磁流体密封在水轮机主轴中的应用
为了解决目前常用的水轮机主轴密封装置易磨损、泄漏量大的问题，在水轮机主轴上采用磁流体密封技术。该密封技术具有无刚性接触，无磨损，可自行修复，寿命长等优点，选择适合密封水介质的油基四氧化三铁磁流体作为密封材料，磁性能高且价格低廉的钕铁硼永磁材料提供外磁场，并使用电磁场分析软件进行仿真计算. 仿真结果表明: 轴向密封靠近转轴处，径向密封靠近导磁体处，密封能力最差，最易失效; 齿形、密封间隙等结构参数对密封性能影响较大，且在一定的数值范围内密封能力较强. 结合水轮机主轴密封的特点，设计出适合水轮机主轴的轴向与径向密封组合的矩形齿磁流体密封装置，轴向密封总级数为48 级，径向密封总级数为20 ～ 24级，总的密封压差Δp > 0. 5 MPa。
我国水力资源丰富，水电事业相对发达，目前装机总量已达2 亿多kW，占水电资源可开发量的30% ～ 40%，水力发电在电力行业中占有重要地位，但我国水力发电水平离发达国家的平均水平尚有一段距离，且主要集中在东部地区，继续开发特别是在西部开发水电工程可以带来巨大的经济和社会效益. 作为水电工程重要装备之一的水轮机的发展对水电事业影响重大，目前，水轮机主轴主要采用填料密封、橡胶平板密封、叶片密封、端面密封等接触式密封形式，但因主轴易磨损，泄漏量大，严重时会使水轮机无法工作，需要停机对主轴进行检修，机组寿命被缩短，也造成了经济损失。近几年出现的橡胶柱塞密封和螺旋密封，虽然密封性能较好，但制造成本很高，且安装、维修困难，所以真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为主轴密封问题是各中小水电站亟待解决的问题，备受发电行业和学者关注。
磁流体又称为磁液或铁磁流体，具有磁性和液体特性，在外加磁场作用下，磁流体能够产生较大的磁化强度. 磁流体密封技术是一项新的密封技术，磁流体密封现在已成功应用在精密机械、气体密封、真空密封、压力密封、旋转密封等领域. 文中利用磁流体密封的原理，研究疏水磁流体，设计出适合水轮机主轴的磁流体密封装置，使运动件和静止件之间无刚性接触、无磨损，并且可自行修复，能够长时间可靠地工作( 正常寿命10 a 左右) ，有效地解决了水轮机主轴的密封问题。
1、磁流体密封原理
磁流体密封结构如图1 所示，环状永磁体、极靴导磁体与主轴形成磁性回路，磁性液体因纳米磁性微粒具有被磁控的特性，在磁场作用下，聚集在极靴的极齿与旋转轴之间的间隙处，从而形成磁性液体的“O”形环，实现密封。
图1 磁流体密封结构原理图
当磁流体两边无外加压差时，磁流体所受磁场力为零，稳定于极齿下，当两边压力不相等，存在外加压差时，磁流体将发生变形而产生磁场力，磁场力将与外加压差相平衡，达到密封目的. 磁场力的大小取决于磁流体的位置和形状. 当外加压差增大到一定数值时，磁场力不再与外力相平衡，磁流体亦不再处于稳定的平衡状态，密封将失效.当主轴旋转时，同一半径任意两点之间密封压差为
式中: Ms为磁流体饱和磁化强度; B1，B2为密封间隙内任意两点的磁感应强度; h1，h2为距参考点的垂直向下距离.对于同一径向处，
由式( 3) 可以看出，密封结构中密封间隙的磁场梯度ΔBsum = B2 - B1越大，密封压力差Δp 越大，密封能力越强.对于多级密封，Δp = ΣΔpi，总密封压差为各密封压差之和，所以在条件允许的情况下，可以通过增加密封级数来提高密封能力。
2、水轮机主轴磁流体密封装置设计
水轮机主轴密封具有以下特点: ① 密封有一定压力的水介质; ② 密封轴径大，受主轴表面加工精度和径向跳动影响，密封间隙较大; ③ 水介质里含有泥沙.
影响磁流体密封能力的主要因素有密封装置结构、转轴转速、工作温度等. 对于水轮机主轴密封，轴的转速不高，且工作在水介质中，转速和温度对密封能力的影响相对较小，密封装置的结构对密封能力的影响较大，所以文中主要对密封装置的结构进行设计，主要内容包括: 针对密封介质，配制磁流体;根据密封转轴半径，确定永久磁铁的尺寸和材料; 根据工艺、密封压差和密封能力，利用仿真软件进行仿真分析，设计出极靴磁极的齿形、级数、密封间隙大小，其中极靴的极齿形状和密封间隙对密封能力起着决定性的影响. 文中，水轮机主轴封水直径为200mm，水头为50 m，根据ρgH = 12 ρυ2 + pγ，密封压差Δp < 0. 5 MPa.
2.1、磁流体材料选择和永磁铁材料确定
磁流体由磁性微粒、表面活性剂和基液3 个部分组成，是一种具有软磁性固液相混的悬浮状胶体.
磁性微粒通常为四氧化三铁、氮化铁、赤铁矿及稀土合金等，其中氮化铁的磁流体饱和磁化强度最高，但四氧化三铁稳定性最好，目前最常用的是四氧化三铁粉末. 基液主要有水基、油基、酯基等，一般为非导电性液体，其中油基流体具有疏水性，适合密封水介质，综合考虑黏度、密度、饱和磁化强度，文中选用油基四氧化三铁磁流体，其饱和磁化强度为0. 04 T.
目前常用的永久磁铁材料有铁氧体、钕铁硼和铝镍钴，钕铁硼( NdFeB) 是由稀土元素Re 与铁、硼组成的金属间化合物，磁性能比铁氧体、铝镍钴高出许多，且因为不含战略金属镍和钴，价格较低，在很多领域，如仪器仪表、汽车工业、石油化工产业等方面，它取代了传统的铁氧体等材料. 文中，采用钕铁硼作为永磁材料，提供磁场，但由于其耐腐蚀性差，所以在密封装置中对永磁铁表面应进行包覆处理.
2.2、密封组件结构参数设计
水轮机主轴密封间隙较大，且密封介质对磁流体有冲刷作用，为提高密封能力，文中将水轮机主轴密封装置设计成轴向与径向密封组合的矩形齿结构，矩形齿耐压能力大，且两侧耐压能力相同. 在轴向密封部分，为使加工工艺简单，矩形齿在转轴上开槽，而径向密封在端面开槽，可设计成对齿结构，以增加聚磁能力.
为获得密封间隙内的磁感应强度分布，采用Ansys 软件中的电磁场有限元分析模块，对水轮机主轴磁流体密封结构进行建模、划分网格、加载、求解. 模拟过程中，材料属性的定义如下: ① 空气相对磁导率为MURX1. 0; ② 永磁材料为NdFeB，矫顽力( coercive force ) MGXX，MGYY，MGZZ 分别为0，975 000，0 A/m; ③ 导磁材料选择模型库里的SA1010，即10#碳钢材料，B - H 曲线可直接导出; ④主轴材料为45#钢; ⑤ 磁流体饱和磁化强度低，相对磁导率MURX 可设为1.图2 为密封装置模型，划分网格后，将生成如图3 所示有限元模型，然后对有限元模型周围的空气施加磁力线平行边界条件，运行Main menu > Solution> Solve 进行求解运算，执行Main menu > Generalpostproc > Plot results > - Contour plot - 2D Fluxlines 命令，得其磁力线分布如图4 所示.由图4 可知，在密封间隙处，磁力线分布密集，周围漏磁较少，可以很好地将磁流体聚集在极齿之下。
图2 密封装置模型
图3 密封装置有限元模型
图4 密封装置磁力线分布
在密封间隙内由于各处磁场分布不同，根据式( 3) 可知，各处密封能力也不相同. 在轴向和径向间隙内分别定义3 条纵向和径向轨线，通过轨线上的磁场分布，分析密封间隙内磁场分布情况，轴向和径向密封装置各轨线上磁力线分布分别如图5，6 所示. 图中波峰为极齿对应的密封间隙内轨线上的磁感应强度，波谷为齿槽对应密封间隙内轨线上的磁感应强度，波峰与波谷之差即为磁场梯度ΔBsum，ΔBsum越大，密封压差越大，密封能力越好，反之亦然. 从图5，6还可以看出，在轴向密封中，左轨线即靠近转轴一侧，径向密封中下轨线即靠近导磁体一侧，ΔBsum在3 条轨线中最小，密封能力最差，密封最先失效，因此主要从这2 条轨线处对磁场进行分析设计。
图5 轴向密封间隙各轨线上的磁场分布
图6 径向密封间隙各轨线上的磁场分布
对极齿宽度bj、极齿高度hj、齿槽宽度bs、密封间隙lg等结构参数的一系列值进行计算与仿真，分析密封能力最差的轨线上的磁场分布，其结果如图7 所示. 由图可知，结构参数对密封性能影响很大，且当极齿宽度bj = 0. 5 ～ 1. 0 mm，齿槽宽度bs =1. 5 ～ 2. 0 mm，极齿高度hj = 1. 5 ～ 2. 0 mm，密封间隙lg = 0. 05 ～ 0. 30 mm 时密封能力较强。
图7 密封装置系列结构参数的轨线上的磁场梯度ΔBsum
图8 水轮机主轴磁流体密封装置模型图
在磁流体密封装置中，参数确定时需考虑: ①永磁体体积增大，能相应增大极靴磁通，当极靴磁通饱和后，再增加永磁体体积，密封能力将不再增加，而且会造成很大的漏磁; ② 当永磁体施加的磁场强度一定，在密封级数较少时，耐压能力将随级数的增加而增加，但级数再增加时，耐压能力会由于每级的磁场减小而下降; ③ 总的密封压差的大小; ④ 轴向、径向的尺寸限制; ⑤ 选取密封间隙lg应大于3倍转轴径向跳动误差，若小于该值会导致密封失效.综合考虑上述问题，确定水轮机的主轴密封结构参数: 极齿宽度bj = 1 mm，齿槽宽度bs = 1. 5 mm，极齿高度hj = 2 mm，密封间隙lg为0. 1 ～ 0. 3 mm，轴向永磁体轴向长度laa为20 ～ 30 mm，轴向永磁体径向宽度bar为20 ～ 25 mm，径向永磁体轴向长度lra为20～ 30 mm，径向永磁体径向宽度brr为40 ～ 50 mm. 结构和材料见图8。
轴向密封总级数为48 级，共2 块永磁体，4 个极靴，每个极靴上12 级，相邻极靴之间及周围为非导磁材料，防止磁能外漏，径向密封总级数为20 ～24 级，由环状永磁体和导磁体组成。
3、结论
针对水轮机主轴特点，利用Ansys 中的电磁场分析软件，对一系列结构参数进行建模、划分网格、施加边界、求解、分析结果，设计出了一套水轮机主轴磁流体密封装置. 得到如下结论:
1) 对于磁流体密封装置，轴向密封靠近转轴处，径向密封靠近导磁体处，密封能力最差，最易失效.
2) 极齿宽度、极齿高度、齿槽宽度、密封间隙等结构参数对密封性能影响很大，且在一定的数值范围内密封能力较强.
3) 在空间允许的情况下，欲提高磁流体密封装置的密封能力，可再增加密封级数.
4) 水轮机主轴密封装置密封水介质，油基四氧化三铁磁流体具有疏水特性.
