高速離心泵磁性液體新型旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究*

邢斐斐 季 君 郝瑞參 蘆 璐 田寶川

(1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院基礎(chǔ)學(xué)院 北京 100176；2.北京電子科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電學(xué)院 北京 100176；3.北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院 北京 100176)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在環(huán)保工程項(xiàng)目的設(shè)備使用和維修中，對(duì)于軸封的維修工作量占機(jī)泵維修工作量的40%～50%。 而對(duì)于離心泵，它的維修費(fèi)約有70%用于處理密封故障。在離心式壓縮機(jī)的維修中，潤滑和密封系統(tǒng)的故障占55%～60%。美國密封方面的專家認(rèn)為，由于開發(fā)密封技術(shù)，僅汽輪機(jī)一項(xiàng)，每年節(jié)約能源費(fèi)用3億美元[1]。全世界軸承年銷售額為90億美元，其中90%未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，而軸承早期失效原因中，75%是油封失效，僅此一項(xiàng)損失60億美元。以北京某垃圾焚燒項(xiàng)目中急冷泵站為例，采用傳統(tǒng)接觸式機(jī)械軸封密封，在正常運(yùn)行后的一年內(nèi)，由于急冷水泵的密封失效導(dǎo)致項(xiàng)目中斷3次，由此帶來的檢修問題和正常項(xiàng)目運(yùn)行問題不容忽視。

磁性液體密封是一種新型的無接觸型密封，依靠液體材料填充密封間隙的方式實(shí)現(xiàn)密封功能，具有傳統(tǒng)機(jī)械密封無法超越的優(yōu)點(diǎn)[2-3]。環(huán)保項(xiàng)目中的垃圾焚燒工程需使用高速運(yùn)行離心泵作為急冷裝置，給煙氣降溫，根據(jù)垃圾焚燒處理量的規(guī)模，這種離心泵高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在3 000～4 500 r/min之間，揚(yáng)程通常為120～160 m，有些日處理量比較大的垃圾焚燒項(xiàng)目揚(yáng)程為200 m以上。本文作者針對(duì)垃圾焚燒工程急冷系統(tǒng)中高速離心泵密封問題，設(shè)計(jì)一種五極六靴二十四齒的磁性液體旋轉(zhuǎn)密封裝置，理論推導(dǎo)考慮溫度和離心力因素的磁性液體密封耐壓公式，采用Ansys有限元分析軟件計(jì)算磁性液體磁場分布，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖1所示為本文作者設(shè)計(jì)的急冷系統(tǒng)中高速離心泵所用的磁性液體旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)及密封核心部位放大。密封裝置包括永磁鐵、密封腔、極齒、極靴等。

圖1 磁性液體大間隙密封結(jié)構(gòu)及局部放大Fig 1 The large gap ferrofluid sealing structureand partial magnification

密封裝置設(shè)有5個(gè)永久磁鐵，每個(gè)永久磁鐵對(duì)應(yīng)一對(duì)極靴及8個(gè)極齒，相互間構(gòu)成多個(gè)磁回路，齒形為小矩形，齒數(shù)24，各齒尺寸相同，設(shè)計(jì)成為5槽6極24齒的密封結(jié)構(gòu)。

齒形結(jié)構(gòu)采用1個(gè)極靴對(duì)4個(gè)矩形極齒，形成多個(gè)磁回路，矩形齒加工簡單，性能易保證，具有更大的磁場梯度，且能夠有效地減小磁阻，從而預(yù)期能夠使得密封耐壓能力大大提高。

密封腔外殼采用304不銹鋼，此材質(zhì)為非導(dǎo)磁材料；永磁鐵為釹鐵硼，釹鐵硼的磁能積大，磁場強(qiáng)度高；極靴極齒選用電工純鐵；旋轉(zhuǎn)軸選用1Cr13，通過加工中心軸軸徑獲取不同的密封間隙。磁極與非導(dǎo)磁外殼間密封采用“O”形密封圈。

2 耐壓公式推導(dǎo)

Δp=nμ0Ms(Hmax-Hmin)

(1)

式中：n為密封級(jí)數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率；Ms為磁性液體的飽和磁化強(qiáng)度；Hmax和Hmin分別為密封間隙處磁場強(qiáng)度的最大值和最小值。

由于離心泵高速運(yùn)行，這里考慮離心力的“負(fù)作用”，表現(xiàn)為軸徑和轉(zhuǎn)速對(duì)密封能力的影響很大[5]。假設(shè)磁性液體黏度為常數(shù)，定常不可壓縮，溫度均勻，作層流運(yùn)動(dòng)，可得旋轉(zhuǎn)密封近似的耐壓公式[6-7]為

(2)

式中：ρ為磁性液體的密度；δ為密封層高度；R為軸半徑；v0為線速度。

當(dāng)急冷泵工作時(shí)，溫度會(huì)對(duì)耐壓產(chǎn)生一定影響?？紤]溫度因素時(shí)，磁性液體的磁化強(qiáng)度M[8-10]可近似表示為

(3)

式中：m為磁性液體中一個(gè)強(qiáng)磁性膠體粒子的永久磁矩；n′代表在磁性液體單位體積中的膠體粒子數(shù)；K為Bolzman常數(shù)，K=1.36×10-23J/K；T為絕對(duì)溫度。

(4)

把M(H)代入式(2)，得

(5)

因此，Δp為T的一次函數(shù)，即密封耐壓隨著溫度的升高而降低，Δp為v0的二次函數(shù)，由于v0≥0，Δp隨著轉(zhuǎn)速的增加而2次指數(shù)性降低。實(shí)際運(yùn)行過程中，密封耐壓能力是否受溫度、轉(zhuǎn)速的影響，取決于密封間隙處磁場梯度的大小。因此，密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

3 有限元分析

3.1 有限元分析步驟

采用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)密封結(jié)構(gòu)中磁場分布特點(diǎn)進(jìn)行了分析，得到磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁路的磁場線等值分布及磁場強(qiáng)度矢量分布。

磁性液體密封裝置是一個(gè)三維實(shí)體模型，由于整個(gè)裝置是軸對(duì)稱的，建模過程中，將磁路簡化成過中心軸的截面平面圖形，并根據(jù)平面模型的對(duì)稱性，取1/4進(jìn)行分析計(jì)算。密封結(jié)構(gòu)的物理環(huán)境主要包括各單元及選項(xiàng)的確定，如永磁體材料、磁極、磁性液體、轉(zhuǎn)軸以及空氣等非導(dǎo)磁材料性能數(shù)據(jù)的輸入。將參考框設(shè)為Magnetic-Nodal，采用PLANE53平面單元，永磁體為Nd-Fe-B。

定義好物理環(huán)境后，給模型不同部位賦予材料屬性和不同的網(wǎng)格尺寸。網(wǎng)格最細(xì)處為極齒和密封間隙，周圍空氣區(qū)域所劃網(wǎng)格較粗。接下來在求解器中施加相應(yīng)的邊界條件,在周圍空氣邊界處施加平行磁力線的邊界條件，定義2個(gè)對(duì)稱邊為磁力線垂直的邊界條件[11-12]。最后進(jìn)入求解器求解。

3.2 結(jié)果及分析

求解后獲得方向磁位Az，通過進(jìn)一步處理可獲得磁場強(qiáng)度和磁通密度及它們的分量[13-15]。圖2所示為間隙為0.4～0.7 mm時(shí)的磁力線分布，可看出磁通密度梯度分布在密封間隙極齒與兩側(cè)齒槽處，而梯度越大產(chǎn)生的密封耐壓能力也就越大，間隙為0.4 mm時(shí)漏磁最大發(fā)生在第一、六極靴回路和第二、五極靴回路，間隙為0.5、0.6、0.7 mm時(shí)，漏磁最大發(fā)生在第一、二極靴回路和第五、六極靴回路。

圖2 不同間隙的磁力線分布Fig 2 The magnetic field distribution of different gap (a)the gap is 0.4 mm;(b)the gap is 0.5 mm;(c)the gap is 0.6 mm;(d)the gap is 0.7 mm

在ANSYS后處理器中定義軸向軌線。軸向的磁場強(qiáng)度變化直接決定密封能力的大小。將磁場強(qiáng)度Hsum的值映射在此軌線上，在定義軸向軌線時(shí)，給每個(gè)極齒的端點(diǎn)處定義一個(gè)點(diǎn)，相鄰兩點(diǎn)插值數(shù)為20， 軌線長度為s。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，密封間隙在0.4～0.7 mm之間變化時(shí)，最外側(cè)的極靴下對(duì)應(yīng)的磁場強(qiáng)度差比內(nèi)側(cè)的明顯減小，主要起到密封效果的為中間4個(gè)極靴下產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度差。當(dāng)間隙增大時(shí)，每個(gè)極靴下的矩形齒產(chǎn)生磁場強(qiáng)度值趨于平滑。

圖3 不同的大間隙下軸向磁場分布曲線Fig 3 The axial magnetic field distribution of different large gap

靜密封單級(jí)近似的耐壓公式為

因此由有限元分析結(jié)果，可得總耐壓值。實(shí)驗(yàn)中使用酯基磁性液體，它的飽和磁化強(qiáng)度Ms≈0.03 T，真空磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7T·m/A，磁性液體密度ρ=932 kg/m3,取v0=3 000 r/min,軸半徑R=40 mm，根據(jù)工作條件，取絕對(duì)溫度T=320 K，Bolzman常數(shù)K=1.36×10-23J/K，有：

δ=0.7 mm時(shí)，

79.62×1.76-0.88-0.22=3.103×105Pa

δ=0.6 mm時(shí)，

Δp總≈0.03×79.62×[(0.70-0.52)+(0.97-0.48)+

(0.89-0.42)+(0.92-0.55)+(1.07-0.72)+(0.67-

0.59)]-0.88-0.22=3.542×105Pa

δ=0.5 mm時(shí)，

Δp總≈0.03×79.62×[(0.75-0.6)+(1.15-0.75)+

(1.02-0.59)+(1.01-0.55)+(1.14-0.52)+(0.76-

0.19)]-0.88-0.22=5.202×105Pa

δ=0.4 mm時(shí)，

Δp總≈0.03×79.62×[(0.85-0.55)+(1.19-0.51)+

(1.07-0.5)+(1.09-0.57)+(1.19-0.56)+(0.82-

0.59)]-0.88-0.22=5.899×105Pa

通過計(jì)算結(jié)果得知，理論上密封耐壓能力隨著密封間隙的減小而逐漸遞增，由于漏磁的存在，遞增的程度并非線性的。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用中科院ZQJ-230E型氦質(zhì)譜檢漏儀合并吸槍法進(jìn)行檢漏。檢漏儀真空度為5×10-3Pa，最小測量漏率為10-10Pa·m3/s，響應(yīng)時(shí)間小于5 s。圖4所示為實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成示意圖，圖5所示為實(shí)驗(yàn)裝置。

圖4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成示意Fig 4 Schematic of experimental bench composition

圖5 密封件及所搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig 5 The sealing device and the experimental bench (a) sealingtest bench;(b)sniffing monitoring;(c)sealingdevice;(d)helium mass spectrometer leak detector

實(shí)驗(yàn)采用酯基磁性液體，各個(gè)永磁體內(nèi)圈中共加注大約3 mL磁性液體。通過加工中心軸來獲得不同的密封間隙，由于實(shí)際正常工作中離心泵轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，記錄該轉(zhuǎn)速下每次充破磁性液體時(shí)的壓力值，每次沖破后，保持電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，記錄下經(jīng)過自修復(fù)后的耐壓值及修復(fù)時(shí)間。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)得到曲線如圖6所示。對(duì)于典型密封間隙0.15 mm，單級(jí)密封所能承受的壓力約為22 kPa[4]。本文作者為大型船舶裝備大功率電機(jī)設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)，間隙0.4 mm時(shí)單級(jí)密封所能承受的壓力約38 kPa。由于大型船艦要求密封具有適應(yīng)振動(dòng)的跟隨性，因此密封有時(shí)可達(dá)到0.7 mm，在此間隙下，文中設(shè)計(jì)的單級(jí)密封耐壓能力達(dá)到51.7 kPa(0.7 mm時(shí)總耐壓為310.3 kPa,密封級(jí)數(shù)為6)。此外，磁性液體大間隙密封同樣具有自修復(fù)功能，酯基磁性液體被高壓充破后，還能保持一定的耐壓能力。此外，磁性液體性能穩(wěn)定，和密封介質(zhì)不互溶，且滿足垃圾焚燒的粉塵、煙氣等惡劣環(huán)境，不影響密封效果。理論和實(shí)驗(yàn)均可得到，耐壓值隨著密封間隙的增大而減小，間隙0.7 mm時(shí)理論耐壓值與實(shí)驗(yàn)?zāi)蛪褐到葡嗟取?/p>

表1 密封間隙與耐壓值的大小Table 1 The pressure capabitiy under different sealing gaps

圖6 磁性液體密封耐壓的理論值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig 6 The comparison of theoretical and experimentvalues of the pressure capability

實(shí)驗(yàn)中，通過電頻調(diào)節(jié)，逐漸將轉(zhuǎn)速上升至5 000 r/min，各間隙下的最大密封耐壓值保持不變。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)垃圾焚燒工程急冷系統(tǒng)中高速離心泵密封問題，設(shè)計(jì)了五極六靴二十四齒的磁性液體旋轉(zhuǎn)密封裝置，可以滿足轉(zhuǎn)速為3 000 r/min以上的高速或超高速旋轉(zhuǎn)離心泵的密封，具有高穩(wěn)定性和可靠性，適合焚燒的高溫?zé)煔猸h(huán)境條件，且使用壽命長。

(2)理論上推導(dǎo)出泵用磁性液體密封耐壓公式，并用Ansys計(jì)算了該結(jié)構(gòu)的磁性液體磁場分布，發(fā)現(xiàn)不同間隙的磁場分布趨勢大體一致,漏磁情況略有不同。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，最大間隙為0.7 mm時(shí)單級(jí)密封耐壓能力達(dá)到51.7 kPa。