CN102163481B - 超导托卡马克纵向场线圈支撑腿结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导托卡马克纵向场线圈支撑腿结构，包括上绝热套管支撑、下绝热套管支撑、底座，其特征在于：上绝热套管支撑与下绝热套管支撑之间夹置有冷却板，冷却板中设有螺旋状的冷却水管，冷却板边缘上设有阻热平板；本发明结构强度高，抗弯能力强，抗剪效果好以及阻热效果好可以有效地提高支撑的腿的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于超导托卡马克装置领域，具体是超导托卡马克装置纵向场线圈支撑腿结构。
背景技术
目前，磁约束核聚变进行可控核聚变研究的一种主要途径之一，而超导托卡马克是目前世界上进行磁约束核聚变研究的一种主要装置。其中纵向场线圈是超导托卡马克的关键部件之一，纵向场线圈产生的磁场位形和磁场强度对等离子体运行起着重要约束作用。在目前的超导托卡马克中，如EAST, JET 和ITER，纵向场线圈形状普遍采用”D”形状结构，纵向场线圈的定位装配和自重主要靠下面的支撑腿完成和承担，图2为EAST 托卡马克装置整体装配图，此图给出了纵向场线圈与支撑腿的装配关系（在其它超导托卡马克中，纵向场线圈与支撑腿装配位置关系类似）。不仅如此，纵向场线圈支撑腿还承担着极向场线圈，劲管的重量和超导托卡马克在运行时各种工况下的热载荷，电磁载荷，但支撑腿的总体受力分为三个方向，如图3所示。在超导托卡马克运行过程中，若因支撑腿的刚度不够而使纵向场线圈的位置精度偏差较大，由纵向场线圈产生的磁场位形精度不够而无法约束全部的高温等离子体，有部分高温等离子体将逃逸磁场约束可能会直接接触超导托卡马克真空室内部部件而导致烧蚀损坏。不仅如此，被高温等离子体接触的内部部件产生的高温 ，通过热传导和热辐射还将会使整个超导磁体线圈遭到损坏而无法运行。另外，在超导托卡马克运行重复运行的情况下，支撑腿由于受到热载荷，电磁载荷重复，交替的作用，若支撑腿的强度不够，支撑腿容易产生疲劳断裂而失效，这将导致整个超导托卡马克装置都会受到损坏。因此，纵向场线圈支撑腿作为纵向场线圈，甚至整个超导托卡马克装置也是一个非常重要的部件之一。在目前的超导托卡马克中，纵向场线圈支撑腿设计时基本上注重高刚度，高强度要求，这对支撑腿的设计和高强度结构材料的选择提出了很高的要求，而且如何降低或缓解纵向场线圈支撑腿上的剪切力在目前的全超导托卡马克中还没有得到很好的解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种超导托卡马克纵向场线圈支撑腿结构，结构强度高，抗弯能力强，抗剪效果好以及阻热效果好可以有效地提高支撑的腿的使用寿命。
本发明采用的技术方案如下：
超导托卡马克纵向场线圈支撑腿结构，包括上绝热套管支撑、下绝热套管支撑、底座，其特征在于：上绝热套管支撑与下绝热套管支撑之间夹置有冷却板，冷却板中设有螺旋状的冷却水管，冷却板边缘上设有阻热平板；底座上设有沿超导托卡马克装置径向的导轨，导轨与平面滑动承座滑动配合，平面滑动承座上端固定有半球状转动承座，半球状转动承座与下绝热套管支撑的下端采用球面铰接；所述的平面滑动承座的左、右侧分别对称的位置转动连接有可伸缩的环向滑动限制杆，环形滑动限位杆的另一端活动连接于支座上。
所述的超导托卡马克纵向场线圈支撑腿结构，其特征在于：所述的环向滑动限制杆包括有螺套、以及螺套两端螺合的二个螺杆，二个螺杆的另一端分别安装有轴承，轴承分别安装于左、右侧的支座内的转轴及平面滑动承座内的转轴上。
所述的上绝热套管支撑由玻璃纤维增强材料法兰与玻璃纤维增强材料圆形管道通过胶接的组成。
本发明上端通过螺栓与纵向场线圈支撑盒连接固定，下端通过和螺钉固定在超导托卡马克装置底座上，纵向场线圈支撑腿通过安装平面滑动承座在纵向场线圈在冷却和受热膨胀时纵向场线圈支撑腿下部能够沿着超导托卡马克装置径向滑动，可以有效地降低支撑腿弯矩应力而提高支撑腿刚度；纵向场线圈支撑腿安装半球状转动承座在支撑腿到扭矩时支撑腿下部可以转动，可以有效地降低支撑腿上剪切力而提高支撑腿的抗剪效果；纵向场线圈支撑腿通过两个绝热套管支撑，冷却板，和阻热板连接纵向场线圈，这样可以有效地减小支撑腿下部室温端（297K）向纵向场线圈低温端（4K）热量的传递和热辐射。纵向场线圈支撑腿下部两端左、右对称的位置各安装了一根环向滑动限制杆，这样能够确保纵向场线圈在超导托卡马克环向方向的位置精度。
所述的绝热套管支撑是通过玻璃纤维增强材料法兰和玻璃纤维增强材料圆形管道通过胶接形式组装而成。
本发明采用平面滑动承座，原因是当纵向场线圈在冷却收缩或受热膨胀时，支撑腿将承担着纵向场线圈沿着径向方向收缩或膨胀产生的力，如果此时支撑腿上下两端都被固定，那么径向方向上的力将会给支撑腿带产生一定的弯矩而影响支撑腿的刚度。若此时支撑腿下端沿着径向方向的自由度没有约束可以滑动，则可以大大降低支撑腿上的弯矩力而提高支撑腿的刚度。支撑腿采用半球状承座是当纵向场线圈受到的扭矩传递到下面的支撑腿时，由于半球状承座可以使支撑腿稍微转动，则大大降低了支撑腿上由于扭矩产生的剪切力。由于纵向场线圈支撑腿处在真空度10-5Pa 真空环境中，不锈钢与不锈钢之间的摩擦系数由于巨大的粘着力作用，比自然环境中要大10倍左右，因此在半球体外表面，半球体套座内表面和平面滑动体与底座滑动的接触表面镀上一层MoS2 润滑材料以减少滑动和转动的摩擦系数。另外，支撑腿采用玻璃纤维增强材料作为支撑，原因是受压强度高，热传导系数低，根据Ｑ=(λA ΔT)/T可知，材料的导热量与材料的热传导系数成正比，这样可以减少室温端热量向纵向场线圈传递，另外支撑中间还安装了冷却板和阻热板，这样进一步降低室温端热量向纵向场线圈的传递，确保纵向场线圈在低温（4K）下处于超导状态。
与已有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明内容结构强度高，抗弯能力强，抗剪效果好以及阻热效果好可以有效地提高支撑的腿的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
参见附图，超导托卡马克纵向场线圈支撑腿结构，包括上绝热套管支撑1、下绝热套管支撑4、底座9，上绝热套管支撑与下绝热套管支撑之间夹置有冷却板3，冷却板中设有螺旋状的冷却水管8，冷却板边缘上设有阻热平板2；底座9上设有沿超导托卡马克装置径向的导轨10，导轨与平面滑动承座6滑动配合，平面滑动承座上端固定有半球状转动承座5，半球状转动承座与下绝热套管支撑的下端采用球面铰接；平面滑动承座的左、右侧分别对称的位置分别转动连接有可伸缩的环向滑动限制杆7，环形滑动限位杆的另一端活动连接于支座11上。环向滑动限制杆7包括有螺套12、以及螺套两端螺合的螺杆13，螺杆13的外端的轴承腔内安装有轴承，轴承分别固定于左、右侧的支座内的转轴上、平面滑动承座内的转轴上，上绝热套管支撑由玻璃纤维增强材料法兰与玻璃纤维增强材料圆形管道通过胶接的组成。阻热板其材料为紫铜，其形状为外圆内方结构；冷却板由底板和冷却管道通过焊接组装而成，材料均为304L不锈钢；冷却板和阻热板通过钎焊组装成一个整体；半球状转动承座由半球体和半球状套座组成，其材料均为316LN 不锈钢，而且半球体外表面与半球状套座内表面均镀上一层MoS2 润滑材料；平面滑动承座由平面滑动体和平面底座组成，其材料均为316LN 不锈钢，而且平面滑动体与平面底座接触面均镀上一层MoS2 润滑材料；环向滑动限制杆其材料均为304L不锈钢。
Claims (3)
1.超导托卡马克纵向场线圈支撑腿结构，包括上绝热套管支撑、下绝热套管支撑、底座，其特征在于：上绝热套管支撑与下绝热套管支撑之间夹置有冷却板，冷却板中设有螺旋状的冷却水管，冷却板边缘上设有阻热平板；底座上设有沿超导托卡马克装置径向的导轨，导轨与平面滑动承座滑动配合，平面滑动承座上端固定有半球状转动承座，半球状转动承座与下绝热套管支撑的下端采用球面铰接；所述的平面滑动承座的左、右侧分别对称的位置转动连接有可伸缩的环向滑动限制杆，环向滑动限制杆的另一端活动连接于支座上。
2.根据权利要求1所述的超导托卡马克纵向场线圈支撑腿结构，其特征在于：所述的环向滑动限制杆包括有螺套、以及螺套两端螺合的二个螺杆，二个螺杆的另一端分别安装有轴承，轴承分别安装于左、右侧的支座内的转轴及平面滑动承座内的转轴上。
3.根据权利要求1所述的超导托卡马克纵向场线圈支撑腿结构，其特征在于：所述的上绝热套管支撑由玻璃纤维增强材料法兰与玻璃纤维增强材料圆形管道通过胶接的组成。
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