水轮机主轴磁流体密封界面稳定性研究与分析

董冰 倪家彬 苏莹 任意

摘 要：磁流体密封作为一种新型的磁流体密封方式，现已在气体密封方面得到广泛应用，而磁流体液体密封因界面不稳定未得到实践。因此，本文首先分析了水轮机主轴磁流体密封液液稳定性机理，然后从液体分层和界面波动性上对磁流体密封液液界面稳定性分析，从而得出磁流体密封界面稳定性相关结论，从而为水轮机主轴磁流体密封提供理论依据。

关键词：水轮机主轴;磁流体密封;液体分层;界面稳定性

引言

磁流体，又被称为磁性纳米流体、磁性胶体或铁磁流体。磁流体主要由纳米固体磁性颗粒、基液和表面分散剂三部分组成。纳米固体磁性颗粒，又称为分散相，粒子直径大小一般為3～10nm，其中主要由强磁性的元素及其化合物组成。基液，又称为分散介质，主要分为极性和非极性两大类。表面活性剂，又称为分散剂，主要作用是将固体磁性颗粒均匀分散于基液中，防止固体磁性颗粒在基液中发生聚沉。磁流体相对于其他液体而言，可在外磁场的作用下，可以改变介质的物理性质，从而显现表观磁性。因此，磁流体也用于密封行业。同时，磁流体相对于传统密封而言，具有零泄漏、使用寿命长、可靠性高和完全无污染等优点，现在已经得到广泛研究。但是，目前磁流体密封还存在较多的问题，还不能用于长时间密封液体，对于气体密封而言，现已得到广泛的应用。磁流体密封失效的主要问题在于磁流体密封液体界面的不稳定，从而造成磁流体密封失效。所以，本文从磁流体密封液液界面的形成机理、液液界面稳定性的影响因素进行分析，再提出相关措施，从而为磁流体密封液液界面的稳定性提供技术支撑。

1.磁流体密封液液界面形成

界面主要指两个不同相的物体的交界处，也就是两个物体之间的过渡层。根据物质的不同，界面主要分为六种，分别为气气界面、气液界面、气固界面、液液界面、液固和固固界面。界面并不是一个简单的二维几何界面，主要是由一相过渡到另外一相的过渡区域，在物理化学性质上和界面两侧的相有明显的区别。对于界面的研究也较多，例如界面张力、界面自由能、界面吸附、界面扰动性和界面定向性质等。对于液液界面而言，界面的形成主要分为三种方式，黏附、铺展和分散。而磁流体密封液液界面的形成主要是黏附，黏附是指两种液体进行接触，各自失去自己气液界面从而形成液液界面的过程。

2.磁流体密封液液界面稳定性分析

稳定性是指动力系统中对平衡位置附近施加小扰动表现出来的性质。磁流体的稳定性是指磁流体的某些性质，例如分散相浓度、颗粒大小、粘度和密度等稳定性。磁流体的稳定性主要分为两个大的部分，磁流体内部结构的稳定和界面的稳定，而本文主要研究的是磁流体界面的稳定。磁流体界面的稳定性是指磁流体与被密封液体之间在相对静止或运动时，不发生相对渗透和混合，具有明显的分层。

2.1从流体方面讨论界面稳定性

在稳定状态下的磁流体密封液液界面，可理解为两种液体形成了一个平衡体系。可是，每种液体分子之间的距离不同，但有一定的平均值，各分子之间不会借助于热运动而分散。可是，由于两种液体的密度不同，分子直径不同，所以位于界面的分子两侧分子的吸引力不同，界面分子会从密度小的一侧流向大的一侧，从而发生混溶。

此外，液体是具有粘性的，各液体之间的粘性不同，所以两液体发生相对运动时，液体界面将产生剪切力，从而形成流体的内摩擦，从而使得流动较快的液体（磁流体）发生减速，流动较慢的液体（被密封液）增速。此外，由流体力学剪切力公式可得，液体的粘度越大，内摩擦力越大，而根据现有研究可得，磁流体的密度一般高度高于被密封液体，而且粘度值也大于被密封液体，所以在磁流体液体的热效应高于被密封液体，进一步加剧了磁流体密封界面低密度液体向高密度液体流动，增加混溶。

2.2从界面波动方面讨论界面稳定性

对于静止或者流动的液体而言，无限小的扰动总是存在的，从严格意义上而言，没有完全稳定的液体，所以液体稳定性是相对而言，指液体在一定范围内是稳定的。而扰动一般是以波的形式出现的，在真实环境小，液体一般会存在许多的波动，如果某种扰动破坏了初始的定常状态，使之不能维持定常状态，则它为不稳定。对于磁流体密封而言，如果界面在受到扰动后，经过长时间后能够恢复原来的定常状态，那么可视为稳定;如果界面受到扰动后，永远恢复不到原来的状态，那么视为不稳定。

3.磁流体密封液液界面稳定性措施

从流体方面和界面波动方面研究了磁流体密封液液界面的稳定性，根据液液界面形成波动的原因，从而提出提高磁流体密封界面稳定的措施。

（1）磁流体密封液液界面的低密度区域属于低自由能区域，所以可以通过人为方式增加低密度区域的自由能，将密度小的液体变为高能分子，从而克服密度大的分子对密度小的分子吸引力。

（2）磁流体密封高密度区域属于高自由能区域，一般来说液体粘度较大，所以可采用一些降低自由能的方式，从而减小高密度自由能。例如，增加散热、增大接触面积等方式。

（3）磁流体密封液液界面虽然不能保持绝对的相对稳定，但是在条件允许下，可以尽量减少对界面的扰动，以减小不稳定的发生。

4.结论

磁流体密封作为一种新型的磁流体密封方式，相对于其他传统密封方式而言，具有较多的优点。磁流体密封的不稳定是造成密封失效的关键因素，可通过提高低密度区域自由能、降低高密度区域自由能和尽量减小对密封界面的扰动，从而增强液液界面的稳定性，提高磁流体密封性能。

参考文献：

[1]王虎军. 用于密封液体的磁流体旋转密封的理论及实验研究[D].北京交通大学，2018.

[2]林震亚. 界面不稳定性的MHD控制[D].南京理工大学，2018.

[3]李源. 磁流体中界面不稳定性的理论和数值研究[D].中国科学技术大学，2014.