Цилиндрический линейный индукционный насос

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в линейных индукционных насосах для перекачивания жидких металлов в атомной энергетике, химической и металлургической промышленности, а также в линейных индукционных двигателях. Технический результат состоит в снижении пульсаций давления с двойной частотой источника питания, повышении кпд и развиваемого давления. Насос состоит из наружного и внутреннего магнитопроводов с шунтирующими участками на входе и выходе. В пазах наружного магнитопровода уложена трехфазная обмотка возбуждения с одинаковым расположением фазных зон на парах полюсов. Шунтирующий участок на выходе магнитопровода имеет увеличенную длину по сравнению с шунтирующим участком на входе. Длина шунтирующего участка на выходе не менее длины фазной зоны и не более длины полюсного деления. 12 ил.

 

Изобретение относится к МГД технике. Оно может быть использовано в линейных индукционных насосах для перекачивания жидких металлов в атомной энергетике, в химической и металлургической промышленности, а также в линейных индукционных двигателях.

Известен ряд конструкций цилиндрических индукционных насосов (в книге В.А.Глухих, А.В.Тананаев, И.Р.Кириллов. Магнитная гидродинамика в ядерной энергетике. Москва, Энергоатомиздат, 1987). Основными узлами насосов являются индуктор с трехфазной обмоткой, линейный канал и магнитопровод. Трехфазная обмотка создает бегущее магнитное поле вдоль канала, при взаимодействии которого с индуктированными в жидком металле токами возникает электромагнитная сила, перемещающая жидкий металл в канале насоса.

Известно также (в статье А.П.Огородников, Г.В.Преслицкий. Особенности распределения электромагнитного давления и двойных пульсаций по длине канала в цилиндрических линейных индукционных насосах при R_m≪1. Сборник ВАНТ, серия электрофизическая аппаратура, выпуск 1(27), Санкт-Петербург, 2002 г., с.67-78), что в линейных индукционных насосах в развиваемом давлении и расходе имеют место пульсации давления с двойной частотой источника электропитания. Здесь R_m - магнитное число Рейнольдса. Указанные пульсации связаны с продольным концевым эффектом в первичной цепи и со входом и выходом рабочего тела в зону магнитного поля. Электромагнитное давление на выходе насоса, как правило, содержит компоненту, независимую от времени, а также компоненту, пропорциональную sin2ωt, обусловленную шунтированием магнитного потока, и компоненту, пропорциональную cos2ωt, обусловленную скоростью движения жидкого металла. Амплитуда обеих составляющих пропорциональна электропроводности жидкого металла σ, квадрату индукции приложенного магнитного поля , длине насоса L, коэффициенту рассеяния магнитного потока (2L_ш - длина шунтирующих зон), скорости бегущего магнитного поля v_f (компонента, пропорциональная sin2ωt) или скорости жидкого металла (компонента, пропорциональная cos2ωt). Причем определяющий вклад в результирующую амплитуду пульсаций давления с двойной частотой источника электропитания вносит компонента, пропорциональная cos2ωt. Пульсации давления с двойной частотой источника электропитания наиболее сильно проявляются в области малых скольжении s, где обычно выбирается рабочая точка насоса. Следует заметить, что указанные пульсации наиболее опасны при пониженных частотах источника питания f=5-20 Гц, так как они могут вызвать резонансные явления в контурах.

Для снижения двойных пульсаций давления и улучшения напор-расходных характеристик насосов предложены (в статье Н.Araseki, I.R.Kirillov, G.V.Preslitsky, A.P.Ogorodnikov. Double-supply-frequency pressure pulsation in annular linear induction pump, part II: reduction of pulsation by linear winding at both stator ends. Nuclear Engineering and Design, vol.200, 2000, pp.397-406) методы градации (уменьшения) линейной токовой нагрузки на концах индуктора по линейному закону на длине одного или двух полюсных делений τ. Указанные методы градации оказались эффективными и прошли экспериментальную проверку. Однако использование градации хотя и улучшает характеристики насоса и способствует снижению двойных пульсаций в давлении и расходе, но приводит к увеличению потребляемого тока по сравнению с обмоткой без градации на 10-15%, кроме того, усложняет технологию изготовления насоса, так как требует изготовления катушек в обмотке возбуждения насоса с различным числом витков.

Известен также (авторское свидетельство СССР №896722, кл. Н 02 К 41/025, БИ №1, 1982, с.292) индуктор линейного индукционного насоса, в пазах которого уложена трехфазная обмотка возбуждения с целым числом пар полюсов, имеющая постоянное число витков в средней части и переменное в концевых частях, в котором магнитопровод имеет по концам шунтирующие участки. В таком индукторе градация линейной токовой нагрузки выполнена по линейному закону в пределах каждой фазной зоны на длине полюсного деления по концам индуктора.

Недостатком указанного индуктора является усложнение технологии, так как требуется изготовление катушек обмотки возбуждения с переменным числом витков в фазных зонах, а наличие одинаковой длины шунтирующих участков на входе и выходе не способствует снижению пульсаций давления с двойной частотой источника электропитания и приводит к снижению кпд насоса.

Известен также принимаемый за прототип электромагнитный индукционный насос (авторское свидетельство СССР №865098, кл. Н 02 К 44/02, БИ №14, 1982 г.), имеющий трехфазную обмотку с постоянным числом витков по всей длине индуктора, в котором для уменьшения низкочастотных пульсаций давления и расхода в области неоднородного течения при R_ms>1 каждая последующая пара полюсов отделена от предыдущей пары полюсов в направлении движения жидкого металла шунтирующими участками различной длины, кратными зубцовому делению. Наличие шунтирующих участков в таком насосе по длине позволяет уменьшить неоднородность профиля скорости, стабилизировать течение и снизить низкочастотные пульсации давления, обусловленные вихревым течением в канале, в области неоднородного течения при R_ms>1. Недостатком такого насоса является то, что наличие шунтирующих участков по всей длине насоса приводит к уменьшению кпд насоса и не способствует подавлению пульсаций давления с двойной частотой источника электропитания в области однородного течения при R_ms>1, где выбирается рабочая точка насоса.

Изобретение направлено на решение задачи уменьшения пульсаций давления с двойной частотой источника электропитания, повышения развиваемого давления и коэффициента полезного действия за счет расположения на выходном конце насоса дополнительного шунтирующего участка.

Это достигается тем, что в известном электромагнитном насосе, содержащем трехфазную обмотку с постоянным числом витков по длине насоса и магнитопровод с явно выраженными шунтирующими участками, шунтирующий участок, расположенный на выходе насоса, имеет большую длину, чем на входе. Причем длина его не менее длины фазной зоны и не более полюсного деления τ.

Как показали теоретические и экспериментальные исследования пульсаций давления с двойной частотой источника электропитания и исследования напор-расходных характеристик насоса с расположением шунтирующих зон на входе, на выходе и одновременно на входе и выходе, при расположении шунтирующей зоны на выходе в соответствии с предлагаемым техническим решением удается снизить пульсации давления с двойной частотой источника электропитания в 2-3 раза и повысить кпд насоса на 3-5% по сравнению с насосом, имеющим шунтирующую зону на входе той же длины.

На фиг.1 показан продольный разрез цилиндрического линейного индукционного насоса. На фиг.2 приведена зависимость развиваемого давления насоса от скольжения при одном и том же напряжении питания U=72 В, f=15 Гц и различном расположении явно выраженных шунтирующих зон по отношению к обмотке возбуждения насоса. На фиг.3 приведена зависимость кпд насоса от скольжения при U=72 В, f=15 Гц и при различном расположении шунтирующих зон. На фиг.4 приведена зависимость относительной амплитуды пульсаций давления с двойной частотой источника питания от скольжения при U=72 В, f=15 Гц и различном расположении шунтирующих зон. На фиг.5 показано распределение индукции результирующего магнитного поля по длине насоса и спад его за индуктором, измеренное измерительными рамками при исследовании напор-расходных характеристик насоса при U=72 В, f=15 Гц в зависимости от скольжения и различном расположении шунтирующих зон: на выходе (5а) L_ш2=2τ; на входе и выходе (5b) L_ш1=L_ш2=τ и на входе (5с) L_ш1=2τ. На этой же фиг.5(d) показано распределение индукции магнитного поля по длине и спад его на выходе за индуктором без явно выраженных шунтирующих зон при U=72 В, f=15 Гц для данного насоса. На фиг.6 показано аналогичное распределение результирующего магнитного поля по дине и его спад за индуктором для данного насоса, но с одноступенчатой градацией (половинное число витков в катушках) на длине τ на обоих концах индуктора при 2р_п=5, U=110 В, f=30 Гц и различном расположении шунтирующих зон: на выходе (6а) L_ш2=τ; на входе и выходе (6b) L_ш1=L_ш2=τ/2; на входе (6с) L_ш1=τ и без градации и дополнительных шунтирующих зон (6d) при U=160 В, f=30 Гц и 2р_п=6.

Индукционный насос на фиг.1 содержит наружный магнитопровод 1, в пазах которого уложена трехфазная обмотка 2. Внутренний магнитопровод 3 охвачен наружной тонкостенной обечайкой 4 и внутренней тонкостенной обечайкой 5, охватывающей внутренний магнитопровод. Обечайки, наружная 4 и внутренняя 5, образуют кольцевой канал 6. Наружный магнитпровод 1 и внутренний магнитопровод 3 содержат шунтирующие участки на входе 7 и на выходе 8. Причем шунтирующий участок на входе 7 меньше, чем на выходе L_ш2>L_ш1.

При включении напряжения на обмотку насоса 2 в кольцевом канале 6 между наружным 1 и внутренним магнитопроводом 3 образуется бегущее магнитное поле, под воздействием которого в жидком металле в кольцевом канале 6 возникают кольцевые токи, при взаимодействии этих токов с приложенным магнитным полем возникает осевая электромагнитная сила, перемещающая жидкий металл от входа к выходу.

На фиг.2 приведены напор-расходные характеристики насоса при f=15 Гц на натрии, при температуре 250°С, при одном и том же напряжении U=72 В, но при различном расположении шунтирующих зон: на выходе L_ш2=2τ; на входе и выходе L_ш1=L_ш2=τ и на входе L_ш1=2τ. Как видно из фиг.2, насос развивает большее давление при расположении шунтирующей зоны на выходе. На фиг.3 приведена зависимость кпд насоса от скольжения для напор-расходных характеристик, приведенных на фиг.2. Из фиг.3 видно, что расположение шунтирующей зоны на выходе приводит к увеличению кпд насоса на 3-5% при одном и том же скольжении. На фиг.4 приведены зависимости относительной амплитуды пульсаций давления от скольжения для приведенных на фиг.2 напор-расходных характеристик насоса. Измерение амплитуды двойных пульсаций давления было проведено четырьмя пьезоэлектрическими датчиками давления, непосредственно контактирующими с натрием, установленными на входе и выходе насоса. На фиг.4 показана средняя относительная амплитуда двойных пульсаций, усредненная по четырем пьезоэлектрическим датчикам. За базисное давление принято электромагнитное давление р_эм, равное сумме развиваемого насосом давления и гидравлических потерь в канале насоса, определенных экспериментально, за счет прокачки натрия другим насосом. Как видно из фиг.4, расположение шунтирующей зоны на выходе позволяет уменьшить амплитуду двойных пульсаций в насосе в 2-3 раза по сравнению с расположением этой зоны на входе.

Как показали теоретические и экспериментальные исследования пульсаций давления с двойной частотой источника питания, результирующая амплитуда двойных пульсаций давления состоит из двух составляющих: одна из которых изменяется по sin2ωt и зависит от длины шунтирующих участков на входе и выходе, другая составляющая изменяется по cos2ωt, зависит от скорости движения жидкого металла и не зависит от длины шунтирующих зон. Составляющая по sin2ωt обусловлена разностью пульсирующих компонент по sin2ωt от шунтирующих зон на входе и выходе, причем при одинаковой длине шунтирующих участков (зон) на входе и выходе составляющая по sin2ωt на входе в три раза больше, чем на выходе. Поэтому при длине шунтирующей зоны на выходе L_ш2 больше, чем L_ш1 в три раза составляющая по sin2ωt в результирующей амплитуде двойных пульсаций давления будет отсутствовать или сведена к минимуму. При отсутствии явно выраженных шунтирующих участков в насосах величина их обычно составляет L_ш1=L_ш2≈t_z и равна примерно зубцовому делению за счет рассеяния магнитного потока с торцевых и боковых граней магнитопровода. Поэтому для уменьшения пульсирующей составляющей по sin2ωt величина шунтирующей зоны на выходе L_ш2 должна быть не менее 3t_z. В насосах, перекачивающих натрий, оптимальная длина фазной зоны обычно составляет 2t_z или 3t_z при числе пазов на полюс и фазу q=2 или q=3. Поэтому оптимальная длина выходного шунтирующего участка для снижения составляющей sin2ωt в двойных пульсациях давления должна быть не менее длины фазной зоны.

Оптимальная величина выходного шунтирующего участка для снижения составляющей по cos2ωt, как было установлено в ходе экспериментальных исследований, должна быть не более полюсного деления. Увеличение длины шунтирующего участка на выходе более полюсного деления τ не приводит, как показано в результате экспериментальных исследований, к существенному снижению амплитуды двойных пульсаций давления, но приводит к увеличению длины насоса и увеличивает его массу. Поясним это.

Как показано нами расчетным путем (в статье Н.Araseki, I.R.Kirillov, G.V.Preslitsky, A.P.Ogorodnikov. Double-supply-frequency pressure pulsation in annular linear induction pump, part I: measurement and nuclear analysis. Nuclear Engineering and Design, vol.195, 2000, pp.85-100) и подтверждено экспериментально распределением индукции результирующего магнитного поля по длине насоса без явно выраженных шунтирующих участков фиг.5d и 6d, на выходном конце насоса имеет место резкий всплеск электромагнитной силы (индукции), который вносит основной вклад в пульсации давления с двойной частотой источника питания, как показали экспериментальные исследования, уменьшения возмущения электромагнитной силы и снижения амплитуды двойных пульсаций давления можно добиться за счет расположения на выходе насоса дополнительного шунтирующего участка. На фиг.5а, b, с показано распределение индукции результирующего магнитного поля по длине и на спаде за индуктором при одном и том же U=72 В, f=15 Гц, при различных скольжениях, измеренное измерительными рамками шириной, равной зубцовому делению t_z, но различном расположении шунтирующих зон относительно зоны бегущего магнитного поля: на выходе L_ш2=2τ, на входе и выходе L_ш1=L_ш2=τ и на входе L_ш1=2τ. На этой же фигуре 5d приведено распределение результирующей индукции для данного индуктора без явно выраженных шунтирующих участков при различных скольжениях. Как видно из фиг.5, наибольший всплеск результирующей индукции, а следовательно, и возмущения электромагнитной силы имеет место в том случае, когда шунтирующая зона расположена на входе или отсутствует в явном виде. Это подтверждается и измерениями амплитуды двойных пульсаций давления, показанных на фиг.4. Расположение шунтирующей зоны на выходе приводит к повышению развиваемого насосом давления на фиг.2 и кпд насоса на фиг.3.

Следует отметить, что указанный эффект увеличения развиваемого давления и кпд насоса, а также снижения двойных пульсаций давления имеет место не только в насосах с постоянным числом витков по длине насоса, но и с обмоткой, имеющей одноступенчатую градацию (половинное число витков на концах индуктора на длине τ). На фиг.6а, b, с приведено распределение индукции результирующего магнитного поля по длине для насоса при f=30 Гц с обмоткой, имеющей 2р_п=5, на краях у которого на длине τ было половинное число витков (градация), с расположением шунтирующих зон: на выходе (6а) L_ш2=τ; на входе и выходе (6b) L_ш1=L_ш2=τ/2; на входе (6с) L_ш1=τ; и без явно выраженных шунтирующих зон и без градации для этого же индуктора (6d). Как видно из фиг.6, расположение зоны на выходе насоса фиг.6а приводит к уменьшению всплеска индукции результирующего магнитного поля (уменьшению возмущения электромагнитной силы) на выходном конце индуктора по сравнению с ее расположением на входе (6с), а следовательно, к снижению двойных пульсаций давления на выходе насоса, а также к увеличению развиваемого давления и повышению кпд насоса.

Указанный эффект повышения развиваемого давления и кпд насоса с одновременным снижением двойных пульсаций за счет расположения шунтирующей зоны на выходе насоса имеет место также и при других частотах 30 и 50 Гц.

Таким образом, в электромагнитном линейном индукционном насосе за счет расположения дополнительной шунтирующей зоны на выходе можно снизить пульсации давления с двойной частотой источника электропитания, увеличить развиваемое насосом давление и повысить его кпд.

Цилиндрический линейный индукционный насос, содержащий канал, внутренний и наружный магнитопроводы, в пазах наружного магнитопровода уложена трехфазная обмотка возбуждения с одинаковым расположением фазных зон на парах полюсов и он выполнен с шунтирующими участками на его концах, отличающийся тем, что на выходном конце наружного магнитопровода выполнен шунтирующий участок увеличенной длины по сравнению с шунтирующим участком на его входном конце, причем длина шунтирующего участка на выходном конце наружного магнитопровода не менее длины фазной зоны и не более длины полюсного деления трехфазной обмотки возбуждения.