轴向自平衡磁力泵的介绍分析及数值模拟

陈 超，张贵军

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

图1 传统磁力泵的结构

1 磁力泵的原理及结构

磁力泵核心部件主要包括外磁体、隔离套、内磁体以及轴承，如图1所示，其原理是：在外磁体和内磁体上分别布置1圈或多圈相异磁极的永磁体，中间由隔离套将内、外磁体分开，当外磁体旋转时，根据异性相吸的原理，内磁体也会旋转，带动叶轮做功这种型式的泵在实现磁力传动的同时，摈弃了动密封，可达到无泄漏的目的。

由于磁力泵的隔离套始终做着切割磁感线的相对运动，对于金属隔离套来说，将会在其内部产生大量热量，这就需要引入一股冷却介质，冷却隔离套的同时，还可为滑动轴承提供润滑(见图2)。

磁力泵具有无泄漏、可过载保护的优点，同时也存在效率低、要求泵送介质清洁、对隔离套材质要求高的不足。

2 轴向力的产生及平衡

磁力泵轴向力的产生源于以下几个方面【1】：

1) 叶轮前、后盖板上的压力不一致，指向入口。此力的大小主要与前、后口环位置以及轴承腔的压力有关。

2) 引进的相对高压的冷却循环流体作用在内磁转子上，指向入口。冷却润滑液从高压区流经轴承体和隔离套，最后流入泵入口区。内磁总成的压力差导致指向入口的轴向力存在。

图2 自冲洗润滑结构

3) 液体轴向进入泵体，沿着径向流出，其受到叶轮作用力的同时，会给叶轮一个反作用力，方向指向电机侧，大小可以按照动量守恒定律计算。

总的轴向力等于以上3部分的力矢量和，一般指向泵入口。轴向力直接作用在止推轴承上。过大的轴向力将使止推轴承的端面比压增加。同时，对于一般的磁力泵，止推轴承并无法形成有效的“液体楔”来产生反向力，因此容易使得止推轴承磨损失效【2-4】。这在大功率磁力泵中更为常见。

3 轴向自平衡型磁力泵

图3展示了一种不使用止推轴承的新型磁力泵。

图3 新型轴向自平衡型磁力泵剖面

该泵有如下特色：

1) 集成了内磁体的一体化碳纤维增强ETFE叶轮，增大了扭矩传递，可满足较大流量和扬程需求。

2) 采用静态悬臂轴，可以承受更大的径向力，有效降低径向轴承的受力比压。

3) 取消了推力轴承，采用节流控制，实现轴向水力自平衡，如图4所示。该泵允许转子在一定范围内轴向移动。当转子受到较大的指向泵入口的轴向力时，转子将向泵入口方向移动，此时，泵密封腔节流结构的节流口的尺寸会增加，使密封腔的压力迅速减小，从而使得轴向力之和减小，达到力的平衡；反之亦然。图5显示了以上2种情况下，节流口大小的改变。

图4 采用节流控制口的磁力泵剖面

图5 轴向力改变时节流口尺寸的变化

4 数值模拟

根据伯努利方程，当流体处于音速以下流动时，节流会使节流面的压能转化为动能。下面将通过流体数值模拟的方法定性分析节流平衡的可行性。流道示意见图6，三维流道模型见图7。

图6 流道示意

按照图6所示的流道图，使用Ansys CFX建立三维的流道模型。根据不同条件建立不同的节流口模型并画出四面体网格，如图8所示。

图7 三维流道模型

图8 不同节流口模型网格

如图9所示，黑色箭头部分为入口边界，采用2.0 MPa压力入口模式：蓝色箭头为背压1.0 MPa的开放口边界，根据腔内压力，流体可以从这个口流入或流出；红色部分表示对称边界条件，其他面设置为壁面边界条件。

采用静态分析、标准的k-ε湍流模型，设置残差监测。

图9 边界条件的施加

计算收敛后，取对称面进行分析，如图10所示。由图10可知，压力变化区域集中在密封腔内，在节流口附近的变化最为剧烈。将此区域放大，如图11 所示。

在密封腔中画一条直线作为路径(如图11中黑色直线所示)，分析不同节流口状态下密封腔的压力分布(如图12所示)。

图10 模拟结果

图11 不同节流口状态下的模拟结果

由图12可以看出：窄节流口状态下，密封腔平均压力为1.79 MPa；而宽节流口状态下，密封腔的平均压力为1.65 MPa。可见不同的节流口尺寸对密封腔的压力状态有着比较明显的影响。这就验证了通过控制节流口的尺寸改变可以控制密封腔压力、 进而实现泵的轴向力自平衡的结论。

5 结语

轴向自平衡型磁力泵取消了推力轴承设计，改用节流口控制密封腔压力，从而实现轴向力的自平衡，减少了一个危险点，解决了工程应用中推力轴承总是损坏的问题。

通过数值模拟，定性地验证了改用节流口实现轴向力自平衡的可行性。