汽車發動機離心式水泵葉輪的設計研究

汽車發動機作為汽車的核心部件，燃料在燃燒過程中會產生大量的熱能，發動機氣缸內的溫度急劇升高，為使得發動機在所有工況下都能在適當的溫度下工作，同時滿足發動機燃油經濟性和節能減排的目的，這就對發動機冷卻系統的功能性能提出了很高的要求。水泵作為發動機冷卻系統的核心部件，水泵的性能對發動機能否高效的工作起到了至關重要的作用，而葉輪是水泵能量轉化的關鍵部件，旋轉葉輪吸入口壓力低，迫使液體進入葉輪，然后葉輪對液體做功，進行能量轉換，使液體獲得壓力能和動能。葉輪設計的目的是最大限度減少液體流動損失，讓液體獲得較多的能量，這些帶有能量的液體進入到發動機機體內，對發動機的缸體、缸蓋、氣門等進行冷卻，保證發動機正常工作。

前期水泵葉輪的設計主要依賴設計經驗和相似泵原理進行設計，這對設計人員的設計經驗要求極高且設計成功率較低、設計成本高；本研究以國內某知名汽車廠家的一款發動機所需水泵的性能要求為設計依據，提出了將《試驗設計與數據處理》中的單因素試驗方法及正交試驗方法結合CFD仿真分析，確定葉輪的最佳參數組合，然后再根據最佳的葉輪參數制造葉輪及水泵總成進行試驗驗證，為水泵葉輪的設計提供了科學的依據。

1 葉輪直徑單因素CFD仿真分析

葉輪單因素CFD仿真分析的主要目的是研究葉輪直徑對水泵性能的影響規律，確定葉輪直徑，為后續仿真分析提供數據支撐。根據汽車廠家的要求水泵轉速n=7980rpm、流量Q=135L/min、揚程H≥11.55m，通過理論計算確定葉輪的基本尺寸，即：葉輪外徑D=47mm、出口寬度b

=9mm。可初步確定單因素仿真分析的葉輪直徑為45mm、46mm、47mm、48mm、49mm，其他參數根據相似泵選定。因此，本試驗是在水泵轉速n=7980rpm、流量Q=135L/min、葉片數為7、壓裝高度(葉輪上蓋板距進水口的距離)為1mm、出口寬度為9mm的條件下，以揚程、效率和軸功率為CFD仿真分析指標，對葉輪直徑進行的單因素CFD仿真分析，CFD仿真分析方案及CFD仿真分析結果見表1。

從CFD仿真分析結果可知，在CFD仿真分析所用的葉輪參數范圍內，隨著葉輪直徑的增大，水泵揚程不斷增加、軸功率不斷提高、水泵效率先增加后降低。為綜合考慮葉輪直徑對水泵性能的影響，對試驗結果進行加權分析，將本次CFD仿真分析指標(水泵揚程、水泵軸功率和水泵效率)的加權系數分別設定為0.5、-0.2、0.7，加權后的參數及分析結果見表2。

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由表5所示的極差分析數據可知，葉輪葉片數A、葉輪安裝高度B、葉輪出口寬度C對水泵揚程、水泵效率和水泵軸功率影響的主次順序不同，得到的三組較優參數組合均不一致，因此需要采用加權綜合評分法確定水泵綜合指標對CFD仿真數據進行相應的極差處理，進而確定葉輪葉片數A、葉輪安裝高度B及葉輪出口寬度C的較優參數組合。揚程是衡量水泵性能的最重要的指標，水泵揚程過低會造成發動機過熱、導致發動機無法正常工作，水泵揚程過高會造成發動機過冷、導致發動機油耗過高；水泵的效率和水泵軸功率的高低會直接影響發動機的油耗。綜合考慮，將水泵揚程、水泵軸功率和水泵效率的加權系數分別設定為0.6、-0.2、0.6。對CFD正交仿真分析所得的數據進行相應的計算和加權評分處理，然后按照單項仿真指標的方法進行極差分析，極差分析結果如表6所示。

擬合所得多項式回歸方程的相關系數RR=0.9864，說明上述所得的擬合方程的精度可以滿足CFD仿真分析要求，并能較真實的表達葉輪直徑對水泵綜合性能的影響規律。利用數據處理軟件，繪制CFD仿真所得數據點和仿真范圍內回歸方程的多項式擬合曲線，如圖1所示。從多項式擬合曲線可知，在CFD仿真分析所用的葉輪參數范圍內，隨著葉輪直徑的增加，水泵綜合指標先升高后降低，并且在葉輪直徑為47.25mm時，水泵的綜合指標最優。因此，可將葉輪直徑定為47.25mm進行后續的CFD仿真分析及試驗驗證。

使用數據處理軟件對加權后所得的數據進行多項式擬合，建立綜合指標ψ與葉輪直徑D之間的多項式回歸方程：

2 CFD正交仿真分析

本次CFD仿真分析是在水泵轉速n=7980rpm、流量Q=135L/min、葉輪直徑為47.25mm的條件下，以水泵揚程、水泵效率和水泵軸功率為CFD仿真分析指標，對葉輪葉片數、葉輪出口寬度和葉輪安裝高度進行正交試驗的CFD仿真分析，仿真分析的各因素水平編碼表如表4所示，選用L9(34)正交表，并且將葉輪葉片數A、葉輪安裝高度B、葉輪出口寬度C分別安排在正交表的第1、2、4列，第3列選為空白列，CFD正交仿真分析的方案及仿真分析結果如表4所示。

2.1 CFD正交仿真分析的設計

為了研究葉輪葉片數A、葉輪安裝高度B、葉輪出口寬度C對水泵性能的影響主次順序，并得到三個因素的較優參數組合，對表4所示的正交仿真分析結果進行極差分析，極差分析結果如表5所示。

本仿真分析是基于正交試驗的設計思路，以葉輪直徑單因素CFD仿真試驗確定的葉輪直徑為基礎，驗證葉輪葉片數、葉輪出口寬度及葉輪安裝高度三因素對水泵各性能指標影響程度的主次順序和影響的顯著性，并且得到葉輪葉片數、葉輪出口寬度及葉輪安裝高度的較優參數組合，為水泵葉輪的設計提供科學的依據。

2.2 CFD正交仿真分析數據處理

本次CFD正交仿真分析以水泵揚程H、水泵軸功率P和水泵效率η為衡量水泵性能的指標，選取對水泵性能影響較大的葉輪葉片數A、葉輪安裝高度B及葉輪出口寬度C作為CFD仿真分析的因素進行三因素三水平的CFD正交仿真分析，根據單因素CFD仿真分析的結果將葉輪直徑定為47.25mm。CFD正交仿真分析因素水平編碼表如表3所示。

梔子苷對照品（批號：110749-201410，純度：≥100%）、芍藥苷對照品（批號：110736-201438，純度：≥96.4%）、丹皮酚對照品（批號：110708-201407，純度：≥99.9%）均購自中國食品藥品檢定研究院；甲醇、乙腈均為色譜純，其余試劑均為分析純，水為一級純化水。

ψ=2.785D

-407.14D

+19823D-321370

由正交仿真分析加權綜合評分值的極差分析結果可知，葉輪的較優參數組合為葉輪葉片數為9、葉輪安裝高度為0.8mm、葉輪出口寬度為10.5mm。可通過制作手工葉輪及水泵進行臺架試驗進行試驗驗證。

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3 驗證試驗

由CFD正交仿真分析可以得到葉輪的較優參數，但是考慮到CFD仿真分析結果與實際試驗結果的差異性，為了使設計的葉輪性能更加可靠可信，需要在CFD正交仿真分析得到的葉輪較優參數下制作相應的葉輪及水泵進行性能試驗驗證。試驗驗證結果：水泵轉速n=7980rpm、流量Q=135L/min、水泵揚程139.5kPa、效率41.29%。該試驗結果在預期范圍內，且滿足客戶對水泵性能的需求。

4 試驗結論

利用CFD仿真分析的方法、結合《試驗設計與數據處理》中的單因素試驗方法及正交試驗方法的思路，根據客戶給的發動機正常工作的性能參數進行葉輪設計，從極差分析中得到葉輪的最佳參數，制作相應的葉輪及水泵進行性能試驗進行試驗驗證，確認仿真分析的數據可靠且滿足客戶的需求。該設計方法成本低、效率高，為汽車發動機離心泵葉輪的設計提供了科學的依據。

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