МАГНИТНО-ИНДУКЦИОННЫЙ НАСОС ДЛЯ ПЕРЕКАЧИВАНИЯ ЖИДКИХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к области ядерной энергетики, а именно к конструкции магнитно-индукционных насосов, используемых для перекачивания жидкометаллических теплоносителей в атомной энергетике.
Известен насос для подачи жидкометаллического теплоносителя, содержащий корпус, рабочее колесо, закрепленное на валу, соединенном с приводом и установленном со щелевым зазором с невращающимися узлами, а также отверстие перелива теплоносителя, причем на валу, выше отверстия перелива жидкометаллического теплоносителя, установлено защитное колесо (RU, патент №2233998, F04D 7/06, Опубл. 10.08.2004 г.). Защитное колесо выполнено в виде диска с радиальными лопатками, нижние кромки которых наклонены к свободному уровню теплоносителя так, что зазор между лопатками и уровнем теплоносителя уменьшается от центра к периферии.
Недостатком данного насоса является значительное усложнение изготовления и надежности насоса, связанное с наличием дополнительных, постоянно вращающихся масс сложной формы (защитное колесо), а также необходимость обеспечения компенсации сложно прогнозируемых гидродинамических усилий как в осевом, так и в радиальном направлении, возникающих при работе защитного колеса.
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 жидкометаллического теплоносителя 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, Н02К 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. 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. Ярму придан профиль, позволяющий плотно охватить канал для прохождения расплавленного металла. Канал выполнен так, чтобы плотно охватить также цилиндрический ротор, причем поверхности канала, ротора и ярма соосны.
Прежде всего, к недостаткам данного насоса следует отнести то, что в случае использования данного насоса в атомной энергетике для перекачивания расплавленного металла (жидкометаллического теплоносителя) при возникновении нештатных, аварийных ситуаций массы вращающихся частей насоса недостаточно для обеспечения необходимого крутящего момента, т.е. обеспечения выбега насоса.
Недостатком данного магнитно-индукционного насоса также 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. Отсутствует возможность перекачивания расплавленного металла при отключении электричества.
Задачей является расширение арсенала насосов для перекачивания жидкометаллических теплоносителей в атомной энергетике путем создания насоса, конструкция которого характеризовалась бы возможностью перекачивания жидкометаллического теплоносителя без необходимости прямого механического или электрического контакта между элементами насоса и жидкометаллическим теплоносителем при высоких значениях КПД насоса, обеспечивался бы необходимый крутящий момент вращающихся частей насоса и возможность сохранения магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами, необходимого для перекачивания жидкометаллического теплоносителя по каналу при возникновении нештатных, аварийных ситуаций, отключении электричества, а также возможность транспортирования жидкометаллического теплоносителя запасенной энергией постоянных магнитов. Обеспечивалась бы возможность ремонта или замены насоса без нарушения целостности системы перекачивания жидкометаллических теплоносителей.
Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в магнитно-индукционном насосе для перекачивания жидкометаллических теплоносителей, включающем двигатель, вал, функционально связанный с двигателем и постоянные двухполюсные магниты, функционально связанные с валом, размещенные с чередованием полюсов по окружности и установленные с возможностью вращения относительно канала для прохождения жидкометаллического теплоносителя, постоянные двухполюсные магниты размещены с двух противоположных сторон симметрично относительно канала для прохождения жидкометаллического теплоносителя, причем разноименные полюса магнитов каждой стороны расположены напротив друг друга, а на валу установлен, по меньшей мере, один маховик. Постоянные двухполюсные магниты могут быть установлены на фиксирующих дисках, которые могут иметь паз для установки постоянных двухполюсных магнитов. Постоянные двухполюсные магниты, размещенные с одной из сторон канала для прохождения жидкометаллического теплоносителя, могут быть установлены на маховике. Постоянные двухполюсные магниты могут быть установлены на маховиках. Маховики могут иметь паз для установки постоянных двухполюсных магнитов. Постоянные двухполюсные магниты могут быть установлены на внешнюю торцевую поверхность вставок из немагнитного материала. Постоянные двухполюсные магниты могут быть выполнены в виде секторов, образующих в сборе диск.
При размещении постоянных двухполюсных магнитов с чередованием полюсов по окружности с двух противоположных сторон симметрично относительно канала создается увеличенный магнитный поток за счет удвоения полной приведенной проводимости магнитной системы, обеспечивается получение высокого значения индукции, более равномерное промагничивание рабочего зазора, в котором размещен канал для прохождения жидкометаллического теплоносителя. Благодаря этому обеспечивается более высокое значение КПД насоса. При таком размещении постоянных двухполюсных магнитов также обеспечивается возможность ремонта или замены насоса без нарушения целостности системы перекачивания жидких металлов, исключается прямой механический или электрический контакт между элементами насоса и жидкометаллическим теплоносителем при высоких значениях КПД насоса, обеспечивается необходимый крутящий момент вращающихся частей насоса в случае возникновения нештатных, аварийных ситуаций и возможность транспортирования жидкометаллического теплоносителя запасенной энергией постоянных магнитов.
Благодаря наличию, по меньшей мере, одного маховика, установленного на валу, в момент возникновения нештатной, аварийной ситуации, внезапном прекращении подачи электроэнергии, экстренной остановке двигателя маховик продолжает выполнять вращательное движение, тем самым сохраняя магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами, необходимое для перекачивания жидкометаллического теплоносителя по каналу при возникновении нештатных, аварийных ситуаций, отключении электричества.
Установка постоянных двухполюсных магнитов на фиксирующих дисках, во-первых, обеспечивает конструктивную целостность системы, повышая ее надежность, во-вторых, значительно облегчает технологический процесс сборки магнитной системы.
Наличие паза в фиксирующих дисках и маховиках для установки постоянных двухполюсных магнитов повышает надежность фиксации и позволяет эксплуатировать насос на высоких оборотах.
Установка постоянных двухполюсных магнитов, размещенных с одной из сторон канала для прохождения жидкометаллического теплоносителя, на маховике значительно облегчает технологический процесс сборки магнитной системы насоса. Установка постоянных двухполюсных магнитов на маховиках, во-первых, значительно облегчает технологический процесс сборки магнитной системы, во-вторых, способствует увеличению момента инерции вращающихся частей насоса. Установка постоянных двухполюсных магнитов на внешнюю торцевую поверхность вставок из немагнитного материала придает целостность конструкции ротора. Применение постоянных двухполюсных магнитов 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 (магнитная система размещена на фиксирующих дисках, маховик закреплен отдельно на валу); на фиг. 2 - магнитно-индукционный насос, продольный разрез (магнитная система с одной из сторон размещена на маховике); на фиг. 3 -магнитно-индукционный насос, продольный разрез (магнитная система размещена на маховиках); на фиг. 4 - разрез А-А фиг. 1; на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 3.
Магнитно-индукционный насос для перекачивания
жидкометаллических теплоносителей включает двигатель 1, вал 2, функционально связанный с двигателем 1 и постоянные двухполюсные магниты 3, функционально связанные с валом 2, размещенные с чередованием полюсов по окружности и установленные с возможностью вращения относительно канала 4 для перекачивания жидкометаллического теплоносителя. Постоянные двухполюсные магниты 3 размещены с двух противоположных сторон симметрично относительно канала 4 для перекачивания жидкометаллического теплоносителя, на внешних торцевых поверхностях вставок 5 из немагнитного материала, причем разноименные полюса постоянных двухполюсных магнитов 3 с каждой стороны расположены напротив друг друга. На валу 2 установлен, по меньшей мере, один маховик 6. Постоянные двухполюсные магниты 3 установлены: на фиксирующих дисках 7 (фиг. 1); на фиксирующем диске 7 и маховике 6 (фиг. 2); на маховиках 6 (фиг. 3). Крепление постоянных двухполюсных магнитов 3 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 3 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°С) температурах.
В качестве жидкометаллического теплоносителя используются, например, натрий, натрий - калий, свинец или его сплавы.
Фиксирующие диски 7 и маховики 6 могут быть из ферромагнитной или аустенитной стали.
Канал 4 для перекачивания жидкометаллического теплоносителя может быть любой формы и представляет собой трубопровод, вход и выход которого присоединены к транспортному трубопроводу системы перекачивания жидкометаллического теплоносителя посредством сварного соединения 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 для перекачивания жидкометаллических теплоносителей осуществляется следующим образом.
Двигатель 1 приводит во вращение вал 2 с установленными на нем постоянными двухполюсными магнитами 3, установленными на внешних торцевых поверхностях вставок 5 в пазы фиксирующих дисков 7, либо маховиков 6, размещенными с двух противоположных сторон симметрично 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 4, который может располагаться под любым другим углом.
В момент возникновения нештатной, аварийной ситуации, внезапном прекращении подачи электроэнергии, остановки двигателя 1 маховик 6 продолжает выполнять вращательное движение, тем самым сохраняя магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами 3, необходимое для перекачивания жидкометаллического теплоносителя по каналу 4.
Конструкция насоса проста в изготовлении, эксплуатации, обслуживании и не требует изменений действующей транспортной системы перекачивания жидкометаллического теплоносителя. 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, что имеет очень важное значение при использовании данного насоса в атомной энергетике.
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°С, максимальная температура канала насоса 504°С, КПД 45%, время выбега 180 с.
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. 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, возможность ремонта или замены насоса без нарушения целостности системы перекачивания жидких металлов. Также обеспечивается сохранение магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами, необходимого для перекачивания жидкометаллического теплоносителя по каналу при. возникновении нештатных, аварийных ситуаций, отключении электричества.