CA1171127A - Groupe bulbe turbine-alternateur a refroidissement externe avec multiplicateur de vitesse - Google Patents

Groupe bulbe turbine-alternateur a refroidissement externe avec multiplicateur de vitesse

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CA1171127A
CA1171127A CA000406205A CA406205A CA1171127A CA 1171127 A CA1171127 A CA 1171127A CA 000406205 A CA000406205 A CA 000406205A CA 406205 A CA406205 A CA 406205A CA 1171127 A CA1171127 A CA 1171127A
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Jean Allegre
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Abstract

La présente invention concerne un groupe bulbe de forte puissance à refroidissement externe avec multiplicateur de vitesse. Le tronçon avant contenant l'alternateur se raccorde au tronçon intermédiaire de diamètre supérieur contenant le multiplicateur de vitesse par une bride dans la largeur de laquelle débouchent longitudinalement des tubes de refroidissement externe parcourus par l'air de refroidissement de l'alternateur. Application à la production d'électricité.

Description

~ .

La présente invention conoerne un groupe bulbe de forte pui~sance à refroidissement externe avec multiplicateur de vitesse. On entend icl par forte pui.~san¢e d'un groupe bulbe à multiplicateur une puissance supérieure à 5~W, par exemple comprise entre 5 et 20 MW.
Un premier groupe bulbe avec multiplicateur de type connu comporte - une enceinte externe allongée présentant un axe longitudinal et immergée dans un conduit parcouru par un courant d'eau;
- une turbine ~ontée dans un trongon "arrière" de cette enceinte, sur un arbre disposé selon l'axe de l'enceinte, le~ pales de cette turbine fai3ant 3aillie radialement à l'extérieur de cette enceinte pour être entra;nées en rotation par le courant d'eau, - un multiplicateur de vitesse disposé dans un tronçon intermédiaire de la longueur de l'enceinte, entraîné par l'arbre de turbine, et entrainant à vitesse supérieùre un arbre d'alternateur s'étendant vers l'avant de l'enceinte, - un rotor d'alternateur monté sur oet arbre d'alternateur, dans un tronçon "avant" de l'enceinte, - un exoitateur d'alternateur monté sur l'arbre d'alternateur pour four-nir un oourant d'exoitation à oe rotor, - et un stator d'alternateur entourant oe rotor et oomportant lui-même des enroulement3, un oircuit magnétique, et une carcas~e de support qui entoure le circuit magnétique en contact avec oe dernier.
Cette oaroa~se de stator oongtitue en même temps une partie de l'encsinte, de manière à assurer une évacuation partielle vers l'eau extérieure de la ohaleur apparaissant dans le oirouit magnétique, l'alternateur étant en outre muni d'un oirouit de refroidissement à gaz.
On oonna~t un deuxième groupe bulbe analogue mais dépourvu de multiplioateur et dan~ lequel le oirouit de refroidissement à gaz oomporte des tube~ disposés à l'axtérieur de l'enceinte pour permettre au gaz caloporteur d'être re~roidi par l'eau circulant autour de cette enoeinte. Ce~ tubes s'étendent ohaoun entre deux ori~ices de oommunica-tion avant et arrière peroé~ dans l'enceinte.
Les centreY des ori~ioe avant sont situés dan~ deux plan3 de perçage trarsver3aux ~istinotg en avant du stator de l'alternateur, la distanoe longitudinale entre oes deux plans de perçage étant au moins égale au diamètre de ces orifioes, de manière à éviter un a~faiblissement ~ t ~ 7 3.

excessi~ de la réslstance mécanique de l'enceinte 3U voisinage de ce3 plans de perçage. Les orifices de co~munication arrière sont réalisé3 de la même manière que les orifices avant, c'est-à-dire que leurs centres sont disposés dans deux plans de per~age transversaux distincts. Ce deuxiame groupe bulbe connu est deorit dans le brevet.
Ces deux groupes bulbes connus sont munis d'un tube d'accès reliant l'enceinte à la paroi du conduit d'eau pour permettre de pénétrer à l'intérieur de l'enceinte à partir de l'extérieur de ce conduit, Dans le premier groupe bulbe connu, oe bras s'ouvre dan~ le tO tronçon intermédiaire de l'encelnte en regard du multiplicateur.
Ces groupes connus ont l'inconvénient de présenter une longueur importante qui obli~e not~mment à de coûteux travaux de génie civil pour réaliser le conduit dans lequel il9 sont placés. De plus, s'ils comportent un multiplicateur, l'accès à l'intérieur de l'enceinte est difficile en raison de la faiblesse de l'intervalle radial libre autour de ce multiplicateur. Enfin la fixation du tronçon avant, sur le tronçon intermédiaire qui le supporte, se fait à l'aide d'une bride qui forme saillie radiale ver~ l'intérieur et qui gêne l'accès aux connexions électriques disposées à l'arrière du stator de l'alternateur.
La présente invention a pour but de permettre de réduire 1'encombrement longitudinal d'un groupe bulbe de ~orte puis3ance à
re~roldissemert externe avec multiplicateur de vites3e tout en facilitant l'aocès dans l'enceinte et la maintenance de l'aternateur, ceci ~ans perte de résiRtance mé¢anique.
Elle a pour objet un groupe bulbe de forte puissance à
re~roidis3ement externe aveo multiplicateur de vitesse, ce groupe comportant - une enceinte externe allongée présentant un axe longitudinal et 7 4.

immergée dans un conduit d'eau, - une turbine ~ontée dan~ un tronçon "arrière" de cette enceinte, sur un arbre di3posé selon l~axe de l'enceinte, les pale~ de cette turbine faisant saillie radialement à l'extérieur de cette enceinte pour être entrainées en rotation par l'eau - un multiplicateur de vitegse digposé dan~ un tronçon intermédiaire de la longueur de l'enoeinte, entra~né par l'arbre de turbine, et entrainant à
vitesse ~upérieure un arbre d'alternateur s'étendant ver~ l'avant de l'enceinte, ~o - un rotor dlalternateur monté sur cet arbre d'alternateur, dans ur.
tronçon "avant" de l'enceinte, - un excitateur d'alternateur monté sur l'arbre d'alternateur pour ~ournir un oourant d'excitation à ce rotor, - et un stator d'alternateur entourant ce rotor et comportant lui-même des enroulements, un circuit magnétique et une carcasse de support qui entoure le ¢irouit magnétique en contact avec ce dernier, - cette carcasse de ~tator constituant en même temps une partie de l'enceinte, de manière à assurer une évacuation partielle vers l'eau extérieure de la chaleur apparaissant dans ce circuit magnétique, - l'alternateur constitué par ce rotor, cet sxcitateur et ce ~tator étant muni d'un circuit de re~roidiggement à gaz parcouru par un gaz calopor-teur, - ce circuit de re~roidissement comportant des tube~ de reiroidissement externes dispo~é~ à l'extérieur de l'enceinte pour permettre au gaz caloporteur d'être refroidi par l'eau circulant autour de cette enceinte, - ces tubes s'étendant chacun entre deux orifices de communication avant et arrière percés dans l'enceinte, ,,t71~

- les centres des orifi.ces avant étant situes dans au moins deux plans de perçage transversaux distincts en avant du stator de l'alternateur, la distance longitu-dinale entre ces deux plans de percage etant au moins égale au diamètre de ces orifices de maniere a éviter un affaiblissement excessif de la resistance mécanique de l'enceinte au voisinage de ces plans de perçage, - un tube d'accès reliant le tronçon intermediaire de l'enceinte à la paroi du conduit d'eau pour permettre de pénétrer à l'intérieur de l'enceinte à partir de l'exté-rieur de ce conduit, - ce groupe étant caractérisé par le fait que les deux tronçons avant et intermédiaire ~e l'enceinte ont des diametres différentset se raccordent par une bride de raccordement en forme de couronne circulaire disposée dans un plan transversal, les diamètres intérieur et extérieur de cette bride correspondant aux diametres des tronçaons avant et intermédiaire respectivement, - les orifices de communication arriere des tubes de rac-cordement etant perces dans cette bride de raccordement.
Il en resulte que le percement de ces orificesarrière peut se faire facilement à la fois sans risque d'affaiblissement excessif de la resistance mecanique de l'enceinte et avec un minimum d'encombrement longitudinal du groupe. D'autre part, l'excès de diamètre du tronçon intermediaire de l'enceinte par rapport au tronçon avant menage autour du multiplicateur de vitesse un espace facilitant l'acces dans l'enceinte à partir du bras d'accès.
Enfin,la présente invention permet une fixation du tron-çon avant au tronçon intermédiaire de l'enceinte par l'in-termédiaire de la bride de raccordement sans saillie radiale vers l'interieur a l'extremite arriere du tronçon avant contenant le stator de l'alternateur muni de ses "
,, "

7 ~

connexions électriques.
A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-- 5a -j~,, ~ '7~

après, à titre non limitatif, com~ent 1'invention peut etre mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et repré~entés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d t autres éléments assurant les mêmes ~onctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures, il y est désigné par le même signe de référenoe.
La figure 1 représente une vue longitudinale de l'ensemble d'un groupe bulbe selon l'invention placé dans son conduit d'eau.
La ~igure 2 représente un agrandiqsement d'une partie de la ~igure 1 montrant les tronçons avant et intermédiaire de l'enceinte.
Le groupe bulbe deorit à titre d'exemple est diqposé selon l'axe horizontal 104 d'un conduit à section circulaire 100 formé dans un barrage, le matériau de ce barrage, essentiellement du béton, étant représenté en 102. Un tronçor. avant 1 o8 de ce conduit présenté un grand diamètre, un tronçon arrière 110 un diamètre plus petit, avec un tronçon lntermédiaire conique 112 assurant le raccordement. De la paroi du tronçon intermédiaire 112 de ce conduit partent radialement des lames directrices 106, appelées "avant-directrices", et décalées angulairement les ures par rapport aux autres.
Ces avant-directrices servent de support à un tronson intermé-diaire 114 de l'enceinte 25 du groupe bulbe dont le tronçon avant est représenté en 116 et le tronçon arrière en 118.
La partie arrière de ceg avant-directrice~ est inclinée par rapport aux plans longitudinaux radiaux de leurs parties avant de manière à mettre en rotation le courant d'eau s'écoulant de l'avant à
l'arrière du conduit 100.
L'une 27 de ces avant-direotriceq egt creuse de manière à
~ormer un tube permettant un accès dans l'enceinte 25 à partir d'un ~ 7.

pa~3age ménagé dan3 la mas~e du barrage.
L'enceinte 25 comporte, de ~on extrémité avant à 30n extrémité
arrière :
- un couvercle 4 as3urant la fermeture de l'extrémité avant de l'enceinte, - une virole 1 dont une partie arrière épai33ie 1a con3titue la carca33e extérieure de l'alternateur du groupe, - une enveloppe cylindrique intermédiaire 124 30lidaire de~ avant-direc-trice3 106 et constituant ledit tronçon intermédiaire et le support tO mécanique du groupe. Cette enveloppe contient un multiplicateur 26, placé entre l'arbre de turbine 28 et l'arbre d'alternateur 14, - et une turbine 120 fermant l'enceirte à l'arrière et portant de3 pale~
de turbine 122. Cette turbine entra;ne l'arbre 28 qui entra~ne lui-même l'arbre d'alternateur 14 par l'intermédiaire du multiplicateur 26. L'al-ternateur placé dans le tronçon avant 3e compose d'un 3tator, d'un rotoret d'un excitateur.
Le ~tator comprend :
- Une carca33e en contact avec l'eau du conduit et formée par la partie arrière de la virole 1. Elle e3t munie d'une bride de raccordement arrière 2 pour 3a ~ixation à l'enveloppe intermédiaire 124 et d'une bride avant 3 pour la fixation du couvercle 4.
Un circuit magnétique 5 fixé intérieurement 3ur et en contact avec la carca3~e, - un enroulement induit 6 ~ixé dan~ le3 encocheq du circuit magnétique, - un fla~que avant 9 soudé à la virole 1, coté opposé à la turbine et 3upportant un palier guide avant 10 pour l'arbre de l'alternateur, - et un fla3que arrière 11 démontable, côté turbine et supportant un palier ~uide arrière 12.

~ 8.

Le rotor comprend :
L'arbrs 14 muni d'un plateau d t accouplement 14a à l'arbre du multiplicateur et ~oré sur toute ~a longueur pour permettre le pa~qage d'un tube 15 permettant la transmis~ion de la po~ition angulaire deq pales de la turbine à un digpositif 16 de commande du pas de ce~ pales.
Cet arbre est muni d~un croisillon 17 destiné à supporter et entrainer une jante 18 à la périphérie de laquelle ~ont fixé~ des pôleq inducteurs 19.
L'excitateur comprend :

tO - un inducteur fixe 20 fixé au flasque avant 9.
- et un induit tournant 21 accouplé à l'extrémité de l'arbre 14 de l'alternateur.
Le courant alternatif produit par cet induit est tranqmi3 aux pale~ inducteur~ de l'alternateur par des connexions 22 disposées dans le ~orage de l'arbre 14. Ce courant est redre~é dan~ un pont de diodes 23 ~itué sur le rotor~ ooté turbine.
Le tronçon avant de l'enceinte de l'alternateur ne comportant aucune liaison avec la ma ge du barrage, un conduit tubulaire 24 étanche permet de ramener le câblage et les tuyauteries situés de ce côté vers l'avant-directrice inférieure 106.
L'alternateur est re~roidi non geulement par le contaet de la carcasse 1 avec l'eau extérieure, mais aus i par un circuit de gaz calo-porteur, qui est de pré~érence de l'air et est entraîné par des groupes moto-ventilateur3 13 fixé~ .~ur deg ouvertures du ~la~que arrière 11.
Pour cela il est muni de tubes de refroidi~sement externes (7) disposés à
l'extérieur de l'enceinte (25) pour permettre au gaz caloporteur d'être refroidi par l'eau circulant autour de cette enceinte.
Ces tube3 s'étendant chacun ertre deux orifices de 3,.~7~ g.
communication avant (7a, 7b) et arrière (7c) percés dan~ l'enceinte.

Les centre~ des orifices avant sont ~itués dan3 deux plans de perçage transversaux distinct~ (Pa, Pb) en avant du stator (5, 6) de l'alternateur. La di~tance longitudinale entre ces deux plans de perçage est au moing égale au diamètre de ces orifices de manière à éviter un affaiblissement excessif de la résistance mécanique de l'enceinte au voisinage de ces plans de perçage, Les orifices de communication arrière sont percés dans la bride de raccordement 2 qui e~t plane et suffisamment épaisse pour pouvoir supporter les efforts localisés exercé~ par des boulons de liaison 2a.
Cette épaisseur lui permet de ne pas être excessivement af~aiblie par le percement de ces orifice~ arrières. Cette épaisseur est plus grande que celle de la partie avant 1b de la virole 1 qui est réali~ée de manière à
ne pas augmenter inutilement le poids du tronçon avant 116 de l'enceinte.
On évite ain~i, à l'arrière de l'alternateur, un allongement de l'enceinte oomparable à celui qui est provoqué à l'avant de l'alternateur par intervalle entre les deux plans de perçage, Pa et Pb et par le diamètre des orifices 7a et 7b. Cet allongement serait inutile a l'arrière de l'alternateur alors qu'à l1avant il e~t rendu par ailleurs réces~aire par la présenoe de l'excitateur.
La fixation des tube~q e~t de plus ~acilitée à leur extrémité

arrière.
D'autre part l'excès de diamètre du trongon intermédiaire de l'enceinte par rapport au tronçon avant ménage autour du multiplioateur de vite3se un espace facilitant l'accès dan~ l'enceinte à partir du tube d'accàs.
On évite enfin aingi que le raccordement mécanique du tronçon avant entraîne la préqence d'une saillie radiale verq l'intérieur à
l'extrémité arrière du tronçon avant contenant le stator de l'alternateur muni de ~es ¢onnexions électrique3.
Il appara~t par ailleurs que le tronçon avant de l'enceinte est dépourvu d'accès de manière à minimiser l'encombrement du groupe.
Les tubes de refroidissement externes gont muni d'ailette9 intérieures 8 ~acilitant le aontact thermique avec l~air y circulant et augmentant la condensation partielle de la vapeur d'eau contenue dans cet air. Ils s'abaissent vers l'arrière de manière que l'eau de condensa-tion s'écoule seulement dans le tronçon intermédiaire et non dans letronçon avant contenant l'excitateur même si cette dernière dispo~ition n'est pas adoptée il est souhaitable d'adopter une disposition selon laquelle les tubes de refroidi3~ement externes situés au bas du tronçon avant de l'enceinte ont leurs orifices de communication arrière au moins t5 aus~i bas que le reste de leur longueur de manière que l'eau de condensa-tion apparaissant à l'intérieur de ce~ tubes de refroidissement bas s'écoule dans le tronçon intermédiaire.

,

Claims (4)

11.
REVENDICATIONS
1/ Groupe bulbe de forte puissance à refroidissement externe avec multi-plicateur de vitesse, ce groupe comportant "
- une enceinte externe allongée (25) présentant un axe longitudinal (104) et immergée dans un conduit d'eau (100).
- une turbine (120) montée dans un tronçon "arrière" (118) de cette enceinte, sur un arbre (28) disposé selon l'axe de l'enceinte, les pales (122) de cette turbine faisant saillie radialement à l'extérieur de cette enceinte pour être entraînées en rotation par l'eau, - un multiplicateur de vitesse (26) disposé dans un tronçon intermédiaire (114) de la longueur de l'enceinte, entraîné par l'arbre de turbine (28), et entrainant à vitesse supérieure un arbre d'alterna-teur (14) s'étendant vers l'avant de l'enceinte, - un rotor d'alternateur (18, 19) monté sur cet arbre d'alternateur, dans un tronçon "avant" (116) de l'enceinte, - un excitateur d'alternateur (20, 21) monté sur l'arbre d'alternateur (14) pour fournir un courant d'excitation à ce rotor, - et un stator d'alternateur entourant ce rotor et comportant lui-même des enroulements (6), un circuit magnétique (5), et une carcasse de sup-port (1) qui entoure le circuit magnétique en contact avec ce dernier, - cette carcasse de stator (1) constituant en même temps une partie de l'enceinte (25), de manière à assurer une évacuation partielle vers l'eau extérieure de la chaleur apparaissant dans ce circuit magnétique, - l'alternateur constitué par ce rotor, cet excitateur et ce stator étant muni d'un circuit de refroidissement à gaz (13, 7) parcouru par un gaz caloporteur, 12.
- ce circuit de refroidissement comportant de tubes de refroidissement externes (7) disposés à l'extérieur de l'enceinte (25) pour permettre au gaz caloporteur d'être refroidi par l'eau circulant autour de cette enceinte, ces tubes s'étendant chacun entre deux orifices de communica-tion avant (7a, 7b) et arrière (7c) percés dans l'enceinte, - les centres des orifices avant étant situés dans au moins deux plans de perçage transversaux distincts (Pa, Pb) en avant du stator (5, 6) de l'alternateur, la distance longitudinale entre ces deux plans de perçage étant au moins égale au diamètre de ces orifices de manière à éviter un affaiblissement excessif de la résistance mécanique de l'enceinte au voisinage de ces plans de perçage, - un tube d'accès (27) reliant le tronçon intermédiaire (114) de l'enceinte à la paroi du conduit d'eau pour permettre de pénétrer à
l'intérieur de l'enceinte à partir de l'extérieur de ce conduit, - ce groupe étant caractérisé par le fait que les deux tronçons avant (116) et intermédiaire (114) de l'enceinte (25) ont des diamètres différents et se raccordent par une bride de raccordement (2) en forme de couronne circulaire disposée dans un plan transversal, les diamètres intérieur et extérieur de cette bride correspondant aux diamètres des tronçons avant et intermédiaire respectivement, - les orifices de communication arrière (7c) des tubes de raccordement (7) étant percés dans cette bride de raccordement (2).
2/ Groupe selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les tubes de refroidissement externes (7) situés au bas du tronçon avant (116) de l'enceinte ont leurs orifices de communication arrière (7C) au moins aussi bas que le reste de leur longueur de manière que l'eau de condensation apparaissant à l'intérieur de ces tubes de refroidissement 13.
bas s'écoule dans le tronçon intermédiaire (114) par ces orifices de communication percés dans ladite bride de raccordement (2).
3/ Groupe selon la revendication 2 dans lequel l'axe longitudinal (104) de l'enceinte est sensiblement horizontal et dans lequel l'excitateur (20, 21) est située dans le tronçon avant (116) de l'enceinte en avant de l'alternateur (5, 6, 15, 19) les tubes de refroi-dissement externes (7) sont tous inclinés vers le bas vers leurs extrémités arrière, de manière que l'eau de condensation s'écoule seulement dans le tronçon intermédiaire et non dans le tronçon avant contenant l'excitateur.
4/ Groupe selon la revendication 1, le tronçon avant (116) de l'enceinte est dépourvu d'accès de manière à minimiser l'encombrement du groupe.
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