內燃機冷卻水泵汽蝕評價方法的研究

1 前言

內燃機是國民經濟中工業、農業、交通、國防等各個領域采用最廣泛的動力裝置。內燃機冷卻水泵作為冷卻系統的核心零部件，其可靠性直接決定了整機運行可靠性內。隨著內燃機輕量化要求的日益提高，鑄鋁合金冷卻水泵逐漸被推廣使用，汽蝕問題一直是鑄鋁合金水泵推廣應用的重要瓶頸，特別是在重型商用柴油機上，鑄鋁合金水泵汽蝕對內燃機的正常運行和工作造成極大的危害，嚴重時會造成整機無法運行。文獻[1]指出，對內燃機冷卻水泵汽蝕性能的評價主要沿用傳統的臨界汽蝕余量NPSHc指標進行評價，即當裝置汽蝕余量NPSHa ≥(1.1～1.5)NPSHc，認為水泵運行在“汽蝕安全區域”。NPSHc通過零部件汽蝕試驗(試驗水泵轉速、流量保持不變，調整試驗裝置汽蝕余量NPSHt，獲取揚程變化曲線)測得，通常將揚程下降3%的點對應的試驗汽蝕余量定為臨界汽蝕余量。

近幾年產品開發過程中發現，即使鑄鋁合金水泵的汽蝕安全系數達到2.7(定義汽蝕安全系數α=NPSHa÷NPSHc)，也無法避免汽蝕故障的發生。無獨有偶，文獻[2]列舉了日本在上世紀70年代至90年代，在汽蝕安全區域運行的水泵出現45起水泵汽蝕故障，說明用傳統的臨界汽蝕余量法評價水泵汽蝕性能的準確性受其它不確定因素的影響。

檢察機關提起公益訴訟制度，是黨中央部署的重大改革任務。2015年7月，全國人大常委會授權江蘇等13個省市開展檢察機關提起公益訴訟試點工作。三年多來，江蘇檢察機關在公益訴訟道路上“破冰”前行，探索司法保護公益的“江蘇樣本”。共辦理訴前程序案件6664件、提起公益訴訟329件，分別占全國案件總數的15.7%和17.3%，提起訴訟數位居全國第一。其中，提起生態環境和資源保護公益訴訟案件173件，督促清理固體廢物29萬余噸，索賠環境資源損害賠償金等費用5.8億余元，促進解決了一批群眾反映強烈的環境問題。

文獻[3]指出, Harvey提出了“汽蝕核子”的假設，并被后人用全息照相的光學方法測得了汽蝕核子的存在。汽蝕的發生取決于液體中汽蝕核子的大小和數量,因此,液體可以在不同的壓力下開始斷裂,所以不存在使汽蝕發生的明確壓力。即當液體中的汽蝕核子的數量、大小達到某一條件時，液體壓力大于飽和蒸汽壓的情況下也可以發生汽蝕。

為了找出水泵汽蝕的原因，筆者按照“汽蝕核子”理論排查分析，發現發生汽蝕破壞的水泵與其它無汽蝕破壞的水泵相比，冷卻液清潔度、冷卻液牌號并沒有差異，因此推論該水泵汽蝕問題非“汽蝕核子”過多導致。進一步，筆者借助流體仿真軟件對問題水泵與臨界汽蝕余量相近的無汽蝕問題水泵(下文2#水泵)進行空化仿真分析，通過分析空化仿真結果找出問題水泵汽蝕的根本原因，并針對原因制定改進方案。最終通過零部件耐久試驗驗證分析結論。

2 水泵結構及性能對標分析

對標無汽蝕水泵(2#水泵)，分析汽蝕水泵(1#水泵)參數及結構。具體性能參數見表1，1#水泵與2#水泵材料相同(鑄鋁合金泵體，塑料葉輪)，葉輪平面投影圖見圖1，葉輪幾何參數見表2。

2.1 葉片型線

從葉輪葉片型線分析，1#水泵葉片為圓柱形雙向彎曲型線(呈 S形)，葉片間流道中間發生轉折，加劇葉片流道內湍流強度，另一方面，S形葉形導致葉片間流道變短且擴算角度變大，最終加劇壓力損失及壓力波動，對葉片間流道空化的發展及氣泡潰滅起到促作用；2#水泵葉片為圓柱形單向彎曲型線，不存在此問題，抗汽蝕性能優于1#水泵。

2.2 葉輪進口折引直徑

本文模型計算共須設定以下四個邊界條件：

(1)

=4

5～5

5時，可得到具有抗汽蝕性能較高、效率較低的葉輪。

景區的發展與進步，人才要素更為突出，當地的高等院校并沒有開設旅游管理的相關課程，在一定程度上失去了當地建設旅游區的依托。而大部分的本地人因為熟悉景區從事了景區工作人員這一職業，在一定程度上使得員工的文化素質偏低，提供給景區進行改善的建設性意見也相對較少。

=3

5～4

0時，可得到具有抗汽蝕性能較低、效率較高的葉輪。

式中

、

、

釋義參見表1及表2。

設置求解模塊Centrifugal(離心泵模塊)、Turbulence(湍流模塊)、Cavitation(空化模塊)； Centrifugal參數設定：求解方式為穩態，參照表1及表2設定轉速、葉輪葉片數，設定旋轉中心坐標及旋轉軸線向量。Turbulence及Cavitation無需設置。

帶入表1及表2相關參數，計算得1#水泵

值為4

66，2#水泵

值為4

63，從

系數分析二者抗汽蝕性能相當, 1#水泵略優。

整個項目制作以學生為主體創客導師為指導完成，學生通過自主學習調研，提出問題，對項目既定目標、跨學科知識點、小組成員專業特征做整體分析，最終提出解決方案，將課內外知識點進行有機結合，提升實踐能力。不同專業學生組成的小組可以讓學生知識面得到拓展，提升溝通協作共享能力。完成項目過程中實現跨學科知識內容分析、探討、學習，學生完成項目過程中不可避免遇到自己專業以外的知識點，從而激發學生自主學習欲望，培養勇于探索、克服苦難的精神。 項目結束后由創客工坊中創客導師將各小組項目進行資源匯總，匯總后的項目資源傳到創客云平臺中供學生學習使用。

最后，我記得這本書的扉頁上寫著這樣一句話：《大教學論》它闡明把一切事物教給一切人們的全部藝術。這是一種教起來準有把握，因而準有結果的藝術；并且它又是一種教起來使人感到愉快的藝術，就是說，它不會使教員感到煩惱，使學生感到厭惡，它能使教員和學生全都得到最大的快樂；此外，它又是一種教得徹底、不膚淺、不鋪張，卻能使人獲得真實的知識、高尚的情誼和最深刻的虔信的藝術。

2.3 葉片進口邊位置

出口條件：采用Outlet控制，參照表1設定出口流量(按照m

/s換算)；

2.2 妊娠期各類型UI所占的比例與嚴重程度情況本次調查顯示，UI的患病率為36.9%（382/1 036），其中SUI患病率為27.6%，UUI的患病率為4.2%，MUI的患病率為3.7%，其他類型UI的患病率為1.4%。各類型UI構成比依次為SUI 74.9%（286/382）、UUI 11.5%、MUI 9.9%、OUI 3.7%。患UI孕婦中，主要以輕、中度UI為主，輕度UI 216人，占56.5%（216/382），中度UI 147人，占38.5%。

2.4 臨界汽蝕余量

參照文獻[5]，3%揚程下降點作為水泵的臨界汽蝕余量點，測量1#水泵與2#水泵的臨界汽蝕余量NPSHc，分別為3.1m及3.2m，見圖3。從NPSHc分析，1#水泵抗汽蝕性能與2#水泵汽蝕性能相當，1#水泵略優，這與水泵實際運行情況(1#水泵發生汽蝕破壞，2#水封無汽蝕破壞)矛盾。

3 仿真分析

PumpLinx是美國Simerics公司專門為各類泵的水力模擬計算開發的CFD軟件，其核心部分是一個功能強大的CFD求解器，能夠求解可壓縮及不可壓縮流體流動，在此基礎上，PumpLinx提供多種泵的專用模塊用于泵的求解計算，本文采用PumpLinx對水泵進行仿真分析。

3.1 模型建立及流體域網格劃分

運用三維建模軟件提取1#水泵與2#水泵流體域，如圖4所示；運用流體仿真軟件對1#水泵及2#水泵流體域進行網格劃分和邊界設定，如圖5所示。

3.2 仿真模塊設定

超導磁場儲能技術型儲能磁質下的損耗基于工作方式的轉變而轉變,在微網系統常規運轉下,磁質則可持續保持能量,而交流側則變換,并由此產生諧波[9],渦流損耗常出現在超導接頭部分,并主要針對導線自身所產生的損耗。超導磁場儲能線圈如圖4 所示。

3.3 求解邊界條件設定

離心泵設計理論

中提到，葉輪進口折引直徑對水泵汽蝕性能的影響通過k

系數進行評價：

圍繞主題遣詞造句，積章成篇是保證文章言之有物的前提。在表現主題的過程中，作者抒發感情，則是通過文辭的抑揚婉轉所形成的節奏和韻律來實現的。要體悟作者在詩文中蘊含的情感，就要理解詩文外在的體例以及內在的節奏和韻律。劉彥和以時代為線索，將二言到七言詩歌進行了詳細的梳理，得出了由于情勢趨向于復雜，表達要求得更周詳。隨著時代的發展，復雜長句的運用逐漸代替簡單斷句的結論。

工作介質：動力粘度設定為0.00712Pa·s，密度設定為1011.9kg/m

，飽和蒸氣壓設定為61880Pa，工作溫度設定為368K，氣體含量設定為0.009%；

=4

0～4

5時，可得到抗汽蝕性能、效率適中的葉輪。

葉輪壁面條件：葉輪內部壁面(葉片流道壁面)設置為Rotor控制，與葉輪外部壁面(背部及頂部壁面)設置為Rotoring Wall 控制。

很多時候學生答題出現錯誤并不是因為沒有審題甚至可說沒有認真審題，而是因為他們審題不夠深刻，沒有挖掘到題目表面含義下真正的意思.因此，老師在教學中不僅僅要指導學生讀懂題目表面的含義，更要讓學生明白深層次的意思，從而培養學生審題的深刻性.

文獻[1]指出，葉片進口邊適當向吸入口延伸，可使液體提早接受葉片的作用，減小葉片進口繞流壓力損失，提高泵抗汽蝕性能。但是葉片過度前伸會導致葉片進口排擠嚴重，葉片流道堵塞，造成泵抗汽蝕新能降低。葉片進口邊的前伸程度可用葉片進口邊軸面投影線與葉輪軸線的夾角δ控制，見圖2 。文獻[4]指出，對于高比轉數的泵，δ一般控制在30°～45°，隨著比轉速降低，δ取值降低。1#水泵(中比轉速泵)δ角為55.7°，遠大于推薦值，說明葉片進口邊過度前伸，抗汽蝕性能低；2#水泵(中比轉速泵)δ角為23°，說明葉片進口邊前伸合理，抗汽蝕性能優。

進口條件：采用Inlet 控制，設定進口壓力101325Pa；

(1)充分發揮裕固文化特色優勢的同時，進一步加大政府的領導和資金投入，充分調動裕固族人民和專家學者的積極性，促進裕固族傳統體育的推廣和普及。

3.4 求解計算及結果分析

本文對1#水泵及2#水泵額定點設計工況下進行仿真分析，經過PumpLinx軟件計算，得到葉輪Vapor Volume Fraction(蒸汽體積分數，表征葉輪內部空化程度)分布云圖，具體見表3，對比不同標尺下的Vapor Volume Fraction云圖可以看出，1#水泵的空化程度比2#水泵嚴重，同時還可以看出1#水泵的空化分布范圍比2#水泵空化分布范圍大，1#水泵更易產生汽蝕破壞，抗汽蝕性能較2#水泵弱。

進一步對仿真結果分析，提取水泵葉輪葉片間流道內部的空化區域分布圖(設定顯示Vapor Volume Fraction≥0.03的區域)，詳見圖6。從圖中可以直觀的看出1#水泵的空化體積明顯大于2#水泵的空化體積；同時還可以看出，1#水泵空化區域全部分布在葉片間流道喉口以后，2#水泵空化區域橫跨葉片間流道喉口，部分分布在喉口之前。

從NPSHc角度判斷，1#水泵抗汽蝕性能優于2#水泵；從空化仿真結果判斷，1#水泵抗汽蝕性能弱于2#水泵。而實際運行過程中1#水泵發生汽蝕破壞，2#水泵未發生汽蝕破壞，實際情況與仿真結果相符，與NPSHc判斷結論相悖。得出結論：運用NPSHc評判水泵的抗汽蝕性能存在局限性。

由文獻[1]可知，NPSHc評判水泵抗汽蝕性能的方法，是通過監測水泵性能劣化程度進而間接判斷水泵的汽蝕情況，并非直接測出水泵的汽蝕狀態。在某些情況下，水泵因葉輪結構特點而使水泵性能對泵內空化不敏感時(即水泵內部空化較為嚴重而水泵性能并不劣化)，運用NPSHc評判水泵抗汽蝕性能就會存在較大偏差。

結合圖6分析，1#水泵葉輪前片過度前伸(δ角過大)，導致葉片間流道喉口前移，空化區域全部分布在葉片間流道喉口之后，一定程度的空化，不會造成流道喉口堵塞，也就不會影響葉輪入口的吸入性能；另一方面1#水泵葉輪葉片間流道短而寬，較弱程度的空化很難堵塞葉片間流道，空化對性能的影響滯后。基于此兩方面原因，1#水泵性能對葉輪內部空化不敏感，用NPSHc來評判水泵的抗汽蝕性能存在較大偏差。相反的，2#水泵空化區域的分布特點及葉片間流道結構特點使其在用NPSHc方法評判水泵抗汽蝕性能時較為準確。

根據以上發現及推論，在維持水泵性能不變前提下，參照2#水泵葉輪結構對1#水泵進行優化設計，優化后葉輪平面投影圖見圖7，幾何參數表見表4。優化后葉輪葉片為圓柱形單向彎曲型線，按照公式(1)計算k

值為4.88(抗汽蝕性能較優化前提升)，葉片進口邊軸面投影線與葉輪軸線的夾角δ為23°(葉片進口變前伸更加合理)。

運用PumpLinx軟件，控制仿真過程處理方法及邊界條件設定與前述仿真相同，進行仿真分析，從仿真結果可以看出，優化后的1#水泵，空化體積明顯降低，且空化區域分布特點趨向于2#水泵，具體見圖8及圖9。

4 試驗驗證

1#水泵優化方案進行樣件試制，在水泵試驗臺先后進行汽蝕試，測得水泵額定點設計流量下臨界汽蝕余量NPSHc=3.0m，詳見圖10；進一步，在水泵試驗臺進行零部件耐久試驗，完成耐久試驗后拆檢，水泵內部流道無汽蝕損壞現象，詳見圖11，1#水泵葉輪優化有效，證明本文通過空化仿真補充NPSHc法評判水泵抗汽蝕性能的方法有效。

5 結論

工程實踐證明，單純運用NPSHc對水泵抗汽蝕性能進行評判存在局限性，當水泵受葉輪幾何結構影響導致水泵性能對泵內空化不敏感時(即水泵內部空化較為嚴重而水泵性能并不劣化)，運用NPSHc評判水泵抗汽蝕性能會誤導工程技術人員。

本文運用CFD仿真軟件PumpLinx對水泵進行空化仿真分析，揭示了特定情況下，通過NPSHc評判水泵抗汽蝕性能失效的機理，并針對此問題補充完善了水泵抗汽蝕性能評價方法，即在運用NPSHc對水泵抗汽蝕性能評價前，首先運用仿真軟件分析水泵葉輪入口空空化區域分布特點，當空化區域不全部位于葉片見間流道喉口之后時，運用NPSHc方法評價水泵抗汽蝕性能可信，否則不可信。

[1]關醒凡. 現代泵技術手冊[M]. 宇航出版社, 1995.[2]水泵的汽蝕損傷專題研究會成果報告書(第2期)，日本透平機械協會，1994年7月.

[3]吳達人, 國外離心泵汽蝕研究的現狀[J]. 化工與通用機械，1980，(04):22-31.

[4]《離心泵設計基礎》編寫組編寫.離心泵設計基礎 [M].北京：機械工業出版社，1974.

[5]全國內燃機標準化技術委員會.內燃機冷卻水泵 第2部分 總成試驗方法：JB/T 8126.2—2010[S].北京：機械工業出版社，2010.