某圓柱型感應(yīng)電磁泵設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

王　沖，徐　帥，陳樹明，余華金，孟　雷，艾長軍

某圓柱型感應(yīng)電磁泵設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

王沖1，徐帥1，陳樹明1，余華金1，孟雷2，艾長軍2

（1. 中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2. 北京原豐技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 102413）

電磁泵作為鈉冷快堆涉鈉輔助系統(tǒng)的驅(qū)動裝置，其性能的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)能否安全可靠地運(yùn)行。本文基于等效電路法，采用VB語言開發(fā)了圓柱型感應(yīng)電磁泵電磁設(shè)計(jì)程序，并完成了40 m3/h，0.9 MPa電磁泵樣機(jī)的工程設(shè)計(jì)。然后，在鈉試驗(yàn)回路上對該電磁泵樣機(jī)進(jìn)行綜合性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：電磁泵的流量-揚(yáng)程特性曲線滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，指標(biāo)偏差小于5%，可以為工程所應(yīng)用。

圓柱型感應(yīng)電磁泵；等效電路法；綜合性能試驗(yàn)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

圓柱感應(yīng)泵（ALIP）是一種常見的電磁泵，是快堆中輸送液態(tài)金屬的關(guān)鍵設(shè)備。[1-4]快堆用鈉電磁泵國產(chǎn)化設(shè)計(jì)和制造勢在必行，對推進(jìn)快堆技術(shù)發(fā)展、設(shè)備國產(chǎn)化、降低快堆建造成本都有重要意義。

本文基于等效電路法，開發(fā)了ALIP電磁設(shè)計(jì)程序，對示范快堆電磁泵進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明該電磁泵滿足工程設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，并提出了設(shè)計(jì)優(yōu)化措施。

1　工作原理

電磁泵是利用磁場和導(dǎo)電流體中電流的相互作用，使流體受電磁力作用而產(chǎn)生壓力梯度，從而推動流體運(yùn)動的一種裝置[5]。電磁泵結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示。

圖1　電磁泵結(jié)構(gòu)原理圖

2　計(jì)算

本文對電磁泵的設(shè)計(jì)要求為：流量40 m3/h，揚(yáng)程0.9 MPa?；诘刃щ娐防碚?，采用VB語言進(jìn)行了編程。

2.1　等效電路

圖2為圓柱型感應(yīng)電磁泵等效電路圖。

2.2　磁路分析

安培環(huán)路定律：任意一閉合環(huán)路的磁場強(qiáng)度的線積分等于穿過該磁場環(huán)路所有電流的代數(shù)和。

（1）氣隙磁動勢

根據(jù)電磁泵三相交流和連接方式，主磁通如圖3所示的正弦分布，每極平均磁場強(qiáng)度定義如下[2]：

圖2　圓柱型感應(yīng)電磁泵等效電路圖[6]

其中：

空氣氣隙每級磁感強(qiáng)度的平均值定義如下：

其中：

——?dú)庀侗砻娣e。

圖3　主磁通分布圖[7]

則磁動勢B為：

式中：

根據(jù)電機(jī)理論[8,9]，磁動勢可以分解為基波和一系列諧波。這些諧波對電機(jī)是有害的，可以通過采用縮短間距分布的方式來削弱這些諧波。

根據(jù)電機(jī)理論，單相繞組基波磁動勢幅值如下：

考慮三相交流電流的120°相位角，則三相合成磁動勢為[7]：

幅值為[7]：

（7）

（2）感應(yīng)電動勢

根據(jù)電路理論，每相繞組的感應(yīng)電動勢為：

其中：

——每相串聯(lián)總匝數(shù)；

（9）

根據(jù)公式（3）、公式（6）、公式（7）、公式（8），歸納整理多項(xiàng)式，可得[6]：

（3）定子繞組電阻1

定子繞組由砸線圈按特定方式鑲嵌到槽中，線圈外面纏繞漆包線，槽由硅鋼片疊制而成。漆包線采用銅為導(dǎo)體材料，故總電阻定義如下[6]：

式中：

——每相線圈的總長；

——60%槽滿率時(shí)的每槽線圈截面積。圖4為定子繞組示意圖。

圖4　定子繞組示意圖[6]

（4）定子繞組漏抗1

圖5　繞組線圈不同的漏磁

漏電抗定義如下[6]：

其中：

——每匝線圈的電感。

通過對磁通在槽深方向的積分，并整理表達(dá)式，可得[6]：

（5）其他等效電阻

泵溝外壁等效電阻[6]

泵溝內(nèi)壁等效電阻[6]

液鈉等效電阻

在分析等效電阻時(shí)，將液體鈉視為導(dǎo)電固體[6]。

（6）流量-揚(yáng)程模型

通過分析液鈉作用在d單元上的安培力，可以推導(dǎo)出液鈉的總電磁力，然后沿EMP軸向長度方向進(jìn)行積分。安培力除以環(huán)形通道面積等于揚(yáng)程。圖6所示，沿著流動方向，處的瞬時(shí)磁場強(qiáng)度為[7]：

式中：

x——瞬時(shí)磁場密度；

——時(shí)間。

同步流速[6]

syn=2（20）

滑差率[6]

=(syn-L)/syn（21）

處的感應(yīng)電動勢x：

考慮到電磁泵有N1/2個極對，則整個安培力為[6]：

揚(yáng)程D[6]

考慮液鈉的等效電阻f和A，重新歸納、整理公式，可得揚(yáng)程為[6]：

電磁泵水力效率為：

式中：

v——體積流動速度；

D——揚(yáng)程；

——電壓；

——電流。

基于上述理論，使用VB語言完成了電磁泵逆向迭代求解算法的開發(fā)，即輸入量是泵體預(yù)期性能，待確定量為各項(xiàng)幾何、結(jié)構(gòu)尺寸以及電氣參數(shù)。程序計(jì)算流程圖如圖7所示。

圖7　程序計(jì)算流程

表1　術(shù)語表

續(xù)表

2.3　計(jì)算結(jié)果

程序計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　計(jì)算輸出（部分）

3　設(shè)計(jì)驗(yàn)證

本文用上述設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)選取結(jié)合的方式對電磁泵工程樣機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并用仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的電磁泵是滿足性能要求的。工程設(shè)計(jì)限制了電磁泵本身性能不是最優(yōu)項(xiàng)，但本文以滿足工程設(shè)計(jì)要求為首要選擇。若單獨(dú)考慮泵體性能，存在理想設(shè)計(jì)方案。

3.1　仿真驗(yàn)證

仿真驗(yàn)證的核心為電磁仿真。以二維軸對稱模型為研究對象，本次計(jì)算的使用的模型如圖8所示。由于流動的雷諾數(shù)較高，因此，在流體區(qū)域采用了分布式網(wǎng)格剖分，在邊界附近采用較密的剖分，中心區(qū)域采用網(wǎng)格略大。

圖8　電磁-流體耦合計(jì)算幾何模型

程序計(jì)算結(jié)果如圖9～圖10所示。

圖9　揚(yáng)程效率曲線

3.2　試驗(yàn)驗(yàn)證

額定工況條件下，電磁泵的流量為40 m3/h，揚(yáng)程為0.916 MPa，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)（見圖11～圖12）。

圖10　功率曲線

圖11　不同電壓下，流量-揚(yáng)程特性曲線

圖12　不同電壓下，流量-效率特性曲線

在同一電壓下，電磁泵的效率隨著流量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，額定工況時(shí)效率為12%，效率峰值為17%。

不同電壓下，電磁泵效率變化趨勢是一致的。隨著電壓降低，效率峰值逐漸降低。

原因如下：流量隨著閥門開度的增大而增大，阻力損失也同時(shí)增大，而整個實(shí)驗(yàn)回路的阻力減小。相應(yīng)的，效率會隨著電磁泵損耗功率的減小而逐漸增加到峰值，以克服系統(tǒng)的阻力。因此，隨著流量的增大，摩擦阻力和局部阻力不斷增大，當(dāng)流量增大對效率的貢獻(xiàn)小于阻力增大的貢獻(xiàn)時(shí)，效率下降。

4 結(jié)論

基于等效電路法，采用VB編程開發(fā)了圓柱型鈉電磁泵電磁設(shè)計(jì)程序，應(yīng)用于40 m3/h，0.9 MPa電磁泵設(shè)計(jì)，對其進(jìn)行了鈉回路綜合性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足工程設(shè)計(jì)要求。

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Design and Verification of a Cylindrical Induction Electromagnetic Pump

WANG Chong1，XU Shuai1，CHEN Shuming1，YU Huajin1，MENG Lei2，AI Changjun2

（1. China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China；2. Beijing Yuanfeng Technology Development Company，Beijing 102413，China）

As the driving device of the sodium related auxiliary system of the sodium cooled fast reactor，the performance of electromagnetic pump is directly related to the safe and reliable operation of the system. Based on the equivalent circuit method，the electromagnetic design program of the cylindrical induction electromagnetic pump is developed by VB language，and the engineering design of a 40 m3/h，0.9 MPa electromagnetic pump prototype is completed. Then，the comprehensive performance test of the electromagnetic pump prototype is carried out in the sodium test circuit. The test results show that the flow head characteristic curve of the electromagnetic pump meets the design index，and the index deviation is less than 5%. This method can be used in engineering.

Cylindrical induction electromagnetic pump；Equivalent circuit method；Comprehensive performance test；Optimization design

TL353+.12

A

0258-0918（2022）02-0461-07

2021-01-09

王 沖（1986—），男，遼寧營口人，工程師，碩士，現(xiàn)從事快堆系統(tǒng)與設(shè)備設(shè)計(jì)方面研究