關于機械密封中液膜的空化

發表時間:2021.11.19 12:05

來源:機械密封

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一、液膜空化形成的原因:

在高速運轉的機械密封端面之間,由于密封端面的微造型、變形等導致流道收縮和擴張,容易造成微間隙液膜產生空化現象。


二、液膜空化的定義:

指在液體流場的低壓區域形成蒸汽空泡的過程。機械密封出現的空化有氣相空化和汽相空化。有宏觀空化和微觀空化。當密封面液膜的局部壓力下降至飽和蒸汽壓時,液體中的氣核被釋放出來,形成氣泡,這是氣相空化;當液體本身局部汽化形成泡時,則為汽相空化。



三、液膜空化在機械密封中的應用現狀:

空化現象對機械密封的摩擦性能(或者潤滑性能)、使用壽命有著重要的影響。國內外學者對機械密封的空化現象進行了多年的實驗研究和理論探索,取得了有益的進展,但是當前機械密封理論分析計算和實際產品設計中,大多數忽略了空化現象,這種情況已經成為高性能機械密封實現新突破的障礙之一。氣泡的產生和潰滅對液膜壓力的分布、承載力、及其穩定性有著較大影響。


四、空化和汽化的區別:

空化是一種物理現象,主要受局部壓力變化的影響。與液膜空化現象不同的是,汽化是機械密封端面液膜由液相轉變為汽相的現象,是沸騰與閃蒸綜合作用的結果,屬于熱力學變化過程,主要受溫度和壓力的影響。


五、空化現象在機械密封中的形成過程:(宏觀空化)



上圖為帶有淺槽的機械密封摩擦副端面展開示意圖,由于淺槽的開設,導致密封端面形成收斂區和擴散區,當液體從臺區流向槽區時,流道收斂,壓力升高;當液體從臺區流向槽區時;流道擴張,出現低壓區,當壓力下降至飽和蒸汽壓時發生局部液體氣化或者溶解氣體游離析出,引發空化現象甚至產生空蝕。


六、空化現象在機械密封中的形成過程:(微觀空化)

由于機械密封間隙流動處于微米級別,當通道的特征尺寸與流體分子的平均自由形程想當時,連續介質假說將不再適用,而且影響流動的各種作用力的相對重要性也發生了改變。此外在常規尺度中常因影響較小而被忽略的微通道表面粗糙度,在微尺度流動中卻產生不可忽視的影響。往往由于表面粗糙度引起的微小擾動可影響整個主流區的流動,這也是引起機械密封微間隙液膜空化的主要原因。



上圖是利用非接觸光學輪廓儀對摩擦副靜環表面進行測量,得到的端面不規則表面粗糙度分布??梢詫⒚芊饷娴奈⑼贵w假設為類圓柱體,當液體流過密封端面時,會在微凸體后形成低壓區,當壓力低于飽和壓力時就會產生表面空化。此外微尺度流動的尺度效應、表面張力、流體黏性等也會對微空化產生影響。


七、端面液膜空化對密封性能的影響

機械密封要實現端面的非接觸,主要依靠的是液膜的靜壓效應和動壓效應。有關研究表明,空化現象的存在,使液膜不會因為正負壓力抵消而失去承載能力。Etison等認為空化是形成端面開啟的重要原因。此外由于液膜端面產生空泡,能阻止端面的泄漏和減少端面摩擦,實現空化減阻。


但在高轉速工況下,會發生嚴重的空化現象,當空化達到一定的程度后,將導致端面失去開啟力,密封端面失去開啟力甚至使密封面失效。而且隨著空泡的發展和潰滅,還會在密封面上發生空蝕現象,使密封表面發生破壞。



上圖為Tsunenori等利用表面光度儀對受到空蝕破壞的石墨表面進行觀測,發現空蝕使得表面粗糙度變大。


八、液膜空化最早的來源

Nau于1964年最早通過試驗觀測到機械密封中的空化現象,并在1969年第4屆流體密封國際會議上給出了密封環端面空化的試驗觀察結果,試驗介質為水和礦物油,并用分析法確定空化區的邊界,結果如圖4所示,空化區域出現在密封端面邊緣,且沿圓周方向連續分布。

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