ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ НАСОС
ELECTROMAGNETIC PUMP

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для перекачки электропроводных жидкостей и может быть использовано преимущественно в атомной энергетике в качестве насосов для перекачки жидкометаллических теплоносителей: натрия, свинца, свинца-висмута.
В настоящее время электромагнитные насосы широко используются в экспериментальных установках с натриевым и свинцово-висмутовым теплоносителями для обеспечения циркуляции жидкого металла через трубопроводы и испытуемое оборудование.
3
3
К преимуществам указанных насосов относится высокая надежность и долговечность работы, связанная с отсутствием движущихся частей, кроме перекачиваемой среды, а также возможность полной герметизации. В России основным разработчиком и изготовителем насосов индукционного типа является институт ФГУП «НИИЭФА», г.Санкт-Петербург. Указанные насосы предназначены для перекачки теплоносителей с расходами от 2,5 м/ч и выше при давлениях от 0,4 до 1,6 МПа и соответственно имеют достаточно сложную конструкцию, большой вес, значительное электропотребление и высокую стоимость. В то же время в реакторных установках требуются насосы небольшой производительности, порядка 0,1 м/ч и менее для обеспечения циркуляции теплоносителя по байпасным петлям систем анализа химического состава теплоносителя. Такие насосы должны иметь несложную конструкцию, невысокое энергопотребление при сохранении высокой эксплуатационной надежности в течение всего ресурса работы реакторной установки.
Возможные варианты конструкции таких насосов описаны в книге «Жидкометаллические теплоносители ядерных реакторов» авторов Андреева П.А. и др., Ленинград, СУДПРОМГИЗ, 1959 г. (стр.245-265). В этом издании рассмотрены два типа электромагнитных насосов - кондукционные и индукционные.
В обоих типах насосов движущая сила создается за счет взаимодействия проводника, по которому течет ток, с магнитным полем, направленным перпендикулярно направлению тока - в физике эта сила называется силой Ампера.
В кондукционных насосах постоянного тока ток подводится от внешнего источника через шины, приваренные к каналу с перекачиваемой средой, находящемуся в магнитном поле. Недостатком таких насосов является необходимость в мощном источнике питания и внешних шинах большого поперечного сечения для подвода тока к каналу. Рабочие токи электромагнитных насосов имеют величину сотен ампер, и для уменьшения потерь энергии в подводящих шинах эти шины необходимо выполнять достаточно короткими, т.е. располагать источник питания рядом с насосом. Но в местах установки насосов в помещениях АЭС температура воздуха может достигать 90°C, в таких условиях источники питания, содержащие электрорадиоэлементы общепромышленного исполнения, работать не могут, а использование элементов, разработанных для военной техники, существенно увеличивает стоимость насосов.
Индукционные насосы переменного тока по принципу действия аналогичны асинхронным электродвигателям. Канал с перекачиваемой средой помещают между полюсами многополюсной магнитной системы, на обмотки которой подается напряжение от трехфазной цепи переменного тока. В канале создается бегущее магнитное поле, которое индуцирует в электропроводной среде вихревые токи. Их взаимодействие с полем заставляет перекачиваемую среду двигаться вдоль канала - спирального или линейного, недостатком этих насосов является достаточно сложная конструкция магнитной системы и канала и, соответственно, высокая стоимость, что делает неоправданным их использование для создания малых расходов в байпасных петлях систем контроля химического состава жидкометаллических теплоносителей. Кроме того, в связи с особенностями конструкции эти насосы имеют достаточно крупные габариты и высокое энергопотребление.
Наиболее близкими по конструкции и принципу действия к предлагаемому устройству являются кондукционные насосы, описанные в указанной книге. В таких насосах ток, подаваемый на рабочий участок канала с перекачиваемой средой, генерируется объединенной магнитной системой трансформатора и электромагнита, создающего магнитное поле рабочего участка. Эти насосы просты по конструкции, имеют небольшие габариты и массу, но обладают низкой эффективностью и, соответственно, малым КПД.
Для обоснования этих утверждений достаточно рассмотреть характеристики электромагнитных процессов, протекающих в таком насосе.
Если через сердечник трансформатора проходит переменный магнитный поток Ф, то величина ЭДС в витке вторичной обмотки трансформатора по закону электромагнитной индукции
где E - величина ЭДС.
Для синусоидальной формы напряжения питающей цепи трансформатора
м
где Ф - амплитудное значение потока;
ω - частота сети;
t - текущее время;
φ - фаза сети в текущий момент времени.
Из (1) и (2)
Тогда ток короткозамкнутого витка вторичной обмотки по закону Ома
в
где R - сопротивление короткозащитного витка.
В рассматриваемой конструкции насоса на создание магнитной индукции в канале рабочего участка используется часть основного потока трансформатора, т.е.
1
где к - постоянный коэффициент для данной конструкции магнитной системы, определяющий долю магнитной системы, определяющий долю магнитного потока на рабочий участок канала с жидкометаллической средой.
Величина индукции в этом случае
ру
где В - индукция магнитного поля в зоне рабочего участка канала среды;
S - площадь рабочего участка в направлении, перпендикулярном вектору индукции магнитного поля (величина постоянная для заданной конструкции насоса).
По закону Ампера сила, действующая на проводник с током в магнитном поле с учетом (3), (4), (6):
где L - длина проводника с током, для насоса это ширина рабочего участка.
В формуле (7) все параметры, кроме cos ωt, не зависят от времени, т.е. в совокупности составляют постоянную во времени величину, а из математики известно, что произведение sin ωt·cos ωt в зависимости от момента времени принимает значения от  до  т.е направление силы, действующей на жидкий металл, периодически изменяется на противоположное с двойной частотой питающей сети, поэтому однонаправленного движения жидкого металла не происходит. При рассмотрении электромагнитных процессов, протекающих в насосе, было принято допущение, что магнитные потоки в магнитопроводе трансформатора и магнитопроводе электромагнита рабочего участка изменяются синфазно. В действительности из-за различий магнитных сопротивлений этих цепей небольшой сдвиг фаз этих потоков существует, что приводит к небольшой разнице сил, действующих на поток среды в направлениях «вперед» и «назад», т.е. появляется отличная от нуля результирующая сила небольшой величины и рассмотренное устройство может работать как насос, хотя и очень неэффективный. К недостаткам рассмотренного устройства следует отнести также относительно высокое сопротивление цепи витка вторичной обмотки -кроме сопротивления проводов витка это контактные сопротивления проводов с металлическими стенками канала, сопротивление самых стенок канала и сопротивление среды в рабочем участке канала - соответственно уменьшается ток через рабочий участок и движущая сила насоса в соответствии с формулой (7).
Для исключения недостатков известного устройства предлагается в качестве короткозамкнутой вторичной обмотки трансформатора, генерирующего рабочий ток насоса, использовать замкнутый контур перекачиваемой среды, охватывающий магнитопровод трансформатора и имеющий участки входа и выхода среды, а по периметру контура расположить электромагниты переменного тока, создающие магнитное поле, вектор индукции которого перпендикулярен направлению токов в контуре. При этом питание электромагнитов необходимо производить от той же сети, что и питание первичной обмотки трансформатора, а в цепь питания электромагнита или трансформатора включить фазосдвигающие устройства, обеспечивающие близкий или равный 90 градусов сдвиг по фазе между магнитными потоками в магнитопроводах трансформатора и электромагнитов. Для наиболее эффективной работы насоса целесообразно в предложенном устройстве использовать два электромагнита, расположенных соответственно в зонах входного и выходного участков контура.
В качестве фазосдвигающих устройств могут использоваться, например, конденсаторы, включенные последовательно в цепи питания обмоток электромагнитов, а емкости конденсаторов должны быть такой величины, чтобы их емкостные сопротивления на частоте сети были равными или близкими индуктивным сопротивлениям обмоток электромагнитов.
Сущность предложенного устройства поясняется рисунками 1, 2 и 3, на которых приняты следующие условные обозначения:
1 - герметичный корпус проточной части насоса;
2 - сквозное отверстие в центральной части корпуса, образованное внутренней обечайкой корпуса;
3 - перекачиваемая электропроводная среда, протекающая внутри корпуса;
4, 5 - соответственно входной и выходной штуцеры герметичного корпуса;
6 - магнитопровод трансформатора возбуждения, генерирующего рабочий ток в замкнутом контуре перекачиваемой среды внутри корпуса;
7 - катушка первичной обмотки трансформатора возбуждения;
8 - магнитопроводы электромагнитов, создающих переменное магнитное поле на рабочих участках замкнутого контура перекачиваемой среды;
9 - катушки обмоток электромагнитов;
10 - воздушные зазоры в магнитопроводах электромагнитов для размещения в этих зазорах рабочих участков корпуса с перекачиваемой средой;
п
Т - понижающий трансформатор для питания цепей обмоток электромагнитов;
1
2
С, С - конденсаторы в цепях питания электромагнитов;
n
U - напряжение питающей сети переменного тока;
в
Ф - магнитный поток сердечника трансформатора;
э
В - индукция магнитного поля на рабочих участках корпуса со средой;
кз
I - ток короткого замыкания, создаваемый трансформатором в замкнутом контуре среды внутри корпуса;
1
2
F, F - движущие силы, действующие на среду с протекающим в ней током короткого замыкания в магнитном поле, создаваемом электромагнитами соответственно на входном и выходном рабочих участках контура;
ру
L - ширина рабочих участков контура.
Предложенное устройство работает следующим образом.
Корпус насоса 1 выполнен в виде плоскоовальной герметичной камеры с центральным овальным отверстием 2, образованным обечайкой соответствующей формы, вваренной в корпус. Внутри корпуса протекает перекачиваемая электропроводная среда, в частности жидкий металл 3. Таким образом, жидкий металл 3 внутри корпуса 1 принимает форму эллиптического тора, сжатого в направлении, перпендикулярном плоскости расположения тора. В корпус 1 герметично вварены штуцеры 4 и 5, предназначенные соответственно для входа и выхода жидкого металла 3.
~
кз
кз
Через отверстие 2 в корпусе 1 проходит замкнутый магнитопровод 6 трансформатора возбуждения. Катушка с первичной обмоткой 7 этого трансформатора подключена к питающей сети переменного тока U, а в качестве вторичной обмотки трансформатора служит замкнутый контур жидкого металла 3, охватывающий магнитопровод 6. Электродвижущая сила, которая возникает в замкнутом контуре среды 3, вызывает в этом контуре ток I, величина которого зависит от сопротивления контура в направлении протекания тока I в соответствии с формулой (4).
кз
Ток I, протекая по замкнутому контуру среды 3, проходит через входной и выходной рабочие участки контура, расположенные между центральным отверстием 2 и, соответственно, входным штуцером 4 и выходным штуцером 5. Входной и выходной рабочие участки контура расположены в зазорах 10 магнитопроводов 8, образующих вместе с размещенными на них обмотками 9 электромагниты для создания магнитного поля на входном и выходном рабочих участках.
э
Величина индукции В этого поля при заданной конструкции электромагнитов будет пропорциональна току обмоток 9 электромагнитов. Величины движущих сил, действующих на жидкий металл в каждом из рабочих участков, по аналогии с формулой 7 будут соответственно равны
ру
кз
где L - длина рабочих участков в направлении протекания по ним тока I, т.е. фактически это ширина короткозамкнутого контура среды 3.
Так как индуктивное сопротивление обмотки 7 возбуждающего трансформатора во много раз больше ее активного сопротивления, то ток этой обмотки будет отставать по фазе от напряжения сети на величину, близкую к 90°, т.е. π/2 (это следует из основ электротехники). Соответственно по величине тока будет изменяться магнитный поток в магнитопроводе 6. Таким образом, если напряжение питающей сети изменяется по закону
0
где U - амплитуда напряжения,
в
магнитный поток Ф в магнитопроводе 6 трансформатора будет изменяться по закону
2
где k - постоянная величина для данной конструкции трансформатора и частоты сети.
Из формул (1) и (11) следует, что величина ЭДС в короткозамкнутом контуре среды 3 будет равна
кз
а с учетом (4) ток в контуре I будет равен:
кз
где R - сопротивление замкнутого контура среды протекающему току.
~
э
1
2
э
~
Если теперь рассмотреть фазовые соотношения напряжения сети и U индукции В в зазоре магнитопровода 8, то при равенстве емкостного сопротивления конденсаторов C и C, соответствующего индуктивным сопротивлениям обмоток 9 в этих цепях, наступает резонанс напряжений и сопротивление последовательно соединенных конденсатора и обмотки 9 становится чисто активным, равным сопротивлению обмотки 9 постоянному току, соответственно токи через эти обмотки, магнитные потоки магнитопроводов 8 и индукция В в зазорах 10 магнитопроводов 8 в зоне рабочих участков будут изменяться в фазе с напряжением сети U, что можно записать в виде:
3
где k - постоянный для заданной конструкции электромагнита коэффициент.
кз
э
Если подставить значения I из (13), В из (14) в (9), то получим для движущей силы
где  - не зависящий от времени коэффициент.
2
Очевидно, что sinωt всегда будет положительным числом независимо от момента времени, его величина будет изменяться от 0 до +1 с двойной частотой сети.
Движущая сила, создающая напор насоса в предложенном устройстве, пульсирует от нуля до максимального значения в одном направлении с двойной частотой сети, что с учетом инерции движущейся массы металла равноценно постоянной величине силы.
Таким образом, для достижения максимальной эффективности работы насоса необходимо использование фазосдвигающих устройств в цепях питания обмоток 7 трансформатора возбуждения или обмоток 9 электромагнитов, обеспечивающих сдвиг по фазе между магнитными потоками магнитопроводов 6 и 8, близкий или равный 90°, т.е.
1
2
~
п
Наиболее простыми фазосдвигающими устройствами являются конденсаторы, включенные последовательно с соответствующими обмотками электромагнитов или трансформатора, но возможны и другие типы фазосдвигающих устройств, например фазорегулятор на основе заторможенной асинхронной машины. Рассмотренные фазосдвигающие устройства на основе конденсаторов при условии равных или близких реактивных сопротивлений конденсаторов C, C и обмоток 9 электромагнитов создают резонанс напряжений, при котором напряжение на конденсаторе и обмотке может в 10 и более раз превышать питающее напряжение, поэтому в рассмотренном устройстве питание цепей электромагнитов производится не непосредственно от сети U, а через понижающий трансформатор Т.
2
Для проверки работоспособности предложенного насоса был изготовлен его макет, где в роли замкнутого контура жидкого металла использовалась рамка из алюминиевого сплава Д16 с наружными размерами 100×40×5 мм и отверстием в центре 41×21 мм, а трансформатор и электромагниты были изготовлены на основе серийно выпускаемых магнитопроводов из витых сердечников типа ПЛ 20×40×25. Испытания показали, что при включении цепей питания на рамку действует движущая сила 400-500 г, что при поперечном сечении канала в зоне рабочего участка, равном примерно 2 см, обеспечит давление , в то время как для практических целей достаточен напор насоса величиной  т.е. имеется достаточный запас на регулирование. Мощность, потребляемая макетом от сети, составила 50-60 Вт.
3
В настоящее время электромагнитные насосы малой производительности являются одной из проблем при создании систем контроля примесей в жидкометаллическом теплоносителе создаваемых АЭС нового поколения. Так, например, для строящегося в настоящее время реактора БН 800 Белоярской АЭС-2 необходимо около 150 систем с герметичными циркуляционными петлями для отбора натрия из основных трубопроводов и последующего сброса после анализа в точки приема натриевого теплоносителя. В каждой из таких петель должен быть насос, обеспечивающий прокачку теплоносителя с расходом до 0,1 м/ч. На решение этой задачи и направлена разработка предложенного устройства.