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VENTILATION SEPAREE'POUR -TETES DE BOBINES DE ROTOR.
L'invention concerne les turbo-génératrices ou autres machines dynamo-électriques du type à rotor constitué par un noyau cylindrique plein portant un enroulement concentrique réparti à conducteurs creux constituant l'enroulement inducteur. La plupart des turbo-génératrices sont des machines synchrones bipolaires,quoique l'invention s'applique aussi aux machines à quatre pôles ou plus.
La capacité d'un enroulement de rotor de ce genre dépend de la longueur de la bobine et de la masse de gaz circulant dans les canalisations de refroidissement. Quand la longueur augmente, la quantité totale de chaleur évacuée du conducteur par le gaz de refroidissement augmente, les gaz sortants devenant plus chauds et le plus grand frottement du gaz tendant à freiner l'écoulement. En conséquence, les pertes RI2 par unité de longueur de bobine doivent être réduites, quand la longueur augmente, de manière à ne pas dépasser une température maximum donnée pour le conducteur.
Par exemple, une bobine de rotor à conducteurs creux ayant une longueur de canalisation de 120 pouces (305 cm) n'a qu'environ 80% de la capacité ou puissance d'une bobine à longueur de canalisation de 80 pouces (203 cm), le reste étant égal d'ailleurs.
Dans une machine de ce genre ayant, par exemple, un rotor d'un diamètre de 37 pouces (94 cm) et d'une demi-longueur de noyau de 80 pouces (203 cm) la dernière tête de bobine, ou extrémité du coté de bobine extérieur,de'chaque pôle ajoute approximativement 45 pouces (114 cm) de longueur à la longueur des côtés de bobinece qui donne une longueur totale de 125 pouces (317 cm) Dans le cas de machines plus courtes , le rapport entre la longueur de tête de bobine et la longueur du demi-noyau sera plus grand Dans le cas de machines plus longuesla plus grande longueur des canalisations intérieures aux conducteurs creux de rotor nécessite encore plus une réduction de la longueur totale de canalisationparce que, lorsque la longueur des canalisations augmente,
il faut réduire de plus en plus la capacité du rotor. Si on pouvait donc refroidir séparément les têtes'et.
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les c8tés de bobine des enroulements de rotor à conducteurs creux, un gain appréciable pourrait être réalisé en puissance de rotor.
L'invention concerne des moyens permettant d'obtenir le refroidissement séparé des têtes de bobine des enroulements de rotor des turbogénératrices.
Le dessin annexé représente, un peu schématiquement, une machine simplifiée conforme à l'invention et donnée à titre d'exemple des principes généraux de celle-ci., sans aucune prétention à l'illustration d'une machine complète à échelle exacte. Dans les dessins,
La figure 1 est une coupe partielle longitudinale d'une forme d'exécution de l'invention, passant par un point voisin du milieu d'un pale de rotor, suivant la ligne 1-1 des figures 3 et 4-
La figure 2 est une vue semblable d'une partie différente d'une machine semblable le plan de la section passant par les cotés de bobine extérieures des pales du rotor, suivant la ligne II-II de la figure 3.
La figure 3 est une section transversale suivant la ligne III-III des figures 1 et 2
La figure 4 est une coupe cylindrique développée vue de dessous suivant la ligne IV-IV des figures 1, 2 et 3.
La figure 5 est une coupe développée d'une partie de la bobine de rotor extérieur, suivant la ligne courbe V-V de la figure 4, montrant le chemin parcouru par le gaz de refroidissement circulant en retour dans la tête de bobine
La figure 6 est une coupe cylindrique développée vue de dessous semblable à celle de la figure 4 et montrant une variante utilisant des conducteurs creux à ventilation latérale, et
La figure 7 est une vue de profil de détail d'une partie d'un des conducteurs creux à ventilation latérale de la figure 6.
L'invention. dans l'exemple donné, est appliquée à une machine dynamo-électrique synchrone bipolaire comprenant un induit fixe 7 et un inducteur tournant 8 séparés par un entrefer 9. .L'inducteur tournant, comme le montre la figure 3, comprend un arbre 11. un noyau de rotor cylindrique 12 avec des encoches 13 pour le logement de l'enroulement, et un inducteur réparti à courant continu constitué par des conducteurs creux, chaque pôle de l'inducteur étant composé de plusieurs bobines concentriques 21 à 28 à cheval sur une partie polaire centrale 29 du noyau de rotor 12 sans encoches
Pour simplifier le dessin, les bobines de rotor concentriques 21 à 28 sont représentées chacune avec quatre barres seulement, sauf les deux bobines intérieures 21 et 22. de chaque pôle qui n'ont que trois barres;
il va de soi qu'on utilise habituellement un plisgrand nombre de barres par bobine. Les bobines de rotor 21 à 23 comprennent des cotés de bobine rectilignes 30 logés dans les encoches de rotor 13 correspondantes. Les bobines comprennent aussi des têtes de bobine 31 qui dépassent les extrémités du noyau de rotor 12, des dégagements 32 étant ainsi aménagés entre les têtes de bobine 31 et l'arbre de rotor 11, aux extrémités du rotor 8.
Chaque tête de bobine 31, aux extrémités respectives dé l'inducteur, se compose à la fois de parties de conducteurs creux axiales 33 et circonférentielles 34 séparées par des cales d'extrémité 35' Conformément à une pratique courante, chaque tête de bobine 31, aux extrémités respectives du rotor 8, est maintenue en place par une bague de frettage 36 solidaire de l'extrémité du noyau de rotor 12 et entourant les têtes de bobine 31 de l'extrémité de rotor correspondante
Un dispositif de circulation des gaz doit être prévu pour établir une chambre sous pression au moins au-delà d'une extrémité et, de préférence des deux extrémités de l'inducteur 8.
Une chambre sous pression de ce genre est représentée en 37 à la figure 1 et la haute pression de gaz y est produite
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par un ventilateur 38 monté sur l'arbre de rotor 11 et entoura d'un chica- nage convenable 39. Le stator 7 est pourvu d'une cloison d'entrefer 40 qui entoure la bague de frettage 36 et empêche une perte exagérée de pres- sion de la chambre 37 vers l'entrefer 9. tourne la figure 4 le montre; le dégagement 32 sous chacune. des têtes de bobine 31 est garni de chicanages axiaux 41 et circonf érentiels
42 qui subdivisent le dégagement 32 en plusieurs parties différentes.
En particulier,les cloisonnages 41 et 42 délimitent, sous les parties de têtes de bobine à conducteurs creux circonf érentielles 34 en alignement avec la partie polaire centrale sans encoches 29 de chaque polo de rotor,un déga- gement de décharge des gaz cloisonné 43 sous les têtes de bobine, un dé- gagement 43 de ce genre étant prévu pour chacun des deux pales du rotor 8
En dehors des dégagements centraux 43, le reste du dégagement 32 sous les têtes de bobine 31 sert de prise de gaz en communication avec la chambre sous pression 37 pour l'admission du gaz de refroidissement nécessaire à la réfrigération des conducteurs creux des bobines de rotor 21 à 28 .
Gomme les figures 2 et 4 le montrent,la partie de tête de bobine axiale 33 de chacune des bobines inductrices à conducteurs creux axiaux 21 à 28, sauf parfois celle de la ou des bobines intérieures 21 et 22, est pourvue de trous d'admission de gaz 44 disposés près de cette extrémité du noyau de rotor 12, pour établir une communication entre le dégagement non cloisonné ou prise de gaz 32 et les parties creuses ou canalisations des différents conducteurs creux.
Le gaz de refroidissement qui pénètre ainsi dans les conducteurs creux des bobines de rotor extérieures 23 à 28 se subdivise alors en une partie qui s'avance dans les cotés de bobine rectilignes 30 jusqu'é la ligne centrale 45 de la machine et une utre partie qui revient en arrière vers les têtes de bobine 31.
Le courant de gaz qui traverse les cotés de bobine 30 des conducteurs de rotor., se décharge vers le milieu 45 de la machine, par une première sortie ayant la forme de trous de dégagement 46 (fig.2) pratiqués dans les parois des conducteurs creux et donnant sur l'entrefer 9 au centre ou à mi-chemin des extrémités de noyau de rotor 12. Le courant de gaz circulant, en arrière, dans les têtes de bobine 31 des conducteurs de rotor se décharge par une deuxième sortie comprenant des trous de dégagement 48 (fig.1 et 4) pratiqués dans les parties circonférentielles 34 des têtes de bobine et donnant dans les dégagements cloisonnés 43 sous les têtes de bobines des deux pôles du rotor.
En plus des trous 48,cette seconde sortie comprend aussi des moyens pour faire passer le gaz contenu dans le dégagement cloisonné central 43 dans l'entrefer 9, par exemple aux moyens de rainures 49 découpées dans la partie polaire centrale sans encoches 29 du noyau de rotor 12, comme le montrent les figures 1, 3 et 40
Dans de nombreuses machines, y compris celle considérée ici, le bobines intérieures 21 et 22 de l'inducteur peuvent avoir des têtes de bobine 31 trop courtes pour permettre d'utiliser la ventilation indépendante des têtes de bobine précitée, la partie axiale 44 de ces têtes de bobine étant trop courte pour admettre le nombre de prises de gaz 44 voulu. Ces bobines intérieures 21 et 22 ont généralement un plus petit nombre de barres que les autres bobines 23 à 28 de l'enroulement de rotor.
Suivant une particularité de l'invention, on a profité de ces circonstances pour pratiquer des trous d'admission de gaz 54, comme la figure 1 le montre, dans les parties circonférentielles 34 des têtes de ces bobines intérieures 21 et 22 ou d9une de celles-ci. Il est prévu,\1 à cet effets sous ces parties circon- férentielles 34 des têtes des bobines intérieures 21 et 22, une pièce tubulaire d'admission du gaz ouverte aux extrémités représentée sous la forme d'un U 55 disposé en travers du dégagement central cloisonné 43 sous la partie circonférentielle 34 de la tête de bobine de chacune des bobines intérieures 21 et 22 (voir fig. 4). Les deux extrémités de ce tube d'admission du gaz 55 sont en communication avec la prise de gaz non cloisonnée 32.
Le tube d'admission de gaz 55 est pourvu d'un ou de plusieurs trous 56 dans le cas présent le dessus de la pièce U 55,qui communiquent avec les trous d'entrée de gaz 54 pratiqués dans la ou les bobines concentriques
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intérieures 21 et 22
Le fonctionnement du dispositif de l'invention ressort clairement de la description précédente. La figure 5 représente en détail le chemin parcouru par le gaz de refroidissement des têtes de bobine, tandis que la figure 2 montre le chemin parcouru par le courant de gaz qui refroidit tous les cotés de bobine,sauf ceux des deux bobines intérieures 21 et 22.
Le refroidissement de ces dernières est clairement montré aux figures 1, 3 et 4, le gaz passant par les tubes ou pièces en U 55 et les trous d'entrée de gaz 54 pratiqués dans les parties extrêmes 34 des têtes de bobine 31 des deux bobines intérieures 21 et 22, pour se décharger dans l'entrefer 9 au centre ou près du centre 45 de la machine de la même façon que dans le cas du coté de bobine extérieur de la figure 2.
La description précédente montre que l'invention procure un moyen efficace de réduire la longueur des canalisations constituées par les conducteurs creux traversés par le gaz de refroidissement du rotor, et par conséquent, d'augmenter la capacité des rotors des turbo-générateurs Ce résultat est obtenu sans affaiblir ou entamer la résistance mécanique de la bague de frettage 36 qui doit résister aux forces centrifuges élevées des rotors de ces grosses machines à grande vitesse de rotation
Les trous d'admission et de décharge des gaz 44, 46 et 48 pratiqués dans les parois horizontales des conducteurs creux de l'enroulement de rotor,aux figures let 5, peuvent, en variante., être pratiqués dans les parois verticales de ces conducteurs creux, comme représenté en 57 aux figures 6 et 7.
Dans ce cas, les cales d'extrémité 35 doivent être rainurées de manière à constituer des canalisations 58 qui mènent aux trous d'aération latéraux 57 des conducteurs creux.
REVENDICATIONS
1.- Machine dynamo-électrique à rotor à noyau, cylindrique plein portant une bobine concentrique répartie constituant¯l'enroulement inducteur et composée de conducteurs creux dans lesquels circule un gaz de refroidissement, caractérisée en ce que les conducteurs creux sont pourvus de trous d'admission du gaz pratiqués dans les têtes de bobine en des points proches des extrémités du noyau de rotor et communiquant avec un espace de prise de gaz prévu sous une bague de frettage qui maintient les têtes de- bobines, ces conducteurs creux étant aussi pourvus de deux groupes de trous de décharge des gaz, un groupe localisé dans la partie des conducteurs noyée dans les encoches en un point intermédiaire du noyau de rotor et dcnnant sur l'entrefer séparant le rotor du stator,
et l'autre groupe localisé dans les parties circonférentielles des têtes de bobine et aussi en communication avec le dit entrefer, grâce à quoi une partie du gaz de refroidissement s'écoule, dans une direction, des trous d'admission du gaz vers les parties des conducteurs creux noyées dans les encoches,et une autre partie du gaz de refroidissement s'écoule, dans une autre direction, des trous d'admission du gaz vers les têtes de bobine à conducteurs creux.
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SEPARATE VENTILATION FOR ROTOR COIL HEADS.
The invention relates to turbo-generators or other dynamo-electric machines of the rotor type constituted by a solid cylindrical core carrying a distributed concentric winding with hollow conductors constituting the inductor winding. Most turbo-generators are bipolar synchronous machines, although the invention also applies to machines with four or more poles.
The capacity of such a rotor winding depends on the length of the coil and the mass of gas flowing through the cooling lines. As the length increases, the total amount of heat removed from the conductor by the cooling gas increases, the outgoing gases becoming hotter and the greater friction of the gas tending to slow the flow. Consequently, the losses RI2 per unit of coil length must be reduced, as the length increases, so as not to exceed a given maximum temperature for the conductor.
For example, a hollow conductor rotor coil with a pipe length of 120 inches (305 cm) has only about 80% of the capacity or power of a coil with a pipe length of 80 inches (203 cm). , the rest being equal.
In such a machine having, for example, a rotor with a diameter of 37 inches (94 cm) and a core half-length of 80 inches (203 cm) the last spool head, or end of the side of outer coil, of each pole adds approximately 45 inches (114 cm) of length to the length of the coil sides resulting in a total length of 125 inches (317 cm) In the case of shorter machines, the length ratio of coil head and the length of the half-core will be greater In the case of longer machines the greater length of the pipes inside the hollow rotor conductors requires even more a reduction in the total pipe length because, when the length of the pipes increases,
the capacity of the rotor has to be reduced more and more. If we could therefore separately cool the heads' and.
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With the coil sides of hollow conductor rotor windings, a significant gain could be made in rotor power.
The invention relates to means for providing separate cooling of the coil heads of the rotor windings of turbogenerators.
The appended drawing represents, somewhat schematically, a simplified machine in accordance with the invention and given by way of example of the general principles thereof, without any pretension to the illustration of a complete machine to exact scale. In the drawings,
Figure 1 is a partial longitudinal section of an embodiment of the invention, passing through a point near the middle of a rotor blade, along line 1-1 of Figures 3 and 4-
Figure 2 is a similar view of a different part of a similar machine with the plane of the section passing through the outer coil sides of the rotor blades, taken along line II-II of Figure 3.
Figure 3 is a cross section along the line III-III of Figures 1 and 2
Figure 4 is a developed cylindrical section seen from below along the line IV-IV of Figures 1, 2 and 3.
Figure 5 is a developed section of a portion of the outer rotor coil, taken along the curved line V-V in Figure 4, showing the path of the cooling gas flowing back through the coil head
Figure 6 is a developed cylindrical sectional view from below similar to that of Figure 4 and showing a variant using hollow conductors with side ventilation, and
Figure 7 is a detail side view of part of one of the side-vented hollow conductors of Figure 6.
The invention. in the example given, is applied to a bipolar synchronous dynamo-electric machine comprising a fixed armature 7 and a rotating inductor 8 separated by an air gap 9. The rotating inductor, as shown in FIG. 3, comprises a shaft 11. a cylindrical rotor core 12 with notches 13 for housing the winding, and a distributed direct current inductor consisting of hollow conductors, each pole of the inductor being composed of several concentric coils 21 to 28 astride a central pole part 29 of rotor core 12 without notches
To simplify the drawing, the concentric rotor coils 21 to 28 are shown each with only four bars, except the two inner coils 21 and 22. of each pole which have only three bars;
it goes without saying that one usually uses a large number of bars per coil. The rotor coils 21 to 23 include rectilinear coil sides 30 housed in the corresponding rotor slots 13. The coils also include coil heads 31 which protrude from the ends of the rotor core 12, with clearances 32 thus being provided between the coil heads 31 and the rotor shaft 11, at the ends of the rotor 8.
Each coil head 31, at the respective ends of the inductor, consists of both axial 33 and circumferential 34 hollow conductor parts separated by end shims 35 'In accordance with current practice, each coil head 31, at the respective ends of the rotor 8, is held in place by a shrink ring 36 integral with the end of the rotor core 12 and surrounding the coil heads 31 of the corresponding rotor end
A gas circulation device must be provided to establish a pressure chamber at least beyond one end and, preferably both ends of the inductor 8.
Such a pressure chamber is shown at 37 in Figure 1 and the high gas pressure is produced there.
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by a fan 38 mounted on the rotor shaft 11 and surrounded by a suitable chine 39. The stator 7 is provided with an air gap 40 which surrounds the shrink ring 36 and prevents an exaggerated loss of pressure. - Zion of the chamber 37 towards the air gap 9. Turns Figure 4 shows; clearance 32 under each. coil heads 31 is lined with axial 41 and circumferential baffles
42 which subdivide the clearance 32 into several different parts.
In particular, the partitions 41 and 42 define, under the parts of the coil heads with circumferential hollow conductors 34 in alignment with the central pole part without notches 29 of each rotor polo, a partitioned gas discharge clearance 43 under the coil heads, a clearance 43 of this kind being provided for each of the two blades of the rotor 8
Apart from the central clearances 43, the remainder of the clearance 32 under the coil heads 31 serves as a gas outlet in communication with the pressure chamber 37 for the admission of the cooling gas necessary for the refrigeration of the hollow conductors of the rotor coils 21 to 28.
As Figures 2 and 4 show, the axial coil head portion 33 of each of the axial hollow conductor field coils 21 to 28, except sometimes that of the inner coil or coils 21 and 22, is provided with intake holes gas 44 disposed near this end of the rotor core 12, to establish communication between the non-partitioned clearance or gas outlet 32 and the hollow parts or pipes of the various hollow conductors.
The cooling gas which thus enters the hollow conductors of the outer rotor coils 23 to 28 is then subdivided into a part which advances in the rectilinear coil sides 30 to the central line 45 of the machine and another part which goes back towards the coil heads 31.
The gas stream which passes through the coil sides 30 of the rotor conductors., Discharges towards the middle 45 of the machine, through a first outlet in the form of clearance holes 46 (fig. 2) made in the walls of the conductors. hollow and giving onto the air gap 9 at the center or halfway between the ends of the rotor core 12. The gas current flowing, behind, in the coil heads 31 of the rotor conductors is discharged via a second outlet comprising clearance holes 48 (fig. 1 and 4) made in the circumferential parts 34 of the coil heads and giving into the partitioned clearances 43 under the coil heads of the two poles of the rotor.
In addition to the holes 48, this second outlet also comprises means for passing the gas contained in the central partitioned clearance 43 into the air gap 9, for example by means of grooves 49 cut in the central polar part without notches 29 of the core of the gasket. rotor 12, as shown in figures 1, 3 and 40
In many machines, including the one considered here, the inner coils 21 and 22 of the inductor may have coil heads 31 that are too short to allow the use of the independent ventilation of the aforementioned coil heads, the axial part 44 of these. coil heads being too short to admit the number of gas outlets 44 desired. These inner coils 21 and 22 generally have a smaller number of bars than the other coils 23 to 28 of the rotor winding.
According to a feature of the invention, we took advantage of these circumstances to make gas inlet holes 54, as shown in Figure 1, in the circumferential parts 34 of the heads of these inner coils 21 and 22 or one of those -this. There is provided for this purpose under these circumferential portions 34 of the heads of the inner coils 21 and 22, a tubular gas inlet part open at the ends shown in the form of a U 55 disposed across the clearance. central partitioned 43 under the circumferential part 34 of the coil head of each of the inner coils 21 and 22 (see fig. 4). The two ends of this gas inlet tube 55 are in communication with the non-partitioned gas outlet 32.
The gas inlet tube 55 is provided with one or more holes 56 in this case the top of the U part 55, which communicate with the gas inlet holes 54 made in the concentric coil or coils
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interior 21 and 22
The operation of the device of the invention emerges clearly from the preceding description. Figure 5 shows in detail the path traveled by the cooling gas of the coil heads, while Figure 2 shows the path traveled by the gas stream which cools all sides of the coil, except those of the two inner coils 21 and 22 .
The cooling of the latter is clearly shown in Figures 1, 3 and 4, the gas passing through the tubes or U-pieces 55 and the gas inlet holes 54 made in the end parts 34 of the coil heads 31 of the two coils 21 and 22, to discharge into the air gap 9 at the center or near the center 45 of the machine in the same way as in the case of the outer coil side of figure 2.
The preceding description shows that the invention provides an effective means of reducing the length of the pipes formed by the hollow conductors through which the cooling gas of the rotor passes, and consequently of increasing the capacity of the rotors of the turbo-generators. This result is obtained without weakening or reducing the mechanical strength of the shrink ring 36 which must withstand the high centrifugal forces of the rotors of these large machines at high speed of rotation
The gas inlet and discharge holes 44, 46 and 48 made in the horizontal walls of the hollow conductors of the rotor winding, in figures let 5, may alternatively be made in the vertical walls of these conductors. hollow, as shown at 57 in Figures 6 and 7.
In this case, the end wedges 35 must be grooved so as to form ducts 58 which lead to the side ventilation holes 57 of the hollow conductors.
CLAIMS
1.- Dynamo-electric machine with core rotor, solid cylindrical carrying a distributed concentric coil constituting the inductor winding and composed of hollow conductors in which a cooling gas circulates, characterized in that the hollow conductors are provided with holes d '' gas admission made in the coil heads at points close to the ends of the rotor core and communicating with a gas intake space provided under a shrink ring which holds the coil heads, these hollow conductors also being provided with two groups of gas discharge holes, one group located in the part of the conductors embedded in the notches at an intermediate point of the rotor core and forming on the air gap separating the rotor from the stator,
and the other group located in the circumferential parts of the coil heads and also in communication with said air gap, whereby part of the cooling gas flows, in one direction, from the gas inlet holes to the parts hollow conductors embedded in the notches, and a further portion of the cooling gas flows in a different direction from the gas inlet holes to the hollow conductor coil heads.