RU2029427C1

RU2029427C1 - Linear cylindrical induction pump

Info

Publication number: RU2029427C1
Authority: RU
Inventors: М.М. Голованов; А.П. Огородников
Original assignee: Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им.Д.В.Ефремова
Priority date: 1992-10-27
Filing date: 1992-10-27
Publication date: 1995-02-20

Abstract

FIELD: pumping of liquid metals. SUBSTANCE: pump has wound inductor, annular channel formed by inner and outer shells, internal magnetic circuit. The latter is built up of stacks and rests on internal pipe. At ends it is clamped with conical collet bushings provided with as many longitudinal splits as there are stacks. Magnetic circuit has conical surfaces from ends towards center at angle α = arctg D/L, where D is magnetic circuit outer diameter, L is its length. Split portion of conical bushings protrudes beyond magnetic circuit length through up to 5 mm. EFFECT: enlarged functional capabilities. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к МГД-технике. The invention relates to MHD technology.

Известен ряд конструкций цилиндрических линейных индукционных насосов [1] , основными узлами которых являются линейный индуктор с обмоткой и сердечник. Обмотка индуктора создает бегущее вдоль канала магнитное поле, при взаимодействии которого с индуктированными в жидком металле токами возникают электромагнитные усилия, обеспечивающие перемещение жидкого металла вдоль канала. Сердечники цилиндрических линейных индукционных насосов собирают из отдельных пакетов, набранных из листов электротехнической стали или отдельных сегментов, спрессованных из ферромагнитного порошка, и помещают их в тонкостенную цилиндрическую обечайку из нержавеющей стали. There are a number of designs of cylindrical linear induction pumps [1], the main nodes of which are a linear inductor with a winding and a core. The coil of the inductor creates a magnetic field running along the channel, in the interaction of which with the currents induced in the liquid metal, electromagnetic forces arise, which ensure the movement of the liquid metal along the channel. The cores of cylindrical linear induction pumps are assembled from separate packets drawn from sheets of electrical steel or individual segments pressed from ferromagnetic powder, and placed in a thin-walled cylindrical shell of stainless steel.

Однако сердечники такой конструкции имеют недостатки. Вследствие различных коэффициентов линейного расширения материала пакетов (сегментов) и нержавеющей стали обечайки между пакетами и обечайкой в процессе эксплуатации насоса образуется зазор, который затрудняет охлаждение пакетов сердечника перекачиваемым металлом. В результате при высоких температурах перекачиваемого металла внутренний магнитопровод может перегреваться выше точки Кюри и терять магнитные свойства. Кроме того, в этих условиях тонкостенная обечайка теряет устойчивость, образуя продольную гофру, и, как следствие, нарушается герметичность обечайки, насос выходит из строя. Поэтому для обеспечения плотного прилегания обечайки сердечника к магнитопроводу принимают различные меры. However, cores of this design have disadvantages. Due to the different coefficients of linear expansion of the material of the bags (segments) and the stainless steel of the shell between the bags and the shell during operation of the pump, a gap is formed that makes it difficult to cool the core packets with the metal being pumped. As a result, at high temperatures of the pumped metal, the internal magnetic circuit can overheat above the Curie point and lose its magnetic properties. In addition, under these conditions, a thin-walled shell loses stability, forming a longitudinal corrugation, and, as a result, the tightness of the shell is broken, the pump fails. Therefore, to ensure a snug fit the shell of the core to the magnetic circuit take various measures.

Известен также принимаемый за прототип сердечник электромагнитного цилиндрического насоса [2]. В данной конструкции сердечника функцию автокомпенсатора от теплового расширения обечайки и магнитопровода сердечника выполняет цилиндрическая втулка, установленная внутри двух конических втулок, взаимодействующих с конусными поверхностями сегментов магнитопровода, причем внутренняя цилиндрическая втулка выполнена из материала с коэффициентом линейного расширения большим, чем у кожуха. Also known is taken as a prototype core of an electromagnetic cylindrical pump [2]. In this core design, the function of the auto-compensator for the thermal expansion of the shell and the core magnetic core is performed by a cylindrical sleeve mounted inside two conical bushings interacting with the conical surfaces of the magnetic core segments, the inner cylindrical sleeve being made of a material with a linear expansion coefficient greater than that of the casing.

Данное техническое решение, однако, применимо лишь при невысоких температурах перекачиваемого металла (до t

500^оС), поскольку изготовленная из алюминия цилиндрическая втулка при более высоких температурах теряет необходимые механические свойства и не обеспечивает автокомпенсации теплового расширения обечайки и магнитопровода сердечника. Изготовление втулки из другого материала не представляется возможным по причине отсутствия материала, имеющего коэффициент линейного расширения больший, чем у нержавеющей стали и обладающего к тому же необходимыми механическими свойствами. Кроме того, сердечник такой конструкции не обладает достаточной жесткостью в поперечном направлении, так как внутренние конические втулки, на которые опираются сегменты магнитопровода, являются составными и разрезаны в поперечном направлении.This technical solution, however, is applicable only at low temperatures of the metal being pumped (up to t

500 ^о С), since a cylindrical sleeve made of aluminum at higher temperatures loses the necessary mechanical properties and does not provide automatic compensation for thermal expansion of the shell and core core. The manufacture of a sleeve from another material is not possible due to the lack of material having a linear expansion coefficient greater than that of stainless steel and which also has the necessary mechanical properties. In addition, the core of this design does not have sufficient rigidity in the transverse direction, since the inner conical bushings, on which the segments of the magnetic circuit are supported, are composite and cut in the transverse direction.

При изготовлении сердечника в соответствии с данным техническим решением велика трудоемкость его сборки и изготовления, поскольку возникает необходимость обеспечить достаточную точность обработки и прилегание как конических поверхностей по всей длине пакетов, так и вставной цилиндрической втулки. In the manufacture of the core in accordance with this technical solution, the laboriousness of its assembly and manufacture is great, since it becomes necessary to ensure sufficient machining accuracy and fit both conical surfaces along the entire length of the bags and the plug-in cylindrical sleeve.

Заявляемое техническое решение направлено на устранение вышеуказанных недостатков, присущих аналогам и прототипу, на решение задачи упрощения технологии изготовления сердечника и повышения надежности конструкции насоса. The claimed technical solution is aimed at eliminating the above disadvantages inherent in analogues and prototype, to solve the problem of simplifying the manufacturing technology of the core and improving the reliability of the pump design.

Поставленная цель достигается тем, что в цилиндрическом линейном индукционном насосе, содержащем линейный индуктор с обмоткой, рабочий канал и сердечник, состоящий из заключенного в обечайку и установленного на внутренней трубе магнитопровода, набранного из пакетов электротехнической стали, имеющих конусные поверхности, конусные поверхности выполнены по внутренним образующим пакетов от концов к середине с углом наклона
α = arctg D/L, где D - наружный диаметр пакетов;
L - длина пакетов, причем конусные поверхности пакетов защемлены на концах коническими втулками цангового типа с углом наклона α , имеющим продольные разрезы по числу пакетов на длине L + 5 мм.This goal is achieved by the fact that in a cylindrical linear induction pump containing a linear inductor with a winding, the working channel and the core, consisting of a casing enclosed in a shell and mounted on the inner tube, assembled from packages of electrical steel having conical surfaces, the conical surfaces are made on the inside forming packages from the ends to the middle with an angle of inclination
α = arctan D / L, where D is the outer diameter of the packets;
L is the length of the packets, and the conical surfaces of the packets are clamped at the ends with conical collet-type bushings with an angle of inclination α having longitudinal cuts in the number of packets along the length L + 5 mm.

В прототипе средство автокомпенсации выполнено в виде алюминиевой цилиндрической втулки, находящейся внутри сердечника в середине магнитопровода, установленной между двумя коническими втулками, имеющими внутренние проточки для размещения цилиндрической втулки. Магнитопровод имеет конусность от середины к концам. In the prototype, the auto-compensation means is made in the form of an aluminum cylindrical sleeve located inside the core in the middle of the magnetic circuit installed between two conical bushings having internal grooves for accommodating the cylindrical sleeve. The magnetic core has a taper from the middle to the ends.

В предлагаемом техническом решении конусность пакетов выполнена наоборот - от концов к середине и имеет определенный угол, конические втулки цангового типа с таким же, как и у пакетов углом конусности имеют разрезы по числу пакетов, втулки расположены на концах магнитопровода между пакетами и трубой. In the proposed technical solution, the conicity of the packages is made vice versa - from the ends to the middle and has a certain angle, the tapered sleeve of the collet type with the same cone angle as the packages has cuts in the number of packages, the bushes are located at the ends of the magnetic circuit between the packages and the pipe.

Следовательно, у заявляемого технического решения эти отличия заключаются в конструкции и месте установки втулок, в конструкции выполнения конусности пакетов (от концов к середине), в наличии заданного угла конусности. Therefore, the claimed technical solution, these differences are in the design and installation location of the bushings, in the design of the taper of the packages (from the ends to the middle), in the presence of a given taper angle.

На фиг. 1 показан цилиндрический линейный индукционный насос, продольный разрез; на фиг. 2 - тот же насос, поперечный разрез; на фиг. 3 представлена конусная втулка. In FIG. 1 shows a cylindrical linear induction pump, a longitudinal section; in FIG. 2 - the same pump, cross section; in FIG. 3 shows a conical sleeve.

Насос содержит наружный магнитопровод с обмоткой 1, наружную 2 и внутреннюю обечайки 3, образующие кольцевой зазор 4, внутренний магнитопровод 5, набранный из пакетов, имеющих конусные поверхности от концов к середине, конусные цанговые втулки 6, имеющие разрезы 7 по числу пакетов, внутреннюю трубу 8. The pump contains an outer magnetic circuit with a winding 1, an outer 2 and an inner shell 3, forming an annular gap 4, an inner magnetic circuit 5, composed of packages having conical surfaces from the ends to the middle, tapered collet bushings 6 having cuts 7 by the number of packets, the inner tube 8.

При включении напряжения на обмотку 1 в рабочем зазоре 4, заполненном жидким металлом, создается бегущее магнитное поле, под действием которого жидкий металл перемещается вдоль канала. Пакеты внутреннего магнитопровода 5 и внутренняя обечайка 3 нагреваются за счет потерь от вихревых токов. Охлаждение пакетов 5 внутреннего магнитопровода происходит через внутреннюю обечайку 3 перекачиваемым металлом. Цанговые втулки 6 изготовлены из нержавеющей стали и обеспечивают работоспособность конструкции при температурах, даже превышающих точку Кюри материала магнитопровода ( ≈740^оС). При высоких температурах перекачиваемого металла независимо от наличия разности коэффициентов линейного расширения нержавеющей стали обечайки и электротехнической стали пакетов внутренняя обечайка плотно прилегает к магнитопроводу, поскольку магнитопровод за счет конусных цанговых втулок находится в поджатом состоянии к обечайке. Внутренние конусные поверхности пакетов скользят по конусным поверхностям защемленных на концах цанговых втулок и обеспечивают поджатие пакетов к обечайке, и происходит автокомпенсация температурных расширений. Исходя из существующих конструктивных соотношений диаметра сердечника и его длины для насосов на малые и средние расходы (20-500 м³/ч), угол наклона конусных поверхностей пакетов и втулок, определяемый формулой
α = arctg D/L, получается небольшим и составляет 5-10^о (в зависимости от расхода насоса). Выбирать углы наклона большие, чем указанные в соотношении нецелесообразно, так как при больших углах происходит значительное уменьшение площади поперечного сечения пакетов, что может привести к насыщению магнитной цепи на концах магнитопровода. При углах, меньших указанных в соотношении, автокомпенсация не достаточно эффективна, поскольку конические цанговые втулки в этом случае не отвечают требованиям механической прочности. Конические втулки имеют продольные по числу пакетов разрезы, выходящие при установке втулок за длину магнитопровода на расстояние до 5 мм. Разрезы обеспечивают каждому пакету поджатие своим сегментом втулки независимо от других пакетов.When voltage is applied to the winding 1 in the working gap 4 filled with liquid metal, a traveling magnetic field is created under the action of which the liquid metal moves along the channel. The packages of the internal magnetic circuit 5 and the inner shell 3 are heated due to losses from eddy currents. The cooling of the packages 5 of the internal magnetic circuit occurs through the inner shell 3 of the pumped metal. Collet sleeves 6 are made of stainless steel and ensure the design is operable at temperatures even exceeding the Curie point of the magnetic core material (≈740 ^о С). At high temperatures of the pumped metal, regardless of the difference in the linear expansion coefficients of the stainless steel of the shell and the electrical steel of the packages, the inner shell is tightly attached to the magnetic circuit, because the magnetic circuit is in a compressed state due to the conical collet bushings. The inner conical surfaces of the packages glide along the conical surfaces of the collet bushings pinched at the ends and provide compression of the packages to the shell, and temperature compensations are automatically compensated. Based on existing structural ratios of the core diameter and its length for small and medium-sized pumps (20-500 m ³ / h), the angle of inclination of the conical surfaces of the packages and bushings, determined by the formula
α = arctan D / L, it turns out small and is 5-10 ^about (depending on the pump flow). It is impractical to choose tilt angles larger than those indicated in the ratio, since at large angles there is a significant reduction in the cross-sectional area of the packets, which can lead to saturation of the magnetic circuit at the ends of the magnetic circuit. At angles smaller than those specified in the ratio, auto-compensation is not effective enough, since the tapered collet bushings in this case do not meet the requirements of mechanical strength. Tapered sleeves have longitudinal sections in terms of the number of packets that extend when installing the sleeves over the length of the magnetic circuit to a distance of 5 mm. The cuts provide each package with a preload by its segment of the sleeve, independent of other packages.

Благодаря такой конструкции сердечники получаются более простыми в изготовлении по сравнению с прототипом, поскольку отпадает необходимость в изготовлении дополнительного компенсационного элемента - алюминиевой цилиндрической втулки. Функцию ее выполняют конические цанговые втулки, кроме того, отпадает необходимость изготовления конических втулок на всю длину магнитопровода. В предлагаемом техническом решении цанговые конические втулки могут занимать незначительную длину магнитопровода, только на его концах. Конструкция магнитопровода получается более простой при сборке и разборке сердечника, обладает более высокой жесткостью, так как магнитопровод через цанговые конические втулки опирается на внутреннюю трубу, а следовательно, и большей надежностью. Данное техническое решение целесообразно использовать в электромагнитных насосах на малые и средние расходы - до 500 м³/ч, в которых может происходить внезапное повышение температуры перекачиваемой среды от номинальной на 200-250^оС в короткий промежуток времени, например в электромагнитных насосах, устанавливаемых в системах аварийного расхолаживания реакторов на быстрых нейтронах.Thanks to this design, the cores are simpler to manufacture compared to the prototype, since there is no need to manufacture an additional compensation element - an aluminum cylindrical sleeve. Its function is performed by conical collet bushings, in addition, there is no need to manufacture tapered bushings for the entire length of the magnetic circuit. In the proposed technical solution, collet tapered bushings can occupy a small length of the magnetic circuit, only at its ends. The design of the magnetic circuit is simpler when assembling and disassembling the core, has a higher rigidity, since the magnetic circuit relies on the inner tube through the collet conical bushings and, therefore, is more reliable. This solution should be used in electromagnetic pumps for small and average costs - to 500 m ³ / h, in which a sudden increase in the pumped fluid temperature may be derived from a nominal 200-250 ^{° C} in a short time, such as electromagnetic pumps installed in emergency cooldown systems for fast reactors.

Claims

1. CYLINDRICAL LINEAR INDUCTION PUMP, containing a linear inductor with a winding, an annular working channel and a core consisting of a shell, an inner pipe, a magnetic circuit composed of electrical steel packages having conical surfaces and installed between the shell and the inner pipe, and pressing elements installed between the inner tube and the magnetic circuit, characterized in that the pressing elements are made in the form of two conical bushings having longitudinal sections with a taper angle α = arctgD / L, de D is the outer diameter of the packages of the magnetic circuit, L is the length of the packages, while the inner surface of the magnetic circuit in its end parts is conical with an inclination angle of the generatrix equal to α, and the conical bushings are mounted on the end parts of the magnetic circuit and their conical surface is conjugated to the inner surface magnetic circuit.

2. The pump according to claim 1, characterized in that the number of longitudinal sections on each conical sleeve is equal to the number of packages of the magnetic circuit in its end sections.

3. The pump according to claims 1 and 2, characterized in that the distance between the nearest ends of the tapered bushings is L - 2h + 5 mm, where h is the depth of the longitudinal sections of the bushings.