ITER校正场线圈真空压力浸渍工艺及模拟研究

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作为国际热核实验堆(ITER)磁体系统的重要组成部分,校正场线圈用于补偿由制造、安装及其它误差引起的磁场偏差。校正场线圈通过铠装电缆超导导体绕制而成。导体外部缠绕玻璃纤维/聚酰亚胺复合带作为匝间绝缘,并绕制成绕组。完成绕制的绕组包裹对地绝缘后进行环氧树脂的真空压力浸渍(VPI),加热固化后获得线圈。真空压力浸渍是校正场线圈制造的关键步骤,将直接影响线圈的绝缘性能和使用寿命,有必要对校正场线圈的真空压力浸渍工艺进行研究。  针对校正场线圈的特性与工作环境选择了双酚F环氧/聚丙二醇二缩水甘油醚/二乙基甲苯二胺体系作为浸渍树脂。该树脂体系可在长时间内保持100~200mpa·s的低粘度,具有良好的工艺性,同时具有优良的绝缘性能。采用玻璃纤维/聚酰亚胺复合带制各浸渍绝缘体,并进行机械性能测试。结果表明其具有良好的低温、常温层间剪切强度和拉伸强度。  在确定树脂体系和绝缘带组成后,进行了校正场线圈的真空袋模及不锈钢模VPI工艺试验。第一种工艺中,使用自溶硅胶带在绕组外侧缠绕形成真空袋,以达到密封目的;而第二种工艺采用不锈钢薄板焊接真空室进行密封。真空袋模的真空度可达到10Pa以下,漏率为1×10-4Pa·m3/s;不锈钢模的真空度可达到1Pa,漏率为5.2×10-10Pa·m3/s。不锈钢模的密封性能要明显高于真空袋模。通过样件性能对比发现:两种样件绝缘性能相同,但不锈钢模试样的内部空隙明显少于真空袋模。不锈钢模更适于校正场线圈的VPI工艺。  传统VPI工艺设计主要依靠试验,但对于校正场线圈等大型超导线圈,试验成本高、耗费时间长。利用计算机数值模拟技术,可模拟树脂的流动行为,分析工艺的合理性,从而优化工艺设计。使用基于Darcy定律的数值分析软件对校正场线圈的VPI工艺进行了模拟。分析了压力/重力对树脂流动行为的影响。结合伯努利方程和Darcy定律计算了VPI注胶过程的临界压力。由于受到重力影响,当注射压力高于临界压力时,树脂可顺利充满线圈,若低于则无法到达线圈顶部。以SCC圆弧段为例,分析了注胶口/冒胶口设置对树脂在模腔中流动行为的影响。树脂充满模具的时间随着注胶口和冒胶口数量的增加显著减小,但由于冒胶口处树脂储存通道增加,一定程度降低了注胶效率。当两注胶口相邻而中间无冒胶口时,模腔内会出现一段压力梯度为0的区域,此处的树脂不易流动,易产生干斑缺陷。若注胶口和冒胶口交错设置,则可保证模腔内的压力梯度,有利于树脂浸渍,防止产生干斑。根据复合材料空隙率与修正毛细管数的关系,对校正场线圈绝缘层的十字区域进行了空隙分布模拟,并进行了注射速度优化以降低空隙率。结果表明空隙多分布于该区域的中心部位,与试验结果相符。通过注射速度优化及减少气体来源可降低空隙率。  综合以上工艺试验和数值模拟结果,对三种全尺寸校正场线圈(SCC、BCC、BCC双饼)的VPI过程进行了模拟。同时进行了BCC双饼线圈的VPI试验。在模拟和试验中均获得了无干斑缺陷的线圈,同时数值模拟所得树脂充模时间与试验记录相近,验证了工艺模拟的可行性。结合数值模拟和工艺试验可为校正场线圈确定合理的VPI工艺方案,并为线圈的正式生产提供参考经验。
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