Index of /rozprawy2/10744

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Katedra Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn. Rozprawa doktorska. WPŁYW WYBRANYCH PARAMETRÓW PRACY NA TRWAŁOŚĆ OBROTOWYCH USZCZELNIEŃ Z C IECZĄ FERROMAGNETYCZNĄ W ŚRODOWISKU WODNYM. Marcin Szczęch. dr hab. inż. Józef Salwińśki, prof. AGH. Kraków 2014.

(2) Składam serdeczne podziękowania Panu Profesorowi Józefowi Salwińskiemu za pomoc, życzliwość oraz wszelkie wsparcie okazane w tracie powstawania tej pracy..

(3) Spis treści 1. Wprowadzenie ........................................................................................................................ 7 1.1. Uszczelnienia w budowie maszyn ................................................................................... 8 1.2. Uszczelnienia z cieczami ferromagnetycznymi ............................................................. 10 1.2. Uszczelnienia ferromagnetyczne w środowisku cieczy ................................................. 23 2. Sformułowanie tematyki badawczej ..................................................................................... 28 2.1. Ciśnienie krytyczne w uszczelnieniu z cieczą ferromagnetyczną.................................. 28 2.2. Kinematyka i dynamika uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną ............................... 35 2.3. Zastosowanie uszczelnień ferromagnetycznych w środowisku cieczy .......................... 40 2.3.1. Podsumowanie .................................................................................................... 52 3. Cel i tezy pracy ..................................................................................................................... 54 4. Badania wstępne ................................................................................................................... 56 4.1. Stanowisko badawcze MAST ........................................................................................ 56 4.2. Założenia wstępne .......................................................................................................... 58 4.3. Program badań ............................................................................................................... 60 4.3.1. Procedura badawcza .................................................................................................... 61 4.4. Wyniki badań wstępnych ............................................................................................... 65 4.4.1. Ciecz ferromagnetyczna FLA 002.25 ................................................................. 65 4.4.2. Ciecz ferromagnetyczna FLS 040.040 ............................................................... 66 4.4.3. Ciecz ferromagnetyczna FLA 003.45 ................................................................. 70 4.5. Zestawienie wyników dla badanych cieczy ferromagnetycznych ................................. 72 4.6. Podsumowanie wyników badań ..................................................................................... 74 5. Rozszerzone badania szczelności oraz trwałości .................................................................. 78 5.1. Stanowisko badawcze MFSL ......................................................................................... 79 5.2. Założenia wstępne .......................................................................................................... 83 5.3. Numeryczne analizy rozkładu pola magnetycznego ...................................................... 84 5.4. Analizy CFD przepływu wody....................................................................................... 90 5.5. Właściwości wykorzystanych cieczy ferromagnetycznych ........................................... 95 5.5.1. Lepkość dynamiczna .......................................................................................... 95 5.5.2. Napięcie powierzchniowe i międzyfazowe ........................................................ 99 5.5.3. Gęstość ............................................................................................................. 102 5.5.4. Magnetyzacja nasycenia ................................................................................... 103 3.

(4) 5.6. Program badań uszczelnienia ....................................................................................... 104 5.6.1. Procedura badawcza .................................................................................................. 105 5.7. Wyniki badań uszczelnień............................................................................................ 109 5.7.1. Ciśnienie krytyczne .......................................................................................... 109 5.7.2. Badania wrażliwości uszczelnienia na działanie wody .................................... 110 5.7.3. Charakterystyki szczelności ............................................................................. 112 5.7.4. Badania trwałości ............................................................................................. 113 5.8. Podsumowanie wyników badań ................................................................................... 115 6. Mechanizm utraty szczelności ............................................................................................ 117 6.1. Niestabilność Kelvina –Helmholtza............................................................................. 118 6.2. Opis matematyczny charakterystyk szczelności .......................................................... 119 7. Podsumowanie i wnioski końcowe ..................................................................................... 124 7.1. Wnioski dotyczące dalszych badań .............................................................................. 126 8. Literatura ......................................................................................................................... 128. 4.

(5) Wykaz ważniejszych skrótów, oznaczeń i symboli:. MF. – ciecz magnetyczna (magnetic fluid). FF. – ciecz ferromagnetyczna (ferrofluid). MRF – ciecz magnetoreologiczna (magnetorheological fluid). B. – indukcja magnetyczna. C. – stała całkowania. CS. – bezwymiarowy współczynnik proporcjonalności. Dn. – średnica nominalna uszczelnienia. Do. – średnica nabiegunników. g. – przyspieszenie grawitacyjne ziemi. G. – gradient natężenia pola magnetycznego. h. – wysokość odniesienia. H. – natężenie pola magnetycznego. Hx. – składowa x natężenia pola magnetycznego. Hy. – składowa y natężenia pola magnetycznego. ky. – kierunek y propagacji fali. Lm. – grubość magnesu. Ln. – długość nabiegunników. . – moment magnetyczny w cząstce magnetycznej. M. – magnetyzacja cieczy ferromagnetycznej. MS. – magnetyzacja nasycenia cieczy ferromagnetycznej. Mt. – moment tarcia. n. – prędkość obrotowa wału. p. – ciśnienie w cieczy ferromagnetycznej. po. – ciśnienie otoczenia. pkr. – statyczne ciśnienie krytyczne. pkrd. – dynamiczne ciśnienie krytyczne. pw. – ciśnienie uszczelnianej wody. Rm1, m2 – wymiary magnesu R1. – zewnętrzny promień wału. R2. – wewnętrzny promień nabiegunników 5.

(6) t. – szerokość ścięcia. Ua. – prędkość cieczy a. Ub. – prędkość cieczy b. v. – prędkość. vmax. – prędkość krytyczna uszczelnienia. v0. – prędkość obwodowa uszczelnienia. z. – wysokość szczeliny. α. – kąt pochylania występu. ௗ. – lepkość dynamiczna. θ. – kąt zwilżenia. µ0. – przenikalność magnetyczna próżni. µr. – względna przenikalność magnetyczna. ρ, ρFF – gęstość cieczy ferromagnetycznej σ. – napięcie powierzchniowe cieczy. ௔௕. – międzyfazowe napięcie powierzchniowe. ω0. – prędkość kątowa. 6.

(7) 1. Wprowadzenie Rozwój techniki wymusza poszukiwanie nowych materiałów lub próbę zastosowania znanych materiałów w urządzeniach i maszynach, w których do tej pory nie były wykorzystywane. Szczególną grupę materiałów stanowią materiały sterowalne. Uważa się za nie materiały, w których można zmieniać właściwości pod wpływem działania czynników zewnętrznych. Wyróżnia się materiały [103]: zmieniające kolor, emitujące światło, zmieniające swój kształt lub wielkość, temperaturę, lepkość, samogrupujące się i samonaprawiające się. Ciecze magnetyczne należą do grupy materiałów, w których można zmieniać ich lepkość, naprężenie graniczne oraz utrzymywać je w danym miejscu w polu magnetycznym. W literaturze w odniesieniu do cieczy magnetycznych, występuje zróżnicowane nazewnictwo. Nadrzędną grupą są ciecze magnetyczne (magnetic fluid – MF), w których wyróżniamy ciecze ferromagnetyczne (ferrofluid – FF) oraz ciecze magnetoreologiczne (magnetorheological – MRF). Ciecze magnetyczne z powodzeniem stosowane są w urządzeniach i maszynach, które znajdują zastosowanie w programach kosmicznych, przemyśle, wojsku, medycynie, budownictwie, motoryzacji i innych. W technicznych aplikacjach duży obszar stanowi wykorzystanie cieczy magnetycznych w uszczelnieniach, gdzie pełnią one rolę bariery uszczelniającej. Dotychczas takie zastosowanie znajdują przede wszystkim ciecze ferromagnetyczne. Od wielu lat badania w tym zakresie prowadzone są w Akademii Górniczo–Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie w Katedrze Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn. Kolejnym ważnym etapem jest opracowanie rozwiązań pozwalających na poszerzenie możliwości uszczelnień z cieczą ferromagnetyczną do pracy w innych środowiskach niż próżnia i gaz. Prace badawcze prowadzone w ramach pracy doktorskiej mają na celu poszerzenie obszaru zastosowań uszczelnień z cieczą ferromagnetyczną w zakresie urządzeń technicznych do napędów, przekładni, łożysk i innych mechanizmów pracujących w środowisku cieczy – w pierwszym etapie do pracujących w środowisku wodnym. Tematyka prowadzonych badań ma oryginalny charakter, a w światowej literaturze naukowej jest jedynie sygnalizowana.. 7.

(8) 1.1. Uszczelnienia w budowie maszyn Uszczelnienia odgrywają kluczową rolę w poprawnym funkcjonowaniu wielu maszyn i urządzeń. Znajdują powszechne zastosowanie w układach hydraulicznych, w pneumatycznych instalacjach i urządzeniach gazowych, w maszynach budowlanych, rolniczych, instalacjach wodnych i innych. Ich głównym celem jest zapewnienie szczelności między dwoma środowiskami, najczęściej o różnym ciśnieniu. Zapobieganie przedostawaniu się czynnika poza przestrzeń roboczą, ochrona środowiska przed szkodliwymi substancjami czy przed zanieczyszczeniem urządzenia z zewnątrz. Dobór odpowiedniego uszczelnienia jest trudnym procesem. Wymaga wiedzy z dziedziny konstrukcji maszyn, technologii, mechaniki płynów, materiałoznawstwa czy tribologii. Trudne jest często także osiągnięcie wymaganej szczelności w niektórych przypadkach. Podstawowa klasyfikacja uszczelnień przedstawiona jest na rys. 1.1. Główny podział wyróżnia: uszczelnienia statyczne dla połączeń spoczynkowych oraz uszczelnienia dynamiczne dla połączeń ruchowych. Uszczelnienia zakwalifikowane do jednej grupy w określonych warunkach pracy mogą czasami występować także w innych grupach. Drugim ważnym podziałem jest przynależność do uszczelnień stykowych lub bezstykowych. Przy wyborze typu uszczelnienia należy brać pod uwagę: 1. rodzaj, właściwości uszczelnianego ośrodka, warunki środowiska zewnętrznego, 2. zakres ciśnień pracy, 3. rodzaj, prędkość ruchu, 4. przyjęte kryterium szczelności, 5. temperaturę pracy, 6. trwałość oraz niezawodność uszczelnienia, 7. koszt zakupu oraz obsługi uszczelnienia w trakcie użytkowania, 8. gabaryty maszyny lub urządzenia. Istnieje wiele rozwiązań konstrukcyjnych stosowanych współcześnie uszczelnień [18, 91]. Do ich wytwarzania wykorzystywanych jest wiele różnych materiałów jak np. filc, papier, guma, skóra, korek, tworzywa sztuczne, metale, grafit, węgiel, włókna roślinne, masy, smary uszczelniające i inne [37, 59]. Uszczelnienia czołowe [14], wargowe, dławicowe [15] zalicza się do uszczelnień stykowych w ruchu obrotowym. Utrzymują one szczelność kosztem zwiększonych oporów ruchu. Znacznie przyśpiesza to proces ich zużycia.. 8.

(9) Dla porównania w uszczelnieniach bezstykowych opory ruchu są bardzo małe, a zużycie elementów w praktyce nie występuje, ale najczęściej wiąże się to z ograniczoną szczelnością lub skomplikowaną konstrukcją [16, 32, 37].. Rys. 1.1. Klasyfikacja uszczelnień [37]. Prace badawcze dotyczące różnych rodzajów uszczelnień prowadzone są w wielu światowych i krajowych ośrodkach, w tym także w Akademii Górniczo–Hutniczej w Krakowie w Katedrze Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn. Dotyczą one tematyki uszczelnień. czołowych. poddanych. drganiom. wymuszonym. w. aspekcie. oceny. podwyższenia ich niezawodności [8]. W ramach innych prac powstało laboratorium do badań uszczelnień z cieczami magnetycznymi. Prowadzone tam badania dotyczą wyznaczania. charakterystyk. tribologicznych. oraz. granicznych. warunków. pracy. uszczelnień ferromagnetycznych [50] oraz uszczelnień z wykorzystaniem cieczy magnetoreologicznej [49]. Prace nad uszczelnieniami przyczyniły się do zbudowania szeregu stanowisk badawczych,. uzyskania. wielu. patentów,. oraz. powstania. nowych. rozwiązań. konstrukcyjnych uszczelnień [104, 105, 106, 107]. 9.

(10) 1.2. Uszczelnienia z cieczami ferromagnetycznymi Uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną (w skrócie „uszczelnienia FF”) należą do klasy. bezstykowych,. cieczowych. uszczelnień. przeznaczonych. do. ciśnień. nieprzekraczających 3,5 MPa [84]. Prędkość obrotowa, temperatura pracy może zmieniać się w szerokim zakresie. Stosowane są zarówno jako uszczelnienia statyczne jak i w warunkach dynamicznych. Wykorzystywane są w ruchu obrotowym jak i posuwisto – zwrotnym. Uszczelnienia takie działają na zasadzie tworzenia się pierścienia cieczy ferromagnetycznej utrzymywanego w danym miejscu w polu magnetycznym. Dzięki temu zapewniona jest szczelność w układzie. Uszczelnienia te zachowują szczelność zarówno w obecności gazu, wilgoci i innych zanieczyszczeń. Moment tarcia, który jest wynikiem tarcia wewnętrznego w cieczy powoduje niewielkie straty mocy. Zwiększa to trwałość konstrukcji, ponieważ w praktyce nie występuje zużywanie się elementów. Uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną w sprzyjających warunkach mogą pracować przez ponad 10 lat bez potrzeby wykonywania przeglądów i bieżących napraw. Małe tarcie umożliwia osiąganie wysokich prędkości obrotowych do 10000 obr/min [84]. Temperatura pracy uszczelnienia w zależności od rodzaju cieczy ferromagnetycznej oraz zastosowanego systemu chłodzenia może wahać się w zakresie od –100 do 200 0C [96].. Rys. 1.2. Ciecz ferromagnetyczna: a) model cząstki magnetycznej pokrytej substancją powierzchniowo czynną (surfaktant) o budowie polarnej [68], b) fotografia cząstki magnetycznej uzyskanej za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego TEM [98]. Technologia uszczelnień z wykorzystaniem cieczy ferromagnetycznych rozpoczęła swój rozwój w 1968 roku. Zapoczątkowany został przez NASA (National Aeronautics and Space Administration – Narodową Agencje Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej) w 10.

(11) Stanach Zjednoczonych i wynikał z problemu zapewnienia szczelności ruchomym elementom konstrukcji w przestrzeni kosmicznej [35]. Było to trudne do osiągnięcia przy wykorzystaniu. tradycyjnych. uszczelnień.. Głównym. badaczem. zajmującym. się. zagadnieniem cieczy ferromagnetycznych w tamtym okresie był Ronald E. Rosensweig. Obecnie głównym polem zastosowań cieczy ferromagnetycznych są głośniki audio. W tym przypadku szacuje się ich produkcję roczną na około 300 milionów sztuk [97]. W Polsce nie wytwarza się cieczy ferromagnetycznych o parametrach zbliżonych do ich głównych światowych dostawców. Zachowanie się cząstek w cieczy ferromagnetycznej w wyniku oddziaływania natężenia pola magnetycznego przedstawione jest na rys. 1.3. Na rys. 1.3a wektory momentów magnetycznych cząstek w cieczy nośnej przy braku oddziaływania przyjmują przypadkowe kierunki. Pod wpływem natężenia pola magnetycznego następuje jak na rys. 1.3b. uporządkowanie momentów zgodnie z kierunkiem natężenia pola . Ciecz ferromagnetyczna magnetyzuje się.. Rys. 1.3. Model zachowania się cząstek magnetycznych w cieczy ferromagnetycznej: a). , bez obecności pola magnetycznego, b) pod działaniem pola magnetycznego o natężeniu – wektor momentu magnetycznego w cząstce magnetycznej [68]. Budowa oraz zasada działania typowego obrotowego uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną przedstawiona jest na rys. 1.4. Źródłem pola magnetycznego jest magnes trwały lub elektromagnes 3 spolaryzowany w kierunku osiowym. Wał obrotowy 2 i nabiegunniki 1 są ferromagnetykami. Elementy te stanowią główną część obwodu magnetycznego. Całość umieszczona jest w niemagnetycznej obudowie. Ciecz ferromagnetyczna 4 utrzymywana jest przez natężenie pola magnetycznego na występach uszczelniających 6 (widok A rys. 1.4).. 11.

(12) W uszczelnieniach z cieczą ferromagnetyczną możemy wyróżnić pięć parametrów decydujących o klasyfikacji i rodzaju konstrukcji. Są to parametry: geometryczne, konstrukcyjne,. magnetyczne,. warunki. pracy. i. właściwości. samej. cieczy. ferromagnetycznej. Wielkości te są wzajemnie powiązane i sprzężone ze sobą.. Rys. 1.4. Uszczelnienie z cieczą ferromagnetyczną: a) budowa wielowystępowego uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną: 1 – nabiegunniki, 2 – wał z występami uszczelniającymi, 3 – źródło pola magnetycznego, 4 – ciecz ferromagnetyczna, 5 – czynnik uszczelniany, 6– występ uszczelniający, b) linie pola magnetycznego w uszczelnieniu. Podstawowe wymiary geometryczne oraz ich oznaczenia dla typowego uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną przedstawione są na rys. 1.5. O wielkości uszczelnienia decyduje jego średnica nominalna Dn. Można wyróżnić trzy podstawowe wielkości: uszczelnienia małe (0÷50 mm), średnie (50÷100 mm), duże (powyżej 100 mm) [1]. 12.

(13) Rys. 1.5. Parametry geometryczne uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną: Dn – średnica nominalna uszczelnienia, Do – średnica nabiegunników, Ln – długość nabiegunników, Lm – grubość magnesu, Rm1, Rm2 – wymiary magnesu, α – kąt pochylania występu, „z”– wysokość szczeliny, t – szerokość ścięcia. Istotnym parametrem geometrycznym uszczelnienia jest wysokość szczeliny „z”. Decyduje ona o wartości i rozkładzie natężenia pola magnetycznego. W praktyce jej wartość mieści się w przedziale 0,05÷0,5 mm. Szczegółowa wartość uzależniona jest w znacznym stopniu od wymiarów uszczelnienia. O wyborze wysokości szczeliny decydują również możliwe niedokładności wymiarowe, kształtowe i położenia elementów konstrukcji. W przypadku niezachowania odpowiednich tolerancji może dochodzić do bicia osiowego i niekołowości występów, co może powodować zatarcie, szybkie zużycie i zniszczenie uszczelnienia. Duża wysokość szczeliny zwiększa ilość aplikowanej cieczy oraz obniża możliwy zakres ciśnień pracy. Należy zaznaczyć, że w celu zapewnienia poprawnej pracy uszczelnienia wystarczy tylko niewielka ilość cieczy ferromagnetycznej. Objętość rzędu 0,05÷0,1 ml podana na jeden występ przy szczelinie „z”= 0,1 mm i nominalnej średnicy uszczelnienia Dn = 50 mm jest w stanie zapewnić szczelność w środowisku powietrza i próżni. Wyniki te. 13.

(14) wynikają z obserwacji oraz prowadzonych wcześniej badań uszczelnień FF w środowisku gazu. Pozostałe charakterystyczne wielkości geometryczne to: t (szerokość ścięcia), α (kąt pochylenia występu), Ln (długość nabiegunników), DO (średnica nabiegunników). Mają one drugorzędne znaczenie i zależą w większym stopniu od wymiarów obudowy, rodzaju uszczelnienia i liczby występów. W praktyce stosowane są różne kształty występu uszczelniającego. Wyróżnia się: trapez niesymetryczny, trapez symetryczny, prostokąt – rys. 1.6. Geometria występu decyduje o rozkładzie natężenia pola magnetycznego w cieczy FF, wymiarach konstrukcji, zakresie ciśnień pracy. Korzystając z wcześniejszych doświadczeń w dalszych analizach wykorzystywane będą uszczelnienia o występie w kształcie trapezu niesymetrycznego ze względu na optymalne ukształtowanie pola magnetycznego [41].. Rys. 1.6. Rozkład pola magnetycznego w uszczelnieniu z cieczą ferromagnetyczną w zależności od kształtu występu uszczelniającego: a) prostokąt, b) trapez symetryczny, c) trapez niesymetryczny [58]. Do. podstawowych. parametrów. pracy obrotowych. uszczelnień. z. cieczą. ferromagnetyczną należą: prędkość obrotowa, obwodowa, ciśnienie uszczelnianego medium, temperatura otoczenia, temperatura pracy uszczelnienia. O parametrach obwodu magnetycznego decydują charakterystyki magnetyczne elementów. w. uszczelnieniu. (krzywe. magnesowania. elementów. metalowych. i 14.

(15) niemetalowych), wymiary geometrii oraz źródło pola magnetycznego. Ze względu na brak konieczności stosowania dodatkowego źródła zasilania najczęściej w tego typu konstrukcjach wykorzystywane są magnesy trwałe. W ostatnich latach nastąpił znaczy postęp w ich produkcji. Na przestrzeni XX wieku obserwowano wykładniczy wzrost uzyskiwanej maksymalnej energii magnetycznej BHmax. Wartość ta podwajała się co 12 lat – rys. 1.7.. Rys. 1.7. Rozwój magnesów trwałych na przestrzeni XX wieku, zależność wzrostu energii magnetycznej BHmax na przestrzeni lat [98] Najpopularniejsze obecnie są magnesy neodymowe, które charakteryzują się dużą energią jednostkową z objętości oraz zachowują swoje właściwości przez długi okres czasu. Wadą ich jest podleganie korozji w środowisku wodnym. Wykonane są w technologii spiekania, co wpływa na ich kruchość. Konturowy wykres indukcji magnetycznej uszczelnienia wg rys. 1.4 przedstawiony jest na rys. 1.8. Uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną cechuje pozornie prosta konstrukcja. W przypadku ich projektowania potrzebna jest jednak obszerna wiedza z zakresu konstrukcji, technologii, magnetyzmu, właściwości cieczy ferromagnetycznych.. 15.

(16) Rys. 1.8. Konturowy wykres indukcji magnetycznej w uszczelnieniu z cieczą ferromagnetyczną otrzymany na podstawie analiz numerycznych [69]. Rys. 1.9. Uszczelnienie z cieczą ferromagnetyczną: a) dla wałów obrotowych: 1– magnes trwały, 2– bieguny magnetyczne, 3– ciecz ferromagnetyczna, 4– wał obrotowy, 5– niemagnetyczna obudowa, 6– łożyska toczne, 7– O–ring uszczelniający, 8– linie pola magnetycznego, b) widok uszczelnienia w zastosowaniu do wysokonapięciowych przełączników elektrycznych [4].. Istnieje szereg patentów dotyczących rozwiązań konstrukcyjnych uszczelnień z cieczą ferromagnetyczną. Najczęściej są to specjalistyczne rozwiązania dostosowywane do konkretnych urządzeń i warunków pracy. Uszczelnienia te cechują się wyższymi kosztami wytworzenia w stosunku do innych typów uszczelnień, głównie ze względu na koszt. 16.

(17) cieczy ferromagnetycznej. Mogą one jednak posiadać swoje ekonomiczne uzasadnienie oraz górować w zaletach w stosunku do innych rodzajów uszczelnień. Przykład typowego uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną dla wału w ruchu obrotowym przedstawiony jest na rys. 1.9a. Rozwiązanie z rys. 1.9b znalazło zastosowanie w uszczelnieniu przeznaczonym dla wyłączników wysokonapięciowych. Stosuje się je przy niewielkich prędkościach obrotowych, ciśnieniu nominalnym 0,7 MPa [4]. Podobna konstrukcja bez łożysk tocznych 6, które zastąpiono ślizgowymi znalazła zastosowanie w wysokociśnieniowym zaworze gazu [33]. W procesie produkcji pewnych elementów często istnieje potrzeba oddzielenia przestrzeni. roboczej. od. środowiska. zewnętrznego.. Przykładem. jest. produkcja. półprzewodników, gdzie należy stworzyć barierę pomiędzy próżnią, a powietrzem atmosferycznym. Konstrukcja uszczelnienia, która umożliwia ruch obrotowy i posuwisto– zwrotny przedstawiona jest na rys. 1.10b. Główną wadą uszczelnień w ruchu posuwisto– zwrotnym jest częściowa utrata cieczy FF, która często dostaje się do uszczelnianego środowiska.. Rys. 1.10. Obrotowe uszczelnienie z cieczą ferromagnetyczną z możliwością ruchu posuwisto–zwrotnego, opis elementów w tekście: a) schemat urządzenia do produkcji, b) przekrój konstrukcji uszczelnienia [112]. 17.

(18) Na rys. 1.10a pokazany jest schemat urządzenia do produkcji mikroprocesorów. Konstrukcja ta posiada zespół uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną 12. Wał 14 wykonuje ruch obrotowy oraz posuwisto–zwrotny wymuszany przez silnik elektryczny 16. Zespół uszczelnienia przymocowany jest do komory próżniowej 20. Na końcu wału znajduje się podajnik 22, na którym umieszczone są chipy elektroniczne 24 przemieszczane podczas procesu technologicznego. Rys. 1.10b obrazuje wewnętrzną strukturę uszczelnienia. Obejmuje ona obudowę 32, kołnierz 34, które wykonane są z materiału. ferromagnetycznego.. Magnes. trwały 38. umieszczony. jest. pomiędzy. nabiegunnikami 40 i 42. Wał centrowany jest za pomocą łożysk ślizgowych 36 umieszczonych na obu końcach obudowy 32. Bieguny magnetyczne 40 i 42 posiadają serię rowków, na których znajduje się ciecz ferromagnetyczna 44. Wał 48 i tuleja 50 osadzona na nim wykonane są z niemagnetycznych materiałów. W wewnętrznej części obudowy 32 znajdują są małe rowki 52, spełniające funkcje magazynu i zbiornika cieczy ferromagnetycznej. Do obudowy 32 przylega pierścieniowy magnes 54, który zbiera nadmiar cieczy ferromagnetycznej i razem z pierścieniem 56 zapobiega przedostawaniu się cieczy do komory próżniowej 20. W warunkach technicznych mamy często do czynienia z niedokładnościami wymiarowymi, kształtu i położenia, które powodują mimośrodowość czy bicie promieniowe elementów obrotowych. Uszczelnienie z rys. 1.11a zaprojektowane jest specjalnie dla takich przypadków [116].. Rys. 1.11. Uszczelnienie z cieczą ferromagnetyczną z pływającym magnesem: a) magnes pierścieniowy, b) magnes z rowkami [116]. Magnes trwały 3 o budowie pierścieniowej, który jest spolaryzowany promieniowo znajduje się pomiędzy dwoma tulejami 6 i 7. Zanurzony jest w cieczy ferromagnetycznej 4. 18.

(19) i 5. Elementy 6 i 7 są wtłoczone w obudowę 1 i na wał obrotowy 2. W rozwiązaniu tym magnes unosi się swobodnie i kompensuje niedokładności w kierunku promieniowym i osiowym. Rys. 1.11b przedstawia wersję z magnesem, w którym wykonane są specjalne rowki w celu redukcji jego masy i ograniczenia powierzchni styku z cieczą. Często istnieje potrzeba miniaturyzacji uszczelnień dla urządzeń takich jak na przykład dyski twarde komputerów [115]. Przykład konstrukcji przedstawiony jest na rys. 1.12. Specjalnie ukształtowany magnes trwały 20 spolaryzowany osiowo znajduje się między nabiegunnikiem 24 i łożyskiem tocznym 26. Całość umieszczona jest w obudowie. Ciecz ferromagnetyczna 28 znajduje się między nabiegunnikiem, a wałem 22 wykonanym z materiału ferromagnetycznego.. Rys. 1.12. Kompaktowe uszczelnienie z cieczą ferromagnetyczną [115]. Wysokoobrotowe uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną generują duże ilości ciepła. Może to powodować niebezpieczny wzrost temperatury i doprowadzić do zniszczenia uszczelnienia. Moment tarcia w uszczelnieniu można określić za pomocą wzoru Pietrowa [51]:. ‫ܯ‬௧ =. గ మ ∙ఎ೏ ∙௡∙஽೙ య ∙௧ ଶ∙௭. (1.1). Mt – moment tarcia uszczelnienia, ηd – lepkość dynamiczna cieczy ferromagnetycznej, n – prędkość obrotowa wału, Dn – średnica uszczelnienia, t – szerokość ścięcia występu przy wierzchołku – rys. 1.5, z – wysokość szczeliny roboczej – rys. 1.5.. 19.

(20) Przykładowe dane [1] wskazują, że wartość generowanej mocy cieplnej dla uszczelnienia o średnicy 80 mm przy prędkości obrotowej 10000 obr/min może wynosić około 150 W. Dlatego często konieczne jest stosowanie układów chłodzenia. Rozwiązanie konstrukcyjne na rys. 1.13, obrazuje przykład dla tego typu zastosowań [86]. Konstrukcja składa się z obudowy 1 i wału 2, na którym wykonane są występy uszczelniające. Centrowanie zapewniają łożyska toczne 3. Głównymi elementami obwodu magnetycznego są nabiegunniki 6 i magnes trwały 7. W celu zapewnienia stabilizacji temperaturowej w nabiegunnikach wykonane są specjalne rowki, przez które przepływa czynnik chłodzący. Należy zaznaczyć, że nieodpowiednio zaprojektowane rowki mogą zakłócić rozkład natężenia pola magnetycznego i osłabić działanie uszczelnienia. Z wału 2 ciepło odprowadzane jest przez czynnik chłodzący krążący w specjalnie wykonanym w nim otworze.. Rys. 1.13. Uszczelnienie z cieczą ferromagnetyczną dla wysokoobrotowego wału z układem chłodzenia: 1 – obudowa, 2 – wał drążony, 3, 4 – łożyska toczne, 5, 6 – nabiegunniki, 7 – magnes trwały, 8 – ciecz ferromagnetyczna [86]. Uszczelnienie z cieczą ferromagnetyczną w niektórych przypadkach może służyć jako sterowany zawór dla obszarów o różnych ciśnieniach P1, P2, P3 [111]. Na rys. 1.14 przedstawione jest uszczelnienie, w którym szczeliny R1, R2, R3 mają różne wysokości. Zasada działania przedstawiona jest na rys. 1.14b. Składa się ono z magnesu trwałego 16,. 20.

(21) w którym wykonany jest otwór przelotowy 24. Nabiegunniki 12 i 14 , wał magnetyczny 20 oraz ciecz ferromagnetyczna 22 tworzą zamknięty obwód magnetyczny.. Rys. 1.14. Uszczelnienie z cieczą ferromagnetyczną: a) w zastosowaniu jako sterowany zawór dla obszarów o różnych ciśnieniach P1, P2, P3, b) zasada działania [111]. Rys. 1.15. Uszczelnienie z cieczą ferromagnetyczną dla wałów pionowych [113]. 21.

(22) Przykładowe uszczelnienie dla wałów pionowych przedstawione jest na rys. 1.15. Obejmuje ono dwa główne uszczelnienia FF. Składają się one z magnesów 64 i 74, nabiegunników 60, 62, 70 i 72. Elementy te spełniają również rolę magazynu i zapasowego zbiornika cieczy ferromagnetycznej 88. Łożyska toczne 84 i 86 zanurzone są w tej cieczy, dzięki czemu zapewnione mają ciągłe smarowanie. Wał 56 jest ferromagnetykiem. Wszystko umieszczone jest w niemagnetycznej obudowie 58. Tarcze dysku twardego 54 zamocowane są na tulei 52. Innym typem uszczelnień są odśrodkowe uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną. Przykład zobrazowany jest na rys. 1.16a. Ma ono spełniać swoją funkcję przy niskich i wysokich obrotach. Główna część zbudowana jest z magnesu trwałego 24, nabiegunników 26 i 28, cieczy ferromagnetycznej 20 oraz tarczy 14 z wykonanymi na nim występami. Do części niemagnetycznych zaliczamy elementy: 40, 34, 42, 36, 12, 44 i O–ringi 38. Przy niskich obrotach ciecz znajduje się na występach tarczy 14. W wyniku działania sił odśrodkowych ciecz ferromagnetyczna przemieszcza się w kierunku magnesu 24, tworząc szczelną barierę nawet przy wysokich prędkościach obrotowych jak na rys. 1.16b.. Rys. 1.16. Odśrodkowe uszczelnienie z cieczą ferromagnetyczną: a) elementy konstrukcji, b) przemieszczenie cieczy ferromagnetycznej pod wpływem sił odśrodkowych [109]. 22.

(23) 1.2. Uszczelnienia ferromagnetyczne w środowisku cieczy W technice istnieje często potrzeba zapewnienia szczelności w maszynach i urządzeniach pracujących w środowisku cieczy. Dotyczy to wszelkiego rodzaju pomp. W samochodach osobowych mamy najczęściej do czynienia co najmniej z 6 różnymi pompami. (pompa:. chłodnicy,. paliwa,. oleju,. wspomagania,. spryskiwaczy. oraz. klimatyzacji). W wielu zakładach pracy w procesach technologicznych wykorzystywane są również wszelkiego rodzaju układy hydrauliczne wymagające szczelności. W przypadku urządzeń domowych problem szczelności w środowisku cieczy występuje w zmywarkach do naczyń, mikserach, pralkach, niszczarkach pod zlewem czy sieci wodociągowej. Z zagadnieniem tym spotykamy się również w przypadku basenów, akwariów, kolektorów słonecznych, statków, pędników, mieszalników, naczyń ciśnieniowych, różnego rodzaju zaworów czy zbiorników wodnych. W wymienionych zastosowaniach mamy do czynienia z kontaktem uszczelnienia z wodą. W przypadku uszczelnień stykowych do tego celu wykorzystuje się często uszczelnienia z płaską powierzchnią styku (uszczelnienia czołowe), uszczelnienia z cylindryczną powierzchnią styku (wargowe i dławnicowe). Uszczelnienia czołowe i dławnicowe stosuje się w przypadku wałów pomp wirowych lub mieszalnikach. Uszczelnienia dławnicowe wykorzystywane są również w zaworach. W węzłach łożyskowych. stosowane. są. uszczelnienia. wargowe.. W. przypadku. uszczelnień. bezstykowych wykorzystywane są najczęściej labiryntowe lub odśrodkowe [37]. Dotychczas nie udało się uzyskać wiarygodnego potwierdzenia zastosowania przemysłowego uszczelnień z cieczą magnetyczną pracujących w środowisku wodnym. Światowi producenci deklarują zainteresowanie problemem, ale nie są gotowi dostarczyć zweryfikowanego rozwiązania konstrukcyjnego. Można natomiast w literaturze napotkać opisy patentowe i propozycje rozwiązań konstrukcyjnych, co wskazuje na znaczne zainteresowanie problemem. Na rys. 1.17 pokazana jest koncepcja trzystopniowego uszczelnienia wału napędowego śruby statku złożonego z uszczelnień wargowych i uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną [110].. 23.

(24) Rys. 1.17. Trzystopniowe uszczelnienie śruby wału napędowego: 1 – wał śruby okrętowej, 2 – obudowa, 3 – tuleja ochronna, 4 – wargowy pierścień uszczelniający, 5 – magnes trwały, 6 – nabiegunniki, 7 – ciecz FF, 8 – szczelinowo–rowkowy pierścień uszczelniający [110]. Dwa wargowe pierścienie uszczelniające 4, stanowią pierwszy stopień ochrony przed wodą i innymi zanieczyszczeniami. Uszczelnienie z cieczą ferromagnetyczną jest bezpośrednim uszczelnieniem ochronnym. Składa się z magnesu trwałego 5 o polaryzacji osiowej, przylegających do niego nabiegunników 6 i cieczy ferromagnetycznej 7. Na niemagnetyczny wał 1, nałożony jest kołnierz ferromagnetyczny 3, który umożliwia zamknięcie obwodu magnetycznego. Ostatnim stopniem uszczelnienia jest pierścień szczelinowo – rowkowy 8. Inna. koncepcja. hybrydowego. połączenia. klasycznego. uszczelnienia. z. uszczelnieniem z cieczą ferromagnetyczną przedstawiona jest na rys. 1.18. Jest to połączenie z uszczelnieniem śrubowym. Spełnia ono swoją funkcję tylko dla jednego kierunku obrotów. Część śrubowa zapobiega dostawaniu się nadmiaru wody w region uszczelnienia FF.. 24.

(25) Rys. 1.18. Hybrydowe połączenie uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną z uszczelnieniem śrubowym [48]. Innego typu konstrukcje przedstawione są na rys. 1.19. Przeznaczone są do pracy w środowisku, w którym ciecz występuje w postaci kropel lub mgły. W pierwszej konstrukcji na rys. 1.19a zastosowano połączenie uszczelnienia FF z uszczelnieniem labiryntowym. W drugim przypadku na rys. 1.19b wprowadzono dodatkowo komorę buforową, której zadaniem jest odprowadzanie nadmiaru cieczy przez otwór wylotowy.. Rys. 1.19. Hybrydowe połączenie uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną z uszczelnieniem: a) labiryntowym, b) labiryntowym z komorą do odprowadzania nadmiaru wody [48]. 25.

(26) W rozwiązaniach patentowych spotyka się również połączenia uszczelnień z cieczą ferromagnetyczną z uszczelnieniami odśrodkowymi [114]. Konstrukcja tego typu przedstawiona jest na rys. 1.20. Na ferromagnetycznym wale 1 wykonane są występy uszczelniające, na których znajduje się ciecz ferromagnetyczna 1a. Pozostałe elementy uszczelnienia to: nabiegunnik 6, obudowa 2, magnes trwały 5. Przed czołem konstrukcji znajduje się komora buforowa 8 z czujnikiem ciśnienia 9. Bufor ten zapobiega dostawaniu się czynnika uszczelnianego w region cieczy ferromagnetycznej. Dodatkowe, bezstykowe odśrodkowe uszczelnienie stanowi obrotowa tarcza 4 odrzucająca wodę. Na końcu wału osadzony jest element pompy wirowej 3.. Rys. 1.20. Uszczelnienie wału pompy wirowej jako połączenie uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną oraz uszczelnienia odśrodkowego: 1 – wał, 1a – występ uszczelniający, 2 –obudowa, 3 – wirnik, 4 – uszczelnienie odśrodkowe, 5 – magnes trwały, 6 – nabiegunnik, 7 – ciecz ferromagnetyczna, 8 – komora, 9 – kanał [114]. Na rys. 1.21a pokazano ogólny widok jednostki morskiej z usytuowaniem układu napędowego śruby. Schematycznie układ napędowy przedstawiono na rys. 1.21b. Na rys. 1.21c pokazano typowe uszczelnienie dławnicowe ze szczeliwem miękkim stosowane do wału napędowego śruby okrętowej. Uszczelnienie to składa się z pakietu pierścieni uszczelniających 6 wykonanych ze sznura plecionego, umieszczonego w komorze dławnicowej i dociśniętych dławikiem 5. Wadą tego rozwiązania jest konieczność okresowego dociskania dławika, na skutek relaksacji naprężeń w szczeliwie. Na rys. 1.21d. 26.

(27) pokazano alternatywną konstrukcję uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną śrubowego wału napędowego, chroniącą przed wnikaniem wody morskiej do wnętrza kadłuba [117].. Rys. 1.21. Uszczelnienie wału napędowego śruby okrętowej: a) jednostka morska z pokazanym położeniem układu napędowego śruby, b) schemat wału napędowego śruby, c) typowe uszczelnienie dławnicowe wału napędowego: 1 – wał napędowy, 2 – korpus, 3 – łożysko ślizgowe, 4 – obudowa uszczelnienia, 5 – dławik, 6 – pakiet pierścieni uszczelniających, 7 – pierścień rozstawczy, d) uszczelnienie z cieczą ferromagnetyczną: 1 – wał napędowy, 2 – korpus,3 – łożysko ślizgowe, 4 – obudowa uszczelnienia, 5 –tuleja niemagnetyczna, 6,7 – magnesy trwałe, 8,9– nabiegunniki wielowystępowe , 10 – ciecz ferromagnetyczna [117]. Uszczelnienie składa się z dwóch magnesów trwałych 6, 7 spolaryzowanych osiowo. przedzielonych. wielowystępowymi. nabiegunnikami. 8,. 9. i. cieczy. ferromagnetycznej 10. Magnesy 6, 7 i nabiegunniki umieszczone są w niemagnetycznej tulei 5 osadzonej w obudowie uszczelnienia 4. Dwa zamknięte obwody magnetyczne utworzone są przez magnesy 6, 7, nabiegunniki 8, 9, ciecz ferromagnetyczną 10 oraz wał 1 wykonany z materiału ferromagnetycznego. Przykład połączenia uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną z uszczelnieniem czołowym pracującym w środowisku wodnym zaprezentowany został w literaturze [13]. Według autorów badania wykazały, że uszczelnienie to pracowało poprawnie bez 27.

(28) przecieków osiągając prędkość obrotową do 4000 obr/min. Moment tarcia nie przekraczał 4 Nm. Istnieje. wiele. rozwiązań,. koncepcji. i. patentów. uszczelnień. z. cieczą. ferromagnetyczną. W poszczególnych przypadkach konstrukcje są bardzo zróżnicowane. W przypadku uszczelnień pracujących w środowisku wodnym, uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną występują najczęściej w połączeniu z klasycznymi uszczelnieniami jako elementy wspomagające. Uszczelnienie FF stosowane jest jako kolejny stopień uszczelniający za uszczelnieniem konwencjonalnym. Pozwala to ograniczyć bezpośredni kontakt cieczy uszczelnianej z cieczą ferromagnetyczną.. 2. Sformułowanie tematyki badawczej 2.1. Ciśnienie krytyczne w uszczelnieniu z cieczą ferromagnetyczną Cechą charakterystyczną każdego uszczelnienia jest wartość ciśnienia, przy którym następuje utrata szczelności lub zniszczenie uszczelnienia. W przypadku rozpatrywanych konstrukcji dotyczy to wystąpienia ciśnienia krytycznego. W przypadku uszczelniania gazów oraz cieczy obrazowo mechanizm wystąpienia utraty szczelności dla warunków statycznych można przedstawić w pięciu etapach jak na rys. 2.1. Ciecz ferromagnetyczna pod wpływem powolnego wzrostu ciśnienia przesunięta zostaje w kierunku osiowym (etap2).. Rys. 2.1. Mechanizm utraty szczelności w uszczelnieniu z cieczą ferromagnetyczną w środowisku gazowym lub wodnym w warunkach statycznych. W przypadku dalszego wzrostu ciśnienia na obwodzie uszczelnienia pojawia się niewielki kanał (etap 3), przez który gaz lub ciecz dostaje się za uszczelnienie. Etap ten uważany jest za utratę szczelności uszczelnienia i charakteryzuje go wartość ciśnienia krytycznego (pkr). W przypadku wyższego ciśnienia ciecz zostaje wypchnięta z regionu 28.

(29) występu uszczelniającego (etap 4). Zbyt szybki wzrost ciśnienia również powoduje wyrzucenie cieczy poza występ uszczelniający (etap 4). W przypadku spadu ciśnienia poniżej wartości krytycznej następuje odbudowa pierścienia cieczy FF jeżeli jest jej odpowiednia ilość na występie (etap 5). Odtworzony jest płynny pierścień i uszczelnienie może nadal spełniać swoją funkcję. W wyniku utraty pewnej objętości cieczy, uszczelnienie charakteryzuje się niższym ciśnieniem krytycznym niż poprzednio. Ciśnienie krytyczne można określić na podstawie równania Bernoulliego [67]. Wprowadzając następujące uproszczenia: •. ciecz jest nieściśliwa,. •. ciecz nie jest lepka,. •. przepływ jest stacjonarny i bezwirowy.. W przypadku rozpatrywania stałego pola magnetycznego wzór sprowadza się do postaci [67]: + ଶ ଶ + ℎ − ଴ =

(30) ଵ. (2.1). gdzie: p – ciśnienie w cieczy ferromagnetycznej, które jest sumą ciśnienia magnetostrykcji i ciśnienia magnetycznego w cieczy [67], Pa, ρ – gęstość cieczy ferromagnetycznej, kg/m3, v – prędkość cieczy, m/s g – przyspieszenie grawitacyjne, m/s2, M – magnetyzacja cieczy ferromagnetycznej, A/m, µ 0 – przenikalność magnetyczna próżni, H/m, H – natężenie pola magnetycznego, A/m, h – wysokość odniesienia, m.. W celu umożliwienia rozwiązania równania (2.1) przyjmuje się następujące założenia: •. pole magnetyczne jest jednorodne i styczne do powierzchni swobodnej cieczy FF,. •. oddziaływania grawitacyjne są pomijalne małe,. •. uszczelnienie jest statyczne (wał jest nieruchomy),. •. ciśnienie magnetostrykcji jest pomijalnie małe,. •. brak wpływu napięcia międzyfazowego.. 29.

(31) Rys. 2.2. Region występu uszczelniającego: a) występ uszczelniający, b) rozkład indukcji magnetycznej w szczelinie otrzymany na podstawie rozwiązania numerycznego obwodu magnetycznego uszczelnienia [76]. Wzór określający ciśnienie krytyczne (pkr) sprowadza się do następującej postaci [67]: = ସ − ଵ = μ଴ ∙ ு య ு. మ. (2.2). gdzie: p4 – ciśnienie czynnika uszczelnianego w punkcie 4 – rys. 2.2a, p1 – ciśnienie w punkcie 1 – rys. 2.2a, µ 0 – przenikalność magnetyczna próżni, M – magnetyzacja cieczy ferromagnetycznej, H2 – natężenie pola magnetycznego w cieczy ferromagnetycznej w punkcie 2 – rys. 2.2a, H3 – natężenie pola magnetycznego w cieczy ferromagnetycznej w punkcie 3 – rys. 2.2a. Ciecze ferromagnetyczne charakteryzują się niską wartością magnetyzacji nasycenia w porównaniu do cieczy MRF [49]. Wynika to głównie ze względu na niewielkie rozmiary cząstek magnetycznych i ich ilość w cieczy bazowej. Magnetyzacja nasycenia cieczy FF zawiera się w przedziale 10÷60 kA/m [96]. Stosunkowo niewielka wartość natężenia pola magnetycznego wprowadza je w stan nasycenia. Krzywa magnesowania cieczy ferromagnetycznej o magnetyzacji nasycenia MS =37,8 kA/m przedstawiona jest na rys. 2.3.. 30.

(32) Rys. 2.3. Krzywa magnesowania cieczy ferromagnetycznej o magnetyzacji nasycenia MS =37,8 kA/m, parametr ten odczytuje się przy wartości natężenia pola magnetycznego H = 800 kA/m Przy założeniu, że ciecz jest w stanie nasycenia ciśnienie krytyczne można określić jako iloczyn dwóch zmiennych tj. magnetyzacji nasycenia i różnicy indukcji magnetycznej w cieczy ferromagnetycznej dla punktu 3 i 2 jak na rys. 2.2b [67]: ∆௞௥ = ଴ ௦ ∆ଷିଶ = ௦ ∆ଷିଶ = ௦ ∆௠௔௫ି௠௜௡. (2.3). gdzie: B2, min – indukcja magnetyczna w cieczy ferromagnetycznej w punkcie 2 – rys. 2.2b, B3, max – indukcja magnetyczna w cieczy ferromagnetycznej w punkcie 3 – rys. 2.2b, MS – magnetyzacja nasycenia cieczy ferromagnetycznej – rys. 2.3. Przykładowo dla cieczy ferromagnetycznej o wartości magnetyzacji nasycenia MS= 37,8 kA/m, różnicy indukcji w punktach 3 i 2 (rys. 2.2a) ∆B3–2 = 1,13 T, ciśnienie krytyczne uszczelnienia według równania (2.3) wyniesie: ∆p୩୰ = 37800 ∙ 1,13 = 0,0427 MPa. Należy zaznaczyć, że wzór ten dotyczy jednowystępowych uszczelnień z cieczą ferromagnetyczną dla warunków statycznych lub prędkości obwodowych do 10 m/s [1]. 31.

(33) Porównanie wartości ciśnień krytycznych obliczonych na podstawie wzoru (2.3) z danymi otrzymanymi na podstawie badań przedstawione zostało w publikacji [77]. Indukcje magnetyczną dla punktu 3 i 2 w cieczy ferromagnetycznej jak na rys. 2.2 wyznaczono na podstawie symulacji magnetycznych. W badaniach oraz analizach numerycznych wykorzystano uszczelnienie z cieczą ferromagnetyczną z jednym występem o geometrii w kształcie trapezu niesymetrycznego. Średnica nominalna uszczelnienia wynosiła Dn= 50 mm. Zarówno badania symulacyjne jak i eksperyment przeprowadzono dla trzech wysokości szczelin „z” = 0,1; 0,2; 0,3 mm oraz trzech objętości cieczy ferromagnetycznej aplikowanej na występ 0,05; 0,1; 0,2 ml. Wykorzystano ciecz: BM–30 Batch 257, dla której MS=37,5 kA/m. Badania weryfikujące poprawność obliczonych wartości ciśnień krytycznych przeprowadzono na stanowisku do badań uszczelnień z cieczą magnetyczną o nazwie MAST [70]. Na rys. 2.4 przedstawiono wykres obrazujący wpływ objętości cieczy ferromagnetycznej oraz wysokości szczeliny „z” na różnice między eksperymentem, a obliczoną wartością ciśnienia krytycznego.. Rys. 2.4. Wykres słupkowy różnicy między eksperymentem, a obliczoną wartością ciśnienia krytycznego (wzór (2.3)) w zależności od objętości cieczy ferromagnetycznej dla różnych wysokości szczelin „z” [77] 32.

(34) Modelowanie małych objętości cieczy dla szczelin 0,2 i 0,3 mm prowadziło do zawyżania wartości ciśnienia krytycznego (wzór (2.3)) w stosunku do badań. Wynikało to z. błędów. wykonawczych. w. elementach. stanowiska.. Dotyczyło. to. głównie. niewspółosiowości występu uszczelniającego i nabiegunników, niedokładności montażu elementów w stanowisku badawczym czy chropowatości powierzchni. Błędy w odniesieniu do badań symulacyjnych wynikają z przyjętego kształtu powierzchni swobodnej cieczy ferromagnetycznej [52] oraz doboru krzywych opisujących właściwości magnetyczne modelowanych numerycznie geometrii [20], [26]. Porównanie wartości ciśnień krytycznych obliczonych na podstawie wzoru (2.3) z eksperymentem. dla. wielowystępowych. uszczelnień. z. cieczą. ferromagnetyczną. przedstawione zostało w publikacji [76]. W praktycznych zastosowaniach jeden występ w uszczelnieniach FF nie jest stosowany ze względu na niską wartość ciśnienia krytycznego i niezawodność układu. Z tego względu stosuje się uszczelnienia wielowystępowe. Stosowane są dwa podstawowe rodzaje. Jeden dotyczy większej liczby występów, drugi większej liczby segmentów. Przedstawiono je na rys. 2.5.. Rys. 2.5. Konstrukcje wielowystępowych uszczelnień z cieczą ferromagnetyczną: a) większa liczba występów, b) większa liczba segmentów w uszczelnieniu [1]. Konstrukcja przedstawiona na rys. 2.5a, składa się z 4 występów. Ograniczeniem jest wartość energii źródła pola magnetycznego, która przy znacznej liczbie występów nie jest w stanie zapewnić odpowiedniej wartości indukcji magnetycznej na każdym występie, co powoduje spadek ciśnienia krytycznego dla całego uszczelnienia. Przykładowy wykres obrazujący to zjawisko przedstawiony jest na rys. 2.6.. 33.

(35) Rys. 2.6. Ciśnienie krytyczne uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną w zależności od liczby występów N [1]. Wysoką wartość ciśnienia krytycznego rzędu 1 MPa [1] można osiągnąć poprzez zwiększenie liczby segmentów uszczelnienia jak na rys. 2.5b. Ograniczeniem stosowania zbyt dużej liczby stopni są gabaryty urządzenia. Wymiar pojedynczego stopnia składającego się z magnesu i nabiegunników wynosi około 5 ÷ 20 mm (zależnie od średnicy wału). Zakładając, że pojedynczy stopień może utrzymać różnice ciśnień rzędu 105 Pa, stąd dla uzyskania ciśnień rzędu 2 MPa osiowy wymiar uszczelnienia musiałby wynosić 100 ÷ 400 mm. Jest to najczęściej niemożliwe do zastosowania w praktyce. Badania segmentowych uszczelnień z cieczą ferromagnetyczną przeznaczonych do pracy przy wysokich ciśnieniach opisane są w artykule [89]. Przeprowadzone zostały dla uszczelnienia o średnicy Dn= 26 mm. Składało się ono w zależności od konfiguracji z 15÷40 zespołów magnes–nabiegunnik o wysokości szczelin „z” = 0,05÷0,2 mm. Najwyższa wartość ciśnienia krytycznego wyniosła pkr= 2,76 MPa. Zwiększenie pkr do 3,1 MPa osiągnięto po przez zastosowanie systemu kontroli ciśnienia, polegającym na podawaniu odpowiedniej wartości przeciwciśnienia na kolejne występy uszczelniające. Ciśnienie. krytyczne. jest. kluczowym. parametrem. uszczelnień. z. cieczą. ferromagnetyczną. Wartość ta może wynosić nawet do kilku MPa. Osiągnięcie wysokich ciśnień krytycznych wiąże się jednak ze znacznym skomplikowaniem konstrukcji oraz zwiększeniem jej gabarytów. Z tego właśnie powodu najczęściej uszczelnienia te mają ciśnienia krytyczne rzędu 0,1÷0,5 MPa. Na podstawie wzoru (2.3) możliwe jest stosunkowo dokładne określenie ciśnienia krytycznego jednowystępowego uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną.. 34.

(36) 2.2. Kinematyka i dynamika uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną Uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną ze względu na zakres prędkości obwodowej można podzielić na trzy rodzaje: statyczne, wolnoobrotowe i szybkoobrotowe [1]. Za uszczelnienia statyczne uważa się te, które są praktycznie nieruchome. Wolnoobrotowe to takie, w których prędkość obwodowa wynosi do 10 m/s. W szybkoobrotowych prędkość obwodowa wynosi powyżej 10 m/s. Zjawiska, które są nieistotne w uszczelnieniach przy niskich prędkościach, w szybkoobrotowych mogą odgrywać kluczową rolę. Są to np. oddziaływania siły odśrodkowej i zjawiska cieplne. Ilość generowanego ciepła oraz jego wpływ na uszczelnienie z cieczą ferromagnetyczną opisane zostało szerzej w literaturze [1]. Wpływ siły odśrodkowej można rozpatrywać poprzez model przedstawiony na rys. 2.7. Ciecz ferromagnetyczna znajduje się miedzy dwoma cylindrycznymi, współosiowymi powierzchniami. Wewnętrznym elementem jest wał obrotowy, zewnętrznym nieruchome nabiegunniki. W celu uproszczenia opisu zjawiska wprowadza się założenie, że natężenie pola magnetycznego maleje liniowo, symetrycznie od osi r (x=0) z gradientem pola G A/m2 .. Rys. 2.7. Model wpływu siły odśrodkowej na ciecz FF w uszczelnieniu: a) wał nieruchomy, b) wał w ruchu obrotowym [1]. Siła odśrodkowa zmienia kształt cieczy, przemieszczając ją w kierunku nieruchomych nabiegunników. W wyniku tego następuje zmiana kształtu oraz przekroju, co powoduje spadek ciśnienia krytycznego uszczelnienia. Kształt powierzchni swobodnej wynika z warunku stałego ciśnienia. Korzystając z warunku stałej objętości kształt powierzchni swobodnej cieczy ferromagnetycznej w wyniku oddziaływania siły odśrodkowej i natężenia pola magnetycznego można wyznaczyć według zależności (wzór dotyczy dodatnich wartości na osi x) [1]:. 35.

(37) ‫ ݈ = )ݎ(ݔ‬−. ఘ∙௩బమ ∙௭ ଷ∙ோ∙ఓబ ∙ெೞ ∙ீ. ൤ቂ1 − ቃ − ൨ ௥ ଷ. ଵ. ௭. ସ. (2.4). gdzie: 2·l – szerokość pierścienia cieczy ferromagnetycznej w uszczelnieniu, ρ – gęstość cieczy FF, v0 – prędkość obwodowa powierzchni wału, z – wysokość szczeliny, R – promień wału, µ0 – przenikalność magnetyczna próżni, MS – magnetyzacja nasycenia cieczy ferromagnetycznej, G – gradient natężenia pola magnetycznego, r – współrzędna osi pionowej. Ciśnienie krytyczne dla warunków dynamicznych, w których brana jest pod uwagę siła odśrodkowa można zapisać w postaci [1]: pkrd = pkr – ρ· v02·z/(2·R). (2.5). Powyższe równanie opisuje spadek dynamicznego ciśnienia krytycznego pkrd w zależności od prędkości obwodowej powierzchni wału, co obrazuje rys. 2.8a.. Rys. 2.8. Wpływ prędkości obwodowej powierzchni wału (v0) na wartość dynamicznego ciśnienia krytycznego pkrd w uszczelnieniu z cieczą ferromagnetyczną: a) linia ciągła wyznaczona według równania (2.5), czarne znaczniki – dane eksperymentalne, b) dynamiczne ciśnienie krytyczne (pkrd) dla różnych rozwiązań konstrukcyjnych [1] Jego wartość pozostaje relatywnie stała do około 10 m/s, następnie pojawia się wyraźny spadek. Podobna wartość prędkości obwodowej, dla której nie obserwuje się 36.

(38) wpływu siły odśrodkowej podawana jest w literaturze [6]. Rozważanie to prowadzi do wniosku, że istnieje górna krytyczna prędkość, dla której uszczelnienie ulega całkowitemu zniszczeniu w wyniku działania sił odśrodkowych, czyli pkrd=0Pa [1]:. ‫ݒ‬௠௔௫ = ට. ଶ∙௣ೖೝ ∙ோ. (2.6). ఘ∙௭. Wartość krytycznej prędkości vmax zwiększa się wraz ze wzrostem średnicy wału i zmniejszaniem się szczeliny „z”. Przykładowo dla średnicy wału Dn = 80 mm, gęstości cieczy ferromagnetycznej ρ = 1,8·103 kg/m3 i wysokości szczeliny „z” = 0,5 mm, krytyczna prędkość obwodowa wału wynosi vmax = 80 m/s. Oddziaływanie. siły. odśrodkowej. można. zmniejszyć. stosując. specjalne. niemagnetyczne uchwyty, które umieszczone są na zewnętrznej części nabiegunników jak na rys. 2.9a. Ograniczają one przemieszczanie cieczy ferromagnetycznej. Dane pomiarowe dynamicznego ciśnienia krytycznego dla tego typu rozwiązania wykazują, że (rys. 2.8b, krzywa 2) w praktyce ciśnienie pkrd pozostaje niezmienne nawet przy dużych prędkościach obwodowych wału (~50 m/s).. Rys. 2.9. Konstrukcje uszczelnień dla wysokich prędkości obwodowych (v0 powyżej 10 m/s): a) schemat z niemagnetycznymi podporami ograniczającymi oddziaływanie sił odśrodkowych, 1– obudowa, 2– magnes, 3 i 4 – nabiegunniki, 5 – wał, 6 – ciecz ferromagnetyczna, 7 i 8 – niemagnetyczne podpory [61], b) odwrócenie kierunku działania sił odśrodkowych, 1 –niemagnetyczna tuleja połączona z wałem, 2 – magnes, 3 i 4 nabiegunniki, 5 – nieruchoma tuleja połączona z obudową, 6– wał [1]. 37.

(39) Rozwiązaniem problemu wpływu dużych prędkości są również konstrukcje uszczelnień z cieczą ferromagnetyczną, w których ruch obrotowy wykonuje tylko górna część uszczelnienia. Przykład rozwiązania przedstawiony jest na rys. 2.9b. Odwrócenie kierunku działania sił odśrodkowych pozwala na utrzymanie stałej wartości pkrd nawet dla wysokich prędkości obrotowych (rys. 2.8b krzywa 3). Komplikuje to jednak konstrukcje i możliwe jest do zastosowania tylko w niektórych przypadkach. Wpływ siły odśrodkowej i grawitacji na pracę uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną omówiony jest również w innych artykułach [40], [90]. Analizy przeprowadzone zostały na drodze rozważań analitycznych oraz na podstawie badań symulacyjnych z wykorzystaniem metody elementów skończonych. W ogólnym przypadku można założyć, że ciecz FF w uszczelnieniu znajduje się w stanie nasycenia magnetycznego [90]. W warunkach statycznych ciśnienie w dowolnym punkcie w cieczy ferromagnetycznej określone jest wzorem [90]: p = MS·B+ ρ·g·h+C. (2.7). gdzie: MS – magnetyzacja nasycenia cieczy ferromagnetycznej, B – indukcja magnetyczna, ρ – gęstość cieczy FF, g – przyspieszenie grawitacyjne, h – wysokość odniesienia, C – stała w równaniu określona z warunków brzegowych. W przypadku ruchu obrotowego wału z prędkością kątową ω0, powyższy wzór na wartość ciśnienia p można przedstawić w postaci równania [90]:. ‫ܯ = ݌‬௦ ∙ ‫ ܤ‬+ ∙ ߩ ∙ ቀ‫ܥ‬ଵଶ ∙ ‫ ݎ‬− ଵ. ஼మమ. ଶ. ௥మ. + 4 ∙ ‫ܥ‬ଵ ∙ ‫ܥ‬ଶ ∙ ln ‫ݎ‬ቁ + ߩ ∙ ݃ ∙ ℎ + ‫ܥ‬. (2.8). Stałe C1 oraz C2 przyjmują następującą postać: ଵ = −. ଵଶ ∙ ଴ ଵଶ ∙ ଶଶ ∙ ଴ , = −. ଶଶ − ଵଶ ଶ ଶଶ − ଵଶ. gdzie: R1 – jest zewnętrznym promieniem wału, R2 – jest wewnętrznym promieniem nabiegunników, r – współrzędna promieniowa w cieczy magnetycznej w przedziale < R1, R2>, C – stała w równaniu określona z warunków brzegowych. 38.

(40) Bazując na powyższym równaniu (2.8) można wyznaczyć krzywe, które obrazują kształt cieczy ferromagnetycznej w uszczelnieniu w zależności od prędkości obrotowej wału jak na rys. 2.10.. Rys. 2.10. Kształt powierzchni swobodnej cieczy ferromagnetycznej dla różnej jej ilości, linie przerywane – uszczelnienie statyczne, linie ciągłe – uszczelnienie w ruchu obrotowym [90]. Rys. 2.11. Wpływ wielkości uszczelnienia na: a) ciśnienie krytyczne w zależności od nominalnej średnicy uszczelnienia Dn, b) zachowanie się powierzchni swobodnej cieczy ferromagnetycznej pod wpływem grawitacji [40]. 39.

(41) Według równania (2.8) na zachowanie się cieczy FF w wyniku oddziaływania grawitacji wpływa iloczyn trzech parametrów: wysokości „h”, która odpowiada wielkości uszczelnienia, gęstości cieczy ferromagnetycznej i przyspieszenia grawitacyjnego. W przypadku uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną dla wału poziomego, grawitacja powoduje, że zwiększa się ilość cieczy w części dolnej, a zmniejsza się w górnej części jak na rys 2.11b. Wpływa to na obniżenie wartości ciśnienia krytycznego – rys. 2.11a. Wpływ ten jednak jest nieznaczny i najczęściej pomijany w analizach. W przypadku analizy uszczelnienia z cieczą FF należy wziąć pod uwagę wpływ siły: odśrodkowej i ciążenia. Występowanie tych sił obniża wartość ciśnienia krytycznego. Wpływ grawitacji jest zauważalny dla uszczelnień wielkośrednicowych. W przypadku siły odśrodkowej jej wpływ na uszczelnienie należy rozpatrywać dla prędkości obwodowych większych niż vo≈10 m/s. Istnieją koncepcje rozwiązań konstrukcyjnych ograniczające wpływ tej siły. Są one jednak skomplikowane i nie zawsze możliwe do zastosowania.. 2.3. Zastosowanie uszczelnień ferromagnetycznych w środowisku cieczy Uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną z powodzeniem stosowane są w technice próżniowej np. przy produkcji mikroprocesorów czy w środowisku gazowym powietrza np. w komputerowych dyskach twardych. Istnieje jednak duża trudność w zapewnieniu ich wysokiej trwałości w środowisku cieczy. W uszczelnieniach tych mamy do czynienia z kontaktem ciecz – ciecz ferromagnetyczna. W tym przypadku dwie substancje mogą mieszać się. Mogą występować odmienne zjawiska niszczenia i utraty szczelności niż w przypadku uszczelniania gazów. Ich trwałość zapewne zależy od fizykochemicznych właściwości cieczy ferromagnetycznej oraz parametrów pracy uszczelnienia. Były już podejmowane prace na temat badań uszczelnień FF pracujących w środowisku cieczy. Istnienie jednak niewiele publikacji w tym zakresie i mają one charakter wycinkowy. Pierwsza praca na temat badań ciśnienia krytycznego (pkr) uszczelnień z cieczą ferromagnetyczną w środowisku cieczy pojawiła się w latach 80 [85]. Przedstawione wyniki badań wykazały, że ciśnienie krytyczne w warunkach statycznych dla różnych środowisk pracy jak: powietrze, woda, olej fluorocarbonowy jest takie samo. W publikacji [27] omówiono trwałość uszczelnień z cieczą ferromagnetyczną pracujących w środowisku cieczy, gdzie uwzględnia się wpływ lepkości medium uszczelnianego. oraz. prędkości. obwodowej.. Badaniom. poddano. 6. cieczy. ferromagnetycznych, dla których ciecz bazową stanowiła: woda, ester, olej syntetyczny,. 40.

(42) fluorocarbon i olej silikonowy. Różniły się one lepkością, magnetyzacją nasycenia, gęstością (tab. 2.1).. Tab. 2.1. Właściwości cieczy ferromagnetycznych [27] Lp.. Ciecz nośna. Lepkość cieczy. Magnetyzacja. Gęstość,. cieczy. ferromagnetycznej,. nasycenia,. kg/m3. ferromagnetycznej. Pas. kA/m. 1. Woda. 0,003. 21,4. 1350. 2. Ester. 0,5. 8. –. 3. Olej syntetyczny. 32. 24,2. 1330. 4. Fluorocarbon. 6,3. 26. 2120. 5. Olej silikonowy. 0,3. 46. 1356. W badaniach koncentrowano się na wpływie lepkości na trwałość uszczelnienia – rys. 2.12. Im większa była lepkość medium uszczelnianego, w tym przypadku oleju, tym uszczelnienie szybciej ulegało zniszczeniu. Zjawisko to tłumaczono jako wynik tarcia na granicy. międzyfazowej. w. wyniku,. którego. stopniowo. usuwana. była. ciecz. ferromagnetyczna ze szczeliny.. Rys. 2.12. Czas pracy uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną (ciecz nr 4) w zależności od lepkości medium uszczelnianego (olej) dla prędkości obwodowej 2 m/s [27]. 41.

(43) W kolejnej części artykułu badano wpływ prędkości obwodowej oraz rodzaju cieczy ferromagnetycznej na trwałość uszczelnienia. Ciecze FF oparte na bazie wody i oleju silikonowego przy małych prędkościach obrotowych wykazywały czas pracy około 100 h – rys. 2.13. W przypadku cieczy fluorocarbonowej dla małych prędkości obrotowych przeciek obserwowano już po około 24 h pracy. Ciecze (niepokazane na rys. 2.13) oparte na bazie oleju syntetycznego oraz estru ulegały szybkiemu mieszaniu się z uszczelnianym olejem. Autorzy sugerują, że czas pracy badanych uszczelnień zależy od równowagi na granicy faz między siłami magnetycznymi utrzymującymi ciecz ferromagnetyczną, a siłami, które wyrywają cząstki magnetyczne i prowadzą do zniszczenia z uszczelnienia [27]. W przypadku niskich prędkości obwodowych głównym czynnikiem odpowiedzialnym za stabilność uszczelnienia jest zdolność do niemieszania się dwóch ośrodków.. Rys. 2.13. Czas pracy uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną dla różnych cieczy ferromagnetycznych (tab. 2.1) w zależności od prędkości obwodowej, medium uszczelniane to olej o lepkości 0,125 Pas [27]. Wpływ napięcia powierzchniowego, zjawisk na granicy międzyfazowej na trwałość uszczelnień FF omówiony został w publikacji [24]. Autorzy zwracają uwagę na stabilność 42.

(44) na granicy międzyfazowej oraz sugerują, że niszczenie uszczelnienia następuje w wyniku pojawiania się ruchu turbulentnego między wodą i cieczą ferromagnetyczną. Proponują możliwość obliczenia dynamicznego ciśnienia krytycznego według wzoru:. ‫݌‬௞௥ௗ =. ସ∙ఙ∙௖௢௦ఏ ௭. (2.9). gdzie σ – napięcie powierzchniowe cieczy ferromagnetycznej, θ – kąt zwilżenia, z – wysokość szczeliny. Ze wzoru (2.9) wynika, że ciśnienie krytyczne jest proporcjonalne do napięcia powierzchniowego cieczy ferromagnetycznej. Wartość ciśnienia spada wraz ze wzrostem kąta zwilżania. Kąt ten z kolei rośnie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej w wyniku zmiany kształtu cieczy ferromagnetycznej – rys. 2.14.. Rys. 2.14. Kształt cieczy ferromagnetycznej w uszczelnieniu: a) w układzie statycznym, b) w ruch obrotowym [24]. Badania stabilności granicy międzyfazowej wody i cieczy ferromagnetycznej przeprowadzone zostały na stanowisku, którego schemat przedstawiony jest na rys. 2.15. Zbudowane było ono z przezroczystej rury, w której przepływała woda o zadanej prędkości. Ciecz ferromagnetyczna umieszczona była w jej dolnej części i utrzymywana w miejscu siłami pola magnetycznego. Za pomocą kamery rejestrowany był wpływ prędkości wody na niemieszającą się z wodą ciecz FF. W badaniach zauważono, że wraz ze wzrostem prędkości wody zabierana jest co raz większa ilość cieczy ferromagnetycznej (czarne linie rys. 2.15b). Powierzchnia międzyfazowa stała się niestabilna, gdy prędkość wody przekroczyła 0,2338 m/s. Przy prędkości 0,2583 m/s pojawiły się ruchy turbulentne (odpowiadało to liczbie Reynoldsa 2127,1) [24]. 43.

(45) Rys. 2.15. Badanie stabilności granicy międzyfazowej woda-ciecz FF: a) stanowisko badawcze, b) zachowanie się cieczy ferromagnetycznej dla różnych prędkości przepływu wody w rurze [24]. Rys. 2.16. Ubytek objętości cieczy ferromagnetycznej LS–40 podczas pracy uszczelnienia FF w wodzie [44] Badania trwałości uszczelnień z cieczą ferromagnetyczną w środowisku wodnym oraz w krwi w zastosowaniu do pompy w sztucznym sercu prezentowane są w pracy [45]. Są one kontynuacją wcześniejszych prac związanych z tym tematem [43], [44], [74]. Badania ubytku objętości cieczy ferromagnetycznej podczas pracy uszczelnienia FF w wodzie przedstawione zostały w pracy [44]. Przeprowadzone zostały one dla. 44.

(46) uszczelnienia o niewielkiej średnicy wału Dn=3 mm, wysokości szczeliny „z” = 0,05 mm i obrotach 8000 obr/min. Wyniki przedstawione są na rys. 2.16. W publikacji nie ma informacji odnośnie właściwości wykorzystanej cieczy (LS–40), która obecnie nie jest już produkowana. Wykres na rys. 2.16 pokazuje szybki wzrost utraty objętości cieczy FF w pierwszym dniu pracy, który następnie stabilizuje się w kolejnych dniach. Po dwóch tygodniach ciągłej pracy objętość wymytej cieczy ferromagnetycznej wyniosła około 0,7 µl, co stanowiło około 5% całkowitej ilości aplikowanej cieczy (16µl). Badanie to kontynuowano przy prędkości 8000 obr/min do wystąpienia pierwszego przecieku, który pojawił się po 51 dniach. Kolejne prace w tej tematyce doprowadziły do konstrukcji uszczelnień ze specjalną tarczą, która ogranicza powierzchnię kontaktu cieczy ferromagnetycznej z czynnikiem uszczelnianym [45]. Podobny temat osłony poruszany jest w publikacji [34].. Rys. 2.17. Konstrukcja uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną: a) bez tarcz ochronnych, b) z zastosowaniem tarcz ochronnych, które ograniczają powierzchnię kontaktu ciecz – ciecz ferromagnetyczna [34] 45.

(47) Przykładowa konstrukcja tego typu rozwiązania przedstawiona jest na rys. 2.17. W przypadku pompy serca uszczelnienie z cieczą ferromagnetyczną z dodatkową tarczą przepracowało 286 dni przy prędkości 3622 obr/min. Dla porównania to samo uszczelnienie bez tarczy pracowało poprawnie bez przecieku tylko tydzień [45]. Z opublikowanych danych wynika, że udało się zredukować powierzchnię kontaktu wody z cieczą ferromagnetyczną z 2,96 mm2 do 0,48 mm2. Podobne badania przeprowadzono dla rozwiązania konstrukcyjnego z rys. 2.17. Dobrano optymalne parametry geometryczne tarczy aluminiowej (szerokość 8 mm) i tulei stalowej (grubość 7 mm). Wał był elementem niemagnetycznym o średnicy nominalnej Dn = 20 mm. Ilość aplikowanej cieczy ferromagnetycznej (typ KLS–40 o magnetyzacji nasycenia 26 kA/m) na jeden występ wyniosła 5 ml. Przy prędkości 1200 obr/min i ciśnieniu nominalnym 3 kPa uszczelnienie przepracowało 10 tygodni bez przecieku. Wzrost trwałości z zastosowaniem niemagnetycznej tarczy przed czołem uszczelnienia tłumaczy się redukcją powierzchni kontaktu cieczy ferromagnetycznej z uszczelnianym ośrodkiem oraz zrównaniem prędkości cieczy na granicy międzyfazowej. Czas pracy uszczelnienia z cieczą ferromagnetyczną w kontakcie z wodą zmniejsza się znacząco z powodu niestabilności na granicy dwóch cieczy [12]. Za główną przyczynę niszczenia uszczelnienia przy dużych prędkościach obrotowych uważa się niestabilność Kelvina – Helmholtza [34], [45]. Matematyczny opis utraty stabilności na granicy faz dla cieczy niemagnetycznej i cieczy magnetycznej przemieszczających się z różnymi prędkościami w polu magnetycznym przedstawił Ronald E. Rosensweig [67].. Rys. 2.18. Zjawisko niestabilności Kelvina – Helmholtza zaobserwowane w naturze [92], [94]. 46.

(48) W naturze niestabilność Kelvina – Helmholtza jest częstym zjawiskiem. Można je zaobserwować np. na powierzchni jeziora w przypadku silnego wiatru czy na niebie w zachowaniu chmur – rys. 2.18a, rys. 2.18b. Z matematycznego punku widzenia teoria odnosi się do powierzchni na granicy dwóch cieczy o różnych gęstościach (ρ1, ρ2), prędkościach (U1, U2), w warunkach oddziaływania grawitacji – rys. 2.19. Warunek pojawienia się niestabilności dla przepływu cieczy niemagnetycznej i ferromagnetycznej w polu magnetycznym można wyznaczyć według wzoru [67]:. ሺܷ௕ − ܷ௔ ሻଶ >. ఘ್ ାఘೌ ఘ್ ఘೌ. ቄ2ሾ݃ሺߩ௕ − ߩ௔ ሻߪ௔ି௕ ሿమ + భ. ሺఓೌ ିఓ್ ሻమ ு೤మ ఓೌ ାఓ್. ቅ. (2.10). gdzie:. a – oznacza ciecz niemagnetyczną, b – oznacza ciecz ferromagnetyczną, Ua – prędkość cieczy a, Ub– prędkość cieczy b,. ρa– gęstość cieczy a, ρb– gęstość cieczy b, µa– przenikalność magnetyczna cieczy a, µb – przenikalność magnetyczna cieczy b, Hy– natężenie pola magnetycznego, ௔ି௕ – międzyfazowe napięcie powierzchniowe, g – przyspieszenie ziemskie.. Rys. 2.19. Niestabilność Kelvina – Helmholtza na powierzchni międzyfazowej cieczy: a) fale powstające na powierzchni międzyfazowej, b) mechanizm mieszania się cieczy, powstawania wirów w wyniku istnienia różnicy ciśnienia dynamicznego między dwoma ośrodkami [22]. 47.

(49) W przypadku kontaktu ciecz ferromagnetyczna – niemagnetyczna człon równania opisujący wpływ pola magnetycznego na niestabilność należy rozpatrywać, gdy kierunek pola magnetycznego jest równoległy do powierzchni międzyfazowej tzn. istnieje składowa Hy jak na rys. 2.20b. W warunkach, których istnieje ta składowa pole magnetyczne działa stabilizująco i podnosi wartość krytycznej różnicy prędkości pojawienia się niestabilności wraz ze wzrostem natężenia pola magnetycznego (Hy). Według równania (2.10) wartość krytycznej różnicy prędkości dwóch cieczy zależy i rośnie wraz ze wzrostem napięcia międzyfazowego ௔ି௕ , różnicy przenikalności magnetycznych (µb – µa) i różnicy gęstości cieczy (ρb – ρa).. Rys. 2.20. Wpływ pola magnetycznego na niestabilność Kelvina–Helmholtza w cieczy ferromagnetycznej: a) kierunek natężenia pola Hx nie jest zgodny z kierunkiem propagacji fal ky, brak stabilizującego wpływu na powierzchnię międzyfazową, b) kierunek natężenia pola Hy jest współliniowy z kierunkiem propagacji fal ky, występuje redukcja fal niestabilności [67].. W przypadku, gdy wektor natężenia pola magnetycznego nie jest zgodny z kierunkiem propagacji fal ky, pole nie działa stabilizująco na ciecz ferromagnetyczną – rys. 2.20a [39]. W typowych uszczelnieniach z cieczą ferromagnetyczną oraz na podstawie znanych analiz numerycznych [79] można stwierdzić, że nie mamy do czynienia z efektem stabilizującym na granicy międzyfazowej. Dla osiowo-symetrycznego układu brak jest składowej natężenia pola Hy. Badania uszczelnień z cieczą ferromagnetyczną pracujących w środowisku wodnym i w różnych olejach opisane zostały w pracy doktorskiej Josefa Kurfessa „Abdichten von Flussigkeiten mit Magnetflussigkeitsdichtungen”. Autor swoje rozważania i wyniki badań zawarł w publikacjach [30], [31]. Za główny mechanizm niszczenia uszczelnienia uważa proces powstawania na granicy międzyfazowej niestabilności Kelvina–Helmholtza. Właściwości badanych cieczy ferromagnetycznych i medium uszczelnianego przedstawiono w tab. 2.2. 48.

(50) Tab. 2.2. Właściwości cieczy ferromagnetycznych i uszczelnianego medium, wartości krytycznej różnicy prędkości pojawienia się niestabilności Kelvina–Helmholtza w uszczelnieniu [30] Ciecz. Gęstość,. ferromagnetyczna. Lepkość w Napięcie. –3. (kgm ) *10^3. 0. 27 C, Pas. Magnetyzacja. powierzchniowe,. nasycenia,. 10–3Nm–1. kAm–1. ML1. 1,98. 3. 10,06. 23,8. ML2. 1,53. 0,3. 27,26. 35,8. Woda. 1. 0,001. 71,28. –. Mieszanka. 1. 0,001. 24,46. –. Tellus 10 (olej). 0,85. 0,02. 28,85. –. Rotella X (olej). 0,85. 0,063. 28,85. –. Olej hydrauliczny. 0,85. 0,122. 30,29. –. Olej silikonowy. 1,05. 1,3. 25,84. –. Uszczelniane medium. Wody i mydła. Wartość krytycznej różnicy prędkości (m/s) pojawienia się niestabilności Kelvina– Helmholtza w uszczelnieniu dla różnych cieczy FF i uszczelnianego medium. Obliczenia wykonano według równania (2.10). Wartość natężenia pola magnetycznego Hy = 400 kA/m. Woda. Woda z. Tellus 10. Rotella X. mydłem. Olej. Olej. hydrauliczny. silikonowy. Powietrze. ML1. 1,23. 1,2. 1,28. 1,28. 1,28. 1,19. 27,64. ML2. 1,28. 1,27. 1,32. 1,32. 1,32. 1,24. 27,82. W pracy [30] obliczono krytyczną różnicę prędkości wystąpienia niestabilności Kelvina – Helmholtza dla różnych konfiguracji ciecz ferromagnetyczna – ciecz uszczelniana (tab. 2.2). Wartość w większości przypadków oscylowała wokół 1,3 m/s. W przypadku uszczelnienia, którego średnica nominalna Dn wynosi 80 mm, odpowiada to prędkości obrotowej 400 obr/min. Krzywe z rys. 2.21 wskazują na szybki spadek trwałości w przedziale 500÷1000 obr/min. Autor uważa, że wzór (2.10) określający moment. 49.