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(diào)節(jié),功率調(diào)整和整流、消波、穩(wěn)流,以滿足無軸離心泵的安全運行。
【關(guān)鍵詞】同性相斥;單級源;磁力分布;平衡;整流;消波;穩(wěn)流
傳統(tǒng)離心泵必須依靠驅(qū)動機帶動軸旋轉(zhuǎn),從而帶動軸上葉輪旋轉(zhuǎn),達到葉輪對流體做功的目的。這種傳統(tǒng)理念致使泵的噪音大、摩擦力大、能耗大,產(chǎn)生噪音諧波,對能源的利用和職業(yè)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(nèi)懸浮、無碰擦旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)做功。
無軸泵的原理:葉輪要實現(xiàn)在泵腔內(nèi)時刻處于懸浮狀態(tài),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(zhuǎn)時必會產(chǎn)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(tài)下處于泵腔中心,實現(xiàn)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(qū)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(qū)動磁磁極相同,實現(xiàn)驅(qū)動,達到葉輪靜態(tài)下懸浮不與泵腔接觸,動態(tài)下實現(xiàn)無碰擦旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)無噪音,提高能源利用率的目的。
無軸泵的構(gòu)造:要實現(xiàn)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(xiàn),磁性往往是異性同生,這就使葉輪的同磁性問題很難產(chǎn)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(jié)構(gòu),葉輪為U型半封口磁鐵,實現(xiàn)葉輪的動靜狀態(tài)下的懸浮狀態(tài)。葉輪驅(qū)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(shè)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(huán)的長度。入口直徑是由吸入量和揚程決定的。葉輪的設(shè)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(shè)計上也應采用對稱分布來實現(xiàn)這一目的,同時葉輪在工作時,必定會產(chǎn)生一個向吸入口運動的強力,在設(shè)計上吸入口的軸向斥力必須大于對向力,但是也必會發(fā)生葉輪在靜止時貼靠在非介質(zhì)吸入口一側(cè),這樣在啟動時會產(chǎn)生一個較大的摩擦力,因此在設(shè)計上也在非吸入側(cè)一端設(shè)計平滑的摩擦副,來克服這一缺陷。而在停止運轉(zhuǎn)時,斥力會因為介質(zhì)的阻力不會迅速向此端運動,但也會產(chǎn)生一定的損害,因此葉輪上的摩擦副應設(shè)計為與葉輪葉片異向曲度的凹槽(副葉輪),使介質(zhì)有非入口側(cè)吸入(在泵殼上鋪設(shè)一條由葉輪背側(cè)至副葉輪的入液管線,副葉輪中部至葉輪背側(cè)的通道為出液口),從葉輪背側(cè)排除,使葉輪產(chǎn)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(shè)一個平衡小孔降,平衡葉輪壓力的同時,降低葉輪向吸入側(cè)運動程度,以減少損害的發(fā)生。
無軸泵的驅(qū)動既然是依靠同性磁極磁力驅(qū)動的,必須在葉輪對應的泵殼上設(shè)計為同極電磁,實際生產(chǎn)中大多使用交流電,電磁的產(chǎn)生是依賴定向穩(wěn)定的直流電,因此必須對交流電進行整流、消波、穩(wěn)流。整流是利用二級管的單行導電性實現(xiàn)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(jīng)整流后變?yōu)?00HZ,周期也變?yōu)?.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(xiàn)了消波,穩(wěn)流就是利用電容的儲電效應,將不穩(wěn)定電流收集,在釋放時實現(xiàn)恒流釋放,這樣可以保證磁力的穩(wěn)定產(chǎn)生,從而保證驅(qū)動的穩(wěn)定。當在一處驅(qū)動時,會使其他三個方向斥力破壞,會產(chǎn)生于泵殼的摩擦,因此在設(shè)計上,驅(qū)動力必須是4的倍數(shù)呈90°均布,來實現(xiàn)無軸泵的運轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)方向稍稍偏離,以避免斥力的阻力,同時最大限度發(fā)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(xiàn),但其分布是并列布置,不會產(chǎn)生相斥,自然不會給生產(chǎn)制造帶來麻煩,但在安裝方面會增加困難,根據(jù)其結(jié)構(gòu)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(fā)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(shè)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(qū)動磁也采用N極驅(qū)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(fā)射。
功率的調(diào)整:驅(qū)動磁以4的倍數(shù)同步驅(qū)動,只能限定為額定功率。為了達到生產(chǎn)所需,一般采用兩種方案:一是對電磁鐵分時增加投電組數(shù)(4組),結(jié)果是效率的躍變,極易對泵產(chǎn)生碰擦,對葉輪產(chǎn)生損壞。二是調(diào)整電流,可實現(xiàn)功率的平穩(wěn)上升或下降,實現(xiàn)功率的合理利用,同時也會對葉輪產(chǎn)生保護作用,因此在驅(qū)動上應采用多組布置、調(diào)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(yōu)點:無摩擦、噪音小、能耗小、產(chǎn)生外射波較少。
用途:可用于各類精細化工和核工業(yè),以及潛艇、輪船。極大地減少了噪音。
【參考文獻】
1、《機械設(shè)計手冊》(化學工業(yè)出版社,1987)
2、《工程師通用手冊》(鄔伯翔,1989.3)