發動機臺架試驗水泵汽蝕問題研究

張 帆，韋家良，劉高領

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007)

隨著發動機新項目開發的日益增多，水泵總成作為發動機的功能件之一，試驗驗證也隨之增多。如何保證發動機各項試驗的順利和高效運行，是設計人員關注的問題之一。

1 汽蝕和泵中的汽蝕過程

液體在一定溫度下，降低壓力至該溫度下的汽化壓力時，液體便產生氣泡，將這種產生氣泡的現象，稱為汽蝕。

泵在運轉中，若其過流部分的局部區域（通常是葉輪葉片進口稍后的某處），因為某種原因，抽送液體的絕對壓力下降到當時溫度下的汽化壓力時，液體便在該處開始汽化、產生蒸汽、形成氣泡，這些氣泡隨液體向前流動，至某高壓處時，氣泡周圍的高壓液體致使氣泡急驟地縮小以致破裂（凝潔）。在氣泡凝結的同時，液體質點將以高速填充空穴，發生互相撞擊而形成水擊。這種現象發生在固體壁上，將使過流部件受到腐蝕破壞。上述產生氣泡和氣泡破裂，使過流部件遭到破壞的過程，就是泵中的汽蝕過程。

2 泵產生汽蝕的條件

式中，

NPSHr為泵汽蝕余量；

ν0為葉片進口稍前的絕對速度；

w0為葉片進口稍前的相對速度；

λ為葉輪進口繞流壓降系數；

g為重力加速度；

NPSHa為裝置汽蝕余量；

上述式（1）和式（2）稱為汽蝕基本方程式。

裝置汽蝕余量NPSHr，是指在泵進口處單位重量液體具有的超過汽化壓力水頭的富余能量，其大小與裝置參數及液體性質有關；

泵汽蝕余量NPSHr。是指為了保證泵不發生汽蝕而要求在泵進口處單位重量液體具有超過汽化壓力水頭得富余能量，它與裝置參數無關，只與泵進口部分的運動參數有關，即有泵本身的特性決定。

當時NPSHr=NPSHa，泵汽蝕；

當NPSHr＜NPSHa時，泵嚴重汽蝕；

當NPSHr＞NPSHa時，泵無汽蝕。

3 泵汽蝕對發動機臺架試驗的危害

水泵汽蝕現象會產生噪聲和振動，引起過流部件的腐蝕破壞，導致水泵性能和效率下降。在發動機臺架試驗上發生水泵汽蝕現象時，將導致發動機冷卻液流量不足、局部過熱；嚴重時，甚至會因渦流室穴蝕嚴重而漏水最終導致發動機整體過熱而報廢。發動機耐久性臺架試驗耗資巨大，如因水泵汽蝕而導致試驗重做將得不償失，所以，如何最大限度地降低發動機臺架試驗過程中水泵汽蝕出現的幾率，不僅有技術指導意義，也有經濟指導意義。

下文就以一起案例，詳細分析發動機臺架試驗水泵的汽蝕問題。

4 案例分析

4.1 故障描述

發動機臺架試驗出現水泵汽蝕，導致試驗終止。拆解水泵發現：水泵渦流室嚴重穴蝕，如圖1所示，其他部位正常。

圖1 某水泵渦流室汽蝕圖片

4.2 原因分析

潛在原因分析。導致水泵汽蝕的潛在原因有：水泵原因，臺架裝置原因，其它原因。

其中，水泵原因包括：設計原因，即水泵選型時水泵本身的汽蝕余量過高；質量原因，即水泵在制造過程中存在制造缺陷，還有其他的原因。

故障樹分析樹見圖2。

臺架裝置原因包括：臺架裝置汽蝕余量過小；臺架運行過程中因水泵進水口流速過快、試驗開始前未進行排空氣或排氣未盡，導致水泵進水口處存在空氣；其他的原因。

4.3 故障排查

（1）水泵分析。水泵分析包括3項：一是尺寸檢測；二是同批次水泵互換汽蝕余量對比檢測；三是同類型產品汽蝕余量對比檢測。

第一項和二項的目的，是為了檢測水泵的制造質量；第三項是為了檢測水泵的設計品質。

圖2 水泵汽蝕故障分析樹

第一項——尺寸檢測：

檢測項目共2項：葉輪的安裝高度，葉輪和渦流室之間的間隙。選取同批次同等試驗條件后無故障的樣件3件，作為對比樣件同時進行檢測。檢測結果見表1。

表1 尺寸檢測結果

葉輪和渦流室之間的間隙，影響水泵的性能和汽蝕。間隙越小，水泵的性能越好，汽蝕性能越差；間隙越大，水泵的性能越差，汽蝕性能越好。

水泵設計一般取該值為（0.8±0.3）mm。葉輪的外圓跳動與水泵的汽蝕性能之間的關系如下：跳動越小，越不易發生汽蝕，而當葉輪外圓跳動超過一定值時，汽蝕的可能性將大幅增加，一般不應超過0.5 mm。

從表1可以看出，檢測結果合格，說明該水泵不存在裝配品質問題。

第二項——同批次水泵互換汽蝕余量對比檢測：

用鋁質修補劑復原汽蝕的泵座，將故障件的泵體和泵座與新品水泵（與故障水泵同一生產批次）的泵體和泵座分別搭配組合后，在同一水泵臺架上做汽蝕余量對比試驗，測量臨界汽蝕余量值。檢測結果見表2。

表2 汽蝕余量檢測結果

臨界汽蝕余量是表征水泵汽蝕性能的重要參數，其值越小，水泵的汽蝕性能越好，越不易發生汽蝕。

從表2中可以看出，不同組合下的汽蝕余量相差無幾，說明該水泵不存在鑄造和機械加工品質問題。

綜合上述2項檢測，可以判斷：該水泵在制造過程中沒有異常，排除水泵品質問題的可能。

第三項——同類型產品汽蝕余量對比檢測：

選取同類型已經量產的水泵2種與新品水泵，在同一水泵臺架上做汽蝕余量對比試驗，試驗結果見表3。

表3 汽蝕余量檢測結果

從表3中可以看出，新品水泵優于對比水泵的汽蝕余量，對比水泵已經通過開發階段的各項試驗驗證和售后市場的驗證，所以水泵的設計選型也不存在問題，排除水泵設計問題的可能。

綜合上述3項檢測，可以判斷：水泵本身不存在異常。

（2）臺架裝置分析。對試驗過程中的臺架裝置進行檢測發現：臺架冷卻系統由水泵本身驅動，水泵進水口流速不存在異常。但是，臺架裝置不符合試驗規范要求。

體現在：臺架水箱放置位置低于水泵進水口，導致水泵處于吸上狀態；臺架冷卻系統的布置不符合整車狀態冷卻系統的布置要求。

試驗人員在操作時，未按照試驗要求進行：試驗運行前沒有對冷卻系統進行排氣。

解剖發動機缸蓋，從圖3中可以發現，缸蓋水套內部同樣存在汽蝕的痕跡，由此可以證明：該水泵汽蝕現象系臺架裝置原因導致。

圖3 剖切后的發動機缸蓋水套示意圖

4.4 要因確認

綜合上述分析可知：臺架不符合試驗規范要求（水箱放置高度不合理，臺架冷卻系統的布置不符合整車狀態冷卻系統的布置要求）以及試驗人員操作不合理（試驗前未進行冷卻系統排氣）為導致水泵汽蝕的要因。

4.5 故障處理

針對臺架不符合試驗規范要求的問題，改進如下：將水箱位置抬高至高于發動機出水口處，使水泵處于倒灌狀態；按照整車冷卻系統的布置增加自動排氣的循環管路。因為改進后的臺架冷卻系統具備自動排氣功能，所以，臺架上不需要配備透明管路用以檢查排氣后的狀態。改進前后的臺架冷卻系統圖見圖5和圖6。

圖4 改進前臺架冷卻系統圖

圖5 改進后臺架冷卻系統圖

4.6 試驗驗證

臺架冷卻系統改造完成后，進行了多臺發動機耐久性試驗，試驗過程中發生水泵汽蝕現象的概率由30%降低至0%，臺架試驗運行的可靠性，得到了顯著提高。

5 結束語

通過案例分析，采用QC這種解決問題的方法，利用故障樹分析發動機臺架試驗水泵汽蝕的潛在原因，并逐一排查，得出結論如下：臺架不符合試驗規范要求（水箱放置高度不合理，臺架冷卻系統的布置不符合整車狀態冷卻系統的布置要求）以及試驗人員操作不合理（試驗前未進行冷卻系統排氣）為導致水泵汽蝕的要因。

針對故障要因，改進如下：將水箱位置抬高至高于發動機出水口處，使水泵處于倒灌狀態；按照整車冷卻系統的布置，增加自動排氣的循環管路。改進后，試驗過程中發生水泵汽蝕現象的概率由30%降低至0%，臺架試驗運行的可靠性得到了顯著提高。

本文就發動機臺架試驗水泵汽蝕問題深入探討，這種分析問題的方法和解決問題的經驗，為類似問題的分析和處理，提供了很好的解決思路和方法，對發動機臺架試驗有很好的借鑒作用。

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