CN111865039A - 一种双螺旋组合式通道直流磁流体泵 - Google Patents

Abstract

一种双螺旋组合式通道直流磁流体泵，由磁体和双螺旋组合式磁流体通道组成。双螺旋组合式磁流体通道穿过磁体的磁孔，磁体的轴向长度小于双螺旋组合式磁流体通道的轴向长度。双螺旋组合式磁流体通道由进口管、内外双螺旋组合通道和出口管组成。内螺旋通道同轴布置于外螺旋通道的内部。内螺旋通道和外螺旋通道的旋转方向相反，并共用进口管、出口管和中间电极管。内螺旋通道和外螺旋通道内的磁场为轴向磁场且磁场方向相同，内螺旋通道和外螺旋通道内的电场为径向电场且电场方向相反，内螺旋通道和外螺旋通道内产生的电磁力为周向且方向相反；海水沿轴向从进口管吸入双螺旋组合式磁流体通道，从出口管沿轴向喷出。

Description

一种双螺旋组合式通道直流磁流体泵

技术领域

本发明涉及一种磁流体泵，特别是一种采用双螺旋通道的直流磁流体泵。

背景技术

磁流体泵利用导电流体中电场和磁场的相互作用产生电磁力，直接驱动导电流体流动，是一种导电流体的泵送装置。磁流体泵的电机和泵体合二为一，没有旋转机械部件和传动轴系，提高了可靠性、降低了机械噪声，广泛应用在海水、熔融态金属输送，生物微流体驱动和控制以及血液泵等领域。直流磁流体泵主要由磁体、磁流体通道和电极等组成。磁体提供不随时间变化的恒定磁场，可采用永磁体、电磁体或超导磁体。电极将外部直流电导入磁流体通道内的导电流体中、产生恒定电场。电场和磁场相互作用，产生电磁力，直接驱动导电流体沿受力方向流动。根据电场、磁场和流场的作用方式，直流磁流体泵主要有两种结构：直线式和螺旋式。图1为传统螺旋式直流磁流体泵，主要由螺管超导磁体和单螺旋磁流体通道组成，单螺旋磁流体通道水平穿过螺管超导磁体的温孔。螺管超导磁体主要由真空容器和超导线圈组成，产生轴向磁场B。单螺旋磁流体通道主要由圆筒形外电极，导流器，绝缘壁，整流器，螺旋叶片和圆柱内电极组成。外接电源后，在内电极和外电极之间的环形海水空间产生径向电场、电流密度为J；轴向磁场B和径向电场相互作用产生圆周方向的电磁力F，推动海水沿螺旋叶片流动且静压逐渐增大。导流器将进口轴向来流转变为螺旋流动，整流器将螺旋流动转变为出口轴向流动。可见，内电极和外电极之间的圆环空间为有效磁场作用区域；内电极的直径越小，轴向磁场B的利用率越高，相同情况下产生的电磁力F越大。然而，性能分析表明，随外电极和内电极的直径比增大，内电极电流密度迅速增大，焦耳热损失也迅速增大，内电极和外电极有一个最佳直径比使泵的性能最佳，即为了获得较优的输出性能，螺旋式直流磁流体泵势必要牺牲一定的磁场空间。随着螺旋式直流磁流体泵输出功率的增大，需要的磁场强度和温孔直径也增大，内电极的直径也越大，内电极所占据的磁场空间也就更加不能忽视。因此，如何提高螺旋式直流磁流体泵、特别是大功率螺旋式直流磁流体泵的磁场利用率，同时使其具有优良的输出性能是其目前亟需解决的技术难题。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种具有双螺旋组合式通道的直流磁流体泵。本发明直流磁流体泵采用共用中间电极管的双螺旋组合式的磁流体通道，为设计合理的内外电极直径比提供了条件，提高了磁场空间利用率和泵送能力。

本发明的技术方案为：一种双螺旋组合式通道直流磁流体泵，所述直流磁流体泵由磁体和双螺旋组合式磁流体通道组成，双螺旋组合式磁流体通道穿过磁体的磁孔，磁体的轴向长度小于双螺旋组合式磁流体通道的轴向长度。双螺旋组合式磁流体通道由进口管、内外双螺旋组合通道和出口管组成。内外双螺旋组合通道中，内螺旋通道同轴设置于外螺旋通道的内部，内螺旋通道和外螺旋通道螺旋叶片的旋转方向相反，并共用进口管、出口管和中间电极管。内螺旋通道和外螺旋通道内的磁场为轴向磁场，且磁场方向相同，内螺旋通道和外螺旋通道内的电场为径向电场，且电场方向相反，内螺旋通道和外螺旋通道内产生的电磁力为周向，且方向相反；海水沿轴向从进口管吸入双螺旋组合式磁流体通道，海水从出口管沿轴向泵出。

所述磁体为螺管超导磁体，螺管超导磁体的温孔为圆柱形，温孔内产生轴向磁场，轴向磁场的磁场方向与温孔的轴向相同。

所述双螺旋组合式磁流体通道为圆柱形，由进口管、外导流管、外电极管、外整流管、出口管、外导流器、外螺旋叶片、中间电极管、外整流器、内导流器、内螺旋叶片、内电极柱和内整流器组成。其中进口管、外导流管、外电极管、外整流管和出口管的外径相等，同轴布置，且依此顺序光滑连接，组成双螺旋组合式磁流体通道的外管。外导流器、外螺旋叶片、中间电极管、外整流器、内导流器、内螺旋叶片、内电极柱和内整流器均位于双螺旋组合式磁流体通道的外管内部的圆柱形空间。其中外导流器、外螺旋叶片、中间电极管和外整流器组成外螺旋通道的内部流道，且依此顺序光滑连接；内导流器、内螺旋叶片、内电极柱和内整流器组成内螺旋通道的内部流道，且依此顺序光滑连接；外导流管、外导流器和内导流器位于进口管侧，且依此顺序沿径向由外而内同轴布置；外整流管、外整流器和内整流器位于出口管侧，且依此顺序沿径向由外而内同轴布置。海水从进口管沿轴向吸入、从出口管沿轴向泵出。

外导流管、外电极管、外整流管、外导流器、外螺旋叶片、中间电极管和外整流器组成外螺旋通道，内导流器、外导流器的导流管、中间电极管、内螺旋叶片、内电极柱、外整流器的整流管，以及内整流器组成内螺旋通道。内螺旋通道和外螺旋通道共用外导流器的导流管、中间电极管和外整流器的整流管；内螺旋叶片和外螺旋叶片的轴向长度与内电极柱、中间电极管和外电极管的有效段长度相等；内螺旋叶片的旋转方向和外螺旋叶片的旋转方向相反，内导流器和外导流器的叶片的旋转方向相反，内整流器和外整流器的叶片的旋转方向相反。若中间电极管为阳极、则内电极柱和外电极管为阴极，若中间电极管为阴极、则内电极柱和外电极管为阳极。

所述双螺旋组合式磁流体通道外管的中段，即外导流管、外电极管和外整流管依此顺序光滑连接，组成外螺旋通道的外管；外导流器的导流管、中间电极管和外整流器的整流管外径相等，同轴顺次光滑连接，组成外螺旋通道的内管；外导流器叶片、外螺旋叶片和外整流器叶片位于外螺旋通道的内管和外管之间的环形空间。外螺旋叶片固定在中间电极管的外表面，与外电极管间隙配合，外螺旋叶片分别与外导流器叶片的其中一个叶片以及外整流器叶片的其中一个叶片光滑连接，外螺旋叶片采用非导磁、非导电材料制作。外导流器由外导流器叶片和导流管组成，外导流器叶片固定在导流管的外表面，导流管为中空的圆柱体、与中间电极管同轴且光滑连接，外导流器叶片沿外导流器的周向均布，且其中的一个叶片与外螺旋叶片光滑连接，外导流器叶片的入口角为90°，外导流器叶片的数量不小于1。外导流器采用非导磁、非导电材料制作。外整流器由外整流器叶片和整流管组成，外整流器叶片固定在整流管的外表面，整流管为中空的圆柱体、与中间电极管同轴且光滑连接。外整流器叶片沿外整流器的周向均布且其中的一个叶片与外螺旋叶片光滑连接，外整流器叶片的出口角为90°，外整流器叶片的数量不小于1。外整流器采用非导磁、非导电材料制作。外导流管和外整流管采用非导磁、非导电材料制作；外电极管和中间电极管采用非导磁、高导电性材料制作。

外螺旋通道的内管组成内螺旋通道的外管。导流头柱、内电极柱和整流头柱最大外径相同，顺次光滑连接，组成内螺旋通道的内管。内导流器叶片、内螺旋叶片和内整流器叶片位于内螺旋通道的内管和外管之间的环形空间。内螺旋叶片固定在内电极柱的外表面，与中间电极管间隙配合，内螺旋叶片分别与内导流器叶片的其中一个叶片以及内整流器叶片的其中一个叶片光滑连接，内螺旋叶片采用非导磁、非导电材料制作。内导流器由内导流器叶片和导流头柱组成，内导流器叶片固定在导流头柱的外表面，导流头柱为流线型圆柱体，其最大外径与内电极柱外径相等，同轴布置且光滑连接。内导流器叶片沿内导流器的周向均布，且其中一个叶片与内螺旋叶片光滑连接，内导流器叶片的入口角为90°，内导流器叶片的数量不小于1。内导流器采用非导磁、非导电材料制作。内整流器由内整流器叶片和整流头柱组成，内整流器叶片固定在整流头柱的外表面，整流头柱为流线型圆柱体，其最大外径与内电极柱外径相等，同轴布置且光滑连接。内整流器叶片沿内整流器的周向均布且其中一个叶片与内螺旋叶片光滑连接，内整流器叶片的出口角为90°，内整流器叶片的数量不小于1。内整流器采用非导磁、非导电材料制作。内电极柱为圆柱形、与中间电极管同轴，采用非导磁、高导电性材料制作。

所述进口管和出口管采用非导磁材料制作。

附图说明

图1是传统螺旋式直流磁流体泵示意图；

图2是本发明具体实施例的双螺旋组合式磁流体通道：1进口管，2外导流管，3外电极管，4外整流管，5出口管，6内导流器，7外导流器，8外螺旋叶片，9中间电极管，10内螺旋叶片，11内电极柱，12内整流器，13外整流器；

图3是本发明具体实施例双螺旋组合式磁流体通道的外螺旋通道：2外导流管，3外电极管，4外整流管，7-1导流管，7-2外导流器叶片，8外螺旋叶片，9中间电极管，13-1整流管，13-2外整流器叶片；

图4是本发明具体实施例双螺旋组合式磁流体通道的内螺旋通道：6-1导流头柱，6-2内导流器叶片，7-1导流管，9中间电极管，10内螺旋叶片，11内电极柱，12-1整流头柱，12-2内整流器叶片，13-1整流管。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明具体实施例由一个螺管超导磁体和一个双螺旋组合式磁流体通道组成。双螺旋组合式磁流体通道穿过螺管超导磁体的温孔。螺管超导磁体的温孔为圆柱形，在温孔中产生轴向磁场，轴向磁场的磁场方向沿温孔轴向。螺管超导磁体的轴向长度小于双螺旋组合式磁流体通道的轴向长度。

双螺旋组合式磁流体通道由进口管1、内外双螺旋组合通道和出口管5组成。内外双螺旋组合通道中，内螺旋通道同轴设置于外螺旋通道的内部，内螺旋通道和外螺旋通道螺旋叶片的旋转方向相反，并共用进口管1、出口管5和中间电极管9。内螺旋通道和外螺旋通道内的磁场为轴向磁场，且磁场方向相同，内螺旋通道和外螺旋通道内的电场为径向电场，且电场方向相反，内螺旋通道和外螺旋通道内产生的电磁力为周向，且方向相反；海水沿轴向从进口管吸入双螺旋组合式磁流体通道，海水从出口管沿轴向泵出。

如图2所示，双螺旋组合式磁流体通道为圆柱形，由进口管1、外导流管2、外电极管3、外整流管4、出口管5、内导流器6、外导流器7、外螺旋叶片8、中间电极管9、内螺旋叶片10、内电极柱11、内整流器12和外整流器13组成。进口管1、外导流管2、外电极管3、外整流管4和出口管5的外径相等，同轴布置且依此顺序光滑连接，组成双螺旋组合式磁流体通道的外管。内导流器6、外导流器7、外螺旋叶片8、中间电极管9、内螺旋叶片10、内电极柱11、内整流器12和外整流器13位于双螺旋组合式磁流体通道的圆柱形内部空间，海水从进口管1沿轴向吸入，从出口管5沿轴向泵出。外导流管2、外电极管3、外整流管4、外导流器7、外螺旋叶片8、中间电极管9，以及外整流器13组成外螺旋通道，其中外导流器7、外螺旋叶片8、中间电极管9和外整流器13组成外螺旋通道的内部流道，且依此顺序光滑连接；内导流器6、外导流器7的导流管、中间电极管9、内螺旋叶片10、内电极柱11、内整流器12和外整流器13的整流管组成内螺旋通道，其中内导流器6、内螺旋叶片10、内电极柱11和内整流器12组成内螺旋通道的内部流道，且依此顺序光滑连接。外导流管2、外导流器7和内导流器6位于进口管侧，且依此顺序沿径向由外而内同轴布置；外整流管4、外整流器13和内整流器12位于出口管侧，且依此顺序沿径向由外而内同轴布置。内螺旋通道和外螺旋通道同轴，内螺旋通道位于外螺旋通道的内部，内螺旋通道和外螺旋通道共用进口管1、出口管5、外导流器7的导流管、中间电极管9和外整流器13的整流管。内螺旋通道和外螺旋通道内的磁场为轴向磁场，且磁场方向相同，内螺旋通道和外螺旋通道内的电场为径向电场，且电场方向相反，内螺旋通道和外螺旋通道内产生的电磁力为周向，且方向相反；内螺旋叶片10和外螺旋叶片8的轴向长度与内电极柱11、中间电极管9和外电极管3的有效段长度相等。内螺旋叶片10为左旋，外螺旋叶片8为右旋，内导流器6和内整流器12的叶片为左旋，外导流器7和外整流器13的叶片为右旋；若中间电极管9为阳极、则内电极柱11和外电极管3为阴极，若中间电极管9为阴极、则内电极柱11和外电极管3为阳极。

如图3所示，外导流管2、外电极管3、外整流管4、外导流器7的导流管7-1和外导流器叶片7-2、外螺旋叶片8、中间电极管9、外整流器13的整流管13-1和外整流器叶片13-2组成外螺旋通道。外导流管2、外电极管3和外整流管4从左到右顺次光滑连接，组成外螺旋通道的外管。导流管7-1、中间电极管9和整流管13-1从左到右顺次光滑连接，组成外螺旋通道的内管。外导流器叶片7-2、外螺旋叶片8和外整流器叶片13-2位于外螺旋通道的内管和外管之间的环形空间，外螺旋通道的内管和外管同轴。外螺旋叶片8固定在中间电极管9的外表面，与外电极管3间隙配合。外螺旋叶片8分别与外导流器叶片7-2的一个叶片以及外整流器叶片13-2的一个叶片光滑连接。外螺旋叶片8采用非导磁、非导电材料制作。外导流器7由外导流器叶片7-2和导流管7-1组成，外导流器叶片7-2固定在导流管7-1的外表面。导流管7-1为中空的圆柱体，与中间电极管9同轴且光滑连接。外导流器叶片7-2共有4片、右旋、且其入口角为90°，沿外导流器7的周向均布，且其中一个叶片与外螺旋叶片8光滑连接。外导流器7采用聚甲醛制作。外整流器13由外整流器叶片13-2和整流管13-1组成，外整流器叶片13-2固定在整流管13-1的外表面。整流管13-1为中空的圆柱体，与中间电极管9同轴且光滑连接。外整流器叶片13-2共有4片、右旋、且其出口角为90°，沿外整流器13的周向均布，且其中一个叶片与外螺旋叶片8光滑连接。外整流器13采用聚甲醛制作。外导流管2的两端分别与进口管1和外电极管3光滑连接，外整流管4的两端分别与出口管5和外电极管3光滑连接。外导流管2和外整流管4采用聚甲醛制作。外电极管3和中间电极管9为圆筒形、同轴布置，采用非导磁，高导电性材料制作。

如图4所示，内导流器6的导流头柱6-1和内导流器叶片6-2、外导流器7的导流管7-1、中间电极管9、内螺旋叶片10、内电极柱11、内整流器12的整流头柱12-1和内整流器叶片12-2以及外整流器13的整流管13-1组成内螺旋通道。导流管7-1、中间电极管9和整流管13-1从左到右顺次光滑连接，组成内螺旋通道的外管，该外管即为外螺旋通道的内管；导流头柱6-1、内电极柱11和整流头柱12-1的最大外径相同，从左到右顺次光滑连接，组成内螺旋通道的内管，内螺旋通道的内管和外管同轴。内导流器叶片6-2、内螺旋叶片10和内整流器叶片12-2位于内螺旋通道的内管和外管之间的环形空间。内螺旋叶片10固定在内电极柱11的外表面，与中间电极管9间隙配合。内螺旋叶片10分别与内导流器叶片6-2的一个叶片以及内整流器叶片12-2的一个叶片光滑连接；内螺旋叶片10采用聚甲醛制作。内导流器6由内导流器叶片6-2和导流头柱6-1组成，内导流器叶片6-2共4片、左旋、且其入口角为90°，固定在导流头柱6-1的外表面；导流头柱6-1为流线型圆柱体，与内电极柱11同轴且光滑连接；内导流器叶片6-2沿内导流器6的周向均布且其中一个叶片与内螺旋叶片10光滑连接。内导流器6采用聚甲醛制作。内整流器12由内整流器叶片12-2和整流头柱12-1组成，内整流器叶片12-2共4片、左旋、且其出口角为90°，固定在整流头柱12-1外表面。整流头柱12-1为流线型，与内电极柱11同轴且光滑连接。内整流器叶片12-2沿内整流器12的周向均布且其中一个叶片与内螺旋叶片10光滑连接。内整流器12采用聚甲醛制作。内电极柱11为圆柱形，与中间电极管9同轴布置，采用非导磁、高导电性材料制作。

所述进口管1和出口管5采用不锈钢。

本发明具体实施例在传统单螺旋磁流体通道内电极的内部增加了一个螺旋通道，充分利用了内电极内部区域的磁场空间，增加了磁流体泵的泵送能力；本发明的外螺旋通道的内壁即为内螺旋通道的外壁，简化了通道结构和装配工艺，且进一步利用了磁场空间、提高了磁体温孔空间的利用率，提高了泵送能力。此外，本发明的内外螺旋通道共用中间电极，可采用一个电源供电，简化了外部供电装置。本发明可降低内外电极的直径比，避免内电极的电流密度过高，降低了焦耳热损失。本发明适用于大尺寸直流磁流体泵。

Claims (5)

1.一种双螺旋组合式通道直流磁流体泵，其特征在于：所述直流磁流体泵由磁体和双螺旋组合式磁流体通道组成；双螺旋组合式磁流体通道穿过磁体的磁孔，磁体的轴向长度小于双螺旋组合式磁流体通道的轴向长度；双螺旋组合式磁流体通道由进口管(1)、内外双螺旋组合通道和出口管(5)组成；内外双螺旋组合通道中，内螺旋通道同轴布置于外螺旋通道的内部，内螺旋通道和外螺旋通道螺旋叶片的旋转方向相反，并共用进口管(1)、出口管(5)和中间电极管(9)；内螺旋通道和外螺旋通道内的磁场为轴向磁场，且磁场方向相同，内螺旋通道和外螺旋通道内的电场为径向电场，且电场方向相反，内螺旋通道和外螺旋通道内产生的电磁力为周向，且方向相反；海水沿轴向从进口管(1)吸入双螺旋组合式磁流体通道，从出口管(5)沿轴向泵出。

2.按照权利要求1所述的直流磁流体泵，其特征在于：所述双螺旋组合式磁流体通道为圆柱形，由进口管(1)、外导流管(2)、外电极管(3)、外整流管(4)、出口管(5)、内导流器(6)、外导流器(7)、外螺旋叶片(8)、中间电极管(9)、内螺旋叶片(10)、内电极柱(11)、内整流器(12)和外整流器(13)组成；其中进口管(1)、外导流管(2)、外电极管(3)、外整流管(4)和出口管(5)的外径相等，同轴布置，且依此顺序光滑连接，组成双螺旋组合式磁流体通道的外管；外导流器(7)、外螺旋叶片(8)、中间电极管(9)、外整流器(13)、内导流器(6)、内螺旋叶片(10)、内电极柱(11)和内整流器(12)均位于双螺旋组合式磁流体通道的外管内部的圆柱形空间；外导流器(7)、外螺旋叶片(8)、中间电极管(9)和外整流器(13)组成外螺旋通道的内部流道，且依此顺序光滑连接；内导流器(6)、内螺旋叶片(10)、内电极柱(11)和内整流器(12)组成内螺旋通道的内部流道，且依此顺序光滑连接；外导流管(2)、外导流器(7)和内导流器(6)位于进口管侧，且依此顺序沿径向由外而内同轴布置；外整流管(4)、外整流器(13)和内整流器(12)位于出口管侧，且依此顺序沿径向由外而内同轴布置；海水从进口管(1)沿轴向吸入、从出口管(5)沿轴向泵出。

3.按照权利要求1或2所述的直流磁流体泵，其特征在于：所述的外螺旋通道由外导流管(2)、外电极管(3)、外整流管(4)、外导流器(7)、外螺旋叶片(8)、中间电极管(9)和外整流器(13)组成，内导流器(6)、外导流器(7)的导流管(7-1)、中间电极管(9)、内螺旋叶片(10)、内电极柱(11)、内整流器(12)和外整流器(13)的整流管(13-1)组成内螺旋通道，内螺旋通道和外螺旋通道共用外导流器(7)的导流管(7-1)、中间电极管(9)和外整流器(13)的整流管(13-1)；内螺旋叶片(10)和外螺旋叶片(8)的轴向长度与内电极柱(11)、中间电极管(9)和外电极管(3)的有效段长度相等；内螺旋叶片(10)和外螺旋叶片(8)的旋转方向相反，内导流器(6)和外导流器(7)的叶片的旋转方向相反，内整流器(12)和外整流器(13)的叶片的旋转方向相反；若中间电极管(9)为阳极、则内电极柱(11)和外电极管(3)为阴极，若中间电极管(9)为阴极、则内电极柱(11)和外电极管(3)为阳极。

4.按照权利要求1所述的直流磁流体泵，其特征在于：所述磁体为螺管超导磁体，螺管超导磁体的温孔为圆柱形，温孔内产生轴向磁场，轴向磁场的磁场方向与温孔的轴向相同。

5.按照权利要求1所述的直流磁流体泵，其特征在于：所述进口管(1)和出口管(5)采用非导磁材料制作；外导流管(2)、外整流管(4)、内导流器(6)、外导流器(7)、外螺旋叶片(8)、内螺旋叶片(10)、内整流器(12)和外整流器(13)采用非导磁、非导电材料制作；外电极管(3)、中间电极管(9)和内电极柱(11)采用非导磁、高导电性材料制作。

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