HL-2M偏滤器冷却回路流致振动研究

基于ANSYS/CFX软件,用双向流-固耦合方法评估不同流速和不同金属软管下HL-2M偏滤器冷却回路的流致振动效应。评估表明：金属软管的等效弹性模量是影响管路振动响应的主要参数,当流体平均流速控制在2~10m·s^-1时,响应较小。管路主要变形区域最大发生概率出现在U型管和金属软管处。因此,尽可能选择等效弹性模量E≥1010Pa的金属软管,建议在U型管和软管区域增加防振加固支撑设计以确保安全。     

HL-2M 初始等离子体第一壁安装研究

HL-2M 初始等离子体第一壁主要由 2mm 厚度的护板及下部支撑构成，与 HL-2M 限制器 共同构成 HL-2M 真空室内壁保护层。针对第一壁的结构设计及总体的安装规范，提出了第一壁整体的安装工艺 方案，采用螺柱焊、氩弧焊对第一壁的支撑进行固定，采用可利用螺柱调节部件定位精度的辅助工装，并全程利 用激光跟踪仪进行安装精度的实时调节。最终，完成了 HL-2M 初始等离子体第一壁总体安装，部件安装精度达 到±2mm、焊缝质量满足一级焊缝要求、结构能承受 3675N 以上拉力。在 HL-2M 初始等离子体放电过程中第一 壁运行良好。      

HL-2M 真空室内壁螺柱焊接工艺研究与实施

针对 HL-2M 真空室内壁螺柱焊接,从焊接螺柱结构设计、焊接工艺研究、焊接工艺试验、焊接质量 评判等方面进行了详细研究,最终确定了包括焊接电流、焊接时间、伸出长度、提升高度、总提升高度等焊接参 数和接地线位置、焊枪手把方向的真空室内壁螺柱焊接工艺方案。通过大量工艺试验,有效地解决了 HL-2M 真 空室内壁(5mm,Inconel625 材质)-大直径(∅12mm,316L 材质)螺柱焊难题,焊缝成型均匀,飞溅和焊瘤少,表面 发黑明显改善,满足真空清洁度要求。焊接稳定性高,良品率高,拉伸试验和疲劳试验也满足设计要求。      

HL-2M 装置限制器系统设计及工艺研究

HL-2M 装置设计有 8 套固定极向限制器和 1 套活动极向限制器,其主要功能是进一步加强保护真空 室及其内部件,同时活动限制器还将提供不同孔栏位形用于等离子体物理实验。根据 HL-2M 装置总体运行需求, 活动限制器结构设计可移动有效距离为 120mm,活动限制器移动精度可控制在±0.1mm 以内。基于激光跟踪仪测 量方法对 HL-2M 装置限制器系统完成了高精度的安装,限制器的面向等离子体关键位置安装精度优于±0.5mm, 通过初始等离子体放电实验表明其运行状态均正常。      

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<2.5×10-10 Pa·m3·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 极向场线圈支撑结构分析评估

基于二维轴对称模型分析了极向场(TF)线圈在单零(SN)、双零(DN)、雪花(SF)和鼎位形下的电磁响 应,并评估了 4 种位形极限工况下支撑的力学性能。分析表明,PF6 线圈在放电初始时刻所受垂直电磁力最大, 可达到 1.9MN。在放电平顶结束时 PF5 线圈所受电磁力最大。在鼎位形下,PF5L 电磁力可达 2.6MN;雪花和双 零位形下,可达到 2.06MN。在这样极端的运行工况下,结构力学计算结果表明 PF 线圈支撑结构出现了局部塑性 变形。采用 ASMEVIII.2 作为评判准则,对局部高应力区进行评估,评估表明结构不存在塑性塌陷和局部失效。 而在上端主辐梁内侧支撑墩位置,螺栓所受轴力最大,需施加大于 50kN 的预紧力。     

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。     

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。