泵的内漏

11月 23, 2020

什么是内漏

正如在正排量泵概述中所讨论的那样,无论出口压力如何,固定排量都只是理论上的。材料弯曲、内漏(”吹气”)、磨损和其他变量会导致不同程度的压力依赖性。下面我们就来看看内漏的细节。

Internal Leakage at Tips in a Gear Pump
标题. 齿轮泵尖端的内泄漏量

内部泄漏是由于泵组件中各部件之间的不完美配合造成的。无论两个组件之间的配合有多好,都会存在微观的缝隙,流体会通过这些缝隙流动。内部泄漏通常与流体的动态粘度呈线性关系,因此,低粘度流体的内部泄漏更为明显

内部泄漏并不总是要予以避免的齿轮泵轴承的润滑需要从高压区域流向低压区域,以建立正确的流体动力轴承。在一些泵中,内部泄漏被用来限制最大压力以防止系统过压。 

一些泵的设计通过使用符合要求的材料与干涉配合(即密封)来消除内漏。这些策略可以消除几乎所有的内漏。然而,它们引入了滑动磨损,从而产生其他问题。本文将不重点讨论滑动密封。

旋转式正排量泵

回转泵常见的两种内漏源是泵尖间隙和面间隙。并不是所有的泵都有这两种类型,例如叶片泵就没有尖端间隙,因为叶片是主动靠壁滑动的。旋转式正排量泵的内漏不仅降低了流量,而且降低了最大压力和填料能力。

泵尖间隙

齿轮、转子或叶尖处的间隙是内漏的重要来源。在没有压力的情况下,流体在尖端表面达到尖端速度,在腔壁达到零速度,两者之间呈线性分布。但当出口处有足够高的压力时,曲线的中间会发生倒转,导致部分流体向后流动。在阻塞的流动压力下(流速等于零),向前流动的流体体积等于向后流动的流体体积(忽略其他泄漏源)。

Gear Tip Fluid Flow
标题:齿轮尖的流体流量

标题:齿轮尖的流体流量

与其他形式的内漏不同,尖端间隙的建模极为复杂。实验数据和物理模型的考虑表明,泄漏机制是层流(取决于粘度)和流体惯性(取决于密度)的共同作用结果。数据表明,内漏在h²和h³之间存在依赖关系,其中h是径向间隙,与尖端长度的倒数呈线性关系。

内外齿轮泵、格罗托泵和叶泵的设计者可以采用三种方法来减少尖端泄漏的影响。

减少泵尖间隙。这样做需要高的、可重复的精度、优良的质量控制和使用因吸液、温差、残余应力和蠕变而产生最小变形的材料。这些考虑因素必须应用于齿轮、外壳、轴承和轴。

增加尖端间隙的长度。这样做是一种设计选择,因为权衡的结果是每转的体积减少。然而,内部泄漏量与许多情况下的75%成正比。

 

Tip Optimized for Displacement
根据排量优化的喷嘴
Tip Optimized for Low internal Leakage
烙鐵頭針對低內部洩漏進行了優化

为低内漏而优化的喷嘴

增加齿轮的齿数。就像增加齿尖的长度一样,拥有更多的齿导致每转的体积更小。更多的齿在靠近空腔的地方会产生更多的 “压力密封”,如下面流体动力学模拟的压力结果所示。增加齿的数量可以有更平滑的流动和减少噪音的额外优势。

Computational Fluid Dynamics Simulation of Gear Tip Leakage
标题 : 齿轮尖泄漏的计算流体动力学模拟 

表面清理

对许多旋式正排量,旋元件面的内漏是造成内漏的最大因素。这种类型隙比尖端隙更容易控制(公差堆的元件更少),但表面更大,流速与隙的立方成正比(h3)。面也缺乏多齿设计在泄露路径和轮齿齿尖高速上的优势。唯一的选择是提高零件的精度和质量,从而减少间隙。

Internal Leakage Across Gear Faces
标题 : 齿轮齿面的内部泄漏量

有些泵在壳体的各部件之间放置了 PTFE 垫圈。这些垫片对外部泄漏形成密封。然而,这些垫圈的厚度直接影响到面隙。随着时间和/或温度的变化,这些垫片的厚度可能会发生变化,从而改变泵的性能。

往复式正排量泵

往复式正排量泵是计量或分配精确数量的液体的理想选择。不足为奇的是,这些泵在两类正排量泵中的内泄漏量最小。然而,许多应用所要求的精度仍然使内泄漏成为泵设计和生产的一个重要考量。

止回阀

几乎所有往复式泵常见的内漏源是集成在进、出口处的止回阀。泵中的止回阀大多是隔膜式止回阀(1)或球式止回阀(不要与球阀混淆)(2)。进气口上的泄漏会导致进气口不慎产生不良的正压。出口处的泄漏会使液体从排放口稍稍向后拉。在这两种情况下,有效分配体积都会减少。

隔膜泵中的止回阀示例

隔膜止回阀使用柔性橡胶,定位在一个孔上,并在稳定状态下关闭。密封依靠膜片的无应力形状加上背压来防止回漏。不同形状的膜片止回阀包括自由浮动盘、挠性弹性体、鸭嘴形和伞形。当膜片随着时间的推移而弯曲,碎片干扰密封面,或流体中的磨料颗粒磨损密封或阀座表面时,就会发生背漏。

弹簧球阀通过在球体和阀座之间形成紧密配合来密封。通常阀座是锥形的,引导球体进入阀座,以获得高质量的密封。结构通常由硬质材料制成,以最大限度地延长使用寿命。然而,硬质材料缺乏必要的适应性,无法相互贴合从而导致流体泄漏的微观路径。

许多公司专门从事优质单向阀的设计和生产。材料、设计和制造方法都很成熟。但是,上述固有的特点是无法避免的。无阀柱塞泵提供了一个没有止回阀的设计,尽管它们有一个额外的内部泄漏源。

活塞间隙

活塞泵和无阀柱塞泵的活塞在气缸内滑动。直线度、尺寸、圆度和圆柱度的偏差导致流体可以流过的间隙。泄漏量与出口压力呈线性关系,并将从分配的体积中减去。

Internal Leakage in a Piston Pump
活塞泵的内部泄漏量

活塞与气缸之间的泄漏量,作为压力的函数为 ,其中。

P = 出口压力

µ = 动态粘度

D = 活塞直径

h = 径向间隙

L = 长度

通常情况下,泵设计者唯一可利用的变量是间隙。流量与h3成正比,因此高性能的柱塞泵需要非常小的间隙。为了说明这一点,下面显示了一个常见的水泵应用,其间隙从0到20µm不等。对于精密的应用,泄漏量必须明显小于所需排量的1%。

Piston Pump Internal Leakage as a Function of Clearence
活塞泵内部泄漏量与间隙的函数关系

活塞泵内部泄漏与间隙的关系

获得个位数微米(微米)的间隙并不简单。必须对形状、尺寸、表面光洁度、热膨胀和加工技术等变量进行密切评估。陶瓷材料的特性非常适合这种应用。

  • 低热膨胀

  • 能够进行精密研磨

  • 粒径小

  • 在广泛的流体范围内没有尺寸变化。

选择正确的材料只是解决方案的开始。其次,必须实施高度控制的精密加工和质量控制措施。这超越了典型的ISO 9001实践,需要在微观尺度上提供高质量的深入知识和经验。

总结

对于正排量泵来说,内部泄漏是一个不容忽视的现实,除非用户接受部件磨损来实现滑动密封。液压高效和可重复设计的关键是使用适当的材料、高精度加工、100%泵测试和严谨的质量保证过程。如果一个应用要求精确性、可重复性和可靠性,工程师与工程师之间的沟通是至关重要的,以避免在开发或生产周期中出现意外。

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