齿轮泵的重复性

回退泄漏(滑移)

旋转齿轮泵的一个重要性能特点是泵内部的动态密封。该动态密封允许在保持进口和出口之间明显隔离情况下,泵送部件能够移动。齿轮泵拥有三个动态密封区域:(A)轮齿边缘和型腔壁(型腔盘或“suction shoe”),(B)齿轮啮合及关闭处,(C)齿轮、泵体和端盖的接合面(见图1a)。

当所有部件被装配后,在齿轮旋转的任何部位均存在此类动态密封。然而,即使存在动态密封,也仍存在间隙,以便泵送部件的移动。此类间隙允许流体从泵的高压力出口一侧返回到低压力进口一侧,即:“回退泄漏”(见图2)。通常被称为“滑移”。在泵内的液体回流会导致泵的供流量(流出泵的流体数量)要小于理论流量(在泵实现100%功效情况下,流出泵的流体数量)。滑移是测定泵容积效率的主要因素(图1b)。

泵的效率/重复性

如上所述,我们可以推断出泵的滑移越少,则其运行效率越高(就容积而言)。很明显,泵的效率越高,其重复性或保持特定流量的效率也越高。然而,我们也谈到了齿轮泵具有特定密封区域,其致使少量的滑移发生。因此,在使用齿轮泵时,对滑移量的测定(及调整),至关重要。

现在你会想,“为什么我们不能实施合适的测试,以确定各泵的滑移量,并提供相关信息?”但问题是,齿轮泵中滑移量并非常数。在此,有几个影响因素会造成许多可能性,其均会影响既有泵的滑移量。不过,我们仍能通过某些方法,对此类因素进行探测和修正。首先,让我们观察在泵应用中,导致滑移发生变化的因素。

进出口压差

当进出口压差(进口和出口压力之差)增加时,滑移量增加。一般情况下,流体会寻找阻力最小的方向。最终,进出口压差越高,通过间隙回流的流体也就越多(如前所述),从而导致流量减少。见图3中的说明。当进出口压差增加时,应注意压力曲线图中的流量与压力比例(流量减少)。因此,可以看出,与其它效率更低的泵相比,正向位移泵就有更直的曲线(见图3)。

Micropump的‘suction -shoe’设计齿轮泵被加载压力,这意味着泵出口一侧的压差使得密封单元(suction shoe、齿轮和泵体)贴合更为紧密,从而使得这一类型的齿轮泵在更高的进出口压差下效率更高(滑移较少)。

因此,在应用中,如果泵受到的进出口压差不同,则滑移也会不同。在此,需要做出调整,以确保重复性。

流体特性

1. 粘性/流体剪切力: 粘性更高的流体会减少滑移量,原因很简单,流体越粘稠,则在泵渗漏通道间隙内的通过性也就越差。较多的粘性流体在实际上会对渗漏通道形成密封,并减少滑移量。流体,比如水和油,在条件发生变化时,会保持粘度(切变速率)。此类流体被称为牛顿流体。另一方面,比如像番茄酱这类流体(非牛顿流体)在条件发生变化时,粘度会发生改变。在此,流体切变速率的变化会导致泵的滑移有所不同,从而变得较难判断,并可能会降低泵的重复性。

2. 混合相流体: 泵送混合相(流体/气体)流体会降低泵的重复性。混合相的混合流会采用均匀混合物、分离的气/液流或活塞流等形式存在。如果混合物为单项或分离的,滑移保持一致性,并在一定程度上可以预测,但如果流量为活塞型(泵送型腔内的分离形式的气体和液体脉冲量),滑移值会变高并发生变化。在此条件下,最难获得泵的重复性!

总之,当进出口压差和流体条件发生变化时,滑移也会发生变化。最终,使得泵性能与流量变得无法预测。在此,可通过监控泵的性能,并按要求进行调整,从而采取补救措施。在此,根据最适合您应用的方法,有几种方式可供选择。

设计和制造

设计公差和生产能力在制造高效旋转泵方面一直起着重要作用。Micropump将具有紧密公差的齿轮和型腔材料组合在一起,使得泵具有更小的间隙。最终,可提升泵的效能,而同时将滑移减至最小。

当泵被使用时,泵滑移最终会增加。这是由于与关键密封面积有关的泵部件正常磨损所引起的,见图1说明。

虽然我们部件做到最小公差,但即使是同一种部件,各部件公差仍会略有不同(±公差)。将泵内的所有部件组装在一起,产生不同的装配公差,从而使得泵的每转流量也稍有不同。最终,使得相同转速的两个泵,产生不同的输出(见图4);然而,无论输出如何,其将具有持续性和重复性。同时,可改变泵转速,以实现预期性能。注意右边的假设的例子:2号泵在210转时,会持续输出100cc,而1号泵获得相同的输出时,转速为200转。

流体传感装置(闭环)

流体传感装置是监控泵性能的最佳设备。您可以在流道中安装一个传感装置,从而向泵驱动器发出反馈。随后,可采用电子方式调整驱动器,以增加或减少泵转速。传感装置可检测如下流体特性:流量、传导率、含酸量、粘性、泵送流体的质量流量和流体温度。选择正确的控制系统是保持恒定流量与补偿滑移的重要举措。

外部旁路回路

这是控制过剩流量的简单的机械方法。旁路回路被安装在泵出口下游的系统管路中。该旁路会将总流量中的一小部分流量从出口转移到储存器内(见图5)。在此,可采用控制阀或其它类似装置对转移的流量进行改变。在某些应用中,这是实现恒定输出的有效而又经济的方式。

电机转速

可通过调整电机转速,对齿轮泵的正向位移性能进行控制。在此,可采用电子反馈回路,比如转速表传感器或解码器(开环)保持恒定的电机转速,并提供可预测的流量。如前所述,可使用传感装置发送电子信号,以提高或降低电机转速。直流电机可提供恒定转速,并且调节方便,以补偿磨损。此外,当需要时,可使用配备变速器的交流电机,进行转速控制。

高转速=低滑移比例

关于泵滑移的最后说明:高转速操作按总流量比例,降低滑移量。最终,所选择的泵可在最大转速下输出需要的流量,从而减少滑移及其影响。

流量重复性

对系统、运行条件、流体参数和合适的电机控制进行评估,从而减小和/或补偿滑移时,可以实现流量重复性。


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