ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ НАСОС
ELECTROMAGNETIC INDUCTION PUMP

Изобретение относится к МГД-технике, в частности к электромагнитным индукционным насосам для перекачивания жидких металлов в атомной энергетике, в химической и металлургической промышленностях.
Известен ряд конструкций электромагнитных индукционных насосов (далее насосов или ЭМН), основными узлами которых являются индуктор, включающий набранный из штампованных листов электротехнической стали магнитопровод, в пазах которого уложены катушки обмотки возбуждения, канал и внутренний магнитопровод. Внутренний магнитопровод собран из листов электротехнической стали и опирается на внутреннюю трубу (Глухих В.А., Тананаев А. В., Кириллов И. Р. Магнитная гидродинамика в ядерной энергетике. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 195, рис. 6.4(a) и 6.4(г)).
Главным преимуществом конструкции таких насосов является их технологичность и высокая надежность - они просты в изготовлении и эксплуатации. Но такая конструкция не лишена недостатков. При работе насоса происходит нагрев катушек обмотки возбуждения (далее катушек), определяемый джоулевыми потерями в них и тепловым потоком от перекачиваемого металла. Увеличение температуры катушек обмотки возбуждения приводит к старению изоляции провода, ее пробою, что, в конечном счете, снижает надежность работы как обмотки, так и насоса в целом. Кроме того, увеличение джоулевых потерь в обмотке возбуждения за счет увеличения сопротивления обмотки при ее нагреве приводит к уменьшению коэффициента полезного действия насоса.
Известен, принимаемый за прототип по совокупности существенных признаков, электромагнитный индукционный насос [Анисимов А. М. и др. Атомная энергия. - 2012. - Т. 112. - Вып. 6. - С. 362], в котором с целью уменьшения нагрева обмотки катушки возбуждения установлен тепловой экран. Недостатком такой конструкции является невысокая надежность ЭМН. Так, при высокой температуре перекачиваемого жидкого металла, или работе насоса на больших удельных мощностях, или невозможности организовать принудительное охлаждение, вследствие перегрева катушек обмотки возбуждения происходят окисление проводника, необратимые физико-химические процессы в изоляции, приводящие к ее деструкции и старению, а также накопление газов, образующихся в результате деструкции, является дополнительным фактором, снижающим надежность ЭМН. Известно (Мусин А. М. Аварийные режимы асинхронных электродвигателей и способы их защиты. - М.: Колос, 1979), что перегрев сверх допустимого на каждые 8-10°С сокращает срок службы изоляции обмоток электродвигателей в два раза. Аналогичная ситуация имеет место и в ЭМН. Таким образом, очевидно, что вышеупомянутые процессы, происходящие вследствие перегрева катушек обмоток возбуждения, приводят к снижению надежности работы насоса.
Техническим результатом заявляемого решения является повышение надежности работы электромагнитного индукционного насоса.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в электромагнитном индукционном насосе, содержащем индуктор и канал с поименованными входом и выходом и расположенными между индуктором и каналом экранами, с целью повышения надежности работы электромагнитного индукционного насоса, по меньшей мере, два экрана соединены между собой со стороны входа и выхода канала торцевыми заглушками, снабженными с каждой стороны канала, по меньшей мере, одним входным и одним выходным отверстиями, причем входное отверстие расположено со стороны выхода канала насоса.
Заявляемый технический результат дополнительно обеспечивается достижением практически одинаковой температуры обмотки возбуждения в азимутальном и продольном направлениях за счет того, что в рассматриваемой конструкции электромагнитного насоса, по меньшей мере, между двумя экранами расположена, по меньшей мере, одна винтовая перегородка с поворотом на угол не менее 360°.
Заявляемое решение поясняется чертежами. На фиг. 1 и 2 показаны примеры исполнения электромагнитного индукционного насоса с цилиндрическим и винтовым каналами соответственно, на фиг. 3 - пример экрана с винтовой перегородкой и его продольное А-А и поперечное В-В сечения. Насос содержит индуктор 1 с магнитопроводом, в пазах которого уложены катушки обмотки возбуждения 2, внутренний магнитопровод 3, набранный из листов электротехнической стали, канал насоса 4, экраны 5 и 6, торцевые заглушки 7 и 8, входные отверстия 9, выходные отверстия 10, винтовая перегородка 11.
Насос работает следующим образом. При включении напряжения создается бегущее магнитное поле, под воздействием которого в жидком металле индуктируются токи. При взаимодействии этих токов с магнитным полем создается электромагнитная сила, обеспечивающая перемещение жидкого металла в канале насоса 4. В результате работы насоса происходит нагрев катушек обмотки возбуждения 2 из-за джоулевых потерь в обмотке и передачи тепла от жидкого металла. При этом температура катушек обмотки возбуждения 2 может достигать 400-600°С, что приводит к деструкции изоляции, пробою и, как следствие, снижению надежности работы насоса. По заявляемому решению между экранами 5 и 6 через отверстия 9, расположенные в торцевой заглушке 8, со стороны выхода канала насоса осуществляется подача хладагента, например воздуха, отвод которого осуществляется через отверстия 10 в заглушке 7, расположенной со стороны входа в канал насоса. Противоточная подача, при которой хладагент подается со стороны выхода канала насоса, где температура перекачиваемого металла достигает своего максимума относительно всей длины канала насоса, обеспечивает выравнивание температурного поля вдоль экранов, что, в свою очередь, снижает тепловую нагрузку на отдельные катушки обмотки возбуждения. Равномерному распределению температуры катушек обмотки возбуждения также способствует применение, по меньшей мере, одной винтовой перегородки 11 между экранами 5 и 6. В результате воздушный поток хладагента от входного 10 к выходному отверстию 11 приобретает направленное вращательно-осевое движение, способствующее выравниванию температуры катушек. При этом количество перегородок, угол и шаг винтовой перегородки зависит от мощности насоса и длины канала.
Расчеты показывают, что заявляемое техническое решение позволяет снизить температуру обмотки на 15-25°С. Как отмечено выше, снижение температуры обмотки на каждые 10°С по отношению к предельной температуре изоляции приводит примерно к двукратному увеличению ее ресурса, являющегося одним из показателей надежности.
Таким образом, приведенная выше совокупность существенных признаков заявляемой конструкции электромагнитного индукционного насоса, содержащего индуктор и канал с поименованными входом и выходом и расположенными между индуктором и каналом экранами, обеспечивает достижение заявляемого технического результата, а именно повышение надежности работы электромагнитного индукционного насоса за счет того, что, по меньшей мере, два экрана соединены между собой со стороны входа и выхода канала торцевыми заглушками, снабженными с каждой стороны канала, по меньшей мере, одним входным и одним выходным отверстиями, причем входное отверстие расположено со стороны выхода канала насоса, а выходное отверстие - со стороны входа канала насоса. Кроме этого, достижению заявляемого технического результата способствует применение, по меньшей мере, одной винтовой перегородки с поворотом на угол не менее 360°.