CN110159539B - 一种基于永磁轴向力自适应平衡装置的多级泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于永磁轴向力自适应平衡装置的多级泵。在传统多级泵的结构基础上，分别在平衡盘和平衡套上嵌入极性相同的环状永磁体，通过同极相斥的磁力作用可以实现在多级泵启动的瞬间自适应平衡轴向力的效果。本发明的轴向力自适应平衡装置能够有效地解决多级泵在启动瞬间轴向力过大使得平衡盘磨损严重从而影响多级泵正常运行的问题，同时能够在多级泵运行过程中防止因为轴向力突变引起转子的轴向窜动，提高了多级泵运行的安全性与稳定性。

Description

一种基于永磁轴向力自适应平衡装置的多级泵

技术领域

本发明属于机械泵领域，特别是一种带有永磁轴向力自适应平衡装置的多级泵。

背景技术

多级泵可用于石油、化工、机械、矿山、轻工、医药及食品等许多工业部门。在工业生产的许多工艺过程中，如真空过滤、真空引水、真空送料、真空蒸发、真空浓缩、真空回潮和真空脱气等，多级泵得到广泛的应用。

轴向力的平衡问题是多级泵运行过程中一个不可避免的问题。大多数多级泵采用平衡盘来平衡轴向力，但平衡盘的工作原理极大限制了在多级泵启动瞬间轴向力的平衡效果，在多级泵启动瞬间，平衡盘会因轴向力的突变而受到磨损，从而导致平衡盘在多级泵运行过程中对轴向力的平衡效果减弱，转子系统的安全性的不到保障，亟需开发全新的轴向力平衡方法，保证机组的稳定运行。

发明内容

本发明旨在提出一种能够解决多级泵轴向力自适应平衡的方法，从而保证多级泵的安全运行，为多级泵的设计提供技术创新，亦旨在提出一种全新的轴向力平衡方法，为多级泵提供新的结构设计思路。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于永磁轴向力自适应平衡装置的多级泵，所述多级泵分为进口部分，中间部分和出水部分，多级泵的主轴(2)贯穿其中；所述进口部分包括进口段(32)，首级叶轮(31)与首级导叶(30)，工质由首级叶轮(31)吸入，经由首级导叶(30)传递到次级叶轮(22)；所述中间部分包括中间段(26)，次级叶轮(22)与次级导叶(21)，工质经过多组次级叶轮(22)的加压后经由次级导叶(21)传递到出口部分；所述出口部分包括出口段(20)，密封箱体(7)以及轴向力自适应平衡装置，工质大部分从出口段(20)流出，剩余小部分工质进入密封箱体(7)；所述轴向力自适应平衡装置包括平衡盘(12)，平衡套(16)，所述平衡盘(12)上靠近平衡套(16)一侧嵌有永磁环Ⅰ(14)，所述平衡套(16)上靠近平衡盘(12)一侧嵌有永磁环Ⅱ(15)，永磁环Ⅰ(14)与永磁环Ⅱ(15)所在位置相互配合，二者面积相同且中心对称，两者极性相同相互排斥。

进一步，平衡盘(12)通过多级泵的主轴(2)的轴肩定位，并通过键与之连接，平衡盘(12)的径向通过锁紧螺母(10)与圆螺母(9)的轴向固定于主轴(2)上。

进一步，平衡套(16)通过圆柱销Ⅰ(19)与出口段(20)连接，两者连接处设有O形密封圈(18)。

进一步，平衡盘(12)的径向截面积与永磁环Ⅰ(14)的截面积的比值为

平衡套(16)的径向截面积与永磁环Ⅱ(15)的面积的比值为

其中B_r为永磁环Ⅰ(14)的磁感应强度，H_i为永磁环Ⅰ(14)与永磁环Ⅱ(15)间的磁场强度，i为多级泵级数，k为相关系数，ρ为介质密度，g为重力加速度，H为多级泵扬程。

进一步，永磁环Ⅰ(14)与永磁环Ⅱ(15)的永磁材料均为汝铁硼永磁体。

进一步，首级叶轮(31)与次级叶轮(22)均通过键与主轴(2)连接，并通过叶轮压紧螺母(36)与圆螺母(35)轴向固定于主轴(2)上。

进一步，进口段(32)，中间段(26)与出口段(20)都为泵壳体，通过外形相互配合，配合处均设有O形密封圈(18)，出口段(20)与密封箱体(7)通过六角螺栓Ⅱ(11)连接，进口段(32)，中间段(26)，出口段(20)，密封箱体(7)四者构成多级泵的整体外壳。

进一步，首级叶轮(31)进口处设有进口口环(33)，次级叶轮(22)与次级导叶(21)之间设有次级叶轮口环(24)与次级导叶口环(25)，口环可以有效防止叶轮运转过程中的磨损；

首级导叶(30)与主轴(2)之间设置有前轴承套(27)与前轴承外套(28)，平衡盘(12)与次级叶轮(22)之间设置有轴承套(17)，三个轴承套共同作为主轴(2)的径向支撑。

进一步，密封箱体(7)内设有机械密封组件(4)，其通过六角螺栓Ⅰ(3)与密封箱体(7)相连。

进一步，密封箱体(7)上装有回水法兰(8)，回水法兰(8)通过双头螺柱(6)和六角螺母(5)固定于密封箱体(7)上，未从出口段(20)流出的工质从回水法兰(8)经由管道以及回水接头(34)回到进口段(32)。

本发明的一种基于永磁轴向力自适应平衡装置的多级泵，优点如下：

1.在多级泵运转过程中，磁力装置可以辅助平衡盘一起平衡轴向力，从而减小平衡盘等装置的磨损程度，增加其使用寿命。

2.平衡盘的径向截面积与永磁环Ⅰ的面积的比值为

平衡套的径向截面积和永磁环Ⅱ的面积的比值为

通过设置磁力装置，能够有效解决多级泵启动瞬间平衡盘未进入工作状态时轴向力无法自适应平衡的问题；且该参数设计可以为其他机械的结构设计提供参考。

3.本发明的轴向力自适应平衡装置能够有效地解决多级泵在启动瞬间轴向力过大使得平衡盘磨损严重从而影响多级泵正常运行的问题，同时能够在多级泵运行过程中防止因为轴向力突变引起转子的轴向窜动，提高了多级泵运行的安全性与稳定性。

附图说明

图1为多级泵总装配图；

图2为多级泵轴向力平衡示意图；

图3为平衡盘和平衡套嵌入环状永磁体示意图；(a)为平衡盘嵌入环状永磁体示意图，(b)为平衡套嵌入环状永磁体示意图；

图中：1-键，2-主轴，3-六角螺栓Ⅰ，4-机械密封组件，5-六角螺母，6-双头螺柱，7-密封箱体，8-回水法兰，9-圆螺母，10-锁紧螺母，11-六角螺栓Ⅱ，12-平衡盘，13-六角螺钉，14-环状永磁体Ⅰ，15-环状永磁体Ⅱ，16-平衡套，17-轴承套，18-O形密封圈，19-圆柱销Ⅰ，20-出口段，21-次级导叶，22-次级叶轮，23-圆柱销Ⅱ，24-次级叶轮口环，25-次级导叶口环，26-中间段，27-前轴承套，28-前轴承外套，29-内六角圆柱头螺钉，30-首级导叶，31-首级叶轮，32-进口段，33-进口口环，34-回水接头，35-圆螺母，36-叶轮压紧螺母。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1为多级泵总装配图。一种基于永磁轴向力自适应平衡装置的多级泵，所述平衡装置应用于多级泵上，包括平衡盘，平衡套，所述多级泵分为进口部分，中间部分和出水部分；所述平衡盘上嵌有永磁环Ⅰ，所述平衡套上嵌有永磁环Ⅱ，永磁环Ⅰ与永磁环Ⅱ面积相同且中心对称，两者极性相同相互排斥；所述进口部分包括进口段，首级叶轮与首级导叶工质由首级叶轮吸入，经由首级导叶传递到次级叶轮；所述中间部分包括中间段，次级叶轮与次级导叶，工质经过多组次级叶轮的加压后经由次级导叶传递到出口部分；所述出口部分包括出口段，密封箱体以及平衡装置，工质大部分从出口段流出，剩余小部分工质进入密封箱体；平衡盘通过主轴的轴肩定位，并通过键与之连接，径向通过锁紧螺母与圆螺母轴向固定于主轴上；平衡套通过圆柱销Ⅰ与出口段连接，两者连接处设有O形密封圈防止液体泄漏；平衡盘的径向截面积与永磁环Ⅰ的面积的比值为

平衡套的径向截面积和永磁环Ⅱ的面积的比值为

其中B_r为永磁环Ⅰ的磁感应强度，H_i为永磁环Ⅰ与永磁环Ⅱ间的磁场强度，i为多级泵级数，k为相关系数，ρ为介质密度，g为重力加速度，H为多级泵扬程；永磁环Ⅰ与永磁环Ⅱ的永磁材料均为汝铁硼永磁体；首级叶轮与次级叶轮均通过键与主轴连接，并通过叶轮压紧螺母与圆螺母轴向固定于主轴上；进口段，中间段与出口段通过外形相互配合，配合处均设有O形密封圈，出口段与密封箱体通过六角螺栓Ⅱ连接，进口段，中间段，出口段，密封箱体四者构成多级泵的整体外壳；首级叶轮进口处设有进口口环，次级叶轮与次级导叶之间设有次级叶轮口环与次级导叶口环，口环可以有效防止叶轮运转过程中的磨损；首级导叶与主轴之间设置有前轴承套与前轴承外套，平衡盘与次级叶轮之间设置有轴承套，三个轴承套共同作为主轴的径向支撑；密封箱体内设有机械密封组件，其通过六角螺栓Ⅰ与密封箱体相连，机械密封组件能够有效防止工质泄漏；密封箱体上装有回水法兰，回水法兰通过双头螺柱和六角螺母固定于密封箱体上，未从出口段流出的工质从回水法兰经由管道以及回水接头回到进口段。

图2为多级泵轴向力平衡示意图。本发明所设计的平衡装置中有两个密封间隙，一个是平衡套和平衡套之间有一个径向间隙b₁；另一个是平衡盘端面与平衡套之间有一个轴向间隙b₂。平衡盘后面的密封箱体用连通管和泵体入口连通。液体在径向间隙前的压力是末级叶轮后盖板下面的压力p₃，通过径向间隙b₁下降为p₄，又经过轴向间隙下降为p₅，而平衡盘背面下部的液体压力为p₆，它与泵吸入口压力近似相差一个连通管损失。平衡盘前、后的压差p₄－p₆在平衡盘上产生一个向后的推力，称为平衡力F₁，F₁的方向与液体作用于转子上的轴向力A的方向相反，故可以平衡轴向力。假如转子上的轴向力A大于平衡盘上的平衡力F₁，则转子就会向左移动，因此，使轴向间隙b₂减小，间隙阻力增加，泄漏量减少。这样，液体流过径向间隙b₁的速度减少，该间隙中的损失减少，从而提高了平衡盘前面的压力p₄，在轴向间隙b₂减小的同时，环状永磁体之间产生的互斥力增大，使得转子不断向左移动，平衡力就不断增加，移动到某一位置时，平衡力F₁与轴向力A相等，从而达到了新的平衡。同样道理，当轴向力小于平衡力时，转子向右移动，同样也能达到新的平衡。

图3为永磁环嵌入示意图，考虑到嵌入永磁块，在多级泵工作时，磁力作用不稳定，此处选用磁环。

本发明的一种基于永磁轴向力自适应平衡的多级泵装置工作过程如下：

多级泵在未运行状态下，两个永磁环由于极性相同，产生斥力。当多级泵启动后，液体经由叶轮增压的同时，由于叶轮前后盖板大小不同，从而产生指向多级泵进口段的轴向推力，此时平衡盘尚未进入工作状态，此时嵌与平衡盘和平衡套上的永磁体产生互斥的磁力，自适应平衡转子系统的轴向推力，保证平衡盘不会应为轴向推力作用受到磨损。

本发明采用磁力平衡轴向力，使其具有下述的优点以及创新性：

传统的多级泵采用平衡盘来平衡轴向力，可是往往因为启动过程中，平衡盘并不能较好的起到平衡轴向力的作用，导致平衡盘在启动过程中受到磨损，影响了平衡盘的灵敏度，转子系统的轴向窜动也给机组稳定运行带来了极大的安全隐患。

采用磁力平衡轴向力，提出了全新的轴向力平衡方法。根据泵的设计参数，我们可以估算其轴向力的大小，对于常用的多级离心泵其轴向力可按下式计算：

其中k为系数，当比转速n_s＝30～100时，k＝0.6；当n_s＝100～200时，k＝0.7；当n_s＝204～280时，k＝0.8；ρ为液体密度；H为泵的扬程；R_m为泵叶轮密封环半径；R_h为泵叶轮轮毂半径，i为多级泵级数。

考虑到转子动力学方面的相关因素，经验公式计算得到的轴向力有时并不准确，只能作为估计值。可以通过数值计算的方法来计算具体的轴向力，记总轴向力大小为F_z。

对于嵌入环状永磁体的轴向力平衡装置，其所嵌的元环状永磁体的面积可由以下过程推导。圆片类磁体距圆片表面X处的表场强度为：

其中：B_r为永磁体剩余磁感应强度(T)；L为圆片厚度(m)；R为圆片半径(m)；所以圆环状嵌入磁极产生的磁场强度为

其中R为圆环状嵌入磁极的外径；r为圆环状嵌入磁极的内径。其相互作用力为：

F＝NB_rH_iA

其中N为磁极对数，本发明N＝1；A为一对磁极的对应面积(m²)。要达到轴向力平衡，使F＝F_z即能满足要求。

此外，对于永磁材料的选择，选用钕铁硼永磁体。钕铁硼作为稀土永磁材料的一种具有极高的磁能积和矫顽力，同时高能量密度的优点使钕铁硼永磁材料在现代工业和电子技术中获得了广泛应用。

综上，本发明的一种基于永磁轴向力自适应平衡装置的多级泵。在传统多级泵的结构基础上，分别在平衡盘和平衡套上嵌入极性相同的环状永磁体，通过同极相斥的磁力作用可以实现在多级泵启动的瞬间自适应平衡轴向力的效果。本发明的轴向力自适应平衡装置能够有效地解决多级泵在启动瞬间轴向力过大使得平衡盘磨损严重从而影响多级泵正常运行的问题，同时能够在多级泵运行过程中防止因为轴向力突变引起转子的轴向窜动，提高了多级泵运行的安全性与稳定性。

应理解上述施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于永磁轴向力自适应平衡装置的多级泵，其特征在于，所述多级泵分为进口部分，中间部分和出水部分，多级泵的主轴(2)贯穿其中；

所述进口部分包括进口段(32)，首级叶轮(31)与首级导叶(30)，工质由首级叶轮(31)吸入，经由首级导叶(30)传递到次级叶轮(22)；所述中间部分包括中间段(26)，次级叶轮(22)与次级导叶(21)，工质经过多组次级叶轮(22)的加压后经由次级导叶(21)传递到出口部分；所述出口部分包括出口段(20)，密封箱体(7)以及轴向力自适应平衡装置，工质大部分从出口段(20)流出，剩余小部分工质进入密封箱体(7)；所述轴向力自适应平衡装置包括平衡盘(12)，平衡套(16)，所述平衡盘(12)上靠近平衡套(16)一侧嵌有永磁环Ⅰ(14)，所述平衡套(16)上靠近平衡盘(12)一侧嵌有永磁环Ⅱ(15)，永磁环Ⅰ(14)与永磁环Ⅱ(15)所在位置相互配合，二者面积相同且中心对称，两者极性相同相互排斥；

平衡盘(12)通过多级泵的主轴(2)的轴肩定位，并通过键与之连接，平衡盘(12)的径向通过锁紧螺母(10)与圆螺母(9)的轴向固定于主轴(2)上；

平衡套(16)通过圆柱销Ⅰ(19)与出口段(20)连接，两者连接处设有O形密封圈(18)；

平衡盘(12)的径向截面积与永磁环Ⅰ(14)的截面积的比值为

平衡套(16)的径向截面积与永磁环Ⅱ(15)的面积的比值为

其中B_r为永磁环Ⅰ(14)的磁感应强度，H_i为永磁环Ⅰ(14)与永磁环Ⅱ(15)间的磁场强度，i为多级泵级数，k为相关系数，ρ为介质密度，g为重力加速度，H为多级泵扬程；

平衡装置中有两个密封间隙，一个是平衡套(16)和平衡套(16)之间有一个径向间隙b₁；另一个是平衡盘(12)端面与平衡套(16)之间有一个轴向间隙b₂；平衡盘(12)后面的密封箱体(7)用连通管和泵体入口连通；液体在径向间隙前的压力是末级叶轮后盖板下面的压力p₃，通过径向间隙b₁下降为p₄，又经过轴向间隙下降为p₅，而平衡盘(12)背面下部的液体压力为p₆，它与泵吸入口压力近似相差一个连通管损失；平衡盘(12)前、后的压差p₄－p₆在平衡盘(12)上产生一个向后的推力，称为平衡力F₁，F₁的方向与液体作用于转子上的轴向力A的方向相反，故可以平衡轴向力；假如转子上的轴向力A大于平衡盘(12)上的平衡力F₁，则转子就会向左移动，因此，使轴向间隙b₂减小，间隙阻力增加，泄漏量减少；这样，液体流过径向间隙b₁的速度减少，该间隙中的损失减少，从而提高了平衡盘(12)前面的压力p₄，在轴向间隙b₂减小的同时，环状永磁体之间产生的互斥力增大，使得转子不断向左移动，平衡力就不断增加，移动到某一位置时，平衡力F₁与轴向力A相等，从而达到了新的平衡；同样道理，当轴向力小于平衡力时，转子向右移动，同样也能达到新的平衡。

2.根据权利要求1所述的一种基于永磁轴向力自适应平衡装置的多级泵，其特征在于，永磁环Ⅰ(14)与永磁环Ⅱ(15)的永磁材料均为钕铁硼永磁体。

3.根据权利要求1所述的一种基于永磁轴向力自适应平衡装置的多级泵，其特征在于，首级叶轮(31)与次级叶轮(22)均通过键与主轴(2)连接，并通过叶轮压紧螺母(36)与圆螺母(35)轴向固定于主轴(2)上。

4.根据权利要求1所述的一种基于永磁轴向力自适应平衡装置的多级泵，其特征在于，进口段(32)，中间段(26)与出口段(20)都为泵壳体，通过外形相互配合，配合处均设有O形密封圈(18)，出口段(20)与密封箱体(7)通过六角螺栓Ⅱ(11)连接，进口段(32)，中间段(26)，出口段(20)，密封箱体(7)四者构成多级泵的整体外壳。

5.根据权利要求1所述的一种基于永磁轴向力自适应平衡装置的多级泵，其特征在于，首级叶轮(31)进口处设有进口口环(33)，次级叶轮(22)与次级导叶(21)之间设有次级叶轮口环(24)与次级导叶口环(25)，口环可以有效防止叶轮运转过程中的磨损；首级导叶(30)与主轴(2)之间设置有前轴承套(27)与前轴承外套(28)，平衡盘(12)与次级叶轮(22)之间设置有轴承套(17)，三个轴承套共同作为主轴(2)的径向支撑。

6.根据权利要求1所述的一种基于永磁轴向力自适应平衡装置的多级泵，其特征在于，密封箱体(7)内设有机械密封组件(4)，其通过六角螺栓Ⅰ(3)与密封箱体(7)相连。

7.根据权利要求1所述的一种基于永磁轴向力自适应平衡装置的多级泵，其特征在于，密封箱体(7)上装有回水法兰(8)，回水法兰(8)通过双头螺柱(6)和六角螺母(5)固定于密封箱体(7)上，未从出口段(20)流出的工质从回水法兰(8)经由管道以及回水接头(34)回到进口段(32)。

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