汽车水泵效率优化探究范文
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摘要：本文以某柴油机冷却水泵作为研究对象，针对实际测试时轴功率高、效率低且在售后有汽蚀等现象，进行优化分析和试验验证，降低轴功率，提升效率和抗汽蚀性能。
关键词：冷却水泵；效率优化；分析试验；验证
0引言
在冷却系统中水泵是中心部件，为整个冷却系统提供动力源，对冷却液加压，强制冷却液在冷却系统中循环，从而达到冷却效果，在行业内被喻为发动机冷却系统的“心脏”。
汽车水泵广泛使用结构简单、尺寸小、排量大、重量轻且工作可靠的离心式水泵，一般由水泵壳体、轴承、水封、叶轮、法兰、皮带轮及其连接螺栓等部件构成。其工作原理是水泵皮带轮利用带传动、齿轮传动等轮系结构，在发动机曲轴皮带轮驱动下转动，使水泵叶轮旋转，迫使叶轮入口处的冷却液进入叶轮，进入叶轮中的冷却液在叶轮驱动下随叶轮一起运动，并在离心力的作用下沿着叶轮的叶道被甩向叶轮的边缘位置，在叶轮出口位置处被压水室所收集，从出水管流出，强迫进入冷却水腔；同时，在叶轮中心部位由于冷却液被甩出而形成低压区域，散热器中的冷却液在压力差的作用下，经进水口不断的流入到叶轮中心，从而使冷却液在冷却系统中往复循环，加上电子风扇的风冷降温，完成对发动机的冷却任务。
2影响水泵效率和汽蚀的因素
由于冷却水泵的周围都会有很多个零部件，且其结构必须服从发动机的整体布置要求，因此水泵的进出水流道、涡流室的形线和截面形状、水泵的进出水口布置、叶轮的外形等基本尺寸的确定等不能满足正常的水力设计要求，从而会对水泵的性能及效率和汽蚀有一定影响。水泵的性能与叶轮的外径、出口宽度、出口角有关，一般叶轮直径越大、出口宽度、出口角度越大水泵的性能越高，但随着水泵性能的提升，水泵的轴功率也急剧增加，从而使水泵效率降低，因此合理的布置边界是很重要的，既要满足水泵的性能，又要尽可能的降低轴功率，提升水泵的效率。水泵的汽蚀主要与水泵进口处的压力有关，进口负压是造成水泵汽蚀的主要原因，因此要改善汽蚀需要从根本上解决液体的流动冲击带来的负压，但水泵的进水口径因为受发动机冷却系统的边界限制，大多不能改变，此时需要对叶轮进行优化设计，如开式叶轮或半开式叶轮改进为闭式叶轮，调整结构使叶轮处于流道的合理位置等，可以提升水泵的性能和效率，同时减少冲击损失，从而使抗汽蚀能力进一步提升。
3制定优化方案
3.1叶轮优化叶轮的结构形式分为开式、半开式和闭式三种。根据不同的使用边界选择合适的结构，与流道进行匹配。根据客户的要求，尽量不改变或小的改变（如现生产基础补充加工）来实现同时满足两个系列水泵性能前提下，尽可能的提升水泵效率，降低汽蚀风险。通过理论计算，及应用CFturbo设计分析，要达到客户要求的水泵转速3400r/min下流量600L/min时，水泵扬程达到21m，叶轮直径需要122mm～134mm之间才能达到效率最优。在保持现有叶轮直径保持115mm，水泵座连接尺寸不变的前提下，水泵叶轮设计要满足现有的性能要求，水泵叶轮形线仍须采用双曲率结构的S型叶片，但叶片出口后弯曲率减小，且出口逐渐修薄，使叶片的形状更符合流体流动性能，降低水泵消耗功率；叶轮叶片的进口部位向轴中心前伸，使叶片可以较早接触液体并使液体进入叶道做功，可以有效提升水泵的性能，降低冲击损失。
3.2总成结构布置优化对现有水泵结构详细分析，发现前期设计还有优化的空间，如改变叶轮在流道中的位置，使叶片完全处于流道中，叶轮充分做功，提升水泵的性能，叶轮优化为闭式叶轮后，修改泵座与叶轮配合的间隙，有效提升容积效率，降低损失，提升水泵效率，同时使液体流动的更平稳，从而降低汽蚀产生的概率。
4理论仿真分析
在实际应用中，设计方案确定后，需要对设计方案进行理论仿真分析，并不断进行优化，然后确定设计方案再进行试验验证，最终冻结设计方案并投入生产。对性能和汽蚀的计算主要是利用Creo进行方案设计和模型处理，然后使用Pumplink软件对流体进行仿真分析。
4.1确定计算边界根据实际试验边界，对计算边界的进水口和出水口等进行确认。
4.2进行网格划分根据计算的要求，对计算边界进行网格划分，网格大小与计算精度有关，一般选择最小1mm的单元即可满足泵的流体分析要求。
4.3对计算边界进行参数选定分析对象选择离心式水泵，添加湍流和空化条件。流体方程选择k-ε湍流方程，空化选择对液体施加固定的气体百分数。其中数值方法和参数为了便于工程师的参数设定，结合实际应用软件定制为默认值。在进行CFD理论分析时，根据不同的需要对流体的参数进行定义，流体根据试验情况定义为清水，介质温度为80℃，同时将此温度下的动力粘度系数、汽化压力等进行定义，水的物理性能见表1，仅摘录部分参数供参考。水泵的进口定义为压力入口，且选进口总压，定义为一个大气压，即101325Pa，水泵的出口定义为体积流量，输入性能指标要求的流量150L/min和64L/min时对应的转速7200r/min和3600r/min分别进行计算。
4.4使用pumplink对计算边界进行计算并进行后处理参数和边界选定后，设置迭代次数，即可开始自动求解。求解完成后可以对流体进行压力、流速等分别进行显示和读取数据，并使结果已云图或流场的方式显示，通过计算的结果显示可以判定出流体的稳定性，一般压力最低点应为进口部位，最高点应为出口部位，若在流体中间出现大量高压区，甚至大于出口压力，则说明流体发生了阻塞，在高压区域需要进行改进；流体域内液体的流速应从叶轮入口部位到叶轮出口部位有显著的增加，在流道扩散管道处有明显的减小趋势。通过流场分析可以观察液流在流体域的流动情况，进而分析优化，改善流场，使液体流动更顺畅。
4.5整理计算结果
对计算结果进行数据整理，并进行单位换算。
5试验验证
根据方案制作快速成型样件并根据JB/T8126.2相关要求进行试验验证，3#水泵为现生产件，1#、2#为改进件。6结束语本文通过企业实例的改进简单阐述了汽车水泵性能和汽蚀改进的基本理论方法，介绍了理论仿真软件的应用，以及和实验验证结果相比对的最终冻结方案的方法，缩短了开发周期，为企业节约了试制成本。
作者：蒋和团 单位：河南省西峡汽车水泵股份有限公司
