流体机械

无轴式磁悬浮离心泵水动力性能研究

刁伟成 ¹ , 陈肇麟 ¹ , 王贝易 ² , 丁强 ² , 孙涛 ²

流体机械 | 设计计算 2025,53(3): 44-51

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流体机械 |设计计算 2025 , 53 (3) : 44 -51

无轴式磁悬浮离心泵水动力性能研究

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刁伟成¹, 陈肇麟¹, 王贝易², 丁强², 孙涛²

作者信息

¹南京航空航天大学航空学院，南京 210016

²盛奕半导体科技（无锡）有限公司，江苏无锡 214000

通讯作者:

陈肇麟（1986），男，讲师，主要从事特种螺旋桨设计-制作-测试一体化技术、磁悬浮风扇设计等方面研究，通信地址：210016 江苏省南京市秦淮区御道街29号南京航空航天大学航空学院，E-mail：zhaolin_chen@nuaa.edu.cn。

作者简介:

刁伟成（1998），男，硕士研究生，主要从事离心泵结构优化，轴流风机气动设计等方面工作研究，E-mail：1836756323@qq.com。

Study on hydrodynamic performance of shaftless magnetic suspension centrifugal pump

Weicheng DIAO¹, Zhaolin CHEN¹, Beiyi WANG², Qiang DING², Tao SUN²

Affiliations

¹School of Astronautics，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

²Shengyi Semiconductor Technology （Wuxi） Co.，Ltd.，Wuxi 214000，China

出版时间: 2025-03-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.03.006

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摘要

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为了实现无轴式磁悬浮离心泵的稳定运行，对悬浮转子的受力展开研究。采用数值计算结合试验验证的方法，对离心泵运行时的内部流场进行计算，重点研究离心泵在不同入口流量工况下，离心泵所受径向力、轴向力随时间的变化，同时探究悬浮转子内部阀片高度、转子入口直径对转子受力的影响。结果表明，离心泵在转速7 000 r/min、流量低于43.3 L/min时，离心泵悬浮转子在旋转中心处形成稳定涡核，低压区均匀分布，转子水力激振力呈稳定周期性波动；流量为75.0 L/min时，涡核破碎，转子旋转中心处低压区随时间无规则变化，转子水力激振力无规则波动，且波动幅值较高；内部阀片高度对径向力影响可以忽略，但是对轴向力影响显著，在入口流量为65.0 L/min时，阀片高度平均每增加1 mm，转子所受轴向力下降20 N；转子入口直径对转子受力影响较小，但是在高流量65.0 L/min时，D+1模型效率比D模型提高了2.1%。研究结果可为优化离心泵结构参数，减小悬浮转子受力，提高离心泵水力性能提供指导。

关键词

磁悬浮离心泵 / 入口流量 / 阀片高度 / 轴向力 / 涡核

Abstract

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In order to achieve stable operation of a shaftless magnetic suspension centrifugal pump，this study investigates the hydrodynamic forces acting on the suspended rotor through numerical simulations and experimental validation. The internal flow field was analyzed under varying inlet flow rates，focusing on temporal variations of radial and axial forces. Additionally，the effects of valve plate height and rotor inlet diameter on rotor forces were examined. Results demonstrate that at 7 000 r/min with flow rates below 43.3 L/min，a stable vortex core forms at the rotor center accompanied by uniform low‑pressure distribution，yielding periodic hydraulic excitation forces with amplitude stability. At 75.0 L/min，vortex breakdown induces chaotic low‑pressure fluctuations and irregular high‑amplitude force oscillations. Valve plate height negligibly affects radial forces but significantly influences axial forces，showing a 20 N reduction per 1 mm height increase at 65.0 L/min.Although rotor inlet diameter minimally impacts force characteristics，the D+1 configuration improves efficiency by 2.1% than D configuration at high flow rate of 65.0 L/min.These findings provide critical guidelines for optimizing pump geometry to minimize rotor loads and enhance hydraulic performance.

Key words

magnetic suspension centrifugal pump / inlet flow rate / valve plate height / axial force / vortex core

引用本文

刁伟成, 陈肇麟, 王贝易, 丁强, 孙涛. 无轴式磁悬浮离心泵水动力性能研究. 流体机械, 2025 , 53 (3) : 44 -51 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.03.006

Weicheng DIAO, Zhaolin CHEN, Beiyi WANG, Qiang DING, Tao SUN. Study on hydrodynamic performance of shaftless magnetic suspension centrifugal pump[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (3) : 44 -51 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.03.006

正文

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0　引言

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离心泵是一种典型的用于流体传输的流体机械^［1］。靠机械轴承传动的离心泵需要润滑，并且轴与轴承之间发生机械摩擦，产生摩擦颗粒，会对流体造成污染。而半导体、生物医疗等行业，要求对流体做到超洁净传输，显然传统离心泵已不能满足要求^［2］。磁悬浮离心泵与传统离心泵相比，采用无轴承永磁薄片电机（bearingless permanent magnetic slice motor，BPMSM）^［3］，将轴承结构集成到电机定子结构中，具有无润滑、零磨损、效率高等优点，避免了对所传输流体的污染，满足了超洁净传输需求。

国内有众多学者开展了无轴承式磁悬浮离心泵的研究，刘泽辉^［4］采用速度系数法对叶轮和蜗壳进行了设计计算，并通过BioPac生理信号采集分析系统完成了水力性能测试平台的搭建，绘制了泵的水力性能曲线。陈晓丹等^［5］对比分析了悬浮转子径向偏移与轴向偏移时，转子的运行稳定性，认为径向偏移对离心泵转子的运行稳定性更为不利。张帆^［6］利用血液在高剪切应力的作用下易发生溶血的特点，建立了溶血估算模型，预测了某一款离心式磁悬浮血泵的溶血性能。戴伟峰^［7］利用RBF神经网络构建了离心式血泵的设计因子与目标函数之间的近似模型，通过多目标遗传算法进行优化，降低了溶血值，提高了水力性能。王彦伟等^［8］采用单向流固耦合的方法，获取了离心泵启动过程中叶轮的动态特性，发现叶轮在开始启动时所受径向力呈现剧烈上升趋势，达到最大值后径向力呈现短暂下降，随后逐渐趋于稳定。柴博等^［9］在离心泵上加装了螺旋槽结构，有效的提高了离心泵的水力性能。张忆宁等^［10］等通过改变叶片出口角，发现随着出口角的增加，叶轮径向力逐渐增大。国外ALTYNTSEV等^［11］通过试验与数值计算，对离心血泵叶片的受力进行了评估，确保叶轮在径向上的稳定悬浮。FIETE等^［12］研究了单蜗壳、圆形蜗壳和双蜗壳对离心血泵径向力的影响，其中单蜗壳时，叶片所受径向力最小。此外，PUENTENER等分析了叶轮几何形状对离心泵溶血性能的影响，但未对悬浮转子受力进行分析^［13-16］。

目前，国内外关于磁悬浮离心泵的研究，主要集中在血泵领域，但是血泵的尺寸、扬程、流量等较低，无法直接应用于半导体等领域。本文以SHM-075型磁悬浮离心泵为基础展开研究，分析流量与悬浮转子受力之间的关系，并通过对其内部流场结构的分析，阐述受力变化的原因。此外，对悬浮转子的阀片高度、转子入口直径等结构参数进行研究，归纳结构参数变化对悬浮转子受力及离心泵水力性能的影响，从流动机理的角度解释变化的原因。

1　计算模型和计算方法

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1.1　离心泵主要参数

离心泵模型如图1所示，离心泵入口与出口直径均为22.4 mm，入口流量为12.7~75 L/min，悬浮转子模型如图2所示，转子直径为51.3 mm，叶片数目4片，转子转速为7 000 r/min。

1.2　数值计算方法

离心泵传输流体为水，内部流动为不可压缩流动，即介质密度恒定，所以仅需求解N-S方程中的质量守恒以及动量守恒方程，方程积分形式如下。

质量守恒方程为：

∂ ∂ t ∫ Ω ρ d Ω + ∮ ∂ Ω ρ v ⃗ · n ⃗ d S = 0

（1）

动量守恒方程为：

∫ Ω ρ u d Ω + ∮ ∂ Ω ρ u v ⃗ · n ⃗ d S = ∫ Ω ρ f x ⃗ d Ω - ∮ ∂ Ω p n ⃗ d S + ∮ ∂ Ω τ ̿ · n ⃗ d S

（2）

湍流模型选取标准

k - ε

模型，在靠近壁面区域采用标准壁面函数进行求解，保证压力速度耦合采用标准SIMPLE方法。定子区域与转子区域之间的耦合采用滑移网格模型（Sliding Mesh），在定子与转子之间，创立交界面，将计算域划分为两部分，一部分为蜗壳与交界面组成的定子区域，另一部分为交界面与转子构成的转子区域。采用ICEM软件，对定子与转子区域分别划分非结构四面体网格，如图3所示。采用Fluent软件，以旋转0.1°所需时间为步长

即 2.380 95 × 10 - 6 s

，对离心泵流域进行数值计算。

1.3　网格无关性验证

为了减小网格质量对数值模拟结果带来的误差，本文采用了2套网格数量对离心泵内流场进行计算，网格量分别为500万和1 000万。入口流量为12.7 L/min，转子所受轴向力

f y

如图4所示，横坐标为旋转角度，从0°到3 600°共计10圈，对最后两圈数据进行分析。2套网格下，轴向力波动误差控制在1 N以内，为了提高计算结果的准确性，采用较密的1 000万网格。

模型计算时的残差曲线如图5所示，从图上可以看出，残差最大的为连续项，低于

1 × 10 - 4

，认为数值计算过程完成收敛。

1.4　试验验证

为了验证数值计算方法的可靠性，对离心泵进行试验验证，试验装置如图6所示，主要由离心泵、压力传感器、流量计、调节阀等组成。

在不同流量下对离心泵进出口静压差进行监测，将监测结果与数值计算结果进行对比，如图7所示。

由于试验设备的不完善，并未对进口压力进行监测，试验中的进出口压差以出口压力代替，并没有减去进口压力，所以图中试验结果要高于数值计算的结果，二者变化趋势基本相同，仅在流量为65 L/min时，其结果误差最大为9.1%。剩余3种工况下，其结果误差均在5%以内，说明本文采用的数值计算方法可行。

2　悬浮转子瞬态水动力性能计算与分析

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2.1　离心泵内流场分析

对转子与涡壳间缝隙以及转子内管道的流动方向进行分析，结果如图8所示。

悬浮转子叶片对泵内流体做功，从转子旋转中心处到叶片出口处，静压逐渐增加，在叶片出口处形成高压区，部分流体并没有经蜗壳出口流出，而是在高压区经转子与蜗壳壁面之间的间隙向下流动，流入蜗壳底部，沉积在蜗壳底部的流体经转子内的管道上升，再次流入转子叶片。

2.2　进口流量变化对转子受力的影响

图9给出了不同流量工况下，转子所受径向力

f x

、轴向力

f y

随离心泵旋转角度的变化。入口流量分别选取12.7，31.0，43.3，65.0，75.0 L/min。从图可以看出，对于悬浮转子受力，轴向力较大，在大流量75.0 L/min时，峰值为72 N；而径向力较小，在小流量12.7 L/min时，

f x

接近为0。在流量为12.7，31.0 L/min时，径向力

f x

均呈现明显周期性波动，一个旋转周期内出现4个峰值，这与叶轮旋转一周内叶片扫过蜗壳隔舌处的次数相等。当入口流量达到43.3 L/min时，径向力、轴向力都开始出现较为剧烈的波动，且随流量的增加波动加剧，当入口流量达到75.0 L/min时，转子受力呈现明显的无规则波动。

对离心泵不同截面（图10）流场进行分析，不同流量下离心泵水平截面1压力云图如图11、图12所示。在低流量12.7 L/min时，转子旋转中心处形成涡核以及稳定的低压区，在叶片出口处，流动分离范围较小，压力围绕转子一圈均匀分布，所以低流量时转子所受径向力形成稳定周期性波动。而在高流量75.0 L/min时，转子旋转中心处涡核消失，仅剩涡心，涡心处于压力最低区域，而在叶片出口处，流动分离加剧，围绕转子一周，压力不再呈均匀分布。这与高流量时，转子受径向力随时间呈现无规则大范围波动相对应。

根据图2悬浮转子模型结构，转子轴向受力部位主要是顶端面、阀片、叶片及底面。对于43.3 L/min工况，转子4个位置受力分别为-232，-7，-4，233 N，对于65.0 L/min工况，4个位置受力分别为-241，-15，-5，225 N。分析可知，轴向力随着入口流量增加而增大，主要由3方面因素造成：顶端面、阀片受力增加，底面支持力减小。离心泵水平截面2压力分布如图13所示，随着流量增加，截面2处涡旋强度逐渐降低，涡旋中心低压区范围逐渐缩小，压力增大。在65.0 L/min工况时，涡旋分离成2个小涡，转子顶端面和阀片受力增加。底面支持力与叶片出口压力相关，随着入口流量增加，叶片出口压力减小，转子底部压力减小，所以底面支持力降低。

2.3　阀片高度变化对转子受力的影响

研究不同阀片高度下，磁悬浮离心泵的水动力性能，分别取初始高度H、阀片上移（H-1）及阀片下移（H+1）。阀片高度H及转子入口直径D如图14所示。阀片高度对转子受力的影响如图15所示，入口流量设置为65.0 L/min。从图可见，阀片高度对转子径向力

f x

影响较小，对轴向力

f y

影响突出，且随阀片下移增加，轴向力逐渐减小，初始高度H时轴向力均值为40 N，而阀片下移（H+1）时，转子所受轴向力均值为20 N，下降了50%，由此可见，合适的阀片高度，可以有效降低转子所受轴向力。

H+1模型顶端面轴向力为206 N，H-1模型为270 N，下降了64 N，而转子整体轴受力均值下降了40 N。由此可见，转子上方水平截面2压力减小，是H+1模型转子轴向力减小的主要原因，两个模型轴向力的差异是转子底部支持力变化造成。对垂直截面3进行分析，阀片下移延缓了流体对阀片的冲击，使阀片上方轴向速度加快，即动压增加，如图16所示，相应水平截面2静压减小，低压区范围增加，如图17所示，这与阀片下移H+1模型转子轴向力降低相对应。

如图18所示，阀片下移提高了离心泵的扬程及效率。对于阀片下移H+1模型，在流量12.7，43.3 L/min时，扬程及效率与H模型基本吻合；而在流量65 L/min时，H+1模型扬程及效率分别提高了1 m与3.22%。而对于H-1模型，扬程及效率明显较低。

2.4　转子入口直径变化对转子受力的影响

转子入口直径变化对转子受力的影响如图19所示。对于D，D+1模型，两者轴向力、径向力基本接近，差异较小，而D-1模型受力最大。

转子入口直径变化对离心泵扬程和效率的影响如图20所示。在低流量12.7 L/min时，入口直径变化对离心泵水力性能产生影响较小，而流量达到43.3 L/min时，D模型效率及扬程最高，当流量达到65.0 L/min时，D+1模型的水力性能最优，效率比最低的D-1模型高4.2%。

3　结论

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（1）随着离心泵内流量由12.7 L/min增加到75.0 L/min，悬浮转子3个方向的受力均相应增加。

（2）悬浮转子所受径向力和轴向力分别与叶片出口处流动分离和转子上方压力分布相关。

（3）阀片高度对转子径向力影响较小，而对轴向力影响显著。随着阀片下移高度增加，轴向力降低，平均每下降1 mm，轴向力减小20 N。

（4）在高流量65.0L/min时，增加转子入口直径可以有效提高离心泵的效率及扬程。

参考文献

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文献

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排序方式：

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2025年第53卷第3期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.03.006

接收时间：2024-08-15
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-03-30

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收稿日期：2024-08-15
修回日期：2025-02-10

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¹南京航空航天大学航空学院，南京 210016

²盛奕半导体科技（无锡）有限公司，江苏无锡 214000

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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