Projekta nosaukums: Kavitācijas parādību izpēte elektromagnētiskos indukcijas sūkņos ar rotējošiem pastāvīgajiem magnētiem drošu darbības parametru definēšanai

Projekta līguma numurs: 1.1.1.2/VIAA/3/19/506

Projekta sadarbības partneri: CERN, Eiropas Kodolpētniecības organizācija

Projekta īstenošanas termiņš: 01.06.2020. - 31.05.2023.

Projekta kopējais finansējums, LU daļa: 133805,88 EUR, LU daļa 5 % – 6690,31 EUR

Projekta mērķis:

Pētniecības pieteikuma mērķis: – izpētīt kavitācijas parādību rašanās mehānismus elektromagnētiskiem indukcijas sūkņiem šķidru metālu pārsūknēšanai ar rotējošiem pastāvīgajiem magnētiem un definēt prasības kavitācijas parādību ievērošanai un veidus kā no šīs parādības izvairīties.

Plānots eksperimentāls pētījums elektromagnētisku sūkņu ar rotējošiem pastāvīgajiem magnētiem konstruktīvo parametru sasaistei ar to magnētiskās sistēmas un metāla plūsmas ātruma/spiediena parametriem sūkņa kanālā.

Projekta rezultāti

Paredzēts detalizēti izpētīt sūkņa kanālā radušos plūsmu, tās spiediena un ātruma sadalījumus, veikt kavitācijas detektēšanu un noteikt tās rašanās kritērijus. Veikto darbu rezultātā būs iespējams definēt kavitācijas samazināšanas un novēršanas veidus sūkņu konstrukcijā paverot tiem ceļu uz plašākiem un sarežģītākiem pielietojuma veidiem, kas prasa augstu darba drošumu un pilnīgu sapratni par mehānisma ilgmūžību.

Pētījuma rezultātā tiks izpētīti kavitācijas procesa rašanās iemesli elektromagnētiska indukcijas sūkņa ar rotējošiem pastāvīgajiem magnētiem, definētas prasības kanāla un magnētiskā rotora kopīgās konstrukcijas aprēķinam un izveidei. Pētījums tiks veikts ar eksperimentālas iekārtas palīdzību, ko paredzēts izstrādāt no LUFI pieejamiem resursiem un veikt eksperimentu sēriju augšminēto rezultātu iegūšanai.

Kavitācija ir negatīva parādība ikviena šķidruma cirkulācijas kontūrā. Kavitācijas parādības šķidru metālu sūkņos ir samērā maz pētītas. Galvenie pētījumi saistās ar sūkņu pielietojumiem kodolreaktoru dzesēšanas kontūros. Tomēr vienotas prasības kavitācijas parādībām nav definētas, kā tas ir klasiskas hidraulikas sūkņu gadījumā. Tāpat nav sastopamas skaidras rekomendācijas un vadlīnijas kavitācijas parādību novēršanai. Tajā pat laikā dažādu atbildīgu iekārtu darbība ir atkarīga no sūkņa radītās šķidrā metāla plūsmas.

Darbā paredzēts detalizēti izpētīt sūkņa kanālā radušos plūsmu, tās spiediena un ātruma sadalījumus, veikt kavitācijas detektēšanu un noteikt tās rašanās kritērijus. Veikto darbu rezultātā būs iespējams definēt kavitācijas samazināšanas un novēršanas veidus sūkņu konstrukcijā paverot tiem ceļu uz plašākiem un sarežģītākiem pielietojuma veidiem, kas prasa augstu darba drošumu un pilnīgu sapratni par mehānisma ilgmūžību

Pētījuma rezultāti tiks aprobēti gan vietējās zinātniskās konferencēs, gan starptautiskos ar pētījuma izstrādi vai rezultātu pielietojumu saistītu jomu vadošos vai specializētos

zinātniskos pasākumos. Tiks sagatavoti 4 zinātniski raksti. Publicitāte tiks nodrošināta arī plašākai sabiedrībai caur populārzinātniskiem rakstiem, ierakstiem Facebook, video ar vizuālo materiālu , piemēram, YouTube.

 

Laika posmā no 01.06.2020. – 31.08.2020. paveiktais:

Literatūras avotos atrodamo šķidra metāla sistemu kavitācijas piemēru analīze un atbilstošas kavitacijas procesu izpētes metodikas izvēle. Iepriekšējo eksperimentu rezultātu izvērtēšanā. Kavitācijas parādību izpētes iespēju novērtējums izmantojot FI esošas nātrija sūkņu sistēmas. Veikta iepriekšēju eksperimentu sērija, izmantojot jau esošu nātrija kontūru, kura pastāvīgo magnētu sūknis darbojās pie pazemināta ieejas spiediena. Savākti datu pat ieejas/izejas spiediena vērtībām, ražību, temperatūru un sūkņa kanāla vibrācijām. Uzsākta šo datu analīze, lai izvērtētu šīs iekārtas izmantošanu kavitācijas parādību izpētē

Laika posmā no 01.09.2020. – 30.11.2020. paveiktais:  

2. Atskaites periodā veikta LUFI nātrija kontūra izvērtēšana pazemināta ieejas spiediena radīšanai sūkņa ieejā. Konstatēts, ka nepieciešams izveidot jaunus līmeņa mērītājus, lai varētu darbināt kontūru ar retinājumu tajā. Paralēli analizēti dati no iepriekšējā eksperimenta rezultātiem kontūrā ar mērķi sasaistīt kavitācijas parametrus dažādos eksperimentos, lai varētu vispārināt kavitācijas parādīšanās apstākļus.  Veikta pagarinātu līmeņrāžu izstrāde. Izstrādāta to konstrukcija, noteikti signāla ģenerēšanas/uztveršanas sistēmas konstruktīvie lielumi. Uzsākta to korpusu izgatavošana. 

Laika posmā no 01.12.2020.–28.02.2021. paveiktais:

3. atskaites periodā turpināta pastāvīgo magnētu sūkņa ar diviem aktīvajiem rotoriem eksperimentu datu apstrāde. Veikta kavitācijas skaitļa vērtību analīze dažādos caurplūdes šķērsgriezumos ar mērķi iegūt datus par kzvitācijas skaitli dažādu sūkņu darbības laikā un sasaistīt to ar caurplūdes samazināšanos.

Tāpat šajā atskaites periodā turpināta līmeņrāžu izgatavošana. Izgatavots makets un pārbaudītas maketa darba spējas, izmantojot cietu elektrovadošu ķermeni, lai varētu novērtēt sagaidāmo mērīšanas precizitāti.

3. atskaites periodā iesniegts raksta "Experimental cavitation investigation of the electromagnetic PbBi pump with rotating permanent magnets. Authors - F. Boix, I. Bucenieks, L. Buligins M. Delonca, L. Goldsteins, T. Stora, K. Kravalis" kopsavilkums pumblicēšanai konferences "Electromagnetic processing of materials 2021". Tiek turpināta raksta izveide. Konference ntiks no 13. līdz 17.06.2021.

Laika posmā no 01.03.2021.–31.05.2021. paveiktais:

4. atskaites periodā pabeigta viena no eksperimentu ar pastāvīgo magnētu sūkņa ar diviem aktīvajiem rotoriem eksperimentu datu apstrāde. Šajā eksperimentā novērojam izteikta sūkņa attīstītās plūsmas pieauguma robeža, kas skaidrojama ar kavitāciju.

Šajā atskaites periodā turpināta zinātniskā raksta "Experimental cavitation investigation of the electromagnetic PbBi pump with rotating permanent magnets. Authors - F. Boix, I. Bucenieks, L. Buligins M. Delonca, L. Goldsteins, T. Stora, K. Kravalis" konferences "Electromagnetic processing of materials 2021" materiāliem izveide. Tiek turpināta raksta izveide. Konference notiks no 13. līdz 17.06.2021.

Tāpat iesniegts pieteikums uzstāties konferencē “1st CERN Baltic Conference (CBC 2021)” ar referātu “A series of experiments for LIEBE loop hydraulic parameter determination” ar autoriem F. Boix, I. Bucenieks, L. Buligins M. Delonca, L. Goldsteins, T. Stora, K. Kravalis. Sagatavots kopsavilkums referāta pieteikumam. Konference notiks n0 28. līdz 30. jūnijam.

Vēl 4. atskaites periodā izstrdāti trīs varianti plānam par mobilitates veikšanu CERN ar detalizētu iespējamo notikumu scenāriju un darbu nories vietas sadalījumu.

Tāpat turpināts darbs pie eksperimentu sērijas sagatavosanas, izmantojot sūkni, kas pārsūknē šķidru nātriju. Veikti sagatavošanas darbi līmeņražu montāžai kontūrā un spiediena pievadīšanas un mērīšanas sistēmas uzstādīšanai.

Laika posmā no 01.06.2021. – 31.08.2021. paveiktais:

5. atskaites periodā izstrādāts plāns PbBi eksperimentālās iekārtas izstrādei kavitācijas izpētei kontūrā ar brīvu virsmu. Izveidota kontūra principiālā shēma, aprēķināti plūsmas pamat parametri, izstrādāta termopāru un sildītāju izvietojuma shēma. Izstrādāts kontūra eksperimentu veikšanas plāns, kavitācijas režīmu noteikšanai. Veikta kontūra plūsmas cauruļu sistēmas elementu modeļu izgatavošana.

Tāpat atskaites periodā veikta PbBi sūkņa eksperimentu sesijas datu apstrāde un interpretācija. Izveidotas līknes saistot kavitācijas skaitli ar sūkņa un kontūra darbības parametriem. Noteikta izteiktas kavitācijas rašanās robeža  un izteiktas sakarības ar kontūra parametriem.

5. atskaites periodā notika sagatavošanās pētījuma pašreizējo rezultātu atspoguļošanai zinātniskajā konferencē “1st CERN Baltic Conference (CBC 2021)” ar referātu “LIEBE loop hydraulic parameter determination”. Tika sagatavoti prezentācijas materiāli. Referāta prezentācija pieejama konferences materiālos: indico.cern.ch/event/970609/contributions/4415139/. Referāts tika nolasīts 30.06.2021.

Tāpat sagatavots referāts un tā materiāli zinātniskajai konferencei "Electromagnetic processing of materials 2021", Rīgā no 13.-17. jūnijam, ar referātu "Experimental cavitation investigation of the electromagnetic PbBi pump with rotating permanent magnets". Konferences materiālos publicēts referāta tēzes. Referāts nolasīts 16.06.2021.

Laika posmā no 01.09.2021. – 30.11.2021. paveiktais:

6. atskaites periodā pabeigts eksperimentālās iekārtas pamatparametru analītisks aprēķins un skiču izveidošana. Finalizēta sūkņa parametru izvēle, kopējā sistēmas cauruļvadu izveides principu izvēle, vadoša/nevadoša sūkņa kanāla izmēru definēšana, ieejas trakta tuvināti aprēķini. Izvēlēts cilindrisks pastāvīgo magnētu sūknis ar rotora platumu 100 mm un diametru 250 mm InGaSn eitektikas kontūram. Mērogošanai un salīdzināšanai nolemts izmantot jau eksistējošu nātrija cirkulācijas kontūru ar diviem diskveida pastāvīgo magnētu sūkņiem. Veikts neliels eksperimenta ar Na iekārtu, lai nodefinētu sūkņu parametru robežvērtības un kontūra darbības iespējas pazemināta spiediena apstākļos.

Bez tam, gandrīz pilnībā pabeigta eksperimentālās iekārtas komponentu izvēle. Izvēlēts pastāvīgo magnētu sūknis InGaSN kontūram, novērtēta tā kanālu (elektriski vadoša un nevadoša), izgatavošanas tehnoloģija. Izlemts arī lietot kondukcijas plūsmas mērītāju ražības mērījumiem. Noteikti visu plūsmas trakta komponentu raksturojošie izmēri.

Veikta eksperimentālās iekārtas mērsistēmas principiālās shēmas izveide, uzsākta komponentu izvēle akustiskās un vibrāciju reģistrēšana sistēmas kavitācijas noteikšanai. Aptaujāts specializēto kavitācijas mērījumu sistēmu ražotājs Ondatron. Ievērojamās cenas dēļ (15 000 EUR) tiks izmēģināta FI esošo National Instruments, Picotech un RedPitaya mērsistēmu izmntošana vibrācijas/akustisko sensoru signāla nolasīšanai. Sūkņa piedziņas parametru mērījumiem tiks izmanotas FI esošās Mitsubishi invertoru un mērīšanas sistēmu iespējas

Turpināta tehniskās dokumentācijas izstrāde iekārtas izgatavošanai. Izstrādāti rasējumi InGaSN brīvas virsmas tvertnes izgatavošanai un izsākta tās izgatavošana. Uzsākta arī šķidrā metāla trakta izgatavošana šim kontūram. Uzsākta sūkņa kanālu tehniskās dokumentācijas izveide izgatavošanai.

Tāpat pabeigta un iesniegta publikācija "Experimental cavitation investigation of the electromagnetic PbBi pump with rotating permanent magnets. Authors - F. Boix, I. Bucenieks, L. Buligins M. Delonca, L. Goldsteins, T. Stora, K. Kravalis" konferences "Electromagnetic processing of materials 2021" materiāliem, kas tiks publicēti žurnālā “Magnetohydrodynamics” speciālizlaidumā. Publikācija iesniegta 01.10.2021.

Sabiedrības informēšanas pasākums: dalība LU zināšanu agorā ar ziņojumu: “Kavitācijas parādību izpēte elektromagnētiskos sūkņos ar pastāvīgajiem magnētiem” 23.09.2021.

Laika posmā no 01.12.2021.-28.02.2022. paveiktais:

2. aktivitāte

7. atskaites periodā pabeigta tehniskās dokumentācijas izstrāde un paša sūkņa kanāla izgatavošana no nerūsošā tērauda (elektriski vadoša) cilindriskam indukcijas sūknim ar rotējošiem pastāvīgajiem magnētiem. Kanāla platums – 90mm, šķidrā metāla slāņa biezums 4mm. Kanālam pievienotas sešas spiediena sensoru pievienošanas vietas + vēl divas ieejas traktā. Plānots sasniegt ražību robežās no 0,5 – 1 l/s un ātrumus sūkņa kanālā ap 2 m/s. Šobrīd ir samontēta kontūra konfigurācija ar brīvās virsmas tvertni. Brīvās virsmas tvertne izveidota no organiskā stikla, lai varētu arī vizuāli novērot kavitācijas norisi sūkņa ieejas traktā. Noslēgts kontūra cirkulācijas trakts (pabeigta trakta izstrādes tehniskā dokumentācija). Izstrādāts kondukcijas plūsmas mērītājs un veikta tā izgatavošana. Kondukcijas plūsmas mērītājs iemontēts LU FI esošajā InGaSn eitektikas kontūrā, lai veiktu tā tarēšanu.

Veikta spiediena sensoru izvēle Na kontūram, kurā tika veikta iepriekšēja diskveida indukcijas sūkņa ar rotējošiem pastāvīgajiem magnētiem darba parametru pārbaude. Spiediena sensori ir pasūtīti.

3. aktivitāte.

7. atskaites periodā veikta kondukcijas mērītāja kalibrēšana izmantojot LU FI esošu InGaSn eitektikas kontūru, kurā ir tarēts Venturi plūsmas mērītājs. Izmantojot šo plūsmas mērītāju iegūts kondukcijas plūsmas mērītāja kalibrēšanas koeficients.

4. aktivitāte.

7. atskaites periodā veikta ar Na kontūrā pārbaudītā diskveida indukcijas sūkņa ar rotējošiem pastāvīgajiem magnētiem darba parametru analīze. Eksperimentu sērija bija veikta ar pazeminātu ieejas spiedienu. Tika veikti precizējoši plūsmas parametru mērījumi indukcijas sūknim ar rotējošiem pastāvīgajiem magnētiem, kas darbojas šķidra metāla cirkulācijas kontūrā, kur tiek uzturēts stabils vakuums. Darbības vide ir šķidrs nātrijs temperatūrā no 170 līdz 260°C. Sūknis, strādājot zemā ieplūdes spiedienā (0,08 bāri), saskarās ar ievērojamu plūsmas ātruma samazināšanos, salīdzinot ar sūkni, kas izmantoja 2 bāru absolūto spiedienu.

Tika konstatētas šādas problēmas: a) Venturi plūsmas mērītāja izplešanās tvertnes ir pārāk īsas, lai tās darbotos vakuumā; b) spiediena sensori darbojas tikai virs atmosfēras spiediena, tāpēc sūkņa ieplūdes spiedienu nav iespējams izmērīt.

Ir pasūtīti spiediena sensori, izbūvētas jaunas izplešanās tvertnes versijas un paredzēta to uzstādīšana pēc eksperimenta ar jauniem spiediena sensoriem.

5. aktivitāte.

7. atskaites periodā saņemti recenzenta komentāri un jautājumi par publikāciju: "Experimental cavitation investigation of the electromagnetic PbBi pump with rotating permanent magnets. Authors - F. Boix, I. Bucenieks, L. Buligins M. Delonca, L. Goldsteins, T. Stora, K. Kravalis" konferences "Electromagnetic processing of materials 2021" materiāliem, kas tiks publicēta žurnālā “Magnetohydrodynamics” speciālizlaidumā. Veikti labojumi un precizējumi publikācijā. Sniegtas atbildes uz recenzenta jautājumiem. Labotā publikācija iesniegta publicēšanai.

Iesniegts referāta kopsavilkums :”Brēķis A., Buligins L., Bucenieks I. , Kravalis K., Mikanovskis O. Electromagnetic pumps with rotating permanent magnets inlet pressure influence on pressure– flow rate curves” konferencei “The 12th pamir International Conference on Fundamental and Applied MHD”.

Laika posmā no 01.03.2022. – 31.05.2022. paveiktais:

8. atskaites periods

2. aktivitāte

8. atskaites periodā pabeigta InGaSn kontūra hidrauliskās sistēmas montāža, veikta šķidrā metāla tvertnes pārbūve (izmantota esoša tvertne, bet tā modificēta šī kontūra vajadzībām). Veikta šķidra InGaSn pārliešana starptvertnē, lai ļautu veikt metāla tīrīšanu un kontūra uzpildes tvertnē iepildītu pēc iespējas tīru InGsSn eitektiku. Turpināta mērīšanas sistēmas izveide. Uzstādīti spiediena sensori, vakuuma mērīšanas spiediena sensors. Veikta mērsistēmas komponentu meklēšana un sistēmas komplektēšana.

Na kontūrā uzstādīti spiediena sensori ar iespēju mērīt spiedienu zem atmosfēras spiediena (0 bar abs.). Veikti darbi kontūra uzpildes uzlabošanai un mērsistēmas pilnīgošanai – precizētas termopāru atrašanās vietas un salabota tvertnes apsilde. Izmainīts plūsmas mērītāju pieslēgums, lai varētu kontūru darbināt arī otrā virzienā. Kontuŗam pievienoti 2 vibrāciju sensori, lai novērtētu kavitācijas procesa rašanās noteikšanas iespējas ar šiem sensoriem.

3. aktivitāte.

Veiktas divas eksperimentu sesijas ar Na cirkulācijas kontūru pēc spiediena sensoru ar iespēju mērīt spiedienu zem atmosfēras spiediena (0 bar abs.) uzstādīšanas. Izmēģināti divi plūsmas cirkulācijas virzieni un dažādas ieplūdes trakta kombinācijas (kad sūknis darbojas viens pats un kad ir ievērojama pretestība ieplūdes traktā – kad vienu sūknis velk šķidro metālu caur otru. Veikti mērījumi pie dažādām sūkņa rotora rotācijas frekvencēm, lai izpētītu sūkņa darbību dažādos ieejas spiedienos. Tāpat arī mainīta kontūra hidrauliskā pretestība, izmantojot kontūrā esošo vārstu ar bezpakāpju caurplūdes šķērsgriezuma maiņas iespējām. Veiktajos mērījumos sasniedza nātrija plūsmas ātrumus līdz 8 m/s un ieejas spiedienus līdz 0,04 bar. Mērījumu sesijā ar plūsmas virzienu “pa labi – pa pulksteni”, kontatēts, ka kavitācija notoek gan pie zemām, gan augstām kontūra hidrauliskās pretestības vērtībām, kas liecina, ka ieejas traktā pretestības pieaugums ir lielakā attālumā pirms sūkņa un kavitācija notiek jau hidraulisko pretestību mainošajā vārstā. Tādēļ tika uzsākti mērījumi arī virzienā “pa kreisi – pret pulksteni”. Tāpat tika uzstādīti divi vibrāciju sensori un izmēģināta to darbība un mērījuum pieraksta sistēma izmantojot National Instruments mērīšanas sistēmu.

4. aktivitāte.

Veikta Na cirkulācijas kontūra eksperimentu datu apstrāde. Aplūkota ieejas spiediena, spiediena krituma plūsmas kontūrā izmaiņas, sūkņa rotācijas frekvences, sūkņa piedziņas jaudas, attīstītā spiediena, temperatūras mērījumu, vibrāciju mērījumu datu apstrāde. Iegūtās sakarības ar plūsmas virzienu “pa labi – pa pulksteni”, liecina par kavitācijas procesu kavitācija notiek jau hidraulisko pretestību mainošajā vārstā pie augstākām hidrauliskās pretestības vērtībām, tāpat kā pie zemākām vērtībām, bet pie lieliem plušmas ātrumiem sūkņa kanālā. Līdzīga datu apstrāde veikta mērījumu sesijai, kas veikta plūsmas virzienā “pa kreisi – pret pulksteni”.

5. aktivitāte.

Publikācija "Experimental cavitation investigation of the electromagnetic PbBi pump with rotating permanent magnets. Authors - F. Boix, I. Bucenieks, L. Buligins M. Delonca, L. Goldsteins, T. Stora, K. Kravalis" publicēta konferences "Electromagnetic processing of materials 2021" materiālos, žurnālā “Magnetohydrodynamics” speciālizlaidumā. http://mhd.sal.lv/Download/download.php?ed=rn&vol=58&nr=1&an=21&p1=195&p2=195

K. KravalisF. BoixI. BucenieksL. BuliginsM. DeloncaL. Goldšteins and T. Stora. Experimental cavitation investigation of the electromagnetic PbBi pump with rotating permanent magnets. [ DOI: 10.22364/mhd.58.1-2.21]

Iesniegtais referāts :”Brēķis A., Buligins L., Bucenieks I. , Kravalis K., Mikanovskis O. Electromagnetic pumps with rotating permanent magnets inlet pressure influence on pressure– flow rate curves” konferencei “The 12th pamir International Conference on Fundamental and Applied MHD” pieņemts konferencei un tiks sniegts ziņojums konferencē. Iesniegts tāda pa\sa nosaukum zinātniskais raksts publicēšanai konferences materiālos.

Pēdējās izmaiņas veiktas