小型NaK热真空电磁泵设计及其特性实验研究

毕可明，陈 硕，柴宝华，刘天才，杜开文，卫光仁

(中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部，北京 102413)

热真空电磁泵是针对热真空环境条件设计的一类特殊电磁泵，基于三相环形线性感应电磁泵(ALIP)[1]原理的热真空电磁泵是目前研究的主要形式。ALIP的基本工作原理与三相鼠笼式异步电机相似，泵沟环形流道内的液态金属相当于电机的转子，定子铁芯中的三相绕组产生行波磁场，在泵沟环形流道内的液态金属中产生感应电流，电流和磁场间的相互作用力使液态金属按照行波方向产生运动趋势，并在泵进出口之间产生压差。与大气环境中工作的电磁泵散热条件不同，向背景辐射换热是其唯一的散热途径，其结果使得热真空电磁泵的整体温度很高，这与文献[2]中所描述的浸入式Na电磁泵所面临的温度环境相似，高温限制了有机材料的使用，所使用的金属和无机材料使其天然具备一定的耐辐照能力。如果热真空电磁泵设想应用场景为空间核电系统，其重量、外形尺寸都必须加以控制，显然线圈绝缘物厚度、结构材料密度及力学性能、真空热屏的厚度、导磁材料高温性能、工质的物性等均直接影响泵的重量、结构尺寸和性能。

本文基于空间核电源系统应用背景为设想，采用等效电路法设计并制造三相环形线性感应式小型NaK热真空电磁泵，并利用中国原子能科学研究院现有ATC-SNaK装置开展性能实验，研究工质温度、功率、运行频率等参数对该泵性能的影响。

1 泵的基本结构

小型NaK热真空电磁泵的基本结构[2]如图1所示，由泵沟、定子、励磁线圈、气密腔室4个总成构成。

图1 小型NaK热真空电磁泵的基本结构Fig.1 Basic structure of small NaKthermal vacuum electromagnetic pump

泵沟总成主要包括压力边界管道和鱼雷体，压力边界管道及鱼雷体水力外壳由316不锈钢制造，压力边界管道的外部设有小尺寸的真空热屏，以减小管道向定子、励磁线圈的传热。鱼雷体内部装有由电工硅钢棒沿径向放射状开槽并在槽内填充电工硅钢片结构的中央导磁体。中央导磁体的作用是使行波磁场在泵沟内的磁力线沿径向和轴向方向对准，以便产生洛伦兹力驱动流体[3]。单片定子呈梳状，采用无机绝缘硅钢片叠制而成，表面有陶瓷层覆盖，6片定子通过螺栓固定在两侧法兰盘上，与轴向、径向定位法兰共同构成定子总成。励磁线圈总成被安装在定子的梳齿中，呈环状，内侧为陶瓷支撑环，外侧为带陶瓷涂层的金属卡箍，中间是由高温电磁线螺旋对绕形成的线圈。为增强线圈与定子间的绝缘，陶瓷纤维侧板被设置在线圈的两侧。气密腔室总成由304不锈钢制造，其内部充有一定压力的惰性气体，供电极和充气管位于气密腔室的一侧，热电偶位于另一侧。为应对热膨胀，气密腔室还拥有1个小型波纹管。定子轭部与气密腔室筒体内部有直接接触，能通过导热提高气密腔室表面的温度，以增强向背景环境的辐射散热。

小型NaK热真空电磁泵的设计遵循平衡原则[4]，如：高温环境下绝缘材料的绝缘系数较常温降低了几个数量级，所以泵的工作电压一般不高，通常在150 V以下，为保证输出功率，线圈匝数和电流则相对稍大，但线圈导体载流却较低，通常仅为2～3 A/mm2，以降低线圈自身产热；泵沟真空热屏的设置，一定程度上增加了磁路无效气隙高度，降低了泵的效率，但电磁线圈工作温度的降低可大幅度提高泵的工作寿命。

2 设计参数

ALIP有多种设计方法，本文采用了最常见的等效电路法。假定ALIP的三相电流是对称的，计算中仅使用了单相模型，但由于纵向端部效应，导致在输入三相电压基本相等的情况下，绕组中的电流分布实际上是不对称的[5]。ALIP的单相等效电路如图2所示。图2中，I为等效输入电流，V为等效输入电压，R1为等效初级电阻，X1为泄漏等效电抗，Xm为磁化电抗，I′为液态金属感应电流，R2为液态金属等效阻抗，s为滑差率。初级部分主要包括电磁铁芯和线圈，次级部分则为泵沟中流动的液态金属。

图2 ALIP 单相等效电路Fig.2 Single phase equivalent circuit of ALIP

等效电路中的等效变量由ALIP的几何参数和运行参数共同构成。由初、次级功率平衡可得出泵的扬程ΔP与流量Q间的关系：

(1)

利用Laithwaithe公式整理得到等效电阻和电抗：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：ρc为线圈导体的电阻率；q为每极相槽数；kp为基波绕组短距系数；m为输入功率相位数；D0为鱼雷体内铁芯直径；N为线圈槽匝数；kf为槽填充系数；kd为基波绕组分布系数；p为极对数；τ为极距；μ0为真空磁导率；ω=2πf为角频率，f为频率；中间变量λc=kd(1+3α)/12，α为弦因子；kw为绕组系数；ge为有效气隙宽度；D为流体平均直径；ρ′r为液态金属的电阻率。利用上述公式，整理得出：

(6)

ε=

(7)

式中：σ为电导率；ε为ALIP的效率；cosψ为功率因数。

通过式(6)和(7)可得到ALIP的运行特性曲线[5]。基于具体的水力特性需求，采用等效电路法，设计获得小型NaK热真空电磁泵的主要参数(表1)。

表1 主要设计参数Table 1 Main design parameter

3 实验装置及过程

3.1 实验装置

性能测试在中国原子能科学研究院现有ATC-SNaK装置上开展，主要由回路系统、环境模拟真空室、电磁泵驱动电源、测量仪器4部分构成，装置示意图如图3所示。

回路系统主要由电磁泵(小型NaK热真空电磁泵)、流量计、加热器、冷却器、膨胀罐、流量调节阀、热阱、真空泵、工艺管路、相关仪表及控制系统等组成。使用了自制的基于法拉第电磁感应原理的永磁流量计及由德国FLEXIM公司生产的高温超声波流量计用于相互比对。加热器和冷却器用于回路工质的温度控制，稳态工况下工质的温度最高控制精度为±0.3 ℃。带有两支液位探针的膨胀罐位于回路的最高点，通过波纹管与回路管道最高点相连接，用于容纳回路内工质膨胀所产生的体积变化及通过氩气覆盖气体提供系统压力。流量调节阀为Y型波纹管液态金属调节阀，由电动机构驱动，通过4～20 mA信号对阀门开度进行控制，阀门的开度控制是开环的。热阱与流量调节阀并联，内部装有滤网和锆片卷，主要通过化学反应的方式将工质中的氧化物杂质去除[6]。3 L/s的小型真空泵设置在气路，用于回路氩气置换和工质的真空充装过程。回路主管道口径为40 mm，和其他涉钠设备相同，由316不锈钢制造，并呈一定倾斜角度(约3°)布置，使工质充排口位于最低点的同时膨胀罐接口位于最高点，管道转角采用弯管，以降低总阻力。除流量计外，回路上还安装有若干热电偶和压力传感器，热电偶是基于Swagelok VCR自制的，具有较薄的热偶阱壁和较快的响应速度，压力传感器由成熟的货架产品改造而来。

图3 ATC-SNaK装置示意图Fig.3 Scheme of ATC-SNaK facility

环境模拟真空室内尺寸为φ600 mm×1 000 mm，其中直筒段长度为600 mm，两侧为椭圆型封头，直筒段水平位置中部及两侧封头55°角位置设有观察窗，同时拥有贯穿法兰若干，采用分子泵驱动，常温极限真空度优于5.0×10-5Pa，高温工作真空度优于3.0×10-3Pa，可确保泵在500 ℃工作时不发生氧化。真空室外壁由冷水机冷却，冷水机出口温度可在5～70 ℃范围内设定。

电磁泵驱动电源为三相变频形式，电源的前端和后端均设有隔离变压器，频率可在40～100 Hz范围内调节，电流输出范围为0～70 A，电压输出范围为0～150 V，可星形、角型连接。

测量仪器主要为功率分析仪和数据采集系统。功率分析仪为致远PA3000，配有50 A电流采集卡6块，电机采集卡1块，可对电磁泵驱动电源的上下游同时进行电气参数测量与分析。数据采集系统基于NI公司的软硬件构建，用于实验相关数据的采集、分析与记录。软件基于LabVIEW开发，硬件包括1块使用WIN7操作系统的PXIe-8840控制器、4块PXIe-6358模拟量同步输入卡、1块PXIe-4322模拟量输出卡、1块PXI-6521开关量输入/输出卡，均安装在PXIe-1082机箱中。信号处理采用EW光电隔离转换器，提供隔离能力的同时将与数据采集系统的交互电信号统一转化为0～10 V。

3.2 实验过程

ALIP的特性实验一般是在等电压(即变电压/工频方案)条件下开展[7]。近年来，由于变频器的广泛使用，特性实验也常在等频率(即变频方案)条件下开展。本次实验采用了等有功功率/频率(即变有功功率/变频方案)调节方案，这种选择更方便于ALIP的性能评价。

在ATC-SNaK装置回路系统工质充装完毕后，将覆盖氩气压力调整至(0.05+0.01) MPa附近，依次开启环境模拟真空室的前级泵和分子泵，使真空室内压力≤7.0×10-5Pa，确认流量调节阀全开后，开启小型NaK热真空电磁泵开始性能测试，在冷却器和加热器的配合下，将工质依次升高至100、200、300、400和500 ℃的实验温度。在上述工质温度下，通过流量调节阀开度调节回路阻力，分别获取泵在工作频率为40、45、50、55和60 Hz，有功功率为0.6、0.8、1.0、1.2和1.4 kW条件下的扬程-流量曲线(即ΔP-Q曲线)，实验共记录125组实验数据。在实验过程中，系统压力控制在0.05～0.15 MPa范围内，工质温度控制精度为±2.5 ℃，有功功率控制精度为±20 W。

4 实验结果与讨论

实验中被记录的参数包括泵的线电压Va、Vb、Vc，线电流Ia、Ib、Ic，平均线电压V，平均线电流I，有功功率P，功率因数cosψ，频率f，回路温度T1～T6，泵出入口及系统压力p1、p2、p3，扬程ΔP，流量Q，阀门位置Z1，以及泵的电压谐波、电流谐波等。

实验中，泵效率为：

(8)

利用等效电路法计算了扬程与体积流量的关系，与实验结果的比对如图4所示。

4.1 温度影响

对于热真空电磁泵，温度影响主要体现在工质、线圈、导磁物质的物性参数变化上，工质和线圈的电导率及导磁物质的磁导率均具有负的温度系数。温度对热真空电磁泵性能的影响如图5所示，随工质温度的升高，泵的最高运行效率下降，最高效率点向左侧偏移，泵在40 Hz频率运行时，工质温度由100 ℃升至500 ℃，最高效率下降了近一半，而在60 Hz频率运行时，则下降了约1/3。

图4 扬程理论计算与实验结果比对Fig.4 Comparison of head of theoretical calculation and experiment result

4.2 功率影响

功率对热真空电磁泵性能的影响如图6所示。在100 ℃、40 Hz时，随运行功率的提高，泵的输出能力逐步变大，效率逐渐提高，最高效率点向右侧偏移。在500 ℃、40 Hz时，随运行功率的提高，泵的运行效率先上升后下降，最高效率点先向左偏移后向右偏移。在500 ℃、55 Hz时，随运行功率的提高，最高效率点向右偏移，在泵运行功率为1.2 kW与1.4 kW时，效率曲线的最高点几乎相同。在500 ℃、60 Hz时，随运行功率的提高，泵的运行效率逐渐提高，最高效率点向右偏移。在实验工况包络范围内，当工质温度、运行频率恒定时，泵的关阀扬程变化率与功率变化几乎呈固定系数，这一点与理论符合得较好。

图5 温度对热真空电磁泵性能的影响Fig.5 Effect of temperature on performance of thermal vacuum electromagnetic pump

图6 功率对热真空电磁泵性能的影响Fig.6 Effect of power on performance of thermal vacuum electromagnetic pump

4.3 频率影响

频率对热真空电磁泵性能的影响如图7所示。在100 ℃、40～60 Hz范围内，在工质温度、运行功率恒定时，随运行频率的提高，泵的水力效率逐渐下降，最高效率点轻微向右偏移，ΔP-Q曲线斜率绝对值变小。随工质温度的提高，ΔP-Q曲线斜率随运行频率的提高发生变化，使曲线较低温时扁平，泵的运行最高效率点所在的曲线频率由低向高偏移。直观地看：工质温度为100 ℃时，泵的最高效率点发生在40 Hz；工质温度为400 ℃时，泵的最高效率点发生在50 Hz附近；工质温度为500 ℃时，最高效率点则发生在55 Hz附近。

图7 频率对热真空电磁泵性能的影响Fig.7 Effect of frequency on performance of thermal vacuum electromagnetic pump

4.4 电气参数变化

热真空电磁泵的电气参数变化如图8所示。在40～60 Hz范围内，当工质温度、运行功率恒定时，泵的功率因数、工作电压随运行频率的升高而升高，而工作电流则随运行频率的上升而下降，且不论工质温度高低，均呈现这一规律。本实验一个有趣的巧合是，当运行功率为1.4 kW，泵运行在100 ℃/40 Hz、200 ℃/45 Hz、300 ℃/50 Hz、400 ℃/55 Hz、500 ℃/60 Hz时，功率因数曲线近乎重合。

5 结论

1) 利用等效电路法进行ALIP设计是理想化的，它忽略了端部效应、壁面涡流加热效应、液态金属内感应电流分量等诸多影响因素，使得理论计算值明显高于实验值，设计时必须进行修正。

2) 主要由于工质物性随温度变化，导致泵的运行效率随工质温度的上升而下降，从常温至500 ℃，下降了约一半。

3) 在工质温度较低时，选择较低的运行频率可获取更高的推进能力及水力效率，随工质温度的提高，则需提高运行频率，不同工质温度对应着不同的最优运行频率。

图8 热真空电磁泵的电气参数变化Fig.8 Electrical parameter change of thermal vacuum electromagnetic pump

4) 泵的ΔP-Q曲线随运行频率的增加变得扁平，高温时选择较高的运行频率会获得更高的功率因数及更低的工作电流，可大幅减少线圈的自身发热。线圈平均温度降低，可提高泵的使用寿命。

对于效率较低的小型NaK热真空电磁泵，尤其考虑其在空间应用的场景下，上述结论对于泵的设计及运行程序的制定具有重要指导意义。