接触式油挡采用磁流体密封的研究

魏玉国

(哈尔滨电机厂有限责任公司, 黑龙江哈尔滨　150040)



接触式油挡采用磁流体密封的研究

魏玉国

(哈尔滨电机厂有限责任公司, 黑龙江哈尔滨150040)

摘要：介绍了磁流体的物理特性、磁流体密封的机理及密封设计原理图、承受密封压力的计算公式。给出了根据水轮发电机立式轴承油槽实际尺寸设计的磁流体密封装置的尺寸、结构。指出根据计算，磁流体密封能承受的密封压力可达104Pa，完全可以用于水轮发电机立式轴承油槽的密封。

关键词：水轮发电机；轴承；轴承密封；磁流体

0引言

目前，水轮发电机油槽的接触式油挡普遍采用径向机械式碳精密封。它靠弹簧力实现炭精块的自动径向补偿，具有耐磨损、摩擦阻力小的特点。但由于炭精块之间存在缝隙及弹簧压力的限制，无法实现零泄漏，高压差密封。

磁流体密封具有零泄露，低磨损和长寿命的特点[1]，一般适用在-20℃～-75℃，线速度0～100 m/s，广泛应用于防尘密封和真空密封领域。以磁流体作为密封介质的接触式油挡，可以解决水轮发电机油槽的甩油问题。

1磁流体密封机理及设计依据

图1示意了磁流体密封机理。磁流体密封装置由外壳、永磁体、磁极、转轴和磁流体所组成。其中永磁体为硬磁材料；磁极与转轴为软磁材料。导磁性能好；外壳为非导磁材料；磁极和转轴之间留有一定的密封间隙，在密封间隙内充入磁流体。

磁流体是一种对磁场敏感且可流动的液体磁性材料，是由磁性颗粒(Fe3O4或CrO2颗粒,直径2.5×10-3～15×10-3μm)分散剂包覆后，高度弥散悬浮在载液中所形成的一种稳定固液两相胶体[2]。

永磁体、磁极、转轴、磁流体构成一个封闭磁路，非导磁的外壳减少了漏磁。利用永磁体产生的强磁场，借助矩形的磁极所造成的磁场梯度，将磁流体固定保持在相对运动的间隙内，形成液体的“O”型密封环。当间隙两侧压力不同时，磁流体发生变形和位移，磁流体所受的磁场力与两侧压力差平衡，从而堵塞泄漏通路达到密封油雾的目的。

图1　磁流体密封机理示意图

根据电磁学原理，采用矢量分析法得到的磁流体耐压值公式[3]：

Δp=ρMμHmax

(1)

式中:M为间隙中磁流体饱和磁化强度，A/M；Hmax为间隙中磁场强度，A/m；μ为磁导率，H/m；ρ修正系数(≤1)。

单级磁流体能承受的最大密封压力为[2,4]：

Δp=MsH

(2)

式中:Ms为间隙中磁流体饱和磁化强度，T；H为间隙中磁场强度，A/m。

公式(2)为磁流体密封设计最为常见和简便的公式。

在确定永磁体和磁流体后，达到最大的密封压力，必须选择和设计：

1) 合理的磁流体工作点；

2) 磁流体密封装置中磁极的形状及间隙。

间隙中的磁场强度能够让磁流体达到其饱和磁化强度，间隙中的磁感应强度公式[5]：

(3)

式中:Hm为永磁体的磁感应强度；Bm为永磁体的磁感应强度；Vm为永磁体的体积；Vq为气隙体积；Kf为漏磁系数；Kr磁阻系数。

HmBm永磁体工作点的磁能积。磁流体选定后，根据公式(3)，为了使磁流体的达到磁饱和强度，永磁体工作点常取在最大磁能积处,另外磁流体密封间隙的大小对其密封能力的影响也很大。

根据其他学者的经验总结，最佳齿槽及永久磁铁的尺寸参数见表1[4]

表1　最佳齿槽及永久磁铁的尺寸参数　mm

2磁流体密封式油挡的结构设计

水轮发电机用接触式油挡的特点：

1) 油槽内润滑油为透平油，油槽温度不超过55℃，外部处于转子旋转产生的负压区，根据通风计算结果，接触式油挡内外压差≤100 Pa。

2) 油挡处单边最大振幅≤0.06 mm(n<100 r/min)。

3) 油挡采用分瓣结构，采用定位销定位。

根据表1及实际使用情况确定磁流体密封装置结构尺寸，见表2。

表2　水轮发电机油挡尺寸参数　mm

图2　磁流体密封油挡结构图

将如图1的磁流体密封装置取代传统的密封炭精体，构成了磁流体密封油挡。

磁流体基液采用二脂基，饱和磁化强度0.025 T，永久磁铁采用磁能积较高的钕铁硼稀土永磁材料，间隙磁场强度H=800 000 A/m 密封级数N=2，安全系数ξ=2.5，则图2磁流体密封油挡的能够承受的密封压力差为[2-3]：

Δpt大于油挡内外压差，证明这种磁流体密封油挡用于水轮发电机油槽，防止油槽甩油是能够胜任的。

3结语

1) 密封能力随δ的减小而增大，δ=0.05～0.3 mm时密封压力最大，可达105Pa，δ>0.3时为104Pa，对于水轮发电机油挡的密封已经够用了。

2) 如果附加径向机械式碳精密封或增加磁流体密封级数，磁流体密封油挡可以实现更大的密封压力。

参考文献

[1] 杨红娟. 水轮机主轴磁流体密封技术的研究[D].甘肃：兰州理工大学硕士学位论文, 2007.

[2] 施文康, 陈文元. 旋转轴的磁流体密封技术[J].精密制造与自动化，1989(3)：21-23.

[3] 陈达畅. 磁流体密封装置的设计与密封试验研究[D].广东：汕头大学硕士学位论文,2005.

[4] 葛仕福, 吴金平. 离心风机轴端采用磁流体密封的研究[J]. 流体机械, 2006,34(2) :19-21.

[5] 顾建明,许永兴. 磁流体密封间隙对密封性能的影响[J]. 上海交通大学学报,1999,33(3)：380-382.

魏玉国，男, 1980年生，工程师,长期从事水轮发电机的设计工作。

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