Система охлаждения большого адронного коллайдера

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

мента. Использование шаблонов упрощает создание отчетов и графиков требуемой формы для использования их на производстве и в учебном процессе. Благодаря интеграции текста, формул и графиков в одном документе, можно с легкостью визуализировать, иллюстрировать и снабжать вычислительные работы подробными аннотациями. Все решения будут полностью документировано и записано в одном месте.

Реализация математической модели в программном обеспечении позволяет осуществить большин-

ство расчетов связанных с процессом выворачивания разделителя и получить ряд другой важной информации. В программе осуществлено сравнение теоретических данных с полученными экспериментально, что позволяет выявить особенности и проблемы процесса выворачивания диафрагмы-разделителя.

© Кубриков М. В., Рогова Т. П., Журавлев В. Ю., 2010

УДК 621.384.6

А. Н. Мелконян, Е. А. Типляшина Научный руководитель - А. И. Серко Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ БОЛЬШОГО АДРОННОГО КОЛЛАЙДЕРА

Представлены основные понятия и характеристики самой дорогой экспериментальной физической установки - Большого адронного коллайдера (БАК). Рассмотрена общая схема системы охлаждения и приведены числовые данные по эксплуатации БАК.

Ускоритель - это установка для разгона пучков элементарных частиц; коллайдер - это тип ускорителя, в котором разгоняются два пучка частиц в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. В русскоязычной терминологии коллайдер называют также ускорителем на встречных пучках.

С точки зрения научной задачи сам ускоритель выполняет только полдела - он лишь сталкивает частицы. Изучением результатов столкновения занимаются детекторы элементарных частиц - специальные многослойные установки, собранные вокруг точек столкновения. Иногда ускорителем называют тандем «ускоритель + детекторы»; в этом случае, если надо подчеркнуть, что речь идет именно об ускорителе, а не о детекторах, часто говорят «ускорительное кольцо».

Большой Адронный Коллайдер (LHC) - крупнейшая в мире установка для ускорения, накопления и столкновения пучков частиц сверхвысоких энергий, построенная на базе Европейского исследовательского центра физики элементарных частиц. CERN находится на границе Швейцарии и Франции, вблизи Женевы. LHC - циклический (то есть кольцевой) коллайдер; пучки протонов или ядер свинца циркулируют в нем непрерывно, совершая свыше 10 тысяч оборотов в секунду и сталкиваясь на каждом круге со встречным пучком. Пучки протонов будут сталкиваться с энергией до 7 ТэВ, электронно-протонные пучки - с энергией до 1,5 ТэВ, а пучки тяжелых ионов (например, свинца) - с общей энергией 1250 ТэВ. Длина ускорительного кольца, в котором ускоряются частицы, - 27 км. Все кольцо LHC поделено на восемь секторов. На каждом участке стоят в ряд магниты, управляющие протонным пучком. Благодаря сильному магнитному полю поворотных магнитов сгустки протонов не улетают

прочь по касательной, а постоянно поворачиваются, оставаясь внутри ускорительного кольца. Эти магниты формируют орбиту, вдоль которой движутся протоны. Кроме того, специальные фокусирующие магниты сдерживают поперечные колебания протонов относительно «идеальной» орбиты, не давая им задевать стенки довольно узкой (диаметром несколько сантиметров) вакуумной трубы. Подобное магнитное поле можно получить только с использованием эффекта сверхпроводимости. ЬИС самая большая «сверхпроводящая» установка в мире с удерживающим магнитным полем величиной 10 Тесла. Около 4000 т металла охлаждается до температуры всего на 1,9 выше абсолютного нуля. В результате ток в 1,8 млн ампер будет проходить по сверхпроводящим кабелям почти без потерь.

Для того чтобы протонные пучки могли свободно циркулировать в ЬИС, внутри ускорительной трубы создан сверхглубокий вакуум. Давление остаточных газов составляет порядка 10-13 атм.

Важной частью инфраструктуры ускорителя является криогенная система, охлаждающая ускорительное кольцо. Она поддерживает в поворотных магнитах (а также в некоторых других элементах) температуру 1,9 К (т. е. -271,25 °С), при которой сверхпроводник безопасно держит нужный ток и создает требуемое магнитное поле. Для поддержания рабочей температуры ускорителя используется уникально высокая теплопроводность сверхтекучего гелия. По гелиевому каналу на ЬИС можно передавать киловатты теплового потока при перепаде температур всего 0,1 К на расстоянии в километр.

Криогенная система на ЬИС многоступенчатая. Для охлаждения используется 12 миллионов литров жидкого азота и почти миллион литров жидкого гелия. ЬИС в ходе работы будет потреблять 2-3 гру-

Секция «Энергодвигательные установки и системы терморегулирования»

зовика жидкого азота и порядка 500 литров жидкого гелия в день.

Общий вид ускорительного кольца LHC: SPS - протонный суперсинхротрон; ATLAS - универсальный детектор; ALICE - детектор тяжелых ионов; LHCb -детектор для экспериментов с è-андронами; СМБ - компактный мюонный соленоид

Вообще, эта система охлаждения уже давно стала головной болью участников установки ATLAS. Например, в ноябре 2008 г., после того, как был открыт доступ в детекторный зал, было обнаружено, что часть системы покрыта толстым слоем льда. К счастью, эта неприятность быстро улади-

лась - ее причиной стал плохо закрытый кран. Однако затем появились проблемы посерьезнее. Еще с августа отмечалось, что система охлаждения дает небольшую течь сразу в нескольких местах. Это все выглядело мелкой неполадкой, пока вышедший отчет не вскрыл реальное положение дел. Выяснилось, что причиной являются многочисленные трещины, которые стали образовываться в материале компрессоров. Компрессоры предназначены для сжатия хладагента, возвращающегося по трубам от детектора, и, поэтому из-за перепада давления, они испытывают постоянные вибрации. Эти вибрации оказались заметно сильнее, чем предполагалось при конструировании системы охлаждения. То есть компрессоры банально изнашиваются, причем с большой скоростью. На устранение неполадок детектора ATLAS выделено время до конца марта 2009 г. Затем он вновь будет собран, после чего примерно месяц продлится его общее тестирование

Инженеры рассчитывают, что к маю 2009 г, когда, возможно, возобновятся эксперименты с пучками, детектор будет полностью готов к работе.

Библиографические ссылки

1. Оганесян Т. В. Поймать частицу Бога. // Эксперт. 2008. № 36. С. 53.

2. URL: http://www.nkj.ru/

3. URL: http://elementy.ru/

© Мелконян А. Н., Типляшина Е. А., Серко А. И., 2010

УДК 621.431.75

В. В. Нижегородцев Научный руководитель - Д. К. Новиков Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева, Самара

КОНСТРУКТОРСКИЙ АНАЛИЗ СОЕДИНЕНИЯ ДИСКА ТУРБИНЫ С ВАЛОМ

В ДВИГАТЕЛЕ ГТК 10-4

Данная работа посвящена анализу соединения диска турбины с валом компрессора ротора двигателя ГТК 10-4. Рассмотрена модель сплошного диска постоянной толщины, под действием контурной нагрузки. В результате расчетов получено, что при работе в условиях эксплуатации натяг в соединении сохраняется.

В процессе эксплуатации агрегата ГТК-10-4 имеют место случаи интенсивного госта вибраций в осевом направлении на опорном подшипнике ротора турбокомпрессора высокого давления. Был проведен расчет роторной динамики [1], но причина повышенных вибраций так и не была выяснена. Одной из причин повышенной вибрации может являться потеря натяга в соединении диска турбины с валом.

Поэтому настоящая работа посвящена конструкторскому анализу соединения диска турбины высокого давления с ротором компрессора. Плоское изо-

бражение места соединения показано на рисунке, а значение натягов в сопряжениях в таблице.

Анализ сопряжений проводился в два этапа. Первый этап - это расчет значений натягов при нагретом диске, а второй - расчет относительных удлинений в месте посадки, возникших от растяжения диска под действием центробежных сил.

Расчет натягов при нагретом диске. При работе двигателя происходит нагрев диска турбины. Несмотря на то, что соединение находится далеко от горячего газового потока, в нем все же происходит нагрев примерно до 540К [2]. Так как детали в со-