除鐵器在立式泵磁懸浮軸承中的應(yīng)用

于仁萍，陳君輝，司國(guó)雷

(1.煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院，山東煙臺(tái)264670;2.烽火機(jī)械廠研發(fā)中心，四川成都611130)

磁懸浮軸承無(wú)接觸、不需潤(rùn)滑的特性，使得其在透平機(jī)械中的應(yīng)用廣泛。將磁懸浮軸承應(yīng)用于立式斜流泵中，相對(duì)當(dāng)前使用的滑動(dòng)軸承有諸多益處。目前關(guān)于磁軸承在立式斜流泵中的應(yīng)用研究主要集中在新結(jié)構(gòu)方面，缺乏對(duì)其實(shí)際應(yīng)用情況的研究。磁懸浮軸承立式斜流泵在工作時(shí)，輸送的流體中含有大小不一的鐵磁性顆粒。在磁力的吸引、流場(chǎng)的作用、顆粒之間及與固體碰撞下，有些鐵磁性顆粒易被吸附到磁軸承的工作間隙中，并與非磁性顆粒日久堆積造成磁軸承磨損。因此采用合適的裝置疏導(dǎo)這些易進(jìn)入磁懸浮軸承間隙的顆粒是很必要的。

目前，未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)解決磁懸浮軸承立式斜流泵中鐵磁性顆粒及非鐵磁性顆粒摻混到磁軸承工作間隙中的問(wèn)題。文中根據(jù)磁軸承工作間隙附近流場(chǎng)特性，在現(xiàn)有的磁軸承結(jié)構(gòu)上增設(shè)一個(gè)永磁除鐵器裝置。文中研究?jī)?nèi)容涉及磁-流-固耦合的多場(chǎng)耦合，旨在考察多場(chǎng)耦合條件下磁性顆粒與非磁性顆粒的動(dòng)力學(xué)行為。關(guān)于鐵磁性顆粒在磁場(chǎng)及流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多研究。前蘇聯(lián)著名學(xué)者FILIPPOV等［1］利用水、鐵顆粒作為流化介質(zhì)，在液固流化床外側(cè)施加由頻率為50 Hz 交流電產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，觀察不同的實(shí)驗(yàn)條件下，顆粒的流化特點(diǎn)。A C LUA 等［2］基于單絲對(duì)磁性顆粒的捕集建立高梯度磁場(chǎng)進(jìn)行磁力分離的模型。張夏等人［3-4］提出了考慮壁面粗糙度的雙流體顆粒-壁面碰撞模型，將軌道模型中顆粒碰壁模型考慮壁面粗糙度和雙流體模型中用概率密度函數(shù)積分法處理顆粒與光滑壁面碰撞模型的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，引入壁面粗糙度對(duì)碰壁顆粒湍流影響的機(jī)制。楊榮清［5］建立了試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)磁性顆粒在高梯度磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明:減小氣溶膠流量，增加外加均勻磁場(chǎng)的磁通密度，選用飽和磁化強(qiáng)度大的鐵磁性金屬絲組成格柵，減小金屬絲的直徑和增加格柵的排數(shù)都可以使格柵對(duì)顆粒物的捕集能力得以提高。張斌等人［6-7］采用歐拉雙流體模型方法，用一階隱式k-ε 雙方程湍流模型和相耦合SIMPLE 算法，使用FLUENT 軟件對(duì)磁流化床氣、固兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，然而在流化床上所加的外磁場(chǎng)是運(yùn)用UDF(User Define Function)在動(dòng)量方程的源項(xiàng)中加入磁場(chǎng)定義式的，而磁場(chǎng)的分布是強(qiáng)非線性的，運(yùn)用磁場(chǎng)定義式存在一定誤差，這就使得其結(jié)果和實(shí)際偏差較大。文中利用歐拉-歐拉雙流體模型，采用湍流模型，考慮外磁場(chǎng)的作用下液固耦合，通過(guò)COMSOL Multiphysics 軟件數(shù)值模擬，分析除鐵器周圍的顆粒相分布特性，證明永磁除鐵器裝置的可行性。

1 計(jì)算模型與方法

除鐵器在磁軸承中的安裝位置見(jiàn)圖1，為了便于分析永磁除鐵器的特性，對(duì)除鐵器模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并假定:

(1)通過(guò)的鐵磁顆粒均為球體，且半徑相同;

(2)鐵磁顆粒和水的溫度在各處均相同，它們之間無(wú)熱量交換;

(3)忽略轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的影響。

圖1 除鐵器裝置

1.1 質(zhì)量方程

式中:i表示液相或顆粒相，εi為i相體積分?jǐn)?shù)，v為速度矢量，ρi為i相密度，t為時(shí)間。

1.2 液相動(dòng)量守恒方程

式中:g 為重力加速度;p 為液體壓力;β 為液相與顆粒相之間的曳力系數(shù);τ1為液體應(yīng)力張量，其表達(dá)式為:

式中:Ⅰ為單位向量。

1.3 顆粒相動(dòng)量守恒方程

式中:Fm為顆粒所受磁力，τ2為顆粒相相應(yīng)力張量。

式中:Mp為顆粒相的磁化強(qiáng)度，χp為顆粒相的磁化率，μ0為真空磁導(dǎo)率。

式中:p2為顆粒相壓力，ξ2為顆粒相動(dòng)力黏度，μ2為顆粒相剪切黏度。

1.4 k-ε 雙方程

液相湍動(dòng)能和耗散率方程為:

式中:μl為湍流黏性系數(shù)，Gk為由平均速度梯度所引起的湍動(dòng)能的增量。

取:cμ=0.09，c1=1.44，c2=1.92，σk=1.0，σε=1.33。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

文中旨在研究外加磁場(chǎng)下泥沙顆粒-水多相耦合關(guān)系。設(shè)顆粒的平均直徑為0.1 mm，密度為2 500 kg/m3，顆粒相體積分?jǐn)?shù)為0.5%～6%。為了減小計(jì)算量和復(fù)雜度，簡(jiǎn)化模型并采用二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，所需參數(shù)為:永磁鐵磁化率750 A/m，充磁方向?yàn)閺较颍w粒相相對(duì)磁導(dǎo)率為2 000，動(dòng)力黏度為0.05 Pa·s，顆粒相和液相的初始速度為5 m/s。通過(guò)COMSOL Multiphysics 軟件數(shù)值模擬，得到圖2。

圖2 顆粒相隨時(shí)間變化的分布

從圖2 可以看出:遠(yuǎn)離磁軸承工作間隙的顆粒隨著流體的運(yùn)動(dòng)而被直接輸運(yùn)到泵出口。而除鐵器及磁軸承工作間隙周圍顆粒相的分布是動(dòng)態(tài)變化的，首先是靠近磁軸承工作間隙的顆粒相逐漸增加，這是由于顆粒相中的鐵磁性顆粒被除鐵器及磁軸承的磁力吸引的緣故。在外磁場(chǎng)中的磁性顆粒經(jīng)磁化，顆粒之間存在相互吸引作用，從而導(dǎo)致它們互相靠攏，聚集成團(tuán)，這些顆粒團(tuán)尺寸增大后不易通過(guò)間隙進(jìn)入到磁軸承工作間隙中。

隨著顆粒團(tuán)堆積，顆粒團(tuán)越來(lái)越大，懸浮在水中的非磁性顆粒由于相互之間的疏水作用而吸引并和磁性顆粒聚集成更大的團(tuán)塊。在體積比很小(小于0.5%)時(shí)，顆粒并不能形成長(zhǎng)鏈，而是形成大量的不連續(xù)獨(dú)立短鏈;體積比增加到1%時(shí)，短鏈之間發(fā)生聚集和交聯(lián)，產(chǎn)生大量的分支鏈。隨著體積比繼續(xù)增加，顆粒鏈之間聚集和交聯(lián)增多，顆粒鏈變粗而且形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［8］。粒團(tuán)除了受到磁力的作用，同時(shí)還受到自身的浮力及水流作用力等，使得粒團(tuán)外圍部分?jǐn)[脫磁力吸引而順著水流被沖走。這樣，這個(gè)顆粒團(tuán)慢慢變小，而后續(xù)的磁性顆粒又由于磁場(chǎng)的吸引而被吸附到除鐵器與磁軸承工作間隙周圍，使得粒團(tuán)變大，如此周期反復(fù)。

另外，鐵磁性顆粒被泥沙中的非磁性懸浮物包絡(luò)形成凝膠狀的物質(zhì)，由于泥沙顆粒表面的物理化學(xué)特性，使海水中的鹽離子會(huì)吸附在泥沙顆粒表面，并且顆粒間存在靜電排斥作用，形成雙電層結(jié)構(gòu)。同時(shí)，膠體顆粒間存在的vander Waals 力，使它們相互靠近［9-10］，不會(huì)進(jìn)入磁懸浮軸承的工作間隙中造成堵塞。

3 結(jié)論

提出一種應(yīng)用于磁軸承立式斜流泵的除鐵器裝置，有限元分析結(jié)果表明:

(1)遠(yuǎn)離磁軸承工作間隙區(qū)域的鐵磁性顆粒和非磁性顆粒隨流場(chǎng)流動(dòng)方向流動(dòng)并被輸運(yùn)至泵出口。

(2)磁軸承工作間隙周圍的鐵磁性顆粒能夠較好地被除鐵器吸附，不會(huì)進(jìn)入磁軸承工作間隙中。

(3)磁軸承工作間隙周圍的非磁性懸浮物容易與磁性顆粒絮凝成團(tuán)。由于磁吸引的作用，鐵磁性顆粒被泥沙中的非磁性懸浮物包絡(luò)形成凝膠狀的物質(zhì)不會(huì)進(jìn)入磁軸承工作間隙中。

(4)文中所述除鐵器結(jié)構(gòu)能有效地解決磁懸浮軸承立式斜流泵中鐵磁性顆粒及非鐵磁性顆粒摻混到磁軸承工作間隙中的問(wèn)題，進(jìn)而提高磁軸承正常工作的可靠性。

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