МАГНИТОЖИДКОСТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА
MAGNETIC FLUID SHAFT SEAL

Изобретение относится к конструкциям уплотнений между подвижными относительно одна другой поверхностями и может быть использовано в машиностроении, авиадвигателестроении и других областях техники.
В современных газотурбинных двигателях для снижения утечек воздуха обычно устанавливают лабиринтные уплотнения, которые бесконтактные и поэтому имеют большой ресурс, но из-за наличия зазора между роторной и статорной частями лабиринтные уплотнения характеризуются повышенными утечками воздуха по сравнению с контактными уплотнениями. Через контактные уплотнения проникает воздуха примерно в 10 раз меньше по сравнению с лабиринтными уплотнениями. Контактные уплотнения, например углеграфитовые, обычно применяют в масляных полостях опор, где сравнительно низкие температуры (до 300-350°C) и небольшие окружные скорости вращения (до 130 м/с). В более тяжелых условиях эксплуатации контактные уплотнения быстро изнашиваются и выходят из строя.
В настоящее время большое распространение получили щеточные уплотнения, расход воздуха через которые в 3-6 раз ниже, чем через лабиринтные. В тоже время щеточные уплотнения в силу упругости проволоки обеспечивают надежный контакт роторной и статорной частей уплотнения. В этом случае износ щеточных уплотнений будет значительно меньше, чем у контактных, а ресурс - более продолжительным.
Известны щеточные уплотнения RU 2232324, RU 2293894, RU 2016304, в корпусе которых под углом к оси вращения вала установлены пакеты щеток из тонких металлических проволок, размещенных между торцевыми кольцевыми пластинами, образующими сплошную кольцевую щетку. Щетки жестко закреплены между пластинами и радиально выступают из пластин в направлении вращения под углом 45°-60°. В изобретении RU 2293894 уплотняющие элементы выполнены изогнутыми с образованием двух ветвей, разделенных расположенной между ними проставкой. В таких уплотнениях в результате постоянного по величине натяга в контакте щеток с вращающимся валом происходит износ контактирующих проволок. При этом в зоне контакта повышается температура, что приводит к срабатыванию материала щеток по контактирующей поверхности. Поэтому в нескольких изобретениях предлагаются различные технические решения, направленные на уменьшение величины натяга и трения между контактирующими поверхностями.
В изобретении RU 2232324 уплотнение содержит кольцевой пакет свободных с одного конца и зафиксированных с другого конца капиллярных трубок, закрепленных между малой и большой боковыми пластинами. В полостях трубок установлены проволочки, свободные концы которых короче трубок. Проволочки выполнены из металла с повышенной упругостью и обеспечивают необходимый натяг, а трубки, контактирующие с поверхностью вала, сделаны из мягкого металла для уменьшения величины трения.
В изобретении SU 1725609 для повышения долговечности и надежности работы зазоры в пакете уплотнительных элементов заполнены фиксирующим и герметизирующим составом, а уплотнительные элементы кольцевого пакета выполнены в виде капиллярных трубок, заполненных смесью фторопласта-4 с графитовым порошком.
В изобретении SU 1484033 для улучшения скольжения уплотнения пакет щеток выполнен с зазорами между каждой соседней проволочкой, а межпроволочные объемы в кольцевом пакете заполнены фиксирующим, герметизирующим составом на основе органосиликатного материала с металлическим наполнителем.
В изобретении RU 2016304 щеточное уплотнение содержит электромагниты, установленные с определенным шагом на наружной поверхности корпуса, пакеты щеток, выполненных из тонких металлических проволочек из упругого теплопроводного материала, не обладающего магнитными свойствами, и упругие пластины, установленные между пакетами щеток. Длина пластин меньше длины пакетов щеток для исключения трения пластин о вал. Пластины изготовлены из ферромагнитного материала, обладающего большой упругостью и теплопроводностью. Корпус и вал выполнены из немагнитных материалов. В таком устройстве можно изменять силу прижатия щеток к валу. При подаче электрического тока на обмотки электромагнитов к их сердечникам притягиваются пластины, которые, воздействуя на пакеты щеток, уменьшают их прижатие к контактирующей поверхности вала. Однако в этом случае может увеличиваться зазор между щетками и валом, в результате чего ухудшается качество уплотнения.
Известны магнитожидкостные уплотнения вала RU 2353840, RU 2315218, RU 2296900, RU 2403476, RU 2403477, US 6672592, JP 59047566 (A), которые состоят из корпуса, в котором установлен магнит с примыкающими к нему полюсными приставками. На поверхности полюсных приставок, обращенных к валу, расположены зубцы. Каждый зазор между зубцом и валом заполнен магнитной жидкостью.
Используемые для уплотнений магнитные жидкости обладают уникальным сочетанием текучести и способности взаимодействовать с магнитным полем. Их свойства определяются совокупностью характеристик входящих в них компонентов (твердой магнитной фазы состоящей из наночастиц, дисперсионной среды и стабилизатора), варьируя которыми можно в довольно широких пределах изменять физико-химические параметры магнитной жидкости в зависимости от условий их применения.
Магнитная жидкость, используемая в уплотнении, должна иметь максимально возможную намагниченность насыщения, минимальную вязкость и испаряемость. Выполнение указанных требований обеспечивает сохранение величины рабочего зазора и минимальное трение.
Постоянный магнит в уплотнении служит источником магнитного поля. Создаваемый им магнитный поток полюсными приставками подводится к зазору между полюсными приставками и вращающимся валом. Зубцы полюсов перераспределяют рабочий магнитный поток в зазоре, и поле становится резко неоднородным. Магнитная жидкость втягивается под зубцы, где поле имеет максимальную напряженность, и образует герметичные пробки с повышенным внутренним давлением.
Каждая магнитожидкостная пробка способна воспринимать перепад давлений, который определяется по формуле:
o
где µ - магнитная постоянная;
M - намагниченность магнитной жидкости;
H - напряженность магнитного поля в зазоре;
max
min
H и H - максимальная и минимальная напряженности магнитного поля на границах магнитожидкостной пробки в момент удержания ею максимального перепада давлений.
Перепад давлений, удерживаемый уплотнением, определяется суммой перепадов всех магнитожидкостных пробок под зубцами.
Такие уплотнения могут обеспечить герметизацию зазора при большом перепаде давления. Они имеют минимальное трение между валом и магнитной жидкостью. Однако при наличии температуры вала и его окружающей среды выше точки Кюри магнитной жидкости она не только испаряется, но и теряет свои свойства, в результате происходит разгерметизация уплотнения.
Кроме того, дестабилизация магнитной жидкости возникает тогда, когда центробежная сила больше магнитной силы, т.е. при очень больших скоростях вращения вала. В этом случае магнитные силы не в состоянии удержать магнитную жидкость, и она будет небольшими долями выталкиваться из зазора, сокращая срок службы уплотнения.
В силу малости зазора в уплотнениях даже незначительный эксцентриситет вала относительно полюсных приставок вызывает под зубцами приставок увеличение давления. В результате происходит вытекание жидкости на периферию зубцов и уменьшение толщины магнитожидкостной пробки под зубцами. При недостаточном объеме магнитной жидкости под зубцом возникает разрыв сплошности жидкости и происходит пробой уплотнения. Для обеспечения минимального эксцентриситета необходимо обеспечить жесткое крепление и хорошую центровку корпуса магнитожидкостного уплотнения относительно оси вала.
В качестве прототипа выбрано магнитожидкостное уплотнение JP 59047566(A), содержащее корпус, две полюсные приставки с установленным между ними кольцевым постоянным магнитом. На поверхности полюсных приставок, обращенных к валу, расположены зубцы или пакеты щеток. Щетки выполнены из множества тонких стальных пластин, один конец которых прикреплен к полюсной приставке, а другой направлен в сторону вала. Зазор между щетками и валом заполнен магнитной жидкостью. Недостатком данной конструкции является жесткое ограничение по скорости вращения вала, что делает затруднительным его применение в современных газотурбинных двигателях.
Техническим эффектом от предлагаемого изобретения является повышение удерживаемого перепада давлений магнитожидкостным уплотнением, снижение ограничения на скорость вращения вала, а также увеличение срока эксплуатации.
Технический эффект от предлагаемого изобретения достигается тем, что в магнитожидкостном уплотнении вала, содержащем корпус из немагнитного материала с кольцевой магнитной системой внутри него, включающей постоянный магнит с полюсными приставками и жестко закрепленными на них щетками из нескольких рядов упругих магнитопроводимых металлических проволок, охватывающих вал и образующих с ним зазор, заполненный магнитной жидкостью, согласно изобретению на полюсных приставках со стороны вала выполнены кольцевые пазы прямоугольного сечения, в каждой щетке упругие магнитопроводимые металлические проволоки выполнены плотно прилегающими друг к другу, закрепление щеток на полюсной приставке выполнено на боковой поверхности паза, а между другой стороной щетки и другой боковой поверхностью паза образован зазор, при этом свободные концы проволок щеток радиально направлены к валу.
Кроме того:
- на выступах между пазами закреплены кольца из немагнитного материала, нижняя часть которых выполнена с зазором относительно вала;
- полюсные приставки разделены центральным немагнитным кольцом, верхняя часть которого имеет прямоугольную форму и прикреплена к постоянному магниту, а нижняя имеет прямоугольное утолщение, конец которого выполнен с зазором относительно вала;
- зазоры между валом и немагнитными кольцами и центральным немагнитным кольцом выполнены равными;
- свободное пространство по всей длине между проволоками щеток, а также пространство между щетками и немагнитными кольцами, центральным немагнитным кольцом, корпусом заполнено магнитной жидкостью.
Закрепление на полюсных приставках щеток с зазором относительно вала позволит избежать его заклинивания в случае возникновения больших биений, так как пружинистые проволоки щеток будут демпфировать ударные воздействия. Отсутствие прямого контакта щеток с валом уменьшит трение и позволит использовать проволоку как минимум в 2 раза большего диаметра по сравнению с обычно используемой, диаметра 0,08-0,1 мм.
Выполнение на полюсных приставках кольцевых пазов прямоугольного сечения позволит создать в глубине пазов напряженность магнитного поля, практически равную нулю.
Закрепление щеток на одной боковой поверхности паза позволит сохранить паз, внутри которого напряженность магнитного поля также останется практически равной нулю.
Немагнитные кольца образуют со щетками свободное пространство, в котором можно разместить значительное количество магнитной жидкости, что позволит использовать эффект термомагнитной конвекции магнитной жидкости и, как следствие, увеличить ресурс магнитожидкостного уплотнения.
Центральное немагнитное кольцо разделяет полюсные приставки, позволяя организовать замкнутый контур, по которому протекает магнитный поток.
На фиг.1 показан продольный разрез уплотнения.
На фиг.2 показаны разрезы по А-А, Б-Б.
На фиг.3 показана развертка по В-В с увеличением.
Магнитожидкостное уплотнение вала содержит корпус 1 из немагнитного материала с кольцевой магнитной системой внутри него, включающей постоянный магнит 2 с полюсными приставками 3 и жестко закрепленными на них щетками 4 из нескольких рядов упругих магнитопроводимых металлических проволок 5, охватывающих вал 6 и образующих с ним зазор, заполненный магнитной жидкостью 7. На полюсных приставках 3 со стороны вала 6 выполнены кольцевые пазы 8 прямоугольного сечения, в каждой щетке 4 упругие магнитопроводимые металлические проволоки 5 выполнены плотно прилегающими друг к другу. Закрепление щеток 4 на полюсной приставке 3 выполнено на боковой поверхности паза 8, а между другой стороной щетки 4 и другой боковой поверхностью паза 8 образован зазор, при этом свободные концы проволок 5 щеток 4 радиально направлены к валу 6.
На выступах между пазами 8 закреплены кольца 9 из немагнитного материала, нижняя часть которых выполнена с зазором относительно вала 6.
Полюсные приставки 3 разделены центральным немагнитным кольцом 10, верхняя часть которого имеет прямоугольную форму и прикреплена к постоянному магниту 2, а нижняя имеет прямоугольное утолщение, конец которого выполнен с зазором относительно вала 6.
Зазоры между валом 6 и немагнитными кольцами 9 и центральным немагнитным кольцом 10 выполнены равными.
Свободное пространство по всей длине между проволоками 5 щеток 4, а также пространство между щетками 4 и немагнитными кольцами 9, центральным немагнитным кольцом 10, корпусом 1 заполнено магнитной жидкостью 7.
Устройство работает следующим образом.
max
min
Постоянный магнит 2 в уплотнении служит источником магнитного поля. Создаваемый им магнитный поток 11 через две полюсные приставки с установленными на них щетками 4 и магнитная жидкость 7 образуют замкнутое магнитное кольцо. Максимальная напряженность магнитного поля будет на кончиках проволок 5 щеток 4. Магнитная жидкость 7, находящаяся в зазоре между кончиками щеток 4 и валом 6, за счет воздействия магнитного поля приобретает высокую вязкость, образуя герметичные магнитожидкостные пробки 12 с повышенным внутренним давлением. Пробок столько, сколько проволочек, а каждая магнитожидкостная пробка способна воспринимать перепад давлений, определяемый намагниченностью магнитной жидкости и перепадом напряженности магнитного поля в зазоре под каждой проволочкой. При отсутствии насыщения стали полюсных приставок 3 в глубине кольцевых пазов 8 напряженность магнитного поля равна нулю. Одна из поверхностей каждой магнитожидкостной пробки 12 в зоне зазора между валом 6 и концами проволок 5 щеток 4 имеет максимальную напряженность магнитного поля, а вторая, находящаяся в глубине паза 8, минимальную, практически равную нулю. Магнитожидкостные пробки в такой системе удерживают максимально возможный перепад давлений, определяемый только H, так как H=0, а перепад давлений, удерживаемый одной пробкой, определяется соотношением
где i=1…к - количество проволок в кольцевом пакете щеток, расположенных по длине вала.
Перепад давлений, удерживаемый уплотнением, определяется суммой перепадов всех магнитожидкостных пробок под кончиками проволок, расположенных по длине вала
В результате такое уплотнение может выдерживать большие перепады давления уплотняемой среды.
При очень больших скоростях вращения вала 6 магнитная жидкость 7 нагревается и может испаряться, а за счет центробежных сил ее небольшие капельки могут выталкиваться из зазора между валом 6 и концами проволок 5 щеток 4, но на их место автоматически поступают новые порции магнитной жидкости, находящейся в пространстве между щетками 4 и немагнитными кольцами 9, центральным немагнитным кольцом 10, корпусом 1. Автоматизацию обеспечивает такое свойство магнитной жидкости, как ее конвективное движение под действием эффекта термомагнитной конвекции, в соответствии с которым за счет магнитных сил более холодные порции магнитной жидкости перемещаются в сторону нагретых.
Реализация изобретения позволит увеличить срок эксплуатации магнитожидкостного уплотнения, а также снизить требования к скорости вращения вала, что позволит применять магнитожидкостное уплотнение в современных газотурбинных двигателях.