Содержание к диссертации
Введение
1. Магнитожидкостные уплотнения - современное состояние вопроса 8
1.1. Сравнительный анализ рабочих характеристик уплотнений 8
1.2. Рабочие характеристики магнитожидкостных уплот -нений 14
1.3. Анализ конструкций магнитожидкостных уплотнений... 23
1.4. Проблемы создания высокоскоростных магнитожид -костных уплотнений 31
1.5. Задачи исследования 37
2. Экспериментальное исследование потерь на трение в магнитожидкостных уплотнениях 39
2.1. Исследование температурной зависимости вязкости феррожидкостей 39
2.2. Исследование характера течения феррожидкости в радиальных магнитожидкостных уплотнениях с учетом ее диссипативного разогрева 50
2.3. Исследование потерь на трение в радиальных маг -нитожидкостных уплотнениях 65
2.4. Снижение потерь на трение в радиальном магнито-жидкостном уплотнении введением в феррожидкость малых добавок полимеров и поверхностно-активных веществ 74
2.5. Исследование потерь на трение в торцовых магнитожидкостных уплотнениях 83
3. Исследование тепловых процессов в рабочих зазорах магнитожидкостных уплотнений 92
3.1. Экспериментальное исследование теплопроводности феррожидкостей 92
3.2. Влияние диссипативного разогрева феррожидкости на структуру ее течения в рабочем зазоре ра -диального уплотнения 98
3.3. Экспериментальное исследование мощности тепловыделений в рабочих зазорах магнитожидкостных уплотнений 107
3.4. Влияние тепловых процессов на предельные скорости вращения в радиальных магнитожидкостных уплотнениях 116
3.5. Теплообмен в рабочих зазорах магнитожидкостных уплотнений 124
4. Разработка магнитожидкостных уплотнений для энергетической установки 133
4.1. Перепад давления, удерживаемый магнитожидкостным уплотнением 133
4.2. Ресурс магнитожидкостных уплотнений 142
4.3. Инженерный расчет характеристик магнитожидкост-ного уплотнения 149
4.4. Анализ погрешности измерений 153
Выводы 158
Литература
- Рабочие характеристики магнитожидкостных уплот -нений
- Исследование характера течения феррожидкости в радиальных магнитожидкостных уплотнениях с учетом ее диссипативного разогрева
- Влияние диссипативного разогрева феррожидкости на структуру ее течения в рабочем зазоре ра -диального уплотнения
- Ресурс магнитожидкостных уплотнений
Введение к работе
В современной технике наблюдается устойчивая тенденция к увеличению скорости вращения валов аппаратов и машин. Это обусловлено возрастающими требованиями уменьшения габаритов, веса установок, улучшение их экономических показателей. Естественно, что более высокие частоты вращения валов технических устройств требуют усовершенствования методов их уплотнения, создания качественно новых видов уплотнения, отвечаю -щих возрастающим требованиям к их рабочим характеристикам. Исследования и практика последних лет выдвинули принципиально новый тип уплотнений - магнитожидкостные уплотнения, в которых в качестве уплотняющей среды используется феррожидкость, удерживаемая в рабочем зазоре магнитным полем. К настоящему времени в различных устройствах используются конструкции магнитожид-костных уплотнений с линейными скоростями уплотняемого вала не более 10 м/с. Есть отдельные сообщения о применении высокоско -ростных магнитожидкостных уплотнений при линейных скоростях уплотняемого вала около 20 м/с. Однако, в таких конструкциях для отвода тепла, выделяющегося вследствие вязкого трения в феррожидкости, используются системы охлаждения. Увеличение скорости вращения вала приводит также к выбросу части феррожидкости из рабочего зазора под действием центробежных сил, удерживаемый при этом перепад давления снижается. Большинство известных работ посвящено изучению удерживаемого магнитожидкостным уплотнением перепада давления, созданы методы инженерного расчета этой важной характеристики уплотнения. Другая характеристика
уплотнения - собственные потери на трение мало изучена, отсутствуют достаточно точные инженерные методы ее расчета в широком интервале скоростей. Все известные конструкции высокоскоростных магнитожидкостных уплотнений выполнены на базе классической конструкции, представленной на рис. I.I. Отсутствие систематических экспериментальных исследований гидродинамики и теплового режима высокоскоростных магнитожидкостных уплотнений не позволяет оптимизировать их параметры, создать более совершенные конструкции.
Целью данной работы является изучение основных закономер -ностей влияния геометрических и физических характеристик рабочего зазора магнитожидкостных уплотнений на гидродинамические и тепловые процессы в потоке феррожидкости, создание инженер -ного расчета потерь на трение и конструкций, позволяющих расширить скоростной интервал магнитожидкостных уплотнений.
В настоящей работе впервые исследован характер течения феррожидкости в рабочем зазоре для скоростей 0-50 м/с, показана возможность управления границами областей течения, выявлено сильное влияние диссипативных процессов на структуру течения феррожидкости. На основе экспериментальных данных разработан инженерный расчет потерь на трение. Получены зависимости для оценки интенсивности теплообмена, показаны пути его интенсификации. В результате исследований созданы новые конструкции высокоскоростных магнитожидкостных уплотнений, специальная феррожидкость, которые обеспечили существенное улучшение их рабочих характеристик при работе в энергетической установке.
Диссертационная работа выполнялась в Белорусском политехническом институте и в институте тепло- и массообмена имени
А.В. Лыкова АН Б ССР по программе ГБ-8І-73 "Энергия 15 в" и в рамках хоздоговорной работы № 276.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений.
Первая глава носит обзорный характер. В ней рассмотрены различные системы герметизации, проанализированы их рабочие характеристики, поставлены задачи исследования.
Во второй главе исследована вязкость используемых в экспериментах феррожидкостей, исследован характер течения феррожидкостей с учетом их диссипативного разогрева, определены потери на трение, показаны пути их снижения.
Третья глава посвящена исследованию влияния физических и геометрических параметров на тепловые процессы в рабочем зазо -ре уплотнения, выявлены пути снижения тепловой нагрузки в нем.
В четвертой главе диссертационной работы исследованы рабо -чиє характеристики магнитожидкостных уплотнений для энергети -ческой установки, проведен анализ погрешностей экспериментов.
На защиту выносятся результаты исследования тепловых и гидродинамических процессов в высокоскоростных магнитожидкостных уплотнениях. В том числе: результаты исследования теплофи-зических свойств феррожидкостей и характера их течения в рабочем зазоре в зависимости от геометрических и физических параметров уплотнения, исследование процессов диссипации и теплообмена в рабочем зазоре, разработка инженерного метода расчета потерь на трение в уплотнении.
Практической реализацией результатов работы явилось создание новых конструкций высокоскоростных магнитожидкостных зшлот-
нений и новых феррожидкостей, обеспечивших улучшение рабочих характеристик. Новизна решений защищена авторскими свидетельствами.
Внедрение этих конструкций в энергетике позволило получить значительный экономический эффект (см. Приложение).
Основное содержание диссертации изложено в работах [71, 83-97 ] и докладывалось на Всесоюзном семинаре по проблемам намагничивающихся жидкостей (г. Иваново, 1978), на Украинском республиканском совещании-семинаре "Исследование теплофизичес-ких и гидродинамических свойств магнитных жидкостей для новой промышленной технологии и холодильной техники" (г. Николаев, 1979), на Всесоюзном симпозиуме "Гидродинамика и теплофизика магнитных жидкостей" (г. Саласпилс, 1980), на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы феррогидродинамики в судостроении" (г. Николаев, 1981), на П Всесоюзной школе-семинаре по магнитным жидкостям (г. Плес, 1981), на Ш Всесоюзной школе-семинаре по магнитным жидкостям (г. Плес, 1983), на Щ Международной конференции по магнитным жидкостям (г. Бангор, Англия, 1983), на УШ Международной конференции по МГД-преобразованию энергии (г. Москва, СССР, 1983), на постоянно действующем семинаре по магнитным жидкостям под руководством доктора физико-математических наук Гогосова В.В. (г. Москва, МГУ).
Рабочие характеристики магнитожидкостных уплот -нений
Рядом преимуществ обладают бесконтактные уплотнения. Работа этих уплотнений обусловлена наличием механического воздействия вращающихся и неподвижных элементов уплотнения на уплотняемую жидкость, в результате чего в уплотняемой зоне создается сопро -тивление, приводящее к снижению утечек жидкости из камеры высо -кого давления в камеру низкого давления. В ряде случаев в уплотняемой зоне создается противодавление, обеспечивающее возможность работы уплотнения с нулевыми утечками жидкости. Для бесконтактных уплотнений по сравнению с торцовыми характерны более низкие потери на трение, высокая надежность и долговечность. Основной недо -статок бесконтактных уплотнений - наличие утечек при нулевых частотах вращения уплотняемого вала. Этот недостаток устраняется путем применения дополнительных стояночных уплотнений. Остановимся на характеристиках одного из типов бесконтактных уплотнений -дисковых (импеллерных) (рис. 1.1), которые в достаточном объеме изложены в работе /"4J . Б зависимости от числа Рейнольдса "е = = co-K /J и величины относительного зазора -2/Ко в тор -цовом зазоре дискового уплотнения могут существовать, как показано в работе [4J , четыре типа течения. Здесь CJ - угловая скорость вращения, v - коэффициент кинематической вязкости, Z -- величина зазора, Ну - радиус диска, - к и Я - толщина пограничного слоя у корпуса и диска соответственно.
Режим I - ламинарное течение, Z/R$ мало ок и Ь„ сливаются. Скорость линейно меняется от диска к корпусу. Режим П -ламинарное течение, когда ок + о Z ф Существует ядро, в зоне которого скорость не меняется. Режим Ш - турбулентное тече -ниє при малом зазоре ок + Ь у z . Скорость изменяется в зазоре линейно. Режим ІУ - турбулентное течение, ок + Ь j? # 2СТЬ ядро, в котором скорость не меняется.
Мощность дискового трения одной стороны вращающегося диска определяется по формуле [4] : де р - плотность жидкости, і с - коэффициент дискового трения, определяемый зависимостью:
Для этого случая Ng = 3,1»Ю3 Вт, а полные потери на трение составят 6,2 кВт. Перепад давления л г , удерживаемый таким уплотнением зависит от скорости вращения и определяется по фор -муле [4j : дР = Кы w2R92_p/2 Сі.з) где К - коэффициент скорости, имеющий значение 0,5 для наших условий, согласно данным работы [Ц-] . Удерживаемый при этом перепад давления имеет значение порядка 8 кПа.
Сохраняя все преимущества бесконтактных уплотнений, магнито-жидкостные уплотнения обеспечивают: I) полное отсутствие утечек рабочей жидкости через зону уп -лотнения; - 14 2) более низкие потери на трение, так как площадь контакта феррожидкости с вращающимися деталями значительно меньше; 3) герметичность в стояночном режиме; 4) двухстороннее действие; 5) самовосстановление после нарушения герметичности; 6) более низкий класс точности при обработке поверхности элементов уплотнения; 7) простоту в обслуживании.
К настоящему времени создан ряд экспериментальных и промыш -ленных образцов магнитожидкостных уплотнений для герметизации газовых, биологически активных сред и глубокого вакуума при температуре 323 К и окружной скорости уплотняемого вала до 10 м/с /5 В ряде работ сообщается об экспериментальном исследовании высокоскоростных магнитожидкостных уплотнений [в - 9] . Согласно этим исследованиям, потери на трение в уплотнении при окруж -ных скоростях вала 40 м/с и удерживаемом перепаде давления 0,1 кПа составляют 0,5 кВт.
Проведенный анализ характеристик различных типов уплотнений позволяет сделать вывод, что магнитожидкостные уплотнения обла -дают рядом преимуществ, позволяющих им успешно конкурировать с другими типами уплотнений.
Исследование характера течения феррожидкости в радиальных магнитожидкостных уплотнениях с учетом ее диссипативного разогрева
Вязкость феррожидкости в значительной степени определяет потери на трение в магнитожидкостном уплотнении. Поэтому определе -ние вязкости феррожидкости при реальных условиях работы в уплотнении является актуальной задачей.
Исследовались феррожидкости, приготовленные на основе трансформаторного масла и магнетита с намагниченностью насыщения 40»Ю3 А/м и 74- Ю3 А/м, которые в дальнейшем обозначаются ММт-40 и ММт-74. Эти феррожидкости имеют стабильные характеристики, ме -тод их получения достаточно разработан, они успешно используются в магнитожидкостных уплотнениях.
Для исследования вязкости феррожидкостей и потерь на трение в магнитожидкостных уплотнениях был разработан и изготовлен экс -периментальный стенд, общий вид которого представлен на рис.2.1 . Вращение вала I магнитожидкостного уплотнения осуществлялось электродвигателем 4 с помощью ременных передач 2 и 5 через проме -жуточный вал 3. Использование шкивов различного диаметра, много -скоростных электродвигателей переменного и постоянного тока с регулируемым числом оборотов ротора позволяло ступенчато и плавно изменять в широком диапазоне (0-20 тыс. об/мин) частоту вращения вала уплотнения I. Для контроля частоты вращения вала I использовалось устройство, состоящее из постоянного магнита 9, закреплен -ного на валу I и зафиксированной на станине катушки индуктивности 10. При прохождении магнита мимо катушки индуктивности в послед -ней наводилась э.д.с, фиксировавшаяся электронным частотомером
Периодически работа устройства контролировалась электронным тахометром ТЭ-30 . Погрешность определения частоты не превышала 2 %.
Измерительный узел ротационного типа (рис. 2.2 ) состоял из неподвижного корпуса I, внутри которого на подшипниках 3 ус -тановлен вал 9 с втулкой 10, которая теплоизолировалась кольце -вой прокладкой II, а снаружи - на подшипниках 4 немагнитный корпус 2. В корпусе 2 помещался постоянный магнит б и полюсные про-ставки 5 и 7, образующие с валом радиальные зазоры. Для измере -ния величины зазора использовался набор щупов. В зазоре между втулкой 10 и термостатируемой полюсной проставкой 7 помещалась феррожидкость, которая удерживалась в зазоре радиальным магнит ным полем. Величина магнитного поля изменялась в диапазоне, хает рактерном для магнитожидкостных уплотнений (1,7 8,4) Ю А/м, с помощью немагнитных проставок, которые устанавливались между магнитом и полюсом. Объем заправляемой феррожидкости тщательно контролировался. Магнитное поле измерялось с помощью микровебермет -ра Ф 190 и измерительной катушки, представляющей собой полый пластмассовый цилиндр с внутренним диаметром на 0,05«Ю-3 м превышающим диаметр вала и толщиной стенок 0,2-I0"3 м. На внешней поверхности цилиндра на расстоянии 0,37»10 3 м друг от друга были расположены два витка медного провода диаметром 0,03-10-3 м, соединенных таким образом, что при измерениях фиксировался маг -нитный поток, проходящий через поверхность цилиндра, ограничен -ную витками. Измерительная катушка вводилась в зазор, затем рез -ко смещалась в обратном направлении на определенное расстояние, разница значений магнитного потока определялась с помощью микро веберметра. С помощью термостата 12 поддерживалась определенная температура исследуемой феррожидкости, контролируемая медь-кон-стантановыми термопарами 13, 14. Измерение усилия от момента трения в рабочем зазоре, заполненном феррожидкостью, производилось следующим образом. При вращении вала 9 (рис. 2.1 ) момент трения передавался на корпус 2, рычаг 7 и электрические весы ВТК-500. Балансировка корпуса 2 позволила снизить погрешность измерения усилия от момента трения до 3 %. Из приведенного выше описания измерительного узла видно, что он представлял собой со-осно-цилиндрический вискозиметр. Известно, что коэффициент динамической вязкости \ для соосно-цилиндрического вискозиметра вычисляется по формуле/65J
Влияние диссипативного разогрева феррожидкости на структуру ее течения в рабочем зазоре ра -диального уплотнения
Мощность нагревателя при проведении измерений не превышала 2,018 Вт. Рабочий зазор L соответствовал 1,2-10-3 м. Интег -рал в знаменателе выражения (3.7) определялся в ходе эксперимента интегратором ll № ,
Тарировочные измерения, проведенные на эталонных жидкостях, показали, что максимальная ошибка определения коэффициента теплопроводности не превышала 5 %. Тарировка производилась в маг -нитном поле.
Измерялись коэффициенты теплопроводности для случаев, когда вектор теплового потока был перпендикулярен направлению силовых линий магнитного поля и сонаправлен с силовыми линиями магнитного поля.
Зависимости эффективных коэффициентов теплопроводности феррожидкостей ММт-40 и ММт-74 от напряженности магнитного поля для обеих ориентации представлены на рис. 3.4. Включение магнит -ного поля оказывало влияние на теплопроводность феррожидкостей. При этом определяющим фактором являлась ориентация исследуемого слоя по отношению к силовым линиям магнитного поля. В случае перпендикулярной ориентации магнитного и теплового полей величина чАЭ(р.не изменялась в пределах погрешности эксперимента. Ана -логичный результат был получен в работах [76, 77 J для феррожидкостей на основе керосина и магнетита.
При сонаправленности теплового потока и магнитного поля эффективный коэффициент теплопроводности vA - возрастал. Максимальное его увеличение достигало 13 % для феррожидкости ММТ 74 при напряженности магнитного поля 100 кА/м. Для менее концентрированной феррожидкости ММт-40 эффект не превышал 10 %. Увеличе -ние коэффициента і э с ростом напряженности магнитного поля носило асимптотический характер с выходом в режим насыщения, что соответствовало особенностям кривых намагничивания исследуемых феррожидкостей.
Интенсификация теплопереноса в этом случае вызывалась по-видимому образованием структур при включении магнитного поля, ко -торые были ориентированы вдоль его силовых линий и теплового потока.
Проведенные эксперименты позволили получить значения коэффициента теплопроводности феррожидкостей ММт-40 и ММт-74 и обнаружить его увеличение в присутствии магнитного поля, сов -падавшего по направлению с тепловым потоком.
Схема узла уплотнения для исследования тепловых процессов представлена на рис. 3.5. На внутренней поверхности вала был уложен электрический нагреватель из константановой проволоки
Выяснялись граничные условия при диссипативном разогреве слоя феррожидкости в зазоре уплотнения. Б условиях эксперимента феррожидкость контактировала с валом, полюсом и воздухом. Экспериментально было установлено, что теплоотдача непосредственно в воздух невелика, следовательно, основной отвод тепла мог осуществляться через полюс и вал. Исследовался теплоотвод из зоны разогрева при постоянной окружной скорости вала с момента начала его вращения до выхода на стационарный тепловой режим. Из рис. 3.6 видно, что мощность тепловыделений уменьшалась во времени, что объяснялось сильной зависимостью вязкости феррожидкости от тем -пературы, а затем практически не изменялась после некоторого промежутка времени непрерывной работы. Бремя выхода на стационарный тепловой режим сокращалось с увеличением скорости вращения. При дальнейшем вращении вала наступала ситуация, когда термопары показывали одинаковую температуру поверхности вала в осевом направлении, то есть тепловой поток через вал не передавался. Для этих условий снимались показания термопар на поверхностях вала и полюса, контактирующих с феррожидкостью, то есть определялась температура на границах ее слоя. Необходимо отметить, что такая же методика измерения температуры использовалась в экспериментах, результаты которых изложены в предыдущей главе.
Ресурс магнитожидкостных уплотнений
Как известно, интенсивность теплоотдачи определялась ха -рактером течения: с увеличением скорости вращения она не из -менялась при ламинарном течении и возрастала при вихревой структуре течения.
Экспериментальные исследования показали, что в докрити -ческой области течения установленная разность температур поверхностей втулки и полюса л Т при постоянной подводимой мощности не изменялась с увеличением скорости вращения. Число Нуссельта А/и также не изменялось и было близким к 2, то есть интенсивность теплоотдачи в зазоре была постоянной (рис. 3.17). После достижения критической точки наблюдалось резкое уменьшение разности температур лТ для установления ее пер -воначального значения к втулке подводилась дополнительная мощность от электрического нагревателя. Дальнейшее увеличение скорости вращения вала тоже снижало разность температур, од -нако, в меньшей степени. Естественно, что число Нуссельта в этом случае возрастало.
Возможны два механизма резкого увеличения интенсивности теплообмена в зазоре уплотнения: свободная конвекция и вынужденная конвекция. Так как число Рэлея не превышало 900 во всех экспериментах, то влиянием свободной конвекции можно пренебрегать [68 ] . Следовательно, наиболее вероятной причиной улучшения теплообмена являлась вынужденная конвекция, вызван -ная появлением в ламинарном течении феррожидкости вихревой структуры. Исследование интенсивности теплообмена при одинаковой дТ ъ закритическом течении, но различных значениях Тер. в зазоре, выявили, что при ее росте от 303 до 343 К число А/и уменьшалось почти вдвое. Необходимо отметить, что с увеличением температуры Тср число Прандтля для феррожидкости уменьшалось. Опытные данные удовлетворительно обобщались уравнением: А/и = 0,46 TQ 5 (3.45)
При определении критериев подобия А/и у Та в качестве определяющей принималась средняя температура Т__. .
Изучалось влияние конструктивных параметров радиального маг-нитожидкостного уплотнения и напряженности магнитного поля в рабочем зазоре на интенсивность теплообмена. Наличие эксцентри -ситета приводило к снижению числа Нуссельта в закритической области (рис. 3.18 ). Момент трения при этом уменьшался.
Аналогичное влияние на теплообмен в зазоре и момент трения оказывало выполнение концентратора магнитного поля в виде зуб -ца на валу и использование феррожидкости с добавкой поверхностно-активного вещества (ПАВ I) оптимальной концентрации (рис. 3.18). Возможна следующая трактовка приведенных выше результатов: экс -центриситет в зазоре, зубец на валу и введение в феррожидкость добавки приводили к уменьшению интенсивности вихревого движения и, как следствие, снижали интенсивность теплообмена в слое феррожидкости.
Присутствие шероховатости на рабочей поверхности втулки вы -зывало увеличение числа Нуссельта (рис. 3.18). С увеличением скорости вращения влияние шероховатости на теплообмен незначительно возрастало, максимальное увеличение интенсивности теплообмена в эксперименте не превышало 15 %.
Измеряемые моменты трения возрастали с использованием шероховатости поверхности и увеличением напряженности магнитного поля в зазоре, т.е. возрастала интенсивность предполагаемых вихрей в течении феррожидкости, что возможно и определяло увеличение интенсивности теплообмена в слое феррожидкости.
Экспериментальная оценка мощности диссипативных потерь из-за увеличения напряженности магнитного поля и наличия шероховатости на рабочей поверхности показала, что ее значения не превышали 5 % от мощности электрического нагревателя, подаваемой на втулку.
На рис. 3.18 представлена зависимость числа Нуссельта от числа Тэйлора, полученная для конструкции уплотнения с наружным вращающимся цилиндром. Интенсивность теплообмена и момент трения в этом случае значительно ниже, чем в традиционной кон -струкции. В pa6oTBx/67,68j показано, что для течения жидкостей не обладающих магнитными свойствами, вращение внешнего цилиндра по сравнению с вращением внутреннего приводило к заметному уменьшению интенсивности вихревого течения. Естественно, что пр этом значительно уменьшалась интенсивность теплообмена в зазоре между цилиндрами.
Эти результаты позволили предположить, что снижение интенсивности теплообмена в слое феррожидкости при вращении наружного цилиндра в уплотнении вызывалось уменьшением интенсивности вихревого течения.
