一种用于聚变堆面向等离子体部件的连接结构

摘要

本发明属于核聚变领域，具体为一种用于聚变堆面向等离子体部件的连接结构。包括手指对和中心梁，通过调节槽和调节块的斜面配合，调整手指对和中心梁相对位置，并通过螺钉固定；同时手指设计有燕尾状突出部，中心梁设计有燕尾槽，手指之间、中心梁和手指之间的冷却通道连接方式为外部管管连接。由于采用斜面接触，螺钉固定前可相对滑动，能够调节手指的相对位置，在手指由于焊接产生一定范围的收缩量而导致一定角度倾斜后，螺钉仍可与中心梁正常连接，冷却管道采用外部管管连接，简化了手指前部内腔结构，且手指外部无焊接盖板，去除了由焊接盖板带来的变形。

说明书

技术领域

本发明属于核聚变领域，具体涉及一种等离子体部件的连接结构。

背景技术

包层系统是聚变堆内直接面向高温等离子体的部件，包括第一壁(FW)和屏蔽块(SB)，其中第一壁直接与等离子体接触。第一壁分为普通热负荷(NHFFW)和增强热负荷(EHFFW)两类，增强热负荷类型需承受最高为4.7MW/m

增强热负荷第一壁模型的特点是采用大量的焊接连接结构。第一壁共若干根手指分成左右对称的两组，每根手指与中心梁由前部和中部的两道焊缝连接。且该设计手指对内手指间、手指与中心梁的冷却通道连接采用圆管插入内孔焊。

根据以往工程实践经验，即便是采用热输入高度集中的激光焊接工艺，手指与中心梁的大截面焊接仍会引起较大的焊接变形，极大影响焊接处附近其它部件装配精度。另外，在第一壁后期模拟实验或运行过程中发现某一手指(对)存在缺陷，拆卸和更换缺陷手指几乎不可能，因手指部件在中心梁上密排布置，手指间距仅1mm，去除手指与中心梁连接焊缝难免会破坏周围部件，且手指与中心梁冷却通道连接处的内孔焊缝难以完美去除，去除后也无设计余量进行补焊，最终导致整个第一壁板的报废。在无损检测方面，拟采用一次斜入射超声纵波来实现对焊缝的检测，内孔焊缝达不到空间要求从而不可检。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于聚变堆面向等离子体部件的连接结构，可实现手指与中心梁多次可靠拆卸、分离与回装、补焊、固定，而不影响第一壁部件的性能。

本发明的技术方案如下：

一种用于聚变堆面向等离子体部件的连接结构，包括手指对和与手指对固定连接的中心梁，所述的手指对每个手指下表面设有向下延伸的连接部，所述的连接部后端面与中心梁的侧端面有一定间隙，所述的连接部上设有调节槽，所述的调节槽内设有调节块，并通过螺钉将调节块、连接部和中心梁三者固定；所述的调节槽与调节块通过斜面配合进行相对滑动，调节块上表面与调节槽内表面有一定间隙。

所述的手指对中的每一个手指下表面设有向下延伸的燕尾状突出部，所述的中心梁上端加工形状相同的燕尾槽，所述的燕尾状突出部设于尾槽内，且燕尾状突出部和燕尾槽之间保留燕尾槽后部间隙。

所述的燕尾状突出部的端部设有回勾结构，回勾结构的上表面与燕尾槽的安装面通过斜面配合。

所述的调节槽与调节块配合进行相对滑动的斜面角度为30°。

所述的中心梁上设有阶梯状的安装孔，调节块设于安装孔内，螺钉设于调节块的安装孔内，所述的螺钉沿轴向设有螺钉排气孔，所述调节块的沿截面径向设有调节块排气孔；螺钉在调节块内间隙安装，调节块排气孔与所述的间隙相通；调节块与中心梁安装孔阶梯处的安装面之间保留间隙b，调节块排气孔与间隙b相通；螺钉与中心梁安装孔底部保留间隙a，螺钉排气孔与该间隙a相通。

所述的螺钉排气孔和调节块排气孔的孔直径为1～5mm。

所述的手指对每个手指的燕尾状突出部处相对的内侧设有与冷却通道相通的手指对前部连接管，针对每个手指对中的两根手指对前部连接管通过焊接连通。

所述的中心梁的侧端面上设有与其内部冷却通道相通的两根水平管，即管道A和B，分别作为中心梁内部冷却通道出口和进口；所述的手指对每一根手指下表面设有两根与冷却通道相通的斜管，即管道C和D；所述的管道A和管道C连通，管道B和管道D连通。

通过管连接件将管道A和管道C连通，将管道B和管道D连通。

所述的斜管、水平管和手指对前部连接管的外直径为15～20mm，管壁厚2～3mm。

本发明的显著效果如下：手指前部采用燕尾槽的形式，中部采用可调节式的结构使用螺钉与中心梁连接。同时一对手指中部形成的一进一出两个管口通过管连接件与中心梁冷却通道相通，手指对内的2根手指前部采用管连接形成冷却回路。中心梁的冷却通道围绕手指对的冷却进出口管进行设计，分别由进口总管和出口总管分支出进口管和出口管到手指对中。手指对拆除时去除手指对进出口管处的管连接件，拆卸螺钉，从燕尾槽中即可取出手指对。重新安装时逆操作，最后焊接管连接件与手指进出口管即完成手指对的更换。这种设计方案中心梁与手指整体焊缝少，可在不影响第一壁性能的情况下实现多次手指与中心梁的分离与组合，且切割分离及补焊操作相较背景技术中所描述的设计方案简易许多。

手指与中心梁的结构连接方式为纯机械连接方式，前部燕尾槽有与水平面呈30°角的斜面，在斜面处手指与中心梁接触，其他面保持不小于1mm的间隙。手指中部调节块有与水平面呈30°角的斜面，在斜面处调节块与手指接触，其他面保持不小于1mm的间隙。手指中部连接部后端面与中心梁侧端面保持不小于0.5mm间隙。在手指中部水平管连接焊缝和斜管连接焊缝焊接收缩的情况下，手指可在燕尾槽和调节块处的斜面滑移(螺钉施加预紧力前)，调节螺钉与手指的相对位置，使螺钉仍可与中心梁正常连接，且避免了整个手指上由焊接变形产生的应力。燕尾槽卡位结构与中部可调节式螺钉结构都极易拆卸与安装。

现有技术每根手指采用2个42.5mm×15mm的大截面焊缝与中心梁焊接，焊接变形大，在不影响中心梁及其它无缺陷手指结构的情况下几乎无法维修更换缺陷手指(对)。本发明手指与中心梁的结构连接方式为纯机械连接方式，前部燕尾槽与中部可调节式螺钉的组合结构极易拆卸与安装，使手指具有可更换性。

现有技术的手指与手指、手指与中心梁之间冷却通道连接均采用圆管插入内孔焊，焊接、分离均较复杂，分离后对手指和中心梁结构均有部分损坏，且无法进行补焊。本申请中的手指对内的2根手指之间、中心梁和手指之间的冷却通道连接方式为外部管管连接，与背景技术中的内孔焊相比，简化了手指前部内腔结构，且手指外部无焊接盖板，去除了由焊接盖板带来的变形。外管焊接、切割分离、补焊操作简易快捷、一次成型，且可进行多次操作，在冷却通道连接方面使手指具有可更换性。

另外关于螺钉和调节块的设计，调节块不仅提供了手指的滑移斜面，且其前部的圆柱特征插入中心梁的凹槽内对螺钉起了定位作用。螺钉中心具有通孔，调节块未插入中心梁的部分具有通孔，二者均为排气孔，目的是为了排出各个排气孔对应的内部密闭空间内金属部件由于高温析出的气体，避免内部产生高压区。孔直径优选Φ2mm。

管管连接管道经过焊接工艺试验后优选采用外径Φ19mm，管壁厚2.1mm的尺寸，可以达到焊缝质量保证与管壁抗压能力之间的平衡。

附图说明

图1为用于聚变堆面向等离子体部件的连接结构示意图；

图2为图1的局部放大图；

图3为用于聚变堆面向等离子体部件的连接结构正视图；

图4为图3的调节块局部放大图；

图5为图4的侧视图；

图6为螺钉调节块连接示意图；

图7为外部管布置示意图；

图中：1.手指对；2.中心梁；3.连接部；4.侧端面；5.下表面；6.调节槽；7.调节块；8.螺钉；9.燕尾状突出部；10.燕尾槽；11.回勾结构；12.管连接件；13.斜管；14.水平管；15.斜面；16.螺钉排气孔；17.调节块排气孔；18.手指对前部连接管；19.回勾结构与燕尾槽配合斜面；20.燕尾槽后部间隙。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1～图3所示，该连接结构包括手指对1和与手指对固定连接的中心梁2。

手指对1与中心梁2机械连接。在手指对1的每个手指下表面5相同位置处加工向下延伸的连接部3，连接部3的后端面与中心梁2的侧端面4保持一定间隙，连接部3上沿着手指横向加工调节槽6，槽的开口方向朝向连接部3的前面。调节槽6内安装调节块7，并通过螺钉8在合适的位置将调节块7、连接部3和中心梁2三者固定。

为了进一步定位手指对1，在手指对1下表面加工向下延伸的燕尾状突出部9，并在中心梁2上端加工形状相同的燕尾槽10，将燕尾状突出部9安装在燕尾槽10内，燕尾状下端部设计有回勾结构11，其上表面与燕尾槽10的安装面通过斜面19配合，并且燕尾状突出部9和燕尾槽10之间保留燕尾槽后部间隙20。

如图4和图5所示，调节槽6为截面为半圆形，且底部加工为斜面15。所述的调节块7中间加工有螺孔，两端肩部的下端面加工成斜面15，调节块7的肩部位于调节槽6内，调节块7上表面与调节槽6内表面有一定间隙，并且通过两者的斜面接触配合。本实施例中，斜面角度为30°。

通过螺钉8固定调节块7、中心梁2和手指对1之前，可以通过斜面的相对滑动，调节手指对1的相对位置，即使手指对1由于焊接产生一定范围的收缩量而导致一定角度倾斜后，再通过螺钉8与中心梁2正常连接，当调节块7利用斜面相对手指移动时，燕尾槽后部间隙20的设计，使得手指对1和中心梁2相对位置得到调节，之后通过螺钉8将手指对1、中心梁2和调节块7固定连接。

为了排出金属部件由于高温析出的气体，保证可靠连接，在调节块7和螺钉8上都加工了排气孔结构。如图6所示，在中心梁2上加工阶梯状的安装孔，为了便于安装螺钉8和调节块7，调节块7安装孔内安装螺钉8，该螺钉8沿轴向加工螺钉排气孔16，同时调节块7的沿截面径向加工调节块排气孔17。由于螺钉8在调节块7内间隙安装，因此调节块排气孔17与该间隙相通，由于调节块7与中心梁2安装孔阶梯处安装面之间保留间隙b，因此调节块排气孔17与间隙b相通。由于螺钉8与中心梁2安装孔底部保留间隙a，因此螺钉排气孔16与该间隙a相通。实际上随着螺钉8将调节块7固定安装好，间隙a和间隙b就形成了密闭空间

除了上述机械机构的连接设计之外，手指对1的冷却通道连通全部采用外部管道焊接完成。如图1和图7所示，每个手指的燕尾状突出部9处相对的内侧安装与冷却通道相通的手指对前部连接管18，针对每个手指对1，两根手指对前部连接管18通过焊接连通，使得手指对1中每个手指内部的冷却通道连通。中心梁2的侧端面4上焊接与其内部冷却通道相通的两根水平管14，即管道A和B，分别作为中心梁2内部冷却通道出口和进口，并且管道A、B位于与侧端面4接触的手指对1的连接部3的下方，且两根管道A、B位于同一水平高度。手指对1每一根手指下表面安装两根斜管13，即管道C和D，分别与手指内部的冷却通道连通，管道C和D分别作为手指对1内冷却通道出口和进口。利用管连接件12将管道A和管道C连通，将管道B和管道D连通。

形成如下冷却回路：中心梁冷却通道进口(B)→手指对冷却通道进口(D)→单根手指内冷却通道→手指对前部连接管18→手指对另一根手指内冷却通道→手指对冷却水通道出口(C)→中心梁冷却通道出口(A)。

手指对与中心梁装配固定，具体步骤如下：

1.选择一对手指并完成组装，使用管管焊接机完成手指对前部管18焊接。

2.使用管管焊接机将一对管连接件12焊接在中心梁的冷却液进出管口(水平管14，即A、B)上，管口位置对应步骤1中手指对1将要安装在中心梁2上的位置。

3.将步骤1中手指对前部卡入中心梁燕尾槽，位置对应步骤2中管连接件安装位置。

4.在连接部3处依次安装调节块7、螺钉8，螺钉仅拧入中心梁不固定调节块与手指。

5.使用管管焊接机将手指对中部进出口管(斜管13，即C、D)与步骤2中管连接件焊接。

6.对步骤4中螺钉8施加一定预紧力，固定调节块7。

7.重复步骤1～6完成共20对手指对的装配即完成整个第一壁手指与中心梁的装配。

手指对与中心梁拆卸分离，具体步骤如下：

1.切除手指对与中心梁装配固定步骤5中手指对进出口管(斜管13，即C、D)与管连接件焊缝。

2.依次拆除手指中部的螺钉8、调节块7。

3.将手指前部从中心梁燕尾槽中取出。

拆卸后的手指对回装至中心梁，具体步骤如下：

1.切除手指对与中心梁装配固定步骤2中的中心梁与管连接件焊缝，分离管连接管。

2.对中心梁上管口切缝、将要回装的手指对进出口管(斜管13)管口切缝适当处理。

3.使用管管焊接机将一对两端长度都适应性加长的管连接件12焊接在步骤1中的中心梁的冷却液进出管(水平管14，即A、B)上。

4.将要回装的手指前部卡入中心梁燕尾槽，位置对应步骤3中管连接件12安装位置。

5.在手指对中部依次安装调节块、螺钉，螺钉仅拧入中心梁不固定调节块与手指。

6.使用管管焊接机将手指对中部进出口管(斜管13，即CD)与步骤3中管连接件12焊接。

7.对步骤5中螺钉施加一定预紧力，固定调节块。