无密封泵幻灯片

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1、无 密 封 泵无密封泵是为了解决填料密封或机械密封泵的泄漏问题。泄漏通常对周围环境有毒或有害 ，有时泄漏液非常昂贵。这种泵80%的使用场合是用于压力低于13.8bar，温度低于120 的情况。 无密封泵分两大类：磁力驱动泵和屏蔽泵。这两类泵在特定的应用中没有严格的区分，但 在通常的应用情况下，它们均有各自的市场。 对于磁力驱动泵，叶轮与内磁转子的同一轴上安装，内磁转子和外磁转子之间由隔离套与 泵壳体之间形成全密封，它承受泵的内压。 对于屏蔽泵，叶轮直接安装于电机转子上，依靠电机定子和转子之间的屏蔽套实现全密封 。 磁力驱动泵和屏蔽泵通常都运用输送的液体来润滑和冷却轴承。磁力驱动泵磁力驱动泵的基

2、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。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 （

3、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

4、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 305 120137（取决于等级 ） 260350（取决于等级 ） 425 310 700 （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

5、结构 图6 磁 路 例：以mm给出如下尺寸： 平均直径（径向尺寸） 117 152.4 最小空气间隙 0.762 1.143 隔离套壁厚：耐蚀酸镍基合金C 1.016 1.524 聚合物 3.048 3.810 液体间隙 0.889 0.889 包封 0.762 0.762 总间隙:按耐蚀酸镍基合金C计算 3.429 4.318 按聚合物计算 5.461 6.604 （a）复合非金属型 图10磁体封装 图8 磁体结构 （b）金属型在上述例子中，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

6、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

7、”。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28.6 mm宽19mm高 9.65mm，导磁环厚度为4.6 mm。 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 (Nm) 109 152 12 186.10 6.6040 80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23倍 磁块的长度为其厚度的35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、

8、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 7.7103Kg/cm2 挠曲应力 2.53103Kg/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

9、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9 3616.2 28.8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120150 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

10、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0.76mm 3.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，

11、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。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

12、许用压力比 平板 平板 椭圆 椭圆 球形533 267 28 8 162 158 779 1440 56201.0 2.55 12.6 23.2 90.5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

13、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+4000.761.0 耐蚀镍 基合金C 71AISI316 7.5 无 537+ 316为耐蚀镍 基合金C的两倍注塑成型-4+120 4.3 3无 190 无定形烧制 0+1100 6.359.6 6无 260 无喷 涂01751.27 高于纯金属有一些 - 和金属一样壳体材料电阻率（R）/ （/cm3）壳体材料电阻率（R）/（/cm3） 耐蚀镍 基合金C AISI316L 镍铬铁 合金625 镍铬钛 耐热合金90130 74 129 115钛 K-蒙乃尔合金 20合金53 58 75表7中给出了材料选择对

14、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。