快速磁化泵轴向受均衡力运算

　　轴向力平衡计算内磁转子轴向力平衡条件高速磁力泵轴向力是指内磁转子所受的轴向推力。内磁转子左右两端均设有推力盘，如所示。如果轴向力不平衡，将影响推力盘的使用寿命，即影响泵机组的寿命，甚至于关系到泵能否起动运行。

　　泵工作时，转子体在介质中以X角速度旋转。研究明，在转子与泵体间的腔体中，液体也作旋转运动，且旋转角速度为1/2X.宏观上看，腔体内的液体彼此之间无相对运动。此时，腔体内压力头h在不同半径R时的大小按抛物线分布，由流体力学可知<3>h=Qg（1）式中hw??叶轮外缘位置泵体内腔液体静压头，m；Rw??叶轮外缘处半径，取叶轮半径，m；Q??液体密度，kg/m3；g??重力加速度，m/s2。

　　当无平衡轴向力措施时，因为内磁转子体前后承压面不等，由此产生了不平衡轴向力。在内磁转子体左右两边，从叶轮半径Ri到Rj的轴向作用力分别是F左、F右，这两个力分别可按式（1）积分求得，通式如下：Fy=∫RjRihj-X28g（R2j-R2）2PQgRdR=PQg（R2j-R2i）（2）式中hj??对应于Rj处的静压头。

　　除F左、F右以外，流体流径叶片时还产生作用于内磁转子的动反力F动，F动的方向与F左相同。在本课题设计的高速磁力泵中，轴是静止件，对内磁转子不产生轴头力；泵的内外磁转子对齐，不会产生磁力轴向力。因此，内磁转子轴向力完全平衡的条件是：F左+F动-F右=0.

　　内磁转子轴向力的平衡设计内磁转子轴向力平衡设计思路是设法适当降低内磁转子右端的单位面积作用力，尽可能使它所受合力为零。由于磁力泵内磁钢与隔离套之间需要一定的液体循环冷却，同时推力轴承、导轴承也需要液体润滑冷却。在本课题的设计中，利用液体循环产生的液压来减少内磁转子右端轴向力的分布。所以，冷却循环回路设计与平衡轴向力设计应同时进行。

　　在要求高速磁力泵具有小轴向尺寸的前提下，冷却循环液沿叶轮出口高压腔流经内磁钢与隔离套之间的环形间隙AB、推力轴承CD、导轴承DF、叶轮入口环缝FG这4个主要液流阻力件回到泵入口，构成循环回路，如所示。冷却循环液在循环回路中产生了压力降，由此减少了作用于内磁转子右端的压力，实现了轴向力平衡。内磁转子右端腔体内液体流动很复杂，但可以理解为两种运动的迭加：1腔体内液体和转子左端一样，以1/2X旋转，压力分布中AH曲线；o液体流经各阻力件，用实际流体的伯努利方程求出各阻力压降，中的BCDEFG折线。这两部分的迭加结果造成轴向力减小，中阴影部分。合理调节尺寸组合参数，在理论上可以实现轴向力的完全平衡。

　　内磁转子轴向力计算循环流量通常根据结构尺寸确定出各阻力件合理的几何参数。冷却循环液流经各阻力件构成一个串联循环回路，循环流量q可通过式（3）求解。

　　因为Hx=∑4i=1hi=∑4i=1Niv2i2g=∑4i=1Niqsi212g（3）所以q=2gHx∑4i=1NiS2i（4）式中Hx??循环回路全扬程，Hx=Hp-18g（u2w-u24），m；Hp??泵的势扬程，Hp=0.75u2w/（2g），m；uw??对应于Rw（Rw=0.048m）的圆周速度，m/s；u4??对应于R4的圆周速度，m/s；hi??相对于i阻力件的压头降，m；vi??流经i阻力件的平均速度，m/s；Ni??对应i阻力件的阻力系数；Si??对应i阻力件的过流面积，m2。

　　阻力件的流阻状态、流阻简化模型、流阻系数Ni及过流截面面积Si见。将的Ni、Si各值分别代入式（4）中，求出q=0.85m3/h.q值应大于热平衡设计流量冷却、润滑才是安全的，否则应调整相关间隙、孔槽直径等<5>。

　　流阻计算将计算的q值代入hi=Niq22gS2i式中，分别求出各段流体阻力降，计算结果流阻模型、流阻系数、过流截面轴向力计算应用式（2）时应注意，作用于转子右端的压力分布需用分段积分求出F右：F右=∫R1R2f1（R）dR+12∫R2R3f2（CC）（R）dR+∫R2R3f2（D′D）（R）dR+∫R3R4f3（EF）（R）dR（5）其中CD面的力为CC′力与D′D力的代数平均值，内磁转子右端各半径Ri对应的静扬程为hi，用式（5）计算的轴向力Fi，计算结果。

　　结论将上面所述的轴向力平衡计算方法应用于400Hz高速磁力泵的设计中，既能完全满足泵磁钢体、推力轴承和导轴承冷却润滑所需液体的循环流量，又能使内磁转子的轴向力几乎达到完全平衡，经测试，仅有0.17MPa的不平衡轴向力作用于叶轮前推力盘，前推力盘大外圆处的PV（作用点的压力和圆周速度）值为2.16MPam/s.