高速離心泵磁性液體新型旋轉密封結構的設計及實驗研究*

邢斐斐 季 君 郝瑞參 蘆 璐 田寶川

(1.北京電子科技職業學院基礎學院 北京 100176；2.北京電子科技職業學院機電學院 北京 100176；3.北京電子科技職業學院汽車工程學院 北京 100176)

經統計，在環保工程項目的設備使用和維修中，對于軸封的維修工作量占機泵維修工作量的40%～50%。 而對于離心泵，它的維修費約有70%用于處理密封故障。在離心式壓縮機的維修中，潤滑和密封系統的故障占55%～60%。美國密封方面的專家認為，由于開發密封技術，僅汽輪機一項，每年節約能源費用3億美元[1]。全世界軸承年銷售額為90億美元，其中90%未達到設計壽命，而軸承早期失效原因中，75%是油封失效，僅此一項損失60億美元。以北京某垃圾焚燒項目中急冷泵站為例，采用傳統接觸式機械軸封密封，在正常運行后的一年內，由于急冷水泵的密封失效導致項目中斷3次，由此帶來的檢修問題和正常項目運行問題不容忽視。

磁性液體密封是一種新型的無接觸型密封，依靠液體材料填充密封間隙的方式實現密封功能，具有傳統機械密封無法超越的優點[2-3]。環保項目中的垃圾焚燒工程需使用高速運行離心泵作為急冷裝置，給煙氣降溫，根據垃圾焚燒處理量的規模，這種離心泵高速旋轉轉速在3 000～4 500 r/min之間，揚程通常為120～160 m，有些日處理量比較大的垃圾焚燒項目揚程為200 m以上。本文作者針對垃圾焚燒工程急冷系統中高速離心泵密封問題，設計一種五極六靴二十四齒的磁性液體旋轉密封裝置，理論推導考慮溫度和離心力因素的磁性液體密封耐壓公式，采用Ansys有限元分析軟件計算磁性液體磁場分布，并通過實驗進行驗證。

1 密封結構的設計

圖1所示為本文作者設計的急冷系統中高速離心泵所用的磁性液體旋轉密封結構及密封核心部位放大。密封裝置包括永磁鐵、密封腔、極齒、極靴等。

圖1 磁性液體大間隙密封結構及局部放大Fig 1 The large gap ferrofluid sealing structureand partial magnification

密封裝置設有5個永久磁鐵，每個永久磁鐵對應一對極靴及8個極齒，相互間構成多個磁回路，齒形為小矩形，齒數24，各齒尺寸相同，設計成為5槽6極24齒的密封結構。

齒形結構采用1個極靴對4個矩形極齒，形成多個磁回路，矩形齒加工簡單，性能易保證，具有更大的磁場梯度，且能夠有效地減小磁阻，從而預期能夠使得密封耐壓能力大大提高。

密封腔外殼采用304不銹鋼，此材質為非導磁材料；永磁鐵為釹鐵硼，釹鐵硼的磁能積大，磁場強度高；極靴極齒選用電工純鐵；旋轉軸選用1Cr13，通過加工中心軸軸徑獲取不同的密封間隙。磁極與非導磁外殼間密封采用“O”形密封圈。

2 耐壓公式推導

Δp=nμ0Ms(Hmax-Hmin)

(1)

式中：n為密封級數；μ0為真空磁導率；Ms為磁性液體的飽和磁化強度；Hmax和Hmin分別為密封間隙處磁場強度的最大值和最小值。

由于離心泵高速運行，這里考慮離心力的“負作用”，表現為軸徑和轉速對密封能力的影響很大[5]。假設磁性液體黏度為常數，定常不可壓縮，溫度均勻，作層流運動，可得旋轉密封近似的耐壓公式[6-7]為

(2)

式中：ρ為磁性液體的密度；δ為密封層高度；R為軸半徑；v0為線速度。

當急冷泵工作時，溫度會對耐壓產生一定影響。考慮溫度因素時，磁性液體的磁化強度M[8-10]可近似表示為

(3)

式中：m為磁性液體中一個強磁性膠體粒子的永久磁矩；n′代表在磁性液體單位體積中的膠體粒子數；K為Bolzman常數，K=1.36×10-23J/K；T為絕對溫度。

(4)

把M(H)代入式(2)，得

(5)

因此，Δp為T的一次函數，即密封耐壓隨著溫度的升高而降低，Δp為v0的二次函數，由于v0≥0，Δp隨著轉速的增加而2次指數性降低。實際運行過程中，密封耐壓能力是否受溫度、轉速的影響，取決于密封間隙處磁場梯度的大小。因此，密封結構的設計至關重要。

3 有限元分析

3.1 有限元分析步驟

采用ANSYS有限元分析軟件，對密封結構中磁場分布特點進行了分析，得到磁感應強度、磁路的磁場線等值分布及磁場強度矢量分布。

磁性液體密封裝置是一個三維實體模型，由于整個裝置是軸對稱的，建模過程中，將磁路簡化成過中心軸的截面平面圖形，并根據平面模型的對稱性，取1/4進行分析計算。密封結構的物理環境主要包括各單元及選項的確定，如永磁體材料、磁極、磁性液體、轉軸以及空氣等非導磁材料性能數據的輸入。將參考框設為Magnetic-Nodal，采用PLANE53平面單元，永磁體為Nd-Fe-B。

定義好物理環境后，給模型不同部位賦予材料屬性和不同的網格尺寸。網格最細處為極齒和密封間隙，周圍空氣區域所劃網格較粗。接下來在求解器中施加相應的邊界條件,在周圍空氣邊界處施加平行磁力線的邊界條件，定義2個對稱邊為磁力線垂直的邊界條件[11-12]。最后進入求解器求解。

3.2 結果及分析

求解后獲得方向磁位Az，通過進一步處理可獲得磁場強度和磁通密度及它們的分量[13-15]。圖2所示為間隙為0.4～0.7 mm時的磁力線分布，可看出磁通密度梯度分布在密封間隙極齒與兩側齒槽處，而梯度越大產生的密封耐壓能力也就越大，間隙為0.4 mm時漏磁最大發生在第一、六極靴回路和第二、五極靴回路，間隙為0.5、0.6、0.7 mm時，漏磁最大發生在第一、二極靴回路和第五、六極靴回路。

圖2 不同間隙的磁力線分布Fig 2 The magnetic field distribution of different gap (a)the gap is 0.4 mm;(b)the gap is 0.5 mm;(c)the gap is 0.6 mm;(d)the gap is 0.7 mm

在ANSYS后處理器中定義軸向軌線。軸向的磁場強度變化直接決定密封能力的大小。將磁場強度Hsum的值映射在此軌線上，在定義軸向軌線時，給每個極齒的端點處定義一個點，相鄰兩點插值數為20， 軌線長度為s。從圖3中可以發現，密封間隙在0.4～0.7 mm之間變化時，最外側的極靴下對應的磁場強度差比內側的明顯減小，主要起到密封效果的為中間4個極靴下產生的磁場強度差。當間隙增大時，每個極靴下的矩形齒產生磁場強度值趨于平滑。

圖3 不同的大間隙下軸向磁場分布曲線Fig 3 The axial magnetic field distribution of different large gap

靜密封單級近似的耐壓公式為

因此由有限元分析結果，可得總耐壓值。實驗中使用酯基磁性液體，它的飽和磁化強度Ms≈0.03 T，真空磁導率μ0=4π×10-7T·m/A，磁性液體密度ρ=932 kg/m3,取v0=3 000 r/min,軸半徑R=40 mm，根據工作條件，取絕對溫度T=320 K，Bolzman常數K=1.36×10-23J/K，有：

δ=0.7 mm時，

79.62×1.76-0.88-0.22=3.103×105Pa

δ=0.6 mm時，

Δp總≈0.03×79.62×[(0.70-0.52)+(0.97-0.48)+

(0.89-0.42)+(0.92-0.55)+(1.07-0.72)+(0.67-

0.59)]-0.88-0.22=3.542×105Pa

δ=0.5 mm時，

Δp總≈0.03×79.62×[(0.75-0.6)+(1.15-0.75)+

(1.02-0.59)+(1.01-0.55)+(1.14-0.52)+(0.76-

0.19)]-0.88-0.22=5.202×105Pa

δ=0.4 mm時，

Δp總≈0.03×79.62×[(0.85-0.55)+(1.19-0.51)+

(1.07-0.5)+(1.09-0.57)+(1.19-0.56)+(0.82-

0.59)]-0.88-0.22=5.899×105Pa

通過計算結果得知，理論上密封耐壓能力隨著密封間隙的減小而逐漸遞增，由于漏磁的存在，遞增的程度并非線性的。

4 實驗驗證

實驗采用中科院ZQJ-230E型氦質譜檢漏儀合并吸槍法進行檢漏。檢漏儀真空度為5×10-3Pa，最小測量漏率為10-10Pa·m3/s，響應時間小于5 s。圖4所示為實驗臺組成示意圖，圖5所示為實驗裝置。

圖4 實驗臺組成示意Fig 4 Schematic of experimental bench composition

圖5 密封件及所搭建的實驗臺Fig 5 The sealing device and the experimental bench (a) sealingtest bench;(b)sniffing monitoring;(c)sealingdevice;(d)helium mass spectrometer leak detector

實驗采用酯基磁性液體，各個永磁體內圈中共加注大約3 mL磁性液體。通過加工中心軸來獲得不同的密封間隙，由于實際正常工作中離心泵轉速為3 000 r/min，記錄該轉速下每次充破磁性液體時的壓力值，每次沖破后，保持電機繼續運行，記錄下經過自修復后的耐壓值及修復時間。

根據表1的數據得到曲線如圖6所示。對于典型密封間隙0.15 mm，單級密封所能承受的壓力約為22 kPa[4]。本文作者為大型船舶裝備大功率電機設計的旋轉密封結構，間隙0.4 mm時單級密封所能承受的壓力約38 kPa。由于大型船艦要求密封具有適應振動的跟隨性，因此密封有時可達到0.7 mm，在此間隙下，文中設計的單級密封耐壓能力達到51.7 kPa(0.7 mm時總耐壓為310.3 kPa,密封級數為6)。此外，磁性液體大間隙密封同樣具有自修復功能，酯基磁性液體被高壓充破后，還能保持一定的耐壓能力。此外，磁性液體性能穩定，和密封介質不互溶，且滿足垃圾焚燒的粉塵、煙氣等惡劣環境，不影響密封效果。理論和實驗均可得到，耐壓值隨著密封間隙的增大而減小，間隙0.7 mm時理論耐壓值與實驗耐壓值近似相等。

表1 密封間隙與耐壓值的大小Table 1 The pressure capabitiy under different sealing gaps

圖6 磁性液體密封耐壓的理論值與實驗值對比Fig 6 The comparison of theoretical and experimentvalues of the pressure capability

實驗中，通過電頻調節，逐漸將轉速上升至5 000 r/min，各間隙下的最大密封耐壓值保持不變。

5 結論

(1)針對垃圾焚燒工程急冷系統中高速離心泵密封問題，設計了五極六靴二十四齒的磁性液體旋轉密封裝置，可以滿足轉速為3 000 r/min以上的高速或超高速旋轉離心泵的密封，具有高穩定性和可靠性，適合焚燒的高溫煙氣環境條件，且使用壽命長。

(2)理論上推導出泵用磁性液體密封耐壓公式，并用Ansys計算了該結構的磁性液體磁場分布，發現不同間隙的磁場分布趨勢大體一致,漏磁情況略有不同。實驗發現，最大間隙為0.7 mm時單級密封耐壓能力達到51.7 kPa。