HL-2M环向场线圈匝间剪切应力分析.PDFVIP

第33 卷 第2 期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 Vol.33, No.2 2 0 1 3 年 6 月 Nuclear Fusion and Plasma Physics June 2013 文章编号：0254−6086(2013)02−0135−07 HL-2M 环向场线圈匝间剪切应力分析 蔡立君，邹 晖，刘 健，邱 银， 林 涛，卢 波，李广生，刘德权 (核工业西南物理研究院，成都 610041) 摘 要：介绍了HL-2M 环向场线圈的基本结构设计及其承受的电磁载荷，分析了水平预加载、中心柱预应力 筒以及环向抗扭支撑对线圈匝间剪切应力的影响。结果表明，水平预加载及预应力筒在中心柱内产生的压应力有利 于提高中心柱的抗扭刚度；环向支撑刚度增加可减小线圈的面内剪切应力。在正常运行工况下，环向场线圈的最大 匝间剪切应力小于8MPa ，其结构设计满足线圈强度要求。对于大破裂瞬态事件，匝间最大剪切应力约12MPa，接 近绝缘材料的剪切疲劳极限，建议采取破裂抑制措施避免该情况发生。 关键词：HL-2M 装置；环向场线圈；电磁载荷；剪切应力 中图分类号：TL62+2 文献标志码：A 1 引言 过液压装置预加载一定的水平载荷，在中心柱段缠 环向场线圈是托卡马克核聚变实验装置中的 绕预浸渍玻璃布带形成预应力筒，在外弧段使用绝 重要部件，它提供了稳定约束等离子体必需的环向 缘螺栓，并设计具有足够刚度的环向抗扭支撑，来 磁场。HL-2M 环向场线圈系统包含环向均匀分布的 保证即使在最大运行条件下，线圈匝间也能始终保 20 个相同的D 形线圈，当每匝导体加载 190kA 电 持环向压应力状态，提高匝间抗剪切能力。基于以 流时，在等离子体大半径处产生的最大环向磁场为 上考虑，本文重点分析在上述保证措施下 HL-2M 3T。每个线圈由7 匝绕组粘接固化捆绑而成，匝间 环向场线圈的匝间剪切应力水平，确保线圈不会因 采用环氧玻璃纤维绝缘。每匝设有3 个可拆卸接头 剪应力过大而出现结构失效。 (1 个指形接头，2 个斜面连接接头)以便于真空室和 极向场线圈等部件的整体安装和拆卸，增加了装置 2 环向场线圈基本结构及其电磁载荷分析 的灵活性。在装置运行过程中，环向场线圈除受自 2.1 环向场线圈的基本结构 身重力和线圈通电产生的焦耳热载荷外，还要承受 HL-2M 环向场线圈系统中的D 形线圈由 7 匝 较大的电磁力载荷，特别是由极向磁场与环向场线 铜导体构成。其中，线圈内侧直段部分利用环氧树 圈电流相互作用产生的倾覆力矩。该倾覆力矩使得 脂真空浸渍粘接固化成一个中心柱整体组件，外面 线圈中心柱组件受扭曲，相邻匝间产生错动，可能 缠绕玻璃纤维绝缘胶带以增加抗扭刚度。上横段及 会导致粘接的绝缘层出现滑移撕裂。此外，由于外 外弧段每7 匝形成一捆组件，每个7 匝组件再利用 弧段在环向不连续，因而在侧向电磁力作用下会弯 指形接头和斜面连接接头与中心柱进行连接。单匝 曲变形，匝间也会产生剪切应力。为减小线圈的应 绕组的具体细节如图 1 所示，由3 个基本段组成， 力和变形，在线圈外弧段的上下斜面连接接头处通 即楔形中心柱段、上横段(可拆卸接头段)以及外弧 收稿日期：2012−11−05 ；修订日期：2013−02−05 作者简介：蔡立君(1981−) ，男，辽宁凌海人，博士研究生，从事托卡马