RU2458271C2

RU2458271C2 - Magnetic fluid seal of non-magnetic shaft

Info

Publication number: RU2458271C2
Application number: RU2010116562/06A
Authority: RU
Inventors: Сергей Михайлович Перминов (RU); Сергей Михайлович Перминов; Анастасия Сергеевна Перминова (RU); Анастасия Сергеевна Перминова
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2012-08-10
Also published as: RU2010116562A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: magnetic fluid seal of non-magnetic shaft includes annular constant magnet, pole attachments adjacent to it and magnetic fluid. Annular elements - grooves, teeth, projections, concentrators having sharp edges located at the shaft surface are made on surfaces of pole attachments facing the shaft. Annular elements on pole attachment can be of various shape, but they shall have the edges which are located as close to the sealed shaft as possible. Magnetic fluid is introduced to a gap between shaft and pole attachments and forms separate magnetic-fluid rings in the area of edges of elements.

EFFECT: increasing the retained pressure drop and improving the reliability of magnetic-fluid seals of non-magnetic shafts.

3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к уплотнительной технике и может применяться в машиностроении для уплотнения немагнитных валов.The invention relates to a sealing technique and can be used in mechanical engineering for sealing non-magnetic shafts.

Известно магнитожидкостное уплотнение немагнитного вала (Авторское свидетельство СССР №889988, МПК F16J 15/40), содержащее постоянный магнит с полюсными наконечниками, концентрирующими магнитное поле в кольцевом зазоре между ними. На валу установлен немагнитный диск, входящий в зазор с магнитной жидкостью, образованный полюсными наконечниками и диамагнитными втулками.Known magneto-liquid seal of a non-magnetic shaft (USSR Author's Certificate No. 889988, IPC F16J 15/40) containing a permanent magnet with pole pieces concentrating the magnetic field in the annular gap between them. A non-magnetic disk is installed on the shaft, which enters the gap with magnetic fluid, formed by pole tips and diamagnetic bushings.

Недостатками уплотнения являются: невысокий удерживаемый перепад давлений, низкая надежность, сложность конструкции.The disadvantages of the seal are: low held differential pressure, low reliability, design complexity.

Известно магнитожидкостное уплотнение немагнитного вала (Фертман В.Е. Магнитные жидкости - естественная конвекция и тепломассообмен. Мн.: «Наука и техника», 1978, с.55, рис.21.б), содержащее кольцевой постоянный магнит, магнитные полюсы, которые концентрируют магнитное поле в кольцевом объеме между магнитными полюсами, примыкающими к немагнитному валу.Known magneto-fluid sealing of a non-magnetic shaft (Fertman VE Magnetic fluids - natural convection and heat and mass transfer. Mn .: "Science and technology", 1978, p.55, fig.21.b), containing an annular permanent magnet, magnetic poles, which concentrate the magnetic field in the annular volume between the magnetic poles adjacent to the non-magnetic shaft.

Его недостатком является низкий удерживаемый перепад давлений. Это обусловлено тем, что уплотнение позволяет создать одно магнитожидкостное кольцо с низкой удерживающей способностью, т.к. магнитное поле в зазоре между магнитными полюсами недостаточно эффективно сформировано. Максимальная напряженность магнитного поля наблюдается в зазоре между полюсными наконечниками и не определяет удерживающую способность магнитожидкостной пробки. Свойства пробки определяет напряженность поля потоков рассеяния, которая невысока.Its disadvantage is the low held pressure drop. This is due to the fact that the seal allows you to create one magneto-liquid ring with low holding capacity, because the magnetic field in the gap between the magnetic poles is not efficiently formed. The maximum magnetic field strength is observed in the gap between the pole pieces and does not determine the holding capacity of the magneto-liquid plug. The properties of the plug are determined by the field strength of the scattering flux, which is low.

Известно магнитожидкостное уплотнение немагнитного вала (а.с. СССР №934106, М.кл. F16J 15/40), содержащее кольцевой постоянный магнит, полюсные наконечники, между которыми установлены дополнительные полюсные проставки, которые выполнены из ферромагнитного материала и изолированы друг от друга немагнитными втулками.Known magneto-liquid seal of a non-magnetic shaft (AS USSR No. 934106, M. CL F16J 15/40), containing an annular permanent magnet, pole pieces, between which are installed additional pole spacers, which are made of ferromagnetic material and are isolated from each other by non-magnetic bushings.

Данное уплотнение равноценно по действию и эффективности предыдущему (равноценно последовательной установке нескольких уплотнений предыдущей конструкции), но существенно сложнее в изготовлении.This seal is equivalent in effect and effectiveness to the previous one (equivalent to the sequential installation of several seals of the previous design), but significantly more difficult to manufacture.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении удерживаемого уплотнением перепада давления.The technical result achieved by the invention is to increase the differential pressure held by the seal.

Технический результат достигается тем, что в магнитожидкостном уплотнении немагнитного вала, содержащем магнит и примыкающие к нему полюсные приставки на поверхностях полюсных приставок, обращенных к немагнитному валу, выполнены кольцевые элементы - канавки, зубцы, выступы, концентраторы, имеющие острые кромки, обращенные к поверхности вала, а магнитная жидкость введена в зазор между валом и полюсными приставками. В частном случае исполнения магнитожидкостного уплотнения немагнитного вала элементы полюсных приставок выполнены в виде зубцов или канавок прямоугольной, треугольной, трапецеидальной формы либо в сочетании.The technical result is achieved by the fact that in the magneto-liquid seal of the non-magnetic shaft containing the magnet and adjacent pole attachments on the surfaces of the pole extensions facing the non-magnetic shaft, ring elements are made - grooves, teeth, protrusions, hubs having sharp edges facing the shaft surface and magnetic fluid is introduced into the gap between the shaft and the pole attachments. In the particular case of the execution of the magneto-liquid seal of the non-magnetic shaft, the elements of the pole attachments are made in the form of teeth or grooves of a rectangular, triangular, trapezoidal shape or in combination.

На фиг.1 показана конструкция уплотнения.Figure 1 shows the design of the seal.

На фиг.2 - зубец на полюсной приставке прямоугольной формы, положение магнитожидкостных пробок в зазоре и графическое представление распределения напряженности магнитного поля в рабочем зазоре уплотнения.In Fig.2 - a tooth on a pole attachment of a rectangular shape, the position of the magneto-liquid plugs in the gap and a graphical representation of the distribution of magnetic field strength in the working clearance of the seal.

На фиг.3 - зубец треугольной формы, положение магнитожидкостных пробок в зазоре и графическое представление распределения напряженности магнитного поля в рабочем зазоре уплотнения.Figure 3 - the tooth of a triangular shape, the position of the magnetic fluid plugs in the gap and a graphical representation of the distribution of magnetic field strength in the working clearance of the seal.

На фиг.4 - зубец трапецеидальной формы и положение магнитожидкостных пробок в зазоре.In Fig.4 - a trapezoidal tooth and the position of the magneto-liquid plugs in the gap.

На фиг.5 - элемент в виде канавки на полюсной приставке.Figure 5 - element in the form of grooves on a pole attachment.

Уплотнение устроено следующим образом. К торцевым поверхностям постоянного магнита 1 примыкают полюсные приставки 2, охватывающие немагнитный вал 3. На поверхностях полюсных приставок 2, обращенных к немагнитному валу 3, выполнены кольцевые элементы 4 - канавки, зубцы, выступы, концентраторы, имеющие острые кромки, обращенные к поверхности вала. На фиг.2 показан частный случай исполнения кольцевых элементов на полюсной приставке в виде прямоугольных зубцов. Могут применяться кольцевые элементы и других видов, как на фиг.3 - в виде треугольных зубцов, как на фиг.4 - в виде трапецеидальных зубцов, как на фиг.5 - в виде канавок, но должно соблюдаться условие, что их острые кромки располагаются как можно ближе к уплотняемому валу. Кольцевые элементы 4 могут располагаться только на полюсных приставках 2. Магнитная жидкость введена в зазор 5 между валом и полюсными приставками и образует отдельные магнитожидкостные кольца 6, расположенные в области кромок кольцевых элементов 4.The seal is arranged as follows. The end faces of the permanent magnet 1 are adjacent to the pole attachments 2, covering the non-magnetic shaft 3. On the surfaces of the pole extensions 2, facing the non-magnetic shaft 3, ring elements 4 are made - grooves, teeth, protrusions, hubs having sharp edges facing the shaft surface. Figure 2 shows a special case of the execution of the ring elements on the pole attachment in the form of rectangular teeth. Ring elements of other types can also be used, as in FIG. 3 - in the form of triangular teeth, as in FIG. 4 - in the form of trapezoidal teeth, as in FIG. 5 - in the form of grooves, but the condition that their sharp edges are located as close to the shaft to be sealed. The ring elements 4 can only be located on the pole attachments 2. The magnetic fluid is introduced into the gap 5 between the shaft and the pole extensions and forms separate magneto-liquid rings 6 located in the region of the edges of the ring elements 4.

Уплотнение работает следующим образом. Постоянный магнит 1 в уплотнении служит источником магнитного поля. Создаваемый им магнитный поток проходит через полюсные приставки 2 и замыкается через пространство между ними. Т.к. вал 3 немагнитный, он не участвует в формировании пути магнитного потока. Полюсные приставки в сечении имеют треугольную форму, чтобы обеспечить прохождение большей части магнитного потока системы через вал, следовательно, через зазоры между полюсными приставками и валом. Элементы полюсных приставок (зубцы, выступы, канавки, концентраторы), выполненные на поверхностях полюсов, обращенных к валу, практически не влияют на величину общего магнитного потока, но перераспределяет его около поверхности полюсов. При удалении от поверхности полюсов напряженность поля выравнивается. Элементы на поверхностях полюсов - зубцы, выступы, канавки, концентраторы имеют острые кромки, около которых существует локальный всплеск напряженности магнитного поля. Напряженность магнитного поля быстро убывает при удалении от кромки в любом направлении. Магнитная жидкость втягивается магнитным полем в зоны, где поле имеет максимальную напряженность и образует кольца с повышенным внутренним давлением. Уплотнение устроено таким образом, что кромки элементов расположены около поверхности вала, поэтому магнитожидкостное кольцо перекрывает зазор и препятствует прохождению через него уплотняемой среды.Sealing works as follows. The permanent magnet 1 in the seal serves as a source of magnetic field. The magnetic flux created by him passes through the pole attachments 2 and closes through the space between them. Because shaft 3 is non-magnetic; it is not involved in the formation of the magnetic flux path. The pole attachments in the cross section are triangular in order to allow the passage of most of the magnetic flux of the system through the shaft, therefore, through the gaps between the pole attachments and the shaft. Elements of pole attachments (teeth, protrusions, grooves, hubs) made on the surfaces of the poles facing the shaft practically do not affect the total magnetic flux, but redistributes it near the surface of the poles. With distance from the surface of the poles, the field strength is equalized. Elements on the surfaces of the poles - teeth, protrusions, grooves, concentrators have sharp edges, around which there is a local surge in magnetic field strength. The magnetic field strength decreases rapidly with distance from the edge in any direction. Magnetic fluid is drawn by the magnetic field into the zones where the field has maximum tension and forms rings with increased internal pressure. The seal is arranged in such a way that the edges of the elements are located near the surface of the shaft; therefore, the magneto-liquid ring overlaps the gap and prevents the passage of the medium to be sealed through it.

Каждое магнитожидкостное кольцо способно воспринимать перепад давлений, который определяется по формуле:Each magneto-liquid ring is capable of perceiving a pressure drop, which is determined by the formula:

где µ₀ - магнитная постоянная,where µ ₀ is the magnetic constant,

М - намагниченность магнитной жидкости,M is the magnetization of the magnetic fluid,

Н - напряженность магнитного поля в зазоре,N is the magnetic field strength in the gap,

H_max и H_min - максимальная и минимальная напряженности магнитного поля на границах магнитожидкостного кольца в момент удержания ею максимального перепада давлений.H _max and H _min - the maximum and minimum magnetic field strengths at the boundaries of the magneto-liquid ring at the moment it holds the maximum pressure drop.

Перепад давлений, удерживаемый уплотнением, определяется суммой перепадов давлений всех магнитожидкостных колец в зазоре.The pressure differential held by the seal is determined by the sum of the pressure drops of all the magneto-liquid rings in the gap.

Особенностью кромочного всплеска напряженности магнитного поля является быстрое убывание напряженности поля при удалении от кромки, поэтому отсюда вытекают два вывода. Первый - необходимо стремиться к уменьшению минимального зазора между полюсной приставкой и валом. Второй - размеры элементов на поверхностях полюсов - зубцов, выступов, канавок, концентраторов должны быть минимальных размеров. В зазоре уплотнения немагнитного вала вместо одного магнитожидкостного кольца с ограниченной удерживающей способностью (прототип) создается множество магнитожидкостных колец, которые обеспечивают суммарный удерживающий уплотнением перепад давления, который в несколько раз превышает перепад давления, удерживаемый прототипом таких же габаритов.A feature of the edge surge of the magnetic field strength is a rapid decrease in the field strength with distance from the edge; therefore, two conclusions follow from this. First, it is necessary to strive to reduce the minimum clearance between the pole attachment and the shaft. The second - the dimensions of the elements on the surfaces of the poles - teeth, protrusions, grooves, concentrators should be of a minimum size. Instead of one magneto-liquid ring with limited holding capacity (prototype), a plurality of magneto-liquid rings are created in the seal clearance of a non-magnetic shaft instead of one magneto-liquid ring, which provide a total differential pressure-retaining seal, which is several times higher than the differential pressure held by the prototype of the same dimensions.

Элементы полюсных приставок (зубцы, выступы, канавки, концентраторы) могут выполняться практически любой формы. Наиболее оптимальной следует признать прямоугольную, показанную на фиг.2, т.к. она обеспечивает сохранность рабочих кромок от повреждения при изготовлении и эксплуатации уплотнения (разборка, сборка узла).Elements of pole attachments (teeth, protrusions, grooves, hubs) can be performed in almost any form. The most optimal should be recognized as rectangular, shown in figure 2, because it ensures the safety of the working edges from damage during the manufacture and operation of the seal (disassembly, assembly node).

Таким образом, предлагаемое магнитожидкостное уплотнение позволяет увеличить удерживаемый перепад давлений практически и повысить надежность уплотнения.Thus, the proposed magneto-liquid seal allows you to increase the held differential pressure in practice and increase the reliability of the seal.

Claims

1. Magnetic-liquid seal of a non-magnetic shaft, containing an annular permanent magnet and adjacent consoles adjacent to it, magnetic fluid, characterized in that on the surfaces of the pole consoles facing the non-magnetic shaft, annular elements are made - grooves, teeth, protrusions, hubs having sharp edges located near the surface of the shaft, and magnetic fluid is introduced into the gap between the shaft and the pole attachments.

2. The magneto-liquid seal of the non-magnetic shaft according to claim 1, characterized in that the elements of the pole attachments are made in the form of teeth of a rectangular, triangular, trapezoidal or in combination.

3. The magneto-liquid seal of the non-magnetic shaft according to claim 1, characterized in that the elements of the pole consoles are made in the form of grooves of a rectangular, triangular, trapezoidal or in combination.