水轮机主轴磁流体密封装置磁流热特性研究
“碳达峰、碳中和”已经成为国家重大战略规划，水电作为最大的可再生清洁能源以其“快速响应和灵活调度”特点将在整个电网发挥重要的作用，而全负荷、全水头水轮机运行方式使机组运行稳定性问题更加突出，尤其是主轴的运行工况更为复杂，其中水轮机主轴密封可靠性又是运行中经常出现故障而无法彻底解决的技术瓶颈。磁流体密封作为一种新型的密封方式，具有结构简单、“零”泄漏、使用寿命长和低摩擦力矩等一系列优点，对于目前水轮机主轴传统密封方式而言，该密封方式是一个“颠覆性”的技术，具有重要科学应用价值和意义。但如今国内外学者大多从单一物理场角度研究磁流体密封装置，少有考虑到各物理场之间的相互作用。因此，本文利用Fluent和Maxwell软件聚焦水轮机主轴磁流体密封装置多物理场开展数值分析，主要研究内容如下： （1）本文根据水轮机主轴密封装置工作环境，制备出低粘度、疏水性和高饱和磁感应强度的磁流体。然后通过试验得到磁流体材料的粘温和磁温系列数据，接着对数据进行分析与推演，得到磁流体材料的粘温和磁温公式。 （2）本文通过Fluent和Maxwell软件对不同主轴转速及极齿参数下的磁流体密封装置进行磁场数值计算研究。研究结果表明：随着主轴转速由100rpm逐渐增加到600rpm，密封间隙内磁流体受温度影响，磁感应强度差值和理论密封压力逐渐减小；随着密封间隙由0.3mm逐渐增加到1.5mm，密封间隙内磁流体受间隙磁阻（Rg）和温度影响，磁感应强度差值和理论密封压力逐渐减小；随着极齿宽度由1mm逐渐增加到5mm，密封间隙内磁流体受间隙磁阻（Rg）、外侧漏磁阻（RσA）、轴套磁阻（Ra）、极齿尖峰效应和极齿间漏磁影响，磁感应强度差值和理论密封压力先增大后减小；当极齿高度小于2.5mm时，密封间隙内磁流体受外侧漏磁阻（RσA）影响，磁感应强度差值和理论密封压力逐渐增加，当极齿高度超过2.5mm后，极齿位置存在尖峰效应和极齿间漏磁，磁感应强度差值和理论密封压力逐渐减小；随着极齿槽宽度由3mm逐渐增加到15mm，密封间隙内磁流体受外侧漏磁阻（RσA）、密封装置几何变化和极齿间漏磁影响，磁感应强度差值和理论密封压力先增大后减小。 （3）本文通过Fluent和Maxwell软件对不同主轴转速及极齿参数下的磁流体密封装置进行流场数值计算研究。研究结果表明：随着主轴转速由100rpm逐渐增加为600rpm，极齿槽和永磁体槽内磁流体受较强离心力作用速度逐渐增加，而极齿位置磁流体受较强磁力作用基本保持不动；当密封间隙小于0.6mm时，间隙内磁流体受较强磁力作用基本保持不动，但当密封间隙超过0.6mm后，极齿槽和永磁体位置磁力减弱，该区域内磁流体速度逐渐增大，而极齿位置磁力依旧较大，磁流体依旧保持不动；随着极齿宽度由1mm逐渐增加到5mm，极齿位置磁流体受较强磁力作用基本保持不动，而极齿槽和永磁体槽位置磁流体受磁力和温度影响，速度逐渐减小；随着极齿高度由1mm逐渐增加到5mm，极齿槽和永磁体槽内磁流体受离心力作用速度逐渐减小，而极齿位置磁流体受较强磁力作用，在4×10-3m/s速度上下波动；随着极齿槽宽度由3mm逐渐增加到15mm，极齿位置磁流体受磁力作用，速度由5×10-4m/s增加为5×10-3m/s，而极齿槽和永磁体槽内磁流体受温度影响，速度逐渐减小。 （4）本文通过Fluent和Maxwell软件对不同主轴转速及极齿参数下的磁流体密封装置进行温度场数值计算研究。研究结果表明：随着主轴转速由100rpm逐渐增加到600rpm，间隙内磁流体速度梯度逐渐增加，磁流体密封装置温度逐渐升高；随着密封间隙和极齿高度分别由0.3mm和1mm逐渐增加到1.5mm和5mm，间隙内磁流体速度梯度逐渐减小，磁流体密封装置温度逐渐降低；随着极齿宽度由1mm逐渐增加到5mm，间隙内磁流体速度梯度和密封装置几何尺寸逐渐增加，所以密封装置温度先增加后减小；随着极齿槽宽度由3mm逐渐增加到15mm，密封间隙内磁流体速度梯度逐渐减小，且密封装置几何尺寸变化较大，磁流体密封装置温度逐渐降低。 本文研究结果能为磁流体密封在水轮机主轴密封上的应用提供技术参考，为磁流体密封装置的优化设计提供新的研究思路，为现有密封方式的研究提供了新的研究方向。
水轮机;主轴结构;磁流体密封;磁流热特性
西华大学
硕士
动力工程及工程热物理
李正贵
2022
中文
TK730.321
2022-11-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）