為了解決目前常用的水輪機(jī)主軸密封裝置易磨損、泄漏量大的問題，在水輪機(jī)主軸上采用磁流體密封技術(shù)。該密封技術(shù)具有無剛性接觸，無磨損，可自行修復(fù)，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，選擇適合密封水介質(zhì)的油基四氧化三鐵磁流體作為密封材料，磁性能高且價格低廉的釹鐵硼永磁材料提供外磁場，并使用電磁場分析軟件進(jìn)行仿真計算. 仿真結(jié)果表明: 軸向密封靠近轉(zhuǎn)軸處，徑向密封靠近導(dǎo)磁體處，密封能力最差，最易失效; 齒形、密封間隙等結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能影響較大，且在一定的數(shù)值范圍內(nèi)密封能力較強(qiáng). 結(jié)合水輪機(jī)主軸密封的特點(diǎn)，設(shè)計出適合水輪機(jī)主軸的軸向與徑向密封組合的矩形齒磁流體密封裝置，軸向密封總級數(shù)為48 級，徑向密封總級數(shù)為20 ～ 24級，總的密封壓差Δp > 0. 5 MPa。

　　我國水力資源豐富，水電事業(yè)相對發(fā)達(dá)，目前裝機(jī)總量已達(dá)2 億多kW，占水電資源可開發(fā)量的30% ～ 40%，水力發(fā)電在電力行業(yè)中占有重要地位，但我國水力發(fā)電水平離發(fā)達(dá)國家的平均水平尚有一段距離，且主要集中在東部地區(qū)，繼續(xù)開發(fā)特別是在西部開發(fā)水電工程可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益. 作為水電工程重要裝備之一的水輪機(jī)的發(fā)展對水電事業(yè)影響重大，目前，水輪機(jī)主軸主要采用填料密封、橡膠平板密封、葉片密封、端面密封等接觸式密封形式，但因主軸易磨損，泄漏量大，嚴(yán)重時會使水輪機(jī)無法工作，需要停機(jī)對主軸進(jìn)行檢修，機(jī)組壽命被縮短，也造成了經(jīng)濟(jì)損失。近幾年出現(xiàn)的橡膠柱塞密封和螺旋密封，雖然密封性能較好，但制造成本很高，且安裝、維修困難，所以真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為主軸密封問題是各中小水電站亟待解決的問題，備受發(fā)電行業(yè)和學(xué)者關(guān)注。

　　磁流體又稱為磁液或鐵磁流體，具有磁性和液體特性，在外加磁場作用下，磁流體能夠產(chǎn)生較大的磁化強(qiáng)度. 磁流體密封技術(shù)是一項(xiàng)新的密封技術(shù)，磁流體密封現(xiàn)在已成功應(yīng)用在精密機(jī)械、氣體密封、真空密封、壓力密封、旋轉(zhuǎn)密封等領(lǐng)域. 文中利用磁流體密封的原理，研究疏水磁流體，設(shè)計出適合水輪機(jī)主軸的磁流體密封裝置，使運(yùn)動件和靜止件之間無剛性接觸、無磨損，并且可自行修復(fù)，能夠長時間可靠地工作( 正常壽命10 a 左右) ，有效地解決了水輪機(jī)主軸的密封問題。

1、磁流體密封原理

　　磁流體密封結(jié)構(gòu)如圖1 所示，環(huán)狀永磁體、極靴導(dǎo)磁體與主軸形成磁性回路，磁性液體因納米磁性微粒具有被磁控的特性，在磁場作用下，聚集在極靴的極齒與旋轉(zhuǎn)軸之間的間隙處，從而形成磁性液體的“O”形環(huán)，實(shí)現(xiàn)密封。

圖1 磁流體密封結(jié)構(gòu)原理圖

　　當(dāng)磁流體兩邊無外加壓差時，磁流體所受磁場力為零，穩(wěn)定于極齒下，當(dāng)兩邊壓力不相等，存在外加壓差時，磁流體將發(fā)生變形而產(chǎn)生磁場力，磁場力將與外加壓差相平衡，達(dá)到密封目的. 磁場力的大小取決于磁流體的位置和形狀. 當(dāng)外加壓差增大到一定數(shù)值時，磁場力不再與外力相平衡，磁流體亦不再處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，密封將失效.當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時，同一半徑任意兩點(diǎn)之間密封壓差為

　　式中: Ms為磁流體飽和磁化強(qiáng)度; B1，B2為密封間隙內(nèi)任意兩點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度; h1，h2為距參考點(diǎn)的垂直向下距離.對于同一徑向處，

　　由式( 3) 可以看出，密封結(jié)構(gòu)中密封間隙的磁場梯度ΔBsum = B2 - B1越大，密封壓力差Δp 越大，密封能力越強(qiáng).對于多級密封，Δp = ΣΔpi，總密封壓差為各密封壓差之和，所以在條件允許的情況下，可以通過增加密封級數(shù)來提高密封能力。

2、水輪機(jī)主軸磁流體密封裝置設(shè)計

　　水輪機(jī)主軸密封具有以下特點(diǎn): ① 密封有一定壓力的水介質(zhì); ② 密封軸徑大，受主軸表面加工精度和徑向跳動影響，密封間隙較大; ③ 水介質(zhì)里含有泥沙.

　　影響磁流體密封能力的主要因素有密封裝置結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速、工作溫度等. 對于水輪機(jī)主軸密封，軸的轉(zhuǎn)速不高，且工作在水介質(zhì)中，轉(zhuǎn)速和溫度對密封能力的影響相對較小，密封裝置的結(jié)構(gòu)對密封能力的影響較大，所以文中主要對密封裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，主要內(nèi)容包括: 針對密封介質(zhì)，配制磁流體;根據(jù)密封轉(zhuǎn)軸半徑，確定永久磁鐵的尺寸和材料; 根據(jù)工藝、密封壓差和密封能力，利用仿真軟件進(jìn)行仿真分析，設(shè)計出極靴磁極的齒形、級數(shù)、密封間隙大小，其中極靴的極齒形狀和密封間隙對密封能力起著決定性的影響. 文中，水輪機(jī)主軸封水直徑為200mm，水頭為50 m，根據(jù)ρgH = 12 ρυ2 + pγ，密封壓差Δp < 0. 5 MPa.

2.1、磁流體材料選擇和永磁鐵材料確定

　　磁流體由磁性微粒、表面活性劑和基液3 個部分組成，是一種具有軟磁性固液相混的懸浮狀膠體.

　　磁性微粒通常為四氧化三鐵、氮化鐵、赤鐵礦及稀土合金等，其中氮化鐵的磁流體飽和磁化強(qiáng)度最高，但四氧化三鐵穩(wěn)定性最好，目前最常用的是四氧化三鐵粉末. 基液主要有水基、油基、酯基等，一般為非導(dǎo)電性液體，其中油基流體具有疏水性，適合密封水介質(zhì)，綜合考慮黏度、密度、飽和磁化強(qiáng)度，文中選用油基四氧化三鐵磁流體，其飽和磁化強(qiáng)度為0. 04 T.

　　目前常用的永久磁鐵材料有鐵氧體、釹鐵硼和鋁鎳鈷，釹鐵硼( NdFeB) 是由稀土元素Re 與鐵、硼組成的金屬間化合物，磁性能比鐵氧體、鋁鎳鈷高出許多，且因?yàn)椴缓瑧?zhàn)略金屬鎳和鈷，價格較低，在很多領(lǐng)域，如儀器儀表、汽車工業(yè)、石油化工產(chǎn)業(yè)等方面，它取代了傳統(tǒng)的鐵氧體等材料. 文中，采用釹鐵硼作為永磁材料，提供磁場，但由于其耐腐蝕性差，所以在密封裝置中對永磁鐵表面應(yīng)進(jìn)行包覆處理.

2.2、密封組件結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

　　水輪機(jī)主軸密封間隙較大，且密封介質(zhì)對磁流體有沖刷作用，為提高密封能力，文中將水輪機(jī)主軸密封裝置設(shè)計成軸向與徑向密封組合的矩形齒結(jié)構(gòu)，矩形齒耐壓能力大，且兩側(cè)耐壓能力相同. 在軸向密封部分，為使加工工藝簡單，矩形齒在轉(zhuǎn)軸上開槽，而徑向密封在端面開槽，可設(shè)計成對齒結(jié)構(gòu)，以增加聚磁能力.

　　為獲得密封間隙內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，采用Ansys 軟件中的電磁場有限元分析模塊，對水輪機(jī)主軸磁流體密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、劃分網(wǎng)格、加載、求解. 模擬過程中，材料屬性的定義如下: ① 空氣相對磁導(dǎo)率為MURX1. 0; ② 永磁材料為NdFeB，矯頑力( coercive force ) MGXX，MGYY，MGZZ 分別為0，975 000，0 A/m; ③ 導(dǎo)磁材料選擇模型庫里的SA1010，即10#碳鋼材料，B - H 曲線可直接導(dǎo)出; ④主軸材料為45#鋼; ⑤ 磁流體飽和磁化強(qiáng)度低，相對磁導(dǎo)率MURX 可設(shè)為1.圖2 為密封裝置模型，劃分網(wǎng)格后，將生成如圖3 所示有限元模型，然后對有限元模型周圍的空氣施加磁力線平行邊界條件，運(yùn)行Main menu > Solution> Solve 進(jìn)行求解運(yùn)算，執(zhí)行Main menu > Generalpostproc > Plot results > - Contour plot - 2D Fluxlines 命令，得其磁力線分布如圖4 所示.由圖4 可知，在密封間隙處，磁力線分布密集，周圍漏磁較少，可以很好地將磁流體聚集在極齒之下。

圖2 密封裝置模型

圖3 密封裝置有限元模型

圖4 密封裝置磁力線分布

　　在密封間隙內(nèi)由于各處磁場分布不同，根據(jù)式( 3) 可知，各處密封能力也不相同. 在軸向和徑向間隙內(nèi)分別定義3 條縱向和徑向軌線，通過軌線上的磁場分布，分析密封間隙內(nèi)磁場分布情況，軸向和徑向密封裝置各軌線上磁力線分布分別如圖5，6 所示. 圖中波峰為極齒對應(yīng)的密封間隙內(nèi)軌線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，波谷為齒槽對應(yīng)密封間隙內(nèi)軌線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，波峰與波谷之差即為磁場梯度ΔBsum，ΔBsum越大，密封壓差越大，密封能力越好，反之亦然. 從圖5，6還可以看出，在軸向密封中，左軌線即靠近轉(zhuǎn)軸一側(cè)，徑向密封中下軌線即靠近導(dǎo)磁體一側(cè)，ΔBsum在3 條軌線中最小，密封能力最差，密封最先失效，因此主要從這2 條軌線處對磁場進(jìn)行分析設(shè)計。

圖5 軸向密封間隙各軌線上的磁場分布

圖6 徑向密封間隙各軌線上的磁場分布

　　對極齒寬度bj、極齒高度hj、齒槽寬度bs、密封間隙lg等結(jié)構(gòu)參數(shù)的一系列值進(jìn)行計算與仿真，分析密封能力最差的軌線上的磁場分布，其結(jié)果如圖7 所示. 由圖可知，結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能影響很大，且當(dāng)極齒寬度bj = 0. 5 ～ 1. 0 mm，齒槽寬度bs =1. 5 ～ 2. 0 mm，極齒高度hj = 1. 5 ～ 2. 0 mm，密封間隙lg = 0. 05 ～ 0. 30 mm 時密封能力較強(qiáng)。

圖7 密封裝置系列結(jié)構(gòu)參數(shù)的軌線上的磁場梯度ΔBsum

圖8 水輪機(jī)主軸磁流體密封裝置模型圖

　　在磁流體密封裝置中，參數(shù)確定時需考慮: ①永磁體體積增大，能相應(yīng)增大極靴磁通，當(dāng)極靴磁通飽和后，再增加永磁體體積，密封能力將不再增加，而且會造成很大的漏磁; ② 當(dāng)永磁體施加的磁場強(qiáng)度一定，在密封級數(shù)較少時，耐壓能力將隨級數(shù)的增加而增加，但級數(shù)再增加時，耐壓能力會由于每級的磁場減小而下降; ③ 總的密封壓差的大小; ④ 軸向、徑向的尺寸限制; ⑤ 選取密封間隙lg應(yīng)大于3倍轉(zhuǎn)軸徑向跳動誤差，若小于該值會導(dǎo)致密封失效.綜合考慮上述問題，確定水輪機(jī)的主軸密封結(jié)構(gòu)參數(shù): 極齒寬度bj = 1 mm，齒槽寬度bs = 1. 5 mm，極齒高度hj = 2 mm，密封間隙lg為0. 1 ～ 0. 3 mm，軸向永磁體軸向長度laa為20 ～ 30 mm，軸向永磁體徑向?qū)挾萣ar為20 ～ 25 mm，徑向永磁體軸向長度lra為20～ 30 mm，徑向永磁體徑向?qū)挾萣rr為40 ～ 50 mm. 結(jié)構(gòu)和材料見圖8。

　　軸向密封總級數(shù)為48 級，共2 塊永磁體，4 個極靴，每個極靴上12 級，相鄰極靴之間及周圍為非導(dǎo)磁材料，防止磁能外漏，徑向密封總級數(shù)為20 ～24 級，由環(huán)狀永磁體和導(dǎo)磁體組成。

3、結(jié)論

　　針對水輪機(jī)主軸特點(diǎn)，利用Ansys 中的電磁場分析軟件，對一系列結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行建模、劃分網(wǎng)格、施加邊界、求解、分析結(jié)果，設(shè)計出了一套水輪機(jī)主軸磁流體密封裝置. 得到如下結(jié)論:

　　1) 對于磁流體密封裝置，軸向密封靠近轉(zhuǎn)軸處，徑向密封靠近導(dǎo)磁體處，密封能力最差，最易失效.

　　2) 極齒寬度、極齒高度、齒槽寬度、密封間隙等結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能影響很大，且在一定的數(shù)值范圍內(nèi)密封能力較強(qiáng).

　　3) 在空間允許的情況下，欲提高磁流體密封裝置的密封能力，可再增加密封級數(shù).

　　4) 水輪機(jī)主軸密封裝置密封水介質(zhì)，油基四氧化三鐵磁流體具有疏水特性.