无轴单级离心泵设计

赵强 王建

【摘 要】利用磁性分布形成同性相斥空间，同性启动，磁力平衡调节，功率调整和整流、消波、稳流，以满足无轴离心泵的安全运行。

【关键词】同性相斥；单级源；磁力分布；平衡；整流；消波；稳流

传统离心泵必须依靠驱动机带动轴旋转，从而带动轴上叶轮旋转，达到叶轮对流体做功的目的。这种传统理念致使泵的噪音大、摩擦力大、能耗大，产生噪音谐波，对能源的利用和职业健康造成不利的影响。而无轴泵则不需要轴的传动，叶轮在泵壳腔内悬浮、无碰擦旋转，实现做功。

无轴泵的原理：叶轮要实现在泵腔内时刻处于悬浮状态，必须克服重力作用，因此必须有一个力保证在重力方向上均衡，而在叶轮旋转时必会产生离心力、轴向力，使叶轮向四周碰撞、前后运动，冲击前后泵壳，必须在径向和轴向给与相应的平衡力，才能保证叶轮在做功状态下处于泵腔中心，实现无摩擦运动，而这些力就是泵腔和叶轮间的斥力：磁性力。磁力有同极相斥、异极相吸的特性。磁性斥力满足了无轴泵的工作条件，驱动力也正是利用了相同原理斥力，来保证叶轮上的磁极与驱动磁磁极相同，实现驱动，达到叶轮静态下悬浮不与泵腔接触，动态下实现无碰擦旋转，实现无噪音，提高能源利用率的目的。

无轴泵的构造：要实现叶轮与泵壳同磁极，目前必须解决叶轮单极磁性的问题，但是单极磁性目前很难实现，磁性往往是异性同生，这就使叶轮的同磁性问题很难产生，我们必须利用好异性同生的这个特性，采取径向为S极，轴向为N极。利用泵壳采用L型磁铁结构，叶轮为U型半封口磁铁，实现叶轮的动静状态下的悬浮状态。叶轮驱动永磁也采用N极斥力，而与之对应的S极则也集中于解决径向的重力作用（采用U型磁铁）。这样的设计既解决了磁性的异性存在，也解决了单磁极的问题。其中叶轮的重量决定吸入口口环的长度。入口直径是由吸入量和扬程决定的。叶轮的设计除了磁性分布外也必须考虑到叶轮中心必须与其重心保持一致，因而设计上也应采用对称分布来实现这一目的，同时叶轮在工作时，必定会产生一个向吸入口运动的强力，在设计上吸入口的轴向斥力必须大于对向力，但是也必会发生叶轮在静止时贴靠在非介质吸入口一侧，这样在启动时会产生一个较大的摩擦力，因此在设计上也在非吸入侧一端设计平滑的摩擦副，来克服这一缺陷。而在停止运转时，斥力会因为介质的阻力不会迅速向此端运动，但也会产生一定的损害，因此叶轮上的摩擦副应设计为与叶轮叶片异向曲度的凹槽（副叶轮），使介质有非入口侧吸入（在泵壳上铺设一条由叶轮背侧至副叶轮的入液管线，副叶轮中部至叶轮背侧的通道为出液口），从叶轮背侧排除，使叶轮产生一个向非入口方向的一个力，以延迟叶轮的停止时间（即保证轴向力时间加长）。同时在非入口轴端开设一个平衡小孔降，平衡叶轮压力的同时，降低叶轮向吸入侧运动程度，以减少损害的发生。

无轴泵的驱动既然是依靠同性磁极磁力驱动的，必须在叶轮对应的泵壳上设计为同极电磁，实际生产中大多使用交流电，电磁的产生是依赖定向稳定的直流电，因此必须对交流电进行整流、消波、稳流。整流是利用二级管的单行导电性实现交流变单向直流，但频率也会相应增加一倍，消波就是消除电流的峰谷，如50HZ电流经整流后变为100HZ，周期也变为0.01s，而消波就是利用峰谷叠加，将峰谷消除，用2股同源电流交汇，其中一股落后于另一股0.005S就实现了消波，稳流就是利用电容的储电效应，将不稳定电流收集，在释放时实现恒流释放，这样可以保证磁力的稳定产生，从而保证驱动的稳定。当在一处驱动时，会使其他三个方向斥力破坏，会产生于泵壳的摩擦，因此在设计上，驱动力必须是4的倍数呈90°均布，来实现无轴泵的运转。为了保证传动方向无误，电磁不能正对叶轮同极，必须偏离开一定角度，其方向必须向旋转方向稍稍偏离，以避免斥力的阻力，同时最大限度发挥磁力。

磁性对制造的影响：虽然相同磁性在泵壳和叶轮中同时出现，但其分布是并列布置，不会产生相斥，自然不会给生产制造带来麻烦，但在安装方面会增加困难，根据其结构为中分式（轴向、径向）便于装配，在装配时往往需要外力作用。在拆检时也会发生较大的斥力影响，为了消除安全隐患，中分面螺栓一般采用长螺栓来解决这一问题。

磁性对外界的影响：在磁力分布上，设计上一般S极在外，或采用半闭式磁力分布，使斥力磁线回归到S极，地磁也会被吸引，同时驱动磁也采用N极驱动，使电磁S也获得地磁能量，消除了N极对泵壳外的影响，消除了磁波对外发射。

功率的调整：驱动磁以4的倍数同步驱动，只能限定为额定功率。为了达到生产所需，一般采用两种方案：一是对电磁铁分时增加投电组数（4组），结果是效率的跃变，极易对泵产生碰擦，对叶轮产生损坏。二是调整电流，可实现功率的平稳上升或下降，实现功率的合理利用，同时也会对叶轮产生保护作用，因此在驱动上应采用多组布置、调整电流的方法来保证泵的安全运行，并获得预期效率。

無轴泵的优点：无摩擦、噪音小、能耗小、产生外射波较少。

用途：可用于各类精细化工和核工业，以及潜艇、轮船。极大地减少了噪音。

【参考文献】

1、《机械设计手册》（化学工业出版社，1987）

2、《工程师通用手册》（邬伯翔，1989.3）