Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Исследование ресурса магнитогидродинамических машин с жидкометаллическим рабочим телом

Диссертация: Исследование ресурса магнитогидродинамических машин с жидкометаллическим рабочим телом
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Проведены исследования по оптимизации технологии создания жаростойких систем изоляции из выбранных элементов. В результате исследований разработаны следующие рекомендации, обеспечивающие стабильные электрические характеристики систем изоляции. При создании конструкции изоляции на СПФ и СПН в зависимости от условий и сроков хранения, требуется корректировка содержания влаги и послойное нанесение… Читать ещё >

Содержание

  • Глава 1. Состояние исследований по прогнозирования ресурса МГД-машин
    • 1. 1. Применение МГД-машин и устройств в ядерных и термоядерных установках
    • 1. 2. Обзор литературы по прогнозированию ресурса МГД-машин
    • 1. 3. Методика и метрологическое обеспечение экспериментальных исследований
  • Выводы
  • Глава 2. Исследование ресурса МГД-машин
    • 2. 1. Методика оценки ресурса
    • 2. 2. Оценка ресурса по результатам эксплуатации в ядерных установках
    • 2. 3. Исследование ресурса МГД-устройств для термоядерных установок
  • Выводы
  • Глава 3. Исследование влияния теплового и терморадиационного старения на характеристики системы изоляции индукторов МГД-машин
    • 3. 1. Макетирование элементов индукторов
    • 3. 2. Исследование влияния теплового старения на электроизоляционные характеристики обмотки
    • 3. 3. Ресурсные терморадиационные испытания макетов
    • 3. 4. Влияние проводника на ресурс системы изоляции
  • Выводы
  • Глава 4. Исследование влияние состава материалов и технологии изготовления обмоток индукторов МГД-машин на ресурс
    • 4. 1. Особенности конструкций МГД-машин, систем изоляции и используемые материалы
    • 4. 2. Взаимосвязь технологических режимов изготовления и характеристик корпусной изоляции
  • Выводы

Исследование ресурса магнитогидродинамических машин с жидкометаллическим рабочим телом (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Принятые в последние годы программы социально-экономического развития России включают в себя пересмотр стратегии развития энергетики в сторону значительного повышения вклада ядерно-энергетических источников энергии в общую программу развития источников энергии.

В качестве одного из направлений развития атомной энергетики определено увеличение количества атомных электростанций (АЭС) с реакторами на быстрых нейтронах. Такие реакторы позволяют не только значительно расширить сырьевую базу АЭС, но и параллельно с выработкой энергии воспроизводить сырье для повторного использования в реакторах того же типа.

В качестве еще одного перспективного направления развития энергетики рассматривается термоядерная энергетика, основанная на использовании установок типа «ТОКАМАК». Результаты, полученные в ходе реализации Международной программы строительства реактора ИТЭР и разработки проектных стадий реактора «ДЕМО», делают возможным с большой степенью уверенности говорить о получении в сравнительно недалеком будущем практически неисчерпаемых источников энергии.

Как в быстрых реакторах, так и в «ДЕМО» реакторе в качестве теплоносителя (рабочей среды) используются жидкие металлы. В быстрых реакторах это жидкие щелочные металлы (натрий) и их сплавы (сплав натрий-калий) или свинец и его сплавы. В реакторе «ДЕМО» в качестве теплоносителя предполагается использовать жидкие литий или сплав литий-свинец. В этом случае примером МГД-устройства, в котором происходят МГД-процессы, является бланкет термоядерного реактора (ТЯР) с жидкометаллическим рабочим телом. Жидкометаллическая проточная часть (канал) такого бланкета располагается в зоне действия сильных магнитных полей. Понятно, что при движении жидкометаллического рабочего тела в 3 нем возникают электромагнитные силы, воздействующие на поток.

Среди известных жидкометаллических магнитогидродинамических (МГД)-машин широкое распространение получили МГД-насосы, часто называемые «электромагнитные насосы (ЭМН)» индукционного типа и МГД-дроссели различных типов.

МГД-насосы применяются, главным образом, для перемещения (перекачивания) теплоносителей (рабочих тел) в жидкометаллических системах термоядерных реакторов, реакторов на быстрых нейтронах и сопутствующих им исследовательских установок.

Благодаря таким преимуществам как отсутствие движущихся частей, уплотнений и смазок МГД-насосы, на сегодняшний день, практически полностью вытеснили механические насосы во вспомогательных жидкометаллических контурах реакторов на быстрых нейтронах, разрабатываются МГД-насосы для внутриреакторного применения в встроенных фильтрах холодных ловушек реакторной установки БН 1200, МГД-насосы незаменимы в космических ядерных энергоустановках (КЯЭУ) кроме этого, они рассматриваются как альтернатива механическим насосам в основных контурах реакторов с жидкометаллическим теплоносителем.

МГД-дроссели, в ряде случаев, являются безальтернативными устройствами для регулирования величин потоков жидкометаллических рабочих тел, например в системах подачи в электрореактивные двигатели, системах транспортирования теплоносителя в отмеченных выше встроенных в реактор фильтрах холодных ловушек и т. п.

Теоретические основы индукционных МГД-машин, основные проблемы их изготовления и эксплуатации рассмотрены в трудах видных российских и зарубежных ученых Г. А. Баранова, А. И. Вольдека, В. А. Глухих, И. Р. Кириллова, Я. Я. Лиелпетера, Н. М. Охременко, A.B. Тананаева и др.

Разработка МГД-машин для внутриреакторной эксплуатации и перспектива их применения в основных контурах ядерных и термоядерных реакторов 4 выдвигает на первый план вопросы повышения их надежностных характеристик, в частности, увеличения такой характеристики как ресурс, являющийся одной из основных характеристик, регламентирующих использование любого устройства в объектах атомной энергетики.

Несмотря на длительный период времени, прошедший с начала создания жидкометаллических МГД-машин и устройств, к настоящему времени нет публикации, аккумулирующей опыт исследований по повышению ресурса и разработке методик определения надежностных характеристик МГД-машин.

Цель диссертационной работы.

Исследование ресурса МГД-машин и устройств с жидкометаллическим рабочим телом, предназначенных для ядерных и термоядерных установок.

Задачи диссертационной работы:

• разработать методику оценки и прогнозирования ресурса МГД-машин, применяемых для перемещения теплоносителей и обеспечения величин их потоков в жидкометаллических системах реакторов на быстрых нейтронах, термоядерных реакторов и сопутствующих им исследовательских установок;

• исследовать ресурс систем изоляции, используемых в МГД-машинах, в условиях, максимально соответствующих реальным условиям их эксплуатации;

• разработать предложения по повышению ресурса обмоток МГД-машин за счет создания новых материалов и совершенствования технологических процессов изготовления.

Предмет исследований.

МГД-машины и устройства с жидкометаллическим рабочим телом, предназначенные для ядерных и термоядерных установок.

Научная новизна.

Впервые сформулирован и решен комплекс задач, направленных на исследование ресурса МГД-устройств и МГД-машин, в том числе:

• разработана методика прогнозирования ресурса МГД-машин, используемых для перемещения жидкометаллического теплоносителя в ядерных и термоядерных установках, учитывающая процессы старения систем изоляции и технические параметры МГД-машин (размеры канала, напряжение питания, количество катушек в индукторе, количество витков в катушке);

• по результатам теплового и терморадиационного старения систем изоляции, используемых в МГД-машинах, определены: энергия активации, электрические прочность и сопротивление витковой и корпусной изоляции, позволяющие прогнозировать ресурс обмоток;

• определена взаимосвязь параметров технологических процессов изготовления и электрофизических характеристик систем изоляции.

Научная и практическая значимость.

Научная значимость полученных в работе результатов состоит в расширении возможностей расчета электрофизических установок в части решения задач прогнозирования ресурса МГД-машин и устройств с жидкометаллическим рабочим телом.

Полученные в диссертационной работе результаты использованы при проектировании и изготовлении МГД-машин для наземных и космических ядерных энергетических установок (КЯЭУ) с реакторами на быстрых нейтронах (БН-800, БЫ-1200, китайского реактора СЕБЯ, КЯЭУ «Бук»). Кроме этого, они использовались при проектировании термоядерного реактора ДЕМО и испытательного жидкометаллического модуля бланкета реактора ИТЭР.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

• методика прогнозирования ресурса МГД-машин, используемых для перемещения жидкометаллического теплоносителя в ядерных и термоядерных установках, учитывающая процессы старения систем изоляции и технические параметры МГД-машин;

• результаты тепловых и терморадиационных испытаний систем изоляции МГД-машин;

• результаты исследований по определению взаимосвязи параметров технологических процессов изготовления и электрофизических характеристик корпусной изоляции МГД-машин.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается совпадением прогнозных оценок ресурса МГД-машин и оценок ресурса, полученных по результатам эксплуатации и экспертизой в Федеральной службе РФ по экологическому, технологическому и атомному надзору, при выдаче разрешения на изготовление электромагнитных насосов для реакторов БН-800, БН-1200.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертации обсуждались на семинарах НИИЭФА, докладывались на 13 Рижском совещании по магнитной гидродинамике. Разработанные методики прогнозирования и оценки показателей надежности использованы при обосновании ресурса МГД-машин при получении лицензий на разработку МГД-машин для реакторных установок на быстрых нейтронах БН-800 и БН-1200. Результаты работы опубликованы в 9 научных изданиях, включая пять статей в рекомендованных ВАК России журналах.

Личный вклад автора.

Единолично автором получены приведенные в диссертации аналитические соотношения, численные расчеты, методика прогнозирования ресурса, методы исследований и интерпретация полученных экспериментальных результатов. При активном, непосредственном участии автора, в том числе в соавторстве, получены результаты оптимизации технологических процессов изготовления обмоток, результаты тепловых и терморадиационных испытаний.

Выводы.

Проведено исследование влияния состава материалов и технологии изготовления обмоток ЭМН на их электроизоляционные характеристики.

Проведен анализ свойств имеющихся на сегодняшний день элементов систем жаростойких систем изоляции, сделан выбор возможных жаростойких элементов. Для рабочей температуры до 650 °C предпочтительнее использовать обмоточный провод ПОЖ-700, ниже 450 °C — провод ПОЖ. Наиболее приемлемыми материалами для корпусной изоляции являются промышленные слюдопласты ИФГ-КАХФ и ИЖФФА с алюмохромфосфатным (СПФ) или нитратным связующим (СПН).

Проведены исследования по оптимизации технологии создания жаростойких систем изоляции из выбранных элементов. В результате исследований разработаны следующие рекомендации, обеспечивающие стабильные электрические характеристики систем изоляции. При создании конструкции изоляции на СПФ и СПН в зависимости от условий и сроков хранения, требуется корректировка содержания влаги и послойное нанесение связующего материала. Электрическая прочность материала зависит от скорости термообработки, состава газовой среды, окружающей изоляцию в процессе изготовления и давления прессования в диапазоне 0−1 МПа.

Заключение

.

Решен комплекс задач, посвященных исследованиям ресурса МГД-машин и устройств, в том числе:

• разработана методика прогнозирования ресурса МГД-машин, используемых для перемещения жидкометаллического теплоносителя в ядерных и термоядерных установках, учитывающая процессы старения систем изоляции и технические параметры МГД-машин (размеры канала, напряжение питания, количество катушек в индукторе, количество витков в катушке.

• по результатам теплового и терморадиационного старения систем изоляции, используемых в МГД-машинах, определены характеристики, позволяющие прогнозировать ресурс изоляции.

• определены рациональные параметры технологических процессов изготовления корпусной изоляции обмоток МГД-машин для ядерных и термоядерных установок.

В заключение автор считает своей приятной обязанностью и долгом выразить глубокую и сердечную благодарность всем лицам и организациям, оказавшим содействие и поддержку при работе над настоящей диссертацией.

Показать весь текст

Список литературы

  1. В.А., Таианаев A.B., Кириллов И. Р. Магнитная гидродинамика в ядерной энергетике. -М.: Энергоатомиздат, 1987. -264 с.
  2. Ю.М., Горбунов Л. А., Витковский И. В. Магнитогидро-динамическое дросселирование и управление жидкометаллическими потоками. Рига: Зинатне, 1989. — 312 с.
  3. В.А. Физико-технические основы управляемого термоядерного синтеза: Учебное пособие. / В. А. Глухих, В. А. Беляков, А. Б. Минеев. -СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2006. 348 с,
  4. В. Н. Литий в термоядерной и космической энергетике XXI века /. В. Н. Михайлов, В. А. Евтихин, И. Е. Люблинский, A.B. Вертков, А. Н. Чумаков. М.: Энергоатомиздат, 1999. — 528 е.,
  5. Kirillov I. R. Electrical insulation development for liquid metal systems of fusion reactors /1. R. Kirillov, N. D. Kraev, V. P. Ostapenko, A. E. Rusanov, I. V. Vitkovsky // Proc. of the First International Workshop on Liquid Metal
  6. Blanket Experimental Activities. Paris, France: CEA, Headquarter, 1997. -P. 158−161,
  7. Vitkovsky I.V. Neutronic, thermal-hydraulic and stress analysis of RF lithium cooled test blanket module for ITER / I. V. Vitkovsky, M. M. Golovanov, V. A. Divavin et al. // Fusion Engineering and Design. 2000. — Vol. 49 — 50. -P. 703−707,
  8. Vitkovsky I. V. Some ways of reducing MHD-pressure drop in self-cooled liquid metal blankets / I. V. Vitkovsky, I. R. Kirillov, A. P. Ogorodnikov, iV
  9. N. D. Kraev, A. E. Rusanov, V. S. Shorkin // Abstracts «11 International conference of fusion reactors materials». Kyoto, Japan, 2003. — P. 94.,
  10. В.В., Малыхин А. И., Рыбин И. В. Надежность жидкометаллических индукционных МГД-машин.- М: «Энергия», 1972 .- 103 с.
  11. РД-50−560−89. Методические указания. Надежность в технике. Методы оценки показателей надежности по экспериментальным данным.
  12. О.Д. Качество и надежность асинхронных двигателей. -М.-Энергия, 1968.- 173 с.
  13. Р., Яманов С. Испытание жаростойкой изоляции на срок службы // Электротехническая промышленность. -1967. Вып. 295. — С. 12−14.
  14. И.М. Физические основы надежности. -М.: Энергия, 1970. -152 с.
  15. И.А. Электромагнитные насосы для жидких металлов. Рига.- Издательство Академии Наук Латвийской ССР, 1959. — 115 с.
  16. В.А. Состояние и перспективы разработки индукционных насосов для перекачивания щелочных металлов.- Седьмое Рижское совещание по магнитной гидродинамике. МГД- машины и устройства. Т.2.- Рига.- Зинантне, 1972, С.7−8.
  17. В.В. Ресурс машин и конструкций. М.- Машиностроение, 1990.
  18. Надежность и эффективность в технике. Справочник в 10 томах. Том 10. Справочные данные по условиям эксплуатации и характеристикам надежности. М.: Машиностроение, 1990. — 320 с.
  19. Ю.В., Гольдберг О. Д., Хазановский П. М. Математические модели для оценки вероятности совпадения дефектов в изоляции обмоток электрических машин.//Электротехника.-1976.-N 12. с.35−37.
  20. Ю.В., Гольдберг О. Д., Хазановский П. М. Математические модели для оценки вероятности совпадения дефектов в изоляции обмоток электрических машин.// Электротехника.-1976.-N 12. с.35−37.
  21. .Р., Харитонов Е. В. Статистическая модель пробоя диэлектриков, содержащих слабые места// Электричество.-1979.-N 7. с.21−25.
  22. В.М., Глебов И. А. Научные основы анализа и прогнозирования надежности генераторов. -JL: Наука, 1984.- 252 с.
  23. Paloniemi P. Theory ob Equalization of thermal ageing Processes of Electrical Insulating Materials in thermal endurance tests IEEE Transactions on Electrical Insulating vol EI-16.-N1. -February. -1981.-P. 1−17.
  24. М.Е., Ильенко О. С. Математическая модель многофакторного старения высоковольтной изоляции //Электричество.-1979.-N 7.-С. 28−31.
  25. Ю.К., Горелкина E.H., Дудкин В. М. и др. Контроль надежности с использованием индивидуального прогнозирования надежности изделия.// Электронная техника -1978. -Серия 8. Вып. 4. -С. 88.
  26. Ю.Л. Ионизационные явления в якорной изоляции низковольтных машин. Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания «Новые разработки и исследования в области электрической изоляции».- Ленинград. -1975. С. 36−38
  27. К.А. и др. Расчет срока службы электрических машин малой мощности. Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания «Новые разработки и исследования в области электрической изоляции».- Ленинград. -1975. С. 39−45
  28. М.А., Брагинский Р. П., Пешков И. Б. Вероятностная физическая модель старения низковольтных проводов и кабелей. // Электротехника -1982. -N4. -С. 52.
  29. A.M. Разработка и исследование изоляции асинхронных электродвигателей с полузакрытым пазом с длительной рабочей температурой 600.С. Нагревостойкая изоляция электротехнического оборудования. Труды ВЭИ, выпуск 82. М: Энергия, 1976 С.82−85
  30. Н.Ф., Кузнецов H.JI. Испытания на надежность электрических машин. М.: Высшая школа, 1988. — 231 с.
  31. Н.М., Витковский И. В., Ревякин Ю. Л., Чайка П. Ю. Исследования по выбору оптимальных конструкций и технологии изготовления жаростойких обмоток// Электротехника, 2006, № 3, С.42−48.
  32. И.В., Данилин В. Г., Игнатов В.Г и др. Вопросы создания электромагнитных насосов для ядерной энергетики // Атомная энергия, 1988, т.64, вып.6, С. 415−419.
  33. И.В., Ревина Н. И. Титова A.C., Харченков И. Г. Окисление обмоточных проводов из меди и ее сплавов при высоких температурах // Вопросы атомной науки и техники, сер. «Электрофизическая аппаратура», т.71, вып.5, 1991, С.455−458.
  34. В.Г., Витковский И. В., Кириллов И. Р., Неверов В. А., Чайка П. Ю. Исследование электрической прочности изоляции при терморадиационном старении // Атомная энергия, 1989, том 67, вып. 5, С.338−341
  35. П.Ю. Инженерная оценка надежности ЭМН. // Тезисы докладов 13 рижского совещания по магнитной гидродинамике. Рига. 1990, т. 2, С. 101−102
  36. И.В., Кириллов И. Р., Чайка П. Ю., Крючков Е. А., Поплавский В. М., Носов Ю. В., Ошканов Н. Н. Оценка надежности электромагнитных насосов по результатам их эксплуатации //Атомная энергия, 2007, т. 102 (вып.2), С. 104−109.
  37. Э.З., Колганова В. А. Высоконагревостойкая электрическая изоляция. -М.: Энергоатомиздат, 1988 г.- 363 с.
  38. JI.B., Борисенко А. И. Тонкослойные стеклоэмалевые и керамические покрытия. JL: Наука, 1980.- 216 с.
  39. IEC 60 505 Evaluation and qualification of electrical insulation systems.
  40. П.Ю. Применимость функций безопасности ядерного реактора к термоядерному реактору // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. 1993, — вып. 1−2. С.9−12
  41. П.П., Хорошавин Л. Б. Огнеупорные бетоны на фосфатных связках. -М.- Металлургия, 1971.- 192 с.
  42. Гольенко-Вольфсон В.Л., Сычев М. М., Судакач Л. Г., Скобко Л. М. Химические основы технологии применения фосфатных связок и покрытий.-М.: Промиздат, 1968.- 191 с.
  43. Г. Н. Огнеупоры. М.: Промиздат, 1964. -382 с.
  44. Г. Шефе. Дисперсионный анализ.-М.: Наука, 1980. 512 с.
  45. Н. Дрейпер, Г. Смит. Прикладной регрессионный анализ. М.: Финансы и статистика, 1987. — 252 с. 51. 50-SG-D1. Руководство МАГАТЭ по безопасности.
  46. М.А., Халидов З. Г., Малин В. П. Связь между изменениями диэлектрических характеристик полимерных диэлектриков и энергетическими параметрами разряда. //Электронная техника (материалы) 1983.-Вып.4(177). С. 18−22
  47. Ф. Коррозия и защита от коррозии.-Л.: Химия, 1967. 848 с.
  48. Wozard G.P., Spalaris C.N., Corrosion of stainless steels and deposition of particularities in flowing sodium system.- GEAP, 1969. P. 135
  49. Reliability and availability report of joint review session. February 20-March 17, 1989, ITER-IL-3−9-2. P. 37
  50. L. C. Cadwallader, S.J. Piet. Failure rate screening for fusion reliability and risk analysis// 1989, ITER-IL-4−8-7. P. 120
  51. М.И. Элементарная теория теплового пробоя // Электричество. -1951. -N 7. -С.61.
  52. А.С. Опыт применения некоторых методов статистической оценки надежности промышленных изделий.- Д.: ЛДНТП, 1971.- 148 с.
  53. Tables for the ordinates and probability of the distribution of the correlation coefficients in small samples. By F.N. David Cambridge: At the university Press, 1954. P. 216
  54. Ф.М., Новинский Э. Г., Будов B.M. Главные циркуляционные насосы АЭС. — М.: Энергоатомиздат, 1990.- 376 с.
  55. IEC 61 857−1. Electrical insulation systems. Procedures for thermal evaluation. Part 1: General requirements
  56. IEC 60 216−1 Electrical insulating materials. Properties of thermal endurance. Part 1: Ageing procedures and evaluation of test results
  57. P. Chaika, V. Danilin, I. Kirillov, V. Osipov .Reliability and Safety Estimates of ITER Liquid Metal Cooled System (LMCS) // Plasma Device and Operations. -1994- Vol.2, No 3−4. P. 311−317
  58. Chaika, V. Danilin, M. Krivosheev, Yu. Prokofiev, S. Butorin, A. Epifanov, V.Brikov. Approach for Fusion Reactor Safety and Fusion Safety Works in Russia // Journal of Fusion Energy. 1993 — vol.12, No 1−2. P. 133−137.
  59. ТУ3492−088−281 915−2008 Слюдопласт гибкий жаростойкий марки ИФГКА-АС
  60. ТУ2312−010−23 354 769−2008 Композиция органосиликатная термостойкая марки ОС-82−05 АС
  61. ТУ2311−529−5 763 441−2008 Лак кремнийорганический КО-916 для АЭС
  62. Design Description Document (DDD) Russian Li/V self-cooled Test Blanket Module D.V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus STC «Sintez» St. Petersburg, Russia 2005. P. 133
  63. Л.К. Особенности термостарения обмоток электромагнитных насосов при высоких температурах в воздушной среде / Л. К. Бородулина, Н. М. Ваксер, И. В. Витковский, А. С. Титова // Электротехника. 1990. — № 12. — С. 28 — 31.
  64. А. О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты. / А. Эйнштейн. Собрание научных трудов, т. 3. М.: Наука, 1966, С. 108 117.
  65. Л. Статистическая физика твердого тела. М.: Мир, 1975, 382 с.
  66. Самсонов Г. В.-редактор. Свойства элементов, часть 1. Физические свойства. Справочник. М.: Металлургия, 1976, 600 с. с/
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?