CN208634091U - 一种永磁轴向力自适应平衡装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种永磁轴向力自适应平衡装置。其主要构件包括海水淡化能量回收一体机壳体、泵叶轮、透平叶轮、泵轴、推力轴承以及长短水润滑滑动轴承各一套。在透平叶轮和推力轴承上嵌有同极环状永磁体，通过同极相斥的磁力作用可以实现泵叶轮和透平叶轮的轴向力自适应平衡。本实用新型的轴向力自适应平衡装置不需要添加推力盘平衡轴向力，有效地解决了双转子同轴系统的轴向力自适应平衡问题，同时有效降低轴向推力对推力轴承的作用载荷，减少了因添加推力盘而使转子系统带来的摩擦损耗，提高了海水淡化能量回收一体机的转子系统可靠性与一体机系统的稳定性及安全性。
Description
技术领域
本实用新型属于机械领域，特别是一种海水淡化能量回收一体机永磁轴向力自适应平衡装置。
背景技术
海水淡化是全球沿海国家解决淡水资源短缺的重要途径。随着海岛开发，远洋舰船，钻井平台等领域的快速发展，中小型海水淡化装置需求猛增。在中小型海水淡化领域，能量回收一直是制约其发展的重要瓶颈，这直接影响了海水淡化装置的技术水平和应用推广，亟需开发能量回收新技术，新产品以适应市场需求。
海水淡化能量回收一体机中的一个难题就是轴向力的平衡问题。不同于普通离心泵和液力透平的轴向力平衡，在一体机中泵叶轮和透平叶轮同轴，泵叶轮和透平叶轮同时产生轴向力。双转子系统耦合过程中轴向力的变化导致普通的推力轴承无法满足轴向力的自适应平衡，同时该工况下，推力轴承磨损较为严重，影响了能量回收一体机的安全性。提出全新的轴向力平衡方法显得尤为重要。
实用新型内容
本实用新型旨在提出一种能够解决海水淡化能量回收一体机轴向力自适应平衡的方法，从而保证海水淡化能量回收一体机的安全运行，为能量回收一体机提供技术创新，亦旨在提出一种全新的轴向力平衡方法，为双转子同轴机械提供新的结构设计思路。
为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：
所述海水升压系统包括增压泵蜗室(6)、增压泵叶轮(4)、泵轴(7)、泵轴承(3)，所述海水升压系统的最外层为增压泵蜗室(6)，增压泵蜗室(6)内设有增压泵叶轮(4)和泵轴承(3)；所述增压泵叶轮(4)通过螺栓(5)与增压泵蜗室(6)内部中心的泵轴(7)一端连接，所述增压泵叶轮(4)由泵轴承(3)轴向定位安装于增压泵蜗室(6)中；
所述能量回收系统包括透平蜗室(8)、透平叶轮(12)、中心轴承(10)，所述能量回收系统的最外层为透平蜗室(8)，所述透平蜗室(8)和增压泵蜗室(6)连接，透平蜗室(8)内设有透平叶轮(12)、中心轴承(10)，所述透平叶轮(12)通过连接螺柱(11)与泵轴(7)的另一端连接，所述泵轴(7)由中心轴承(10)径向支撑，所述透平叶轮(12)与泵轴(7)均通过右侧增压泵轴承(3)轴向定位，透平叶轮(12)与泵轴(7)左侧通过推力轴承(15)轴向固定；
所述轴向力自适应平衡系统包括透平叶轮(12)、推力轴承(15)、第一环状永磁体(13)、第二环状永磁体(14)，所述第一环状永磁体(13)嵌于透平叶轮(12)的前盖板上，所述第二环状永磁体(14)嵌于推力轴承(15)上，所述第一环状永磁体(13)与第二环状永磁体(14)极性相同且中心对称。
进一步，所述增压泵叶轮与透平叶轮同时与泵轴相连接。
进一步，所述推力轴承为水润滑轴承，通过平衡管由一体机进水口提供高压原水，所述中心轴承为水润滑轴承，由增压泵蜗室直接供水。
进一步，所述增压泵蜗室和透平蜗室通过8个均布的双头螺柱连接。
进一步，所述第一环状永磁体与第二环状永磁体为钕铁硼永磁体。
进一步，所述泵轴承通过增压泵蜗室内部台阶定位，增压泵叶轮通过右侧泵轴承轴向定位。
进一步，所述泵轴因与增压泵叶轮相连从而轴向定位，泵轴的径向支撑由中心轴承完成。
进一步，在一体机高速运转过程中，增压泵叶轮与透平叶轮所产生的轴向力可由透平叶轮与推力轴承之间的间隙变化从而改变磁力的大小来自适应平衡。
本实用新型的一种海水淡化能量回收一体机永磁轴向力自适应平衡装置，优点如下：
1.与普通海水淡化能量回收一体机相比，轴向力的大小变化可以通过透平叶轮与推力轴承之间的间隙大小变化产生同等大小的磁力，从而自适应平衡。
2.通过磁力平衡轴向力，轴承等平衡轴向力的零件所受磨损较小，使用寿命更长。
3.使用水润滑轴承替代油润滑轴承，不需要担心润滑剂泄漏导致水质污染。
4.单轴向力平衡装置更加简单紧凑，取代了传统的双转子同轴系统分别设置轴向力平衡装置的结构形式。
附图说明
图1为海水淡化能量回收一体机总装配图；
图2为海水淡化能量回收一体机水流流向图；
图3为透平叶轮和推力轴承嵌入环状永磁体示意图；
图4为轴向力平衡示意图。
图中：1-平衡管，2-O型密封圈，3-泵轴承，4-增压泵叶轮，5-螺栓，6-增压泵蜗室，7-泵轴，8-透平蜗室，9-双头螺柱，10-中心轴承，11-连接螺柱，12-透平叶轮，13-第一环状永磁体，14-第二环状永磁体，15-推力轴承，16-透平端盖，17-底座。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型的保护范围并不限于此。
图1为海水淡化能量回收一体机总装配图。一种海水淡化能量回收一体机总装配图，主要包括海水增压段，能量回收段，轴向力平衡装置。
所述海水增压端主要包括泵轴承3，增压泵叶轮4，增压泵蜗室6，泵轴7，其结构方面：泵轴承3通过增压泵蜗室6里的台阶面进行轴向定位，泵轴承为增压泵进水端，所以添加了O型密封圈2进行密封，增压泵叶轮4通过螺栓5固定于泵轴7上，增压泵叶轮5右侧通过泵轴承3进行轴向定位。所述能量回收段主要包括透平蜗室8，透平叶轮12，中心轴承10，其结构方面：透平蜗室12通过双头螺柱9与增压泵蜗室6相连，8个双头螺柱均布保证其连接强度，中心轴承10置于透平蜗室12延长段，两端通过轴套轴向固定，泵轴7穿过中心轴承10，由中心轴承10径向支撑，透平叶轮12通过连接螺柱11固定在泵轴7上。所述轴向力平衡装置主要包括透平叶轮12，推力轴承15，平衡管1，第一环状永磁体13，第二环状永磁体14，其结构方面：推力轴承15右侧靠透平端盖16轴向固定，推力轴承15为水润滑轴承，由平衡管1从增压段进水口提供高压原水满足其润滑需求，第一环状永磁体13嵌于透平叶轮12的前盖板上，第二环状永磁体14嵌于推力轴承上，第一环状永磁体13与第二环状永磁体14极性相同且呈中心对称布置。
图2为海水淡化能量回收一体机的水流流向图。压力约为3Mpa的原水从海水淡化能量回收一体机的增压段进水口进入一体机，经过增压段增压，达到海水淡化处理器所需的压力要求，压力值约为6Mpa，其中40％的海水转化为淡水，剩余60％的高压原水通过管路输送到海水淡化能量回收一体机能量回收段的进水口，经过液力透平回收能量，压力降至0.3Mpa左右，最后低压浓水由透平端盖口排出。
图3为环状永磁体嵌入示意图，考虑到嵌入永磁块，在一体机工作时，磁力作用不稳定，此处选用磁环。
图4为轴向力平衡装置的力平衡示意图，根据轴向力的大小变化，透平叶轮12与推力轴承15之间的间隙大小随之变化，从而磁力大小变化。
本实用新型的一种海水淡化能量回收一体机永磁轴向力自适应平衡装置工作过程如下：
海水淡化能量回收一体机在未运行状态下，两个环状永磁体由于极性相同，产生斥力。当一体机启动后，海水由增压泵增压，在泵高速运行状态向，产生指向液力透平出口的轴向力，此处使用的液力透平为泵反转，但是因为水压不同，其轴向力大小远小于增压泵叶轮所产生的轴向力，故总轴向力方向指向液力透平出口，透平叶轮与推力轴承之间的磁力大小根据总轴向力大小做出相应改变，从而自适应平衡海水淡化一体机产生的轴向力。
本实用新型采用磁力平衡轴向力，使其具有下述的优点以及创新性：
传统的了双转子同轴系统，常采用两个单独的轴向力平衡装置。由于压力不同，泵叶轮和透平叶轮产生的轴向力不同，为了平衡轴向力，其中一个转子的轴向力平衡转子是必要为另一个转子提供一定的轴向窜动间隙，久而久之，必定会是推力轴承受损严重，考虑到海水淡化能量回收一体机在高转速的工况下运行，零件受损极大的影响了一体机的运行稳定性和安全性。
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，对于常用的离心泵其轴向力可按下式计算：
其中k为系数，当比转速ns＝30～100时，k＝0.6；当ns＝100～200时，k＝0.7；当ns＝204～280时，k＝0.8；ρ为液体密度；H为泵的扬程；Rm为泵叶轮密封环半径；Rh为泵叶轮轮毂半径。
对于本实用新型，选用离心泵反转最为液力透平，故其轴向力的计算同上述离心泵的轴向力计算公式。总轴向力即为泵叶轮与透平叶轮产生的轴向力之和。由于海水淡化能量回收一体机转速过高，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Fz。
对于嵌入的第一第二环状永磁体的轴向力平衡装置，其所嵌的圆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出的表场强度为：
其中：Br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＝NBrHiA
其中N为磁极对数，本实用新型N＝1；A为一对磁极的对应面积(m2)。要达到轴向力平衡，使F＝Fz即能满足要求。
本实用新型选用水润滑推力轴承，替代了传统的推力盘，减小了摩擦损失提高了一体机的运行效率。选用水润滑消除了传统轴承油润滑系统润滑剂泄漏从而影响水质的问题，让海水淡化能量回收一体机更加高效，清洁，安全。
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，本实用新型的一种永磁轴向力自适应平衡装置。其主要构件包括海水淡化能量回收一体机壳体、泵叶轮、透平叶轮、泵轴、推力轴承以及长短水润滑滑动轴承各一套。在透平叶轮和推力轴承上嵌有同极环状永磁体，通过同极相斥的磁力作用可以实现泵叶轮和透平叶轮的轴向力自适应平衡。本实用新型的轴向力自适应平衡装置不需要添加推力盘平衡轴向力，有效地解决了双转子同轴系统的轴向力自适应平衡问题，同时有效降低轴向推力对推力轴承的作用载荷，减少了因添加推力盘而使转子系统带来的摩擦损耗，提高了海水淡化能量回收一体机的转子系统可靠性与一体机系统的稳定性及安全性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种永磁轴向力自适应平衡装置，其特征在于，包括海水升压系统，能量回收系统，轴向力自适应平衡系统；
所述海水升压系统包括增压泵蜗室(6)、增压泵叶轮(4)、泵轴(7)、泵轴承(3)，所述海水升压系统的最外层为增压泵蜗室(6)，增压泵蜗室(6)内设有增压泵叶轮(4)和泵轴承(3)；所述增压泵叶轮(4)通过螺栓(5)与增压泵蜗室(6)内部中心的泵轴(7)一端连接，所述增压泵叶轮(4)由泵轴承(3)轴向定位安装于增压泵蜗室(6)中；
所述能量回收系统包括透平蜗室(8)、透平叶轮(12)、中心轴承(10)，所述能量回收系统的最外层为透平蜗室(8)，所述透平蜗室(8)和增压泵蜗室(6)连接，透平蜗室(8)内设有透平叶轮(12)、中心轴承(10)，所述透平叶轮(12)通过连接螺柱(11)与泵轴(7)的另一端连接，所述泵轴(7)由中心轴承(10)径向支撑，所述透平叶轮(12)与泵轴(7)均通过右侧增压泵轴承(3)轴向定位，透平叶轮(12)与泵轴(7)左侧通过推力轴承(15)轴向固定；
所述轴向力自适应平衡系统包括透平叶轮(12)、推力轴承(15)、第一环状永磁体(13)、第二环状永磁体(14)，所述第一环状永磁体(13)嵌于透平叶轮(12)的前盖板上，所述第二环状永磁体(14)嵌于推力轴承(15)上。
2.根据权利要求1所述的一种永磁轴向力自适应平衡装置，其特征在于，所述增压泵叶轮(4)与透平叶轮(12)同时与泵轴(7)相连接。
3.根据权利要求1所述的一种永磁轴向力自适应平衡装置，其特征在于，所述推力轴承(15)为水润滑轴承，通过平衡管(1)由一体机进水口提供高压原水，所述中心轴承(10)为水润滑轴承，由增压泵蜗室直接供水。
4.根据权利要求1所述的一种永磁轴向力自适应平衡装置，其特征在于，所述增压泵蜗室(6)和透平蜗室(8)通过8个均布的双头螺柱(9)连接。
5.根据权利要求1所述的一种永磁轴向力自适应平衡装置，其特征在于，所述第一环状永磁体(13)与第二环状永磁体(14)为钕铁硼永磁体。
6.根据权利要求1所述的一种永磁轴向力自适应平衡装置，其特征在于，所述泵轴承(3)通过增压泵蜗室(6)内部台阶定位，增压泵叶轮(4)通过右侧泵轴承(3)轴向定位。
7.根据权利要求1所述的一种永磁轴向力自适应平衡装置，其特征在于，在一体机高速运转过程中，增压泵叶轮(4)与透平叶轮(12)所产生的轴向力可由透平叶轮(12)与推力轴承(15)之间的间隙变化从而改变磁力的大小来自适应平衡。
8.根据权利要求1所述的一种永磁轴向力自适应平衡装置，其特征在于，所述第一环状永磁体(13)与第二环状永磁体(14)极性相同且中心对称。
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