RU2581606C1

RU2581606C1 - Thermionic stator magnetic circuit

Info

Publication number: RU2581606C1
Application number: RU2014148820/07A
Authority: RU
Inventors: Флюр Рашитович Исмагилов; Ирек Ханифович Хайруллин; Вячеслав Евгеньевич Вавилов; Владимир Игоревич Бекузин; Айнур Махмутович Якупов
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2016-04-20

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to electrical machine building and can be used in electromechanical energy converters of stand-alone objects. Thermionic magnetic stator comprises a heated cathode, separated by a gap filled with caesium vapour cooled anode, caesium thermostat. Heated cathode gap is filled with a caesium vapour, and a cooling plate arranged on outer side of magnetic circuit stator with channels for supplying a caesium vapour, and cooled anode is arranged on axial cooling channels in interior of stator is a rotor.

EFFECT: technical result is improved energy efficiency, conversion of heat losses into increasing efficiency of EMPE 1-2 %.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в электромеханических преобразователях энергии автономных объектов.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in electromechanical energy converters of autonomous objects.

Известна конструкция термоэмиссионного реактора-преобразователя с плоскими протяженными электрогенерирующими элементами с высокими выходными энергетическими характеристиками и большим заполнением активной зоны ядерным топливом (патент РФ №2030018, H01J 45/00, 27.02.1995 г.). Термоэмиссионный реактор-преобразователь содержит герметичный цилиндрический корпус, заполненный парами цезия. Внутри него размещены плоскопараллельные пластины с полостями для прокачки жидкометаллического теплоносителя, на которых жестко через изолирующий слой закреплены плоские протяженные коллекторы, а между ними помещены эмиттерные оболочки швеллерной формы боковыми рабочими поверхностями эквидистантно плоскостям коллекторов. Оболочки заполнены ядерным топливом. Коммутирующие проводники выполнены в виде гофрированных лент с чередованием участков для закрепления вдоль оболочек эмиттеров и свободных участков, расположенных между гофрами, с ортогональными отростками для соединения с коллекторами. Конструкция также содержит систему охлаждения коллекторов.A known design of a thermionic reactor-converter with long flat power generating elements with high output energy characteristics and a large core filling with nuclear fuel (RF patent No. 2030018, H01J 45/00, 02.27.1995). The thermionic converter reactor contains a sealed cylindrical body filled with cesium vapor. Plane-parallel plates with cavities for pumping liquid metal coolant are placed inside it, on which flat extended collectors are rigidly fixed through the insulating layer, and channel emitter shells are placed between them with lateral working surfaces equidistant to the collector planes. The shells are filled with nuclear fuel. The switching conductors are made in the form of corrugated tapes with alternating sections for fastening along the shells of the emitters and free sections located between the corrugations with orthogonal processes for connection with collectors. The design also includes a collector cooling system.

Недостатком этой конструкции является система охлаждения коллекторов, содержащая широкие полости, через которые прокачивается жидкометаллический теплоноситель, в плоских пластинах, на которых закреплены коллекторы. Другой не до конца решенной проблемой в ней является проблема отработки и испытания электрогенерирующих элементов и термоэмиссионного реактора-преобразователя в целом в лабораторных стендовых условиях с электронагревом. Она решена лишь частично, а именно в ее вакуумной части. Полномасштабные стендовые испытания с электронагревом в этой конструкции оказываются невозможными. Остается также проблема вывода газообразных осколков деления из ядерного топлива.The disadvantage of this design is the collector cooling system, which contains wide cavities through which the liquid metal coolant is pumped in flat plates on which the collectors are fixed. Another problem that has not been completely resolved in it is the problem of testing and testing the electric generating elements and the thermionic converter reactor as a whole under laboratory bench conditions with electric heating. It is solved only partially, namely in its vacuum part. Full-scale bench tests with electric heating in this design are impossible. The problem of removing gaseous fission fragments from nuclear fuel also remains.

Известен термоэмиссионный электрогенерирующий канал активной зоны ядерного реактора (Грязнов Г.М., Пупко В.Я. ТОПАЗ-1 - советская космическая ядерно-энергетическая установка. Природа, 1991, №10, с. 29-36). Электрогенерирующий канал активной зоны ядерного реактора содержит последовательно соединенные электрогенерирующие элементы, содержащие источники тепла в виде тепловыделяющего элемента, оболочки которых являются катодами, и отделенные от них кольцевым зазором аноды, через изолирующие прокладки соединенные с корпусом электрогенерирующего канала, охлаждаемым жидкометаллическим теплоносителем, в котором кольцевой зазор между анодом и катодом промывается парами цезия, подаваемыми из цезиевого термостата с одного торца электрогенерирующего канала и сбрасываемыми в окружающую среду на другом торце электрогенерирующего канала.Known thermionic electricity generating channel of the active zone of a nuclear reactor (Gryaznov G.M., Pupko V.Ya. TOPAZ-1 - Soviet space nuclear power plant. Nature, 1991, No. 10, pp. 29-36). The power generating channel of the core of a nuclear reactor contains serially connected power generating elements containing heat sources in the form of a heat-generating element, the shells of which are cathodes, and anodes separated from them by an annular gap, through insulating gaskets connected to the housing of the power generating channel cooled by a liquid metal coolant, in which the annular gap between the anode and cathode is washed with cesium vapor supplied from a cesium thermostat from one end of the generator ruyuschego channel and discharged into the environment at the other end of power generation channel.

Недостатками такого устройства являются расходная схема циркуляции рабочего тела электрогенерирующего канала цезия, относительно низкая эффективность преобразования энергии.The disadvantages of this device are the flow diagram of the circulation of the working fluid of the cesium electricity generating channel, the relatively low efficiency of energy conversion.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является термоэмиссионный преобразователь (патент США №5578886, US 08/190049, 18.02.1993 г.). Известное техническое решение содержит обогреваемый катод, отделенный от него зазором, заполненным парами цезия, охлаждаемый анод, причем в аноде имеется по крайней мере несколько отверстий, через которые в зазор подается пар цезия из цезиевого термостата.The closest in technical essence to the claimed device is a thermionic converter (US patent No. 5578886, US 08/190049, 02/18/1993). The known technical solution contains a heated cathode, separated from it by a gap filled with cesium vapor, a cooled anode, and the anode has at least several openings through which cesium vapor is supplied from the cesium thermostat into the gap.

Недостатками этого решения являются наличие внешнего контура циркуляции пара цезия, подвод цезия к отверстиям анода в теплую фазу по каналам со стороны средств отвода тепла, пониженная эффективность преобразования энергии вследствие перегрева пара цезия относительно температуры насыщения при проходе по подводящим каналам.The disadvantages of this solution are the presence of an external circuit for the circulation of cesium vapor, the supply of cesium to the holes of the anode in the warm phase through the channels from the heat removal means, the reduced efficiency of energy conversion due to overheating of cesium vapor relative to the saturation temperature when passing through the supply channels.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ диагностики теплового состояния турбогенераторов, реализованный в устройстве для диагностики теплового состояния электрической машины (авт. свид. СССР 855875, Н02К 15/00, 15.08.1981 г.), заключающийся в том, что посредством термочувствительных датчиков, размещенных на сердечнике статора турбогенератора, измеряют температуру, которую сравнивают с предварительно установленной температурой для соответствующих точек теплового контроля сердечника статора турбогенератора. При превышении температуры в одной из контролируемых точек по отношению к аварийной температуре в той же точке регулируют возбуждение турбогенератора путем изменения тока ротора, что, в свою очередь, приводит к изменению реактивной мощности турбогенератора. Изменение реактивной мощности влечет за собой изменение потерь в сердечнике статора, а следовательно, приводит к возникновению переходного теплового процесса в сердечнике статора турбогенератора. Информацию о результатах диагноза регистрируют.The closest in technical essence to the claimed method is a method for diagnosing the thermal state of turbogenerators, implemented in a device for diagnosing the thermal state of an electric machine (ed. Certificate of the USSR 855875, Н02К 15/00, 08/15/1981), which consists in the fact that temperature-sensitive sensors located on the stator core of the turbogenerator measure the temperature, which is compared with a preset temperature for the corresponding points of thermal control of the stator core of the turbogenerator but. When the temperature is exceeded at one of the controlled points with respect to the emergency temperature, the excitation of the turbogenerator is controlled at the same point by changing the rotor current, which, in turn, leads to a change in the reactive power of the turbogenerator. A change in reactive power entails a change in losses in the stator core, and therefore leads to a transient thermal process in the stator core of the turbogenerator. Information about the results of the diagnosis is recorded.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей термоэмиссионного магнитопровода статора в составе электромеханических преобразователей энергии, возможность к подвозбуждению некоторых электромеханических преобразователей энергии (ЭМПЭ) (синхронная машина, машина постоянного тока), возможность регулирования интенсивности охлаждения статора ЭМПЭ, возможность определения температуры магнитопровода статора без датчика, благодаря введению на внешней стороне статора термоэмиссионный преобразователь энергии.The objective of the invention is to expand the functionality of the thermionic magnetic core of the stator as part of electromechanical energy converters, the ability to excite some electromechanical energy converters (EMF) (synchronous machine, DC machine), the ability to control the cooling intensity of the stator EMF, the ability to determine the temperature of the stator magnetic circuit without a sensor, thanks the introduction of a thermionic energy converter on the outside of the stator.

Техническим результатом является повышение энергоэффективности, преобразование тепловых потерь в повышение КПД ЭМПЭ на 1-2%, и при применении на роторе постоянных магнитов обеспечивается защита от их теплового размагничивания, а также защита от повышенной линейной токовой нагрузки электромеханических преобразователей энергии.The technical result is an increase in energy efficiency, the conversion of heat loss into an increase in the efficiency of EMF by 1-2%, and when using permanent magnets on the rotor, protection against thermal demagnetization is provided, as well as protection against increased linear current load of electromechanical energy converters.

Поставленная задача решается и указанный результат достигается тем, что в термоэмиссионном магнитопроводе статора, содержащем обогреваемый катод, отделенный от него зазором, заполненным парами цезия, охлаждаемый анод, цезиевый термостат, согласно изобретению обогреваемый катод, зазор, заполненный парами цезия, и охлаждаемый анод расположены на внешней стороне магнитопровода статора с каналами для подачи паров цезия, а на охлаждаемом аноде расположены аксиальные каналы охлаждения, также охлаждаемый анод электрически соединен с подвозбудителем ЭМПЭ через амперметр и замкнут на катоде, во внутренней части статора расположен ротор.The problem is solved and this result is achieved by the fact that in the thermionic magnetic stator, containing a heated cathode, separated from it by a gap filled with cesium vapor, a cooled anode, a cesium thermostat, according to the invention, a heated cathode, a gap filled with cesium vapor, and a cooled anode the outer side of the stator magnetic circuit with channels for supplying cesium vapor, and axial cooling channels are located on the cooled anode; the cooled anode is also electrically connected to the supply EMEP detector through an ammeter and is closed at the cathode, a rotor is located in the inner part of the stator.

Поставленная задача также решается способом диагностики температуры магнитопровода статора, по которому с помощью термочувствительных датчиков, размещенных на магнитопроводе статора, измеряют температуру, которую сравнивают с допустимой областью значений температуры магнитопровода статора, в котором в отличие от прототипа диагностику температуры магнитопровода статора производят посредством термоэмиссионного преобразователя, состоящего из обогреваемого катода, отделенного от него зазором, заполненным парами цезия, охлаждаемого анода, электрически соединенного с подвозбудителем ЭМПЭ через амперметр и замкнутого на катоде, при этом по изменению тока судят о тепловом состоянии термоэмиссионного магнитопровода статора и производят его диагностику в режиме реального времени.The problem is also solved by a method of diagnosing the temperature of the stator magnetic circuit, by which temperature is measured using temperature-sensitive sensors located on the stator magnetic circuit, which is compared with the permissible temperature range of the stator magnetic circuit, in which, unlike the prototype, the temperature of the stator magnetic circuit is diagnosed using a thermionic converter, consisting of a heated cathode, separated from it by a gap filled with cesium vapor, cooled an anode electrically connected to the EMF exciter via an ammeter and closed at the cathode, while the current changes are used to judge the thermal state of the stator thermionic magnetic core and diagnose it in real time.

Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен поперечный разрез термоэмиссионного магнитопровода статора, на фиг. 2 - продольный разрез термоэмиссионного магнитопровода статора, на фиг. 3 изображена структурная схема, на фиг. 4 показано как замыкаются аксиальные каналы.The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a cross section of a thermionic magnetic circuit of a stator; FIG. 2 is a longitudinal section through a stator thermionic magnetic circuit; FIG. 3 is a block diagram; FIG. 4 shows how axial channels are closed.

Предложенное устройство (фиг. 1) содержит: ротор 1, магнитопровод статора 2, состоящий из пазов 3, в которые уложена обмотка 4. Магнитопровод статора 2 установлен в обогреваемый катод 5, зазор 6, заполненный парами цезия, охлаждаемый анод 7, трубки 8 для подачи паров цезия в зазор 6 из цезиевого термостата 9 (фиг. 2). Аксиальные каналы 10 установлены поверх охлаждаемого анода 7 и подсоединены к емкости хладагента 11, кроме того, обогреваемый катод 5 и охлаждаемый анод 7 электрически соединены с подвозбудителем ЭМПЭ 12 через амперметр 13 (фир. 3).The proposed device (Fig. 1) contains: a rotor 1, a stator 2 magnetic circuit, consisting of grooves 3 into which the winding is laid 4. A stator 2 magnetic circuit is installed in a heated cathode 5, a gap 6 filled with cesium vapor, a cooled anode 7, tubes 8 for feeding cesium vapor into the gap 6 of the cesium thermostat 9 (Fig. 2). Axial channels 10 are mounted on top of the cooled anode 7 and connected to the refrigerant tank 11; in addition, the heated cathode 5 and the cooled anode 7 are electrically connected to the EMP exciter 12 through an ammeter 13 (company 3).

Предложенное устройство работает следующим образом: при вращении ротора 1, по магнитопроводу статора 2, протекает магнитный поток возбуждения. При этом по закону электромагнитной индукции в обмотке 4 наводится электродвижущая сила, величина которой зависит от числа витков обмотки, частоты вращения ротора 1 и магнитного потока возбуждения. При подключении нагрузки в обмотках 4 начинает протекать ток, при этом создаются тепловые потери в обмотках 4, обусловленные током в обмотках 4 и их активными сопротивлениями, а также потери на вихревые токи, обусловленные частотой вращения ротора, размерами обмотки и ее удельным сопротивлением, тепловые потери в магнитопроводе статора 2, обусловленные величиной магнитного потока возбуждения, массой магнитопровода статора 2 и удельными потерями материала магнитопровода статора 2, потери энергии на трение ротора 1 с воздухом, обусловленные частотой вращения ротора 1, его геометрическими размерами, температурой воздуха и давлением в зазоре между ротором 1 и магнитопроводом статора 2. Отвод всех вышеперечисленных потерь обеспечивается по законам теплопереноса, при нагреве магнитопровода статора 2, тепловая энергия переходит на обогреваемый катод 5, в результате возникает термоэлектронной эмиссии с поверхности металла, обогреваемого катода 5. Электроны, преодолевая межэлектродное пространство в зазоре 6, заполненном парами цезия, попадают на поверхность охлаждаемого анода 7, создавая на нем избыток отрицательных зарядов и увеличивая его отрицательный потенциал. Протекание хладагента по аксиальным каналам 10, установленным поверх охлаждаемого анода 7 и подсоединенным к емкости хладагента 11, обеспечивает охлаждение охлаждаемого анода 7. Тем самым во внешней цепи возникает электрический ток, который идет на подвозбуждение ЭМПЭ 12 через амперметр 13. По показаниям амперметра 13 отслеживается охлаждение манитопровода статора 2, т.е. существует допустимая область значений силы тока, которая зависит от температуры магнитопровода статора 2. Если амперметр 13 показывает значения за пределами допустимой области, значит охлаждение манитопровода статора 2 осуществляется не в полном объеме. Это позволяет производить диагностику манитопровода статора 2 в режиме реального времени.The proposed device operates as follows: when the rotor 1 is rotated, the magnetic flux of the excitation flows through the stator 2 magnetic circuit. In this case, according to the law of electromagnetic induction, an electromotive force is induced in the winding 4, the magnitude of which depends on the number of turns of the winding, the rotational speed of the rotor 1 and the magnetic flux of the excitation. When the load is connected in the windings 4, a current begins to flow, while thermal losses are created in the windings 4, due to the current in the windings 4 and their active resistances, as well as eddy current losses due to the rotor speed, the dimensions of the winding and its specific resistance, heat losses in the magnetic circuit of the stator 2, due to the magnitude of the magnetic flux of the excitation, the mass of the magnetic circuit of the stator 2 and the specific losses of the material of the magnetic circuit of the stator 2, the energy loss due to friction of the rotor 1 with air, due to the rotational speed of rotor 1, its geometric dimensions, air temperature and pressure in the gap between the rotor 1 and the stator 2 magnetic circuit. All of the above losses are removed according to the laws of heat transfer, when the stator 2 magnetic circuit is heated, the thermal energy is transferred to the heated cathode 5, as a result of which there is thermionic emissions from the surface of the metal of the heated cathode 5. Electrons, overcoming the interelectrode space in the gap 6 filled with cesium vapor, fall on the surface of the cooled anode 7, ozdavaya thereon excess of negative charges and increasing its negative potential. The flow of refrigerant through axial channels 10 installed on top of the cooled anode 7 and connected to the refrigerant tank 11 provides cooling of the cooled anode 7. Thus, an electric current arises in the external circuit, which is used to excite EMF 12 through ammeter 13. According to the readings of ammeter 13, cooling is monitored stator manitoway 2, i.e. there is a permissible range of current strength values, which depends on the temperature of the stator 2 magnetic circuit. If the ammeter 13 shows values outside the permissible region, then the stator 2 manitrain is not completely cooled. This allows you to diagnose the stator 2 manitrovod in real time.

Кроме того, подвод паров цезия в зазор 6 обеспечивается посредством трубок 8 из цезиевого термостата 9.In addition, the supply of cesium vapor in the gap 6 is provided by means of tubes 8 from a cesium thermostat 9.

Пример конкретной реализации способа диагностики температуры магнитопровода статора.An example of a specific implementation of the method for diagnosing the temperature of the stator magnetic circuit.

Термоэмиссионный магнитопровод статора генератора мощностью 30 кВт изготавливают путем прессовки электротехнической стали марки 2413, толщиной 0,5 мм, изолировка листов - оксидирование, в результате получают термоэмиссионный магнитопровод статора с длиной 210 мм, наружный диаметр 406 мм, внутренний диаметр 335 мм, число пазов 45. В обогреваемый катод, из тугоплавкого металла молибдена марки С52, толщиной 5 мм, поверх катода монтируют охлаждаемый анод, из тугоплавкого металла молибдена марки С52, толщиной 5 мм, посредством 6 клиньев из циклоолефинового сополимера, по окружности, толщиной 1 мм, в результате образовывается зазор. Для герметизации зазора с торцов термоэмиссионного магнитопровода статора монтируют пластинки, к одной из пластин монтируют трубки, которые соединены с цезиевым термостатом, цезиевый термостат монтирован с торца термоэмиссионного магнитопровода статора. На внешней стороне охлаждаемого анода монтированы аксиальные каналы диаметром 10 мм, по периметру окружности охлаждаемого анода, аксиальные каналы соединены к емкости хладагента. Кроме того, обогреваемый катод и охлаждаемый анод электрически соединены с подвозбудителем ЭМПЭ, через амперметр. В номинальном режиме температура термоэмиссионного магнитопровода статора составляет 80°С, выделяем допустимую область в +/-10°С, показания амперметра в этом случае будет 3 А, +/-0,25 А. При увеличении температуры на 20°С ток увеличивается на 0,5 А, при этом по изменению тока судят о тепловом состоянии термоэмиссионного магнитопровода статора, что позволяет производить его диагностику в режиме реального времени.The thermionic magnetic circuit of the stator of a generator with a capacity of 30 kW is produced by pressing electrical steel of grade 2413, 0.5 mm thick, the insulation of the sheets is oxidized, the result is a thermionic magnetic circuit of the stator with a length of 210 mm, outer diameter 406 mm, inner diameter 335 mm, number of grooves 45 A cooled anode is mounted on top of the cathode, made of refractory molybdenum metal, grade C52, 5 mm thick, 5 mm thick, through 6 wedges of cycloolefin copolymer circumferential thickness of 1 mm, resulting in a gap is formed. To seal the gap from the ends of the stator thermionic magnetic core, plates are mounted, tubes connected to a cesium thermostat are mounted to one of the plates, the cesium thermostat is mounted from the end of the stator thermionic magnetic core. Axial channels with a diameter of 10 mm are mounted on the outside of the cooled anode, along the perimeter of the circumference of the cooled anode, axial channels are connected to the refrigerant tank. In addition, the heated cathode and the cooled anode are electrically connected to the EMF exciter via an ammeter. In the nominal mode, the temperature of the thermionic magnetic core of the stator is 80 ° C, we select an allowable region of +/- 10 ° C, the ammeter in this case will be 3 A, +/- 0.25 A. With a temperature increase of 20 ° C, the current increases by 0.5 A, while the current change is used to judge the thermal state of the stator thermionic magnetic circuit, which allows it to be diagnosed in real time.

Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности термоэмиссионного магнитопровода статора, в составе электромеханических преобразователей энергии, в том числе возможность к самовозбуждению некоторых ЭМПЭ (синхронная машина, машина постоянного тока), возможность регулирования интенсивности охлаждения статора. ЭМПЭ, возможность определения температуры магнитопровода статора без датчика, благодаря введению на внешней стороне статора термоэмиссионный преобразователь энергии.So, the claimed invention allows to expand the functionality of the thermionic magnetic stator, as part of electromechanical energy converters, including the possibility of self-excitation of some EMFs (synchronous machine, direct current machine), the ability to control the intensity of cooling of the stator. EMF, the ability to determine the temperature of the stator magnetic circuit without a sensor, due to the introduction of a thermionic energy converter on the outside of the stator.

Claims

A stator thermionic magnetic circuit containing a heated cathode separated from it by a gap filled with cesium vapor, a cooled anode, a cesium thermostat, characterized in that the heated cathode, a gap filled with cesium vapor, and a cooled anode are located on the outside of the stator magnetic circuit with channels for supplying vapor cesium, and axial cooling channels are located on the cooled anode, the cooled anode is also electrically connected to the exciter of the electromechanical energy converter through an ammeter and closed at the cathode, in the inner part of the stator is a rotor.