不同葉輪形式對汽車?yán)鋮s水泵性能的影響

汽車發(fā)動機的其應(yīng)用環(huán)境比較特殊，作為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的重要組成部件之一，其工作效果將直接影響到汽車發(fā)動機的冷卻效果

。冷卻系統(tǒng)顧名思義，指的是維持發(fā)動機工作溫度環(huán)境正常的工作系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)能夠帶走引擎因燃燒所產(chǎn)生的熱量，將引擎溫度控制在合理范圍之內(nèi)。根據(jù)冷卻方式的不同，市面上常用的發(fā)動機可以分為兩種類型，分別是氣冷式及水冷式發(fā)動機。其中，水冷式發(fā)動機取得的冷卻效果如何，直接取決于水泵的工作性能。目前國內(nèi)部分發(fā)動機水泵生產(chǎn)加工企業(yè)，并未冷卻水泵的設(shè)計開發(fā)中跟隨時代發(fā)展趨勢，沒有及時更新設(shè)計理念、方法。設(shè)計要點依然局限在壽命、可靠性和成本上，在一定程度上忽視了對水泵效率的設(shè)計，導(dǎo)致汽車水泵工作效率不能達(dá)到用戶的預(yù)期，這一問題亟待改進(jìn)。

③ 王燕晶.“中國風(fēng)”歌曲流行現(xiàn)狀及其在對外漢語教學(xué)中的應(yīng)用[J].四川:四川理工學(xué)院學(xué)報社會科學(xué)版第26卷第5期,2011.

1 汽車發(fā)動機冷卻水泵與葉輪概述

汽車發(fā)動機冷卻水泵，實際設(shè)計、安裝的整套流程，會被安裝空間所限制。為了在有限的環(huán)境內(nèi)充分發(fā)揮出發(fā)動機冷卻水泵的性能，設(shè)計出了體積小、制作簡便，利于批量生產(chǎn)等發(fā)動機冷卻水泵

。冷卻水泵包含泵體、葉輪、軸連軸承、水封、皮帶輪等部件。其中，葉輪屬于核心功能部件的范疇，葉輪的規(guī)格參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計，對冷卻水泵性能將產(chǎn)生直接且深遠(yuǎn)的影響

。冷卻水泵的葉輪有蓋板的被稱為開式葉輪，無蓋板的被稱為閉式葉輪。另外根據(jù)分類方式的不同，還有鑄鐵葉輪、沖壓葉輪、塑料葉輪、直葉片葉輪、單曲率葉片葉輪、空間扭曲形葉片葉輪等等

。目前國內(nèi)在發(fā)動機冷卻水泵的葉輪設(shè)計中，開始向國外先進(jìn)設(shè)計企業(yè)學(xué)習(xí)新技術(shù)，塑料葉輪的設(shè)計逐步落地。冷卻液既能隨葉輪旋轉(zhuǎn)，又能在同一時間從轉(zhuǎn)動著的葉輪中流出

。

根據(jù)以上內(nèi)容，可以發(fā)現(xiàn)無論汽車發(fā)動機冷卻水泵中的葉輪使用的哪一種設(shè)計形式，當(dāng)葉輪葉片處于工作狀態(tài)時，都會給內(nèi)部液體帶來一定量的阻力，首次影響水泵工作效率就會降低

。汽車發(fā)動機冷卻水泵中使用開式的葉輪，主要優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單，成型制造便捷；開式的葉輪應(yīng)用不足在于對殼體配合讀有著較高的要求，在其應(yīng)用后大大增加了泵體流道表面加工、水泵總成裝配的精度，工作難度有所提升

。同時這種的葉輪結(jié)構(gòu)工作效率相對較低，可能會造成能源及經(jīng)費的浪費。目前扭曲葉片葉輪在工業(yè)用泵領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)有優(yōu)勢在工業(yè)用泵領(lǐng)域也已得到廣泛肯定

。但在汽車水泵葉輪的設(shè)計方面，較少會用到扭曲葉片葉輪，更多采用圓柱形葉片葉輪。這是因為扭曲葉片葉輪的結(jié)構(gòu)尺寸較小，葉輪成型困難。為了更好的達(dá)成汽車節(jié)能的發(fā)展目標(biāo)，可以對汽車發(fā)動機冷卻水泵葉輪結(jié)構(gòu)對其性能的影響進(jìn)行分析，從新材料的應(yīng)用和新結(jié)構(gòu)設(shè)計兩個方面提升車發(fā)動機冷卻水泵節(jié)能效果

。

2 不同葉輪形式對汽車?yán)鋮s水泵性能的影響分析

2.1 計算模型及邊界條件

模型建立：研究中將某型汽車水泵作為研究對象。工作參數(shù)調(diào)整完全符合設(shè)備使用需求的前提下，設(shè)計開式和閉式 葉供冷卻水泵使用，構(gòu)建出兩種葉輪零件的立體模型。葉輪零件三維模型如圖1所示。得出葉輪零件的立體模型后，即可得出計算區(qū)域模型。區(qū)域由進(jìn)口、葉輪、蝸殼及出口這四大部分構(gòu)成。其中關(guān)鍵零部件蝸殼，以及葉輪水體的模型如圖2所示。為更快得出更精準(zhǔn)的研究計算結(jié)果，適當(dāng)對計算區(qū)域進(jìn)口部分進(jìn)行簡化，簡化設(shè)計為圓柱形。為提升對比計算的精準(zhǔn)度，研究中適當(dāng)延長了出口部分的水體長度。裝配模型如圖3所示。構(gòu)建出清晰明確的模型圖，創(chuàng)造了豐富的計算對比有利條件，有助于提升后續(xù)工作效率，提升后續(xù)工作成果。在進(jìn)行汽車水泵的內(nèi)部流場的CFD計算的準(zhǔn)備工作中，需要進(jìn)行計算區(qū)域離散化，將設(shè)計完備的計算模型導(dǎo)入軟件，完成網(wǎng)格劃分。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格邊是能夠持續(xù)性保持正交性的，因此其延展比的實際控制難度并不高，也很容易生成自適應(yīng)網(wǎng)格，這樣的優(yōu)勢條件給計算精度的提升創(chuàng)造了充足的便捷條件

。

內(nèi)流場對比分析：數(shù)據(jù)計算完成后，將結(jié)果整理分析水泵中截面上的流動狀態(tài)，對比兩種葉輪水泵設(shè)計在內(nèi)部流態(tài)的優(yōu)劣。以圖像的形式表現(xiàn)出水泵中截面靜壓分布，將為對比閉式和開式葉輪設(shè)計對水泵性能的影響增加真實性數(shù)據(jù)，觀察更清晰，結(jié)果更精確。對比分析發(fā)動機水泵中截面靜壓分布云圖像特征，發(fā)現(xiàn)兩種葉輪設(shè)計下，從進(jìn)口到出口的過程中，葉輪結(jié)構(gòu)承受的壓力都逐漸增加。冷卻水進(jìn)入泵體后，擴散過程中其動能被逐漸轉(zhuǎn)化為壓能，受黏性流體和慣性力作用，半徑增大，壓力增大。進(jìn)口位置受此影響易出現(xiàn)低壓區(qū)，易被汽蝕。經(jīng)研究對比，閉式葉輪入口處有較為顯著的低壓區(qū)，這也表明閉式葉設(shè)計有助于改善水泵汽蝕性能。

邊界條件設(shè)置：根據(jù)既往相關(guān)研究結(jié)果顯示，用 CFD方法對比不同流體機械內(nèi)部流場的工作情況意義重要。這種研究方式經(jīng)多次實踐，證實結(jié)果真實、可靠。數(shù)據(jù)結(jié)果可以作為研究流體機械工作情況，探究流體機械改進(jìn)方式的重要依據(jù)。本次研究中，設(shè)計開式和閉式 葉供冷卻水泵使用，構(gòu)建出兩種葉輪零件的立體模型。對兩組模型分別進(jìn)行了全流場三維數(shù)值的計算。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

區(qū)域內(nèi)出露的地層主要為太古界太華群、中元古界長城系熊耳群、薊縣系高山河群、新元古界官道口群、中生界白堊系、新生界古近系、新近系和第四系等，其中太古界太華群在區(qū)域北部出露，構(gòu)成本區(qū)古老的結(jié)晶基底，主要由一套變質(zhì)達(dá)角閃巖相的中深變質(zhì)巖及少量混合巖組成，為本區(qū)金礦物質(zhì)的主要來源之一。

外特性對比分析：數(shù)據(jù)計算完成后，將結(jié)果整理得到汽車水泵的流量-效率曲線和流量-揚程曲線，以此直觀地表現(xiàn)出數(shù)值模擬結(jié)果。對比發(fā)現(xiàn)，開式葉輪水泵設(shè)計在額定工況下的揚程較高，對比閉式葉輪水泵設(shè)計的工作效率，開式葉輪水泵設(shè)計效率顯著較低。對比閉式葉輪水泵設(shè)計的功率，開式葉輪水泵設(shè)計消耗功率顯著較高。據(jù)此判斷閉式葉輪在工作效率、功率消耗方面的優(yōu)勢較為顯著。

④與Ⅱ?qū)Ρ?得出的結(jié)論(寫出兩點):____。定向移動”和“電極反應(yīng)生成H+、OH-”兩個因素影響,從實驗結(jié)果看,電極反應(yīng)比離子定向遷移速率明顯要快,所以電極反應(yīng)對電極附近pH的影響是主要因素

為觀察水泵內(nèi)部流態(tài)，研究截取水泵中截面流線。發(fā)現(xiàn)開式葉輪截面流線內(nèi)部存在明顯的漩渦和回流，而葉輪內(nèi)部回流會降低離心泵性能。這是因為漩渦的出現(xiàn)會損耗水泵工作中的能量，嚴(yán)重時其引發(fā)的噪聲和振動，嚴(yán)重影響冷卻水泵工作狀態(tài)。觀察水泵中截面流線，發(fā)現(xiàn)閉式葉輪內(nèi)部流動更順暢，回流問題極少出現(xiàn)，在流動狀況上的優(yōu)勢較為顯著。

分析兩種模型中截面的湍動能分布，發(fā)現(xiàn)湍動程度可反映湍流脈動程度。對比兩種葉輪水泵設(shè)計在湍動能分布方面的優(yōu)劣，發(fā)現(xiàn)開式葉輪內(nèi)部存在明確的流動紊亂問題，葉輪內(nèi)部湍動能較大，受擾動影響損失了較大流動能。對比發(fā)現(xiàn)，閉式葉輪無明顯流動紊亂問題，湍動能較小

。結(jié)合水泵中截面靜壓分布，發(fā)現(xiàn)閉式葉輪獲得的壓升顯著較高，而需要的輸入功率較低，水力效率較高，對比開式葉輪在節(jié)省能量方面優(yōu)勢明顯。

2.3 試驗驗證

對發(fā)動機閉式葉輪水泵設(shè)計進(jìn)行樣機試驗，以驗證數(shù)值模擬可行性。流量-揚程曲線、流量-效率曲線分別如圖4、5所示。觀察流量-揚程曲線，發(fā)現(xiàn)設(shè)計工況點附近，研究計算得到的揚程數(shù)值，同樣機模擬試驗得到的揚程數(shù)值，兩者基本符合。小流量工況點處，研究計算得到的揚程數(shù)值數(shù)值偏小，大流量工況點數(shù)值偏差則相反。觀察流流量-效率曲線如，發(fā)現(xiàn)在大流量工況點，效率計算數(shù)值偏大，數(shù)值偏差與流量增長間的正相關(guān)關(guān)系明顯。在小流量工況點，效率計算結(jié)果同樣機模擬試驗得到的數(shù)值，兩者基本符合。盡管試驗結(jié)果、數(shù)值計算結(jié)果存在偏差無法避免，但通過觀察變化趨勢，依然可以得出相符合的結(jié)論，模擬結(jié)果可靠性高、真實有效，為水泵葉輪優(yōu)化設(shè)計提供參考。上述研究中使用的CFD 計算對水泵工作性能影響因素的考慮并不足夠充分，汽車?yán)鋮s水泵在實際運行中。設(shè)備面臨的細(xì)節(jié)問題只會是更加復(fù)雜的。上面對數(shù)值計算的結(jié)果的分析為不同葉輪形式對汽車?yán)鋮s水泵性能的影響提供了參考。

3 結(jié)論

以某型汽車水泵為研究對象，選用開式和閉式的葉輪，對比使用性能。依靠Fluent軟件提供模擬技術(shù)支持，構(gòu)建了葉輪內(nèi)部流動的立體化的模型。在全流場三維數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，驗證了閉式葉輪的工作性能。數(shù)值計算結(jié)果發(fā)動機冷卻水泵采用閉式葉輪設(shè)計，在水力效率、汽蝕性能、流動穩(wěn)定流暢性方面優(yōu)勢較大。對發(fā)動機閉式葉輪水泵設(shè)計進(jìn)行樣機試驗，以驗證數(shù)值模擬可行性。盡管試驗結(jié)果、數(shù)值計算結(jié)果存在偏差無法避免，但通過觀察變化趨勢，依然可以得出相符合的結(jié)論，模擬結(jié)果可靠性高、真實有效，為水泵葉輪優(yōu)化設(shè)計提供參考。即發(fā)動機冷卻水泵性能將受到葉輪形式的直接影響。對于汽車發(fā)動機冷卻水泵，采用閉式葉輪設(shè)計優(yōu)勢顯著。葉輪結(jié)構(gòu)形式對水泵效率具有舉足輕重的作用。通過分析上述內(nèi)容，可知保持汽車發(fā)動機水泵其他零件結(jié)構(gòu)不變時，將葉輪設(shè)計成閉式空間扭曲葉片，對提升冷卻水泵工作效率的幫助作用是比較突出的。但這種冷卻水泵葉輪設(shè)計形式，國內(nèi)發(fā)動機水泵設(shè)計的經(jīng)驗相對不足，加工制造中遇到了很多現(xiàn)實問題，模具設(shè)計等工序的難度較高。因此目前絕大多數(shù)的汽車發(fā)動機水泵加工企業(yè)，沒有選擇產(chǎn)出這種閉式空間扭曲葉片葉輪。隨著技術(shù)的發(fā)展以及加工制造經(jīng)驗的積累，未來加工企業(yè)如果能獲得這種閉式空間扭曲葉片葉輪成熟的加工技術(shù)，勢必可以實現(xiàn)發(fā)動機冷卻水泵葉輪設(shè)計制造的一次新突破，不斷設(shè)計調(diào)試模具，借鑒以往額葉輪模具設(shè)計經(jīng)驗，加大方案推廣力度，提升相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量。

[1]張會杰,唐煜,趙萬華. 面向增壓器葉輪加工工藝的柔性自動化生產(chǎn)線設(shè)計[J]. 實驗室科學(xué),2020,23(2):214-218,221. DOI:10.3969/j.issn.1672-4305.2020.02.055.

[2]鮑冬冬,艾書民. 某渦軸發(fā)動機離心葉輪低循環(huán)疲勞試驗研究[J]. 中國科技縱橫,2020(8):60-61,64.

[3]董孟強. 跨介質(zhì)發(fā)動機水空模態(tài)超大膨脹比渦輪氣動設(shè)計與流動機理研究[D]. 黑龍江:哈爾濱工程大學(xué),2020.

[4]李紫良. 高負(fù)荷離心壓氣機串列葉輪構(gòu)型機理與設(shè)計方法研究[D]. 中國科學(xué)院大學(xué),2020.

[5]賈濤,曹志軍,宋江華,等. 某重型發(fā)動機渦輪增壓器流場及噪聲研究[J]. 小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù),2020,49(6):69-74. DOI:10.3969/j.issn.1671-0630.2020.06.016.

[6]趙鑫,劉宗暉. 典型鈦合金離心葉輪裂紋擴展試驗研究[J]. 中國科技縱橫,2020(8):65-68.

[7]劉金科,趙仁兵. 三元流葉輪的電弧銑削與機械銑削組合加工技術(shù)[J]. 中國金屬通報,2020(14):74-75. DOI:10.3969/j.issn.1672-1667.2020.14.037.

[8]安陽,陳聿晨,金志磊,等. 大推力氫氧火箭發(fā)動機液氫多級泵仿真與試驗[J]. 導(dǎo)彈與航天運載技術(shù),2020(4):45-50. DOI:10.7654/j.issn.1004-7182.20200409.

[9]曾丹,陳勇. 基于壓電纖維復(fù)合材料的離心葉輪葉片高階模態(tài)測量[J]. 推進(jìn)技術(shù),2020,41(7):1612-1620. DOI:10.13675/j.cnki.tjjs.190389.

[10]李慶斌,胡遼平,何光清,等. 渦輪增壓器壓氣機氣動性能優(yōu)化及試驗研究[J]. 車用發(fā)動機,2020(4):46-50,62. DOI:10.3969/j.issn.1001-2222.2020.04.009.

[11]A.S.PUGACHUK, V.G.PRIBYLOV, V.V.VOLKOV-MUZYLEV, et al. DESIGN OF BLADE JOINTS WITH TURBINE IMPELLER DISK OF LOW-POWER GAS TURBINE ENGINE[J]. Chemical and petroleum engineering,2019,55(1/2):3-9. DOI:10.1007/s10556-019-00575-z.

[12]MAIER, RALUCA, VINTILA, SEBASTIAN, MIHALACHE, RADU, et al. Decreasing the Mass of Turbomachinery Subansamblies Using Advanced Polymer Composites[J]. Materiale Plastice,2019(4):687-692.

[13]王智慧,馬朝臣,黃智. 渦輪增壓器渦輪葉輪有意失諧強迫振動特性研究[J]. 車用發(fā)動機,2020(1):55-61. DOI:10.3969/ji.ssn.1001-2222.2020.01.009.

[14]同航,黎霖,卯魯秦,等. 波浪前緣靜子葉片對高速軸流風(fēng)扇單音噪聲的影響[J]. 航空學(xué)報,2020,41(10):87-100.