实验室铸铝水泵汽蚀故障原因的排查与优化

2021-02-25高志军王丽霞刘健张志斌

柴油机设计与制造 2021年4期

高志军，王丽霞，刘健，张志斌

(1．内燃机可靠性国家重点实验室，山东潍坊 261061；2．潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061)

0 引言

随着经济的发展和科技的进步，社会对环保节能的重视度日益增加。汽车工业快速发展，汽车保有量逐年增加，作为汽车的心脏——发动机，对可靠性和减重的要求也在逐步提高，铸铝件由于其铸造工艺可实现性高、质量轻、结构强度高等优点，被普遍的应用在发动机各个零部件上，其中铸铝水泵的应用范围也逐渐普遍。发动机在其工作过程中，水泵作为冷却系统中的核心部件，需要提供足够的动力驱动冷却液在系统中循环，确保整个发动机不会出现高温的现象；同时还需要为后处理系统、空调暖风及除霜系统提供足够的冷却液。随着发动机功率密度的不断增加，整机体积更小、质量要求更轻；发动机水泵也随着要求质量更轻、体积更小、效率更高。

所以目前的水泵设计需要同时考虑轻量化、模块化、低成本、工艺性好、可靠性高，具体体现为水泵壳体由铸铁到铸铝、水泵叶轮由铸铁到高耐磨塑料叶轮、水泵效率≥50%等。但是随着发动机热效率的不断提高，整机运行水温也在不断提高，加之汽车水泵运行转速、工况复杂多变，水泵扬程、流量变化范围大，容易对水泵产生汽蚀损坏，严重时会导致扬程和效率的急剧下降，发动机运行工况进一步恶劣，由此形成恶性循环，最终影响冷却系统的正常工作，缩短水泵寿命，严重时甚至会导致整机拉缸等严重故障。因此很多文献中对水泵汽蚀的成因，对冷却系统的影响做过详细的研究和阐述，例如：1.在高温、高转速和大流量工况下容易产生汽蚀现象，严重影响冷却系统的正常工作，大大缩短冷却泵使用寿命[1]；2.汽蚀现象会对离心泵的叶轮及泵壳表面造成斑痕及裂纹，甚至呈海绵状逐步脱落，严重时可导致离心泵完全不能工作[2]，均详细介绍过汽蚀对水泵产生的严重危害。

本文通过梳理某款铸铝水泵解决耐久试验过程中汽蚀故障的仿真和试验方法，确定故障主要起因，并结合故障原因，提出后续设计、试验考核的意见，希望能够为类似问题提供故障排查方向和参考建议。

1 故障现象及可能原因分析

1.1 故障现象

汽蚀是水泵常见的故障现象，冷却液在水泵低压区汽化形成的气泡随冷却液运行至高压区破灭，周围冷却液会快速填充过来，对金属壁面形成剧烈冲击，随着汽蚀时间的加长，最终导致水泵金属壁面发生材料剥落，形成汽蚀坑穴[3]。

某款型号为422的铸铝水泵，零部件耐久试验后拆检发现存在汽蚀故障，主要汽蚀位置在水泵体隔舌处，甚至整个涡室内腔都存在汽蚀痕迹，如图1所示。为排查故障原因，解决422型号铸铝水泵(以下简称422水泵)汽蚀问题，进行了一系列仿真与试验排查。

图1 水泵汽蚀故障

1.2 可能原因分析

梳理422水泵的开发过程，前期仿真及手工样件试验过程中均未发现如此严重的汽蚀风险，所以考虑对422水泵的仿真及耐久过程进行重新排查。

仿真排查的重点在与同类型已批产水泵进行各项仿真指标对标，排除仿真误差。但是结合之前的开发经验，仿真误差导致如此严重汽蚀问题的可能性不大。

试验过程的排查，考虑耐久试验开始之初，水泵样件在性能试验台架上进行过性能和汽蚀测试，并未检测到水泵汽蚀，所以考虑对比性能台架与耐久台架的差异。

2 仿真、试验过程排查

2.1 仿真、测试结果对比

汽蚀会导致过流部件受到冲击破坏，引起水泵发生振动和噪音；同时由于汽蚀时气泡堵塞叶轮槽道，所以此时流量、扬程均降低，效率下降。因此，泵设计时不希望发生汽蚀现象，所以要控制水泵的汽蚀余量Net Positive Suction Head(NPSH)；其中涉及必须汽蚀余量(NPSH)r、临界汽蚀余量(NPSH)c、装置汽蚀余量(NPSH)a，相关定义如下。

必需汽蚀余量(NPSH)r：由泵本身几何参数决定，是规定泵要达到的汽蚀性能参数，值越小泵抗汽蚀能力越强。目前汽蚀试验是验证(NPSH)r唯一可靠的方法。

装置汽蚀余量(NPSH)a：由吸入装置提供，在泵进口处单位重量液体具有的超过汽化压力水头的富余能量，其值需要永为正值，值越大泵越不容易发生汽蚀。

临界汽蚀余量(NPSH)c：在进行水泵汽蚀试验时，以在扬程与汽蚀余量的性能曲线上，扬程下降3%时的汽蚀余量。

许用汽蚀余量[NPSH]：这是确定使用条件(如安装高度)用的汽蚀余量，它应大于临界汽蚀余量，以保证运行时不发生汽蚀。通常取[NPSH]=(1.1-1.5)(NPSH)c[4]。

所以，这些汽蚀余量有如下的关系：

(NPSH)c≤(NPSH)r≤[NPSH]≤(NPSH)a

422水泵设计过程中，在保证性能和高效的同时，应尽量减小水泵的必须汽蚀余量(NPSH)r。要保证水泵不发生汽蚀，还需要保证装置汽蚀余量(NPSH)a>(NPSH)r，本次试验中试验台架的布置结构决定了(NPSH)a的大小，计算公式如下[5]：

(1)

(2)

式中：

P1——水泵进水口压力，取相对压力，单位kPa，计算时按照试验过程中控制的最小压力计算；

pa——试验时的大气压力，取绝对压力，单位kPa，计算时按照1个标准大气压取值；

pv——试验温度下大气压力，取绝对压力，单位kPa；

z1——进口测压处至水泵中心的垂直高度，即吸上高度，测压处高于水泵中心时取正值，反之取负值，单位m；

v1——进口测压处断面上介质的平均速度，单位m/s；

H1——进口总压头。

由公式(1)、(2)可得：

(3)

其中必须汽蚀余量可以根据经验公式计算：

(4)

式中：v0、ω0为叶轮进口稍前液体的绝对速度与相对速度；μ为叶片进口压降系数。

由于(NPSH)r不能准确计算，所以一般用临界汽蚀余量(NPSH)c来表征水泵抗汽蚀的能力，(NPSH)c可以通过试验测得。试验中，一般在水泵额定转速下，在规定的介质、流量下，通过不断减小水泵进口压力，以水泵扬程下降3%作为临界汽蚀余量，表征水泵达到了汽蚀临界点，并且为保证水泵设计有一定的安全余量，即[NPSH]=(1.1-1.5)(NPSH)c<(NPSH)a。

本次设计目标临界汽蚀余量值为(NPSH)c<3.5 m，通过排查设计仿真值(见表1)和试验结果(见表2)之后，未发现明显异常。所以进一步对比其他已批产型号的关键设计参数，确认异常点，具体参数件见表3。

表1 水泵性能仿真参数

表2 水泵实测临界汽蚀余量-性能试验台

表3 同类型产品实测临界汽蚀余量

422水泵的(NPSH)c<3.5 m，临界汽蚀点水泵进口压力为-23.3 kPa，而耐久试验台架进口压力控制在0～15 kPa，理论上不应发生汽蚀问题。

根据初步排查结果，422水泵与现有批量产品相比，水泵性能点流量、扬程均较高。根据性能仿真和性能试验对比的结果来看，水泵在性能台架上进行测试时并未发生汽蚀；同时汽蚀临界点水泵进口压力比耐久试验过程中控制的进口压力要低，耐久试验过程中，不应该发生汽蚀。

2.2 仿真对比过程

通过流体仿真软件分别对422水泵和批产泵进行仿真对比，压力云图如图2所示，流速云图如图3所示，蒸汽体积分数如图4所示。由此可见，422水泵与批产泵相比并无明显劣化指标。

图2 标定点压力云图径向切面

图3 标定点的速度径向切面

图4 标定点的空化横截面图

422水泵与4138水泵性能相近，4138水泵市场反馈好，耐久过程中无汽蚀故障发生。通过与4138水泵对比仿真，可以确认422水泵设计无问题，耐久水泵汽蚀应与耐久试验台架及试验过程相关。

2.3 试验装置对比

试验台架的布置对应装置汽蚀余量，根据装置汽蚀余量的影响因素，排查试验装置。

首先排查试验装置。其中耐久试验台架对比性能试验台架，无图5所示流量计[5]。

图5 封闭性试验台架简图

其次排查耐久试验台架与性能试验台架的管路布置。本次测试用耐久试验台架进水管路内径50 mm，性能试验台进水管路内径65 mm，导致水泵进口流速分别为5.1 m/s、3.01 m/s，带入公式(3)，可以计算出台架装置汽蚀余量值，具体计算参数取值及结果见表4、表5。同时由于耐久试验台架管路较长，折弯数量较多，导致实际耐久台架的临界汽蚀余量也相对增加，通过试验可得增加至4.98 m，具体结果见表5。耐久试验台架和性能试验台架的安全余量值，即(NPSH)a/(NPSH)c分别为：0.88、1.1，具体计算结果见表4、表5。