磁力驅動離心泵的研究現狀

趙 飛

（1.無錫職業技術學院機械技術學院，江蘇 無錫 214121；2.江蘇大學流體機械研究中心，江蘇 鎮江 212013）

0 引言

磁力驅動離心泵具有無軸封、無泄漏等特點，常用于輸送易燃、易爆、有毒有害的特殊介質，越來越廣泛的應用于石油化工、航空航天和軍工等領域[1-2]。

1946年英國Charles Howard和Geoffrey Howard創辦的HMD公司制造了世界上第一臺磁力驅動離心泵，隨后德國拜耳化學公司和英國帝國化學公司率先在工業生產中使用了磁力驅動離心泵，開啟了磁力驅動離心泵發展的嶄新時代。美國Sundyne公司是目前世界領先的研發和生產磁力驅動離心泵的巨頭，Sundyne先后收購了英國HMD公司、美國ANSIMAG公司、意大利CASTER公司，其磁力驅動離心泵性能幾乎可滿足各種工業生產需求。

我國對磁力驅動離心泵的研究及應用較遲，從上世紀70年代末才開始磁力驅動離心泵研究與開發，較早從事磁力驅動離心泵研究的單位有航天部蘭州510研究所、太倉磁力泵有限公司、上海化工研究院、合肥通用機械研究所等，前期主要是在消化吸收國外已有的磁力驅動離心泵技術基礎上，進行國產磁力驅動離心泵的研制。80年代以來，國內開始注重具有自主知識產權的磁力驅動離心泵產品的研發，其中甘肅省科學院磁性器件研究所、太倉磁力泵有限公司等單位先后開發出了達到國際先進水平的磁力驅動離心泵產品。進入21世紀，江蘇大學流體機械研究中心承擔了包括國家科技支撐計劃項目在內的磁力驅動離心泵研發項目，研制了系列化的磁力驅動離心泵產品，先后榮獲中石化科技進步二等獎和國家科技進步二等獎等獎勵。

目前對磁力驅動離心泵的研究主要集中在內部流場、磁力聯軸器、冷卻回路、軸向力和徑向力、運行監控等方面。

1 內部流場

為了設計高效的磁力驅動離心泵水力模型，必須掌握其內部流場規律。隨著科學技術的發展，近年來ANSYS CFX、ANSYS FLUENT、STAR-CCM、PumpLinx等CFD（Computer Fluid Dynamics）軟件的廣泛使用極大地提升了磁力驅動離心泵的內部流動分析效率，有助于優化泵的水力設計。

為改善高速磁力驅動離心泵的抗汽蝕性能，孔繁余等[3]通過在泵的吸入口處加設了導流柵。通過使用ANSYS Fluent軟件對兩款高速磁力驅動離心泵模型（設置導流柵和未設置導流柵）內部流場進行數值模擬，分析了兩種模型泵體內部壓力分布情況和粒子流動軌跡。研究結果表明在吸入口設置軸向導流柵能有效提高磁力驅動離心泵的抗汽蝕性能。

為進一步研究磁力驅動離心泵內部流動情況，孔繁余等[4]運用ANSYS Fluent數值模擬了高速磁力驅動離心泵內部葉輪和蝸殼內部的速度場和壓力場分布，并將模擬獲得的外特性指標、葉輪內能量損失、蝸殼內能量損失、圓盤能量損失與試驗數值進行了對比。研究結果表明，Fluent軟件模擬計算的高速磁力泵外特性指標與試驗測量值接近，模擬結果具有較高的可信度。

數值模擬有助于分析優化磁力驅動離心泵的水力設計，符杰等[5]采用速度系數法進行了葉輪設計，在此基礎上使用CFD軟件對磁力驅動離心泵進行數值模擬，根據計算結果進行了泵的性能分析和水力優化設計，獲得了泵的性能曲線，為磁力驅動離心泵的設計提供了可借鑒的技術參數。

為了解輸送不同介質情況下的磁力驅動離心泵的內部流場分布，孫靜如等[6]運用ANSYS CFX軟件分析了用于輸送高溫熱油的磁力驅動離心泵的流場分布，對比分析了高溫熱油和常溫常壓水兩種介質下的泵的性能指標。研究結果表明：磁力泵在大流量區間（1.0Qd～1.6Qd）工作時泵腔內流線分布順暢，葉片區域壓力分布均勻，葉輪區域無脫流現象，高溫熱油和常溫常壓水兩種不同介質對泵的效率和揚程影響不大。

2 磁力聯軸器

在磁力驅動離心泵發展的初期，由于稀土鈷永磁體材料的磁力性能較差，導致磁力驅動聯軸器的傳遞效率較低，隨著衫鈷和汝鐵硼永磁體材料的誕生，磁力驅動聯軸器的傳遞效率得到了較大提升。

為了解磁力驅動離心泵磁力聯軸器的磁場分布情況，孔繁余等[7]運用ANSYS分析了磁力驅動離心泵磁力聯軸器的磁場分布和影響磁轉矩的因素。數值模擬了內外磁轉子在不同轉角、不同軛鐵厚度、不同磁極時磁轉矩大小和磁場分布情況。

為探索不同磁體陣列結構的磁力聯軸器傳遞的轉影響，袁丹青等[8]運用ANSYS模擬計算了Halbach陣列和傳統磁體陣列兩種陣列結構的磁力聯軸器在不同磁極對數、轉角差、軛鐵厚度和永磁體厚度時傳遞的轉矩。研究結果表明，Halbach陣列結構的磁力驅動聯軸器傳遞的轉矩明顯高于傳統整列結構磁力驅動聯軸器。

為了解不同金屬材質隔離套在高速磁力驅動離心泵中產生的渦流能量損失差異，孔繁余等[9]運用ANSYS分別對1Cr18Ni9Ti和TC4兩種不同材質的磁力驅動離心泵隔離套進行了渦流損失數值模擬，并進行了試驗對比。研究結果表明：1Cr18Ni9Ti材質的渦流損失是TC4材質渦流損失的2.26倍，實際試驗值與數值模擬值基本吻合。TC4合金材質隔離套的是高速磁力驅動離心泵的理想選擇。

為探索磁力驅動離心泵中磁轉角、轉速變化對轉矩和渦流損失的影響，董亮等[10]應用Maxwell軟件對高速磁力驅動離心泵聯軸器進行了瞬態數值模擬。研究結果表明，高速磁力驅動離心泵永磁聯軸器的輸出轉矩基本不變。聯軸器渦流損失隨轉速增加而增加，隨磁轉角的增加而降低，如圖1所示[10]。

圖1 渦流損失與轉速及磁轉角關系

3 冷卻回路

磁力驅動離心泵溫度過高導致永磁體消磁和損壞隔離套，譚林偉等為解決這一問題，設計了磁力驅動離心泵冷卻循環回路，并運用ANSYS數值模擬了隔離套上的渦流發熱量。使用N-S方程、能量方程、標準k-ε模型和SIMPLEC算法，數值模擬了磁力驅動離心泵冷卻循環回路的內部流場和溫度場。數值計算結果顯示，冷卻循環回路內部流動為螺旋運動（由直線運動和圓周運動合成）。在外循環工作方式下隔離套內溫度分布較為均勻，在內循環工作方式下隔離套下部壓力較低溫度最高。轉速的增加能夠促進泵內流動介質層間的熱量交換，從而可以提升冷卻回路的循環降溫效果，如表1所示[11]。

表1 轉速對冷卻效果的影響

4 軸向力和徑向力

磁力驅動離心泵轉子的受力平衡情況直接影響到泵的使用壽命。在磁力驅動離心泵結構設計時，平衡轉子的軸向受力是重要的考慮因素。孔繁余等[12]通過合理設計冷卻回路實現了高速磁力驅動離心泵的軸向力平衡，并給出了詳細的軸向力平衡設計的計算流程。通過該計算流程設計的磁力驅動離心泵樣機經實際運行證明了該計算流程的正確性。

磁力驅動離心泵中回流孔的設置十分重要，曹衛東等[13]通過數值模擬獲取了磁力驅動離心泵內部壓力分布情況，合理設計了回流孔，計算分析了轉子的軸向受力情況。研究結果表明，磁力驅動離心泵中設置回流孔可以有效降低泵腔溫度，合理設置口環的間隙可以有效平衡轉子的軸向受力。

張煥俐等[14]分析了磁力驅動離心泵中產生軸向力和徑向力的原因，詳細給出了磁力驅動離心泵中軸向力及徑向力的計算方法和公式。同時提出了在泵的設計中可以有效平衡軸向力和徑向力的方法，以實現泵的穩定高效運行。

5 運行監控

對磁力驅動離心泵的運行狀態進行監控可以有效的獲取泵的運行情況，提前預測可能出現的故障，避免生產事故的發生。袁鐵軍等[15]基于神經網絡和回歸分析法分別構建了磁力驅動離心泵滑動軸承監測系統中傳感器的數學模型，搭建了實驗及數據采集系統，對比分析了兩種數學模型，研究結果表明基于神經網絡的軸承監測傳感器數學模型監測效果較好。

對磁力驅動離心泵的狀態感知和故障診斷，需要對軸承磨損和隔離套溫升等方面進行有效的監測。康仕彬等[16]結合磁力驅動離心泵的結構及運行特點，搭建了基于單片機和上位機的分布式監測系統，實現了對生產現場多臺磁力驅動離心泵的滑動軸承狀態和隔離套溫度進行實時監控，并具備監測數據超閾值報警、停機保護等功能。

關紅艷等[17]設計了用于監測磁力驅動離心泵內部壓力和隔離套溫度的實時監控系統，在系統中設計冗余輔助泵，不僅實現了對磁力泵狀態監控和故障停機，而且實現了生產過程的連續性，可以有效保證整個生產系統的安全可靠運行。

為了實現對磁力驅動離心泵軸承磨損情況進行有效監測，曾培等創新設計了新型軸承磨損檢測傳感器，將磨損檢測由傳統的曲面測量轉換為平面測量，其結構如圖2所示[18]。

圖2 磁力驅動離心泵軸承磨損傳感器示意圖

檢測探頭與檢測輪構成檢測磁路。檢測輪固定在內磁轉子上。檢測探頭固定在隔離套上，檢測探頭內裝有霍爾電路、磁鋼、導磁體。霍爾電路輸出電壓值與檢測探頭的面積變化量有關，即和檢測輪移動位移量有關。該軸承磨損檢測傳感器分辨率達到了0.1 mm，靈敏達到了為10 mV/mm，可以有效監測軸承磨損情況。

6 發展趨勢

（1）目前磁力驅動離心泵的運行效率低于普通離心泵，造成了較大的能源消耗，需要性能更好的永磁體和磁力聯軸器來降提升效率降低能耗。

（2）針對磁力驅動離心泵運行過程中的磁力聯軸器發熱退磁問題，需要進一步開發設計更為有效的冷卻回路或冷卻裝置。

（3）針對特殊應用場合下的高溫高壓、高轉速的特種磁力驅動離心泵的研制。

（4）磁力驅動離心泵的減振降噪問題將是今后一段時期的研究熱點。

（5）隨著科技的發展和生產過程智能化的需要，基于大數據和物聯網的磁力驅動離心泵運行狀態在線監測和故障診斷系統是必不可少的。