ВИНТОВОЙ ИНДУКЦИОННЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к конструкции индукционных насосов, используемых для перекачивания жидких металлов в атомной энергетике, химической и металлургической промышленности.
Известен однофазный электромагнитный насос, содержащий плоский трубопровод, средства создания магнитного потока в виде С-образного магнитопровода и средств создания асимметричного распределения тока под полюсами магнитопровода (SU, авторское свидетельство №501457, H02N 4/20, Опубл. 30.01.1976 г.). Плоский трубопровод выполнен расширяющимся к средней части, угол расширения входной части трубопровода выбран в пределах 80-100°, а ширина его на входе составляет, по крайней мере, половину ширины полюса магнитопровода. Вход трубопровода расположен на уровне, соответствующем краю полюса магнитопровода.
Работа насоса основана на взаимодействии переменного магнитного поля с электрическим током, наведенным в перекачиваемой среде, благодаря его асимметричному распределению под полюсами магнитопровода в направлении развиваемых усилий.
Недостатком данного насоса является его низкая эффективность, выражающаяся, во-первых, в малых развиваемых давлениях при больших габаритах насоса и, во-вторых, в низком КПД.
Недостатки такого насоса связаны с тем, что, во-первых, в плоском металлопроводе асимметрия в распределении тока достигается за счет увеличения по сравнению с сечением полюсных наконечников магнитопровода, размеров металлопровода как по ширине, так и по длине. Это приводит к увеличению длины путей для замыкания тока, следовательно, к увеличению сопротивления этих путей и к снижению плотности тока в перекачиваемом металле, а в результате ведет к малой величине развиваемого насосом давления, несмотря на большие габариты насоса из-за больших размеров металлопровода.
Кроме того, токи, наведенные в перекачиваемом металле, безусловно замыкаются и в пределах зазора под полюсами магнитопровода, что создает тормозное усилие в металлопроводе и, следовательно, ведет к снижению развиваемого давления.
И, наконец, снижение развиваемого давления происходит на боковых границах зазора под полюсами магнитопровода за счет потерь давления на циркуляцию жидкого металла через эти границы.
Наиболее близкой к заявленной полезной модели является винтовая индукционная МГД-машина, содержащая спиральный (винтовой) канал с жидким металлом, образованный внутри двух тонкостенных коаксиально расположенных цилиндров, на поверхности одного из которых имеется винтовая канавка или приваренное к нему винтовое ребро, внутренний сердечник, внешний цилиндрический сердечник и многофазную обмотку, расположенную в пазах внешнего сердечника (Вольдек А.И. Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом. Л., «Энергия», 1970, С. 22-24, рис. 1-11). В данном насосе внешний цилиндрический сердечник и уложенная в его пазах трехфазная многофазная обмотка представляют собой средства создания магнитного поля.
Недостаток данной винтовой индукционной МГД-машины связан со сложностью изготовления канала машины. Между витками канала, а также между жидким металлом и стенками канала должен существовать надежный электрический контакт для того, чтобы вторичные токи могли протекать в осевом направлении последовательно через витки канала. В противном случае вторичные токи будут замыкаться в пределах каждого витка канала по отдельности и ввиду небольшой ширины витка проявление поперечного краевого эффекта будет весьма сильным, что приведет к значительному понижению эффективности машины.
Необходимо также отметить, что такая машина имеет пониженный КПД из-за относительно больших гидравлических потерь и электрических потерь в стенках канала и в контактных сопротивлениях металл-стенки канала.
К недостаткам следует также отнести то, что высокое значение индукции в рабочем зазоре обеспечивается закачкой большой энергии в многофазную обмотку, расположенную в пазах внешнего сердечника. 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 машины, снижая ее надежность.
В основу полезной модели положена задача расширения арсенала индукционных насосов, используемых для перекачивания жидких металлов в атомной энергетике, химической и металлургической промышленности, путем создания такого насоса, конструкция которого характеризовалась бы незначительными энергетическими затратами и тепловыми потерями при повышенной надежности и высоких значениях КПД насоса.
При этом техническим результатом является реализация этого назначения.
Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в винтовом индукционном насосе, включающем спиральный канал для перекачиваемой электропроводной среды, образованный внутри двух коаксиально расположенных цилиндров, средства создания магнитного поля и внутренний сердечник, средства создания магнитного поля размещены в стакане и установлены с возможностью вращения посредством электромеханического привода относительно спирального канала и внутреннего сердечника и 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.
Электромеханический привод может состоять из электродвигателя, двухшарнирного карданного вала и редуктора.
На наружной поверхности стакана может быть выполнена, по крайней мере, одна винтовая канавка.
Угол намагничивания боковых сегментов по отношению к центральному составляет преимущественно 45°.
В стакане могут быть выполнены технологические отверстия.
При размещении средств создания магнитного поля в стакане, их установки с возможностью вращения посредством электромеханического привода относительно спирального канала и внутреннего сердечника и выполнении 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, размещении центральных сегментов с чередованием полюсов по окружности, высокое значение индукции в рабочем зазоре обеспечивается полями постоянных магнитов при незначительных энергетических затратах и тепловых потерях, благодаря чему повышается надежность и обеспечиваются высокие значения КПД насоса.
Использование в качестве электромеханического привода электродвигателя, двухшарнирного карданного вала и редуктора обеспечивает, во-первых, возможность использования для ротации магнитного поля в насосе серийного электродвигателя с высокими значениями КПД и коэффициента мощности, вынесенного 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.
Выполнение на наружной поверхности стакана, по крайней мере, одной винтовой канавки способствует отводу тепла при его вращении с размещенными в нем средствами создания магнитного поля относительно спирального канала и внутреннего магнитопровода, способствуя тем самым улучшению теплового режима работы насоса.
Угол намагничивания боковых сегментов по отношению к центральному выбирается исходя из условий обеспечения высокого значения индукции в рабочем зазоре 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, наблюдаемой при повышенных температурах, а также минимально возможное взаимодействие между собой отдельных полюсов с различным направлением намагниченности.
Благодаря наличию в стакане технологических отверстий обеспечивается возможность оперативной диагностики сварных швов без отсоединения насоса от трубопровода при проведении планово-профилактических работ.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами. На фиг. 1 изображен винтовой индукционный насос, продольный разрез; на фиг. 2 - средства создания магнитного поля, поперечный разрез.
Винтовой индукционный насос включает основание, состоящее из кронштейна 1 и стоек 2, спиральный канал 3 для перекачиваемой электропроводной среды, образованный внутри двух коаксиально расположенных цилиндров, внутренний сердечник 4, средства создания магнитного поля и электромеханический привод для вращения средств создания магнитного поля относительно спирального канала 3 и внутреннего сердечника 4. Средства создания магнитного поля размещены в стакане 5. Стакан 5 соединен с несущей конструкцией насоса через высокотемпературные необслуживаемые подшипники 6. На наружной поверхности стакана 5 выполнена одна или несколько винтовых канавок.
На основании крепится опорный фланец 7, нижнее основание 8 и верхнее основание 9 с несущими стенками 10.
Электромеханический привод состоит из электродвигателя 11, двухшарнирного карданного вала 12 и редуктора. В качестве электродвигателя 11 может быть использован серийный асинхронный электродвигатель. Электродвигатель 11 крепится к основанию через текстолитовые терморазвязки 13, 14. Редуктор состоит из ведущего колеса 15, сцепленного с валом электродвигателя 11 карданным валом 12, и ведомого колеса 16, закрепленного на стакане 5. Ведущий вал 17 редуктора развязан с несущей конструкцией через подшипники 18, 19. Для снижения теплопередачи на карданный вал 12 предусмотрен тепловой экран 20, крепящийся к несущим стенкам 10.
Полость канала 3 снабжена одним или несколькими рядами спиральных перегородок или выбором одного или нескольких пазов на одном из коаксиально расположенных цилиндров.
Для оперативной диагностики сварных швов в стакане 5 выполнены технологические отверстия 21.
Средства создания магнитного поля выполнены в виде размещенных по окружности блоков постоянных магнитов 22, заключенных в оболочку 23 из магнитомягкого материала и разделенных между собой прокладками 24 из немагнитного материала. Каждый из блоков постоянных магнитов 22 имеет центральный сегмент 25, намагниченный радиально, и два боковых сегмента 26, намагниченных под углом по отношению к центральному. Угол намагничивания боковых сегментов 26 по отношению к центральному сегменту 25 составляет преимущественно 45°. Центральные сегменты 25 размещены с чередованием полюсов по окружности. В качестве постоянных магнитов 22 предпочтительно используются редкоземельные постоянные магниты с высокими значениями индукции насыщения и коэрцитивной силы, например, постоянные магниты из сплава самарий-кобальт (SmCo).
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.
Работа винтового индукционного насоса осуществляется следующим образом.
Винтовой индукционный насос предназначен 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, являются наличие высокого значения индукции в рабочем зазоре и ротация магнитного поля. Высокое значение индукции в рабочем зазоре насоса обеспечивается полями постоянных магнитов. Ротация магнитного поля в насосе производится вращением средств создания магнитного поля посредством электромеханического привода, состоящего из серийного асинхронного электродвигателя 11, двухшарнирного карданного вала 12 и редуктора. Использование такого привода для ротации магнитного поля в насосе обеспечивает, во-первых, возможность вынесения электродвигателя 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 11 через карданный вал 12, ведущий вал 17 редуктора и зубчатые колеса 15, 16 редуктора передается на стакан 5 с установленными в нем средствами создания магнитного поля, выполненными в виде размещенных по окружности, заключенных в оболочку 23 из магнитомягкого материала и разделенных между собой прокладками 24 из немагнитного материала блоков постоянных магнитов 22. В качестве постоянных магнитов 22 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 22 имеет центральный сегмента 25, намагниченный радиально, и два боковых сегмента 26, намагниченных под углом 45° по отношению к центральному. Центральные сегменты 25 размещены с чередованием полюсов по окружности.
Средства создания магнитного поля могут быть представлены, например, двенадцатью блоками постоянных магнитов 22, 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.
Выполнение на наружной поверхности стакана 5, в котором размещены средства создания магнитного поля, одной или нескольких винтовых канавок способствует отводу тепла от насоса при вращении стакана, способствуя тем самым улучшению теплового режима работы насоса.
При ротации постоянных магнитов в перекачиваемом жидком металле, находящемся в спиральном канале 3, возникают вихревые токи, поля которых взаимодействуют с полями постоянных магнитов 22, что обеспечивает перемещение перекачиваемого жидкого металла в спиральном канале 3 с усилием, требуемым для создания давления в насосе.
5
3
Винтовой индукционный насос имеет следующие характеристики и расчетные параметры: перекачиваемый металл - натрий, установочное положение - вертикальное, 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, габаритно-присоединительные размеры насоса - 1095×530×390 мм, назначенный срок службы индуктора насоса - 20 лет, наработка на отказ - 8000 ч, ремонтопригодность - замена серийного электродвигателя без отсоединения насоса от трубопровода.
Благодаря наличию в стакане технологических отверстий 21 обеспечивается возможность оперативной диагностики сварных швов без отсоединения насоса от трубопровода при проведении планово-профилактических работ.