玻璃钢杜瓦概念设计与分析范文

《低温与超导杂志》2016年第二期

摘要:

玻璃钢杜瓦是超导电抗器中的关键部件，为高温超导线圈提供所需的低温工作环境。分析了玻璃钢杜瓦对于超导电抗器的必要性;进行了玻璃钢杜瓦的概念设计，并对玻璃钢杜瓦进行了力学分析及传热分析，结果表明玻璃钢杜瓦的强度和静态低温热负荷满足设计要求。

关键词:

超导电抗器;玻璃钢杜瓦;高温超导线圈

1引言

超导电抗器电抗调节特性良好，在电力系统中的应用潜力巨大［1－3］。玻璃钢杜瓦具有耐低温、绝缘、低导热系数等优点，在超导电抗器中用于盛装高温超导线圈和液氮。在采用工作线圈为常规线圈、电感调节线圈为高温超导线圈的电抗器中，常规工作线圈采用油冷，而高温超导线圈采用液氮冷却。为降低通过杜瓦对液氮产生的低温热负荷，玻璃钢杜瓦采用真空结构。与在通常状况下使用的玻璃钢杜瓦不同，用于超导电抗器的玻璃钢杜瓦外表面处于高于室温的(约293K)冷却油中，而玻璃钢内部是过冷液氮温度(70K)，因此玻璃钢杜瓦将由于温度梯度产生较大的热应力。此外，作用在杜瓦上的压力差、重力载荷还将产生机械应力。在满足强度要求的前提下，用于超导电抗器的玻璃钢杜瓦应具备尽可能低的低温热负荷。

2玻璃钢杜瓦介绍

2．1材料用于制作超导电抗器的玻璃钢具有无磁、绝缘、低导热的特点以及良好的低温力学性能。然而，玻璃钢材料具有较高的出气率，因此，针对采用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料制作的超导电抗器玻璃钢杜瓦，可通过定期抽真空的方法维持杜瓦夹层的真空度［4－8］。玻璃纤维增强环氧树脂复合材料可采用玻璃纤维丝或自玻璃纤维带增强环氧树脂，考虑到用于超导电抗器的玻璃钢杜瓦尺寸较大，采用玻璃纤维丝增强环氧树脂不仅缠绕的难度较大并且缠绕的工作量巨大，因此超导电抗器中的玻璃钢杜瓦采用玻璃纤维带增强环氧树脂复合材料G10，其力学参数和热导率如表1、图1所示(X、Y向为纤维方向，Z向为纤维层间方向)。

2．2结构如图2所示，用于超导电抗器的玻璃钢杜瓦本体采用双层真空结构，而封盖采用非真空结构，封盖上平板和U形圆环之间充满低导热系数轻质软材料，以形成低传导热固体传热的目的，这种结构降低了封盖的制造难度。杜瓦本体为双层结构，外层用于真空保持，内层用于盛装液氮和高温超导线圈等冷质部件。在内层的外表明包裹多层绝热材料以降低来自外层的辐射热。

3玻璃钢杜瓦分析

3．1传热分析玻璃钢杜瓦的仿真模型如图3所示。液氮容器中液氮高度:低于封盖下平面20mm。杜瓦封盖内部充满轻质软材料，杜瓦外层和内层之间为真空，内层(液氮容器)外表面包裹多层绝热材料。当多层绝热材料包裹0、10、20、40层，冷却油温为323K［9］，液氮温度为70K，对于整个液氮容器，70K液氮的低温热负荷分别为1328．60W、247．01W、158．48W、117．22W。因此液氮容器外表面包裹多层绝热材料是必须的，考虑到杜瓦内层和外层之间的距离限制，包裹的多层绝热材料定为40层。图4是液氮容器外表面包裹40层多层绝热的温度分布云图。图中显示杜瓦液氮容器在液氮面以上部分具有较高的温度梯度。

3．2结构分析(1)机械应力完成传导+辐射热分析之后将分析类型从Thermal转到Structural，热分析单元Solid70被转为Solid185单元。因为超导电抗器通电运行的过程中先后经历了抽真空和降温，因此首先对杜瓦进行压力差、重力作用下的机械应力分析。在杜瓦外表面和液氮容器内表面施加1bar压力，定义重力加速度为9．8m/s2，在液氮容器底部沿重力方向施加液氮和冷质部件的重力6kN。对模型的对称面施加对称约束，对模型的下底面内侧环线施加全约束，外环线施加重力方向的约束。图5、6、7的分析结果显示杜瓦最大变形约为0．52mm，最大Von．Mises应力为12．9MPa，最大剪切应力为5．29MPa，远低于玻璃钢材料的许用剪切应力30MPa。因为玻璃钢材料的破坏主要来自剪切应力，因此杜瓦在抽真空过程中强度足够。(2)机械应力+热应力完成机械应力分析之后导入热分析的结果文件，图8、9、10的分析结果显示杜瓦最大变形约为0．51mm，最大Von．Mises应力为114MPa，杜瓦最大剪切应力为56．2MPa，位于杜瓦本体的内层与外层结合部位，如图11所示。因为杜瓦温度梯度产生的热应力远大于机械应力，热应力是引起杜瓦损坏的主要因素。与许用剪切应力相比，机械应力+热应力下杜瓦的抗剪切强度有待进一步加强，下一步将通过结构的进一步优化降低杜瓦内层和外层结合部位的剪切应力。

4结论

(1)内层外表面包裹多层绝热材料对降低来自外层的热辐射至关重要。(2)玻璃钢的应力主要来自温度梯度产生的热应力。(3)玻璃钢杜瓦的最大剪切应力位于内层和外层在上部的结合部位。

参考文献

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作者：胡南南 马宏明 陈清清 朱银锋 单位：福建省莆田市第一医院云南电网有限责任公司电力科学研究院