Machine électrique comportant des enroulements rotoriques refroidis par liquide Différents moyens constructifs et technologiques ont été mis en oeuvre au fur et à mesure que la puis sance unitaire des turbo-génératrices, de courant al ternatif en particulier, augmentait, afin de refroidir les bobinages induit et inducteur de ces machines.
Dans ces machines, c'est le rotor qui a le volume le plus réduit et c'est par son échauffement que la puissance unitaire a été en premier lieu limitée. Pour augmenter l'efficacité du refroidissement de cet or gane, on a fait passer un gaz refroidisseur tel que l'hydrogène directement sur les conducteurs de l'en roulement, ce quia permis d'en doubler facilement la capacité. Des perfectionnements à ce système de refroidissement ainsiqu'une augmentation possible de la pression du gaz refroidisseur sont susceptibles d'être appliqués pour réaliser encore quelques pro grès.
Cependant, ces moyens se révèleront insuffisants pour des puissances nettement supérieures à 700 MW qui sont actuellement envisagées et il conviendra alors de remplacer le gaz par un liquide refroidisseur tel que l'eau par exemple.
A cette fin, d'assez nombreux systèmes ont été proposés. Ils présentent tous quelques difficultés de construction et de technologie, étant donné la cons titution assez complexe et hétérogène d'un rotor. L'emploi de conducteurs creux, si séduisant en soi, nécessite soit leur pliage sur champ dans les têtes de bobine, ce qui peut les déformer, soit de nombreux raccords, si on veut constituer les bobines au moyen de parties droites assemblées par brasure, et alimen ter en liquide chacune des spires. Dans d'autres sys tèmes, il est nécessaire d'assurer l'étanchéité des com partiments sous les frettes, ainsi que des cales de fermeture d'encoche.
La présente invention concerne le refroidisse ment des rotors de machines électriques, en particu lier de grands turboalternateurs et permet d'augmen ter la puissance de ces machines, de réduire leurs di mensions, ou de réaliser dans une certaine mesure les deux avantages à la fois, sans avoir recours à une construction trop différente de la construction clas sique des bobinages rotoriques à refroidissement di rect actuellement en service.
L'invention a donc pour objet une machine élec trique comportant des enroulements rotoriques re froidis par liquide, caractérisée en ce que ses bo bines inductrices sont composées de conducteurs sub divisés comportant une partie évidée dans laquelle est logé un tube destiné à être parcouru par un li quide refroidisseur. Ce tube peut être soit en contact avec les conducteurs, soit isolé de ces derniers.
Le liquide refroidisseur peut parcourir une ou plusieurs spires, ou une fraction de spire, ce qui per met alors de réaliser une répartition équilibrée de la température du bobinage, les tubes refroidisseurs de chaque bobine étant raccordés soit directement, soit par l'intermédiaire d'une boîte de jonction à une tubulure qui assure l'acheminement du liquide aux collecteurs fixés à l'une des extrémités du rotor ou éventuellement à chaque extrémité de ce dernier.
Il est avantageux de donner, à la section du tube contenant le liquide refroidisseur, un contour poly gonal, comportant des côtés inclinés par rapport à l'axe de symétrie de l'encoche dans laquelle sont dis posés les conducteurs. En outre, les conducteurs peuvent être subdivisés en parties inégales, dont l'une peut être moins évidée que l'autre ou ne pas compor- ter d'évidement.
Il est ainsi possible d'augmenter la surface d'échange de chaleur et de supprimer les espaces nuisibles à une bonne transmission de la chaleur entre tubes et conducteurs.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, plusieurs formes de réalisations de l'objet de l'inven tion.
On supposera que ces exemples se rapportent au refroidissement de l'enroulement du rotor d'un turboalternateur synchrone.
La fig. 1 représente une coupe transversale faite dans une encoche perpendiculairement à l'axe de ro tation du rotor.
La fig. 2 représente une disposition de raccorde ment des tubes refroidisseurs d'une bobine à deux boîtes composites reliées aux collecteurs d'entrée et de sortie du liquide qui les parcourt, ce raccordement étant réalisé dans les têtes de bobine.
Les fi,-. 3, 4 et 5 schématisent les circuits du li quide dans les bobines.
La fig. 6 indique un procédé par lequel un tube refroidisseur est dévié pour assurer la continuité des circuits hydraulique et électrique.
La fig. 7 représente une coupe transversale faite dans une encoche perpendiculairement à l'axe de ro tation du rotor, dans le cas d'une section de tube re froidisseur en losange.
Les fig. 8, 9, 10 et 11 sont des coupes trans versales, perpendiculaires à l'axe de rotation du ro tor, de conducteurs et tubes, représentant différentes autres manières d'associer tube et conducteur et de constituer ce dernier.
Suivant l'exemple représenté par la fig. 1, chaque bobine comporte un empilage de conducteurs 1 sub divisés en deux parties 2, et séparés les uns des au tres par des bandes 3 en matériau isolant ; chacune de ces deux parties présente un évidement, de sorte que leur assemblage forme un canal dans lequel est enfermé un tube 4, en cuivre de préférence, porteur du liquide refroidisseur ; le contact intime des con ducteurs et des tubes est assuré, par exemple, soit en coulant dans les interstices un métal fondant à basse température, soit encore par la force centrifuge qui s'exerce en rotation sur les conducteurs eux- mêmes ;
par surcroît, on peut associer le tube et les demi-conducteurs par quelques brasures en des points judicieusement choisis de manière que le courant in ducteur se répartisse non seulement dans les demi- conducteurs mais aussi dans les tubes, assurant ainsi l'utilisation maximale de la matière. L'ensemble des conducteurs de l'encoche est séparé de la masse du rotor 5 par une gaine en matériau isolant électrique 6. En variante, les conducteurs peuvent être composés de deux parties dissemblables, par exemple l'une d'elles ayant un évidement pour le logement du tube et l'autre pouvant être un élément plat.
La fig. 2 représente un exemple de raccordement des tubes refroidisseurs 4 aux boîtes composites ap propriées 7, effectué dans les régions frontales des bobines ; on a supposé que les conducteurs 1 ont été entaillés localement dans leurs parties médianes pour laisser passer les tubes que l'on a cintrés ; en variante, si les conducteurs sont suffisamment épais, les boîtes 7 peuvent être placées radialement dans un canal mé nagé dans le milieu des têtes de bobine, les tubes n'étant plus alors courbés vers l'arbre.
Les boîtes de raccordement 7 sont composées d'éléments métalliques 8 comportant une saillie 9, dans laquelle est encastrée l'extrémité du tube cor respondant, ainsi qu'un évidement central 10 ; ces éléments, qui sont isolés les uns des autres par des rondelles 11 et des anneaux 12, destinés à assurer l'isolement électrique entre les éléments, ainsi que l'étanchéité au liquide, sont rendus solidaires par ser rage ; à cet effet, les pièces d'extrémité 13 et 14 com portent des saillies percées, non figurées, dans les quelles passent des vis de serrage ; l'extrémité de chaque boîte est reliée par une tubulure appropriée à un collecteur de liquide.
En variante, les éléments 8 des boîtes de raccor dement peuvent être en matériau isolant ou encore les boîtes peuvent être d'une seule pièce de ce même ma tériau.
Les tubes 4 pourraient être séparés des conduc teurs par une légère couche d'isolant tel qu'un émail ou un ruban mince, de manière qu'il soit possible de les réunir solidairement dans une boîte d'une seule pièce, sans créer des courts-circuits entre les conduc teurs ; dans ce cas, la transmission de la chaleur entre tubes et conducteurs n'est pas aussi bien as surée que dans l'exemple de la fig. 1, mais une sim plification est apportée dans la fabrication.
Le circuit parcouru par le liquide dans les tubes peut avoir des longueurs et des agencements diffé rents. Dans la fig. 2, on suppose que l'eau entre par l'une des deux boîtes de raccordement 7 et ressort par l'autre après avoir parcouru toute la bobine, comme le représente schématiquement la fig. 3.
Les tubes de chaque bobine peuvent être divisés en deux groupes, par exemple les pairs et les impairs, afin de constituer deux circuits en parallèle, les tubes pairs étant, par exemple, dans l'un des côtés d'une bobine, reliés à une entrée de liquide et les tubes im pairs à une sortie, et l'inverse étant réalisé pour l'autre côté de la bobine ; avec cette disposition, les tubes des deux circuits sont enchevêtrés et les deux courants de liquide sont de sens inverses dans cha cune des nappes. La température des conducteurs est ainsi sensiblement uniforme sur toute la longueur de la bobine, ce qui représente un avantage par rapport aux systèmes connus.
Suivant une autre disposition représentée sché matiquement sur la fig. 4, le liquide entre dans la partie frontale des bobines d'un côté du rotor et en sort par le côté opposé, se divisant ainsi en deux flux parcourant chacun dans le même sens les deux côtés de chaque bobine, l'échauffement des conduc teurs étant ainsi sensiblement réduit de moitié.
Dans une autre disposition schématisée suivant la fig. 5, le liquide arrive au milieu des parties droites de chaque bobine dans les conducteurs, par l'inter médiaire d'une boîte de jonction appropriée non fi- gurée, reliée à un tube 15 logé dans une rainure pra tiquée dans le fond de chaque encoche, qui amène le liquide à un collecteur d'eau du rotor ; le liquide re froidisseur ne parcourt qu'une demi-longueur de la bobine et les températures des conducteurs sont dimi nuées ; de plus elles présentent une symétrie par rap- port au plan diamétral qui passe par le milieu du corps du rotor, supprimant ainsi une cause de vibra tions mécaniques. .
La disposition des tubes et des conducteurs dans une bobine se prête également à la constitution de circuits dans lesquels le liquide pourrait parcourir deux ou plusieurs spires afin de diminuer le nombre des éléments des boîtes de jonction.
Dans ce cas, tous les tubes ne sont pas reliés à une boîte de jonction : suivant la fig. 2, ceux qui le sont passent dans un évidement de la partie médiane des conducteurs ; les autres ne peuvent être prolon gés dans cet évidement et doivent en être déviés, comme on l'a représenté en projection plane sur la fig. 6, en sortant du conducteur 1 par une échancrure ménagée dans son épaisseur, de manière à assurer la continuité du circuit hydraulique et du circuit élec trique ;
si les bobines sont constituées de demi- bobines assemblées par brasure des conducteurs, le tube 4 peut avoir un joint 16 recouvert par un man chon 17 qui assure l'étanchéité au liquide.
Suivant l'exemple représenté par la fig. 7, chaque bobine comporte un empilage de conducteurs 18 subdivisés en deux _parties 19 et 20 et séparés les uns des autres par des bandes 21 en matériau isolant ; chacune de ces parties présente un évidement, de sorte que leur assemblage forme un canal de section poly gonale à côtés inclinés par rapport au plan de symé trie de l'encoche, dans lequel est enfermé un tube 22, en cuivre de préférence, porteur du liquide refroidis seur ; dans l'exemple représenté, le tube 22 a une sec tion en forme de losange, dont deux sommets oppo sés se trouvent sur l'axe de symétrie de l'encoche ;
les dimensions des évidements et du tube sont telles que, sous l'effet de la force centrifuge, les quatre faces du canal et du tube sont pressées les unes contre les autres, assurant la transmission de la cha leur dans les conditions optimales, et, par voie de conséquence, le minimum d'échauffement de l'enrou lement ; celui-ci est en outre séparé de la masse du rotor 5 par une gaine en matériau isolant électrique 6, comme dans la fig. 1.
Les fig. 8, 9, 10 et 11 représentent d'autres exem ples de subdivision des conducteurs 18 et de formes des tubes 22, qui, par leur association, permettent d'utiliser la force centrifuge pour assurer un contact intime, et sur une plus grande surface, entre les éléments constitutifs de chacun des conducteurs re froidis.
On a désigné par 23 et 24 les côtés de la section du conducteur, perpendiculaires à l'axe de l'encoche, et situés respectivement le plus près et le plus loin du fond de l'encoche, et par 25 le côté commun aux sections des demi-conducteurs 19 et 20.
Sur la fig. 8, le tube 22 a une section de forme trapézoïdale dont la grande base est dans l'aligne ment du côté 23.
Sur la fig. 9, la grande base de la section trapé zoïdale du tube 22 est dans l'alignement du côté 25, et seul le demi-conducteur 19 est évidé.
Sur la fig. 10, la grande base et la petite base de la section trapézoïdale du tube 22 sont respective ment dans l'alignement des côtés 24 et 23.
Sur les fig. 8 et 10, le conducteur peut être éven tuellement subdivisé.
Sur la fig. 11, le tube 22 a une section hexago nale, et disposée de façon que deux côtés opposés soient parallèles aux côtés 23 et 24, et le conducteur est subdivisé en deux demi-conducteurs égaux.
Electric machine comprising liquid-cooled rotor windings Various constructive and technological means have been implemented as the unit power of the turbo-generators, of alternating current in particular, increased, in order to cool the induced windings and inductor of these machines.
In these machines, it is the rotor which has the smallest volume and it is by its heating that the unit power was initially limited. To increase the efficiency of the cooling of this organ, a cooling gas such as hydrogen was passed directly over the conductors of the bearing, which easily doubled its capacity. Improvements to this cooling system as well as a possible increase in the pressure of the cooling gas may be applied in order to achieve further progress.
However, these means will prove to be insufficient for powers clearly greater than 700 MW which are currently envisaged and it will then be necessary to replace the gas with a cooling liquid such as water for example.
To this end, quite a number of systems have been proposed. They all present some difficulties of construction and technology, given the rather complex and heterogeneous construction of a rotor. The use of hollow conductors, so attractive in itself, requires either their field bending in the coil heads, which can deform them, or numerous connections, if the coils are to be formed by means of straight parts assembled by soldering, and supply each of the turns with liquid. In other systems, it is necessary to ensure the sealing of the compartments under the hoops, as well as the notch closing wedges.
The present invention relates to the cooling of the rotors of electric machines, in particular large turbo-generators and makes it possible to increase the power of these machines, to reduce their dimensions, or to achieve to a certain extent both advantages at the same time. , without resorting to a construction too different from the conventional construction of the rotor windings with direct cooling currently in service.
The subject of the invention is therefore an electric machine comprising liquid cooled rotor windings, characterized in that its inductor coils are composed of sub-divided conductors comprising a recessed part in which is housed a tube intended to be traversed by a liquid cooler. This tube can either be in contact with the conductors or isolated from the latter.
The coolant can travel through one or more turns, or a fraction of a turn, which then makes it possible to achieve a balanced distribution of the temperature of the winding, the cooler tubes of each coil being connected either directly or by means of a junction box with a tubing which ensures the routing of the liquid to the collectors fixed to one of the ends of the rotor or possibly to each end of the latter.
It is advantageous to give, to the section of the tube containing the cooling liquid, a polygonal outline, comprising sides inclined with respect to the axis of symmetry of the notch in which the conductors are arranged. In addition, the conductors can be subdivided into unequal parts, one of which may be less recessed than the other or not have a recess.
It is thus possible to increase the heat exchange surface and to eliminate the spaces harmful to good heat transmission between tubes and conductors.
The appended drawing represents, by way of example, several embodiments of the subject of the invention.
It will be assumed that these examples relate to the cooling of the rotor winding of a synchronous turbo-generator.
Fig. 1 shows a cross section made in a notch perpendicular to the axis of rotation of the rotor.
Fig. 2 shows a connection arrangement of the cooling tubes of a coil with two composite boxes connected to the inlet and outlet manifolds for the liquid which passes through them, this connection being made in the coil heads.
The fi, -. 3, 4 and 5 show schematically the circuits of the liquid in the coils.
Fig. 6 indicates a process by which a cooler tube is deflected to ensure continuity of the hydraulic and electrical circuits.
Fig. 7 shows a cross section made in a notch perpendicular to the axis of rotation of the rotor, in the case of a section of rhomboidal cooling tube.
Figs. 8, 9, 10 and 11 are cross sections, perpendicular to the axis of rotation of the rotor, of conductors and tubes, representing various other ways of associating tube and conductor and of constituting the latter.
Following the example represented by FIG. 1, each coil comprises a stack of conductors 1 sub divided into two parts 2, and separated from each other by strips 3 of insulating material; each of these two parts has a recess, so that their assembly forms a channel in which is enclosed a tube 4, preferably copper, carrying the cooling liquid; the intimate contact of the conductors and the tubes is ensured, for example, either by pouring in the interstices a metal which melts at low temperature, or also by the centrifugal force which is exerted in rotation on the conductors themselves;
in addition, the tube and the half-conductors can be combined by a few solders at carefully chosen points so that the conducting current is distributed not only in the half-conductors but also in the tubes, thus ensuring maximum use of matter. The set of conductors of the notch is separated from the ground of the rotor 5 by a sheath of electrically insulating material 6. As a variant, the conductors can be composed of two dissimilar parts, for example one of them having a recess. for housing the tube and the other can be a flat element.
Fig. 2 shows an example of connection of the cooling tubes 4 to the appropriate composite boxes 7, carried out in the front regions of the coils; it is assumed that the conductors 1 have been notched locally in their middle parts to allow the tubes which have been bent to pass; alternatively, if the conductors are sufficiently thick, the boxes 7 can be placed radially in a channel formed in the middle of the coil heads, the tubes then no longer being bent towards the shaft.
The connection boxes 7 are made up of metal elements 8 comprising a projection 9, in which the end of the corresponding tube is embedded, as well as a central recess 10; these elements, which are isolated from one another by washers 11 and rings 12, intended to provide electrical insulation between the elements, as well as liquid tightness, are made integral by clamping; for this purpose, the end pieces 13 and 14 com carry drilled projections, not shown, in which the clamping screws pass; the end of each box is connected by a suitable tubing to a liquid collector.
As a variant, the elements 8 of the connection boxes can be made of an insulating material or the boxes can be made from a single piece of this same material.
The tubes 4 could be separated from the conductors by a light layer of insulation such as enamel or thin tape, so that it is possible to join them together in a one-piece box, without creating short -circuits between conductors; in this case, the transmission of heat between tubes and conductors is not as sure as in the example of FIG. 1, but a simplification is made in the manufacture.
The circuit traversed by the liquid in the tubes may have different lengths and arrangements. In fig. 2, it is assumed that the water enters through one of the two connection boxes 7 and leaves through the other after having traversed the entire coil, as shown schematically in FIG. 3.
The tubes of each coil can be divided into two groups, for example even and odd, in order to constitute two circuits in parallel, the even tubes being, for example, in one of the sides of a coil, connected to a liquid inlet and the tubes im even at one outlet, and the reverse being done for the other side of the coil; with this arrangement, the tubes of the two circuits are entangled and the two streams of liquid are in opposite directions in each of the layers. The temperature of the conductors is thus substantially uniform over the entire length of the coil, which represents an advantage over known systems.
According to another arrangement shown matically in FIG. 4, the liquid enters the front part of the coils on one side of the rotor and leaves it on the opposite side, thus dividing into two flows each passing in the same direction on both sides of each coil, the heating of the conductors thus being substantially reduced by half.
In another schematic arrangement according to FIG. 5, the liquid arrives in the middle of the straight parts of each coil in the conductors, through the intermediary of a suitable junction box not shown, connected to a tube 15 housed in a groove made in the bottom of each. notch, which brings liquid to a rotor water collector; the cooling liquid only travels half the length of the coil and the temperatures of the conductors are reduced; moreover, they have symmetry with respect to the diametral plane which passes through the middle of the body of the rotor, thus eliminating a cause of mechanical vibrations. .
The arrangement of the tubes and conductors in a coil also lends itself to the constitution of circuits in which the liquid could travel through two or more turns in order to reduce the number of elements of the junction boxes.
In this case, all the tubes are not connected to a junction box: according to fig. 2, those which are pass through a recess in the middle part of the conductors; the others cannot be extended in this recess and must be deviated from it, as has been shown in plane projection in FIG. 6, leaving the conductor 1 through a notch formed in its thickness, so as to ensure the continuity of the hydraulic circuit and of the electrical circuit;
if the coils consist of half coils assembled by soldering the conductors, the tube 4 may have a seal 16 covered by a sleeve 17 which ensures liquid tightness.
Following the example represented by FIG. 7, each coil comprises a stack of conductors 18 subdivided into two _parties 19 and 20 and separated from each other by strips 21 of insulating material; each of these parts has a recess, so that their assembly forms a channel of poly gonal section with sides inclined relative to the plane of symmetry of the notch, in which is enclosed a tube 22, preferably copper, carrying the liquid cooled; in the example shown, the tube 22 has a section in the shape of a diamond, of which two opposite vertices are located on the axis of symmetry of the notch;
the dimensions of the recesses and of the tube are such that, under the effect of centrifugal force, the four faces of the channel and of the tube are pressed against each other, ensuring the transmission of heat under optimal conditions, and, consequently, the minimum heating of the winding; the latter is also separated from the mass of the rotor 5 by a sheath of electrically insulating material 6, as in FIG. 1.
Figs. 8, 9, 10 and 11 show other examples of subdivision of conductors 18 and shapes of tubes 22, which, by their association, allow the use of centrifugal force to ensure intimate contact, and over a larger area , between the constituent elements of each of the re-cooled conductors.
The sides of the conductor section, perpendicular to the axis of the notch, and located respectively closest to and furthest from the bottom of the notch, and the side common to the sections are designated by 23 and 24. half-conductors 19 and 20.
In fig. 8, the tube 22 has a trapezoidal shaped section, the large base of which is in line with the 23 side.
In fig. 9, the large base of the zoidal trapezoidal section of the tube 22 is in alignment with the side 25, and only the half-conductor 19 is recessed.
In fig. 10, the large base and the small base of the trapezoidal section of the tube 22 are respectively in line with sides 24 and 23.
In fig. 8 and 10, the conductor can possibly be subdivided.
In fig. 11, the tube 22 has a hexagonal cross section, and arranged so that two opposite sides are parallel to the sides 23 and 24, and the conductor is subdivided into two equal half conductors.