旋噴泵用電動機(jī)起動時間研究及應(yīng)用

中圖分類號：TH311；TM343 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1006-0316（2025）08-0001-06

doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.08.001

Research and Application of the Starting Time for Asynchronous Motor Used in Rotary Jet Pump

LIShuangshuang12，YINXiao3，CHENJun3，F(xiàn)ENG Chuan3，YINGuofu1 （1.School of Mechanical Engineering， Sichuan University， Chengdu 61oo65， China; 2.School ofMechanical Engineering，Xihua University， Chengdu 61oo39，China; 3.Sinoseal Holding Co.，Ltd.， Chengdu ， China）

Abstract ： As a key component of the drag system of a rotary jet pump，the motor's starting time directly affects operational safety and lifespan of the equipment. Due to the increase in the moment of inertia of the rotary jet pump，the motor is exposed to problems such as long starting times，difficulty in starting，and the risk of exceeding the temperature rise limit.Inorder to improve the starting reliability of the motor，the differential equations ofthe motor starting time and the load moment of inertia are established，combined with the structure model of the single-axis motor drag system of the rotary jet pump，the mechanical characteristics of the motor and the load characteristics of the pump. The starting time is solved by using a discrete segmented iteration method that combines the motor’s mechanical characteristics with the torque characteristics of the pump load. Theresults show that the moment of inertia is linearly proportional to the starting time.Taking the

YBX4-200L1-2WF2/30 kW motor for RP5010S rotary jet pump （with a moment of inertia of 3.942kg?m² asan example，the speed-time relationship during direct motor starting under closed-valve conditions was analyzed by the graphical method，and the starting time was obtained as 7.81s， ，which met the engineering design requirements.These findings provide a theoretical basis for motorselectionand start-up performance verification of high-head rotary jet pumps with a large moment of inertia.

Key words ∵ rotary jet pump i asynchronous motor ; torque characteristic ; moment of inertia ; starting time ; graphical method

旋噴泵作為一種極低比轉(zhuǎn)速泵，其結(jié)構(gòu)與工作原理獨(dú)特，通過皮托管原理避免了傳統(tǒng)泵的圓盤摩擦損失，突破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件的束縛。與其他類小流量高揚(yáng)程泵相比，旋噴泵具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、流量一揚(yáng)程曲線平滑、運(yùn)行調(diào)節(jié)范圍寬、無泄漏、抗汽蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油天然氣化工、煤化工、炭黑、造紙等行業(yè)[1]。近年來，隨著國內(nèi)化工行業(yè)的快速發(fā)展，對高揚(yáng)程旋噴泵的需求越來越大。基于揚(yáng)程與葉輪直徑的正相關(guān)特性，增大葉輪直徑是提升揚(yáng)程的有效途徑之一。然而，葉輪直徑的增加，會使旋噴泵整體結(jié)構(gòu)尺寸及重量增大、轉(zhuǎn)動慣量顯著提升，對拖動電動機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)提出了更高要求[2]。大轉(zhuǎn)動慣量的旋噴泵對電動機(jī)的影響主要體現(xiàn)在起動階段，需要克服的阻力慣性越大，電動機(jī)起動越困難，起動時間越長，電動機(jī)定子繞組溫升越高[3]。

起動時間是衡量起動性能的一個重要指標(biāo)，直接關(guān)系到電動機(jī)的運(yùn)行安全與壽命。為提升大轉(zhuǎn)動慣量旋噴泵拖動電動機(jī)的起動可靠性，在選定異步電動機(jī)后，需校核該電動機(jī)能否帶動負(fù)載順利起動，且確保起動時間不超過規(guī)定上限，避免因定子繞組過熱影響其使用壽命[4]。因此，準(zhǔn)確掌握和控制旋噴泵的起動時間，可為電動機(jī)選型、工程設(shè)計提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持，對保障電動機(jī)安全運(yùn)行、提升旋噴泵系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。

目前，國內(nèi)旋噴泵的生產(chǎn)制造企業(yè)數(shù)量較少，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；袌鰬?yīng)用的企業(yè)更屈指可數(shù)，且企業(yè)之間技術(shù)保密程度較高，關(guān)于旋噴泵起動特性的研究成果鮮有公開報道。本文基于旋噴泵單軸電機(jī)拖動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合電動機(jī)的機(jī)械特性、旋噴泵負(fù)載特性以及轉(zhuǎn)子總成繞定軸轉(zhuǎn)動的運(yùn)動方程，運(yùn)用圖解法推導(dǎo)電動機(jī)起動時間的通用計算公式，分析起動時間與轉(zhuǎn)動慣量的關(guān)系。同時，通過工程案例，求解電動機(jī)的機(jī)械特性曲線，分析旋噴泵在閉閥工況下電動機(jī)采用直接起動方式時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速一時間關(guān)系，對電動機(jī)起動時間進(jìn)行校核。

1旋噴泵結(jié)構(gòu)原理及拖動系統(tǒng)

1.1結(jié)構(gòu)原理

旋噴泵結(jié)構(gòu)相對簡單，如圖1所示，主要由軸承箱、泵軸、葉輪、轉(zhuǎn)子腔、集流管、進(jìn)出水體和軸承組成。葉輪入口處設(shè)有機(jī)械密封。

圖1旋噴泵結(jié)構(gòu)組成

旋噴泵工作原理獨(dú)特，采用離心增壓和滯正沖壓的原理：泵軸驅(qū)動轉(zhuǎn)子腔和葉輪旋轉(zhuǎn)，中間的集流管靜止不動。在集流管的頂端，沿轉(zhuǎn)子腔的切線方向有一開口（即集流管入口）。泵內(nèi)流體的運(yùn)動方向如箭頭所示，流體經(jīng)進(jìn)出水體流入隨轉(zhuǎn)子腔旋轉(zhuǎn)的葉輪，再進(jìn)入轉(zhuǎn)子腔，然后通過集流管入口進(jìn)入集流管，集流管收集轉(zhuǎn)子腔中的高動能液體，將更多動能轉(zhuǎn)換為壓能，最后輸出高壓流體[5]。

1.2單軸電機(jī)拖動系統(tǒng)

旋噴泵的拖動系統(tǒng)為異步電動機(jī)，電動機(jī)轉(zhuǎn)軸與旋噴泵的負(fù)載直接剛性相連，其單軸電機(jī)拖動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在電機(jī)拖動系統(tǒng)中，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動性質(zhì)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩是反抗性質(zhì)。在忽略電動機(jī)自身摩擦轉(zhuǎn)矩的情況下，可以理解為電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩就代表了輸出轉(zhuǎn)矩[6-7]。在圖2中，T_M 克服 T_L ，并產(chǎn)生角加速度 α ，帶動轉(zhuǎn)子總成以 ω 的角速度轉(zhuǎn)動[8]。由牛頓第二定律可知，該單軸電機(jī)拖動系統(tǒng)必須遵循：

式中： T_d 為動態(tài)轉(zhuǎn)矩（剩余轉(zhuǎn)矩或加速轉(zhuǎn)矩）；

J 為轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量之和；t為時間。

旋噴泵的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性是表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。其中，電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算為：

T_L=T₀+T_L^'

式中： T₀ 為電動機(jī)空載時的阻轉(zhuǎn)矩，是電動機(jī)轉(zhuǎn)子自身由于風(fēng)阻、軸承摩擦等原因產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩，一般被簡化為反抗性恒轉(zhuǎn)矩特性，其轉(zhuǎn)矩值大小基本不變； T_L^′ 為旋噴泵的實(shí)際負(fù)載，是典型的泵類負(fù)載特性，與轉(zhuǎn)速的平方成正比。

因此，旋噴泵的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性曲線是一條拋物線，如圖3所示。

圖2旋噴泵單軸電機(jī)拖動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3旋噴泵的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性曲線

2異步電動機(jī)的機(jī)械特性

由式（1）可知，旋噴泵單軸電機(jī)拖動系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)由旋噴泵的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性和電動機(jī)的機(jī)械特性共同確定。電動機(jī)的機(jī)械特性是指其電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，該特性曲線直觀反映了電動機(jī)在不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的運(yùn)行狀態(tài)，是分析電動機(jī)性能的重要依據(jù)。電動機(jī)的機(jī)械特性有三種表達(dá)方式：物理表達(dá)式、參數(shù)表達(dá)式和實(shí)用表達(dá)式[9-10]。由于物理表達(dá)式無法清晰反映電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，因此在分析異步電動機(jī)的機(jī)械特性時，通常不采用物理表達(dá)式，而選用參數(shù)表達(dá)式和實(shí)用表達(dá)式。

電動機(jī)機(jī)械特性的參數(shù)表達(dá)式用于分析參數(shù)變化對電動機(jī)運(yùn)行性能的影響，表達(dá)式為：

式中 ?：K 為與電動機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例常數(shù)； f₁ 為定子電源頻率 ;_S 為電動機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)差率； R₂ 為轉(zhuǎn)子繞組一相的電阻； U₁ 為定子繞組相電壓的有效值 ;X₂₀ 為轉(zhuǎn)子啟動的瞬間轉(zhuǎn)子繞組一相的漏電抗。

由式（3）可知，當(dāng)電源電壓和電源頻率保持不變時，電磁轉(zhuǎn)矩 T_M 僅隨轉(zhuǎn)差率 s 變化。

然而，電動機(jī)產(chǎn)品目錄中通常不會列出 K 等相關(guān)參數(shù)，導(dǎo)致工程計算不便。因此，工程計算中通常采用電動機(jī)的實(shí)用表達(dá)式來描述其機(jī)械特性，具體公式為：

式中： T_max 為電動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩； s_m 為臨界轉(zhuǎn)差率； s_v 為額定轉(zhuǎn)差率； λ_m 為過載轉(zhuǎn)矩倍數(shù)。

在已知 T_max 和 s_m 的情況下，可以求得任意轉(zhuǎn)差率 s （或?qū)?yīng)轉(zhuǎn)速 n ）下的電磁轉(zhuǎn)矩 T_M 。由此可利用電動機(jī)產(chǎn)品自錄或銘牌中提供的數(shù)據(jù)估算電動機(jī)的機(jī)械特性。

除理論計算外，電動機(jī)生產(chǎn)廠家還可通過試驗測定電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性曲線。該方法比傳統(tǒng)公式計算更為精確。

3旋噴泵轉(zhuǎn)子總成的轉(zhuǎn)動慣量

轉(zhuǎn)動慣量是表征剛體繞定軸轉(zhuǎn)動時慣性大小的物理量，其值取決于轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布與幾何形狀。轉(zhuǎn)動慣量越大，剛體維持原有轉(zhuǎn)動狀態(tài)的能力越強(qiáng)，改變其轉(zhuǎn)速就越困難；反之，轉(zhuǎn)動慣量越小，轉(zhuǎn)子越容易加速或減速[11-12]。計算為：

式中： m_i 為剛體任一點(diǎn)質(zhì)量； r_i 為剛體任一點(diǎn)與轉(zhuǎn)軸的距離； N 為剛體總點(diǎn)數(shù)。

對于旋噴泵單軸電機(jī)拖動系統(tǒng)，其總轉(zhuǎn)動慣量為電動機(jī)轉(zhuǎn)子與負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量之和。如圖4所示，旋噴泵的負(fù)載轉(zhuǎn)動部分主要由泵軸、轉(zhuǎn)子腔及葉輪組成的轉(zhuǎn)子總成構(gòu)成。由于旋噴泵轉(zhuǎn)子總成的轉(zhuǎn)動慣量顯著大于電動機(jī)轉(zhuǎn)子，工程分析中常忽略電動機(jī)轉(zhuǎn)子的影響。因此，轉(zhuǎn)子總成的轉(zhuǎn)動慣量是決定旋噴泵單軸電機(jī)拖動系統(tǒng)起動性能和動態(tài)響應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)，其精確求解是分析旋噴泵起動特性與調(diào)速性能的重要基礎(chǔ)。

旋噴泵轉(zhuǎn)子總成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以通過解析公式計算其轉(zhuǎn)動慣量，適合采用數(shù)值計算方法，如有限元法（FiniteElementMethod，F(xiàn)EM），將轉(zhuǎn)子總成離散化，計算各單元的轉(zhuǎn)動慣量，最終通過疊加獲得整體轉(zhuǎn)動慣量。相較于傳統(tǒng)經(jīng)驗公式，有限元法能夠考慮材料特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)等因素，計算結(jié)果更接近工程實(shí)際。對于旋噴泵轉(zhuǎn)子總成，既可以將其作為整體計算轉(zhuǎn)動慣量，也可以單獨(dú)計算每個旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量后再求和。

圖4旋噴泵的轉(zhuǎn)子總成的結(jié)構(gòu)組成

4電動機(jī)起動時間計算方法

電動機(jī)的起動時間是指當(dāng)電動機(jī)處于零轉(zhuǎn)速狀態(tài)時，接入額定電壓和額定頻率的供電線路，自起動電流產(chǎn)生時刻開始計時，至其拖動負(fù)載達(dá)到額定轉(zhuǎn)速所需的時間[13]。不同的起動方式?jīng)Q定了不同的起動時間。工程應(yīng)用中，為降低成本，在電網(wǎng)容量和負(fù)載條件均允許的情況下，旋噴泵用電動機(jī)通常采用直接起動的方式，以利用其大起動轉(zhuǎn)矩特性，使電動機(jī)快速進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。但電動機(jī)直接起動時，起動電流較大，通常為額定電流的 4～8 倍，甚至更高，對電網(wǎng)沖擊顯著，由此其應(yīng)用受電網(wǎng)容量與電壓穩(wěn)定性制約[14]。

同時，起動時間與電動機(jī)的機(jī)械特性及負(fù)載特性密切相關(guān)，其理論計算基于單軸電機(jī)拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程，通過聯(lián)立式（1）、式（2）和式（4），可推導(dǎo)出：

式中： t_q 為起動時間。

旋噴泵在起動過程中 T_L^′ 隨轉(zhuǎn)速動態(tài)變化，所以直接求解積分方程較為困難[15-16]。

因此，工程中常采用圖解法來求解電動機(jī)起動時間，其原理如圖5所示。

圖5圖解法求解電動機(jī)起動時間

首先，在轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩坐標(biāo)系中繪制電磁轉(zhuǎn)矩 T_M（n） 和負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T_L^′（n） 曲線，通過T_d（n）=T_M（n）-T_L^′（n） 獲得動態(tài)轉(zhuǎn)矩分布。其次，將式（7）中無限小增量 dω 用有限增量 Δω 來代替，將轉(zhuǎn)速區(qū)間 離散為 Σ_m 個小區(qū)間（2 （Δω_i=ω_i+1-ω_i ），假定每個小區(qū)間內(nèi)動態(tài)轉(zhuǎn)矩恒定且取區(qū)間平均值。最后，計算每個小區(qū)間內(nèi)的起動時間 Δt_i ，并疊加求和，從而得到起動時間的表達(dá)式為：

當(dāng)離散點(diǎn)數(shù) m?200 時，該方法計算誤差可控制在 2% 以內(nèi)。

5工程案例分析

在某化工企業(yè)100萬噸/年的乙烯建設(shè)項目中，裂解氣壓縮機(jī)的注洗油系統(tǒng)采用RP5010S型旋噴泵（流量 3.55m³/h. ，揚(yáng)程 347.8m， ，轉(zhuǎn)動慣量 3.942kg?m². ）作為洗油注入裝置，如圖6所示。旋噴泵拖動電動機(jī)的型號為YBX4-200L1-2WF2，功率為 30kW ，主要參數(shù)如表1所示。基于表1的數(shù)據(jù)，由式（4）可計算得出該電動機(jī)的特性曲線，如圖7所示。

圖6旋噴泵現(xiàn)場應(yīng)用

表1YBX4-200L1-2WF2/30kW電動機(jī)主要參數(shù)

圖7YBX4-200L1-2WF2/30kW電動機(jī)性能曲線

電動機(jī)的起動方式采用直接起動（全壓起動）。為降低起動瞬間的機(jī)械負(fù)載和電網(wǎng)沖擊，旋噴泵在起動時保持閥門完全關(guān)閉狀態(tài)。該狀態(tài)下，旋噴泵管路形成空載工況，旋噴泵的負(fù)載轉(zhuǎn)矩很小，工程計算時可以忽略不考慮，若忽略泵的摩擦阻力矩及傳動效率，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可近似認(rèn)為就是電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。電動機(jī)的起動時間就由電動機(jī)自身和旋噴泵的轉(zhuǎn)動慣量決定。由式（8）可知，電動機(jī)的起動時間與轉(zhuǎn)動慣量成正比關(guān)系，轉(zhuǎn)動慣量越大，電機(jī)拖動系統(tǒng)的“惰性”越大，需要更長的時間才能達(dá)到額定運(yùn)行速度。

基于圖7，在轉(zhuǎn)速區(qū)間[0，3000]內(nèi)取1000個離散區(qū)間，采用圖5所示圖解法，求得旋噴泵閉閥起動過程中電動機(jī)轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線，如圖8所示?？梢钥闯?，在 時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速上升至額定轉(zhuǎn)速 2950r/min ，并在此轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行，電動機(jī)起動過程結(jié)束，即該旋噴泵電動機(jī)的起動時間為 7.81s 由于旋噴泵起動時間小于電動機(jī)出廠規(guī)定的起動時間上限，該設(shè)計選型是合格的。

圖8旋噴泵閉閥起動時電動機(jī)的時間一轉(zhuǎn)速曲線

直接影響起動過程的轉(zhuǎn)矩需求與加速時間。在電動機(jī)選型階段，需重點(diǎn)考慮電動機(jī)起動能力與旋噴泵轉(zhuǎn)動慣量之間的匹配關(guān)系，以避免因選型不當(dāng)或轉(zhuǎn)動慣量過大導(dǎo)致的起動困難及設(shè)備損壞。該研究為旋噴泵電動機(jī)選型與起動性能校核提供了理論依據(jù)。

6結(jié)論

針對旋噴泵電動機(jī)起動時間計算問題，結(jié)合旋噴泵單軸電機(jī)拖動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型、電動機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載特性，建立了電動機(jī)起動時間與負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的微分方程。將轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速曲線離散分段，推導(dǎo)出起動時間的圖解法計算公式，研究了旋噴泵電機(jī)拖動系統(tǒng)的起動特性。研究表明，旋噴泵轉(zhuǎn)動慣量與起動時間呈正相關(guān)，轉(zhuǎn)動慣量越大，起動慣性越大，起動時間越長。以某化工項目RP5010S型旋噴泵為例，求解出電動機(jī)機(jī)械特性曲線，通過圖解法得出閉閥工況下電動機(jī)直接起動的起動時間為 7.81s， 小于規(guī)定上限，驗證了設(shè)計選型的合理性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王成木，黎成行，尹曉，等，旋噴泵水力性能的試驗研究[J].水泵技術(shù)，2000（5）：3-7.

[2]賴小平.三相異步電動機(jī)降壓起動時間與起動負(fù)荷的探討[J].電工技術(shù)，1999（2）：18-19.

[3]韓力，雷藝，汪同斌，等.大轉(zhuǎn)動慣量負(fù)載用感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子起動溫升分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2017，40（10）：60-69.

[4]王灝，梁國斌，姚非.論3kW及其以下異步電動機(jī)的起動性能[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2018，39（5）：192-193.

[5]王金旋.旋噴泵旋腔內(nèi)流場特性及葉輪與集流管匹配關(guān)系的研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2021.

[6]閆春樂，衡中偉，呂一惟．旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量測量新方法[J].電氣傳動自動化，2018，40（3）：55-57.

[7]胡祖梁．異步電動機(jī)起動時間的分析和計算[J]．電工技術(shù)雜志，1991（4）：6-10.

[8]楊春平．電動機(jī)起動時間計算式分析及應(yīng)用[J]．電世界，2018，59（3）：48-50.

[9]湯惠明，李光耀，王云龍．風(fēng)機(jī)專用高效三相異步電動機(jī)高起動轉(zhuǎn)矩的分析與計算[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2014，41（9）：22-24.

[10]蘇國霞．轉(zhuǎn)動慣量對同步電機(jī)起動及運(yùn)行的影響分析[J].防爆電機(jī)，2024，59（3）：35-37.

[11]溫亞芹.剛體轉(zhuǎn)動慣量計算方法研究[J].黑龍江科學(xué)，2019，10（6）：40-42.

[12]高豐，王福忠，韓素敏．基于ANSYSWorkbench的電機(jī)軸系模態(tài)分析[J].機(jī)械，2021，48（6）：64-69.

[13]張偉浩．風(fēng)機(jī)用拖動大轉(zhuǎn)動慣量電動機(jī)起動過程分析[J]．防爆電機(jī)，2021，56（3）：27-29.

[14]蘇國霞．三相同步電動機(jī)起動時間計算[J].電機(jī)技術(shù)，2014（6）： 33-35.

[15]李夢達(dá)，李明輝，曹玉泉.異步電機(jī)降壓起動的起動時間、起動功率和起動損耗[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（21）：5025-5028.

[16]秦慶霞，陳江．高壓三相異步電動機(jī)的起動時間及其計算[J].防爆電機(jī)，2010，45（4）：16-18.