浅议发动机水泵汽蚀现象及预防措施

刘晓明，陈开超

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

浅议发动机水泵汽蚀现象及预防措施

刘晓明，陈开超

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

气蚀现象在水泵的工作环境下经常发生。发动机水泵汽蚀现象会导致水泵流量下降，噪声激增，输出流量和压力剧烈波动，系统无法稳定地工作。可以从很多方面改善发动机水泵气蚀，例如水泵本身结构设计，发动机水道结构设计，整车冷却系统结构设计等等均可改善发动机水泵气蚀现象。本文主要讨论气蚀发生的原因、现象以及从几个方面改善的措施，最重要的是从冷却系统结构设计改善水泵的气蚀现象。合理的冷却系统配置和布置能够有效避免发动机水泵的汽蚀现象。目前卡车冷却系统大多采用闭式强制冷却系统，其主要依靠压力盖来实现。压力盖可以提高冷却系统内压力，合适的压力盖开启压力能够有效抑制发动机水泵的汽蚀现象，保证发动机水泵的正常工作，同时能够消除汽蚀现象引起的高频压力冲击产生的噪声。

闭式强制冷却系统；压力盖开启压力；水泵；汽蚀

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-132-06

引言

水泵在发动机工作中起到冷却系统原动力的作用。发动机工作中缸内产生的热量不可能全部利用，除去做功，一部分排放在大气中，另一部分随冷却液被带走。发动机水泵在正常工作时，由于局部静压低于冷却液所处温度下的汽化压力时，就会产生局部沸腾现象，进而出现汽蚀现象。对发生汽蚀的水泵进行拆解时可以发现叶轮入口边附近有麻点和蜂窝状的破坏，严重时整个叶片和前后盖板都有这种现象。汽蚀现象会导致水泵流量下降，噪声激增，输出流量和压力剧烈波动，系统无法稳定地工作。合理的冷却系统配置和布置能够有效避免发动机水泵的汽蚀现象。

1、水泵汽蚀产生机理

1.1 汽蚀现象的产生

1.1.1 汽蚀现象

汽蚀，是由水的汽化所引起的。汽化，就是水由液态转化为气态的过程。液体汽化时的压力为液体的汽化压力（饱和蒸汽压力），液体汽化压力的大小和温度有关。温度越高，由于分子运动更为激烈，其汽化压力越大。20℃常温清水的汽化压力为233.8Pa,而100℃水的汽化压力为101296Pa（1个大气压）。所以常温（20℃）清水当压力降为233.8Pa时，就开始汽化。可见，在一定温度下，压力是促进液体汽化的外界因素。

液体在一定温度下，降低压力至该温度下的汽化压力时，液体便产生气泡。这种产生气泡的现象，就称为汽蚀。但是气泡内的气体，实际上不完全是蒸汽，还包括着以溶解成核的形式存在的气体（主要是空气）。液体中溶解的气体，由于扩散而进入气泡中，将助长气泡的成长。

汽蚀时产生的气泡，流动到高压处时，其体积减小以致破灭。这种由于压力上升气泡消失在液体中的现象，称为汽蚀溃灭。

1.1.2 水泵内的汽蚀过程

发动机水泵不停的运转，在这过程中，若其过流部分的局部区域内（通常是叶轮叶片进口稍后的某处，即离心泵叶片叶端的告诉减压区），因为液体流动性及叶轮旋转的速度变化，抽送液体的绝对压力降低到当时温度下的液体汽化压力时，液体便在该处开始汽化，产生大量蒸汽，形成气泡空穴；当含有大量气泡的液体，向前经过叶轮内的高压区时，气泡周围的高压液体致使气泡急剧缩小以致破裂；在气泡凝结破裂同时，液体质点以很高的速度填充空穴，在此瞬间产生很强烈的水击作用，并以很高的冲击频率，打击金属表面，冲击应力可达数百至数千个大气压，冲击频率可达数万次/s，严重时会将壁厚击穿。

在水泵中产生气泡和气泡破裂，使过流部件遭受到破坏的过程，就是水泵中汽蚀过程。

1.1.3 汽蚀发生的阶段

汽蚀的发生，可以分为以下阶段：

1.1.3.1 初生阶段，用肉眼或其他手段检测出汽蚀的发生；

1.1.3.2 发达阶段，初生阶段进一步发展，成为激烈发生的阶段；

1.1.3.3 终结阶段，由于压力上升，汽蚀消失的阶段。

1.1.4 汽蚀发生的类型

汽蚀分为以下四种类型：

1.1.4.1 游离汽蚀----在流动的液体中产生气泡，同时在液体中成长，到高压处而溃灭。

1.1.4.2 固定汽蚀----在置于流动中的物体表面或流道边壁上形成空穴，并附着于壁面之上。

1.1.4.3 漩涡汽蚀----在漩涡中低压部分发生空穴，在螺旋桨翼端发生汽蚀。

1.1.4.4 振动汽蚀----在大幅度、高频压力脉动液体中发生汽蚀。

1.2 水泵汽蚀的危害

1.2.1 水泵汽蚀的危害

1.2.1.1 产生噪声和振动。由于水泵汽蚀时，气泡在高压区连续发生突然破裂，而产生噪声和振动。根据噪声，可以检测汽蚀的初生。但是想把这种汽蚀噪声与周围环境发动机运转及附件传动机构产生的噪声、发动机内部因水流冲击而产生的噪声区分开来，定量的确定其程度，相当困难。

1.2.1.2 过流部件的腐蚀破坏。水泵长时间在汽蚀条件下工作时，水泵过流部件的某些地方，会遭到腐蚀破坏。这是因为气泡在凝结时，金属表面受到像利刃的高频（600HZ～25000HZ）强烈冲击，压力达到49MPa。在冲击压力的多次反复作用下，金属表面疲劳破坏，如若气泡内夹杂某种活性气体（如氧气等），它们借助气泡凝结时放出的热量（局部温度可达到（200℃～300℃），还会形成热电偶，产生电解，形成电化学腐蚀作用，更加速了金属剥蚀的破坏速度。水泵汽蚀的特征，首先在金属表面形成许多细小的麻点，进而发展成海绵状，然后逐渐扩大成洞穴，严重的汽蚀可以在表面形成大片的凹坑。

汽蚀破坏的部位，正是在气泡消失的地方。所以常常是在叶轮出口和压水室进口部位发现破坏痕迹。而汽蚀的发源地，是在叶轮进口处。欲根治汽蚀，必须防止在叶轮进口产生气泡。

性能下降。水泵汽蚀时，叶轮内液体的能量交换受到干扰和破坏，在外特性上表现是流量-扬程曲线、流量-轴功率曲线、流量-效率曲线下降，严重时会使水泵中的液流中断，不能工作。应当指出，水泵发生汽蚀的初生阶段，特性曲线并无明显变化，有时因产生的气泡覆盖过流部位表面，形成光滑层而使水泵效率稍有提高。水泵的特性曲线出现明显变化时，汽蚀现象已经发展到一定程度。

不同比转速的水泵，由汽蚀引起的性能下降的形式不同，低比速泵由于叶片间流道狭窄，故一旦发生汽蚀，气泡易于充满整个流道，因而性能曲线呈突然下降形式。随着比转速增大，叶道向宽而短的趋势变化，因为气泡从发生发展到充满整个流道，需要一个过渡过程，相对应的水泵特性曲线开始是缓慢下降，之后增加到某一流量时，才表现为急剧下降。

1.2.2 水泵汽蚀实例分析

某水冷发动机出现的一例水泵气蚀（见图2、图3）。其中，图2为平衡孔气蚀示意图，图3为叶轮贴合泵体位置的气蚀示意图。

此结构水泵的平衡孔，是水泵进水与出水间起平衡压力作用的孔，气蚀一般发生在压差较大的地方，因此水泵在长时间使用过程中平衡孔出现气蚀为正常现象，严重的甚至有更大面积的击穿现象。

图3所示叶轮贴合泵体位置所出现的气蚀现象较为严重。从水泵的原理来说，水泵叶轮高速旋转，将进水腔内的水甩向出水腔完成泵水功能。如图4所示水泵中水流方向，水自进水口经叶轮旋转带入出水腔，而图4中所示涂覆部位正是叶轮入口处，叶轮入口处是压强最低的地方，如果这个地方液体的压强等于或低于在该温度下液体的汽化压强Pv（水的汽化压强在80℃为47.36kPa），就会有蒸汽及溶解在液体中的气体从液体中大量逸出，形成许多蒸汽与气体混合的小气泡。这些小气泡随着液体流到高压区时（出水腔），由于气泡内是汽化压强，而气泡周围的压强大于汽化压强，产生了压差，在压差的作用下，气泡受压破裂而重新凝结，在凝结的过程中，液体质点从四周向气泡中心加速运动，在凝结的一瞬间，质点互相撞击，产生很高的局部压强。而这些气泡的破裂凝结发生在水泵体与叶轮接触的表面，加上水中活泼气体（如氧等）加速了泵体表面的破坏，造成水泵的严重气蚀，水泵在气蚀状态下工作时，发生气蚀的部位很快就被破坏成蜂窝状或海绵状（见图5）。

1.3 汽蚀余量及计算

由于叶轮机械中流体运动的复杂性，很难从理论计算出流场中何处可能出现汽蚀，再加上汽蚀现象不仅仅取决于流体的流动特性，还取决于流体本身的热力学性质，所以更难从理论上提出汽蚀发生的判据。水泵的汽蚀余量概念，既是其中的重要判据之一，其既有一定的理论意义，又是产品验收的标准之一。

1.3.1 汽蚀余量

水泵发生汽蚀的条件，是由水泵本身和吸入装置两方面决定的。因此，研究汽蚀发生的条件，应从水泵本身和吸入装置双方来考虑。则水泵汽蚀余量有两个概念：

其一是与安装方式有关，称为有效的汽蚀余量NPSHa,是指水流经吸入管路，到达水泵吸入口后，所余的高出临界压力能头的那部分能量，是可以利用的汽蚀余量，属于“用户参数”；

其二是与水泵本身有关，称必须的汽蚀余量NPSHr，是流体由水泵吸入口志压力最低处的压力降低值，是临界的汽蚀余量，属于“厂方参数”。

1.3.2 水泵汽蚀的基本关系为

式中，NPSHa-装置汽蚀余量，又叫做有效汽蚀余量，越小越不容易汽蚀；

NPSHr-水泵汽蚀余量，又叫做必需的汽蚀余量，或水泵进口动压降，越小抗汽蚀性能越好；

NPSHc-临界汽蚀余量，是指对应水泵性能下降一定值的汽蚀余量；

[NPSH] -许用汽蚀余量，是确定水泵使用条件用的汽蚀余量，通常取[NPSH] =（1.1～1.5）NPSHc。

1.3.3 装置汽蚀余量对水泵汽蚀的影响

要确保水泵在运行中不汽蚀，必须在安装上保证NPSHa≥K×NPSHr（K为安全裕量）。

水泵的装置水管过长，水管弯头过多，似的装置汽蚀余量NPSHa过小，易于使水泵产生汽蚀现象，更加说明水泵的安装方式对装置汽蚀余量的影响很大。

1.3.4 水泵汽蚀余量的确定

水泵汽蚀余量NPSHr只与泵进口部分的运动参数相关，运动参数在一定转速和流量下，是由几何参数据定的，即水泵汽蚀余量是由水泵本身（吸水室和叶轮进口部分的几何参数）决定的。对既定的水泵，不论采用何种液体（除粘性很大，影响速度分布外），在一定转速和流量下流过水泵进口，因速度大小相同，故均有相同对的压力降，水泵汽蚀余量相同，所以水泵汽蚀余量和液体性能无关（不考虑热力学因素）。水泵汽蚀余量越小，表示压力降低，因而水泵的抗汽蚀性能越好。

水泵的汽蚀余量的计算公式为：

C—汽蚀比转速，为一个常数

N—转速（r/min）

Q—泵流量（m³/s）

NPSHr—汽蚀余量（m）

C值可作为汽蚀相似准数，并标志抗汽蚀性能的好坏。C值越大（相应的NPSHr值越小），水泵的抗汽蚀性能越好。不同流量对应不同的C值，所以C值通常是指最高效率工况下等的值。根据C值得大概范围，某发动机水泵汽蚀比转速为1000。

当转速为6000r/min，Q=100L/min时，根据计算公式可得出NPSHr=1.35m；

当转速为3000r/min，Q=40L/min时，根据计算公式可得出NPSHr=0.33m；

因此，发动机水泵转速越高，介质流量越大，则NPSHr越大，汽蚀现象就愈加明显。

2、发动机水泵汽蚀预防措施研究

2.1 整车冷却系统布置对汽蚀的影响

当冷却系统冷却液在某温度下的压力低于该温度下对应的汽化压力时，冷却液会迅速汽化，产生大量蒸气气泡。这些气泡在由发动机水泵的低压区进入高压区时，蒸气气泡因承受不了高压而破灭，产生局部的液压冲击，发出噪声并引起噪声，当附着在金属表面上的气泡破灭时，它所产生的局部高温和高压会使金属剥落，使表面粗糙，或出现海绵状的小洞穴，这种现象称为水泵汽蚀。

由于实际流体具有粘性，流动过程中变形运动产生内摩擦力，机械能不断地转化成热能而损失，机械能向热能转化符合能量守恒定理，但该过程是不可逆的。实际流体一般满足下述方程：

该方程为实际流体元流的伯努利方程，它要求三个条件：

常密度流体的恒定流动；

质量力仅含重力；

断面1-1和2-2是同一元流的两个断面；

其中U、P、Z、hw分别指流体流速、静压、位置高度及总水头损失。

设定上图1、2两点对应的流体速度、静压、位置高度分别为U1、P1、Z1、U2、P2、Z2，并设定从1点到2点流体总水头损失为hw。

依据实际流体元流的伯努利方程，当水泵前冷却液静压P2小于该温度下冷却液对应的汽化压力P气时，便会产生局部汽化现象，严重时便会发生水泵汽蚀现象。

2.2由水泵台架试验确定压力盖开启压力

下图为发动机冷却系统布置图，最高处布置膨胀水箱，通过向膨胀水箱加压缩空气模拟压力盖泄压阀。

具体试验方法如下：

根据试验方案需要布置整车冷却系统。试验需要模拟节温器，并且节温器的开度要求≥8mm。冷却水采用防冻液。向膨胀水壶内加压缩空气，在通向膨胀水箱压力处安装调节压力阀，通过操作压力阀来控制膨胀水箱压力。膨胀水箱口盖需要处于常开的状态。

当膨胀水箱内部压力达到要求点，记录膨胀水箱的压力和水泵前压力，并且同时记录散热器的流量。试验工况需要依据发动机额定转速制定（下面举自产4DA1国四为例）：

表1 4DA1发动机试验工况

起动发动机，直至发动机达到要求的转速和出水温度，测量膨胀水箱和水泵前压力和流量，逐渐增加膨胀水箱压力，直到散热器的流量达到最大的流量100%，记录全部试验测量数据，找出发动机最大流量的97%的工况点。

从相关试验数据得出，出水温度84℃时，发动机转速在3600rpm时，水泵前为10kPa，膨胀水壶压力为33kPa时不发生汽蚀，图8为出水温度为84℃的气蚀特性图。

从相关试验数据得出，出水温度100℃ ，转速3600rpm时，为避免发生汽蚀，需要的最大膨胀水壶压力为97.9kPa，图8为出水温度为100℃的气蚀特性图。

从相关试验数据得出，出水温度110℃，转速3600rpm时，为避免发生汽蚀，需要的最大膨胀水壶压力为109kPa，图8为出水温度为110℃的气蚀特性图。

所以建议冷却系统压力盖泄压阀定义在110kPa及以上。

2.3 优化冷却系统布置防止水泵汽蚀

2.3.1减小流体总水头损失（总水头损失包括沿程损失及局部损失）

（1）由流体力学沿程损失达西公式：

其中：l为管路长度；

d为管路内径；

V为流体截面平均流速。可见，减小管路长度、增大管路内径、减小流利流速能够减小管路沿程损失。

（2）由流体力学可知局部损失通用公式为：

其中：ζ为局部损失系数，一般由试验测定，其取决于流道的局部形状变化和雷诺数；

V为参考断面的平均流速。

可见避免管路的突然变形、增大折弯半径、减小流体流速都能够减小管路流体局部损失。

2.3.2 提高水泵前静压

大多数发动机冷却系统布置，压力盖布置在散热器最高点，由于散热器及管路流阻，会导致水泵前静压较低，当发动机水温较高且处于高原地带时，可能引起水泵前静压低于其水温下对应的汽化压力而出现局部沸腾现象，从而使水泵工作条件恶劣甚至出现汽蚀现象。

采用冷却系统加装膨胀水箱（带压力盖）结构，同时其补水管连接在水泵前，可以显著提高水泵前压力，有效预防水泵汽蚀现象。其管路布置如下图所示：

另外还可以通过如下方式来避免水泵汽蚀现象：

2.3.2.1 优化发动机水泵内部结构，减小其必须汽蚀余量；

2.3.2.2 尽量减小散热器下水口距离水泵进水口高度差。

3、结论

本文讲述了发动机水泵汽蚀现象产生的机理，同时阐述了如何通过水泵台架试验确定压力盖开启压力，通过流体力学理论公式确定管路优化措施的方法从而有效避免水泵的汽蚀现象。水泵汽蚀现象的消除能够保证冷却系统能够正常、可靠的工作，因而本篇内容对于冷却系统设计具有一定的指导意义。

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根据前期同步工程的开展，将新产品进行装配工艺仿真分析制定出新的装配工艺流，并且在装配过程中对工具进行了现行，因此数字化软件按规划的工艺流编制出工艺文件。大多数汽车厂商的生产制造线布局混乱、装配工时不平衡，这些因素都是影响产能提升的主要原因。汽车厂为不影响生产只能进行性小范围的调整但不能整体的解决问题。数字化制造通过产品和厂房的三维数模利用进行生产平衡分析，线旁物料定置分析，然后进行合理的调整已提升产能，并且不影响生产。

4.4 工艺工程管理

传统的工艺管理是设计在产品设计完成后、工艺编制作业指导书下发车间，然后进行装配，出现装配问题时然后反馈设计进行更改，这种流程极大的浪费的制造成本，存在许多的产品设计问题和工艺设计问题，而且延长了新产品的上市时间。数字化工程通过前期的同步开发及工艺的工艺规划的减少了产品的设计问题，缩短了产品的上市时间。

5、结束语

汽车制造行业一直是国内先进制造技术应用的聚集地，这些企业有较好的制造设备条件和IT 应用基础，它们率先实施数字化制造既是大势所趋，也是形势所迫，汽车制造业要增强创新能力，就离不开产品设计的数字化、工艺规划的数字化和生产管理的数字化；市场竞争促使企业从传统制造模式向数字化制造模式转变，在产品越来越复杂、生产设备和制造系统日趋复杂和昂贵的情况下，只有引入数字化制造技术中的虚拟验证功能，并通过定量的手段来分析和优化制造工艺，才能保证在可制造的前提下，实现快速、低成本和高质量的制造。

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On the engine water pump cavitation and preventive measures

Liu Xiaoming, Chen Kaichao
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

cavitation phenomenon occurs frequently .the cavitation of engine pump causes the pump floe decreased ,the increase of noise,the pressure fluctuation,so the system can't work .we could improve the pump cavitation in many ways, for explme, design of water pump structure / design of engine water fluid/ design of colling system.this paper mainly discusses the reason ,the cavitation phenomenon,improvement measuies from severl ways,the most important is the cooling system to improve cavitation phenomenon. Most of modern truck assemble closed enforced coolant system, it is achieved by press cap. The press cap can enhance the coolant system pressure, also applicable gating pressure of the press cap can repress pump cavitation of the engine water pump to assurance normal work of the water pump, but also it can eliminate high-frequency noise by the pump cavitation.

closed enforced coolant system；gating pressure of the press cap；water pump；pump cavitation

U464

A

1671-7988(2015)02-132-06

刘晓明，就职于江淮汽车技术中心商用车研究院。