МАГНИТНО-ИНДУКЦИОННЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к области магнитной гидродинамики, а именно к конструкции магнитно-индукционных насосов, используемых для транспортировки жидких металлов в атомной энергетике, химической и металлургической промышленности.
Известен электромагнитный индукционный насос, содержащий дисковый тонкостенный канал с направляющими лопатками и трубопроводами подвода и отвода прокачиваемой среды, вращающийся торцовый многополюсный индуктор с разноименными полюсами, ограниченными передними и задними кромками, и шихтованный неподвижный магнитопровод (SU, авторское свидетельство №561268, H02N 4/02, Опубликовано 05.06.1977 г., дата опубликования описания 18.08.1977 г.). Передние и задние кромки полюсов индуктора спрофилированы таким образом, что при любом положении индуктора эти кромки ортогональны по отношению к направляющим лопаткам дискового канала в местах их взаимного пересечения, причем в промежутках между двумя соседними направляющими лопатками одновременно находятся, по крайней мере, два разноименных полюса индуктора. В данном насосе на валу приводного двигателя крепится дисковая ферромагнитная спинка магнитопровода индуктора, к которой примыкают с одной стороны постоянные магниты. Промежутки между соседними разноименно-полюсными магнитами заполнены немагнитной сталью. Снаружи на вращающийся индуктор надето немагнитное бандажное кольцо, обеспечивающее прочность индуктора. К дисковому тонкостенному каналу примыкает шихтованный магнитопровод. Жидкий металл подводится к насосу по центральному трубопроводу. Внутри дискового канала имеются перегородки, разделяющие его на ряд отдельных каналов. Магнитное поле в 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. В общем случае каналы насоса могут быть выполнены гидравлически-разделенными, что может оказаться крайне необходимым в системах жидкометаллического охлаждения теплонапряженных узлов энергоустановок.
Недостатком данного электромагнитного индукционного насоса является то, что в условиях работы индуктора такого насоса 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.
Кроме того, к недостаткам следует также отнести то, что в случае выхода из строя одного из элементов насоса требуется демонтаж насоса, что в свою очередь приводит к нарушению целостности системы перекачивания жидкометаллической среды и проведению соответствующих ремонтных работ.
Наиболее близким к заявленной полезной модели является магнитно-индукционный насос, содержащий двигатель, вал, функционально связанный с двигателем, по меньшей мере, один постоянный двухполюсный магнит, функционально связанный с валом, и немагнитный канал для прохождения расплавленного металла (RU, патент №2436223, H02K 44/06, Опубл. 10.12.2011 г.). При этом двигатель приводит вал и постоянные магниты во вращение с их перемещением относительно канала, в результате чего в расплавленном металле, находящемся внутри канала, индуцируются вихревые токи, взаимодействующие с движущимся магнитным полем с созданием силы, обеспечивающей прокачивание металла через канал, причем металл контактирует только с внутренней поверхностью канала. Немагнитный канал для прохождения расплавленного металла образует внутреннюю полость (внутренний проход), через которую (через который) проходит расплавленный металл. На одном конце канала имеется вход, а на его противоположном конце - выход. В данном насосе указанный, по меньшей мере, один постоянный двухполюсный магнит содержит пары двухполюсных неомагнитов, причем каждый из двухполюсных неомагнитов имеет конфигурацию полюсов, противоположную их конфигурации в смежных с ним магнитах. Постоянные двухполюсные магниты размещены с чередованием полюсов по окружности, причем каждый из двухполюсных магнитов отделен от смежного магнита магнитоинертной вставкой (концентратором). Вал и, по меньшей мере, один магнит заключены внутри цилиндрического ротора. Насос дополнительно содержит ярмо, расположенное в непосредственной близости от указанного канала и противолежащее, по меньшей мере, одному двухполюсному магниту, при этом ярмо выполнено из ферромагнитного материала и обеспечивает повышение интенсивности магнитного поля, генерируемого указанным, по меньшей мере, одним магнитом. Насос обеспечивает возможность прокачивания, торможения и выдачи заданных порций расплавленного металла, изменения направления потока расплавленного металла при мобильности самой конструкции.
Недостатком данного магнитно-индукционного насоса является расположение постоянных двухполюсных магнитов, функционально связанных с валом, только относительно одной внутренней стороны немагнитного канала для прохождения расплавленного металла. При таком расположении постоянных двухполюсных магнитов, а также, несмотря на наличие дополнительно установленного ярма, выполненного из ферромагнитного материала, расположенного в непосредственной близости от указанного канала и противолежащего постоянным двухполюсным магнитам, не обеспечивается необходимая интенсивность магнитного поля, генерируемого указанными магнитами, и как следствие такой насос имеет пониженный КПД.
Задачей является реализация расширения арсенала магнитно-индукционных насосов для транспортирования жидких металлов в атомной энергетике, химической и металлургической отрасли, путем создания насоса, конструкция которого характеризовалась бы возможностью перекачивания жидкого металла без необходимости прямого механического или электрического контакта между элементами насоса и расплавленным металлом при высоких значениях КПД насоса, обеспечивалась бы возможность транспортирования жидкого металла запасенной энергией постоянных магнитов в каналах любой формы, а также обеспечивалась бы возможность ремонта или замены насоса без нарушения целостности системы перекачивания жидких металлов.
Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в магнитно-индукционном насосе, включающем двигатель, вал, функционально связанный с двигателем, концентраторы, расположенные между постоянными двухполюсными магнитами, размещенными с чередованием полюсов по окружности, функционально связанные с валом и установленные с возможностью вращения относительно канала для прохождения расплавленного металла, предложено концентраторы, выполненные из ферромагнитной стали, и постоянные двухполюсные магниты, имеющие тангенциальное направление намагниченности, расположить с двух противоположных сторон симметрично относительно канала для прохождения расплавленного металла, причем разноименные полюса постоянных двухполюсных магнитов и концентраторы каждой стороны расположить напротив друг друга соответственно. Также предложено постоянные двухполюсные магниты с концентраторами установить на боковых поверхностях фиксирующих дисков, выполненных из аустенитной стали, со стороны канала для прохождения расплавленного металла. Фиксирующие диски снабдить пазом для установки постоянных двухполюсных магнитов с концентраторами. Постоянные двухполюсные магниты с концентраторами установить на внешнюю торцевую поверхность вставок из немагнитного материала. Постоянные двухполюсные магниты и концентраторы выполнить в виде секторов, образующих в сборе диск.
Конструкция магнитной системы с концентраторами, так называемый ротор «коллекторного типа», обеспечивает возможность улучшения использования объема ротора и магнитной энергии магнита, что улучшает удельные характеристики насоса.
При размещении концентраторов и постоянных двухполюсных магнитов с тангенциальным направлением намагниченности с чередованием полюсов по окружности с двух противоположных сторон симметрично относительно канала создается увеличенный магнитный поток в канале за счет удвоения полной приведенной проводимости магнитной системы, обеспечивается получение высокого значения индукции, более равномерное промагничивание рабочего зазора, в котором размещен канал для прохождения расплавленного металла. Благодаря чему обеспечивается более высокое значения КПД насоса. При таком размещении концентраторов и постоянных двухполюсных магнитов относительно канала исключается прямой механический и электрический контакт между элементами насоса и жидкометаллическим теплоносителем, что обеспечивает возможность ремонта или замены насоса без нарушения целостности системы перекачивания жидких металлов. Применение концентраторов, выполненных из ферромагнитной стали, позволяет замкнуть магнитный поток на них. Установка постоянных двухполюсных магнитов с концентраторами на боковых поверхностях фиксирующих дисков, выполненных из аустенитной стали, со стороны канала для прохождения расплавленного металла, значительно облегчает технологический процесс сборки магнитной системы. Наличие паза в фиксирующих дисках для установки постоянных двухполюсных магнитов с концентраторами повышает надежность фиксации магнитной системы и позволяет эксплуатировать насос на высоких оборотах. Установка постоянных двухполюсных магнитов с концентраторами на внешнюю торцевую поверхность вставок из немагнитного материала придает целостность конструкции ротора. Применение постоянных двухполюсных магнитов и концентраторов в виде секторов позволяет создать усиленный магнитный поток и облегчает их сборку.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами. На фиг. 1 изображен магнитно-индукционный насос (продольный разрез); на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - магнитная система, направление намагничивания магнитов.
Магнитно-индукционный насос включает двигатель 1, вал 2, функционально связанный с двигателем 1, концентраторы 3, выполненные из ферромагнитной стали и расположенные между постоянными двухполюсными магнитами 4, имеющими тангенциальное направление намагниченности и размещенными с чередованием полюсов по окружности, функционально связанные с валом 2 и установленные с возможностью вращения относительно канала 5 для прохождения расплавленного металла. Постоянные двухполюсные магниты 4 выполнены в виде секторов и установлены на внешних торцевых поверхностях вставок 6 из немагнитного материала в пазах фиксирующих дисков 7, выполненных из аустенитной стали, причем концентраторы 3 и разноименные полюса магнитов 4 каждой стороны расположены напротив друг друга.
Крепление постоянных двухполюсных магнитов 4 производится посредством крепежных элементов, обеспечивающих конструктивную целостность магнитной системы насоса и эффективно предотвращающих смещение при вращении.
В качестве двигателя 1 используются двигатели различных типов, имеющие достаточные мощность и угловую скорость для эффективного прокачивания расплавленного металла при обеспечении необходимого напора.
В качестве постоянных двухполюсных магнитов 4 предпочтительно используются редкоземельные магниты с высокими значениями индукции насыщения и коэрцитивной силы, например, из сплава самарий-кобальт (SmCo), обеспечивающие работоспособность насоса при высоких (более 500°C) температурах.
В качестве перекачиваемого расплавленного металла могут быть использованы жидкометаллические теплоносители, например, натрий, натрий - калий, свинец или его сплавы, а также могут быть использованы другие жидкие металлы.
Канал 5 для прохождения расплавленного металла может быть любой формы и представляет собой трубопровод, вход и выход которого присоединены к транспортному трубопроводу системы перекачивания жидких металлов посредством фланцевого соединения либо посредством сварного соединения (предпочтительно для применения данного насоса в атомной энергетике для повышения надежности системы). Крепление вала 2 с двигателем 1 может осуществляться с помощью магнитной муфты для передачи крутящего момента на валу.
Работа магнитно-индукционного насоса осуществляется следующим образом.
Двигатель 1 приводит во вращение вал 2 с концентраторами 3 и постоянными двухполюсными магнитами 4, установленными на внешних торцевых поверхностях вставок 6 в пазы фиксирующих дисков 7 и симметрично размещенными с двух противоположных сторон относительно канала 4, между которыми образуется зазор. В зазоре (внутри канала 4) создается переменное магнитное поле относительно проводящей среды, в результате в которой возникают электрические токи, создающие собственное магнитное поле. При взаимодействии токов с результирующим магнитным полем в проводящей среде появляется электромагнитная сила. Возникающая электромагнитная сила перемещает жидкий металл вдоль канала 5, который может располагаться под любым другим углом.
Конструкция насоса проста в изготовлении, эксплуатации, обслуживании и не требует изменений действующей транспортной системы перекачивания жидких металлов.
Насос обеспечивает возможность перекачивания, торможения, выдачи заданных порций расплавленного металла, изменения направления потока расплавленного металла, а также обеспечивает выбег, что имеет большое значение при применении насоса в атомной энергетике.
Установка магнитно-индукционного насоса происходит съемным образом непосредственно в действующую транспортную систему перекачивания жидких металлов. Это позволяет в случае выхода из строя одного из элементов насоса или необходимости замены насоса производить демонтаж насоса или его элементов без нарушения целостности системы перекачивания жидких металлов и в кратчайшие сроки проведения соответствующих ремонтных работ.
3
3
Предложенный магнитно-индукционный насос имеет повышенный КПД, что подтверждается следующими характеристиками и расчетными параметрами: перекачиваемый металл - натрий, установочное положение - вертикальное, развиваемое давление при номинальных параметрах 5,1 кг/см, расход металла 1268 м/ч, номинальная температура перекачиваемого натрия 298°C, максимальная температура канала насоса 504°C, КПД 45%.
Использование предложенного магнитно-индукционного насоса позволяет перекачивать жидкий металл без необходимости прямого механического или электрического контакта между элементами насоса, обеспечивает возможность транспортирования жидкого металла запасенной энергией постоянных магнитов в каналах любой формы, а также возможность ремонта или замены насоса без нарушения целостности системы перекачивания жидких металлов.