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

        2021-11-04 07:57:46邢斐斐郝瑞參田寶川
        潤滑與密封 2021年10期
        關(guān)鍵詞:磁場強(qiáng)度耐壓離心泵

        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,在環(huán)保工程項(xiàng)目的設(shè)備使用和維修中,對于軸封的維修工作量占機(jī)泵維修工作量的40%~50%。 而對于離心泵,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。本文作者針對垃圾焚燒工程急冷系統(tǒng)中高速離心泵密封問題,設(shè)計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

        圖1所示為本文作者設(shè)計的急冷系統(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個永久磁鐵,每個永久磁鐵對應(yīng)一對極靴及8個極齒,相互間構(gòu)成多個磁回路,齒形為小矩形,齒數(shù)24,各齒尺寸相同,設(shè)計成為5槽6極24齒的密封結(jié)構(gòu)。

        齒形結(jié)構(gòu)采用1個極靴對4個矩形極齒,形成多個磁回路,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,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,溫度會對耐壓產(chǎn)生一定影響??紤]溫度因素時,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三維實(shí)體模型,由于整個裝置是軸對稱的,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)平面模型的對稱性,取1/4進(jìn)行分析計算。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個對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,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,給每個極齒的端點(diǎn)處定義一個點(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,最外側(cè)的極靴下對應(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個極靴下產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度差。當(dāng)間隙增大時,每個極靴下的矩形齒產(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,取絕對溫度T=320 K,Bolzman常數(shù)K=1.36×10-23J/K,有:

        δ=0.7 mm時,

        79.62×1.76-0.88-0.22=3.103×105Pa

        δ=0.6 mm時,

        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,

        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,

        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)時間小于5 s。圖4所示為實(shí)驗(yàn)臺組成示意圖,圖5所示為實(shí)驗(yàn)裝置。

        圖4 實(shí)驗(yàn)臺組成示意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)時間。

        根據(jù)表1的數(shù)據(jù)得到曲線如圖6所示。對于典型密封間隙0.15 mm,單級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)計的旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu),間隙0.4 mm時單級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)振動的跟隨性,因此密封有時可達(dá)到0.7 mm,在此間隙下,文中設(shè)計的單級密封耐壓能力達(dá)到51.7 kPa(0.7 mm時總耐壓為310.3 kPa,密封級數(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)針對垃圾焚燒工程急冷系統(tǒng)中高速離心泵密封問題,設(shè)計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時單級密封耐壓能力達(dá)到51.7 kPa。

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