柴油機水泵穴蝕的原因及改進措施

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

柴油機水泵穴蝕的原因及改進措施

李一存
（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

針對某發(fā)動機拆檢時出現(xiàn)的水泵穴蝕問題,進行了冷卻系統(tǒng)的整體分析及水泵部件的分析,最終確定了水泵產(chǎn)生穴蝕的主要原因。在維持發(fā)動機各主要零部件如配套水管路和散熱器及膨脹水箱相對空間位置不變的情況下，通過降低水泵的進水流速、改善水泵蝸殼的流動結構等措施，消除了水泵的穴蝕現(xiàn)象。

冷卻液水泵氣蝕余量

1 概況

為了使發(fā)動機在所有的工況下均能在適當?shù)臏囟确秶鷥?nèi)正常運轉，作為冷卻系統(tǒng)的動力源——水泵的可靠性及穩(wěn)定性就顯得尤為重要。水泵的主要故障模式之一的穴蝕失效也就越來越引起人們的關注和重視。

水泵穴蝕是水泵損壞的重要原因。水泵一旦產(chǎn)生穴蝕，除了會對過流部件產(chǎn)生破壞作用外，還會產(chǎn)生噪音和振動，并導致水泵性能的下降，嚴重時會使泵中液體中斷，不能正常工作。水泵氣蝕將會降低其泵水效率，顯著減少了水泵的揚程和流量，從而引起發(fā)動機過熱，工作過程惡化，零件強度降低，機油變質(zhì)，零件磨損加劇，最終導致發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、可靠性下降，縮短發(fā)動機使用壽命。嚴重時直接導致發(fā)動機拉缸和燒融，損壞發(fā)動機。

本文著重論述水泵產(chǎn)生穴蝕的原因，并針對這些原因采取相應的改進措施，防止水泵氣蝕的產(chǎn)生。

2 判斷氣蝕的標準及氣蝕相關計算

水泵發(fā)生氣蝕的主要原因是冷卻水的壓力小于在該溫度下冷卻水的飽和蒸汽壓力。為了避免水泵發(fā)生氣蝕，確定水泵的允許安裝高度，在離心泵標準中采用了2種指標來表示水泵的抗氣蝕性能，分別為允許吸上真空度和氣蝕余量。允許吸上真空度是指水泵為避免氣蝕現(xiàn)象，泵入口處允許達到的最大真空度。該值越大，表示該泵在一定操作條件下抗氣蝕性能越好，可安裝高度越高。氣蝕余量是指為防止氣蝕現(xiàn)象發(fā)生，在離心泵入口處液體的動壓頭與靜壓頭之和必須大于液體在該溫度下的飽和蒸汽壓頭的數(shù)值。臨界氣蝕余量是指當葉輪入口附近最小壓強等于液體的飽和蒸汽壓時泵入口處高于飽和蒸汽壓的富裕能量。氣蝕余量隨流量的增大而增大，而允許吸上真空度隨流量的增大而減小。所以實際安裝高度要在大流量下進行計算。

允許吸上真空度是將試驗得出的臨界吸上真空度換算到標準大氣壓101 kPa和水溫為20℃的標準狀況下，減去0.3 m的安全裕量后的數(shù)值[1]。

允許吸上真空度是離心泵的一個性能參數(shù)，與泵的結構、流量、被輸送液體的物理性質(zhì)及當?shù)卮髿鈮旱纫蛩赜嘘P，隨流量的增大而減小。其計算公式如下：

式中，

P1——泵入口處允許的最小壓強；

Pb——大氣壓力；

ρ——被輸送液體的密度，kg/m3。

離心泵的實際安裝高度要小于許用的最大安裝高度，一般比許用值小0.5～1 m。

離心泵的允許吸上高度又稱為允許安裝高度，指泵的吸入口與吸入蓄液面間可允許達到的最大垂直距離，其計算公式如下：

式中，

P1——泵入口處可允許的最小壓強；

P0——蓄液面上的壓強；

Hf0-1——液體吸入管路的壓頭損失；

u1——泵入口流速。

臨界氣蝕余量與允許吸上真空度之間的關系按下式計算：

式中，

Pb——大氣壓力（絕對壓強），MPa；

Pv——汽化壓力（絕對壓強），MPa；

ρ——被輸送液體的密度，kg/m3；

V1——進口斷面處平均速度，m/s；

Hsc——臨界吸上真空度，m；

Hsa——允許吸上真空度，m。

水泵的臨界氣蝕余量一般由制造廠商通過試驗確定。在標定轉速和流量下，根據(jù)水泵揚程隨氣蝕余量的變化關系，一般將水泵揚程降低為標定揚程的97%時的氣蝕余量定義為水泵的臨界氣蝕余量。

3 實例分析

在一臺發(fā)動機耐久試驗后的拆檢中發(fā)現(xiàn)水泵葉輪狀況完好，而在水泵蝸殼出口處附近有大小不同的凹坑，即水泵發(fā)生了穴蝕，故障件如圖1所示。

圖1 水泵穴蝕照片

該水泵上安裝有2個調(diào)溫器，每個調(diào)溫器上均帶有一個Φ3 mm的孔，在發(fā)動機剛啟動時用以排出水泵蝸殼內(nèi)的氣體，防止水泵產(chǎn)生氣阻。對該水泵的穴蝕問題從以下3方面進行分析。

（1）從水泵選取材料方面考慮：由于水泵蝸殼產(chǎn)生了穴蝕，而葉輪沒有產(chǎn)生穴蝕，分析是否由于材料選取不對而引起蝸殼穴蝕。水泵蝸殼采用的材料是HT200，葉輪采用的是工程塑料PPS+GF40。但是就目前的水泵設計來看，絕大多數(shù)的蝸殼均采用的是HT200，并且通過試驗證明沒有穴蝕問題，排除了材料引起蝸殼穴蝕的可能性。

（2）從發(fā)動機自身的設計方面考慮：發(fā)動機設計通過了CFD分析驗證，同時檢測了機體缸蓋的水套，沒有發(fā)現(xiàn)穴蝕痕跡。且該發(fā)動機的耐久試驗中采用的是防凍液，試驗嚴格按照發(fā)動機的操作規(guī)范執(zhí)行，不存在冷卻液過少及除氣不徹底的問題。試驗中發(fā)動機的進水溫度為90℃左右，冷卻液的進口壓力為正值，故排除了發(fā)動機系統(tǒng)方面的問題。

（3）從水泵蝸殼自身的設計方面考慮：該水泵的進口直徑為Φ47 mm，而水泵在標定點的流量為515 L/min，水泵的進口流速為4.95 m/s，該水流速度偏大；另水泵蝸殼存在設計缺陷，致使蝸殼內(nèi)水流不暢，很容易引起穴蝕，具體結構如圖2所示。

將水泵進水口的直徑增大至Φ64 mm，水泵的進口流速降至2.67 m/s，該流速可以接受，同時改進了水泵蝸殼的內(nèi)部結構，使在蝸殼內(nèi)的水流更加順暢，減少冷卻水的渦流，如圖3所示。

圖2 改進前水泵蝸殼結構

圖3 改進后水泵蝸殼結構

通過對水泵進行氣蝕余量試驗，改進前后水泵氣蝕余量試驗結果如圖4所示。改進前的臨界氣蝕余量為6.193 m，改進后減小為4.843 m。通過改變水泵蝸殼結構，降低了水泵的臨界氣蝕余量，在標定點水泵的氣蝕余量降低了1.4 m左右，通過耐久試驗驗證，新結構水泵蝸殼沒有發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。

圖4 改進前后水泵氣蝕試驗

4 小結

在不改變發(fā)動機冷卻系統(tǒng)、水泵吸上高度和葉輪結構的情況下，通過采用加大水泵進口直徑降低流速；改進蝸殼結構，使流道更加順暢，盡量消除渦流的產(chǎn)生，降低了水泵的臨界氣蝕余量，從而排除了水泵蝸殼的氣蝕現(xiàn)象。從水泵葉輪材料和蝸殼材料方面分析，工程塑料的抗氣蝕性能要優(yōu)于HT200的抗氣蝕性能。

1沈陽水泵研究所．GB/T 13006－1991離心泵，混流泵和軸流泵－汽蝕余量[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

來稿日期：2011-06-14

李一存（1983－），女，助理工程師，主要研究方向為柴油機冷卻系統(tǒng)。