Магнитные жидкости: перспективы применения в уплотнениях валов компрессорных машин

Т. В. Максимов, М. Ю. Клюкин, В. А. Максимов

МАГНИТНЫЕ ЖИДКОСТИ: ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В УПЛОТНЕНИЯХ ВАЛОВ КОМПРЕССОРНЫХ МАШИН

Ключевые слова: магнитная жидкость, уплотнение вала, компрессорная машина.

Приводятся модели магнитных жидкостей, конструкции уплотнений валов и перспективы использования в компрессорных машинах, фирмы-производители магнитных жидкостей.

Keywords: magnetic liquid, shaft seal, compressor machine.

Models of megnetic liquids, designs of shaft seals, and outlooks for their application in compressor machines, as well as manufactures of magnetic liquids have been presented.

Магнитные жидкости (МЖ) или ферромагнитная жидкость - это уникальный искусственно созданный материал, обладающий одновременно как чисто жидкостными, так и изменяемыми под действием магнитного поля свойствами с широкими перспективами применения в технике, медицине, биологии, экологии.

Встречающиеся в природе жидкости с магнитным полем взаимодействуют слабо. Тем не менее, возможность управления жидкостью при помощи магнитного поля привлекательна для решения различных технических задач. Для этого были созданы искусственные сильномагнитные жидкие среды - магнитные жидкости, представляющие собой коллоидные растворы высокодисперсных ферромагнетиков в жидкостях -носителях, таких как вода, жидкие углеводороды, кремний- и фторорганические жидкости. Это удивительные жидкости, поверхность которых зависит от геометрии магнитного поля и образует в нем что-то вроде ежа. В середине 60-х годов они были практически одновременно синтезированы в США и России. В настоящее время магнитные жидкости активно изучают также и в большинстве развитых стран: Японии, Китае, Франции, Германии, Великобритании, Нидерландах, Израиле.

Магнитные жидкости уникальны тем, что высокая текучесть в них сочетается с высокой намагниченностью. Секрет такой высокой намагниченности заключается в том, что в обычную жидкость, например в керосин (жидкий углеводород), внедряется огромное количество

мелких частиц (размер около 6.. 10 нм), которые представляют собой миниатюрные постоянные

магниты. Каждая такая частица покрыта тонким слоем защитной оболочки, что предотвращает слипание частиц, а тепловое движение разбрасывает их по всему объёму жидкости. Поэтому в отличие от обычных суспензий частицы в магнитных жидкостях не оседают на дно, и последние могут сохранять свои рабочие характеристики в течение многих лет.

Каждый микроскопический постоянный

магнитик хаотически вращается и перемещается в жидкой среде под действием теплового движения. Внешнее магнитное поле ориентирует магнитные моменты частиц, что приводит к изменению магнитных, реологических и оптических свойств

раствора. Высокая чувствительность свойств раствора к внешнему полю позволяет управлять поведением магнитных жидкостей и использовать их в прикладных задачах. Сочетание свойств МЖ позволяет использовать все преимущества жидкого материала (малый коэффициент трения в контакте с твердым телом, возможность проникать в микрообъемы, смачивание практически любых поверхностей и др.), в то же время, удерживая МЖ в нужном месте устройства под действием магнитного поля [1, 2]. Таким образом, магнитоуправляемость МЖ является ключевым свойством,

обусловливающим эксплуатационные

характеристики жидкостей в различных условиях применения.

Магнитные жидкости, как правило, производят небольшими партиями и используют в высокотехнологичных устройствах и приборах: системах герметизации ввода вращающихся валов, антифрикционных узлах и демпферах, в ультразвуковой дефектоскопии и

высококачественных громкоговорителях, магнитных сепараторах редких элементов, датчика наклона и высокочувствительных измерителях ускорений, микроманометрах и исполнительных механизмах роботов.

Изобретение магнитных жидкостей и магнитожидкостных герметизаторов

(принципиальная схема приведена на рис. 1) в начале 60-х годов прошлого века было связано с выполнением космических программ NASA (в частности, для контроля за движением топлива в ракетном двигателе в условиях невесомости), поэтому магнитные жидкости и магнитожидкостные герметизаторы сразу же нашли применение в космической и вакуумной технике. Пионером и мировым лидером в области технического и коммерческого использования магнитожидкостных технологий, в том числе и вакуумных, является основанная в 1968 г. американская корпорация «Ferrofluidics Corporation» [3]. Изделия этой фирмы широко используются для герметизации вводов вращательного и более сложных видов движения в технологических процессах, где требуется поддержание глубокого вакуума - в производстве полупроводников, при напылении, металлизации, вакуумной сушке, в рентген-аппаратах, электронных

микроскопах, вакуумных печах, маховичных

двигателях, масс-спектрометрах и т.п. В США существует постоянный и устойчивый промышленный спрос на магнитные жидкости и магнитожидкостные устройства.

Рис. 1 - Принципиальная схема магнитожидкостного уплотнения: а) вал из магнитного материала, б) вал из немагнитного материала; 1 -вал, 2 - МЖ, 3 - кольцевой магнит, 4 - полюсные наконечники

В странах СНГ исследования и разработки магнитожидкостных герметизаторов начались в конце 60-х - начале 70-х годов [3]. Магнитожидкостные герметизаторы достаточно широко применяются в космической технике, однако вплоть до настоящего времени их промышленное использование весьма ограничено, несмотря на явные технические преимущества по сравнению с традиционными уплотнениями. К таким преимуществам относятся:

- практически нулевые утечки

герметизируемой среды при заданных условиях работы;

- отсутствие износа вала и низкие потери мощности двигателя вследствие чисто жидкостного трения в зазоре между подвижными и неподвижными элементами;

- отсутствие необходимости в смазке;

- простота технического обслуживания;

- незначительные эксплуатационные

расходы.

Магнитожидкостные герметизаторы

сохраняют работоспособность в любом

пространственном положении, в стояночном и

динамическом режимах, в условиях переменных и знакопеременных давлений и вибрационных

воздействий. К достоинствам можно отнести также такие уникальные свойства, как способность магнитной жидкости выталкивать наружу попадающие в рабочий зазор герметизатора немагнитные частицы пыли или влаги

(магнитолевитационный эффект) и способность к самовосстановлению.

Традиционное магнитожидкостное

уплотнение представляет собой кольцевой постоянный магнит с двумя магнитопроводящими кольцевыми полюсами. Заполнение зазора между валом и полюсами герметизирующим веществом (магнитной жидкостью) производится шприцом из-за проблемы доступа к зазору.

В самозаправляющемся уплотнении полюса на внутренней поверхности имеют кольцевые выступы, в зазоре между которыми в нерабочем состоянии удерживается магнитная жидкость. Этот зазор значительно шире радиального рабочего зазора между полюсами и валом, который нужно уплотнять. Введение вала в магнитную систему перераспределяет магнитный поток, и магнитная жидкость перемещается в рабочий зазор.

Магнитожидкостные герметизаторы в своем развитии прошли уже несколько поколений. Обычное магнитожидкостное уплотнение 1-го поколения состоит из кольцевого аксиально намагниченного постоянного магнита, охватывающего вал, к торцам которого примыкают полюсные приставки [4]. Обращенные друг к другу поверхности полюсных приставок и вала образуют зазор, в который вводится магнитная жидкость. На образующих зазор поверхностях полюсных приставок или вала располагаются кольцевые концентраторы,

преобразующие магнитное поле в зазоре в резко неоднородное. МЖ втягивается в области с максимальной напряженностью магнитного поля, образуя магнитожидкостные жгуты вокруг вала, герметично перекрывающие зазор. Каждый жгут или магнитожидкостная пробка имеет повышенное

внутренне давление, зависящее от магнитных свойств жидкости и характера распределения напряжённости магнитного поля в зазоре.

В системах второго поколения изменение напряженности магнитного поля вдоль зазора

достигается не изменением величины зазора, а изменением потенциала на поверхности полюсной приставки или вала. Уплотнение второго поколения состоит из ряда последовательно установленных кольцевых магнитов с аксиальной

намагниченностью, которые разделены полюсными приставками, выполненными в виде тонких магнитопроводящих дисков (рис. 2). Рядом

расположенные магниты имеют встречную намагниченность. Их суммарный магнитный поток выдавливает в рабочий зазор через ограниченную поверхность магнитопроводящего диска, проходит через вал, еще раз пронизывает рабочий зазор и замыкается на соседний магнитопроводящий диск противоположной полярности. В рабочем зазоре создается магнитное поле с напряженностью чередующейся полярности. Это значит, что напряженность магнитного поля в зазоре обязана проходить через нулевое значение.

Рис. 2 - Принципиальная схема магнитожидкостного уплотнения 2-ого поколения

Преимуществом уплотнения данного типа является существенное снижение радиальных размеров. Высота магнитов соизмерима с высотой зубцов уплотнения первого типа. Исключаются громоздкие полюсные приставки. Аксиальные размеры снижаются, но не столь значительно. Уплотнение третьего типа устроено следующим образом. К торцевым поверхностям кольцевого магнита 1 (рис. 3) примыкают полюсные приставки

2. На поверхностях полюсных приставок, обращенных к валу 3, выполнены кольцевые пазы 4.

2 1

Рис. 3 - Принципиальная схема магнитожидкостного уплотнения 3-ого поколения

На валу 3 герметично установлены немагнитные диски 5, заходящие в пазы полюсных приставок с зазором. В зазор между полюсной приставкой и валом помещена магнитная жидкость, которая разбивается на отдельные магнитожидкостные пробки 6. В данном уплотнении предлагается отказаться от канавки и ее роли -снижения напряженности поля вдоль рабочего зазора. Вместо этого на ровной поверхности полюсной приставки выполняется узкий кольцевой паз. Его роль заключается не в изменении напряженности магнитного поля в зазоре, а в создании полого пространства в теле полюсной приставки, окруженного с трех сторон средой с высокой магнитной проницаемостью. Такая конструкция обеспечивает, при отсутствии насыщения стали полюсных приставок, нулевую напряженность магнитного поля в глубине паза. Диски, закрепленные на валу, смещают вторую свободную поверхность магнитожидкостной пробки в паз, где поле равно нулю. Магнитожидкостная пробка в такой системе удерживает максимально возможный перепад давлений. С точки зрения формирования поля в рабочем зазоре, чем уже паз, тем эффективнее работает магнитная система. Достигаемый технический результат заключается в повышении удерживающей способности

магнитожидкостного уплотнения, в снижении габаритов уплотнения.

В свое время создавались винчестеры с абсолютной герметизацией для отечественных компьютеров, которые выпускались десятками тысяч вплоть до 1992-1993 года, когда исчезла отечественная электронная промышленность и от перспективной программы пришлось отказаться. Для текстильной промышленности были разработаны подшипники с уплотнением, в качестве которого использовалась магнитная жидкость. Срок их

использования без дозаправки увеличился в шесть

раз.

Рис. 4 - Статико-центробежное уплотнение: 1 -вращающийся диск; 2 - положение жидкости при низких скоростях и при полной остановке (магнитожидкостное уплотнение); 3-- положение жидкости при высоких скоростях (центробежное уплотнение); 4 - водяное охлаждение; 5 -немагнитный корпус; 6 - магнитная система; А -сторона высокого давления; В - сторона низкого давления

В настоящее время величина уплотняемого перепада давлений в уплотнениях составляет до 1,0 МПа, наработка на отказ - до 15 лет.

Величина уплотняемого перепада давлений может быть повышена при использовании уплотнений комбинированного действия. Для примера на рис. 4 приведена конструкция статикоцентробежного уплотнения [5].

При невращающемся роторе или низких скоростях магнитная жидкость удерживается магнитным полем в зазорах 2, а при высоких скоростях отбрасывается центробежными силами на периферию диска 1 в зазор 3. При этом уплотняемый перепад давлений повышается с 8,6-104 Па до 48,4-104 Па (т. е. более 5-и раз) при скоростях вращения вала 26000 об/мин.

На отечественном рынке среди фирм, производящих и реализующих магнитожидкостные уплотнения, ведущую роль занимают следующие фирмы:

- ООО «РЛС»,

- компания «Волга Техком».

На зарубежном рынке:

- Ferrotec

- VacSol GmbH

- Hangzhou Vigor Magnet & Electronic Technology Co.

- Rigaku Mechatonics Co., Ltd.

На сегодняшний день основными

производителями магнитных жидкостей Российской федерации и ближайшего зарубежья являются:

- ООО «Научно

производственное предприятие «АМ-КУБ» (г.

Екатеринбург)

- Проблемная научно-исследовательская лаборатория прикладной феррогидродинамики

- ООО "Научно-производственное

внедренческое предприятие "Феррогидродинамика"

Зарубежные производители:

- компания «Ферротек» (США);

- фирма «Ферролабс» (США).

Обзор цен на магнитные жидкости представлен на примере предприятия «АМ-КУБ»: Цена 1 литра магнитной жидкости на основе

Цена 1 литра магнитной жидкости на основе воды

Цена 1 литра магнитной жидкости на основе силикона

- Магнитная жидкость на основе силикона (Ферролабс) - $1500 за 100мл.

- Магнитная жидкость на основе глицерина (Компания ВолгаТехком, закупающая магнитную жидкость из Китая) 200$ за 100мл, на основе трансформаторного масла 150$ за 100мл.

Таким образом в настоящее время имеются все технологические возможности для разработки и внедрения магнитожидкостных уплотнений в компрессорной технике [3].

Литература

1. Фертман, В.Е. Магнитные жидкости. Справочное пособие / В.Е. Фертман. - Минск: «Высшая школа», 1988. - 184 с.

2. Орлов, Д.В. Магнитные жидкости в машиностроении / Д.В. Орлов [и др.]. - М.: Машиностроение, 1993. - 268 с.

3. Максимов, В.А. Магнитожидкостные уплотнения вращающихся валов компрессорных машин / В.А. Максимов, И.З. Галимзянов, М.Б. Хадиев. - М.: ЦИНТИХИМ - НЕФТЕМАШ, 1979. - 37с.

4. Щелыкалов, Ю.Я. Принципы формирования рабочей зоны магнитожидкостного уплотнения нового поколения / Ю.Я. Шелыкалов, С.М. Перминов, М.С. Перминов // Сб. науч. тр. XI-межд. Плесской конф. по магнитным жидкостям. - Иваново, 2004. - С.365-370.

5. Heshmat, H. Design and test of a Magnetic — Fluid, Static -Centrifugal seal / H. Heshmat, W. Shapiro, D.F. Wilcock // Lubrication Engineering. - 1981. - Vol. 37,9. - S.520 - 526.

6. Новиков Е.А. Расчёт характеристик упорных подшипников и торцовых уплотнений гидростатического действия / Новиков Е.А., Максимов В.А. // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. -№8. - С.268-272

7. Гузельбаев Я.З. Синтез настроек системы магнитного подвеса стенда газодинамических испытаний малорасходных ступеней / Гузельбаев Я.З., Сусликов

Э.В., Максимов В.А., Андрианов А.В. // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. -№22. - С.99-105

Намагниченност ь насыщения кА/М От 1 до 3 литров От 3 до 5 литров От 5 до 20 литров От 20 и более литров

5-20 20000 18600 17298 16087

20-40 21000 19530 18163 16891

40-60 22000 20460 19028 17696

керосина

Намагниченност ь насыщения кА/М От 1 до 3 литров От 3 до 5 литров От 5 до 20 литров От 20 и более литров

10-15 4000 3720 3460 3217

15-30 5000 4650 4325 4022

30-70 6000 5580 5189 4826

Намагничен- ность насыщения кА/М От 1 до 3 литров От 3 до 5 литров От 5 до 20 литров От 20 и более литров

10-15 4000 3720 3460 3217

15-30 5000 4650 4325 4022

Для сравнения:

- Магнитная жидкость на основе керосина, выпускаемая в ПНИЛ ПФГД стоит 700 руб/грамм

© Т. В. Максимов - ст. препод. каф. компрессорных машин и установок КНИТУ; М. Ю. Клюкин - студ. КНИТУ; В. А. Максимов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. компрессорных машин и установок КНИТУ, с.н.с. ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа», cmu@kstu.ru.