超临界氦贮罐实验研究及漏热分析

采用高真空多层绝热结构,研制了一套超临界氦球形贮罐。对贮罐进行漏热估算和应力校核,漏热估算为1.44 W,应力符合设计要求。在液氦加注过程中,监测液氦温度波动特别大,且温度计引线管上有结霜现象出现,分析漏热原因是出现了剧烈热声振荡。将温度计引线管与增压管连通,连通后热声振荡消除。对该超临界氦贮罐进行液氦密封憋压绝热性能测试,液氦压力到达2 MPa的时间约7.5 h,压力平均上升速率为0.267 MPa/h,换算成漏热量为12 W,仍远远大于漏热估算值,分析是由于在连通管路中形成了环流,造成较大漏热。提出了该类超临界氦贮罐的设计改进原则。     

EAST超导托卡马克热负荷波动对低温系统液氦槽的影响

EAST超导托卡马克的纵场和极向场磁体均采用NbTi超导材料,由3.8 K超临界氦冷却.在托卡马克实验运行时,极向场的放电脉冲和等离子体破裂产生的交流损耗带来的热负荷增加,经过超临界氦流带到低温系统控制阀箱内的液氦槽和过冷槽,造成槽内的液氦蒸发量增加.蒸发的氦回到制冷机中,从而影响制冷机的稳定运行.通过对实际超临界管道和液氦槽、过冷槽中换热过程建立换热模型,进行热工分析,分析液氦槽和过冷槽中的压力等参数的变化,指导低温系统的设计.     

超临界氦的储存及排放

叙述了超临界氦储存过程中存在的热分层现象,研究了超临界氦储槽的有效容积,日蒸发率,填充率对储槽气枕空间内压力和温度变化的影响,给出了估算增压排放液氦所需气量的方法和实例。     

超临界氦增压系统及试验研究

为了对超临界氦增压技术在运载火箭中的应用可行性进行验证,研究超临界氦增压系统设计参数的匹配特性,本文对比分析了不同增压方式的效率,开展了超临界氦增压系统试验.在试验中通过分析比对超临界氦增压系统的各项参数,获得了超临界氦增压系统的增压性能,同时验证了超临界氦的置换、预冷、加注等流程.试验表明,在适当的参数匹配条件下,超临界氦增压系统增压性能稳定,是一种具有较高效率和可靠性的液体火箭的增压方案.     

高压低温换热贮罐换热性能仿真计算

设计了一种高压低温换热贮罐,配合斯特林制冷机可用于获取和贮存20 K@35 MPa冷氦气,在无液氢的情况下具备液氢温区试验能力,以满足液体火箭冷氦增压系统实验的气源要求。对该贮罐进行了漏热分析,得到贮罐漏热量。采用Solidworks和Matlab对预冷过程和换热过程进行仿真计算与分析,得到预冷时间和换热时间分别为3小时和47小时。     

液氢温区冷氦增压系统试验研究

针对某型号火箭冷氦增压系统,建设了液氢温区冷氦增压系统试验平台,通过试验得到了冷氦气源压力和温度、冷氦加热器性能、模拟贮箱压力和温度的变化规律.结果表明:低温制冷机组配合高压低温换热贮罐可以真实模拟箭上的冷氦气源;根据对增压过程中贮箱压力的分析表明排气方式可以真实模拟箭上推进剂消耗过程中贮箱压力的变化情况;另外,试验中压力信号器、电磁阀和贮箱工作正常,验证了火箭冷氦增压系统的可靠性.     

50 kA超导变压器杜瓦及高温超导电流引线的设计与优化

CICC超导导体性能测试用50 kA超导变压器由初级线圈和次级线圈组成,初级线圈浸泡在4.2 K液氦低温杜瓦中,次级线圈为CICC导体采用4.2 K/354 637 Pa超临界氦迫流冷却,液氦和超临界氦均由500 W/4.5 K制冷机提供,变压器低温杜瓦的理论液氦蒸发率为1.52 L/h。为减少电流引线漏热,超导变压器采用B i-2223/AgAu高温超导(HTS)二元电流引线,并且在颈管中部设计了一个新型的直接用液氮冷却的热截流装置来截断电流引线高温端的热流;最后对铜电流引线部分进行了尺寸优化计算,得到最佳截面积和直径分别为28 mm2和6 mm。     

AMS-02超导磁体中超流氦加注过程研究

论述了AMS-02超导磁体中超流氦的加注过程,进行了各个环节压降和温降的计算分析,并用图表表示了在不同质量流量加注超流氦工况下管路系统中氦工质的速度、压力、温度和含气量的变化情况.计算结果表明,氦工质从液氦主杜瓦加注到磁体杜瓦的过程中,其压力和温度不断降低,而含气量不断增加.同时也表明在节流阀VVP9中实现了常流氦向超流氦的转变和质量流量的控制.     

超临界氦增压与排放过程的压力温度特性

为了探讨超临界氦增压技术在中国运载火箭和航天器上实现的可行性,进行了超临界氦增压排放实验研究。分析了低温杜瓦内的超临界氦的热分层稳定性;讨论了温度计引线两端大温差引起热声振荡和漏热现象;此外,由于节流微分效应和换热器管壁轴向导热,换热器出口温度在排放过程出现大幅温度波动。实验结果证明超临界氦增压过程中增压压力平稳、可靠,压力容易控制。但后续改进实验中应消除换热器节流微分效应导致的出口温度波动,并且减小杜瓦以及支撑结构的漏热。     

液氦贮存容器中热声振荡发生条件及抑制措施

巨大温差的存在致使液氦贮存容器中容易自发产生热声振荡,造成远高于绝热设计预期的漏热损失。为抑制或者消除液氦贮存容器中的热声振荡,以Rott计算得出的热声振荡临界曲线为出发点,分析了热声振荡的发生条件,介绍了热声振荡的抑制措施。针对用于超临界氦贮存的110 L液氦容器,计算了其各连接管路避免热声振荡发生所需的几何尺寸条件。在调节几何尺寸不能满足要求的情况下,通过引入外加振荡阻尼器的方法,获得了不同条件下振荡阻尼器的结构参数。研究方法和结果可对液氦贮存容器的设计提供参考。     

大型超流氦低温系统中冷压缩机叶轮的设计和优化

随着超导加速器建设规模的扩大,为其提供低温环境的超流氦系统得到了广泛应用。国际上各大加速器实验室的大型超流氦系统大都使用冷压缩机作为负压低温氦气的增压设备,叶轮是冷压缩机的关键部件。采用CFturbo软件对叶轮进行设计计算,得到了冷压缩机叶轮的参数和三维模型。采用CFD软件对设计的叶轮性能进行模拟仿真,分析模拟结果及流场分布规律,探究叶轮性能随结构参数的变化关系,从而对叶轮进行优化。优化得到的叶轮模型仿真结果较好,叶轮性能满足设计要求。     

超流氦低温系统板式换热器的设计与优化

负压换热器是超流氦低温系统的关键部件。通过设计和优化，将板式换热器应用于液氦温区。采用分布参数微元法建立了变物性参数换热器传热模型，基于该模型编写了板式换热器的设计与校核计算程序。以换热器效能、负压侧压降和换热器体积为目标进行了量纲分析，确定了人字波纹板片的优化参数。随后采用NSGA-Ⅱ算法进行了多目标优化，以换热器体积最小为前提做出了板式换热器选型。最终得到了三种优化后的设计方案，研制了板式换热器样机。通过分析换热器性能随热流体流道数的变化规律，解释了换热器设计效能偏高的原因。     

先进光源技术研发与测试平台(PAPS)2 K超流氦低温系统流程设计与计算

先进光源技术研发与测试平台(PAPS)2 K超流氦低温系统流程设计与计算需根据系统热负荷以及功能需求,进行方案设计和管道的规格选型,确定氦制冷机制冷能力。使用关联式编程计算方法对PAPS氦低温系统进行了流程模拟和计算,确定了2 K超流氦的获得方式,并研究了不同的节流前温度与节流效率以及相分离器供液质量流量的关系,重点介绍超导腔的垂直测试站流程计算结果。经过流程计算可得:氦制冷机制冷能力选择2 500 W@4.5 K,5 000 L液氦储存杜瓦需为3个站点设备端提供21.52 g/s的1.3×10~5Pa饱和液氦。主供液管内径选择23 mm,主回气管内经选择250 mm,超导腔氦池回气至减压降温泵入口的沿程阻力为195.12 Pa,不超过200 Pa,管道选型合适,能够满足要求。     

1.8K常压超流氦低温系统的设计与分析

中国科学院等离子体物理研究所ITER CC导体测试装置背景超导磁体,由4.2 K液氦浸泡冷却,能够提供7 T背景场,为了满足超导导体测试需要更大背景场(10 T)的要求,将采用1.8 K超流氦浸泡冷却。针对该测试装置的低温系统设计了一种1.8 K常压超流氦低温系统,给出了该系统的关键组成部分并对获取1.8 K常压超流氦的流程进行了分析。针对预冷与节流相结合获取1.75 K超流氦方案进行了分析和计算,同时针对此方案给出了其物理过程的T-s图,计算了1.75 K超流氦液体得率。     

冷氦增压系统换热器换热性能研究

为研究各种流量工况下冷氦增压系统中换热器的换热性能和压力损失,开展了冷氦增压系统搭载发动机试验和数值仿真研究,研究结果表明通过换热器的冷氦气体流量增大,换热器的出口温度降低且对换热器压力损失增加,数值仿真结果与试验结果吻合较好,换热器性能试验研究为提升冷氦增压系统工作性能打下基础。     

CFETR CS模型线圈迫流冷却流程设计

中国聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)中央螺线管(Central Solenoid)模型线圈超导磁体采用Nb3Sn和NbTi低温超导材料的CICC(Cable in Conduit Conductor)绕制而成,并用大量的超临界氦(SHe)冷却。通过低温氦循环泵能够有效的达到CICC磁体的超临界氦迫流冷却循环。为冷却CFETR CS模型线圈,需进行低温分配系统的建造。本文介绍CFETR CS模型线圈迫流冷却的流程设计。     

稳态混合磁体装置低温系统过冷槽的设计与优化

40 T稳态混合磁体装置的外超导磁体需要4.5K、5×105Pa、18 g／s超临界氦迫流冷却,拟采用盘管换热器将从制冷机出来的氦冷却至超临界状态.首先对氦制冷机进行混合模式的热力学分析,确定过冷槽中盘管换热器的进口压力及温度,进而提出阶梯管径理论,根据工程要求设计并优化盘管换热器,得出盘管换热器的盘绕方式及尺寸;最后...     

发动机进气系统性能仿真及降噪优化

在GT-Power中建立某发动机进气系统性能仿真模型,针对阶次声压级下个别转速进气口噪声高于目标噪声的问题进行优化,结构上增加空气滤清器容积,调整赫姆霍兹谐振腔和1/4波长管参数。仿真结果表明,优化后的进气口噪声总声压级和阶次声压级均低于目标限值,进气压降也满足不高于2.5 kPa的要求,发动机噪声有明显改善。     

冷氦直接增压排放推进剂试验系统的研制及性能调试

针对在液氧贮箱内贮存冷氦气并用于增压煤油贮箱排放的技术方案,研制了一套以液氮为冷源,借助换热器冷却常温氦气获得冷氦,继而送入煤油贮箱进行挤压排放的地面模拟试验系统。对该试验系统的主要功能进行了调试,包括流量调控测试,以及最大排液流量、制冷能力和贮箱内部温度分布测量等。结果表明,该试验系统能够安全可靠地模拟箭上冷氦增压系统的工作过程,可用于相关原理性验证试验和机理研究。     

超流氦低温系统发展及涡轮冷压缩机的应用

2 K下大型氦低温系统已采用离心式涡轮冷压缩机在低温低压下对饱和液氦槽减压操作,以获得超流氦或过冷氦.介绍了2K温度级超流氦制冷机发展情况和涡轮冷压缩机在氦制冷系统中的应用,以及中国科学院等离子体物理研究所EAST超导托卡马克氦低温制冷机中过冷氦的制取过程.