FR2491262A1 - Circuit de refroidissement a demarrage rapide pour bouclier antithermique de generateur a supraconduction - Google Patents

Abstract

LE GENERATEUR A SUPRACONDUCTION SELON LA PRESENTE INVENTION PERMET UN REDEMARRAGE RAPIDE DE L'ECOULEMENT DU REFRIGERANT A TRAVERS LE BOUCLIER OU ECRAN ELECTROMAGNETIQUE ANTITHERMIQUE D'UN ROTOR A LA SUITE D'UN PHENOMENE THERMIQUE TRANSITOIRE. POUR OBTENIR CE RESULTAT, ON UTILISE UNE DIODE 40 A VORTEX QUI NEUTRALISE L'ECOULEMENT DU REFRIGERANT DANS LA DIRECTION INVERSE ET FAVORISE LE RETABLISSEMENT RAPIDE, A LA FIN D'UN PHENOMENE THERMIQUE TRANSITOIRE, D'UN ECOULEMENT NORMAL DANS UNE BOUCLE DE REFROIDISSEMENT A THERMO-SIPHONNAGE. AUCUNE PIECE MOBILE N'EST NECESSAIRE PAR CONSEQUENT ET LE ROTOR 10 EST PAR CONSEQUENT FERME HERMETIQUEMENT EN PERMANENCE.

Description

Circuit de refroidissement à démarrage rapide pour bouclier

antithermique de générateur à supraconduction.

La présente invention concerne le rotor d'un généra-

teur à supraconduction et elle a trait, plus particulièrement, à la boucle de refroidissement dont le rôle est d'assurer un écoulement d'hélium en contact avec le bouclier ou écran

antithermique électromagnétique en cuivre du rotor du généra-

teur.

De façon caractéristique, un générateur à supracon-

duction utilise un rotor qui est refroidi au maximum et qui

comprend un enroulement d'inducteur supraconducteur. Un réfri-

gérant fluide, par exemple de l'hélium liquide, est utilisé

pour refroidir au maximum l'enroulement Jusqu'à une températu-

re cryogénique. Le remplacement de l'enroulement d'inducteur classique à conducteur en cuivre dans le rotor d'un générateur synchrone par un enroulenent supraconducteur à forte capacité dont la résistance est pratiquement nulle aux températures cryogéniques procure certains avantages Importants. L'avantage le plus évident est l'élimination des pertes par effet joule (perte I2R) dans le rotor. Des réductions dans les besoins en

énergie pour la ventilation du rotor accompagnent la diminu-

tion résultante de l'énergie d'excitation. Des qualités moins évidentes mals non pas des moins avantageus6du générateur synchrone à supraconduction sont la densité accrue d'énergie

et la suppression du fer statorique dans l'enroulement d';iduit.

De plus, du fait que l'enroulement d'induit à entre-

fer peut être isolé électriquement du potentiel de la masse, l'enroulement du générateur peut être conçu pour opérer à des

3o tensions électriques égales aux tensions de la ligne de trans-

mission, ce qui supprime le besoin de transformateur élévateur de tension de générateur. Enfin, le couplage magnétique plus puissant,entre le rotor et le stator,des circuits magnétiques du générateur à supraconduction peut apporter une contribution importante aux performances de stabilité statique et dynamique

du système électrique.

Un des critères de la stabilité est que les générateurs à supraconduction destinés à une application à des centrales

électriques doivent être conçus pour rester dans l'état supra-

conducteur dans les conditions de fonctionnement les plus sévères du système de génération d'énergie, à savoir: le dérangement de la ligne de transmission haute tension triphaséeinterrompue

par un sectionneur auxiliaire après quinze cycles (250 msec).

Quand un dérangement de la ligne de transmission a lieu, les enroulements supraconducteurs du rotor se trouvent soumis à

un chauffage provoqué par les courants qui sont induits de ma-

nière à s'écouler dans le bouclier ou écran antithermique par des champs magnétiques variant dans le temps. Ce chauffage peut

facilement entraTner une transition ou passage à l'état résis-

tif si les enroulements ne sont pas protégés en conséquence.

Ces transitions ou passages à l'état résistif (variations ther-

mique brusquE) se traduit par une panne du générateur. Pour que le rotor du supraconducteur soit considéré comme fiable, 1l faut qu'il puisse supporter les dérangements de la ligne

de transmission sans que la température de esenroulement induc-

teurs devienne supérieure aux températures de supraconduction

et sans que ceux-ci prennent l'état électriquement résistant.

Des dérangements dans le système de fourniture d'éner-

gie (sur le c8té haute tension du transformateur élévateur de tension du générateur) entratnent une augmentation brusque de la charge du générateur, ce qui se traduit par une diminution

dans sa vitesse de rotation. Cette diminution est suivie rapi-

dement par une augmentation de la puissance de sortie de la tur-

bine lorsque celle-ci tente de maintenir une synchronisation avec la fréquence de la ligne de transmission. Peu de temps après (3-6 cycles) les sectionneurs de circuit s'ouvrent pour soustraire du générateur la totalité de la charge, ce qui réduit considérablement sa consommation en énergie. Ceci, associé à la tentative de la turbine pour augmenter sa puissance de sortie, se traduit par une condition instantanée de survitesse. Comme la turbine continue à tenter de maintenir une synchronisation avec la fréquence de la ligne de transmission, sa vitesse oscille

autour de cette fréquence, tout d'abord au-dessus puis en des-

sous de la vitesse requise pour la synchronisation. Ce "pompage" créé un champ magnétique qui varie dans le temps et qui pénètre

dans le rotor supraconducteur.

Sur l'extérieur du rotor se trouve un écran d'amortis-

sement, à la température ambiante, écrandans lequel des courants circulent par suite de ces champs magnétiques. Ce chauffage

dissipe de l'énergie en amortissant ainsi l'oscillation du rotor.

Cette action amène l'écran ou bouclier d'amortissement à se comprimer et à effectuer un travail pour tenter de déformer le

champ magnétique à l'intérieur de l'écran ou bouclier amortis-

seur de chaleur. Pour empêcher un chauffage ultérieur des enrou-

lements du rotor supraconducteur, un bouclier ou écran anti-

chaleur est placé radlalement à 1' extérieur des enroulements et à l'intérieur du bouclier de l'écran d'amortissement. Le rôle de ce bouclier antl-chaleur en cuivre est de rester rigide et de permettre la circulation de courantUqui s'opposentaux variations

du champ magnétique engendré par le mouvement du bouclier amor-

tisseur. Le "pompage" du générateur persiste pendant quelques secondes durant lesquelles la dissipation d'énergfe mentionnée

précédemment et la circulation résultante de courantsont lieu.

Radialement à l'intérieur du bouclier anti-chaleur et à l'extérieur des enroulements d'inducteur du rotor se trouve un tube cylindrique en acier inoxydable destiné à retenir en place l'enroulement d'inducteur. Ce cylindre en acier Inoxydable possède un très faible pouvoir de diffusion thermique et agit par conséquent comme une barrière vis-à-vis de la chaleur en retardant la progression de l'onde de chaleur résultante arrivant

du bouclier antl-chaleur ou antlthermiaue radIalement vers l'in-

térieur jusqu'aux enroulements du rotor. Toutefois, si le bou-

clier antl-chaleur ou antithermique n'a pas été refroidi avant que l'onde de chaleur atteigne l'enroulement, la température

de l'enroulement s'élève au-dessus des températures de supra-

3o conduction et une transition jusqu'à l'état électriquement résis-

tant a lieu. La présente Invention concerne directement ce pro-

blème ainsi que la nécessité de l'apparition d'un écoulement de réfrigérant adéquat Immédiatement après que le bouclier

antithermique commence à chauffer afin que le générateur supra-

-5 conducteur ne soit pas affecté par les dérangements de la ligne

de transmission.

Pendant un fonctionnement normal du rotor refroidi

au maximum, le bouclier antithermique empêche la chaleur rayon-

née extérieurement d'atteindre les enroulements. La chaleur est

évacuée du bouclier antithermique par une boucle de refroidisse-

ment qui fait passer un courant lent de réfrigérant depuis le réservoir d'hélium radiaenent vters l'extérieur à travers un passage d'un échangeur de chaleur radial puis dans une canal circulaire à partir duquel le réfrigérant s'écoule ensuite axialement à travers &es canaux axiaux multiples pour pénétrer dans un autre canal circulaire puis radialement vers l'intérieur pour revenir dans le réservoir d'hélium. L'échangeur de chaleur

radial maintient l'extrémité d'entrMe de cette boucle de refroi-

dissement à une température inférieure à celle de l'extrémité extérieure. Cette différence de température et ces densités

différentielles résultantes du réfrigérant créent Un ehermo-

siphon qui maintient l'écoulement lent du réfrigérant nécessai-

re pour évacuer la chaleur rayonnée par le bouclier antithermi-

que pendant des conditions de fonctionnement normales.

Toutefois, pendant quesui-ietnet t udérangement de la

ligne de transmission e: les champs magnétiques résul-

tants variant dans le temps et décrits ci-dessus, l'hélium se

trouvant dans cette boucle de refroidissement se dilate rapi-

dement. Cette dilatation entratnerait normalement un écoulement de l'hélium dans les eux directions s'éloignant du milieu de la boucle qui est adjacente au bouclier antithermique. Bien que cet écoulement biirectionnel persiste pendant un très bref laps de temps, il serait suffisant pour détruire l'écoulement d'hélium lent, stable jusqu'à présent, à travers la boucle de refroidissement. A la suite de la dilatation brusque de l'hélium

et de la destruction de l'écoulement stable d'hélium réfrigé-

rant, et si un temps suffisant était donné, un écoulement approprié dans la boucle de refroidissement s'établirait de

nouveau lorsque la différence de température entre les extré-

mité d'entrée et de sortie de la boucle serait rétablie. Toute-

fois, ce temps nécessaire est supérieur à celui que permet le

faible pouvoir de diffusion thermique du tube de retenue d'en-

roulement d'inducteur en acier inoxydable. Pendant le temps de rétablissement d'un écoulement de réfrigérant dans la boucle

de refroidissement, l'enroulement d'inducteur du rotor passe-

ratt de l'état supraconducteur à l'état électriquement résis-

tant. Pour empêcher cette transition ou passage dans l'état électriquement résistant, Il faut utiliser un moyen pour remettre en marche rapidement le thermosiphon dans la boucle de

refroidissement à la suite d'un phénomène thermique transitoire.

Ce thermosyphon doit être remis en marche dans les imites de

la période de temps qu'il faut pour que l'onde de chaleur tra-

verse le tube en acier inoxydable destiné à retenir en place

l'enroulement d'inducteur et atteigne l'enroulement d'Induc-

teur supraconducteur du rotor.

Selon la présente invention, un générateur supraconduc-

teur doté d'une caractéristique de rétablissement d'écoulement

de réfrigérant après un phénomène thermique transitoire, com-

prend un ensemble de rotor, un enroulement d'inducteur fixé

au rotor, un moyen de retenue d'enroulement d'inducteur dlspo-

sé cylindrlquement autour de l'enroulement d'inducteur, un moyen pour dissiper l'énergie issue d'un champ magnétique, ledit moyen de dissipation étant disposé cyllndriquement autour du moyen de retenue d'enroulement inducteur, un réfrigérant fluide, un moyen de confinement étanche de réfrigérant disposé cyllndrlquement autour du moyen de dissipation, un réservoir de réfrigérant placé au centre du rotor, un moyen pour guider des courants de réfrigérant axialement le long du rotor en contl.guité avec le moyen de dissipation, ce moyen de guidage

comprenant un passage axial, un moyen pour guider le réfrigé-

rant radlalement vers l'extérieur depuis un orifice d'entrée adjacent au réservoir de réfrigérant vers le moyen de guidage

axial, ce moyen de guidage radlalement vers l'extérieur compre-

nant un passage radial, un moyen pour guider le réfrigérant radialement vers l'intérieur depuis le moyen de guidage axial en direction d'un orifice de sortie adjacent au réservoir de

réfrigérant, ce moyen de guidage radial vers l'intérieur com-

prenant un passage radial, un moyen fluidique pour ieutl-d liser l'écoulement du réfrigérant depuis l'orifice de sortie à travers

ladite combinaison de moyens de guidage en direction de l'ori-

fice d'entrée, et un moyen pour maintenir le réfrigérant se trouvant dans le moyen de guidage d'écoulement radialement

vers l'extérieur à une température inférieure à celle du ré-

frigérant se trouvant dans le moyen de guidage d'écoulement

radialement vers l'intérieur.

L'invention comprend également un procédé pour re-

froidir un rotor supraconducteur, ce procédé consistant à for-

mer un réservoir de réfrigérant placé radialement à l'intérieur dudit élément cylindrique, à remplir partiellement ledit ré- servoir avec un réfrigérant fluide, à guider le réfrigérant radialement vers l'extérieur à travers un passage radial depuis le réservoir en direction de l'élément cylindrique, à guider le réfrigérant axialement le long du rotor à travers un passage axial adjacent à l'élément cylindrique, à guider le réfrigérant radialement vers l'intérieur à travers un passage radial depuis l'élément cylindrique Jusqu'au réservoir de réfrigérant, à

maintenir une communication fluidique entre l'extrémité radia-.

lement la plus extérieure du passage radialement extérieur et

l'extrémité d'entrée du passage axial, à maintenir une communi-

cation fluidique entre l'extrémité radialement la plus exté-

rieure du passage de guidage radial vers l'extérieur et

l'extrémité intérieure du passage axial, à maintenir une commu-

nication fluidique entre l'extrémité radialement la plus exté-

o20 rieure du passage de guidage radial vers l'intérieur et une extrémité de sortie du passage axial, à évacuer la chaleur du réfrigérant se trouvant à l'intérieur du passage de guidage radial vers l'extérieur et empocher, du point de vue fluidique, le réfrigérant de s'écouler dans une direction orientée radialement vers l'intérieur à travers le passage

de guidage radial vers l'extérieur.

De façon appropriée, on place à l'extrémité de sortie

de l'échangeur de chaleur radial une diode ou valve à vortex qui neu-

tralise considérablement l'écoulement du refrigérant vers

l'échangeur de chaleur radial depuis la partie formant bou-

clier antithermique de la boucle de refroidissement. Les avan-

tages du fonctionnement de cette diode à vortex pendant et

immédiatement à la suite de dérangement de la ligne de trans-

mission sont triples.

En premier lieu, pendant la période durant laquelle

l'hélium se trouvant dans la boucle de refroidissement adJa-

cente au bouclier antithermique se dilate rapidement, la diode à vortex limite considérablement la quantité d'hélium qui peut s'écouler radialement vers l'intérieur à travers l'échangeur de chaleur radial. Ceci a pour effet bénéfique

que la quantité d'hélium s'écoulant en sens opposé de l'extré-

mité d'entrée froide en direction de l'extrémité de sortie chaude de la boucle de refroidissement est plus importante que celle qui s'écoulerait si l'hélium pouvait sortir de la partie centrale (adjacente à l'écran antithermique) de la boucle de refroidissement dans les deux directions. Ceci créé un meilleur effet de refroidissement pendant la brève période de dilatation

rapide de l'hélium.

En second lieu, du fait que pendant la période de dilatation rapide l'écoulement de l'hélium en direction et à

travers l'échangeur de chaleur radial est neutralisé, l'écou-

lement prédominant de cet hélium, et par conséquent la force

vive de la masse d'héllum,est dirigé vers l'extrémité de sor-

tle et dans un sens opposé à l'échangeur de chaleur radial.

L'intérêt de ceci est que, immédiatement après la fin de la

dilatation rapide de l'hélium, cette force vive tend à prolon-

ger l'écoulement de l'hélium vers l'extrémité de sortie de la

boucle de refroidissement et sert à contribuer au rétablisse-

ment dans la boucle de refroidissement de l'écoulement dans

la direction appropriée à la suite d'un dérangement.

En troisième lieu, au cours de la période faisant suite au dérangement de la ligne de transmission, lorsque l'hélium dans la boucle de refroidissement n'a pas encore rétabli complètement un écoulement normal du réfrigérant, la diode à vortex empêche l'hélium de s'écouler en direction de l'échangeur de chaleur radial et de l'ouverture d'entrée tout en permettant un écoulement libre de l'hélium vers l'ouverture de sortie. Ceci favorise un rétablissement du thermosiphon en réduisant le temps nécessaire pour rétablir un écoulement

normal dans la boucle de refroidissement.

Comme on va le décrire ci-après, dans le mode de réalisation préféré, la diode à vortex est formée par usinage dans l'extrémité de sortie (radialement la plus extérieure) de l'échangeur de chaleur radial. Radlalement vers l'intérieur,

depuis la diode à vortex, dans le segment de boucle de re-

froidIssement qui se trouve à l'intérieur de l'échangeur de

chaleur radial, des ailettes anti-tourbillon empochent l'hé-

lium de s'écouler à travers ce passage avec un mouvement en hélice. Du fait qu'un écoulement d'hélium quelque peu

réduit passe radialement vers l'intérieur à travers l'échan-

geur de chaleur radial pendant la période de dilatation ra- pide de l'hélium décrite ci-dessus, il faut utiliser un moyen pour réduire à un minimum l'effet nuisible de cet

écoulement dans la direction inverse. Les ailettes anti-

tourbillon ou éléments de redressement d'écoulement, remplis-

O10 sent cette fonction en empêchant l'hélium de s'écouler vers

le bas en tourbillonnant dans le passage à travers l'échan-

geur de chaleur radial. Un tourbillonnement permettrait à l'hélium d'atteindre une vitesse angulaire élevée au fur et à mesure qu'il avancerait dans l'échangeur de chaleur vers le réservoir d'hélium. Si on ne contrecarrait as cette vitesse angulaire élevée, lorsqu'il atteindrait l'extrémité intérieure de l'échangeur de chaleur radial, l'hélium diffuserait vers l'extérieur et détruirait la chute de pression utile qui existe le long de l'échangeur de chaleur radial. Les ailettes diminuent ce mouvement en hélice et réduisent à un minimum

la perte décrite ci-dessus qui affecte la chute de pression.

Pour réduire à un minimum le caractère tourbillonnaire de l'écoulement d'hélium, le passage à travers l'échangeur de chaleur radial est réalisé de manière à comporter une partie de plus grand diamètre située approximativement à mi-distance entre la diode à vortex et l'ouverture d'entrée. Lorsque

l'écoulement d'hélium se dilate dans la section de plus grand dia-

mètre de ce passage, ces filets tourbillonnaires s'écartent les uns des autres puis se rapprochent au fur et à mesure que l'hélium continue à avancer à travers le segment plus étroit avant de sortir par l'ouverture d'entrée de l'échangeur de

chaleur radial. Ce comportement réduit le caractère tourbillon-

naire du fluide et contribue en outre à empêcher le déplace-

ment en hélice.

L'incorporation d'une diode à vortex dans la boucle

de refroidissement du bouclier antithermique résoud un problè-

me qui, sans cela, diminuerait la capacité du générateur su-

praconducteur à fonctionner de façon fiable. Cette combinai-

son permet l'inclusion d'un dispositif de neutralisation d'écoulement unidirectionnel à l'intérieur d'un ensemble fermé de façon étanche sans qu'il y ait à craindre qu'un assemr blage ultérieur coûteux soit nécessaire en raison d'une défaillance mécanique du dispositif. Du fait que la diode à vortex est un dispositif fluidique ne comportant aucune pièce mobile, sa durée de vie utile sans Panne dépasse celle du générateur à supraconduction lui-même tout en remplissant

son rôle d'une façon sûre.

On va maintenant décrire la présente invention à titre d'exemple en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une représentation des éléments constitutifs d'un rotor supraconducteur; la figure 2 est une représentation de la diode à vortex de la présente Invention; la figure 3 est une vue en coupe de l'échangeur de

chaleur radial selon la présente invention, cette vue illus-

trant le passage radial s'étendant depuis la diode à vortex jusqu'au réservoir de réfrigérant;

la figure 3 montre également les ailettes anti-

tourbillons ainsi que les segments de passage de plus grand diamètre selon la présente invention; la figure 4 est une vue en coupe d'un échangeur de chaleur radial de la figure 3; et la figure 5 est une vue en coupe de l'échangeur de

chaleur de la figure 3.

La figure 1 représente un ensemble 10 de rotor supraconducteur contenant un enroulement 12 d'inducteur qui 3o est disposé autour de la section 14 de support d'enroulement d'inducteur de la structure de support principal de rotor

à laquelle sont fixés tous les éléments constitutifs rotatifs.

Disposé, cylindr1quement autour de l'enroulement 12 d'induc-

teur se trouve le tube 16 de retenued'enroulement d'inducteur

qui empêche l'enroulement 12 d'inducteur de se déplacer ra-

dialement vers l'extérieur sous l'action des forces centrl-

fuges importantes enSehcrées par la vitesse de rotation élevée (3600 tours/minute) de l'ensemble complet 10 de rotor. En contiguité avec la surface extérieure du tube 16 de retenue

d'enroulement d'inducteur se trouve un bouclier électromagné-

tique antithermique 18 qui consiste en une mince (environ 1,27 mm d'épaisseur) feuille de cuivre dont le r8le est de conduire les courants électriques qui s'écoulent en opposi-

tion au champ magnétique fluctuant existant pendant ls dé-

fauts ou dérangement de la ligne de transmission. Un cy-

lindre 20 de confinement étanche de réfrigérant est disposé cylindriquement autour du bouclier antithermique 18. Le rôle de ce cylindre d'étanchéité est de conó;!ner l'écoulement

de réfrigérant quand celui-ci forme une boucle de refroidis-

sement qui évacue la chaleur du bouclier électromagnétique antithermique 18 pendant un fonctionnement normal durant lequel il protège l'enroulement 12 d'inducteur contre la

chaleur rayonnante ainsi que pendant les conditions de fonc-

tionnement anormales durant lesquelles l'écran antithermique 18 engendre de la chaleur lors de son fonctionnement au cours duquel il transporte un courant de brève durée alors que le générateur supraconducteur est soumis à un défaut ou défaillance

de la ligne de transmission.

La boucle de refroidissement de l'écra-n antither-

mique comprend un passage 22 s'étendant radialement vers l'extérieur et transportant le réfrigérant arrivant d'un réservoir 24 de réfrigérant dans lequel le réfrigérant est

disposé annulairement à l'intérieur du support 14 d'enroule-

ment d'inducteur pendant la rotation de l'ensemble 10 de rotor.

Ce passage 22 s'étend radialement à travers un échangeur de chaleur 26 radial depuis son extrémité intérieure extrême à l'orifice d'entrée 28 Jusqu'à son extrémité extérieure extrême qui est en communication fluidique avec une ràinure circulaire ménagée dans la surface extérieure du tube 16 de retenue

d'enroulement d'inducteur. Dans la mode de réalisation préfé-

ré, larainure circulaire 30 n'est pas continue mais se divise en un nombre de segmentségal au nombre d'échangeurs de chaleur radiaux 26 avec lesquels elle maintient une communication fluidique. Cette rainure 30 agit comme un collecteur pour distribuer le réfrigérant à une pluralité de rainures axiales 32 ménagées dans la surface intérieure du cylindre 20 de retenue étanche de réfrigérant. Dans une variante, les rainures axiales peuvent être situées dans le cylindre 16 de support d'enroulement mais,dans le mode de réalisation préféré, des considérations de fabrication rendent préférable le choix d'une disposition des rainures dans le cylindre 20 de retenue étanche de réfrigérant. La rainure circulaire 30 créé une

communication fluidique entre le passage 22 s'étendant radia-

lement vers l'extérieur et les rainures axiales 32. Vers - l'extrémité extérieure des rainures axiales 32, une autre rainure circuIire. 34 maintient une communication fluldique entre les rainures axiales 32 et un passage (non

représenté sur la figure 1) qui se raccorde à la rainure cir-

culaire 34 à l'endroit d'un orifice radial 36 de retour et qui s'étend radlalement vers l'intérieur vers son extrémité

extérieure adjacente au réservoir 24 de réfrigérant.

Comme décrit en détail ci-dessus, une boucle de refroidissement complète est ainsi formée, cette boucle étant

capable de diriger un écoulement de réfrigérant depuis le ré-

servolr 24 de réfrigérant radlalement vers l'extérieur à tra-

vers le passage radial 22 de l'échangeur de chaleur radial

26 Jusque dans la première rainure circulalre 30, puis à tra-

vers les rainures axiales 32 jusqu'à une autre rainure clrcu-

laire 34 à travers un orifice 36 et de renvoyer le réfrigérant

jusqu'au réservoir 24 de réfrigérant à travers un passage ra-

dial (non représenté sur la figure 1). Cette boucle de refroi-

dissement évacue de l'écran antithermlque, principalement

par le fait qu'elle dirige le réfrigérant à travers les rai-

nures axiales 32, la chaleur résultant soit de la chaleur rayonnante soit d'une génération interne par la circulation

du courant dans le bouclier ou écran antlthermique.

L'échangeur de chaleur radial 26 Joue un r8le impor-

tant dans le maintien d'un écoulement de réfrigérant à travers la boucle de refroidissement du bouclier antithermique. Au fur

et mesure que le réfrigérant se déplace radlalement vers l'ex-

térleur à travers son passage 22, il est comprimé de sorte qu'il subit un accroissement de température. L'échangeur de chaleur radial 26 transfère cette chaleur de son extrémité

radialement la plus extérieure Jusqu'à son extrémité radiale-

ment la plus intérieure à l'endroit de son orifice d'entrée

28 qui est adjacent au réservoir de réfrigérant. Ce trans-

fert de chaleur abaisse la température du réfrigérant à l'extrémité radialement la plus extérieure de l'échangeur

de chaleur radial 26 lorsque ce réfrigérant atteint la rai-

nure circulaire 30, en augmentant ainsi l'importance du gradient de température entre les rainures 30 et 34. Ce

gradient accru est plus favorable à la création d'un thermo-

siphon à l'intérieur de la boucle de refroidissement.

La diode 40 à vortex selon la présente invention O10 est représentée sur la figure 1 à l'extrémité radialement la plus extérieure de l'échangeur de chaleur radial 26. Cet emplacement particulier n'est pas obligatoire pour la mise en oeuvre appropriée de la présente invention mais a été choisi pour des raisons de facilité de fabrication. La diode 40 à vortex pourrait etre placée en tout autre endroit approprié à l'intérieur de la boucle de refroidissement du bouclier antithermique pourvu qu'elle soit en communication fluidique avec les autres segments de la boucle de refroidissement du

bouclier antithermique et raccordée en série avec ces segments.

Pendant l'état thermique transitoire entratné par un défaut ou dérangement de la ligne de transmission, un courant électrique traverse le bouclier antithermique 18. Ce courant créé un chauffage par effet Joule(R)du bouclier antithermique 18. Ce chauffage provoque une dilatation rapide duréfrigérant adjacent aubouclier antithermique 18 dans les

rainures axiales 32 entre les rainures circulaires 30 et 34.

La tendance normale du réfrigérant en cours de dilatation serait de se déplacer axialement à travers les rainures axiales 32 dans deux directions, à savoir vers les deux rainures circulaires 30 et 34,et radialement vers l'intérieur

à travers les deux passages radiaux disponibles vers le ré-

servoir 24 de réfrigérant. Si cet écuulement anormal pouvait

se produire, l'écoulement normal du réfrigérant dans la bou-

cle de refroidissement du bouclier antithermique s'en trouve-

* 3S rait sérieusement perturbé et la chaleur se dégageant du bouclier antithermique 18 se propagerait radialement vers l'intérieur à travers le tube 16 de retenue d'enroulement d'inducteur Jusqu'à l'enroulement 12 d'inducteur avant qu'un écoulement suffisant dirigé de façon appropriée dans la boucle de refroidissement ait pu se rétablir. Ce phénomène

entratnerait un réchauffement de l'enroulement 12 d'lnduc-

teur au-dessus des températuresde supraconduction et une transition se produirait dans l'état résistif et se tra-

duirait par une panne du générateur.

La présence de la diode 40 à vortex dans la boucle de refroidissement empêche cette tendance normale et ces résultats potentiellement catastrophiques. Pendant la période de dilatation rapide du réfrigérant, la diode 40 à vortex neutralise rigoureusement l'écoulement du réfrigérant dans le sens radial vers l'intérieur en direction du réservoir

de réfrigérant à travers l'échangeur de chaleur radial 26.

Cette limitation oblige le volume de réfrigérant en cours de dilatation à s'éloigner de la diode 40 à vortex et à se diriger vers les rainures circulaires 34 et l'extrémité

de la boucle de refroidssement o se trouve l'orifice de sor-

tie. Ce modèle d'écoulement est du point de vue thermodynaml-

que préférable à l'écoulement bidirectionnel décrit cl-dessus et améliore le transfert de chaleur en sens opposé au boucller antithermique pendant la brève période de dilatation rapide

du réfrigérant.

Immédiatement après l'épisode de dilatation rapide décrit ci-dessus, la masse de réfrigérant se trouvant dans la boucle de refroidissement possède un force vive nette orientée dans la direction allant de la rainure circulaire 30 vers la rainure circulaire 34. Du fait que cette direction d'écoulement

est la même que celle utilisée pendant des conditions de fonc-

tionnement normales, cette force vive a pour effet bénéfique de favoriser le rétablissement d'un thermosiphon dirigé dans

le sens approprié à la suite d'un phénomène thermique transi-

toire induit par un dérangement de la ligne de transmission.

De plus, pendant la période faisant suite immédiate-

ment à l'épisode de dilatation rapide du réfrigérant, la diode 40 à vortex continue à neutraliser l'écoulement du fluide de la rainure circulaire 30 Jusqu'à l'échangeur de chaleur radial

26. Durant cette période, pendant que l'écoulement du réfrigé-

rant dans la boucle ne s'est pas encore stabilisé, le réfrlgé-

rant est soumis à diverses forces Elie rées par la rotation de l'ensemble 10 de rotor, les gradients de chaleur et de pression, et le moment du fluide. La diode 40 à vortex, grâce à ses caractéristiques fluidiques naturelles, favorise les forces qui tendent à provoquer un écoulement du réfrigérant dans la direction appropriée et neutria lise l'écoulement dans

la direction indésirable, en enconrageant ainsi le rétablis-

sement d'un écoulement normal par thermosiphon.

Ces effets, obtenus grace à la diode à vortex, favori-

sent le rétablissement d'un écoulement approprié dans la bou-

cle de refroidissement avant que l'onde de chaleur puisse se propager du bouclier antithermique 18 à travers le tube 16 de retenue d'enroulement d'inducteur jusque dans l'enroulement 12 d'inducteur. Ce rétablissement accéléré est critique car la faible diffusion thermique et la faible épaisseur du tube 16 de retenue d'enroulement d'inducteur, bien que suffisant pour freiner la progression de l'onde de chaleur, pourrait ne pas retarder cette progression suffisamment pour que la boucle de refroidissement rétablisse dans tous les cas une direction d'écoulement appropriée par une action de thermosiphonnage seule. La figure 2 est une vue d'une diode 40 à vortex

telle qu'elle apparaltrait à un observateur regardant radiale-

ment vers l'intérieur en direction du rotor, le cylindre de confinement étanche de réfrigérant (référence 20 sur la 1) ayant été enlevé. Cette diode comprend un orifice de sortie 42et une chambre 44 à vortex. Au centre de la chambre 44 à vortex se trouve l'extrémité radialement la plus extérieure du passage 22 s'étendant radialement vers l'extérieur et décrit

cilessus. On représenté sur la figure 2 les filets NF s'écou-

lant dans le sens normal et les filets RF s'écoulant en sens inverse. Comme on peut le voir facilement, l'écoulement normal

peut avoir lieu directement de l'orifice du passage 22 s'éten-

dant radialement vers l'extérieur jusqu'à l'orifice de sortie 42 et à travers cet orifice. Cet écoulement continuerait ensuite dans la rainure circuIalre (référence 30 sur la figure 1) puis à travers la boucle de refroidissement. Toutefois, les filets RF s'écoulant en sens inverse montre que cet écoulement doit s'effectuer à la manière d'une hélice en raison de la

forme de la chambre 44 à vortex. Ce modèle d'écoulement ver-

tical, par suite du maintien du moment, subit une diminution en ce qui concerne son moment d'inertie au fur et à mesure qau'il progresse vers le centre de la chambre à vortex. Au fur et à mesure que la vitesse du fluide augmente verste centre de la chambre 44 à vortex, elle est contrecarrée par une composante de force centrifuge qui neutralise le mouvement du fluide vers l'orifice du passage 22 s'étendant radlalement vers l'extérieur. Cette force engendre l'effet de diode et encourage un écoulement dans une seule direction (la direction d'écoulement normal NF) tout en neutralisant l'écoulenent dans la direction opposée (la direction d'écoulement invers RF). Pour favoriser cette caractéristique dela diode 40 à vortex, le passage (référence 22 sur la figure 1) s'étendant radlalement vers l'extérieur a été modifié par rapport à un passage cylindrique normal à diamètre uniforme. La coupe A-A

de la figure 2 est représentée sur la figure 3. Les deux va-

riantes du passage 22 représentées sur la figure 3 sont toutes

deux destinées à réduire la nature tourbillonnaire de l'écou-

lement à travers le passage 22. Comme on l'a décrit ci-dessus, la diode 40 à vortex neutralise rigoureusement l'écoulement du fluide dans la direction inverse. Toutefois cette diode n'est

pas un dispositif fluldique parfaitement efficace et une cer-

talne quantité d'écoulement rédultetraverse le passage 22 radialement vers l'intérieur en direction du réservoir 24 de

réfrigérant. S1 cet écoulement pouvait avoir lieu verticale-

ment à travers le passage 22, le gradient de pression à partir de l'extrémité radlalement la plus extérieure de l'échangeur de chaleur radial 26 Jusqu'au réservoir de réfrigérant se

trouverait réduit,ce qui favoriserait la persistance de l'écou-

leoent inverse. Cet effet est dû au fait que lorsque le tour-

billon de fluide sort de l'orifice d'entrée 28 de l'échan-

geur de chaleur radial, il se rue: vers l'extéreur en augmentant de vitesse et en diminuant fâcheusement le gradient de pression le long du passage 22. Pour empêcher cette action de tourbillonnement nuisible, on a effectué deux modifications

2491.262

dans le passage 22.

En premier lieu, on a agrandi une partie du passage.

Ce segment 46 a un diamètre qui a peu près égal à deux fois le diamètre du reste du passage 22. Le segment agrandi 46 se trouve à mi -chemin entre les extrémités du passage 22. Les filets du tourbillon de fluide se dilate lorsque ce fluide pénètre dans le segment agrandi 46 et se contracte de nouveau lorsque le fluide revient dans la partie de diamètre

normal du passage,à son extrémité radIalement la plus inté-

rieure. Cette dilatation et cette contraction des filets tourbillonnaires tend à réduire la nature tourbillonnaire et

s'oppose à un écoulement en hélice.

En second lieu, des ailettes 47 et 48 de redressement d'écoulement sont disposées dans le passage à la fois dans la zone agrandie (48) et dans les zones étroites (47). Ces ailettes contribuent à maintenir un écoulement rectiligne, non tourbillonnaire, pour des raisons décrites ci- dessus. Ces ailettes sont en outre représentées sur les figures 4 et 5 qui sont des coupes B-B, C-C et D-D de la figure 3. On a

également représenté sur la figure 3 les directions de l'écou-

lement normal RF et de l'écoulement inverse NF telles qu'elles

apparaîtraient sur cette vue.

On voit d'après la description qui précède..

et d'après les dessins que la présente invention est une solution nouvelle au problème de l'écoulement instable de

réfrigérant faisant suite à un phénomène thermique et transi-

toire dans un rotor à supraconduction et une façon efficace pour accélérer le rétablissement de l'écoulement convenable du réfrigérant à la suite d'un dérangement de la ligne de

transmission. On comprendra également que, bien que la présen-

te invention ait été représentée et décrite à propos de cer-

tains modes de réalisation donnés à titre illustratif, la présente invention n'est pas limitée à ces derniers et d'autres variantes et modifications peuvent être envisagées et que, bien que la diode à vortex ait été illustrée et décrite comme étant placé'à l'extrémité radialement la plus

extérieure de l'échangeur de chaleur radial, d'autres emplace-

ments appropriés dans la boucle de refroidissement sont pos-

sibles.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Générateur à supraconduction doté d'une caracté-

ristique de rétablissement d'écoulement de réfrigérant à la suite d'un phénomène thermique transitoire, caractérisé par le fait qu'il comprend: un ensemble de rotor, un enrou-

lement d'inducteur fixé au rotor, un moyen de retenue d'en-

rouelement d'inducteur disposé cyllndriquement autour de l'en-

rouelement d'inducteur, un moyen pour dissiper l'énergie issue d'un champ magnétique, ledit moyen de dissipation étant

disposé cyllndriquement autour du moyen de retenue d'enroule-

ment d'inducteur, un réfrigérant fluide, un moyen de confine-

ment étanche de réfrigérant disposé cylindrlquement autour du moyen de dissipation, un réservoir de réfrigérant placé

au centre du rotor, un moyen de guidage pour diriger des cou-

rants de réfrigérant axialement le long du rotor adjacent au

moyen de dissipation, ce moyen de guidage comprenant un passa-

ge axial, un moyen de guidage pour diriger le réfrigérant ra-

dlalement vers l'extérieur depuis un orifice d'entrée adjacent au réservoir de réfrigérant vers le moyen de guidage axial comprenant un passage radial, un moyen de guidage pour dlriger le réfrigérant radialement vers l'intérieur depuis le moyen de guidage axial vers un orifice de sortie adjacent au réservoir

de réfrigérant, ce moyen de guidage radial comprenant un passa-

ge radial, un moyen fluidique pour neutraliser l'écoulement du

réfrigérant depuis l'orifice de sortie à travers ladite combi-

naison de moyens de guidage en direction de l'orifice d'entrée, et un moyen pour maintenir le réfrigérant dans le moyen de

guidage de réfrlgérant radialement vers l'extérieur à une tem-

pérature inférieure à celle du réfrigérant dans le moyen de

guidage de réfrigérant radialement vers l'intérieur.

2. Générateur suivant la revendication l, caractérisé

par le fait que le moyen neutralisant l'écoulement du réfrigé-

rant est une diode bu valve à vortex.

3. Générateur suivant les revendications 1 ou 2,

caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen pour neutrali-

ser l'écoulement tourbillonnalre du réfrigérant dans le moyen

de guidage de réfrigérant radialement vers l'extérieur.

4. Générateur suivant la revendication 3, caractérisé

par le fait que le.-dit moyen de neutralisation d'écoule-

ment tourbillonnaire comprend des ailettes de redressement d'écoulement alignées axialement à l'intérieur du passage radial du moyen de guidage de réfrigérant radialement vers l'extérieur.

5. Générateur suivant les revendications 3 ou 4,

caractérisé par le fait que ledit moyende neutralisation d'écoulement tourbillonnaire comprend un segment de plus

grand diamètre dans le passage du moyen de guidage de ré-

frigérant radialement vers l'extérieur sur le côté-d'entrée de la diode à vortex et entre deux segments de plus petit

diamètre dudit passage.

6. Générateur suivant l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 5, caractérisé par le fait que le moyen pour

maintenir le réfrigérant dans le moyen de guidage de riFriQ&-

rant radialement vers l'extérieur à une température inférieure à celle du réfrigérant dans le moyen de guidage de réfrigérant radialement vers l'intérieur comprend un échangeur de chaleur radial qui est disposé circonférentiellement autour du passage du moyen de guidage de réfrigérant radialement vers l'extérieur et dont l'extrémité intérieure est adjacente au réservoir de réfrigérant.

7. Générateur suivant la revendication 6, caractérisé

par le fait que la différence de température entre le réfri-

gérant se trouvant dans la moyen de guidage de réfrigérant radialement vers l'extérieur et le réfrigérant se trouvant

dans le moyen de guidage de réfrigérant radialement vers l'in-

térieur crée, dans les conditions de fonctionnement normales un thermosiphon qui amène le réfrigérant à s'écouler depuis le réservoir de réfrigérant à traves le moyen de guidage de réfrigérant radialement vers l'extérieur, à travers le

moyende guidage axial, à travers le moyen de guidage de réfri-

gérant radialement vers l'intérieur, puis à revenir au réser-

voir de réfrigérant en créant une boucle de refroidissement qui fait s'écouler le réfrigérant de façon adjacente au moyen

de dissipation.

8. Procédé de refroidissement d'un rotor à supra-

conduction, ledit procédé étant caractérisé par le fait qu'il

consiste: à former un réservoir de réfrigérant situé radia-

lement vers l'intérieur depuis ledit élément cylindrique, à remplir partiellement ledit réservoir avec un réfrigérant fluide, à guider le réfrigérant radialement vers l'extérieur à travers un passage radial depuis le réservoir en direction de l'élément cylindrique, à guider le réfrigérant axlalement

le long du rotor à travers un passage axial adjacent à l'élé-

ment cylindrique, à guider le réfrigérant radlalement vers

l'intérieur à travers un passage radial depuis l'élément cylin-

drlque Jusqu'au réservoir de réfrigérant, à maintenir une commu-

nication fluidique entre l'extrémité radialement la plus exté-

rieure du passage s'étendant radialement vers l'extérieur

et l'extrémité d'entrée du passage axial, à maintenir une commu-

nication fluidique entre l'extrémité radialement la plus exté-

rieure du passage s'étendant radialement vers l'intérieur et une extrémité de sortie du passage axial, à évacuer la chaleur du réfrigérant se trouvant à l'intérieur du passage s'étendant radlalement vers l'extérieur, et à empêcher, du point de vue

fluidique, le réfrigérant de s'écouler radialement vers l'inté-

rieur à travers le passage de guidage radial vers l'exté-

rieur.

9. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que l'on empêche un écoulement tourbillonnaire à

l'intérieur du passage de guidage radial vers l'extérieur.

10. Procédé suivant les revendications 8 ou 9, caracté-

risé par le fait que la neutralisation de l'écoulement du réfri-

gérant vers l'intérieur à travers le passage de guidage radial vers l'extérieur est obtenue grâce à l'utilisation d'une

diode ou valve à vortex.