小型NaK熱真空電磁泵設計及其特性實驗研究

畢可明，陳 碩，柴寶華，劉天才，杜開文，衛光仁

(中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究部，北京 102413)

熱真空電磁泵是針對熱真空環境條件設計的一類特殊電磁泵，基于三相環形線性感應電磁泵(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相似，泵溝環形流道內的液態金屬相當于電機的轉子，定子鐵芯中的三相繞組產生行波磁場，在泵溝環形流道內的液態金屬中產生感應電流，電流和磁場間的相互作用力使液態金屬按照行波方向產生運動趨勢，并在泵進出口之間產生壓差。與大氣環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，其結果使得熱真空電磁泵的整體溫度很高，這與文獻[2]中所描述的浸入式Na電磁泵所面臨的溫度環境相似，高溫限制了有機材料的使用，所使用的金屬和無機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想應用場景為空間核電系統，其重量、外形尺寸都必須加以控制，顯然線圈絕緣物厚度、結構材料密度及力學性能、真空熱屏的厚度、導磁材料高溫性能、工質的物性等均直接影響泵的重量、結構尺寸和性能。

本文基于空間核電源系統應用背景為設想，采用等效電路法設計并制造三相環形線性感應式小型NaK熱真空電磁泵，并利用中國原子能科學研究院現有ATC-SNaK裝置開展性能實驗，研究工質溫度、功率、運行頻率等參數對該泵性能的影響。

1 泵的基本結構

小型NaK熱真空電磁泵的基本結構[2]如圖1所示，由泵溝、定子、勵磁線圈、氣密腔室4個總成構成。

圖1 小型NaK熱真空電磁泵的基本結構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有小尺寸的真空熱屏，以減小管道向定子、勵磁線圈的傳熱。魚雷體內部裝有由電工硅鋼棒沿徑向放射狀開槽并在槽內填充電工硅鋼片結構的中央導磁體。中央導磁體的作用是使行波磁場在泵溝內的磁力線沿徑向和軸向方向對準，以便產生洛倫茲力驅動流體[3]。單片定子呈梳狀，采用無機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法蘭盤上，與軸向、徑向定位法蘭共同構成定子總成。勵磁線圈總成被安裝在定子的梳齒中，呈環狀，內側為陶瓷支撐環，外側為帶陶瓷涂層的金屬卡箍，中間是由高溫電磁線螺旋對繞形成的線圈。為增強線圈與定子間的絕緣，陶瓷纖維側板被設置在線圈的兩側。氣密腔室總成由304不銹鋼制造，其內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，熱電偶位于另一側。為應對熱膨脹，氣密腔室還擁有1個小型波紋管。定子軛部與氣密腔室筒體內部有直接接觸，能通過導熱提高氣密腔室表面的溫度，以增強向背景環境的輻射散熱。

小型NaK熱真空電磁泵的設計遵循平衡原則[4]，如：高溫環境下絕緣材料的絕緣系數較常溫降低了幾個數量級，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，線圈匝數和電流則相對稍大，但線圈導體載流卻較低，通常僅為2～3 A/mm2，以降低線圈自身產熱；泵溝真空熱屏的設置，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 設計參數

ALIP有多種設計方法，本文采用了最常見的等效電路法。假定ALIP的三相電流是對稱的，計算中僅使用了單相模型，但由于縱向端部效應，導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際上是不對稱的[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為等效初級電阻，X1為泄漏等效電抗，Xm為磁化電抗，I′為液態金屬感應電流，R2為液態金屬等效阻抗，s為滑差率。初級部分主要包括電磁鐵芯和線圈，次級部分則為泵溝中流動的液態金屬。

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的幾何參數和運行參數共同構成。由初、次級功率平衡可得出泵的揚程ΔP與流量Q間的關系：

(1)

利用Laithwaithe公式整理得到等效電阻和電抗：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：ρc為線圈導體的電阻率；q為每極相槽數；kp為基波繞組短距系數；m為輸入功率相位數；D0為魚雷體內鐵芯直徑；N為線圈槽匝數；kf為槽填充系數；kd為基波繞組分布系數；p為極對數；τ為極距；μ0為真空磁導率；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；ge為有效氣隙寬度；D為流體平均直徑；ρ′r為液態金屬的電阻率。利用上述公式，整理得出：

(6)

ε=

(7)

式中：σ為電導率；ε為ALIP的效率；cosψ為功率因數。

通過式(6)和(7)可得到ALIP的運行特性曲線[5]。基于具體的水力特性需求，采用等效電路法，設計獲得小型NaK熱真空電磁泵的主要參數(表1)。

表1 主要設計參數Table 1 Main design parameter

3 實驗裝置及過程

3.1 實驗裝置

性能測試在中國原子能科學研究院現有ATC-SNaK裝置上開展，主要由回路系統、環境模擬真空室、電磁泵驅動電源、測量儀器4部分構成，裝置示意圖如圖3所示。

回路系統主要由電磁泵(小型NaK熱真空電磁泵)、流量計、加熱器、冷卻器、膨脹罐、流量調節閥、熱阱、真空泵、工藝管路、相關儀表及控制系統等組成。使用了自制的基于法拉第電磁感應原理的永磁流量計及由德國FLEXIM公司生產的高溫超聲波流量計用于相互比對。加熱器和冷卻器用于回路工質的溫度控制，穩態工況下工質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，通過波紋管與回路管道最高點相連接，用于容納回路內工質膨脹所產生的體積變化及通過氬氣覆蓋氣體提供系統壓力。流量調節閥為Y型波紋管液態金屬調節閥，由電動機構驅動，通過4～20 mA信號對閥門開度進行控制，閥門的開度控制是開環的。熱阱與流量調節閥并聯，內部裝有濾網和鋯片卷，主要通過化學反應的方式將工質中的氧化物雜質去除[6]。3 L/s的小型真空泵設置在氣路，用于回路氬氣置換和工質的真空充裝過程。回路主管道口徑為40 mm，和其他涉鈉設備相同，由316不銹鋼制造，并呈一定傾斜角度(約3°)布置，使工質充排口位于最低點的同時膨脹罐接口位于最高點，管道轉角采用彎管，以降低總阻力。除流量計外，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速度，壓力傳感器由成熟的貨架產品改造而來。

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

環境模擬真空室內尺寸為φ600 mm×1 000 mm，其中直筒段長度為600 mm，兩側為橢圓型封頭，直筒段水平位置中部及兩側封頭55°角位置設有觀察窗，同時擁有貫穿法蘭若干，采用分子泵驅動，常溫極限真空度優于5.0×10-5Pa，高溫工作真空度優于3.0×10-3Pa，可確保泵在500 ℃工作時不發生氧化。真空室外壁由冷水機冷卻，冷水機出口溫度可在5～70 ℃范圍內設定。

電磁泵驅動電源為三相變頻形式，電源的前端和后端均設有隔離變壓器，頻率可在40～100 Hz范圍內調節，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據采集系統。功率分析儀為致遠PA3000，配有50 A電流采集卡6塊，電機采集卡1塊，可對電磁泵驅動電源的上下游同時進行電氣參數測量與分析。數據采集系統基于NI公司的軟硬件構建，用于實驗相關數據的采集、分析與記錄。軟件基于LabVIEW開發，硬件包括1塊使用WIN7操作系統的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開關量輸入/輸出卡，均安裝在PXIe-1082機箱中。信號處理采用EW光電隔離轉換器，提供隔離能力的同時將與數據采集系統的交互電信號統一轉化為0～10 V。

3.2 實驗過程

ALIP的特性實驗一般是在等電壓(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，特性實驗也常在等頻率(即變頻方案)條件下開展。本次實驗采用了等有功功率/頻率(即變有功功率/變頻方案)調節方案，這種選擇更方便于ALIP的性能評價。

在ATC-SNaK裝置回路系統工質充裝完畢后，將覆蓋氬氣壓力調整至(0.05+0.01) MPa附近，依次開啟環境模擬真空室的前級泵和分子泵，使真空室內壓力≤7.0×10-5Pa，確認流量調節閥全開后，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，將工質依次升高至100、200、300、400和500 ℃的實驗溫度。在上述工質溫度下，通過流量調節閥開度調節回路阻力，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條件下的揚程-流量曲線(即ΔP-Q曲線)，實驗共記錄125組實驗數據。在實驗過程中，系統壓力控制在0.05～0.15 MPa范圍內，工質溫度控制精度為±2.5 ℃，有功功率控制精度為±20 W。

4 實驗結果與討論

實驗中被記錄的參數包括泵的線電壓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cosψ，頻率f，回路溫度T1～T6，泵出入口及系統壓力p1、p2、p3，揚程ΔP，流量Q，閥門位置Z1，以及泵的電壓諧波、電流諧波等。

實驗中，泵效率為：

(8)

利用等效電路法計算了揚程與體積流量的關系，與實驗結果的比對如圖4所示。

4.1 溫度影響

對于熱真空電磁泵，溫度影響主要體現在工質、線圈、導磁物質的物性參數變化上，工質和線圈的電導率及導磁物質的磁導率均具有負的溫度系數。溫度對熱真空電磁泵性能的影響如圖5所示，隨工質溫度的升高，泵的最高運行效率下降，最高效率點向左側偏移，泵在40 Hz頻率運行時，工質溫度由100 ℃升至500 ℃，最高效率下降了近一半，而在60 Hz頻率運行時，則下降了約1/3。

圖4 揚程理論計算與實驗結果比對Fig.4 Comparison of head of theoretical calculation and experiment result

4.2 功率影響

功率對熱真空電磁泵性能的影響如圖6所示。在100 ℃、40 Hz時，隨運行功率的提高，泵的輸出能力逐步變大，效率逐漸提高，最高效率點向右側偏移。在500 ℃、40 Hz時，隨運行功率的提高，泵的運行效率先上升后下降，最高效率點先向左偏移后向右偏移。在500 ℃、55 Hz時，隨運行功率的提高，最高效率點向右偏移，在泵運行功率為1.2 kW與1.4 kW時，效率曲線的最高點幾乎相同。在500 ℃、60 Hz時，隨運行功率的提高，泵的運行效率逐漸提高，最高效率點向右偏移。在實驗工況包絡范圍內，當工質溫度、運行頻率恒定時，泵的關閥揚程變化率與功率變化幾乎呈固定系數，這一點與理論符合得較好。

圖5 溫度對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

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

圖7 頻率對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 電氣參數變化

熱真空電磁泵的電氣參數變化如圖8所示。在40～60 Hz范圍內，當工質溫度、運行功率恒定時，泵的功率因數、工作電壓隨運行頻率的升高而升高，而工作電流則隨運行頻率的上升而下降，且不論工質溫度高低，均呈現這一規律。本實驗一個有趣的巧合是，當運行功率為1.4 kW，泵運行在100 ℃/40 Hz、200 ℃/45 Hz、300 ℃/50 Hz、400 ℃/55 Hz、500 ℃/60 Hz時，功率因數曲線近乎重合。

5 結論

1) 利用等效電路法進行ALIP設計是理想化的，它忽略了端部效應、壁面渦流加熱效應、液態金屬內感應電流分量等諸多影響因素，使得理論計算值明顯高于實驗值，設計時必須進行修正。

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

3) 在工質溫度較低時，選擇較低的運行頻率可獲取更高的推進能力及水力效率，隨工質溫度的提高，則需提高運行頻率，不同工質溫度對應著不同的最優運行頻率。

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

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

對于效率較低的小型NaK熱真空電磁泵，尤其考慮其在空間應用的場景下，上述結論對于泵的設計及運行程序的制定具有重要指導意義。