RU2251197C1

RU2251197C1 - Inductor of line cylindrical induction pump

Info

Publication number: RU2251197C1
Application number: RU2003126131/06A
Authority: RU
Inventors: И.Р. Кириллов (RU); И.Р. Кириллов; А.П. Огородников (RU); А.П. Огородников; Г.В. Преслицкий (RU); Г.В. Преслицкий
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2005-04-27
Also published as: RU2003126131A

Abstract

FIELD: magnetohydrodynamics.

SUBSTANCE: proposed inductor has magnetic core with slots and three-phase field winding in the form of disk coils that has number of pole pairs greater than or equal to three and even number of slots per pole per phase. Each phase belt at end poles of inductor is divided into coil groups, two coils per group, wherein coils are connected in parallel; coil groups within phase belt are connected in series; all coils on remaining poles are connected in series.

EFFECT: enhanced developed pressure and efficiency.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к МГД технике. Оно может быть использовано в линейных индукционных электромагнитных насосах для перекачивания жидкометаллических теплоносителей в реакторах на быстрых нейтронах, а также в других установках для технологических целей.The invention relates to MHD technology. It can be used in linear induction electromagnetic pumps for pumping liquid metal coolants in fast neutron reactors, as well as in other installations for technological purposes.

Известны цилиндрические линейные индукционные насосы [1], основными узлами которых являются индуктор, содержащий внешний магнитопровод, набранный из листовой электротехнической стали, с обмоткой, уложенной в пазы внешнего магнитопровода, внутренний магнитопровод и линейный канал кольцевого сечения, охватывающий внутренний магнитопровод. Трехфазная обмотка с постоянным числом витков в пазу по длине создает бегущее вдоль канала магнитное поле, при взаимодействии которого с индуктированными в жидком металле токами появляется электромагнитное усилие, обеспечивающее перемещение жидкого металла в канале насоса.Known cylindrical linear induction pumps [1], the main nodes of which are an inductor containing an external magnetic circuit, assembled from sheet electrical steel, with a winding laid in the grooves of the external magnetic circuit, an internal magnetic circuit and a linear channel of circular cross section, covering the internal magnetic circuit. A three-phase winding with a constant number of turns in the groove along the length creates a magnetic field running along the channel, when it interacts with the currents induced in the liquid metal, an electromagnetic force appears, which ensures the movement of the liquid metal in the pump channel.

Недостатком насосов с такими индукторами является повышенный расход электроэнергии, обусловленный влиянием продольного концевого эффекта, и низкий к.п.д.The disadvantage of pumps with such inductors is the increased energy consumption due to the influence of the longitudinal end effect, and low efficiency

Известно, что для ослабления влияния продольного концевого эффекта в индукторах линейных индукционных насосах используют градацию линейной токовой нагрузки на концах индуктора по линейному закону в пределах полюсного деления τ или двух полюсных делений 2τ или градацию ступенчатую в пределах фазной зоны на длине полюсного деления [2, 3].It is known that to weaken the influence of the longitudinal end effect in the inductors of linear induction pumps, linear gradation of the current load at the ends of the inductor is used according to the linear law within the pole division τ or two pole divisions 2τ or the gradation is stepwise within the phase zone along the length of the pole division [2, 3 ].

Использование градации линейной токовой нагрузки по линейному закону на концах индуктора в пределах τ и 2τ позволяет повысить эффективность насоса, но увеличивает трудоемкость и стоимость его изготовления, так как требуется дополнительная технологическая оснастка для изготовления катушек с переменным числом витков.The use of gradations of the linear current load according to the linear law at the ends of the inductor within the limits of τ and 2τ allows to increase the efficiency of the pump, but increases the complexity and cost of its manufacture, since additional technological equipment is required for the manufacture of coils with a variable number of turns.

Известен также индуктор линейной индукционной машины [4], содержащий магнитопровод с индуктирующими участками, в пазах которого уложена трехфазная обмотка возбуждения с целым числом полюсов, имеющая постоянное число витков в средней части и переменное в концевых частях. В таком индукторе градация линейной токовой нагрузки выполнена по линейному закону в пределах каждой фазной зоны по концам индуктора на длине полюсного деления и магнитопровод по концам имеет шунтирующие участки.Also known is an inductor of a linear induction machine [4], containing a magnetic circuit with induction sections, in the slots of which a three-phase field winding with an integer number of poles is laid, having a constant number of turns in the middle part and variable in the end parts. In such an inductor, the gradation of the linear current load is performed according to the linear law within each phase zone at the ends of the inductor along the length of the pole division and the magnetic circuit at the ends has shunt sections.

Недостатком указанной конструкции являются невысокие энергетические показатели, связанные со значительным влиянием продольного концевого эффекта, имеющего место в концевых шунтирующих зонах, и обусловленные наличием в них пульсирующих полей.The disadvantage of this design is the low energy performance associated with a significant influence of the longitudinal end effect, which occurs in the end shunt zones, and due to the presence of pulsating fields in them.

Кроме того, в индукционных насосах, в силу небольших скоростей движения жидкого металла при питании от сети промышленной частоты f=50 Гц, фазная зона состоит из небольшого числа пазов на полюс и фазу q=2 и вынесение градации в пределах фазной зоны при этих значениях q затруднено. Далее использование в обмотке катушек с переменным числом витков на концах увеличивает трудоемкость изготовления катушек и их стоимость, поскольку для изготовления и запечки катушек с переменным числом витков требуется дополнительная технологическая оснастка.In addition, in induction pumps, due to the small velocities of the movement of liquid metal when powered from an industrial frequency network f = 50 Hz, the phase zone consists of a small number of grooves per pole and phase q = 2 and the gradation within the phase zone at these q difficult. Further, the use of winding coils with a variable number of turns at the ends increases the complexity of manufacturing coils and their cost, since for the manufacture and baking of coils with a variable number of turns, additional technological equipment is required.

Стоит задача повысить развиваемое давление и коэффициент полезного действия за счет уменьшения влияния продольного концевого эффекта, а также упростить технологию изготовления индуктора за счет использования обмотки с постоянным числом витков по всей длине индуктора и соответствующего соединения катушек в фазных зонах на крайних полюсных делениях.The task is to increase the developed pressure and efficiency by reducing the influence of the longitudinal end effect, as well as to simplify the manufacturing technology of the inductor by using a winding with a constant number of turns along the entire length of the inductor and the corresponding connection of the coils in phase zones at the extreme pole divisions.

Это достигается тем, что в известном индукторе цилиндрического линейного индукционного насоса, содержащем наружный магнитопровод с пазами, трехфазную обмотку возбуждения в виде дисковых катушек с постоянным числом проводников в каждом пазу при числе полюсов 2р≥3 и четном числе пазов на полюс и фазу q=2, 4, 6..., каждая фазная зона у полюсов на входе и выходе разделена на n=q/2 катушечных групп, по две катушки в группе, которые соединены параллельно между собой в группе, а катушечные группы внутри фазной зоны соединены последовательно, при этом у остальных полюсов все катушки в фазных зонах соединены последовательно.This is achieved by the fact that in the known inductor of a cylindrical linear induction pump containing an external magnetic circuit with grooves, a three-phase field winding in the form of disk coils with a constant number of conductors in each groove with the number of poles 2p≥3 and an even number of grooves per pole and phase q = 2 , 4, 6 ..., each phase zone at the poles at the input and output is divided into n = q / 2 coil groups, two coils in the group, which are connected in parallel to each other in the group, and coil groups inside the phase zone are connected in series, at the same time steel poles all coils in phase zones are connected in series.

Как показали расчетные и экспериментальные исследования характеристик цилиндрического линейного индукционного насоса с индуктором, у которого трехфазная обмотка выполнена с соединением катушек в фазных зонах на полюсных делениях на входе и выходе насоса в соответствии с предлагаемым техническим решением, это позволяет повысить развиваемое электромагнитное давление и к.п.д. насоса до 6% по сравнению с электромагнитным насосом, имеющим такую же обмотку возбуждения, но без соединения катушек и фазных зон на концевых полюсах согласно предлагаемому техническому решению.As shown by the calculated and experimental studies of the characteristics of a cylindrical linear induction pump with an inductor, in which a three-phase winding is made with connecting coils in phase zones at the pole divisions at the pump inlet and outlet in accordance with the proposed technical solution, this allows to increase the developed electromagnetic pressure and .d. pump up to 6% compared with an electromagnetic pump having the same field winding, but without connecting coils and phase zones at the end poles according to the proposed technical solution.

На фиг.1 изображен продольный разрез индуктора цилиндрического линейного индукционного насоса; на фиг.2 показана схема соединения обмотки для индуктора с числом пазов на полюс и фазу q=2, а на фиг.3 - схема соединения индуктора с числом пазов на полюс и фазу q=4.Figure 1 shows a longitudinal section of an inductor of a cylindrical linear induction pump; figure 2 shows the connection diagram of the winding for the inductor with the number of grooves per pole and phase q = 2, and figure 3 is the connection diagram of the inductor with the number of grooves per pole and phase q = 4.

Индуктор цилиндрического линейного индукционного насоса (фиг.1) содержит наружный магнитопровод 1, в пазах которого уложена трехфазная обмотка 2. Имеется внутренний магнитопровод 3, наружная тонкостенная обечайка 4, внутренняя тонкостенная обечайка 5, которые образуют кольцевой канал 6.The inductor of a cylindrical linear induction pump (Fig. 1) contains an external magnetic circuit 1, in the grooves of which a three-phase winding is laid 2. There is an internal magnetic circuit 3, an external thin-walled shell 4, an internal thin-walled shell 5, which form an annular channel 6.

На фиг.2 показана схема соединения обмотки индуктора с числом полюсов 2р=6 и числом пазов на полюс и фазу q=2, а на фиг.3 - схема соединения с числом полюсов 2р=4 и числом пазов на полюс и фазу q=4. Фазные зоны A; Z; В; X; С; Y состоят из двух (фиг.2) и четырех (фиг.3) катушек, катушки у концевых полюсных делений τ₁ и τ₆ (фиг.2) и τ₁ и τ₃ (фиг.3) в фазных зонах разделены на n=q/2=1 (фиг.2) и n=q/2=2 (фиг.3) катушечных групп по две катушки в каждой группе. Катушки внутри группы соединены между собой параллельно, а внутри фазной зоны катушечные группы (фиг.3) - последовательно у концевых полюсных делений, а у других полюсных делений τ₂-τ₅ (фиг.2) и τ₃ (фиг.3) катушки в фазных зонах соединены последовательно.Figure 2 shows the connection diagram of the inductor winding with the number of poles 2p = 6 and the number of grooves per pole and phase q = 2, and figure 3 - the connection diagram with the number of poles 2p = 4 and the number of grooves per pole and phase q = 4 . Phase zones A; Z; IN; X; FROM; Y consist of two (figure 2) and four (figure 3) coils, coils at the terminal pole divisions τ ₁ and τ ₆ (figure 2) and τ ₁ and τ ₃ (figure 3) in phase zones are divided into n = q / 2 = 1 (Fig. 2) and n = q / 2 = 2 (Fig. 3) of coil groups with two coils in each group. The coils inside the group are interconnected in parallel, and inside the phase zone the coil groups (Fig. 3) are sequentially at the terminal pole divisions, and at the other pole divisions, τ ₂ −τ ₅ (FIG. 2) and τ ₃ (FIG. 3) coils in phase zones are connected in series.

При включении напряжения на обмотку 2 в кольцевом канале 6 между наружным магнитопроводом 1 и внутренним магнитопроводом 3 образуется бегущее магнитное поле, под воздействием которого в жидком металле в кольцевом канале 6 возникают кольцевые токи, при взаимодействии этих токов с приложенным магнитным полем образуется осевая электромагнитная сила, перемещающая металл от входа к выходу.When voltage is applied to the winding 2 in the annular channel 6 between the external magnetic circuit 1 and the internal magnetic circuit 3, a traveling magnetic field is formed, under the influence of which ring currents appear in the liquid metal in the annular channel 6, when these currents interact with the applied magnetic field, an axial electromagnetic force is generated, moving metal from entrance to exit.

При использовании предлагаемого технического решения в индукторе линейная токовая нагрузка уменьшена на концевых полюсных делениях в 2 раза по сравнению с линейной токовой нагрузкой на остальных полюсных делениях. Благодаря этому продольный концевой эффект, связанный с разомкнутостью магнитопровода и со входом и выходом рабочего тела в зону магнитного поля, существенно снижается, поэтому у насоса с индуктором, выполненным в соответствии с предлагаемым техническим решением, увеличивается развиваемое электромагнитное давление и повышается коэффициент полезного действия по сравнению с электромагнитным насосом, имеющим индуктор с традиционной обмоткой.When using the proposed technical solution in the inductor, the linear current load is reduced at the terminal pole divisions by 2 times compared with the linear current load on the remaining pole divisions. Due to this, the longitudinal end effect associated with the openness of the magnetic circuit and with the input and output of the working fluid in the magnetic field zone is significantly reduced, therefore, the pump with an inductor made in accordance with the proposed technical solution increases the developed electromagnetic pressure and increases the efficiency compared with an electromagnetic pump having an inductor with a traditional winding.

Предлагаемая обмотка обеспечивает более равномерное распределение потребляемого тока по фазам и повышение эффективности насоса при больших магнитных числах Рейнольдса R_m=μσω/α², где μ - магнитная проницаемость перекачиваемой среды, σ - электропроводность, ω=2πf - круговая частота, τ - полюсное деление, α=π/τ.The proposed winding provides a more uniform distribution of the consumed current in phases and increases the efficiency of the pump at large Reynolds magnetic numbers R _m = μσω / α ² , where μ is the magnetic permeability of the pumped medium, σ is the electrical conductivity, ω = 2πf is the circular frequency, τ is the pole division , α = π / τ.

Известно, что при работе насоса с магнитными числами Рейнольдса R_m>1 с традиционной обмоткой [5] имеет место ослабление магнитного поля на входе из-за влияния продольного концевого эффекта. В результате потокосцепление и ЭДС в катушках, расположенных на входе в зоне ослабленного поля, уменьшается по сравнению с остальными катушками, что приводит, при постоянном напряжении на насосе, к увеличению тока, потребляемого насосом, и неравномерному распределению его по фазам. Если линейная токовая нагрузка выбрана на уровне предельной, то указанное увеличение тока приведет к уменьшению габаритной мощности машины и развиваемого давления за счет снижения линейной токовой нагрузки во избежание перегрева обмотки. Использование индуктора с обмоткой согласно предлагаемому техническому решению позволяет избежать увеличения тока на входных катушках, так как магнитное поле на входе нарастает постепенно и линейная токовая нагрузка уменьшена в два раза на входном и выходном полюсных делениях. Это позволяет эксплуатировать насос при линейной токовой нагрузке, выбранной на уровне допустимой по тепловым соображениям.It is known that when the pump is operated with magnetic Reynolds numbers R _m > 1 with a traditional winding [5], the magnetic field at the input is weakened due to the influence of the longitudinal end effect. As a result, the flux linkage and EMF in the coils located at the inlet in the zone of the weakened field decreases compared to the other coils, which leads, with a constant voltage on the pump, to an increase in the current consumed by the pump and its uneven distribution in phases. If the linear current load is selected at the limit level, then the specified increase in current will lead to a decrease in the overall power of the machine and the developed pressure by reducing the linear current load to avoid overheating of the winding. Using an inductor with a winding according to the proposed technical solution allows to avoid increasing the current at the input coils, since the magnetic field at the input increases gradually and the linear current load is halved at the input and output pole divisions. This allows the pump to be operated at a linear current load selected at a level acceptable for thermal reasons.

Использование в индукционном насосе индуктора с обмоткой в соответствии с предлагаемым техническим решением позволяет упростить технологию изготовления насоса и уменьшить стоимость его изготовления, так как не требуется разрабатывать и изготавливать технологическую оснастку, необходимую при изготовлении катушек с переменным числом витков.The use of an inductor with a winding in an induction pump in accordance with the proposed technical solution makes it possible to simplify the manufacturing technology of the pump and reduce the cost of its manufacture, since it is not necessary to develop and manufacture the technological equipment necessary for the manufacture of coils with a variable number of turns.

Источники информацииSources of information

1. В.А.Глухих, А.В.Тананаев, И.Р.Кириллов. Магнитная гидродинамика в ядерной энергетике. Москва, Энергоиздат, 1987.1. V.A. Glukhikh, A.V. Tananaev, I.R. Kirillov. Magnetic hydrodynamics in nuclear power. Moscow, Energy Publishing House, 1987.

2. А.М.Андреев и др. Исследование продольного краевого эффекта на модели цилиндрического линейного насоса. Магнитная гидродинамика, 1969, №3, с.97-100.2. A.M. Andreev et al. Investigation of the longitudinal edge effect on the model of a cylindrical linear pump. Magnetic Hydrodynamics, 1969, No. 3, pp. 97-100.

3. H.Araseki, Igor R.Kirillov, Gennady V.Preslisky, Anatoly P.Ogorodnikov. Double-supply-frequency pressure pulsation in annular linear induction pump, part II: reduction of pulsation by linear winding grading at both stator ends. Nuclear Engineering and Design, 200 (2000), 397-406.3. H. Araseki, Igor R. Kirillov, Gennady V. Preslisky, Anatoly P. Ogorodnikov. Double-supply-frequency pressure pulsation in annular linear induction pump, part II: reduction of pulsation by linear winding grading at both stator ends. Nuclear Engineering and Design, 200 (2000), 397-406.

4. Авторское свидетельство СССР №896722, кл. Н 02 К 41/025, заявлено 24.12.79 (прототип). Опубликовано БИ 1-82, стр.242.4. Copyright certificate of the USSR No. 896722, cl. H 02 K 41/025, declared 12.24.79 (prototype). Published BI 1-82, p. 242.

5. А.М.Андреев, Б.Г.Карасев, И.Р.Кириллов, А.П.Огородников, В.П.Остапенко, Г.Т.Семиков. Результаты экспериментального исследования цилиндрического линейного индукционного насоса ЦЛИН-5700. Препринт А-0345, НИИЭФА, Ленинград, 1977.5. A.M. Andreev, B. G. Karasev, I. R. Kirillov, A. P. Ogorodnikov, V. P. Ostapenko, G. T. Semikov. The results of an experimental study of a cylindrical linear induction pump TsLIN-5700. Preprint A-0345, NIIEFA, Leningrad, 1977.

Claims

Inductor of a cylindrical linear induction pump, containing an external magnetic circuit with grooves, a three-phase field winding in the form of disk coils with a constant number of conductors in each groove, characterized in that with the number of poles 2p≥3 and an even number of grooves per pole and phase q = 2, 4 , 6 ... each phase zone at the poles at the input and output is divided into n = q / 2 coil groups, two coils in the group, which are connected in parallel to each other in the group, and coil groups inside the phase zone are connected in series, while at the rest of the pole all coils in phase zones are connected in series.