高速磁力泵轴向力平衡计算

高速磁力泵轴向力平衡计算 高速磁力泵轴向力平衡计算 第21卷 2005焦 第7期 7月 农业工程 TransactionsoftheCSAE Vo1.21NO.7 July200569 高速磁力泵轴向力平衡计算 孔繁余,刘建瑞,施卫东,刘厚林,陈刚 (江苏大学流体机械工程技术研究中心,镇江212013) 摘要:磁力泵的结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 能否保证内磁转子体的轴向力平衡直接关系到泵的寿命.如何平衡磁力泵转子的轴向力是磁 力泵设计的关键技术之一.该文以一高速磁力泵为例,介绍了高速磁力泵借助冷却回路结构设计进行轴向力平衡,提出按 计算通式分段叠加求解的计算方法, 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了高速磁力泵轴向力平衡设计计算步骤.用该计算方法设计的高速磁力泵样机经 实际试验验证,运行平稳,性能可靠.从而证明了该轴向力平衡设计计算方法的正确性. 关键词:磁力泵;高速;轴向力平衡;设计;计算 中图分类号:TH137文献标识码:A文章编号:1002—6819(2005)07—0069-04 孔繁余,刘建瑞,施卫东,等.高速磁力泵轴向力平衡计算[J].农业工程,2005,21(7):69 —72. KongFanyu,LiuJianrui,ShiWeidong,eta1.Calculationofaxialforcebalanceforhigh—speedmagneticdrivepump_J] TransactionsoftheCSAE,2005,21(7):69—72.(inChinesewithEnglishabstract) 0引言 高速磁力泵由变频高速电机驱动外磁转子,通过永 磁磁力作用,带动内磁转子旋转,从而达到力矩的无接 触传递.磁力泵整个转子全部浸在介质中工作,在轴向 方向,转子承受叶轮左盖板液体压力,右端面液体压力 以及液流对叶轮作用的动反力.由于各个作用力方向不 同,作用面和力的大小不等,在不采取轴向力平衡技术 措施时,存在较大的,指向叶轮吸人口的合力.从而造成 转子的轴向力不平衡.在轴向力的作用下,推力盘会很 快磨损,导致泵不能工作.多年经验 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,磁力泵的寿命 与轴向力是否平衡有直接的关系.因此,如何平衡磁力 泵转子的轴向力是磁力泵设计的关键技术之一?】一. 磁力泵在结构和 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 上组合不同,产生的轴向力也 不同.现有文献介绍磁力泵轴向力平衡的计算仍然套用 普通离心泵轴向力的估算值],结果与实际相差甚远. 笔者利用高速磁力泵冷却回路形成的压力降,采用高速 磁力泵冷却回路结构优化设计来平衡轴向力,取得了令 人满意的平衡效果.下面介绍高速磁力泵研究课题中的 轴向力平衡设计计算方法. l泵的结构和工作原理 本课题研制的400Hz高速磁力泵的流量为Q一7 m./h;扬程为H一75m;转速为,z一7600r/min,结构 如图1所示.该泵主要由泵体,内磁转子,隔离套,外磁 转子和400Hz频率电机等组成.隔离套和泵轴构成一 体,是静止件;叶轮和内磁钢为一整体,构成内磁转子. 这种结构保证了泵机组轴向尺寸尽可能达到最小. 高速磁力泵的工作原理是:电机驱动外磁钢转子旋 转,在外磁钢转子磁力的作用下,内磁转子也随之旋转, 收稿日期:2004—09—14修订日期:2004—12-24 基金项目:江苏省高新技术研究项目 作者简介:孔繁余(1956一),男,教授,总工程师.从事石化,军工等 特种泵的设计,试验研究工作.镇江市江苏大学流体机械工程技 术研究中心,212013.Email;kongfy29186sohu.com 从而使泵输送流体工作.由于内,外磁转子同步旋转,其 间有隔离套隔离,将普通泵的动密封转变为静密封,实 现了无轴封.所以泵在工作或静止状态下均无泄漏. 机 图1高速泵结构 Fig.1Structureofhighspeedmagneticdrivepump 2轴向力平衡计算 2.1内磁转子轴向力平衡条件 高速磁力泵轴向力是指内磁转子所受的轴向推力. 内磁转子左右两端均设有推力盘,如图2所示如果轴 向力不平衡,将影响推力盘的使用寿命,即影响泵机组 的寿命,甚至于关系到泵能否起动运行. 泵工作时,转子体在介质中以角速度旋转.研究 表明,在转子与泵体间的腔体中,液体也作旋转运动,且 旋转角速度为1/2oJ.宏观上看,腔体内的液体彼此之间 无相对运动.此时,腔体内压力头h在不同半径R时的 大小按抛物线分布,由流体力学可知一 ,.' 2 h一[,(RL—R)](1) O 式中h——叶轮外缘位置泵体内腔液体静压头,m; 尺——叶轮外缘处半径,取叶轮半径,m;』0——液体密 度,kg/m.;g——重力加速度,ITI/s. 70农业工程 叶轮主流进系统 图2高速磁力泵内磁转子 Fig.2Innermagneticrotorofhigh speedmagneticdrivepupm 当无平衡轴向力措施时,因为内磁转子体前后承压 面不等,由此产生了不平衡轴向力.在内磁转子体左右 两边,从叶轮半径R到R,的轴向作用力分别是F, F右,这两个力分别可按式(1)积分求得,通式如下: r尺.广,?2] F一llh,一?(R;一R)I2zrpgRdRJR, LtSgJ ,.. 2 一rrpg(R;一R)[^,一(R;一R)](2) 1O 式中h厂一对应于R,处的静压头. 除F左,F右以外,流体流径叶片时还产生作用于内 磁转子的动反力F动,F动的方向与F相同.在本课题设 计的高速磁力泵中,轴是静止件,对内磁转子不产生轴 头力;泵的内外磁转子对齐,不会产生磁力轴向力.因 此,内磁转子轴向力完全平衡的条件是:F左+F动一F右 一 0. 2.2内磁转子轴向力的平衡设计 内磁转子轴向力平衡设计思路是设法适当降低内 磁转子右端的单位面积作用力,尽可能使它所受合力为 零.由于磁力泵内磁钢与隔离套之间需要一定的液体循 环冷却,同时推力轴承,导轴承也需要液体润滑冷却.在 本课题的设计中,利用液体循环产生的液压来减少内磁 转子右端轴向力的分布.所以,冷却循环回路设计与平 衡轴向力设计应同时进行_4]. 在要求高速磁力泵具有最小轴向尺寸的前提下,冷 却循环液沿叶轮出口高压腔流经内磁钢与隔离套之间 的环形间隙AB,推力轴承CD,导轴承DF,叶轮人口环 缝FG这4个主要液流阻力件回到泵入口,构成循环回 路,如图2所示.冷却循环液在循环回路中产生了压力 降,由此减少了作用于内磁转子右端的压力,实现了轴 向力平衡.内磁转子右端腔体内液体流动很复杂,但可 以理解为两种运动的迭加:?腔体内液体和转子左端 一 样,以1/2旋转,压力分布见图3中AH曲线;?液 体流经各阻力件,用实际流体的伯努利方程求出各阻力 压降,见图3中的BCDEFG折线.这两部分的迭加结果 造成轴向力减小,见图3中阴影部分.合理调节尺寸组 合参数,在理论上可以实现轴向力的完全平衡. tZ'/ ? , Il D2一_Ct4 _ 3 D ' 一 h一 ' 一 图3内磁转子右端轴向力 Fig.3Axialforcebyrightendof innermagneticrotor 2.3内磁转子轴向力计算 2.3.1循环流量 通常根据结构尺寸确定出各阻力件合理的几何参 数.冷却循环液流经各阻力件构成一个串联循环回路, 循环流量q可通过式(3)求解. 因为H一^一Kg一l)去 (3) 所以q一(4) 式中H——循环回路全扬程,H一H一("一 o U:),m;Hp——泵的势扬程,Hp一0.75"2/(2g),m; U一一对应于R(R一0.048m)的圆周速度,m/s; U——对应于R的圆周速度,m/s;h——相对于阻 力件的压头降,m;——流经阻力件的平均速度, m/s;——对应i阻力件的阻力系数;S——对应阻 力件的过流面积,m. 阻力件的流阻状态,流阻简化模型,流阻系数及 过流截面面积见表1. 将表1的,S各值分别代人式(4)中,求出g一 0.85m./h.g值应大于热平衡设计流量冷却,润滑才是 安全的,否则应调整相关间隙,孔槽直径等5. 2.3.2流阻计算 n 2 将计算的g值代人h一式中,分别求出各段 厶6ui 流体阻力降,计算结果见表2. 第7期孔繁余等:高速磁力泵轴向力平衡计算71 表2流体各阻力降 Table2Energyheadlossoffluid 2.3.3轴向力计算 应用式(2)时应注意,作用于转子右端的压力分布 需用分段积分求出F右: F右一胁+~FF~IcRdRf(R)dRfCC(R)dR4-RF右一}】+l.2()J厶LJ f"1}厂(D)(R)dRI4-t.f姬,)(R)dR(5…3JJ 其中CD面的力为CC力与DD力的代数平均值, 内磁转子右端各半径R对应的静扬程为h,用式(5)计 算的轴向力F,计算结果见表3. 表3内磁转子右端轴向力 Table3Axialforcebyrightendofinnermagneticrotor 内磁转子左端液体从泵腔至吸入口也形成循环回 路,阻力件只有左推力盘?0,见图2.压头分布叠加如 图4所示.同理,用式(2)可求出作用于转子左端的轴推 力F左: 1 F左一寺[(MQOP)4-(UN)]一2454(N)厶 同时,流体经转子体叶轮产生的动反力: F动一IDQ 式中Q——理论流量;——进口轴面速度,取 =1.2Q,F一6(N). 转子所受的轴向力为: F—F左+F动一F右一一25(N) 合力的作用方向为指向吸人口. 值得说明的是,当泵在非设计工况运行时,由于泵 的势扬程不同,导致泵轴向力有所不同.通过偏离工况 的势扬程可以求出偏离工况时的泵轴向力.因而,磁力 泵还应规定偏离工况的最大流量和最小流量[5]. 图4内磁转子左端轴向力 Fig.4Axialforcebyleftend ofinnermagneticrotor 2.3.4设计计算步骤 高速磁力泵轴向力平衡设计步骤是: 1)从泵的势扬程和冷却回路各阻力件的阻力系 数,过流截面求解出泵冷却循环液的流量; 2)由循环流量,各阻力系数分别求出相应阻力件 的压头损失; 3)将压头损失与按抛物线分布的静压头叠加,确 定出不同半径处的静压头; 不同静压头分段积分,累计算出右 4)按不同半径, 端轴向推力; 5)调整相应阻力件的尺寸参数来调整循环流量, 阻力件的压头损失,平衡轴向推力. 3结论 将上面所述的轴向力平衡计算方法应用于400Hz 高速磁力泵的设计中,既能完全满足泵磁钢体,推力轴 承和导轴承冷却润滑所需液体的循环流量,又能使内磁 转子的轴向力几乎达到完全平衡,经测试,仅有0.17 MPa的不平衡轴向力作用于叶轮前推力盘,前推力盘 最大外圆处的P(作用点的压力和圆周速度)值为 2.16MPa?m/s. 高速磁力泵连续试运行200h后,拆开泵检查证 实,未发现叶轮前后推力盘有摩擦痕迹.实践证明,采用 冷却回路结构优化设计来平衡轴向力的方法是可靠的, 计算过程是正确的,这为高速磁力泵轴向力的平衡设计 计算提供了具有重要价值的参考资料. 72农业工程2005正 [1] [2] [3] [4] [参考文献] 孔繁余.无泄漏泵技术及其应用口].石油化工设备技术, 1996,(4):24—26. 李多民.磁力传动离心泵轴向力的计算与平衡方法rj].流 体机械,2002,(6):14—16. 潘文全.工程流体力学[M].北京:清华大学出版社,1988: 31—44. 施卫东,等.屏蔽泵循环回路的设计试验 孔繁余,袁寿其, 研究I-J].2002中国流体机械技术.流体机械专刊,2002, [5] [6] [7] [8] (10):353—356. 孔繁余,袁寿其,刘厚林,等.孔板管路对磁力泵工作的安 全保护I-J].中国安全科学,2004,(4):52—53. 关醒凡.现代泵技术手册[M].北京:宇航出版社,1995: 5O2—5O6. 何朝辉,陈存东,王用军.管道式磁力泵轴向力研究rJ].排 灌机械,2000,(6):3—7. 钱坤喜,曾培,茹伟民,等.永磁体磁浮叶轮血泵的研制 和试验研究rJ].机械工程,2002,(5):86—87. Calculationofaxialforcebalanceforhigh-speedmagneticdrivepump KongFanyu,LiuJianrui,ShiWeidong,LiuHoulin,ChenGang (ResearchCenterofFluidMachinery,JiangsuUniversity,Zhenjiang230031,China) Abstract:Inthestructuraldesignofamagneticdrivepump,thedurabilitydirectlyrelatestotheequilibriumof innermagneticrotator.Howtocounteracttheaxialforceisoneofthekeytechnologies.Forthehigh—speed magneticdrivepump,thedesignforequilibriumofaxialforceismoreimportant.Hereanexampleistakento illustratethedesignofutilizingthecoolingsystemtocounteracttheaxialforce,andakindofcalculationmethod isdevelopedthatthecommonformulaproposedhereisusedtocalculateandsuperposefordifferentsegments. Thecalculationprocedureoftheaxialforceforthehigh— speedmagneticdrivepumpissummarized.Thetested resultsshowthatthehigh— speedmagneticdrivepumpdesignedwiththiskindofaxialforcebalancemethodruns smoothlyandflexibly. Keywords:magneticdrivepump;highspeedbalanceofaxialforce;design;calculation