Оптимизация рабочих характеристик магнитожидкостных уплотнений для ветроэнергетических установок

Abstract

Использование магнитожидкостных уплотнений – перспективное направление при герметизации вращающихся валов ветроэнергетических установок. Они характеризуются высокой герметичностью, простотой конструкции, низкими потерями на трение. Магнитожидкостное уплотнение состоит из кольцевого магнита и двух концентраторов магнитного поля, образующих с валом узкий кольцевой зазор, в котором магнитная жидкость, удерживаемая магнитным полем, является герметичным затвором. Магнитные силы обеспечивают равновесие объема магнитной жидкости под воздействием перепада давления и центробежных сил. С увеличением скорости вращения вала до 10 м/с визуально наблюдается деформация свободной поверхности магнитной жидкости у поверхности вала в виде воронки, что приводит к снижению удерживаемого перепада давлений. По мере возрастания скорости вращения воронка увеличивается, часть магнитной жидкости выбрасывается из рабочей зоны, удерживаемый перепад давлений снижается, и при 50 м/с происходит полный выброс магнитной жидкости и разгерметизация уплотнения. С целью повышения устойчивости свободной поверхности магнитной жидкости в поле центробежных сил в нее вводили многослойные углеродные нанотрубки. Для них характерны высокая удельная поверхность и соответственно сильное притяжение Ван-дер-Ваальса. В магнитной жидкости многослойные углеродные нанотрубки образуют структуры, ориентированные вдоль силовых линий магнитного поля. Экспериментально установлено увеличение статической нагрузки, удерживаемой слоем магнитной жидкости, при введении наноуглеродных структур: при совпадении с осью структуры – на 100 %, для нормального направления нагрузки к оси структуры – на 50 %. В уплотнении с увеличением скорости вращения вала деформация свободной поверхности магнитной жидкости с наноуглеродными структурами наблюдалась при 18 м/с на расстоянии 3 мм от поверхности вала. Удерживаемый уплотнением перепад давлений увеличивался в интервале скоростей 10–40 м/с, максимальный эффект 50 % получен при скорости 40 м/с. Таким образом, введение наноуглеродных структур в магнитную жидкость позволило снизить влияние центробежных сил на удерживаемый перепад давлений и повысить эффективность работы магнитожидкостного уплотнения при больших скоростях вращения вала ветроэнергетических установок.