Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время магнитогидродинамические (МГД) машины применяются в различных отраслях промышленности, там, где необходимы транспортировка, дозированная подача, перемешивание жидких металлов, таких как щелочные металлы, алюминий, ртуть, свинец и т.д. Особое место занимают электромагнитные насосы (ЭМН) для перекачивания жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах на быстрых нейтронах. В НЙИЭФА им. Д.В.Ефремова работы по созданию таких насосов начали проводиться в начале 50-х годов прошлого столетия в связи с принятием в нашей стране программы создания реакторов на быстрых нейтронах. С этих пор и до настоящего времени НИИЭФА является основным разработчиком и изготовителем ЭМН для быстрых реакторов и экспериментальных стендов для отработки элементов таких реакторов. Особые технологические преимущества ЭМН: отсутствие вращающихся частей; полная герметизация проточного тракта без каких-либо уплотнений; легкость регулирования расхода и простота обслуживания - позволяют им конкурировать с механическими насосами. Во вспомогательных контурах быстрых реакторов, используемых для заполнения, слива, очистки жидкого металла, промывки тепловыделяющих сборок, преимущественно используются ЭМН. Имеется также положительный опыт их эксплуатации в основных контурах быстрых реакторов.
Развитие атомной промышленности во многом связывают с развитием технологии реакторов на быстрых нейтронах, особенностью которой является замкнутый топливный цикл. Эта технология позволяет использовать накопившийся плутоний и отработанное ядерное топливо. Существует необходимость в ближайшие 15 лет ввести коммерческий реактор БН-1800. Разрабатываются проекты реакторов нового поколения на основе принципа естественной безопасности, охлаждаемых свинцом или сплавом свинец-висмут, - БРЕСТ-300 и СВБР-75/100. Положительный опыт эксплуатации ЭМН предполагает их использование в новых проектах. В последние годы за рубежом проводятся работы по созданию ЭМН для основных контуров быстрых реакторов.
В установках управляемого термоядерного синтеза, в частности, в реакторах-токамаках разрабатываются жидкометаллические системы, обеспечивающие тепловую защиту первой стенки, наработку трития и отвод тепла реактора, очистку плазмы от загрязнения её продуктами горения, в которых используются жидкие металлы — литий, сплав литий-свинец. Для перекачивания теплоносителя в указанных системах предполагается использование ЭМН.
Применение ЭМН в атомных электростанциях предъявляет повышенные требования к их стабильной и безопасной работе. В первую очередь это касается устойчивой работы насосов, отсутствию колебаний их характеристик: давления, расхода, тока питания. Проведенные к настоящему времени экспериментальные исследования показали, что при превышении определенных значений параметра электромагнитного взаимодействия Iims=RTOi4„ названного критическим (R^-мапштное число Рейнольдса, s-скольжение), возникает неустойчивость характеристик насоса. Исследователи связывают это явление с размагничивающим действием токов вторичной среды при больших значениях магнитного числа Рейнольдса. Результатом является нарушение однородного распределения потока жидкого металла и индукции магнитного поля по периметру канала, увеличение их возмущений с увеличением RmS, и в конечном итоге увеличение потерь мощности и появление вихрей в скоростном потоке, которые и приводят к низкочастотным колебаниям характеристик ЭМН.
Инженерная методика расчета насосов основывается на электродинамическом приближении, когда предполагается, что жидкий металл движется как твердое тело, т.е. распределение скорости и индукции магнитного поля однородно по всему объему вторичной среды. Особенности структуры скоростного потока и ее влияние на интегральные характеристики учитываются эмпирическими коэффициентами, полученными на основании ранее проведенных исследований. Примерное условие отсутствия низкочастотных пульсаций даачения, предполагающее относительно слабое размагничивание вторичной среды, определяется как Rm^l- Это учитывается при расчете характеристик насоса, выборе номинальной рабочей точки
или диапазона регулирования расхода, обеспечивающих оптимальное для заданных условий соотношение КПД, габаритов и веса машины. Для расширения диапазона устойчивой работы насосов средней и большой мощности приходится снижать частоту питания. Однако в этом случае в существенной степени увеличивается опасное воздействие пульсаций давления удвоенной частоты источника питания, амплитуда которых может достигать более 30% развиваемого насосом электромагнитного давления в области номинальных значений скольжения. Для подавления этих пульсаций необходимо применение специально разработанных схем соединения обмотки индуктора ЭМН.
К началу исследований, результаты которых представлены в данной работе, не все критерии, определяющие зону устойчивости насосов, были известны. Не было достаточного количества экспериментальных данных для определения этих критериев. Не все способы уменьшения пульсаций давления с двойной частотой источника питания были исследованы.
Целью работы является совершенствование инженерной методики расчета цилиндрических линейных индукционных насосов (ЦЛИН) путем определения границы возникновения низкочастотных пульсаций их характеристик и разработка нового способа снижения пульсаций давления с двойной частотой источника питания.' Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
Разработать и создать автоматизированную высокоскоростную систему измерения, позволяющую регистрировать, сохранять и обрабатывать большие объемы экспериментальных данных.
Провести экспериментальные исследования интегральных и локальных характеристик ПЛИН в широком диапазоне изменения МГД-параметров.
Установить критерии, определяющие границу устойчивой работы ЦЛИН, и сравнить результаты с известными экспериментальными данными.
* Провести теоретическое и экспериментальное исследование пульсаций давления с двойной частотой источника питания в ЭМН с одноступенчатой градацией линейной токовой нагрузки на два полюсных деления на концах индуктора.
Научная новизна
Создана уникальная информационно измерительная система для исследования пульсаций давления в ЭМН.
Установлены критерии, определяющие границу устойчивой работы ЦЛИН.
Теоретически и экспериментально исследованы пульсации давления с двойной частотой источника питания в ЭМН с одноступенчатой градацией линейной токовой нагрузки на два полюсных деления на концах индуктора.
Результаты исследований, связанные с уменьшением двойных пульсаций,
защищены авторским свидетельством и патентом.
Основные положения, выносимые на защиту
Результаты экспериментального определения границы устойчивой работы ЦЛИН.
Результаты теоретического и экспериментального исследования уменьшения пульсаций давления с двойной частотой источника питания в ЭМН с одноступенчатой градацией линейной токовой нагрузки на два полюсных деления на концах индуктора.
Практическая значимость работы
Установлены критерии, определяющие границу устойчивой работы ЦЛИН, что позволяет обеспечить надежную и эффективную работу насосов в заданном диапазоне скольжений.
Предложенная модификация линейной токовой нагрузки снижает пульсации давления с двойной частотой источника питания, что позволяет ее использовать при создании насосов с пониженной частотой источника питания.
Достоверность получении! результатов
Использованы современные средства измерения и анализа исследованных
характеристик.
Результаты получены анализом большого количества экспериментальных данных.
Погрешность сравнения результатов исследований с экспериментальными
данными, полученными при испытаниях других насосов, составляет не более 15%..
Апробация результатов работы и публикации
Результаты диссертационной работы, докладывались на следующих конференциях и семинарах:
XI, ХП, ХПІ Рижских совещаниях по магнитной гидродинамике (Рига, 1984 г., 1987 г., 1990 г.);
на Международной конференции по явлениям передачи энергии в магнитной гидродинамике и электропроводящих потоках (Оссуа, 1997 г.);
на Международных конференциях по фундаментальной и прикладной магнитной гидродинамике (Джиенс, 2000 г., Раматьюэль, 2002 г., Рига, 2005г.);
Материал диссертации опубликован в 14 работах, одном авторском свидетельстве, и одном патенте.
Объём и структура диссертации. Диссертация изложена на 106 страницах, содержит 44 рисунка, 1 таблицу и список литературы из 66 наименований. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.
