发明内容

本发明的目的就是提供一种用于大功率工况下(大于4KW)的磁悬浮离 心泵轴向力自动平衡装置及应用，且轴向力的平衡有较宽的工作范围，它能克 服现有技术存在的以上问题。本发明还应该特别适用于具有磁力支撑转子的离 心泵。

本发明采用如下技术方案：

一、一种大功率工况下的磁悬浮离心泵轴向力自动平衡装置

轴向力自动平衡装置包括泵盖、泵腔壳、叶轮组件和平衡导流环；

泵盖固定安装在泵腔壳上，泵腔壳的内部中空并形成安装腔，泵腔壳的安 装腔中设置有叶轮组件，叶轮组件下部的圆周侧面固定安装有多圈间隔设置的 平衡导流环；所述泵盖下表面的中部设置有泵盖凸环，泵盖凸环的下表面与叶 轮组件的上表面之间设置有间隙；所述泵腔壳内壁的下底面的中部设置有泵腔 壳凸环，泵腔壳凸环的上表面与叶轮组件的下表面之间设置有间隙，泵腔壳凸 环的径向内侧、泵腔壳内壁的下底面中部与叶轮组件下底面之间形成叶轮底部 腔体；叶轮组件的上表面与泵盖凸环的下表面之间形成第一液力悬浮平衡腔， 叶轮组件的下表面与泵腔壳凸环的上表面之间形成第二液力悬浮平衡腔，叶轮 组件上部的圆周侧面、泵腔壳的内壁和泵盖的下表面之间形成泵腔，叶轮组件 下部的圆周侧面以及圆周侧面上的平衡导流环与泵腔壳的内壁之间形成减压 平衡腔；泵盖的中部开设有入口管道，泵腔壳上部的一圆周侧面上开设有出口 管道，入口管道和出口管道均连通到安装腔，液体从入口管道流入，经叶轮组 件增压后从出口管道流出。

所述叶轮组件包括永磁体外壳、挡流板、叶轮叶片和永磁体；

永磁体外壳中固定安装有环状的永磁体，永磁体外壳的中部开设有多个沿 圆周等间隔轴向布置的平衡孔，永磁体外壳的圆周侧面固定安装有多圈间隔设 置的平衡导流环；永磁体外壳的上表面固定安装有叶轮叶片，叶轮叶片开设有 中心孔，叶轮叶片内部开设有多个沿圆周间隔均布的螺旋形流道，各个螺旋形 流道均沿同一平面螺旋方向布置，每个螺旋形流道径向地将叶轮叶片的中心孔 和外周围的外周泵腔相连通；叶轮叶片的中心孔中设置有径向布置的挡流板， 挡流板密封地嵌装在叶轮叶片中心孔中，挡流板中部向下延伸后与永磁体外壳 中部固定连接，挡流板将中心孔一分为二，挡流板上表面的中心孔记为叶轮上 部中心腔，挡流板下表面的中心孔与平衡孔相连通；

叶轮叶片的上表面作为叶轮组件的上表面并与泵盖凸环的下表面之间形 成第一液力悬浮平衡腔，永磁体外壳的下表面作为叶轮组件的下表面并与泵腔 壳凸环的上表面之间形成第二液力悬浮平衡腔，永磁体外壳的圆周侧面以及圆 周侧面上的平衡导流环与泵腔壳的内壁之间形成减压平衡腔；

液体从入口管道流入叶轮上部中心腔，叶轮上部中心腔中的液体轴向流动 流入叶轮组件后通过挡流板阻挡引导后改为径向流动后再从叶轮叶片的多个 内部螺旋形流道流向泵腔，泵腔中的一大部分液体通过出口管道流出泵腔，泵 腔中的另一部分液体分别向上和向下泄露，向上泄露的液体经第一液力悬浮平 衡腔重新流入叶轮上部中心腔，向下泄露的液体依次经减压平衡腔、第二液力 悬浮平衡腔、叶轮底部腔体、平衡孔和挡流板下表面的中心孔后重新流入叶轮 上部中心腔。

所述多个平衡导流环结构相同，每个平衡导流环主要由多个平衡导流条在 叶轮组件下部的圆周侧面沿同一圆周等间隔布置构成，同一平衡导流环的相邻 平衡导流条之间的间隔形成轴向导流槽，相邻平衡导流环的各个轴向导流槽交 错设置；相邻平衡导流环之间的间隔形成切向导流槽，多个切向导流槽之间平 行布置。

所述相邻平衡导流环之间的轴向导流槽交错布置的交错圆心角度大于等 于30度，轴向导流槽的宽度小于等于1/3平衡导流条的高度；

所述切向导流槽至少为5个，平衡导流条的高度大于等于切向导流槽的高 度，平衡导流条的厚度小于等于切向导流槽的高度；

所述平衡导流条与泵腔壳内壁之间的间隔不得大于2mm。

所述叶轮组件的上表面和下表面的形状相同，叶轮组件的上表面和下表面 均为圆锥面，使得第一液力悬浮平衡腔和第二液力悬浮平衡腔均为楔形圆环状。

所述轴向力自动平衡装置中的叶轮组件作为电机转子，轴向力自动平衡装 置安装在电机定子中，电机定子通电后，电机定转子之间形成的磁场来驱动电 机转子，使得叶轮组件克服重力和液体冲击力后悬浮在安装腔中，并且叶轮组 件进行周向的旋转，实现液体的轴向力自动平衡。

二、所述的轴向力自动平衡装置的应用

所述轴向力自动平衡装置的应用领域为无轴承电机原理下工作的磁悬浮 泵或磁力泵。

本发明的工作原理如下：

本发明中该离心泵的工作是通过电机产生磁场来驱动包裹永磁体的叶轮 进行高速旋转，叶轮高速旋转产生离心力，当液体从管道进入叶轮上部中心腔， 由于挡流板的作用，使液体由轴向运动转变为径向运动，液体在叶轮组件惯性 离心力的作用下，液体自叶轮上部中心腔向外周作径向运动，液体在流经叶轮 叶片的运动过程中会获得能量，导致静压能升高，同时流速增大。当液体离开 叶轮叶片进入泵腔后，由于泵腔空间流道较宽，部分动能转化为静压能，大部 分液体最后沿切向流入出口管道。由于该离心泵叶轮与泵腔壳内壁无直接接触， 流到泵腔的高压液体会有部分泄露。本发明是通过减压平衡腔将叶轮底部的泄 露液体压力F₂降低，配合平衡孔的作用，使叶轮受到的轴向液压合力F_h减小， 从而实现大功率工况下磁悬浮离心泵的轴向磁阻力F_z与叶轮的轴向液压力F_h平衡，同时能够自动调节液压轴向力，使磁悬浮泵中的叶轮平稳运转。

当部分泄露高压液体向下流经减压平衡腔时有流束收缩效应，在流动方向 上若干个平衡导流条与泵腔壳内壁形成若干个阻尼圆环，当液体流经阻尼圆环 时，液体部分压力能转变为动能，液体的流动速度增加，液体的压力降低，同 时经过阻尼圆环动能增加的液体在进入切向导流槽时，流通面积突然增大，流 速降低，由于液体粘性的作用，在切向导流槽内形成一定的漩涡，部分能量耗 散为热能，当液体再次进入下一级平衡导流条与泵腔壳内壁形成的阻尼圆环时， 液体的动能不能重新恢复为最初的压力能，所以当液体经过减压平衡腔的多级 平衡导流条组成的平衡导流环时，泄露液体压力可以不断降低。同时由于液体 的粘性作用，液体在流经阻尼圆环时，与壁面接触的过程中会产生摩擦力，也 会使液体产生一定的压力损失。由于轴向导流槽在不同高度上相互错落分布， 若干个轴向导流槽相当于若干个阻尼缝隙，流入切向导流槽的小部分液体会在 切向导流槽中横向紊流，当流到下一级平衡导流条之间形成的轴向导流槽时， 液体也会产生部分的压力损失，同时部分泄露液体在横向紊流过程中，摩擦损 失增加，同时部分液体的涡流耗散延长，进一步降低了泄露液体的压力。当部 分泄露高压液体经过减压平衡腔后，进入叶轮底部腔体的液体压力比泵腔的压 力要小，实现一级降压，同时进入叶轮底部腔体的液体再由若干个平衡孔连通 到叶轮入口低压区，实现二级降压，使叶轮组件受到的轴向液压合力F_h减小， 从而实现大功率工况下磁悬浮离心泵的轴向磁阻力F_z与叶轮的轴向液压力F_h平衡。同时平衡导流条的高度、厚度、切向导流槽的高度、轴向导流槽的高度 及宽度可以根据不同工况下不同的工作点来进行调节，使叶轮组件液压轴向力 的平衡有较宽的工作范围。

本发明中上下对称的液力悬浮平衡腔用来自动调节叶轮的轴向稳定，当部 分高压泄露液体从泵腔向上流入第一液力悬浮平衡腔，同时也向下流经减压平 衡腔，进入第二液力悬浮平衡腔时，由于第一液力悬浮平衡腔与第二液力悬浮 平衡腔均为楔形圆环，同时泄露液体有一定的粘度，液体流动方向由大口流向 小口，又由于本身泄露液体有一定的压力，所以在第一液力悬浮平衡腔与第二 液力悬浮平衡腔中形成液力悬浮，使叶轮组件在轴向上呈悬浮状态。当叶轮组 件在某个工作点工作时，叶轮组件受到轴向力向上移动时，第一液力悬浮平衡 腔的楔形小口减小，叶轮组件上表面第一液力悬浮平衡腔中的液体压力升高， 第二液力悬浮平衡腔中的楔形小口增大，第二液力悬浮平衡腔中的液体压力降 低，从而第一液力悬浮平衡腔中产生的悬浮力将叶轮组件推回原来位置。同理， 当叶轮组件在某个工作点工作时，叶轮组件受到轴向力向下移动时，第二液力 悬浮平衡腔的楔形小口减小，叶轮组件上表面第二液力悬浮平衡腔中的液体压 力升高，第一液力悬浮平衡腔中的楔形小口增大，第一液力悬浮平衡腔中的液 体压力降低，从而第二液力悬浮平衡腔中产生的悬浮力将叶轮组件推回原来位 置，从而实现叶轮组件轴向力的自动调节，使叶轮在大功率磁悬浮泵中平稳运 转。

本发明的有益效果为：

本发明涉及一种大功率工况下的磁悬浮离心泵轴向力自动平衡装置，其中 离心泵叶轮内部装有永磁体，通过磁场来驱动叶轮旋转。通过在离心泵叶轮组 件周向圆柱表面的多级平衡导流条分布与泵腔壳内壁形成减压平衡腔，泄露高 压液体通过减压平衡腔实现一级降压，降低一大部分泄露液体压力，再通过平 衡孔实现二级降压，使大功率工况下工作的离心泵叶轮受到的液压轴向力减小， 从而实现磁悬浮离心泵叶轮的轴向液压力与轴向磁阻力的平衡。

同时通过调节平衡导流条的尺寸大小，可以实现不同工况下不同的工作点 范围内叶轮轴向液压力的平衡。通过叶轮上下对称的液力悬浮楔形平衡腔，可 以实现叶轮组件轴向力的自动调节，使叶轮在大功率磁悬浮泵中轴向运转平稳。