為了解決目前常用的水輪機主軸密封裝置易磨損、泄漏量大的問題，在水輪機主軸上采用磁流體密封技術。該密封技術具有無剛性接觸，無磨損，可自行修復，壽命長等優(yōu)點，選擇適合密封水介質(zhì)的油基四氧化三鐵磁流體作為密封材料，磁性能高且價格低廉的釹鐵硼永磁材料提供外磁場，并使用電磁場分析軟件進行仿真計算. 仿真結(jié)果表明: 軸向密封靠近轉(zhuǎn)軸處，徑向密封靠近導磁體處，密封能力最差，最易失效; 齒形、密封間隙等結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能影響較大，且在一定的數(shù)值范圍內(nèi)密封能力較強. 結(jié)合水輪機主軸密封的特點，設計出適合水輪機主軸的軸向與徑向密封組合的矩形齒磁流體密封裝置，軸向密封總級數(shù)為48 級，徑向密封總級數(shù)為20 ～ 24級，總的密封壓差Δp > 0. 5 MPa。

　　我國水力資源豐富，水電事業(yè)相對發(fā)達，目前裝機總量已達2 億多kW，占水電資源可開發(fā)量的30% ～ 40%，水力發(fā)電在電力行業(yè)中占有重要地位，但我國水力發(fā)電水平離發(fā)達國家的平均水平尚有一段距離，且主要集中在東部地區(qū)，繼續(xù)開發(fā)特別是在西部開發(fā)水電工程可以帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益. 作為水電工程重要裝備之一的水輪機的發(fā)展對水電事業(yè)影響重大，目前，水輪機主軸主要采用填料密封、橡膠平板密封、葉片密封、端面密封等接觸式密封形式，但因主軸易磨損，泄漏量大，嚴重時會使水輪機無法工作，需要停機對主軸進行檢修，機組壽命被縮短，也造成了經(jīng)濟損失。近幾年出現(xiàn)的橡膠柱塞密封和螺旋密封，雖然密封性能較好，但制造成本很高，且安裝、維修困難，所以真空技術網(wǎng)(http://m.mp99x.cn/)認為主軸密封問題是各中小水電站亟待解決的問題，備受發(fā)電行業(yè)和學者關注。

　　磁流體又稱為磁液或鐵磁流體，具有磁性和液體特性，在外加磁場作用下，磁流體能夠產(chǎn)生較大的磁化強度. 磁流體密封技術是一項新的密封技術，磁流體密封現(xiàn)在已成功應用在精密機械、氣體密封、真空密封、壓力密封、旋轉(zhuǎn)密封等領域. 文中利用磁流體密封的原理，研究疏水磁流體，設計出適合水輪機主軸的磁流體密封裝置，使運動件和靜止件之間無剛性接觸、無磨損，并且可自行修復，能夠長時間可靠地工作( 正常壽命10 a 左右) ，有效地解決了水輪機主軸的密封問題。

1、磁流體密封原理

　　磁流體密封結(jié)構(gòu)如圖1 所示，環(huán)狀永磁體、極靴導磁體與主軸形成磁性回路，磁性液體因納米磁性微粒具有被磁控的特性，在磁場作用下，聚集在極靴的極齒與旋轉(zhuǎn)軸之間的間隙處，從而形成磁性液體的“O”形環(huán)，實現(xiàn)密封。

圖1 磁流體密封結(jié)構(gòu)原理圖

　　當磁流體兩邊無外加壓差時，磁流體所受磁場力為零，穩(wěn)定于極齒下，當兩邊壓力不相等，存在外加壓差時，磁流體將發(fā)生變形而產(chǎn)生磁場力，磁場力將與外加壓差相平衡，達到密封目的. 磁場力的大小取決于磁流體的位置和形狀. 當外加壓差增大到一定數(shù)值時，磁場力不再與外力相平衡，磁流體亦不再處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，密封將失效.當主軸旋轉(zhuǎn)時，同一半徑任意兩點之間密封壓差為

　　式中: Ms為磁流體飽和磁化強度; B1，B2為密封間隙內(nèi)任意兩點的磁感應強度; h1，h2為距參考點的垂直向下距離.對于同一徑向處，

　　由式( 3) 可以看出，密封結(jié)構(gòu)中密封間隙的磁場梯度ΔBsum = B2 - B1越大，密封壓力差Δp 越大，密封能力越強.對于多級密封，Δp = ΣΔpi，總密封壓差為各密封壓差之和，所以在條件允許的情況下，可以通過增加密封級數(shù)來提高密封能力。

2、水輪機主軸磁流體密封裝置設計

　　水輪機主軸密封具有以下特點: ① 密封有一定壓力的水介質(zhì); ② 密封軸徑大，受主軸表面加工精度和徑向跳動影響，密封間隙較大; ③ 水介質(zhì)里含有泥沙.

　　影響磁流體密封能力的主要因素有密封裝置結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速、工作溫度等. 對于水輪機主軸密封，軸的轉(zhuǎn)速不高，且工作在水介質(zhì)中，轉(zhuǎn)速和溫度對密封能力的影響相對較小，密封裝置的結(jié)構(gòu)對密封能力的影響較大，所以文中主要對密封裝置的結(jié)構(gòu)進行設計，主要內(nèi)容包括: 針對密封介質(zhì)，配制磁流體;根據(jù)密封轉(zhuǎn)軸半徑，確定永久磁鐵的尺寸和材料; 根據(jù)工藝、密封壓差和密封能力，利用仿真軟件進行仿真分析，設計出極靴磁極的齒形、級數(shù)、密封間隙大小，其中極靴的極齒形狀和密封間隙對密封能力起著決定性的影響. 文中，水輪機主軸封水直徑為200mm，水頭為50 m，根據(jù)ρgH = 12 ρυ2 + pγ，密封壓差Δp < 0. 5 MPa.

2.1、磁流體材料選擇和永磁鐵材料確定

　　磁流體由磁性微粒、表面活性劑和基液3 個部分組成，是一種具有軟磁性固液相混的懸浮狀膠體.

　　磁性微粒通常為四氧化三鐵、氮化鐵、赤鐵礦及稀土合金等，其中氮化鐵的磁流體飽和磁化強度最高，但四氧化三鐵穩(wěn)定性最好，目前最常用的是四氧化三鐵粉末. 基液主要有水基、油基、酯基等，一般為非導電性液體，其中油基流體具有疏水性，適合密封水介質(zhì)，綜合考慮黏度、密度、飽和磁化強度，文中選用油基四氧化三鐵磁流體，其飽和磁化強度為0. 04 T.

　　目前常用的永久磁鐵材料有鐵氧體、釹鐵硼和鋁鎳鈷，釹鐵硼( NdFeB) 是由稀土元素Re 與鐵、硼組成的金屬間化合物，磁性能比鐵氧體、鋁鎳鈷高出許多，且因為不含戰(zhàn)略金屬鎳和鈷，價格較低，在很多領域，如儀器儀表、汽車工業(yè)、石油化工產(chǎn)業(yè)等方面，它取代了傳統(tǒng)的鐵氧體等材料. 文中，采用釹鐵硼作為永磁材料，提供磁場，但由于其耐腐蝕性差，所以在密封裝置中對永磁鐵表面應進行包覆處理.

2.2、密封組件結(jié)構(gòu)參數(shù)設計

　　水輪機主軸密封間隙較大，且密封介質(zhì)對磁流體有沖刷作用，為提高密封能力，文中將水輪機主軸密封裝置設計成軸向與徑向密封組合的矩形齒結(jié)構(gòu)，矩形齒耐壓能力大，且兩側(cè)耐壓能力相同. 在軸向密封部分，為使加工工藝簡單，矩形齒在轉(zhuǎn)軸上開槽，而徑向密封在端面開槽，可設計成對齒結(jié)構(gòu)，以增加聚磁能力.

　　為獲得密封間隙內(nèi)的磁感應強度分布，采用Ansys 軟件中的電磁場有限元分析模塊，對水輪機主軸磁流體密封結(jié)構(gòu)進行建模、劃分網(wǎng)格、加載、求解. 模擬過程中，材料屬性的定義如下: ① 空氣相對磁導率為MURX1. 0; ② 永磁材料為NdFeB，矯頑力( coercive force ) MGXX，MGYY，MGZZ 分別為0，975 000，0 A/m; ③ 導磁材料選擇模型庫里的SA1010，即10#碳鋼材料，B - H 曲線可直接導出; ④主軸材料為45#鋼; ⑤ 磁流體飽和磁化強度低，相對磁導率MURX 可設為1.圖2 為密封裝置模型，劃分網(wǎng)格后，將生成如圖3 所示有限元模型，然后對有限元模型周圍的空氣施加磁力線平行邊界條件，運行Main menu > Solution> Solve 進行求解運算，執(zhí)行Main menu > Generalpostproc > Plot results > - Contour plot - 2D Fluxlines 命令，得其磁力線分布如圖4 所示.由圖4 可知，在密封間隙處，磁力線分布密集，周圍漏磁較少，可以很好地將磁流體聚集在極齒之下。

圖2 密封裝置模型

圖3 密封裝置有限元模型

圖4 密封裝置磁力線分布

　　在密封間隙內(nèi)由于各處磁場分布不同，根據(jù)式( 3) 可知，各處密封能力也不相同. 在軸向和徑向間隙內(nèi)分別定義3 條縱向和徑向軌線，通過軌線上的磁場分布，分析密封間隙內(nèi)磁場分布情況，軸向和徑向密封裝置各軌線上磁力線分布分別如圖5，6 所示. 圖中波峰為極齒對應的密封間隙內(nèi)軌線上的磁感應強度，波谷為齒槽對應密封間隙內(nèi)軌線上的磁感應強度，波峰與波谷之差即為磁場梯度ΔBsum，ΔBsum越大，密封壓差越大，密封能力越好，反之亦然. 從圖5，6還可以看出，在軸向密封中，左軌線即靠近轉(zhuǎn)軸一側(cè)，徑向密封中下軌線即靠近導磁體一側(cè)，ΔBsum在3 條軌線中最小，密封能力最差，密封最先失效，因此主要從這2 條軌線處對磁場進行分析設計。

圖5 軸向密封間隙各軌線上的磁場分布

圖6 徑向密封間隙各軌線上的磁場分布

　　對極齒寬度bj、極齒高度hj、齒槽寬度bs、密封間隙lg等結(jié)構(gòu)參數(shù)的一系列值進行計算與仿真，分析密封能力最差的軌線上的磁場分布，其結(jié)果如圖7 所示. 由圖可知，結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能影響很大，且當極齒寬度bj = 0. 5 ～ 1. 0 mm，齒槽寬度bs =1. 5 ～ 2. 0 mm，極齒高度hj = 1. 5 ～ 2. 0 mm，密封間隙lg = 0. 05 ～ 0. 30 mm 時密封能力較強。

圖7 密封裝置系列結(jié)構(gòu)參數(shù)的軌線上的磁場梯度ΔBsum

圖8 水輪機主軸磁流體密封裝置模型圖

　　在磁流體密封裝置中，參數(shù)確定時需考慮: ①永磁體體積增大，能相應增大極靴磁通，當極靴磁通飽和后，再增加永磁體體積，密封能力將不再增加，而且會造成很大的漏磁; ② 當永磁體施加的磁場強度一定，在密封級數(shù)較少時，耐壓能力將隨級數(shù)的增加而增加，但級數(shù)再增加時，耐壓能力會由于每級的磁場減小而下降; ③ 總的密封壓差的大小; ④ 軸向、徑向的尺寸限制; ⑤ 選取密封間隙lg應大于3倍轉(zhuǎn)軸徑向跳動誤差，若小于該值會導致密封失效.綜合考慮上述問題，確定水輪機的主軸密封結(jié)構(gòu)參數(shù): 極齒寬度bj = 1 mm，齒槽寬度bs = 1. 5 mm，極齒高度hj = 2 mm，密封間隙lg為0. 1 ～ 0. 3 mm，軸向永磁體軸向長度laa為20 ～ 30 mm，軸向永磁體徑向?qū)挾萣ar為20 ～ 25 mm，徑向永磁體軸向長度lra為20～ 30 mm，徑向永磁體徑向?qū)挾萣rr為40 ～ 50 mm. 結(jié)構(gòu)和材料見圖8。

　　軸向密封總級數(shù)為48 級，共2 塊永磁體，4 個極靴，每個極靴上12 級，相鄰極靴之間及周圍為非導磁材料，防止磁能外漏，徑向密封總級數(shù)為20 ～24 級，由環(huán)狀永磁體和導磁體組成。

3、結(jié)論

　　針對水輪機主軸特點，利用Ansys 中的電磁場分析軟件，對一系列結(jié)構(gòu)參數(shù)進行建模、劃分網(wǎng)格、施加邊界、求解、分析結(jié)果，設計出了一套水輪機主軸磁流體密封裝置. 得到如下結(jié)論:

　　1) 對于磁流體密封裝置，軸向密封靠近轉(zhuǎn)軸處，徑向密封靠近導磁體處，密封能力最差，最易失效.

　　2) 極齒寬度、極齒高度、齒槽寬度、密封間隙等結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能影響很大，且在一定的數(shù)值范圍內(nèi)密封能力較強.

　　3) 在空間允許的情況下，欲提高磁流體密封裝置的密封能力，可再增加密封級數(shù).

　　4) 水輪機主軸密封裝置密封水介質(zhì)，油基四氧化三鐵磁流體具有疏水特性.