回电

有什么能为您效劳的吗?我们会尽快回电,当然免费!

内部泄露

什么是内部泄露


如在容积泵的概述中所讨论的,不受出口压力影响的恒定排量仅存在于理论中。材料弯曲、内部泄露(“漏气”)、磨损以及其它变量都会导致压力依存性变化。现在我们来详细探讨有关内部泄露的问题。

齿轮泵顶端的内部泄漏

由于泵机组内各组件之间的不良配合而引起的内部泄露。不管两个组件的相互配合程度有多好,都会存在微小的缝隙,而流体则会从这些缝隙中流过。内部泄漏通常与流体的动态粘度呈线性关系,因此,对于低粘度流体,内部泄漏会更加明显。

内部泄露并非总是不利的。齿轮泵轴承的润滑需要有从高压区流向低压区的流体,以建立正确的流体动力轴承。一些泵通过内部泄漏来限制最大压力,防止系统超压。

还有些泵则通过设计,使用过盈配合的柔性材料(如密封件)来消除内部泄漏。这种方法几乎可以消除所有的内部泄漏。然而,该方法会产生滑动磨损,从而引发其它问题。滑动密封件不是本文的关注重点。


回转容积泵


回转泵产生内部泄露的两个常见原因为顶端间隙和端面间隙。并非所有泵都同时具有这两个原因,例如,叶片泵不会产生顶端间隙,因为其叶片主动抵壁滑动。回转容积泵的内部泄露不仅会降低流量,还会降低最大压力以及起动能力。


顶端间隙

齿轮、转子或叶形元件顶端的间隙是内部泄漏的重要原因。在没有压力的情况下,流体在顶端表面达到顶端速度,在腔壁达到零速度,并在两者之间呈线性分布。但是,当出口的压力足够高时,曲线的中间可能会反转,导致一些流体回流。在阻塞的流动压力下(流量等于零),向前移动的流体量等于回流的流体量(忽略其他泄漏源)。 

齿轮顶端流体流量

不同于其它形式的内部泄露,顶端间隙的建模非常复杂。对实验数据和物理模型的分析表明,其泄漏机理为层流(取决于粘度)和流体惯性(取决于密度)的混合。该数据显示的是内部泄漏在 h2 和 h3 之间的依赖性,其中 h 是径向间隙,并且与顶端长度的倒数成线性关系。

内啮合和外啮合齿轮泵、盖劳特泵 (Gerotor)以及罗茨泵的设计者可使用以下三种方法降低顶端泄露的影响:

  1. 减少顶端间隙。这样做需要较高的、可重复的精度、出色的质量控制以及使用变形度最小的材料(所述变形由流体吸收、温度差、残余应力和蠕变引起)。在齿轮、壳体、轴承和轴的设计中必须对这些注意事项加以考虑。
  2. 增加顶端间隙的长度。这样做是一种在设计上的选择,而折衷点是降低每转的容积。然而,内部泄漏与  成比例,在许多情况下可以达到 75%。

     
    针对排量进行了优化的顶端   针对低内部泄露进行了优化的顶端


  3. 增加齿轮的齿数。就像增加顶端的长度一样,拥有更多的齿会使得每转的容积减小。流体动力学模拟的压力结果显示,更多的齿紧贴腔部,会形成更多的“压力密封”。增加齿数可带来流动更顺畅和噪音减少等优势。

齿轮顶端泄露的计算流体动力学模拟

端面间隙

旋转元件端面上的内部泄漏是许多回转容积泵内部泄漏的最大原因。此方向上的间隙比顶端间隙容易控制(公差叠加的组件较少),但是表面积更大,流量与缝隙的立方 (h3) 成比例。跨端面的流动还无法通过沿泄漏路径的多个齿以及齿轮齿顶端较高的前行速度获得改善。降低端面泄露的唯一选择是提高组件的精度和质量,以减小间隙。

齿轮端面内部泄露

一些泵在壳体部分之间放置 PTFE 垫圈。这些垫圈形成密封以防止外部泄漏。但是,这些垫圈的厚度直接影响到端面间隙。随着时间和/或温度的变化,这些垫圈的厚度可能会发生改变,这可能会影响泵的性能。


往复式容积泵


往复式容积泵是计量或分配精确液体量的理想选择。不足为奇的是,往复式泵在两类容积泵中发生的内部泄漏最少。但是,许多应用对精密度的要求仍然使内部泄漏成为泵设计和生产的一个重要方面。


止回阀

对于几乎所有往复泵来说,常见的内部泄漏源是集成在入口和出口中的止回阀。泵中的大多数止回阀是隔膜止回阀 (1) 或球形止回阀(不要与球阀混淆)(2)。入口处泄漏可导致意外产生吸入正压。出口处泄露可导致液体从排出口轻微向后回吸。无论哪种情况,都会减少有效分配量。

隔膜泵中的止回阀示例

隔膜止回阀使用柔性橡胶,其位于孔上方并在稳定状态下关闭。隔膜的无应力形状和背压一起完成密封以防止反向泄漏。隔膜止回阀有多种形状,包括自由浮动的圆盘形、可弯曲的弹性体、鸭嘴形以及伞形。当隔膜随时间变弯曲、碎屑干扰密封表面或流体中的摩擦性颗粒磨损密封件或阀座表面时,可能会发生反向泄漏。

弹簧球形止回阀通过在球和阀座之间形成紧密配合来进行密封。通常,阀座为圆锥形,可将球引导到阀座中以实现高质量密封。该结构通常由硬质材料制成,目的是最大限度地延长使用寿命。然而,硬性材料缺乏彼此相容所需的柔韧性,会产生微小的流体泄漏路径。

许多公司专门从事高质量止回阀的设计和生产。材料、设计和制造方法均已相当完善。但是,上面概述的固有特性无法避免。无阀活塞泵提供了无止回阀的设计,然而它存在其它的内部泄漏源。


活塞间隙

活塞泵以及无阀活塞泵具有在缸内滑动的活塞。直线度、尺寸、圆度和圆柱度的偏差会形成流体可以流过的间隙。泄漏量与出口压力成线性关系,并将从分配量中减去。

活塞泵的内部泄露

活塞和缸之间的泄漏是与压力相关的函数 , 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,泵设计人员可用的唯一变量是间隙。流量与 h3 成比列,因此高性能活塞泵需要非常紧密的间隙。为了说明这一点,下图以常见的水泵为例,其间隙从 0 到 20μm 不等。对于精密应用,泄漏量必须远远低于所需排量的 1%。

活塞泵内部泄漏与间隙的关系

获得个位数微米的间隙并不简单。必须仔细评估诸如形状、尺寸、表面处理、热膨胀和加工技术等变量。陶瓷材料具有完美适合此应用的特性:

  • 热膨胀系数低
  • 能够精确打磨
  • 颗粒尺寸小
  • 流体范围广却不会发生尺寸变化

选择正确的材料只是解决方案的开始。接下来必须实施高度受控的精密加工和质量控制实践。这高于典型的 ISO 9001 规范,需要有能够在微观尺度上交付高质量产品的深厚知识和经验。


总结


对于容积泵,内部泄漏是一个不容忽视的现实,除非用户接受使用寿命短的磨损组件作为滑动密封件。液压高效且可重复设计的关键是使用适当的材料、高精度的加工、100% 的泵测试以及严格的质量保证流程。如果应用要求准确性、可重复性和可靠性,则工程师与工程师之间的沟通对于避免在开发或生产周期中出现意外将是至关重要的。