Электромагнитный индукционный насос (его варианты) Советский патент 1991 года по МПК H02K44/06 

Изобретение относится к области магнитогидродинамической техники (МГД-техники), в частности к области линейных индукционных электромагнитных насосов. Оно может быть использо вано в насосах для перекачивания жид комет аллических теплоносителей в кон турах атомных электростанций с реакторами на быстрых нейтронах, исследо вательских жидкометаллических контурах, в металлургической промьшленности, в других технологических установках. Известен ряд конструкций индукционных насосов, основными узлами которых являются индуктор с сердечником, канал и многофазная обмотка воз буждения. Обмотка создает бегущее вдоль канала магнитное поле, при взаимодействии которого с индуктированными в жидком металле токами появляется электромагнитное усилие, обеспечивающее перемещение жидкого металла в канале насоса. Известно, что основным параметром, характеризующим интенсивность магнитогидродинамических процессов в индукционных электромагнитных насосах, является параметр электромагнитного взаимодействия Rnie R.n,S, где S - скольжение; / о - ( магнитное число fn (s/2 Рейнольдеаi bi -I, и - полюсное деление; - проводимость перекачиваемой среды; Со 2ir f - круговая частота f - частота питающего тока, В линейных индукционньрс насосах при параметрах электромагнитного вза имодействия Rms профиль скорости токопроводящей жидкости в канале ста новится существенно неоднородным, В результате при работа насоса становится неустойчивой, расход - н порная характеристика становится не монотонной, в ней появляются провалы в насосе и контуре возникают низкочастотные (1-2 Гц) колебания давления, расход тока с амплитудой ±20 и более. Поток жидкости металла эле тропроводного рабочего тепа) в насо се имеет пульсирующий характер и вы зывает вибрацию насоса и контура, что является недопустимым при эксплуатации насоса, например, в основных KOHTyjpax реакторов на быстрых нейтронах. Известен также электромагнитный индукционный насос, содержащий канал, магнитопровод, многофазную обмотку возбуждения с числом пар полюсов не менее двух, причем фазные зоны последовательно расположенных пар полю сов сдвинуты по фазе, В данном устройстве для устранения неустойчивости работы при Rfns волны линейной токовой нагрузки (6Jt - OCX + б) последовательно расположенных пар полюсов сдвинуты по фазе одна относительно другой с опережением на угол /3 +120 электрических градусов или с отставанием на угол /Ь -120 электрических градусов. Такая конструкция насоса в ряде случаев дает возможность уменьщить уровень колебаний выходных параметров насоса, стабилизировать расход - на ,порную характеристику, но не позволяет рещить задачу в целом. Стабилизация достигается за счет увеличения потребляемого насосом тока, уменьшения его габаритной мощности и КПД, Поскольку частота и амплитуда пульсаций параметров насоса зависит от его конструктивных параметров, режима работы, то вполне естественно, что и угол сдвига 120°, предложенный для. снижения пульсаций, не может быть оптимальным во всех случаях. Как показали проведенные в последнее время экспериментальные исследования можно снизить уровень пульсаций и стабилизировать расход напорную характеристику при углах, отличных от jf с такими же и даже меньщими энергетическими затратами и повысить КПД насоса по сравнению с известным рещением. Целью изобретения является повыщение эффективности путем устранения неустойчивой работы насоса при различных колебаниях давления и расхода. Поставленная цель достигается тем, то фазные зоны обмотки возбуждения,принадлежащие каждой фазе, расположены на каждой последующей паре полюсных делений по всей длине насоса со сдви. гом на угол ft - - п электрических (т градусов, где m - число фаз обмотки 5 возбуждения; n 1 - (2га - 1), Во втором варианте насоса фазные зоны обмотки возбуждения, принадлежащие каждой фазе, расположены у отдельных пар полюсных делений относитель нь предыдущей пары полюсных делений со сдвигом на угол Л --п электрических градусов. В третьем варианте насоса, содержащем обмотку возбуждения с числом пар полюсов Рп не менее двух, фазные зоны обмотки возбуждения, принадпежащие каждой фазе, располож ны у отдельных пар полюсньк делений относительно предыдущей пары полюсных делений со сдвигом на угол (Ь 1Г fc -7- f электрических градусов, где q - число пазов на полюс и фазу m - число фаз обмотки возбуждения; 1 - (q-1). На фиг.1 изображен продольный ра рез насоса; на фиг. 2, 3,4- схемы обмотки возбуждения; на фиг.5 и 6 экспериментальные кривые, иллюстрир ющие влияние угла сдвига на КПД и скорость. На фиг.1 изображен продольный ра рез электромагнитного насоса, состоящего из прямоточного канала с внутренним магнитопроводом 1 и индуктора 2, в пазы которого уложена трехфазная обмотка возбуждения 3, выполненная из дисковых катушек. На фиг.2 показана схема обмотки возбуж дения с числом пар полюсов ЕП 3 и числом пазов на полюс и фазу q « выполненная согласно первому вариан ту со сдвигом фазных зон обмотки на каждой последующей паре полюсных де лений 2(, относительно предыдуй1ей па ры полнкных делений на угол и . Гп 1|0 . 5 300 m3 На фиг.З показана схема обмотки с числом пар полюсных делений Рп 3 и числом пазов на полюс и фазу q 2, выполненная по второму варианту со сдвигбм фазных зон обмотки возбуждения на последней, в данном случае, паре полюсных депений на угол .|.п - ip .2 120 На фиг.4 показана схема обмотки выполненной по третьему варианту со сдвигом фазных зон у обмотки на последней паре полюсов на угол /5 « Я(} . ,,.0 .4 ----1 30 и волны линейiTi-q 7 3-2 ной токовой нагрузки. При включении напряжения на обмотку насоса на каждой паре полюсных делений создаются волны линейной токовой нагрузки 4, которые за счет смещения фазных зон обмотки также сдвинуты одна относительно другой на той же угол. Разрьшы в линейной токовой нагрузке обмотки индуктора (см. фиг. 2, 3, 4), образующиеся при сдвиге фазных зон, приводят к появлению в движущейся электропроводящей среде дополнительных электромагнитных полей, имеющих характер бегущих от границ раздела волн со спадающей амплитудой. Взаимодействие их с первичным магнитным полем (полем обмотки возбуждения) создает дополнительные к основным электромагнитные усилия в электропроводящей среде. Как показывает эксперимент, эти усилия выравнивают профиль скорости по азимуту и уменьщают колебания расхода и давления. Достигается это, как правило, за счет дополнительных энергетических затрат, обусловленных дополнительными джоулевыми потерями мощности .в электропроводящей- среде. При отдельных сочетаниях характерных параметров возможно и уменьщение потребляемой мощности (повышение КПД) в сравнении с классической схемой. Исследования проведены на индукционном линейном цилиндрическомнасосе, имеющем следующие значения характерных параметров: Rm 4,7; m « 3; q 2, число пар полюсов Рп .. 3. Согласно первого и второго вариантов изобретения |5,у,ц 60, |1уущкс , согласно третьего варианта 30 . При выполнении обмотки с Pf указанными углами сдвига фазных зон во всех случаях наблюдалось уменьшение в той или иной степени колебаний давления и расхода насоса и расширение зоны его устойчивой работы. Как установлено в работе источником колебаний параметров является возникновение неоднородного по азимуту профиля скорости течения жидкости в канале насоса при R S 1 и образование вихревых течений при выходе этого профиля из насоса. Отсюда степень ослабления колебаний зависит от степени выравнивания профиля скорости. На фиг.5 представлено экспериментально полученное распределение осевой составляющей CKOIJOCTH (V) по азимуту цилиндрического канала на его выходе из различных углов сдвига фазных зон. Профили соответствуют скольжению S 0,525, по оси абсцисс отложены номера датчиков, расположенный: по окружности канала. Чем меньше угол сдвига фазных зон, тем меньше выравнивается профиль скорости, слабее подавляются колебания расхода и давления.

Положительный эффект достигается, как показывают эксперименты, во всем вышеуказанном диапазоне изменения угла ft. Выбор конкретного угла сдвига фазных зон по известным методикам расчета индукционных насосов не представляется возможным. Чтобы определить расчетно-теоретическим путем оптимальный в каждом конкретном случае угол ft , необходимо решить двумерную магнитогидродинамическую задачу о турбулентном движении проводящей среды в бегущем магнитном поле Такого решения в настоящее время нет

Результаты экспериментальных исследований позволяют дать следующие рекомендации по выбору оптимальных углов сдвига фазных зон. Чем больше значения угла сдвига А, тем сильнее подавляются колебания расхода и давления. С другой стороны, чем больше ft , тем больше затраты мощности и меньше КПД насоса (см. фиг. 6). На фиг, 6: - КПД нароса; Q - расход жидкого металла; S - скольжение;

Экспериментальные исследования, проведенные на ряде, насосов, показывают, что выбор оптимального угла сдвига и количества пар полюсов Pj, на которых следует производить фазовые сдвиги, зависит от конструктивного исполнения машины: ее дпины, степени несимметрии магнитного зазора по дпине и по периметру, условий входа и выхода. Для машин с несимметричным входом канала и резко выраженными колебаниями параметров необходимо брать большие углы и фазовы сдвиги делать на каждой паре полюсны делений, начиная с второй от входа. Для машин с умеренными колебаниями вполне достаточно ввести сдвиг на отдельных парах полюсных делений по длине машины. Для машин со слабыми колебаниями достаточно вести малый фазовый сдвиг по всей длине машины или на отдельных парах полюсных делений. Поскольку найти один оптимальный угол сдвига, позволяющий бы решить всю задачу в целом для каждого насоса, не представляется возможным, для достижения поставленной цели в зависимости от уровня колебаний определяемого конструктивными особенностями насоса и режима работы, используется один из предлагаемых вариантов. Использование предлагаемых вариантов позволит расширить область устойчивой работы электромагнитных насосов. Опыт проектирования электромагнитных насосов показьгоает, что они, как правило, имеют максимальный КПД при минимальном весе ак.тивных материалов на единицу мощности в области значений 1, где насосы работают неустойчиво. Использование предлагаемых решений позволяет устранить неустойчивость работы насосов в области , выбрать оптимальные геометрические размеры канала и индуктора и за счет этого повысить на 3 - 5% КПД насосов и снизить вес активных материалов на 15-20%,

1. Электромагнитный индукционный насос, содержащий канал, магнитопровод и многофазную обмотку возбуждения с числом пар полюсов Рп не t. менее, по крайней мере, двух причем фазные зоны последовательно расположенных пар полюсов сдвинуты по фазе, чающийся тем, что, с целбю повышения эффективности путем устранения неустойчивой работы насоса при резко выраженных колебаниях давления и расхода, фазные зоны обмотки возбуждения, принадлежащие каждой фазе, расположены на каждой последующей паре полюсных делений по всей длине насоса со сдвигом на угол Р п злектрических .градусов, где m. m - число фаз обмотки возбуждения, п 1 f

r гл ,;w A 2

Фи,г.2 8 t-XхИ . i У/

Фиг. 5

/о

SO

20 во . 80 ffO . г D.B 0.60.5 Фиг.В Iff о В. I . D.lt 0.3 3