汽車水泵效率優化探究范文
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摘要：本文以某柴油機冷卻水泵作為研究對象，針對實際測試時軸功率高、效率低且在售后有汽蝕等現象，進行優化分析和試驗驗證，降低軸功率，提升效率和抗汽蝕性能。
關鍵詞：冷卻水泵；效率優化；分析試驗；驗證
0引言
在冷卻系統中水泵是中心部件，為整個冷卻系統提供動力源，對冷卻液加壓，強制冷卻液在冷卻系統中循環，從而達到冷卻效果，在行業內被喻為發動機冷卻系統的“心臟”。
汽車水泵廣泛使用結構簡單、尺寸小、排量大、重量輕且工作可靠的離心式水泵，一般由水泵殼體、軸承、水封、葉輪、法蘭、皮帶輪及其連接螺栓等部件構成。其工作原理是水泵皮帶輪利用帶傳動、齒輪傳動等輪系結構，在發動機曲軸皮帶輪驅動下轉動，使水泵葉輪旋轉，迫使葉輪入口處的冷卻液進入葉輪，進入葉輪中的冷卻液在葉輪驅動下隨葉輪一起運動，并在離心力的作用下沿著葉輪的葉道被甩向葉輪的邊緣位置，在葉輪出口位置處被壓水室所收集，從出水管流出，強迫進入冷卻水腔；同時，在葉輪中心部位由于冷卻液被甩出而形成低壓區域，散熱器中的冷卻液在壓力差的作用下，經進水口不斷的流入到葉輪中心，從而使冷卻液在冷卻系統中往復循環，加上電子風扇的風冷降溫，完成對發動機的冷卻任務。
2影響水泵效率和汽蝕的因素
由于冷卻水泵的周圍都會有很多個零部件，且其結構必須服從發動機的整體布置要求，因此水泵的進出水流道、渦流室的形線和截面形狀、水泵的進出水口布置、葉輪的外形等基本尺寸的確定等不能滿足正常的水力設計要求，從而會對水泵的性能及效率和汽蝕有一定影響。水泵的性能與葉輪的外徑、出口寬度、出口角有關，一般葉輪直徑越大、出口寬度、出口角度越大水泵的性能越高，但隨著水泵性能的提升，水泵的軸功率也急劇增加，從而使水泵效率降低，因此合理的布置邊界是很重要的，既要滿足水泵的性能，又要盡可能的降低軸功率，提升水泵的效率。水泵的汽蝕主要與水泵進口處的壓力有關，進口負壓是造成水泵汽蝕的主要原因，因此要改善汽蝕需要從根本上解決液體的流動沖擊帶來的負壓，但水泵的進水口徑因為受發動機冷卻系統的邊界限制，大多不能改變，此時需要對葉輪進行優化設計，如開式葉輪或半開式葉輪改進為閉式葉輪，調整結構使葉輪處于流道的合理位置等，可以提升水泵的性能和效率，同時減少沖擊損失，從而使抗汽蝕能力進一步提升。
3制定優化方案
3.1葉輪優化葉輪的結構形式分為開式、半開式和閉式三種。根據不同的使用邊界選擇合適的結構，與流道進行匹配。根據客戶的要求，盡量不改變或小的改變（如現生產基礎補充加工）來實現同時滿足兩個系列水泵性能前提下，盡可能的提升水泵效率，降低汽蝕風險。通過理論計算，及應用CFturbo設計分析，要達到客戶要求的水泵轉速3400r/min下流量600L/min時，水泵揚程達到21m，葉輪直徑需要122mm～134mm之間才能達到效率最優。在保持現有葉輪直徑保持115mm，水泵座連接尺寸不變的前提下，水泵葉輪設計要滿足現有的性能要求，水泵葉輪形線仍須采用雙曲率結構的S型葉片，但葉片出口后彎曲率減小，且出口逐漸修薄，使葉片的形狀更符合流體流動性能，降低水泵消耗功率；葉輪葉片的進口部位向軸中心前伸，使葉片可以較早接觸液體并使液體進入葉道做功，可以有效提升水泵的性能，降低沖擊損失。
3.2總成結構布置優化對現有水泵結構詳細分析，發現前期設計還有優化的空間，如改變葉輪在流道中的位置，使葉片完全處于流道中，葉輪充分做功，提升水泵的性能，葉輪優化為閉式葉輪后，修改泵座與葉輪配合的間隙，有效提升容積效率，降低損失，提升水泵效率，同時使液體流動的更平穩，從而降低汽蝕產生的概率。
4理論仿真分析
在實際應用中，設計方案確定后，需要對設計方案進行理論仿真分析，并不斷進行優化，然后確定設計方案再進行試驗驗證，最終凍結設計方案并投入生產。對性能和汽蝕的計算主要是利用Creo進行方案設計和模型處理，然后使用Pumplink軟件對流體進行仿真分析。
4.1確定計算邊界根據實際試驗邊界，對計算邊界的進水口和出水口等進行確認。
4.2進行網格劃分根據計算的要求，對計算邊界進行網格劃分，網格大小與計算精度有關，一般選擇最小1mm的單元即可滿足泵的流體分析要求。
4.3對計算邊界進行參數選定分析對象選擇離心式水泵，添加湍流和空化條件。流體方程選擇k-ε湍流方程，空化選擇對液體施加固定的氣體百分數。其中數值方法和參數為了便于工程師的參數設定，結合實際應用軟件定制為默認值。在進行CFD理論分析時，根據不同的需要對流體的參數進行定義，流體根據試驗情況定義為清水，介質溫度為80℃，同時將此溫度下的動力粘度系數、汽化壓力等進行定義，水的物理性能見表1，僅摘錄部分參數供參考。水泵的進口定義為壓力入口，且選進口總壓，定義為一個大氣壓，即101325Pa，水泵的出口定義為體積流量，輸入性能指標要求的流量150L/min和64L/min時對應的轉速7200r/min和3600r/min分別進行計算。
4.4使用pumplink對計算邊界進行計算并進行后處理參數和邊界選定后，設置迭代次數，即可開始自動求解。求解完成后可以對流體進行壓力、流速等分別進行顯示和讀取數據，并使結果已云圖或流場的方式顯示，通過計算的結果顯示可以判定出流體的穩定性，一般壓力最低點應為進口部位，最高點應為出口部位，若在流體中間出現大量高壓區，甚至大于出口壓力，則說明流體發生了阻塞，在高壓區域需要進行改進；流體域內液體的流速應從葉輪入口部位到葉輪出口部位有顯著的增加，在流道擴散管道處有明顯的減小趨勢。通過流場分析可以觀察液流在流體域的流動情況，進而分析優化，改善流場，使液體流動更順暢。
4.5整理計算結果
對計算結果進行數據整理，并進行單位換算。
5試驗驗證
根據方案制作快速成型樣件并根據JB/T8126.2相關要求進行試驗驗證，3#水泵為現生產件，1#、2#為改進件。6結束語本文通過企業實例的改進簡單闡述了汽車水泵性能和汽蝕改進的基本理論方法，介紹了理論仿真軟件的應用，以及和實驗驗證結果相比對的最終凍結方案的方法，縮短了開發周期，為企業節約了試制成本。
作者：蔣和團 單位：河南省西峽汽車水泵股份有限公司
