一种具有轴向导叶的圆柱式线性感应电磁泵

技术领域

本发明涉及电磁泵技术领域，特别涉及一种具有轴向导叶的圆柱式线性感应电磁泵。

背景技术

圆柱式线性感应电磁泵(Annular Linear Induction Pump,ALIP)是加速器驱动次临界系统(ADS)、第四代液态金属冷却快中子反应堆主冷却回路和二级回路驱动泵理想的选用泵型，其线圈绕组外接三相交变电流，交变电流会激励产生行波磁场，行波磁场进而会使液态金属产生感应电流，感应电流与行波磁场的相互作用会产生沿泵体轴向的洛伦兹力从而推动流体沿泵轴向流动。ALIP电磁泵实现了液体金属在完全封闭情况下的定向运动，这种驱动方式结构简单，没有机械运动，无泄漏，可长期稳定运行，具有传统机械式泵所无法比拟的优势，但实验结果表明，大流量ALIP电磁泵在小流量工况下运行会出现流动不稳定现象，出口压力脉动增大引起流量的震荡和泵体的振动，内部流场紊乱并出现逆向流和大尺度涡流；泵高效区域狭窄，当流量稍微偏离设计点时，泵的效率下降明显。因此设计一种能提高流动稳定性的新型结构是ALIP电磁泵大型化的关键技术。

国内实用新型专利CN200920217356“液态金属传输用内外加芯交流感应泵”，通过在流道内外均加铁芯来减少漏磁量，减轻了洛伦兹力在流道径向上的分布不均，减小了流道子午面出现逆向流的概率，从而提高效率；发明专利CN201911262539.3“一种自稳流圆柱式线性感应电磁泵”设计多段交错分布的外部定子，极大减小了感应磁场在周向上的分布不均程度进而减小了非轴向洛伦兹力对于流动稳定性的影响。发明专利CN201710167971“一种增设稳流导板的圆柱式线性感应电磁泵”，通过在流道轴向上布置稳流导板压制不稳定流动。稳流导板能够有效地阻碍和破坏流道内涡流的形成和发展，极大地提高了泵内金属液流动的稳定性。发明专利CN201710371575“一种带稳流段的多级ALIP电磁泵”将整个泵体分为多级泵段，每级泵段由一级电磁段和一级稳流段组成，电磁段负责向金属液做功增压，而稳流段负责对金属液的不稳定流动进行稳流，并提出了单侧布线与双侧布线两种绕组线圈布线方式，提高了洛伦兹力在流道径向的均匀性；以上专利均对电磁泵提出了一些改进和创新的措施，但实用新型专利所述电磁泵主要应用于小流量工况，并未提及大流量泵内流动不稳定的抑制方法，外部定子分段设计方案使得泵体结构复杂，加工制造较为困难，并且已有的稳流导板设计并未给出其尺寸和布置区域的精确计算方法。

本发明专利针对大型ALIP设计，通过布置轴向导叶重新设计了流道结构来提高泵内流动稳定性和扩大泵的高效区，给出了布置轴向导叶的精确方案，为大流量ALIP电磁泵的设计制造提供可能。

发明内容

为解决大型ALIP电磁泵内流不稳定和高效区狭窄的问题技术问题，本发明公开了一种具有轴向导叶的圆柱式线性感应电磁泵，包括轴向导叶、流道外管、流道内管、内部定子、外部定子、线圈绕组、定位卡盘；

所述流道内管与所述流道外管同轴布置，所述流道内管与所述流道外管之间形成用于容纳液态金属的流道，所述内部定子位于所述流道内管内部，所述外部定子位于所述流道外管外部，所述外部定子由所述定位卡盘固定，所述定位卡盘固连在所述流道外管上，所述线圈绕组填充在所述外部定子齿槽中，所述轴向导叶周向均匀地布置在流道中；

优选地，所述轴向导叶布置在P<0的区域，且P由磁场雷诺数R

优选地，所述决定轴向导叶位置与轴向尺寸的P值为：

其中μ、σ分别为液态金属的磁导率和电导率，z为轴向坐标。

可选地，所述轴向导叶的数量m等于外部定子的数量，m大于等于6且小于等于10。

优选地，所述轴向导叶的周向位置位于两个外部定子的中间。

可选地，所述轴向导叶的厚度为流道宽度的1/6-1/5，轴向长度由P值所决定。

可选地，所述线圈绕组的绕组周向缠绕在外部定子的线槽中，且采用Y型绕线方式，极对数大于等于3，小于等于5。

可选地，所述轴向导叶和所述流道外管、所述流道内管和所述定位卡盘均采用消磁不锈钢材料。

可选地，所述流道外管与所述外部定子之间铺设一层绝热材料。

可选地，所述内部定子和所述外部定子均由多层硅钢片压叠合而成。

采用上述技术方案，本发明所述的具有轴向导叶的圆柱式线性感应电磁泵具有如下有益效果：

本发明电磁泵的流道中根据P值的正负均匀地布置了与外部定子数量相同的轴向导叶，所布置的轴向导叶能够显著减小磁场与轴向速度的周向不均扰动对于流动稳定性的影响，进而减少非轴向洛伦兹力等因素对流体的扰动，从而抑制流道内液态金属的不稳定流动。本发明在满足使用寿命和可靠性的前提下，可有效地解决圆柱式线性感应电磁泵流动不稳定的问题，具有结构简单，工作稳定等特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(a)为一种具有轴向导叶的圆柱式线性感应电磁泵的等轴测图；

图1(b)为图1(a)的剖视图；

图1(c)为图1(a)的横截面图；

图2(a)、(b)、(c)为轴向导叶的三种布置方式。

以下对附图作补充说明：

1—轴向导叶，2—流道外管，3—流道内管，4—内部定子，5—外部定子，6—线圈绕组，7—定位卡盘。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

为解决大型ALIP电磁泵内流不稳定和高效区狭窄的问题技术问题，实施例提供一种具有轴向导叶的圆柱式线性感应电磁泵，结合附图1-2进行阐述。

一种具有轴向导叶的圆柱式线性感应电磁泵，包括轴向导叶(1)、流道外管(2)、流道内管(3)、内部定子(4)、外部定子(5)、线圈绕组(6)和定位卡盘(7)；

所述流道内管(3)与所述流道外管(2)同轴布置，所述流道内管(3)与所述流道外管(2)之间形成用于容纳液态金属的流道，所述内部定子(4)位于所述流道内管(3)内部，所述外部定子(5)位于所述流道外管(2)外部，所述外部定子(5)由所述定位卡盘(7)固定，所述定位卡盘(7)固连在所述流道外管(2)上，所述线圈绕组(6)填充在所述外部定子(5)齿槽中，所述轴向导叶(1)周向均匀地布置在流道中；

该实施例中，所述轴向导叶(1)根据P值的正负周向均匀的布置在流道中，所布置的轴向导叶能够显著减小磁场于轴向速度的周向不均扰动对于流动稳定性的影响，进而减少非轴向洛伦兹力等因素对流体的扰动，从而抑制流道内液态金属的不稳定流动，而P值为：

其中μ、σ分别为液态金属的磁导率和电导率，z为轴向坐标。P由磁场雷诺数R

结合图2(a)、(b)、(c)所示，根据P值正负的特性，所述轴向导叶(1)在流道中共有3种布置方式，分别为布置在整个电磁段以及出口段、布置在电磁段后部与出口段、布置在电磁段前部。

在一些实例中，所述轴向导叶(1)的数量m等于外部定子(5)的数量，m大于等于6且小于等于10。

在一些实例中，所述轴向导叶(1)的周向位置位于两个外部定子(5)的中间。

在一些实例中，所述轴向导叶(1)的厚度为流道宽度的1/6-1/5，轴向长度由P值所决定。

在一些实例中，所述线圈绕组(6)的绕组周向缠绕在外部定子(5)的线槽中，且采用Y型绕线方式，极对数大于等于3，小于等于5。

在一些实例中，所述轴向导叶(1)和所述流道外管(2)、所述流道内管(3)和所述定位卡盘(7)均采用消磁不锈钢材料。

在一些实例中，所述流道外管(2)与所述外部定子(5)之间铺设一层绝热材料。

在一些实例中，所述内部定子(4)和所述外部定子(5)均由多层硅钢片压叠合而成。

外部定子(5)由多层硅钢片叠加而成，为了兼顾磁场分布均匀性与泵的散热性能，外部定子设置为扇形截面。

申请人通过大量研究发现，大流量ALIP电磁泵在小流量工况下很容易产生不稳定流动，产生不稳定流动的主要原因与外部定子的结构有关。传统ALIP电磁泵为考虑到泵体散热的问题特将外部定子设计为沿周向均匀分布的分裂式的定子，这种分裂式的外部定子使由三相交变电流产生的电磁场在周向上分布不均，继而导致液态金属所受的洛伦兹力在周向上分不均，最终导致流速的分布不均，外部定子铁芯所对应的流道内的流体流速要大于空隙所对应流道内流体的速度，这种洛伦兹力与速度的不均性随着时间的累积从而引起不稳定流动。本发明中在不改变现有外部定子结构的前提下，在流道中布置了轴向导叶，轴向导叶的布置区域由P值的正负所决定，P值为流道中的磁场及流场扰动随时间的变化率，若P为负值，则扰动随时间演变而变大，若P为正值，则扰动随时间演变而变小直至消失，所以轴向导叶布置在P值为负的区域。而P值为：

轴向导叶的数量为m值，轴向导叶的数量越多P值越有可能为正值，所以在流道中布置轴向导叶可以尽可能压制流道中的流场及磁场扰动，能够显著减小磁场于轴向速度的周向不均扰动对于流动稳定性的影响，进而减少非轴向洛伦兹力等因素对流体的扰动，从而抑制流道内液态金属的不稳定流动。

综上，本发明的一种具有轴向导叶的圆柱式线性感应电磁泵，该电磁泵的流道中周向均匀布置m片轴向导叶，m的大小与外部定子的数量相同,导叶的长度由外部定子数量、流道的中心半径、磁场雷诺数、行波磁场的波数共同决定。所述轴向导叶能显著减轻磁场和流场的周向不均扰动对流场稳定性的影响，从而起到稳流作用，极大提高了大流量泵偏工况运行下的流动稳定性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。