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Machines dynamo-électriques.
La présente invention se rapporte, de façon généra- le, aux machines dynamo-électriques et concerne, plus spécialement, ! les systèmes de ventilation de turbo-générateurs de dimensions relativement grandes.
Les turbo-générateurs de grandesdimensionssont habi- tuellement à refroidissement interne ou direct, le fluide de refroi- dissement circulant dans des.canalisations pratiquées dans les en- coches du stator et du rotor en contact thermique direct avec les conducteurs véhiculant le courant et se trouvant à l'intérieur de l'isolant mis à la terre.. Ce type de construction permet d'obte- nir un système de'refroidissement très efficace qui a lui-même per-
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mis d'augmenter fortement'les puissances nominales maximum des gros turbo-générateurs sans dépasser les limites admissibles de leur encombrement.
Ces machines ont été habituellement refroidies par un gaz de refroidissement, l'hydrogène ayant été couramment utili- sé, ce gais de refroidissement remplissant une enceinte étanche au gaz et étant mis en circulation par une soufflerie montée sur l'arbre du rotor, le gaz parcourant les canalisations des enroule- ment de stator et de rotor ainsi que des canalisation radiales pratiquées dans le noyau du stator. Cependant, au fur et à me- sure que les puissances nominales de ces gros turbo-générateurs augmentent, il est de plus en plus souhaitable d'améliorer le re- froidisseent des enroulement$ de stator et, à cet effet, il a été. proposé d'utiliser des fluides de refroidissement plus efficaces dans les canalisations des enroulements de stator.
De tels flui- des de refroidissement peuvent être constitués, par exemple, par un liquide comme l'eau ou un gaz à hauté pression comme de l'hydrogène sous une pression de plusieurs kilos ,par cen- timètre carré . L'utilisation de tels fluides de refroidissement impliqua que le fluide circule au travers dès bobines de stator en un circuit fermé séparé et hermétiquement isolé du gaz de refroi- dissemeht se trouvant dans l'enceinte précitée et refroidissant le 'noyau du stator et les enroulements du rotor.
Une des difficultés présentées par un tel système de circulation en circuit fermé du fluide de refroidissement dans.les bobinages au stator d'un turbo-générateur est d'établir un raccord,satisfaisant entre la partie extérieure au système de refroidissement et les tubes! ou canalisations de ventilation se .trouvant dans chaque bobinage du statbr. Un procéde possible consisterait à établir ces raccordements en soudant ou en
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brasant un raccord à chaque tube ou canalisation séparée de venti- lation dans chaque bobinage. Cependant, le brasage d'un accord particulier à chaque canalisation de ventilation constitue un pro- cédé excessivement coûteux à cause du grand nombre de canalisa- tions par machine.
Les canalisations de chaque bobinage pourraient aussi être brasées à un raccord métallique commun mais ceci aurait pour effet de court-circuiter les canalisations entre elles, créant ainsi des courants de circulation et des pertes par courants de Foucault sans compter que ce procédé empêcherait les transpositions de groupes. En outre, la chaleur requise pour une soudure ou un brasage est aussi indésirable du fait qu'il faut prendre un grand soin à ne pas endommager l'isolant roche.
Un autre procédé proposé qui évite ces difficultés implique l'utilisation d'un raccordement isolant pour les canalisa- tior.s de chaque bobinage- Selon la présente invention, on utilise un collecteur métallique pour faire communiquer les canalisations de chaque bobinage avec le système de refroidissement, ce collecteur étant agencé de façon à isoler efficacement ls canalisations tout en pouvant être fabriqué et installé aisément.
La présente invention a donc pour but principal de procurer une machine dynamo-électrique du type à refroidissement interne ayant un système en circuit fermé pour la circulation du fluide de refroidissement dans les canalisations de refroidissement des bobinages du stator et utilisant des collecteurs pour faire com- muniquer toutes les canalisations de chaque bobinage avec le système, de refroidissement tout en isolant les canalisations les unes des . autres.
L'invention a aussi pour but de relier les canalisa- tions métalliques de refroidissement d'un bobinage du stator d'une machine dynamo-électrique à un collecteur métallique de façon à iso-
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ler les canalisations les unes des autres.
L'invention a encore pour but de procurer un collée- ' teur pour faire communiquer les canalisations de refroidissement' des bobinages du stator avec le système de refroidissement de la ma.. chine.,qui n'exige aucun raccordement brasé ou soudé avec le collecteur.
D'autres buts dé l'invention ressortiront clairement de la description donnée ci-après.
Selon une forme d'exécution de la présente invention;, les tubes ou canalisations de ventilation des bobinages du stator sont relias à un collecteur métalique non magnétique comportant, d'un côté, plusieurs saillies ou embouts effilés creux qui sont disposes de façon à correspondre à 1)emplacement des extrémités des canalisations de ventilation dans le bobinage du stator, Des .. raccords tronconiques sont prévus aux extrémités des canalisations ' et sont destinés à être glissés sur les embouts effilés du collec- teur, un adhésif de très bonne qualité étant utilisé pour établir une jonction hermétique solide entre chaque canalisation et le collecteur.
Les canalisations de ventilation sont électriquement ; isolées dû collecteur par l'adhésif et par l'isolant qui recouvre " les embouts. Lorsque les canalisations de ventilation ont été reliées au collecteur, l'ensemble peut être noyé dans une résine de remplissage de manière à renforcer la solidité mécanique du raccordement.
Afin que l'invention soit bien comprise , o' la décrira ci-après en détail avec référence aux dessins an@exés, dans lesquels:
La figre 1 est une vue partiellement en coupelongi- tudinale et partiellement en élévation d'un turbo-générateur com-' , ; portant les particularités principales de la présente invention.
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La figure 2 est une coupe transversale à plus grande échelle d'un bobinage de l'enroulement de stator du turbo-gé.
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nérateur'
La figure 3 est une vue partiellement en coupe et partiellement en élévation d'un collecteur construit selon la pré- sente invention, et
Les figures 4, 5 et 6 sont des vues respectivement en élévation de côté, en bout de gauche et en bout de droite d'un raccord tronconique utilisé avec le collecteur.
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Le turbo-dènérateur représenté à LILre d'exemple,en particulier sur la figure 1,est de construction générale sembla- ble à celui décrit dans le brevet belge n 606.922, Il va de soi cependant que la présente invention peut être utilisée avec toute machine dynamo-électrique ayant un système de refroidissement en circuit fermé des bobinages du stator de la machine.
Comme la figure le montre, le turbo-générateur a un noyau de stator 10 porté par des disques 12 constituant entretoise à l'intérieur d'une enveloppe extérieure étanche au gaz 13. noyau de stator 10 est généralement du type feuilleté et comporte, au centre, un creux de forme générale cylindrique.
Le noyau 10 est composé d'empilages de tôles espacés de manière à former -les canalisations radiales 14 de ventilation entre les empilages tandis que les tôles du noyau sont serrées entre des plaques d'extrémité appropriées de la façon ha- bituelle. A la périphérie intérieure,le noyau de stator 10 compor- te des encoches longitudinales 15 dans lesquelles se loge un enrou- lement de stator qui peut être de tout type approprié et qui consis- te en plusieurs demi-bobines 16 connectées entre elles, à leurs ex- trémités pour constituer l'enroulement.
L'enroulement de stator est du type à refroidissement interne et, comme la figure 2 le mon- tre, chaque demi-bobine 16 se compose de plusieurs conducteurs
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ou barres 17 qui sont légèrement isolées et transposées de la manière habituelle et qui sont séparées par un empilage de canalisa- tion 18 en un'métal à haute résistance et légèrement isolées les unes des autres ainsi que par rapport aux barres 17. Les canali- sations 18 s'é'tendent longitudinalement d'une extrémité à l'autr de la demi-bobine 16 de façon qu'un fluide de refroidissement cir- cule en bon contact thermique avec les barres ou conducteurs 17.
La demi-bobine 16 est enfermée dans une forte gaine isolante 19 afin d'obtanir l'isolement à haute tension voulu par rapport à la terre. Deux demi-bobines sont placées dans chaque encoche 15 du noyau dé stator et les encoches sont obturées par des coins ap- propriés de la manière habituelle.
Un rotor 21 eat logé dans le creux du noyau de stator 10 et est séparé du stator par un entrefer annulaire.Le ro- tor 21 repose dans des paliers 22 de tout type approprié montés dans les extrémités de l'enveloppe 13 et des scellements à bourra. ge 23 sont prévus afin d'empêcher que du gaz ne s'échappe de ;.)en- veloppe le long de l'arbre du rotor. Le rotor 21 comprend des encoches longitudinales 24 à sa périphérie afin d'y loger un en- roulement inducteur 25.
Les conducteurs de l'enroulement 25 sont disposés longitudinalement par rapport au rotor et ont des têtes , de bobine 26 disposées circonférentiellement et maintenues contre les forces centrifuges par des anneaux de retenue 27 de type clas-k sique, L'enroulement de rotor 25 peut être du type décrit dans le brevet précité, comprenant, dans ce cas, plusieurs spires iso- lées chaque spire consistant en deux conducteurs ayant une section transversale profilée en U et disposés face à face de manière à constituer une canalisation longitudinale s'étendant d'une extré- mité à l'autre du rotor en passant au centre de chaque spire de l'enroulement.
Des passages radiaux 28 sont'prévus dans les con-
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ducteurs de rotor afin de mettre les canalisations longitudinales en communication avec l'entrefer de manière que le gaz de refroi- dissement se trouvant dans l'enceinte puisse circuler dans ces canalisations.
L'enveloppe 13 de la machine est faite aussi étan- che que possible au gaz et est munie de garnitures aux endroits où l'arbre de rotor sort de l'enveloppe en passant par les bourra- ges 23. L'enveloppe est remplie d'un gaz de refroidissement ap- proprié, de l'hydrogène de préférence, qui est utilisé pour refroi- dir le rotor et le noyau de stator dans la forme d'exécution re- présentée. Une soufflerie 33 est montée sur l'arbre de rotor près d'une extrémité de la machine a@@n de faire circuler le gaz dans celle-ci. Tout type de soufflerie approprié peut être uti- lisé et une soufflerie à étages multip es du type à écoulement axial est représenté aux dessins annex s à titre d'exemple seule- ment.
Le gaz se trouvant à l'intérieur de la machine est maintenu à une pression statique souhaitable qu peut être, par exemple, d'environ 2;1 à 5,25 kilos par cm2 au-dessus de la pression atmos- phérique, quoi qu'on puisse utiliser des pressions de gaz plus basses ou plus fortes suivant la puissance nominale désirée de la machine. La soufflerie 33 produit une pression différentielle suf- fusante pour maintenir la circulation de gaz désirée à l'intérieur de l'enveloppe ainsi que dans les canalisations du rotor et du noyau du stator.
Le gaz se trouvant à l'intérieur de l'enveloppe peut être mis en circulation de toute manière voulue par la soufflerie
33 de façon à parcourir les canalisations radiales 14 du noyau de stator ainsi que les canalisations de l'enroulement de rotor, afin ; de refroidir .le noyau de stator et le rotor. Dans la machine dé- terminée représentée aux dessins annexés, l'entrefer est divisé
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transversalement en. plusieurs zones annulaires au moyen de cloi- sons 34 montées sur le noyau du stator et de cloisons 35 montées sur le rotor, des zones adjacentes étant maintenues à des pressions de gais Différentes afin que le.gaz passe d'une zone à haute pres- sion à Une zone à plus basse pression en parcourant les canalisa- tions de l'enroulement de rotor.
Des cloisons et des canalisa- tions appropriées sont prévues dans l'encenite pour que le gaz cir- cule de la façon voulue, c'est-à-dire comme les flèches de la fi- gure 1 'l'indiquent. Le procédé de refroidissement du rotor et la façon dont on fait circuler le gaz de la manière appropriée sont décrits en détail dans le brevet belge précité n 606. 922 auquel on se référera pour une description plus complété.
Les moyens de refroidissement du rotor et du noyau !le stator ne sont pas dé- crits plus en détail ici parcqu'ils ne font pas partie de la pré- sente invention et que le système de refroidissement des enroule- ments de stator peut être utilisé dans toute machine ayant n'im- porte quel système voulu de refroidissement pour le rotor*
Selon la présente invention, l'enroulement de stator est refroidi par un système de circulation en circuit fermé faisant passer le fluide de refroidissement dans les canalisations 18 des bobines de stator., Comme la figure 1 le montre, un tel système de refroidissement de stator peut comprendre un collecteur d'entrée 50 se trouvant à une extrémité du stator 10 et un collecteur de décharge 51 se trouvant à l'autre extrémité du stator.
Ces collecteurs peuvent consister en des passages annulaires entou- rant circonférentiellement le noyau et montés aux extrémités du . noyau de toute manière appropriée. Le collecteur d'entrée 50 est reliée par plusieurs tubes isolants 52, à l'extrémité de chaque bo; binage 16 de l'enroulement, les tubes 52 communiquant avec les ca- nalisations 18 de la bobine au moyen de bollecteurs 53 appropriés,
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A l'autre extrémité des collecteurs 53 semblables font communi- quer les canalisations 18 avec des tuyaùx isolants 54 qui sont re- liés au collecteur de décharge 51.
Le fluide de refroidissement de l'enroulement de stator est mis eu circulation au moyen d'une pompe ou d'un compres- seur 55 suivant que l'on utilise un liquide ou un gaz, le fluide de refroidisrement qui sort de la machine passant par un dispositif de refroidissement 56 de tout type approprié pour atteindre ensui- ; te une tuyauterie d'entrée 57 qui traverse l'enveloppe 13 et com- ; munique avec le collecteur d'entrée 50. Le fluide de refroidisse- ment sortant à l'extrémité opposée de la machine passe du collec- teur de décharge 51 dans une tuyauterie de décharge 58 qui traver- se l'enveloppe 13 pour rejoindre la pompe ou le compresseur 55.
On dispose ainsi d'un système de circulation en cir- cuit fermé entièrement séparé du système de refroidissement du rotor et du noyau de stator, ce qui permet d'obtenir un refroidissement plus efficace de l'enroulement de stator. Le fluide de refroidis- sement de l'enroulement de stator peut 'être un liquide approprié, comme l'eau,ou bien on peut utiliser de l'hydrogène à une pression relativement élevée de, par exemple, 21 kilos par cm2.
Comme précité, chaque côté de bobinage ou demi-bobine
16 de l'enroulement de stator contient plusieurs tubes ou canalisa- tions 18 qui sont disposées en un seul empilage pris entre deux em- pilage de barres conductrices. Il est donc nécessaire de faire communiquer chaque canalisation 18 avec le système de refroidisse- ment extérieur. Il faut aussi prévoir la connexion des extrémités des barres conductrices 17 des différentes demi-bobines afin de relier électriquement celles-ci. En outre, il faut aussi prévoir une transposition de groupe des bobinages du stator afin de diminuer les pertes.
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Pour remplir toutes ces conditions, on a prévu 1$en- semble de collecteurs décrit ci-après, Comme la figure 3 le mon- tre, chaque ensemble de collecteurs comprend deux collecteurs 53 pourvus. d'un côté, de plusieurs embouts creux effilés 61 dont le nombre et l'emplacement correspondent aus extrémités des canalisa- tions de ventilation 18 des bobinages du stator. Les extrémités des canalisations de ventilation dépassent la bobine, sont séparées les une! des autres et sont espacées comme représenté. Le col- lecteur 53 est construit en un métal non magnétique, par exemple de l'acier inoxydable ou du cuivre.
Le collecteur est fermé à une extrémité et porte, à son autre extrémité, un raccord 62 ve- nant se relier à la tuyauterie 52 ou 54. au système de refroidisse- ' ment du stator.
Chaque embout 61 est légèrement effilé et des raccords 63 sont attachés à l'extrémité de chaque canalisation de ventila- tion 18 de manière à venir se glisser sur les embouts 61. Comme les figurer 4, 5 et 6 le montrent, les raccords 63 ont une section carrée ou rectangulaire à une extrémité 64 de manière à recevoir l'extrémité de la canalisation de ventilation 18, tandis que leur autre extrémité 65 est de forme ronde de manière à venir se glis- ser sur 1'extrémité de l'embout 61. Les raccords 63 sont, de préférence, construits en un métal comme,l'acier inoxydable et sont, de préférence, brasés ou soudés sur les extrémités des canalisations de ventilation 18.
Cependant, les raccords 63 peuvent être atta- chés aux extrémités de la canalisation de ventilation au moyen d'un adhésif approprié, si on le désire.
La figure 3 représente assez schématiquement les extré- mités d'une demi-bobine 16 supérieure d'une encoche de noyau de sta- tor et une autre demi-bobine 16- se trouvant dans le fond d'une au- tre encoche, Comme .on le voit, les canalisations de ventila-
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tion de chaque demi-bobine sont toutes .reliées à un collecteur 53,
On utilise, de préférence, le même montage aux deux extrémités des bobinages. Si on le désire, le connecteur 53 peut avoir une longueur suffisante pour que les canalisations de ventilation des deux de- mi-bobines de chaque encoche viennent s'y attacher puisque ces canalisations se trouvent dans le même plan radial.
Cependant, les connexions entre demi-bobines se font plus aisément en utili. sant un collecteur différent pour les canalisations de ventilation de chaque demi-bobine.
Avant d'attacher les canalisations de ventilation' au collecteur, on nettoie les embouts 61 par des procédés bien connus, par exemple par sablage ou par utilisation d'un solvant ou d'un produit dégraissant approprié. On nettoie aussi conve- nablement les parties des raccords 63 qui viennent se glisser sur les embouts 61. On glisse sur la surface extérieure de chaque embout 61 un isolant approprié (non représenté),comme un ruban de verre ou une gaine tubulaire en matière isolante et on applique ensuite un adhésif approprié sur la surface de l'isolant ainsi que sur l'embout 61. On peut utiliser tout adhésif qui est capable d'établir une jonction étanche et solide permettant de résister' à la pression du fluide de refroidissement.
Il existe de tels adhésif-s dans le commerce.Les canalisations de ventilation 18 peuvent être maintenues en place au moyen d'un calibre de façon que leurs espacements correspondent à ceux des embouts 61. Le collecteur
53 peut ensuite être raccordé en faisant glisser les raccords 63 sur leb embouts 61. On enlève enfin l'adhésif en excès qui a débordé.
Une fois que le collecteur est raccordé de la ma- nière décrite, on loge une partie des embouts 61 ainsi que les extrémités des canalisations de ventilation 18 qui sont attachées
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aux embouts dans un moule approprié que l'on remplit d'une résine d'enrobage 66, thixotropique de préférence, afin de renforcer la liaison entre les canalisations de ventilation et le collecteur 53. on peut utiliser à cet effet une résine époxy chargée de silice. De préférence, toutes les canalisations de ventila- tion qui sont reliées à un même collecteur sont moulées ensemble. comme cela est représenté pour le collecteur supérieur de la figure 3.
Cependant, si on le désire, les canalisations et les embouts correspondant à certains ou tous les collecteurs peuvent être noyées séparémentdans la résine ob, comme cela est représenté pour le collecteur inférieur de la figure 3. Quoi qu'on puisse utiliser . des adhésifs et des résines durcissant à la température ambiante, il est préférable d'utiliser des adhésifs et des résines qui dur- cissent à une température élevée de manière à obtenir une solidi- té mécanique maximum. On trouve dans.le commerce divers adhé- sifs et résines convenant à cet effet.
Les extrémités des barres conductrices 17 d'une demi- bobine 16 sont électriquement reliées aux barres d'une autre demi- bobine par les raccords 68, la transposition de groupe se,faisant comme d'habitude (voir figure 3). On remarquera que l'agencement et la disposition des collecteurs sont tels qu'ils ne constituent pas une gêne pour la transposition.
La description ci-dessus montre que la présente in- vention procure un procédé permettant de relier les canalisations de refroidissement des bobines de stator à un système de refroidis- sement extérieur en utilisant des collecteurs. métalliques, Les canalisations sont isolées des collecteurs par un isolant au verre et un adhésif, de sorce que les canalisations ne eont pas court- circuitées entre elles et que les pertes sont réduites à un mini- mum. tes transpositions de groupe habituelles des barres conduc-
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trices se font aisément,sans gene pour le système de refroidisse- ment.
Les connecteurs sont de construction relativement simple et les canalisations sont raccordéesaux collecteurs d'une manière relativement aisée au moyen de jonctions qui sont très solides mécaniquement et sont 'étanches au gaz ou aux liquides.
Comme de nombreuses modifications peuvent être appor- tées à la forme d'exécution décrite ci-avant et que différentes autres formes d'exécution de l'invention peuvent être réalisées sans sortir de son cadre, il doit être bien entendu que tous les détails donnés dans la description ci-dessus ou repré- sentés aux dessins annexéssont donnés à titre d'exemple et non dans un sens limitatif.
REVENDICATIONS.
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