RU2324280C1

RU2324280C1 - Method for determination of stable and unstable operation zones of cylindrical linear electromagnetic induction pumps

Info

Publication number: RU2324280C1
Application number: RU2007105286/09A
Authority: RU
Inventors: Игорь Рафаилович Кириллов (RU); Игорь Рафаилович Кириллов; Анатолий Петрович Огородников (RU); Анатолий Петрович Огородников; Геннадий Венидиктович Преслицкий (RU); Геннадий Венидиктович Преслицкий
Priority date: 2007-02-12
Filing date: 2007-02-12
Publication date: 2008-05-10

Abstract

FIELD: electrical engineering; MHD equipment.

SUBSTANCE: method consists in determination of stable and unstable operation zones of cylindrical linear induction pumps with three-phase excitation winding having a flat-wave linear current characteristic. Coils of the excitation winding have a constant number of turns throughout the length of the inductor and create a traveling variable magnetic field within a cylindrical liquid metal channel operating at a magnetic Reynolds number R_m>l and having an approximate boundary between stable and unstable operation zones. These zones are determined by the point of intersection of two modified parameters: magnetohydrodynamic interaction αRN and magnetic Reynolds number αR_m. The point of intersection of said parameters is applied to the plane of a curve being deduced from experiments αRN=f(αR_m). Moreover, if said point is situated below the curve then the pump operates stably, and if it is above the curve then the pump operates unstably, wherein

- magnetic Reynolds number,

, R - magnetohydrodynamic interaction parameter,

- average radius of pump channel, τ- pole pitch, s - slip, μ - liquid metal magnetic permeability, σ -liquid metal electric conductivity, ω=2πf - circular frequency, b -height of the liquid metal channel, δ' - equivalent height of the nonmagnetic gap, В_mΔ - magnetic field induction in the middle of the channel, γ - liquid metal density, v_s=2τf - synchronous velocity of the traveling magnetic field.

EFFECT: ability to choose a working point of the pump in the region of absence of low-frequency pulsations having higher efficiency and reliability.

8 dwg

Description

Изобретение относится к МГД-технике. Оно может быть использовано в линейных индукционных насосах для перекачивания жидких металлов в атомной энергетике в реакторах на быстрых нейтронах, а также в металлургической, химической и других отраслях промышленности, где необходимо перекачивать жидкие металлы.The invention relates to MHD technology. It can be used in linear induction pumps for pumping liquid metals in nuclear energy in fast neutron reactors, as well as in the metallurgical, chemical and other industries where it is necessary to pump liquid metals.

Известен ряд конструкций цилиндрических линейных индукционных насосов (в книге В.А.Глухих, А.В.Тананаев, И.Р.Кириллов. Магнитная гидродинамика в ядерной энергетике. Москва, Энергоатомиздат, 1987 г.). Основными узлами цилиндрических насосов являются индуктор с трехфазной обмоткой, линейный канал кольцевого сечения, охватывающий внутренний магнитопровод. Трехфазная обмотка создает бегущее магнитное поле вдоль кольцевого канала, при взаимодействии магнитного поля с индуктированными в жидком металле токами возникает электромагнитная сила, перемещающая жидкий металл вдоль канала насоса в направлении бегущего магнитного поля. В зависимости от параметра электромагнитного взаимодействия R_m·s, (где R_m=μσωb/α² δ' - магнитное число Рейнольдса, s - скольжение, μ - магнитная проницаемость жидкого металла, σ - электропроводность жидкого металла, ω=2πf - угловая частота, α=π/τ, b - высота канала, δ' - эквивалентная высота немагнитного зазора), который определяет интенсивность электромагнитных процессов в канале насоса, имеют место два режима течения: при R_ms<<1 и R_ms≥1. При R_ms<<1 результирующее магнитное поле не зависит от величины и характера индуктированных токов в жидком металле. Такой режим характерен для насосов, перекачивающих тяжелые металлы: свинец, ртуть и др. Режим R_ms≥1 характерен для насосов, перекачивающих натрий. В этом случае поле от индуктированных токов в жидком металле определяет результирующее магнитное поле и имеет место взаимное влияние скорости жидкой электропроводящей среды и магнитного поля. В этих условиях появление малых возмущений скорости среды или магнитного поля вызывает возмущение индуктированного и результирующего магнитных полей, что приводит к возмущению скорости и развитию неоднородного течения, которое может быть при определенных условиях неустойчивым. После развития неустойчивости рабочее сечение канала разделяется на несколько зон по азимуту с различными скоростями. В результате напор-расходная характеристика насоса теряет монотонность, в ней обнаруживаются провалы и появляются низкочастотные 0,1÷10 Гц пульсации в давлении и расходе, обусловленные образованием вихревого течения в канале. Данная неустойчивость обусловлена размагничивающим действием вторичных токов в жидком металле и имеет некоторую аналогию с процессом опрокидывания асинхронных машин.A number of designs of cylindrical linear induction pumps are known (in the book of V. A. Glukhikh, A. V. Tananaev, I. R. Kirillov. Magnetic hydrodynamics in nuclear energy. Moscow, Energoatomizdat, 1987). The main components of cylindrical pumps are an inductor with a three-phase winding, a linear channel of circular cross section, covering the internal magnetic circuit. The three-phase winding creates a running magnetic field along the annular channel, when a magnetic field interacts with the currents induced in the liquid metal, an electromagnetic force arises that moves the liquid metal along the pump channel in the direction of the running magnetic field. Depending on the electromagnetic interaction parameter R _m · s, (where R _m = μσωb / α ² δ 'is the magnetic Reynolds number, s is slip, μ is the magnetic permeability of the liquid metal, σ is the electrical conductivity of the liquid metal, ω = 2πf is the angular frequency , α = π / τ, b is the channel height, δ 'is the equivalent height of the nonmagnetic gap), which determines the intensity of electromagnetic processes in the pump channel, there are two flow regimes: for R _m s << 1 and R _m s≥1. When R _m s << 1, the resulting magnetic field does not depend on the magnitude and nature of the induced currents in the liquid metal. This mode is typical for pumps pumping heavy metals: lead, mercury, etc. The mode R _m s≥1 is typical for pumps pumping sodium. In this case, the field from the induced currents in the liquid metal determines the resulting magnetic field and there is a mutual influence of the velocity of the liquid electrically conductive medium and the magnetic field. Under these conditions, the appearance of small perturbations of the velocity of the medium or magnetic field causes a perturbation of the induced and resultant magnetic fields, which leads to a perturbation of the velocity and the development of an inhomogeneous flow, which can be unstable under certain conditions. After the development of instability, the working section of the channel is divided into several zones in azimuth with different speeds. As a result, the pressure-flow characteristic of the pump loses its monotony, dips are detected in it and low-frequency 0.1 ÷ 10 Hz pulsations in pressure and flow appear due to the formation of a vortex flow in the channel. This instability is due to the demagnetizing effect of secondary currents in liquid metal and has some analogy with the process of overturning asynchronous machines.

Известно также (в статье Гайлитис А., Лиелаусис О. Неустойчивость однородного распределения скоростей в индукционной машине. Магнитная гидродинамика, 1975, №1, с.87-101), что впервые теоретический анализ потери устойчивости на основе струйной одномерной турбулентной модели был сделан Гайлитисом А. и Лиелаусисом О., которые показали, что неустойчивость появляется, когдаIt is also known (in the article by Gailitis A., Lielausis O. Instability of a uniform velocity distribution in an induction machine. Magnetic Hydrodynamics, 1975, No. 1, pp. 87-101), that for the first time a theoretical analysis of the loss of stability based on a jet one-dimensional turbulent model was made by Gailitis A. and Lielausis O., who showed that instability appears when

и два безразмерных параметра R/τ и N₁>1 достаточно велики. Здесь R - средний радиус, τ - полюсное деление, N₁=2bB² _mΔσ/γλv_s - модифицированный параметр взаимодействия, где В_mΔ - индукция в середине канала, γ - плотность жидкого металла, λ - коэффициент сопротивления трения, v_S=2τf - синхронная скорость бегущего магнитного поля.and two dimensionless parameters R / τ and N ₁ > 1 are sufficiently large. Here R is the average radius, τ is the pole division, N ₁ = 2bB ² _mΔ σ / γλv _s is the modified interaction parameter, where B _mΔ is the induction in the middle of the channel, γ is the density of the liquid metal, λ is the coefficient of friction resistance, v _S = 2τf is the synchronous speed of the traveling magnetic field.

Критерий устойчивой работы насоса на напор-расходной характеристике, согласно указанной работе, определяется точкой пересечения прямой R_ms=1, отложенной от оси абсцисс с напор-расходной характеристикой насоса. При R_ms<1 имеем устойчивый режим насоса без низкочастотных колебаний, при R_ms>1 имеем неустойчивый режим с низкочастотными колебаниями. Более детально вопросы неустойчивой работы насоса были исследованы экспериментально и численным анализом (в статье Hideo Araseki, Igor R.Kirillov, Gennady V.Preslitsky, Anatoly P.Ogorodnikov. Magnetohydrodynamic instability in annular linear induction pump. Part I. Experiment and numerical analysis. Nuclear Engineering and Design. 227 (2004) 29-50), где было показано экспериметально, что основная несущая частота низкочастотных пульсаций лежит в диапазоне частот 0-10 Гц и амплитуда низкочастотных пульсаций в давлении возрастает с ростом скольжения. Здесь же численным анализом было установлено, что любая неоднородность по азимуту приложенного магнитного поля или скорости натрия на входе в насос вызывают образование вихревого течения в насосе при R_ms>1, вихревое течение вызывает низкочастотные пульсации в диапазоне 0-10 Гц. Кроме того, результаты экспериментального исследования насоса ALIP-2 при частоте 30 Гц и 50 Гц в названной статье показали, что граница R_ms=1 неустойчивой работы и появления низкочастотных пульсаций не является строгой, а является приближенной. При f=30 Гц низкочастотные пульсации появляются несколько раньше условия R_ms=1, а при f=50 Гц они появляются позднее при больших скольжениях (см. рис.4 в указанной работе).The criterion for the stable operation of the pump on the pressure-flow characteristic, according to the specified work, is determined by the point of intersection of the straight line R _m s = 1, plotted off the abscissa axis with the pressure-flow characteristic of the pump. For R _m s <1, we have a stable pump mode without low-frequency oscillations; for R _m s> 1, we have an unstable regime with low-frequency oscillations. In more detail, the issues of unstable pump operation were investigated experimentally and numerically (in the article Hideo Araseki, Igor R. Kirillov, Gennady V. Preslitsky, Anatoly P. Ogorodnikov. Magnetohydrodynamic instability in annular linear induction pump. Part I. Experiment and numerical analysis. Nuclear Engineering and Design. 227 (2004) 29-50), where it was shown experimentally that the main carrier frequency of low-frequency pulsations lies in the frequency range 0-10 Hz and the amplitude of low-frequency pulsations in pressure increases with increasing slip. Here, it was found by numerical analysis that any heterogeneity in azimuth of the applied magnetic field or sodium velocity at the pump inlet causes the formation of a vortex flow in the pump at R _m s> 1, the vortex flow causes low-frequency pulsations in the range of 0-10 Hz. In addition, the results of an experimental study of the ALIP-2 pump at a frequency of 30 Hz and 50 Hz in the above article showed that the boundary R _m s = 1 of unstable operation and the appearance of low-frequency pulsations is not strict, but is approximate. At f = 30 Hz, low-frequency pulsations appear somewhat earlier than the condition R _m s = 1, and at f = 50 Hz they appear later with large slides (see Fig. 4 in this work).

Во избежание неприятных явлений, связанных с МГД-неустойчивостью, насос проектируют таким образом, чтобы его рабочая точка лежала в области R_ms<1. Для электромагнитных насосов малой мощности с расходом до ~100 м³/ч условие R_ms<1 можно выполнить легко, так как отношение R/τ<1 мало и напор-расходная характеристика насоса в этом случае имеет монотонный характер практически во всем диапазоне скольжений. Однако для электромагнитных насосов средней и большой мощности с расходом >100 м³/ч отношение R/τ>1 становится больше единицы, и условие R_ms<1 выполнить тяжело, и напор-расходная характеристика насоса не имеет монотонного характера, в ней наблюдаются провалы и появляются низкочастотные колебания. Для подавления низкочастотных пульсаций и расширения диапазона устойчивой работы насосов было предложено использовать негладкую волну линейной токовой нагрузки (фазовый сдвиг) в обмотке насоса (Авторское свидетельство №1151175, кл. Н02К 44/06, БИ №29, 1991 г.). Однако использование фазового сдвига хотя и подавляет низкочастотные пульсации, но несколько снижает КПД насоса (статья Н.Araseki, I.R.Kirillov, G.V.Preslitsky, A.P.Ogorodnikov. Magnetohydrodynamic instability in annular linear induction pump. Part II. Suppression of instability by phase shift. Nuclear Engineering and Design, 236 (2006), 965-974). Поэтому в последние годы для расширения диапазона устойчивой работы было предложено питать насос напряжением пониженной частоты f=5÷20 Гц.To avoid unpleasant phenomena associated with MHD instability, the pump is designed so that its operating point lies in the region R _m s <1. For low-power electromagnetic pumps with a flow rate of up to ~ 100 m ³ / h, the condition R _m s <1 can be fulfilled easily, since the ratio R / τ <1 is small and the pressure-discharge characteristic of the pump in this case is monotonic in almost the entire slip range . However, for medium and high power electromagnetic pumps with a flow rate> 100 m ³ / h, the ratio R / τ> 1 becomes more than unity, and the condition R _m s <1 is difficult to fulfill, and the pressure-flow characteristic of the pump is not monotonous, it observes dips and low-frequency oscillations appear. To suppress low-frequency pulsations and expand the range of stable operation of the pumps, it was proposed to use a non-smooth wave of linear current load (phase shift) in the pump winding (Author's certificate No. 1151175, class N02K 44/06, BI No. 29, 1991). However, the use of phase shift, although it suppresses low-frequency pulsations, but slightly reduces the pump efficiency (article by A. Araseki, IRKirillov, GVPreslitsky, APOgorodnikov. Magnetohydrodynamic instability in annular linear induction pump. Part II. Suppression of instability by phase shift. Nuclear Engineering and Design, 236 (2006), 965-974). Therefore, in recent years, to expand the range of stable operation, it was proposed to supply the pump with a voltage of reduced frequency f = 5 ÷ 20 Hz.

Известен также принимаемый за прототип самый мощный в мире, созданный и испытанный в последние годы, электромагнитный насос ЦЛИН-3/9600 с расходом 9600 м³/ч и развиваемым давлением ~3 кгс/см²(статья Н.Ota, К.Katsuki, M.Funato, J.Taguchi, A.W.Fanning, Y.Doi, N.Nibe, M.Veta and T.Inagaki. Development of 160 m³/min Large Capacity Sodium-Immersed Self-Cooled Electromagnetic Pump. Journal of Nuclear Science and Technology, vol.41, p.511-523 (April 2004). Technical report). Насос создан совместно рядом японских и американских компаний и испытан в США. Испытания насоса были проведены в диапазоне частот 4÷23 Гц. В результате этих испытаний было установлено, что граница устойчивой работы насоса имеет место при R_ms≤1,4÷1,5, и, как видно из рис.14 и 15 указанной статьи, низкочастотные колебания появляются в насосе при R_ms>1,5.Also known is the most powerful in the world, created and tested in recent years, electromagnetic pump TsLIN-3/9600 with a flow rate of 9600 m ³ / h and a developed pressure of ~ 3 kgf / cm ² (article N. Ota, K. Katsuki, M. Funato, J. Taguchi, AWFanning, Y. Doi, N. Nibe, M. Veta and T. Ingaki. Development of 160 m ³ / min Large Capacity Sodium-Immersed Self-Cooled Electromagnetic Pump. Journal of Nuclear Science and Technology , vol. 41, p. 511-523 (April 2004). Technical report). The pump was created jointly by a number of Japanese and American companies and tested in the USA. Tests of the pump were carried out in the frequency range 4 ÷ 23 Hz. As a result of these tests, it was found that the boundary of stable operation of the pump occurs at R _m s≤1.4 ÷ 1.5, and, as can be seen from Figs. 14 and 15 of this article, low-frequency oscillations appear in the pump at R _m s> 1,5.

Таким образом, в настоящее время нет однозначных критериев, которые бы могли четко определить границу устойчивой работы электромагнитных насосов. Двухмерные расчетные модели, разработанные в последнее время и основанные на совместном решении уравнений Максвелла и Навье-Стокса численными методами, хотя и позволяют определить границу возникновения низкочастотных пульсаций, но требуют много времени для расчета, они громоздки, трудоемки и недостаточно совершенны.Thus, at present, there are no unambiguous criteria that could clearly define the boundary of the stable operation of electromagnetic pumps. The two-dimensional computational models developed recently and based on the joint solution of the Maxwell and Navier-Stokes equations by numerical methods, although they allow one to determine the boundary of the occurrence of low-frequency pulsations, but they require a lot of time to calculate, they are cumbersome, time-consuming and not perfect enough.

Изобретение направлено на решение задачи более точного установления зон устойчивой и неустойчивой работы насоса.The invention is aimed at solving the problem of more accurately establishing zones of stable and unstable pump operation.

Это достигается тем, что в известном цилиндрическом линейном индукционном насосе, имеющем трехфазную обмотку с гладкой волной линейной токовой нагрузки, создающей переменное бегущее магнитное поле в цилиндрическом канале с жидким металлом, работающим при магнитном числе Рейнольдса R_m>1 и имеющем приближенную границу зон устойчивой и неустойчивой работы насоса (начало возникновения низкочастотных пульсаций давления), определяемую точкой пересечения параметра электромагнитного взаимодействия R_ms≈1 с напор-расходной (скольжение) характеристикой насоса, зоны устойчивой и неустойчивой работы насоса определяют точкой пересечения двух модифицированных параметров насоса: параметра магнитогидродинамического взаимодействия αRN и магнитного числа Рейнольдса αR_m, которую наносят на плоскость найденной экспериментальной универсальной кривой αRN=f(αR_m), причем, если указанная точка пересечения этих параметров расположена ниже кривой, то насос работает устойчиво, если указанная точка расположена выше кривой, то насос работает неустойчиво,This is achieved by the fact that in the well-known cylindrical linear induction pump having a three-phase winding with a smooth wave of linear current load, creating an alternating traveling magnetic field in a cylindrical channel with a liquid metal operating at a magnetic Reynolds number R _m > 1 and having an approximate zone boundary of stable and unstable operation of the pump (the beginning of the appearance of low-frequency pressure pulsations), determined by the point of intersection of the electromagnetic interaction parameter R _m s≈1 with the pressure-flow (slip) character by the pump characteristics, the zones of stable and unstable operation of the pump is determined by the intersection point of two modified pump parameters: the magnetohydrodynamic interaction parameter αRN and the magnetic Reynolds number αR _m , which is applied to the plane of the found experimental universal curve αRN = f (αR _m ), and if the indicated intersection point of these parameters is located below the curve, the pump works stably, if the specified point is located above the curve, the pump works unstable,

здесь

- магнитное число Рейнольдса,

параметр магнитогидродинамического взаимодействия,

τ - полюсное деление, R - средний радиус канала насоса, s - скольжение, σ - электропроводность жидкого металла, μ - магнитная проницаемость жидкого металла, ω=2πf - круговая частота, b - высота канала по жидкому металлу, δ' - эквивалентная высота немагнитного зазора, γ - плотность жидкого металла, v_s - синхронная скорость бегущего магнитного поля, В_mΔ - индукция в середине канала.here

is the magnetic Reynolds number,

magnetohydrodynamic interaction parameter,

τ is the pole division, R is the average radius of the pump channel, s is slip, σ is the electrical conductivity of the liquid metal, μ is the magnetic permeability of the liquid metal, ω = 2πf is the circular frequency, b is the height of the channel along the liquid metal, δ 'is the equivalent height of the nonmagnetic the gap, γ is the density of the liquid metal, v _s is the synchronous speed of the traveling magnetic field, In _mΔ is the induction in the middle of the channel.

Техническим результатом изобретения является возможность выбора рабочей точки насоса в области отсутствия низкочастотных пульсаций с более высоким КПД и надежностью.The technical result of the invention is the ability to select the operating point of the pump in the absence of low-frequency pulsations with higher efficiency and reliability.

На фиг.1 показан продольный разрез цилиндрического линейного индукционного насоса. Индукционный насос содержит наружный магнитопровод 1, в пазах которого находится трехфазная обмотка 2, внутренний магнитопровод 3, наружную 4 и внутреннюю обечайки 5, которые образуют кольцевой канал 6.Figure 1 shows a longitudinal section of a cylindrical linear induction pump. The induction pump contains an external magnetic circuit 1, in the grooves of which is a three-phase winding 2, an internal magnetic circuit 3, an external 4 and an inner shell 5, which form an annular channel 6.

При включении напряжения на обмотку насоса 2 в кольцевом канале 6 между обечайками 4 и 5 образуется бегущее магнитное поле, под воздействием которого в жидком металле, находящимся в кольцевом канале 6, возникают кольцевые токи, при взаимодействии которых с приложенным магнитным полем возникает осевая электромагнитная сила, перемещающая жидкий металл от входа к выходу. При перекачивании жидкого металла с высокой электропроводностью, например натрия, параметр электромагнитного взаимодействия R_ms становится больше единицы R_ms>1 и напор-расходная характеристика теряет монотонность, в ней обнаруживаются провалы и возникают низкочастотные колебания, работа насоса становится неустойчивой.When voltage is applied to the pump winding 2 in the annular channel 6, a traveling magnetic field is formed between the shells 4 and 5, under the influence of which ring currents arise in the liquid metal located in the annular channel 6, when they interact with the applied magnetic field, an axial electromagnetic force moving liquid metal from entrance to exit. When pumping a liquid metal with high electrical conductivity, such as sodium, the electromagnetic interaction parameter R _m s becomes greater than unity R _m s> 1 and the pressure-flow characteristic loses monotony, dips are detected in it and low-frequency oscillations occur, and the pump operation becomes unstable.

Граница зон устойчивой и неустойчивой работы насосов нами была определена экспериментально на основе многочисленных экспериментальных исследований напор-расходных характеристик насоса ЦЛИН-1,5/430 на натрии при температуре 230°С. Испытания насоса были проведены на частотах от 5 до 50 Гц (диапазон частот 5÷50 Гц), при различном числе полюсов 2р_n=2; 4; 6; 12, но при одной и той же длине индуктора. Всего было проведено более 70 экспериментов, охватывающих диапазон изменения R_m=0,17÷29,8. На каждой частоте снималось до шести напор-расходных характеристик насоса при различных напряжениях источника питания. Оценка состояния МГД-процесса проводилась путем анализа спектров локальных давлений с помощью пьезоэлектрических датчиков p_p31, р₃₂ и тензорезисторных датчиков, установленных на выходе канала насоса со сдвигом на 90° относительно друг друга по азимуту канала. Граница устойчивости определялась по скачкообразному изменению интенсивности колебаний, которая оценивалась как среднее значение амплитуд пульсаций давления в диапазоне частот 0,3÷10 Гц для каждого из датчиков, отнесенная к электромагнитному давлению насоса, которое равно сумме развиваемого насосом давления и гидравлических потерь.The boundary of the zones of stable and unstable operation of the pumps was determined experimentally on the basis of numerous experimental studies of the pressure head flow characteristics of the Tslin-1,5 / 430 pump on sodium at a temperature of 230 ° C. Tests of the pump were carried out at frequencies from 5 to 50 Hz (frequency range 5 ÷ 50 Hz), with a different number of poles 2p _n = 2; four; 6; 12, but with the same inductor length. In total, more than 70 experiments were carried out covering the range of changes R _m = 0.17–29.8. At each frequency, up to six pressure-discharge characteristics of the pump were measured at various voltages of the power source. The state of the MHD process was evaluated by analyzing the local pressure spectra using piezoelectric sensors p _p31 , p ₃₂ and strain gauge sensors installed at the output of the pump channel with a shift of 90 ° relative to each other in the channel azimuth. The stability limit was determined by an abrupt change in the oscillation intensity, which was estimated as the average value of the pressure fluctuation amplitudes in the frequency range 0.3 ÷ 10 Hz for each of the sensors, referred to the electromagnetic pressure of the pump, which is equal to the sum of the pressure developed by the pump and hydraulic losses.

На фиг.2 представлены напор-расходная (скольжение) характеристика, полученная при p_n=3, U=250 В, f=50 Гц, R_m=3,28 и интенсивность колебаний для пьезодатчика p_p31 в относительных единицах. Анализ этих кривых показал, что монотонное увеличение давления p нарушается с уменьшением расхода Q (увеличением скольжения), в ней обнаруживается провал. Давление достигает максимума, при дальнейшем уменьшении расхода возникают низкочастотные колебания. Таким образом, напор-расходную характеристику насоса можно разбить на две зоны: устойчивой и неустойчивой работы. Между этими зонами существует граница, разделяющая зоны устойчивой и неустойчивой работы насоса, которая может быть определена экспериментально по спектрам сигналов пьезоэлектрических датчиков. Следует отметить, что в устойчивой зоне низкочастотные колебания на p-Q характеристике не обнаруживаются, как видно из временных фиг.3а и спектральных фиг.3б характеристик при Q=417 м³/ч (s=0,26). В спектре наблюдается только удвоенная частота источника питания f=100 Гц. В неустойчивой зоне временные и спектральные характеристики представлены на фиг.4а и 4б для Q=123 м³/ч (s=0,78). Для этой же p-Q характеристики в спектре обнаруживается полоса низких частот с выраженным максимумом (фиг.4б). В результате экспериментальных исследований p-Q характеристик было установлено, что колебания в характеристиках возникают при одном и том же значении параметра МГД-взаимодействия N, если магнитное число Рейнольдса R_m не меняется. Исходя из этого условия после обработки экспериментальных данных была установлена единая граница зон устойчивой и неустойчивой работы цилиндрических линейных индукционных насосов, которая показана на фиг.5а и часть ее в увеличенном масштабе по оси ординат на фиг.5б. В качестве координат установлены: по оси ординат - безразмерный модифицированный параметр магнитогидродинамического взаимодействия αRN, по оси абсцисс - модифицированный параметр магнитного числа Рейнольдса αR_m, который в отличие от безразмерного магнитного числа Рейнольдса R_m отличается дополнительным множителем

и имеет размерность

Figure 2 presents the pressure-flow rate (slip) characteristic obtained at p _n = 3, U = 250 V, f = 50 Hz, R _m = 3.28 and the oscillation intensity for the piezoelectric sensor p _p31 in relative units. An analysis of these curves showed that a monotonic increase in pressure p is violated with a decrease in flow rate Q (increase in slip), a failure is detected in it. The pressure reaches a maximum, with a further decrease in flow, low-frequency oscillations occur. Thus, the pressure-flow characteristic of the pump can be divided into two zones: stable and unstable operation. Between these zones there is a boundary separating the zones of stable and unstable pump operation, which can be determined experimentally from the spectra of the signals of piezoelectric sensors. It should be noted that in the stable zone, low-frequency oscillations on the pQ characteristic are not detected, as can be seen from the temporal fig.3a and spectral fig.3b characteristics at Q = 417 m ³ / h (s = 0.26). In the spectrum, only twice the frequency of the power source f = 100 Hz is observed. In the unstable zone, the temporal and spectral characteristics are presented in FIGS. 4a and 4b for Q = 123 m ³ / h (s = 0.78). For the same pQ characteristics, a low-frequency band with a pronounced maximum is detected in the spectrum (Fig. 4b). As a result of experimental studies of pQ characteristics, it was found that the oscillations in the characteristics arise at the same value of the MHD interaction parameter N, if the magnetic Reynolds number R _m does not change. Based on this condition, after processing the experimental data, a unified boundary of zones of stable and unstable operation of cylindrical linear induction pumps was established, which is shown in Fig.5a and part of it on an enlarged scale along the ordinate axis in Fig.5b. The coordinates are as follows: along the ordinate axis, the dimensionless modified parameter of the magnetohydrodynamic interaction αRN, along the abscissa axis, the modified parameter of the magnetic Reynolds number αR _m , which, in contrast to the dimensionless magnetic Reynolds number R _m, has an additional factor

and has dimension

Слева и ниже от кривой находится зона устойчивой работы насосов, а справа и выше кривой - неустойчивая зона. При этом минимальное значение αRN не равно нулю, а диапазон значений R_m=0,17÷29,8. Найденная граница зон устойчивой и неустойчивой работы насосов является универсальной и зависит только от параметров: N; R_m; α=π/τ; R. В диапазоне изменения αR_m от 7,5 до 45,7 кривая описывается экспонентой:

а в диапазоне от 45,7 до 220 - полиномом: αRN=-19,7+4,25·10^-4·(αR_m)²-1,25·10^-6·(αR_m)³+87/Ln(αR_m).To the left and below the curve is the zone of stable operation of the pumps, and to the right and above the curve is the unstable zone. The minimum value of αRN is not equal to zero, and the range of values of R _m = 0.17 ÷ 29.8. The found boundary of the zones of stable and unstable operation of the pumps is universal and depends only on the parameters: N; R _m ; α = π / τ; R. In the range of variation of αR _m from 7.5 to 45.7, the curve is described by the exponent:

and in the range from 45.7 to 220 - a polynomial: αRN = -19.7 + 4.25 · 10 ^-4 · (αR _m ) ² -1.25 · 10 ^-6 · (αR _m ) ³ + 87 / Ln (αR _m ).

Полученные результаты по определению границы зон устойчивой и неустойчивой работы насосов были сопоставлены с экспериментальными данными, полученными при испытаниях отечественных насосов типа ЦЛИН: ЦЛИН-5/700; ЦЛИН-5/850 (на частоте питания f=32 и 50 Гц); ЦЛИН-3/150; ЦЛИН-8/1200; ЦЛИН-3/3500 и самого мощного в мире электромагнитного насоса ЦЛИН-3/9600, испытанного в США совместно с Японией на частотах: 8; 12; 16; 20,5 Гц. Результаты испытаний и появление зоны неустойчивой работы нанесены на фиг.5а и фиг.5б. Как видно из этих кривых, зона появления колебаний, т.е. зона начала неустойчивой работы, хорошо совпадает с экспериментальной кривой. Некоторое отклонение от кривой для насосов ЦЛИН-5/850 и ЦЛИН-3/3500 на фиг.5б объясняется тем, что начало колебаний фиксировалось в них визуально по колебаниям стрелок в манометрах, кроме того, в насосе ЦЛИН-3/3500 для расширения устойчивой работы были установлены дополнительные полюса.The obtained results on determining the boundaries of the zones of stable and unstable operation of the pumps were compared with experimental data obtained during testing of domestic pumps of the Tslin type: Tslin-5/700; Tslin-5/850 (at the power frequency f = 32 and 50 Hz); Tslin-3/150; Tslin-8/1200; Tslin-3/3500 and the world's most powerful electromagnetic pump Tslin-3/9600, tested in the USA together with Japan at frequencies: 8; 12; 16; 20.5 Hz The test results and the appearance of an unstable operation zone are plotted in FIG. As can be seen from these curves, the zone of occurrence of vibrations, i.e. the zone of the beginning of unstable operation coincides well with the experimental curve. Some deviation from the curve for the pumps TsLIN-5/850 and Tslin-3/3500 in Fig.5b is explained by the fact that the beginning of the oscillations was recorded visually in them according to the fluctuations of the arrows in the manometers, in addition, in the pump Tslin-3/3500 to expand the stable work, additional poles were installed.

Таким образом, в результате проведенных исследований была экспериментально определена универсальная граница зон устойчивой и неустойчивой работы электромагнитных насосов цилиндрического типа, что имеет очень важное значение при разработке электромагнитных насосов средней и большой мощности, используемых в реакторах на быстрых нейтронах, как в основных, так и вспомогательных контурах, а также в системах аварийного расхолаживания реакторов. Поскольку выбор рабочей точки насоса с номинальными давлением и расходом в зоне устойчивой работы согласно предложенному техническому решению позволяет избежать в насосе появления неустойчивой работы и появления низкочастотных колебаний, а следовательно, вибрации насоса и трубопроводов, повысить надежность работы насоса и выбрать номинальную рабочую точку с более высоким КПД.Thus, as a result of the studies, the universal boundary of the zones of stable and unstable operation of cylindrical electromagnetic pumps was experimentally determined, which is very important in the development of medium and high power electromagnetic pumps used in fast neutron reactors, both in primary and auxiliary circuits, as well as in emergency reactor cooling systems. Since the choice of the pump operating point with the nominal pressure and flow rate in the zone of stable operation according to the proposed technical solution allows us to avoid unstable operation and low-frequency oscillations in the pump, and therefore vibration of the pump and pipelines, to increase the reliability of the pump and select a rated operating point with a higher Efficiency.

Claims

The method for determining the areas of stable and unstable operation of cylindrical linear induction electromagnetic pumps, which consists in the fact that in a linear induction pump having a three-phase field winding with a smooth wave of linear current load, which creates an alternating traveling magnetic field in a cylindrical channel with a liquid metal operating with a magnetic number Reynolds R _m > 1 and having an approximate boundary of zones of stable and unstable pump operation, determined by the point of intersection of the electromagnetic actions R _m S≈1 with the pressure-flow characteristic of the pump, characterized in that the zones of stable and unstable operation of the pump are determined by the intersection point of two modified parameters: the magnetohydrodynamic interaction αRN and the magnetic Reynolds number αR _m , which is applied to the plane of the experimental universal curve αRN = f (αR _m), wherein, if said point of intersection of these parameters is located below the curve, the pump is working stably, if said point is located above the curve, the pump is unstable, zdes

- magnetic Reynolds number;

- magnetohydrodynamic interaction parameter

; R is the average radius of the pump channel; τ is the pole division; s is the slip; μ is the magnetic permeability of the liquid metal; σ is the electrical conductivity of the liquid metal; ω = 2πf is the circular frequency; b is the height of the channel for liquid metal; δ 'is the equivalent height of the non-magnetic gap; In _mΔ is the magnetic field induction in the middle of the channel; γ is the density of the liquid metal; v _s = 2τf is the synchronous speed of the traveling magnetic field.