HL-2M装置支撑结构工程设计

HL-2M装置的支撑结构系统,该系统由装置基础及重力支撑结构、极向场线圈及真空室支撑结构和环向场线圈防倾覆支撑结构等三部分组成。本文介绍了HL-2M装置支撑结构工程设计情况。

HL-2M装置极向场线圈支撑结构分析

利用ANSYS有限元软件,分别采用静态及动态分析方法对HL-2M装置极向场线圈支撑结构进行了分析,获得了典型工况载荷作用下的应力分布、位移及变形。结果表明,支撑结构能够满足装置的设计要求。为进一步优化支撑结构提供了参考数据。

HL-2M装置第一壁传热结构设计及传热性能测试

在HL-2M第一壁传热结构设计中,利用导热管的轴向快速导热特性及较短的传热路径,将面对等离子体的第一壁表面热量快速传至真空室内壁上。第一壁背板和真空室内壁上分别焊接导热铜块作为冷热连接端,导热管嵌入其内,导热管与铜块之间增垫导热金属箔并用压板固定压紧,以增强接触界面传热。根据此传热结构设计,设计加工了相应的传热性能测试试验件。通过对试验件进行传热性能测试及实验条件外推可知,试验件冷热端面间的最大传热功率为4kW,端面间最大对流换热系数为6k W·m-2。

HL-2M装置主机集成安装工程质量管理

基于HL-2M装置主机集成安装实践,以风险控制、过程管理为质量管理工作总体思路,对工程策划、实施、验收环节进行全面质量管理。通过实施质量管理活动,确保了HL-2M装置主机集成安装工程达到质量目标,并于2020年12月4日首次放电成功。通过本项目的实施积累了大科学工程的质量管理经验。

影响HL-2M偏滤器靶板冷却性能的结构参数研究

在石墨瓦和热沉板可达到的最高温度的优化目标下,基于热传导和对流换热方程,利用CFX软件采用单一参数分析的方法对HL-2M偏滤器石墨瓦厚度、热沉板内管道中心位置、管道直径、石墨瓦与热沉板接触热阻等关键结构设计变量进行了数值仿真及分析。研究结果表明:石墨瓦厚度为25mm时,HL-2M偏滤器冷却性能最佳;热沉板内管道中心离靶板表面越远,其热交换性能越差,且近似呈线性关系;热沉板内管道直径增大,对偏滤器冷却性能略有提高;石墨瓦与热沉板之间传热系数越大,偏滤器冷却性能有所改善,但对热沉板的热冲击越大。

HL-2M装置极向场线圈的结构设计与制造

介绍了HL-2M装置极向场(PF)线圈的结构设计和制造。16饼PF线圈布置在环向场(TF)线圈空腔之内、真空室外,沿中平面对称分布。PF线圈采用中空矩形铜导体绕制,其中PF1~PF4线圈为双层螺旋绕制结构,最大运行电流14.5kA;PF5~PF8线圈为多层盘式绕制结构,最大运行电流38~42kA。

HL-2M支撑系统制造工艺研究

在HL-2M装置支撑组件的研制中,采用了特制控氮不锈钢、结合GMS310焊丝和Ar(96%)+N2(4%)保护气体的焊接工艺以及低速和大进给量的机加方式把磁导率控制在≤1.03的设计范围内。为保障HL-2M装置装配时线圈系统的精确定位和安装,在研制阶段对极向场线圈支撑子系统进行了预装。

HL-2M装置中心螺旋管线圈结构和制造工艺概述

HL-2M装置中心螺旋管(CS)线圈采用了AB两组交替缠绕、内外层轴向反向绕制的结构,AB两组引线对称引出。在中心螺旋管线圈制造过程中,开展了中空铜导线焊接工艺、绝缘包扎工艺、绕制工艺、内外层跳线连接工艺、加热固化工艺等试验。研制的线圈满足对地主绝缘耐压60kV、A/B组匝间耐压1kV的设计要求。

HL-2M支撑部件焊接中的磁导率控制工艺研究

HL-2M装置的支撑结构由500多件尺寸不一形状各异的非标部件构成。其中400余件以上为焊接部件,均由SS304板材焊接而成。根据HL-2M装置的设计与运行要求,支撑结构部件所用钢材必须满足磁导率μ≤1.03,也需保证其焊接而成的部件在焊接后的磁导率也不能大于1.03。通过多组焊接试验的对比,采用高镍焊丝GMS-310+Ar+N_(2)混合气体,能很好地将焊后的磁导率控制在规定范围之内,并成功地应用在支撑部件的焊接中。

HL-2M上偏滤器结构初步设计及关键制造工艺预研

在充分考虑HL-2M装置的物理目标后,将位于真空室内顶部的上偏滤器设计成"W"形的模块化结构。单个模块由SS-316L背板、石墨块、石墨箔及各类紧固件等组成,模块两端仅通过纬环和焊接螺柱与真空室壳体固定。这种结构为诊断部件提供了尽可能多的空间。利用有限元分析方法,对上偏滤器模块进行了电磁力、结构和热应力等分析。通过优化支撑结构、螺柱数量等,使得偏滤器结构能够满足各类工况条件。最后完成了关键制造工艺的预研,包括焊接工艺、深孔钻工艺、装配、非标紧固件研制等。检测数据表明,预制件最终安装面(石墨块轮廓)与标准模板之间的间隙<1mm,各相邻石墨之间的间隙≤0.5mm,错边≤0.5±0.2mm,且整个模块的漏率<2.5×10^-10Pa·m^3·s^-1。这些结果为HL-2M上偏滤器的正式加工提供了支撑。

HL-2M真空室支撑耳轴锻件的研制

介绍了HL-2M真空室支撑耳轴的整体异型锻件的制造工艺流程,从锻件本体上切取试样进行了材料检测。检测结果表明,所试制的耳轴锻件表面和芯部位置的屈服强度分别为1100MPa和1057MPa,两位置的材料晶粒度等级都达到4级,各项力学性能指标均满足设计要求。

HL-2M偏滤器结构动力学分析

用有限元软件分析了动载荷作用下的偏滤器结构动力学响应。通过对动力学和静力学计算结果的对比,确定载荷的动态放大因子。计算结果表明,所设计的偏滤器结构在瞬态电磁力载荷作用下能满足设计准则的要求。

HL-2M偏滤器超汽化结构冷却性能研究

利用ANSYSCFX分析软件对HL-2M偏滤器超汽化结构模块方案进行了热工水力分析。研究结果表明:在流道高度为6mm时,翅片高度为3mm、厚度为4mm的超汽化结构排热能力最佳。当超汽化结构偏滤器表面热流密度为10MW·m^(-2)时,靶板表面最大温度小于700℃,热沉最大温度小于300℃,满足排热能力需求和材料许用范围。

HL-2M环向场线圈预紧系统设计

针对HL-2M装置可拆卸的环向场(TF)线圈结构,在“D”形TF线圈外侧上、下两端分别采用水平的预紧机构对TF线圈实施预紧,使TF线圈在大电流承受较大电磁力的情况下,与TF线圈连接螺栓的预应力一起保证连接面不发生分离。由于同步性和一致性的要求,该系统采用液压同步顶升机构,并且采用压力传感器实时检测该预应力值,保证TF线圈在整个放电实验阶段的安全,为HL-2M装置整体的安全提供保障。

HL-2M装置真空室设计

HL-2M真空室结构为“D”形截面的双层-薄壁-全焊接式-环状结构,内环直径2m,外环径5.22m,高3.02m,由20个扇形段组成而成。真空室上开设有121个窗口以满足真空抽气、实验诊断、辅助加热及工程安装等方面的要求;支撑采用滑动杆式结构;材料选用Inconel625、Inconel718与316L组合。运用有限元法对真空室进行了结构强度评估,真空室满足设计要求。

HL-2M装置300MVA脉冲发电机组的设计

为了满足HL-2M装置的供电需求,建造了一套额定功率300MVA、额定释能1350MJ的脉冲发电机组。通过对机组卧式和立式两种方案的前期设计和对比分析,确定机组采取轴系稳定性更高的立式无单独飞轮方案。机组由六相凸极同步发电机和同轴的8500kW异步电动机组成,为国内首台采取立式结构的大功率脉冲发电机组。其技术设计主要包括机组结构设计和发电机电磁设计等内容,并通过机组等效模型对其启动和放电动态过程进行了模拟仿真研究。研究结果显示,设计的机组在15min内能启机到额定转速498rpm,发电机电磁参数能满足HL-2M装置的特殊负载放电要求。机组的前期设计和技术设计为机组成功研制打下了良好基础,建立的仿真模型可以作为后期机组运行控制策略研究的辅助工具。

HL-2M装置常规偏滤器与雪花减偏滤器热工水力分析对比

采用SOLPS程序模拟预测HL-2M装置常规和雪花减偏滤器靶板上的热通量。当流入边缘等离子体区域的热功率约为10MW时,利用CFX/ANSYS软件分析这两类偏滤器各结构、冷却水温度分布及形变和热应力分布情况。结果表明:等离子体总功率相同,雪花减偏滤器靶板上的最高温度比常规偏滤器低169℃;雪花减偏滤器结构所承受的最大热应力和形变比常规偏滤器低约3/7。不改变热负载剖面分布,按一定比例提升热流密度或延长放电时间,雪花减偏滤器体现出比常规偏滤器靶板温升低、冷却水温均衡等优点。因此,雪花减偏滤器能处理更多流进偏滤器区域的热能,有效地降低偏滤器工程设计要求。

HL-2M装置环向场线圈馈线杂散磁场的优化

通过采用控制变量法,调整引线外弧段半径、回线内外弧段半径及回线与TFC间隙等参数,使HL-2M装置的TFC馈线系统在等离子体区域产生的最大杂散磁场降为3.69×10?4T,同时初步评估了馈线在一次放电后的绝热温升,为馈线是否需要冷却提供依据。最后在优化馈线位形参数后,对馈线的支撑和连接形式进行了初步的定性分析和讨论。

HL-2M装置磁测量传感器的定位安装

通过数值计算评估了HL-2M装置磁测量传感器安装精度的要求,其中磁通环坐标(R,Z)的安装偏差要求达到±2.0mm以内,磁探针的(R,Z)偏差要求在±1.0mm以内、角度偏差在±0.1°以内。定位安装采用高精度激光跟踪仪和关节测量臂结合,设备定位精度在±0.3mm。根据不同种类的磁测量传感器的定位安装特点,优化设计了包括磁通环、磁探针阵列、逆磁同心圆等的定位结构,将HL-2M磁测量传感器的安装精度控制到在±0.5mm水平。