FR2565432A1

FR2565432A1 - METHOD FOR CONTROLLING TURBO-ALTERNATOR CHARGE CAPACITY AND DEVICE FOR IMPLEMENTING THE METHOD

Info

Publication number: FR2565432A1
Application number: FR8508236A
Authority: FR
Inventors: Mihaly Wallenstein; Peter Asztalos
Original assignee: Ganz Villamossagi Muevek
Current assignee: Ganz Villamossagi Muevek
Priority date: 1984-06-04
Filing date: 1985-05-31
Publication date: 1985-12-06
Also published as: DD234545A5; GB2162377A; HU203622B; IT8520999A0; JPS6169348A; HUT37847A; BR8502651A; SE8502727D0; FR2565432B1; GB8514073D0; PL253786A1; IT1185633B; SE8502727L; DE3518805A1

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE ET UN DISPOSITIF POUR COMMANDER LA CAPACITE DE CHARGE DE TURBO-ALTERNATEURS REFROIDIS PAR AIR ET FONCTIONNANT A GRANDE VITESSE, OU L'ENROULEMENT DE ROTOR COMPORTE UN SYSTEME DE REFROIDISSEMENT DIRECT INTENSIF DE CONDUCTEURS. LORSQUE LA CHARGE AUGMENTE, LA PRESSION DE L'AIR DE REFROIDISSEMENT EST AUGMENTEE AU MAXIMUM JUSQU'A 210 PA ET, QUAND LA CHARGE DIMINUE, CETTE PRESSION EST REDUITE JUSQU'A LA PRESSION ATMOSPHERIQUE ET, PENDANT LE REGLAGE DE PRESSION, LA TEMPERATURE DE L'ENROULEMENT DE ROTOR EST MAINTENUE SENSIBLEMENT INCHANGEE; LE DISPOSITIF COMPREND UN SYSTEME DE REFROIDISSEMENT ET RECIRCULATION D'AIR 11, 12 ET UN SYSTEME D'ALIMENTATION EN AIR 17, 21 POURVU DE COMPRESSEURS 22, 23 ET D'UN RESERVOIR D'AIR 20, DES SOUPAPES DE REGULATION 18, 19 ET DES MANOMETRES 25, 26 ETANT PREVUS POUR FAIRE VARIER DE FACON CONTINUE LA PRESSION A L'INTERIEUR DU TURBO-ALTERNATEUR 10 DANS UN GAMME COMPRISE ENTRE ENVIRON 1,01 ET 210PA.THE INVENTION RELATES TO A METHOD AND A DEVICE FOR CONTROLLING THE CHARGING CAPACITY OF AIR-COOLED TURBO-ALTERNATORS OPERATING AT HIGH SPEED, OR THE ROTOR WINDING INCLUDES AN INTENSIVE DIRECT COOLING SYSTEM OF CONDUCTORS. WHEN THE LOAD INCREASES, THE COOLING AIR PRESSURE IS INCREASED TO THE MAXIMUM UP TO 210 PA AND, WHEN THE LOAD DECREASES, THIS PRESSURE IS REDUCED UP TO ATMOSPHERIC PRESSURE AND, DURING THE PRESSURE ADJUSTMENT, THE TEMPERATURE OF THE ROTOR WINDING IS KEEPING SENSITIVELY UNCHANGED; THE DEVICE INCLUDES A COOLING AND RECIRCULATION AIR SYSTEM 11, 12 AND AN AIR SUPPLY SYSTEM 17, 21 PROVIDED WITH COMPRESSORS 22, 23 AND AN AIR TANK 20, REGULATING VALVES 18, 19 AND MANOMETERS 25, 26 ARE PROVIDED TO VARY CONTINUOUSLY THE PRESSURE INSIDE TURBO-ALTERNATOR 10 IN A RANGE BETWEEN APPROXIMATELY 1.01 AND 210PA.

Description

La présente invention concerne un procédé pour commander la capacité deThe present invention relates to a method for controlling the capacity of

charge de turbo-alternateurs refroidis par air et fonctionnant à grande vitesse, ainsi high-speed air-cooled turbo-alternators, as well as

qu'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. that a device for implementing the method.

Il est bien connu dans l'art antérieur que la capacité de charge de turboalternateurs refroidis par air It is well known in the prior art that the charge capacity of air-cooled turboalternators

et fonctionnant à grande vitesse, c'est-à-dire des généra- and operating at high speed, that is to say general

teurs synchrones à 2 ou 4 pôles, est limitée essentielle- 2 or 4-pole synchronous motors, is limited mainly

ment par l'échauffement de l'enroulement de rotor dans by heating the rotor winding in

lequel passe du courant continu. Dans le cas d'un refroi- which passes from direct current. In the case of a cooling

dissement indirect, l'enroulement est noyé dans une matière isolante et la chaleur perdue s'écoule, sous l'effet des différences de température existantes, au travers de la matière isolante et de la matière environnante de noyau en direction de la surface de dissipation de chaleur formée par la surface d'enveloppe du rotor, cette chaleur perdue étant transmise,avec baisse de température en surface, à l'écoulement d'air de refroidissement passant dans l'entrefer de la machine. La température de l'enroulement est définie par la résultante de l'échauffement de l'air de refroidissement et de la valeur correspondante de la baisse de température individuelle dans la voie de passage de la chaleur. Un moyen connu pour obtenir un refroidissement intensifié consiste dans le refroidissement direct des conducteurs, en introduisant de l'air de refroidissement d'une manière appropriée à l'intérieur du rotor de façon qu'il entre en contact direct avec la matière d'enroulement nécessitant un refroidissement. De cette façon, une grande partie de la baisse de température nécessaire dans le refroidissement indirect pour transférer la chaleur perdue indirectly, the winding is embedded in an insulating material and the waste heat flows, under the effect of the existing temperature differences, through the insulating material and the surrounding core material towards the dissipation surface of heat formed by the envelope surface of the rotor, this lost heat being transmitted, with lowering of surface temperature, to the flow of cooling air passing through the air gap of the machine. The temperature of the winding is defined by the resultant heating of the cooling air and the corresponding value of the individual temperature drop in the heat path. One known way to achieve intensified cooling is by direct cooling of the conductors, by introducing cooling air in a suitable manner into the interior of the rotor so that it comes into direct contact with the winding material. requiring cooling. In this way, much of the temperature drop needed in the indirect cooling to transfer the heat lost

au milieu de refroidissement cesse d'exister et la tempéra- in the middle of cooling ceases to exist and the temperature

ture du conducteur est définie précisément par la valeur de the driver is precisely defined by the value of

la baisse de température en surface au delà de l'échauffe- the temperature drop in the surface beyond the warm-up

ment du milieu de refroidissement. De cette manière, si la même limite supérieure de température définie par les propriétés de résistance à la chaleur des matières isolantes est considérée dans les deux voies de refroidissement, il est alors possible, dans le cas du refroidissement direct des conducteurs, de dissiper la plus forte chaleur perdue, c'est-àdire que la machine peut fonctionner avec une charge supérieure. Il existe de nombreux moyens classiques pour refroidir directement l'enroulement d'un rotor. Dans un cooling medium. In this way, if the same upper temperature limit defined by the heat resistance properties of the insulating materials is considered in both cooling paths, it is then possible, in the case of direct cooling of the conductors, to dissipate the most strong heat lost, ie the machine can operate with a higher load. There are many conventional means for directly cooling the winding of a rotor. In one

mode avantageux de refroidissement de ce genre, l'enroule- advantageous mode of cooling of this kind, the winding

ment de rotor est conçu de telle sorte que, du point de vue de l'écoulement de l'air de refroidissement, l'enroulement puisse être considéré comme formant plusieurs canaux courts parallèles comportant des parois au travers desquelles passe un courant électrique. Le gaz de refroidissement peut être introduit dans un tel enroulement d'une manière connue par The rotor arrangement is designed such that, from the point of view of the flow of the cooling air, the winding can be considered as forming a plurality of parallel short channels having walls through which an electric current flows. The cooling gas can be introduced into such a winding in a manner known to

l'intermédiaire de l'entrefer et un système de refroidisse- through the air gap and a cooling system

ment de ce genre est décrit dans l'article de P.Asztalos " Direct Cooling Systems for Turboalternator Rotors in view of the Maximum Rating of Hydrogen Cooling ", page 1936, figures 1 à 3 ( IEEE Transactions of Power Apparatus and Such an example is described in P. Asztalos' article "Direct Cooling Systems for Turboalternator Rotors in the Maximum Hydrogen Cooling", page 1936, Figs. 1 to 3 (IEEE Transactions of Power Apparatus and

Systems, Vol. PAS-89, n' 8, 1970, pages 1935- 1945). Systems, Vol. PAS-89, No. 8, 1970, pages 1935-1945).

Dans un autre procédé de refroidissement, le gaz de refroidissement est introduit dans l'enroulement de rotor par dessous et au travers de la partie située en dessous des encoches. Ce mode de refroidissement est décrit In another cooling method, the cooling gas is introduced into the rotor winding from below and through the portion below the notches. This cooling mode is described

dans le même article à la page 1937, figures 4 et 5. in the same article on page 1937, figures 4 and 5.

La combinaison de ces deux modes d'alimentation en gaz, c'est-à-dire au travers de l'entrefer et au travers de la partie située en dessous des encoches, est également connue et décrite par exemple dans le brevet britannique The combination of these two modes of gas supply, that is to say through the air gap and through the part located below the notches, is also known and described for example in the British patent.

n' 1 456 068 délivré à la Demanderesse. No. 1,456,068 issued to the Applicant.

Une caractéristique commune des enroulements de rotors refroidis directement conformément à ce type préféré de refroidissement consiste en ce que, en cours de fonctionnement, la température le long de chacun des canaux de refroidissement est uniforme et est supérieure au maximum de quelques degrés à celle de l'air de refrddissement sortant du canal associé. Dans un but de clarification dans les A common feature of directly cooled rotor windings in accordance with this preferred type of cooling is that, during operation, the temperature along each of the cooling channels is uniform and is greater than a few degrees greater than that of the cooling channel. cooling air exiting the associated channel. For the purpose of clarification in

parties de la présente description qui vont suivre, le parts of this description which will follow, the

système de refroidissement satisfaisant aux critères précités sera considéré comme un système de " refroidissement cooling system satisfying the above criteria will be considered as a "cooling system"

direct intensif des conducteurs ".direct intensive drivers ".

En relation avec le fonctionnement normal de turbo-alternateurs, il est un fait bien connu que, en fonction des variations de la charge du réseau, la charge momentanée du turbo-alternateur varie, en fonction du type des machines d'entraînement et du type de combustible utilisé dans la centrale thermique associée. Lorsqu'un turbo-alternateur devant fonctionner à grande vitesse est In connection with the normal operation of turbo-generators, it is a well known fact that, depending on the variations of the network load, the momentary charge of the turbo-alternator varies, depending on the type of the driving machines and the type fuel used in the associated thermal power station. When a turbo-alternator to operate at high speed is

installé, il est conçu pour une charge nominale qui corres- installed, it is designed for a nominal load that corresponds to

pond à la charge maximale à laquelle il sera soumis. Dans de nombreuses applications, la charge maximale se produit seulement dans une partie du temps total de fonctionnement, par exemple pendant 10 à 15 % de celui-ci. Il résulte de cela que, dans de telles applications, pendant une grande partie du temps de fonctionnement, il serait suffisant d'utiliser un turbo-alternateur présentant une moins grande capacité de charge, c'est-àdire de plus petites dimensions the maximum load to which it will be subject. In many applications, the maximum load occurs only in part of the total operating time, for example for 10 to 15% of it. As a result, in such applications, during a large part of the operating time, it would be sufficient to use a turbo-alternator having a smaller load capacity, that is to say of smaller dimensions

et un coût d'investissement plus petit. Lorsqu'un turbo- and a smaller investment cost. When a turbo

alternateur refroidi par air et conçu pour une charge donnée est utilisé avec une charge plus petite, le rendement diminue à cause des pertes permanentes inévitables qui ne air-cooled alternator and designed for a given load is used with a smaller load, the efficiency decreases because of the unavoidable permanent losses that do not occur.

suivent pas la diminution de la charge. do not follow the decrease of the load.

Dans des réseaux électriques, les crêtes de charge peuvent être absorbées soit en utilisant des machines conçues pour de telles crêtes, soit en installant des machines de réserve qui sont utilisées seulement pendant les In power grids, load peaks can be absorbed either by using machines designed for such peaks or by installing standby machines that are used only during

périodes de crêtes. Dans les deux cas, on doit faire inter- peak periods. In both cases,

venir des turbo-alternateurs qui peuvent absorber la pleine come from turbo-alternators that can absorb the full

charge.charge.

L'objet de l'invention est de créer un procédé et un dispositif permettant de régler la capacité de The object of the invention is to create a method and a device for adjusting the capacity of

charge de turbo-alternateurs refroidis par air et fonction- charge of air-cooled turbo-alternators and

nant à grande vitesse et pouvant être adaptés de façon souple at high speed and can be flexibly adapted

à des fluctuations de la charge effective. to fluctuations in the effective load.

L'invention est basée sur la connaissance que, dans le cas de turboalternateurs comportant un rotor à refroidissement direct intensif des conducteurs, la température de l'enroulement de rotor qui constitue le paramètre de limitation concernant la capacité de charge peut être réglée par modification de la pression de liair de refroidissement. Cela s'explique par le fait que, dans de tels rotors, l'échauffement de l'enroulement du rotor est pratiquement identique à celui de l'air de refroidissement et ce dernier est fonction de la capacité thermique de l'air de refroidissement qui s'écoule au travers du rotor. Il est également connu que la capacité thermique de l'air est The invention is based on the knowledge that, in the case of turbo-alternators comprising an intensively direct-cooling rotor of the conductors, the temperature of the rotor winding which constitutes the limiting parameter regarding the load capacity can be adjusted by changing the the cooling air pressure. This is explained by the fact that, in such rotors, the heating of the winding of the rotor is practically identical to that of the cooling air and the latter is a function of the heat capacity of the cooling air which flows through the rotor. It is also known that the heat capacity of the air is

proportionnelle à sa pression.proportional to its pressure.

Il est évident que les pertes par ventilation et par frottement d'air dans le turbo-alternateur augmentent It is obvious that the losses by ventilation and by friction of air in the turbo-alternator increase

proportionnellement avec l'augmentation de la pression d'air. proportionally with increasing air pressure.

Cependant, l'effet économique négatif calculé d'une telle augmentation, notamment dans le cas d'un turbo-alternateur comportant un enroulement de rotor à refroidissement direct intensif des conducteurs et une alimentation d'air combinée, However, the calculated negative economic effect of such an increase, especially in the case of a turbo-alternator comprising an intensive direct cooling rotor winding conductors and a combined air supply,

est sensiblement inférieur aux avantages économiques résul- significantly less than the economic benefits

tant de la possibilité d'un réglage de la capacité de charge, both of the possibility of an adjustment of the load capacity,

notamment en ce qui concerne son augmentation. especially as regards its increase.

Conformément à l'invention, il est prévu un In accordance with the invention, there is provided a

procédé pour commander la capacité de charge de turbo- method for controlling the turbo charge capacity

alternateurs refroidis par air et fonctionnant à grande vitesse, dans lequel l'enroulement de rotor comporte un refroidissement direct intensif des conducteurs, ce procédé comprenant l'étape consistant à augmenter la pression de l'air de refroidissement jusqu'à environ 2 x 105 Pa, si la charge est augmentée. Lorsque la charge diminue, la pression est réduite en correspondance et par conséquent la pression de l'air de refroidissement est high-speed air-cooled alternators, wherein the rotor winding includes intensive direct cooling of the conductors, the method comprising the step of increasing the cooling air pressure to about 2 x 105 Pa , if the load is increased. When the load decreases, the pressure is reduced in correspondence and therefore the pressure of the cooling air is

commandée en correspondance à la charge réelle. ordered in correspondence to the actual load.

Dans un mode préféré de mise en oeuvre du procédé, la température de l'enroulement de rotor est mesurée et la pression est commandée de telle sorte que In a preferred embodiment of the method, the temperature of the rotor winding is measured and the pressure is controlled so that

cette température reste constante dans une gamme de tolé- this temperature remains constant within a range of tolerances

rances de + 5'C.rances of + 5'C.

La température de l'enroulement de rotor peut être déterminée en mesurant le courant passant dans The temperature of the rotor winding can be determined by measuring the current passing through

celui-ci ainsi que la chute de tension. this one as well as the voltage drop.

Puisque les pertes dans le rotor sont détermi- Since the losses in the rotor are determined

nées essentiellement par les pertes Joule et puisque la mainly due to the Joule losses and since the

résistance électrique de l'enroulement de rotor à la tempé- resistance of the rotor winding to the temperature

rature de fonctionnement est connue, il suffit de connaître le courant ou la tension pour la commande de la pression de l'air derefroidissement de façon à maintenir la température de conducteurs constante. Le signal de commande est alors proportionnel au carré de l'une ou l'autre des deux If the operating temperature is known, it is sufficient to know the current or the voltage for the control of the pressure of the cooling air so as to maintain the temperature of the conductors constant. The control signal is then proportional to the square of one or the other of the two

quantités précitées.aforementioned quantities.

Lors de l'utilisation du procédé conforme à When using the process according to

l'invention, il est possible d'installer un turbo-alterna- the invention, it is possible to install a turbo-alterna-

teur ayant une capacité de charge nominale ( dans le cas o having a nominal load capacity (in the case where

l'air de refroidissement se trouve à la pression atmosphéri- the cooling air is at atmospheric pressure

que), qui correspond seulement à 70 à 80 % de la charge de that is only 70% to 80% of the

crête se produisant dans le domaine d'application correspon- peak occurring in the corresponding field of application

dant. Cette possibilité fait en sorte qu'on réalise une économie substantielle concernant les frais d'investissement ing. This possibility makes it possible to achieve substantial savings in investment costs

par comparaison à des frais analogues affectant un turbo- compared to similar costs affecting a turbo-

alternateur conçu pour la charge de crête. alternator designed for peak load.

Il est également prévu un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, dans lequel le turbo-alternateur comporte un volume intérieur fermé et scellé, qui est relié à un système de refroidissement par recirculation d'air qui comprend une source d'air associée à un compresseur, un There is also provided a device for carrying out the method, in which the turbo-alternator comprises a closed and sealed interior volume, which is connected to an air recirculation cooling system which comprises an air source associated with a compressor, a

réservoir de stockage d'air et, en correspondance à l'inven- storage tank and, in correspondence with the invention,

tion, le dispositif comprend des moyens pour faire varier de façon continue la pression d'air dans le volume intérieur the device comprises means for continuously varying the air pressure in the interior volume

entre environ 1,01 et 2 x 105 Pa.between about 1.01 and 2 x 105 Pa.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la Other features and advantages of the invention will be highlighted later in the

description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en description, given by way of non-limiting example, in

référence aux dessins annexés dans lesquels: la fig. 1 est une vue en coupe schématique d'une encoche reference to the accompanying drawings in which: FIG. 1 is a schematic sectional view of a notch

d'enroulement de rotor d'un turbo-alternateur à refroidisse- rotor winding of a turbo-alternator with cooling

ment direct intensif des conducteurs ( art antérieur), la fig. 2 est une vue en perspective à échelle agrandie d'un détail de l'enroulement de la figure 1, montrant une courbe de distribution de température, la fig. 3 est un schéma à blocs du dispositif conforme à l'invention, la fig. 4 représente une série de diagrammes illustrant les variations de température de l'enroulement de rotor en fonction de la puissance perdue dissipée dans l'enroulement, et direct intensive conduct of the conductors (prior art), FIG. 2 is an enlarged perspective view of a detail of the winding of FIG. 1, showing a temperature distribution curve, FIG. 3 is a block diagram of the device according to the invention, FIG. 4 represents a series of diagrams illustrating the temperature variations of the rotor winding as a function of the lost power dissipated in the winding, and

la fig. 5 représente une autre série de diagrammes en rela- fig. 5 represents another series of diagrams relating to

tion avec ceux de la fig. 4 et montrant les variations du with those in fig. 4 and showing the variations of the

rendement en fonction de la charge réelle. yield depending on the actual load.

Pour la compréhension du procédé conforme à l'invention, l'analyse de la transmission de chaleur entre For the understanding of the process according to the invention, the analysis of the heat transfer between

le cuivre formant l'enroulement de rotor d'un turbo- the copper forming the rotor winding of a turbo-

alternateur et l'air de refroidissement entourant le cuivre a une influence déterminante. Dans ce but, on a représenté sur la figure 1 une vue en coupe schématique d'une partie d'un enroulement de rotor placée dans une encoche, o on utilise un système de refroidissement direct intensif des conducteurs et o l'enroulement se alternator and the cooling air surrounding the copper has a decisive influence. For this purpose, there is shown in Figure 1 a schematic sectional view of a portion of a rotor winding placed in a notch, which uses an intensive direct cooling system conductors and o winding is

compose de courts canaux de refroidissement avec alimenta- consists of short cooling channels with

tion combinée en air, comme décrit dans le brevet britanni- air combination, as described in the British patent.

que n 1 456 068. L'enroulement en cuivre comporte des spires qui sont séparées par des isolateurs et, pour chaque spire, un ou plusieurs canaux de refroidissement 1 sont The copper winding has turns which are separated by insulators and, for each turn, one or more cooling channels 1 are

prévus de façon à s'étendre dans une direction transversale. provided to extend in a transverse direction.

En considérant l'écoulement d'air de refroidissement, les Considering the cooling air flow, the

canaux de refroidissement 1 sont tous branchés en parallè- cooling channels 1 are all connected in parallel

le et leurs entrées communiquent avec un canal 2 placé sur le côté gauche de l'encoche. L'air de refroidissement est introduit dans le canal 2 à la fois par le haut dans la direction de l'entrefer 3 et par dessous à partir de la partie 4 située en dessous de l'encoche. Les sorties des canaux de refroidissement 1 sont en communication avec un canal 5 placé dans le côté droit de l'encoche, et l'air chauffé est déchargé dans l'entrefer 3. L'écoulement de l'air de refroidissement est illustré sur la figure 1 par the and their inputs communicate with a channel 2 placed on the left side of the notch. The cooling air is introduced into the channel 2 at the same time from the top in the direction of the air gap 3 and from below from the part 4 located below the notch. The outlets of the cooling channels 1 are in communication with a channel 5 placed in the right side of the notch, and the heated air is discharged into the air gap 3. The flow of the cooling air is illustrated on the figure 1 by

des flèches.arrows.

Dans le cas d'un simple refroidissement par l'entrefer, l'alimentation inférieure en air est omise alors que dans le cas d'un simple refroidissement par la partie inférieure à l'encoche, l'alimentation supérieure In the case of a simple cooling by the air gap, the lower air supply is omitted whereas in the case of a simple cooling by the lower part to the notch, the upper supply

est omise.is omitted.

La figure 2 représente une partie de l'enrou- lement o la ligne en trait interrompu indique un des canaux de refroidissement 1 tandis que le parallélépipède dessiné autour par des lignes en trait plein désigne le volume de FIG. 2 shows part of the winding where the dashed line indicates one of the cooling channels 1 while the parallelepiped drawn around by solid lines denotes the volume of

cuivre refroidi par le canal de refroidissement 1 représenté. copper cooled by the cooling channel 1 shown.

Le diagramme placé directement au-dessus du canal de refroi- The diagram placed directly above the cooling channel

dissement montre la variation de la température de l'air de dissement shows the variation of the air temperature of

refroidissement t t et du cuivre tr le long du canal 1. cooling t t and copper tr along channel 1.

g r Puisque le cuivre est un très bon conducteur: de la chaleur, sa température le long du court canal de refroidissement 1 est constante ou bien elle peut être considérée comme étant constante à cause du flux intense de conduction de chaleur dans le cuivre. L'écoulement d'air entrant s'échauffe dans le canal de refroidissement 1 et, quand il quitte le canal 1, sa température est seulement légèrement inférieure à celle du cuivre. A l'extrémité du canal 1, la température de l'air est augmentée d'une valeur A tgm et la température du cuivre est supérieure, d'une gm Since copper is a very good conductor: heat, its temperature along the short cooling channel 1 is constant or it can be considered constant because of the intense heat conduction flux in the copper. The inflow of incoming air heats up in the cooling channel 1 and, when it leaves the channel 1, its temperature is only slightly lower than that of the copper. At the end of channel 1, the temperature of the air is increased by a value A tgm and the temperature of the copper is higher, by one gm

valeur A trm à celle de l'air entrant. value A trm to that of the incoming air.

rm' Bien que le cuivre puisse être refroidi de plusieurs autres manières que celle illustrée sur les dessins, l'utilimtion du procédé conforme à l'invention nécessite un refroidissement dans lequel la température du cuivre est sensiblement constante le long des canaux de Although the copper can be cooled in many other ways than those illustrated in the drawings, the use of the process according to the invention requires cooling in which the temperature of the copper is substantially constant along the channels of the invention.

refroidissement, c'est-à-dire qu'elle est au maximum compri- cooling, that is to say, it is at most

se dans une gamme de tolérances de + 5SC et cette températu- within a tolerance range of + 5SC and this temperature

re est pratiquement identique à la température de l'air sortant, c'est-àdire qu'elle est au maximum plus chaude re is almost identical to the temperature of the outgoing air, that is to say that it is at most warmer

d'environ 10 C que l'air. Cela correspond aux caractéristi- about 10 C than air. This corresponds to the characteristics

ques des systèmes de refroidissement direct intensif de conducteurs définis ci-dessus. Pour réduire les pertes par frottement, les rotors des turbo-alternateurs qui comportent un système de refroidissement direct intensif de conducteurs sont conçus généralement avec une longueur accrue et un diamètre réduit, le rapport longueur/diamètre direct intensive cooling systems of conductors defined above. To reduce friction losses, rotors of turbo-alternators which include an intensive direct cooling system of conductors are generally designed with increased length and reduced diameter, the length / diameter ratio

étant typiquement compris entre environ 3 et 5. typically being between about 3 and 5.

On va maintenant se référer à la figure 3 qui représente un schéma synoptique d'un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. Un turbo-alternateur 10, qui comporte un rotor à système de refroidissement direct intensif de conducteurs, est équipé d'échangeurs de chaleur 11 et 12 qui comprennent une entrée 13 et une sortie 14 reliées à un appareillage de circulation We will now refer to Figure 3 which shows a block diagram of a device for carrying out the method according to the invention. A turbo-generator 10, which comprises a rotor with an intensive direct cooling system of conductors, is equipped with heat exchangers 11 and 12 which comprise an inlet 13 and an outlet 14 connected to a traffic apparatus

d'eau de refroidissement, non représenté sur le dessin. cooling water, not shown in the drawing.

Les parties extrêmes du rotor du turbo-alternateur 10 sortent du carter et sont pourvues de joints d'étanchéité , 16 qui peuvent être constitués par des joints d'arbre classiques avec lubrification par huile, généralement utilisés dans des turbo-alternateurs avec refroidissement par hydrogène ou bien qui sont constitués par des joints d'arbre en voie sèche comprenant par exemple des bagues en carbone. The end portions of the turbo generator rotor 10 come out of the housing and are provided with seals, 16 which may be conventional oil lubricated shaft seals, generally used in hydrogen-cooled turbo-generators. or which consist of dry shaft joints comprising for example carbon rings.

Un conduit 17 est relié au système de refroi- A conduit 17 is connected to the cooling system

dissement qui est raccordé par l'intermédiaire de soupapes de régulation de pression 18 et 19 à un réservoir d'air which is connected via pressure regulating valves 18 and 19 to an air reservoir

20. De l'air peut être introduit en provenance de l'atmos- 20. Air can be introduced from the atmosphere

phère dans le réservoir d'air 20 par l'intermédiaire d'un filtre 21, de deux compresseurs 22 et 23 pacés en parallèle in the air tank 20 via a filter 21, two compressors 22 and 23 connected in parallel

et d'un pécheur 24.and a sinner 24.

La pression dans le réservoir d'air 20 est The pressure in the air reservoir 20 is

typiquement d'environ 10 bars et elle est mesurée et affi- typically about 10 bar and is measured and displayed.

chée par un manomètre 25. La pression régnant dans le by a pressure gauge 25. The pressure prevailing in the

conduit 17, qui est égale à la pression interne du turbo- led 17, which is equal to the internal pressure of the turbo-

alternateur 10, est mesurée par un manomètre 26. Une électro- alternator 10, is measured by a pressure gauge 26. An electro-

vanne 27 sert à commander la soupape de régulation de pression 18. Au moyen des soupapes de régulation de pression 18 et 19, la pression dans le turbo-alternateur peut être commandée d'une façon continue entre environ 1,01 et 2 x 105 Pa. Le réglage peut être effectué soit manuellement valve 27 serves to control the pressure regulating valve 18. By means of the pressure regulating valves 18 and 19, the pressure in the turbo-alternator can be controlled continuously between about 1.01 and 2 x 105 Pa. The setting can be done either manually

soit au moyen d'une commande automatique appropriée. or by means of an appropriate automatic command.

Dans le but d'une simplification du dessin, les instruments utilisés pour la mesure et l'affichage des paramètres de fonctionnement du turboalternateur 10 n'ont In order to simplify the drawing, the instruments used for measuring and displaying the operating parameters of the turbo generator 10 have

pas été représentés sur la figure 3. not shown in Figure 3.

La nouvelle caractéristique du dispositif représenté sur la figure 3 consiste en ce que la pression d'air régnant à l'intérieur du turboalternateur 10 de grande puissance peut être modifiée de façon continue depuis une valeur correspondant à la pression atmosphérique normale jusqu'à environ 2 x 105 Pa et on peut également The novel feature of the device shown in Fig. 3 is that the air pressure prevailing inside the high power turbo generator can be continuously changed from a value corresponding to normal atmospheric pressure to about 2 x 105 Pa and you can also

maintenir toute valeur réglée de la pression. maintain any set value of pressure.

Il a déjà été signalé que, du fait du diamètre comparativement petit du rotor, les pertes par frottement d'air dans le turbo-alternateur 10 sont d'un niveau assez bas. Ce fait, ainsi que la température uniforme et réglable du cuivre à cause du refroidissement direct intensif des conducteurs, permettent d'envisager raisonnablement que, en vue d'augmenter la capacité de charge, la pression d'air It has already been pointed out that, because of the comparatively small diameter of the rotor, the air friction losses in the turbo-generator 10 are of a rather low level. This fact, as well as the uniform and adjustable temperature of the copper due to the intensive direct cooling of the conductors, makes it reasonable to envisage that, in order to increase the carrying capacity, the air pressure

de service soit augmentée. Dans la description qui va service is increased. In the description that will

suivre, qui est basée sur des résultats de mesures réelles, follow, which is based on actual measurement results,

on va mettre en évidence différentes caractéristiques impor- we will highlight various important characteristics

tantes du turbo-alternateur 10 dans le cas de différentes aunts of the turbo-alternator 10 in the case of different

pressions de l'air de refroidissement. cooling air pressures.

Les mesures ont été effectuées pour un turbo- Measurements were made for a turbo

alternateur 10 refroidi par air et présentant une capacité nominale de charge de 75 MVA et, pour obtenir des résultats comparables, les mesures ont également été effectuées en utilisant trois autres turbo-alternateurs de 80 MVA, conçus pour un refroidissement par hydrogène et ayant les mêmes dimensions et la même structure interne que la première machine; en outre dans les mesures on a utilisé de l'air air-cooled alternator 10 and having a rated load capacity of 75 MVA and, for comparable results, measurements were also made using three other 80 MVA turbo-generators, designed for hydrogen cooling and having the same dimensions and the same internal structure as the first machine; furthermore in the measurements we used air

comme agent de refroidissement à la place d'hydrogène. as a coolant instead of hydrogen.

La pression a été modifiée dans la gamme comprise entre 1 et 2,2 x 10 Pa en environ 50 valeurs de réglage. L'analyse The pressure was varied in the range from 1 to 2.2 x 10 Pa in about 50 control values. analysis

détaillée des résultats d'essais a montré que les augmenta- detailed test results showed that the increases in

tions de températures de conducteurs obtenues dans les différentes machines ont été pratiquement les mêmes, ce qui a offert la possibilité d'établir des relations d'un Conductor temperatures obtained in the different machines were virtually the same, which offered the possibility of establishing

caractère plus général.more general character.

On s'est rendu compte que, dans le cas d'un refroidissement par air, la capacité de charge de la machine est limitée de façon nette et est définie par l'augmentation It has been found that, in the case of air cooling, the load capacity of the machine is clearly limited and is defined by the increase

de température de l'enroulement de rotor. temperature of the rotor winding.

Avec ces machines, en prenant en considération toutes les valeurs de charges, l'augmentation de température du rotor peut être exprimée par la relation suivante: Ltt= 6+ 0,017 lPe + 0 25 x P r z] Fe+z 0 p,92 r o: p = la pression absolue de l'air (10 5Pa) PFe = la perte dans le fer (kW) PFe P = la perte par court-circuit (kW) z With these machines, taking into account all the load values, the temperature increase of the rotor can be expressed by the following relation: Ltt = 6 + 0.017 lPe + 0 25 x P rz] Fe + z 0 p, 92 ro : p = absolute pressure of air (10 5Pa) PFe = loss in iron (kW) PFe P = loss by short circuit (kW) z

P = la perte dans le cuivre du rotor (kW). P = the loss in the rotor copper (kW).

rr

Les diagrammes de la figure 4 donne l'augmenta- The diagrams in Figure 4 show the increase

tion de température de l'enroulement de rotor en fonction de la perte engendrée dans celui-ci pour des pressions d'air différentes, pour la tension nominale de la machine ( pour des pertes constantes dans le fer) et pour un écart de quelques degrés centigrades à cause de la variation de la perte par court-circuit. A titre de sujet intéressant et the temperature of the rotor winding as a function of the loss generated therein for different air pressures, for the rated machine voltage (for constant losses in the iron) and for a few degrees difference centigrade because of the variation of the short-circuit loss. As an interesting subject and

pour servir de guide, la figure représente également l'aug- as a guide, the figure also represents the

mentation de température des rotors, mesurée dans de the temperature of the rotors, measured in

l'hydrogène de puretés différentes ( partie hachurée). hydrogen of different purities (hatched part).

Dans le cas d'une charge de 75 MVA des machines, et d'un cosinus I = 0,85, en fonction de la température de l'air de refroidissement et de la pression d'air, la perte dans le rotor en fonctionnement varie entre environ 230 et 250 kW. On peut voir sur la figure que, dans le cas d'une augmentation de la pression d'air de 25 %, la perte dans le rotor peut également être augmentée d'environ 25 % pour la même augmentation de température. Cette augmentation In the case of a load of 75 MVA machines, and a cosine I = 0.85, depending on the temperature of the cooling air and the air pressure, the loss in the rotor in operation varies between about 230 and 250 kW. It can be seen in the figure that in the case of an increase in air pressure of 25%, the loss in the rotor can also be increased by about 25% for the same temperature increase. This augmentation

de 25 % de la perte correspond, à son tour, approximative- 25% of the loss corresponds, in turn, to approximately

ment à une augmentation de 12 % du courant de champ et à une 12% increase in field current and

augmentation d'environ 20 % de la charge à la sortie, c'est- increase of the output load by around 20%, that is,

à-dire que la machine de 75 MVA peut être chargée avec to say that the 75 MVA machine can be loaded with

approximativement 90 MVA ( pour une augmentation de tempéra- approximately 90 MVA (for an increase in temperature

ture inchangée de l'enroulement de rotor.). unchanged rotor winding.).

Comme le montre la figure 4, la capacité de As shown in Figure 4, the ability to

charge de la machine peut encore être augmentée par augmenta- The machine load can be further increased by increasing

tion de la pression de l'air ( jusqu'à approximativement air pressure (up to approximately

MVA pour une pression absolue de 1,5 x 105 Pa). MVA for an absolute pressure of 1.5 x 105 Pa).

L'enroulement de stator, conçu en fonction de la puissance de sortie correspondant au refroidissement par hydrogène, offrirait une possibilité pour obtenir ce résultat. Cependant, l'échauffement ( en fonctionnement proche de cos q = 1) des parties extrêmes du noyau stratifié du stator ne peut pas être influencé par la pression d'air au même degré que celui de l'enroulement de rotor. A cause des pertes par frottement d'air, qui augmentent proportionnellement à la pression d'air, la diminution graduelle du rendement impose en The stator winding, designed according to the output power corresponding to the hydrogen cooling, would provide a possibility to achieve this result. However, the heating (in operation close to cos q = 1) of the end portions of the stratified stator core can not be influenced by the air pressure to the same degree as that of the rotor winding. Because air friction losses increase with increasing air pressure, the gradual decrease in efficiency

pratique des limites à l'augmentation de la pression d'air. practice limits to the increase of the air pressure.

Ces phénomènes sont illustrés par les courbes de la figure 5. La courbe a représente le rendement de la machine examinée pour une pression absolue de 1 x 105 Pa tandis que la courbe b offre le rendement obtenu pour une pression absolue de 1,5 x 105 Pa et finalement la courbe c donne le rendement pour une pression absolue d'air de 1,5 x 105 Pa. A cause des phénomènes rencontrés dans les extrémités du noyau, la capacité de charge, déterminée par l'enroulement du rotor et qui est de 90 MVA pour une pression absolue de 1,25 x 105 Pa et de 100 MVA pour une pression absolue de 1,5 x 105 Pa, a été limitée respectivement à These phenomena are illustrated by the curves of FIG. 5. Curve a represents the efficiency of the machine examined for an absolute pressure of 1 × 10 5 Pa while curve b gives the yield obtained for an absolute pressure of 1.5 × 10 5. Pa and finally the curve c gives the yield for an absolute pressure of air of 1.5 x 105 Pa. Due to the phenomena encountered in the ends of the core, the load capacity, determined by the winding of the rotor and which is 90 MVA for an absolute pressure of 1.25 x 105 Pa and 100 MVA for an absolute pressure of 1.5 x 105 Pa, was limited respectively to

88 MVA et 95 MVA.88 MVA and 95 MVA.

Avec une commande continue de la pression de l'air, au moyen d'un remplissage de la partie interne de la machine en fonction de la charge, la courbe d représentée en trait mixte donne le rendement résultant dans la gamme With a continuous control of the air pressure, by means of a filling of the internal part of the machine according to the load, the curve d represented in dashed line gives the resultant yield in the range

de charges de sortie supérieures à 75 MVA. output loads greater than 75 MVA.

Il est à noter que le diamètre du rotor du turbo-alternateur examiné a été de 930 mm et que sa longueur a été de 2850 mm. Les courbes e et f de la figure 5 donne les valeurs de rendements de deux autres turboalternateurs différents qui ont tous deux été conçus pour une puissance It should be noted that the rotor diameter of the turbo-alternator examined was 930 mm and its length was 2850 mm. The curves e and f of FIG. 5 give the efficiency values of two other different turboalternators which have both been designed for power.

nominale de 95 MVA dans le cas d'air à la pression atmosphé- rated 95 MVA in the case of air at atmospheric pressure

rique. En ce qui concerne la courbe e, le rotor a présenté un diamètre de 930 mm et une longueur de 3700 mm alors que dans le cas de la courbe f, le diamètre a été de 1000 mm et la longueur de 3250 mm. Dans les deux cas, la masse du America. With regard to the curve e, the rotor has a diameter of 930 mm and a length of 3700 mm whereas in the case of the curve f, the diameter has been 1000 mm and the length 3250 mm. In both cases, the mass of

rotor a été pratiquement la même. rotor was virtually the same.

En comparant les rendements correspondant à des charges communes, c'est-àdire en comparant les courbes a et b, ainsi que e, on peut voir que, en ce qui concerne le rendement résultant, le facteur décisif est en relation, dans une période donnée de fonctionnement ( par exemple une année) de la valeur et de la durée d'application de la charge qui s'est produite en fonctionnement réel. Si dans la partie dominante du temps de travail ( par exemple dans % de tous les temps) la charge moyenne a été de 75 MVA alors que la charge de crête de 95 MVA s'est produite seulement rarement, alors le rendement résultant de la machine opérant avec une pression d'air accrue est plus favorable que celui d'autres machines. Jusqu'à une charge de MVA, le rendement de la machine comportant un rotor de diamètre accru et de longueur réduite ( en correspondance à la courbe f) est plus petit que celui obtenu avec une autre By comparing the returns corresponding to common charges, that is to say by comparing the curves a and b, as well as e, it can be seen that, as regards the resultant yield, the decisive factor is related, in a period operating data (for example, a year) of the value and duration of the load that occurred during actual operation. If in the dominant part of the working time (for example in% of all times) the average load was 75 MVA while the peak load of 95 MVA occurred only rarely, then the resulting efficiency of the machine operating with increased air pressure is more favorable than that of other machines. Up to a load of MVA, the efficiency of the machine having a rotor of increased diameter and reduced length (in correspondence with the curve f) is smaller than that obtained with another

machine conçue pour une charge de 75 MVA. machine designed for a load of 75 MVA.

Cette comparaison ne tient pas compte du fait que les frais d'investissement d'une machine conçue pour une charge de 95 MVA sont sensiblement supérieurs aux frais This comparison does not take into account the fact that the capital cost of a machine designed for a load of 95 MVA is significantly higher than the costs

concernant une machine conçue pour une charge de 75 MVA. concerning a machine designed for a load of 75 MVA.

On peut par conséquent se rendre compte que, en augmentant la pression d'air dans le turbo-alternateur, il est possible d'augmenter la capacité de charge d'une machine, conçue pour une charge donnée, de telle sorte que les crêtes temporaires de charge puissent être absorbées sans avoir à installer d'autres machines ou à utiliser des machines plus coûteuses conçues pour absorber les charges de crête. It can therefore be realized that, by increasing the air pressure in the turbo-alternator, it is possible to increase the load capacity of a machine, designed for a given load, so that the temporary ridges Loads can be absorbed without having to install other machines or use more expensive machines designed to absorb peak loads.

On considère que l'utilisation de turbo- It is considered that the use of turbo

alternateurs conçus pour des charges de sortie comprises entre 70 et 80 % des charges de crête peut être justifiée et préférable si la commande est effectuée conformément à generators designed for output loads between 70% and 80% of peak loads may be justified and preferable if the order is made in accordance with

la présente invention.the present invention.

Par comparaison à des turbo-alternateurs classiques à refroidissement par air, on obtient des avantages substantiels qui résultent du fait que, dans la gamme contrôlée, la température du rotor est constante ( indépendante de la charge réelle). Cette propriété élimine tout problème qui résulterait de la différence entre les dilatations thermiques du fer et du cuivre. Un autre avantage résulte d'une recirculation de l'air de refroidissement dans un système fermé du fait que, de cette manière, l'humidité de l'air peut être maintenue dans une gamme désirée. Il est connu qu'une forte humidité réduit la durée de service et la fiabilité de turbo-alternateurs, Compared to conventional air-cooled turbo-generators, substantial advantages are obtained which result from the fact that, in the controlled range, the temperature of the rotor is constant (independent of the actual load). This property eliminates any problem that would result from the difference between thermal expansion of iron and copper. Another advantage is a recirculation of the cooling air in a closed system because, in this way, the humidity of the air can be maintained in a desired range. It is known that high humidity reduces the service life and reliability of turbo-alternators,

ce qui peut par conséquent être éliminé. which can therefore be eliminated.

La pression de l'air de refroidissement peut être commandée par le dispositif conforme à l'invention, soit sur la base de la résistance de l'enroulement du rotor, soit avec la connaissance des courbes caractéristiques de la machine sur la base de la mesure des pertes dans le rotor. La température de l'enroulement de rotor peut être déterminée à partir de la résistance du rotor et, quand la charge augmente ou diminue, la pression devrait être modifiée de telle sorte que l'enroulement ait une température constante. La perte dans le rotor peut être déterminée The cooling air pressure can be controlled by the device according to the invention, either on the basis of the resistance of the winding of the rotor, or with knowledge of the characteristic curves of the machine on the basis of the measurement. losses in the rotor. The temperature of the rotor winding can be determined from the resistance of the rotor and, as the load increases or decreases, the pressure should be varied so that the winding has a constant temperature. The loss in the rotor can be determined

sur la base de la tension du rotor ou du courant du rotor. based on rotor voltage or rotor current.

La commande peut cependant être manuelle mais les conditions de réglage de la pression permettent aussi The control can however be manual but the conditions for adjusting the pressure also allow

l'utilisation d'une commande automatique. the use of an automatic command.

Claims

A method for controlling the charging capacity of air-cooled, high-speed turbo-alternators, wherein the rotor winding comprises an intensive direct-conductor cooling system, characterized by the step of increasing the pressure of the rotor. cooling air to absolute pressure

about 2 x 105 Pa if the actual load increases.

2. Method according to claim 1, characterized in that the temperature of the rotor winding is measured and, during said pressure adjustment step, this temperature is maintained within a range of tolerances

maximum of + 5 C.

Method according to claim 2, characterized in that the temperature of the rotor winding is measured based on the measurement of the rotor current and the

the voltage drop in the winding of the rotor.

4. Method according to claim 2, characterized in that the adjustment based on the temperature measurement of the rotor winding is performed on the basis of the square of the measured value for the rotor current or the rotor voltage.

5. Method according to claim 1, characterized in that the turbo-alternator (10) is designed for a load corresponding to about 70 to 80% of the load of

peak occurring in the installation location of said turbo

alternator (10).

6. Apparatus for carrying out the method according to claim 1, wherein said turbo-alternator (10) comprises a sealed interior volume (15, 16) and isolated from the free atmosphere and the device comprises a cooling means of air (11, 12) providing closed-loop air circulation, said means being connected to said interior of the turbo-alternator, and an air supply means comprising a compressor (22, 23) and a fuel tank; air (20), characterized in that there is provided means (18, 19, 26, 25) for continuously adjusting the air pressure in said interior volume of the turbo-alternator (10) in a range of absolute pressures between

about 1, ol and 2 x 105 Pa.

7. Device according to claim 6, characterized

characterized in that it comprises means (25, 26) for measuring the air pressure in said interior volume of the turbo-alternator and means for detecting the electrical resistance

rotor winding by sensing its temperature.

8. Device according to claim 7, characterized

in that said pressure adjusting means (18, 19, 25, 26) provides adjustment of said pressure as a function of a variation of the actual load by maintaining the temperature of the constant rotor winding during

said setting.

9. Device according to claim 6, characterized

in that it comprises a dryer (24) regulating the humidity of the air introduced into said air reservoir (20) at a temperature

predetermined constant value.