Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы, обзор работ, исследование интегральных и локальных характеристик МГД-машин
1.1. Принцип работы и конструктивные особенности линейных индукционныхМГД-маншн 16
1.2. Обзор работ по исследованию течения в каналах МГД-машин при малых и больших параметрах электромагнитного и МГД-взаимодействия 19
1.3. Описание конструкции насосов и исследовательских стендов 29
1.4. Интегральные характеристики насосов 45
1.5. Локальные характеристики насосов 59
1.6. Исследование влияния конструктивных особенностей насосов на интегральные и локальные характеристики 68
Глава 2. Исследование неустойчивых режимов работы и подавление пульсаций в индукционных МГД-машинах
2.1 Общая характеристика неустойчивости... 75
2.2 Исследование неустойчивых режимов работы в цилиндрических насосах 78
2.3 Сравнение экспериментальных результатов с численными расчётами 90
2.4 Структура магнитного поля в МГД-машинах с фазовым сдвигом 104
2.5 Подавление неустойчивых режимов в насосах с помощью модификации магнитного поля 112
2.6 Влияние фазового сдвига на интегральные характеристики и низкочастотные пульсации 120
Глава 3. Улучшение жарактеристик индукционных МГД-машин с помощью градации линейной токовой нагрузки
3.1. Основные работы в рассматриваемой области и постановка задачи 129
3.2. Электромагнитные поля в МГД-машинах при конечных размерах индуктора при чётном и нечётном числе полюсов 132
3.3. Структура электромагнитного поля в МГД-машинах при градации по линейному закону на длине 2т . 140
3.4. Электромагнитные поля в МГД-машинах с линейной градацией нат 155
3.5. К расчёту электромагнитных полей в МГД-машинах с одноступенчатой градацией на длине т 169
3.6. Экспериментальное исследование электромагнитных полей и интегральных характеристик МГД-машин с градацией линейной токовой нагрузки 179
Глава 4. Теоретическое исследование пульсаций давления с двойной частотой источника питания в МГД-машинах
4.1. Физическая природа пульсаций давления с двойной частотой источника питания 192
4.2. Одномерная модель для расчёта двойных пульсаций давления при чётном числе полюсов 195
4.3. Пульсации давления с двойной частотой источника питания при линейной градации на 2т 213
4.4. Электромагнитное давление и пульсации давления с двойной частотой источника питания при линейной градации на т 223
4.5. Пульсации давления с двойной частотой источника питания при одноступенчатой градации на т и четном числе полюсов 236
4.6. Двойные пульсации давления с одноступенчатой градацией на т при нечётном числе полюсов и их сравнение с различными вариантами градации 244
Глава 5. Экспериментальное исследование пульсаций давления с двойной частотой источника питания
5.1. Условия испытаний и объекты испытаний . 255
5.2. Контрольно-измерительная система и датчики для измерения пульсаций давления 263
5.3. Исследование пульсаций давления с двойной частотой источника питания в МГД-машинах с постоянной линейной токовой нагрузкой 268
5.4. Снижение двойных пульсаций давления с помощью градации линейной токовой нагрузки 287
5.5. Влияние расположения шунтирующих зон на пульсации давления с двойной частотой источника питания 292
5.6. Влияние фазового сдвига волн линейной токовой нагрузки на пульсации давления с двойной частотой источника питания 298
Заключение 3 03
Список литература 307
- Обзор работ по исследованию течения в каналах МГД-машин при малых и больших параметрах электромагнитного и МГД-взаимодействия
- Подавление неустойчивых режимов в насосах с помощью модификации магнитного поля
- Электромагнитные поля в МГД-машинах при конечных размерах индуктора при чётном и нечётном числе полюсов
- Электромагнитное давление и пульсации давления с двойной частотой источника питания при линейной градации на т
Введение к работе
Актуальность проблемы. Магнитогидродинамические (МГД)-мапшны нашли широкое применение в различных областях техники в связи с разработкой новых технологий в ядерной энергетике, металлургии и химической промышленности [1-5]. На АЭС с реакторами на быстрых нейтронах МГД-машины используются в качестве электромагнитных насосов (ЭМН) для перекачивания жидкометаллических теплоносителей (натрий, сплав натрий-калий) в основных и вспомогательных контурах. ЭМН мощностью до 100 кВт практически полностью вытеснили механические насосы из исследовательских и теплофизических стендов, исследовательских реакторов БР-10, ИБР-2, вспомогательных систем полупромышленных и промышленных реакторов на быстрых нейтронах БОР-60, БН-350, БН-600 [6]. В установках управляемого термоядерного синтеза, в частности в реакторах-токамаках [7] разрабатываются жидкометаллические системы, обеспечивающие тепловую защиту первой стенки (лимитеры), очистку плазмы от загрязнения её продуктами горения (дивер-торы) и системы теплообмена (бланкеты), в которых используются жидкие металлы - литий, соли лития, свинец. Для прокачки теплоносителя в указанных системах предполагается использование электромагнитных насосов [1].
В России в стадии сооружения находится реактор БН-800, охлаждаемый натрием, и разрабатываются проекты реакторов нового поколения на основе принципа естественной безопасности, охлаждаемых свинцом или сплавом свинец-висмут, БРЕСТ-300 и БРЕСТ-1200 [8-9]. Рассматривается проект модульного реактора мощностью 750 МВт, охлаждаемого сплавом свинец-висмут, в Японии [10]. Жидкие металлы, такие как ртуть, рассматриваются для охлаждения мишени нейтронного источника [11-13], а свинец-висмут для охлаждения трансмутационной системы с ускорителем [14].
Во всех перечисленных областях ЭМН используются или могут быть использованы.
Наибольшее распространение в контурах АЭС получили трёхфазные линейные индукционные насосы типа ЦЛИН (цилиндрический линейный индукционный насос) и ВИН (винтовой индукционный насос) [6]. Работы по созданию таких насосов начали проводиться в начале 50-х годов прошлого века в связи с развитием в стране программы создания реакторов на быстрых нейтронах. Пионерские работы по их созданию принадлежат советским и российским учёным И.А.Тютину, А.И.Вольдеку, И.М.Кирко, Я.Я.Лиелпетеру, Н.М.Охременко, В.АХлухих, И.Р.Кириллову, Г.А.Баранову [15-19] и многочисленным их последователям. Вопросы гидродинамики течения в каналах рассмотрены А.В.Тананаевым и О.А.Лиелаусисом [20-22]. Разработки этих учёных, оказавших влияние на диссертанта, хорошо известны в нашей стране и за рубежом.
Положительный опыт эксплуатации ЭМН умеренной мощности и целый ряд их потенциальных преимуществ стимулирует разработку крупных ЭМН в качестве альтернативного варианта по отношению к механическим насосам для основных контуров АЭС с быстрыми реакторами [23-26], а успешная эксплуатация ЭМН в основных контурах реакторов БР-10, БОР-60 [27-28], опыт разработки и создания ЭМН ЦЛИН-3/3500 для БН-350 [29-30] подтверждают возможность такого использования.
Основными преимуществами ЭМН являются:
возможность полной герметизации конструкции без каких-либо систем уплотнения;
отсутствие вращающихся частей приводит к снижению уровня шума и вибраций;
лёгкость регулирования расхода, удобство и простота обслуживания;
отсутствие вспомогательных систем, требующих сохранение питания в
режиме исчезновения напряжения в сети собственных нужд;
отсутствие ограничений по местоположению в контуре.
7 Однако, электромагнитные насосы имеют не только достоинства, но и недостатки. К ним можно отнести:
низкий коэффициент полезного действия 40-50%;
отсутствие маховых масс в режиме выбега.
Исследования, проведённые в последние годы, показали, что уменьшение КПД компенсируется большей надёжностью и более высоким значением готовности АЭС, а требуемый выбег при отсутствии вращающихся масс у ЭМН может быть обеспечен за счёт внешних маховых масс, например, генератора, питающего насос, или за счёт дополнительной обмотки или части обмотки самого насоса, питающихся одновременно от двух независимых источников питания, а также за счёт накопителя энергии ёмкостного типа.
Успешно работают в первом и во втором контурах реактора БР-10 четыре ЭМН типа ЦЛИН-3/150 при температуре натрия 350С, обеспечивая расход 150 м3/ч каждый и давление 0,3 МПа. Разработаны и изготовлены в НИИЭФА насосы ЦЛИН-5/700, ЦЛИН-5/850 и ЦЛИН-8/1200 с расходами 700 и 850 м3/ч и 1200 м3/ч соответственно. КПД насосов ЦЛИН-5/700 и ЦЛИН-8/1200 достигал 42% и 36% соответственно [31, 32]. Насос ЦЛИН-5/700 проработал около 20 тысяч часов во втором контуре реактора БОР-60 в ФГУП ГНЦ НИИАР [33]. В результате этих работ была получена уникальная информация для создания мощных ЭМН для основных контуров АЭС. На базе проведённых фундаментальных исследований был изготовлен и успешно испытан в 1986 г. в жидкометаллическом контуре самый мощный на то время в мире ЭМН ЦЛИН-3/3500 с расходом 3600 м3/ч и развиваемым давлением 0,3 МПа [34], принятый межведомственной комиссией для эксплуатации в реакторе БН-350. В США фирмой "Дженерал Электрик" изготовлен, но не испытан, цилиндрический линейный индукционный насос с расходом 3300 м3/ч для демонстрационных испытаний в быстром реакторе типа FFTF [35,36].
В последнее десятилетие за рубежом во Франции [37], Южной Корее, Японии [38], США совместно с Японией были проведены интенсивные работы
8 по разработке и созданию электромагнитных насосов для основных контуров. Так, в период с 1994 по 2002 г. в США совместно с Японией были проведены испытания модуля ЭМН с расходом 2400 м3/ч и развиваемым давлением 0,085 МПа [39], а затем и самого мощного в мире ЭМН с расходом 9600 м3/ч и развиваемым давлением 0,25 МПа [40]. Оба насоса были выполнены погружными в натрий и прямоточного исполнения. Испытания были проведены на натрии при температуре 350-425С в диапазоне частот электропитания 5-23 Гц.
Увеличение расходов, мощностей и размеров ЭМН и связанное с этим увеличение характерных параметров процесса МГД-взаимодействия: магнитного числа Рейнольдса, чисел Гартмана и Стюарта- привело к появлению новых явлений, оказавших существенное влияние на характеристики насосов. Прежде всего это относится к магнитогидродинамической неустойчивости, которая связана с образованием неоднородного профиля скорости жидкого металла в канале насоса при больших параметрах электромагнитного RmS>l и магнитогидродинамического N>1 взаимодействия, обусловленных реакцией индуктированных токов. При этих условиях напор-расходная характеристика насоса утрачивает монотонный характер, имеет место уменьшение развиваемого насосом давления и мощности, появляются низкочастотные колебания (1-1,5 Гц) расхода, тока и давления с амплитудами до 12-20%. Колебания давления приводят к возникновению вибраций насоса и контура, что является недопустимым по условиям эксплуатации.
В насосах малой и средней мощности имеется возможность удовлетворить критерий МГД-устойчивости RmS частотой источника питания, которые, как было установлено в последнее время, могут достигать 20-30% от развиваемого электромагнитного давления и неприемлемы при эксплуатации насоса в контуре АЭС. К началу исследований, результаты которых представлены в данной работе, не было достаточных экспериментальных исследований интегральных и локальных характеристик электромагнитных насосов цилиндрического типа при больших параметрах электромагнитного и МГД-взаимодействия, не исследованы влияния неоднородности немагнитного зазора, несимметрии входа и выхода на проявлене МГД-неустойчивости и характеристики ЭМН. Отсутствовали методы подавления низкочастотных колебаний, отсутствовали теоретические и экспериментальные исследования по пульсациям давления с двойной частотой источника питания методы их подавления и конструктивные решения, направленные на их реализацию и на повышение эффективности индукционных насосов. Их разработка и исследование явились целью данной работы. Отметим, что теоретические исследования, связанные с неустойчивостью однородного течения при параметре электромагнитного взаимодействия RmS>l и исследование его устойчивости были выполнены также сотрудниками Института физики Латвии, Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе и в ЭНИН им. Г.М.Кржижановского. Экспериментальные исследования проводились параллельно в Институте физики в Латвии для насосов плоского типа, а исследования для насосов с каналами цилиндрического типа- в НИИЭФА им. Д.В.Ефремова. Целью работы являются разработка комплекса вопросов теоретического, экспериментального и практического характера, направленных на решение важной народнохозяйственной задачи «Разработка и создание мощных электромагнитных насосов для атомной энергетики». Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи: 1. Провести теоретическое и экспериментальное исследование интегральных и локальных характеристик ЭМН при больших параметрах электромагнитного взаимодействия RmS>l и На>1. Определить факторы и конструктивные особенности насосов, влияющие на неоднородность течения жидкого металла в каналах ЭМН. Разработать методы стабилизации течения и подавления низкочастотных колебаний при Rro^l. Разработать технические решения для реализации этих методов и осуществить их экспериментальную проверку. Провести исследование пульсаций давления с двойной частотой источника питания и о выявить факторы, определяющие амплитуду таких пульсаций. Разработать методы снижения пульсаций давления с двойной частотой источника питания и провести их анализ. Разработать и создать установки для исследования электромагнитньрс процессов в линейных индукционных насосах при больших параметрах электромагнитного и МГД-взаимодействия. Научная новизна я положения, выносимые на защиту Впервые проведены всесторонние исследования МГД-неустойчивости в цилиндрических линейных индукционных насосах выражающиеся в образовании неоднородного по длине и угловой координате профиля скорости жидкого металла, снижения развиваемого давления, низкочастотных пульсаций параметров ЭМН. Проведено исследование влияния конструктивных особенностей цилиндрических линейных насосов (неоднородности немагнитного зазора, несимметрии входа и выхода) на проявление МГД-неустойчивости. Исследованы интегральные характеристики насоса: развиваемое давление и потребляемая мощность в режимах МГД-неустойчивости. Установлена и исследована взаимосвязь между неустойчивостью неоднородного течения в канале и низкочастотными колебаниями параметров насоса: токов, напряжения, давления и расхода. Разработан и исследован способ подавления низкочастотных колебаний параметров насоса за счёт модификации обмотки индуктора ~ использования фазового сдвига волн линейной токовой нагрузки по длине индуктора. Исследована структура электромагнитного поля в линейных индукционных машинах при конечных размерах индуктора с фазовым сдвигом и с градацией линейной токовой нагрузки по линейному закону на концах индуктора в пределах т, 2т и одноступенчатой градацией на т с четным и нечетным числом полюсов. Установлено влияние структуры приложенного магнитного поля на интегральные характеристики и эффективность линейных электромагнитных насосов. Разработана одномерная модель в электродинамическом приближении для расчёта пульсаций давления с двойной частотой источника питания с постоянной линейной токовой нагрузкой по длине индуктора и с градацией линейной токовой нагрузки по линейному закону на концах индуктора на длине х, 2т и одноступенчатой на т. Получены аналитические выражения для электромагнитного давления и амплитуды пульсаций давления с двойной частотой источника питания и установлены факторы определяющие амплитуду двойных пульсаций. Установлено, что относительная амплитуда пульсаций давления с двойной частотой источника питания с обмоткой без градации зависит только от коэффициента рассеяния магнитного потока, числа полюсов и скорости жидкого металла, а при линейной градации на 2т с четным числом полюсов и одноступенчатой градации на т при нечетном числе полюсов зависит только от числа полюсов и скорости жидкого металла. 8. Предложены и исследованы способы уменьшения пульсаций давления с 12 токовой нагрузки на концах индуктора по линейному закону в пределах одного и двух полюсных делений и одноступенчатой градации на полюсном делении. Установлена перспективность применения указанных способов не только для снижения двойных пульсаций, но и для повышения эффективности линейных индукционных насосов. 9. Исследовано экспериментально влияние фазового сдвига и расположения шунтирующих зон на амплитуду пульсаций давления с двойной частотой источника питания. Практическая значимость Проведённые в диссертации исследования МГД-неустойчивости в цилиндрических линейных индукционных насосах явились базовыми и позволили принять научно-обоснованные технические решения при разработке мощных электромагнитных насосов ЦЛИН-8/1200, ЦЛИН-3/3500. Результаты исследования использованы при разработке различных способов уменьшения неоднородности течения в каналах таких электромагнитных насосов как ЦЛИН-1,5/430, ЦЛИН-8/1200, ІДЛИН-3/3500. Способ подавления колебаний параметров насоса с помощью фазового сдвига волн линейной токовой нагрузки на 120 электрических градусов на отдельных парах полюсов использован для стабилизации характеристик в насосе ЦЛИН-5/700 при работе во втором контуре реактора БОР-60. Предложенные методы расчета и снижения пульсаций давления с двойной частотой источника питания с одновременным повышением эффективности ЭМН с помощью градации линейной токовой нагрузки будут использованы при разработке новых ЭМН для вспомогательных систем и систем аварийного расхолаживания реактора БН-800, а также в линейных индукционных машинах и различных устройствах, использующих движение твердотельной электропроводящей среды в бегущем магнитном поле. 13 5. Результаты исследований по стабилизации напор-расходных характеристик и снижению низкочастотных пульсаций с помощью модификации приложенного магнитного поля позволяют выбрать и принять оптимальные технические решения при разработке мощных ЭМН. Достоверность полученных результатов обеспечивается: использованием современных средств измерений и контроля и сравнением результатов экспериментальных исследований с расчётными сопоставлением результатов теоретических и экспериментальных большим количеством проведённых экспериментальных исследований на промышленных и опытно-промышленных образцах ЭМН с различным числом полюсов в широком диапазоне частот и при электропитании ЭМН от различных источников питания; успешной эксплуатацией ЭМН в исследовательских стендах и опытно-промышленных реакторах. Личный вклад автора является основным на всех этапах исследований и разработки. Приведённые в работе результаты получены автором лично либо при его непосредственном участии и руководстве исследовательской группой. Автор работает в области индукционных МГД-машин с 1966 г., а с 1976 г. руководит группой, занимающейся разработкой, испытанием и исследованием мощных ЭМН. За испытание электромагнитного насоса ІДЛИН-5/700 автор удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР в 1976 г, за разработку и испытание электромагнитного насоса ЦЛИН-3/3500 автор удостоен золотой медали ВДНХ СССР в 1987 г. 14 Совокупность результатов выполненных исследований и разработок можно классифицировать как решение крупной научно-технической проблемы "Разработка и создание мощных электромагнитных насосов для атомной энергетики** и вносит значительный вклад в развитие народного хозяйства страны. Апробация результатов работы и публикации Материалы диссертации апробированы конкретными разработками, две из которых: создание ЭМН ЦЛИН-5/700 и ЦДИН-3/3500 удостоены в 1976 г. и в 1986 г. Дипломов первой степени и медалей ВДНХ СССР. Результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: IX, X, XI, XII, XIII Рижских совещаниях по магнитной гидродинамике (Рига, 1978 г., 1981 г., 1984 г., 1987 г., 1990 г.); на семинаре по прикладной магнитной гидродинамике (Пермь, 1981 г.); на VIII Международной конференции по МГД-преобразованию энергии на Международной конференции по преобразованию энергии в на Международной конференции по МГД-процессам и защите окружающей среды (Киев, 1992 г.); на Международном семинаре по магнитной гидродинамике жидких металлов (Токио, 1992 г.); на Международной конференции по использованию электромагнитных полей в производстве материалов (Нагоя, 1994 г.); на Международной конференции по явлениям передачи энергии в магнитной гидродинамике и электропроводящих потоках (Оссуа, 1997 г.); на Международной конференции по фундаментальной и прикладной на Международной конференции по ядерной инженерии (Токио, 2003 г.); Материал диссертации опубликован в 31 статье, 18 докладах и тезисах конференций, 17 авторских свидетельствах, 5 патентах. По принципу действия линейные индукционные МГД-машины имеют много общего с классическими линейными асинхронными двигателями. Однако, несмотря на общность эти машины в силу специфики имеют отличия. Принцип действия их основан на взаимодействии индуктированных в жидком металле токов с приложенным (внешним) магнитным полем. Обмотка возбуждения, питаемая трёхфазным переменным током промышленной частоты, создаёт бегущее вдоль канала магнитное поле, которое индуктирует электрические токи в жидком металле, находящемся в канале. Электромагнитная сила, возникающая в результате азаимодействия указанных токов с магнитным полем вызывает продольное движение жидкого металла. Наличие жидкого «ротора» в МГД-машине обуславливает её основные особенности по отношению к классической электрической машине. В обычных асинхронных электрических машинах проводящая среда, как правило, представлена в виде проводников, уложенных в пазах магнитопровода, длина которых многократно превышает поперечные размеры, и поэтому электромагнитные процессы с достаточной точностью описываются на основе электрических цепей с сосредоточенными параметрами. В МГД-машине роль обмотки выполняет жидкометаллический «ротор», представляющий «распределённую» обмотку с конечными размерами в трёх измерениях. При взаимодействии жидкого металла с бегущим магнитным полем происходят сложные магнитогидродинамические явления, приводящие к деформации профиля скорости. В общем случае процессы в жидком проводящем теле описываются системой уравнений магнитной гидродинамики, включающей для рассматриваемых здесь случаев систему уравнений Максвелла, уравнение Навье-Стокса и уравнение неразрывности. Решение указанных уравнений определяет распределение индуктированных токов и объёмных сил, действующих на частицы жидкости и характер движения жидкости в канале. Однако, решение уравнений магнитной гидродинамики возможно лишь в некоторых простейших случаях при ламинарном движении. Поскольку известно, что для турбулентного режима течения, представляющего наибольший интерес для линейных индукционных МГД-машин, система уравнений магнитной гидродинамики не имеет аналитического решения в силу незамкнутости [16]. Поэтому, вводят определённые упрощения и рассматривают основные электромагнитные явления в МГД-машинах в электродинамическом приближении, т.е. принимают, что жидкий металл движется как твёрдое тело. Другие особенности линейных индукционных МГД-машин по сравнению с обычными электрическими машинами заключаются в наличии большого немагнитного зазора и краевых эффектов - поперечного, связанного с конечной шириной вторичной среды при отсутствии короткозамыкающих шин, и продольного, обусловленного разомкнутостью магнитопровода, ограниченной его длиной в продольном направлении, и входом и выходом жидкого металла в зону магнитопровода. Продольный концевой эффект искажает структуру поля в активной зоне зазора и вызывает появление электромагнитного поля в концевых зонах за пределами магнитопровода, что приводит к уменьшению полезной мощности и появлению дополнительных электромагнитных потерь во вторичной среде. В силу отмеченных особенностей, энергетические показатели индукционных МГД-машин значительно ниже, чем у классических электрических машин той же мощности. По своей конструкции линейные индукционные МГД-машины могут быть плоскими и цилиндрическими. Наиболее изученными в настоящее время являются электромагнитные явления в плоских линейных индукционных машинах. Наибольшее распространение в настоящее время в контурах АЭС получили цилиндрические линейные индукционные насосы как более простые по конструкции и технологии изготовления. Особенности расчёта цилиндрических машин по сравнению с плоскими связаны с наличием следующих характерных признаков: цилиндрическая геометрия области рабочего зазора обуславливает зависимость электромагнитного поля от радиуса; замкнутость линий тока в жидком металле в канале и отсутствие поперечного краевого эффекта; односторонняя обмотка возбуждения. Решение задач с учётом цилиндрической геометрии магнитного поля в зазоре сложны и малопригодны для инженерных расчетов. Поэтому, естественно стремление упростить учёт цилиндричности канала и использовать для расчета цилиндрических машин более простые соотношения для плоских машин. Это справедливо для ЭМН при расходах более десятков и сотен м /ч, так как величина радиуса канала у таких ЭМН много больше величины зазора, то теория цилиндрических машин может основываться на теории плоских МГД-машин. Исследованию электромагнитных явлений в индукционных машинах с жидкометаллическим рабочим телом, а также вопросам расчёта и конструкции этих машин посвящено значительное количество работ. На анализе этих работ останавливаться не будем, поскольку эти вопросы достаточно полно изложены в монографиях [15-19], а остановимся на особенностях течения в каналах МГД-машин при малых и больших параметрах электромагнитного взаимодействия. В настоящее время интегральные характеристики цилиндрических линейных индукционных насосов малой и средней мощности при параметре электромагнитного взаимодействия RmS l хорошо рассчитываются по методике, изложенной в работе [19] и заключающейся в учёте совокупного действия краевых эффектов с помощью коэффициентов, порознь учитывающих их влияние и определяемых из решения соответствующих одномерных задач. Гораздо хуже рассчитываются характеристики ЦЛИН при RniS l, особенно при известном фазном токе [41], поскольку с ростом мощности ЭМН растёт магнитное число Рейнольдса Rm, то актуальным является уточнение методики расчёта в условиях Rm l путём учёта индуктивного сопротивления вторичной цепи и неоднородного профиля скорости в канале. Исследование и опыт эксплуатации самых крупных в нашей стране цилиндрических индукционных насосов, созданных в период 1976-86 г.г. для установки БОР-60 - ЦЛИН-5/700, ЦЛИН-5/850, ЦЛИН-8/1200 для исследовательского стенда и ЦЛИН-3/3500 для установки БН-350 выявили ряд малоизученных явлений, возникающих при больших параметрах электромагнитного RmS l и МГД-взаимодействия N 1, и снижающих, технико-экономические показатели и приводящие к неустойчивой работе насосов. Поэтому, создание мощных ЭМН требует всестороннего исследования упомянутых выше явлений, а также разработки эффективных мер по снижению низкочастотных пульсаций, пульсаций давления с двойной частотой источника питания, обнаруженных нами в последнее время, разработки технических решений, направленных на повышение эффективности мощных насосов. Наружный магнитопровод каждого из насосов состоит из отдельных пакетов (в насосах ЦЛИН-5/700, ЦЛИН-5/850 по 9 пакетов, насос ЦЛИН-8/1200 имел 12 пакетов, в насосе ЦЛИН-3/3500 - 14 пакетов в секции), набранных из листов электротехнической стали ЭЗЗО толыциной 0,35 мм у насоса ЦЛИН-5/850 и Э21 толщиной 0,5 мм у насосов ЦЛИН-5/700, ЦЛИН-8/1200, ЦЛИН-3/3500. В пакетах листы стали сжаты нажимными щеками из стали 12Х18Н10Т, сваренными дискретно между собой по длине. Для удобства сборки и монтажа наружный магнитопровод разделён по длине на две равные секции у насосов ЦЛИН-8/1200 и ЦЛИН-3/3500. Секции выполнены разъёмными по диаметру. В пазах наружного магнитопровода уложена трёхфазная обмотка в виде отдельных дисковых катушек. В насосах ЦЛИН-5/700, ЦЛИН-8/1200, ЦЛИН-3/3500 катушки обмотки двухрядные с выводами на наружном диаметре и переходом витка из одного ряда в другой на внутреннем диаметре, намотаны прямоугольным проводом марки ПОЖ. Корпусная изоляция выполнена из стеклослюдинитовой ленты с запечкой на кремнийорганическом лаке, что обеспечивало длительную работу обмотки при температуре до 400С. Катушки обмотки у насоса ЦЛИН-5/700 не имели принудительного охлаждения. Отвод тепла от катушек осуществлялся в перекачиваемый металл за счёт обеспечения надёжного теплового контакта между пакетами наружного магнитопровода и наружной стенкой канала, описание конструкции насоса ЦЛИН-5/700 более подробно изложено в работе [33]. Тепловой контакт между наружной стенкой канала и магнитопровода обеспечивался за счёт разности коэффициента линейного расширения канала и колец, охватывающих наружный магнитопровод. Для обеспечения надёжности работы насосов каждая параллельная ветвь обмотки у насосов подсоединялась к источнику питания отдельно через контактор с индивидуальной защитой. Это позволило исследовать распределение токов и мощностей по длине индуктора и в параллельных ветвях. А в насосе ЦЛИН-3/3500 определить эксперимантально гидравлические потери и выявить особенности в работе насоса при раздельном питании верхнего и нижнего индукторов насоса. Отвод тепла от катушек обмотки в ЦДИН-8/1200 и ЦЛИН-3/3500 осуществлялся через спинки пакетов магнитопроводов. В пакеты магнитопровода были вложены медные листы. На спинках пакетов располагались ложементы» в которых циркулировала охлаждающая вода. Надёжный тепловой контакт между спинкой пакета и медными листами обеспечивался специально разработанной системой крепления. Катушки обмотки насоса ЦЛИН-5/850 однорядные, намотаны тремя проводниками в параллель. Крайние проводники выполнены медной прямоугольной шиной, а средний проводник медной изолированной прямоугольной трубкой, по которой прокачивалась охлаждающая вода. Подвод охлаждающей воды осуществлялся через катушки, расположенные по концам, а отвод через катушки, расположенные в середине каждой фазы обмотки. Для перехода витка с внутреннего диаметра однорядной катушки к виткам катушки, расположенной в соседнем пазу, каждый шестой зубец в пакетах магнитопровода был удалён. На полюсных делениях по концам индуктора обмотка выполнена со ступенчатой градацией в пределах фазных зон на концевых полюсных делениях. Число витков в катушках на крайних полюсных делениях составляло 2/5, 3/5, 4/5 от числа витков средней части индуктора. Для уменьшения теплового потока от канала к индуктору между наружной стенкой канала и магнитопровода имеется воздушный зазор 3 мм, в котором расположен экран из нержавеющей стали толщиной 0,6 мм. Внутренний магнитопровод набран из листов электротехнической стали ЭЗЗО с жаростойким магнийфосфатным покрытием, спрессованных в пакеты. Пакеты собираются в арочную конструкцию с помощью клиньев и надеваются на внутренний цилиндр, или крепятся на промежуточных кольцах в ЦЛИН 3/3500, которые надеваются на внутренние цилиндрические рёбра, приваренные к внутреннему цилиндру. Внутренний цилиндр (труба) являются несущей опорой для внутреннего магнитопровода. Магнитопровод помещён в тонкостенную оболочку из стали 12Х18Н10Т, которая по концам сварена с внутренним цилиндром. В нижней части оболочки имеется сильфонный компенсатор для компенсации разности тепловых расширений оболочки и магнитопровода. Внутренний магнитопровод в нижней части центруется относительно наружной трубы канала опорными рёбрами, а в верхней части направляющим скользящим элементом. Наружная труба канала в верхней части сварена с направляющим аппаратом, обеспечивающим поворот потока на 180, а внизу с опорным фланцем. В верхней части направляющего аппарата приварена труба, соединённая с дренажной системой и служащая для удаления газа из контура и контроля заполнения канала натрием. Присоединение насосов к контуру осуществляется посредством приёмного бака. Оболочка внутреннего сердечника насоса у ЦДИН-3/3500 выполнена без компенсатора в нижней части. Роль компенсатора выполняет тонкостенный обтекатель, находящийся в верхней части магнитопровода. На крышке направляющего аппарата и приёмном баке расположена система электрообогрева, которая совместно с пониженным напряжением питания насоса обеспечивает разогрев канала насоса до температуры заполнения его натрием 250С. Несмотря на общность конструкции, перечисленные выше насосы, имеют ряд конструктивных особенностей и различий. Конструкции насосов ЦЛИН-8/1200 и НЛИН-3/3500 были разработаны после проведения испытаний и исследований ЭМН ЦЛИН-5/700 [28, 31] и ЦЛИН-5/850 [28, 85, 86], поэтому в них были внесены ряд технических решений, направленных на снижение негативных явлений, связанных с неоднородностью течения, равномерным распределением тока по параллельным ветвям, и повышением эффективности охлаждения обмотки. Система заполнения контуров включала загрузочные баки с натрием, запорные вентили, фильтры для очистки натрия от механических примесей и трубопроводы, соединяющие их с контуром. Система заполнения оборудована электронагревателями для поддержания необходимой температуры в загрузочных баках (ёмкостях). В процессе исследований необходимая температура в контуре поддерживалась системой терморегулирования, обеспечивающей как подогрев его с помощью электрообогрева, так и охлаждение через теплообменники водяного типа через промежуточный слой сплава Na-K или воздушного типа при испытаниях насоса ЦЛИН-3/3500. В качестве датчиков температуры использовались термопары, а в качестве регулирующей и регистрирующей аппаратуры потенциометры ЭПВ-11А. Система терморегулирования обеспечивала поддержание температуры натрия в контуре с точностью до ±5 С. Газовая система включала баллоны с инертным газом, коллекторы и газовые магистрали с запорными вентилями, соединяющие измерительные приборы - манометры, дифференциальные манометры с измерительными бачками и расширительными ёмкостями. В качестве инертного газа использовался аргон. Во время испытаний электропитание насосов ЦЛИН-5/700 и ЦЛИН-5/850 осуществлялось от электромашинного агрегата, собранного по схеме Леонардо, с регулированием напряжения от 0 до 600 В и частоты в пределах 30-50 Гц. Схема электромашинного агрегата показана на Рис. 1.13, подробное описание агрегата приведено в Главе 5, при испытании моделей насосов ЦЛИН-А и ЦЛИН-В на частотах 5-30 Гц при электропитании их от данного агрегата. Для компенсации реактивной мощности использовалась батарея статических конденсаторов мощностью 1200 кВАр, состоящая из четырёх секций. Электропитание насоса ЦЛИН-8/1200 во время стендовых испытаний осуществлялось от индукционного регулятора ИР 118/60 мощностью 1100 кВА, с первичным напряжением 6 кВ, вторичное регулируемое напряжение 60-650 В на частоте f=50 Гц. Для компенсации реактивной мощности использовалась батарея статических конденсаторов установленной мощностью 1900 кВАр. Упрощённая схема электропитания насоса ЦЛИН-3/3500 представлена на Рис.1Л4. Насос питался от двух индукционных регуляторов типа ИР 118/45УЗ мощностью по 685 кВА каждый, частота питания г=50 Гц, напряжение питания, регулируемое в пределах 60-650 В. Для компенсации реактивной мощности использовалась батарея статических конденсаторов общей установленной мощностью 3280 кВАр, состоящая из стандартных конденсаторных установок типа УКЛНТ-240 в количестве 13 штук. Измерение давления на входе и выходе насосов осуществлялось образцовыми манометрами, класса 0,4. Перепады давления на сопле и датчиках скорости измерялись дифференциальными манометрами типа ДТ-50, подсоединёнными к измерительным бачкам. Измерение расхода производилось электромагнитными расходомерами, тарированными по нормальному соплу. Измерение электрических величин: токов, мощностей и напряжений при исследовании насосов осуществлялось измерительными комплектами К-505, запитанными через трансформаторы тока. Погрешность измерения электрических величин не превышала 0,75%. Распределение индукции магнитного поля измерялось с помощью одновитковых катушек, установленных в зазоре между каналом и индуктором. Э.д.с, индуктируемая в катушках регистрировалась ламповым вольтметром ВЗ-13. Погрешность измерения индукции магнитного поля не превышала 5%. Испытания насосов были проведены на приведённых выше стендах при следующих температурах натрия: 350С для ЦЛИН-5/700, ЦЛИН-5/850, модели ЦЛИН-3/150, 375С для ЦЛИН-8/1200 и 300С для насоса ЦЛИН-3/3500. Стандартные напор-расходные характеристики насосов исследовались при различных напряжениях источника питания на частоте 50 Гц и 32 Гц для насосов ЦЛИН-5/700, ЦЛИН-5/850 и на частоте 50 Гц для насосов ЦЛИН-8/1200 и ЦЛИН-3/3500. Во время снятия напор-расходных характеристик напряжение на насосе поддерживалось постоянным, а изменение гидравлического сопротивления контура осуществлялось за счёт регулировочных вентилей или задвижек. Помимо стандартных испытаний были проведены дополнительные исследования p-Q характеристик насосов ЦЛИН-5/700 и ЦЛИН-5/850 на частоте 32 Гц при различных фазных токах I j=const. Исследование характеристик проведены в широком диапазоне скольжений s=0,05-0,9, эквивалентное магнитное число Рейнольдса у данных насосов достигало R e=3,2-4, а отношение электромагнитной силы к силе трения -число Гартмана 7,3-12,5. На Рис. 1.15 приведены напор-расходные характеристики насоса ЦЛИН-5/850 при f=50 Гц и 1=32 Гц. Напор-расходные характеристики насоса ЦЛИН-5/700 и его рабочая характеристика, соответствующая номинальным параметрам, приведена на Рис. 1.16. Аналогичные напор-расходные характеристики для насоса ЦЛИН-8/1200 и ЦЛИН-3/3500 приведены на Рис.1.17 и 1.18 соответственно. На этих же рисунках показаны и приближённые границы зоны неоднородного и однородного течений по [62]. При измерении давления ло длине подвижными датчиками было обнаружено, что во всех режимах работы статическое давление, измеренное третьим и седьмым датчиками различно. Причина разности в показаниях датчиков заключается, по-видимому, в существовании одностороннего выхода (входа в нормальном режиме работы) жидкого металла из приёмного бака. Как видно из Рис. 1.31, максимальное различие в статических давлениях, независимо от направления прокачки, имеет место на конце насоса, ближайшем к приёмному баку, и уменьшается по мере удаления от него. Заметим, что статическое давление, измеряемое датчиком 3 больше давления датчика 7 в реверсном режиме и меньше его в нормальном режиме. При входе потока из патрубка в приёмный бак (нормальный режим работы) имеет место обтекание внутреннего цилиндра (Рис. 1.7) с одновременным поворотом потока на 90 при входе в канал. Как известно [116], при обтекании цилиндра и числах Рейнольдса вплоть до 6,7-105 давление на поверхности цилиндра имеет минимальное значение при угле Р=70-90, отсчитываемой от передней критической точки N на Рис. 1.24. Используя эти данные для качественного описания течения в нашем случае видим, что угол между положением третьего датчика и точкой N составляет 70, поэтому регистрируемое им давление должно быть меньше фиксируемого датчиком 7, для которого угол р=120. Это и наблюдается на Рис. 1.31 (штриховые кривые). Для реверсного направления прокачки, когда металл вытекает из насоса в приёмный бак, получаем, что датчик 7, отстоящий от передней критической точки N на угол -60, должен регистрировать меньшее давление, чем датчик 3, имеющий угол р=110. Именно это и наблюдается на Рис. 1.31 (сплошные кривые). Эксперименты с поворотом индуктора и измерением статического давления по длине канала позволяют сделать вывод о вкладе в развитие неоднородного течения неоднородности внешнего магнитного поля, связанной с несимметрией наружного магнитопровода и несимметрией входа (выхода) жидкого металла в канал насоса. Исследование влияния несимметрии немагнитного зазора по периметру и длине канала проводилось так же и на модели цилиндрического насоса ЦЛИН-3/150 [83] для двух случаев несимметрии немагнитного зазора: при параллельном смещении продольной оси индуктора и канала; при наклоне продольной оси индуктора относительно оси канала на некоторый угол -0,5. В первом случае продольная ось секции индуктора на выходе длиной равной половине индуктора, смещалась относительно оси канала на 2 мм, что приводило к изменению высоты немагнитного зазора на 25%. Неоднородность индукции в режиме холостого хода составляла при этом 16%, а максимальное и минимальное значения индукции совпадали с минимальным и максимальным значениями немагнитного зазора. Несимметрия для секции без смещения осей не превышала 4-5%, а минимальной значение индукции имело место в области перехода витков из одного ряда в другой. Измерение профиля скорости показали, что неоднородность скорости уменьшается или увеличивается в соответствии с изменением зазора и индукции в режиме холостого хода, однако, положение максимумов и минимумов остаётся на том же месте по окружности как и для варианта с симметричным зазором. В эксперименте с наклоном продольной оси индуктора относительно оси канала установлено, что изменяя величину и направление наклона оси индуктора, можно изменять не только величину неоднородности Av/v0i но и расположение максимума и минимума в распределении скорости по угловой координате. Проведённые исследования показали, что наличие возмущений внешнего магнитного поля и одностороннего входа, обусловленных такими конструктивными особенностями: несимметрия магнитной системы; несимметрия двухрядных катушек обмотки; несимметрия потока жидкого металла в активную зону; могут приводить к образованию неоднородного течения в области RmS l и RmS l. Поэтому, для устранения причин, способствующих развитию неоднородного течения в каналах и расширению области однородного течения были разработаны и реализованы ряд технических решений: индуктор разделить на секции и сделать поворот секций индуктора по длине на угол 360/m-n [115] (m - число секций, п - число пакетов в секции) для уменьшения неоднородности магнитного поля от стыков пакетов в азимутальном направлении; сделать поворот секций на 180 по длине индуктора [98] для снижения влияния несимметрии двухрядных катушек на течение в канале; расположить входной и выходной патрубки насоса на одной линии в комбинации со сферическим обтекателем и установкой гидравлической решётки перед входом в индуктор [117] для создания однородного потока на входе в канал; установить обечайку (экран) в приёмном баке [87] при расположении входных и выходных патрубков под углом 90 друг к другу; отделить пары полюсов друг от друга по длине шунтирующими участками кратными зубцовому делению в многополюсных машинах и использовать для стабилизации течения поля продольного концевого эффекта [118].
двойной частотой источника питания с помощью градации линейной
математической обработкой экспериментальных результатов с помощью
информационно-измерительной системы на базе промышленного
компьютера;
зависимостями;
исследований с результатами других отечественных и зарубежных авторов;
(Москва, сентябрь 1983 г.);
магнитогидродинамических потоках (Кадараш, 1991 г.);
магнитной гидродинамике (Раматьюэль, 2002 г.);Обзор работ по исследованию течения в каналах МГД-машин при малых и больших параметрах электромагнитного и МГД-взаимодействия
Подавление неустойчивых режимов в насосах с помощью модификации магнитного поля
Электромагнитные поля в МГД-машинах при конечных размерах индуктора при чётном и нечётном числе полюсов
Электромагнитное давление и пульсации давления с двойной частотой источника питания при линейной градации на т
Похожие диссертации на Разработка, исследование и создание мощных электромагнитных насосов
