密封液体流动特性对磁液密封界面的影响

秦杏尧, 李望旭, 李正贵*,, 黎义斌, 颜招强

(1. 山东华鲁恒升化工股份有限公司, 山东 德州 253024; 2. 流体及动力机械教育部重点实验室(西华大学), 四川 成都 610039; 3. 自贡兆强密封制品实业有限公司, 四川 自贡 643000; 4. 兰州理工大学 能源与动力工程学院, 甘肃 兰州 730050)

磁性液体密封属于新型密封[1].相对于传统机械密封,磁性液体密封具有零泄漏[2-3]、易维护[4]、无污染、可靠性高等优点[5-6],将其应用在水轮机主轴上有着无比的优越性.因此,磁性液体密封博得了大量从事密封行业和水电行业学者的关注[7-9].近几年,工业上使用的磁性液体密封大多用于密封气体[10],对于密封液体还存在一些问题[11-12],如密封压差小、主轴转速低、密封不稳定等.探究磁性液体旋转密封液体的失效机理成为实现磁液密封水轮机主轴的突破口,大量学者对此进行了研究.Liu等[13]指出装置漏磁会造成磁液密封液体时两相界面不稳定,导致密封失效,为此对传统结构进行优化设计,在轴上增添软铁磁套,并在极靴边缘增添绝磁材料,减小了密封结构的漏磁现象,提高了密封稳定性.Zhao等[14]通过数值计算分析了传统磁性液体密封结构,发现磁性液体旋转密封时,密封能力受轴偏心量、轴径和离心力等影响.Qian等[15]通过理论推导得出,磁性液体因黏性作用产生的牵引力会导致磁性液体在密封间隙中旋转,影响密封能力.Williams等[16]成功地实现了主轴转速为1 r/min的磁性液体旋转密封,但其近似于静密封.通过该行业学者的不断努力,目前对密封液体失效机理的研究已经有了初步认知,但在实际工业中仍未解决密封失效问题.因此,对密封液体失效机理还需进一步探索.

以往的研究方向大部分着重于优化磁路和对磁性液体本身的研究,很少对密封介质液体的流动特性进行研究.密封介质液体在主轴旋转过程中,会因黏性效应随主轴运动.当主轴转速过大时,密封介质液体的流动特性将由层流转为湍流.在湍流作用下,密封介质液体与磁性液体的两相界面将处于不稳定状态,降低密封稳定性.因此,为提高磁性液体密封稳定性,对密封介质液体的流动特性进行研究十分必要.本文基于数值计算与实验相结合的方式,对动、静密封在不同工况下密封液体的流动特性进行研究,为水轮机主轴磁性液体密封装置的设计提供理论指导.

1 理论分析

密封液体内部流动被近似认为是三维不可压缩流动,流场应满足质量守恒方程、动量守恒方程[17].

质量守恒方程指在单位时间内,流出控制体的流体质量等于同一时间间隔控制体内因密度变化而减少的质量,其表达式为[18-19]

(1)

式中：ρ为流体密度,kg/m3；t为单位时间,s；ux、uy、uz分别为流体在x、y、z方向的速度,m/s.

动量守恒方程指控制体的动量对时间的变化率等于外界作用在该控制体上的各种力之和,其表达式为[20]

ρ(du/dt)=-∇P+∇·[τ]+ρF

(2)

式中：τ为流体的黏性剪切应力；P为流体压力,Pa；F为流体所受体积力.

湍流强度是表征流场微观脉动特征的重要参数之一,当湍流强度小时,可认为流态稳定.湍流强度的表达式为[21]

(3)

2 数值计算

2.1 几何模型和网格模型

磁性液体密封结构由主轴、磁性液体、极靴、永磁体组成.永磁体产生的磁场经极靴、磁性液体、主轴形成闭合回路,磁性液体也因闭合磁场的形成被牢牢吸附在主轴与极靴之间的间隙中,形成O型密封圈,实现密封.图1为密封结构示意图.

图1 磁性液体密封结构示意图Fig.1 Schematic diagram of magnetic liquid sealing device

应用数值计算方法探究磁性液体动、静密封中密封介质液体的流动特性时,需进行流体域(密封腔内密封介质液体的运动区域)网格划分.网格模型应用ICEM绘制的结构性网格,并对转速100 r/min、密封压力1.0 MPa工况下计算域内某一点进行湍流强度监测.经计算发现,在网格数为238 721时湍流强度为6.32 %,在网格数为283 512时湍流强度为6.317%,差值相差在3%以内,故网格数为238 721时满足计算要求.流体域模型和网格模型如图2所示.

图2 仿真模型和流体域网格模型Fig.2 Simulation model and fluid domain grid model

2.2 求解控制

密封腔内入口类型为压力入口 (pressure-inlet),取值分别为0.5、1.0、1.5 MPa.静密封时,旋转壁面(axis wall)固定不动；动密封时,旋转壁面的转速取100、300 r/min.密封过程中磁液位移对密封液体流场的影响可忽略不计,为简化计算,可将磁液密封界面当做壁面处理.腔内流体存在逆压流动,故选取湍流模型为Realizablek-e模型.在Fluent软件的求解器中,SIMPLEC具有计算速度快、收敛性好的特点,且精度满足计算要求.因此，本文求解器采用SIMPLEC,离散模型除梯度采用Lesat Squares Cell Based格式外,其余均采用Second Order Upwind格式.

3 结果分析

3.1 静密封下压力对密封液体流场的影响

图3为不同密封压力下静密封时密封介质液体的湍流强度分布云图.可以看出,静密封时,密封压力对密封间隙处湍流强度的影响较小,且湍流强度分布无明显规律.磁性液体密封能力与密封间隙处磁感应强度梯度和磁性液体磁化强度有关,磁性液体所在位置不同,密封能力不同.密封压力增大,磁性液体的位置将有所改变;当压力稳定后,磁性液体的位置确定.在此过程中,由于密封液体的湍流强度较低,故磁液与密封液体的乳化作用较小.因此,磁液在静密封条件下密封液体的能力较好.

图3 静密封时不同压差下密封腔内湍流强度分布云图Fig.3 Turbulence intensity distribution in the seal cavity under different pressure differences during static sealing

3.2 动密封下转速对密封液体流场的影响

图4为密封压差为0.5 MPa时,不同转速下密封腔内湍流强度分布云图.可以看出,主轴转速是影响密封液体湍流强度的主要因素.当转速为100 r/m时,密封界面处湍流强度有明显提升,且湍流强度最大值随转速升高而增大.不同转速下,湍流强度最大值均发生在靠近轴部的密封界面处.密封介质液体在湍流的作用下,不断冲刷磁性液体密封界面,严重影响磁性液体与密封介质液体两相界面的稳定性,加速磁性液体的乳化现象,造成密封失效.

图4 不同转速下密封腔内湍流强度分布云图Fig.4 Cloud diagram of turbulence intensity distribution in the sealed cavity at different rotating speeds

3.3 动密封下压力对密封液体流场的影响

图5为主轴转速为100 r/min时密封界面处湍流强度最大值与密封压力的关系.可以看出,随着密封压力增大,密封界面上湍流强度最大值无明显变化.由此说明,密封压力对密封腔内流场的影响较小,这与静密封时的结论一致.因此,在进行液体密封时,转速对密封界面不稳定的影响要远大于密封压力.

图5 转速100 r/min时在不同压差下湍流强度最大值Fig.5 Maximum turbulence intensity at 100 r/min speed and different pressure differences

3.4 实验

为验证数值计算的准确性,通过PIV( particle image velocimetry)系统对密封腔内流场进行实验验证,实验操作在西华大学流体及动力机械教育部重点实验室进行.图6为实验现场图,实验条件为常压.通过脉冲激光器和片光透镜组在透明密封腔内形成片光源,并通过CCD相机拍摄与示踪粒子充分混合的密封液体流场.实验中,脉冲激光器发出2组激光,分别通过Lamp1和Lamp2控制.在实验开始时,由Lamp1打开第1组激光,在180 μs后,应用Q.switch1进行触发；经过Δt后,由Lamp2打开第2组激光,并由Q.switch2在180 μs+Δt后进行触发.CCD相机曝光时间为180 μs+Δt/2.PIV系统调试完毕后,将主轴转速调至100 r/min,通过PIV系统对片光某一水平线上的速度进行监测.图7为实验结果与数值结果的对比.可以看出,数值结果与实验结果存在一定误差,但整体趋势相同.造成该误差的原因包括：1) 实验中电机转动存在振动,2) 实验中主轴表面粗糙度与数值计算中表面粗糙度不一致.因此,实验结果可以验证数值结果的准确性.

图6 实验现场图Fig.6 Test site drawing

图7 结果对比Fig.7 Comparison of results

4 结论

本文通过数值计算和实验相结合的方式,研究了密封压力、转速对密封介质液体流场特性的影响.结果表明:动、静密封时,密封压力对密封介质液体流场的扰动较小,轴转速对密封介质液体流场的扰动较大;并且在动密封时,湍流强度最大值发生在靠近主轴位置的密封界面处.因此,在进行水轮机主轴磁性液体密封装置设计时,必须采取一定措施降低磁性液体密封界面上的湍流强度,才可保证密封的稳定可靠.