氦透平膨胀机的特性分析与电涡流制动器的结构设计

发布时间：2020-08-18 13:18

【摘要】：EAST(Experimental Advanced Super-Conducting Tokamak)核聚变实验装置是一个具有能很好的改善等离子体约束状况、大拉长比、非圆截面的等离子体位形的全超导托卡马克实验装置,由中国科学院合肥物质研究院等离子体物理研究所自主设计建造。EAST低温系统从1999年开始设计,于2005年调试成功,EAST全超导托卡马克装置于2006年2月开始首次降温实验,总共用时16天将超导磁体等部件全部从常温降到4.5 K以下液氦温度,并同时进行了线圈的通电实验,圆满完成了EAST装置的首次工程调试。EAST氦低温系统是目前国内制冷量最大、运行时间最长的氦低温制冷系统。氦制冷机作为EAST装置重要子系统之一,为托卡马克及其子系统提供所需冷量,其中氦透平膨胀机是氦制冷机或氦液化器的核心部件。本文以高转速、小功率氦透平膨胀机为研究对象,基于中国科学院等离子体物理研究所氦低温系统及氦透平膨胀机研究平台,探究氦透平膨胀机新型电涡流制动技术的相关问题,具有重要的理论意义和应用价值。氦透平膨胀机的常用制动方式有:风机制动、油制动、电涡流制动等形式。相比其它制动方式,电涡流制动具有响应速度快、制动及时、结构简单、制动平稳、有利改善转子结构、易实现全自动控制等诸多优势,是目前氦透平膨胀机最有效制动方式之一。本文首先从热力学性能和机械性能角度研究了氦透平膨胀机特性,分析了电涡流制动技术在氦透平膨胀机上应用的优势,并提出了电涡流制动器结构设计中关键问题。然后针对两种电涡流制动结构分别建立数学模型,利用COMSOL Multiphysics数值计算研究了其制动物理机制,通过对转子热力学分析确定了第二种制动结构的实际可行性。之后利用控制变量法单独分析了各个参数对制动功率影响程度,为达到所需制动功率,通过参数优化得到了最佳参数组合。最后确定了电涡流制动器内部冷却通道,完成了整个电涡流制动器的结构设计。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL631.24
【图文】：

EAST系统

低温系统

在较高转速下（ 12mm 主轴透平>15 万转/分钟），此时，高工作转速下的透平稳定性和可靠性就成了整个系统实现长期高效甚至是正常运转的关键。国家大科学工程项目 EAST 超导托卡马克超导磁体系统约 200 吨重量需要冷却到液氦温度，所对应的低温系统在液氦温度的制冷量应为 2 kW/4.5 K。氦制冷机采用液氮预冷、透平膨胀机膨胀的 Claude 氦制冷循环，设计容量为：1050 W/3.5 K + 200 W/4.5 K +13 g/s LHe ＋ 12~30 kW/80 K，这是目前国内自主研制的最大的氦低温系统[8]，如图 1.2 所示。超导磁体采用超临界氦(SHe)迫流冷却，EAST 装置共有 13 对电流引线，实现从常温到液氦温度的电连接。电流引线冷端与超导磁体之间通过 12～15 米长的超导传输线(Busline)来实现电连接。Busline 也采用 CICC 导体，并用 3.8 K 超临界氦迫流冷却。另外在 EAST 氦制冷机中共有四台氦透平膨胀机，其中三台(氦透平膨胀机 TB、TC、TD)用于获取 4.5 K 的冷量来冷却约 200 吨的超导磁体、Busline、低温泵、中性注入等部件，另一台(氦透平膨胀机 TA)用于获取 13 kW/60 K 的冷量来冷却约 25 吨的热辐射屏[8]。它们都在极高的转速下运作，每分钟可以达到十几万转。

外形图,纯氮设备,透平转子,炼化

析气田二十世纪九十年代也曾采用异步交流发电机制动的天然气的深冷分离。由于透平膨胀机转速远大于异步交流要一套精度高的减速装置，成本较高。但此制动方式能保，始终运行在最佳工作点附近，工质温降也大，绝热膨胀效的频率决定了透平膨胀机转速，可以有效防止飞车现象与减速器连接处的轴易出现故障，维修困难，难度系数较体物理研究所于 2006 年建成以来，氦透平膨胀机经历了多俄罗斯的氦透平膨胀机，采用油制动形式，其运行性出现多次事故，严重影响了 EAST 实验装置的运行。后期了对俄制油制动氦透平膨胀机的国产化，彻底解决了问题。后期又实现了部分透平膨胀机由油制动向风得成功。在 2015 年又对 EAST 低温系统进行升级改造，把氦透平膨胀机全部更换为全动压气体轴承电涡流制动行稳定、高效，有效的提高了 EAST 低温系统的性能。然胀机电涡流制动的研究甚少，或是空白。

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