ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ НАСОС Российский патент 2014 года по МПК H02K44/06 

Изобретение относится к МГД-технике, в частности к электромагнитным индукционным насосам для перекачивания жидких металлов на атомных электростанциях, в химической и металлургической отраслям промышленности.

Известен ряд конструкций цилиндрических линейных (ЦЛИН) и винтовых (ВИН) индукционных электромагнитных насосов (ЭМН), основными узлами которых являются индуктор с обмоткой и канал, образованный коаксиальными обечайками с внутренним магнитопроводом [Глухих В.А., Тананаев А.В., Кириллов И.Р. Магнитная гидродинамика в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат. - 1987. - с.196, рис.6.4 (а, б, г)]. Обмотка индуктора создает бегущее магнитное поле, при взаимодействии которого с индуктированными в жидком металле токами возникают электромагнитные усилия, обеспечивающие перемещение жидкого металла.

Однако такие конструкции индукционных ЭМН имеют недостатки. В них тепловой поток от канала подогревает индуктор, включая обмотку индукционного ЭМН, что приводит к повышению температуры обмотки и, следовательно, повышению ее активного сопротивления. В итоге повышение температуры (сопротивления) обмотки ведет к повышению потерь на создание магнитного поля, что в конечном счете приводит к снижению коэффициента полезного действия (КПД) и ресурса работы индукционного ЭМН.

Известен электромагнитный индукционный насос [Анисимов А.М. и др. Атомная энергия. - 2012. - Т.112. - Вып.6. - С.362,], в котором для уменьшения нагрева обмотки установлен тепловой экран. Недостатком такого насоса является то, что в таком экране также будут индуктироваться и токи, аналогичные токам в рабочей среде (перекачиваемом жидком металле), что также приводит к снижению коэффициента полезного действия и ресурса работы.

Известен принимаемый за прототип электромагнитный индукционный насос с электромагнитным экраном [Применение МГД-устройств в металлургии / Под ред. В.Н. Тимофеева, Е.А. Головенко, Е.В. Кузнецова. - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2007. - С.253], представляющим собой сектор полого кругового цилиндра с углом раскрытия Р. Достоинством данной конструкции является надежность работы индукционного ЭМН и простота регулирования скорости вращения экрана.

Недостатком такого насоса является то, что в таком экране также будут индуктироваться и замыкаться вихревые токи, вызванные разностью электрических потенциалов под разноименными полюсами, что также приводит к снижению коэффициента полезного действия и ресурса работы.

Заявляемое техническое решение направлено на устранение вышеуказанных недостатков, присущих аналогу и прототипу.

Техническим результатом заявляемого решения является повышение коэффициента полезного действия и ресурса работы индукционных электромагнитных насосов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в электромагнитном индукционном насосе, содержащем размещенный между индуктором и каналом тепловой экран, характеризующихся средним диаметром D, продольной осью канала, сторонами и активной длиной индуктора, числом пар полюсов p, полюсными делениями τ, с целью повышения коэффициента полезного действия и ресурса работы электромагнитного насоса тепловой экран выполнен в виде k-заходной(ых) спирали(ей), линия разреза которой(ых) образует угол наклона к продольной оси канала α, где k - положительное целое число.

В конструкциях индукционных ЭМН с тепловым экраном, выполненным в виде k-заходной(ых) спирали(ей) (далее в виде спирали), линия разреза которой(ых) образует угол наклона к продольной оси канала, имеют место следующие явления. Величина вихревого тока в тепловом экране такого насосов определяется, при прочих равных условиях, разностью соседних потенциалов и сопротивлением для контуров вихревых токов. В индукционных ЭМН типа ЦЛИН при выполнении экрана в виде спирали происходит, во-первых, дробление (уменьшение) разности соседних потенциалов вдоль продольной оси насоса, а во-вторых, увеличение длины (вытягивание) контуров вихревых токов. Каждое из этих явлений ведет в конечном итоге к уменьшению величины вихревых токов, а следовательно, к уменьшению потерь, снижению температуры экрана, то есть обмотки и в конечном счете повышению КПД и ресурса работы индукционных ЭМН типа ЦЛИН.

В индукционном ЭМН типа ВИН при выполнении экрана в виде спирали происходит увеличение длины (вытягивание) и сужение контуров вихревых токов. Таким образом, увеличивается электрическое сопротивление для них, что в конечном счете ведет к уменьшению величины вихревых токов, а следовательно, к уменьшению потерь, снижению температуры экрана, то есть обмотки и в конечном счете повышению КПД и ресурса индукционных ЭМН типа ВИН.

Угол наклона к продольной оси канала α определяется по формуле:

$$\alpha =arctg\frac{n\pi D}{2p\tau }$$ ,

где n - число полных оборотов разреза вокруг продольной оси канала.

Ширина каждой элементарной спирали t_с определяется по формуле:

$$t_{с}=\frac{l}{k}$$ ,

где l - длина канала в направлении его продольной оси, k - число элементарных спиралей.

На фиг.1 показан продольный разрез цилиндрического линейного индукционного насоса, а на фиг.2 - продольный разрез винтового индукционного насоса. Насосы содержат магнитопровод (1), обмотку (2), канал в виде кольцевого зазора (3) (в ЭМН типа ВИН с перегородками, выполненными в виде винтовой линии), сердечник (4), тепловой экран (5), замыкатели (6) (только у ЭМН типа ВИН). На этих же чертежах стрелками обозначены векторы: индукция магнитного поля - B; скорости - u; плотности тока в жидком металле - j.

На фиг.3, в качестве примера, изображен экран, выполненный в виде однозаходной спирали.

Электромагнитный индукционный насос работает следующим образом.

При заполненном жидким металлом канале (3) и подаче напряжения на обмотку (2) по ней течет ток, под действием которого в кольцевом зазоре канала (3) возбуждается радиально направленное магнитное поле, индуктирующее в жидком металле ток. В результате взаимодействия индуктированного тока с магнитным полем возникает электромагнитная сила, движущая жидкий металл. Аналогичные явления происходят и в тепловом экране (5). При этом в ЭМН типа ЦЛИН при выполнении экрана в виде спирали согласно заявляемому техническому решению происходит уменьшение разности соседних потенциалов вдоль продольной оси насоса и увеличение длины контуров вихревых токов, что в итоге приводит к уменьшению величины вихревых токов, а следовательно, к уменьшению потерь, снижению температуры экрана, то есть обмотки, и в конечном счете к достижению заявляемого технического результата, а именно повышению КПД и ресурса работы индукционных ЭМН типа ЦЛИН.

При этом в ЭМН типа ВИН при выполнении экрана в виде спирали согласно заявляемому техническому решению происходит увеличение длины и сужение контуров вихревых токов. В результате увеличивается электрическое сопротивление для них, что в конечном счете ведет к уменьшению величины вихревых токов, а следовательно, к уменьшению потерь, снижению температуры экрана, то есть обмотки, и в конечном счете повышению КПД и ресурса работы индукционных ЭМН типа ВИН.

Изобретение относится к электротехнике, к МГД-технике, в частности к электромагнитным индукционным насосам для перекачивания жидких металлов на атомных электростанциях, в химической и металлургической отраслям промышленности. Технический результат состоит в повышении к.п.д. и ресурса работы, Электромагнитный индукционный насос содержит размещенный между индуктором и каналом тепловой экран. Насос имеет средний диаметр D, продольную ось канала, индуктор с активной длиной, числом пар полюсов p, полюсными делениями τ. Тепловой экран выполнен в виде k-заходной(ых) спирали(ей), линия разреза которой(ых) образует угол наклона α к продольной оси канала, где k - положительное целое число. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электромагнитный индукционный насос, содержащий размещенный между индуктором и каналом тепловой экран, характеризующийся средним диаметром D, продольной осью канала, сторонами и активной длиной индуктора, числом пар полюсов p, полюсными делениями τ, отличающийся тем, что с целью повышения коэффициента полезного действия и ресурса работы электромагнитного насоса тепловой экран выполнен в виде k-заходной(ых) спирали(ей), линия разреза которой(ых) образует угол наклона α к продольной оси канала, где k - положительное целое число.

2. Электромагнитный насос по п.1, отличающийся тем, что угол наклона разреза к продольной оси канала α определяется по формуле
$$\alpha =arctg\frac{n\pi D}{2p\tau }$$ ,
где n - число полных оборотов разреза вокруг продольной оси канала.

3. Электромагнитный индукционный насос по п.1, отличающийся тем, что электромагнитный насос представляет собой цилиндрический линейный индукционный электромагнитный насос.

4. Электромагнитный индукционный насос по п.1, отличающийся тем, что электромагнитный насос представляет собой винтовой индукционный электромагнитный насос.