水輪機(jī)主軸磁流體密封界面穩(wěn)定性研究與分析

董冰 倪家彬 蘇瑩 任意

摘 要：磁流體密封作為一種新型的磁流體密封方式，現(xiàn)已在氣體密封方面得到廣泛應(yīng)用，而磁流體液體密封因界面不穩(wěn)定未得到實(shí)踐。因此，本文首先分析了水輪機(jī)主軸磁流體密封液液穩(wěn)定性機(jī)理，然后從液體分層和界面波動(dòng)性上對(duì)磁流體密封液液界面穩(wěn)定性分析，從而得出磁流體密封界面穩(wěn)定性相關(guān)結(jié)論，從而為水輪機(jī)主軸磁流體密封提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)主軸;磁流體密封;液體分層;界面穩(wěn)定性

引言

磁流體，又被稱(chēng)為磁性納米流體、磁性膠體或鐵磁流體。磁流體主要由納米固體磁性顆粒、基液和表面分散劑三部分組成。納米固體磁性顆粒，又稱(chēng)為分散相，粒子直徑大小一般為3～10nm，其中主要由強(qiáng)磁性的元素及其化合物組成。基液，又稱(chēng)為分散介質(zhì)，主要分為極性和非極性?xún)纱箢?lèi)。表面活性劑，又稱(chēng)為分散劑，主要作用是將固體磁性顆粒均勻分散于基液中，防止固體磁性顆粒在基液中發(fā)生聚沉。磁流體相對(duì)于其他液體而言，可在外磁場(chǎng)的作用下，可以改變介質(zhì)的物理性質(zhì)，從而顯現(xiàn)表觀磁性。因此，磁流體也用于密封行業(yè)。同時(shí)，磁流體相對(duì)于傳統(tǒng)密封而言，具有零泄漏、使用壽命長(zhǎng)、可靠性高和完全無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)得到廣泛研究。但是，目前磁流體密封還存在較多的問(wèn)題，還不能用于長(zhǎng)時(shí)間密封液體，對(duì)于氣體密封而言，現(xiàn)已得到廣泛的應(yīng)用。磁流體密封失效的主要問(wèn)題在于磁流體密封液體界面的不穩(wěn)定，從而造成磁流體密封失效。所以，本文從磁流體密封液液界面的形成機(jī)理、液液界面穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行分析，再提出相關(guān)措施，從而為磁流體密封液液界面的穩(wěn)定性提供技術(shù)支撐。

1.磁流體密封液液界面形成

界面主要指兩個(gè)不同相的物體的交界處，也就是兩個(gè)物體之間的過(guò)渡層。根據(jù)物質(zhì)的不同，界面主要分為六種，分別為氣氣界面、氣液界面、氣固界面、液液界面、液固和固固界面。界面并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的二維幾何界面，主要是由一相過(guò)渡到另外一相的過(guò)渡區(qū)域，在物理化學(xué)性質(zhì)上和界面兩側(cè)的相有明顯的區(qū)別。對(duì)于界面的研究也較多，例如界面張力、界面自由能、界面吸附、界面擾動(dòng)性和界面定向性質(zhì)等。對(duì)于液液界面而言，界面的形成主要分為三種方式，黏附、鋪展和分散。而磁流體密封液液界面的形成主要是黏附，黏附是指兩種液體進(jìn)行接觸，各自失去自己氣液界面從而形成液液界面的過(guò)程。

2.磁流體密封液液界面穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性是指動(dòng)力系統(tǒng)中對(duì)平衡位置附近施加小擾動(dòng)表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)。磁流體的穩(wěn)定性是指磁流體的某些性質(zhì)，例如分散相濃度、顆粒大小、粘度和密度等穩(wěn)定性。磁流體的穩(wěn)定性主要分為兩個(gè)大的部分，磁流體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和界面的穩(wěn)定，而本文主要研究的是磁流體界面的穩(wěn)定。磁流體界面的穩(wěn)定性是指磁流體與被密封液體之間在相對(duì)靜止或運(yùn)動(dòng)時(shí)，不發(fā)生相對(duì)滲透和混合，具有明顯的分層。

2.1從流體方面討論界面穩(wěn)定性

在穩(wěn)定狀態(tài)下的磁流體密封液液界面，可理解為兩種液體形成了一個(gè)平衡體系。可是，每種液體分子之間的距離不同，但有一定的平均值，各分子之間不會(huì)借助于熱運(yùn)動(dòng)而分散。可是，由于兩種液體的密度不同，分子直徑不同，所以位于界面的分子兩側(cè)分子的吸引力不同，界面分子會(huì)從密度小的一側(cè)流向大的一側(cè)，從而發(fā)生混溶。

此外，液體是具有粘性的，各液體之間的粘性不同，所以?xún)梢后w發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體界面將產(chǎn)生剪切力，從而形成流體的內(nèi)摩擦，從而使得流動(dòng)較快的液體（磁流體）發(fā)生減速，流動(dòng)較慢的液體（被密封液）增速。此外，由流體力學(xué)剪切力公式可得，液體的粘度越大，內(nèi)摩擦力越大，而根據(jù)現(xiàn)有研究可得，磁流體的密度一般高度高于被密封液體，而且粘度值也大于被密封液體，所以在磁流體液體的熱效應(yīng)高于被密封液體，進(jìn)一步加劇了磁流體密封界面低密度液體向高密度液體流動(dòng)，增加混溶。

2.2從界面波動(dòng)方面討論界面穩(wěn)定性

對(duì)于靜止或者流動(dòng)的液體而言，無(wú)限小的擾動(dòng)總是存在的，從嚴(yán)格意義上而言，沒(méi)有完全穩(wěn)定的液體，所以液體穩(wěn)定性是相對(duì)而言，指液體在一定范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。而擾動(dòng)一般是以波的形式出現(xiàn)的，在真實(shí)環(huán)境小，液體一般會(huì)存在許多的波動(dòng)，如果某種擾動(dòng)破壞了初始的定常狀態(tài)，使之不能維持定常狀態(tài)，則它為不穩(wěn)定。對(duì)于磁流體密封而言，如果界面在受到擾動(dòng)后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間后能夠恢復(fù)原來(lái)的定常狀態(tài)，那么可視為穩(wěn)定;如果界面受到擾動(dòng)后，永遠(yuǎn)恢復(fù)不到原來(lái)的狀態(tài)，那么視為不穩(wěn)定。

3.磁流體密封液液界面穩(wěn)定性措施

從流體方面和界面波動(dòng)方面研究了磁流體密封液液界面的穩(wěn)定性，根據(jù)液液界面形成波動(dòng)的原因，從而提出提高磁流體密封界面穩(wěn)定的措施。

（1）磁流體密封液液界面的低密度區(qū)域?qū)儆诘妥杂赡軈^(qū)域，所以可以通過(guò)人為方式增加低密度區(qū)域的自由能，將密度小的液體變?yōu)楦吣芊肿樱瑥亩朔芏却蟮姆肿訉?duì)密度小的分子吸引力。

（2）磁流體密封高密度區(qū)域?qū)儆诟咦杂赡軈^(qū)域，一般來(lái)說(shuō)液體粘度較大，所以可采用一些降低自由能的方式，從而減小高密度自由能。例如，增加散熱、增大接觸面積等方式。

（3）磁流體密封液液界面雖然不能保持絕對(duì)的相對(duì)穩(wěn)定，但是在條件允許下，可以盡量減少對(duì)界面的擾動(dòng)，以減小不穩(wěn)定的發(fā)生。

4.結(jié)論

磁流體密封作為一種新型的磁流體密封方式，相對(duì)于其他傳統(tǒng)密封方式而言，具有較多的優(yōu)點(diǎn)。磁流體密封的不穩(wěn)定是造成密封失效的關(guān)鍵因素，可通過(guò)提高低密度區(qū)域自由能、降低高密度區(qū)域自由能和盡量減小對(duì)密封界面的擾動(dòng)，從而增強(qiáng)液液界面的穩(wěn)定性，提高磁流體密封性能。

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