Effect of motor shaft eccentricity on the performance of a high-speed magnetic fluid sealer

Abstract

The objective of the study is to develop recommendations for accounting during the design stage and the feasibility of operating a magnetic fluid seal with a significant eccentricity of the rotating shaft relative to stationary pole attachments. This goal is achieved through conducted experimental research, the selection of necessary equations, boundary conditions, assumptions, and physical properties of the magnetic fluid when constructing a numerical mathematical model of the working gap of the magnetic fluid seal. The most important results of the study include obtained and analyzed distributions of the magnetic field, velocity field, and pressure in the magnetic fluid, as well as the evaluation results of the impact of absolute and relative shaft misalignment in the magnetic fluid seal, centrifugal forces arising during shaft rotation, on the retained pressure drop by the seal. A significant reduction in the retained pressure drop occurs at an eccentricity of up to 40% of the working gap, and with further increases in eccentricity, the rate of pressure drop reduction slows down. The significance of the results lies in the potential utilization of the provided numerical model, as well as the outcomes of physical and mathematical experiments, in the development of a magnetic fluid seal operating with significant misalignment between the rotating shaft and the housing. The dimensionless dependencies obtained allow for consideration, during the design stage, of the reduction in retained pressure drop with shaft eccentricity, taking into account the magnitude of the working gap, magnetic induction, and linear velocity.

Scopul lucrării este elaborarea recomandărilor cu privire la modul în care trebuie luate în considerare în faza de proiectare și posibilitatea de a opera un etanșant cu fluid magnetic cu o excentricitate semnificativă a arborelui de rotație în raport cu atașamentele stâlpilor staționari. Acest obiectiv este atins prin cercetare experimentală, selectarea ecuațiilor necesare, condițiilor la limită, ipotezelor și proprietăților fizice ale fluidului magnetic atunci când se construiește un model matematic numeric al intervalului de lucru al sigilantului fluid magnetic. Cele mai importante rezultate ale lucrării sunt distribuțiile obținute și analizate ale câmpului magnetic și ale câmpului vitezelor și presiunii în fluidul magnetic, rezultatele evaluării influenței dezalinierii absolute și relative a arborelui de etanșare a fluidului magnetic, forțele centrifuge apărute în timpul rotației arborelui pe căderea de presiune reținută de etanșant. S-a demonstrat că dispozitivul de etanșare cu fluid magnetic își păstrează eficiența și performanța chiar și la o excentricitate a arborelui rotativ de până la 80% din spațiul de lucru. O scădere semnificativă a căderii de presiune reținută are loc la o excentricitate de până la 40% din spațiul de lucru, iar cu o creștere suplimentară a excentricității, rata de scădere a presiunii reținute încetinește. Semnificația rezultatelor constă în posibilitatea utilizării modelului numeric prezentat, a rezultatelor experimentelor fizice și matematice în dezvoltarea unui dispozitiv de etanșare cu fluid magnetic care funcționează cu o dezaliniere semnificativă a arborelui rotativ și a carcasei. Dependențele adimensionale obținute fac posibilă în faza de proiectare să se țină cont de scăderea căderii de presiune reținută cu excentricitatea arborelui, ținând cont de dimensiunea spațiului de lucru, inducția magnetică și viteza liniară.

Целью работы является выработка рекомендаций по способу учёта на этапе проектирования и возможности эксплуатации магнитожидкостного герметизатора со значительным эксцентриситетом вращающегося вала относительно неподвижных полюсных приставок. Поставленная цель достигается за счёт проведённого экспериментального исследования, выбора необходимых уравнения, граничных условий, допущений и физических свойств магнитной жидкости при построении численной математической модели рабочего зазора магнитожидкостного герметизатора. Наиболее важными результатами работы являются полученные и проанализированные распределения магнитного поля и поля скоростей и давления в магнитной жидкости, результаты оценки влияния абсолютной и относительной несоосности вала магнитожидкостного герметизатора, центробежных усилий, возникающих при вращении вала, на удерживаемый герметизатором перепад давления. Показано, что магнитожидкостный герметизатор сохраняет свою эффективность и работоспособность даже при эксцентриситете вращающегося вала до 80 % от величины рабочего зазора. Существенное снижение удерживаемого перепада давления происходит при эксцентриситете до 40 % от величины рабочего зазора, а при дальнейшем увеличении эксцентриситета темп снижения удерживаемого давления замедляется. При увеличении эксцентриситета до 80 % от рабочего зазора удерживаемое давление снижается на 45 % по сравнению с соосным расположением вала и полюсных приставок. Выполнение зубцов на валу даёт прирост удерживаемого перепада давления при линейной скорости на поверхности вала 25 м/с в среднем на 30 % по сравнению с конструкцией магнитожидкостного герметизатора с зубцами на неподвижных полюсных приставках. Значимость результатов состоит в возможности использования приведённой численной модели, результатов физического и математического экспериментов при разработке магнитожидкостного герметизатора, работающего со значительной несоосностью вращающегося вала и корпуса. Полученные безразмерные зависимости позволяют на этапе проектирования учесть уменьшение удерживаемого перепада давления при эксцентриситете вала с учётом величины рабочего зазора, магнитной индукции и линейной скорости.