內(nèi)燃機冷卻水泵汽蝕評價方法的研究

1 前言

內(nèi)燃機是國民經(jīng)濟中工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、國防等各個領(lǐng)域采用最廣泛的動力裝置。內(nèi)燃機冷卻水泵作為冷卻系統(tǒng)的核心零部件，其可靠性直接決定了整機運行可靠性內(nèi)。隨著內(nèi)燃機輕量化要求的日益提高，鑄鋁合金冷卻水泵逐漸被推廣使用，汽蝕問題一直是鑄鋁合金水泵推廣應(yīng)用的重要瓶頸，特別是在重型商用柴油機上，鑄鋁合金水泵汽蝕對內(nèi)燃機的正常運行和工作造成極大的危害，嚴(yán)重時會造成整機無法運行。文獻[1]指出，對內(nèi)燃機冷卻水泵汽蝕性能的評價主要沿用傳統(tǒng)的臨界汽蝕余量NPSHc指標(biāo)進行評價，即當(dāng)裝置汽蝕余量NPSHa ≥(1.1～1.5)NPSHc，認(rèn)為水泵運行在“汽蝕安全區(qū)域”。NPSHc通過零部件汽蝕試驗(試驗水泵轉(zhuǎn)速、流量保持不變，調(diào)整試驗裝置汽蝕余量NPSHt，獲取揚程變化曲線)測得，通常將揚程下降3%的點對應(yīng)的試驗汽蝕余量定為臨界汽蝕余量。

近幾年產(chǎn)品開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，即使鑄鋁合金水泵的汽蝕安全系數(shù)達到2.7(定義汽蝕安全系數(shù)α=NPSHa÷NPSHc)，也無法避免汽蝕故障的發(fā)生。無獨有偶，文獻[2]列舉了日本在上世紀(jì)70年代至90年代，在汽蝕安全區(qū)域運行的水泵出現(xiàn)45起水泵汽蝕故障，說明用傳統(tǒng)的臨界汽蝕余量法評價水泵汽蝕性能的準(zhǔn)確性受其它不確定因素的影響。

檢察機關(guān)提起公益訴訟制度，是黨中央部署的重大改革任務(wù)。2015年7月，全國人大常委會授權(quán)江蘇等13個省市開展檢察機關(guān)提起公益訴訟試點工作。三年多來，江蘇檢察機關(guān)在公益訴訟道路上“破冰”前行，探索司法保護公益的“江蘇樣本”。共辦理訴前程序案件6664件、提起公益訴訟329件，分別占全國案件總數(shù)的15.7%和17.3%，提起訴訟數(shù)位居全國第一。其中，提起生態(tài)環(huán)境和資源保護公益訴訟案件173件，督促清理固體廢物29萬余噸，索賠環(huán)境資源損害賠償金等費用5.8億余元，促進解決了一批群眾反映強烈的環(huán)境問題。

文獻[3]指出, Harvey提出了“汽蝕核子”的假設(shè)，并被后人用全息照相的光學(xué)方法測得了汽蝕核子的存在。汽蝕的發(fā)生取決于液體中汽蝕核子的大小和數(shù)量,因此,液體可以在不同的壓力下開始斷裂,所以不存在使汽蝕發(fā)生的明確壓力。即當(dāng)液體中的汽蝕核子的數(shù)量、大小達到某一條件時，液體壓力大于飽和蒸汽壓的情況下也可以發(fā)生汽蝕。

為了找出水泵汽蝕的原因，筆者按照“汽蝕核子”理論排查分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)生汽蝕破壞的水泵與其它無汽蝕破壞的水泵相比，冷卻液清潔度、冷卻液牌號并沒有差異，因此推論該水泵汽蝕問題非“汽蝕核子”過多導(dǎo)致。進一步，筆者借助流體仿真軟件對問題水泵與臨界汽蝕余量相近的無汽蝕問題水泵(下文2#水泵)進行空化仿真分析，通過分析空化仿真結(jié)果找出問題水泵汽蝕的根本原因，并針對原因制定改進方案。最終通過零部件耐久試驗驗證分析結(jié)論。

2 水泵結(jié)構(gòu)及性能對標(biāo)分析

對標(biāo)無汽蝕水泵(2#水泵)，分析汽蝕水泵(1#水泵)參數(shù)及結(jié)構(gòu)。具體性能參數(shù)見表1，1#水泵與2#水泵材料相同(鑄鋁合金泵體，塑料葉輪)，葉輪平面投影圖見圖1，葉輪幾何參數(shù)見表2。

2.1 葉片型線

從葉輪葉片型線分析，1#水泵葉片為圓柱形雙向彎曲型線(呈 S形)，葉片間流道中間發(fā)生轉(zhuǎn)折，加劇葉片流道內(nèi)湍流強度，另一方面，S形葉形導(dǎo)致葉片間流道變短且擴算角度變大，最終加劇壓力損失及壓力波動，對葉片間流道空化的發(fā)展及氣泡潰滅起到促作用；2#水泵葉片為圓柱形單向彎曲型線，不存在此問題，抗汽蝕性能優(yōu)于1#水泵。

2.2 葉輪進口折引直徑

本文模型計算共須設(shè)定以下四個邊界條件：

(1)

=4

5～5

5時，可得到具有抗汽蝕性能較高、效率較低的葉輪。

景區(qū)的發(fā)展與進步，人才要素更為突出，當(dāng)?shù)氐母叩仍盒２]有開設(shè)旅游管理的相關(guān)課程，在一定程度上失去了當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)旅游區(qū)的依托。而大部分的本地人因為熟悉景區(qū)從事了景區(qū)工作人員這一職業(yè)，在一定程度上使得員工的文化素質(zhì)偏低，提供給景區(qū)進行改善的建設(shè)性意見也相對較少。

=3

5～4

0時，可得到具有抗汽蝕性能較低、效率較高的葉輪。

式中

、

、

釋義參見表1及表2。

設(shè)置求解模塊Centrifugal(離心泵模塊)、Turbulence(湍流模塊)、Cavitation(空化模塊)； Centrifugal參數(shù)設(shè)定：求解方式為穩(wěn)態(tài)，參照表1及表2設(shè)定轉(zhuǎn)速、葉輪葉片數(shù)，設(shè)定旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)及旋轉(zhuǎn)軸線向量。Turbulence及Cavitation無需設(shè)置。

帶入表1及表2相關(guān)參數(shù)，計算得1#水泵

值為4

66，2#水泵

值為4

63，從

系數(shù)分析二者抗汽蝕性能相當(dāng), 1#水泵略優(yōu)。

整個項目制作以學(xué)生為主體創(chuàng)客導(dǎo)師為指導(dǎo)完成，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)調(diào)研，提出問題，對項目既定目標(biāo)、跨學(xué)科知識點、小組成員專業(yè)特征做整體分析，最終提出解決方案，將課內(nèi)外知識點進行有機結(jié)合，提升實踐能力。不同專業(yè)學(xué)生組成的小組可以讓學(xué)生知識面得到拓展，提升溝通協(xié)作共享能力。完成項目過程中實現(xiàn)跨學(xué)科知識內(nèi)容分析、探討、學(xué)習(xí)，學(xué)生完成項目過程中不可避免遇到自己專業(yè)以外的知識點，從而激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)欲望，培養(yǎng)勇于探索、克服苦難的精神。 項目結(jié)束后由創(chuàng)客工坊中創(chuàng)客導(dǎo)師將各小組項目進行資源匯總，匯總后的項目資源傳到創(chuàng)客云平臺中供學(xué)生學(xué)習(xí)使用。

最后，我記得這本書的扉頁上寫著這樣一句話：《大教學(xué)論》它闡明把一切事物教給一切人們的全部藝術(shù)。這是一種教起來準(zhǔn)有把握，因而準(zhǔn)有結(jié)果的藝術(shù)；并且它又是一種教起來使人感到愉快的藝術(shù)，就是說，它不會使教員感到煩惱，使學(xué)生感到厭惡，它能使教員和學(xué)生全都得到最大的快樂；此外，它又是一種教得徹底、不膚淺、不鋪張，卻能使人獲得真實的知識、高尚的情誼和最深刻的虔信的藝術(shù)。

2.3 葉片進口邊位置

出口條件：采用Outlet控制，參照表1設(shè)定出口流量(按照m

/s換算)；

2.2 妊娠期各類型UI所占的比例與嚴(yán)重程度情況本次調(diào)查顯示，UI的患病率為36.9%（382/1 036），其中SUI患病率為27.6%，UUI的患病率為4.2%，MUI的患病率為3.7%，其他類型UI的患病率為1.4%。各類型UI構(gòu)成比依次為SUI 74.9%（286/382）、UUI 11.5%、MUI 9.9%、OUI 3.7%?；糢I孕婦中，主要以輕、中度UI為主，輕度UI 216人，占56.5%（216/382），中度UI 147人，占38.5%。

2.4 臨界汽蝕余量

參照文獻[5]，3%揚程下降點作為水泵的臨界汽蝕余量點，測量1#水泵與2#水泵的臨界汽蝕余量NPSHc，分別為3.1m及3.2m，見圖3。從NPSHc分析，1#水泵抗汽蝕性能與2#水泵汽蝕性能相當(dāng)，1#水泵略優(yōu)，這與水泵實際運行情況(1#水泵發(fā)生汽蝕破壞，2#水封無汽蝕破壞)矛盾。

3 仿真分析

PumpLinx是美國Simerics公司專門為各類泵的水力模擬計算開發(fā)的CFD軟件，其核心部分是一個功能強大的CFD求解器，能夠求解可壓縮及不可壓縮流體流動，在此基礎(chǔ)上，PumpLinx提供多種泵的專用模塊用于泵的求解計算，本文采用PumpLinx對水泵進行仿真分析。

3.1 模型建立及流體域網(wǎng)格劃分

運用三維建模軟件提取1#水泵與2#水泵流體域，如圖4所示；運用流體仿真軟件對1#水泵及2#水泵流體域進行網(wǎng)格劃分和邊界設(shè)定，如圖5所示。

3.2 仿真模塊設(shè)定

超導(dǎo)磁場儲能技術(shù)型儲能磁質(zhì)下的損耗基于工作方式的轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變,在微網(wǎng)系統(tǒng)常規(guī)運轉(zhuǎn)下,磁質(zhì)則可持續(xù)保持能量,而交流側(cè)則變換,并由此產(chǎn)生諧波[9],渦流損耗常出現(xiàn)在超導(dǎo)接頭部分,并主要針對導(dǎo)線自身所產(chǎn)生的損耗。超導(dǎo)磁場儲能線圈如圖4 所示。

3.3 求解邊界條件設(shè)定

離心泵設(shè)計理論

中提到，葉輪進口折引直徑對水泵汽蝕性能的影響通過k

系數(shù)進行評價：

圍繞主題遣詞造句，積章成篇是保證文章言之有物的前提。在表現(xiàn)主題的過程中，作者抒發(fā)感情，則是通過文辭的抑揚婉轉(zhuǎn)所形成的節(jié)奏和韻律來實現(xiàn)的。要體悟作者在詩文中蘊含的情感，就要理解詩文外在的體例以及內(nèi)在的節(jié)奏和韻律。劉彥和以時代為線索，將二言到七言詩歌進行了詳細(xì)的梳理，得出了由于情勢趨向于復(fù)雜，表達要求得更周詳。隨著時代的發(fā)展，復(fù)雜長句的運用逐漸代替簡單斷句的結(jié)論。

工作介質(zhì)：動力粘度設(shè)定為0.00712Pa·s，密度設(shè)定為1011.9kg/m

，飽和蒸氣壓設(shè)定為61880Pa，工作溫度設(shè)定為368K，氣體含量設(shè)定為0.009%；

=4

0～4

5時，可得到抗汽蝕性能、效率適中的葉輪。

葉輪壁面條件：葉輪內(nèi)部壁面(葉片流道壁面)設(shè)置為Rotor控制，與葉輪外部壁面(背部及頂部壁面)設(shè)置為Rotoring Wall 控制。

很多時候?qū)W生答題出現(xiàn)錯誤并不是因為沒有審題甚至可說沒有認(rèn)真審題，而是因為他們審題不夠深刻，沒有挖掘到題目表面含義下真正的意思.因此，老師在教學(xué)中不僅僅要指導(dǎo)學(xué)生讀懂題目表面的含義，更要讓學(xué)生明白深層次的意思，從而培養(yǎng)學(xué)生審題的深刻性.

文獻[1]指出，葉片進口邊適當(dāng)向吸入口延伸，可使液體提早接受葉片的作用，減小葉片進口繞流壓力損失，提高泵抗汽蝕性能。但是葉片過度前伸會導(dǎo)致葉片進口排擠嚴(yán)重，葉片流道堵塞，造成泵抗汽蝕新能降低。葉片進口邊的前伸程度可用葉片進口邊軸面投影線與葉輪軸線的夾角δ控制，見圖2 。文獻[4]指出，對于高比轉(zhuǎn)數(shù)的泵，δ一般控制在30°～45°，隨著比轉(zhuǎn)速降低，δ取值降低。1#水泵(中比轉(zhuǎn)速泵)δ角為55.7°，遠(yuǎn)大于推薦值，說明葉片進口邊過度前伸，抗汽蝕性能低；2#水泵(中比轉(zhuǎn)速泵)δ角為23°，說明葉片進口邊前伸合理，抗汽蝕性能優(yōu)。

進口條件：采用Inlet 控制，設(shè)定進口壓力101325Pa；

(1)充分發(fā)揮裕固文化特色優(yōu)勢的同時，進一步加大政府的領(lǐng)導(dǎo)和資金投入，充分調(diào)動裕固族人民和專家學(xué)者的積極性，促進裕固族傳統(tǒng)體育的推廣和普及。

3.4 求解計算及結(jié)果分析

本文對1#水泵及2#水泵額定點設(shè)計工況下進行仿真分析，經(jīng)過PumpLinx軟件計算，得到葉輪Vapor Volume Fraction(蒸汽體積分?jǐn)?shù)，表征葉輪內(nèi)部空化程度)分布云圖，具體見表3，對比不同標(biāo)尺下的Vapor Volume Fraction云圖可以看出，1#水泵的空化程度比2#水泵嚴(yán)重，同時還可以看出1#水泵的空化分布范圍比2#水泵空化分布范圍大，1#水泵更易產(chǎn)生汽蝕破壞，抗汽蝕性能較2#水泵弱。

進一步對仿真結(jié)果分析，提取水泵葉輪葉片間流道內(nèi)部的空化區(qū)域分布圖(設(shè)定顯示Vapor Volume Fraction≥0.03的區(qū)域)，詳見圖6。從圖中可以直觀的看出1#水泵的空化體積明顯大于2#水泵的空化體積；同時還可以看出，1#水泵空化區(qū)域全部分布在葉片間流道喉口以后，2#水泵空化區(qū)域橫跨葉片間流道喉口，部分分布在喉口之前。

從NPSHc角度判斷，1#水泵抗汽蝕性能優(yōu)于2#水泵；從空化仿真結(jié)果判斷，1#水泵抗汽蝕性能弱于2#水泵。而實際運行過程中1#水泵發(fā)生汽蝕破壞，2#水泵未發(fā)生汽蝕破壞，實際情況與仿真結(jié)果相符，與NPSHc判斷結(jié)論相悖。得出結(jié)論：運用NPSHc評判水泵的抗汽蝕性能存在局限性。

由文獻[1]可知，NPSHc評判水泵抗汽蝕性能的方法，是通過監(jiān)測水泵性能劣化程度進而間接判斷水泵的汽蝕情況，并非直接測出水泵的汽蝕狀態(tài)。在某些情況下，水泵因葉輪結(jié)構(gòu)特點而使水泵性能對泵內(nèi)空化不敏感時(即水泵內(nèi)部空化較為嚴(yán)重而水泵性能并不劣化)，運用NPSHc評判水泵抗汽蝕性能就會存在較大偏差。

結(jié)合圖6分析，1#水泵葉輪前片過度前伸(δ角過大)，導(dǎo)致葉片間流道喉口前移，空化區(qū)域全部分布在葉片間流道喉口之后，一定程度的空化，不會造成流道喉口堵塞，也就不會影響葉輪入口的吸入性能；另一方面1#水泵葉輪葉片間流道短而寬，較弱程度的空化很難堵塞葉片間流道，空化對性能的影響滯后。基于此兩方面原因，1#水泵性能對葉輪內(nèi)部空化不敏感，用NPSHc來評判水泵的抗汽蝕性能存在較大偏差。相反的，2#水泵空化區(qū)域的分布特點及葉片間流道結(jié)構(gòu)特點使其在用NPSHc方法評判水泵抗汽蝕性能時較為準(zhǔn)確。

根據(jù)以上發(fā)現(xiàn)及推論，在維持水泵性能不變前提下，參照2#水泵葉輪結(jié)構(gòu)對1#水泵進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后葉輪平面投影圖見圖7，幾何參數(shù)表見表4。優(yōu)化后葉輪葉片為圓柱形單向彎曲型線，按照公式(1)計算k

值為4.88(抗汽蝕性能較優(yōu)化前提升)，葉片進口邊軸面投影線與葉輪軸線的夾角δ為23°(葉片進口變前伸更加合理)。

運用PumpLinx軟件，控制仿真過程處理方法及邊界條件設(shè)定與前述仿真相同，進行仿真分析，從仿真結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的1#水泵，空化體積明顯降低，且空化區(qū)域分布特點趨向于2#水泵，具體見圖8及圖9。

4 試驗驗證

1#水泵優(yōu)化方案進行樣件試制，在水泵試驗臺先后進行汽蝕試，測得水泵額定點設(shè)計流量下臨界汽蝕余量NPSHc=3.0m，詳見圖10；進一步，在水泵試驗臺進行零部件耐久試驗，完成耐久試驗后拆檢，水泵內(nèi)部流道無汽蝕損壞現(xiàn)象，詳見圖11，1#水泵葉輪優(yōu)化有效，證明本文通過空化仿真補充NPSHc法評判水泵抗汽蝕性能的方法有效。

5 結(jié)論

工程實踐證明，單純運用NPSHc對水泵抗汽蝕性能進行評判存在局限性，當(dāng)水泵受葉輪幾何結(jié)構(gòu)影響導(dǎo)致水泵性能對泵內(nèi)空化不敏感時(即水泵內(nèi)部空化較為嚴(yán)重而水泵性能并不劣化)，運用NPSHc評判水泵抗汽蝕性能會誤導(dǎo)工程技術(shù)人員。

本文運用CFD仿真軟件PumpLinx對水泵進行空化仿真分析，揭示了特定情況下，通過NPSHc評判水泵抗汽蝕性能失效的機理，并針對此問題補充完善了水泵抗汽蝕性能評價方法，即在運用NPSHc對水泵抗汽蝕性能評價前，首先運用仿真軟件分析水泵葉輪入口空空化區(qū)域分布特點，當(dāng)空化區(qū)域不全部位于葉片見間流道喉口之后時，運用NPSHc方法評價水泵抗汽蝕性能可信，否則不可信。

[1]關(guān)醒凡. 現(xiàn)代泵技術(shù)手冊[M]. 宇航出版社, 1995.[2]水泵的汽蝕損傷專題研究會成果報告書(第2期)，日本透平機械協(xié)會，1994年7月.

[3]吳達人, 國外離心泵汽蝕研究的現(xiàn)狀[J]. 化工與通用機械，1980，(04):22-31.

[4]《離心泵設(shè)計基礎(chǔ)》編寫組編寫.離心泵設(shè)計基礎(chǔ) [M].北京：機械工業(yè)出版社，1974.

[5]全國內(nèi)燃機標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.內(nèi)燃機冷卻水泵 第2部分 總成試驗方法：JB/T 8126.2—2010[S].北京：機械工業(yè)出版社，2010.