水轮机主轴采用的传统密封技术,大多依靠动、静部件的紧密接触实现密封,磁流体密封是利用在磁场力的作用下形成的"液态O形圈"来实现装置的密封。文中通过对传统密封形式与磁流体密封的工作原理分析,得到不同传统密封形式的不足之处以及磁流体密封的特点、发展趋势,目前磁流体密封技术尚不完善,需要加强理论和试验研究,不断推动磁流体密封技术的发展。

以水轮机主轴为研究对象,在有限密封段条件下,利用电磁学原理构建水轮机主轴磁流体密封装置的磁路模型,得到密封压力与磁流体密封磁极角、极齿高度、极齿宽度和极齿槽宽的关系,然后进行数值分析与试验验证。研究结果表明,随着磁极角、极齿高度和极齿槽宽的增加,密封压力呈抛物线变化,磁极角在45°、极齿高度和极齿槽宽在10倍间隙值处取得极大值;随着极齿宽度的增加,密封压力线性减小;随着水轮机主轴转速的增高,离心力对间隙内磁流体扰动不断加剧,甚至造成密封失效。

针对传统密封方式应用于往复密封存在磨损和泄漏的问题,以立式柱塞泵为研究对象,设计一种带有斯特密封的新型磁流体密封装置。利用有限元数值分析软件获得磁流体密封件间隙内磁感应强度分布,计算其理论耐压值,分析密封间隙、齿宽、齿高、槽宽等关键参数对密封压力值的影响,并运用响应曲面优化方法对其进行优化设计。结果表明:初设密封装置理论耐压值为0.483 MPa;密封压力值与密封间隙成反比,密封压力值随着齿宽、齿高、槽宽的增大先增大后减小。优化后各结构参数分别为密封间隙0.2 mm,齿宽0.627 mm,齿高1.01 mm,槽宽1.84 mm时,理论密封压力值为0.529 MPa,相比优化前提升了9.5%,且远高于实际应用密封压力值。