傳統密封與磁流體密封在水輪機主軸上的運用分析

摘""要：傳統密封技術在水輪機主軸上應用廣泛，但隨著技術的發展和設備性能的提高，傳統密封技術的局限性逐漸顯現。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、高密封性能等優點，為水輪機主軸密封技術的發展提供了新的方向。對此，針對傳統密封與磁流體密封在水輪機主軸上的運用進行分析，探討兩種技術的優缺點及發展趨勢。

關鍵詞：傳統密封""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，nbsp;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""傳統密封技術

1.1"填料式密封

填料式密封是一種較為傳統的密封技術，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的磨損。這種密封形式構造相對簡單，但密封性受到環境因素的影響。由于密封環是固定的，隨著主軸的軸向擺動增大，密封環和主軸之間的間距逐漸減小，有時還會與密封環發生接觸，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，橡膠板和抗磨環共同作用，形成一種適用于高質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。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以下問題：（1）在空載運行時，水壓調整可能變得困難，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。具體數據詳見表1。傳統密封形式的最大缺點是磨損量大和旋轉軸產生的摩擦力矩大，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，確保其在基質液體中保持高度的穩定性。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的“O形密封圈”，從而發揮穩定的密封作用[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

傳統的密封形式主要依賴于橡膠密封塊和抗磨環來實現。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密封。磁流體本身具有流體的性質，在磁場的作用下，其黏度會發生改變。因此，在封腔內產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）選擇適當的液體載體，并添加表面活性劑、穩定劑等輔助劑，以提高磁流體的穩定性和流變性能；（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""磁流體密封發展趨勢

磁流體密封技術的發展是在工業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，而磁流體技術的發展為磁流體密封技術的發展提供了推動力。磁流體密封發展趨勢主要表現在以下幾個方面。

（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展提供堅實的理論基礎。

（2）以磁流體和被密封水兩個區域作為研究對象，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域的動態變化。隨后，根據這些處理后的網格進行各種計算，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。這不僅有助于優化設計，還可以在實際應用中預測可能出現的問題，提高系統的穩定性和可靠性。

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.磁體內嵌型磁流體密封裝置磁力特性數值研究[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.