Введение к работе
Актуальность работы. Ватаейаей проблемой, определяющей дальнейшее развитие железнодорожного транспорта, является увеличение пропускной и провозной способностей железных дорог. Один из путей решения этой проблемы состоит в перевозке железнодорожных грузов с помощью тяжеловесных поездов, что в свою очередь связано с разработкой и созданием мощных локомотивов.
Основным этапом решения данной проблемы является разработка тяговых электрических машин, имеющих большую единичную мощность в условиях жёстких габаритных ограничений, существующих на подвижном составе.
Для широко используемых в настоящее время на подвижном составе тяговых- электрических машин постоянного тока возможности дальнейшего увеличения единичной мощности практически исчерпаны. Определённые трудности возникает и при использовании в качестве тяговых электрических папин переменного тока.
В дальнейшем прогрессе крупного электромашиностроения важная роль принадлежит криогенным электрический машинам, позволяющим увеличить единичную мощность малин, улучпить их массо-габаритные и энергетические характеристики.
С перспективой развития транспорта связано также создание принципиально нового вида высокоскоростного наземного транспорта на магнитном подвешивании. Из конкурирующих видов систем магнитных подвесов большой интерес представляет система электродинамического подвеса, обеспечивающая наибольшую высоту подвешивания вагонов над путевым полотном Ш = 100+200 мм); при этом снимается проблема передачи контактным путем огромной электрической мощности подвижному составу.
Характерной чертой криогенных электрических машин и ВСНТ с ЭДП является наличие сверхпроводящей магнитной системы, поддерживаемой при низкой температуре. До последнего времени широкое распространение получили сверхпроводящие обмотки, выполненные из, так называемых, низкотемпературных сверхпроводников, охлаждаемых жидким гелием (4,2 К).
Одним из ответственных узлов криогенных электротехнических устройств являются токовводы, обеспечивающие подвод тока к CMC, а также вывод запасённой энергии в аварийных режимах. По ТВ поступает значительная доля теплопритока к ванне с жидким гелием.
Расчёт и проектирование ТВ должны проводиться таким образом, чтобы обеспечить, их тепловую стабильность не только в стационарных режимах работы, но и при заданных перегрузках по току, а также в аварийных режимах, обусловленных изменением или прекращением охлаждения в течении определённого промежутка времени, сопровождающихся нестационарными тепловыми процессами.
Исследование нестационарных процессов (перегрузки по току, прекращение охлаждения) свидетельствуют о том, что если не предпринять специальных мер у ТВ, оптимизированных по стационарному тепловому режиму эксплуатации, температура вблизи тёплого конца может повышаться и, что особенно опасно, резко возрастать тепло-приток в жидкий гелий. Последнее обстоятельство может привести к потери сверхпроводимости,обмотки магнитной системы.
Проблема ТВ широко освещена в.литературе. В основном рассматриваются стационарные режимы работы и оптимизация ТВ по минимуму теплопритоков в холодную1зону. Менее освещены аварийные режимы работы ТВ --перегрузка по тону и изменение условий охлаждения. В теоретических работах, как правило, предполагается ТВ однородным по тепловым параметрам, а температура его тёплого конца - фиксированной.
В ряде работ указывается, что токонесущий элемент (ТИЭ) может быть помещён в стальную трубу (для увеличения жёсткости ТВ), которая находится в тепловом контакте с ТНЭ. Удельное электричес- ' кое сопротивление стали заметно больше такового для ТНЭ, выполненного обычно из меди; а теплопроводность стали много меньше, чем меди; теплоёмкости стали и меди по величине соизмеримы. Указанные обсгоятельства должны учитываться при расчёте нестационарных режимов работы ТВ.
Кроме того, температура тёплого конца ТВ при нестационарных режимах работы может изменяться в широких пределах.
Таким образом, исследование нестационарных тепловых процессов в аварийных режимах работы ТВ на современном этапе является актуальным.
Цель работы. Целы» работы является разработка путей повышения надёжности работы ТВ в транспортных сверхпроводящих магнит-_ ных системах.
Задачи исследования.
-
Создание методики расчёта ТВ в стационарных режимах при токах, отличных от оптимального.
-
Разработка метода расчёта ТВ в аварийных режимах, сопровождающихся нестационарными тепловыми процессами.
-
Разработка конструктивных схем ТВ, обладающих повышенной надёжностью.
-
Проведение экспериментальных исследований нестационарных процессор в ТВ.
Методика исследований. При проведении теоретических исследований распределения температуры по длине ТВ использованы численные методы интегрирования нелинейного уравнения теплопроводности с применением ЭВМ при различных граничных и начальных условиях.
Проверка результатов теоретических исследований осуществлялась путём проведения экспериментальных исследований макетного образца ТВ.
Научная новизна работы.
-
Разработаны конструктивные схемы ТВ, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения.
-
Получено уравнение теплового баланса ТВ с учётом теплоёмкости конструктивних узлов ТВ, имеющих тепловой контакт с токонесущим элементом.
-
Предложена инженерная методика расчёта ТВ в стационарном режиме при токах, отличных от оптимального.
-
Модифицирован метод численного решения сильно нелинейного уравнения теплопроводности» обеспечивающий быстродействие и удовлетворительную точность расчётов распределения температуры по длине ТВ в нестационарных режимах.
Практическое значение работы.
-
Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и эксплуатации ТВ в различных режимах работы.
-
Разработанные конструктивные схемы полуразъёмного и неразъёмных ТВ позволяют получить малое, устойчивое переходное сопротивление контакта, а использование в качестве ТНЭ попарно-скрученных проволок, плотно размещённых в рубашке в виде трубки обеспечивает закрутку потоков охлаждающего газа, пересечение этих потоков, увеличивая интенсивность теплоотдачи, приближая к идеальным условиям теплообмена между хладогентом и ТНЭ.
-
Создана методика расчёта аварийных режимов работы ТВ.
-
Использование разработанных программ численного расчёта тепловых процессов, происходящих в ТВ, позволяют снизить объём требуемых экспериментальных исследований путём проведения численного эксперимента на ЭВМ.
5. Разработана экспериментальная установка для исследования работы ТВ при нестационарных режимах.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в АО "Электросила" при проектировании ТЗ криогенного турбогенератора.
Достоверность. Достоверность научных выводов и предложений подтверждается удовлетворительным совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Третьей Всесоюзной научно-технической конференции по высокоскоростному наземному транспорту (ВСКТ) (г. Новочеркасск, 1984).
Всесоюзном научно-техническом семинаре по перспективным экспериментальным исследованиям на полигоне "Мармарик-І" (г. Новочеркасск, 1985).
Международном симпозиуме по электромагнитным полям (г. Саутхэмптон, 1991).
Пятьдесят второй научно-технической конференции с участием молодых учёных и специалистов ПИИТа "Неделя науки-92"
(г. Санкт-Петербург, 19923.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано б работ, получено 3 авторских свидетельства, выпущен технический отчёт, зарегистрированный государством.
Объм диссертации. Работа состоит цз введения, б глав, заключения» списка литературн из Si наименований. Работа содержит іОЗстраииц, включая рисунки.
