关于LJ465Q系列发动机水泵气蚀的探讨

2010-02-26廖乃坚谢代标

装备制造技术 2010年2期

廖乃坚，谢代标

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西柳州545005）

发动机在工作过程中，需要水泵运转使冷却液不断地循环，带走发动机的热量，以避免温度过高，损坏零部件，导致发动机不能正常工作。

然而在水泵的运转过程中，在一定条件下会产生气蚀现象。水泵产生气蚀后，除了对过流部件会产生破坏作用以外，还会产生噪声和振动，并导致水泵的性能下降，严重时会使水泵中液体中断，不能正常工作，从而使发动机不能有效散热，发生事故损伤。因此，水泵气蚀现象应引起足够重视，防止和减轻其产生，具有重要意义。

本文就发动机水泵气蚀现象产生的原因及危害进行了分析，同时对LJ465Q系列发动机水泵的气蚀余量进行计算，并提出了防止和减轻气蚀的技术措施。

1 气蚀现象的产生

1.1 气蚀的发生过程

水泵的气蚀，是由水的汽化所引起的。所谓汽化，就是水由液态转化为气态的过程。液体汽化时的压力为液体的汽化压力（饱和蒸汽压力），液体汽化压力的大小和温度有关。温度越高，由于分子运动更为激烈，其汽化压力越大。20℃常温清水的汽化压力为233.8 Pa，而100℃水的汽化压力为101 296 Pa（1个大气压）。所以常温（20℃）清水当压力降为233.8 Pa时，就开始汽化。可见，在一定温度下，压力是促成液体汽化的外界因素。

液体在一定温度下，降低压力至该温度下的汽化压力时，液体便产生气泡。这种产生气泡的现象，就称为气蚀。但是，气泡内的气体，实际上不完全是蒸汽，还包括着以溶解或核的形式存在的气体（主要是空气）。液体中溶解的气体，由于扩散而进入气泡中，将助长气泡的成长。

气蚀时产生的气泡，流动到高压处时，其体积减小以致破灭。这种由于压力上升气泡消失在液体中的现象，称为气蚀溃灭。

1.2 气蚀发生的阶段

气蚀的发生，可以分为以下阶段：

（1）初生阶段，用肉眼或其他手段检测出气蚀的发生；

（2）发达阶段，初生阶段进一步发展，或为激烈发生的阶段；

（3）终结阶段，由于压力上升，气蚀消失的阶段。

1.3 气蚀发生的种类

气蚀分为以下4种类型：

（1）游离气蚀——在流动的液体中产生气泡，同时在液体中成长，到高压处而溃灭。

（2）固定气蚀——在置于流动中的物体表面或流道边壁上形成空穴，并附着于壁面之上。

（3）漩涡气蚀——在漩涡中低压部分发生空穴，在螺旋桨翼端发生的气蚀。

（4）振动气蚀——在大幅度、高频压力脉动液体中发生的气蚀。

2 水泵气蚀现象及危害

2.1 水泵内气蚀的过程

发动机水泵不停地运转，在这过程中，若其过流部分的局部区域内（通常是叶轮叶片进口稍后的某处，即离心泵叶片叶端的高速减压区），因为液体流动性及叶轮旋转的速度变化，抽送液体的绝对压力降低到当时温度下的液体汽化压力时，液体便在该处开始汽化，产生大量蒸汽，形成气泡空穴；当含有大量气泡的液体，向前经叶轮内的高压区时，气泡周围的高压液体致使气泡急剧缩小以至破裂；在气泡凝结破裂的同时，液体质点以很高的速度填充空穴，在此瞬间产生很强烈的水击作用，并以很高的冲击频率，打击金属表面，冲击应力可达数百至数千个大气压，冲击频率可达数万次/s，严重时会将壁厚击穿。

在水泵中产生气泡和气泡破裂，使过流部件遭受到破坏的过程，就是水泵中的气蚀过程。

2.2 水泵产生气蚀时的现象

（1）产生噪声和振动。由于水泵气蚀时，气泡在高压区连续发生突然破裂，而产生噪声和振动，可以听到像爆豆似的“噼噼啪啪”的响声。根据噪声，可以检测气蚀的初生。但是，想把这种气蚀噪声与周围环境发动机运转及附件传动机构产生的噪声、发动机内部因水流冲击而产生的噪声区分开来，定量地确定其程度，是相当困难的。

（2）过流部件的腐蚀破坏。水泵长时间在气蚀条件下工作时，水泵过流部件的某些地方，会遭到腐蚀破坏。这是因为气泡在凝结时，金属表面受到像利刃的高频（600～25 000 Hz）强烈冲击，压力达49 MPa。在冲击应力的多次反复作用下，金属表面疲劳破坏，如若汽泡内夹杂某种活性气体(如氧气等)，它们借助汽泡凝结时放出的热量 (局部温度可达200～300℃)，还会形成热电偶，产生电解，形成电化学腐蚀作用，更加速了金属剥蚀的破坏速度。水泵气蚀的特征，是先在金属表面形成许多细小的麻点，进而发展成海绵状，然后逐渐扩大成洞穴，严重的其实可在表面形成大片的凹坑（如图1所示）。

图1 金属表面受到气蚀破坏

气蚀腐蚀破坏的部位，正是气泡消失之处。所以常常是在叶轮出口和压水室进口部位发现破坏痕迹。而气蚀的发源地，是在叶轮进口处。欲根治气蚀，必须防止在叶轮进口产生气泡。

（3）性能下降。水泵气蚀时，叶轮内液体的能量交换受到干扰和破坏，在外特性上的表现是流量-扬程曲线、流量-轴功率曲线、流量-效率曲线下降，严重时会使水泵中的液流中断，不能工作。应当指出，水泵发生气蚀的初生阶段，特性曲线并无明显变化，有时因产生的气泡覆盖过流部位表面，形成光滑层而使水泵效率稍有提高。水泵的特性曲线出现明显变化时，气蚀现象已发展到一定程度。

不同比转速的水泵，由气蚀引起性能下降的形式不同，低比转速泵由于叶片间流道窄而长，故一旦发生气蚀，气泡易于充满整个流道，因而性能曲线呈突然下降形式。随着比转速增大，叶道向宽而短的趋势变化，因而气泡从发生发展到充满整个流道，需要一个过渡过程，相应的水泵特性曲线开始是缓慢下降，之后增加到某一流量时，才表现为急剧下降。

3 LJ465Q系列发动机水泵气蚀现象

3.1 LJ465Q系列发动机水泵基本参数

LJ465Q系列发动机水泵基本参数见表1、表2。

表1 LJ465Q系列发动机水泵使用环境参数表

表2 LJ465Q系列发动机水泵性能参数要求表

3.2 试验中出现的水泵气蚀现象

（1）水泵装在发动机上，经过发动机台架200 h冷热冲击试验及600 h整机交变负荷试验，其水泵壳体出现局部气蚀，气蚀的部位刚好在叶轮出口和压水室进口部位（如图2所示）。

图2 发动机台架试验下出现的气蚀

（2）在水泵可靠试验台架上，控制介质流体温度93℃下，水泵以7500 r/min的转速连续运转500 h，利用PLC对水泵循环时间进行计数。其水泵壳体出现局部气蚀，特别是在泵体的切水圆处更为明显（如图3所示）。

图3 水泵台架试验下出现的气蚀

4 气蚀余量及计算

由于叶轮机械中流体运动的复杂性，很难从理论上计算出流场中何处可能出现气蚀，再加上气蚀现象不仅仅取决于流体的流动特性，还取决于流体本身的热力学性质，所以更难于从理论上提出气蚀发生的判据。因此，在实践中往往是采用经验加试验的办法，来提出气蚀判据。水泵的气蚀余量概念，即是其中的重要判据之一，其既具有一定的理论意义，又是产品验收的标准之一。

4.1 气蚀余量

水泵发生气蚀的条件，是由水泵本身和吸入装置两方面决定的。因此，研究气蚀发生的条件，应从水泵本身和吸入装置双方来考虑。则水泵气蚀余量有两个概念：

其一是与安装方式有关，称有效的气蚀余量NPSHa，是指水流经吸入管路，到达水泵吸入口后，所余的高出临界压力能头的那部分能量，是可利用的气蚀余量，属于“用户参数”；

其二是与泵结构本身有关，称必需的气蚀余量NPSHr，是流体由水泵吸入口至压力最低处的压力降低值，是临界的气蚀余量，属于“厂方参数”。

水泵气蚀的基本关系式为：

NPSHc≤NPSHr≤ [NPSH]≤NPSHa

NPSHa=NPSHr(NPSHc)——水泵开始气蚀

NPSHa＞NPSHr(NPSHc)——水泵无气蚀

式中，NPSHa——装置气蚀余量，又叫有效气蚀余量，越大越不易气蚀；

NPSHr——水泵气蚀余量，又叫必需的气蚀余量，或水泵进口动压降，越小抗气蚀性能越好；

NPSHc——临界气蚀余量，是指对应水泵性能下降一定值的气蚀余量；

[NPSH]——许用气蚀余量，是确定水泵使用条件用的气蚀余量，通常取[NPSH]=（1.1～1.5）NPSHc。

4.2 装置气蚀余量对水泵气蚀的影响

要确保水泵在运行中不气蚀，必须在安装上保证NPSHa≥K×NPSHr(K为安全裕量)，而后者由制造厂所保证。LJ465Q系列发动机在台架上安装方式见图4。

图4 发动机台架安装方式

由图4可以看出，水泵的装置水管过长，水管弯头过多，使得装置气蚀余量NPSHa过小，易于使水泵产生气蚀现象。与此相对应的，LJ465Q系列发动机的水泵装在整车上，却没有发生气蚀现象，更加说明水泵的安装方式对装置气蚀余量的影响很大。

4.3 水泵气蚀余量的确定

水泵气蚀余量NPSHr只与泵进口部分的运动参数相关，运动参数在一定转速和流量下，是由几何参数决定的。即水泵气蚀余量是由水泵本身（吸水室和叶轮进口部分的几何参数）决定的。对五菱柳机公司既定的水泵，不论何种液体（除粘性很大，影响速度分布外），在一定转速和流量下流过水泵进口，因速度大小相同，故均有相同的压力降，水泵气蚀余量相同，所以水泵气蚀余量和液体的性能无关（不考虑热力学因素）。水泵气蚀余量越小，表示压力降低，因而水泵的抗气蚀性能越好。