泵内泄漏

2020年11月23日

什么是内部泄漏

正如容积泵概述中所述,无论出口压力如何,固定排量仅为理论值。材料弯曲、内部泄漏(“窜气”)、磨损和其他变量会导致不同程度的压力依赖性。在这里,我们将了解内部泄漏的细节。

齿轮泵尖端的内部泄漏
齿轮泵尖端的内部泄漏

内部泄漏是由于泵总成中部件之间的配合不完美造成的。无论这两个组分彼此的符合程度如何,都会存在微观间隙,流体将通过它们。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,内部泄漏变得更加明显。

内部泄漏并非总是不需要的。润滑齿轮泵轴承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。在某些泵中,内部泄漏用于限制最大压力,以防止系统超压。

一些泵设计通过使用具有过盈配合的兼容材料(即密封件)消除内部泄漏。这些策略可以消除几乎所有的内部泄漏。但是,它们会导致滑动磨损,从而产生其他问题。本文将不关注滑动密封件。

旋转式容积泵

旋转泵内部泄漏的两个常见来源是叶尖间隙和端面间隙。并非所有泵都有这两种类型,例如,叶片泵没有叶尖间隙,因为叶片主动地靠着壁滑动。旋转正排量泵的内部泄漏不仅降低了流量,还降低了最大压力和充注能力。

叶尖间隙

齿轮、转子或凸轮尖端的间隙是内部泄漏的重要来源。在没有压力的情况下,流体在尖端表面达到尖端速度,在空腔壁达到零速度,两者之间呈线性分布。但是,当出口具有足够高的压力时,曲线的中间可能会反转,导致一些流体向后流动。在阻塞流压力下(流速等于零),向前移动的流体体积等于向后移动的流体体积(忽略其他泄漏源)。

齿顶流体流动
齿顶流体流动

齿顶流体流动

与其他形式的内部泄漏不同,叶尖间隙的建模极其复杂。考虑到实验数据和物理模型,泄漏机制是层流(取决于粘度)和流体惯性(取决于密度)的混合。数据表明,h²和h³之间存在内部泄漏相关性,其中h是径向间隙,与叶尖长度的倒数成线性关系。

内部和外部系统的设计者可以使用三种方法外齿轮泵,摆线泵和凸轮泵,以减少尖端泄漏的影响:

减小叶尖间隙。这样做需要高的、可重复的精度、良好的质量控制和使用因流体吸收、温差、残余应力和蠕变而产生最小变形的材料。这些注意事项必须适用于齿轮、壳体、轴承和轴。
增加叶尖间隙的长度。这样做是一种设计选择,因为折衷是减少每转的体积。然而,在许多情况下,内部泄漏与之成比例,并且可以减少75%。

针对位移优化的叶尖
针对位移优化的叶尖
尖端经过优化以降低内部泄漏
尖端经过优化以降低内部泄漏

尖端优化用于置换尖端优化用于低内部泄漏

增加齿轮上的齿数。与增加尖端长度一样,齿数越多,每转体积越小。如下面流体动力学模拟的压力结果所示,腔附近的更多齿会产生更多的“压力密封”。增加齿数可以增加更平滑的流动和降低噪音的优势。

齿轮齿尖泄漏的计算流体力学模拟
齿轮齿尖泄漏的计算流体力学模拟

端面间隙

旋转元件表面的内部泄漏是许多旋转正排量泵内部泄漏的最大原因。该方向上的间隙比叶尖间隙(公差叠加中的组件更少)更容易控制,但表面积更大,流速与间隙的立方(h3)成比例。流经端面的流量也缺乏沿泄漏路径的多个齿以及齿轮齿尖处的高前进速度的优势。减少端面泄漏的唯一选择是提高部件的精度和质量,以便减小间隙。

齿轮表面的内部泄漏
齿轮表面的内部泄漏

一些泵将PTFE垫片放置在壳体的各个部分之间。这些垫圈形成了防止外部泄漏的密封。然而,这些垫片的厚度直接影响端面间隙。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。

往复式容积泵

往复式容积泵是计量或分配精确数量液体的理想选择。毫不奇怪,在两类容积式泵中,这些泵的内部泄漏最少。然而,许多应用所需的精度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

几乎所有往复泵常见的内部泄漏源是集成在入口和出口的止回阀。泵中的大多数止回阀是隔膜止回阀(1)或球阀(不要与球阀混淆)(2)。入口泄漏可能导致入口意外正压。出口泄漏会将液体从排放口稍微向后拉。在任何一种情况下,有效分配量都将减少。

隔膜泵中的止回阀示例

隔膜止回阀使用柔性橡胶,位于孔上方,在稳定状态下关闭。密封依赖于膜片的无应力形状和背压,以防止背压泄漏。不同形状的隔膜止回阀包括自由浮动阀瓣、弹性体、鸭嘴和伞。随着时间的推移,隔膜弯曲,碎屑干扰密封面,或流体中的磨粒磨损密封或阀座表面,可能会发生回泄漏。

弹簧加载球阀通过在阀球和阀座之间形成紧密配合进行密封。阀座通常为圆锥形,将阀球导入阀座,以实现优质密封。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,刚性材料缺乏相互符合所需的柔度,导致流体通过微观路径泄漏。

许多公司专门从事优质止回阀的设计和生产。材料、设计和制造方法都很成熟。然而,上述固有特征无法避免。ld乐动 提供无止回阀的设计,尽管它们有额外的内部泄漏源。

活塞间隙

活塞泵和无阀活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会导致流体可以流过的间隙。泄漏量与出口压力呈线性关系,并将从分配体积中减去。

活塞泵的内部泄漏
活塞泵的内部泄漏

作为压力的函数,活塞和气缸之间的泄漏为,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,泵设计人员可用的唯一变量是间隙。流量与h3成比例,因此高性能活塞泵需要非常紧密的间隙。为了说明这一点,下面显示了一种常见的水泵应用,其间隙从0到20µm不等。对于精密应用,泄漏必须明显小于所需位移的1%。

活塞泵内部泄漏与间隙有关
活塞泵内部泄漏与间隙有关

作为间隙函数的活塞泵内部泄漏

获得一位数千分尺(微米)的间隙并不简单。必须仔细评估形状、尺寸、表面光洁度、热膨胀和加工技术等变量。陶瓷材料具有完全适合此应用的特性:

  • 低热膨胀
  • 精确接地的能力
  • 小颗粒
  • 无尺寸变化,适用于各种流体

选择正确的材料只是解决问题的开始。其次,必须实施高度控制的精密加工和质量控制实践。这超出了典型的ISO 9001实践,需要在微观层面上提供高质量产品的深入知识和经验。

总结

对于容积式泵,内部泄漏是一个不容忽视的事实,除非用户接受用作滑动密封件的寿命有限的磨损部件。液压高效和可重复设计的关键是使用合适的材料、高精度加工、100%泵测试和严格的质量保证流程。如果应用程序需要准确性、可重复性和可靠性,那么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至关重要。

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