01.液膜空化的原因

在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械密封端面之間，密封端面的微造型和變形導(dǎo)致流道的收縮和膨脹，容易在微間隙液膜中造成氣蝕。

02.液膜空化的定義

指在液體流場(chǎng)的低壓區(qū)形成蒸汽空化的過(guò)程。機(jī)械密封中的氣蝕包括氣相氣蝕和氣相氣蝕。有宏觀空化和微觀空化。當(dāng)密封面上液膜的局部壓力下降到飽和蒸氣壓時(shí)，液體中的氣體核被釋放出來(lái)形成氣泡，這就是氣相空化；當(dāng)液體本身部分汽化形成氣泡時(shí)，就是汽相空化。

03.液膜空化在機(jī)械密封中的應(yīng)用現(xiàn)狀

氣蝕對(duì)機(jī)械密封的摩擦性能（或潤(rùn)滑性能）和使用壽命有重要影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)機(jī)械密封的汽蝕現(xiàn)象進(jìn)行了多年的實(shí)驗(yàn)研究和理論探索，取得了有益的進(jìn)展。然而，目前的機(jī)械密封理論分析計(jì)算和實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)大多忽略了汽蝕現(xiàn)象。這種情況已經(jīng)成為高性能機(jī)械密封實(shí)現(xiàn)新突破的障礙之一。氣泡的產(chǎn)生和破裂對(duì)液膜壓力的分布、承載能力和穩(wěn)定性有很大影響。

04.空化和汽化的區(qū)別

空化是一種主要受局部壓力變化影響的物理現(xiàn)象。與液膜氣蝕不同，汽化是機(jī)械密封端面上的液膜由液相變?yōu)闅庀嗟默F(xiàn)象。它是沸騰和閃蒸共同作用的結(jié)果。

05、機(jī)械密封中汽蝕的形成過(guò)程：（宏觀汽蝕）

上圖為淺槽機(jī)械密封摩擦副端面示意圖。由于淺槽的開(kāi)口，密封端面形成會(huì)聚區(qū)和擴(kuò)散區(qū)。當(dāng)液體從平臺(tái)區(qū)流向槽區(qū)時(shí)，流道收斂，壓力升高；當(dāng)液體從平臺(tái)區(qū)流向槽區(qū)時(shí)，流道擴(kuò)大，出現(xiàn)低壓區(qū)。當(dāng)壓力下降到飽和蒸氣壓時(shí)，會(huì)發(fā)生局部液體汽化或溶解氣體的離解，從而引起空化甚至空化。

06.機(jī)械密封中汽蝕的形成過(guò)程：（微觀汽蝕）

由于機(jī)械密封間隙的流動(dòng)是微米級(jí)的，當(dāng)通道的特征尺寸與流體分子的平均自由形式有關(guān)，并且影響流動(dòng)的各種力的相對(duì)重要性發(fā)生變化時(shí)，連續(xù)統(tǒng)假設(shè)不再適用。此外，微通道的表面粗糙度在常規(guī)尺度中由于其影響小而常被忽視，但在微尺度流動(dòng)中具有不可忽略的影響。表面粗糙度常引起的微小擾動(dòng)會(huì)影響整個(gè)主流區(qū)的流動(dòng)，這也是機(jī)械密封微間隙液膜空化的主要原因。

上圖是用非接觸式光學(xué)輪廓儀測(cè)量摩擦副靜環(huán)表面得到的端面不規(guī)則表面粗糙度分布。密封面上的凹凸可以假定為準(zhǔn)圓柱形。當(dāng)液體流過(guò)密封端面時(shí)，在凹凸后面會(huì)形成一個(gè)低壓區(qū)，當(dāng)壓力低于飽和壓力時(shí)會(huì)發(fā)生表面空化。此外，微尺度流動(dòng)的尺度效應(yīng)、表面張力、流體粘度等也會(huì)對(duì)微空化產(chǎn)生影響。

07.端面液膜空化對(duì)密封性能的影響

機(jī)械密封端面的非接觸主要取決于液膜的靜壓效應(yīng)和動(dòng)壓效應(yīng)。相關(guān)研究表明，空化的存在使液膜不會(huì)因正負(fù)壓的抵消而失去承載能力。埃蒂森等人。認(rèn)為氣蝕是端面開(kāi)孔形成的重要原因。此外，由于液膜端面產(chǎn)生空化，可防止端面泄漏，減少端面摩擦，實(shí)現(xiàn)空化減阻。

但在高速條件下，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的氣蝕現(xiàn)象。當(dāng)氣蝕達(dá)到一定程度時(shí)，端面失去開(kāi)啟力，密封端面失去開(kāi)啟力，甚至密封面失效。并且隨著氣蝕的發(fā)展和瓦解，密封面上也會(huì)出現(xiàn)氣蝕，從而破壞密封面。

上圖為 Tsunenori 等人。使用表面光度儀觀察被空化損壞的石墨表面，發(fā)現(xiàn)空化增加了表面粗糙度。