无密封泵幻灯片

无密封泵幻灯片第1页，课件共23页，创作于2023年2月磁力驱动泵磁力驱动泵的基本特征在泵中消除了机械密封或填料，并且在密封所在的位置将轴分成两段。内磁转子安装在由介质润滑的轴承支承的轴上，外磁转子安装在动力轴上。在内外磁转子之间，隔离套将输送液体与大气分隔开，与壳体之间形成静密封。来自外磁转子的磁通量驱动内磁转子，从而带动叶轮旋转。外磁转子或直接安装在它自己的轴承箱上，或直接安装在电机轴上。第2页，课件共23页，创作于2023年2月磁体一个磁路通常包括两组永久磁体和内外导磁环。导磁环的材料是普通铸铁、球墨铸铁或碳钢。磁性材料最早的永久磁体产生于20世纪40年代，由铝-镍-钴（AiNiCo）制成。20世纪80年代发展起来的稀土磁体磁传动器更小,通常使用的稀土材料为钕铁硼（NdFeB）和钐钴（SmCo）。钐钴的磁性比铝镍钴强4倍。在21℃时，钕铁硼的磁性比钐钴强20%，铝铁硼的最高使用温度为149℃，钐钴的最高使用温度为288℃，钐钴的优点是使用温度高，其最高使用温度几乎是铝铁硼的两倍，然而，钐钴的造价约为钕铁硼的三倍左右。图7给出了这两种物质的磁性-温度变化图。磁体都有一个最高使用温度，超过这个温度，它们就会不可逆转地丧失全部磁性；即便当它们冷却下来时也不能重新获得磁性。这个温度点称之为居里（Curie）温度，表1给出了各种磁性材料的居里（Curie）温度。表1磁性材料的居里（Curie）温度和工作温度

图7磁强度-----温度曲线导磁环传递转矩的大小取决于磁极之间的总间隙（图8）和导磁环的厚度（图9），如果导磁环的厚度太小，它的磁通量会变小，传递转矩也会因此变小。间隙“总间隙”包括空气间隙、密闭隔离套厚度、液体间隙和包封（图10）。间隙尺寸取决于对隔离套的压力要求、磁体数量（单个或两个）以及间隙中隔离套的材料（金属类材料还是非金属类材料等）。磁性材料各类工作温度Curie温度铝镍钴钕铁硼钐钴305120～137（取决于等级）260～350（取决于等级）425310700第3页，课件共23页，创作于2023年2月

（a）

（b）

图2典型的机械密封泵和无密封泵驱动结构的比较（a）典型的通过壳体端盖的机械密封泵结构；（b）无密封驱动结构

图3机座安装的磁驱动结构

图4紧耦合磁性驱动结构

第4页，课件共23页，创作于2023年2月

图6磁路例：以mm给出如下尺寸：平均直径（径向尺寸）117152.4最小空气间隙0.7621.143隔离套壁厚：耐蚀酸镍基合金C1.0161.524聚合物3.0483.810液体间隙0.8890.889包封0.7620.762总间隙:按耐蚀酸镍基合金C计算3.4294.318按聚合物计算5.4616.604

（a）复合非金属型

图10磁体封装

图8磁体结构

（b）金属型第5页，课件共23页，创作于2023年2月在上述例子中，对于聚合物隔离套和耐蚀酸镍基合金C隔离套都保持一样的总间隙。这使得磁体组件能不依赖于隔离套材料而具有互换性。传递的转矩由磁体传递的转矩取决于以下因素。·磁体的通量密度Bg·磁体的工作温度（其影响Bg的大小）·磁极的长度L·每圈中磁体的数目M·外磁体组件的内径和内磁体组件的外径之间的平均比值r·组件中磁体内径、外径之间的总间隙g·常量K，作为具体结构的函数而变化对于一个给定的设计形式和结构来说，传递转矩与总间隙的平方成反比。根据费用和具体的设计结构，磁组圈可以做成1.2.3级磁体成一个连续的长度，也可做成多排的单个磁体。最大转矩极限转矩是指静态“破坏转矩”。为了确定这个数值，将内磁转子固定在一个位置，然后用转矩板手对外磁转子施加一个转矩。转矩到达一定值时，内外磁转子彼此沿径向脱离，或称之为“去耦”，此时的转矩称之为“破坏转矩”。在应用破坏转矩确定许用转矩时，设计人员必须考虑驱动装置的起动加速转矩和适当的安全系数。表2给出了由钕铁硼磁块组成组件的最大转矩的实例，磁块尺寸为长28.6mm×宽19mm×高9.65mm，导磁环厚度为4.6mm。表2磁组件的最大转矩平均直径（mm）磁体（排）总间隙（mm）破坏转矩(N·m)10915212186.106.604080第6页，课件共23页，创作于2023年2月磁块的基本尺寸磁块如果做得过长或过短，会在加工、磁体铸模及通量密度方面带来问题。应遵循以下磁块尺寸比例；·磁块的宽度为其厚度的2～3倍·磁块的长度为其厚度的3～5倍·双层磁块叠合大约增强磁性20%供参考：在平均直径为101.6mm、总间隙6.35mm时，对于钕铁硼磁体，每16.387cm3，能产生大约9.5Nm的转矩。如果通量密度减少3%，则转矩将减小6%。磁性材料的性能密度7.56g/cm3抗拉强度844Kg/cm2抗压强度7.7×103Kg/cm2挠曲应力2.53×103Kg/cm2热膨胀系数由表3给出。表3热膨胀系数cm/cm/℃×10-6

径向和轴向磁力

内外磁转子必须通过轴承在径向加以约束，防止互相接触。在“最大转矩”的例子中，单排18个磁体，平均直径为152mm，同心磁转子的径向力为18kgf，当磁体间距缩小0.127mm时，磁体的径向作用力为25kgf（图9），当磁体互相靠紧（没有间隙时），径向作用力为36kgf。在上述举例中，分开单排同心磁体需轴向力27kgf，分开三排同心磁体需轴向力82kgf，因此，在装配或拆卸磁转子时，操作人员必须注意这些力。磁性材料平行于轴线垂直于轴线钕铁硼钐钴93616.228.8第7页，课件共23页，创作于2023年2月内磁转子的封装可用金属材料或塑料包封，封装后应做无损检验。塑料包封（图10a）的利弊如下：1.温度限制为120～150℃2.在磁体上覆加塑料时，因温度高而需采用钐钴磁体。3.采用塑料时，因其厚度的要求，增加了总的间隙。4.磁体必须在导磁环上机械固定，可以用粘结材料，也可以用高强度塑料。5.像PFA/PTFE或PEEK这样的聚合材料，相对于金属材料来说有更好的耐腐蚀性能。6.塑料结构比金属结构便宜得多。7.塑料的制造模具加工复杂。金属包封（图10A）的利弊如下：1.额定温度可达260℃2.磁体外的封装材料的厚度可达0.76mm3.部件的焊接可采用常规方式、电子束及激光。对于常规焊接，必须要注意的是：电弧不能朝磁通量方向跃动。4.如果内转子基体是铸造出来的，可能存在气孔问题。5.由于焊接热而导致聚合材料气化从缝隙逃逸也可能是个问题。6.

转速达到3600r/min以上时粘结材料已不能将磁体固定在一起，但外罩可实现这一功能。外磁转子的封装

外磁转子不是必须要封装,然而，像钕铁硼这类金属能不停地吸收水分，导致生锈和膨胀，于是磁体就会随之松动，磁体之间也就产生相对移位。因此，磁体应使用环氧树脂或金属套管封装，以防与空气接触。结构

外磁转子的基体可以是铸造的，也可以是装配组合的。第8页，课件共23页，创作于2023年2月隔离套

密封隔离套的形状和厚度取决于工作压力、材料和温度。为了使长度最小，可以选用方形封头，但除非封头做得足够厚，否则这种结构的承压能力相对较小。因此，为了获得较高的承压能力，经常选用椭圆或球形的端板形状（图12）。表4给出了隔离套许用压力随端板形状变化的一些例子。表4在相同材料相同壁厚条件下不同端板形状对应的隔离套的承压能力图11内部和外部载体图12受压的壳体长径比L/r形状L/r许用压力/(kPa)对平板的许用压力比平板平板椭圆椭圆球形533267288162158779144056201.02.5512.623.290.5第9页，课件共23页，创作于2023年2月隔离套所用的材料包括金属、塑料和陶瓷。性能列于表5。塑料和陶瓷隔离套的主要优点是没有涡流损失。因此，不需要冷却。表5不同材料隔离套的性能

★热传导率单位为cal/h/cm2/℃涡流

金属或金属衬里的隔离套将会产生涡流，涡流损失与隔离套壁厚、隔离套材料的电导率和磁场的旋转速度、旋转半径等有关，涡流损失可以通过磁传动器的结构参数和磁性材料的合理选择得到有效控制。表6不同隔离套材料的电阻率材料金属增强聚合物陶瓷金属+聚四氟乙烯制造温度限制（℃）厚度(mm)热传导率蠕变热冲击涡流焊接或液压成形

-150～+400

0.76～1.0耐蚀镍基合金C71AISI3167.5无537+316为耐蚀镍基合金C的两倍注塑成型

-4～+1204.33无190无定形烧制0～+11006.35～9.66无260无喷涂

0～175

1.27高于纯金属有一些--和金属一样壳体材料电阻率（R）/（μΩ/cm3）壳体材料电阻率（R）/（μΩ/cm3）耐蚀镍基合金CAISI316L镍铬铁合金625镍铬钛耐热合金9013074129115钛K-蒙乃尔合金20合金535875第10页，课件共23页，创作于2023年2月表7中给出了材料选择对热积聚的影响。该表给出了只有外磁转子绕着金属隔离套以3550rpm转速旋转时(未装内转子)，壳体内空气间隙的温升。外磁转子有12个磁体，磁体长3.175cm，平均直径为11.43cm。该表表明了在转速为3550rpm时，由AISI316材料和耐蚀镍基合金C制成的隔离套的差异。当转速为1750rpm时，AISI316材料的功率损失是其转速为3550rpm时的1/4。表7材料选择对热积聚的影响双重密封

为了防止由于一层隔离套产生的泄漏，可采用双层结构(图13)，通常由金属壳和非金属壳组合而成。两层壳的额定压力相同。当第一层壳破裂以后，可以至少工作48～120h。第二层壳体的法兰上通常装有压力监测器用来监视由于第一层壳体泄漏而产生的压力变化。

图13双密封结构壳体材料厚度(mm)时间（分））kw℃℃/minAISI316AISI316耐蚀镍基合金C耐蚀镍基合金C10.910.910.910.9启动5.00.55.00.400.300.240.212726077188-3817123第11页，课件共23页，创作于2023年2月轴承轴承负载来源于部件的重量及由叶轮和内磁转子产生的液压力。叶轮的作用力既有轴向的也有径向的。大多数磁力驱动泵是单级蜗壳泵，从叶轮到第一个轴承几乎没有悬臂，因此，轴承上的载荷基本等于叶轮的载荷。轴向载荷要取决于叶轮是闭式结构还是半开式结构，闭式叶轮通常有前口环，也可能有背口环或负叶片。半开式叶轮没有口环，但它们通常应用盖板上的扇形缺口来减少有效受压面(图15),依靠叶轮后盖板上的负叶片或抽出槽进一步降低轴向推力。

图14不同闭式或半开式叶轮的结构第12页，课件共23页，创作于2023年2月图15具有完整后盖板和具有部分扇形缺口后盖板的半开式叶轮闭式叶轮比半开式叶轮具有更小的轴向和径向负荷，通常靠使用背口环来实现。在磁力驱动泵中，为了保证润滑液体流动的途径顺畅，在闭式或半开式叶轮上用负叶片或抽出槽。化工厂或炼油厂所输送的液体一般是低粘度、低密度或低比热。这些特性可能导致轴承润滑是边界润滑，而不是流体动力润滑。轴承材料表8给出了不同轴承材料的PV值。第13页，课件共23页，创作于2023年2月表8不同轴承颈和推力面材料的PV值

P-净负荷∕投影面积(减开槽面积)，psi；V-轴径或推力面平均直径处速度，ft∕min。﹡注：用2.1乘上表中给出的PV值即得以kPa为P的单位和以m∕min为V的单位的PV值。表9轴承材料性质材料热膨胀率(注1)热传导率(注2)硬度(注3)AISI316耐蚀镍基合金C碳石墨碳化硅-自烧结的碳化硅加碳充碳PEEK充碳聚酰亚胺氧化铝氧化铬9.66.72.62.22.08.05.07.571585756160布氏170布氏95维氏2400维氏2400维氏100～150布氏1800维氏1800维氏衬套材料轴颈∕推力面PV值(×103)﹡衬套材料轴颈∕推力面PV值(×103)﹡碳石墨对AISI316碳石墨对氧化铬渗碳层碳化硅对渗碳层碳化硅对碳石墨150250250300碳化硅对碳化硅充碳PEEK对渗碳层充碳聚酰亚胺对硬镀层500150150第14页，课件共23页，创作于2023年2月注：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=维氏硬度；布氏硬底×10=RC颗粒对于较软的轴承材料，对于无槽轴承颗粒的最大尺寸不应大于直径间隙的10%，对于有槽轴承不应大于直径间隙的20%。石墨比碳化硅、硬质合金软得多，不推荐用于有硬颗粒的液体。碳化硅对碳化硅会磨碎大多数颗粒。对于颗粒浓度为50ppm或更少时，颗粒的硬度通常不是影响轴承性能的因素。建议使用100目的滤网，通过100目过滤网的颗粒大体尺寸为0.15mm,而一般公称直径的轴承间隙为0.05mm。还必须注意的是：碳化硅对碳化硅或碳化硅对碳的轴承材料组合是导电的。干转

大多数磁力泵失效是因为泵系统未被监控以至使泵干转。当轴承干转时，象自烧结碳化硅这类硬且易碎的轴承材料会在短短的几分钟内失效。石墨能在10～20min内干转而不损坏，倾向于磨损而不是卡住，会在泵停下并冷却时造成过大的间隙。流动路径冷却内磁转子及润滑轴承的液体量和流动方向，对磁力泵的运行是关键的。最好是在润滑液体被磁体加热之前先去润滑轴承，这样可减少在止推轴承面上液体发生汽化的可能性。系统中循环的液体通常在4～30L/min之间，其循环路径穿越前后轴承、止推轴承面、内磁转子到叶轮轮毂。应计算冷却/润滑液流在流动路径上各个关键部位的流量、压力及温度，并考虑液体密度、比热以及粘度变化的影响，局部的压力和温度要考虑液体的汽化压力。当液体在冷却润滑通道中循环时，液体的温升很大程度上取决于流体的特性，如比重、比热、汽化压力以及粘度。对于水环境下使用的非金属隔离套来说，通常的温升可能在0.5℃～1℃。而对于金属隔离套，在涡流损失非常高的情况下，温升可能达到4℃～7℃。第15页，课件共23页，创作于2023年2月性能

磁力泵的流量-扬程曲线和机械密封泵基本一致，其总的效率偏低。对于非金属隔离套，对应于最高效率流量点时，其效率大约比机械密封泵只低2%，但是对应于1/2最高效率流量点时，其效率可低6%。对于金属隔离套，对应于最高效率流量点，其效率要比机械密封泵低8%～12%。应用磁力泵的优点：·对周围环境没有泄漏·没有珍贵液体损失·低噪音·高吸入压力·能处理0～4级毒性液体·因为没有泄漏，所以发生火灾的可能性小得多··外部管道需求少以下场合应用磁力泵应谨慎：·含污液体·高温液体·易固化液体·液体粘度在200cP以上·泵入口存在汽蚀·气体夹带过多的介质

第16页，课件共23页，创作于2023年2月屏蔽泵屏蔽泵是离心泵和鼠笼式感应电机一起装进一个气密密封单元的组合体。泵的叶轮安装在电机转子轴的一端，浸没在泵送流体中，转子空间内有部分泵送流体回流，以冷却电机并润滑轴承。定子绕组和转子电枢由耐腐蚀、无磁性合金衬套保护，使其不与循环流体接触。屏蔽泵的循环回流系统有多种形式，以使适用于各种应用场合，包括538℃的高温、挥发性流体和含有固体颗粒的流体，对采用外循环的泵可安装自清洗式过滤器，以对循环流体进行过滤。（见图1）。图1典型的屏蔽泵第17页，课件共23页，创作于2023年2月定子组件定子叠片采用低硅钢制造，钢叠片和绕组装在圆柱形定子套内，前后端盖焊接在定子套上，将定子组件的两端封闭起来，定子套由电机的钢叠片的外径支撑。定子衬套位于定子孔内，并与前后端盖焊接，以使绕组不与所输送的液体接触。屏蔽泵的电机属于专用电机，接线柱从绕组引出，通过安装在定子套上的耐压密闭引线连接器，然后接到一个标准的接线盒上。电机的绝热等级是温度极限从130℃到250℃以上的有效范围。图2定子组件转子组件

转子组件由轴、层压铁芯、端盖和密封壳焊接而成，使转子铁芯不与所输送的液体接触。有些生产厂提供可更换的轴套和轴向止推环，以便于延长使用寿命和易于维修。（见图3）。第18页，课件共23页，创作于2023年2月图3转子组件轴承轴承通常由泵输送的液体进行冷却和润滑。轴承材料的选择取决于与输送流体腐蚀特性、温度、固体含量等，目前轴承材料有石墨、碳化硅、氧化铝和多种聚合物。轴承在内径上一般有螺旋状的沟槽，以增加工艺流体渡过轴颈区的流量，从而降低轴承的温度。内部间隙确定定子绕组和转子电枢之间的总间隙是最重要的，间隙越大，电机的效率就越低。定子衬套和转子密封壳的材料同样影响电机效率。不锈钢和耐蚀镍质合金C是最常用的材料。虽然不锈钢比较便宜，但耐蚀镍合金C有较高的耐腐蚀性能，而且电能损耗较小。屏蔽泵的电机效率不仅对能耗费用来说相当重要，而且对循环流体吸热多少也很重要。承压部件定子衬套的厚度范围在0.254～1.016mm之间。对于高压应用场合，衬套可保持同样的厚度，它的外径由电机叠片和位于两侧的支持套筒支撑，在定子衬套厚度为0.381mm和厚壁支持套支撑下能承受工作压力达345bar。转子密封壳的厚度范围是0.254～6.35mm，在转子和定子间的径向运转间隙通常是0.508mm，总的直径方向的间隙范围是1.016～1.905mm以上。第19页，课件共23页，创作于2023年2月在定子衬套失效的情况下，外定子套就变成了密封容器，可防止工艺流体进入周围环境。流动路径

当输送相对洁净的液体时，一小部分工艺流体通过电机段，冷却和润滑