金属磁流体密封的数值分析和试验研究

摘要

磁流体密封是一种可靠性高、功耗低、零泄漏的高性能旋转密封。针对现有磁流体密封不适用于多种液态介质和较高温度条件的问题，提出了适用于多种密封介质，发热量较小，能够适应较高线速度条件的金属磁流体密封。论文从磁流体制备、密封能力、传热性能三个方面对金属磁流体密封展开了深入研究。
　　改变磁性流体的载液和磁性颗粒，制备出液态金属磁性流体，测试了稳定性、蒸发特性、介质相容性、磁化特性，以及金属磁流体粘度随温度的变化规律。改进现有磁流体密封结构，改善安装性能，提出了端面金属磁流体密封新结构。
　　采用ANSYS软件分析金属磁流体密封的磁场强度和磁感应强度分布，得到密封能力。研究了齿高、齿宽、密封间隙、动环厚度以及冷却水槽尺寸等结构参数和转速对密封能力的影响。研究表明密封能力随齿高、齿宽和动环厚度的增大先增后减，而随密封间隙的增加而加速减小。通过正交试验设计法得到齿高、齿宽、密封间隙和动环厚度的多参数综合优化结果，为密封设计建立了基础。
　　采用FLUENT软件，建立金属磁流体密封的传热分析模型，得到密封的温度场分布和磁流体发热规律。分析了金属磁流体密封的转速、齿高、齿宽和密封间隙对传热性能的影响，得到金属磁流体和永磁体的温度及功耗的变化规律。功耗和温度随转速和齿宽的增大而增加，随密封间隙增大而减小，随齿高变化并不明显。
　　研制了金属磁流体密封装置，建立密封试验系统。通过密封能力和传热性能试验，验证了密封装置在实际工况中的可行性。同时，以磁脂作为金属磁流体的对照，得到其在密封能力和传热性能随转速和密封间隙的变化规律，与模拟结果一致，验证了数值分析的正确性。
　　本文通过对金属磁流体密封的性能分析和试验研究，验证了金属磁流体密封的可行性。为磁流体载液方面的研究提供了的研究基础和思路，为磁流体密封结构改进积累了经验，为提升磁流体密封的性能、拓宽其工程应用范围做出了一定贡献。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题来源、研究目的及意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究目的及意义

1．2 课题的研究背景

1．2．1 磁流体密封的原理和特点

1．2．2 磁流体密封的载液种类

1．2．3 磁流体密封的局限性和发展方向

1．2．4 金属磁流体的优势

1．3 课题的研究进展

1．3．3 磁流体密封的失效形式

1．4 课题的研究内容

第二章 金属磁流体密封的研发

2．1 金属磁流体密封的工作原理

2．2 金属磁流体密封的基本结构

2．2．3 动环

2．2．4 外壳

2．4．1 液态金属的选择

2．4．2 镓铟锡合金的制备

2．4．3 磁性颗粒的分散

2．5 金属磁流体的物性分析

2．5．1 稳定性

2．5．2 蒸发损失

2．5．3 介质相容性

2．5．4 粘度

2．5．5 磁化特性

2．6 本章小结

第三章 金属磁流体密封的密封能力数值分析

3．1 金属磁流体密封的密封能力计算

3．2 金属磁流体密封的数值分析

3．2．1 模型建立和材料属性

3．2．2 划分网格并设置边界条件

3．2．3 模拟结果及分析

3．3 转速对密封能力的影响

3．4 结构参数对密封能力的影响

3．4．1 密封间隙

3．4．2 极齿宽度

3．4．3 极齿高度

3．4．4 动环厚度

3．4．5 冷却水通道尺寸

3．5 结构参数的综合分析

3．6 本章小结

第四章 金属磁流体密封的传热特性数值分析

4．1 金属磁流体密封的传热机理

4．2 金属磁流体密封的摩擦热计算

4．3 金属磁流体传热数值分析模型

4．3．1 模型

4．3．2 定义材料属性

4．3．3 划分网格

4．3．4 施加边界条件

4．4 模拟结果分析

4．4．1 温度场分布

4．4．2 速度场和压力场分布

4．5 结构参数对传热性能的影响

4．5．1 齿宽

4．5．2 密封间隙

4．5．3 齿高

4．6．1 转速对温度的影响

4．6．2 转速对功耗的影响

4．6 本章小结

第五章 金属磁流体密封的试验研究

5．1 金属磁流体密封试验系统

5．1．1 运转装置

5．1．2 控制装置

5．1．3 检测装置

5．1．4 辅助装置

5．2 金属磁流体密封装置

5．2．1 磁极

5．2．2 外壳

5．2．3 柔性极靴密封盘

5．2．4 动环

5．3 密封能力试验

5．3．1 转速的密封能力试验

5．3．2 密封间隙的密封能力试验

5．4 传热性能试验

5．4．1 温度的传热性能试验

5．4．2 功耗的传热性能试验

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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