie ab.
Les deur canaux "parallèles" suivis par l'eau ont donc des longueurs légèrement différentes équivalant au pas des branchements, mais cette différence est tellement courte, comparée à la longueur du canal entier correspondant environ à une déni- spire, que ceci sans conséquence pour l'élévation de tempé- rature de l'eau.
La figure 3 montre que la bobine milieu a des têtes d'enroulement interverties. La raison en est claire lorsqu'on étu- dis le circuit d'eau pour le plus petit enroulement;on constate en effet que la déni- sortie g est la de...1-décharge correspondant à la prise 0 sur 1* enrouleront voisin, et il en est de même de la demi-sortie s. Si tous les branchements étaient dans le même sens, g recevrait de l'eau de l'admission L ce qui équivaudrait à une lon- gueur de canal et, par conséquent, une élévation de température de l'eau pour ce canal environ double de celles des autres canaux.
En dirigeant chaque enroulement en sens opposés de l'un à l'autre, on
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obtient des longueurs de canaux en substance égalée dans tout l'en- roulement, cette longueur de canal équivalant à une demi barre ce qui correspond à un système de refroidissement à une seule passe où l'eau pénètre par uno extrémité de la machine et sort par l'autre extrémité après avoir traversa tous les conducteurs en parallèle; de la manière décrite, on évite une multplicité de connexions de tuyaux flexibles aux têtes d'enroulement qu'il ne serait pas possi- ble de loger et dont certaines seraient soumises à de très hautes pressions dans les spires extérieures.
Cette tome d'exécution permet aussi le montage en ste- lier de chaque deni-enroulement et des tuyaux flexibles constituant les raccordement d'entrée ou de sortie avec l'isolement par rapport à la terre. On peut introduire chaque demi-enroulement complet dans les encoches d'enroulement comme représenta aux figures la, 1b, 4 et 5, tandis que les conducteurs réunis électriquement et hydrauliqueemtn aux têtes d'enroulement le sont, connue représenté à la figure 7, au moyen de coupleurs tubulaires brasés.
Après être passée d'un demi-enroulement à l'autre, l'eau se décharge à nouveau des branchements inférieurs dans un collecteur de sortie semblable, constitua par un tuyau flexible, se trouvant dans la sous-encoche, et de là dans les quadrants de sortie 10 de la couronne. Les quadrants d'entrée et de sortie sont sépares par des cloisons 11.
L'eau va de la couronne par des tuyaux de sortie radiaux 12 dans une couronne de sortie 13 concentrique au tuyau d'entrée 1 et suit l'arbre vers le diffuseur 14 dont une vue en coupe est représentée à la figure 6, d'où l'eau passe dans un réservoir se trouvant à un niveau inférieur à celui du rotor; l'eau est renvoyée par pompage de ce réservoir inférieur dans le réservoir supérieur à l'aide d'une pompe extérieure.
Dans cette forme d'exécution, la pression nécessaire pour que l'eau passe dans les enroulenents sans produire de dépression, est la pression obtenue par la rotation du rotor, entre le raycn de la couronne de sertie 13 et le rayon de la chambre d'entrée 4, à la.
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quelle s'ajoute la pression initialement établie dans la chambre 4 par le réservoir supérieur et Maintenue grâce au rôle de pompe hé- licoïdale joué par la tuyauterie d'admission 1. Des pressions plus élevées pourraient être obtenues si on utilisait un véritable scel- lement ou bourrage à l'endroit où l'eau pénètre dans l'arbre, mata ceci poserait le problème de l'usure du bourrage.
En comparant les figures 1 et 2, on voit que les canal!- sations 5 et 12 sont représentées toutes deux dans un plan verti- cla sur la figure 1 alors qu'un réalité elles sont décalées de 90 dans le sens de rotation, comme le montre la figure 2.
La construction des tuyaux flexibles isolants consti- tuant les raccordements est menthe aux figures la et le. Le tuyau flexible doit résister à la pression régnant à la distance radiale de la sous-encoche; cette pression peut être de l'ordre de 70 Kg/cm2 pour une vitesse boréale et peut atteindre éventuellement 105 Kg/om2 pour une survitesse. En premier lieu, la matière du tuyau flexible doit être imperméable à l'eau et doit avoir une souplesse suffisante pour se "donner" lors de la dilatation thermique de l'enroulement.
Une matière appropriée est le polytétrafluoroéthylène comme indiqué par la référence 15, mais il faut disposer de bagues extérieures de renforcement 16 on métal séparées par des bagues isolantes 17 méca- niquement très résistantes mais très étroites. Deuxièmement.. le tuyau flexible a besoin de manchons Intérieurs de renforcement 18 afin aqu'il ne s'aplatisse pas lorsque le rotor tourne éventuelle. ment sans eau à des températures élevées.
Ces manchons doivent être en une matière isolante, mécaniquement résistante uc imperméable à l'eau. Une matière appropriée est le polychlorotrifluoroéthylène, et les extrémités des manchons et des bagues peuvent être chanfreinée afin de donner une certaine souplesse à 1' ensemble du tuyau flexible* En troisième lieu, quoique la construction soit telle qu'on puisse utilise de longs tuyaux flexibles afin de réduire les courants de fuite électriques, en particulier entre l'enroulement et la couronne comportant les quadrants 6 et 10, certains de ces tuyaux ayant la moi-
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tié de la tension du rotor appliquée entre leurs extrémités, il peut être nécessaire de prolonger l'extrémité du tuyau flexible 7,
ce prolongement constituant un anneau de protection contre la cor- rosion de la partie utile du tuyau flexible enfermé sous les bagues de sertissage 15.Ces prolongenents sont avantageusement en acier inoxydable, afin de réduire les attaques par électrolyse*
Les conducteurs électriques allant vers le raccordement 20 (voir figure 1) pourraient être de type courant, traversant des trous pratiqués dans la partie pleine de l'arbre, et, dans ce cas, l'eau se déchargeant du point "a" constituant le début du circuit électrique fourrait être amenée dans une chanbre d'évacuation 10 de la couronne par l'intermédiaire d'un tuyau flexible isolant, tandis que l'eau pénétrant à l'extrémité du circuit électrique par un point semblable à "S" (voir figure 3)
pourrait être amenée éga- lèvent par un tuyau flexible venant d'un quadrant d'entrée 6 de la couronne. En variante, les conducteurs allant au collecteur peu- vent être creux et refroidis à l'eau si l'on établit des communica- tions appropriées pour l'eau à l'extrémité côté collecteur des con- ducteurs. Des conducteurs refroidis à l'eau peuvent aussi être utilisés si le collecteur est du type à contact au mercure ou si l'excitatrice est du type à courant alternatif, l'arbre de l'exci- tatrice portant des redresseurs tournants. Si on le désire, les conducteurs pleins ou refroidis à l'eau peuvent occuper l'espace rempli par le cylindre de bourrage 22.
Les tuyaux amenant l'eau aux quadrants d'entrée, de la cou- ronne et la couronne elle-même sont isoles de l'arbre du rotor afin que l'on puisse,sans devoir vider toute l'eau du rotor, effectuer des mesures de résistance d'isolement en ce qui concerne l'isole... ment principal 23 du rotor par rapport à la terre.
La description ci-dessus concerne un rotor refroidi directement à l'eau et constituant l'équivalent d'un système de re- froidissement en une seule passe, l'eau sortant après avoir parcouru une demi-barre. Dans le cas de rotors d'une puissance nominale moyenne
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il peut suffire que l'eau sorte après avoir traversé une spire compléter dans ce cas, les conducteurs ne doivent pac être transposa.
Les spires pourraient avancer en montant dans un empila le, pour pasr.er à l'empilage adjacent à hauteur des tête d'enroulement d'oùelles redescendent jusqu'au fond de l'encoche où un autre branchement peut être établi vers enroulement de l'encoche voisine.
Les tuyaux flexibles pour l'eau peuvent, dans ce cas, être relies à ces branchements inférieurs à hauteur des totos d'enroulement où la pression est la plus faible. Une autre variante consiste à avoir un seule empilage de conducteurs dans chaque encoche 15, les barrer montant dans une encoche pour passer à l'encoche adja- cente au point le plus haut d'où elles redescendent jusqu'au fond où les tuyaux flexible:: pour l'eau se relient, c'est-à-dire à nouveau où la pression est la plus faible. Des prises d'eau in- termédiaires pourraient être prévues à mi-chemin de l'encoche dans le cas de rotors de petit diamètre, à condition que la pression ne soit pas exagérée pour le tuyau flexible.
Comme les figure? la et lb le montrent, les conducteurs de l'empilage le plus rapproché, représentés à la fauche de la figure, montent de gauche à droite, atteignant le point le plus haut en 24 par exemple point où ils sont amenés horizontalement par pliage dans l'autre empilage où ils redescendent. De mené, chaque fois qu'un conducteurde ce deuxième empilage atteint le fond de l'encoche, il est replié horizontalement et amené dans l'empilage le plus rapprocha Tous les conducteurs sont ainsi progressivement trans- poses dans l'encoche et atteignent chacun successivement le fond de l'encoche.
La figure 4 est une coupe faite par un point de transposi- tion comme celuipar lequelpasse la ligne IV-IV de la figure 1b, où le conducteur 25 occupe donc une position milieu dans l'encoche 125, te passade longitudinal 26 dans le conducteur communique avec le raccordement 27 par la lumière 8.
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Des blocs distanceurs 28 sont disposés de part et d'autre du conductuer 24. Un conducteur 29 subit de même une transpo- sition à la partie supérieure de l'encoche,, mais en sons opposé par rapport au conducteur 25;il est maintenu en place par des blocs distanceurs 30. La référence 31 désigne la cale habituellement uti- lisée pour maintenir les conducteurs à l'istérieur de l'encoche.
La figure 5 est une vue semblable, la coupe étant faite suivant la ligne V-V de la figure lb, cette ligne étant intermé- diaire entre les points de transposition. A cet endroit, il n'y a pas de communication entre le:1 passages 26 et le collecteur.
De: blocs distsanceurs 32 sont introd its au haut et au bas de 1'en- coche.
Ln òrne d'exécution représentée permet le montage en atelier de chaque demi-enroulement avec ses tuyaux flexibles et son isolement par rapport à la terre. Chaque demi-enroulement com- plèt peut être introduit dans les encoches d'enroulement, et les conducteurs peuvent être réunis électriquement et hydrauliqueemtn corme représenté à la figure 7, à l'aide de coupleurs tubulaires brasés 33 que l'on glisse sur les extrémités de dimension réduite des conducteurs 25.
Comme la figure 8 le montre, le noyau de rotor 101 fait corps avec unebride 102 portant une bague de retenue 103. Cette bague de retenue protège les têtes d'enroulement 104 contre les forces centrifuges. Un arbre creux 105 est boulonné à la bride 102. Une chambre creusée dans l'arbre creux 105 contient une pla- que de transmission 106 attachée par des boulons 125 à un adapta teur 124 qui est lui-même boulonné au corps de rotor.
Cet adapta- teur sertisoler la plaque 106 du noyau de rotor 101; dans cer- taines constructions, l'adaptateur n'est pas nécessaire* Des pas- sages radiaux 107, obturas par des bouchons 116 à leur extrémité radialement extérieure, font passer le liquide du tuyau d'entrée 108 dans l'arbre de rotor (qui correspond au tuyau 4 de la figure 1) aux extrémités 112 des collecteurs d'entrée. Des passages semblables
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110 font passer le liquide des extrémités des ollecteurs de sortie vers un tuyau de sortie 111 dans l'arbre de rotor, Ceci est représenté clairement à la figure 9.
Les extrémités 112 des collec- teurs sont logées dans des trous 114 pratiqués dans laïque 106 et un distanceur 115 est prévu pour tenir compte des imprécisions d'ajustage. L'épaisseur requise du distanceur est déterminée au cours du montage. Des aubes de guidage peuvent être prévues au-dessous du bouchon 116 pour aider l'écoulement du liquide.
Les conducteurs électriques 117 passent au-dessous de l'enroulement et traversent des trous 118 pratiqués dans la pla- que 106 ainsi que des trou, correspondants pratiqués dans la bride de l'arbre creux 105 pour aboutir à une poche 119 bourrée de matiè- re isolante. Dans cette poche, un joint 120 est effectué avec le conducteur 121 qui va au collecteur. Le joint 120 et son isolant so;,t maintenus en place par une bague 122 et une rondelle 123.