磁流体密封原理及性能参数

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         图29.9-2中,圆环形永久磁铁1,极靴2和转轴3所构成的磁性回路,在磁铁产生的磁场作用下,把放置在轴与极靴顶端缝隙间的磁流体4加以集中,使其形成一个所谓的“O”形环,将缝隙通道堵死而达到密封的目的。这种密封方式可用于转轴是磁性体(图29.9-2b)和非磁性体(图29.9-2c)两种场合。前者磁束集中于间隙处并贯穿转轴而构成磁路,而后者磁束并不通过转轴,只是通过密封间隙中的磁流体而构成磁路。

磁流体的密封原理及其密封方式 

图29.9-2 磁流体的密封原理及其密封方式

a)剖视图;b)、c)剖面图

1—永久磁铁;2—极靴;3—旋转轴;4—磁流体

         由于磁流体密封中,磁流体会有损耗,可考虑设置磁流体补给装置。因工作中温度升高会影响密封的耐压能力,故需装设冷却水槽。

         图29.9-3为磁流体密封破坏过程示意图。当两则无压差时,极靴处密封液环保持正常形状(图a);当两则有压差时,密封磁流体呈凹截面,但仍能保持正常形状(图b);当两侧压差增大到大于磁流体密封的承载能力时,密封液环先开始变形(图c),然后迅速形成穿孔(图d),此时被密封介质通过针孔流到下一级。如果不断地增加压差,则密封液环遭到破坏(图e);如果被密封介质通过针孔流到下一级,下一级压力增加,压差减小,针孔愈合(图b)。因此,多级磁流体密封具有一定的破坏压力和恢复压力。为安全起见,通常使工作压力小于各级恢复压力的总和,即要具有一定的备用级。

密封及密封破坏 

图29.9-3 密封及密封破坏

a)密封不受压;b)密封受压;c)密封受压增强;d)密封穿孔;e)密封破坏

2.1 密封的耐压能力

           磁流体密封中,当聚焦结构(极靴)达到磁饱和时,间隙磁场强度可达(1.19~1.587)×106A/m。由于磁流体作为流体状态在磁场内服从修正的伯努利方程

式中  ρ——磁流体的密度;
         M——磁流体的磁通密度;
         H——间隙中的磁场强度;
         h——高出水平面的高度。
      上式中前三项为静压能、动压能和位能之和,第四项为考虑磁特性的附加项。磁性项与其它每一项组合,就产生新的流体现象,构成铁磁流体动力学的基础。因此,在密封设计中既应考虑它的流体动力性能的参数(如密度、粘度、粘温关系以及流体的切应力等),又应当考虑它的磁性(磁饱和强度、由聚焦结构-极靴所产生的磁场梯度等)。实践表明,提高磁场强度将增加密封的承载能力,但随着流体粘度的增加,其切应力也增加,因而增加了动力消耗,并使流体的温度升高,温度升高,磁饱和强度将下降,而密封的承压能力下降。

    式(29.9-1)可以预计单级密封的耐压能力,当外加磁场强度很大时可近似地取
式中  MS——铁磁流体的饱和磁化强度(A/m);
           H——间隙中磁场强度(A/m)。
    多级密封的耐压能力为
式中 i——磁流体密封的级数。
    上面两式说明,磁流体的饱和磁化强度愈大,磁场强度愈大,密封的耐压能力也就愈大。
    一般磁流体密封每级的耐压能力为0.020~0.035MPa。只要通常磁流体密封的耐压能力比临界压差(密封破坏时压差)低25%,在此恢复压力下,可再恢复密封性。
    给定级的耐压能力取于磁场强度,因此耐压能力可以通过增加磁铁尺寸来增强。同时磁场强度也可以通过减少转轴与极板间的径向间隙来增加。
    图29.9-4表示径向间隙、压差和磁铁尺寸之间的关系。但间隙不能无限制地减小,因为边缘磁场效应限制了给定尺寸磁铁的最大磁场,同时间隙太小,会由于轴的机械振动引起机械摩擦。一般对于小直径的密封(d<50mm),其间隙为0.05~0.25mm;对于大直径或跳动量较大的轴,可取间隙大于0.25mm。
 
图29.9-4 磁铁尺寸增大时压差与径向间隙的关系

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