ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ЛИНЕЙНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ НАСОС
CYLINDRICAL LINEAR INDUCTION PUMP

Изобретение относится к МГД технике, в частности к цилиндрическим линейным индукционным насосам (ЦЛИН) для перекачивания жидкометаллических теплоносителей на атомных электростанциях, в химической и металлургической отраслях промышленности.
Известен ряд конструкций цилиндрических линейных индукционных насосов, основными узлами которых являются индуктор, внутренний магнитопровод и кольцевой канал (далее канал). Индуктор состоит из наружного и внутреннего магнитопроводов. В пазах наружного магнитопровода уложены катушки обмотки возбуждения. Внутренний магнитопровод очехлован внутренней стенкой канала, которая вместе с наружной образуют канал [Глухих В.А., Тананаев А.В., Кириллов И.Р. Магнитная гидродинамика в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.196, рис.6.4 (а, б)]. Обмотка индуктора создает бегущее магнитное поле, при взаимодействии которого с индуктированными в жидком металле токами возникает электромагнитное усилие, обеспечивающее перемещение жидкого металла.
Однако приведенная конструкция ЦЛИН имеет недостатки. Вследствие различных коэффициентов линейного расширения материалов внутреннего магнитопровода и внутренней стенки канала между ними, в процессе эксплуатации насоса, образуется зазор, затрудняющий охлаждение внутреннего магнитопровода перекачиваемым металлом. В результате, при высоких температурах перекачиваемого металла, внутренний магнитопровод может нагреваться выше точки Кюри и терять магнитные свойства. Кроме того, в этих условиях тонкая внутренняя стенка канала теряет устойчивость, образуя продольную гофру, в результате чего нарушается герметичность внутренней стенки канала и насос выходит из строя. Для обеспечения плотного прилегания внутренней стенки канала к магнитопроводу принимают различные меры.
Известен принимаемый за прототип цилиндрический линейный индукционный насос [патент РФ №2029427 от 27.10.1992]. Насос содержит индуктор с катушками обмотки возбуждения, канал, содержащий внутреннюю и наружную стенки, внутренний магнитопровод. Внутренний магнитопровод собран из листов электротехнической стали и опирается на внутреннюю трубу. По концам магнитопровод защемлен конусными цанговыми втулками, которые имеют продольные разрезы в количестве, равном количеству пакетов. Магнитопровод имеет внутренние конусные поверхности от концов к середине с углом α=arctg D/L, где D - наружный диаметр магнитопровода; L - длина магнитопровода. Однако такая конструкция имеет существенные недостатки. Одним из них является возможность заклинивания как подвижных цанговых втулок, так и опирающихся на них пакетов штампованных листов электротехнической стали внутреннего магнитопровода, что, в конечном итоге, приводит к снижению надежности и коэффициента полезного действия насоса. Другим недостатком является значительная сложность и трудоемкость изготовления, поскольку возникает необходимость обеспечить высокую точность обработки и прилегание конических поверхностей пакетов штампованных листов электротехнической стали и вставной цанговой втулки.
Заявляемое техническое решение направлено на устранение вышеуказанных недостатков, присущих аналогу и прототипу, а именно на повышение надежности работы и коэффициента полезного действия насоса.
Поставленная задача достигается тем, что в цилиндрическом линейном индукционном насосе, содержащем индуктор с внутренним магнитопроводом и канал с поименованными входом, выходом и сочлененными внутренним магнитопроводом и внутренней стенкой канала, с целью повышения надежности и коэффициента полезного действия насоса сочленение внутреннего магнитопровода и внутренней стенки канала выполнено в виде усеченного конуса, меньший диаметр которого расположен со стороны выхода из канала, причем внутренняя стенка канала закреплена со стороны входа в канал, а внутренний магнитопровод закреплен со стороны выхода из канала.
На фиг.1 изображен продольный разрез цилиндрического линейного индукционного насоса, а на фиг.2 - фрагмент А (см. фиг.1) продольного разреза в увеличенном масштабе.
Насос содержит канал 1 и индуктор 2 (на фиг.2 не показан). Канал 1 имеет внутреннюю 3 и наружную 4 стенки канала, при этом внутренняя стенка 3 канала закреплена со стороны входа в канал. Индуктор включает магнитопровод 5, представляющий собой пакеты, набранные из штампованных листов электротехнической стали, в пазах которых размещены катушки 6 обмотки возбуждения, внутренний магнитопровод 7, набранный из листов электротехнической стали, часть из которых опирается на трубу 8. При этом внутренний магнитопровод 7 закреплен со стороны выхода из канала, образованного внутренней 3 и наружной 4 стенками канала.
Насос работает следующим образом. При включении напряжения создается бегущее магнитное поле, под действием которого в жидком металле индуктируется ток, в результате взаимодействия которого с магнитным полем в жидком металле возбуждается электромагнитная сила, обеспечивающая движение жидкого металла, перемещающегося вдоль канала насоса 1. Одновременно с этим за счет потерь от вихревых токов нагреваются пакеты из листов электротехнической стали внутреннего магнитопровода 7 и внутренняя стенка канала 3. Тепловые потери, включая и тепловые потери пакетов внутреннего магнитопровода, передаются через внутреннюю стенку канала в перекачиваемый металл.
Благодаря введению совокупности существенных признаков, а именно выполнению сочленения внутреннего магнитопровода и внутренней стенки канала в виде усеченного конуса, меньший диаметр которого расположен со стороны выхода из канала, причем внутренняя стенка канала закреплена со стороны входа в канал, а внутренний магнитопровод закреплен со стороны выхода из канала, при работе насоса наряду с одновременным увеличением радиальных и осевых размеров внутренней стенки канала и внутреннего магнитопровода происходит их встречное смещение относительно друг друга в осевом направлении, за счет чего достигается их постоянный плотный контакт. В результате такого контакта улучшается охлаждение внутреннего магнитопровода, а следовательно, исключается его перегрев, при этом повышается надежность работы и коэффициент полезного действия насоса.
Действительно, благодаря введению совокупности вышеуказанных признаков, увеличивается устойчивость внутренней стенки канала к воздействию внешнего давления, то есть снижается вероятность возникновения продольной гофры на внутренней стенке канала и, таким образом, увеличивается надежность канала, а следовательно, надежность насоса в целом. Кроме этого, упрощается процесс сборки по сравнению с аналогичной операцией в случае их цилиндрического сочленения.
Дополнительно к этому, увеличение коэффициента полезного действия насоса достигается благодаря тому, что меньший диаметр конусных поверхностей выполнен со стороны выхода из канала. Поясним это явление более подробно. Известно, [Витковский И.В., Лаврентьев И.В. Электромагнитные процессы в кольцевом канале при конечных магнитных числах Рейнольдса // Магнитная гидродинамика. 1976. N 1. С.107-111], что при движении токопроводящей жидкости (рабочего тела) в кольцевом зазоре канала, размещенного в радиальном магнитном поле, происходит смещение результирующего магнитного поля и его существенное искажение по направлению движения рабочего тела.
В заявляемом решении меньший диаметр конусной поверхности расположен со стороны выхода из канала, поэтому немагнитный зазор на выходе имеет большую величину по отношению к аналогичному параметру на входе в канал. Поэтому улучшается структура результирующего магнитного поля. В результате упомянутое искажение будет меньшим, так как величина индукции магнитного поля, при неизменной величине намагничивающей силы, пропорциональна величине немагнитного зазора. Понятно, что за счет уменьшения искажения магнитного поля коэффициент полезного действия насоса будет большим.