【摘要】：EAST(Experimental Advanced Super-Conducting Tokamak)核聚變實驗裝置是一個具有能很好的改善等離子體約束狀況、大拉長比、非圓截面的等離子體位形的全超導(dǎo)托卡馬克實驗裝置,由中國科學(xué)院合肥物質(zhì)研究院等離子體物理研究所自主設(shè)計建造。EAST低溫系統(tǒng)從1999年開始設(shè)計,于2005年調(diào)試成功,EAST全超導(dǎo)托卡馬克裝置于2006年2月開始首次降溫實驗,總共用時16天將超導(dǎo)磁體等部件全部從常溫降到4.5 K以下液氦溫度,并同時進(jìn)行了線圈的通電實驗,圓滿完成了EAST裝置的首次工程調(diào)試。EAST氦低溫系統(tǒng)是目前國內(nèi)制冷量最大、運(yùn)行時間最長的氦低溫制冷系統(tǒng)。氦制冷機(jī)作為EAST裝置重要子系統(tǒng)之一,為托卡馬克及其子系統(tǒng)提供所需冷量,其中氦透平膨脹機(jī)是氦制冷機(jī)或氦液化器的核心部件。本文以高轉(zhuǎn)速、小功率氦透平膨脹機(jī)為研究對象,基于中國科學(xué)院等離子體物理研究所氦低溫系統(tǒng)及氦透平膨脹機(jī)研究平臺,探究氦透平膨脹機(jī)新型電渦流制動技術(shù)的相關(guān)問題,具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。氦透平膨脹機(jī)的常用制動方式有:風(fēng)機(jī)制動、油制動、電渦流制動等形式。相比其它制動方式,電渦流制動具有響應(yīng)速度快、制動及時、結(jié)構(gòu)簡單、制動平穩(wěn)、有利改善轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、易實現(xiàn)全自動控制等諸多優(yōu)勢,是目前氦透平膨脹機(jī)最有效制動方式之一。本文首先從熱力學(xué)性能和機(jī)械性能角度研究了氦透平膨脹機(jī)特性,分析了電渦流制動技術(shù)在氦透平膨脹機(jī)上應(yīng)用的優(yōu)勢,并提出了電渦流制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計中關(guān)鍵問題。然后針對兩種電渦流制動結(jié)構(gòu)分別建立數(shù)學(xué)模型,利用COMSOL Multiphysics數(shù)值計算研究了其制動物理機(jī)制,通過對轉(zhuǎn)子熱力學(xué)分析確定了第二種制動結(jié)構(gòu)的實際可行性。之后利用控制變量法單獨(dú)分析了各個參數(shù)對制動功率影響程度,為達(dá)到所需制動功率,通過參數(shù)優(yōu)化得到了最佳參數(shù)組合。最后確定了電渦流制動器內(nèi)部冷卻通道,完成了整個電渦流制動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TL631.24
【圖文】：

EAST系統(tǒng)

在較高轉(zhuǎn)速下（ 12mm 主軸透平>15 萬轉(zhuǎn)/分鐘），此時，高工作轉(zhuǎn)速下的透平穩(wěn)定性和可靠性就成了整個系統(tǒng)實現(xiàn)長期高效甚至是正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。國家大科學(xué)工程項目 EAST 超導(dǎo)托卡馬克超導(dǎo)磁體系統(tǒng)約 200 噸重量需要冷卻到液氦溫度，所對應(yīng)的低溫系統(tǒng)在液氦溫度的制冷量應(yīng)為 2 kW/4.5 K。氦制冷機(jī)采用液氮預(yù)冷、透平膨脹機(jī)膨脹的 Claude 氦制冷循環(huán)，設(shè)計容量為：1050 W/3.5 K + 200 W/4.5 K +13 g/s LHe ＋ 12~30 kW/80 K， 這是目前國內(nèi)自主研制的最大的氦低溫系統(tǒng)[8]，如圖 1.2 所示。超導(dǎo)磁體采用超臨界氦(SHe)迫流冷卻，EAST 裝置共有 13 對電流引線，實現(xiàn)從常溫到液氦溫度的電連接。電流引線冷端與超導(dǎo)磁體之間通過 12～15 米長的超導(dǎo)傳輸線(Busline)來實現(xiàn)電連接。Busline 也采用 CICC 導(dǎo)體，并用 3.8 K 超臨界氦迫流冷卻。另外在 EAST 氦制冷機(jī)中共有四臺氦透平膨脹機(jī)，其中三臺(氦透平膨脹機(jī) TB、TC、TD)用于獲取 4.5 K 的冷量來冷卻約 200 噸的超導(dǎo)磁體、Busline、低溫泵、中性注入等部件，另一臺(氦透平膨脹機(jī) TA)用于獲取 13 kW/60 K 的冷量來冷卻約 25 噸的熱輻射屏[8]。它們都在極高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)作，每分鐘可以達(dá)到十幾萬轉(zhuǎn)。

析氣田二十世紀(jì)九十年代也曾采用異步交流發(fā)電機(jī)制動的天然氣的深冷分離。由于透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于異步交流要一套精度高的減速裝置，成本較高。但此制動方式能保，始終運(yùn)行在最佳工作點(diǎn)附近，工質(zhì)溫降也大，絕熱膨脹效的頻率決定了透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速，可以有效防止 飛車 現(xiàn)象與減速器連接處的軸易出現(xiàn)故障，維修困難，難度系數(shù)較體物理研究所于 2006 年建成以來，氦透平膨脹機(jī)經(jīng)歷了多俄羅斯的氦透平膨脹機(jī)，采用 油制動 形式，其運(yùn)行性出現(xiàn)多次事故，嚴(yán)重影響了 EAST 實驗裝置的運(yùn)行。后期了對俄制 油制動 氦透平膨脹機(jī)的國產(chǎn)化，徹底解決了問題。后期又實現(xiàn)了部分透平膨脹機(jī)由 油制動 向 風(fēng)得成功。在 2015 年又對 EAST 低溫系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，把 氦透平膨脹機(jī)全部更換為 全動壓氣體軸承電渦流制動行穩(wěn)定、高效，有效的提高了 EAST 低溫系統(tǒng)的性能。然脹機(jī)電渦流制動的研究甚少，或是空白。

【相似文獻(xiàn)】

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1 李林紅;;PLPHe-9.3/9-0.3型氦透平膨脹機(jī)的新工藝開發(fā)與設(shè)計[J];深冷技術(shù);2012年01期

2 付豹;李姍姍;張啟勇;周芷偉;;周期性大擾動對超導(dǎo)核聚變低溫系統(tǒng)氦透平膨脹機(jī)的影響分析[J];低溫工程;2019年01期

3 孫良瑞;熊聯(lián)友;劉立強(qiáng);;低溫氦氣體軸承透平膨脹機(jī)實驗系統(tǒng)設(shè)計[J];低溫工程;2012年02期

4 王學(xué)敏;張啟勇;莊明;白紅宇;付豹;邱立龍;;低溫氦透平膨脹機(jī)靜壓氣體徑向軸承的改進(jìn)設(shè)計[J];機(jī)械工程學(xué)報;2010年15期

5 花嚴(yán)紅;羅濤;汪永根;陳文全;;氦透平膨脹機(jī)在空間技術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J];通用機(jī)械;2008年08期

6 李林紅;;PLPHe-9.3/9-0.3型氦透平膨脹機(jī)的新工藝開發(fā)與設(shè)計[J];杭氧科技;2007年03期

7 劉立強(qiáng)，熊聯(lián)友，侯予，吳剛，林明峰，陳純正;氦透平膨脹機(jī)相似�；囼灧椒ǖ难芯縖J];低溫與超導(dǎo);1996年04期

8 胡劍;周芷偉;莊明;付豹;楊麗娟;;氦透平膨脹機(jī)特性分析及轉(zhuǎn)速控制方法[J];低溫工程;2014年05期

9 侯予,陳純正,熊聯(lián)友,劉立強(qiáng),王瑾;低溫氦氣體軸承透平膨脹機(jī)的設(shè)計[J];低溫工程;2003年03期

10 朱平;王學(xué)敏;張啟勇;莊明;付豹;;基于逆布雷頓循環(huán)低溫氦透平膨脹機(jī)測試平臺研制[J];低溫與超導(dǎo);2010年09期

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1 熊聯(lián)友;陳純正;劉立強(qiáng);侯予;王瑾;林明峰;;新型氦氣體軸承透平膨脹機(jī)的研制[A];第五屆全國低溫工程大會論文集[C];2001年

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1 謝勝強(qiáng);氦透平膨脹機(jī)的特性分析與電渦流制動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計[D];合肥工業(yè)大學(xué);2018年

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