魏玉國(guó)

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司, 黑龍江哈爾濱　150040)

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接觸式油擋采用磁流體密封的研究

魏玉國(guó)

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司, 黑龍江哈爾濱150040)

摘要：介紹了磁流體的物理特性、磁流體密封的機(jī)理及密封設(shè)計(jì)原理圖、承受密封壓力的計(jì)算公式。給出了根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)立式軸承油槽實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)的磁流體密封裝置的尺寸、結(jié)構(gòu)。指出根據(jù)計(jì)算，磁流體密封能承受的密封壓力可達(dá)104Pa，完全可以用于水輪發(fā)電機(jī)立式軸承油槽的密封。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)；軸承；軸承密封；磁流體

0引言

目前，水輪發(fā)電機(jī)油槽的接觸式油擋普遍采用徑向機(jī)械式碳精密封。它靠彈簧力實(shí)現(xiàn)炭精塊的自動(dòng)徑向補(bǔ)償，具有耐磨損、摩擦阻力小的特點(diǎn)。但由于炭精塊之間存在縫隙及彈簧壓力的限制，無法實(shí)現(xiàn)零泄漏，高壓差密封。

磁流體密封具有零泄露，低磨損和長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)[1]，一般適用在-20℃～-75℃，線速度0～100 m/s，廣泛應(yīng)用于防塵密封和真空密封領(lǐng)域。以磁流體作為密封介質(zhì)的接觸式油擋，可以解決水輪發(fā)電機(jī)油槽的甩油問題。

1磁流體密封機(jī)理及設(shè)計(jì)依據(jù)

圖1示意了磁流體密封機(jī)理。磁流體密封裝置由外殼、永磁體、磁極、轉(zhuǎn)軸和磁流體所組成。其中永磁體為硬磁材料；磁極與轉(zhuǎn)軸為軟磁材料。導(dǎo)磁性能好；外殼為非導(dǎo)磁材料；磁極和轉(zhuǎn)軸之間留有一定的密封間隙，在密封間隙內(nèi)充入磁流體。

磁流體是一種對(duì)磁場(chǎng)敏感且可流動(dòng)的液體磁性材料，是由磁性顆粒(Fe3O4或CrO2顆粒,直徑2.5×10-3～15×10-3μm)分散劑包覆后，高度彌散懸浮在載液中所形成的一種穩(wěn)定固液兩相膠體[2]。

永磁體、磁極、轉(zhuǎn)軸、磁流體構(gòu)成一個(gè)封閉磁路，非導(dǎo)磁的外殼減少了漏磁。利用永磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)，借助矩形的磁極所造成的磁場(chǎng)梯度，將磁流體固定保持在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的間隙內(nèi)，形成液體的“O”型密封環(huán)。當(dāng)間隙兩側(cè)壓力不同時(shí)，磁流體發(fā)生變形和位移，磁流體所受的磁場(chǎng)力與兩側(cè)壓力差平衡，從而堵塞泄漏通路達(dá)到密封油霧的目的。

圖1　磁流體密封機(jī)理示意圖

根據(jù)電磁學(xué)原理，采用矢量分析法得到的磁流體耐壓值公式[3]：

Δp=ρMμHmax

(1)

式中:M為間隙中磁流體飽和磁化強(qiáng)度，A/M；Hmax為間隙中磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；μ為磁導(dǎo)率，H/m；ρ修正系數(shù)(≤1)。

單級(jí)磁流體能承受的最大密封壓力為[2,4]：

Δp=MsH

(2)

式中:Ms為間隙中磁流體飽和磁化強(qiáng)度，T；H為間隙中磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m。

公式(2)為磁流體密封設(shè)計(jì)最為常見和簡(jiǎn)便的公式。

在確定永磁體和磁流體后，達(dá)到最大的密封壓力，必須選擇和設(shè)計(jì)：

1) 合理的磁流體工作點(diǎn)；

2) 磁流體密封裝置中磁極的形狀及間隙。

間隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度能夠讓磁流體達(dá)到其飽和磁化強(qiáng)度，間隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度公式[5]：

(3)

式中:Hm為永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度；Bm為永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度；Vm為永磁體的體積；Vq為氣隙體積；Kf為漏磁系數(shù)；Kr磁阻系數(shù)。

HmBm永磁體工作點(diǎn)的磁能積。磁流體選定后，根據(jù)公式(3)，為了使磁流體的達(dá)到磁飽和強(qiáng)度，永磁體工作點(diǎn)常取在最大磁能積處,另外磁流體密封間隙的大小對(duì)其密封能力的影響也很大。

根據(jù)其他學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，最佳齒槽及永久磁鐵的尺寸參數(shù)見表1[4]

表1　最佳齒槽及永久磁鐵的尺寸參數(shù)　mm

2磁流體密封式油擋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水輪發(fā)電機(jī)用接觸式油擋的特點(diǎn)：

1) 油槽內(nèi)潤(rùn)滑油為透平油，油槽溫度不超過55℃，外部處于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)，根據(jù)通風(fēng)計(jì)算結(jié)果，接觸式油擋內(nèi)外壓差≤100 Pa。

2) 油擋處單邊最大振幅≤0.06 mm(n<100 r/min)。

3) 油擋采用分瓣結(jié)構(gòu)，采用定位銷定位。

根據(jù)表1及實(shí)際使用情況確定磁流體密封裝置結(jié)構(gòu)尺寸，見表2。

表2　水輪發(fā)電機(jī)油擋尺寸參數(shù)　mm

圖2　磁流體密封油擋結(jié)構(gòu)圖

將如圖1的磁流體密封裝置取代傳統(tǒng)的密封炭精體，構(gòu)成了磁流體密封油擋。

磁流體基液采用二脂基，飽和磁化強(qiáng)度0.025 T，永久磁鐵采用磁能積較高的釹鐵硼稀土永磁材料，間隙磁場(chǎng)強(qiáng)度H=800 000 A/m 密封級(jí)數(shù)N=2，安全系數(shù)ξ=2.5，則圖2磁流體密封油擋的能夠承受的密封壓力差為[2-3]：

Δpt大于油擋內(nèi)外壓差，證明這種磁流體密封油擋用于水輪發(fā)電機(jī)油槽，防止油槽甩油是能夠勝任的。

3結(jié)語

1) 密封能力隨δ的減小而增大，δ=0.05～0.3 mm時(shí)密封壓力最大，可達(dá)105Pa，δ>0.3時(shí)為104Pa，對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)油擋的密封已經(jīng)夠用了。

2) 如果附加徑向機(jī)械式碳精密封或增加磁流體密封級(jí)數(shù)，磁流體密封油擋可以實(shí)現(xiàn)更大的密封壓力。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊紅娟. 水輪機(jī)主軸磁流體密封技術(shù)的研究[D].甘肅：蘭州理工大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2007.

[2] 施文康, 陳文元. 旋轉(zhuǎn)軸的磁流體密封技術(shù)[J].精密制造與自動(dòng)化，1989(3)：21-23.

[3] 陳達(dá)暢. 磁流體密封裝置的設(shè)計(jì)與密封試驗(yàn)研究[D].廣東：汕頭大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005.

[4] 葛仕福, 吳金平. 離心風(fēng)機(jī)軸端采用磁流體密封的研究[J]. 流體機(jī)械, 2006,34(2) :19-21.

[5] 顧建明,許永興. 磁流體密封間隙對(duì)密封性能的影響[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),1999,33(3)：380-382.

魏玉國(guó)，男, 1980年生，工程師,長(zhǎng)期從事水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)工作。

作者簡(jiǎn)介：