劉曉明，陳開超

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

淺議發(fā)動機水泵汽蝕現(xiàn)象及預防措施

劉曉明，陳開超

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

氣蝕現(xiàn)象在水泵的工作環(huán)境下經(jīng)常發(fā)生。發(fā)動機水泵汽蝕現(xiàn)象會導致水泵流量下降，噪聲激增，輸出流量和壓力劇烈波動，系統(tǒng)無法穩(wěn)定地工作?？梢詮暮芏喾矫娓纳瓢l(fā)動機水泵氣蝕，例如水泵本身結構設計，發(fā)動機水道結構設計，整車冷卻系統(tǒng)結構設計等等均可改善發(fā)動機水泵氣蝕現(xiàn)象。本文主要討論氣蝕發(fā)生的原因、現(xiàn)象以及從幾個方面改善的措施，最重要的是從冷卻系統(tǒng)結構設計改善水泵的氣蝕現(xiàn)象。合理的冷卻系統(tǒng)配置和布置能夠有效避免發(fā)動機水泵的汽蝕現(xiàn)象。目前卡車冷卻系統(tǒng)大多采用閉式強制冷卻系統(tǒng)，其主要依靠壓力蓋來實現(xiàn)。壓力蓋可以提高冷卻系統(tǒng)內壓力，合適的壓力蓋開啟壓力能夠有效抑制發(fā)動機水泵的汽蝕現(xiàn)象，保證發(fā)動機水泵的正常工作，同時能夠消除汽蝕現(xiàn)象引起的高頻壓力沖擊產(chǎn)生的噪聲。

閉式強制冷卻系統(tǒng)；壓力蓋開啟壓力；水泵；汽蝕

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-132-06

引言

水泵在發(fā)動機工作中起到冷卻系統(tǒng)原動力的作用。發(fā)動機工作中缸內產(chǎn)生的熱量不可能全部利用，除去做功，一部分排放在大氣中，另一部分隨冷卻液被帶走。發(fā)動機水泵在正常工作時，由于局部靜壓低于冷卻液所處溫度下的汽化壓力時，就會產(chǎn)生局部沸騰現(xiàn)象，進而出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。對發(fā)生汽蝕的水泵進行拆解時可以發(fā)現(xiàn)葉輪入口邊附近有麻點和蜂窩狀的破壞，嚴重時整個葉片和前后蓋板都有這種現(xiàn)象。汽蝕現(xiàn)象會導致水泵流量下降，噪聲激增，輸出流量和壓力劇烈波動，系統(tǒng)無法穩(wěn)定地工作。合理的冷卻系統(tǒng)配置和布置能夠有效避免發(fā)動機水泵的汽蝕現(xiàn)象。

1、水泵汽蝕產(chǎn)生機理

1.1 汽蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生

1.1.1 汽蝕現(xiàn)象

汽蝕，是由水的汽化所引起的。汽化，就是水由液態(tài)轉化為氣態(tài)的過程。液體汽化時的壓力為液體的汽化壓力（飽和蒸汽壓力），液體汽化壓力的大小和溫度有關。溫度越高，由于分子運動更為激烈，其汽化壓力越大。20℃常溫清水的汽化壓力為233.8Pa,而100℃水的汽化壓力為101296Pa（1個大氣壓）。所以常溫（20℃）清水當壓力降為233.8Pa時，就開始汽化。可見，在一定溫度下，壓力是促進液體汽化的外界因素。

液體在一定溫度下，降低壓力至該溫度下的汽化壓力時，液體便產(chǎn)生氣泡。這種產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，就稱為汽蝕。但是氣泡內的氣體，實際上不完全是蒸汽，還包括著以溶解成核的形式存在的氣體（主要是空氣）。液體中溶解的氣體，由于擴散而進入氣泡中，將助長氣泡的成長。

汽蝕時產(chǎn)生的氣泡，流動到高壓處時，其體積減小以致破滅。這種由于壓力上升氣泡消失在液體中的現(xiàn)象，稱為汽蝕潰滅。

1.1.2 水泵內的汽蝕過程

發(fā)動機水泵不停的運轉，在這過程中，若其過流部分的局部區(qū)域內（通常是葉輪葉片進口稍后的某處，即離心泵葉片葉端的告訴減壓區(qū)），因為液體流動性及葉輪旋轉的速度變化，抽送液體的絕對壓力降低到當時溫度下的液體汽化壓力時，液體便在該處開始汽化，產(chǎn)生大量蒸汽，形成氣泡空穴；當含有大量氣泡的液體，向前經(jīng)過葉輪內的高壓區(qū)時，氣泡周圍的高壓液體致使氣泡急劇縮小以致破裂；在氣泡凝結破裂同時，液體質點以很高的速度填充空穴，在此瞬間產(chǎn)生很強烈的水擊作用，并以很高的沖擊頻率，打擊金屬表面，沖擊應力可達數(shù)百至數(shù)千個大氣壓，沖擊頻率可達數(shù)萬次/s，嚴重時會將壁厚擊穿。

在水泵中產(chǎn)生氣泡和氣泡破裂，使過流部件遭受到破壞的過程，就是水泵中汽蝕過程。

1.1.3 汽蝕發(fā)生的階段

汽蝕的發(fā)生，可以分為以下階段：

1.1.3.1 初生階段，用肉眼或其他手段檢測出汽蝕的發(fā)生；

1.1.3.2 發(fā)達階段，初生階段進一步發(fā)展，成為激烈發(fā)生的階段；

1.1.3.3 終結階段，由于壓力上升，汽蝕消失的階段。

1.1.4 汽蝕發(fā)生的類型

汽蝕分為以下四種類型：

1.1.4.1 游離汽蝕----在流動的液體中產(chǎn)生氣泡，同時在液體中成長，到高壓處而潰滅。

1.1.4.2 固定汽蝕----在置于流動中的物體表面或流道邊壁上形成空穴，并附著于壁面之上。

1.1.4.3 漩渦汽蝕----在漩渦中低壓部分發(fā)生空穴，在螺旋槳翼端發(fā)生汽蝕。

1.1.4.4 振動汽蝕----在大幅度、高頻壓力脈動液體中發(fā)生汽蝕。

1.2 水泵汽蝕的危害

1.2.1 水泵汽蝕的危害

1.2.1.1 產(chǎn)生噪聲和振動。由于水泵汽蝕時，氣泡在高壓區(qū)連續(xù)發(fā)生突然破裂，而產(chǎn)生噪聲和振動。根據(jù)噪聲，可以檢測汽蝕的初生。但是想把這種汽蝕噪聲與周圍環(huán)境發(fā)動機運轉及附件傳動機構產(chǎn)生的噪聲、發(fā)動機內部因水流沖擊而產(chǎn)生的噪聲區(qū)分開來，定量的確定其程度，相當困難。

1.2.1.2 過流部件的腐蝕破壞。水泵長時間在汽蝕條件下工作時，水泵過流部件的某些地方，會遭到腐蝕破壞。這是因為氣泡在凝結時，金屬表面受到像利刃的高頻（600HZ～25000HZ）強烈沖擊，壓力達到49MPa。在沖擊壓力的多次反復作用下，金屬表面疲勞破壞，如若氣泡內夾雜某種活性氣體（如氧氣等），它們借助氣泡凝結時放出的熱量（局部溫度可達到（200℃～300℃），還會形成熱電偶，產(chǎn)生電解，形成電化學腐蝕作用，更加速了金屬剝蝕的破壞速度。水泵汽蝕的特征，首先在金屬表面形成許多細小的麻點，進而發(fā)展成海綿狀，然后逐漸擴大成洞穴，嚴重的汽蝕可以在表面形成大片的凹坑。

汽蝕破壞的部位，正是在氣泡消失的地方。所以常常是在葉輪出口和壓水室進口部位發(fā)現(xiàn)破壞痕跡。而汽蝕的發(fā)源地，是在葉輪進口處。欲根治汽蝕，必須防止在葉輪進口產(chǎn)生氣泡。

性能下降。水泵汽蝕時，葉輪內液體的能量交換受到干擾和破壞，在外特性上表現(xiàn)是流量-揚程曲線、流量-軸功率曲線、流量-效率曲線下降，嚴重時會使水泵中的液流中斷，不能工作。應當指出，水泵發(fā)生汽蝕的初生階段，特性曲線并無明顯變化，有時因產(chǎn)生的氣泡覆蓋過流部位表面，形成光滑層而使水泵效率稍有提高。水泵的特性曲線出現(xiàn)明顯變化時，汽蝕現(xiàn)象已經(jīng)發(fā)展到一定程度。

不同比轉速的水泵，由汽蝕引起的性能下降的形式不同，低比速泵由于葉片間流道狹窄，故一旦發(fā)生汽蝕，氣泡易于充滿整個流道，因而性能曲線呈突然下降形式。隨著比轉速增大，葉道向寬而短的趨勢變化，因為氣泡從發(fā)生發(fā)展到充滿整個流道，需要一個過渡過程，相對應的水泵特性曲線開始是緩慢下降，之后增加到某一流量時，才表現(xiàn)為急劇下降。

1.2.2 水泵汽蝕實例分析

某水冷發(fā)動機出現(xiàn)的一例水泵氣蝕（見圖2、圖3）。其中，圖2為平衡孔氣蝕示意圖，圖3為葉輪貼合泵體位置的氣蝕示意圖。

此結構水泵的平衡孔，是水泵進水與出水間起平衡壓力作用的孔，氣蝕一般發(fā)生在壓差較大的地方，因此水泵在長時間使用過程中平衡孔出現(xiàn)氣蝕為正?，F(xiàn)象，嚴重的甚至有更大面積的擊穿現(xiàn)象。

圖3所示葉輪貼合泵體位置所出現(xiàn)的氣蝕現(xiàn)象較為嚴重。從水泵的原理來說，水泵葉輪高速旋轉，將進水腔內的水甩向出水腔完成泵水功能。如圖4所示水泵中水流方向，水自進水口經(jīng)葉輪旋轉帶入出水腔，而圖4中所示涂覆部位正是葉輪入口處，葉輪入口處是壓強最低的地方，如果這個地方液體的壓強等于或低于在該溫度下液體的汽化壓強Pv（水的汽化壓強在80℃為47.36kPa），就會有蒸汽及溶解在液體中的氣體從液體中大量逸出，形成許多蒸汽與氣體混合的小氣泡。這些小氣泡隨著液體流到高壓區(qū)時（出水腔），由于氣泡內是汽化壓強，而氣泡周圍的壓強大于汽化壓強，產(chǎn)生了壓差，在壓差的作用下，氣泡受壓破裂而重新凝結，在凝結的過程中，液體質點從四周向氣泡中心加速運動，在凝結的一瞬間，質點互相撞擊，產(chǎn)生很高的局部壓強。而這些氣泡的破裂凝結發(fā)生在水泵體與葉輪接觸的表面，加上水中活潑氣體（如氧等）加速了泵體表面的破壞，造成水泵的嚴重氣蝕，水泵在氣蝕狀態(tài)下工作時，發(fā)生氣蝕的部位很快就被破壞成蜂窩狀或海綿狀（見圖5）。

1.3 汽蝕余量及計算

由于葉輪機械中流體運動的復雜性，很難從理論計算出流場中何處可能出現(xiàn)汽蝕，再加上汽蝕現(xiàn)象不僅僅取決于流體的流動特性，還取決于流體本身的熱力學性質，所以更難從理論上提出汽蝕發(fā)生的判據(jù)。水泵的汽蝕余量概念，既是其中的重要判據(jù)之一，其既有一定的理論意義，又是產(chǎn)品驗收的標準之一。

1.3.1 汽蝕余量

水泵發(fā)生汽蝕的條件，是由水泵本身和吸入裝置兩方面決定的。因此，研究汽蝕發(fā)生的條件，應從水泵本身和吸入裝置雙方來考慮。則水泵汽蝕余量有兩個概念：

其一是與安裝方式有關，稱為有效的汽蝕余量NPSHa,是指水流經(jīng)吸入管路，到達水泵吸入口后，所余的高出臨界壓力能頭的那部分能量，是可以利用的汽蝕余量，屬于“用戶參數(shù)”；

其二是與水泵本身有關，稱必須的汽蝕余量NPSHr，是流體由水泵吸入口志壓力最低處的壓力降低值，是臨界的汽蝕余量，屬于“廠方參數(shù)”。

1.3.2 水泵汽蝕的基本關系為

式中，NPSHa-裝置汽蝕余量，又叫做有效汽蝕余量，越小越不容易汽蝕；

NPSHr-水泵汽蝕余量，又叫做必需的汽蝕余量，或水泵進口動壓降，越小抗汽蝕性能越好；

NPSHc-臨界汽蝕余量，是指對應水泵性能下降一定值的汽蝕余量；

[NPSH] -許用汽蝕余量，是確定水泵使用條件用的汽蝕余量，通常取[NPSH] =（1.1～1.5）NPSHc。

1.3.3 裝置汽蝕余量對水泵汽蝕的影響

要確保水泵在運行中不汽蝕，必須在安裝上保證NPSHa≥K×NPSHr（K為安全裕量）。

水泵的裝置水管過長，水管彎頭過多，似的裝置汽蝕余量NPSHa過小，易于使水泵產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，更加說明水泵的安裝方式對裝置汽蝕余量的影響很大。

1.3.4 水泵汽蝕余量的確定

水泵汽蝕余量NPSHr只與泵進口部分的運動參數(shù)相關，運動參數(shù)在一定轉速和流量下，是由幾何參數(shù)據(jù)定的，即水泵汽蝕余量是由水泵本身（吸水室和葉輪進口部分的幾何參數(shù)）決定的。對既定的水泵，不論采用何種液體（除粘性很大，影響速度分布外），在一定轉速和流量下流過水泵進口，因速度大小相同，故均有相同對的壓力降，水泵汽蝕余量相同，所以水泵汽蝕余量和液體性能無關（不考慮熱力學因素）。水泵汽蝕余量越小，表示壓力降低，因而水泵的抗汽蝕性能越好。

水泵的汽蝕余量的計算公式為：

C—汽蝕比轉速，為一個常數(shù)

N—轉速（r/min）

Q—泵流量（m3/s）

NPSHr—汽蝕余量（m）

C值可作為汽蝕相似準數(shù)，并標志抗汽蝕性能的好壞。C值越大（相應的NPSHr值越?。玫目蛊g性能越好。不同流量對應不同的C值，所以C值通常是指最高效率工況下等的值。根據(jù)C值得大概范圍，某發(fā)動機水泵汽蝕比轉速為1000。

當轉速為6000r/min，Q=100L/min時，根據(jù)計算公式可得出NPSHr=1.35m；

當轉速為3000r/min，Q=40L/min時，根據(jù)計算公式可得出NPSHr=0.33m；

因此，發(fā)動機水泵轉速越高，介質流量越大，則NPSHr越大，汽蝕現(xiàn)象就愈加明顯。

2、發(fā)動機水泵汽蝕預防措施研究

2.1 整車冷卻系統(tǒng)布置對汽蝕的影響

當冷卻系統(tǒng)冷卻液在某溫度下的壓力低于該溫度下對應的汽化壓力時，冷卻液會迅速汽化，產(chǎn)生大量蒸氣氣泡。這些氣泡在由發(fā)動機水泵的低壓區(qū)進入高壓區(qū)時，蒸氣氣泡因承受不了高壓而破滅，產(chǎn)生局部的液壓沖擊，發(fā)出噪聲并引起噪聲，當附著在金屬表面上的氣泡破滅時，它所產(chǎn)生的局部高溫和高壓會使金屬剝落，使表面粗糙，或出現(xiàn)海綿狀的小洞穴，這種現(xiàn)象稱為水泵汽蝕。

由于實際流體具有粘性，流動過程中變形運動產(chǎn)生內摩擦力，機械能不斷地轉化成熱能而損失，機械能向熱能轉化符合能量守恒定理，但該過程是不可逆的。實際流體一般滿足下述方程：

該方程為實際流體元流的伯努利方程，它要求三個條件：

常密度流體的恒定流動；

質量力僅含重力；

斷面1-1和2-2是同一元流的兩個斷面；

其中U、P、Z、hw分別指流體流速、靜壓、位置高度及總水頭損失。

設定上圖1、2兩點對應的流體速度、靜壓、位置高度分別為U1、P1、Z1、U2、P2、Z2，并設定從1點到2點流體總水頭損失為hw。

依據(jù)實際流體元流的伯努利方程，當水泵前冷卻液靜壓P2小于該溫度下冷卻液對應的汽化壓力P氣時，便會產(chǎn)生局部汽化現(xiàn)象，嚴重時便會發(fā)生水泵汽蝕現(xiàn)象。

2.2由水泵臺架試驗確定壓力蓋開啟壓力

下圖為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)布置圖，最高處布置膨脹水箱，通過向膨脹水箱加壓縮空氣模擬壓力蓋泄壓閥。

具體試驗方法如下：

根據(jù)試驗方案需要布置整車冷卻系統(tǒng)。試驗需要模擬節(jié)溫器，并且節(jié)溫器的開度要求≥8mm。冷卻水采用防凍液。向膨脹水壺內加壓縮空氣，在通向膨脹水箱壓力處安裝調節(jié)壓力閥，通過操作壓力閥來控制膨脹水箱壓力。膨脹水箱口蓋需要處于常開的狀態(tài)。

當膨脹水箱內部壓力達到要求點，記錄膨脹水箱的壓力和水泵前壓力，并且同時記錄散熱器的流量。試驗工況需要依據(jù)發(fā)動機額定轉速制定（下面舉自產(chǎn)4DA1國四為例）：

表1 4DA1發(fā)動機試驗工況

起動發(fā)動機，直至發(fā)動機達到要求的轉速和出水溫度，測量膨脹水箱和水泵前壓力和流量，逐漸增加膨脹水箱壓力，直到散熱器的流量達到最大的流量100%，記錄全部試驗測量數(shù)據(jù)，找出發(fā)動機最大流量的97%的工況點。

從相關試驗數(shù)據(jù)得出，出水溫度84℃時，發(fā)動機轉速在3600rpm時，水泵前為10kPa，膨脹水壺壓力為33kPa時不發(fā)生汽蝕，圖8為出水溫度為84℃的氣蝕特性圖。

從相關試驗數(shù)據(jù)得出，出水溫度100℃ ，轉速3600rpm時，為避免發(fā)生汽蝕，需要的最大膨脹水壺壓力為97.9kPa，圖8為出水溫度為100℃的氣蝕特性圖。

從相關試驗數(shù)據(jù)得出，出水溫度110℃，轉速3600rpm時，為避免發(fā)生汽蝕，需要的最大膨脹水壺壓力為109kPa，圖8為出水溫度為110℃的氣蝕特性圖。

所以建議冷卻系統(tǒng)壓力蓋泄壓閥定義在110kPa及以上。

2.3 優(yōu)化冷卻系統(tǒng)布置防止水泵汽蝕

2.3.1減小流體總水頭損失（總水頭損失包括沿程損失及局部損失）

（1）由流體力學沿程損失達西公式：

其中：l為管路長度；

d為管路內徑；

V為流體截面平均流速?？梢?，減小管路長度、增大管路內徑、減小流利流速能夠減小管路沿程損失。

（2）由流體力學可知局部損失通用公式為：

其中：ζ為局部損失系數(shù)，一般由試驗測定，其取決于流道的局部形狀變化和雷諾數(shù)；

V為參考斷面的平均流速。

可見避免管路的突然變形、增大折彎半徑、減小流體流速都能夠減小管路流體局部損失。

2.3.2 提高水泵前靜壓

大多數(shù)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)布置，壓力蓋布置在散熱器最高點，由于散熱器及管路流阻，會導致水泵前靜壓較低，當發(fā)動機水溫較高且處于高原地帶時，可能引起水泵前靜壓低于其水溫下對應的汽化壓力而出現(xiàn)局部沸騰現(xiàn)象，從而使水泵工作條件惡劣甚至出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。

采用冷卻系統(tǒng)加裝膨脹水箱（帶壓力蓋）結構，同時其補水管連接在水泵前，可以顯著提高水泵前壓力，有效預防水泵汽蝕現(xiàn)象。其管路布置如下圖所示：

另外還可以通過如下方式來避免水泵汽蝕現(xiàn)象：

2.3.2.1 優(yōu)化發(fā)動機水泵內部結構，減小其必須汽蝕余量；

2.3.2.2 盡量減小散熱器下水口距離水泵進水口高度差。

3、結論

本文講述了發(fā)動機水泵汽蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的機理，同時闡述了如何通過水泵臺架試驗確定壓力蓋開啟壓力，通過流體力學理論公式確定管路優(yōu)化措施的方法從而有效避免水泵的汽蝕現(xiàn)象。水泵汽蝕現(xiàn)象的消除能夠保證冷卻系統(tǒng)能夠正常、可靠的工作，因而本篇內容對于冷卻系統(tǒng)設計具有一定的指導意義。

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根據(jù)前期同步工程的開展，將新產(chǎn)品進行裝配工藝仿真分析制定出新的裝配工藝流，并且在裝配過程中對工具進行了現(xiàn)行，因此數(shù)字化軟件按規(guī)劃的工藝流編制出工藝文件。大多數(shù)汽車廠商的生產(chǎn)制造線布局混亂、裝配工時不平衡，這些因素都是影響產(chǎn)能提升的主要原因。汽車廠為不影響生產(chǎn)只能進行性小范圍的調整但不能整體的解決問題。數(shù)字化制造通過產(chǎn)品和廠房的三維數(shù)模利用進行生產(chǎn)平衡分析，線旁物料定置分析，然后進行合理的調整已提升產(chǎn)能，并且不影響生產(chǎn)。

4.4 工藝工程管理

傳統(tǒng)的工藝管理是設計在產(chǎn)品設計完成后、工藝編制作業(yè)指導書下發(fā)車間，然后進行裝配，出現(xiàn)裝配問題時然后反饋設計進行更改，這種流程極大的浪費的制造成本，存在許多的產(chǎn)品設計問題和工藝設計問題，而且延長了新產(chǎn)品的上市時間。數(shù)字化工程通過前期的同步開發(fā)及工藝的工藝規(guī)劃的減少了產(chǎn)品的設計問題，縮短了產(chǎn)品的上市時間。

5、結束語

汽車制造行業(yè)一直是國內先進制造技術應用的聚集地，這些企業(yè)有較好的制造設備條件和IT 應用基礎，它們率先實施數(shù)字化制造既是大勢所趨，也是形勢所迫，汽車制造業(yè)要增強創(chuàng)新能力，就離不開產(chǎn)品設計的數(shù)字化、工藝規(guī)劃的數(shù)字化和生產(chǎn)管理的數(shù)字化；市場競爭促使企業(yè)從傳統(tǒng)制造模式向數(shù)字化制造模式轉變，在產(chǎn)品越來越復雜、生產(chǎn)設備和制造系統(tǒng)日趨復雜和昂貴的情況下，只有引入數(shù)字化制造技術中的虛擬驗證功能，并通過定量的手段來分析和優(yōu)化制造工藝，才能保證在可制造的前提下，實現(xiàn)快速、低成本和高質量的制造。

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On the engine water pump cavitation and preventive measures

Liu Xiaoming, Chen Kaichao
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

cavitation phenomenon occurs frequently .the cavitation of engine pump causes the pump floe decreased ,the increase of noise,the pressure fluctuation,so the system can't work .we could improve the pump cavitation in many ways, for explme, design of water pump structure / design of engine water fluid/ design of colling system.this paper mainly discusses the reason ,the cavitation phenomenon,improvement measuies from severl ways,the most important is the cooling system to improve cavitation phenomenon. Most of modern truck assemble closed enforced coolant system, it is achieved by press cap. The press cap can enhance the coolant system pressure, also applicable gating pressure of the press cap can repress pump cavitation of the engine water pump to assurance normal work of the water pump, but also it can eliminate high-frequency noise by the pump cavitation.

closed enforced coolant system；gating pressure of the press cap；water pump；pump cavitation

U464

A

1671-7988(2015)02-132-06

劉曉明，就職于江淮汽車技術中心商用車研究院。