柴油机水泵穴蚀的原因及改进措施

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

柴油机水泵穴蚀的原因及改进措施

李一存
（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

针对某发动机拆检时出现的水泵穴蚀问题,进行了冷却系统的整体分析及水泵部件的分析,最终确定了水泵产生穴蚀的主要原因。在维持发动机各主要零部件如配套水管路和散热器及膨胀水箱相对空间位置不变的情况下，通过降低水泵的进水流速、改善水泵蜗壳的流动结构等措施，消除了水泵的穴蚀现象。

冷却液水泵气蚀余量

1 概况

为了使发动机在所有的工况下均能在适当的温度范围内正常运转，作为冷却系统的动力源——水泵的可靠性及稳定性就显得尤为重要。水泵的主要故障模式之一的穴蚀失效也就越来越引起人们的关注和重视。

水泵穴蚀是水泵损坏的重要原因。水泵一旦产生穴蚀，除了会对过流部件产生破坏作用外，还会产生噪音和振动，并导致水泵性能的下降，严重时会使泵中液体中断，不能正常工作。水泵气蚀将会降低其泵水效率，显著减少了水泵的扬程和流量，从而引起发动机过热，工作过程恶化，零件强度降低，机油变质，零件磨损加剧，最终导致发动机动力性、经济性、可靠性下降，缩短发动机使用寿命。严重时直接导致发动机拉缸和烧融，损坏发动机。

本文着重论述水泵产生穴蚀的原因，并针对这些原因采取相应的改进措施，防止水泵气蚀的产生。

2 判断气蚀的标准及气蚀相关计算

水泵发生气蚀的主要原因是冷却水的压力小于在该温度下冷却水的饱和蒸汽压力。为了避免水泵发生气蚀，确定水泵的允许安装高度，在离心泵标准中采用了2种指标来表示水泵的抗气蚀性能，分别为允许吸上真空度和气蚀余量。允许吸上真空度是指水泵为避免气蚀现象，泵入口处允许达到的最大真空度。该值越大，表示该泵在一定操作条件下抗气蚀性能越好，可安装高度越高。气蚀余量是指为防止气蚀现象发生，在离心泵入口处液体的动压头与静压头之和必须大于液体在该温度下的饱和蒸汽压头的数值。临界气蚀余量是指当叶轮入口附近最小压强等于液体的饱和蒸汽压时泵入口处高于饱和蒸汽压的富裕能量。气蚀余量随流量的增大而增大，而允许吸上真空度随流量的增大而减小。所以实际安装高度要在大流量下进行计算。

允许吸上真空度是将试验得出的临界吸上真空度换算到标准大气压101 kPa和水温为20℃的标准状况下，减去0.3 m的安全裕量后的数值[1]。

允许吸上真空度是离心泵的一个性能参数，与泵的结构、流量、被输送液体的物理性质及当地大气压等因素有关，随流量的增大而减小。其计算公式如下：

式中，

P1——泵入口处允许的最小压强；

Pb——大气压力；

ρ——被输送液体的密度，kg/m3。

离心泵的实际安装高度要小于许用的最大安装高度，一般比许用值小0.5～1 m。

离心泵的允许吸上高度又称为允许安装高度，指泵的吸入口与吸入蓄液面间可允许达到的最大垂直距离，其计算公式如下：

式中，

P1——泵入口处可允许的最小压强；

P0——蓄液面上的压强；

Hf0-1——液体吸入管路的压头损失；

u1——泵入口流速。

临界气蚀余量与允许吸上真空度之间的关系按下式计算：

式中，

Pb——大气压力（绝对压强），MPa；

Pv——汽化压力（绝对压强），MPa；

ρ——被输送液体的密度，kg/m3；

V1——进口断面处平均速度，m/s；

Hsc——临界吸上真空度，m；

Hsa——允许吸上真空度，m。

水泵的临界气蚀余量一般由制造厂商通过试验确定。在标定转速和流量下，根据水泵扬程随气蚀余量的变化关系，一般将水泵扬程降低为标定扬程的97%时的气蚀余量定义为水泵的临界气蚀余量。

3 实例分析

在一台发动机耐久试验后的拆检中发现水泵叶轮状况完好，而在水泵蜗壳出口处附近有大小不同的凹坑，即水泵发生了穴蚀，故障件如图1所示。

图1 水泵穴蚀照片

该水泵上安装有2个调温器，每个调温器上均带有一个Φ3 mm的孔，在发动机刚启动时用以排出水泵蜗壳内的气体，防止水泵产生气阻。对该水泵的穴蚀问题从以下3方面进行分析。

（1）从水泵选取材料方面考虑：由于水泵蜗壳产生了穴蚀，而叶轮没有产生穴蚀，分析是否由于材料选取不对而引起蜗壳穴蚀。水泵蜗壳采用的材料是HT200，叶轮采用的是工程塑料PPS+GF40。但是就目前的水泵设计来看，绝大多数的蜗壳均采用的是HT200，并且通过试验证明没有穴蚀问题，排除了材料引起蜗壳穴蚀的可能性。

（2）从发动机自身的设计方面考虑：发动机设计通过了CFD分析验证，同时检测了机体缸盖的水套，没有发现穴蚀痕迹。且该发动机的耐久试验中采用的是防冻液，试验严格按照发动机的操作规范执行，不存在冷却液过少及除气不彻底的问题。试验中发动机的进水温度为90℃左右，冷却液的进口压力为正值，故排除了发动机系统方面的问题。

（3）从水泵蜗壳自身的设计方面考虑：该水泵的进口直径为Φ47 mm，而水泵在标定点的流量为515 L/min，水泵的进口流速为4.95 m/s，该水流速度偏大；另水泵蜗壳存在设计缺陷，致使蜗壳内水流不畅，很容易引起穴蚀，具体结构如图2所示。

将水泵进水口的直径增大至Φ64 mm，水泵的进口流速降至2.67 m/s，该流速可以接受，同时改进了水泵蜗壳的内部结构，使在蜗壳内的水流更加顺畅，减少冷却水的涡流，如图3所示。

图2 改进前水泵蜗壳结构

图3 改进后水泵蜗壳结构

通过对水泵进行气蚀余量试验，改进前后水泵气蚀余量试验结果如图4所示。改进前的临界气蚀余量为6.193 m，改进后减小为4.843 m。通过改变水泵蜗壳结构，降低了水泵的临界气蚀余量，在标定点水泵的气蚀余量降低了1.4 m左右，通过耐久试验验证，新结构水泵蜗壳没有发生气蚀现象。

图4 改进前后水泵气蚀试验

4 小结

在不改变发动机冷却系统、水泵吸上高度和叶轮结构的情况下，通过采用加大水泵进口直径降低流速；改进蜗壳结构，使流道更加顺畅，尽量消除涡流的产生，降低了水泵的临界气蚀余量，从而排除了水泵蜗壳的气蚀现象。从水泵叶轮材料和蜗壳材料方面分析，工程塑料的抗气蚀性能要优于HT200的抗气蚀性能。

1沈阳水泵研究所．GB/T 13006－1991离心泵，混流泵和轴流泵－汽蚀余量[S]．1991．

Exploration and Improvement for the Cavitation of the Water Pump

Li Yicun
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

For the cavitation of the water pump of some diesel engine,the cooling system and water pump are analyzed and the main cause of the cavitation is found.Keeping the original locations of main parts such as water pipes,radiation and expansion tank the cavitation of water pumpis avoid by reducing water speed at the inlet of the water pump and improving water flow in the water pump housing.

coolant,water pump,cavitation,allowance

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.03.003

来稿日期：2011-06-14

李一存（1983－），女，助理工程师，主要研究方向为柴油机冷却系统。