УПЛОТНЕНИЕ С АКТИВНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ЗАЗОРА

Полезная модель относится к области торцевых бесконтактных уплотнений, в частности к уплотнению роторов для уменьшения утечки рабочей среды из корпусов сжатия центробежных компрессоров и насосов в окружающее пространство, и может использоваться в центробежных компрессорных машинах для обеспечения долговечности узлов уплотнения, следовательно, для повышения надежности работы компрессора.
Известно устройство регулирования зазора в торцевых уплотнениях, содержащее установленное на роторе вращающееся кольцо и размещенное в корпусе невращающееся кольцо, образующие пару уплотнения с рабочим зазором, датчик для измерения зазора, якорь электромагнитной систем, электромагниты, связанные с регулятором токов и блок задания требуемого зазора (см. Патент RU 2176044, опубликован 20.11.2001).
Известно также уплотнение с активным электромагнитным регулированием зазора, содержащее установленный на роторе диск и размещенное в корпусе подвижное в осевом направлении кольцо, образующее пару уплотнения с осевым рабочим зазором, систему активного электромагнитного регулирования зазора, включающего датчик зазора и электромагнит, якорь которого жестко связан с кольцом пары уплотнения, полость корпуса за парой уплотнения соединена с линией утечки газа, на которой установлен расходомер с возможностью передачи корректирующего сигнала в контур активного регулирования зазора (см. Патент RU 2386873, опубликован 20.04.2010).
Работа известных устройств заключается в активном регулировании зазора между вращающимся и невращающимся кольцами за счет сил притяжения электромагнита с помощью системы автоматического регулирования, образованной датчиком зазора, электромагнитами и регулятором тока.
Недостатком известных устройств является сложность обеспечения микрозазоров (5-7 мкм) в паре уплотнения при осевых перемещениях и биениях вращающегося диска, обуславливаемых температурными и изгибными колебаниями ротора компрессора.
Кроме того, сложность регулирования зазора в известных устройствах усугубляется зависимостью сил притяжения электромагнита от величины зазора (при постоянстве тока уменьшение зазора приводит к увеличению силы притяжения электромагнита и наоборот), которая обуславливает структурную неустойчивость пары уплотнения, как объекта системы автоматического регулирования.
Техническим результатом полезной модели является создание уплотнения, устраняющего указанные недостатки известных устройств.
Данный технический результат достигается благодаря тому, что уплотнение с активным электромагнитным регулированием зазора содержит установленный на роторе диск, размещенный в корпусе кольцевой электромагнит с обмоткой и, по меньшей мере, двумя полюсами, подпружиненный относительно корпуса в осевом направлении и образующий с диском пару уплотнения с осевым рабочим зазором, и подключенную к обмотке электромагнита систему активного электромагнитного регулирования зазора, отличающийся тем, что диск выполнен из немагнитного материала с кольцевым пазом, в котором коаксиально размещены, по меньшей мере, два кольцевых постоянных магнита, намагниченных в осевом направлении с чередующейся полярностью, первые торцы которых замкнуты магнитной перемычкой, а вторые торцы обращены к рабочему зазору пары уплотнения, каждый полюс кольцевого электромагнита с соответствующим ему торцем кольцевого постоянного магнита расположены на одинаковом расстоянии от оси ротора, а система активного электромагнитного регулирования зазора подключена к обмотке кольцевого электромагнита с возможностью возникновения отталкивающей силы в паре уплотнения при подаче тока.
Кроме того, магнитная перемычка представляет собой, преимущественно, ферромагнитную шайбу.
Кроме того, система активного электромагнитного регулирования зазора может включать измерительный преобразователь расхода утечек газа за уплотнением и измерительный преобразователь положения кольцевого электромагнита относительно диска, выходы которых связаны через суммирующее устройство с входом усилителя мощности, выход которого подключен к обмотке кольцевого электромагнита
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 показано предлагаемое уплотнение с активным электромагнитным регулированием зазора; на фиг.2 схематично показан принцип создания сил отталкивания в паре уплотнения при использовании двух постоянных магнитов; на фиг.3 - то же, при использовании трех постоянных магнитов.
Уплотнение с постоянными магнитами и с активным электромагнитным регулированием зазора содержит установленный на валу 1 ротора вращающийся упорный диск 2, выполненный из немагнитного материала, и герметично установленный в корпусе 3 невращающийся подвижный в осевом направлении (в пределах микроперемещений) кольцевой электромагнит 4 с обмоткой 5 и полюсами. Герметичность установки электромагнита 4 в корпусе 3 обеспечивается благодаря резиновому уплотнительному кольцу 6, размещенному в кольцевом углублении внешней цилиндрической поверхности кольцевого электромагнита 4. Диск 2 имеет кольцевой паз 7, выполненный со стороны электромагнита 4, в котором коаксиально размещены два постоянных кольцевых магнита 8, разноименно намагниченных в осевом направлении с чередующейся полярностью. В кольцевом пазу 7 может быть размещено три и более постоянных магнитов 8, которые также разноименно намагничены в осевом направлении и имеют чередующуюся полярность. Диск 2 с постоянными магнитами 8 и электромагнит 4 образуют уплотнительную пару с осевым рабочим зазором δ. Постоянные магниты 8 размещены в кольцевом пазу 7 так, что их первые торцы, обращенные вовнутрь паза 7, замкнуты между собой кольцевой перемычкой, представляющей собой магнитный шунт в виде ферромагнитной шайбы 9, а вторые торцы обращены к рабочему зазору, при этом полюса электромагнита 4 расположены на одном уровне с торцами магнитов 8, т.е. каждый полюс кольцевого электромагнита 4 расположен на одинаковом расстоянии от оси ротора с торцем соответствующего кольцевого постоянного магнита 8. Уплотнение также содержит систему активного электромагнитного регулирования зазора, которая включает измерительный преобразователь 10 расхода утечек газа за уплотнением (из выходной полости уплотнения) в линии 13 и измерительный преобразователь положения кольцевого электромагнита 4 относительно диска 2, выходы которых через суммирующее устройство (не показано) с входом усилителя 11 мощности. Выход усилителя 11 мощности подключен к обмотке 5 электромагнита 4. Конструкция уплотнения предусматривает пружины 12, с помощью которых электромагнит 4 подпружинен относительно корпуса 3 в сторону диска 2, т.е. пружины 12 прижимают электромагнит 4 к диску 2 при выключенном уплотнении, в результате чего уплотнение закрыто.
Открывание и функционирование уплотнения осуществляется путем подачи и регулирования электрического тока в обмотку 5 электромагнита 4 с выхода системы активного электромагнитного регулирования зазора, которая также может содержать дополнительный измерительный преобразователь 14 зазора в паре уплотнения, включенный в контур регулирования зазора.
Уплотнение работает следующим образом.
0
При выключенной системе активного электромагнитного регулирования зазора ток в обмотке 5 электромагнита 4 отсутствует, уплотнение закрыто за счет прижатия электромагнита 4 к диску 2 ротора прижимными пружинами 12, в результате чего в «стояночном состоянии компрессора» утечки газа через уплотнение близки к нулю. При этом магнитный поток Ф, создаваемый постоянными магнитами 8 диска 2, замыкается через магнитопровод электромагнита 4 и создает дополнительную силу прижатия электромагнита 4 к диску 2.
1
0
0
1
ЭМ
ЭМ
При включении системы активного электромагнитного регулирования зазора через обмотку 5 электромагнита 4 начинает протекать ток таким образом, чтобы магнитный поток Ф создаваемый электромагнитом 4, был направлен противоположно потоку Ф постоянных магнитов 8. При достижении тока номинального значения магнитные потоки Ф и Ф замыкаются через воздушный зазор в одном и том же направлении, в связи с чем в паре уплотнения возникают отталкивающие силы F (фиг.2). Под действием сил отталкивания F в паре уплотнения появляется зазор δ, что приводит к открыванию уплотнения, позволяя вращаться диску 2 ротора без трения, но с таким зазором δ, чтобы утечки газа были минимальными. Величина утечки затворного газа через пару уплотнения определяется величиной зазора δ, следовательно, определяется величиной тока в обмотке 5 электромагнита 4. Величина зазора поддерживается постоянной за счет автоматического регулирования тока в электромагните 4 при определенной настройке системы активного электромагнитного регулирования зазора.
В соответствии со структурой контура управления электромагнитного регулирования зазора, управляющий сигнал может формироваться либо по сигналу измерительного преобразователя 10 расхода утечек газа, любо по сигналу измерительного преобразователя 14 рабочего зазора в паре уплотнения, либо по совокупности сигналов вышеуказанных измерительных преобразователей. Управляющий сигнал поступает на вход усилителя 11 мощности, выход которого подключен к обмотке 5 электромагнита 4.
Пара уплотнения может содержать более двух кольцевых магнитов 8, расположенных в кольцевом пазу 7 вращающегося диска 2, а кольцевой электромагнит 4 соответственно более двух полюсов, конструктивно совмещенных в зазоре пары уплотнения с торцами кольцевых магнитов 8. Так на фиг.3 показана схема электромагнитного взаимодействия для трехполюсного варианта конструктивного исполнения пары уплотнения.
Таким образом, предлагаемое уплотнение с постоянными магнитами 8 и с активным электромагнитным регулированием зазора позволяет существенно уменьшить утечку рабочего газа из области высокого давления машины за счет более простой и структурно устойчивой системы активного электромагнитного регулирования зазора и обеспечивает при этом характеристики, сравнимые с характеристиками известных сухих газодинамических уплотнений.
Кроме того, в предлагаемых уплотнениях за счет полной управляемости исключается возможность износа пар уплотнения, что приводит к увеличению ресурса и надежности работы уплотнения.