（流体力学专业论文）水轮机主轴磁流体密封技术的研究.pdf

摘要 磁流体密封是零泄漏、无磨损、长寿命的密封形式，在空间密封、真空密封、 有毒气体密封都有很好的应用效果和应用前景，但是在水密封领域还存在许许多 多的问题。而主轴密封是水轮机关键部件之一，其性能优劣，直接关系到机组的 运行安全和检修周期，从而关系电站经济效益及制造厂质量信誉。文章设计的磁 流体密封是可用于中小型水轮机主轴的密封，与传统水轮机主轴密封相比较具有 密封性能好，使用寿命长，自修复能力强，无磨损等优点。但是磁流体密封的承 压能力始终比不上机械密封和填料密封在大型水轮机主轴上的应用，即如何更好 地提高磁流体密封的承压能力在今后的研究领域中仍然有待我们解决。 本论文主要在总结前人研究的基础上针对磁流体的水密封，完成了以下工作。 首先介绍了国内外磁流体密封技术和水轮机主轴密封技术的发展状况与不足，对 磁流体的物理化学性质、制造方法与磁流体密封结构的优点、类型等方面作一些 总结和分析。然后根据磁流体力学的理论，对磁流体密封原理进行了分析。在推 导出磁流体的动量方程和伯努利方程后，建立起了磁流体静密封和磁流体旋转密 封的耐压公式。文章重点对磁流体密封结构进行了合理选材和尺寸设计，优化了 磁回路的一些重要参数。 最后文章模拟水轮机工作条件设计了磁流体水密封的实验装置，针对以下七 个方面：磁化强度对密封承压能力的影响；磁场强度对承压能力的影响；密封间 隙对承压能力的影响；温度对承压能力的影响；转速对承压能力的影响；磁流体 体积对承压能力的影响；磁极级数与承压能力的关系分别进行了实验，验证了理 论分析的正确性。 论文结尾还总结出了提高磁流体密封性能的一系列设计措施。 关键词：磁流体，水轮机，密封，磁场 a b s t r a c t m a g n e t i cf l u i ds e a li sas e a l i n gf o r m o f z e r ol e a k a g e s ，n oa t t r i t i o na n dl o n gl i f e i t h a sg o o da p p l y i n ge f f e c t sa n dp r o s p e c t si ns p a c es e a l ，v a c u u ms e a la n dt o x i cg a s e s s e a l ，b u tn u m e r o u sp r o b l e m si nt h ef i e l do fw a t e rs e a la l s oe x i s t t h ep r i n c i p a la x i s s e a li so n eo ft h eh y d r a u l i ct u r b i n e sc r i t i c a lp a r t sa n di t sp e r f o r m a n c eq u a l i t yr e l a t e s d i r e c t l yt ot h eo p e r a t i o ns a f e t ya n dm a i n t e n a n c ec y c l eo fu n i t s ，t h u sr e l a t e st op o w e r s t a t i o n se c o n o m i cb e n e f i t sa n dm a n u f a c t u r e r sq u a l i t yc r e d i b i l i t y t h i si s s u ed e s i g n e d am a g n e t i cf l u i ds e a lw h i c hc a nb eu s e df o rm e d i u ma n ds m a l l - s i z eh y d r a u l i ct u r b i n e p r i n c i p a la x i ss e a l , c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o nh y d r a u l i et u r b i n ep r i n c i p a la x i ss e a li th a s b e t t e rs e a l e dp e r f o r m a n c e , l o n g e r - l i v e df o r m , s e l f - r e p a i rc a p a b i l i t ya n dn 0a t t r i t i o n b u ti ts t i l lh a sn o ts t r o n g e rc o m p r e s s i o nr e s i s t a n c et h a nm e c h a n i s ms e a lo rf i l l i n gs e a l w h e na p p l yi tt ol a r g eh y o r a u l i ct u r b i n es p i n d l e , t h a ti st os a yh o wt oi m p r o v et h e c o m p r e s s i o nr e s i s t a n c eo fm a g n e t i cf l u i ds e a li sn e e dt ob er e s o l e e di nt h ef u t u r e b a s e do nt h ep r e v i o u ss t u d i e sa n da i m e da tm a g n e t i cf l u i ds e a l i n gw a t e r , t h i s p a p e rm a i n l yc o m p l e t et h ef o l l o w i n gw o r k f i r s t ，i ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n d i n a d e q u a t eo fm a g n e t i cf l u i ds e a l i n gt e c h n o l o g ya n dt u r b i n es p i n d l es e a lt e c h n o l o g y , t h e nm a k es o m ec o n c l u s i o n sa n da n a l y s i so fm a g n e t i cf l u i d sp h y s i c a la n dc h e m i c a l p r o p e r t i e s ，m a n u f a c t u r i n gm e t h o d s a n da d v a n t a g ea n dt y p eo fs e a l i n gs t r u c t u r e a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fm a g n e t i cf l u i dd y n a m i c s ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h em a g n e t i c f l u i ds e a l i n gp r i n c i p l e a f t e rd e r i v e dm o m e n t u me q u a t i o na n db e r n o u l l i se q u a t i o no f t h em a g n e t i cf l u i d ，p a p e re s t a b l i s ht h ep r e s s u r ef o r m u l ao f s t a t i cm a g n e t i cf l u i ds e a l i n g a n d r o t a t i n gm a g n e t i cf l u i ds e a l i n g f o rt h em a g n e t i cf l u i ds e a l i n gs t r u c t u r e ，t h i sp a p e r p r o v i d e ss i z ed e s i g n ，r e a s o n a b l es e l e c t i o no fm a t e r i a la n do p t i m i z a t i o no fs o m e i m p o r t a n tp a r a m e t e r so f t h em a g n e t i cc i r c u i t , a l la b o v ei st h ef o c u so f t h i sp a p e r b a s e d o nt h et o o t hp r o f i l er e s e a r c ho fs i n g l es e a l ，a r t i c l ep r e s e n t san e wt o o t hp r o f i l eo f m u l t i - s t a g es e a l ，t r y i n gt oi m p r o v et h ec o m p r e s s i v ep r o p e r t yo f t h em a g n e t i cf l u i ds e a l f i n a l l y , t h ep a p e rs i m u l a t e st h ew o r k i n gc o n d i t i o n so ft u r b i n ea n dd e s i g n st h e e x p e r i m e n t a ld e v i c eo fm a g n e t i cf l u i ds e a l i n gw a t e rt ov e r i f yt h ec o r r e c t u e s 8o ft h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sf r o ms e v e na r e a s ：t h ei n f l u e n c eo fm a g n e t i z a t i o nt os e a l st h e b e a r i n gp r e s s u r ea b i l i t y ；t h ei n f l u e n c eo fm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ht ob e a r i n gp r e s s u r e a b i l i t y ；t h ei n f l u e n c eo fs e a lg a pt ob e a r i n gp r e s s u r ea b i l i t y ；t h ei n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r et ob e a r i n gp r e s s u r ea b i l i t y ；t h ei n f l u e n c eo fr o t a t i o n a ls p e e dt ob e a r i n g p r e s s u r ea b i l i t y ；t h ei n f l u e n c eo f m a g n e t i cf l u i dv o l u m et ob e a t i n gp r e s s u r ea b i l i t y ；t h e l l r e l a t i o n sb e t w e e nm a g n e t i cp o l ep r o g r e s s i o na n db e a r i n gp r e s s u r ea b i l i t y p a p e ra l s os u m su pas e r i e so fm e a s u r e st h ee n dt oi m p r o v em a g n e t i cf l u i ds e a l i n g p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：m a g n e t i cf l u i d ，t u r b i n e ，s e a l ，m a g n e t i cf i e l d 1 1 1 水轮机主轴的磁流体密封技术研究 插图索引 图1 1 混流式水轮机5 图1 2 轴流式水轮机5 图1 3 斜流式水轮机6 图1 4 贯流式水轮机。6 图1 5 水斗式水轮机。7 图2 1 磁流体结构示意图1 0 图2 2 磁流体轴封原理图1 4 图2 3 磁性液体轴封的具体构造1 5 图2 4 剪切流动1 8 图2 5 铁磁粒子摩擦功耗测量装置2 0 图2 6 磁流体的粘度与饱和磁化强度的关系2 2 图2 7 粘滞功耗与转速的关系2 2 图3 1 高速磁流体密封结构2 3 图3 2 端面密封i 2 4 图3 3 端面密封。2 4 图3 4 双齿磁流体密封。2 5 图3 5a ) 磁力线分布b ) 双齿镶嵌2 5 图3 6 单极磁极环螺旋齿密封2 5 图3 7 多极磁极环螺旋齿密封2 6 图3 8 单极轴螺旋密封2 6 图3 9 多极轴螺旋密封2 6 图3 1 0 多极双螺旋密封2 6 图3 ”一些永磁材料退磁曲线2 9 图3 1 2 一些永磁材料温度变化曲线2 9 图3 1 3 磁流体密封试验装置3 l 图3 1 4 磁流体密封齿形断面3 l 图3 1 5 齿i 、的静密封压差3 l 图3 1 6 齿v 的密封压差3 2 图3 1 7 磁通密度b 与磁隙，。之间的关系3 2 图3 1 8 磁极角口与压差a p 之间关系3 3 图3 1 9 磁极宽w 与密封压差a p 之间关系3 4 i v 碗士学位论文 图3 2 0 磁极高h 与密封压差p 之间的关系3 4 图3 2 l 密封压力与极数的关系3 5 图3 2 2 密封压力与永磁体体积的关系3 5 图4 1 磁流体密封实验装置简图3 6 图4 2 密封装置内部结构一3 7 图4 3 加注磁流体的结构图t 3 9 图4 4 装配附件图4 0 图4 5 轴套4 0 图4 6 密封系统的漏磁通。4 l 图4 7 磁路的空间磁通分布图4 4 图4 8 等效电路图4 7 图4 9 永久磁铁5 0 图4 1 0 磁极尺寸5 1 图4 。1 1 磁化强度与承压能力关系图5 3 图4 1 2 磁化强度与浓度关系5 4 图4 13 粘度与浓度关系5 4 图4 1 4 磁场强度与承压能力关系5 5 图4 1 5 密封间隙与承压能力关系图5 6 图4 1 6 温度与承压能力关系图5 7 图4 1 7 转速与承压能力关系图5 8 图4 1 8 体积与承压能力关系图5 9 图4 1 9 总压力与磁极级数的关系6 0 图4 2 0 平均每级承压能力与级数的关系。6 0 v 水轮机主轴的磁流体密封技术研究 附表索引 表1 1 国内一些水电站水轮机的主轴密封压力、转速8 表3 1 一些磁流体的性能参数与使用说明2 7 表3 2 五个密封的磁隙与磁极高3 0 表4 1 电机性能参数3 8 表4 2 变频器性能参数3 8 表4 3 磁体尺寸和漏磁系数4 9 表4 4 磁铁尺寸5 0 表4 5 磁极尺寸5 l 表4 6 磁流体性能参数5 3 表4 7 实验分组5 3 表4 8 实验结果5 3 表4 9 实验数据。5 4 表4 1 0 实验分组一5 5 表4 11 实验结果5 5 表4 1 2 实验分组5 7 表4 1 3 实验结果。5 7 表4 1 4 实验分组5 8 表4 1 5 实验结果5 8 表4 1 6 实验分组。5 9 表4 1 7 实验结果( 体积m 1 ) 表4 1 8 实验数据 v 1 5 9 6 0 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：枷：苏( 臻日期。岬年占月刀日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：扔黩确日期：w 7 年j 月r 日 导师签名：拗日期：节6 月，日 第1 章绪论 1 1 磁流体密封技术的发展概况 磁流体，或称磁性液体、磁液、铁磁流体，是一种对磁场敏感又可流动的液 体物质。它的产生是现代高科技发展的必然产物。早在二十世纪三十年代初，就 有人开始研制磁流体，但当时并没有制成性能稳定的磁流体，没有引起人们足够 的重视。五十年代初，m e t r o p o l i t a n v i l k e r 研制成功了一种性能相对稳定的磁流体， 并且就其制造方法申请了英国专利。但这种磁流体磁化时粘度变得很大，不能适 用于轴旋转密封。到了六十年代初，美国宇航局为了解决宇宙飞船和宇宙服可动 部分的密封及空间失重状况下的燃料供给问题也对磁流体进行了研究开发【1 】。在宇 航局工作的sp a p e l 博士首次利用粉碎法制成了性能稳定的铁磁流体，获得了世界 上第一个具有实际意义的制备磁流体的专利。但这种加工方法费时费力，成本高 且效率极低，不能广泛推广。六十年代中期，日本东北大学教授下饭板利用化学 法研制成功了铁磁流体。这种制造方法效率高，可适合于工业化大生产。六十年 代末，美国成立了铁磁流体公司，专门从事磁流体的研制与应用。与此同时，苏 联、德国、英国等国家也相继进行了这方面的研究。从此，磁流体走出了实验室， 开始广泛应用于科研和工业装置中据1 9 7 9 年底以前统计，就已发表与磁流体相关 的文章8 0 0 余篇，2 0 多余项专利。从1 9 7 8 年起，国际上平均每三年召开一次磁流体 会议，则更加速了磁流体理论的完善和发展，促进了国际间的技术合作与交流目 前，磁流体在国外已进入了生机勃勃的实用阶段，广泛应用于密封，润滑，阻尼， 冶金，医疗，音响，传感器等领域，前景非常喜人。其中，磁流体应用于密封领 域是最具有代表性用途之一。磁流体密封技术的诞生，也开拓了密封技术的新领 域。1 9 4 8 年，r a z d o w i t z 磁流体密封技术的基本思想是将相对运动部件之间加入液 体，液体在外磁场作用下能“固化”，起到防止泄漏的作用。他这种磁性液体是 固体磁性微粒的悬浮液。由于所配置的磁性液体粘度太大且很不稳定，没有太大 的实用价值。1 9 6 2 年，w a l l y 也发表了一篇关于磁流体密封的文章，这种密封仅适 合于低转速条件。磁性液体在磁化状态时，粘度很大。轴高速运转时，因产生大 量的热量而无法工作。1 9 6 5 年，在美国宇航局工作的p a p e l $ 0 成了一个真正的磁性 流体密封装置就在美国诞生了。从此，磁流体密封技术掀开了崭新的一页。由于 磁流体单级密封能力有限，人们开始致力于多级密封的研究。1 9 6 9 年，r o s e n s w e i g 和m o s c o u i t z 研制成功了一种多级密封装置，并申请了国家专利【2 1 。这种装置能对 水轮机主轴的磁流体南封技术研究 真空进行密封，做到无泄漏、低磨损。1 9 7 8 年，b a i l e y ，r c 发表了一篇“m a g n e t i c f l u i dv a c u u ms e a l s ”的文章【3 】。作者成功密封了l o s u r 一6 t o r r 的真空，运用了磁 流体密封的机理，阐明了多级密封是如何自我调节密封压力的。 磁流体也能应用于隔绝密封领域。1 9 7 8 年1 2 月， d e s i g ne n g i n e e r i n g ) ) 杂志 刊登了一篇文章。题为“f e r r o m a g n e t i cf l u i ds e a l i n gp r o t e c t sc o m p u t e r i n f o r m a t i o n ” h 】。文章中建议用铁磁流体密封来解决磁盘驱动器的防尘问题。 磁流体液体密封的研究工作是从八十年代开始的。1 9 8 0 年3 月，w i l l i a m s r a 和m a l s k y h 利用油基磁流体首次成功了对液体的密封【5 】。1 9 8 4 年，美国申请了水 密封的专利，将磁性流体密封应用于船舶螺旋浆转轴的密封。1 9 8 6 年，e t s i o i 1 和 z i m m e l s y 设计了磁流体密封与机械密封相结合的装置来对液体进行密封。在机械 密封与磁流体密封之间充入惰性气体，将磁流体与密封液体介质分开，避免了两 种液体间的直接接触而产生的相互混合的难题。但因增添了一套供压系统，结构 变得庞大而复杂，实用性差。1 9 9 0 年，西德的k u r f e s s j 和m u l l e r h k 在杂志磁与 磁性材料一文中指出：磁性流体液体密封装置中，磁性流体的变质是由磁性和非 磁性液体的性质与组合、轴的转速、密封的温度、磁场的梯度等决定的。他们在 磁流体密封前增加一螺旋轴套，利用轴的旋转运动产生的离心力将被封液体从磁 流体表面挣开，减少界面间的摩擦，增强界面的稳定性。但这种装置的密封能力 偏低且不能持久。因此，磁流体液体密封仍有待进一步深入研究。而对于磁流体 直线运动密封这样一个崭新领域，人们也进行了积极探索与研究。1 9 8 5 年，s h o i m m i y a k e 等人发表了题为“c h a r a c t e r i s t i c so f af e r r o m a g n e t i c l i n e a rv a c u u ms e a l s ”的 一篇文章。文章指出了通常磁流体密封结构用于直线密封失败的原因，并设计出 了一种线性密封结构。该结构利用梯度磁场回收粘附于轴上的磁流体，利用贮存 器及时补充流失的磁流体。1 9 9 0 年，在第五届国际磁性流体会议上，苏联s 1e v s i n 等人发表了题“d e v e l o p m e n to f m a g n e t i c f l u i d r e c i p r o e a t i n g m o t i o ns e a l s ”文章【6 】。 该文章指出：磁性流体往复直线运动密封受到磁流体的迟滞和变形的影响，其中后 者是最主要的影响因素。并提出了一种带有阻尼容器和气体动态阻力装置的新型 多级密封结构。我国是从1 9 7 8 年起在一些科研院所开展磁流体研制和磁流体密封 技术的研究工作，虽起步较晚，但发展较快，短短二十多年来就已取得了不少成 果。现阶段，磁流体密封装置按用途主要分为防尘、真空、压力密封。广泛应用 于超导发电机，发酵罐的搅拌，半导体制造，磁盘存储器，真空蒸发，质谱仪， 人工心脏，贮能飞轮等众多领域。目前，磁流体的密封耐压能力可达3 5 m p a ，真空 度达1 0 8 托，极限转速为3 0 0 0 0 r m i n 7 1 ，气体介质或真空密封是磁流体密封最成功 的应用之一。 2 硕十学位论文 1 2 磁流体密封技术仍存在的问题 自磁流体密封技术问世己来，各国都投入了大量的人力、物力、财力进行研 究和开发，在许多方面还很不成熟。同时，磁流体密封技术又是一门交叉性学科， 涉及电磁学、机械学、流体力学、材料力学、热力学、物理学、化学、光学等众 多领域。因此，迸一步深入地、系统地研究磁流体密封技术，是重要的课题。 目前需要解决的主要问题是： 1 、由于磁流体密封牵涉到多学科的内容，因此许多方面的理论分析未能完善，尤 其是热力学和动力学等的分析基本上属于空白。毋庸置疑，深入理论研究，是开 发和应用的基础。如磁流体往复直线密封的研究还处于初始阶段，其结构的设计 具有一定的试探性。由于这种密封的机理的复杂性，目前还处于定性的分析阶段， 尤其是对密封耐压性能的分析。直线密封的耐压密封能力又极低，远远小于磁流 体的静密封与轴的旋转密封。因此深入研究这种密封的机理，建立起理想的数学 模型，对于拓宽磁流体密封的领域具有重要的意义。 2 、作为密封剂的磁流体，通常其磁性微粒为铁氧体。由于铁氧体的饱和磁化强度 不太高，人们又开始研制高饱和磁化强度的金属磁流体，这项工作也有待深入研 究。 3 、当前，磁流体密封技术最成熟的方面在密封气体介质或真空，而对于液体密封 还不是很完善。由于磁流体与密封液体易相互渗混，且在外磁场作用下，磁流体 与液体介质间的界面稳定性下降的缘故。因此，如何研制出良好性能的磁流体， 能够对液体进行较好的密封，一直是人们研究的课题。 4 、磁流体密封相对于传统的机械密封或填料密封虽有其无泄漏、低磨损等独特优 点，但是磁流体密封的耐压能力并不太高，单级密封的能力一般只有几十k p a ，多 级密封的密封级数也不能太多。因此，如何合理设计磁流体密封的结构，优化磁 回路，提高永磁体的利用效率，增强密封性能，也是一项非常有意义的研究方向 1 3 水轮机主轴密封的发展近况 水轮机主轴密封是机组关键部件之一，它承担着转动部件与固定部件之间的 压力水密封作用，其性能优劣，直接影响到机组的运行安全和检修周期，从而关 系电站经济效益及制造厂技术水平和质量。 一直以来，国内各制造厂对于主轴密封的设计及性能指标，主要依赖于模拟 实验或类似结构在实际运行中的统计经验。无法针对密封性能进行完善的定量计 算，对密封性能的调整、控制和评价也只依靠电站自身在运行维护中摸索的经验， 3 水轮机主轴的磁流体密封技术研究 没有定量的控制、评定标准。这一部分的理论分析欠缺、各项性能指标量化控制 能力不足是围内水电行业共存的问题【s 】。 近年，随着电站监测、控制、运行、维护等各环节设计水平的提高，对水轮 发电机组的各项考核性能指标的要求也越来越高，仪仪源于经验的性能保证，往 往不能满足用户要求，对主轴密封的性能评定也是如此。国内外用户对密封性能 指标如：密封间隙控制、密封泄漏量、冷却水用量、控制水压力、自平衡范围、自 补偿范围、运行寿命等，要求设备制造厂提出明确的量化数据。在设备投标过程 中及投运机组性能保证评定中，用户均对此高度重视。 国外一些大型水电设备公司在主轴密封理论和实验研究方面做过大量基础工 作，开发出具有各自特色的独到型式，对于各自的“专利密封”，各公司拥有详 尽的第一手资料，能够明确给出密封各项指标数据，准确掌握其设计关键，在技 术合作中不对该部分提供技术转让，在国际水电设备招标中借此占据一定的垄断 优势。相应的，国内水电企业在大型密封开发上显得基础工作不足，尤其理论分 析做的较少。设计方法上主要依赖以往中小机型经验，借鉴国外结构形式，辅以 少量实验，其结果往往是相似机型上模仿国外结构，能够保证基本可靠，但没有 掌握具体数据【9 】。这种“仿制”方法在国际设备招标中显得落后被动，同时，在非 相似机型上的仿制也暴露出诸多问题。较典型的如前述中的挪威科瓦纳公司密封 结构应用于转轮直径4 m 左右机型上( 如广西天生桥i 级、i i 级电站) 效果良好，当 用于转轮直径大于6 m 的大型机组时，该密封效果明显欠佳，国内己先后有两个大 型机组，对该密封进行了改造、替换，如水口电站水轮机主密封已改为径向盘根 式【l “。仿制的另一个问题在于对密封材料没有更新改进，主轴密封与密封材料密 切相关，新材料的应用可以促使产生一种新型密封结构，有时一种新材料也会使 几近淘汰的密封形式再次被广泛使用，如近来以聚四氟乙烯材料替代油麻盘根用 于径向密封，就取得良好效果。新材料不能很快应用于大型机组设计，从而影响 到密封型式的发展。加拿大g e 公司推出的径向弹簧密封，在清江机组设计制造中， 外方独立配套供货，国内制造厂因没有掌握其精确计算方法，加之对密封材料性 能了解不够使得这在实际运行中性能良好的密封形式一直没有得到推广。 1 3 1 水轮机简介 目前我国水电厂( 站) 以混流式水轮机应用最多，轴流式水轮机次之。据统 计国内1 3 4 座大中型水电站4 7 9 台水轮机，其中混流式9 2 站3 1 8 台，轴流式3 5 站1 2 9 台( 内含定桨式1 站4 台) ，斜流转桨式水轮机仅3 站6 台。 水轮机分为反击式和冲击式两大类。反击式水轮机按转轮区域内水流运动的 方向分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式，其组成部件有蜗壳( 引水室) 、导水 4 顾 学位论文 机构、转轮、尾水管、轴和轴承等。冲击式水轮机按射流冲击水斗的方式不同分 为水斗式、斜击式和双击式，后两种仅适用于小型水轮机，其组成部件有喷嘴、 转轮、机壳、轴与轴承等。 混流式水轮机 水流沿径向进入转轮然后沿轴向自转轮流出的水轮机( 图 1 ) 。适用水头一般为2 0 7 0 0 m ，适用水头范围广，结构简单，运行可靠，应用最 为广泛。中国制造的最大混流式水轮机安装在青海省龙羊峡水电站，水轮机容量 3 2 6 5 万k w 。中国混流式水轮机的最高使用水头为3 1 8 m ，安装在四川省渔子溪一级 水电站，水轮机额定出力为4 1 5 万k w 。 图1 1 混流式水轮机 轴流式水轮机水流进、出转轮沿轴向流动的水轮机( 图2 ) 。轴流式水轮 机的转轮没有转环，叶片形如螺旋桨，又可分为转桨式和定桨式。定桨式水轮机 的叶片固定，常用于单机容量不大和水头变化幅度不大的电站，适用水头一般为 3 7 0 m 。转桨式水轮机桨叶可以转动并与导水叶的开度相配合。其平均效率比混 流式水轮机高，运行稳定，缺点是结构复杂，适用水头般为3 8 0 m 。中国葛洲坝 水利枢纽转轮直径1 1 3 m 水轮机是世界上最大尺寸的轴流转桨式水轮机，出力为 1 7 5 5 万k w 。陕西省石门水电站的水轮机最大水头7 7 m ，是中国水头最高的转桨式 水轮机。 图1 2 轴流式水轮机 5 水轮机土轴的磁流体密封技术研究 斜流式水轮机水流经转轮叶片时倾向于轴线某一方向的水轮机( 图3 ) 。 其叶片可转动，在结构和特性方面介于混流式和轴流式水轮机之间，适用水头一 般为4 0 1 2 0 m ，比轴流式水轮机的适用水头高，比混流式水轮机的平均效率高， 对水头、负荷变化的适应性好。缺点是制造工艺复杂，造价高，小型电站不宜采 用。中国在1 9 6 9 年制成第一台斜流式水轮机，容量为8 8 0 0 k w 。北京市密云水电站 抽水蓄能机组水轮机设计出力1 3 万k w ，是中国最大容量的斜流式水轮机。 图1 3 斜流式水轮机 贯流式水轮机 流道呈直线状的卧轴水轮机( 图4 ) ，分为定桨式和转桨式两 种。其转轮与轴流式水轮机相似，但效率和过流量比轴流式水轮机大，适用水头一 般为3 2 0 m ，是开发低水头和潮汐水力资源的新型水轮机。按发电机的布置方式 分为全贯流式和半贯流式两种。半贯流式又分为竖井式、轴伸式和灯泡式，其中以 灯泡式水轮机应用最广泛。中国的贯流式水轮机自2 0 世纪7 0 年代才开始发展，最 大单机容量的灯泡式水轮机为l 万k w ，而用于潮汐发电的灯泡式水轮机单机容量最 大为7 0 0 k w ，安装在温岭县江厦潮汐电站，该机具有双向发电，双向泄水的功能。 图1 4 贯流式水轮机 水斗式水轮机 由喷嘴喷射的高速射流沿转轮圆周切线方向冲击水斗的水 轮机( 图5 ) 。它的转轮是由若干个瓢形水斗固定在轮缘上所组成，适用水头一般为 1 0 0 1 7 0 0 m 。四川省磨房沟二级水电站的1 3 万k w 容量水轮机是中国制造的最大 水斗式水轮机。中国制造的水斗式水轮机最高水头已超过6 0 0 m 。 6 图1 5 水斗式水轮机 1 3 2 水轮机主轴密封国内外发展概述 ( 1 ) 国内发展与现状国内水电行业几十年来，不断对水轮机主轴密封的设计 进行研究，积累了不少宝贵经验，并已完善出多种密封型式应用于国内各电站。 当前相对应用较多的密封型式主要有【1 1 1 ： 径向螺旋盘根密封：以油麻为密封材料，沿漏水方向呈反螺旋形式布置，密封 材料连续，结构简单，性能优于常规填料式结构，但补偿性差，且盘根会磨损轴 颈。 径向螺旋迷宫密封：为无接触式密封，利用反螺旋阻流原理，无需补偿，维护 简单，但泄漏量较大，尤其不适于多泥沙电站，使用后期可靠性差。 轴向机械式碳精密封：以炭精块为密封材料，其具有耐磨损，摩擦阻力小等优 点。靠弹簧力实现轴向补偿，密封效果好，但结构相对复杂，碳精成本高，工艺 难度大。往往由于弹簧的材料质量和制造精度原因，造成碳精周向受力不均，带 来性能不稳定、寿命短等问题。 轴向碳晶( 尼龙) 水压密封：结构特点与弹簧作用的机械式密封类似，但改进了 弹簧力不均的缺陷，利用水压替代弹簧力，效果较好，但密封材料问题较多，有 待进一步改进。 其它密封i l l 】：如l 型密封、平板密封、双平板密封等，多用于小型机组，适用 范围较小，其中一些因不够完善等原因影响其推广应用，这里不做详述。 ( 2 ) 国外发展概述国外水轮机发展历史长，经验积累多。在中小机型方面， 主轴密封设计己系列化、规范化。欧美等国有专门从事水轮机主轴密封设计制造 的公司( 如：p r o c o 公司、s t a e l i n g 公司等) ，水电机组制造商可按协作产 品定购，密封制造公司按给定的边界条件设计、供货。 7 水轮机圭轴的磁流体带封技术研究 在大型机组方面，欧美等国进行了深入的研究、实验工作，采用的密封结构 各具特色。近十年来推出的成功型式主要有以下几种： 端面水压补偿式橡胶密封；该密封维护方便，适用密封压力范围大，使用寿 命较长。 径向弹簧补偿式碳晶密封：该密封的维护、调整方便，性能稳定，补偿性好， 寿命取决于密封副材质，因而对密封副材料质量要求高，且要求设计计算严密。 该密封型式依靠水压及弹簧力的联合作用作为密封力，此作用力设计过小时泄漏 量大，增大机组排水系统负担，设计过大，则使冷却条件变差，易引起磨损，甚 至局部密封材料烧毁。 轴向自平衡式静压密封：此密封最大特点在于其具有根据密封水压力自动调 整封水间隙的功能，即密封水压与控制水压之间存在协联关系，可以相互作用， 动态平衡，因此封水性能稳定可靠，此外还具有补偿性好，寿命长等优点，只是 结构较其它密封复杂。 ( 3 ) 国内一些水电站水轮机的丰轴密封压力、转速数据，见表1 1 表1 1 国内一些水电站水轮机的主轴密封压力、转速 水电站密封压力( m p a )额定转速( r m i n ) 天荒坪抽水蓄能电站 o 85 0 0 广州蓄能水电厂b 厂 0 85 0 0 洪江电站 o 73 7 0 石河子红山咀水力发电厂 o 3 5 长潭水电厂 0 22 1 4 石南南腊河机组 0 2 52 5 0 石塘水电站o 6 1 5 0 响洪甸抽水蓄能电站 o 4 中寨电站 0 47 5 0 1 4 本课题主要研究内容 磁流体密封由于具有无泄漏、低磨损等独特优点，现在国外已进入了实用阶 段。若能优化磁路结构，进一步提高磁流体密封的耐压性能，对于这项先进技术 应用领域的推广具有重要的意义。本课题的主要内容就是对磁流体密封结构进行 磁场分布计算，合理设计出磁流体密封结构，最终能达到提高磁流体密封耐压性 能的目的。具体步骤如下： 1 、首先对磁流体的物理化学性能、制造方法与磁流体密封结构的优点、类型等方 8 面作一些总结和分析。 2 、根据磁流体力学的理论，对磁流体密封原理进行分析。在推导出磁流体的动量 方程和伯努利方程后，建立起磁流体静密封和磁流体旋转密封的耐压公式。 3 、本文将重点对磁流体密封结构进行合理选材和尺寸设计，优化磁回路的一些重 要参数。 4 、设计实验装置，进行磁流体密封水的实验，验证理论分析的正确性。 5 、将密封结构应用于水轮机主轴密封，设计出合理的磁流体密封结构。 6 、提出提高磁流体密封性能所采取的一系列设计措施。 9 水轮机王轴的磁l 施体南封技术研究 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! = ：= ：= ：= = = = = = = 2 1 磁流体 第2 章磁流体密封原理 2 1 1 磁流体及其性质 磁流体技术出现于2 0 世纪6 0 年代【7 1 。1 9 6 5 年p a p e l s s 获得世界上第一个具 有实用意义的磁流体专利。6 0 年代初，磁流体首先由美国n a s a 在宇宙飞船的活 动仓和过渡仓的密封中应用成功。目前，磁流体正广泛地应用于密封技术、传感 技术、阻尼技术、发电技术、医疗技术和印刷技术等。一些新的应用领域不断出 现。 1 、磁流体的基本组分 磁流体是磁性粒子、载液以及分散剂( 表面活性剂) 三者组合而成【i2 1 。分散 剂( 表面活性剂) 包覆在超细的磁粒子上，使之弥散于基液中，从而形成种稳 定的固液混合二相胶体。在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着 的液体一起运动，因此好像整个液体具有磁性。这种胶状液体既有固体磁性材料 的磁性，又有液体的流动性，它具有与固体磁性材料和液体物质所不同的特殊性 质。 图2 1 磁流体结构示意图 ( 1 ) 磁性粒子 常用的磁性颗粒有【1 3 j ： 1 ) 非金属颗粒：亚铁磁性的铁氧体，f e ，0 4 、y - f e ：0 3 等； 2 ) 金属颗粒：铁( f e ) 、镍( n i ) 、钴( c o ) 、钆( g d ) 等： l o 3 1 合金：f e c o 、f e c 、f e n i 、f e c o n i 等； 4 ) 氮化物：f e 3 n 、占一f e ，n ； 5 ) 化合物：c o f e 3 0 4 、c o f e - 2 0 4 和n i f e 2 0 4 磁性颗粒非常小，属零维纳米材料( 所谓零维纳米材料是指材