傳統(tǒng)密封與磁流體密封在水輪機主軸上的運用分析

胡德昌 蔡偉 李俊

摘??要：傳統(tǒng)密封技術在水輪機主軸上應用廣泛，但隨著技術的發(fā)展和設備性能的提高，傳統(tǒng)密封技術的局限性逐漸顯現(xiàn)。而磁流體密封技術作為一種新興的密封技術，具有無接觸、無磨損、高密封性能等優(yōu)點，為水輪機主軸密封技術的發(fā)展提供了新的方向。對此，針對傳統(tǒng)密封與磁流體密封在水輪機主軸上的運用進行分析，探討兩種技術的優(yōu)缺點及發(fā)展趨勢。

關鍵詞：傳統(tǒng)密封??磁流體密封??水輪機??主軸

中圖分類號：TM20113

Analysis?of?the?Application?of?Traditional?Sealing?and?Magnetic?Fluid?Sealing?on?the?Spindle?of?Hydraulic?Turbines

HU?Dechang??CAI?Wei??LI?Jun

China?Yangtze?Power?Co.，?Ltd.，?Yichang，?Hubei?Province，?443133?China

Abstract：?Traditional?sealing?technology?is?widely?used?on?the?spindle?of?water?turbines，?but?with?the?development?of?technology?and?the?improvement?of?equipment?performance，?its?limitations?are?gradually?becoming?apparent.?As?an?emerging?sealing?technology，?magnetic?fluid?sealing?technology?has?advantages?such?as?non-contact，?wear-free?and?high-sealing?performance，?providing?a?new?direction?for?the?development?of?the?sealing?technology?of?the?spindle?of?water?turbines.?Therefore，?this?article?analyzes?the?application?of?traditional?sealing?and?magnetic?fluid?sealing?on?the?spindle?of?hydraulic?turbines，?and?explores?the?advantages，?disadvantages?and?development?trends?of?the?two?technologies.

Key?Words：?Traditional?sealing;?Magnetic?fluid?sealing;?Water?turbine;?Spindle

1??傳統(tǒng)密封技術

1.1?填料式密封

填料式密封是一種較為傳統(tǒng)的密封技術，它主要利用填充的耐磨材料在壓蓋的作用下與主軸（或安裝于主軸上的抗磨軸套）緊密貼合，以達到密封效果。這種結構可以在多泥沙工況下工作，具有良好的耐磨損性能[1]。圖1所示為填料式密封的結構示意圖。

在軸向壓力的作用下，填料與旋轉軸緊密接觸，從而起到密封作用。為了防止填料與旋轉軸產(chǎn)生干摩擦，需要加入潤滑水，以在主軸上形成水膜，從而降低填料密封圈和抗環(huán)的磨損。這種密封形式構造相對簡單，但密封性受到環(huán)境因素的影響。由于密封環(huán)是固定的，隨著主軸的軸向擺動增大，密封環(huán)和主軸之間的間距逐漸減小，有時還會與密封環(huán)發(fā)生接觸，從而縮短了密封結構的使用壽命。

1.2?雙層平板密封

雙層平板密封主要由上平板、下平板、密封水箱以及壓力水管等附屬部件構成。當通入壓力水時，橡膠板和抗磨環(huán)共同作用，形成一種適用于高質(zhì)量水電站的密封結構，具體構造如圖2所示。

雙層平板密封結構雖然具有出色的密封性能，但其構造相對復雜，對安裝精度要求較高。如果橡膠片和抗磨環(huán)之間的間距過大，會導致泄漏量增加；而間距過小，則可能導致橡膠板燒結。在使用這種密封方式時，由于其補償能力相對較弱，要求軸向移動量控制在0.5?mm以內(nèi)。否則，軸向位移可能導致間隙變化過大，進而影響其密封性能。

1.3?橡膠水壓式端面密封

橡膠水壓式端面密封是一種有效的防泄漏裝置，特別適用于防止液體或氣體泄漏。它主要由橡膠材料制成，具有出色的彈性和耐壓性能，能夠緊密地貼合在密封面上，有效阻止液體或氣體泄漏[2]。然而，這種密封方式對安裝精度要求極高。如果安裝精度得不到保障，可能導致密封塊的上下移動不流暢，出現(xiàn)卡殼，進而導致密封塊偏磨，嚴重時還會引起密封塊燒損。在實際使用中，水輪機中的水壓式端面密封可能會出現(xiàn)以下問題：（1）在空載運行時，水壓調(diào)整可能變得困難，導致密封下腔容易滲漏；（2）由于密封件受力不足，無法與密封圈形成良好的接觸。常用的傳統(tǒng)密封形式在適用壓力、線速度和PV值方面都存在一定的局限性。具體數(shù)據(jù)詳見表1。傳統(tǒng)密封形式的最大缺點是磨損量大和旋轉軸產(chǎn)生的摩擦力矩大，特別是在高速旋轉時，磨損會加劇，從而縮短其使用壽命，需要頻繁維修。

2??磁流體密封技術

磁流體密封技術是一種基于磁性流體發(fā)展的先進技術。當磁流體被注入磁場的間隙時，它可以充分填充整個間隙，形成一種“液體的O型密封圈”，從而實現(xiàn)有效的密封效果。該技術的關鍵部分包括永磁體、極靴以及磁液體[3]。磁流體是由0.1～30?nm的導磁材料（專用于磁流體密封的）、分散劑和載體融合而成的膠體。這一納米技術展現(xiàn)了諸多特殊功能，被認為是當前最尖端的技術之一。為了防止顆粒的團聚凝集，在磁性粒子的表面涂敷了一層表面活性劑。這層表面活性劑能夠抑制磁性顆粒的凝聚，確保其在基質(zhì)液體中保持高度的穩(wěn)定性。此外，磁性顆粒的布朗運動特性可以抵消其本身的重力效應，從而防止了沉降效應的發(fā)生。

2.1?磁流體密封原理

磁性液體密封技術是一種新興密封技術，已經(jīng)被廣泛應用于水輪機主軸的密封。其結構簡圖如圖3所示。

在磁流體密封技術中，永磁體能夠產(chǎn)生足夠的磁場強度，形成足夠的磁力，以確保其密封性能。這是因為永磁體所產(chǎn)生的磁感線通過極靴與主軸形成封閉的磁回路，從而減少了極靴的漏磁。這種減少漏磁的方式進一步降低了磁場強度，具體如圖4所示。

磁流體是一種兼具液體流動性和固體磁性材料磁性的先進功能材料，磁流體密封技術正是利用了磁流體對磁場的敏感特性來實現(xiàn)的。極靴與主軸間有一定的磁場間，當磁性液體被引入到這個磁場間隙中，它會在磁力的驅動下，在主軸與極靴之間形成一種液態(tài)的“O形密封圈”，從而發(fā)揮穩(wěn)定的密封作用[4]。然而，如果密封水的壓力過大，可能會損壞由磁流體形成的?“O形圈”，導致密封失效。

2.2??磁流體密封特點

傳統(tǒng)的密封形式主要依賴于橡膠密封塊和抗磨環(huán)來實現(xiàn)。然而，橡膠材料容易磨損和老化，導致密封性能下降，進而影響機組的正常運行。相比之下，磁流體密封采用磁力進行密封，更適合工程應用。

在磁流體密封形式中，固定部件和旋轉部件之間沒有直接接觸，這種設計可以顯著降低運轉時的噪音和熱量。相比傳統(tǒng)的密封方式，磁流體密封具有更長的使用壽命，并且密封塊不易磨損，不需要加入潤滑水[5]。磁流體密封的結構簡單，組件的加工和安裝精度要求相對較低，但使用壽命較長。對于軸的徑向跳動和軸向跳動，磁流體對其沒有太大的限制。當磁流體有部分消耗時，只需要適量補充一些磁流體即可進行維修。

磁流體裝置的兩端均可以承受壓力，而且可以在改變承壓方向的情況下，無須任何改動就能實現(xiàn)密封。磁流體本身具有流體的性質(zhì)，在磁場的作用下，其黏度會發(fā)生改變。因此，在封腔內(nèi)產(chǎn)生瞬間的高壓很容易將磁流體形成的“O形密封圈”給破壞掉。在這種情況下，只需要補充或替換磁流體即可。

2.3??磁流體制備要求

其制備要求主要[6]：（1）需要使用化學合成、溶膠凝膠、物理氣相沉積等方法制備納米級磁性顆粒，并通過表面修飾、功能化等方法改善其磁性和分散性；（2）選擇適當?shù)囊后w載體，并添加表面活性劑、穩(wěn)定劑等輔助劑，以提高磁流體的穩(wěn)定性和流變性能；（3）將磁性顆粒和液體載體按一定比例混合，并通過超聲波、機械攪拌等方法進行充分分散和混合，制備出具有一定磁性和流變性能的磁流體。

3??磁流體密封發(fā)展趨勢

磁流體密封技術的發(fā)展是在工業(yè)設備等相關領域對密封性能要求越來越高的背景下推動的。傳統(tǒng)的密封方式在某些特殊場合下難以滿足密封要求，而磁流體技術的發(fā)展為磁流體密封技術的發(fā)展提供了推動力。磁流體密封發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）通過利用先進技術，可以深入探究磁流體在不同環(huán)結構中的磁性特征及其對密封性能的影響。這一研究不僅有助于豐富磁性液體的相關理論，還能為磁流體技術的發(fā)展提供堅實的理論基礎。

（2）以磁流體和被密封水兩個區(qū)域作為研究對象，對它們的工作狀況進行仿真。首先，將仿真分為兩個計算域，并對它們進行網(wǎng)格化處理，劃分結果如圖5所示。這種細致的劃分有助于工作人員更準確地捕捉兩個區(qū)域的動態(tài)變化。隨后，根據(jù)這些處理后的網(wǎng)格進行各種計算，包括流場、壓力場和溫度場的分布等。通過這些計算，能夠模擬出各種實際工作狀況，從而更深入地理解磁流體和被密封水的運行特性。這不僅有助于優(yōu)化設計，還可以在實際應用中預測可能出現(xiàn)的問題，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4?結語

綜上所述，磁流體密封利用磁場和流體的相互作用，實現(xiàn)了無接觸、無磨損的密封效果。不僅可以提高密封性能，減少泄漏，而且可以減少對密封元件的磨損，從而延長設備的使用壽命。未來，隨著技術的不斷進步和創(chuàng)新，相信磁流體密封技術將在水輪機主軸上得到更廣泛的應用，為提高設備的性能和可靠性做出更大的貢獻。

參考文獻

[1]程杰，李正貴，王端喜，等.水輪機主軸磁流體密封間隙流場關鍵參數(shù)研究[J].潤滑與密封，2023，48（11）：172-180.

[2]吳朝軍，朱維兵，顏招強，等.大軸徑離心壓縮機磁流體密封傳熱特性研究[J].潤滑與密封，2023，48（8）：80-88.

[3]楊峻濤.磁體內(nèi)嵌型磁流體密封裝置磁力特性數(shù)值研究[J].中國測試，2023，49（7）：162-169.

[4]程杰.水輪機主軸磁流體密封裝置磁流熱特性研究[D].成都：西華大學，2022.

[5]馮金川，王收軍，周學均.傳統(tǒng)密封與磁流體密封在水輪機主軸上的應用分析[J].機械設計，2021，38（S2）：108-112.

[6]李博.水輪機主軸磁流體密封有限元仿真及試驗[D].成都：西華大學，2019.