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端面液膜空化对密封性能的影响

2018-07-18 16:30

  在高速运转的机械密封端面之间,由于密封端面的微造型、变形等导致流道收缩和扩张,容易造成微间隙液膜产生空化现象。

  指在液体流场的低压区域形成蒸汽空泡的过程。机械密封出现的空化有气相空化和汽相空化。有宏观空化和微观空化。当密封面液膜的局部压力下降至饱和蒸汽压时,液体中的气核被释放出来,形成气泡,这是气相空化;当液体本身局部汽化形成泡时,则为汽相空化。

  空化现象对机械密封的摩擦性能(或者润滑性能)、使用寿命有着重要的影响。国内外学者对机械密封的空化现象进行了多年的实验研究和理论探索,取得了有益的进展,但是当前机械密封理论分析计算和实际产品设计中,大多数忽略了空化现象,这种情况已经成为高性能机械密封实现新突破的障碍之一。气泡的产生和溃灭对液膜压力的分布、承载力、及其稳定性有着较大影响。

  空化是一种物理现象,主要受局部压力变化的影响。与液膜空化现象不同的是,汽化是机械密封端面液膜由液相转变为汽相的现象,是沸腾与闪蒸综合作用的结果,属于热力学变化过程,主要受温度和压力的影响。

  上图为带有浅槽的机械密封摩擦副端面展开示意图,由于浅槽的开设,导致密封端面形成收敛区和扩散区,当液体从台区流向槽区时,流道收敛,压力升高;当液体从台区流向槽区时;流道扩张,出现低压区,当压力下降至饱和蒸汽压时发生局部液体气化或者溶解气体游离析出,引发空化现象甚至产生空蚀。

  由于机械密封间隙流动处于微米级别,当通道的特征尺寸与流体分子的平均自由形程想当时,连续介质假说将不再适用,而且影响流动的各种作用力的相对重要性也发生了改变。此外在常规尺度中常因影响较小而被忽略的微通道表面粗糙度,在微尺度流动中却产生不可忽视的影响。往往由于表面粗糙度引起的微小扰动可影响整个主流区的流动,这也是引起机械密封微间隙液膜空化的主要原因。

  上图是利用非接触光学轮廓仪对摩擦副静环表面进行测量,得到的端面不规则表面粗糙度分布。可以将密封面的微凸体假设为类圆柱体,当液体流过密封端面时,会在微凸体后形成低压区,当压力低于饱和压力时就会产生表面空化。此外微尺度流动的尺度效应、表面张力、流体黏性等也会对微空化产生影响。

  机械密封要实现端面的非接触,主要依靠的是液膜的静压效应和动压效应。有关研究表明,空化现象的存在,使液膜不会因为正负压力抵消而失去承载能力。Etison等认为空化是形成端面开启的重要原因。此外由于液膜端面产生空泡,能阻止端面的泄漏和减少端面摩擦,实现空化减阻。

  但在高转速工况下,会发生严重的空化现象,当空化达到一定的程度后,将导致端面失去开启力,密封端面失去开启力甚至使密封面失效。而且随着空泡的发展和溃灭,还会在密封面上发生空蚀现象,使密封表面发生破坏。

  上图为Tsunenori等利用表面光度仪对受到空蚀破坏的石墨表面进行观测,发现空蚀使得表面粗糙度变大。

  Nau于1964年最早通过试验观测到机械密封中的空化现象,并在1969年第4届流体密封国际会议上给出了密封环端面空化的试验观察结果,试验介质为水和矿物油,并用分析法确定空化区的边界,结果如图4所示,空化区域出现在密封端面边缘,且沿圆周方向连续分布。