水輪機主軸磁流體密封界面穩(wěn)定性研究與分析

董冰 倪家彬 蘇瑩 任意

摘 要：磁流體密封作為一種新型的磁流體密封方式，現已在氣體密封方面得到廣泛應用，而磁流體液體密封因界面不穩(wěn)定未得到實踐。因此，本文首先分析了水輪機主軸磁流體密封液液穩(wěn)定性機理，然后從液體分層和界面波動性上對磁流體密封液液界面穩(wěn)定性分析，從而得出磁流體密封界面穩(wěn)定性相關結論，從而為水輪機主軸磁流體密封提供理論依據。

關鍵詞：水輪機主軸;磁流體密封;液體分層;界面穩(wěn)定性

引言

磁流體，又被稱為磁性納米流體、磁性膠體或鐵磁流體。磁流體主要由納米固體磁性顆粒、基液和表面分散劑三部分組成。納米固體磁性顆粒，又稱為分散相，粒子直徑大小一般為3～10nm，其中主要由強磁性的元素及其化合物組成?；海址Q為分散介質，主要分為極性和非極性兩大類。表面活性劑，又稱為分散劑，主要作用是將固體磁性顆粒均勻分散于基液中，防止固體磁性顆粒在基液中發(fā)生聚沉。磁流體相對于其他液體而言，可在外磁場的作用下，可以改變介質的物理性質，從而顯現表觀磁性。因此，磁流體也用于密封行業(yè)。同時，磁流體相對于傳統(tǒng)密封而言，具有零泄漏、使用壽命長、可靠性高和完全無污染等優(yōu)點，現在已經得到廣泛研究。但是，目前磁流體密封還存在較多的問題，還不能用于長時間密封液體，對于氣體密封而言，現已得到廣泛的應用。磁流體密封失效的主要問題在于磁流體密封液體界面的不穩(wěn)定，從而造成磁流體密封失效。所以，本文從磁流體密封液液界面的形成機理、液液界面穩(wěn)定性的影響因素進行分析，再提出相關措施，從而為磁流體密封液液界面的穩(wěn)定性提供技術支撐。

1.磁流體密封液液界面形成

界面主要指兩個不同相的物體的交界處，也就是兩個物體之間的過渡層。根據物質的不同，界面主要分為六種，分別為氣氣界面、氣液界面、氣固界面、液液界面、液固和固固界面。界面并不是一個簡單的二維幾何界面，主要是由一相過渡到另外一相的過渡區(qū)域，在物理化學性質上和界面兩側的相有明顯的區(qū)別。對于界面的研究也較多，例如界面張力、界面自由能、界面吸附、界面擾動性和界面定向性質等。對于液液界面而言，界面的形成主要分為三種方式，黏附、鋪展和分散。而磁流體密封液液界面的形成主要是黏附，黏附是指兩種液體進行接觸，各自失去自己氣液界面從而形成液液界面的過程。

2.磁流體密封液液界面穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性是指動力系統(tǒng)中對平衡位置附近施加小擾動表現出來的性質。磁流體的穩(wěn)定性是指磁流體的某些性質，例如分散相濃度、顆粒大小、粘度和密度等穩(wěn)定性。磁流體的穩(wěn)定性主要分為兩個大的部分，磁流體內部結構的穩(wěn)定和界面的穩(wěn)定，而本文主要研究的是磁流體界面的穩(wěn)定。磁流體界面的穩(wěn)定性是指磁流體與被密封液體之間在相對靜止或運動時，不發(fā)生相對滲透和混合，具有明顯的分層。

2.1從流體方面討論界面穩(wěn)定性

在穩(wěn)定狀態(tài)下的磁流體密封液液界面，可理解為兩種液體形成了一個平衡體系。可是，每種液體分子之間的距離不同，但有一定的平均值，各分子之間不會借助于熱運動而分散?？墒?，由于兩種液體的密度不同，分子直徑不同，所以位于界面的分子兩側分子的吸引力不同，界面分子會從密度小的一側流向大的一側，從而發(fā)生混溶。

此外，液體是具有粘性的，各液體之間的粘性不同，所以兩液體發(fā)生相對運動時，液體界面將產生剪切力，從而形成流體的內摩擦，從而使得流動較快的液體（磁流體）發(fā)生減速，流動較慢的液體（被密封液）增速。此外，由流體力學剪切力公式可得，液體的粘度越大，內摩擦力越大，而根據現有研究可得，磁流體的密度一般高度高于被密封液體，而且粘度值也大于被密封液體，所以在磁流體液體的熱效應高于被密封液體，進一步加劇了磁流體密封界面低密度液體向高密度液體流動，增加混溶。

2.2從界面波動方面討論界面穩(wěn)定性

對于靜止或者流動的液體而言，無限小的擾動總是存在的，從嚴格意義上而言，沒有完全穩(wěn)定的液體，所以液體穩(wěn)定性是相對而言，指液體在一定范圍內是穩(wěn)定的。而擾動一般是以波的形式出現的，在真實環(huán)境小，液體一般會存在許多的波動，如果某種擾動破壞了初始的定常狀態(tài)，使之不能維持定常狀態(tài)，則它為不穩(wěn)定。對于磁流體密封而言，如果界面在受到擾動后，經過長時間后能夠恢復原來的定常狀態(tài)，那么可視為穩(wěn)定;如果界面受到擾動后，永遠恢復不到原來的狀態(tài)，那么視為不穩(wěn)定。

3.磁流體密封液液界面穩(wěn)定性措施

從流體方面和界面波動方面研究了磁流體密封液液界面的穩(wěn)定性，根據液液界面形成波動的原因，從而提出提高磁流體密封界面穩(wěn)定的措施。

（1）磁流體密封液液界面的低密度區(qū)域屬于低自由能區(qū)域，所以可以通過人為方式增加低密度區(qū)域的自由能，將密度小的液體變?yōu)楦吣芊肿?，從而克服密度大的分子對密度小的分子吸引力?/p>

（2）磁流體密封高密度區(qū)域屬于高自由能區(qū)域，一般來說液體粘度較大，所以可采用一些降低自由能的方式，從而減小高密度自由能。例如，增加散熱、增大接觸面積等方式。

（3）磁流體密封液液界面雖然不能保持絕對的相對穩(wěn)定，但是在條件允許下，可以盡量減少對界面的擾動，以減小不穩(wěn)定的發(fā)生。

4.結論

磁流體密封作為一種新型的磁流體密封方式，相對于其他傳統(tǒng)密封方式而言，具有較多的優(yōu)點。磁流體密封的不穩(wěn)定是造成密封失效的關鍵因素，可通過提高低密度區(qū)域自由能、降低高密度區(qū)域自由能和盡量減小對密封界面的擾動，從而增強液液界面的穩(wěn)定性，提高磁流體密封性能。

參考文獻：

[1]王虎軍. 用于密封液體的磁流體旋轉密封的理論及實驗研究[D].北京交通大學，2018.

[2]林震亞. 界面不穩(wěn)定性的MHD控制[D].南京理工大學，2018.

[3]李源. 磁流體中界面不穩(wěn)定性的理論和數值研究[D].中國科學技術大學，2014.