01.液膜空化的原因

在高速運轉(zhuǎn)的機械密封端面之間，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

指在液體流場的低壓區(qū)形成蒸汽空化的過程。機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，液體中的氣體核被釋放出來形成氣泡，這就是氣相空化；當(dāng)液體本身部分汽化形成氣泡時，就是汽相空化。

03.液膜空化在機械密封中的應(yīng)用現(xiàn)狀

氣蝕對機械密封的摩擦性能（或潤滑性能）和使用壽命有重要影響。國內(nèi)外學(xué)者對機械密封的汽蝕現(xiàn)象進行了多年的實驗研究和理論探索，取得了有益的進展。然而，目前的機械密封理論分析計算和實際產(chǎn)品設(shè)計大多忽略了汽蝕現(xiàn)象。這種情況已經(jīng)成為高性能機械密封實現(xiàn)新突破的障礙之一。氣泡的產(chǎn)生和破裂對液膜壓力的分布、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、機械密封中汽蝕的形成過程：（宏觀汽蝕）

上圖為淺槽機械密封摩擦副端面示意圖。由于淺槽的開口，密封端面形成會聚區(qū)和擴散區(qū)。當(dāng)液體從平臺區(qū)流向槽區(qū)時，流道收斂，壓力升高；當(dāng)液體從平臺區(qū)流向槽區(qū)時，流道擴大，出現(xiàn)低壓區(qū)。當(dāng)壓力下降到飽和蒸氣壓時，會發(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.機械密封中汽蝕的形成過程：（微觀汽蝕）

由于機械密封間隙的流動是微米級的，當(dāng)通道的特征尺寸與流體分子的平均自由形式有關(guān)，并且影響流動的各種力的相對重要性發(fā)生變化時，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，但在微尺度流動中具有不可忽略的影響。表面粗糙度常引起的微小擾動會影響整個主流區(qū)的流動，這也是機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)液體流過密封端面時，在凹凸后面會形成一個低壓區(qū)，當(dāng)壓力低于飽和壓力時會發(fā)生表面空化。此外，微尺度流動的尺度效應(yīng)、表面張力、流體粘度等也會對微空化產(chǎn)生影響。

07.端面液膜空化對密封性能的影響

機械密封端面的非接觸主要取決于液膜的靜壓效應(yīng)和動壓效應(yīng)。相關(guān)研究表明，空化的存在使液膜不會因正負(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，實現(xiàn)空化減阻。

但在高速條件下，會出現(xiàn)嚴(yán)重的氣蝕現(xiàn)象。當(dāng)氣蝕達到一定程度時，端面失去開啟力，密封端面失去開啟力，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。