大功率工况下的磁悬浮离心泵轴向力自动平衡装置及应用

摘要

本发明公开了一种大功率工况下的磁悬浮离心泵轴向力自动平衡装置及应用。泵盖固定安装在泵腔壳上，泵腔壳的内部中空并形成安装腔，泵腔壳的安装腔中设置有叶轮组件，叶轮组件下部的圆周侧面固定安装有多圈间隔设置的平衡导流环；叶轮组件与泵盖之间形成第一液力悬浮平衡腔，叶轮组件与泵腔壳之间形成第二液力悬浮平衡腔，叶轮组件上部的圆周侧面、泵腔壳和泵盖之间形成泵腔，叶轮组件下部的圆周侧面与泵腔壳之间形成减压平衡腔。本发明使大功率工况下工作的叶轮受到的轴向液压力减小，从而使叶轮的轴向液压力与电机定转子之间形成的轴向磁阻力相平衡，通过调节平衡导流条的尺寸大小，可以实现不同工况下不同的工作点范围内叶轮液压轴向力的平衡。

权利要求

1.一种大功率工况下的磁悬浮离心泵轴向力自动平衡装置，其特征在于，包括泵盖（1）、泵腔壳（3）、叶轮组件和平衡导流环；

泵盖（1）固定安装在泵腔壳（3）上，泵腔壳（3）的内部中空并形成安装腔，泵腔壳（3）的安装腔中设置有叶轮组件，叶轮组件下部的圆周侧面固定安装有多圈间隔设置的平衡导流环；所述泵盖（1）下表面的中部设置有泵盖凸环（1‑1），泵盖凸环（1‑1）的下表面与叶轮组件的上表面之间设置有间隙；所述泵腔壳（3）内壁的下底面的中部设置有泵腔壳凸环（3‑1），泵腔壳凸环（3‑1）的上表面与叶轮组件的下表面之间设置有间隙，泵腔壳凸环（3‑1）的径向内侧、泵腔壳内壁的下底面中部与叶轮组件下底面之间形成叶轮底部腔体（F）；叶轮组件的上表面与泵盖凸环（1‑1）的下表面之间形成第一液力悬浮平衡腔（a），叶轮组件的下表面与泵腔壳凸环（3‑1）的上表面之间形成第二液力悬浮平衡腔（c），叶轮组件上部的圆周侧面、泵腔壳（3）的内壁和泵盖（1）的下表面之间形成泵腔（E），叶轮组件下部的圆周侧面以及圆周侧面上的平衡导流环与泵腔壳（3）的内壁之间形成减压平衡腔（b）；泵盖（1）的中部开设有入口管道（A），泵腔壳（3）上部的一圆周侧面上开设有出口管道（B），入口管道（A）和出口管道（B）均连通到安装腔，液体从入口管道（A）流入，经叶轮组件增压后从出口管道（B）流出；

所述多圈平衡导流环结构相同，每个平衡导流环主要由多个平衡导流条（7）在叶轮组件下部的圆周侧面沿同一圆周等间隔布置构成，同一平衡导流环的相邻平衡导流条（7）之间的间隔形成轴向导流槽（11），相邻平衡导流环的各个轴向导流槽（11）交错设置；相邻平衡导流环之间的间隔形成切向导流槽（10），多个切向导流槽（10）之间平行布置。

2.根据权利要求1所述的一种大功率工况下的磁悬浮离心泵轴向力自动平衡装置，其特征在于，所述叶轮组件包括永磁体外壳（4）、挡流板（5）、叶轮叶片（6）和永磁体（8）；

永磁体外壳（4）中固定安装有环状的永磁体（8），永磁体外壳（4）的中部开设有多个沿圆周等间隔轴向布置的平衡孔（9），永磁体外壳（4）的圆周侧面固定安装有多圈间隔设置的平衡导流环；永磁体外壳（4）的上表面固定安装有叶轮叶片（6），叶轮叶片（6）开设有中心孔，叶轮叶片（6）内部开设有多个沿圆周间隔均布的螺旋形流道，各个螺旋形流道均沿同一平面螺旋方向布置，每个螺旋形流道径向地将叶轮叶片（6）的中心孔和外周围的外周泵腔（E）相连通；叶轮叶片（6）的中心孔中设置有径向布置的挡流板（5），挡流板（5）密封地嵌装在叶轮叶片（6）中心孔中，挡流板（5）中部向下延伸后与永磁体外壳（4）中部固定连接，挡流板（5）将中心孔一分为二，挡流板（5）上表面的中心孔记为叶轮上部中心腔（D），挡流板（5）下表面的中心孔与平衡孔（9）相连通；

叶轮叶片（6）的上表面作为叶轮组件的上表面并与泵盖凸环（1‑1）的下表面之间形成第一液力悬浮平衡腔（a），永磁体外壳（4）的下表面作为叶轮组件的下表面并与泵腔壳凸环（3‑1）的上表面之间形成第二液力悬浮平衡腔（c），永磁体外壳（4）的圆周侧面以及圆周侧面上的平衡导流环与泵腔壳（3）的内壁之间形成减压平衡腔（b）；

液体从入口管道（A）流入叶轮上部中心腔（D），叶轮上部中心腔（D）中的液体轴向流动流入叶轮组件后通过挡流板（5）阻挡引导后改为径向流动后再从叶轮叶片（6）的多个内部螺旋形流道流向泵腔（E），泵腔（E）中的一大部分液体通过出口管道（B）流出泵腔（E），泵腔（E）中的另一部分液体分别向上和向下泄露，向上泄露的液体经第一液力悬浮平衡腔（a）重新流入叶轮上部中心腔（D），向下泄露的液体依次经减压平衡腔（b）、第二液力悬浮平衡腔（c）、叶轮底部腔体（F）、平衡孔（9）和挡流板（5）下表面的中心孔后重新流入叶轮上部中心腔（D）。

3.根据权利要求1所述的一种大功率工况下的磁悬浮离心泵轴向力自动平衡装置，其特征在于：

所述相邻平衡导流环之间的轴向导流槽（11）交错布置的交错圆心角度大于等于30度，轴向导流槽（11）的宽度（w）小于等于1/3平衡导流条（7）的高度（h1）；

所述切向导流槽（10）至少为5个，平衡导流条（7）的高度（h1）大于等于切向导流槽（10）的高度（h2），平衡导流条（7）的厚度（h3）小于等于切向导流槽（10）的高度（h2）；

所述平衡导流条（7）与泵腔壳（3）内壁之间的间隔不得大于2mm。

4.根据权利要求1所述的一种大功率工况下的磁悬浮离心泵轴向力自动平衡装置，其特征在于：所述叶轮组件的上表面和下表面的形状相同，叶轮组件的上表面和下表面均为圆锥面，使得第一液力悬浮平衡腔（a）和第二液力悬浮平衡腔（c）均为楔形圆环状。

5.根据权利要求1所述的一种大功率工况下的磁悬浮离心泵轴向力自动平衡装置，其特征在于：所述轴向力自动平衡装置中的叶轮组件作为电机转子，轴向力自动平衡装置安装在电机定子中，电机定子通电后，电机定转子之间形成的磁场来驱动电机转子，使得叶轮组件克服重力和液体冲击力后悬浮在安装腔中，并且叶轮组件进行周向的旋转，实现液体的轴向力自动平衡。

6.根据权利要求1所述的一种大功率工况下的磁悬浮离心泵轴向力自动平衡装置，其特征在于：所述轴向力自动平衡装置的应用领域为无轴承电机原理下工作的磁悬浮泵或磁力泵。

说明书

大功率工况下的磁悬浮离心泵轴向力自动平衡装置及应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种离心泵的轴向平衡装置，尤其涉及一种大功率工况下(大 于4KW)的磁悬浮离心泵轴向力自动平衡装置及应用。

背景技术

[0002] 磁悬浮离心泵是一种无轴承且无机械部件摩擦的电磁感应驱动流体泵，其 叶轮在转动过程无摩擦，具有高速、无摩擦、无污染、易维护等一系列优点， 广泛应用于医学(人工心脏)、半导体(超纯水的泵送)、生物技术(无泄漏、 无缝隙设计)、电镀(密封设计)等领域。

[0003] 在磁悬浮离心泵中，由于离心泵本身的结构，叶轮组件靠近中心位置结构 与入口连通，为吸入压力，此处压力较低；当叶轮旋转产生离心力，在离心力 作用下流道内部的液体借助于叶片的作用甩向外围流进泵壳，液体动能转换为 压力能，带有压力能的液体通过排出口排出，叶轮边缘位置处压力较高。同时 由于叶轮与泵壳无接触，由叶轮边缘流出的高压液体还会通过叶轮与泵壳的无 接触流道缝隙进入叶轮的顶部及底部。如图1所示，由于叶轮本身上表面入口 处与叶轮底部结构的上下不对称性，高压液体作用在叶轮上表面的轴向力为 F1，其大小为中心腔半径r1的函数，方向向下；作用在叶轮下表面的轴向力为 F2，其大小为泵腔壳下部的半径r2的函数，方向向上。同时待输送的液体从入 口到出口液流方向发生改变，液流由轴向偏转到径向会对叶轮组件产生一个向 下的动反力F3，所以叶轮受到的轴向液压合力为F1，F2，F3的矢量和Fh，即Fh＝ F2‑F1‑F3。由于叶轮内部装有永磁体，该永磁体为电机的转子，电机转子与定 子之间通过产生磁场来驱动叶轮旋转，所以叶轮还会受到一个电机定转子之间 形成的轴向被动磁阻力Fz，方向与叶轮轴向运动方向相反。当轴向被动磁阻力 Fz与液压轴向力Fh相等时，即Fz＝Fh，叶轮在轴向上平衡。当电机功率较小(小 于200W)时，轴向被动磁阻力基本可以平衡叶轮的轴向液压力。然而随着电 机功率(大于200W)的增大，轴向被动磁阻力已无法平衡液压轴向力Fh，可 以通过一定的阻尼结构来减小液压轴向力Fh，在离心泵中已经采取一定的措施 来平衡液压轴向力。

[0004] 已知的措施是可以使用平衡孔或平衡管，平衡孔是通过在转子底部中心位 置上沿轴向延伸的若干个平衡孔使得转子的前侧和底侧之间形成流动连通，从 而使进入转子底部的高压液体泄压，进而达到轴向平衡。平衡管也是将高压区 连通到低压区，从而达到轴向力平衡，但是平衡管需要有外接管路，不适用于 磁悬浮泵的结构。

[0005] 已知的措施还有采用安装平衡鼓或平衡盘的结构，平衡鼓装置两端压差通 过一端与进口低压端连通来实现，泄露流量由平衡鼓与平衡套之间的径向间隙 与圆盘摩擦阻力来确定，用键或螺纹固定在轴上。平衡盘是依靠泄漏量变化产 生压差工作的，能够根据装置运行工况变化前后移动，自动调节平衡力的大小。 这两种结构在普通带轴的离心泵中应用较多，但对按照无轴承电机原理工作的 离心泵来说结构相对复杂，空间受到一定的限制。

[0006] 已知的措施在大流量工况下还有在叶轮底部安装背叶片，来减小叶轮底部 的压力来平衡轴向力。

[0007] 这些措施在低功率工况(小于等于4KW)下可以一定程度的平衡轴向力， 但平衡所需的力取决于工作点，特别是泵产生的流量和压力，在某些工作点仍 然是有困难的，轴向力平衡工作范围较窄，而且在无轴承电机原理下工作的磁 悬浮离心泵的叶轮轴向力无法实现自动平衡。

[0008] 叶轮轴向力不平衡问题在磁力泵中也特别严重，特别是当轴向支撑完全以 磁力方式进行而没有机械轴承时。为了平衡这种无轴承电机的转子，除了被动 磁阻给予一定的补偿外，只有通过流体动力补偿力才可平衡。

发明内容

[0009] 本发明的目的就是提供一种用于大功率工况下(大于4KW)的磁悬浮离 心泵轴向力自动平衡装置及应用，且轴向力的平衡有较宽的工作范围，它能克 服现有技术存在的以上问题。本发明还应该特别适用于具有磁力支撑转子的离 心泵。

[0010] 本发明采用如下技术方案：

[0011] 一、一种大功率工况下的磁悬浮离心泵轴向力自动平衡装置

[0012] 轴向力自动平衡装置包括泵盖、泵腔壳、叶轮组件和平衡导流环；

[0013] 泵盖固定安装在泵腔壳上，泵腔壳的内部中空并形成安装腔，泵腔壳的安 装腔中设置有叶轮组件，叶轮组件下部的圆周侧面固定安装有多圈间隔设置的 平衡导流环；所述泵盖下表面的中部设置有泵盖凸环，泵盖凸环的下表面与叶 轮组件的上表面之间设置有间隙；所述泵腔壳内壁的下底面的中部设置有泵腔 壳凸环，泵腔壳凸环的上表面与叶轮组件的下表面之间设置有间隙，泵腔壳凸 环的径向内侧、泵腔壳内壁的下底面中部与叶轮组件下底面之间形成叶轮底部 腔体；叶轮组件的上表面与泵盖凸环的下表面之间形成第一液力悬浮平衡腔， 叶轮组件的下表面与泵腔壳凸环的上表面之间形成第二液力悬浮平衡腔，叶轮 组件上部的圆周侧面、泵腔壳的内壁和泵盖的下表面之间形成泵腔，叶轮组件 下部的圆周侧面以及圆周侧面上的平衡导流环与泵腔壳的内壁之间形成减压 平衡腔；泵盖的中部开设有入口管道，泵腔壳上部的一圆周侧面上开设有出口 管道，入口管道和出口管道均连通到安装腔，液体从入口管道流入，经叶轮组 件增压后从出口管道流出。

[0014] 所述叶轮组件包括永磁体外壳、挡流板、叶轮叶片和永磁体；

[0015] 永磁体外壳中固定安装有环状的永磁体，永磁体外壳的中部开设有多个沿 圆周等间隔轴向布置的平衡孔，永磁体外壳的圆周侧面固定安装有多圈间隔设 置的平衡导流环；永磁体外壳的上表面固定安装有叶轮叶片，叶轮叶片开设有 中心孔，叶轮叶片内部开设有多个沿圆周间隔均布的螺旋形流道，各个螺旋形 流道均沿同一平面螺旋方向布置，每个螺旋形流道径向地将叶轮叶片的中心孔 和外周围的外周泵腔相连通；叶轮叶片的中心孔中设置有径向布置的挡流板， 挡流板密封地嵌装在叶轮叶片中心孔中，挡流板中部向下延伸后与永磁体外壳 中部固定连接，挡流板将中心孔一分为二，挡流板上表面的中心孔记为叶轮上 部中心腔，挡流板下表面的中心孔与平衡孔相连通；

[0016] 叶轮叶片的上表面作为叶轮组件的上表面并与泵盖凸环的下表面之间形 成第一液力悬浮平衡腔，永磁体外壳的下表面作为叶轮组件的下表面并与泵腔 壳凸环的上表面之间形成第二液力悬浮平衡腔，永磁体外壳的圆周侧面以及圆 周侧面上的平衡导流环与泵腔壳的内壁之间形成减压平衡腔；

[0017] 液体从入口管道流入叶轮上部中心腔，叶轮上部中心腔中的液体轴向流动 流入叶轮组件后通过挡流板阻挡引导后改为径向流动后再从叶轮叶片的多个 内部螺旋形流道流向泵腔，泵腔中的一大部分液体通过出口管道流出泵腔，泵 腔中的另一部分液体分别向上和向下泄露，向上泄露的液体经第一液力悬浮平 衡腔重新流入叶轮上部中心腔，向下泄露的液体依次经减压平衡腔、第二液力 悬浮平衡腔、叶轮底部腔体、平衡孔和挡流板下表面的中心孔后重新流入叶轮 上部中心腔。

[0018] 所述多个平衡导流环结构相同，每个平衡导流环主要由多个平衡导流条在 叶轮组件下部的圆周侧面沿同一圆周等间隔布置构成，同一平衡导流环的相邻 平衡导流条之间的间隔形成轴向导流槽，相邻平衡导流环的各个轴向导流槽交 错设置；相邻平衡导流环之间的间隔形成切向导流槽，多个切向导流槽之间平 行布置。

[0019] 所述相邻平衡导流环之间的轴向导流槽交错布置的交错圆心角度大于等 于30度，轴向导流槽的宽度小于等于1/3平衡导流条的高度；

[0020] 所述切向导流槽至少为5个，平衡导流条的高度大于等于切向导流槽的高 度，平衡导流条的厚度小于等于切向导流槽的高度；

[0021] 所述平衡导流条与泵腔壳内壁之间的间隔不得大于2mm。

[0022] 所述叶轮组件的上表面和下表面的形状相同，叶轮组件的上表面和下表面 均为圆锥面，使得第一液力悬浮平衡腔和第二液力悬浮平衡腔均为楔形圆环状。

[0023] 所述轴向力自动平衡装置中的叶轮组件作为电机转子，轴向力自动平衡装 置安装在电机定子中，电机定子通电后，电机定转子之间形成的磁场来驱动电 机转子，使得叶轮组件克服重力和液体冲击力后悬浮在安装腔中，并且叶轮组 件进行周向的旋转，实现液体的轴向力自动平衡。

[0024] 二、所述的轴向力自动平衡装置的应用

[0025] 所述轴向力自动平衡装置的应用领域为无轴承电机原理下工作的磁悬浮 泵或磁力泵。

[0026] 本发明的工作原理如下：

[0027] 本发明中该离心泵的工作是通过电机产生磁场来驱动包裹永磁体的叶轮 进行高速旋转，叶轮高速旋转产生离心力，当液体从管道进入叶轮上部中心腔， 由于挡流板的作用，使液体由轴向运动转变为径向运动，液体在叶轮组件惯性 离心力的作用下，液体自叶轮上部中心腔向外周作径向运动，液体在流经叶轮 叶片的运动过程中会获得能量，导致静压能升高，同时流速增大。当液体离开 叶轮叶片进入泵腔后，由于泵腔空间流道较宽，部分动能转化为静压能，大部 分液体最后沿切向流入出口管道。由于该离心泵叶轮与泵腔壳内壁无直接接触， 流到泵腔的高压液体会有部分泄露。本发明是通过减压平衡腔将叶轮底部的泄 露液体压力F2降低，配合平衡孔的作用，使叶轮受到的轴向液压合力Fh减小， 从而实现大功率工况下磁悬浮离心泵的轴向磁阻力Fz与叶轮的轴向液压力Fh平衡，同时能够自动调节液压轴向力，使磁悬浮泵中的叶轮平稳运转。

[0028] 当部分泄露高压液体向下流经减压平衡腔时有流束收缩效应，在流动方向 上若干个平衡导流条与泵腔壳内壁形成若干个阻尼圆环，当液体流经阻尼圆环 时，液体部分压力能转变为动能，液体的流动速度增加，液体的压力降低，同 时经过阻尼圆环动能增加的液体在进入切向导流槽时，流通面积突然增大，流 速降低，由于液体粘性的作用，在切向导流槽内形成一定的漩涡，部分能量耗 散为热能，当液体再次进入下一级平衡导流条与泵腔壳内壁形成的阻尼圆环时， 液体的动能不能重新恢复为最初的压力能，所以当液体经过减压平衡腔的多级 平衡导流条组成的平衡导流环时，泄露液体压力可以不断降低。同时由于液体 的粘性作用，液体在流经阻尼圆环时，与壁面接触的过程中会产生摩擦力，也 会使液体产生一定的压力损失。由于轴向导流槽在不同高度上相互错落分布， 若干个轴向导流槽相当于若干个阻尼缝隙，流入切向导流槽的小部分液体会在 切向导流槽中横向紊流，当流到下一级平衡导流条之间形成的轴向导流槽时， 液体也会产生部分的压力损失，同时部分泄露液体在横向紊流过程中，摩擦损 失增加，同时部分液体的涡流耗散延长，进一步降低了泄露液体的压力。当部 分泄露高压液体经过减压平衡腔后，进入叶轮底部腔体的液体压力比泵腔的压 力要小，实现一级降压，同时进入叶轮底部腔体的液体再由若干个平衡孔连通 到叶轮入口低压区，实现二级降压，使叶轮组件受到的轴向液压合力Fh减小， 从而实现大功率工况下磁悬浮离心泵的轴向磁阻力Fz与叶轮的轴向液压力Fh平衡。同时平衡导流条的高度、厚度、切向导流槽的高度、轴向导流槽的高度 及宽度可以根据不同工况下不同的工作点来进行调节，使叶轮组件液压轴向力 的平衡有较宽的工作范围。

[0029] 本发明中上下对称的液力悬浮平衡腔用来自动调节叶轮的轴向稳定，当部 分高压泄露液体从泵腔向上流入第一液力悬浮平衡腔，同时也向下流经减压平 衡腔，进入第二液力悬浮平衡腔时，由于第一液力悬浮平衡腔与第二液力悬浮 平衡腔均为楔形圆环，同时泄露液体有一定的粘度，液体流动方向由大口流向 小口，又由于本身泄露液体有一定的压力，所以在第一液力悬浮平衡腔与第二 液力悬浮平衡腔中形成液力悬浮，使叶轮组件在轴向上呈悬浮状态。当叶轮组 件在某个工作点工作时，叶轮组件受到轴向力向上移动时，第一液力悬浮平衡 腔的楔形小口减小，叶轮组件上表面第一液力悬浮平衡腔中的液体压力升高， 第二液力悬浮平衡腔中的楔形小口增大，第二液力悬浮平衡腔中的液体压力降 低，从而第一液力悬浮平衡腔中产生的悬浮力将叶轮组件推回原来位置。同理， 当叶轮组件在某个工作点工作时，叶轮组件受到轴向力向下移动时，第二液力 悬浮平衡腔的楔形小口减小，叶轮组件上表面第二液力悬浮平衡腔中的液体压 力升高，第一液力悬浮平衡腔中的楔形小口增大，第一液力悬浮平衡腔中的液 体压力降低，从而第二液力悬浮平衡腔中产生的悬浮力将叶轮组件推回原来位 置，从而实现叶轮组件轴向力的自动调节，使叶轮在大功率磁悬浮泵中平稳运 转。

[0030] 本发明的有益效果为：

[0031] 本发明涉及一种大功率工况下的磁悬浮离心泵轴向力自动平衡装置，其中 离心泵叶轮内部装有永磁体，通过磁场来驱动叶轮旋转。通过在离心泵叶轮组 件周向圆柱表面的多级平衡导流条分布与泵腔壳内壁形成减压平衡腔，泄露高 压液体通过减压平衡腔实现一级降压，降低一大部分泄露液体压力，再通过平 衡孔实现二级降压，使大功率工况下工作的离心泵叶轮受到的液压轴向力减小， 从而实现磁悬浮离心泵叶轮的轴向液压力与轴向磁阻力的平衡。

[0032] 同时通过调节平衡导流条的尺寸大小，可以实现不同工况下不同的工作点 范围内叶轮轴向液压力的平衡。通过叶轮上下对称的液力悬浮楔形平衡腔，可 以实现叶轮组件轴向力的自动调节，使叶轮在大功率磁悬浮泵中轴向运转平稳。

附图说明

[0033] 图1是叶轮所受轴向液压力示意图。

[0034] 图2是本发明实施例磁悬浮离心泵剖面示意图。

[0035] 图3是本发明实施例磁悬浮离心泵进出口示意图。

[0036] 图4是是本发明实施例磁悬浮离心泵中液体流动方向示意图。

[0037] 图5是本发明实施例叶轮组件示意图。

[0038] 图6为本发明实施例叶轮组件的尺寸示意图。

[0039] 图中：1泵盖，1‑1泵盖凸环，2密封圈，3泵腔壳、3‑1泵腔壳凸环，4 永磁体外壳，5挡流板，6叶轮叶片，7平衡导流条，8永磁体，9平衡孔，10 切向导流槽，11轴向导流槽，A入口管道，B出口管道，D叶轮上部中心腔， E泵腔，F叶轮底部腔体，a第一液力悬浮平衡腔，c第二液力悬浮平衡腔，b 减压平衡腔，h1平衡导流条的高度，h2切向导流槽的高度，h3平衡导流条的厚 度，w轴向导流槽的宽度。

具体实施方式

[0040] 下面结合附图对本发明的技术方案进一步说明。

[0041] 如图1、图2、图3和图4所示，本发明包括泵盖1、泵腔壳3、叶轮组件 和平衡导流环；

[0042] 泵盖1通过密封圈2和螺栓固定安装在泵腔壳3上，泵腔壳3的内部中空 并形成安装腔，泵腔壳3的安装腔中设置有叶轮组件，叶轮组件与泵腔壳3之 间间隔设置，泵盖1下表面的中部设置有泵盖凸环1‑1，泵盖凸环1‑1的下表 面与叶轮组件的上表面之间设置有间隙，泵腔壳3内壁的下底面的中部设置有 泵腔壳凸环3‑1，泵腔壳凸环3‑1的上表面与叶轮组件的下表面之间设置有间 隙，泵腔壳凸环3‑1的径向内侧、泵腔壳内壁的下底面中部与叶轮组件下底面 之间形成叶轮底部腔体F；叶轮组件下部的圆周侧面固定安装有多圈等间隔设 置的平衡导流环；叶轮组件的上表面与泵盖凸环1‑1的下表面之间形成第一液 力悬浮平衡腔a，叶轮组件的下表面与泵腔壳凸环3‑1的上表面之间形成第二 液力悬浮平衡腔c，叶轮组件上部的圆周侧面、泵腔壳3的内壁和泵盖1的下 表面之间形成泵腔E，叶轮组件下部的圆周侧面以及圆周侧面上的平衡导流环 与泵腔壳3的内壁之间形成减压平衡腔b；泵盖1的中部开设有入口管道A， 泵腔壳3的一圆周侧面上开设有出口管道B，入口管道A和出口管道B均连 通到安装腔，液体从入口管道A流入轴向力自动平衡装置内部的安装腔，经叶 轮组件增压后从出口管道B流出。

[0043] 如图5和6所示，叶轮组件包括永磁体外壳4、挡流板5、叶轮叶片6和 永磁体8；具体实施中，叶轮组件采用3D打印技术或者铸造方式一体制造而 成。

[0044] 永磁体外壳4中固定安装有环状的永磁体8，永磁体外壳4的中部开设有 多个沿圆周等间隔轴向布置的平衡孔9，永磁体外壳4的圆周侧面固定安装有 多圈间隔设置的平衡导流环；永磁体外壳4的上表面固定安装有叶轮叶片6， 叶轮叶片6开设有中心孔，叶轮叶片6内部开设有多个沿圆周间隔均布的螺旋 形流道，各个螺旋形流道均沿同一平面螺旋方向布置，每个螺旋形流道径向地 将叶轮叶片6的中心孔和外周围的外周泵腔E相连通；叶轮叶片6的中心孔中 设置有径向布置的挡流板5，挡流板5密封地嵌装在叶轮叶片6中心孔中，挡 流板5的下表面中部向下延伸后与永磁体外壳4中部固定连接，挡流板5将中 心孔一分为二，挡流板5上表面的中心孔记为叶轮上部中心腔D，挡流板5下 表面的中心孔与平衡孔9相连通；

[0045] 叶轮组件的上表面和下表面的形状相同，叶轮组件的上表面和下表面均为 圆锥面，使得第一液力悬浮平衡腔a和第二液力悬浮平衡腔c均为楔形圆环状， 第一液力悬浮平衡腔a和第二液力悬浮平衡腔c用来自动调节叶轮组件的轴向 液压力稳定，使叶轮组件在大功率磁悬浮泵中平稳运转。

[0046] 叶轮叶片6的上表面作为叶轮组件的上表面并与泵盖凸环1‑1的下表面之 间形成第一液力悬浮平衡腔a，永磁体外壳4的下表面作为叶轮组件的下表面 并与泵腔壳凸环3‑1的上表面之间形成第二液力悬浮平衡腔c，永磁体外壳4 的圆周侧面以及圆周侧面上的平衡导流环与泵腔壳3的内壁之间形成减压平衡 腔b；

[0047] 液体从入口管道A流入叶轮上部中心腔D，叶轮上部中心腔D中的液体 轴向流动流入叶轮组件后通过挡流板5阻挡引导后改为径向流动后再从叶轮叶 片6的多个内部螺旋形流道流向泵腔E，泵腔E中的一大部分液体通过出口管 道B流出泵腔E，泵腔E中的另一部分液体分别向上和向下泄露，向上泄露的 液体经第一液力悬浮平衡腔a重新流入叶轮上部中心腔D，向下泄露的液体依 次经减压平衡腔b、第二液力悬浮平衡腔c、叶轮底部腔体F、平衡孔9和挡流 板5下表面的中心孔后重新流入叶轮上部中心腔D。

[0048] 向下泄露的液体经过减压平衡腔b和第二液力悬浮平衡腔c后进入叶轮底 部腔体F，进入叶轮底部腔体F的液体压力比泵腔E的液体压力要小，实现一 级降压，同时进入叶轮底部腔体F的液体再由若干个平衡孔9连通到挡流板5 下表面的中心孔，挡流板5下表面的中心孔为叶轮入口低压区，实现二级降压。

[0049] 多个平衡导流环结构相同，每个平衡导流环主要由多个平衡导流条7在叶 轮组件下部的圆周侧面沿同一圆周等间隔布置构成，同一平衡导流环的多个平 衡导流条7在同一圆周面上，同一平衡导流环的相邻平衡导流条7之间的间隔 形成轴向导流槽11，相邻平衡导流环的各个轴向导流槽11的排布沿周向交错 设置；相邻平衡导流环之间的间隔形成切向导流槽10，多个切向导流槽10之 间平行且间隔布置。

[0050] 相邻平衡导流环之间的轴向导流槽11交错布置的交错圆心角度大于等于 30度，轴向导流槽11的宽度w(w＝0.6mm)小于等于1/3平衡导流条7的高 度h1(h1＝2mm)；

[0051] 切向导流槽10至少为5个，平衡导流条7的高度h1大于等于切向导流槽 10的高度h2(h2＝2mm),平衡导流条7的厚度h3(h3＝1mm)小于等于切向导 流槽10的高度h2，平衡导流条7的高度h1、厚度h3，切向导流槽10的高度 h2，轴向导流槽11的宽度w根据不同工况下不同的工作点来进行调节，使叶 轮液压轴向力的平衡有较宽的工作范围。

[0052] 平衡导流条7与泵腔壳3内壁之间的间隔不得大于2mm。

[0053] 轴向力自动平衡装置中的叶轮组件作为电机转子，轴向力自动平衡装置安 装在电机定子中，电机定子通电后，电机定转子之间形成的磁场来驱动电机转 子，使得叶轮组件克服重力和液体冲击力后悬浮在安装腔中，并且叶轮组件进 行周向的旋转，实现液体的轴向力自动平衡。

[0054] 轴向力自动平衡装置的应用领域为无轴承电机原理下工作的磁悬浮泵或 磁力泵。

[0055] 本实施例是通过减压平衡腔b将叶轮底部的泄露液体压力降低，配合平衡 孔9的作用，使叶轮受到的轴向液压合力Fh减小，从而实现大功率工况下磁 悬浮离心泵的轴向磁阻力Fz与叶轮的轴向液压力Fh平衡，同时能够自动调节 液压轴向力，使磁悬浮泵中的叶轮平稳运转。

[0056] 当部分泄露高压液体向下流经减压平衡腔b时有流束收缩效应，在流动方 向上若干个平衡导流条7与泵腔壳3内壁形成若干个阻尼圆环，当液体流经阻 尼圆环时，液体部分压力能转变为动能，液体的流动速度增加，液体的压力降 低，同时经过阻尼圆环动能增加的液体在进入切向导流槽10时，流通面积突 然增大，流速降低，由于液体粘性的作用，在切向导流槽10内形成一定的漩 涡，部分能量耗散为热能，当液体再次进入下一级平衡导流条7与泵腔壳3内 壁形成的阻尼圆环时，液体的动能不能重新恢复为最初的压力能，所以当液体 经过减压平衡腔b的多级平衡导流条7时，泄露液体压力可以不断降低。同时 由于液体的粘性作用，液体在流经阻尼圆环时，与壁面接触的过程中会产生摩 擦力，也会使液体产生一定的压力损失。由于轴向导流槽11在不同高度上相 互错落分布，若干个轴向导流槽11相当于若干个阻尼缝隙，流入切向导流槽 10的小部分液体会在切向导流槽10中横向紊流，当流到下一级平衡导流条7 之间形成的轴向导流槽11时，液体也会产生部分的压力损失，同时部分泄露 液体在横向紊流过程中，摩擦损失增加，同时部分液体的涡流耗散延长，进一 步降低了泄露液体的压力。当部分泄露高压液体经过减压平衡腔b后，进入叶 轮底部腔体F的液体压力比泵腔E的压力要小，实现一级降压，同时进入叶轮 底部腔体F的液体再由若干个平衡孔9连通到叶轮入口低压区，实现二级降压， 使叶轮组件受到的轴向液压合力Fh减小，从而实现大功率(大于4KW)工况 下磁悬浮离心泵的轴向磁阻力Fz与叶轮组件的轴向液压力Fh平衡。

[0057] 本实施例中的第一液力悬浮平衡腔a与第二液力悬浮平衡腔c用来自动调 节叶轮组件的轴向稳定，当部分高压泄露液体从泵腔E向上流入第一液力悬浮 平衡腔a，同时也向下流经减压平衡腔b，进入第二液力悬浮平衡腔c时，由 于第一液力悬浮平衡腔a与第二液力悬浮平衡腔c均为楔形圆环，同时泄露液 体有一定的粘度，液体流动方向由大口流向小口，又由于本身泄露液体有一定 的压力，所以在第一、第二液力悬浮平衡腔a、c中形成液力悬浮，使叶轮组 件在轴向上呈悬浮状态。当叶轮组件在某个工作点工作时，叶轮组件受到轴向 力向上移动时，第一液力悬浮平衡腔a的楔形小口减小，叶轮组件上表面的第 一液力悬浮平衡腔a中的液体压力升高，第二液力悬浮平衡腔c中的楔形小口 增大，第二液力悬浮平衡腔c中的液体压力降低，从而第一液力悬浮平衡腔a 中产生的悬浮力将叶轮组件推回原来位置。同理，当叶轮组件在某个工作点工 作时，叶轮组件受到轴向力向下移动时，液力悬浮平衡腔c的楔形小口减小， 叶轮组件上表面液力悬浮平衡腔c中的液体压力升高，第一液力悬浮平衡腔a 中的楔形小口增大，第一液力悬浮平衡腔a中的液体压力降低，从而第二悬浮 平衡腔c中产生的悬浮力将叶轮组件推回原来位置，从而实现叶轮组件轴向力 的自动调节，使叶轮在大功率磁悬浮泵中平稳运转。