关于机械密封中液膜的气蚀

01.液膜空化的原因

在高速运转的机械密封端面之间，密封端面的微造型和变形导致流道的收缩和膨胀，容易在微间隙液膜中造成气蚀。

02.液膜空化的定义

指在液体流场的低压区形成蒸汽空化的过程。机械密封中的气蚀包括气相气蚀和气相气蚀。有宏观空化和微观空化。当密封面上液膜的局部压力下降到饱和蒸气压时，液体中的气体核被释放出来形成气泡，这就是气相空化；当液体本身部分汽化形成气泡时，就是汽相空化。

03.液膜空化在机械密封中的应用现状

气蚀对机械密封的摩擦性能（或润滑性能）和使用寿命有重要影响。国内外学者对机械密封的汽蚀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。然而，目前的机械密封理论分析计算和实际产品设计大多忽略了汽蚀现象。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。气泡的产生和破裂对液膜压力的分布、承载能力和稳定性有很大影响。

04.空化和汽化的区别

空化是一种主要受局部压力变化影响的物理现象。与液膜气蚀不同，汽化是机械密封端面上的液膜由液相变为气相的现象。它是沸腾和闪蒸共同作用的结果。

05、机械密封中汽蚀的形成过程：（宏观汽蚀）

上图为浅槽机械密封摩擦副端面示意图。由于浅槽的开口，密封端面形成会聚区和扩散区。当液体从平台区流向槽区时，流道收敛，压力升高；当液体从平台区流向槽区时，流道扩大，出现低压区。当压力下降到饱和蒸气压时，会发生局部液体汽化或溶解气体的离解，从而引起空化甚至空化。

06.机械密封中汽蚀的形成过程：（微观汽蚀）

由于机械密封间隙的流动是微米级的，当通道的特征尺寸与流体分子的平均自由形式有关，并且影响流动的各种力的相对重要性发生变化时，连续统假设不再适用。此外，微通道的表面粗糙度在常规尺度中由于其影响小而常被忽视，但在微尺度流动中具有不可忽略的影响。表面粗糙度常引起的微小扰动会影响整个主流区的流动，这也是机械密封微间隙液膜空化的主要原因。

上图是用非接触式光学轮廓仪测量摩擦副静环表面得到的端面不规则表面粗糙度分布。密封面上的凹凸可以假定为准圆柱形。当液体流过密封端面时，在凹凸后面会形成一个低压区，当压力低于饱和压力时会发生表面空化。此外，微尺度流动的尺度效应、表面张力、流体粘度等也会对微空化产生影响。

07.端面液膜空化对密封性能的影响

机械密封端面的非接触主要取决于液膜的静压效应和动压效应。相关研究表明，空化的存在使液膜不会因正负压的抵消而失去承载能力。埃蒂森等人。认为气蚀是端面开孔形成的重要原因。此外，由于液膜端面产生空化，可防止端面泄漏，减少端面摩擦，实现空化减阻。

但在高速条件下，会出现严重的气蚀现象。当气蚀达到一定程度时，端面失去开启力，密封端面失去开启力，甚至密封面失效。并且随着气蚀的发展和瓦解，密封面上也会出现气蚀，从而破坏密封面。

上图为 Tsunenori 等人。使用表面光度仪观察被空化损坏的石墨表面，发现空化增加了表面粗糙度。