Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Исследование пульсаций давления в цилиндрических линейных индукционных насосах

ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Развитие атомной промышленности во многом связывают с развитием технологии реакторов на быстрых нейтронах, особенностью которой является замкнутый топливный цикл. Эта технология позволяет использовать накопившийся плутоний и отработанное ядерное топливо. Существует необходимость в ближайшие 15 лет ввести коммерческий реактор БН-1800. Разрабатываются проекты реакторов нового поколения на основе… Читать ещё >

Исследование пульсаций давления в цилиндрических линейных индукционных насосах (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • Глава 1. Анализ локальных и интегральных характеристик ЦЛИН
    • 1. 1. Введение в проблему
    • 1. 2. Обзор работ по структуре течения и неустойчивости
    • 1. 3. Предварительные исследования неустойчивости ЦЛИН
    • 1. 4. Выводы к главе 1
  • Глава 2. Экспериментальное определение границы устойчивой работы ЦЛИН
    • 2. 1. Жидкометаллический стенд
    • 2. 2. Метрологическое обеспечение стенда
    • 2. 3. Вычисление спектров сигналов
    • 2. 4. Параметры исследованных режимов
    • 2. 5. Р ((?)-характеристики
    • 2. 6. Спектры интегральных и локальных характеристик устойчивой зоны
    • 2. 7. Спектры интегральных и локальных характеристик неустойчивой зоны
    • 2. 8. Оценка интенсивности низкочастотных колебаний
    • 2. 9. Определение границы устойчивой работы ЦЛИН
    • 2.
  • Выводы к главе 2
  • Глава 3. Пульсации давления с двойной частотой источника питания в МГД-насосах
    • 3. 1. Введение в проблему
    • 3. 2. Расчетная модель
    • 3. 3. Индукция первичного магнитного поля
    • 3. 4. Электромагнитное давление и пульсации давления с двойной частотой источника питания
    • 3. 5. Выводы к главе 3

Актуальность проблемы. В настоящее время магнитогидродинамические (МГД) машины применяются в различных отраслях промышленности, там, где необходимы транспортировка, дозированная подача, перемешивание жидких металлов, таких как щелочные металлы, алюминий, ртуть, свинец и т. д. [1−4]. Особое место занимают электромагнитные насосы (ЭМН) для перекачивания жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах на быстрых нейтронах. В НИИЭФА им. Д. В. Ефремова работы по созданию таких насосов начали проводиться в начале 50-х годов прошлого столетия в связи с принятием в нашей стране программы создания реакторов на быстрых нейтронах. С этих пор и до настоящего времени НИИЭФА является основным разработчиком и изготовителем ЭМН для быстрых реакторов и экспериментальных стендов для отработки элементов таких реакторов. Особые технологические преимущества ЭМН: отсутствие вращающихся частейполная герметизация проточного тракта без каких-либо уплотненийлегкость регулирования расхода и простота обслуживания — позволяют им конкурировать с механическими насосами. Во вспомогательных контурах быстрых реакторов, используемых для заполнения, слива, очистки жидкого металла, промывки тепловыделяющих сборок, преимущественно используются ЭМН. Имеется также положительный опыт их эксплуатации в основных контурах быстрых реакторов. Они эксплуатируются в исследовательских и теплофизических стендах, исследовательских реакторах БР-10, ИБР-2, во вспомогательных системах полупромышленных и промышленных реакторов на быстрых нейтронах БОР-бО, БН-350, БН-600 [5]. Наибольшее применение на АЭС имеют трехфазные линейные индукционные насосы типа ЦЛИН (цилиндрический линейный индукционный насос) и ВИН (винтовой индукционный насос). Успешно работали в первом и втором контурах реактора БР-10 четыре ЭМН типа ЦЛИН-3/150 при температуре натрия 350 °C,.

3 2 обеспечивая расход 150 м /ч каждый и давление 3 кГ/см. Разработаны и изготовлены в НИИЭФА насосы ЦЛИН-5/700, ЦЛИН-5/850 и ЦЛИН-8/1200 с расходами 700 и 850 м /ч и 1200 м /ч соответственно. Насос ЦЛИН-5/700 проработал около 20 тысяч часов во втором контуре реактора БОР-бО в ФГУП ГНЦ НИИАР. В результате исследований и опыта эксплуатации указанных насосов были получены новые знания, позволяющие создавать значительно более мощные ЭМН для замены механических насосов в основных контурах АЭС на быстрых нейтронах. На базе проведённых фундаментальных исследований был изготовлен и успешно испытан в 1986 г. в жидкометаллическом контуре самый мощный на то время в мире ЭМН ЦЛИНл л.

3/3500 с расходом 3500 м /ч и развиваемым давлением 3 кГ/см, принятый для эксплуатации во втором контуре промышленного ядерного реактора БН-350.

Развитие атомной промышленности во многом связывают с развитием технологии реакторов на быстрых нейтронах, особенностью которой является замкнутый топливный цикл. Эта технология позволяет использовать накопившийся плутоний и отработанное ядерное топливо. Существует необходимость в ближайшие 15 лет ввести коммерческий реактор БН-1800. Разрабатываются проекты реакторов нового поколения на основе принципа естественной безопасности, охлаждаемых свинцом или сплавом свинец-висмут, — БРЕСТ-300 и СВБР-75/100 [6,7]. Положительный опыт эксплуатации ЭМН предполагает их использование в новых проектах. Интерес к их созданию для основных контуров быстрых реакторов имеют такие страны, как Франция, США, Япония, Южная Корея [8−11].

В установках управляемого термоядерного синтеза, в частности, в реакторах-токамаках [12] разрабатываются жидкометаллические системы, обеспечивающие тепловую защиту первой стенки, наработку трития и отвод тепла реактора, очистку плазмы от загрязнения её продуктами горения, в которых используются жидкие металлы — литий, сплав литий — свинец. Для перекачивания теплоносителя в указанных системах предполагается использование ЭМН [1].

Применение ЭМН в атомных электростанциях предъявляет повышенные требования к их стабильной и безопасной работе. В первую очередь это касается их устойчивой работы, отсутствию колебаний давления, расхода, тока питания. Проведенные к настоящему времени экспериментальные исследования показали, что при превышении определенных значений параметра электромагнитного взаимодействия Rms=Rmicp, названного критическим (Rn, — магнитное число Рейнольдса, s-скольжение), возникает неустойчивость характеристик насоса. Исследователи связывают это явление с размагничивающим действием токов вторичной среды при больших значениях магнитного числа Рейнольдса. Результатом является нарушение однородного распределения потока жидкого металла и индукции магнитного поля по периметру канала, увеличение их возмущений с увеличением Rms, и в конечном итоге увеличение потерь мощности и появление вихрей в скоростном потоке, которые и приводят к низкочастотным колебаниям характеристик ЭМН.

Инженерная методика расчета насосов основывается на электродинамическом приближении [13], когда предполагается, что жидкий металл движется как твердое тело, т. е. распределение скорости и индукции магнитного поля однородно по всему объему вторичной среды. Особенности структуры скоростного потока и ее влияние на интегральные характеристики учитываются эмпирическими коэффициентами, полученными на основании ранее проведенных исследований [14]. Примерное условие отсутствия колебаний, предполагающее относительно слабое размагничивание вторичной среды, определяется как RmKp.

К началу исследований, результаты которых представлены в данной работе, не все критерии, определяющие зону устойчивости насосов, были известны. Не было достаточного количества экспериментальных данных для определения этих критериев. Не все способы уменьшения пульсаций давления с двойной частотой источника питания были исследованы.

Целью работы является совершенствование инженерной методики расчета ЦЛИН путем определения границы возникновения низкочастотных пульсаций их характеристик и разработка нового способа снижения пульсаций давления с двойной частотой источника питания. Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

• Разработать и создать автоматизированную высокоскоростную систему измерения, позволяющую регистрировать, сохранять и обрабатывать большие объемы экспериментальных данных.

• Провести экспериментальные исследования интегральных и локальных характеристик ЦЛИН в широком диапазоне изменения МГД-параметров.

• Установить критерии, определяющие границу устойчивой работы ЦЛИН, и сравнить результаты с известными экспериментальными данными.

• Провести теоретическое и экспериментальное исследование пульсаций давления с двойной частотой источника питания в ЭМН с одноступенчатой градацией линейной токовой нагрузки на два полюсных деления на концах индуктора.

Научная новизна.

• Создана уникальная информационно измерительная система для исследования пульсаций давления в ЭМН.

• Установлены критерии, определяющие границу устойчивой работы ЦЛИН.

• Теоретически и экспериментально исследованы пульсации давления с двойной частотой источника питания в ЭМН с одноступенчатой градацией линейной токовой нагрузки на два полюсных деления на концах индуктора.

• Результаты исследований, связанные с уменьшением двойных пульсаций, защищены авторским свидетельством и патентом.

Основные положения, выносимые на защиту.

• Результаты экспериментального определения границы устойчивой работы ЦЛИН.

• Результаты теоретического и экспериментального исследования уменьшения пульсаций давления с двойной частотой источника питания в ЭМН с одноступенчатой градацией линейной токовой нагрузки на два полюсных деления на концах индуктора.

Практическая значимость работы.

• Установлены критерии, определяющие границу устойчивой работы ЦЛИН, что позволяет обеспечить надежную и эффективную работу насосов в заданном диапазоне скольжений.

• Предложенная модификация линейной токовой нагрузки снижает пульсации давления с двойной частотой источника питания, что позволяет ее использовать при создании насосов с пониженной частотой источника питания.

Достоверность полученных результатов.

• Применены современные средства измерения и анализа исследованных характеристик.

• Результаты получены анализом большого количества экспериментальных данных.

• Погрешность сравнения результатов исследований с экспериментальными данными, полученными при испытаниях других насосов, составляет не более 15%.

Апробация результатов работы и публикации.

Результаты диссертационной работы, докладывались на следующих конференциях и семинарах:

• XI, XII, XIII Рижских совещаниях по магнитной гидродинамике (Рига, 1984 г., 1987 г., 1990 г.);

• на Международной конференции по явлениям передачи энергии в магнитной гидродинамике и электропроводящих потоках (Оссуа, 1997 г.);

• на Международных конференциях по фундаментальной и прикладной магнитной гидродинамике (Джиенс, 2000 г., Раматьюэль, 2002 г., Рига, 2005 г.) — Материал диссертации опубликован в 14 работах, одном авторском свидетельстве, и одном патенте.

Объём и структура диссертации. Диссертация изложена на 106 страницах, содержит 44 рисунка, 1 таблицу и список литературы из 66 наименований. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

Основные результаты диссертационной работы следующие:

1. Экспериментально установлено, что при продвижении рабочей точки насоса по р (0)-характеристике в сторону увеличения скольжения неоднородность профиля скорости увеличивается. Степень неоднородности профиля скорости является функцией параметра МГД-взаимодействия N.

2. Показано, что для р (С))-характеристик насоса имеются зона устойчивости и зона неустойчивости. В неустойчивой зоне во всех характеристиках насоса отмечаются колебания. В спектрах локальных давлений имеется полоса частот от 0 до 10 Гц с максимумом на частотах Н2 Гц.

3. Экспериментально установлена граница перехода от устойчивой зоны к неустойчивой, где амплитуда низкочастотных пульсаций изменяется скачком на малом промежутке скольжений. Возникновение низкочастотных пульсаций определяется параметром МГД-взаимодействия N, магнитным числом Рейнольдса Rm и коэффициентом а=ти/т. Граница описывается функцией aN=f (aRm).

4. Разработана одномерная расчетная модель насоса с одноступенчатой градацией линейной токовой нагрузки на 2 т на концах индуктора. Получены аналитические выражения, описывающие распределение индукции магнитного поля, электромагнитного давления и пульсаций давления с двойной частотой источника питания.

5. Теоретически показано, что при одном и том же числе витков в обмотке возбуждения при линейной и одноступенчатой градации на 2 т обмотка с линейной градацией предпочтительнее. Однако изготовить обмотку со ступенчатой градацией гораздо проще.

6. Экспериментально установлено, что применение одноступенчатой градации на длине 2 т снижает амплитуду пульсаций давления с двойной частотой источника питания в два-три раза в области номинальных скольжений по сравнению с обмоткой без градации.

Заключение

.

Показать весь текст

Список литературы

  1. В.А., Тананаев A.B., Кириллов И. Р. Магнитная гидродинамика в ядерной энергетике.// М., Энергоатомиздат, 1987,263 с.
  2. JI.A. Магнитная гидродинамика в металлургии.// М., «Металлургия», 1975.
  3. В.П. Промышленное использование магнитогидродинамических устройств.//Магнитная гидродинамика, 1975, № 1 с. 118−128.
  4. А.Э., Фолифоров В. М. МГД-методы и устройства в промышленности.//Магнитная гидродинамика, 1975, № 1, с. 129−140.
  5. Kirillov I.R., Preslitsky G.V., Ogorodnikov А.P., Vitkovsky I.V. Electromagnetic Pumps for Liquid Metal Nuclear Application. 14th Pacific Basin Nuclear Conference «New Technologies for a New Era», March 2−25, Hawaii, 2004.
  6. Белая книга ядерной энергетики.// Под. ред. Адамова Е. О. М.: Издательство ГУПНИКИЭТ, 2001,270.
  7. D.A. Gabaraev, A.I. Filin, «Development of a BREST-C>d-300 NPP with an On-Site Fuel Cycle for the Beloyarsk NPPI», Proc. of the 11 Intern Conf. On Nuclear Engineering, Tokyo, Japan, April 20−23,2003, ICONE 11−36 410, JSME (2003).
  8. Large EM Pump for LMFBR Primary and Secondary Systems.- In: American Nuclear Society Winter Meeting. Washington. D.C., 1974.- J. Settle, E. Graig, L. Podrasky, T. Gleason.
  9. SNESMA BERLGERON. Sodium Pumps Development Stage Seen in the light of the Phenix Experiment — In: Pumps for nuclear power plants. Pros. Conf. Univ. of Bath. April, 1974. -M. Guer, W. Radzinsky, G. Klyser, J. Roumailhal.
  10. Rapin J., Vaillant Ph., Werkoff F., Experimental and theoretical studies on the stability of induction pumps at large Rm number.// In: Liquid Metal Magneto-hydrodynamics. Kluwer Akademic Publisher, Dordrecht, 1989, pp. 325−332.
  11. Nakasaki M., Taguchi J., Katuki K. at al. Development of sodium-immersed self-cooled electromagnetic pump.// The 1992 Seminar on Liquid-metal Magnetohydrodynamics, May 13−14, Gakushikaikan, Tokyo, 66−72.
  12. В.А. Некоторые проблемы создания реакторов-токамаков.// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1983, с. 3−16.
  13. А.И. Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом. JL: Энергия, 1970.
  14. А.В. Течения в каналах МГД-устройств. М.: Атомиздат, 1979.
  15. Ю.Б. О балансе энергии на входном участке канала в бегущем магнитном поле.//Труды ЛПИ, 1978, с. 59−60.
  16. Ю.Б. Экспериментальное изучение течения электропроводящей жидкости в плоском канале под воздействием бегущего магнитного поля.//Изв. ВУЗов, Энергетика. 1979, № 9, с. 141−145.
  17. И.Р. К расчёту характеристик индукционных МГД-машин. // Магнитная гидродинамика. 1983, № 1, с. 90−96.
  18. А., Лиелаусис О. О внутренней гидравлике МГД-машин при неоднородном распределении сил.// Магнитная гидродинамика, 1971, № 2 с. 123−127
  19. А., Лиелаусис О. Неустойчивость однородного распределения скоростей в индукционной машине.// Магнитная гидродинамика, 1975, № 1, с. 87−101.
  20. .Б., Гехт Г. М., Толмач И. М., Элькин А. И. О гидродинамической неустойчивости и вызванных ею стационарных течениях в коаксиальном канале индукционного МГД-насоса.// Магнитная гидродинамика, 1976, № 2, с. 62−70.
  21. А.П., Лиелаусис О. А., Риекстиньш В. А. Неоднородное течение в канале цилиндрического индукционного насоса.// Восьмое Рижскоесовещание по магнитной гидродинамике, Рига, Зинатне, 1975, т. II, с. 79−81.
  22. Р.А., Кришберг P.P., Лиелпетер Я. Я. и др. Интегральные характеристики индукционной МГД-машины при больших параметрах электромагнитного взаимодействия.// Магнитная гидродинамика, 1977, № 4, с. 107−109.
  23. Р.А., Кришберг P.P., Лиелпетер Я. Я. и др. Локальные характеристики течения в канале индукционной МГД-машины при больших параметрах электромагнитного взаимодействия.// Магнитная гидродинамика, 1977, № 3, с. 99−104.
  24. В.П., Емелин Ю. Б., Кирисик Е. М., Тананаев А. В., Ушаков Ю. П., Анисимов A.M. Экспериментальное изучение энергетических характеристик и течения жидкого металла в линейном индукционном насосе. II// Магнитная гидродинамика, 1977, № 1, с. 79−82.
  25. P.P. Граница образования противонаправленных потоков в плосколинейных индукционных МГД-машинах.// Магнитная гидродинамика, 1978, № 4, с. 112−116.
  26. Р., Лиелаусис О., Улманис Л. Модель неоднородного течения в канале индукционного насоса.//Магнитная гидродинамика, 1983, № 2, с.98−102.
  27. А., Лиелаусис О. О внутренней гидравлике МГД-машин при неоднородном распределении сил. //Магнитная гидродинамика, 1971, № 2, с.123−127.
  28. А.Я., Микрюков Ч. К., Петровича Р. А., Рупенейт В. А., Улманис Л. Я. Характеристики плоского индукционного насоса при неоднородном распределении электромагнитных сил по ширине канала. //Магнитная гидродинамика, 1971, № 4, с.94−98.
  29. P.P. Самовозбуждение электромеханических колебаний в трехфазных индукционных МГД насосах. // Одиннадцатое Рижскоесовещание по магнитной гидродинамике, ч. II, 1984, с.35−39.
  30. Р., Лиелаусис О., Улманис Л. Расчет неоднородного течения в канале плоского индукционного насоса с продольными перегородками.
  31. Магнитная гидродинамика, 1985, № 4, с. 85−92.
  32. A.m., Метлин В. В., Половко Ю. А., Сидельников Б.В, Автоколебания в индукционном МГД-приводе.// Магнитная гидродинамика, 1987, № 2, с. 127−134.
  33. Ю.А. Исследование устойчивости работы цилиндрического индукционного магнитогидродинамического насоса на внешнюю пневмогидравлическую нагрузку.// Магнитная гидродинамика, 1989,№ 3, с.81−88.
  34. A.M., Карасёв Б. Г., Кириллов И. Р., Огородников А. П. и др. Результаты экспериментального исследования цилиндрического линейного индукционного насоса ЦЛИН-5/700. Препринт А-0345. Л.: НИИЭФА, 1977, 22 с.
  35. A.M., Карасёв Б. Г., Кириллов И. Р., Огородников А. П. и др. Результаты экспериментального исследования электромагнитных насосов для установки БОР-бО.// Магнитная гидродинамика, Зинатне, 1978, № 4, с. 93−100.
  36. .В., Кириллов И. Р., Кондратьев В. И., Огородников А. П., Остапенко В. П., Смирнов A.M. Исследование неустойчивых режимов работы цилиндрического линейного индукционного насоса.// Магнитная гидродинамика, Зинатне, 1979, № 4, с. 89−94.
  37. Araseki Н., Kirillov I.R., Preslitsky G.V., Ogorodnikov А.Р. Magnetohydro-dynamic instability in annular linear induction pump. Part I: Experimental and numerical analysis// Nuclear Engineering and Design, 227, (2004) pp. 29−50.
  38. И.Р.Кириллов, Д. М. Обухов Полностью двухмерная модель для анализа характеристик линейного цилиндрического индукционного насоса.// Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 8, с. 37−43.
  39. Kirillov I.R., Obukhov D.M., Ogorodnikov A.P. Araseki H. Comparison of computer codes for evalution of double-supply-frequency pulsations in linear induction pumps// Nuclear Engineering and Design, 231, (2004) pp. 177−185.
  40. A.M., Карасёв Б. Г., Кириллов И. Р., Огородников А. П. и др. Результаты экспериментального исследования электромагнитных насосов для установки БОР-бО.// Магнитная гидродинамика, Зинатне, 1978, № 4,с. 93−100.
  41. И.Р., Огородников А. П., Остапенко В. П. Экспериментальное исследование неоднородности течения в цилиндрическом линейном индукционном насосе.// Магнитная гидродинамика, 1980, № 2, с. 107−113.
  42. И.Р., Огородников А. П., Остапенко В. П., Преслицкий Г. В. Исследование влияния конструктивных особенностей на течение в канале цилиндрического индукционного насоса.// Магнитная гидродинамика, 1981, № 2, с. 79−84.
  43. И.Р., Остапенко В. П. Локальные характеристики цилиндрического индукционного насоса при Rms> 1.// Магнитная гидродинамика, 1987, № 2, с. 95−102.
  44. И.Р., Остапенко В. П. Интегральные характеристики цилиндрического индукционного насоса при Rms> 1.// Магнитная гидродинамика, 1987, № 3, с. 115−119.
  45. И.Р., Огородников А. П., Остапенко В. П., Преслицкий Г.В.
  46. О развитии неоднородного профиля скорости в канале цилиндрического индукционного насоса.//11-е Рижское совещание по магнитной гидродинамике. Инженерные вопросы, ч. II, Рига, 1984, с. 7−10.
  47. Е.А., Карасёв Б. Г., Кириллов И. Р., Огородников А. П., Преслицкий Г. В. Результаты испытаний электромагнитного насоса ЦЛИН-8/1200. Препринт П-А-0774, НИИЭФА. Москва, ЦНИИАтоминформ, 1988.
  48. Е.И. Об определении магнитного числа Рейнольдса.// Магнитная гидродинамика, 1965, № 4, с. 153.
  49. A.M., Безгачев Е. А., Карасев Б. Г., Кириллов И. Р., Огородников А. П., Преслицкий Г. В., Чвартацкий Р. В. Электромагнитный насос ЦЛИН-3/3500. // Магнитная гидродинамика, 1988, № 1, с. 61−67
  50. И.М., Дробышев А. В. Экспериментальные жидкометаллические стенды. Атомиздат, Москва, 1978,190 с.
  51. B.C. Фильтры измерительных сигналов. Энергоатомиздат, 1. Ленинград, 1990,192 с.
  52. Н. Ota, К. Katsuki, М. Funato et al. Development of 160 m3/min large capacity sodium-immersed self-cooled electromagnetic pump.// Journal of nuclear science and technology, Vol. 41, # 4, p. 511−523 (April 2004).
  53. А.И. Электрические машины. Энергия, Ленинград, 1974, 840 с.
  54. Н. Ota, К. Katsuki, М. Funato et al. Development of 160 m3/min large capacity sodium-immersed self-cooled electromagnetic pump.// Journal of nuclear science and technology, Vol. 41, # 4, p. 511−523 (April 2004).
  55. Hideo Araseki, Igor R. Kirillov, Gennady V. Preslitsky, Anatoly P. Ogorodnikov.
  56. Double-supply-frequency pressure pulsation in annular linear induction pump.
  57. Part I: Measurement and numerical analysis.// Nuclear Engineering and Design.195,(2000) pp. 85−100.
  58. Ogorodnikov A.P., Araseki H., Kirillov I.R., Preslitsky G.V., Araseki H.(2002).
  59. D model for analysis of double-supply-frequency pressure pulsations inelectromagnetic pumps. Fifth International PAMIR Conference on Fundamental and
  60. Applied MHD. Ramatuelle, France, v. 2, pp. 53−58.
  61. А.П. Структура первичного магнитного поля с градацией линейной токовой нагрузки в концевых зонах //Сборник ВАНТ, серия Электрофизическая аппаратура. Л.: Энергоатомиздат, 1985 г., вып. 22, с. 76−80.
  62. И.Р., Огородников А. П., Преслицкий Г. В. Индуктор цилиндрического индукционного насоса. //Патент РФ № 2 251 197, Бюллетень ОИПОТЗ № 12,2005 г.
  63. А.П., Преслицкий Г. В. Обмотка трёхфазного линейного индукционного насоса. //Патент РФ № 1 648 228, Бюллетень ОИПОТЗ № 3, 1994 г.
Заполнить форму текущей работой