Оптимизация рабочих характеристик магнитожидкостных уплотнений для ветроэнергетических установок

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.

1. Твайделл, Дж. Возобновляемые источники энергии / Дж. Твайделл, А. Уэйр; пер. с англ. под ред. В. А. Коробова. М.: Энергоатомиздат, 1990. 391 с.

2. Михалев, Ю. О. Исследование феррожидкостных уплотнений / Ю. О. Михалев, Д. В. Орлов, Ю. И. Страдомский // Магнитная гидродинамика. 1979. Т. 15, № 3. С. 69–76.

3. Берковский, Б. М. Магнитные жидкости / Б. М. Берковский, В. Ф. Медведев, М. С. Краков. М.: Химия, 1989. 240 с.

4. Петруша, Ю. С. Перспективы развития ветроэнергетики в Республике Беларусь / Ю. С. Петруша, Н. А. Попкова // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 2. С. 124–134. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-2-124-134.

5. Берковский, Б. М. Проблемы разработки и пределы использования магнитожидкостных уплотнений / Б. М. Берковский, М. С. Краков, В. К. Рахуба // Магнитная гидродинамика. 1982. Т. 18, № 1. С. 85–93.

6. Матусевич, Н. П. Экспериментальное исследование гидродинамических и тепловых процессов в магнитожидкостных уплотнениях / Н. П. Матусевич, В. К. Рахуба, В. А. Чернобай // Магнитная гидродинамика. 1983. Т. 19, №1. С. 125–129.

7. Чернобай, В. А. Тепловые и гидродинамические процессы в высокоскоростных магнитожидкостных уплотнениях, разработка их конструкций: дис. … канд. техн. наук: 01.04.14 / В. А. Чернобай. Минск, 1983. 175 с.

8. Вислович, А. Н. Влияние центробежных и капиллярных сил на форму свободной поверхности магнитожидкостного уплотнения / А. Н. Вислович, В. К. Полевиков // Магнитная гидродинамика. 1994. Т. 30, №1. С. 77–86.

9. Полевиков, В. К. Моделирование магнитожидкостного уплотнения при наличии перепада давления / В. К. Полевиков, Л. Тобиска // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2001. № 6. С. 42–51.

10. Pogirnitskaya, S. Experimental Study of a Dynamics of the Magnetic Fluid Free Surface in the High Speed Seal / S. Pogirnitskaya, V. Chernobai // XII International Conf. on Magnetic Fluids: Abstracts. Sendai, 2010.

11. Лабкович, О. Н. Снижение потерь на трение при вихревом течении магнитной жидкости добавками углеродных нанотрубок / О. Н. Лабкович // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2017. Т. 60, № 3. С. 265–275. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2017-60-3-265-275.

12. Labkovich, O. N. Influense of Carbon Nanotubes on the Dissipation of Disturbances in a Magnetic Fluid Layer / O. N. Labkovich, S. G. Pogirnitskaya, V. A. Chernobay // Magnetohydrodynamics. 2021. Vol. 57, Iss. 2. P. 273–280. https://doi.org/10.22364/mhd.57.2.10.

13. Исследование адгезии вертикально ориентированных углеродных нанотрубок к подложке методом атомно-силовой микроскопии / О. А. Агеев [и др.] // Физика твердого тела. 2016. Т. 58, Вып. 2. С. 301–306.