無軸單級離心泵設計

趙強 王建

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

【關鍵詞】同性相斥；單級源；磁力分布；平衡；整流；消波；穩流

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

無軸泵的原理：葉輪要實現在泵腔內時刻處于懸浮狀態，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，而在葉輪旋轉時必會產生離心力、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下處于泵腔中心，實現無摩擦運動，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動磁磁極相同，實現驅動，達到葉輪靜態下懸浮不與泵腔接觸，動態下實現無碰擦旋轉，實現無噪音，提高能源利用率的目的。

無軸泵的構造：要實現葉輪與泵殼同磁極，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，磁性往往是異性同生，這就使葉輪的同磁性問題很難產生，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型磁鐵結構，葉輪為U型半封口磁鐵，實現葉輪的動靜狀態下的懸浮狀態。葉輪驅動永磁也采用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的長度。入口直徑是由吸入量和揚程決定的。葉輪的設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，因而設計上也應采用對稱分布來實現這一目的，同時葉輪在工作時，必定會產生一個向吸入口運動的強力，在設計上吸入口的軸向斥力必須大于對向力，但是也必會發生葉輪在靜止時貼靠在非介質吸入口一側，這樣在啟動時會產生一個較大的摩擦力，因此在設計上也在非吸入側一端設計平滑的摩擦副，來克服這一缺陷。而在停止運轉時，斥力會因為介質的阻力不會迅速向此端運動，但也會產生一定的損害，因此葉輪上的摩擦副應設計為與葉輪葉片異向曲度的凹槽（副葉輪），使介質有非入口側吸入（在泵殼上鋪設一條由葉輪背側至副葉輪的入液管線，副葉輪中部至葉輪背側的通道為出液口），從葉輪背側排除，使葉輪產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一個平衡小孔降，平衡葉輪壓力的同時，降低葉輪向吸入側運動程度，以減少損害的發生。

無軸泵的驅動既然是依靠同性磁極磁力驅動的，必須在葉輪對應的泵殼上設計為同極電磁，實際生產中大多使用交流電，電磁的產生是依賴定向穩定的直流電，因此必須對交流電進行整流、消波、穩流。整流是利用二級管的單行導電性實現交流變單向直流，但頻率也會相應增加一倍，消波就是消除電流的峰谷，如50HZ電流經整流后變為100HZ，周期也變為0.01s，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就實現了消波，穩流就是利用電容的儲電效應，將不穩定電流收集，在釋放時實現恒流釋放，這樣可以保證磁力的穩定產生，從而保證驅動的穩定。當在一處驅動時，會使其他三個方向斥力破壞，會產生于泵殼的摩擦，因此在設計上，驅動力必須是4的倍數呈90°均布，來實現無軸泵的運轉。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，其方向必須向旋轉方向稍稍偏離，以避免斥力的阻力，同時最大限度發揮磁力。

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，但其分布是并列布置，不會產生相斥，自然不會給生產制造帶來麻煩，但在安裝方面會增加困難，根據其結構為中分式（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，同時驅動磁也采用N極驅動，使電磁S也獲得地磁能量，消除了N極對泵殼外的影響，消除了磁波對外發射。

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

無軸泵的優點：無摩擦、噪音小、能耗小、產生外射波較少。

用途：可用于各類精細化工和核工業，以及潛艇、輪船。極大地減少了噪音。

【參考文獻】

1、《機械設計手冊》（化學工業出版社，1987）

2、《工程師通用手冊》（鄔伯翔，1989.3）