传统密封与磁流体密封在水轮机主轴上的运用分析

胡德昌 蔡伟 李俊

摘  要：传统密封技术在水轮机主轴上应用广泛，但随着技术的发展和设备性能的提高，传统密封技术的局限性逐渐显现。而磁流体密封技术作为一种新兴的密封技术，具有无接触、无磨损、高密封性能等优点，为水轮机主轴密封技术的发展提供了新的方向。对此，针对传统密封与磁流体密封在水轮机主轴上的运用进行分析，探讨两种技术的优缺点及发展趋势。

关键词：传统密封  磁流体密封  水轮机  主轴

中图分类号：TM20113

Analysis of the Application of Traditional Sealing and Magnetic Fluid Sealing on the Spindle of Hydraulic Turbines

HU Dechang  CAI Wei  LI Jun

China Yangtze Power Co.， Ltd.， Yichang， Hubei Province， 443133 China

Abstract： Traditional sealing technology is widely used on the spindle of water turbines， but with the development of technology and the improvement of equipment performance， its limitations are gradually becoming apparent. As an emerging sealing technology， magnetic fluid sealing technology has advantages such as non-contact， wear-free and high-sealing performance， providing a new direction for the development of the sealing technology of the spindle of water turbines. Therefore， this article analyzes the application of traditional sealing and magnetic fluid sealing on the spindle of hydraulic turbines， and explores the advantages， disadvantages and development trends of the two technologies.

Key Words： Traditional sealing; Magnetic fluid sealing; Water turbine; Spindle

1  传统密封技术

1.1 填料式密封

填料式密封是一种较为传统的密封技术，它主要利用填充的耐磨材料在压盖的作用下与主轴（或安装于主轴上的抗磨轴套）紧密贴合，以达到密封效果。这种结构可以在多泥沙工况下工作，具有良好的耐磨损性能[1]。图1所示为填料式密封的结构示意图。

在轴向压力的作用下，填料与旋转轴紧密接触，从而起到密封作用。为了防止填料与旋转轴产生干摩擦，需要加入润滑水，以在主轴上形成水膜，从而降低填料密封圈和抗环的磨损。这种密封形式构造相对简单，但密封性受到环境因素的影响。由于密封环是固定的，随着主轴的轴向摆动增大，密封环和主轴之间的间距逐渐减小，有时还会与密封环发生接触，从而缩短了密封结构的使用寿命。

1.2 双层平板密封

双层平板密封主要由上平板、下平板、密封水箱以及压力水管等附属部件构成。当通入压力水时，橡胶板和抗磨环共同作用，形成一种适用于高质量水电站的密封结构，具体构造如图2所示。

双层平板密封结构虽然具有出色的密封性能，但其构造相对复杂，对安装精度要求较高。如果橡胶片和抗磨环之间的间距过大，会导致泄漏量增加；而间距过小，则可能导致橡胶板烧结。在使用这种密封方式时，由于其补偿能力相对较弱，要求轴向移动量控制在0.5 mm以内。否则，轴向位移可能导致间隙变化过大，进而影响其密封性能。

1.3 橡胶水压式端面密封

橡胶水压式端面密封是一种有效的防泄漏装置，特别适用于防止液体或气体泄漏。它主要由橡胶材料制成，具有出色的弹性和耐压性能，能够紧密地贴合在密封面上，有效阻止液体或气体泄漏[2]。然而，这种密封方式对安装精度要求极高。如果安装精度得不到保障，可能导致密封块的上下移动不流畅，出现卡壳，进而导致密封块偏磨，严重时还会引起密封块烧损。在实际使用中，水轮机中的水压式端面密封可能会出现以下问题：（1）在空载运行时，水压调整可能变得困难，导致密封下腔容易渗漏；（2）由于密封件受力不足，无法与密封圈形成良好的接触。常用的传统密封形式在适用压力、线速度和PV值方面都存在一定的局限性。具体数据详见表1。传统密封形式的最大缺点是磨损量大和旋转轴产生的摩擦力矩大，特别是在高速旋转时，磨损会加剧，从而缩短其使用寿命，需要频繁维修。

2  磁流体密封技术

磁流体密封技术是一种基于磁性流体发展的先进技术。当磁流体被注入磁场的间隙时，它可以充分填充整个间隙，形成一种“液体的O型密封圈”，从而实现有效的密封效果。该技术的关键部分包括永磁体、极靴以及磁液体[3]。磁流体是由0.1～30 nm的导磁材料（专用于磁流体密封的）、分散剂和载体融合而成的胶体。这一纳米技术展现了诸多特殊功能，被认为是当前最尖端的技术之一。为了防止颗粒的团聚凝集，在磁性粒子的表面涂敷了一层表面活性剂。这层表面活性剂能够抑制磁性颗粒的凝聚，确保其在基质液体中保持高度的稳定性。此外，磁性颗粒的布朗运动特性可以抵消其本身的重力效应，从而防止了沉降效应的发生。

2.1 磁流体密封原理

磁性液体密封技术是一种新兴密封技术，已经被广泛应用于水轮机主轴的密封。其结构简图如图3所示。

在磁流体密封技术中，永磁体能够产生足够的磁场强度，形成足够的磁力，以确保其密封性能。这是因为永磁体所产生的磁感线通过极靴与主轴形成封闭的磁回路，从而减少了极靴的漏磁。这种减少漏磁的方式进一步降低了磁场强度，具体如图4所示。

磁流体是一种兼具液体流动性和固体磁性材料磁性的先进功能材料，磁流体密封技术正是利用了磁流体对磁场的敏感特性来实现的。极靴与主轴间有一定的磁场间，当磁性液体被引入到这个磁场间隙中，它会在磁力的驱动下，在主轴与极靴之间形成一种液态的“O形密封圈”，从而发挥稳定的密封作用[4]。然而，如果密封水的压力过大，可能会损坏由磁流体形成的 “O形圈”，导致密封失效。

2.2  磁流体密封特点

传统的密封形式主要依赖于橡胶密封块和抗磨环来实现。然而，橡胶材料容易磨损和老化，导致密封性能下降，进而影响机组的正常运行。相比之下，磁流体密封采用磁力进行密封，更适合工程应用。

在磁流体密封形式中，固定部件和旋转部件之间没有直接接触，这种设计可以显著降低运转时的噪音和热量。相比传统的密封方式，磁流体密封具有更长的使用寿命，并且密封块不易磨损，不需要加入润滑水[5]。磁流体密封的结构简单，组件的加工和安装精度要求相对较低，但使用寿命较长。对于轴的径向跳动和轴向跳动，磁流体对其没有太大的限制。当磁流体有部分消耗时，只需要适量补充一些磁流体即可进行维修。

磁流体装置的两端均可以承受压力，而且可以在改变承压方向的情况下，无须任何改动就能实现密封。磁流体本身具有流体的性质，在磁场的作用下，其黏度会发生改变。因此，在封腔内产生瞬间的高压很容易将磁流体形成的“O形密封圈”给破坏掉。在这种情况下，只需要补充或替换磁流体即可。

2.3  磁流体制备要求

其制备要求主要[6]：（1）需要使用化学合成、溶胶凝胶、物理气相沉积等方法制备纳米级磁性颗粒，并通过表面修饰、功能化等方法改善其磁性和分散性；（2）选择适当的液体载体，并添加表面活性剂、稳定剂等辅助剂，以提高磁流体的稳定性和流变性能；（3）将磁性颗粒和液体载体按一定比例混合，并通过超声波、机械搅拌等方法进行充分分散和混合，制备出具有一定磁性和流变性能的磁流体。

3  磁流体密封发展趋势

磁流体密封技术的发展是在工业设备等相关领域对密封性能要求越来越高的背景下推动的。传统的密封方式在某些特殊场合下难以满足密封要求，而磁流体技术的发展为磁流体密封技术的发展提供了推动力。磁流体密封发展趋势主要表现在以下几个方面。

（1）通过利用先进技术，可以深入探究磁流体在不同环结构中的磁性特征及其对密封性能的影响。这一研究不仅有助于丰富磁性液体的相关理论，还能为磁流体技术的发展提供坚实的理论基础。

（2）以磁流体和被密封水两个区域作为研究对象，对它们的工作状况进行仿真。首先，将仿真分为两个计算域，并对它们进行网格化处理，划分结果如图5所示。这种细致的划分有助于工作人员更准确地捕捉两个区域的动态变化。随后，根据这些处理后的网格进行各种计算，包括流场、压力场和温度场的分布等。通过这些计算，能够模拟出各种实际工作状况，从而更深入地理解磁流体和被密封水的运行特性。这不仅有助于优化设计，还可以在实际应用中预测可能出现的问题，提高系统的稳定性和可靠性。

4 结语

综上所述，磁流体密封利用磁场和流体的相互作用，实现了无接触、无磨损的密封效果。不仅可以提高密封性能，减少泄漏，而且可以减少对密封元件的磨损，从而延长设备的使用寿命。未来，随着技术的不断进步和创新，相信磁流体密封技术将在水轮机主轴上得到更广泛的应用，为提高设备的性能和可靠性做出更大的贡献。

参考文献

[1]程杰，李正贵，王端喜，等.水轮机主轴磁流体密封间隙流场关键参数研究[J].润滑与密封，2023，48（11）：172-180.

[2]吴朝军，朱维兵，颜招强，等.大轴径离心压缩机磁流体密封传热特性研究[J].润滑与密封，2023，48（8）：80-88.

[3]杨峻涛.磁体内嵌型磁流体密封装置磁力特性数值研究[J].中国测试，2023，49（7）：162-169.

[4]程杰.水轮机主轴磁流体密封装置磁流热特性研究[D].成都：西华大学，2022.

[5]冯金川，王收军，周学均.传统密封与磁流体密封在水轮机主轴上的应用分析[J].机械设计，2021，38（S2）：108-112.

[6]李博.水轮机主轴磁流体密封有限元仿真及试验[D].成都：西华大学，2019.