ИНДУКТОР ВИНТОВОГО ИНДУКЦИОННОГО НАСОСА

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к конструкции индукторов винтовых индукционных насосов, используемых для перекачивания жидких металлов в атомной энергетике, химической и металлургической промышленности.
Известна магнитная система винтового электромагнитного насоса в виде соленоида с ферромагнитным экраном (RU, патент № 2106735, H02N 44/04, Опубл. 10.03.1998 г.).
Недостатком данной магнитной системы является то, что в случае использования магнитной системы в виде соленоида с ферромагнитным экраном высокое значение индукции в рабочем зазоре насоса обеспечивается закачкой большой энергии в обмотку соленоида. При этом неизбежные потери преобразуются в тепло, а при большом рабочем зазоре это приводит к значительным тепловым потерям. Это усугубляет имеющийся жесткий тепловой режим работы основных элементов винтового электромагнитного насоса.
Наиболее близким к заявленной полезной модели является индуктор электромагнитного индукционного насоса, включающий установленную на валу приводного двигателя ферромагнитную спинку магнитопровода, к которой примыкают с одной стороны постоянные магниты (SU, авторское свидетельство № 561268, H02N 4/02, Опубл. 05.06.1977 г., дата опубликования описания 18.08.1977 г.). Промежутки между соседними разноименно-полюсными магнитами заполнены немагнитной сталью. Снаружи на вращающийся индуктор надето немагнитное бандажное кольцо, обеспечивающее прочность индуктора. Магнитное поле в электромагнитном индукционном насосе может быть создано при помощи обмотки, питаемой постоянным током. Постоянные магниты заменяются в этом случае электротехнической сталью и обмотка располагается в промежутках между полюсами.
Недостатком данного индуктора электромагнитного индукционного насоса является то, что в условиях работы такого индуктора при повышенных температурах наблюдается падение индукции в рабочем зазоре насоса до 20% и более из-за наличия у постоянных магнитов температурных коэффициентов индукции и коэрцитивной силы.
В случае использования для создания магнитного поля в электромагнитном индукционном насосе обмотки, питаемой постоянным током, к недостаткам такого индуктора следует отнести то, что высокое значение индукции в рабочем зазоре насоса обеспечивается закачкой большой энергии в обмотку. При этом неизбежные потери преобразуются в тепло, а при большом рабочем зазоре это приводит к значительным тепловым потерям. Это усугубляет имеющийся жесткий тепловой режим работы основных элементов насоса, снижая его надежность.
В основу полезной модели положена задача, заключающаяся в разработке индуктора винтового индукционного насоса с использованием постоянных магнитов, конструкция которого характеризовалась бы обеспечением максимально возможной компенсации температурного снижения индукции, наблюдаемого при повышенных температурах, и минимально возможным взаимодействием между собой отдельных полюсов с различным направлением намагниченности.
При этом техническим результатом является обеспечение высокого значения индукции в рабочем зазоре насоса при повышенных рабочих температурах и упрощение технологического процесса сборки индуктора.
Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в индукторе винтового индукционного насоса средства создания магнитного поля выполнены в виде размещенных по окружности, заключенных в оболочку из магнитомягкого материала и разделенных между собой прокладками из немагнитного материала блоков постоянных магнитов, каждый из которых имеет центральный сегмент, намагниченный радиально, и два боковых сегмента, намагниченных под углом по отношению к центральному, причем центральные сегменты размещены с чередованием полюсов по окружности.
Угол намагничивания боковых сегментов по отношению к центральному составляет преимущественно 45°.
При выполнении средств создания магнитного поля в виде размещенных по окружности, заключенных в оболочку из магнитомягкого материала и разделенных между собой прокладками из немагнитного материала блоков постоянных магнитов, каждый из которых имеет центральный сегмент, намагниченный радиально, и два боковых сегмента, намагниченных под углом по отношению к центральному, и размещении центральных сегментов с чередованием полюсов по окружности, обеспечивается компенсация температурного снижения индукции, наблюдаемого при повышенных температурах, и снижение взаимодействия между собой отдельных полюсов с различным направлением намагниченности, благодаря чему повышается значение индукции в рабочем зазоре насоса при повышенных температурах и упрощается технологический процесс сборки индуктора.
Угол намагничивания боковых сегментов по отношению к центральному выбирается, исходя из условий обеспечения максимально возможного значения индукции в рабочем зазоре насоса при повышенных температурах и минимально возможного взаимодействия между собой отдельных полюсов с различным направлением намагниченности, и составляет преимущественно 45°. При таком угле намагничивания боковых сегментов по отношению к центральному обеспечивается увеличение общего потока каждого полюса на 20-30% по сравнению с конструкцией, построенной на магнитах с радиальной намагниченностью, и практически полная компенсация температурного снижения индукции, наблюдаемого при повышенных температурах, а также минимально возможное взаимодействие между собой отдельных полюсов с различным направлением намагниченности. Малое взаимодействие между собой отдельных полюсов с различным направлением намагниченности значительно облегчает технологический процесс сборки индуктора.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами. На фиг. 1 изображен индуктор винтового индукционного насоса, поперечный разрез; фиг. 2 - винтовой индукционный насос, продольный разрез.
Индуктор винтового индукционного насоса включает средства создания магнитного поля, выполненные в виде размещенных по окружности, заключенных в оболочку 1 из магнитомягкого материала и разделенных между собой прокладками 2 из немагнитного материала блоков постоянных магнитов, каждый из которых имеет центральный сегмент 3, намагниченный радиально, и два боковых сегмента 4, намагниченных под углом по отношению к центральному. Угол намагничивания боковых сегментов 4 по отношению к центральному сегменту 3 составляет преимущественно 45°. Центральные сегменты 3 размещены с чередованием полюсов по окружности. В качестве постоянных магнитов предпочтительно используются редкоземельные постоянные магниты с высокими значениями индукции насыщения и коэрцитивной силы, например, постоянные магниты из сплава самарий-кобальт (SmCo).
Винтовой индукционный насос включает основание, состоящее из кронштейна 5 и стоек 6, спиральный канал 7 для перекачиваемой электропроводной среды, образованный внутри двух коаксиально расположенных цилиндров, внутренний сердечник 8 и электромеханический привод для вращения средств создания магнитного поля относительно спирального канала 7 и внутреннего сердечника 8. Средства создания магнитного поля размещены в стакане 9. Стакан 9 соединен с несущей конструкцией насоса через высокотемпературные необслуживаемые подшипники 10. На наружной поверхности стакана 9 выполнена одна или несколько винтовых канавок. На основание крепится опорный фланец 11, нижнее основание 12 и верхнее основание 13 с несущими стенками 14.
Электромеханический привод состоит из электродвигателя 15, двухшарнирного карданного вала 16 и редуктора. В качестве электродвигателя 15 может быть использован серийный асинхронный электродвигатель. Электродвигатель 15 крепится к основанию через текстолитовые терморазвязки 17, 18. Редуктор состоит из ведущего колеса 19, сцепленного с валом электродвигателя 15 карданным валом 16, и ведомого колеса 20, закрепленного на стакане 9. Ведущий вал 21 редуктора развязан с несущей конструкцией через подшипники 22, 23. Для снижения теплопередачи на карданный вал 16 предусмотрен тепловой экран 24, крепящийся к несущим стенкам 14.
Полость канала 7 снабжена одним или несколькими рядами спиральных перегородок или выбором одного или нескольких пазов на одном из образующих его цилиндров.
Направление движения перекачиваемой электропроводной среды в насосе показано стрелками. В качестве перекачиваемой электропроводной среды может быть использованы жидкометаллические теплоносители, например, натрий или натрий-калий, свинец или его сплавы, а также могут быть использованы другие жидкие металлы.
Для оперативной диагностики сварных швов в стакане выполнены технологические отверстия 25.
Работа индуктора винтового индукционного насоса осуществляется следующим образом.
Индуктор используется в винтовом индукционном насосе, предназначенном для перекачивания электропроводной среды, в качестве которой используются жидкометаллические теплоносители, например, натрий или натрий-калий, свинец или его сплавы, а также используются другие жидкие металлы.
Условиями перекачивания электропроводной среды, в качестве которой используется, например, жидкометаллический теплоноситель натрий, при использовании предложенного индуктора являются наличие высокого значения индукции в рабочем зазоре и ротация магнитного поля. Высокое значение индукции в рабочем зазоре насоса обеспечивается средствами создания магнитного поля, выполненные в виде размещенных по окружности, заключенных в оболочку 1 из магнитомягкого материала и разделенных между собой прокладками 2 из немагнитного материала блоков постоянных магнитов. В качестве постоянных магнитов используются редкоземельные постоянные магниты из сплава самарий-кобальт (SmCo). Такие постоянные магниты обладают высокими значениями индукции насыщения и коэрцитивной силы. Возможно также использование других редкоземельных постоянных магнитов, обладающих высокими значениями индукции насыщения и коэрцитивной силы. При этом каждый из таких блоков постоянных магнитов имеет центральный сегмент 3, намагниченный радиально, и два боковых сегмента 4, намагниченных под углом 45° по отношению к центральному. Центральные сегменты 3 размещены с чередованием полюсов по окружности.
Средства создания магнитного поля могут быть представлены, например, двенадцатью блоками постоянных магнитов, размещенными по окружности, каждый из которых выполнен в виде хорды в 30 пространственных градусов (3 сегмента по 10 пространственных градусов).
Данная конструкция средств создания магнитного поля позволяет увеличить общий поток каждого полюса на 20-30% по сравнению с конструкцией, построенной на магнитах с радиальной намагниченностью, и практически полностью компенсировать температурное снижение индукции, наблюдаемой при повышенных температурах. Кроме того, преимуществом такой конструкции является малое взаимодействие между собой отдельных полюсов с различным направлением намагниченности, что значительно облегчает технологический процесс сборки.
Ротация магнитного поля в насосе производится вращением средств создания магнитного поля посредством электромеханического привода, состоящего из серийного асинхронного электродвигателя 15, двухшарнирного карданного вала 16 и редуктора. Использование такого привода для ротации магнитного поля в насосе обеспечивает, во-первых, возможность вынесения электродвигателя 15 из зоны высоких температур в зону низких температур, во-вторых, компенсацию температурного изменения межцентровых расстояний элементов привода, и, в-третьих, способствует компактному размещению основных узлов насоса. Вращение вала электродвигателя через карданный вал 16, ведущий вал 21 редуктора и зубчатые колеса 19, 20 редуктора передается на стакан 9 с установленными в нем средствами создания магнитного поля. Выполнение на наружной поверхности стакана 9, в котором размещены средства создания магнитного поля, одной или нескольких винтовых канавок обеспечивает отвод тепла от насоса при вращении стакана 9, способствуя тем самым улучшению теплового режима работы насоса.
При ротации магнитного поля индуктора в перекачиваемом жидком металле возникают вихревые токи, поля которых взаимодействуют с полем индуктора. Перекачиваемый жидкий металл начинает перемещаться за полем индуктора в спиральном канале 7 с усилием, требуемым для создания давления в насосе.
5
3
Винтовой индукционный насос с предложенным индуктором при использовании в качестве перекачиваемой среды натрия имеет следующие характеристики и расчетные параметры: развиваемое давление 8·10 Па, расход металла - 2 м/ч, температура металла - 400°C, напряжение линейное 380 В, ток линейный - 5,5 А, потребляемая мощность - не более 2 кВт, КПД 30%, коэффициент мощности - не менее 0,80, назначенный срок службы индуктора насоса - 20 лет, наработка на отказ - 8000 ч, ремонтопригодность - замена серийного электродвигателя без отсоединения насоса от трубопровода.