金森乾

(1. 渤海裝備蘭州石油化工機械廠；2. 甘肅省煉化特種裝備工程技術(shù)研究中心)

抗抽空磁力傳動泵結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)要點*

金森乾**1,2

(1. 渤海裝備蘭州石油化工機械廠；2. 甘肅省煉化特種裝備工程技術(shù)研究中心)

從抗抽空磁力傳動泵的水力設(shè)計、轉(zhuǎn)子軸向力平衡設(shè)計、泵介質(zhì)潤滑冷卻系統(tǒng)、隔離套水冷系統(tǒng)以及高效磁力傳動器設(shè)計計算等方面對抗抽空磁力傳動泵結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了說明。

抗抽空磁力傳動泵 結(jié)構(gòu)設(shè)計

磁力泵具有無泄漏的優(yōu)點，在石油化工等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，但也存在抽空狀態(tài)下軸承和磁缸得不到冷卻，易導(dǎo)致磁體退磁、軸承燒壞的缺陷?？钩榭沾帕鲃颖貌捎脤Ｓ屑夹g(shù)，可有效解決磁力泵抽空狀態(tài)下磁體退磁的問題，提高磁力泵的可靠性，滿足生產(chǎn)要求的同時也為用戶減少了大量的維修費用。筆者對抗抽空磁力傳動泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了說明。

1 抗抽空磁力傳動泵結(jié)構(gòu)設(shè)計

抗抽空磁力泵的出口壓力為1MPa，輸送易燃易爆的石油產(chǎn)品，根據(jù)API 610第八版的要求，其基本結(jié)構(gòu)形式是徑向剖分、采用臥式離心泵的單級懸臂式結(jié)構(gòu)(圖1)。

圖1 抗抽空磁力傳動泵結(jié)構(gòu)

抗抽空傳動泵由泵體、轉(zhuǎn)子組件、冷卻箱組件、軸承箱組件及磁力傳動器等組成。在泵的設(shè)計過程中，遇到了很多難題，如何解決好這些問題是設(shè)計工作的難點。

1.1水力設(shè)計

通過對泵的轉(zhuǎn)速、葉輪直徑與級數(shù)、葉片扭曲度及葉片進/出口安放角等參數(shù)的合理匹配進行優(yōu)化設(shè)計，在保證汽蝕性能的前提下，兼顧減少容積損失、水力損失，提高機組整體效率。過流部件采用專用軟件優(yōu)化設(shè)計，保證所設(shè)計的抗抽空磁力泵具有良好的能量特性和汽蝕特性。

葉輪是影響磁力驅(qū)動離心泵性能的關(guān)鍵零件，是泵的核心部分。泵的流量、揚程、效率、抗氣蝕性能和特性曲線均與葉輪的水力設(shè)計有重要關(guān)系。葉片形狀較為復(fù)雜，要求水力流線光滑暢通，為達到泵的設(shè)計要求，葉輪采用精密鑄造。葉輪加工后按照G2.5要求進行動平衡試驗，用銑削的方式除去多余的不平衡量。

1.2轉(zhuǎn)子軸向力平衡設(shè)計

離心泵在運轉(zhuǎn)時，由于液流作用在葉輪表面上的力不平衡，在其轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個方向與軸心線平行的軸向力。為平衡軸向力，采用前后止推盤，在葉輪上開平衡孔的同時設(shè)計軸向力自平衡系統(tǒng)[1]。

首先調(diào)整轉(zhuǎn)子的軸向竄動量，使安裝了耐磨材料的泵體密封環(huán)與噴涂了耐磨材料的葉輪口環(huán)的間隙值在一定范圍之內(nèi)，一般最大值為0.5左右。轉(zhuǎn)子沿著軸向力方向竄動，如果軸向力朝向進口方向，則隨著轉(zhuǎn)子竄動，葉輪口環(huán)與泵體密封環(huán)間隙逐漸減小，這樣就會在葉輪前蓋板上產(chǎn)生憋壓，使前蓋板壓力增大，當(dāng)壓力增大到一定程度就會使軸向力方向發(fā)生改變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子向電機方向竄動，葉輪口環(huán)與泵體密封環(huán)間隙增大，泄漏量隨之增加，前蓋板壓力下降，下降到一定程度后軸向力又反向。轉(zhuǎn)子在動態(tài)系統(tǒng)中尋求一種動態(tài)平衡，繼而達到轉(zhuǎn)子軸向力的平衡。

1.3泵介質(zhì)潤滑冷卻系統(tǒng)和隔離套水冷系統(tǒng)設(shè)計

抗抽空泵增加了普通磁力泵沒有的水冷盤管雙重冷卻系統(tǒng)和小葉輪。水冷盤管系統(tǒng)不但對軸承箱內(nèi)介質(zhì)起冷卻作用，而且直接對外磁缸、隔離套進行冷卻，當(dāng)泵抽空或正常運轉(zhuǎn)時，前、后軸承和內(nèi)、外磁缸都能得到潤滑與冷卻，不存在溫度過高、軸承磨損和內(nèi)、外磁缸燒壞的現(xiàn)象，從而使得磁力泵具有了抗抽空能力[1]。

通過設(shè)計抗抽空結(jié)構(gòu)，巧妙利用小葉輪的旋轉(zhuǎn)帶動介質(zhì)流動，使之進入內(nèi)磁缸與隔離套的縫隙中，最后從主軸內(nèi)孔流入小葉輪，與葉輪出口處流入軸承箱內(nèi)的介質(zhì)不斷交換形成循環(huán)。循環(huán)介質(zhì)將隔離套中產(chǎn)生的渦流熱帶走，達到冷卻內(nèi)磁缸與隔離套的目的。當(dāng)泵抽空時，小葉輪的旋轉(zhuǎn)在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中產(chǎn)生一個軸向力，推動密封壓蓋壓緊介質(zhì)出口形成封閉介質(zhì)空間，由于水冷環(huán)的冷卻作用，軸承和內(nèi)、外磁缸不會燒壞。

1.4滑動軸承的結(jié)構(gòu)選擇

滑動軸承主要按潤滑介質(zhì)的狀態(tài)設(shè)計結(jié)構(gòu)，根據(jù)介質(zhì)的潤滑性來選擇確定潤滑結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計要求和適應(yīng)性，選擇具有自潤滑性能的石墨滑動軸承，滑動軸承采用普通導(dǎo)流槽式結(jié)構(gòu)(圖2)，導(dǎo)流槽為螺旋槽形式。

圖2 導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)

滑動軸承是由滑動軸套和滑動軸瓦組成的一對摩擦副，本設(shè)計中的石墨滑動軸承在使用和裝配過程中易碎，因此滑動軸承的軸瓦、軸套件設(shè)計精度高、加工要求嚴格，屬精密機械零件，裝配精度要求高，如不能有過盈量，拆裝過程不能發(fā)生敲打、碰撞、拉傷及變形等現(xiàn)象。

2 高效磁力傳動器的設(shè)計計算

筆者設(shè)計的抗抽空磁力傳動泵選用國際上最先進的緊密組合拉推式為永磁體排列形式(圖3)。

圖3 磁體排列形式

額定運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Te的計算式為[2]：

式中n——轉(zhuǎn)速，r/min；

Pc——計算功率，kW。

泵的設(shè)計效率P=ρgQH/(3600×1000)=1×103×9.8×100×25/(3600×1000)=6.8kW。按設(shè)計效率P是計算功率Pc的46%考慮，則計算功率Pc=6.8/46%=14.8kW，額定運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Te=9550×14.8/2950=48N·m。

2.1功率匹配與修正

永磁磁力驅(qū)動傳遞力或轉(zhuǎn)矩過程的最大傳遞力或轉(zhuǎn)矩是一恒定值，但考慮到實際工程中情況復(fù)雜，因此應(yīng)根據(jù)實際情況進行功率匹配或修正：

a. 在直線運動、螺旋運動和低轉(zhuǎn)速運動中采用直接啟動，啟動時間長，加速度較小，運動平穩(wěn)，啟動力或轉(zhuǎn)矩與額定值的差值?。?/p>

b. 在空載狀態(tài)下直接啟動，啟動時間較短，加速度較大，啟動力或轉(zhuǎn)矩與額定值的差值較大；

c. 在輕負荷狀態(tài)下直接啟動，啟動時間較短，加速度較大，啟動力或轉(zhuǎn)矩與額定值的差值較大；

d. 在重負荷狀態(tài)下直接啟動，啟動時間短，加速度較大，啟動力或轉(zhuǎn)矩與額定值的差值較大。

因此，在運行啟動過程中，根據(jù)不同的運動狀態(tài)和負載狀態(tài)采用不同的啟動方式，必要時可采用延時啟動的辦法，控制或減小啟動過程的加速度值，有效地控制啟動力或轉(zhuǎn)矩，減小啟動力或轉(zhuǎn)矩與額定運動的差值。由此確定此泵采用輕載狀態(tài)下啟動或延時啟動。

2.2轉(zhuǎn)矩匹配與修正

運動機構(gòu)特別是旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)的啟動過程力或轉(zhuǎn)矩的變化較大、過程較為復(fù)雜，因此在磁力驅(qū)動力或轉(zhuǎn)矩的設(shè)計計算中應(yīng)進行匹配與修正。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗取啟動系數(shù)α=1.8，則Tq=αTe=1.8×48=86.4 N·m，為了有一定的安全余量，取磁力驅(qū)動器最大轉(zhuǎn)矩Tmax=90N·m。

2.3隔離套的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇

在磁力驅(qū)動器中，高壓介質(zhì)密封完全由隔離套承擔(dān)，因此設(shè)計時應(yīng)使隔離套承受壓力時的變形量不超過設(shè)計要求，且要減少隔離套在交變磁場作用下產(chǎn)生的渦流損失，以提高磁驅(qū)動的工作效率。

根據(jù)裝置的介質(zhì)狀態(tài)、壓力狀態(tài)、磁力驅(qū)動器結(jié)構(gòu)形式和磁場間隙大小設(shè)計隔離套結(jié)構(gòu)(圖4)。隔離套選用鈦合金材料，因為該材料不能被磁化且電阻力大，從而保證了磁傳動的可靠性[3]。

圖4 隔離套結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)束語

抗抽空磁力傳動泵采用機電儀一體化設(shè)計，泵可自身保護，設(shè)有軸承檢測器以保護隔離套與內(nèi)磁缸不會發(fā)生接觸。抗抽空磁力傳動泵水力與結(jié)構(gòu)設(shè)計、高效磁力傳動器研制、抗抽空技術(shù)研究及轉(zhuǎn)子振動等主要指標(biāo)符合API 610第八版的規(guī)定，形成了抗抽空磁力傳動泵產(chǎn)品設(shè)計、制造、試驗及維護等專有技術(shù)，而且抗抽空磁力傳動泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計已成功完成實用新型專利申報(200620136491.5)，具有廣闊的市場前景。

[1] 金森乾，魏奇，劉泉明，等.KCB65/50-100型抗抽空磁力泵研制開發(fā)[J].通用機械，2008，(1)：82～84.

[2] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993.

[3] 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵設(shè)計手冊[M].北京：宇航出版社，1995.

StructuralDesignofAnti-evacuationMagneticDrivePump

JIN Sen-qian1,2

(1.BohaiEquipmentLanzhouPetrochemicalMachinery,Lanzhou730065,China; 2.GansuEngineeringResearchCenterofPetrochemicalSpecialtyEquipment,Lanzhou730065,China)

The structural design of an anti-evacuation magnetic drive pump was described, including the design of hydraulic system, rotor’s axial force balance system, lubricating and cooling system, water-cooling system for spacer sleeves and high-efficient magnetic driver.

antievacuation magnetic drive pump, structural design

*甘肅省科技基金資助項目(1206GTGA014)。

**金森乾，男，1965年5月生，工程師。甘肅省蘭州市，730060。

TQ051.21

A

0254-6094(2015)01-0048-03

2014-04-14，

2015-01-08)