Способ определения зон устойчивой и неустойчивой работы цилиндрических линейных индукционных электромагнитных насосов

Изобретение относится к МГД технике и может быть использовано в перекачивании жидких металлов в атомной энергетике в реакторах на быстрых нейтронах, а также в металлургической, химической и других отраслях промышленности. Способ состоит в определении зон устойчивой и неустойчивой работы цилиндрических линейных индукционных насосов с трехфазной обмоткой возбуждения с гладкой волной линейной токовой нагрузки. Катушки обмотки возбуждения имеют постоянное число витков по всей длине индуктора и создают переменное бегущее магнитное поле в цилиндрическом канале с жидким металлом, работающем при магнитном числе Рейнольдса R_m>1 и имеющем приближенную границу зон устойчивой и неустойчивой работы. Эти зоны определяются точкой пересечения двух модифицированных параметров: магнитогидродинамического взаимодействия _αRN и магнитного числа Рейнольдса αR_m. Точку пересечения этих параметров наносят на плоскость экспериментально установленной кривой αRN=f(αR_m). Причем, если указанная точка находится ниже кривой, то насос работает устойчиво, если выше, то насос работает неустойчиво, здесь - магнитное число Рейнольдса, - параметр магнитогидродинамического взаимодействия, R - средний радиус канала насоса, τ - полюсное деление, s - скольжение, μ - магнитная проницаемость жидкого металла, σ - электропроводность жидкого металла, ω=2πf - круговая частота, b - высота канала по жидкому металлу, δ' - эквивалентная высота немагнитного зазора, В_mΔ - индукция магнитного поля в середине канала, γ - плотность жидкого металла, v_s=2τf - синхронная скорость бегущего магнитного поля. Техническим результатом является возможность выбора рабочей точки насоса в области отсутствия низкочастотных пульсаций с более высоким к.п.д. и надежностью. 8 ил.

 

Изобретение относится к МГД-технике. Оно может быть использовано в линейных индукционных насосах для перекачивания жидких металлов в атомной энергетике в реакторах на быстрых нейтронах, а также в металлургической, химической и других отраслях промышленности, где необходимо перекачивать жидкие металлы.

Известен ряд конструкций цилиндрических линейных индукционных насосов (в книге В.А.Глухих, А.В.Тананаев, И.Р.Кириллов. Магнитная гидродинамика в ядерной энергетике. Москва, Энергоатомиздат, 1987 г.). Основными узлами цилиндрических насосов являются индуктор с трехфазной обмоткой, линейный канал кольцевого сечения, охватывающий внутренний магнитопровод. Трехфазная обмотка создает бегущее магнитное поле вдоль кольцевого канала, при взаимодействии магнитного поля с индуктированными в жидком металле токами возникает электромагнитная сила, перемещающая жидкий металл вдоль канала насоса в направлении бегущего магнитного поля. В зависимости от параметра электромагнитного взаимодействия R_m·s, (где R_m=μσωb/α² δ' - магнитное число Рейнольдса, s - скольжение, μ - магнитная проницаемость жидкого металла, σ - электропроводность жидкого металла, ω=2πf - угловая частота, α=π/τ, b - высота канала, δ' - эквивалентная высота немагнитного зазора), который определяет интенсивность электромагнитных процессов в канале насоса, имеют место два режима течения: при R_ms<<1 и R_ms≥1. При R_ms<<1 результирующее магнитное поле не зависит от величины и характера индуктированных токов в жидком металле. Такой режим характерен для насосов, перекачивающих тяжелые металлы: свинец, ртуть и др. Режим R_ms≥1 характерен для насосов, перекачивающих натрий. В этом случае поле от индуктированных токов в жидком металле определяет результирующее магнитное поле и имеет место взаимное влияние скорости жидкой электропроводящей среды и магнитного поля. В этих условиях появление малых возмущений скорости среды или магнитного поля вызывает возмущение индуктированного и результирующего магнитных полей, что приводит к возмущению скорости и развитию неоднородного течения, которое может быть при определенных условиях неустойчивым. После развития неустойчивости рабочее сечение канала разделяется на несколько зон по азимуту с различными скоростями. В результате напор-расходная характеристика насоса теряет монотонность, в ней обнаруживаются провалы и появляются низкочастотные 0,1÷10 Гц пульсации в давлении и расходе, обусловленные образованием вихревого течения в канале. Данная неустойчивость обусловлена размагничивающим действием вторичных токов в жидком металле и имеет некоторую аналогию с процессом опрокидывания асинхронных машин.

Известно также (в статье Гайлитис А., Лиелаусис О. Неустойчивость однородного распределения скоростей в индукционной машине. Магнитная гидродинамика, 1975, №1, с.87-101), что впервые теоретический анализ потери устойчивости на основе струйной одномерной турбулентной модели был сделан Гайлитисом А. и Лиелаусисом О., которые показали, что неустойчивость появляется, когда

и два безразмерных параметра R/τ и N₁>1 достаточно велики. Здесь R - средний радиус, τ - полюсное деление, N₁=2bB² _mΔσ/γλv_s - модифицированный параметр взаимодействия, где В_mΔ - индукция в середине канала, γ - плотность жидкого металла, λ - коэффициент сопротивления трения, v_S=2τf - синхронная скорость бегущего магнитного поля.

Критерий устойчивой работы насоса на напор-расходной характеристике, согласно указанной работе, определяется точкой пересечения прямой R_ms=1, отложенной от оси абсцисс с напор-расходной характеристикой насоса. При R_ms<1 имеем устойчивый режим насоса без низкочастотных колебаний, при R_ms>1 имеем неустойчивый режим с низкочастотными колебаниями. Более детально вопросы неустойчивой работы насоса были исследованы экспериментально и численным анализом (в статье Hideo Araseki, Igor R.Kirillov, Gennady V.Preslitsky, Anatoly P.Ogorodnikov. Magnetohydrodynamic instability in annular linear induction pump. Part I. Experiment and numerical analysis. Nuclear Engineering and Design. 227 (2004) 29-50), где было показано экспериметально, что основная несущая частота низкочастотных пульсаций лежит в диапазоне частот 0-10 Гц и амплитуда низкочастотных пульсаций в давлении возрастает с ростом скольжения. Здесь же численным анализом было установлено, что любая неоднородность по азимуту приложенного магнитного поля или скорости натрия на входе в насос вызывают образование вихревого течения в насосе при R_ms>1, вихревое течение вызывает низкочастотные пульсации в диапазоне 0-10 Гц. Кроме того, результаты экспериментального исследования насоса ALIP-2 при частоте 30 Гц и 50 Гц в названной статье показали, что граница R_ms=1 неустойчивой работы и появления низкочастотных пульсаций не является строгой, а является приближенной. При f=30 Гц низкочастотные пульсации появляются несколько раньше условия R_ms=1, а при f=50 Гц они появляются позднее при больших скольжениях (см. рис.4 в указанной работе).

Во избежание неприятных явлений, связанных с МГД-неустойчивостью, насос проектируют таким образом, чтобы его рабочая точка лежала в области R_ms<1. Для электромагнитных насосов малой мощности с расходом до ˜100 м³/ч условие R_ms<1 можно выполнить легко, так как отношение R/τ<1 мало и напор-расходная характеристика насоса в этом случае имеет монотонный характер практически во всем диапазоне скольжений. Однако для электромагнитных насосов средней и большой мощности с расходом >100 м³/ч отношение R/τ>1 становится больше единицы, и условие R_ms<1 выполнить тяжело, и напор-расходная характеристика насоса не имеет монотонного характера, в ней наблюдаются провалы и появляются низкочастотные колебания. Для подавления низкочастотных пульсаций и расширения диапазона устойчивой работы насосов было предложено использовать негладкую волну линейной токовой нагрузки (фазовый сдвиг) в обмотке насоса (Авторское свидетельство №1151175, кл. Н02К 44/06, БИ №29, 1991 г.). Однако использование фазового сдвига хотя и подавляет низкочастотные пульсации, но несколько снижает КПД насоса (статья Н.Araseki, I.R.Kirillov, G.V.Preslitsky, A.P.Ogorodnikov. Magnetohydrodynamic instability in annular linear induction pump. Part II. Suppression of instability by phase shift. Nuclear Engineering and Design, 236 (2006), 965-974). Поэтому в последние годы для расширения диапазона устойчивой работы было предложено питать насос напряжением пониженной частоты f=5÷20 Гц.

Известен также принимаемый за прототип самый мощный в мире, созданный и испытанный в последние годы, электромагнитный насос ЦЛИН-3/9600 с расходом 9600 м³/ч и развиваемым давлением ˜3 кгс/см² (статья Н.Ota, К.Katsuki, M.Funato, J.Taguchi, A.W.Fanning, Y.Doi, N.Nibe, M.Veta and T.Inagaki. Development of 160 m³/min Large Capacity Sodium-Immersed Self-Cooled Electromagnetic Pump. Journal of Nuclear Science and Technology, vol.41, p.511-523 (April 2004). Technical report). Насос создан совместно рядом японских и американских компаний и испытан в США. Испытания насоса были проведены в диапазоне частот 4÷23 Гц. В результате этих испытаний было установлено, что граница устойчивой работы насоса имеет место при R_ms≤1,4÷1,5, и, как видно из рис.14 и 15 указанной статьи, низкочастотные колебания появляются в насосе при R_ms>1,5.

Таким образом, в настоящее время нет однозначных критериев, которые бы могли четко определить границу устойчивой работы электромагнитных насосов. Двухмерные расчетные модели, разработанные в последнее время и основанные на совместном решении уравнений Максвелла и Навье-Стокса численными методами, хотя и позволяют определить границу возникновения низкочастотных пульсаций, но требуют много времени для расчета, они громоздки, трудоемки и недостаточно совершенны.

Изобретение направлено на решение задачи более точного установления зон устойчивой и неустойчивой работы насоса.

Это достигается тем, что в известном цилиндрическом линейном индукционном насосе, имеющем трехфазную обмотку с гладкой волной линейной токовой нагрузки, создающей переменное бегущее магнитное поле в цилиндрическом канале с жидким металлом, работающим при магнитном числе Рейнольдса R_m>1 и имеющем приближенную границу зон устойчивой и неустойчивой работы насоса (начало возникновения низкочастотных пульсаций давления), определяемую точкой пересечения параметра электромагнитного взаимодействия R_ms≈1 с напор-расходной (скольжение) характеристикой насоса, зоны устойчивой и неустойчивой работы насоса определяют точкой пересечения двух модифицированных параметров насоса: параметра магнитогидродинамического взаимодействия αRN и магнитного числа Рейнольдса αR_m, которую наносят на плоскость найденной экспериментальной универсальной кривой αRN=f(αR_m), причем, если указанная точка пересечения этих параметров расположена ниже кривой, то насос работает устойчиво, если указанная точка расположена выше кривой, то насос работает неустойчиво,

здесь - магнитное число Рейнольдса, параметр магнитогидродинамического взаимодействия, τ - полюсное деление, R - средний радиус канала насоса, s - скольжение, σ - электропроводность жидкого металла, μ - магнитная проницаемость жидкого металла, ω=2πf - круговая частота, b - высота канала по жидкому металлу, δ' - эквивалентная высота немагнитного зазора, γ - плотность жидкого металла, v_s - синхронная скорость бегущего магнитного поля, В_mΔ - индукция в середине канала.

Техническим результатом изобретения является возможность выбора рабочей точки насоса в области отсутствия низкочастотных пульсаций с более высоким КПД и надежностью.

На фиг.1 показан продольный разрез цилиндрического линейного индукционного насоса. Индукционный насос содержит наружный магнитопровод 1, в пазах которого находится трехфазная обмотка 2, внутренний магнитопровод 3, наружную 4 и внутреннюю обечайки 5, которые образуют кольцевой канал 6.

При включении напряжения на обмотку насоса 2 в кольцевом канале 6 между обечайками 4 и 5 образуется бегущее магнитное поле, под воздействием которого в жидком металле, находящимся в кольцевом канале 6, возникают кольцевые токи, при взаимодействии которых с приложенным магнитным полем возникает осевая электромагнитная сила, перемещающая жидкий металл от входа к выходу. При перекачивании жидкого металла с высокой электропроводностью, например натрия, параметр электромагнитного взаимодействия R_ms становится больше единицы R_ms>1 и напор-расходная характеристика теряет монотонность, в ней обнаруживаются провалы и возникают низкочастотные колебания, работа насоса становится неустойчивой.

Граница зон устойчивой и неустойчивой работы насосов нами была определена экспериментально на основе многочисленных экспериментальных исследований напор-расходных характеристик насоса ЦЛИН-1,5/430 на натрии при температуре 230°С. Испытания насоса были проведены на частотах от 5 до 50 Гц (диапазон частот 5÷50 Гц), при различном числе полюсов 2р_n=2; 4; 6; 12, но при одной и той же длине индуктора. Всего было проведено более 70 экспериментов, охватывающих диапазон изменения R_m=0,17÷29,8. На каждой частоте снималось до шести напор-расходных характеристик насоса при различных напряжениях источника питания. Оценка состояния МГД-процесса проводилась путем анализа спектров локальных давлений с помощью пьезоэлектрических датчиков p_p31, р₃₂ и тензорезисторных датчиков, установленных на выходе канала насоса со сдвигом на 90° относительно друг друга по азимуту канала. Граница устойчивости определялась по скачкообразному изменению интенсивности колебаний, которая оценивалась как среднее значение амплитуд пульсаций давления в диапазоне частот 0,3÷10 Гц для каждого из датчиков, отнесенная к электромагнитному давлению насоса, которое равно сумме развиваемого насосом давления и гидравлических потерь.

На фиг.2 представлены напор-расходная (скольжение) характеристика, полученная при p_n=3, U=250 В, f=50 Гц, R_m=3,28 и интенсивность колебаний для пьезодатчика p_p31 в относительных единицах. Анализ этих кривых показал, что монотонное увеличение давления p нарушается с уменьшением расхода Q (увеличением скольжения), в ней обнаруживается провал. Давление достигает максимума, при дальнейшем уменьшении расхода возникают низкочастотные колебания. Таким образом, напор-расходную характеристику насоса можно разбить на две зоны: устойчивой и неустойчивой работы. Между этими зонами существует граница, разделяющая зоны устойчивой и неустойчивой работы насоса, которая может быть определена экспериментально по спектрам сигналов пьезоэлектрических датчиков. Следует отметить, что в устойчивой зоне низкочастотные колебания на p-Q характеристике не обнаруживаются, как видно из временных фиг.3а и спектральных фиг.3б характеристик при Q=417 м³/ч (s=0,26). В спектре наблюдается только удвоенная частота источника питания f=100 Гц. В неустойчивой зоне временные и спектральные характеристики представлены на фиг.4а и 4б для Q=123 м³/ч (s=0,78). Для этой же p-Q характеристики в спектре обнаруживается полоса низких частот с выраженным максимумом (фиг.4б). В результате экспериментальных исследований p-Q характеристик было установлено, что колебания в характеристиках возникают при одном и том же значении параметра МГД-взаимодействия N, если магнитное число Рейнольдса R_m не меняется. Исходя из этого условия после обработки экспериментальных данных была установлена единая граница зон устойчивой и неустойчивой работы цилиндрических линейных индукционных насосов, которая показана на фиг.5а и часть ее в увеличенном масштабе по оси ординат на фиг.5б. В качестве координат установлены: по оси ординат - безразмерный модифицированный параметр магнитогидродинамического взаимодействия αRN, по оси абсцисс - модифицированный параметр магнитного числа Рейнольдса αR_m, который в отличие от безразмерного магнитного числа Рейнольдса R_m отличается дополнительным множителем и имеет размерность

Слева и ниже от кривой находится зона устойчивой работы насосов, а справа и выше кривой - неустойчивая зона. При этом минимальное значение αRN не равно нулю, а диапазон значений R_m=0,17÷29,8. Найденная граница зон устойчивой и неустойчивой работы насосов является универсальной и зависит только от параметров: N; R_m; α=π/τ; R. В диапазоне изменения αR_m от 7,5 до 45,7 кривая описывается экспонентой: а в диапазоне от 45,7 до 220 - полиномом: αRN=-19,7+4,25·10^-4·(αR_m)²-1,25·10^-6·(αR_m)³+87/Ln(αR_m).

Полученные результаты по определению границы зон устойчивой и неустойчивой работы насосов были сопоставлены с экспериментальными данными, полученными при испытаниях отечественных насосов типа ЦЛИН: ЦЛИН-5/700; ЦЛИН-5/850 (на частоте питания f=32 и 50 Гц); ЦЛИН-3/150; ЦЛИН-8/1200; ЦЛИН-3/3500 и самого мощного в мире электромагнитного насоса ЦЛИН-3/9600, испытанного в США совместно с Японией на частотах: 8; 12; 16; 20,5 Гц. Результаты испытаний и появление зоны неустойчивой работы нанесены на фиг.5а и фиг.5б. Как видно из этих кривых, зона появления колебаний, т.е. зона начала неустойчивой работы, хорошо совпадает с экспериментальной кривой. Некоторое отклонение от кривой для насосов ЦЛИН-5/850 и ЦЛИН-3/3500 на фиг.5б объясняется тем, что начало колебаний фиксировалось в них визуально по колебаниям стрелок в манометрах, кроме того, в насосе ЦЛИН-3/3500 для расширения устойчивой работы были установлены дополнительные полюса.

Таким образом, в результате проведенных исследований была экспериментально определена универсальная граница зон устойчивой и неустойчивой работы электромагнитных насосов цилиндрического типа, что имеет очень важное значение при разработке электромагнитных насосов средней и большой мощности, используемых в реакторах на быстрых нейтронах, как в основных, так и вспомогательных контурах, а также в системах аварийного расхолаживания реакторов. Поскольку выбор рабочей точки насоса с номинальными давлением и расходом в зоне устойчивой работы согласно предложенному техническому решению позволяет избежать в насосе появления неустойчивой работы и появления низкочастотных колебаний, а следовательно, вибрации насоса и трубопроводов, повысить надежность работы насоса и выбрать номинальную рабочую точку с более высоким КПД.

Способ определения зон устойчивой и неустойчивой работы цилиндрических линейных индукционных электромагнитных насосов, заключающийся в том, что в линейном индукционном насосе, имеющем трехфазную обмотку возбуждения с гладкой волной линейной токовой нагрузки, создающей переменное бегущее магнитное поле в цилиндрическом канале с жидким металлом, работающим при магнитном числе Рейнольдса R_m>1 и имеющим приближенную границу зон устойчивой и неустойчивой работы насоса, определяемую точкой пересечения параметра электромагнитного взаимодействия R_mS≈1 с напор-расходной характеристикой насоса, отличающийся тем, что зоны устойчивой и неустойчивой работы насоса определяют точкой пересечения двух модифицированных параметров: магнитогидродинамического взаимодействия αRN и магнитного числа Рейнольдса αR_m, которую наносят на плоскость экспериментальной универсальной кривой αRN=f(αR_m), причем, если указанная точка пересечения этих параметров расположена ниже кривой, то насос работает устойчиво, если указанная точка расположена выше кривой, то насос работает неустойчиво, здесь - магнитное число Рейнольдса;

- параметр магнитогидродинамического взаимодействия

; R - средний радиус канала насоса; τ - полюсное деление; s - скольжение; μ - магнитная проницаемость жидкого металла; σ - электропроводность жидкого металла; ω=2πf - круговая частота; b - высота канала по жидкому металлу; δ' - эквивалентная высота немагнитного зазора; В_mΔ - индукция магнитного поля в середине канала; γ - плотность жидкого металла; v_s=2τf - синхронная скорость бегущего магнитного поля.