Высокоскоростное магнитожидкостное уплотнение

(19) И 1) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 3 2 ф ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) 1. Луцет М,О., Орлов Л.П., Старовойтов В.А., фертман В,Е. Высокоскоростные криовакуумные магнитожидкостные уплотнения. Новосибирск, Институт теплофизики СО АН СССР, 1980, с. 8.2. Там же, с. 5.,(54) (57) 1. ВЫСО)ОС)ОРОСТНОЕ МАГНИТОЖИДКОСТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ,содержащее неподвижную магнитную систему, состоящую из источника маг:.нитного потока и полюсов с зубцами, вал с магнитопроводящей частью и феррожидкостьо т л и ч а ю щ е е с я тем,что, с целью снижения тепловых потерь в феррожидкости, оно снабжено по меньшей мере одним кольцевым элементом, помещенным в зазоре между валом и полюсами и включающим расположенные в зонах полюсов магнитопроводящие участки, причемкольцевой элемент установлен в подшипниковой опоре и связан с валомчерез устройство редуцированиячастоты вращения.2. Уплотнение по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения, магнитопроводящие участ.ки кольцевого элемента имеют отверстия, соединяющие между собой рабочие зазоры.3. Уплотнение по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что между магнитопроводящими участками кольцевого элемента помещены постоянные магниты.4. Уплотнение по п.1, о т л и, ч а ю щ е е с я тем, что устройство редуцирования частоты вращения выполнено в виде электрической маши/ны, ротор которой соединен с кольцевым элементом, датчика частоты вращения вала и регулятора числа оборотов ротора.Изобретение относится к уплотнительным устройствамдля вращающихся валов и может быть использовано в устройствах с окружными скоростями валов свыше 50 м/с, например в высокоскоростных электрических машинах, в полости которых поддерживается пониженное или повышенное в сравнении с наружным давлением.Известны высокоскоростные магнитожидкостные уплотнения, содержащие неподвижную кольцевую магнитную систему в виде источника магнитного потока и полюсов, охватывающих немагнитный вал, в зазоре между которыми помещена магнитопроводящая жидкость (или феррожидкость), контактирующая с поверхностью вала Щ .Недостаток данного устройства низкий перепад давления в изолируемой от наружной среды полости даже при условии последовательного соединения нескольких уплотнений из-эа отсутствия магнитопроводящего участка на валу в области с феррожидкостью, обусловливающего плохое сцепление феррожидкости с валом.Наиболее близким к предлагаемому является высокоскоростное магнитную систему, представляющую собой источник магнитного потока с кольцеобразными полюсами и полюс-, ными выступами в виде зубцов, ваЛ с магнитопроводящим кольцевым участком и феррожидкость, помещенную в зазор между полюсными выступами и магнитопроводящей частью вала. Если вал выполнен из магнитопроводящего материала, то потребность в магнитопроводящем кольце отпадает, Число .зубцов, выполненных на одном полюсе, определяется значением перепада давления и эффективностью охлаждения узлаПомещенная в кольцевой зазор между магнитопроводящей частью вала и зубцами феррожидкость обеспечивает изоляцию полости машины от наружной среды и воэможность перепада давления между ними. При вращении вала часть феррожидкости, примыкающая к поверхности вала и сцепленыая с ним, также вовлекается во вращение. По мере удаления от поверхности нала и приближения К поверхности зубцов скорость движения частиц замедляется. Находящуюся в зазоре феррожидкостьможно условно разделить на ряд коаксиально расположенных относительно друг друга слоев, вращающихся один относительно другого. Окружная ско. рость прилегающего к поверхности вала слоя равна 0,6-0,8 от значения окружной скорости вала, а скорость слоя, прилегающего к зубцам, близка к нулю 2 .510 15 При прочих равных условиях максимальное значение окружной скорости вала определяется двумя факторами: центробежными силами, действующими на феррожидкость, значение которых прямо пропорционально квадрату окружной скорости и обратно пропорционально радиусу вращения, а также значением тепловых потерь в феррожидкости, обусловленным трением вала и зубцов с феррожидкостью и трением сЛоев феррожидкости друг о друга, которое зависит от окружной скорости вала. Для малых диаметров валов преобладает влияние первого фактора на, максимально возможное значение окружной скорости, при сравнительнобольших диаметрах валов - второго,поскольку центробежные силы умень 20 шаются с ростом радиуса вращения,а тепловые потери при постоянствеокружной скорости остаются неизменными. На значение максимальнойокружной скорости влияют характеЕис 5 тики уплотнения, такие как вязкостьферрожидкости, рабочий зазор, магнитная индукция в зазоре, конфигурация зубцов, расстояние между зубцами, шероховатость поверхности, плоЗ 0 щадь поверхности охлаждения и другиЕ. Путем подбора сочетания параметров уплотнения достигают максимальной окружной скорости вала равной 50 м/с. Дальнейший рост окружной скорости сдерживается большимизначениями тепловых потерь в феррожидкости, что является недостаткомизвестного устройства.Цель изобретения - снижение тепловых потерь, выделяемых в ферро 40 жидкости.Указанная цель достигается тем,что магнитожидкостное уплотнение,содержащее неподвижную магнитнуюсистему, состоящую из источника маг 45 нитного потока и полюсов с зубцами,вал с магнитопроводящей частью иферрожидкость, снабжено по меньшемере одним кольцевым элементом,помещенным в зазоре между валом и50 полюсами и включающим расположенныев зонах полюсов магнитопроводящиеучастки, причем кольцевой элементустановлен в подшипниковой опореи связан с валом через устройство55 редуцирования частоты вращения.Магнитопроводящие участки кольцевого элемента могут иметь отверстия, соединяющие между собой рабочие зазоры,Между магнитопроводящими участками кольцевого элемента могут бытьпомещены постоянные магниты.Устройство редуцирования частотывращения может быть выполнено в65 виде электрической машины, ротор ко-,торой соединен. с кольцевым элементом, датчика частоты вращения валаи регулятора числа оборотов ротора.На фиг.1 приведена конструктивная схема магнитожидкостного уплотнения с редуктором на основе зубчатой передачи, соединяющим вал скольцевым элементом; на фиг.2вариант выполнения кольцевого элемента с постоянными магнитамимежду магнитопроводящими участками,на фиг,З - то же, с радиальнымиотверстиями для зарядки феррожидкости;-на фиг.4 - конструктивнаясхема уплотнения с устройством редуцирования ввиде регулируемогоэлектродвигателя, ротор которогосоединен с кольцевым элементом;на фиг.5 - блок-схема устройствапо фиг.4; на фиг.б - элементы статора и ротора электродвигателя пофиг.4; на фиг.7 - конструктивнаясхема уплотнения с устройствомредуцирования в виде бесконтактногоредуктора на постоянных магнитах,на фиг.8 - конструктивная схема уп.лотнения с кольцевым элементом,установленным в магнитных опорах.В корпусе 1 магнитожидкостногоуплотнения (фиг.1) установлены кольцеобразный постоянный магнит 2 имагнитопроводы 3 и 4, кольцевойэлемент 5, вал б и устройство 7 редуцирования частоты вращения.- Магнитопроводы 3 и 4 имеют зубцы 8.Кольцевой элемент 5 состоит измагнитопроводящих участков 9 и 10с зубцами 11, разделенных немагнитным участком 12, который закрепленв подшипнике 13 и расположен междузубцами 8 и валом б таким образом,что зубцы 11 оказываются коаксиально расположенными по отношению кзубцам 8. Между зубцами 8 и магнитопроводящими участками 9 и 10 кольцевого элемента 5, а также междузубцами 11 и валом помещена феррожидкость 14.Устройство 7 редуцирования частоты вращения обеспечивает пониженнуюв сравнении с валом б частоту вращения кольцевого элемента 5. Устройство по фиг.1, выполненное ввиде зубчатых шестерен 15 с передаточным отношением 2:1, обеспечивает двукратное снижение частоты вращения кольцевого элемента 5 в сравнении с частотой вращения вала. Магнитный поток, создаваемый постоянныммагнитом 2, замыкается через магнитопроводы 3 и 4, зубцы 8, феррожидкость 14, магнитопроводящие участки9 и. 10 с зубцами 11 и магнитопроводящий вал б.Постоянный магнит 16 колыхевогоэлемента 5 (фиг.2), помещенный меж-ду магнитопроводящими участками 9 и 10, обеспечивает повышение индук-,ции в зазоре между зубцами 11 ивалом 6. Магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом 16, .имеет.то же направление, что и магнитныйпоток основного магнита 2.В магнитной системе и кольцевомэлементе 5 (фиг.З) выполнены радиальные отверстия 17 и 18 для зарядки магнитожидкостного уплотнения 10 феррожидкостью 14. Наличие радиальных отверстий 18 в кольцевом элементе 5, соединяющем между собойрабочие зазоры, позволяет осуществить заполнение феррожидкоотью 15 зазора между зубцами 11 кольцевогоэлемента 5 и валом б через магнито.проводы 3 и 4 магнитной системы,Устройство 7 редуцирования частоты вращения состоит из регулируемого электродвигателя 19, регулятора 20 скорости и датчика 21частоты вращения, В качестве электродвигателя 19 используется, например, шаговый двигатель, обладающийхоРошей.управляемостью и содержащий статор 22, включающий в себямагнитопровод 23 с обмоткой 24 иротор 25, представляющий собойобойму 26 с постоянными магнитами27 и магнитопроводы 28. Датчик21 частоты врашения выполнен в видеукрепленного на валу б диска 29. спрорезями, источника 30 света исветочувствительного, элемента 31. Вкачестве источника ЗО света и светочувствительного элемента 31 могут,например, применяться светодиодымарки АЛ 107. Регулятор 20 скорости/представляет собой электронный блок,обеспечивающий заданные закон регу .лирования частоты вращения ротора25 электродвигателя 19, соединенногос кольцевым элементом 5, в зависимости от частоты вращения вала б.Ф- Блок -схема ( фи г . 5 ) содержит источник 32 питания и задатчик 3 3 з акона регулирования , который задаеткратность частот вращения вала би ротора 2 5 с кольцевым элементом 5 . Жестко связанный с . валом 6датчик 2 1 частоты вращения выдаетна регулятор 2 0 скорости сигнал ,пропорциональный частоте вращениявала б , где о н срав нивает ся. с сигналом з адатчика 3 3 и .в зависимости 55 от амплитуды и фазы сравниваемыхсигналов обеспечивает изменениеамплитуды ( или фазы) пит аюшего двигатель 1 9 напряжения в зависимостиот типа выбранного регулируемого 60 двигателя и точности , с которойтребуется поддерживать кратность,частот вращения вала б и кольцевогоэлемента 5 . Ротор 2 5 двигателя 1 9жестко связан с кольцевым элемен том 5 .учитывая то, что диаметр двигателя 19 превосходит диаметр кольцевого элемента 5, а требуемый объемего активных частей, определяемыйвеличиной развиваемого электромагнитного момента, невелик, целесообразно магнитопровод 23 статора22 выполнить в виде части кольца,а ротор 25 - в виде кольцевой обоймы 26 с постоянными магнитами 27,расположенными равномерно по всейее окружности (фиг.б).Применение устройства 7 редуцирования частоты вращения содержащего регулируемый электродвигатель,обеспечивает возможность изменениякратности частот вращения кольцевого элемента 5 и вала б, однакооно довольно сложно. На фиг.7 приведена конструктивная схема уплотнения с устройством 7 редуцирования частоты вращения, выполненнымв виде бесконтактного редукторана постоянных магнитах, содержащего ведущее колесо 34, входящее взацепление за счет сил магнитногопритяжения с промежуточным колесом35, жестко соединенным с колесом36, которое является ведущим дляколеса 37, установленного на кольцевом элементе 5,Обеспечивающие значительное снижение потерь в опорах и возможностьповышения частоты его вращения магнитные подшипники 38, на которыхустанавливают кольцевой элемент 5могут быть выполнены по различнымизвестным конструктивным схемам.Согласно фиг.8 они содержат триряда кольцевых постоянных магнитов 39 и диэлектрическую катушкуО40, обеспечивающие стабилизациюопор в осевом и радиальном направлениях.Магнитожидкостное уплотнениеработает следующим образом.Одновременно с вращением валаб с помощью устройства 7 редуцирования частоты вращения обеспечивается вращение кольцевого элемента 5 с частотой, в два раза меньшейчастоты вращения вала б. В результате этого при равенстве окружныхскоростей валов в предлагаемомуплотнении по сравнению с прототипом в два раза снижается разностьокружных скоростей поверхностей,между которымд помещена феррожид 10 кость 14. Так, поверхность вала бвращается относительно поверхностизубцов 11 кольцевого элемента 5 сокружной скоростьюв два разаменьшей, чем относительно зубцов 815 магнитопроводов 3 и 4, Аналогичнопримерно в два раза ниже окружнаяскорость наружной поверхности кольцевого элемента 5 в сравнении с зубцами 8,20Такое снижение соотношения окружных скоростей контактируемых с.феррожидкостью 14 поверхностейприводит при условии равенства 25 рабочих зазоров и индукции в нихк снижению потерь на трение в феррожидкости 14 каждого из зазоров.Таккак потери на трение пропорциональны квадрату окружной скорости одной З 0 из контактируемых поверхностей,относительно другой, вследствие снижения в два раза окружной скоростипотери в каждом из зазоров уменьшаются примерно в четыре раза.Поскольку число зазоров возрастаетв два раза, суммарные потери в феррожидкости предлагаемого уплотнения примерно в два раза ниже аналогичных потерь в прототипе при условии равенства окружных скоростей 40 их валов б. Двукратное снижениепотерь в феррожидкости позволяетв 2 раз повысить окружную скоростьвала б в предложенном уплотнениипо сравнению с прототипом при усло вии равенства потерь в их феррожидкости 14,Составитель Ф. Подольская Техред М.Гергель Корре Тираж 667 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 3035, Москва, Ж, Рауш