余凱揚(yáng)，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(dòng)機(jī)冷卻水泵作為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)重要的組成部分，其功能是對(duì)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(dòng)，帶走發(fā)動(dòng)機(jī)中過多的熱量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在正常的溫度下工作。設(shè)計(jì)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(huì)造成氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生，氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)的惡化，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成不可逆的損害。針對(duì)一個(gè)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(yàn)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(shí)，如果水泵內(nèi)某點(diǎn)壓力降低到工作溫度下的汽化壓力，水就開始汽化。此時(shí)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(jìn)入葉輪流道高壓區(qū)時(shí)，因?yàn)槠輧?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(diǎn)從四周以高速向汽泡中心沖去，產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊。試驗(yàn)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(gè)甚至幾千個(gè)大氣壓。在如此巨大的壓力頻繁作用下會(huì)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(shí)，由于汽泡破裂會(huì)產(chǎn)生噪音和振動(dòng)，同時(shí)，水流中含有汽泡會(huì)占據(jù)一定的槽道面積導(dǎo)致水泵的揚(yáng)程、功率和效率開始下降，不僅如此，氣蝕還會(huì)使泵的過流部件遭到氣蝕破壞，影響泵的壽命，嚴(yán)重時(shí)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(duì)于水泵的運(yùn)行是十分有害的，應(yīng)該設(shè)法使水泵在運(yùn)行中不發(fā)生氣蝕。

2 實(shí)例分析

某增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵在BETA階段的發(fā)動(dòng)機(jī)耐久實(shí)驗(yàn)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(gè)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?qǐng)D2故障分析樹中所示的潛在因素逐個(gè)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架原因

3.1.1 臺(tái)架裝置氣蝕余量

此故障水泵搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架常用于發(fā)動(dòng)機(jī)耐久實(shí)驗(yàn)，且搭載過類似水泵性能的發(fā)動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)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(tái)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(shí)驗(yàn)之前臺(tái)架沒有進(jìn)行排氣工作，導(dǎo)致大量氣體進(jìn)入水泵，也會(huì)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。經(jīng)了解，臺(tái)架在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了排氣操作，且將水泵進(jìn)水管更換為透明管后，也觀察到水泵進(jìn)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?yàn)榇藲馕g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?yàn)橹圃觳环€(wěn)定導(dǎo)致水泵氣蝕產(chǎn)生的原因。

3.2.2 設(shè)計(jì)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?yàn)樵O(shè)計(jì)問題所導(dǎo)致。針對(duì)水泵的氣蝕問題，從設(shè)計(jì)層面上，可以從水泵性能、水泵進(jìn)水口流速及水泵CFD分析這三方面進(jìn)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(jìn)水口壓力偏低，同樣會(huì)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(shí)候，水泵的揚(yáng)程范圍在140-200 kPa之間，即中值為160 kPa.因?yàn)楣?yīng)商處的試驗(yàn)臺(tái)架沒有整機(jī)廠的臺(tái)架復(fù)雜，導(dǎo)致供應(yīng)商在做水泵單體性能試驗(yàn)時(shí)雖然測(cè)量值滿足了性能要求，但在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上揚(yáng)程表現(xiàn)偏低現(xiàn)象的發(fā)生。

對(duì)于水泵進(jìn)水口流速的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)水泵進(jìn)水口流速≤3 m/s時(shí)，會(huì)對(duì)水泵的抗氣蝕能力有一定的幫助。故障水泵的進(jìn)水口直徑為32 mm，根據(jù)公式（式中，V為水泵進(jìn)水口流速m/s，Q為水泵進(jìn)水流量m3/s），可計(jì)算得故障水泵的進(jìn)水口流速為4.8 m/s，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值。

在分析了上述兩個(gè)較為明顯的原因后，再對(duì)故障水泵重新進(jìn)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(yáng)程H=160 kPa，進(jìn)水口壓力 P=100 kPa，水溫（80±2）℃作為分析邊界，再對(duì)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(jìn)行CFD分析，直至計(jì)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(dòng)呈現(xiàn)旋渦狀，這些旋渦會(huì)導(dǎo)致水流在經(jīng)過此處時(shí)流動(dòng)不暢，反復(fù)沖擊渦室，同時(shí)也會(huì)造成水流壓力勢(shì)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(huì)因?yàn)槿~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(huì)造成水流在此處汽化形成氣泡，在到達(dá)高壓地區(qū)的時(shí)候，氣泡被壓力擠破，對(duì)葉輪產(chǎn)生強(qiáng)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(qiáng)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(duì)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(shí)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(duì)上述導(dǎo)致此次水泵氣蝕現(xiàn)象的原因，對(duì)水泵渦室進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)，擴(kuò)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(jì)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(shí)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(duì)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(qiáng)了水泵抗氣蝕的能力。

在對(duì)水泵渦室進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，為了進(jìn)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(diǎn)的基礎(chǔ)上提高了10%，并且擴(kuò)大了水泵進(jìn)水口直徑至40 mm，使進(jìn)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(shí)驗(yàn)臺(tái)架中，經(jīng)過了整個(gè)耐久實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證通過。

5 結(jié)語

本文針對(duì)某增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)水泵氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，在找出根本原因的過程中按照臺(tái)架裝置，水泵裝配及水泵設(shè)計(jì)的順序進(jìn)行排查，最終確認(rèn)為水泵設(shè)計(jì)問題導(dǎo)致的氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生，并著重對(duì)水泵設(shè)計(jì)及CFD分析結(jié)果進(jìn)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。