ИНДУКТОР ТРЕХФАЗНОГО ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ЛИНЕЙНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАСОСА ИЛИ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ МАШИНЫ (ВАРИАНТЫ)
INDUCTOR OF THREE-PHASE CYLINDRICAL LINE INDUCTION PUMP OR MAGNETOHYDRODYNAMIC MACHINE (VERSIONS)

Изобретение относится к МГД технике. Оно может быть использовано в индукционных электромагнитных насосах для перекачивания жидкометаллических теплоносителей в реакторах на быстрых нейтронах, в химической и металлургической промышленности, а также в магнитогидродинамических машинах и линейных индукционных двигателях.
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). Основными узлами трехфазных линейных индукционных насосов цилиндрического типа являются индуктор с трехфазной обмоткой, цилиндрический канал кольцевого сечения, охватывающий внутренний магнитопровод. Трехфазная обмотка в виде дисковых катушек, расположенная в пазах наружного магнитопровода, создает бегущее магнитное поле вдоль кольцевого канала, при взаимодействии которого с индуктированными в жидком металле в кольцевом канале токами возникает электромагнитная сила, перемещающая жидкий метал в канале насоса.
Известно также, что вследствие эффекта шунтирования по концам магнитопровода магнитная цепь машины с разомкнутым магнитопроводом несимметрична, что является причиной возникновения пульсирующего поля и несимметричной нагрузки фаз обмотки. Причем, чем короче индуктор индукционной МГД-машины, тем сильнее несимметрия фаз обмотки.
Для уменьшения влияния несимметрии токов по фазам используют различные технические приемы. Известно (из статьи Ращепкин А.П. Симметрирование обмотки индукционной машины с разомкнутым магнитопроводом. Магнитная гидродинамика, 1966, №2), что для устранения такой несимметрии предложено создать на протяжении активной зоны индуктора два дополнительных искусственных «шунтирующих элемента» в виде необмотанных участков магнитопровода длиной 2d, где d - эквивалентная длина шунтирующих участков магнитопровода на его концах.
m
m
Недостатком указанного технического решения является увеличение длины магнитопровода за счет дополнительных необмотанных участков и у такого индуктора проявляются более сильно высшие гармоники, чем у обычного индуктора. Кроме того, данный индуктор хотя и позволяет улучшить кривую магнитного поля в зазоре в режиме холостого хода и при малых магнитных числах Рейнольдса R<<1, но не улучшает несимметрию токов при R≥1, когда индуктированное магнитное поле от токов в жидком металле сравнимо или превосходит приложенное магнитное поле, и имеет место за счет эффекта размагничивания на входе неравномерное распределение потребляемого тока в фазах обмотки, а при наличии параллельных ветвей и по параллельным ветвям.
Известен (Авторское свидетельство №1144588, кл. Н02К 44/06, 41/025, БИ №29, 1991 г.) индуктор линейного индукционного насоса, в котором обмотка возбуждения выполнена с градацией линейной токовой нагрузки на длине двух полюсных делений на концах индуктора по линейному закону. В обмотке, выполненной по предложенному техническому решению, продольный концевой эффект, как в первичной цепи, связанный с разомкнутостью магнитопровода и вызывающий искажение симметрии токов по фазам, так и продольный концевой эффект во вторичной цепи, связанный со входом и выходом рабочего тела из зоны магнитного поля, сведен к минимуму, поэтому эффективность индуктора с такой обмоткой выше. Это подтверждено и экспериментальными данными (статья в журнале Nuclear Engineering and Design 200 (2000), 397-406. Double-supply-frequency pressure pulsation in annular linear induction pump, part II: reduction of pulsation by linear winding grading at both stator ends. Hideo Araseki, Igor R. Kirillov, Gennady V. Preslitsky, Anatoly P. Ogorodnikov).
Недостатком данного технического решения является то, что оно пригодно для четного числа полюсов и достаточно длинных индукторов с числом полюсов не менее шести. Кроме того, изготовление катушек с переменным числом витков на концах индуктора требует изготовления дополнительной оснастки и усложняет технологию изготовления катушек обмотки возбуждения.
Известен также принимаемый за прототип (Авторское свидетельство СССР №387630, кл. H02H4/00, БИ №10, 1976) линейный трехфазный индуктор магнитогидродинамической машины, состоящий из индуктора, набранного из листов электротехнической стали, и трехфазной обмотки, в котором с целью уменьшения потерь энергии, связанных с компенсацией пульсирующей составляющей магнитного поля, катушки средней фазы, расположенные на концах индуктора, выполнены с меньшим числом витков, чем остальные катушки индуктора. Причем число витков подбирают так, чтобы свести к минимуму влияние пульсирующего магнитного поля, а следовательно, и несимметрию токов по фазам. В данном индукторе компенсация пульсирующего магнитного поля достигается уменьшением числа витков в катушках средней фазы, расположенной на крайних полюсах. Причем уменьшение числа витков имеет место во всех катушках средней фазы независимо от числа полюсов, числа пазов на полюс и фазу q (при q=1, 2, 3, 4…) и не ограничено числом параллельных ветвей.
3
Недостатком такого технического решения является то, что оно пригодно для насосов небольшой мощности с расходом <50 м/ч, так как обмотки в таких насосах изготовляются из дисковых катушек небольшого диаметра многовитковыми из одинарного круглого или плоского провода, с небольшим сечением, с числом витков в катушке w≥45. Кроме того, подбор необходимого числа витков задача трудоемкая и требует многократной разборки и сборки индуктора для замены катушек. Использование катушек с дополнительными отпайками с целью подбора необходимого числа витков затруднено, так как увеличивает размер катушки по толщине и затрудняет их установку в пазах магнитопровода.
n
Число катушек в индукторе определяется как n=m·q·2p,
где
n
m - число фаз, q - число пазов на полюс и фазу, 2р- число полюсов.
m
Кроме того, указанное техническое решение пригодно при малых магнитных числах Рейнольдса R<1, когда магнитное поле от индуктированных в жидком металле токов невелико и не влияет на приложенное магнитное поле, что имеет место в случае перекачивания жидких металлов с малой электропроводностью. Здесь
где
0
µ- магнитная проницаемость, σ - электропроводность жидкого металла, ω=2πf - круговая частота, s - скольжение, α=π/τ, τ - полюсное деление, b - высота канала по жидкому металлу, δ - высота немагнитного зазора.
m
Далее следует отметить, что данное техническое решение пригодно для ограниченного числа параллельных ветвей (а=1) и не обеспечивает симметрию токов по фазам при а>1, а также не улучшает несимметрию токов при магнитных числах Рейнольдса R≥1.
Изобретение направлено на решение задачи уменьшения несимметрии токов по фазам, повышения развиваемого давления и коэффициента полезного действия в электромагнитном цилиндрическом линейном индукционном насосе или магнитогидродинамической машине за счет соответствующего соединения катушек обмотки возбуждения второй фазной зоны на первом полюсном делении со стороны входа жидкого металла.
n
Это достигается тем, что в известном линейном трехфазном индукторе цилиндрического насоса или магнитогидродинамической машины, состоящем из пакетов, согласно изобретению набранных из листов электротехнической стали, и трехфазной обмотки, в трехфазной обмотке возбуждения, выполненной с четным числом полюсов (2р=2, 4, 6…) и с постоянным числом витков в катушках при числе пазов на полюс и фазу q=2, числе параллельных ветвей а≥2, катушки трехфазной обмотки возбуждения средней фазы у второй фазной зоны на первом полюсном делении на входе, принадлежащие первой параллельной ветви, соединены параллельно, а остальные катушки в фазных зонах у полюсных делений в параллельных ветвях соединены последовательно.
n
В линейном трехфазном индукторе цилиндрического насоса или магнитогидродинамической машины, состоящем из пакетов, набранных из листов электротехнической стали, и трехфазной обмотки возбуждения, согласно изобретению в трехфазной обмотке возбуждения, выполненной с четным числом полюсов (2р=2, 4, 6…) и постоянным числом витков в катушках, с числом пазов на полюс и фазу q=3 и числе параллельных ветвей а≥2, две катушки обмотки возбуждения средней фазы у второй фазной зоны на первом полюсном делении на входе, принадлежащие первой параллельной ветви, соединены между собой параллельно и последовательно с третьей катушкой, а остальные катушки в фазных зонах у полюсных делений в параллельных ветвях соединены последовательно.
Известно, что для уменьшения подводимого напряжения электропитания обмотки насосов выполняются с параллельными ветвями. Образование параллельных ветвей происходит путем последовательного соединения катушек у фазных зон на полюсных делениях. Каждая параллельная ветвь может содержать фазные зоны одного или нескольких полюсных делений.
3
n
Катушки обмотки возбуждения для цилиндрических насосов средней и большой мощности с расходом от 100-4000 м/ч изготовляются из плоского провода и наматываются несколькими проводниками в параллель, при этом число эффективных витков в катушке в зависимости от расхода находится в пределах 12÷24. Число пазов на полюс и фазу берется обычно q=2 и редко q=3, это обусловлено относительно невысокими скоростями движения жидкого металла в канале насоса - 8-12 м/с. Несимметрия токов по фазам в цилиндрических линейных индукционных насосах в силу разомкнутости магнитной системы и ограниченности его длины составляет 8-10% и зависит от числа полюсов. В коротких электромагнитных насосах, например космического применения, индуктор выполняется с числом полюсов 2р=2, имеет низкое напряжение питания и повышенный ток питания. Несимметрия токов по фазам в таких насосах, в силу малого числа полюсов, составляет 16-20%. Поэтому улучшение симметрии токов по фазам в электромагнитных насосах является актуальной задачей.
n
n
n
n
n
n
Из экспериментальных исследований индукторов с обмотками, имеющими число полюсов 2р=6; 2р=4; 2р=2 с числом пазов на полюс и фазу q=2, числом параллельных ветвей а=2, а также с 2р=2, q=3, а=2, выполненных по предлагаемому техническому решению, следует, что заявляемое в качестве изобретения техническое решение позволяет снизить несимметрию токов по фазам в индукторе с 2р=6 в 5 раз, с 2р=4 в 2,1 раза и в индукторе с 2р=2 в 2 раза по сравнению с традиционными обмотками, имеющими постоянное число витков в фазах обмотки. Уменьшение несимметрии токов в фазах обмотки вызывает уменьшение потерь в жидком металле и давления от токов обратной последовательности, а следовательно, увеличение развиваемого давления и повышение КПД насоса.
n
n
n
n
На фиг.1 представлен продольный разрез индуктора цилиндрического линейного насоса. На фиг.2, 3, 4, 5 представлены схемы соединения трехфазных обмоток возбуждения индуктора с различным числом полюсов, числом пазов на полюс и фазу q=2, q=3 и числом параллельных ветвей а=2 по предлагаемому техническому решению. На фиг.2 показана схема соединения обмотки индуктора с 2p=6, q=2, a=2. На фиг.3 показана схема соединения обмотки с 2p=4, q=2, а=2. На фиг.4 показана схема соединения обмотки индуктора с 2p=2, q=2, а=2. На фиг.5 показана схема соединения обмотки индуктора с 2p=2, q=3, а=2.
Индуктор цилиндрического линейного индукционного насоса, представленный на фиг.1, содержит наружный магнитопровод 1, в пазах которого уложена трехфазная обмотка 2, внутренний магнитопровод 3, кольцевой канал 4, образованный наружной обечайкой 5 и внутренней обечайкой 6.
n
n
n
1
На фиг.2 показана схема соединения обмотки индуктора насоса с числом полюсов 2p=6 и числом пазов на полюс и фазу q=2, а на фиг.3 - схема соединения обмотки насоса с числом полюсов 2p=4, с числом пазов на полюс и фазу q=2. Обе обмотки на фиг.2 и фиг.3 содержат по две параллельные ветви. Обмотка на фиг.2 содержит по три полюсных деления в каждой параллельной ветви, а на фиг.3 - по два полюсных деления. На фиг.4 показана схема соединения обмотки с числом полюсов 2p=2 и q=2, обмотка содержит также две параллельные ветви, каждая параллельная ветвь состоит из одного полюсного деления. Фазные зоны А; Z; В; X; С; Y у обмоток на фиг.2, фиг.3 и фиг.4 состоят из двух катушек. Катушки внутри второй фазной зоны Z на первом полюсном делении τ катушки 3 и 4 соединены между собой параллельно, а остальные все катушки у всех фазных зон на полюсных делениях в параллельных ветвях соединены последовательно.
n
1
На фиг.5 приведена обмотка с числом полюсов 2p=2 и числом пазов на полюс и фазу q=3. Обмотка содержит две параллельные ветви, в каждой параллельной ветви имеется один полюс. При числе пазов на полюс и фазу q=3 фазные зоны А; Z; В; X; С; Y в обмотке на фиг.5 состоят из трех катушек. При этом внутри фазной зоны Z на первом полюсном делении τ две катушки 4 и 5 соединены между собой параллельно и последовательно с третьей катушкой 6. Все остальные катушки в фазных зонах соединены последовательно.
n
n
Заметим, что соединение катушек внутри фазной зоны Z, показанное на фиг.5, на первом полюсном делении τ следует использовать не только при 2p=2, но и при других четных числах пар полюсов 2p=4, 6, 8…, если обмотка возбуждения насоса выполнена с числом пазов на полюс и фазу q=3.
n
При включении напряжения на обмотку 2 (см. фиг.1) индуктора насоса в кольцевом канале 4, расположенном между магнитопроводами 1 и 3 и обечайками 5 и 6, образуется бегущее магнитное поле, под воздействием которого в жидком металле в канале возникают кольцевые токи, при взаимодействии которых с приложенным магнитным полем возникает электромагнитная сила, перемещающая жидкий метал от входа к выходу. Известно, что в линейных индукционных машинах в силу разомкнутости магнитопровода и ограниченной его длины возникает пульсирующее магнитное поле, которое пульсирует согласно с током фазы «С». Указанное пульсирующее магнитное поле искажает симметрию токов в фазах и приводит к появлению обратно бегущего магнитного поля. Наличие обратно бегущего магнитного поля и пульсирующих полей приводит к снижению развиваемого давления и КПД насоса. Заметим, что величина несимметрии токов по фазам зависит от длины индуктора, то есть числа полюсов. В коротких насосах с 2p=2 величина несимметрии составляет 20% и более.
Включение катушек в параллель у фазной зоны Z при q=2 или параллельно-последовательное при q=3 на первом полюсном делении позволяет уменьшить потоксцепление с фазой «С» от пульсирующего поля и снизить несимметрию токов по фазам. Кроме того, снижается увеличение тока в фазе «С» от эффекта размагничивания, имеющего место на входном полюсном делении. Все это приводит к улучшению симметрии токов по фазам, к увеличению развиваемого давления и повышению КПД насоса.
m
n
n
n
n
n
n
n
n
Как установлено авторами изобретения экспериментальным путем исследования индукторов при R=3.3÷7, с трехфазными обмотками, с числом полюсов 2р=6; 2р=4; 2р=2 с q=2 и а=2, а также 2р=2 с q=3 и а=2 по предлагаемому техническому решению и с традиционным последовательным соединением всех катушек в фазных зонах, предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить несимметрию токов по фазам в несколько раз для исследованных индукторов. Так для индуктора с 2p=6; q=2; a=2 предлагаемое техническое решение позволяет снизить несимметрию токов по фазам с 10% до 2%, т.е. в 5 раз. Для индуктора с 2p=4; q=2; a=2 несимметрия токов по фазам уменьшается с 9,7% до 4,55% благодаря использованию предлагаемого технического решения, а для индуктора с 2р=2; q=2; а=2 с 16% до 8%. Для индуктора с 2р=2; q=3; a=2 несимметрия токов по фазам снижается с 15,5% до 9%.
n
n
Следует отметить, что параллельное соединение катушек у фазных зон, принадлежащих фазе «С» (см. фиг.2) катушки 15 и 16 или 21 и 22, расположенных в середине, или в конце индуктора, катушки 33 и 34, хотя и уменьшает несимметрию токов по фазам, но в меньшей степени до 4,5%. Для индуктора с 2р=4 (см. фиг.3) параллельное соединение катушек у фазы «С» 9 и 10, 15 и 16, а также 21 и 22 или одновременное параллельное соединение катушек на входе 3 и 4 и на выходе 21 и 22 дает снижение несимметрии токов по фазам до 5-8%, но в меньшей степени, чем по предлагаемому техническому решению. Для индуктора с 2р=2 (см. фиг.4) параллельное соединение катушек 9 и 10 или одновременное параллельное соединение катушек 3 и 4 и 9 и 10 хотя и уменьшает несимметрию токов по фазам до 9-11%, но в меньшей степени. Наилучший эффект уменьшения несимметрии токов по фазам имеет место по предлагаемому техническому решению.
n
В случае, если трехфазная обмотка возбуждения индуктора выполнена без параллельных ветвей (а=1) и индуктор насоса имеет минимальное число полюсов 2p=2, то, согласно изобретению, при числе пазов на полюс и фазу q=2 обе катушки у второй фазной зоны на первом полюсном делении со стороны входа соединены между собой параллельно, а при числе пазов на полюс и фазу q=3 две катушки у второй фазной зоны на первом полюсном делении соединены между собой параллельно и последовательно с третьей катушкой, причем остальные катушки в фазных зонах у обоих полюсных делений соединены последовательно. В этом случае несимметрия токов по фазам уменьшается, но не значительно: с 19% до 13% для индуктора с q=2 и с 19.3% до 15.1% для индуктора с q=3.
Предлагаемое техническое решение целесообразно использовать в электромагнитных насосах на средние и большие расходы, а также в насосах космического применения, когда катушки обмотки возбуждения выполнены с числом витков 12-24 и обмотка содержит параллельные ветви.
Следует отметить, что предлагаемое техническое решение пригодно не только для индукционных насосов или магнитогидродинамических машин, но и для линейных индукционных электродвигателей.