Введение к работе
Актуальность темы. В современной энергетике большое внимание целяется использованию явления сверхпроводимости и криопроводимо-га. Получаемые с помощью криогенных МС (КМС) сильные магнитные оля (~6 Тл и выше) позволяют существенно повысить эффективность гсектроэнергетических преобразователей, таких, как электромеханические гнераторы (синхронные, униполярные и т.д.), магннтогазодинамические гнераторы (МГДГ), индуктивные накопители энергии и т.д. Развитие скорителей элементарных частиц, Tq:moflflepHbix реакторов также связано использованием сверхпроводниковых (СПМС) и криопроводниковых ШМС) магнитных систем. Одним из основных элементов ысокоэффективных энергетических и крупномасштабных физических гтановок является КМС, создающие сильные магнитные поля требуемой ространственно-временной конфигурации. Разработка и создание адежных конструкций таких КМС требуют исследования сложных заимосвязанных электродинамических, тепловых и термомеханических роцессов в активных и конструктивных элементах МС, которые в астоящее время рассмотрены в литературе недостаточно полно.
Настоящая диссертационная работа, посвященная исследованию тектродинамических и механических процессов в КМС, является состав-ой частью работ, выполняемых на кафедре "Электроэнергетические и іектромеханические системы" Московского государственного авиацион-ого института (технического университета) согласно координационному лану АН СССР на 1986-1990 годы по проблеме 1.9.5 "Использование зерхпроводимости в энергетике", приоритетному научному направлению соответствии с решением экспертного совета института (протокол № 28 г 7 марта 1991г.), государственной научно-технической программе Управляемый термоядерный синтез и плазменные процессы" юстановленне ГКНТ от 20 марта 1991 года, проект № 8207 "Энергетика"), также в рамках госбюджетных и хозрасчетных НИР.
Целью диссертационной работы является разработка методов ре-іения комплексной задачи расчета магнитных полей, электродинамичес-их усилий, напряженно-деформированного состояния (НДС) и термомеха-ических эффектов в различных КМС (дипольных, мультиполъных, типа ельмгольца и т.д.), а также использование разработанных подходов при издании КМС для электромеханических и МГД преобразователей с улученными массогабаритными и энергетическими характеристиками.
Для достижения этой цели в данной работе были поставлены и ;шены следующие задачи:
- построение аналитических решений, разработка алгоритмов и паке
тов прикладных программ для исследования объемных магнитных полеі объемных локальных и интегральных электродинамических сил в КМ различного конструктивного исполнения;
-разработка аналитических методов, алгоритмов и пакетов пр( грамм для расчета НДС дипольных и мультипольных КМС, КМС тип Гельмгольца и их конструктивных элементов под действием объемны электродинамических и центробежных сил;
-разработка методов, алгоритмов и пакетов программ расчета втс ричных температурных полей в КМС, обусловленных объемной деформ; цией;
проведение расчетно-теоретических и экспериментальных исслі дований электромагнитных и механических параметров различных КМС;
экспериментальное исследование параметров КМС на основе свер: проводников и сверхчистого алюминия;
оптимизация массогабаритных характеристик автономны электроэнергетических установок (АЭУ) на базе МГДГ с КМС и СПСГ.
Методы исследования. В основу разработанного метода расчета маї нитных полей, электродинамических усилий и НДС мультипольных КМ положено аналитическое решение дифференциальных уравнений электрс динамики и теории упругости при заданных граничных условиях сопр; жения на границах. Построение решений задач расчета НДС базировалос на методах теории упругости, технической теории составных оболочек круговых стержней. Решения задач электродинамики и прочност строились для сложных самосопряженных эллиптических и параболичеі ких задач математической физики и методов нелинейног программирования.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующі новые результаты:
-разработаны универсальные методы расчета объемных магнитнь: полей и электродинамических сил в КМС различного конструктивног исполнения (дипольные цилиндрические и конические седлообразные М( мультипольные рейстрековые МС, МС типа Гельмгольца и т.д.);
на основе решения задач термоупругости, технической теории с< ставных оболочек и теории круговых стержней получены новые аналиті ческие соотношения, позволяющие рассчитывать НДС в обмотках и баї дажных элементах мультипольных седлообразных МС и МС типа Гелы гольца с учетом характера распределения магнитного поля и электрод) намических сил в центральной зоне, режима захолаживания, типа закреї ления лобовых частей и т.д.;
определены критерии устойчивости низкотемпературных КМ различного конструктивного исполнения, учитывающие влияние Tq^MOMe 4
ашіческих эффектов на работу низкотемпературных сверхпроводников;
получены экспериментальные данные, подтверждающие теорети-еские положения данной работы;
проведен расчетный анализ АЭУ на основе СПСГ и МГДГ с КМС ля бортовых и транспортных установок в широком диапазоне ющностей.
Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты поз-оляют создавать АЭУ с высокими массогабаритными и энергетическими арактеристиками. В частности:
разработан комплекс алгоритмов и пакетов программ расчета дву-[ерых и трехмерных магнитных полей и электродинамических сил, механи-еских напряжений, деформаций и перемещений, а также вторичных темпе-атурных полей, необходимых на стадіш проектирования и поверочного асчета различных вариантов конструктивного выполнения КМС;
проведены расчетные исследования электромагнитных и механи-еских процессов в конкретных конструктивных схемах КМС, которые ис-ользованы при проектировании и разработке электромеханических и 4ГД преобразователей энергии (СПСГ мощностью ~ 0,7 МВт, цагональных и холловских МГДГ мощностью 10-40 МВт);
проведены экспериментальные исследования параметров различ-ых КМС на основе сверхпроводников и криопроводников при темпера-уре жидкого гелия;
разработаны пакеты программ оптимизации массогабаритных ха-актеристик АЭУ на основе СПСГ и МГДГ с КМС и проведены расчеты, озволяющие сформулировать рекомендацій! для создания высокофорси-ованных электромеханических и МГД преобразователей энергии.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной ра-оты были использованы в ГНЦ ТРИ НИ ТИ и в АО АЭРОЭЛЕКТРИК ри проектированіш и изготовлетш различных КМС перспективных реобразователей энергии. Внедрение результатов подтверждается актами практическом использовании результатов диссертационной работы. На снове проделанной работы были рассчитаны, изготовлены и испытаны бразцы криогенных магнитных систем для СПСГ и МГДГ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ; отдельные разделы докладывались: на 1~и Всесоюзной конференции Импульсные источники энергии для физических и термоядерных исследо-аний" (Рига, 1983 г.), на Международных конференциях по МГД методу реобразования злектрозі^згии (Индия, 1989 г., Китай, 1991 г.), на конфе-енции "Высотемпературное преобразование энергии" (Киев, 1990 г.), на
конференции в ВИКИ им. Можайского (Ленинград, 1991 г.) и в в/ч 7379( М (г. Юбилейный Московской обл., 1993 г.). Материалы диссертаци опубликованы в 10 печатных работах, в том числе в одной без соавторов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит і Введения, пяти глав, Заключения, Списка использованных источников Приложения. Основная часть диссертации содержит 142 страниц машинописного текста, 83 рисунка и 15 таблиц на 52 листах. Списс использованных источников содержит 14 страниц машинописного текста включает 148 наименований. Общий объем работы составляет 208 страшл
