無密封泵幻燈片

無密封泵幻燈片第一頁，共二十三頁，2022年，8月28日磁力驅動泵磁力驅動泵的基本特征在泵中消除了機械密封或填料，并且在密封所在的位置將軸分成兩段。內磁轉子安裝在由介質潤滑的軸承支承的軸上，外磁轉子安裝在動力軸上。在內外磁轉子之間，隔離套將輸送液體與大氣分隔開，與殼體之間形成靜密封。來自外磁轉子的磁通量驅動內磁轉子，從而帶動葉輪旋轉。外磁轉子或直接安裝在它自己的軸承箱上，或直接安裝在電機軸上。第二頁，共二十三頁，2022年，8月28日磁體一個磁路通常包括兩組永久磁體和內外導磁環(huán)。導磁環(huán)的材料是普通鑄鐵、球墨鑄鐵或碳鋼。磁性材料最早的永久磁體產生于20世紀40年代，由鋁-鎳-鈷（AiNiCo）制成。20世紀80年代發(fā)展起來的稀土磁體磁傳動器更小,通常使用的稀土材料為釹鐵硼（NdFeB）和釤鈷（SmCo）。釤鈷的磁性比鋁鎳鈷強4倍。在21℃時，釹鐵硼的磁性比釤鈷強20%，鋁鐵硼的最高使用溫度為149℃，釤鈷的最高使用溫度為288℃，釤鈷的優(yōu)點是使用溫度高，其最高使用溫度幾乎是鋁鐵硼的兩倍，然而，釤鈷的造價約為釹鐵硼的三倍左右。圖7給出了這兩種物質的磁性-溫度變化圖。磁體都有一個最高使用溫度，超過這個溫度，它們就會不可逆轉地喪失全部磁性；即便當它們冷卻下來時也不能重新獲得磁性。這個溫度點稱之為居里（Curie）溫度，表1給出了各種磁性材料的居里（Curie）溫度。表1磁性材料的居里（Curie）溫度和工作溫度

圖7磁強度-----溫度曲線導磁環(huán)傳遞轉矩的大小取決于磁極之間的總間隙（圖8）和導磁環(huán)的厚度（圖9），如果導磁環(huán)的厚度太小，它的磁通量會變小，傳遞轉矩也會因此變小。間隙“總間隙”包括空氣間隙、密閉隔離套厚度、液體間隙和包封（圖10）。間隙尺寸取決于對隔離套的壓力要求、磁體數量（單個或兩個）以及間隙中隔離套的材料（金屬類材料還是非金屬類材料等）。磁性材料各類工作溫度Curie溫度鋁鎳鈷釹鐵硼釤鈷305120～137（取決于等級）260～350（取決于等級）425310700第三頁，共二十三頁，2022年，8月28日

（a）

（b）

圖2典型的機械密封泵和無密封泵驅動結構的比較（a）典型的通過殼體端蓋的機械密封泵結構；（b）無密封驅動結構

圖3機座安裝的磁驅動結構

圖4緊耦合磁性驅動結構

第四頁，共二十三頁，2022年，8月28日

圖6磁路例：以mm給出如下尺寸：平均直徑（徑向尺寸）117152.4最小空氣間隙0.7621.143隔離套壁厚：耐蝕酸鎳基合金C1.0161.524聚合物3.0483.810液體間隙0.8890.889包封0.7620.762總間隙:按耐蝕酸鎳基合金C計算3.4294.318按聚合物計算5.4616.604

（a）復合非金屬型

圖10磁體封裝

圖8磁體結構

（b）金屬型第五頁，共二十三頁，2022年，8月28日在上述例子中，對于聚合物隔離套和耐蝕酸鎳基合金C隔離套都保持一樣的總間隙。這使得磁體組件能不依賴于隔離套材料而具有互換性。傳遞的轉矩由磁體傳遞的轉矩取決于以下因素。·磁體的通量密度Bg·磁體的工作溫度（其影響B(tài)g的大?。ご艠O的長度L·每圈中磁體的數目M·外磁體組件的內徑和內磁體組件的外徑之間的平均比值r·組件中磁體內徑、外徑之間的總間隙g·常量K，作為具體結構的函數而變化對于一個給定的設計形式和結構來說，傳遞轉矩與總間隙的平方成反比。根據費用和具體的設計結構，磁組圈可以做成1.2.3級磁體成一個連續(xù)的長度，也可做成多排的單個磁體。最大轉矩極限轉矩是指靜態(tài)“破壞轉矩”。為了確定這個數值，將內磁轉子固定在一個位置，然后用轉矩板手對外磁轉子施加一個轉矩。轉矩到達一定值時，內外磁轉子彼此沿徑向脫離，或稱之為“去耦”，此時的轉矩稱之為“破壞轉矩”。在應用破壞轉矩確定許用轉矩時，設計人員必須考慮驅動裝置的起動加速轉矩和適當的安全系數。表2給出了由釹鐵硼磁塊組成組件的最大轉矩的實例，磁塊尺寸為長28.6mm×寬19mm×高9.65mm，導磁環(huán)厚度為4.6mm。表2磁組件的最大轉矩平均直徑（mm）磁體（排）總間隙（mm）破壞轉矩(N·m)10915212186.106.604080第六頁，共二十三頁，2022年，8月28日磁塊的基本尺寸磁塊如果做得過長或過短，會在加工、磁體鑄模及通量密度方面帶來問題。應遵循以下磁塊尺寸比例；·磁塊的寬度為其厚度的2～3倍·磁塊的長度為其厚度的3～5倍·雙層磁塊疊合大約增強磁性20%供參考：在平均直徑為101.6mm、總間隙6.35mm時，對于釹鐵硼磁體，每16.387cm3，能產生大約9.5Nm的轉矩。如果通量密度減少3%，則轉矩將減小6%。磁性材料的性能密度7.56g/cm3抗拉強度844Kg/cm2抗壓強度7.7×103Kg/cm2撓曲應力2.53×103Kg/cm2熱膨脹系數由表3給出。表3熱膨脹系數cm/cm/℃×10-6

徑向和軸向磁力

內外磁轉子必須通過軸承在徑向加以約束，防止互相接觸。在“最大轉矩”的例子中，單排18個磁體，平均直徑為152mm，同心磁轉子的徑向力為18kgf，當磁體間距縮小0.127mm時，磁體的徑向作用力為25kgf（圖9），當磁體互相靠緊（沒有間隙時），徑向作用力為36kgf。在上述舉例中，分開單排同心磁體需軸向力27kgf，分開三排同心磁體需軸向力82kgf，因此，在裝配或拆卸磁轉子時，操作人員必須注意這些力。磁性材料平行于軸線垂直于軸線釹鐵硼釤鈷93616.228.8第七頁，共二十三頁，2022年，8月28日內磁轉子的封裝可用金屬材料或塑料包封，封裝后應做無損檢驗。塑料包封（圖10a）的利弊如下：1.溫度限制為120～150℃2.在磁體上覆加塑料時，因溫度高而需采用釤鈷磁體。3.采用塑料時，因其厚度的要求，增加了總的間隙。4.磁體必須在導磁環(huán)上機械固定，可以用粘結材料，也可以用高強度塑料。5.像PFA/PTFE或PEEK這樣的聚合材料，相對于金屬材料來說有更好的耐腐蝕性能。6.塑料結構比金屬結構便宜得多。7.塑料的制造模具加工復雜。金屬包封（圖10A）的利弊如下：1.額定溫度可達260℃2.磁體外的封裝材料的厚度可達0.76mm3.部件的焊接可采用常規(guī)方式、電子束及激光。對于常規(guī)焊接，必須要注意的是：電弧不能朝磁通量方向躍動。4.如果內轉子基體是鑄造出來的，可能存在氣孔問題。5.由于焊接熱而導致聚合材料氣化從縫隙逃逸也可能是個問題。6.

轉速達到3600r/min以上時粘結材料已不能將磁體固定在一起，但外罩可實現這一功能。外磁轉子的封裝

外磁轉子不是必須要封裝,然而，像釹鐵硼這類金屬能不停地吸收水分，導致生銹和膨脹，于是磁體就會隨之松動，磁體之間也就產生相對移位。因此，磁體應使用環(huán)氧樹脂或金屬套管封裝，以防與空氣接觸。結構

外磁轉子的基體可以是鑄造的，也可以是裝配組合的。第八頁，共二十三頁，2022年，8月28日隔離套

密封隔離套的形狀和厚度取決于工作壓力、材料和溫度。為了使長度最小，可以選用方形封頭，但除非封頭做得足夠厚，否則這種結構的承壓能力相對較小。因此，為了獲得較高的承壓能力，經常選用橢圓或球形的端板形狀（圖12）。表4給出了隔離套許用壓力隨端板形狀變化的一些例子。表4在相同材料相同壁厚條件下不同端板形狀對應的隔離套的承壓能力圖11內部和外部載體圖12受壓的殼體長徑比L/r形狀L/r許用壓力/(kPa)對平板的許用壓力比平板平板橢圓橢圓球形533267288162158779144056201.02.5512.623.290.5第九頁，共二十三頁，2022年，8月28日隔離套所用的材料包括金屬、塑料和陶瓷。性能列于表5。塑料和陶瓷隔離套的主要優(yōu)點是沒有渦流損失。因此，不需要冷卻。表5不同材料隔離套的性能

★熱傳導率單位為cal/h/cm2/℃渦流

金屬或金屬襯里的隔離套將會產生渦流，渦流損失與隔離套壁厚、隔離套材料的電導率和磁場的旋轉速度、旋轉半徑等有關，渦流損失可以通過磁傳動器的結構參數和磁性材料的合理選擇得到有效控制。表6不同隔離套材料的電阻率材料金屬增強聚合物陶瓷金屬+聚四氟乙烯制造溫度限制（℃）厚度(mm)熱傳導率蠕變熱沖擊渦流焊接或液壓成形

-150～+400

0.76～1.0耐蝕鎳基合金C71AISI3167.5無537+316為耐蝕鎳基合金C的兩倍注塑成型

-4～+1204.33無190無定形燒制0～+11006.35～9.66無260無噴涂

0～175

1.27高于純金屬有一些--和金屬一樣殼體材料電阻率（R）/（μΩ/cm3）殼體材料電阻率（R）/（μΩ/cm3）耐蝕鎳基合金CAISI316L鎳鉻鐵合金625鎳鉻鈦耐熱合金9013074129115鈦K-蒙乃爾合金20合金535875第十頁，共二十三頁，2022年，8月28日表7中給出了材料選擇對熱積聚的影響。該表給出了只有外磁轉子繞著金屬隔離套以3550rpm轉速旋轉時(未裝內轉子)，殼體內空氣間隙的溫升。外磁轉子有12個磁體，磁體長3.175cm，平均直徑為11.43cm。該表表明了在轉速為3550rpm時，由AISI316材料和耐蝕鎳基合金C制成的隔離套的差異。當轉速為1750rpm時，AISI316材料的功率損失是其轉速為3550rpm時的1/4。表7材料選擇對熱積聚的影響雙重密封

為了防止由于一層隔離套產生的泄漏，可采用雙層結構(圖13)，通常由金屬殼和非金屬殼組合而成。兩層殼的額定壓力相同。當第一層殼破裂以后，可以至少工作48～120h。第二層殼體的法蘭上通常裝有壓力監(jiān)測器用來監(jiān)視由于第一層殼體泄漏而產生的壓力變化。

圖13雙密封結構殼體材料厚度(mm)時間（分））kw℃℃/minAISI316AISI316耐蝕鎳基合金C耐蝕鎳基合金C10.910.910.910.9啟動5.00.55.00.400.300.240.212726077188-3817123第十一頁，共二十三頁，2022年，8月28日軸承軸承負載來源于部件的重量及由葉輪和內磁轉子產生的液壓力。葉輪的作用力既有軸向的也有徑向的。大多數磁力驅動泵是單級蝸殼泵，從葉輪到第一個軸承幾乎沒有懸臂，因此，軸承上的載荷基本等于葉輪的載荷。軸向載荷要取決于葉輪是閉式結構還是半開式結構，閉式葉輪通常有前口環(huán)，也可能有背口環(huán)或負葉片。半開式葉輪沒有口環(huán)，但它們通常應用蓋板上的扇形缺口來減少有效受壓面(圖15),依靠葉輪后蓋板上的負葉片或抽出槽進一步降低軸向推力。

圖14不同閉式或半開式葉輪的結構第十二頁，共二十三頁，2022年，8月28日圖15具有完整后蓋板和具有部分扇形缺口后蓋板的半開式葉輪閉式葉輪比半開式葉輪具有更小的軸向和徑向負荷，通?？渴褂帽晨诃h(huán)來實現。在磁力驅動泵中，為了保證潤滑液體流動的途徑順暢，在閉式或半開式葉輪上用負葉片或抽出槽。化工廠或煉油廠所輸送的液體一般是低粘度、低密度或低比熱。這些特性可能導致軸承潤滑是邊界潤滑，而不是流體動力潤滑。軸承材料表8給出了不同軸承材料的PV值。第十三頁，共二十三頁，2022年，8月28日表8不同軸承頸和推力面材料的PV值

P-凈負荷∕投影面積(減開槽面積)，psi；V-軸徑或推力面平均直徑處速度，ft∕min。﹡注：用2.1乘上表中給出的PV值即得以kPa為P的單位和以m∕min為V的單位的PV值。表9軸承材料性質材料熱膨脹率(注1)熱傳導率(注2)硬度(注3)AISI316耐蝕鎳基合金C碳石墨碳化硅-自燒結的碳化硅加碳充碳PEEK充碳聚酰亞胺氧化鋁氧化鉻9.66.72.62.22.08.05.07.571585756160布氏170布氏95維氏2400維氏2400維氏100～150布氏1800維氏1800維氏襯套材料軸頸∕推力面PV值(×103)﹡襯套材料軸頸∕推力面PV值(×103)﹡碳石墨對AISI316碳石墨對氧化鉻滲碳層碳化硅對滲碳層碳化硅對碳石墨150250250300碳化硅對碳化硅充碳PEEK對滲碳層充碳聚酰亞胺對硬鍍層500150150第十四頁，共二十三頁，2022年，8月28日注：1.in∕in∕℉×10-6(乘上1.411即可得cm∕cm∕℃)2.BTu∕h∕ft2∕°F(乘上0.488即可得cal∕h∕cm∕℃)3.Rc×25=維氏硬度；布氏硬底×10=RC顆粒對于較軟的軸承材料，對于無槽軸承顆粒的最大尺寸不應大于直徑間隙的10%，對于有槽軸承不應大于直徑間隙的20%。石墨比碳化硅、硬質合金軟得多，不推薦用于有硬顆粒的液體。碳化硅對碳化硅會磨碎大多數顆粒。對于顆粒濃度為50ppm或更少時，顆粒的硬度通常不是影響軸承性能的因素。建議使用100目的濾網，通過100目過濾網的顆粒大體尺寸為0.15mm,而一般公稱直徑的軸承間隙為0.05mm。還必須注意的是：碳化硅對碳化硅或碳化硅對碳的軸承材料組合是導電的。干轉

大多數磁力泵失效是因為泵系統未被監(jiān)控以至使泵干轉。當軸承干轉時，象自燒結碳化硅這類硬且易碎的軸承材料會在短短的幾分鐘內失效。石墨能在10～20min內干轉而不損壞，傾向于磨損而不是卡住，會在泵停下并冷卻時造成過大的間隙。流動路徑冷卻內磁轉子及潤滑軸承的液體量和流動方向，對磁力泵的運行是關鍵的。最好是在潤滑液體被磁體加熱之前先去潤滑軸承，這樣可減少在止推軸承面上液體發(fā)生汽化的可能性。系統中循環(huán)的液體通常在4～30L/min之間，其循環(huán)路徑穿越前后軸承、止推軸承面、內磁轉子到葉輪輪轂。應計算冷卻/潤滑液流在流動路徑上各個關鍵部位的流量、壓力及溫度，并考慮液體密度、比熱以及粘度變化的影響，局部的壓力和溫度要考慮液體的汽化壓力。當液體在冷卻潤滑通道中循環(huán)時，液體的溫升很大程度上取決于流體的特性，如比重、比熱、汽化壓力以及粘度。對于水環(huán)境下使用的非金屬隔離套來說，通常的溫升可能在0.5℃～1℃。而對于金屬隔離套，在渦流損失非常高的情況下，溫升可能達到4℃～7℃。第十五頁，共二十三頁，2022年，8月28日性能

磁力泵的流量-揚程曲線和機械密封泵基本一致，其總的效率偏低。對于非金屬隔離套，對應于最高效率流量點時，其效率大約比機械密封泵只低2%，但是對應于1/2最高效率流量點時，其效率可低6%。對于金屬隔離套，對應于最高效率流量點，其效率要比機械密封泵低8%～12%。應用磁力泵的優(yōu)點：·對周圍環(huán)境沒有泄漏·沒有珍貴液體損失·低噪音·高吸入壓力·能處理0～4級毒性液體·因為沒有泄漏，所以發(fā)生火災的可能性小得多··外部管道需求少以下場合應用磁力泵應謹慎：·含污液體·高溫液體·易固化液體·液體粘度在200cP以上·泵入口存在汽蝕·氣體夾帶過多的介質

第十六頁，共二十三頁，2022年，8月28日屏蔽泵屏蔽泵是離心泵和鼠籠式感應電機一起裝進一個氣密密封單元的組合體。泵的葉輪安裝在電機轉子軸的一端，浸沒在泵送流體中，轉子空間內有部分泵送流體回流，以冷卻電機并潤滑軸承。定子繞組和轉子電樞由耐腐蝕、無磁性合金襯套保護，使其不與循環(huán)流體接觸。屏蔽泵的循環(huán)回流系統有多種形式，以使適用于各種應用場合，包括538℃的高溫、揮發(fā)性流體和含有固體顆粒的流體，對采用外循環(huán)的泵可安裝自清洗式過濾器，以對循環(huán)流體進行過濾。（見圖1）。圖1典型的屏蔽泵第十七頁，共二十三頁，2022年，8月28日定子組件定子疊片采用低硅鋼制造，鋼疊片和繞組裝在圓柱形定子套內，前后端蓋焊接在定子套上，將定子組件的兩端封閉起來，定子套由電機的鋼疊片的外徑支撐。定子襯套位于定子孔內，并與前后端蓋焊接，以使繞組不與所輸送的液體接觸。屏蔽泵的電機屬于專用電機，接線柱從繞組引出，通過安裝在定子套上的耐壓密閉引線連接器，然后接到一個標準的接線盒上。電機的絕熱等級是溫度極限從130℃到250℃以上的有效范圍。圖2定子組件轉子組件

轉子組件由軸、層壓鐵芯、端蓋和密封殼焊接而成，使轉子鐵芯不與所輸送的液體接觸。有些生產廠提供可更換的軸套和軸向止推環(huán)，以便于延長使用壽命和易于維修。（見圖3）。第十八頁，共二十三頁，2022年，8月28日圖3轉子組件軸承軸承通常由泵輸送的液體進行冷卻和潤滑。軸承材料的選擇取決于與輸送流體腐蝕特性、溫度、固體含量等，目前軸承材料有石墨、碳化硅、氧化鋁和多種聚合物。軸承在內徑上一般有螺旋狀的溝槽，以增加工藝流體渡過軸頸區(qū)的流量，從而降低軸承的溫度。內部間隙確定定子繞組和轉子電樞之間的總間隙是最重要的，間隙越大，電機的效率就越低。定子襯套和轉子密封殼的材料同樣影響電機效率。不銹鋼和耐蝕鎳質合金C是最常用的材料。雖然不銹鋼比較便宜，但耐蝕鎳合金C有較高的耐腐蝕性能，而且電能損耗較小。屏蔽泵的電機效率不僅對能耗費用來說相當重要，而且對循環(huán)流體吸熱多少也很重要。承壓部件定子襯套的厚度范圍在0.254～1.016mm之間。對于高壓應用場合，襯套可保持同樣的厚度，它的外徑由電機疊片和位于兩側的支持套筒支撐，在定子襯套厚度為0.381mm和厚壁支持套支撐下能承受工作壓力達345bar。轉子密封殼的厚度范圍是0.254～6.35mm，在轉子和定子間的徑向運轉間隙通常是0.508mm，總的直徑方向的間隙范圍是1.016～1.905mm以上。第十九頁，共二十三頁，2022年，8月28日在定子襯套失效的情況下，外定子套就變成了密封容器，可防止工藝流體進入周圍環(huán)境。流動路徑

當輸送相對潔凈的液體時，一小部分工藝流體通過電機段，冷卻和潤滑軸承，