磁力驱动离心泵的研究现状

叶 装备制造技术曳2019 年第 10 期专论综述0 引言磁力驱动离心泵具有无轴封尧无泄漏等特点袁常用于输送易燃尧易爆尧有毒有害的特殊介质袁越来越广泛的应用于石油化工尧航空航天和军工等领域 [1-2] 遥1946 年英国 Charles Howard 和 Geoffrey Howard创办的 HMD 公司制造了世界上第一台磁力驱动离心泵袁 随后德国拜耳化学公司和英国帝国化学公司率先在工业生产中使用了磁力驱动离心泵袁 开启了磁力驱动离心泵发展的崭新时代遥美国 Sundyne 公司是目前世界领先的研发和生产磁力驱动离心泵的巨头袁Sundyne 先后收购了英国 HMD 公司尧 美国 AN原SIMAG 公司尧意大利 CASTER 公司袁其磁力驱动离心泵性能几乎可满足各种工业生产需求遥我国对磁力驱动离心泵的研究及应用较迟袁从上世纪 70 年代末才开始磁力驱动离心泵研究与开发袁 较早从事磁力驱动离心泵研究的单位有航天部兰州 510 研究所尧太仓磁力泵有限公司尧上海化工研究院尧合肥通用机械研究所等袁前期主要是在消化吸收国外已有的磁力驱动离心泵技术基础上袁 进行国产磁力驱动离心泵的研制遥80 年代以来袁国内开始注重具有自主知识产权的磁力驱动离心泵产品的研发袁其中甘肃省科学院磁性器件研究所尧太仓磁力泵有限公司等单位先后开发出了达到国际先进水平的磁力驱动离心泵产品遥 进入 21 世纪袁江苏大学流体机械研究中心承担了包括国家科技支撑计划项目在内的磁力驱动离心泵研发项目袁 研制了系列化的磁力驱动离心泵产品袁 先后荣获中石化科技进步二等奖和国家科技进步二等奖等奖励遥目前对磁力驱动离心泵的研究主要集中在内部流场尧磁力联轴器尧冷却回路尧轴向力和径向力尧运行监控等方面遥1 内部流场为了设计高效的磁力驱动离心泵水力模型袁必须掌握其内部流场规律遥 随着科学技术的发展袁近年来ANSYS CFX尧ANSYS FLUENT尧STAR-CCM尧PumpLinx等 CFD渊 Computer Fluid Dynamics冤软件的广泛使用极大地提升了磁力驱动离心泵的内部流动分析效率袁有助于优化泵的水力设计遥为改善高速磁力驱动离心泵的抗汽蚀性能袁孔繁余等 [3] 通过在泵的吸入口处加设了导流栅遥 通过使用 ANSYS Fluent 软件对两款高速磁力驱动离心泵模型渊 设置导流栅和未设置导流栅冤内部流场进行数值模拟袁 分析了两种模型泵体内部压力分布情况和粒子流动轨迹遥 研究结果表明在吸入口设置轴向导流栅能有效提高磁力驱动离心泵的抗汽蚀性能遥为进一步研究磁力驱动离心泵内部流动情况袁孔繁余等 [4] 运用 ANSYS Fluent 数值模拟了高速磁力驱动离心泵内部叶轮和蜗壳内部的速度场和压力场分布袁 并将模拟获得的外特性指标尧 叶轮内能量损磁力驱动离心泵的研究现状赵 飞1，2渊 1。

无锡职业技术学院 机械技术学院袁江苏 无锡 214121曰2。江苏大学 流体机械研究中心袁江苏 镇江 212013冤摘 要： 磁力驱动离心泵由于其独有的无轴封尧无泄漏等特点袁常用于输送易燃尧易爆尧有毒有害的特殊介质袁越来越广泛的应用于石油化工尧航空航天和军工等领域遥 本文介绍了磁力驱动离心泵的国内外发展概况袁对磁力驱动离心泵的内部流场尧磁力联轴器尧冷却回路尧轴向力和径向力尧运行状态监控的研究情况进行了总结袁并指出了磁力驱动离心泵的发展趋势遥关键词： 磁力驱动曰离心泵曰内部流场曰联轴器曰冷却回路曰监控中图分类号： TH311 文献标识码： A 文章编号： 1672-545X（2019）10-0159-03收稿日期： 2019-07-22基金项目： 江苏高校品牌专业建设工程项目渊 PPZY2015A086冤曰无锡职业技术学院科研项目渊 ZK201804冤作者简介： 赵 飞渊 1982-冤袁男袁江苏张家港人袁讲师袁高级技师袁博士研究生袁主要从事测控技术及流体机械等方面的研究遥159Equipment Manufacturing Technology No。10袁2019失尧蜗壳内能量损失尧圆盘能量损失与试验数值进行了对比遥 研究结果表明袁Fluent 软件模拟计算的高速磁力泵外特性指标与试验测量值接近袁 模拟结果具有较高的可信度遥数值模拟有助于分析优化磁力驱动离心泵的水力设计袁符杰等 [5] 采用速度系数法进行了叶轮设计袁在此基础上使用 CFD 软件对磁力驱动离心泵进行数值模拟袁 根据计算结果进行了泵的性能分析和水力优化设计袁获得了泵的性能曲线袁为磁力驱动离心泵的设计提供了可借鉴的技术参数遥为了解输送不同介质情况下的磁力驱动离心泵的内部流场分布袁孙静如等 [6] 运用 ANSYS CFX 软件分析了用于输送高温热油的磁力驱动离心泵的流场分布袁 对比分析了高温热油和常温常压水两种介质下的泵的性能指标遥 研究结果表明院磁力泵在大流量区间渊 1。

0Qd耀1。6Qd冤工作时泵腔内流线分布顺畅袁叶片区域压力分布均匀袁叶轮区域无脱流现象袁高温热油和常温常压水两种不同介质对泵的效率和扬程影响不大遥2 磁力联轴器在磁力驱动离心泵发展的初期袁 由于稀土钴永磁体材料的磁力性能较差袁 导致磁力驱动联轴器的传递效率较低袁 随着衫钴和汝铁硼永磁体材料的诞生袁磁力驱动联轴器的传递效率得到了较大提升遥为了解磁力驱动离心泵磁力联轴器的磁场分布情况袁孔繁余等 [7] 运用 ANSYS 分析了磁力驱动离心泵磁力联轴器的磁场分布和影响磁转矩的因素遥 数值模拟了内外磁转子在不同转角尧不同轭铁厚度尧不同磁极时磁转矩大小和磁场分布情况遥为探索不同磁体阵列结构的磁力联轴器传递的转影响袁袁丹青等 [8] 运用 ANSYS 模拟计算了 Halbach阵列和传统磁体阵列两种阵列结构的磁力联轴器在不同磁极对数尧转角差尧轭铁厚度和永磁体厚度时传递的转矩遥 研究结果表明袁Halbach 阵列结构的磁力驱动联轴器传递的转矩明显高于传统整列结构磁力驱动联轴器遥为了解不同金属材质隔离套在高速磁力驱动离心泵中产生的涡流能量损失差异袁孔繁余等 [9] 运用ANSYS 分别对 1Cr18Ni9Ti 和 TC4 两种不同材质的磁力驱动离心泵隔离套进行了涡流损失数值模拟袁并进行了试验对比遥研究结果表明院 1Cr18Ni9Ti 材质的涡流损失是 TC4 材质涡流损失的 2。

26 倍袁 实际试验值与数值模拟值基本吻合遥TC4 合金材质隔离套的是高速磁力驱动离心泵的理想选择遥为探索磁力驱动离心泵中磁转角尧 转速变化对转矩和涡流损失的影响袁董亮等 [10] 应用 Maxwell 软件对高速磁力驱动离心泵联轴器进行了瞬态数值模拟遥 研究结果表明袁高速磁力驱动离心泵永磁联轴器的输出转矩基本不变遥 联轴器涡流损失随转速增加而增加袁随磁转角的增加而降低袁如图 1 所示 [10] 遥3 冷却回路磁力驱动离心泵温度过高导致永磁体消磁和损坏隔离套袁谭林伟等为解决这一问题袁设计了磁力驱动离心泵冷却循环回路袁并运用 ANSYS 数值模拟了隔离套上的涡流发热量遥 使用 N-S 方程尧能量方程尧标准 k-着 模型和 SIMPLEC 算法袁数值模拟了磁力驱动离心泵冷却循环回路的内部流场和温度场遥 数值计算结果显示袁 冷却循环回路内部流动为螺旋运动渊 由直线运动和圆周运动合成冤遥 在外循环工作方式下隔离套内温度分布较为均匀袁 在内循环工作方式下隔离套下部压力较低温度最高遥 转速的增加能够促进泵内流动介质层间的热量交换袁 从而可以提升冷却回路的循环降温效果袁如表 1 所示 [11] 遥4 轴向力和径向力磁力驱动离心泵转子的受力平衡情况直接影响到泵的使用寿命遥 在磁力驱动离心泵结构设计时袁平衡转子的轴向受力是重要的考虑因素遥孔繁余等 [12] 通表 1 转速对冷却效果的影响转速/ 渊 r/min冤 最高温度/K 壁面换热系数/ 渊 W窑m -2 k冤0 387 25351450 309 237912900 307 417247800 306 94803图 1 涡流损失与转速及磁转角关系750r/min1000r/min1500r/min3000r/min6000r/min7800r/min3100500-50-1。

5 1。5 4。5 7。5 10。5 13。5 16。50。0 3。0 6。0 9。0 12。0 15。0磁转角 渍/ 渊 毅冤160叶 装备制造技术曳2019 年第 10 期过合理设计冷却回路实现了高速磁力驱动离心泵的轴向力平衡袁 并给出了详细的轴向力平衡设计的计算流程遥 通过该计算流程设计的磁力驱动离心泵样机经实际运行证明了该计算流程的正确性遥磁力驱动离心泵中回流孔的设置十分重要袁曹卫东等 [13] 通过数值模拟获取了磁力驱动离心泵内部压力分布情况袁合理设计了回流孔袁计算分析了转子的轴向受力情况遥 研究结果表明袁磁力驱动离心泵中设置回流孔可以有效降低泵腔温度袁 合理设置口环的间隙可以有效平衡转子的轴向受力遥张焕俐等 [14] 分析了磁力驱动离心泵中产生轴向力和径向力的原因袁 详细给出了磁力驱动离心泵中轴向力及径向力的计算方法和公式遥 同时提出了在泵的设计中可以有效平衡轴向力和径向力的方法袁以实现泵的稳定高效运行遥5 运行监控对磁力驱动离心泵的运行状态进行监控可以有效的获取泵的运行情况袁 提前预测可能出现的故障袁避免生产事故的发生遥 袁铁军等 [15] 基于神经网络和回归分析法分别构建了磁力驱动离心泵滑动轴承监测系统中传感器的数学模型袁搭建了实验及数据采集系统袁对比分析了两种数学模型袁研究结果表明基于神经网络的轴承监测传感器数学模型监测效果较好遥对磁力驱动离心泵的状态感知和故障诊断袁需要对轴承磨损和隔离套温升等方面进行有效的监测遥康仕彬等 [16] 结合磁力驱动离心泵的结构及运行特点袁搭建了基于单片机和上位机的分布式监测系统袁实现了对生产现场多台磁力驱动离心泵的滑动轴承状态和隔离套温度进行实时监控袁 并具备监测数据超阈值报警尧停机保护等功能遥关红艳等 [17] 设计了用于监测磁力驱动离心泵内部压力和隔离套温度的实时监控系统袁 在系统中设计冗余辅助泵袁 不仅实现了对磁力泵状态监控和故障停机袁而且实现了生产过程的连续性袁可以有效保证整个生产系统的安全可靠运行遥为了实现对磁力驱动离心泵轴承磨损情况进行有效监测袁 曾培等创新设计了新型轴承磨损检测传感器袁 将磨损检测由传统的曲面测量转换为平面测量袁其结构如图 2 所示 [18] 遥检测探头与检测轮构成检测磁路遥 检测轮固定在内磁转子上遥 检测探头固定在隔离套上袁检测探头内装有霍尔电路尧磁钢尧导磁体遥 霍尔电路输出电压值与检测探头的面积变化量有关袁 即和检测轮移动位移量有关遥 该轴承磨损检测传感器分辨率达到了0。

1 mm袁灵敏达到了为 10 mV/mm袁可以有效监测轴承磨损情况遥6 发展趋势渊 1冤目前磁力驱动离心泵的运行效率低于普通离心泵袁造成了较大的能源消耗袁需要性能更好的永磁体和磁力联轴器来降提升效率降低能耗遥渊 2冤针对磁力驱动离心泵运行过程中的磁力联轴器发热退磁问题袁需要进一步开发设计更为有效的冷却回路或冷却装置遥渊 3冤针对特殊应用场合下的高温高压尧高转速的特种磁力驱动离心泵的研制遥渊 4冤 磁力驱动离心泵的减振降噪问题将是今后一段时期的研究热点遥渊 5冤随着科技的发展和生产过程智能化的需要袁基于大数据和物联网的磁力驱动离心泵运行状态在线监测和故障诊断系统是必不可少的遥参考文献： [1] Brodersen S。 Magnetic-drive pumps院 technology and new applications[J]。 Hydrocarbon Processing袁 2001袁 80渊 3冤院45-48。[2] Thompson K。 What the future holds for magnetic drive pumps电动机连接架外磁转子检测探头出线管磁力泵隔离套 磁钢泵外壳叶轮电动机轴滑动轴承滑动轴承磁钢 内滑动轴承支架磁力泵轴内磁转子渊 a冤结构图 2 磁力驱动离心泵轴承磨损传感器示意图渊 b冤局部放大磁力泵隔离套垫片内滑动轴承支架垫片检测探头检测探头封盖检测轮渊 下转第 185 页冤161叶 装备制造技术曳2019 年第 10 期The Reform and Implementation of Solidworks Classroom TeachingLIN Li-juan渊 Xiamen Xingcai Vocational and Technical College袁Xiamen Fujian 361024袁 China冤Abstract： In view of the problems in the teaching process of three-dimensional software for mechanical and electri原cal majors袁 the combination of courses and actual cases is not close袁 so students can not use what they havelearned。

Key words： solidworks曰 3d drawing曰 teaching reform曰 resultsReview on the Research of Magnetic Driven Centrifugal PumpZHAO Fei 1袁2渊 1。School of Mechanical Technology袁 Wuxi Institute of Technology袁 Wuxi Jiangsu 214121袁 China曰2。Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology袁 Jiangsu Zhenjiang 212013袁 China冤Abstract： Due to its unique shaftless seal and no leakage袁the magnetically driven centrifugal pump is often usedto transport flammable袁explosive袁toxic and harmful special media袁and is widely used in petrochemical袁aerospaceand military industries。

[3] 孔繁余袁张洪利袁高翠兰袁等。基于流场数值模拟的高速磁力泵汽蚀性能研究[J]。农业机械学报袁2009袁40渊 9冤院89-93。[4] 孔繁余袁王志强袁吕毅袁等。基于内流场数值模拟的高速磁力泵性能研究[J]。石油机械袁2009袁37渊 4冤院31-34袁2。[5] 符杰袁宋文武袁李世堃。基于 CFD 分析的磁力泵优化设计[J]。水泵技术袁2011渊 1冤院29-32。[6] 孙静如袁屈晓云袁周以松袁等。高温高压磁力泵流场模拟及轴向力分析[J]。排灌机械工程学报袁2019袁37渊 1冤院25-30。[7] 孔繁余袁陈刚袁曹卫东袁等。磁力泵磁性联轴器的磁场数值计算[J]。机械工程学报袁2006渊 11冤院213-218。[8] 袁丹青袁李建萍袁何有泉袁等。Halbach 型磁力联轴器传动转矩的特性分析[J]。磁性材料及器件袁2011袁42渊 1冤院36-40。[9] 孔繁余袁张勇袁邵飞袁等。高速磁力泵隔离套的磁涡流损失[J]。农业工程学报袁2012袁28渊 1冤院61-65袁295。[10] 董亮袁代翠袁孔繁余袁等。400Hz 高速磁力泵永磁联轴器磁场特性分析[J]。机械设计与制造袁2014渊 9冤院112-115。

[11] 谭林伟袁施卫东袁孔繁余袁等。磁力泵冷却循环回路的设计及数值模拟[J]。农业工程学报袁2015袁31渊 8冤院84-91袁316-317。[12] 孔繁余袁刘建瑞袁施卫东袁等。高速磁力泵轴向力平衡计算[J]。农业工程学报袁2005渊 7冤院69-72。[13] 曹卫东袁朱荣生。卧式磁力泵轴向力平衡及回流孔设计[J]。流体机械袁2006渊 1冤院43-46。[14] 张焕俐袁叶子兆袁解喆。磁力泵轴向力和径向力的分析与计算[J]。水泵技术袁2007渊 1冤院6-10。[15] 袁铁军袁曾培袁孔繁余。神经网络在磁力泵滑动轴承监测系统中的应用[J]。农业机械学报袁2007渊 1冤院206-207袁197。[16] 康仕彬袁袁丹青袁丛小青袁等。分布式磁力泵群智能监测系统的设计研究[J]。中国农村水利水电袁2009渊 4冤院46-48袁53。[17] 关红艳袁杨逢瑜袁王其磊。磁力泵运转状态监控系统的研究[J]。流体机械袁2010袁38渊 7冤院42-44。[18] 曾培袁曾昊袁徐德富袁等。磁力泵滑动轴承磨损传感器设计[J]。排灌机械工程学报袁2019袁37渊 05冤院400-405。渊 上接第 161 页冤185