畢可明，陳 碩，柴寶華，劉天才，杜開文，衛(wèi)光仁

(中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

熱真空電磁泵是針對(duì)熱真空環(huán)境條件設(shè)計(jì)的一類特殊電磁泵，基于三相環(huán)形線性感應(yīng)電磁泵(ALIP)[1]原理的熱真空電磁泵是目前研究的主要形式。ALIP的基本工作原理與三相鼠籠式異步電機(jī)相似，泵溝環(huán)形流道內(nèi)的液態(tài)金屬相當(dāng)于電機(jī)的轉(zhuǎn)子，定子鐵芯中的三相繞組產(chǎn)生行波磁場，在泵溝環(huán)形流道內(nèi)的液態(tài)金屬中產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流和磁場間的相互作用力使液態(tài)金屬按照行波方向產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，并在泵進(jìn)出口之間產(chǎn)生壓差。與大氣環(huán)境中工作的電磁泵散熱條件不同，向背景輻射換熱是其唯一的散熱途徑，其結(jié)果使得熱真空電磁泵的整體溫度很高，這與文獻(xiàn)[2]中所描述的浸入式Na電磁泵所面臨的溫度環(huán)境相似，高溫限制了有機(jī)材料的使用，所使用的金屬和無機(jī)材料使其天然具備一定的耐輻照能力。如果熱真空電磁泵設(shè)想應(yīng)用場景為空間核電系統(tǒng)，其重量、外形尺寸都必須加以控制，顯然線圈絕緣物厚度、結(jié)構(gòu)材料密度及力學(xué)性能、真空熱屏的厚度、導(dǎo)磁材料高溫性能、工質(zhì)的物性等均直接影響泵的重量、結(jié)構(gòu)尺寸和性能。

本文基于空間核電源系統(tǒng)應(yīng)用背景為設(shè)想，采用等效電路法設(shè)計(jì)并制造三相環(huán)形線性感應(yīng)式小型NaK熱真空電磁泵，并利用中國原子能科學(xué)研究院現(xiàn)有ATC-SNaK裝置開展性能實(shí)驗(yàn)，研究工質(zhì)溫度、功率、運(yùn)行頻率等參數(shù)對(duì)該泵性能的影響。

1 泵的基本結(jié)構(gòu)

小型NaK熱真空電磁泵的基本結(jié)構(gòu)[2]如圖1所示，由泵溝、定子、勵(lì)磁線圈、氣密腔室4個(gè)總成構(gòu)成。

圖1 小型NaK熱真空電磁泵的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of small NaKthermal vacuum electromagnetic pump

泵溝總成主要包括壓力邊界管道和魚雷體，壓力邊界管道及魚雷體水力外殼由316不銹鋼制造，壓力邊界管道的外部設(shè)有小尺寸的真空熱屏，以減小管道向定子、勵(lì)磁線圈的傳熱。魚雷體內(nèi)部裝有由電工硅鋼棒沿徑向放射狀開槽并在槽內(nèi)填充電工硅鋼片結(jié)構(gòu)的中央導(dǎo)磁體。中央導(dǎo)磁體的作用是使行波磁場在泵溝內(nèi)的磁力線沿徑向和軸向方向?qū)?zhǔn)，以便產(chǎn)生洛倫茲力驅(qū)動(dòng)流體[3]。單片定子呈梳狀，采用無機(jī)絕緣硅鋼片疊制而成，表面有陶瓷層覆蓋，6片定子通過螺栓固定在兩側(cè)法蘭盤上，與軸向、徑向定位法蘭共同構(gòu)成定子總成。勵(lì)磁線圈總成被安裝在定子的梳齒中，呈環(huán)狀，內(nèi)側(cè)為陶瓷支撐環(huán)，外側(cè)為帶陶瓷涂層的金屬卡箍，中間是由高溫電磁線螺旋對(duì)繞形成的線圈。為增強(qiáng)線圈與定子間的絕緣，陶瓷纖維側(cè)板被設(shè)置在線圈的兩側(cè)。氣密腔室總成由304不銹鋼制造，其內(nèi)部充有一定壓力的惰性氣體，供電極和充氣管位于氣密腔室的一側(cè)，熱電偶位于另一側(cè)。為應(yīng)對(duì)熱膨脹，氣密腔室還擁有1個(gè)小型波紋管。定子軛部與氣密腔室筒體內(nèi)部有直接接觸，能通過導(dǎo)熱提高氣密腔室表面的溫度，以增強(qiáng)向背景環(huán)境的輻射散熱。

小型NaK熱真空電磁泵的設(shè)計(jì)遵循平衡原則[4]，如：高溫環(huán)境下絕緣材料的絕緣系數(shù)較常溫降低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以泵的工作電壓一般不高，通常在150 V以下，為保證輸出功率，線圈匝數(shù)和電流則相對(duì)稍大，但線圈導(dǎo)體載流卻較低，通常僅為2～3 A/mm2，以降低線圈自身產(chǎn)熱；泵溝真空熱屏的設(shè)置，一定程度上增加了磁路無效氣隙高度，降低了泵的效率，但電磁線圈工作溫度的降低可大幅度提高泵的工作壽命。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

ALIP有多種設(shè)計(jì)方法，本文采用了最常見的等效電路法。假定ALIP的三相電流是對(duì)稱的，計(jì)算中僅使用了單相模型，但由于縱向端部效應(yīng)，導(dǎo)致在輸入三相電壓基本相等的情況下，繞組中的電流分布實(shí)際上是不對(duì)稱的[5]。ALIP的單相等效電路如圖2所示。圖2中，I為等效輸入電流，V為等效輸入電壓，R1為等效初級(jí)電阻，X1為泄漏等效電抗，Xm為磁化電抗，I′為液態(tài)金屬感應(yīng)電流，R2為液態(tài)金屬等效阻抗，s為滑差率。初級(jí)部分主要包括電磁鐵芯和線圈，次級(jí)部分則為泵溝中流動(dòng)的液態(tài)金屬。

圖2 ALIP 單相等效電路Fig.2 Single phase equivalent circuit of ALIP

等效電路中的等效變量由ALIP的幾何參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)共同構(gòu)成。由初、次級(jí)功率平衡可得出泵的揚(yáng)程ΔP與流量Q間的關(guān)系：

(1)

利用Laithwaithe公式整理得到等效電阻和電抗：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：ρc為線圈導(dǎo)體的電阻率；q為每極相槽數(shù)；kp為基波繞組短距系數(shù)；m為輸入功率相位數(shù)；D0為魚雷體內(nèi)鐵芯直徑；N為線圈槽匝數(shù)；kf為槽填充系數(shù)；kd為基波繞組分布系數(shù)；p為極對(duì)數(shù)；τ為極距；μ0為真空磁導(dǎo)率；ω=2πf為角頻率，f為頻率；中間變量λc=kd(1+3α)/12，α為弦因子；kw為繞組系數(shù)；ge為有效氣隙寬度；D為流體平均直徑；ρ′r為液態(tài)金屬的電阻率。利用上述公式，整理得出：

(6)

ε=

(7)

式中：σ為電導(dǎo)率；ε為ALIP的效率；cosψ為功率因數(shù)。

通過式(6)和(7)可得到ALIP的運(yùn)行特性曲線[5]?；诰唧w的水力特性需求，采用等效電路法，設(shè)計(jì)獲得小型NaK熱真空電磁泵的主要參數(shù)(表1)。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Main design parameter

3 實(shí)驗(yàn)裝置及過程

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

性能測試在中國原子能科學(xué)研究院現(xiàn)有ATC-SNaK裝置上開展，主要由回路系統(tǒng)、環(huán)境模擬真空室、電磁泵驅(qū)動(dòng)電源、測量儀器4部分構(gòu)成，裝置示意圖如圖3所示。

回路系統(tǒng)主要由電磁泵(小型NaK熱真空電磁泵)、流量計(jì)、加熱器、冷卻器、膨脹罐、流量調(diào)節(jié)閥、熱阱、真空泵、工藝管路、相關(guān)儀表及控制系統(tǒng)等組成。使用了自制的基于法拉第電磁感應(yīng)原理的永磁流量計(jì)及由德國FLEXIM公司生產(chǎn)的高溫超聲波流量計(jì)用于相互比對(duì)。加熱器和冷卻器用于回路工質(zhì)的溫度控制，穩(wěn)態(tài)工況下工質(zhì)的溫度最高控制精度為±0.3 ℃。帶有兩支液位探針的膨脹罐位于回路的最高點(diǎn)，通過波紋管與回路管道最高點(diǎn)相連接，用于容納回路內(nèi)工質(zhì)膨脹所產(chǎn)生的體積變化及通過氬氣覆蓋氣體提供系統(tǒng)壓力。流量調(diào)節(jié)閥為Y型波紋管液態(tài)金屬調(diào)節(jié)閥，由電動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，通過4～20 mA信號(hào)對(duì)閥門開度進(jìn)行控制，閥門的開度控制是開環(huán)的。熱阱與流量調(diào)節(jié)閥并聯(lián)，內(nèi)部裝有濾網(wǎng)和鋯片卷，主要通過化學(xué)反應(yīng)的方式將工質(zhì)中的氧化物雜質(zhì)去除[6]。3 L/s的小型真空泵設(shè)置在氣路，用于回路氬氣置換和工質(zhì)的真空充裝過程?；芈分鞴艿揽趶綖?0 mm，和其他涉鈉設(shè)備相同，由316不銹鋼制造，并呈一定傾斜角度(約3°)布置，使工質(zhì)充排口位于最低點(diǎn)的同時(shí)膨脹罐接口位于最高點(diǎn)，管道轉(zhuǎn)角采用彎管，以降低總阻力。除流量計(jì)外，回路上還安裝有若干熱電偶和壓力傳感器，熱電偶是基于Swagelok VCR自制的，具有較薄的熱偶阱壁和較快的響應(yīng)速度，壓力傳感器由成熟的貨架產(chǎn)品改造而來。

圖3 ATC-SNaK裝置示意圖Fig.3 Scheme of ATC-SNaK facility

環(huán)境模擬真空室內(nèi)尺寸為φ600 mm×1 000 mm，其中直筒段長度為600 mm，兩側(cè)為橢圓型封頭，直筒段水平位置中部及兩側(cè)封頭55°角位置設(shè)有觀察窗，同時(shí)擁有貫穿法蘭若干，采用分子泵驅(qū)動(dòng)，常溫極限真空度優(yōu)于5.0×10-5Pa，高溫工作真空度優(yōu)于3.0×10-3Pa，可確保泵在500 ℃工作時(shí)不發(fā)生氧化。真空室外壁由冷水機(jī)冷卻，冷水機(jī)出口溫度可在5～70 ℃范圍內(nèi)設(shè)定。

電磁泵驅(qū)動(dòng)電源為三相變頻形式，電源的前端和后端均設(shè)有隔離變壓器，頻率可在40～100 Hz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，電流輸出范圍為0～70 A，電壓輸出范圍為0～150 V，可星形、角型連接。

測量儀器主要為功率分析儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。功率分析儀為致遠(yuǎn)PA3000，配有50 A電流采集卡6塊，電機(jī)采集卡1塊，可對(duì)電磁泵驅(qū)動(dòng)電源的上下游同時(shí)進(jìn)行電氣參數(shù)測量與分析。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于NI公司的軟硬件構(gòu)建，用于實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、分析與記錄。軟件基于LabVIEW開發(fā)，硬件包括1塊使用WIN7操作系統(tǒng)的PXIe-8840控制器、4塊PXIe-6358模擬量同步輸入卡、1塊PXIe-4322模擬量輸出卡、1塊PXI-6521開關(guān)量輸入/輸出卡，均安裝在PXIe-1082機(jī)箱中。信號(hào)處理采用EW光電隔離轉(zhuǎn)換器，提供隔離能力的同時(shí)將與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的交互電信號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為0～10 V。

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

ALIP的特性實(shí)驗(yàn)一般是在等電壓(即變電壓/工頻方案)條件下開展[7]。近年來，由于變頻器的廣泛使用，特性實(shí)驗(yàn)也常在等頻率(即變頻方案)條件下開展。本次實(shí)驗(yàn)采用了等有功功率/頻率(即變有功功率/變頻方案)調(diào)節(jié)方案，這種選擇更方便于ALIP的性能評(píng)價(jià)。

在ATC-SNaK裝置回路系統(tǒng)工質(zhì)充裝完畢后，將覆蓋氬氣壓力調(diào)整至(0.05+0.01) MPa附近，依次開啟環(huán)境模擬真空室的前級(jí)泵和分子泵，使真空室內(nèi)壓力≤7.0×10-5Pa，確認(rèn)流量調(diào)節(jié)閥全開后，開啟小型NaK熱真空電磁泵開始性能測試，在冷卻器和加熱器的配合下，將工質(zhì)依次升高至100、200、300、400和500 ℃的實(shí)驗(yàn)溫度。在上述工質(zhì)溫度下，通過流量調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)回路阻力，分別獲取泵在工作頻率為40、45、50、55和60 Hz，有功功率為0.6、0.8、1.0、1.2和1.4 kW條件下的揚(yáng)程-流量曲線(即ΔP-Q曲線)，實(shí)驗(yàn)共記錄125組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)壓力控制在0.05～0.15 MPa范圍內(nèi)，工質(zhì)溫度控制精度為±2.5 ℃，有功功率控制精度為±20 W。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中被記錄的參數(shù)包括泵的線電壓Va、Vb、Vc，線電流Ia、Ib、Ic，平均線電壓V，平均線電流I，有功功率P，功率因數(shù)cosψ，頻率f，回路溫度T1～T6，泵出入口及系統(tǒng)壓力p1、p2、p3，揚(yáng)程ΔP，流量Q，閥門位置Z1，以及泵的電壓諧波、電流諧波等。

實(shí)驗(yàn)中，泵效率為：

(8)

利用等效電路法計(jì)算了揚(yáng)程與體積流量的關(guān)系，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比對(duì)如圖4所示。

4.1 溫度影響

對(duì)于熱真空電磁泵，溫度影響主要體現(xiàn)在工質(zhì)、線圈、導(dǎo)磁物質(zhì)的物性參數(shù)變化上，工質(zhì)和線圈的電導(dǎo)率及導(dǎo)磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率均具有負(fù)的溫度系數(shù)。溫度對(duì)熱真空電磁泵性能的影響如圖5所示，隨工質(zhì)溫度的升高，泵的最高運(yùn)行效率下降，最高效率點(diǎn)向左側(cè)偏移，泵在40 Hz頻率運(yùn)行時(shí)，工質(zhì)溫度由100 ℃升至500 ℃，最高效率下降了近一半，而在60 Hz頻率運(yùn)行時(shí)，則下降了約1/3。

圖4 揚(yáng)程理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)Fig.4 Comparison of head of theoretical calculation and experiment result

4.2 功率影響

功率對(duì)熱真空電磁泵性能的影響如圖6所示。在100 ℃、40 Hz時(shí)，隨運(yùn)行功率的提高，泵的輸出能力逐步變大，效率逐漸提高，最高效率點(diǎn)向右側(cè)偏移。在500 ℃、40 Hz時(shí)，隨運(yùn)行功率的提高，泵的運(yùn)行效率先上升后下降，最高效率點(diǎn)先向左偏移后向右偏移。在500 ℃、55 Hz時(shí)，隨運(yùn)行功率的提高，最高效率點(diǎn)向右偏移，在泵運(yùn)行功率為1.2 kW與1.4 kW時(shí)，效率曲線的最高點(diǎn)幾乎相同。在500 ℃、60 Hz時(shí)，隨運(yùn)行功率的提高，泵的運(yùn)行效率逐漸提高，最高效率點(diǎn)向右偏移。在實(shí)驗(yàn)工況包絡(luò)范圍內(nèi)，當(dāng)工質(zhì)溫度、運(yùn)行頻率恒定時(shí)，泵的關(guān)閥揚(yáng)程變化率與功率變化幾乎呈固定系數(shù)，這一點(diǎn)與理論符合得較好。

圖5 溫度對(duì)熱真空電磁泵性能的影響Fig.5 Effect of temperature on performance of thermal vacuum electromagnetic pump

圖6 功率對(duì)熱真空電磁泵性能的影響Fig.6 Effect of power on performance of thermal vacuum electromagnetic pump

4.3 頻率影響

頻率對(duì)熱真空電磁泵性能的影響如圖7所示。在100 ℃、40～60 Hz范圍內(nèi)，在工質(zhì)溫度、運(yùn)行功率恒定時(shí)，隨運(yùn)行頻率的提高，泵的水力效率逐漸下降，最高效率點(diǎn)輕微向右偏移，ΔP-Q曲線斜率絕對(duì)值變小。隨工質(zhì)溫度的提高，ΔP-Q曲線斜率隨運(yùn)行頻率的提高發(fā)生變化，使曲線較低溫時(shí)扁平，泵的運(yùn)行最高效率點(diǎn)所在的曲線頻率由低向高偏移。直觀地看：工質(zhì)溫度為100 ℃時(shí)，泵的最高效率點(diǎn)發(fā)生在40 Hz；工質(zhì)溫度為400 ℃時(shí)，泵的最高效率點(diǎn)發(fā)生在50 Hz附近；工質(zhì)溫度為500 ℃時(shí)，最高效率點(diǎn)則發(fā)生在55 Hz附近。

圖7 頻率對(duì)熱真空電磁泵性能的影響Fig.7 Effect of frequency on performance of thermal vacuum electromagnetic pump

4.4 電氣參數(shù)變化

熱真空電磁泵的電氣參數(shù)變化如圖8所示。在40～60 Hz范圍內(nèi)，當(dāng)工質(zhì)溫度、運(yùn)行功率恒定時(shí)，泵的功率因數(shù)、工作電壓隨運(yùn)行頻率的升高而升高，而工作電流則隨運(yùn)行頻率的上升而下降，且不論工質(zhì)溫度高低，均呈現(xiàn)這一規(guī)律。本實(shí)驗(yàn)一個(gè)有趣的巧合是，當(dāng)運(yùn)行功率為1.4 kW，泵運(yùn)行在100 ℃/40 Hz、200 ℃/45 Hz、300 ℃/50 Hz、400 ℃/55 Hz、500 ℃/60 Hz時(shí)，功率因數(shù)曲線近乎重合。

5 結(jié)論

1) 利用等效電路法進(jìn)行ALIP設(shè)計(jì)是理想化的，它忽略了端部效應(yīng)、壁面渦流加熱效應(yīng)、液態(tài)金屬內(nèi)感應(yīng)電流分量等諸多影響因素，使得理論計(jì)算值明顯高于實(shí)驗(yàn)值，設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行修正。

2) 主要由于工質(zhì)物性隨溫度變化，導(dǎo)致泵的運(yùn)行效率隨工質(zhì)溫度的上升而下降，從常溫至500 ℃，下降了約一半。

3) 在工質(zhì)溫度較低時(shí)，選擇較低的運(yùn)行頻率可獲取更高的推進(jìn)能力及水力效率，隨工質(zhì)溫度的提高，則需提高運(yùn)行頻率，不同工質(zhì)溫度對(duì)應(yīng)著不同的最優(yōu)運(yùn)行頻率。

圖8 熱真空電磁泵的電氣參數(shù)變化Fig.8 Electrical parameter change of thermal vacuum electromagnetic pump

4) 泵的ΔP-Q曲線隨運(yùn)行頻率的增加變得扁平，高溫時(shí)選擇較高的運(yùn)行頻率會(huì)獲得更高的功率因數(shù)及更低的工作電流，可大幅減少線圈的自身發(fā)熱。線圈平均溫度降低，可提高泵的使用壽命。

對(duì)于效率較低的小型NaK熱真空電磁泵，尤其考慮其在空間應(yīng)用的場景下，上述結(jié)論對(duì)于泵的設(shè)計(jì)及運(yùn)行程序的制定具有重要指導(dǎo)意義。