秦杏堯, 李望旭, 李正貴*,, 黎義斌, 顏招強(qiáng)

(1. 山東華魯恒升化工股份有限公司, 山東 德州 253024; 2. 流體及動力機(jī)械教育部重點實驗室(西華大學(xué)), 四川 成都 610039; 3. 自貢兆強(qiáng)密封制品實業(yè)有限公司, 四川 自貢 643000; 4. 蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

磁性液體密封屬于新型密封[1].相對于傳統(tǒng)機(jī)械密封,磁性液體密封具有零泄漏[2-3]、易維護(hù)[4]、無污染、可靠性高等優(yōu)點[5-6],將其應(yīng)用在水輪機(jī)主軸上有著無比的優(yōu)越性.因此,磁性液體密封博得了大量從事密封行業(yè)和水電行業(yè)學(xué)者的關(guān)注[7-9].近幾年,工業(yè)上使用的磁性液體密封大多用于密封氣體[10],對于密封液體還存在一些問題[11-12],如密封壓差小、主軸轉(zhuǎn)速低、密封不穩(wěn)定等.探究磁性液體旋轉(zhuǎn)密封液體的失效機(jī)理成為實現(xiàn)磁液密封水輪機(jī)主軸的突破口,大量學(xué)者對此進(jìn)行了研究.Liu等[13]指出裝置漏磁會造成磁液密封液體時兩相界面不穩(wěn)定,導(dǎo)致密封失效,為此對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,在軸上增添軟鐵磁套,并在極靴邊緣增添絕磁材料,減小了密封結(jié)構(gòu)的漏磁現(xiàn)象,提高了密封穩(wěn)定性.Zhao等[14]通過數(shù)值計算分析了傳統(tǒng)磁性液體密封結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)磁性液體旋轉(zhuǎn)密封時,密封能力受軸偏心量、軸徑和離心力等影響.Qian等[15]通過理論推導(dǎo)得出,磁性液體因黏性作用產(chǎn)生的牽引力會導(dǎo)致磁性液體在密封間隙中旋轉(zhuǎn),影響密封能力.Williams等[16]成功地實現(xiàn)了主軸轉(zhuǎn)速為1 r/min的磁性液體旋轉(zhuǎn)密封,但其近似于靜密封.通過該行業(yè)學(xué)者的不斷努力,目前對密封液體失效機(jī)理的研究已經(jīng)有了初步認(rèn)知,但在實際工業(yè)中仍未解決密封失效問題.因此,對密封液體失效機(jī)理還需進(jìn)一步探索.

以往的研究方向大部分著重于優(yōu)化磁路和對磁性液體本身的研究,很少對密封介質(zhì)液體的流動特性進(jìn)行研究.密封介質(zhì)液體在主軸旋轉(zhuǎn)過程中,會因黏性效應(yīng)隨主軸運動.當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速過大時,密封介質(zhì)液體的流動特性將由層流轉(zhuǎn)為湍流.在湍流作用下,密封介質(zhì)液體與磁性液體的兩相界面將處于不穩(wěn)定狀態(tài),降低密封穩(wěn)定性.因此,為提高磁性液體密封穩(wěn)定性,對密封介質(zhì)液體的流動特性進(jìn)行研究十分必要.本文基于數(shù)值計算與實驗相結(jié)合的方式,對動、靜密封在不同工況下密封液體的流動特性進(jìn)行研究,為水輪機(jī)主軸磁性液體密封裝置的設(shè)計提供理論指導(dǎo).

1 理論分析

密封液體內(nèi)部流動被近似認(rèn)為是三維不可壓縮流動,流場應(yīng)滿足質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程[17].

質(zhì)量守恒方程指在單位時間內(nèi),流出控制體的流體質(zhì)量等于同一時間間隔控制體內(nèi)因密度變化而減少的質(zhì)量,其表達(dá)式為[18-19]

(1)

式中：ρ為流體密度,kg/m3；t為單位時間,s；ux、uy、uz分別為流體在x、y、z方向的速度,m/s.

動量守恒方程指控制體的動量對時間的變化率等于外界作用在該控制體上的各種力之和,其表達(dá)式為[20]

ρ(du/dt)=-?P+?·[τ]+ρF

(2)

式中：τ為流體的黏性剪切應(yīng)力；P為流體壓力,Pa；F為流體所受體積力.

湍流強(qiáng)度是表征流場微觀脈動特征的重要參數(shù)之一,當(dāng)湍流強(qiáng)度小時,可認(rèn)為流態(tài)穩(wěn)定.湍流強(qiáng)度的表達(dá)式為[21]

(3)

2 數(shù)值計算

2.1 幾何模型和網(wǎng)格模型

磁性液體密封結(jié)構(gòu)由主軸、磁性液體、極靴、永磁體組成.永磁體產(chǎn)生的磁場經(jīng)極靴、磁性液體、主軸形成閉合回路,磁性液體也因閉合磁場的形成被牢牢吸附在主軸與極靴之間的間隙中,形成O型密封圈,實現(xiàn)密封.圖1為密封結(jié)構(gòu)示意圖.

圖1 磁性液體密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of magnetic liquid sealing device

應(yīng)用數(shù)值計算方法探究磁性液體動、靜密封中密封介質(zhì)液體的流動特性時,需進(jìn)行流體域(密封腔內(nèi)密封介質(zhì)液體的運動區(qū)域)網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格模型應(yīng)用ICEM繪制的結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格,并對轉(zhuǎn)速100 r/min、密封壓力1.0 MPa工況下計算域內(nèi)某一點進(jìn)行湍流強(qiáng)度監(jiān)測.經(jīng)計算發(fā)現(xiàn),在網(wǎng)格數(shù)為238 721時湍流強(qiáng)度為6.32 %,在網(wǎng)格數(shù)為283 512時湍流強(qiáng)度為6.317%,差值相差在3%以內(nèi),故網(wǎng)格數(shù)為238 721時滿足計算要求.流體域模型和網(wǎng)格模型如圖2所示.

圖2 仿真模型和流體域網(wǎng)格模型Fig.2 Simulation model and fluid domain grid model

2.2 求解控制

密封腔內(nèi)入口類型為壓力入口 (pressure-inlet),取值分別為0.5、1.0、1.5 MPa.靜密封時,旋轉(zhuǎn)壁面(axis wall)固定不動；動密封時,旋轉(zhuǎn)壁面的轉(zhuǎn)速取100、300 r/min.密封過程中磁液位移對密封液體流場的影響可忽略不計,為簡化計算,可將磁液密封界面當(dāng)做壁面處理.腔內(nèi)流體存在逆壓流動,故選取湍流模型為Realizablek-e模型.在Fluent軟件的求解器中,SIMPLEC具有計算速度快、收斂性好的特點,且精度滿足計算要求.因此，本文求解器采用SIMPLEC,離散模型除梯度采用Lesat Squares Cell Based格式外,其余均采用Second Order Upwind格式.

3 結(jié)果分析

3.1 靜密封下壓力對密封液體流場的影響

圖3為不同密封壓力下靜密封時密封介質(zhì)液體的湍流強(qiáng)度分布云圖.可以看出,靜密封時,密封壓力對密封間隙處湍流強(qiáng)度的影響較小,且湍流強(qiáng)度分布無明顯規(guī)律.磁性液體密封能力與密封間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度和磁性液體磁化強(qiáng)度有關(guān),磁性液體所在位置不同,密封能力不同.密封壓力增大,磁性液體的位置將有所改變;當(dāng)壓力穩(wěn)定后,磁性液體的位置確定.在此過程中,由于密封液體的湍流強(qiáng)度較低,故磁液與密封液體的乳化作用較小.因此,磁液在靜密封條件下密封液體的能力較好.

圖3 靜密封時不同壓差下密封腔內(nèi)湍流強(qiáng)度分布云圖Fig.3 Turbulence intensity distribution in the seal cavity under different pressure differences during static sealing

3.2 動密封下轉(zhuǎn)速對密封液體流場的影響

圖4為密封壓差為0.5 MPa時,不同轉(zhuǎn)速下密封腔內(nèi)湍流強(qiáng)度分布云圖.可以看出,主軸轉(zhuǎn)速是影響密封液體湍流強(qiáng)度的主要因素.當(dāng)轉(zhuǎn)速為100 r/m時,密封界面處湍流強(qiáng)度有明顯提升,且湍流強(qiáng)度最大值隨轉(zhuǎn)速升高而增大.不同轉(zhuǎn)速下,湍流強(qiáng)度最大值均發(fā)生在靠近軸部的密封界面處.密封介質(zhì)液體在湍流的作用下,不斷沖刷磁性液體密封界面,嚴(yán)重影響磁性液體與密封介質(zhì)液體兩相界面的穩(wěn)定性,加速磁性液體的乳化現(xiàn)象,造成密封失效.

圖4 不同轉(zhuǎn)速下密封腔內(nèi)湍流強(qiáng)度分布云圖Fig.4 Cloud diagram of turbulence intensity distribution in the sealed cavity at different rotating speeds

3.3 動密封下壓力對密封液體流場的影響

圖5為主軸轉(zhuǎn)速為100 r/min時密封界面處湍流強(qiáng)度最大值與密封壓力的關(guān)系.可以看出,隨著密封壓力增大,密封界面上湍流強(qiáng)度最大值無明顯變化.由此說明,密封壓力對密封腔內(nèi)流場的影響較小,這與靜密封時的結(jié)論一致.因此,在進(jìn)行液體密封時,轉(zhuǎn)速對密封界面不穩(wěn)定的影響要遠(yuǎn)大于密封壓力.

圖5 轉(zhuǎn)速100 r/min時在不同壓差下湍流強(qiáng)度最大值Fig.5 Maximum turbulence intensity at 100 r/min speed and different pressure differences

3.4 實驗

為驗證數(shù)值計算的準(zhǔn)確性,通過PIV( particle image velocimetry)系統(tǒng)對密封腔內(nèi)流場進(jìn)行實驗驗證,實驗操作在西華大學(xué)流體及動力機(jī)械教育部重點實驗室進(jìn)行.圖6為實驗現(xiàn)場圖,實驗條件為常壓.通過脈沖激光器和片光透鏡組在透明密封腔內(nèi)形成片光源,并通過CCD相機(jī)拍攝與示蹤粒子充分混合的密封液體流場.實驗中,脈沖激光器發(fā)出2組激光,分別通過Lamp1和Lamp2控制.在實驗開始時,由Lamp1打開第1組激光,在180 μs后,應(yīng)用Q.switch1進(jìn)行觸發(fā)；經(jīng)過Δt后,由Lamp2打開第2組激光,并由Q.switch2在180 μs+Δt后進(jìn)行觸發(fā).CCD相機(jī)曝光時間為180 μs+Δt/2.PIV系統(tǒng)調(diào)試完畢后,將主軸轉(zhuǎn)速調(diào)至100 r/min,通過PIV系統(tǒng)對片光某一水平線上的速度進(jìn)行監(jiān)測.圖7為實驗結(jié)果與數(shù)值結(jié)果的對比.可以看出,數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果存在一定誤差,但整體趨勢相同.造成該誤差的原因包括：1) 實驗中電機(jī)轉(zhuǎn)動存在振動,2) 實驗中主軸表面粗糙度與數(shù)值計算中表面粗糙度不一致.因此,實驗結(jié)果可以驗證數(shù)值結(jié)果的準(zhǔn)確性.

圖6 實驗現(xiàn)場圖Fig.6 Test site drawing

圖7 結(jié)果對比Fig.7 Comparison of results

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值計算和實驗相結(jié)合的方式,研究了密封壓力、轉(zhuǎn)速對密封介質(zhì)液體流場特性的影響.結(jié)果表明:動、靜密封時,密封壓力對密封介質(zhì)液體流場的擾動較小,軸轉(zhuǎn)速對密封介質(zhì)液體流場的擾動較大;并且在動密封時,湍流強(qiáng)度最大值發(fā)生在靠近主軸位置的密封界面處.因此,在進(jìn)行水輪機(jī)主軸磁性液體密封裝置設(shè)計時,必須采取一定措施降低磁性液體密封界面上的湍流強(qiáng)度,才可保證密封的穩(wěn)定可靠.