GCB型高速磁力泵系列开发

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磁力泵依靠转子和定子上内外磁钢间永久磁铁的相互引斥而驱动，将传递动力的旋转轴的动密封转化为静密封，具有绝对无泄漏、安全可靠、维护方便等优点。最近十年来，磁力泵的应用量急剧增长、使用范围不断拓宽，已成为各种应用领域的常见装备 l。然而在船舶、航空等重要领域，对泵有很高的要求，-方面受泵的安装空间限制，要求泵的体积越小越好，因此要求泵具有较高的性能参数；另-方面，还要求泵具有无泄漏的工作性能 2]。针对这-技术难题，本课题组开发了400 Hz GCB系列高速磁力泵。 图1 GCB高速磁力泵系列的型谱图表 1 GCB系列磁力泵技术参数序号 型 号 流量范围 (mYh) 额定流量 (m ) 扬程 (m) 转速 (r/rain) 电机功率 (kW)1 GCB2.5-7O 702 2.5 32 GCB2.5-7OA 603 GCB5.0-80 804.5 .5 5.O 7800 44 GCB5.0-8OA 705 GCBlO-9O 90812 10 5.56 GCB1o-9oA 80基金项目：国家科技支持项目(20lBAF14B03)， 2 系列参数江苏省研究生科研创先计划项目(CXZZI20680)· 2· 小番箍 采 2013年第1期图2 高速磁力泵结构示意图1.导流栅 2.泵体 3.内磁转子 4.隔离套 5.外磁转子 6.高速电机本系列产品的流量在 1 15 m3/h，扬程为50100 m，功率在 2.2-5.5 kW，泵送液体温度为-50-80℃，转速为 7800 dmin，泵必需汽蚀余量为0.5～4 m。技术参数如表 1所示。泵型谱图如图 l所示。

3 泵的结构特点3.1 泵的结构GCB型高速磁力泵的结构如图1所示。该泵主要由泵体、内磁转子、隔离套、外磁转子、导流栅和电机 (频率为400 Hz)等组成。隔离套和泵轴构成-体，是静止件；叶轮和内磁钢为-整体，构成内磁转子。这种结构保证了泵机组轴向尺寸旧能校GCB型高速磁力泵的工作原理是将电机变频到 400 Hz，调速到 7800 drain，电机驱动外磁转子，通过内外磁转子上永久磁铁的吸引排斥磁力作用带动内磁转子旋转。于是，旋转动密封转化为静密封，实现了无轴封传动，泵在工作或静止状态均无泄漏。

3.2 泵的特点① 小流量，扬程高；② 高转速，结构紧凑，零部件少，体积小，重量轻；③ 磁力驱动，无轴封，零泄漏，安全环保；④ 在泵吸人口设置轴向变位导流栅，对泵进口的液体起导流作用，解决了泵在高转速下的汽蚀问题；⑤ 采用 400 Hz、200 V，三相四线制电源，电机为 400 Hz专用电机；⑥ 过载时内、外磁转子会自动做相对滑脱的运动，泵轴和电机不会被烧坏。

4 设 计4.1 水力设计高速磁力泵采用高转速，提高了泵的比转速，但比转速仍小于80，属于低比转速泵。低 比转速离心泵流道狭长，圆盘损失较大，效率相对较低。由于圆盘损失与叶轮外径的5次方成正比，可采用适当加大叶片出口宽度b 和出口角 ，减小叶轮外径D 的措施来提高泵的效率 [3]。本课题组采用加大流量法进行水力设计，用泵专用设计软件 PCAD设计水力图，并运用 CFD软件进行优化设计，设计出的叶轮具有优秀的水力性能。

设计蜗壳时应尽量避免因叶轮出口速度分布不均而与处于湍流状态的蜗壳与叶轮联合工作时出现二次流，并尽量降低蜗壳的水力损失。对高速离心泵而言，蜗壳内的流速很高 ，流动基本处于阻力平方区的湍流状态，蜗壳流道的表面粗糙度对液流水力损失的影响很大，因此必须降低流道表面的粗糙度。

4.2 抗汽蚀吸入口设计高速磁力泵由于转速高，不可避免会出现泵的汽蚀问题。泵汽蚀时会产生噪声和振动，使过流部件被汽蚀破坏，泵性能下降 H。所以研究高速磁力泵的抗汽蚀性能具有重要意义。为了解决泵的汽蚀问题通常在泵的人口处增加诱导轮 51，但是本课题研究的高速磁力泵流量小，进口尺寸小，不容易安装前置诱导轮。为提高高速磁力泵的抗汽蚀性能，在泵吸入口设置轴向可变位导流栅，对进口液体起导流作用，解决了泵在高转速下的汽蚀问题。

4.3 磁性联轴器的设计磁性联轴器是磁力泵的关键部件 ，然而其设2013年第1期 ，J.器柱 木 ·3·计至今大多仍以经验为主。虽然设计合格，但投入应用的磁性联轴器，大多发生 大马拉小车”的现象，造成资源的浪费和生产成本的提高；而设计过大的磁性联轴器又产生过大的涡流损失功率，降低磁性联轴器的传动效率，从而降低磁力泵的效率。另-方面，由于磁性联轴器的设计方法还不成熟，造成磁力泵不能大批量生产，阻碍了磁力泵的发展。本课题组结合相关资料，对磁性联轴器的结构型式、磁路类型及矩角特性进行了分析。基于电磁场Maxwel方程组和有限元商业软件 ANSYS对磁性联轴器的磁尝磁转矩、隔离套涡流损失及各参数对转矩值和隔离套涡流损失的影响进行数值分析。设计出了密集型聚磁磁性联轴器，永磁体采用钐钴材料，磁能积高，能耐较高温度，提高了磁性联轴器的耐高温性能。隔离套采用磁传动效率高、强度高、重量轻的钛合金 TC4。 经 试 验 表 明 采 用 TC4隔 离 套 比1Crl8Ni9Ti隔离套效率提高 1O%。这种新型磁性联轴器具有磁能利用好、磁场强度高、传动力矩大、结构紧凑等优点。

4.4 冷却循环回路与轴向力平衡设计磁力泵由于有耐压力的要求，大多采用金属材料隔离套。隔离套位于内磁转子与外磁转子之间，它在交变旋转的磁场作用下会产生涡流 旧。

涡流会产生大量的焦耳热，使内外磁钢处于温度不断升高的工作环境中。永磁体的磁性会随着温度的升高而降低，当温度达到居里温度点时，磁性联轴器将会完全失效。所以磁力泵的内磁钢和隔离套之间要有-定的液体冷却循环，另-方面推力轴承、导轴承也需要液体润滑 ，防止出现干摩擦。

图3 GCB型高速磁力泵内磁转子 (照片)磁力泵的轴向力主要是由叶轮的前、后盖板不对称产生的，如果轴向力不平衡，会极大降低泵的可靠性、使用寿命，甚至泵不能正常启动运行。磁力泵内磁转子轴向力平衡的主要措施就是减小作用在转子体右端面的力。本系列产品采用冷却循环回路与轴向力平衡联合设计，利用冷却循环回路产生的压力降来减小作用于内磁转子右端的压力，实现轴向力的平衡，同时内磁转子左右两端均设有推力盘，用来平衡剩余不平衡轴向力 。经实践应用验证，历经长达 2年的使用，两端推力盘无磨损。

4.5 新型耐磨滑动轴承泵的滑动轴承起到转子径向支承、轴向定位的作用，它的性能好坏直接关系到泵机组的可靠性和使用寿命。高速磁力泵转速高，轴承浸泡在所输送的介质中运转，润滑性比较差，对滑动轴承的性能有更高的要求，既要耐腐蚀又要耐磨损，还要有很好的抗冲击性能。本课题组利用聚全氟乙丙烯 (F 46)与聚四氟乙烯 (F 4)相容性好、粘附力强的特点，把它们按-定质量比作为基体填充-定的石墨等经过干粉共混、模压成型，制备了F 50C复合材料，用F 50C制成滑动轴承，经过径向磨损试验和断面磨损试验证 ，F 50C复合材料制成的滑动轴承，具有优良的耐磨性能、抗冲击性能和自润滑性能，能满足高速磁力泵的使用要求 嘲。

4.6 工艺与材料表2 GCB型高速磁力泵的主要零部件材料序号 零件名称 材 料 说 明1 泵体 304或钛材TA2 耐腐蚀，强度高2 隔离套 30L4或钛材TA2 完全无磁性，磁传动效率高，强度高，重量轻3 泵磁体 钐钴Sm2Co17 磁能积高，磁性能稳定，耐温高4 联接体 LF6(SA 06) 耐腐蚀铝，重量轻5 轴套、止推环 1Crl8Ni9Ti 耐磨，摩擦系数小堆焊合金6 导轴承 F5OC或M 168H 自润滑性能好，耐磨，耐腐蚀7 叶轮耐磨环 F5OC或M 168H 自润滑性能好，耐磨。耐腐蚀8 口环 硬质合金 作为摩擦副的硬面，耐磨9 0型圈 乙丙橡胶 耐较低温度和较高温度10 螺钉、螺塞 1Crl8Ni9Ti 耐腐蚀· 4· 小番柱 采 2013年第l期P(kW)尸(kW)H(m)Q(m/s)图4 GCB2.5-70A型高速磁力泵性能曲线n(m)匿箍 翟 i·-q- --.·t---.·-.·-.·-十--·4-··- - - · · - ·· · - 00 。 '7(%)田(%)O O l O O O O O 6，O O e O '，O 加 .0Q(m3/s)图5 GCB5.O-80A型高速磁力泵性能曲线泵体是用整体钛合金材料铸造经机械加工而成，叶轮是用不锈钢棒材经数控机床加工成型，前盖板与叶轮叶片用点焊组合，叶轮与内磁钢组成-体，前后推力盘采用镶嵌结构，隔离套用钛合金材料制成。转子体如图3所示。所选材料的耐腐蚀性、强度特性以及加工工艺均达到国际领先水平。GCB型高速磁力泵的主要零部件材料如表 2所示。

5 性能试验本课题组对 GCB系列高速磁力泵进行了样机试验，经机械工业排灌机械产品质量检测中心测试，泵的效率、汽蚀余量、噪声等性能指标均优于国外同类产品，泵的性能曲线如图4、5、6所示。

6 结束语本课题组开发设计的GCB型高速磁力泵系列P(kW)(m)1110j：l锚 i耋4田(%)Q(m3/s)图6 GCB10-90型高速磁力泵性能曲线水力设计性能先进，吸人口设置可变位导流栅，有效地解决了高转速时的汽蚀问题。采用磁能积高、能耐较高温度的钐钴永磁材料，使得永磁转子体积小，传递扭矩能力强，同时采用内磁转子与叶轮构成-个整体，使得泵结构紧凑、体积孝重量轻。采用F 50C新型耐磨滑动轴承、循环冷却回路与轴向力平衡联合设计，泵噪声低，运行安全可靠。GCB系列高速磁力泵可广泛应用于国防、石化、船舶、航天、轻工等行业，具有良好的推广应用前景和明显的经济、社会效益。