RU2219400C2

RU2219400C2 - Magnetic fluid seal

Info

Publication number: RU2219400C2
Application number: RU2001122561/06A
Authority: RU
Inventors: Ю.О. Михалев; С.Г. Лысенков
Original assignee: Михалев Юрий Олегович; Лысенков Сергей Германович
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2003-12-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: invention can be used for sealing shafts of machines in different industries. Proposed seal contains housing, shaft installed on two bearings, pole attachments made in form of bushing with two or more ring grooves on outer surface. Permanent magnets are installed in grooves. Said magnets consists of separate simple-shape magnets and are uniformly spaced over circumference in one or more rows. Clearance between bushing and shaft is filled with magnetic fluid forming ring barriers on each magnetic field concentrator. If shaft is made of nonmagnetic material, magnetically conductive cylindrical attachment is installed on shaft under bushing, with magnetic field concentrators provided on outer surface of attachment, or hollow cylinder is installed on bearings in housing. Said cylinder accommodates bushing hermetically connected with shaft and enclosing magnetically conductive cylindrical attachment hermetically fitted in housing coaxially with bushing. Invention improves reliability of sealing by increasing value of critical pressure differential and provision of higher uniformity of working clearance over circumference and makes unnecessary installation of gaskets on each pole attachment for sealing static clearances between attachments and housing. EFFECT: improved reliability of sealing. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано в машиностроении для герметизации валов машин и аппаратов. The invention relates to a sealing technique and can be used in mechanical engineering for sealing shafts of machines and apparatuses.

Известно одноступенчатое магнитожидкостное уплотнение (МЖУ) [1], в немагнитном корпусе которого установлена магнитная система, охватывающая вал и состоящая из кольцевого магнита и полюсных наконечников, примыкающих к торцам последнего. Магнитная жидкость удерживается магнитным полем в рабочем зазоре, образованном внутренней поверхностью полюсных наконечников и валом, обеспечивая тем самым его герметизацию. Known single-stage magneto-liquid seal (MF) [1], in the non-magnetic casing of which a magnetic system is installed, covering the shaft and consisting of an annular magnet and pole pieces adjacent to the ends of the latter. The magnetic fluid is held by the magnetic field in the working gap formed by the inner surface of the pole pieces and the shaft, thereby ensuring its sealing.

Недостатком такого уплотнения является малый критический перепад давлений, который зависит от типа применяемой жидкости и составляет 0,2...0,6 МПа. Критический перепад давлений можно увеличить последовательной установкой одноступенчатых МЖУ [1]. The disadvantage of such a seal is a small critical pressure drop, which depends on the type of fluid used and is 0.2 ... 0.6 MPa. The critical pressure drop can be increased by the sequential installation of single-stage MFU [1].

Наиболее близким к предлагаемому является МЖУ [2], содержащее корпус, магнитопроводный вал, кольцевые постоянные магниты, установленные в корпусе коаксиально с одинаковой полярностью торцевых поверхностей, обращенных друг другу, к которым примыкают кольцевые полюсные приставки. Причем полюс, примыкающий к вакуумной стороне, имеет гладкую поверхность, обращенную к валу, а на поверхностях, обращенных к валу, остальных полюсов выполнены концентраторы магнитного поля в виде кольцевых выступов с заостренными краями, и магнитная жидкость размещена в зазоре между концентраторами магнитного поля и валом, образуя кольцевые магнитожидкостные барьеры, удерживающие рабочий перепад давлений. При этом магнитный поток, проходящий через концентраторы магнитного поля полюса, расположенного ближе к вакуумной стороне, имеет большую величину по сравнению с остальными. Closest to the proposed is the MFU [2], comprising a housing, a magnetic shaft, ring permanent magnets installed in the housing coaxially with the same polarity of the end surfaces facing each other, which are adjacent to the ring pole attachments. Moreover, the pole adjacent to the vacuum side has a smooth surface facing the shaft, and on the surfaces facing the shaft of the remaining poles, magnetic field concentrators are made in the form of annular protrusions with sharp edges, and the magnetic fluid is placed in the gap between the magnetic field concentrators and the shaft , forming ring magneto-liquid barriers that hold the working differential pressure. In this case, the magnetic flux passing through the concentrators of the magnetic field of the pole, located closer to the vacuum side, has a larger value compared to the others.

Недостатком этой конструкции является малый критический перепад давлений, поскольку под полюсом, примыкающим к вакуумной стороне, магнитная жидкость отсутствует, и он не участвует в образовании магнитожидкостных кольцевых барьеров, удерживающих перепад давлений. Кроме того, вследствие отклонения в размерах и форме полюсных приставок и корпуса возникает несоосность поверхности вала и внутренних поверхностей полюсных приставок. При этом критический перепад давлений МЖУ резко уменьшается вследствие того, что рабочий зазор по окружности вала становится неравномерным и появляется азимутальная составляющая градиента магнитного поля. При этом там, где зазор наибольший, магнитное поле ослабляется и пробой магнитожидкостной пробки идет именно в этом месте. Снижение критического перепада давлений и появление азимутальной составляющей градиента магнитного поля приводит к значительному снижению работоспособности МЖУ [1]. The disadvantage of this design is the small critical pressure drop, since there is no magnetic fluid under the pole adjacent to the vacuum side, and it does not participate in the formation of magneto-liquid annular barriers that hold the pressure drop. In addition, due to deviations in the size and shape of the pole attachments and the housing, misalignment of the shaft surface and the inner surfaces of the pole extensions occurs. In this case, the critical pressure drop of the MFU decreases sharply due to the fact that the working clearance around the shaft circumference becomes uneven and an azimuthal component of the magnetic field gradient appears. At the same time, where the gap is the largest, the magnetic field is weakened and the breakdown of the magneto-liquid plug occurs in this place. A decrease in the critical pressure drop and the appearance of the azimuthal component of the magnetic field gradient leads to a significant decrease in the performance of the MFU [1].

Другим недостатком этой конструкции МЖУ является то, что каждая полюсная приставка должна иметь прокладку, герметизирующую статический зазор между ней и корпусом. А это при большом количестве полюсных приставок снижает надежность всего уплотнения, поскольку повышается вероятность нарушения герметичности в одной из прокладок. Another disadvantage of this design MZHU is that each pole attachment must have a gasket that seals the static gap between it and the housing. And this, with a large number of pole attachments, reduces the reliability of the entire seal, since the probability of a leak in one of the gaskets increases.

Технический результат изобретения заключается в повышении надежности МЖУ путем увеличения критического перепада давлений и обеспечения большей равномерности рабочего зазора по окружности, а также исключения необходимости установки прокладок на каждой полюсной приставке для герметизации статических зазоров между ними и корпусом. The technical result of the invention is to increase the reliability of the MFU by increasing the critical differential pressure and ensuring greater uniformity of the working clearance around the circumference, as well as eliminating the need to install gaskets on each pole attachment to seal the static gaps between them and the housing.

Технический результат достигается тем, что в МЖУ, содержащем корпус, вал, подшипники, два или более магнита, полюсные приставки, концентраторы магнитного поля в виде кольцевых выступов с заостренными краями, магнитную жидкость, согласно изобретению полюсные приставки выполнены в виде втулки с двумя или более кольцевыми проточками на внешней поверхности, в которые установлены постоянные магниты, состоящие из отдельных магнитов простой формы и размещенных равномерно по окружности в один или более рядов, а концентраторы магнитного поля выполнены на внутренней поверхности втулки или на поверхности вала, обращенной к втулке, причем зазор между втулкой и валом заполнен магнитной жидкостью. Кроме того, на вале под втулкой герметично установлена магнитопроводная цилиндрическая насадка, на внешней поверхности которой выполнены концентраторы магнитного поля, а зазор между ними и втулкой заполнен магнитной жидкостью. Кроме того, в корпусе на подшипниках установлен полый цилиндр с размещенной в нем втулкой, герметично соединенный с валом и охватывающий магнитопроводную цилиндрическую насадку, установленную герметично в корпусе соосно втулке. The technical result is achieved by the fact that in the MFL, comprising a housing, shaft, bearings, two or more magnets, pole attachments, magnetic field concentrators in the form of annular protrusions with pointed edges, magnetic fluid, according to the invention, the pole attachments are made in the form of a sleeve with two or more ring grooves on the outer surface, in which permanent magnets are installed, consisting of individual magnets of simple shape and arranged uniformly around the circumference in one or more rows, and the magnetic field concentrators olneny on the inner surface of the sleeve or on a shaft surface facing the sleeve, the gap between the sleeve and the shaft is filled with magnetic fluid. In addition, a magnetic conductor nozzle is hermetically mounted on the shaft under the sleeve, on the outer surface of which magnetic field concentrators are made, and the gap between them and the sleeve is filled with magnetic fluid. In addition, a hollow cylinder with a sleeve located in it is installed in the housing on bearings, hermetically connected to the shaft and covering a magnetic conductor nozzle installed hermetically in the housing coaxially with the sleeve.

Выполнение полюсных приставок в виде втулки с двумя или более кольцевыми проточками на внешней поверхности позволяет обеспечить большую равномерность по окружности рабочего зазора между внутренней поверхностью втулки и концентраторами магнитного поля, поскольку при этом увеличивается длина базовой поверхности втулки, по которой она устанавливается в корпусе. А известно, что чем больше длина базовой поверхности, тем больше точность установки сопрягаемых деталей. Кроме того, при этом необходима только одна прокладка для герметизации статических зазоров между втулкой и корпусом, что повышает надежность уплотнения в целом. The implementation of pole attachments in the form of a sleeve with two or more annular grooves on the outer surface allows for greater uniformity around the circumference of the working gap between the inner surface of the sleeve and the magnetic field concentrators, since this increases the length of the base surface of the sleeve along which it is installed in the housing. And it is known that the greater the length of the base surface, the greater the accuracy of installation of the mating parts. In addition, this requires only one gasket to seal the static gaps between the sleeve and the housing, which increases the reliability of the seal as a whole.

Установка на вале под втулкой магнитопроводной цилиндрической насадки, на внешней поверхности которой выполнены концентраторы магнитного поля, позволяет применять данную конструкцию в случае, если вал выполнен из немагнитопроводной стали. The installation on the shaft under the sleeve of the magnetic conductor of the cylindrical nozzle, on the external surface of which magnetic field concentrators are made, allows this design to be used if the shaft is made of non-magnetic steel.

Установка в корпусе на подшипниках полого цилиндра с размещенной в нем втулкой, герметично соединенного с валом и охватывающего магнитопроводную цилиндрическую насадку, установленную герметично в корпусе соосно втулке, позволяет, во-первых, применять данную конструкцию в случае, если вал выполнен из немагнитопроводной стали, а во-вторых, обеспечивает большую равномерность по окружности рабочего зазора между внутренней поверхностью втулки и концентраторами магнитного поля. The installation in the housing on bearings of a hollow cylinder with a sleeve housed in it, hermetically connected to the shaft and covering the magnetic conductor nozzle installed hermetically in the housing coaxially with the sleeve, allows, firstly, to apply this design if the shaft is made of non-magnetic steel, and secondly, provides greater uniformity around the circumference of the working gap between the inner surface of the sleeve and the concentrators of the magnetic field.

На фиг.1 изображено предлагаемое МЖУ с магнитопроводным валом, а на фиг. 2 и 3 - варианты МЖУ с немагнитопроводным валом. In Fig.1 shows the proposed MJU with a magnetic shaft, and in Fig. 2 and 3 - versions of the MFU with a non-magnetic shaft.

МЖУ содержит (см. фиг. 1) корпус 1, вал 5, установленный на двух подшипниках 4, полюсные приставки, выполненные в виде втулки 2 с двумя или более кольцевыми проточками на внешней поверхности, в которые установлены постоянные магниты 3, состоящие из отдельных магнитов простой формы и размещенных равномерно по окружности в один или более рядов. Концентраторы магнитного поля 6 выполнены на поверхности вала 5 или на внутренней поверхности втулки 2. Зазор между втулкой и валом заполнен магнитной жидкостью 7, образующей кольцевые барьеры на каждом концентраторе магнитного поля 2. Статические зазоры между корпусом 1 и втулкой 2 герметизированы с прокладкой 8. FFS contains (see Fig. 1) a housing 1, a shaft 5 mounted on two bearings 4, pole attachments made in the form of a sleeve 2 with two or more annular grooves on the outer surface, in which permanent magnets 3 are installed, consisting of individual magnets simple shapes and placed evenly around the circumference in one or more rows. The magnetic field concentrators 6 are made on the surface of the shaft 5 or on the inner surface of the sleeve 2. The gap between the sleeve and the shaft is filled with magnetic fluid 7, which forms annular barriers on each magnetic field concentrator 2. The static gaps between the housing 1 and the sleeve 2 are sealed with a gasket 8.

Если вал выполнен из немагнитопроводного материала (например, нержавеющая сталь Х18Н9Т), то (см. фиг.2) на вал 5 под втулкой 2 устанавливается магнитопроводная цилиндрическая насадка 9, на внешней поверхности которой выполнены концентраторы магнитного поля 6, а зазор между ними и втулкой 2 заполнен магнитной жидкостью 7. Статический зазор между насадкой 9 и валом 5 герметизирован прокладкой 10. If the shaft is made of non-magnetic material (for example, X18H9T stainless steel), then (see Fig. 2), a magnetic core cylindrical nozzle 9 is installed on the shaft 5 under the sleeve 2, on the outer surface of which there are magnetic field concentrators 6, and the gap between them and the sleeve 2 is filled with magnetic fluid 7. The static gap between the nozzle 9 and the shaft 5 is sealed by a gasket 10.

В другом варианте конструкции МЖУ с немагнитопроводным валом (см. фиг.3) в корпусе 1 на подшипниках 4 устанавливается полый цилиндр 11 с размещенной в нем втулкой 2, герметично соединенный с валом через прокладку 12 и охватывающий магнитопроводную цилиндрическую насадку 9, установленную герметично в корпусе 1 соосно втулке 2. In another embodiment, the design of the MFU with a non-magnetic shaft (see Fig. 3) in the housing 1 on the bearings 4, a hollow cylinder 11 is installed with a sleeve 2 located in it, hermetically connected to the shaft through a gasket 12 and covering the magnetic conductor cylindrical nozzle 9, which is sealed in the housing 1 coaxial to sleeve 2.

МЖУ работает следующим образом. Основные магнитные потоки (см. фиг.1) от постоянных магнитов 3, установленных в каждую кольцевую проточку на внешней поверхности втулки 2, разветвляются на две составляющие - рабочие потоки (Ф₁, Ф₂, Ф₃), проходящие через рабочий зазор между втулкой 2 и валом 5, и паразитные потоки (Ф₁₀, Ф₂₀, Ф₃₀), проходящие через тело втулки под кольцевой проточкой. Рабочие магнитные потоки обеспечивают требуемую величину магнитного поля, необходимую для удерживания магнитной жидкости в рабочем зазоре. Магнитная жидкость 7 под действием рабочих магнитных потоков образует кольцевые магнитожидкостные барьеры над каждым концентратором магнитного поля 6, которые удерживают действующий перепад давлений. При этом критический перепад давлений (максимальный перепад давлений, удерживаемый МЖУ) пропорционален количеству концентраторов и величине магнитного поля. Паразитные потоки не участвуют в удерживании действующего перепада давлений, поэтому их стремятся уменьшить. Для этого толщину тела втулки под кольцевой проточкой выбирают наименьшей так, чтобы тело втулки в этом месте находилось в состоянии магнитного насыщения. В этом случае величина паразитного потока составляет 10-15% от рабочего потока, что не оказывает существенного отрицательного влияния на критический перепад давлений. Выполнение полюсных приставок в виде втулки позволяет обеспечить 40-50% большую равномерность по окружности рабочего зазора между внутренней поверхностью втулки и концентраторами магнитного поля, поскольку при этом увеличивается длина базовой поверхности втулки, по которой она устанавливается в корпусе. Это приводит к тому, что критический перепад давлений предлагаемой конструкции на 20-30% выше, чем у прототипа при одних и тех же габаритных размерах. Кроме того, в предлагаемой конструкции необходима только одна прокладка для герметизации статических зазоров между втулкой и корпусом, что повышает надежность уплотнения в целом.MJU works as follows. The main magnetic fluxes (see Fig. 1) from permanent magnets 3 installed in each annular groove on the outer surface of the sleeve 2, branch into two components - working flows (Ф ₁ , Ф ₂ , Ф ₃ ) passing through the working gap between the sleeve 2 and shaft 5, and spurious flows (F ₁₀ , F ₂₀ , F ₃₀ ) passing through the body of the sleeve under the annular groove. Working magnetic fluxes provide the required magnitude of the magnetic field necessary to hold the magnetic fluid in the working gap. Magnetic fluid 7 under the action of working magnetic fluxes forms annular magneto-liquid barriers over each concentrator of magnetic field 6, which hold the current differential pressure. In this case, the critical pressure drop (the maximum pressure drop held by the MFD) is proportional to the number of concentrators and the magnitude of the magnetic field. Spurious flows do not participate in the retention of the existing differential pressure, therefore, they seek to reduce them. For this, the thickness of the sleeve body under the annular groove is chosen to be the smallest so that the sleeve body in this place is in a state of magnetic saturation. In this case, the value of the parasitic flow is 10-15% of the working flow, which does not have a significant negative effect on the critical pressure drop. The implementation of pole attachments in the form of a sleeve allows you to provide 40-50% more uniformity around the circumference of the working gap between the inner surface of the sleeve and the magnetic field concentrators, since this increases the length of the base surface of the sleeve along which it is installed in the housing. This leads to the fact that the critical pressure drop of the proposed design is 20-30% higher than that of the prototype with the same overall dimensions. In addition, the proposed design requires only one gasket to seal the static gaps between the sleeve and the housing, which increases the reliability of the seal as a whole.

Конструкция МЖУ, представленная на фиг.2, работает аналогично, но из-за дополнительной погрешности сопряжения вала 5 и насадки 9, критический перепад давлений этой конструкции только на 5-10% выше, чем у прототипа. The design of the MFU, presented in figure 2, works similarly, but because of the additional error in mating the shaft 5 and nozzle 9, the critical pressure drop of this design is only 5-10% higher than that of the prototype.

В другом варианте конструкции МЖУ с немагнитопроводным валом (см. фиг.3) установка в корпусе 1 на подшипниках полого цилиндра 11 с размещенной в нем втулкой 2, герметично соединенного с валом 5 и охватывающего магнитопроводную цилиндрическую насадку 9, установленную герметично в корпусе соосно втулке, позволяет обеспечить 50-70% большую равномерность по окружности рабочего зазора между внутренней поверхностью втулки 2 и концентраторами магнитного поля 6. Большая равномерность рабочего зазора по окружности достигается благодаря отсутствию консольной установки втулки 2 относительно подшипников 4, а также возможности технологического исключения погрешности сопряжения корпуса 1 и магнитопроводной цилиндрической насадки 9, которая обеспечивается финишной обработкой посадочных поверхностей корпуса 1 и концентраторов магнитного поля 6 после сборки системы "корпус-цилиндрическая насадка". При этом критический перепад давлений этой конструкции МЖУ на 30-40% выше, чем у прототипа при одних и тех же габаритных размерах. In another embodiment, the design of the MFU with a non-magnetic shaft (see FIG. 3), installation in a housing 1 on bearings of a hollow cylinder 11 with a sleeve 2 housed therein, hermetically connected to the shaft 5 and enclosing a magnetic conductor nozzle 9 sealed in the housing coaxially with the sleeve, allows you to provide 50-70% greater uniformity around the circumference of the working gap between the inner surface of the sleeve 2 and the concentrators of the magnetic field 6. A large uniformity of the working gap around the circumference is achieved due to the absence of solo setting sleeve 2 relative to the bearing 4, and the possibility of technological error exception coupling housing 1 and the flux of the cylindrical nozzle 9 which is provided by finishing the seating surfaces of the housing 1 and the magnetic field concentrators 6 after assembly system "body-cylindrical nozzle". At the same time, the critical pressure drop of this design of the MFU is 30-40% higher than that of the prototype with the same overall dimensions.

Увеличение равномерности рабочего зазора и критического перепада давлений позволяет повысить стабильность рабочих характеристик МЖУ во времени, а соответственно их надежность и долговечность [1]. Increasing the uniformity of the working gap and the critical pressure drop makes it possible to increase the stability of the performance of the MFU in time, and accordingly their reliability and durability [1].

Источники информации
1. Магнитные жидкости в машиностроении. Д.В. Орлов, Ю.О. Михалев, Н.К. Мыцкин и др. - М.: Машиностроение, 1993, 272 с.Sources of information
1. Magnetic fluids in mechanical engineering. D.V. Orlov, Yu.O. Mikhalev, N.K. Mytskin et al. - M.: Mechanical Engineering, 1993, 272 p.

2. Патент США 4605233, кл. F 16 J 15/40, 12.08.1986 г. 2. US patent 4605233, CL. F 16 J 15/40, 08/12/1986

Claims

1. Magnetic-liquid seal containing a housing, shaft, bearings, two or more magnets, pole attachments, magnetic field concentrators in the form of annular protrusions with sharp edges, magnetic fluid, characterized in that the pole attachments are made in the form of a sleeve with two or more ring grooves on the outer surface, in which permanent magnets are installed, consisting of individual magnets of simple shape and arranged uniformly around the circumference in one or more rows, and the magnetic field concentrators are made on the inside lower surface of the sleeve or on the surface of the shaft facing the sleeve, and the gap between the sleeve and the shaft is filled with magnetic fluid.

2. The device according to claim 1, characterized in that on the shaft surface under the sleeve a magnetic conductor nozzle is hermetically mounted, on the external surface of which magnetic field concentrators are made, and the gap between them and the sleeve is filled with magnetic fluid.

3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that in the housing on the bearings there is a hollow cylinder with a sleeve housed in it, hermetically connected to the shaft and covering the magnetic conductor nozzle installed hermetically in the housing coaxially with the sleeve.