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用于密封液体的磁流体旋转密封的理论及实验研究

王虎军  
【摘要】:磁流体是一种兼具流动性和磁响应特性的新型功能材料。磁流体密封由于其具有零泄漏、磨损小、寿命高等独特的优点已经在气体的密封中得到了广泛应用。然而,在液体环境中,磁流体旋转密封因涉及复杂的物理过程,密封性能很难保证。目前,磁流体旋转密封液体的失效机理尚未明确,且未见能够有效密封液体的磁流体旋转密封结构。基于以上背景,本文针对磁流体旋转密封液体技术问题,通过理论、仿真和实验对直接接触型和气体隔离型两种旋转密封结构进行了深入研究。对直接接触型磁流体旋转密封结构,研究了由磁流体与被密封液体速度差引起的界面的Kelvin-Helmholtz不稳定性;为了减小界面不稳定性对密封性能的影响,设计了两种用于密封液体的直接接触型磁流体旋转密封方案:方案一为小间隙磁流体密封;方案二在方案一的基础上添加了挡板。对磁流体与被密封液体两相流进行了计算流体动力学研究,得到了磁流体与被密封液体在其界面破坏过程中的相分布和速度分布;对密封结构的不同密封间隙内的磁场进行了仿真分析研究,得到了小间隙内的磁场强度较强且其相应静密封液体最大理论耐压能力较高的结论。在直接接触型磁流体旋转密封的实验方面,进行了磁流体与水的界面稳定性实验和密封性能实验。通过界面稳定性实验,得到了随转轴转速升高界面保持稳定时间缩短的实验结果,验证了理论研究结论。在密封性能实验中,搭建了用于密封液体的直接接触型磁流体旋转密封实验台并对两种直接接触型磁流体旋转密封方案的密封性能进行了实验研究。实验表明,小间隙的直接接触型磁流体密封可较明显地提高磁流体密封液体的耐压能力和密封寿命;添加挡板后,密封寿命进一步延长。当密封间隙为0.05mm、挡板厚度在3mm以内时,随着挡板厚度的增加,密封寿命逐渐上升;挡板厚度大于3mm时,不同挡板厚度下的密封寿命基本不变。在密封间隙0.05mm、挡板厚度10mm、转轴转速2000r/min条件下,密封结构连续工作120小时不泄漏。然而,当转轴转速较高时,添加挡板后的密封结构的密封性能虽有提高,但仍然较低。为解决在磁流体与被密封液体直接接触情况下其界面不稳定性所导致的磁流体旋转密封性能下降的问题,本文设计了用于密封液体的气体隔离型磁流体旋转密封结构。该结构在磁流体与被密封液体之间设置气体隔离腔,利用压缩气体将磁流体与被密封液体隔离开来,使原磁流体旋转密封液体介质的问题转化为磁流体旋转密封气体介质的问题。在仿真方面,运用Fluent软件对该结构中压缩气体与被密封液体进行了计算流体动力学研究,分别得到了充气过程和气压保持过程两个阶段被密封液体和压缩气体区域内的相分布、压力分布及速度分布。数值模拟结果表明,当压缩气体通道的间隙在0.3mm以内时,压缩气体与被密封液体界面处于稳定状态,即该结构对于密封液体介质具有较好的密封性能,此外转轴转速对压缩气体与被密封液体界面的稳定性无明显影响。在实验方面,搭建了用于密封液体的气体隔离型磁流体旋转密封实验台并进行了相应的耐压能力实验和密封寿命实验。实验表明,在密封液体介质时,与直接接触型磁流体旋转密封相比,气体隔离型磁流体旋转密封结构的密封性能有较大提升:其耐压能力和密封寿命不受转轴转速影响;耐压能力稳定,与磁流体旋转密封气体的耐压能力近似相等;密封寿命延长,均在120小时以上。为了消除被密封液体压力变化对气体隔离型磁流体旋转密封结构稳定运转产生的影响,提出并设计了带有压力闭环控制系统的气体隔离型磁流体旋转密封结构,并搭建了带有压力闭环控制系统的气体隔离型磁流体旋转密封实验台,实验研究表明,通过压力闭环控制系统的智能控制,可以保证气体隔离装置与密封腔的压差处于一个稳定的范围,为气体隔离型磁流体旋转密封的稳定运转提供保障。


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