Введение к работе
На современном этапе развития науки и техники получили широкое распространение крупные исследовательские электрофизические установки (ускорители, токамаки, открытые ловушки и др.) со сложными электромагнитными системами. Такие системы состоят из катушек и имеют высокий уровень потребляемой мощности, либо в них используется сверхпроводник, что вносит свою специфику.
Методам расчета и анализа систем электромагнитных катушек. посвящено большое число публикаций, однако из-за многообразия типов конструкций и условий эксплуатации катушек некоторые вопросы их расчета и конструирования рассмотрены неполно, недостаточно решены и задачи оптимизации их параметров. В связи с этим представляется целесообразным рассмотреть некоторые задачи оптимизации в достаточно общей постановке, ирследовать возможность получения аналитических решений этих задач, а также создать пакет вычислительных программ для комплексных (электромагнитных, тепловых, механических) расчетов систем катушек различной конфигурации и их отдельных элементов.
Диссертация посвящена разработке методов расчета и анализу параметров энергетически оптимальных систем электромагнитных катушек, предназначенных для электрофизических установок и исследовательских стендов. При этом критерием энергетической оптимальности для системы резистивных катушек служит минимальный уровень их потребляемой мощности, который определяет максимальное значение коэффициента энергетической эффективности системы (коэффициента Фабри). Для системы сверхпроводящих катушек силового устройства под энергетической оптимальностью можно понимать максимальное силовое взаимодействие катушек при минимальном уровне теплопритоков и омических потерь в криогенных токовводах системы.
Актуальность темы диссертации обусловлена следующими факторами.
Высокая стоимость сооружения и эксплуатации электромагнитных систем современных электрофизических установок определяет необходимость тщательных проектных расчетов и выбора оптимальных технических решений. При этом нужны методики детальных расчетов, в частности, тепловых процессов в конструкциях катушек.
Проектирование систем электромагнитных катушек с предельными характеристиками требует создания новых методов расчета для определения с высокой точностью энергетически оптимальных параметров этих систем.
Системы электромагнитных катушек получили широкое распространение в различных областях науки и техники. Поэтому результаты оптимизации электромагнитных систем и конструкции катушек, предназначенных для электрофизических установок, могут быть эффективно использованы при создании электромагнитов другого назначения.
Современное состояние вычислительной техники дает возможность проводить многомерные расчеты узлов и конструкций численными методами. Однако для этого требуется создание специальных пакетов прикладных программ. Аналитические решения упрощенных задач не только позволяют быстро и эффективно оценить параметры установки на ранних этапах ее проектирования, но и служат целевыми модельными задачами при отладке и верификации сложных вычислительных программ.
Целью работы является разработка и практическое применение методов расчета и оптимизации систем резистивных электромагнитных катушек по потребляемой мощности и систем сверхпроводящих катушек по эффективности силового взаимодействия катушек.
Научная новизна данной работы состоит в следующем.
-
Предложен геометрический метод оптимизации систем резистивных электромагнитных катушек по энергетическому критерию при произвольно заданной точке максимума магнитного поля. Определен коэффициент энергетической эффективности кольцевой катушки со смещенным максимумом поля на оси. Рассчитаны оптимальные размеры прямоугольного сечения кольцевых катушек с равномерными по сечению коэффициентом заполнения, однородной температурой и оптимальным распределением тока при заданных значениях площади сечения или объема проводника. Рассчитана энергетическая эффективность катушки при неравномерном заполнении в частном случае расширяющихся радиальных каналов охлаждения.
-
Геометрический метод оптимизации систем резистивных катушек распространен на тороидальную систему. Найдены оптимальные размеры и распределение тока для сплошного тора и тороидальной системы катушек.
-
Рассчитаны оптимальные по энергетическому критерию параметры системы двух "толстых" катушек Гельмгольца с учетом заданной предельной неоднородности магнитного поля на заданном отрезке в режиме питания от сети. Усовершенствован метод оптимизации систем резистивных катушек в режиме питания от конденсаторной батареи без заметного скин-эффекта. Для такого режима найдены оптимальные параметры системы двух катушек Гельмгольца при заданной предельной неоднородности магнитного поля.
-
Проведена в общем виде оптимизация параметров системы охлаждения многовитковой катушки по критерию полной потребляемой мощности. Построена и исследована целевая функция оптимизации с учетом технических и технологических ограничений, определены оптимальные параметры катушек.
-
Получены выражения для расчета распределения температуры в дисковых катушках с радиальными и спиральными каналами охлаждения, найдены зависимости для расчета оптимального профиля каналов.
-
Предложен и реализован метод оптимизации системы, состоящей из двух расталкивающихся катушек, по критерию максимума их силового взаимодействия с учетом технических ограничений. На основе полученных результатов разработан электромагнитный пресс на усилие 900 кН со сверхпроводящими катушками для испытаний образцов при криогенной температуре в вакууме или гелии. Предложена концепция и разработана конструкция установки, выполнены ее прочностные, электромагнитные, тепловые расчеты.
-
Разработана методика теплового расчета криогенного составного токоввода типа "оплетка в трубке" с независимым охлаждением. По критерию минимальной мощности криогенного оборудования рассчитаны оптимальные конструктивные параметры и условия эксплуатации токоввода, предназначенного для сверхпроводящей магнитной системы с циркуляционным охлаждением.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработанные методы оптимизации параметров систем резистивных электромагнитных катушек дают возможность снизить их потребляемую мощность. Эти методы реализованы в пакете прикладных вычислительных программ и использованы при проектировании электромагнитных систем токамаков ИФТ-1, Т-10С, VNS, активных катушек управления реактора-токамака ОТР , магнитной пробки газодинамической ловушки ИН-1 и др.
Результаты расчетных оптимизационных исследований использованы при выборе параметров и конструкции электромагнитных систем для исследовательских стендов "Цефей", "Вика", "Спрут" (НИИЭФА).
Результаты оптимизации системы двух расталкивающихся катушек по критерию максимума их силового взаимодействия лежат в основе разработки электромагнитного пресса со сверхпроводящими катушками, который используется для криогенных прочностных испытаний в рамках материаловедческой программы ИТЭР.
- Предложенный метод оптимизации криогенного токоввода с независимым охлаждением применен при расчете и выборе параметров токовводов сверхпроводящих катушек для электромагнитного пресса, а также альтернативного варианта модуля токоввода для установки Т-15.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Геометрический метод оптимизации систем резистивных электромагнитных катушек по критерию энергетической эффективности при произвольно заданной точке максимума магнитного поля.
-
Результаты оптимизации размеров катушки прямоугольного сечения при оптимальном распределении тока, равномерном распределении коэффициента заполнения и однородной температуре для заданных значений площади поперечного сечения либо объема.
-
Результаты применения геометрического метода оптимизации к тороидальной системе катушек.
-
Результаты оптимизации по энергетическому критерию системы двух "толстых" катушек Гельмгольца с равномерной плотностью тока при заданной предельной неоднородности магнитного поля в режиме питания от сети.
-
Усовершенствованный метод оптимизации системы резистивных катушек в импульсном режиме питания от конденсаторной батареи по критерию магнитной эффективностью разряда.
-
Результаты оптимизации системы двух катушек Гельмгольца при заданной предельной неоднородности магнитного поля в импульсном режиме питания от конденсаторной батареи.
-
Метод комплексной оптимизации параметров многовитковой катушки и ее системы охлаждения по критерию минимума потребляемой мощности или приведенных затрат.
-
Результаты решения задачи о распределении температуры в дисковой катушке с радиальными и спиральными каналами охлаждения. Формулы для расчета оптимального профиля спиральных каналов, обеспечивающего выравнивание температуры по сечению дисков и снижение мощности омических потерь в катушке.
-
Метод оптимизации размеров системы двух расталкивающихся катушек прямоугольного сечения с равномерной плотностью тока по критерию максимума их силового взаимодействия при заданном объеме катушек и ограничениях на предельные значения механических напряжений и магнитной индукции в сечении.
-
Конструкция электромагнитного пресса на усилие 900 кН со сверхпроводящими катушками для испытаний образцов в стационарном режиме при криогенной температуре в вакууме или гелии.
-
Результаты теплового расчета криогенного составного токоввода типа "оплетка в трубке", предназначенного для сверхпроводящей магнитной системы с циркуляционным охлаждением. Результаты огггимизации токоввода по критерию минимальных энергетических затрат на работу криогенного оборудования.
Апробация работы. Результаты работы над диссертацией докладывались на 12-ой Международной конференции по магнитной технологии (1990 г., Ленинград), 14-ой Международной конференции по криогенной технике (1991 г., Киев), Международной конференции по открытым ловушкам (1992 г., Новосибирск), Международном совещании по новым концепциям токамаков (1994 г., Варенна, Италия). Результаты расчетов, полученные с помощью разработанных методов при проектировании электромагнитного пресса со сверхпроводящими катушками и токоввода типа "оплетка в трубке", подтверждены их успешными испытаниями .
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ. Список публикаций приводится в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертации состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, изложенных на 139 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков и 16 таблиц. Библиография включает 176 наименований.
Похожие диссертации на Разработка методов расчета и анализ параметров энергетически оптимальных систем электромагнитных катушек для электрофизических установок
