屏蔽泵的结构、原理及其应用

泵． 承 ，结柏，厚 化 lI_设 备 设 1998年 第 3 5卷 1 前言 一 屏蔽泵的结构、原理及其应用 粱超 国 - ● - ‘ 。 _ _ _ - 。 一 (大连帝国屏蔽电泵有限公司．大连 l16041) 屏蔽泵发展已有约 70年历史 然而直到五 十年代 ，当安全和环境 问题促使朝着绝对无泄漏 方向发展时，这种泵才获得 了广泛而实际的应 用。目前屏蔽泵在 日本、德国、美 国、法国等几 个比较大的泵公司和生产厂均有系列化生产 ．并 已销往世界各 国。屏蔽泵以其绝对无泄漏性广泛 地应用于石油 、化工、制冷、食品、国防、原子 能等工业中输送酸、碱 、易燃、易爆 、剧毒等液 体 。 2 屏蔽泵的发展史 在泵类装置上，口每年由于轴封处的泄漏所 造成的损失和修理填料密封所需的费用都很大。 此外，由于泄漏也使工作环境恶化。 为了节省费用和改善环境，制造无密封泵 的 设想在 1900年间就产生了。 1930年问，由于原 ，c ≥2f／ 子能工业的要求加速 了这方面的研究。 l948年 美国化工泵公司研制成功实用的屏蔽泵，这种结 构至今仍然是各国制造屏蔽泵的基础。 按照上述结构制造的屏蔽泵技术 由美国化 工泵公司输 出至原西德和英国，并迅速扩展到全 欧洲。 五十年代末一日本从美国引进技术并开始制 造屏蔽泵。 30多年来 ．由于不断提高产品质量， 降低成本，目前已成为屏蔽泵的主要制造 国。 制造初期屏蔽泵价格很高．仅限于完全无泄 漏的场合使用。随着石油化学工业的发展，屏蔽 泵产量 的不断增加，生产安排的 日趋合理化．现有 的销售价几乎与机械密封泵无太大差别 另外． 技术方面也作 了很大的改进 ，过去屏蔽泵存在的 问题几乎都得到了解决，可靠性得到了明显提 高。 3 屏蔽泵的基本结构原理及其特点 图 I 帝国基本型屏蔽泵结构断面图 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 1期 ·45 · 目前世界各国制造 的屏 蔽泵外 形上各有 差 异，但其内部结构及工作原理基本相同。下面以 日本帝国电机制作所的基本型结构为例说明屏 蔽泵的结构原理及其特点。 图1所示为基本型屏蔽泵结构断面图。口屏 蔽泵的电动机与泵构成一个整体，定子(2O1的内 面和转子f191外表面有非磁性的耐腐蚀金属薄 板密封焊接，使定子绕组和转子铁芯与输送液体 完全隔开．不会受到输送液的侵蚀。另外，叶轮 与转 子装在 一个轴上．由前 后两个 轴承 (15A)、 (15B】支撑。整个转子体浸没在输送液中，没有接 液部与外界贯通的转动零件。因而是一种绝对无 泄漏的结构。其工作原理如下： 被输送液体由泵体(01)的吸入 口进入泵腔， 通过叶轮 2，施加能量，由泵体排出口排出，实现 对液体连续不断的输送。 输送液 体的一部分从泵体的排出 口一过滤 器(03)一循环管(34)一 RB端盖(14)(后轴承座)一 后轴承(15B)与后轴套(17)D之间的间隙一定子屏 蔽套(21)与转子屏蔽套伫1)之间的气隙一前轴承 (15A)与前轴套(171之间的间隙一叶轮平衡孔一 叶轮入口。 这一部分液体称为电机循环液，用于润滑轴 承及冷却电机．并且对平衡转子系统内的轴推力 起至关重要的作用 具有这种结构的屏蔽泵有如 下优点： 。。 (1)输送的液体绝对不会泄漏，适合于输送 对人体及环境有害的、强腐蚀的、易燃易爆的、 昂贵的、有放射性的液体。 (2)不会从外界吸入空气或其他东西，适合 于真空系统的运行和一接触外界空气就变质的 液体的场合 。 (3)不需要注入润滑液或密封渡，既省去了 注油的麻烦．也不会污染输送液。 (4)适合于输送高压、高温、超低温、高融 点液体，利用这种泵无轴封这一特点来解决有轴 封泵难以解决的上述特殊液体。 (5)电机与泵一体，采用积木式结构．非常 紧凑，所以体积小、重量轻、占地小．在安装方 面无需熟练技术。 (6)因无冷却电机的风扇，所以运转声音很 小。 (7)主要维护只是更换轴承，所以减轻了运 行成本。 由于屏 蔽泵已经明显地侵 入了长期以来离 心泵占统治地位的某些领域，因此人们对屏蔽泵 的关注也越来越多了。 除上述诸多优点外 ，人们经常谈论其缺点： (1)屏蔽泵的效率比普通离心泵低： (2)电机绕组受输送液温度的影响； (3)输送液中含有固体颗粒会加速轴承 的 磨损； (4)输送易气化液体时电机腔内会产生气 化，从而导致汽蚀的发生及阻碍循环液的正常流 动； (5)不分解无法知道轴承的磨损情况； (6)从外部确定转向是困难的； (7)价格昂贵。 由于存在上述问题，使人们一度对于屏蔽泵 的选用发生了动摇，然而世界各国屏蔽泵制造厂 都在致力于解决上述问题，目前屏蔽泵的上述缺 点基本上得到了圆满的解决。 4 屏蔽泵存在的技术问题、解决措施及其 应用 4．1屏蔽泵整机效率的提高 由于屏蔽电机的定、转子有一层屏蔽套．所 以定、转子的气隙加大，功率因素变差。另外， 交变的磁通经过定子屏蔽套会产生涡流损失．这 些均会导致电机效率的降低。对这一问题的解决 可以通过选用合适的屏蔽套材料及厚度来最大 限度地提高屏蔽电机的效率。 维普资讯 http://www.cqvip.com ·46· 化 T 设 备 设 汁 998年第 3 5卷 其他方面的改进措施 ： (1)提高水力效率，将各种水力损失降低到 最低限度； (2)提高容积效率，在满足正常工作情况 下，将电机循环量控制在最小限度； (3)采用积木式结构，将泵与电机实行 化，提高泵与电机组合的灵活性，这样可以选定 效率高的屏蔽泵； (4)采用多级泵，提高小流量、高扬程泵的 效率 。 由于采取了上述措施，加上屏蔽泵的结构中 填料函或机械密封的省略使效率得到了一定的 补偿．屏蔽泵的效率已得到了明显的提高，整机 效率 已接近一般离心泵。 4．2高温液体的对策 前面所述的基本型屏蔽泵仅限于输送．50～ 100℃的液体，但对于输送 300～ 400℃的导热 油、过热水等高温液体时．由泵腔进入电机腔的 高温液超过定子绕组的耐热温度，普通基本型结 构显然是不行的，高温分离型结构成功地解决了 这一难题。 高温分离型屏蔽泵：泵腔与电机腔由连接体 (又称热屏)隔开，电机循液由连接体的两条斜 孔引入补给．外部设有热交换器形成独立的循环 冷却系统，使最 终进入 电机 腔 内的液体下 降为 150℃以下，因此可以输送 400℃的液体而不存 在电机绕组的耐 热问题。 经过多年的开发研究，又成功地研制了耐热 温度超过 300℃的电机，即高温液体直接进入电 机腔而不会引起电机的耐热不够 的问题 ，这种电 机与泵的组合称为超耐热型屏蔽泵。口超耐热屏 蔽泵可以使输送液的能量不受损失，并省去了冷 却水．这种泵在提倡节约能源 的当今世界格外引 人注 目。 4 3舍有固体颗粒的泥浆液的对策 如果含有固体的泥浆液进入电机腔，则会大 大缩短轴承的寿命。作为解决措施，在电机腔与 泵腔之问设置机械密封，这样泥浆液与电机腔内 的轴承不接触，电机腔内的循环液为外部注入清 洁的母液，其循环方式与高温分离型相同，即使 混入输送液 中也没 问题，这就是泥浆密封型屏蔽 泵 。 如果泥浆液中固体颗粒含量太多．泥浆液接 触到机械密封后会出现不良效果，这样必须设置 气封腔，使电机密封与泥浆液完全隔离，这就是 气封泥浆型屏蔽泵(x型)。 4．4易气化液体的对策 输送氟利昂、液化气、液氨等容易气化的液 体时 ．循环液经过 电机腔会使其温度上升并气 化，如果采用基本型结构，循环液返回叶轮入 口 时则容易产生气蚀 。解决的办法是采用逆向循环 型结构．将循环液由前轴承座的过液孔引入电 机，再由电机后部逆循环管返回到进液罐的气相 区，见图 2。 图 2逆循环型配管示意图 除上述介绍的几种结构而外，通过采取一 定的对策开发出的品种繁多的机种可以适合各 种用途 ，如： 从地下吸入液体——自吸型： 大流量——双吸入型： 高扬程—— 多级型； 高融点液用——高融点型； 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 1期 吸收式制冷机用——制冷型，在此不一一详 细介绍。 4 5轴承磨损及运转方向的监测 屏蔽泵是一种全封密结构，从外部无法了解 轴承的磨损情况及电机的旋转方向。而轴承一旦 磨损将导致屏蔽套的损坏，其后果非常严重。另 外，屏蔽泵长时间反转也会导致损坏。如果上述 问题没有很好的解决措施，会使屏蔽泵的可靠性 大打折扣，这也会影响屏蔽泵的推广使用。 然 而 帝 国 电 机 制 作 所 研 究 的 TRG (TEIKOKU Rotary Guardian，简称 TRG，即 帝国运转保护装置)装置能在外部监视屏蔽泵的 运转情况，克服了屏蔽泵的最大缺点，已广泛地 应用于帝国各类结构的屏蔽泵。～ TRG 轴承磨损及运转方向监测装置的结构 原理简单说明如下： TRG 线圈在空间相对 180。韵两个定子齿 上绕制一对完全对称的线圈。当转子旋转时，便 感应出180 的电势。在轴承正常工作时．a— b，两绕组的基波大小相同，方向相反。由接线 盒输出至检澳j仪表 的信号只显示谐波之差．指针 在绿色区。当轴承磨损量增加 ， a> b时， A、 B线圈间的谐波及基波差之和显著增加，指针偏 向黄色或红色区域，提请操作者采取措施。 除此而外． TRG 还能够监视电机的转向。 4．6其他提高屏蔽泵可靠性对策 (1)对于屏蔽泵可能出现的空转，可配有专 用的空转保护器： (2)定子线圈内装入热保护器．当电机温度 异常上升时，则热保护器会自动动作。 4．7关于屏蔽泵的价格 屏蔽泵与离心泵在性能上的差异已显而易 见，屏蔽泵固其完全无泄漏的技术特点在石油化 工行业中发挥着巨大的作用 但是在价格和费用 上却众说纷云，莫衷一是，普遍认为屏蔽泵价格 比离心泵价格高，使用起来不经济等等。 表 1是中国某公司提供 的屏蔽泵与离 心泵的购置价比较。 表 1 屏 蔽泵与离心泵胸置价格比较 国 别 屏蔽泵 离心泵 羹国 1 巷 雷 l～ 1．2 1 | 瑞士、法国 1．1～1．3 1 日本 0．7～ 0．9 表 2是欧洲发表的一份资料中的数据， 表 中列出了各种化工泵使用十年费用的比较，由表 2中的数据可以看出： (1)屏蔽泵的十年维修费用仅为离心泵的 20％ ： (2)屏蔽泵 的十年总 费用仅为离心泵 的 30％ 。 表 2 化工流程泵费用 比较 泵型 韧始费用$ 总教率％ 动力费用S 维护费用$ 监控费用s lO年使用期费用s ^Pl 6 l 0泵 4600 64 8000 20800 25lO0 58500 ANSI有 密封泵 2000 7l 7200 l8200 25l00 52500 API磁 力泵 3500 47 10900 3500 0 l7900 DlN磁力 泵 2900 47 10900 2900 0 16700 AP[立式 屏蔽 5400 64 8000 5400 0 l8800 DIN屏蔽泵 4200 53 9700 4200 0 lS100 维普资讯 http://www.cqvip.com 化 T 设 嵛 设 |十 998年 第 3 5卷 表 3 屏蔽泵与离心泵综合价格 比较 单位：万元 使 用 ]癣 心 泵 (100台) 屏 蔽 泵 (100台 年 限 维修台披 维修费 购置+维修费景计 综台价格 ，台 维修台披 维修费 购置+维修费累计 综音价格 ，台 第一年 31 9．3 109 3 ．O93 14 1．4 ll6．4 1．164 第二年 35 10．S l】9．8 1．198 l】 l，1 ll7．5 1 I7S 第三 年 39 11．7 I3I．S l_3IS 8 O．8 Il8．3 1．183 第 四年 43 l2．9 144．4 1．444 S mS l】8．8 1188 菇 五年 47 14．1 158．S 1．585 2 n2 l19．O 1．199 合计 19S 58．8 4．0 某化工厂在一套化工装置中用泵 100台，采 用卧式离心泵时购置费 100万元f平均 1万元／ 台 ，若采用屏蔽泵 ，购置费为 115万元(屏蔽泵 比离心泵价格平均 高出 ls 1，按 日本 COSMIC． Ⅱ工程统计数据分析，使用五年后的综合价格见 表 3(假定离心泵的维修费用为 0．3万元，台】。 通过表 3我们不难看出： (1)虽然屏蔽泵初期购置时价格略高，但使 用二年后与离心泵价格相当； (2)使用五年后，离心泵 的综合价格比屏蔽 泵高出33．19％，而维修费用是屏蔽泵的14．6倍。 根据一些调查资料表明：目前屏蔽泵在耐腐 蚀泵产值中所 占的 比率约 为 30％．与一般电机 泵这种大量产品相比。由于制造台数较少，因而 价格较贵些，但是近年来随着需求的增加 ，通过 产品的标准化，加工工艺的合理化，屏蔽泵的价 格会进一部下降。 独领风骚，兴盛一时。到了 70年代中期 以后，由 于稀土钴(1978年1以及最强有力 的钕铁硼(1983 年)等新一代永磁铁和碳化硅轴承的开发使磁力 泵技术水平有 了明显提高。当我们在决定采用无 密封泵之后，究竟选择屏蔽泵还是磁力泵则是一 个比较复杂的问题 下 面通过几 个方面的比较也许会对我们今 后选择这=种泵提供一定的参考。 5 1整机效率 屏蔽泵的效率是由泵效搴、电机效率的总 合。而磁力泵是由泵效率、电机效率、磁力联轴 器传动效率的总合。磁力泵配用的普通电机的效 率略高于屏蔽电机，但磁力联轴器的效率则较 低。 60年代初仅为 60％．随着新一代稀土永磁 材料的使用，目前效率可提高到 85～ 95％。二 种泵的总合效率接近。大功率屏蔽泵效率略高 些 。 5 屏蔽泵与磁力泵 比较 5．2特殊液对策 苎 泵：竺力 ’ 苎曼 兰 目前屏蔽泵对各种特殊液已有很好的对策， ’笔 ． 代中期至70年代中期屏蔽 详直第2节介绍的二容 ⋯ ⋯～～ ⋯。 已 成 ，而磁力泵在这一时期仅 其种类 多。晶。 H构基本上可以满足对大多 有 少量应用，这使屏蔽泵在无密封泵领域中几乎 数液体的输送 ， 但磁力驱动泵在解决 些特殊 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 1期 ·49 · 时仍存在较大困难，这也是影响磁力泵与屏蔽泵 竞争的重要原因之一。 (11低沸点液用途 磁力泵由于自身结构的特点，难以实现类似 于屏蔽泵的逆循环功能 - (2)低温液用途 屏蔽泵以其全密封结构可以实现对．200℃ 液体的输送，但磁力泵由于外转子与屏蔽套在低 温下会结霜，从而导致磁力联轴器的损坏。因此 目前磁力泵技术还难以实现对超低温液的输送。 (3)高温液用途 屏蔽泵因在 电机侧装有冷却器可 以实现对 300～ 400℃液体的输送，特殊设计的超耐热型 可在 400℃时无冷却条件下正常工作。 目前．口 磁力联轴器中常用的磁性材料为敏铁硼(NdFeB) 和钐钴(SmCo5)。钕铁硼的使用温度为120℃以 下。其抗退磁性能较差。 耐热性能较好的钐钴 的使用温度为220℃。当超过这一温度时通常选 用铝镍钻合金『AI．Ni．Co)，口但困其综合性能较差 目前还难以全面推广使用。 (41泥浆液用途 泥浆型及气封泥浆型可 以很好地实现对泥 浆液的输送，但磁力泵的结构还难以实现对泥浆 液的输送。 (5)高压用途 高压屏蔽泵的结构特点是除了有承压能力 较高的壳体外．定子铁芯可以用来充当承压装 置，并在铁芯两端设置加强环，以支承处于内部 高压下的电机屏蔽套，用这种方法设计的高压屏 蔽泵可以承受 lOOkgffcm 以上的压力。磁力泵内 部最关键的承压部件为密封隔离套，无论通过增 加其厚度还是其他方法，提高其承压能力都是有 限的，因此高压磁力泵设计的难度远大于屏蔽 泵 。 5．3可靠性 (1)屏蔽泵与磁力泵配用的普通电机在防 爆方面有共同的标准，屏蔽电机本身在防爆方面 与普通电机并无优劣； (2)屏蔽泵与磁力泵的屏蔽套间隙也几乎 有共同的标准．屏蔽泵由于有了轴承运转监测装 置而大大地提高了其可靠性； (3)屏蔽泵的密封有两层，即一旦屏蔽套损 坏则液体会泄漏到电机体内，但此时机壳和接线 架会把液体密封住 以防止液体进一步外泄，但磁 力泵无此功能。 5．4经济性 fl1整机价格 磁力泵采用的普通电机价格 比屏蔽电机低． 但由于磁性联轴器中采用的磁性材料价格较昂 贵，因此二者整机售价接近 。 (2)安装成本 屏蔽泵安装成本低于磁力泵。 (3)运行费用 二种泵整机效率接近，平时均免维护，总运 行费用接近 参 考 文 献 1 幂本益也， F ．， ．产业机城．1979．1l 2 渡边康博，特殊用途 0概要，配臂技术， 1985．11 3 JOHN A．REYNOLDS r Canned Moto r_nd Magnellc Drive Pumps，CHEMICAL EROCESSiNG，Novem 1989 4 机械工业部通用机械研究所，计量泵 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