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。

为了在磁流体密封结构的密封间隙内获得最大磁感应强度差从而提高磁性液体密封装置的耐压能力,基于一典型的磁性液体密封结构,在磁性液体密封理论基础上,采用有限元仿真计算出磁性液体密封结构中的磁场,从而计算出磁性液体密封耐压能力并对极齿进行了优化。结果表明,改变极齿齿形,增加极齿齿顶部长度,极齿处于饱和磁化,磁阻逐渐减小,极齿间最大磁感应强度的均值逐渐增高,而最小磁感应强度的均值逐渐降低,因此密封间隙的耐压能力增强。继续增加极齿齿顶部宽度,极齿处于不饱和磁化状态,极齿间最大磁感应强度降低的幅度大于最小磁感应强度降低的幅度,因此耐压能力降低。