無軸單級離心泵設(shè)計

趙強 王建

【摘 要】利用磁性分布形成同性相斥空間，同性啟動，磁力平衡調(diào)節(jié)，功率調(diào)整和整流、消波、穩(wěn)流，以滿足無軸離心泵的安全運行。

【關(guān)鍵詞】同性相斥；單級源；磁力分布；平衡；整流；消波；穩(wěn)流

傳統(tǒng)離心泵必須依靠驅(qū)動機帶動軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動軸上葉輪旋轉(zhuǎn)，達到葉輪對流體做功的目的。這種傳統(tǒng)理念致使泵的噪音大、摩擦力大、能耗大，產(chǎn)生噪音諧波，對能源的利用和職業(yè)健康造成不利的影響。而無軸泵則不需要軸的傳動，葉輪在泵殼腔內(nèi)懸浮、無碰擦旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)做功。

無軸泵的原理：葉輪要實現(xiàn)在泵腔內(nèi)時刻處于懸浮狀態(tài)，必須克服重力作用，因此必須有一個力保證在重力方向上均衡，而在葉輪旋轉(zhuǎn)時必會產(chǎn)生離心力、軸向力，使葉輪向四周碰撞、前后運動，沖擊前后泵殼，必須在徑向和軸向給與相應的平衡力，才能保證葉輪在做功狀態(tài)下處于泵腔中心，實現(xiàn)無摩擦運動，而這些力就是泵腔和葉輪間的斥力：磁性力。磁力有同極相斥、異極相吸的特性。磁性斥力滿足了無軸泵的工作條件，驅(qū)動力也正是利用了相同原理斥力，來保證葉輪上的磁極與驅(qū)動磁磁極相同，實現(xiàn)驅(qū)動，達到葉輪靜態(tài)下懸浮不與泵腔接觸，動態(tài)下實現(xiàn)無碰擦旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)無噪音，提高能源利用率的目的。

無軸泵的構(gòu)造：要實現(xiàn)葉輪與泵殼同磁極，目前必須解決葉輪單極磁性的問題，但是單極磁性目前很難實現(xiàn)，磁性往往是異性同生，這就使葉輪的同磁性問題很難產(chǎn)生，我們必須利用好異性同生的這個特性，采取徑向為S極，軸向為N極。利用泵殼采用L型磁鐵結(jié)構(gòu)，葉輪為U型半封口磁鐵，實現(xiàn)葉輪的動靜狀態(tài)下的懸浮狀態(tài)。葉輪驅(qū)動永磁也采用N極斥力，而與之對應的S極則也集中于解決徑向的重力作用（采用U型磁鐵）。這樣的設(shè)計既解決了磁性的異性存在，也解決了單磁極的問題。其中葉輪的重量決定吸入口口環(huán)的長度。入口直徑是由吸入量和揚程決定的。葉輪的設(shè)計除了磁性分布外也必須考慮到葉輪中心必須與其重心保持一致，因而設(shè)計上也應采用對稱分布來實現(xiàn)這一目的，同時葉輪在工作時，必定會產(chǎn)生一個向吸入口運動的強力，在設(shè)計上吸入口的軸向斥力必須大于對向力，但是也必會發(fā)生葉輪在靜止時貼靠在非介質(zhì)吸入口一側(cè)，這樣在啟動時會產(chǎn)生一個較大的摩擦力，因此在設(shè)計上也在非吸入側(cè)一端設(shè)計平滑的摩擦副，來克服這一缺陷。而在停止運轉(zhuǎn)時，斥力會因為介質(zhì)的阻力不會迅速向此端運動，但也會產(chǎn)生一定的損害，因此葉輪上的摩擦副應設(shè)計為與葉輪葉片異向曲度的凹槽（副葉輪），使介質(zhì)有非入口側(cè)吸入（在泵殼上鋪設(shè)一條由葉輪背側(cè)至副葉輪的入液管線，副葉輪中部至葉輪背側(cè)的通道為出液口），從葉輪背側(cè)排除，使葉輪產(chǎn)生一個向非入口方向的一個力，以延遲葉輪的停止時間（即保證軸向力時間加長）。同時在非入口軸端開設(shè)一個平衡小孔降，平衡葉輪壓力的同時，降低葉輪向吸入側(cè)運動程度，以減少損害的發(fā)生。

無軸泵的驅(qū)動既然是依靠同性磁極磁力驅(qū)動的，必須在葉輪對應的泵殼上設(shè)計為同極電磁，實際生產(chǎn)中大多使用交流電，電磁的產(chǎn)生是依賴定向穩(wěn)定的直流電，因此必須對交流電進行整流、消波、穩(wěn)流。整流是利用二級管的單行導電性實現(xiàn)交流變單向直流，但頻率也會相應增加一倍，消波就是消除電流的峰谷，如50HZ電流經(jīng)整流后變?yōu)?00HZ，周期也變?yōu)?.01s，而消波就是利用峰谷疊加，將峰谷消除，用2股同源電流交匯，其中一股落后于另一股0.005S就實現(xiàn)了消波，穩(wěn)流就是利用電容的儲電效應，將不穩(wěn)定電流收集，在釋放時實現(xiàn)恒流釋放，這樣可以保證磁力的穩(wěn)定產(chǎn)生，從而保證驅(qū)動的穩(wěn)定。當在一處驅(qū)動時，會使其他三個方向斥力破壞，會產(chǎn)生于泵殼的摩擦，因此在設(shè)計上，驅(qū)動力必須是4的倍數(shù)呈90°均布，來實現(xiàn)無軸泵的運轉(zhuǎn)。為了保證傳動方向無誤，電磁不能正對葉輪同極，必須偏離開一定角度，其方向必須向旋轉(zhuǎn)方向稍稍偏離，以避免斥力的阻力，同時最大限度發(fā)揮磁力。

磁性對制造的影響：雖然相同磁性在泵殼和葉輪中同時出現(xiàn)，但其分布是并列布置，不會產(chǎn)生相斥，自然不會給生產(chǎn)制造帶來麻煩，但在安裝方面會增加困難，根據(jù)其結(jié)構(gòu)為中分式（軸向、徑向）便于裝配，在裝配時往往需要外力作用。在拆檢時也會發(fā)生較大的斥力影響，為了消除安全隱患，中分面螺栓一般采用長螺栓來解決這一問題。

磁性對外界的影響：在磁力分布上，設(shè)計上一般S極在外，或采用半閉式磁力分布，使斥力磁線回歸到S極，地磁也會被吸引，同時驅(qū)動磁也采用N極驅(qū)動，使電磁S也獲得地磁能量，消除了N極對泵殼外的影響，消除了磁波對外發(fā)射。

功率的調(diào)整：驅(qū)動磁以4的倍數(shù)同步驅(qū)動，只能限定為額定功率。為了達到生產(chǎn)所需，一般采用兩種方案：一是對電磁鐵分時增加投電組數(shù)（4組），結(jié)果是效率的躍變，極易對泵產(chǎn)生碰擦，對葉輪產(chǎn)生損壞。二是調(diào)整電流，可實現(xiàn)功率的平穩(wěn)上升或下降，實現(xiàn)功率的合理利用，同時也會對葉輪產(chǎn)生保護作用，因此在驅(qū)動上應采用多組布置、調(diào)整電流的方法來保證泵的安全運行，并獲得預期效率。

無軸泵的優(yōu)點：無摩擦、噪音小、能耗小、產(chǎn)生外射波較少。

用途：可用于各類精細化工和核工業(yè)，以及潛艇、輪船。極大地減少了噪音。

【參考文獻】

1、《機械設(shè)計手冊》（化學工業(yè)出版社，1987）

2、《工程師通用手冊》（鄔伯翔，1989.3）