ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ НАСОС
ELECTROMAGNETIC INDUCTION PUMP

Изобретение относится к МГД-технике, в частности к электромагнитным индукционным насосам для перекачивания жидких металлов на атомных электростанциях, в химической и металлургической отраслям промышленности.
Известен ряд конструкций цилиндрических линейных (ЦЛИН) и винтовых (ВИН) индукционных электромагнитных насосов (ЭМН), основными узлами которых являются индуктор с обмоткой и канал, образованный коаксиальными обечайками с внутренним магнитопроводом [Глухих В.А., Тананаев А.В., Кириллов И.Р. Магнитная гидродинамика в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат. - 1987. - с.196, рис.6.4 (а, б, г)]. Обмотка индуктора создает бегущее магнитное поле, при взаимодействии которого с индуктированными в жидком металле токами возникают электромагнитные усилия, обеспечивающие перемещение жидкого металла.
Однако такие конструкции индукционных ЭМН имеют недостатки. В них тепловой поток от канала подогревает индуктор, включая обмотку индукционного ЭМН, что приводит к повышению температуры обмотки и, следовательно, повышению ее активного сопротивления. В итоге повышение температуры (сопротивления) обмотки ведет к повышению потерь на создание магнитного поля, что в конечном счете приводит к снижению коэффициента полезного действия (КПД) и ресурса работы индукционного ЭМН.
Известен электромагнитный индукционный насос [Анисимов А.М. и др. Атомная энергия. - 2012. - Т.112. - Вып.6. - С.362,], в котором для уменьшения нагрева обмотки установлен тепловой экран. Недостатком такого насоса является то, что в таком экране также будут индуктироваться и токи, аналогичные токам в рабочей среде (перекачиваемом жидком металле), что также приводит к снижению коэффициента полезного действия и ресурса работы.
Известен принимаемый за прототип электромагнитный индукционный насос с электромагнитным экраном [Применение МГД-устройств в металлургии / Под ред. В.Н. Тимофеева, Е.А. Головенко, Е.В. Кузнецова. - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2007. - С.253], представляющим собой сектор полого кругового цилиндра с углом раскрытия Р. Достоинством данной конструкции является надежность работы индукционного ЭМН и простота регулирования скорости вращения экрана.
Недостатком такого насоса является то, что в таком экране также будут индуктироваться и замыкаться вихревые токи, вызванные разностью электрических потенциалов под разноименными полюсами, что также приводит к снижению коэффициента полезного действия и ресурса работы.
Заявляемое техническое решение направлено на устранение вышеуказанных недостатков, присущих аналогу и прототипу.
Техническим результатом заявляемого решения является повышение коэффициента полезного действия и ресурса работы индукционных электромагнитных насосов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в электромагнитном индукционном насосе, содержащем размещенный между индуктором и каналом тепловой экран, характеризующихся средним диаметром D, продольной осью канала, сторонами и активной длиной индуктора, числом пар полюсов p, полюсными делениями τ, с целью повышения коэффициента полезного действия и ресурса работы электромагнитного насоса тепловой экран выполнен в виде k-заходной(ых) спирали(ей), линия разреза которой(ых) образует угол наклона к продольной оси канала α, где k - положительное целое число.
В конструкциях индукционных ЭМН с тепловым экраном, выполненным в виде k-заходной(ых) спирали(ей) (далее в виде спирали), линия разреза которой(ых) образует угол наклона к продольной оси канала, имеют место следующие явления. Величина вихревого тока в тепловом экране такого насосов определяется, при прочих равных условиях, разностью соседних потенциалов и сопротивлением для контуров вихревых токов. В индукционных ЭМН типа ЦЛИН при выполнении экрана в виде спирали происходит, во-первых, дробление (уменьшение) разности соседних потенциалов вдоль продольной оси насоса, а во-вторых, увеличение длины (вытягивание) контуров вихревых токов. Каждое из этих явлений ведет в конечном итоге к уменьшению величины вихревых токов, а следовательно, к уменьшению потерь, снижению температуры экрана, то есть обмотки и в конечном счете повышению КПД и ресурса работы индукционных ЭМН типа ЦЛИН.
В индукционном ЭМН типа ВИН при выполнении экрана в виде спирали происходит увеличение длины (вытягивание) и сужение контуров вихревых токов. Таким образом, увеличивается электрическое сопротивление для них, что в конечном счете ведет к уменьшению величины вихревых токов, а следовательно, к уменьшению потерь, снижению температуры экрана, то есть обмотки и в конечном счете повышению КПД и ресурса индукционных ЭМН типа ВИН.
Угол наклона к продольной оси канала α определяется по формуле:
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><mi>n</mi><mi>π</mi><mi>D</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>p</mi><mi>τ</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
где n - число полных оборотов разреза вокруг продольной оси канала.
с
Ширина каждой элементарной спирали t определяется по формуле:
<mrow><msub><mi>t</mi><mi>с</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>l</mi><mi>k</mi></mfrac></mrow>
,
где l - длина канала в направлении его продольной оси, k - число элементарных спиралей.
На фиг.1 показан продольный разрез цилиндрического линейного индукционного насоса, а на фиг.2 - продольный разрез винтового индукционного насоса. Насосы содержат магнитопровод (1), обмотку (2), канал в виде кольцевого зазора (3) (в ЭМН типа ВИН с перегородками, выполненными в виде винтовой линии), сердечник (4), тепловой экран (5), замыкатели (6) (только у ЭМН типа ВИН). На этих же чертежах стрелками обозначены векторы: индукция магнитного поля - B; скорости - u; плотности тока в жидком металле - j.
На фиг.3, в качестве примера, изображен экран, выполненный в виде однозаходной спирали.
Электромагнитный индукционный насос работает следующим образом.
При заполненном жидким металлом канале (3) и подаче напряжения на обмотку (2) по ней течет ток, под действием которого в кольцевом зазоре канала (3) возбуждается радиально направленное магнитное поле, индуктирующее в жидком металле ток. В результате взаимодействия индуктированного тока с магнитным полем возникает электромагнитная сила, движущая жидкий металл. Аналогичные явления происходят и в тепловом экране (5). При этом в ЭМН типа ЦЛИН при выполнении экрана в виде спирали согласно заявляемому техническому решению происходит уменьшение разности соседних потенциалов вдоль продольной оси насоса и увеличение длины контуров вихревых токов, что в итоге приводит к уменьшению величины вихревых токов, а следовательно, к уменьшению потерь, снижению температуры экрана, то есть обмотки, и в конечном счете к достижению заявляемого технического результата, а именно повышению КПД и ресурса работы индукционных ЭМН типа ЦЛИН.
При этом в ЭМН типа ВИН при выполнении экрана в виде спирали согласно заявляемому техническому решению происходит увеличение длины и сужение контуров вихревых токов. В результате увеличивается электрическое сопротивление для них, что в конечном счете ведет к уменьшению величины вихревых токов, а следовательно, к уменьшению потерь, снижению температуры экрана, то есть обмотки, и в конечном счете повышению КПД и ресурса работы индукционных ЭМН типа ВИН.