磁力驅(qū)動(dòng)離心泵的研究現(xiàn)狀

趙 飛

（1.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121；2.江蘇大學(xué)流體機(jī)械研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

磁力驅(qū)動(dòng)離心泵具有無軸封、無泄漏等特點(diǎn)，常用于輸送易燃、易爆、有毒有害的特殊介質(zhì)，越來越廣泛的應(yīng)用于石油化工、航空航天和軍工等領(lǐng)域[1-2]。

1946年英國Charles Howard和Geoffrey Howard創(chuàng)辦的HMD公司制造了世界上第一臺(tái)磁力驅(qū)動(dòng)離心泵，隨后德國拜耳化學(xué)公司和英國帝國化學(xué)公司率先在工業(yè)生產(chǎn)中使用了磁力驅(qū)動(dòng)離心泵，開啟了磁力驅(qū)動(dòng)離心泵發(fā)展的嶄新時(shí)代。美國Sundyne公司是目前世界領(lǐng)先的研發(fā)和生產(chǎn)磁力驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)離心泵性能幾乎可滿足各種工業(yè)生產(chǎn)需求。

我國對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)離心泵的研究及應(yīng)用較遲，從上世紀(jì)70年代末才開始磁力驅(qū)動(dòng)離心泵研究與開發(fā)，較早從事磁力驅(qū)動(dòng)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(jī)械研究所等，前期主要是在消化吸收國外已有的磁力驅(qū)動(dòng)離心泵技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行國產(chǎn)磁力驅(qū)動(dòng)離心泵的研制。80年代以來，國內(nèi)開始注重具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的磁力驅(qū)動(dòng)離心泵產(chǎn)品的研發(fā)，其中甘肅省科學(xué)院磁性器件研究所、太倉磁力泵有限公司等單位先后開發(fā)出了達(dá)到國際先進(jìn)水平的磁力驅(qū)動(dòng)離心泵產(chǎn)品。進(jìn)入21世紀(jì)，江蘇大學(xué)流體機(jī)械研究中心承擔(dān)了包括國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目在內(nèi)的磁力驅(qū)動(dòng)離心泵研發(fā)項(xiàng)目，研制了系列化的磁力驅(qū)動(dòng)離心泵產(chǎn)品，先后榮獲中石化科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)。

目前對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)離心泵的研究主要集中在內(nèi)部流場(chǎng)、磁力聯(lián)軸器、冷卻回路、軸向力和徑向力、運(yùn)行監(jiān)控等方面。

1 內(nèi)部流場(chǎng)

為了設(shè)計(jì)高效的磁力驅(qū)動(dòng)離心泵水力模型，必須掌握其內(nèi)部流場(chǎng)規(guī)律。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)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(qū)動(dòng)離心泵的內(nèi)部流動(dòng)分析效率，有助于優(yōu)化泵的水力設(shè)計(jì)。

為改善高速磁力驅(qū)動(dòng)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(shè)了導(dǎo)流柵。通過使用ANSYS Fluent軟件對(duì)兩款高速磁力驅(qū)動(dòng)離心泵模型（設(shè)置導(dǎo)流柵和未設(shè)置導(dǎo)流柵）內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了兩種模型泵體內(nèi)部壓力分布情況和粒子流動(dòng)軌跡。研究結(jié)果表明在吸入口設(shè)置軸向?qū)Я鳀拍苡行岣叽帕︱?qū)動(dòng)離心泵的抗汽蝕性能。

為進(jìn)一步研究磁力驅(qū)動(dòng)離心泵內(nèi)部流動(dòng)情況，孔繁余等[4]運(yùn)用ANSYS Fluent數(shù)值模擬了高速磁力驅(qū)動(dòng)離心泵內(nèi)部葉輪和蝸殼內(nèi)部的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布，并將模擬獲得的外特性指標(biāo)、葉輪內(nèi)能量損失、蝸殼內(nèi)能量損失、圓盤能量損失與試驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行了對(duì)比。研究結(jié)果表明，F(xiàn)luent軟件模擬計(jì)算的高速磁力泵外特性指標(biāo)與試驗(yàn)測(cè)量值接近，模擬結(jié)果具有較高的可信度。

數(shù)值模擬有助于分析優(yōu)化磁力驅(qū)動(dòng)離心泵的水力設(shè)計(jì)，符杰等[5]采用速度系數(shù)法進(jìn)行了葉輪設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上使用CFD軟件對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)離心泵進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了泵的性能分析和水力優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了泵的性能曲線，為磁力驅(qū)動(dòng)離心泵的設(shè)計(jì)提供了可借鑒的技術(shù)參數(shù)。

為了解輸送不同介質(zhì)情況下的磁力驅(qū)動(dòng)離心泵的內(nèi)部流場(chǎng)分布，孫靜如等[6]運(yùn)用ANSYS CFX軟件分析了用于輸送高溫?zé)嵊偷拇帕︱?qū)動(dòng)離心泵的流場(chǎng)分布，對(duì)比分析了高溫?zé)嵊秃统爻核畠煞N介質(zhì)下的泵的性能指標(biāo)。研究結(jié)果表明：磁力泵在大流量區(qū)間（1.0Qd～1.6Qd）工作時(shí)泵腔內(nèi)流線分布順暢，葉片區(qū)域壓力分布均勻，葉輪區(qū)域無脫流現(xiàn)象，高溫?zé)嵊秃统爻核畠煞N不同介質(zhì)對(duì)泵的效率和揚(yáng)程影響不大。

2 磁力聯(lián)軸器

在磁力驅(qū)動(dòng)離心泵發(fā)展的初期，由于稀土鈷永磁體材料的磁力性能較差，導(dǎo)致磁力驅(qū)動(dòng)聯(lián)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(qū)動(dòng)聯(lián)軸器的傳遞效率得到了較大提升。

為了解磁力驅(qū)動(dòng)離心泵磁力聯(lián)軸器的磁場(chǎng)分布情況，孔繁余等[7]運(yùn)用ANSYS分析了磁力驅(qū)動(dòng)離心泵磁力聯(lián)軸器的磁場(chǎng)分布和影響磁轉(zhuǎn)矩的因素。數(shù)值模擬了內(nèi)外磁轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)角、不同軛鐵厚度、不同磁極時(shí)磁轉(zhuǎn)矩大小和磁場(chǎng)分布情況。

為探索不同磁體陣列結(jié)構(gòu)的磁力聯(lián)軸器傳遞的轉(zhuǎn)影響，袁丹青等[8]運(yùn)用ANSYS模擬計(jì)算了Halbach陣列和傳統(tǒng)磁體陣列兩種陣列結(jié)構(gòu)的磁力聯(lián)軸器在不同磁極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)角差、軛鐵厚度和永磁體厚度時(shí)傳遞的轉(zhuǎn)矩。研究結(jié)果表明，Halbach陣列結(jié)構(gòu)的磁力驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器傳遞的轉(zhuǎn)矩明顯高于傳統(tǒng)整列結(jié)構(gòu)磁力驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器。

為了解不同金屬材質(zhì)隔離套在高速磁力驅(qū)動(dòng)離心泵中產(chǎn)生的渦流能量損失差異，孔繁余等[9]運(yùn)用ANSYS分別對(duì)1Cr18Ni9Ti和TC4兩種不同材質(zhì)的磁力驅(qū)動(dòng)離心泵隔離套進(jìn)行了渦流損失數(shù)值模擬，并進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比。研究結(jié)果表明：1Cr18Ni9Ti材質(zhì)的渦流損失是TC4材質(zhì)渦流損失的2.26倍，實(shí)際試驗(yàn)值與數(shù)值模擬值基本吻合。TC4合金材質(zhì)隔離套的是高速磁力驅(qū)動(dòng)離心泵的理想選擇。

為探索磁力驅(qū)動(dòng)離心泵中磁轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速變化對(duì)轉(zhuǎn)矩和渦流損失的影響，董亮等[10]應(yīng)用Maxwell軟件對(duì)高速磁力驅(qū)動(dòng)離心泵聯(lián)軸器進(jìn)行了瞬態(tài)數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明，高速磁力驅(qū)動(dòng)離心泵永磁聯(lián)軸器的輸出轉(zhuǎn)矩基本不變。聯(lián)軸器渦流損失隨轉(zhuǎn)速增加而增加，隨磁轉(zhuǎn)角的增加而降低，如圖1所示[10]。

圖1 渦流損失與轉(zhuǎn)速及磁轉(zhuǎn)角關(guān)系

3 冷卻回路

磁力驅(qū)動(dòng)離心泵溫度過高導(dǎo)致永磁體消磁和損壞隔離套，譚林偉等為解決這一問題，設(shè)計(jì)了磁力驅(qū)動(dòng)離心泵冷卻循環(huán)回路，并運(yùn)用ANSYS數(shù)值模擬了隔離套上的渦流發(fā)熱量。使用N-S方程、能量方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和SIMPLEC算法，數(shù)值模擬了磁力驅(qū)動(dòng)離心泵冷卻循環(huán)回路的內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，冷卻循環(huán)回路內(nèi)部流動(dòng)為螺旋運(yùn)動(dòng)（由直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)合成）。在外循環(huán)工作方式下隔離套內(nèi)溫度分布較為均勻，在內(nèi)循環(huán)工作方式下隔離套下部壓力較低溫度最高。轉(zhuǎn)速的增加能夠促進(jìn)泵內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)層間的熱量交換，從而可以提升冷卻回路的循環(huán)降溫效果，如表1所示[11]。

表1 轉(zhuǎn)速對(duì)冷卻效果的影響

4 軸向力和徑向力

磁力驅(qū)動(dòng)離心泵轉(zhuǎn)子的受力平衡情況直接影響到泵的使用壽命。在磁力驅(qū)動(dòng)離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，平衡轉(zhuǎn)子的軸向受力是重要的考慮因素。孔繁余等[12]通過合理設(shè)計(jì)冷卻回路實(shí)現(xiàn)了高速磁力驅(qū)動(dòng)離心泵的軸向力平衡，并給出了詳細(xì)的軸向力平衡設(shè)計(jì)的計(jì)算流程。通過該計(jì)算流程設(shè)計(jì)的磁力驅(qū)動(dòng)離心泵樣機(jī)經(jīng)實(shí)際運(yùn)行證明了該計(jì)算流程的正確性。

磁力驅(qū)動(dòng)離心泵中回流孔的設(shè)置十分重要，曹衛(wèi)東等[13]通過數(shù)值模擬獲取了磁力驅(qū)動(dòng)離心泵內(nèi)部壓力分布情況，合理設(shè)計(jì)了回流孔，計(jì)算分析了轉(zhuǎn)子的軸向受力情況。研究結(jié)果表明，磁力驅(qū)動(dòng)離心泵中設(shè)置回流孔可以有效降低泵腔溫度，合理設(shè)置口環(huán)的間隙可以有效平衡轉(zhuǎn)子的軸向受力。

張煥俐等[14]分析了磁力驅(qū)動(dòng)離心泵中產(chǎn)生軸向力和徑向力的原因，詳細(xì)給出了磁力驅(qū)動(dòng)離心泵中軸向力及徑向力的計(jì)算方法和公式。同時(shí)提出了在泵的設(shè)計(jì)中可以有效平衡軸向力和徑向力的方法，以實(shí)現(xiàn)泵的穩(wěn)定高效運(yùn)行。

5 運(yùn)行監(jiān)控

對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)離心泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控可以有效的獲取泵的運(yùn)行情況，提前預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的故障，避免生產(chǎn)事故的發(fā)生。袁鐵軍等[15]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和回歸分析法分別構(gòu)建了磁力驅(qū)動(dòng)離心泵滑動(dòng)軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器的數(shù)學(xué)模型，搭建了實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)比分析了兩種數(shù)學(xué)模型，研究結(jié)果表明基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軸承監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)學(xué)模型監(jiān)測(cè)效果較好。

對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)離心泵的狀態(tài)感知和故障診斷，需要對(duì)軸承磨損和隔離套溫升等方面進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。康仕彬等[16]結(jié)合磁力驅(qū)動(dòng)離心泵的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特點(diǎn)，搭建了基于單片機(jī)和上位機(jī)的分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)磁力驅(qū)動(dòng)離心泵的滑動(dòng)軸承狀態(tài)和隔離套溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并具備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超閾值報(bào)警、停機(jī)保護(hù)等功能。

關(guān)紅艷等[17]設(shè)計(jì)了用于監(jiān)測(cè)磁力驅(qū)動(dòng)離心泵內(nèi)部壓力和隔離套溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)冗余輔助泵，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁力泵狀態(tài)監(jiān)控和故障停機(jī)，而且實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的連續(xù)性，可以有效保證整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)離心泵軸承磨損情況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，曾培等創(chuàng)新設(shè)計(jì)了新型軸承磨損檢測(cè)傳感器，將磨損檢測(cè)由傳統(tǒng)的曲面測(cè)量轉(zhuǎn)換為平面測(cè)量，其結(jié)構(gòu)如圖2所示[18]。

圖2 磁力驅(qū)動(dòng)離心泵軸承磨損傳感器示意圖

檢測(cè)探頭與檢測(cè)輪構(gòu)成檢測(cè)磁路。檢測(cè)輪固定在內(nèi)磁轉(zhuǎn)子上。檢測(cè)探頭固定在隔離套上，檢測(cè)探頭內(nèi)裝有霍爾電路、磁鋼、導(dǎo)磁體。霍爾電路輸出電壓值與檢測(cè)探頭的面積變化量有關(guān)，即和檢測(cè)輪移動(dòng)位移量有關(guān)。該軸承磨損檢測(cè)傳感器分辨率達(dá)到了0.1 mm，靈敏達(dá)到了為10 mV/mm，可以有效監(jiān)測(cè)軸承磨損情況。

6 發(fā)展趨勢(shì)

（1）目前磁力驅(qū)動(dòng)離心泵的運(yùn)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(lián)軸器來降提升效率降低能耗。

（2）針對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)離心泵運(yùn)行過程中的磁力聯(lián)軸器發(fā)熱退磁問題，需要進(jìn)一步開發(fā)設(shè)計(jì)更為有效的冷卻回路或冷卻裝置。

（3）針對(duì)特殊應(yīng)用場(chǎng)合下的高溫高壓、高轉(zhuǎn)速的特種磁力驅(qū)動(dòng)離心泵的研制。

（4）磁力驅(qū)動(dòng)離心泵的減振降噪問題將是今后一段時(shí)期的研究熱點(diǎn)。

（5）隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)過程智能化的需要，基于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的磁力驅(qū)動(dòng)離心泵運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)是必不可少的。