Магнитожидкостное уплотнение вала
MAGNETIC FLUID SHAFT SEAL

Магнитожидкостное уплотнение (МЖУ) вала относится к уплотнительной технике и может быть использовано для герметизации подвижных друг относительно друга деталей в машиностроении, авиадвигателестроении и других областях техники.
Известны магнитожидкостные уплотнения вала (патенты РФ №2353840, 2315218, 2296900, 2403476, 2403477), 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.
Постоянный магнит в уплотнении служит источником магнитного поля. Создаваемый им магнитный поток полюсными приставками подводится к зазору между полюсными приставками и вращающим 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.
Недостатками таких магнитожидкостных уплотнений являются:
- при малом зазоре в случае увеличения биений вала более (0,05 мм) произойдет касание зубцами полюсных приставок поверхности вала, которое может вызвать аварийную ситуацию;
- конструктивно не обеспечена работа уплотнения при больших скоростях вращения вала.
В магнитожидкостном уплотнении (патент РФ №2451225) в качестве концентраторов магнитного поля вместо зубцов используются кольцевые пакеты щеток, и обеспечивается автоматическое восполнение потерь магнитной жидкости в зазорах. Оно позволяет герметизировать большой зазор 8, который будет закрываться кольцевыми щетками, в пространствах между которыми находится магнитная жидкость и магнитной жидкостью, находящейся между концами щеток и поверхностью вала. В этом случае вал как бы плавает в тончайшем слое магнитной жидкости, не касаясь, проволок щеток. Такое уплотнение будет иметь минимальное трение между ротором и статором, но при этом обеспечит высокую степень уплотнения.
К нему не предъявляются жесткие требования по обеспечению соосности. В случае возникновения больших биений вала не возникнет заклинивания, так как магнитная жидкость и пружинистые проволочки уплотнения, будут демпфировать ударные воздействия вала.
В таком уплотнении снижаются ограничения на скорость вращения вала. И хотя при больших скоростях магнитная жидкость нагревается, а за счет центробежных сил ее небольшие капельки могут выталкиваться из зазора, на их место автоматически будут поступать новые порции магнитной жидкости, находящейся между проволочками щеточных пакетов. 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.
Недостатками такого уплотнения являются:
- не обеспечивается высокая эффективность компенсации ушедшей из зазора магнитной жидкости;
- сложная при изготовлении конструкция магнитной щетки с множеством отверстий;
В магнитожидкостном уплотнении (патент РФ №2529275) полюсные приставки имеют кольцевые магнитопроводящие монолитные основания, у которых на поверхности, обращенной к валу, электрохимическим способом созданы щетки, а с противоположной стороны внутри магнитопроводящего монолитного основания выполнена кольцевая полость, сообщенная с межщеточными каналами кольцевых магнитопроводящих щеток, а с противоположной стороны - с заправочными каналами, выполненными в немагнитной кольцевой втулке, входы каждого из которых расположены в верхней части корпуса, при этом одна полюсная приставка боковой кольцевой поверхностью примыкает к кольцевой поверхности южного полюса магнита, а вторая приставка соединена с северным полюсом постоянного магнита посредством кольцевого составного магнитопровода, кроме того, уплотнение содержит систему охлаждения, состоящую из теплообменника и термоэлектрических модулей, соединенных с источником питания, при этом корпус выполнен из теплопроводного материала, а термоэлектрические модули холодной стороной контактируют с корпусом, а горячей - с теплообменником. Постоянный магнит вместе с расположенным над корпусом одним термоэлектрическим модулем и теплообменником выполнены съемными. В нижней части корпуса выполнена кольцевая полость сбора отработанной магнитной жидкости, сообщенная с зазором.
Недостатками такого уплотнения являются:
- использование кольцевого составного магнитопровода увеличивает массогабаритные характеристики уплотнения;
- не достаточно эффективно обеспечивается циркуляция магнитной жидкости в зазоре между валом и щеточными полюсными приставками.
В магнитожидкостном уплотнении (патент РФ №2563562) кольцевой постоянный магнит установлен между двух полюсных приставок, причем к его внутренней и внешней сторонам примыкают две кольцевые немагнитные втулки, при этом кольцевой постоянный магнит своим северным полюсом примыкает к боковой стороне одной полюсной приставки, а южным - к боковой стороне другой полюсной приставки. Между сторонами внешней немагнитной втулки и корпусом образована кольцевая заправочная емкость, сообщенная с полостью зазора поперечными относительно оси вала каналами, выполненными в монолитных полюсных приставках, при этом на внутреннюю поверхность поперечных каналов нанесено немагнитное покрытие. Кроме того, на внутреннюю поверхность кольцевой заправочной емкости и поперечных каналов нанесено гидрофобное покрытие. Недостатками такого уплотнения являются:
- недостаточная эффективность замкнутой циркуляции магнитной жидкости между полостью зазора и заправочной емкостью;
- высокие массогабаритные характеристики уплотнения;
- недостаточный уровень охлаждения магнитной жидкости.
По большинству существенных признаков данное уплотнение взято в качестве прототипа.
Целями предполагаемого изобретения являются:
- повышение эффективности кольцевой циркуляции магнитной жидкости между полостью зазора и заправочной емкостью;
- создание магнитожидкостного уплотнения, обеспечивающего с помощью магнитной жидкости статический и динамический затворы;
- расширения области применения магнитожидкостного уплотнения;
- увеличение удерживаемого перепада давлений.
Указанные цели решаются тем, что в известном магнитожидкостном уплотнении вала, содержащем корпус из немагнитного материала, внутри которого расположена кольцевая магнитная система, включающая кольцевой постоянный магнит, две полюсные приставки, имеющие кольцевые магнитопроводящие монолитные основания, у которых на поверхности, обращенной к валу, установлены магнитопроводящие щетки, магнитную втулку вала и магнитную жидкость в зазоре между магнитной втулкой вала и концами щетинок, при этом кольцевой постоянный магнит установлен между двух полюсных приставок, причем к его внутренней и внешней сторонам примыкают соответственно внутренняя и внешняя кольцевые немагнитные втулки, при этом между внешней кольцевой немагнитной втулки и корпусом образована кольцевая заправочная емкость, имеющая сообщение с полостью зазора поперечными относительно оси вала каналами, при этом уплотнение имеет термоэлектрический модуль, примыкающий холодной стороной к корпусу над заправочной емкостью и связанный с источником питания, при этом горячая сторона термоэлектрического модуля направлена в воздушное пространство, согласно предложению корпус уплотнения в торцевых частях снабжен съемными крышками, к наружным боковым сторонам обоих полюсных приставок примыкают кольцевые немагнитные проставки, при этом между каждой кольцевой немагнитной проставкой и съемной крышкой корпуса магнитожидкостного уплотнения размещено магнитопроводящее кольцо с радиальными сквозными отверстиями, при этом в каждом из отверстий размещена немагнитная трубка, внутри которой в свою очередь расположен полый трубчатый магнит с осевой намагниченностью, при этом для трубчатых магнитов, расположенных со стороны южного полюса кольцевого постоянного магнита, их северные полюсы направлены в сторону зазора с магнитной жидкостью, а южные в сторону заправочной емкости, а для трубчатых магнитов, расположенных со стороны северного полюса кольцевого постоянного магнита, их южные полюсы направлены в сторону зазора с магнитной жидкостью, а северные в сторону заправочной емкости.
Магнитная система постоянного магнита сверху и снизу экранирована внешней и внутренней немагнитными втулками, а с боковых сторон немагнитными проставками. Такое экранирование устраняет потери магнитного потока в процессе его циркуляции между полюсами постоянного магнита. Между внешней стороной кольцевой немагнитной втулки и корпусом образована кольцевая заправочная емкость. За боковыми кольцевыми немагнитными проставками постоянного магнита с обеих сторон установлены проточные трубчатые магниты с осевой намагниченностью, которые одним концом связаны с магнитной жидкостью в зазоре, а другим с кольцевой заправочной емкостью. При этом трубчатые магниты установлены так, что трубчатый магнит, расположенный со стороны южного полюса постоянного магнита, своим северным полюсом направлен к зазору, а южным полюсом к заправочной емкости, направление полюсов трубчатого магнита, расположенного со стороны северного полюса постоянного магнита, является противоположным. Такая установка трубчатых магнитов обеспечивает под действием осевых магнитных сил циркуляцию магнитной жидкости из конца зазора в заправочную емкость и из заправочной емкости в начало зазора.
Для обеспечения в обоих трубчатых магнитах с осевой намагниченностью автономной циркуляции магнитных потоков, каждый трубчатый магнит экранирован немагнитной трубкой, каждый из которых установлен в магнитопроводящую трубку, через которые обеспечивается прохождение магнитных потоков с северного полюса магнита на южный.
За немагнитным корпусом с высокой теплопроводностью, примыкающим к заправочной емкости, установлен связанный с источником питания термоэлектрический модуль, который холодной стороной примыкает к корпусу, а горячей стороной к воздушному пространству. В результате охлаждается магнитная жидкость, протекающая в заправочной емкости.
Для выполнения поставленных целей, предлагаемое магнитожидкостное уплотнение вала построено путем:
- создания новой компоновки магнитной системы, исключающей шунтирование основного магнитного потока;
- установки в каналы после полюсных приставок проточных трубчатых магнитов с осевой намагниченностью, которые создают магнитные силы, обеспечивающие движение через них магнитной жидкости из зазора в заправочную емкость и из заправочной емкости в зазор, что обеспечивает повышение эффективности кольцевой циркуляции магнитной жидкости;
- установка над заправочной емкостью термоэлектрического модуля, обеспечивающего охлаждение магнитной жидкости, протекающей в заправочной емкости.
На Фиг. 1 представлен продольный разрез магнитожидкостного уплотнения, на Фиг. 2 - его поперечный разрез в сечении А-А.
Магнитожидкостное уплотнение состоит из следующих элементов:
1 - съемная крышка корпуса;
2 - немагнитный корпус с высокой теплопроводностью;
3 - термоэлектрический модуль;
4 - кольцевой постоянный магнит;
5 - внешняя кольцевая немагнитная втулка;
6 - заправочная емкость;
7 - направление магнитного потока в трубчатых магнитах;
8 - зазор с магнитной жидкостью;
9 - магнитопроводящие щетки;
10 - внутренняя кольцевая немагнитная втулка;
11 - боковые кольцевые немагнитные проставки;
12 - трубчатый магнит с осевой намагниченностью;
13 - полюсные приставки;
14 - вал уплотнения;
15 - магнитная втулка вала;
16 - магнитопроводящее кольцо;
17 - немагнитная трубка;
18 - электрический источник питания.
Магнитожидкостное уплотнение состоит из съемной крышки 1, немагнитного корпуса 2, в котором установлены две полюсные приставки 13, имеющие кольцевые монолитные магнитные основания, у которых на поверхности, обращенной к валу 14, созданы магнитопроводящие щетки 9. Между двух полюсных приставок 13 расположен кольцевой постоянный магнит 4, являющийся источником магнитного поля. К внутренней и внешней сторонам кольцевого постоянного магнита 4 примыкают соответственно внутренняя и внешняя немагнитные втулки 10 и 5, исключающие нежелательный контакт магнита 4 с магнитной жидкостью. Кольцевой постоянный магнит 4 своим северным полюсом примыкает к боковой стороне одной полюсной приставки, а южным к боковой стороне другой полюсной приставки. Магнитный поток от северного полюса кольцевого постоянного магнита 4 через полюсную приставку 13, ее магнитопроводящие щетки 9, магнитную жидкость зазора 8, магнитную втулку вала 15, магнитопроводящие щетки 9 и основание второй полюсной приставки 13 замыкается на южный полюс кольцевого постоянного магнита 4. Направление магнитного потока в трубчатых магнитах с осевой намагниченностью 12 показано стрелками 7.
После снятия крышки 1 заправочная емкость 6 заполняется магнитной жидкостью, которая через проточный канал трубчатого магнита 12 с осевой намагниченностью поступает в зазор 8, в конце которого вторым полым трубчатым магнитом 12 подается в заправочную емкость 6.
Каждая кольцевая полюсная приставка 13 имеет монолитное основание, на котором по технологии электрохимической обработки созданы проволочки диаметром 0,2-0,3 мм с расстояниями между ними 0,5-0,6 мм, образующие сплошную кольцевую щетку 9. Для обеспечения эффективного производства и монтажа щеточных полюсных приставок 13, каждая из них разделена на секции. Кончики проволочек щетки 9 являются концентраторами напряженности магнитного поля и радиально направлены в сторону вала 14, образуя между магнитной втулкой вала 15 и концами щеток 9 минимальный зазор 8, равный 0,2 мм, который заполняется магнитной жидкостью. Между сторонами внешней кольцевой немагнитной втулки 5 и корпусом 2 создана кольцевая заправочная емкость 6, соединенная с полостью зазора 8 с помощью проточных трубчатых магнитов 12. Таким образом, создан кольцевой путь движения магнитной жидкости по зазору 8 через проточные каналы южных трубчатых магнитов 12 в заправочную емкость 6 и из нее в начало зазора 8. При этом магнитная жидкость в заправочной емкости 6 охлаждается.
Для повышения эффективности кольцевой циркуляции магнитной жидкости после обеих немагнитных проставок 11 установлены магнитопроводящие кольца 16 с радиальными сквозными отверстиями, в которых размещены немагнитные трубки 17, в которые в свою очередь установлены трубчатые магниты с осевой намагниченностью 12, которые создают магнитные силы, обеспечивающие движение через них магнитной жидкости из зазора 8 в заправочную емкость 6 и из заправочной емкости 6 в зазор 8.
При длительном вращении вала 14 и больших скоростях его вращения за счет вязкостного трения слоев магнитной жидкости в зазоре 8 выделяется тепловая энергия. Вся энергия вязкостной диссипации идет на нагрев магнитной жидкости и внутреннего объема уплотнения. Увеличение температуры снижает характеристики магнита, магнитной жидкости и магнитопроводов и тем самым приводит к снижению такой основной характеристики уплотнения, как удерживаемый перепад давления. При температурах свыше 250°С магнитная жидкость теряет свои свойства в результате чего происходит пробой уплотнения.
Для охлаждения магнитной жидкости над заправочной емкостью 6 устанавливается кольцевая термоэлектрическая система охлаждения, состоящая из термоэлектрического модуля 3, соединенного с источником электрического тока 18. При этом корпус над заправочной емкостью 6 выполнен из немагнитного материала с хорошей теплопроводностью, с которым термоэлектрический модуль 3 контактирует холодной стороной и тем самым охлаждает магнитную жидкость в заправочной емкости 6, а горячей стороной контактирует с воздушным пространством, в которое отводится тепло.
При включении источника питания 18 через термоэлектрический модуль 3 протекает ток, в результате на холодных спаях происходит выделение холода, который передается через немагнитный корпус 2 с хорошей теплопроводностью магнитной жидкости, протекающей в заправочной емкости 6, обеспечивая восстановление ее магнитных свойств. Тепло, выделяемое на горячих спаях термоэлектрического модуля 3, отводится в наружное пространство.
Такая система обеспечивает охлаждение магнитной жидкости в заправочной емкости 6. При высокой скорости вращения вала 14 ее дальнейшее движение по зазору 8 обеспечивается центробежной силой.
Конструктивно в магнитожидкостном уплотнении обеспечивается создание в зазоре 8 статического и динамического затворов уплотнения, автоматически возникающих в зависимости от скорости вращения вала.
При малых скоростях вращения вала 14 магнитная жидкость нагревается незначительно, градиент температур небольшой и ее конвекционное движение практически отсутствует. Центробежные силы также небольшие, магнитное число Фруда намного меньше единицы, поэтому магнитные силы, удерживающие в зазоре 8 магнитную жидкость больше сил перепада давлений между входом и выходом уплотнения, в результате возникает статический затвор в виде ковра пробок между валом 14 и кончиками щетинок 9, обеспечивающий удержание большого перепада давления.
При температуре окружающей среды выше 300°С, скорости вращения вала 14 более 20 м/с и больших биениях вала 14 работоспособность магнитожидкостного уплотнения можно обеспечить, создавая циркуляционное кольцевое движение магнитной жидкости в зазоре 8. При этом скорость движения магнитной жидкости должна быть такой, чтобы за время ее движения в зазоре 8 она не потеряла своей устойчивости, а при попадании в заправочную емкость 6 за счет охлаждения восстанавливала свои магнитные свойства. Постоянно движущаяся магнитная жидкость в зазоре 8 обеспечивает создание динамического затвора.
Скорость вращения вала 14 не у всех устройств постоянная. У некоторых она в течение работы устройства может изменяться в широких пределах от небольших значений до величин, при которых возникает продольное движение магнитной жидкости в зазоре 8.
При динамическом затворе холодная магнитная жидкость из заправочной емкости 6 под действием магнитных сил будет перемещаться к зазору 8, где находится область сильного магнитного поля. При втекании в зазор 8, за счет наличия сильного магнитного поля, вязкость магнитной жидкости увеличивается, что вызывает сопротивление ее движению в зазоре 8. Однако при большом диаметре вала 5 и высокой скорости его вращения осевому движению магнитной жидкости в зазоре 8 будет способствовать центробежная сила.
Кроме того, если создать разные значения гидродинамических сопротивлений магнитной жидкости под щеточными полюсными приставками 13, то между ними возникнет разность давлений, создающая осевую силу. Разные гидродинамические сопротивления можно обеспечить, если щеточные полюсные приставки 3 изготавливать с различными характеристиками щеток, изменяя диаметр, форму или расстояния между щетинками. Эта сила, дополнительно обеспечивает осевое движение магнитной жидкости в зазоре 8. Она может уравновешивать значительную часть силы перепада давления и тем самым позволит магнитожидкостному уплотнению совместно с динамическим затвором выдерживать большие внешние перепады давления.
При статическом затворе магнитная сила, удерживающая в зазоре магнитную жидкость, должна быть больше силы перепада давлений между входом и выходом магнитожидкостного уплотнения.
При динамическом затворе магнитная и центробежная силы направлены встречно силе перепада давлений, поэтому их сумма обеспечивает надежное уплотнение при более высоком перепаде давлений. Кроме того, конструктивно выбирается такое положение кольцевого постоянного магнита 4 и направление вращения вала 14, при которых движение магнитной жидкости в зазоре 8 направлено встречно силе перепада давлений. В результате магнитожидкостное уплотнение способно выдерживать высокие значения перепада давлений.
В процессе кольцевой циркуляции поворот магнитной жидкости обеспечивается трубчатыми магнитами 12 с осевой намагниченностью, находящимися в полых немагнитных трубках 17, которые размещены в отверстиях магнитопроводящих колец 16.
Движение магнитной жидкости в кольцевой заправочной емкости 6 от полюсной приставки 13, примыкающей к южному полюсу кольцевого постоянного магнита 4 к полюсной приставке 13, примыкающей к северному полюсу кольцевого постоянного магнита 4, происходит в результате разности давлений на ее входе и выходе. На входе заправочной емкости 6 давление повышается за счет движения магнитной жидкости с помощью магнитных сил трубчатых магнитов 12, а на выходе давление уменьшается за счет оттока магнитной жидкости с помощью трубчатых магнитов к зазору 8.
В результате действия указанных сил осуществляется автоматическая циркуляция магнитной жидкости. Подбирая различную величину гидродинамического сопротивления полюсных приставок 13, увеличивая за счет охлаждения градиент температур магнитной жидкости, используя трубчатые магниты 12 с осевой намагниченностью, уменьшая динамическое сопротивление внутренней поверхности канала трубчатых магнитов путем нанесения гидрофобного покрытия, можно обеспечить такую скорость движения магнитной жидкости в рабочем зазоре 8, при которой она не успеет потерять свою устойчивость, несмотря на большие температуры и линейные скорости вращения вала 14. Поступая в заправочную емкость 6, магнитная жидкость охлаждается, в результате ее магнитные свойства восстанавливаются.
При таком техническом решении в зазоре 8 всегда будет находиться магнитная жидкость с хорошими магнитными свойствами, даже при колебаниях скорости вращения вала 14 в широких пределах. В результате обеспечиваются высокие эксплуатационные характеристики уплотнения.
Техническая реализация предлагаемого магнитожидкостного уплотнения не представляет серьезных трудностей, так как различные магнитожидкостные уплотнения давно разрабатываются и используются в нашей стране и за рубежом. В нашей организации планируется разработать опытный образец предлагаемого магнитожидкостного уплотнения и испытать его с целью использования в турбореактивных двигателях.