磁力驱动离心泵能量损失分析(2)

3.2、水力摩擦损失

　　内磁缸浸在输送介质中,随外磁缸同步旋转,高速旋转体与液体摩擦不可避免要产生功率损失。磁力驱动水力摩擦损失包括两部分, 圆柱面摩擦损失和端面摩擦损失。根据不同的结构设计要求,有的内磁缸可与叶轮设计为一体,有的则是通过轴与叶轮连接,这样内磁缸与水的接触摩擦面个数不同,所产生的水力摩擦损失亦不同。一般情况下,应尽量减少水力摩擦面的个数。整个内磁缸所受摩擦阻力:

圆柱面:

　　式中ρ′———介质的密度, kg/m ³
　　　　ω———内磁缸角速度, rad / s
　　　　RC ———内磁缸外径, m
　　　　LC ———内磁缸长度, m
　　　　λ、λd ———内磁缸端面、圆柱面摩擦系数

　　从公式可以看出, 圆柱面的摩擦损失近似为端面摩擦损失的两倍,因此,降低内磁缸水力摩擦损失功率的最有效的途径是减小内磁缸的半径。确定内磁缸的长径比时首先要能够满足其转矩要求,同时应具有较低的涡流损失和较好的成本效益。磁缸直径与磁体的总用量成反比, 从增大转矩和降低成本考虑,应增大磁缸直径,但增大直径会增加内磁缸的摩擦损失和隔离罩的涡流损失,降低传动效率,提高运转成本。缩小磁缸半径虽然减小一点转矩,但可以减少摩擦损失和涡流损失,提高磁传动效率。然而当要求传动功率一定,即传递的转矩一定时, 磁缸的直径不能过小,否则将导致磁缸过长,磁体用量增大,磁能的利用率降低, 轴承支持难以解决, 安装也不方便。因此,磁缸长径比选择的原则是转速低、扬程小时取小值;转速高、扬程大时取大值。表1可作为磁钢长径比经验值选用参考表。

表1　磁钢长径比选用

　　磁缸的长径比计算和尺寸确定比较复杂,在磁路设计中磁缸长度、直径与转矩T是成正比关系,同样与功率损失也是正比关系。因此,可通过优化设计,将长径比的关系列为高次方程,通过逼近法等计算方法求得理想的长径比。合理地选择磁路的长径比,可使这项功率损失控制在最小限度内。

3.3、润滑冷却循环损失

　　磁力泵会产生涡流热,为了确保运行可靠,磁力泵一般都设有导流孔,引导一部分工作介质来冷却内磁缸和隔离罩,同时冷却并润滑滑动轴承。冷却的方式可分为两种:一种是在泵出口部位增设引管,将输送的介质通过外循环管路以强迫循环的方式进行冷却润滑,称为外循环式;另一种是通过在泵内高压部位设置导流孔,强迫输送的介质循环流动,将轴承旋转摩擦产生的热量带走并润滑轴承,对产生磁涡流热的隔离罩进行冷却,称为内循环式。对于大功率的磁力泵, 常采用外循环式冷却润滑,对于小功率的磁力泵,一般采用内循环式。当采用内循环方式时, 其流量应以能带走隔离罩和轴承的热量,并使液体不至汽化为最小流量的界限。

　　根据冷却部位不同, 冷却液流量可分为q1和q2两部分。其中q1流向内磁缸与隔离罩的间隙,然后从轴中心孔回到泵进口低压区,主要带走隔离罩涡流热量和内磁缸圆盘摩擦损失产生的热量; q2流向滑动轴承处,然后通过叶轮上的平衡孔回到低压区,带走滑动轴承摩擦热量和轴承左端面圆盘损失产生的热量。冷却液流量q1 计算式为:

　　式中ρ′———介质的密度, kg/m³　　
　　　　C———介质的比热, kJ / ( kg·K)
　　　　△T———介质允许的温升, K

　　　　K′———圆盘摩擦系数, K′≈ 1. 31 ×10^{- 6}
　　　　ω———内磁缸角速度, rad / s
　　　　D2 ———内磁缸外径, m
　　　　LZ ———内磁缸轴向长度, m
　　　　W1 ———磁力泵统计涡流损失, kW,W1≈ 0. 15Mω
　　　　M ———联轴器扭矩, kN·m冷却液流量q2计算式为:

　　式中0. 0012dN/3600———经验值, 推荐的滑动轴承的冷却流量
　　　　dN ———滑动轴承内径, m导流孔直径的确定:

　　式中λ———导流阻压系数,λ = 0. 55～0. 75
　　　　Hd ———导流孔压力水头, 按泵内开导流孔位置计算, m

　　对于小流量高扬程的磁力泵,选择过大的冷却循环压差,将造成很大的能量损失,而对于容易汽化的液体,如果冷却循环流量过小,回流到泵吸入口的循环液体温度升高可能引起泵的汽蚀,必须适当加大冷却循环流量 。润滑冷却循环损失与前两项损失相比要小很多,一般而言,采用金属隔离罩的磁力泵润滑冷却循环损失占泵总消耗功率的4%～6% ,而采用非金属隔离罩的磁力泵润滑冷却循环损失仅占泵总消耗功率的2% ～3%。因此,只要合理设计冷却系统,该项损失可以降到最小。反之,如果冷却系统设计不妥,将产生流动紊乱,从而产生流道损失之外的附加水力损失。

4、结语

　　与普通的离心泵相比,磁力泵取消了机械联轴器以及轴封装置,不存在机械联轴器的机械损失以及轴封与轴之间的机械摩擦损失;但是,增加了磁涡流损失和内磁缸水力摩擦损失。但如果当磁力泵传动设计合理,即选择合适的隔离罩尺寸及材质,选择最佳长径比的内磁缸,上述两项损失是可以控制在最低限度内,其损失未必大于普通离心泵联轴器机械损失和轴封处的机械摩擦损失。

　　轴承与轴套之间的摩擦损失对泵的效率也有一定影响。普通离心泵一般采用滚动轴承,磁力泵更多采用滑动轴承,滑动轴承的接触面积较滚动轴承大,故滑动轴承的功率损失要大于滚动轴承。

　　可以通过对滑动轴承的合理设计,如控制好轴承与轴和轴套之间的间隙,设计良好的冷却润滑条件,来降低滑动轴承的功率损失。其次,普通离心泵的机械振动冲击较大,而离心泵是无接触传动,振动冲击较小,其功率损失也较小。因此,通过对磁力泵进行合理设计,可以将各项功率损失控制在最低限度范围内,使磁力泵的效率略接近普通机械传动离心泵的效率,使得磁力泵具有更广阔的市场前景。