關(guān)于LJ465Q系列發(fā)動機(jī)水泵氣蝕的探討

廖乃堅(jiān)，謝代標(biāo)

（柳州五菱柳機(jī)動力有限公司，廣西 柳州545005）

發(fā)動機(jī)在工作過程中，需要水泵運(yùn)轉(zhuǎn)使冷卻液不斷地循環(huán)，帶走發(fā)動機(jī)的熱量，以避免溫度過高，損壞零部件，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)不能正常工作。

然而在水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，在一定條件下會產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。水泵產(chǎn)生氣蝕后，除了對過流部件會產(chǎn)生破壞作用以外，還會產(chǎn)生噪聲和振動，并導(dǎo)致水泵的性能下降，嚴(yán)重時(shí)會使水泵中液體中斷，不能正常工作，從而使發(fā)動機(jī)不能有效散熱，發(fā)生事故損傷。因此，水泵氣蝕現(xiàn)象應(yīng)引起足夠重視，防止和減輕其產(chǎn)生，具有重要意義。

本文就發(fā)動機(jī)水泵氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及危害進(jìn)行了分析，同時(shí)對LJ465Q系列發(fā)動機(jī)水泵的氣蝕余量進(jìn)行計(jì)算，并提出了防止和減輕氣蝕的技術(shù)措施。

1 氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生

1.1 氣蝕的發(fā)生過程

水泵的氣蝕，是由水的汽化所引起的。所謂汽化，就是水由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的過程。液體汽化時(shí)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(guān)。溫度越高，由于分子運(yùn)動更為激烈，其汽化壓力越大。20℃常溫清水的汽化壓力為233.8 Pa，而100℃水的汽化壓力為101 296 Pa（1個(gè)大氣壓）。所以常溫（20℃）清水當(dāng)壓力降為233.8 Pa時(shí)，就開始汽化。可見，在一定溫度下，壓力是促成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(shí)，液體便產(chǎn)生氣泡。這種產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，就稱為氣蝕。但是，氣泡內(nèi)的氣體，實(shí)際上不完全是蒸汽，還包括著以溶解或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(kuò)散而進(jìn)入氣泡中，將助長氣泡的成長。

氣蝕時(shí)產(chǎn)生的氣泡，流動到高壓處時(shí)，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，稱為氣蝕潰滅。

1.2 氣蝕發(fā)生的階段

氣蝕的發(fā)生，可以分為以下階段：

（1）初生階段，用肉眼或其他手段檢測出氣蝕的發(fā)生；

（2）發(fā)達(dá)階段，初生階段進(jìn)一步發(fā)展，或?yàn)榧ち野l(fā)生的階段；

（3）終結(jié)階段，由于壓力上升，氣蝕消失的階段。

1.3 氣蝕發(fā)生的種類

氣蝕分為以下4種類型：

（1）游離氣蝕——在流動的液體中產(chǎn)生氣泡，同時(shí)在液體中成長，到高壓處而潰滅。

（2）固定氣蝕——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。

（3）漩渦氣蝕——在漩渦中低壓部分發(fā)生空穴，在螺旋槳翼端發(fā)生的氣蝕。

（4）振動氣蝕——在大幅度、高頻壓力脈動液體中發(fā)生的氣蝕。

2 水泵氣蝕現(xiàn)象及危害

2.1 水泵內(nèi)氣蝕的過程

發(fā)動機(jī)水泵不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，在這過程中，若其過流部分的局部區(qū)域內(nèi)（通常是葉輪葉片進(jìn)口稍后的某處，即離心泵葉片葉端的高速減壓區(qū)），因?yàn)橐后w流動性及葉輪旋轉(zhuǎn)的速度變化，抽送液體的絕對壓力降低到當(dāng)時(shí)溫度下的液體汽化壓力時(shí)，液體便在該處開始汽化，產(chǎn)生大量蒸汽，形成氣泡空穴；當(dāng)含有大量氣泡的液體，向前經(jīng)葉輪內(nèi)的高壓區(qū)時(shí)，氣泡周圍的高壓液體致使氣泡急劇縮小以至破裂；在氣泡凝結(jié)破裂的同時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)以很高的速度填充空穴，在此瞬間產(chǎn)生很強(qiáng)烈的水擊作用，并以很高的沖擊頻率，打擊金屬表面，沖擊應(yīng)力可達(dá)數(shù)百至數(shù)千個(gè)大氣壓，沖擊頻率可達(dá)數(shù)萬次/s，嚴(yán)重時(shí)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，就是水泵中的氣蝕過程。

2.2 水泵產(chǎn)生氣蝕時(shí)的現(xiàn)象

（1）產(chǎn)生噪聲和振動。由于水泵氣蝕時(shí)，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，可以聽到像爆豆似的“噼噼啪啪”的響聲。根據(jù)噪聲，可以檢測氣蝕的初生。但是，想把這種氣蝕噪聲與周圍環(huán)境發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)及附件傳動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲、發(fā)動機(jī)內(nèi)部因水流沖擊而產(chǎn)生的噪聲區(qū)分開來，定量地確定其程度，是相當(dāng)困難的。

（2）過流部件的腐蝕破壞。水泵長時(shí)間在氣蝕條件下工作時(shí)，水泵過流部件的某些地方，會遭到腐蝕破壞。這是因?yàn)闅馀菰谀Y(jié)時(shí)，金屬表面受到像利刃的高頻（600～25 000 Hz）強(qiáng)烈沖擊，壓力達(dá)49 MPa。在沖擊應(yīng)力的多次反復(fù)作用下，金屬表面疲勞破壞，如若汽泡內(nèi)夾雜某種活性氣體(如氧氣等)，它們借助汽泡凝結(jié)時(shí)放出的熱量 (局部溫度可達(dá)200～300℃)，還會形成熱電偶，產(chǎn)生電解，形成電化學(xué)腐蝕作用，更加速了金屬剝蝕的破壞速度。水泵氣蝕的特征，是先在金屬表面形成許多細(xì)小的麻點(diǎn)，進(jìn)而發(fā)展成海綿狀，然后逐漸擴(kuò)大成洞穴，嚴(yán)重的其實(shí)可在表面形成大片的凹坑（如圖1所示）。

圖1 金屬表面受到氣蝕破壞

氣蝕腐蝕破壞的部位，正是氣泡消失之處。所以常常是在葉輪出口和壓水室進(jìn)口部位發(fā)現(xiàn)破壞痕跡。而氣蝕的發(fā)源地，是在葉輪進(jìn)口處。欲根治氣蝕，必須防止在葉輪進(jìn)口產(chǎn)生氣泡。

（3）性能下降。水泵氣蝕時(shí)，葉輪內(nèi)液體的能量交換受到干擾和破壞，在外特性上的表現(xiàn)是流量-揚(yáng)程曲線、流量-軸功率曲線、流量-效率曲線下降，嚴(yán)重時(shí)會使水泵中的液流中斷，不能工作。應(yīng)當(dāng)指出，水泵發(fā)生氣蝕的初生階段，特性曲線并無明顯變化，有時(shí)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(shí)，氣蝕現(xiàn)象已發(fā)展到一定程度。

不同比轉(zhuǎn)速的水泵，由氣蝕引起性能下降的形式不同，低比轉(zhuǎn)速泵由于葉片間流道窄而長，故一旦發(fā)生氣蝕，氣泡易于充滿整個(gè)流道，因而性能曲線呈突然下降形式。隨著比轉(zhuǎn)速增大，葉道向?qū)挾痰内厔葑兓蚨鴼馀輳陌l(fā)生發(fā)展到充滿整個(gè)流道，需要一個(gè)過渡過程，相應(yīng)的水泵特性曲線開始是緩慢下降，之后增加到某一流量時(shí)，才表現(xiàn)為急劇下降。

3 LJ465Q系列發(fā)動機(jī)水泵氣蝕現(xiàn)象

3.1 LJ465Q系列發(fā)動機(jī)水泵基本參數(shù)

LJ465Q系列發(fā)動機(jī)水泵基本參數(shù)見表1、表2。

表1 LJ465Q系列發(fā)動機(jī)水泵使用環(huán)境參數(shù)表

表2 LJ465Q系列發(fā)動機(jī)水泵性能參數(shù)要求表

3.2 試驗(yàn)中出現(xiàn)的水泵氣蝕現(xiàn)象

（1）水泵裝在發(fā)動機(jī)上，經(jīng)過發(fā)動機(jī)臺架200 h冷熱沖擊試驗(yàn)及600 h整機(jī)交變負(fù)荷試驗(yàn)，其水泵殼體出現(xiàn)局部氣蝕，氣蝕的部位剛好在葉輪出口和壓水室進(jìn)口部位（如圖2所示）。

圖2 發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)下出現(xiàn)的氣蝕

（2）在水泵可靠試驗(yàn)臺架上，控制介質(zhì)流體溫度93℃下，水泵以7500 r/min的轉(zhuǎn)速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)500 h，利用PLC對水泵循環(huán)時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)。其水泵殼體出現(xiàn)局部氣蝕，特別是在泵體的切水圓處更為明顯（如圖3所示）。

圖3 水泵臺架試驗(yàn)下出現(xiàn)的氣蝕

4 氣蝕余量及計(jì)算

由于葉輪機(jī)械中流體運(yùn)動的復(fù)雜性，很難從理論上計(jì)算出流場中何處可能出現(xiàn)氣蝕，再加上氣蝕現(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(xué)性質(zhì)，所以更難于從理論上提出氣蝕發(fā)生的判據(jù)。因此，在實(shí)踐中往往是采用經(jīng)驗(yàn)加試驗(yàn)的辦法，來提出氣蝕判據(jù)。水泵的氣蝕余量概念，即是其中的重要判據(jù)之一，其既具有一定的理論意義，又是產(chǎn)品驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)之一。

4.1 氣蝕余量

水泵發(fā)生氣蝕的條件，是由水泵本身和吸入裝置兩方面決定的。因此，研究氣蝕發(fā)生的條件，應(yīng)從水泵本身和吸入裝置雙方來考慮。則水泵氣蝕余量有兩個(gè)概念：

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

其二是與泵結(jié)構(gòu)本身有關(guān)，稱必需的氣蝕余量NPSHr，是流體由水泵吸入口至壓力最低處的壓力降低值，是臨界的氣蝕余量，屬于“廠方參數(shù)”。

水泵氣蝕的基本關(guān)系式為：

NPSHc≤NPSHr≤ [NPSH]≤NPSHa

NPSHa=NPSHr(NPSHc)——水泵開始?xì)馕g

NPSHa＞NPSHr(NPSHc)——水泵無氣蝕

式中，NPSHa——裝置氣蝕余量，又叫有效氣蝕余量，越大越不易氣蝕；

NPSHr——水泵氣蝕余量，又叫必需的氣蝕余量，或水泵進(jìn)口動壓降，越小抗氣蝕性能越好；

NPSHc——臨界氣蝕余量，是指對應(yīng)水泵性能下降一定值的氣蝕余量；

[NPSH]——許用氣蝕余量，是確定水泵使用條件用的氣蝕余量，通常取[NPSH]=（1.1～1.5）NPSHc。

4.2 裝置氣蝕余量對水泵氣蝕的影響

要確保水泵在運(yùn)行中不氣蝕，必須在安裝上保證NPSHa≥K×NPSHr(K為安全裕量)，而后者由制造廠所保證。LJ465Q系列發(fā)動機(jī)在臺架上安裝方式見圖4。

圖4 發(fā)動機(jī)臺架安裝方式

由圖4可以看出，水泵的裝置水管過長，水管彎頭過多，使得裝置氣蝕余量NPSHa過小，易于使水泵產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。與此相對應(yīng)的，LJ465Q系列發(fā)動機(jī)的水泵裝在整車上，卻沒有發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，更加說明水泵的安裝方式對裝置氣蝕余量的影響很大。

4.3 水泵氣蝕余量的確定

水泵氣蝕余量NPSHr只與泵進(jìn)口部分的運(yùn)動參數(shù)相關(guān)，運(yùn)動參數(shù)在一定轉(zhuǎn)速和流量下，是由幾何參數(shù)決定的。即水泵氣蝕余量是由水泵本身（吸水室和葉輪進(jìn)口部分的幾何參數(shù)）決定的。對五菱柳機(jī)公司既定的水泵，不論何種液體（除粘性很大，影響速度分布外），在一定轉(zhuǎn)速和流量下流過水泵進(jìn)口，因速度大小相同，故均有相同的壓力降，水泵氣蝕余量相同，所以水泵氣蝕余量和液體的性能無關(guān)（不考慮熱力學(xué)因素）。水泵氣蝕余量越小，表示壓力降低，因而水泵的抗氣蝕性能越好。

4.4 水泵氣蝕余量的計(jì)算

水泵必需的氣蝕余量的計(jì)算公式為：

式中，C——?dú)馕g比轉(zhuǎn)速，是一個(gè)常數(shù)；

n——轉(zhuǎn)速（r/min）；

Q——泵流量（m3/s）；

NPSHr——?dú)馕g余量（m）。

C值可以作為氣蝕相似準(zhǔn)數(shù)，并標(biāo)志抗氣蝕性能的好壞。C值越大（相應(yīng)的NPSHr值越小），水泵的抗氣蝕性能越好。不同流量對應(yīng)不同的C值，所以C值通常是指最高效率工況下的值。根據(jù)C值的大致范圍，LJ465Q系列發(fā)動機(jī)水泵的氣蝕比轉(zhuǎn)速為1000。

（1）當(dāng)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，Q=100 L/min時(shí)，根據(jù)計(jì)算公式可得出：NPSHr=1.53 m

（2）當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，Q=40 L/min時(shí)，根據(jù)計(jì)算公式可得出：NPSHr=0.33 m

因此，LJ465Q系列發(fā)動機(jī)水泵越高速運(yùn)轉(zhuǎn)，介質(zhì)流量加大，NPSHr越大，氣蝕就越加明顯。

5 防止氣蝕產(chǎn)生的措施

為防止氣蝕產(chǎn)生，就必須增大裝置氣蝕余量NPSHa和減小水泵的氣蝕余量NPSHr。前者是使用問題，后者是設(shè)計(jì)問題。以下謹(jǐn)提出防止氣蝕產(chǎn)生的數(shù)點(diǎn)建議措施：

（1）減小幾何吸上高度；

（2）減小吸入損失，設(shè)法增加進(jìn)口管徑，盡量減少管路長度，彎頭和附件等；

（3）防止長時(shí)間在大流量下運(yùn)行；

（4）水泵發(fā)生氣蝕時(shí)，應(yīng)把流量調(diào)小或降速運(yùn)行，以減小進(jìn)口流速，使水泵不容易發(fā)生氣蝕；

（5）水泵的吸入口至葉輪附近的結(jié)構(gòu)，對水泵氣蝕有重要影響，則在合理范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)；

（6）對于在惡劣條件下運(yùn)行的水泵，為避免氣蝕破壞，需提高金屬表面材料的抗氣蝕性能，通常使用強(qiáng)度和韌性高的耐氣蝕金屬材料。

6 結(jié)束語

隨著汽車市場不斷擴(kuò)大，客戶對發(fā)動機(jī)水泵性能的要求不斷提高，水泵氣蝕現(xiàn)象已成為影響水泵性能的重要因素之一，應(yīng)當(dāng)引起充分關(guān)注。通過對LJ465Q系列發(fā)動機(jī)水泵氣蝕現(xiàn)象的分析與探討，推廣到類似發(fā)動機(jī)上的水泵設(shè)計(jì)及使用上，進(jìn)一步防止和減輕水泵氣蝕，使發(fā)動機(jī)水泵質(zhì)量與性能得到保障，更優(yōu)越地為發(fā)動機(jī)提供服務(wù)。

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