某增壓直噴發(fā)動機冷卻水泵氣蝕分析與優(yōu)化

余凱揚，張 帆

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州54500）

0 引言

發(fā)動機冷卻水泵作為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)重要的組成部分，其功能是對一定流量的冷卻液加壓，保證足量的冷卻液在冷卻系統(tǒng)中循環(huán)流動，帶走發(fā)動機中過多的熱量，保證發(fā)動機在正常的溫度下工作。設(shè)計有缺陷的或是不滿足當(dāng)前冷卻系統(tǒng)性能要求的水泵，會造成氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生，氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生會進一步導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)的惡化，對發(fā)動機造成不可逆的損害。針對一個具體的水泵氣蝕現(xiàn)象，分析可能導(dǎo)致其發(fā)生的原因，并做出優(yōu)化及驗證。

1 氣蝕產(chǎn)生的原理及危害

水泵的氣蝕是由水的汽化所引起的，所謂汽化就是水由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的過程。在一定的溫度下，液體開始汽化的臨界壓力，叫做該溫度下液體的汽化壓力[1]。水泵工作時，如果水泵內(nèi)某點壓力降低到工作溫度下的汽化壓力，水就開始汽化。此時水中所離析出的大量小汽泡中充滿了水蒸氣和少量的溶解于水中的氣體。當(dāng)汽泡隨水流進入葉輪流道高壓區(qū)時，因為汽泡內(nèi)是汽化壓力，而汽泡外面水流的壓力卻比較大，汽泡受壓破裂又重新凝結(jié)。在凝結(jié)過程中，水流質(zhì)點從四周以高速向汽泡中心沖去，產(chǎn)生強烈沖擊。試驗證明，產(chǎn)生的沖擊頻率每分鐘可達(dá)2-3萬次之多，并且集中作用在極微小的面積上，壓力可達(dá)到幾百個甚至幾千個大氣壓。在如此巨大的壓力頻繁作用下會使金屬表面逐漸因疲勞而破壞，這種現(xiàn)象便稱為氣蝕現(xiàn)象[2]。

水泵發(fā)生氣蝕時，由于汽泡破裂會產(chǎn)生噪音和振動，同時，水流中含有汽泡會占據(jù)一定的槽道面積導(dǎo)致水泵的揚程、功率和效率開始下降，不僅如此，氣蝕還會使泵的過流部件遭到氣蝕破壞，影響泵的壽命，嚴(yán)重時發(fā)生氣蝕的部位很快就成為蜂窩或海綿狀，直到大面積脫落而破壞，使水泵無法工作[3]?？偠灾?，氣蝕現(xiàn)象對于水泵的運行是十分有害的，應(yīng)該設(shè)法使水泵在運行中不發(fā)生氣蝕。

2 實例分析

某增壓直噴發(fā)動機冷卻水泵在BETA階段的發(fā)動機耐久實驗結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)水泵的葉輪及渦室有氣蝕的痕跡，如圖1所示。

圖1 故障水泵氣蝕位置

可以看到，水泵氣蝕發(fā)生的其中一個部位為葉輪的葉片根部，即流體壓力最低的位置，另外一處為葉輪與渦室距離最近的位置，即流體速度最大，壓力最低的位置，符合氣蝕發(fā)生的條件。

根據(jù)氣蝕發(fā)生的原理，將按照圖2故障分析樹中所示的潛在因素逐個排查，以此來得出此水泵發(fā)生氣蝕的根本原因。

圖2 水泵氣蝕分析樹

3 原因分析

3.1 發(fā)動機試驗臺架原因

3.1.1 臺架裝置氣蝕余量

此故障水泵搭載的發(fā)動機臺架常用于發(fā)動機耐久實驗，且搭載過類似水泵性能的發(fā)動機，試驗后也并未發(fā)現(xiàn)有氣蝕故障的產(chǎn)生，且兩只水泵的水泵氣蝕余量相差不大，所以排除是臺架造成的氣蝕故障。

3.1.2 冷卻管路中存在氣體

根據(jù)氣蝕發(fā)生的原因可知，如果實驗之前臺架沒有進行排氣工作，導(dǎo)致大量氣體進入水泵，也會產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。經(jīng)了解，臺架在實驗前進行了排氣操作，且將水泵進水管更換為透明管后，也觀察到水泵進水處僅有微小量的氣體存在，同樣排除此原因。

3.2 水泵自身原因

3.2.1 制造問題

因為此氣蝕現(xiàn)象出現(xiàn)在了所有新產(chǎn)品的水泵上，且新舊水泵的氣蝕余量相差不大，所以同樣排除是因為制造不穩(wěn)定導(dǎo)致水泵氣蝕產(chǎn)生的原因。

3.2.2 設(shè)計問題

綜合上述原因分析，此次水泵氣蝕現(xiàn)象的造成很大可能是因為設(shè)計問題所導(dǎo)致。針對水泵的氣蝕問題，從設(shè)計層面上，可以從水泵性能、水泵進水口流速及水泵CFD分析這三方面進行分析。

當(dāng)水泵的性能較低，不滿足冷卻系統(tǒng)壓力需求的情況下，水泵進水口壓力偏低，同樣會引起水泵氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)故障水泵的性能要求，在最高轉(zhuǎn)速的時候，水泵的揚程范圍在140-200 kPa之間，即中值為160 kPa.因為供應(yīng)商處的試驗臺架沒有整機廠的臺架復(fù)雜，導(dǎo)致供應(yīng)商在做水泵單體性能試驗時雖然測量值滿足了性能要求，但在發(fā)動機臺架上揚程表現(xiàn)偏低現(xiàn)象的發(fā)生。

對于水泵進水口流速的相關(guān)經(jīng)驗表明，當(dāng)水泵進水口流速≤3 m/s時，會對水泵的抗氣蝕能力有一定的幫助。故障水泵的進水口直徑為32 mm，根據(jù)公式（式中，V為水泵進水口流速m/s，Q為水泵進水流量m3/s），可計算得故障水泵的進水口流速為4.8 m/s，遠(yuǎn)高于設(shè)計經(jīng)驗值。

在分析了上述兩個較為明顯的原因后，再對故障水泵重新進行CFD分析，以確定氣蝕現(xiàn)象發(fā)生的根本原因。將水泵的額定流量Q=230 L/min，揚程H=160 kPa，進水口壓力 P=100 kPa，水溫（80±2）℃作為分析邊界，再對水泵流域及葉輪表面做網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 渦流室與葉輪流域網(wǎng)格劃分

將上述邊界條件輸入至水泵模型中進行CFD分析，直至計算收斂。分析結(jié)果如下，從圖4中可以看出故障水泵的渦流室出現(xiàn)旋渦現(xiàn)象，這些旋渦意味著水流在此流動呈現(xiàn)旋渦狀，這些旋渦會導(dǎo)致水流在經(jīng)過此處時流動不暢，反復(fù)沖擊渦室，同時也會造成水流壓力勢能的損失，是氣蝕發(fā)生的重要原因之一。

圖4 故障水泵渦室流線分析

圖5 則表明了葉輪表面的壓力分布，從圖中也可以看出葉輪表面壓力分布不均，最大處壓力值達(dá)到了430 kPa，而最小的壓力值卻為10 kPa，且最小壓力區(qū)域普遍存在于葉輪內(nèi)部，而且葉輪表面壓力在相鄰區(qū)域間存在巨大的壓差。此現(xiàn)象表明，在葉輪表面，水流會因為葉輪表面壓力相差過大，而產(chǎn)生回流現(xiàn)象，導(dǎo)致水流反復(fù)沖擊葉輪，且在葉輪表面壓力過低處，會造成水流在此處汽化形成氣泡，在到達(dá)高壓地區(qū)的時候，氣泡被壓力擠破，對葉輪產(chǎn)生強烈的沖擊，是造成葉輪氣蝕現(xiàn)象的重要原因。

圖5 故障水泵葉輪壓力云圖

圖6 是葉輪的空化比的分析結(jié)果，從圖中可以看出，葉輪根部有氣體體積分?jǐn)?shù)較大，達(dá)到了0.98，而抗氣蝕能力較強的水泵的空化比最大體積分?jǐn)?shù)應(yīng)為0.4以下。葉輪的氣體體積分?jǐn)?shù)較大，意味著此處的氣體產(chǎn)生及聚集的數(shù)量較大，同樣是產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象的重要原因之一。

圖6 故障水泵葉輪空化比分析

針對上述CFD分析結(jié)果，可以看出容易產(chǎn)生水泵氣蝕現(xiàn)象的部位為渦室的轉(zhuǎn)折處及葉輪的底部區(qū)域，與圖1中實際發(fā)生氣蝕現(xiàn)象的位置吻合，說明CFD分析結(jié)果具有較高的可信度。

4 優(yōu)化措施及結(jié)果

針對上述導(dǎo)致此次水泵氣蝕現(xiàn)象的原因，對水泵渦室進行了優(yōu)化設(shè)計并做了CFD分析，結(jié)果圖7.

圖7 優(yōu)化后水泵渦室流線分析

新狀態(tài)的水泵渦室按照漸開線的形式設(shè)計，擴大部分區(qū)域流通面積，并將渦室的部分轉(zhuǎn)向區(qū)域設(shè)計得較為緩和，如上圖8所示，渦室內(nèi)部流線平穩(wěn)，無旋渦產(chǎn)生，表明新的水泵在工作時水流順暢，即不易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。

圖8 優(yōu)化后水泵葉輪壓力云圖

新狀態(tài)的葉輪采用更為合理的切水角及葉輪結(jié)構(gòu)，可以看出葉輪表面壓力分布均勻，且壓力過渡平緩，葉輪表面最高壓力區(qū)域不超過300 kPa，最低壓力區(qū)域也相對較高，同樣有利于水流流暢，不易于氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。如圖9.

圖9 優(yōu)化后水泵葉輪空化比分析

同樣，優(yōu)化后的葉輪空化比也已經(jīng)降至0.49，接近理想的空化比區(qū)間，氣體在此處的產(chǎn)生及聚集的數(shù)量較小，增強了水泵抗氣蝕的能力。

在對水泵渦室進行優(yōu)化的同時，為了進一步預(yù)防氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生，優(yōu)化后的水泵性能還在原水泵性能最高點的基礎(chǔ)上提高了10%，并且擴大了水泵進水口直徑至40 mm，使進水口流速≤3 m/s.

最后，將上述優(yōu)化后的水泵樣件放入同一耐久實驗臺架中，經(jīng)過了整個耐久實驗后拆解，在水泵渦室及葉輪表面并未發(fā)現(xiàn)氣蝕的痕跡，表面水泵氣蝕現(xiàn)象的消除，即水泵耐久實驗驗證通過。

5 結(jié)語

本文針對某增壓直噴發(fā)動機水泵氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生原因進行了分析，在找出根本原因的過程中按照臺架裝置，水泵裝配及水泵設(shè)計的順序進行排查，最終確認(rèn)為水泵設(shè)計問題導(dǎo)致的氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生，并著重對水泵設(shè)計及CFD分析結(jié)果進行了詳細(xì)的闡述，找出了水泵氣蝕產(chǎn)生的重要因素，為今后類似問題提供了較好的思路及解決辦法。