陳 超，張貴軍

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

圖1 傳統(tǒng)磁力泵的結(jié)構(gòu)

1 磁力泵的原理及結(jié)構(gòu)

磁力泵核心部件主要包括外磁體、隔離套、內(nèi)磁體以及軸承，如圖1所示，其原理是：在外磁體和內(nèi)磁體上分別布置1圈或多圈相異磁極的永磁體，中間由隔離套將內(nèi)、外磁體分開，當(dāng)外磁體旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)異性相吸的原理，內(nèi)磁體也會(huì)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)葉輪做功這種型式的泵在實(shí)現(xiàn)磁力傳動(dòng)的同時(shí)，擯棄了動(dòng)密封，可達(dá)到無泄漏的目的。

由于磁力泵的隔離套始終做著切割磁感線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)于金屬隔離套來說，將會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，這就需要引入一股冷卻介質(zhì)，冷卻隔離套的同時(shí)，還可為滑動(dòng)軸承提供潤滑(見圖2)。

磁力泵具有無泄漏、可過載保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在效率低、要求泵送介質(zhì)清潔、對(duì)隔離套材質(zhì)要求高的不足。

2 軸向力的產(chǎn)生及平衡

磁力泵軸向力的產(chǎn)生源于以下幾個(gè)方面【1】：

1) 葉輪前、后蓋板上的壓力不一致，指向入口。此力的大小主要與前、后口環(huán)位置以及軸承腔的壓力有關(guān)。

2) 引進(jìn)的相對(duì)高壓的冷卻循環(huán)流體作用在內(nèi)磁轉(zhuǎn)子上，指向入口。冷卻潤滑液從高壓區(qū)流經(jīng)軸承體和隔離套，最后流入泵入口區(qū)。內(nèi)磁總成的壓力差導(dǎo)致指向入口的軸向力存在。

圖2 自沖洗潤滑結(jié)構(gòu)

3) 液體軸向進(jìn)入泵體，沿著徑向流出，其受到葉輪作用力的同時(shí)，會(huì)給葉輪一個(gè)反作用力，方向指向電機(jī)側(cè)，大小可以按照動(dòng)量守恒定律計(jì)算。

總的軸向力等于以上3部分的力矢量和，一般指向泵入口。軸向力直接作用在止推軸承上。過大的軸向力將使止推軸承的端面比壓增加。同時(shí)，對(duì)于一般的磁力泵，止推軸承并無法形成有效的“液體楔”來產(chǎn)生反向力，因此容易使得止推軸承磨損失效【2-4】。這在大功率磁力泵中更為常見。

3 軸向自平衡型磁力泵

圖3展示了一種不使用止推軸承的新型磁力泵。

圖3 新型軸向自平衡型磁力泵剖面

該泵有如下特色：

1) 集成了內(nèi)磁體的一體化碳纖維增強(qiáng)ETFE葉輪，增大了扭矩傳遞，可滿足較大流量和揚(yáng)程需求。

2) 采用靜態(tài)懸臂軸，可以承受更大的徑向力，有效降低徑向軸承的受力比壓。

3) 取消了推力軸承，采用節(jié)流控制，實(shí)現(xiàn)軸向水力自平衡，如圖4所示。該泵允許轉(zhuǎn)子在一定范圍內(nèi)軸向移動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子受到較大的指向泵入口的軸向力時(shí)，轉(zhuǎn)子將向泵入口方向移動(dòng)，此時(shí)，泵密封腔節(jié)流結(jié)構(gòu)的節(jié)流口的尺寸會(huì)增加，使密封腔的壓力迅速減小，從而使得軸向力之和減小，達(dá)到力的平衡；反之亦然。圖5顯示了以上2種情況下，節(jié)流口大小的改變。

圖4 采用節(jié)流控制口的磁力泵剖面

圖5 軸向力改變時(shí)節(jié)流口尺寸的變化

4 數(shù)值模擬

根據(jù)伯努利方程，當(dāng)流體處于音速以下流動(dòng)時(shí)，節(jié)流會(huì)使節(jié)流面的壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。下面將通過流體數(shù)值模擬的方法定性分析節(jié)流平衡的可行性。流道示意見圖6，三維流道模型見圖7。

圖6 流道示意

按照?qǐng)D6所示的流道圖，使用Ansys CFX建立三維的流道模型。根據(jù)不同條件建立不同的節(jié)流口模型并畫出四面體網(wǎng)格，如圖8所示。

圖7 三維流道模型

圖8 不同節(jié)流口模型網(wǎng)格

如圖9所示，黑色箭頭部分為入口邊界，采用2.0 MPa壓力入口模式：藍(lán)色箭頭為背壓1.0 MPa的開放口邊界，根據(jù)腔內(nèi)壓力，流體可以從這個(gè)口流入或流出；紅色部分表示對(duì)稱邊界條件，其他面設(shè)置為壁面邊界條件。

采用靜態(tài)分析、標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，設(shè)置殘差監(jiān)測。

圖9 邊界條件的施加

計(jì)算收斂后，取對(duì)稱面進(jìn)行分析，如圖10所示。由圖10可知，壓力變化區(qū)域集中在密封腔內(nèi)，在節(jié)流口附近的變化最為劇烈。將此區(qū)域放大，如圖11 所示。

在密封腔中畫一條直線作為路徑(如圖11中黑色直線所示)，分析不同節(jié)流口狀態(tài)下密封腔的壓力分布(如圖12所示)。

圖10 模擬結(jié)果

圖11 不同節(jié)流口狀態(tài)下的模擬結(jié)果

由圖12可以看出：窄節(jié)流口狀態(tài)下，密封腔平均壓力為1.79 MPa；而寬節(jié)流口狀態(tài)下，密封腔的平均壓力為1.65 MPa?？梢姴煌墓?jié)流口尺寸對(duì)密封腔的壓力狀態(tài)有著比較明顯的影響。這就驗(yàn)證了通過控制節(jié)流口的尺寸改變可以控制密封腔壓力、 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)泵的軸向力自平衡的結(jié)論。

5 結(jié)語

軸向自平衡型磁力泵取消了推力軸承設(shè)計(jì)，改用節(jié)流口控制密封腔壓力，從而實(shí)現(xiàn)軸向力的自平衡，減少了一個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)，解決了工程應(yīng)用中推力軸承總是損壞的問題。

通過數(shù)值模擬，定性地驗(yàn)證了改用節(jié)流口實(shí)現(xiàn)軸向力自平衡的可行性。